nghiên cứu về hệ thống gps

Một trạm phát sóng vô tuyến điện nằm ở phía trên không gian của trái đất có thể phát sóng vô tuyến điện cao tần bằng tín hiệu được mã hóa đặc biệt có thể bao phủ được khu vực rộng lớn và

I Lịch sử phát triển

Lịch sử dẫn đường và xác định vị trí tàu gắn liền với lịch sử dẫn thuyền thám hiểm trên biển trong nhiều thập kỉ trước khi các phương tiện bay trên không như máy bay và vũ trụ ra đời.Từ thời tiền sử, con người đã tìm cách để xác định xem mình đang ở đâu và đi đến một đích nào đó và trở về bằng cách nào Những hiểu biết về vị trí thường mang tính sống còn

và có sức mạnh kinh tế trong xã hội Con người thời săn bắn kiếm thức ăn thường đánh dấu lối đi của mình để có thể trở về hang động nơi ở của mình Sau đó họ làm ra bản đồ, và phát triển thành hệ thống mạng vĩ tuyến (vị trí trên trái đất đo từ đường xích đạo về phía cực bắc

và phía cực nam) và kinh tuyến (vị trí trên trái đất đo từ đường kinh tuyến gốc sang phía đông hoặc sang phía tây)

Khi con người di chuyển từ vùng này đến vùng khác bằng thuyền chạy trên biển, những người đi biển thuở ban đầu đi dọc theo bờ biển để tránh bị lạc Sau đó họ biết cách ghi hướng đi của họ theo các vì sao trên trời họ sẽ đi ra biển xa hơn Thật không may, những vì sao chỉ có thể nhìn được vào ban đêm và khi có thời tiết đẹp trời trong sáng Con người cũng đã biết dùng những ngọn đèn biển - những ngọn hải đăng (lighthouses) – lấy ánh sáng

để dẫn đường, giúp những người đi biển vào ban đêm và cảnh báo nguy hiểm

Tiếp theo, trong lịch sử ngành hàng hải (marine navigation) người ta sử dụng la bàn từ (magnetic compass) và sextant Kim la bàn luôn chỉ hướng cực bắc, và cho chúng ta biết

“hướng mũi tàu” (heading) chúng ta đang đi Bản đồ của người đi biển thời kì thám hiểm thường vẽ hướng đi giữa các cảng chính và những nhà hàng hải giữ khư khư những bản đồ

đó cho riêng mình.Sextant sử dụng những chiếc gương có thể điều chỉnh được đo góc độ chính xác của các vì sao, mặt trăng và mặt trời trên đường chân trời

Vào năm 1761, một người thợ đồ gỗ mỹ thuật tên là John Harrison (1639-1776) đã phát minh một đồng hồ dùng trên tàu có tên gọi là Thời kế (chronometer), có sai số 1 giây trong một ngày Vào thời gian đó một Thời kế đo thời gian có độ chính xác như thế là một điều

không thể ngờ được! Trong hai thế kỉ tiếp theo, sextants và thời kế đã được sử dụng kết hợp với nhau để xác định vị trí của tàu biển (vĩ độ và kinh độ).

Đầu thế kỉ 20, người ta đã phát minh ra một số hệ thống dẫn đường vô tuyến điện based navigation systems) và sử dụng rộng rãi trong Chiến tranh thế giới thứ 2 Các tàu chiến và máy bay quân sự của quân đồng minh và phát xít đã sử dụng những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện trên mặt đất, những công nghệ tiên tiến nhất thời đó.Một số hệ thống dẫn đường vô tuyến trên mặt đất vẫn còn đến ngày nay Một hạn chế của phương pháp sử dụng sóng vô tuyến điện được phát trên mặt đất là chỉ có hai lựa chọn:1) Hệ thống rất chính xác nhưng không bao phủ được vùng rộng lớn.2) Hệ thống bao phủ được một vùng rộng lớn nhưng lại không chính xác Sóng vô tuyến tần số cao (như sóng TV vệ tinh) có thể cung cấp

(radio-vị trí chính xác nhưng chỉ có thể bao phủ vùng nhỏ hẹp Sóng vô tuyến tần số thấp (như sóng đài FM, frequency modulation, sóng điều tần) có thể bao phủ được vùng rộng lớn hơn nhưng lại không cho chúng ta vị trí chính xác

Chính vì vậy những nhà khoa học đã nghĩ rằng cách duy nhất bao phủ sóng chính xác trên toàn thế giới là đặc những trạm phát sóng vô tuyến điện cao tần đặt trong không gian và phát sóng xuống trái đất Một trạm phát sóng vô tuyến điện nằm ở phía trên không gian của trái đất có thể phát sóng vô tuyến điện cao tần bằng tín hiệu được mã hóa đặc biệt có thể bao phủ được khu vực rộng lớn và vẫn tới được trái đất cách xa ở phía dưới với một mức năng lượng hữu ích cho phép tái tạo lại thông tin thì sẽ có thể xác định được vị trí Đây là ý tưởng ban đầu của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Ý tưởng này đã đúc kết lại 2,000 năm sự tiến

bộ trong khoa học dẫn đuờng bằng cách tạo ra “những hải đăng trong vũ trụ” (space-based lighthouses) làm đồng bộ được với thời gian tiêu chuẩn có thể dùng để xác định vị trí chính xác

II Khái niệm

Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống DOPPLER GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM Hệ thống này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ

đã chính thức cho phép dùng trong dân sự Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng

hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau

Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được toạ độ của vị trí

đó GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) có thể cho chúng ta biết vị trí ở bất kỳ nơi nào ở trên bề mặt trái đất với sai số trong khoảng 20 tới 30 feet, tức khoảng 6-9 mét, trong mọi điều kiện thời tiết và liên tục 24 giờ trong ngày Với máy thu có độ chính xác cao hơn thu tín hiệu

“hiệu chỉnh vi phân” bằng máy thu GPS đặc biệt đặt ở vị trí cố định đã biết, chúng ta có thể thu được vị trí với sai số có thể giảm xuống phạm vi nhỏ hơn 3 feet (1 mét)

GPS là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 quả vệ tinh được đặt trên quỹ đạo không gian, hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện Được biết nhiều nhất là các hệ thống có tên gọi LORAN - hoạt động ở giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN - dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME - VHF dùng cho hàng không dân dụng.hay nói cách khác GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thông tin toàn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh

Chức năng cơ bản nhất của máy thu GPS là thu nhận thông tin từ tối thiểu 4 vệ tinh, phối hợp các thông tin này với thông tin đã được chứa trong Almanac để tính toán ra vị trí của máy thu trên mặt đất Một khi máy thu đã thu nhận và xử lý thông tin, máy sẽ cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và cao độ của vị trí hiện thời Để làm cho việc định vị thân thiện hơn, hầu

hết các máy thu đều thể hiện các thông tin này dưới dạng các điểm trên bản đồ được chứa sẵn trong máy Bạn có thể nối máy thu GPS với PC chứa bản đồ chi tiết Một số máy thu còn cho phép nạp các bản đồ chi tiết vào bộ nhớ trong của máy hay kết nối với các thẻ nhớ

đã nạp sẵn bản đồ

GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất 24 giờ một ngày và không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS Có 24 quả vệ tinh làm nên vùng không gian GPS trên quỹ đạo 12 ngàn dặm cách mặt đất

Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống là:

• Ghi nhận và lưu trữ các thông tin được truyền đi từ phần điều khiển

• Xác định dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh

• Duy trì chính xác cao của thời gian bằng các đồng hồ nguyên tử

• Chuyển tiếp thông tin đến người sử dụng

• Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển từ mặt đat

III Hoạt động của hệ thống

Hình 3.1Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin này

và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách

đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản

đồ điện tử của máy

Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh

độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng

chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa

Cơ bản, GPS sử dụng nguyên tắc hướng thẳng tương đối của hình học và lượng giác học Mỗi vệ tinh truyền liên tục dữ liệu quỹ đạo cho tất cả các chòm sao vệ tinh cộng thêm dữ liệu đến kịp thời và thông tin khác Do đó, mỗi GPS nhận (receiver) liên tục truy cập dữ liệu quỹ đạo chính xác từ vị trí của tất cả vệ tinh có thể tính toán bằng các vi mạch có trên tất cả các GPS nhận Từ đó tín hiệu hoặc sóng vô tuyến di chuyển ở vận tốc hằng số, GPS nhận có thể tính toán khoảng cách liên quan từ GPS đến các vệ tinh khác mà nó có thể nghe bằng cách so sánh dữ liệu thời gian được truyền bằng các vệ tinh.Hầu hết GPS nhận có thể đo vị trí của nó (kinh vĩ độ) khi đó GPS có thể ấn định ít nhất 3 vệ tinh và sẽ cung cấp giá trị độ cao (so với mặt nước biển) với ít nhất 4 vệ tinh

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải L là

phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên

qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà.L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên"(pseudo random), đó là mã Protected (P) và mã

Coarse/Acquisition (C/A) Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS

Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và

dữ liệu lịch Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh

nào là phát thông tin nào Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào.

Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống

Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí

Tuy nhiên, tín hiệu có thể bị sai đôi chút khi đi qua bầu khí quyển Vì vậy, kèm theo thông điệp gửi tới các thiết bị nhận, các vệ tinh thường gửi kèm luôn thông tin về quỹ đạo và thời gian Việc sử dụng đồng hồ nguyên tử sẽ đảm bảo chính xác về sự thống nhất thời gian giữa các thiết bị thu và phát

Để biết vị trí chính xác của các vệ tinh, thiết bị nhận GPS còn nhận thêm 2 loại tín hiệu mã hóa

- Loại thứ nhất (được gọi là Almanac data) được cập nhật định kỳ và cho biết vị trí gần đúng của các vệ tinh trên quỹ đạo Nó truyền đi liên tục và được lưu trữ trong bộ nhớ của thiết bị thu nhận khi các vệ tinh di chuyển quanh quỹ đạo

- Tuy nhiên, phần lớn các vệ tinh có thể hơi di chuyển ra khỏi quỹ đạo chính của chúng Sự thay đổi này được ghi nhận bởi các trạm kiểm soát mặt đất Việc sửa chữa những sai số này

là rất quan trọng và được đảm nhiệm bởi trạm chủ trên mặt đất, trước khi thông báo lại cho các vệ tinh biết vị trí mới của chúng Thông tin được sửa chữa này được gọi là Ephemeris data Kết hợp Almanac data và Ephemeris data, các thiết bị nhận GPS biết chính xác vị trí của mỗi vệ tinh

Hiện nay, nếu có bản đồ điện tử, nhiều thiết bị nhận GPS sẽ hiển thị rõ ràng vị trí của bạn qua một màn hình, điều đó giúp cho việc định hướng trở nên cực kỳ thuận lợi Nhưng nếu tắt thiết bị nhận tín hiệu trong khoảng thời gian chừng 5 giờ đồng hồ, nó sẽ mất đi các

Almanac data (hay không còn nhận biết chính xác các vệ tinh trên quỹ đạo trái đất) Khi

hoạt động trở lại, thiết bị sẽ cần khoảng thời gian chừng 30 giây để nạp lại thông tin về vị trí của vệ tinh, trước khi cho biết hiện thời bạn đang ở đâu

Hệ thống vệ tinh GPS chia làm 3 phần:

:

Hình 3.2

Phần không gian

Gồm 24 quả vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất Chúng cách mặt đất 12 nghìn dặm Chúng chuyển động ổn định, hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ Các vệ tinh này chuyển động với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào (nếu ở góc ngưỡng 10 độ có thể quan sát được 10 vệ tinh,và ở góc ngưỡng 5 độ có thể quan sát được 12 vệ tinh)

Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời Chúng có các nguồn pin dự phòng

để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định

Phần kiểm soát

Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác Có 5 trạm thu số liệu đặt rải rác trên trái đất Ba trạm truyền số liệu hoạt động một cách tự động, và một trạm điều khiển chính là trung tâm Trạm điều khiển chính đặt tại Colorade Spring(Mỹ) có nhiệm vụ thu nhập các dữ liệu theo dõi vệ tinh từ các trạm thu số liệu để xử lý Công nghệ xử lý bao gồm: tính lịch thiên văn ,tính và hiệu chỉnh quỹ đạo điều khiển thay thế các vệ tinh ngừng hoạt động bằng các vệ tinh dự phòng 5 trạm kiểm soát được đặt tại : Hawai,Colorade Springs,Ascencion(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 Mỗi trạm được trang bị những máy thu P-code để thu các tín hiệu của vệ tinh sau đó truyền về trạm điều khiển chính.3 trạm truyền

số liệu được đặt tại Ascencion , Diago Garia , Kwayalein , có khả năng chuyển số liệu lên

vệ tinh gồm lịch thiên văn mới ,hiệu chỉnh đồng hồ ,các thông điệp cần phát ,các lệnh điều khiển từ xa

Phần sử dụng

Gồm:

• Những máy thu tín hiệu GPS có anten riêng

• Các thiết bị tự ghi (bộ ghi số liệu)

Phần mềm xử lý số liệu GPS còn có chức năng biên tập hoặc vẽ Phần mềm này cũng hổ trợ thu thập các yếu tố địa lý và thông tin thuộc tính cho GPS hoặc các cơ sơ dữ liệu khác.Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này

Dưới đây là một số thông tin đáng chú ý về các vệ tinh GPS (còn gọi là NAVSTAR, tên gọi chính thức của Bộ Quốc phòng Mỹ cho GPS):

 Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978

 Hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994

 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 feet (5 m) với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²)

 Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts

GPS CÓ THỂ ĐO NHỮNG GÌ

Các máy thu GPS cung cấp các trị đo là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Tuy nhiên các trị đo này bao gồm hai loại sau:

Giả cự ly (pseudo-range): là trị đo dựa trên nguyên tắc đo xung với xung là mã P hay mã C/A Đặc điểm của trị đo này là độ chính xác thấp (0.3 m cho mã P và 3m cho C/A) nhưng

nó thể hiện trực tiếp khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh Vì mã đo khoảng cách P được truyền trên hai tần số L1 và L2 nên tương ứng cho hai trị đo P1 và P2 Trong khi đó

mã C/A chỉ hiện diện trên L1 nên chỉ có trị đo duy nhất C1

Hình 3.3: Kỹ thuật so trùng để giải mã tín hiệu từ vệ tinhTrị đo pha: bước sóng của các sóng mang rất ngắn – xấp xỉ 19cm cho L1 và 24 cm cho L2 Giả sử rằng độ phân giải của trị đo khoảng 1-2% bước sóng thì pha sóng mang có thể được

đo đến mức độ milimét Không may mắn là trị đo này vẫn còn thiếu số nguyên chu kỳ pha

để có thể chuyển thành khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Vì vậy để xử lý trị đo này cần

có những phần mềm chuyên dụng cho mục đích trắc địa

Hình 3.4: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thuNhư vậy một máy thu một tần sẽ thu được 3 trị đo là C1, P1 và L1 Trong khi máy thu hai tần sẽ cung cấp đến 7 loại trị đo: C1, P1, L1, P2, D1, D2 và L2

Các trị đo trên không chỉ chứa sai số đo của máy thu vì khi tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu nó bị ảnh hưởng nặng nề do đồng hồ của vệ tinh và máy thu bị sai, tín hiệu bị trễ ở tầng điện ly, đường lan truyền của tín hiệu trong khí quyển bị bẻ cong do chiết suất của không khí không đều, … Ảnh hưởng tổng hợp của những nguồn sai số này có thể làm cho các trị

đo sai đến hàng trăm km Vì vậy để đòi hỏi độ chính xác định cỡ vài chục mét, những nguồn sai số phải được khắc phục và loại trừ trong xử lý