Xem mẫu
- H TH NG THÔNG TIN
V TINH
B môn Thông tin vô tuy n
ð i h c công ngh - ðHQG HN
Gi ng viên Th m ð c Phương
Tel. 0903 229 117
E- Mail: phuongthamduc@yahoo.com
Chương 10 – H th ng ñ nh v nh v tinh
1. Khái quát v h th ng ñ nh v GPS
2. C u hình c a h th ng v tinh GPS
3. Nguyên lý xác ñ nh v trí c a GPS
4. Máy thu GPS GLONASS GPS
GALILLEO
1
- Khái quát v h th ng ñ nh v GPS
M t nhu c u r t l n trong thông tin hi n ñ i ñó là kh năng xác
ñ nh v trí và d n ñư ng cho các ñ i tư ng trên trái ñ t. Và nhu
c u ñó ñã d n t i s ra ñ i c a h th ng ñ nh v b ng v tinh.
Vào nh ng năm 70, nh m m c ñích thu th p các thông tin v
t a ñ (vĩ ñ và kinh ñ ), ñ cao và t c ñ c a các cu c hành
quân, hư ng d n cho pháo binh và các h m ñ i, B Qu c
phòng M ñã phóng lên qu ñ o trái ñ t 24 v tinh (21 v tinh
ho t ñ ng, 3 v tinh d tr ). Nh ng v tinh tr giá nhi u t USD
này bay phía trên trái ñ t ñ cao 20.200 km, v i t c ñ
ch ng 11.200 km/h trên 6 qu ñ o tròn, Chu kỳ ~ 12h.
Trư c năm 1980, ch ph c v cho m c ñích quân s do B
qu c phòng M qu n lý. T năm 1980 chính ph M cho phép
s d ng trong dân s .
H th ng GLONASS
H th ng ñ nh v toàn c u GLONASS c a Nga (Global Navigation
Satellite System). H th ng GLONASS d a trên chòm các v tinh
truy n liên t c các tín hi u ñã ñư c mã hóa trên 2 băng t n, tín
hi u ñó có th ñư c thu b i ngư i dùng b t kỳ ñâu trên trái ñ t
ñ bi t ñư c v trí và v n t c theo th i gian th c. H th ng này
cũng tương t như h th ng GPS c a M , c 2 h th ng s d ng
cùng m t nguyên lý ñ nh v và truy n d li u. GLONASS ñư c
qu n lý b i không quân Nga và ñư c ñi u hành b i trung tâm ñi u
ph i thông tin khoa h c n m trong b qu c phòng Liên bang Nga
Phân ño n không gian bao g m 21 v tinh ho t ñ ng trong 3 m t
ph ng qu ñ o. Các v tinh ho t ñ ng qu ñ o tròn cách m t ñ t
19,100 km và m i v tinh quay quanh qu ñ o m t kho ng 11h15’.
Các v tinh GLONASS ñ u tiên ñư c phóng lên qu ñ o vào năm
1982 nhưng các chòm v tinh ch hoàn thi n vào cu i năm 1995 -
ñ u 1996. H th ng chính th c ho t ñ ng vào ngày 24/9/93.
2
- M t s ñ c ñi m và ng d ng
GPS s d ng các v tinh và các ñi m tham chi u ñ tính toán v trí
b ng phép ño tam giác, kh năng chính xác c a nó có th t i t ng
mét. Trong th c t , v i nh ng ưu ñi m c a GPS ta có th th c hi n
các phép ño chính xác t i t ng centi mét. V ý nghĩa nó gi ng như
vi c gán cho m i m t mét vuông trên trái m t ñ a ch duy nh t. Các
máy thu GPS ñã ñư c thu nh b ng các m ch tích h p và do ñó nó
tr nên r t kinh t , và khi n cho công ngh tr nên ph bi n v i t t c
m i ngư i. Ngày nay GPS ñư c ng d ng r t nhi u trong xe hơi,
thuy n, thi t b xây d ng, ñi n tho i, máy tính … và ñư c s d ng
cho các m c ñích:
Tr c ñ a và b n ñ (v b n ñ ). D n ñư ng trên m t ñ t, trên bi n và
hàng không (taxi, tàu bè, máy bay…). Tìm ki m và c u n n. S d ng
cho các ho t ñ ng c a v tinh (ñi u ch nh v trí c a v tinh). Các ng
d ng trong quân s (tên l a, bom thông minh…). S d ng vào các
m c ñích gi i trí trên m t ñ t, trên bi n và trên không. Và m t s ng
d ng chuyên d ng khác (truy n thông tin th i gian, chu n t n s
trong ño lư ng, v n hành t ñ ng…)
ð c ñi m và ng d ng
T nh ng năm ñ u th p k 80, các nhà s n xu t l n chú ý
nhi u hơn ñ n ñ i tư ng s d ng tư nhân. Trên các xe hơi
h ng sang, nh ng thi t b tr giúp cá nhân k thu t s PDA
(Personal Digital Assistant) như Ipaq c a hãng Compaq,
ñư c coi là m t trang b tiêu chu n, th hi n giá tr c a ch
s h u.
Như v y, h th ng ñ nh v toàn c u b ng v tinh ngày càng
kh ng ñ nh ñư c giá tr c a nó và tr nên r t ph bi n cho r t
nhi u ng d ng, t dân s , quân s cho ñ n các lĩnh v c
chuyên d ng. Hi n nay ñang có 2 h th ng ñ nh v toàn c u
là GPS c a M và GLONASS c a Nga, s p t i s có h
th ng GALILLEO c a châu Âu, d báo khi ñó s có r t nhi u
ñi u thú v cho ng d ng và th trư ng dành cho các h
th ng ñ nh v .
3
- C u hình h th ng GPS
H th ng GPS bao g m 3 phân ño n là phân ño n không gian
(space segment), phân ño n ñi u khi n (control segment) và
phân ño n ngư i dùng (user segment)
Signal Components
L1 1575.42MHz
L2 1227.60MHz
Coarse Acquisition C/A)
Precision (P-Code)
Navigation Message
4
- C u hình h th ng GPS
C u hình h th ng GPS
Phân ño n không gian
Bao g m 24 v tinh, ngoài ra có th có các v tinh d phòng.
M i v tinh có qu ñ o 12h. 6 m t ph ng qu ñ o, m i m t
ph ng có 4 v tinh. M i m t ph ng nghiêng 55 ñ so v i m t
ph ng xích ñ o. Cách m t ñ t kho ng 20,200 km. T m t v
trí trên trái ñ t có th nhìn th y 5 ñ n 8 v tinh
Phân ño n không gian có các ch c năng cơ b n như sau:
• Nh n và lưu tr d li u ñư c truy n lên t phân ño n ñi u
khi n
• Duy trì th i gian chính xác nh các chu n t n s nguyên t
trên v tinh (ñ ng h nguyên t )
• Truy n thông tin và tín hi u t i cho ngư i dùng trên m t ho c
2 băng t n L
5
- C u hình h th ng GPS
Phân ño n ñi u khi n. Phân ño n ñi u khi n bao g m các phương
ti n, thi t b c n thi t ñ có th d dàng giám sát, ño ñ c t xa, theo
dõi, ra l nh và ñi u khi n, tính toán. H th ng ñư c ñi u khi n b i 5
tr m: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia and
Kwajalein. T t c 5 tr m là tr m giám sát, theo dõi các v tinh và g i
d li u theo dõi ñ n tr m ñi u khi n chính (Master Control Station).
C u hình h th ng GPS
Phân ño n ñi u khi n. Chúng th c hi n các ch c năng sau:
Căn c không quân Falcon, Colorado Springs, là ñ a ñi m
tr m ñi u khi n chính Master Control Station (MCS), ñó d
li u theo dõi ñư c x lý ñ tính toán thiên văn và s a l i ñ ng
h c a v tinh. ðây cũng là tr m s kh i ch y t t c các ho t
ñ ng c a phân ño n không gian, như là v n ñ ng (di chuy n)
v tinh, mã hóa d li u và qu n lý ñ ng h v tinh... Tr m
chính MCS ñư c qu n lý 50th Space Wing c a không quân
M .
Các tr m còn l i (Hawaii, Ascension Is., Diego Garcia, and
Kwajalein), cùng v i 2 anten khác trong l c ñ a M ñóng vai
trò là các tr m t i lên (upload) cho phép t i d li u lên các v
tinh. D li u bao g m thông tin v thiên văn, thông tin s a
ñ ng h ñư c truy n bên trong b n tin ñi u hư ng, cũng như
các l nh ño t xa c a tr m chính MCS.
6
- C u hình h th ng GPS
Các b n tin ñi u hư ng m i và các l nh ño t xa có th ñư c truy n
t i các v tinh GPS trong m i 8h, n u c n. Hi n t i thì t l ñó là m t
l n m i ngày. N u h th ng GPS ñư c thi t k hoàn thi n thì các v
tinh có th ho t ñ ng ñ c l p v i phân ño n ñi u khi n dư i m t ñ t,
mà không nh hư ng m y ñ n ch t lư ng h th ng.
C u hình h th ng GPS
Phân ño n ngư i dùng
Thi t b GPS c a ngư i dùng ñã ph i tr i qua m t chương
trình phát tri n bao quát, trong c lĩnh v c quân s và dân s .
Theo ñó, “thi t b ” GPS ám ch s k t h p c a:
Ph n c ng (theo dõi và ño ñ c), Ph n m m (các thu t toán
xác ñ nh v trí, giao di n cho ngư i dùng), và Qui trình ho t
ñ ng (chi ph i b i ñ chính xác by accuracy, ch c năng, ...).
Các ng d ng c a GPS r t r ng rãi, tương ng v i s ña d ng
c a thi t b ngư i dùng. Tuy nhiên, cách phân lo i cơ b n nh t
như sau:
Các máy thu dân s (d ch v cho v trí tiêu chu n) s d ng mã
kho ng cách (ranging code) C/A trên m t băng t n L1
Các máy thu quân s (d ch v cho v trí chính xác) s d ng mã
kho ng cách (ranging code) C/A và P trên c 2 băng t n L1/L2
7
- C u hình h th ng GPS
Trong khi các chương trình nghiên c u và phát tri n quân s
nh m m c tiêu ñ t ñư c kích thư c nh , và ñ tin c y cao, thì
các thi t b dân s hư ng t i m c tiêu gi m giá thành và phát
tri n các tính năng có th tăng cư ng kh năng c a h th ng.
Thêm n a s phát tri n c a GPS làm tăng s ña d ng ng
d ng c a ngư i dùng. Do m i ng d ng có th yêu c u ch t
lư ng khác nhau, do ñó có m t s hư ng phát tri n, m t s
nh m ñ n ñ chính xác cao, m t s hư ng ñ n tính năng ña
d ng. Hi n nay có kho ng hơn 100 nhà s n xu t thi t b GPS
v i nhi u lo i khác nhau.
Nguyên lý xác ñ nh v trí c a h th ng GPS
Các v tinh cũng chính là các ñi m tham chi u cho các v trí
trên trái ñ t, và h th ng GPS xác ñ nh v trí theo các bư c
sau:
Nguyên lý cơ b n c a GPS là s d ng “phép tính toán tam
giác” (triangulation)
ð tính toán tam giác, máy thu GPS ño kho ng cách d a vào
th i gian truy n sóng vô tuy n
ð ño th i gian ñó, GPS c n ph i xác ñ nh ñư c th i gian m t
cách chính xác
Cùng v i kho ng cách, GPS cũng c n ph i xác ñ nh ñư c
chính xác v trí c a v tinh trong không gian
Cu i cùng h th ng c n ph i hi u ch nh th i gian tr khi truy n
sóng qua t ng khí quy n
B ng cách xác ñ nh kho ng cách t i 3 v tinh ta có th xác ñ nh ñư c v trí c a
ta ch có th n m t i m t trong 2 ñi m trong không gian
8
- B ng cách xác ñ nh kho ng cách t i 3 v tinh ta có th xác ñ nh ñư c
v trí c a ta ch có th n m t i m t trong 2 ñi m trong không gian
Nguyên lý xác ñ nh v trí c a h th ng GPS
V n ñ ch còn là ño th i gian truy n t v tinh t i máy thu.
Th i gian là m t v n ñ khá ph c t p. Th nh t b i vì th i gian
r t ng n. N u v tinh ngay phía trên thì th i gian truy n ch
m t kho ng 0,06 giây. Do ñó chúng ta c n có các ñ ng h chính
xác. Gi s chúng ta ñã có ñ ng h chính xác, chúng ta s ño
th i gian th nào:
Gi s có m t cách ñ làm cho c v tinh và máy thu cùng phát
m t tín hi u như nhau vào ñúng 12 gi trưa. N u tín hi u có th
truy n t i máy thu, thì chúng ta s có 2 tín hi u, m t t chính
máy thu và m t t v tinh.
S có 2 phiên b n không ñ ng b v i nhau. Phiên b n t v tinh
có th b tr do ph i truy n qua kho ng cách hơn 11000 d m.
N u ta mu n bi t tín hi u t v tinh b tr bao nhiêu ta có th
cho tín hi u c a máy thu cho ñ n khi chúng ñ ng b v i nhau.
9
- Kho ng th i gian chúng ta ph i d ch tín hi u c a máy thu ñ có
ñư c ñ ng b b ng v i th i gian truy n t v tinh cho t i máy
thu. Do ñó chúng ta có th nhân th i gian ñó v i t c ñ ánh
sáng và chúng ta s xác ñ nh ñư c kho ng cách t i v tinh.
M i v tinh ñ u s d ng m t mã gi ng u nhiên duy nh t. Mã gi
ng u nhiên là m t ph n cơ s c a GPS. V m t v t lý nó là m t mã
s r t ph c t p, nói cách khác nó là m t chu i các ký t ñóng m .
Tín hi u ph c t p ñ n n i trông nó g n như là nhi u ng u nhiên, do
ñó nó có tên là “gi ng u nhiên”.
S ph c t p ñó có m t s ưu ñi m: s ph c t p s ñ m b o r ng
máy thu không ñ ng b v i m t m t tín hi u nào ñó không mong
mu n. D ng tín hi u cũng ñ m b o không có m t tín hi u nhi u nào
có d ng ñúng như v y.
B i vì m i v tinh có m t mã gi ng u nhiên duy nh t do ñó ñ m b o
r ng máy thu không b t nh m tín hi u c a v tinh khác. Do ñó các
v tinh có th s d ng t n s gi ng nhau mà không s gây nhi u l n
nhau. Và còn khó hơn n u ai ñó mu n gây nhi u cho h th ng.
Trong th c t mã gi ng u nhiên còn cho phép b qu c phòng M
ñi u khi n truy c p vào h th ng.
Nhưng còn m t lý do n a ñ s d ng mã gi ng u nhiên, ñó là có
th s d ng “lý thuy t thông tin ñ khuy ch ñ i tín hi u GPS. ðó
chính là lý do t i sao các máy thu GPS không c n s d ng các anten
l n ñ thu tín hi u – ñi u này khi n cho GPS tr nên r t kinh t .
10
- Nguyên lý xác ñ nh v trí c a h th ng GPS
N u như m u ch t là ño th i gian tín hi u ñi t v tinh ñ n
máy thu, thì th i gian ñó c n ph i r t chính xác, b i vì n u
th i gian l ch ñi 1 ph n nghìn giây thì v i t c ñ ánh sáng ñ
l ch v trí xác ñ nh s là 200 d m.
ð i v i v tinh, th i gian có ñ chính xác c c kỳ cao b i vì nó
có ñ ng h nguyên t r t chính xác. Nhưng còn ñ i v i các
máy thu trên m t ñ t? Ta nh r ng c v tinh và máy thu c n
ph i ñ ng b mã gi ng u nhiên v i nhau thì h th ng m i có
giá tr . Nhưng n u như máy thu c a chúng ta c n ph i có
ñ ng h nguyên t thì h th ng s tr nên không kinh t
(ñ ng h nguyên t có giá t 50$ t i 100$), khó có th có
ngư i mua.
R t may là nh ng ngư i thi t k h th ng GPS có m t sáng
ki n tuy t v i, ñó là th c hi n thêm m t phép ño n a. Bây gi
chúng ta s tìm hi u xem c th như th nào:
Gi s v trí th c c a chúng ta n m
cách v tinh A là 4 giây và cách v
tinh B - 6 giây như hình v . Hai
ñư ng tròn c t nhau t i ñi m X chính
là v trí c a ta. Nhưng gi s r ng
ñ ng h c a máy thu ch m hơn so
v i ñ ng h toàn c u. Khi ñó kho ng
cách t máy thu t i v tinh A s là 5
giây và t i v tinh B s là 7 giây. Do
ñó giao c a 2 ñư ng tròn s là t i
ñi m XX. Như v y kho ng cách t X
t i XX s là sai s gây ra do s không
chính xác c a ñ ng h . Bây gi ta s
d ng m t v tinh th 3. N u như ñ ng
h chính xác thì c 3 ñư ng tròn s
ph i c t nhau t i m t ñi m. Mà 2 ñư ng
tròn trên ñã c t nhau t i XX thì n u
ñúng thì ñư ng tròn th 3 cũng s ñi
qua XX. Nhưng vì ñ ng h c a ta sai 1
giây do ñó k t qu s là: ñư ng tròn
th 3 s không ñi qua XX, do ñó máy
thu s bi t ngay là có sai s v th i gian.
11
- Nguyên lý xác ñ nh v trí c a h th ng GPS
B i vì sai s th i gian này s nh hư ng lên t t c các phép ño
cho nên máy tính s tính toán và rút ra m t giá tr s a l i sao
cho t t c các ñư ng tròn ñi qua ñúng m t ñi m. Trong ví d
này, giá tr c n s a s là tr ñi 1 giây. Sau khi xác ñ nh ñư c
giá tr s a, máy thu có th s d ng giá tr này cho các phép ño
sau này. Và t ñó ñ ng h c a máy thu ñã ñư c ñ ng b v i
th i gian toàn c u. T t nhiên quá trình s a này c n l p l i theo
ñ nh kỳ ñ ñ m b o ñ ng h c a máy thu luôn ñư c ñ ng b .
Nhưng v i cách này, th m chí nh ng máy thu GPS r nh t
cũng có th có ñư c th i gian chính xác như s d ng ñ ng h
nguyên t , và bây gi chúng ta ñã có th xác ñ nh ñư c chính
xác v trí.
S d ng h qu c a nguyên lý trên, ta có th rút ra r ng: h
th ng GPS c n ít nh t 4 v tinh ñ có th xác ñ nh ñư c chính
xác v trí c a ta so v i v tinh.
ð xác ñ nh ñư c v trí ta còn ph i bi t v trí c a v tinh ñ l y
ñó làm ñi m tham chi u V cơ b n các qu ñ o là khá chính
xác tuy nhiên ñ tăng ñ chính xác thì các v tinh GPS luôn
ñư c giám sát b i b qu c phòng. H s d ng các radar vô
cùng chính xác ñ có th ki m tra v trí chính xác c a các v
tinh, bao g m c v trí và t c ñ . L i ñư c ki m tra ñư c g i là
“l i thiên văn” b i vì chúng nh hư ng ñ n t a ñ thiên văn
hay là t a ñ qu ñ o c a v tinh. Các l i này gây ra b i l c
hút c a m t trăng, m t tr i và do áp su t c a b c x m t tr i
lên v tinh. Các l i này thư ng r t nh nhưng n u mu n có s
chính xác thì s ph i tính ñ n nó. Sau khi b qu c phòng ñã ño
chính xác v trí c a v tinh, h s truy n thông tin ñó quay tr
l i v tinh. V tinh sau ñó s phát cùng trong tín hi u c a mình
c thông tin v v trí ñã hi u ch nh. Như v y b n tin c a v tinh
còn bao g m c thông tin v thiên văn c a nó (qu ñ o, v trí).
V i th i gian chính xác và xác ñ nh ñư c v trí chính xác c a
v tinh ta có th tính toán v trí c a mình.
12
- Máy thu GPS
Tín hi u. Tín hi u c a v tinh v cơ b n bao g m các tín hi u
sau: Hai sóng mang trên băng t n L. Các mã kho ng cách ñư c
ñi u ch trên 2 sóng mang ñó. B n tin ñi u hư ng ch a thông
tin v v trí c a v tinh
Sóng mang L1 có t n s 1575,42 MHz và mang c thông tin v
tr ng thái (v trí v tinh) và mã gi ng u nhiên C/A ñ xác ñ nh
kho ng cách. Sóng mang L2 có t n s 1227,60 MHz và ñư c
s d ng cho mã gi ng u nhiên chính xác P dành cho quân s .
Mã này có ñ ph c t p hơn nhi u so v i mã C/A và khi ñư c
mã hóa nó ñư c g i là mã Y. M c ñích chính c a các mã gi
ng u nhiên là ñ xác ñ nh th i gian truy n c a tín hi u ñ t ñó
xác ñ nh kho ng cách ñ n các v tinh. Ngoài ra còn có m t tín
hi u t n s th p ñư c ghép thêm vào các mã c a băng t n L1
ch a các thông tin v v trí c a v tinh, thông tin s a cho ñ ng
h và thông tin v tr ng thái c a h th ng.
Máy thu GPS
Như ñã trình bày, h th ng GPS làm vi c d a trên nguyên lý:
n u như ta bi t kho ng cách t i m t s v trí ñã bi t, khi ñó ta
có th tính ra ñư c v trí c a mình. Các v trí ñã bi t chính là
24 v tinh ñư c ñ t trên 6 m t ph ng qu ñ o cách m t ñ t
20,200 km. Các v tinh quay quanh trái ñ t m t 12h và qu ng
bá d li u v i t n s chính 1,575 GHz mang tín hi u ñã mã
hóa C/A v m t ñ t. Các máy thu ño th i gian truy n c a mã
C/A theo ñơn v mili giây, và t ñó xác ñ nh kho ng cách t i v
tinh. Sau ñó tính toán v trí c a mình.
Các h th ng con c a máy thu GPS bao g m:
Ăng ten. Khu ch ñ i t p âm th p LNA. B l c RF. B l c IF.
B x lí tín hi u DSP. B ñi u khi n - Controller. Bàn phím -
Keyboard. Màn hi n th - Display. Ngu n ñi n - Power Supply
13
- Máy thu GPS
Máy thu GPS
Tín hi u ñư c thu b i anten s ñư c qua ph n ti n khuy ch ñ i và
chuy n ñ i xu ng băng cơ b n. Sau ñó tín hi u s ñư c gi i ñi u
ch , tách b n tin ñi u hư ng (bao g m v trí c a v tinh) và tách mã
C/A. Hai thông tin trên k t h p v i ñ ng h c a máy thu s ñư c
ñưa vào b x lý ñ tính toán v trí c a máy thu. Tín hi u l i ra c a
máy thu bao g m các thông tin v v trí, v n t c và th i gian.
14
nguon tai.lieu . vn
