- HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH. - Khái quát về hệ thống ñịnh vị GPS 2. - Cấu hình của hệ thống vệ tinh GPS 3. - Nguyên lý xác ñịnh vị trí của GPS 4. - Máy thu GPS. - Chương 10 – Hệ thống ñịnh vị nhờ vệ tinh. - Một nhu cầu rất lớn trong thông tin hiện ñại ñó là khả năng xác ñịnh vị trí và dẫn ñường cho các ñối tượng trên trái ñất. - Và nhu cầu ñó ñã dẫn tới sự ra ñời của hệ thống ñịnh vị bằng vệ tinh.. - Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên trái ñất ở ñộ cao 20.200 km, với tốc ñộ chừng 11.200 km/h trên 6 quỹ ñạo tròn, Chu kỳ ~ 12h.. - Hệ thống GLONASS. - Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GLONASS của Nga (Global Navigation Satellite System). - Hệ thống GLONASS dựa trên chòm các vệ tinh truyền liên tục các tín hiệu ñã ñược mã hóa trên 2 băng tần, tín hiệu ñó có thể ñược thu bởi người dùng ở bất kỳ ñâu trên trái ñất ñể biết ñược vị trí và vận tốc theo thời gian thực. - Hệ thống này cũng tương tự như hệ thống GPS của Mỹ, cả 2 hệ thống sử dụng cùng một nguyên lý ñịnh vị và truyền dữ liệu. - GLONASS ñược quản lý bởi không quân Nga và ñược ñiều hành bởi trung tâm ñiều phối thông tin khoa học nằm trong bộ quốc phòng Liên bang Nga Phân ñoạn không gian bao gồm 21 vệ tinh hoạt ñộng trong 3 mặt phẳng quỹ ñạo. - Các vệ tinh hoạt ñộng ở quỹ ñạo tròn cách mặt ñất 19,100 km và mỗi vệ tinh quay quanh quỹ ñạo mất khoảng 11h15’.. - Các vệ tinh GLONASS ñấu tiên ñược phóng lên quỹ ñạo vào năm 1982 nhưng các chòm vệ tinh chỉ hoàn thiện vào cuối năm 1995 - ñầu 1996. - Hệ thống chính thức hoạt ñộng vào ngày 24/9/93.. - GPS sử dụng các vệ tinh và các ñiểm tham chiếu ñể tính toán vị trí bằng phép ño tam giác, khả năng chính xác của nó có thể tới từng mét. - Trong thực tế, với những ưu ñiểm của GPS ta có thể thực hiện các phép ño chính xác tới từng centi mét. - Sử dụng cho các hoạt ñộng của vệ tinh (ñiều chỉnh vị trí của vệ tinh). - Như vậy, hệ thống ñịnh vị toàn cầu bằng vệ tinh ngày càng khẳng ñịnh ñược giá trị của nó và trở nên rất phổ biến cho rất nhiều ứng dụng, từ dân sự, quân sự cho ñến các lĩnh vực chuyên dụng. - Hiện nay ñang có 2 hệ thống ñịnh vị toàn cầu là GPS của Mỹ và GLONASS của Nga, sắp tới sẽ có hệ thống GALILLEO của châu Âu, dự báo khi ñó sẽ có rất nhiều ñiều thú vị cho ứng dụng và thị trường dành cho các hệ thống ñịnh vị.. - Hệ thống GPS bao gồm 3 phân ñoạn là phân ñoạn không gian (space segment), phân ñoạn ñiều khiển (control segment) và phân ñoạn người dùng (user segment). - Cấu hình hệ thống GPS. - Duy trì thời gian chính xác nhờ các chuẩn tần số nguyên tử trên vệ tinh (ñồng hồ nguyên tử). - Truyền thông tin và tín hiệu tới cho người dùng trên một hoặc 2 băng tần L. - Bao gồm 24 vệ tinh, ngoài ra có thể có các vệ tinh dự phòng.. - Mỗi vệ tinh có quỹ ñạo 12h. - 6 mặt phẳng quỹ ñạo, mỗi mặt phẳng có 4 vệ tinh. - Từ một vị trí trên trái ñất có thể nhìn thấy 5 ñến 8 vệ tinh. - Phân ñoạn ñiều khiển bao gồm các phương tiện, thiết bị cần thiết ñể có thể dễ dàng giám sát, ño ñạc từ xa, theo dõi, ra lệnh và ñiều khiển, tính toán. - Hệ thống ñược ñiều khiển bởi 5 trạm: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia and Kwajalein. - Tất cả 5 trạm là trạm giám sát, theo dõi các vệ tinh và gửi dữ liệu theo dõi ñến trạm ñiều khiển chính (Master Control Station. - Căn cứ không quân Falcon, Colorado Springs, là ñịa ñiểm trạm ñiều khiển chính Master Control Station (MCS), ở ñó dữ liệu theo dõi ñược xử lý ñể tính toán thiên văn và sửa lỗi ñồng hồ của vệ tinh. - ðây cũng là trạm sẽ khởi chạy tất cả các hoạt ñộng của phân ñoạn không gian, như là vận ñộng (di chuyển) vệ tinh, mã hóa dữ liệu và quản lý ñồng hồ vệ tinh. - Các trạm còn lại (Hawaii, Ascension Is., Diego Garcia, and Kwajalein), cùng với 2 anten khác ở trong lục ñịa Mỹ ñóng vai trò là các trạm tải lên (upload) cho phép tải dữ liệu lên các vệ tinh. - Các bản tin ñiều hướng mới và các lệnh ño từ xa có thể ñược truyền tới các vệ tinh GPS trong mỗi 8h, nếu cần. - Nếu hệ thống GPS ñược thiết kế hoàn thiện thì các vệ tinh có thể hoạt ñộng ñộc lập với phân ñoạn ñiều khiển dưới mặt ñất, mà không ảnh hưởng mấy ñến chất lượng hệ thống.. - Các máy thu dân sự (dịch vụ cho vị trí tiêu chuẩn) sử dụng mã khoảng cách (ranging code) C/A trên một băng tần L1. - Các máy thu quân sự (dịch vụ cho vị trí chính xác) sử dụng mã khoảng cách (ranging code) C/A và P trên cả 2 băng tần L1/L2. - Trong khi các chương trình nghiên cứu và phát triển quân sự nhằm mục tiêu ñạt ñược kích thước nhỏ, và ñộ tin cậy cao, thì các thiết bị dân sự hướng tới mục tiêu giảm giá thành và phát triển các tính năng có thể tăng cường khả năng của hệ thống.. - Do mỗi ứng dụng có thể yêu cầu chất lượng khác nhau, do ñó có một số hướng phát triển, một số nhắm ñến ñộ chính xác cao, một số hướng ñến tính năng ña dạng. - Nguyên lý xác ñịnh vị trí của hệ thống GPS. - Các vệ tinh cũng chính là các ñiểm tham chiếu cho các vị trí trên trái ñất, và hệ thống GPS xác ñịnh vị trí theo các bước sau:. - ðể tính toán tam giác, máy thu GPS ño khoảng cách dựa vào thời gian truyền sóng vô tuyến. - ðể ño thời gian ñó, GPS cần phải xác ñịnh ñược thời gian một cách chính xác. - Cùng với khoảng cách, GPS cũng cần phải xác ñịnh ñược chính xác vị trí của vệ tinh trong không gian. - Cuối cùng hệ thống cần phải hiệu chỉnh thời gian trễ khi truyền sóng qua tầng khí quyển. - Bằng cách xác ñịnh khoảng cách tới 3 vệ tinh ta có thể xác ñịnh ñược vị trí của ta chỉ có thể nằm tại một trong 2 ñiểm trong không gian. - Vấn ñề chỉ còn là ño thời gian truyền từ vệ tinh tới máy thu.. - Nếu vệ tinh ở ngay phía trên thì thời gian truyền chỉ mất khoảng 0,06 giây. - Do ñó chúng ta cần có các ñồng hồ chính xác. - Giả sử có một cách ñể làm cho cả vệ tinh và máy thu cùng phát một tín hiệu như nhau vào ñúng 12 giờ trưa. - Nếu tín hiệu có thể truyền tới máy thu, thì chúng ta sẽ có 2 tín hiệu, một từ chính máy thu và một từ vệ tinh.. - Phiên bản từ vệ tinh có thể bị trễ do phải truyền qua khoảng cách hơn 11000 dặm.. - Nếu ta muốn biết tín hiệu từ vệ tinh bị trễ bao nhiêu ta có thể cho tín hiệu của máy thu cho ñến khi chúng ñồng bộ với nhau.. - Do ñó chúng ta có thể nhân thời gian ñó với tốc ñộ ánh sáng và chúng ta sẽ xác ñịnh ñược khoảng cách tới vệ tinh.. - Mỗi vệ tinh ñều sử dụng một mã giả ngẫu nhiên duy nhất. - Bởi vì mỗi vệ tinh có một mã giả ngẫu nhiên duy nhất do ñó ñảm bảo rằng máy thu không bắt nhầm tín hiệu của vệ tinh khác. - Do ñó các vệ tinh có thể sử dụng tần số giống nhau mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. - Và còn khó hơn nếu ai ñó muốn gây nhiễu cho hệ thống.. - Trong thực tế mã giả ngẫu nhiên còn cho phép bộ quốc phòng Mỹ ñiều khiển truy cập vào hệ thống.. - Nhưng còn một lý do nữa ñể sử dụng mã giả ngẫu nhiên, ñó là có thể sử dụng “lý thuyết thông tin ñể khuyếch ñại tín hiệu GPS. - Nếu như mấu chốt là ño thời gian tín hiệu ñi từ vệ tinh ñến máy thu, thì thời gian ñó cần phải rất chính xác, bởi vì nếu thời gian lệch ñi 1 phần nghìn giây thì với tốc ñộ ánh sáng ñộ lệch vị trí xác ñịnh sẽ là 200 dặm.. - Nhưng còn ñối với các máy thu trên mặt ñất? Ta nhớ rằng cả vệ tinh và máy thu cần phải ñồng bộ mã giả ngẫu nhiên với nhau thì hệ thống mới có giá trị. - Nhưng nếu như máy thu của chúng ta cần phải có ñồng hồ nguyên tử thì hệ thống sẽ trở nên không kinh tế (ñồng hồ nguyên tử có giá từ 50$ tới 100. - khó có thể có người mua.. - Rất may là những người thiết kế hệ thống GPS có một sáng kiến tuyệt vời, ñó là thực hiện thêm một phép ño nữa. - Giả sử vị trí thực của chúng ta nằm cách vệ tinh A là 4 giây và cách vệ tinh B - 6 giây như hình vẽ. - Hai ñường tròn cắt nhau tại ñiểm X chính là vị trí của ta. - Nhưng giả sử rằng ñồng hồ của máy thu chậm hơn so với ñồng hồ toàn cầu. - Khi ñó khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh A sẽ là 5 giây và tới vệ tinh B sẽ là 7 giây. - Bây giờ ta sử dụng một vệ tinh thứ 3. - Sau khi xác ñịnh ñược giá trị sửa, máy thu có thể sử dụng giá trị này cho các phép ño sau này. - Và từ ñó ñồng hồ của máy thu ñã ñược ñồng bộ với thời gian toàn cầu. - Nhưng với cách này, thậm chí những máy thu GPS rẻ nhất cũng có thể có ñược thời gian chính xác như sử dụng ñồng hồ nguyên tử, và bây giờ chúng ta ñã có thể xác ñịnh ñược chính xác vị trí.. - Sử dụng hệ quả của nguyên lý trên, ta có thể rút ra rằng: hệ thống GPS cần ít nhất 4 vệ tinh ñể có thể xác ñịnh ñược chính xác vị trí của ta so với vệ tinh.. - ðể xác ñịnh ñược vị trí ta còn phải biết vị trí của vệ tinh ñể lấy ñó làm ñiểm tham chiếu Về cơ bản các quỹ ñạo là khá chính xác tuy nhiên ñể tăng ñộ chính xác thì các vệ tinh GPS luôn ñược giám sát bởi bộ quốc phòng. - Họ sử dụng các radar vô cùng chính xác ñể có thể kiểm tra vị trí chính xác của các vệ tinh, bao gồm cả vị trí và tốc ñộ. - “lỗi thiên văn” bởi vì chúng ảnh hưởng ñến tọa ñộ thiên văn hay là tọa ñộ quỹ ñạo của vệ tinh. - Các lỗi này gây ra bởi lực hút của mặt trăng, mặt trời và do áp suất của bức xạ mặt trời lên vệ tinh. - Sau khi bộ quốc phòng ñã ño chính xác vị trí của vệ tinh, họ sẽ truyền thông tin ñó quay trở lại vệ tinh. - Vệ tinh sau ñó sẽ phát cùng trong tín hiệu của mình cả thông tin về vị trí ñã hiệu chỉnh. - Như vậy bản tin của vệ tinh còn bao gồm cả thông tin về thiên văn của nó (quỹ ñạo, vị trí).. - Với thời gian chính xác và xác ñịnh ñược vị trí chính xác của vệ tinh ta có thể tính toán vị trí của mình.. - Tín hiệu. - Tín hiệu của vệ tinh về cơ bản bao gồm các tín hiệu sau: Hai sóng mang trên băng tần L. - Bản tin ñiều hướng chứa thông tin về vị trí của vệ tinh. - Mục ñích chính của các mã giả ngẫu nhiên là ñể xác ñịnh thời gian truyền của tín hiệu ñể từ ñó xác ñịnh khoảng cách ñến các vệ tinh. - Ngoài ra còn có một tín hiệu tần số thấp ñược ghép thêm vào các mã của băng tần L1 chứa các thông tin về vị trí của vệ tinh, thông tin sửa cho ñồng hồ và thông tin về trạng thái của hệ thống.. - Như ñã trình bày, hệ thống GPS làm việc dựa trên nguyên lý:. - nếu như ta biết khoảng cách tới một số vị trí ñã biết, khi ñó ta có thể tính ra ñược vị trí của mình. - Các vị trí ñã biết chính là 24 vệ tinh ñược ñặt trên 6 mặt phẳng quỹ ñạo cách mặt ñất 20,200 km. - Các vệ tinh quay quanh trái ñất mất 12h và quảng bá dữ liệu với tần số chính 1,575 GHz mang tín hiệu ñã mã hóa C/A về mặt ñất. - Các máy thu ño thời gian truyền của mã C/A theo ñơn vị mili giây, và từ ñó xác ñịnh khoảng cách tới vệ tinh. - Sau ñó tính toán vị trí của mình.. - Các hệ thống con của máy thu GPS bao gồm:. - Bộ xử lí tín hiệu DSP. - Hai thông tin trên kết hợp với ñồng hồ của máy thu sẽ ñược ñưa vào bộ xử lý ñể tính toán vị trí của máy thu. - Tín hiệu lối ra của máy thu bao gồm các thông tin về vị trí, vận tốc và thời gian.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt