Xử lý tín hiệu trong hệ thống Galileo

Ngay từ những kỷ nguyên đầu tiên của nền văn mình loài người. Từ những kiến thức kinh nghiệm lẫn khoa học được tích góp qua quá trình lao động, quan sát thiên nhiên vũ trụ, con người đã không ngừng sáng tạo ra các phương pháp sử dụng trong việc định vị và dẫn đường đặc biệt là trong ngành hàng hải, vận tải, giao thông.Thế kỷ 20, với việc phát triển không ngừng của khoa học và kỹ thuật, đã cho ra đời những phương tiện hiện đại hơn như máy bay, tàu vũ trụ. Mở ra cho con người kỷ nguyên mới, chinh phục vũ trụ bao la.Điều này đòi hỏi cần có những hệ thống dẫn đường mới, tiên tiến hơn, hiện đại hơn giúp con người định vị chính xác, dẫn đường cho các máy bay, tàu vũ trụ…Đáp ứng những yêu cầu đó, các hệ thống dẫn dường tiên tiến dựa trên vệ tinh đã được phát triển thành công và đưa vào sử dụng như GPS, GLONASS… Mặc dù hiện tại các hệ thống này đã phủ sóng toàn cầu, cho phép mọi người được sử dụng các dịch vụ định vị, dẫn dường từ những hệ thống này. Tuy nhiên, vì một số lý do nên việc sử dụng những hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào tình hình của các nước chủ quản.Nhận thấy tầm quan trọng của 1 hệ thống dẫn đường tiên tiến, hoạt động ổn định và liên tục là rất cần thiết cho việc phát triển kinh tế, ổn định an ninh, xã hội. Liên minh Châu Âu đã lên chương trình cho việc xây dụng hệ thống GALILEO, với những công nghệ tiên tiến được áp dụng. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, phát triển các thiết bị sử dụng tín hiệu vệ tinh từ GALILEO có vai trò quan trọng, cho phép phát triển các thiết bị định vị đa hệ thống, giảm sự phụ thuộc tăng cao độ tin cậy và chính xác. Phục vụ tốt hơn cho các ứng dụng dân sự, an ninh và quốc phòng.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi tự nghiên cứu

và thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Đặng Quang Hiếu

Học viên

Ngô Quang Đạt

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

DANH SÁCH HÌNH VẼ

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

DANH SÁCH VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU SỬ DỤNG VỆ TINH GNSS 3

1.1 Tổng quan 3

1.2 Lịch sử hình thành và phát triển 4

1.3.1 Hệ thống GPS – Mỹ 6

1.3.2 Hệ thống GLONASS – Nga 14

1.3.3 Hệ thống GALILEO – Châu Âu: 17

1.3.4 So sánh Ưu và Nhược điểm của các hệ thống định vị vệ tinh 22

1.3.5 Việt Nam và hệ thống GALILEO : 24

CHƯƠNG 2: TÍN HIỆU HỆ THỐNG GALILEO 27

2.1 Bộ thu phát tín hiệu 27

2.1.1 Bộ thu GALILEO 27

2.1.2 Bộ phát tín hiệu GALILEO 30

2.2 Khung thông tin 33

2.2.1 Cấu trúc thông điệp F/NAV 35

2.2.2 Cấu trúc thông điệp I/NAV 40

2.3 Dữ liệu trong các thông điệp dẫn đường 50

2.4 Dãi tần hoạt động của tín hiệu hệ thống GALILEO 62

2.4.1 Tần số sóng mang 62

2.4.2 Băng thông tín hiệu nhận 63

2.4.3 Điều chế tín hiệu 63

2.5 Chất lượng tín hiệu GALILEO: 71

CHƯƠNG 3:THỰC HIỆN BỘ THU TÍN HIỆU GALILEO E1 SỬ DỤNG

TRONG DÂN SỰ 73

3.1 Cơ sở toán học 73

3.2 Thực hiện 74

3.2.1 Mô hình mô phỏng bộ thu tín hiệu E1 74

3.2.2 Nguồn tín hiệu 75

3.2.3 Signal Conditioner 76

3.2.4 Acquisistion 76

3.2.5 Tracking 78

3.3 Kết quả thử nghiệm 80

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Logo chính thức của hệ thống GPS 7

Hình 1.2 Hệ thống định vị vệ tinh GPS 8

Hình 1.3 Vệ tinh GPS Block I 9

Hình 1.4 Vệ tinh GPS IIR-M1 9

Hình 1.5 Sơ đồ về mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống GPS 11

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của GPS 12

Hình 1.7 Logo chương trình GLONASS 15

Hình 1.8 Logo chương trình GALILEO 17

Hình 1.9 Galileo Galilei 17

Hình 1.10 Vệ tinh thuộc hệ thống GALILEO được phóng vào ngày 21/10/2011 .19

Hình 1.11 Vệ tinh GIOVE-A được phóng vào quỹ đạo 20

Hình 1.12 So sánh quỹ đạo vệ tinh của các hệ thống 24

Hình 1.13 Vị trí của 4 vệ tinh Galileo PFM, FM2, FM3, FM4 trên bầu trời Hà Nội

25 Hình 1.14 Kết quả dò tín hiệu vệ tinh Galileo (bộ thu phát hiện 4 vệ tinh trên bầu trời Hà Nội) 25

Hình 1.15 Năng lượng trung bình của tín hiệu thu được 26

Hình 2.1 Sơ đồ khối của máy thu GALILEO 28

Hình 2.2 Sơ đồ khối Acquisistion trong máy thu GALILEO 29

Hình 2.3 Sơ đồ hoạt động của vòng lặp tracking cho tín hiệu E5 29

Hình 2.4 Sơ đồ khối của vòng lặp PLL 30

Hình 2.5 Sơ đồ khối của vòng lặp FLL 30

Hình 2.6 Sơ đồ khối vệ tinh GIOVE-A 31

Hình 2.7 Sơ đồ khôi Payload trên vệ tinh GIOVE-A 32

Hình 2.8 Phân loại thông điệp trong hệ thống GALILEO 33

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc 1 khung thông điệp F/NAV 35

Hình 2.10 Sơ đồ tổ chức khung thông tin 35

Hình 2.11 Cấu trúc của một page loại 1 39

Hình 2.12 Cấu trúc của một page loại 2 39

Hình 2.13 Cấu trúc của một page loại 3 39

Hình 2.14 Cấu trúc của một page loại 4 39

Hình 2.15 Cấu trúc của một page loại 5 40

Hình 2.16 Cấu trúc của một page loại 6 40

Hình 2.17 Cấu trúc của một dummy page 40

Hình 2.18 Cấu trúc của một thông điệp I/NAV 40

Hình 2.19 Cấu trúc 1 Nominal Page 41

Hình 2.20 Cấu trúc 1 Alert Page 42

Hình 2.21 Sơ đồ cấu trúc 1 page part trong thông điệp I/NAV 42

Hình 2.22 Cấu trúc các sub-frame trong một Nominal Page 43

Hình 2.23 Cấu trúc 1 nominal frame 44

Hình 2.24 Cấu trúc word type 1 45

Hình 2.25 Cấu trúc word type 2 45

Hình 2.26 Cấu trúc word type 3 45

Hình 2.27 Cấu trúc word type 4 45

Hình 2.28 Cấu trúc word type 5 46

Hình 2.29 Cấu trúc word type 6 46

Hình 2.30 Cấu trúc word type 7 46

Hình 2.31 Cấu trúc word type 8 46

Hình 2.32 Cấu trúc word type 9 47

Hình 2.33 Cấu trúc word type 10 47

Hình 2.34 Cấu trúc word type 0 47

Hình 2.35 Cấu trúc dummy message 48

Hình 2.36 Cấu trúc của 1 dummy data word 48

Hình 2.37 Cấu trúc dữ liệu SAR 49

Hình 2.38 Định nghĩa bit RLM 49

Hình 2.39 Cấu trúc 1 short RLM 49

Hình 2.40 Cấu trúc 1 long RLM 50

Hình 2.41 Cấu trúc khung dữ liệu Spare SAR 50

Hình 2.42 Trạng thái hợp lệ của tín hiệu E5a 59

Hình 2.43 Trạng thái hợp lệ của tín hiệu E5b – E1B 59

Hình 2.44 Dãi tần hoạt động của tín hiệu GALILEO 62

Hình 2.45 Sơ đồ điều chế tín hiệu E5 65

Hình 2.46 Giản đồ sóng tín hiệu E5 68

Hình 2.47 Sơ đồ điều chế tín hiệu E6 .1

Hình 2.48 Sơ đồ điều chế tín hiệu E1 71

Hình 2.49 Thành phần tín hiệu L1-B 70

Hình 2.50 Thành phần Tín hiệu L1-C 72

Hình 2.51 Phổ tần số các tín hiệu vệ tinh GALILEO 73

Hình 2.52 Đồ hình các chùm IQ 74

Hình 3.1 Mô hình tổng quát thực hiện bộ thu tín hiệu E1 77

Hình 3.2 Sự thay đổi khi thay đổi tốc độ lấy mẫu 80

Hình 3.3 Thông số GLRT sử dụng thuật toán Parallel Code Phase Search (PCPS) với fIN = 4Msps 83

Hình 3.4 Sự thay đổi của các thông số VE, E, P, L va VL 84

Hình 3.5 Sơ đồ khối Tracking 85

Hình 3.6 Biểu đồ phân tán, hiển thị các bit tín hiệu của tín hiệu E1B 86

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số cơ bản của hệ thống GPS 7

Bảng 1.2 Thông số cơ bản hệ thống GLONASS 15

Bảng 1.3 Thông số cơ bản hệ thống GALILEO 18

Bảng 2.1 Nội dung các sub-frame trong thông điệp F/NAV 37

Bảng 2.2 Liệt kê các thông số lịch thiên văn 52

Bảng 2.3 Thuật toán dùng để xác định lịch thiên văn trên máy thu 53

Bảng 2.4 Thông số GST 54

Bảng 2.5 Bảng thông số hiệu chinh đồng hồ 54

Bảng 2.6 Dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ GALILEO .54

Bảng 2.7 Mã BGD 55

Bảng 2.8 Đặc tính thông số truyền .56

Bảng 2.9 Bảng tham số chuyển đổi GST-UTC 56

Bảng 2.10 Thông tin dữ liệu GGTO 58

Bảng 2.11 Cấu trúc thông số dịch vụ 59

Bảng 2.12 Định nghĩa bit chỉ ra tính hợp lệ của dữ liệu .60

Bảng 2.13 Định nghĩa trạng thái tín hiệu 61

Bảng 2.14 Thông số dữ liệu dương lịch 62

Bảng 3.15 Tần số sóng mang tín hiệu GALILEO 63

Bảng 3.16 Băng thông tín hiệu nhận 64

Bảng 2.17 Bảng liệt kê các thông số tín hiệu 64

Bảng 2.18 Tốc độ truyền tín hiệu E5 66

Bảng 2.19 Liệt kê hệ số ASi và APi 67

Bảng 2.20 Mối quan hệ giữa giữa trạng thái pha và tín hiệu Điều chế đầu vào với thời gian 68

Bảng 2.21 Tốc độ truyền của tín hiệu E6 69

Hệ thống định vị toàn cầu của Nga

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mãFDAM Frequency Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo tần số

GST Galileo System Time Thời gian của hệ thống Galileo

GGTO Galileo to GPS Time Offset

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự

sang sốCRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra lỗi

MỞ ĐẦU

Ngay từ những kỷ nguyên đầu tiên của nền văn mình loài người Từ nhữngkiến thức kinh nghiệm lẫn khoa học được tích góp qua quá trình lao động, quan sátthiên nhiên vũ trụ, con người đã không ngừng sáng tạo ra các phương pháp sử dụngtrong việc định vị và dẫn đường đặc biệt là trong ngành hàng hải, vận tải, giaothông

Thế kỷ 20, với việc phát triển không ngừng của khoa học và kỹ thuật, đã cho

ra đời những phương tiện hiện đại hơn như máy bay, tàu vũ trụ Mở ra cho conngười kỷ nguyên mới, chinh phục vũ trụ bao la

Điều này đòi hỏi cần có những hệ thống dẫn đường mới, tiên tiến hơn, hiện đạihơn giúp con người định vị chính xác, dẫn đường cho các máy bay, tàu vũ trụ…Đáp ứng những yêu cầu đó, các hệ thống dẫn dường tiên tiến dựa trên vệ tinh

đã được phát triển thành công và đưa vào sử dụng như GPS, GLONASS… Mặc dùhiện tại các hệ thống này đã phủ sóng toàn cầu, cho phép mọi người được sử dụngcác dịch vụ định vị, dẫn dường từ những hệ thống này Tuy nhiên, vì một số lý donên việc sử dụng những hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào tình hình của cácnước chủ quản

Nhận thấy tầm quan trọng của 1 hệ thống dẫn đường tiên tiến, hoạt động ổnđịnh và liên tục là rất cần thiết cho việc phát triển kinh tế, ổn định an ninh, xã hội.Liên minh Châu Âu đã lên chương trình cho việc xây dụng hệ thống GALILEO, vớinhững công nghệ tiên tiến được áp dụng

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, phát triển các thiết bị sử dụng tín hiệu vệ tinh

từ GALILEO có vai trò quan trọng, cho phép phát triển các thiết bị định vị đa hệthống, giảm sự phụ thuộc tăng cao độ tin cậy và chính xác Phục vụ tốt hơn cho cácứng dụng dân sự, an ninh và quốc phòng

Luận văn này cung cấp cái nhìn khái quát về các hệ thống định vị toàn cầu

trên thế giới, về cấu tạo và nguyên lý hoạt động Đặc biệt, tập trung vào việc tìmhiểu, phân tích hệ thống định vị toàn cầu Galileo

Nội dung trình bày được chia thành 3 chương có nội dung được mô tả như

Chương 2–Tín hiệu của hệ thống GALILEO Chương này tập trung vào

cấu trúc các khung tin dẫn đường tương ứng với các dịch vụ được cung cấp bởi hệthống GALILEO Ngoài ra, trong chương này cũng sẽ đưa ra sơ đồ khối cho các bộthu phát tín hiệu GALILEO

Chương 3 – Thực hiện bộ thu tín hiệu GALILEO E1 – sử dụng trong dân

sự Trình bày những thiết lập và cấu hình trên lý thuyết cần thiết cho phép thực hiện

1 bộ thu tín hiệu GALILEO trên Matlab Simulink Từ đó đưa ra những đánh giá vàkết luận

Kết luận Đánh giá quá trình thực hiện đề tài, và đề ra những phương án tiếp

theo để phát triển đề tài tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

SỬ DỤNG VỆ TINH GNSS

Từ những tiến bộ kỹ thuật trong khoa học vũ trụ, hàng hải đã đưa đến nhữngyêu cầu về một hệ thống định vị dẫn đường tiên tiến hơn Mỹ là nước đầu tiên trênthế giới xây dựng và phát triển hệ thống định vị vệ tinh - GPS Nó đã chứng minhđược những ưu điểm của mình trong kinh tế, dân sự, an ninh quốc phòng Sau Mỹ,

đã có những hệ thống định vị tiếp theo được ra đời bởi nhiều quốc gia trên thế giới.Chương này sẽ cung cấp những định nghĩa về 1 hệ thống GNSS, giới thiệu những

hệ thống GNSS hiện có trên thế giới Cũng như những thông tin về lịch sử hìnhthành và phát triển cả hệ thống định vị toàn cầu

1.1 Tổng quan

Global Navigation Setellite System (GNSS) là tên được sử dụng để chỉ các hệthống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh Một hệ thống GNSS bao gồm một tổ hợpcác vệ tinh xoay quanh trái đất Các vệ tinh này liên tục gửi các thông tin về vị tríhiện tại của nó tới các thiết bị thu trên mặt đất Từ việc tính toán các giá trị từ cácthông tin này có thể cho biết được vị trí hiện tại của 1 thiết bị thu trên mặt đất Ngàynay, GNSS được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự, kinh tế,dân sự… bởi những tiện lợi thiết thực từ các hệ thống này mang lại

Hiện tại, trên thế giới có các hệ thống GNSS được sử dụng như :

- Global Position System – GPS của Mỹ

- GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema – GLONASS của Nga

triển bởi liên minh Châu Âu, nó được đặt theo tên nhà thiên văn người Ý Galileo Galilei Khác với các hệ thống GPS hay GLONASS ,GALILEO được điều hành và

quản lý bởi các tổ chức dân dụng và phi quân sự

Ở Việt Nam, trước đây chúng ta thường sử dụng hệ thống GPS trong các ứngdụng định vị Vừa qua với việc nhóm nghiên cứu tại Trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội thành công trong việc xác định vị trí thông qua dịch vụ mở của hệ thốngđịnh vị toàn cầu GALILEO, đã đặt nền tảng bước đầu trong việc xây dựng và pháttriển các giải pháp định vị đa hệ thống, giúp nâng cao độ chính xác, độ tin cậy, vàgiảm sự phụ thuộc vào các hệ thống định vị riêng lẻ

1.2 Lịch sử hình thành và phát triển

Từ xa xưa, các phương pháp định vị và dẫn đường được phát triển gắn liền với

sự phát triển của ngành hàng hải Tuy nhiên, với sự xuất hiện của máy bay, các contàu khổng lồ với động cơ hơi nước, tàu vũ trụ… đòi hỏi hệ thống định vị và dẫnđường cần phải chính xác, liên tục

Vì vậy, vào những năm 1920, trên thế giới bắt đầu hình thành các hệ thốngdẫn đường vô tuyến tạo tiền đề cho các hệ thống định vị toàn cầu Các hệ thống đóbao gồm các thiết bị có tầm hoạt động ngắn như radar,máy tìm phương, radarbeacons, đến các hệ thống có tầm hoạt động xa hơn như OMEGA, DECCA,LORAN-C

Năm 1957 Nga phóng thành công vệ tinh Sputnik Đại học MIT cho rằng tínhiệu vô tuyến điện của vệ tinh có thể tăng lên khi nó tiếp cận Trái đất, giảm đi khirời khỏi Trái đất cho nên có thể truy theo vị trí trên mặt đất

Năm 1959 Hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh - TRANSIT của Mỹ được đưavào hoạt động

Năm 1960 Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ, độcao) được đưa vào nghiên cứu

Năm 1963 Công ty Areospace Corporation thực hiện nghiên cứu về hệ thốngkhông gian làm cơ sở cho hệ thống dẫn đường Trong thí nghiệm này, khái niệmliên quan tới việc đo thời gian tới của sóng tín hiệu được phát đi từ 1 vệ tinh có vịtrí chính xác đã biết,việc làm này cho phép xác định vị trí của người sử dụng Đây

là bước khởi đầu quan trọng cho hệ thống định vị toàn cầu.

Đây là những bước khởi đầu quan trọng cho việc xây dựng các hệ thống định

vị sử dụng vệ tinh sau này

Dựa trên những nghiên cứu đó, Mỹ là nước đầu tiên xây dựng hệ thống định vịGPS của mình

Tháng 22/2/1978 vệ tinh đầu tiên của hệ thống GPS được phóng lên quỹ đạo

Hệ thống định vị GPS bắt đầu đưa vào hoạt động từ những năm 1980

Ngày 12/10/1982 vệ tinh đầu tiên của hệ thống GLONASS được phóng lênquỹ đạo Đến ngày 24/9/1993 hệ thống GLONASS chính thức đi vào hoạt động.Tuy nhiên, cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho cácmục đích quân sự Đối với người dùng dân sự, sai số có thể sẽ rất lớn nếu như các

cơ quan điều hành của GPS hay GLONASS kích hoạt các bộ gây sai số chủ định, ví

dụ như SA của GPS Do vậy, nhằm tránh sự lệ thuộc vào Nga và Mỹ trong trườnghợp xảy ra chiến tranh, liên minh Châu Âu đã lên kế hoạch thiết kế và xây dựng 1

hệ thống định vị vệ tinh mới cho các mục đích dân sự, lấy tên là GALILEO

Năm 1999, bắt đầu triển khai dự án nghiên cứu thiết kế hệ thống GALILEOvới 4 nước tham gia bao gồm Pháp, Đức, Italia, Anh

Năm 2003, bắt đầu giai đoạn 1 của chương trình nghiên cứu

Năm 2005, vệ tinh GIOVE- A được đưa vào hệ thống

Ngày 30/11/2007, bộ trưởng giao thông vận tải của 27 quốc gia thuộc liênmình Châu Âu thống nhất đưa hệ thống GALILEO vào hoạt động vào năm 2013,tuy nhiên sau đó đã phải dời lại năm 2014

Năm 2008, vệ tinh GIOVE – B được đưa vào hệ thống

Tháng 10/2009 do sự khó khăn trong vấn đề tài chính cho dự án, Ủy ban Châu

Âu quyết định cắt giảm số lượng vệ tinh phóng tiếp theo từ 28 xuống còn 22 vệ tinh.Tháng 11/2009 khánh thành trạm mặt đất đầu tiên tại Kourou

Tháng 12/2010 Prague thuộc cộng hòa Séc được chọn làm trụ sở cho dự ánGALILEO

21/10/2011 Hai vệ tinh IOV được đưa lên hệ thống bằng tên lửa Soyuz Và 2

vệ tinh còn lại sẽ được đưa lên vào ngày 12/10/2012.

Dự tính tới năm 2014 bắt đầu đưa các vệ tinh FOC còn lại lên hệ thống

1.3 Những hệ thống định vị toàn cầu trên thế giới

Như đã giới thiệu ở trên, nhận thấy vai trò quan trọng của hệ thống định vị vệtinh nên nhiều quộc gia trên thế giới đã xây dựng những hệ thống định vị cho mình.Tuy nhiên, ở đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu và phân tích 3 hệ thống lớn bao gồm :

- Hệ thống GPS – Mỹ

- Hệ thống GLONASS- Nga

- Hệ thống GALILEO – Châu Âu

Những vấn đề đươc phân tích ở đây bao gồm :

- Cấu trúc của hệ thống

- Thông số hệ thống

- Nguyên lý hoạt động : Nguyên lý hoạt động của các hệ thống định vị vệ tinh

về cơ bản là giống nhau cho nên ở đây ta chỉ làm rõ về nguyên lý của hệ thốngGPS, các hệ thống khác hoàn toàn tương tự

- Tín hiệu định vị, dẫn đường từ hệ thống

- Phân tích ưu và nhược điểm mỗi hệ thống

- Những nghiên cứu và phát triển của Việt Nam đối với hệ thống GALILEO

1.3.1 Hệ thống GPS – Mỹ

1.3.1.1 Giới thiệu hệ thống GPS

GPS là hệ thống định vị vệ tinh được phát triển và điều hành bởi bộ quốcphòng Mỹ Hệ thống GPS bắt đầu được xây dựng vào tháng 2/1978 với việcphóng vệ tinh đầu tiên - Block I - lên quỹ đạo Năm 1983, tổng thống Mỹ Reagancho phép sử dụng miễn phí tín hiệu vệ tinh GPS trong các ứng dụng dân sự Hệthống GPS được hoàn thiện và đưa vào hoạt động đầy đủ từ năm 1995 Tuy nhiên,với những tiến bộ mới trong công nghệ và để đáp ứng nhu cầu hiện đại, chính phủ

Mỹ đã đề ra các mục tiêu nhằm hiện đại hóa hệ thống GPS tiến tới xây dựng vàphát triển hệ thống GPS III, năm 2000 Quốc hội Mỹ cho phép phát triển hệ thốngGPS III

Hình 1.1.Logo chính thức của hệ thống GPS [1]

1.3.1.2 Thông số hệ thống GPS

Bảng sau liệt kê những thông số cơ bản của hệ thống GPS

Bảng 1.1 Thông số cơ bản của hệ thống GPS

Độ nghiêng mặt phảng quỹ đạo 55o

Tần số sóng mang

L1 : 1575.42 MhzL2 : 1227.60 MhzL5 : 1176.46 Mhz (năm 2009)

Thông điệp dẫn đường

Hiện tại hệ thống GPS bao gồm 3 phần chính :

- Phần không gian (Space Segment)

- Phần kiểm soát ( Control Segment)

- Phần sử dụng ( Use Segment).

Phần không gian:

Bao gồm 27 vệ tinh ( 24 vệ tinh sử dụng và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên cácquỹ đạo xung quanh trái đất , hoạt động ở độ cao 20.200 km (so với mặt đất), bánkính quỹ đạo 26.600 km, bay với vận tốc 7000 dặm/ giờ với chu kỳ 11’57”58 Côngsuất phát dưới 50Watt

Các vệ tinh này hoạt động dựa trên năng lượng mặt trời Có nguồn pin dựphòng cho trường hợp vệ tinh đi vào vùng tối của Trái Đất Các tên lửa nhỏ đượcgắn vào mỗi vệ tinh để giữ cho chúng bay đúng quỹ đạo

Hình 1.2 Hệ thống định vị vệ tinh GPS [1]

Hệ thống GPS được thiết kế sao cho tại 1 vị trí nào đó trên trái đất ở 1 thờiđiểm bất kỳ đều có thể quan sát thấy 4 vệ tinh ở góc trên 150(Nếu là ngưỡng 100 thì

sẽ thấy 10 vệ tinh, ngưỡng 50 sẽ thấy được 12 vệ tinh)

Nhiệm vụ chủ yếu của các vệ tinh này :

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

- Xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh

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

- Chuyển tiếp thông tin đến người dung

- Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển từ mặt đất

Một số thông tin về các thế hệ vệ tinh GPS đã được Mỹ phát triển

GPS Block I : Là thế hệ vệ tinh đầu tiên được sử dụng cho hệ thống GPS Các

vệ tinh này được chạy bằng năng lượng mặt trởi, đồng thời trang bị cả pin mặt trời

Có tên lửa đẩy giúp vệ tinh bay đúng quỹ đạo Được thiết kế để hoạt động trong 10năm, việc thay thế các vệ tinh được thực hiện thường xuyên Các vệ tinh này nặng

909 kg, cao 5m với 2 cánh là các bảng nhận năng lượng mặt trời Có thể phát tínhiệu với công suất nhỏ hơn hoặc bằng 50W

Hình 1.3 Vệ tinh GPS Block I [1]

GPS IIR-M1 : Đây là thế hệ vệ tinh GPS mới nhất của Mỹ Có khả năng thựchiện các tín hiệu quân sự mới nhất (M-code trên L1M và L2M) và tín hiệu dân sựthức 2 (L2C)

thập từ các trạm thu số liệu Ngoài ra, trung tâm cũng có thể truy cập tới các

antenna mặt đất AFSNC (U.S Air Force Satellite Control Network), và các trạm quan sát NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) để thu thập các thông tin

của vệ tinh Sau đó, trung tâm điều khiển sẽ tiến hành xử lý các số liệu, và tiến hànhcác công việc như : Tính lịch thiên văn, tính và hiệu chỉnh đồng hồ, hiệu chỉnh quỹđạo bay của các vệ tinh, thay thế các vệ tinh ngừng hoạt động bằng các vệ tinh dựphòng

- 5 trạm thu số liệu : Được đặt rải rác trên thế giới: Hawai, Colorade Sping(Mỹ), Ascension ( Nam Đại Tây Dương), Diago Garia ( Ấn Độ Dương ), Kwayalein( Nam Thái Bình Dương ) Các trạm này có nhiệm vụ theo dõi và thu thập thông tin

từ các vệ tinh Mỗi trạm được trang bị những máy thu P-code để thu các tín hiệu,sau đó truyền các tín hiệu đó tới trạm điều khiển chính

- 3 trạm truyền số liệu: Được đặt tại Ascension, Diago Garia, Kwayalein Các

vệ tinh này có nhiệm vụ chuyển lên các vệ tinh các thông tin cập nhật đã được tínhtoán và xử lý từ trung tâm điều khiển chính Các thông tin cập nhật này sẽ đượcđồng bộ hóa với các đồng hồ nguyên tử đặt trên mỗi vệ tinh và hiệu chỉnh lịch thiênvăn của mô hình quỹ đạo bên trong mỗi vệ tinh

Ngoài ra, còn có một trạm điều khiển trung tâm dự phòng nhằm đảm bảo sự

Hình 1.5 Sơ đồ về mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống GPS [1]

1.3.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

Hệ thống GPS là một mạng lưới bao gồm 27 vệ tinh quay xung quanh trái đất.Trong số 27 vệ tinh này, 24 vệ tinh đang hoạt động, 3 vệ tinh còn lại đóng vai trò dựphòng trong trường hợp 1 trong số 24 vệ tinh chính bị hư hỏng Dựa vào cách sắpđặt của các vệ tinh này, khi đứng dưới mặt đất, bạn có thể nhìn được ít nhất là 4 vệtinh trên bầu trời tại bất kì thời điểm nào

Phối hợp hoạt động với các vệ tinh quay xung quanh trái đất là 5 trạm theo dõiđặt trên mặt đất: Trạm chủ được đặt tại Colorado (Mỹ) và 4 trạm khác (không cóngười điều khiển) được đặt tại các vị trí rất xa lạ, song lại rất gần với đường xích

đạo (trong đó có Hawaii cũng ở Mỹ) Các trạm theo dõi này thu thập dữ liệu từ các

vệ tinh và truyền dữ liệu về trạm chủ Trạm chủ sau đó sẽ xử lý dữ liệu và đưa racác thay đổi cần thiết để chuyển dữ liệu chuẩn về các vệ tinh GPS

Như vậy là chúng ta có hệ thống nhiều vệ tinh và các trạm theo dõi ở khắp nơitrên trái đất, liên tục truyền tải và xử lý dữ liệu

Đối với thiết bị là một đầu thu GPS Thiết bị thu thông điệp từ các vệ tinh GPS

ở trên bầu trời Sau đó dựa vào thông số độ trễ tính từ lúc thông điệp được phát đếnlúc thiết bị thu nhận được thông điệp, thiết bị thu sẽ tính ra được khoảng cách từthiết bị đến vệ tinh vừa phát ra thông điệp đó Sử dụng khoảng cách của thiết bi tớimỗi vệ tinh khác nhau, thiết bị GPS sẽ sử dụng một kỹ thuật mang tên gọi

"trileration" để tìm ra vị trí của bạn

Hình vẽ sau mô tả cách mà thiết bị thu tính toán ra vị trí của bạn dựa vào cácthông điệp dẫn đường

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của GPS [1]

Với mỗi khoảng cách từ thiết bị thu tới vệ tinh ta có 1 mặt cầu trong khônggian Với 3 vệ tinh ta có tất cả là 3 mặt cầu Giao điểm của 3 mặt cầu sẽ là vị tríhiện tại của thiết bị thu Dựa vào vị trí của hiện tại của 3 vệ tinh này, người ta có thểtính ra vị trí hiện tại của thiết bị

1.3.1.5 Tín hiệu trong hệ thống GPS

Các tín hiệu vệ tinh GPS phát 2 tín hiệu vô tuyến công suất thấp L1 và L2.Ngoài ra, GPS dân sự sử dụng dải L1 với tần số là 1575.46 Mhz trong dải UHF

Các tín hiệu này có thể xuyên qua mây, thủy tinh, và nhựa nhưng không thể xuyênqua phần lớn các đối tượng cứng như núi đá, nhà,…

Tín hiệu L1 chứa 2 mã giả ngẫu nhiên là P (Protected) và C/A ( Coarse/Acquisistion ) Mỗi vệ tinh sẽ có 1 mã truyền nhất định để thiết bị thu có thể phânbiệt được tín hiệu được gửi đến từ vệ tinh nào, nhằm tính toán khoảng cách từ vệtinh tới thiết bị thu

Tín hiệu GPS chữa 3 thông tin khác nhau : Mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiênvăn và dữ liệu lịch Trong đó:

- Mã giả ngẫu nhiên : Là mã nhận dạng, cho biết dữ liệu GPS này được truyền

từ vệ tinh nào

- Dữ liệu thiên văn : Thông tin cho máy thu biết vệ tinh sẽ ở đâu trên quỹ đạovào 1 thời điểm nào đó trong ngày Mỗi vệ tinh sẽ thông tin vị trí trên quỹ đạo của

vệ tinh đó và những vệ tinh khác trong hệ thống

- Dữ liệu lịch : Được phát đều đặn bởi mỗi vệ tinh, chứa thông tin về trạng tháicủa vệ tinh và ngày giờ hiện tại Đây là thông tin quan trọng để xác định vị trí

1.3.1.6 Những nguyên nhân gây ra lỗi và sai số trong các thiết bị định vị GPS

Hệ thống GPS được kế thừa và phát triển trong 1 thời gian dài, nó chứa trongmình những ưu điểm, đáp ứng những yêu cầu của 1 hệ thống định vị, dẫn đườnghiện đại Tuy nhiên, qua quá trình sử dụng GPS đã bộc lộ những hạn chế kháchquan và chủ quan của nó, thiết bị thu GPS dân sự thường không cho kết quả chínhxác Một số nguyên nhân ảnh hưởng, gây ra các lỗi trên hệ thống GPS như sau :

- Tín hiệu vệ tinh đi chậm khi đi xuyên qua tầng khí quyển, gây ảnh hưởng tớiviệc tính toán khoảng cách từ thiết bị thu tới vệ tinh

- Tín hiệu đi nhiều đường

- Lỗi gây ra do đồng hồ của máy thu : Do các máy thu sẽ không được trang bịđồng hồ nguyên tử chính xác như trên các vệ tinh

- Lỗi quỹ đạo ( lỗi thiên văn ) : Nguyên nhân là do các vệ tinh không thôngbáo chính xác vị trí hiện tại của vệ tinh

- Số lượng vệ tinh mà máy thu quan sát được : Khi thiết bị thu quan sát được

càng nhiều vệ tinh thì càng chính xác.

- Do địa hình : Tại các nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện từ, hay đôi khi

là tán lá cây dày đều có thể cản tín hiệu của vệ tinh, gây nên lỗi định vị sai hoặckhông định vị được

- Che khuất hình học : Do vị trí tương đối của các vệ tinh GPS trong 1 thờiđiểm bất kỳ Điều kiện tốt nhất là khi các vệ tinh tạo thành các góc rộng với nhau.Trong điều kiện xấu là khi các vệ tinh nằm trên cùng 1 đường thẳng hay đứng thànhcác cụm (nhóm) với nhau

- Do hệ thống gây sai số chủ định – SA Hệ thống này có tác dụng làm giảm đitín hiệu GPS, nó được bộ quốc phòng Mỹ áp đặt nhằm ngăn chặn việc các đối thủquân sự sử dụng tín hiệu GPS có độ chính xác cao gây bất lợi cho Mỹ Từ tháng5/2000, Mỹ đã cho ngừng việc này, điều này đã tăng đáng kể độ chính xác của GPSdân sự Tuy nhiên, đây là nguy cơ tiềm tàng cho các hệ thống quân sự/dân sự vì Mỹhoàn toàn có thể cho hoạt động lại hệ thống SA bất cứ lúc nào

Ngoài ra, trong các ứng dụng dân sự, chính phủ Mỹ kiểm soát việc xuất khẩucác máy thu dân dụng nhằm hạn chế việc sử dụng các máy thu GPS trong việc pháttriển thiết bị dẫn đường cho vũ khí ( Tên lửa đạn đạo, tên lửa hành trình…)

1.3.2 Hệ thống GLONASS – Nga

1.3.2.1 Giới thiệu hệ thống GLONASS

GLONASS – hệ thống định vị toàn cầu của Nga Việc phát triển hệ thốngGLONASS đã được Liên Xô bắt đầu từ năm 1976.Vệ tinh đầu tiên của GLONASSđược Liên Xô đưa lên quỹ đạo vào ngày 12/10/1982 Sau quá trình xây dựng, ngày24/9/1993 hệ thống GLONASS chính thức được đưa vào sử dụng Trong nhữngnăm 2000, dưới nhiệm kỳ của tổng thống Vladimir Putin, chính phủ Nga đã đặt việcphục hồi và phát triển hệ thống GLONASS lên làm ưu tiền hàng đầu Kinh phí chochương trình GLONASS được tăng lên đáng kể và là chương trình đắt tiền nhất của

cơ quan vũ trụ liên bang Nga Với những sự đầu tư chú trọng đó, năm 2010GLONASS đã phủ được 100% lãnh thổ liên bang Nga Tháng 10/2010 toàn bộ 24

vệ tinh của GLONASS được phục hồi hoàn toàn, đảm bảo có thể bao phủ toàn cầu

Thiết kế của các vệ tinh GLONASS đã được nâng cấp, phát triển với phiên bản mớinhất là GLONASS-K.

Hình 1.7 Logo chương trình GLONASS

1.3.2.2 Thông số hệ thống GLONASS

Sau đây là bảng liệt kê một số thông tin quan trọng của hệ thống GLONASS:

Bảng 1.2 Thông số cơ bản hệ thống GLONASS

Độ nghiêng mặt phảng quỹ đạo 64.8o

Thông điệp dẫn đường

1.3.2.3 Cấu trúc hệ thống vệ tinh GLONASS

Các vệ tinh hoạt động thuộc hệ thống GLONASS (24 vệ tinh ) được chiathành 3 nhóm, mỗi nhóm 8 vệ tinh Hoạt động trên 3 mặt phẳng quỹ đạo Độnghiêng của các mặt phẳng quỹ đạo là 64.8o Bán kính quỹ đạo đạt 25.510 km Các

vệ tinh hoạt động ở độ cao 19.100 km Chu kỳ của mỗi vệ tinh đạt 11’15”40

Ngoài hệ thống các vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo Hệ thống định vị

GLONASS còn bao gồm 1 hệ thống các Trung tâm điều khiển mặt đất và các Trạmquan sát Phần lớn các trạm này nằm trong lãnh thổ Liên Xô trước đây, ngoài ra có

1 trạm đặt tại Brazilia, Brazil Trong đó, trung tâm điều khiển mặt đất và chuẩn hóathời gian được mặt tại Moscow Các trạm quan sát được đặt tại Saint Petersburg,Ternopol, Eniseisk, và Komsomolsk-na-Amure

1.3.2.4 Tín hiệu trong hệ thống GLONASS

Trong quá trình chuyển động trên các mặt phẳng quỹ đạo, các vệ tinh định vịGLONASS sẽ liên tục phát ra các tín hiệu định vị theo 2 dạng: Tín hiệu định vịchính xác chuẩn Ch ở tần số L1 = 1.6GHz và tín hiệu định vị chính xác cao C ở tần

số L1 và L2 = 1.2GHz

Trong đó :

Tín hiệu định vị chính xác chuẩn Ch: Hiện được cung cấp rộng rãi cho các ứngdụng dân sự Các tín hiệu này hiện được bao phủ trên toàn cầu Nó được đảm bảo

và liên tục khi các máy thu sử dụng tín hiệu GLONASS Độ chính xác như sau :

- Các hoành độ với độ chính xác 50 – 70m (độ tin cậy 99.7%)

- Các tung độ với độ chính xác 70m (độ tin cậy 99.7%)

- Các vector thành phần của vận tốc ứng với độ chính xác 15cm/s (độ tin cậy99.7%)

- Thời gian ứng với độ chính xác 7mcs (độ tin cậy 99.7%)

Độ chính xác của các tín hiêu này có thể được nâng cao nhờ các kỹ thuật định

vị vi phân, các bộ lọc, và sử dụng các phương pháp đo bổ xung

Tín hiệu định vị chính xác cao C: hiện tại chỉ được sử dụng cho mục đích quân

sự của bộ quốc phòng Nga

Khi các máy thutín hiệu GLONASS nhận được bảng tin từ ít nhất 4 vệ tinh

Nó sẽ thực hiện việc tính toán khoảng cách từ thiết bị tới các vệ tinh, tính toán vậntốc của vệ tinh Từ đó xác định vị trí hiện tại của thiết bị

1.3.3 Hệ thống GALILEO – Châu Âu:

1.3.3.1 Giới thiệu hệ thống GALILEO

Galileo là một hệ thống định vị vệ tinh đang được xây dựng bởi Liên minh

Châu Âu và Cơ quan vũ trụ Châu Âu Đây là 1 dự án có giá trị 5 tỉ euro Nó đượcđặt theo tên của nhà thiên văn học người Ý Galileo Galilei nhằm tưởng nhớ tớinhững đóng góp của ông Mục tiêu của dự án là xây dựng hệ thống định vị vệ tinh

có độ chính xác cao cho các quốc gia thuộc Liên minh Châu Âu, khắc phục nhữngphụ thuộc vào hệ thống định vị, dẫn đường của Mỹ và Nga Đảm bảo tính chínhxác, liên tục và an toàn cho Liên minh Châu Âu trong trường hợp xảy ra chiếntranh, xung đột Theo như dự kiến, vào tháng 2/2014 hệ thống GALILEO bắt đầuđược đưa vào sử dụng thử nghiệm chức năng tìm kiếm và cứu nạn – hoạt động nhưmột phần của chương trình Cospas – Sarsat hiện hành của quốc tê – với mục tiêuxác định 77% các vị trí bị nạn trong bán kính 2 km và 95% trong bán kính 5km

Hình 1.8 Logo chương trình GALILEO Hình 1.9 Galileo Galilei [1]

Hiện tại hệ thống GALILEO sẽ hoạt động với 2 Trung tâm điều khiển mặtđất được đặt tại Munich ( Đức ) và Fucino (Ý) Đồng thới, vào tháng 12/2010, Cuộchọp các bộ trưởng của Liên minh Châu Âu ( tại Brussels – Bỉ) đã đi đến thống nhấtđặt Trụ sở của dự án GALILEO tại Prague ( Cộng hòa Séc )

Vào ngày 21/10/2010 2 trong số 4 vệ tinh hoạt động chính đã được đưa lên hệthống Ngày 12/10/2012 2 vệ tinh còn lại được đưa lên hệ thống, đánh dấu cột mốcquan trọng, bắt đầu có thể kiểm tra hệ thống GALILEO end-to-end.Sau khi giaiđoạn kiểm tra trên quỹ đạo này hoàn thành, các vệ tinh bổ sung sẽ được đưa lên hệthống để đạt được năng lực hoạt động ban đầu vào giữa thập kỷ này Ngày12/3/2013 lần đầu tiên người ta xác định được vị trí trên mặt đất dựa vào các bản tin

từ các vệ tinh trong hệ thống GALILEO gửi về Hệ thống GALILEO khi hoàn thành

sẽ có tất cả 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động thường xuyên và 3 vệ tinh dự phòng)

1.3.3.2 Thông số hệ thống GALILEO

Sau đây bảng liệt kê một số thông tin quan trọng của hệ thống GALILEO:

Bảng 1.3 Thông số cơ bản hệ thống GALILEO

Độ nghiêng mặt phảng quỹ đạo 56o

Thông điệp dẫn đường

1.3.3.3 Cấu trúc hệ thống GALILEO

Hệ thống GALILEO được thiết kế hoạt động với 30 vệ tinh trong đó có 27 vệtinh hoạt động thường xuyên và 3 vệ tinh được sử dụng cho mục đích dự phòng.Các vệ tinh này hoạt động trên 3 mặt phẳng quỹ đạo, các mặt phẳng quỹ đạo nàylệch nhau 1200theo kinh độ Độ nghiêng mặt phẳng quỹ đạo lầ 560 Bán kính quỹđạo 29.980 km Trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo bao gồm 9 vệ tinh hoạt động thườngxuyên và 1 vệ tinh dự phòng Các vệ tinh này sẽ hoạt động ở độ cao 23.222 km vớichu kỳ cho 1 vòng quay quanh trái đất của mỗi vệ tinh sẽ là 14’21”36

Hình 1.10 Vệ tinh thuộc hệ thống GALILEO được phóng vào ngày 21/10/2011 [2]

Hiện tại trong quá trình phát triển hệ thống GALILEO đã hình thành các nhóm

vệ tinh với các mục tiêu và yêu cầu khác nhau :

- Galileo satellite test beds –GIOVE :

Năm 2004, ESA và European Satellite Navigation Industries đã tiến hành thựchiện thực hiện dự án Galileo System Test Bed Version 1 (GSTB-V1) Dự án nàyđược thực hiện nhằm mục đích kiểm tra hoạt động của các thuật toán điều khiểnmặt đất cho phép xác định vị trí và đồng bộ thời gian Từ dự án này, người ta đã đề

ra các muc tiêu nhiệm vụ mà hệ thống GALILEO cần đạt được.Vệ tinh GIOVE – A

Là vệ tinh thử nghiệm đầu tiên, được phát triển bởi Surrey Satellite Technology Ltd(SSTL) Được phóng thành công vào ngày 28/12/2005 Hoạt động của GIOVE – Ađảm bảo rằng hệ thống GALILEO đáp ứng các yêu cầu về phân bổ tần số trongvùng tần số cho phép của ITU Nhiệm vụ này hoàn thành vào tháng 6/2006

GIOVE – B được phát triển bởi Astrium và Thales Alenia Space Nó có tảitrọng lớn hơn GIOVE-A và được phóng thành công vào ngày 27/4/2008

Ngoài ra trong chương trình này còn biên chế thêm một vệ tinh GIOVE-A2cũng do SSTL sản xuất Tuy nhiên, nó đã bị cắt giảm do sự ra mắt thành công của

vệ tinh GIOVE-B trong quỹ đạo

Hoạt động của các vệ tinh GIOVE- A/B cung cấp các kết quả thử nghiệm dựatrên cá dữ liệu thực tế nhằm giảm thiểu rủi ro cho cá vệ tinh IOV sẽ được phóng khikết thúc giai đoạn thử nghiệm Trung tâm ESA đã cho xây dựng hệ thống các trạmquan sát mặt đất và sử dụng bộ thu GETR để kiểm chứng kết quả hoạt động của các

vệ tinh GIOVE-A/B Kết quả thu được rất tốt khi phân tích cá tín hiệu từ hệ thốngGALILEO với hiệu suất như yêu cầu đề ra

Hình 1.11 Vệ tinh GIOVE-A được phóng vào quỹ đạo [2]

- In-Orbit Validation (IOV) satellitess:

Sau sự thành công của GIOVE-A/B, cũng như giai đoạn thử nghiệm ban đầu.Chương trình đã tiếp tục đưa lên quỹ đạo các vệ tinh IOV Các vệ tinh này có thiết

kế gần giống với thiết kế chĩnh thức của các vệ tinh GALILEO Không có chứcnăng tìm kiếm và cứu nạn 2 vệ tinh đầu tiên đượ phóng vào ngày 21/10/2011 Hai

vệ tinh còn lại được phóng vào ngày 12/10/2012 Các vệ tinh này được phát triểnbởi Astrium GmbH và Thales Alenia Space Đây là giai đoạn kiểm tra quan trọngvới các máy thu mặt đất (như trong xe ô tô hay điện thoại…) GLILEO phải tínhtoán được vị trí hiện tại khi quan sát được 4 vệ tinh này Hiện nay giai đoạn này đãkết thúc thành công

- Full Operational Capability (FOC) satellites:

Đây là các vệ tinh chính thức của hệ thống GALILEO với đầy đủ các tính năng

và dịch vụ được cài đặt Ngày 7/1/2010 gói thầu sản xuất 14 vệ tinh FOC đầu tiên đãđược giao cho OHB System and Surrey Satellite Technology Limited (SSTL) vớitổng kinh phí 566 triệu euro Đồng thời, Ủy ban Châu Âu cũng quyết định chi kinhphí 85 triệu euro để xây dựng hệ thống hỗ trợ dịch vụ công nghiệp (trả phí )theo nhưnhững đề xuất của ESA.Thales Alenia Space đã nhận được gói thầu này

Vào tháng 2/2012 OHB Systems đã được nhận gói thầu phát triển them 8 vệ tinhFOC với kinh phí là 250 triệu euro Nâng tổng số vệ tinh hiện tại lên 22 vệ tinh FOC.Mỗi vệ tinh thuộc hệ thống GALILEO được trang bị một đồng hồ nguyên tửrubidium và 2 đồng hồ nguyên tử hydro Những đồng hồ này là thành phần quan

trọng đối với bất kỳ 1 hệ thống định vị vệ tinh nào Các đồng hồ này sẽ cung cấpcác thông tin thời gian chính xác tới các máy thu, từ đó máy thu có thể tính toánđược khoảng cách tới vệ tinh, và vị trí hiện tại của máy thu Ngoài ra, nó còn có 1

số thành phần khác như máy phát tín hiệu, pin năng lượng mặt trời…

1.3.3.4 Nguyên lý hoạt động của GALILEO

Về nguyên lý hoạt động của Hệ thống GALILEO cũng giống như các hệ thốngGPS và GLONASS Các vệ tinh GALILEO sẽ xoay quanh trái đất và liên tục phát

ra các bản tin dẫn đường Các thiết bị thu tín hiệu GALILEO sẽ nhận các bản tinnày Sử dụng các phương pháp tính toán để biết được khoảng các từ thiết bị tới vệtinh, cũng như vận tốc và vị trí hiện tại của vệ tinh Khi thiết bị đồng thời nhận được( quan sát thấy) 4 vệ tinh GALILEO cùng một lúc, dựa vào khoảng cách từ thiết bịtới 4 vệ tinh này, cùng với vị trí hiện tại của 4 vệ tinh Thiết bị thu sẽ biết đượcchính xác vị trí hiện tại của mình

1.3.3.5 Các dịch vụ được cung cấp bởi hệ thống GALILEO

Hiện tại hệ thống GALILEO được xây dựng với mục tiêu cung cấp các dịch

vụ sau :

- Dịch vụ mở : Dịch vụ này được Liên minh Châu Âu cho phép sử dụng miễnphí với mọi đối tượng Dịch vụ này có thể sử dụng 2 tần số L1 và E5A Đối với cácmáy thu 2 tần số thì độ chính xác sẽ đạt 4m cho phương ngang và 8m cho phươngthẳng đứng Đối với các máy thu 1 tần số ( chỉ thu tần số L1 )thì độ chính xác sẽ là15m và 35m Tuy nhiên, hệ thống GALILEO được thiết kế để có thể sử dụng dịch

vụ định vị ở vùng có vĩ độ cao tốt hơn so với các hệ thống khác

- Dịch vụ có trả phí : Dịch vụ này cung cấp cho các cá nhận hay tổ chức cần

độ chính xác cao (<1m), để được sử dụng dịch vụ này, họ cần chi trả phí nhất định.Dịch vụ được cung cấp bằng tín thiệu thứ 3 ( E6 )

- Dịch vụ cứu hộ : Được dành riêng cho các dịch vụ cứu hộ Dịch vụ này đượcđảm bảo độ chính xác cao, khả năng chống nhiễu và bảo mật thông tin cao

- Dịch vụ công cộng : Dành riêng cho các cơ quan chính phủ và quân đội củacác nước thuộc Liên minh Châu Âu Dịch vụ này được cung cấp thông tin với độ

chính xác và độ tin cậy cao Đặc biệt bảo mật Được đảm bảo hoạt động liên tụcngay cả khi các dịch vụ khác phải tạm dừng do các khủng hoảng, xung đột haychiến tranh.

- Dịch vụ tìm kiếm và cứu nạn :Hệ thống GALILEO cung cấp tín năng tìmkiếm và cứu nạn toàn cầu ( SAR ) Các vệ tinh GALILEO được trang bị thiết bịchuyển tiếp tín hiệu từ máy phát của người bị nạn tới Trung tâm điều phối cứu nạn

để bắt đầu công tác cứu nạn Đồng thời, hệ thống cũng sẽ cung cấp thông tin tớingười bị nạn, cho biết tình hình của họ đã được phát hiện và thông báo, đội cứu hộđang trên đường tới Đây được cho là nâng cấp lớn so với hệ thống GPS vàGLONASS

1.3.4 So sánh ưu và nhược điểm của các hệ thống định vị vệ tinh

Cho đến hiện tại hệ thống GPS của Mỹ đã hoạt động đi vào ổn định và phủkhắp toàn cầu, có những sự cải tiến đáng kể nhằm tăng độ chính xác cho các thiết bịthu Hệ thống GLONASS của Nga cũng đã phủ khắp toàn cầu, thu được nhữngthành công bước đầu, và đang trên con đường hiện đại hóa Liên minh Châu Âu tuygặp nhiều khó khăn trong vấn đề tài chính cho dự án GALILEO Tuy nhiên, hiện tại

hệ thống GALILEO cũng đã hoàn thành xong các bước thử nghiệm quan trọng cuốicùng, đang trong giai đoạn phóng các vệ tinh chính thức, để đưa hệ thống đi vàohoạt động, các kết quả thử nghiệm bước đầu đều cho kết quả khả quan, phù hợp vớicác yêu cầu và mục tiêu đặt ra ban đầu

Nhìn chung, về nguyên lý và phương thức hoạt động của các hệ thống định vị

vệ tinh đều giống nhau Cả 3 hệ thống đều đã có những ưu điểm và thành côngtrong lĩnh vực định vị và dẫn đường Ngoài những ưu điểm thì trong quá trình kiểmtra, hoạt động cũng đã bộc lộ những hạn chế, nhược điểm Đa phần những nhượcđiểm này là do các yếu tố khách quan về địa hình, sự hạn chế của tầng khí quyển …

và chủ quan như : đồng hồ điện tử được trang bị trên các thiết bị thu, bộ gây sai sốchủ định … đã gây những ảnh hưởng tới kết quả cuối cùng

Sau đây là một số so sánh cho thấy ưu điểm của hệ thống GALILEO trong cácứng dụng dân sự so với các hệ thống trước đây

- Về độ tin cậy của tín hiệu vệ tinh : Nhìn chung các hệ thống định vị vệ tinh

vừa được nêu trên đều cung cấp tín hiệu có độ tin cậy cao Tuy nhiên, trước đây Mỹ

đã từng cho sử dụng bộ gây sai số chủ định ( SA-Selective Availability

http://en.wikipedia.org/wiki/Selective_Availability) gây nhiễu các thông tin từ hệ thốngGPS nhằm tránh tình trạng đối phương sử dụng tín hiệu định vị gây bất lợi cho Mỹ.Mặc dù hiện tại Mỹ tuyên bố đã ngừng hoạt động của SA cũng như không trang bị

SA cho các vệ tinh GPS trong tương lai Tuy nhiên, điều này vẫn tiềm ẩn nguy cơtrong trường hợp xảy ra các xung đột, chiến tranh

- Về độ chính xác: Trên thực tế độ chính xác trong định vị phụ thuộc rất nhiều

vào các yếu tố khách quan và thiết bị thu Trên các vệ tinh đều được trang bị đồng

hồ nguyên tử, hoạt động rất tốt và được cân chỉnh thường xuyên từ các trạm điềukhiển mặt đất Tuy nhiên, đồng hồ trên các thiết bị thu lại không dược trang bị đồng

hồ tốt như vậy Do vậy, việc này sẽ gây sai số trong các phép tính và dẫn tới kết quảcuối cùng Tuy nhiên, trong các ứng dụng dân sự, từ các thử nghiệm cho thấyGALILEO có độ chính xác tốt hơn hẳn so với các hệ thống GPS và GLONASS.Đặc biệt thiết kế của GALILEO cho phép xác định chính xác các vị trí ở vùng có vĩ

độ cao Ngoài ra, hệ thống GALILEO được thiết kế với 9 vệ tinh cùng hoạt độngtrên 1 mặt phẳng quỹ đạo (nhiều hơn so với GPS và GLONASS) điều này cho phépnâng cao độ chính xác cho các máy thu sử dụng hệ thống GALILEO

- Về dịch vụ: Như đã phân tích ở trên, GALILEO được trang bị hỗ trợ dịch vụ

tìm kiếm và cứu nạn quốc tế Các vệ tinh được trang bị thiết bị chuyển tiếp thông tin

từ người dùng tới các trung tâm điều phối cứu nạn Đồng thời cũng gửi thông báotới người bị nạn để báo cho họ biết tình trạng của họ đã được thông báo và đội cứunạn đang tới Đây là nâng cấp được đánh giá cao so với GPS và GLONASS

- Về tính liên tục của hệ thống: So với hệ thống GPS và GLONASS được

phát triển như là các dự án quân sự, được vận hành và quản lý bởi Mỹ và Nga Liênminh Châu Âu đã xây dựng GALILEO như là một dự án phục vụ dân sự, cho phépcác nước trên thế giới tham gia vào dự án như : Trung Quốc, Ấn Độ, Isarel…Điềunày đảm bảo cho sự hoạt động liên tục của hệ thống GALILEO

Hình 1.12 So sánh quỹ đạo vệ tinh của các hệ thống [2]

1.3.5 Việt Nam và hệ thống GALILEO :

Hiện nay, nhóm nghiên cứu phát triển bộ thu định vị đa hệ thống SDR Navisoftcủa Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu và phát triển công nghệ định vị sử dụng vệ tinh(NAVIS) trực thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tiếp nhận và giải mã thànhcông tín hiệu định vị của các vệ tinh IOV thuộc hệ thống định vị GALILEO

Lần đầu tiên, trong khoảng thời gian từ 15h25’ đến 19h25 ngày 17/12/2012,lần đầu tiên cả 4 vệ tinh IOV của hệ thống GALILEO cùng xuất hiện và phát cáctín hiệu định vị E1OS trên bầu trời Hà Nội Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm việc

sử dụng dịch vụ định vị GALILEO Kết quả cho thấy bộ thu Navisoft do trung tâmNAVIS nghiên cứu và phát triển đã thành công trong việc tiếp nhận và giải mã đầy

đủ các tín hiệu từ 4 vệ tinh PFM,PF2,PF3,PF4 với các số hiệu mã cự ly tương ứng

là 11, 12,19,20 Tuy nhiên do đang trong giai đoạn thử nghiệm IOV của hệ thốngGALILEO cho nên chỉ có vệ tinh FM2 phát ra bản tin có nội dung không đầy đủ,còn các bản tin từ các vệ tinh còn lại không có nội dung Vì vậy, nhóm thử nghiệm

đã không có đủ dữ liệu để xác định vị trí

Hình 1.13 Vị trí của 4 vệ tinh Galileo PFM, FM2, FM3, FM4 trên bầu trời Hà Nội [3]

Hình 1.14 Kết quả dò tín hiệu vệ tinh Galileo (bộ thu phát hiện 4 vệ tinh trên bầu trời Hà Nội) [3]

Hình 1.15 Năng lượng trung bình của tín hiệu thu được [3]

Thành công này của nhóm nghiên cứu đã cho thấy khả năng của nền côngnghệ Việt Nam trong việc làm chủ và phát triển các giải pháp định vị đa hệthống Giúp nâng cao độ chính xác, độ tin cây, giảm sự phụ thuộc vào một hệthống riêng lẻ

CHƯƠNG 2 TÍN HIỆU HỆ THỐNG GALILEO

Trong chương này sẽ tập trung làm rõ các vấn đề về tín hiệu của hệ thốngGALILEO bao gồm : Các bộ thu phát tín hiệu GALILEO, các khung thông tin hệthống và khung tin dẫn đường của vệ tinh Ngoài ra, còn đề cập tới vấn đề điều chếtín hiệu trong các khung tin GALILEO

2.1 Bộ thu phát tín hiệu

2.1.1 Bộ thu GALILEO

Hệ thống định vị toàn cầu GALILEO được cung cấp những phương pháp vàcông nghệ mới nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy Hiện tại, đã có những thiết bịmáy thu GALILEO được phát triển với nhiều tính năng hiện đại, tuy vậy việc pháttriển các máy thu tiên tiến dựa trên tín hiệu hệ thống GALILEO vẫn được tiếp tụcnghiên cứu và phát triển

Một máy thu GALILEO có nhiệm vụ cung cấp các giải pháp định vị và điềuhướng dựa trên việc phân tích, xử lý tín hiệu nhận đươc từ các vệ tinh của hệ thốngGALILEO Hoạt động của thiết bị theo quy trình như sau :

Sau khi thu thập và theo dõi các tín hiệu từ các vệ tinh mà thiết bị có thể nhìnthấy Chương trình ứng dụng trên thiết bị thu sẽ thưc hiện việc giải mã các thôngđiệp dẫn đường được gửi từ các vệ tinh Các dữ liệu này chứa tất cả các thông sốcần thiết cho phép chương trình trên thiết bị thu tính toán chính xác vị trí hiện tại.Bốn loại dữ liệu cần thiết để có thể định vị bao gồm :

- Lịch thiên văn - Ephemeris: Đây là thông số cho phép người sử dụng biếtđược vị trí hiện tại của vệ tinh

- Thời gian và thông số điều chỉnh đồng đồ : Thông số này cần thiết để tính

toán giả nhiễu.

- Tham số dịch vụ: Đây là thông số cần cho việc xác định các tập hợp dữ liệuđịnh vị, vệ tinh, độ mạnh tín hiệu

- Dương lịch: Sử dụng để tính toán vị trí của tất cả các vệ tinh trong chòm saovới độ chính xác giảm nhằm cải thiện thời gian cần thiết cho quá trình thu thập dữliệu ban đầu

Đối với các máy thu 1 tần số, các thông số về nhiễu và trễ tín hiệu khi đi quatầng khí quyển được sử dụng trong tính toán để cho ra kết quả chính xác

Hiện nay, việc phát triển các bộ thu cho tín hiệu GALILEO xoay quanh việcgiải quyết 3 nhiệm vụ là : phát triển khả năng xử lý của hệ thống, độ bao phủ của tínhiệu, và dịch vụ cung cấp

Sau đây là sơ đồ khối của 1 máy thu GALILEO:

Hình 2.1 Sơ đồ khối của máy thu GALILEO [4]

Xử lý tương tự: Khối này làm nhiệm vụ thu các thông tin được gửi xuống từ

vệ tinh của hệ thống Nó có thể bao gồm các phần sau :

- Bộ khuếch đại nhiễu thấp - LNA

- Mạch giải điều chế các tín hiệu từ vệ tinh

- Bộ lọc thông dải

- Bộ ADC để đưa tín hiệu tương tự về dạng số cho khối Digital Hardware xử lý

Xử lý tín hiệu số : Hiện nay, người ta sử dụng 2 công nghệ dùng cho bộ thu là

: Bộ thu cứng và bộ thu mềm

- Đối với bộ thu cứng thì khối digital hardware được thiết kế thành một IC

ASIC chuyên dụng Phương pháp này có ưu điểm cho tốc độ xử lý tín hiệu nhanh.

- Đối với bộ thu mềm thì khối digital hardware sử dụng các vi xử lý như DSP,FGPA…, và triển khai các module phần mềm lên trên đó Ưu điểm của nó chính làtính linh hoạt trong quá trình phát triển và sử dụng

Khối Acquisition : có vai trò thu thập dữ liệu được gửi về từ các vệ tinh Dữ

liệu dưới dạng analog sau khi đi qua tầng Analog ở đầu vào máy thu sẽ đượcchuyển tới khối này

Sau đây là sơ đồ khối của Acquisition

Hình 2.2 Sơ đồ khối Acquisistion trong máy thu GALILEO [4] Khối Tracking : Khối này bao gồm các FLL và PLL Dựa vào các tín hiệu ở

ngõ ra bộ Acquisistion Thông qua các bộ PLL và FLL, khối tracking tính toán vàxuất ra các tín hiệu điều chỉnh Carrier NCO hồi tiếp ở ngõ vào bộ Acquisistion Sơ

đồ hoạt động của 1 vòng lặp tracking như sau

Hình 2.3 Sơ đồ hoạt động của vòng lặp tracking cho tín hiệu E5 [4]

Hình 2.4 Sơ đồ khối của vòng lặp PLL [4]

Hình 2.5 Sơ đồ khối của vòng lặp FLL [4]

2.1.2 Bộ phát tín hiệu GALILEO

Trong hệ thống GALILEO, các vệ tinh sẽ có vai trò thực hiện việc truyềnthông tương tác với các trạm quan sát, trạm điều khiển mặt đất Phát đi các thôngđiệp dẫn đường tới các thiết bị thu trên mặt đất

Sau đây là sơ đồ khối cho vệ tinh GIOVE-A :

Hình 2.6 Sơ đồ khối vệ tinh GIOVE-A [4]

Trong hệ thống này, khối Payload được thiết kế để phát đi các thông điệp dẫnđường bao gồm các thông tin E5,E6,E1,E2,L1 Trong hệ thống nó có các chức năngsau :

1 Tạo ra các thông tin dẫn đường, định vị, điều chỉnh tầm phủ của tín hiệu,các mã Sau đó điều chỉnh các thông tin này vào 1 trong 4 thông kênh truyền điềuhướng

2 Lấy các dữ liệu tải lên vệ tinh thông qua dải S-band trong khối truyền thôngbên trong vệ tinh

Sau đây là sơ đồ khối của khối payload