Hệ thống định vị toàn cầu GPS, kỹ thuật DGPS, thuật toán LMS và anten thông minh

Hệ thống định vị toàn cầu GPS, kỹ thuật DGPS, thuật toán LMS và anten thông minh

Chương 1:ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 - Đặt vấn đề và tình hình nghiên cứu hiện nay:

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống xácđịnh vị trí dựa vào các vệ tinh nhân tạo gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh

dự trữ được phân bố quanh trái đất trên 6 quỹ đạo gần tròn với đường kính 20138

km và có góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Để đảm bảo bao phủ khắpmọi nơi trên trái đất, các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho mỗi quỹ đạo có ít nhất 4

vệ tinh phân bố đều.Về mặt hình học, bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng thấy được

từ 4 đến 10 vệ tinh trong chòm sao vệ tinh GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanhtrái đất hai lần trong một ngày (mỗi chu kỳ quỹ đạo mất khoảng 11 giờ 58 phút)theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất Các máythu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được vị trí máy thucủa người dùng

Tín hiệu mà các vệ tinh GPS phát xuống máy thu của người dùng gồm 2sóng sin (còn được gọi là tần số sóng mang), 2 mã CA (Coarse Acquisition) và P(Precision) [mỗi vệ tinh sẽ phát một mã khác nhau] và bản tin định vị Tọa độ củacác vệ tinh GPS nằm trong bản tin định vị Khoảng cách từ máy thu của người dùngđến từng vệ tinh GPS được xác định dựa vào tần số sóng mang và mã CA hay Ptương ứng của vệ tinh đó (xác định khoảng thời gian từ lúc phát tín hiệu tại vệ tinhđến lúc nhận được tín hiệu GPS tại máy thu của người dùng, dựa vào vận tốc ánhsáng ta sẽ tính được quãng đường từ máy thu của người dùng đến vệ tinh đã phát ra

mã CA hay P tương ứng) Khi đã biết được tọa độ của vệ tinh và khoảng cách từmáy thu của người dùng đến vệ tinh đó, dựa vào hình học ta chỉ cần 3 vệ tinh là xácđịnh được tọa độ máy thu của người dùng

Do xung clock tại nơi phát (vệ tinh) và nơi thu (máy thu của người dùng)không đồng bộ nên có sai số thời gian trễ, dẫn đến sai số khoảng cách từ máy thucủa người dùng đến vệ tinh, do đó vị trí máy thu của người dùng cũng sai theo Vì

vậy mà hệ số sai số đồng hồ được đưa ra và đây là lý do tại sao phải cần đến vệ tinhthứ 4.

Ngoài ra còn có nhiều nguồn sai số khác như sai số chủ định SA (SelectiveAvailability) nhằm ngăn ngừa việc tự định vị chính xác ở thời gian thực của cácthuê bao trái phép, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số do truyền dẫn đa đường, sai số trễkhi tín hiệu truyền qua tầng điện ly và tầng đối lưu, sai số do máy thu Bên cạnh cácnguồn sai số trên, vấn đề truyền dẫn trong môi trường mật độ người sử dụng cao rất

dễ dẫn đến hiện tượng fading và can nhiễu tại bộ thu của người dùng

Vấn đề đặt ra là tìm những giải pháp để hạn chế nguồn can nhiễu, fading vàhàng loạt các nguồn sai số khác Ta không thể can thiệp vào vệ tinh để giảm nguồnsai số tại đó được Nguồn sai số do có kích hoạt SA, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai sốđồng hồ vệ tinh sẽ được loại bỏ hoàn toàn bằng kỹ thuật DGPS (Differential GPS).Nguồn sai số trễ khi tín hiệu truyền qua tầng điện ly và tầng đối lưu cũng được hạnchế bằng kỹ thuật DGPS Nguồn sai số do truyền dẫn đa đường, can nhiễu và vấn

đề truyền dẫn tối ưu cũng được hạn chế bởi anten thông minh

Nhiệm vụ Đồ án môn học là nghiên cứu tìm hiểu về hệ thống GPS; đồng thờitìm giải pháp để đảm bảo việc truyền sóng, truyền dẫn tối ưu và hạn chế ảnh hưởngcủa sai số Đồ án môn học cũng tìm hiểu các giải pháp về kỹ thuật DGPS,giải thuậtUnconstrained LMS Beamforming băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu thamkhảo được đặt tại trạm tham khảo (hoặc tại bộ thu của người sử dụng) nhằm bảođảm truyền dẫn tối ưu giữa trạm tham khảo và các bộ thu của người sử dụng

1.2 - Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Trong phạm vi Đồ án môn học sẽ cố gắng tìm hiểu về hệ thống định vị toàncầu GPS, kỹ thuật DGPS, thuật toán LMS và anten thông minh

1.3 - Bố cục của đề tài:

Đồ án môn học được chia làm 5 chương chính bao gồm:

• Đặt vấn đề và nêu ra mục đích cũng như ý nghĩa của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

• Hệ thống định vị toàn cầu GPS

- Bộ tạo búp thích nghi LMS băng hẹp

- Lợi ích của anten thông minh

Chương 3:Ứng dụng anten thông minh trong hệ thống GPS và DGPS.

Chương 4: Kết quả mô phỏng.

• Kết quả mô phỏng giải thuật LMS

- Kết quả mô phỏng giải thuật LMS trong không gian 2D

• Kết quả mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp

- Kết quả mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹptrong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten ULA có N=20phần tử trong không gian 2D

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài.

• Chương này đưa ra một số kết luận và hướng phát triển của đồ án

1.4 - Ý nghĩa của đề tài:

Đề tài tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống định vị toàn cầu GPS, kỹ thuậtDGPS, thuật toán LMS và anten thông minh

Chương 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 - Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS:

.1.1- Giới thiệu hệ thống GPS:

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống xácđịnh vị trí dựa vào các vệ tinh nhân tạo Được thiết kế và quản lý từ đầu những năm

1970 bởi Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ, ban đầu GPS chỉ dành cho các mục đích quân

sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Hoa Kỳ cho phép phục vụ cho cả mục đích quân

sự lẫn dân sự Hệ thống GPS hoạt động từ năm 1993 cung cấp thông tin định vị liêntục 24 giờ một ngày ở mọi nơi trên thế giới dưới bất kỳ điều kiện thời tiết nào Các

vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày (mỗi chu kỳ quỹ đạomất khoảng 11 giờ 58 phút) theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu cóthông tin xuống trái đất Các bộ thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tínhlượng giác tính được chính xác vị trí của mình

Hình 2.1:Chòm sao vệ tinh GPS

Hệ thống GPS gồm một chòm sao 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dựtrữ được phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn với đường kính 20138km và có gócnghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo Để đảm bảo bao phủ khắp mọi nơi trên tráiđất, các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh phân bố đều

Về mặt hình học, bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng thấy được từ 4 đến 10 vệ tinhtrong chòm sao vệ tinh GPS

Các vệ tinh được nuôi bằng năng lượng mặt trời và có các nguồn pin dựphòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Các tên lửanhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.

.1.2 - Các mảng của hệ thống GPS:

Hệ thống GPS được chia thành 3 mảng chính: mảng không gian (spacesegment), mảng điều khiển (control segment) và mảng người sử dụng (usersegment)

Hình 2.2: Các mảng của hệ thống GPS.

Mảng không gian là chòm sao 24 vệ tinh, mỗi vệ tinh phát tín hiệu gồm 2

sóng sin (được gọi là các tần số sóng mang), 2 mã số và bản tin định vị Dùng cácsóng mang và mã để xác định khoảng cách từ bộ thu GPS của người sử dụng đếncác vệ tinh GPS Bản tin định vị chứa tọa độ của các vệ tinh là hàm thời gian Cáctín hiệu phát từ vệ tinh được điều khiển bởi đồng hồ điện tử có độ chính xác caotrên vệ tinh

Mảng điều khiển gồm một trạm điều khiển chủ MCS (Master Control

Station), 5 trạm monitor và 3 trạm điều khiển mặt đất Trạm MCS đặt gần ColoradoSprings (Colorado, Mỹ) có nhiệm vụ giám sát toàn bộ hệ thống GPS 5 trạmmonitor ở Colorado Springs, Hawaii, Kwajalein, Diego Garcia và Ascension Islandđược trang bị bằng các bộ thu GPS chất lượng cao và bộ tạo dao động cesium nhằmmục đích theo vết (tracking) liên tục tất cả các vệ tinh GPS Riêng 3 trạm monitor ởKwajalein, Diego Garcia và Ascension Island được trang bị bằng các antenna mặtđất để tải thông tin lên các vệ tinh GPS Tất cả các trạm monitor và trạm điều khiểnmặt đất được điều khiển từ xa bởi MCS.Nhiệm vụ chính của mảng điều khiển là xácđịnh và dự báo các dữ liệu định vị vệ tinh Các trạm monitor theo vết liên tục các vệtinh GPS và phát các giám sát đã thu thập được đến MCS để xử lý Kết quả xử lýgồm các vị trí vệ tinh là hàm thời gian, tình trạng hệ thống, các thông số đồng hồ vệtinh, dữ liệu áp suất, niên lịch vệ tinh, Dữ liệu định vị tươi này được MCS gửiđến 1 trong các trạm điều khiển mặt đất để trạm điều khiển mặt đất tải lên các vệtinh GPS qua dải băng tần S

Mảng người sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS quân sự và dân sự.

Khi bộ thu GPS được kết nối với antenna GPS, các máy thu GPS sẽ tính toán vàbiết được vị trí của mình trong không gian 3 chiều

Có 2 loại dịch vụ mà Bộ Quốc Phòng Mỹ đưa vào các ứng dụng dân sự là dịch vụđịnh vị cơ bản SPS (Standard Positioning Service) và dịch vụ định vị chính xác PPS(Precise Positioning Service) Trong đó dịch vụ SPS có độ chính xác tối thiểukhoảng 100m cho chiều ngang và 156m cho chiều cao, còn dịch vụ PPS có độ chínhxác khoảng 10m cho chiều ngang và 15m cho chiều cao Dịch vụ SPS có độ chínhxác thấp hơn dịch vụ PPS là do tín hiệu GPS sử dụng dịch vụ SPS có trộn thêm một

số sai số gọi là sai số SA (Selective Available) Sau ngày 1/5/2000, Bộ Quốc Phòng

Mỹ quyết định không sử dụng sai số SA nữa và độ chính xác của 2 dịch SPS và PPSkhông còn cách nhau quá xa

.1.3 - Các thế hệ vệ tinh của hệ thống GPS:

*Thế hệ vệ tinh thứ nhất: gồm 11 vệ tinh Block I được phóng lần đầu tiên

vào ngày 22/12/1978 và lần cuối cùng vào ngày 9/10/1985 với mục đích thựcnghiệm Mặt phẳng quỹ đạo của những vệ tinh này nghiên 63o so với mặt phẳngxích đạo.Dù tuổi thọ của các vệ tinh này được thiết kế 4.5 năm, nhưng một số vệtinh đã hoạt động hơn 10 năm Vệ tinh Block I cuối cùng được rút ra khỏi quỹ đạovào ngày 18/11/1995

*Thế hệ vệ tinh thứ hai: gồm 28 vệ tinh Block II hay Block IIA được

phóng vào quỹ đạo từ tháng 2/1989 đến tháng 11/1997 (Block IIA là version cảitiến từ Block II) Đến năm 2002 còn 23 vệ tinh trong quỹ đạo.Mặt phẳng quỹ đạocủa những vệ tinh này nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo.Tuổi thọ thiết kế củacác vệ tinh này là 7.5 năm nhưng hầu hết đều hoạt động vượt quá thời hạn

*Thế hệ vệ tinh mới: gồm 6 vệ tinh BLOCK IIR đã được phóng vào quỹ

đạo vào tháng 7/2001 Các vệ tinh Block IIR được thiết kế tương thích với các vệtinh Block II/IIA và có tuổi thọ thiết kế là 10 năm.Ngoài độ chính xác cao hơnmong đợi, các vệ tinh Block IIR còn có khả năng tự hoạt động ít nhất 180 ngày màkhông cần sự hiệu chỉnh ở mặt đất hay không bị giảm độ chính xác.Sự tự định vịcủa thế hệ vệ tinh này có được là nhờ vào khả năng sắp xếp của vệ tinh với nhau.Ngoài ra, lịch thiên văn dự báo trước và dữ liệu clock đối với chu kỳ 210 ngày đượctải lên vệ tinh bởi mảng điều khiển nằm ở mặt đất để hổ trợ cho việc tự định vị.Năm

2003 đưa vào quỹ đạo thêm 12 vệ tinh Block IIR thông qua chương trình đổi mớiGPS

* Thế hệ vệ tinh tiếp theo Block IIR là Block IIF gồm 33 vệ tinh Tuổi thọ

của Block IIF được thiết kế 15 năm.Các vệ tinh này có khả năng mới qua chươngtrình đổi mới GPS nhằm cải thiện độ chính xác tự định vị GPS.Vệ tinh Block IIFđầu tiên được phóng vào năm 2005

Chòm sao vệ tinh GPS vào tháng 7/2001 có tổng cộng 29 vệ tinh gồm 5 vệ tinhBlock II, 18 vệ tinh Block IIA và 6 vệ tinh Block IIR (vượt quá 5 vệ tinh so với

chòm sao vệ tinh thông thường là 24) Có 4 đồng hồ điện tử trang bị trên các vệ tinhBlock II/IIA: 2 đồng hồ điện tử loại cesium(Cs) và 2 đồng hồ điện tử loạirubidium(Rb) Đồng hồ cesium là nguồn định giờ chính để điều khiển tín hiệuGPS.Các vệ tinh Block IIR chỉ dùng đồng hồ loại rubidium.Các thế hệ vệ tinh GPSđược minh họa ở hình 2.3.

Hình 2.3: Các thế hệ vệ tinh GPS.

Hiện nay trên thế giới có ba hệ thống vệ tinh dẫn đường GPS và GLONASS đanghoạt động, GALILEO đã hoàn thành vào năm 2008 Cả ba hê thống định vị toàn cầu

ngày nay được gọi tên chung là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS,

Global Navigation Satellite System) Phần này sẽ tóm lược một số thông tin về ba

hệ thống vệ tinh nhân tạo: GPS, GLONASS và GALILEO

2.1.1.1 - GPS:

Tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị toàncầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành Bộ Quốc phòng Mỹ thường gọiGPS là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging GlobalPositioning System) Mọi người đều có thể sử dụng GPS miễn phí Vệ tinh đầu tiêncủa GPS được phóng vào tháng 2 năm 1978, vệ tinh gần đây nhất là vệ tinh GPSIIR-M1 được phóng vào tháng 12 năm 2005 (Wikipedia, 2006) GPS bao gồm 24 vệtinh (tính đến năm 1994), đã được bổ sung thành 28 vệ tinh (vào năm 2000), chuyểnđộng trong 6 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo) xungquanh trái đất với bán kính 26.560 km (Yasuda, 2001).Hay nói cách khác độ cao

trung bình của vệ tinh GPS so với mặt đất vào khoảng 20.200 km (Wikipedia,2006).

.1.1.2 - GLONASS:

Hệ thống GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System, Hệthống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu, tiếng Nga ГЛОНАСС: ГЛОбальнаяНАвигационная Спутниковая Система; Global'naya NavigatsionnayaSputnikovaya Sistema) do Liên bang Sô viết (cũ) thiết kế và điều hành Vệ tinh đầutiên của GLONASS được Liên Xô đưa lên quỹ đạo ngày 12 tháng 10 năm 1982,vào ngày 24 tháng 9 năm 1993 hệ chính thức được đưa vào sử dụng Ngày nay hệthống GLONASS vẫn được Cộng hoà Nga tiếp tục duy trì hoạt động Hệ thốngGLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động trong ba mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng64.8 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 25.510 km(Yasuda, 2001)

.1.1.3 - GALILEO:

Cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho mục đích quânsự.Đối với những người sử dụng dân sự có thể có sai số lớn nều như cơ quan điềuhành GPS và GLONASS kích hoạt bộ phận gây sai số chủ định, ví dụ như SA củaGPS Do vậy Liên hợp Âu Châu (EU) đã lên kế hoạch thiết kế và điều hành một hệthống định vị vệ tinh mới mang tên GALILEO, mang tên nhà thiên văn họcGALILEO, với mục đích sử dụng dân sự Việc nghiên cứu dự án hệ thốngGALILEO được bắt đầu triển khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc gia Châu ÂuPháp, Đức, Italia và Anh Quốc Giai đoạn đầu triển khai chương trình GALILEObắt đầu năm 2003 và đã hoàn thành và đưa vào sử dụng trong năm 2010 (chậm hơn

so với thời gian dự định ban đầu 2 năm) (Wikipedia, 2006).GALILEO được thiết kếgồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 56 độ so với mặtphẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 29.980 km (Yasuda, 2001)

Hình 2.4 - Nhà thiên văn học Galileo Galilei (1564-1642)

L2: 1227.60 MHzL5: 1176.45 MHz

E1: 1589.742 MHzE2: 1561.098 MHzE5: 1202.025 MHzE6: 1278.75 MHzC1: 5019.86 MHz

Độ dài mã số

0.511 Mcps5.11 Mcps

E1, E2: 2.046 Mcps

E5: 10.23/1.023Mcps

E6: 20.46 Mcps

Thông điệp dẫn đường (navigation messages)

Ephemeris Yếu tố quỹ đạo Vị trí, tốc độ và gia tốc

BPSK: 50 bps

QBSKE1, E2, C: 300 bpsE5: 330 bps

E6: 2500 bps

Mỗi vệ tinh GPS phát một tín hiệu radio cao tần gồm hai tần số sóng mang

được điều chế bởi hai mã số và một bản in dẫn đường Hai tần số sóng mang này

được phát ở tần số 1575.42 MHz (gọi là sóng mang L1) và 1227.60 MHz (gọi là

sóng mang L2) Theo đó, bước sóng tương ứng là 19 cm và 24.4 cm; kết quả này được rút ra từ quan hệ giữa tần số sóng mang và vận tốc ánh sáng trong không gian.Việc sử dụng hai tần số trên cho phép sửa một lỗi nghiêm trọng của GPS là trễ tầng điện ly Tất cả các vệ tinh GPS đều phát cùng tần số sóng mang L1 và L2 Tuy nhiên, mã điều chế là khác nhau cho các vệ tinh, việc này làm giảm thiểu sự can nhiễu tín hiệu.

Hình 2.4: Minh họa (a) Sóng sin ; (b) mã số

Hai mã GPS gọi là mã thu thô ( mã C/A) và mã thu chính xác (mã P) Mỗi

mã chứa một luồng số nhị phân 0 và 1 gọi là các bit hay các chip Các mã này đượcgọi chung là mã PRN vì chúng giống như tín hiệu ngẫu nhiên Nhưng thực tế, các

mã này được phát nhờ sử dụng một thuật toán Mã C/A chỉ được điề chế vào songmang L1, trong khi đó, mã P được điều chế vào cả song mang L1 và L2 Sự điềuchế này được gọi là điều chế lưỡng pha, do pha của sóng mang được dịch đi 1800

khi giá trị của mã thay đổi từ 0 đến 1 hoặc từ 1 đến 0

+ Mã C/A:

Mã C/A được sử dụng trong các ứng dụng dân sự và chỉ được truyền đi trêndãy băng tần L1 Chuỗi mã C/A lặp lại theo chu kỳ 1ms của 1 đoạn gồm 1023 chip,xuất hiện với tần số 1.023MHz Bước sóng của mã C/A khoảng 300m Mỗi vệ tinhđược gán 1 mã C/A riêng biệt và duy nhất nhằm cho phép các bộ thu của ngườidùng nhận biết tín hiệu thu nhận được là của vệ tinh nào Hình 2.5 minh họa cấutrúc mã C/A trên sóng mang L1 Dữ liệu định vị 50 bit mỗi giây, mỗi bit (20 ms)gồm 20 chu kỳ mã C/A (còn gọi là 20 epoch mã C/A ), mỗi chu kỳ mã C/A (1ms) là

1575.42Mhz Trong đó epoch của mã C/A chính là cạnh lên của chip đầu tiên trongmỗi đoạn 1023 chips.

Hình 2.5: Minh họa cấu trúc mã C/Atrên sóng mang L1 (Theo trang 31 [3]).

Hình 2.6: Minh họa cấu trúc mã P trên sóng mang L1 + Cấu trúc của bản tin định vị:

Thông tin trong bản tin định vị có cấu trúc khung (frame) như minh họa ởhình 2.7.Bản tin hoàn hảo chứa 25 khung, mỗi khung chứa 1500 bits.Mỗi khungđược chia nhỏ thành 5 khung con Mỗi khung con chứa 300 bits gồm 10 từ (word),mỗi từ chứa 30 bits và bit có trọng số lớn nhất được phát đầu tiên Vì vậy, ở tốc độ

50 bit/s thì cần 6 giây để phát 1 khung con 300 bits và cần 30 giây để phát 1 khung

1500 bits ở hình 2.7 Để phát toàn bộ bản tin định vị 25 khung thì cần 750 giây hay12.5 phút Mỗi khung con khởi đầu bằng 30 bits TLM (telemetry word), trong đó 8bits đầu tiên là các bit preamble để bộ thu xác định khung con, 22 bit còn lại chứacác bit parity và bản tin telemetry mà nó chỉ có giá trị đối với thuê bao có đăng ký

Từ thứ 2 của mỗi khung là HOW (hand-over word) gồm 29 bit Z-count có nhiệm vụđếm các epoch được sinh ra bởi thanh ghi X1 (cứ 1.5s xuất hiện 1 lần) của bộ phát

mã P trong vệ tinh 19 bit có trọng số thấp nhất của Z-count được gọi là TOW(time-of-week) cho biết số epoch X1 xuất hiện khi bắt đầu tuần hiện tại Sự bắt đầutuần hiện tại xuất hiện ở epoch X1 vào lúc nửa đêm của tối thứ bảy hoặc sáng chủnhật Con số của TOW tăng từ zero lúc đầu tuần đến 403199 và sau đó quay lại zero

khung đầu tiên Vì bộ thu có thể dùng các bit preamble của TLM để xác định chínhxác thời điểm bắt đầu của mỗi khung con và đây chính là phương pháp để xác địnhthời điểm phát của bất kỳ bộ phận nào trong tín hiệu GPS 10 bit có trọng số lớnnhất của Z-count được gọi là WN (week number) chứa số tuần GPS.WN không là

bộ phận của HOW nhưng xuất hiện thay vào 10 bit đầu tiên của từ thứ 3 trongkhung con 1.3 bit của HOW được dùng để nhận dạng khung con nào trong số 5khung con đang được phát.Con số của TOW được tính từ HOW trong khung con 5dùng để nhận dạng khung nào trong số 25 khung đang được phát (tương ứng sốtrang từ 1 đến 25)

Hình 2.7: Minh họa cấu trúc bản tin định vị (Theo trang 34 [3]).

+ Khung con 1 chứa dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ GPS đối với vệ tinh dạng

các hệ số đa thức định nghĩa sự thay dổi hiệu chỉnh theo thời gian Thời gian đượcđịnh nghĩa bởi các đồng hồ trong vệ tinh được gọi là SV time (space vehicle time),còn thời gian sau khi hiệu chỉnh đã được ứng dụng được gọi là GPS time.Thời gian

tham khảo t0c được dùng làm mốc thời gian để tính sai số đồng hồ vệ tinh.Thời giantrễ trong tầng điện ly TGD được dùng để hiệu chỉnh các sai số trễ khi truyền qua tầngđiện ly Thông tin IODC (issue of date, clock) cho biết số tập hợp dữ liệu đồng hồ

đã phát để cảnh báo cho người dùng thay đổi các thông số đồng hồ

+ Khung con 2 và 3 chứa dữ liệu quỹ đạo để xác định vị trí và vận tốc chính

xác của vệ tinh Không giống như dữ liệu niên lịch, dữ liệu này rất chính xác.Cácthành phần của dữ liệu quỹ đạo và thuật toán tính vị trí vệ tinh tham khảo ở bảng3.1 và bảng 3.2 trang 36 và 37 [3].Thông tin IODE (issue of date, ephemeris) đượcbáo đến người dùng khi các thông số quỹ đạo thay đổi Mỗi lần các thông số mớiđược mảng điều khiển của hệ thống GPS tải lên vệ tinh GPS thì con số IODE thayđổi theo

+ Khung con 4 của cả 25 khung đều chứa niên lịch của các vệ tinh với mã

PRN (pseudorandom) đánh số 25 và cao hơn, được biết đến như các bản tin đặcbiệt, các số hạng hiệu chỉnh trong tầng điện ly, các hệ số để chuyển đổi từ GPS timesang UTC time

+ Khung con 5 của cả 25 khung đều chứa niên lịch của các vệ tinh với mã

PRN đánh số từ 1 đến 24 Lưu ý mỗi vệ tinh đều phát 25 khung, dữ liệu niên lịchcủa tất cả các vệ tinh đều được từng vệ tinh phát đi Không giống như dữ liệu quỹđạo, dữ liệu niên lịch có giá trị cho các chu kỳ dài lâu (nhiều tháng) nhưng ít bị sai

số nhiều Ngoài ra dữ liệu chứa trong bản tin định vị là sai số khoảng cách ngườidùng URE (user range error), nó ước tính sai số khoảng cách do các sai số quỹ đạo

vệ tinh, các sai số định giờ, sai số chủ định SA (selective availability) và các cờ đểcho biết trạng thái hoạt động của các vệ tinh

.1.5 - Các sai số trong hệ thống GPS:

Đo khoảng cách giả và pha sóng mang bị ảnh hưởng bởi nhiều loại nhiễungẫu nhiên và sai lệch (lỗi hệ thống) Những lỗi này có thể được phân loại thành lỗibắt nguồn từ vệ tinh, lỗi bắt nguồn từ máy thu, lỗi do truyền sóng (khúc xạ tầng

gồm lịch thiên văn, hay lỗi quỹ đạo, lỗi đồng hồ vệ tinh và ảnh hưởng của khả năngchọn lọc Lỗi chọn lọc được thực hiện do chủ ý của bộ quốc phòng Mỹ để làm giảm

độ chính xác GPS độc lập vì lý do an ninh Tuy nhiên, việc này đã chấm dứt vàongày 1/5/2000 Lỗi bắt nguồn từ máy thu bao gồm lỗi đồng hồ máy thu, lỗi đađường, nhiễu máy thu và sự biến thiên tâm pha của anten Lỗi truyền tín hiệu baogồm trễ của tín hiệu GPS khi nó truyền qua tầng điện ly và tầng đối lưu của bầu khíquyển Trên thực tế, chỉ trong môi trường chân không (không gian tự do) tín hiệuGPS mới truyền với tốc độ ánh sáng Cộng với ảnh hưởng của nhiễu, vị trí GPS tínhtoán được còn bị ảnh hưởng bởi vị trí hình học của các vệ tinh GPS được quan sátbởi máy thu Các vệ tinh càng tỏa rộng trên bầu trời thì độ chính xác đạt được càngcao Một số lỗi và sai lệch có thể được giới hạn hoặc giảm bớt thông qua sự kếthợp các quan sát GPS một cách thích hợp Ví dụ, kết hợp quan sát L1 và L2 với độchính xác cao có thể loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly

Các sai số trong hệ thống GPS được chia thành 3 nguồn sai số chính là sai số

do vệ tinh, sai số khi truyền tín hiệu và sai số do bộ thu của người sử dụng

.1.5.1 - Sai số do vệ tinh:

Vị trí vệ tinh là hàm của thời gian, vị trí này chứa trong bản tin dẫn đườngquảng bá của vệ tinh, được dự đoán từ các quan sát GPS trước đó tại các trạm điềukhiển mặt đất Việc mô hình hóa các lực tác động vào vệ tinh thường sẽ khôngchính xác hoàn toàn, điều này gây nên các lỗi dự đoán vị trí của vệ tinh, gọi là lỗilịch thiên văn Bình thường, lỗi lịch thiên văn thường nằm trong khoảng từ 2m đến5m, và có thể lên đến 50m khi sử dụng khả năng chọn lọc Lỗi khoảng cách do sựkết hợp của lỗi lịch thiên văn và lỗi đồng hồ vệ tinh nằm ở mức 2.3m Một lỗi lịchthiên văn cho một vệ tinh cụ thể nào đó được nhận biết bởi tất cả người dùng trênthế giới Tuy nhiên, những người dùng khác nhau quan sát cùng một vệ tinh ởnhững góc khác nhau, do đó khoảng và vị trí đo được chịu những ảnh hưởng khácnhau của lỗi lịch thiên văn Điều này có nghĩa là việc kết hợp đo đạc của hai máythu đồng thời cùng bám một vệ tinh không thể loại bỏ hoàn toàn lỗi lịch thiên

văn Nhưng với những người sử dụng gần nhau có thể nhận biết được hầu hết lỗikhoảng cách do lỗi lịch thiên văn bằng cách lấy sai khác của các kết quả quan sátnày Trong định vị tương đối, người ta sử dụng quy tắc ngón tay cái để đánh giá thôảnh hưởng của lỗi lịch thiên văn đối với độ phân giải đường ranh giới: lỗi đườngranh giới / độ dài đường ranh giới = lỗi vị trí vệ tinh / phạm vi vệ tinh Điều này cónghĩa là nếu lỗi vị trí vệ tinh là 5m và chiều dài đường ranh giới là 10 km, thì lỗiđường ranh giới do lỗi lịch thiên văn xấp xỉ khoảng 2.5mm.

.1.5.2 - Sai số chủ định SA (selective availability):

GPS ban đầu được thiết kế để định vị độc lập thời gian thực và dẫn đườngbằng máy thu mã C/A dùng cho dân sự với độ chính xác thấp hơn máy thu mã Pdùng cho Chương I Các hệ thống thông tin GIS và GNSS quân sự Nhưng thậtđáng ngạc nhiên là độ chính xác của cả hai loại máy thu trên gần như là giống nhau

Để đảm bảo an ninh quốc gia, bộ quốc phòng Mỹ đã thực hiện khả năng lựa chọntrên các vệ tinh GPS Block II để ngăn chặn định vị độc lập thời gian thực đối vớinhững người dùng không được phép SA chính thức hoạt động vào ngày 25/3/1990

SA đưa ra hai loại lỗi Lỗi đầu tiên gọi là lỗi delta, là kết quả của việc làm biếnđộng đồng hồ vệ tinh, đây là lỗi chung cho mọi người dùng Lỗi thứ hai là lỗiepsilon, đây là lỗi quỹ đạo biến đổi chậm được thêm vào Khi SA được bật lên, cáclỗi phương ngang và phương thẳng đứng thông thường có thể lên đến 100m và156m tương ứng, với xác suất 95% Hình 2.9 cho thấy vị trí theo phương ngang củamột trạm máy thu GPS theo thời gian, chủ yếu do ảnh hưởng của SA Giống nhưlỗi khoảng cách do lỗi lịch thiên văn, lỗi khoảng cách do lỗi epsilon hầu như có thểnhận ra giữa hai người dùng ở gần nhau Vì vậy, sử dụng GPS vi sai (DGPS) sẽloại bỏ ảnh hưởng của lỗi epsilon Trên thực tế, DGPS cung cấp độ chính xác caohơn máy thu mã P đứng độc lập do sự loại bỏ hoặc giảm bớt các lỗi chung, bao gồm

cả SA

Hình 2.8:Sự thay đổi vị trí của máy thu GPS đứng yên khi có SA

Theo những nghiên cứu mở rộng, chính phủ Mỹ đã dừng SA vào ngày1/5/2000, việc này đã cải thiện rất nhiều độ chính xác của GPS độc lập Với việcdừng SA, độ chính xác thông thường theo phương ngang và đứng theo thứ tự là22m và 33m (95% thời gian) Hình 2.10 chỉ ra các lỗi GPS sau khi dừng SA Việcloại bỏ SA đã mở ra một cánh cửa mới cho sự phát triển nhanh của thì trường GPS(ví dụ dẫn đường cho các phương tiện giao thông) Mặc dù loại bỏ SA sẽ gây raảnh hưởng nhỏ đến DGPS, nhưng nó sẽ làm giảm chi phí cài đặt và vận hành hệthống DGPS Điều này chủ yếu do giảm tốc độ truyền dẫn yêu cầu

Hình 2.9: Sự thay đổi vị trí của máy thu GPS đứng yên sau khi chấm dứt SA 1.5.3 - Sai số quỹ đạo vệ tinh (ephemeris error):

Sai số quĩ đạo vệ tinh là sai số giữa quỹ đạo dự đoán và quỹ đạo thực của vệtinh (thường khoảng 2m đến 5m, và có thể lên đến 50m nếu có kích hoạt SA).Thông tin về quĩ đạo dự đoán của vệ tinh được mã hóa và đưa vào dữ liệu định vị

để truyền cho các bộ thu của người sử dụng Dựa vào thông tin này, bộ thu củangười sử dụng sẽ dự đoán vị trí của vệ tinh Với mạng lưới thu thập dữ liệu GPStrên toàn cầu, các hãng dịch vụ GPS như IGS – International GPS Service, NGS –

US National Geodetic Survey, GSD – Geodetic Survey Division, NRCan – NaturalResources Canada … Độ chính xác của 2 quỹ đạo đúng nhỏ hơn 10cm Dữ liệu vềquỹ đạo đúng được phát đến các bộ thu phải mất 12 giờ cho thông tin quỹ đạo cựcnhanh của IGS (ultra rapid orbit) và 12 ngày cho thông tin quỹ đạo chính xác nhấtcủa IGS (the most precise IGS orbit).

.1.5.4 - Sai số đồng hồ của vệ tinh (satellite clock error):

Mỗi vệ tinh GPS (Block II và Block IIA) chứa 4 đồng hồ nguyên tử gồm 2cesium và 2 rubidium.Các vệ tinh thế hệ mới hơn (Block IIR) chỉ chứa các đồng hồrubidium.Đồng hồ cesium được chọn để tổng hợp tần số và định thời cho tín hiệuGPS Một trong các đồng hồ này, chủ yếu là đồng hồ xezi đối với các vệ tinh Block

II và Block IIA, được chọn để cung cấp tần số và định thời để phát tín hiệu GPS.Những đồng hồ khác là các đồng hồ dự phòng Mặc dù các đồng hồ vệ tinh GPS có

độ chính xác cao, nhưng chúng không phải là hoàn hảo tuyệt đối Độ ổn định củachúng vào khoảng 1/1013 đến 2/10 13 trong khoảng thời gian là một ngày Có nghĩa

là sai số của các đồng hồ vệ tinh vào khoảng 8.64 đến 17.28 ns một ngày Sai sốkhoảng cách tương ứng từ 2.59 m đến 5.18 m, kết quả này có thể tính ra dễ dàngbằng cách nhân sai số đồng hồ với vận tốc ánh sáng (299729458 m/s) Đồng hồxezi có xu hướng hoạt động tốt hơn qua thời gian dài so với đồng hồ rubi Thực

tế, độ ổn định của đồng hồ xezi qua 10 ngày hoặc lâu hơn lên đến vài phần 1014.Hoạt động của đồng hồ vệ tinh được giám sát bởi hệ thống điều khiển mặt đất.Lượng dịch đi được tính toán và truyền đi theo dạng ba hệ số của một đa thức bậchai Sai số đồng hồ vệ tinh gây thêm các sai số cho đo đạc GPS Các lỗi này ảnhhưởng chung đến mọi người dùng quan sát cùng một vệ tinh và có thể loại bỏ bằngviệc lấy sai khác giữa các máy thu này Áp dụng việc sửa sai đồng hồ vệ tinh trongbản tin dẫn đường này cũng có thể sửa chữa sai số đồng hồ vệ tinh.Tuy nhiên, bỏqua một lỗi vài ns sẽ dẫn đến sai số khoảng cách khoảng vài m (sai số 1ns tươngứng với sai số khoảng cách là 30cm) Ngược lại, các máy thu GPS sử dụng cácđồng hồ tinh thể rẻ tiền, độ chính xác nhỏ hơn nhiều so với các đồng hồ vệ tinh

Các đồng hồ vệ tinh GPS tuy có độ chính xác cao nhưng vẫn bị sai số 8.64ns

17.28ns mỗi ngày tương ứng 2.59m 5.18m (sai số 1ns tương ứng tầm sai số

30cm)

.1.5.5 - Sai số do truyền dẫn đa đường (multipath error):

Phân tập đa đường là một nguồn lỗi nghiêm trọng cho cả đo đạc pha sóngmang và khoảng cách giả Lỗi đa đường xuất hiện khi tín hiệu GPS đến anten máythu theo nhiều đường khác nhau Những đường này có thể là đường tín hiệu nhìnthẳng và tín hiệu phản xạ từ các vật thể xung quanh anten máy thu

Phân tập đa đường làm méo tín hiệu gốc qua sự giao thoa của tín hiệu phản

xạ ở anten GPS Nó ảnh hưởng đến cả đo đạc pha sóng mang và khoảng cách giả;tuy nhiên, ảnh hưởng đối với đo khoảng cách giả lớn hơn nhiều Độ lớn của phântập đa đường psongha sóng mang có thể đạt tới giá trị lớn nhất là 1/4 chu kỳ(khoảng 4.8 cm đối với pha song mang L1) Khoảng cách giả đa đường theo lý thuyết có thểlên đến vài chục mét đối với đo mã C/A Tuy nhiên, với những tiến bộ mới trong công nghệmáy thu, khoảng cách giả đa đường thực tế giảm đi rất nhiều Ví dụ về những công nghệ này là

bộ tương quan Strobe (Ashtech, Inc.) và ( NovAtel, Inc.) Với những công nghệ làm giảm phântập đa đường này, lỗi phân tập đa đường của khoảng cách giả có thể giảm xuống đến vài mét,thậm chí trong cả môi trường phản xạ mạnh

Hình 2.10: Ảnh hưởng của phân tập đa đường

Trong cùng một môi trường, có thể đánh giá lỗi đa đường bằng cách sử dụngtương quan qua các ngày của phần dư dự đoán Đây là do cấu trúc hình học vệ tinh– vật phản xạ - anten lặp lại hằng ngày Tuy nhiên, lỗi đa đường trong các phép đokhoảng cách giả như nhau có thể xác định được nếu sử dụng quan sát 2 tần số.Người ta vẫn chưa tìm ra một mô hình đa đường tổng quát tốt, chủ yếu là do cấutrúc hình học vệ tinh – vật phản xạ - anten luôn thay đổi Tuy nhiên, có nhiều ý

tưởng để làm giảm bớt ảnh hưởng của phân tập đa dường Phương án dễ dàng nhất

là chọn vị trí quan sát không có vật hản xạ ở gần anten thu Một phương pháp khác

để giảm ảnh hưởng của phân tập đa đường là sử dụng một anten có vòng chêm( vòng chêm là một mặt phẳng có nhiều vòng kim loại đòng tâm làm suy hao tínhiệu phản xạ) Vì tín hiệu GPS được sử dụng phân cực tròn quay phải trong khi tínhiệu phản xạ quay trái, để làm giảm ảnh hưởng của phân tập đa đường cũng có thể

sử dụng anten vói một bộ phân cực phối hợp cho tín hiệu QPS ( quay phải) Tuynhiên, nhược điểm của phương pháp này là tín hiệu phân tập đa đường cũng có thểtrở thành phân cực quay phải nếu phản xạ hai lần

Hình 2.11:Nhiểu đa đường

Khi đo khoảng cách đến mỗi vệ tinh, ta giả sử rằng tín hiệu vệ tinh đượctruyền thẳng từ vệ tinh đến anten của máy thu Nhưng trong thực tế ngoài tín hiệutrực tiếp này anten máy thu còn nhận được các tín hiệu phản xạ đến từ mặt đất vàcác vật thể gần anten qua nhiều đường gián tiếp khác nhau, xen nhiễu vào tín hiệutrực tiếp, gây ra sai lệch về thời điểm đến của tín hiệu thực sự

Nếu đường truyền gián tiếp dài hơn đáng kể so với đường truyền trực tiếp(lớn hơn 10m) để hai mẫu tín hiệu trên tách rời nhau thì ảnh hưởng gây ra bởi nhiễu

đa đường về cơ bản có thể được khắc phục bởi các kỹ thuật xử lý tín hiệu

.1.5.6 - Sai số do tầng điện ly (ionospheric error):

tùy theo mật độ điện tử như sau: lớp D (50km 90km); lớp E (90km 140km);lớp

Tác động của tầng điện ly đến tín hiệu GPS phụ thuộc vào mật độ electron tự

do TEC (Total Electron Content) dọc theo đường truyền tín hiệu GPS Mật độ điện

tử tự do không cố định mà thay đổi theo từng thời điểm trong ngày (TEC có giá trịlớn nhất lúc 2 giờ chiều và 10 giờ tối theo giờ địa phương và thấp nhất lúc nữađêm), thay đổi theo từng mùa trong năm (mùa đông lớn hơn mùa hè), thay đổi theochu kỳ tuần hoàn 11 năm của hệ mặt trời (hoạt động bức xạ của mặt trời đạt cực đạitheo chu kỳ 11 năm (gần nhất là năm 2001) và TEC cũng đạt giá trị cực đại, thayđổi theo vị trí địa lý trên trái đất (một số vị trí đăc biệt trên trái đất có sự biến đổibất thường của TEC như vùng cận xích đạo, vùng cực quang và vùng cực)

Tác động của tầng điện ly đến tín hiệu GPS còn phụ thuộc vào tần số tínhiệu Ta đã biết là tầng điện ly tạo ra 1 khoảng delay khi tín hiệu truyền qua nó Tần

số càng thấp thì trễ càng nhiều (sóng mang L2 trễ nhiều hơn sóng mang L1 do tần

số sóng mang L2 thấp hơn tần số sóng mang L1).Trễ trong tầng điện ly từ 5m 15m

và có thể đến 150m dưới phóng xạ mặt trời dữ dội vào giữa trưa.Ngoài việc làmthay đổi vận tốc truyền sóng, tầng điện li còn làm suy hao cường độ tín hiệu (giảm

đi khoảng 0.2dB)

Nhiều phương pháp và thuật toán đã được nghiên cứu và áp dụng nhằm xácđịnh và loại bỏ sai số gây ra do tầng điện ly, góp phần cải thiện chất lượng của bàitoán định vị Trong số đó, phương pháp đạt hiệu quả cao nhất là phương pháp kếthợp 2 tần số (dual frequency) dùng trong kỹ thuật DGPS (Differential GPS)

.1.5.7 - Sai số do tầng đối lưu (tropospheric error):

Tầng đối lưu là tầng khí quyển trung tính (không có sự tồn tại của cácelectron tự do) nằm từ mặt đất lên đến độ cao 50km Tầng đối lưu là 1 môi trườngkhông phân tán do có tần số sóng vô tuyến dưới 15GHz Tầng đối lưu làm gấp khúctín hiệu GPS khi nó truyền qua và làm kéo dài thời gian truyền tín hiệu, do đókhoảng cách thu được qua tín hiệu sẽ dài hơn so với khoảng cách thực giữa vệ tinh

và bộ thu Đây là tác động chính của tầng đối lưu lên tín hiệu GPS

Khác với tầng điện ly, khoảng thời gian trễ mà tầng đối lưu tạo ra không phụthuộc vào tần số tín hiệu Do đó, không thể dùng phương pháp kết hợp 2 tần sốtrong kỹ thuật DGPS để loại trừ sai số gây ra bởi tầng đối lưu

Ngoài ra, khoảng thời gian trễ cũng phụ thuộc vào góc ngẩng bộ thu củangười sử dụng khi hướng về vệ tinh Tín hiệu đi từ vệ tinh có góc ngẩng thấp khi điqua tầng đối lưu sẽ có góc ngẩng cao hơn, góc ngẩng càng lớn thì khoảng thời giantrễ càng nhỏ Người ta ước tính sai số khoảng cách trong tầm khoảng 2m khi vệ tinh

ở vùng thiên đỉnh (zenith) của bộ thu, khoảng 9m khi vệ tinh ở vùng góc ngẩng 150

và khoảng 25m ở vùng góc ngẩng 50

Đồng thời, khoảng thời gian trễ này cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và

độ ẩm của không khí dọc đường truyền tín hiệu khi truyền qua tầng đối lưu Dựavào đặc điểm này, người ta phân khoảng thời gian trễ gây ra do tầng đối lưu thành 2thành phần: thành phần khô (dry delay) và thành phần ướt (wet delay) Thành phầnkhô chiếm khoảng 90% tổng sai số gây ra Tuy nhiên, nó lại dễ dàng được xác địnhvới độ chính xác cao bằng các thuật toán Thành phần ướt thì phụ thuộc vào hơinước dọc theo đường truyền tín hiệu, chủ yếu tập trung ở độ cao từ mặt đất lên đến15km Khác với thành phần khô, thành phần ướt rất khó xác định Người ta cũngdùng các thông số đo đạt khí tượng như áp suất không khí, nhiệt độ, độ ẩm,… đểtính toán thành phần ướt, nhưng độ chính xác cũng không cao

.1.5.8 - Sai số do bộ thu của người sử dụng:

Là sai số gây ra do nhiễu xuất hiện tại bộ thu của người sử dụng từ cácnguồn nhiễu như : anten, các bộ khuếch đại tín hiệu trong bộ thu, các dây dẫn hoặc

do mạch điện tử bên trong bộ thu và cả những nguồn thu phát tín hiệu khác xungquanh vị trí đặt bộ thu Mức độ sai số gây ra do nhiễu bộ thu tùy thuộc cường độcủa nhiễu so với cường độ tín hiệu GPS thu được tại bộ thu của người sử dụng vàthường được biểu diễn bằng tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal to noise ratio)

Sai số bộ thu trong phép đo mã vào khoảng 0.25m đến 0.5m, còn trong phép

đo pha thì bé hơn, vào khoảng vài mm

Người sử dụng bộ thu không có cách nào loại bỏ sai số này, nhưng họ có thểkiểm tra chất lượng của bộ thu trước khi sử dụng chúng, đặc biệt trong các ứngdụng đòi hỏi độ chính xác cao Người ta thường dùng 1 trong 2 phương pháp kiểmtra là kiểm tra không khoảng cách (zero baseline) và kiểm tra khoảng cách ngắn(short baseline)

Phương pháp zero baseline là phương pháp kiểm tra trong đó người ta dùng

1 anten để thu tín hiệu GPS rồi cho tín hiệu này qua bộ chia để cùng đến 2 haynhiều bộ thu GPS đặt ngay cạnh nhau Vì cùng 1 anten thu và ở cùng 1 vị trí nên

các giá trị khoảng cách từ vệ tinh đến các bộ thu phải là như nhau, còn nếu có sựkhác biệt nhau thì sự khác biệt đó chính là sai số gây ra do bộ thu của người sửdụng.

Phương pháp short baseline thì dùng 2 hệ thống (mỗi hệ thống gồm 1 anten

và 1 bộ thu) đặt cách nhau khoảng 2m để thu tín hiệu GPS và theo dõi liên tục trong

2 ngày Với cách bố trí này thì sự khác biệt giữa 2 kết quả đo đạt khoảng cách từ vệtinh đến 2 bộ thu chính là sai số của hệ thống thu (sai số của bộ thu và cả anten thu)cộng với sai số do truyền dẫn đa đường Nhưng do sai số truyền dẫn đa đường lànhư nhau trong mỗi ngày nên khi trừ kết quả theo dõi mỗi ngày cho nhau thì ta sẽloại bỏ được sai số truyền dẫn đa đường và do đó chỉ còn lại sai số của hệ thống thu

• Tóm lại:

Các sai số trên được minh họa ở hình 2.11 trong trường hợp định vị mã C/A và mã P

Hình 2.13: Minh họa các sai số của hệ thống GPS

Do có sự bảo mật cao và được dùng trong quân sự, bí mật quốc gia cho nên

.1.6 - Biến đổi tâm pha anten :

Máy thu GPS thu tín hiệu từ vệ tinh sau đó chuyển đổi năng lượng nàythành dòng điện, dòng điện này được xử lý bởi máy thu GPS Điểm mà tại đó tínhiệu GPS được thu về gọi là tâm pha của anten Thông thường, tâm pha khôngtrùng với tâm vật lý (hình học) của anten Nó thay đổi tùy theo độ cao và phương vịcủa vệ tinh cũng như cường độ của tín hiệu Kết quả là gây thêm sai số khoảng cáchcho phép đo Mức độ của sai số gây ra bởi tâm tâm pha thay đổi tùy theo loại anten,thường là khoảng vài cm Tuy nhiên, rất khó mô hình sự biến thiên của tâm phaanten, vì vậy cần phải chú ý khi chọn loại anten Đối với những đường ranh giớingắn với cùng loại anten ở mỗi đầu, sai số tâm pha có thể loại bỏ nếu các anten nàycùng định hướng Pha trộn các loại anten khác nhau hay sử dụng định hướng khácnhau sẽ không thể loại bỏ được sai số này Do mức độ ảnh hưởng nhỏ, sai số tâmpha anten có thể bỏ qua trong hầu hết các ứng dụng thực tế Cần chỉ ra rằng lỗi tâmpha có thể khác nhau đối với các sóng mang L1 và L2 Điều này ảnh hưởng đến độchính xác của việc kết hợp tuyến tính tự do tầng điện ly, đặc biệt khi quan sát đườngranh giới ngắn Đối với những đường ranh giới ngắn, sai số tương quan lớn theokhoảng cách và đủ loại bỏ những sai khác Vì vậy, sử dụng đơn tần có thể thíchhợp hơn đối với những đường ranh giới trong kiểu tĩnh

.1.7 - Cách tính tọa độ bộ thu dựa theo hình học:

Vị trí của 1 điểm bất kỳ trong không gian có thể biết được bằng cách đokhoảng cách từ điểm đó đến một vài điểm đã biết trong không gian

+ Đưa công thức tính vị trí bộ thu của người sử dụng dựa vào 3 vệ tinh (hình 2.12):

Giả sử ta biết trước tọa độ của 3 vệ tinh là S1(x1, y1, z1), S2(x2, y2, z2), S3(x3,

y3, z3) và ta đã đo được khoảng cách từ S1, S2, S3 đến user là ρ

1, ρ

2,

ρ

3 Ta cần xácđịnh vị trí bộ thu của người sử dụng là U(xu, yu, zu)

Hình 2.14: Minh họa vị trí bộ thu của người sử dụng và vệ tinh.

1 =

) (

) (

)

z z y

y x

ρ

2 =

) (

) (

)

z z y

y x

) (

)

z z y

y x

+ Đo các khoảng cách ρ

1, ρ

2,

ρ

3 từ bộ thu của người sử dụng đến 3 vệ tinh:

Giả sử vệ tinh thứ i phát tín hiệu ở thời điểm tSi, bộ thu của người sử dụngnhận được tín hiệu ở thời điểm trễ hơn là tu, thì thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh thứ iđến bộ thu của người sử dụng là : tSi - tu Vì tín hiệu truyền với vận tốc bằng vận tốccủa ánh sáng là c=2.99792458*108 m/s, nên khoảng cách từ bộ thu của người sửdụng đến vệ tinh thứ i là:

Thời điểm đúng để vệ tinh thứ i phát tín hiệu đến bộ thu của người sử dụng là:

vị vệ tinh ∆

Di; sai số trễ trong tầng đối lưu ∆

Ti; sai số trễ trong tầng điện ly ∆

Ii;sai số nhiễu khi đo ở bộ thu νi; sự điều chỉnh thời gian tương đối ∆

vị trí bộ thu của người sử dụng Tuy nhiên, sai số đồng hồ trên bộ thu của người sửdụng không thể được hiệu chỉnh qua thông tin thu nhận được Sai số này vẫn còn là

ẩn số Vì vậy, ta phải cộng vào vế phải các phương trình ở (2.1) cho hệ số sai số

đồng hồ bộ thu của người sử dụng là bu Hệ phương trình (2.1) trở thành hệ 3phương trình có 4 ẩn số xu, yu, zu, bu Do đó ta cần có thêm vệ tinh thứ tư để được

hệ (2.7) gồm 4 phương trình có 4 ẩn số như sau:

ρ

1 =

) (

) (

)

z z y

y x

) (

)

z z y

y x

) (

)

z z y

y x

) (

)

z z y

y x

+ bu

Một cách tổng quát, ta có công thức để tính khoảng cách từ vệ tinh thứ i đến

bộ thu của người sử dụng là:

ρ

i =

) (

) (

)

z z y

y x

• Tóm lại:

+ Ta cần 4 vệ tinh để tính tọa độbộ thu của người sử dụng nhằm giảm sai số đồng

hồ của vệ tinh và sai số đồng hồ trên bộ thu của người sử dụng

+ Các nguồn sai số trong hệ thống GPS gồm có 3 nguồn sai số chính là sai số do vệtinh, sai số khi truyền tín hiệu và bộ thu của người sử dụng Sai số do vệ tinh gồm

có sai số chủ định SA, sai số quỹ đạo vệ tinh và sai số đồng hồ vệ tinh Sai số khitruyền tín hiệu gồm có sai số truyền dẫn đa đường, sai số do tầng điện ly và sai số

do tầng đối lưu Tại bộ thu của người sử dụng có các sai số do đồng hồ bộ thu,nhiễu xuất hiện tại bộ thu của người sử dụng từ các nguồn nhiễu như anten, các bộ

khuếch đại tín hiệu trong bộ thu, các nguồn thu phát tín hiệu khác xung quanh vịtríđặt bộ thu.

+ Định vị GPS dùng một bộ thu chỉ dùng trong trường hợp cần độ chính xác thấp.+ Để loại trừ hoặc giảm các sai số phổ biến khi dùng SA, sai số quỹ đạo và đồng hồ

vệ tinh, ta dùng kỹ thuật DGPS vì nó cho độ chính xác cao hơn so với dùng 1 bộ thu

có mã P

+ Vấn đề truyền dẫn trong môi trường mật độ người sử dụng cao dễ bị hiện tượngfading và can nhiễu Có thể giảm hiện tượng fading và can nhiễu tại bộ thu củangười sử dụng bằng cách dùng bộ lọc Kalman

+ Sai số truyền dẫn đa đường và vấn đề truyền dẫn tối ưu tại bộ thu của người sửdụng cũng được hạn chế bởi antenna thông minh

.1.8 - Giới thiệu về bộ thu tín hiệu GPS:

Bộ thu tín hiệu GPS theo công nghệ số (Digital) có sơ đồ tổng quát như sau:

Hình 2.15: Sơ đồ tổng quát của bộ thu tín hiệu GPS.

Bộ thu tín hiệu GPS có chức năng thu nhận tín hiệu từ các vệ tinh GPS vàphân biệt tín hiệu nào thuộc vệ tinh nào rồi giải mã tín hiệu vệ tinh để xác định vịtrí, tốc độ và thời điểm truyền tín hiệu của các vệ tinh.

Tầng trên trong sơ đồ ở hình 2.13 là phần cứng hoàn toàn gồm anten thu, các

bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) để giảm can nhiễu nằm ngoài dải băng tần

mà không làm suy giảm tín hiệu GPS, các bộ khuếch đại Amp (Amplification), các

bộ trộn (Mixer) và bộ chuyển đổi ADC (Analog to Digital Converter) Để thuận lợicho việc xử lý tín hiệu số ở tầng dưới, độ lợi khuyếch đại của tầng RF (RadioFrequency) trong tầng trên của bộ thu GPS khoảng 35dB÷55dB Tầng trên có chứcnăng thu nhận sóng vệ tinh, chuyển đổi thành tín hiệu trung tần IF (IntermediateFrequency) rồi số hóa

Tầng dưới xử lý dữ liệu đã được số hóa bằng phần mềm gồm 2 giai đoạn.Giai đoạn 1 thực hiện tách mã và sóng mang, xác định vị trí, tốc độ và thời giantruyền tín hiệu của các vệ tinh; đồng thời cũng xác định giá trị phép đo mã, phép đopha và độ dịch chuyển Doppler của từng vệ tinh Giai đoạn 2 dựa vào các thuật toán

để thực hiện tính toán và ước tính vị trí, tốc độ, thời gian của bộ thu

Phương pháp đo mã chính là phương pháp đo khoảng cách giả sử dụng mãC/A hoặc P dựa vào thời điểm phát tín hiệu (tại vệ tinh), thời điểm thu tín hiệu (tại

bộ thu) và vận tốc truyền sóng (chính là vận tốc ánh sáng)

Phương pháp đo pha chính là phương pháp đo khoảng cách giữa vệ tinh và

bộ thu dựa vào việc đo pha của sóng mang tín hiệu GPS (L1 và L2) Phương phápnày được thể hiện qua công thức:

Với λ là bước sóng (λL1 = 19.04cm và λL2 = 24.44cm), N là số nguyên lần chu

kỳ sóng mang giữa vệ tinh và bộ thu (phần chẵn), φ/T là phần lẻ của 1 chu kỳ sóngmang

Hoạt động của bộ thu GPS:

Hình 2.16 : Minh họa hệ thống hơn về hoạt động của bộ thu tín hiệu GPS.

Tín hiệu GPS được thu vào dãy anten sẽ qua dãy RF để khuếch đại lên biên

độ đúng và tần số được chuyển thành tần số ngõ ra mong muốn Sau đó tín hiệuđược chuyển từ tương tự sang số nhờ bộ chuyển đổi ADC

Sau khi được số hóa, tín hiệu sẽ được xử lý tiếp bằng phần mềm.Chươngtrình nhận biết và thu thập dữ liệu vệ tinh (Acquisition) được thực hiện Chươngtrình ‘Tracking’ được dùng để tìm sự dịch pha của dữ liệu định vị Các khung con(Subframes) và dữ liệu định vị có thể có được từ sự dịch pha của dữ liệu định vị Dữliệu quỹ đạo và các khoảng cách giả (Ephemeris & pseudorange) có thể có được từ

dữ liệu định vị Dữ liệu quỹ đạo được dùng để có được các vị trí vệ tinh (Satellitepositions) Cuối cùng, vị trí của người sử dụng (User position) có thể được tính dựavào các vị trí của vệ tinh và các khoảng cách giả

Để nhận biết 1 vệ tinh i, bộ thu phải tự tạo ra những mã giống hệt với mã của

vệ tinh i (mã replica) rồi dịch chuyển chúng theo thời gian để so sánh chúng với dãy

mã của tín hiệu vệ tinh đang thu nhận được Nếu 2 dãy mã trùng khít nhau thì vệtinh phát tín hiệu này chính là vệ tinh i Việc so trùng dãy mã này không mất nhiềuthời gian đối với mã C/A nhưng mất nhiều thời gian đối với mã P khi xác địnhđược vệ tinh i nào đang nằm trong tầm quan sát của mình, bộ thu sẽ tiến hành thu

nhận dữ liệu từ vệ tinh này, tách bỏ nhiễu và tiếp tục lặp lại quá trình nhận biết vàthu thập này.

Trong các bộ thu truyền thống, 2 khối ‘Acquisition’ và ‘Tracking’ được thựchiện bằng phần cứng

• Tóm lại:

Đồ án sẽ ứng dụng thuật toán LMS ở giai đoạn 2 của phần mềm xử lý dữ liệu nằmtrong tầng dưới sơ đồ tổng quát của bộ thu tín hiệu GPS hình 2.13

2.2 - Giới thiệu về kỹ thuật DGPS:

DGPS (Differential GPS) là kỹ thuật để giảm sai số các vị trí trong hệ thốngGPS bằng cách dùng dữ liệu phụ từ bộ thu của trạm tham chiếu tại vị trí đã biết.Dạng phổ biến nhất của kỹ thuật DGPS là xác định các ảnh hưởng gộp chung củacác sai số quỹ đạo và sai số đồng hồ vệ tinh trong bản tin định vị (bao gồm các ảnhhưởng của SA) tại trạm tham chiếu và phát các sai số khoảng cách (pseudorangecorrections) đến bộ thu của người dùng ở thời gian thực (real time) Bộ thu dùngcác sai số này để xác định vị trí của nó Kết quả:

+ Các nguồn sai số bị loại bỏ hoàn toàn là sai số SA, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai sốđồng hồ vệ tinh

+ Các nguồn sai số do trễ trong tầng điện ly và tầng đối lưu có thể được hạn chếnhưng các sai số này tăng theo khoảng cách

+ Các nguồn sai số hoàn toàn không bị loại bỏ là các sai số truyền dẫn đa đường vàcác sai số do máy thu

Kỹ thuật DGPS được dùng khi yêu cầu mức chính xác vài mét Một bộ thuđặt tại trạm tham chiếu cố định có tọa độ đã biết, bộ thu còn lại của người dùngchưa biết tọa độ có thể đứng yên hoặc di chuyển mà ta cần tính tọa độ như minh họa

ở hình 2.15

Phương pháp này dựa trên thực tế là sai số khoảng cách đo từ vệ tinh đến 2

bộ thu bằng nhau khi hai bộ thu không cách nhau quá vài trăm km Phần mềm đãđược lập trình trong bộ thu tham chiếu sẽ dựa vào tọa độ của bộ thu tham chiếu đãbiết và tọa độ nhận được từ bản tin định vị của các vệ tinh để tính khoảng cách từ

bộ thu tham chiếu đến các vệ tinh, rồi đưa ra chênh lệch giữa khoảng cách đã tính

và khoảng cách mà mã đã đo ρ

i để có được các sai số khoảng cách ∆ ρ

i (hay cáchiệu chỉnh DGPS) Các sai số này được phát đến bộ thu của người sử dụng Sau đó

bộ thu của người sử dụng sẽ dùng các sai số ∆ ρ

i này để hiệu chỉnh các khoảngcách đã đo tại đó Sau cùng, các khoảng cách đã hiệu chỉnh được dùng để tính tọa

độ tại bộ thu của người sử dụng

Định vị GPS sai phân cải thiện được độ chính xác cao từ vài centimeter đến vài metre, trong khi định vị GPS dùng 1 bộ thu có độ chính xác theo phương ngang của các bộ thu dân dụng có mã C/A là 100m (có kích hoạt SA) và 22m (không kích hoạt SA) (trang 69[1]) Định vị GPS dùng 1 bộ thu chỉ được dùng trong trường hợp cần độ chính xác thấp, còn định vị GPS sai phân được dùng cho các ứng dụng có độchính xác cao như khảo sát và vẽ bản đồ, GIS (Geographical Information Systems)

Hình 2.17: Minh họa mô hình GPS sai phân.