Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS và ứng dụng trong nghành hàng không

CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN GPS Global Positioning Systems Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS Global navigation Định vị toàn cầu của Nga CDMA Code Division Multiplex Access Đa truy nhập p

LỜI CẢM ƠN

Sau 5 năm học tập tại trường, được sự tận tình dạy dỗ của các thầy cô

Em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Nghiên cứu hệ thống định vị toàn

cầu GPS và ứng dụng trong nghành hàng không ”

Em xin gởi lời cám ơn đến ban lãnh đạo nhà trường, quý thầy cô trong

bộ môn Công Nghệ Điên Tử đã truyền đạt những kiến thức quý báu làm cơ sở cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Em đặc biệt cám ơn cô giáo Nguyễn Thị Dung là người trực tiếp

hướng dẫn em thực hiện đề tài này

Em cũng xin được cám ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè đã tạo cho em những điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

LỜI CAM ĐOAN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian quy định và đáp ứng được yêu cầu đề ra, em đã cố gắng tìm hiểu, học hỏi, tích lũy kiến thức đã học Em có

tham khảo một số tài liệu đã nêu trong phần “Tài liệu tham khảo” nhưng không

sao chép nội dung từ bất kỳ đồ án nào khác

Em xin cam đoan đồ án là công trình nghiên cứu của cá nhân nghiên cứu,

xây dựng dưới sự hướng dẫn của cô giáo Nguyễn Thị Dung Nội dung lý thuyết

trong đồ án có sự tham khảo và sử dụng của một số tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu của đồ án

Em xin cam đoan những lời khai trên là đúng, mọi thông tin sai lệch em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng

Thái Nguyên, ngày tháng 6 năm 2012

Sinh viên thực hiện:

Lê Quang Huy

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 9

1.1 Khái quát về định vị 9

1.2 Nguyên lý của hệ thống thông tin vệ tinh 9

1.2.1 Quỹ đạo cực tròn 10

1.2.2 Quỹ đạo elip nghiêng 10

1.2.3 Quỹ đạo xích đạo tròn 10

1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh 11

1.4 Hệ thống của thông tin vệ tinh cơ bản 12

1.5 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 13

1.6 Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh 14

1.6.1 Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh 16

1.6.2 Các nguồn gây sai số trong phép đo 19

1.7 Sai số quỹ đạo vệ tinh 21

1.7.1 Sai số do tầng điện ly 22

1.7.2 Sai số do tầng đối lưu 23

1.7.3 Nhiễu đa đường 23

1.7.4 Các sai số của máy thu 24

1.8 Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh 24

1.8.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 24

1.8.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 25

1.8.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 26

1.9 Phương pháp đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 28

1.9.1 Đa truy nhập phân phối trước 28

1.9.2 Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 28

1.11 Suy hao trong thông tin vệ tinh 30

1.11.2 Suy hao do tầng đối lưu 31

1.11.3 Suy hao do tầng điện ly 32

1.11.4 Suy hao do thời tiết 32

1.11.5 Suy hao do đặt anten chưa đúng 33

1.11.6 Suy hao trong thiết bị phát và thu 33

1.11.7 Suy hao do phân cực không đối xứng 33

1.12 Tạp âm trong thông tin vệ tinh 34

1.12.1 Nhiệt tạp âm hệ thống 34

1.13 Hiệu ứng Doppler 41

1.14 Trễ truyền dẫn 41

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 42

2.1 Sự ra đời của hệ thống GPS 42

2.2 Cấu tạo của hệ thống GPS 48

2.2.1 Chùm vệ tinh 48

2.2.2 Hệ thống điều khiển mặt đất 48

2.2.3 Bộ phận người sử dụng 49

2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 49

2.4 Điều chế và giải điều chế GPS 51

2.4.1 Điều chế tín hiệu GPS 51

2.4.2 Giải điều chế GPS 52

2.5 Phương pháp tạo mã C/A 52

2.6 Các loại mã 53

2.6.1 Mã C/A 53

2.6.2 Mã P 53

2.7 Cấu trúc dữ liệu GPS 54

2.8 Mối quan hệ giữa các chức năng của hệ thống GPS 58

2.9 Hệ quy chiếu không gian và thời gian 58

2.10 Các hệ thống định vị khác 59

2.10.1 Hệ thống định vị toàn cầu Glonass 59

2.10.2 Galileo của châu âu 60

2.10.3 Beidou 60

2.10.4 Irnss 61

2.10.5 Qzss 61

2.11 Ưu điểm của hệ thống so với các hệ thống khác 61

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 62

TRONG NGÀNH HÀNG KHÔNG 62

3.1 Hạn chế của hệ thống dẫn đường truyền thống 62

3.2 Cấu trúc hệ thống Testbed 62

3.2.1 Thiết bị TRS 63

3.2.2 Thiết bị TVR 63

3.2.3 Trung tâm khai thác hệ thống (SOC) 63

3.2.4 Thiết bị TUP 63

3.3 Các hệ thống tăng cường dẫn đường 63

3.3.1 Hệ thống SBAS ( Satellite Based Augmentation System ) 64

3.3.2 Hệ thống GBAS ( Ground-Based Augmentation System ) 67

3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống tăng cường 69

KẾT LUẬN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Mục lục

Hình 1.1 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh 9

Hình 1.2 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh 10

Hình 1.3 Liên lạc giữa hai trạm mặt đất qua vệ tinh 12

Hình 1.4 vị trí các vật thể được xác định qua 4 phép đo 14

Hình 1.5 định vị điểm bằng vệ tinh 15

Hình 1.6 Miêu tả 3 phép đo bằng 3 vệ tinh 16

Hình 1.7 Miêu tả xác định ví trí 16

Hình 1.8: Mã giả ngẫu nhiên PRC 17

Hình 1.9 Phương pháp đo giả cự ly 19

Hình 1.11 Các sai số do lỗi 20

hình 1.12 sai số do tầng điện ly 22

Hình 1.13 Nhiễu đa đường 23

Hình 1.14 Truy nhập theo tần số 24

Hình 1.15 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 25

Hình 1.16 Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa (nhỏ) và do tầng điện ly theo tần số 29

Hình 1.17 Sai lệch do đặt anten chưa đúng 33

Hình 1.18 Suy hao trong thiết bị phát và thu 33

Hình 1.19 Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh 34

Hình 1.20 Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh 38

Hình 1.21 Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh 39

Hình 1.22 Đặc tính vào ra của TWT 40

Hình 1.24 Mức lùi đầu vào và lùi đầu ra 40

Hình 2.1 Qũy đạo các vệ tinh GPS 47

Hình 2.2 Các trạm điều khiển mặt đất 48

Hình 2.3 Cấu tạo hệ thống 49

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 49

Hình 2.5 Sơ đồ điều chế 51

Hình 2.6 Giải điều chế 52

Hình 2.8 Cấu trúc dữ liệu GPS 54

Hình 2.9 Mô tả định dạng điện văn 55

Hình 2.10 Cấu trúc từ TLM 56

Hình 2.11 Cấu trúc từ HOW 57

Hình 2.12 Mối quan hệ các chức năng của hệ thống GPS 58

Bảng 3.1 Các hạn chế của hệ thống dẫn đường hiện tại 62

Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống 62

Hình 3.3 Hệ thống SBAS 64

Hình 3.2 Cấu trúc và nguyên lý hệ thống SBAS 64

Hình 3.4 GBAS comfonents 67

Hình 3.5 Hệ thống GBAS 68

Hình 3.6 Cấu trúc hệ thống GBAS 68

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, thế giới thông tin ngày càng phát triển một cách đa dạng và phong phú Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống càng tăng cả về số lượng và chất lượng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành Viễn Thông càng mở rộng Trong những năm gần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đưa con người nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa học kỹ thuật

Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi một kỹ thuật mà các hệ thống cũ không thể đáp ứng được đó là định vị trong không gian ba chiều, đứng trước sự đòi hỏi đó chính phủ Mỹ đã tài trợ một chương trình nghiên cứu hệ thống định vị trong vũ trụ

Được sự hướng dẫn của Cô giáo Nguyễn Thị Dung em đã chọn đề tài

“Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS và ứng dụng trong hàng không” cho

đồ án tốt nghiệp của mình

Nội dung của đồ án gồm 3 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

Chương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Chương 3: Ứng dụng hệ thống GPS trong ngành hàng không

Chương 1: Cung cấp các khái niệm cơ bản về TTVT, về định vị, cơ sở lý thuyết của phép định vị bằng vệ tinh, phương trình đo mã, thiết lập mô hình toán học của phép đo cũng như các nguồn gây sai số của phép đo và tìm hiểu về các phương pháp và những ảnh hưởng của tạp âm và suy hao trong thông tin vệ tinh

Chương 2: Tìm hiểu về ưu điểm, chức năng, cấu tạo, cấu trúc-đặc tính tín hiệu, định dạng dữ liệu điện văn GPS và cũng như thông tin dẫn đường của GPS

Chương 3: Sẽ trình bày ứng dụng của hệ thống GPS vào hàng không, đồng thời xét hai hệ thống tăng cường GBAS và SBAS

Sinh viên thực hiện

CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN

GPS Global Positioning Systems Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS Global navigation Định vị toàn cầu của Nga

CDMA Code Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo mã

HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất cao LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp PRN Pseudo Random Code Mã giả ngẫu nhiên

BPSK Binary Phase Shift Key Khóa dịch pha nhị phân

P precise hoặc protectd Mã chính xác hoặc mã bảo vệ

S/A Selective Availability Là một loại tín hiệu

NDB Non – Directional Radio Beacon Đài phát sóng dài phát vô

hướng DME Distance Measuring Equipment Đài đo cự ly

ILS Instrument Loading Sysem Là hệ thống thiết bị mặt đất

VOR Very High Frequency Omi

SBAS Satellite Based Augmentation

MCS Master Control Station Trạm điều khiển chính

CNMP Multipath error confidence

TROP Troposphere delay Trể tầng đối lưu

UDRE User Differential Range Error Lỗi sai lệch cự ly người dùng vệ

tinh GIVE Grid Ionosphere Vertical Error Lỗi lưới dọc ion

VPL Vertical protection level Mức bảo vệ dọc

HPL Horizontal protection level Mức bảo vệ ngang

ECEF Earth Cented Earth Fixed

ICAO International Civil Aviation

Organization

Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế

IGP Ionosphere Grid Piont Điểm lưới tầng ion

IPP Ionospheric Pierce Points Điểm xuyên qua tầng Ion

FDMA Frequency Division Multiplex

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần

số TDMA Time Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 Khái quát về định vị

Thật vậy, từ xa xưa con người đã biết vận dụng nhiều phương pháp như:

- Định vị cổ điển như quan sát theo dõi các ngọn núi, tòa nhà cao

- Định vị quan sát các chòm sao và hành tinh trên vũ trụ: như sao Bắc đẩu

để xác định vị trí của mình tuy là không chính xác lắm

Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và các phương pháp định vị hiện đại như:

- Định vị quán tính

- Định vị vô tuyến mặt đất

- Định vị vô tuyến không gian người ta đã tính toán và đo được các thông

số của quá trình chuyển động (vị trí, vận tốc, thời gian,…) chính xác hơn

1.2 Nguyên lý của hệ thống thông tin vệ tinh

Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thông tin ngoài trái đất Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất, khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác

Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất là:

- Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất

- Qủa đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh

Hình 1.1 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh

1.2.1 Quỹ đạo cực tròn

Ưu điểm của dạng quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy vệ tinh trong một khoảng thời gian nhất định Việc phủ sóng toàn cầu của dạng quỹ đạo này đạt được vì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lượt quét tất cả các vị trí trên mặt đất Dạng quỹ đạo này được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên và các vệ tinh do thám Nó ít được sử dụng cho thông tin truyền hình vì thời gian xuất hiện ngắn

1.2.2 Quỹ đạo elip nghiêng

Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng cực cao mà các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược điểm

là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải ở mức cao

1.2.3 Quỹ đạo xích đạo tròn

Đối với dạng quỹ đạo này, vệ tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo và

là dạng quỹ đạo được dùng cho vệ tinh địa tĩnh, nếu vệ tinh bay ở một độ cao đúng thì dạng quỹ đạo này sẽ lý tưởng đối với các vệ tinh thông tin

Hình 1.2 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh

1.2.3.1 Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geosychronous Earth Orbit)

Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000km so với đường xích đạo, vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất một vòng mất 24h Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục của nó theo hướng đông cùng với hướng quay của trái đất, bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất, do đó nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh

Bởi vì một vệ tinh địa tĩnh có thể đảm bảo thông tin ổn định liên tục nên

có nhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin

Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt ở cách đều nhau bên trên xích đạo thì có thể thiết lập thông tin liên kết giữa các vùng trên trái đất bằng cách chuyển tiếp qua một

hoặc hai vệ tinh Điều này cho phép xây dựng một mạng thông tin trên toàn thế giới 1.2.3.2 Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit)

Độ cao điển hình của dạng quỹ đạo này là 160 đến 480 km, nó có chu kỳ

90 phút Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng dưới 30 phút Việc bố trí các vệ tinh LEO gần nhau có thuận lợi là thời gian để dữ liệu phát đi đến vệ tinh và đi

về là rất ngắn Do khả năng thực hiện nhanh của nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ toàn cầu giữa các mạng và loại hình hội thoại vô tuyến truyền hình sẽ có hiệu quả

và hấp dẫn hơn Nhưng hệ thống LEO đòi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại này mới bao trùm hết bề mặt địa cầu

1.2.3.3 Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit)

Vệ tinh MEO ở độ cao từ 10.000km đến 20.000 km, chu kỳ của quỹ đạo là 5 đến 12 giờ, thời gian quan sát vệ tinh từ 2 đến 4 giờ Ứng dụng cho thông tin di động hay thông tin radio Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh để phủ sóng toàn cầu

1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh

Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến nhanh chóng vì nhiều lý do khác nhau Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh

so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp quang và hệ thống chuyển tiếp viba số là:

- Có khả năng đa truy nhập

- Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần 3 vệ tinh địa tĩnh là có thể phủ sóng toàn cầu

- Ổn định cao, chất lượng và khả năng cao về thông tin băng rộng

- Có thể ứng dụng cho thông tin di động

Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng hiệu quả sử dụng của nó tới cực đại được gọi là đa truy nhập Nói cách khác đa truy nhập là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất

1.4 Hệ thống của thông tin vệ tinh cơ bản

Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần cơ bản:

- Phần trên không là vệ tinh và các thiết bị liên quan

- Phần mặt đất bao gồm các trạm mặt đất

Trong đó vệ tinh đóng vai trò lặp lại tín hiệu truyền giữa các trạm mặt đất, thực chất kỹ thuật thông tin vệ tinh là kỹ thuật truyền dẫn mà trong đó môi trường truyền dẫn là không gian vũ trụ với khoảng cách đường truyền khá dài

Đường lên 6GHz(14GHz)

Đường xuống 4GHz(11GHz)

Khuếch đại tạp âm tháp

Hạ tần

Giải điều chế Điều

chế

Nâng

tần

Khuếch đại công suất

Hình 1.3 Liên lạc giữa hai trạm mặt đất qua vệ tinh

Tại đây ta cũng gặp lại một số vấn đề đối với một bài toán truyền dẫn, đó là các vấn đề điều chế tạp âm và nhiễu đường truyền, đồng bộ giữa hai đầu thu phát

Hình vẽ là một ví dụ đơn giản về liên lạc giữa hai trạm mặt đất thông qua

vệ tinh thông tin

Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên (Up link) và đường từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống (Down link) Hầu hết, các tần số trong khoảng 6GHz hoặc 14GHz được dùng cho đường lên

và tần số khoảng 4GHz hoặc 11GHz cho đường xuống

Tại đầu phát, thông tin nhận từ mạng nguồn (có thể là kênh thoại, truyền hình quảng bá, truyền số liệu .) sẽ được dùng để điều chế một sóng mang trung tần IF Sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ chuyển đổi nâng tần (Up Converter) cho ra tần số cao hơn RF (Radio Frequency) Tín hiệu RF này được khuếch đại ở bộ khuếch đại công suất cao HPA (High Power Amplifier) rồi được bức xạ ra không gian lên vệ tinh qua anten phát Tại vệ tinh, tín hiệu nhận được qua anten sẽ được khuếch đại và chuyển đổi tần số xuống (Down Converter), sau đó được khuếch đại công suất rồi được phát trở lại trạm mặt đất Ở trạm mặt đất thu, tín hiệu thu được qua anten được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) Sau đó được chuyển đổi tần số xuống trung tần qua bộ chuyển đổi hạ tần (Down Converter) và cuối cùng được giải điều chế khôi phục lại tín hiệu băng gốc

1.5 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh nằm trong băng tần siêu cao SHF (Super High Frequency) từ 3 đến 30 GHz, trong phổ tần số sử dụng cho vệ tinh người ta còn chia các băng tần nhỏ với phạm vi của dãy phổ như bảng 1.1

8,824,41 4,413,56 2,751,66 1,950,83

Bảng 1.1 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

Hiện nay, băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất, băng C (4/6 GHz) nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, suy hao ít do mưa, trước đây được dùng cho các hệ thống viba mặt đất Sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ thống khác bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa Băng Ku (12/14 và 11/14 GHz), được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng, dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty Do tần số cao nên cho phép sử dụng những anten có kích thước nhỏ, nhưng cũng vì tần số cao nên tín hiệu ở băng Ku bị hấp thụ lớn do mưa

Băng Ka (20/30 GHz) lần đầu tiên sử dụng cho thông tin thương mại qua

vệ tinh Sakura của Nhật, cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ và hoàn toàn không gây nhiễu cho các hệ thống viba Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng kể do mưa nên không phù hợp cho thông tin chất lượng cao

1.6 Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh

Để xác định vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử dụng vệ tinh làm các điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thể đến các vệ tinh này (Hình 1.4)

Ở đây ta đã biết trước vị trí rj của vệ tinh thứ j (phát ra tín hiệu) và muốn xác định vị trí Ri của anten thứ i (thiết bị thu tín hiệu vệ tinh) do đó ta cần phải đo vector cự ly eijIj giữa 2 vị trí nói trên (eij là vector đơn vị)

Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có thể có những

kỹ thuật định vị vệ tinh khác nhau và xác định được vị trí của anten thứ i theo công thức sau:

Ri = rj - eijij (1.1)

Do vị trí của vệ tinh thay đổi theo thời gian nên việc dự đoán một cách chính xác vị trí của vệ tinh rj(t) tại một thời điểm nào đó là rất khó khăn Nhiệm

vụ dự đoán quỹ đạo hay lịch thiên văn (ephemeris) của vệ tinh đòi hỏi phải có kiến thức đặc biệt về động lực học vệ tinh mà người vận hành hệ thống cần phải quan tâm

Giả sử ta bỏ qua sai số đồng hồ máy thu trên vật thể i và đo được cự ly từ vật thể i đến vệ tinh 1 là i1, nghĩa là vật thể i đang nằm trên một mặt cầu (S1) có tâm là vệ tinh 1 (C1) và bán kính là i1 Tiếp theo ta thực hiện phép đo cự ly từ vật thể i đến vệ tinh 2 và nhận được kết quả là i2, điều này cho chúng ta biết rằng vật thể i không chỉ nằm trên mặt cầu (S1) mà còn nằm trên mặt cầu (S2) cách

vệ tinh 2 (C2) một khoảng cách là i

2 Nói cách khác, vật thể i sẽ nằm trên đường tròn (O) do 2 mặt cầu (S1), (S2) cắt nhau tạo ra Nếu chúng ta tiếp tục đo được cự

ly từ vật thể i đến vệ tinh 3 là i3 thì vị trí chính xác của nó là một trong hai giao điểm P1, P2 của mặt cầu (S3) với đường tròn (O), như ở hình 1.5

Như vậy, bằng các phép đo cự ly từ vật thể i đến 3 vệ tinh, ta có thể xác định được 2 vị trí có thể có của nó trong không gian Để xác định vị trí nào là vị trí thật ta có thể thực hiện 1 phép đo bổ sung, tuy nhiên 1 trong 2 vị trí tính được

từ phép đo này sẽ cho một kết quả không phù hợp (hoặc là ở rất xa trái đất, hoặc

là chuyển động với vận tốc vô cùng lớn) và do đó có thể bỏ qua mà không cần

C (Gốc tọa độ) (Tâm trái đất)

rj (đã biết)

(cần tìm) RiAnten thứ i

Vệ tinh thứ j

Mặt đất (đo được) eijij

Hình 1.5 định vị điểm bằng vệ tinh

P

phải thực hiện phép đo này.Ba phép đo cự ly ở trên cho ta 3 phương trình độc lập với nhau cần thiết để xác định 3 ẩn số 3 ẩn số này là tọa độ (x, y, z) của vật thể i trong không gian 3 chiều Khi kể đến sai số đồng hồ máy thu, tất cả các phép đo

cự ly đồng thời đều bị lệch bởi giá trị sai số này Do đó, trong bất kỳ một tập hợp các phép đo cự ly đồng thời nào, chúng ta cũng cần phải xác định đầy đủ 4 ẩn số (3 ẩn số vị trí, 1 ẩn số thời gian), nghĩa là cần 4 phương trình hay 4 phép đo cự ly đến vệ tinh để xác định vị trí duy nhất của vật thể

Hình 1.6 Miêu tả 3 phép đo bằng 3 vệ tinh

1.6.1 Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh

1.6.1.1 Mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code - PRC)

Là thành phần cơ bản của GPS, gồm các mã số (digital code) rất phức tạp, hay nói cách khác nó là một chuỗi liên tiếp các xung nhị phân “0” và “1” (hình 1.7) Tín hiệu này phức tạp gần như là các nhiễu điện từ ngẫu nhiên nên được gọi

là mã giả ngẫu nhiên Nó có nhiệm vụ bảo đảm cho máy thu không đồng bộ ngẫu nhiên với tín hiệu khác Ngoài ra, do mỗi vệ tinh có một mã PRC duy nhất riêng biệt nên điều này cũng bảo đảm rằng máy thu sẽ không tình cờ bắt được tín hiệu của vệ tinh khác, vì vậy các vệ tinh có thể sử dụng cùng tần số mà không làm nhiễu lẫn nhau Không những vậy, việc sử dụng mã PRC này còn giúp cho quá trình xử lý và khuếch đại tín hiệu dựa trên lý thuyết thông tin được thực hiện dễ dàng hơn, giúp tối ưu hóa anten thu và tiết kiệm chi phí

1.6.1.2 Giả cự ly

Là cự ly đo được giữa vệ tinh và máy thu khi kể đến các sai số đồng hồ (đồng hồ máy thu và vệ tinh) cũng như các nguồn sai số khác (sai số do lịch thiên văn, do tầng điện ly, do tầng đối lưu, …) Các cự ly đo được trên hình 1.5 ở trên chính là các số đo giả cự ly cần thiết để xác định vị trí của vật thể i được tính theo công thức sau:

prij = ij + c.T (1.2) Trong đó :

prij - giả cự ly giữa vật thể i và vệ tinh thứ j ;

ij - cự ly thật giữa vật thể i và vệ tinh thứ j ;

c - vận tốc ánh sáng (3x108 m/s);

T - các nguồn sai số

1.6.1.3 Đo cự ly bằng sóng xung và sóng liên tục

Hình 1.8: Mã giả ngẫu nhiên PRC

Các hệ thống đo cự ly thường dùng các tín hiệu xung hoặc các tín hiệu sóng liên tục Mỗi phương pháp đều có những ưu khuyết điểm riêng và đều có thể sử dụng trong phép đo một chiều hoặc hai chiều Hệ thống định vị vô tuyến toàn cầu là hệ thống đo cự ly một chiều có khả năng sử dụng cả hai loại: sóng xung và sóng liên tục

1.6.1.4 Nguyên lý đo cự ly cơ bản

Bằng cách xác định khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu ta có thể tính toán được cự ly giữa chúng nhờ vào công thức:

Cự ly = vận tốc x thời gian hay  = c.t (1.3) Vấn đề ở đây là làm sao tính toán được thời gian truyền tín hiệu giữa chúng Để thực hiện điều này chúng ta giả sử rằng cả vệ tinh và máy thu đều phát ra các mã PRC giống nhau vào cùng một thời điểm Lúc này tại máy thu ta nhận được hai phiên bản mã không đồng thời, một phiên bản mã của máy thu và một phiên bản

mã từ vệ tinh sẽ đến trễ hơn một khoảng thời gian do phải trải qua một quãng đường khá xa từ vệ tinh đến máy thu Như vậy dựa vào khoảng thời gian trễ trên

ta có thể xác định được cự ly một cách dễ dàng

Giả cự ly là tích của tốc độ ánh sáng và trị biến đổi thời gian cần thiết để

so hàng một phiên bản mã được phát từ máy thu với một phiên bản mã khác nhận được từ vệ tinh Trên lý thuyết, trị biến đổi thời gian là trị chênh lệch giữa thời gian nhận tín hiệu (được đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín hiệu (được đo bằng hệ thời gian của vệ tinh) Trên thực tế, hai hệ thời gian này không giống nhau, mỗi hệ tác động một sai lệch vào trị số đó Vì vậy các số đo thời trễ sai lệch này được xem là những số đo giả cự ly

1.6.2 Các nguồn gây sai số trong phép đo

Như chúng ta đã biết để xác định vị trí của một vật thể, ta cần phải tính toán được khoảng cách từ nó đến 4 vệ tinh dựa vào phép đo khoảng thời gian truyền tín hiệu sóng điện từ từ các vệ tinh đến vật thể này Do đó độ chính xác của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu là các thông số rất quan trọng ảnh hưởng đến các phép đo cự ly cần thiết Ngoài ra, các yếu tố khác như tầng điện ly, tầng đối lưu, quỹ đạo vệ tinh, độ ồn của máy thu, nhiễu đa đường (multipath) cũng góp phần gây ra các sai số không nhỏ trong các phép đo cự ly này

Hình 1.9 Phương pháp đo giả cự ly

t

Mã nhận được

từ vệ tinh

Mã do máy thu tạo ra Thời trễ (Giả cự ly)

Thời trễ được xác định bằng cách sử dụng nguyên lý tương quan

tín hiệu ngẫu nhiên trong máy thu tương quan (correlator)

50km 200km 28.000km

Hình 1.10 Các nguồn tác động khác nhau gây

ra sai số trong phép đo cự ly

Quỹ đạo vệ tinh

Đồng hồ vệ tinh

Đồng hồ máy thu Nhiễu đa đường Nhiễu máy thu Tín hiệu truyền từ vệ tinh đến

máy thu bị sai số và bị trễ

Hình 1.11 Các sai số do lỗi

1.6.2.1 Đồng hồ vệ tinh

Sóng điện từ truyền đi trong không gian xấp xỉ vận tốc ánh sáng (3.108m/s) nên chỉ cần sai số 1ns sẽ gây ra sai số khoảng cách 30cm Vì vậy, người ta trang bị cho các vệ tinh các đồng hồ nguyên tử (Cesium) rất chính xác Các đồng hồ này tuy có độ chính xác cao vẫn tích lũy sai số 1ns sau mỗi 3 giờ,

do đó để giải quyết vấn đề này, chúng sẽ được liên tục theo dõi bởi các trạm mặt đất và được so sánh với hệ thống đồng hồ điều khiển trung tâm gồm 10 đồng hồ nguyên tử khác Sau khi được tính toán kỹ lưỡng, sai số và độ trôi đồng hồ vệ tinh được kèm vào các thông điệp mà vệ tinh phát đi Khi tính toán khoảng cách đến các vệ tinh, máy thu GPS sẽ lấy thời gian truyền tín hiệu nhận được trừ đi các sai số này để xác định thời gian truyền tín hiệu thực sự

Mặc dù các trung tâm điều khiển mặt đất cố gắng hết sức để liên tục theo dõi hoạt động của các đồng hồ vệ tinh, chúng vẫn không thể xác định các sai số một cách chính xác được Do đó các vệ tinh vẫn gây ra sai số đồng hồ tiêu biểu khoảng vài nano giây và sai số khoảng cách khoảng 1 met

1.6.2.2 Đồng hồ máy thu

Tương tự như đồng hồ vệ tinh, bất kỳ sai số nào trong đồng hồ máy thu cũng gây ra sai số trong các phép đo khoảng cách Tuy nhiên không thực tế khi trang bị cho các máy thu này các đồng hồ nguyên tử vì chúng khá nặng (khoảng

Giả sử rằng, tại một thời điểm nào đó, đồng hồ máy thu có sai số 1ms và

do đó gây ra sai số khoảng cách 300.000m Nếu các khoảng cách đến tất cả các

vệ tinh được đo chính xác vào cùng một thời điểm thì tất cả khoảng cách này đều

bị lệch 300.000m Vì vậy, ta có thể xem sai số đồng hồ máy thu là một trong các

ẩn số cần tìm và đó cũng là lý do mà tại sao khi xác định vị trí ta cần thực hiện các phép đo cự ly đến 4 vệ tinh, nghĩa là cần 4 phương trình để giải ra 4 ẩn số (3

ẩn số vị trí x, y, z và 1 ẩn số thời gian là sai số đồng hồ máy thu), và từ đó giúp ta

có thể sử dụng đồng hồ rẻ tiền và gọn nhẹ hơn trong máy thu

Chú ý rằng việc xem sai số đồng hồ máy thu là một ẩn số chỉ hợp lệ nếu chúng ta thực hiện các phép đo cự ly đến các vệ tinh chính xác vào cùng một thời điểm Nếu các phép đo này không xảy ra đồng thời thì đối với mỗi phép đo ta sẽ

có một sai số đồng hồ khác nhau Thực hiện các phép đo đồng thời đến 4 vệ tinh,

ta không những tính toán được vị trí 3 chiều của mình mà còn xác định được sai

số của đồng hồ máy thu với độ chính xác rất cao Một đồng hồ tiêu biểu có độ trôi khoảng 1000ns mỗi giây nhưng bằng phương pháp trên ta có thể điều chỉnh thời gian máy thu đạt độ chính xác bằng với đồng hồ GPS và biến đồng hồ máy thu rẻ tiền này trở thành một đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao Máy thu hiệu chỉnh đồng hồ của nó mỗi giây và cung cấp một tín hiệu thời chuẩn cho các ứng dụng bên ngoài Nếu chúng ta đặt máy thu tại một vị trí chính xác đã biết thì

ta chỉ cần theo dõi 1 vệ tinh để tính toán sai số đồng hồ máy thu và điều chỉnh nó.4 vệ tinh là số lượng tối thiểu mà chúng ta cần để tính toán vị trí và thời gian Càng sử dụng nhiều vệ tinh thì kết quả đo nhận được càng chính xác hơn

1.7 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Như đã thảo luận ở các phần trên, độ chính xác của vị trí cần tính toán cũng phụ thuộc vào cách xác định vị trí chính xác của các vệ tinh (được xem là các điểm tham chiếu) Quỹ đạo của các vệ tinh liên tục được theo dõi từ nhiều trạm giám sát nằm xung quanh trái đất và thông tin quỹ đạo dự đoán được truyền đến các vệ tinh, từ đó vệ tinh cung cấp các thông tin này cho máy thu Độ chính xác tiêu biểu của việc tiên đoán quỹ đạo này vào khoảng vài mét và do đó cũng

sẽ gây ra sai số khoảng vài mét khi tính toán vị trí Máy thu duy trì một bảng niên

giám dữ liệu quỹ đạo cho tất cả các vệ tinh và chúng cập nhật các bảng này mỗi giờ khi có dữ liệu mới

1.7.1 Sai số do tầng điện ly

hình 1.12 sai số do tầng điện ly

Ionospheric Delay:

I - là số của electron trên một đơn vị

Khi tính toán khoảng cách đến vệ tinh, đầu tiên ta đo khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu và sau đó nhân khoảng thời gian này với vận tốc ánh sáng Vấn đề ở đây là vận tốc này thay đổi phụ thuộc vào tình trạng của tầng khí quyển Lớp trên của tầng khí quyển gọi là tầng điện ly gồm các hạt mang điện, gây tác động làm chậm tín hiệu mã và làm nhanh tín hiệu sóng mang

Ảnh hưởng của tầng điện ly nếu không được khắc phục có thể gây ra sai số phép đo lớn hơn 10m Vài máy thu sử dụng mô hình toán học để tính toán ảnh hưởng của tầng điện ly và xác định gần đúng mật độ các hạt mang điện nên có thể giảm được ảnh hưởng của tầng này khoảng 50% tuy nhiên sai số còn lại vẫn đáng kể

Tác động của tầng điện ly đối với tín hiệu điện tử phụ thuộc vào tần số của

mang khác nhau để đo độ trễ sai lệch giữa 2 tín hiệu này và từ đó loại bỏ được ảnh hưởng của tầng điện ly Đó chính là lý do tại sao mà tất cả các vệ tinh GPS truyền thông tin bằng 2 tần số L1, L2 Máy thu chính xác (máy thu 2 tần số) chủ yếu phục vụ cho quân sự theo dõi cả 2 tín hiệu L1, L2 và thực hiện các kỹ thuật phức tạp để trích ra các tín hiệu mã và sóng mang nhằm loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly Máy thu không chính xác (máy thu đơn tần) phục vụ chủ yếu trong dân sự chỉ theo dõi 1 tín hiệu L1 Đây là 1 trong những đặc điểm phân biệt chính giữa 2 loại máy thu này

1.7.2 Sai số do tầng đối lưu

Lớp thấp hơn của tầng khí quyển chứa đựng hơi nước được gọi là tầng đối lưu, gây tác động làm chậm cả tín hiệu mã lẫn tín hiệu sóng mang Ta không thể

loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu bằng cách sử dụng hệ thống 2 tần số

Phương pháp duy nhất để loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu là tiến hành phép đo lượng hơi nước, nhiệt độ, áp suất của nó và áp dụng một mô hình toán học để có thể tính toán độ trễ gây ra bởi tầng này

1.7.3 Nhiễu đa đường

Hình 1.13 Nhiễu đa đường

Khi đo khoảng cách đến mỗi vệ tinh, ta giả sử rằng tín hiệu vệ tinh được truyền thẳng từ vệ tinh đến anten của máy thu Nhưng trong thực tế ngoài tín hiệu trực tiếp này anten máy thu còn nhận được các tín hiệu phản xạ đến từ mặt đất và các vật thể gần anten qua nhiều đường gián tiếp khác nhau, xen nhiễu vào tín hiệu trực 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

1.7.4 Các sai số của máy thu

Máy thu có thể gây ra vài sai số khi thực hiện phép đo mã hay sóng mang Tuy nhiên, trong các máy thu chất lượng cao các sai số này không đáng kể, nhỏ hơn 1mm đối với phép đo pha sóng mang và vài cm đối với phép đo pha mã

1.8 Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh

1.8.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

FDMA (Frequency Division Multiplex Access) là loại đa truy nhập được dùng phổ biến trong thông tin vệ tinh, trong hệ thống này mỗi trạm mặt đất phát

đi một sóng mang có tần số khác với tần số sóng mang của các trạm mặt đất khác Mỗi một sóng mang được phân cách với các sóng mang khác bằng các băng tần bảo vệ thích hợp sao cho chúng không chồng lên nhau FDMA có thể được sử dụng cho tất cả các hệ thống điều chế: hệ thống điều chế tương tự hay điều chế số như các sóng mang FM (Frequency Modulation) điều chế bằng các tín hiệu điện thoại đã ghép kênh hoặc các tín hiệu truyền hình và các sóng mang PSK (Phase Shift Keying) điều chế số Một trạm mặt đất thu các tín hiệu có chứa thông tin nhờ một bộ lọc thông dải

Phương pháp này cho phép tất cả các trạm truyền dẫn liên tục, nó có ưu điểm là không cần thiết điều khiển định thời đồng bộ và các thiết bị sử dụng khá

fA

đơn giản Hiệu quả sử dụng công suất vệ tinh của nó là khá tốt, tuy nhiên vì các kênh truyền dẫn được phân chia theo một thước đo vật lý là tần số Nên phương pháp này thiếu linh hoạt trong việc thay đổi cách phân phối kênh và hiệu quả thấp khi số sóng mang tăng Nhưng bù lại phương pháp này có thủ tục truy nhập đơn giản, các cấu hình phương tiện trạm mặt đất cũng đơn giản hơn

1.8.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

TDMA là phương pháp đa truy nhập trong đó các trạm mặt đất dùng chung một bộ phát đáp trên cơ sở phân chia theo thời gian như hình 1.15 Trong

đó trục hoành chỉ tần số, trục tung chỉ thời gian Trục thời gian được phân chia thành các khoảng thời gian gọi là các khung TDMA, mỗi khung TDMA được phân chia thành các khe thời gian, các khe thời gian này được ấn định cho mỗi trạm mặt đất Tất cả các trạm mặt đất đều dùng chung một sóng mang có tần số trung tâm là f0 và chỉ phát và thu tín hiệu trong các khe thời gian được ấn định

Vì thế, trong một khoảng thời gian nhất định, chỉ có tín hiệu từ một trạm mặt đất chiếm toàn bộ băng tần của bộ phát đáp vệ tinh và không bao giờ xảy ra trường hợp tín hiệu từ hai trạm mặt đất trở lên chiếm bộ phát đáp của vệ tinh trong cùng một thời gian Độ dài của khe thời gian ấn định cho mỗi trạm mặt đất tuỳ thuộc vào lưu lượng của trạm

TDMA sử dụng các sóng mang điều chế số và các sóng mang được phát

đi từ trạm mặt đất cần phải được điều khiển chính xác sao cho chúng nằm trong khe thời gian được phân phối Để làm được điều này, cần phải có một tín hiệu

1khung TDMA

chuẩn phát đi từ một trạm chuẩn và các trạm khác lần lượt truyền tín hiệu ngay sau tín hiệu chuẩn Trong phương pháp đa truy nhập này, các trạm mặt đất phải truyền tín hiệu một cách gián đoạn và cần phải dự phòng khoảng thời gian bảo vệ giữa các sóng mang để các tín hiệu từ các trạm mặt đất không chồng lấn lên nhau khi đến bộ phát đáp

Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng tốt công suất tối đa của vệ tinh và có thể thay đổi dễ dàng dung lượng truyền tải bằng cách thay đổi khoảng thời gian phát và thu, do đó nó linh hoạt trong việc thay đổi, thiết lập tuyến, đặc biệt

là hiệu suất sử dụng tuyến rất cao khi số kênh liên lạc tăng Mặt khác, TDMA khi kết hợp với kỹ thuật nội suy tiếng nói thì có thể tăng dung lượng truyền dẫn lên ba đến bốn lần Tuy nhiên, TDMA có một số nhược điểm như sau:

Yêu cầu phải có đồng bộ cụm:

- Mạng TDMA chứa các trạm lưu lượng và ít nhất một trạm chuẩn Các cụm được phát đi từ các trạm lưu lượng được gọi là các cụm lưu lượng Số liệu lưu lượng được phát bằng các cụm lưu lượng Trạm chuẩn phát một cụm đặc biệt theo chu kỳ gọi là cụm chuẩn Cụm chuẩn cung cấp chuẩn định thời và chu kỳ của nó đúng bằng một khung TDMA Mỗi trạm lưu lượng phát các cụm lưu lượng trong các khe thời gian được ấn định ở vệ tinh bằng cách điều khiển định thời phát cụm theo cụm chuẩn, cụm chuẩn được sử dụng làm chuẩn định thời, cụm chuẩn và các cụm lưu lượng được đặt theo thứ tự đúng để tránh chồng lấn trong mỗi khung TDMA Nếu không có đồng bộ cụm thì các cụm được phát có thể trượt khỏi các khe thời gian được ấn định ở vệ tinh Nếu xảy ra chồng lấn các cụm ở vệ tinh thì thông tin sẽ bị mất

- Tín hiệu tương tự phải được chuyển sang dạng số khi sử dụng kỹ thuật TDMA

- Giao diện với các hệ thống mặt đất tương tự rất phức tạp dẫn đến giá thành của hệ thống cao

1.8.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

CDMA (Code Division Multiplex Access) là phương pháp truy nhập ứng dụng kỹ thuật trải phổ, trong đó mọi đối tượng có thể :

- Được phép hoạt động đồng thời;

- Hoạt động tại tần số như nhau;

- Sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống cùng một lúc mà không gây nhiễu sang thông tin của đối tượng khác

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA là phương pháp đa truy nhập mà

ở đó các trạm mặt đất có thể phát tín hiệu một cách liên tục và đồng thời, và sử dụng cùng một băng tần của kênh

Trong CDMA, mỗi sóng mang phát được điều chế bằng một mã đặc biệt quy định cho mỗi trạm mặt đất và trạm mặt đất thu có thể tách được tín hiệu cần thu khỏi các tín hiệu khác nhờ mã đặc biệt đó Tập hợp các mã cần dùng phải có các thuộc tính tương quan sau đây:

- Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng với bản sao của chính nó bị dịch chuyển theo thời gian

- Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng bất chấp các mã khác được sử dụng trên mạng

Việc truyền dẫn tín hiệu hữu ích kết hợp với mã đòi hỏi một băng thông lớn hơn nhiều so với băng thông yêu cầu để truyền dẫn chỉ riêng thông tin hữu ích Đó là lý do vì sao người ta gọi là truyền dẫn trải phổ

+ Đặc điểm của CDMA:

- Hoạt động đơn giản, do nó không đòi hỏi bất kỳ sự đồng bộ truyền dẫn nào giữa các trạm Đồng bộ duy nhất là đồng bộ của máy thu với chuỗi sóng mang thu được

- Nhờ việc trải phổ ở phía phát và thu hẹp phổ ở phía thu nên nó có khả năng chống lại can nhiễu giữa các hệ thống và nhiễu do hiện tượng đa đường truyền rất tốt, đồng thời có tính bảo mật của tín hiệu cao

Bên cạnh các ưu điểm như trên, CDMA vẫn tồn tại nhược điểm như hiệu quả sử dụng băng tần kém, độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu lớn

Tuy vậy CDMA rất phù hợp đối với các mạng có các trạm nhỏ với độ rộng chùm tia anten lớn và đối với truyền thông vệ tinh với các máy di động

1.9 Phương pháp đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập phân phối theo yêu cầu

1.9.1 Đa truy nhập phân phối trước

Đa truy nhập phân phối trước là một phương pháp đa truy nhập mà trong

đó các kênh vệ tinh được phân bố cố định cho tất cả các trạm mặt đất khác nhau, bất chấp có hay không có các cuộc gọi phát đi

1.9.2 Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu

Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu là phương pháp đa truy nhập mà trong đó các kênh vệ tinh được sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh từ các trạm mặt đất có liên quan Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu cho phép sử dụng có hiệu quả dung lượng kênh của vệ tinh đặc biệt khi một số trạm mặt đất

có dung lượng nhỏ sử dụng chung một bộ phát đáp như trong trường hợp hệ thống điện thoại vệ tinh trên biển

1.9.2.1 Sự phân cực sóng mang

Trường điện từ của sóng vô tuyến điện khi truyền qua một môi trường thì dao động theo một hướng nhất định, tuỳ theo kiểu dao động đó mà ta có hai loại phân cực Hai loại phân cực sóng vô tuyến điện được sử dụng trong thông tin vệ tinh là sóng phân cực thẳng và sóng phân cực tròn

1.9.2.2 Sóng phân cực thẳng

Một sóng phân cực thẳng có thể được tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một ống dẫn sóng chữ nhật đến một anten loa, nhờ đó sóng được bức xạ theo kiểu phân cực thẳng đứng song song với cạnh đứng của anten loa Để thu được sóng này anten thu cũng cần phải bố trí giống như tư thế anten phía phát Trong trường hợp khi đặt anten thu vuông góc với anten phát thì không thể thu được sóng này ngay cả khi sóng đi vào ống dẫn sóng Ta dễ dàng tạo ra sóng phân cực thẳng, nhưng cần phải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng anten thu sao cho song song với mặt phẳng phân cực sóng đến

1.9.2.3 Sóng phân cực tròn

Sóng phân cực tròn là sóng trong khi truyền lan phân cực của nó quay tròn, có thể tạo ra loại sóng này bằng cách kết hợp hai sóng phân cực thẳng có

phân cực vuông góc nhau và góc lệch pha là 900 Sóng phân cực tròn là phân cực phải hay trái phụ thuộc vào sự khác nhau giữa các sóng phân cực thẳng là sớm pha hay chậm pha Đối với sóng phân cực tròn mặc dù không cần điều chỉnh hướng của loa thu, nhưng mạch fiđơ của anten lại trở nên phức tạp hơn đôi chút

Trong thông tin vệ tinh, sóng phân cực tròn được chọn để sử dụng nhờ có tính ưu việt sau:

- Sự chênh lệch giữa phân cực tròn phải và phân cực tròn trái là khá lớn

Vì vậy mà việc phát và thu tín hiệu không ảnh hưởng lên nhau với kỹ thuật sử dụng lại tần số

-Trong khoảng tần số từ 4GHz đến 6GHz thì mức độ phân cách giữa hai phân cực phải và phân cực trái rõ rệt, do đó chúng không gây giao thoa hay can nhiễu lên nhau

1.10 Cửa sổ tần số

Các sóng vô tuyến điện truyền đến hay đi từ các vệ tinh thông tin chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và khí quyển Tầng điện ly là một lớp khí loãng bị ion hoá bởi các tia vũ trụ, có độ cao từ 60km đến 400km so với mặt đất, lớp mạng điện này có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng Do các biến đổi trạng thái của tầng điện ly, làm giá trị hấp thụ và phản xạ thay đổi gây ra sự biến thiên cường

đối với băng tần thấp, khi tần số càng cao ảnh hưởng của tầng điện ly càng ít, các tần số ở băng sóng viba (1GHz) hầu như không bị ảnh hưởng của tầng điện ly Khi tần số >10GHz thì cần tính toán suy hao do mưa như hình 1.16

Từ hình vẽ ta thấy các tần số nằm trong khoảng giữa 1GHz và 10GHz thì suy hao kết hợp do tầng điện ly và mưa nhỏ là không đáng kể, do vậy băng tần này được gọi là "cửa sổ tần số " Lúc đó nếu sóng nằm trong cửa sổ vô tuyến thì suy hao truyền dẫn có thể được xem gần đúng là suy hao không gian tự do Vì vậy, cho phép thiết lập các đường thông tin vệ tinh ổn định, nhưng phải lưu ý đến

sự can nhiễu với các đường thông tin viba trên mặt đất vì các sóng trong thông tin viba cũng sử dụng tần số nằm trong cửa sổ này Ngoài ra, khi mưa lớn thì suy hao do mưa trong cửa sổ tần số cần phải được tính toán, xem xét thêm để kết quả tính toán có độ chính xác cao hơn

1.11 Suy hao trong thông tin vệ tinh

Một tuyến thông tin vệ tinh bao gồm đường truyền sóng từ anten của trạm phát đến vệ tinh (tuyến lên - uplink) và từ vệ tinh đến anten của trạm mặt đất thu (tuyến xuống - downlink)

Do đó suy hao trong thông tin vệ tinh gồm các loại suy hao sau:

1.11.1 Suy hao trong không gian tự do

Đối với vệ tinh điạ tĩnh ở độ cao 35.768km, cự ly thông tin cho một tuyến lên hay một tuyến xuống gần nhất là 35.768km Do cự ly truyền sóng trong thông tin vệ tinh lớn như vậy nên suy hao trong không gian tự do là suy hao lớn nhất Gọi suy hao này là L td, ta có :

d[km] - là chiều dài của một tuyến lên hay xuống;

 [m] - bước sóng công tác;

L td[dB] - Bước sóng  được đổi ra tần số công tác với quan hệ f = c/  ;

c - vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s;

Suy hao không gian tự do của tuyến lên hay xuống khi công tác ở băng C (4/6GHz) vào khoảng 200dB Để bù vào suy hao này, đảm bảo cho máy thu nhận được một tín hiệu đủ lớn cỡ -90dBm đến -60dBm, người ta sử dụng anten có đường kính đủ lớn hàng chục mét để có hệ số tăng ích lớn khoảng 60dB và máy phát có công suất lớn hàng trăm dến hàng ngàn W

Xét trường hợp một máy phát có công suất bức xạ là 100W cho mỗi sóng mang, công tác ở băng C (6/4GHz) Nếu chỉ tính đến suy hao không gian tự do là 200dB thì công suất thu được ở sóng mang đó sẽ là:

) mW ( )

W ( /

Tính theo dBw : = 20 (dBW) - 200 (dB) = -180 (dBW) = -150 (dBmW) Với công suất nhỏ như vậy thì máy thu không thể thu được tín hiệu, để có được công suất đầu vào máy thu khoảng -70dBm thì ta phải sử dụng anten phát

và thu có hệ số tăng ích lớn Nếu hệ số tăng ích của anten trạm mặt đất là

GR=50dB thì anten thu trên vệ tinh có hệ số tăng ích GT=30dB

Ngoài suy hao chính trong không gian tự do còn có các suy hao khác tuy không lớn nhưng khi tính toán tuyến thông tin vệ tinh mà ta không xét hết các khả năng xấu nhất do ảnh hưởng của môi trường truyền sóng thì khi xảy ra các hiện tượng đó chất lượng thông tin sẽ xấu đi và có thể làm gián đoạn thông tin Các suy hao đó được trình bày sau đây

1.11.2 Suy hao do tầng đối lưu

Tầng đối lưu là lớp khí quyển nằm sát mặt đất lên đến độ cao 15km) (theo quy định của tầng đối lưu tiêu chuẩn), bao gồm các chất khí chính hấp thụ sóng gây ra suy hao như hơi nước, Oxy, Ozon, Cacbonic Suy hao này phụ thuộc nhiều vào tần số và góc ngẩng của anten và chỉ đáng kể khi tần số công tác từ 10GHz trở lên, nghĩa là khi công tác ở băng Ku (14/12GHz) hay băng

(10km-Ka (30/20GHz) Anten có góc ngẩng càng lớn thì suy hao tầng đối lưu càng nhỏ,

do đường truyền của sóng trong tầng đối lưu càng ngắn Tại các tần số 21GHz và 60GHz có các suy hao cực đại, đó là do sự cộng hưởng hấp thụ đối với các phân

tử hơi nước và Oxy

) ( 200 ) ( 100 lg

1.11.3 Suy hao do tầng điện ly

Tầng điện ly là lớp khí quyển nằm ở độ cao khoảng 60km đến 400km, do bị ion hoá mạnh nên lớp khí quyển ở độ cao này bao gồm chủ yếu là các điện tử tự

do, các ion âm và dương nên được gọi là tầng điện ly Sự hấp thụ sóng trong tầng điện ly giảm khi tần số tăng, ở tần số trên 600MHz thì sự hấp thụ không đáng kể

1.11.4 Suy hao do thời tiết

Suy hao do các điều kiện thời tiết như mây, mưa, sương mù, suy hao này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ mưa hay sương mù, vào tần số, vào chiều dài quãng đường đi của sóng trong mưa, chiều dài này phụ thuộc vào góc ngẩng anten Khi góc ngẩng tăng, suy hao giảm, với góc ngẩng anten khoảng 400trở lên thì suy hao không đáng kể, lúc đó suy hao do mưa khoảng 0,6 dB, suy hao

do sương mù khoảng 0,2dB, còn suy hao trong các chất khí rất nhỏ có thể bỏ qua Nói chung khi tần số và cường độ mưa tăng thì suy hao tăng nhanh, đặc biệt trong khoảng tần số từ 10GHz đến 100GHz

Suy hao thực tế tuỳ thuộc vào góc ngẩng anten, độ cao đặt anten so với mức nước biển, chiều cao cơn mưa và sương mù mà đoạn đường đi thực tế của sóng qua vùng đó là khác nhau Suy hao trên toàn bộ đoạn đường có chiều dài L e

h h

e



 (1.5) Với h m là độ cao của cơn mưa (km), theo khuyến nghị 564 của CCIR ở vĩ

độ từ 00 đến 560 lấy h m = 3 + 0,028 (km)

h s là độ cao anten trạm mặt đất so với mức nước biển (km)

E là góc ngẩng anten (độ)

1.11.5 Suy hao do đặt anten chưa đúng

Khi anten phát và thu lệch nhau thì sẽ tạo ra suy hao vì búp chính của anten thu hướng không đúng chùm tia phát xạ của anten phát

Thường thì suy hao do đặt anten chưa đúng từ 0,8 đến 1 dB

1.11.6 Suy hao trong thiết bị phát và thu

Suy hao trong thiết bị phát và thu còn gọi là suy hao do hệ thống fiđơ, có hai loại như sau:

Suy hao LFTX giữa máy phát và anten, để anten phát được công suất PT cần phải cung cấp một công suất PTX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do vậy:

1.11.7 Suy hao do phân cực không đối xứng

Suy hao do phân cực không đối xứng xảy ra khi anten thu không đúng hướng với sự phân cực của sóng nhận Vớí đường truyền phân cực tròn, sóng

khỏi trục anten đó Khi truyền qua bầu khí quyển cũng có thể làm thay đổi phân cực tròn thành phân cực elip Còn trong đường truyền phân cực thẳng thì sóng có thể bị quay mặt phẳng phân cực của nó khi đường truyền đi qua khí quyển, do

đó anten thu không còn mặt phẳng phân cực của sóng đứng và sóng tới Suy hao

do lệch phân cực thường chỉ 0,1dB

1.12 Tạp âm trong thông tin vệ tinh

Trong một tuyến thông tin vệ tinh, tạp âm gây ra cho trạm mặt đất do nhiều nguyên nhân như sau:

L

T T T

Mặt trời

Mặt trăng

Trời mưa

búp phụ búp chính

Hình 1.19 Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh

búp ngược

T - nhiệt tạp âm hiệu dụng đầu vào máy thu

L F - Suy hao của hệ thống fiđơ, được đưa vào tính toán với nhiệt tạp âm bên ngoài, nhiệt tạp âm an ten và nhiệt tạp âm fiđơ vì 3 loại tạp âm này có liên quan đến suy hao của fiđơ

1.12.1.1 Nhiệt tạp âm bên ngoài T S và nhiệt tạp âm anten T A

Nhiệt tạp âm bên ngoài và anten bao gồm:

+ Nhiệt tạp âm không gian: gồm các thành phần sau:

- Nhiệt tạp âm vũ trụ: tác động ở tần số vô tuyến là do bức xạ từ vũ trụ còn dư lại (khoảng 2,760K)

- Nhiệt tạp âm của dải ngân hà: nếu hướng anten vào vùng có số sao cực đại của dải ngân hà thì nhiệt tạp âm có thể lên đến gần 1000K trong vùng tần số

từ 0,3GHz đến1,2GHz

- Nhiệt tạp âm của mặt trời: mặt trời bức xạ ra sóng điện từ ở tất cả các tần

số, đặc biệt là ở dải viba (microwave) Nhiệt tạp âm do mặt trời gây ra cho trạm mặt đất phụ thuộc vào hướng anten, nếu mặt trời nằm ngoài vùng phủ sóng của búp chính anten thì nhiệt tạp âm dưới 500K Còn khi mặt trời chiếu thẳng vào anten thì nhiệt tạp âm lên đến 10.0000K hoặc có thể hơn tuỳ thuộc tần số công tác, kích thước mặt phản xạ và số vết đen của mặt trời (số vết đen thể hiện sự hoạt động mạnh hay yếu của mặt trời)

Trường hợp trạm mặt đất - vệ tinh - mặt trời nằm trên cùng một đường thẳng chỉ xảy ra một vài ngày trong năm vào mùa xuân làm cho thông tin bị gián đoạn vài ba phút

+ Nhiệt tạp âm do khí quyển: (nhiệt tạp âm do tầng đối lưu): nó phụ thuộc vào

chiều dài quãng đường đi của sóng trong tầng đối lưu (độ cao 15 km từ mặt đất) Nói cách khác chính là phụ thuộc vào góc ngẩng của anten, tần số công tác