BÁO cáo kĩ THUẬT CHUYÊN đề VIỄN THÔNG đề tài tìm HIỂU về CÔNG NGHỆ ĐỊNH vị vệ TINH GPS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO KĨ THUẬT CHUYÊN ĐỀ VIỄN THƠNG ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS GIÁO VIÊN HƯỚNG ĐẪN: PGS.TS NGUYỄN TẤN HƯNG SINH VIÊN THỰC HIỆN: LÊ TRƯƠNG VIỆT HÙNG TRẦN QUỐC HOÀN LỚP: 17DT3 Đà Nẵng, tháng năm 2021 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thơng MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS 1.1 Giới thiệu công nghệ định vị vệ tinh GPS 1.2 Thành phần hệ thống GPS 1.2.1 Bộ phận không gian 1.2.2 Bộ phận điều khiển 1.2.3 Bộ phận người dùng CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DỊCH VỤ ĐỊNH VỊ GPS 2.1 Nguyên lý hoạt động GPS 2.1.1 Ý tưởng định vị GPS 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 2.2 Thành phần tín hiệu GPS .8 2.3 Độ xác hệ thống GPS .9 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA GPS 10 3.1 Các ứng dụng GPS 10 3.2 Những nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS 12 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 14 Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS 1.1 Giới thiệu công nghệ định vị vệ tinh GPS Như biết, nay, GPS (Global Positioning System ) – cơng nghệ định vị tồn cầu cơng nghệ ứng dụng rộng rãi giới nói chung Việt Nam nói riêng GPS có khả cung cấp thơng tin xác vị trí vật bề mặt Trái Đất thời điểm ngày, điều kiện thời tiết Cơng nghệ định vị tồn cầu GPS bắt đầu giới thiệu ứng dụng vào Việt Nam từ năm 1990 phần lớn dùng để phục vụ cho việc thu thập số liệu tọa độ xác điểm trắc địa gốc để làm sở phát triển lưới trắc địa cấp thấp Trong năm gần đây, với việc xuất thiết bị đo GPS nhỏ gọn, đơn giản giá rẻ, việc áp dụng công nghệ GPS vào công tác thu thập thơng tin vị trí trở nên phổ biến Đặc biệt kết hợp với công nghệ khác công nghệ GIS hệ thống viễn thơng thực mang lại cách mạng sống GPS xác định vị trí dựa vị trí vệ tinh nhân tạo Trong thời điểm, vị trí trái đất xác định khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh ta tính tọa độ vị trí GPS hoạt động điều kiện thời tiết, nơi Trái Đất, liên tục suốt 24 GPS thiết kế quản lý Bộ Quốc phịng Hoa Kỳ, phủ Hoa Kỳ cho phép người sử dụng miễn phí, quốc tịch 1.2 Thành phần hệ thống GPS Hệ thống định vị GPS bao gồm phận: phận người dùng, phận không gian phận điều khiển Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông Sơ đồ liên quan ba phần hệ thống định vị tồn cầu 1.2.1 Bộ phận khơng gian Bộ phận khơng gian gồm 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động vệ tinh dự phòng) nằm quỹ đạo xoay quanh Trái Đất Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km Chúng chuyển động ổn định quay hai vòng quỹ đạo khoảng thời gian gần 24 với vận tốc nghìn dặm Các vệ tinh quỹ đạo bố trí cho máy thu GPS mặt đất nhìn thấy tối thiểu vệ tinh vào thời điểm Các vệ tinh cung cấp lượng Mặt Trời Chúng có nguồn pin dự phịng để trì hoạt động chạy khuất vào vùng khơng có ánh sáng Mặt Trời Các tên lửa nhỏ gắn vệ tinh giữ chúng bay quỹ đạo định 1.2.2 Bộ phận điều khiển Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông Bao gồm trạm kiểm soát thu liệu, trạm điều khiển trung tâm, trạm truyền số liệu: Năm trạm kiểm soát thu liệu: đặt Hawaii, Colorado Springs, Ascension Islands, Diego Garcia Kwajalein Trạm kiểm soát thu liệu có nhiệm vụ theo dõi tín hiệu vệ tinh để kiểm sốt hoạt động tính tốn quỹ đạo chúng Mỗi trạm trang bị máy thu tín hiệu mã P, liên tục theo dõi khoảng cách đến tất vệ tinh quan sát Sau đó, kết hiệu chỉnh năm trạm gửi trạm điều khiển trung tâm Vị trí trạm kiểm sốt thu liệu Trạm điều khiển trung tâm: đặt không quân Mỹ gần Colorado Springs, có nhiệm vụ nhận liệu năm trạm kiểm sốt để xử lý, tính lịch tọa độ vệ tinh xác tính số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh Ngồi ra, trạm cịn điều khiển số hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh điều khiển việc thay vệ tinh ngừng hoạt động vệ tinh dự phòng Ba trạm truyền số liệu: đặt Ascension Islands, Diego Garcia Kwajalein; có nhiệm vụ nhận liệu từ trạm điều khiển trung tâm gửi lên vệ tinh, đồng thời lệnh điều khiển vệ tinh quỹ đạo định trước 1.2.3 Bộ phận người dùng Bộ phận người dùng thiết bị thu tin hiệu GPS người sử dụng thiết bị Thiết bị thu tin hiệu GPS máy thu tín hiệu sóng vơ tuyến đặc biệt Nó thiết kế để thu tín hiệu sóng vơ tuyến truyền từ vệ tinh tính tốn vị trí dựa thơng tin Thiết bị thu tin hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng giá khác Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chun Ngành Viễn Thơng Tính chất giá Thiết bị thu tin hiệu GPS nói chung lệ thuộc vào chức mà phận thu nhận có ý định Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải hàng không thường sử dụng cho tính giao diện với thẻ nhớ chứa đồ biển Bộ phận thu nhận dùng cho đồ khả xác cao có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận liệu nhanh chóng Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DỊCH VỤ ĐỊNH VỊ GPS 2 2.1 Nguyên lý hoạt động GPS 2.1.1 Ý tưởng định vị GPS Ý tưởng định vị hệ thống GPS Theo ngun tắc thơng thường để xác định vị trí vật ta cần xác định khoảng cách chúng tới vật chuẩn khác, ví dụ ta lạc đường, người cho ta biết anh cách Hà Nội 15Km, ta biết nằm đường trịn bán kính 50Km quanh Hà nội, người khác bảo ta cách Hải Phịng 50Km ta xác định vị trí cách cho đường trịn cắt nhau, người khác lại cho ta biết vị trí cách Bắc Ninh 10 Km ta xác định xác vị trí GPS sử dụng nguyên tắc để xác định vị trí, nhiên khơng gian, mặt cầu cắt cho điểm, sử dụng trái đất mặt cầu thứ tư xác định vị trí Tuy nhiên việc sử dụng bỏ qua cao độ mà cần vệ tinh để xác định vị trí xác bạn vệ tinh cho bạn biết khoảng cách bạn đến cơng thức quãng đường thời gian sóng điện từ truyền nhân với vận tốc sóng truyền, mà vận tốc sóng truyền tính vận tốc ánh sáng thời gian truyền mã hóa gửi đến máy thu 2.1.2 Nguyên lý hoạt động GPS sử dụng nguyên tắc hướng thẳng tương đối hình học lượng giác học Mỗi vệ tinh liên tục phát truyền liệu quỹ đạo bay cho tất chòm vệ tinh cộng thêm liệu đến kịp thời thơng tin khác Do đó, thiết bị GPS nhận liên tục truy cập liệu quỹ đạo xác từ vị trí tất vệ tinh tính tốn vi mạch có tất GPS nhận Từ tín hiệu Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chun Ngành Viễn Thơng sóng vơ tuyến di chuyển vận tốc số (thường vận tốc ánh sáng – C ), thiết bị GPS thu tính tốn khoảng cách liên quan từ GPS đến vệ tinh khác cách máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu phát từ vệ tinh với thời gian mà thiết bị GPS thu nhận tín hiệu vệ tinh pháp Độ sai lệch thời gian cho biết máy thu GPS cách xa vệ tinh cách lấy khoảng thời gian sai lệch nhân với tốc độ sống vô tuyến Rồi với nhiều khoảng cách đo tới nhiều vệ tinh khác thiết bị GPS thu tín hiệu tính vị trí thiết bị GPS Tính khoảng cách từ thiết bị GPS đến vệ tinh Tất máy thu GPS bắt buộc phải khố tín hiệu ba vệ tinh để tính vị trí hai chiều (kinh độ vĩ độ) để theo dõi chuyển động Nếu thiết bị thu tín hiệu GPS khóa tín hiệu bốn hay nhiều số vệ tinh tầm nhìn máy GPS tính vị trí theo ba chiều (kinh độ, vĩ độ độ cao) Một vị trí người dùng tính máy thu GPS tính thơng tin khác, tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn nhiều thứ khác 2.1 2.2 Thành phần tín hiệu GPS Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 L2 (dải L phần sóng cực ngắn phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân dùng tần số L1 1575.42 MHz dải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa chúng xuyên qua mây, thuỷ tinh nhựa không qua phần lớn đối tượng cứng núi nhà L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên" (pseudo random), mã Protected (P) mã Coarse/Acquisition (C/A) Mỗi vệ tinh có mã truyền dẫn định, cho phép máy thu GPS nhận dạng tín hiệu Mục đích mã tín hiệu để tính tốn khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS Hai loại mã dùng mã C/A (Coarse/Acquisition) mã P-code (precision code) Mỗi mã bao gồm nhóm số nhị phân gọi bit Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thơng Mã C/A: luồng bít nhị phân 1023 số nhị phân lặp lại thân chúng giây Điều có nghĩa tốc độ chip mã C/A 1.023Mbps Việc đo đạc sử dụng mã C/A xác so với mã P-code phức tạp cung cấp cho tất người sử dụng Mã P-code: chuỗi dài số nhị phân ,nó lặp lại thân sau 266 ngày, gồm 2.35x1014 chip mã dài 266 ngày chia 38 đoạn;mỗi đoạn tuần.32 đoạn phân chia tới vệ tinh khác Mỗi vệ tinh phát đoạn 1-tuần mã P-code,chúng khởi tạo vào nửa đêm nằm thứ chủ nhật hàng tuần đoạn cịn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác Mã P-code thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích qn Mơ hình tín hiệu GPS truyền Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thơng tin khác – mã giả ngẫu nhiên, liệu thiên văn liệu lịch Mã giả ngẫu nhiên đơn giản mã định danh để xác định vệ tinh phát thơng tin Có thể nhìn số hiệu vệ tinh trang vệ tinh máy thu Garmin để biết nhận tín hiệu Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết vệ tinh đâu quỹ đạo thời điểm ngày Mỗi vệ tinh phát liệu thiên văn thơng tin quỹ đạo cho vệ tinh vệ tinh khác hệ thống Dữ liệu lịch phát đặn vệ tinh, chứa thông tin quan trọng trạng thái vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày Phần tín hiệu cốt lõi để phát vị trí 3.1 2.3 Độ xác hệ thống GPS Các máy thu GPS ngày xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song chúng Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khố vào vệ tinh bật lên chúng trì chắn liên hệ này, chí tán rậm rạp thành phố với nhà cao tầng Tình trạng định khí nguồn gây sai số khác ảnh hưởng tới độ Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông xác máy thu GPS Các máy thu GPS có độ xác trung bình vòng 15 mét Các máy thu với khả WAAS (Hệ Tăng Vùng Rộng, Wide Area Augmentation System) tăng độ xác trung bình tới mét Không cần thêm thiết bị hay phí để có lợi điểm WAAS Người dùng có độ xác tốt với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi tín hiệu GPS để có độ xác khoảng đến mét Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi Hệ thống bao gồm mạng đài thu tín hiệu GPS phát tín hiệu sửa lỗi máy phát hiệu Để thu tín hiệu sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm ăn-ten để dùng với máy thu GPS họ CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA GPS 3.1 Các ứng dụng GPS Ứng dụng GPS đời sống nhiều vơ kể, đất liền, biển khơng Về bản, GPS sử dụng nơi trừ nơi nhận tín hiệu bên tịa nhà, tầng hầm, hang động…Có thể kể số ứng dụng GPS như: Hàng không: người ta áp dụng GPS để điều hướng máy bay thương mại hàng không cách cung cấp tọa độ máy bay theo thời gian thực cho phi cơng Từ phi cơng xác định vị trí bay, đồ hành trình qng đường qua dựa cập nhật vị trí hoạt động máy bay Định vị GPS ứng dụng ngành hàng không Hàng hải: tương tự hàng không, GPS giúp điều hướng tàu biển, giúp thuyền trưởng xác định vị trí phương hướng, phác thảo đồ hành trình đến Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông Máy định vị GPS ngành hàng hải Vận tải: ngành dễ dàng chứng kiến GPS công ty vận chuyển, dịch vụ vận tải áp dụng nhiều nhằm theo dõi tuyến đường điều phối đội xe để vận chuyển hàng hóa, người qua chặng đường xa Gần gũi thấy hãng xe cơng nghệ Grab, GoJek, Be… thường xuyên cải thiện hệ thống GPS để chở khách khu vực thành phố, giao đồ ăn hay hàng hóa Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS lái xe Quân sự: ứng dụng có diện GPS quốc gia áp dụng chế phịng thủ thời chiến Chính quân đội Mỹ tận dụng GPS để giảm sai số đánh trúng mục tiêu loại bom, đạn xác khoảng 1-2m, tăng tỷ lệ đánh trúng mục tiêu tên lửa hành trình Tomahawk Block III tăng lên 90% Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông Ứng dụng GPS quân Du lịch: mảng ứng dụng GPS nhiều việc du lịch, thám hiểm, đặc biệt dành cho bạn trẻ tự khám phá Các bạn biết điểm đến cụ thể, hành trình đi, hướng nào, tốc độ thời gian thơng tin hiển thị rõ hình Trong trường hợp khẩn cấp, người sử dụng bắn tín hiệu trung tâm để báo vị trí chờ giúp đỡ Tuy nhiên cần lưu ý số khu vực rừng sâu, thiết bị GPS bị vơ hiệu hóa Viễn thơng: bạn dễ dàng thấy nhà mạng cung cấp thiết bị di động hỗ trợ GPS Trắc địa, thủy văn: GPS giúp xác định vị trí để đo đạc đồ, đất đai, san lấp mặt bằng, làm đường cao tốc, trải nhựa đường… Đời sống ngày: GPS công cụ đắc lực hoạt động thường nhật chạy bộ, trượt tuyết, leo núi, chạy xe đạp (xác định quãng đường chạy, vị trí thân, điểm đến, thời gian, tốc độ…) Người ta dùng hệ thống để giám sát trường hợp đặc biệt (áp dụng phòng chống tệ nạn, xã Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông hội, tù nhân, giam lỏng….) hay trường hợp cần chăm sóc đặc biệt (trẻ tự kỷ, người già, người mắc bệnh Alzheimer….) 3.2 Những nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS Hệ thống GPS thiết kế để ngày xác, nhiên thực tế cịn có lỗi Những lỗi gây lệch từ 50 -> 100m từ vị trí máy thu GPS thực tế sau có vài nguồn lỗi bàn tới:  Điều kiện khí quyển: Cả tầng điện ly lẫn tầng đối lưu khúc xạ tín hiệu GPS Nó gây thay đổi tốc độ tín hiệu tầng điện ly tầng đối lưu khác so với tốc độ tín hiệu GPS khơng gian Bởi vậy, khoảng cách tính tốn “tốc độ x thời gian” khác  Lỗi giao thoa tín hiệu GPS: Do phản xạ từ vật cản làm cho tin hiệu GPS giao thoa với làm cho thiết bị thu GPS thu tín hiệu lỗi Lỗi giao thoa tín hiệu GPS  Lỗi di chuyển thiết bị GPS: Do qua trình thu tín hiệu GPS thiết bị GPS di chuyển xảy sai số cỡ khoảng -> 15m có độ trễ xảy qua trình truyền vệ tinh thiết bị GPS theo tốc độ di chuyển máy thu GPS mà sai số vị trí nhận vị trí thực tế máy thu GPS cỡ khoảng - 15 m Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN Trong thời gian thực báo cáo với giúp đỡ tận tình thầy Nguyễn Tấn Hưng, báo cáo nhóm chúng em hồn thành thời gian quy định tìm hiểu tổng quan cơng nghệ định vị toàn cầu GPS, thành phần nguyên lý hoạt động công nghệ Với khả ứng dụng rộng lớn hệ thống định vị toàn cầu (GPS) nhiều lĩnh vực thuộc đời sống xã hội Do tính xác mình, GPS trở thành phương pháp lựa chọn dùng để thu thập số liệu chỗ cho nhiều ứng dụng thương mại, quyền quân GPS chắn trở thành phương pháp quan trọng có hiệu kinh tế cho việc định vị số mục tiêu mặt đất biển Mặc dù Bộ Quốc Phòng Mĩ cấp kinh phí ban đầu, song việc truy cập mạng GPS miễn phí người dùng Điều giúp góp phần khuyến khích việc phát triển ứng dụng tạo thị trường khách hàng hoàn toàn mới, đặc biệt lĩnh vực định vị phương tiện giao thông điều hành xa lộ Với phát triển lớn mạnh Khoa học kỹ thuật cơng nghệ GPS khơng cịn xa lạ với người, trở thành cơng cụ hữu ích cho tự động hóa từ giúp nâng cao chất lượng sống Do đó, tìm hiểu thơng tin tổng quan công nghệ GPS, giúp cho có nhìn bao qt vấn đề chủ yếu hệ thống định vị toàn cầu Với tương lai không xa, GPS kỳ vọng cơng nghệ giúp bảo vệ hịa bình trái đất Lê Trương Việt Hùng – 17DT3 Trần Quốc Hoàn – 17DT3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ... Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS 1.1 Giới thiệu công nghệ định vị vệ tinh GPS Như biết, nay, GPS (Global Positioning System ) – công nghệ định. . .Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS 1.1 Giới thiệu công nghệ định vị vệ tinh GPS 1.2 Thành phần hệ thống GPS ... skknchat@gmail.com Báo Cáo Chuyên Ngành Viễn Thông CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DỊCH VỤ ĐỊNH VỊ GPS 2 2.1 Nguyên lý hoạt động GPS 2.1.1 Ý tưởng định vị GPS Ý tưởng định vị hệ thống GPS Theo nguyên