Luận văn hệ thống định vị vệ tinh có sửa phân sai DGPS (Differential Global Positioning System )

Các hệ thống định vị dẫn đờng trớc khi có hệ thống GPS 2.1.1 Hệ thống định vị Radio Radio navigation system Nguyên lý cơ bản la giao hội cạnh từ 3 điểm đã biết toạ độ để xác định toạ độm

Chơng I

Đặt vấn đề

Phơng pháp định vị dùng để xác định vị trí, đo đạc, dẫn đờng … là vấn đề rất cần là vấn đề rất cầnthiết đối với hành hải, quân sự cũng nh các hoạt động kinh tế văn hoá xã hội Đi đôivới sự phát triển về khoa học kỹ thuật, thì các phơng pháp định vị cũng phát triển từthô sơ đến hiện đại Bắt đầu từ kính lục phân, la bàn, các bảng về sao Sau đó là ápdụng sóng vô tuyến điện để định vị nh hệ thống dẫn đờng radio, Transit… là vấn đề rất cần và cho

đến khi kỹ thuật phóng vệ tinh nhân tạo đợc phát triển ( đầu những năm 1960 ) thìphơng pháp định vị toàn cầu đợc thực hiện Hệ thống định vị toàn cầu GPS ( GlobalPositioning System ) ra đời, nó khắc phục đợc những nhợc điểm của các phơng pháp

định vị trớc đó nh: Độ chính xác cao (đến từng cm), tự động hoá cao, hoạt động theochơng trình phần mềm đã đợc lập trình sẵn, để sử dụng và bảo dỡng thiết bị Đặcbiệt các chế độ làm việc luôn đảm bảo, các thiết bị làm việc ổn định 24/24giờ domáy có cấu tạo đặc biệt

Mặc dù hệ thống định vị GPS có những u điểm trên nhng nó vẫn có nhữngnhân tố ảnh hởng đến việc định vị và dẫn đờng thí dụ:nh các sai số do sự tán sắc vàkhúc xạ trong tầng điện ly, trong quá trình truyễn sóng, sai số đồng hồ vệ tinh và

đồng hồ máy thu GPS, sai số do ảnh hởng của các tia phản xạ từ mặt đất tới máy thuGPS ( Multi parth signal)… là vấn đề rất cần mà vị trí định vị bằng GPS có thể bị sai lệch Để khắcphục và đáp ứng yêu cầu đòi hỏi ngày càng cao về độ chính xác và phạm vi ứngdụng của phơng pháp định vị thì phải ứng dụng các công nghệ tiên tiến có kỹ thuậtcao Ngời ta đã đa ra kỹ thuật DGPS (Differential GPS )là một kỹ thuật hiện đại đợc

sử dụng rộng rãi Việc ứng dụng công nghệ đúng hớng có hiệu quả cao trớc tiênphải nghiên cứu hiểu rõ bản chất của công nghệ đó trên cơ sở hiểu biết và làm chủnó

Xuất phát từ ngững lý do trên tôi nghiên cứu đề tài hệ thống định vị vệ tinh cósửa phân sai DGPS (Differential Global Positioning System ) nhằm mục đích nắmvững lý thuyết thực hành ứng dụng công nghệ DGPS đã và đang đợc triển khai rộngrãi trên thế giới và khu vực Đông Nam á và đang sử dụng rộng rãi ở nớc ta

Trong khuôn khổ của đề tài này tôi trình bày các phần sau:

1 Sơ lợc về các hệ thống định vị

2 Công nghệ DGPS (Differential Global Positioning System)

3 Một số ý kiến kiến nghị thiết lập mạng DGPS ở Việt Nam

4 Kết luận

Kỹ thuật DGPS là một nội dung còn mới mẻ đối với ngời dùng Việt Nam, vìthời gian có hạn, việc tìm hiểu tài liệu còn khó khăn nên không tránh khỏi nhữngthiếu sót Tôi rất mong đợc sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy giáo và các bạn

đồng nghiệp

Để hoàn thành đợc khoá học mà cụ thể là bảo vệ thành công luận văn tốtnghiệp ngày hôm nay Đó là sự cố gắng học tập của bản thân cùng với công lao tolớn giảng dạy truyền đạt kiến thức của các thầy cô giáo trờng Đại Học Hàng Hải nóichung, của các thầy giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông nói riêng và đặc biệt là sựchỉ bảo hớng dẫn tận tình của thầy giáo hớng dẫn: Đại tá - PGS - TS - Nhà giáo u tú

Đào Đức Kính Qua đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Đào Đức Kínhcùng các thầy giáo trong trờng Tôi xin kính chúc thầy cùng toàn thể gia đình ankhang thịnh vợng

Xin chân thành cảm ơn!

T¸c gi¶:

NguyÔn V¨n Duy

Chơng II Tổng quan về các hệ thống định vị

Định vị dẫn đờng có từ lâu trong cuộc sống Ngời ta đã đa ra rất nhiều phơngpháp định vị ở đây tôi giới thiệu một số hệ thống định vị dẫn đờng chính

2.1 Các hệ thống định vị dẫn đờng trớc khi có hệ thống GPS 2.1.1 Hệ thống định vị Radio (Radio navigation system)

Nguyên lý cơ bản la giao hội cạnh từ 3 điểm đã biết toạ độ để xác định toạ độmặt phẳng của điểm đặt máy (Điểm cha biết toạ độ )

Tại ít nhất 3 điểm đã biết toạ dộ,thiết lập 3 trạm phát tín hiệu :Radio,điểm cần

định vị đặt máy thu tín hiệu từ các trạm phát tín hiệu radio trên.Khoảng cách từ trạm

đặt máy thu dến trạn phát đợc xác định bằng độ trễ thời gian của tín hiệu phát từtrạm phát tới trạm thu.Dựa vào độ trễ thời gian ít nhất 3 trạm phát và toạ độ của cảctrạm này,sẽ tính đợc toạ độ mặt phặt phẳng của trạm đăt máy thu.Kỹ thuật đo độ trễthời gian có thể sử dụng kỹ thuật đo xung hoặc đo lệch pha của tín hiệu sóng điềuhoà

Các hệ thống radio navigation trên thế giới thờng sử dụng dải tần số sóng ngắnhoặc sóng trung

Nhơc điểm của hẹ thống này là tầm hoạt động có hạn,độ chính xác định vị phụthuộc vào thời điểm do và vị trí cần xác định tơng đôi với các trạm phát radio cố

định

Để tăng tầm hoạt động của hệ thống,ngời ta liên kết từng cụm hệ thống gồm ítnhất 3 trạm Radio Beacon thành từng chuỗi hệ thống các chuỗi này có độ phủ sónglớn,thờng vào khoảng 1.000 dặm

Nh vậy chuỗi này tạo thành một hệ thống định vị quốc gia hay khu v c.Các hệthống Radio navigation System lớn dợc biết trên thế giới là:Hệ LORAN_C,HệCHAYKA; Hệ LORAN-CHAYKA; Hệ DECCA

2.1.1.1 Hệ LORAN_C :

Mục đích sử dụng trong quân sự và sau này sủ dụng trong định vị dẫn đờngdân sự trên toàn bờ biển nớc Mỹ.Hệ LORAN_C do lực lợng biên phòng Mỹ thiếtlập.Nó là hệ thống Radio Hybecbol sử dụng tần số xung 100 khz.Độ phủ sóng của

hệ thống phụ thuộc vào độ chính xác của máy thu.Hệ này phục vụ 24/24giờ với độchính xác khoảng 100 m và tơng đối khoảng 20m đến 100m.Do đặc tính kỹ thật của

hệ thống LORAN_C phù hợp với yêu cầu hàng không nên cơ quan quản lý hàngkhông chấp nhận hệ thống LORAN_C có độ phủ sóng toàn nơc Mỹ.Hệ thống này

đơc hoàn thành vào tháng 6 năm 1991

2.1.1.2 Hệ thống CHAYKA và LORAN/CHAYKA :

CHAYKA là một hệ thống radio navigation tơng tự nh hệ thống LORAN_C doNga xây dựng dọc theo bờ biển Nga Giữa hệ thống LORAN_C Bắc Thái BìnhDuong và hệ thống CHAYKA có một vùng trống khoảng 500 hải lý tại vùng biểnBering không dợc cả hai hệ thống này phủ sóng.Sự hợp tác giữa Mỹ và Nga đã xâydụng hệ thống LORAN-CHAYKA phủ sóng toàn bộ vùng trống này.Hệ thống nàyliên kết các trạm ATTA và ALASKA thuộc hệ thống LORAN_C của Mỹ và cáctrạm Pẻtopavlovsk và Aleksandorcska thuộc hệ thống CHAYKA của Nga

Hệ thống hoạt động trên hai dải băng tần số :Băng 1 từ 70-90 khz và từ Bănghai từ 110-130 khz.Độ chính xác khoảng 20-50cm trong khoảng cách dới220km.Trên khoảng cách nay giảm rất nhanh.

Trớc khi co hệ thống dẫn đờng bằng GPS thi các hệ thống dẫn đờng trớc đây

đ-ợc sử dụng rộng rãi trên thế giới.Hệ thống GPS ra đời với tính năng kỹ thuật vợt trội

va các dịch vụ khác kèm theo,đã dần đẩy lùi các hệ thống trên vào quá khứ

2.1.2 Hệ thống TRANSIT:

Hệ thống này là hệ dịnh vị radio toàn cầu sử dụng kỹ thuật DOPPLE để định vịtrong toạ độ không gian.Hệ thống này gôm 4 vệ tinh hoặc nhiều hơn đợc bố trí trêncác quỹ đạo với độ cao khoảng 1080km, máy thu tín hiệu đặt trên trái đất có thể thucác fix cách nhau từ 1đến 3 giờ khi vệ tinh đặt trong tầm nhìn của nơi đặt máy.Bìnhthờng thì mỗi vệ tinh xuất hiện trong tầm nhin khoảng 20 phút.Khi đó chỉ cần xác

định một fix cho mỗi vệ tinh Hệ thống TRANSIT định vị trên hệ quy chiếu WGS-72

Hệ thống hoạt động trên 2 tần số 150 Mhz và 400Mhz.Về lí thuyết chỉ cầnhoạt động trên một tần số là có thể định vị dợc,nhng làm giảm ảnh hởng của tầngion tới độ chính xác định vị,ngời sử dụng phải sử dụng cả hai tần số trên

Độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào số lần bắt đợc vệ tinh đa vào tínhtoán định vị(số fix thu đợc) và việc sử dụng một tần số hay hai tần số.Độ chính xáctiêu chuẩn của một lần bắt vệ tinh đa vào tính toán định vị với một tần số là 500m,nếu sử dụng hai tần số độ chính xác tăng lên 25m.Vơi việc đo đồng thời trên điểmcần xác định toạ độ và điểm đã biết toạ độ,độ chính xác sẽ tăng lên 10m do sử dụng

kỹ thuật phân sai.Độ chính xác có thể tăng đến 5m khi sử dụng các ph ơng pháp đodặc biệt.Hệ thống TRANSIT đợc hải quân Mỹ xây dụng vơi mục đích sử dụng trongquốc phòng.Tuy nhiên hệ thống này cũng thòng đợc sử dụng trong dân sự trớc khi

hệ thống GPS ra đời

2.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System )

Đi đôi với sự phát triển về khoa học kỹ thuật đó là sự phát triển về định vị dẫn

đờng Yêu cầu về việc định vị dẫn đờng thống nhất trên phạm vi toàn cầu đợc đặt ratrong các ngành kinh tế quốc dân, quốc phòng an ninh và chỉ đợc bắt đầu khi kỹthuật phóng vệ tinh nhân tạo đợc phát triển Vì nó chỉ có thể định vị đợc dựa vào cácchuẩn ngoài trái đất Chính vì thế mà việc nghiên cứu xây dựng hệ thống định vịtoàn cầu chỉ mới bắt đầu từ những năm 1960 Các hệ thống định vị đang đợc thựchiện trên thế giới là hệ thống NAVSTA, hệ thống GLONASS

2.2.1 Hệ thống NAVSTA

Hệ thống định vị toàn cầu GPS hiện nay đợc sử dụng phổ biến trên thế giới là

hệ thống NAVSTA Hệ thống này do không quân và hải quân Mỹ thiết lập từ năm

1978 với mục đích chủ yếu dùng trong quân sự Đến cuối những năm 1980, mục

đích sử dụng của hệ thống NAVSTA GPS đợc mở rộng sang các lĩnh vực dân sự.Bản chất kỹ thuật của việc định vị trong hệ thống định vị toàn cầu là việc giaohội cạnh không gian từ vệ tinh nhân tạo ( đợc thiết lập để phục vụ định vị toàn cầu)tới điểm cần định vị trên trái đất Muốn xác định toạ độ không gian của một điểmtrên trái đất phải giao hội ít nhất từ 3 vệ tinh Nh vậy yêu cầu kỹ thuật của hệ thống

định vị toàn cầu là:

- Có một hệ thống các vệ tinh nhân tạo bay quanh trái đất trên các quỹ đạochính xác Các vệ tinh này phát tín hiệu định vị (hay còn gọi là số liệu đờngdẫn NAVSTA ) cho các máy thu đặt trên trái đất Số lợng vệ tinh và cácquỹ đạo vệ tinh cần tính toán sao cho ở bất kỳ thời điểm nào trên trái đất

đều có thể nhìn thấy ít nhất 3 vệ tinh

- Máy thu tín hiệu phát từ vệ tinh GPS, với các giải pháp kỹ thuật phần cứng

và phần mềm để thu tín hiệu và tính đợc khoảng cách từ máy thu tới từng

Phần Không Gian (Space Segment).

Là hệ thống vệ tinh gồm 24 vệ tinh đợc thiết lập trên 6 quỹ đạo quanh trái đất.Mỗi quỹ đạo vệ tinh gồm 4 vệ tinh phân bố đều Trên quỹ đạo mặt phẳng xích

đạo trái đất góc nhị diện 550 Độ cao của vệ tinh khoảng 20190 Km, chu kỳ của một

vệ tinh bay quanh trái đất là 12 giờ Hệ thống vệ tinh này đợc hoàn thành vào tháng

2 năm 1989 Với cách bố trí vệ tinh nh trên, về mặt lý thuyết ở mọi điểm trên trái

đất, trong mọi thời điểm trên trái đất, trong mọi thời gian đều nhìn thấy ít nhất 4 vệtinh Trên cơ sở kiểm soát đợc các quỹ đạo trên vệ tinh có thể biết đợc toạ độ tứcthời của từng vệ tinh trong một hệ quy chiếu nhất định (hiện nay số vệ tinh GPS đãlên tới 32 vệ tinh)

Mỗi vệ tinh phát hiện liên tục các tín hiệu dẫn đờng ( gọi là NADATA) xuốngcác máy thu tín hiệu vệ tinh sử dụng Các thông tin NADATA bao gồm : Hệ thốngthời gian; thông số cải chính đồng bộ vệ tinh; thông số về quỹ đạo vệ tinh; lịch vệtinh và các thông số ảnh hởng của tầng điện ly (Inospheric Delay ModelParameters)

Phơng pháp truyền thông tin từ vệ tinh là truyền tin theo mã: Code C/A vàCode P Code C/A không bảo mật đợc dùng trong dân sự, Code P là code về bảo mật

đợc dùng chủ yếu trong quân sự ( hiện nay cũng đợc sử dụng với mục đích dân sự).Các mã code P đợc truyền đi bằng hai sóng mang L1= 1575.42 MHz và L2= 1227.60MHz tơng ứng với bớc sóng 1=19cm và 2=24 cm Tần số L1đợc điều chế bởi cảhai code C/A và code P Tần số đợc điều chế bởi code P

Phần Kiểm Tra (Control Segment)

Hệ thống kiểm tra đợc thiết lập nhằm theo dõi,kiểm soát và hiệu chỉnh vệtinh,nhằm đảm bảo hệ thống vệ tinh hoạt động bình thờng,chính xác.Hệ thống nàybao gồm 4 trạm quan sát vệ tinh (Monitor Station),3 trạm cải chính (Upload Station)

và một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station)

Nguyên lý hoạt động của hệ thống nh sau:

Bốn trạm quan sát vệ tinh liên tục thu tín hiệu từ tất cả các vệ tinh và truyền sốliệu về trạm điều khiển trung tâm.Trạm trung tâm,tính toán ra các hệ số cải chínhquỹ đạo,đồng hồ vệ tinh và truyền các hệ số này từ các trạm phát số cải chính.Tại

đây số cải chính đợc phát lại cho vệ tinh ít nhất một ngày một lần.Với phơng thứcquỹ đạo này sẽ đảm bảo thông tin về quỹ đạo vệ tinh phát xuống cho các máy thuGPS đợc chính xác và sai số đồng hồ vệ tinh sẽ giảm bớt rất nhiều,trên cơ sở đó độchính định vị sẽ đợc nâng cao

Phần ngời sử dụng (User Segment)

Đoạn ngời sử dụng và các máy thu GPS,đặt cố định hoặc di động trên bề mặttrái đât hoặc trong không gian(Trờng hợp gắn máyGPS ) rên máy bay,tầu biển… là vấn đề rất cần).Các máy thu GPS này thu tín hiệu từ trên các vệ tinh GPS với mục đích định vị vàdẫn đờng.Với mục đích này các máy thu GPS phải xử lý các tín hiệu vừa thu đợc từcác vệ tinh GPS để tính toán ra toạ độ không gian của tâm antena máy thu GPS nh

phân trên đã nêu,nguyên lý định vị của GPS là :Nguyên lý giao hội cạnh từ điểmcần định vị (tâm antena của máy thu)đến các vệ tinh GPS.Nh vậy máy thu GPS phảitính dợc khoảng cách tức thời từ tâm antena đến các vệ tinh GPS :Để tính đ ợc máythu GPS đến các vệ tinh, cũng giống nh nguyên lý đo khoảng cách bằng sóng điệntừ,có thể có 2 phơng pháp :

1.Tính đợc độ trễ thời gian của tín hiệu phát đi từ các vệ tinh GPS đến khi thu

đợc tín hiệu tại máy thu GPS

2.Tính đợc độ lệch pha (di pha ) từ tín hiệu phát đi từ các vệ tinh GPS đến khithu tại máy thu GPS

Giải pháp kỹ thuật để đo đợc độ trễ thời gian trong hệ thống GPS là áp dụng

kỹ thuật tơng quan ngang (Cross Correclation).Phơng pháp này gọi là phơng phápCode Pseudornge nh sau :

Vệ tinh GPS phát đi các mã code giả ngẫu nhiên (PRN code) Máy thu GPStạo ra các bản sao mã code giả ngẫu nhiên tơng ứng đối với từng vệ tinh.So sánh t-ong quan giữa hai điểm mã code trên sẽ làm ra độ trễ thời gian.Hình vẽ sau minhhoạ các phơng pháp Code Pseudorange:

Nguyên lý của phơng pháp đo lệch pha là :Khoảng cách từ vệ tinh GPS đếnmáy thu đơc tính bằng độ lệch pha của sóng mang(Khi truyền từ vệ tinh GPS tớimáy thu GPS ) nhân với chiều dài bớc sóng mang.Các máy đo pha tơng ứng vớiphần lẻ của mỗi chu kỳ giao động sóng.Vì vậy độ lệch pha sẽ tinh bằng số nguyênlần bớc sóng cộng với độ lệch pha đo đợc.Phơng pháp xác định khoảng cách từ vệtinh máy thu đên GPS bằng cách xác định độ lệch pha gọi là phơng pháp trị đokhoảng cách pha sóng mang(Carrier Phase Pseudorange)

Hình vẽ mô tả nguyên lý của phơng pháp này:

Satellite (Vệ tinh)

Receiver Code

TimeDelay(Thời giantrễ)

PSEUDORANGE=c.t

Carrer(Sóng mang)Ambiguit

Đối với phơng pháp này cần tạo máy thu GPS phải đảm bảo giải quyết 2 vấn

đề :

1.Tạo sóng mang đồng thời với thời điểm các sóng mang phát đi tù vệ tinhGPS (gọi là tín hiệu đối chiếu ) So sánh tín hiệu đối chiếu và tín hiệu thu đ ợc tù vệtinh để đo đợc phần lẻ độ lệch pha tơng ứng với phần lẻ của một chu kỳ giao độngsóng

2 Đếm đợc số nguyên lần bớc sóng từ vệ tinh GPS tới máy thu GPS

Hệ trắc địa thế giới WGS -84

Vị trí của một điểm nào đó đợc xác định (định vị ) phải hiểu theo nghĩa: Đợc

định vị theo hệ quy chiếu nhất định nào đó

Với mục đích là một hệ định vị toàn cầu,hệ thống GPS phải xác định sử dụngmột hệ quy chiếu thống nhất trên toàn cầu Hệ quy chiếu đợc sử dụng trong hệthống định vị GPS là Elip Soid GPS-80 (Geodetic Reperence System – 1980 – Hệquy chiếu trắc địa năm 1980) đợc định vị trên toàn cầu theo địa tâm Elip Soid GPS-

80 có bàn trục lớn bằng 6378.137 (m) và nghịch đảo độ rẹt 1/f = 298257223563 Hệtrắc địa sử dụng mặt quy chiếu GPS – 80 đợc gọi là hệ trắc địa thế giới WGS -84(World Greodtic System) Toạ độ xác định GPS trong hệ WGS – là toạ độ khônggian 3 chiều Hệ toạ độ không gian 3 chiều là hệ toạ độ đợc xác định bằng 3 trục toạ

độ x,y, z Tâm của hệ toạ độ 3 chiều là địa tâm Trục x nằm trên mặt phẳng xích đạo

và đi qua kinh tuyến gốc và địa tâm Trục y nằm trên mặt phẳng xích đạo, vuônggóc với trục y đi qua địa tâm Trục z đi qua địa tâm và vuông góc với mặt phẳngxích đạo

Hệ toạ độ thông thờng sử dụng trong trắc địa bản đồ không phải là hệ toạ độkhông gian 3 chiều mà là hệ toạ độ địa lý B,L,H và hệ toạ độ vuông góc với mặtphẳng x,y,h

Từ toạ độ không gian 3 chiều có thể chuyển đổi về hệ toạ độ địa lý B L H và hệtạo độ vuông góc (mặt phẳng ) x y h (theo một phơng pháp náo đó) ở đây lu ý rằng

H là độ cao tính trên ElipSoid (High Above ElipSoid) Độ cao này khác với độ caochuẩn (Meal Sea Level).Quan hệ giữa H và h đợc biểu thị bằng biểu thức H = H +N

Ơ đây N là độ cao giữa Geoid và Elipsoid

Thờng thì mỗi quốc gia đều có một hệ quy chiếu trắc địa quốc gia riêngbiệt.Khi đó GPS ,Toạ độ GPS đợc tính trên hệ WGS – 84.Muốn chuyển về hệ toạ

độ tham chiếu quốc gia cần có tham số tính chuyển

2.2.2 Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS.

Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS do Nga thiết lập năm 1993.Đây là hệ

định vị toàn cầu sử dụng hệ toạ độ không gian,về cơ bản có cấu trúc và nguyên

lý hoạt động giống nh hệ thống GPS.Nhng khác cơ bản về mặt chi tiết kỹ thuậtcủa hai hệ thống nh sau :

1.Trong khi hệ thống NAVSTAR GPS có 24 vệ tinh đợc bố trí trên 6 quỹ

đạo,mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo trái đất 55 độ,độcao vệ tinh khoảng 20.190 km và chu kỳ vệ tinh là 12 giờ,thi hệ thống GLONASSGPS có 24 vệ tinh đợc bố trí trên 3 quỹ đạo,mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặtphẳng xích đạo trái đất 64.8 độ, độ cao vệ tinh là 19.100 km và chu kỳ vệ tinh là 11giờ 15 phút

2 Cũng giống nh các vệ tinh của hệ thống NAVSTAR GPS ,các vệ tinh của hệthống GLONASS GPS cũng sử dụng hai tần số sóng mang (carrier frequenciens) Sửdụng hai loại mã code C/A và P code.Song hai tần số sóng mang L1 và L2 trong hệthống NAVSTAR GPS đợc sử dụng chung cho tất cả các vệ tinh Trong khi đó đốivới hệ thống GLONASS GPS mỗi vệ tinh sử dụng một tần số sóng mang khác nhau.Giải tần băng sóng L1 của hệ thống GLONASS GPS từ 1602.5625 MHz đến 161505MHz Mỗi vệ tinh có tần số khác nhau 0.5625 MHz Giải tần băng sóng mang L2

của hệ thống GLONASS GPS từ1246.4375 MHz tới 1256.5 MHz Mỗi vệ tinh có tần

số khác nhau 0.4375 MHz Sự khác biệt giữa hai hệ thống là: Đối với NAVSTARGPS thì mỗi vệ tinh sử dụng một code khác nhau còn với hệ thống GLONASS thìcode đợc sử dụng chung cho tất cả các vệ tinh trong hệ thống

3 Hệ thống NAVSTAR GPS sử dụng hệ quy chiếu WGS -84 còn hệ thốngGLONASS GPS sử dụng hệ quy chiếu SGS – 85

Về độ chính xác của hệ thống GLONASS GPS tuy cha có đợc những công bố

đầy đủ, xong có thể coi hao hệ thống này tơng đơng với nhau về độ chính xác

Hệ thống GLONASS GPS đợc thiết kế từ tháng 5 năm 1993 khi đó có 12 vệtinh Cuối năm 1993 (theo kế hoạch) sẽ có 20 vệ tinh và đến năm 1995 thì hoànthành hệ thống

Thực tế thì hệ thống NAVSTAR GPS đợc sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới(kể cả Việt Nam) hơn hệ thống GLONASS GPS với các lý do sau:

1 Hệ quy chiếu WGS 84 quen thuộc hơn và đợc sử dụng rộng rãi hơn hệ quychiếu SGS -85 Hơn nữa việc chuyển đổi giữa hai hệ thống này vẫn còn là một vấn

đề nghiên cứu, thống nhất Với những thực nghiệm ban đầu thì hai hệ thống chênhlệch nhau từ 5-10 m

2 Khi hai hệ thống coi là có độ chính xác giống nhau, thì ngời sử dụng chỉquan tâm đến các thiết bị thu tín hiệu GPS Các máy thu GPS tơng ứng với hệ thốngNAVSTAR GPS phổ biến trên thị trờng rất nhiều so với các máy thu tín hiệu GPS t-

ơng ứng với hệ thống GLONASS GPS

3 Các thông tin về hệ thống NAVSTAR GPS và các dịch vụ kèm theo rộng rãihơn nhiều so với các thông tin và dịch vụ của hệ thống GLONASS GPS (bao gồm cả

về tiếp thị quảng cáo)

2.2.3 Hệ thống định vị toàn cầu cải chính phân sai (Differential GPS).

Do ảnh hởng của nhiều thành phần sai số thí dụ nh sai số do ảnh hởng của sựtán sắc và khúc xạ trong bầu khí quyển, sai số của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ màythu GPS Sai số do ảnh hởng của tia phản xạ từ mặt đất bởi máy thu GPS (multipartsignal), sai số quỹ đạo vệ tinh… là vấn đề rất cần, vị trí định vị bằng vệ tinh GPS có thể bị sai lệch.Vì vậy trong ứng dụng ngời ta phải tìm ra các giải pháp để giảm thiểu các phânsai trên Đó là kỹ thuật đo GPS phân sai

Nguyên lý của phơng pháp này là ngời ta sử dụng máy thu GPS chuẩn đã biếtchính xác toạ độ, thu tín hiệu từ vệ tinh GPS để tính ra số cải chính phân sai

Sau đó gửi số phân sai tới các máy thu ứng dụng GPS sẽ tính ra toạ độ chínhxác của nó.

Chúng ta sẽ nghiên cứu cụ thể kỹ thuật DGPS ở chơng 3

Chơng III Công nghệ DGPS

3.1 Cơ sở lý thuyết:

Muốn xác định toạ độ không gian của một điểm trên trái đất phải giao ít nhất

từ 3 vệ tinh Nếu đặt toạ độ không gian là XYZ Khi đó toạ độ của vệ tinh định vị và

điểm thu GPS kí hiệu tơng ứng XS, YS, ZS và x, y, z thì phơng trình khoảng cách từmáy thu GPS đến vệ tinh là:

Trong lới hệ thống định vị vệ tinh áp dụng phơng pháp đo cự ly với việc giữ

điểm tính đầu Cự ly đo gần đúng sẽ lệch với giá trị thực một giá trị mà giá trị đóphụ thuộc vào độ dịch chuyển tơng đối của hệ thống thời gian

Với vệ tinh định vị có độ lệch thang thời gian T

Với vệ tinh định vị có độ lệch thang thời gian t

Khi truyền sóng điện từ trong không gian khí quyển có độ giữ chậm tm so với

trong không gian tự do Các sai số 

Do đó phép sẽ là tựa cự ly (cự ly gần đúng) chứ không phải là cự ly P Khi đókhoảng cách (psuedorange) là:

P = ((XS-x)2+(YS-y)2+(ZS-z)2)1/2 + C(t-T) + atm+

Trong đó XS, YS, ZS là toạ độ không gian của vệ tinh

X, Y, Z – là toạ độ không gian của máy thu GPS

C – tốc độ ánh sáng trong chân không

P : trị đo psuedorange

t, T: là sai số đồng hồ máy thu GPS và sai số đồng hồ vệ tinh GPS

atm : là sai số do ảnh hởng của khí quyển

Lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng ảnh hởng phân sai của các điểmcách nhau trong khoảng ≤ 300 dặm (500 km) là gần bằng nhau

Tính cải chính phân sai có hai phơng pháp:

* Phơng pháp POSITION:

Số cải chính phân sai đợc tính dới dạng thức đo kinh độ, vĩ độ, và độ cao(B, L, H), bằng cách lấy hiệu số toạ độ đã biết tại trạm BASE và toạ độ

đợc tính ra theo trị đo GPS tại trạm BASE

*Phơng pháp MEASURMENT:

Số cải chính phân sai đợc tính ra dới dạng cải chính chiều dài vào khoảng cáchpsuedorange (P), bằng cách lấy hiệu khoảng cách thật từ vệ tinh tới tâm điểmantena của máy thu GPS tại trạm BASE và khoảng cách Psuedorange tới các vệ tinh,tính từ trạm BASE

Số cải chính phân sai tính theo phơng pháp POSITION tại trạm BASE chỉ đúng

đối với trạm ROVER khi tọa độ đợc tại trạm BASE và tọa độ tính đợc tại trạmROVER trên cùng một chùm vệ tinh GPS (GPS constellation), chính vì vậy thôngthờng ngời ta sử dụng phơng pháp MEASURMENT

Tuỳ theo cách xử lý số cải chính phân sai, có thể chia phơng pháp DGPS thànhhai loại

* Phơng pháp POST PROSESSING DGPS

Phơng pháp này sử dụng phần mềm để xử lý hai files số liệu thu đợc từ máythu BASE và ROVER ( đông thời thu tín hiệu trong cùng một khoảng thời gian),tính toán ra số cải chính phân sai và tọa độ đã đợc cải chính phân sai của trạm máyROVER

Nh vậy toạ độ tức thời (đã đợc cải chính phân sai ) không đợc tính toán tại hiệntrờng khi đo, mà phải tính toán trong phòng sau khi đo Phơng pháp này hiện nay ít

đợc sử dụng

* Phơng pháp REAL TIME DGPS

Phơng pháp này sử dụng phần mềm liên tục tính ra các số cải chính phân sai.Các số cải chính phân sai này đợc phát tới các máy ROVER thông qua thiết bịtruyền thông Các máy thu GPS ROVER đồng thời thu tín hiệu từ vệ tinh GPS và tínhiệu cải chính phân sai phát từ trạm BASE để tính ra tọa độ chính xác ( đã đ ợc cảichính phân sai )

Nh vậy khác với phơng pháp POST PROSESSING, tọa độ tức thời (đã đợc cảichính phân sai ) đợc liên tục tính toán ở máy ROVER tại thời điểm định vị

Sơ đồ hoạt động của phơng pháp REAL TIME DGPS

13

SATELLITESATELLITE

Data Link

USERSReference Station

GPS

Signal

GPS SignalGPS

Signal

GPS SignalGPS

Signal

CÊu h×nh thiÕt bÞ cña ph¬ng ph¸p REAL TIME DGPS gåm 3 phÇn chÝnh:

+ M¸y thu GPS BASE

+ ThiÕt bÞ truyÒn tin thu vµ ph¸t (Datalink)

+ M¸y thu GPS ROVER

Sơ đồ khối của thiết bị trạm BASE (còn gọi là trạm Reference)

Theo sơ đồ khối trên, chu trình vân hành tại trạm tĩnh nh sau :

- Máy thu GPS thu các tín hiệu từ cácvệ tinh và tính ra các Pseudorange

t-ơng ứng đến các vệ

- Thiết bị phần mềm (Correction Generator) sử dụng toạ độ đã biết tại trạmtĩnh (tạo độ tâm anten của máy thu GPS ) cà các Pseudorange để tính ra

số cải chính phân sai

- Số cải chính phân sai đợc tính dạng chuẩn bằng thiết bị Data Formater

- Số cải chính phân sai đợc sóng tải (carrier) truyền vào không gian tới trạmROVER qua anten phát

- Để sóng tải truyền đợc số cải chính phân sai thì sóng tải đợc điêu chế bởidạng tín hiệu đã đợc định dạng chuẩn của số cải chính phân sai

Công việc này đợc thực hiện ơ thiết bị điều chế (Modulation )

- Yêu cầu kỹ thuật của trạm tĩnh là :

+ Toạ độ chuẩn đợc xác định chính xác để loạ bỏ sai số toạ độ chuẩn.+ Thiết bị GPS và Correction Generator phải chính xác,để tính chínhxác số cải chính phân sai và kiểm soát đợc số cải chính này

+ Format tín hiệu cải chính phân sai phải đợc định dạng chuẩn để có tínhphổ thông

+ Phơng pháp điều chế phải đảm bảo an toàn,chính xác để truyền dợc trọngói thông tin của số cải chính phân sai

+ Phơng pháp truyền sóng phải đảm bảo giảm thiểu sự suy giảm tín hiệu trênquãng đờng truyền sóng nhằm tăng giới hạn truyền sóng

MEASUREMENT PROCESSOR

S

V D ATA

DATA FORMATTER

TRANSMITTER

Differential Correction Message

GPS SENSOR

MEASUREMENT PROCESSOR

MEASUREMENT PROCESSOR

SV D ATA

DATA LINK

NAVIGIATION DATA POSITION CORDI NATES

DEMODULATOR DATA DIFFERENTIAL

CORRECTION

Nguyên lý hoạt động của trạm ROVER :

- Datalink Receiver thu đợc sóng mang,tải số liệu cải chính phân sai từtrạm tĩnh thông qua anten DGPS

- Bộ tách sóng (Demodulation) tách số hiệu cải chính phân sai từ sóng tảithu nhận dợc từ Datalink Receiver

- Số liệu cải chính phân sai đợc nhận dạng chuẩn bằng Dataformater vàtruyền đến thiết bị xử lý số liệu cải chính phân sai (DifferentialDataprocessor)

- Thông qua anten GPS ,GPS Sensor thu đợc tín hiệu từ các vệ tinh GPS

- Thu tín hiệu GPS đợc truyền tới bộ phận xử lý đo (Measurementprocessor ) để tính các Pseudorange

- Kết hợp những số cải chính phân sai và Pseudorange tính đợc sẽ tính ratoạ độ trạm ROVER đã đợc cải chính phân sai.Toạ độ này đợc hiển thịtrên màn hình và đợc lấy ra qua cổng Output của máy thu GPS

Về mặt cấu tạo thiết bị đa số các máy ROVER thông dụng hiện nay đềughép Datalink và GPS Receiver thành một máy (kể cả anten )

3.3 Phơng pháp điều chế,định dạng Format số hiệu và các loại thông báo (Message type) đợc gửi đi trong tín hiệu cải chính phân sai.

3.3.1 Phơng pháp điều chế.

Trong kỹ thuật truyền thông,nội dung thông tin đợc truyền tải trên các sóngmang (sóng tải ).Bản thân sóng tải không chứa đựng thông tin,cần truyền tải đi.Đểthực hiện đợc nục đích này,sóng tải sẽ bị điều chế (Modolation) theo tín hiệu chứathông tin

Có nhiều phơng pháp điều chế.Trong kỹ thuật DGPS ,thông tin cần truyền tải

đi là các gói số liệu.Đảm bảo tính chính xác 100%,của gói số liệu truyền đi là yêucầu không thể thiếu,trong phơng thức truyền thông đối với phơng thức DGPS.Điềunày phụ thuộc phơng pháp điều chế đợc áp dụng.Qua thiết kế và thửi nghiệm,tổchức biên phòng bờ biển Mỹ đã chứng minh rằng phơng pháp điều chế MinimumShift Kying (MSK), thích ứng với kỹ thuật truyền số cải chính phân sai DGPS.Do đócác trạm BEACON DGPS đều sử dụng kỹ thuật MSK và đợc gọi là các trạm MSKBEACON DGPS

DGPS là một dịch vụ công cộng.Vì vậy định dạng Format số liệu cũng phảimang tính phổ biến,công cộng để có thể ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu

Chuyên ban kỹ thuật 104 thuộc uỷ ban kỹ thuật Radio và các dịch vụ hàng hải(RTCM-104-Radio Technical Comnission for Maritime Services.Special 104) đãthiết kế một chuẩn Format dữ liệu cho số cải chính phân sai sử dụng trong kỹ thuậtDGPS

Ta thờng thấy các máy GPS có cài đặt Option RTCM-104, nội dung là cácmáy này đợc cài đặt phần mềm định dạng số liệu theo chuẩn RTCM -104

Cấu tạo cơ bản của Format định dạng số liệu chuẩn của số liệu cải chính phânsai theo RTCM-104 đợc giải thích ngắn gọn nh sau :

1 Nội dung của số liệu cải chính phân sai bao gồm các thông tin bằng số (Ví

dụ : Số cải chính phân sai Pseudorange; toạ độ trạm Reference… là vấn đề rất cầnv.v) và các thôngtin không bằng số (Vi dụ : Thông báo tình trạng vệ tinh; tình trạng của trạmReference; sai số của số cải chính phân sai … là vấn đề rất cần vv )

Nội dung thông tin bằng số đợc giữ nguyên theo thông tin gốc; nội dung thôngtin không bằng số sẽ đợc quy định tơng ứng với các code (đợc định dạng dới dạng số)

Thí dụ : Sai số cải chính cạnh đợc code hoá nh sau :

Code Number One signal Difference error

Thí dụ : Số cải chính phân sai Pseudorange đợc định dạng nh sau :

3.3.3 Các loại thông báo (Massage type ).

Thông tin cải chính phân sai gửi đi từ trạm Beacon không đơn thuần chỉ là sốcải chính phân sai mà gồm nhiều loại thông tin khác.Để có thể định dạng số liệuthông tin, ngời ta chia ra các nội dung thông tin thành các nhóm thông báo(Massage type ) và định dạng format cho từng nhóm thông báo này

RTCM-104 chia các nội dung thông tin trong kỹ thuật DGPS thành 26massage và định dạng cho 26 massage này

Dới đây em chỉ trình bầy nội dung thông tin và định dạng format cho cácmasage chính,ứng dụng trong kỹ thuật DGPS

3.3.3.1 Loại thông báo 1 (Massage Type 1) Cải chính phân sai DGPS (Differrential GPS Corrections)

Thông báo 1 chứa nội dung chính là số cải chính phân sai tức thời đợc tính vàphát từ trạm Beacon.Số cải chính này gồm hai thành phần :

1 Số cải chính Pseudorange đối với từng vệ tinh tính đợc tại trạm Beacon vàkhoảng cách thật tính đợc từ toạ độ không gian của anten trạm Beacon và toạ độkhông gian của các vệ tinh tơng ứng.Số cải chính này đợc ký hiệu là PRC(t 0)

(Pseudorange correction at t0 of time )

2 Vì số cải chính PRCt 0 truyền từ trạm Beacon tới trạm Rover nào đó (ngời

sử dụng) mất một khoảng thời gian nhấi định.Vì vậy trạm Rover nhận đợc số cảichính PRC(t0) không phải tại thời điểm t0 mà tại thời điểm t.Tại thời điểm t, số cảichính tính đợc tại trạm Beacon sẽ khác số cải chính tỷ lệ khoảng cách (Range RateCorrection) Số cải chính này dợc ký hiệu là RRC

Nh vậy số cải chính Pseudorange tại thời điểm t cho các máy GPS động sẽ là:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 … là vấn đề rất cần… là vấn đề rất cần… là vấn đề rất cần 2 3 2 4 2 5 … là vấn đề rất cần… là vấn đề rất cần… là vấn đề rất cần 3 0

PRM (t ) là khoảng cách Pseudorange cha đợc cải chính phân sai tại thời điểm

t (tính từ việc thu tín hiệu từ vệ tinh GPS )

Số cải chính phân sai PRC (t ) đợc tính cho từng vệ tinh đối với tất cả các vệtinh trong tầm nhìn tại trạm Beacon tạithời điểm t Vì vậy trong format số liệuthông báo 1 bao gồm cả thông tin về số liệu vệ tinh (Satellte ID ) format số liệu củathông báo 1 đợc cấu tạo nh sau:

UDRE SATELITE ID PSEUDORANGE

Words 38.13 or 18

SCALE FACTORRANGERAE

CORRECTION

RANGE – RATECORRECTION

PARITY Words 5

10.15 or 20SCALE FACTOR

PARITY

Words 611.16 or 20PSEUDORANGE

CORRECTION

(LOWER BYTE)

RANGE – RATECORRECTION

ISSUE OF DATA(IOD)

PARITY

Words 712.17 or 23

RANGE –

RATE

CORRECTION

ISSUE OF DATA(IOD)

Trong cấu tạo Format đợc thông báo dới dạng code của thông báo 1 nh trên tacòn thấy tri số UDRE (USER DIFFERENTIAL RANGE ERRO) Trị số nàythông báo sai số của cải chính phân sai phát từ trạm Beacon.UDRE là tổng hợp các

ảnh hởng sai số của hiện tợng đa tia (multipath ); độ nhiễu tín hiệu GPS (Signal –to– noise radio) và các ảnh hởng sai số khác

Trị số IDO (Issue of data) trong cấu tạo Format số liệu của thông báo số1,thông báo cho máy GPS động phải dùng một Set số liệu thu đợc từ vệ tinh đã đợc

sử dụng tại trạm Beacon để định vị và tính ra số cải chính phân sai

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 … là vấn đề rất cần… là vấn đề rất cần… là vấn đề rất cần 2 3 2 4 2 5 … là vấn đề rất cần… là vấn đề rất cần… là vấn đề rất cần 3 0

3.3.3.2 Thông báo 2 (Massage type 2 ) Delta Differential GPS Correction.

Trong cấu tạo hệ thống GPS ,có 4 trạm Monitor và 1 trạm Master Control Bốntrạm này thu nhận số liệu GPS và trruyền về trạm số liệu Master Control,tramMaster Control xử lý số liệu từ 4 trạm Monitors trênvà tính toán ra số liệu cải chính

đồng hồ vệ tinh và số cải chính quỹ đạo vệ tinh.Và số cải chính này đợc phát trở lại

để điều chỉnh hoạt động của các vệ tinh ít nhất 1 lần trong ngày

Nh vậy sau khi trạm Master Control Uploaded số cải chính cho các vệ tinh, thìcác vệ tinh phát quỹ đạo mới (EPHEMERIDE) tới các máy thu.Các máy thu sẽDecode quỹ đạo vệ tinh mới và tính Pseudorange theo quỹ đạo vệ tinh mới

Tuy vậy đối với các máy thu GPS việc Decode quỹ đạo vệ tinh không thựchiện ngay tức thời mà mất mộtkhoảng thời gian nhất định Có nghĩa là mặc dù quỹ

đạo vệ tinh mới đã đợc thông báo trong tín hiệu GPS từ các vệ tinh,song máy GPSvẫn tính Pseudorange theo lịch vệ tinh cũ (quỹ đạo vệ tinh cũ ) Các trạm Beacon

đều đợc trang bị các máy GPS có thể decode quỹ dạo vệ tinh mới ngay tức thi Kếtquả là trong một số trờng hợp,ở thời điểm vệ tinh GPS phát đi lịch vệ tinh mới, thi

có một khoảng thời gian, trạm Beacon định vị và tính số cải chinh phân sai theolịch vệ tinh mới,con máy thu GPS động lại định vị theo lịch vệ tinh cũ Nh vậy sốcải chính phân sai đợc tính tại trạm Beacon theo lịch vệ tinh mới sẽ không chính xác

đối với các máy thu GPS đợc định vị theo lịch vệ tinh cũ.Vì vậy cần phải có một sốcải chính phụ,để bù lại sự sai khác nói trên Số cải chính này gọi là DeltaDifferential GPS Correction, và đợc ký hiệu là DELTA PRC DELTA PRC đợc tínhtheo công thức :

DELTA PRC = PRC (old IOD) – RRC (new IOD )

Cũng với lý do nh trên, khi tính số cải chính Range – rate differential, trạmBeacon cũng sử dụng vệ tinh mới, do đó phải có thêm số cải chính DELTA RRCDELTA RRC đợc tính theo công thức :

DELTA RRC = RRC (old IOD) - RRC (new IOD )

Với :PRC (OLD IOD ) là số cải chính phân sai Psuedorange đợc tính theo lịch

vệ tinh cũ

PRC (New IOD ) : Là số cải chính phâm sai đợc tinh theo lịch vệ tinh mới.RRC (Old IOD ) :Là số cải chính phân sai Range-rate đợc theo lịch vệ tinh cũ RRC (New IOD) : Là số cải chính phân sai Range – rate đợc tính theo lịch vệtinh mới

Máy thu GPS động sẽ đọc IO D (Issue of data ) trong thông báo số 1 để lựachọn xem có sử dụng số cải chính Delta Diffencetial GPS Correction hay không.Khi sử dụng số cải chính DELTA thí số cải chính phân sai ứng dụng tại trạmmáy GPS động sẽ đợc tính bằng công thức sau :

PRC (t )= PRC (NEW IOD) +DELTA (OLD IOD ) + RRC (NEW IOD ) +DELTA RRC ( OLD IOD )

Cấu tạo Format số liệu Massagge Type 2 đợc trình bầy trong hinh vẽ dới đây :

UDRE SATELITE ID DELTA PSEUDORANGE

Words 38.13 or 18SCALE FACTOR

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 … là vấn đề rất cần… là vấn đề rất cần1 6 1 7… là vấn đề rất cần 2 4 2 5 … là vấn đề rất cần2 9 3 0

CORRECTI0N (IOD)

DELTA PSEUDORANGE

CORRECTION

DELTA RANGE –RATECORRECTION

PARITY

Words 510.15 or 20

DATA

Words 712.17 or23

3.3.3.3 Thông báo 3 (Massage type 3) Thông báo của trạm Refrence.

Thông báo 3 gửi đi toạ độ không gian 3 chiều của trạm Beacon Toạ dộ đợc tínhtrong hệ WGS – 84

Thông báo về toạ độ (vị tri ) của trạm Beacon giúp cho máy GPS động khithu đợc tín hiệu cải chính từ một trạm Beacon nào đó, biết đợc khoảng cách từ trạmBeacon đến máy thu GPS động là bao nhiêu

Trong trờng hợp thu đợc nhiều tín hiệu cải chính phân sai từ nhiều trạmBeacon, thi máy thu GPS động có thể dựa vào khoảng cách tới các trạm Beacon đểquyết định xem sử dụng số liệu cải chính phân sai phát đi tại trạm Beacon nào thíchhợp nhất (Thờng thì sử dụng số cải chính phân sai đi từ trạm Beacon gần nhất) Tuyvậy, đôi khi có thể trọn chế độ sử dụng số cải chính phân sai từ trạm Beacon nào màtín hiệu cải chính thu đợc tại máy GPS động lớn nhất

Format số liệu của Massege 3 đợc trình bày trong hình vẽ dới đây:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

ECEFX-COORDINATE(UPPER 3 BYTE)

PARITY

WORLD 5

3.3.3.4 Thông báo 5 (message Type 5) là chùm vệ tinh khoẻ (Constellation Heath)

Thông báo này, thông báo thông số của từng chùm vệ tinh tại trạm Beacon, vệtinh nào trong tầm nhìn tại trạm Beacon và đợc sử dụng để định vị và tính số cảichính phân sai Thông báo giúp cho máy GPS động, tự động lựa chọn đợc đúngchùm vệ tinh khoẻ (constellation) đã đợc sử dụng để định vị tại trạm Beacon và trạmGPS động cùng sử dụng một GPS constellation để định vị

Việc này rất quan trọng vì nếu trạm GPS động sử dụng một GPS constellationkhác với trạm Beacon, thì sẽ có các Psuedorange tính đợc từ trạm GPS động đợc cảichính phân sai Giả sử tất cả các Psuedorange tính đợc từ trạm GPS động đề đợc cảichính phân sai mà chỉ cần một Psuedorange không đợc cải chính phân sai sẽ gâynên sai số định vị rất lớn

Thông báo số 5 này không đợc gửi liên tục mà đợc gửi đi theo chu kỳ mỗi khitrạm tĩnh thay đổi GPS Constellation

Format DATA của Message Type 5 đợc trình bày trong hình vẽ sau:

Message Type 5 - - Constellation Health

3.3.3.5 Thông báo 16 (Message Type 16) thông báo đặc biệt.

Đây là một dạng thông báo đặc biệt bằng mã ASCII để trạm Beacon có thểthông báo cho các trạm GPS động các thông tin đặc biệt bằng chữ Mỗi một thôngbáo có thể dài 90 chữ cái Để thực hiện đợc điều này, ngời ta sử dụng code ASC II 7bit trong FORMAT số liệu Message Type 16

Thí dụ hình sau trình bày chữ “QUICK” đợc cấu tạo ra sao trong format số liệuMessage Type 16”

ID

DATAHEALTH c/N0

TIME TO

WORD 2 + Ni

HEALTH ENABLENEW NAVIGATION DATALOSS OF SATELLITE WARING

Với các loại thông báo đã trình bày ở trên, việc cải chính phân sai thời gian sẽ

đợc thực hiện một cách hoàn hảo

3.4 Các phơng pháp đo DGPS.

3.4.1 Kỹ thuật MSK – DGPS với các trạm Beacon.

Để áp dụng kỹ thuật DGPS trên phạm vi, một vùng một quốc gia hay một khuvực, các trạm Reference DGPS đợc xây dựng cố định trên các vị trí thiết kế nhằmphục vụ tín hiệu cải chính phân sai cho bất kỳ máy động nào nằm trong phạm vi phủsóng đợc thiết kế

Các trạm này đợc gọi là Beacon Control GPS Station Nhiều trạm BeaconControl GPS Station cùng hoạt động dới một sự điều hành chung đợc gọi là BeaconControl GPS System

Cấu hình các trạm Beacon Control GPS rất linh động Cấu hình này phụ thuộcvào quy mô trạm, quy mô của hệ thống cũng nh yêu cầu của đối tợng phục vụ

3.4.1.1 Yêu cầu chung của một trạm Beacon Control là:

- Sử dụng kỹ thuật điều chế MSK (Minimum Shift Kying Modulation)

- Sử dụng các chuẩn thông báo và cấu hình (Format) số liệu chuẩn quốc tếRTCM – 104

- Sử dụng hệ thống phần mềm điều khiển chuẩn RSIM của RTCM – 104

- Đa số sử dụng sóng mang trung tần, từ 280 KHz đến 325kHz

Lý do sử dụng phơng pháp điều chế MSK và các chuẩn Format RTCM – 104

đã đợc trình bày ở mục 2.1.5 Việc sử dụng sóng mang trong dải trung tần vì các lý

+ Trong kỹ thuật radio, do đặc tuyến tần số của các linh kiện ổn định với tần

số trung tần nên thiết bị radio dễ hoạt động ổn định với giải sóng trung

Yêu cầu dịch vụ đối với trạm Beacon control và của hệ thống phải đảm bảotính năng sau:

+ Số cải chính phân sai phải đợc phát đi liên tục, không gián đoạn Số liệu phải

đợc lu trữ trong DATABASE của trạm Beacon control nhằm mục đích sử lý sau(Poss Processing) và kiểm tra

+ Đảm bảo tầm phủ sóng theo yêu cầu phục vụ

+ Kiểm soát đợc độ chính xác của số cải chính phân sai phát đi nhằm đảm bảo

độ chính xác hoạt động của trạm

+ Kiểm soát tự động sự vận hành của thiết bị của trạm Tự động phát tín hiệu

và thông báo các sự cố trong quá trình vận hành để có sự chỉnh lý khắc phục tứcthời

+ Nếu các trạm Beacon control hoạt động trong một hệ thống, thì các trạmBeacon control riêng lẻ phải có khả năng điều khiển từ xa và đợc đặt dới sự kiểm tra

điều hành thống nhất tại một trạm kiểm tra, điều khiển trung tâm

Cấu hình của một trạm Beacon Control và hoạt động của trạm Beacon Control.Sơ đồ của một trạm Beacon Control có máy thu GPS và máy phát sóng mangkép đợc trình bày ở hình vẽ dới đây:

RENDUNDANCY

Theo sơ đồ cấu tạo trên, trạm Beacon Control có hai máy thu GPS ký hiệu là

RS 1 và RS 2 (Reaference Station ) Các máy thu GPS này thờng là các máy thuTrimble 4000 MSK đợc thiết kế bộ điều chế MSK trong máy thu GPS

Máy thu RS1 và RS 2 thu tín hiệu từ vệ tinh GPS và tính ra các Pseudorange

đối với từng vệ tinh GPS và tính ra số cải chính phân sai Pseudorange cho từng vệtinh Option RTCS – 104 đợc cài đặt trong máy chuẩn hoá số cải chính theoFormat chuẩn RTCM – 104 dùng để làm tín hiệu điều chế tần số sóng mang phát

ra từ máy phát tần số (Transmitter) Hai máy thu GPS – RS 1 và GPS – RS2 hoạt

động độc lập với nhau và đợc nối với máy tính PC điều khiển có cài đặt phần mềmchuẩn RSIM

Cũng nh vậy máy phát tần số cũng gồm hai máy (hoặc 2 block máy phát trongmột máy phát kép )

Với cấu tạo nh trên trạm Beacon Control đợc tính an toàn cao trong vận hành,

do đó đảm bảo đợc phát tín hiệu cải chính liên tục,không bị gián đoạn do sự cố kỹthuật

3.4.1.2 Hệ thống antena bao gồm các phần chính sau:

- Antena phát : Có nhiều dạng nh antena Diamon, antena hình T, antena cột(Sử dụng ngay cột làm yếu tố phát )

- Lới đối trọng : Là hệ thống dây đồng trục đợc dải chôn chìm dới bãi antena

có tác dụng làm tăng hệ số điện ly của bãi antena

- Bộ phận điều chỉnh antena : Có nhiều chức năng điều chỉnh cuộn cảm (L) đểtạo ra tần số cộng hởng R - C của máy phát tín hiệu

- Các thiết bị an toàn bao gồm : Hệ thống chống sét, hệ thống đèn cao không

Lới đối trọng

Với cấu hình nh trên trạm Beacon Control mới chỉ đảm bảo phát tín hiệu antoàn và liên tục chứ không kiểm soát đợc độ chính xác của số liệu cải chính phát đi.Vì vậy tại các tạm Beacon Control, thông thờng đợc trang bị thêm các máyGPS Monitoring, làm nhiệm vụ theo dõi và kiểm soát độ chính xác của tín hiệu cảichính phân sai đợc phát đi từ trạm Beacon Control

Sơ đồ cấu hình của một trạm Beacon Control có trang bị máy GPSMonitoring đợc trình bầy nh hình vẽ dới đây :

3.4.1.3 Hoạt động của máy GPS Monitor tại trạm Beacon Control.

Máy thu GPS IM (Integrity monitor GPS Receiver) là tích hợp của một máythu GPS và máy thu tín hiệu cải chính phân sai

Antena của máy thu GPS IM đợc đặt tại một điểm đã biết trớc toạ độ gần trạmBeacon Control Máy thu GPS IM khi đó hoạt động nh một máy thu GPS động.Máy thu GPS IM sẽ tính ra toạ độ đã đợc cải chính phân sai So sánh toạ độ đã đợccải chính phân sai với toạ độ đã biết tại nơi đặt antena của máy thu GPS IM,sẽ đánhgiá đợc sai số của tín hiệu cải chính phân sai phát đi từ trạm Beacon Control

Hoạt động của máy GPS IM cũng đợc kiểm soát qua máy tính điều khiển PC

có cài đặt phần mềm RSIM

RSIM và nguyên tắc hoạt động của RSIM : RSIM là một phần mềm chuẩn

hoá do RTCM – 104 xây dựng nhằm đảm bảo thông tin trong hệ thống các trạmBeacon Control, bao gồm các trạm Reference, trạm Monitor và trạm điều khiểntrung tâm

Rsim là một cấu thành không thể thiếu của một trạm Beacon Control Nó làphần mềm chính, cài đặt,quản lý và vận hành trạm Beacon Control.Ngoài ra RSIMcòn có một số bổ trợ khác cấu thành trong hệ thống phần mềm cho trạm BeaconControl

Hệ thống phần mềm cho trạm Beacon Control đợc thiết kế để chạy trên cấuhình máy tính 32 bit à trong môi trờng Windows NT

Khi trạm Beacon Control hoạt động, phần mềm RSIM quản lý mọi hoạt độngcủa trạm một cách tự động và tạo ra các thông tin về tình trạng hoạt động của trạm

THE INTRODUCTION OFAN INTERGRITY MONITOR

Near field antena

Near field antena

1 IM Satellite Status : Thông báo thông tin về các vệ tinh mà máy GPSMonitoring đang sử dụng.

2 PS Satellite Status : Thông báo thông tin về các vệ tinh mà máyReference GPS đang sử sụng

3 IM DGPS IM Status : Thông báo thông tin liên quan đến việc tínhtoán đinh vị bao gồm độ chính xác, DOP, số vệ tinh đợc sử dụng để

định vị đợc xác định bởi máy GPS Monitoring

4 IM Correction Data : Thông báo về số cải chính phân sai mà máyGPS Monitoring nhận đợc từ trạm Reference

5 RS Correction Data : Thông báo về số cải chính phân sai đợc tạo rabởi máy Reference GPS

6 IM Data Link Status : Thông báo về chất lợng của tín hiệu và số liệuRTCM và máy GPS Monitoring nhận đợc

7 Transmitter Status : Beacon thông báo tình trạng hoạt động của máyphát tần số sóng mang

8 Bảng định vị (Position Statistics Table) : Thông báo vị tri đợc định vị(đã đợc cải chính phân sai ) bằng máy GPS Monitoring theo dạngbảng số

9 Posotiong Statistics Scatter Plot : Thông tin về vị trí đợc định vị (đã

đợc cải chính phân sai ) bằng máy GPS Monitoring dói dạng đồ thị Các thông tin đợc hiển thị trên màn hình máy tính và có thể đợc in ra quaPrinter Trong quá trình vận hành trạm, bất kỳ thời điểm nào, ngời vận hành cũng cóthể lựa chọn các thông tin cần thiết trong 9 Windows Status trên để tham khảo

3.4.2 Chức năng báo động và thông báo (Alams and message) của RSIM.

Với mục đích bảo đảm bảo sự an toàn hoạt động của trạm Beacon Control,RSIM tự động báo động và gửi các thông báo đặc biệt cần thiết cho ngòi vận hànhtrạm khi có sự cố kỹ thuật.Trong trờng hợp các trạm Beacon Control hoạt động theomạng (Net working) thì các báo động và thông báo gửi về trạm điều khiển trungtâm.Tại trạm điều khiển trung tâm, ngời vận hành sẽ phân tích tình trạng báo động

và thông tin để đa ra các giải pháp khắc phục thích hợp

Chức năng hu số liệu tại trạm Beacon control

Ngoài chức năng chính là phát số liệu cải chính phân sai, tại trạm Beaconcontrol còn có chức năng ghi lại một số loại số liệu trong Data BASE Các loại sốliệu bao gồm :

1 Số liệu GPS thô (Raw GPS Data), số liệu này là khoảng cách Pseudorange

và số liệu pha sòng tải (Carrier phase) đối với mỗi vệ tinh trong tầm nhìncủa trạm Beacon Control Số liệu này đợc lấy từ máy Reference GPS và đợc

gi trong Data BASE của máy tính dói dạng file số liệu (Data file) CácData file này sẽ đợc sử dụng để Post Procesing đối với máy GPS độngkhông thu tín hiệu cải chính phân sai

2 Các thông tin thống kê, thông tin này thống kê các độ lệch chuẩn, độ cệchtrung bình RMS trị số tôi thiểu, tối đa và tổng số các quan sát trong địng vị

3 Các hạng mục hệ thống số liệu (System Data items) thông báo các thôngtin về vệ tinh, số liệu cải chính phân sai, thông tin về tình trạng của hệthống truyền tín hiệu (Data link)

4 Báo động và hệ thống báo động (Alrams and system message) ghi lại tất cảcác báo động và thông báo đặc biệt của RSIM trong quá trình vận hànhtrạm

Tất cả các số liệu đợc ghi lại trên cho phép ngời sử dụng biết đợc tình trạnghoạt động của trạm trong quá khứ, đồng thời có thể kiểm tra, xủ lý số liệu địng vịDGPS khi có nghi ngờ gặp sự cố kỹ thuật tại trạm Beacon control

Đối với mỗi vùng hoặc một quốc gia thì các trạm Beacon control đợc cấu tạothành mạng (Net working) và đợc điều khiển thống nhất toàn mạng bởi trạm điềukhiển trung tâm Có nghĩa là tất cả các trạm Beacon control riêng lẻ đợc điều khiển

từ xa

Để điều khiển từ xa thì phải thiết lập hệ thống từ trạm điều khiển trung tâm

đến mỗi trạm Beacon contrrol thành viên Có hai phơng thức truyền thông giữa trạmControl và các trạm Beacon

1.Leased line (Đờng truyền thông riêng).

Là một kênh truyền thông đợc thiết lập riêng giữa trạm điều khiển và trạmBeacon Kênh truyền thông này đợc thiết lập nh một đờng điện thoại riêng và thờng

đợc thực hiện qua đờng cáp quang

2.Quay số khi cần (Dial on Demad).

Để điều khiển các trạm Beacon control thì thực tế trạm điều khiển trung tâm

và các trạm Beacon không cần thiết phải nối thông tin với nhau Thông tin chỉ cầnnối mỗi khi báo động và các thông báo đợc RSIM tự động gửi về trạm điều khiển.Vì vậy, phơng thức tryền thông Dial on Demad đợc cấu tạo nh sau: Khi cầntruyền thông tin từ trạm Beacon Control tới trạm đều khiển thì kênh truyền thôngtin thiết lập giữa trạm Beacon và trạm điều khiển đợc mở giống nh ta gọi điện thoại.Chỉ khác là “ quay số điện thoại ‘’ đợc thực hiện rự động qua thiết bị Routeer vàRadio modem

Sơ đồ một hệ thống trạm Beacon Control Net Working.

Phơng pháp MSK Beacon DGPS là phơng pháp thông dụng nhất đợc sử dụngrộng rãi trên thế giới Các trạm MSK Beacon DGPS đợc đăng kí quốc tế và hoạt

động nh một hệ thống dịch vụ khu vực toàn cầu

Tháng 5 – 1996 Trimble navigation đã thu thập đợc bảng thóng kê các trạmMSK Beacon DGPS trên toàn thế giới tới 199 trạm Với bảng thống kê trên, mọimáy GPS động nào có thể bắt tín hiệu cải chính phân sai DGPS từ bất kì trạmBeacon nào tơng ứng với khu vực phử sóng của trạm đó một cách miễn phí

Dới đây trình bày một phần bảng thống kê của trạm Beacon trong khu vục:

Tram Beacon của

Error! Not a valid link.

Trạm Beacon Của SINGAPOR Raffes Geo Position 10 9’ 32” N Lighthose 1030 44’ 26”E

Station in operation yes

Integrity monitoring yes

Comments :

Tram Beacon Của MALAYSIABintulu Geo Position 30 11’ 9.51” N

1130 2’ 3.32” EReference Station ID 821

TX Station ID

Frequency(Khz) 290

Nominal Range (Km) 450@40 /m Message Type 1,3, 7, 9-3, 16 Bitrate (bit/s) 200

Station in operation yes

Integrity monitoring yes

Station in operation yes

Integrity monitoring yes

Comments :

* Operated by Hydrographic office, Maritime

* Department at Tel No.(852) 2504 0267

Tr¹m Beacon cña TRUNG HOADAJISHAN Geo Position 300 48’ 36” N

1120 10’ 25” EReference Station ID 624/625

TX Station ID 621

Frequency(Khz) 307Nominal Range (Km) 300

Message Type 3, 5, 7, 9, 16

Bitrate (bit/s) 200

Station in operation yes

Integrity monitoring yes

- Station exists in “ Admiralti List of Radio – Signal, Vol 2, 1996 ”

- Transmission format not confirmed

- Lieca Stite

QAOGHUANDA Geo Position 390 54’ 50” N

1190 36’ 57” EReference Station ID 606/ 607

TX Station ID 603

Frequency(Khz) 287.5 NominalRange (Km) 300

- Normal operation with 24 hours integrity morning

- Associated RDF Morse identifier / Frequence

- Station exissts “ Admiralty List Radio Signal, Vol 2, 1996 ”

- Frenquence not format not confirmed

- Lieca Stite

DASANSHAN Geo Position 380 25’ N

1210 50’ EReference Station ID 602 / 603

- Normal operation with 24 hours integrity morning

- Associated RDF Morse indentifier / Frequence

BEITANG Geo Position 390 6’ N