MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU …………………………………………………………………………………….. 1
CÁC TỪ VIẾT TẮT …………………………………………………………………………….. 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG VỆ TINH
…………………………………………………………………………………………………………… 5
1.1 Sơ lƣợc lịch sử phát triển ………………………………………………………………. 5
1.2 Các hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh trên thế giới
…………………………………… 7
1.2.1 Hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh NAVSTAR -GPS …………………………. 7
1.2.2 Hệ thống Glonass ……………………………………………………………….. 15
1.2.3 Hệ thống vệ tinh dẫn đƣờng dân dụng bao phủ INMARSAT ……. 18
1.3 Các hệ tọa độ sử dụng trong dẫn đƣờng vệ tinh ……………………………… 20
1.3.1 Hệ tọa độ địa lý OzXdYdZd …………………………………………………. 20
1.3.2 Hệ tọa độ chuẩn địa tâm
……………………………………………………….. 21
1.3.3 Hệ tọa độ GPS
…………………………………………………………………….. 22
1.3.4 Hệ toạ độ địa lý cục bộ ENU ……………………………………………….. 24
1.4 Hệ thời gian sử dụng trong dẫn đƣờng vệ tinh ……………………………….. 24
1.3.1 Giờ GPS …………………………………………………………………………….. 24
1.3.2 Giờ UTC
…………………………………………………………………………….. 25
1.5 Lịch vệ tinh ……………………………………………………………………………….. 27
CHƢƠNG 2: NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG VỆ
TINH NAVSTAR -GPS
………………………………………………………………………. 28
2.1 Nguyên lý dẫn đƣờng của hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh NAVSTAR –
GPS ……………………………………………………………………………………………….. 28
2.2 Xác định khoảng cách giả để định vị trong phƣơng pháp dẫn đƣờng … 29
2.2.1 Định nghĩa khoảng cách giả
………………………………………………….. 29
2.2.2 Xác định vị trí từ các khoảng cách giả
……………………………………. 31
2.3 Định vị tƣơng đối thời gian thực GPS ………………………………………….. 34
2.4 Tín hiệu dẫn đƣờng từ vệ tinh trong hệ thống GPS
…………………………. 35
2.4.1 Cấu trúc tín hiệu ………………………………………………………………….. 35
2.4.2 Tính chất và thành phần của tín hiệu GPS
………………………………. 39
2.5 Cấu trúc máy thu GPS ………………………………………………………………… 47
2.5.1 Lọc và khuếch đại tín hiệu cao tần
…………………………………………. 47
2.5.2 Đổi tần và khuếch đại trung tần …………………………………………….. 48
2.5.3 Số hoá tín hiệu GPS …………………………………………………………….. 49
2.5.4 Xử lý tín hiệu băng cơ sở ……………………………………………………… 50
2.6 Độ chính xác của hệ thống GPS và các nguyên nhân gây sai số
……….. 52
2.6.1 Độ chính xác của GPS …………………………………………………………. 52
2.6.2 Các nguyên nhân gây sai số ………………………………………………….. 53
CHƢƠNG 3 : ỨNG DỤNNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TRONG
NGÀNH HÀNG KHÔNG …………………………………………………………………… 55
3.1. Hạn chế của hệ thống dẫn đƣờng truyền thống ……………………………….. 55
3.2. Cấu trúc hệ thống Testbed ……………………………………………………………. 56
3.3. Các hệ thống tăng cƣờng dẫn đƣờng ………………………………………………. 56
3.3.1. Hệ thống SBAS ( Satellite Based Augmentation System ) …….. 57
3.3.2. Hệ thống GBAS ( Ground-Based Augmentation System ) …….. 60
3.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống tăng cƣờng …………………. 63
CHƢƠNG 4: KHAI THÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG VỆ TINH TRÊN
MÁY BAY BOEING 777…………………………………………………………… 64
4.1 Giới thiệu hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh trên máy bay Boeing 777
………… 64
4.2 Máy thu tín hiệu vệ tinh GPS trên máy bay Boeing 777 …………………….. 65
4.2.1 Sơ đồ khối máy thu GPS trên Boeing 777
…………………………….. 65
4.2.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống GPS trên máy bay Boeing 777
………………………………………………………………………………………………… 67
4.3 Chức năng các khối trong hệ thống GPS trên máy bay Boeing 777 ……. 70
4.3.1 Chức năng khối thu nhận đa phƣơng thức MMR
…………………… 70
4.3.2 Hệ thống dẫn đƣờng quán tính ADIRS ………………………………… 75
4.3.3 Khối nguồn và anten GPS
………………………………………………….. 78
4.3.4 Hệ thống hiển thị ……………………………………………………………….. 79
4.3.5 Khối dữ liệu không khí và dẫn đƣờng quán tính ADIRU
………… 82
4.3.6 Hệ thống cảnh báo gần mặt đất GPWC (ground proximity
warning computer) …………………………………………………………………….. 84
4.3.7 Hệ thống tính toán và quản lý chuyến bay FMCF (flight
management computing function) ………………………………………………. 84
4.4 Công tác kiểm tra mặt đất ……………………………………………………………… 85
4.5 Công tác bảo dƣỡng cho hệ thống GPS trên máy bay Boeing 777
……….. 85
KẾT LUẬN ……………………………………………………………………………………….. 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO
……………………………………………………………………. 88
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page 1
LỜI NÓI 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
lƣợng và chất lƣợng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành viễn thông càng mở rộng.
Trong những năm gần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bƣớc
tiến vƣợt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đƣa con ngƣời nhanh chóng tiếp cận
với các tiến bộ khoa học kỹ thuật.
Nhằm đáp ứng cho các mục đích dẫn đƣờng cũng nhƣ xác định vị trí một
cách chính xác, nhanh chóng và thuận tiện, một số quốc gia và tổ chức quốc
tế trên thế giới đã xây dựng nên các hệ thống định vị dẫn đƣờng có độ chính
xác cao để thay thế cho các phƣơng pháp định vị dẫn đƣờng truyền thống
nhƣ: NAVSTAR – GPS, GLONASS, INMARSAT, GALILEO…
Công nghệ định vị toàn cầu NAVSTAR – GPS (Navigation Satellities
Time and Ranging – Global Positioning System) là hệ thống định vị toàn cầu
đƣợc Bộ Quốc Phòng Mỹ xây dựng và phát triển vào năm 1973 và đƣợc hoàn
thiện vào năm 1994.
Công nghệ GPS bắt đầu đƣợc giới thiệu và ứng dụng vào Việt Nam từ
giữa những năm 1990 nhƣng chủ yếu để phục vụ cho công việc quan trắc bản
đồ. Những năm gần đây hệ thống GPS đã đƣợc Việt Nam áp dụng vào quản
lý, giám sát các phƣơng tiện giao thông, đặc biệt ứng dụng công nghệ GPS
vào các phƣơng tiện kĩ thuật cao nhƣ: máy bay và tàu thủy… Tạo bƣớc tiến
vƣợt bậc cho việc phát triển ứng dụng GPS cho hệ thống dẫn đƣờng tự động.
Để hiểu rõ hơn về hệ thống GPS em chọn đề tài “Nghiên cứu và khai
thác hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh GPS” làm đồ án tốt nghiệp của mình.
Đồ án sẽ đi sâu vào khai thác dựa trên cơ sở hệ thống NAVSTAR – GPS của
Mỹ.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page 2
Nội dung của đồ án bao gồm 4 chƣơng :
Chương 1: Tổng quan về các hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh quốc tế
Chương 2: Nguyên lý định vị của hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh
NAVSTAR – GPS
Chương 3: Ứng dụng hệ thống định vị vệ tinh trong ngành hàng không
Chương 4: Khai thác hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh trên máy bay BOEING 777
Với thời gian có hạn cũng nhƣ là hạn chế về tài liệu, vì tài liệu về lĩnh
vực hàng không rất khó tiếp cận, do tính bảo mật và độc quyền của các hãng
máy bay. Vì vậy việc khai thác hệ thống gặp rất nhiều khó khăn và không thể
đề cập đƣợc đầy đủ. Tuy nhiên, bằng nỗ lực bản thân, em đã đáp ứng đƣợc
yêu cầu của đồ án đề ra, mặc dù không thể không có những thiếu sót. Rất
mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để đồ án đƣợc
hoàn thiện hơn.
Hải Phòng, ngày …. tháng …. năm 2013
Sinh viên thƣc hiện
Trần Văn Việt
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page 3
CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADIRS
Air Data Inertial Reference System
Hệ thống tham chiếu quán tính và dữ liệu không khí
ADIRU
Air Data Inertial Reference Unit
Khối tham chiếu quán tính và dữ liệu không khí
AFDS
Autopilot Flight Director System
Hệ thống điều khiển dẫn đƣờng tự động
AIMS
Airplane Information Management System
Hệ thống quản lý thông tin máy bay
ARINC
Aeronautical Radio Inc.
Viện vô tuyến hàng không
CDU
Control Display Unit
Khối hiển thị điều khiển
CMCF
Central Maintenance Computing Function
Hàm (chức năng) tính toán bảo dƣỡng trung tâm
FCA
Fault Containment Area
Vùng có hỏng hóc
FCM
Fault Containment Module
Khối bị hỏng hóc
FIM
Faul Isolation Manual
Hƣớng dẫn xử lý hỏng hóc
FMCF
Flight Management Computing Function
Hàm (chức năng) tính toán quản lý chuyến bay
GPS
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
INS
Inertial Navigation System
Hệ thống dẫn đƣờng quán tính
MAT
Maintenance Access Terminal
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page 4
Máy tính truy xuất thông tin phục vụ bảo dƣỡng
MEC
Main Equipment Center
Khoang thiết bị chính
NCD
No Computed Data
Dữ liệu không đƣợc tính toán
ND
Navigation Display
Màn hình dẫn đƣờng
NVM
Non-Volatile Memory
Bộ nhớ cố định (không bị mất dữ liệu khi mất nguồn)
PFC
Primary Flight Computer
Máy tính điều khiển chuyến bay chính
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page 5
CH¦¥NG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN
ĐƯỜNG VỆ TINH
1.1 Sơ lược lịch sử phát triển
Bắt đầu vào những thập niên 1960, hệ thống vệ tinh đƣợc thiết lập có ý
nghĩa quan trọng của việc dẫn đƣờng trên trái đất. Hệ thống đƣợc thiết kế chủ
yếu cho việc xác định vị trí hàng ngày cho tàu bè. Nhƣng đã bắt đầu đặt nền
móng cho việc sử dụng trong quá trình dẫn đƣờng cho các phƣơng tiện trên
không.
Bắt đầu vào những năm 1970, hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh đối với máy
bay đƣợc phát triển nhanh. Chúng đƣợc đầu tƣ sử dụng công nghệ cao và
mang lại hiệu quả kinh tế cao. Trong những năm tiếp theo hệ thống đƣợc sử
dụng một cách rộng rãi, và cho đến năm 1996 hệ thống đƣợc ứng dụng trong
việc dẫn đƣờng đối với các máy bay trên toàn thế giới.
Hiện nay, trên thế giới đồng thời triển khai các hệ thống dẫn đƣờng nhƣ:
Navigation Satellities Time and Ranging Global Positioning System
(NAVSTAR-GPS) hay GPS: Là một hệ thống định vị dẫn đƣờng toàn
cầu. Đƣợc phát triển vào năm 1973 và đƣợc hoàn thiện vào năm 1994
bởi “Bộ Quốc Phòng Mỹ”.
Global Navigation Satellities System (GLONASS): Là một hệ thống
định vị dẫn đƣờng toàn cầu do 3 cơ quan của Nga:
Scientific/Production Group on Applied Mechanics Kranoyarsk,
Scientific/Production Group on Space Device Engineering Moscow và
Russian Institute of Radio Navigation and Time cùng xây dựng và phát
triển.
INMARSAT Civil Navigation Satellite Overlay: là hệ thống cung cấp
phần không gian (Space segment). Tổ chức INMARSAT đã thực hiện
những nghiên cứu và thử nghiệm dẫn đến việc phát triển vùng phủ
sóng vệ tinh địa tĩnh dân dụng cho GPS và GLONASS, nhằm cung cấp
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page 6
dữ liệu cho phép các hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh đáp ứng đƣợc các yêu
cầu liên quan đến độ tin cậy và tích hợp thông tin của các nhà chức
trách hàng không và hàng hải.
Các hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc
độ và thời gian cho các máy thu ở mọi thời điểm trên trái đất, trong mọi điều
kiện thời tiết. Hệ thống có thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài
mét và có thể giảm xuống chỉ còn vài centimet. Tất nhiên, độ chính xác càng
cao thì máy thu GPS càng phức tạp hơn và giá thành vì thế cũng tăng theo.
Hình 1.1: Các thành phần của hệ thống dẫn đường vệ tinh
Nhìn chung các hệ thống bao gồm 3 phần chính nhƣ sau:
Phần không gian (Space Segment) bao gồm: các vệ tinh không gian.
Có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu từ trạm điều khiển mặt đất, tín hiệu này
dùng để điều khiển sai lệch quỹ đạo vệ tinh trong khi bay, hiệu chỉnh
đồng hồ vệ tinh. Sau đó phát tín hiệu mang thông tin về vị trí vệ tinh,
thời gian chuẩn tới các thuê bao.
Phần điều khiển (Control Segment) bao gồm: 1 trạm mặt đất điều
khiển trung tâm, một số trạm theo dõi và trạm hiệu chỉnh số liệu.
Nhiệm vụ phát và thu tín hiệu dùng trong việc tính toán và dự báo thời
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page 7
điểm vệ tinh xuất hiện tại từng thời điểm một cách chính xác và hiệu
chỉnh.
Phần sử dụng (User Segment): là các thuê bao (máy thu và xử lý tín
hiệu). Nhiệm vụ thu nhận tín hiệu mang thông tin vị trí và thời gian
chuẩn của vệ tinh, tính toán và đƣa ra vị trí chính xác của các thuê bao.
1.2 Các hệ thống dẫn đường vệ tinh trên thế giới
1.2.1 Hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR
a) Giới thiệu
Thuật ngữ GPS (Global Positioning System) đƣợc sử dụng để mô tả các
hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu. Các hệ thống này đều dựa trên cơ sở ứng
dụng các khả năng của vệ tinh nhân tạo để định vị toạ độ ngƣời sử dụng trong
không gian 3 chiều với độ chính xác cao. Các hệ thống này có vùng bao phủ
toàn cầu và hoạt động tin cậy trong mọi điều kiện thời tiết với thời gian liên
tục suốt 24 giờ trong ngày.
Navigation Satellities Time and Ranging Global Positioning System
(NAVSTAR-GPS) hay GPS: Là một hệ thống định vị dẫn đƣờng toàn cầu
đƣợc phát triển vào năm 1973 và đƣợc hoàn thiện vào năm 1994 bởi “Bộ
Quốc Phòng Mỹ”. Hệ thống cho phép ngƣời sử dụng xác định vị trí, thời gian
và vận tốc một cách chính xác ở bất kỳ lúc nào, ở bất kỳ đâu và trong bất kỳ
điều kiện thời tiết nào trên thế giới.
Lúc đầu hệ thống này đƣợc phát triển chỉ dành cho mục đích quân sự,
tuy nhiên, sau đó cơ quan hàng không liên bang của Mỹ cũng đã chấp nhận
trong việc sử dụng hệ thống này cho các mục đích dân sự.
Hệ thống NAVSTAR bao gồm các hệ thống truyền và nhận tín hiệu về
vị trí và thời gian sử dụng sóng vô tuyến và các trạm không gian.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page 8
b) Cấu trúc hệ thống NAVSTAR – GPS
Phần vệ tinh không gian
Các vệ tinh đƣợc sắp xếp trên 6 mặt phẳng quỹ đạo tròn và nghiêng so
với mặt phẳng xích đạo một góc bằng 550. Trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo có từ
3 đến 4 vệ tinh cùng hoạt động và các vệ tinh này lệch pha nhau 900. Các quỹ
đạo này nằm ở độ cao 20.200km. Các vệ tinh đƣợc sắp xếp trong không gian
sao cho hầu hết các vùng trên mặt đất luôn nhìn thấy đƣợc ít nhất 4 vệ tinh
trong suốt 24 giờ một ngày. Thời gian đi hết một vòng quỹ đạo của vệ tinh 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:
L1 = 1575,42 MHz và L2 = 1227,6 MHz.
Tần số L1 mang cả mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P (Precision),
trong khi đó tần số L2 chỉ mang mỗi mã P. Ngoài ra, cả hai tần số này còn
mang theo các dữ liệu thông tin dẫn đƣờng nhƣ: thời gian đồng hồ vệ tinh, các
thông số về thiên văn, các thông tin về tình trạng của tín hiệu vệ tinh, thời
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page 9
gian chuẩn của hệ thống (UTC) và thông tin về đồng bộ. Mã P đƣợc dành
riêng cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và những ngƣời sử dụng mã
này cần phải đƣợc phép của “Bộ Quốc Phòng Mỹ”, trong khi đó mã C/A đƣợc
sử dụng miễn phí cho mọi mục đích. Mỗi vệ tinh đƣợc gắn cho một mã C/A
và mã P riêng. Các mã này đƣợc dùng để nhận biết vệ tinh gọi là mã vàng
(Gold Code).
Phần điều khiển hệ thống
Phần điều khiển bao gồm: 1 trạm điều khiển trung tâm (Master Control
Station) và 5 trạm theo dõi vệ tinh (Monitor Station), 3 trong số đó là trạm
hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) đặt trên mặt đất, liên tục giám sát đƣờng
đi 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.
+Tính toán và gửi các bản tin dẫn đƣờng vệ tinh. Bản tin này đƣợc cập
nhật hàng ngày mô tả về vị trí vệ tinh trong tƣơng lai và thu nhận dữ liệu từ
tất cả các vệ tinh gửi về.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
10
+Cập nhật các bản tin dẫn đƣờng vệ tinh một cách thƣờng xuyên.
Hình 1.4: Phần điều khiển vệ tinh trong hệ thống GPS
Trạm điều khiển trung tâm đặt ở Colarado Spring, Colorado USA. Trạm
trung tâm điều phối mọi hoạt động trong phần điều khiển. Trạm điều khiển
trung tâm có 1 đồng hồ nguyên tử, thời gian của đồng hồ này đƣợc dùng để
truyền đến cho vệ tinh, là thời gian chuẩn để hiệu chỉnh đồng hồ nguyên tử
của vệ tinh.
Các trạm giám sát theo dõi vệ tinh 24h trên 1 ngày. Trạm điều khiển
trung tâm sẽ điều khiển các trạm giám sát thông qua các đƣờng nối. Các điểm
đặt trạm giám sát của hệ thống trên trái đất:
+Ascension island
+Colorado Spring, Colorado USA
+Diego Garcia island
+Hawaii
+Kawajalein island
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 mọi thông tin về dữ liệu khí
tƣợng bao gồm: áp suất khí áp, nhiệt độ, điểm sƣơng. Trạm điều khiển trung
tâm sử dụng những dữ liệu này để tính toán và đƣa ra dự báo về quỹ đạo vệ
tinh trong tƣơng lai.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
11
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 đƣờng đến vệ tinh.
Các trạm hiệu chỉnh số liệu là các trạm đƣợc đặt ở Ascension island,
Diego Garcia island và Kawajalein island.
Phần sử dụng
Bao gồm các thiết bị thu tín hiệu GPS sử dụng cho nhiều mục đích khác
nhau. Kiểu loại thiết bị thu hết sức đa dạng, từ các thiết bị xách tay không đắt
tiền đến các hệ thống phức tạp đòi hỏi phải đƣợc cấp chứng chỉ chất lƣợng kỹ
thuật để trang bị cho các trung tâm dẫn đƣờng, điều hành bay.
Hình 1.5: Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS
Thiết bị máy thu tín hiệu GPS chủ yếu gồm anten thu, bộ phận giải mã,
bộ phận xử lý các mã của tín hiệu vệ tinh GPS, riêng đối với ngành hàng
không nó còn xử lý các thông tin dẫn đƣờng và truyền hiển thị các thông tin
cho tổ lái và một số thiết bị cần sử dụng dữ liệu GPS trong quá trình bay.
Khi bật công tắc nguồn của thiết bị máy thu GPS lên, máy thu sẽ tự
động cung cấp các giải pháp dẫn đƣờng chính xác mà không cần phải nạp các
dữ liệu từ bên ngoài. Điều đó chỉ có thể thực hiện đƣợc khi máy thu nhận
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
12
đƣợc tín hiệu từ số vệ tinh sao đảm bảo cung cấp đủ dữ liệu cho bài toán xác
định vị trí.
Đối với các giải pháp dẫn đƣờng 2 chiều, tức là khi đã xác định đƣợc độ
cao chỉ cần xác định kinh độ và vĩ độ, khi đó cần phải có ít nhất tín hiệu từ 3
vệ tinh, còn đối với các giải pháp dẫn đƣờng 3 chiều thì cần phải có ít nhất tín
hiệu từ 4 vệ tinh nằm ở trong vùng bao phủ mà máy thu có thể nhìn thấy.
Việc xử lý tín hiệu từ 3 hoặc 4 vệ tinh có thể tiến hành đồng thời hoặc tuần tự.
– Các thiết bị thu thƣờng 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
Vệ tinh: 24 vệ tinh
Quỹ đạo tròn: 12 giờ (bán kính 26.000km). Với 6 mặt phẳng quỹ đạo
Độ nghiêng so với đƣờng kính xích đạo
: 550
Trạm kiểm tra mặt đất:
01 Trạm điều khiển chính.
05 Trạm kiểm tra phân bố rải rác.03 Anten mặt đất phân bố rải rác.
Số thuê bao sử dụng: Không hạn chế.
Giải tần số:
L1:
1575,42 MHz
Mã C/A
1,023 Mbits/s
Mã P 10,23 Mbits/s
Thông tin dẫn đƣờng
50 bits/s
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
13
L2:
1227,6 MHz
Mã P 10,23 Mbits/s
Thông tin dẫn đƣờng
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%)
Tốc độ
0,2m/s (95%)
Thời gian
180ns (95%)385ns (95%)
Trong đó, PPS là hệ thống định vị chính xác, SPS là dịch vụ định vị
chuẩn.
Thời gian đặt:
Khi lịch đã nạp trƣớc
: 15 phút (tuỳ thiết bị của ngƣời sử dụng)
Khởi động nguội: 20 phút.
Tầm bao phủ: Toàn cầu.
Độ toàn vẹn: Hệ thống kiểm tra và phát hiện sai số ở trong vệ tinh, thời
gian tác dụng thƣờng nhỏ hơn 90 phút (một số vệ tinh có thể nằm
ngoài tầm nhìn thấy của các trạm kiểm soát đến 2 giờ).
Tƣơng thích với thời gian: UTC giờ quy ƣớc chung.
Phƣơng pháp định vị: Kiểu thụ động, đo khoảng cách 1 chiều.
Thời gian triển khai thực hiện Block II: 3 chiều toàn cầu năm 1992.
Khả năng sử dụng cho mục đích thông tin: Không.
Mốc trắc địa: WGS-83.
Nâng cấp hệ thống: Độ chính xác và độ toàn vẹn có thể cải thiện bằng
cách sử dụng ở dạng vi sai, tức là dùng các trạm kiểm tra mặt đất giám
sát vệ tinh và truyền các hiệu chỉnh khoảng cách.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
14
d) Vệ tinh NAVSTAR – GPS
Mẫu đầu tiên của dạng vệ tinh Block I đƣợc phóng vào năm 1978 tại
Vandenberf Air Force – California. Hiện nay, tất cả các vệ tinh Block I không
còn hoạt động, mặc dù vẫn còn một vệ tinh phát không liên tục. Các vệ tinh
này đƣợc thiết kế với tuổi thọ 4,5 năm. Sự khác nhau chủ yếu giữa các vệ tinh
này và các thế hệ sau là nó không có khả năng làm suy giảm tín hiệu phát, cho
nên nó làm giảm độ chính xác của ngƣời sử dụng đối với hệ thống GPS. Thế
hệ thứ 2 đƣợc phóng lần đầu tiên vào năm 1985, những vệ tinh này có khả
năng làm suy giảm tín hiệu và đƣợc thiết kế với tuổi thọ là 7,5 năm. Sau đây
là một số thông số kỹ thuật của các vệ tinh Block IIA:
Trọng lƣợng
: 930kg (trên quỹ đạo)
Kích thƣớc : 5,1ms
Tốc độ di chuyển : 4km/s
Phát tín hiệu trên dải tần L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60MHz.
Thu tín hiệu tần số 1738,74MHz.
02 Đồng hồ nguyên tử Cesium và 02 đồng hồ nguyên tử Rubidium.
Tuổi thọ thiết kế : 7 năm
Đƣợc phóng bằng tên lửa Delta.
Vệ tinh của Block IIR đƣợc thiết kế với tuổi thọ dài hơn là 10 năm và có
khả năng liên lạc vệ tinh với vệ tinh, đƣợc phóng vào năm 1996 để duy trì
chòm vệ tinh. Thế hệ tiếp theo là các vệ tinh Block IIF, sau khi kiểm nghiệm
đƣợc công bố là hoạt động với đầy đủ chức năng vào ngày 17/7/1995.
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 chỉ số phân biệt. Chỉ số đầu tiên dựa trên
thứ tự phóng gọi là số NAVSTAR, hay số vệ tinh SVN (Space Vehicle
Numbers). Đây là hệ đƣợc sử dụng theo quy định của cơ quan chƣơng trình
chung của Mỹ. Tuy nhiên, chỉ số thứ 2 đƣợc ngƣời sử dụng chính thức công
nhận. Nó dựa trên cơ sở sự sắp xếp quỹ đạo của vệ tinh trực tiếp phát tín hiệu,
đó là số giả ngẫu nhiên PRN (Psuedo Random Number) hoặc số nhận dạng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
15
của vệ tinh SVID (Space Vehicle Identity). Đây là những thông số đƣợc hiển
thị trên máy thu.
Hình 1.6: Các thế hệ vệ tinh trong hệ thống GPS
Ưu điểm
Về phƣơng thức truyền tín hiệu, GPS sử dụng kỹ thuật số (điều xung),
do đó máy phát không cần công suất lớn. Đòi hỏi về tỷ lệ tín/tạp (S/N)
không cần lớn mà máy thu vẫn có thể tách sóng đƣợc, nhƣ vậy yếu tố
ảnh hƣởng của thời tiết và địa hình là không đáng ngại.
Mốc trắc địa của hệ thống toạ độ GPS là hệ thống toạ độ WGS-83. Đây
là hệ thống đo đạc chuẩn đƣợc ICAO phê chuẩn.
Xét về khía cạnh kinh tế – xã hội, ta thấy, với đà phát triển kinh tế của
Mỹ cũng nhƣ các ảnh hƣởng về chính trị – quân sự, đặc biệt là khả
năng tiếp cận thị trƣờng nhanh trong việc sản xuất hàng loạt các chủng
loại máy thu GPS, trong đó có cả máy cầm tay rất gọn và rẻ, nên trong
thực tế GPS chiếm đƣợc ƣu thế hơn trên thị trƣờng quốc tế.
1.2.2 Hệ thống Glonass
a) Giới thiệu
Global Navigation Satellities System (GLONASS): Là một hệ thống
định vị dẫn đƣờng toàn cầu do 3 cơ quan của Nga là Scientific/Production
Group on Applied Mechanics Kranoyarsk, Scientific/Production Group on
Space Device Engineering Moscow và Russian Institute of Radio Navigation
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
16
and Time xây dựng và phát triển. Hệ thống này cũng có chức năng và mục
đích tƣơng tự hệ thống GPS của Mỹ.
b) Cấu trúc hệ thống GLONASS
Phần không gian
Ở hệ thống này, sự bố trí quỹ đạo của các vệ tinh khác với hệ thống
GPS. Các mặt phẳng quỹ đạo có độ cao nhỏ hơn một chút và bằng 19.100km,
nhƣng với góc nghiêng là 650 so với mặt phẳng xích đạo và các mặt phẳng
quỹ đạo lệch nhau một góc là 1200. Các vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo
lệch nhau 450 và lệch 150 so với các vệ tinh ở các quỹ đạo khác. Hệ thống
GLONASS có chòm vệ tinh bao gồm 24 vệ tinh (trong đó có 3 vệ tinh ở
trạng thái dự phòng), nhƣng chỉ bố trí trên 3 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi mặt
phẳng có 7 đến 8 vệ tinh hoạt động.
Các vệ tinh GLONASS hiện nay có chu kỳ quỹ đạo là 676 phút và lặp lại
sau khoảng thời gian gần 8 ngày (7 ngày 23 giờ 27 phút). Do đó, không giống
nhƣ NAVISTAR, các vệ tinh GLONASS không xuất hiện đồng thời tại cùng
một điểm trong vũ trụ hàng ngày. Tuy nhiên, vì các vệ tinh lệch pha nhau 450
trong cùng một mặt phẳng sẽ đảm bảo tính hình học và khả năng định vị
tƣơng tự nhƣ NAVISTAR. Các thiết bị sử dụng hệ thống GLONASS hoạt
động trong chế độ thụ động và tiến hành đo đến 4 thông số dẫn đƣờng vệ tinh.
Các thông tin dẫn đƣờng truyền từ một vệ tinh bao gồm các thông tin về
vị trí thiên văn của vệ tinh và những hiệu chỉnh tƣơng đối của hệ thống
GLONASS, cũng nhƣ các thông tin có liên quan đến trạng thái của vệ tinh.
Hệ thống GLONASS phát các tín hiệu dẫn đƣờng trong dải tần từ
1602,5625MHz đến 1615,5MHz với khoảng cách tần số từ vệ tinh này đến vệ
tinh khác là 0,5625MHz. Việc nhận dạng vệ tinh dựa trên các tần số sóng
mang mà chúng sử dụng.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
17
Phần điều khiển
Gồm các trạm điều khiển và theo dõi phân bố trên lãnh thổ nƣớc Nga,
trong đó trạm điều khiển chính đặt tại Moscow.
Phần sử dụng
Bao gồm các thiết bị thu sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Kiểu
loại thiết bị thu hết sức đa dạng, từ các thiết bị xách tay không đắt tiền đến các
hệ thống phức tạp đòi hỏi phải đƣợc cấp chứng chỉ chất lƣợng kỹ thuật để
trang bị cho các trung tâm dẫn đƣờng, điều hành bay.
c) Thông số kỹ thuật của hệ thống GLONASS
Vệ tinh: 24 vệ tinh (trong đó có 3 vệ tinh dự phòng), quỹ đạo tròn, chu
kỳ quay là 11 giờ 45 phút.
Độ cao
: 19.100km
Độ nghiêng so với đƣờng xích đạo
: 64,80
Số thuê bao sử dụng: Không hạn chế.
Giải tần số: (1602,5625 1615,5)0,5 MHz.
Phƣơng pháp định vị: Kiểu thụ động, đo khoảng cách và tốc độ
Độ chính xác:
Định vị ngang
: 100m (95%)
Định vị đứng
: 150m (95%)
Tốc độ
: 15cm/s (95%)
Thời gian
: 1s
Thời gian phát tín hiệu: Thời gian phát tín hiệu tuỳ thuộc nhiều vào
thông số thiết bị cụ thể của ngƣời sử dụng. Vệ tinh truyền thông tin cho
mục đích dẫn đƣờng trong 30 giây và thông tin về trạng thái của vệ
tinh trong 2,5 phút.
Tầm bao phủ: Toàn cầu.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
18
Độ toàn vẹn: Các thông tin truyền từ mỗi vệ tinh đến ngƣời sử dụng có
chứa các dữ liệu về các hỏng hóc có liên quan đến vệ tinh ngay có
hỏng hóc xảy ra. Các thông tin hỏng xuất hiện trong nội dung của các
thông tin dẫn đƣờng của tất cả các vệ tinh không muộn hơn 16 giờ từ
khi có hỏng hóc.
Tiến độ triển khai:
1989 – 1990 : 1012 Vệ tinh hoạt động
1991 – 1995 : 24 Vệ tinh hoạt động
Khả năng sử dụng cho mục đích thông tin: Hệ thống không sử dụng để
truyền lại bất kỳ một thông tin nào khác.
Nâng cấp hệ thống: Độ chính xác của hệ thống có thể nâng cao một
cách đáng kể khi ngƣời sử dụng vận hành ở phƣơng pháp vi sai.
Năng lƣợng phát đẳng hƣớng ảnh hƣởng tín hiệu vệ tinh:
– Dọc theo trục anten truyền
: 25dBW
– Trong khoảng 150
: 27dBW
Công suất tín hiệu nhận đƣợc (Ps)
: -(156161)dBW
Động năng : (3944)dBW
Tốc độ truyền dữ liệu thông tin : 50 bits/s
Tỷ lệ S/N
: (2227)dB
1.2.3 Hệ thống vệ tinh dẫn đường dân dụng bao phủ INMARSAT
Chức năng của vệ tinh dẫn đƣờng dân dụng bao phủ INMARSAT là mở
rộng khả năng và kết hợp hệ thống vệ tinh GPS và GLONASS. Tín hiệu dẫn
đƣờng bao phủ đƣợc phát từ các đài mặt đất và truyền lên Các vệ tinh trong
hệ thống INMARSAT – 3. Các vệ tinh này có chứa các kênh đặc biệt để phát
lại tín hiệu dẫn đƣờng cho các thuê bao. Kỹ thuật phát tín hiệu dẫn đƣờng của
các kênh lặp lại này khác với kỹ thuật phát trong hệ thống GPS và
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
19
GLONASS. Các vệ tinh GLONASS và GPS mang các thông tin dẫn đƣờng
thông, còn vệ tinh INMARSAT mang tín hiệu phát dẫn đƣờng tƣơng ứng.
Tổ chức INMARSAT đã thực hiện những nghiên cứu và thử nghiệm dẫn
đến việc phát triển vùng phủ sóng vệ tinh địa tĩnh dân dụng cho hệ thống GPS
và GLONASS nhằm cung cấp dữ liệu cho phép các hệ thống dẫn đƣờng vệ
tinh đáp ứng đƣợc các yêu cầu liên quan đến độ tin cậy và tích hợp thông tin
của các nhà chức trách hàng không và hàng hải.
INMARSAT là tổ chức cung cấp Space segment. Trong khi đó các nhà
cung cấp dịch vụ sẽ cung cấp các dịch vụ sau:
Truyền thông tin tích hợp và tình trạng của mỗi vệ tinh GLONASS và
GPS theo thời gian thực để đảm bảo cho các thuê bao không sử dụng nhầm
các vệ tinh trong việc dẫn đƣờng. Tính năng này đƣợc gọi là kênh tích hợp
GNSS (GIC: GNSS integrity channel)
Hình 1.7: Cấu trúc hệ thống INMARSAT
Thêm vào dịch vụ GIC, các nhà cung cấp dịch vụ còn truyền các tín hiệu
cự ly bổ sung nhằm hỗ trợ hệ thống GPS, làm tăng khả năng phục vụ của tín
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
20
hiệu từ GPS. Việc tăng đƣợc khả năng phục vụ của tín hiệu GPS dẫn đến tăng
khả năng của RAIM. Tính năng này đƣợc gọi là đo cự ly GIC (Ranging GIC).
Truyền các thông tin hiệu chỉnh sai lệch vung rộng của GPS và
GLONASS, làm tăng độ chính xác của tín hiệu GPS và GLONASS. Dịch vụ
này đƣợc gọi là WADGNSS (Wide area differntial GNSS).
Việc kết hợp các tính năng trên thành 1 hệ thống nhƣ hình vẽ đƣợc gọi là
hệ thống bổ trợ mở rộng vùng (WASS).
1.3 Các hệ toạ độ sử dụng trong dẫn đường vệ tinh
Trong thực tế một vị trí có thể đƣợc xác định trên bản đồ bằng tay, hoặc
bằng điện tử, nhƣng vấn đề quan trọng ở đây là cả vị trí cần xác định và bản
đồ phải cùng chung một hệ toạ độ (có nghĩa là chúng sử dụng cùng các thông
số để mô tả hình dáng và kích thƣớc của trái đất). Việc này đòi hỏi phải biết
chính xác trƣờng hấp dẫn của trái đất, vì trƣờng hấp dẫn quyết định việc xác
định tâm của trái đất. Cho nên, việc tìm hiểu về bất kỳ hệ toạ độ địa lý (kinh
độ, vĩ độ, độ cao) hoặc hệ toạ độ Decac có gốc toạ độ tại tâm trái đất (hệ toạ
độ địa tâm) có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác
định vị GPS và trong công tác dẫn đƣờng.
1.3.1 Hệ toạ độ địa lý OzXdYdZd
Hệ toạ độ địa lý (Hình 1.8) là hệ toạ độ gắn với trái đất xem trái đất là
một quả cầu đứng yên trong hệ quy chiếu đang xét. Mặt phẳng xích đạo là
mặt phẳng vuông góc với trục quay quả đất, chia trái đất thành hai bán cầu:
Bắc cầu và Nam cầu. Các mặt phẳng chứa trục quay quả đất cắt quả đất theo
các đƣờng tròn gọi là kinh tuyến gốc (kinh tuyến 0) đi qua Greenwich – Luân
Đôn chia trái đất thành hai bán cầu Đông, Tây. Các mặt phẳng vuông góc trục
quay cắt trái đất theo các vòng tròn gọi là vĩ tuyến.
Nhƣ vậy, trái đất đƣợc chia làm 180 độ kinh tuyến Đông (mang dấu +),
180 độ kinh tuyến Tây (mang dấu -). Từ xích đạo đến hai cực sẽ chia thành vĩ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
21
tuyến Bắc (mang dấu +) và vĩ tuyến Nam ( mang dấu -). Hệ toạ độ này cho
phép xác định vị trí máy bay so với trái đất (kinh độ, vĩ độ, độ cao).
Hình 1.8 : Hệ toạ độ địa lý
Tâm Oz trùng với tâm trái đất.
Trục OzXd đi qua giao điểm của xích đạo và kinh tuyến 0.
Trục OzZd là trục quay của trái đất hƣớng lên cực Bắc.
Trục OzYd tạo với hai trục kia thành tam diện thuận.
1.3.2 Hệ toạ độ chuẩn địa tâm
Hệ toạ độ chuẩn địa tâm (ECEF) là hệ toạ độ có tâm trùng với tâm trái
đất, gắn chặt với trái đất và quay cùng trái đất nó (Hình 1.9).
Hình 1.9: hệ toạ độ chuẩn địa tâm
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13
Page
22
Hƣớng các trục của ECEF đƣợc xác định nhƣ sau:
Gốc toạ độ trùng với tâm của trái đất.
Trục Ox là trục nối tâm O và giao điểm giữa kinh tuyến gốc và đƣờng
xích đạo, còn gọi là trục địa lý.
Trục Oz là trục quay của trái đất và hƣớng theo phƣơng bắc. Trục Oy
là trục vuông góc với hai trục Ox và Oz và hợp thành một tam diện
thuận Oxyz. Hệ toạ độ chuẩn địa tâm là hệ toạ độ trung gian cho các
tính toán dẫn đƣờng của hệ thống định vị toàn cầu GPS.
Khi biết toạ độ của một điểm M (x,y,z) trong hệ toạ độ chuẩn địa tâm ta
có thể chuyển đổi đƣợc sang hệ toạ độ địa lý M(, , r) nhƣ sau :
Chuyển từ hệ toạ độ địa lý sang hệ toạ độ chuẩn địa tâm theo hệ
phƣơng trình:
X = r . Cos . Cos
Y = r . Sin . Cos
Z = r . Sin
Chuyển từ hệ toạ độ địa tâm sang hệ toạ độ địa lý theo hệ phƣơng
trình:
r =
z
y
x
2
2
2
= arcsin x
z
2
1
2
1
= arctg x
y
1.3.3 Hệ toạ độ GPS
Hệ tạo độ GPS là hệ toạ độ cực không chuẩn hay là hệ toạ độ hình elip,
còn đƣợc biết đến là hệ toạ độ đo đạc toàn cầu WGS – 84 (World Geodetic
System), đƣợc phát triển bởi bộ quốc phòng Mỹ vào năm 1984 (hình 1.10).
