Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS

Sau đó các dự án này được hợp nhất vào năm 1973.Năm 1978 Block 1 với 11 vệ tinh trong hệ thống định vị toàn cầu GPS GlobePositioning System được Mỹ đưa lên quỹ đạo.. Một khi vị trí người

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH GNSS 1

1.1 Giới thiệu 1

1.1.1 Hệ thống định vị dẫn đường GNSS 1

1.1.2 Một số ứng dụng GNSS và định hướng phát triển 6

1.2 Một số khái niệm 14

1.2.1 Hệ quy chiếu tọa độ 14

1.2.2 Hệ chuẩn thời gian 15

1.2.3 Các phép đo tín hiệu vệ tinh 16

1.3 Các hệ thống vệ tinh dẫn đường sử dụng vệ tinh GNSS 18

1.3.1 Hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR - GPS 18

1.3.2 Hệ thống định vị GLONASS 23

1.3.3 Hệ thống Galileo 25

Tín hiệu GPS/Galileo 29

1.5 Cấu trúc máy thu GNSS 36

1.5.1 Máy thu đổi tần ( Super heterodynes Receivers) 36

1.5.2 Máy thu trung tần không ( Zero-IF Receivers) 37

1.5.3 Máy thu trung tần thấp ( Low-IF Receivers) 38

1.5.4 Máy thu đa chuẩn trung tần không/ trung tần thấp (Zero-IF/Low-IF Multi-Standard Receivers) 39

1.5.5 Máy thu biến đổi kép trung tần băng rộng (Wideband IF Conversion double Receivers) 40

1.5.6 Máy thu số-trung tần (Digital-IF Receivers) 41

1.5.7 Máy thu biến đổi số trực tiếp (Direct Digitization Receivers) 41

CHƯƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ LNA 43

2.1 Giới thiệu bộ khếch đại tạp âm thấp – Low noise Amplifier (LNA) 43

2.2 Cơ sở thiết kế 44

2.2.1 Nhiễu, tạp âm 44

2.2.2 Hệ số khuếch đại - Transducer Gain 44

2.2.3 Hệ số ổn định K, tham số tán xạ, phối hợp trở kháng và điều chỉnh 45

2.3 Yêu cầu thiết kế và lựa chọn linh kiện 47

2.3.1 Yêu cầu thiết kế 47

2.3.2 Transitor ATF-54143 49

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LNA 50

3.1 Giới thiệu công cụ thiết kế ADS – Agilent 50

3.1.1 Giao diện thiết và mô phỏng của phần mềm ADS 50

52

3.1.2 Các công cụ tính toán sử dụng 53

3.2 Các bước thiết kế và mô phỏng 56

3.3 Kết quả mô phỏng 81

3.4 Kết luận 83

KẾT LUẬN 84

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cánhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Hà Duyên Trung

Các số liệu, những kết luận nghiên cứu mô phỏng LNA được trình bày trongluận văn này là trung trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thứcnào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên thực hiện

Nguyễn Đức Minh

CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU 8 Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát hệ thống GPS 3 Hình 1.2 Nguyên lý định vị tọa độ GPS 4 Hình 1.3 Quy trình định vị hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu 6

Hình 1.10 Đặc điểm của các thành phần tín hiệu băng E5 28

Hình 1.11 Tín hiệu gửi bởi các vệ tinh GPS 30 Hình 1.12 Trải phổ năng lượng BPSK 2.046MHz, 1W 31

Hình 1.13 Trải phổ BPSK 2046MHz và BPSK 10.23MHz 31

Hình 1.14 Tín hiệu băng L2 được truyền bởi vệ tinh GPS 32

Hình 1.15 Phổ công suất tín hiệu mới trên băng L2 điều chế QPSK công suất

1W 33 Hình 1.17 Phổ công suất tín hiệu L5điều BPSK, công suất 1W 35

Hình 1.18 Tín hiệu gửi từ vệ tinh GPS 35 Hình 1.19 Băng tần tín hiệu của GPS và Galileo 36 Hình 1.20 Cấu trúc của bộ thu đổi tần 37 Hình 1.21 Máy thu trung tần không 38 Hình 1.22 Cấu trúc máy thu trung tần thấp 39 Hình 1.23 Cấu trúc máy thu đa chuẩn trung tần không/trung tần thấp 39

Hình 1.25 Cấu trúc máy thu số-trung tần 41 Hình 1.26 Cấu trúc máy thu biến đổi số trực tiếp 42 Hình 2.1 Cấu trúc máy thu GNSS điển hình 43 Hình 2.2 Sơ đồ trở kháng vào/ra mạng 4 cực 45

Hình 3.1 Giao diện chính của phần mềm ADS 51

Hình 3.2 Giao diện thiết kế chính 52 Hình 3.3 Giao diện vẽ đồ thị của phần mềm ADS 53 Hình 3.4 Giao diện của công cụ tính toán Linecalc 54

Hình 3.5 Bảng tham số tán xạ ATF-54143 56 Hình 3.6 Cấu trúc ATF-54513 57 Hình 3.7 DC Tracer 58 Hình 3.8 Mô phỏng phân cực dòng điện 58 Hình 3.9 Điện áp làm việc ATF-54143 59 Hình 3.10 Nfmin và Gain tại điện áp phân cực Vds = 4V, Ids = 40mA 59

Hình 3.11 Sơ đồ phân cực transistor ATF-54143 60 Hình 3.12 Công cụ Transistor Bias Utility 60 Hình 3.13 Cài đặt tham số phân cực bằng công cụ Bias Utility 61

Hình 3.14 Sơ đồ mạch phân cực 62 Hình 3.15 Kết quả kiểm tra điện áp, dòng phân cực 63

Hình 3.16 Kết quả mạch phân cực ATF-54143 63 Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng hệ số tán xạ, hệ số khuếch đại, NF tại tần số 1GHz

~ 2GHz 64 Hình 3.18 Hệ số khuếch đại cực đại tại tần số f=1.575GHz là 21.186dB 65

Hình 4.19 Hệ số ổn định tại tần số f=1.575GHz là 0.518 65

Hình 3.20 Mạch phối hợp thêm cuộn cảm hồi tiếp 66 Hình 3.21a Hệ số ổn định khi có hồi tiếp đạt StabFact1 = 0.625 <1 67 Hình 3.21b Hệ số ổn định khi chưa có hồi tiếp StabFact1 = 0.518 < 1 67 Hình 4.22 Hệ số ổn định StabFact1 = 1.002 sau khi sử dụng turning 67 Hình 4.23 Hệ số khuếch đại giảm Maxgain= 17.08dB sau khi sử dụng turning

68 Hình 4.24 Sơ đồ mạch sau khi sử dụng thay thế linh kiện 69

Hình 4.25a Hệ số ổn định tăng sau khi thay thế linh kiện 70

Hình 4.25b Hệ số khuếch đại giảm sau khi thay thế linh kiện 70

Hình 3.26 Mạch sau khi thay thế linh kiện lý tưởng 71

Hình 3.27 StabFact và MaxGain sau khi thay thế linh kiện lý tưởng 72

Hình 3.28 Hệ số NFmin = 0.399 tần số f=1.575GHz 72

Hình 3.29 Trở kháng tối ưu đầu vào trên đồ thị Smith 73

Hình 3.30 Công cụ Matching Utility 74 Hình 3.31 Mạch sau phối hợp trở kháng 75 Hình 3.32 Hệ số phản xạ cửa vào và ra < - 10dB 76

Hình 3.33 Hệ số khếch đại S21 ~ 16.3dB 76 Hình 3.34 Hệ số nhiễu Nfmin và nf(2) 77 Hình 3.35 Hệ số StabFact = 1.037 77 Hình 3.36 Menu truy cập công cụ LineCalc 78 Hình 3.37 Menu truy cập công cụ LineCalc 79 Hình 3.38 Mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng ATF-54143 80 Hình 3.39 Kết quả mô phỏng S11, S22 và hệ số phản xạ S12 81 Hình 3.40 Kết quả mô phỏng hệ số tạp âm và hệ số ổn định StabFact 81

Hình 3.41 Kết quả mô phỏng hệ số khuếch đại S21 82

Hình 3.42 Kết quả mô phỏng hệ số khuếch đại cực đại của mạch 82

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay nếu chúng ta sử dụng smartphone có trang bị chức năng dẫn đườngGPS (GPS navigator) chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của mình hiện trênmàn hình có bản đồ điện tử trong hệ thống đường xá phức tạp Vậy thiết bị dẫnđường GPS trên ta đang sử dụng có nguyên lý hoạt động như thế nào?

Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý hoạt động của Hệ thống định vịtoàn cầu (Global Positioning System, viết tắt là GPS) hoặc tên gọi mới tổng quát

hơn là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS Hệ thống vệ tinh dẫn đường

toàn cầu bao gồm ba hệ thống vệ tinh dẫn đường như sau: GPS do Mĩ chế tạo vàhoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System)

do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ thống GALILEO do Liên minhChâu Âu (EU) chế tạo được đưa vào sử dụng năm 2008 Nguyên lý hoạt độngchung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản giống nhau tuy nhiên

do mục đich phát triển, công nghệ chế tạo và ứng dụng mà mỗi hệ thống có nhữngđặc điểm riêng công nghệ và kỹ thuật

Trong khuôn khổ luận văn này được trình bầy gồm 3 chương trong đó tìmhiểu công nghệ và kỹ thuật định vị dẫn đường trong hệ thống GNSS, cấu trúc tínhiệu, cấu trúc máy thu định vị GNSS và nghiên cứu thiết kế bộ khếch địa tạp âmthấp cho máy thu định vị GNSS Nội dung chi tiết luận văn bao gồm:

Chương I: Tóm tắt lịch sử hình thành và phát triển của các hệ thống định vị

dẫn đường GNSS Cấu trúc máy thu định vị GNSS và cấu trúc tín hiệuGPS/Galileo Các ứng dụng trong các lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng, ứngdụng trong giám sát giao thông, hàng hải, cứu hộ… của hệ thống GNSS tại ViệtNam và trên thế giới

Chương II: Cơ sở lý thuyết và yêu cầu kỹ thuật cho việc thiết kế và mô

phỏng LNA cho máy thu GNSS Phân tích thiết kế các yêu cầu kỹ thuật và lựa chọnlinh kiện xâu dựng bộ LNA cho máy thu GNSS

Chương III: Ứng dụng phần mềm ADS thiết kế mạch siêu cao tần LNA cho

máy thu GNSS và chi tiết các bước phân tích, thiết kế mô phỏng bằng mạch điện tửcủa bộ khuếch đại LNA Các báo cáo đánh giá kết quả thu được dựa trên các tham

số mô phỏng và xây dựng mô hình mạch thực tế phụ vụ sản xuất, chế tạo

Phần cuối cùng dành để tổng kết những vấn đề đã làm được trong luận văncũng như hạn chế và hướng phát triển của luận văn này

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH GNSS

Hiện nay, trên thế giới có 3 hệ thống định vị toàn cầu là: Hệ thống NAVSTAR(Navigation Signal Timing and Ranging) của Mỹ thường được biết đến với tên ngắngọn hơn “Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System)”; hệ thốngGLONASS (Globalanaya Navigatsionnaya Sputnilovaya Sistema – Globalnavigation Satellite System) của Nga và hệ thống Galileo của Ủy ban Châu Âu.Năm 1960, không quân và hải quân Mỹ bắt đầu các dự án nghiên cứu việc dẫnđường và định vị bằng vệ tinh Sau đó các dự án này được hợp nhất vào năm 1973.Năm 1978 Block 1 với 11 vệ tinh trong hệ thống định vị toàn cầu GPS (GlobePositioning System) được Mỹ đưa lên quỹ đạo Hai năm sau đó đồng hồ nguyên tửtrên các vệ tinh mới bắt đầu hoạt động Người Nga lập tức đặt vào quĩ đạo các vệtinh đầu tiên của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GLONASS vào năm 1982.GNSS được cấu thành như một chòm sao (một nhóm hay một hệ thống) củaquỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất Trong cùng một thời điểm, ở một vịtrí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tínhđược tọa độ của vị trí đó GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơitrên trái đất và 24 giờ một ngày Mỹ là nước đầu tiên phóng lên và đưa vào sử dụng

hệ vệ tinh dẫn đường này Mỹ đặt tên cho hệ thống này là hệ thống vệ tinh định vị

toàn cầu GPS (Global Positioning System), ban đầu là để dùng riêng cho quân sự,

về sau mở rộng ra sử dụng cho dân sự trên phạm vi toàn cầu, bất kể quốc tịch vàmiễn phí

Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho 3 hệ thống định vị dẫn dường sử dụng vệtinh là GPS (Global Positioning System) do Mỹ chế tạo và hoạt động từ năm 1994,GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạtđộng từ năm 1995, và hệ thống GALILEO mang tên nhà thiên văn học GALILEO

do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo được đưa vào sử dụng trong năm 2010 Nguyên

lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản là giốngnhau Trung Quốc cho biết cũng đang thực hiện để có hệ GNSS của Trung Quốc

Ấn Độ cũng công bố xây dựng hệ GNSS của mình có tên là IRNSS và đi vào hoạtđộng năm 2012

Hệ thống GNSS được cấu tạo thành ba phần: phần không gian, phần điều khiển vàphần người sử dụng Cụ thể, mô tả hệ thống GPS của Mỹ như sau:

trên quỹ đạo Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí chomỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD

hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh Có các trạm quan sát trên mặt đất, chiathành trạm trung tâm và trạm con Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin

từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệuchỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời giantruyền tín hiệu Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chínhxác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào

người sử dụng cần có ăng ten và máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thôngtin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển Để có thể thu được vị trí, ở phần người sửdụng cần có ăng ten và máy thu GNSS

Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát hệ thống GPS

Hệ thống GNSS hoạt động như thế nào? Các vệ tinh GPS bay vòng quanh

Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu cóthông tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tínhlượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng Về bản chất máy thu GPS sosánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sailệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãngcách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng vàhiển thị lên bản đồ điện tử của máy

Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí haichiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Khi nhận được tín hiệucủa ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và

độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính cácthông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hànhtrình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và thông tin khác nữa.Giả sử nếu biết được khoảng cách và toạ độ của ít nhất 4 điểm đến 1 điểm bất

kỳ thì vị trí của điểm đó có thể xác định một cách chính xác Giả sử rằng (hình 2.1),khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là L1, khoảng cách máy thu đến vệ tinhthứ hai, ba và bốn là L2, L3 và L4 Để xác đinh vị trí cần thoải mãn 4 phương trình:

t1, t2, t3, t4 là thời gian vệ tinh gửi tín hiệu

t: thời gian tại máy thu khi nhận được tín hiệu từ vệ tinh

c: vận tốc sóng điện từ (tương đương vận tốc ánh sáng)

Giả thiết rằng các đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu được đồng bộ hóa, máy thu

sẽ có thể tính toán được chính xác thời gian truyền tín hiệu dựa trên thông tin vềthời điểm bắt đầu phát tín hiệu trong dữ liệu định vị (navigation data) được phátxuống cho máy thu và thời điểm thu nhận được tín hiệu tại máy thu Từ đó, khoảngcách từ vệ tinh tới máy thu được tính toán chính xác bằng cách nhân thời giantruyền với tốc độ truyền ánh sáng đã biết (3.108 m/s)

Để xác định được vị trí của mình, tức là giải được ba ẩn số (Xr , Yr , Zr ) hoặckinh độ, vĩ độ và cao độ, máy thu phải cần thu được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh

Vị trí máy thu sẽ là giao điểm duy nhất của 3 hình cầu có tâm là 3 vệ tinh phát tínhiệu này và bán kính là các khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu tương ứng đã đođược

Tuy nhiên, giả thiết ban đầu là các đồng hồ của vệ tinh và của máy thu đều đượcđồng bộ hóa với nhau Đây là một giả thiết rất khó đạt được trong thực tế Do đó,tiêu chuẩn thời gian nguyên tử cho phép lưu trữ thời gian chính xác đến khoảngnano – giây đã được sử dụng Công nghệ này đang được sử dụng cho các đồng hồlắp đặt tại các vệ tinh Tuy nhiên, công nghệ này không được sử dụng rộng rãi chođồng hồ ở máy thu vì giá thành rất cao Các đồng hồ ở máy thu thường dựa trêncông nghệ Quarzt và việc đồng bộ hóa thời gian giữa vệ tinh và máy thu trở nên khóthực hiện được Sai số thời gian nếu không được ước lượng tốt sẽ ảnh hưởng rấtnhiều đến độ chính xác của kết quả ước lượng vị trí máy thu Ví dụ, sai số về thờigian 1 nano-giây sẽ gây sai số là 30cm trong giá trị ước lượng của khoảng cách từ

vệ tinh đến máy thu Do vậy, sự khác biệt thời gian giữa các vệ tinh và máy thu sẽđược coi như là một ẩn số và được giải cùng với các đại lượng vị trí hoặc vận tốccủa máy thu Trong trường hợp cơ bản, máy thu cần thu nhận các tín hiệu của ítnhất 4 vệ tinh để có thể xác định được vị trí của nó Sau khi xác định được các phép

đo khoảng cách, máy thu sẽ dùng phần mềm tương ứng để xác định vị trí, vận tốc

và thời gian

Hình 1.3 Quy trình định vị hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu

1.1.2 Một số ứng dụng GNSS và định hướng phát triển.

Ý tưởng xây dựng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu được hình thành vàothập kỷ 70 của thế kỷ XX, chủ yếu nhằm phục vụ cho các mục đích quân sự của haicường quốc về công nghệ vũ trụ là Mỹ và Nga Tuy nhiên, các hệ thống này đã trởnên phổ biến và nhanh chóng chiếm được thị trường cho các ứng dụng dân sự vàđem lại nguồn lợi nhuận khổng lồ Theo thống kê, nếu như lợi nhuận toàn cầu màngành công nghiệp định vị nhờ vệ tinh đem lại là khoảng 1 tỷ USD vào năm 1995thì con số này đã lên tới 7 tỷ USD vào năm 2001 Trong số các châu lục thì Mỹ vàChâu Âu chiếm tỷ lệ lợi nhuận cao hơn cả

Năm 1999, thị trường lớn nhất của công nghiệp định vị nhờ vệ tinh là thịtrường định vị xe hơi (car navigation) chiếm 73% Các loại hình dịch vụ khác chiếm

Máy thu thu nhận các tín hiệu từ tối thiểu 4 vệ tinh tại thời điểm t

Máy thu giải mã tín hiệu (tại thời điểm t) để có được:

Các giá trị đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu

Vị tró của các vệ tinhCác giá trị hiệu chỉnh sai sốPhần mềm (được gắn liền hoặc độc lập với máy thu) xác định:

Vị trí Tốc độ của máy thu tại thời điểm tThời gian

tỷ lệ tương đối nhỏ (khoảng 5% mỗi loại), bao gồm ngành hàng không, quản lý giaothông tàu bè, đo đạc trắc địa và giải trí

Theo thống kê của năm 2005, ứng dụng chủ đạo của công nghiệp định vị nhờ

vệ tinh là trong điện thoại di động (73%) Thị trường định vị cho xe hơi đứng thứ 2với tỷ lệ 22% Các ứng dụng khác vẫn chiếm tỷ lệ nhỏ (1% mỗi loại) Sự phát triểnnhanh chóng của nhu cầu định vị cho điện thoại di động bắt nguồn từ yêu cầu của

US FCC (US Federal Communications Commission) đối với các nhà cung cấp dịch

vụ điện thoại di động phải xác định được vị trí của người gọi dịch vụ cấp cứu E –

911 tại Mỹ và E – 112 tại Châu Âu qua điện thoại di động vào cuối thế kỷ XX Yêucầu cho độ chính xác tối thiểu là trong vòng bán kính 50m nếu sử dụng công nghệđịnh vị gắn vào thiết bị di động (handset – based solutions) và 150m nếu sử dụngcông nghệ định vị dựa vào mạng liên lạc (network – based solutions) Định vị chocác thiết bị di động dùng hệ thống vệ tinh GPS trở thành một đáp án chiếm ưu thế,

vì khả năng bao phủ toàn cầu của tín hiệu vệ tinh và giá thành thấp Kéo theo việcthỏa mãn yêu cầu này, một loạt các dịch vụ dựa trên thông tin về vị trí của kháchhàng của các dịch vụ di động (location – based services) đã được ra đời Năm 2003thống kê lợi nhuận đạt được từ các dịch vụ này lên tới 0,3 tỷ USD

Quân sự

Ứng dụng của GPS đã được phát triển mạnh mẽ, với độ chính xác cao trongđịnh vị máy bay chiến đấu, máy bay dân dụng, nhảy dù, tàu chiến cũng như định vị

và điều khiển tên lửa và ngắm bắn mục tiêu Ngoài ra, các thiết bị thăm dò, theo dõi

và thiết bị tấn công có khả năng di chuyển không người lái cũng đều dựa trên khảnăng định vị được đối phương

Trắc địa, bản đồ, đo đạc địa chấn

Một trong các ứng dụng dân sự đầu tiên của hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu

là ứng dụng trong ngành đo đạc trắc địa và bản đồ, với các máy định vị chất lượngcao Ứng dụng trong lĩnh vực này thường bao gồm việc xây dựng tọa độ cho cácđiểm mốc trong trắc địa với độ chính xác tới mm Ngoài ra, kỹ thuật định vị cònđược dùng rất phổ biến trong xây dựng hệ thống thông tin địa lý (GIS), ví dụ như

tạo dữ liệu về hệ thống đường giao thông và vị trí của các nơi công cộng quan trọngnhư bệnh viện, trường học, các danh lam thắng cảnh, dịch vụ vui chơi, giải trí…

Định vị nhờ vệ tinh cũng đóng vai trò quan trọng trong giám sát chấn động,

độ dịch chuyển của mặt đất và các cấu trúc hạ tầng như đập thủy điện, cầu, nhà haytháp cao Khả năng này được đánh giá rất cao trong dự đoán động đất hay giám sátchất lượng của các công trình xây dựng

Giao thông, vân tải

Ngay sau khi ra đời, hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu đã chiếm vai trò quantrọng trong ngành giao thông vận tải, đặc biệt là trong hàng không và hàng hải.Trong ngành hàng không, việc điều khiển máy bay hạ cánh, cất cánh cũng như dẫnđường trong không gian ba chiều yêu cầu khả năng định vị chính xác tới vài m.Trong ngành hàng không dân dụng có liên quan đến tính mạng của hàng trăm hànhkhách, khả năng định vị yêu cầu không những phải thỏa mãn được độ chính xác đãđặt ra mà còn phải thỏa mãn độ tin cậy và khả năng cảnh báo khi hệ thống định vịcho kết quả không chính xác Hệ thống định vị thường được sử dụng song song vớicác sensor định hướng (MEMS) để cung cấp độ chính xác và tin cậy cao hơn

Hình 1.4 Ứng dụng quản lý và giám sát bằng GNSS

Nhu cầu định vị cho ngành hàng hải cũng rất cao, ngày nay hầu hết các tàuthuyền thương mại đều có gắn máy thu và anten thu tín hiệu định vị, cho độ chínhxác tới vài m Đối với các tàu thuyền cập cảng, hoặc đi qua các kênh rạch nhỏ, khảnăng định vị với độ chính xác dưới 1 m là cần thiết Trong các trường hợp này, việc

sử dụng kỹ thuật DGPS là cần thiết

Đối với hệ thống tàu điện, cũng như hệ thống xe buýt trong thành phố, hệthống định vị toàn cầu có thể trợ giúp đắc lực trong việc quản lý và giúp nâng caomột cách đáng kể chất lượng phục vụ và tính hiệu quả của hệ thống Hệ thống cácmáy thu GPS lắp đặt trên các xe và tàu được kết nối với một hệ thống máy tínhdùng liên lạc vô tuyến hai chiều Dữ liệu được thu thập và phân tích tại các trạmđiều khiển trung tâm nhằm đưa ra vị trí chính xác hiện tại của các tàu, xe Thông tinnày không những giúp trạm điều khiển trung tâm có thể quản lý hệ thống một cách

hiệu quả mà còn có thể giúp tăng chất lượng phục vụ, ví dụ như cập nhật bảngthông báo điện tử tại các ga tàu nếu có bất kỳ sự chậm trễ nào Hơn nữa, trạm điềukhiển trung tâm cũng có thể thông báo vị trí của tàu hoặc xe buýt cho hành kháchđang chờ để họ có thể lên kế hoạch về thời gian một cách chính xác thông qua dịch

vụ trả lời điện thoại tự động Khách hàng sẽ phải trả một khoảng cước phí nhất địnhkhi dùng dịch vụ này

Tương tự, hệ thống taxi cũng cần phải được quản lý nghiêm ngặt, và để đảmbảo tính hiệu quả cũng như chất lượng phục vụ khách hàng Một công ty taxi lớn ởcác thành phố lớn có thể có tới vài trăm hoặc thậm chí vài nghìn xe taxi Nhu cầuxác định vị trí của chúng khi đang hoạt động cũng như trong gara trở nên cấp thiết

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu cung cấp một giải pháp hợp lý, thông qua thôngtin về vị trí của các taxi, trạm điều khiển trung tâm có thể điều phối chúng hiệu quảkhi có yêu cầu dịch vụ của khách hàng Hơn thế nữa, thông tin về vị trí hiện tại của

xe cùng với dữ liệu bản đồ số của thành phố được cài đặt trên xe hoặc tại trạm điềukhiển có thể trợ giúp đắc lực trong việc dẫn đường và chỉ đường đi ngắn nhất cholái xe Ngoài ra, trên phương diện đảm bảo an toàn cho lái xe, các hệ thống định vịvới thông tin chính xác về vị trí cũng có thể giúp trạm điều khiển trợ giúp khi lái xegặp rủi ro Mỗi khi xe được đưa về gara cất giữ, thông tin định vị có thể trợ giúp đắclực trong việc đếm đầu xe cũng như giúp cho lái xe xác định được xe của mình ởđâu và tìm được xe nhanh chóng

Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu cho xe hơi đã được nhắc đến từ lâu và

đã gặt hái được những thành quả nhất định Ngày nay, thiết bị định vị nhờ vệ tinhđược lắp đặt trong hầu hết các xe hơi hạng sang của các hãng xe hơi nổi tiếng Dựatrên thông tin về vị trí của mình, người điều khiển xe có thể kết nối trực tiếp vớitrạm điều khiển và yêu cầu một số thông tin có ích, ví dụ như tình trạng tắc nghẽngiao thông ở đoạn đường phía trước, cũng như tình trạng đường xá và ảnh hưởngcủa thời tiết trong thời gian thực Dựa trên các thư viện thông tin về hệ thống giaothông và các quy định đi kèm theo với mỗi đường (ví dụ tốc độ giới hạn) và thôngtin về vị trí hiện tại, các phần mềm có thể được xây dựng để dẫn đường cho lái xe,

tìm cách đi ngắn nhất từ điểm A đến điểm B và cung cấp chỉ dẫn bằng chữ hiển thịtrên màn hình hoặc bằng giọng nói Dịch vụ này cũng có thể cung cấp các cảnh báotrong trường hợp xe vượt quá tốc độ giới hạn, hoặc thậm chí trong các trường hợp

xe có xu hướng đi lệch làn xe và đè lên vạch phân cách giữa hai chiều trong mộtthời gian dài

Dịch vụ cung cấp thông tin dựa trên vị trí khách hàng

Dịch vụ cung cấp thông tin dựa trên vị trí khách hàng (Location – basedServices - LBS), nó cung cấp các thông tin cần thiết theo yêu cầu của khách hàngdựa trên một thư viện dữ liệu về cơ sở hạ tầng của một thành phố và khả năng tựđịnh vị của người sử dụng, thông qua điện thoại di động hoặc PDAs (PersonalDigital Assistances) Các dịch vụ LBS này nhằm cung cấp thông tin chính xác và cụthể cho khách hàng dựa trên vị trí của họ tại bất kỳ thời điểm nào

Tìm kiếm và cứu hộ

Các dịch vụ tìm kiếm và cứu hộ thường xuyên phải đối mặt với các cuộc gọikêu cứu, trong khi từng giây trôi qua có thể liên quan đến tính mạng của con người.Nhiều trường hợp đã xảy ra, trong đó người kêu cứu bị lạc đường trong vùng rừngnúi bao la, hoặc trên các sườn núi phủ tuyết Khả năng tự định vị được của các điệnthoại di động khi dùng dịch vụ cấp cứu có thể hỗ trợ tìm kiếm nạn nhân một cáchnhanh chóng

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu cũng được nhắc đến trong môn thể thaothuyền buồm Tại hầu hết các cuộc đua thuền buồm trên thế giới ngày nay, máy thutín hiệu vệ tinh định vị đã được lắp đặt trên thuyền Việc này cho phép những ngườiđiều khiển thuyền có thể theo dõi vị trí, đường đi và tốc dộ của mình Ngoài ra, các

thông tin này còn được truyền về máy theo dõi của ban giám khảo, và thậm chí cáckhán giả có thể theo dõi cũng như đánh giá và chấm điểm cho các thí sinh.

Tương tự như vậy, trong môn thể thao leo núi và đi bộ đường dài, khả năng

tự xác định được vị trí và độ cao của mình, các vận động viên không những có thểgiúp cung cấp các thông tin có ích về hành trình đã trải qua mà còn giúp cho họ yêntâm hơn trong những lúc bị lạc hoặc gặp nạn

Nông nghiệp

Hệ thống định vị toàn cầu mới chỉ được nhắc đến và được áp dụng tại cácnước tiên tiến với các trang trại nông nghiệp rông lớn Khả năng ứng dụng của nóvẫn còn nhiều hạn chế ở các nước đang phát triển, do điều kiện công nghệ chưa cao

và quy mô công nghiệp hóa nông nghiệp vẫn còn thấp Trong ngành này, hệ thống

vệ tinh định vị toàn cầu được áp dụng khi dùng các máy bay phun rải phân bón vàthuốc trừ sâu, hoặc trong quá trình reo rắc hạt trồng, yêu cầu tính hiệu quả cao trênmột vùng diện tích rộng lớn Hơn nữa, dữ liệu thông tin về vùng diện tích cho năngsuất cao hay thấp cũng có thể được hình thành và phân tích bằng các phần mềmtương ứng với sự trợ giúp của công nghệ định vị Sau đó người sản xuất có thể dựatrên kết quả phân tích tìm ra phương pháp tăng năng suất thích hợp

Tích hợp GPS

Trường đại học Stanford (Mỹ) vừa xây dựng mô hình mẫu của thiết bị hỗ trợngười cao tuổi mắt kém di chuyển Thiết bị thông minh này được nhúng thiết bịcảm biến, hệ thống nhận dạng giọng nói và hệ thống định vị toàn cầu GPS

Thiết bị này thực sự có ích cho những người cao tuổi, sức yếu khi không cóngười trợ giúp Ví dụ như, khi người sử dụng chỉ cần nói “phòng ngủ”, hệ thốngGPS sẽ kết hợp các cảm biến bên trong ngôi nhà, sẽ thông báo cho người sử dụngđang ở đâu và đưa ra đường đi tối ưu tới phòng ngủ Tiếp đó, sẽ thông báo nhữngchỉ dẫn tránh nguy cơ bị vấp ngã như cầu thang, đồ đạc thấp…hoặc đồ đạc vươngvãi trên sàn nhà

Ứng dụng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, hệ thống định vị toàn cầu đã được nhắc đến nhiều trong vòngvài năm trở lại đây Vai trò quan trọng của công nghệ này tại Việt Nam đã và đangđược hình thành theo xu hướng phát triển toàn cầu Các chương trình cũng đã đượcgiảng dạy tại một số các trường đại học như Đại học Mỏ địa chất Hà Nội, Đại họcBách Khoa Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Quốc Gia Hà Nội…

Một loạt các ứng dụng của công nghệ định vị đã được thực hiện tại Việt Namtrong vòng vài năm trở lại đây Ứng dụng đầu tiên phải kể đến là trong ngành đođạc trắc địa bản đồ Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS có chất lượng cao đãđược dùng để xây dựng mạng lưới các điểm chuẩn mốc trong trắc địa và xây dựngbản đồ Công nghệ GPS với các máy thu chất lượng cao cũng được được dùng đểđánh giá các chấn động của mặt đất và của các cơ sở hạ tầng quan trọng như đậpthủy điện Hòa Bình Một số các trạm thu tín hiệu vệ tinh GPS mốc đã được lắp đặt

ở một số nơi, nhằm cung cấp dịch vụ DGPS trên một vùng địa phương nhất định vàtiến tới là trên phạm vi cả nước Biên giới của Việt Nam với các nước láng giềng,đặc biệt là Trung Quốc cũng thường xuyên được giám sát bằng công nghệ định vịnhờ vệ tinh có độ chính xác cao

Mặc dù hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu đang được phát triển một cách rộngrãi trên thế giới trong nhiều lĩnh vực, nó lại đang gặp phải một số khó khăn tại thịtrường Việt Nam Chúng ta đều biết, thông tin về vị trí của một đối tượng đơn thuầnriêng lẻ không đem lại nhiều giá trị Thông tin ấy sẽ chỉ có giá trị khi được đặt trongmối liên hệ với nhiều đối tượng khác, giới chuyên môn vẫn gọi là Hệ thống thôngtin địa lý (GIS), bao gồm nhiều tầng thông tin khác nhau về giao thông, sông ngòi,nàh ở, khu đô thị, giải trí…Ở Việt Nam, mặc dù đã có nhiều cố gắng, việc xây dựng

cơ sở thông tin địa lý vẫn còn gặp nhiều khó khăn và chưa hình thành được một hệthống hiệu quả Công việc này chủ yếu được thực hiện thông qua số hóa các bản đồ

mà độ chính xác còn bị hạn chế hoặc do bản đồ đã cũ, hoặc có độ chính xác thấp.Các dịch vụ LBS trong đô thị sẽ cần sự hỗ trợ của hệ thống GIS hoàn chỉnh, đầy ắp

dữ liệu chính xác và có hệ thống để có thể đảm bảo cung cấp thông tin đáng tin cậycho người sử dụng Ngoài ra, một số các yếu tố khác như nguồn vốn, nhân lực

chuyên môn cũng còn đang thiếu thốn khi muốn phát triển dịch vụ này tại ViệtNam Tuy nhiên, với tốc độ tăng trưởng kinh tế và phát triển của khoa học kỹ thuậtnhư ngày nay, trong tương lai không xa, các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu sẽ tìmđược một thị trường hấp dẫn tại Việt Nam.

1.2 Một số khái niệm

1.2.1 Hệ quy chiếu tọa độ

Khái niệm tọa độ và định nghĩa của các hệ tọa độ là rất quan trọng trong côngnghệ định vị và ngành khoa học đạo hàng Vị trí của các điểm trong không gianđược biểu diễn bằng tọa độ của chúng Trong vũ trụ bao la, vị trí của một đối tượngchỉ có ý nghĩa về mặt toán học và không gian khi được gắn trên một hệ tọa độ nhấtđịnh Vị trí của cùng một vật, nhưng được chiếu lên các hệ tọa độ khác nhau thì sẽ

có giá trị khác nhau Trong ngành khoa học đạo hàng, cơ sở dữ liệu thông tin chủyếu là vị trí của các điểm và mối quan hệ không gian giữa chúng Do vậy, việc biểudiễn vị trí của của các điểm lên cùng một hệ tọa độ là điều kiện cơ sở toán học đầutiên không thể thiếu

Ví dụ, trong hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu, khoảng cách từ vệ tinh đến máythu phải được xác định và việc này đòi hỏi vị trí của các vệ tinh và máy thu phảiđược quy chiếu trên cùng một hệ tọa độ

Tương tự như vậy, mối quan hệ không gian giữa 2 điểm trên mặt đất chỉ có thểbiểu diễn được bằng toán học khi vị trí của chúng được quy chiếu trên cùng một hệtọa độ

1.2.2 Hệ chuẩn thời gian

Hệ thống định vị toàn cầu cần có một hệ chuẩn thời gian chính xác và ổnđịnh làm cơ sở cho các phép đo Khả năng có thể đồng bộ hóa về thời gian một cáchchính xác cho các tín hiệu phát ra từ các vệ tinh chính là cơ sở hoạt động quan trọngnhất của các hệ thống định vị nhờ vệ tinh

Phép đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu được xác định bàng cách nhânthời gian truyền tín hiệu với tốc độ truyền ánh sáng Do vậy, sai số 1 nano – giâytrong đồng bộ hóa thời gian sẽ gây ra sai số là 30cm trong phép đo khoảng cách từ

vệ tinh tới máy thu và kéo theo đó là sai số tương ứng trong phép ước lượng vị trí

Độ chính xác trong đồng bộ hóa thời gian trở nên đặc biệt quan trọng đối với kỹthuật định vị có độ chính xác cao

1.2.2.1 Thời gian thiên văn

Hệ thống thời gian thiên văn bao gồm hai đơn vị thời gian, ngày thiên văn vàngày mặt trời Dựa vào chu kỳ hoạt động của các sao, ngày thiên văn là khoảng thờigian giữa hai lần liên tiếp một sao cụ thể nào đó đi qua kinh tuyến tại nơi quan sát.Ngày Mặt trời dựa vào chu kỳ nhật động của mặt trời, là khoảng thời gian giữa hailần liên tiếp Mặt trời đi qua kinh tuyến tại nơi quan sát Cần lưu ý rằng, các ngàymặt trời thực trong một năm dài không bằng nhau do Trái đất chuyển động quanhmặt trời với vận tốc không đều Do vậy, khái niệm ngày mặt trời trung bình (meansolar day) đã được đưa ra Ngày mặt trời trung bình có độ dài bằng bình quân củatất cả các ngày mặt trời thực trong một năm Một cách tương đối, một ngày thiênvăn ngắn hơn một ngày mặt trời trung bình khoảng 4 phút; do vậy, mỗi giờ mặt trờitrung bình dài hơn giờ thiên văn 10s Thời gian mặt trời trung bình quan sát đượctại kinh độ đi qua Greenwich được gọi là GMT (Greenwich Mean Time)

1.2.2.2 Thời gian nguyên tử

Nhu cầu có được phương pháp tính toán và lưu trữ thời gian chính xác hơn

đã thúc đẩy mạnh mẽ quá trình nghiên cứu; khái niệm thời gian nguyên tử đã đượcxây dựng thành công và vẫn được dùng cho tới ngày nay

Đơn vị thời gian cơ bản nhất là một giây SI (System of Units second) Mộtgiây SI được định nghĩa là khoảng thời gian cần thiết của 9.192.631.770 chu kỳphóng xạ, nó tương đương với quá trình chuyển đổi năng lượng của nguyên tửCesium – 133 tại mức cơ sở Một ngày SI gồm có 86.400 giây SI Chuẩn thời giandựa trên định nghĩa giây này được gọi là International Atomic Time (viết tắt làTAI) Tuy là một chuẩn thời gian chính xác và thống nhất toàn cầu, TAI khôngđược chỉnh để bù trừ cho sai số gây ra do sự quay không đồng nhất của Trái đất của

nó cũng như là sự quay quanh mặt trời của Trái đất Coordinated Universal Time(Viết tắt là UTC) là TAI sau khi đã được chỉnh để bù trừ cho sai số nêu trên UTCngày nay là hệ chuẩn thời gian quốc tế và được lưu giữ tại 65 phòng lưu trữ trêntoàn cầu

Với chuẩn nguyên tử này, chúng ta có thể đo thời gian chính xác tới nano –giây (10-9 giây) và pico – giây (10-12 giây) Việc lưu giữ thời gian nguyên tử trong

hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu giúp tăng độ chính xác trong định vị

1.2.3 Các phép đo tín hiệu vệ tinh

Việc xác định vị trí của máy thu được thực hiện dựa trên khả năng xác định đượcchính xác khoảng cách hình học từ ít nhất 4 vệ tinh tới máy thu Hệ thống GPS cungcấp cho người dùng hai loại phép đo để xác định khoảng cách từ vệ tinh tới máythu: phép đo mã và phép đo pha Để xác định được vận tốc máy thu, sự biến đổikhoảng cách của vệ tinh tới máy thu cần được ước lượng dựa trên giá trị biến đổiDoppler Giá trị đo này được gọi là giá trị đo Doppler

1.2.3.1 Phép đo mã (code measurements)

Một phép đo cơ bản nhất của tín hiệu vệ tinh GPS là đo thời gian truyền tín hiệu từcác vệ tinh tới máy thu Đây chính là hiệu của thời gian tại máy thu khi thu nhận tínhiệu và thời gian tại vệ tinh khi bắt đầu truyền tín hiệu Thời gian truyền tín hiệucũng chính là thời gian cần thiết để dịch chuyển và trùng khít mã giả PRN (pseudo-range noise) do máy thu tự tạo và mã PRN đến từ vệ tinh Do vậy, phép đo này cònđược gọi là phép đo mã

Tuy nhiên, quá trình xác định thời gian truyền tín hiệu chịu rất nhiều sai số Đầutiên là sai số do các đồng hồ của vệ tinh và của máy thu không đồng bộ với nhau vàvới hệ quy chiếu thời gian GPST Chính vì vậy, giá trị khoảng cách từ vệ tinh đếnmáy thu xác định được từ phép đo mã khác so với giá trị khoảng cách hình học thậtgiữa vệ tinh và máy thu, nó được gọi là khoảng cách giả.

Ngoài sai số gây ra do sự không đồng bộ về mặt thời gian, giá trị khoảng cách xácđịnh còn chứa đựng nhiều sai số khác: sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ của vệtinh, sai số đồng hồ của máy thu, sai số khi truyền tín hiệu qua tầng đối lưu, sai sốkhi truyền tín hiệu qua tầng điện ly và tổng sai số do đa đường truyền và nhiễu tạimáy thu

1.2.3.2 Phép đo pha của sóng mang (carrier phase measurements).

Phép đo pha của tín hiệu thu nhận được từ vệ tinh ít chịu sai số hơn rất nhiều

so với phép đo mã Giá trị đo pha của tín hiệu thực chất là hiệu số pha tại một thờiđiểm đo nhất định của tín hiệu tự phát từ máy thu và tín hiệu đến từ vệ tinh trêncùng một tần số Tuy nhiên, phép đo pha là một phép đo gián tiếp và không rõ ràngcủa thời gian truyền tín hiệu, hay của khoảng cách từ vệ tinh và máy thu Trongtrường hợp lý tưởng, không có bất kỳ một sai số nào và không có sự chuyển độngtương đối giữa vệ tinh và máy thu, pha của tín hiệu là một giá trị phân số không đổi.Trong trường hợp vệ tinh và máy thu chuyển động tương đối so với nhau, giá trịphân số này sẽ thay đổi tương ứng và máy thu sẽ có nhiệm vụ xác định pha ban đầucủa tín hiệu và sự thay đổi pha này

1.2.3.3 Phép đo Doppler (Dopler measurement).

Chuyển động tương đối của vệ tinh và máy thu tạo nên những biến đổi tần sốcủa tín hiệu vệ tinh thu nhận được Phép đo Dopler đo sự biến đổi pha của tín hiệu

vệ tinh tại một thời điểm nhất định Độ dịch chuyển Doppler (Doppler Shift), tươngđương với tốc độ biến đổi của khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu (range rate), gây

ra do chuyển động tương đối giữa vệ tinh và máy thu chính là hình chiếu của vectorvận tốc tương đối giữa vệ tinh và máy thu theo phương truyền tín hiệu Do vậy, vậntốc chuyển động của máy thu so với vệ tinh có thể xác định được bằng các phép đoDoppler

1.2.3.4 Sai phân các phép đo trong kỹ thuật DGPS

Kỹ thuật DGPS (Differential GPS) hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy sai phân(lấy hiệu) các giá trị đo mã hoặc đo pha, với giả thiết các phép đo tín hiệu GPS chịuchung một số sai số trên một vùng không gian nhất định, nhằm giảm hoặc loại bỏphần lớn ảnh hưởng của những sai số giống nhau này lên việc ước lượng vị trí, vậntốc và thời gian của máy thu Các phép đo thu nhận được giữa các máy thu, giữa các

vệ tinh và giữa 2 thời điểm có thể được lấy sai phân với nhau Ảnh hưởng của sai sốgây ra do quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh, sai số gây ra do tầng đối lưu vàtầng điện ly có thể được giảm đi một cách đáng kể nhờ kỹ thuật DGPS giữa hai máythu Ảnh hưởng của các sai số máy thu như đồng hồ máy thu, hoặc nhiễu có thểđược loại bỏ khi dùng kỹ thuật DGPS giữa các vệ tinh

1.3 Các hệ thống vệ tinh dẫn đường sử dụng vệ tinh GNSS

1.3.1 Hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR - GPS

GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị toàn cầu do

Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành, thường gọi GPS là NAVSTAR GPS(Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) GPS bao gồm

28 vệ tinh chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo Trong cùng một thời điểm, tọa

độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từđiểm đó đến ít nhất ba vệ tinh Tuy được quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, chínhphủ Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế giới sử dụng một số chức năng của GPSmiễn phí, bất kể quốc tịch nào Các nước trong Liên minh châu Âu đang xâydựng Hệ thống định vị Galileo, có tính năng giống như GPS của Hoa Kỳ, dự tính sẽbắt đầu hoạt động năm 2014

Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới

24 quả vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian Các hệthống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyếnđiện Được biết đến nhiều nhất là các hệ thống sau: LORAN – (LOng RAngeNavigation) – hoạt động ở giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hayTACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độchính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance MeasuringEquipment) – dùng cho hàng không dân dụng

Gần như đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một

hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS Hiện nay Liên minh Châu Âu đang pháttriển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo Trung Quốc thì phát triển hệthống định vị toàn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh Ban đầu,GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân sự, nên mặc dù chúngdùng được cho dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độchính xác Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫnđường dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thờiđiểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó Chỉ có hệthống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) ngay từ đầu đã đặtmục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự GPSban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ chophép sử dụng trong dân sự GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơitrên Trái Đất, 24 giờ một ngày Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việcthiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tín hiệu vàphần mềm nhúng hỗ trợ

Dịch vụ cung cấp bởi GPS: Có hai nhóm thiết bị đầu cuối GPS phụ thuộc

vào mã mà chúng yêu cầu Dịch vụ ứng dụng sẽ phụ thuộc vào các mã mà chúngnhận được, do đó đối với mỗi máy thu sẽ được hướng đến các dịch vụ khác nhaubao gồm

- Dịch vụ định vị tiêu chuẩn ( Standard Positioning Service - SPS): Dịch vụnày thường được cung cấp miễn phí cho các ứng dụng dân sự Vị trí được xác đinhbởi một tín hiệu C/A

- Dịch vụ định vị chính xác (Precise Positioning Service -PPS) các máy thuPPS được dành cho cơ quan chính phủ và máy thu mục đích quân sự

Cấu trúc hệ thống GPS

a Phần không gian: Các vệ tinh được sắp xếp trên 6 mặt phẳng quỹ đạo tròn và

có từ 3 đến 4 vệ tinh cùng hoạt động và các vệ tinh này lệch pha nhau 900 Các quỹđạo này nằm ở độ cao 20.200km Các vệ tinh được sắp xếp trong không gian sao

cho hầu hết các vùng trên mặt đất luôn nhìn thấy được ít nhất 4 vệ tinh trong suốt

24 giờ một ngày Thời gian đi hết một vòng quỹ đạo của vệ tinh là 11 giờ 58 phút.Bao gồm một chùm 24 vệ tinh, trong đó 21 vệ tinh ở trạng thái hoạt động, 3 vệ tinhcòn lại đƣợc sử dụng để dự phòng cho hệ thống

Hình 1.5 Quỹ đạo vệ tinh trong hệ thống GPS

b Phần điều khiển hệ thống: phần điều khiển bao gồm 1 trạm điều khiển trung

tâm (Master Control Station) và 5 trạm theo dõi vệ tinh (Monitor Station), 3 trong

số đó là trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) đặt trên mặt đất, liên tục giám sátđường đi của các vệ tinh trong không gian

Hình 1.6 Vị trí đặt trạm điều kiển và giám sát hệ thống GPS

Nhiệm vụ các thành phần trạm điều khiển:

o Giám sát và hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh

o Tính toán và gửi các bản tin dẫn đường vệ tinh Bản tin này được cập nhật hàngngày mô tả về vị trí vệ tinh trong tương lai và thu nhận dữ liệu từ tất cả các vệ tinhgửi về

o Cập nhật các bản tin dẫn đường vệ tinh một cách thường xuyên

Trạm điều khiển trung tâm đặt ở Colarado Spring, Colorado USA Trạm trung tâmđiều khiển mọi hoạt động trong phần điều khiển Trạm điều khiển trung tâm có 1đồng hồ nguyên tử, thời gian của đồng hồ này được dùng để đồng bộ thời gian với

vệ tinh

c Các trạm giám sát: Các trạm giám sát theo dõi vệ tinh 24h trên 1 ngày Trạm

điều khiển trung tâm sẽ điều khiển các trạm giám sát thông qua các đường nối Cácđiểm đặt trạm giám sát của hệ thống trên trái đất:

 Ascension island

 Colorado Spring, Colorado USA

 Diego Garcia island

 Hawaii

 Kawajalein island

Trạm theo dõi thông tin gửi xuống từ vệ tinh:

 Báo cáo chính xác thời gian của đồng hồ vệ tinh

 Tậm hợp chuyển cho trạm điều khiển mọi thông tin về dữ liệu khí tượng baogồm: áp suất khí áp, nhiệt độ, điểm sương Trạm điều khiển trung tâm sử dụngnhững dữ liệu này để tính toán và đầu ra dự báo về quỹ đạo vệ tinh trong tương lai.Trạm điều khiển trung tâm sử dụng các trạm hiệu chỉnh số liệu để gửi thông tin cho

d Thiết bị đầu cuối người dùng: Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh

GPS và người sử dụng thiết bị này Bao gồm các thiết bị thu tín hiệu GPS sử dụngcho nhiều mục đích khác nhau như hàng không dẫn đường, dịch vụ định vị, giaothông, tầu biển … Các thiết bị thu thường gồm 3 thành phần chính:

 Anten và các thiết bị điện tử đi kèm

 Bộ phận nhận và xử lý tín hiệu GPS

 Màn hình điều khiển

e Thông số kỹ thuật hệ thống GPS:

- Số lượng vệ tinh: 24 vệ tinh

nghiêng so với đường kính xích đạo : 550

o 01 Trạm điều khiển chính

o 05 Trạm kiểm tra phân bố rải rác

o 03 Anten mặt đất phân bố rải rác

o Mã P: 10,23 Mbits/s

o Thông tin dẫn đường: 50 bits/s

1.3.2 Hệ thống định vị GLONASS

GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System): là hệ thống vệ tinh

dẫn đường toàn cầu, do Liên bang Xô Viết (cũ) thiết kế và điều hành Ngày nay hệthống GLONASS vẫn được Cộng hòa liên bang Nga tiếp tục duy trì hoạt động Hệthống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt phẳng quỹ đạo.Cấu trúc hệ thống Glonass:

thống GPS Các mặt phẳng quỹ đạo có độ cao 19.100km, nhưng với góc nghiêng là

650 so với mặt phẳng xích đạo và các mặt phẳng quỹ đạo lệch nhau một góc là 1200.Các vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo lệch nhau 450 và lệch 150 so với các vệ tinh

ở các quỹ đạo khác

ở trạng thái dự phòng), nhưng chỉ bố trí trên 3 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi mặt phẳng

có 7 đến 8 vệ tinh hoạt động Các vệ tinh GLONASS hiện nay có chu kỳ quỹ đạo là

676 phút và lặp lại sau khoảng thời gian gần 8 ngày (7 ngày 23 giờ 27 phút) Do đó,không giống như NAVISTAR, các vệ tinh GLONASS không xuất hiện đồng thờitại cùng một điểm trong vũ trụ hàng ngày Tuy nhiên, vì các vệ tinh lệch pha nhau

tự như NAVISTAR

tiến hành đo đến 4 thông số dẫn đương vệ tinh Các thông tin dẫn đương truyền từmột vệ tinh bao gồm các thông tin về vị trí thiên văn của vệ tinh và những hiệuchỉnh tương đối của hệ thống GLONASS, cũng nhưcác thông tin có liên quan đến

trạng thái của vệ tinh Hệ thống GLONASS phát các tín hiệu dẫn đương trong dảitần từ 1602,5625MHz đến 1615,5MHz với khoảng cách tần số từ vệ tinh này đến vệtinh khác là 0,5625MHz Việc nhận dạng vệ tinh dựa trên các tần số sóng mang màchúng sử dụng.

 Phần điều khiển: Gồm các trạm điều khiển và theo dõi phân bố trên lãnh thổ

nước Nga, trong đó trạm điều khiển chính đặt tại Moscow

 Phần sử dụng: Bao gồm các thiết bị thu nhận tín hiệu tương thích GLONASS

Hình 1.7 Các thế hệ vệ tinh của GLONASS

Thông số kỹ thuật hệ thống GLONASS

là 11 giờ 45 phút

- Độ nghiêng so với đường xích đạo : 64,80

- Thời gian phát tín hiệu: Thời gian phát tín hiệu tuỳ thuộc nhiều vào thông sốthiết bị cụ thể của người sử dụng Vệ tinh truyền thông tin cho mục đích dẫn đườngtrong 30 giây và thông tin về trạng thái của vệ tinh trong 2,5 phút.

dữ liệu về các hỏng hóc có liên quan đến vệ tinh ngay có hỏng hóc xảy ra Cácthông tin hỏng xuất hiện trong nội dung của các thông tin dẫn đường của tất cả các

vệ tinh không muộn hơn 16 giờ từ khi có hỏng hóc

tinh hoạt động

bất kỳ một thông tin nào khác

kể khi người sử dụng vận hành ở phương pháp vi sai

tròm sao của Galileo cho phép tại vị trí bất kỳ trên trái đất có thể tiếp nhận được tínhiệu từ tối thiểu 6 vệ tinh

Hình 1.8 Hệ thống Galileo

Các vệ tinh Galileo được thiết kế có tuổi thọ dự kiến là 10 năm, trong đó mỗi

vệ tinh đơn lẽ sẽ liên tục được kiểm tra đánh giá lỗi, thay thế và các công nghệ vềtải trọng Các phân đoạn không gian sẽ được quản lý bởi hai trung tâm điều khiểnđặt tại Châu Âu, được hỗ trợ bởi 20 trạm cảm biến Galileo (GSS) Trao đổi dữ liệugiữa các trung tâm kiểm soát và các vệ tinh sẽ được thực hiện thông qua các trạmđường lên (uplink) Tổng cộng có 15 trạm uplink sẽ được cài đặt trên toàn thế giới

để truyền dữ liệu uplink Như nguyên lý cảu thành phần phân khúc mặt đất, cáctrung tâm kiểm soát sẽ chịu trách nhiệm cho việc quản lý của các vệ tinh, tính toànvẹn của tín hiệu, và sự đồng bộ của các đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh

Tín hiệu và dịch vụ Galile; Vệ tinh Galileo sẽ truyền mười tín hiệu khácnhau nằm trên các băng tần sau: E5a và E5b (1164 - 1215MHz), E6 (1260-1300MHz), và E1-L1-E2 (1559-1592MHz) Sáu tín hiệu sẽ được dành cho dân sự(Open Service) và các dịch vụ an toàn (SoL) , 2 tín hiệu thương mại cho ngườidùng, và hai tín hiệu còn lại dùng cho mục đích công cộng hoặc PRS) cho chínhthức / nhân viên quy định:

thống sẽ cung cấp chính xác vị trí, tốc độ và thời gian UTC Theo kế hoạch của Ủy

ban châu Âu, OS sẽ được tốt hơn so với hiện tại và tương lai GPS dân sự Nó sẽđược cung cấp bởi băng E5a, E5b, và E1-L1-E2

cao về tính toàn vẹn SoL bảo đảm dịch vụ hiệu quả và chính xác cho các công tylàm việc trong lĩnh vực không gian và hàng hải Ở một số giai đoạn, SoL có thểđược mã hóa và do đó người dùng phải trả phí dịch vụ Tìm kiếm và cứu hộ (SAR)

sẽ là một dịch vụ được chứng nhận phát triển phù hợp với quy định quốc tế Nó sẽcung cấp đường truyền thời gian thực yêu cầu khẩn cấp để tạo điều kiện đơn vị cứu

hộ phát hiện vị trí của bị nạn SoL sẽ được cung cấp bởi các tín hiệu trên E5a, E5b,

và E1-L1-E2 và sẽ là một dịch vụ bị hạn chế

được thiết kế để đảm bảo truy cập tín hiệu khi có sự kiện,các mối đe dọa hoặckhủng hoảng Dịch vụ này sẽ chỉ chạy được với các máy thu hạn chế cho mục đíchriêng biệt được lưu trữ sẵn các khóa giải mã cần thiết và sẽ được cung cấp bởi cáctín hiệu trên băng tần E6 và L1

Bốn tín hiệu khác nhau được truyền trên băng tần E5 có tần số trung tâm là1191.795MHz, E5a và E5b có thành phần vuông góc nhau sử dụng điều chế tín hiệuBOC, AltBOC(15,10) Các ký thuật sử dụng trong điều chế AltBOC phức tạp hơnnhiều so với sử dụng điều chế BPSK truyền thống hoặc thậm chí để điều chế BOCbình thường Phương pháp này cần băng thông rất lớn và tương tác phức tạp bốnthành phần của mã trải phổ Nó bao gồm bốn thành phần tín hiệu trên dải E5 đượcđiều chế như tín hiệu băng rộng đơn tạo ra AltBOC (15,10) điều chế 8-PSK Tínhiệu băng rộng này là trung tâm trên E5 có tần số 1191.795MHz và có băng thông ítnhất là 70MHz Điều chế AltBOC hướng đến các tính năng nâng cao ma E5a ( I &Q) và E5b ( I & Q) thể được xử lý độc lập , như điều chế BPSK(10) truyền thống ,cùng với đó là hiệu suất rất lớn khả năng hoạt động trong điều kiện kiểm soát nhiễu

và chức năng đa đường Đặc điểm của tất cả bốn tín hiệu được tóm tắt trong bảng 2

2-Tín hiệu trên ba băng E1-L1-E2 là 3 kênh sử dụng chung tần số sóng mangfL1 = 1575.42MHz sử dụng điều chế “modified hexaphase modulation” Đối với

băng gốc, các kênh B và C sẽ thực hiện hiển thị BOC (1,1) điều chế, trong khi thôngtin được mã hóa sẽ được gửi một cách linh hoạt băng điều chế BOC (15,2.5) trênkênh A.

Hình 1.9 Đặc điểm của các thành phần tín hiệu băng E5

Hình 1.10 Đặc điểm của các thành phần tín hiệu băng E5

Các dịch vụ Galileo được đưa vào hoạt động từ năm 2012

Hình 1.11 Tín hiệu gửi bởi các vệ tinh GPS

Phương trình biểu diễn phổ tín hiệu băng cơ sở tín hiệu L1 và L2

= D (k) (t).x (k) (t).cos(2πf L1 t + θ L1 ) + D (k) (t).y (k) (t).cos(2πf L1 t + θ L1 )

= D (k) (t).y (k) (t).sin(2πf L2 t + θ L2 )

và x (k) (t) và y (k) (t) là mã truy cập và F L1 là tần số sóng mang Mã C/A còn là mã giảngẫu nhiên (PRN) với xung nhịp 1.023MHz Đây là cơ sở cho công nghệ đa truy

cập phân chia theo mã CDMA được sử dụng để gửi các tín hiệu từ vệ tính tới máythu Tất cả các vệ tinh đều có duy nhất mã C/A, các tín hiệu được nhận dạng vàphân chia thông qua các mã này nhờ tính tương quan chéo Các mã này là cơ sở chomáy thu SPS sử dụng trong mục đích dân sự.

Mã P ở tần số 10.23MHz, mã giả ngẫu nhiên PRN là duy nhất đối với mỗi vệtinh và được sử dụng cho các hệ thống mã hóa khác Các máy thu PPS sử dụng các

mã này và được sử dụng cho mục đích quân sự

Hình 1.12 Trải phổ năng lượng BPSK 2.046MHz, 1W

Hình 1.13 Trải phổ BPSK 2046MHz và BPSK 10.23MHz

Đối với các máy thu thương mại chỉ sử dụng trên băng tần L1 Trước ngày 1tháng 5 năm 2000 các máy thu sử dụng mã C/A trên bằng tần L1 với chức năngchọn lọc đáp ứng (SA) cho độ chính xác từ 25-100m và thời gian phục vụ 95%