Đang tải... (xem toàn văn)
Hệ thống định vị vệ tinh GPS
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 LỚI NÓI ĐẦU GPS không còn xa lạ tại Việt Nam. Đặc biệt với cở vật chất cũng như sự phát triển chóng mặt của mạng viễn thông với cột mốc phóng vệ tinh Vinashat1 thì những đòi hỏi của GPS càng ngày càng trở lên đơn giản. Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô tô bóng láng, trên xe ô tô có trang bị thiết bị dẫn đường GPS (GPS navigator) chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của xe mình hiện trên màn hình có bản đồ điện tử trong hệ thống đường xá phức tạp. Vậy thiết bị dẫn đường GPS trên xe ô tô có nguyên lý hoạt động như thế nào? Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý hoạt động của Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System, viết tắt là GPS) hoặc tên gọi mới ưa dùng hơn Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu Trên thế giới khái niệm GPS đã tồn tại khá lâu và đã được áp dụng rất rộng rãi không chỉ trong quân sự mà trong rất nhiều mặt của đời sống. Vì thế nghiên cứu tìm hiểu và ứng dụng công nghệ này vào điều kiện cụ thể Việt Nam là điều hoàn toàn thiết thực, đặc biệt trong lĩnh vực giao thông. Ý tưởng làm đề tài này của em được Kỹ sư Đỗ Minh Hiền, cựu sinh viên Bách Khoa gợi ý. Sau một thời gian tìm hiểu em cảm thấy rất thích và quyết định lấy nó làm đồ án tốt nghiệp ra trường của mình. Và quá trình thực tập tốt nghiệp 2 tuần cũng là lúc em càng quyết tâm theo đuổi đề tài này. Hy vọng dưới sự giúp đỡ của thầy Bùi Minh Cường cùng các thầy cô trong khoa em sẽ hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Hà nội, Ngày 01 tháng 02 năm 2010 Sinh viên: Đinh Tiến Đức Lớp: Công nghệ phần mềm B – K47 Mã sinh viên: 0603692 1. Giới thiệu về GPS - 1 - Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 (The Global Positioning System (GPS)) là một chuẩn chung cho hệ thống định vị nhờ vệ tinh (Global Navigation Satellite System(GNSS) ), được phát triển bởi bộ quốc phòng Hoa kỳ. Là chuẩn định vị nhờ vệ tinh với đầy đủ chức năng trên thế giới. GPS sử dụng một nhóm từ 24 đến 32 vệ tinh bay ở quỹ đạo Medium Earth Orbit (MEO 2000km đến 35,768km) quanh trái đất phát tín hiệu sóng tới các các thiệt bị thu GPS nhằm xác định chính xác vị trí máy thu GPS, thời gian và vận tốc của chúng. Cơ quan của GPS là NAVSTAR GPS. Nhóm vệ tinh GPS được quản lý bởi United States Air Force 50 th Space Wing. GPS thường được sử dụng trong dân sự như một hệ thông định vị, điều hướng. Sau khi chuyến bay 007 từ Hàn Quốc bị bắn hạ vào năm 1983 vì bay vào vùng cấm bay của USSR, tổng thống Ronald Reagan đưa ra chỉ thị sử dụng GPS cho dân sự như một tiện ích chung. Từ khi đó, GPS được sử dụng rộng rãi hỗ trợ định vị toàn cầu, và là một công cụ hữu dụng cho thiết kế bản đồ, đo đạc vùng đất, công thương, khoa học và trở thành tiện ích cá nhân. Tham chiếu thời gian chính xác được sử dụng trong nhiều ứng dụng bao gồm nghiên cứu khoa học về động đất. GPS yêu cầu đồng bộ tài nguyên của các mạng lưới đối tượng, như giao tiếp không dây Qualcomm CDMA sử dụng bới các thiết bị không dây trong các quốc gia. Hệ thống định vị vệ tinh đầu tiên, Transit, được sử dụng bởi hải quân Mỹ, là thử nghiệm thành công đầu tiên vào năm 1960. Sử dụng một nhóm 5 vệ tinh, nó có thể cung cấp một định vị trong xấp xỉ một giờ đồng hồ. Năm 1967, hải quân Mỹ phát triển vệ tinh Timation chứng minh khả năng đặt giờ chính xác trong vũ trụ. Năm 1970, hệ thống định vị vận tốc góc, dựa trên việc so sánh các giai đoạn của tín hiệu, trở thành hệ thống định vị radio toàn cầu đầu tiên. Thiết kế của GPS một phần tương tự như hệ thống định vị radio, như LORAN và Decca Navigator phát triển vào đầu năm 1940, và được sử dụng trong suốt đại chiến thế giới lần thứ 2. Thêm vào đó là cuộc chạy đua công nghệ khi Liên Xô thống nhất và cho phóng Sputnik đầu tiên vào năm 1957. Một đội các nhà khoa học của Mỹ đứng đầu là Dr. Richard B. Kershner đã quan sát và kiểm tra sự truyền tín hiệu radio của Sputnick. Họ đã tìm ra nhờ tác động Doppler. Sự liên tục của tín hiệu được truyền từ Sputnik thì cao hơn khi tiến gần đến vệ tinh và thấp hơn khi nó tiếp tục xa họ. Họ tiến hanh việc này từ khi họ biết vị trí chính xác vị trí của họ trên địa cầu. Họ có thể định vị nơi mà vệ tinh tiến đến. Quỹ đạo của nó được đo bởi biến đổi Doppler. Niên biểu lịch sử phát triển GPS Thời gian Sự kiện Thập niên 1920s Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến - 2 - Hệ thống GPS Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 Đầu Đại chiến thế giới thứ 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 (vĩ độ và kinh độ). 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 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 triển dưới sự chỉ đạo của TS Richard Kirschner. Mặc dù khởi đầu Transit được chế tạo để hỗ trợ cho đội tàu ngầm của Mỹ nhưng những công nghệ này đã được phát triển có ích trở thành Hệ thống định vị toàn cầu. Vệ tinh Transit đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào năm 1959. 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 thể đạt tới độ lưu 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 hủy bỏ vào năm 1961 1963 Tổng công ty Aerospace Corporation thực hiện nghiên cứu về hệ thống không gian làm cơ sở cho hệ thốn dẫn đường cho phương tiện chuyển động nhanh theo ba chiều không gian. Việc nghiên cứu này trực 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. 1963 Air Force bắt đầu hỗ trợ nghiên cứu của Aerospace, chỉ định nghiên cứu này bằng Dự án Hệ thống 621B. Khoảng năm 1972, chương trình này đã biểu diễn hoạt động của một loại tín hiệu xác định khoảng cách vệ tinh mới dựa trên tiếng ồn ngẫu nhiên giả tạo (PRN, pseudo random noise). 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. - 3 - Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 1968 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. 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 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. 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 - 4 - Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 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). 1977 Thực hiện kiểm tra thiết bị người sử dụng ở Yuma, Arizona. 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). 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. 14/7/1983 Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ hạt nhân (NDS) mới hơn 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 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. Tháng tư 19985 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). 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 2 năm 1989, Coast Guard có trách nhiệm làm đại lý hướng dẫn Dịch vụ GPS Dân sự (civil GPS service). 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) - 5 - Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 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 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. 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. 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. 25/3/1990 DoD 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. 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. 1990-1991 GPS được các lực lượng liên minh dùng lần đầu tiên trong điều kiện chiến tranh trong Chiến tranh Vịnh Ba Tư. Sử dụng GPS cho Bão Sa Mạc Hoạt Động (Operation Desert Storm) chúng minh là cách sử dụng chiến thuật thành công đầu tiên của công nghệ không gian trong giới hạn thiết trí hoạt động. 29/8/1991 SA được kích hoạt lại sau Chiến tranh Vịnh Ba Tư. 1/7/1991 Mỹ đã cho phép cộng đồng thế giới sử dụng dịch vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) GPS bắt đầu từ năm 1993 trên cơ sở liên tục và miển phí trong vòng ít nhất 10 năm. Lời đề nghị này được thông báo trong Hội nghị Dẫn đường Hàng không lần thứ 10 (the 10 th Air Navigation Conference) của Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO, International Civil Aviation Organization). 5/9/1991 Mỹ mở rộng lời đề nghị 1991 vào Hội nghị thường niên ICAO bằng cách cho phép thế giới sử dụng SPS trong tương lai, việc này phụ thuộc vào việc có đủ vốn, cung cấp dịch vụ này tối thiểu 6 năm có thông báo trước về việc chấm dứt hoạt động GPS hoặc xóa bỏ SPS. 8/12/1992 Bộ Trưởng Bộ Quốc phòng chính thức thông báo Khả năng hoạt động - 6 - Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 đầu tiên của GPS, có nghĩa là 24 vệ tinh trên quỹ đạo hệ thống GPS không còn là hệ thống đang triển khai nữa mà GPS đã có khả năng duy trì độ chính xác ở mức độ sai số 100 mét và có sẵn trên toàn cầu liên tục cho người sử dụng SPS như đã hứa. 17/2/1994 Người quản trị FAA David Hinson thông báo GPS là một hệ thống dẫn đường đầu tiên đã được thông qua để sử dựng làm phương tiện hỗ trợ dẫn đường độc lập cho tất cả các phương tiện bay thông qua tiếp cận không chính xác (nonprecision approach). 6/6/1994 Người quản trị FAA David Hinson thông báo ngừng phát triển Hệ thống Hạ cánh Vi sóng (MLS) cho việc hạ cánh Loại II và III. 11/1994 Hãng Orbital Sciences, một nhà sản xuất tên lửa và vệ tinh hàng đầu thế giới đồng ý mua hãng Magellen Corp., một nhà sản xuất máy thu GPS cầm tay ở California bằng trao đổi chứng khoán trị giá 60 triệu đô la Mỹ, mang lại cho Orbital tiến gần tới mục tiêu trở thành công ty viển thông hai chiều dựa vào vệ tinh. 8/6/1994 Người quản trị FAA David Hinson thông báo thực hiện Hê thống Gia tăng Vùng rộng (WAAS, Wide Area Augmentation System) nhằm mục đích cải thiện tính hợp nhất GPS và tăng tính sẵn có cho người sử dụng dân sự trên tất cả các phương tiện bay. Giá chương trình theo dự tính mất 400-500 triệu đô la Mỹ. Chương trình này được lập kế hoạch thực hiện vào khoảng năm 1997. 11/10/1994 Ủy ban hành động dẫn đường định vị Bộ Giao thông (the Department of Transportation Positioning / Navigation Executive Committee) được thành lập để cung cấp diễn đàn qua đại lý nhằm thực hiện chính sách GPS. 14/10/1994 Người quản trị FAA David Hinson nhắc lại lời đề nghị (US’s offer) làm GPS-SPS có sẵn trong tương lai, dựa trên cơ sở liên tục và toàn cầu miễn phí cho người sử dụng trực tiếp trong thư gửi cho ICAO. 16/3/1995 Tổng thống Bil Clinton tái khẳng định rằng Mỹ cung cấp tín hiệu GPS cho cộng đồng người sử dụng dân dụng thế giới trong thư gửi cho ICAO Từ sau năm 1995 hệ thống GPS vẫn tiếp tục được duy trì và bảo dưỡng cũng như thay thế những vệ tinh già tuổi. Năm 2000, số vệ tinh trong chòm GPS đã tăng lên 28 vệ tinh. Những vệ tinh thế hệ GPS-IIR đã và đang được phóng lên để thay thế những vệ tinh già tuổi. Vệ tinh mới nhất được phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên GPS-IIR-M1, là vệ tinh đầu tiên thuộc thế hệ 8 chiếc vệ tinh hiện đại nhất GPS-IIR-M. Theo kế hoạch, vệ tinh tiếp theo sẽ được phóng lên không gian vào tháng giêng năm nay (2006). Trong quá trình tìm hiểu em tìm được khá nhiều tài liệu cũng như các bài báo liên quan đến GPS và cũng có các thông tin khác nhau về số lượng vệ tinh hiện nay. Em xin phép lấy các tài liệu nghiên cứu 24 vệ tinh làm nguồn tham khảo chính vì dù số lượng có khác nhau nhưng về nguyên tắc hoạt động thì không hể khác nhau. - 7 - Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 Cũng phải nói thêm là đối trọng với hệ thống GPS của Hoa Kỳ, Liên Xô cũng đã xây dựng thành công hệ thống định vị cho riêng mình. Và năm 2008 cũng là năm đánh dấu sự ra đời của hệ thống định vị toàn cầu mang nhãn hiệu EU Hệ thống GLONASS (Nga) Hệ thống GLONASS gồm 24 vệ tinh, 8 vệ tinh cho một quỹ đạo bay gồm 3 quỹ đạo. Các vệ tinh hoạt động với quỹ đạo có độ cao 19,100 km orbits ở góc nghiêng 64.8 độ và 11 giờ 15 phút/ quỹ đạo. Mỗi vệ tinh truyền trên 2 nhóm tần số L (two L frequency groups). Nhóm L1 là tâm ở tần số 1609 MHz trong khi nhóm L2 được đăng ký ở tần số 1251MHz. Mỗi vệ tinh truyền trên một cặp tần số duy nhất. Tín hiệu GLONASS mang cả mã P (precise (P) code) và mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code). Mã P được mã hoá cho quân đội sử dụng trong khi đó mã C/A thì có sẵn cho công dân sử dụng. Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS SYSTEM (NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING).Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển, phần không gian và phần sử dụng. A - Phần điều khiển (Control Segment): Gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii và 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 khi 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 làm nhiệm vụ thu tín hiệu từ vệ tinh. B - Phần không gian (Space Segment): - Chòm vệ tinh GPS: Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 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 theo dõi về vị trí đó bằng 4 vệ tinh gần nhau. 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 50 Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao. 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 - 8 - Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 quyết định do 4 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". - 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 fo/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 fo = 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. 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). 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 1800, 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. C - Phần sử dụng (User Segment): 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 - 9 - Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 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 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 = 1:29825722.α Phần sử dụng GPS có 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 ăngten 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. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS Nguyên lý chung: Nói đến GPS, mọi người thường nghĩ đến máy thu GPS, thực ra, GPS là một hệ thống gồm 27 vệ tinh (kể cả 3 cái sơ cua) chuyển động trên các quí đạo chung quanh trái đất. Quân đội Mỹ phát triển hệ thống này với mục đích quân sự nhưng nay nó đã - 10 - [...]... vậy vì vệ tinh của hệ thống GPS có độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER - Tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m của hệ thống GPS chỉ dùng để đáp ứng 2 mục đích: +) Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển động như tàu biển, máy bay ) +) Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS Nguyên lý xác định tọa độ tương đối Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã... hình phân bố vệ tinh GPS Bởi vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên cường độ cấu hình thay đổi theo thời gian khi các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo của chúng từ vị trí này đến vị trí kia Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ càng tốt Giả thiết độ chính xác trị số đo là 10 m, trị DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là 50 m Nếu trị DOP gần bằng đơn vị thì độ chính xác định vị của chúng... Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên bộ Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và là một bộ phận của những hệ thống dẫn đường tích hợp Ngoài ra, các vệ tinh GPS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân 7 Các thuật ngữ liên quan Do hệ thống định vị toàn cầu GPS sẽ là hướng phát triển thành đồ án tốt nghiệp sau này, nên em có tìm hiểu... vệ tinh nhận giá trị 1,2,3 hoặc 4 Biết thời gian chỉ định của tin nhắn khi nhận là tri, máy thu GPS có thể tính được thời gian truyền là (tri - ti) Biết được khoảng cách từ máy thu GPS đến vệ tinh và vị trí của vệ tinh chỉ ra là máy thu GPS nằm trên bề mặt của một hình cầu có tâm là các vệ tinh Vì thế chúng ta có thể xác định được vị trí của máy thu GPS tại điểm giao cắt của 4 hình cầu Trong trường hợp... phép định vị động Máy thu tĩnh tại có thể được coi là một vệ tinh giả đặt trên bờ để truyền tín hiệu và thông báo đã được mã hoá bằng cùng một cách giống như những gì đã được truyền qua vệ tinh - Cấu hình hình học GPS và độ chính xác Độ chính xác định vị điểm bằng GPS phụ thuộc vào hai yếu tố: cấu hình hình học vị trí vệ tinh và độ chính xác đo đạc Thành phần thông thường của độ chính xác đo đạc GPS. .. dân sự.Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn, sử dụng năng lượng mặt trời, chuyển động cách mặt đất khoảng 19300km Mỗi vệ tinh quay quanh trái đất 2 vòng một ngày đêm Quỹ đạo của các vệ tinh được tính toán sao cho ở bất kỳ nơi nào trên trái đất, vào bất kỳ thời điểm nào, cũng có thể “nhìn thấy” Công việc của một máy thu GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa, tính toán khoảng cách từ các vệ tinh và... một vệ tinh thứ tư nữa - 11 - Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 Hệ thống GLONASS (GLObal NAvigation Hệ thống GPS (Global positioning system) Satellite System) gồm 24 vệ tinh phân gồm có 24 vệ tinh phân phối thành 6 nhóm phối thành 3 nhóm bay theo 3 quỹ đạo hình bay theo 6 quỹ đạo hình tròn quanh trái đất và tròn quanh trái đất và ở độ cao khoảng 19 ở độ cao khoảng 20 200 km 100 km Chỉ có 7 trên 24 vệ tinh. .. và bến cảng Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ đo địa chấn) cũng như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có thể được đáp ứng bằng GPS Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất ) đều có thể dùng GPS làm công cụ định vị - 23 - Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47 - Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công... phương tiện trong vũ trụ 3 Các phương pháp định vị - Phép định vị tĩnh và định vị động Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do ăngten tĩnh hoặc động khác nhau nên dãn đến những khác nhau rất lớn Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác nhau, việc làm này cho phép ta có... thành phần hệ thống p(t), s(t) và p Thực ra chúng ta có thể nắm bắt tổng quan lại như sau (vì có khá nhiều phần lý thuyết chúng ta có thể lược bỏ) Sử dụng những tin nhắn nhận được từ một tối thiểu của 4 vệ tinh Một máy thu GPS có thể xác định được vị trí của vệ tinh và thời gian gửi các thành phần x, y, z của vị trí và thời gian gửi được chỉ rõ bởi [xi,yi,zi,ti] với i là số hiệu của vệ tinh nhận giá