Khai thác và sử dụng hiệu quả máy thu GPS navigator và những giải pháp nâng cao độ chính xác vị trí

Mục đích nghiên cứu của đề tài Đề tài “Khai thác và sử dụng hiệu quả máy thu GPS Navigator và những giải pháp nâng cao độ chính xác vị trí” được thực hiện với mục đích: - Đưa ra các quy

LỜI CẢM ƠN

Em xin cảm ơn nhà trường, Khoa Hàng hải đã tạo điều kiện cho chúng emđược học tập trong môi trường chuyên nghiệp cùng với đội ngũ các thầy côgiảng viên nhiệt tình, giàu kinh nghiệm và nhiệt huyết đã giúp em tiếp thu kiếnthức chuyên môn vững chắc

Em xin cảm ơn thầy giáo Thạc sỹ Phạm Văn Luân cùng các thầy cô trongkhoa Hàng Hải đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quátrình thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Cuối cùng em xin cảm ơn tới gia đình đã động viên giúp đỡ em trong suốtthời gian học tập tại trường, cảm ơn các anh chị khóa trên, bạn bè đã nhiệt tìnhchia sẻ kinh nghiệm, trao đổi và góp ý để hoàn thành luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu dựa trên lý thuyết và thực

tế của riêng em dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Thạc sỹ Phạm Văn Luân Các

số liệu, kết quả, hình ảnh nêu trong luận văn tốt nghiệp là trung thực, kháchquan và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Mọithông tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn này đều được ghi rõ nguồn gốc

Sinh viên thực hiện

(ký và ghi rõ họ tên)

Hoàng Văn Tùng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG VÀ CẤU TẠO HỆ THỐNG GPS .4

1.1 Khái quát về lịch sử của hệ thống GPS 4

1.2 Cấu trúc hệ thống GPS 5

1.2.1 Khâu không gian (khâu vệ tinh) 5

1.2.2 Khâu điều khiển 7

1.2.3 Khâu máy thu (khâu người sử dụng) 8

1.3 Tín hiệu của hệ thống GPS 9

1.4 Nguyên lý xác định vị trí máy thu của hệ thống GPS 10

1.4.1 Nguyên lý đo khoảng cách trong hệ thống GPS 10

1.4.2 Xác định vị trí máy thu 12

CHƯƠNG 2: KHAI THÁC SỬ DỤNG MÁY THU GPS NAVIGATOR 15

2.1 Giới thiệu chung về các nút và chức năng của chúng 15

2.2 Cài đặt các thông số ban đầu cho máy thu 16

2.2.1 Cài đặt thời gian 17

2.2.2 Cài đặt định dạng ngày tháng/thời gian 17

2.2.3 Cài đặt hệ trắc địa 18

2.2.4 Cài đặt các đơn vị đo 18

2.2.5 Cài đặt lượng hiệu chỉnh sai số la bàn từ 19

2.2.6 Cài đặt đồng hồ hiện thị tốc độ 20

2.3 Các chế độ hiển thị của màn hình máy thu 20

2.3.1 Chế độ màn hình “Navigation information screen” 20

2.3.2 Chế độ màn hình “Plotting Screen” 23

2.3.3 Chế độ màn hình “CDI Screen” 23

2.3.4 Chế độ hiển thị “GPS Information Screen” 25

2.3.5 Chế độ hiển thị “Waypoint Information Screen” 25

2.3.6 Chế độ hiển thị “Beacon Information Screen” 26

2.3.7 Chế độ hiển thị “Navigation Assistance Screen” 26

2.4 Chế độ hàng hải theo điểm 27

2.4.1 Khai báo điểm Waypoint 27

2.4.2 Sao chép thông tin các điểm Waypoint 28

2.4.3 Xóa các điểm waypoint 30

2.4.4 Kích hoạt chế độ hàng hải theo điểm 30

2.5 Chế độ hàng hải theo tuyến 32

2.5.1 Tạo một tuyến hành trình 32

2.5.2 Chỉnh sửa tuyến hành trình có sẵn 34

2.5.3 Sao chép tuyến hành trình 34

2.5.4 Xóa tuyến hành trình 35

2.5.5 Kích hoạt và thoát khỏi chế độ hàng hải theo tuyến 36

2.6 Cài đặt các loại báo động 38

2.6.1 Các báo động chính 38

2.6.2 Một số báo động phụ 39

2.7 Chức năng đánh dấu vị trí người rơi xuống nước (MOB _ Man Over Board) 41

2.8 Chức năng lưu trữ điểm sự kiện (EVT) 42

2.8.1 Thêm các điểm sự kiện/đánh dấu 42

2.8.2 Hiển thị thông tin điểm sự kiện/ đánh dấu 43

2.8.3 Xóa điểm sự kiện/đánh dấu 43

CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CHO MÁY THU GPS 45

3.1 Các nguyên nhân dẫn tới sai số vị trí thu được từ máy thu GPS 45

3.1.1 Sai số chuẩn thời gian của vệ tinh 45

3.1.2 Sai số trong tính toán quỹ đạo vệ tinh 45

3.1.4 Sai số do độ trễ tín hiệu khi truyền qua tầng điện ly 47

3.1.5 Sai số của tốc độ truyền sóng 48

3.1.6 Sai số do độ trễ khi sóng truyền qua tầng đối lưu 49

3.1.7 Sai số do đa đường truyền 50

3.1.8 Sai số do nhiễu 51

3.1.9 Sai số do sử dụng hệ trắc đạc không đồng nhất trong GPS và trên hải đồ .51

3.2 Một số giải pháp nâng cao độ chính xác vị trí 52

3.2.1 Cài đặt các thông số máy thu 52

3.2.2 Một số lưu ý trong quá trình sử dụng máy thu GPS 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Theo số liệu thống kê, ngày nay vận tải đường biển chiếmkhoảng 80% tổng lượng hàng hoá luân chuyển trên thế giới,riêng ở Việt Nam là hơn 90% Ngành vận tải đường biển trênthế giới hiện đang ngày càng phát triển với xu hướng ngàycàng hiện đại và đa dạng Các cảng biển được các nước trênthế giới khai thác triệt để với quy mô và số lượng tăng nhanh Ngày 23/06/1994 Việt Nam phê chuẩn “Công ước Quốc tếcủa Liên hiệp quốc về Luật biển 1982”, từ đó đến nay ngànhhàng hải phát triển một cách nhanh chóng cả về số lượng cũngnhư chất lượng

Chúng ta có thể nhận thấy số lượng hàng hoá xuất - nhậpkhẩu của nước ta thông qua đường biển ngày càng tăng Ngoài

ra, đội ngũ thuyền viên của nước ta cũng đã được nâng cao cảchuyên môn nghiệp vụ và ngày càng chiếm vị trí quan trọng vàdần được thế giới đánh giá cao Có thể nói, cùng với quá trìnhhội nhập của đất nước, ngành hàng hải đã góp một phầnkhông nhỏ vào sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đấtnước Điều đó cũng phản ánh đúng phần nào quá trình tăngtrưởng kinh tế của nước ta trong thời gian gần đây

Bên cạnh đó, chúng ta cũng phải thừa nhận rằng, số vụ tainạn đường biển cũng không phải là một con số nhỏ Các vụ tàu

bị mắc cạn, va chạm hay chìm đắm vẫn luôn đe doạ đến antoàn sinh mạng và tài sản đối với thuyền viên cũng như cáccông ty vận tải biển Những vụ tai nạn đó đã để lại những hậuquả vô cùng to lớn, thiệt hại về kinh tế, ảnh hưởng xấu đến

Một trong những nguyên nhân dẫn đến các vụ tai nạn đó là

do lỗi của con người khi sử dụng các trang thiết bị dẫn đường,

do thuyền viên khai thác không lường trước, không đánh giámột cách chính xác các nguyên nhân dẫn đến sai số của nó Mặc dù các trang thiết bị dẫn đường ngày càng hiện đại nhưngkhai thác các trang thiết bị có hiệu quả hay không lại phụthuộc rất lớn vào trình độ hiểu biết của người sỹ quan hàng hải

về tính năng cũng như cách hoạt động của các trang thiết bịđó

Đề tài “Khai thác và sử dụng hiệu quả máy thu GPS

Navigator và những giải pháp nâng cao độ chính xác vị trí ’’sẽ đề cập đến một phần quan trọng trong quá trình khai

thác và sử dụng hiệu quả máy thu GPS đưa ra một cái nhìn đầy

đủ về tính năng cũng như cách sử dụng chi tiết giúp cho người

đi biển nắm bắt và khai thác hiệu quả các tính năng của máythu GPS, đáp ứng xu thế ngày càng phát triển và mở rộng củavận tải biển hiện nay

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Đề tài “Khai thác và sử dụng hiệu quả máy thu GPS

Navigator và những giải pháp nâng cao độ chính xác vị trí” được thực hiện với mục đích:

- Đưa ra các quy trình khai thác các chức năng hàng hảicủa máy thu GPS Navigator và một số khuyến nghị mang tínhgiải pháp nhằm nâng cao độ chính xác hoặc loại bỏ sai số chomáy thu GPS

- Xây dựng quy trình khai thác sử dụng máy thu GPSNavigator bằng phần mềm tin học Powerpoint giúp cho người

sỹ quan hành hải có thể làm quen với máy thu GPS Navigatorkhi lên tàu, hơn nữa đề tài cũng là tài liệu học tập tham khảocho sinh viên ngành Điều khiển tàu biển đang học tập tạitrường.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết của hệ thống GPS nóichung và máy thu GPS Navigator nói riêng Từ đó dựa trên cơ

sở thực hành thực tế để xây dựng các phương pháp khai thácmáy thu GPS Navigator một cách hiệu quả Phạm vi nghiên cứuchủ yếu của đề tài là đưa ra quy trình khai khai thác hiệu quảmáy thu GPS Navigator trong quá trình hàng hải

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thựchành dựa trên cơ sở khoa học liên quan đến khai thác sử dụngmáy thu GPS nói chung cũng như máy thu GPS Navigator nóiriêng Đồng thời đề xuất một số phương pháp nâng cao độchính xác và làm giảm sai số trong quá trình sử dụng máy thuGPS

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đề tài cung cấp một cách tương đối đầy đủ về lý thuyết của hệ thống GPS giúp nâng cao hiểu biết của mọi người về hệ thống GPS nói chung cũng như máy thu GPS Navigator nói riêng Đưa ra cách khai thác cơ bản đối với máy thu GPS

Navigator giúp mọi người tham khảo khi thực hành trên máy

- Khi đề tài hoàn thành sẽ là tài liệu tham khảo dành cho người đi biển cũng như sinh viên đang học tập được tìm hiểu,

làm quen, tiếp cận cách khai thác và sử dụng máy thu GPS Navigator.

CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG VÀ CẤU TẠO HỆ

THỐNG GPS

1.1 Khái quát về lịch sử của hệ thống GPS

Sự ra đời của những phương tiện vận chuyển như máy bay và những contàu vũ trụ đòi hỏi điều khiển những thiết bị đó trong không gian ba chiều Những

hệ thống dẫn đường vô tuyến điện trước kia dùng để dẫn tàu hiện nay đã trởthành lỗi thời và không phù hợp cho việc điều khiển con tàu hiện nay Trướcnhững đòi hỏi về độ chính xác cho vị trí xác định nhiều nhà khoa học đã đượcchính phủ Mỹ tài trợ để thực hiện nghiên cứu hệ thống dẫn đường, từ đó đã chếtạo thành công ra hệ thống định vị toàn cầu

GPS là một hệ thống chuẩn được phát triển bởi bộ quốc phòng Hoa Kỳ.Đây là chuẩn định vị nhờ vệ tinh với đầy đủ chức năng trên thế giới GPS sửdụng một nhóm từ 24 đến 32 vệ tinh bay ở quỹ đạo trung bình với độ cao20200km quanh Trái đất và phát tín hiệu tới các máy thu GPS nhằm xác địnhchính xác vị trí máy thu GPS Tên đầy đủ của GPS là NAVSTAR GPS và đượcquản lý bởi “United States Air Force 50th Space Wing” GPS thường được sửdụng trong dân sự như một hệ thống định vị và điều hướng

Vào khoảng sau những năm 1920, trên thế giới xuất hiện những hệ thống

vô tuyến dẫn đường đã tạo tiền đề cho việc phát triển hệ thống định vị toàn cầu.Những hệ thống hàng hải vô tuyến điện đó bao gồm: các thiết bị có tầm hoạtđộng ngắn như máy tìm phương, đèn hiệu vô tuyến (radio beacons), radar cácthiết bị có tầm hoạt động dài hơn như các hệ thống OMEGA, DECCA vàLORAN-C Những hệ thống dẫn đường này chủ yếu được sử dụng để dẫn tàu vàmáy bay

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (NAVSTAR GPS - Navigation SatelliteTiming and Ranging Global Positioning System) là một hệ thống vệ tinh có khảnăng xác định vị trí trên toàn cầu với độ chính xác khá cao được phát triển bởi

bộ quốc phòng Hoa Kỳ trong khoảng đầu năm 1970 Đầu tiên, GPS được xây

dựng để phục vụ cho các mục đích quân sự Sau khi chuyến bay 007 từ HànQuốc bị bắn hạ vào năm 1983 vì bay vào vùng cấm bay của USSR, tổng thống

Mỹ, Ronald Reagan đưa ra chỉ thị sử dụng GPS cho dân sự như một tiện íchchung Từ khi đó, GPS được sử dụng rộng rãi hỗ trợ định vị toàn cầu, và là mộtcông cụ hữu dụng cho thiết kế bản đồ, đo đạc địa chất, nghiên cứu khoa học vàcác tiện ích cá nhân khác

Hệ thống GPS chính thức hoàn thành vào ngày 8-12-1993 với 24 vệ tinh.Trong thực tế hiện nay GPS có số lượng vệ tinh luôn nhiều hơn 24 vệ tinh

1.2 Cấu trúc hệ thống GPS

GPS gồm 3 khâu:

 Khâu không gian (là các vệ tinh GPS)

 Khâu điều khiển (các trạm kiểm soát mặt đất)

 Khâu sử dụng (gồm các máy thu GPS dùng cho dân sự và quân sự)

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống GPS:

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống GPS

1.2.1 Khâu không gian (khâu vệ tinh)

Tính đến năm 2012 khâu không gian của hệ thống GPS bao gồm 32 vệ tinhnhân tạo Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh bay xung quanh trái đất là quỹ đạo

tròn, vệ tinh chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo Các mặt phẳng quỹ đạocủa hệ thống GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ, ở độ cao20.200 km, chu kỳ 11 giờ 57 phút 57,26 giây.

Năm 1978 vệ tinh GPS đầu tiên được phóng lên quỹ đạo, từ đó đến nay đã

có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau gồm: Block I, Block II, Block IIA, Block IIR.Thế hệ cuối của vệ tinh Block IIR được gọi là Block IIR-M Những vệ tinh thế

hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạtđộng lâu hơn

Hình 1.2 Chuyển động của các vệ tinh GPS trên mặt phẳng quỹ đạo

Hì

nh 1.3 Các thế hệ vệ tinh

Mỗi vệ tinh phát lần lượt 2 tần số sóng mang là tần số L1=1575.42 MHz vàL2=1227.60 MHz Hệ thống sử dụng hai mã P và C/A, mã P được sử dụng trongquân sự với độ chính xác cao còn mã C/A được sử dụng trong dân sự với độchính xác kém hơn mã P.

1.2.2 Khâu điều khiển

Khâu điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũngnhư hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS Phần điều khiển có

5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:

 Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục

 Quy định thời gian phát bản tin của hệ thống GPS

 Dự đoán quỹ đạo chuyển động tiếp theo và lịch trình của vệ tinh, sựhoạt động của đồng hồ vệ tinh

 Cập nhật các bản tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể

Tất cả các trạm điều khiển đều có máy thu GPS, và chúng tiến hành đokhoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan sátđược, đồng thời đo đạc các số liệu khí tượng Tất cả các số liệu đo nhận được ởmỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm Trạm trung tâm xử lý các số liệuđược truyền từ các trạm theo dõi về cùng với các số liệu đo của chính nó Kếtquả xử lý cho ra vị trí và trạng thái hoạt động chính xác của vệ tinh và số hiệuchỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh Từ trạm trung tâm các số liệu này đượctruyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùngcác lệnh điều khiển khác Như vậy cập nhật các thông tin về quỹ đạo và thôngtin thời gian trên vệ tinh được thường xuyên, chính xác Việc chính xác hóa cácthông tin như trên được thực hiện 3 lần trong ngày Các thông tin cung cấp chokhách hàng chỉ đảm bảo độ chính xác định vị khoảng 10m, còn thông tin đảmbảo độ chính xác định vị đến tầm 1m chỉ có được khi có sự thỏa thuận với nhàcung cấp

Khâu điều khiển gồm có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại ColoradoSpring và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawai (Thái Bình Dương), Ascensin Island(Đại Tây Dương) Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái BìnhDương) Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất.

Hình 1.4 Sơ đồ bố trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS trên thế

giới

1.2.3 Khâu máy thu (khâu người sử dụng)

Khâu người sử dụng bao gồm các máy thu GPS có thể đặt cố định trên mặtđất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như ô tô, máy bay, tàu biển, tênlửa tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấutạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý và quy trình thao tác thu thập số liệu ởthực địa

Hiện nay máy thu GPS cũng ngày một đa dạng hơn đáp ứng mọi nhu cầutrong đời sống và nghiên cứu khoa học Trên cơ sở có vị trí liên tục chức năngcủa máy thu ngày càng được mở rộng Hầu hết các máy thu GPS trong hàng hảiđều có chức năng phụ kèm theo như: hàng hải theo điểm, hàng hải theo tuyến,các chức năng báo động trực neo, báo động lệch khỏi đường đi, báo đông lệchhướng, báo động vị trí người rơi xuống nước… Ngoài ra máy thu GPS cũng

được kết nối để đưa dữ liệu sang các thiết bị khác như radar, hải đồ điện tử phục

vụ công tác cảnh giới và điều động tránh va

1.3 Tín hiệu của hệ thống GPS

Tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ Sóng điện từ được dùng cho mục đích đođạc có những thông số đặc trưng, được nghiên cứu, thử nghiệm đảm bảo các yêucầu nghiêm ngặt về độ chính xác, tính ổn định và yêu cầu kỹ thuật khác Về mặtvật lý, tín hiệu vệ tinh có các thông số cơ bản đó là bước sóng, tần số và các mãđiều biến trên sóng tải

Mỗi vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao Máyphát của vệ tinh tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz, và từ đây tạo ra cáctần số L1 = 1575,42 MHz và L2 = 1227,60 MHz Các sóng tải được điều chếbởi 2 loại mã khác nhau: mã C/A và mã P

x154

x120

- Mã C/A (Coarse/Acquisition) là mã được sử dụng cho các mục đích dân

sự và chỉ được điều chế bởi tần số L1 Mã này được tạo bởi một chuỗi các số 0

và 1 được sắp xếp theo quy luật ngẫu nhiên với tần số 1,023 MHz tức chỉ bằng1/10 tần số cơ sở, chiều dài mỗi phần tử là 0.9975 micro giây và được lặp lại saumỗi miligiây Mỗi vệ tinh được gắn một mã C/A riêng biệt Mã C/A cung cấp vịtrí với độ chính xác kém hơn mã P vào khoảng 50m, tương ứng với chế độ định

vị tiêu chuẩn SPS (Standard Positioning Service)

Tần số cơ bản

10,23MHz

Mã C/A1,023 MHz

Sóng mang L11575,42 MHz 10,23 MHzMã P

Mã P10,23 MHzSóng mang L2

1227,6 MHz

- Mã P (Precise) là mã chính xác nó được sử dụng cho các mục đích quân

sự, tức là để đáp ứng yêu cầu độ chính xác cao và điều chế cả 2 tần số L1 và L2

Mã này được tạo bởi nhiều chữ số 0 và 1 được sắp xếp theo qui luật ngẫu nhiênvới tần số 10,23 MHz, chiều dài mỗi phần tử là 99.75 nano giây; độ dài toànphần của mã P là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày mã P mới lặp lại Tuy vậyngười ta chia mã này thành các đoạn có độ dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinhmột trong các đoạn mã như thế, cứ sau một tuần lại thay đổi Như vậy chuỗiphần tử mã P rất dài và không lặp lại gây khó khăn cho việc đồng pha và xácđịnh thời gian truyền sóng, nhưng nó có ưu điểm là nâng cao độ chính xác,nhưng hạn chế của việc sử dụng mã P là nó chỉ cho một số đối tượng sử dụngnhất định Mã P cung cấp độ chính xác cao từ 10-16 mét tương ứng với chế độđịnh vị chính xác PPS (Precise Positioning Service) Chỉ có máy thu đặc biệtmới có thể thu được tín hiệu mã P

1.4 Nguyên lý xác định vị trí máy thu của hệ thống GPS 1.4.1 Nguyên lý đo khoảng cách trong hệ thống GPS

Hệ thống GPS xác định vị trí tàu bằng phương pháp đo khoảng cách từ vệtinh đến máy thu, bằng cách đo thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thurồi nhân với tốc độ truyền sóng sẽ thu được khoảng cách Để thực hiện việc đokhoảng cách được chính xác cần giải quyết các vấn đề sau:

- Xác định mối quan hệ giữa đồng hồ về tinh và đồng hồ máy thu phải xácđịnh được sai số giữa đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh, ví dụ: Hai đồng hồsai lệch nhau 1 micro giây thì sai số đo khoảng cách đã là 300 mét

- Đo thời gian truyền sóng với độ chính xác cao Máy thu phải sử dụngphương pháp đặc biệt để đo thời gian truyền sóng

a) Sai số đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu

Trạm kiểm tra, trạm điều khiển và vệ tinh được trang bị đồng hồ có độ ổnđịnh rất cao (đồng hồ Laser dùng Hydro hay đồng hồ nguyên tử Cesi) Nguyên

lý của nó là đếm số chu kỳ dao động sinh ra từ bộ tạo dao động tính từ thời điểmnhất định nào đó Độ ổn định của đồng hồ này là 2x10-13 chu kỳ/ngày với đơn vị

đo là nano giây (10-9 s)

Đồng hồ máy thu thường là loại đồng hồ điện tử có độ chính xác thấp hơn

so với đồng hồ máy thu Do vậy tồn tại sai số tbias của đồng hồ điện tử máy thu

so với đồng vệ tinh chính xác tới micro giây để đo thời gian truyền sóng đượcchính xác Thực tế sai số tbias hầu như không thay đổi và là một hằng số

b) Nguyên lý đo thời gian truyền sóng

Nguyên lý đo thời gian truyền sóng trong hệ thống GPS dựa trên kỹ thuật

tự động đồng pha đặc biệt Giả sử vệ tinh phát tới máy thu một chuỗi tín hiệugồm các phần tử, lúc đó trong máy thu sẽ sinh ra một chuỗi so sánh giống hệtnhư chuỗi tín hiệu của vệ tinh Chuỗi mô hình bắt đầu từ thời điểm tu=0 theođồng hồ máy thu Ban đầu nó chưa cùng pha với chuỗi tín hiệu thu được từ vệtinh nhưng chuỗi mô hình được dịch chuyển dần trên trục thời gian nhờ đồng hồmáy thu Khi đã đồng pha, bộ tự động đồng pha sẽ sinh ra một điện áp làmngừng sự sự dịch pha giữa thời gian đo được và cơ cấu tính toán

Nếu khoảng cách giữa tàu và vệ tinh thay đổi làm chuỗi tín hiệu vệ tinh tớimáy thu vào thời điểm khác đi bộ tự động đồng pha đang ở trạng thái đồng pha

sẽ bị lệch pha, nhưng nó sẽ tự động dịch chuyển chuỗi mô hình để duy trì trạngthái đồng pha

Giả sử tại thời điểm tsv vệ tinh phát tín hiệu và thời gian tín hiệu này đếnmáy thu là tu được báo trên đồng hồ máy thu Do đồng hồ máy thu sai lệch vớiđồng hồ vệ tinh 1 khoảng tbias nên thời gian truyền tín hiệu sẽ là (tu+tbias-tsv) vàkhoảng cách từ vệ tinh tới máy thu sẽ là c.(tu+tbias-tsv)

Hình 1.5 Nguyên lý đo thời gian truyền sóng

1.4.2 Xác định vị trí máy thu

Xét trong hệ tọa độ Đề-các có tâm trùng với tâm trái đất, mặt phẳng Oxy làmặt phẳng xích đạo, trục Ox nằm tronng mặt phẳng kinh tuyến Greenwich.Trong hệ này khoảng cách giữa máy thu P(xu,yu,zu) với vệ tinh 1(x1,y1,z1) theonhư tính toán phần trên sẽ là:

Trong phương trình trên thời gian vệ tinh tsv đã biết nhờ các bản tin vệ tinh

mà máy thu thu được Như vậy còn 4 đại lượng chưa biết đó là : xu, yu, zu, tbias

hay nói cách khác là có 4 ẩn số Tọa độ của từng vệ tinh đã biết từ trước, để cóthể xác định được các ẩn số ta cần có ít nhất 4 phương trình như trên, nghĩa là

cần có 4 vệ tinh để đo khoảng cách Khi đó ta có hệ 4 phương trình như sau(tương túng với 4 vệ tinh 1, 2, 3, 4):

(xu,yu,zu) là tọa độ máy thu

(x1,y1,z1) (x2,y2,z2) (x3,y3,z3) (x4,y4,z4) lần lượt là tọa độ của 4 vệ tinh

Nếu trang bị đồng bộ giữa vệ tinh và máy thu cùng một loại đồng hồnguyên tử có độ chính xác cao thì ta coi như loại bỏ được sai số tbias=0 thì lúcnày chỉ cần thu được hai vệ tinh kết hợp với phương trình trái đất sẽ cho ta vị trímáy thu P(xu,yu,zu) hay vị trí tàu.

CHƯƠNG 2: KHAI THÁC SỬ DỤNG MÁY THU GPS

NAVIGATOR

2.1 Giới thiệu chung về các nút và chức năng của chúng

Máy thu GPS dùng trong hàng hải có nhiều chủng loại do nhiều công ty sảnxuất khác nhau tuy nhiên chúng đề có chung một số đặc điểm về cầu tạo cũngnhư cách khai thác giống nhau Dưới đây là một số nút cơ bản thường gặp trêncác máy thu GPS phổ biến hiện nay

MOB Hiển thị chế độ màn hình hàng hải đồng thời đánh dấu vị trí

nơi có người rơi xuống nước

DISP Thay đổi các chế độ hiển thị màn hình của máy thu

MENU Hiển thị các lựa chọn chính của Menu

▲▼

◄► Nút để cuộn màn hình và di chuyển con trỏ

1/MARK Hiển thị kí tự nơi vị trị con trỏ đang đặt khi máy thu ở màn

hình hàng hải và đánh dấu vị trí

2/EVEN Hiển thị kí tự tại vị trí hiện tại trên màn hình hàng hải và

đánh dấu vị trí3/←→ Nút tăng diện tích màn hình hiển thị khi ở chế độ hàng hải4/# Nút chức năng in ấn và cài đặt

5/GOTO Nút cài đặt các waypoint

6/→← Nút giảm diện tích màn hình hiển thị khi ở chế độ hàng hải

7/CURS Nút lựa chọn kiểu hiện thị/dấu con trỏ trên màn hình ở chế

độ hàng hải

8/AZI Nút lựa chọn các chế độ North Up, Course Up, hoặc

Relative North Up trên chế độ màn hình hàng hải

9/HOME Nút di chuyển vị trí tàu chủ về trung tâm màn hình tại chế

độ hàng hải0/* Nút hiển thị thông tin về đồng hồ và báo động

2.2 Cài đặt các thông số ban đầu cho máy thu

Để cài đặt những thông số ban đầu cho máy thu ta ấn “MENU/5.SYSTEM”màn hình cài đặt sẽ hiện ra, tại đây chúng ta có thể lựa chọn các thông số cần càiđặt bằng cách ấn phím số tương ứng với mục mà ta lựa chọn

2.2.1 Cài đặt thời gian

Chúng ta có thể cài đặt sự chênh lệch thời gian giữa địa điểm hiện tại củamáy thu so với giờ quốc tế UTC Ví dụ nếu ta ở Việt Nam có lượng chênh lệchthời gian là +7 nên ta sẽ cài đặt là +07:00 Sau khi cài đặt xong, thời gian hiểnthị trên màn hình sẽ là thời gian tại địa điểm máy thu đang hoạt động (có chữ

“L” đặt bên cạnh)

Thao tác: Ấn lần lượt theo thứ tự các nút MENU -> 5-> 1 để lựa chọn

“TIME DIFF” Lựa chon dấu + hoặc – bằng nút ▼▲ rồi sử dụng các phím sốnhập múi giờ tàu đang hoạt động, cuối cùng ấn ENT để xác nhận

2.2.2 Cài đặt định dạng ngày tháng/thời gian

a) Ngày tháng

Ta có thể cài đặt chế độ hiển thị ngày tháng năm trên màn hình theo ýmuốn dưới 3 dạng sau “YY-MM-DD”, “DD MM,YY” hoặc “MM DD,YY”.Thao tác: Ấn lần lượt theo thứ tự các nút MENU -> 5 -> 2 để lựa chọn

“DATE DISP” Sử dụng 2 nút ▲▼ để lựa chọn định dạng hiển thị ngày thángnăm muốn hiển thị, cuối cùng ấn ENT để xác nhận

b) Thời gian

Ta có thể lựa chọn thời gian hiển thị theo kiểu 24h hoặc 12h tùy theo ýthích

Thao tác: Ấn lần lượt theo thứ tự các nút MENU -> 5 ->3 để lựa chọn

“TIME DISP” Sử dụng 2 nút ▼▲ để lựa chọn định dạng thời gian muốn hiểnthị, cuối cùng ấn ENT để xác nhận

2.2.3 Cài đặt hệ trắc địa

Ta có thể lựa chọn hệ trắc địa dùng cho máy thu khi tính toán tọa độ củamình Có 47 loại hệ trắc địa trong máy để chúng ta lựa chọn cho phù hợp vớitừng hoàn cảnh khác nhau

Thao tác: Ấn lần lượt theo thứ tự các nút MENU -> 5 ->4 để lựa chọn

“DATUM” Sử dụng 2 nút ▲▼ để lựa chọn hệ trắc địa phù hợp, cuối cùng ấnENT để xác nhận

2.2.4 Cài đặt các đơn vị đo

a) Khoảng cách và tốc độ

Chúng ta có thể lựa chọn đơn vị đo khoảng cách và tốc độ cho máy thudưới 3 dạng sau: “NM, knots”, “km, km/h” hoặc mi, mi/h”

Thao tác: Ấn lần lượt theo thứ tự các nút MENU -> 5 -> 5 để lựa chọn

“UNIT-DIST/SPEED” Sử dụng 2 nút ▼▲ để lựa chọn đơn vị đo phù hợp, cuốicùng ấn ENT để xác nhận

b) Độ cao vào độ sâu

Chúng ta có thể lựa chọn đơn vị đo phù hợp cho máy thu dưới 3 lựa chọn

là: m, ft hoặc fm Nếu như ta chọn đơn vị là fm thì ta phải điền giá trị chuyểnđổi của nó sang hệ m, mặc định thì 1 fm = 1.8288 m

Thao tác: Ấn lần lượt theo thứ tự các nút MENU -> 5 -> 6 để lựa chọn

“HIEGHT/DEPTH” Sử dụng 2 nút ▲▼ để lựa chọn đơn vị rồi xác nhận bằngENT

Nếu như lựa chọn đơn vị là “fm”, ta bắt buộc phải nhập giá trị chuyển đổi

từ hệ “m”, dùng 2 nút ▼▲ để lựa chọn “SET” sau đó dùng các phím số điền giá

“DEFAULT” cuối cùng ấn ENT để xác nhận Xem hình mô tả của bước này nhưsau:

c) Nhiệt độ

Chúng ta có thể lựa chon cho máy thu hiển thị nhiệt độ dưới dạng 0C hoặc

0F

Thao tác: Ấn lần lượt theo thứ tự các nút MENU -> 5 -> 7 để lựa chọn

“TEMPERATURE” Sử dụng 2 nút ▼▲ để lựa chọn đơn vị đo rồi ấn ENT đểxác nhận

2.2.5 Cài đặt lượng hiệu chỉnh sai số la bàn từ

Ta có thể lựa chọn cài đặt máy thu điều chỉnh 1 lượng sai số do la bàn từmột cách tự động, thủ công bằng tay hoặc tắt chức năng này đi Nếu ta lựa chọnchế độ tự động, lượng hiệu chỉnh sẽ được tự động tính toán từ giá trị vị trí GPScủa máy thu rồi hiệu chỉnh để cho giá trị chính xác Nếu ta lựa chọn chế độ điềuchỉnh bằng tay, giá trị hiệu chỉnh sẽ được nhập thủ công bằng tay vào máy đểtính toán giá trị cuối cùng Nếu ta tắt chế độ này thì không có lượng hiệu chỉnh

về sai số từ tính

Thao tác: Ấn lần lượt theo thứ tự các nút MENU -> 5 -> 8 để lựa chọn

“MAG CORR” Sử dụng 2 nút ▲▼ để lựa chọn các chế độ rồi ấn ENT để xácnhận

Nếu lựa chọn chế độ Manual ta cần cài đặt thêm giá trị hiệu chỉnh bằngcách sử dụng nút ▼▲ để lựa chọn phía E/W sau đó dùng các phím số để nhậpgiá trị hiệu chỉnh, cuối cùng ấn ENT để xác nhận.

2.2.6 Cài đặt đồng hồ hiện thị tốc độ

Khi ta sử dụng chế độ màn hình CDI chúng ta có thể cài đặt giá trị tối đa

mà đồng hồ tốc độ hiển thị, đơn vị của giá trị đo tốc độ sẽ được lấy thống nhấtvới đơn vị mà ta đã lựa chọn ở phần cài đặt đơn vị đo khoảng cách và tốc độ.Giá trị cực đại mà máy cho phép là 100knots

Thao tác: Ấn lần lượt theo thứ tự các nút MENU -> 5 ->9 để lựa chọn

“SPEED METER” Sử dụng các phím số để nhập giá trị cần nhập rồi ấn ENT đểxác nhận

2.3 Các chế độ hiển thị của màn hình máy thu

Máy thu có nhiều chế độ hiển thị màn hình khác nhau để phù hợp với từngchức năng khai thác, để chuyển qua lại giữa các chế độ màn hình ta bấm nútDISP trên thân máy Tên một số dạng màn hình hiển thị của máy thu như sau:Navigation information screen, Plotting screen 1, Plotting screen 2, Plottingscreen 3, CDI screen, GPS information screen, Waypoint information screen,Beacon information screen, Navigation assistance screen

2.3.1 Chế độ màn hình “Navigation information screen”

1) Nếu tàu đang chạy theo điểm Waypoints

Có tất cả 4 chế độ hiển thị của màn hình bao gồm 1 chế độ hiện thị chính

và 3 chế độ hiển thị phụ được chuyển qua lại lần nhau bằng nút ◄ ►

a) Chế độ hiển thị chính

Thông số hiển thị trên màn hình bao gồm: Tọa độ hiện tại của tàu, tốc tộcủa tàu so với đáy biển (SOG), hướng của tàu so với đáy biển (COG).

b) Các chế độ màn hình phụ

Ngoài ra còn 3 chế độ màn hình phụ cung cấp một số thông tin khác nhaunhư: Số hiệu điểm Waypoints (WPT), số hiệu chuyến (ROUTE), tọa độ hiện tạicủa tàu, tốc tộ của tàu so với đáy biển (SOG), Hướng của tàu so với đáy biển(COG), khoảng cách từ tàu tới điểm Waypoint tiếp theo (DIST), phương vị từtàu tới điểm Waypoint tiếp theo (BRG), thời gian dự kiến đến điểm Waypointtiếp theo (ETA), tổng thời gian dự kiến chạy hết chuyến đã đặt ra (FINALETA)

Sub-screen 1

2) Khi tàu chạy không theo điểm Waypoint

Có tất cả 3 chế độ hiển thị của màn hình bao gồm 1 chế độ hiện thị chính

và 2 chế độ hiển thị phụ được chuyển qua lại lần nhau bằng nút ◄ ►

Thông số hiển thị trên màn hình bao gồm: Tọa độ hiện tại của tàu, tốc tộcủa tàu so với đáy biển (SOG), Hướng của tàu so với đáy biển (COG) Tại cácchế độ màn hình khác nhau trong trường hợp này đều hiển thị 3 thông tin kể trênchỉ khác chữ chữ và cách sắp xếp

Màn hình chính Màn hình 1 Màn hình 2

Sub-screen 2

Sub-screen 3

2.3.2 Chế độ màn hình “Plotting Screen”

Có 3 màn hình hiển thị chế độ này gồm: “Plotting Screen 1”, “PlottingScreen 2” và “Plotting Screen3” chúng đều hiển thị thông tin giống nhau chỉkhác nhau về cách sắp xếp và hiển thị

Thông số hiển thị trên màn hình gồm: Phần lớn màn hình dùng để hiện thịtuyến đường mà tàu dự định chạy với độ dạt ngang cho phép sang 2 bên và cácđiểm đánh dấu, đường kẻ đã lưu sẵn trong máy thu Ngoài ra còn có tọa độ hiệntại của tàu, tốc tộ của tàu so với đáy biển (SOG), hướng của tàu so với đáy biển(COG), khoảng cách từ tàu đến điểm Waypoint tiếp theo (DIST)

2.3.3 Chế độ màn hình “CDI Screen”

Khi màn hình ở chế độ hiển thị “CDI Screen” các thông số sẽ được bố trídưới dạng đồng hồ bao gồm: hướng tàu chạy và tốc độ tàu chạy Ngoài ra còn cóthanh thông báo độ dạt của tàu ở bên dưới màn hình, phía bên trên góc phải làthanh cung cấp chỉ số về quãng đường tàu chạy cũng như khoảng cách đến điểm

tiếp theo Trên cùng màn hình là thông số về vị trí hiện tại của tàu và thời gianhiện tại của tàu.

Khi ta ấn nút ◄ hoặc ► màn hình “Highway screen” hiện ra cung cấp thông tin theo chế độ tàu chạy “Course up”

Tại chế độ hiển thị này chúng ta có thể quan sát được hướng tàu chạy đếncác điểm waypoint tiếp theo, đồng thời cung cấp một số thông tin khác như: Tọa

độ hiện tại của tàu, tốc tộ của tàu so với đáy biển (SOG), Hướng của tàu so vớiđáy biển (COG), khoảng cách từ tàu tới điểm Waypoint tiếp theo (DIST),phương vị từ tàu tới điểm Waypoint tiếp theo (BRG), độ dạt của tàu (XTD).Chúng ta có thể thay đổi độ phóng to thu nhỏ của màn hình hiển thị bằngthước “Scale bar” góc phải phía dưới màn hình Sử dụng phím 3 hoặc 6 để tănggiảm đến kích thước mong muốn máy thu hiển thị

2.3.4 Chế độ hiển thị “GPS Information Screen”

Tại chế độ hiển thị này máy thu cung cấp cho chúng ta thông tin nhận đượccủa vệ tinh hoặc các trạm gần bờ mà máy thu dùng để tính toán vị trí Ngoài ra

nó cũng hiển thị thông số độ cao anten (ANT HGT) và chỉ số HDOP của các vệtinh

2.3.5 Chế độ hiển thị “Waypoint Information Screen”

Tại chế độ hiển thị này, máy thu cung cấp cho ta thông tin về các điểmhàng hải Waypoint trong chuyến đi được lập sẵn (route) Để xem thông tin củacác điểm waypoint khác nhau ta sử dụng 2 nút ► và/hoặc ◄, để hiện thị thôngtin điểm waypoint cuối cùng ta ấn và giữ tổ hợp hai nút “ 0 và ►”, để hiện thịthông tin điểm waypoint hiện tại ta ấn và giữ tổ hợp hai nút “0 và ◄”

Thông tin hiển thị trên màn hình bao gồm: Số hiệu điểm Waypoint, tọa độđiểm Waypoint, phương vị từ vị trí hiện tại của tàu đến điểm Waypoint (BRG),khoảng cách từ vị trí hiện tại của tàu đến điểm Waypoint (DIST), thời gian dựkiến đến điểm Waypoint (ETA), thời gian yêu cầu để hiện thị Waypoint (TTG),

độ rộng về 2 bên trái, phải so với tâm đường đi (WIDTH PORT và WIDTHSTBD), tốc độ dự kiến của tàu (SPEED)

2.3.6 Chế độ hiển thị “Beacon Information Screen”

Tại chế độ này màn hình sẽ hiển thị các tin nhắn bao gồm 16 loại tin nhắn

mà máy thu nhận được từ các đài bờ gửi tới

2.3.7 Chế độ hiển thị “Navigation Assistance Screen”

Tại chế độ này màn hình sẽ hiển thị các thông tin về chuyến đi như thời bắt đầu/kết thúc chuyến đi, khoảng cách tàu đi được, tổng thời gian tàu chạy Các thông tin máy thu dùng để tính toán phụ thuộc vào thiết bị đầu vào mà có thể đưa ra kết quả khác nhau Có tất cả 4 màn hình trợ giúp hàng hải và được

chuyển qua lại bằng 2 nút ◄ ►

2.4 Chế độ hàng hải theo điểm

Hàng hải theo điểm là chế độ khi tàu chạy tới một điểm đích duy nhất, ví

dụ như điểm đón hoa tiêu, vị trí neo, bãi đá, hòn đảo nhỏ Khi thiết lập chế độhàng hải theo điểm trong máy thu, máy thu sẽ liên tục chỉ báo cho ta các thông

số cần thiết phục vụ cho công tác dẫn tàu như khoảng cách còn lại, hướng láicần thiết để đi đến điểm đó, thời gian còn lại ứng với vận tốc hiện tại của tàu để

đi đến điểm đó, độ dạt khỏi đường đi của tàu… Để sử dụng được chế độ nàymáy thu cần phải có thông tin về các điểm Waypoint, hiện nay các máy thu đã

hỗ trợ lưu trữ đến 10000 điểm waypoint và tọa độ giới hạn cũng được mở rộnglên đến 890 N và 890S

2.4.1 Khai báo điểm Waypoint

Có 5 cách để nhập dữ liệu cho một điểm Waypoint bao gồm:

Nhập kinh độ và vĩ độ đã biết từ trước (LAT/LON);

Nhập từ số liệu của con trỏ trên màn hình (CURSOR);

Nhập từ phương vị và khoảng cách tới một điểm đặc biệt nào đó(BRG/DIST);

Nhập từ vị trí đăng kí trong dữ liệu sự kiện, danh sách cách điểm đã đánhdấu được lưu trữ trong máy thu (EVENT LIST)

Để nhập dữ liệu ban đầu ta cần mở danh sách cách điểm waypoint lên vàchọn số thứ tự của waypoint muốn khai báo

Thao tác: Ấn lần lượt theo thứ tự MENU -> 3 >1 để hiện “WPT LIST”

Ấn nút 1 để đặt số hiệu cho điểm waypoint;

Ấn nút 2 để lựa chọn kí tự của waypoint;

Ấn nút 3 để thêm ghi chú cho waypoint;

Ấn nút 4 để lựa chọn các cách nhập tọa độ cho waypoint

Màn hình khai báo waypoint hiện ra có dạng như sau: