Nghiên cứu kỹ thuật truy bám vệ tinh trong máy thu GPS cấu hình mềm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GPS1.1 Lịch sử vắn tắt về GPS Trong những năm đầu 1960, một số tổ chức chính phủ tại Mỹ bao gồm: Bộ Quốc phòng DOD, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ NASA, Bộ Giao thô

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

GPS không còn xa lạ tại Việt Nam Đặc biệt với cở vật chất cũng như

sự phát triển chóng mặt của mạng viễn thông với cột mốc phóng vệ tinh Vinashat1 thì những đòi hỏi của GPS càng ngày càng trở lên đơn giản

Trên thế giới khái niệm GPS đã tồn tại khá lâu và đã được áp dụng rất rộng rãi không chỉ trong quân sự và trong rất nhiều mặt của đời sống Vì thế nghiên cứu tìm hiểu và ứng dụng công nghệ này vào điều kiện cụ thể Việt Nam là điều hoàn toàn thiết thực, đặc biệt trong lĩnh vực vận tải thủy

Xuất phát từ sự phổ biến và tầm quan trọng của GPS, nhờ sự hướng dẫn

và giúp đỡ của TS Phạm Văn Phước em đã đi sâu tìm hiểu đề tài: “Nghiên

cứu kỹ thuật truy bám vệ tinh trong máy thu GPS cấu hình mềm” cho luận

văn tốt nghiệp của mình

1.2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu khả năng sử dụng phần mềm trong các máy thu GPS để tăng độ chính xác

1.3 Cơ sở khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu định vị áp dụng cho GPS, mô hình toán và mô phỏng

Hệ thống GPS áp dụng cho các ngành khoa học và trắc đạc

1.4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Mô hình hóa toán học, phân tích hệ thống

1.5 Nội dung của đề tài

Nội dung của đề tài gồm ba phần:

Chương 1: Tổng quan hệ thống GPS

Chương 2: Cấu trúc tín hiệu mã C/A GPS

Chương 3: Máy thu GPS sử dụng phần mềm và mô phỏng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GPS

1.1 Lịch sử vắn tắt về GPS

Trong những năm đầu 1960, một số tổ chức chính phủ tại Mỹ bao gồm: Bộ Quốc phòng (DOD), Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA), Bộ Giao thông (DOT) cùng quan tâm đến việc phát triển các hệ thống vệ tinh để xác định vị trí trong không gian ba chiều Hệ thống tối ưu được xem như có các chức năng sau: phủ sóng toàn cầu, hoạt động liên tục trong mọi điều kiện thời tiết, có khả năng phục vụ trên nền tảng thích ứng và độ chính xác cao Khi Transit đi vào hoạt động năm 1964, nó đã được chấp nhận rộng rãi với nền tảng thích ứng thấp Tuy nhiên do những hạn chế vốn có của nó Hải quân

Mỹ đã tìm cách phát triển Transit hoặc phát triển hệ thống dẫn đường vệ tinh khác với những khả năng mong muốn đã được đề cập trước đó Một số thay đổi trong hệ thống Transit ban đầu được đề xuất bởi các nhà thiết kế tại Phòng thí nghiệm Vật lý ứng dụng Đại học Johns Hopkins Đồng thời, Phòng thí nghiệm nghiên cứu Hải quân (NRL) đã tiến hành thí nghiệm với đồng hồ không gian dựa trên tính ổn định cao để đạt được việc truyền thời gian chính xác Chương trình này được định nghĩa là Timation Những sửa đổi được thực hiện cho các vệ tinh Timation để cung cấp khả năng xác định khoảng cách để xác định vị trí hai chiều Timation sử dụng phương pháp điều chế nội âm để xác định vị trí giữa người sử dụng và vệ tinh

Tại thời điểm khi những cải tiến của Transit đang được xem xét và những nỗ lực của Timation đang được tiến hành thì Air force đã khái quát nên một hệ thống định vị vệ tinh ký hiệu là hệ thống 621B Hình dung rằng hệ thống vệ tinh 621B sẽ theo quỹ đạo elip ở các góc nghiêng 0°, 30°, và 60° Những sự thay đổi nhiều về số lượng vệ tinh (15-20) và cấu hình quỹ đạo của

họ đã được kiểm tra Việc sử dụng điều chế tạp âm giả ngẫu nhiên (PRN) trong xác định cự ly với các tín hiệu kỹ thuật số đã được đề xuất Hệ thống

621B cung cấp việc phủ sóng ba chiều và dịch vụ liên tục, rộng khắp trên toàn thế giới Khái niệm và các kỹ thuật hoạt động đã được kiểm chứng tại Yuma Proving Grounds đang sử dụng cự ly nghịch đảo trong đó các vệ tinh giả truyền các tín hiệu vệ tinh để định vị máy bay Hơn nữa, Quân đội ở Ft Monmouth, New Jersey, đã nghiên cứu nhiều công nghệ bao gồm xác định cự

ly, xác định góc và sử dụng các phép đo Doppler Từ kết quả của việc nghiên cứu trong quân đội, người ta đề nghị sử dụng phương pháp điều chế PRN trong việc xác định cự ly

Năm 1969, Văn phòng Bộ trưởng Quốc phòng (OSD) thành lập chương trình Hệ thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (DNSS) để thống nhất những

nỗ lực phát triển độc lập của các dịch vụ quốc phòng để tạo nên một hệ thống

sử dụng chung duy nhất OSD cũng đã thành lập Ban chỉ đạo điều hành vệ tinh Navigation Group chịu trách nhiệm xác quyết định khả năng của DNSS

và lập kế hoạch phát triển của họ Từ nỗ lực này, hệ thống NAVSTAR GPS được thành lập Chương trình NAVSTAR GPS được phát triển bởi Văn phòng chương trình kết hợp GPS (GPS Joint Program Office JPO) tại El Segundo, California JPO GPS vẫn tiếp tục giám sát việc phát triển và sản xuất các vệ tinh mới, thiết bị điều khiển mặt đất, và các máy thu người quân

sự Mặc dù, hệ thống GPS phổ biến nhất hiện nay là GPS đơn giản

cách điều chế nhị phân biphase Sóng mang và chuỗi dữ liệu số chủ yếu được

sử dụng để xác định khoảng cách từ máy thu của người sử dụng đến những vệ tinh của GPS Thông điệp điều hướng bao gồm tọa độ vệ tinh, tọa độ này biểu diễn dưới dạng hàm biến đổi theo thời gian và một số thông tin cần thiết khác Tín hiệu phát được điều khiển bởi những đồng hồ thứ nguyên có độ chính xác cao trên những vệ tinh Tóm lại khâu không gian liên tục phát quảng bá các bản tin dẫn đường trên tín hiệu vệ tinh đến máy thu GPS (mang thông tin vị trí của SV và thời điểm phát bản tin), duy trì thời gian tham chiếu với độ chính xác cao (sai số từ 10-14 đến 10-12 sec), nhận và lưu các thông tin từ trạm điều khiển mặt đất, thực hiện hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh và sai số đồng hồ

- Khâu điều khiển của hệ thống GPS bao gồm một mạng lưới rộng khắp những trạm truy bám (tracking station), với một trạm điều khiển chính (MCS-master control station) định vị ở Colorado Springs, Colorado, the United States Nhiệm vụ ban đầu của khâu điều khiển là theo dõi dấu vết của những

vệ tinh GPS để mà định vị và tiên đoán vị trí vệ tinh, tình trạng hệ thống, hoạt động của đồng hồ nguyên tử, dữ liệu khí quyển, niêm giám vệ tinh và một số quan tâm khác Thông tin sau đó được đóng gói và upload lên những vệ tinh GPS thông thường qua đường link băng S

- Khâu người sử dụng bao gồm cả dân sự và quân đội Một người sử dụng có thể thu được tín hiệu GPS nếu có một bộ thu GPS kết nối với một anten GPS Máy thu GPS là một tín hiệu thụ động chỉ thực hiện thu tín hiệu

vệ tinh mà không phát tín hiệu Sai số đo đạc của máy thu GPS tùy thuộc vào dịch vụ định vị được sử dụng (SPS hoặc PPS)

1.3 GPS – Một số khái niệm cơ bản

Khái niệm phía sau GPS rất đơn giản Nếu như khoảng cách từ một điểm trên trái đất (một bộ thu GPS) tới ba vệ tinh được xác định cùng với

thông tin về vị trí vệ tinh, vậy thì vị trí của điểm (bộ thu) có thể được mô tả bằng cách áp dụng một cách đơn giản những khái niệm của sự cắt bỏ Nhưng chúng ta xác định khoảng cách từ vệ tinh tới điểm quan sát cũng như vị trí của

vệ tinh như thế nào?

Trước hết ta có thể lấy ví dụ bằng thực tế đơn giản như sau: Nếu bạn đang ở một vị trí nào đó mà bạn không biết bỗng nhiên bạn gặp một người lạ

và bạn hỏi người đó: - Xin lỗi cho tôi hỏi đây là địa danh nào vậy? và bạn không nhận được câu trả lời chính xác mà người này lại cho bạn biết

- Bạn cách Chợ Sắt 10km Lấy Chợ Sắt làm tâm thật khó cho chúng ta

vì không biết mình ở vị trí nào trong bán kính R1 = 10km này Bạn lại tiếp tục hỏi người thứ hai lần này họ cho bạn biết bạn cách Cầu Lạc Long 8km Bạn

đã mừng hơn một chút là bạn biết mình có thể ở đâu đó trên điểm giao nhau giữa hai đường tròn

Và bạn tiếp tục bạn hỏi được một người khác người này cho biết bạn đang cách Ngã Năm 7km thì lúc này bạn có thể biết bạn đang ở đâu rồi Đây

là cách xác định vị trí của chúng ta trên mặt đất Hệ thống định vị thì khó khăn hơn một chút: Thay vì các đường tròn, bạn sẽ có các mặt cầu

Nếu bạn biết rằng mình đang ở cách vệ tinh A khoảng 20km, bạn có thể ở bất kỳ nơi nào trên một mặt cầu khổng lồ có bán kính 20km Nếu bạn biết thêm rằng bạn đang ở cách vệ tinh B 30km, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V Và nếu bạn biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ có thêm một mặt cầu, mặt cầu này giao với đường tròn V tại hai điểm Trái đất chính là mặt cầu thứ tư, một trong hai giao điểm sẽ nằm trên mặt đất, điểm thứ hai nằm lơ lửng đâu đó trong không gian và dễ dàng bị loại Với việc giả sử trái đất là một mặt cầu, ta đã bỏ qua cao độ của bạn rồi

Do đó để có cả tung độ, hoành độ và cao độ bạn cần thêm một vệ tinh thứ tư nữa.

Để thực hiện tính toán này, máy thu GPS phải biết hai thứ tối thiểu:

* Vị trí của ít nhất ba vệ tinh bên trên nó

* Khoảng cách giữa máy thu GPS đến từng vệ tinh nói trên

Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ các

vệ tinh, máy thu GPS tính toán ra được hai thứ trên Máy thu loại xịn có thể thu nhận tín hiệu của nhiều vệ tinh đồng thời Sóng vô tuyến chuyển động với vận tốc ánh sáng trong chân không Máy thu có thể tính toán được khoảng cách dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến được máy thu Sau đây chúng

ta sẽ tìm hiểu máy thu và các vệ tinh đã hoạt động cùng nhau như thế nào để

đo các khoảng cách này Đây là một quá trình phức tạp

Vào một thời điểm nào đó, giả sử là lúc 0 giờ, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi dữ liệu dài, được gọi là mẫu giả ngẫu nhiên Máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt vào cùng thời điểm Khi tín hiệu từ vệ tinh truyền đến máy thu, chuỗi tín hiệu đó sẽ bị trễ một chút so với chuỗi do máy thu tạo ra

Trên lý thuyết thì 4 mặt cầu phải giao nhau tại một điểm Nhưng do sai số đồng hồ quartz rẻ tiền, 4 mặt cầu đã không cho 1 giao điểm duy nhất Biết rằng sai số này gây ra bởi đồng hồ trên máy thu là như nhau Δt, máy thu

có thể dễ dàng loại trừ sai số này bằng cách tính toán ra lượng hiệu chỉnh cần thiết để 4 cầu giao nhau tại một điểm Dựa vào đó, máy thu tự động điều chỉnh đồng hồ cho đồng bộ với đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh Nhờ đó mà đồng hồ trên máy thu có độ chính xác gần như tương đương với đồng hồ nguyên tử Vậy là chuyện đo khoảng cách đã giả quyết ổn thỏa

Hình 1.1: Hình thức xác định vị trí của máy thuBiết khoảng cách rồi chúng ta còn phải biết thêm vị trí chính xác của các vệ tinh trên quỹ đạo Điều này cũng không khó lắm vì các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo biết trước và có thể dự đoán được Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều có chứa một bảng tra vị trí tính toán của tất cả các vệ tinh vào bất

kỳ thời điểm nào gọi là Niên giám (Almanac) Lực hút của mặt trăng, mặt trời

có ảnh hưởng nhất định làm thay đổi quỹ đạo của các vệ tinh một chút xíu nhưng Bộ quốc phòng Mỹ liên tục theo dõi vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền thông số hiệu chỉnh đến các máy thu thông qua tín hiệu vệ tinh Vậy là

cả hai vấn đề khoảng cách và vị trí đã giải quyết xong, và hệ thống cơ bản hoạt động tốt, tuy nhiên, người ta nhận thấy hệ thống có nhiều sai số Nguyên nhân đầu tiên là do việc giả sử rằng các tín hiệu vệ tinh được truyền theo đường thẳng đến các máy thu với vận tốc không đổi Trong thực tế, bầu khí quyển trái đất ít nhiều làm chậm tốc độ truyền, đặc biệt là khi sóng điện từ đi

qua các tầng điện ly và tầng đối lưu Do tính chất của các tầng này khác nhau tại các vị trí khác nhau trên trái đất nên độ trễ này phụ thuộc vào vị trí của máy thu trên mặt đất, điều đó có nghĩa là khó có thể loại trừ sai số này Gần đây người ta tạo ra các mô hình toán học mô phỏng tính chất của bầu khí quyển trái đất để giảm thiểu sai số này Ngoài ra, khi tín hiệu phản xạ từ các vật thể lớn hơn như các nhà cao tầng, cũng tạo cho máy thu một sai số như là đến từ một khoảng cách xa hơn Bộ quốc phòng Mỹ cũng đưa thêm vào sai số nhân tạo gọi là Selective Availability hay SA.

Theo lý thuyết chỉ cần duy nhất 3 khoảng cách đến 3 vệ tinh mà được truy bám đồng thời là có thể tính được vị trí Trong trường hợp này, bộ thu sẽ được định vị tại chỗ giao nhau của ba hình cầu, mỗi hình cầu này có một bán kính tương ứng với khoảng cách vệ tinh-khối thu và tâm là vệ tinh đó (hình 1.2) Tuy nhiên, thực tế phải cần đến 4 vệ tinh để mô tả độ lệch giữa đồng hồ

vệ tinh và đồng hồ khối thu

Hình 1.2: Nguyên tắc cơ bản định vị GPS1.4 Nguyên lý hoạt động cơ bản của GPS

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một này theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu mang thông tin xuống trái đất Các máy thu GPS nhận thông tin này bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng Về bản chất, máy thu GPS so sánh thời gian tín

hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được tín hiệu tại khối thu Sai lệch về thời gian cho biết khối thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Rồi với khoảng cách đo được từ khối thu đến vệ tinh, khối thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.

Máy thu GPS phải khóa được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính

ra ví trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động của vệ tinh Với bốn hay nhiều hơn số lượng vệ tinh hiện diện trong tầm nhìn, máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và cao độ) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính thêm các thông tin khác như tốc độ, hướng chuyển động, truy bám di chuyển, khoảng hành trình, khoảng cách tới điểm đến, thời gian Mặt trời mọc, lặn và nhiều thông tin khác nữa Hoạt động của GPS có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

• Khi các vệ tinh quá gần nhau, chúng sẽ khiến việc xác định vị trí chính xác trở nên khó khăn

• Vì tín hiệu vô tuyến đi từ vệ tinh xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu, tốc độ cần thiết để tín hiệu truyền tới thiết bị nhận sẽ bị chậm

đi Hệ thống GPS có dự phòng điều đó bằng cách tính thêm khoảng thời gian chậm trễ trung bình, nhưng cũng không được hoàn toàn chính xác

• Chướng ngại lớn như các dãy núi hay các tòa nhà cao tầng cũng làm cho thông tin bị sai lệch

• Giữa thiết bị nhận (nhất là của người dùng cá nhân) với vệ tinh (có thể không hoàn toàn trùng khớp về mặt thời gian) và các vệ tinh đôi khi chạy lệch khỏi quỹ đạo

1.5 Những chế độ định vị GPS

Định vị GPS được tiến hành theo một trong hai cách: định vị điểm hoặc định vị tương đối

1.5.1 Định vị điểm GPS

Hình 1.3: Nguyên tắc định vị điểm GPSĐịnh vị điểm GPS hay còn gọi là định vị tự trị bao gồm duy nhất một khối thu GPS Trong đó khối thu GPS truy bám đồng thời 4 vệ tinh GPS hoặc hơn để mô tả tọa độ của nó so với gốc tọa độ là tâm trái đất (Hình 1.3) Hầu hết những khối thu GPS có mặt trên thị trường đều có khả năng hiển thị tọa

độ định vị điểm

Bất cứ khi nào, để mô tả vị trí điểm của khối thu đòi hỏi phải có tọa độ của những vệ tinh cũng như là khoảng cách từ khối thu đến bốn vệ tinh đó Khối thu có được tọa độ của vệ tinh thông qua bản tin điều hướng, còn khoảng cách thì có được từ mã P hoặc mã C/A, phụ thuộc vào dạng khối thu (dân sự hay quân sự) Như đã đề cập trước đó, đo lường cự ly giả bị làm sai lệch đi do lỗi đồng bộ giữa đồng hồ khối thu và đồng hồ vệ tinh Điều chỉnh lỗi đồng hồ vệ tinh có thể được thực hiện trong bản tin điều hướng; lỗi đồng

hồ khối thu được xem là một tham số phụ nào đó trong tiến trình đánh giá Như vậy, có tổng cộng 4 tham số: bat ham số là tọa độ của khối thu và tham

số còn lại là lỗi đồng bộ đồng hồ khối thu Đây là lý do tại sao ta cần tối thiểu bốn vệ tinh Nếu có nhiều hơn bốn vệ tinh thì kỹ thuật lọc Kalman được sử dụng Khi mà tọa độ vệ tinh thuộc về hệ thống WGS 84 thì tọa độ khối thu

cũng tương tự Tuy nhiên, hầu hết những khối thu GPS đều cung cấp tham số chuyển đổi giữa WGS 84 và nhiều datum cục bộ trên toàn thế giới

1.5.2 Định vị tương đối GPS

Hình 1.4: Nguyên tắc định vị tương đối GPSĐịnh tương đối GPS hay còn gọi là định vị sai phân, sử dụng hai khối thu GPS để truy bám dấu vết cùng một vệ tinh nhằm mô tả những tọa độ tương đối của nó Một trong hai khối thu này gọi là khối thu nền, nó duy trì

vị trí cố định với tọa độ được xác định trước Kỹ thuật định vị thì rất đa dạng, chúng được sử dụng để định vị thời gian thực hoặc là định vị xử lý sau Định tương đối GPS có độ chính xác cao hơn định vị điểm GPS Tùy thuộc vào sự

đo đạc nào được sử dụng trong định vị, đo lường pha-sóng mang hoặc đo lường cự ly giả, chế độ định vị này sẽ có một độ chính xác từ dưới 1cm tới vài

m Nguyên nhân chủ yếu là do những thông số đo đạc được của hai khối thu

có cùng dạng lỗi, chỉ là nhiều hơn hay ít hơn thôi Khoảng cách giữa hai khối thu càng ngắn thì tính tương đồng của hai khối thu càng cao Do đó, nếu ta lấy sai phân những thông số đo đạc được từ hai khối thu thì những lỗi tương tự sẽ

bị loại bỏ hoặc bị suy giảm

1.6 Khối thu GPS cơ bản

Khối thu cơ bản đề cập trong luận văn này như trong Hình 1.5

Hình 1.5: Khối thu GPS cơ bảnTín hiệu phát từ các vệ tinh GPS được thu bởi antenn Qua chuỗi tần số

vô tuyến (RF) tín hiệu đầu vào được khuyếch đại thành biên độ riêng và tần

số này được biến đổi thành tần số đầu ra mong muốn Bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) được sử dụng để số hóa tín hiệu đầu ra Anten, chuỗi tần số RF

và ADC là phần cứng sử dụng trong khối thu

Sau khi số hóa tín hiệu sẽ tiếp tục được xử lý bằng phần mềm và đây cũng là lý do vì sao luận văn này lại quan tâm đến phần mềm Việc thu tín hiệu có nghĩa là tìm tín hiệu của một vệ tinh nào đó Chương trình truy bám được sử dụng để tìm chuyển tiếp pha của dữ liệu dẫn đường Trong một khối thu thông thường, chương trình thu và truy bám được thực hiện bởi phần cứng Từ chuyển tiếp pha dữ liệu dẫn đường, các khung phụ và dữ liệu dẫn đường có thể được thu Dữ liệu thiên văn và các cự ly giả có thể được thu từ

dữ liệu dẫn đường Dữ liệu thiên văn được sử dụng để thu được vị trí vệ tinh Cuối cùng, vệ tinh người sử dụng có thể được tính toán từ các vị trí vệ tinh và các cự ly giả Phần mềm được sử dụng để tìm vị trí người sử dụng sẽ được đề cập trong luận văn này

Truy bám

Nhận dạng khung phụ

Lịch thiên văn

và cự ly giả

Vị trí vệ tinh

Vị trí người

sử dụng

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC TÍN HIỆU MÃ C/A GPS

2.1 Giới thiệu

Để thực hiện việc tính toán vị trí người sử dụng, vị trí của các vệ tinh

và các cự ly giả tới các vệ tinh này phải được đo đạc Có rất nhiều tham số yêu cầu để tính toán vị trí của các vệ tinh và chúng được truyền trong các tín hiệu vệ tinh

Chương này đưa ra các chi tiết kết hợp với các tín hiệu GPS Spilker không chỉ đưa ra thảo luận rất hợp lý về tín hiệu mà còn đưa ra những nguyên nhân mà các tín hiệu này được lựa chọn, ví dụ như thiết kế khối thu có thể dựa trên tín hiệu

Có hai mã tín hiệu cơ bản là mã C/A (coarse (or clear)/acquisition) và

mã P (precision) Mã P thực tế không được truyền trực tiếp bởi vệ tinh nhưng

nó được sửa đổi bởi mã Y và thường được xem như là mã P(Y) Mã P(Y) không sử dụng trong dân sự mà chủ yếu được sử dụng trong quân sự Mã P(Y) có các thuộc tính tương tự như mã P Để thu được mã P(Y) thì phải có một mã riêng biệt Do đó, chỉ có những nguyên tắc cơ bản của mã P được đề cập trong luận văn này Những đề cập sau này chủ yếu đề cập đến mã C/A Nhìn chung để thu được mã P(Y) thì mã C/A thường được sử dụng đầu tiên Tuy nhiên, trong nhiều ứng dụng muốn thu được mã P(Y) trực tiếp hay được hiểu như là việc thu được trực tiếp mã P

Tần số vô tuyến (RF) của mã C/A sẽ được giới thiệu đầu tiên, sau đó đến mã C/A Việc phát mã C/A và các thuộc tính của nó sẽ được giới thiệu bởi vì nó liên quan mật thiết với việc thu và truy bám tín hiệu GPS

2.2 Tần số phát

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 đến 1,55 GHz)

Mỗi máy phát của vệ tinh đều có bộ dao động tạo tần số 10,23 MHz ổn định nhờ vào đồng hồ nguyên tử cesi Tần số này được nhân với 154 lần để được tần số L1=1575,45MHz (có bước sóng λ=19cm) và nhân 120 lần để được tần

±5 KHz

Cấu trúc tín hiệu của vệ tinh có thể được sửa đổi trong tương lai Tuy nhiên tại thời điểm hiện tại, tần số L1 có cả trong tín hiệu mã P(Y) và mã C/A, trong khi tần số L2 chỉ có trong tín hiệu mã P(Y) Các tín hiệu mã P(Y)

và mã C/A có thể được viết như sau:

S L1 =A p P(t)D(t)cos(2πf 1 t+ø)+A c C(t)D(t)sin(2πf 1 t+ø) (2.1)

Trong đó: S L1 là tín hiệu tại tần số L1; A p là biên độ của mã P; P(t) = ±1

biểu thị pha của mã P; D(t) = ±1 biểu thị mã dữ liệu; f 1 là tần số L1; ø là pha ban đầu; A c là biên độ của mã C/A; C(t) = ±1 biểu thị pha của mã C/A

Trong công thức này mã P được sử dụng thay thế cho mã P(Y) Mã P(Y), C/A và cá tần số sóng mang được khóa pha cùng nhau

Mức công suất nhỏ nhất của tín hiệu phải thỏa mãn các giá trị được liệt kê trong bảng 2.1 tại khối thu Các mức công suất này rất yếu và phổ được trải ra, do đó chúng không thể được quan sát trực tiếp từ bộ phân tích Thậm

chí ngay cả khi tín hiệu được khuyếch đại tới mức công suất có thể chấp nhận được, phổ của mã C/A không thể quan sát được vì tạp âm lớn hơn tín hiệu.

Bảng 2.1 Mức công suất của các tín hiệu GPS

bề mặt trái đất thì hình dạng búp sóng chính của anten phát phải yếu hơn một chút so với búp sóng trung tâm để bù cho những người sử dụng nằm trong phạm vi đường biên của búp sóng Thông thường anten thu có độ khuyếch đại cao so với hướng zenith Điều này bao gồm cả khả năng suy giảm đa đường nhưng lại giảm độ khuyếch đại của tín hiệu từ cac góc ngẩng thấp hơn Độ rộng bước sóng yêu cầu tối thiểu của anten phát để bao phủ trái đất là 13,87

độ Độ rộng bước sóng của anten là 21,3 độ, rộng hơn so với cần thiết để che phủ trái đất như trong Hình 2.1

Nếu người sử dụng là tàu bay như thể là đang ở trong búp sóng chính của tín hiệu GPS và không nằm trong vùng tối của trái đất thì nó có thể thu được tín hiệu này Các tín hiệu được phát bởi anten vệ truyền tới anten là phân cực thuận Do đó, anten khối thu sẽ được phân cực thuận để đạt được hiệu quả tối đa

Hình 2.1: Chùm chính của tín hiệu GPS2.3 Tín hiệu đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)

Tín hệu S có thể được viết dưới dạng như sau:

S = Asin (2πft+ø (2.2)

Trong đó: A là biên độ; f là tần số; ø là pha ban đầu

Ba tham số đó có thể điều chế để mang thông tin Nếu A được điều chế thì tín hiệu được xem như là điều chế biên độ Nếu f được điều chế thì tín hiệu được xem như là điều chế tần số Nếu ø được điều chế thì tín hiệu được xem

như là điều chế pha

Tín hiệu GPS là tín hiệu điều chế pha với ø = ±π thì dạng điều chế pha này được xem như là khóa dịch pha nhị phân (BPSK: bi-phase shift keying) Tốc độ biến đổi pha thường được gọi là tốc độ chip Hình dạng phổ có thể

được xem như là một hàm sinc (sinx/x) với độ rộng phổ tương ứng với tốc độ

chip Ví dụ, nếu tốc độ chip là 1MHz thì búp sóng chính của phổ có độ rộng

băng là 2MHz Do đó, loại tín hiệu này cũng được xem như là tín hiệu trải phổ Nếu mã điều chế là chuỗi số với tần số cao hơn so với tốc độ dữ liệu thì

hệ thống có thể được gọi là hệ thống điều chế chuỗi trực tiếp

Tín hiệu đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) là một hệ thống tín hiệu trải phổ Tất cả tín hiệu trong hệ thống sử dụng cùng một tần số trung tâm Tín hiệu được điều chế bởi một tập mã trực giao Để thu được một tín hiệu riêng rẽ thì mã của tín hiệu đó phải được sử dụng để tương thích với tín hiệu thu được Tín hiệu GPS là CDMA sử dụng chuỗi sóng mang điều chế nhị phân trực tiếp Khi các tín hiệu CDMA đều sử dụng cùng tần số sóng mang thì có khả năng các tín hiệu này sẽ gây nhiễu lên các tín hiệu khác Ảnh hưởng này sẽ tăng lên khi các tín hiệu mạnh và yếu trộn lẫn với nhau Để tránh gây nhiễu thì tất cả các tín hiệu nên có mức công suất tại khối thu xấp xỉ nhau Đôi khi trong quá trình thu phát hiện ra rằng đỉnh tương quan chéo của một tín hiệu khỏe là tốt hơn đỉnh mong muốn của tín hiệu yếu Dưới điều kiện này khối thu có thể thu được tín thông tin sai

2.4 Mã P

Mã P được điều chế nhị phân tại 10,23MHz; do đó búp sóng chính của phổ là 20,46MHz Độ dài chip khoảng 97,8ns (1/10,23MHz) Mã được phát

từ hai mã tạp âm giả ngẫu nhiên với tốc độ chip như nhau Một chuỗi PRN có

15345000 chip, có chu kỳ là 1,5s, chuỗi PRN khác có 15345007 chip và sai khác là 37 chip Hai số 15345000 và 15345007 cơ bản có liên quan đến nhau, nghĩa là không có các hệ số giữa chúng Do đó, độ dài mã phát bởi hai mã này

là 20017555,5 (1,5x15345007) giây, dài hơn 38 tuần một chút Tuy nhiên, độ dài thực tế của mã P là 1 tuần khi mã được xác lập lại (reset) mỗi tuần Mã với độ dài 38 tuần này có thể được phân chia thành 37 mã P khác nhau và mỗi

vệ tinh có thể sử dụng một phần khác nhau của mã Có tổng số 32 số nhận

dạng vệ tinh mặc dù chỉ có 24 trong số chúng là nằm trong quỹ đạo Năm tín hiệu mã P (33-37) được dữ trữ đối với những ứng dụng khác như truyền mặt đất Để thực hiện thu tín hiệu thì thời gian trong tuần phải rất chính xác Thông thường thời gian này được tìm thấy từ tín hiệu mã C/A Tốc độ dữ liệu dẫn đường được mang bởi mã P thông qua điều chế nhị phân tại tốc độ 50Hz.2.5 Mã C/A và định dạng dữ liệu

Hình 2.2: Phổ của mã C/A

Mã C/A là một tín hiệu điều chế nhị phân với tốc độ chip là 1,023MHz

Do đó, độ rộng băng null-to-null của búp sóng chính của phổ là 2,046 MHz Mỗi chip dài khoảng 977,5 ns (1/1,023MHz) Độ rộng phát của vệ tinh GPS trong tần số L1 xấp xỉ 20MHz để phù hợp với tín hiệu mã P; do đó, mã C/A phát đi bao gồm búp sóng chính và một số búp sóng phụ Tổng số chu kỳ mã

bao gồm 1,023 chip Với tốc độ mỗi chip là 1,023 MHz, 1023 chip cuối cùng

là 1ns; do đó, mã C/A dài 1ms Mã này tự lặp lại mỗi ms Phổ của mã C/A được thể hiện trong Hình 2.2

Để tìm được phần mở đầu của mã C/A trong tín hiệu thu được chỉ được giới hạn ví dụ trong 1ms Nếu không có ảnh hưởng Doppler trên tín hiệu thu được thì khi mm dữ liệu chứa tất cả 1023 chip Các mã C/A khác nhau được

sử dụng đối với các vệ tinh khác nhau Mã C/A thuộc họ mã Gold

Hình 2.3 biểu thị định dạng dữ liệu GPS Hàng đầu tiên thể hiện một

mã C/A với 1023 chip; với tổng độ dài là 1ms Hàng thứ hai thể hiện một bit

dữ liệu dẫn đường có tốc độ dữ liệu là 50Hz; vì vậy, một bit dữ liệu dài 20ms

và chứa 20 mã C/A 30 bit dữ liệu tạo nên một từ có độ dài là 600ms được thể hiện ở hàng thứ ba 10 từ tạo nên một khung phụ có độ dài 6s được thể hiện ở hàng thứ tư Hàng thứ năm thể hiện một trang có độ dài 30s và chứa 5 khung phụ 25 trang tạo nên một tập dữ liệu đầy đủ có độ dài là 12,5 phút được thể hiện ở hàng thứ sáu 25 trang dữ liệu có thể được xem như là một siêu khung

Các tham số về tọa độ vệ tinh được chứa trong khung phụ đầu tiên của mỗi trang Nếu có thể thu thông tin của ba khung phụ từ bốn hoặc nhiều hơn bốn vệ tinh thì vị trí người sử dụng có thể được tìm thấy Về mặt lý thuyết, người ta có thể chỉ cần lấy tối thiểu 18s của dữ liệu từ bốn vệ tinh là có thể tính toán được vì trí người sử dụng Tuy nhiên, các khung phụ từ mỗi vệ tinh

sẽ không đạt tới khối thu tại cùng một lúc Bên cạnh đó, người ta không biết khi nào thì phần mở đầu của khung phụ 1 sẽ được thu Một cách đảm bảo để thu ba khung phụ đầu tiên là lấy 30s (hoặc một trang) của dữ liệu Do đó, có thể lấy tối thiểu 30s của dữ liệu và tính toán vị trí người sử dụng

Hình 2.3: Định dạng dữ liệu GPS2.6 Quá trình phát mã C/A

Các tín hiệu C/A GPS thuộc họ mã tạp âm giả ngẫu nhiên (PRN: Pseudorandom noise) được xem như là các mã Gold Tín hiệu được phát từ hai chuỗi PRN 1023 bit G1 và G2 Cả hai chuỗi này được phát bởi một thanh ghi dịch thẳng có độ dài tối đa của 10 đoạn và được điều khiển bởi đồng hồ 1023MHz Hình 2.4 thể hiện các máy phát G1 và G2 Hình 2.4a thể hiện máy phát G1 và Hình 2.4b và 2.4c thể hiện máy phát G2 Hình 2.4c là biểu diễn rút gọn của Hình 2.4b

Những nguyên tắc hoạt động cơ bản của hai máy phát này là tương tự nhau; do đó, chỉ có G2 sẽ được đề cập chi tiết Máy phát chuỗi có độ dài tối

đa (MLS: maximum-length) có thể được tạo ra từ một thanh ghi dịch với hồi

tiếp riêng Nếu thanh ghi dịch có n bit thì độ dài của chuỗi đã phát là 2 n -1 Cả

hai máy phát dịch trong G1 và G2 có 10bit, vì vậy độ dài chuỗi là 1023 (10101) Mạch hồi tiếp được thực hiện thông qua bộ cộng module-2

-Quy tắc hoạt động của bộ cộng module-2 được liệt kê trong bảng 2.2 Nếu hai đầu vào là như nhau thì đầu ra là 0, ngược lại thì đầu ra là 1 Vị trí của mạch hồi tiếp quyết định đặc tuyến đầu ra của chuỗi Hồi tiếp của G1 là

từ các bit 3 và bit 10 được thể hiện trong Hình 2.4a và đa thức phù hợp có thể

được viết cho G1: 1 + x3 + x10 Hồi tiếp của G2 là từ các bit 2, 3, 6, 8, 9, 10 được thể hiện trong Hình 2.4b và đa thức phù hợp có thể được viết cho G1: 1

+ x2 + x3 + x6 + x8 + x9 + x10

Nhìn chung, đầu ra từ bit cuối cùng của thanh ghi dịch là đầu ra của chuỗi như chỉ ra trong Hình 2.4a Chúng ta xem đầu ra này như là đầu ra MLS Tuy nhiên, bộ phát G2 không sử dụng đầu ra MSL làm đầu ra cho mình Đầu ra được phát từ hai bit mà hai bit này được coi như là những lựa chọn pha mã thông qua bộ cộng module-2 khác Thời gian trễ được quyết định bởi vị trí của các điểm đầu ra đã lựa chọn

Hình 2.4: Bộ phát chuỗi có độ dài tối đa G1, G2Hình 2.5 biểu thị bộ phát mã C/A Bộ cộng module-2 khác được sử dụng để phát mã C/A, chúng sử dụng các đầu ra từ G1 và G2 như là đầu vào cho chúng Các giá trị ban đầu của hai thanh ghi dịch G1 và G2 là các giá trị đầu tiên và chúng có thể được tải trong các thanh ghi dịch đầu tiên Việc nhận dạng vệ tinh được quyết định bởi hai vị trí đầu ra của bộ phát G2 Có 32 vị trí đầu ra duy nhất Trong số 37 đầu ra này thì có 32 đầu ra được sử dụng cho các mã C/A của 32 vệ tinh, nhưng chỉ có 24 vệ tinh nằm trong quỹ đạo Năm

module 2

Đầu ra G1 (Đầu ra MLS) Thanh ghi dịch

đầu ra khác được dự trữ cho các ứng dụng khác ví dụ như ứng dụng truyền trên mặt đất.

Bảng 2.3 liệt kê các thiết lập pha mã Trong bảng này có năm cột trong

đó cột thứ nhất chỉ ra số ID (số nhận dạng) vệ tinh, các số nhận dạng này là từ

1 đến 32

Cột thứ hai là số tín hiệu PRN từ 1 đến 37 Lưu ý các mã C/A của các

số tín hiệu PRN 34 và 37 là như nhau Cột thứ ba là các lựa chọn pha mã, mà các lựa chọn pha mã được sử dụng để tạo đầu ra của bộ phát G2 Cột thứ tư là trễ mã đo được trong các chip Trễ này là sự khác nhau giữa đầu ra MLS và đầu ra G2 Đây là phần dư của cột thứ 3 vì khi các lựa chọn pha mã được lựa chọn thì trễ này được quyết định Cột cuối cùng là 10 bit đầu tiên của mã C/A được phát đối với mỗi vệ tinh Các giá trị này có thể sử dụng để kiểm tra xem

mã đã phát là đúng hay sai Số này thuộc định dạng bát phân

Bộ phát G2

Vị trí của hồi tiếp này quyết định ID vệ tinh

chọn với bộ phát G2 Với sự lựa chọn này, chuỗi đầu ra G2 được trễ 471 chip

từ đầu ra MLS Cột cuối cùng là 1633, tức là 1 110 011 011 trong dạng nhị phân Nếu 10 bit đầu tiên được phát từ vệ tinh 19 không phù hợp với số này thì mã là không chính xác

Bảng 2.3 Thiết lập pha mã

10 chip đầu tiên

* 34 và 37 có mã giống nhau

**Vệ tinh GPS không phát các mã này; chúng được dự phòng cho các mục đích sử dụng khác

2.7 Những thuộc tính tương quan của mã C/A

Một trong những thuộc tính quan trọng của mã C/A là kết quả tương quan của nó Giá trị đỉnh của hàm tự tương quan cao và giá trị đỉnh của hàm tương quan chéo thấp có thể tạo nên một dải động lớn đối với việc thu tín hiệu Để phát hiện được tín hiệu yếu lẫn trong những tín hiệu khỏe thì giá trị đỉnh của hàm tự tương quan của tín hiệu yếu phải khỏe hơn giá trị đỉnh của hàm tương quan chéo của các tín hiệu khỏe Nếu các mã là trực giao thì hàm tương quan chéo sẽ bằng 0 Tuy nhiên, các mã Gold không trực giao mà là gần trực giao nên các hàm tương quan chéo không bằng 0 mà là các giá trị nhỏ Hàm tương quan chéo của mã Gold được liệt kê trong Bảng 2.4

Đối với mã C/A n thậm chí bằng 10, vì vậy, P = 1023 Với việc sử dụng mối tương quan trong bảng trên thì các giá trị tương quan chéo là: -65/1023 (tỉ lệ xảy ra là 12,5%), -1/1023(tỉ lệ xảy ra là 75%) và 63/1023 (tỉ lệ xảy ra là 12,5%) Hàm tự tương quan của các mã C/A của vệ tinh 19 và hàm tự tương quan chéo của vệ tinh 19 và 31 được thể hiện trong Hình 2.6a và 2.6b Các vệ tinh này được lựa chọn ngẫu nhiên

Bảng 2.4 Hàm tương quan chéo của mã Gold

dịch

Mức tương quan chéo

n lẻ

0,25 0,5 0,24

n chẵn

0,125 0,75 0,125

Trong Hình 2.6a, giá trị đỉnh tự tương quan tối đa là 1023, giá trị này bằng độ dài mã C/A Vị trí đỉnh tối đa theo tính toán được dịch về phía tâm của hình Phần còn lại của tương quan có ba giá trị 63, -1, -65 Tương quan chéo được thể hiện trong Hình 2.6b cũng có ba giá trị 63, -1, -65

Đây là các giá trị được tính theo công thức trong Bảng 2.4 Sự khác nhau giữa gái trị giá trị lớn nhất của tự tương quan và tương quan chéo quyết định việc tính toán độ khuyếch đại của tín hiệu Để phát được những hệ số này thì các đầu ra từ bộ cộng mã C/A phải là 1 và -1, hay đúng hơn là 1 và 0

(a) Hàm tự tương quan của vệ tinh 19

(b) Hàm tương quan chéo của vệ tinh 19 và 31

Hình 2.6: Hàm tự tương quan và tương quan chéo của mã C/A

2.8 Các bit dữ liệu dẫn đường

Mã C/A là tín hiệu mã nhị phân chúng thay đổi pha sóng mang giữa 0

và π tại tốc độ 1023MHz Bit dữ liệu dẫn đường cũng là mã nhị phân, nhưng tốc độ của nó chỉ là 50Hz, hoặc mỗi bit dữ liệu dài 20ms Khi mã C/A là 1ms thì có 20 mã C/A trong một bit dữ liệu Do đó, trong một bit dữ liệu với 20

mã C/A có pha giống nhau Nếu có một chuyển tiếp pha do bit dữ liệu thì các pha của hai mã C/A liền kề khác nhau là ±π Thông tin này rất quan trọng trong việc thu tín hiệu Có thể thực hiện việc thu tín hiệu trên hai 10ms liên tiếp của dữ liệu Giữa hai tập liên tiếp của 10ms của dữ liệu có ít nhất một bit

dữ liệu dẫn đường chuyển tiếp pha Do đó, một tập dữ liệu này sẽ không có bit dữ liệu chuyển tiếp pha và việc thu liên tục sẽ thu được kết quả mong muốn Ba mươi bit dữ liệu tạo nên một từ dẫn đường và 10 từ tạo nên một khung phụ Hình 2.3 thể hiện mối liên hệ này

Thời gian GPS được cho bởi số giây trong một tuần và giá trị này được reset lại mỗi tuần tại thời điểm đầu và cuối của tuần Tại đầu/cuối của tuần thì việc đánh số trang từ 1 đến 5 sẽ được khởi động lại với khung phụ 1 bất kể khung phụ nào là cuối cùng được ưu tiên phát tại thời điểm đầu/cuối của tuần Một vòng 20 trang sẽ khởi động lại từ trang 1 của mỗi khung phụ bất kể là trang nào là trang cuối cùng được ưu tiên phát tại thời điểm đầu/cuối của tuần 2.9 Từ đo lường và từ chuyển tiếp

Như đã đề cập ở phần trước, năm khung phụ tạo nên một trang Hai từ đầu tiên của tất cả các khung phụ là đo lường (telemetry: TLM) và từ chuyển tiếp (hand over word: HOW) Mỗi từ bao gồm 30 bit và một bản tin được phát

từ bit 1 đến bit 30 Hai từ này được thể hiện trong Hình 2.7 Từ TLM bắt đầu với 8 bit mào đầu, tiếp theo là 16 bit dữ trữ và 16 bit chẵn lẻ Dạng bit của

mào đầu này được thể hiện trong hình này Dạng bit của mào đầu sẽ được sử dụng để hòa hợp dữ liệu dẫn đường để phát hiện phần mở đầu của một khung phụ.

Từ HOW có thể được phân chia thành bốn phần:17 bit đầu tiên (1-17)

là thời gian của sự đếm tuần rút gọn (time of week count: TOW) cung cấp thời gian của tuần trong các khối 6 giây TOW là LSB rút gọn của việc đếm Z

* Hai bit tiếp theo (18, 19) là các bit cờ Đối với cấu hình vệ tinh 001 (vệ tinh block II) bit 18 là bit cảnh báo và bit 19 là bit thực Hầu hết các vệ tinh block I là các vệ tinh thử nghiệm và tất cả các vệ tinh nằm trong quỹ đạo là từ vệ tinh block II Khi bit 18 = 1, thì nó chỉ ra rằng độ chính xác dải người sử dụng vệ tinh có thể là sai hơn so với chỉ thị trong khung phụ

1 và người sử dụng này sử dụng vệ tinh tại điểm rủi ro của mình Bit 19 thể hiện chế độ thực đang on

hoặc cờ thực (với cấu hình SV 001)

Cờ xung lực (với cấu hình SV 000)

hoặc cờ cảnh báo (với cấu hình SV 001)

ID khung phụ

Chẵn lẻ

Giải quyết với các bit

để duy trì kiểm tra chẵn

lẻ với 0 trong các bit 29

và 30

Hình 2.7: Các từ TLM và HOW

* Ba bit tiếp theo (20-22) là nhận dạng khung phụ và các giá trị đó là 1, 2,

3, 4 và 5 hoặc (001, 010, 011, 100 và 101) để nhận dạng một trong năm khung phụ Các dữ liệu này sẽ được sử dụng để hòa hợp khung phụ

* 8 bit cuối cùng (23-30) được sử dụng cho các bít chẵn lẻ

2.10 Thời gian GPS và tính toán Z vệ tinh

Thời gian GPS được sử dụng như là tham chiếu thời gian cơ sở cho tất

cả các hoạt động GPS Thời gian GPS được tham chiếu tới thời gian phối hợp quốc tế (universal coordinated time: UTC) Thời gian 0 GPS được xác định là lúc nửa đêm ngày 5 tháng 1 rạng sáng ngày 6 tháng 1 năm 1980 Đơn vị lớn nhất được sử dụng trong thời gian GPS bắt đầu là một tuần, hay là 604800 giây (s) (7x24x3600) Thời gian GPS có thể khác với thời gian UTC vì thời gian GPS là một tỉ lệ thời gian liên tục, trong khi UTC được hiệu chỉnh theo định kỳ với một số nguyên của giây xen kẽ Tỉ lệ thời gian GPS được duy trì trong 1µs của UTC (modulo của một giây) Điều này có nghĩa là hai thời gian

có thể khác nhau một số nguyên của giây Lịch sử khác nhau giữa UTC và thời gian GPS sẽ được chỉ trong Bảng 2.12

Trong mỗi vệ tinh, một đoạn 1,5s nội tại, tính toán Z đưa ra một đơn vị thuận tiện cho việc tính toán và truyền đạt thời gian một cách chính xác Tính toán Z có hai phần bao gồm 29 bit: 19 bit có nghĩa tối thiểu (least-significant bit: LSB) hay là thời gian của tuần (time of week: TOW) và 10 bit có nghĩa nhất (most-significant bit: MSB) hay là số tuần Trong dữ liệu thực tế được phát bởi vệ tinh thì chỉ có 27 bit tính toán Z 10-bit số tuần ở trong từ thứ ba của khung phụ 1 17-bit TOW có trong HOW của mỗi khung phụ như đã đề cập ở phần trước Hai LSB được đề cập thông qua việc nhân tính toán Z rút gọn

Tính toán TOW có đơn vị thời gian là 1,5s và tính toán trong vòng một tuần Trong khi một tuần có 604800 giây nên tính toán TOW là từ 0 đến

403199 vì 604800/1,5 = 403200 Thời điểm xảy ra lúc gần nửa đêm thứ 7 rạng sáng chủ nhật, trong đó nửa đêm được xác định là lúc 0000h trong tỉ lệ UTC, 17-bit phiên bản rút gọn của tính toán TOW trong toàn bộ thời gian của một tuần và đơn vị thời gian là 6s (1,5s x 4) hay bằng thời gian của một khung phụ TOW rút gọn này có giá trị từ 0 đến 100799 vì 604800/6 = 100800

Đường đặc tính thời gian được thể hiện trong Hình 2.8 Trong Hình 2.8 tính toán Z ở tại thời điểm kết thúc và bắt đầu của một tuần như đã thể hiện trong phần trên của hình Tính toán TOW bao gồm 17 MSB trong 19-bit tính toán TOW hiện thời ở thời điểm bắt đầu của khung phụ tiếp theo như thể hiện trong phần dưới của hình Một lưu ý quan trọng là khi tính toán TOW chỉ ra thời điểm bắt đầu của khung phụ tiếp theo thì giá trị của nó là 1 nhiều hơn 0 ở thời điểm kết thúc và bắt đầu của tuần

Hình 2.8: Tính toán Z và tính toán TOW

10 MSB của tính toán Z là số tuần (week number: WN) Nó thể hiện số tuần từ nửa đêm ngày 5 tháng 1, rạng sáng ngày 6 tháng 1 năm 1980 Dải tổng của WN là từ 0 đến 1023 Tại thời điểm kết thúc của tuần GPS thì số tuần GPS sẽ quay trở về 0 Người sử dụng phải thêm 1024 vào trước trong quá trình tính toán khi chuyển đổi từ thời gian GPS sang ngày theo lịch.

2.11 Thuật toán kiểm tra chẵn lẻ

Phần này trao đổi về hoạt động của các bit chẵn lẻ Từ hình 2.9 có thể thấy rằng mỗi một từ có 30 bit và 6 trong số 30 bit này là các bit chẵn lẻ Các bit chẵn lẻ được sử dụng để kiểm tra chẵn lẻ và để điều chỉnh phân cực của các bit dẫn đường Nếu kiểm tra chẵn lẻ lỗi thì dữ liệu không nên sử dụng Để kiểm tra chẵn lẻ, 8 bit chẵn lẻ được sử dụng Hai bit bổ sung là bit cuối cùng (cũng là hai bit chẵn lẻ) từ từ trước đó

Để D i mô tả các bit dữ liệu trong một từ được thu bởi một khối thu

trong đó i = 1, 2, 3, …, 24 mô tả dữ liệu nguồn và i = 25, 26, …, 30 mô tả các

bit chẵn lẻ Công thức mã hóa chẵn lẻ được liệt kê trong Bảng 2.5, trong đó

D *

29 và D *

30 là 29 và 30 dữ liệu của từ trước, ⊕ là cộng module-2 và quy tắc

hoạt động của nó được liệt kê trong Bảng 2.2 D 25 đến D 30 là các dữ liệu chẵn lẻ

Trong Bảng 2.5, 24 công thức tính toán phải được thực hiện trước

tiên Mục đích là để phát một tập dữ liệu d i mới với i = 1 đến 24 Nếu D *

30 =

0, thì khi đó từ mối liên hệ trong Bảng 2.2 d i = D i (với i = 1 đến 24), nghĩa là không có sự thay đổi tín hiệu Nếu D *

30 = 1, thì khi đó D i = 0 thay đổi thành d i

= 1 và D i = 1 thay đổi thành d i = 0 (với i = 1 đến 24) Hoạt động này thay đổi tín hiệu của các bit nguồn Các giá trị này của d i được sử dụng để kiểm tra

mối tương quan chẵn lẻ từ D 25 đến D 30.

Trong một khối thu, tính chẵn lẻ của các bit dữ liệu dẫn đường thường được gán giá trị một cách tùy ý Sự hoạt động này được liệt kê trong Bảng 2.5

có thể hiệu chỉnh chẵn lẻ một cách tự động Nếu D *

30 = 0, thì tính chẵn lẻ của

24 bit dữ liệu tiếp theo không thay đổi Nếu D *

30 = 0, thì tính chẵn lẻ của 24 bit dữ liệu tiếp theo sẽ thay đổi

Ma trận này phù hợp với sáu công thức trong Bảng 2.5 Nếu d i chắc

chắn tồn tại thì 1 sẽ được thay thế trong ma trận Nếu Nếu d i chắc chắn không tồn tại thì 0 sẽ được thay thế trong ma trận Lưu ý rằng mỗi hàng trong H đơn giản là sự dịch chuyển theo vòng của hàng trước ngoại trừ hàng cuối cùng Để

sử dụng ma trận chẵn lẻ, phải lưu ý đến các thuộc tính sau Sự tương tự giữa module-2 và phép nhân của +1 và -1 phải được tìm thấy trước tiên Những kết quả trong Bảng 2.2 được liệt kê lại trong Bảng 2.6 để so sánh

Bảng 2.6 Bảng so sánh giữa cộng module-2 và phép nhân +1, -1

1 ⇒ -1 Các bước sau có thể được sử dụng để kiểm tra chẵn lẻ:

* Biểu diễn dữ liệu D i bởi 1 và 0 và chuyển đổi 1 ⇒ -1 và 0 ⇒ +1

* Chuyển đổi các dấu của D i (i = 1 đến 24) bằng cách nhân chúng với Những dữ liệu mới này sẽ là d i với i = 1 đến 24.

* Các giá trị này của d i với i = 1 đến 24 được sử dụng để nhân mỗi hàng

của ma trận H với từng phần tử một Kết quả là một ma trận với 6 hàng và

24 cột Mỗi phần tử của một hàng có thể là một trong ba giá trị sau: +1, 0, -1 Các giá trị +1 và -1 được nhân với nhau và kết quả mới sẽ hoặc là +1

hoặc là -1 Các kết quả mới này hoặc được nhân với D *

29 hoặc được nhân

với D *

30 theo sáu công thức cuối cùng trong Bảng 2.5

* Kết quả cuối cùng là [D 25 D 26 D 27 D 28 D 29 D 30]

* Bước cuối cùng là chuyển đổi +1, -1 trở lại thành 0 và 1

2.12 Dữ liệu dẫn đường trong khung phụ 1

Dữ liệu chứa trong ba khung phụ đầu tiên được thể hiện trong Hình 2.9 Các tham số tối thiểu yêu cầu để tính toán vị trí người sử dụng được chứa trong ba khung phụ đầu tiên này

Dữ liệu sử dụng để tính toán vị trí của các vệ tinh và người sử dụng được trình bày như sau:

* Số tuần (week number) (61-70): Mười bit này đã được đề cập trong mục

2.9 Mục này đề cập đến MSB của các tính toán Z và cho biết số của tuần

là từ nửa đêm ngày mồng 5 tháng một đến rạng sáng ngày mồng 6 tháng một năm 1980 Những người sử dụng có thể tính toán đồng thời nếu quá

1023 tuần

* Độ chính xác cự ly người sử dụng (user range accuracy) (73-76): Ba bit

này cho biết độ chính xác cự ly người sử dụng và dải giá trị của nó N từ

0-15 Giá trị chính xác X là:

• Nếu N ≤ 6 thì X = 2(1-N/2) (các giá trị này được làm tròn N=1, X=2,8; N=3, X=5,7; N=5, X=11,3)

• Nếu 6 ≤ N ≤ 15 thì X = 2(N-2)

• N = 15 sẽ cho biết không có dự báo chính xác và khuyên người sử dụng biết rằng vệ tinh đó sẽ mang lại rủi ro.

* Độ khỏe vệ tinh (satellite health) (77-88): Sáu bit này cho biết độ khỏe

của vệ tinh đang phát MSB (bit 77) cho biết sơ lược về độ khỏe của dữ liệu dẫn đường, trong đó bit 77 bằng:

0 = tất cả các dữ liệu dẫn đường là ổn

1 = Một số dữ liệu dẫn đường là không tốt

Năm LSB cho biết độ khỏe của các thành phần tín hiệu trong Bảng 2.7

Dữ liệu tốt của vệ tinh được chỉ ra trong khung phụ 4 và 5 Dữ liệu chỉ

ra trong khung phụ 1 có thể khác so với những gì chỉ ta trong khung phụ 4 và/hoặc 5 của các vệ tinh khác, khi đó dữ liệu này có thể được cập nhật muộn hơn ở các thời điểm khác nhau

* Vấn đề của dữ liệu đồng hồ (Issue of data, clock) (IODC) (83-84 MSB, 211-218 LSB): Dữ liệu IODC 10 bit này biểu thị số vấn đề của tập dữ liệu

và do đó người sử dụng sẽ có cách thuận tiện để phát hiện ra bất cứ thay đổi nào trong việc điều chỉnh các tham số IODC đa phát sẽ khác so với bất cứ giá trị nào đã phát bởi vệ tinh trong vòng bảy ngày trước đó

* Chênh trễ nhóm ước lượng T GD (197-204): Thông tin 8 bit này là một

thuật ngữ hiệu chỉnh đồng hồ để tính toán độ chênh trễ nhóm vệ tinh

* Các tham số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh: Khung phụ này cũng chứa các

bốn tham số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh: t oc (219-234), a f0 (271-292), a f1

(249-264), và a f2 (241-248)

* Trong khung phụ 1 có một số trường dữ liệu dự trữ và vị trí của chúng là 71-72; 91-114; 121-144; 151-174; 181-196 Tất cả các trường dữ liệu dự trữ hỗ trợ chẵn lẻ cố định trong các từ tương ứng của chúng

* Các tham số thiên văn trong khung phụ 1 được liệt kê trong Bảng 2.8.Bảng 2.7 Các mã cho độ khỏe của các thành phần tín hiệu vệ tinh

MSB LSB

1 1 1 0 0 ⇒ Vệ tinh tạm thời lỗi – không sử dụng vệ tinh trong thời gian này.

1 1 1 0 1 ⇒ Vệ tinh sẽ tạm thời bị lỗi – lưu ý khi sử dụng.

Hình 2.9: Dữ liệu trong khung phụ 1 *** Dự trữ; p: Các bit chẵn lẻ;

Hình 2.9: Dữ liệu trong khung phụ 1 (tiếp)

Hình 2.9: Dữ liệu trong khung phụ 1 (tiếp)

2.13 Dữ liệu dẫn đường từ khung phụ 2 và 3

Hình 2.9b và c cho biết các dữ liệu thiên văn sau chứa trong khung phụ

2 và 3:

Bảng 2.8 Các tham số thiên văn trong khung phụ 1

Số bit

(271-Bất cứ sự thay đổi nào trong khung phụ 2 và 3 thì dữ liệu sẽ được thực hiện để hòa hợp với sự thay đổi trong cả các từ IODE Việc cắt dữ liệu mới sẽ chỉ xảy ra trong giới hạn một giờ ngoại trừ tập dữ liệu đầu tiên của upload mới Tập dữ liệu đầu tiên có thể được cắt bất cứ khi nào trong giờ do đó, có thể được truyền bởi vệ tinh trong vòng ít nhất một

giờ Ngoài ra, giá trị đối t oe với ít nhất tập dữ liệu đầu tiên đã phát bởi một vệ tinh sau khi upload sẽ phải khác với tập dữ liệu trước khi bị cắt

* Phần còn lại của dữ liệu thiên văn: Được liệt kê trong Bảng 2.9 và 2.10.

* Các trường dữ liệu dự trữ và dự phòng: Trong khung phụ 2 bit 287 được

dự trữ và các bit 288-292 được dự phòng Tất cả các trường dữ liệu dự trữ

và dự phòng hỗ trợ chẵn lẻ cố định với các từ tương ứng của nó Nội dung của các trường dữ liệu dự phòng lần lượt là 1 và 0 cho đến khi chúng được

sử dụng cho một chức năng mới Những người sử dụng cần lưu ý rằng những nội dung của trường dữ liệu dự phòng có thể thay đổi mà không kèm theo cảnh báo

Bảng 2.9 Các tham số thiên văn trong khung phụ 2

Số bit

C rs: Biên độ các thuật ngữ điều chỉnh điều

hòa hình sin trên bán kính quỹ đạo

Δn: Hiệu số chuyển động trung bình so

với giá trị được tính toán bằng máy tính.

vòng

C uc: Biên độ của thuật ngữ điều chỉnh

điều hòa cosin trên đối số của vĩ độ.

C us: Biên độ của thuật ngữ điều chỉnh

điều hòa hình sin trên đối số của vĩ độ.

241-264

2.14 Dữ liệu dẫn đường từ khung phụ 4 và 5 – Dữ liệu bổ trợ

25 phiên bản của các khung phụ này được tham chiếu từ trang 1 đến trang 25 của mỗi siêu khung Ngoại trừ các trang dự phòng và lặp lại một cách rõ ràng, mỗi trang chứa dữ liệu khác nhau trong các từ từ 3 đến 10, chúng là các bit 91-300 Khung phụ 4 có sáu định dạng khác nhau nhưng chỉ

có 5 định dạng trong số chúng được thể hiện trong hình 2.10a Năm trang 1,