Luận văn tốt nghiệp khảo sát khả năng xây dựng hệ thống cứu hộ ngoài khơi trên cơ sở ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu

Lời mở đầu Vệ tinh hệ thống thiết bị đại đà phát triển mạnh mẽ giới đợc ứng dụng rộng rÃi cho ngành kinh tế quốc phòng nớc công nghiệp phát triển Các nớc phát triển cố gắng hợp tác với nớc phát triển để phóng cho vệ tinh riêng biệt Nhờ sử dụng vệ tinh mà nhiều hoạt động ngời dễ dàng ngời khám phá điều bí ẩn vũ trơ bao la Theo kÕ ho¹ch cđa chóng ta tơng lai không xa Việt Nam phóng vệ tinh phục vụ cho thông tin liên lạc, cho truyền hình, điều khiển quản lý đờng bay máy bay nội địa quốc tế, quản lý điều khiển tàu biển phục vụ quốc phòng Đồ án tốt nghiệp làm với đề tài Khảo sát khả xây dựng hệ thống cứu hộ khơi sở ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu Vì lần đầu tìm hiểu vệ tinh định vị nên không tránh đợc thiếu xót Rất mong đợc bảo thầy, cô bạn Chơng Hệ thống định vị toàn cầu 1.1 Khái quát hệ thống định vị toàn cầu Hệ thống định vị toàn cầu (GPS = Global Position System) bao gồm khâu: Khâu vệ tinh, khâu điều khiển khâu sử dụng Hình 1.1 Ba khâu hệ thống định vị toàn cầu - Khâu vệ tinh: + Bao gồm 24 vệ tinh bay quỹ đạo ấn định, có độ cao xấp xỉ 20.200km chu kỳ vệ tinh khoảng 24 + Các vệ tinh liên tục phát tín hiệu vô tuyến với kiện dẫn đờng thời gian xác Trên sở khâu sử dụng xác định vị trí + Các vệ tinh hoạt động dới giám sát khâu điều khiển - Khâu điều khiển: + Các trạm mặt đất thờng xuyên theo dõi phát tín hiệu vệ tinh, đồng hồ quỹ đạo + Các trạm mặt đất truyền kiện lựa chọn tới trạm điều khiển + Các quỹ đạo vệ tinh đợc tính toán, hàm sè cđa thêi gian - Sư dơng: + Nh÷ng bé phận cần sử dụng GPS nh: Máy bay, tàu thủy, ôtô Mỗi Mỗi phận sử dụng cần có anten máy thu có trang bị máy tính điện tử Bộ phận sử dụng gọi máy dẫn đờng hệ thống định vị toàn cầu ( GPS navigator) - Máy dẫn đờng GPS đo độ trễ tín hiệu vệ tinh xác định vị trí tơng ứng tín hiệu 1.2 Xác định vị trí hệ thống định vị toàn cầu - Khi xác định vị trí yêu cầu máy dẫn đờng nhận tín hiệu từ vệ tinh Từ máy thu tính toán cho ta: + Vĩ độ; + Kinh độ; + Độ cao; + Thời gian - Mỗi vệ tinh phát tín hiệu có độ trễ phát tín hiệu (t) đợc xác định cách so sánh thời điểm phát víi thêi ®iĨm thu tÝn hiƯu vƯ tinh Tõ ®ã ta tính đợc khoảng cách tới vệ tinh R = t.C Trong đó: R- Khoảng cách tới vệ tinh C- Tốc độ ánh sáng lan truyền tín hiệu (C = 3.108 m/s) - VƯ tinh ph¸t tÝn hiƯu thêi gian: H×nh 1.2 R1= t1.C R2= t2.C R3= t3.C R4= t4.C R1,2,3,4: Là khoảng cách tới vệ tinh - Vị trí máy thu xác định máy thu đồng thời biết đợc khoảng cách tới vệ tinh toạ độ vệ tinh - Ví trí xác định giao điểm mặt cầu có tâm vệ tinh với bán kính cự ly đo đạc - Do thiết bị không đồng nên thời gian vệ tinh báo cho máy thu không tơng ứng với thời gian sử dụng máy thu, khoảng cách đo đạc mang sai số ta gọi " khoảng cách giả" hay khoảng cách cha đợc hiệu chØnh sai sè vỊ thêi gian - Thùc tÕ kho¶ng cách giả không giao điểm mà chúng tạo thành diện tích kẻ sọc nh Hình 1.2 Sau hiệu chỉnh sai số đồng hồ tu ta đợc sai số khoảng cách R R = tu C - Khi vị trí thật máy thu giao điểm cung tròn sau đà hiệu chỉnh với R - Máy thu xác định vị trí vệ tinh không gian chiều sở kiện dẫn đờng Vị trí máy dẫn đờng GPS sai số đồng hồ đợc xác định từ: + Các khoảng cách giả tới vệ tinh + Vị trí vệ tinh thông tin đồng hồ - Với phơng trình ta có hệ tìm ẩn số là: toạ độ vị trí thời gian Nh máy thu GPS phải trang bị đồng hồ có độ xác nhỏ 0,1s Hình 1.3 - Đối với hàng hải máy thu GPS cần đo đạc để tìm ẩn số là: Vĩ độ, kinh độ thời gian để xác định toạ độ - Để dẫn đờng theo hệ thống định vị toàn cầu, máy thu yêu cầu phải thu nhận thời gian phạm vi vài phần tỉ giây Nếu máy thu GPS đợc trang bị đồng hồ nguyên tử (độ xác cao) máy thu biết đợc thời gian xác độ cao nên cần đo vĩ độ kinh độ xác định đợc vị trí biển 1.3 Hệ thống định vị toàn cầu phục vụ quân dân Xác đinh vị trí tàu hệ thống định vị toàn cầu đợc quy định theo hai mức độ xác: 1.3.1 Sử dụng dân - Thờng đợc gọi phục vụ vị trÝ tiªu chuÈn (SPS = Standar Positioning Service) - Chế độ định vị tiêu chuẩn cho phép xác định vị trí theo không gian hai chiều với độ xác nhỏ 15 25 m 1.3.2 Sử dụng quân Các số liệu đầu vào xác Phân thành loại sau: - Phục vụ định vị xác ( PPS _Precision Positioning Service) Chế độ định vị xác cho phép xác định vị trí theo không gian hai chiều có độ xác nhỏ 18 m với xác suất 95% - Định vị xác bị hạn chế (SA_ Selective Availability) Bộ quốc phòng Mỹ đà sửa đổi có chủ ý làm sai lƯch sè liƯu vƯ tinh Nh vËy ngêi sư dơng dân xác định vị trí với độ xác 100 m xác suất 95% Đối với hàng hải hàng không, độ xác vị trí nâng cao cách sử dụng phơng án hệ thống định vị toàn cầu vi phân (Differentical GPS) Hệ thống vi phân mở rộng phạm vi sử dụng Đặc biệt dẫn tàu cảng, vùng hẹp, vùng ven bờ, thềm lục địa Trong hàng không hệ thống GPS vi phân dùng để điều khiển máy bay tiếp cận hạ cánh Trong hàng hải tàu biển tiếp cận mục tiêu cách xác áp dụng GPS vi phân Mỗi Khi áp dụng GPS vi phân độ xác đạt tới - 10m xác suất 95% Nh tốt nhiều so với chế độ định vị xác PPS Nhìn chung độ xác GPS vi phân chủ yếu phụ thuộc vào thiết kế máy thu Phần trăm sai số thời gian dới giá trị cho trớc 100 (2) 80 A C 60 B D Sai số xác 40 suất vòng tròn 20 20 40 60 80 100 120 140 150 H×nh 1.4 Sai sè n»m ngang tÝnh b»ng mÐt (Sử dụng hàng hải) A: Tần số kép, bội kênh, mà P, định vị xác B: Tần số đơn, xác định mà C/A, định vị tiêu chuẩn C: Độ xác định vị hạn chế (SA) D: Độ chÝnh x¸c cđa hƯ thèng Dexca 24 giê tiÕn hành kiểm tra - Hình 1.4 So sánh độ xác chế độ định vị xác (PPS), chế độ định vị tiêu chuẩn (SPS) chế độ định vị tiêu chuẩn đà bị hạn chế độ xác (SA) 1.4 Nguyên tắc hoạt động hệ thống định vị toàn cầu 1.4.1 Các vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu - Khi hoạt động đầy đủ khâu vệ tinh bao gồm chòm gồm 24 vệ tinh độ cao gần 20.200 km Trong 21 vệ tinh hoạt động vệ tinh dự trữ đợc xếp mặt phẳng Mỗi mặt phẳng quỹ đạo bố trí vệ tinh Hình 1.5 Chòm vệ tinh hoạt động NAVSTAR - Quỹ đạo tròn có độ nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Chu kỳ quỹ đạo hay vệ tinh hoàn thành vòng quỹ đạo hết 24 Với cách bố trí ngời quan sát bề mặt trái đất thấy vệ tinh có độ cao lớn 50 so với mặt phẳng chân trời Nh vậy, ngời quan sát đo đạc tham số cho phép định vị trí theo không gian ba chiều xác định thời gian xác Ba vệ tinh số 24 vệ tinh hoạt động với t cách dự trữ Nếu một, hai ba số 21 vệ tinh bị cố vài vệ tinh dự trữ di chuyển vào phía quỹ đạo định vị lại cho vùng bao phủ thu nhỏ mức tối thiểu Theo cách hệ thống luôn đảm bảo hoạt động bình thờng có nhiều cố vệ tinh Tất vệ tinh phát tần số mang L1 vµ L2 L1 = 1575,42 MHz ( = 19 cm) L2= 1227,60 MHz ( = 24 cm) Hai tần số mang đợc điều biến với mà gọi PRN nghĩa mà nhiễu ngẫu nhiên giả (Psendo Random Noise Codes) tin hàng hải Hệ thống định vị toàn cầu sử dụng hai loại mà ngẫu nhiên giả (PRN) + Mà P : Mà xác(PRS) phục vụ định vị xác + Mà C/A: Mà tiêu chuẩn (SPS) phục vụ định vị tiêu chuẩn + L1: Đợc điều biến mà P, C/A kiện hàng hải + L2: Đợc điều biến mà P kiện hàng hải L1=1575,42 MHz Mà C/A-1,023 MHz L2=1227,60 MHz Dữ kiện hàng hải Mà P-10,23 MHz Dữ kiện hàng hải Hình 1.6 Sơ đồ điều biến với L1&L2 - Hệ thống định vị toàn cầu dùng kỹ thuật đặc biệt gọi điều biến phổ dải rộng Với kỹ thuật cho phép tất vệ tinh phát đồng thời mà số mà không bị nhiễu lẫn Hơn tín hiệu lại bền vững gặp nhiễu nguồn khác 1.4.1.1 Các mà ngẫu nhiên giả (PRN) - Là chuỗi ngẫu nhiên biểu kiến Mỗi vệ tinh đợc phiên chế thành mà nhiễu ngẫu nhiên giả riêng lẻ - Mà PRN đợc gắn nhớ máy thu định vị toàn cầu Do máy thu phân biệt vệ tinh số 21 vệ tinh cách "chặn" vệ tinh riêng biệt để thu kiện hàng hải đo thời gian trễ Nhiệm vụ mà PRN: + Nhận dạng vệ tinh Mỗi vệ tinh có mà riêng PRN + Cho khả máy thu GPS " Chặn " vệ tinh + Cho phÐp ®o thêi gian trƠ tÝn hiƯu (t) tõ vƯ tinh tíi m¸y thu M· P: f= 10,23 MHz/7ngµy 1 M· C/A: f=1,023 MHz/1mms 1.4.1.2 ChÕ độ định vị xác định vị tiêu chuẩn - Mà P dùng chế độ định vị xác (PPS) Mà P mà PRN dài vệ tinh phát mà P kéo dài ngày Nói cách khác vệ tinh lặp lại chơng trình phát sau ngày Chế độ PPS cho độ xác 18 m (xác suất 95%) đợc sử dụng cho đối tợng Nhng hệ thống toàn cầu GPS hoạt động đầy đủ, mà P đáp ứng cho ngời đợc phép sử dụng Nghĩa mà P phục vụ cho quân - Mà C/A (Coarse/Acquisition ) Mà C/A đợc sử dụng chế độ định vị tiêu chuẩn Mà C/A ngắn bao gồm 1023 bit (1023 ngẫu nhiên 1) Mà C/A lặp lại mili giây Nó phát tốc độ thấp 10 lần so với mà P hoàn toàn thích hợp thu nhận vệ tinh Hiện chế độ định vị tiêu chuẩn cho độ xác từ 25 m (xác suất 95%) với 12 vệ tinh quỹ đạo sử dụng chế độ hai chiều nơi trái đất quan sát vệ tinh nh xác định vị trí Nhng hệ thống định vi toàn cầu hoạt động đầy đủ chế độ giá trị lựa chọn đợc áp dụng nh ngời sử dụng hàng hải thu nhận vị trí với độ xác giảm 100m (xác suất 95%) - Bản tin hàng hải Vệ tinh phát tần số mang Các tần số đợc điều biến theo kiện hàng hải, kiện bao gồm thông tin vị trí xác vệ tinh thời điểm khác Về thời gian xác (mỗi vệ tinh đợc trang bị đồng hồ nguyên tử) bao gồm số hiệu chỉnh cho tầng điện ly độ trễ tín hiệu tầng đối lu Mỗi vệ tinh phát lịch vệ tinh Lịch bao gồm thông tin tất vệ tinh hệ thống Các số liệu dÞch m· rót gän + TÝn hiƯu vƯ tinh bao gồm loại thông tin: * Mà thông dụng C/A : Máy thu GPS dùng mà C/A để thu nhận tín hiệu vệ tinh thông tin khoảng cách së * M· ủ qun P: Khi hƯ thèng ho¹t động đầy đủ, mà P có nghĩa đối ngời đợc phép sử dụng