Chương 3 Phân tích bộ thu định vị toàn cầu GPS
3.2 Cấu trúc tín hiệu GPS
3.2.5. Bản tin định vị
Bản tin định vị GPS bao gồm các bit đánh nhãn thời gian, ghi lại thời gian truyền dẫn của mỗi khung con trong thời gian chúng được phát đi bởi vệ tinh. Cấu trúc bản tin định vị sử dụng một định dạng cơ bản của một khung (frame) có chiều dài 1500 bit, được tạo từ năm khung con (subframe), mỗi khung con dài 300 bit (hình 3.7).
Mỗi khung con gồm 10 từ, mỗi từ dài 30 bit; bit có trọng số cao nhất (MSB) của tất cả các từ đều được phát trước tiên. Một khung được truyền 30s một lần. Ba khung con đầu tiên chứa dữ liệu quỹ đạo và đồng hồ: tham số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh được gửi trong khung con số 1, các dữ liệu quỹ đạo vệ tinh chính xác (lịch thiên văn) được gửi trong các khung con số 2 và 3. Hai khung con cuối, số 4 và số 5, có 25 phiên bản (với cấu trúc như nhau nhưng khác nhau về dữ liệu) được xem như các trang từ 1 đến 25. Hai khung con số 4 và 5 được dùng để truyền các trang khác
của dữ liệu hệ thống. Một bộ trọn vẹn 25 khung (125 khung con) tạo nên bản tin định vị hoàn chỉnh và nó được gửi theo chu kỳ 12.5 phút (Với tốc độ 50 bps, việc truyền một khung con kéo dài 6s. Các khung con số 1, 2 và 3 lặp lại mỗi 30 s trong khi các khung con số 4 và 5 có 25 phiên bản trước khi lặp lại. Do đó, một bản tin định vị hoàn chỉnh kéo dài 12.5 phút). [2]
Mỗi khung con bắt đầu với một từ Telemetry (TLM) và một từ Handover (HOW). TLM được phát trước, ngay sau đó là HOW. Tiếp theo sau là 8 từ dữ liệu.
Mỗi từ trong khung chứa các bit chẵn lẻ, cho phép kiểm tra dữ liệu và hạn chế việc phải hiệu chỉnh lỗi.
Tại thời điểm kết thúc hoặc bắt đầu một tuần lễ, đầu tiên chúng ta phải đánh lại thứ tự trang cho các khung con từ khung con số 1 đến khung con số 5, bắt đầu từ khung con số 1 mà không để ý tới khung con nào đã được phát cuối cùng; tiếp theo, chu kỳ của 25 trang của các khung con 4 và 5 sẽ bắt đầu lại với trang số 1 của mỗi khung con mà không để ý tới trang nào đã được phát cuối cùng. Các chuyển tiếp trang sẽ xảy ra ở các biên của khung (tức là những giây thuộc module thứ 30 liên quan tới việc kết thúc hoặc bắt đầu một tuần lễ). Do đó, dữ liệu mới trong hai khung con số 4 và 5 có thể được bắt đầu phát với bất kì trang nào trong số 25 trang của các khung con này. [2]
Hình 3.10. Cấu trúc dữ liệu định vị trong GPS.
Các tham số dữ liệu đồng hồ mô tả đồng hồ vệ tinh và quan hệ của nó với thời gian GPS. Các tham số dữ liệu lịch thiên văn mô tả các quỹ đạo vệ tinh trong những đoạn ngắn của quỹ đạo. Thông thường, một máy thu thu thập dữ liệu lịch thiên văn mới sau mỗi giờ, nhưng có thể sử dụng dữ liệu cũ lên tới 4 giờ mà không có sai số lớn. Các tham số lịch thiên văn được dùng trong thuật toán tính toán vị trí vệ tinh ở bất kì thời điểm nào trong chu kỳ quỹ đạo được mô tả bởi bộ tham số lịch thiên văn.
Niên lịch là tham số dữ liệu quỹ đạo gần đúng cho các vệ tinh. Có 10 tham số mô tả các quỹ đạo vệ tinh trên những chu kỳ lớn (có thể là hàng tháng) và một bộ cho tất cả các vệ tinh được gửi bởi mỗi vệ tinh qua một chu kỳ 12.5 phút (nhỏ nhất).
Mỗi bộ dữ liệu vệ tinh hoàn chỉnh có một mô hình tầng điện li, được dùng trong máy thu để tính toán trễ pha khi qua tầng điện li ở bất kì vị trí và thời gian nào.
Mỗi vệ tinh gửi một đại lượng là độ lệch của thời gian GPS (GPST) so với thời gian phối hợp toàn cầu (UTC), giá trị này được dùng ở máy thu để hiệu chỉnh UTC trong phạm vi 100 ns.
Các tham số hệ thống khác và các cờ được gửi để mô tả chi tiết về hệ thống.
3.2.5.2. Các trường TLM và HOW
Định dạng và nội dung của TLM và HOW được mô tả trong hình 3.8.
Hình 3.11. Định dạng của hai từ TLM và HOW.
Mỗi từ TLM dài 30 bit, xuất hiện 6s một lần trong khung dữ liệu và là từ đầu tiên trong mỗi khung con/trang. Bit “1” được phát đầu tiên. Mỗi từ TLM bắt đầu với một mào đầu, được theo sau bởi 16 bit dành riêng và 6 bit chẵn lẻ.
Từ HOW dài 30 bit và là từ thứ hai trong mỗi khung con/trang, theo ngay sau TLM. Một từ HOW xuất hiện với chu kì 6s trong khung dữ liệu. Bit MSB được phát trước tiên. HOW bắt đầu với 17 bit MSB trong TOW-Count. Một TOW-Count đầy đủ gồm 19 bit LSB trong Z-Count 29 bit. 17 bit này tương ứng với TOW-Count ở thời điểm 1.5s - là thời điểm bắt đầu của khung con theo ngay sau. Theo sau là hai cờ cung cấp thông tin cho người sử dụng về anti-spoofing (AS).
Khung con 1 2 3 4 5 Mã ID 001 010 011 100 101
Bảng 3.2. Mã ID của các khung con.
3.2.5.3. Dữ liệu trong bản tin định vị
Ngoài các từ TLM và HOW, mỗi khung con bao gồm 8 từ dữ liệu.
Khung con 1: Dữ liệu đồng hồ và tình trạng vệ tinh. Khung con đầu tiên bao gồm trước hết là tất cả thông tin đồng hồ. Đó là thông tin cần để tính toán thời gian mà bản tin định vị được phát từ vệ tinh. Hơn nữa, khung con 1 bao gồm dữ liệu tình trạng vệ tinh khi mà dữ liệu đáng tin cậy.
Khung con 2 và 3: Dữ liệu lịch thiên văn vệ tinh. Các khung con 2 và 3 gồm dữ liệu lịch thiên văn vệ tinh. Dữ liệu này liên quan tới quỹ đạo vệ tinh và cần cho tính vị trí vệ tinh.
Khung con 4 và 5: Dữ liệu hỗ trợ. Hai khung con cuối cùng lặp lại mỗi 12.5 phút.
Các khung con 4 và 5 gồm dữ liệu lịch năm. Lịch năm là dữ liệu đồng hồ và lịch thiên văn với độ chính xác kém hơn. Hơn nữa, mỗi vệ tinh phát dữ liệu lịch năm cho tất cả các vệ tinh GPS trong khi nó chỉ phát dữ liệu lịch thiên văn cho chính nó.
Phần còn lại của các khung con 4 và 5 gồm các dữ liệu khác nhau, ví dụ như các tham số UTC, các chỉ thị tình trạng và các tham số tầng điện li.
Tóm lại, cấu trúc cơ bản của tín hiệu GPS bao gồm: sóng mang L (chúng ta chỉ nghiên cứu sóng mang L1), hai mã trải phổ C/A và P(Y), cùng với bản tin định vị.
Tiếp theo, phần 3 sẽ trình bày về kiến trúc chung của một bộ thu GPS.