Xem mẫu
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, thế giới thông tin ngày càng phát triển một cách đa dạng và
phong phú. Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống càng tăng cả về
số lượng và chất lượng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành viễn thông cần mở rộng.
Trong những năm gần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bước tiến
vượt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đưa con người nhanh chóng tiếp cận với
các tiến bộ khoa học kỹ thuật. Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến
như máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi 1 kỹ thuật mà các hệ thống cũ không thể đáp
ứng được đó là định vị trong không gian 3 chiều, và như vậy hệ thống định vị
toàn cầu- GPS(Global Positioning System) ra đời.
Việc ứng dụng công nghệ GPS trong các bài toán quản lý ph ương ti ện
giao thông đang trở nên phổ biến trên thế giới. Với sự h ỗ trợ của công ngh ệ
thông tin, GPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả, mang lại giá
trị gia tăng cao dựa trên nền tảng của các dịch vụ viễn thông.
Ở Việt Nam, các ứng dụng của GPS đã bắt đầu được thử nghiệm trong
các lĩnh vực lâm nghiệp, thuỷ lợi, giao thông… tuy nhiên các ứng dụng GPS
mang tính tích hợp hệ thống, phục vụ các nhu cầu đặc thù xã hội vẫn chưa được
phổ biến. Đặc biệt, việc áp dụng công nghệ GPS trong việc quản lý vị trí và
hành trình các tàu đánh bắt cá xa bờ đang trở thành nhu cầu cấp thiết, ph ục vụ
yêu cầu quản lý của các cơ quan nhà nước, hỗ trợ công tác tìm ki ếm c ứu n ạn và
cảnh báo thiên tai trên biển. Với mục đích khảo sát, nghiên cứu hệ thống định
vị này, nhóm chúng em chọn đề tài “Hệ thống định vị GPS” cho bài t ập l ớn c ủa
mình.
Nội dung đề tài gồm 3 chương chính:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh.
Chương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS.
Chương 3: Một số ứng dụng phổ biến của GPS.
Trong quá trình tìm hiểu do khối lượng kiến thức đề tài l ớn nên d ễ x ảy ra
sai sót khi đưa vào đề tài. Vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của th ầy cô và
các bạn.
Nhóm thực hiện đề tài
1
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
1.1 Giới thiệu về sự ra đời và lịch sử phát triển của hệ thống GPS.
1.1.1 Sự ra đời
Sự ra đời của những phương tiện vận chuyển như máy bay, và nh ững con
tàu vũ trụ đòi hỏi điều khiển những thiết bị đó trong không gian ba chiều. Những
phương pháp dẫn đường và những hệ thống dẫn đường vô tuyến đi ện nh ư khái
quát ở trên chỉ dùng cho việc dẫn dắt các tàu thủy đã trở thành l ỗi th ời và không
phù hợp với việc điều khiển các thiết bị chuyển động trong không gian ba chi ều
vì những hệ thống đương thời chỉ xác định được vị trí theo 2 chiều không gian.
Trước những đòi hỏi về kỹ thuật đó nhiều nhà khoa học đã đ ược chính ph ủ M ỹ
tài trợ để thực hiện nghiên cứu hệ thống dẫn đường dựa trên vũ trụ.
1.1.2 Lịch sử phát triển
Thập niên 1920: Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến.
-
- Đầu Đại chiến thế giới 2: LORAN, hệ thống dẫn đường áp dụng phương
pháp đo độ lệch thời gian của tín hiệu sóng vô tuyến, do Phòng thí
nghiệm Bức xạ Đại học MIT (MIT Radiation Laboratory). LORAN cũng
là hệ thống định vị trong mọi điều kiện thời tiết thực sự đầu tiên nhưng
hai chiều(kinh độ và vĩ độ).
- Năm 1957: Vệ tinh Sputnik của Nga được phóng lên vũ trụ. Đại học MIT
cho rằng tín hiệu vô tuyến điện của vệ tinh có thể tăng lên khi chúng tiếp
cận trái đất và giảm đi khi rời khỏ trái đất và do vậy có thể truy theo vị trí
từ mặt đất.
- Năm 1959: TRANSIT, hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh hoạt động
đầu tiên, do Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng Johns Hopkins phát tri ển
dưới sự chỉ đạo của TS Richard Kirschner. Mặc dù khởi đầu Transit đ ược
chế tạo để hỗ trợ cho đội tàu ngầm của Mỹ nh ưng nh ững công ngh ệ này
đã được phát triển có ích trở thành Hệ thống định v ị toàn c ầu. V ệ tinh
Transit đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào năm 1959.
- Năm 1960: Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian ba chiều (kinh độ, vị
độ và độ cao longitude, latitude and altitude) đầu tiên do Raytheon
Corporation đề xuất theo yêu cầu của Air Force để làm hệ thống dẫn
đường sẽ được sử dụng với (with a proposed ICBM) có th ể đạt tới độ l ưu
động bằng chạy trên một hệ thống đường ray. Hệ thống dẫn đường được
trình bày là MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control). Ý
tưởng này bị hỏng khi chương trình Mobile Minuteman bị h ủy bỏ vào năm
1961.
- Năm 1963: Tổng công ty Aerospace Corporation thực hiện nghiên cứu về
hệ thống không gian làm cơ sở cho hệ thống dẫn đường cho phương tiện
chuyển động nhanh theo ba chiều không gian. Việc nghiên cứu này trực
2
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
tiếp dẫn tới khái niệm về hệ thống định vị toàn cầu. Khái niệm liên quan
đến việc đo thời gian tới của tín hiệu sóng vô tuyến được phát đi từ vệ
tinh có vị trí chính xác đã biết. Đo thời gian sẽ cho khoảng cách tới vị trí
vệ tinh đã biết và lần lượt có thể xác định được vị trí của người sử dụng.
Năm 1964 Timation, hệ thống vệ tinh hải quân, được phát triển dưới
-
sự chỉ đạo của Roger Easton ở Phòng nghiên cứu Hải quan (Naval
Research Lab, NRL) để cải thiện đồng hồ có tính ổn định cao, khả năng
truyền thời gian, và dẫn đường 2 chiều. Hoạt động của Timation theo
tiêu chuẩn thời gian chuẩn vũ trụ đã cung cấp cơ sở quan trọng cho
hệ thống định vị toàn cầu. Vệ tinh Timation đầu tiên được phóng lên
vũ trụ vào tháng 5 năm 1967.
Năm1968: Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD, Department of Defence, USA)
-
thành lập một ủy ban gọi là Ủy ban Thự hiện Vệ tinh Dẫn đường
(NAVSEC, Navigation Satellite Executive Committee) để phối hợp nỗ
lực của các nhóm dẫn đường vệ tinh (Transit của Hải quân, Chương
trình Timation, và SECOR của Quân đội, hay còn gọi là Hệ thống đồng
tương quan khoảng cách chuỗi (Sequential Correlation of Range
System). NAVSEC ký hợp đồng một số nghiên cứu để làm sáng tỏ
khái niệm dẫn đường vệ tinh cơ bản. Những nghiên cứu này về một số
vấn đề chính xung quanh khái niệm như lựa chọn tần số sóng mang (dải
L đối lập với dải C), thiết kế cấu trúc tín hiệu, và lựa chọn định hình quỹ
đạo vệ tinh.
Năm 1969-1972 NAVSEC quản lý các thảo luận khái niệm giữa các
-
nhóm dẫn đường vệ tinh khác nhau. APL Hải quân ủng hộ nhóm
Transit mở rộng, trong khi NRL Hải quân ủng hộ cho Timation mở rộng,
còn Air Force thì ủng hộ cho “chòm sao đồng bộ mở rộng”, tức dự án ‘Hệ
thống 621B’.
Tháng 4 năm 1973 Thứ trưởng Bộ Quốc phòng quyết định thiết lập một
-
chương trình hợp tác ba dịch vụ để thống nhất những khái niệm khác
nhau về định vị và dẫn đường thành một hệ thống Bộ quốc phòng hỗn
hợp gọi là Hệ thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (Defense Navigation
Satellite System). Air Force được chỉ định làm người quản lý (điều hành)
chương trình. Hệ thống mới được phát triển qua văn phòng chương trình
kết hợp (joint program office), với sự tham gia của tất cả quan chủng
quốc phòng. Đại tá Brad Parkinson được chỉ định làm người chỉ đạo văn
phòng chương trình kết hợp và được đặt trọng trách phát triển kết hợp
khái niệm ban đầu về hệ thống dẫn đường dựa trên không gian (space-
based navigation system)
Tháng 8 năm 1973 Hệ thống đầu tiên được trình bày tới Hội đồng Thu
-
nhận và Thẩm định Hệ thống Quốc phòng (Defense System Acquisition
and Review Council, DSARC) bị từ chối thông qua. Hệ thống được
3
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
trình lên DSARC được gói gọn trong Hệ thống 621B của Air Fore và
không đại diện cho chương trình kết hợp. Mặc dù có người ủng hộ ý
tưởng của hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh mới nhưng Văn phòng
Chương trình Kết hợp đã được thúc đẩy khẩn trương tổng quát hóa khái
niệm bao gồm xem xét và yêu cầu tất cả các binh chủng quốc phòng.
Ngày 17/12/1973 Một khái niệm mới được trình tới DSARC và được
-
thông qua để thực hiện và cấp kinh phí là hệ thống NAVSTAR GPS, đánh
dấu khởi đầu công nhận khái niệm (ý tưởng) (Giai đoạn I của chương
trình GPS). Khái niệm mới thực sự là một hệ thống dàn xếp (thỏa
hiệp – compromise system) do Đại tá Parkinson thương lượng đã kết hợp
tốt nhất giữa tất cả những khái niệm và công nghệ dẫn đường vệ tinh
có sẵn. Cấu hình hệ thống được thông qua bao gồm 24 vệ tinh chuyển
động trong những quỹ đạo nghiêng chu kỳ 12 giờ đồng hồ.
Tháng 6 năm 1974 Hãng Rockwell International được chọn làm nhà cung
-
cấp vệ tinh cho chương trình GPS.
Ngày 14 tháng 7 năm 1974 Vệ tinh NAVSTAR đầu tiên được phóng lên
-
vũ trụ. Vệ tinh này được chỉ định là Vệ tinh Công nghệ Dẫn đường
(NTS) số 1, về cơ bản đây là vệ tịnh Timation tân trang lại do NRL đóng.
Vệ tinh thứ hai (là vệ tinh cuối cùng) của nhóm NTS được phóng vào
năm 1977. Những vệ tinh này được sử dụng cho việc đề xuất đánh giá
khái niệm (ý tưởng) và thực hiện những đồng hồ nguyên tử đầu tiên đã
được phóng vào trong không gian (vũ trụ).
Năm 1977: Thực hiện kiểm tra thiết bị người sử dụng ở Yuma, Arizona.
-
Ngày 22/2/1978: Vệ tinh Block I đầu tiên được phóng. Toàn bộ 11 vệ tinh
-
Block I được phóng trong khoảng thời gian 1978 và 1985 trên Atlas-
Centaur. Những vệ tinh Block I do Rockwell International xây dựng được
coi là những vệ tinh mẫu phát triển được dùng để kiểm tra hệ thống.
Bị mất một vệ tinh do phóng trượt.
26/4/1980: Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng Hệ
-
thống phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp
(Integrated Operational Nucluear Detonation Detection System (IONDS)
sensors).
Năm 1982: Bộ Quốc phòng thông qua quyết định giảm số vệ tinh của
-
chòm vệ tinh GPS từ 24 xuống 18 tiếp theo sau tái cấu tạo lại
chương trình chính do Quyết định 1979 của Văn phòng Thư ký Bộ Quốc
phòng gây ra để cắt giảm kinh phí 500 triệu đô la (khoảng 30%) từ ngân
sách cho giai đoạn năm tài chính FY81-FY86.
Ngày 14/7/1983 Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm
-
tiếng nổ hạt nhân (NDS) mới hơn.
Ngày 16/9/1983 Theo (the Soviet downing of Korean Air flight 007), tổng
-
thống Reagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay dân dụng hoàn
4
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
toàn miễn phí khi hệ thống đưa vào sử dụng. Sự kiện này đánh dấu sự
bắt đầu lan tỏa công nghệ GPS từ quân sự sang dân sự.
Năm 1984: Khảo sát trở thành một thị trường GPS thương mại đầu bảng
-
được nâng cánh! Để bù cho số vệ tinh giới hạn có sẵn trong quá trình
phát triển chòm vệ tinh, các nhà khảo sát đã chuyển qua số kỹ thuật nâng
cao độ chính xác bao gồm kĩ thuật GPS Vi phân (DGPS) và kỹ thuật
truy theo pha sóng mang (carrier phase tracking).
Tháng 4 1985 Hợp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao
-
cho JPO. Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển cũng như lựa
chọn sản xuất các máy thu GPS dùng cho máy bay, tàu thủy và máy thu
xách tay (gọn nhẹ).
Năm 1987: Bộ Quốc phòng chính thức yêu cầu Bộ Giao thông
-
(Department of Transport, DoT) có trách nhiệm thiết lập và cung cấp một
văn phòng đáp ứng nhu cầu người sử dụng dân sự về thông tin GPS, dữ
liệu và hỗ trợ kỹ thuật.
Tháng 3/1988 Thư ký Air Force thông báo về việc mở rộng chòm GPS tới
-
21 vệ tinh cộng thêm 3 vệ tinh dự phòng.
Ngày 14/2/1989: Vệ tinh đầu tiên của các vệ tinh Block II đã được phóng
-
từ Cape Canaveral AFT, Florida, trên dàn phóng Delta II (Delta II booster).
Phi thuyền con thoi (Space Shuttle) làm bệ phóng theo kế hoạch cho các
vệ tinh Block II được Rockwell Intenational đóng. Tiếp theo tai nạn
Challenger 1986, Văn phòng Chương trình Kết hợp (JPO) xem xét lại và
đã sử dụng Delta II làm bệ phóng vệ tinh GPS. SA (Selective Availabity)
và AS (Anti-spoofing).
- Ngày 21/6/1989: Hãng Martine Marietta (sau khi mua xong General Electric
Astro Space Division vào năm 1992) được thắng hợp đồng xây dựng 20
vệ tinh bổ sung (Block IIR). Chiếc vệ tinh Block IIR đầu tiên sẵng
sàng để phóng vào cuối năm 1996.
Năm 1990: Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hàng
-
đầu thế giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm ban đầu.
Ngày 25/3/1990: Do theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến Liên bang,
-
lần đầu tiên khởi động (kích hoạt) SA (Selective Availability) làm giảm
độ chính xác dẫn đường GPS có chủ định.
Tháng 8/1990: SA được tắt đi trong chiến tranh vịnh Ba tư (Persian Gulf
-
War). Những yếu tố đóng góp vào quyết định tắt SA bao gồm việc phủ
sóng ba chiều có giới hạn được chòm NAVSTAR cung cấp trong quỹ đạo
vào thời gian đó và sớ máy thu mã số chính xác (Precision (P)-code) trong
bản kiểm kê của DoD. DoD đã mua hàng nghìn máy thu GPS dân dụng
ngay sau đó không lâu đã dùng cho lực lượng liên minh trong cuộc chiến
tranh.
5
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
Hệ GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập
thông tin toàn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất. Ngày
nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám
hiểm trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Hệ
GPS là hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh do Hoa Kỳ kiểm soát và duy trì hoạt
động. Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên trái đất ở độ cao
20.200 km (11.900 NM ), với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi
các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận. Từ những năm đầu
thập kỷ 80, các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối tượng sử dụng tư
nhân. Trên các xe hơi hạng sang, những thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số
PDA (Personal Digital Assistant), được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện
giá trị của chủ sở hữu.
- Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978.
- 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 (5m)
với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²).
- Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts.
Hệ thống dẫn đường vô tuyến (Radio Navigation)
1.2
Nguyên lý hoạt động
1.2.1
Áp dụng nguyên lý tính toán thời gian truyền sóng vô tuyến từ vệ tinh đến
máy thu định vị đặt trên đối tượng cần xác định để xác định khoảng cách từ vệ
tinh đến máy thu định vị đó. Ta biết rằng tốc độ sóng vô tuyến trong không g ian
gần bằng vận tốc ánh sáng (3.108 m/s), nếu máy thu có thể xác định chính xác
thời gian khi vệ tinh bắt đầu gửi đoạn tin và thời gian máy thu nhận được
đoạn tin đó từ đó có thể xác định được khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh
theo biểu thức:
R=c.∆T
với R: khoảng cách thừ vệ tinh đến máy thu. (m)
c : Vận tốc ánh sáng. (c= 3.108 m/s)
T : Thời gian truyền sóng từ máy phát đên máy thu. (s)
Như vậy để thực hiện thì phải đồng bộ chính xác giữa vệ tinh và máy thu GPS
thì máy phát ở vệ tinh và máy thu GPS có các mã định thời giả ngẫu nhiên đồng
nhất.
Mỗi vệ tinh sẽ liên tục phát mã đồng bộ của chúng một cách chính xác, máy
thu GPS sau khi thu được mã đồng bộ phát từ vệ tinh nó sẽ thực hiện so sánh
6
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
với mã tạo ra để xác định thời gian truyền sóng. Hiệu số thời gian đó nhân
với tốc độ truyền sóng sẽ cho ra kết quả khoảng cách từ máy thu đến vệ
tinh. Hình 1.3 mô tả quá trình so sánh mã của vệ tinh và mã của máy thu GPS để
xác định thời gian truyền sóng.
Hình 1.3 Quá trình so sánh mã của vệ tinh và mã của máy thu GPS
1.2.2 Đặc điểm của hệ thống
Thiết bị đơn giản rẻ tiền, dễ thao tác.
-
Tầm hoạt động bị hạn chế, độ chính xác không cao, nó phụ thuộc vào
-
nhiều yếu tố:
+ Thời điểm đo, nhiệt độ, độ ẩm của không khí ảnh hưởng tới quá trỡnh
truyền lan súng điện từ.
+ Vị trí cần xác định tọa độ, ảnh hưởng của địa hỡnh phức tạp tới sự lan
truyền của tia sóng.
Để tăng tầm hoạt động của hệ thống, người ta thường liên kết từng cụm gồm
3 trạm đèn hiệu vô tuyến thành từng chuỗi hệ thống. Khi đó độ phủ sóng của hệ
thống rộng hơn một trạm đơn lẻ, thường vào khoảng 1000 dặm.
1.3 Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh.
Để xác định vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử
dụng vệ tinh làm các điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính đ ược khoảng cách t ừ
vật thể đến các vệ tinh này (Hình 1.3a). Ở đây ta đã biết trước v ị trí r j của vệ
tinh thứ j (phát ra tín hiệu) và muốn xác định vị trí R i của anten thứ i (thiết bị thu
tín hiệu vệ tinh) do đó ta cần phải đo vector cự ly eij ρ Ij giữa 2 vị trí nói trên
(eij là vector đơn vị). Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có
thể có những kỹ thuật định vị vệ tinh khác nhau và xác định được vị trí của
anten thứ i theo
công thức sau:
Ri=rj -eij ρij
7
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
Hình 1.3a: Vị trí các vật thể được xác định qua 4 phép đo
Do vị trí của vệ tinh thay đổi theo thời gian nên việc dự đoán một cách
chính xác vị trí của vệ tinh rj(t) tại một thời điểm nào đó là rất khó khăn. Nhiệm
vụ dự đoán quỹ đạo hay lịch thiên văn (ephemeris) của vệ tinh đòi hỏi phải có
kiến thức đặc biệt về động lực học vệ tinh mà người vận hành hệ thống cần
phải quan tâm. Giả sử ta bỏ qua sai số đồng hồ máy thu trên vật thể i và đo
được cự ly từ vật thể i đến vệ tinh 1 là ρi1, nghĩa là vật thể i đang nằm trên một
mặt cầu (S 1) có tâm là vệ tinh 1 (C1) và bán kính là ρi1. Tiếp theo ta thực hiện
phép đo cự ly từ vật thể i đến vệ tinh 2 và nhận được kết quả là ρi2, điều này
cho chúng ta biết rằng vật thể i không chỉ nằm trên mặt cầu (S1) mà còn
nằm trên mặt cầu (S2) cách vệ tinh 2 (C2) một khoảng cách là ρi2. Nói cách
khác, vật thể i sẽ nằm trên đường tròn (O) do 2 mặt cầu (S1), (S2) cắt nhau tạo
ra. Nếu chúng ta tiếp tục đo được cự ly từ vật thể i đến vệ tinh 3 là ρi3 thì vị trí
chính xác của nó là một trong hai giao điểm P1, P2 của mặt cầu (S3) với đường
tròn (O), như ở hình 1.3.
Như vậy, bằng các phép đo cự ly từ vật thể i đến 3 vệ tinh, ta có thể
xác định được 2 vị trí có thể có của nó trong không gian. Để xác định vị trí nào là
vị trí thật ta có thể thực hiện 1 phép đo bổ sung, tuy nhiên 1 trong 2 vị trí tính
được từ phép đo này sẽ cho một kết quả không phù hợp (hoặc là ở rất xa trái
đất, hoặc là chuyển động với vận tốc vô cùng lớn) và do đó có thể bỏ qua mà
không cần phải thực hiện phép đo này.Ba phép đo cự ly ở trên cho ta 3
phương trình độc lập với nhau cần thiết để xác định 3 ẩn số. 3 ẩn số này là
tọa độ ( x, y, z) của vật thể i trong không gian ba chiều.
8
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
Hình 1.3b: Định vị điểm bằng vệ tinh
Khi kể đến sai số đồng hồ máy thu, tất cả các phép đo cự ly đồng thời
đều bị lệch bởi giá trị sai số này. Do đó, trong bất kỳ một tập hợp các phép đo
cự ly đồng thời nào, chúng ta cũng cần phải xác định đầy đủ 4 ẩn số (3 ẩn số
vị trí, 1 ẩn số thời gian), nghĩa là cần 4 phương trình hay 4 phép đo cự ly đến vệ
tinh để xác định vị trí duy nhất của vật thể.
1.4 Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh
Mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code - PRC)
1.4.1
Là thành phần cơ bản của GPS, gồm các mã số (digital code) rất phức
tạp, hay nói cách khác nó là một chuỗi liên tiếp các xung nhị phân “0” và “1”
(hình1.4).
Hình 1.41: Mã giả ngẫu nhiên PRC
Tín hiệu này phức tạp gần như là các nhiễu điện từ ngẫu nhiên nên được gọi
là mã giả ngẫu nhiên. Nó có nhiệm vụ bảo đảm cho máy thu không đồng bộ
ngẫu nhiên với tín hiệu khác. Ngoài ra, do mỗi vệ tinh có một mã PRC duy nhất
riêng biệt nên điều này cũng bảo đảm rằng máy thu sẽ không tình cờ bắt
được tín hiệu của vệ tinh khác, vì vậy các vệ tinh có thể sử dụng cùng tần
9
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
số mà không làm nhiễu lẫn nhau. Không những vậy, việc sử dụng mã PRC
này còn giúp cho quá trình xử lý và khuếch đại tín hiệu dựa trên lý thuyết thông
tin được thực hiện dễ dàng hơn, giúp tối ưu hóa anten thu và tiết kiệm chi phí.
Đo cự ly bằng sóng xung và sóng liên tục
1.4.2
Các hệ thống đo cự ly thường dùng các tín hiệu xung hoặc các tín
hiệu sóng liên tục. Mỗi phương pháp đều có những ưu khuyết điểm riêng và
đều có thể sử dụng trong phép đo một chiều hoặc hai chiều. Hệ thống định
vị vô tuyến toàn cầu là hệ thống đo cự ly một chiều có khả năng sử dụng cả
hai loại: sóng xung và sóng liên tục.
1.4.3 Nguyên lý đo cự li cơ bản
Bằng cách xác định khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy
thu ta có thể tính toán được cự ly giữa chúng nhờ vào công thức:
Cự ly = vận tốc x thời gian ( = c.t)
Vấn đề ở đây là làm sao tính toán được thời gian truyền tín hiệu giữa
chúng. Để thực hiện điều này chúng ta giả sử rằng cả vệ tinh và máy thu
đều phát ra các mã PRC giống nhau vào cùng một thời điểm. Lúc này tại máy
thu ta nhận được 2 phiên bản mã không đồng thời, 1 phiên bản mã của máy thu
và 1 phiên bản mã từ vệ tinh sẽ đến trễ hơn một khoảng thời gian do phải
trải qua một quảng đường khá xa từ vệ tinh đến máy thu. Như vậy dựa vào
khoảng thời
gian trễ trên ta có thể xác định được cự ly một cách dễ
dàng.
Thời trễ được xác định bằng cách sử dụng nguyên lý tương quan tín hiệu
ngẫu nhiên trong máy thu tương quan (correlator).
10
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
Giả cự ly là cự ly đo được giữa vệ tinh và máy thu khi kể đến các sai số
đồng hồ (đồng hồ máy thu và vệ tinh) cũng như các nguồn sai số khác (sai
số do lịch thiên văn, do tầng điện ly, do tầng đối lưu, …). Nói cách khác, giả cự
ly là tích của tốc độ ánh sáng và trị biến đổi thời gian cần thiết để so hàng một
phiên bản mã được phát từ máy thu với một phiên bản mã khác nhận được
từ vệ tinh. Trên lý thuyết, trị biến đổi thời gian là trị chênh lệch giữa thời gian
nhận tín hiệu (được đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín
hiệu (được đo bằng hệ thời gian của vệ tinh). Trên thực tế, hai hệ thời gian
này không giống nhau, mỗi hệ tác động một sai lệch vào trị số đó. Vì vậy các
số đo thời trễ sai lệch này được xem là những số đo giả cự ly.
1.5 Các nguồn gây sai số trong phép đo
Như chúng ta đã biết để xác định vị trí của một vật thể, ta cần phải tính
toán được khoảng cách từ nó đến 4 vệ tinh dựa vào phép đo khoảng thời gian
truyền tín hiệu sóng điện từ từ các vệ tinh đến vật thể này. Do đó độ chính xác
của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu là các thông số rất quan trọng ảnh
hưởng đến các phép đo cự ly cần thiết. Ngoài ra, các yếu tố khác như tầng
điện ly, tầng đối lưu, quỹ đạo vệ tinh, độ ồn của máy thu, nhiễu đa đường
(multipath)... cũng góp phần gây ra các sai số không nhỏ trong các phép đo cự
ly này.
Hình 1.5 Các nguồn tác động khác nhau gây ra sai số trong phép đo cự ly
1.5.1 Đồng hồ vệ tinh
Sóng điện từ truyền đi trong không gian xấp xỉ vận tốc ánh sáng
(3.108m/s) nên chỉ cần sai số 1ns sẽ gây ra sai số khoảng cách 30cm. Vì vậy,
người ta trang bị cho các vệ tinh các đồng hồ nguyên tử (Cesium) rất chính xác.
Các đồng hồ này tuy có độ chính xác cao vẫn tích lũy sai số 1ns sau mỗi 3 giờ,
do đó để giải quyết vấn đề này, chúng sẽ được liên tục theo dõi bởi các trạm
11
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
mặt đất và được so sánh với hệ thống đồng hồ điều khiển trung tâm gồm 10
đồng hồ nguyên tử khác. Sau khi được tính toán kỹ lưỡng, sai số và độ trôi
đồng hồ vệ tinh được kèm vào các thông điệp mà vệ tinh phát đi. Khi tính toán
khoảng cách đến các vệ tinh, máy thu GPS sẽ lấy thời gian truyền tín hiệu
nhận được trừ đi các sai số này để xác định thời gian truyền tín hiệu thực sự.
Mặc dù các trung tâm điều khiển mặt đất cố gắng hết sức để liên tục
theo dõi hoạt động của các đồng hồ vệ tinh, chúng vẫn không thể xác định các
sai số một cách chính xác được. Do đó các vệ tinh vẫn gây ra sai số đồng hồ tiêu
biểu khoảng vài ns và sai số khoảng cách khoảng 1m.
1.5.2 Đồng hồ máy thu
Tương tự như đồng hồ vệ tinh, bất kỳ sai số nào trong đồng hồ máy thu
cũng gây ra sai số trong các phép đo khoảng cách. Tuy nhiên không thực tế khi
trang bị cho các máy thu này các đồng hồ nguyên tử vì chúng khá nặng (khoảng
20kg), có giá cả rất mắc (50.000USD) và rất bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
Giả sử rằng, tại một thời điểm nào đó, đồng hồ máy thu có sai số 1ms
và do đó gây ra sai số khoảng cách 300.000 m. Nếu các khoảng cách đến tất cả
các vệ tinh được đo chính xác vào cùng một thời điểm thì tất cả khoảng cách
này đều bị lệch 300.000 m. Vì vậy, ta có thể xem sai số đồng hồ máy thu là
một trong các ẩn số cần tìm và đó cũng là lý do mà tại sao khi xác định vị trí ta
cần thực hiện các phép đo cự ly đến 4 vệ tinh, nghĩa là cần 4 phương trình để
giải ra 4 ẩn số (3 ẩn số vị trí x, y, z và 1 ẩn số thời gian là sai số đồng hồ máy
thu), và từ đó giúp ta có thể sử dụng đồng hồ rẻ tiền và gọn nhẹ hơn trong máy
thu.
Chú ý rằng việc xem sai số đồng hồ máy thu là 1 ẩn số chỉ hợp lệ nếu ta
thực hiện các phép đo cự ly đến các vệ tinh chính xác vào cùng một thời điểm.
Nếu các phép đo này không xảy ra đồng thời thì đối với mỗi phép đo sẽ có một
sai số đồng hồ khác nhau. Thực hiện các phép đo đồng thời đến 4 vệ tinh, ta
không những tính toán được vị trí 3 chiều mà còn xác định được sai số của đồng
hồ máy thu với độ chính xác rất cao. Một đồng hồ tiêu biểu có độ trôi
khoảng 1000ns mỗi giây nhưng bằng phương pháp trên ta có thể điều chỉnh
thời gian máy thu đạt độ chính xác bằng với đồng hồ GPS và biến đồng hồ máy
thu rẻ tiền này trở thành một đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao. Máy thu
hiệu chỉnh đồng hồ của nó mỗi giây và cung cấp một tín hiệu thời chuẩn cho
các ứng dụng bên ngoài. Nếu chúng ta đặt máy thu tại một vị trí chính xác đã
biết thì ta chỉ cần theo dõi 1 vệ tinh để tính toán sai số đồng hồ máy thu và điều
chỉnh nó. Bốn vệ tinh là số lượng tối thiểu mà chúng ta cần để tính toán vị trí
và thời gian. Càng sử dụng nhiều vệ tinh thì kết quả đo nhận được càng chính
xác hơn.
1.6 Sai số quỹ đạo vệ tinh
12
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
Như đã thảo luận ở các phần trên, độ chính xác của vị trí cần tính
toán cũng phụ thuộc vào cách xác định vị trí chính xác của các vệ tinh (được
xem là
các điểm tham chiếu). Quỹ đạo của các vệ tinh liên tục được theo dõi từ nhiều
trạm giám sát nằm xung quanh trái đất và thông tin quỹ đạo dự đoán được
truyền đến các vệ tinh, từ đó vệ tinh cung cấp các thông tin này cho máy thu. Độ
chính xác tiêu biểu của việc tiên đoán quỹ đạo này vào khoảng vài mét và do đó
cũng sẽ gây ra sai số khoảng vài mét khi tính toán vị trí. Máy thu duy trì một
bảng niên giám dữ liệu quỹ đạo cho tất cả các vệ tinh và chúng cập nhật
các bảng này mỗi giờ khi có dữ liệu mới.
1.6.1 Sai số do tầng điện ly
Khi tính toán khoảng cách đến vệ tinh, đầu tiên ta đo khoảng thời gian
truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu và sau đó nhân khoảng thời gian này với
vận tốc ánh sáng. Vấn đề ở đây là vận tốc này thay đổi phụ thuộc vào tình
trạng của tầng khí quyển. Lớp trên của tầng khí quyển gọi là tầng điện ly gồm
các hạt mang điện, gây tác động làm chậm tín hiệu mã và nhanh tín hiệu sóng
mang.
Ảnh hưởng của tầng điện ly nếu không được khắc phục có thể gây ra
sai số phép đo lớn hơn 10m. Vài máy thu sử dụng mô hình toán học để tính
toán ảnh hưởng của tầng điện ly và xác định gần đúng mật độ các hạt mang
điện nên có thể giảm được ảnh hưởng của tầng này khoảng 50% tuy nhiên sai
số còn lại vẫn đáng kể.
Hình 1.6: Sai số do tầng điện ly
Trễ nhiễu tầng khí quyển:
13
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
I : là số của electron trên một đơn vị
Tác động của tầng điện ly đối với tín hiệu điện tử phụ thuộc vào tần
số của nó. Tần số càng cao thì ảnh hưởng càng ít. Do đó ta có thể sử dụng 2 tần
số sóng mang khác nhau để đo độ trễ sai lệch giữa 2 tín hiệu này và từ đó loại
bỏ được ảnh hưởng của tầng điện ly. Đó chính là lý do tại sao mà tất cả các vệ
tinh GPS truyền thông tin bằng 2 tần số L1, L2. Máy thu chính xác (máy thu 2
tần số) chủ yếu phục vụ cho quân sự theo dõi cả 2 tín hiệu L1, L2 và thực
hiện các kỹ thuật phức tạp để trích ra các tín hiệu mã và sóng mang nhằm loại
bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly. Máy thu không chính xác (máy thu đơn tần)
phục vụ chủ yếu trong dân sự chỉ theo dõi 1 tín hiệu L1. Đây là 1 trong những
đặc điểm phân biệt chính giữa 2 loại máy thu này.
1.6.2 Sai số do tầng đối lưu
Lớp thấp hơn của tầng khí quyển chứa đựng hơi nước được gọi là tầng
đối lưu, gây tác động làm chậm cả tín hiệu mã lẫn tín hiệu sóng mang. Ta
không thể loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu bằng cách sử dụng hệ thống 2
tần số.Phương pháp duy nhất để loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu là tiến
hành phép đo lượng hơi nước, nhiệt độ, áp suất của nó và áp dụng một mô
hình toán học để có thể tính toán độ trễ gây ra bởi tầng này.
1.6.3 Nhiễu đa đường
Khi đo khoảng cách đến mỗi vệ tinh, ta giả sử rằng tín hiệu vệ tinh
được truyền thẳng từ vệ tinh đến anten của máy thu. Nhưng trong thực tế
ngoài tín hiệu trực tiếp này anten máy thu còn nhận được các tín hiệu phản
xạ đến từ mặt đất và các vật thể gần anten qua nhiều đường gián tiếp khác
nhau, xen nhiễu vào tín hiệu trực tiếp, gây ra sai lệch về thời điểm đến của
tín hiệu thực sự.
Nếu đường truyền gián tiếp dài hơn đáng kể so với đường truyền trực
tiếp (lớn hơn 10m) để hai mẫu tín hiệu trên tách rời nhau thì ảnh hưởng gây
ra bởi nhiễu đa đường về cơ bản có thể được khắc phục bởi các kỹ thuật xử
lý tín hiệu.
14
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
2.1 Cấu trúc hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là phần
không gian (space segment), phần điều khiển (control segment), phần người sử
dụng (user segment). Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu cụ thể về từng bộ phận cấu
thành của hệ thống và chức năng của chúng.
15
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
Hình 2.1: Các thành phần cấu tạo của hệ thống GPS
Phần không gian (Space Segment)
2.1.1
2.1.1.1 Chòm vệ tinh GPS
Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20200 km, chu
kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một
góc 55o. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí
trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và
L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm
các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P sóng còn
mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với 2 tần
số 10.23 MHz và 1.023 MHz. Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số
50Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ
nguyên tử với độ chính xác cao.
16
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
Hình 2.1.1 Các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống GPS
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" (Healthy) và "hoạt
động không khoẻ (Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định
do trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở
cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe".
2.1.1.2 Cấu trúc tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần
số 1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất
mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau.
Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã
C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một,
được phát đi ở tần số f0/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi
mili giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới
cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một
khác, được phát đi ở tần số f0 = 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267
ngày. Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn
này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi
các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32
đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau. Bằng cách này P- code rất khó
bị giái mã để sử dụng nếu không được phép. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương
tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P
thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra
mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử
dụng GPS không có giấy phép (nói chung là những người không thuộc quân
đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y).
17
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã (Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã
Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y. Các mã được
điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu mã có trị số -1
thì phase sóng mang đổi 180 0, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng
mang giữ nguyên không thay đổi.
Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát
dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo
tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các
máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực.
Phần điều khiển (Control Segment)
2.1.2
Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng
như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS. Phần này bao gồm
8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia (Ấn
Độ Dương ), Ascension Islend (Đại Tây Dương ), Kwajalein (Tây Thái Bình
Dương ) và Hawaii (Thái Bình Dương ); một trạm điều khiển trung tâm
(Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station). Lưới
trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường
đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ
tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau tính toán các số
liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp
tới các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã
được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu.
Phần sử dụng (User Segment)
2.1.3
Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền,
máy bay và tàu thủy.
Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số.
Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu
2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần số phát huy
tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối
với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với khoảng
cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để
đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sử dụng
máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển trái đất. Toàn
bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước
elipsoid a=6378137.0 m và =1:29825722.
18
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
Hình 2.13 Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS
2.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử
dụng.
Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính:
Phần cứng
-
Phần mềm
-
Phần triển khai công nghệ
-
Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô
tuyến RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để
hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có
thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác.
Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể,
chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường
đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần
để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS.
Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp
và được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng
thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần
mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS
, có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin
cậy của độ chính xác.
Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như:
cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của anten khác
nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số
liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt
động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển
trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị.
2.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS.
19
Bài tập lớn môn Thông tin di động
- Khoa Điện tử - Viễn thông Lớp:ĐHĐT-K1
Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm:
Anten và bộ tiền khuếch đại
-
Phần tần số vô tuyến (RF)
-
Bộ vi xử lí
-
Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện
-
Thiết bị ghi chép
-
Nguồn năng lượng
-
Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại
chùm sóng rộng , vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như
các đĩa ăngten vệ tinh . Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đặt trên ba
chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thông, vi trí thực sự được xác định là
trung tâm Phase của ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa.
Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết
hợp số hóa và giải tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử
lí tín hiệu khác nhau đôi chút, các phương pháp này là :
Tương quan mã
-
Phase và tần số mã
-
Cầu phương tín hiệu sóng mang
-
Phần tần số vô tuyến: bao gồm các kênh sử dụng một trong ba phương
pháp nói trên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh biến
đổi trong khoảng từ 1 đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác nhau.
Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí. Kíck
thước và kiểu dáng của bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng khác
nhau.
Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các trị
số quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tín hiệu thu
được.
Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều
điện áp thấp, chỉ có một vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều.
2.2 Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống GPS
Đồng hồ GPS
2.2.1
Trong hầu hết các hệ thống định vị, thời gian chính xác là một thông số
vô cùng quan trọng. Ở hệ thống định vị GPS thời gian chính xác được tạo bởi
đồng hồ nguyên tử. Đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao hơn đồng hồ quart.
Độ trôi dạt ổn định đo được là : 10 13 s. Trong thực tế mỗi vệ tinh block1 có
tới 4 đồng hồ nguyên tử hoạt động:
Hai đồng hồ là chuẩn tần số dựa trên phát xạ Cacsium.
-
Hai đồng hồ là chuẩn tần số dựa trên điều khiển khí Rubidium.
-
20
Bài tập lớn môn Thông tin di động
nguon tai.lieu . vn
