Các mô hình định vị GPS

Ngày nay, thế giới thông 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.Vệ tinh nói chung và GPS nói riêng là một trong những hệ thống thiết bị định vị rất hiệu quả. Do đó em chọn đề tài “Các mô hình định vị GPS” cho đồ án kết thúc môn học của mình. Nội dung của đồ án gồm 2 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinhChương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPSChương 1: Giới thiệu về sự ra đời và phát triển của hệ thống GPS, cung cấp các khái niệm cơ bản về thông tin vệ tinh, định vị, cơ sở lý thuyết của phép định vị bằng vệ tinh, phương trình đo mã, thiết lập mô hình toán học của phép đo cũng như các nguồn gây sai số của phép đo. Chương 2: Nghiên cứu về cấu trúc của hệ thống GPS, kĩ thuật định vị GPS, các nguyên tắc và phương pháp đo GPS. Đồng thời nghiên cứu về phương pháp A-GPS nhằm tăng độ chính xác, giảm thời gian xác định vị trí, giảm mức độ tiêu thụ năng lượng và tăng độ nhạy của thiết bị thu.

ỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, thế giới thông tin ngày càng phát triển một cách đa dạng và phongphú Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống càng tăng cả về số lượng vàchất lượng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành Viễn Thông càng mở rộng Trong nhữngnăm gần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc đápứng nhu cầu đời sống, đưa con người nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoahọc kỹ thuật

Vệ tinh nói chung và GPS nói riêng là một trong những hệ thống thiết bịđịnh vị rất hiệu quả Do đó em chọn đề tài “Các mô hình định vị GPS” cho đồ ánkết thúc môn học của mình

Nội dung của đồ án gồm 2 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

Chương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Chương 1: Giới thiệu về sự ra đời và phát triển của hệ thống GPS, cung cấp cáckhái niệm cơ bản về thông tin vệ tinh, định vị, cơ sở lý thuyết của phép định vịbằng vệ tinh, phương trình đo mã, thiết lập mô hình toán học của phép đo cũng nhưcác nguồn gây sai số của phép đo

Chương 2: Nghiên cứu về cấu trúc của hệ thống GPS, kĩ thuật định vị GPS, cácnguyên tắc và phương pháp đo GPS Đồng thời nghiên cứu về phương pháp A-GPS nhằm tăng độ chính xác, giảm thời gian xác định vị trí, giảm mức độ tiêu thụnăng lượng và tăng độ nhạy của thiết bị thu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Khái quát chung về các hệ thống dẫn đường vệ tinh quốc tế

1.1.1 Khái quát chung

Bắt đầu vào những thập niên 1960, hệ thống vệ tinh được thiết lập có ý nghĩaquan trọng của việc dẫn đường trên trái đất Hệ thống được thiết kế chủ yếu cho việcxác định vị trí hàng ngày của tàu bè Nhưng đã bắt đầu đặt nền móng cho việc sửdụng trong quá trình dẫn đường cho các phương tiện trên không.

Các hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ vàthời gian cho các máy thu ở mọi nơi trên trái đất, trong mọi điều kiện thời tiết Hệthống có thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài mét và có thể giảmxuống chỉ còn vài centimet

1.1.2 Hệ thống dẫn đường vô tuyến (Radio Navigation)

Hệ thống dẫn đường vô tuyến, là hệ thống định vị sử dụng hệ tọa độ mặt đất,nguyên tắc định vị dựa vào nguyên lý giao hội hai cạnh bằng sóng radio:

- R 1: Khoảng cách từ máy phát 1 đến máy thu

- R 2 : Khoảng cách từ máy thu 2 đến máy thu.

- X, Y: Tọa độ máy thu.

- x x y y1, , ,2 1 2: Tọa độ các máy phát 1 và 2

Nguyên tắc định vị của hệ thống dẫn đường vô tuyến dựa theo nguyên lýgiao hội hai cạnh bằng sóng radio được thể hiện như hình 1.1

Hình 1.1: Nguyên lý định vị bằng giao hội 2 cạnh sóng Radio

Áp dụng nguyên lý tính toán thời gian truyền sóng vô tuyến từ vệ tinh đếnmáy thu định vị đặt trên đối tượng cần xác định để xác định khoảng cách từ vệ tinhđến máy thu định vị đó Ta biết rằng tốc độ sóng vô tuyến trong không gian gầnbằng vận tốc ánh sáng (3.108 m/s), nếu máy thu có thể xác định chính xác thời giankhi vệ tinh bắt đầu gửi đoạn tin và thời gian máy thu nhận được đoạn tin đó từ đó

có thể xác định được khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh theo biểu thức:

R c T= ∆.

(1.1)

với R: khoảng cách thừ vệ tinh đến máy thu (m)

c : Vận tốc ánh sáng (c= 3.108 m/s)

∆T: Thời gian truyền sóng từ máy phát đên máy thu (s)

Như vậy để thực hiện thì phải đồng bộ chính xác giữa vệ tinh và máy thuGPS thì máy phát ở vệ tinh và máy thu GPS có các mã định thời giả ngẫu nhiênđồng nhất Mỗi vệ tinh sẽ liên tục phát mã đồng bộ của chúng một cách chính xác,máy thu GPS sau khi thu được mã đồng bộ phát từ vệ tinh nó sẽ thực hiện so sánh

với mã tạo ra để xác định thời gian truyền sóng Hiệu số thời gian đó nhân với tốc

độ truyền sóng sẽ cho ra kết quả khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Hình 1.3 mô

tả quá trình so sánh mã của vệ tinh và mã của máy thu GPS để xác định thời giantruyền sóng

Hình 1.2: Quá trình so sánh mã của vệ tinh và mã của máy thu GPS

• Đặc điểm của hệ thống

- Thiết bị đơn giản rẻ tiền, dễ thao tác

- Tầm hoạt động bị hạn chế, độ chính xác không cao, nó phụ thuộc vàonhiều yếu tố:

+ Thời điểm đo, nhiệt độ, độ ẩm của không khí ảnh hưởng tới quá trỡnhtruyền lan súng điện từ

+ Vị trí cần xác định tọa độ, ảnh hưởng của địa hinh phức tạp tới sự lantruyền của tia sóng

Để tăng tầm hoạt động của hệ thống, người ta thường liên kết từng cụm gồm 3trạm đèn hiệu vô tuyến thành từng chuỗi hệ thống Khi đó độ phủ sóng của hệ thốngrộng hơn một trạm đơn lẻ, thường vào khoảng 1000 dặm

1.2 Sự ra đời của hệ thống GPS

Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòihỏi 1 kỹ thuật mà các hệ thống cũ không thể đáp ứng được đó là định vị trongkhông gian 3 chiều, đứng trước sự đòi hỏi đó chính phủ Mỹ đã tài trợ 1 chươngtrình nghiên cứu hệ thống định vị và dẫn đường trong vũ trụ Với Bộ quốc phòng

Mỹ là cơ quan thiết kế và điều khiển hệ thống định vị toàn cầu Trong nhóm thamgia điều hành dự án GPS cần phải kể đến Phd Ivan Getting và Phd BradfordParkinson đã góp phần đáng kể trong dự án

Vệ tinh

Thập niên 1920: Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến

Đầu Đại chiến thế giới 2: LORAN, hệ thống dẫn đường áp dụng phương

pháp đo độ lệch thời gian của tín hiệu sóng vô tuyến, do Phòng thí nghiệm Bức xạĐại học MIT (MIT Radiation Laboratory) LORAN cũng là hệ thống định vị trongmọi điều kiện thời tiết thực sự đầu tiên, nhưng hai chiều (vĩ độ và kinh độ)

Năm 1959 : TRANSIT, hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh hoạt động đầu

tiên, do Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng Johns Hopkins phát triển dưới sự chỉđạo của TS Richard Kirschner Mặc dù khởi đầu Transit được chế tạo để hỗ trợ chođội tàu ngầm của Mỹ nhưng những công nghệ này đã được phát triển có ích trởthành Hệ thống định vị toàn cầu Vệ tinh Transit đầu tiên được phóng lên vũ trụvào năm 1959

và độ cao longitude, latitude and altitude) đầu tiên do Raytheon Corporation đềxuất theo yêu cầu của Air Force để làm hệ thống dẫn đường sẽ được sử dụng với(with a proposed ICBM) có thể đạt tới độ lưu động bằng chạy trên một hệ thốngđường ray Hệ thống dẫn đường được trình bày là MOSAIC (Mobile System forAccurate ICBM Control) Ý tưởng này bị hỏng khi chương trình MobileMinuteman bị hủy bỏ vào năm 1961

Năm 1963: Tổng công ty Aerospace Corporation thực hiện nghiên cứu về

hệ thống không gian làm cơ sở cho hệ thống dẫn đường cho phương tiện chuyểnđộng nhanh theo ba chiều không gian Việc nghiên cứu này trực tiếp dẫn tới kháiniệm về hệ thống định vị toàn cầu Khái niệm liên quan đến việc đo thời gian tớicủa tín hiệu sóng vô tuyến được phát đi từ vệ tinh có vị trí chính xác đã biết Đothời gian sẽ cho khoảng cách tới vị trí vệ tinh đã biết và lần lượt có thể xác địnhđược vị trí của người sử dụng

Ngày 14 tháng 7 năm 1974 Vệ tinh NAVSTAR đầu tiên được phóng lên vũtrụ Vệ tinh này được chỉ định là Vệ tinh Công nghệ Dẫn đường (NTS) số 1, về cơbản đây là vệ tịnh Timation tân trang lại do NRL đóng Vệ tinh thứ hai (là vệ tinhcuối cùng) của nhóm NTS được phóng vào năm 1977 Những vệ tinh này được sửdụng cho việc đề xuất đánh giá khái niệm (ý tưởng) và thực hiện những đồng hồnguyên tử đầu tiên đã được phóng vào trong không gian (vũ trụ).

Năm 1977: Thực hiện kiểm tra thiết bị người sử dụng ở Yuma, Arizona.Ngày 22/2/1978: Vệ tinh Block I đầu tiên được phóng Toàn bộ 11 vệ tinhBlock I được phóng trong khoảng thời gian 1978 và 1985 trên Atlas-Centaur.Những vệ tinh Block I do Rockwell International xây dựng được coi là những vệtinh mẫu phát triển được dùng để kiểm tra hệ thống Bị mất một vệ tinh do phóngtrượt

Ngày 26/4/1980: Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng

Hệ thống phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp (Integrated OperationalNucluear Detonation Detection System (IONDS) sensors)

Năm 1982: Bộ Quốc phòng thông qua quyết định giảm số vệ tinh của chòm

vệ tinh GPS từ 24 xuống 18 tiếp theo sau tái cấu tạo lại chương trình chính doQuyết định 1979 của Văn phòng Thư ký Bộ Quốc phòng gây ra để cắt giảm kinhphí 500 triệu đô la (khoảng 30%) từ ngân sách cho giai đoạn năm tài chính FY81-FY86

Ngày 14/7/1983 Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng

nổ hạt nhân (NDS) mới hơn

Ngày 16/9/1983 Theo (the Soviet downing of Korean Air flight 007), tổngthống Reagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay dân dụng hoàn toànmiễn phí khi hệ thống đưa vào sử dụng Sự kiện này đánh dấu sự bắt đầu lan tỏacông nghệ GPS từ quân sự sang dân sự

Năm 1984: Khảo sát trở thành một thị trường GPS thương mại đầu bảng

được nâng cánh! Để bù cho số vệ tinh giới hạn có sẵn trong quá trình phát triểnchòm vệ tinh, các nhà khảo sát đã chuyển qua số kỹ thuật nâng cao độ chính xácbao gồm kĩ thuật GPS Vi phân (DGPS) và kỹ thuật truy theo pha sóng mang(carrier phase tracking)

Tháng 4 1985 Hợp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao choJPO Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển cũng như lựa chọn sản xuấtcác máy thu GPS dùng cho máy bay, tàu thủy và máy thu xách tay (gọn nhẹ)

Năm 1987: Bộ Quốc phòng chính thức yêu cầu Bộ Giao thông (Department

of Transport, DoT) có trách nhiệm thiết lập và cung cấp một văn phòng đáp ứngnhu cầu người sử dụng dân sự về thông tin GPS, dữ liệu và hỗ trợ kỹ thuật Tháng

2 năm 1989, Coast Guard có trách nhiệm làm đại lý hướng dẫn Dịch vụ GPS Dân

sự (civil GPS service)

Ngày 21/6/1989 Hãng Martine Marietta (sau khi mua xong General ElectricAstro Space Division vào năm 1992) được thắng hợp đồng xây dựng 20 vệ tinh bổsung (Block IIR) Chiếc vệ tinh Block IIR đầu tiên sẵng sàng để phóng vào cuốinăm 1996

Năm 1990 Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hàngđầu thế giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm ban đầu

Ngày 25/3/1990 Do theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến Liên bang, lần đầutiên khởi động (kích hoạt) SA (Selective Availability) làm giảm độ chính xác dẫnđường GPS có chủ định

Tháng 8/1990 SA được tắt đi trong chiến tranh vịnh Ba tư (Persian GulfWar) Những yếu tố đóng góp vào quyết định tắt SA bao gồm việc phủ sóng bachiều có giới hạn được chòm NAVSTAR cung cấp trong quỹ đạo vào thời gian đó

và sớ máy thu mã số chính xác (Precision (P)-code) trong bản kiểm kê của DoD

DoD đã mua hàng nghìn máy thu GPS dân dụng ngay sau đó không lâu đã dùngcho lực lượng liên minh trong cuộc chiến tranh.

- Hệ GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thôngtin toàn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất Ngày nay, khóhình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộnào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh Hệ GPS là hệ thống dẫnđường bằng vệ tinh do Hoa Kỳ kiểm soát và duy trì hoạt động

Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên trái đất ở độ cao20.200 km (11.900 NM ), với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đicác tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận Từ những năm đầu thập kỷ

80, các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối tượng sử dụng tư nhân Trên các

xe hơi hạng sang, những thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số PDA (PersonalDigital Assistant), được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện giá trị của chủ sởhữu

- Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978

- Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 10 năm

- Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 bộ (5 m)với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²)

- Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts

1.3 Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh

Để xác định vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử dụng

vệ tinh làm các điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thể

đến các vệ tinh này (Hình 1.3) Ở đây ta đã biết trước vị trí

j r

của vệ tinh thứ j

(phát ra tín hiệu) và muốn xác định vị trí R i của anten thứ i (thiết bị thu tín hiệu vệ

tinh) do đó ta cần phải đo vector cự ly e i jρI j giữa 2 vị trí nói trên (e i j là vector đơnvị)

Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có thể có những kỹthuật định vị vệ tinh khác nhau và xác định được vị trí của anten thứ i theo côngthức sau:

Hình 1.3: Vị trí các vật thể được xác định qua 4 phép đo

Do vị trí của vệ tinh thay đổi theo thời gian nên việc dự đoán một cáchchính xác vị trí của vệ tinh r j (t) tại một thời điểm nào đó là rất khó khăn Nhiệm vụ

dự đoán quỹ đạo hay lịch thiên văn (ephemeris) của vệ tinh đòi hỏi phải có kiếnthức đặc biệt về động lực học vệ tinh mà người vận hành hệ thống cần phải quantâm

Giả sử ta bỏ qua sai số đồng hồ máy thu trên vật thể i và đo được cự ly từ vậtthể i đến vệ tinh 1 là ρi 1, nghĩa là vật thể i đang nằm trên một mặt cầu (S1) có tâm là

vệ tinh 1 (C1) và bán kính là ρi 1 Tiếp theo ta thực hiện phép đo cự ly từ vật thể iđến vệ tinh 2 và nhận được kết quả là ρi 2, điều này cho chúng ta biết rằng vật thể i

không chỉ nằm trên mặt cầu (S1) mà còn nằm trên mặt cầu (S2) cách vệ tinh 2 (C2)một khoảng cách là ρi 2 Nói cách khác, vật thể i sẽ nằm trên đường tròn (O) do 2mặt cầu (S1), (S2) cắt nhau tạo ra Nếu chúng ta tiếp tục đo được cự ly từ vật thể i

C (Gốc tọa độ) (Tâm trái đất)

rj (đã biết)

(cần tìm) Ri Anten thứ i

Vệ tinh thứ j

Mặt đất (đo được) eijij

Hình 1.4: Định vị điểm bằng vệ tinh

P

đến vệ tinh 3 là ρi 3 thì vị trí chính xác của nó là một trong hai giao điểm P1, P2 củamặt cầu (S3) với đường tròn (O), như ở hình 1.4

Như vậy, bằng các phép đo cự ly từ vật thể i đến 3 vệ tinh, ta có thể xác định

được 2 vị trí có thể có của nó trong không gian Để xác định vị trí nào là vị trí thật

ta có thể thực hiện 1 phép đo bổ sung, tuy nhiên 1 trong 2 vị trí tính được từ phép

đo này sẽ cho một kết quả không phù hợp (hoặc là ở rất xa trái đất, hoặc là chuyểnđộng với vận tốc vô cùng lớn) và do đó có thể bỏ qua mà không cần phải thực hiệnphép đo này.Ba phép đo cự ly ở trên cho ta 3 phương trình độc lập với nhau cần

thiết để xác định 3 ẩn số 3 ẩn số này là tọa độ (x, y, z) của vật thể i trong không

gian 3 chiều

Khi kể đến sai số đồng hồ máy thu, tất cả các phép đo cự ly đồng thời đều bịlệch bởi giá trị sai số này Do đó, trong bất kỳ một tập hợp các phép đo cự ly đồngthời nào, chúng ta cũng cần phải xác định đầy đủ 4 ẩn số (3 ẩn số vị trí, 1 ẩn sốthời gian), nghĩa là cần 4 phương trình hay 4 phép đo cự ly đến vệ tinh để xác định

vị trí duy nhất của vật thể

1.3.1 Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh

1.3.1.1 Mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code - PRC)

Hình 1.5: Mã giả ngẫu nhiên PRC

Là thành phần cơ bản của GPS, gồm các mã số (digital code) rất phức tạp,hay nói cách khác nó là một chuỗi liên tiếp các xung nhị phân “0” và “1” (hình1.5)

Tín hiệu này phức tạp gần như là các nhiễu điện từ ngẫu nhiên nên được gọi

là mã giả ngẫu nhiên Nó có nhiệm vụ bảo đảm cho máy thu không đồng bộ ngẫunhiên với tín hiệu khác Ngoài ra, do mỗi vệ tinh có một mã PRC duy nhất riêngbiệt nên điều này cũng bảo đảm rằng máy thu sẽ không tình cờ bắt được tín hiệucủa vệ tinh khác, vì vậy các vệ tinh có thể sử dụng cùng tần số mà không làm nhiễulẫn nhau Không những vậy, việc sử dụng mã PRC này còn giúp cho quá trình xử

lý và khuếch đại tín hiệu dựa trên lý thuyết thông tin được thực hiện dễ dàng hơn,giúp tối ưu hóa anten thu và tiết kiệm chi phí

1.3.1.2 Giả cự ly

Là cự ly đo được giữa vệ tinh và máy thu khi kể đến các sai số đồng hồ(đồng hồ máy thu và vệ tinh) cũng như các nguồn sai số khác (sai số do lịch thiênvăn, do tầng điện ly, do tầng đối lưu, …) Các cự ly đo được trên hình 1.8 ở trênchính là các số đo giả cự ly cần thiết để xác định vị trí của vật thể i được tính theocông thức sau:

pr i j : giả cự ly giữa vật thể i và vệ tinh thứ j

ρi j : cự ly thật giữa vật thể i và vệ tinh thứ j

c : vận tốc ánh sáng (3.108 m/s);

∆T : các nguồn sai số.

1.3.1.2 Đo cự ly bằng sóng xung và sóng liên tục

Các hệ thống đo cự ly thường dùng các tín hiệu xung hoặc các tín hiệu sóngliên tục

Mỗi phương pháp đều có những ưu khuyết điểm riêng và đều có thể sử dụngtrong phép đo một chiều hoặc hai chiều Hệ thống định vị vô tuyến toàn cầu là hệthống đo cự ly một chiều có khả năng sử dụng cả hai loại: sóng xung dụng trong vàsóng liên tục

1.3.1.3 Nguyên lý đo cự ly cơ bản

Bằng cách xác định khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu

ta có thể tính toán được cự ly giữa chúng nhờ vào công thức:

Cự ly = vận tốc x thời gian hay ρ = c.t (1.4)Vấn đề ở đây là làm sao tính toán được thời gian truyền tín hiệu giữa chúng

Để thực hiện điều này chúng ta giả sử rằng cả vệ tinh và máy thu đều phát ra các

mã PRC giống nhau vào cùng một thời điểm Lúc này tại máy thu ta nhận được 2phiên bản mã không đồng thời, 1 phiên bản mã của máy thu và 1 phiên bản mã từ

vệ tinh sẽ đến trễ hơn một khoảng thời gian do phải trải qua một quảng đường khá

xa từ vệ tinh đến máy thu Như vậy dựa vào khoảng thời gian trễ trên ta có thể xácđịnh được cự ly một cách dễ dàng

Hình 1.6: Phương pháp đo giả cự ly t

Mã nhận được từ vệ tinh

Mã do máy thu tạo ra

Thời trễ (Giả cự ly) Thời trễ được xác định bằng cách sử dụng nguyên lý tương quan tín hiệu ngẫu nhiên trong máy thu tương quan (correlator).

Giả cự ly là tích của tốc độ ánh sáng và trị biến đổi thời gian cần thiết để so

hàng một phiên bản mã được phát từ máy thu với một phiên bản mã khác nhận

được từ vệ tinh Trên lý thuyết, trị biến đổi thời gian là trị chênh lệch giữa thời

gian nhận tín hiệu (được đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín

hiệu (được đo bằng hệ thời gian của vệ tinh) Trên thực tế, hai hệ thời gian này

không giống nhau, mỗi hệ tác động một sai lệch vào trị số đó Vì vậy các số đo

thời trễ sai lệch này được xem là những số đo giả cự ly

1.3.2 Các nguồn gây sai số trong phép đo

Như chúng ta đã biết để xác định vị trí của một vật thể, ta cần phải tính toán

được khoảng cách từ nó đến 4 vệ tinh dựa vào phép đo khoảng thời gian truyền tín

hiệu sóng điện từ từ các vệ tinh đến vật thể này

Do đó độ chính xác của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu là các thông số

rất quan trọng ảnh hưởng đến các phép đo cự ly cần thiết Ngoài ra, các yếu tố

khác như tầng điện ly, tầng đối lưu, quỹ đạo vệ tinh, độ ồn của máy thu, nhiễu đa

đường (multipath) cũng góp phần gây ra các sai số không nhỏ trong các phép đo

cự ly này

50km 200km 28.000km

Hình 1.7: Các nguồn tác động khác nhau gây ra sai số trong phép đo cự ly

Quỹ đạo vệ tinh

Đồng hồ vệ tinh

Đồng hồ máy thu Nhiễu đa đường Nhiễu máy thu

Tín hiệu truyền từ vệ tinh đến máy thu bị sai số và bị trễ

1.3.2.1 Đồng hồ vệ tinh

Sóng điện từ truyền đi trong không gian xấp xỉ vận tốc ánh sáng (3.108m/s)nên chỉ cần sai số 1ns sẽ gây ra sai số khoảng cách 30cm Vì vậy, người ta trang bịcho các vệ tinh các đồng hồ nguyên tử (Cesium) rất chính xác Các đồng hồ nàytuy có độ chính xác cao vẫn tích lũy sai số 1ns sau mỗi 3 giờ, do đó để giải quyếtvấn đề này, chúng sẽ được liên tục theo dõi bởi các trạm mặt đất và được so sánhvới hệ thống đồng hồ điều khiển trung tâm gồm 10 đồng hồ nguyên tử khác Saukhi được tính toán kỹ lưỡng, sai số và độ trôi đồng hồ vệ tinh được kèm vào cácthông điệp mà vệ tinh phát đi Khi tính toán khoảng cách đến các vệ tinh, máy thuGPS sẽ lấy thời gian truyền tín hiệu nhận được trừ đi các sai số này để xác địnhthời gian truyền tín hiệu thực sự

Mặc dù các trung tâm điều khiển mặt đất cố gắng hết sức để liên tục theo dõihoạt động của các đồng hồ vệ tinh, chúng vẫn không thể xác định các sai số mộtcách chính xác được Do đó các vệ tinh vẫn gây ra sai số đồng hồ tiêu biểu khoảngvài nano giây và sai số khoảng cách khoảng 1m

1.3.2.2 Đồng hồ máy thu

Tương tự như đồng hồ vệ tinh, bất kỳ sai số nào trong đồng hồ máy thu cũnggây ra sai số trong các phép đo khoảng cách Tuy nhiên không thực tế khi trang bịcho các máy thu này các đồng hồ nguyên tử vì chúng khá nặng (khoảng 20kg), cógiá cả rất mắc (50.000USD) và rất bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

Giả sử rằng, tại một thời điểm nào đó, đồng hồ máy thu có sai số 1ms và do

đó gây ra sai số khoảng cách 300.000 m Nếu các khoảng cách đến tất cả các vệtinh được đo chính xác vào cùng một thời điểm thì tất cả khoảng cách này đều bịlệch 300.000 m Vì vậy, ta có thể xem sai số đồng hồ máy thu là một trong các ẩn

số cần tìm và đó cũng là lý do mà tại sao khi xác định vị trí ta cần thực hiện cácphép đo cự ly đến 4 vệ tinh, nghĩa là cần 4 phương trình để giải ra 4 ẩn số (3 ẩn số

vị trí x, y, z và 1 ẩn số thời gian là sai số đồng hồ máy thu), và từ đó giúp ta có thể

sử dụng đồng hồ rẻ tiền và gọn nhẹ hơn trong máy thu

Chú ý rằng việc xem sai số đồng hồ máy thu là 1 ẩn số chỉ hợp lệ nếu ta thựchiện các phép đo cự ly đến các vệ tinh chính xác vào cùng một thời điểm Nếu cácphép đo này không xảy ra đồng thời thì đối với mỗi phép đo sẽ có một sai số đồng

hồ khác nhau Thực hiện các phép đo đồng thời đến 4 vệ tinh, ta không những tínhtoán được vị trí 3 chiều mà còn xác định được sai số của đồng hồ máy thu với độchính xác rất cao Một đồng hồ tiêu biểu có độ trôi khoảng 1000ns mỗi giây nhưngbằng phương pháp trên ta có thể điều chỉnh thời gian máy thu đạt độ chính xácbằng với đồng hồ GPS và biến đồng hồ máy thu rẻ tiền này trở thành một đồng hồnguyên tử có độ chính xác cao Máy thu hiệu chỉnh đồng hồ của nó mỗi giây vàcung cấp một tín hiệu thời chuẩn cho các ứng dụng bên ngoài Nếu chúng ta đặtmáy thu tại một vị trí chính xác đã biết thì ta chỉ cần theo dõi 1 vệ tinh để tính toánsai số đồng hồ máy thu và điều chỉnh nó Bốn vệ tinh là số lượng tối thiểu màchúng ta cần để tính toán vị trí và thời gian Càng sử dụng nhiều vệ tinh thì kết quả

đo nhận được càng chính xác hơn

1.4 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Như đã thảo luận ở các phần trên, độ chính xác của vị trí cần tính toán cũngphụ thuộc vào cách xác định vị trí chính xác của các vệ tinh (được xem là các điểmtham chiếu) Quỹ đạo của các vệ tinh liên tục được theo dõi từ nhiều trạm giám sátnằm xung quanh trái đất và thông tin quỹ đạo dự đoán được truyền đến các vệ tinh,

từ đó vệ tinh cung cấp các thông tin này cho máy thu Độ chính xác tiêu biểu củaviệc tiên đoán quỹ đạo này vào khoảng vài mét và do đó cũng sẽ gây ra sai sốkhoảng vài mét khi tính toán vị trí Máy thu duy trì một bảng niên giám dữ liệu quỹđạo cho tất cả các vệ tinh và chúng cập nhật các bảng này mỗi giờ khi có dữ liệumới

1.4.1 Sai số do tầng điện ly

Khi tính toán khoảng cách đến vệ tinh, đầu tiên ta đo khoảng thời giantruyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu và sau đó nhân khoảng thời gian này với vậntốc ánh sáng Vấn đề ở đây là vận tốc này thay đổi phụ thuộc vào tình trạng củatầng khí quyển Lớp trên của tầng khí quyển gọi là tầng điện ly gồm các hạt mangđiện, gây tác động làm chậm tín hiệu mã và nhanh tín hiệu sóng mang

Ảnh hưởng của tầng điện ly nếu không được khắc phục có thể gây ra sai sốphép đo lớn hơn 10m Vài máy thu sử dụng mô hình toán học để tính toán ảnhhưởng của tầng điện ly và xác định gần đúng mật độ các hạt mang điện nên có thểgiảm được ảnh hưởng của tầng này khoảng 50% tuy nhiên sai số còn lại vẫn đángkể

hình 1.8: Sai số do tầng điện ly

Trễ nhiễu tầng khí quyển:

I : là số của electron trên một đơn vị

Tác động của tầng điện ly đối với tín hiệu điện tử phụ thuộc vào tần số của

nó Tần số càng cao thì ảnh hưởng càng ít Do đó ta có thể sử dụng 2 tần số sóngmang khác nhau để đo độ trễ sai lệch giữa 2 tín hiệu này và từ đó loại bỏ được ảnhhưởng của tầng điện ly Đó chính là lý do tại sao mà tất cả các vệ tinh GPS truyềnthông tin bằng 2 tần số L1, L2 Máy thu chính xác (máy thu 2 tần số) chủ yếu phục

vụ cho quân sự theo dõi cả 2 tín hiệu L1, L2 và thực hiện các kỹ thuật phức tạp đểtrích ra các tín hiệu mã và sóng mang nhằm loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly.Máy thu không chính xác (máy thu đơn tần) phục vụ chủ yếu trong dân sự chỉ theodõi 1 tín hiệu L1 Đây là 1 trong những đặc điểm phân biệt chính giữa 2 loại máythu này

1.4.2 Sai số do tầng đối lưu

Lớp thấp hơn của tầng khí quyển chứa đựng hơi nước được gọi là tầng đốilưu, gây tác động làm chậm cả tín hiệu mã lẫn tín hiệu sóng mang Ta không thểloại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu bằng cách sử dụng hệ thống 2 tần số.Phươngpháp duy nhất để loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu là tiến hành phép đo lượnghơi nước, nhiệt độ, áp suất của nó và áp dụng một mô hình toán học để có thể tínhtoán độ trễ gây ra bởi tầng này

1.4.3 Nhiễu đa đường

Khi đo khoảng cách đến mỗi vệ tinh, ta giả sử rằng tín hiệu vệ tinh được truyền thẳng từ vệ tinh đến anten của máy thu

Nhưng trong thực tế ngoài tín hiệu trực tiếp này anten máy thu còn nhận được các tín hiệu phản xạ đến từ mặt đất và các vật thể gần anten qua nhiều đường gián tiếp khác nhau, xen nhiễu vào tín hiệu trực tiếp, gây ra sai lệch về thời điểm đến của tín hiệu thực sự

Nếu đường truyền gián tiếp dài hơn đáng kể so với đường truyền trực tiếp(lớn hơn 10m) để hai mẫu tín hiệu trên tách rời nhau thì ảnh hưởng gây ra bởinhiễu đa đường về cơ bản có thể được khắc phục bởi các kỹ thuật xử lý tín hiệu

Tuy nhiên, trong các máy thu chất lượng cao các sai số này không đáng kể, nhỏhơn 1mm đối với phép đo pha sóng mang và vài cm đối với phép đo pha mã

Direct signal

Hình 1.9: Nhiễu đa đường

1.5 Tổng kết chương 1

Trong chương 1 đồ án đã giới thiệu 1 cách tổng quan về hệ thống thông tin

vệ tinh, sự ra đời và phát triển của hệ thống GPS Trong chương này cũng đã chỉ ra

Ground

Reflected signal Antenna

Antenna image

Excess of optical path

cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh, các nguồn gây sai số trong phép đo GPS Đâycũng là cơ sở để nghiên cứu về cách khắc phục các sai số này và được nghiên cứu

ở chương tiếp theo

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 2.1 Cấu trúc mô hình hệ thống GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là phần

không gian (space segment), phần điều khiển (control segment), phần người sử dụng (user segment).

Hình 2.1: Các thành phần cấu tạo mô hình của hệ thống GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh trong khônggian để xác định vị chí của vật thể trên trái đất GPS là một trùm 24 vệ tinh quỹđạo quay xung quanh trái đất ở độ cao khoảng 20,000km, trong một ngày sẽ thựchiện 2 vòng quay quang trái đất Vị trí hiện tại,thời gian và vận tốc có thể được xácđịnh bởi các máy thu GPS xử lý tín hiệu được phát từ vệ tinh Một máy thu GPS sẽđược sử dụng để xử lý các tín hiệu vô tuyến

Máy thu sẽ chuyển tín hiệu nhận được từ vệ tinh thành các thông tin như :

Vĩ độ



Thành phần không gian gồm có những vệ tinh GPS hay là các phương tiện

không gian (SV) theo như các nói trong GPS Chúng được cung cấp năng lượng từnhững tấm pin mặt trời, những tấm pin mặt trời này luôn được điều chỉnh hướng về

phía mặt trời và anten của vệ tinh hướng về phía trái đất Các vệ tinh này quay hếtmột vòng trái đất trên mặt phẳng quỹ đạo trong khoảng 12 tiếng (4 vệ tinh nằmtrong một mặt phẳng).Có 6 mặt phẳng quỹ đạo với góc nghiêng tương đối so vớiđường xích đạo trái đất là 55 độ Cấu trúc như vậy là để đảm bảo rằng đối tượngđược định vị ở bất kì đâu trên trái đất cũng có tầm nhìn thẳng trực tiếp đến ít nhất 4

vệ tinh ở bất kì thời điểm nào

Khi quỹ đạo của các vệ tinh thay đổi, quan hệ hinh học giữa chúng cũng thay đổi để đảm bảo cấu trúc ban đầu của quỹ đạo Vệ tinh phát ra tín hiệu vô tuyến được mã hóa cho máy thu GPS giải mã để xác định các thông số quan trọng của hệ thống

Hình 1 2: Mô hình hệ thống định vị vệ tinh GPS.

Thành phần điều khiển có nhiệm vụ giám sát khả năng hoạt động và tình trạng

của thành phần không gian Phần điều khiển bao gồm hệ thống các trạm điều chỉnhđặt khắp nơi trên thế giới, 6 trám giám sát, 4 trạm anten và một trung tâm điềukhiển Trạm giám sát tính toán tín hiệu mà các vệ tinh gửi vệ trạm chủ Trạm giámsát nhận các dữ liệu từ vệ tinh và gửi chúng về trạm chủ, tại đây thông tin quỹ đạo,đòng hồ của vệ tinh (thông tin thiên văn) sẽ được hiệu chỉnh gửi tới vệ tinh thôngqua trạm anten Nó cũng tránh cho vệ tinh không bị trôi dạt và quỹ đạo được giớihạn Nhưng dữ liệu này sẽ được vệ tinh quảng bá cho phần người sử dụng

Hình 1 3: Thành phần điều khiển

Thành phần người dùng: Bao gồm các anten và vi xử lý thu để thu và giải mã

các tín hiệu vệ tinh nhằm đưa ra các thông số vị trí, vận tốc và độ chính xác về thời

gian Từ đó tính toán ra tọa độ và thời gian GPS có thể cung cấp dịch vụ không

giới han cho người dùng Phần lớn các máy thu GPS hiện nay đều được thiết kếnhiều kênh song song, có từ 5 đến 12 mạch thu

1.4.3 Nguyên tắc hoạt động của GPS

Trong một ngày, các vệ tinh GPS di chuyển 2 vòng trái đất với quỹ đạo đãđược lập sẵn và lien tục quảng bá tín hiệu vô tuyến (các thông tin đã được mã hóa)tới các máy thu GPS bao gồm thông tin thiên văn, mã giả ngẫu nhiên…Thông tinnày có giá trị trong vài giờ cung cấp thông tin quỹ đạo của vệ tinh Với các thôngtin trên máy thu GPS tính toán vị trí của vệ tinh tại mọi thời điểm

Hình 1 4: Hoạt động máy thu GPS với đồng thời 4 vệ tinh.

Mỗi môt vệ tinh có mã giả ngẫu nhiên riêng biệt, mã này kết hợp với thông tinđược mã hóa Cả vệ tinh lẫn máy thu đều tạo ra cùng một mã tại cùng thời điểm, và

sử dung nó để tái cấu trúc dữ liệu Tuy nhiên do sự trễ truyền tín hiệu nên tin hiệu

vệ tinh sẽ chậm sau tín hiệu máy thu khi nó tới trái đất.Thời gian này gọi là thờigian truyền Do đó, khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu có thể được tính theocông thức như sau:

D (Khoảng cách) = V (Tốc độ) x t(Khoảng thời gian di chuyển ) ; V = Tốc độánh sáng (3 x 108 (m/s)).

Máy thu GPS là thành phần thứ 3 của hệ thống GPS Nó có thể được bổ xung cácphần mềm như máy tính cá nhân mà không cần cấu tại lại phần cứng Khái niệmSDR không mới thể hiện khả năng có thê thực hiện nhiều quá trinh của thiết bịđiện tử số

Hình 1 5: Mô hình hoạt động GPS

1.4.4 Các khái niệm và định luật sử dụng trong công nghệ GPS

Phép đo ba cạnh tam giác: Là phương pháp xác định vị trí tương đối của vật thể

sử dụng nguyên tắc hình học của tam giác Vị trí được xác định dựa trên phép đạc tam giác :

Biết vị trí của mỗi vệ tinh.

Hình 1 7: Định vị với 2 vệ tinh.

Nếu khoảng cách của vệ tinh thứ 3 với thiết bị là 200 Km, điều đó sẽ thu hẹp

phạm vi định vị chỉ còn lại 2 điểm Mặt cầu thứ 3 sẽ cắt đường trón là giao của 2mặt cầu A và B

Hình 1 8: Định vị với 3 vệ tinh.

Hiệu ứng thay đổi doffler ứng dụng trong GPS để xác định vận tốc của máy thu.

Một cặp vệ tinh và máy thu GPS đều nằm trong trường lực hấp dẫn của trái đất vàtín hiệu GPS truyền đi với tốc độ ánh sáng Sự chuyển động tương đối của vệ tinh

và máy thu là yếu tố chính gây ra hiệu ứng doppler.Vận tốc quỹ đạo của các vệ