Chương 3 Phân tích bộ thu định vị toàn cầu GPS
3.1 Tổng quan về hệ thống GPS
GPS là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Mỹ, cung cấp các dịch vụ định vị, dẫn đường, và các dịch vụ thời gian cho người sử dụng trên toàn thế giới một cách liên tục, bất kể thời tiết, ngày đêm, dù họ ở bất kì nơi nào trên trái đất.
Hệ thống GPS được chia ra thành ba phân hệ chính: phân hệ không gian, phân hệ điều khiển, và phân hệ sử dụng. Bộ Quốc phòng Mỹ đảm nhiệm việc sản xuất và phóng các vệ tinh, cũng như việc quản lý các trạm điều khiển vệ tinh ở mặt đất.
Phần người sử dụng bao gồm nhiều thành phần, có nhiệm vụ quản lý và phát triển các ứng dụng GPS, bao gồm cả việc xây dựng các thiết bị sử dụng hệ thống như anten và máy thu.
Đối với máy thu, hệ thống GPS cung cấp hai loại dịch vụ cơ bản, đó là: dịch vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) và dịch vụ định vị chính xác (PPS). Chính phủ Mỹ, quân đồng minh và những người sử dụng đặc biệt được cấp phép sử dụng PPS. Họ sử dụng các thiết bị bảo mật và các máy thu được trang bị đặc biệt. Độ chính xác của PPS được dự kiến là 22 m theo chiều ngang, 27.7 m theo chiều dọc và thời gian là 200 ns (UTC). Trong khi đó, những người sử dụng bình dân trên khắp thế giới được sử dụng SPS miễn phí hoặc bị hạn chế sử dụng. Hầu hết các máy thu đều có khả năng thu và sử dụng tín hiệu SPS. Độ chính xác của SPS bị cố ý làm giảm bằng việc dùng Selective Availability bởi DOD. Độ chính xác của SPS được dự kiến là 100 m theo chiều ngang, 156 m theo chiều dọc và thời gian là 340 ns. [2]
3.1.1. Phân hệ không gian
Phân hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử và phát ra tín hiệu cao tần chứa mã giả ngẫu nhiên, và phát lại bản tin định vị từ các tín hiệu thu được (từ phân hệ điều khiển).
Phân hệ không gian bao gồm các thành phần sau:
3.1.1.1. Chùm sao vệ tinh
Chùm sao vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ, được phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn, kí hiệu từ A đến F, với đường kính khoảng 20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo. Mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh chính được kí hiệu từ 1 đến 4 và được phân bố đều. Chu kỳ của các vệ tinh là 12 giờ. Cấu trúc quỹ đạo vệ tinh này cho phép người sử dụng hệ thống GPS trên mặt đất có thể “nhìn thấy” tối thiểu là 4 vệ tinh và trung bình từ 6 đến 8 vệ tinh nếu không bị cản trở bởi các cấu trúc hạ tầng dưới mặt đất. [3]
Hình 3.1. Chùm sao vệ tinh.
3.1.1.2. Vệ tinh GPS
Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc với phân hệ điều khiển, và phát tín hiệu tới máy thu.
Hình 3.2. Vệ tinh NAVSTAR.
Các vệ tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: Chúng có thể được nhận biết bởi vị trí của chúng trên quỹ đạo (mỗi vệ tinh có một vị trí (1, 2, 3, …) trên 6 quỹ đạo: A, B, C, D, E, F) hay bởi số chứng nhận NASA, hoặc có thể được xác định bởi ID quốc tế, hoặc có thể bởi mã giả ngẫu nhiên PRN hay bởi số hiệu SVN.
Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một đồng hồ với độ chính xác rất cao. Các đồng hồ đó hoạt động ở một tần số cơ bản 10.23 MHz, chúng được dùng để phát tín hiệu xung, các tín hiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh.
3.1.2. Phân hệ điều khiển
Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ hệ thống, bao gồm một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station – MCS) đặt tại căn cứ không quân Schriever, Colorado Spring ở bang Colorado - Mỹ; năm trạm thu số liệu được đặt quanh trái đất dọc theo đường Xích đạo, cụ thể là ở Nam Đại Tây Dương (Ascension), Ấn Độ Dương (Diego Garcia), Nam Thái Bình Dương (Kwajalein), Hawaii và Colorado Spring; và ba trạm truyền số liệu đặt tại Nam Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương, Nam Thái Bình Dương. [3]
Hình 3.3. Phân hệ điều khiển.
MCS làm nhiệm vụ theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản lý quỹ đạo vệ tinh và duy trì thời gian GPS. Từ đó dự đoán các thông số quỹ đạo và đưa ra giá trị thời gian GPS đồng bộ giữa các vệ tinh, nhằm cập nhật dữ liệu định vị của các vệ tinh.
Năm trạm thu số liệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và dự đoán quỹ đạo của chúng. Mỗi trạm được trang bị những máy thu P-code để thu các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính.
Ba trạm truyền số liệu có khả năng chuyển số liệu lên vệ tinh, gồm lịch thiên văn mới, dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ, các bản tin, và các lệnh điều khiển từ xa.
3.1.3. Phân hệ sử dụng
Phân hệ sử dụng bao gồm các bộ thu GPS và cộng đồng người sử dụng. Các máy thu GPS sẽ chuyển đổi các tín hiệu vệ tinh thành các thông số vị trí, vận tốc, và thời gian. Để tính toán các thông số vị trí (X, Y, Z) và thời gian, chúng ta cần ít nhất bốn vệ tinh. Bộ thu GPS được sử dụng cho các dịch vụ định vị, dẫn đường, phân phát thời gian, và các nghiên cứu khác.
Với cấu trúc và đặc điểm của hệ thống GPS như trên, ta thấy rằng GPS có rất nhiều ưu điểm và đem lại nhiều lợi ích khi hoạt động. Các ứng dụng sử dụng dịch vụ GPS ngày càng được mở rộng và phát triển rộng rãi. Trong phần tiếp theo, chúng