Khắc phục ảnh hưởng của tầng điện li lên tín hiệu GPS

Khắc phục ảnh hưởng của tầng điện li lên tín hiệu GPS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội – 1/2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Cán bộ phản biện:

Hà Nội – 1/2016

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:………

Tên đồ án:

………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp

thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ

thống

1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 5

7 Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

1 2 3 4 5

tương lai.

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,

có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa

học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc

tế khác về chuyên ngành như TI contest

2

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)

Ngày: / /201Người nhận xét(Ký và ghi rõ họ tên)

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán bộ phản biện)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:………

Tên đồ án:

………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp

thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ

thống

1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8

Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,

có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

trích dẫn đúng quy định

1 2 3 4 5

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa

học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

5

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc

tế khác về chuyên ngành như TI contest

2

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô

Ngày: / /201Người nhận xét(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Lời đầu tiên cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành tới TS.Nguyễn ThànhChuyên và ThS Phương Xuân Quang trong thời vừa qua đã giúp đỡ, hướng dẫn để

em có thể hoàn thành công việc được giao trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp em đã được giao đề tài “Khắc phục ảnh hưởng của tầng điện li lên tín hiệu GPS” và đã cơ bản hoàn thành được mục

tiêu đề ra đó là tìm hiểu về các mô hình cải thiện độ chính xác của tầng điện li cùngvới đó là tiến hành tính toán sai số mô hình tầng điện li Cụ thể, theo nhiệm vụ đượcđưa ra mỗi tuần em đã tìm hiểu về các mô hình chỉnh sửa tầng điện li nhưKlobuchar, Nequick, NTCM-GL; tìm hiểu những ảnh hưởng của tầng điện li đếnviệc truyền tín hiệu GPS của hệ thống định vị toàn cầu Từ những kiến thức tìmhiểu được chúng em đã tính toán sai số của tầng điện li trên mô hình NTCM-GL.Kết quả tính toán thực tế ít nhiều đá đánh giá được khả năng sửa lỗi tầng điện li của

mô hình nhưng để đánh giá một cách chính xác nhất thì phải cần có thời gian thựcnghiệm nhiều hơn

Đề tài “Khắc phục ảnh hưởng của tầng điện li lên tín hiệu GPS” rất có

chiều sâu và kiến thức cập nhật, giúp chúng em củng cố kiến thức, thu nhận kinhnghiệm và tạo điều kiện phục vụ cho công việc của chúng em trong tương lai vềlĩnh vực này Tuy báo cáo đã hoàn thành nhưng còn nhiều thiếu sót, chúng em rấtmong nhận được sự góp ý và nhận xét từ phía thầy

Kính gửi lời cảm ơn tới:

- ThS Phương Xuân Quang

- TS Nguyễn Thành Chuyên

- Tập thể nhóm nghiên cứu đồ án 3 dưới sự hướng dẫn của ThS.Phương Xuân Quang

- Viện Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hà Nội, ngày 01 tháng 01 năm 2016

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Tầng điện li (ionosphere) là lớp bên trên của bầu khí quyển, nơi chịu nhiềutác dụng các bức xạ sóng ngắn của mặt trời và các bức xạ khác từ vũ trụ tới nênchưa nhiều ion và điện tử tự do Tầng điện li ảnh hưởng tới việc truyền tín hiệu

trong hệ thống định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System), hệ

thống các vệ tinh cung cấp khả năng tự động xác định vị trí trong không gian địa lýtrên phạm vi toàn cầu

Hệ thống GNSS đã được hình thành và ứng dụng vào thực tiễn trong mộtthời gian dài Qua quá trình hoạt động, hệ thống cho thấy được khả năng định vị tốtcủa mình, tuy nhiên, vấn đề về độ chính xác của tín hiệu định vị luôn được mọingười quan tâm Để cải thiện độ chính xác của tín hiệu định vị vệ tinh, người ta đãnghiên cứu và đưa ra các mô hình chỉnh sửa tầng điện li như Klobuchar, Nequick,NTCM Mỗi mô hình chỉnh sửa được nghiên cứu với một loại hệ thống định vị khácnhau

Đề tài của em được thực hiện với mục tiêu hiểu rõ các mô hình chỉnh sửatầng điện li, đặc biệt với hai mô hình Klobuchar và NTCM Sau khi hiểu rõ về môhình chỉnh sửa tầng điện li, em đi vào tính toán lỗi tầng điện li của mô hình NTCM.Kết quả thu được có ý nghĩa trong việc kiểm chứng lại độ chính xác của mô hìnhNTCM

Với các mục tiêu trên, nhìn chung em đã hoàn thành cơ bản yêu cầu đề ra vớicác kết quả khả quan, phù hợp với lý thuyết và cho thấy được khả năng ứng dụngkiến thức vào thực tế của mình Tuy còn có nhiều giới hạn nhưng em rất hy vọngnhững kết quả của đề tài này sẽ là tiền đề tốt cho các đề tài liên quan trong tương laigần

Ionosphere (Ionosphere) the upper layers of the atmosphere, where under theeffect of short-wave radiation of the sun and the other from cosmic radiation to be yet more ions and free electrons Ionosphere affects signaling in global positioning systems GNSS (Global Navigation Satellite System), satellite systems provide the ability to automatically locate the geospatial on a global scale

The GNSS has been established and applied in practice in a long time Over the course of operation, the system suggests the possibility of his good positioning, however, the issue of the accuracy of the positioning signals are always people interested To improve the accuracy of satellite navigation signals, it has been studied and given models as editing Klobuchar ionosphere, Nequick, NTCM Each model studied editing with a different positioning systems

My topic was implemented with the goal of understanding the pattern edit ionosphere, especially with two models and NTCM Klobuchar After understandingthe model editing the ionosphere, they go into the calculation of the ionosphere error model NTCM The results have implications for verifying the accuracy of the model NTCM

With these objectives, generally you have completed the basic requirements set out with positive results, in accordance with the theory and showed the ability toapply knowledge into their practice Although there are many limitations, but I verymuch hope the results of this project will be a good premise for the related topic in the near future

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ

PHẦN MỞ ĐẦU

Đề tài "Khắc phục ảnh hưởng của tầng điện li lên tín hiệu GPS” với các

mục tiêu đề ra là nghiên cứu về tầng điện li, hệ thống định vị toàn cầu GPS, tínhtoán mô hình chỉnh sửa tầng điện li NTCM cùng với đó là hiểu rõ mô hìnhKlobuchar và công cụ xử lý tín hiệu vệ tính GPS là phần mềm Glab

Chương 1 Trình bày cơ sở lý thuyết của tầng điện li,vài trò của tầng điện li

trong truyền sóng vô tuyến Nêu ra sự ảnh hưởng của tầng điện li đối với tin hiệu vệtinh đinh vị toàn cầu và cụ thể là tín hiệu GPS

Chương 2 Mô tả các mô hình hiệu chỉnh tầng điện li như Klobuchar,

Nequick, NTCM Hiểu một cách chi tiết Klobuchar và NTCM để tiến hành so sánh

và tính toán

Chương 3 Sử dụng hai công cụ Glab và Matlab để kiểm chứng độ chính xác

của mô hình Klobuchar, tính toán mô hình chỉnh sửa tầng điện li NTCM với dữ liệu thực tế với công thức đưa ra ở Chương 2

1 Chương 1 Cơ sở lý thuyết

1.1 Tổng quan về tầng điện li

1.1.1 Giới thiệu tầng điện li

- Tầng điện li (ionosphere) là lớp bên trên của bầu khí quyển, nơi chịu nhiềutác dụng các bức xạ sóng ngắn (bao gồm bức xạ khí quyển, bức xạ Rontgen)của mặt trời và các bức xạ khác từ vũ trụ tới nên chưa nhiều ion và điện tử tựdo

- Tầng điện li không chỉ có mặt ở Trái Đất mà còn có thể có mặt trên các hànhtinh khác trong vũ trụ

- Tầng điện li nằm ở độ cao từ 50 - 80 km đến khoảng 1000 km và được chiathành 3 lớp D, E và F:

 Lớp F bao gồm toàn bộ các lớp điện li ở độ cao trên 160 km vàthường chia thành 2 lớp F1 (160 – 250 km) và F2 (trên 250 km).

1.1.2 Vai trò của tầng điện li trong truyền sóng vô tuyến

- Tầng điện li là tầng khí quyển có chứa nhiều hạt mang điện tích là cácelectron, ion dương và ion âm Nó ảnh hưởng tới sự truyền sóng vô tuyến vớinhưng bước sóng khác nhau

- Sóng dài: có năng lượng nhỏ nên không truyền đi xa được Ít bị nước hấp thụnên được dùng trong thông tin liên lạc trên mặt đất và trong nước

- Sóng trung: Ban ngày sóng trung bị tần điện li hấp thụ mạnh nên khôngtruyền đi xa được Ban đêm bị tần điện li phản xạ mạnh nên truyền đi xađược Được dùng trong thông tin liên lạc vào ban đêm

- Sóng ngắn: Có năng lượng lớn, bị tần điện li và mặt đất phản xạ mạnh Vìvậy từ một đài phát trên mặt đất thì sóng ngắn có thể truyền tới mọi nơi trênmặt đất Dùng trong thông tin liên lạc trên mặt đất

- Sóng cực ngắn: Có năng lượng rất lớn và không bị tần điện li phản xạ hay hấp thụ Được dùng trong thông tin vũ trụ.

- Tầng điện li có ảnh hưởng rất lớn đến sự truyền sóng vô tuyến, nhất là khi cóbão từ Lớp D hấp thụ rất mạnh năng lượng sóng vô tuyến ở dải sóng trung

Do đó, ban ngày hầu như không quan sát được sự giao thoa của sóng đất và sóng không gian (gọi là hiện tượng phađin) ở dải sóng trung Sóng trung đi tới lớp E sẽ bị phản xạ trở lại mặt đất Tính không ổn định của lớp E, nhất là lúc sáng sớm, chiều tối và ban đêm đã gây nên phađin Sự phản xạ sóng vô tuyến từ lớp F2 đã tạo khả năng liên lạc ở các cự li rất xa trong dải sóng ngắn.1.1.3 Sự truyền sóng quanh trái đất

- Sóng cực ngắn (1cm - 10m): Không bị tầng điện li hấp thụ, phản xạ → thôngtin trong vũ trụ

- Sóng ngắn (10m – 200m ): Được tầng điện li và mặt đất phản xạ nhiều lần →dùng để thông tin trên trái đất

- Sóng trung ( 200m – 3000m): bị tầng điện li hấp thụ → thông tin trên bề mặttrái đất

- Sóng dài (từ 3000m) : Không bị nước hấp thụ → dùng để thông tin dướinước

Hình 1.2 Sự truyền sóng quanh trái đất

- Trong phạm vi tầng này, các bức xạ cực tím gây ra sự ion hóa Tại đây, dobức xạ môi trường nhiều phản ứng hóa học xảy ra đối với ôxy, nitơ, hơinước, CO2 chúng bị phân tách thành các nguyên tử và sau đó ion hóa thành

các ion như NO+, O+, O2+, NO3-, NO2- và nhiều hạt bị ion hóa phóng xạsóng điện từ khi hấp thụ các tia mặt trời vùng tử ngoại xa Bức xạ làm chocác hạt trong khí quyển thuộc tầng này trở thành mang điện cho phép cácsóng radio được phản xạ trở lại và có thể nhận được tại các điểm vượt ra khỏikhoảng cách tới đường chân trời Do đó nó có thể truyền đi xa

- Tất cả các sóng điện từ cũng được phản xạ từ tầng điện li Nhưng sóng cóbước sóng dài phản xạ tốt hơn vì:

 Tầng điện li có các hạt dẫn điện loãng, nên sóng có bước sóng dài thìdẫn điện tốt hơn vì dòng điện xoáy của bước sóng dài được thực hiệntrong một chu vi rộng hơn (tính theo chiều dài bước sóng), bước sóngngắn thì ngược lại Nói cách khác, số điện tích tham gia vào dòng điệnxoáy tính theo bước sóng, thì trường hợp sóng dài trội hơn hẳn

 Do tầng điện li loãng, nên hiện tượng phản xạ sóng xảy ra trong nhiềulớp, chứ không xảy ra trên một mặt phẳng duy nhất như trên bề mặtkim loại Sóng phản xạ trên nhiều lớp của tầng điện li này có pha khácnhau (vì độ dài đường đi khác nhau)

- Đối với sóng có bước sóng ngắn, cực ngắn thì sự sai pha này triệt tiêu lẫnnhau

- Đối với sóng dài thì sự sai pha này không đủ để chúng ngược pha nhau, nênchúng không triệt tiêu hết được Nói cách khác, bề dày phản xạ của tầng điện

li có thể xem là một gương phẳng so với chiều dài bước sóng dài

- Độ dài bước sóng ngắn, so với bề dày lớp phản xạ là đáng kể, không thể xem

là gương phẳng được

1.1.4 Ảnh hưởng của tầng điện đến sự hoạt động của tín hiệu GPS

Công thức tính toán trễ tầng điện li:

- Chiết suât lan truyền pha sóng trong tầng điện li được tính như sau:

Trong đó : c2, c3, c4 là các hệ số không phụ thuộc tần số, là hàm của

số lượng electron dọc theo tuyến lan truyền của tín hiệu vệ tính tớingười sử dụng

- Tương tự ta kết quả sau:

- Bỏ qua các thành phần bậc cao ta có:

Với hệ số c2 được ước lượng c2 = -40.3 ne Hz2 nên suy ra:

- Vận tốc pha và vận tốc nhóm được ước lượng như sau:

- Giả thiết khoảng cách đo được là:

- Khoảng cách thẳng LOS là:

- Vi sai khoảng cách do tán xạ tầng điện li:

- Trễ do chỉ số tán xạ ( chiết suất) pha :

- Trễ do chỉ số tán xạ (chiết xuất) nhóm :

- Do trễ là rất nhỏ so với khoảng cách giữa vệ tinh và người sử dụng, chỉ lấytính phân số hạng đầu dọc theo hướng nhìn thẳng, đổi ds thành dl ta được:

- Công thức tính mật độ electron dọc theo tuyến lan truyền (tổng số electronTEC - Total Electron Count) :

 Đơn vị : 1TECU = 1016 electron/m2

 TEC thay đổi theo thời gian trong ngày, địa điểm người sử dụng, gócngẩng của vệ tinh, mùa, bức xạ ion hóa, hoạt động từ trường, chu kìhoạt động của mặt trời và có tính bất thường

- Sai khoảng cách được viết lại như sau:

- Do TEC được tính theo phương đứng đi qua tầng điên li, nghĩa là tuyến lantruyền là thẳng đúng với góc ngẩng của vệ tinh = 900( thẳng đỉnh đầu) nênvới giá trị góc ngẩng khác thì cần nhân với hệ số xiên chéo( obiquity factor)

Fpp:

Với hl = 350km là độ cao tại đó mật độ electron đạt giá trị cực đại

Vậy với hệ số xiên chéo, trễ tầng điện li được tính như sau:

- Do trễ tầng điện li phụ thuộc tần số nên có thể loại trừ bằng cách đo khoảng cách với máy thu 2 tần số Khác biệt trễ trên cả 2 tần số L1 và L2 cho phép ước lượng trễ trên cả 2 tần số

 Kiểu kết hợp ionospheric-free:

 Kiểu đo giả khoảng cách L1 và L2 để ước lượng lỗi tầng điện li trên L1 :

 Lỗi tầng điện li trên L2:

Các mô hình hình học tầng điện li

- Mô hình đơn tầng mỏng

Hình 1.3 Mô hình tầng mỏng

Mật độ electron tối đa tập trung ở độ cao từ 200-500km

Độ cao hiệu dụng của tầng mỏng vào khoảng 350-450km

- Mô hình đơn tầng dầy

Hình 1.4 Mô hình tầng dầy

Nhằm cải thiện mô hình tầng mỏng khi coi tầng điện li là một tâng dày với mật

độ ion là hằng số hay biến thiên

Giả thiết tín hiệu đi xuyên qua tầng điện li với mật độ electron trong ngưỡng giữa

h0 và h1.

- Mô hình voxel 2 tầng

 Tâng điện li được mô hình theo mô hình chiếu rọi thô.

 Tâng điện li chia thành các khối thành phần với mật độ electron được cho là hằng số

1.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS

1.2.1 Tổng quan hệ thống

- Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là một hệ thốngcác vệ tinh có khả năng xác định vị trí trên toàn cầu với độ chính xác khá caođược phát triển bởi bộ quốc phòng Hoa Kỳ trong khoảng đầu 1970

- Đầu tiên, GPS được xây dựng để phục vụ cho các mục đích quân sự, tuynhiên sau này cho phép sử dụng cả trong lĩnh vực dân sự

- Hiện nay, hệ thống này được truy nhập bởi cả hai lĩnh vực quân sự và dân

sự

- GPS bao gồm một mạng lưới 24 vệ tinh hoạt động

- Mạng lưới này chính thức hoàn thành vào ngày 08/12/1993

- Để đảm bảo vùng phủ sóng liên tục trên toàn thế giới, các vệ tinh GPS đượcsắp xếp sao cho 4 vệ tinh sẽ nằm cùng nhau trên 1 trong 6 mặt phẳng quỹđạo Với cách sắp xếp này sẽ có 4 đến 10 vệ tinh được nhìn thấy tại bất kỳđiểm nào trên trái đất với góc ngẩng là 100 nhưng thực tế chỉ cần 4 vệ tinh là

có thể cung cấp đầy đủ các thông tin về vị trí

- Các quỹ đạo vệ tinh GPS là những đường vòng, có dạng elip với độ lệch tâmcực đại là 0.01, nghiêng khoảng 550 so với đường xích đạo

- Độ cao của các vệ tinh so với bề mặt trái đất là khoảng 20.200 km

- Chu kỳ quỹ đạo các vệ tinh GPS khoảng 12 giờ (11 giờ 58 phút)

- Hệ thống GPS được chính thức tuyên bố có khả năng đi vào hoạt động vàongày 17-7-1995 với việc đảm bảo có tối thiểu 24 vệ tinh hoạt động Trongthực tế, để GPS có khả năng hoạt động tốt, số lượng vệ tinh trong mạng lướiGPS phải luôn luôn nhiều hơn 24 vệ tinh

Hình 1.6 Quỹ đạo các vệ tinh GPS

1.2.2 Cấu trúc hệ thống

Hệ thống GPS gồm 3 phân hệ:

- Phân hệ không gian (Space Segment): Phần không gian của GPS bao gồm 24

vệ tinh nhân tạo (được gọi là satellite vehicle, tính đến thời điểm 1995) Quỹ

đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất là quỹ đạo tròn, 24

vệ tinh nhân tạo chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo Mặt phẳng quỹđạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ Quĩ đạocủa vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 20.200 km, chu kỳ 718 phút, thời hạn sửdụng 7,5 năm Hình 1.3 đã minh họa chuyển động của vệ tin xung quanh tráiđất Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đến nay

đã có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau Thế hệ đầu tiên là vệ tinh Block I, thế hệthứ hai là Block II, thế hệ thứ ba là Block IIA và thế hệ Block IIR Thế hệcuối của vệ tinh Block IIR được gọi là Block IIR-M Thế hệ gân đây nhất làBlock IIF được phóng từ năm 2007 với vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết

bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt động lâu hơn

- Phân hệ điều khiển (Control Segment): Phần điều khiển là để duy trì hoạtđộng của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của

vệ tinh hệ thống GPS Phần điều khiển có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ nhưsau: Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục; Quy định thời gian hệthống GPS; Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệtinh; Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể Có mộttrạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado Springs bangColarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (Monitor Stations) và ba trạm ăng tenmặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS Gần đây có thêm mộttrạm phụ ở Cape Canaveral (bang Florida, Mỹ) và một mạng quân sự phụ(NIMA) được sử dụng để đánh giá đặc tính và dữ liệu thời gian thực

- Phân hệ người sử dụng (User Segment): Phần người sử dụng bao gồm cácmáy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử lý tính toán số liệu, máy tính thu tínhiệu GPS, có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phương tiệnchuyển động như ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa vệ tinh nhân tạo tuỳ theomục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khácnhau cùng với phần mềm xử lý và quy trình thao tác thu thập số liệu ở thựcđịa

- SPS được cung cấp với mã C/A (Coarse/Acquisition)

 Mã C/A (mã sơ cấp) được phát quảng bá trên băng L1 từ tất cả các vệ tinh,trên băng L2C từ 25/01/2006 (vệ tinh BlockIIR-M), và băng L5 từ năm2014

 Tín hiệu L2C được tích hợp trong vệ tinh GPS IIR-M Vệ tinh GPSIIR-M đầu tiên được phóng lên quỹ đạo vào năm 2005.

 Tín hiệu L5 có trong vệ tinh GPS IIF được phóng lên quỹ đạo đầu tiênvào tháng 5, 2010

 Tín hiệu dân sự L1C sẽ được đưa lên với vệ tinh GPS IIIA vào năm2016

 Vào 28/4/2014, Không quân Mỹ bắt đầu phát sóng thông điệp định vịdân sự trên L2C và tín hiệu L5

 Tương lai sẽ có tổng cộng 4 tín hiệu dân sự: L1C/A, L1C, L2C và L5

 Mã C/A có thể bị gây nhiễu có chủ ý bằng kỹ thuật SA (SelectiveAvailability) làm giảm độ chính xác định vị

 Độ chính xác với mã C/A là xấp xỉ 20 – 30m (SA Off)

- PPS được cung cấp thông qua mã được mật mã hóa P(Y)

 Mã P(Y) được phát quảng bá trên cả L1 và L2

 Chỉ có thể truy cập mã P(Y) nếu là người sử dụng được ủy quyền, sởhữu khóa mật mã bên trong máy thu

 Độ chính xác theo chỉ tiêu của PPS (50% SEP) là ~15m, thông thườngđạt được ~10m

 Mã P(Y) được mật mã hóa nhằm tránh phá bị nhiễu hoặc tín hiệu GPSgiả mạo phát quảng bá

1.2.3.3 Bản tin định vị

- Bản tin LNAV:

• Bản tin LNAV gồm các thông tin về vệ tinh thiên văn, niêm giám, thờigian hệ thống, đồng hồ vệ tinh, và các tham số vệ tinh,… được điều chếtrên cả hai tần số L1 và L2 Bản tin bao gồm 25 khung (frame) và mất12,5 phút để truyền hết bản tin với tốc độ 50bps Trong đó, mỗi mộtframe bao gồm 1500 bit được chia ra làm 5 subframe Khung con(subframe) 1, 2 và 3 có 1 trang trong khi đó subframe 4 và 5 cần có 25

trang vì thế mà một bản tin hoàn chỉnh cần có 25 frame tất cả Mỗisubframe tạo thành từ 10 từ (word), mỗi từ có độ dài 30 bit Theo đó, mỗiframe sẽ mất 30 giây để truyền đi.

• Mỗi subframe đều bắt đầu bằng TeLemetry Word (TLM) dành cho đồng

bộ Sau TLM sẽ là HandOver Word – HOW Tiếp theo sẽ là 8 word cònlại của subframe

• Nội dung của từng subframe trong một frame như sau:

 Subframe 1: chứa thông tin về các tham số về đồng hồ vệ tinh, sứckhỏe vệ tinh và một số thông tin khác kèm theo bit sửa lỗi chẵn lẻ -parity

 Subframe 2 và 3: chứa thông tin về dữ liệu thiên văn của vệ tinh Dựavào dữ liệu này bộ thu có thể xác định vị trí của vệ tinh chính xác hơn

 Subframe 4: bao gồm các thông tin trong đó có các tham số phục vụ

mô hình sửa lỗi tầng điện li, thông tin về UTC (Universal CoordinateTime – Giờ phối hợp quốc tế), một phần dữ liệu niên giám (dùng đểxác định vị trí vệ tinh) và một số thông tin khác

 Subframe 5: chứa thông tin về vệ tinh niên giám và trạng thái chòm

vệ tinh Với các thông tin này bộ thu có thể xác định vị trí vệ tinh pháttín hiệu Cần 25 frame để hoàn thiện dữ liệu niên giám

Hình 1.8 Mô tả cấu trúc khung và thời gian của bản tin định vị

- Bản tin CNAV:

• Bản tin CNAV bao gồm các bản tin có độ dài 300 bit tương ứng với 12giây (25bps) chứa các thông tin cơ bản giống với bản tin LNAV Bản tinnày được ứng dụng trong hai tín hiệu L2C và L5 trong những năm gầnđây nhằm phục vụ mục đích dân sự Trong đó mỗi bản tin sẽ có 24 bit

kiểm tra chẵn lẻ Bản tin dạng 0 được định nghĩa là bản tin mặc định(không mang thông tin) được thay thế cho các bản tin khác nếu các bảntin khác bị lỗi trong quá trình tạo bản tin.

• Có các bản tin chưa được định nghĩa và chưa được sử dụng để dành chophát triển trong tương lai

• Mỗi bản tin 300 bit bao gồm 8 bit Preamble – 10001011, tiếp theo là 6 bitthể hiện số mã PRN ứng với vệ tinh truyền bản tin, 6 bit tiếp theo là đểxác định số ID của dạng của bản tin Các thông tin tiếp theo trong bản tintùy thuộc vào dạng bản tin đó là dạng nào Dưới đây là các thông tin chứatrong một số dạng bản tin cần quan tâm có ID khác chứa các thông tin vềđồng hồ vệ tinh, dữ liệu niên giám, UTC, …

1.2.3.4 Hạn chế còn tồn tại

- Độ chính xác chưa cao (30 – 100m khi có SA; 10-30m khi không có SA)

- Để xác định được chính xác vị trí, cần thu được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinhđịnh vị, tuy nhiên tại các vùng đồi núi hay các thành phố với rất nhiều nhàcao tầng, rất khó thu được đầy đủ tín hiệu của cả 4 vệ tinh GPS, dẫn đến sai

2 Chương 2 Mô hình chỉnh sửa tầng điện li

2.1 Giới thiệu chung

- Sóng truyền qua tầng điện li bị nhiễu xạ và khúc xạ do môi trường của tầngđiện li Tầng điện li là môi trường phân tán và lan truyền đẳng hướng

- Ảnh hưởng:

 Thời gian tín hiệu truyền đi bị trễ

 Sự quay của mặt phẳng phân cực

 Suy giảm tín hiệu

 Thiếu sự ổn định về độ mạnh của tín hiệu và pha ( mất hoặc khóa)

- Xác định pham vi lỗi tầng điện li bằng việc dùng tần số kép trong định vị vệtinh

Hình 2.1 Mô hình sử dụng tần số kép trong đinh vị vệ tinh

Phạm vi lỗi điện li trên dl lên đến 100 m dọc theo đường phương lan truyền ( ray

path)

Do sự phân tán của tầng điện li, TEC có thể tính ra được từ việc sử dụng tần số képtrong truyền tín hiệu vệ tinh

- Đo tín hiệu đơn tần cần thông tin hiệu chỉnh phạm vi lỗi từ :

 Dữ liệu giám sát TEC( bản đồ dữ liệu)

 Mô hình tính toán TEC

Hình 2.2 Dữ liệu giám sát TEC- bản đồ phạm vi sửa lỗi

- Thời gian thực của vệ tinh đo tại trạm mặt đất có khả năng tính toán bản đồTEC tại một số khu vực nhất định (Châu âu, Nhật Bản, Mỹ và toàn thế giới)

- Trục dọc của bản đồ TEC có khả năng chỉnh sửa được tín hiệu vệ tinh đơntần đo được do nó chứa thông tin đường truyền vô tuyến nghiêng

- Tầng điện li là nguồn lỗi lớn nhất khi truyền tín hiệu đơn tần

 Các mô hình bão có thể mô tả được sự thay đổi của electron trong tầng điện

li nhưng vẫn chưa thể đo được mật độ electron

 Để xác định trễ tầng điện li hoặc lỗi vị trí, người ta sử dụng một số mô hình

có sẵn như:

o Mô hình hiệu chỉnh GPS hay mô hình klobuchar sử dụng cho GPS

o NeQuick 3D mô hình dự kiến được sử dụng cho Galileo

o Mô hình điện li chuẩn quốc tế(IRI)

o Hệ thống các mô hình đang phát triển bởi DLR như NTCM–GL( Neustrelitz TEC Models)

2.2 Mô hình klobuchar

2.2.1 Định nghĩa

- Mô hình Klobuchar là mô hình sửa chữa lỗi tầng điện li cho hệ thống GPS đối với máy thu đơn tần Các thông số của mô hình được phát trong các bản tin quảng bá

- Tính góc nối tâm trái đất (góc ngẩng E đơn vị là semicircles):

- Tính góc vĩ độ của mắt lưới:

Nếu Nếu

- Tính kinh độ của mắt lưới:

- Tính vĩ độ địa lý của mắt lưới:

- Tính thời gian tại mắt lưới:

- Tính biên độ trễ tầng điện li: