nghiên cứu khai thác hệ thống dẫn đường vệ tinh navstar

Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp Họ và tên: Lớp : Khoá : Chuyên ngành : Điện - Điện tử 1. Tên đề tài Nghiên cứu khai thác hệ thống dẫn đờng vệ tinh NAVSTAR 2. Hình thức đề tài Nghiên cứu và khai thác sử dụng 3. Mục đích đề tài - Hiểu đợc khái quát chung về các hệ thống dẫn đờng vệ tinh - Hiểu đợc tính năng, kết cấu, nguyên lý làm việc và đặc điểm khai thác của hệ thống dẫn đờng vệ tinh trên Boeing 777; - Củng cố và hệ thống lại các kiến thức trong quá trình học tập để làm cơ sở cho quá trình công tác sau này. 4. Số liệu và tài liệu chính cần sử dụng - Giáo trình các hệ thống dẫn đờng hàng không; - Global Positioning System, International Navigation and Intergration. Mohinder S. Grewal, Lawwrence R. Well and Angus P. Andrews; - Avionic Fundamentals; - Tài liệu hớng dẫn bảo dỡng (Aircraft Maintenance Manual) của máy bay Boeing 777, Version 01-2005. 5. Nhiệm vụ a) Nội dung - Lời nói đầu - Chơng 1: Khái quát chung về các hệ thống dẫn đờng vệ tinh - Chơng 2: Đặc điểm nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn đờng vệ tinh NAVSTAR - Chơng 3: Đặc điểm khai thác hệ thống dẫn đờng vệ tinh trên Boeing 777 - Kết luận. b) Các bản vẽ kỹ thuật 1 - Sơ đồ cấu trúc hệ thống dẫn đờng vệ tinh; - Sơ đồ hệ thống dẫn đờng vệ tinh trên máy bay Boeing 777; - Sơ đồ xử lý tín hiệu của hệ thống NAVSTAR. 6. Thời gian Ngày giao : Ngày nộp : Ngày tháng năm Học viên thực hiện ngời hớng dẫn 2 ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ ®å ¸n tèt nghiÖp …………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… … §iÓm híng dÉn:………… §iÓm ph¶n biÖn:…………. §iÓm b¶o vÖ:…………… §iÓm tæng hîp:………… Ngµy …. Th¸ng n¨m Môc Lôc 3 3 Lời nói đầu 8 Các từ viết tắt 10 CHƯƠNG 1: Khái quát chung về các hệ thống dẫn đờng vệ tinh 11 1.1 Khái quát chung 11 1.2 Các hệ thống dẫn đờng vệ tinh trên thế giới 12 1.2.1 Cơ sở chung về lý thuyết dẫn đờng 12 a) Dẫn đờng bằng địa tiêu (Pilotage): Trong thời kỳ đầu, máy bay thờng hoạt động với cự ly ngắn, tốc độ thấp, ở điều kiện thời tiết tốt, ngời lái có thể quan sát đợc các địa tiêu trên mặt đất (các đỉnh núi, con sông, ngọn tháp) đã biết để dẫn đờng cho máy bay tới điểm qui định. Đây là phơng pháp đơn giản nhất trong các phơng pháp dẫn đờng 13 b) Dẫn đờng bằng sa đồ (Dead Reckoning): Phơng pháp này sử dụng la bàn từ để định hớng, sử dụng đồng hồ hộp màng để đo độ cao, tốc độ, từ đó xác định đợc hớng cần bay từ đó đa ra quyết định dẫn đ- ờng. Đây là phơng pháp cổ điển nhng có độ chính xác không cao 13 c) Dẫn đờng thiên văn (Celestial Navigation): Căn cứ vào góc giữa trục dọc máy bay và các thiên thể đã biết trớc nh: mặt trời, mặt trăng và các ngôi sao ở từng thời điểm xác định để dẫn đờng cho ph- ơng tiện bay đến điểm quy định. Cũng nh phơng pháp dẫn đờng bằng địa tiêu, phơng pháp dẫn đờng bằng thiên văn chỉ đợc sử dụng khi điều kiện thời tiết tốt 13 d) Dẫn đờng quán tính (Inertial Navigation): Trên máy bay, ngời ta sử dụng thiết bị nhạy cảm để đo đợc gia tốc máy bay ở mọi hớng. Từ đó sử dụng các mạch tích phân gia tốc theo thời gian cho ra đợc vận tốc và quãng đờng bay. Chúng ta có thể dễ dàng nhận ra phơng pháp dẫn đờng quán tính là phơng pháp làm việc độc lập, cho nên nó có khả năng đảm bảo bí mật khi bay 13 e) Dẫn đờng vô tuyến (Radio Navigation): Sử dụng các máy thu phát sóng vô tuyến đợc đặt tại những vị trí biết trớc trên mặt đất hay trong không gian và trên máy bay. Máy thu đợc đặt trên phơng tiện bay, sau khi thu nhận tín hiệu sóng vô tuyến sẽ tính toán đa ra các tham số dẫn đờng. Phơng pháp dẫn đờng bằng vô tuyến cho kết quả có độ chính xác cao, cự ly hoạt động lớn, ít phụ thuộc vào điều kiện thời 4 tiết bên ngoài. Hệ thống dẫn đờng vệ tinh là một trong những phơng pháp trong dẫn đờng vô tuyến 13 1.2.2 Hệ thống dẫn đờng vệ tinh NAVSTAR 13 a) Giới thiệu 13 b) Cấu trúc hệ thống NAVSTAR - GPS 14 c) Các thông số kỹ thuật của hệ thống NAVSTAR 18 d) Vệ tinh NAVSTAR 20 e) Ưu điểm 21 1.2.3 Hệ thống Glonass 21 a) Giới thiệu 21 b) Cấu trúc hệ thống GLONASS 22 c) Thông số kỹ thuật của hệ thống GLONASS 23 1.2.4 Hệ thống vệ tinh dẫn đờng dân dụng bao phủ INMARSAT 24 1.3 Các hệ toạ độ sử dụng trong dẫn đờng vệ tinh 26 1.3.1 Hệ toạ độ địa lý OzXdYdZd 26 1.3.2 Hệ toạ độ chuẩn địa tâm 27 1.3.3 Hệ toạ độ GPS 28 1.3.4 Hệ toạ độ địa lý cục bộ ENU (East North Up Coordinate) 30 1.4 Hệ thời gian 30 1.4.1 Giờ GPS 30 1.4.2 Giờ UTC 30 a) Trờng hợp thứ nhất: 31 b) Trờng hợp thứ hai: 31 c) Trờng hợp thứ ba: 32 1.5 Lịch vệ tinh 32 1.6 So sánh giữa hai hệ thống và giải pháp lựa chọn 33 1.6.1 So sánh 33 Thông số 33 1.6.2 Giải pháp lựa chọn của thế giới và Việt Nam 34 CHƯƠNG 2: Nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn đờng vệ tinh navstar 36 2.1 Nguyên lý dẫn đờng của hệ thống dẫn đờng vệ tinh NAVSTAR 36 2.2 Xác định khoảng cách giả để định vị trong phơng pháp dẫn đờng 37 2.2.1 Định nghĩa khoảng cách giả 37 2.2.2 Xác định vị trí từ các khoảng cách giả 38 a) Tuyến tính hoá phơng trình khoảng cách giả 40 5 b) Hệ phơng trình không tơng thích 40 2.3 Định vị tơng đối thời gian thực GPS (DGPS Differential GPS) 41 2.4 Tín hiệu dẫn đờng từ vệ tinh trong hệ thống GPS 42 2.4.1 Cấu trúc tín hiệu 42 2.4.2 Tính chất và thành phần của tín hiệu GPS 45 a) Chuỗi dữ liệu 50bps 45 b) Cấu trúc của bản tin dẫn đờng 45 c) Mã C/A và đặc tính của mã C/A 49 d) Mã P và các đặc tính của mã P 55 e) Mã Y và các đặc tính 56 2.5 Cấu trúc máy thu GPS 57 2.5.1 Lọc và khuếch đại tín hiệu cao tần 57 2.5.2 Đổi tần và khuếch đại trung tần 57 2.5.3 Số hoá tín hiệu GPS 59 2.5.4 Xử lý tín hiệu băng cơ sở 60 2.6 Độ chính xác của hệ thống GPS và các lỗi đờng truyền 62 2.6.1 Độ chính xác của GPS 62 2.6.2 Sai số phần vệ tinh và phần điều khiển 63 2.6.3 Sai số thời gian phát truyền ( Sai số do độ trễ tầng điện ly) 63 CHƯƠNG 3: Đặc điểm khai thác hệ thống dẫn đờng vệ tinh trên máy bay boeing 777 65 3.1 Giới thiệu hệ thống dẫn đờng vệ tinh trên máy bay Boeing 777 65 3.2 Máy thu tín hiệu vệ tinh GPS trên máy bay Boeing 777 66 3.2.1 Sơ đồ khối máy thu GPS trên Boeing 777 66 3.2.2 Nguyên lý làm việc hệ thống GPS trên máy bay Boeing 777 67 a) Sơ đồ nguyên lý hệ thống 67 b) Nguyên lý hoạt động hệ thống GPS trên Boeing 777 69 3.3 Chức năng các khối trong hệ thống GPS trên máy bay Boeing 777 70 3.3.1 Chức năng khối thu nhận đa phơng thức MMR 70 a) Vị trí đặt MMR (Multi- Mode Receiver) 70 b) Sơ đồ chức năng của khối MMR 70 c) Các chế độ làm việc của MMR 72 3.3.2 Khối nguồn và anten GPS 74 3.3.3 Hệ thống hiển thị 75 a) Hiển thị 2 76 3.3.4 Khối dữ liệu không khí và dẫn đờng quán tính ADIRU 78 a) Giới thiệu khối ADIRU (Air Data Inertial Reference Unit) 78 6 b) Thông số dữ liệu tham chiếu quán tính của ADIRU 78 3.3.5 Hệ thống cảnh báo gần mặt đất GPWC (ground proximity warning computer) 80 3.3.6 Hệ thống tính toán và quản lý chuyến bay FMCF (flight management computing function) 80 3.4 Công tác kiểm tra mặt đất 80 3.5 Công tác bảo dỡng cho hệ thống GPS trên máy bay Boeing 777 81 3.5.1 Kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống GPS trên Boeing 777 81 3.5.2 Tháo lắp anten GPS 81 Kết luận 82 Tài liệu tham khảo 83 7 Lời nói đầu Nhằm đáp ứng cho các mục đích dẫn đờng cũng nh 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 đờng có độ chính xác cao để thay thế cho các phơng pháp định vị dẫn đờng truyền thống. Đó chính là hệ thống NAVSTAR-GPS, hay còn gọi là hệ thống GPS. Đây là một hệ thống định vị dẫn đờng toàn cầu đợc Bộ Quốc Phòng Mỹ xây dựng và phát triển vào năm 1973 và đợc hoàn thiện vào năm 1994, một mặt đáp ứng cho các mục đích quân sự và một mặt nhằm mục đích thơng mại. Bên cạnh đó, ngời Nga cũng tự xây dựng một hệ thống định vị dẫn đ- ờng toàn cầu nhằm đáp ứng cho các mục đích quân sự cũng nh thơng mại của mình để cạnh tranh với hệ thống GPS của Mỹ, đó chính là hệ thống định vị dẫn đờng toàn cầu GLONASS. Hệ thống này đợc xây dựng và phát triển vào năm 1988 do 3 cơ quan của Nga hợp tác với nhau là Scientific/Production Group on Applied Mechanics ở Krasnoyarsk chịu trách nhiệm chế tạo vệ tinh, Scientific/Production Group on Space Device Engineering ở Moscow chịu trách nhiệm chế tạo các thiết bị đo đạc dẫn đờng vệ tinh, trạm điều khiển, trạm theo dõi, các máy thu ngời sử dụng và Russian Institute of Radionavigation and Time ở St. Petersburg chịu trách nhiệm thiết lập hệ đồng bộ cho GLONASS các tiêu chuẩn tần số / thời gian ở mặt đất và trên vệ tinh cũng nh các kiểu máy thu ngời sử dụng. Về cơ bản thì nguyên lý hoạt động và cấu trúc của hai hệ thống GPS và GLONASS là giống nhau, tuy nhiên cũng có những khác nhau sẽ đợc đề cập chi tiết trong phần nội dung của đồ án. Vì sự khủng hoảng kinh tế cho nên ngời Nga đã gặp phải những khó khăn khi hoàn thiện hệ thống GLONASS; hơn nữa, vì tính kinh tế khi sử dụng hệ thống cũng nh một số tính năng vợt trội của hệ thống GPS nên hiện nay hệ thống GPS đợc sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn. Vì vậy, nội dung đồ án sẽ đi sâu vào khai thác dựa trên cơ sở hệ thống NAVSTAR - GPS của Mỹ. Với thời gian có hạn cũng nh là hạn chế về tài liệu, vì tài liệu về lĩnh vực này rất khó tiếp cận do việc phổ biến sử dụng hệ thống GPS ở Việt Nam còn hạn chế cũng nh tính độc quyền và bí mật công nghệ của các nớc t bản, do 8 đó việc khai thác hệ thống gặp rất nhiều khó khăn và không thể đề cập đợc đầy đủ một cách chi tiết. Tuy nhiên, bằng nỗ lực bản thân, học viên cũng đã đáp ứng đợc phần lớn các yêu cầu của đồ án đề ra, mặc dù không thể không có những thiếu sót. Nội dung của đồ án bao gồm 3 chơng nh sau: Chơng 1: Khái quát chung về các hệ thống dẫn đờng vệ tinh quốc tế Chơng 2: Nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn đờng vệ tinh NAVSTAR Chơng 3: Đặc điểm khai thác hệ thống dẫn đờng vệ tinh trên máy bay Boeing 777 Hà Nội, ngày tháng năm 9 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 đờng 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 dỡng trung tâm FCA Fault Containment Area Vùng có hỏng hóc FCM Fault Containment Module Khối bị hỏng hóc FIM Faul Isolation Manual Hớng 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 đờng quán tính MAT Maintenance Access Terminal Máy tính truy xuất thông tin phục vụ bảo dỡng MEC Main Equipment Center Khoang thiết bị chính NCD No Computed Data Dữ liệu không đợc tính toán ND Navigation Display Màn hình dẫn đờng 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 10 [...]... 1.2.4 Hệ thống vệ tinh dẫn đờng dân dụng bao phủ INMARSAT Chức năng của vệ tinh dẫn đờng dân dụng bao phủ INMARSAT là mở rộng khả năng và kết hợp hệ thống vệ tinh GPS và GLONASS Tín hiệu dẫn đờng bao phủ đợc 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 đờng cho các thuê bao Kỹ thuật phát tín hiệu dẫn đờng... tham số dẫn đờng Phơng pháp dẫn đờng bằng vô tuyến cho kết quả có độ chính xác cao, cự ly hoạt động lớn, ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết bên ngoài Hệ thống dẫn đờng vệ tinh là một trong những phơng pháp trong dẫn đờng vô tuyến 1.2.2 Hệ thống dẫn đờng vệ tinh NAVSTAR a) Giới thiệu Thuật ngữ GPS (Global Positioning System) đợc sử dụng để mô tả các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Các hệ thống này... với kỹ thuật phát trong hệ thống GPS và GLONASS Các vệ tinh GLONASS và GPS mang các thông tin dẫn đờng thông, còn vệ tinh INMARSAT mang tín hiệu phát dẫn đờng tơng 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 đờng vệ tinh đáp ứng đợc các yêu... qua những phân tích trên ta thấy rằng, Việt Nam nên lựa chọn và sử dụng hệ thống GPS để phục vụ cho công tác dẫn đờng giám sát và định vị của ngành hàng không dân dụng 35 CHƯƠNG 2: Nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn đờng vệ tinh navstar 2.1 Nguyên lý dẫn đờng của hệ thống dẫn đờng vệ tinh NAVSTAR Nguyên lý dẫn đờng trong hệ thống NAVSTAR theo nguyên lý tính khoảng cách: Nếu biết đợc khoảng cách và toạ... bằng tên lửa Delta : 4km/s Vệ tinh của Block IIR đợc thiết kế với tuổi thọ dài hơn là 10 năm và có khả năng liên lạc vệ tinh với vệ tinh, đợc phóng vào năm 1996 để duy trì chòm vệ tinh Thế hệ tiếp theo là các vệ tinh Block IIF, sau khi kiểm nghiệm đợc công bố là hoạt động với đầy đủ chức năng vào ngày 17/7/1995 20 Hình 1.6: Các thế hệ vệ tinh trong hệ thống GPS Các vệ tinh NAVSTAR có 2 chỉ số phân biệt... về các hệ thống dẫn đờng vệ tinh 1.1 Khái quát chung Bắt đầu vào những thập niên 1960, hệ thống vệ tinh đợc thiết lập có ý nghĩa quan trọng của việc dẫn đờng trên trái đất Hệ thống đợc thiết kế chủ yếu cho việc xác định vị trí hàng ngày cho tàu bè Nhng đã bắt đầu đặt nền móng cho việc sử dụng trong quá trình dẫn đờng cho các phơng tiện trên không Bắt đầu vào những năm 1970, hệ thống dẫn đờng vệ tinh. .. khiển có nhiệm vụ: +Giám sát và hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh +Tính toán và gởi các bản tin dẫn đờng vệ tinh Bản tin này đợc cập nhật hàng ngày mô tả về vị trí vệ tinh trong tơng lai và thu nhận dữ liệu từ tất cả các vệ tinh gởi về +Cập nhật các bản tin dẫn đờng vệ tinh một cách thờng xuyên Hình 1.4: Phần điều khiển vệ tinh trong hệ thống GPS Trạm điều khiển trung tâm đặt ở Colarado Spring, Colorado... 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, nhng 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... trạm không gian Hệ thống bao gồm 3 phần chính (nh hình 1.1) bao gồm : Phần không gian (Space Segment) gồm các vệ tinh trong không gian Phần điều khiển(Control Segment) là các trạm điều khiển đạt ở mặt đất để điều khiển và hiệu chỉnh toàn bộ hệ thống Phần sử dụng (Use Segment) là các máy thu và xử lý tín hiệu vệ tinh b) Cấu trúc hệ thống NAVSTAR - GPS Phần vệ tinh không gian Các vệ tinh đợc sắp xếp... 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 đợc sử dụng để dự phòng cho hệ thống 14 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 . đề tài Nghiên cứu khai thác hệ thống dẫn đờng vệ tinh NAVSTAR 2. Hình thức đề tài Nghiên cứu và khai thác sử dụng 3. Mục đích đề tài - Hiểu đợc khái quát chung về các hệ thống dẫn đờng vệ tinh. việc của hệ thống dẫn đờng vệ tinh NAVSTAR - Chơng 3: Đặc điểm khai thác hệ thống dẫn đờng vệ tinh trên Boeing 777 - Kết luận. b) Các bản vẽ kỹ thuật 1 - Sơ đồ cấu trúc hệ thống dẫn đờng vệ tinh; -. Khái quát chung về các hệ thống dẫn đờng vệ tinh quốc tế Chơng 2: Nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn đờng vệ tinh NAVSTAR Chơng 3: Đặc điểm khai thác hệ thống dẫn đờng vệ tinh trên máy bay Boeing