Nghiên cứu Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinhChương 2: Các phương pháp đa truy nhập và tổn hao trong thông tin vê tinh Chương 3: Hệ thống định vị toàn cầu GPS Chương 4: Ứng dụng hệ thống GPS trong ngành hàng không

Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không MỤC LỤC Lời nói đầu 5 Các từ viết tắt 7 Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh 9 1.1. Khái quát về định vị 9 1.2. Nguyên lý của hệ thống thông tin vệ tinh 9 1.2.1. Quỹ đạo cực tròn 10 1.2.2. Quỹ đạo elip nghiêng 10 1.2.3. Quỹ đạo xích đạo tròn 10 1.2.3.1. Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geosychronous Earth Orbit) 10 1.2.3.2. Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit) 11 1.2.3.3. Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit) 11 1.3. Đặc điểm của thông tin vệ tinh 11 1.4. Hệ thống của thông tin vệ tinh cơ bản 12 1.5. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 13 1.6. Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh 14 1.6.1. Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh 16 1.6.1.1. Mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code - PRC) 16 1.6.1.2. Giả cự ly 17 1.6.1.3. Đo cự ly bằng sóng xung và sóng liên tục 17 1.6.1.4. nguyên lý đo cự ly cơ bản 18 1.6.2. Các nguồn gây sai số trong phép đo 18 1.6.2.1.Đồng hồ vệ tinh 19 1.6.2.2. Đồng hồ máy thu 20 1.7. Sai số quỹ đạo vệ tinh 21 1.7.1. Sai số do tầng điện ly 21 1.7.2. Sai số do tầng đối lưu 22 1.7.3. Nhiễu đa đường 23 1.7.4. Các sai số của máy thu 23 1 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không Chương 2: Các phương pháp đa truy nhập và tổn hao trong thông tin vệ tinh 24 2.1. Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh 24 2.1.1. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 24 2.1.2. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 25 2.1.3. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 26 2.2. Phương pháp đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 27 2.2.1. Đa truy nhập phân phối trước 27 2.2.2. Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 27 2.2.2.1. Sự phân cực sóng mang 27 2.2.2.2. Sóng phân cực thẳng 28 2.2.2.3. Sóng phân cực tròn 28 2.3. Cửa sổ tần số 29 2.4. Suy hao trong thông tin vệ tinh 30 2.4.1. Suy hao trong không gian tự do 30 2.4.2. Suy hao do tầng đối lưu 31 2.4.3. Suy hao do tầng điện ly 31 2.4.4. Suy hao do thời tiết 31 2.4.5. Suy hao do đặt anten chưa đúng 32 2.4.6. Suy hao trong thiết bị phát và thu 32 2.4.7. Suy hao do phân cực không đối xứng 33 2.5. Tạp âm trong thông tin vệ tinh 33 2.5.1. Nhiệt tạp âm hệ thống 33 2.5.1.1. Nhiệt tạp âm bên ngoài S T và nhiệt tạp âm anten 34 2.5.1.2. Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ TF 36 2.5.1.3. Nhiệt tạp âm máy thu T R 36 2.5.2. Công suất tạp âm hệ thống 36 2.5.3. Công suất tạp âm nhiễu 37 2.5.3.1. Can nhiễu khác tuyến 37 2.5.3.2. Nhiễu cùng tuyến 38 2.5.3.3. Tạp âm méo xuyên điều chế 39 2 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không 2.6. Hiệu ứng Doppler 40 2.7. Trễ truyền dẫn 41 Chương 3 : Hệ thống định vị toàn cầu GPS 42 3.1. Sự ra đời của hệ thống GPS 42 3.2. Cấu tạo của hệ thống GPS 47 3.2.1. Chùm vệ tinh 48 3.2.2. Hệ thống điều khiển mặt đất 48 3.2.3. Bộ phận người sử dụng 49 3.3. Nguyên lý hoạt động của hê thống 50 3.4. Điều chế và giải điều chế GPS 52 3.4.1. Điều chế tín hiệu GPS 52 3.4.2. Giải điều chế GPS 53 3.5. Phương pháp tạo mã C/A 53 3.6.Các loại mã 54 3.6.1. Mã C/A 54 3.6.2. Mã P 54 3.7. Cấu trúc dữ liệu GPS 55 3.8. Mối quan hệ giữa các chức năng của hệ thống GPS 59 3.9. Hệ quy chiếu không gian và thời gian 59 3.10. Các hệ thống định vị khác 60 3.10.1. Hệ thống định vị toàn cầu Glonass 60 3.10.2. Galileo của châu âu 61 3.10.3. Beidou 62 3.10.4. Irnss 62 3.10.5. Qzss 62 3.11. Ưu điểm của hệ thống so với các hệ thống khác 62 Chương 4: Ứng dụng hệ thống định vị vệ tinh trong ngành hàng không 64 4.1. Hạn chế của hệ thống dẫn đường truyền thống 64 4.2. Cấu trúc hệ thống Testbed 64 4.2.1. thiết bịTRS 65 4.2.2. Thiết bị TVR 65 3 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không 4.2.3. Trung tâm khai thác hệ thống (SOC) 65 4.2.4. Thiết bị TUP 66 4.3. Các hệ thống tăng cường dẫn đường 66 4.3.1. Hệ thống SBAS ( Satellite Based Augmentation System ) 67 4.3.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 67 4.3.1.2. Đánh giá hệ thống 68 4.3.1.3. Một số SBAS khác 69 4.3.2. Hệ thống GBAS ( Ground-Based Augmentation System ) 69 4.3.2.1. Chức năng 70 4.3.2.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 70 4.3.2.3. Đánh giá hệ thống GBAS 71 4.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống tăng cường 72 4.3.3.1. Ảnh hưởng bởi nhiễu 72 4.3.3.2. Ảnh hưởng do khúc xạ của tầng ion 72 4.3.3.3. Ảnh hưởng của bão từ (Scintillation) 73 Kết luận 74 Tài liệu tham khảo 75 4 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không LỜI MỞ 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 lượng và chất lượng, 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 bước tiến vượt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đưa con người nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa học kỹ thuật. Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi 1 kỹ thuật mà các hệ thống cũ không thể đáp ứng được đó là định vị trong không gian 3 chiều, đứng trước sự đòi hỏi đó chính phủ Mỹ đã tài trợ 1 chương trình nghiên cứu hệ thống định vị trong vũ trụ. Với mục đích khảo sát, nghiên cứu hệ thống định vị này. Do đó em chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không” cho đồ án tốt nghiệp của mình. Nội dung của đồ án gồm 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh Chương 2: Các phương pháp đa truy nhập và tổn hao trong thông tin vê tinh Chương 3: Hệ thống định vị toàn cầu GPS Chương 4: Ứng dụng hệ thống GPS trong ngành hàng không Chương 1: cung cấp các khái niệm cơ bản về TTVT, về định vị, cơ sở lý thuyết của phép định vị bằng vệ tinh, phương trình đo mã, thiết lập mô hình toán học của phép đo cũng như các nguồn gây sai số của phép đo. Chương 2: Tìm hiểu về các phương pháp và những ảnh hưởng của tạp âm và suy hao trong thông tin vệ tinh. Chương 3: tìm hiểu về ưu điểm, chức năng, cấu tạo, cấu trúc-đặc tính tín hiệu, định dạng dữ liệu điện văn GPS và cũng như thông tin dẫn đường của GPS. Chương 4: sẽ trình bày ứng dụng của hệ thống GPS vào hàng không, đồng thời xét hai hệ thống tăng cường GBAS và SBAS. Do kiến thức và trình bày của em còn hạn chế nên đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý thêm của Thầy Cô và các bạn. 5 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không Trong quá trình làm đồ án, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong khoa đặc biệt là Thầy Đặng Thái Sơn đã hướng dẫn nhiệt tình, chỉ bảo giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo KS. Đặng Thái Sơn đã giúp em hoàn thành đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Đinh Công Tài 6 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng việt GPS Global Positioning Systems hệ thống định vị toàn cầu GLONAS S Global navigation Định vị toàn cầu của nga GALILEO Định vị toàn cầu của Châu Âu CDMA Code Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo mã S Satellite vệ tinh LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo thấp D/C Down Converter Bộ hạ tần U/C Up Converter Bộ nâng tần HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất cao LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp PRN Pseudo Random Code Mã giả ngẫu nhiên BPSK Binary Phase Shift Key Khóa dịch pha nhị phân P precise hoặc protectd Mã chính xác hoặc mã bảo vệ C/A Coarse/Acquired Mã S/A Selective Availability Là một loại tín hiệu NDB Non – Directional Radio Beacon Đài phát sóng dài phát vô hướng DME Distance Measuring Equipment Đài đo cự ly ILS Instrument Loading Sysem Là hệ thống thiết bị mặt đất VOR Very High Frequency Omi Range Đài vô tuyến phương vị mặt đất SBAS Satellite Based Augmentation System Hệ thống tăng cường trên vệ tinh GBAS Ground-Based Augmentation System Hệ thống tăng cường trên mặt đất GMS Ground Monitor Station Trạm giám sát mặt đất MCS Master Control Station Trạm điều khiển chính GS Ground System Hệ thống mặt đất AS Aircraft System Hệ thống trên máy bay CNMP Multipath error confidence bounds Gới hạn nhiễu đa đường TROP Troposphere delay Trể tầng đối lưu UDRE User Differential Range Error Lỗi sai lệch cự ly người dùng vệ tinh GIVE Grid Ionosphere Vertical Error Lỗi lưới dọc ion VPL Vertical protection level Mức bảo vệ dọc HPL Horizontal protection level Mức bảo vệ ngang ECEF Earth Cented Earth Fixed Coordnate Hệ tọa độ có gốc tọa độ đặt tại tâm của trái đất và cố định WGS-84 World Geodetic System -1984 Hệ thống trắc địa học toàn cầu 7 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không 1984 UTC Universal Time Coordinated Là một hệ thời gian TLM Telemetry Là từ đầu tiên của khung dữ liệu HOW Hand-over Là từ thứ 3 của khung dữ liệu ICAO International Civil Aviation Organization Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế IGP Ionosphere Grid Piont Điểm lưới tầng ion IPP Ionospheric Pierce Points Điểm xuyên qua tầng Ion RF Radio Frequency Tần số vô tuyến FDMA Frequency Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo tần số TDMA Time Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1. Khái quát về định vị Thật vậy, từ xa xưa con người đã biết vận dụng nhiều phương pháp như: - Định vị cổ điển như quan sát theo dõi các ngọn núi, tòa nhà cao - Định vị quan sát các chòm sao và hành tinh trên vũ trụ: như sao Bắc đẩu để xác định vị trí của mình tuy là không chính xác lắm. Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và các phương pháp định vị hiện đại như: - Định vị quán tính - Định vị vô tuyến mặt đất - Định vị vô tuyến không gian người ta đã tính toán và đo được các thông số của quá trình chuyển động (vị trí, vận tốc, thời gian,…) chính xác hơn. 8 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không 1.2. Nguyên lý của hệ thống thông tin vệ tinh Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thông tin ngoài trái đất. Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất, khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác. Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất là: - Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất. - Qủa đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh. 1.2.1. Quỹ đạo cực tròn Ưu điểm của dạng quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy vệ tinh trong một khoảng thời gian nhất định. Việc phủ sóng toàn cầu của dạng quỹ đạo này đạt được vì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lược quét tất cả các vị trí trên mặt đất. Dạng quỹ đạo này được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên và các vệ tinh do thám. Nó ít được sử dụng cho thông tin truyền hình vì thời gian xuất hiện ngắn. 1.2.2. Quỹ đạo elip nghiêng Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng cực cao mà các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới. Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược điểm là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải ở mức cao. 1.2.3. Quỹ đạo xích đạo tròn 9 Hình 1.1. Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh Quỹ đạo xích đạo Quỹ đạo elip nghiêng Quỹ đạo cực tròn Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không Đối với dạng quỹ đạo này, vệ tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo và là dạng quỹ đạo được dùng cho vệ tinh địa tĩnh, nếu vệ tinh bay ở một độ cao đúng thì dạng quỹ đạo này sẽ lý tưởng đối với các vệ tinh thông tin. 1.2.3.1. Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geosychronous Earth Orbit) Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000km so với đường xích đạo, vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất một vòng mất 24h. Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục của nó theo hướng Đông cùng với hướng quay của trái đất, bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất, do đó nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh. Bởi vì một vệ tinh địa tĩnh có thể đảm bảo thông tin ổn định liên tục nên có nhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin. Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt ở cách đều nhau bên trên xích đạo thì có thể thiết lập thông tin liên kết giữa các vùng trên trái đất bằng cách chuyển tiếp qua một hoặc hai vệ tinh. Điều này cho phép xây dựng một mạng thông tin trên toàn thế giới. 1.2.3.2. Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit) Độ cao điển hình của dạng quỹ đạo này là 160 đến 480 km, nó có chu kỳ 90 phút. Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng dưới 30 phút. Việc bố trí các vệ tinh LEO gần nhau có thuận lợi là thời gian để dữ liệu phát đi đến vệ tinh và đi về là rất 10 Hình 1.2. Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh [...]... hiệu 1.7.4 Các sai số của máy thu 22 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không Máy thu có thể gây ra vài sai số khi thực hiện phép đo mã hay sóng mang Tuy nhiên, trong các máy thu chất lượng cao các sai số này không đáng kể, nhỏ hơn 1mm đối với phép đo pha sóng mang và vài cm đối với phép đo pha mã 23 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không CHƯƠNG... không ảnh hưởng lên nhau với kỹ thuật sử dụng lại tần số 28 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không -Trong khoảng tần số từ 4GHz đến 6GHz thì mức độ phân cách giữa hai phân cực phải và phân cực trái rõ rệt, do đó chúng không gây giao thoa hay can nhiễu lên nhau 2.3 Cửa sổ tần số 29 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không 100 Suy hao 50 (dB) Suy hao... hoàn toàn không gây nhiễu cho các hệ thống viba Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng kể do mưa nên không phù hợp cho thông tin chất lượng cao 1.6 Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh Để xác định vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử dụng vệ tinh làm các điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thể đến các vệ tinh này (Hình 1.4) 13 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu. .. phương trình hay 4 phép đo cự ly đến vệ tinh để xác định vị trí duy nhất của vật thể Hình 1.6 Miêu tả 3 phép đo bằng 3 vệ tinh 15 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không Hình 1.7 Miêu tả xác định ví trí 1.6.1 Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh 1.6.1.1 Mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code - PRC) Là thành phần cơ bản của GPS, gồm các mã số (digital code) rất phức tạp,.. .Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không ngắn Do khả năng thực hiện nhanh của nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ toàn cầu giữa các mạng và loại hình hội thoại vô tuyến truyền hình sẽ có hiệu quả và hấp dẫn hơn Nhưng hệ thống LEO đòi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại này mới bao trùm hết bề mặt địa cầu 1.2.3.3 Quỹ đạo trung bình MEO (Medium... các cuộc gọi phát đi 2.2.2 Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu là phương pháp đa truy nhập mà trong đó các kênh vệ tinh được sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh từ các trạm 27 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không mặt đất có liên quan Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu cho phép sử dụng có hiệu quả dung lượng kênh của vệ tinh... gọi là đa truy nhập Nói cách khác đa truy nhập là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất 1.4 Hệ thống của thông tin vệ tinh cơ bản Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần cơ bản: 11 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không - Phần trên không là vệ tinh và các thiết bị liên quan - Phần mặt đất bao gồm các trạm mặt đất Đường xuống... âm hệ thống Nhiệt tạp âm hệ thống được xem là tổng của bốn thành phần được biểu diễn theo biểu thức: TSYS = TS + T A + TF + TR LF [0K] (2.3) Dải ngân hà Tầng điện ly Mặt trời Mặt trăng Trời mưa búp chính búp ngược búp phụ Hình 2.6 Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh trong đó TSYS - nhiệt tạp âm hệ thống TS - nhiệt tạp âm bên ngoài TA - nhiệt tạp âm anten 35 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn. .. bằng hệ thời gian của vệ tinh) Trên thực tế, hai hệ thời gian này không 17 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không giống nhau, mỗi hệ tác động một sai lệch vào trị số đó Vì vậy các số đo thời trễ sai lệch này được xem là những số đo giả cự ly Mã nhận được từ vệ tinh Mã do máy thu tạo ra Thời trễ (Giả cự ly) ∆t Thời trễ được xác định bằng cách sử dụng nguyên lý tương quan tín... biết) Anten thứ i P Mặt đất (cần tìm) Ri C (Gốc tọa độ) (Tâm trái đất) Hình 1.5 định vị điểm bằng vệ tinh 14 Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng trong hàng không Giả sử ta bỏ qua sai số đồng hồ máy thu trên vật thể i và đo được cự ly từ vật thể i đến vệ tinh 1 là ρi1, nghĩa là vật thể i đang nằm trên một mặt cầu (S 1) có tâm là vệ tinh 1 (C1) và bán kính là ρi1 Tiếp theo ta thực hiện phép