nghiên cứu hệ thống dẫn đường dgps và ứng dụng trong điều khiển giao thông

Phương pháp dẫn đường sử dụng GPS cũng được coi là phương pháp dẫn đường vô tuyến điện, các vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu được coi là các trạm phát vô tuyến điện, hay nói chính xác h

LỜI MỞ ĐẦU

Giao thông vận tải là một trong những lĩnh quan trọng, là huyết mạch của nền kinh tế quốc dân Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu vận tải ngày càng đòi hỏi tăng cả về số lượng và chất lượng Do vậy phát triển giao thông vận tải là một trong những ưu tiên hàng đầu của các nước trên toàn thế giới Với Việt Nam, là một trong những nước đang phát triển, vấn đề cơ sở hạ tầng trong đó có giao thông vận tải đã và đang được chú trọng phát triển

Trong giao thông vận tải, ngoài việc cã cơ sở hạ tầng như đường xá, bến bãi hay phương tiện tốt thì việc quản lý, điều hành, giám sát và điều khiển các phương tiện mang mét ý nghĩa quan trọng, góp phần không nhỏ vào sự thành công của giao thông Với mỗi loại hình giao thông khác nhau thì việc quản lý, giám sát và điều khiển có thể khác nhau, nhưng nguyên lý chung của việc giám sát, quản lý và điều khiển các phương tiện vận tải đều phải định vị được phương tiện Việc định vị phương tiện có thể qua nhiều phương pháp khác nhau, nhưng với khả năng định chính xác, an toàn, toàn cầu và linh hoạt, DGPS đã và đang trở thành một công cụ định vị hiệu quả và đã được ứng dông để dẫn đường trong giao thông tại nhiều quốc gia trên thế giới

Với ưu điểm diện phủ sóng vệ tinh rộng khắp, đé chính xác cao, giá thành thấp, DGPS là sự lùa chọn hợp lý để giải quyết bài toán dẫn đường trong giao thông vận tải

Với những lý do trên, dưới sự hướng dẫn tận tình của cô Trịnh Thị Hương – Giảng viên Bộ môn Tín hiệu giao thông cùng các thầy, cô trong khoa Điện - Điện tử trường Đại học Giao thông vận tải, em đã mạnh dạn chọn đề tài:

“Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao

thông” làm đề tài tốt nghiệp.

Qua đây em xin chân thành cảm ơn cô Trịnh Thị Hương – Giảng viên Bộ môn Tín hiệu giao thông và các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử trường Đại

học Giao thông vận tải đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như trong quá trình tìm tài liệu tham khảo để hoàn thành đồ án này.

Em còng xin chân thành cảm ơn các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ em trong thời gian hoàn thành đồ án

Do thời gian, tài liệu và kiến thức còn hạn chế, đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và tất cả các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2009

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG.

1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG

1.1.1 KHÁI NIỆM DẪN ĐƯỜNG

Nh chóng ta đã biết mọi sự chuyển động của chóng ta hay của một vật điều luôn hướng tới một đích đến cụ thể nào đó Để chúng ta có thể đến được đích đó thì luôn cần một sù định hướng rõ ràng Trong thực tế cuộc sống hàng ngày, sự di chuyển của chúng ta giữa hai điểm thường được chúng ta định trước,

do đó sự di chuyển của chúng ta còng theo một hướng nhất định để đến được đích của mình Để có cái nhìn khái quát hơn về dẫn đường ta có thể đưa ra định nghĩa sau: “Dẫn đường là một môn khoa học nghiên cứu về các phương pháp và các thiết bị thu nhận các thông tin xác định vị trí chuyển động của đối tượng bị điều khiển.”

Nh vậy, từ định nghĩa ta có thể thấy được hai nghiệm vụ chính mà dẫn đường đặt ra là:

• Nghiên cứu về các phương pháp dẫn đường

• Nghiên cứu về các thiết bị dẫn đường

Sau đây giới thiệu chung về các phương pháp dẫn đường và đi sâu nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHỮNG PHƯƠNG PHÁP DẪN ĐƯỜNG

Người ta phân loại các phương pháp dẫn đường dùa trên việc sử dụng các

kỹ thuật (kỹ thuật sử dụng trong các thiết bị dẫn đường) khác nhau

1.2.1 DẪN ĐƯỜNG BẰNG MỤC TIÊU

Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là phương pháp dẫn đường và xác định vị trí của đối tượng bị điều khiển bằng những mục tiêu nhìn thấy Phương pháp dẫn đường này là phương pháp cổ xưa và đơn giản nhất Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu này chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện tự nhiên, thời tiết Phương pháp này có độ chính xác không cao và có tính định tính

1.2.2 DẪN ĐƯỜNG BẰNG DỰ ĐOÁN

Phương pháp dẫn đường bằng dự đoán là phương pháp dẫn đường dùa vào

vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển và hướng di chuyển để dự đoán vị trí của phương tiện Dùa vào những thông số đó, người ta có thể tính toán ra được hướng còng nh vị trí của mình Nhưng phương pháp dẫn đường này lại chịu tác động của ngoại cảnh nh dòng chảy, gió… cho nên độ chính xác của phương pháp không cao và quan trọng hơn là không ổn định

1.2.3 DẪN ĐƯỜNG THIÊN VĂN HỌC

Dẫn đường bằng thiên văn học là dùa vào việc quan sát các thiên thể đã biết trên bầu trời như mặt trời, mặt trăng và các vì sao, sử dụng sextant (kính lục phân) để đo độ cao và góc độ giữa các thiên thể, dùng đồng hồ (thời kế) để đo thời gian và dùng lịch thiên văn để tính toán vị trí của tàu Phương pháp dẫn đường thiên văn học là phương pháp dẫn đường có độ chính xác tương đối cao

và được sử khá rộng rãi trong ngành hàng hải, nhưng bị hạn chế là không thể sử dụng được trong những điều kiện thời tiết xấu hay vào ban ngày khi mà không thể quan sát được mặt trăng hay bất kỳ một ngôi sao nào

1.2.4 DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH

Phương pháp dẫn đường quán tính dựa trên hiểu biết vị trí, vận tốc và động thái ban đầu của phương tiện, từ đã đo tốc độ động thái và gia tốc rồi dùng phương pháp tích phân để tính toán ra vị trí của phương tiện Đây là phương pháp dẫn đường duy nhất không dựa vào nguồn tham khảo bên ngoài Nếu phương pháp dẫn đường vô tuyến chịu ảnh hưởng của sóng vô tuyến điện và không sử dụng được trong những khu vực không có sóng thì phương pháp dẫn đường quán tính có thể khắc phục được Phương pháp này có độ chÝnh xác tương đối cao, nhưng nó lại chịu sai sè chu trình

1.2.5 DẪN ĐƯỜNG VÔ TUYẾN ĐIỆN (RADIO NAVIGATION)

Dẫn đường vô tuyến điện là phương pháp sử dụng sóng vô tuyến từ một trạm phát sóng cố định có vị trí đã biết, tại điểm thu sãng máy thu sẽ tính toán thời gian, khoảng cách và kết quả thu được vị trí máy thu sóng vô tuyến điện 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 phạm vi rộng lớn; 2) hệ thống bao phủ được một phạm vi rộng lớn nhưng lại không chính xác Sóng vô tuyến tần số cao có thể cung cấp vị trí chính xác nhưng chỉ cã thể bao phủ vùng nhỏ hẹp Sóng vô tuyến tần số thấp (như sãng đài

FM, frequency modulation, sãng điều tần) có thể bao phủ được vùng rộng lớn hơn nhưng lại không cho chóng ta vị trí chính xác

Chính vì vậy, các nhà khoa học đã nghĩ rằng cách duy nhất bao phủ sóng trên toàn bé thế giới là đặt những trạm phát sóng vô tuyến điện cao tần 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 mà vẫn tới được trái đất với một mức năng lượng hữu Ých cho phÐp tái tạo lại thông tin thì

sẽ có thể xác định được vị trí Đây là ý tưởng ban đầu của GPS, ý tưởng này đã đúc kết lại 2000 năm sự tiến bộ trong khoa học dẫn đường bằng cách tạo ra

“những hải đăng trong vũ trụ” (space-based lighthouse)

GPS có thể cho chóng ta biết vị trí ở bất kỳ nơi nào trên bề mặt trái đất, trong mọi điều kiện thời tiết và liên tục 24 giờ trong ngày

1.2.6 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS

GPS là tên tiếng Anh viết tắt của từ “Global Positioning System” có nghĩa

là “Hệ thống định vị toàn cầu” Hệ thống định vị toàn cầu GPS sử dụng thông tin

vệ tinh, nó có khả năng xác định vị trí tại mọi nơi trên bề mặt Trái đất với độ ổn định, độ chính xác tương đối cao và ngày nay với công nghệ ngày càng hiện đại,

hệ thống GPS ngày càng trở nên chính xác đặc biệt là giá thành sử dụng đã hạ đáng kể

Phương pháp dẫn đường sử dụng GPS cũng được coi là phương pháp dẫn đường vô tuyến điện, các vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu được coi là các trạm phát vô tuyến điện, hay nói chính xác hơn là “những trạm phát vô tuyến điện ở trong vũ trụ” (space-based radio wave transmitters), các trạm thu và máy thu dưới mặt đất thu các tín hiệu từ vệ tinh Ngoài ra, dưới mặt đất còn có các trạm thu phát tín hiệu nhằm điều khiển hoạt động của hệ thống

Ngày nay, trên Thế giới việc sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã trở nên rất phổ biến và mang lại nhiều thành quả nhất định Hệ thống GPS được ứng dụng để phục vụ cho giao thông vận tải và hiện nay nó đã đóng một vai trò quan trọng trong việc dẫn đường của hàng không, đường thuỷ, đường bộ và cả đường sắt

1.3 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS

Cho đến ngày nay, vẫn còn tồn tại những bàn luận xung quanh vấn đề về

độ chính xác của hệ thống GPS có thể đem lại Hầu hết người sử dụng luôn có cái nhìn và đánh giá tốt về hệ thống, đặc biệt khi nó được sư dụng trong những điều kiện mà những hệ thống khác không hoặc khó có thể làm được Có thể nói đây là một trong những ưu điểm nổi trội của GPS Tuy nhiên, đây không phải là yếu tố duy nhất khiến ngày nay GPS lại trở nên phổ biến nh vậy, một trong những yếu tố còn lại là độ chính xác của hệ thống GPS

Trong mỗi lĩnh vực khác nhau, việc yêu cầu vệ độ chính xác là khác nhau

Do vậy, việc đặt ra một yêu cầu cụ thể về độ chính xác cho mỗi lĩnh vực luôn là điều cần thiết Do đó, cũng tùy vào mỗi lĩnh vực mà người ta lại lùa chọn một

“mức độ” khác nhau về độ chính xác của GPS Từ những lĩnh vực không cần đến độ chính xác quá cao mà vẫn đáp ứng được đầy đủ những yêu cầu của người

sử dông như lĩnh vực quản lý động vật hoang dã (theo dõi sự di cư, cư trú, tuổi thọ hay khả năng sinh sản…), khí tượng thuỷ văn (theo dõi và xác định sự di chuyển của các khối không khí, áp thấp nhiệt đới, các cơn bão…), quản lý tài nguyên môi trường… đến những lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao hơn như dẫn đường trong giao thông vận tải, địa chất, thiết lập bản đồ… hệ thống GPS vẫn có thể đáp ứng tốt những yêu cầu của công việc đề ra

Trên thực tế, chóng ta có thể hình dung rằng ngày nay trên thế giới khó có mét máy bay, mét con tàu hay một phương tiện thám hiểm nào lại không lắp đặt thiết bị thu GPS Thậm chí ngay cả những chiếc xe hơi hay đơn giản hơn là những thiết bị cầm tay nh điện thoại di động, PDA,… điều có thể được trang bị một máy thu GPS Từ đó ta có một cái nhìn tổng quan về hệ thống GPS, đó là một cộng nghệ có khả năng ứng dụng tốt trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống

Đó là trên thế giới, còn ở Việt Nam liệu hệ thống GPS đã được ứng dụng chưa? Vẫn phải khẳng định đây là một vấn đề vẫn còn nhiều tranh luận nhưng thực sự GPS đã “xâm nhập” vào Việt Nam Tính cho đến ngày nay, trên toàn lãnh thổ Việt Nam đã có một số trạm GPS đã và đang hoạt động, gần đây nhất là trạm GPS ven biển Bình Dương với công suất có khả năng hoạt động trong phạm vi 1000 km, cùng với 2 trạm ven biển khác là trạm tại Đồ Sơn (phạm vi khoảng 450 km) và trạm tại Vũng Tàu 1000 km) đã được xây dựng, nó có tác dụng hỗ trợ rất lớn trong việc điều tra cơ bản tài nguyên biển, đảm bảo hàng hải, dẫn đường, cứu hộ cứu nạn trên biển, nghiên cứu khoa học và bảo vệ tài nguyên trên biển Không chỉ có những ứng dụng trên biển mà ngay cả trên đất liền chúng

cũng có nhiều ứng dông nh điều tra cơ bản đất đai, đo đạc và thiết lập bản đồ, quản lý tài nguyên rừng… Sắp tới đây Bộ Tài nguyên và Môi trường sẽ xây dựng thêm một trạm GPS tại Quảng Nam đảm bảo hoàn thành việc phủ sóng toàn bộ ven biển Việt Nam Ngoài ra, một số trạm GPS được lắp đặt tại một số nơi như Hà Giang (phô vô cho an ninh quốc phòng biên giới và cắm mốc biên giới Việt Nam – Trung Quốc, trạm tại Cao Bằng (phục vụ cho công điều tra phân giới cắm mốc biên giới Việt Nam – Trung Quốc, công tác thăm dò tình hình biên giới phía Bắc và các vùng lân cận, đo đạc thiết lập bản đồ địa chính, thăm dò tài nguyên địa chất, thuỷ văn…) Trong ngành giao thông vận tải nói chung, việc sử dụng GPS để biết được chính xác phương tiện đang ở đâu sẽ giúp Ých rất nhiều trong quá trình định vị, giám sát, điều khiển và quản lý phương tiện vận tải Vì vậy, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng GPS để ứng dụng trong ngành giao thông vận tải.

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS VÀ NGUYÊN LÝ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, SAI SÈ CỦA HỆ THỐNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

2.1 CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS.

2.1.1 GIỚI THIỆU CHUNG.

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) của Mỹ – có

tên gọi đầy đủ lúc đầu là Navstar GPS (Navigation signal with time and ranging Global positioning system – Hệ thống định vị toàn cầu sử dụng tín hiệu dẫn đường bằng thời gian và khoảng cách), mét hệ thống định vị được sử dụng trong giao thông, sử dụng nguyên lý đo thời gian và khoảng cách truyền sóng để xác định một mục tiêu nào đó

Năm 1978, nhằm phục vụ mục đích thu thập các thông tin về toạ độ (kinh

độ và vĩ độ), độ cao và tốc độ cao của các cuộc hành quân hải lục và không quân, hưỡng dẫn máy bay, pháo binh và các hạm đội Bộ quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất các vệ tinh nhằm cung cấp các thông tin về định vị toàn cầu Hệ thống bao gồm 24 vệ tinh tính đền năm 1994 và đã được bổ sung thành 28 vệ tinh (vào năm 2000), chuyển động ở 6 mặt phẳng quỹ đạo khác nhau (các mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất, độ cao trung bình của các vệ tinh so với trái đất vào khoảng 20.200 km

Hình 1: Độ nghiêng của Mặt phẳng vệ tinh so với Mặt phẳng quỹ đạo

Cấu trúc của hệ thống GPS gồm có 3 phân đoạn (nh hình 2)

1 Phần không gian – Space segement

2 Phần điều khiển – Control segement

3 Phần người sử dông – User segement

Hình 2: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu.

2.1.2 PHẦN KHÔNG GIAN.

Phần không gian hay còn gọi là phần vệ tinh (Satellite segement) chính thức vận hành vào năm 1995, gồm 24 vệ tinh bay ở 6 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi mặt phẳng quỹ đạo bao gồm 4 vê tinh Trong sè 24 vệ tinh có 21 vệ tinh thực sự hoạt động cung cấp thông tin định vị, còn 3 vệ tinh khác được sử dụng cho việc

dự phòng có thể thay thế, hình 4 mô tả quỹ đạo và vị trí tương đối của 24 vệ tinh

so với nhau theo toạ độ kinh độ và vĩ độ

Hiện nay vệ tinh được sản xuất bởi Rockwell International và có giá trị mỗi vệ tinh khoảng 40 triệu USD, nhưng để vệ tinh vận hành được cần phải mất thêm khoảng 100 triệu USD hoăc hơn nữa để phóng thành công một vệ tinh, mỗi

vệ tinh được xây dựng để hoạt động trong khoảng 10 năm Ngày nay, mét hệ thống vệ tinh hoàn thành tiêu tốn mất hàng trục tỷ USD Mỗi vệ tinh nặng khoảng 900 kg và dài khoảng 5 mét, có bảng nhận năng lượng mặt trời trải rộng

Nã chạy bằng năng lượng mặt trời, tuy nhiên vệ tinh GPS cũng được trang bị pin mặt trời để hoạt động ở những khu vực không có ánh sáng mặt trời Kể từ khi phóng vệ tinh đầu tiên vào năm 1978, đến nay đã cã bốn thế hệ vệ tinh khác nhau được phóng lên quỹ đạo Đã có 11 vệ tinh thuộc thế hệ đầu tiên “Block I” được phóng lên và 10 trong số đó thành công Cho tới ngày nay, chỉ còn 1 vệ tinh thuộc khối này hoạt động Thế hệ tiếp theo là “Block II”, thế hệ thứ 3 là

“Block IIA” và thế hệ mới nhất là “Block IIR”, các vệ tinh cuối thuộc “Block IIR” được gọi là IIR-M Những vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cây cao hơn và thời gian hoạt động lâu hơn Vệ tinh thế hệ mới nhất IIR-M (hình 3) có khối lượng khoảng 1132,75 kg Nó có giá trị khoảng 75 triệu USD và được phóng thành công vào 3h36 phót sáng ngày 26/09/2005

Hình 3: Vệ tinh GPS IIR-M

Các vệ tinh GPS không phải là vệ tinh địa tĩnh Quỹ đạo là hình tròn nghiêng, các vệ tinh bay quanh trái đất hết khoảng 12 giê Nh vậy vị trí của chúng là gần giống với một ngày thiên văn (trong thực tế nó sớm hơn 4 phót cho mỗi ngày)

(a)

Hình 4: (a) Mô tả các vệ tinh của hệ thống GPS trên quỹ đạo

(b) Vị trí tương đối của các vệ tinh

Các vệ tinh được bố trí sắp xếp sao cho tại bất kỳ thời điểm nào ở bất kỳ đâu trên trái đất và khoảng không gian trên đó cũng sẽ có Ýt nhất bốn vệ tinh của GPS được nhìn thấy hay nói một cách khác nếu một máy thu tín hiệu GPS dù ở đâu trên trái đất và khoảng không gian đó, ở mọi thời điểm luôn thu được Ýt nhất 4 tín hiệu của 4 vệ tinh khác nhau Ba trong sè 4 tín hiệu của 4 vệ tinh đó vệ tinh đó được sử dụng để xác định toạ độ trong không gian hai chiều và với một tín hiệu từ vệ tinh thứ tư có thể xác định được vị trí của mục tiêu trong không gian ba chiều

Tất cả các vệ tinh đều có ba số nhận dạng (identifying number): số thứ nhất là của trung tâm điều hành để nhận dạng trang bị và chức năng vệ tinh trong

hệ thống; số thứ hai là số nhận dạng vệ tinh trong không gian (SV – Space vehicle) được gán khi phóng vệ tinh và số thứ ba là một mã giả tạp âm ngẫu nhiên (PRN – PseudoRandom Noise-code number) Số này được sử dụng để mã hoá tín hiệu vệ tinh Mét sè máy thu GPS liên lạc với vệ tinh thông qua số nhận dạng SV còn một số khác theo số nhận dạng PRN

Tất cả các vệ tinh GPS phát trên hai băng tần sóng mang: L1 = 1575.42 MHz và L2 = 1227.6 MHz Tín hiệu sóng mang L1 được sử dụng trong các đoạn tin đạo hàng và dịch vụ định vị chuẩn SPS (Standard postioning system).

Tín hiệu sóng mang L2 được sử dông cho dịch vụ định vị chính xác PPS (Precise Positionning Service) được mã hoá Các vệ tinh GPS sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ (CDMA – spread spectrum) để cho phép cả 24 vệ tinh có thể đồng thời phát trên cả hai sóng mang mà không gây can nhiễu lẫn nhau (phương thức đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ CDMA sẽ giới thiệu sau)

2.1.3 PHẦN ĐIỀU KHIỂN.

Phân đoạn điều khiển (Control segment) còn được gọi là hệ thống vận hành OCS (Operational control system) bao gồm tất cả 05 trạm giám thực hiện các mục đích sau:

• Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh GPS một cách liêm tục

• Quy định thời gian hệ thống GPS

• Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh

• Cập nhật định kỳ cho thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể

Hình 5: Vị trí của các trạm điều khiển trên bề mặt trái đất

Phần điều khiển bao gồm một trạm điều khiển chủ (Master control station) được đặt tại Falcon Air Force Base bang Colorado Hoa Kỳ và 4 trạm giám sát thô động được đặt: mét tại Hawai, một tại đảo nhỏ Ascention bờ biển phía Tây châu Phi, một tại Deigo Garcia miền Nam Ên Độ, và trạm thứ tư tại Kwajalein thuộc quần đảo Marshell Tây Thái Bình Dương Trong trường hợp xảy ra thiên tai, sẽ có hai trạm chủ dự phòng được đặt ở Sunnyvale bang California và một trạm khác ở Rockville bang Maryland Tất cả các trạm giám sát thụ động giám sát theo dõi tất cả các tín hiệu vệ tinh mà chúng có thể nhìn thấy tại bất cứ thời điểm nào, thu thập các tín hiệu dữ liệu (khoảng cách) từ mỗi vệ tinh Những thông tin này sau đó được chuyển đến trạm chủ tại bang Colorado theo đường DSCS bảo mật (Defense satellite communication system - Hệ thống phòng thủ truyền thông vệ tinh) nơi vị trí các vệ tinh (“ephemeris”) và dữ liệu đồng hồ thời gian được đánh giá và dự đoán Trạm chủ theo định kỳ sẽ gửi các dữ liệu về vị trí và đồng hồ thời gian đã được hiệu chỉnh tới các trạm ăng-ten mặt đất chuyên

dụng nơi mà sau đó các dữ liệu này được tải lên mỗi vệ tinh Cuối cùng, vệ tinh

sử dụng các thông tin đã hiệu chỉnh của chính nó truyền xuống cho người sử dụng cuối cùng Mét chuỗi các sự kiện này xảy ra một vài giê một lần cho mỗi

vệ tinh để giúp đảm bảo rằng bất kỳ một lỗi nào có thể về vị trí vệ tinh hay đồng

hồ của chúng đều được giảm xuống nhỏ nhất

Hình 6: Cấu trúc cơ bản và dòng dữ liệu của phần điều khiển

2.1.4 PHẦN NGƯỜI SỬ DỤNG.

Phần người sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS và cộng đồng người

sử dụng Các máy thu GPS thu nhận các tín hiệu từ vệ tinh và chuyển đổi các tín hiệu đó thành các tham số về toạ độ, vị trí, tốc độ và thời gian của chúng

Trong một máy thu GPS tín hiệu vệ tinh được thu theo vùng phân cực của ăng-ten được tạo ra bởi hình bán cầu sóng của nó Máy thu GPS có thể giám sát một hoặc cả hai loại mã GPS Hầu hết các máy thu đều có nhiều kênh truy nhập, mỗi một kênh giám sát đường truyền từ một vệ tinh Một sơ đồ khối đơn giản của một máy thu đa kênh được thể hiện nh hình 7

Hình 7: Sơ đồ khối của một máy thu GPS thông thường

Tín hiệu mà máy thu được đưa vào bộ lọc để loại bít nhiễu, khuyếch đại sau đó chuyển đổi xuống tần số trung và được số hoá Tín hiệu sau đó được địa

chỉ hoá đến xử lý tín hiệu trung tâm (DSP), cái mà bao gồm N kênh song song

để giám sát đồng thời các sóng mang và mã từ N vệ tinh Mỗi kênh bao gồm mã

và một mạch giám sát sóng mang để thực hiện tÝnh toán mã và pha sóng mang

và giải điều chế dữ liệu tin tức dẫn đường Rất nhiều dữ liệu từ các vệ tinh có thể được thực hiện tính toán cùng một lóc và được chuyển tiếp cùng với thông tin dẫn đường đã giải điều chế đến bộ xử lý dẫn đường máy thu Sau cùng, nó sẽ so sánh hai tín hiệu: một là tín hiệu thu được hai là tín hiệu mẫu để được ra kết quả

Mét giao diện đầu vào đầu ra (I/O) của GPS được thiết lập cho người sử dụng Trong nhiều ứng dụng thiết bị I/O là mét giao diện điều khiển, cái mà cho phép dữ liệu đi vào, và hiển thị thông trạng thái thái dẫn đường (vị trí, tốc độ và thời gian) và truy nhập để thực hiện nhiều chức năng dẫn đường Mét số ví dụ trong hình 8 a,b thể hiện thiết bị gọn nhẹ có khả năng cầm tay hoặc trang bị trên các phương tiện

(a) (b)

Hình 8: (a) - Thiết bị máy thu GPS cầm tay

(b) - Máy thu GPS được trạng bị trên tàu thuỷ

2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS.

2.2.1 NGUYÊN LÝ CHUNG ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ.

Làm thế nào để hệ thống GPS có thể hoạt động được, theo lý thuyết điều này rất đơn giản Hệ thống GPS xác định vị trí của người sử dụng thông qua việc xác định khoảng cách từ máy thu của họ đến các vệ tinh (Ýt nhất 3 vệ tinh nếu trong không gian 2 chiều và 4 vệ tinh trong không gian 3 chiều) Để xác định được khoảng cách này, một nguyên tắc cơ bản là dùa trên việc đo đạc thời gian

truyền tín hiệu từ vệ tinh (cái mà chúng ta có thể biết được chính xác vị trí của

nó tại bất kỳ thời điểm nào) đến máy thu Nếu nh máy thu có thể xác định được chính xác thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu thì có thể xác định được khoảng cách đó bằng biểu thức đơn giản sau đây:

+ t là thời gian truyền sóng

Nh vậy, việc mấu chốt bây giê là xác định được chính xác thời gian truyền sóng Để làm được điều này máy phát của vệ tinh và máy thu GPS sử dụng một loại mã giả ngẫu nhiên (Pseudo-random code) đồng nhất, loại mã này là duy nhất đối với từng vệ tinh (hình 8)

Hình 9 Mã định thời gian ngẫu nhiên của hệ thống GPS

Bây giê, chúng ta giả sử một máy thu trên trái đất thu tín hiệu vệ tinh GPS Máy thu này thu được một tín hiệu của một vệ tinh (A) và xác định được khoảng cách tới vệ tinh này là 20.000 km Do đó, ta có thể xác được máy thu đang ở đâu đó trong không gian thuộc bề mặt của khối cầu bán kÝnh 20.000 km

và tâm là vệ tinh A đó (hình 10) Nh vậy, ta chưa thể xác định được vị trí chính xác của máy thu

Hình 10: Không gian chứa vị trí máy thu khi máy thu thu được một tín hiệu vệ

tinh

Giả sử, cùng lúc đó máy thu còng thu được một tín hiệu từ vệ tinh thứ hai (B) và xác định được khoảng cách này là 22.000 km, tương tự như trên có thể xác định được máy thu này cũng thuộc mặt cầu thứ hai có bán kính là 22.000 km

và tâm là vệ tinh B, máy thu lúc này cùng thuộc hai mặt cầu khác nhau trong không gian Nh vậy, không gian xác định vị trí của máy thu lúc này được thu nhỏ lại từ bề mặt của một mặt cầu thành giao của hai mặt cầu Do đó, vị trí của máy thu lúc này thuộc đường tròn giao nhau giữa hai mặt cầu (hình 10)

Hình 11: Không gian chứa vị trí máy thu khi máy thu được hai tín hiệu từ hai vệ

tinh

Nếu cũng tại thời điểm đó, máy thu thu thêm được tín hiệu của một vệ tinh thứ ba (C) với khoảng cách xác định được là 21.000 km, chóng ta có thể xác định được vị trí Bây giê trong không gian, cùng một thời điểm, vị trí của máy thu cùng thuộc ba mặt cầu bán kính lần lượt 20.000 km, 22.00 km, 21.000 km và tâm là ba vệ tinh A,B,C Như vậy, ta có thể chắc chắn rằng vị trí của máy thu là một trong hai điểm mà cả ba mặt cầu đều đi qua (hai điểm giao nhau của ba mặt cầu) Bây giê vị trí của chúng ta (máy thu) đã được thu hẹp đáng kể trong không gian Chóng ta có thể biết rằng một trong hai vị trí là vị trí của chúng ta, nhưng

nh vậy vẫn còn rất mơ hồ

Trong thực tế, một trong hai điểm luôn ở một nơi nào đó không có khả năng (vô nghĩa) bởi vì nó cách xa hàng nghìn km trong không gian Máy thu đủ biết để nhận ra rằng một trong hai vị trí là sai lầm và xác định vị trí còn lại là vị trí của chúng ta Để đảm bảo sự lùa chọn trên là chính xác, hầu hết các máy thu yêu cầu khi chế tạo chúng thường được cài đặt để có thể giới hạn trong khoảng cách định vị nhất định để đảm bảo loại bỏ một trong hai điểm Nh vậy, với việc xác định được khoảng cách tới ba vệ tinh chóng ta có thể xác định được chính xác vị trí của chúng ta (hình 11) Trên thực tế, nó luôn cần đến 4 vệ tinh để xác định chính xác một vị trí khi máy thu không thuộc bề mặt trái đất (không gian ba chiều)

Hình 12: Xác định vị trí máy thu khi thu được tín hiệu từ ba vệ tinh

Để chính xác hơn cần thu tín hiệu từ bốn vệ tinh

Tại sao, khi ba vệ tinh có thể xác định được vị trí của chúng ta chính xác đến nh vậy, chúng ta lại cần đến vệ tinh thứ tư? Nên nhí rằng những gì chúng ta

đo đạc được là thời gian tín hiệu vô tuyến truyền từ vệ tinh đến máy thu Để thu được một vị trí chính xác, chúng ta cần đo được thời gian rất chính xác Với một tín hiệu vô tuyến truyền với vận tốc 300.000 km/s, chỉ cần tín hiệu truyền sai lệch 1/1.000.000 s (một phần một triệu giây) thì vị trí của chúng ta sẽ sai lệch 300m Tuy nhiên, một cách để giải quyết vấn đề này là bắt nguồn chính từ vệ tinh Để giữ thời gian được chính xác, mỗi vệ tinh được trang bị một đồng hồ nguyên tử Những đồng hồ nguyên tử này rất chính xác, nó chỉ sai số một phần một tỷ giây trong vòng một tháng Điều này là chắc chắn đủ để cho mục đích sử dông của chóng ta, nhưng nó thật sự không thích hợp cho các máy thu dưới mặt đất bởi vì ngoài việc mỗi cái đồng hồ có trọng luợng hàng trăm kg nó còn cã giá trị khá lớn, khoảng 200.000 USD Với mức chi phí nh vậy, thật khó để chúng ta

có thể trang bị cho mục đích dân sự của chúng ta

Trên thực tế, mỗi mét máy thu, loại cầm tay, chỉ được gắn mét đồng hồ rẻ tiền với độ chính xác thấp hơn nhiều so với đồng hồ nguyên tử Tuy nhiên, nó là

bộ phận rất cần thiết mà cả hai máy thu và vệ tinh bắt đầu “đÕm thời gian” tại cùng một thời điểm chính xác Nó tạo ra cái mà chúng ta có thể đảm bảo điều này bằng việc thêm một vệ tinh thứ tư cái mà hoạt động như thời gian “xác nhận” Do vậy, chúng ta cần thu được Ýt nhất bốn tín hiệu từ bốn vệ tinh khác nhau để vị trí thu được với sai số thấp nhất Trên thực tế, với cách bố trí vệ tinh bay trên cách quỹ đạo khác nhau và lệch nhau, tại mỗi vị trí trên trái đất luôn thu được Ýt nhất tín hiệu từ bốn vệ tinh, tại những nơi có độ thoáng lớn số tín hiệu thu được có thể lớn hơn 4 và tất nhiên rằng khi số tín vệ tinh thu được càng lớn thì việc định vị sẽ càng chính xác

2.3 TÍN HIỆU GPS.

2.3.1 CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS.

Như phần trên đã giới thiệu, mỗi vệ tinh truyền tín hiệu trên hai tần số sóng mang: Sóng mang L1 có tần số: 1575,42 MHz và sóng mang L2 có tần số 1226,7 MHz (giải L là giải tần số cực ngắn của phổ điện trải rộng từ 0,39 đến

1,55 GHz) được nhận từ việc nhân hệ số với một tần số chung f 0=10,23 MHz.

fL1 = 154 x f0 =1575,42 MHz.

fL1 = 120 x f0 =1227,60 MHz.

Các tín hiệu này có thể xuyên qua mây, thủy tinh và nhùa nhưng không thể truyền qua phần lớn các đối tượng cứng nh các toà nhà, các dãy núi…

X 120

X 154

Bé giíi h¹n

§iÒu chÕ BPSK - 6 dB

- 3 dB

90

+ 10

M¸y ph¸t m· P(Y)

+ 20

M¸y ph¸t d÷ liÖu

o

M¸y ph¸t m· C/A

th«ng tin d÷ liÖu d÷ liÖu tÇn sè 50 Hz

§iÒu chÕ BPSK

§iÒu chÕ BPSK

M¸y ph¸t m· C/A

f = 10.23 Hzo

50 Hz

M· C/A + d÷ liÖu

TÝn hiÖu L1 1575,2 MHz

TÝn hiÖu L2 1227,6 MHz 1227,6 MHz

1575,2 MHz

1000 Hz

M· P(Y) + d÷ liÖu

Hình 13: Sơ đồ khối máy phát tín hiệu GPS tại vệ tinh

Nh hình 13 biểu diễn, tín hiệu GPS được điều chế trên hai sóng mang L1

và L2 Sóng mang L1 chứa hai mã C/A (Coarse Acquisition), mã P (Precise) và thông tin dẫn đường (NAV/SYSTEM DATA) còn sóng mang L2 chứa mã P và thông tin dẫn đường Cho đến ngày nay, hệ thống GPS được bổ xung thêm hai tín hiệu dân sự mới đó là L2C – L2 Civil (hay L2) và L5 và một mã sử dụng trong quân đội Hoa kỳ là M, mã này được truyền trên sóng mang L1 Tín hiệu L2C được truyền trên sóng mang L2, tín hiệu L2C đang được truyền bởi 6 vệ

tinh của khối Block IIR-M Tín hiệu L5 có tần sè f L5 = 115 x f0 = 1176,45 MHz ,

tín hiệu L5 chỉ được sử dụng trong mục địch dân sự

Tín hiệu L1 bao gồm mã C/A, mã P, thông tin dẫn đường (hình 14)

(b)

Hình 14: (a)-Cấu trúc các thành phần của tín hiệu L1 (mã C/A)

(b)-Cấu trỳc cỏc thành phần của tớn hiệu L1 (mó P)

Tớn hiệu L2 bao gồm mó P và thụng tin dẫn đường

Tớn hiệu L2C bao gồm mó CM, mó CL và thụng tin dẫn đường

Tớn hiệu L5 bao gồm mó mỏy phỏt trải phổ và thụng tin dẫn đường

• Mó P được điều chế trờn cả hai súng mang L1 và L2, nú cú tần số 10,23

MHz Tương tự như mó C/A nhưng thay vỡ chuỗi gồm 1023 chip là một

chuỗi rất dài, nú gồm 6,19 x 1012 chips (tương đương với 7 ngày)

• Mó CM (Civil-moderate) là một mó tạp õm giả ngẫu nhiờn gồm 10.023

chip và được lặp đi lặp lại trong vũng 20 mini giõy, nú cú tố độ chip là 511,5 kilochips/giõy

• Mó CL (Civil-long) cũng là một mó tạp õm giả ngẫu nhiờn gồm 767.250

chip và được lặp đi lặp lại trong 1,5 giõy, nh vậy mó CL cũng cú cựng tốc

độ chip với mó CM Do đú cú 75 bản sao chớnh xỏc của mó CM cho mỗi chu kỳ của mó CL Mó CM và CL được phối hợp “chip – by – chip” trong một bộ đa cụng (thiết bị sử dụng để truyền thụng tốc độ thấp vào một kờnh tốc độ cao) để tất cả tốc độ chip giống như tốc độ chip của mó C/A (1,023 megachips/giõy) Độ rộng của chip khoảng 0,9775 micro giõy cũng giống

nh tốc độ chip của mó C/A và do đú độ chớnh xỏc về khoảng cỏch của chỳng là độ chính xác về khoảng cách của chúng là nh nhau Khụng

giống nh mó C/A, mó CM và CL khụng phải là mó cỏc Gold Trờn thực tế,

chỳng cũn cú một số đặc tớnh tốt hơn mó C/A Mó CM và CL được cõn đối hoàn toàn, cú nghĩa là chỳng cú số số 0 và số số 1 là nh nhau Nhưng quan trọng hơn, bởi vỡ chỳng là mó dài, chỳng cú sự tương quan tự động tốt hơn và đặc tớnh “tương quan chộo” là tốt hơn mó C/A Cũng giống nh

mó C/A, mỗi vệ tinh được chỉ định một mó CM và CL duy nhất Thụng tin dẫn đường thường được kết hợp với mó CM trong khi đú mó CL khụng chứa dữ liệu, cú nghĩa là nú khụng được kết hợp với dữ liệu bit Do cú sự

tương đối giống nhau trong cấu trúc mã, cho nên nội dung báo cáo trong

đề tài này chỉ tập chung vào mã C/A (mã sử dụng trong tín hiệu dân sự)

• Mã C/A là một mã tạp âm giả ngẫu nhiên có tần số 1,023 MHz, ngoài ra

mã C/A còn được gọi là mã Vàng hay một cách đơn giản là chuỗi PRN

Mỗi vệ tinh có một mã C/A khác nhau và duy nhất do đó nó được dùng để nhận dạng vệ tinh Mã C/A được sử dụng trong tín hiệu GPS dân sù

• Mã C/A sử dụng phương pháp điều chế theo phương pháp BPSK – Binary Phase Shift Keying (khoá dịch pha nhị phân) Hình dưới cho thấy tác động của điều chế BPSK lên sóng mang L1 với mã C/A và dữ liệu dẫn đường cho một vệ tinh

Hình 15: Tác động của điều chế BPSK lên sóng mang L1

Toàn bộ mỗi mã này là một chuỗi gồm 1023 “chip” (chip một phần tử nhị

phân của chuỗi) và nó được lặp lại một nghìn lần mỗi giây, trong đó có 512 phần

tử “1” và 511 phần tử “0” và những phần tử này xuất hiện một cách phân tán ngẫu nhiên

• Thông tin dẫn đường (NAV/SYSTEM DATA) cũng là một chuỗi nhị phân

có tần số 50 Hz Thông tin dẫn đường chứa đựng thông tin mô tả quỹ đạo của vệ tinh, hiệu chỉnh đồng hồ và các thông số hệ thống khác

2.3.2 CẤU TRÓC DỮ LIỆU GPS.

Dữ liệu GPS là những thông tin chứa đựng trong tín hiệu GPS, chóng bao gồm mã C/A, mã P với mục đích xác định thời gian truyền tín hiệu và thông tin dẫn đường (các thông số của vệ tinh) Dữ liệu GPS này nhằm mục đích xác định các thông số dẫn đường của máy thu như vị trí, vận tốc, độ cao… và dẫn đường cho mục tiêu

Thông tin dẫn đường GPS bao gồm thời gian dẫn được gắn thẻ bit (cờ) đánh dấu thời điểm bắt đầu truyền của mỗi khung tín hiệu từ vệ tinh Mét khung tín hiệu bao gồm 1500 bit được chia thành 5 khung con, mỗi khung con gồm 300 bit Mét khung dữ liệu được truyền trong vòng 30 giây mỗi lần

- Khung con thứ nhất - Satellite Clock and Health Data: Chứa dữ liệu về tình

trạng sức khoẻ và dữ liệu về đồng hồ của vệ tinh Thời gian được cài đặt trong vệ

tinh được gọi chung là SV time (Space vehicle time), thời gian sau khi được hiệu

chỉnh được gọi là thời gian GPS Do đó, mặc dù mỗi vệ tinh riêng biệt không thể

có sự đồng bộ hoàn hảo về thời gian vệ tinh, chúng làm việc chia sẻ một thời gian GPS chung Ngoài ra thông tin trong khung phụ thứ nhất còn bao gồm các

số t0c, TGD và IODC Thời gian tham chiếu t0c được sử dụng giống như một thời gian gốc để tÝnh toán lỗi của đồng hồ vệ tinh, thời gian trễ TGD do tầng điện ly

gây nên được sử dụng để hiệu chỉnh lỗi do trễ này gây ra và IODC (tạo ra ngày,

giê) cho biết số của dữ liệu đồng hồ thiết lập được tạo ra để cảnh báo cho người

sử dụng biết sù thay đổi trong thông số đồng hồ Tất cả những thông số trên là cần thiết cho việc tính toán thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh

Khung con thứ hai và ba – Satellite ephemeris data: Bao gồm dữ liệu lịch thiên

văn của vệ tinh, các dữ liệu này là thông tin về quỹ đạo của vệ tinh và nó cần cho

việc tính toán, xác đinh vị trí chính xác của vệ tinh Không giống nh dữ liệu lịch niêm giám, dữ liệu này là rất chính xác, có giá trị trong một khoảng thời gian ngắn (khoảng vài giê) và chỉ được thêm vào vệ tinh nào truyền nó Sự tính toán

vị trí của vệ tính toán vị trí của vệ tinh thông thường sử dụng công cụ Matlab

- Khung con thứ tư và thứ năm – Support data: Mỗi khung con này gồm 25

trang chứa dữ liệu lịch niêm giám cho vệ tinh, còng như thông tin đặc biệt, giới hạn hiệu chỉnh tầng điện ly và hệ số chuyển đổi thời gian GPS sang thời gian UTC, nó cũng có từ dự trữ cho những ứng dụng khác có thể Các thành phần của

dữ liệu lịch niêm giám là rất đơn giản nh dữ liệu lịch thiên văn và việc tính toán

vị trí của vệ tinh về cơ bản cũng giống nh vậy Dữ liệu lịch niêm giám là dữ liệu lịch thiên văn và dữ liệu đồng hồ vệ tinh với độ chính xác giảm bớt Ngoài ra, mỗi vệ tinh truyền dữ liệu lịch niêm giám cho tất cả các vệ tinh trong khi đó chỉ truyền dữ liệu lịch thiên văn cho chính nó

Toàn bé 25 khung tín hiệu (125 khung con) tạo thành thông tin dẫn đường hoàn chỉnh cái mà được gửi theo chu kỳ 12,5 phót

Hình 16: Cấu trúc dữ liệu dẫn đường GPS

Các khung dữ liệu (1500 bit) được gửi 30 giây mỗi lần

Các bit cấu trúc phô dữ liệu (300 bit được gửi trong khoảng 6 giây) bao gồm các bit chẵn lẻ cái mà cho phép kiểm tra dữ liệu và hạn chế lỗi

Các khung con luôn được bắt đầu bằng hai từ đặc biệt là Telemetry (TLM) và Handover (HOW)

- TLM là từ bắt đầu của mỗi khung con cho nên nó lặp lại 6 giây mỗi lần Nã bao gồm 8 bit đầu và sau đó là 16 bit dành riêng Các bit đầu này sẽ được sử dụng để đồng bộ khung dữ liệu

- HOW bao gồm 17 bit bản được cắt bớt của thời gian tuần (time of week –

TOW) Ba bit tiếp theo cho biết ID của khung con để xác định được vị trí hay thứ

tự của năm khung con trong khung dữ liệu

Các thông số dữ liệu đồng hồ (clock data parameters) mô tả đồng hồ vệ tinh và mối quan hệ với thời gian GPS Mỗi vệ tinh gửi một giá trị thời gian thực

để cái mà thời gian GPS được bù lại từ giê quốc tế Sự hiệu chỉnh này có thể được thực hiện bởi máy thu để thiết lập giê quốc tế chính xác trong khoảng 100

ns (nano giây)

Các thông số lịch niêm giám (hay dữ liệu lịch – Almanac data parameters)

là thông số dữ liệu quỹ đạo gần chính xác cho tất cả các vệ tinh Các thông số này được máy thu thu lại và lưu trữ trong nã Trong quá trình xác định vị trí của mình, máy thu luôn sử dụng đến các thông số này của vệ tinh (thực chất là sử dụng các thông số được lưu trong máy thu)

Do vệ tinh thường bị lệch chút Ýt ra khỏi quỹ đạo chính xác của chúng trong quá trình bay cho nên chúng cần được theo dõi và được điều chỉnh trở về quỹ đạo chính xác của chúng Công việc này được thực hiện bởi các trạm giám sát và trạm chủ dưới mặt đất Sau khi theo dõi và phân tích quỹ đạo của chúng, trạm chủ đưa ra các thông số đã được hiệu chỉnh về quỹ đạo chính xác cho từng

vệ tinh, các thông số được hiệu chỉnh này được gửi lên vệ tinh để vệ tinh truyền xuống cho các máy thu Các thông số được hiệu chỉnh này gọi là các thông số dữ liệu lịch thiên văn (ephemeris data parameters) mô tả từng phần ngắn quỹ đạo của quỹ đạo của vệ tinh Thông thường một máy thu nhận được dữ liệu lịch thiên văn mỗi giê, nhưng chúng cũng có thể sử dụng những dữ liệu lịch thiên văn của bốn giê trước đó với sai số lớn hơn Các thông số lịch thiên văn được sử dụng mét thuật toán mà nã có thể tính toán vị trí của vệ tinh tại bất kỳ khoảng thời gian nào trong chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh

• Ví dụ về dữ liệu lịch thiên văn và dữ liệu đồng hồ vệ tinh.

Giả mã từ khung con 1,2 và 3 của cấu trúc bit dữ liệu của máy thu GPS Austron 2201A tại Austin, Texas, ta thu được các thông tin sau.

Thời điểm 21:36:00 ngày 18/04/1995

Lịch thiên văn cho vệ tinh 2:

Số mã giả ngẫu nhiên (PRN) cho dữ liệu là …………2

Dữ liệu lịch thiên văn phát ra ……….224

Độ dài trục dài của quỹ đạo hình elip (mét)………… 2.65603E+07

2.4 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CHÍNH XÁC MỤC TIÊU

2.4.1 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MÁY THU

Với vị trí của vệ tinh đã biết và dùa vào những thông số thu được sau đây

ta sẽ tính toán để xác định vị trí của mục tiêu khi không có lỗi

= khoảng cách ngẫu nhiên (đã biết)

x, y, z= = tọa độ vị trí của vệ tinh trong vũ trụ (đã biết)

X, Y, Z= = tọa độ vị trí của mục tiêu (chưa biết)

x, y, x và X, Y, Z lần lượt là toạ độ của vệ tinh và mục tiêu của hệ trục toạ độ có tâm là trái đất

Ta có:

Bình phương hai về ta được:

=

= + x 2 + y 2 +z 2 – 2Xx – 2Yy – 2Zz (2)

- (x 2 + y 2 +z 2 ) – r 2 = Crr – 2Xx – 2Yy – 2Zz(3) (3)

Nh vậy khi không có lỗi ta có thể tính toán một cách đơn giản vị trí của máy thu.

2.4.2 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VẬN TỐC MÁY THU

Phương trình chi phối trong trường hợp này là:

Trong đó:

: tốc độ biến đổi (đã biết)

: khoảng cách giả ngẫu nhiên (đã biết)(x,y,z) : tọa độ vị trí vệ tinh (đã biết)

(X,Y,Z) : tọa độ vị trí máy thu (được biết từ việc tính toán vị trí)

( ): : vận tốc người sử dông ( chưa biết)

Cho ba vệ tinh:

Nh vậy với các thông số đã biết, giải phương trình ma trận trên ta sẽ thu được vận tốc người sử dụng

2.5 CÁC SAI SỐ (LỖI) THƯỜNG GẶP CỦA HỆ THỐNG

2.5.1 SAI SÈ DO RÀO CẢN “SA” (SELECTIVE AVAILABILITY ERRORS)

Lỗi do rào cản hay thường gọi là lỗi SA sinh ra do bộ quốc phòng Hoa kỳ điều khiển Trước ngày 01 tháng 05 năm 2000, SA là một kỹ thuật được mặc định bởi Bộ quốc Mỹ DoD để điều khiển độ chính xác trong việc dẫn đường

bằng các máy thu GPS dân sự Lỗi SA là lý thuyết để làm giảm độ chính xác dẫn đường tới 100m theo chiều ngang và 156m theo chiều cao

Hình 17: Thay đổi trong sai sè khi loại bỏ SA

Trong một thông cáo ngày 01/05/2000, Tổng thống Mỹ đã thông báo quyết định về việc đình chỉ sự ảnh hưởng có chủ ý của Bộ quốc phòng tới tín hiệu GPS có thể tác động tới cộng đồng Theo đó quyết định đình chỉ sự ảnh hưởng của lỗi SA về mức 0 cùng với những nỗ lực tiếp tục nâng cao sự chính xác và tin cậy của hệ thống GPS đã đem lại nhiều thuận lợi cho người dân, các tổ chức, những thương nhân cũng như nhiều ngành khoa học khác trên toàn thế giới

Sự loại bỏ SA được thực hiện từ trung tâm điều khiển GPS tại Colorado (Mỹ) được biểu diễn minh họa nh hình 17

Hình minh hoạ chỉ ra lỗi phương ngang và thẳng đứng với SA đã được cài đặt về mức 0 Do đó, lỗi này về cơ bản đã được loại bỏ Trên thực tế, nhiều nước trên thế giới hiện nay đã và đang nghiên cứu các đặc tính của tín hiệu GPS khi

mà lỗi SA chưa bị loại bỏ và khi đã được loại bỏ để từ đó có thể đưa ra được sự khắc phục sai số tương đương với việc loại bỏ SA.

2.5.2 SAI SỐ TRUYỀN TRONG TẦNG ĐIỆN LY (IONOSPHERIC PROPAGATION ERRORS).

Tầng điện ly là líp khí quyển có độ dày khoảng 50 tới 1000 km lên trên từ

bề mặt Trái đất, bao gồm các khí bị ion hoá bởi phóng xạ mặt trời (như hình 18 thể hiện) Sù ion hoá gây ra những đám mây điện tử tự do đóng vai trò nh mét môi trường trung gian cho tín hiệu GPS trong đó tốc độ truyền là một hàm của tần số Mỗi vị trí riêng biệt trong phạm vi của tầng điện ly lần lượt được chiếu sáng bởi mặt trời và thay đổi trong một ngày theo chu kỳ hàng ngày (ban ngày được chiếu sáng, ban đêm không) Bởi vậy những đặc tính của tầng điện ly là luôn thay đổi và có tính chu kỳ theo sù ion hoá của tầng điện ly, tức cũng có chu

kỳ ngày đêm Sự thay đổi này được biểu diễn là một hàm dao động hàng ngày

mà trong đó ion hoá luôn luôn đạt tối đa vào giữa chiều muộn và tối thiểu vài giê sau nửa đêm

Ảnh hưởng chủ yếu của tầng điện ly trong tín hiệu GPS là làm thay đổi tốc

độ truyền tín hiệu khi so sánh với tốc độ của nó trong chân không Một thực tế

kỳ lạ là tín hiệu điều biến (dòng mã và tín hiệu) bị trễ trong khi đó pha của sóng mang lại tăng lên với một lượng tương đương.Vì vậy mã khoảng cách ngẫu nhiên đo được rộng hơn so với giá trị thực của nó, trong khi pha sóng mang lại nhỏ hơn Độ lớn của sai số tỷ lệ trực tiếp với số lượng các điện tử trong mét m2

không khí (TEC – Total Electron Content) TEC thay đổi theo không gian, phụ thuộc vào tính không đồng nhất về không gian của tầng điện ly Sù thay đổi thời gian bị gây ra không phải chỉ bởi động lực học trong tầng điện ly mà còn bởi sự thay đổi nhanh chóng trong đường truyền phụ thuộc vào sự vận động vệ tinh Trễ đường truyền cho một vệ tinh trong sự biến động theo thời gian là từ khoảng 1m vào lúc nửa đêm và khoảng 5-15m trong suốt chiều muộn

Hình 18: Ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu đối với việc truyền tín hiệu

Tại những góc nâng thấp, đường truyền xuyên qua tần điện ly dài hơn, vì vậy trễ đường có thể gia tăng tới vài mét vào buổi tối và khoảng 50m trong suốt

cả ngày Bởi vì sai số tầng điện ly luôn lơn hơn tại những góc nâng thấp, ảnh hưởng của những lỗi này có thể giảm xuống bằng việc không sử dụng đền những phép đo từ các vệ tinh dưới một góc nâng thấp hơn một giá trị cho phép, giá trị này còn gọi là góc mặt lạ (Mask angle – thể hiện như hình 19)

Tuy nhiên, trong những điều kiện khó khăn khi mà người sử dụng bị bao vây bởi các chướng ngại vật (núi, các toà nhà cao tầng…) thì người sử dụng bắt buộc phải sử dụng các phép đo từ những vệ tinh có góc nâng thấp Trong những trường hợp nh vậy người sử dụng phải chấp nhậnh sai số lơn hơn khi di chuyển tại những khu vực không hoặc Ýt bị che chắn bởi các đối tượng khác

Hình 19: Góc nâng của vệ tinh

2.5.3 SAI SÈ DO TẦNG ĐỐI LƯU (TROPOSPHERIC PROPAGATION ERRORS)

Phần thấp hơn của tầng điện ly là tầng đối lưu, nó có độ dày khoảng 50

km và bao quanh trái đất bao gồm các khí khô và hơi nước làm kéo dài đường truyền do sự khúc xạ (nh 18) Mức độ trễ tín hiệu phụ thuộc vào hệ và thông thường biến thiên trong khoảng 2,5 m lúc cực tiểu và từ 10-15 m tại những vị trí

vệ tinh có góc nâng thấp Tầng đối lưu không bị phân tán tại tần số của tín hiệu GPS, do đó những trễ đó không phụ thuộc vào tần số Đối chiếu với tầng điện ly, trễ đường truyền tầng đối lưu tương tự cho mã và các thành phần tín hiệu sóng mang Do đó, trễ còng không thể đo được bởi việc dùng đo cả hai sãng mang L1

và L2 Sai số này cũng được khắc phục bằng cách sử dụng GPS vi phân hay DGPS (sẽ giới thiệu sau)

Hệ sè khúc xạ của tầng đối lưu gây ra bởi thành phần khí khô và thành phần hơi nước, chúng lần lượt tạo ra khoảng 90% và 10% trong tổng sai sè do tầng đối lưu gây lên Biết được nhiệt độ, áp suất và độ Èm dọc theo đường truyền có thể xác định được tính chất khóc xạ, nhưng những phép đo hiếm khi có giá trị với người sử dụng Tuy nhiên việc sử dụng mô hình khí quyển tiêu chuẩn

cho trễ của khí khô cho phép việc xác định trễ cùc điểm trong khoảng 0.5 m và mét sai số tại các góc nâng khác xấp xỉ bằng lỗi cực điểm nhân với cosec của góc nâng Những mô hình khí quyển tiêu chuẩn này được dùa trên những quy định của quan điểm về khí và thừa nhận rằng tính khúc xạ của líp khí quyển hình cầu là bất biến ngay cả khi mật độ điện tử trong tầng này biến thiên theo thời gian Sù ước lượng của trễ khí khô có thể được cải thiện đáng kể nếu ta đo được

áp lực bề mặt và nhiệt độ trung bình của líp khí này, điều đó dẫn đến việc giảm lỗi xuống còn khoảng 2-5% trong tổng lỗi tầng này gây lên

Thành phần trễ tầng đối lưu do hơi nước (độ cao so với mặt biển khoảng

12 km), điều khó khăn hơn là bởi vì có một líp không khí đáng kể và sự biến đổi theo thời gian của hơi nước trong khí quyển Rất may, trễ này chỉ chiếm khoảng 10% trong tổng số trễ do tầng đối lưu gây ra, với giá trị sai sè 5-30 cm Nếu không tính đến sự biến thiên của nó có thể giảm xuống 2-5 cm

Trong thực tiễn, một mô hình của khí quyển chuẩn tại vị trí ăng ten có thể được sử dụng để ước lượng trễ cực điểm kết hợp cho cả thành phần độ Èm và khô Trễ được được làm mẫu nh trễ cực điểm bị tăng lên do một nhân tố mà nó

là một hàm số của góc nâng của vệ tinh Tại cực điểm, nhân tố này là đồng nhất,

và nó tăng cùng với sự giảm của góc nâng khi mà độ dài của đường truyền qua tầng đối lưu tăng lên Giá trị đặc trưng của nhân tố nhân là 2m ở góc nâng 300, bằng 4m ở 150, 6m ở 100 và bằng 10 ở 50 Độ chính xác của việc làm giảm sai sè theo mô hình hoá tại những góc nâng thấp, sai số cực điểm chỉ còn 1m tại góc nâng 10o Ngày nay, nhiều nghiên cứu đi vào sự phát triển và kiểm tra những mô hình tầng đối lưu khác nhau

Mặc dù một máy thu GPS không thể đo lỗi bằng mã giả khoảng cách ngẫu nhiên do tầng đối lưu gây lên, nhưng việc ứng dụng GPS vi phân (DGPS) có thể luôn làm giảm lỗi tới giá trị nhỏ nhất bằng việc tận dụng thuận lợi của tương