Sổ tay hàng hải - T1 - Chương 22

Sổ tay hàng hải - Tập 1 - Chương 22: Hệ thống định vị toàn cầu GPS

22

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

22.1 Cấu trúc hệ thống GPS

Hệ thống NAVSTAR/GPS, viết tắt từ chữ Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Poistioning System, 14 hệ thống dùng vệ tỉnh đạo hàng đo khoảng cách và thời gian tạo thành hệ

thống định vị toàn câu Ngày nay gần như thành thói quen, toàn thế giới công nhận và gọi nó là

Hệ thống định vị toàn cầu viết tắt GPS

Hình 22.01 như trên bộ, trên biển, trong không trung và không

gian, vào bất cứ lúc nào (24/24) cho tất cả các

hoạt động dân sự và quân sự trong mọi lĩnh vực với độ chính xác cao

GPS dùng trong hàng hải thương mại có độ chính xác trên mặt phẳng khoảng 100 mét Độ chính xác khi xác định chiều cao trong không trung là 157 m GPS dùng trong lĩnh vực quân

sự, với bộ mã tuyệt mật, có độ chính xác chừng 3 mét,

Trong lĩnh vực dân sự nếu sử dụng kỹ thuật GPS vi phân (DGPS) thì có thể nâng cao độ

chính xác của vị trí lên vài mét

Bên cạnh việc xác định vị trí trong không gian ba chiều (kinh, vĩ độ và độ cao trên mặt

biển), GPS còn cung cấp các thông tin về tốc độ người quan sát và giờ thế giới UTC

Việc thiết lập hệ thống GPS mang lại sự biến đổi mang tính thời đại sâu sắc trong lĩnh vực định vị và dẫn đường trên mặt đất mặt biển không trung và không gian

GPS hợp thành bởi 3 bộ phận: bộ phân không gian, bộ phận mặt đất và người quan sát (người sử dụng)

22.1.1 Bộ phận vệ tỉnh trên không gian

Phần trên không gian của GPS gồm 24 vệ tỉnh, hình 22.01, bao phủ khắp bầu trời ở độ cao gần 20.200 km Chu kỳ của vệ tỉnh là 12 giờ trên quỹ đạo vòng quanh trái đất Trong số 24

vệ tỉnh có.21 vệ tỉnh hoạt động và 3 vệ tỉnh dự trữ, chúng được bố trí trên 6 quỹ đạo, mỗi

quỹ đạo chứa 4 vệ tỉnh Các vệ tỉnh được sắp xếp sao cho ít nhất 4 trong số 24 vệ tinh bat :cứ lúc nào cũng nằm trong tầm nhìn của một người quan sát trên bể mặt trái đất Mỗi vệ tỉnh đều phát các tín hiệu vô tuyến trên hai tân số, trong đó chứa các thông tin về thiên cẩu, vị

SO TAY HANG HAI §71

trí vệ tinh, dữ liệu biệu chỉnh sóng vô tuyến, các thông tin về thời sai, tình trạng vệ tỉnh v.v

GPS áp dụng vệ tinh kiểu Block W như hình 22.02, nặng 774kg đường kính 1,5 mét, dùng pin năng lượng mặt trời dài 5,33m, diện tích tiếp nhận ánh sáng 7,2m Vệ tỉnh phát tín hiệu trên

sóng Lụ (1 575,42MHz) và Lạ (1 227,6MHz) Trên vệ tỉnh còn có anten thông tấn dùng để

liên lạc với mặt đất trên băng sóng § (1783,74MH?)

Vệ tỉnh mang theo đồng hỗ nguyên tử, các thiết bị tạo mã

truy theo, thiết bị điều chế tín hiệu máy thu và máy phát

Đồng hồ nguyên tử caesium (CS) cung cấp thời gian với sai

số 1 giây trong 3 triệu năm Máy thu liên lạc với mặt đất

thông qua băng sóng S, tiếp nhận tín hiệu đạo hàng, lịch vũ

trụ, tham số hiệu chỉnh giờ vệ tỉnh, các loại tín hiệu lệnh

điều khiển từ mặt đất Tín hiệu đạo hàng được tính trữ vào

bộ nhớ Tín hiệu đạo hàng cùng với tín hiệu mã đo

khoảng cách được điều chế trên băng tân L¡ và Lạ rồi phát

để đầm bảo sự đồng bộ thời gian với thời gian chuẩn và vị trí trên trái đất Các dữ liệu này

được truyền về trạm điều khiển chính

' E1 + ¡ [Miểm soát : 1 -_ |eäng suất :

thông số vệ tỉnh, đưa ra các lệnh điều khiển rồi truyển chúng đến các trạm dẫn động, định giờ phát đến các vệ tỉnh GPS

22.13 Máy thuGPS người sử đụng

Mục đích cuối cùng của hệ thống là máy thu GPS của người sử dụng trên mặt đất tiếp thu

các tín hiệu từ vệ tỉnh để xác định vị trí Máy thu GPS thu nhận tín hiệu từ ít nhất 4 VỆ tỉnh,

may thu bao gồm máy tính điện tử tự lựa chọn nhóm vệ tỉnh để tiếp nhận tín hiệu, xử lý và

tính toán vị trí của tàu gồm vĩ độ, kinh độ, thời gian, tốc độ, hướng đị một cách chính xác và

hiển thị lên màn hình

Máy thu GPS§ được thiết kế thành nhiều loại khác nhau: máy thu GPS cho phương tiện cao

tốc dùng trên máy bay và đạn đạo tốc độ cao, máy thu cho phương tiện trung tốc đùng cho

máy bay dân dụng tốc độ đưới 400km/giờ và máy thu dùng cho phương tiện tốc độ thấp để

xác định vị trí tàu biển, ôtô, du lịch trên bộ

Hệ thống định vị toàn cầu ứng dụng rộng rãi trên đất liễn, hàng không, hang hải, trong các

lĩnh vực quân sự và dân dụng

22.2 Nguyên lý xác định vj tri bing GPS

22.2.1 Khái niệm cơ ban

Để giải thích một cách đơn giản, theo như hình 22.04, đầu tiên giả sử đã biết vị trí của hai

vệ tỉnh trong không gian, cả hai vệ tỉnh và máy

thu của người sử dụng đêu trang bị các đồng

hd déng bộ với nhau Khi vệ tinh phát ra một

tín hiệu vào thời điểm được ghi lại trên đồng

hỗ người sử dụng và người sử dụng thu nhận

được tín hiệu đó sau lgiây, thời lượng sóng

truyền lan từ vệ tinh đến người sử dụng là t, đễ

:hiểu rằng khoảng cách giữa vệ tỉnh và máy thu

người sử dụng là c x † (trong đó c là tốc độ sóng

rađiô trong khong gian bing 300.000km/s) Vi

trí của người quan sát nằm trên một quả câu

tưởng tượng có bán kính R= c x t, tâm của quả

cầu này nằm đứng vị trí của vệ tỉnh vào thời

điểm nó phát tín hiệu VỊ trí người quan sát vừa

nằm trên quả cầu tưởng tượng vừa nằm trên

trái đất, cho nên vị trí đó chắc chắn nằm trên

đường giao nhau của mặt quả cầu và mặt trái

đất, đó là đường vị trí thứ nhất A Cùng cách HÌnh 22.04

như vậy, đồng thời đo khoảng cách đến một vệ

tỉnh khác ta có đường vị trí thứ hai B Hai đường vị trí này cắt nhau tại hai điểm, trong đó điểm P là vị trí của người quan sát Hai điểm đó thường cách nhau rất xa nên không thể nhằm lẫn được

Bằng cách sử dụng hai vệ tỉnh thì xác định được hai dữ liệu thời gian mà tín hiệu đi từ vệ

tinh đến trái đất, Thoạt tiên, nhận thấy rằng chỉ hai vệ tỉnh là đủ để xác định kinh độ và vĩ

đo một điểm trên trái đất (nơi đạt máy thu) Tuy nhiên, cần phải có một dữ Hiệu thứ ba trong

phương trình đó là sai số của đồng hỗ người quan sát so với đồng hô trên vệ tỉnh, vì vậy đòi

SỐ TAY HÀNG HẢI 879

hồi phải đo khoảng cách của vệ tỉnh thứ ba Mặt khác, trên tàu thuỷ độ cao trên mực nước

biển là môt số liệu đã biết, nhưng với người quan sát trên máy bay trong không trung hoặc

trên lục địa thì phải xác định được độ cao đó Trong các trường hợp như vậy, cần thiết phải

có tối thiểu 4 vệ tinh đồng thời mới giải được các bài toán về kinh, vĩ độ và độ cao

Vị trí hình học của các vệ tỉnh trong không gian phải được sắp xếp sao cho các đường vị trí LOP mà chúng tạo ra luôn cất nhau 90° để đầm bảo độ chính xác của vị trí

Để thực hiện việc đo khoảng cách, có 3 vấn để cần giải quyết:

1 Xác định mối quan hệ giữa đồng hễ máy thu GPS của người dùng với đồng hỗ trên vệ tính

2 Phương pháp đo thời gian với độ chính xác cao, sai số thời gian 0,1ps (1073) tương đương với

sai số đo khoảng cách là c x t=3 x 10” x 10”=30mét

3 Thông báo cho người sử dụng thời gian chính xác mà vệ tỉnh phát tín hiệu

Đưới đây lần lượt trình bày cách giải quyết các vấn đề này

22.2.2 Đông hồ

Ở tại trạm điều khiển chính các trạm giám sát và trên các vệ tính được trang bị loại đồng hồ

có độ ổn định rất cao, đó là loại đồng hỗ laser caesium hoặc hydrogen Đông hồ nguyên tử

chỉ báo chu kỳ của đao động được tạo ra bởi một bộ dao động đã xác định thời điểm bắt đầu

biểu thị bằng "0" Vé cơ bản, độ chính xác của bộ dao động quyết định độ chính xác của

việc đo thời gian của lộ trình truyền lan sóng, do đó cũng quyết định độ chính xác của việc

xác định vị trí Bộ dao động có độ ổn định tần số cực kỳ cao chỉ có sai số 2x10? chu

kỳ/ngày

Thay vì đo thời gian bằng đơn vị giây theo cách thông thường, đồng hồ nguyên tử đo thời gian bằng đơn vị nanô giây (1 nanoseconds = 10s) Người quan sắt cần phải biết chính xác đồng hỗ vệ tính nhanh hơn hay chậm hơn đồng hồ người quan sát là bao nhiêu Tuy nhiên không thể nào xác định con số này bằng tín hiệu phát từ vệ tỉnh bởi vì thời gian của lộ trình

tín hiệu cùng như vị trí của người quan sát đều chưa biết

Đông hô trạm chủ và đồng hổ các trạm giám sát đều dùng thời gian UTC gọi là thời gian

GPS Thời gian GPS được coi như là thời gian chuẩn của hệ thống

Thời gian trên đồng hỗ vệ tỉnh gọi là thời gian t„ ( space vehicle time), thi gian nay có thể lệch so với thời gian GPS, độ lệch này trên mỗi vệ tỉnh là khác nhau Đông hồ ở máy thu của người quan sát thông thường sử dụng đồng hỗ "quatz" độ chính xác kém hơn đồng hỗ vệ

tinh

22.2.3 Xác định vị trí của vệ tỉnh

Với bốn trạm giám sát đặt trên trái đất có vị trí đã biết, các trạm này nhận được tín hiệu phát

đi từ một vệ tỉnh, từ đó có thể xác định vị trí của vệ tinh Biết được vị trí của vệ tỉnh và lực tác dụng lên nó thì hoàn toàn có thể tính toán được chuyển động của vệ tỉnh ở các quỹ đạo

kế tiếp

Bốn trạm giám sát không thu đồng thời tín hiệu từ các vệ tỉnh mà nó thu tín hiệu của một vệ

tính bất cứ lúc nào có thể Mỗi một trạm giám sát ghi nhận thời điểm tín hiệu đến của tất cả

các vệ tỉnh theo thời gian GPS và chuyển chúng sang trạm điều khiển chính Nhờ vị trí của

bốn trạm giám sát đã biết và thời điểm đến của các tín hiệu vệ tính từ các trạm giám sát đưa

SO TAY HANG HAI 880

sang, tram diéu khiển chỉnh không những xác định được vị trí của vệ tỉnh trong không gian

ba chiêu mà còn xác định được thời điểm các tín hiệu đó phát đi từ vệ tỉnh, xác định độ lệch

thời gian At„ của từng vệ tỉnh đối với thời gian chuẩn GPS Từ những dữ liệu đó, vị trí dự

báo sắp tới của vệ tỉnh cũng như sai số của đồng hỗ Atz được báo trở lại vệ tỉnh, chúng được lưu trong bộ nhớ của vệ tỉnh và phát thường xuyên về phía người sử dụng

22.2.4 Nguyên lý đo thời gian của lộ trình truyền sóng

Theo như hình 22.05, đồng hỗ vệ tỉnh phát tín hiệu thời gian tạy vào thời gian t = 0 theo giờ

GPS, giữa tạ„ và thời gian GPS có sai số là Aty, cứ mỗi 1 nanosecond sai số thì gây ra sai

số khoảng cách là c x10” = 3 x 102= 0,3m

Atx được xác định bởi trạm điều khiển chính và phát đi cho mỗi vệ tỉnh riêng biệt và tích

luỷ ở đó, mỗi vệ tỉnh phát trở lại cho máy thu người sử đụng Máy thu người sử dụng có thể cộng hoặc trừ giá trị At„ vào giờ GPS trước khi tiếp tục xử lý tín hiệu Để đơn giản, trên hình 22.05 coi như giờ t„ đã được hiệu chỉnh At,v

! điến máy thy GPS =

Alyy tueQty+ ata)-tey |

Máy thu GPS người sử dụng xác định thời gian của lộ trình sóng vô tuyến truyền lan từ vệ

tỉnh đến máy thu GPS bằng [tu+(Atu+Atu)], trong đó bao gồm cả sai số của bần thân đồng

hỗ máy thu At, và sai số truyền lan của sóng Ata Các sai số đó đêu được trạm điểu khiển chính xác định và truyền đến máy thu Bằng cách tính toán, so sánh, máy thu GPS có thể tìm

ra thời gian thật của lộ trình truyền sóng, từ đó giải ra các toạ độ vị trí và các thông số cần thiết khác

22.3 Mã ngẫu nhiên giả (Pseudo Random Noise - PRN)

22.3.1 Lợi ích của mã ngẫu nhiên giả

Hệ thống Decca dùng phương pháp so sánh pha, còn hệ thống Loran thì dùng phương pháp

hiệu số thời gian của xung để thiết lập các đường đẳng trị khoảng cách dạng parabol giúp

cho việc xác định vị trí Cả hai phương pháp đều có những hạn chế vì không giải quyết được thoả đáng những mâu thuẩn giữa việc nâng cao độ chính xác với việc mở rộng tầm xa hoạt động của hệ thống

SO TAY HANG HAI 881

Hệ thống dẫn đường vệ tỉnh NNSS cũng sử dụng cách đo hiệu khoảng cách để xác định vị trí Hiệu khoảng cách đo bằng cách tính sự dịch chuyển tần số Doppler của sóng mang phát

từ vệ tỉnh Nhưng NNSS không thể định vị liên tục, không thích ứng dùng cho loại phương tiên cao tốc, hơn nữa độ chính xác cũng không đáp ứng yêu cầu đặc biệt trong khoa hoạc

không gian, quân sự

Các hệ thống định vị nói trên không thể đạt được những yêu cầu cao như hệ thống GP§ vì

GPS áp dụng một loại tín hiệu đo khoảng cách đạt các yêu cầu sau đây:

1 Để tiện cho máy thu người sử dụng, các vệ tỉnh của GPS phát sóng từ độ cao 20 200 km về

phía mặt đất Tín hiệu này có cường độ thấp hơn các tín hiệu của các hệ thống xác định vị trí

đặt trên lục địa

Mặt khác, để không gây nhiễu đến việc thu nhận trên mặt đất đồng thời đảm bảo nguồn điện mặt trời đùng cho vệ tỉnh, Ủy ban tư vấn vô tuyến điện quốc tế và Liên minh điện tín quốc

tế quy định tất cả vệ tỉnh trong không gian phát sóng, cường độ của sóng khi đến mặt đất

không được vượt quá -154đBW Một tín hiệu như vậy là quá yếu, bị lẫn trong tạp âm trên

mặt đất Đối với các nhu cầu khác về quân sự, không gian, khí tượng ., người ta sử dụng

các trạm thu vệ tỉnh bằng các chão anien parabol đường kính lớn tiếp nhận các tín hiệu vệ

tinh để hội tụ, nâng cao cường độ tín hiệu sau đó mới đưa vào xử lý Nhưng cường độ của tín hiệu vệ tỉnh GPS khi về đến trái đất chỉ từ -155đBW ~ -158dBW, không thể đòi hồi các phương tiện sử dụng máy thu GP§ mang theo các chão anten parabol lớn Phải tìm một phương pháp mới để thu nhận tín hiệu GPS đo khoảng cách và giải pháp kỹ thuật tương ứng

giải quyết vấn để đó Đó là kỹ thuật thu "tự tương quan", sẽ giải thích ở phần sau

2 GPS do Bộ quốc phòng Mỹ sáng lập dùng cho mục đích quân sự, vì vậy tín hiệu GPS phải được đảm bảo tuyệt mật, nó chỉ được áp dụng một phần công năng cho dân sự với độ chính

xác thấp hơn

Qua quá trình nghiên cứu lâu đài, người ta đã m được hình thức lý tưởng vừa đảm bảo đo

khoảng cách đến vệ tỉnh đồng thời bảo mật thông tin, đó là kỹ thuật mã ngẫu nhiên giả (Pseudo Random Noise, viết tắt là PRN)

Dùng mã PRN đo khoảng cách đạt đến độ chính xác lý tưởng, mã PRN đó cũng sử dụng cho thông tin cũng đạt đến mức bảo mật cao Khi phóng phi thuyển APOLLO lên mặt trăng Mỹ

đã dùng mã PRN dé theo dõi vị trí của hoá tiễn Hệ thống GPS hiện đang áp dụng loại mã

này Vậy, PRN là gì?

22.3.2 Tín hiệu mã hoá

Tín hiệu mã hoá phát đi từ vệ tính bao gồm các chuỗi điện áp (+) và (-), gọi là "chip", thời

gian kéo dài của "chip" gọi là chu kỳ chip (chip length hay chip period) Hình 22.06 mô tả

một chuỗi chip gọi là tín hiệu PRN Các chuỗi "chíp" điện áp liên tục do vệ tỉnh phát đi là

giống nhau Các chuổi này do mạch logich tạo ra Mỗi mạch logich trên vệ tỉnh có thể tạo ra

nhiều chuỗi khác nhau Tín hiệu phát từ trạm điều khiển chính sẽ phát lệnh cho phép sử

đụng chuỗi nào thì vệ tỉnh, nhận được lệnh sẽ sử dụng chuỗi đó

Nói chính xác hơn, mã PRN gồm một dãy các chữ số theo hệ đếm nhị phân (tương ứng với các giá trị "+" và "-" ở hình 22.06) có các đặc tính như có thể xác định trước, đồng thời có thể lập lại, và đặc biệt có đặc tính " tự tương quan" (Auto-correlation) rất tốt giống như đặc

tính vốn có của nhiễu tạp âm

SỐ TAY HÀNG HẢI 882

Mỗi vệ tỉnh phát hai mã, mã C/A và mã P ( hoặc Y) như hình 22.06

i Chiều dài Mã của chuỗi 1 ms gồm 1000 chip Tế gu

1 Chiều dai mat tudn we!” J

T Mã mới bắt đầu từ 0000 độm Thứ bày / Chủ nhật

bì

Hình 22.06

1 Mã C/A

Ma C/A ( Coarse Aquisition Code) được sử dụng ở " Dich vụ xác định vị trí tiêu chuẩn SPS

(SPS - Standard Positioning Service)

xn Đây là loại mã ngắn, tần số "chip" của mã C/A là 1,023 MHz ( số lượng chip trong một giây), chiều dài của chip 0,9875Is, tương đương 293 mét, chiều đài của một chuỗi mã (code length) Ims =1000us Vì vậy mỗi một chuỗi gồm có 1000/0,9975 #1000 chip, cứ sau mỗi

ms thi chuỗi mã lập lại một lân

2 MấãP

Mi P ( Pricision Code) được sử dụng ở "Dịch vụ xác định vị trí chính xác PPS " ( PPS -

Precise Positioning Service ),

Tần số "chip" của mã P là 10,23MHz, chiều dài của chip 99,75ns, bing 1/10 chiéu dai chip của mã C/A Chuỗi mã P kéo rất dài, mỗi vệ tỉnh phát mã P trong 7 ngày một lần, cứ vào giữa đêm thứ bảy 0000 giờ thì bắt đầu một chuỗi mã mới, trong mỗi tuân lễ chuối không lặp

lại

Mã P áp dụng cho việc đo hiệu thời gian bằng "tự tương quan", nhưng chiểu dài của mã dài như vậy gây khó khăn cho máy thu GPS và đặc biệt tiêu tốn thời gian để dò tìm phần mã Vì

vây, cứ 6 giây một lần, máy phát vệ tỉnh sẽ phát thời gian kéo dài của chuỗi mã P kể từ lúc

bắt đầu chuỗi mã P, nhờ đó giúp cho máy thu có thể xác định được nhanh chóng các phân

mã P tương ứng Thời gian kinh qua từ khi bắt đầu phát chuỗi được tính bằng đơn vị 1,5s (gọi

là 1 zecond, Z) Trong nội dung bản tin phát từ vệ tỉnh cho máy thu người sử dụng có chỉ rõ

số lượng Z, trong đữ liệu "HOW" ( Hand Over Word)

Mã P được bảo mật, dùng cho quân sự, chỉ có loại máy thu chuyên dụng với độ chính xác cao mới dùng mã P

3 Bản tin đạo hàng

Bản tin đạo hàng cũng được điều chế bằng tần số L¡ và Lạ và được phát liên tục với tốc độ

50 bit/s (bps) Cac déf ligu trong ban tin dao hàng bao gồm: lịch sao, thời gian, sai số đồng

hỗ, lịch thiên văn và thông báo trạng thái hoạt động của hệ thống

SO TAY HANG HAI 883

Hình 22.07 là định dạng bần tin dữ liệu đạo hàng, bản tin gồm các khối (Frame) dữ liệu 1500

bit, 30 giây Mỗi khối gồm các khối nhỏ (Subframe) 300 bit, mỗi khối nhỏ phát trong 6 giây

với tốc độ 50 biUs

8UBF.RAME _— ONE BUHFRAME » 900 BITS, 6.8ECONDS —A

1 | how | sv.cLock CORRECTION:DATA T

ONE

2 [mm | now| $V EPHEMERIS DATA (I) DATA

3 SV EPHEMERIS DATA (II) FRAME

25 PAGES OF SUBFRAME 4 AND S= 12.5 MINUTES ~

OTHERDATA{IOND, UTC, ETc) | 1500 BITS

30 SECONDS

« [nu [now[ammacontaronauers | |

Ke ONE WORD = 30.BITS, 24 DATA,S PARITY —À|

HANDOVER WORD [ tT-BHTTHME OF WEEK [pata | parry]

DINH DANG DU LIEU BAO HANG GPS

Hinh 22.07

Hai ty 44u tién trong mdi kh6i nhé 1a TLM ( Telemetry Message- Bản tin điều khiển từ xa)

va HOW (Hand Over Word) Cac néi dung con lại trong các khối nhỏ gồm các đữ liệu hiệu chỉnh đồng hô, lịch sao cho vệ tỉnh, các dữ liệu về tâng ion khí quyển, giờ thế giới, lịch thiên vin Tin hiệu đữ liệu đạo hàng cùng được điều chế theo tần số sóng mang và được vệ tinh

phát đi cùng với mã C/A và P

22.3.3 Tần số sóng mang của vệ tỉnh

Như mô tả trên hình 22.08, mỗi một vệ tỉnh mang theo một bộ dao động tạo tần số dao động 10,23 MHz được ổn định bằng đồng hồ nguyên tử caecium, tần số đó thông qua mạch bội

tần 154 để có tân số Lụ= 1575,42MHz (A= 19 cm) và mạch bội tần 120 để có tẫn số Lạ =

1227,6MHz (Â = 24 cm) Hai tần số này điều chế hai loại mã PRN, đó là mã P để phát trên 2 tần số L¡ và Lạ và mã C/A chỉ phát trên tần số Là

Hai tín hiệu mã C/A và P được phát đồng thời và liên tục dùng cùng tần số sóng mang Trên

máy thu GPS 4p dụng kỹ thuật điện tử để tách rời hai mã

Các thông tin như âm nhạc, hình ảnh và đữ liệu thông thường được điểu chế bằng tấn số

hoặc biên độ hoặc pha trên sóng mang của máy phát, còn tín hiệu GPS thì được điêu chế

pha theo mã P hoặc mã C/A

22.4 Nguyên lý đo khoảng cách đến vệ tinh, đo tốc độ đi chuyển của người sử dụng

22.4.1 Kỹ thuật thu “tự tương quan ”

Trên máy thu người sử dụng có tất cả các mã C/A của các vệ tinh và dùng nó thiết lập "tự tương quan" với tín hiệu thu nhận được từ vệ tỉnh để đếm thời gian chính xác

Phương pháp tự tương quan được áp dụng để xác định thời gian đến của mã phát từ vệ tỉnh

SO TAY HANG HAI — 884

Hình 22.09 mô phỏng một cách đơn giản kỹ thuật thu “tự tương quan” Trục số 1 biểu thị trục

thời gian gồm 15 phần tử 1s Trục số 2 biểu thị một chuỗi 10 "chip" mà máy thu GPS nhận được từ vệ tỉnh, mỗi chuỗi tiếp theo đều tương tự như chuỗi trước đó

Mã G/A1,023MHz |(L023MbiE/3) ATTA ~

Tao ma C/A k Mã P 10,23MHz (10.23Mbits/s)

(Bản in đạo han we lâu

và lệnh điểu khiển) Dữ liệu Nav/Systam )(S0bits/s) |

is a

aL ¡| RỊ! BỊ Em Rị Một chi 10 chip

py ttt LT Et tt | Bản sao bất dfu tity =0,

ott) FL GET Fr tt te tong cing pha vi chub 2,

=<]: H ¡ | |C| ¡ï ¡ | ¡ | địch chuyển từmg bước 1us,

+17 1E} 1 is gq

Ett [rị | Bị [rTr] yb aan sao aa dich chuyén Sus

vn =EitE —[ T=] d8n cing pha, vì vậy tụ = 5s

ty =

Đồng hồ u=B, máy thu GPS

Hình 22.09

Trên trục số 3 là chuỗi bản sao (Replica), giống như chuỗi phát từ vệ tỉnh, do ban than máy thu tạo ra Chuỗi bản sao dịch chuyển từ trái sang phải theo từng nấc lụs bắt đầu từ tạ =0 theo sự khống chế của đồng hồ máy thu

SO TAY HANG HAI — 885

Ở giai đoạn ban đầu ta nhận thấy chuỗi bản sao và chuỗi "chip" thu nhận từ vệ tỉnh không đông pha với nhau, nhưng chuỗi bản sao dịch chuyển (điêu khiển bằng đồng hô) cho đến khi

hai chuỗi cùng pha thì tín hiệu tổng hợp đột biến tăng lên thành giá trị cực đại Khi có điện

áp tín hiệu đạt giá trị cực đại, thông qua mã phản hồi, chuỗi bản sao bị chặn lại không dịch chuyển nữa

Chỉ cần đếm phần tử 1ụs từ khi chuỗi bản sao bắt đâu dịch chuyển đến khi xuất hiện điện áp

cực đại là xác định được thời gian trễ At, (của khoảng cách giả) của mã C/A Trong ví dụ

mô phỏng trên, chuỗi sao chép địch chuyển 5s, đó chính là thời gian trễ của tín hiệu mã từ

vệ tỉnh đến máy thu GP§ ngưới sử dụng Hình 22.10 là sơ đỗ khối của mạch thu “tự tương

quan”, trong đó đồng hồ máy thu giữ vai trò điều hoà mạch tạo bần sao, thông qua kỹ thuật

“tự tương quan” để lấy ra dữ liệu xác định độ trễ thời gian At, chuyển cho máy tính để xử lý

Máy thu GPS gồm có các linh kiện, mạch điện tử dùng để thu, giải điểu chế và xử lý tín

hiệu thu được từ vệ tỉnh Máy tính trong máy thu đã có sắn lịch sao của các vệ tỉnh, các dữ

liệu liên quan đến vị trí chính xác của vệ tinh Hình 22 I1 là sơ đỗ khối của máy thu GPS Máy thu thực hiện việc giải điểu chế sóng mang, tân số 50Hz được tách khỏi sóng mang để chuyển thành dữ liệu

wr) ee eat ent ee Hiệu chuẩn data bit

khuếch đại và kiểm soát| đê0 HÀNH | Đồng mức dữ liệu

GIÁ 1 Cy ly gid (Peeudo-Range)

Mỗi khi một vệ tỉnh được thám sát thì nó sẽ cập nhật tất cả vị trí của các vệ tỉnh khác sao

cho có thể tính toán địch chuyển doppler và: vị trí của chúng

Máy thu GPS cần phải điểu hưởng theo sự dịch chuyển tần số doppler để có thể tiếp thu được tín hiệu từ vệ tỉnh Sự dịch chuyển tần số đoppler nằm trong khoảng 0~2400Hz

Máy tính trong máy thu được cài đặt để tính toán X,Y, Z, t từ bốn vệ tỉnh, chuyển các dữ liệu

SO TAY HANG HAI 886

tính toán sang kinh độ và vĩ độ và thời gian GPS và chuyển đổi thành giờ thế giới UTC

Đo hiệu thời gian đối với mã P

Quá trình xác định thời gian đến của chuỗi tín hiệu mã P trên máy thu GPS về cơ bắn cũng giống như đối với chuỗi tin hiéu ma C/A, nhưng có hai khác biệt:

- Chiểu đài của mã P là một tuân lễ Mỗi tuần thay một mã mới, vì vậy không bị can nhiễu

- Chu ky ctia "chip" ma P 100ns, bằng 1/10 của chu kỳ của "chip" mã C/A, vì vậy dùng kỹ thuật "tự tương quan" để đo hiệu thời gian có độ chính xác cao hơn nhiều

Lại ích của việc áp dụng kỹ thuật "tự tương quan”

Việc áp dụng kỹ thuật "tự tương quan" để xác định thời điểm đến của mã thể hiện các ưu điểm khái quát như sau:

a Bình thường tín hiệu vệ tỉnh luôn luôn thấp hơn mức nhiễu tạp âm, không thể nào thu

được theo cách thông thường Nhưng bằng kỹ thuật "tự tương quan” có thể tạo ra tín hiệu

điện áp cao vượt lên trên mức nhiễu làm cho tín hiệu được thu nhận khá dễ dàng

b Tần số của "chip" cao nên tạo ra điện áp đỉnh rất cao trong mạch "tự tương quan" làm nâng cao độ chính xác khi đo thời điểm tín hiệu vệ tỉnh đến theo đơn Vị ns

c Chỉ có thể sử đụng hệ thống GPS khi máy thu GPS người sử dụng có bản sao của chuỗi tín

hiệu mã mà nó được phát đi, nhờ phương pháp "tự tương quan" nhà chức trách (Mỹ) có thể hạn chế việc sử dụng hệ thống GPS đối với một số trường hợp nào đó :

d Tín hiệu mã vệ tinh luôn ở mức thấp hơn nhiễu tạp âm, nó không gây nhiễu, cho nên tần

số sử dụng có thể không cần các cơ quan quần lý cho phép

22.4.2 Phương trình xác định vị trí

Vi ma P giành cho quân sự, cho nên không cần giải thích ở đây ứng dụng của nó Dưới đây giải thích cách xác định vị tri bằng mã C/A Hình 22.12a mô tả mối quan hệ giữa các đại lượng theo công thức dưới đây ở vệ tinh số 1

Hình 22.12b cho thấy, các tín hiệu vệ tỉnh được máy thu người sử dung thu được ở các thời

điểm khác nhau tụi, fụạ; tạa và mối tương quan của nó với các loại sai số

Như đã nói, cự ly giả được xác đỉnh bằng kỹ thuật thu tự tương quan Mã C/A trên mỗi vệ tính là do đồng hồ của vệ tinh ấy khống chế, còn mã C/A trên máy thu GPS người sử dụng

là do đồng hổ máy thu khống chế Khí thu tín hiệu, bằng kỹ thuật tương quan, thời gian trễ là hàm số của khoảng cách giả (Pseudo range) giữa máy thu GP§ và một vệ tỉnh nào đó Đặt Rạ¡ là khoảng cách giả , ta có,

Ro = Ri +c.Ata: + c(At,-Aty)

Trong đó,

Rại - Khoảng cách giả đến vệ tỉnh sế1

Rị- Khoảng cách thật từ máy thu GPS người dùng đến vệ tinh s61

Altun - Độ lệch giữa thời gian đồng hỗ vệ tỉnh số 1 và thời gian chuẩn GPS

- Độ lệch giữa thời gian đồng hỗ máy thu người sử dụng và thời gian chuẩn GPS

Atai - Sai số thời gian truyễn sóng và các sai số khác của vệ tỉnh số 1

tue tua tur tus t

bị thư người sử dựng

HÌnh 22.12

Hệ quy chiếu toàn câu WGS-84 được sử dụng làm hệ thống toạ độ tham chiếu chung cho

hệ thống GPS Khi đặt hệ toạ độ Đê-các vào tâm trái đất, mặt phẳng x-y trùng với mặt phẳng xích đạo, trục x nằm trên mặt phẳng kinh tuyến Greenwich như hình 22.13, toạ độ người sit dung (Xu, Yu, Zu), toa độ của vệ tỉnh 1 (Xị, yị, Z4), thì khoâng cách thật giữa vệ tỉnh 1

và người sử dụng tính theo phương trình,

® =Œ ~x„)” tỚni — y„)” +(2¡ =Zz„Ÿ Vậy khoảng cách giả đến vệ tình số 1 có thể diễn đạt như sau,

Rar = VO — x, tO - YY +2) +e Ata + e(AtrAtea)

SO TAY HANG HAI — 888

Trong phương trình trên, các đại lượng vị trí vệ tính (xị, y¡, Zj) và Atvy do máy thu GPS

người sử đụng tiếp nhận từ bản tin đạo hàng do vệ tỉnh số 1 phát về

Sai số thời gian truyền sóng và các sai số khác của vệ tỉnh Ata¡ do máy thu tính toán dựa trên thông số hiệu chỉnh trong bản tin đạo hàng từ vệ tỉnh

Nếu máy thu GPS xác đình được thời gian trễ khoảng cách giả của vệ tỉnh số 1 là At, thi,

Roi =e Atp;

Suy ra ta có phương trình như sau,

1

Ata = s VHA +O — y,)” + (4—,}Í + Ate Aten

Trong phương trình này có 4 nghiệm chưa

biết gồm vị trí người sử dụng (%u,Yu,Zu) Va

At, Nếu máy thu GPS của người sử dụng

thu được tín hiệu từ 4 vệ tỉnh thì nhận được

4 phương trình tương tự, không khó khăn gì

để viết ra 3 phvong trinh Atp, Ato, Atys

còn lại Giải hệ 4 phương trình này có thể

tìm được 4 nghiệm số trong đó có toạ độ và

độ lệch thời gian At, của máy thu GPS

người sử dụng Trong hàng hải, khi đã xác

định độ cao của người sử dụng thì chỉ cần

tín hiệu của 3 vệ tỉnh là đủ

Cuối cùng thì mấy tính sẽ giải phương trình

và tính ra kinh, vĩ độ ngưới sử dụng và các

thông số khác cho hiển thị trên màn hình Hình 22.13

Qua phân tích trên cho thấy, sai số tụ của đồng hổ máy fhu là một nghiệm số nhận được khi giải hệ 4 phương trình trên máy thu, cho nên không cần sử dụng đồng hỗ nguyên tử chính

“xác Trên máy thu chỉ cần sử dụng đồng hồ quatz đo hiệu thời gian trong khoảng 0,01~0,02

,§ theo.công thức c.(Atai +At-At,v) là đủ, trong khí đó đồng hồ vệ tỉnh do thời gian bằng

đơn vị nanosecond Sai số 0,01~0,02s trên đồng hỗ máy thu người sử dụng không cần phải

quan tâm

_ 22.43 Nguyên lý đo tốc độ người sử dụng

Tần số sóng mang được sử dụng để xác định tốc độ đi chuyển của người sử dụng bằng cách

đo dịch chuyển tân số theo hiệu ứng Đôplơ

'Veptơ tốc độ, gồm hướng và tốc độ dì chuyển, của vệ tỉnh ở bất cứ thời điểm nào đều có thể

tính toần trên máy tính trong máy thu người sử dụng, Vectơ này được phân tích làm hai

thành phân, một thành phần (a) cùng hướng với dịch chuyển của người sử dụng và một thành phần (b) vuông góc với hướng dịch chuyển đó Thành phần (b) không đóng vai trò gì trong việc xác định tốc độ dịch chuyển của người sử dụng vì nó không gây dịch chuyển tần số theo

Biết vị trí của người sử dụng đồng thời biết vị trí và tốc độ của vệ tỉnh, máy tính trong máy