Các hệ thống hỗ trợ định vị GPS đặt trên không gian đặc biệt hệ thống của Nhật Bản BZSS

LÊ ĐỨC HOÀNG PHƯƠNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ ĐỨC HOÀNG PHƯƠNG

KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ
TRUYỀN THƠNG

CÁC HỆ THỐNG HỖ TRỢ ĐỊNH VỊ GPS ĐẶT TRÊN KHÔNG GIAN,
ĐẶC BIỆT HỆ THỐNG CỦA NHẬT BẢN: QZSS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG

CH2011B
Hà Nội – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ ĐỨC HOÀNG PHƯƠNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy tính và truyền thơng

CÁC HỆ THỐNG HỖ TRỢ ĐỊNH VỊ GPS ĐẶT TRÊN KHÔNG GIAN,
ĐẶC BIỆT HỆ THỐNG CỦA NHẬT BẢN: QZSS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Tạ Hải Tùng

Hà Nội – 2014


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông

Lời Cam Đoan
Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu của tơi hồn tồn do tơi tự làm dưới sự hướng
dẫn của thầy giáo Tiến sỹ Tạ Hải Tùng. Những kết quả nghiên cứu, thử nghiệm
được thực hiện tại phòng nghiên cứu của trung tâm NAVIS trường đại học Bách
Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực
và chưa từng được cơng bố trong bất cứ cơng trình nào.
Các tài liệu tham khảo sử dụng trong luận văn đều được dẫn nguồn (có bảng thống
kê các tài liệu tham khảo) hoặc được sự đồng ý trực tiếp của tác giả.
Nếu xảy ra bất cứ điều không đúng như những lời cam đoan trên, tơi xin chịu hồn
tồn trách nhiệm trước Viện và Nhà trường.

Hà Nội, ngày tháng năm 2014
Tác giả

Lê Đức Hoàng Phương

1

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thơng

Lời Cảm Ơn
Để hồn thành khóa luận này, tơi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Tạ Hải Tùng đã
tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình viết khóa luận tốt nghiệp.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Viện Công nghệ Thông tin & Truyền
thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình
học tập và nghiên cứu khơng chỉ là nền tảng cho q trình nghiên cứu khóa luận mà cịn là
hành trang q báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin.
Tôi cũng trân trọng cảm ơn các bạn trong trung tâm nghiên cứu NAVIS trường đại
học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện đề tài.
Cuối cùng, tơi xin kính chúc Q Thầy cơ, Đồng nghiệp, Gia đình dồi dào sức khỏe và
thành cơng trong sự nghiệp cao quý.

Xin trân trọng cảm ơn!
Học viên

Lê Đức Hoàng Phương

2


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông
MỤC LỤC
Lời Cam Đoan ........................................................................................................... 1
Lời Cảm Ơn ............................................................................................................... 2
MỤC LỤC .................................................................................................................. 3
DANH SÁCH THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT......................................................... 5
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... 6

DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. 7
LỜI NĨI ĐẦU ........................................................................................................... 8
TỔNG QUAN VỀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN ................................................ 9
Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 10

1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS ............................................................... 10
1.1. Tổng quan hệ thống định vị toàn cầu GPS ...................................... 10
1.2. Cấu tạo của hệ thống GPS................................................................ 10
1.2.1. Phần không gian ............................................................................ 11
1.2.2. Phần điều khiển ............................................................................. 11
1.2.3. Phần người sử dụng....................................................................... 12
1.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống................................................... 12
2. Hệ thống hỗ trợ định vị QZSS ................................................................ 12
2.1. Tổng quan hệ thống.......................................................................... 12
2.2. Phân đoạn không gian ...................................................................... 13
2.3. Phân đoạn mặt đất ............................................................................ 15
2.4. Tín hiệu QZSS.................................................................................. 17
2.5. Tín hiệu sửa lỗi và nâng cao chất lượng định vị L1-SAIF ............. 18
2.6. Nguyên nhân gây ra sai số và bản tin hỗ trợ .................................... 21
Chương II: Ứng dụng dữ liệu QZSS nâng cao độ ................................................ 29
chính xác định vị GPS ............................................................................................. 29

1.Định vị khi chưa sử dụng tín hiệu hỗ trợ ................................................. 29
1.1. Khai phá tín hiệu QZSS (acquisition) .............................................. 29
3


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thơng

1.2.Bám tín hiệu QZSS ( tracking) ......................................................... 30

1.3.Giải mã bản tin .................................................................................. 32
2. Nâng cao chất lượng định vị sử dụng tín hiệu hỗ trợ L1 SAIF .............. 36
2.1. Nguyên tắc hỗ trợ nâng cao chất lượng ........................................... 36
2.2. Sửa lỗi đồng hồ ................................................................................ 40
2.3. Sửa lỗi vị trí vệ tinh .......................................................................... 40
2.4. Sửa lỗi tầng điện ly (IC) và sửa lỗi nhanh (FC) ............................... 44
Chương III: Kết quả đạt được ............................................................................... 49

1. Dị tín hiệu (acquisition) ......................................................................... 49
2. Bám tím hiệu (Tracking ) ........................................................................ 50
3.Ví trị bộ thu và các bản tin hiệu chỉnh ..................................................... 51
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 61

4


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông

DANH SÁCH THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT TẮT

TỪ NGUYÊN GỐC TIẾNG ANH

GIẢI NGHĨA

QZSS

Quasi-Zenith Satellite System

Hệ thống vệ tinh luôn nằm

JAXA

Japan Aerospace Exploration Agency

Cơ quan thám hiểm vũ trụ Nhật Bản

IF

Intermediate Frequency

Tần số trung gian

WAAS

Wide Area Augumentation System

Hệ thống dẫn đường diện rộng

SAIF

Submeter-class Augmentation with
Integrity Function

Tín hiệu do vệ tinh truyền đi

LEX

L-Band Experiment

Tín hiệu do vệ tinh truyền đi

MCS

Master Control Station

Trạm điều khiển

MS

Monitor Station

Trạm giám sát

TCS

Tracking Control Station

Trạm theo dõi kiểm soát

TMS

Time Management Station

Trạm quản lý thời gian

HEO

Highly-inclined Elliptical to the Earth

Quĩ đạo elip cao và nghiêng so với
trái đất

FEC

Fast Error Correction

Sửa lỗi nhanh

IC

Ionospheric Delay Correction

Trễ tầng điện ly

GPS

Global positioning system

Vệ tinh định vị toàn cầu

PRN

Pseudo Random number

Mã giả tạp âm giả ngẫu nhiên

SV

Space vehicle

Vệ tinh khơng gian

P

Precise

Chính xác

LBS

Location based service

Dịch vụ dựa trên vị trí

DGPS

Differential global positioning system

Hệ thống định vị vi phân toàn cầu

LADGPS

Local-Area Diffirential GPS

WADGPS

Wide-Area Diffirential GPS

5

Hệ thống định vị vi phân toàn cầu cục
bộ
Hệ thống định vị vi phân toàn cầu
diện rộng


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thơng

DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Vệ tinh Michibiki .................................................................................................... 14
Hình 2: Quĩ đạo vệ tinh theo dõi tại mặt đất ........................................................................ 15
Hình 3: Vị trí phân bố của các trạm mặt đất ........................................................................ 16
Hình 5: Cấu trúc bản tin SAIF ............................................................................................. 19
Hình 6: Sơ đồ xử lý tín hiệu................................................................................................. 29
Hình 7: Sơ đồ thuật tốn Acquisition .................................................................................. 30
Hình 8: Sơ đồ thuật tốn tracking ........................................................................................ 31
Hình 9: Các tham số Kepler và quỹ đạo vệ tinh .................................................................. 32
Hình 10: Vị trí vệ tinh trên mặt phẳng xích đạo .................................................................. 34
Hình 11:Sơ đồ thuật toán giải mã bản tin L1 SAIF[8] ........................................................ 39
Hình 12: Sơ đồ giải thuật tính giá trị hiệu chỉnh sai số đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh[8] ...... 43
Hình 13: Nội suy trong trường hợp có bốn điểm bao quanh Ipp ......................................... 47
Hình 14: Nội suy trong trường hợp có ba điểm bao quanh Ipp ........................................... 48
Hình 15: Kết quả PLL tracking............................................................................................ 50
Hình 16: Kết quả FLL tracking............................................................................................ 51
Hình 17 : Các vị trí bắt đầu preamble A .............................................................................. 52
Hình 18: Các vị trí bắt đầu preamble B ............................................................................... 52
Hình 19: Các vị trí bắt đầu preamble C ............................................................................... 52

Hình 20: Nội dung bản tin loại 2 nhận được ....................................................................... 52
Hình 21: Nội dung bản tin loại 3 nhận được ....................................................................... 53
Hình 22: Nội dung bản tin loại 4 nhận được ....................................................................... 54
Hình 23: Nội dung bản tin loại 25 nhận được ..................................................................... 54
Hình 24: Nội dung bản tin loại 26 nhận được ..................................................................... 55
Hình 25: Sự biến thiên giả khoảng cách khi có thơng tin hiệu chỉnh và khơng có thơng tin
hiệu chỉnh ứng của các vệ tinh............................................................................................. 58
Hình 26: Sai số định vị khi khơng sử dụng thông tin hỗ trợ và khi sử dụng thơng tin hỗ trợ
............................................................................................................................................. 59
Hình 27: Vị trí bộ thu ........................................................................................................... 59

6


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thơng

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Vị trí của trạm mặt đất............................................................................................ 16
Bảng 2 :Các tín hiệu QZSS .................................................................................................. 17
Bảng 3 :Các loại bản tin L1 SAIF........................................................................................ 20
Bảng 4: Cấu trúc bản tin 24 ................................................................................................. 22
Bảng 5: Cấu trúc của Partial Message với Velocity code bằng 0 ........................................ 23
Bảng 6: Cấu trúc của Partial Message với Velocity code bằng 1 ........................................ 23
Bảng 7: Cấu trúc bản tin loại 2-5 ......................................................................................... 25
Bảng 8: Cấu trúc bản tin loại 26 .......................................................................................... 26
Bảng 9: Phần bố PRN .......................................................................................................... 27
Bảng 10: Cấu trúc bản tin loại 52 ........................................................................................ 28
Bảng 11: Cấu trúc bản tin loại 53 ........................................................................................ 28
Bảng 12 : Các tham số Kepler ............................................................................................. 33
Bảng 13 : Cấu trúc channel_GPS ........................................................................................ 41

Bảng 14: Cấu trúc hàm IC_Calculator2 ............................................................................... 45
Bảng 15: Các giá trị sai số đồng hồ và vị trí vệ tinh ............................................................ 55
Bảng 16: Các giá trị FC tương ứng với vệ tinh.................................................................... 56
Bảng 17: Các điểm bao trên IGP ứng với vệ tinh PRN 2 và sai số tầng điện ly tương ứng 56
Bảng 18: Các điểm bao trên IGP ứng với vệ tinh PRN 10 và sai số tầng điện ly tương ứng
............................................................................................................................................. 57

7


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thơng

LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, thế giới thơng tin ngày càng phát triển một cách đa dạng và phong
phú. Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống càng tăng cả về số lượng và chất
lượng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành Viễn Thông càng mở rộng. Trong những năm
gần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc đáp ứng nhu
cầu đời sống, đưa con người nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa học kỹ
thuật. Cùng với việc phát triển của thông tin vệ tinh, các hệ thống định vị dẫn đường
phục vụ giao thông đi lại của con người ngày một phát triển, đã có rất nhiều hệ
thống vệ tinh định vị dẫn đường ra đời như: GPS của Mỹ, Glonass của Nga….Song
song với việc phát triển các hệ thống định vị dẫn đường cũng có rất nhiều hệ thống
hỗ trợ định vị đã ra đời như: WAAS của Mỹ, EGNOS của Châu Âu…. Trong số đó,
hệ thống hỗ trợ định vị của Nhật Bản QZSS đang được xây dựng và từng bước hồn
thiện. Hệ thống QZSS có vùng bao phủ rộng khắp trải dài từ Nhật Bản đến khu vực
Đông Nam Á và Châu Đại Dương, Việt Nam nằm trong vùng bao phủ của hệ thống
nên có khả năng thu được tín hiệu từ các vệ tinh QZSS. Hiện nay hệ thống vẫn đang
trong quá trinh xây dựng và thử nghiệm nên việc nghiên cứu về hệ thống và cách
thức truyền tín hiệu của hệ thống giúp cho chúng ta có thể khai thác được những
tiềm năng mà hệ thống mang lại, từ đó có thể xây dựng được các ứng dụng giao

thông, dẫn đường … phục vụ cho đất nước trong tương lai.
Trong luận văn này, tôi sẽ trình bày những vấn đề cơ bản về hệ thống định vị
toàn cầu, các giải pháp nâng cao chất lượng định vị và đặc biết là hệ thống hỗ trợ
định vị của Nhật Bản QZSS.

8


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông

TỔNG QUAN VỀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN
Tại Việt Nam hiện nay các hình thức giao thơng đang ngày một phát triển,
song song với sự phát triển đó địi hỏi phải có sự giám sát cho các phương tiện tham
gia giao thông. Trong một vài năm trở lại đây bộ giao thông vận tải yêu cầu nắp
thiết bị giám sát hành trình cho các phương tiện tham gia giao thơng, các thiết bị
giám sát này phần lớn phải nhập khẩu từ nước ngồi với chi phí rất cao. Việc
nghiên cứu các tín hiệu GPS quảng bá sẽ giúp cho chúng ta chế tạo được các thiết bị
giám sát hành trình với chi phí rẻ hơn và độ chính xác cao hơn. Hệ thống hỗ trợ
định vị của Nhật Bản QZSS đang được xây dựng và sẽ đưa vào sử dụng trong
tương lai. Việc nghiên cứu hệ thống và các tín hiệu mà hệ thống truyền đi có thể
giúp nâng cao độ chính xác trong việc định vị, từ đó có thể tích hợp và thiết bị giám
sát hành trình.
Với những yêu cầu trên, tôi sẽ thực hiện những nhiệm vụ sau trong luận văn:
 Về lý thuyết:
o

Tìm hiểu hệ thống định vị GPS.

o

Tìm hiểu hệ thống hỗ trợ định vị QZSS của Nhật Bản

 Về ứng dụng :
o Xây dựng ứng dụng phân tích tín hiệu thu được từ vệ tinh
Luận văn được chia làm 3 chương với nội dung sau:
- Chương 1: Cơ sở lý thuyết
-

Chương 2: Ứng dụng dữ liệu QZSS nâng cao độ chính xác định vị GPS

-

Chương 3: Kết quả đạt được

9


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông

Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS
1.1. Tổng quan hệ thống định vị toàn cầu GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống xác
định vị trí dựa vào các vệ tinh nhân tạo. Được thiết kế và quản lý từ đầu những năm
1970 bởi Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ, ban đầu GPS chỉ dành cho các mục đích quân
sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Hoa Kỳ cho phép phục vụ cho cả mục đích quân
sự lẫn dân sự. Hệ thống GPS hoạt động từ năm 1993 cung cấp thông tin định vị liên
tục 24 giờ một ngày ở mọi nơi trên thế giới dưới bất kỳ điều kiện thời tiết nào. Các
vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày (mỗi chu kỳ quỹ đạo
mất khoảng 11 giờ 58 phút) theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín

hiệu có thơng tin xuống trái đất. Các bộ thu GPS nhận thông tin này và
bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của mình.
Hệ thống GPS gồm một chịm sao 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự
trữ được phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn với đường kính 20138km và có
góc nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo. Để đảm bảo bao phủ khắp mọi nơi trên
trái đất, các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh phân bố
đều. Về mặt hình học, bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng thấy được từ 4 đến 10 vệ
tinh trong chịm sao vệ tinh GPS.
Các vệ tinh được ni bằng năng lượng mặt trời và có các nguồn pin
dự phịng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng khơng có ánh sáng. Các tên
lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
1.2. Cấu tạo của hệ thống GPS
Hệ thống định vị tồn cầu GPS bao gồm 3 phần:
-

Phần khơng gian – Space segement.

-

Phần điều khiển – Control segement.

-

Phần người sử dụng – User segement.

10


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông
1.2.1. Phần không gian

Phần không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh quay xung quanh trái đất hai
lần trong ngày với quỹ đạo rất chính xác. Độ cao của vệ tinh so với mặt đất xấp xỉ
20.200 km, chu kỳ quay là 11h57’58’’. Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo
là quỹ đạo tròn, 24 vệ tinh nhân tạo chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo. Mặt
phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ.
Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đến nay đã có
nhiều thế hệ vệ tinh khác nhau. Đó là các thế hệ vệ tinh Block I, Block II, Block
IIA, Block IIR, Block IIF và thế hệ mới nhất là Block III. Những vệ tinh thế hệ sau
được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt động lâu
hơn.
Nhiệm vụ chủ yêu của các vệ tinh là:
• Ghi nhận và lưu trữ thơng tin được truyền đi từ phần điều khiển
• Xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh
• Duy trì tính chính xác cao của thời gian bằng các đồng hồ ngun tử.
• Chuyển tiếp thơng tin đến người sử dụng.
• Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển từ mặt đất.
1.2.2. Phần điều khiển
Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của tồn bộ hệ thống GPS cũng như
hiệu chỉnh tín hiệu thơng tin của vệ tinh hệ thống GPS. Phần điều khiển gồm một
trạm điều khiển chính, năm trạm thu số liệu, ba trạm phát số liệu.
Trạm điều khiển chính đặt tại Colorade Springs (Mỹ) có nhiệm vụ thu thập
các dữ liệu theo dõi vệ tinh từ các trạm thu số liệu để xử lý. Các cơng việc chính là
tính lịch thiên văn, tính và hiệu chỉnh đồng hồ, hiệu chỉnh quỹ đạo điều khiển, thay
thế các vệ tinh ngừng hoạt động bằng vệ tinh dự phòng.
Các trạm thu số liệu được đặt tại Hawai, Colorade Springs , Ascension (Nam Đại
Tây Dương), Diago Garia (Ấn Độ Dương), Kwayalein (Nam Thái Bình Dương) có
nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và dự đoán quỹ đạo của chúng.

11

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông
Mỗi trạm được trang bị các máy thu P-code để thu các tín hiệu của vệ tinh sau đó
truyền về trạm điều khiển chính.
Các trạm truyền số liệu đặt tại Ascension, Diago Garia, Kwayalein có khả
năng truyền số liệu lên vệ tinh gồm lịch thiên văn mới, hiệu chỉnh đồng hồ, các
thông điệp cần phát, các lênh điều khiển từ xa.
1.2.3. Phần người sử dụng
Phần người sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS và cộng đồng người sử
dụng. Các máy thu GPS thu nhận các tín hiệu từ vệ tinh và chuyển đổi các tín hiệu
đó thành các tham số về toạ độ, vị trí, tốc độ và thời gian của chúng.
1.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Máy thu GPS tính tốn vị trí của nó bằng cách xác định chính xác khoảng
thời gian tín hiệu được gửi từ vệ tinh tới trái đất. Mỗi vệ tinh liên tục phát các bản
tin bao gồm cả thời gian gửi, thơng tin chính xác về quỹ đạo (lịch thiên văn), tình
trạng hệ thống chung và các quỹ đạo gần đúng của tất cả các vệ tinh GPS (niên
lịch). Máy thu đo thời gian phát của mỗi bản tin và tính tốn khoảng cách tới mỗi vệ
tinh. Sử dụng phương pháp giao đường tròn kết hợp khoảng cách này với vị trí của
các vệ tinh để xác định vị trí của máy thu. Vị trí có thể được hiển thị trên bản đồ
hoặc dưới dạng kinh độ và vĩ độ, có thể bao gồm các thơng tin thêm như hướng di
chuyển hay vận tốc... được tính từ sự thay đổi vị trí.
Về mặt lý thuyết, do khơng gian là không gian ba chiều nên chỉ cần ba vệ
tinh là đủ tính tốn vị trí. Tuy nhiên với một sai số đồng hồ dù rất nhỏ cộng với vận
tốc ánh sáng rất lớn sẽ dẫn đến kết quả làm sai số vị trí lớn. Vì vậy máy thu cần sử
dụng tối thiểu bốn vệ tinh để tìm ra lời giải phương trình bốn ẩn x, y, z và t. Thơng
số t được sử dụng để hiệu chỉnh đồng hồ máy thu.
2. Hệ thống hỗ trợ định vị QZSS
2.1. Tổng quan hệ thống
Hệ thống hỗ trợ định vị QZSS (Quasi-zenith Satellite System) là hệ thống
của Nhật Bản, hệ thống sử dụng chòm sao vệ tinh đặt trên các quĩ đạo bay khác

nhau để hỗ trợ cho người dùng trong khu vực mà hệ thống bao phủ. Hệ thống gồm 3

12


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông
quả vệ tinh quay theo quĩ đạo eclip cao và nghiêng so với trái đất. QZSS được phát
triển nhằm giảm sự lệ thuộc vào hệ thống GPS của Hoa Kỳ và làm tăng độ chính
xác của GPS trên đất nước Nhật Bản. QZSS sẽ phát sóng tín hiệu tương tự và tương
thích với GPS. Ngồi người dùng ở Nhật Bản thì người dùng ở khu vực Đơng Nam
Á và Châu Đại Dương cũng được hưởng lợi từ sự tăng cường này vì hệ thống được
bao phủ quanh khu vực này
Dự án QZSS được thực hiện từng bước phù hợp với chính sách của chính
phủ Nhật Bản ban hành ngày 31/3/2006 gồm 2 giai đoạn.
-

Giai đoạn 1: Thông qua về kỹ thuật và phóng vệ tinh đầu tiên QZS1 và triển

khai các ứng dụng.
-

Giai đoạn 2: Sau khi hoàn thành giai đoạn 1, triển khai các vệ tinh thứ 2 và

thứ 3. Sau đó vận hành tồn bộ hệ thống.
Hệ thống gồm 2 phân đoạn:
-

Phân đoạn không gian bao gồm các vệ tinh QZSS

-

Phân đoạn mặt đất gồm các trạm giám sát ( Monitor Stations-MS), một trạm

điều khiển chính ( Master Control Station - MCS), trạm kiểm soát theo dõi (
Tracking Control Stations - TCS), và trạm quản lý thời gian ( Time Management
Station - TMS)
2.2. Phân đoạn không gian
Phân đoạn không gian của hệ thống gồm 3 vệ tinh QZSS. Vệ tinh đầu tiên
Michibiki được phóng vào ngày 11/9/2010.
Các vệ tinh được thiết kế sao cho tại một thời điểm bất kì người dùng ln nhìn
thấy ít nhất 1 vệ tinh trên bầu trời Nhật Bản. Các vệ tinh QZSS có chu kì quỹ đạo
tương tự vệ tinh địa tĩnh, tuy nhiên chúng có độ nghiêng quĩ đạo lớn do đó chúng
khơng trên mặt phẳng xích đạo và di chuyển so với trái đất. Mỗi vệ tinh di chuyển
theo quỹ đạo khác nhau, quỹ đạo hình elip với các tham số:
-

Bán trục lớn: a=42146 Km

-

Tâm sai: e = 0.075 +/- 0.015

-

Góc nghiêng: I = 43º +/- 4º

13


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông

-

Argument của cận điểm: ω = 270º +/- 2º

Vệ tinh QZSS có hai tấm pin năng lượng mặt trời lớn, các ăng ten L-band
transimission antenan (L-ANT). L1-SAIF transimission antena (LS-ANT), TTC
antenans và Ku-band Time Transfer Antenna ( Ku-ANT ).

Hình 1: Vệ tinh Michibiki
Vệ tinh đầu tiên được phóng lên ( Michibiki ) có các tham số:
-

Khối lượng: 4,020kg(khi ẩm) , 1,802kg (khi khô), NAV payload:320kg

-

Năng lượng 5.3 kW, NAV payload:1.9kW

-

Tuổi thọ 10 năm

-

Quĩ đạo theo dõi vệ tinh tại mặt đất:

14


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thơng

Hình 2: Quĩ đạo vệ tinh theo dõi tại mặt đất
2.3. Phân đoạn mặt đất
Thành phần mặt đất của hệ thống QZSS bao gồm nhiều trạm cơ sở mặt đất.
Các trạm này bao gồm các trạm giám sát được phần bố rộng khắp và theo dõi các
tín hiệu QSZ và GPS trên mặt đất. Một trạm điều khiển chính tổng hợp các kết quả
giám sát từ trạm giám sát, đưa ra tính tốn, dự đốn quĩ đạo của các vệ tinh QZSS,
phát ra các tín nhắn dẫn đường.
Trạm điều khiển theo dõi có chức năng đưa các tín nhắn từ trạm điều khiển
chính và giám sát trạng thái của các vệ tinh QZS
Trạm quản lý thời gian giám sát thời gian truyền tín hiệu
Có 9 trạm giám sát được phân bố rộng khắp khu vực mà tại đó có thể nhận
được tín hiệu từ vệ tinh QZS. Trạm điều khiển chính và trạm giám sát thời gian
được đặt tại Nhật Bản. Các địa điểm của các trạm được đặt tại vị trí theo bảng

15


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thơng

Hình 3: Vị trí phân bố của các trạm mặt đất
STT

Thành Phố

Vị Trí

1

Koganei

139.4882° Kinh độ Đơng 35.7078° Vĩ Độ Bắc

2

Sarobetsu

141.7489° Kinh độ Đông 45.1636° Vĩ Độ Bắc

3

Okinawa

127.8444° Kinh độ Đông 26.4986° Vĩ Độ Bắc

4

Chichi-Jima

142.2154° Kinh độ Đông 27.0792° Vĩ Độ Bắc

5

Hawaii

159.6650° Kinh độ Tây

6

Guam

144.7948° Kinh độ Đông 13.4774° Vĩ Độ Bắc

7

Bangkok

100.6130° Kinh độ Đông 14.0823° Vĩ Độ Bắc

8

Bangalore

77.5116°

9

Canberra

149.0104° Kinh độ Đông 35.3160° Vĩ Độ Nam

Kinh độ Đông 13.0343° Vĩ Độ Bắc

Bảng 1: Vị trí của trạm mặt đất

16

22.1262° Vĩ Độ Bắc

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thơng
2.4. Tín hiệu QZSS
Các vệ tinh QZSS truyền 6 loại tín hiệu: L1C/A, L1-SAIF, L1C, L2C, LEX
và L5. Tất cả các tín hiệu đều được trải phổ. Tín hiệu QZSS bao gồm một mã trải
phổ nhân với bản tin định vị và điều chế sóng mang RF. Trong đó các tín hiệu
L1C/A, L1C, L2C và L5 được biết đến là tín hiệu tăng cường tính sẵn sàng định vị
bổ sung cho hệ thống định vị tồn cầu hiện có. Hai tín hiệu L1-SAIF và LEX là hai
tín hiệu tăng cường khả năng định vị thơng qua việc truyền các tín hiệu hỗ trợ định
vị cho hệ thống GPS.
Hệ thống QZSS truyển 6 tín hiệu với 4 tần số trung tâm , tần số cơ bản với fo
= 10.23MHZ, các tần số sóng mang 154 fo cho L1, 125 fo cho LEX, 120 fo cho L2
và 115 fo cho L5.
Các tín hiệu QZSS với các thông số về tần số trung tâm, băng thơng, năng lượng tối
thiểu tại bộ thu
Tên tín hiệu

Định

danh Tần số trung Băng thơng

kênh

tâm
1575.42 MHZ

L1 C/A

L1C

L1CA

Năng lượng tín hiệu tối thiểu tại
bộ thu

24MHZ
(+/-12MHZ)

-158.5dBW

L1CD

24MHZ

-163dBW

L1CP

(+/-12MHZ)

-158.25dbW

-

24MHZ

L1-SAIF

(+/-12MHZ)
-

1227.60 MHZ

L2C
1176.45 MHZ
L5I

-161 dBW

24MHZ
(+/-12MHZ)

L5

-160dBW

24MHZ
(+/-12MHZ)

-157.9dBW

24MHZ
L5Q

(+/-12MHZ)
1278.75 MHZ

LEX

-

-157.0 dBW

-157.9dBW

39MHZ
(+/-19.5MHZ)

Bảng 2 :Các tín hiệu QZSS

17

-157.9dBW

-154.9dBW


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thơng
2.5. Tín hiệu sửa lỗi và nâng cao chất lượng định vị L1-SAIF
2.5.1. Tín hiệu QZSS L1-SAIF
Tín hiệu QZSS L1-SAIF là tín hiệu tăng cường hiệu năng cho tín hiệu GPS
đã có sẵn, cho nên tín hiệu QZSS L1-SAIF phải tương thích với các tín hiệu GPS
hiện có. Tín hiệu L1-SAIF có tần số trung tâm là 1575.42 MHZ, băng thơng
24MHZ, năng lượng tín hiệu tối thiểu là -161dBw. Tín hiệu QZSS L1-SAIF có cấu
trúc tín hiệu giống với tín hiệu GPS L1 với các thành phần: Dữ liệu, mã trải phổ và
sóng mang tuy nhiên để phân biệt với tín hiệu GPS L1, tín hiệu QZSS L1-SAIF sử
dụng mã trải phổ có số hiệu khác so với GPS L1.
Phân bố PRN code number:
-

Tín hiệu tăng cường tính sẵn sàng (L1 C/A ,L1C, L2C, L5) sử dụng PRN

code number 193-197

-

Tín hiệu tăng cường hiệu năng : L1-SAIF sử dụng PRN code number 183187 trong đó QZS1 sử dụng PRN code number 183

-

LEX sử dụng PRN code number 193-197

Có thể thấy tín hiệu QZSS L1-SAIF có chứa cả PRN code number 183 và PRN
code number 193.
2.5.2. Mã sửa lỗi
Bản tin L1-SAIF dài 250 bit, tốc độ truyền dữ liệu là 250bit/s. Tuy nhiên các
bit dữ liệu được mã hóa sửa lỗi chuyển tiếp ( Forward error correction – FEC) trước
khi truyền, tốc độ dữ liệu sau khi được mã hóa là 500 samples/s. Mã hóa FEC được
sử dụng có tỷ lệ mã hóa là ½ , chiều dài thanh ghi dịch là 7, sử dụng hai thanh ghi
G1(171) va G2(133). Thanh ghi G1 được chọn trong 2ms đầu tiên của luồng bản tin
dài 4ms và thanh ghi G2 sẽ được chọn cho 2ms sau. Từ chuỗi bit đầu vào, khối mã
hóa FEC khơng bắt đầu thực hiện mã hóa từ đầu bản tin mà có thể bắt đầu ở vị trí
bất kỳ trong chuỗi bít đầu vào và thực hiện mã hóa khối 250 bit một tạo ra chuỗi
500 samples, và tiếp tục mã hóa khối 250 bit tiếp theo. Các vệ tinh sẽ thực hiện
truyền đi các samples đầu ra của khối mã hóa.

18


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thơng

Hình 4:Sơ đồ thuật tốn mã hóa FEC

2.5.3. Cấu trúc bản tin
Mỗi bản tin L1-SAIF có chiều dài 250 bit và có định dạng như hình 15. Tốc
độ bit dữ liệu là 250 bit/s vì vậy mỗi bản tin được truyển trong mỗi giây. Mỗi bản
tin gồm 4 phần:
-

8 bit đầu mỗi bản tin (preamble)

-

6 bit ID cho biết loại bản tin

-

212 bit trường dữ liệu

-

24 bit kiểm tra lỗi CRC
Các bản tin được truyền đi không theo thứ tự cụ thể mỗi bản tin có thể truyền

đi ở một giây bất kỳ.

Hình 5: Cấu trúc bản tin SAIF
a.Phần Preamble
Các bản tin L1-SAIF được bắt đầu bằng 8 bit Preamble từ bit số 1 đến bit số
8 của bản tin, 8 bit này là 1 trong 3 loại sau:

19

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông
-

A: 01010011

-

B: 10011010

-

C: 11000110
Nếu 8 bit bắt đầu của một bản tin là loại A thì bản tin sau đó là loại B, sau

loại B là loại C và sau đó quay lại loại A theo qui luật vịng trịn A-B-C-A. mã hóa
FEC thực hiện cho các bit preamble tương tự thực hiện cho các bit khác trong khỗi bản
tin. Phần Preamble sử dụng để báo hiệu bắt đầu bản tin nhưng nó khơng được sử dụng
cho việc đồng bộ hay q trình tách thơng tin khi chưa thực hiện giải mã FEC.
b. Loại bản tin
Mỗi bản tin có 6 bit ID chỉ lại bản tin bắt đầu từ bit thứ 9 đến bit thứ 14 của
bản tin, các bản tin được định danh bởi ID từ 0-63. Nội dung của từng loại bản tin
được định nghĩa như trong bảng:
ID
0
1
2-5
6
7
10

18
24
25
26
28
40-51
52
53
54-55
56
57
58
59
60
62
63

Tên bản tin
Bản tin kiểm tra
PRN mask
Bản tin sửa lỗi nhanh FC và UDRE
Bản tin toàn vẹn dữ liệu
Sửa lỗi nhanh suy thối
Thơng số mức độ suy thối
Mặt nạ IGP
Sửa lỗi nhanh và dài hạn
Sửa lỗi dài hạn
Sai số tầng điện ly và GIVE
Hiệp phương sai sai số đồng hồ và lịch thiên văn
Dành cho các ứng dụng trình diễn

Mặt nạ TGP
Sửa lỗi tầng đối lưu
Sửa lỗi tầng khí quyển
Dữ liệu sửa lỗi tín hiệu Bias
Dành cho thơng tin quỹ đạo
Bản tin quỹ đạo Qzss
Dữ liệu niên lịch QZSS
Bảo trì
Bản tin kiểm tra nội bộ
Bản tin rỗng ( chứa toàn số 0)
Bảng 3 :Các loại bản tin L1 SAIF

20


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thơng
c, Thơng tin sửa lỗi CRC
Mỗi bản tin có 24 bit CRC được thêm vào cuối để phát hiện lỗi và sửa lỗi.
Đa thức sinh được sử dụng trong mã sửa lỗi CRC là CRC-24 có phương trình:
G(X)

= X24 + X23 + X18 + X17 + X14 + X11 + X10 + X7 + X6
+ X5 + X4 + X3 + X +1
Theo hệ thống QZSS thống kê tỉ lệ xuất hiện 1 lỗi ngẫu nhiên nếu có 1 bit lỗi

nhỏ hơn 0.5. Sử dụng mã sửa lỗi CRC cho bản tin thì tỉ lệ lỗi nhỏ hơn 2-24 . Bộ thu
phải kiểm tra lỗi CRC trước khi sử dụng , nếu trường hợp có lỗi xảy ra thì bản tin
không nên sử dụng.
2.6. Nguyên nhân gây ra sai số và bản tin hỗ trợ
2.6.1. Lỗi đồng hồ và quĩ đạo vệ tinh

Mỗi vệ tinh đều có bốn đồng hồ nguyên tử, một trong những đồng hộ này
lựa chọn để cung cấp tần số và những yêu cầu về thời gian phát tín hiệu GPS, các
đồng hồ cịn lại chỉ để dự phòng. Các đồng hồ nguyên tử mặc dù có độ chính xác
cao, tuy nhiên vẫn có sai số, sai số này dù nhỏ nhưng tăng lên mỗi ngày. Lỗi đồng
hồ vệ tinh khiến q trình định vị có sai số nay lại càng sai số lớn hơn.
Lỗi quĩ đạo theo vệ tinh là một hàm theo thời gian tuy nhiên mơ hình lực tác
dụng lên vệ tinh thường khơng hồn hảo, gây ra vài lỗi đối với vệ tinh. Những
người sử dụng khác nhau thấy cùng 1 vệ tinh dưới góc nhìn khác nhau bị ảnh hưởng
bởi lỗi quĩ đạo đối với đo lường khoảng cách và vị trí khác nhau. Kết hợp những đo
đạc khác nhau của hai bộ thu cùng theo vết đồng thời cùng một vệ tinh cũng khơng
thể loại bỏ hồn tồn lỗi này.
Để hiệu chỉnh sai số đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh, hệ thống cung cấp thông tin
hỗ trợ trong bản tin loại 24,25 giúp người sử dụng giảm thiếu lỗi này. Cấu trúc bản
tin 24 được thể hiện trong bảng

21


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông
Số lần lặp

Nội dung

6
6
1
1
1
1
1

FCi
UDREIi
IODP
Fast Correction block ID
IODFj
Reserved
Partial Message

Số
bit
12*
4
2
2
2
4
106

Dải giá tri

Đơn vị

0.125

-256~+255.875

m

1

1
1
-

0~3
0~3
0~3
-

-

Giá trị

Bảng 4: Cấu trúc bản tin 24
Bản tin 24 cung cấp thông tin sửa lỗi nhanh cho 6 vệ tinh thuộc các nhóm
-

Nhóm 0: vệ tinh có số hiệu PRN 1-6

-

Nhóm 1: vệ tinh có số hiệu PRN 14-19

-

Nhóm 2: vệ tinh có số hiệu PRN 27-32

-

Nhóm 3: vệ tinh có số hiệu PRN 40-45

Giá trị hai bít Fast Correction block ID trong bảng 3 sẽ quyết định thông tin sửa
lỗi nhanh này cho 6 vệ tinh thuộc nhóm nào trong 4 nhóm trên.
Mỗi giá trị sửa lỗi nhanh FC (Fast Correction) được qui định trong 12 bit có
dấu, phạm vi giá trị FC nằm trong đoạn [-256,255.75m]. Nếu giá trị FC =
255.75[m] thì khơng được sử dụng cho vệ tinh tương ứng
Giá trị UDREI được sử dụng để tính mức độ bảo vệ
Phần Partial Message gồm 106 bit chứa các tham số hiệu chỉnh sai số đồng
hồ và quĩ đạo vệ tinh, 6 bit đầu của Partial Message dùng để xác định kiểu các trúc
partial message. Nếu velocity code có giá trị bằng 0 thì partial message có cấu trúc
như bảng

22


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật máy tính và truyền thông
Số lần
lặp
1
2

1
1

Nội dung
Velocity code(=0)
PRN mask no
IODi**
∂xi
∂yi

∂zi
∂ai,f0
IODP
Spare

Số bit

Giá trị

Dải giá tri

Đơn vị

1
6
8
9*
9*
9*
10*
2
1

1
1
1
0.125
0.125
0.125
2-31

1
-

0
1~51
0~255
±32
±32
±32
±2-22
0~3
-

M
M
M
S
-

Bảng 5: Cấu trúc của Partial Message với Velocity code bằng 0
Trường hợp này bản tin sẽ cung cấp thông tin hiệu chỉnh cho 2 vệ tinh. Giá
trị 6 bit PRN mask no cho biết số hiệu vệ tinh được hiệu chỉnh. Các tham số còn lại
sẽ được sử dụng để tính ra sai số đồng hồ và quĩ đạo vệ tinh.
Nếu velocity code bằng 1 thì cấu trúc của partial message như sau:
Số lần
lặp
1
1

1

1

Nội dung
Velocity code(=0)
PRN mask no
IODi**
∂xi
∂yi
∂zi
∂ai,f0
∂ẋi
∂ẙi
∂żi
∂ai,f1
Epoch time(ti,LT)
IODP

Số bit

Giá trị

Dải giá tri

Đơn vị

1
6
8
11*
11*

11*
11*
8*
8*
8*
8*
13
2

1
1
1
0.125
0.125
0.125
2-31
2-11
2-11
2-11
2-39
16
1

1
1~51
0~255
±128
±128
±128
±2-21

±0.0625
±0.0625
±0.0625
±2-32
0~86384
0~3

m
m
m
s
m/s
m/s
m/s
s/s
S
-

Bảng 6: Cấu trúc của Partial Message với Velocity code bằng 1
Khác với cấu trúc bản tin 24, nội dung dữ liệu bản tin 25 chỉ chứa các thông
tin hiệu chỉnh sai số đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh. Bản tin loại 25 gồm 2 partial
message, và cấu tạo của mỗi partial message cũng giống partial message trong bản

23