Phương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thống

Phương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thốngPhương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thống Phương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thốngPhương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thống

Em xin cảm ơn sâu sắc Thầy giáo hướng dẫn Trương Thanh Bình đã tận tình,chu đáo hướng dẫn em trong quá trình làm cũng như hoàn thiện đề tài.

Mặc dù em đã có nhiều cố gắng để hoàn thiện đề tài Song do hạn chế về sựhiểu biết và kiến thức thực tế nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định màbản thân chưa thấy được Em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy, côgiáo và các bạn để đề tài tốt nghiệp của em được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN.

Em xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do em thực hiện

Em xin chịu trách nhiệm về đồ án của mình

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 2

1.1 Lịch sử ra đời và phát triển: 2

1.2 Các hệ thống định vị vệ tinh: 4

1.2.1 Hệ thống GLONASS: 4

1.2.2 Chương trình mục tiêu GALILEO 7

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TRONG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS 13

2.1.Cấu trúc hệ thống GPS 13

1.2.1 Phần không gian: 14

1.2.2 Phần điều khiển: 17

1.2.3 Phần sử dụng: 18

2.2 Các tham số trong hệ thống GPS: 21

2.2.1 Hệ tọa độ sử dụng trong hệ thống GPS: 21

2.2.2 Giờ GPS và số đếm Z của vệ tinh: 22

2.2.3 Các loại mã sử dụng trong hệ thống: 23

2.2.4 Tín hiệu GPS 27

2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS: 31

2.3.1 Nguyên lý xác định vị trí vệ tinh: 31

2.3.2 Nguyên lý xác định khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh 32

2.3.3 Xác định vị trí người sử dụng: 35

2.4 Các phương pháp xác định vị trí trong GPS: 36

2.4.1 Phép định vị tĩnh và định vị động 36

2.4.2 Phép định vị tương đối 38

2.4.3 Phép định vị nhiều máy thu 38

2.4.4 Phép định vị động tương đối 39

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CÁC NGUỒN GÂY SAI SỐ CỦA HỆ THỐNG 40

3.1 Các nguồn gây sai số của hệ thống 40

3.1.1 Sai số do đồng hồ vệ tinh và máy thu: 41

3.1.2 Sai số do quỹ đạo vệ tinh: 44

3.1.3 Sai số do giữ chậm lại tầng đối lưu và tầng điện li 47

3.1.4.Sai số do tín hiệu đi nhiều đường hay nhiễu đa đường: 53

3.1.5 Sai số do hoạt động của năng lượng Mặt Trời : 55

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Hình ảnh về chòm vệ tinh GLONASS 6

Hình 1.2 Phổ tần của GALILEO 10

Hình 2.1 Các vệ tinh của GPS trong không gian 15

Hình 2.2 Qũy đạo vệ tinh khi được trải đều ra 16

Hình 2.3 Phân bố địa lý của các trạm điều khiển 18

Hình 2.4 Sơ đồ khối của một máy thu GPS cơ bản 19

Hình 2.5 Ví dụ về RHCP ăng-ten hình bán cầu mẫu 20

Hình 2.6 Sơ đồ khối đơn giản của một máy thu SPS đa kênh 21

Hình 2.7 Hệ tọa độ WGS 84 22

Hình 2.8 Sơ đồ tạo mã C/A 24

Hình 2.9 Sơ đồ tạo mã P 26

Hình 2.10 Tạo tín hiệu trên vệ tinh GPS 30

Hình 2.11 Hiệu chỉnh cho thời điểm phát tín hiệu Δttsv 34

Hình 2.12 Hệ tọa độ Decac thiết lập 35

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống hiệu chỉnh các tham số cho kết quả đo khoảng cách giả 43

Hình 3.2 Hình biểu diễn vị trí hình học vệ tinh 45

Hình 3.3 Đặc tính hình học kém 46

Hình 3.4 Đặc tính hình học tốt 46

Hình 3.5 Hướng đi của sai số từ vệ tinh 50

Hình 3.6 Tín hiệu truyền đa đường 54

Hình 3.7 Tương tác giữa các hạt điện tích Mặt Trời với từ quyển Trái Đất .56

Hình 3.8 Một vụ nổ Mặt Trời được quan sát từ một kính viễn vọng đặt tại mặt đất vào năm 1946 57

Hình 3.9 Qúa trình của một vụ nổ Mặt Trời 58

LỜI MỞ ĐẦU

Định vị là ngành khoa học xác định vị trí của một tàu hoặc người từ nơi nàyđến nơi khác Trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, mỗi người đều thực hiệnmột số hình thức di chuyển như lái xe đến nơi làm việc hoặc đi đến một cửahàng… đòi hỏi chúng ta phải sử dụng các kỹ năng điều hướng cơ bản Đối vớihầu hết chúng ta, những kỹ năng này đòi hỏi phải sử dụng đôi mắt, cảm giácthông thường, mốc Tuy nhiên, trong một số trường hợp đòi hỏi phải có thôngtin chính xác hơn về vị trí của chúng ta, hướng đi dự kiến, hoặc thời gian dichuyển đến địa điểm mong muốn là cần thiết, định vị sẽ giúp chúng ta tốt hơn là

sử dụng mốc đánh dấu

Trải qua nhiều năm, ngành hàng hải đã ra đời và ngày càng phát triển lớnmạnh Việc vận chuyển hàng hóa cũng như con người từ nơi này đến nơi khácluôn đặt mục tiêu an toàn lên hàng đầu Để tàu luôn đi đúng theo tuyến đường

an toàn và tối ưu nhất, người chỉ huy cần luôn luôn phải biết rõ vị trí hiện tại củatàu trên tuyến đường hàng hải đang đi

Trước đây, để xác định vị trí người đi biển chỉ có thể dựa vào kinh nghiệmbản thân, vận dụng các lý thuyết về thiên văn, các dòng hải lưu, địa hình của khuvực biển… và các kết quả thường mang tính tương đối Sự phát triển của khoahọc kỹ thuật đã cho ra đời các hệ thống dẫn đường như Decca, Loran AC,Omega… giúp người đi biển xác định được vị trí tốt hơn

Từ khi ra đời đến nay, GPS – Hệ thống định vị toàn cầu (Global PositionSystem) đã trở thành hệ thống dẫn đường tối ưu nhất mà các đội tàu thế giới nóichung và Việt Nam nói riêng hiện nay đã và đang trang bị Trong luận văn này,

em tập trung đi sâu vào tìm hiểu về các phương pháp xác định vị trí trong hệthống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thống, baogồm:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống định vị vệ tinh

Chương 2: Phương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh

Chương 3: Phân tích các nguồn gây sai số của hệ thống

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 1.1 Lịch sử ra đời và phát triển:

Từ những năm đầu của thập kỉ 60, một số cơ quan Mỹ đã thực hiện cácchương trình vệ tinh hàng hải, bao gồm có nghiên cứu của John Hopkins vớichương trình Transit, nghiên cứu của hải quân Mỹ với chương trình TIMATO

và không quân Mỹ với chương trình 621B Chương trình Transit ra đời năm

1964 có nguyên lý là sử dụng độ dịch tần Doppler và 6 vệ tinh bay theo quỹ đạo

ở độ cao 1076km, có nhiệm vụ cung cấp các dịch vụ hàng hải cho các phươngtiện di động tầm thấp Để xác định khoảng cách đến vệ tinh tại các thời điểmliên tiếp, máy thu sẽ tính toán và xác định vị trí tàu một cách gián đoạn Nhằmkhắc phục nhược điểm này của chương trình Transit, lực lượng Hải quân vàKhông quân Mỹ đã tập trung nghiên cứu để nâng cao chất lượng về mặt thờigian của các dịch vụ hàng hải Cụ thể đó là TIMATION – chương trình pháttriển các bộ dao động với độ ổn định cao, chuyển đổi thời gian và hàng hải 2chiều và hệ thống 621B – chương trình nghiên cứu phát triển ưu điểm của hệthống hàng hải trong không gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Năm 1973,hai chương trình trên được hợp nhất tạo thành một hệ thống hàng hải vệ tinhdành cho quốc phòng (DNSS – Defense Navigatiom System) sau đó được pháttriển thêm trở thành NAVSTAR GPS Quá trình phát triển của hệ thống có thểchia thành 3 giai đoạn như sau:

Giai đoạn I: Hợp nhất hai hệ thống

Ngày 17/4/1973, hai chương trình trên được hợp nhất thành một hệ thốnghàng hải có khả năng hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết được gọi làNAVSTAR GPS, do cơ quan không lực Mỹ đứng ra đóng vai trò như một ủyban hành pháp JPO (Joint Program Office) là tên của cơ quan thực hiện hầu hếtcác chương trình của hệ thống này, nó đại diện cho quân đội Mỹ, Không quân,Hải quân và Khối quân sự bắc Đại Tây Dương NATO Nhằm mục đích hỗ trợcho hoạt động hợp nhất nói trên, người ta đã cho phóng vào không gian 2 vệ tinh

kỹ thuật hàng hải NTS ( Navigation Technology Satellite) Tháng 6/1977, vệtinh NTS – 2 được phóng tại cơ quan không lực Vandenberg nhưng chỉ sau 8tháng nó đã gặp sự cố Vệ tinh GPS đầu tiên trong nhóm vệ tinh I được phóngvào tháng 2/1978 và trong khoảng các năm từ 1978 đến 1985, 11 vệ tinh còn lạicủa nhóm I cũng lần lượt được phóng vào không gian tại cơ quan không lựcVandenberg Tuy nhiên những vệ tinh này đều không có khả năng SA( Selective Available) hay AS ( Anti Spoofing) Cho đến tháng 6/1995, trong

Giai đoạn II: Các bước phát triển:

Tháng 9/1980, Chính phủ Mỹ đã thông qua một văn kiện về vấn đề nâng cấp

và điều phối hoạt động của trạm điều khiển chính ICS thành một hệ thống điềukhiển hoạt động (Operational Control System – OCS), nhằm đảm bảo khả năngtrợ giúp liên tục của ICS khi OCS đang trong quá trình hoàn thiện Vào tháng5/1985, cơ quan không lực Vandenberg tiếp nhận các thiết bị của OCS và saukhi trải qua các quy trình lắp đặt và thử nghiệm ban đầu, OCS được sử dụngsong song cùng với ICS Đến cuối năm 1985, OCS được đưa đến cơ quan khônglực Falcon, chính là vị trí cố định của nó cho đến nay Tháng 12/1980, văn kiện

về việc phóng lên 28 vệ tinh GPS nhóm II đã được chính phủ Mỹ phê duyệt

Giai đoạn III: Quá trình triển khai ( từ năm 1986 đến nay)

Trong giai đoạn này, các đơn vị sản xuất đã chế tạo thiết bị cho các phần của

hệ thống định vị vệ tinh, các phần này được chia ra thành:

• Phần không gian: Ban đầu nhóm vệ tinh GPS II được thiết kế nhằm mụcđích phóng lên trên hệ thống không vận ( tàu con thoi) Nhưng sau khi xảy ra tainạn tàu con thoi vào năm 1986, các phần phóng của vệ tinh nhóm II được giảmthiểu để có thể phóng lên qua tên lửa tầm trung Delta II Vào tháng 6/1991, các

vệ tinh GPS nhóm I và II đã có thể kết nối với nhau và đạt được khả năng định

vị hai chiều tại mọi vị trí trên toàn thế giới Từ tháng 4/1994, nhóm vệ tinh II cóđược đầy đủ 24 vệ tinh Tháng 6/1989, việc bổ sung 20 vệ tinh GPS tạo thànhnhóm IIR đã được thông qua Những vệ tinh này có khả năng tự tạo các bản tinhàng hải có nội dung về chúng mà không cần liên lạc với các vệ tinh khác cùngnhóm Vệ tinh đầu tiên của nhóm này được phóng lên vào tháng 8/1996 Vàonăm 1994, để có thể giữ vững hoạt động của các vệ tinh GPS, cơ quan quản lýchung của GPS đã cho bổ sung các vệ tinh NAVSTAR thuộc nhóm IIF, việc này

đã được lên kế hoạch từ năm 1995 đồng thời cũng bắt đầu cho nghiên cứu vềGPS tăng cường ( Agumented GPS – AGPS)

• Phần điều khiển: Vào tháng 12/1986, hệ thống điều khiển hoạt động (OCS)của GPS đã có thể đưa vào vận hành Cùng trong thời gian đó, việc kiểm tra khảnăng vận hành của hệ thống này cũng đã được trung tâm đánh giá và kiểm trahoạt động USAF hoàn tất Tháng 7/1990, chu kỳ hoạt động của hệ thống điềukhiển với phần chỉ huy không gian USAF đã được thiết lập Từ đây, hoạt độngcủa phần điều khiển được giới hạn để nâng cấp phần mềm hoạt động và hỗ trợcác thiết bị Hệ thống điều khiển được tăng cường với khả năng di động GA vàkhả năng dự phòng MCS

• Phần sử dụng: tháng 4/1985, hợp đồng về vấn đề sản xuất thiết bị ngườidùng GPS giai đoạn III được kí kết và hang Rockwell – Collins được lựa chọnlàm nhà cung ứng các thiết bị GPS phục vụ cho mục đích quân sự Tháng6/1988, sản phẩm đầu tiên của hãng đã được cơ quan quản lý chung JPO tiếpnhận

1.2 Các h th ng đ nh v v tinh: ệ thống định vị vệ tinh: ống định vị vệ tinh: ịnh vị vệ tinh: ịnh vị vệ tinh: ệ thống định vị vệ tinh:

1.2.1 Hệ thống GLONASS:

GLONASS là một bản sao của Nga so với GPS của Mỹ Giống như GPS,Nga đã tiến hành thiết kế GLONASS để cung cấp thông tin vể vị trí người sửdụng để phục vụ mục đích dân sự và quân sự Không giống như GPS, hệ thốngnày của Nga đã không thể duy trì các chòm vệ tinh với khả năng đầy đủ, và, do

đó, người dùng chỉ có thể điều hướng với GLONASS trong những khoảng thờigian nhất định Người Nga hiện đang phát triển một số tàu vũ trụ GLONASS thế

hệ mới hiện đại hóa để bổ sung các chòm vệ tinh Người Nga bổ sung đầy đủcác chòm sao GLONASS lên đến 24 vệ tinh cho đến 2011-2012 Theo thiết kế,các phân đoạn không gian GLONASS gồm 21 vệ tinh cộng với 3 vệ tinh dựphòng có khả năng hoạt động Các phân đoạn hỗ trợ mặt đất bao gồm một số cácđịa điểm nằm rải rác khắp nước Nga và có quyền kiểm soát, theo dõi, và tải lênthông tin về lịch thiên văn, thông tin thời gian, và các dữ liệu khác đến các vệtinh Mỗi vệ tinh hiện truyền hai tín hiệu dẫn đường L-band Tại thời điểm này,người Nga đã có kế hoạch thêm một tín hiệu L-band thứ ba gần với tần số radiocủa tín hiệu mới L5 được lên kế hoạch sử dụng cho GPS bắt đầu từ năm 2008.Người Nga đang phát triển một loạt các thiết bị sử dụng cho cả dân sự và ứngdụng quân sự Các bên khác ngoài nước Nga cũng đang phát triển thiết bịGLONASS sử dụng cho dân sự

Lịch sử của GLONASS là tương tự như GPS Giống như GPS, quân đội Liên

Xô khởi xướng chương trình GLONASS vào giữa những năm 1970 để hỗ trợcác yêu cầu về mặt quân sự Ban đầu, GLONASS được tài trợ để hỗ trợ nhu cầuhải quân để điều hướng và phổ biến thời gian.Những thử nghiệm hệ thốngthuyết phục ban đầu đã chứng minh rằng GLONASS cũng có thể hỗ trợ các nhucầu sử dụng về mặt dân sự đồng thời bảo đảm cho các nhu cầu quốc phòng củaLiên Xô Vì vậy, hệ thống này được mở rộng để ứng dụng cho mục đích dân sự.Liên Xô phóng vệ tinh GLONASS đầu tiên vào ngày 12 tháng 10 năm 1982.Ban đầu việc kiểm tra chòm bốn vệ tinh đã được triển khai vào tháng năm 1984.Thông thường, ba vệ tinh được phóng đi đồng thời trên một thiết bị phóngproton SL-12 từ Kazakhstan Tuy nhiên, vào thời gian đầu, Liên Xô cho phóngtrọng tải dằn, thay vì các vệ tinh thực sự, để tiết kiệm chi phí sản xuất trong khi

hệ thống vẫn đang phát triển Tại một cuộc họp của Ủy ban đặc biệt về FutureAir Systems Navigation (FANS) của ICAO năm 1988, Liên Xô đã cung cấp việc

lời đề nghị tương tự đã được thực hiện tại kỳ họp thứ 35 của Ủy ban an toànhàng hải IMO cũng trong năm đó

Sau khi Liên Xô cũ sụp đổ, trong khoảng thời gian từ 1990-1991, Nga thànhlập một hệ thống kiểm tra từ 10 đến 12 vệ tinh và tiến hành thử nghiệm rộng rãi.Kết quả là, vào tháng 9 năm 1993, Tổng thống Nga Boris Yeltsin đã chính thứctuyên bố GLONASS là một hệ thống có khả năng vận hành, là một phần củaArmory Nga và là cơ sở cho việc kế hoạch vô tuyến hàng hải của Nga Trongquá trình phát triển, có thể thấy rằng các tín hiệu GLONASS thực hiện quan sátthiên văn vô tuyến trong dải 1,610.6-1,613.8-MHz Khi các cộng đồng khoa họcquốc tế phản đối, người Nga đã đồng ý chỉnh sửa kế hoạch tần số GLONASStương lai vào tháng 10i năm 1993 Theo kế hoạch, Nga nhanh chóng ngừngtruyền trực tiếp trong các băng tần, tăng gấp đôi kênh tần số tín hiệu hàng hải,

và họ hứa sẽ dần dần di chuyển tín hiệu GLONASS ra khỏi băng tần thiên văn

vô tuyến khi chúng làm giảm lượng vệ tinh cũ và bổ sung các chòm vệ tinh mới.Vào khoảng thời gian này, người Nga đã tiếp tục thực hiện hết cam kết của mìnhtrong kế hoạch này Vào tháng 4 năm 1994, người Nga khởi xướng lần phóngđầu tiên trong bảy lần phóng để hoàn tất chòm vệ tinh

Hình 1.1 Hình ảnh về chòm vệ tinh GLONASS

Trong tháng 12 năm 1995, Nga đã phóng thành công lần phóng cuối cùngcủa ba vệ tinh để hoàn thành các chòm 24 vệ tinh Vào tháng 2 năm 1996, các vệtinh đã được tuyên bố hoạt động, và các chòm sao đã được đưa vào đủ Tuynhiên, một số vệ tinh cũ ngay sau đó đã gặp sự cố, và các chòm vệ tinh bịxuống cấp nhanh chóng Từ năm 1996 đến năm 2001, người Nga chỉ cho ra mắthai bộ ba vệ tinh Điều này là không đủ để duy trì các chòm vệ tinh Các chòm

vệ tinh trở thành sáu đến tám vệ tinh vào năm 2001

Cho đến nay, các chòm vệ tinh đã không được phục hồi lại khả nâng hoạtđộng đầy đủ Trong quá trình phát triển, chính phủ Nga đã ban hành Nghị định

237 vào ngày 07 tháng 3 năm 1995, trong đó cho phép sử dụng mã C/AGLONASS cho mục đích dân sự và đảm bảo nó sẽ được cung cấp miễn phí,khẳng định lại tuyên bố của Liên Xô năm 1988 Người Nga cũng xuất bản vàcông bố công khai một tài liệu kiểm soát giao diện, trong đó trình bày chi tiếtcác cấu trúc của các tín hiệu GLONASS Sau đó, vào ngày 18 Tháng 2 năm

1999, Tổng thống Nga đã ban hành một nghị định 38-RP, tuyên bố GLONASS

được đưa ra vào ngày 29 tháng 3 năm 1999, mở ra các chương trình hợp tácquốc tế với GLONASS Nó cho phép Nga đàm phán với EU để đưa GLONASSvào trong chương trình GALILEO Cơ quan Vũ trụ Nga đã cố gắng làm trunggian cho một thỏa thuận với những người châu Âu trong việc kết hợp GALILEOvào chương trình GLONASS Riêng người Nga tiến hành cuộc đàm phán vớiTrung Quốc để tài trợ GLONASS; Tuy nhiên, những nỗ lực đó dường nhưkhông thành công.

Ngày 20 tháng 8 năm 2001, chính phủ Nga đã thông qua Nghị định Số 587

về "Chương trình chuyên dụng liên bang của hệ thống hàng hải toàn cầu( FTsP)-2002-2011” Nghị định này nhằm thành lập một chương trình 10 năm

để xây dựng lại chương trình GLONASS Các chương trình có một nguồn kinhphí riêng trong ngân sách của Nga và là chủ đề với Giám sát quốc hội Nga.GLONASS là một trong số khoảng 50 chương trình tiếng Nga, và chỉ có nhữngchương trình không gian của Nga nhận được sự đầu tư như thế trong quy trìnhngân sách Các GLONASS FTsP là một chương trình toàn diện được thiết kế đểtài trợ cho các phân đoạn không gian, phân khúc mặt bằng, phân khúc ngườidùng, thiết bị người dùng ngành công nghiệp sản xuất, ngành công nghiệp ứngdụng giao thông vận tải, và các ứng dụng trắc địa ngành công nghiệp Cụ thể,theo chương trình, các chòm vệ tinh GLONASS sẽ được bổ sung với 10-12 tàu

vũ trụ GLONASS-M hiện đại và 18-27 tàu vũ trụ GLONASS-K nhẹ loại mới.Thành quả có thể nhìn thấy đầu tiên của chương trình này đó là sự ra mắt thànhcông một vệ tinh GLONASS-M vào cuối năm 2003 Tuy nhiên, khả năng tồn tạilâu dài của GLONASS phụ thuộc vào quá trình chuyển đổi thành công đểGLONASS-K trong khoảng thời gian 2008

Tính đến giữa năm 2005, đã có 31 vụ phóng thành công (2 vụ thất bại) trongchương trình, lên quỹ đạo của tất cả 81 vệ tinh GLONASS, 2 vệ tinhGLONASS-M, 2 vệ tinh trắc địa thụ động, và 8 trọng tải dằn (Trọng tải dằnđược sử dụng để cân bằng tải trọng nếu ít hơn 3 vệ tinh được đưa ra.)

1.2.2 Chương trình mục tiêu GALILEO

Định vị vệ tinh, xác định vị trí và thời gian đã được ứng dụng rộng rãi trongrất nhiều lĩnh vực Nhận thức được tầm quan trọng chiến lược của các ứng dụngnày, một chương trình tiếp cận của châu Âu được phát triển vào đầu những năm

1990 Nó bắt đầu với đóng góp của thế hệ đầu tiên của hệ thống vệ tinh toàn cầuNavigation (GNSS-1), các chương trình EGNOS, và tiếp tục với các thế hệtương lai của Hệ thống toàn cầu Navigation Satellite (GNSS-2), các chươngtrình GALILEO

GNSS-1 cung cấp dịch vụ cho khu vực châu Âu với những lợi ích ban đầunhưng không cung cấp một mức độ đủ để kiểm soát GNSS; và cũng không có

tín hiệu với khả năng đảm bảo hiệu suất cao, vì nó phụ thuộc vào GPS hoặcGLONASS Điều này đã dẫn đến việc ra đời của GALILEO, một chòm sao vệtinh cung cấp vùng phủ sóng trên toàn thế giới, được xem như sự đóng góp củachâu Âu với GNSS-2 Việc sử dụng kết hợp của GALILEO, EGNOS, và GPS /GLONASS sẽ tăng hiệu suất tổng thể, vững mạnh, và sự an toàn vốn có của cácdịch vụ đạt được từ GNSS, và nó sẽ cho phép chấp nhận trên toàn thế giới vềkhai thác và sử dụng các vệ tinh chuyển hướng vì lợi ích của tất cả người dùngtiềm năng.

Hệ thống GALILEO đang được thiết kế để đáp ứng một loạt các nhu cầu củangười sử dụng, trong đó một số dịch vụ đại diện đã được xác định để hình thành

cơ sở của thiết kế và cho phép xác định các tính năng chính của GALILEO Tuynhiên, các khả năng của hệ thống sẽ cho phép thực hiện một số lượng lớn cácdịch vụ, vượt ra ngoài phạm vi của những tính năng đã được xác định ở đây.Ngoài ra, các kiến trúc hệ thống là khả năng mở rộng linh hoạt và do đó sự pháttriển của nhu cầu người sử dụng có thể được cung cấp

EU và Hoa Kỳ đã ký kết một thỏa thuận về GALILEO và GPS tại tại Hộinghị thượng đỉnh EU-Hoa Kỳ được tổ chức tại Ireland vào ngày 26 tháng 6,

2004 Hiệp định này nhằm khuyến khích cung cấp và sử dụng hai hệ thống định

vị vệ tinh trên và liên quan đếncác ứng dụng đã được ký kết bởi Phó Chủ tịch

EC Loyola de Palacio và Ngoại trưởng Mỹ Colin Powell Các quy định của thỏathuận này sẽ cho phép mỗi hệ thống làm việc cùng với các hệ thống khác màkhông can thiệp với các tín hiệu đối tác của mình, nhờ đó cung cấp khả năngtương tác giữa GPS và GALILEO

GALILEO cung cấp năm loại hình dịch vụ trên toàn thế giới và độc lập vớicác hệ thống định vị vệ tinh khác bằng cách chỉ sử dụng các tín hiệu phát sóngcủa các chòm vệ tinh GALILEO Năm dịch vụ đó bao gồm: dịch vụ mở (OS –Open Service), dịch vụ an toàn đời sống (Safety Of Life), dịch vụ thương mại(CS), dịch vụ công cộng (Public Regulated Service), và dịch vụ hỗ trợ cho việctìm kiếm và cứ nạn (Search And Rescue)

 Dịch vụ mở (OS) cung cấp thông tin về vị trí, vận tốc và thời gian,

có thể được truy cập miễn phí trực tiếp Dịch vụ này thích hợp với cácứng dụng thị trường đại chúng chẳng hạn như định vị trong xe hơi Dịch

vụ này cũng đặc biệt phù hợp với điện thoại tích hợp khả năng định vị Batín hiệu (E5a, E5b, và L1) sẽ được phát sóng cho các dịch vụ OS bằngcách sử dụng ba tín hiệu này với các phương pháp điều chế pha sóng

mang khác nhau, có thể đạt được độ chính xác rất cao Người dùng có thể

sử dụng dịch vụ tại bất kỳ địa điểm nào trên thế giới và bất cứ lúc nào,miễn là được trang bị máy thu phù hợp

 Các dịch vụ an toàn đời sống (SOL) dành cho người dùng cần độ an toàn cao(ví dụ, những người tham gia trong ngành hàng hải, hàng không, đường sắt…yêu cầu được vận hành một cách nghiêm ngặt và mức độ an toàn cao) Dịch

vụ này sẽ được cung cấp mà không mã hóa, và hệ thống sẽ có khả năng đểxác thực bao gồm tín hiệu để đảm bảo rằng các tín hiệu nhận được là thực sựđược phát sóng bởi GALILEO Điều này sẽ cho phép người sử dụng định kỳxác minh đươcj cách mã hoá thông tin phát sóng của tàu vũ trụ là chính hãng.Ngoài tín hiệu xác thực, dịch vụ SOL sẽ bao gồm giám sát tính toàn vẹn vàthông báo (ví dụ, thông tin cảnh báo một cách kịp thời sẽ được phát chongười dùng khi sử dụng các tín hiệu an toàn SOL không thể đảm bảo theothông số kỹ thuật) Tất cả các tính năng này, cùng với đầy đủ các dịch vụđảm bảo, sẽ tạo điều kiện cho sự phát triển và xác nhận các ứng dụng củaSOL E5b và L1 là các tần số sử dụng cho các dịch vụ SOL Cũng như vớicác hệ điều hành, các thông số kỹ thuật SOL được đưa ra cho một người sửdụng trong trường hợp xấu nhất tại bất cứ nơi nào trên thế giới tại bất kỳ thờigian nào trong ngày Khả năng cung cấp dịch vụ quan trọng này là một trongcác trình điều khiển cho các thiết kế của hệ thống Điều này có thể hỗ trợ chocác hoạt động quan trọng, chẳng hạn như hàng không tiếp cận chính xác, với

sự hướng dẫn dọc nơi mà yêu cầu mức độ an toàn nghiêm ngặt

 Các dịch vụ thương mại (CS) sẽ cho phép phát triển các ứng dụng chuyênnghiệp bằng cách hỗ trợ phổ biến dữ liệu giá trị gia tăng đối với một tín hiệudịch vụ thương mại chuyên dụng, nó có thể được sử dụng để hỗ trợ ứng dụngđịnh vị chính xác cao Các công ty điều hành GALILEO, phụ trách triển khai

và điều hành hệ thống, sẽ xác định mức độ thực hiện và đảm bảo dịch vụ cóthể cung cấp cho mỗi dịch vụ thương mại trên cơ sở thị trường tiềm năng củacác ứng dụng Có thể có các hợp đồng thỏa thuận, ví dụ, giữa công ty vậnhành GALILEO với bên thứ ba cung cấp các dịch vụ như dự báo thời tiết,cảnh báo tai nạn, thông tin giao thông, và cập nhật bản đồ

 Dịch vụ hỗ trợ tìm kiếm và cứu nạn (SAR): các chòm vệ tinh GALILEO sẽđược trang bị bộ thu cho phép chuyển tiếp các báo động đến trung tâm tìmkiếm cứu nạn SAR Một liên kết với những trung tâm này cũng sẽ được thựchiện để hệ thống sẽ có khả năng chuyển tiếp lại cho người sử dụng một báonhận rằng các hoạt động cứu hộ đã được thực hiện Dịch vụ GALILEO SAR

này sẽ được tích hợp vào hệ thống Cospas / Sarsat để hỗ trợ các hoạt độngSAR.

Theo đó, GALILEO sẽ cung cấp sáu tín hiệu dẫn đường với RHCP trongphạm vi tần số 1,164-1,215 MHz (băng E5), 1,260-1,300 MHz (băng E6), và1,559-1,592 MHz (băngE2-L1-E1), được phân bổ trên toàn thế giới cho chodịch vụ truyền hình vệ tinh (RNSS), (băng tần E2-L1-E1 đôi khi được ký hiệu làL1 cho tiện) Tất cả các vệ tinh sẽ được sử dụng các tần số sóng mang cùng vớicác mã khác nhau thông qua truyền CDMA

Các băng E5 và L1 được phân bổ quốc tế cho ARNS, do đó tín hiệuGALILEO truyền trong những băng tần chuyên dụng, các ứng dụng an toànquan trọng liên quan đến hàng không Hơn nữa, nó cũng có những điểm chungvới tần số GPS (L1 và E5a) với khả năng tương tác tại cấp thiết bị người dùng.Hình dưới đây minh họa về đặc tính quang phổ đường cơ sở của tín hiệuGALILEO cũng như về điều chế, tốc độ chip, và tốc độ dữ liệu tại thời điểmnày Một số trong những thông số vẫn cần được phân tích cân bằng hơn nữa (ví

nhau, mã số và dữ liệu chuyển hướng, mà có thể truy cập đến tất cả người dùng.Các chuỗi dữ liệu L1F cũng chứa các tin nhắn và toàn bộ dữ liệu thương mại đãđược mã hóa Tốc độ dữ liệu L1F là 125 bps Các tín hiệu L1F sẽ hỗ trợ các hệđiều hành, dịch vụ thương mại,và SOL.

• Tín hiệu L1P: tín hiệu L1P là một tín hiệu hạn chế truy cập truyền trongbăng L1 Mã số và dữ liệu khác nhau của nó được mã hóa bằng cách sử dụngmột thuật toán được mã hóa

• Tín hiệu E6C: E6C là một tín hiệu thương mại-truy nhập truyền trong cácbăng tần E6 bao gồm một kênh dữ liệu và một kênh dẫn (hoặc dataless) Các mãnày là khác nhau, và dữ liệu được mã hóa bằng cách sử dụng một thuật toánthương mại Tốc độ dữ liệu 500 bps sẽ cho phép việc truyền tải dữ liệu thươngmại với tốc độ lớn Các tín hiệu E6C là tín hiệu chuyên dụng để hỗ trợ các dịch

vụ thương mại

• tín hiệu E6P: E6P là một tín hiệu hạn chế truy cập truyền trong băng E6 Nóđược mã hóa khác nhau, và các dữ liệu được mã hóa bằng cách sử dụng mộtthuật toán mã hóa của chính phủ

• tín hiệu E5a: tín hiệu E5a là một tín hiệu truy cập mở truyền trong băng E5bao gồm một kênh dữ liệu và một kênh dẫn (hoặc dataless) Các tín hiệu E5a cóthể không cần mã hóa mã khác nhau và dữ liệu chuyển hướng có thể được truynhập bởi tất cả người sử dụng Nó truyền các dữ liệu cơ bản để hỗ trợ định vị vàxác định thời gian, với tốc độ dữ liệu tương đối thấp cho phép dữ liệu giải điềuchế mạnh mẽ hơn Các tín hiệu E5a sẽ hỗ trợ các hệ điều hành

• tín hiệu E5b: E5b là một tín hiệu truy cập mở truyền trong băng E5 baogồm một kênh dữ liệu và một kênh dẫn (hoặc dataless) Nó được mã hóa khácnhau, mã số và dữ liệu định vị cho phép tất cả người dùng truy cập Các chuỗi

dữ liệu E5b cũng chứa các tin nhắn và toàn bộ dữ liệu thương mại đã được mãhóa Tốc độ dữ liệulà 125 bps Các tín hiệu E5b sẽ hỗ trợ các hệ điều hành, dịch

vụ thương mại, và dịch vụ SOL Các tín hiệu E5a và E5b được điều chế vào mộtsóng mang duy nhất E5 sử dụng kỹ thuật AltBOC Các tín hiệu E5a và E5bđược ký hiệu chung là tín hiệu E5 và có thể được xử lý như một tín hiệu lớnbăng thông duy nhất với một người sử dụng thích hợp thực hiện thu Mộtchương trình mã hóa tỷ lệ một nửa xoắn được sử dụng cho tất cả các tín hiệutrước khi truyền dữ liệu thông báo trên các sóng mang của chúng Tỉ lệ ký tựtrên giây (SPS) gấp hai lần tốc độ dữ liệu bit trên giây (bps)

Ngoài hệ thống GLONASS và GALILEO đã được nói ở trên, còn có một hệthống định vị vệ tinh phổ biến hơn đó là GPS Chương 2 ngay dưới đây sẽ đi sâutìm hiểu kĩ hơn về hệ thống này

CH ƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TRONG HỆ THỐNG NG 2: PH ƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TRONG HỆ THỐNG NG PHÁP XÁC Đ NH V TRÍ TRONG H TH NG ỊNH VỊ TRÍ TRONG HỆ THỐNG ỊNH VỊ TRÍ TRONG HỆ THỐNG Ệ THỐNG ỐNG

Đ NH V V TINH GPS ỊNH VỊ TRÍ TRONG HỆ THỐNG ỊNH VỊ TRÍ TRONG HỆ THỐNG Ệ THỐNG

2.1.C u trúc h th ng GPS ấu trúc hệ thống GPS ệ thống định vị vệ tinh: ống định vị vệ tinh:

GPS bao gồm các thành phần : hệ thống vệ tinh, mạng điều khiển và giám sátmặt đất, và người sử dụng thiết bị thu GPS JPO đã chính thức phân chia cácthành phần đó thành 3 phần lần lượt là: phần không gian, phần điều khiển, vàphần người sử dụng Hệ thống vệ tinh là tập hợp các vệ tinh trong quỹ đạo phát

ra các tín hiệu khác nhau cũng như các thông báo về dữ liệu cho các thiết bịngười sử dụng Các phần điều khiển (CS) theo dõi và duy trì các vệ tinh trongkhông gian Trạm điều khiển chính sẽ theo dõi độ ổn định và tính toàn vẹn củatín hiệu vệ tinh, duy trì cấu hình quỹ đạo của các vệ tinh Hơn nữa, phần điềukhiển cũng có nhiệm vụ cập nhật đồng hồ vệ tinh, lịch thiên văn cũng như nhiềuthông số khác cần thiết cho việc xác định người sử dụng PVT Cuối cùng, cácthiết bị người sử dụng (tức là, phần sử dụng) thực hiện chuyển hướng, tính toánthời gian, hoặc các chức năng liên quan khác (ví dụ khảo sát) Một cái nhìn tổngquan của mỗi phần của hệ thống được giới thiệu ngay sau đây

1.2.1 Phần không gian:

Phần không gian bao gồm các vệ tinh mà từ đó người dùng sẽ thực hiện cácphép đo khác nhau SVs (tức là, các vệ tinh) truyền tín hiệu mã PRN mà từ đócác phép đo khác nhau được thực hiện.Việc này khiến cho hệ thống GPS trở nên

bị động đối với người sử dụng với các tín hiệu chỉ được truyền đi và người sửdụng tiếp nhận các tín hiệu một cách thụ động

Vì vậy, GPS không giới hạn số lượng người dùng đồng thời có thể truy nhập.Một vệ tinh truyền các tín hiệu khác nhau, được điều chế với dữ liệu bao gồmthông tin để xác định vị trí của các vệ tinh Mỗi SV có trọng tải và các hệ thốngphụ trợ để kiểm soát phương tiện giao thông Tải trọng chính là tải trọng chuyểnhướng sử dụng để hỗ trợ các nhiệm vụ của PVT GPS; tải trọng thứ cấp là các vụ

nổ hạt nhân (NUDET) để phát hiện hệ thống Chúng dều được hỗ trợ phát hiện

và báo cáo về các hiện tượng bức xạ trên Trái Đất Các hệ thống phụ trợ điềukhiển xe thực hiện các chức năng như duy trì các hướng của vệ tinh đến Trái đất

và các tấm pin mặt trời hướng vào Mặt Trời

Phần không gian bao gồm 2 thành phần chính: Một là các vệ tinh có quỹ đạo

và được định vị trong quỹ đạo Còn lại là vệ tinh chiếm từng khe quỹ đạo

Hệ thống các vệ tinh của GPS:

Chính phủ Mỹ đã đưa ra hình thái cơ bản của cho hệ thống này gồm 24 vệtinh.

Hình 2.1 Các vệ tinh của GPS trong không gian

Trong cấu hình này, các vệ tinh được định vị trong sáu mặt phẳng quỹ đạo cótâm là Trái Đất với bốn vệ tinh trong mỗi mặt phẳng Các chu kỳ quỹ đạo ghinhận được của một vệ tinh GPS là một nửa của ngày thiên văn hoặc 11 giờ 58phút Các quỹ đạo là gần tròn và cách đều xung quanh đường xích đạo một góc

60o với góc nghiêng so với mặt phẳng xích đạo của 55o Bán kính quỹ đạo (tức

là khoảng cách từ tâm của Trái đất đến vệ tinh) là khoảng 26.600 km Hệ thống

vệ tinh này cung cấp dịch vụ hàng hải 24h cho người sử dụng toàn cầu và khảnăng xác định thời gian Bảng số liệu dưới đây trình bày về các quỹ đạo vệ tinh

trong một mặt phẳng tham chiếu với thời điểm tại 0000h ngày 1 tháng 7 năm

1993 theo giờ UTC

Hình 2.2 Qũy đạo vệ tinh khi được trải đều ra

Hình dáng của mộĩ quỹ đạo giống như một vòng tròn, các số liệu này củacác quỹ đạo được trải ra và đặt lên một bề mặt phẳng Tương tự như vậy đối vớiđường xích đạo của trái đất, nó cũng giống như một vòng tròn đã được trải ra vàđặt trên một bề mặt phẳng Độ dốc của mỗi quỹ đạo đại diện cho độ nghiêng của

nó đối với mặt phẳng xích đạo của trái đất, theo lý thuyết là 55o Các vị trí mặtphẳng quỹ đạo đối với Trái đất với được xác định bởi kinh độ của một nút, trongkhi vị trí của các vệ tinh trong mặt phẳng quỹ đạo được xác định bởi độ sai kháctrung bình Các Kinh độ của điểm nút là giao điểm của mỗi mặt phẳng quỹ đạovới mặt phẳng xích đạo Kinh tuyến tại Greenwich là điểm tham chiếu nơi Kinh

độ của điểm nút có giá trị bằng không Sai khác trung bình là các vị trí góc củamỗi vệ tinh trong quỹ đạo, với đường xích đạo của Trái Đất có liên quan đếnhoặc đúng với một giá trị số bằng 0 của sai khác trung bình Có thể thấy rằng sựđịnh pha tương đối giữa các vệ tinh kề cận nhất trong quỹ đạo là khoảng 40o Một số ký hiệu khác nhau được sử dụng để chỉ các vệ tinh trong quỹ đạo củamình Mỗi mặt phẳng quỹ đạo được gán một tên (như là A, B, C, D, E, và F) với

mỗi vệ tinh trong một mặt phẳng được gán một số từ 1 đến 4 Như vậy, một vệtinh tham chiếu B3 nghĩa là số lượng vệ tinh trong mặt phẳng quỹ đạo B là 3 Sốthứ hai là do một số vệ tinh NAVSTAR của Không quân Hoa Kỳ đưa ra.

1.2.2 Phần điều khiển:

Phần điều khiển có trách nhiệm duy trì các vệ tinh và các hoạt động chínhcủa chúng Điều này bao gồm việc duy trì các vệ tinh trong quỹ đạo đúng vị trícủa chúng (gọi là stationkeeping) và theo dõi tình trạng của hệ thống phụ vệtinh Đồng thời phần điều khiển cũng giám sát mạng lưới các vệ tinh năng lượngmặt trời, mức năng lượng pin, và mức nhiên liệu sử dụng cho việc thử nghiệm.Hơn nữa, các trạm điều khiển cũng kích hoạt vệ tinh dự phòng (nếu có) để duytrì tính liên tục của hệ thống Các trạm điều khiển cập nhật các đồng hồ vệ tinh,thiên văn, niên lịch và các chỉ số khác trong bản tin hàng hải ít nhất một lần mỗingày Cập nhật được thường xuyên hơn dự kiến khi cải thiện độ chính xác định

vị được yêu cầu (Thường xuyên cập nhật đồng hồ và lịch thiên văn để giúp làmgiảm khoảng cách và điều khiển các tác nhân gây ra các sai số khác nhau) Cácthông số thiên văn phù hợp gần như tuyệt đối với các quỹ đạo vệ tinh GPS vàchỉ có giá trị trong một khoảng thời gian 4 giờ với điều kiện cập nhập mỗi ngày.Tùy thuộc vào các khối vệ tinh, dữ liệu thông báo hướng có thể được lưu trữtrong tối thiểu 14 ngày đến tối đa là 210 ngày với điều kiện cập nhật sau mỗi 4giờ hoặc 6 giờ một cách không thường xuyên như mỗi hai tuần một lần hoặctrong khoảng thời gian lớn hơn 6 giờ trong trường hợp một lần tải lên không thểcung cấp cho hơn 2 tuần Các niên lịch là một tập hợp con có độ chính xác giảmcủa các thông số thiên văn Niên giám hàng hải gồm 7 trong số 15 thông số quỹđạo thiên văn Dữ liệu niên lịch được sử dụng để dự đoán vị trí vệ tinh gần đúng

và hỗ trợ trong việc mua lại tín hiệu vệ tinh Hơn nữa, trạm điều khiển giải quyếtcác vấn đề bất thường của vệ tinh, điều khiển SA và AS, vận chuyển các kết quả

đo tại từ xa trạm giám sát để xác định hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, niên giám, vàthiên văn Để thực hiện các chức năng này, các CS bao gồm ba thành phần vật lýkhác nhau: các trạm kiểm soát tổng thể (MCS), trạm giám sát, và anten mặt đất

Hình 2.3 Phân bố địa lý của các trạm điều khiển 1.2.3 Phần sử dụng:

Phần sử dụng bao gồm tất cả các thiết bị người dùng Mỗi bộ thiết bị thườngđược gọi là một máy thu GPS, dùng để xử lý tín hiệu băng rộng truyền từ vệ tinh

để xác định vị trí người sử dụng Ngoài chức năng xác định vị trí là cách dùng

phổ biến nhất, máy thu còn được thiết kế cho các ứng dụng khác Xu hướng công nghệ hiện nay là thu nhỏ thành phần đồng thởi sản xuất quy mô lớn đã dẫn

đến việc làm tăng chi phí của các thành phần máy thu GPS Máy thu GPS được

lắp đặt trong nhiều mặt hàng mà chúngta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày như điện thoại di động, thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân (PDA), xe ô tô… Điều

này trái ngược với các bộ tiếp nhận ban đầu được sản xuất vào những năm 1970như một phần của giai đoạn xác nhận cơ sở chung của hệ thống Những thiết bịthu đầu tiênchủ yếu là các thiết bị tương tự cho các ứng dụng quân sự và chúngrất lớn, cồng kềnh và nặng nề Ngày nay, các máy thu đã cải thiện rất nhiều về

hình thức, bao gồm hệ thống chip, thiết bị cầm tay, và thẻ ISA (Industry

Standard Architecture) phù hợp Trong thực tế, có rất nhiều máy thu GPS đơnchíp mà tôi chịu tác động của điện thế thấp có tính lưỡng cực bổ sung bán dẫn

oxit kim loại (BiCMOS), quy trình và kỹ thuật quản lý điện để đáp ứng nhu cầu

về kích thước tối thiểu và ít tốn năng lượng của thiết bị cầm tay

Việc lựa chọn máy thu GPS phụ thuộc vào ứng dụng của người sử dụng Sau

đó là các thành phần điển hình của máy thu đều là những tiêu chí để lựa chọn

Sơ đồ khối của một máy thu GPS được thể hiện trong hình dưới đây, baogồm năm thành phần chính: anten, khối nhận, khối xử lý, đầu vào / đầu ra (I /O)thiết bị kiểm soát hiển thị (CDU), và một nguồn cung cấp năng lượng

Thiết bị kiểm soát hiển thị

Hình 2.5 Ví dụ về RHCP ăng-ten hình bán cầu mẫu.

a Khối thu:

Người sử dụng dịch vụ định vị chính xác PPS thường sử dụng bộ để theo dấu

mã P trên cả L1 và L2 Những bộ này ban đầy hoạt động với máy thu theo dấu

mã C/A trên L1 và sau đó chuyển tiếp để theo dấu mã P trên cả L1 và L2 Việctheo dấu mã P chỉ xảy ra với sự trợ giúp của các thiết bị mã hóa (Nếu các tínhiệu vệ tinh được mã hóa và người nhận không có các thiết bị mã hóa thích hợp,người nhận thường mặc định để theo dõi C/A mã trên L1

Ngoài ra, người sử dụng dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS sử dụng bộ theo dõicác mã C/A độc quyền trên L1, vì đó là tần số duy nhất mà các mã C/A thườngphát sóng Ngoài các loại máy thu đã đề cập trước đó, còn có những biến thểkhác, chẳng hạn như máythu semicodeless dân sự theo dõi các mã C/A trên L1

và pha sóng mang tần số ở cả L1 và L2 Những máy thu này sử dụng tín hiệu xử

lý kỹ thuật mà không yêu cầu truy cập mật mã cho mã P Cách sử dụng pha sóngmang để quan sát đo lường cho phép đạt đến độ chính xác centimet (hoặc thậmchí milimet) Hầu hết các máy thu có nhiều kênh nên theo đó mỗi kênh theo dõiviệc truyền tải từ một vệ tinh duy nhất Một sơ đồ khối đơn giản của một máythu SPS đa kênh được thể hiện trong hình dưới đây

Hình 2.6 Sơ đồ khối đơn giản của một máy thu SPS đa kênh

2.2 Các tham s trong h th ng GPS: ống định vị vệ tinh: ệ thống định vị vệ tinh: ống định vị vệ tinh:

- Trục X là giao của kinh tuyến IERS ( trùng với kinh tuyến 0 ở Greenwich,London) và mặt phẳng vuông góc với trục Z tại tâm.

- Trục Y nằm theo chiều thuận của hệ tọa độ có thang chia theo các khuvực của Trái Đất theo thuyết tương đối của trường trọng lực, được gọi là

hệ tọa độ trực giao cố định gắn với tâm Trái Đất

Z

Y

X

Hình 2.7 Hệ tọa độ WGS 84 2.2.2 Giờ GPS và số đếm Z của vệ tinh:

a Giờ GPS:

Giờ GPS do phần điều khiển tạo lập và được điều chỉnh theo giờ UTC Đơn

vị sử dụng lớn nhất là tuần và được coi là 604 800 giây Do giờ GPS là mộtthang giờ liên tục còn giờ UTC lại được điều chỉnh theo phần nguyên của sốgiây dư ra nên giờ GPS có thể khác giờ UTC Tuy nhiên sự sai khác này cũngluôn được giảm thiểu để tránh chênh lệch về mặt thời gian là quá lớn Hệ thốngđiều khiển (OSC) sẽ điều chỉnh thang giờ GPS trong vòng 1µs của UTC

Các bản tin đẫn đường mang các tin tức cần thiết về mối tương quan giữa giờGPS và giờ UTC Độ chính xác của những tin tức này trong suốt thời gian phát

sẽ là sự chênh lệch giữa giờ GPS và giờ UTC trong vòng 90ns Do chúng đềuđược phần điều khiển thiếp lập cho nên nếu xuất hiện tác nhân làm phần điềukhiển không thể nạp đữ liệu cho vệ tinh thì độ chính xác tương quan này cũng sẽgiảm Đó có thể là các sai số khoảng cách, sai số chuyển đổi thời gian GPS…

b Số đếm Z:

O

Các điểm mốc X1 của mã P ( còn được gọi là các điểm đánh dấu 1,5 giây)trong mỗi vệ tinh là các đơn vị phục vụ cho việc xác định và thông báo thời gianchính xác Cách xác định thời gian như vậy được gọi là số đếm Z Số đếm Zdành cho người dùng ở dạng 29 bit, bao gồm 2 phần:

Phần 1: số nhị phân ứng với 19 bit trái ( các bit có trọng số nhỏ nhất – LSB)của số đếm Z và được gọi là số đếm thời gian trong tuần ( Time of Week –TOW), được chỉ rõ bằng các mốc X1 khi chuyển từ tuần này sang tuần khác.Thời điểm bắt đầu của một tuần nằm giữa đêm thứ 7 và sáng chủ nhật và đượcđặt là 0000 giờ theo thang UTC Theo thời gian, điểm 0 sẽ khác với 0000 giờ vàigiây Do số đếm TOW là một đại lượng liên tục không có số hiệu chỉnh trongkhi giờ UTC liên tục được hiệu chỉnh theo phần nguyên của số giây dư ra Đểcải thiện vấn đề đó, một mẫu làm tròn số đếm TOW, bao gồm 17 bit có trọng sốlớn nhất ( MSB) được đem vào trong Hand Over Word ( HOW ) của chuỗi dữliệu đưa xuống băng L

Phần 2: mười bit có trọng số nhỏ nhất ( LSB ) của số đếm Z tạo thành mộtchuỗi nhị phân được gán để xác định tuần hiện tại Giới hạn của nó là từ 0 đến

1023, với tuần 0 là mốc giữa đêm 5/1/1980 và ngày 6/1/1980 Khi số tuần là

1023 thì nó sẽ tự động về 0

2.2.3 Các loại mã sử dụng trong hệ thống:

Hệ thống định vị vệ tinh GPS sử dụng mã giả nhiễu ngẫu nhiên PRN( Psendo Random Noise Code ) Mã này bao gồm một dãy các chữ số theo hệđếm nhị phân ( tương ứng với các giá trị “+” và “-“ ) có các tính chất như có thểxác định trước, có thể lặp lại và nhất là có tính chất tự tương quan tốt ( autocorrelation ) giống như tính chất của nhiễu tạp âm Có ba loại mã PRN thườngđược sử dụng là : mã chính xác P (Precice code), mã Y dùng để thay cho mã Pkhi ở trong chế độ A-S, và mã C/A ( Cosrae/Acquisition code)

a Mã C/A ( Coarse/ Acquisition code)

Đây là loại mã PRN ngắn, tần số chip ( số lượng chip/s) là f0/10=1,023MHz,

độ dài của chip là 0,9975µs tương ứng khoảng 293m, độ dài bước sóng khoảng300m, dài 1,023 bit và có chu kỳ 1ms Độ dài mã 1ms=1000µs như vậy mỗimột chuỗi gồm 1000/0,9975≈1000 chip, chuỗi này lặp lại sau mỗi 1ms Các mãC/A khác nhau được dành riêng cho từng vệ tinh Loại mã này thường được sửdụng trong các dịch vụ định vị vị trí tiêu chuẩn SPS, giúp cho máy thu nhanhchóng thu được tín hiệu từ vệ tinh, cũng như giúp máy thu chuyển tiếp đến mã

hiện so sánh với bản gốc, sau đó tính được hiệu thời gian giữa hai điểm dấu mãcủa vệ tinh và máy thu.

I C S

GiG2i

50 bps ® a tíi bé gi¶i m· d÷ liÖu

G1

C¸c ®Çu ra bé ghi dÞch C-§ång hå I-§Çu vµo S-ThiÕt lËp tÊt c¶ c¸c tr¹ng th¸i







Hình 2.8 Sơ đồ tạo mã C/A

Để tạo mã C/A cần hai thanh ghi dịch 10 bit là G1 và G2 G1 là cố định với tất

cả các vệ tinh, G2 phụ thuộc vào cách chọn pha của từng vệ tinh Đa thức đầuvào của 2 thanh ghi:

được tạo ra bằng cách trễ đi một số nguyên các chip từ 5-950 so với chuỗi G2.Trạng thái ban đầu của chuỗi G1 và G2 là 1111111111 Các bộ ghi dịch G1 và G2

có trạng thái ban đầu được thiết lập theo Epoch X1 của mã P Chúng được lấychuẩn thời gian ở tần số 1,023MHz theo đồng hồ của bộ tạo mã P để đảm bảo sựđồng bộ về mặt thời gian giữa chip đầu tiên của mã C/A với chip đầu tiên của

mã P Hiện nay có 37 mã C/A, trong đó 32 mã đầu tiên được dùng cho vệ tinh,các mã còn lại từ 33-37 dành cho các dịch vụ khác

b Mã P:

Đây là loại mã được sử dụng trong các dịch vụ định vị vị trí chính xác PPS.Tần số chip là 10,23MHz, độ dài chip 99,75ns và bằng 1/10 độ dài chip mã C/A

Chiều dài bước sóng khoảng 30m, độ dài 235 459 592 765 000 bit và có chu kỳ

là 36 tuần 9 giờ 45 phút 55,5 giây Do độ dài mã quá lớn nên khi thực hiện quátrình tương quan tự động máy thu sẽ gặp khó khăn và mất nhiều thời gian trongviệc tìm phần được sử dụng của mã Vậy nên cứ 6s máy phát vệ tinh sẽ phát đibản tin về thời gian đã qua từ khi bắt đầu mã P Nhờ vậy mà máy thu có thểnhanh chóng xác định phần mã P phù hợp

Nguyên tắc tạo mã P tương tự như nguyên tắc tạo mã C/A Ngoài 4 thanh ghidịch và 2 khối được dùng: 2 bộ ghi được sử dụng để tạo mã X1 có chiều dài

15345000 chip và lặp lại sau 15s, và 2 bộ ghi kết hợp để tạo mã X2 có chiều dài

là 15345037 chip Từng mẫu Pi(t) là tổng modul 2 của hai mẫu X1 và X2i haimẫu này được khống chế ở tốc độ 10,23MHz trong đó X1 là tổng modul 2 củađầu ra bộ ghi dịch 12 trạng thái là X1A và X1B có chu kỳ ngắn lần lượt là 4092 và

4093 chip Khi các chu kỳ ngắn X1A đếm tới 3750 thì epoch được tạo ra Epoch

X1 được tạo ra sau mỗi 1,5s sau khi 15345000 chip của mẫu X1 được tạo ra Đathức đầu vào bộ ghi dịch X1A và X1B có dạng:

X 1 A=1+ X6+X11+X12

X 1 B=1+X1+X2+X5+X8+X9+X10+X11+X12

Trạng thái của các bộ tạo mã được biểu diễn là một vecto từ mã, gồm mộtchuỗi các bit nhị phân Tại mỗi epoch X1, bộ ghi dịch X1A được thiết lập lại trạngthái có vecto mã là 000.100.100.100 và bộ ghi dịch X1B được thiết lập lại vecto

mã trạng thái là 010.101.010.100 chip đầu tiên của chuỗi X1A và chip đầu tiêncủa chuỗi X1B xảy ra đồng thời trong khoảng chip đầu tiên của bất kì mộtkhoảng thời gian nào của X1 Trạng thái ban đầu của bộ ghi dịch X1A được thiếtlập lại tạo ra một chuỗi 4092 chip bằng cách bỏ đi 3 chip cuối cùng (001) củachuỗi X1A có 4095 chip ban đầu Trạng thái ban đầu của bộ ghi dịch X1B đượcthiết lập lại tạo ra một chuỗi 4093 chip bằng cách bỏ đi 2 chip cuối cùng (01)của chuỗi X1B có 4095 chip ban đầu việc này dẫn đến pha của chuỗi X1B sẽ trễhơn chuỗi X1A 1 chip sau mỗi chu kỳ của khoảng thời gian X1.

Khoảng thời gian X1 được định nghĩa là 3750 chu kỳ X1A (tương ứng với

15345000 chip) Nó không phải là một số nguyên lần các chu ky X1B để đồng

bộ phù hợp với trạng thái này thì bộ ghi dịch X1B giữ nguyên trạng thái cuốicùng (chip 4093) của chu kỳ thứ 3749 Kết thúc chu kỳ thứ 3750 của X1A sẽ tiếnhành thiết lập epoch X1 tiếp theo, nó sẽ thiết lập lại cả bộ ghi dịch X1A và X1B đểbắt đầu một chu kỳ mới các chuỗi X2i được tạo ra bằng cách trễ đi số nguyênlần các chip của chuỗi X2 (từ 1-37) Sau đó từng chuỗi X2i được modul 2 vớichuỗi X1 sau đó tạo ra 37 chuỗi P(t) duy nhất

Bộ ghi dịch X1A C

4092 A

Bộ ghi dịch X1B C

I

R

1,2,5,8, 9,10,11,12

3749



Giải mã

4093 B

Bộ điều khiển

đồng hồ

RESET

7 ngày

Bộ đếm Z 403,200

Bộ ghi dịch X2A C

I

R

1,3,4,5,7, 8,9,10,11,12

3750

Giải mã

4092 C

Bộ ghi dịch X2B C

I

R

2,3,4, 8,9,12

đồng hồ

Bộ điều khiển

Khôi phục lại

Kết thúc tuần

Kết thúc tuần

ENABLE Epoch X2

Bắt đầu tuần

i

P

Các đầu vào bộ ghi C- Đồng hồ I- Đầu vào R- Thiết lập các

điều kiện ban đầu trên đồng hồ tiếp theo

tại chu kỳ 3749 cho đến khi X2A kết thúc chu kỳ 3750 của nó Đa thức đầu vào của hai bộ ghi dịch này lần lượt là:

 cos(ωtt+ θ0): sóng mang, tần số cao tần RF có dạng hình sin, tần số đã

biết là ω và pha ban đầu là θ0

Có 2 loại kênh, đó là kênh dữ liệu và kênh dẫn đường Trong kênh dữ liệu,

dữ liệu định vị chứa các thông tin như quỹ đạo chính xác của các vệ tinh, thờigian truyền tín hiệu Kênh dẫn đường thường không chứa dữ liệu định vị

Mã truyền tín hiệu là mã giả ngẫu nhiên PRN và được gán cho mỗi vệ tinh.Khoảng thời gian tối thiểu giữa các quá trình truyền lan trong mỗi mã truyềnđược gọi là khoảng thời gian chip T c Các thuộc tính của chuỗi PRN gần giốngvới chuỗi ngẫu nhiên

Kết quả giữa mã truyền và sóng mang phụ C (t ) x (t ) được gọi là phổ truyền lanhoặc dãy truyền

a Cấu trúc tín hiệu vệ tinh

Tín hiệu GPS được phát trên 2 băng tần trên băng UHF, băng này nằm trong dảitần từ 500MHz đến 3GHz Những tần số này được gọi là L1 và L2 Chúng đượctạo ra từ tần số chuẩn f0 =10,23MHz, với

fL1 = 154f0 = 1575,42MHz

fL2 = 120f0 = 1227,60MHzCác tín hiệu trên bao gồm 3 phần, đó là:

- Sóng mang: sóng mang với tần số fL1 và fL2

- Dữ liệu thu: bao gồm có các thông tin vệ tinh, thông tin này thường đượcđưa lên với tất cả các vệ tinh từ các trạm mặt đất trong phần điều khiểncủa hệ thống GPS Dữ liệu thu có tốc độ bit 50 bps

- Dãy truyền: mỗi vệ tinh có 2 dãy truyền hoặc mã Đầu tiên là thu nhận thô

mã (C/A), và mã đã được mã hóa chính xác (P(Y)) Mã C/A bao gồm mộtdãy gồm 1023 chip (1 chip ứng với 1 bit) Các mã này được lặp lại saumỗi một ms tạo chế độ chip 1,023MHz Mã P là mã dài hơn với chế độchip 10,23 MHz., lặp lại sau mỗi tuần tại thời điểm bắt đầu của tuần GPStại nửa đêm thứ 7 và chủ nhật Mã C/A được điều chế duy nhất lên sóngmang L1 trong mã P được điều chế lên hai sóng mang là L1 và L2

b Tạo tín hiệu GPS trên vệ tinh

Tín hiệu đinh thời có tấn số là 10,23MHz được cung cấp cho các khối Trongthực tế giá trị chính xác của tần số là 10,22999999543MHz và qua hiệu ứng điềuchỉnh tương đối ta có được tần số 10,23MHz Tiếp đó, tín hiệu đi qua hai bộnhân là 154 và 120, tạo ra 2 tín hiệu sóng mang là L1=1575,42MHz

L2=1227,60MHz Sau đó chúng được đưa qua bộ điều chế BPSK Tín hiệu địnhthời ở dưới được đưa qua bộ giới hạn nhằm ổn định tín hiệu trước khi đưa vào

bộ tạo mã P và C/A Bộ tạo dữ liệu tạo ra dữ liệu định vị Bộ tạo mã P cung cấptín hiệu X1 nhằm đồng bộ hóa bộ tạo mã và bộ tạo dữ liệu