HỆ THỐNG vệ TINH dẫn ĐƯỜNG TOÀN cầu

HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU GNSS – Global Navigation Satellite System Hệ thống GNSS là hệ thống xác định thời gian và vị trí trên toàn cầu,hệ thống này bao gồm ít nhất một hoặc

HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU ( GNSS – Global

Navigation Satellite System)

Hệ thống GNSS là hệ thống xác định thời gian và vị trí trên toàn cầu,hệ thống này bao gồm ít nhất một hoặc nhiều hơn các chùm vệ tinh,máy thu trên tàu bay và hệ thống theo dõi tính toàn vẹn ,hệ thống tăng cường khi cần thiết hỗ trợ PBN (Performance Based Navigation).GNSS là nền tảng cho hệ thống vùng trời quốc gia

Hệ thống GNSS bao gồm:

1. Hệ thống xác định vị trí :

+ GPS (USA)

+GLONASS (Russia)

+GALILEO ( Europe)

2. Hệ thống tăng cường: Hệ thống này phải đạt 4 yêu cầu đối với GNSS đó là:Độ chính xác,Tính toàn vẹn ,liện tục và luôn sẵn có.Hệ thống này bao gồm :

+ Hệ thống tăng cường vệ tinh SBAS (Satellite-Based Augmentation System).Hệ thống này tăng cường cho tất cả các giai đoạn của các

chuyến bay: đường dài, hạ cất cánh,cung cấp các dịch vụ dẫn đường cho người sử dụng mà không có sự trợ giúp mặt đất Hệ thống bao gồm : WAAS (USA)- Wide Area Augmentation System INMARSAT;EGNOS (Europe)- Euro Geostationnary Navigation Overlay;MSAS ( Japan)- Multi-Funtional Satellite Augmentation System MTSAT

+Hệ thống tăng cường mặt đất GBAS (Ground-Based Augmentation System) có LAAS- Local Area Augmentation System (USA).Nguyên lý: Các máy thu chuẩn được đặt chính xác đã được khảo sát xung quanh Sân bay Các tín hiệu thu được từ GPS được sử dụng tính toán vị trí trạm LAAS tại máy LAAS tính toán so sánh sai số tạo điện văn cân chỉnh phát qua đường VHF datalink ( dải tần từ 108 MHz– 118 MHz) và sử dụng phát chế độ TDMA.Máy thu trên máy bay thu và cân chỉnh tín hiệu GPS.Thông tin này hiện thị giống như ILS trên máy bay.Tương lai có thể thay thế VOR & ILS

Dựa trên nguyên lý DGPS ( Differential GPS ).

+ Hệ thống tăng cường trên máy bay ABAS ( Aircraft-Based

Augmentation System) – ( e.g RAIM)

Hệ thống vệ tinh đang khai thác hiện nay gồm:

- Hệ thống định vị toàn cầu GPS ( USA) được ICAO xác nhận năm 1989

- Hệ thống dẫn đường theo quĩ đạo toàn cầu GLONASS ( RUSSIA) được ICAO xác nhận 1996

GPS ( Global Positioning System ) trong không gian bao gồm 24 vệ tinh chia thành 06 mặt phẳng quĩ đạo Các vệ tinh hoạt động theo quĩ đạo vòng tròn bán kính 20200 km ( 10900 NM) tại góc nghiêng 55º gần xích đạo và mỗi vệ tinh hoàn thành một quĩ đạo khoảng 12 giờ

GLONASS bao gồm 24 vệ tinh khai thác và một vài hệ thống phụ.Quỹ đạo

vệ tinh GLONASS ở độ cao 19100 km với chu kỳ quĩ đạo 11 giờ 15 phút 8

vệ tinh được xếp ngang hàng nhau và cứ 3 quĩ đạo lắp 1 vệ tinh với góc nghiêng 64,8º và cách nhau 120º

GPS cung cấp thông tin chính xác về vị trí và vận tốc ,thời gian ở bất kỳ vị trí nào trên trái đất trong bất cứ thời tiết nào Các số liệu định vị và định thời được sử dụng cho vô số những ứng dụng khác nhau, bao gồm đạo hàng hàng không, đất liền và hàng hải, theo dõi các phương tiện giao thông trên bộ và tầu biển, điều tra khảo sát và vẽ bản đồ, quản lý tài sản và tài nguyên thiên nhiên

GPS xác định vị trí bởi tính toán sự khác nhau giữa thời gian tín hiệu phát và thu

D = ▲t c Trong các máy thu GPS được cung cấp bởi đồng hồ nguyên tử ( atomic clock ) với độ chính xác rất cao Máy thu tính toán cự ly từ các vệ tinh GPS tính toán không gian 03 chiều xác định vị trí.Yêu cầu có 04 vệ tinh tối thiểu

Máy thu GPS sử dụng 04 vệ tinh tính toán : kinh độ,vĩ độ và thời gian GPS gồm các loại:

- SPS ( Standar Positioning Service) độ chính xác 100 m;(330 feets)

- PSS ( Precise Positioning Service) độ chính xác 20 m ( 70 ft)

- DGPS ( Differential GPS ) độ chính xác 3 m ( 10 ft)

Dưới đây là một số thông tin đáng chú ý về các vệ tinh GPS (còn gọi là NAVSTAR, tên gọi chính thức của Bộ Quốc phòng Mỹ cho GPS):

• Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978

• Hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994

• Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 10 năm

• Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 bộ (5 m) với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²)

Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts

Hệ thống vệ tinh GPS

Hệ thống vệ tinh GPS chia làm 3 phần:

Phần không gian

Gồm 24 vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất.Có sáu quĩ đạo nghiêng so với đường xích đạo của Trái Đất 55º Chúng cách mặt đất 12 nghìn dặm Chúng chuyển động ổn định, hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ Các vệ tinh này chuyển động với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào

Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời

Phần kiểm soát

Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác Có tất cả 5 trạm kiểm soát Master Control Station (MCS) được đặt rãi rác trên trái đất Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gữi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu ( data) cho đúng và kết hợp với hai anten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh Các trạm này cũng bám theo và giám sát các vệ tinh GPS

Phần sử dụng

Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này

Tín hiệu GPS

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp giải L1 và L2 (Giải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong giải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà

L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên"(pseudo random), đó là mã Protected (P) và mã Coarse/Acquisition (C/A) Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu Mục đích của các mã tín hiệu này là

để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS

Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên (pseudo random), dữ liệu thiên văn (ephemeris) và dữ liệu lịch(almanac)

Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào

là phát thông tin Có thể nhìn số hiệu của các vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của vệ tinh nào.Xác định thời gian các điện văn được được phát đi

Dữ liệu thiên văn (ephemeris) cho máy thu GPS biết vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở

các thời điểm trong ngày Mỗi vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin chính xác của quỹ đạo cho vệ tinh đó trong hệ thống

Dữ liệu lịch (almanac) được phát đều đặn bởi mỗi vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí.

Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốn đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây Bù lại, một phép đo tầm hoạt động vệ tinh được trang bị thêm Phép đo lượng giác đạc chỉ ra rằng, nếu ba số đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong không gian ba chiều thì một phép đo thứ tư có thể loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào đó Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng bộ hoá không hoàn hảo của máy thu

Máy thu GPS trên mặt đất có một cuốn niên giám được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị vệ tinh, mỗi vệ tinh có mặt nơi nào trên bầu trời vào bất

kỳ thời điểm nào Các máy thu GPS sẽ tính toán các thời gian trễ qua tầng đối lưu

và khí quyển để tiếp tục làm chính xác hơn phép đo vị trí.GPS sử dụng các điện văn mà nó nhận được để xác định thời gian đến của mỗi điện văn và tính toán khoảng cách đến mỗi vệ tinh Những khoảng cách cùng với các vị trí của các vệ tinh được sử dụng với sự trợ giúp có thể có của phép đo tam giác đạc để tính toán

vị trí của máy thu vị trí này sau đó được hiển thị, màn hình bản đồ di chuyển hoặc vĩ độ và kinh độ, độ cao thông tin có thể được bao gồm

GPS sử dụng một hệ tọa độ gọi là Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984 (WGS-84

- Worldwide Geodetic System 1984) Hệ thống này tương tự như các đường kẻ kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộc thường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn

Hệ thống WGS - 84 cung cấp một khung tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ hãng sản xuất nào cũng cung cấp đúng cùng một thông tin định vị

Các tín hiệu GPS cho phép để lặp lại mỗi khi tính toán 6 giây Nhiều GPS cho thấy nguồn gốc các thông tin như hướng và tốc độ thay đổi vị trí

Ba vệ tinh có thể đủ để giải quyết cho vị trí, vì không gian có ba kích thước và vị trí trên bề mặt của Trái Đất có thể được giả định Tuy nhiên, ngay cả một lỗi đồng

hồ rất nhỏ nhân với tốc độ rất lớn [ánh sáng]-tốc độ truyền tín hiệu vệ tinh, kết quả trong một lỗi vị trí lớn Vì vậy, thu sử dụng bốn hoặc nhiều vệ tinh để giải quyết cho vị trí của máy thu và thời gian

Tính toán vị trí

Sử dụng điện văn nhận được từ ít nhất là bốn vệ tinh có thể nhìn thấy, máy thu GPS có thể xác định các lần gửi và sau đó các vị trí vệ tinh tương ứng với những lần gửi Các thành phần x, y, và z của vị trí, và thời gian , được chỉ định

là nơi có chỉ số i số vệ tinh và có giá trị 1, 2, 3, hoặc 4 Biết được thời gian các điện văn đã được nhận , máy thu GPS có thể tính thời gian đã đi của thông báo Giả sử các điện văn đi ở tốc độ của ánh sáng, c, quãng đường đã đi, có thể được tính là

Máy thu GPS có bốn ẩn số, ba thành phần của vị trí máy thu GPSvà sự lệch các đồng hồ Phương trình của các bề mặt hình cầu được cho bởi:

Một công thức hữu ích của những phương trình này là trong điều kiện của giả cự

ly, mà chỉ đơn giản là cự ly xấp xỉ dựa trên đồng hồ của máy thu GPS chỉ ra thời gian để Sau đó, các phương trình trở thành:

Hai trong số các phương pháp quan trọng nhất của tính toán vị trí máy thu GPS và

sự lệch đồng hồ là :

(1) phép đo tam giác đạc theo sau một chiều tìm gốc số

(2) tính toán đa chiều Newton-Raphson

Trong trường hợp lý tưởng của không có lỗi, máy thu GPS có thể tại một điểm chính xác của các bốn bề mặt

Nếu máy thu GPS có thể thu nhiều hơn một điểm của bốn bề mặt phải áp dụng phép đo tam giác đạc

Cân chỉnh đồng hồ của máy thu GPS

Phương pháp tính toán vị trí cho các trường hợp không có lỗi đã được giải thích Một trong những nguồn lỗi quan trọng nhất là đồng hồ của máy thu GPS Bởi vì các giá trị rất lớn của vận tốc ánh sáng, c, ước tính khoảng cách từ máy thu GPS để các vệ tinh, các cự ly giả (pseudoranges), rất nhạy cảm với sai sót trong đồng hồ của máy GPS Điều này cho thấy một đồng hồ cực kỳ chính xác và tốn kém là cần thiết cho việc máy thu GPS làm việc.Các giải pháp cho tình trạng khó xử này dựa trên bề mặt hình cầu đường giao nhau trong GPS

Hãy để biểu thị khoảng cách từ vị trí ước tính hợp lệ của máy thu GPS để các vệ tinh thứ tư và để biểu thị pseudorange của vệ tinh thứ tư Hãy để Lưu ý rằng là khoảng cách từ vị trí máy thu GPS để tính bề mặt của hình cầu tương ứng với các vệ tinh thứ tư Vì vậy, các thương ,, cung cấp một ước tính của

(Chính xác thời gian) - (thời gian chỉ định bởi máy thu của on-board đồng hồ),

và đồng hồ máy thu GPS có thể được nâng cao nếu là dương hay bị trì hoãn nếu

là âm

Sơ đồ mô tả vệ tinh4, hình cầu, P4, R4, và da

Thiết bị dẫn đường GPS

Điện văn dẫn đường

tín hiệu dẫn đường chi tiết của nội dung điện văn tần số nhà cung cấp cho các điện văn được công bố Giải điều chế sóng mang và giải mã để tách tín hiệu từ các vệ tinh được mô tả Cơ bản phương trình mô tả hình học của hình cầu và khái niệm cơ bản rằng điện văn vệ tinh di chuyển ở tốc độ của ánh sáng được sử dụng Phương pháp thuật toán Newton-Raphson đa chiều

Mỗi vệ tinh GPS liên tục phát sóng một thông báo Điện văn dẫn đường tại 50 bit /

s cho thời gian-của-tuần, GPS số lượng thời gian tuần và thông tin tình trạng hoạt động của vệ tinh (tất cả truyền trong phần đầu của thư), một Lịch thiên văn (truyền trong phần hai của điện văn) và một niên lịch (sau này là một phần của điện văn) Toàn bộ Tín hiệu dữ liệu bao gồm 37500 bit và truyền với tốc độ 50 bit/s tổng cộng 12,5 phút thu được hoàn toàn Các điện văn được chia thành 25 khung khung, mỗi khung chiếm 30 giây để truyền tải 1.500 bit

Truyền của mỗi khung thứ hai 30s bắt đầu chính xác đúng giờ được chỉ ra bởi các đồng hồ nguyên tử của vệ tinh theo định dạng điện văn vệ tinh Mỗi khung chứa 5 khung phụ chiều dài 6 giây và với 300 bit mỗi khung phụ chứa 10 từ 30 bit với chiều dài 0,6 giây

Từ thứ 1 và 2 của mỗi khung phụ có cùng một loại dữ liệu Từ đầu tiên là từ phép

đo từ xa ( telemetry word ) mà chỉ ra sự khởi đầu của một khung phụ và được sử dụng bởi máy thu để đồng bộ với các thông báo dẫn đường Từ thứ hai là cách bàn giao từ ( Hand Over Word) nó chứa thông tin thời gian cho phép máy thu để xác định khung phụ và cung cấp thời gian khung phụ tiếp theo đã được gửi

Từ thứ 3 đến 10 của khung phụ 1 chứa dữ liệu mô tả đồng hồ vệ tinh và mối quan

hệ của nó với GPS thời gian

Các từ 3 đến 10 của khung phụ 2 và 3, có các dữ liệu Lịch thiên văn, cho riêng của quỹ đạo vệ tinh chính xác Các Lịch thiên văn được cập nhật mỗi lần 2 giờ và thường là hợp lệ cho 4 giờ đồng hồ, với quy định cho các cập nhật mỗi lần 6 giờ hoặc lâu hơn trong điều kiện không bình thường Thời gian cần thiết để có được các Lịch thiên văn đang trở thành một yếu tố quan trọng của sự giữ chậm để sửa vị trí đầu tiên, bởi vì, như phần cứng trở có khả năng, thời gian để khóa vào các tín hiệu vệ tinh lùi lại, nhưng các dữ liệu Lịch thiên văn yêu cầu 30 giây (trường hợp xấu nhất) trước khi nó được nhận, do tốc độ truyền dữ liệu thấp

Niên lịch bao gồm quỹ đạo thô và tình trạng thông tin cho mỗi vệ tinh trong chòm sao, mô hình một tầng điện ly, và thông tin liên quan đến nguồn gốc GPS thời gian

để phối hợp quốc tế (UTC)

Từ thứ 3 đến 10 của khung phụ 4 và 5 có chứa một phần mới của niên lịch Mỗi khung chứa 1/25th của niên lịch, do đó, 12,5 phút được yêu cầu để nhận được toàn

bộ niên lịch từ một vệ tinh duy nhất niên lịch phục vụ vài mục đích Đầu tiên là để

hỗ trợ trong việc yêu cầu các vệ tinh lúc mở điện bằng cách cho phép máy thu để tạo ra một danh sách các vệ tinh nhìn thấy được dựa trên vị trí và thời gian lưu trữ, trong khi một Lịch thiên văn từ mỗi vệ tinh là cần thiết để tính toán vị trí bằng cách sử dụng vệ tinh Trong phần cứng cũ hơn, thiếu niên lịch là một trong máy thu mới sẽ gây ra sự chậm trễ lâu trước khi cung cấp một vị trí hợp lệ, bởi vì việc mỗi lần tìm kiếm vệ tinh một quá trình chậm Những tiến bộ trong phần cứng đã làm cho quá trình thu lại nhanh hơn nhiều, vì vậy không có một niên lịch không còn là một vấn đề Mục đích thứ hai dành cho thời gian liên quan xuất phát từ GPS (gọi tắt là GPS thời gian) theo tiêu chuẩn thời gian quốc tế UTC Cuối cùng, niên lịch cho phép một bộ tiếp nhận tần số đơn chính xác cho những lỗi tầng điện ly bằng cách sử dụng một mô hình toàn cầu tầng điện ly Việc sửa chữa không được chính xác như các hệ thống tăng cường như WAAS hoặc nhận tần số kép Tuy nhiên, nó thường tốt hơn so với không phải sửa chữa , vì lỗi tầng điện ly là nguồn lỗi lớn nhất cho một máy thu GPS đơn tần số Một điều quan trọng cần lưu ý về dữ liệu