Thiết kế bộ khuếh đại nhiễu ông suất thấp lna ho máy thu định vị gpsgnss

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- NGUYỄN ĐỨC MINH THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI NHIỄU CÔNG SUẤT THẤP LNA CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ GPS/GNSSLUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT K

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ĐỨC MINH

THIẾT KẾ BỘ KHUẾCH ĐẠI NHIỄU CÔNG SUẤT THẤP LNA CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ GPS/GNSS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Hà Nội – Năm 2014

MỤC LỤC



LỜI CAM ĐOAN

CÁC TỪ VIẾT TẮT

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH GNSS 1

1.1 Giới thiệu 1

1.1.1 Hệ thống định v d n đường GNSS 1 ị ẫ 1.1.2 Một số ứ ng d ng GNSS và định hướng phát tri n 6 ụ ể 1.2 Một số khái ni m 14 ệ 1.2.1 Hệ quy chiế ọu t a độ 14

1.2.2 Hệ chuẩn thời gian 15

1.2.2.1 Thời gian thiên văn 15

1.2.2.2 Thời gian nguyên tử 15

1.2.3 Các phép đo tín hiệu v tinh 16 ệ 1.2.3.1 Phép đo mã (code measurements) 16

1.2.3.2 Phép đo pha của sóng mang (carrier phase measurements) 17

1.2.3.3 Phép đo Doppler (Dopler measurement) 17

1.2.3.4 Sai phân các phép đo trong kỹ thuật DGPS 18

1.3 Các hệ thống vệ tinh dẫn đường sử dụng vệ tinh GNSS 18

1.3.1 Hệ thống d n đường vệ tinh NAVSTAR - GPS 18 ẫ 1.3.2 Hệ thống định v GLONASS 23 ị 1.3.3 Hệ thống Galileo 26

1.4 Cấu trúc máy thu GNSS 36

1.4.1 Máy thu đổi tần (Super heterodynes Receivers) 36

1.4.2 Máy thu trung tần không ( Zero-IF Receivers) 37

1.4.3 Máy thu trung tần thấp (Low-IF Receivers) 38

1.4.4 Máy thu đa chuẩn trung tần không/ trung tần thấp (Zero-IF/Low-IF

Multi-Standard Receivers) 39

1.4.5 Máy thu biến đổi kép trung tần b ng ră ộng (Wideband IF Conversion double Receivers) 40

1.4.6 Máy thu số-trung t n (Digital-IF Receivers) 41 ầ 1.4.7 Máy thu biến đổi số trực tiếp (Direct Digitization Receivers) 41

CHƯƠNG II: CƠ SỞ THIẾ T K VÀ TIÊU CHU N THI T KẾ LNA 43 Ế Ẩ Ế 2.1 Giới thiệu bộ khếch đại tạp âm thấp – Low noise Amplifier (LNA) 43

2.2 Cơ ở s thiết kế 44

2.2.1 Nhiễu, t p âm 44 ạ 2.2.2 Hệ ố s khuếch đại - Transducer Gain 44

2.2.3 Hệ ố ổ s n định K, tham s tán xạ, phối hợp trở kháng và đ ềố i u ch nh.45 ỉ 2.3 Yêu cầu thiết kế và l a ch n linh ki n 47 ự ọ ệ 2.3.1 Yêu cầu thi t k 47 ế ế 2.3.2 Transitor ATF-54143 49

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LNA 50

3.1 Giới thiệu công cụ thiế ết k ADS – Agilent 50

3.1.1 Giao diện thiết và mô phỏng của phần mềm ADS 50

3.1.2 Các công cụ tính toán sử ụ d ng 54

3.2 Các bước thiết k và mô phế ỏng 56

3.3 Kết quả mô phỏng 81

3.4 Kết luận 83

KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học c a Tiếủ n s Hà Duyên Trung ĩCác số liệu, những kết luận nghiên cứu mô phỏng LNA được trình bày trong luận văn này là trung trung thực và chưa từng được công bố dưới bấ ứt c hình th c ứnào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên thự c hi n ệ

Nguyễn Đức Minh

CÁC TỪ VIẾT TẮT



ADC Analog-to-digital converter

ADS Advanced Design System

AGC Automatic gain control

BPSK Bi-phase shift key

C/A Coarse acquisition code

CDMA Code-division multiple access

DGPS Differential GPS

Galileo European GNSS

GIS Geographic information system

GLONASS Russian global navigation satellite system

GNSS Global navigation satellite system

GPS Global positioning system (U.S GNSS)

IF Intermediate frequency

IP3 Third-order intermodulation product

IRNSS Radio Navigation Satellite Service

L1 The GPS and Galileo frequency fL1 = 1575.42 MHz LNA Low noise Amplifier

LORAN Long-range radio aid to navigation

Navstar GPS GPS

OIP3 Output third-order intermodulation product

P-code Precision code

PRN Pseudorandom noise code

QPSK Quadrature phase-shift keying

TACAN TACtical Air Navigation

UTC Universal Time Coordinated

VSWR Voltage standing wave ratio

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát hệ thống GPS 3

Hình 1.2 Nguyên lý định vị ọ t a độ GPS 4

Hình 1.3 Quy trình định vị ệ h thống định vị ệ v tinh toàn cầu 6

Hình 1.4 Ứng dụng quản lý và giám sát bằng GNSS 9

Hình 1.5 Quỹ đạo v tinh trong hệ thống GPS 20ệ Hình 1.6 Vị trí đặt trạm đ ềi u kiển và giám sát hệ thống GPS 21

Hình 1.7 Các thế ệ ệ h v tinh của GLONASS 24

Hình 1.8 Hệ thống Galileo 26

Hình 1.9 Đặc đ ểi m của các thành phần tín hiệu băng E5 28

Hình 1.10 Đặc đ ểi m của các thành phần tín hiệu băng E5 28

Hình 1.11 Tín hiệu gửi bởi các vệ tinh GPS 30

Hình 1.12 Trải phổ ă n ng lượng BPSK 2.046MHz, 1W 31

Hình 1.13 Trải phổ BPSK 2046MHz và BPSK 10.23MHz 31

Hình 1.14 Tín hiệu băng L2 được truyền bởi vệ tinh GPS 32

Hình 1.15 Phổ công suất tín hiệu mới trên băng L2 đ ềi u chế QPSK công suất 1W 33 Hình 1.16 Tín hiệu L5 được gửi từ ệ v tinh 34

Hình 1.17 Phổ công suất tín hiệu L5 đ ềi u chế BPSK, công suất 1W 35

Hình 1.18 Tín hiệu gửi từ ệ v tinh GPS 35

Hình 1.19 Băng tần tín hiệu của GPS và Galileo 36

Hình 1.20 Cấu trúc của bộ thu đổi tần 37

Hình 1.21 Máy thu trung tần không 38

Hình 1.22 Cấu trúc máy thu trung tần thấp 39

Hình 1.23 Cấu trúc máy thu đa chuẩn trung tần không/trung tần thấp 39

Hình 1.24 Cấu trúc máy thu chuyển đổi kép trung t n băng rộng 40ầ Hình 1.25 Cấu trúc máy thu số-trung tần 41

Hình 1.26 Cấu trúc máy thu biến đổi s trực tiếp 42ố Hình 2.1 Cấu trúc máy thu GNSS đ ểi n hình 43

Hình 2.2 Sơ đồ trở kháng vào/ra mạng 4 cực 45

Hình 3.1 Giao diện chính của phần mềm ADS 51

Hình 3.2 Giao diện thiết kế chính 52

Hình 3.3 Giao diện vẽ đồ thị ủ c a ph n m m ADS 53ầ ề Hình 3.4 Giao diện của công cụ tính toán Linecalc 54

Hình 3.5 Bảng tham số tán xạ ATF-54143 56

Hình 3.6 Cấu trúc ATF-54513 57

Hình 3.7 DC Tracer 58

Hình 3.8 Mô phỏng phân cực dòng đ ệi n 58

Hình 3.9 Đ ệi n áp làm vi c ATF-54143 59ệ Hình 3.10 Nfmin và Gain tạ đ ệi i n áp phân cực Vds = 4V, Ids = 40mA 59

Hình 3.11 Sơ đồ phân cực transistor ATF-54143 60

Hình 3.12 Công cụ Transistor Bias Utility 60

Hình 3.13 Cài đặt tham số phân c c b ng công c Bias Utility 61ự ằ ụ Hình 3.14 Sơ đồ m ch phân cực 62ạ Hình 3.15 Kết quả kiểm tra đ ệi n áp, dòng phân cực 63

Hình 3.16 Kết quả mạch phân cực ATF-54143 63

Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng hệ số tán x , h sốạ ệ khu ch đại, NF tại tần số 1GHz ~ ế 2GHz 64

Hình 3.18 Hệ ố s khuếch đại cực đại tại tần số f=1.575GHz là 21.186dB 65

Hình 4.19 Hệ ố ổ s n định tại tần số f=1.575GHz là 0.518 65

Hình 3.20 Mạch phố ợi h p thêm cuộn cảm hồi tiếp 66

Hình 3.21a Hệ số ổ n định khi có hồi tiếp đạt StabFact1 = 0.625 <1 67

Hình 3.21b Hệ ố ổ s n định khi ch a có hồi tiếp StabFact1 = 0.518 < 1 67ư Hình 4.22 Hệ ố ổ s n định StabFact1 = 1.002 sau khi sử ụ d ng turning 67

Hình 4.23 Hệ ố s khuếch đại giảm Maxgain= 17.08dB sau khi sử ụ d ng turning 68

Hình 4.24 Sơ đồ m ch sau khi sử ụạ d ng thay th linh ki n 69ế ệ Hình 4.25a Hệ số ổ n định tăng sau khi thay thế linh kiện 70

Hình 4.25b Hệ ố s khuếch đại giảm sau khi thay thế linh kiện 70

Hình 3.26 Mạch sau khi thay thế linh kiện lý tưởng 71

Hình 3.27 StabFact và MaxGain sau khi thay thế linh kiện lý tưởng 72

Hình 3.28 Hệ ố s NFmin = 0.399 tần s f=1.575GHz .ố 72

Hình 3.29 Trở kháng tố ưi u đầu vào trên đồ thị Smith 73

Hình 3.30 Công cụ Matching Utility 74

Hình 3.31 Mạch sau ph i hợố p tr kháng 75ở Hình 3.32 Hệ ố s phản xạ ử c a vào và ra < - 10dB 76

Hình 3.33 Hệ ố s khếch đại S21 ~ 16.3dB 76

Hình 3.34 Hệ ố s nhiễu Nfmin và nf(2) 77

Hình 3.35 Hệ ố s StabFact = 1.037 77

Hình 3.36 Menu truy cập công cụ LineCalc 78

Hình 3.37 Menu truy cập công cụ LineCalc 79

Hình 3.38 Mạch khuếch đại tạp âm thấp sử ụ d ng ATF-54143 80

Hình 3.39 Kết quả mô phỏng S11, S22 và hệ ố s phản xạ S12 81

Hình 3.40 Kết quả mô phỏng hệ ố ạ s t p âm và hệ ố ổ s n định StabFact 81

Hình 3.41 Kết quả mô phỏng hệ ố s khuếch đại S21 82 Hình 3.42 Kết quả mô phỏng hệ ố s khuếch đại cực đại c a m ch 82ủ ạ



L ỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, nếu chúng ta sử dụng smartphone có trang b ch c n ng d n ị ứ ă ẫđường GPS (GPS navigator) chúng ta có thể nhìn th y v trí hay t a độ của mình ấ ị ọhiện trên màn hình có bản đồ iđ ện tử trong hệ thống đường xá phức tạp Vậy thiết bịdẫn đường GPS trên ta đang sử dụng có nguyên lý hoạt động như ế th nào?

Thiết bị dẫn đường GPS d a trên nguyên lý ho t động c a Hệ ốự ạ ủ th ng định v ịtoàn cầu (Global Positioning System, viết tắt là GPS) hoặc tên gọi m i tớ ổng quát

hơn là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS Hệ thống vệ tinh dẫn đường

toàn cầu bao gồm ba hệ thống vệ tinh dẫn đường như sau: GPS do Mĩ chế tạo và hoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System)

do Nga chế tạo và ho t động t năạ ừ m 1995, và h th ng GALILEO do Liên minh ệ ốChâu Âu (EU) chế tạo được đưa vào s dụử ng n m 2008 Nguyên lý ho t động ă ạchung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản gi ng nhau tuy nhiên ố

do mụ đc ich phát triển, công nghệ chế tạo và ng d ng mà m i h thốứ ụ ỗ ệ ng có nh ng ữđặc đ ểi m riêng công ngh và k thu t ệ ỹ ậ

Trong khuôn khổ luận văn này, bài nghiên cứu được trình bày gồm 3 chương trong đó tìm hiểu công nghệ và kỹ thuật định vị dẫn đường trong hệ thống GNSS, cấu trúc tín hiệu, cấu trúc máy thu định vị GNSS và nghiên cứu thiết kế bộ kh ch ế

đại nhiễu công su t th p cho máy thu nh vịấ ấ đị GPS/GNSS N i dung chi ti t lu n ộ ế ậvăn bao gồm:

Chương I: Tóm tắt lịch s hình thành và phát tri n c a các h th ng định v ử ể ủ ệ ố ịdẫn đường GNSS Cấu trúc máy thu định vị GNSS và cấu trúc tín hiệu GPS/Galileo Các ứng dụng trong các l nh vực quân sự, an ninh quốc phòng, ứng ĩdụng trong giám sát giao thông, hàng hải, cứu hộ… của hệ thống GNSS tại Việt Nam và trên thế giới

Chương II: Cơ sở lý thuyết và yêu cầu kỹ thuật cho vi c thi t k và mô ệ ế ếphỏng LNA cho máy thu GNSS Phân tích thiết kế các yêu cầu kỹ thuật và lựa chọn linh kiện thiết kế ộ b LNA cho máy thu GPS/GNSS

Chương III: Ứng dụng phần mềm ADS thiết kế mạch m ch khu ch đại ạ ếnhiễu thấp LNA cho máy thu định vị GPS/GNSS và chi tiết các bước phân tích, thiết kế mô ph ng m ch i n t bằỏ ạ đ ệ ử ng ph n m m Các báo cáo ánh giá k t qu thu ầ ề đ ế ảđược dựa trên các tham số mô phỏng và xây dựng mô hình mạch thực tế phụ ụ v sản xuất, chế tạo

Phần cuối cùng dành để tổng kết những vấn đề ã làm được trong luận văn đcũng như hạn chế và hướng phát triển của luận văn này

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH GNSS

Thời thượng cổ con người định vị bằng cách đánh dấu lên thân cây, vách hang, sau đó dựa vào vị trí các vì sao bằng các công cụ khá tinh xảo và các tính toán phức tạp, nhất là trong các chuyế đn i bi n ể

Hiện nay, trên thế giới có 3 hệ thống định vị toàn cầu là: Hệ thống NAVSTAR (Navigation Signal Timing and Ranging) của Mỹ thường được biết đến v i tên ngắn ớgọn hơn “Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System)”; Hệ thống GLONASS (Globalanaya Navigatsionnaya Sputnilovaya Sistema – Global navigation Satellite System) của Nga; Và h thống Galileo củ Ủệ a y ban Châu Âu Năm 1960, không quân và hải quân Mỹ bắt đầu các d án nghiên c u vi c d n ự ứ ệ ẫđường và định vị bằng v tinh Sau ó các d án này được h p nh t vào n m 1973 ệ đ ự ợ ấ ăĐến năm 1978, Block 1 v i 11 vệ tinh trong hệ thống định vịớ toàn c u GPS (Globe ầPositioning System) được Mỹ đưa lên quỹ đạo Hai năm sau đó đồng h nguyên tử ồtrên các vệ tinh m i b t đầu ho t động Người Nga l p t c đặt vào qu đạo các v ớ ắ ạ ậ ứ ĩ ệtinh đầu tiên của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GLONASS vào năm 1982 GNSS được cấu thành như một chòm sao (m t nhóm hay m t hệộ ộ th ng) c a ố ủquỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất Trong cùng m t th i i m, mộ ịộ ờ đ ể ở t v trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (t i thi u) thì sẽ tính ố ểđược tọa độ của v trí ó GNSS ho t động trong m i i u ki n th i ti t, m i nơi ị đ ạ ọ đ ề ệ ờ ế ọtrên trái đất và 24 giờ ộ m t ngày Mỹ là nước đầu tiên phóng lên và đưa vào sử dụng

hệ vệ tinh d n đường này M đặt tên cho h th ng này là h th ng v tinh định vị ẫ ỹ ệ ố ệ ố ệ

toàn cầu GPS (Global Positioning System) Ban đầu là dùng riêng cho quân s , để ự

về sau mở rộng ra s dụử ng cho dân s trên phạm vi toàn cầu, bất kể quốc tịch và ựmiễn phí

Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho 3 hệ thống định vị dẫn dường sử dụng v ệtinh là GPS (Global Positioning System) do Mỹ chế tạo và ho t động t năm 1994, ạ ừGLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và ho t ạđộng từ năm 1995, và h th ng GALILEO mang tên nhà thiên v n h c GALILEO ệ ố ă ọ

do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo được đưa vào s dụử ng trong n m 2010 Nguyên ă

lý hoạt động chung của ba hệ ố th ng GPS, GLONASS và GALILEO c b n là gi ng ơ ả ốnhau Ngoài ra, Trung Quốc cho bi t cũế ng ang thựđ c hi n để có h GNSS c a ệ ệ ủTrung Quố Ấc n Độ cũng công b xây d ng h GNSS c a mình có tên là IRNSS và ố ự ệ ủ

đi vào ho t động n m 2012 ạ ă

Hệ thống GNSS được cấu tạo thành ba phần: phần không gian, phần đ ều khiển i

và phần người sử ụ d ng C th , mô t h th ng GPS c a M nh sau: ụ ể ả ệ ố ủ ỹ ư

- Phần không gian: gồm các v tinh ho t động b ng n ng lượng m t tr i, bay ệ ạ ằ ă ặ ờtrên quỹ đạo Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD

- Phần đ ều khiể : để duy trì hoạ i n t động c a toàn b hệủ ộ th ng GPS c ng nh ố ũ ư

hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh Phầ đ ền i u khiển gồm các trạm quan sát trên mặt đất được chia thành trạm trung tâm và trạm con Các trạm con vận hành tự động, nhận thông tin t vệừ tinh và g i t i cho tr m ch , sau ó các tr m con g i ử ớ ạ ủ đ ạ ửthông tin đã được hiệu chỉnh trở lại để các v tinh bi t được v trí của chúng trên ệ ế ịquỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, các v tinh m i có th đảm b o cung ệ ớ ể ả

cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời đ ểm nào i

- Phần người sử dụ ng và thi t b thu v tinh: là khu vực có phủ sóng mà ế ị ệ

người sử dụng cần có ăng ten cùng máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và máy thu GNSS

Hình 1.1 Cấu trúc tổng quát hệ thống GPS

Hệ thống GNSS hoạt động như thế nào? Các vệ tinh GPS bay vòng quanh

Trái Đất hai lần trong m t ngày theo m t quỹộ ộ đạo r t chính xác và phát tín hi u có ấ ệthông tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác sẽ tính được chính xác vị trí của người dùng Về bản ch t máy thu GPS ấ

so sánh thời gian tín hiệu được phát i t v tinh vớđ ừ ệ i th i gian nh n được chúng Sai ờ ậlệch về thời gian cho bi t máy thu GPS cách v tinh bao xa Máy thu s kếế ở ệ ẽ t h p ợnhiều khoảng cách đo được tới các vệ tinh khác để có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ i n tử ủđ ệ c a máy

Để tính được khoảng cách, máy thu ph i nh n được tín hi u c a ít nh t ba v ả ậ ệ ủ ấ ệtinh để tính ra vị trí hai chi u (kinh độ và v độề ĩ ) và theo dõi để được chuy n động ểKhi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng ã tính được thì máy thu đGPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuy n động, bám sát di ểchuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới đ ểi m đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và thông tin khác nữa

Giả sử ế n u bi t được kho ng cách và to độ củế ả ạ a ít nh t 4 i m đến 1 i m b t ấ đ ể đ ể ấ

kỳ thì vị trí của đ ểi m đó có thể xác định một cách chính xác Giả sử ằ r ng (hình 1.2),

khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là L1, khoảng cách máy thu đến vệ tinh thứ hai, ba và bốn là L2, L3 và L4 Để xác đinh vị trí cần tho i mãn 4 phươn g t r ì n h : ả

t1, t2, t3, t4 là thời gian vệ tinh gửi tín hiệu

t: thời gian tại máy thu khi nhận được tín hiệu từ ệ v tinh

c: vận tốc sóng đ ệi n từ (tương đương vậ ốc ánh sáng) n t

Giả thiết rằng các đồng hồ vệ tinh và đồng h máy thu được đồng b hóa, ồ ộmáy thu sẽ có thể tính toán được chính xác thời gian truyền tín hiệu dựa trên thông tin về thời đ ểi m bắt đầu phát tín hiệu trong dữ liệu định vị (navigation data) được phát xuống cho máy thu và thờ đ ểi i m thu nhận được tín hiệu tại máy thu Từ đ ó,

khoảng cách từ vệ tinh t i máy thu được tính toán chính xác b ng cách nhân th i ớ ằ ờgian truyền với tốc độ truyền ánh sáng đã biết (3.108 m/s)

Để xác định được vị trí c a mình, t c là gi i được ba n s (Xủ ứ ả ẩ ố r , Yr , Zr ) hoặc kinh độ, vĩ độ và cao độ, máy thu phải cần thu được tín hiệu của ít nhất ba v ệtinh Vị trí máy thu sẽ là giao đ ểi m duy nhất của 3 hình cầu có tâm là 3 vệ tinh phát tín hiệu này và bán kính là các khoảng cách từ ệ v tinh đến máy thu tương ứng ã o đ đđược

Tuy nhiên, giả thiết ban đầu là các đồng hồ của v tinh và c a máy thu đều ệ ủđược đồng bộ hóa v i nhau Đớ ây là m t gi thi t rất khó đạt được trong thự ếộ ả ế c t Do

đó, tiêu chu n th i gian nguyên t cho phép l u tr th i gian chính xác đến khoảng ẩ ờ ử ư ữ ờnano – giây đã được sử dụng Công ngh này ang được s dụệ đ ử ng cho các đồng h ồlắp đặt tại các vệ tinh Tuy nhiên, công nghệ này không được sử dụng r ng rãi cho ộđồng hồ ở máy thu vì giá thành r t cao Các đồng h máy thu thường dựa trên ấ ồ ởcông nghệ Quarzt và việc đồng bộ hóa thời gian giữa v tinh và máy thu trở nên khó ệthực hiện được Sai số thời gian n u không được ước lượng t t s nh hưởng r t ế ố ẽ ả ấnhiều đến độ chính xác của kết quả ướ ượng vị trí máy thu Ví dục l , sai s vềố th i ờgian 1 nano - giây sẽ gây sai số là 30cm trong giá trị ước lượng của khoảng cách từ

vệ tinh đến máy thu Do vậy, sự khác biệt thời gian giữa các vệ tinh và máy thu sẽđược coi như là m t n s và ộ ẩ ố được giải cùng với các đại lượng vị trí hoặc vận tốc của máy thu Trong trường hợp cơ bản, máy thu c n thu nh n các tín hi u c a ít ầ ậ ệ ủnhất 4 vệ tinh để có thể xác định được vị trí của nó Sau khi xác định được các phép

đo kho ng cách, máy thu s dùng ph n m m tương ng đểả ẽ ầ ề ứ xác nh v trí, v n t c đị ị ậ ố

và thời gian

Hình 1.3 Quy trình định v ị ệ h thống đị nh v ị ệ v tinh toàn cầu

Ý tưởng xây dựng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu được hình thành vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, chủ ế y u nh m ph c v cho các mụ đằ ụ ụ c ích quân s c a hai ự ủcường quốc về công nghệ vũ trụ là Mỹ và Nga Tuy nhiên, các hệ thống này đã trở nên phổ biến và nhanh chóng chiếm được thị trường cho các ứng dụng dân sự và đem lại nguồn lợi nhuận khổng lồ Theo thống kê, nếu như lợi nhu n toàn c u mà ậ ầngành công nghiệp định vị nhờ vệ tinh em l i là kho ng 1 t USD vào n m 1995 đ ạ ả ỷ ăthì con số này đã lên tới 7 tỷ USD vào năm 2001 Trong số các châu lục thì Châu

Mỹ và Châu Âu chiếm tỷ lệ lợi nhuận cao hơn cả

Năm 1999, thị trường lớn nhất của công nghiệp định vị nhờ vệ tinh là th ị

Máy thu thu nhận các tín hiệu từ ố t i thiểu 4 vệ tinh tại thời đ ểi m t

Máy thu giải mã tín hiệu (tại thờ đ ểi i m t) để có được:

- Các giá trị đo khoảng cách từ ệ v tinh đến máy thu

Phần mềm (được gắn liền hoặc độc lập với máy thu) xác định:

- V ị trí

- T ốc độ của máy thu tại thờ đi iểm t

- Thời gian

tỷ lệ tương đối nhỏ (kho ng 5% m i lo i), bao gồm ngành hàng không, quản lý giao ả ỗ ạthông tàu bè, đo đạc tr c địa và giải trí ắ

Theo thống kê của năm 2005, ứng d ng chụ ủ đạo của công nghiệp định vị nhờ

vệ tinh là trong đ ện thoại di động (73%) Thị trường định vị cho xe hơi đứng thứ 2 ivới tỷ lệ 22% Các ng d ng khác v n chi m t l nhỏ (1% mỗi loạứ ụ ẫ ế ỷ ệ i) S phát tri n ự ểnhanh chóng của nhu cầu định v cho đ ệị i n thoại di động bắt nguồn từ yêu cầu của

US FCC (US Federal Communications Commission) đối với các nhà cung cấp dịch

v iụ đ ện thoại di động phải xác định được vị trí của người gọ ịi d ch v cấụ p c u E – ứ

911 tại Mỹ và E – 112 tại Châu Âu qua i n tho i di động vào cuối thế kỷ XX Yêu đ ệ ạcầu cho độ chính xác tối thiểu là trong vòng bán kính 50m nếu sử dụng công ngh ệđịnh vị gắn vào thi t b di động (handset – based solutions) và 150m n u s dụng ế ị ế ửcông nghệ định vị dựa vào m ng liên l c (network – based solutions) Định v cho ạ ạ ịcác thiết bị di động dùng h th ng v tinh GPS tr thành mộ đệ ố ệ ở t áp án chiế ưm u thế,

vì khả năng bao ph toàn cầu của tín hiệu vệ tinh và giá thành thấp Kéo theo việc ủthỏa mãn yêu c u này, m t loạầ ộ t các d ch v dựị ụ a trên thông tin v vịề trí c a khách ủhàng của các dịch vụ di động (location – based services) đã được ra đời Năm 2003 thống kê lợi nhuận đạt được từ các dịch vụ này lên tới 0.3 tỷ USD

Quân sự

Ứng d ng c a GPS ã được phát tri n m nh m , v i độ chính xác cao trong ụ ủ đ ể ạ ẽ ớ

định vị máy bay chi n u, máy bay dân dụng, nhảy dù, tàu chiến cũng như định vị ế đấ

và đ ềi u khiển tên lửa và ngắm bắn mục tiêu Ngoài ra, các thiết bị thăm dò, theo dõi

và thiết bị tấn công có kh năả ng di chuy n không người lái c ng đều d a trên kh ể ũ ự ả

năng định vị được đối phương

Trắc địa, bản đồ, đo đạ địa chấn c

Một trong các ứng dụng dân sự đầu tiên của hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu

là ứng dụng trong ngành đo đạc trắc địa và bản đồ, v i các máy định vị chất lượng ớcao Ứng dụng trong lĩnh vực này thường bao gồm việc xây dựng tọa độ cho các

đ ểi m m c trong tr c địa v i độ chính xác t i mm Ngoài ra, k thu t định v còn ố ắ ớ ớ ỹ ậ ịđược dùng rất phổ ế bi n trong xây d ng h th ng thông tin địa lý (GIS), ví d nh ự ệ ố ụ ư

tạo dữ liệu về hệ thống đường giao thông và vị trí của các nơi công cộng quan trọng như bệnh viện, trường học, các danh lam thắng c nh, d ch v vui ch i, gi i trí… ả ị ụ ơ ảĐịnh vị nh vệờ tinh c ng óng vai trò quan tr ng trong giám sát ch n động, ũ đ ọ ấ

độ dịch chuy n c a m t đất và các c u trúc h t ng nh đập th y i n, c u, nhà hay ể ủ ặ ấ ạ ầ ư ủ đ ệ ầtháp cao Khả năng này được đánh giá rất cao trong dự đ oán động t hay giám sát đấchất lượng của các công trình xây dựng

Giao thông, vân tải

Ngay sau khi ra đời, hệ thống vệ tinh định vị toàn cầ đu ã chiếm vai trò quan

trọng trong ngành giao thông vận tả đặc biệt là trong hàng không và hàng hải i, Trong ngành hàng không, việ đ ềc i u khiển máy bay hạ cánh, cất cánh cũng như dẫn đường trong không gian ba chiều yêu c u kh năầ ả ng định v chính xác tới vài met ịTrong ngành hàng không dân dụng có liên quan đến tính mạng của hàng trăm hành khách, khả năng định v yêu c u không nh ng ph i th a mãn được ị ầ ữ ả ỏ độ chính xác đã đặt ra mà còn phải th a mãn độ tin cậy và khả năỏ ng c nh báo khi h th ng định v ả ệ ố ịcho kết quả không chính xác Hệ thống định v thường được sử dụị ng song song v i ớcác bộ ả c m biến định hướng (MEMS) để cung cấp độ chính xác và tin cậy cao hơn

Hình 1.4 Ứng dụng quản lý và giám sát bằng GNSS

Nhu cầu định vị cho ngành hàng hải cũng rất cao, ngày nay hầu hết các tàu thuyền thương m i đều có g n máy thu và anten thu tín hi u định v , cho độ chính ạ ắ ệ ịxác tới vài met Đối với các tàu thuyền cập cảng hoặ đc i qua các kênh rạch nhỏ, kh ảnăng định vị với độ chính xác dưới 1 m là cần thi t Trong các trường h p này, vi c ế ợ ệ

sử dụng kỹ thuật DGPS là rất quan tr ng ọ

Đối với h th ng tàu i n, c ng nh hệệ ố đ ệ ũ ư th ng xe buýt trong thành ph , h ố ố ệthống định vị toàn cầu có thể trợ giúp đắc lực trong việc quản lý và giúp nâng cao một cách đáng kể chất lượng ph c v và tính hiệụ ụ u qu củả a h th ng H th ng các ệ ố ệ ốmáy thu GPS lắp đặt trên các xe và tàu được kết nối với một h th ng máy tính ệ ốdùng liên lạc vô tuyến hai chiều Dữ liệu được thu thập và phân tích t i các tr m ạ ạ

đ ềi u khi n trung tâm nh m đưa ra v trí chính xác hi n t i c a các tàu, xe Thông tin ể ằ ị ệ ạ ủnày không những giúp trạ đ ềm i u khiển trung tâm có th quản lý hệ thống một cách ể

hiệu quả mà còn có thể giúp tăng chất lượng phục vụ, ví dụ như cập nh t b ng ậ ảthông báo đ ệi n tử tại các ga tàu n u có b t k sựế ấ ỳ ch m tr nào H n n a, tr m i u ậ ễ ơ ữ ạ đ ềkhiển trung tâm cũng có thể thông báo vị trí của tàu hoặc xe buýt cho hành khách

đang ch để h có thểờ ọ lên k ho ch v thời gian một cách chính xác thông qua dịch ế ạ ề

vụ trả lời đ ệi n tho i t động T t nhiên, khách hàng s ph i tr mộạ ự ấ ẽ ả ả t kho ng cước phí ảnhất định khi sử dụng dịch vụ này

Tương tự, hệ thống taxi cũng cần phải được quản lý nghiêm ngặt để đảm bảo tính hiệu quả cũng nh ch t lượng ph c v khách hàng M t công ty taxi l n các ư ấ ụ ụ ộ ớ ởthành phố lớn có th có t i vài tr m ho c th m chí vài nghìn xe taxi Nhu cầu xác ể ớ ă ặ ậđịnh vị trí c a chúng khi ang ho t động c ng nh trong gara tr nên c p thi t H ủ đ ạ ũ ư ở ấ ế ệthống vệ tinh định vị toàn cầu sẽ cung cấp một giải pháp hợp lý, thông qua thông tin

về vị trí c a các taxi, trạ đ ềủ m i u khi n trung tâm có th i u ph i chúng hi u qu khi ể ể đ ề ố ệ ả

có yêu cầu dịch vụ của khách hàng H n th nữơ ế a, thông tin v vịề trí hi n t i c a xe ệ ạ ủcùng với d li u b n đồ số của thành phố được cài ữ ệ ả đặt trên xe hoặ ại trạc t m i u đ ềkhiển có thể trợ giúp đắc lực trong việc dẫn đường và chỉ đường đi ngắn nh t cho ấlái xe Ngoài ra, trên phương diện đảm bảo an toàn cho lái xe, các hệ thống định v ịvới thông tin chính xác về vị trí c ng có thểũ giúp tr m i u khi n tr giúp khi lái xe ạ đ ề ể ợgặp rủi ro Mỗi khi xe được đưa về gara cất giữ, thông tin định vị có thể trợ giúp đắc lực trong việc đếm đầu xe cũng như giúp cho lái xe xác định được xe của mình ở đâu và tìm được xe nhanh chóng

Ứng d ng h th ng định v toàn c u cho xe h i ã được nh c đến t lâu và ụ ệ ố ị ầ ơ đ ắ ừ

đã g t hái được những thành quặ ả nhất định Ngày nay, thiết bị định vị nhờ vệ tinh được lắp đặt trong hầu hết các xe hơi hạng sang của các hãng xe hơ ổi n i ti ng D a ế ựtrên thông tin về vị trí c a mình, người i u khi n xe có th kếủ đ ề ể ể t n i tr c tiếp với ố ựtrạm đ ềi u khiển và yêu cầu một số thông tin có ích, ví dụ như tình trạng tắc nghẽn giao thông ở đ ạ o n đường phía trước, cũng như tình trạng đường xá và nh hưởng ảcủa thời tiết trong th i gian th c D a trên các th vi n thông tin v hệờ ự ự ư ệ ề th ng giao ốthông và các quy định đi kèm theo với mỗi đường (ví dụ tốc độ gi i h n) và thông ớ ạtin về vị trí hi n t i, các ph n mềệ ạ ầ m có th được xây d ng để dẫn đường cho lái xe, ể ự

tìm cách đi ngắn nhất từ đ ể i m A đến đ ểi m B và cung cấp chỉ dẫn b ng ch hi n th ằ ữ ể ịtrên màn hình hoặc bằng giọng nói Dịch vụ này c ng có th cung c p các cảnh báo ũ ể ấtrong trường hợp xe v t quá tốượ c độ gi i h n, ho c th m chí trong các trường hợp ớ ạ ặ ậ

xe có xu hướng đi lệch làn xe và đè lên vạch phân cách gi a hai chiềữ u trong m t ộthời gian dài

Dịch vụ cung cấ p thông tin d a trên v trí khách hàng ự ị

Dịch vụ cung cấp thông tin dựa trên vị trí khách hàng (Location – based Services - LBS), nó cung cấp các thông tin cần thiết theo yêu cầu của khách hàng dựa trên một thư vi n d li u v cơ sở hạ tầệ ữ ệ ề ng c a m t thành phố và khả năủ ộ ng t ựđịnh vị của người s dụử ng thông qua i n tho i di động ho c PDAs (Personal đ ệ ạ ặDigital Assistances) Các dịch vụ LBS này nhằm cung cấp thông tin chính xác và cụ thể cho khách hàng dựa trên vị trí c a h t i b t kỳ ờ đ ểủ ọ ạ ấ th i i m nào

Tìm kiếm và cứu hộ

Các dịch vụ tìm kiếm và cứu hộ thường xuyên phải đối mặt với các cuộc gọi kêu cứu, trong khi từng giây trôi qua có thể liên quan đến tính mạng của con người Nhiều trường hợp đã xảy ra, trong đó người kêu cứu bị lạc đường trong vùng r ng ừnúi bao la, hoặc trên các sườn núi phủ tuyết Khả năng t định v được c a các i n ự ị ủ đ ệthoại di động khi dùng dịch vụ cấp c u có th hỗ ợứ ể tr tìm ki m n n nhân m t cách ế ạ ộnhanh chóng

Thể thao và giải trí

Một số hoạt động giải trí và tập luyện thể thao sẽ trở nên thú vị hơn n u ếngười chơi có thể xác định được v trí củị a mình, và có th theo dõi s chuy n động ể ự ể

Ví dụ, trong việc chơi kinh khí cầu, khi vận hành, các thông tin về độ cao và tốc độ

của kinh khí cầu cũng có thể giúp cho người đ ều khiển có thể đ ềi i u ch nh m t cách ỉ ộhợp lý

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu cũng được nhắc đến trong môn thể thao thuyền bu m T i h u h t các cu c ua thuy n bu m trên th gi i ngày nay, máy ồ ạ ầ ế ộ đ ề ồ ế ớthu tín hiệu vệ tinh định vị đ ã được lắp đặt trên thuyền Vi c này cho phép nh ng ệ ữngười đ ềi u khiển thuyền có thể theo dõi vị trí, đường đi và tốc độ của mình Ngoài

ra, các thông tin này còn được truyền v máy theo dõi c a ban giám kh o, và th m ề ủ ả ậchí các khán giả có thể theo dõi cũng như đ ánh giá và chấ đ ểm i m cho các thí sinh Tương tự như vậy, trong môn th thao leo núi và i b đường dài, kh năng ể đ ộ ả

tự xác định được vị trí và độ cao của mình, các vận động viên không nh ng có thể ữgiúp cung cấp các thông tin có ích về hành trình đã trải qua mà còn giúp cho họ yên tâm hơn trong những lúc bị ạ l c ho c gặ ặp nạn

Nông nghiệp

Hệ thống định vị toàn cầu mới chỉ được nhắc đến và được áp d ng t i các ụ ạnước tiên tiến với các trang trại nông nghiệp r ng lộ ớn Khả năng ng d ng c a nó ứ ụ ủ

vẫn còn nhiều hạn chế ở các nước đang phát triển, do đ ều kiện công nghệ chưa cao i

và quy mô công nghiệp hóa nông nghiệp vẫn còn thấp Trong ngành này, hệ thống

vệ tinh định vị toàn cầu được áp dụng khi dùng các máy bay phun rải phân bón và thuốc trừ sâu, hoặc trong quá trình reo rắc hạt trồng, yêu cầu tính hiệu quả cao trên một vùng diện tích rộng lớn Hơn nữa, dữ liệu thông tin về vùng diện tích cho năng suất cao hay th p cũng có thể được hình thành và phân tích bằng các phần mềm ấtương ứng với sự trợ giúp của công nghệ định v Sau ó người s n xu t có thể dựa ị đ ả ấtrên kết quả phân tích tìm ra phương pháp tăng năng suất thích hợp

Tích hợp GPS

Trường đại học Stanford (Mỹ) vừa xây dựng mô hình mẫu của thiế ịt b hỗ ợ tr người cao tuổi mắt kém di chuy n Thi t b thông minh này được nhúng thi t b ể ế ị ế ịcảm biến, hệ thống nhận dạng giọng nói và hệ thống định vị toàn cầu GPS

Thiết bị này th c s có ích cho nh ng người cao tu i, sức yếu khi không có ự ự ữ ổngười trợ giúp Ví dụ như, khi người sử dụng ch cầỉ n nói “phòng ng ”, h th ng ủ ệ ốGPS sẽ kế ợt h p các c m bi n bên trong ngôi nhà, s thông báo cho người s dụng ả ế ẽ ử

đang âu và đưa ra đường i t i u t i phòng ng Ti p ó, s thông báo nh ng ở đ đ ố ư ớ ủ ế đ ẽ ữchỉ dẫn tránh nguy c bị vấơ p ngã nh cầư u thang, đồ đạc th p…ho c đồ đạc vương ấ ặvãi trên sàn nhà

Ứ ng d ng h th ng v tinh định v toàn c u t i Vi t Nam ụ ệ ố ệ ị ầ ạ ệ

Tại Việt Nam, hệ thống định vị toàn cầ đu ã được nhắc đến nhi u trong vòng ềvài năm trở lạ đi ây Vai trò quan trọng của công nghệ này tại Việt Nam đã và đang được hình thành theo xu hướng phát triển toàn c u Các chương trình c ng ã được ầ ũ đgiảng dạy tại một số các trường đại học như Đại học Mỏ địa ch t Hà Nội, Đại học ấBách Khoa Hà Nội và thành phố ồ H Chí Minh, Đại học Quốc Gia Hà Nội…

Một loạt các ứng dụng của công nghệ định vị đã được thực hi n t i Vi t Nam ệ ạ ệtrong vòng vài năm trở lạ đi ây ng d ng đầu tiên ph i k đến là trong ngành o Ứ ụ ả ể đ

đạc trắc a bản Hệđị đồ th ng v tinh định vị toàn cầu GPS có chất lượng cao đã ố ệđược dùng để xây dựng mạng lưới các i m chu n mốđ ể ẩ c trong tr c địa và xây d ng ắ ự

bản đồ Công nghệ GPS với các máy thu chất lượng cao cũng được được dùng để

đánh giá các ch n động c a m t đất và c a các c sở hạ tầấ ủ ặ ủ ơ ng quan tr ng nh đập ọ ưthủy đ ệi n Hòa Bình Một số các trạm thu tín hiệu vệ tinh GPS m c ã được l p đặt ố đ ắ

ở mộ ố ơt s n i, nhằm cung cấp dịch vụ DGPS trên một vùng địa phương nh t định và ấtiến tới là trên phạm vi cả nước Biên giới của Việt Nam với các nước láng gi ng, ềđặc biệt là Trung Qu c c ng thường xuyên được giám sát b ng công ngh định v ố ũ ằ ệ ịnhờ vệ tinh có độ chính xác cao

Mặc dù hệ thống vệ tinh định v toàn cầ đị u ang được phát triển m t cách r ng ộ ộrãi trên thế giới trong nhiều l nh vĩ ực, nhưng nó l i ang g p ph i m t s khó kh n ạ đ ặ ả ộ ố ătại thị trường Việt Nam Chúng ta đều biết, thông tin về ị v trí của một đối tượng đơn thuần riêng lẻ không đem lại nhiều giá trị Thông tin ấy sẽ chỉ có giá trị khi được đặt trong mối liên hệ với nhi u đối tượng khác, giới chuyên môn vẫn gọi là Hệ thống ềthông tin địa lý (GIS), bao gồm nhiều tầng thông tin khác nhau về giao thông, sông ngòi, nhà ở, khu đô thị, giải trí…Ở Việt Nam, mặc dù ã có nhiều cố gắđ ng, vi c xây ệdựng cơ sở thông tin địa lý v n còn g p nhi u khó kh n và ch a hình thành được ẫ ặ ề ă ưmột hệ thống hiệu quả Công việc này chủ yếu được thực hiện thông qua số hóa các bản đồ mà độ chính xác còn bị hạn ch ho c do b n đồ ã c , ho c có độ chính xác ế ặ ả đ ũ ặthấp Các dịch vụ LBS trong đô thị sẽ cần s hỗ ợự tr của h th ng GIS hoàn ch nh, ệ ố ỉđầy ắp dữ ệ li u chính xác và có h thốệ ng để có th đảm b o cung c p thông tin áng ể ả ấ đtin cậy cho người sử dụng Ngoài ra, m t s các y u t khác nh ngu n v n, nhân ộ ố ế ố ư ồ ố

lực chuyên môn cũng còn đang thiếu thốn khi muốn phát triển dịch vụ này tại Việt Nam Tuy nhiên, với tốc độ tăng trưởng kinh t và phát tri n c a khoa h c k thu t ế ể ủ ọ ỹ ậnhư ngày nay, trong tương lai không xa, các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu sẽ tìm được một th trường hấị p d n t i Vi t Nam ẫ ạ ệ

1.2 Một số khái niệm

1.2.1 Hệ quy chiếu tọa độ

Khái niệm tọa độ và nh ngh a c a các h tọđị ĩ ủ ệ a độ là r t quan tr ng trong công ấ ọnghệ định v và ngành khoa học đạo hàng Vị trí của các đ ểị i m trong không gian được biểu di n b ng t a độ c a chúng Trong vũ trụ bao la, vị trí của một đối tượng ễ ằ ọ ủchỉ có ý nghĩa về mặt toán h c và không gian khi được gắn trên một hệ tọọ a độ nh t ấđịnh Vị trí c a cùng mộ ậủ t v t, nhưng được chiếu lên các h tọệ a độ khác nhau thì s ẽ

có giá trị khác nhau Trong ngành khoa học đạo hàng, cơ sở dữ ệ li u thông tin ch ủ

yếu là vị trí của các đ ểm và mối quan hệ không gian giữa chúng Do vậy, việc biểu idiễn vị trí của của các đ ểi m lên cùng một hệ tọa độ là i u ki n c sở toán học đầu đ ề ệ ơtiên không thể thiếu

Ví dụ, trong hệ thống v tinh định v toàn cầu, khoảng cách từ vệ tinh đến máy ệ ịthu phải được xác định và việc này đòi hỏi vị trí của các vệ tinh và máy thu phải được quy chiếu trên cùng m t h t a độ ộ ệ ọ

Tương tự như vậy, mối quan hệ không gian giữa 2 đ ểi m trên mặt đất chỉ có thể biểu diễn được bằng toán học khi vị trí của chúng được quy chi u trên cùng một hệ ếtọa độ

1.2.2 Hệ chuẩn thời gian

Hệ thống định vị toàn cầu cần có một hệ chuẩn thời gian chính xác và ổn định làm cơ ở s cho các phép đo Khả ă n ng có thể đồng bộ hóa về thời gian một cách chính xác cho các tín hiệu phát ra từ các vệ tinh chính là cơ ở s hoạt động quan trọng nhất của các hệ thống định vị nhờ vệ tinh

Phép đo khoảng cách từ vệ tinh t i máy thu được xác định bàng cách nhân ớthời gian truyền tín hiệu với tốc độ truyền ánh sáng Do vậy, sai số 1 nano – giây trong đồng bộ hóa thời gian sẽ gây ra sai s là 30cm trong phép o khoảố đ ng cách t ừ

vệ tinh tới máy thu và kéo theo đó là sai số tương ứng trong phép ướ ược l ng vị trí

Độ chính xác trong đồng bộ hóa th i gian tr nên c biệt quan trọng đối với kỹ ờ ở đặthuật định vị có độ chính xác cao

1.2.2.1 Thời gian thiên văn

Hệ thống thời gian thiên văn bao g m hai đơn v th i gian, ngày thiên văn và ồ ị ờngày mặt trời Dựa vào chu kỳ hoạt động của các sao, ngày thiên văn là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp m t sao c th nào ó i qua kinh tuy n t i n i quan sát ộ ụ ể đ đ ế ạ ơNgày Mặt trời dựa vào chu kỳ nhật động của mặt trời, là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp Mặt trời đi qua kinh tuyến tại nơi quan sát Cần lưu ý rằng, các ngày mặt trời thực trong m t n m dài không b ng nhau do Trái đất chuy n động quanh ộ ă ằ ểmặt trời với vận tốc không đều Do vậy, khái niệm ngày mặt trời trung bình (mean solar day) đã được đưa ra Ngày mặt trời trung bình có độ dài bằng bình quân của tất cả các ngày mặt trời thực trong một năm Một cách tương đối, một ngày thiên văn ngắn hơn một ngày mặt trời trung bình khoảng 4 phút; do vậy, mỗi giờ mặt tr i ờtrung bình dài hơn giờ thiên văn 10s Thời gian mặt trời trung bình quan sát được tại kinh độ đi qua Greenwich được gọi là GMT (Greenwich Mean Time)

1.2.2.2 Thời gian nguyên tử

Nhu cầu có được phương pháp tính toán và lưu trữ thời gian chính xác hơn

đã thúc đẩy m nh m quá trình nghiên cứu; khái niệm thời gian nguyên tử đạ ẽ ã được xây dựng thành công và vẫn được dùng cho tới ngày nay

Đơn vị ờ th i gian c bảơ n nh t là một giây SI (System of Units second) Một ấgiây SI đượ địc nh nghĩa là khoảng thời gian cần thiết của 9.192.631.770 chu kỳ phóng xạ, nó tương đương với quá trình chuyển đổi năng lượng của nguyên tử Cesium – 133 tại mức c sởơ M t ngày SI g m có 86.400 giây SI Chu n th i gian ộ ồ ẩ ờdựa trên định nghĩa giây này được gọi là International Atomic Time (viết tắt là TAI) Tuy là một chuẩn thời gian chính xác và thống nh t toàn cầu, TAI không ấđược chỉnh để bù tr cho sai s gây ra do s quay không đồng nh t c a Trái đất c a ừ ố ự ấ ủ ủ

nó cũng như là sự quay quanh mặt trờ ủi c a Trái đất Coordinated Universal Time (Viết tắt là UTC) là TAI sau khi đã được chỉnh để bù trừ cho sai số nêu trên UTC ngày nay là hệ chuẩn thời gian quốc tế và được lưu giữ tại 65 phòng l u tr trên ư ữtoàn cầu

Với chuẩn nguyên tử này, chúng ta có thể đo thời gian chính xác tới nano – giây (10-9 giây) và pico – giây (10-12 giây) Việc lưu gi th i gian nguyên tử trong ữ ờ

hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu giúp tăng độ chính xác trong định vị

1.2.3 Các phép đo tín hiệu vệ tinh

Việc xác định vị trí của máy thu được thực hiện dựa trên khả năng xác định được chính xác khoảng cách hình học từ ít nhất 4 vệ tinh tới máy thu H thệ ống GPS cung cấp cho người dùng hai loại phép đo để xác định kho ng cách t vệ tinh ả ừtới máy thu: phép đo mã và phép đo pha Để xác định được v n t c máy thu, s bi n ậ ố ự ếđổi khoảng cách của vệ tinh t i máy thu c n được ướ ượớ ầ c l ng d a trên giá tr bi n ự ị ếđổi Doppler Giá trị đ o này được g i là giá trị đọ o Doppler

1.2.3.1 Phép đo mã (code measurements)

Một phép đo cơ bản nh t c a tín hi u v tinh GPS là o th i gian truyền tín ấ ủ ệ ệ đ ờhiệu từ các vệ tinh tới máy thu Đây chính là hiệu của thời gian tại máy thu khi thu nhận tín hiệu và thời gian tại vệ tinh khi bắt đầu truy n tín hi u Th i gian truyền tín ề ệ ờhiệu cũng chính là thời gian cần thiết để dịch chuy n và trùng khít mã gi PRN ể ả(pseudo-range noise) do máy thu tự ạ t o và mã PRN đến từ vệ tinh Do v y, phép o ậ đnày còn được gọi là phép đo mã

Tuy nhiên, quá trình xác định thời gian truyền tín hiệu chịu rất nhiều sai số Đầu tiên là sai số do các đồng hồ ủ c a vệ tinh và của máy thu không đồng bộ với nhau và với hệ quy chiếu thời gian GPST Chính vì vậy, giá trị khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu xác định được từ phép đo mã khác so với giá trị khoảng cách hình học thật giữa vệ tinh và máy thu, nó được gọi là khoảng cách giả

Ngoài sai số gây ra do sự không đồng bộ về mặt th i gian, giá tr kho ng cách xác ờ ị ảđịnh còn chứa đựng nhi u sai s khác: sai s quỹề ố ố đạo v tinh, sai s đồng hồ ủệ ố c a v ệtinh, sai số đồng hồ của máy thu, sai s khi truy n tín hi u qua t ng đối l u, sai s ố ề ệ ầ ư ốkhi truyền tín hiệu qua tầng i n ly và tổng sai số do đa đường truyền và nhiễu tại đ ệmáy thu

Phép đo pha của tín hiệu thu nhận được t v tinh ít chịu sai số hơ ấừ ệ n r t nhi u ề

so với phép đo mã Giá trị đ o pha của tín hi u thực chất là hiệệ u s pha t i m t thời ố ạ ộ

đ ểi m o nh t định c a tín hi u t phát t máy thu và tín hi u đến t vệ tinh trên đ ấ ủ ệ ự ừ ệ ừcùng một tần số Tuy nhiên, phép đo pha là một phép đo gián tiếp và không rõ ràng của thời gian truyền tín hiệu, hay của khoảng cách từ vệ tinh và máy thu Trong trường hợp lý tưởng, không có bất kỳ một sai s nào và không có s chuy n động ố ự ểtương đối giữa vệ tinh và máy thu, pha của tín hiệu là một giá trị phân s không đổi ốTrong trường hợp vệ tinh và máy thu chuyển động tương đối so với nhau, giá trị phân số này sẽ thay đổi tương ứng và máy thu sẽ có nhiệm vụ xác định pha ban đầu của tín hiệu và sự thay đổi pha này

Chuyển động tương i củđố a v tinh và máy thu t o nên nh ng biến i tần số ệ ạ ữ đổcủa tín hiệu vệ tinh thu nhận được Phép đo Dopler đo sự biến đổi pha của tín hiệu

vệ tinh tại một thời đ ểm nhất định Độ dịch chuyển Doppler (Doppler Shift), tương iđương vớ ối t c độ bi n đổi c a kho ng cách t vệ tinh đến máy thu (range rate), gây ế ủ ả ừ

ra do chuyển động tương đối giữa v tinh và máy thu chính là hình chi u của vector ệ ếvận tốc tương đối giữa vệ tinh và máy thu theo phương truyền tín hiệu Do vậy, vận tốc chuyển động của máy thu so với vệ tinh có thể xác định được bằng các phép đo Doppler

1.2.3.4 Sai phân các phép đo trong kỹ thuật DGPS

Kỹ thuật DGPS (Differential GPS) hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy sai phân (lấy hiệu) các giá trị đ o mã hoặ đc o pha, với giả thiết các phép đo tín hiệu GPS chịu chung một số sai số trên một vùng không gian nhất định, nhằm giảm hoặc loại

bỏ phần lớn ảnh hưởng của những sai số giống nhau này lên việc ước lượng vị trí, vận tốc và thời gian của máy thu Các phép đo thu nhận được giữa các máy thu, giữa các vệ tinh và giữa 2 thời đ ểi m có thể được lấy sai phân với nhau Ảnh hưởng

của sai số gây ra do quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh, sai số gây ra do tầng đối

lưu và tầng đ ện ly có thể được giảm đi một cách đáng kể nhờ kỹi thu t DGPS giữa ậhai máy thu Ảnh hưởng của các sai số máy thu như đồng hồ máy thu, hoặc nhiễu

có thể được loại bỏ khi dùng kỹ thuật DGPS gi a các v tinh ữ ệ

1.3 Các hệ th ng v ố ệ tinh dẫn đườ ng s ử ụ d ng v ệ tinh GNSS

GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ th ng định v toàn c u do ố ị ầ

Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và đ ều hành, thường gọi GPS là NAVSTAR GPS i(Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) GPS bao gồm

28 vệ tinh chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo Trong cùng một thời đ ểi m, tọa

độ của m t i m trên m t đất s được xác định n u xác định được khoảộ đ ể ặ ẽ ế ng cách t ừ

đ ể đi m ó đến ít nh t ba v tinh Tuy được qu n lý b i B Qu c phòng Hoa Kỳ, chính ấ ệ ả ở ộ ốphủ Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế giới sử dụng m t s ch c nộ ố ứ ăng của GPS miễn phí, bất kể quốc tịch nào Các nước trong Liên minh Châu Âu đang xây

dựng Hệ thống định vị Galileo, có tính năng giống như GPS của Hoa Kỳ, dự tính sẽbắt đầu hoạt động năm 2014

Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường d a trên m t m ng lưới ự ộ ạ

24 quả vệ tinh được B Qu c phòng Hoa K đặt trên quỹộ ố ỳ đạo không gian Các h ệthống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến

đ ệi n Được bi t đến nhi u nh t là các h th ng sau: LORAN – (LOng RAnge ế ề ấ ệ ốNavigation) – hoạt động giải tần 90-100 kHz chủ yếở u dùng cho hàng h i, hay ảTACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring

Gần như đồng thời với thời gian Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát tri n ểmột hệ thống t ng tươ ự với tên g i GLONASS Hiện nay Liên minh Châu Âu đang ọphát triển hệ dẫn đường v tinh c a mình mang tên Galileo Trung Qu c thì phát ệ ủ ốtriển hệ thống định v toàn c u c a mình mang tên B c Đẩu bao g m 35 v tinh ị ầ ủ ắ ồ ệBan đầu, GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân sự, nên mặc

dù chúng dùng được cho dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác cao Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời đ ểi m có hoạt động quân sự của những quốc gia sở ữ h u các h th ng ó ệ ố đChỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) thì ngay

t ừ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ng t c a d n đường và định v ặ ủ ẫ ịdân sự GPS ban đầu chỉ dành cho các mụ đc ích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép s dụử ng trong dân s GPS ho t động trong m i i u ki n th i ự ạ ọ đ ề ệ ờtiết, mọ ơi n i trên Trái Đất, 24 giờ một ngày Không m t phí thuê bao ho c m t ti n ấ ặ ấ ềtrả cho việc thiết lập s dụử ng GPS nh ng ph i t n ti n không r để mua thi t b thu ư ả ố ề ẻ ế ịtín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ

vào mã mà chúng yêu cầu Dịch vụ ứ ng dụng sẽ phụ thuộc vào các mã mà chúng

nhận được, do đ đối với mỗi máy thu sẽ được hướng đến các dịch vụ khác nhau ó bao gồm:

- Dịch vụ định vị tiêu chuẩn (Standard Positioning Service - SPS): Dịch vụnày thường được cung cấp miễn phí cho các ứng dụng dân sự Vị trí được xác đinh bởi một tín hiệu C/A

- Dịch vụ định vị chính xác (Precise Positioning Service - PPS) các máy thu PPS được dành cho cơ quan chính phủ và máy thu mục đích quân s ự

đạo này nằm độ cao 20.200km Các v tinh được s p x p trong không gian sao ở ệ ắ ếcho hầu hết các vùng trên mặt đất luôn nhìn thấy được ít nhất 4 vệ tinh trong suốt

24 giờ một ngày Th i gian i h t mộờ đ ế t vòng qu đạo c a v tinh là 11 gi 58 phút ỹ ủ ệ ờBao gồm một chùm 24 vệ tinh, trong đó 21 vệ tinh ở trạng thái hoạt động, 3 vệ tinh còn lại được sử ụ d ng để dự phòng cho hệ thống

Hình 1.5 Quỹ đạo vệ tinh trong hệ thống GPS

b Phần đ ề i u khiển hệ thống: Phầ đ ền i u khi n bao g m 1 tr m i u khi n trung ể ồ ạ đ ề ểtâm (Master Control Station) và 5 trạm theo dõi vệ tinh (Monitor Station), 3 trong

s ố đó là trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) đặt trên mặt đất, liên tục giám sát đường đ ủi c a các v tinh trong không gian ệ

Hình 1.6 Vị trí đặt trạm đ ề i u kiển và giám sát hệ thống GPS

Nhiệm vụ các thành phần trạm đ ềi u khiển:

o Giám sát và hiệu ch nh quỹỉ đạo và ng h v tinh đồ ồ ệ

o Tính toán và gửi các bản tin dẫn đường v tinh B n tin này được c p nh t hàng ệ ả ậ ậngày mô tả về vị trí v tinh trong tương lai và thu nh n d li u t t t c các vệ tinh ệ ậ ữ ệ ừ ấ ảgửi về

o Cập nhật các bản tin dẫn đường vệ tinh một cách thường xuyên

Trạ đ ềm i u khiển trung tâm đặt ở Colarado Spring, Colorado USA Trạm trung tâm đ ềi u khiển mọi hoạt động trong phần đ ềi u khiển Trạm đ ềi u khiển trung tâm có

1 đồng hồ nguyên tử, thời gian của đồng hồ này được dùng để đồng bộ thời gian với

vệ tinh

c. Các trạm giám sát: Các trạm giám sát theo dõi vệ tinh 24h trên 1 ngày Trạm

đ ềi u khi n trung tâm s i u khi n các tr m giám sát thông qua các đường nối Các ể ẽ đ ề ể ạ

đ ểi m đặt tr m giám sát c a h th ng trên trái đất: ạ ủ ệ ố

 Ascension island

 Colorado Spring, Colorado USA

 Diego Garcia island

 Hawaii

 Kawajalein island

Trạm theo dõi thông tin gửi xuống t v tinh: ừ ệ

 Báo cáo chính xác thời gian của đồng h v tinh ồ ệ

 Tập hợp chuyển cho trạm đ ều khiển mọi thông tin về dữ ệi li u khí tượng bao

gồm: áp suất khí áp, nhiệt độ, đ ểm sương Trạm đ ều khiển trung tâm sử dụng i inhững dữ liệu này để tính toán và đầu ra d báo về quỹ đạo vệ tinh trong tương lai ựTrạm đ ềi u khiển trung tâm sử dụng các trạm hiệu chỉnh s li u để g i thông tin cho ố ệ ử

vệ tinh bao gồm:

 Mệnh lệnh hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh Vệ tinh sử dụng tín hi u này để kh i ệ ở

động các tên lử đ ềa i u khi n đưa vệể tinh v quỹ o đúng ề đạ

 Bản tin dẫn đường đến vệ tinh Các trạm hi u ch nh s li u là các tr m được đặt ệ ỉ ố ệ ạ

ở Ascension island, Diego Garcia island và Kawajalein island

d. Thiết b ị đầu cuố i ng ười dùng: Phần sử dụng là thi t b nh n tín hi u v tinh ế ị ậ ệ ệGPS và người sử dụng thi t b này Bao g m các thiết bị thu tín hiệu GPS sử dụng ế ị ồcho nhiều mụ đc ích khác nhau như hàng không dẫn đường, dịch vụ định vị, giao thông, tàu biển … Các thiết bị thu thường gồm 3 thành phần chính:

 Anten và các thiế ị đ ệt b i n tử đ i kèm

 Bộ phận nhận và xử lý tín hiệu GPS

 Màn hình đ ềi u khi n ể

e. Thông số ỹ k thu t h th ng GPS: ậ ệ ố

- Số lượng vệ tinh: 24 vệ tinh

- Quỹ đạo tròn: 12 gi (bán kính 26.000km) V i 6 m t phẳng quỹ đạo, độ ờ ớ ặnghiêng so với đường kính xích đạo : 550

o Thông tin dẫn đường: 50 bits/s

- Trọng lượng v tinh : 930kg (trên qu đạo) ệ ỹ

- Kích thước : 5,1ms

- Tốc độ di chuyển : 4km/s

- Phát tín hiệu trên d i t n L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60MHz ả ầ

- Thu tín hiệ ầu t n s 1738,74MHz ố

- 02 Đồng hồ nguyên t Cesium và 02 đồng h nguyên t Rubidium ử ồ ử

- Tuổi th thiế ếọ t k : 7 – 15 năm

tinh dẫn đường toàn cầu, do Liên bang Xô Viết (cũ) thiết kế và đ ềi u hành Ngày nay

hệ thống GLONASS vẫn được Cộng hòa liên bang Nga tiếp tục duy trì hoạt động

Hệ thống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt phẳng qu đạo ỹCấu trúc hệ thống Glonass:

 Phần không gian: GLONAS có s bốự trí qu đạo c a các v tinh khác v i h ỹ ủ ệ ớ ệthống GPS Các mặt phẳng quỹ đạo có độ cao 19.100km, nhưng với góc nghiêng là

650 so với m t phặ ẳng xích đạo và các mặt ph ng qu đạo l ch nhau m t góc là 120ẳ ỹ ệ ộ 0 Các vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo l ch nhau 45ệ 0 và lệch 150 so với các vệ tinh

ở các qu đạo khác ỹ

- Hệ thống GLONASS có chòm vệ tinh bao gồm 24 vệ tinh (trong đó có 3 vệ tinh

ở ạ tr ng thái d phòng), nh ng ch bố trí trên 3 mặự ư ỉ t ph ng qu đạo, m i m t ph ng ẳ ỹ ỗ ặ ẳ

có 7 đến 8 vệ tinh hoạt động Các vệ tinh GLONASS hiện nay có chu kỳ quỹ đạo là

676 phút và lặp lại sau khoảng thời gian gần 8 ngày (7 ngày 23 giờ 27 phút) Do đó,

không giống như NAVISTAR, các vệ tinh GLONASS không xuất hiện đồng th i ờ

tại cùng một đ ểm trong vũ trụ hàng ngày Tuy nhiên, vì các vệ tinh lệch pha nhau i

450 trong cùng một mặt phẳng sẽ đảm bảo tính hình học và khả năng định v tương ị

tự như NAVISTAR

- Các thiết bị sử dụng h th ng GLONASS ho t động trong ch độ th động và ệ ố ạ ế ụtiến hành đo đến 4 thông số dẫn đương v tinh Các thông tin d n đương truy n t ệ ẫ ề ừmột vệ tinh bao gồm các thông tin về vị trí thiên v n c a v tinh và nh ng hi u ă ủ ệ ữ ệchỉnh tương đối của hệ thống GLONASS, cũng nhưcác thông tin có liên quan đến

trạng thái của vệ tinh Hệ thống GLONASS phát các tín hiệu dẫn đường trong dải tần từ 1602,5625MHz đến 1615,5MHz với khoảng cách t n s từ ệầ ố v tinh này đến v ệtinh khác là 0,5625MHz Việc nhận dạng vệ tinh dựa trên các tần số sóng mang mà chúng sử ụ d ng

 Phầ đ ề n i u khi n: Gồm các trạ ể m i u khiển và theo dõi phân bố trên lãnh thổ đ ề

nước Nga, trong đó trạm đ ều khiển chính đặt tại Moscow i

 Phầ n s d ng: Bao gồ ử ụ m các thi t bị thu nhậế n tín hi u tương thích GLONASS ệ

Hình 1.7 Các thế ệ ệ h v tinh của GLONASS

Thông số kỹ thu t hệ ậ th ng GLONASS ố

- Vệ tinh: 24 vệ tinh (trong đó có 3 vệ tinh dự phòng), quỹ đạo tròn, chu kỳ quay

là 11 giờ 45 phút

- Độ cao: 19.100km

- Độ nghiêng so với đường xích đạo: 64,80

- Số thuê bao sử dụng: Không hạn chế

- Tầm bao phủ: Toàn cầu

- Độ toàn vẹn: Các thông tin truy n t mỗ ệề ừ i v tinh đến người s dụử ng có ch a các ứ

dữ liệu về các hỏng hóc có liên quan đến vệ tinh ngay khi có hỏng hóc xảy ra Các thông tin hỏng xuất hiện trong nội dung của các thông tin dẫn đường của tất cả các

vệ tinh không muộn hơn 16 giờ ừ t khi có h ng hóc ỏ

- Tiến độ tri n khai: 1989 - 1990: 12 V tinh ho t động T 1991 - 1995: 24 V ể ệ ạ ừ ệtinh hoạt động

- Khả ă n ng s d ng cho m c ích thông tin: Hệ thốử ụ ụ đ ng không s d ng để truy n l i ử ụ ề ạbất kỳ một thông tin nào khác

- Nâng cấp h th ng: Độ chính xác c a h th ng có th nâng cao m t cách áng k ệ ố ủ ệ ố ể ộ đ ểkhi người sử dụng v n hành phương pháp vi sai ậ ở

- Năng lượng phát đẳng hướng ảnh hưởng tín hiệu vệ tinh:

- Dọc theo trục anten truyền : 25dBW - Trong khoảng 150 : 27dBW Công suất tín

hiệu nhậ được (Ps) : -(156 ÷ 161)dBW n

- Động năng : (39 ÷ 44)dBW

- Tốc độ truyền dữ liệu thông tin : 50 bits/s

- Tỷ lệ S/N: (22÷27)dB

1.3.3 Hệ th ng Galileo ố

Hệ thống Galileo có cấu trúc tương t GPS, Galileo bao g m 3 phân o n ự ồ đ ạkhông gian, khối mặt đất và máy thu đầu cuối người sử dụng Kh i không gian bao ốgồm 30 vệ tinh trong đó (27 vệ tinh hoạt động và 3 dự phòng) ở tầng bình l u c a ư ủtrái đất ở độ cao 23.600km Các vệ tinh sẽ hoạ động ở 3 quỹ đạo tròn độ nghiêng t

560 bảo đảm ph sóng toàn c u V i th i gian bay h t 1 vòng là 14 gi , c u hình ủ ầ ớ ờ ế ờ ấchòm sao của Galileo cho phép tại vị trí bấ ỳ trên trái đất có thể ết k ti p nh n được tín ậhiệu từ tối thiểu 6 vệ tinh

Hình 1.8 Hệ thống Galileo

Các vệ tinh Galileo được thiết kế có tu i thọ ự ếổ d ki n là 10 n m, trong ó m i ă đ ỗ

vệ tinh đơn lẻ sẽ liên t c được ki m tra ánh giá l i, thay th và các công ngh về ụ ể đ ỗ ế ệtải trọng Các phân đoạn không gian sẽ được quản lý bởi hai trung tâm đ ều khiển iđặt tại Châu Âu, được h tr bởỗ ợ i 20 tr m c m bi n Galileo (GSS) Trao đổi dữ ệạ ả ế li u giữa các trung tâm kiểm soát và các vệ tinh sẽ được thực hiện thông qua các trạm đường lên (uplink) Tổng c ng có 15 trạộ m uplink s được cài đặt trên toàn th gi i ẽ ế ớ

để truyền d li u uplink Nh nguyên lý các thành ph n phân khúc m t đất, các ữ ệ ư ầ ặtrung tâm kiểm soát sẽ chịu trách nhiệm cho việc quản lý của các vệ tinh, tính toàn

Tín hiệu và dịch vụ Galile; Vệ tinh Galileo sẽ truyền mười tín hiệu khác nhau nằm trên các băng tần sau: E5a và E5b (1164 - 1215MHz), E6 (1260-1300MHz) và E1-L1-E2 (1559-1592MHz) Sáu tín hiệu sẽ được dành cho dân sự (Open Service) và các dịch vụ an toàn (SoL), 2 tín hiệu thương mại cho người dùng,

và hai tín hiệu còn lại dùng cho mụ đc ích công cộng hoặc PRS) cho chính thức / nhân viên quy định:

- Open Services (OS) được dùng cho mục đích dân dụng, miễn phí dịch vụ H ệthống sẽ cung cấp chính xác vị trí, tốc độ và thời gian UTC Theo kế ho ch c a y ạ ủ Ủban châu Âu, OS sẽ được tốt hơn so với hiện t i và tương lai GPS dân sựạ Nó s ẽđược cung cấp b i b ng E5a, E5b, và E1-L1-E2 ở ă

- Dịch vụ SoL sẽ cung cấp độ chính xác tương tự như OS, nhưng với một mức độ cao về tính toàn vẹn SoL bảo đảm d ch vụ hiệu quả và chính xác cho các công ty ịlàm việc trong lĩnh vực không gian và hàng hả Ởi mộ ốt s giai o n, SoL có thể đ ạđược mã hóa và do đó người dùng phải trả phí dịch vụ Tìm kiếm và cứu hộ (SAR)

sẽ là một dịch v được chụ ứng nhận phát triển phù hợp với quy định quố ế Nó sẽ c tcung cấp đường truyền thời gian thực yêu cầu khẩn cấp để tạ đ ềo i u kiệ đơn vị cứn u

hộ phát hiện vị trí của bị nạn SoL s được cung cấp bởi các tín hiệu trên E5a, E5b, ẽ

và E1-L1-E2 và sẽ là một dịch vụ b hị ạn chế

- Public Regulated Services (PRS) tín hiệu sẽ được sử dụng cho chính ph và ủđược thiết k để đảm b o truy c p tín hi u khi có s ki n, các m i e d a ho c ế ả ậ ệ ự ệ ố đ ọ ặkhủng hoảng Dịch vụ này s ch ch y được v i các máy thu hạẽ ỉ ạ ớ n ch cho m c ích ế ụ đriêng biệt được lưu trữ sẵn các khóa giải mã c n thi t và s được cung c p b i các ầ ế ẽ ấ ởtín hiệu trên băng tần E6 và L1

Bốn tín hi u khác nhau được truy n trên b ng t n E5 có t n s trung tâm là ệ ề ă ầ ầ ố1191.795MHz, E5a và E5b có thành phần vuông góc nhau sử ụ d ng i u chế tín hiệu đ ềBOC, AltBOC(15,10) Các kỹ thu t s dụậ ử ng trong i u ch AltBOC ph c t p h n đ ề ế ứ ạ ơnhiều so với sử dụng i u ch BPSK truy n th ng ho c th m chí để đ ềđ ề ế ề ố ặ ậ i u ch BOC ếbình thường Phương pháp này cần băng thông rất lớn và tương tác phức tạp bốn thành phần của mã trải phổ Nó bao g m b n thành ph n tín hi u trên d i E5 được ồ ố ầ ệ ả

đ ềi u ch nh tín hi u b ng r ng đơn t o ra AltBOC (15,10) i u ch 8-PSK Tín ế ư ệ ă ộ ạ đ ề ếhiệu băng rộng này là trung tâm trên E5 có tần số 1191.795MHz và có b ng thông ít ănhất là 70 MHz Đ ềi u chế AltBOC hướng đến các tính năng nâng cao mà E5a ( I & Q) và E5b (I & Q) thể được xử lý độc lập, như đ ề i u chế BPSK(10) truyền thống, cùng vớ đi ó là hiệu suất rất lớn khả năng ho t động trong i u kiệạ đ ề n ki m soát nhi u ể ễ

và chức năng a đ đường Đặ đ ểc i m củ ất cả bốa t n tín hi u được tóm t t trong b ng ệ ắ ả2-2

Tín hiệu trên ba băng E1-L1-E2 là 3 kênh sử dụng chung t n s sóng mang ầ ố

fL1 = 1575.42MHz sử dụng i u ch “modified hexaphase modulation” Đối v i đ ề ế ớbăng gốc, các kênh B và C sẽ ự th c hi n hi n th BOC (1,1) i u ch , trong khi thông ệ ể ị đ ề ếtin được mã hóa sẽ được gửi một cách linh hoạt băng i u chế BOC (15,2.5) trên đ ềkênh A

Hình 1.9 Đặc đ ể i m của các thành phần tín hiệu băng E5

Hình 1.10 Đặc đ ể i m của các thành phần tín hiệu băng E5

Các dịch vụ Galileo đượ đưc a vào hoạt động từ ă n m 2012

Hình 1.11 Tín hiệu gửi bởi các vệ tinh GPS

Phương trình biểu diễn phổ tín hiệu băng cơ sở tín hiệu L1 và L2

 =2 D (k) (t).x (k) (t).cos(2πf L1 t + θ L1 ) + 2 D (k) (t).y (k) (t).cos(2πf L1 t + θ L1 )