TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH
Các hệ thống dẫn đường vệ tinh trên thế giới
1.2.1 Hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR a) Giới thiệu
GPS (Hệ thống Định vị Toàn cầu) là công nghệ sử dụng vệ tinh để xác định vị trí người dùng trong không gian 3 chiều với độ chính xác cao Hệ thống này có khả năng bao phủ toàn cầu, hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết và cung cấp dịch vụ liên tục 24 giờ mỗi ngày.
Hệ thống Định vị Toàn cầu NAVSTAR-GPS, hay còn gọi là GPS, được phát triển bởi Bộ Quốc Phòng Mỹ vào năm 1973 và hoàn thiện vào năm 1994 GPS cho phép người dùng xác định vị trí, thời gian và vận tốc một cách chính xác, bất kể thời gian, địa điểm hay điều kiện thời tiết trên toàn cầu.
Hệ thống này ban đầu được phát triển cho mục đích quân sự, nhưng sau đó đã được Cơ quan Hàng không Liên bang Mỹ chấp nhận để sử dụng cho các mục đích dân sự.
Hệ thống NAVSTAR, hay còn gọi là GPS, là một mạng lưới bao gồm các thiết bị truyền và nhận tín hiệu vô tuyến để xác định vị trí và thời gian Cấu trúc của hệ thống này bao gồm các vệ tinh và các trạm mặt đất, giúp cung cấp thông tin chính xác về địa điểm và thời gian cho người sử dụng.
Phần vệ tinh không gian
Các vệ tinh được bố trí trên 6 mặt phẳng quỹ đạo tròn, nghiêng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo Mỗi mặt phẳng quỹ đạo chứa một số lượng vệ tinh nhất định.
Ba đến bốn vệ tinh hoạt động đồng thời, với các vệ tinh lệch pha nhau 90 độ, nằm ở độ cao 20.200 km Chúng được sắp xếp trong không gian để đảm bảo hầu hết các khu vực trên bề mặt trái đất luôn nhìn thấy ít nhất 4 vệ tinh trong suốt 24 giờ mỗi ngày Thời gian để một vệ tinh hoàn thành một vòng quỹ đạo là
11 giờ 58 phút Bao gồm một chùm 24 vệ tinh, trong đó 21 vệ tinh ở trạng thái hoạt động, 3 vệ tinh còn lại đƣợc sử dụng để dự phòng cho hệ thống
Hình 1.2: Các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống GPS
Mỗi vệ tinh liên tục truyền tín hiệu trên hai tần số trong dải băng tần L:
Tần số L1 cung cấp cả mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P (Precision), trong khi tần số L2 chỉ mang mã P Cả hai tần số này đều chứa dữ liệu dẫn đường quan trọng như thời gian đồng hồ vệ tinh, các gian chuẩn của hệ thống (UTC) và thông tin đồng bộ Mã P được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và cần sự cho phép từ Bộ Quốc Phòng Mỹ, trong khi mã C/A có thể sử dụng miễn phí cho mọi mục đích Mỗi vệ tinh được gán một mã C/A và mã P riêng, được gọi là mã vàng (Gold Code) để nhận biết vệ tinh.
Phần điều khiển hệ thống
Hệ thống điều khiển bao gồm một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và năm trạm theo dõi vệ tinh (Monitor Station) Trong số đó, có ba trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) được đặt trên mặt đất, có nhiệm vụ liên tục giám sát quỹ đạo của các vệ tinh trong không gian.
Hình 1.3: Vị trí đặt trạm điều khiển GPS trên mặt đất
Các trạm trong phần điều khiển có nhiệm vụ:
+Giám sát và hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh
Hàng ngày, chúng tôi thực hiện việc tính toán và gửi các bản tin dẫn đường vệ tinh, cung cấp thông tin chi tiết về vị trí tương lai của các vệ tinh Bản tin này bao gồm dữ liệu thu thập từ tất cả các vệ tinh, giúp đảm bảo sự chính xác và hiệu quả trong việc theo dõi.
+Cập nhật các bản tin dẫn đường vệ tinh một cách thường xuyên
Hình 1.4: Phần điều khiển vệ tinh trong hệ thống GPS
Trạm điều khiển trung tâm, tọa lạc tại Colorado Springs, Colorado, USA, có nhiệm vụ điều phối mọi hoạt động trong hệ thống điều khiển Tại đây, một đồng hồ nguyên tử được sử dụng để cung cấp thời gian chuẩn cho các vệ tinh, giúp hiệu chỉnh đồng hồ nguyên tử của chúng.
Các trạm giám sát vệ tinh hoạt động liên tục 24 giờ mỗi ngày Trạm điều khiển trung tâm quản lý các trạm giám sát thông qua các kết nối mạng Hệ thống này được phân bố tại nhiều điểm trên bề mặt trái đất để đảm bảo hiệu quả giám sát.
Trạm theo dõi thông tin gửi xuống từ vệ tinh:
+Báo cáo chính xác thời gian của đồng hồ vệ tinh
Tậm hợp chuyển cho trạm điều khiển thông tin khí tượng như áp suất khí, nhiệt độ và điểm sương Những dữ liệu này được trạm điều khiển trung ương sử dụng để tính toán và dự báo quỹ đạo vệ tinh trong tương lai.
Trạm điều khiển trung tâm sử dụng các trạm hiệu chỉnh số liệu để gửi thông tin cho vệ tinh bao gồm:
+Mệnh lệnh hiệu chỉnh quỹ vệ tinh Vệ tinh sử dụng tín hiệu này để khởi động các tên lửa điều khiển đƣa vệ tinh về quỹ đạo đúng
+Bản tin dẫn đường đến vệ tinh
Các trạm hiệu chỉnh số liệu là các trạm đƣợc đặt ở Ascension island, Diego Garcia island và Kawajalein island
Thiết bị thu tín hiệu GPS rất đa dạng, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Chúng bao gồm từ các thiết bị xách tay giá rẻ cho đến những hệ thống phức tạp, yêu cầu chứng chỉ chất lượng kỹ thuật để trang bị cho các trung tâm dẫn đường và điều hành bay.
Hình 1.5: Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS
Thiết bị máy thu tín hiệu GPS bao gồm anten thu, bộ phận giải mã và bộ phận xử lý mã tín hiệu vệ tinh GPS Đặc biệt, trong ngành hàng không, thiết bị này còn có chức năng xử lý thông tin dẫn đường và truyền tải dữ liệu cần thiết cho tổ lái cùng các thiết bị sử dụng dữ liệu GPS trong quá trình bay.
Khi bật công tắc nguồn của máy thu GPS, thiết bị tự động cung cấp giải pháp dẫn đường chính xác mà không cần nạp dữ liệu từ bên ngoài, miễn là nhận được tín hiệu từ đủ số vệ tinh Đối với dẫn đường 2 chiều, cần ít nhất 3 vệ tinh để xác định kinh độ và vĩ độ, trong khi dẫn đường 3 chiều yêu cầu ít nhất 4 vệ tinh trong tầm nhìn của máy thu Việc xử lý tín hiệu từ 3 hoặc 4 vệ tinh có thể thực hiện đồng thời hoặc tuần tự.
- Các thiết bị thu thường gồm 3 thành phần chính:
+Anten và các thiết bị điện tử đi kèm
+Bộ phận nhận và xử lý tín hiệu
+Màn hình điều khiển c) Các thông số kỹ thuật của hệ thống NAVSTAR
Quỹ đạo tròn: 12 giờ (bán kính 26.000km) Với 6 mặt phẳng quỹ đạo Độ nghiêng so với đường kính xích đạo : 55 0
Trạm kiểm tra mặt đất:
05 Trạm kiểm tra phân bố rải rác.03 Anten mặt đất phân bố rải rác
Số thuê bao sử dụng: Không hạn chế
Thông tin dẫn đường 50 bits/s
Thông tin dẫn đường 50 bits/s
Các hệ thống sử dụng và độ chính xác:
PPS SPS Định vị ngang 18m (95%) 100m (95%) Định vị đứng 28m (95%) 157m (95%)
Trong đó, PPS là hệ thống định vị chính xác, SPS là dịch vụ định vị chuẩn
Khi lịch đã nạp trước : 1 5 phút (tuỳ thiết bị của người sử dụng) Khởi động nguội: 20 phút
Tầm bao phủ: Toàn cầu
Hệ thời gian sử dụng trong dẫn đường vệ tinh
Giờ GPS được thiết lập bởi phần điều khiển và là thời gian chủ yếu cho việc điều hành GPS, dựa trên giờ UTC, bắt đầu từ giữa đêm 05/1/1980 Đơn vị lớn nhất của giờ GPS là tuần, tương đương 604800 giây Mặc dù giờ GPS có thể khác với UTC do tính chất liên tục của nó, nhưng vẫn được duy trì trong vòng vài mili giây so với UTC Dữ liệu dẫn đường chứa thông tin liên quan giữa giờ GPS và UTC, với mỗi vệ tinh sử dụng điểm chia 1,5 giây để tính toán và truyền đạt thời gian chính xác, được gọi là số đếm Z (Z-Count).
Để tính toán thời gian UTC từ thời gian GPS, các tham số cần thiết được cung cấp trong khung phụ thứ 4 của bản tin dữ liệu dẫn đường Dữ liệu này bao gồm thông báo cho người sử dụng về các thông số liên quan đến gia số thời gian, cụ thể là các giây dôi ra f LSF, số tuần WNLSF và số ngày.
DN tại điểm cuối của giây dôi ra trở nên có hiệu lực, và hai lượng tử sau đó được gọi là thời gian có hiệu lực của giây dôi ra Ngày một được định nghĩa là ngày đầu tiên liên quan đến điểm kết thúc hoặc khởi đầu của một tuần, trong khi giá trị WN LSF gồm 8 bit đại diện cho giá trị nhỏ nhất của số tuần.
Có 3 khác biệt tồn tại giữa mối quan hệ giữa thời gian UTC và thời gian GPS Sự khác nhau này phụ thuộc vào mối quan hệ của thời gian có hiệu lực đối với thời gian GPS hiện tại của máy thu
Thời gian có hiệu lực được xác định bởi giá trị WN LSF và WN, luôn không âm so với thời gian hiện tại của người sử dụng Thời gian hiện tại không được nằm trong khoảng từ DN+3/4 đến DN+5/4 Thời gian UTC được tính toán như sau:
TUTC = (tE - tUTC) (s) Với: tUTC = tLS + A0 + A1[tE - t0t + 604800(WN - WNt)] (s);
TE - thời gian GPS của người sử dụng từ thời điểm bắt đầu của tuần; TLS - gia số thời gian của các giây dôi ra;
A - hằng số của đa thức từ bản tin dữ liệu tạm thời;
A1 - thành phần bậc nhất của đa thức từ bản tin dữ liệu tạm thời;
T0t - thời gian chuẩn cho dữ liệu UTC;
WN - hằng số tuần hiện tại lấy từ khung phụ 1;
WN t - số tuần chuẩn UTC
Thời gian GPS của người dùng tE được tính theo giây, liên quan đến điểm bắt đầu hoặc kết thúc của tuần Thời gian chuẩn t0t cho dữ liệu UTC được tính từ điểm khởi đầu của tuần, với số tuần WNt được xác định từ thứ.
Khung phụ thứ 3 chứa giá trị WN t 8 bit, biểu thị số tuần đầy đủ tối thiểu Người dùng cần lưu ý đến đặc điểm làm tròn của thông số này cùng với các thông số WN, WN t và WNLSF do sự kết thúc của số tuần đầy đủ Các thông số này được quản lý bởi phần điều khiển để đảm bảo rằng sự sai lệch tuyệt đối giữa WN chưa làm tròn và WN t không vượt quá 127.
Khi thời gian GPS của người sử dụng nằm trong khoảng từ DN+3/4 đến DN+5/4, có thể xảy ra hiện tượng giây dôi ra do sự thay đổi số tuần Theo đó, UTC được tính như sau:
Với: W = (tE - tUTC - 43200) + 43200 (s) (thành phần trong ngoặc lặp lại sau 86.400s)
Việc xác định tUTC áp dụng thông qua khoảng thời gian chuyển tiếp b) Trường hợp thứ ba:
Khi giá trị WN LSF và DN là âm so với thời gian GPS hiện tại của người sử dụng, quan hệ trước đây của tUTC sẽ có hiệu lực, trừ khi tLSF được thay thế cho tLS Phần điều khiển phối hợp cập nhật các thông số UTC trong các bản tin phát lên vệ tinh nhằm duy trì sự liên lạc của khung thời gian UTC.
Lịch vệ tinh
Để đảm bảo dẫn đường chính xác cho máy bay, việc nắm rõ tọa độ và tốc độ của vệ tinh là rất quan trọng Các thông tin về tọa độ và tốc độ này được tổng hợp trong một tài liệu gọi là lịch sao.
Các tham số được truyền cho vệ tinh và lưu trữ trong bộ nhớ, sau đó được gửi xuống máy thu theo tín hiệu yêu cầu hoặc theo chu kỳ Các đài quan sát trên mặt đất theo dõi và truyền thông tin này về trung tâm điều khiển, nơi xử lý thông tin để đưa ra dự báo về tọa độ và tốc độ của vệ tinh trên quỹ đạo Dữ liệu dự báo sau đó được gửi lại cho vệ tinh, lưu vào bộ nhớ và phát lại trong quá trình phát tín hiệu dẫn đường.
Các vệ tinh không chỉ truyền tải thông tin về quỹ đạo của chúng mà còn cung cấp dữ liệu quan trọng khác Tất cả thông tin liên quan đến các vệ tinh trong hệ thống được tổng hợp trong một tài liệu gọi là lịch thư.
Thông tin trong lịch thư giúp máy thu xác định các vệ tinh tối ưu cho dẫn đường và định vị, từ đó rút ngắn thời gian tìm kiếm.
NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ
Nguyên lý dẫn đường của hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR -
Nguyên lý dẫn đường trong hệ thống NAVSTAR dựa trên việc tính toán khoảng cách Khi biết khoảng cách và tọa độ của ít nhất 4 điểm so với một điểm bất kỳ, vị trí của điểm đó có thể được xác định một cách chính xác.
Khi máy thu xác định khoảng cách d1 đến vệ tinh thứ nhất, vị trí của nó nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh đó và bán kính d1 Nếu tiếp tục đo khoảng cách d2 đến vệ tinh thứ hai, máy thu sẽ được xác định trên đường tròn giao của hai mặt cầu d1 và d2 Với khoảng cách d3 đến vệ tinh thứ ba, vị trí máy thu sẽ nằm tại một trong hai giao điểm của đường tròn và mặt cầu thứ ba Trong số hai giao điểm này, một điểm là vị trí ảo, nhưng có thể sử dụng các phương trình tính toán để xác định vị trí thật của máy thu Cuối cùng, nếu đo được khoảng cách d4 đến vệ tinh thứ tư, vị trí máy thu sẽ được xác định một cách chính xác hoàn toàn.
Hình 2.1: Nguyên lý dẫn đường bằng khoảng cách
Trong đó: v - tốc độ lan truyền của sóng điện = 299792458m/s t - thời gian sóng điện từ đi từ máy phát đến máy thu
Để xác định vị trí của máy thu so với mặt đất, ngoài việc tính toán vị trí trong không gian, chúng ta cần sử dụng thêm các thông tin bổ sung.
Các vệ tinh GPS được đặt trên quỹ đạo chính xác, bay quanh trái đất trong 11 giờ 58 phút và đi qua các trạm kiểm soát hai lần mỗi ngày Các trạm này có thiết bị thu nhận tín hiệu để tính toán vị trí, độ cao và tốc độ của vệ tinh, đồng thời truyền thông tin trở lại cho vệ tinh Khi vệ tinh đi qua trạm kiểm soát, bất kỳ sai lệch nào trên quỹ đạo sẽ được xác định, với các nguyên nhân chính bao gồm sức hút của mặt trời, mặt trăng và áp suất bức xạ mặt trời Vệ tinh truyền thông tin về vị trí và thời gian đến các máy thu, giúp xác định kinh độ, vĩ độ và khoảng cách thông qua mô hình trái đất Hệ thống GPS sử dụng mô hình toán học WGS-84 (World Geodetic System) để xác định các thông số này.
Xác định khoảng cách giả để định vị trong phương pháp dẫn đường
Khoảng cách giả là khoảng cách tính từ máy thu đến vệ tinh, thường được đo bằng mét Trong ngữ cảnh này, khoảng cách giả và thời gian có mối liên hệ chặt chẽ, vì thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh đến máy thu (thời gian lan truyền vô tuyến điện) tương ứng với khoảng cách theo công thức d = v.t Việc xác định chính xác thời gian lan truyền là rất quan trọng.
Thuật ngữ "giả" được sử dụng do sự tồn tại của sai số trong khoảng cách Để xác định thời gian chính xác giữa hai vị trí, các đồng hồ cần được đồng bộ hóa Mặc dù đồng hồ của các vệ tinh đã được đồng bộ, nhưng đồng hồ của máy thu lại không đồng bộ với đồng hồ vệ tinh, dẫn đến sai số khi thời gian máy thu nhận tín hiệu không khớp với thời gian phát tín hiệu của vệ tinh Việc khắc phục sai số này chỉ có thể thực hiện thông qua các phương pháp toán học.
Cơ sở việc đo khoảng cách là máy thu tạo ra một bản sao mã để so sánh với bản mã gốc của vệ tinh (hình 2.3)
Để xác định sự chênh lệch thời gian giữa hai mã, cần xem xét các yếu tố khác ngoài khoảng cách giả Việc tính toán khoảng cách thật không thể thực hiện nếu thiếu thông tin bổ sung cần thiết.
Máy thu GPS cần xác định khoảng cách đến ba vệ tinh khác nhau và biết chính xác vị trí của các vệ tinh trong không gian Thông tin này được sử dụng để loại trừ sai lệch thời gian giữa hai đồng hồ và áp dụng phương pháp giải để xác định tọa độ vị trí.
Saisố đồng hồ vệ tinh
Sai lệch đồng hồ máy thu và các sai số truyền lan
2.2.2 Xác định vị trí từ các khoảng cách giả
Khi đồng hồ máy thu được đồng bộ với đồng hồ trên vệ tinh mà không có độ trễ tín hiệu, việc xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh trở nên đơn giản Máy thu sẽ nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh và bán kính là khoảng cách đo được (d1) Khi đo khoảng cách tới vệ tinh thứ hai, máy thu sẽ nằm trên mặt cầu thứ hai với bán kính d2 Hai mặt cầu này giao nhau tại một vòng tròn gọi là đường vị trí, mà máy thu phải nằm trên đó Tiếp tục đo khoảng cách tới vệ tinh thứ ba, ta có mặt cầu thứ ba với bán kính d3, giao với hai mặt cầu trước tại hai điểm Một trong hai điểm sẽ bị loại trừ do nằm quá xa trong vũ trụ, không phải là vị trí của máy thu.
Chuỗi tín hiệu thu đƣợc từ vệ tinh
Bản sao tín hiệu bắt đầu tại Tu = 0 không cùng pha với chuỗi tín hiệu thu đƣợc
Bản sao tín hiệu đã đƣợc dịch chuyển để đồng pha với tín hiệu thu đƣợc từ vệ tinh
Hình 2.3 minh họa sự dịch chuyển bản sao nhằm đồng bộ với tín hiệu thu, cung cấp thông tin cần thiết để xác định vị trí tọa độ ba chiều của máy thu theo nguyên lý tối thiểu.
Sai số thời gian 1ms dẫn đến sai số khoảng cách lên đến 300km, điều này không thể chấp nhận trong việc khai thác hệ thống Vì vậy, nhiệm vụ của người khai thác là đồng bộ các đồng hồ vệ tinh thông qua việc hiệu chỉnh thường xuyên từ mặt đất Máy thu GPS dựa vào các giá trị hiệu chỉnh này để cải thiện độ chính xác của khoảng cách giả đo được.
Trong quá trình đo khoảng cách, sai số đồng hồ có thể xuất hiện, dẫn đến ba mặt cầu với bán kính là khoảng cách giả không cắt nhau tại một điểm Tuy nhiên, nếu xác định được sai số của đồng hồ máy thu (dT), khoảng cách giả có thể được hiệu chỉnh và vị trí của máy thu sẽ được xác định chính xác hơn.
Trong thực tế, có bốn thông số quan trọng cần xác định là kinh độ, vĩ độ, độ cao và giá trị hiệu chỉnh đồng hồ của máy thu.
Trong toán học, không thể xác định 4 thông số chỉ với 3 giá trị đo Để khắc phục điều này, cần tiến hành đo một khoảng cách giả tới vệ tinh thứ tư Mỗi giá trị đo khoảng cách giả tạo ra một phương trình thể hiện mối quan hệ giữa giá trị đo và các thông số chưa biết, như sau: p1 = X x 1² + Y y 1² + Z z 1² - c.DT, p2 = X x 2² + Y y 2² + Z z 2² - c.DT, p3 = X x 3² + Y y 3² + Z z 3² - c.DT, p4 = X x 4² + Y y 4² + Z z 4² - c.DT.
Giá trị đo đạc khoảng cách giả được thực hiện tại máy thu, tính bằng đơn vị quãng đường, nằm ở vế trái của mỗi phương trình Biểu thức dưới dấu căn thể hiện khoảng cách thật tới vệ tinh, với x, y, z là tọa độ của vệ tinh thứ i, được lấy từ bản tin dữ liệu tạm thời Trong khi đó, X, Y, Z là tọa độ của máy thu, và thành phần c.DT là giá trị hiệu chỉnh khoảng cách giả từ số hiệu chỉnh đồng hồ của máy thu.
Giải hệ bốn phương trình cho phép chúng ta xác định các giá trị X, Y, Z cùng với số hiệu chỉnh đồng hồ dT Mặc dù các phương trình được thiết lập theo hệ tọa độ Đề-các với gốc tọa độ tại tâm trái đất (hệ tọa độ địa tâm), nhưng các giá trị X, Y, Z có thể dễ dàng chuyển đổi sang kinh độ, vĩ độ và độ cao Một trong những bước quan trọng là tuyến tính hóa phương trình khoảng cách giả.
Do tính chất không tuyến tính của khoảng cách giả, giá trị đo được phụ thuộc vào tọa độ của máy thu Để giải các phương trình này, cần áp dụng nguyên lý lặp lại Newton-Raphson, thay vì sử dụng thuật toán thông thường Nguyên lý này kéo dài mỗi phương trình thành một chuỗi vô tận dựa trên các giá trị thử nghiệm X, Y, Z và dT, đồng thời loại bỏ các thành phần bậc cao để chỉ giữ lại thành phần bậc nhất, biến các phương trình thành phương trình tuyến tính của gia số.
Bốn phương trình thuần nhất có thể được giải đồng thời để xác định giá trị của các số giả và điều chỉnh các giá trị thử nghiệm cho phù hợp Tuy nhiên, trong trường hợp hệ phương trình không tương thích, việc tìm ra nghiệm có thể gặp khó khăn.
Khi có hơn 4 vệ tinh trong vùng quan sát của người sử dụng hệ thống GPS, máy thu sẽ chọn 4 vệ tinh để theo dõi nếu chỉ có khả năng theo dõi 4 vệ tinh cùng lúc Tuy nhiên, nếu máy thu có thể theo dõi 5 hoặc nhiều vệ tinh đồng thời, sẽ xảy ra tình huống có nhiều phương trình hơn số ẩn cần tìm, dẫn đến việc có nhiều giá trị xác định hơn ẩn số.
Định vị tương đối thời gian thực GPS
DGPS (Differential GPS) là một kỹ thuật định vị tương đối dựa trên mã, sử dụng hai hoặc nhiều máy thu đồng thời để theo dõi cùng một vệ tinh Phương pháp này có thể đạt được độ chính xác cấp mét trong chế độ thời gian thực Độ chính xác của DGPS phụ thuộc vào việc sai số GPS trong khoảng cách không chính xác đã đo được cần giống nhau cho cả máy thu từ xa và máy thu gốc, miễn là độ dài dây gốc nằm trong khoảng vài trăm kilomet.
Trong hệ thống DGPS, máy thu tham chiếu được đặt cố định tại vị trí có tọa độ đã biết, sử dụng phần mềm để xác định tọa độ vệ tinh và tính toán khoảng cách đến từng vệ tinh trong tầm nhìn Sự khác biệt giữa khoảng cách tính toán và khoảng cách đo thực tế dẫn đến sai số trong xác định khoảng cách, hay độ chính xác DGPS Độ chính xác này được truyền dưới dạng chuẩn RTCM tới máy thu từ xa, nơi nó được sử dụng để bù sai số đo được Độ chính xác của DGPS dao động từ 1m đến 5m, phụ thuộc vào khoảng cách giữa máy thu gốc và máy thu từ xa, cũng như tốc độ truyền dữ liệu.
Hình 2.4 : Hoạt động DGPS trong thời gian thực
2.4 Tín hiệu dẫn đường từ vệ tinh trong hệ thống GPS
Mỗi vệ tinh GPS đồng thời truyền phát trên hai băng tần L1 = 1575,42 MHz và L2 = 1227,60 MHz Sóng mang của tín hiệu L1 gồm 2 tín hiệu thành phần:
Thành phần đồng pha được tạo ra từ quá trình điều chế nhị pha, sử dụng chuỗi dữ liệu 50bps kết hợp với mã giả ngẫu nhiên C/A Mã C/A bao gồm 1023 chip liên tục, có chu kỳ 1ms và tần số chip đạt 1023MHz.
Thành phần pha vuông góc được điều chế nhị pha thông qua chuỗi dữ liệu 50bps, sử dụng mã giả ngẫu nhiên P với chu kỳ 1 tuần và tần số chip 10,23MHz.
Tín hiệu L2 được điều chế với chuỗi dữ liệu 50bps và mã P, trái ngược với tín hiệu L1, mặc dù không có chức năng truyền chuỗi dữ liệu 50bps.
L1 (hoặc L2) đƣợc sử dụng cho các mục đích sau:
Để tăng độ chính xác trong đo lường cự ly đối với các ứng dụng chính xác bằng việc sử dụng pha sóng mang
Cung cấp độ chính xác trong đo lường bằng hiệu ứng Doppler
Tần số Doppler đƣợc tích phân bằng cách đếm số chu kỳ của sóng mang thu đƣợc
Việc kết hợp sử dụng tần số L1 và L2 giúp cải thiện độ chính xác trong việc đo lường thời gian trễ truyền tín hiệu khi tín hiệu đi qua tầng điện ly.
Sự thay đổi của vận tốc pha và vận tốc nhóm của tín hiệu khi đi qua các tầng điện ly là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sai lệch cự ly.
Lỗi cự ly từ 10 đến 20m là phổ biến và đôi khi còn lớn hơn do sự trễ truyền tín hiệu từ tầng điện ly, không phụ thuộc vào tần số Để đánh giá chính xác lỗi cự ly do tầng điện ly, cần so sánh thời gian đến của tín hiệu L1 và L2.
Hình 2.5: Tín hiệu vệ tinh GPS
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc tạo tín hiệu vệ tinh GPS
2.4.2 Tính chất và thành phần của tín hiệu GPS a) Chuỗi dữ liệu 50bps
Dữ liệu hành trình quỹ đạo của vệ tinh hay niên lịch
Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS truyền tải dữ liệu về quỹ đạo của nó, được gọi là Almanac, giúp người dùng tính toán vị trí của tất cả vệ tinh tại mọi thời điểm Dữ liệu này không đủ chính xác để xác định vị trí nhưng có thể được lưu trữ trong máy thu trong nhiều tháng Thông tin này là cơ sở để xác định những vệ tinh mà máy thu có thể nhìn thấy, giúp máy thu nhận diện các vệ tinh ngay khi khởi động.
Dữ liệu quỹ đạo được sử dụng để ước lượng độ dịch tần Doppler của tín hiệu, từ đó hỗ trợ quá trình thu tín hiệu từ vệ tinh một cách nhanh chóng.
Dữ liệu tạm thời, mặc dù tương tự như dữ liệu hành trình quỹ đạo, cung cấp thông tin chính xác hơn về vị trí của vệ tinh để tính toán thời gian trễ tín hiệu, từ đó ước lượng vị trí của người sử dụng Khác với dữ liệu hành trình quỹ đạo, dữ liệu tạm thời chỉ cung cấp vị trí thực tế của vệ tinh và được truyền bởi chính vệ tinh đó, với thời gian tồn tại chỉ trong vài giờ.
Dữ liệu về thời gian
Chuỗi dữ liệu 50bps bao gồm tín hiệu mốc thời gian, giúp thiết lập thời gian truyền của các điểm cụ thể trong tín hiệu GPS Thông tin này rất quan trọng để xác định thời gian trễ truyền tín hiệu từ vệ tinh đến thiết bị thu, từ đó đo khoảng cách chính xác.
Dữ liệu về trễ truyền do tầng điện ly
Khi đo cự ly, một số lỗi do ảnh hưởng của tầng điện ly có thể được khắc phục bằng cách đánh giá sự trễ trong quá trình truyền sóng Việc này được thực hiện thông qua việc truyền chuỗi dữ liệu để xác định và điều chỉnh sai số.
Thông tin về tình trạng vệ tinh
Chuỗi dữ liệu cung cấp thông tin quan trọng về tình trạng hiện tại của vệ tinh, giúp máy thu có khả năng loại bỏ những vệ tinh không hoạt động tốt Cấu trúc của bản tin dẫn đường cũng đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin này.
Một bản tin hoàn chỉnh bao gồm 25 khung, mỗi khung chứa 1500 bit, được chia thành 5 khung phụ, mỗi khung phụ chứa 300 bit Mỗi khung phụ gồm 10 từ, với mỗi từ có kích thước 30 bit, và các bit nhận dạng của mỗi từ được phát đi đầu tiên Với tốc độ truyền 50bps, cần 6 giây để truyền một khung phụ và 30 giây để truyền một khung Tổng thời gian để truyền hết 25 khung thông tin là 750 giây, tương đương 12,5 phút.
Ngoại trừ thỉnh thoảng thông tin đƣợc cập nhật thì các khung phụ 1, 2 và
Cấu trúc máy thu GPS
Hiện nay, nhiều loại máy thu được sử dụng để thu và xử lý tín hiệu GPS, phục vụ cho việc dẫn đường trên nhiều thiết bị trong các lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên, để đảm bảo việc thu tín hiệu GPS hiệu quả, các máy thu thường có một sơ đồ khối chung.
Lọc và khuếch đại tín hiệu cao tần
Đổi tần và khuếch đại trung tần
Số hoá tín hiệu GPS
Xử lý tín hiệu băng cơ sở
2.5.1 Lọc và khuếch đại tín hiệu cao tần
Trong máy thu GPS, tầng cao tần có nhiệm vụ lọc và khuếch đại tín hiệu GPS từ anten, do năng lượng tín hiệu đầu vào rất thấp và dễ bị che khuất bởi các tín hiệu khác Để xử lý hiệu quả, tín hiệu cao tần cần được khuếch đại từ 35dB đến 55dB Tầng cao tần cũng bao gồm bộ lọc thông dải (BPF) nhằm triệt nhiễu ngoại băng mà không làm ảnh hưởng đến tín hiệu GPS Băng thông danh định của tín hiệu GPS là 20 MHz, nhưng việc xây dựng bộ lọc có tỷ lệ băng thông trên tần số sóng mang thấp là rất khó Do đó, nhiều bộ lọc băng thông rộng được sử dụng để giảm nhiễu cao tần, trong khi bộ lọc băng thông hẹp (SCF) sẽ được áp dụng sau khi tín hiệu đã được chuyển xuống tần số trung tần.
2.5.2 Đổi tần và khuếch đại trung tần
Sau khi tín hiệu GPS được khuếch đại ở tầng cao tần, nó sẽ được chuyển xuống tần số trung tần để tiếp tục quá trình lọc và khuếch đại, được gọi là đổi tần Quá trình đổi tần tín hiệu GPS nhằm đạt được những mục tiêu nhất định.
- Nâng cao hệ số khuếch đại tổng vƣợt quá ngƣỡng khuếch đại đã đạt đƣợc ở tầng cao tần
- Sau khi đổi tần, tỉ lệ băng thông tín hiệu trên tần số trung tâm sẽ tăng lên, cho phép xây dựng những bộ lọc băng thông hẹp SCF
- Đổi tần sẽ đƣa tín hiệu GPS xuống tần số thấp hơn làm cho việc lấy mẫu tín hiệu trở nên đơn giản hơn
Quá trình đổi tần diễn ra bằng cách nhân tín hiệu GPS với tín hiệu dạng Sin từ bộ dao động nội (LO - Local Oscillator) trong bộ trộn.
Bộ trộn (Mixer) trong hệ thống GPS xử lý tín hiệu bằng cách tạo ra hai tín hiệu trung tần (IF) từ tần số sóng mang và tần số bộ dao động nội Một tín hiệu được sử dụng trong khi tín hiệu còn lại được gọi là “tín hiệu ảnh” Việc loại bỏ tín hiệu ảnh là cần thiết nhưng gặp khó khăn do khoảng cách giữa hai tín hiệu chỉ là hai lần tần số trung tần Do đó, cần thực hiện nhiều lần đổi tần để dễ dàng loại bỏ tín hiệu ảnh không mong muốn.
Thông thường, tín hiệu GPS được chuyển đổi hai lần xuống tần số trung tần từ 4 đến 20MHz để đảm bảo tốc độ lấy mẫu hợp lý Năng lượng tạp âm trong băng thông trung tần được tính toán theo công thức cụ thể.
B : là băng thông tín hiệu (Hz)
TC : là hệ số tạp nhiệt hiệu dụng( K)
Hệ số tạp nhiệt hiệu dụng T C chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như tạp âm khí quyển, tạp âm nhiệt anten, suy hao theo cự ly, tạp nhiệt máy thu và nhiệt độ môi trường Thông thường, T C được lấy là 513 K, dẫn đến tạp âm ở băng thông 2MHz là -138,5 dBW và ở băng thông 20MHz là -128,5 dBW Mức năng lượng tín hiệu thu được ước tính là -154,6 dBW.
Nhƣ vậy tỉ lệ SNR ở băng thông 20MHz sẽ là:
Tỉ lệ tín trên tạp SNR của tín hiệu băng thông 2MHZ sẽ là:
2.5.3 Số hoá tín hiệu GPS
Trong máy thu GPS hiện đại, tín hiệu số được xử lý để theo dõi tín hiệu vệ tinh, đo khoảng cách và tần số Doppler, cũng như giải điều chế dữ liệu với tốc độ 50 bit/s Để tận dụng những ưu điểm của tín hiệu số, tín hiệu GPS cần được lấy mẫu và số hóa thông qua bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC).
Hầu hết các máy thu hiện nay sử dụng phương pháp lượng tử hoá 1 bit để lấy mẫu, vì đây là phương pháp đơn giản và ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điện áp, do đó không cần bộ tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại AGC Tuy nhiên, khi tạp trắng có năng lượng cao hơn tín hiệu, việc lấy mẫu trở nên khó khăn Bên cạnh đó, lượng tử hoá 1 bit gây suy giảm tỉ lệ tín trên tạp khoảng 2dB và tạo ra “hiệu ứng giữ chỗ” đối với nhiễu năng lượng cao, khiến tín hiệu dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
2.5.4 Xử lý tín hiệu băng cơ sở
Xử lý tín hiệu là quá trình thực hiện các thuật toán thời gian thực bằng phần cứng và phần mềm của máy thu để tìm và bám tín hiệu GPS Quá trình này bao gồm việc giải mã bản tin dẫn đường nhằm đo đạc khoảng cách qua mã hoặc pha sóng mang, cũng như tính toán tần số Doppler Kết quả cuối cùng là xác định chính xác vị trí của máy bay trong không gian Để hiểu rõ hơn, chúng ta sẽ phân tích quy trình tìm và bám tín hiệu GPS trong máy thu thành hai phần chính.
Bám tần số và pha sóng mang
Bám mã và giải trải phổ tín hiệu
Amp Mix.1 BPF Amp Mix.2 BPF
Thông tin dẫn đường ( vị trí, tốc độ, thời gian, tần
Truy cập và bám mã tín hiệu GPS Truy cập và bám sang mang Đồng bộ bit dữ liệu
Giải điều chế bản tin dẫn đường Đo tựa cụ ly theo mã hoặc theo sóng mang
Xử lý thông tin dẫn đường (có thể có chứa bọ lọc Kalman)
Dữ liệu phụ trợ ( hệ thống dẫn đường quán tính, đồng hồ đo cao, LORAN C
Tín hiệu trung tần đã đƣợc số hoá
LO Điều khiển ngắt Định thời
Tầng trung tần thứ hai Tầng trung tần thứ nhất
Độ chính xác của hệ thống GPS và các nguyên nhân gây sai số
2.6.1 Độ chính xác của GPS
Trước khi so sánh GPS với các hệ thống định vị khác, cần hiểu rõ nguyên lý hoạt động của GPS GPS hoạt động dựa trên việc xác định khoảng cách tới ba vệ tinh đã biết, từ đó cho phép xác định vị trí chính xác.
Mỗi vệ tinh phát một bộ mã duy nhất trên dải tần L với hai tần số L1 và L2 Các thông số quỹ đạo và đồng hồ chính xác được quản lý bởi các trạm mặt đất điều khiển Thông tin lịch vệ tinh và hiệu chỉnh đồng hồ được phát từ trạm điều khiển chính, giúp mỗi vệ tinh biết thời gian và lịch chính xác Để xác định vị trí chính xác, người sử dụng cần đo khoảng cách tới ít nhất 3 vệ tinh Kỹ thuật đo khoảng cách này sử dụng các bản sao mã nhận dạng vệ tinh trong máy thu và điều chỉnh theo thời gian cho đến khi đạt được tương quan với tín hiệu vệ tinh Giá trị đo này gọi là khoảng cách giả, và để giải quyết 4 ẩn số trong các phương trình, cần đo từ 4 vệ tinh.
Y, Z của vị trí và T là thời gian chính xác
Sai số trong việc xác định vị trí GPS phụ thuộc vào 4 vệ tinh, đặc tính hình học của chúng và độ chính xác khoảng cách giả Có 4 nguồn sai số chính ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống GPS: sai số từ phần vệ tinh và phần điều khiển, sai số do thời gian phát truyền, sai số đo đạc của máy thu, và sai số của người sử dụng (UERE).
2.6.2 Các nguyên nhân gây sai số
Sai số do bầu khí quyển a) Tầng điện ly và tầng đối lưu
Tín hiệu điện từ, khi đi qua môi trường ion hóa, sẽ bị ảnh hưởng bởi tính chất khuyếch tán Điều này dẫn đến việc các tín hiệu GPS cũng chịu tác động từ tính chất khuyết tán phi tuyến của môi trường này.
Tầng đối lưu là một phần của khí quyển có ảnh hưởng trung tính, tác động của nó lên tín hiệu định vị không phụ thuộc vào tần số Do đó, sai số mà tầng đối lưu gây ra không thể xác định chỉ bằng cách so sánh các giá trị đo ở hai tần số khác nhau Những ảnh hưởng của tầng đối lưu đối với tín hiệu định vị có thể được liệt kê rõ ràng.
- Kéo dài thời gian truyền tính hiệu (range delay)
- Tạo ra các hiện tƣợng khúc xạ khi tín hiệu truyền qua
- Làm yếu tín hiệu truyền qua
Dao động tín hiệu ở tần số cao xuất phát từ những biến đổi biên độ thấp trong tầng đối lưu Để xác định vị trí và tốc độ của máy thu tín hiệu GPS, người sử dụng cần biết vị trí của vệ tinh tại thời điểm phát tín hiệu Sai số do quỹ đạo vệ tinh có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả định vị vị trí, tốc độ và thời gian của máy thu Chuyển động của vệ tinh bị tác động bởi nhiều yếu tố như tính không đồng nhất của trọng trường Trái Đất, sức hút từ Mặt Trăng, Mặt Trời và các thiên thể khác, cũng như sức cản của bầu khí quyển và áp lực bức xạ mặt trời, dẫn đến sự lệch quỹ đạo của vệ tinh Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể xác định thông qua mô hình chuyển động được xây dựng dựa trên các yếu tố này.
Sai số do vệ tinh, máy thu a) Sai số đồng hồ
Thông số quỹ đạo và thời gian của vệ tinh, bao gồm giá trị thời gian hiện tại và giá trị tiên đoán, được xác định tại các trạm điều khiển mặt đất và truyền lên vệ tinh để mã hóa vào dữ liệu Quá trình xác định thời gian vệ tinh theo hệ chuẩn GPST và tiên đoán thời gian đều có chứa sai số, gọi là sai số do đồng hồ vệ tinh Ngoài ra, còn tồn tại sai số do nhiễu tín hiệu.
Các phép đo mã và pha của tín hiệu GPS chịu ảnh hưởng từ nhiễu ngẫu nhiên, hay còn gọi là nhiễu tại máy thu Nhiễu này xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm anten, bộ khuếch đại, dây dẫn, máy thu và các nguồn khác.
Anten của máy thu không chỉ tiếp nhận tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh mà còn nhận các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh Hiện tượng này gây ra sai số, được gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh.
Sai số do người sử dụng
Sai số trong quá trình đo lường và ghi nhận dữ liệu thường xuất phát từ lỗi của người sử dụng, bao gồm việc nhập sai số liệu vào máy tính Tuy nhiên, nếu được phát hiện kịp thời, những sai số này hoàn toàn có thể được sửa chữa.
