May vo tuyen dien GPS

2.2.3 Nguyên lý xác định vị trí:- Máy thu xác định khoảng cách đồng thời xác định các phương trình khoảng cách đến 2 vệ tinh thông qua đo thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

GLOBAL POSITIONING

SYSTEM- GPS

- Là hệ thống vệ tinh dẫn đường hàng hải toàn cầu (GNSS) do Bộ quốc phòng Mỹ xây dựng, vận hành và quản lý

- Hệ thống ban đầu được sử dụng cho mục đích quân sự từ 1973 Đến năm 1983 hệ thống bắt đầu được phép sử dụng trong dân sự.

- Năm 1995, hệ thống hoàn thiện với 24 vệ tinh quỹ đạo tầm trung NAVSTAR trên quỹ đạo.

2.2.1 Các phương pháp xác định vị trí bằng vệ tinh:

- Phương pháp đo độ cao của vệ tinh

( Tham khảo tài liệu)

- Phương pháp đo khoảng cách nghiêng đến vệ tinh

( Tham khảo tài liệu)

- Phương pháp đo vận tốc hướng tâm

( Tham khảo tài liệu)

- Phương pháp đo hiệu khoảng cách (còn gọi là phương pháp Doppler, được

sử dụng trong hệ thống TRANSIT)

( Tham khảo tài liệu)

- Phương pháp đo khoảng cách đồng thời ( được sử dụng trong hệ thống định vị toàn cầu GPS)

2.2.2 Cấu trúc hệ thống GPS:

2.2.2 Cấu trúc hệ thống GPS:

Khâu vệ tinh:

- Bao gồm 24 vệ tinh (hiện tại hệ thống bao gồm

32 vệ tinh kể cả các vệ tinh dự trữ và thay thế),

các vệ tinh này được sắp xếp trên 6 mặt phẳng

quỹ đạo nghiêng 55° so với mặt phẳng xích đạo

- Mỗi quỹ đạo có độ cao danh nghĩa là 20183 Km

- Khoảng thời gian cần thiết để vệ tinh bay quanh quỹ đạo là 12 giờ hành tinh, bằng một nửa thời gian quay của trái đất, nên mỗi vệ tinh bao phủ một vùng như nhau 2 lần trong một ngày

- Vệ tinh phát 2 tần số vô tuyến phục vụ mục đích định vị: L1 trên tần số 1575.42

Mhz và L2 trên tần số 1227.6Mhz.

- Các vệ tinh hoạt động dưới sự giám sát của khâu điều khiển

2.2.2 Cấu trúc hệ thống GPS:

Khâu điều khiển:

Bao gồm các trạm giám sát (Monitor) ở Kwajalein,Ascension Island, Diego Garcia

và Hawaii, ngoài ra còn một trạm điều khiển chính tại trung tâm điều hành không gian thống nhất tại Colorado Spring, tiểu bang Colorado Hoa Kỳ

Nhiệm vụ của khâu điều khiển là kiểm soát hoạt động của các vệ tinh, xác định quỹ đạo của chúng, xử lý hoạt động đồng bộ của các đồng hồ nguyên tử, truyền các dữ liệu lên các vệ tinh

2.2.2 Cấu trúc hệ thống GPS:

Khâu sử dụng:

- Bộ phận người sử dụng bao gồm tất cả mọi người sử dụng quân sự và dân sự

trong các lĩnh vực hàng hải, hàng không và đường bộ

- Các máy thu GPS định vị theo không gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao so với mực nước biển)

- Ngoài ra máy thu GPS cũng cung cấp cho người sử dụng những thông tin về tốc

độ, hướng dịch chuyển và giờ thế giới

2.2.3 Nguyên lý xác định vị trí:

- Máy thu xác định khoảng cách đồng thời (xác

định các phương trình khoảng cách) đến 2 vệ tinh

thông qua đo thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh

đến máy thu

- Vị trí người quan sát sẽ nằm trên các đường

tròn vị trí tạo bởi mặt cầu trái đất và mặt cầu có

tâm là vệ tinh, bán kính là khoảng cách từ người

quan sát đến vệ tinh

- Với 2 vệ tinh sẽ có 2 đường vị trí giao nhau tại 2

điểm, xác định được kinh, vĩ độ người quan sát

- Để xác định tham số độ cao người quan sát so

với mặt đất, cần xác định thêm phương trình khoảng

cách đến vệ tinh thứ 3

- Ngoài ra, để xác định giá trị sai số giữa đồng hồ vệ

tinh và đồng hồ máy thu cần có phương trình khoảng

cách đến vệ tinh thứ 4

Satellite A+

Satellite B+

2.2.3 Nguyên lý xác định vị trí:

* Phương trình khoảng cách:

D = C*t = C(tu - tsv) +C.tbiasTrong đó: tsv: thời điểm vệ tinh phát tín hiệu

tu: thời điểm máy thu nhận tín hiệu

tbias: sai khác giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu

Nếu người sử dụng có tọa độ P (xu, yu, zu) và vệ tinh có tọa độ S1 (x1,y1,z1) thì ta có

2 1

2

(x x u  y y u  z z u

2.2.3 Nguyên lý xác định vị trí (tt):

Có 4 vấn đề chính cần phải giải quyết:

- Xác định liên hệ (sai số) giữa đồng hồ

vệ tinh và đồng hồ máy thu

- Đo chính xác thời gian lan truyền tín

hiệu

- Xác định được thời điểm vệ tinh phát

tín hiệu

- Xác định được vị trí của vệ tinh vào

thời điểm phát tín hiệu

2.2.3 Nguyên lý xác định vị trí (tt):

Xác định vị trí vệ tinh:

- Vị trí người quan sát có thể xác định bằng khoảng cách tới 4 vệ tinh khi biết vị trí các vệ tinh đó vào thời điểm phát tín hiệu

- Ngược lại với 4 trạm quan sát có vị trí đã biết khi nhận được tín hiệu phát đi từ một

vệ tinh sẽ xác định được vị trí của vệ tinh lúc phát Biết vị trí vệ tinh tại thời điểm đó cũng như các lực tác động mà vệ tinh phải chịu, trạm điều khiển có thể tính toán để xác định lịch “thiên văn” của vệ tinh và dự đoán vị trí của nó ở bất kỳ thời điểm nào trong nhiều vòng quỹ đạo sau đó

Có 4 vấn đề chính cần phải giải quyết:

- Xác định được vị trí của vệ tinh vào thời điểm phát tín hiệu.

- Xác định liên hệ (sai số) giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu.

- Đo chính xác thời gian lan truyền tín hiệu

- Xác định được thời điểm vệ tinh phát tín hiệu.

2.2.3 Nguyên lý xác định vị trí (tt):

Xác định sai số đồng hồ:

Theo lịch trình, vệ tinh phát tín hiệu tại thời điểm tsv theo đồng hồ của mình tính từ thời điểm t=0 (căn cứ trên giờ chuẩn GPS) Tuy nhiên thời điểm này có thể sai khác

một lượng Δt Giá trị này được trạm điều khiển xác định, sau đó phát cho từng vệ

tinh riêng lẻ tương ứng, rồi vệ tinh phát đến người sử dụng

Máy thu của người sử dụng sẽ hiệu chỉnh giá trị sai khác này trong qúa trình tính toán sau đó

Có 4 vấn đề chính cần phải giải quyết:

Xác định được vị trí của vệ tinh vào thời điểm phát tín hiệu.

- Xác định liên hệ (sai số) giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu.

- Đo chính xác thời gian lan truyền tín hiệu

- Xác định được thời điểm vệ tinh phát tín hiệu.

2.2.3 Nguyên lý xác định vị trí (tt):

Xác định thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh – Tương quan tự động:

- Vệ tinh phát đi các chuỗi tín hiệu gọi là “ mã ngẫu nhiên giả - PRN (Pseudo

Random Noise ) “ đặc trưng bởi độ dài mã (chip) theo lịch trình quy định.

- Máy thu cũng có cơ chế để phát ra các chuỗi tín hiệu tương tự ( chuỗi phiên bản)

- Thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu được tính toán thông qua quá trình tương quan tự động (là quá trình dịch chuyển và làm trùng pha các chuỗi)

Xác định được vị trí của vệ tinh vào thời điểm phát tín hiệu.

- Xác định liên hệ (sai số) giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu.

- Đo chính xác thời gian lan truyền tín hiệu

- Xác định được thời điểm vệ tinh phát tín hiệu.

2.2.3 Nguyên lý xác định vị trí (tt):

Tương quan tự động:

2.2.3 Nguyên lý xác định vị trí (tt):

Xác định thời điểm phát của tín hiệu định vị:

Thông qua bản tin điều khiển, thời điểm phát của từng chuỗi mã tín hiệu từ vệ tinh

sẽ được gửi đến máy thu để quá trình tương quan tự động có thể tiến hành chính xác

Có 4 vấn đề chính cần phải giải quyết:

Xác định được vị trí của vệ tinh vào thời điểm phát tín hiệu.

- Xác định liên hệ (sai số) giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu.

- Đo chính xác thời gian lan truyền tín hiệu

- Xác định được thời điểm vệ tinh phát tín hiệu.

Nguồn gây sai số

Sai số do đồng hồ: 1.5 to 3.6 meters

Sai số quỹ đạo vệ tinh: < 1 meter

Sai số do trễ điện ly: 5.0 to 7.0 meters

Sai số do tầng đối lưu: 0.5 to 0.7 meters

Sai số do nhiễu máy thu: 0.3 to 1.5 meters

Sai số đường truyền thứ cấp: 0.6 to 1.2 meters

Sai số do mã S/A

Sai số do người sử dụng: Up to a kilometer or more

Sai số sẽ tăng tương ứng theo tương quan hình học giữa vị trí vệ tinh- PDOP.

Earth’s Atmosphere

Solid Structures

Metal Electro-magnetic Fields

Sai số do mã S/A

- Chính phủ Mỹ đưa các thông tin mã hóa gây sai lệch vào bản điện xử lý thời gian, mục đích làm giảm độ chính xác đối với một số đối tượng người sử dụng Mục đích ngăn chặn các nguy cơ về an ninh quốc phòng

- Tháng 5/2000 chính phủ Mỹ đã loại bỏ mã S/A

- Theo quy định, mã S/A có thể được tái sử dụng khi cần thiết

Sự suy giảm độ chính xác vị trí theo tương quan hình học giữa vị trí vệ tinh- DOP (Dilution of Precision )

S

E

GIÁ TRỊ DOP TỐT

Sự suy giảm độ chính xác vị trí theo tương quan hình học giữa vị trí vệ tinh- DOP (Dilution of Precision )

GIÁ TRỊ DOP XẤU

Sự suy giảm độ chính xác vị trí theo tương quan hình học giữa vị trí vệ tinh- DOP (Dilution of Precision )

2.4.1 Nguyên lý

- Trên cơ sở đánh giá các máy thu trong cùng 1 khu vực sẽ chịu các sai số tương đương nhau ( do khoảng cách giữa các máy thu là rât nhỏ so với

khoảng cách đến vệ tinh)

- Dựa trên vị trí chính xác đã biết, các trạm vi phân GPS có thể xác định

được sai số vị trí khi thu nhận tín hiệu từ vệ tinh.

- Trạm vi phân GPS sẽ phát các giá trị hiệu chỉnh vị trí cho các máy thu

trong khu vực bao phủ.

2.4.1 Nguyên lý

DGPS Site

x+30, y+60

x+5, y-3

True coordinates =

x+0, y+0

Correction = x-5, y+3

2.4.2 Các phương pháp vi phân GPS

- Trạm điều khiển phát số hiệu chỉnh đối với khoảng cách giả của từng vệ tinh.

- Trạm điều khiển phát số hiệu chỉnh vị trí cho vị trí thu từ từng tổ hợp vệ tinh

- Trạm mẫu vi phân: trạm mẫu phát số hiệu chỉnh khoảng cách giả cho từng

vệ tinh trên cùng tần số và tín hiệu mã hóa với vệ tinh.

2.5.1 Hàng hải theo điểm:

N (0000)

(0 0 )N

Desired Track

(DTK) (x º )

Present Location

Tracking (TRK) (x º )

Active GOTO Waypoint

Course Made Good (CMG)

(CMG) (x º )

Active

From

Waypoint

2.5.1 Hàng hải theo điểm:

Active GOTO Waypoint

Bearing =

400 COG =

1040 XTE = 1/4 mi.

N

2.5.2 Hàng hải theo tuyến:

Star t

= Waypoint