BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG ĐỊNH VỊ DẪN ĐƯỜNG HÀNG HẢI TÊN HỌC PHẦN ĐỊNH VỊ DẪN ĐƯỜNG HH MÃ HỌC PHẦN 13230 TRÌN................................................................................................................................................................................................
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG ĐỊNH VỊ & DẪN ĐƯỜNG HÀNG HẢI TÊN HỌC PHẦN : ĐỊNH VỊ & DẪN ĐƯỜNG HH MÃ HỌC PHẦN : 13230 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG HẢI PHỊNG – 2010 YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT Tên học phần: Định vị dẫn đường hàng hải Loại học phần : III Bộ môn phụ trách giảng dạy: Điện tử viễn thông Khoa phụ trách: Điện - ĐTTB Mã học phần:13230 Tổng số TC: TS tiết 90 Lý thuyết 90 Thực hành/ Xemina Tự học Bài tập lớn có Đồ án mơn học Điều kiện tiên quyết: SV phải có sở kiến thức về: vật lý điện từ, lý thuyết truyền tin, cấu kiện điện tử, mạch điện tử, kỹ thuật siêu cao tần, anten truyền sóng, Mục tiêu học phần: Cung cấp kiến thức hệ thống thiết bị định vị dẫn đường hàng hải cho SV Điện tử viễn thông Nội dung chủ yếu: Khái niệm nguyên lý hoạt động, cấu trúc hệ thống, cấu trúc thiết bị kiến thức lý thuyết chuyên môn hệ thống Nội dung chi tiết: TÊN CHƯƠNG MỤC PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TS VÔ TUYẾN ĐỊNH VỊ LT 50 8 Chương 2: Tầm xa radar hàng hải 2.1 Tầm xa radar hàng hải không gian tự 2.2 Nén xung radar hàng hải 2.3 Ảnh hưởng khí 2.4 Ảnh hưởng bề mặt biển (mặt đất) 2.5 Ảnh hưởng sóng biển 5 Chương 3: Máy phát radar 3.1 Sơ đồ khối 3.2 Manhetron 3.3 Mạch điều chế xung 3.4 Thyristor số mạch điều chế xung 12 12 Chương 4: Anten đường truyền lượng 4.1 Các đường truyền lượng 4.2 Phối hợp trở kháng đường truyền lượng 4.3 Chuyển mạch anten 4.4 Anten đặc tính 8 Chương 5: Máy thu radar 5.1 Đặc điểm chung 5.2 Mạch đổi tần 5.3 Mạch khuếch đại trung tần 5.4 Tách sóng khuếch đại thị tần 5.5 Nhiễu tạp phươngbpháp hạn chế 5.6 Tự động điều chỉnh tần số 5 Chương 6: Cơ cấu báo radar 6.1 Chức phân loại 6.2 Monitor 6.3 Phương pháp tạo quét “bán kính 12 12 Chương 1: Nguyên lý chung vô tuyến định vị 1.1 Khái niệm chung 1.2 Hệ thống radar phát sóng liên tục 1.3 Radar phat xung 1.4 Phương pháp xác định góc phương vị 1.5 Tầm quan sát không gian 1.6 Những thơng số khai thác kỹ thuật Xemina BT có KT quay” 6.4 Phương pháp tạo quét mành 6.5 Cơ cấu báo số 6.6 Phương pháp báo khoảng cách 6.7 Chỉ báo góc phương vị 6.8 Radar báo chuyển động thực DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH Chương 7: Những khái niệm chung 7.1 Nguyên lý dẫn đường vô tuyến điện 7.2 Vệ tinh nhân tạo đặc tính 7.3 Hệ tọa độ tham chiếu 7.4 Cấu hình hệ thống dẫn đường vệ tinh 25 Chương 8: Các phương pháp xác định vị trí 8.1 Nguyên lý chung 8.2 chuẩn thời gian thang đo 8 Chương 9: Hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS 9.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 9.2 Khâu vũ trụ 9.3 Khâumặt đất 9.4 Khâu thuê bao 9.5 DGPS – dạng vi sai GPS 9.6 Các hệ thống dẫn đường vệ tinh khác 12 12 Nhiệm vụ sinh viên: Lên lớp đầy đủ chấp hành quy định Nhà trường Tài liệu học tập: Vô tuyến định vị tầu biển A.M Bajrasevski NXB “Cydostrojenie” L.B.Nga 1993 2.Các hệ thống dẫn đường vệ tinh Hàng hải J Janusevski, Gdynia 2002 3.Các tổ hợp dẫn đường vệ tinh hàng hải NXB “Cydostrojenie” Moscova 1996 Vô tuyến định vị hàng hải Bài giảng chi tiết, Trần Đức Inh ĐHHH Việt nam,199 tr 2005 5.Dẫn đường vệ tinh Hàng hải Bài giảng chi tiết, Trần Đức Inh ĐHHH Việt nam,189 tr 2005 Hình thức tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Thi viết thi vấn đáp - Sinh viên phải bảo đảm điều kiện theo Quy chế Nhà trường Bộ Thang điểm : Thang điểm chữ A,B,C,D,F Điểm đánh giá học phần: Z=0,3X+0,7Y Bài tập lớn: I Tên - Khái quát chung radar hàng hải sâu phân tích khối thu phát xạ (Scanner Unit) radar………………… - Khái quát chung radar hàng hải sâu phân tích cấu báo số radar ………… Các phương pháp báo khoảng cách góc phương vị radar, sâu phân tích - Manhetron: cấu tạo, đặc điểm, phân loại ứng dụng tạo sóng siêu cao radar hàng hải - Thyristor đường dây dài Nguyên lý cấu tạo, hoạt động ứng dụng chúng mạch điều chế xung radar Minh họa cách phân tích mạch điều chế xung cụ thể – Các phương pháp báo radar hàng hải Đi sâu phan tích cấu báo qt trịn radar JMA 625 – Những can nhiếu chủ yếu radar hàng hải Phân tíc phương pháp hạn chế thiết bị cụ thể – Những đặc điểm máy thu radar Đi sâu phân tích mạch đổi tần báo dòng diode mạch trộn tần radar JMA 625 – Hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS Đi sâu phân tích nguyên lý xác định điểm đo phép đo khoảng cách giả định vệ tinh – thuê bao qua phép đo thời gian lan truyền sóng 10 – Hệ thống dẫn đường vệ tinh vi sai Nguyên lý hoạt động phương pháp gửi trị hiệu chỉnh vi sai tromng hệ thống hành tương lai II Mục tiêu Yêu cầu: Các tập lớn tiểu luận vấn đề đặt ra, giúp SV làm quen dần với cách giải vấn đề đặt đề tài, cách viết, cách phân tích, tổng hợp cách đưa nhận xét cần thiết Nhằm củng cố kiến thức kỹ làm đồ án sau III Nội dung: Ở bài, SV phải đưa hai nội dung: Phần phân tích lý thuyết phần phân tích mạch cụ thể IV Hình thức đánh giá: Sinh viên bảo vệ giáo viên đánh giá đồng thời đọc viết SV V Hình thức trình bày: Bài nộp viết tay hay chế vi tính, song phải đảm bảo yêu cầuvè kích cỡ, dạng chư dễ đọc tiêu chuẩn ấn lốt khác Bìa cứng theo mẫu mã quy định TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM -o0o TS TRẦN ĐỨC INH ĐỊNH VỊ & DẪN ĐƯỜNG HÀNG HẢI Hải Phòng, tháng năm 2010 MỤC LỤC NỘI DUNG Trang PHẦN I: ĐỊNH VỊ HÀNG HẢI Chương 1: NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA VÔ TUYẾN ĐỊNH VỊ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG 1.2 HỆ THỐNG RADAR PHÁT SÓNG LIÊN TỤC 1.2.1 RADAR PHÁT SĨNG LIÊN TỤC KHƠNG ĐIỀU CHẾ 1.3 RADAR PHÁT XUNG 1.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ GÓC 1.4.1 PHƯƠNG PHÁP BIÊN ĐỘ CỰC ĐẠI 1.4.2 PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG BIÊN ĐỘ 1.4.3 PHƯƠNG PHÁP PHA 1.5 TẦM QUAN SÁT KHÔNG GIAN 1.6 NHỮNG THÔNG SỐ KHAI THÁC VÀ KỸ THUẬT 1.6.1 CÁC THÔNG SỐ KHAI THÁC 1.6.2 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT Chương 2: TẦM XA CỦA RADAR HÀNG HẢI 2.1 TẦM XA HOẠT ĐỘNG CỦA RADAR HÀNG HẢI TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 2.2 NÉN XUNG TRONG RADAR 2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN 10 2.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT NƯỚC BIỂN (MẶT ĐẤT) 10 2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG BIỂN 11 Chương 3: MÁY PHÁT RADAR 12 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÁY PHÁT RADAR 12 3.2 MANHETRON 12 3.2.1 CẤU TRÚC MANHETRON ĐỒNG BỘ 12 3.2.2 NGUYÊN LÝ TẠO VÀ DUY TRÌ DAO ĐỘNG 13 3.2.3 ĐẶC TÍNH CƠNG TÁC VÀ ĐẶC TÍNH TẢI 13 3.3 MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG 14 3.3.1 KHÁI NIỆM CHUNG 14 3.3.2 MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG TỤ 14 3.3.3 MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY DÀI 15 3.4 THYRISTOR VÀ MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY DÀI 15 3.4.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THYRISTOR 15 3.4.2 THYRISTOR TRONG MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG RADAR 16 Chương 4: ANTEN VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG 17 4.1 ĐƯỜNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG 17 4.1.1 CÁP ĐỒNG TRỤC 17 4.1.2 ỐNG DẪN SÓNG 17 4.2 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG TRONG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG 18 4.3 CHUYỂN MẠCH ANTEN 19 4.3.1 CHUYỂN MẠCH CÔNG TẮC 19 4.3.2 CHUYỂN MẠCH CÂN BẰNG HAY CHUYỂN MẠCH CẦU 19 4.3.3 CHUYỂN MẠCH PHA 20 4.4 ANTEN RADAR VÀ NHỮNG ĐẶC TÍNH 20 4.4.1 ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA ANTEN RADAR 20 4.4.2 ANTEN LOA 20 4.4.3 ANTEN KHE 21 Chương 5: MÁY THU RADAR 22 5.1 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM 22 5.1.1 YÊU CẦU CHUNG 22 5.1.2 ĐỘ NHẠY VÀ ĐẶC TÍNH 22 5.2 MẠCH ĐỔI TẦN 22 5.2.1 MẠCH DAO ĐỘNG NỘI DÙNG DIODE GANN 23 5.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN 23 5.4 TÁCH SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI THỊ TẦN 24 5.4.1 MẠCH TÁCH SÓNG 24 5.4.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THỊ TẦN 24 5.5 NHIỄU TẠP VÀ PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ 25 5.5.1 CÁC MẠCH TỰ ĐIỀU KHUYẾCH (AGC) 25 5.5.2 MẠCH CHỐNG NHIỄU MƯA VÀ SƯƠNG MÙ 26 5.6 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ 26 Chương 6: CƠ CẤU CHỈ BÁO RADAR 27 6.1 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI 27 6.2 MONITOR 27 6.3 PHƯƠNG PHÁP TẠO QUÉT “BÁN KÍNH QUAY” 27 6.3.1 PHƯƠNG PHÁP “CUỘN QUÉT QUAY” 28 6.4 PHƯƠNG PHÁP QUÉT MÀNH 29 6.5 CƠ CẤU CHỈ BÁO SỐ 30 6.6 PHƯƠNG PHÁP CHỈ BÁO KHOẢNG CÁCH 31 6.7 PHƯƠNG PHÁP CHỈ BÁO GÓC PHƯƠNG 32 RADAR CHỈ BÁO CHUYỂN ĐỘNG THỰC 33 PHẦN II: DẪN ĐƯỜNG VỆTINH .35 Chương 7: KHÁI NIỆM CHUNG .35 7.1 NGUYÊN LÝ DẪN ĐƯỜNG VÔ TUYẾN ĐIỆN 35 7.1.1 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG MẶT ĐẤT 35 7.1.2 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH 36 7.2 VỆ TINH VÀ NHỮNG ĐẶC TÍNH 36 7.2.1 VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG 36 A Vận tốc vũ trụ cấp I 36 B Định luật Kepler 37 7.2.2 QŨY ĐẠO VÀ CÁC THÔNG SỐ QUỸ ĐẠO 37 7.2.3 TẦM NHÌN CỦA VỆ TINH 37 7.3 HỆ TỌA ĐỘ THAM CHIẾU 38 7.3.1 PHÂN LOẠI 38 7.4 CẤU HÌNH HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH 39 7.4.1 KHÂU VŨ TRỤ 40 7.4.2 KHÂU MẶT ĐẤT 40 7.4.3 KHÂU THUÊ BAO 40 Chương 8: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ .42 8.1 NGUYÊN LÝ CHUNG 42 8.1.1 PHƯƠNG PHÁP DOPPLER 42 B Nguyên lý thu tích phân Doppler 42 8.1.2 PHÉP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN 43 8.1.3 ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VỊ TRÍ 43 8.2 CHUẨN THỜI GIAN VÀ THANG ĐO 45 8.2.1 MẪU CHUẨN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ 45 8.2.2 ĐỊNH NGHĨA ĐƠN VỊ THỜI GIAN 45 8.2.3 THANG ĐO THỜI GIAN 45 Chương 9: HỆ THỐNG GPS – NAVSTAR 47 9.1 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 47 9.1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 47 9.1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 47 9.2 KHÂU VŨ TRỤ 47 9.2.1 THÔNG SỐ QUỸ ĐẠO, SỐ LƯỢNG VÀ CÁCH BỐ TRÍ 47 9.2.3 TẦN SỐ SÓNG MANG 48 9.2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ 48 Phổ tần tín hiệu phát từ vệ tinh tần số L 1, L2, hệ thống GPS minh họa hình 9.4 49 9.2.5 MÃ ĐIỀU CHẾ 49 9.2.6 THÔNG BÁO VŨ TRỤ 50 9.2.7 NHIỄU VÀ GÂY NHIỄU CỐ Ý 50 9.3 KHÂU MẶT ĐẤT 50 9.3.1 TRẠM DÕI THEO 51 9.3.2 TRẠM CHÍNH 51 9.3.3 TRẠM HIỆU CHỈNH 51 9.4 KHÂU THUÊ BAO 51 9.4.1 PHÉP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN VÀ MỨC CHÍNH XÁC 52 9.4.2 MÁY THU DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH 52 A Nguyên lý hoạt động máy thu đại 52 B Anten máy thu 52 9.5 DGPS - DẠNG VI SAI CỦA HỆ THỐNG GPS 55 9.5.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 55 9.5.2 DẪN ĐƯỜNG VI SAI TRONG HÀNG HẢI 55 9.5.4 MÁY THU DẪN ĐƯỜNG DGPS 56 9.5.5 PHIÊN BẢN MẠNG CỦA DGPS 57 9.5.6 ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA DGPS 57 9.6 CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH KHÁC 57 9.6.1 HỆ THỐNG GLONASS 57 9.6.2 HỆ THỐNG ĐƯỜNG TOÀN CẦU GNSS 57 9.6.3 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH HỖ TRỢ 58 9.6.4 CÁC HỆ THỐNG VỆ TINH CHÂU ÂU 58 PHẦN I: ĐỊNH VỊ HÀNG HẢI Chương 1: NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA VÔ TUYẾN ĐỊNH VỊ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG Các định nghĩa: -Vô tuyến định vị gì? -Mục tiêu định gi? - Trạm vơ tuyến định vị (trạm radar) gì? Phân loại theo ngun lý hoạt động có: - Vơ tuyến định vị thụ động, -Vơ tuyến định vị tích cực, - Tích cực với trả lời thụ động, - Tích cực với trả lời tích cực Phụ thuộc vào dạng sóng thăm dị - Phát sóng liên tục: có điều chế khơng bị điều chế - phát xung Hình 1.1 mơ tả sơ đồ khối hệ thống radar nói chung a) Chỉ báo Máy thu Hình 1.1 Các hệ thống định vị: thụ động (a), tích cực (b) Chỉ báo Máy thu b) Máy phát 1.2 HỆ THỐNG RADAR PHÁT SÓNG LIÊN TỤC 1.2.1 RADAR PHÁT SĨNG LIÊN TỤC KHƠNG ĐIỀU CHẾ Nguyên lý hoạt động hệ thống dựa tượng Doppler Hệ thống radar mô tả hình 1.2 bước sóng cm Chúng ta có: Chỉ báo Máy thu Máy phát v Nếu vận tốc tính Km/h, tần số Hz, = (1.1) F f1 D f1 ± Δf f 55,6 r Hình 1.2 Hệ thống radar phát sóng liên tục không điều chế Vận tốc hướng trạm v , tính sở v r hình 1.3: v mục tiêu r 55,6cos = (1.2) =→ mD v F 55,6 cos m F v m Hình 1.3 D Vận tốc hướng trạm Để xác định khoảng cách tới mục tiêu, cần sử dụng hệ thống song song (Doppler) hình 1.4 Khi đó: ⎛⎞Δ D f c =⎜⎟ 1.2.2 RADAR PHÁT SÓNG LIÊN TỤC CÓ ĐIỀU CHẾ Δ Máy phát Máy thu Máy thu Máy Hệ thống phát sóng điều chế tần số, phát theo quy luật hàm sin hay quy luật tuyến tính hình 1.5 ⎝ ⎠ Δ (1.3) Khoảng cách đến mục tiêu hệ thống xác định: /4DFcfF=Δ a) DM Hình 1.4 Hệ thống radar Doppler (1.3) Max f FD f1 Δf f b) Min f t Δ t Tm Hình 1.5 Điều chế theo quy luật tuyến tính: Tần số phát (nét liền), phản xạ (nét đứt )-(a);Tần số Doppler (b) t FD Thông thường dụng cụ đo tần số Doppler FD biểu thức (1.3) đếm xung, có chu kỳ đếm 1/ T F D D = , N 1.3 RADAR PHÁT XUNG Đây hệ thống sử dụng rộng rãi radar hàng hải Radar phát xung, phát chùm sóng siêu cao tần có tính chu kỳ, gọi chùm xung “thăm dò”, có độ rộng nhỏ so với độ rỗng lớn Trong khoảng thời gian chùm xung ấy, máy thu trạm thu nhận chùm xung phản xạ từ mục tiêu trở Mỗi chùm xung đơn lẻ phản xạ từ mục tiêu trở máy thu có độ trễ tỷ lệ thuận với khoảng cách mục tiêu nơi sóng phản xạ trở về: = / D c Bằng phương pháp hiển thị điện tử, tạo quét tương ứng, tái tạo hình ảnh khơng gian quan sát trạm thơng số (khoảng cách góc mạn) mục tiêu mơ tả hình 1.6 (1) t (2) t Sơ đồ khối trạm radar hàng hải mơ tả hình 1.7 (3) (4) t Điều chế t Tạo sóng (5) Chuyển mạch Đồng nguồn Đi anten Máy thu Chỉ báo D D D3 Hình 1.6 Nguyên lý báo radar phát xung Hình 1.7 Sơ đồ khối radar phát xung Bao gồm khối chức sau: Khối đồng nguồn nuôi, Mạch điều chế xung, Mạch tạo dao động siêu cao tần, Cơ cấu chuyển mạch anten, Hệ thống Anten – Phiđơ, Máy thu Cơ cấu báo, hiển thị điện tử 1.4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ GÓC Tọa độ góc mục tiêu xác định dựa tính định hướng anten Có hai phương pháp xác định: biên độ hay phương pháp pha 1.4.1 PHƯƠNG PHÁP BIÊN ĐỘ CỰC ĐẠI Nguyên lý hoạt đông mô tả hình 1.8a, dựa vào đặc tính định hướng cao anten - U( ) Độ nhạy phương pháp đánh giá: dUV ( ) = , = (1.4) S d Sai số phép đo: / Δ = Δ U S V (1.5) Độ định hướng anten định nghĩa góc điểm (0,7) giá trị cực đại đặc tính biên độ điểm (0,5) giá trị cực đại đặc tính cơng suất như mơ tả hình 1.8b a) y U( ) x 0,7 b) 0,5 Hình 1.8 Xác định cực đại (a) góc góc mạn mở búp sóng phương phápbiên độ anten (b) 1.4.2 PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG BIÊN ĐỘ Bằng cáh sử dụng hai anten có đặc tính định hướng giống hệt bị dịch góc hình 1.9a, xác định xác góc phượng vị mục tiêu