Định vị và dẫn đường điện tử

Định vị và dẫn đường điện tử Thầy Hán Trọng Thanh viện điện tử viễn thông ĐH Bách Khoa Hà Nội

Bộ môn

Bộ môn Kỹ thuật Thông tin Kỹ thuật Thông tin

Hà nội, 11 - 2009

Email: httbkhn@yahoo.com

Giảng viên: Hán Trọng thanh

Trường ðại Học Bách Khoa Hà Nội

Khoa ðiện tử Khoa ðiện tử Viễn thông Viễn thông

ðịnh vị và dẫn ñường ñiện tử

( Electronics Positioning and Navigation )

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu

GPS

G lobal P ositioning S ystem

ξ 1 Giới thiệu chung 1 Giới thiệu chung

Tên ñầy ñủ của hệ thống:

NAVSTAR GPS

NAV igation S atellite T iming A nd R anging

G lobal P ositioning S ystem

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS

→ Hệ thống dẫn ñường vệ tinh

navigation systems that provide autonomous geo-spatial positioning

with global coverage.

- GNSS allows small electronic receivers to determine their location (longitude, latitude, and altitude) Receivers on the ground with a fixed position can also be used to calculate the precise time as a reference for scientific experiments.

- As of 2009, the United States NAVSTAR Global Positioning System

(GPS) is the only fully operational GNSS.

- The Russian GLONASS is a GNSS in the process of being restored to full operation.

- The European Union's Galileo positioning system is a GNSS in initial deployment phase, scheduled to be operational in 2013.

- The People's Republic of China : regional Beidou navigation system -> the global Compass navigation system by 2015.

→ Tính sẵn có: tại 1 thời ñiểm thu ñược tín hiệu của ít nhất 4

vệ tinh

→ ðộ bao phủ: có thể thu ñược tín hiệu GPS tại mọi vị trí trên trái ñất

bá thông tin vị trí và thời

gian trên hai tần số L1 và L2

Khâu không gian Khâu không gian hệ vệ tinh hệ vệ tinh

• Liên tục phát quảng bá các bản tin dẫn ñường trên

tín hiệu vệ tinh ñến máy thu GPS (mang thông tin

vị trí của SV và thời ñiểm phát bản tin).

• Duy trì thời gian tham chiếu với ñộ chính xác cao( sai số từ 10-12 ñến 10-14 sec)

• Nhận và lưu trữ các thông tin từ trạm ñiều khiểnmặt ñất;

• Thực hiện hiệu chỉnh quỹ ñạo vệ tinh và sai số ñồnghồ

Chùm vệ tinh GPS

GPS satellites are identified in difffffferent ways:

- position in the orbital plane [every satellite has a place (1, 2, 3, ), inside the six orbits - A, B, C, D,

E or F],

- NASA reference number,

- international identification number,

- PRN code (pseudorandom noise code),

- space vehicle number ( SVN)

CLOCK

OSCILLATION FREQUENCY [GHZ]

FREQUENCY OFFSET

∆f/f

TIME TO LOSE ONE SECOND Quartz crystal

Khâu ñiều khiển

Master Control Station

Kwajalein

Control Segment: Monitor and Control

Theo dõi và ñiều khiển

Khâu ñiều khiển

• Liên tục theo dõi các vệ tinh ñể xử lý dữ liệu nhận

ñược nhằm tính toán các thông số lịch vệ tinh (vị trí

và thời gian)

• Kiểm tra trạng thái của toàn hệ thống, các ñồng

hồ của từng vệ tinh cụ thể

• Gửi thông tin hiệu chỉnh quỹ ñạo vệ tinh và sai số

ñồng hồ lên các SV qua các upload station

Control Segment

Khâu người dùng GPS

- Máy thu GPS là một thiết bị thụ ñộng Chỉ thực

hiện thu tín hiệu vệ tinh mà không phát tín hiệu

- Sai số ño ñạc của máy thu GPS tùy thuộc vào dịch

vụ ñịnh vị ñược sử dụng (SPS hoặc PPS)

GPS receiver

Information flow between segments

• Dân sự : Dịch vụ ñịnh vị tiêu chuẩn SPS

Standard Positioning Service.

Basic Positioning: Before May 2000

• C/A Code on L1

• Selective Availability Selective Availability

25-100 m

Basic Positioning: Today

• C/A Code on L1

• No Selective Availability

5-10 m

Communications Network

S ynchronization and Timing

S urveying &

Mapping

Fishing &

Boating Off shore

Các nguồn gây sai số ñịnh vị vệ tinh

Trễ tầng ñối lưu - Troposphere

Truyền ña ñường

Nhiễu tại máy thu

Các nguồn gây sai số ñịnh vị vệ tinh

tầng ñiện ly

tầng ñối lưu

• Vị trí vệ tinh

• ðồng hồ vệ tinh

• Chất lượng máy thu

• Sai số truyền ña ñường

Các nguồn gây sai số ñịnh vị vệ tinh

Error sources

• Errors in GNSS depend on several factors:

from the receiver (and their geometry)

Các nguồn gây sai số ñịnh vị vệ tinh

Intuitive Concepts of XDOP

RNP

RNP – – Required Navigation Performance Required Navigation Performance

• Accuracy: ðộ chính xác giữa thông số ño và thông

số thực

• Integrity: khả năng cảnh báo cho người dùng khi

hệ thống không có khả năng dẫn ñường

• Integrity risk: xác suất xảy ra sai lỗi (do nguyên

nhân bất kỳ) trong khi vận hành hệ thống

• Continuity: Khả năng cung cấp dịch vụ liên tục của

hệ thống

• Availability: tĩnh sẵn có của hệ thống về mặt cung

cấp dịch vụ trong một vùng phủ sóng xác ñịnh

ξ ξ 2 Nguyên tắc xác ñịnh vị trí 2 Nguyên tắc xác ñịnh vị trí

máy thu GPS

Căn cứ của việc xác ñịnh vị

trí chính xác của mục tiêu

là ñộ chính xác của thông

số thời gian Việc xác ñịnh

khoảng cách  việc ño

thông số thời gian

2

Mỗi vệ tinh gửi vị trí của mình và thời ñiểm chính xác phát bản tin dẫn ñường 3

Máy thu GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh , xác ñịnh

vị trí vệ tinh và thời gian nhận ñược bản tin dẫn ñường tại máy thu.

4

Máy thu GPS tính toán thời gian truyền tín hiệu dựa trên sự chênh lệch giữa thời ñiểm phát và thu tín hiệu.

5

Vị trí của máy thu trên

hệ tọa ñộ ñịa lý và thời gian chính xác ñược tính toán từ 4 vệ tinh trong tầm quan sát.

Nguyên lý xác ñịnh vị trí

( )

[ t b c ]

z z

y y

Cần tối thiểu 4 vệ tinh

ñể xác ñịnh chính xác

vị trí của máy thu

( m s )

c = 3 × 108 /

ξ 3 Tín hiệu vệ tinh GPS 3 Tín hiệu vệ tinh GPS

và bản tin dẫn ñường

GPS Signal in Space

•

GPS signals in the frequency domain

Carrier RF sinusoidal signal with

frequency f L1 and f L2

Ranging code Each satellites transmits 2 codes

 Coarse/Acquisition code (C/A)

 Precision [encrypted] code (P) [(Y)]

based on the unique PRN code assigned to each satellite

Signal structure

Each signal consists of 3 components:

GPS Signal in Space

Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS

GPS signal structure

Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS

• Sóng mang L1

– Tần số: 1575,42 MHz ~ bước sóng 19 cm

– ðược ñiều chế bởi cả mã C/A và mã P(Y).

– Mã P(Y) lệch pha 90 ñộ so với mã C/A.

• Sóng mang L2

– Tần số 1227,60 MHz ~ bước sóng 24 cm

– Chỉ ñược ñiều chế bởi mã P(Y).

• Tính hiệu vệ tinh ñược mang trên hai sóng mang

với ñộ rộng băng tần là 20.46 MHz.

Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS

Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS

Phương thức ñiều chế tín hiệu GPS

• GPS sử dụng phương thức BPSK ñể ñiều chế các

mã trên sóng mang L1 và L2

• BPSK: Chuyển mức tín hiệu 0→ 1 hoặc 0→ 1 sẽ gây nên dịch pha 1800 của tín hiệu sóng mang

Nguyên lý tạo mã C/A

8 6

3 2

10 3

1 :2

1 :1

x x

x x

x x

G

x x

G

++

++

++

++

C/A code

The corresponding polynomials are

• G1: the last bit of the shift register is the output of the

sequence

• G2: the output is created using two bits (different for

each satellite – Gold or spreading code)

1176.45 MHz

L5 Characteristics

• L5 = 1176.45 MHz

• Bandwidth = 24 MHz (20 MHz null-to-null)

• Minimum Received Power = -154 dBW

• PN Code Chipping Rate = 10.23 MHz

• QPSK Signal

– In-Phase (I) = Data Channel

– Quadraphase (Q) = Data-Free Channel– Equal Power in I and Q (-157 dBW each)

• 50 bps data (rate 1/2 FEC encoded)

GPS receiver measurements

Code phase measurements

Received satellite signal

Locally generated signal

ρ =

Carrier Phase measurements

Bản tin dẫn ñường GPS

Navigation Message

Bản tin dẫn ñường GPS

Navigation Message

Navigation File: Satellite Orbit

• Define satellite position in the satellite orbit - v

• Define size and shape of the satellite orbit - a, e

• Define the orientation of the satellite orbit - ω

• Define the orbital plane in the equatorial system - ΩΩ, I

v True Anomaly

a Semi-major axis of ellipse

E Eccentricity

I Inclination of the orbit

Ω Right ascension of the ascending node

ω Argument of perigee

• semi-major axis, a : Size of Orbit

• eccentricity, e : Shape of Orbit

Perigee Apogee

Navigation File: Satellite Position

• right ascension of the

Y

DEFINITION OF A YUMA ALMANAC

Sample Yuma almanac for GPS satellites

Chuẩn bản tin NMEA

• NMEA cung cấp dữ liệu cho việc giao tiếp giữa máy

ñịnh nghĩa

• ðặc ñiểm:

– Sử dụng mã ASCII ñơn giản.

– Phương thức truyền tuần tự

– Tại một thời ñiểm, dữ liệu sẽ ñược truyền ñi trong một "câu“ (bản tin) theo một chiều duy nhất từ bộ thu GPS qua cổng giao tiếp

Chuẩn bản tin NMEA

$GPZDA UTC Date / Time and Local Time Zone Offset

Ngày giờ và ñộ lệch múi giờ

$GPGGA Global Positioning System Fix Data

ðộ cao 9m so với mực

nước biển

$GPRMC Recommended minimum specific GPS/TRANSIT data

Dữ liệu tối thiểu của bản tin GPS

GPS Toolkit GPS Toolkit GPSTk GPSTk

The GPSTk is:

– A library to write GNSS software

– Includes example applications.

The GPSTk is Free Software (LGPL): – Both non-commercial and

– commercial applications.

Website: http://www.gpstk.org

GNSS Data Structures

GNSS Data Structures (GDS) were

designed to help in GNSS data processing.

• Consists of 3 ASCII file types available to be

downloaded from SatRef System

File Type Containing Information

Observation Data File GPS Measurements

GPS Navigation Message File

Ephemeris (Orbit information)

Meteorological Data File Pressure, Temperature,

Relative Humidity, etc

R eceiver In dependent Ex change Format

Observation File

Header Section

Data Section

Observation File: Header Section

PGM/ RUN BY / DATE Program, Agency, date of creating the file

REC # / TYPE / VERS Receiver Number, type, version

ANT # / TYPE Antenna Number, TYPE

APPROX POSITION XYZ Approximation marker position (in WGS84)

ANTENNA: DELTA H/E/N Antenna height, Eccentricities of antenna centre

relative to marker in east and north (in metres) WAVELENGTH FACT L1/2 Wavelength factors for L1 and L2

# / TYPES OF OBSERV Number of observation types, observation types

TIME OF FIRST OBS Time of first observation record

C1 : Pseudorange using C/A code on L1

L1 : Phase measurements on L1

P2 : Pseudorange using P-Code on L2

L2 : Phase measurements on L2

Observation File: Data Section

Observation File: Data Section

Satellite Number

Number of Satellites

Epoch

Event Flag

Observation File: Data Section

Observation data for each Satellite

Observation File of HKSC on 5 June 2006 from UTC Time 3:00 to 4:00

Observation File: Data Section

Observation data for each Satellite

Observation File of HKSC on 5 June 2006 from UTC Time 3:00 to 4:00

Observation File: Data Section

LLI (Loss of Lock Indicator)

0 or blank: not known

Trung tâm

ñiều khiển

Trạm tham chiếu

Truyền số liệu

Trạm theo dõi Máy thu DGPS

- Có hai chế ñộ hiệu chỉnh sử dụng trong hệ thống DGPS:

- Hiệu chỉnh theo thời gian thực ( real-time )

- Hiệu chỉnh không theo thời gian thực ( post processing )

Local Area Differential GPS (DGPS) Concept

Wide Area Augmentation System (WAAS) Concept

DGPS correction = x+(30-5) and y+(60+3)

True coordinates = x+25, y+63

DGPS correction = x+(30-5) and y+(60+3)

True coordinates = x+25, y+63

Post Processing Differential GPS

ONE ADVANTAGE OF RTK GPS OR DGPS IS THAT THE QUALITY OF DATA

CAN BE VERIFIED IN THE FIELD WITH GOOD PROCEDURES BEFORE

LEAVING THE SITE

ALSO POST PROCESSING IS ELIMINATED

RADIO/

CELL SITE