Các hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thời gian cho các máy thu ở mọi thời điểm trên trái đất, trong mọi điều kiện thời tiết.. Các hệ thống này đ
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH
Các hệ thống dẫn đường vệ tinh trên thế giới
GPS (Hệ thống Định vị Toàn cầu) là thuật ngữ dùng để mô tả các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu có khả năng xác định chính xác tọa độ của người dùng trong không gian 3 chiều Các hệ thống này dựa trên công nghệ vệ tinh nhân tạo để cung cấp định vị chính xác, với vùng phủ sóng toàn cầu và hoạt động liên tục 24/7 bất chấp mọi điều kiện thời tiết.
Hệ thống định vị toàn cầu NAVSTAR-GPS, hay GPS, được phát triển vào năm 1973 và hoàn thiện vào năm 1994 bởi Bộ Quốc phòng Mỹ, cho phép người dùng xác định chính xác vị trí, thời gian và vận tốc mọi lúc mọi nơi trên thế giới GPS hoạt động không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, mang lại độ chính xác cao trong mọi hoàn cảnh.
Hệ thống này ban đầu được phát triển với mục đích quân sự, nhằm phục vụ các hoạt động quốc phòng của Mỹ Tuy nhiên, sau đó, Cơ quan hàng không liên bang Mỹ đã chấp thuận sử dụng hệ thống này cho các ứng dụng dân sự, mở ra nhiều cơ hội phát triển và ứng dụng trong lĩnh vực hàng không dân dụng.
Hệ thống NAVSTAR, còn gọi là GPS, bao gồm các trạm không gian và các phương tiện truyền và nhận tín hiệu qua sóng vô tuyến nhằm xác định vị trí và thời gian chính xác Cấu trúc hệ thống NAVSTAR-GPS được xây dựng với các thành phần chính như các vệ tinh định vị trên quỹ đạo và các trạm mặt đất, giúp cung cấp dịch vụ định vị toàn cầu hiệu quả và liên tục.
Các vệ tinh không gian được sắp xếp trên 6 mặt phẳng quỹ đạo tròn và nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ, đảm bảo tính bao phủ rộng và ổn định cho hệ thống vệ tinh Mỗi mặt phẳng quỹ đạo chứa từ số lượng vệ tinh nhất định, tạo thành một mạng lưới vững chắc để phục vụ các mục đích truyền thông, định vị và quan sát trái đất Việc bố trí vệ tinh theo dạng này giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động và mở rộng khả năng liên lạc toàn cầu.
Trong hệ thống này, từ 3 đến 4 vệ tinh hoạt động đồng thời, lệch pha nhau 90 độ để đảm bảo liên tục phủ sóng Các vệ tinh này nằm ở quỹ đạo ở độ cao 20.200 km, sắp xếp hợp lý để phần lớn các vùng trên mặt đất luôn trong tầm nhìn của ít nhất 4 vệ tinh suốt 24 giờ mỗi ngày Thời gian để mỗi vệ tinh hoàn thành một vòng quỹ đạo là một yếu tố quan trọng trong việc duy trì tính liên tục của dịch vụ.
11 giờ 58 phút Bao gồm một chùm 24 vệ tinh, trong đó 21 vệ tinh ở trạng thái hoạt động, 3 vệ tinh còn lại đƣợc sử dụng để dự phòng cho hệ thống
Hình 1.2: Các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống GPS
Mỗi vệ tinh liên tục truyền tín hiệu trên hai tần số trong dải băng tần L:
Tần số L1 chứa cả mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P (Precision), trong khi tần số L2 chỉ mang mã P Ngoài ra, cả hai tần số còn truyền tải dữ liệu thông tin dẫn đường như thời gian đồng hồ vệ tinh, các thông số thiên văn, tình trạng tín hiệu vệ tinh, thời gian UTC chuẩn, và dữ liệu đồng bộ Mã P dành riêng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và yêu cầu phép của Bộ Quốc Phòng Mỹ, trong khi mã C/A có thể sử dụng miễn phí cho mọi mục đích Mỗi vệ tinh gắn một mã C/A và mã P riêng, được gọi chung là mã vàng (Gold Code), giúp nhận diện vệ tinh chính xác.
Phần điều khiển hệ thống bao gồm trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và năm trạm theo dõi vệ tinh (Monitor Station), trong đó có ba trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) đặt trên mặt đất, liên tục giám sát và điều chỉnh quỹ đạo của các vệ tinh trong không gian để đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định của hệ thống vệ tinh.
Hình 1.3: Vị trí đặt trạm điều khiển GPS trên mặt đất
Các trạm trong phần điều khiển có nhiệm vụ:
+Giám sát và hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh
Tính toán và gửi các bản tin dẫn đường vệ tinh là công việc quan trọng trong hệ thống định vị toàn cầu Các bản tin này được cập nhật hàng ngày, cung cấp mô tả chính xác về vị trí của các vệ tinh trong tương lai để đảm bảo độ chính xác cao nhất Đồng thời, hệ thống thu nhận dữ liệu từ tất cả các vệ tinh gửi về để cập nhật thông tin liên tục, nâng cao độ tin cậy của dịch vụ định vị GPS.
+Cập nhật các bản tin dẫn đường vệ tinh một cách thường xuyên
Hình 1.4: Phần điều khiển vệ tinh trong hệ thống GPS
Trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs, Colorado, USA, là nơi điều phối mọi hoạt động quan trọng của hệ thống Trạm này được trang bị đồng hồ nguyên tử chính xác, đóng vai trò là chuẩn mực thời gian để truyền đến các vệ tinh trong hệ thống Thời gian từ đồng hồ nguyên tử tại trạm giúp hiệu chỉnh và đồng bộ hóa đồng hồ của các vệ tinh, đảm bảo hoạt động chính xác và tin cậy của dịch vụ.
Hệ thống các trạm giám sát vệ tinh hoạt động liên tục 24/24 giờ mỗi ngày để đảm bảo theo dõi chính xác các hoạt động trên không gian Trạm điều khiển trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc điều phối và kiểm soát các trạm giám sát thông qua các đường truyền liên kết hiện đại Các điểm đặt trạm giám sát trên trái đất được bố trí hợp lý để tối ưu hóa khả năng theo dõi và thu thập dữ liệu từ vệ tinh một cách liên tục và hiệu quả.
+Ascension island +Colorado Spring, Colorado USA +Diego Garcia island
+Kawajalein island Trạm theo dõi thông tin gửi xuống từ vệ tinh:
+Báo cáo chính xác thời gian của đồng hồ vệ tinh
Trạm điều khiển nhận tất cả dữ liệu khí tượng như áp suất khí quyển, nhiệt độ và điểm sương để phân tích và dự báo quỹ đạo vệ tinh trong tương lai Các thông tin này giúp trung tâm dự báo chính xác hơn về hành trình của vệ tinh, đảm bảo các hoạt động không gian được thực hiện hiệu quả Việc tập hợp dữ liệu khí tượng từ trạm điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và chính xác của các nhiệm vụ không gian.
Trạm điều khiển trung tâm sử dụng các trạm hiệu chỉnh số liệu để gửi thông tin cho vệ tinh bao gồm:
+Mệnh lệnh hiệu chỉnh quỹ vệ tinh Vệ tinh sử dụng tín hiệu này để khởi động các tên lửa điều khiển đƣa vệ tinh về quỹ đạo đúng
+Bản tin dẫn đường đến vệ tinh
Các trạm hiệu chỉnh số liệu là các trạm đƣợc đặt ở Ascension island, Diego Garcia island và Kawajalein island
Các thiết bị thu tín hiệu GPS đa dạng, phù hợp cho nhiều mục đích khác nhau, từ các thiết bị xách tay giá phải chăng đến hệ thống phức tạp đòi hỏi chứng nhận chất lượng kỹ thuật để phục vụ trung tâm dẫn đường và điều hành bay.
Hình 1.5: Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS
Thiết bị máy thu tín hiệu GPS chủ yếu bao gồm anten thu, bộ phận giải mã và bộ phận xử lý các mã tín hiệu vệ tinh GPS Trong ngành hàng không, máy thu còn xử lý các thông tin dẫn đường và truyền hiển thị dữ liệu cho tổ lái cùng các thiết bị cần thiết trong quá trình bay Đây là các thành phần quan trọng giúp đảm bảo độ chính xác và an toàn trong hoạt động bay dựa trên dữ liệu GPS.
Khi bật công tắc nguồn của thiết bị máy thu GPS, nó sẽ tự động cung cấp các giải pháp dẫn đường chính xác mà không cần nạp dữ liệu từ bên ngoài Để đảm bảo chức năng này hoạt động, máy thu cần nhận đủ tín hiệu từ các vệ tinh, nhằm xác định vị trí một cách chính xác Trong các giải pháp dẫn đường 2 chiều, chỉ cần ít nhất ba vệ tinh để xác định kinh độ và vĩ độ khi đã biết độ cao, còn đối với các giải pháp dẫn đường 3 chiều, yêu cầu tối thiểu bốn vệ tinh nằm trong vùng phủ sóng của máy thu GPS.
Việc xử lý tín hiệu từ 3 hoặc 4 vệ tinh có thể tiến hành đồng thời hoặc tuần tự
- Các thiết bị thu thường gồm 3 thành phần chính:
+Anten và các thiết bị điện tử đi kèm
+Bộ phận nhận và xử lý tín hiệu
+Màn hình điều khiển c) Các thông số kỹ thuật của hệ thống NAVSTAR
Vệ tinh: 24 vệ tinh Quỹ đạo tròn: 12 giờ (bán kính 26.000km) Với 6 mặt phẳng quỹ đạo Độ nghiêng so với đường kính xích đạo : 55 0
Trạm kiểm tra mặt đất:
05 Trạm kiểm tra phân bố rải rác.03 Anten mặt đất phân bố rải rác
Số thuê bao sử dụng: Không hạn chế
Mã P 10,23 Mbits/s Thông tin dẫn đường 50 bits/s
Mã P 10,23 Mbits/s Thông tin dẫn đường 50 bits/s
Các hệ thống sử dụng và độ chính xác:
PPS SPS Định vị ngang 18m (95%) 100m (95%) Định vị đứng 28m (95%) 157m (95%) Tốc độ 0,2m/s (95%)
Trong đó, PPS là hệ thống định vị chính xác, SPS là dịch vụ định vị chuẩn
Khi lịch đã nạp trước : 1 5 phút (tuỳ thiết bị của người sử dụng) Khởi động nguội: 20 phút
Tầm bao phủ: Toàn cầu
Hệ thời gian sử dụng trong dẫn đường vệ tinh
Giờ GPS dựa trên hệ thống thời gian liên tục bắt đầu từ ngày 6/1/1980 và dựa vào giờ UTC, điểm 0 của thời gian này vào giữa đêm 5/1/1980 Đơn vị lớn nhất trong hệ thống giờ GPS là tuần, được định nghĩa là 604.800 giây, giúp đo lường thời gian một cách chính xác Giờ GPS có thể khác với UTC do không cần hiệu chỉnh theo chu kỳ, vì hệ thống này duy trì trong vòng vài mili giây so với UTC (dưới 1 giây) thông qua các modul đo thời gian chính xác Các dữ liệu dẫn đường trong vệ tinh chứa thông tin liên quan đến mối quan hệ giữa giờ GPS và UTC, trong đó, các điểm chia 1,5 giây là đơn vị tính toán thuận tiện để xác định thời gian chính xác Thời gian này được gọi là số đếm Z (Z-Count), phản ánh chính xác thời điểm trong hệ thống GPS.
Các tham số cần thiết để tính toán thời gian UTC từ thời gian GPS bao gồm số tuần WNLSF, số ngày và các giây dôi ra của hệ thống f LSF Thông tin này được cung cấp trong khung phụ thứ 4 của bản tin dữ liệu dẫn đường, như đã trình bày trong phần bản tin dẫn đường của chương 2 Dữ liệu giúp người dùng dễ dàng xác định các khoảng thời gian chính xác của hệ thống GPS so với thời gian UTC hiện tại.
Trong điểm cuối của giây dôi ra, các dữ liệu trở nên có hiệu lực, xác định thời gian chính xác của giây dôi Hai lượng tử sau đó được gọi là thời gian có hiệu lực của giây dôi ra, giúp xác định chính xác thời điểm chuyển đổi Ngày một được định nghĩa là ngày liên quan đến điểm khởi đầu hoặc kết thúc của một tuần, góp phần chuẩn hóa lịch trong hệ thống thời gian Giá trị WN LSF, gồm 8 bit, thể hiện số tuần nhỏ nhất trong hệ thống đo lường thời gian, đảm bảo độ chính xác và tối ưu trong việc quản lý các dữ liệu liên quan đến thời gian.
Có 3 khác biệt tồn tại giữa mối quan hệ giữa thời gian UTC và thời gian GPS Sự khác nhau này phụ thuộc vào mối quan hệ của thời gian có hiệu lực đối với thời gian GPS hiện tại của máy thu
Thời gian có hiệu lực được thể hiện bằng giá trị WNL SF, trong đó WN là giá trị không âm so với thời gian hiện tại của người dùng Thời gian này phải nằm trong khoảng từ DN+3/4 đến DN+5/4, đảm bảo phù hợp với quy định về thời gian hiệu lực Thời gian UTC được tính dựa trên công thức cụ thể để đảm bảo tính chính xác trong việc xác định hiệu lực của các dữ liệu hoặc sự kiện liên quan.
TUTC = (tE - tUTC) (s) Với: tUTC = tLS + A0 + A1[tE - t0t + 604800(WN - WNt)] (s);
TE - thời gian GPS của người sử dụng từ thời điểm bắt đầu của tuần;
TLS - gia số thời gian của các giây dôi ra;
A1 - thành phần bậc nhất của đa thức từ bản tin dữ liệu tạm thời;
T0t - thời gian chuẩn cho dữ liệu UTC;
WN - hằng số tuần hiện tại lấy từ khung phụ 1;
WN t - số tuần chuẩn UTC
Thời gian GPS của người sử dụng được tính bằng giây, bắt đầu từ điểm khởi đầu của tuần, giúp xác định chính xác vị trí thời gian trong hệ thống GPS Thời gian chuẩn t0T cho dữ liệu UTC được tính từ đầu tuần, đảm bảo độ chính xác và đồng bộ trong các ứng dụng định vị Số tuần WNt được sử dụng để xác định mốc thời gian trong hệ thống GPS, góp phần nâng cao hiệu quả trong hoạt động định vị và truyền dữ liệu.
Khung phụ thứ 3 có giá trị của WN t gồm 8 bit, thể hiện số tuần đầy đủ nhỏ nhất Do đó, người dùng cần lưu ý đến đặc điểm làm tròn của thông số này cũng như các thông số WN, WN t và WNLSF, đặc biệt là khi kết thúc số tuần đầy đủ Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp đảm bảo chính xác trong quá trình xử lý dữ liệu và tối ưu hóa hệ thống truyền thông.
Các thông số này được quản lý bởi phần điều khiển nhằm đảm bảo rằng giá trị tuyệt đối của sự sai lệch giữa WN chưa làm tròn và WNt không vượt quá 127, giúp duy trì độ chính xác và ổn định của hệ thống Trong trường hợp thứ hai, các phương pháp kiểm soát này tiếp tục phát huy vai trò quan trọng trong việc giữ hiệu quả hoạt động của thiết bị Điều này đảm bảo rằng các biến số liên quan luôn nằm trong phạm vi cho phép, từ đó tối ưu hoá hiệu suất và giảm thiểu lỗi kỹ thuật.
Khi thời gian GPS của người dùng rơi vào khoảng từ DN+3/4 đến DN+5/4, có thể xuất hiện các giây dôi ra do sự thay đổi số tuần trong hệ thống UTC tính theo cách điều chỉnh này để đảm bảo độ chính xác và đồng bộ giữa các hệ thống định vị vệ tinh Các giây dôi ra xuất hiện nhằm khắc phục sự lệch pha giữa GPS và UTC, đảm bảo dữ liệu định vị chính xác trong quá trình sử dụng.
Với: W = (tE - tUTC - 43200) + 43200 (s) (thành phần trong ngoặc lặp lại sau 86.400s)
Việc xác định tUTC áp dụng thông qua khoảng thời gian chuyển tiếp b) Trường hợp thứ ba:
Thời gian có hiệu lực của các giây dôi ra được xác định dựa trên giá trị của WN LSF và DN, khi các giá trị này âm so với thời gian GPS hiện tại của người dùng Khi đó, mối quan hệ trước đây của tUTC sẽ có hiệu lực, trừ phi tLSF được thay thế bởi tLS Quá trình điều khiển phối hợp cập nhật các thông số UTC trong các bản tin phát lên vệ tinh nhằm duy trì liên lạc chính xác của khung thời gian UTC.
Lịch vệ tinh
Để đảm bảo dẫn đường chính xác cho máy bay, việc xác định toạ độ và tốc độ của vệ tinh là vô cùng quan trọng Các tham số liên quan đến toạ độ và tốc độ của vệ tinh được tổng hợp thành một bộ dữ liệu gọi là lịch sao Lịch sao giúp cung cấp thông tin cần thiết để định vị vệ tinh chính xác và cải thiện độ chính xác của hệ thống dẫn đường.
Các tham số của vệ tinh được truyền vào và lưu trữ trong bộ nhớ, sau đó gửi xuống máy thu qua tín hiệu hỏi hoặc theo chu kỳ Đài quan sát mặt đất theo dõi lịch sao và truyền thông tin này về trung tâm điều khiển, nơi xử lý dữ liệu để dự báo tọa độ và tốc độ của vệ tinh trong tương lai Dữ liệu dự báo từ lịch sao này sau đó được truyền lại cho vệ tinh, lưu trữ trong bộ nhớ, và phát lại trong quá trình dẫn đường, đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống vệ tinh.
Các vệ tinh trong hệ thống không chỉ truyền dữ liệu về quỹ đạo của chúng mà còn gửi các thông tin khác liên quan đến hoạt động và trạng thái của vệ tinh Tất cả các dữ liệu này được tổng hợp thành “lịch thƣ,” giúp theo dõi và quản lý toàn diện hệ thống vệ tinh một cách hiệu quả.
Lịch trình dự kiến trong hệ thống dẫn đường cho phép máy thu chọn lựa các vệ tinh tối ưu nhất để nâng cao độ chính xác trong định vị Thông tin này giúp rút ngắn thời gian tìm kiếm vệ tinh, tăng hiệu quả hoạt động của thiết bị Việc chọn vệ tinh phù hợp dựa trên dữ liệu trong lịch trình đảm bảo chế độ dẫn đường ổn định và chính xác hơn Điều này đặc biệt quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của các hệ thống định vị GPS, giúp người dùng có trải nghiệm định vị nhanh chóng và tin cậy hơn.
NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ
Nguyên lý dẫn đường của hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR -
Nguyên lý dẫn đường trong hệ thống NAVSTAR dựa trên nguyên lý tính khoảng cách, tức là nếu biết được khoảng cách từ vệ tinh đến một điểm và tọa độ của ít nhất bốn vệ tinh hoặc điểm tham chiếu, thì vị trí của điểm đó có thể được xác định một cách chính xác Phương pháp này cho phép hệ thống định vị GPS xác định vị trí của người dùng hoặc đối tượng trên mặt đất một cách chính xác nhờ các dữ liệu về khoảng cách và tọa độ của các điểm liên quan Do đó, việc tính toán chính xác dựa trên nguyên lý này là nền tảng cho hoạt động định vị trong hệ thống NAVSTAR.
Dựa trên hình 2.1, khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là d1, cho thấy vị trí máy thu nằm trên mặt cầu tâm vệ tinh với bán kính d1 Khi biết khoảng cách d2 đến vệ tinh thứ hai, vị trí máy thu được xác định trên đường tròn giao của hai mặt cầu d1 và d2 Thêm vào đó, nếu đo được khoảng cách d3 đến vệ tinh thứ ba, máy thu có thể nằm trên hai giao điểm của đường tròn đó với mặt cầu thứ ba, trong đó có một điểm là vị trí ảo, và các phương trình tính toán có thể giúp xác định vị trí thực Cuối cùng, đo khoảng cách d4 đến vệ tinh thứ tư đảm bảo xác định chính xác vị trí của máy thu một cách hoàn toàn.
Hình 2.1: Nguyên lý dẫn đường bằng khoảng cách Để xác định khoảng cách từ máy thu ta sử dụng công thức sau:
D = v t Trong đó: v - tốc độ lan truyền của sóng điện = 299792458m/s t - thời gian sóng điện từ đi từ máy phát đến máy thu
Mặc dù phương pháp tính toán trên giúp xác định chính xác vị trí của máy thu trong không gian, nhưng để xác định vị trí của máy thu so với mặt đất, chúng ta cần phải sử dụng thêm các thông tin bổ sung Việc tích hợp các dữ liệu này sẽ đảm bảo độ chính xác cao hơn trong quá trình định vị Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng đo đạc và khảo sát đòi hỏi độ chính xác lớn.
Các vệ tinh GPS được đặt trên quỹ đạo chính xác, bay quanh trái đất trong vòng gần 12 giờ mỗi ngày và kiểm soát tại hai trạm hàng ngày để xác định vị trí, độ cao và tốc độ của chúng Các trạm kiểm soát này trang bị thiết bị thu nhận tín hiệu, tính toán chính xác các thông số vệ tinh và gửi dữ liệu trở lại, giúp xác định sai lệch quỹ đạo do các yếu tố như lực hút của mặt trời, mặt trăng và áp suất bức xạ mặt trời Vệ tinh truyền dữ liệu về vị trí so với tâm trái đất cùng với tín hiệu thời gian đến các máy thu, từ đó hệ thống GPS tính toán kinh độ, vĩ độ và khoảng cách của người dùng Mô hình toán học toàn cầu của trái đất trong hệ thống GPS gọi là hệ trắc địa WGS-84, đảm bảo độ chính xác trong định vị toàn cầu.
Xác định khoảng cách giả để định vị trong phương pháp dẫn đường
Khoảng cách giả là khoảng cách đo từ máy thu đến vệ tinh, thường tính bằng mét Trong đó, khoảng cách giả và thời gian truyền tín hiệu có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, do thời gian tín hiệu lan truyền từ vệ tinh đến máy thu quyết định khoảng cách này Việc xác định chính xác thời gian lan truyền vô tuyến điện là yếu tố then chốt để tính đúng khoảng cách giả theo công thức d = v × t, giúp cải thiện độ chính xác trong hệ thống định vị vệ tinh GPS.
Thuật ngữ "giả" được sử dụng để chỉ sai số do khoảng cách có sai lệch trong quá trình đo lường thời gian truyền tín hiệu Để xác định chính xác khoảng cách giữa các vị trí, các đồng hồ cần được đồng bộ với nhau, giúp đảm bảo rằng khoảng cách thực tế giữa vệ tinh với máy thu là chính xác Tuy nhiên, đồng hồ của máy thu không đồng bộ với đồng hồ của vệ tinh, gây ra sai số trong thời gian nhận tín hiệu, vì máy thu nhận tín hiệu không trùng khớp thời gian phát của vệ tinh Để khắc phục vấn đề này, các sai số này chỉ có thể được giải quyết thông qua các phương pháp toán học chính xác.
Cơ sở việc đo khoảng cách là máy thu tạo ra một bản sao mã để so sánh với bản mã gốc của vệ tinh (hình 2.3)
Vấn đề chính là xác định sự chênh lệch thời gian giữa hai mã trên, tuy nhiên, khoảng cách giả định không thể phản ánh chính xác khoảng cách thực tế nếu không có thêm các thông tin bổ sung.
Máy thu GPS cần xác định khoảng cách tới ít nhất ba vệ tinh khác nhau và biết chính xác vị trí của tất cả các vệ tinh trong không gian hệ thống Thông qua việc này, GPS có thể loại trừ sai lệch thời gian giữa các đồng hồ và sử dụng phương pháp tính toán để xác định chính xác tọa độ vị trí của người dùng.
Saisố đồng hồ vệ tinh
Sai lệch đồng hồ máy thu và các sai số truyền lan
2.2.2 Xác định vị trí từ các khoảng cách giả
Giả sử đồng hồ máy thu đồng bộ chính xác với đồng hồ vệ tinh và không gặp độ trễ tín hiệu hay sai số đo đạc, việc xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh trở nên đơn giản Từ đó, ta có thể xác định vị trí của máy thu nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh và bán kính bằng khoảng cách đo được, gọi là d1 Khi đo khoảng cách tới vệ tinh thứ hai, máy thu nằm trên mặt cầu thứ hai có bán kính d2 và tâm là vệ tinh thứ hai Hai mặt cầu này giao nhau tại một vòng tròn gọi là đường vị trí, trên đó máy thu phải nằm Tiếp tục đo khoảng cách đến vệ tinh thứ ba, ta xác định mặt cầu thứ ba có bán kính d3, và nó giao với hai mặt cầu kia tại hai điểm, giúp định vị chính xác vị trí của máy thu.
Một trong hai điểm sẽ bị loại trừ ngay lập tức vì nó nằm quá xa trong vũ trụ và không phù hợp làm vị trí của máy thu Do đó, việc đo khoảng cách tới ba vệ tinh hoặc điểm quan sát là cần thiết để xác định chính xác vị trí và phạm vi của các điểm trong không gian quan sát.
Chuỗi tín hiệu thu đƣợc từ vệ tinh
Bản sao tín hiệu bắt đầu tại Tu = 0 không cùng pha với chuỗi tín hiệu thu đƣợc
Bản sao tín hiệu đã đƣợc dịch chuyển để đồng pha với tín hiệu thu đƣợc từ vệ tinh
Hình 2.3 thể hiện quá trình dịch chuyển bản sao để đồng bộ với tín hiệu thu được, đảm bảo cung cấp đầy đủ thông tin cần thiết để xác định chính xác vị trí tọa độ ba chiều của máy thu dựa trên nguyên lý tối thiểu Quá trình này giúp nâng cao độ chính xác trong việc xác định vị trí, tối ưu hóa quá trình thu và xử lý tín hiệu GPS Việc đồng bộ hóa tín hiệu thu là bước quan trọng để đảm bảo dữ liệu vị trí chính xác và tin cậy cho các ứng dụng định vị không gian.
Sai số thời gian là 1ms có thể gây ra sai lệch khoảng cách lên tới 300km, đây là mức sai số không thể chấp nhận trong hệ thống định vị Để đảm bảo độ chính xác, người vận hành hệ thống phải thường xuyên hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh từ mặt đất nhằm đồng bộ hóa dữ liệu Máy thu GPS sử dụng các giá trị hiệu chỉnh này để điều chỉnh khoảng cách giả đo, tăng cường độ chính xác của hệ thống định vị.
Ngoài ra, trong quá trình đo khoảng cách còn xuất hiện sai số đồng hồ
Khi xác định ba mặt cầu có bán kính là khoảng cách giả đo được, chúng sẽ không cắt nhau tại một điểm duy nhất Tuy nhiên, nếu có thể xác định chính xác sai số của đồng hồ máy thu (dT), khoảng cách giả sẽ được hiệu chỉnh chính xác hơn Điều này giúp xác định rõ vị trí của máy thu, nâng cao độ chính xác trong quá trình đo đạc.
Trong quá trình xác định vị trí, cần phải xác định bốn thông số quan trọng bao gồm kinh độ, vĩ độ, độ cao và giá trị hiệu chỉnh đồng hồ của máy thu Những yếu tố này là những ẩn số chưa được biết, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của dữ liệu định vị Việc xác định chính xác các thông số này giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống định vị GPS Chính vì thế, việc nghiên cứu và hiệu chỉnh các thông số này là bước quan trọng trong quá trình khảo sát, đo đạc.
Trong toán học, không thể xác định chính xác bốn thông số chỉ dựa vào ba giá trị đo đạc Để giải quyết vấn đề này, cần thực hiện đo đạc cùng lúc một khoảng cách giả tới vệ tinh thứ tư Mỗi giá trị đo đạc khoảng cách giả tương ứng với một phương trình thể hiện mối quan hệ giữa các giá trị đo đạc và các thông số chưa biết, gồm X, Y, Z và c.DT Các phương trình này giúp xác định chính xác các tham số cần thiết trong quá trình định vị bằng vệ tinh, đảm bảo độ chính xác cao hơn trong hệ thống GPS.
Giá trị đo đạc khoảng cách giả định được thực hiện tại máy thu bằng đơn vị quãng đường, nằm ở vế trái của mỗi phương trình Biểu thức dưới dấu căn thể hiện khoảng cách thật tới vệ tinh, trong khi x_i, y_i, z_i là tọa độ vị trí của vệ tinh thứ i, được lấy từ bản tin dữ liệu tạm thời Tọa độ của máy thu là X, Y, Z, và thành phần c.DT đại diện cho giá trị hiệu chỉnh khoảng cách giả từ số hiệu chỉnh đồng hồ của máy thu, giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình đo đạc.
Giải hệ 4 phương trình này giúp xác định các giá trị X, Y, Z cùng hệ số hiệu chỉnh đồng hồ dT Mặc dù phương trình được thiết lập theo hệ toạ độ Decác với gốc tọa độ là tâm Trái Đất, các kết quả X, Y, Z có thể dễ dàng chuyển đổi sang kinh độ, vĩ độ và độ cao Quá trình tuyến tính hoá phương trình khoảng cách giả là bước quan trọng trong việc xác định vị trí chính xác dựa trên các dữ liệu thu thập.
Phương trình chứa căn bậc hai và bình phương khiến giá trị khoảng cách phụ thuộc vào tọa độ máy thu một cách phi tuyến tính Do đó, không thể giải các phương trình này bằng các thuật toán thông thường, mà phải sử dụng nguyên lý lặp của phương pháp Newton-Raphson Trong nguyên lý này, mỗi phương trình được mở rộng thành chuỗi vô hạn dựa trên các giá trị thử nghiệm hoặc dự đoán X, Y, Z và dT Các chuỗi này sẽ loại bỏ các thành phần bậc cao, chỉ giữ lại thành phần bậc nhất, giúp biến các phương trình phức tạp thành phương trình tuyến tính của gia số, dễ dàng giải quyết hơn.
Trong quá trình giải hệ phương trình bốn phương trình đã thuần nhất, ta có thể xác định chính xác giá trị của các số giả cũng như các giá trị thử nghiệm, đồng thời điều chỉnh sao cho phù hợp Tuy nhiên, trong một số trường hợp, hệ phương trình không tương thích, nghĩa là không có nghiệm chung phù hợp để phản ánh đúng thực tế của bài toán Việc nhận biết và xử lý hệ phương trình không tương thích là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả trong phân tích và giải quyết các bài toán liên quan.
Định vị tương đối thời gian thực GPS
DGPS là một kỹ thuật định vị tương đối dựa trên mã, sử dụng hai hoặc nhiều máy thu đồng thời để theo dõi cùng một vệ tinh, giúp nâng cao độ chính xác trong xác định vị trí.
Phương pháp DGPS cho phép đạt độ chính xác cấp m trong chế độ thời gian thực bằng cách dựa trên giả thiết rằng sai số GPS trong phạm vi đo khoảng cách không chính xác cần phải giống nhau đối với cả máy thu từ xa và máy thu gốc, miễn là độ dài dây dây nằm trong vài trăm kilomet Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào khoảng cách giữa trạm chuẩn và vị trí máy thu GPS cần xác định, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác cuối cùng của kết quả đo.
Trong hệ thống DGPS, máy thu tham chiếu cố định tại vị trí đã biết để cung cấp độ chính xác cao cho quá trình định vị Phần mềm trong máy thu gốc sử dụng tọa độ gốc để xác định chính xác vị trí của vệ tinh dựa trên tín hiệu vô tuyến, từ đó tính toán khoảng cách đến từng vệ tinh trong tầm nhìn Sai số trong quá trình tính toán này dẫn đến độ chính xác DGPS dao động từ 1m đến 5m, phụ thuộc vào khoảng cách giữa máy thu chính và máy thu từ xa, tốc độ truyền của dữ liệu RTCM và hiệu suất của thiết bị nhận tín hiệu Độ chính xác này được truyền qua chuẩn RTCM để hiệu chỉnh các sai số đo từ xa, giúp nâng cao độ chính xác của dẫn đường DGPS Độ chính xác thu được sẽ cao hơn khi khoảng cách giữa máy thu gốc và máy thu từ xa ngắn, cùng với tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn.
Hình 2.4 : Hoạt động DGPS trong thời gian thực
2.4 Tín hiệu dẫn đường từ vệ tinh trong hệ thống GPS 2.4.1 Cấu trúc tín hiệu
Mỗi vệ tinh GPS đồng thời truyền phát trên hai băng tần L1 = 1575,42 MHz và L2 = 1227,60 MHz Sóng mang của tín hiệu L1 gồm 2 tín hiệu thành phần:
Thành phần đồng pha được điều chế nhị pha dựa trên chuỗi dữ liệu 50bps và mã giả ngẫu nhiên gọi là mã C/A Mã C/A bao gồm 1023 chip liên tục, mỗi chip có chu kỳ 1ms và tần số chip đạt 1023MHz, đảm bảo hiệu quả truyền dẫn tín hiệu đồng bộ cao.
Thành phần pha vuông góc được điều chế nhị phân từ chuỗi dữ liệu 50bps, kết hợp với mã giả ngẫu nhiên tên là mã P Mã P có chu kỳ hoạt động kéo dài một tuần và tần số chip đạt 10,23MHz, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong quá trình truyền tải dữ liệu.
Trong hệ thống này, tín hiệu L2 được điều chế dựa trên chuỗi dữ liệu 50bps và mã P, mặc dù không có chức năng truyền chuỗi dữ liệu 50bps Ngược lại với tín hiệu L1, tín hiệu L2 không truyền tải trực tiếp dữ liệu, mà chủ yếu phục vụ mục đích điều chế và điều chỉnh tín hiệu trong quá trình xử lý Điều này cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các tín hiệu trong hệ thống, nhấn mạnh vai trò của tín hiệu L2 trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền tải và xử lý dữ liệu.
L1 (hoặc L2) đƣợc sử dụng cho các mục đích sau:
Để tăng độ chính xác trong đo lường cự ly đối với các ứng dụng chính xác bằng việc sử dụng pha sóng mang
Cung cấp độ chính xác trong đo lường bằng hiệu ứng Doppler
Tần số Doppler đƣợc tích phân bằng cách đếm số chu kỳ của sóng mang thu đƣợc
Việc sử dụng cả hai tần số L1 và L2 mang lại lợi ích quan trọng trong đo lường chính xác thời gian trễ truyền của tín hiệu qua tầng điện ly Đây giúp cải thiện độ chính xác của dữ liệu đo lường, từ đó nâng cao hiệu quả trong các ứng dụng liên quan đến định vị và khảo sát điện ly Áp dụng cả hai tần số này giúp giảm thiểu sai số và tăng độ tin cậy của kết quả đo lường tín hiệu.
Việc thay đổi vận tốc pha và vận tốc nhóm của tín hiệu khi truyền qua các tầng điện ly chính là nguyên nhân chính gây ra sai lệch cự ly Hiểu rõ tác động của các yếu tố này giúp cải thiện độ chính xác trong đo đạc cự ly và nâng cao hiệu quả trong các hệ thống liên lạc qua điện ly.
Các lỗi cự ly từ 10-20m là bình thường và thỉnh thoảng còn lớn hơn nhiều do sự trễ truyền của tín hiệu gây ra bởi tầng điện ly, không phụ thuộc vào tần số Để đánh giá chính xác lỗi cự ly do tầng điện ly, có thể so sánh thời gian đến của tín hiệu L1 và L2 Việc này giúp xác định rõ ảnh hưởng của tầng điện ly đến độ chính xác của dữ liệu đo đạc GPS.
Hình 2.5: Tín hiệu vệ tinh GPS
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc tạo tín hiệu vệ tinh GPS
2.4.2 Tính chất và thành phần của tín hiệu GPS a) Chuỗi dữ liệu 50bps
Dữ liệu hành trình quỹ đạo của vệ tinh, hay còn gọi là Almanac, cho phép người dùng xác định vị trí các vệ tinh GPS trong hệ thống tại mọi thời điểm Mặc dù dữ liệu này không đủ chính xác để định vị chính xác, nhưng nó có thể được lưu trữ trong máy thu trong nhiều tháng để xác định vệ tinh nào có thể nhìn thấy được vị trí của máy thu Almanac là cơ sở giúp máy thu xác định các vệ tinh khả dụng ngay khi bật nguồn, cải thiện quá trình định vị vệ tinh GPS.
Dữ liệu về hành trình quỹ đạo được sử dụng để xác định gần đúng độ dịch tần Doppler của tín hiệu, giúp tăng tốc quá trình thu tín hiệu từ vệ tinh Công cụ này cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong việc nhận diện và phân tích tín hiệu vệ tinh Việc sử dụng dữ liệu hành trình quỹ đạo là bước quan trọng trong quá trình xử lý tín hiệu nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu nhận và giảm thiểu thời gian chờ đợi.
Dữ liệu tạm thời xác định chính xác hơn vị trí của vệ tinh so với dữ liệu hành trình quỹ đạo, giúp chuyển đổi thời gian trễ của tín hiệu và ước lượng vị trí người dùng Khác với dữ liệu hành trình quỹ đạo, dữ liệu tạm thời cung cấp vị trí thực tế của vệ tinh, chỉ được truyền bởi vệ tinh đó và chỉ tồn tại trong vòng vài giờ Việc sử dụng dữ liệu tạm thời là vô cùng quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của dịch vụ định vị, đặc biệt trong các tình huống yêu cầu độ chính xác cao.
Dữ liệu thời gian trong chuỗi 50bps chứa tín hiệu mốc thời gian quan trọng để thiết lập thời gian truyền của các điểm trong tín hiệu GPS Thông tin này giúp xác định chính xác khả năng trễ truyền của tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu, từ đó hỗ trợ đo khoảng cách một cách chính xác.
Dữ liệu về trễ truyền do tầng điện ly là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác của đo cự ly Các lỗi phát sinh trong quá trình đo do ảnh hưởng của tầng điện ly có thể được giảm thiểu bằng cách đánh giá và xử lý sự trễ trong truyền sóng khi truyền chuỗi dữ liệu Việc xác định chính xác trễ truyền của tầng điện ly giúp nâng cao độ tin cậy của phép đo cự ly trong các ứng dụng liên quan.
Thông tin về tình trạng vệ tinh là một phần quan trọng trong chuỗi dữ liệu, giúp máy thu xác định vệ tinh đang hoạt động hay gặp sự cố để có thể bỏ qua những vệ tinh không hoạt động tốt Cấu trúc của bản tin dẫn đường được thiết kế rõ ràng, xác định chính xác trạng thái của từng vệ tinh, từ đó đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống định vị Việc cập nhật liên tục các dữ liệu về tình trạng vệ tinh giúp nâng cao hiệu quả của dịch vụ dẫn đường trong các ứng dụng hàng ngày.
Cấu trúc máy thu GPS
Trong thực tế hiện nay, các loại máy thu GPS đa dạng nhằm thu và xử lý tín hiệu GPS phục vụ dẫn đường phù hợp với nhiều loại thiết bị khác nhau trong nhiều lĩnh vực Các máy thu GPS đều được thiết kế theo sơ đồ khối chung nhằm đảm bảo khả năng thu tín hiệu chính xác và ổn định.
Lọc và khuếch đại tín hiệu cao tần
Đổi tần và khuếch đại trung tần
Số hoá tín hiệu GPS
Xử lý tín hiệu băng cơ sở
2.5.1 Lọc và khuếch đại tín hiệu cao tần
Trong máy thu GPS, tầng cao tần có nhiệm vụ lọc và khuếch đại tín hiệu thu được từ anten để đảm bảo tín hiệu đủ mạnh và rõ ràng nhằm xử lý hiệu quả ở các tầng sau Năng lượng tín hiệu tại đầu ra anten rất yếu và dễ bị nhiễu bởi các tín hiệu băng thông kế cận có cường độ lớn hơn, do đó cần khuếch đại tín hiệu cao tần từ 35dB đến 55dB Ngoài ra, tầng cao tần còn tích hợp bộ lọc thông dải (BPF) nhằm loại bỏ nhiễu ngoại băng mà vẫn giữ nguyên đặc tuyến tín hiệu GPS, thường có băng thông khoảng 20MHz Tuy nhiên, việc thiết kế bộ lọc có băng thông chính xác 20MHz là khó khăn kỹ thuật, nên thực tế người ta thường sử dụng nhiều bộ lọc băng thông rộng hơn để giảm nhiễu cao tần Khi tín hiệu đã giảm xuống tần số trung tần, bộ lọc băng thông hẹp, như bộ lọc cắt sắc (SCF), sẽ được dùng để loại bỏ nhiễu cộng hưởng và đảm bảo chất lượng tín hiệu cao nhất.
2.5.2 Đổi tần và khuếch đại trung tần
Sau khi được khuếch đại ở tầng cao tần, tín hiệu GPS được đưa xuống tần số trung tần để tiếp tục quá trình lọc và khuếch đại Quá trình đổi tần này nhằm mục đích tối ưu hóa chất lượng tín hiệu, loại bỏ nhiễu và giảm thiểu mất mát dữ liệu, từ đó nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống định vị GPS.
- Nâng cao hệ số khuếch đại tổng vƣợt quá ngƣỡng khuếch đại đã đạt đƣợc ở tầng cao tần
- Sau khi đổi tần, tỉ lệ băng thông tín hiệu trên tần số trung tâm sẽ tăng lên, cho phép xây dựng những bộ lọc băng thông hẹp SCF
- Đổi tần sẽ đƣa tín hiệu GPS xuống tần số thấp hơn làm cho việc lấy mẫu tín hiệu trở nên đơn giản hơn
Quá trình đổi tần số trong hệ thống truyền dẫn được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu GPS với tín hiệu dạng Sin từ bộ dao động nội (LO - Local Oscillator) trong bộ trộn Phương pháp này giúp điều chỉnh và chuyển đổi tần số một cách chính xác, đảm bảo tín hiệu giữ nguyên chất lượng trong quá trình xử lý Việc sử dụng bộ dao động nội là yếu tố then chốt trong quá trình đổi tần, giúp tối ưu hóa hiệu quả truyền dẫn và nâng cao độ chính xác của tín hiệu GPS.
The frequency of the signal in the mixer circuit can be higher or lower than the GPS carrier frequency, as well as the difference between the two intermediate frequencies (IF).
Sau bộ trộn, hệ thống có hai tín hiệu trung tần, gồm một tín hiệu chính và một tín hiệu ảnh, nhưng chỉ sử dụng một trong số đó cho quá trình xử lý Tín hiệu ảnh là tín hiệu không mong muốn gây nhiễu, và việc lọc bỏ tín hiệu này khá khó khăn do khoảng cách tần số chỉ là hai lần tần số trung tần Để dễ dàng loại bỏ tín hiệu ảnh, cần thực hiện đổi tần nhiều lần trong quá trình xử lý, nhằm giảm thiểu nhiễu và nâng cao chất lượng tín hiệu thu được.
Thường xuyên, quá trình đổi tần số tín hiệu GPS xuống trung tần từ 4 đến 20MHz giúp lấy mẫu tín hiệu với tốc độ phù hợp Việc này là bước quan trọng để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của dữ liệu GPS trong các hệ thống định vị Chuyển đổi tần số đúng cách tối ưu hóa quá trình xử lý tín hiệu, nâng cao hiệu quả vận hành của thiết bị GPS.
Năng lƣợng tạp âm ở băng thông trung tần đƣợc tính nhƣ sau:
B : là băng thông tín hiệu (Hz)
TC : là hệ số tạp nhiệt hiệu dụng( K)
Hệ số tạp nhiệt hiệu dụng \(T_C\) phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tạp âm khí quyển, tạp âm nhiệt anten, suy hao theo cự ly, tạp nhiệt máy thu và nhiệt độ môi trường Thông thường, người ta lấy \(T_C = 513 K\), dẫn đến tạp âm ở băng thông 2MHz là -138,5 dBW, trong khi đó ở băng thông 20MHz là -128,5 dBW.
Lấy mức năng lƣợng tín hiệu thu đƣợc là - 154,6 dBW
Nhƣ vậy tỉ lệ SNR ở băng thông 20MHz sẽ là:
Tỉ lệ tín trên tạp SNR của tín hiệu băng thông 2MHZ sẽ là:
2.5.3 Số hoá tín hiệu GPS
Trong các máy thu GPS hiện đại, quá trình xử lý tín hiệu số cho phép bám tín hiệu vệ tinh chính xác, đo tựa cự ly và tần số Doppler hiệu quả Tín hiệu số cung cấp nhiều ưu điểm về độ chính xác và khả năng chống nhiễu, nhờ đó hệ thống có thể giải điều chế dữ liệu tốc độ 50 bit/s một cách chính xác Để đạt được điều này, tín hiệu GPS phải được lấy mẫu và chuyển đổi từ dạng tương tự sang số bằng bộ chuyển đổi ADC (Analog to Digital Converter), góp phần nâng cao hiệu suất và độ ổn định của máy thu GPS.
Hầu hết các máy thu sử dụng phương thức lượng tử hoá 1 bit để lấy mẫu vì đây là phương pháp đơn giản và ít bị ảnh hưởng bởi biến đổi mức điện áp Do đó, các máy thu này không cần bộ tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (AGC) Tuy nhiên, khi xuất hiện tạp trắng có năng lượng cao hơn tín hiệu, việc lựa chọn bit 0 hoặc 1 gặp nhiều khó khăn Lượng tử hoá 1 bit còn gây suy giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm khoảng 2dB và dẫn đến “hiệu ứng giữ chỗ” đối với nhiễu năng lượng cao, làm tín hiệu dễ bị tổn thương bởi nhiễu.
2.5.4 Xử lý tín hiệu băng cơ sở
Xử lý tín hiệu là quá trình thực hiện các thuật toán trong thời gian thực để tìm kiếm và bám tín hiệu GPS từ phần cứng và phần mềm của máy thu Quá trình này bao gồm giải mã bản tin dẫn đường, đo đạc tựa cự ly theo mã hoặc pha sóng mang, và tính toán tần số Doppler để xác định chính xác vị trí máy bay trong không gian Các bước này giúp đảm bảo máy thu có khả năng xác định vị trí một cách chính xác và liên tục Quá trình tìm và bám tín hiệu GPS trong máy thu có thể được chia thành hai phần chính để dễ hiểu hơn.
Bám tần số và pha sóng mang
Bám mã và giải trải phổ tín hiệu
Amp Mix.1 BPF Amp Mix.2 BPF
( vị trí, tốc độ, thời gian, tần số)
Truy cập và bám mã tín hiệu GPS Truy cập và bám sang mang Đồng bộ bit dữ liệu
Giải điều chế bản tin dẫn đường Đo tựa cụ ly theo mã hoặc theo sóng mang
Xử lý thông tin dẫn đường (có thể có chứa bọ lọc Kalman)
Dữ liệu phụ trợ ( hệ thống dẫn đường quán tính, đồng hồ đo cao, LORAN C
Tín hiệu trung tần đã đƣợc số hoá
LO Điều khiển ngắt Định thời
Tầng trung tần thứ hai Tầng trung tần thứ nhất
Độ chính xác của hệ thống GPS và các nguyên nhân gây sai số
Trước khi so sánh GPS với các hệ thống định vị khác, chúng ta cần hiểu rõ về nguyên lý hoạt động của GPS Hệ thống này hoạt động dựa trên việc xác định chính xác vị trí bằng cách tính toán khoảng cách tới ít nhất ba vệ tinh đã biết, giúp xác định vị trí một cách chính xác Vệ tinh chính là các điểm đã biết trong quá trình định vị của GPS.
Mỗi vệ tinh phát ra bộ mã duy nhất trên dải tần L, gồm các tần số L1 và L2, giúp xác định vị trí chính xác Các thông số quỹ đạo và đồng hồ của vệ tinh được cập nhật từ các trạm mặt đất trong quá trình điều khiển đo đạc, đảm bảo dữ liệu chính xác Lịch vệ tinh và thông tin hiệu chỉnh đồng hồ được phát liên tục từ trạm điều khiển chủ để tất cả vệ tinh đều biết chính xác thời gian và lịch trình của mình Người dùng hệ thống cần xác định khoảng cách tới ít nhất ba vệ tinh để tính vị trí chính xác, thông qua kỹ thuật đo khoảng cách giả bằng cách tạo bản sao mã trong máy thu và dịch chuyển theo thời gian đến khi thu được tương quan với tín hiệu vệ tinh Để giải 4 ẩn trong các phương trình định vị, giá trị đo đạc từ bốn vệ tinh phải được thực hiện, từ đó tính ra toạ độ X, Y, Z và thời gian chính xác.
Y, Z của vị trí và T là thời gian chính xác
Trong việc xác định vị trí bằng hệ thống GPS, có bốn nguồn sai số chính ảnh hưởng đến độ chính xác, bao gồm sai số từ vệ tinh và phần điều khiển, sai số do thời gian phát truyền, sai số đo đạc của máy thu, và sai số của người sử dụng (UERE) Đặc tính hình học của các vệ tinh cùng độ chính xác của khoảng cách giả định đều đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu sai số này Hiểu rõ các yếu tố này giúp cải thiện độ chính xác của hệ thống định vị GPS trong thực tế.
2.6.2 Các nguyên nhân gây sai số
Sai số do bầu khí quyển a) Tầng điện ly và tầng đối lưu
Các tín hiệu điện từ truyền qua môi trường ion hóa chịu tác động của tính chất khuyếch tán, dẫn đến sự suy giảm và biến đổi tín hiệu Đặc biệt, tín hiệu GPS bị ảnh hưởng bởi tính chất khuyếch tán phi tuyến của môi trường này, gây ra nhiễu loạn và giảm độ chính xác trong định vị Hiểu rõ các hiện tượng khuyếch tán phi tuyến giúp cải thiện khả năng dự đoán và xử lý tín hiệu trong các hệ thống truyền thông và định vị GPS.
Tầng đối lưu là một tầng khí quyển trung tính, ảnh hưởng đến tín hiệu định vị mà không phụ thuộc vào tầng số tín hiệu, khiến sai số do tầng này gây ra khó xác định khi sử dụng các giá trị đo ở hai tầng số khác nhau Ảnh hưởng của tầng đối lưu đối với hệ thống định vị có thể gây ra biến dạng tín hiệu và giảm độ chính xác của kết quả định vị Việc hiểu rõ tác động của tầng đối lưu giúp cải thiện độ chính xác của các dịch vụ định vị toàn cầu như GPS Do đó, việc nghiên cứu và giảm thiểu ảnh hưởng của tầng đối lưu là rất quan trọng trong công nghệ định vị vệ tinh hiện đại.
- Kéo dài thời gian truyền tính hiệu (range delay)
- Tạo ra các hiện tƣợng khúc xạ khi tín hiệu truyền qua
- Làm yếu tín hiệu truyền qua
Dao động tín hiệu ở tần số cao do những biến đổi có biên độ thấp xảy ra trong tầng đối lưu gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu GPS Sai số quỹ đạo vệ tinh là yếu tố quan trọng, tác động trực tiếp đến độ chính xác của hệ thống định vị, tốc độ và thời gian của máy thu Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như không đồng nhất của trường trọng lực Trái Đất, tác động của mặt trăng, mặt trời và các thiên thể khác, sức cản của khí quyển và áp lực của bức xạ mặt trời Vị trí của vệ tinh tại thời điểm phát tín hiệu chỉ có thể được xác định chính xác thông qua mô hình chuyển động dựa trên dữ liệu quan sát thu thập từ các trạm.
Sai số do vệ tinh, máy thu a) Sai số đồng hồ
Các thông số quỹ đạo và thời gian của vệ tinh, bao gồm giá trị hiện tại và dự đoán, được xác định tại các trạm điều khiển mặt đất rồi truyền ngược lên vệ tinh để mã hóa vào dữ liệu truyền đi Quá trình xác định và dự đoán thời gian vệ tinh theo hệ chuẩn GPST đều gặp phải sai số, gọi là sai số do đồng hồ vệ tinh Ngoài ra, còn tồn tại sai số do nhiễu tín hiệu ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu vệ tinh.
Các phép đo mã và đo pha của tín hiệu GPS thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu ngẫu nhiên (random noise), gây giảm độ chính xác và tin cậy của dữ liệu thu nhận Nhiễu này xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau như nhiễu do anten, các bộ khuếch đại, dây dẫn, máy thu, và các nguồn nhiễu khác trong hệ thống GPS Hiểu rõ các yếu tố gây nhiễu giúp cải thiện quá trình xử lý tín hiệu và nâng cao độ chính xác của các phép đo GPS.
Anten của máy thu không chỉ thu tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh, gây ra sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh Hiện tượng này làm giảm độ chính xác của dữ liệu thu nhận và ảnh hưởng lớn đến hiệu quả hoạt động của hệ thống định vị vệ tinh Việc giảm thiểu sai số do nhiễu xạ là yếu tố quan trọng để cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của dịch vụ định vị vệ tinh.
Sai số do người sử dụng
Lỗi do người sử dụng, sai số trong quá trình đo và ghi nhận số liệu không chính xác hoặc nhập sai dữ liệu vào máy tính là những nguyên nhân chính gây ra sai số Tuy nhiên, các sai số này có thể được khắc phục hiệu quả nếu phát hiện sớm và xử lý kịp thời, đảm bảo độ chính xác của kết quả đo lường.