máy điện- vô tuyến điện hàng hải

PHẦN II: HỆ THỐNG VÔ TUYẾN DẪN ĐƯỜNG TRONG HÀNG HẢI CHƯƠNG I: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH A: LÝ THUYẾT § 1: SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỆ THỐNG VỆ TINH ĐỊNH VỊ Ý tưởng sử dụng các vệ tinh hàng hải q

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG VIỆN KH&CN KHAI THÁC THỦY SẢN

BÀI GIẢNG

MÁY ĐIỆN – VÔ TUYẾN ĐIỆN HÀNG HẢI

BIÊN SOẠN: VŨ NHƯ TÂN

Nha Trang, tháng 5/2014

PHẦN I: MÁY ĐO SÂU CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT SÓNG ÂM

§1: SÓNG ÂM

1) Khái niệm

Sóng âm là sóng cơ học truyền đi trong môi trường vật chất đàn hồi Vì sóng

âm là sóng cơ học, môi trường truyền sóng là môi trường đàn hồi nên sóng âm không truyền được trong chân không

Nói cách khác, sóng âm là sự dao động cơ học của các phần tử của môi trường đàn hồi

Sóng siêu âm ta hiểu là dao động đàn hồi với tần số cao vượt quá giới hạn tai người nghe được Tất cả các máy đo sâu hiện nay đều sử dụng sóng siêu âm có tần số từ 20 đến 400 KHz

2) Phân loại sóng âm

a) Phân loại sóng âm theo hình dạng

3) Những thông số cơ bản của trường âm

- Âm áp (P): là sự thay đổi áp lực của môi trường khi có âm tác dụng so với

ban đầu Đơn vị: Bar, mmHg

- Sóng âm được đặc trưng bởi các thông số sau:

+ Bước sóng âm : là quãng đường mà sóng truyền trong một khoảng thời gian bằng chu kỳ

+ Biên độ: là độ lệch lớn nhất của phân tử so với vị trí cân bằng

+ Chu kỳ T: là khoảng thời gian hoàn thành một dao động trong môi trường đàn hồi

+ Tần số sóng âm: là số dao động của sóng trong một đơn vị thời gian

- Tốc độ truyền lan của âm trong môi trường phụ thuộc tính chất của môi

trường đó do các phân tử của mỗi môi trường đàn hồi có trọng khối khác nhau, cũng như lực đàn hồi của chúng là khác nhau nên tốc độ truyền âm trong mỗi môi trường là khác nhau

Tốc độ truyền âm trong các môi trường được lập thành bảng như sau:

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ MÁY ĐO SÂU

§1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ MÁY ĐO SÂU

1) Khái niệm

Máy đo sâu là thiết bị điện hàng hải dùng để xác định độ sâu của lớp nước dưới đáy tàu Nó giúp cho người đi biển chủ động hơn trong công tác điều động tàu, neo đậu, hay xác định vị trí tàu

Máy đo sâu ứng dụng tính chất phản xạ của sóng âm và dựa trên việc đo thời gian từ khi phát đến khi thu được xung sóng siêu âm để đưa ra giá trị độ sâu Độ sâu đo được có thể chỉ thị với nhiều hình thức như chỉ thị bằng đèn, tự ghi trên băng giấy, chỉ báo trên màn hình điện tử, hay chỉ báo bằng số

Ngày nay, máy đo sâu được trang bị trên tất cả các tàu chạy tuyến biển xa

và nó đã phát huy tác dụng lớn, nâng cao tính an toàn trong khai thác tàu

2) Cấu tạo và vị trí lắp đặt ở trên tàu

Máy đo sâu gồm 3 khối chính: khối nguồn, khối điều khiển và chỉ báo, khối thu phát

a) Khối nguồn: có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện của tàu thành các dạng điện

áp phù hợp để cung cấp cho sự hoạt động của máy đo sâu Khối này thường được lắp đặt trên buồng lái hoặc trong phòng thiết bị điện

b) Khối điều khiển và chỉ báo: điều khiển sự hoạt động thống nhất của toàn bộ

máy đo sâu và hiển thị độ sâu đo được

 Khối điều khiển: khi máy phát hoạt động thì máy thu ngừng hoạt động và ngược lại

 Khối chỉ báo:

+ Chỉ báo bằng số: giá trị độ sâu được hiển thị bằng số tương ứng với độ sâu đã chọn

+ Chỉ báo bằng đèn (phương pháp chỉ thị): tín hiệu phản xạ trở về thu được

sẽ làm sáng đèn trên mặt chỉ báo và ta có độ sâu đo được tương ứng với vị trí đèn sáng của thang đo

+ Chỉ báo bằng cách ghi lại vệt độ sâu trên băng giấy (phương pháp tự ghi): tín hiệu phản xạ trở về thu được sẽ làm cháy bằng giấy tự ghi và để lại một vệt đen đó là hình ảnh của đường viền đáy biển, độ sâu của đáy biển chính là chỉ số trên thang đo tương ứng với vị trí trên băng giấy bị đốt cháy

Đáy biển

Thu phát

Màng dao động thu phát kép

Màng dao động thu phát độc lập

Khối này được lắp đặt trờn buồng lỏi

và trong phũng hải đồ

c) Khối thu phỏt: tạo xung siờu õm phỏt

vuụng gúc với đỏy tàu về phớa đỏy biển

và thu tớn hiệu phản xạ trở về biến nú

thành tớn hiệu điện để chuyển tới khối

điều khiển và chỉ bỏo Khối này thường

được đặt trong một khoang nhỏ dưới đỏy

tàu, khoang này thường được đặt trước

mặt phẳng sườn giữa cạnh ky tàu Thụng

thường người ta khoột một lỗ nhỏ dưới

đỏy tàu và màng dao động được đặt trong đú với màng bảo vệ bờn ngoài và cơ cấu định vị chắc chắn nú với vỏ đỏy tàu

Đ2: NGUYấN Lí HOẠT ĐỘNG CỦA

MÁY ĐO SÂU HỒI ÂM

Ở dưới đỏy tàu người ta đặt một màng dao động thu phỏt súng siờu õm kộp hoặc 2 màng dao động thu phỏt độc lập Tại thời điểm T1 ta phỏt súng siờu õm xuyờn qua mụi trường nước, súng siờu õm truyền lan xuống đỏy biển, gặp đỏy biển khụng đồng chất với nú thỡ một phần năng lượng bị hấp thụ, một phần súng

õm phản xạ trở lại mụi trường nước về màng thu phỏt súng siờu õm dưới đỏy tàu tại thời điểm T2 Từ 2 hỡnh vẽ trờn ta cú cụng thức tớnh độ sõu như sau:

2

2 2

2

2 2

1

t c

h

L t

c h

L: khoảng cỏch giữa 2 màng thu phỏt

C: tốc độ truyền của súng õm trong mụi trường nước biển (c1500m/s)

t: khoảng thời gian phỏt và thu súng siờu õm

Từ 2 cụng thức trờn ta thấy: muốn đo độ sõu ta chỉ cần đo t

*Sơ đồ nguyờn lý hoạt động của mỏy đo sõu như sau:

 Trung tâm điều khiển: điều

khiển sự hoạt động thống nhất giữa

máy thu, máy phát và máy chỉ báo

 Máy phát: tạo ra xung điện áp

cao để đưa xuống màng dao động thu

phát

 Màng dao động thu phát: biến

tín hiệu điện từ máy phát thành dao

động cơ học tạo ra xung siêu âm phát

vào môi trường và thu tín hiệu xung siêu âm phản xạ trở về biến đổi thành tín hiệu điện để đưa tới bộ khuyếch đại

 Bộ khuyếch đại: khuyếch đại tín hiệu nhận được từ màng dao động thu

phát lên đủ lớn để đưa tới trung tâm điều khiển

 Khối chỉ báo: chỉ báo độ sâu đo được dưới dạng số hoặc băng giấy tự ghi

§3: CÁC SAI SỐ CỦA MÁY ĐO SÂU HỒI ÂM

1) Sai số do tốc độ truyền lan của sóng âm trong môi trường nước biển

2) Sai số đường cơ bản

Đối với màng dao động thu phát độc lập:

2 2

2

2 2

t c h l

t c

4) Sai số do đáy biển nghiêng

Giả sử >:

1 cos 1

d t

d t

h h

h

h h

h h AC AD h

Qua phân tích công thức trên ta thấy rằng ở trong máy đo sâu hiện nay sai

số h sẽ không ảnh hưởng đến độ sâu đo được nếu như <80, góc mở búp phát

<300

5) Sai số do tốc độ động cơ điều khiển thiết bị phát

Trong máy đo sâu người ta dùng một động cơ điện quay cam điều khiển phát tín hiệu, có thể là cam từ hoặc cam cơ tuỳ từng loại Để có chế độ chính xác thì tốc độ của động cơ phải bằng một hằng số, tốc độ này không phụ thuộc vào điện áp cung cấp của nguồn mà phụ thuộc thang đặt độ sâu trên máy, thang đặt

độ sâu càng lớn thì tốc độ quay càng nhỏ và ngược lại nhưng phải là hằng số trong thang đó Nhưng trong thực tế nguồn cung cấp bên ngoài vào động cơ luôn thay đổi do vậy tốc độ động cơ thay đổi Ngày nay người ta dùng bộ ổn áp điện

để tự động điều chỉnh do vậy điện áp vào động cơ luôn ổn định do đó sai số này

bị loại bỏ

6) Sai số vạch không

Tại thời điểm phát sóng đo sâu, về mặt nguyên lý thì kim chỉ thị phải đặt ở đúng vị trí On; đối với máy chỉ thị hình thì gốc của vệt sáng phải ứng với vị trí 0 mét Nhưng thực tế thì kim ghi hoặc gốc của vệt quét nằm ở vị trí 0 mét nếu máy phát phát sớm hoặc nằm dưới vạch 0 mét nếu máy phát phát muộn Cả 2 trường hợp trên đều dẫn tới sai số Để giảm sai số này thì người ta điều chỉnh kim chỉ thị của máy đo lúc máy thu bắt đầu hoạt động

§4: ĐỘ SÂU TỐI THIỂU CỦA MÁY ĐO SÂU

(hmin)

Bất kỳ máy đo sâu nào cũng có một độ sâu tối thiểu,

nhỏ hơn độ sâu này thì máy đo sâu không đo được

Đối với máy đo sâu dùng 2 màng thu phát độc lập:

L tg

L h

min

: góc mở của búp phát, tần số càng cao thì  càng bé nên hmin càng tăng và ngược lại

L: khoảng cách giữa hai màng thu phát, L càng lớm thì hmin càng tăng

Đối với màng dao động thu phát kép: khi máy đo sâu phát hết 1 xung thì

mới chuyển sang thu tín hiệu trở về

2 min

q x

c





x: chiều rộng của một xung phát

q: độ ỳ của bộ chuyển mạch giữa thiết bị phát và thiét bị thu

Giá trị độ sau tối thiểu hmin của máy đo sâu đặt trên tàu có giá trị khác nhau, thông thường hmin=0,10,3m

§5: NHỮNG ĐIỀU CẦN CHÚ Ý KHI SỬ DỤNG MÁY ĐO SÂU

1) Hiện tượng giao thoa sóng âm khi đo sâu

Giả sử có 2 tàu chạy gần nhau đang sử dụng máy đo sâu có tần số làm việc xấp xỉ nhau, sóng siêu âm phát đi trong nước của 2 tàu có một vùng bị đan chéo

vào nhau như hình vẽ (hình 1) Theo tính chất cơ bản của sóng âm thì sẽ xảy ra

hiện tượng giao thoa sóng âm và trên băng giấy tự ghi sẽ xuất hiện những đường

song song đứt quãng hoặc chéo nhau nhưng không ảnh hưởng đến kết quả đo

sâu như hình vẽ (hình 1, 2, 3)

2) Phản xạ nhiều lần của sóng âm

Khi ta phát sóng âm xuyên xuống nước gặp đáy biển thì một phần năng lượng bị đáy biển hấp thụ, một phần năng lượng phản xạ trở về (chất đáy càng rắn thì năng lượng phản xạ trở về càng lớn và ngược lại) sóng phản xạ có một phần năng lượng lọt vào màng dao động thu sóng siêu âm và cho ta độ sâu của đáy biển mà tàu đi qua, một phần khác đập vào đáy tàu lại phản xạ xuống đáy biển và từ đáy biển phản xạ trở về cho độ sâu lần 2, lần 3 Hiện tượng này chỉ xảy ra với khu vực có chất đáy rắn, máy phát sóng siêu âm có công suất lớn và

độ sâu đáy biển nhỏ

Đặc điểm để nhận biết phản xạ nhiều lần: khi đọc độ sâu là các độ sâu ghi được trên băng giấy có hình dáng đồng dạng và song song với nhau, độ sâu thứ nhất là nét nhất chính là độ sau dưới đáy tàu, sau đó là các đường mờ dần, khoảng cách giữâ các đường ghi độ sâu trên băng giấy luôn bằng nhau

Muốn loại bỏ phản xạ nhiều lần thì:

 Giảm độ khuyếch đại

 Khi chế tạo máy nhà sản xuất thiết kế 2 nắc công suất khác nhau, ở độ sâu nhỏ thì ta sử dụng công suất phát thấp và ngược lại

3) Ảnh hưởng bất thường của

dòng hải lưu nóng và dòng hải

lưu lạnh trong nước biển

Khi máy đo sâu hoạt động thì

sóng siêu âm truyền đi trong môi

trường nước được coi là môi trường

đồng nhất về: nhiệt độ, độ mặn

Trường hợp bất thường có dòng hải

lưu nóng hoặc lạnh chảy ngầm trong

lòng đại dương sẽ tạo thành 2 môi

trường không đồng nhất do đó khi có

siêu âm đập vào mặt phân cách giữa 2 môi trường này thì có một phần xuyên qua mặt phân cách vào môi trường 2, một phần khác phản xạ trở về màng thu sóng siêu âm và tạo trên băng giấy tự ghi độ sâu một hình ảnh như trên hình vẽ

Ta có thể loại trừ được hiện tượng này bằng cách giảm độ khuyếch đại

4) Nhiễu do đàn cỏ hoặc cỏc vật trụi nổi dưới mặt nước

Khi súng siờu õm truyền

trong nước gặp bất cứ vật gỡ như

băng trụi hay đàn cỏ đi ngầm

trong nước đều coi là mụi trường

khụng đồng nhõt với mụi trường

nước biển, một phần súng siờu

õm phản xạ trở về hiển thị trờn

băng giấy một hỡnh ảnh lơ lửng

giữa đỏy biển và mặt nước Hiện tượng này chỉ xảy ra đối với mỏy đo sõu hoạt động ở tần số cao

5) Ảnh hưởng do bỳp phụ gõy ra (nhiễu loạn số 0)

Khi sử dụng mỏy đo sõu ở thang tầm gần, do cụng suất bỳp phụ của súng

õm phản xạ ngay về mỏy đo sõu tạo ra một tớn hiệu giả trờn mỏy, thụng thường ở

độ sõu nhỏ hơn 15m Muốn loại bỏ nhiễu này thỡ ta sử dụng nỳm STC

Đ6: KHAI THÁC, SỬ DỤNG MÁY ĐO SÂU

1) Chuẩn bị

 Kiểm tra tỡnh trạng chung của mỏy để đảm bảo rằng mỏy đó ở trạng thỏi sẵn sàng hoạt động

 Kiểm tra nguồn cấp cho mỏy đó đỳng hay chưa

 Kiểm tra cỏc nỳm nỳt đó để đỳng vị trớ hay chưa: Gain, Dimmer, White line, Power ở vị trớ Off, Paper speed ở mức độ nhỏ nhất

 Chọn thang độ sõu một cỏch phự hợp căn cứ vào độ sõu của vựng chạy tàu dựa trờn hải đồ và hiệu chỉnh với thuỷ triều để chọn thang đo thớch hợp Để nõng cao độ chớnh xỏc thỡ ta chọn thang đo nhỏ nhất để đảm bảo đo được độ sõu

 Kiểm tra tỡnh trạng băng giấy, nếu cần thiết thỡ phải thay thế

2) Đưa mỏy vào hoạt động

 Bật cụng tắc nguồn từ OFF sang ON

 Bật cụng tắc thang đụ sõu về thang đo đó chọn

 Vặn Gain theo chiều kim đồng hồ tới khi bắt đầu xuất hiện nhiễu trờn giấy ghi, sua đú vặn ngược chiều kim đồng hồ một chỳt

 Nếu vạch số 0 bị lệnh khỏi vị trớ 0 trờn thang đo thỡ phải điều chỉnh lại

Đáy biển

0

Nhiễu Hình ảnh

đáy biển

 Nếu cần phân biệt ảnh của đáy biển với ảnh của các mục tiêu nhỏ, lơ lửng

và không liên tục thì tăng dần núm White line theo chiều kim đồng hồ cho đến khi xuất hiện một đường trắng dọc theo đường viền của ảnh đáy biển Nếu không cần thiết thì để núm này ở hết trái

 Điều chỉnh tốc độ băng giấy cho phù hợp với yêu cầu sử dụng

 Ấn nút đánh dấu nếu cần

 Giảm công suất nếu cần

 Nếu thấy cần thiết thì điều chỉnh các núm khử nhiễu một cách phù hợp 3) Tắt máy

 Giảm nút Gain, White line, Paper speed hết trái

 Công tắc thang đo sâu ở vị trí nhỏ nhất

 Công tắc nguồn để ở vị trí OFF

4) Bảo quản và bảo dưỡng

 Trong quá trình khai thác phải thường xuyên kiểm tra giấy ghi, nếu thấy gần hết hoặc không đảm bảo thì phải thay ngay

 Khi kim ghi bị mòn và trở nên ngắn sẽ làm giảm chất lượng ghi Khi đó ta phải thay thế kim ghi Trong trường hợp thay thế kim ghi thì để giấy khác lên trên giấy ghi và quay Curoa ghi 2-3 vòng để đầu bút ghi tròn lại

 Để kéo dài tuổi thọ của máy thì cần thiết phải bảo dưỡng và kiểm tra máy thường xuyên, các chỗ nối ở các đầu giắc cắm phải được giữ sạch và chặt

 Giấy khô nhạy cảm điện được sử dụng trong máy này nên bột Cacbon có thể vương lên các bộ phận bên trong xung quanh Curoa ghi Quét sạch hết bụi than bằng chổi để tránh hư hỏng có thể xảy ra Khi lau chùi mở nắp trước về phía mình sau khi mở chốt giữ và giây treo rồi quét sạch bột than Lau chùi thường xuyên bằng vải nhúng nước ngọt đối với mặt trước Không sử dụng các loại hoá chất vì có thể gây ra những thay đổi mang tính chất hoá học đối với mặt máy

 Khi cuốn giấy không chuyển động trơn tru hay có tiếng động lạ thì tháo móc giây treo và kiểm tra sự ăn khớp giữa các bánh râng, nếu cần thiết thì bôi trơn

 Kiểm tra bảo dưỡng mặt ngoài của màng dao động khi tàu lên đà

PHẦN II: HỆ THỐNG VÔ TUYẾN DẪN ĐƯỜNG TRONG

HÀNG HẢI CHƯƠNG I: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH

A: LÝ THUYẾT

§ 1: SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỆ THỐNG VỆ TINH ĐỊNH VỊ

Ý tưởng sử dụng các vệ tinh hàng hải quỹ đạo cực bao phủ toàn cầu được xem xét ngay khi Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài người vào ngày 4/10/1957 Đầu những năm 1960, Mỹ đã triển khai hệ thống hàng hải vệ tinh toàn cầu đầu tiên có tên là hệ thống Transit Từ đó, với sự cố gắng đầu tư nghiên cứu rất lớn trong lĩnh vực này của 2 cường quốc Nga và Mỹ, cho đến nay đã có 4 hệ thống hàng hải vệ tinh định vị toàn cầu và đã đang sử dụng, đó là: Transit, Tsikada, Navstar GPS và Glonass

1) Hệ thống Transit

Transit là hệ thống hàng hải vệ tinh định vị toàn cầu đầu tiên trên thế giới

do Mỹ thiết lập vào đầu những năm 1960 Hệ thống này sử dụng 6 vệ tinh quỹ đạo cực có độ cao thấp, khoảng 1100 km, chu kỳ bay một vòng quanh quả đất khoảng 103 phút, phát tín hiệu sóng vô tuyến trên 2 tần số sóng mang là 400MHz và 150MHz Vị trí được tính toán dựa trên nguyên lý dịch chuyển tần

số Doppler của sóng phát từ vệ tinh tại nơi thu Theo trình tự, để tính toán được

vị trí thì một máy thu cần phải nhận được tín hiệu từ ít nhất một vệ tinh ở góc nhìn thấy từ 100 đến 750 Đây là nguyên nhân chính làm cho tín hiệu từ hệ thống

vệ tinh bị ngắt quãng bởi vì với 6 vệ tinh quỹ đạo cực không thể xác định vị trí máy thu một cách liên tục Thời gian giữa các vị trí xác định sẽ tăng dần từ cực cho tới xích đạo Khoảng thời gian trung bình đó vào khoảng 1,5 giờ Đôi lúc khoảng thời gian đó có thể lên đến 10 giờ Mặc dầu vậy, từ khi ra đời hệ thống Transit đã được các nhà hàng hải đánh giá cao vì tính toàn cầu và độ chính xác tương đối cao so với hệ thống vô tuyến định vị lúc đó Tuy nhiên, với việc ra đời của hệ thống GPS thì hệ thống Transit đã bị loại bỏ sau hơn một phần tư thế kỷ hoạt động

2) Hệ thống Tsikada

Cùng với việc xây dựng hệ thống Transit của Mỹ thì Nga cũng xây dựng hệ thống tương tự mang tên Tsikada, bằng việc triển khai 4 vệ tinh quỹ đạo cực

Giống như hệ thống Transit, hệ thống Tsikada cũng cho phép người sử dụng xác định được vị trí một cách không liên tục với độ chính xác 80120m Hệ thống này hiện nay đã được đã ngừng hoạt động khi hệ thống Glonass được triển khai hoàn chỉnh vào năm 1996

3) Hệ thống hàng hải vệ tinh định vị toàn cầu: The NAVigation System with Time And Ranging Global Positionning System (NAVSTAR GPS, GPS)

GPS được bộ quốc phòng Mỹ xây dựng từ tháng 12/1973, năm 1978 phóng

vệ tinh đầu tiên, đến tháng 8/1993 thì phóng đầy đủ 24 vệ tinh Tháng 12/1993

hệ thống mới bắt đầu hoàn thiện, đây là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu thiết

kế chủ yếu phục vụ cho mục đích quân sự nhưng các lĩnh vực dân sự cũng có thể được sử dụng để định vị trong không gian 2 chiều và 3 chiều Đây là hệ thống định vị được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trên thế giới

4) Hệ thống định vị toàn cầu Glonass (GLObal Navigation Satellite System)

GLONASS là một hệ thống hàng hải vệ tinh toàn cầu của Nga, nó có nhiều điểm tương tự như hệ thống GPS của Mỹ như: cung cấp cho người sử dụng khả năng định vị toàn cầu liên tục suốt 24 giờ trong ngày, các thông số về thời gian, tốc độ với độ chính xác cao trong mọi điều kiện thời tiết

Hệ thống này được đưa vào hoạt động từ tháng 1/1996, hệ thống gồm 24 vệ tinh, bố trí trên 3 mặt phẳng quỹ đạo với độ cao 19100 km, chu kỳ bay quanh trái đất một vòng của vệ tinh là 15h15m, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo của

vệ tinh so với xích đạo là 64,80 (hệ thống NAVSTAR GPS là 550), điều này nhằm tăng khả năng định vị chính xác đối với người sử dụng ở vĩ độ cao Sai số định vị của hệ thống Glonass khi chưa áp dụng phương pháp vi phân nhỏ hơn 100m Hiện nay hệ thống Glonass vẫn phục vụ chủ yếu cho mục đích quân sự

§ 2: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU NAVSTAR GPS (GPS)

1) Cấu trúc của hệ thống

Hệ thống GPS gồm 3 khâu: khâu vệ tinh, khâu mặt đất và khâu sử dụng

a) Khâu vệ tinh (Space Segment)

Khâu vệ tinh bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo quanh trái đất với độ cao khoảng 20200 km, các vệ tinh này được phân bố đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo,

có độ nghiêng so với mặt phẳng xích đạo là 550 Các vệ tinh được bố trí cách đều nhau về góc là 1200, chu kỳ quanh trái đất là 11h58m Với cách bố trí này đảm bảo cho bất kỳ thời gian và vị trí nào trên trái đất thì máy thu cũng có thể

nhìn thấy được ít nhất là 4 vệ tinh với góc ngẩng lớn hơn 90 so với mặt phẳng chân trời

Mỗi vệ tinh có một bộ dao động phát tần số cơ bản là 10,23 MHz được ổn định bởi đồng hồ nguyên tử Cesi, qua 2 bộ nhân tần cho ra 2 tần số L1=1575,42 MHz (10,23 MHz  154) và L2=1227,6 MHz (10,23 MHz  120) Các tần số này được điều biến với các mã ngẫu nhiên giả (Pseudo Random Noises – PRN) gọi là mã C/A và mã P Hai mã này sẽ mã hoá bản tin hàng hải thông qua kỹ thuật điều biến phổ rộng rồi phát đi trên hai tần số L1 và L2 Các tín hiệu sau khi được điều biến, khuyếch đại được phát xuống khâu sử dụng ở mặt đất đảm bảo cho máy thu xác định toạ độ, hiệu chỉnh từng giây thời gian liên tục suốt 24 giờ trong ngày Vệ tinh phát hai tần số L1, L2 còn nhằm mục đích xác định số hiệu chỉnh sai lệch sóng truyền khi đi qua tầng ôzôn để đưa vào tính toán vị trí chính xác Vệ tinh chịu sự giám sát của khâu điều khiển, thu thập bản tin hàng hải từ khâu điều khiển 3 lần/ngày theo chu kỳ 8 giờ, lưu trữ trong bộ nhớ và liên tục phát cho khâu sử dụng Mỗi khi nhận được bản tin mới, bản tin cũ sẽ được thay thế hoặc chỉnh lý

Nguồn năng lượng cung cấp cho vệ tinh là các pin mặt trời Vệ tinh được trang bị các đầu phóng tên lửa để đẩy vệ tinh bay đúng quỹ đạo mong muốn Mỗi vệ tinh đều được trang bị hai loại đồng hồ nguyên tử Rubidi và Cesium có những đặc tính bổ trợ cho nhau tạo ra độ chính xác rất cao Các đồng hồ này cũng chịu sự giám sát của khâu điều khiển thông qua bản tin hàng hải được cập nhật 3 lần/ngày Tuổi thọ của vệ tinh khoảng 7,5 năm

Quy trình phát tín hiệu của vệ tinh theo như sơ đồ sau: (hình vẽ)

*Cỏc tớn hiệu mó hoỏ (mó ngẫu nhiờn giả PRN)

 Mó C/A (Coarse/Aquisition): hầu hết cỏc mỏy thu dõn dụng sử dụng

mó C/A để xỏc định khoảng cỏch từ vệ tinh đến mỏy thu Mó C/A là một chuỗi cỏc phõn tử giỏ trị 0 và 1, nú cú tần số chip (tần số phõn tử) là 1,023Mb Bản thõn mỗi chuỗi bao gồm 1023 bit, được bố trớ theo trật tự ngẫu nhiờn giả để mỏy thu nhận biết Mó C/A chỉ phỏt trờn tần số L1

 Mó P (Pseudo-random): mó P được thiết lập để dựng cho mục đớch

quõn sự của Mỹ, nú được cấu trỳc với độ phõn giải cao Mó P là một dóy cỏc phần tử (chip) gồm cỏc số 0 và 1, tần số chip của mó P cao hơn 10 lần so với mó C/A tức là bằng tần số cơ bản của đồng hồ 10,23Mb, điều này cho phộp phõn giải khoảng cỏch trờn mó P tốt hơn hay độ chớnh xỏc đo khoảng thời gian truyền súng cao hơn tớn hiệu mó P được phỏt trờn cả 2 tần số L1 và L2

Cả 2 mó P và C/A đều chứa cỏc bản tin vệ tinh (Satellite Message) cú tốc

độ dữ liệu là 50bit/s Như vậy, cỏc mỏy thu dõn dụng sử dụng chế độ định vị tiờu chuẩn bằng mó C/A sẽ cú độ chớnh xỏc kộm so với chế độ định vị chớnh xỏc

bằng mó P vỡ một số nguyờn nhõn sau đõy:

+ Chuỗi tớn hiệu của mó P rất dài và khụng lặp lại gõy khú khăn cho việc đồng pha để xỏc định thời gian truyền súng, cỏc mỏy thu thụng thường cũng khụng cú khả năng tạo chuỗi mụ hỡnh giống như chuỗi thật nờn khụng thể thu được mó P

Bản tin hàng hải mới

Tập hợp bản tin hàng hải

Bản tin

được chỉnh lý

Multipler X120

Multipler X120ATOM

CLOCK

10,23MHz

P code 10,23Mb Data 50bit/s

C/A code 1,023Mb Data 50bit/s

L1=1575,42M

L2=1227,6MH

Sơ đồ thu phát tín hiệu của hệ thống GPS.

+ Mã P được phát trên 2 tần số, do các tần số khác nhau nên sự khúc xạ của sóng khi qua các tầng khí quyển của trái đất là khác nhau Máy thu quân sự có thể thu cả hai tần số này, so sánh kết quả và tính toán được khoảng cách đúng từ

vệ tinh đến máy thu trong khi máy thu thông thường chỉ thu được tần số L1 nên không loại trừ được sai số khúc xạ nói trên

+ Mã tín hiệu C/A chịu một sai số do các bản tin vệ tinh cố ý làm sai lệch

đi, máy thu không thể xác định chính xác thời gian truyền sóng từ vệ tinh đến máy thu do đó vị trí tàu bị suy giảm

+ Đồng hồ của máy thu đặc biệt đôi lúc cũng là loại đồng hồ nguyên tử của máy thu thông thường Chiều dài chip của mã P chỉ bằng 1/10 so với mã C/A do

đó nó có thể đo thời gian truyền sóng với độ chính xác cao hơn nhiều so với mã C/A

Để cải thiện độ chính xác, các máy thu thông thường có thể sử dụng kỹ thuật vi phân GPS Chế độ này cho phép xác định vị trí tàu với độ chính xác cao dưới 10m

 Mã Y: đây là một mã mới mà Mỹ dự định đưa vào để thay đổi mã P nhằm

làm tăng thêm độ độ chính xác của vị trí xác định Các chi tiết về mã khoá đặc biệt này cho đến nay vẫn chưa được công bố

b) Khâu mặt đất (khâu điều khiển – Control Segment)

Khâu mặt đất có cai trò điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống GPS, nó điều hành các tính năng của vệ tinh thông qua việc theo dõi quỹ đạo vệ tinh, xử

lý các thông số do vệ tinh truyền xuống và phát trở lại vệ tinh để điều chỉnh mọi

sự hoạt động của vệ tinh cũng như toàn bộ hệ thống

Khâu điều khiển gồm có: một trạm chính (Master Control Station) đặt tại Colorado Spring – Mỹ, trạm này có nhiệm vụ tính toán và điều khiển toàn bộ hệ thống; 4 trạm phụ (Slave Station) đặt tại các vùng khác nhau trên thế giới là Hawai, Ascension, Diego và Kawjalein Các trạm phụ này có nhiệm vụ theo dõi

và thu phát tín hiệu lên vệ tinh theo điều khiển của trạm chính Tần số phát lên cho vệ tinh là L1=1575,42MHz còn tần số từ vệ tinh xuống là L2=1227,6MHz

c) Khâu sử dụng – User Segments

Khâu sử dụng bao gồm tất cả những máy thu sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS Mỗi máy thu nhận tín hiệu từ 3 đến 4 vệ tinh để tính toán vị trí của nó Trên cơ sở thông tin của lịch vệ tinh, máy thu sẽ lựa chọn các vệ tinh thích hợp

để xác định toạ độ của mình với độ chính xác cao nhất Khi vệ tinh thay đổi vị trí, máy thu tự động chuyển sang chòm vệ tinh mới thích hợp hơn

Máy thu GPS thực chất là một máy thu vô tuyến kết hợp với một máy tính chuyên dụng, máy thu GPS thu tín hiệu từ vệ tinh rồi tính toán cho ra vị trí của mình:

+ Chế độ 3D (3-Dimension): vĩ độ, kinh độ, độ cao

+ Chế độ 2D (2 Dimension): vĩ độ, kinh độ còn độ cao anten đối với hàng hải coi như đã biết và đưa vào bằng tay

Ngoài ra máy thu còn tính toán được các thông số: tốc độ di chuyển trên mặt đất (SOG) với độ chính xác 0,1m/s; thời gian chính xác thông tin vệ tinh (số hiệu vệ tinh, góc ngẩng, phương vị vệ tinh); hướng di chuyển của máy thu trên mặt đất; độ suy giảm mức chính xác theo phương ngang (HDPO)

Máy thu còn có nhiều chức năng khác như: lưu giữ toạ độ địa lý, tính toán khoảng cách và hướng tới một điểm cho trước, độ dạt, vẽ đường đi

2) Nguyên lý cơ bản của việc xác định toạ độ của máy thu

Máy thu của hệ thống GPS hoạt động trên cơ sở đo khoảng cách đồng thời tới các vệ tinh thông qua việc đo thời gian sóng truyền từ vệ tinh tới máy thu Vị trí của các vệ tinh trong không gian coi như đã được biết trước, nó được xác định trong số liệu của bản tin hàng hải phát đi từ vệ tinh Do vậy, nếu biết được khoảng cách đồng thời từ máy thu tới các vệ tinh thì có thể tính toán được toạ độ của máy thu

Xét về mặt toán học, ta có thể giải hệ phương trình để tìm toạ độ của một điểm trong không gian như sau:

Lập hệ toạ độ Đềcác trong không gian có tâm trùng với tâm trái đất, mặt phẳng xOy trùng với mặt phẳng xích đạo, trục Ox nằm trong mặt phẳng kinh tuyến Greenwich Gọi R1, R2, R3 lần lượt là 3 khoảng cách tới 3 vệ tinh S1, S2, S3

có các toạ độ tương ứng (x1, y2, z1); (x2, y2, z2); (x3, y3, z3) Vị trí của máy thu U

có toạ đô (xu, yu, zu) như hình vẽ sau:

Phương trình khoảng cách từ

các vệ tinh đến máy thu trong hệ toạ

độ không gian 3 chiều được xác

2 2 2 2 2 2 2

2 1 2 1 2 1 1

u u

u

u u

u

u u

u

z z y

y x

x

R

z z y

y x

x

R

z z y

y x

Với hệ 3 phương trình trên, các giá trị R1, R2, R3; x1, x2, x3; y1, y2, y3; z1, z2,

z3 coi như đã biết, ta có thể giải được 3 ẩn số là xu, yu, zu để xác định được toạ

độ của máy thu

Trong thực tế, đồng hồ máy thu luôn tồn tại một sai số tu nào đó không thể biết trước được, sai số này dẫn đến sai số khi đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu một khoảng: R=tuC trong đó C là vận tốc truyền sóng

Do vậy, để xác định toạ độ của máy thu và sai số đồng hồ cần phải có thêm

ít nhất 1 phương trình khoảng cách nữa, tức là máy thu cần phải quan sát thêm ít nhất 1 vệ tinh nữa Hệ 4 phương trình tương ứng với 4 khoảng cách R từ vệ tinh tới máy thu để xác định vị trí của máy thu sẽ là:

z y

y x

x

R

R z

z y

y x

x

R

R z

z y

y x

x

R

u u

u

u u

u

u u

u

u u

2 3 2 3 2 3 3

2 2 2 2 2 2 2

2 1 2 1 2 1 1

Giải hệ 4 phương trình vừa nêu trên, máy thu sẽ xác định được 4 ẩn số là:

xu, yu, zu và sai số R (tương ứng với sai số đồng hồ máy thu)

Dùng phương pháp chuyển đổi từ hệ toạ độ không gian 3 chiều sang hệ toạ

độ cầu, người ta xác định được các giá trị toạ độ địa lý: ,  và độ cao h trên địa cầu

Do vậy, để xác định được toạ độ của mình thì máy thu GPS cần phải cùng một lúc đo được tối thiểu 4 khoảng cách tới 4 vệ tinh Nghĩa là để đảm bảo tính toàn cầu và liên tục thì tại bất cứ vị trí nào trên trái đất máy thu cũng có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh

Đối với máy thu GPS, khoảng thời gian truyền sóng từ vệ tinh tới máy thu

T (còn gọi là khoảng thời gian trễ của tín hiệu) được xác định bằng cách so

sánh pha của sóng vô tuyến nhận được với sóng nội tại trong máy thu dựa trên

ký thuật tự động đồng pha đặc biệt

Nếu máy thu cùng một lúc theo dõi, thu nhận tín hiệu, tính toán khoảng cách tới 4 vệ tinh thì vị trí máy thu (hay nói chính xác là vị trí ănten của máy thu) sẽ là giao điểm của 4 mặt cầu có tâm là 4 vệ tinh, bán kính là các khoảng cách đo được tới 4 vệ tinh đó Đối với máy thu hàng hải (chế độ 2 D), để xác định được vị trí tàu thì máy thu chỉ cần thu nhận và tính toán khoảng cách tới 3

vệ tinh là đủ bởi vì mặt cầu thứ 4 là mặt cầu trái đất coi như đã biết trước

Theo mục đích sử dụng thì máy thu GPS được chia làm 2 loại: quân sự và dân sự Anten của máy thu là một loại thiết bị đặc biệt, chỉ thu tín hiệu vệ tinh bị phân cực chắc chắn, không thu tín hiệu phản xạ Vị trí lắp đặt anten phải là vị trí cao nhất, không bị che khuất bởi các cấu trúc xung quanh

Để có vị trí, máy thu GPS thực hiện:

 Lựa chọn các vệ tinh thích hợp để định vị trên cơ sở thông tin của lịch vệ tinh

 Thu nhận tín hiệu điều biến bằng mã PRN và dữ liệu hàng hải từ vệ tinh

đã chọn

 Đo khoảng thời gian sóng truyền từ vệ tinh tới máy thu

 Tính toán vị trí và thời gian của máy thu

Để lựa chọn vệ tinh, điều quan trọng là phải biết tầm nhìn thấy và vị trí của những vệ tinh quan sát Lịch vệ tinh cho biết những thông tin cần thiết này, nó nằm trong bản tin dữ kiện hàng hải của vệ tinh Mỗi lần ghi nhận lịch máy thu điều chỉnh lại dữ liệu Trên cơ sở lịch vệ tinh, máy thu có thể chọn chòm vệ tinh

có yếu tố hình học tốt nhất (GDOP nhỏ nhất) để xác định vị trí chính xác

Để thu nhận được tín hiệu vệ tinh thì máy thu phải tạo ra một bản sao của

mã C/A do vệ tinh đã lựa chọn phát Để đo độ trễ của tín hiệu vệ tinh, máy thu phải đồng bộ bản sao cho phù hợp với mã của vệ tinh một cách chính xác Khi tín hiệu và bản sao được làm đồng bộ, công suất của tín hiệu được cộng hưởng

và tăng lên cực đại Máy thu chạy các tín hiệu lại và như vậy các tín hiệu vệ tinh

đã được thu nhận, thời gian trễ T đã được đo (máy thu có thể tính toán được vị trí từ việc đồng bộ giải 4 phương trình khoảng cách tới 4 vệ tinh tương ứng) Nguyên lý đo thời gian dựa trên kỹ thuật tự động đồng pha đặc biệt (auto correlation) Giả sử vệ tinh phát tới máy thu 1 chuỗi tín hiệu gồm các phần tử (chip) Trong máy thu sẽ sinh ra chuỗi so sánh (chuỗi mô hình) giống hệt như chuỗi tín hiệu của vệ tinh Chuỗi mô hình bắt đầu từ thời điểm tu=0 theo đồng hồ máy thu Ban đầu nó chưa cùng pha với chuỗi tín hiệu thu được từ vệ tinh

Nhưng chuỗi mô hình được dịch chuyển dần trên trục thời gian nhờ đồng hồ máy thu Khi đã đồng pha, bộ phận tự động đồng pha (Auto Correlator) sẽ sinh

ra một điện áp làm ngừng sự dịch pha và đưa thời gian đo được vào bộ phận tính toán

Nếu khoảng cách tàu và vệ tinh thay đổi làm chuỗi tín hiệu vệ tinh tới máy thu vào thời điểm khác đi, bộ tự động đồng pha đang ở trạng thái đồng pha sẽ bị lệch pha đi Nhưng nó sẽ lại tự di chuyển chuỗi mô hình để tiếp tục duy trì trạng thái đồng pha

Theo tính năng kỹ thuật thì máy thu GPS thường được chia làm 3 loại:

 Máy thu phối hợp: xác định vị trí trên cơ sở đo khoảng cách đồng thời tới

3 vệ tinh khác nhau Loại này giá rẻ, độ chính xác không cao

 Máy thu đa kênh: có 4 hoặc nhiều kênh thu, mỗi kênh khoá chặn một vệ tinh, sử dụng liền một lúc 4 phép đo, độ chính xác cao, không phải dừng lại để hiệu chỉnh, giá thành của loại này khá cao

 Máy thu một kênh thu phát: loại này có khả năng khoá chặn vệ tinh trong vòng 1s để xác định vị trí với các đo đạc mới từ tất cả các vệ tinh quan sát được Loại này có ưu điểm giống máy thu đa kênh, rất thích hợp cho hàng hải

3) Độ chính xác của việc xác định vị trí bằng hệ thống GPS

a) Độ chính xác của hệ thống

Trên cơ sở mã P và mã C/A, độ chính xác của hệ thống được chia ra làm 2 loại:

+ Loại SPS - Standard Positioning Service (đối với loại máy thu sử dụng

mã C/A): có độ chính xác khoảng 35m nếu không sử dụng chế độ lựa chọn SA

và 100m nếu sử dụng lựa chọn SA với xác suất 95%

+ Loại PPS - Precise Positioning Service (đối với loại máy thu sử dụng mã P): có độ chính xác khoảng 10m

Tuy nhiên, hệ thống GPS do bộ quốc phòng Mỹ độc quyền quản lý nên độ chính xác của toàn bộ hệ thống có thể bị thay đổi mà không báo trước cho nhà

sử dụng dân sự

b) Nguyên nhân gây ra sai số đối với vị trí xác định bằng GPS

 Sai số do hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh không chính xác

Khoảng cách tính toán từ vệ tinh đến máy thu phụ thuộc vào khoảng thời gian truyền tín hiệu T mà máy thu đo được Mặt khác, khoảng thời gian T lại phụ thuộc rất lớn vào đồng hồ của vệ tinh và của máy thu GPS Trên mỗi vệ tinh

người ta trang bị đồng hồ nguyên tử có dộ chính xác rất cao, nó có sai số không quá 2.10-13s/ngày Tuy nhiên, đồng hồ nguyên tử vệ tinh lại lệch so với giờ chuẩn 10-13s và tuy độ lệch này luôn được hiệu chỉnh, song số hiệu chỉnh này vẫn có sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của vị trí tàu Sai số này khoảng 15m

 Sai số do lập lịch vệ tinh không chính xác

Trên cơ sở quan sát vệ tinh, khâu điều khiển dự đoán, tính toán quỹ đạo, vị trí của vệ tinh trong tương lai để cung cấp cho máy thu tính toán xác định vị trí Tuy nhiên, quỹ đạo của vệ tinh lại chịu ảnh hưởng của các lực hấp dẫn của nhiều thành phần như: trái đất, mặt trời và các thiên thể có độ lớn khó tính toán trước được nên việc lập lịch vệ tinh dễ có sai số Tất cả các nguyên nhân này gây sai

số đối với vị trí xác định khoảng 8,4m

 Sai số do tầng khí quyển

Khi sóng truyền từ vệ tinh xuống mặt đất phải xuyên qua lớp khí quyển bao quanh nên nó làm cho sóng truyền thay đổi tốc độ và bị khúc xạ, đặc biệt là khi xuyên qua tầng ion Sai số do tầng ion tác động lên vị trí xác định vào khoảng

20  30m vào ban ngày và 3  6m vào ban đem Sai số này không thể hiệu chỉnh

và khử hết nên nó vẫn tồn tại khoảng 2m

 Sai số lựa chọn SA (Selective Activity)

Do các nhà xây dựng hệ thống cố ý thêm vào với mục đích bảo mật, sai số này khoảng 39m Đối với máy thu GPS thì sai số này được biết trước và loại trừ được Theo thống báo của Bộ quốc phòng Mỹ thì từ năm 2000 đã bỏ mã lựa chọn SA nên độ chính xác khi sử dụng mã C/A đã tăng lên

 Sai số do nhiễu máy thu, do phản xạ, do người quan sát di chuyển: tổng

hợp các sai số này khoảng 6m

 Độ suy giảm mức chính xác - Sai số DOP (Dilusion Of Precision)

Đặc tính hình học của vệ tinh được thể hiện bằng thông số DOP, thông số đặc tính hình học này biểu thị độ chính xác của vị trí tàu Về mặt hình học, có thể coi như nếu các vệ tinh càng phân bố rộng trên không gian thì độ chính xác càng tăng, giống như trường hợp góc kẹp giữa các đường vị trí càng gần 900trong hàng hải địa văn thì độ chính xác càng cao

Giá trị DOP càng nhỏ, độ chính xác càng cao Trong thực tế hàng hải, hệ thống GPS hoạt động bình thường thì trị số DOP trong khoảng 1.0  2.0

Nếu máy thu sử dụng chế độ định vị 2 thông số (2D: lat and long) thì đặc tính hình học biểu diễn bằng thông số HDOP Nếu máy thu sử dụng chế độ định

vị 3D: lat, long and alt thì thông số đó là PDOP

Tương quan hình học của các vệ tinh và máy thu có ảnh hưởng rất lớn đến

độ chính xác của vị trí xác định Đối với các chòm vệ tinh có mối tương quan hình học kém, độ chính xác có thể giảm 10 lần Các vệ tinh có mối tương quan hình học tốt cho việc xác định vị trí là những vệ tinh có góc phẳng 30  600 và được phân bố đều nhau về phương vị trong mặt phẳng chân trời Để đặc trưng cho mức độ suy giảm độ chính xác của vị trí xác định, trên mặt chỉ thị của máy tuh 2D luôn hiển thị giá trị HDOP Giá trị này càng nhỏ thì vị trí xác định càng chính xác Sai số của vị trí xác định do sự phân bố của vệ tinh không tối ưu được tính theo công thức:

HDOP(m) = HDOP  (Sai số do đặt độ cao Anten sai)

 Sai số do việc lựa chọn hệ trắc địa quốc tế không thích hợp

Để dựng bản đồ và thao tác vị trí theo kinh vĩ độ, người ta phải lựa chọn

một mô hình toán học cho trái đất Các quốc gia trên thế giới khi dựng hải đồ lại lựa chọn các mốc chuẩn (hệ trắc địa) khác nhau nên các hải đồ dựa trên các tiêu chuẩn này không ăn khớp với nhau dẫn đến sai số vị trí Các hệ thống trắc địa phổ biến trên thế giới là: WGS60, WGS66, WGS72, WGS84 (Mỹ); NAD27, NAD72, NAD83 (Bắc Mỹ); OSGB1936 (Anh)

Đa số các máy thu đều có chương trình quy đổi mốc chuẩn, máy thu sẽ tự động chỉ thị vị trí theo hải đồ vùng hàng hải theo mốc chuẩn đã lựa chọn, tuy nhiên độ chính xác sẽ kém đi vì trong các công thức chuyển đổi có sai số, sai số này không xác định được Máy thu GPS hiện nay sử dụng tiêu chuẩn WGS84

*Tổng hợp trung bình các loại sai số trên được thống kê theo bảng sau:

§Æc tÝnh h×nh häc kÐm, gi¸ trÞ DOP lín

Sai số do đồng hồ vệ tinh 15m

Sai số tầng ion và độ trễ ở tầng khí quyển 5,5m

Sai số do lịch vệ tinh không chính xác 8,4m

4) Vi phân GPS

a) Sự cần thiết của hệ thống vị phân GPS

Mặc dù hệ thống GPS từ khi ra đời đã cho phép người sử dụng xác định được

vị trí với mức độ chính xác khá cao, nhưng đối với những máy thu dân sự thì độ chính xác này vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu khi tàu chạy trong luồng và trong

đo trắc địa, lắp đặt các giàn khoan trên biển

Mặt khác đối với máy thu GPS, đôi khi tín hiệu từ vệ tinh truyền xuống quá yếu hoặc sự phân bố hình học của các vệ tinh không tốt làm cho vị trí xác định

bị ngắt quãng hoặc độ tin cậy không cao

Do tính chất độc quyền của Mỹ đối với độ chính xác của hệ thống nên đòi hỏi các quốc gia khác khi sử dụng máy thu GPS phải luôn tính đến và đề phòng khả năng độ chính xác của máy thu bị thay đổi do yếu tố chủ quan của các nhà thiết lập hệ thống vì mục đích nào đó

Những nguyên nhân trên đây đòi hỏi người sử dụng hệ thống GPS phải tìm cách làm tăng độ chính xác và tin cậy đối với các máy thu GPS hiện có của mình Phương pháp được đề cập đến là xây dựng hệ thống vi phân GPS Việc xây dựng hệ thống vi phân GPS được nghiên cứu từ năm 1983 và cho đến nay

đã được nhiều nước trên thế giới xây dựng

b) Nguyên lý cơ bản của hệ thống vi phân GPS (DGPS)

Nguyên lý cơ bản của DGPS là người ta sử dụng các máy thu GPS đặt tại các trạm đã được biết chính xác về toạ độ, trên cơ sở so sánh toạ độ thật (toạ độ chính xác của trạm vi phân) với toạ độ được tính toán bở máy thu GPS đặt tại đó

để tìm ra số hiệu chỉnh vị trí Số hiệu chỉnh này được các trạm vi phân phát tới các máy thu GPS trong khu vợc lân cận trạm vi phân đó để các máy thu này hiệu chỉnh lại toạ độ của mình Về lý thuyết, có hai phương pháp cơ bản để phát số hiệu chỉnh DGPS như sau:

 Phát số hiệu chỉnh toạ độ theo không gian 3 chiều

 Phát số hiệu khoảng cách giả với mỗi vệ tinh

Phương pháp phát ra số hiệu chỉnh toạ độ chỉ yêu cầu ít dữ liệu phải phát đi nhưng độ chính xác lại phụ thuộc vào khoảng cách từ trạm vi phân tới máy thu

sử dụng Vì số hiệu chỉnh vị trí tại điểm đặt trạm vi phân lại đem đi áp đặt cho các điểm khác nên có sai số, khoảng cách tới trạm vi phân lớn thì sai số lớn, hơn nữa nó cũng đòi hỏi mấy thu tại trạm vi phân và máy sử dụng phải đo đạc tới các vệ tinh như nhau

Phương pháp phát số hiệu chỉnh khoảng cách giả tuy có phức tạp hơn về xử

lý số liệu nhưng nó khắc phục được nhược điểm của phương pháp phát số hiệu chỉnh toạ độ và hiện nay đang được sử dụng cho hầu hết các trạm DGPS

Về cơ bản một hệ thống DGPS bao gồm:

 Trạm vi phân (Reference Station): tính toán số hiệu chỉnh khoảng cách giả dựa trên số liệu thu được từ các vệ tinh và thông số toạ độ trạm DGPS rồi xử lý

số liệu rồi phát đi

 Đường truyền số liệu (Data link): chuyển tiếp thông tin từ trạm DGPS tới các máy thu sử dụng

 Máy thu sử dụng (Mobile Station): tính toán vị trí dựa trên toạ độ thu được trên máy thu của mình và số hiệu chỉnh DGPS nhận được

Để phát số hiệu chỉnh tín hiệu vi phân, tuỳ theo đặc điểm địa hình, điều kiện truyền sóng mà mỗi quốc gia lựa chọn nhưng phương pháp khác nhau Hãng Sercel của Pháp sử dụng sóng ở giải HF với tần số 1,6  3,5mHz; USCG của Mỹ chọn giải MF với tần số 285  385kHz Tầm xa tác dụng khoảng 200NM Tiêu chuẩn quốc tế cho việc phát và thu tín hiệu DGPS gọi là RTCM – SC 104, tiêu chuẩn này được tổ chức kỹ thuật vô tuyến Mỹ đưa ra và được tổ chức đèn biển quốc tế IALA ủng hộ và đang được đưa các nhà sản xuất máy thu DGPS sử dụng

Để thu và sử dụng được các bản điện về vi phân GPS thì người sử dụng phải có:

 Máy thu GPS có khả năng xử lý được số hiệu chỉnh vi phân thu được dạng RTCM SC 104, hoặc phải có máy thu DGPS cùng với ăten riêng của nó

 Máy thu phải nằm trong tầm hoạt động của trạm phát DGPS

Ngày nay, để tăng độ chính xác cũng như tầm phủ sóng của các trạm vi phân GPS, các nước vùng bắc Âu như: Đan Mạch, Hà Lan, Đức, Ireland, Nauy và Pháp đã nghiên cứu thành công việc dùng các trạm phát Loran C để phát đi các tín hiệu DGPS gọi là hệ thống EUROFIX sử dụng cho vùng bắc Âu Hệ thống

này đã được đưa vào sử dụng từ năm 2000 Tầm hoạt động của các trạm

EUROFIX đạt tới 1000km với độ chính xác nhỏ hơn 5m với xác suất 99,99%

Thứ tự xác định vị trí tàu bằng DGPS:

Tra các thông số trạm DGPS: có thể tra trong danh mục Radio (Admiralty list

of Radio Signal Volume 2)

Dưới đây là trích từ ALRS:

DGPS correction

Identification

No of

Range (NM)

Integrity MonitoringStatus

Transmitted Message type

Re- marks

Tx rate (bps)

Reference station

Transmit station United

Kingdom

0005 S.Cartherinr’s

Point Lt 293,5 100 680 440 40 No

Opera tional 1 3 5

Trong bảng trên không đề cập đến toạ độ chính xác của trạm phát Vị trí trạm

vi phân có thể suy ra ngay từ tên của trạm vì đa số các tên đó là tên các ngọn hải

đăng tiêu biểu Thực tế người sử dụng cũng không cần biết chính xác thông tin

này

Cũng có thể đặt máy thu GPS ở chế độ tự động thu tín hiệu DGPS (nếu máy

thu có chức năng này) khi tàu ở gần trạm vi phân GPS thì máy thu sẽ tự động

thu nhận tín hiệu vi phân, nếu sau một khoảng thời gian nhất định không có tín

hiệu vi phân GPS thì máy tự động chuyển sang chế độ GPS bình thường Từ

bảng ta chọn các trạm phát thích hợp gần với vị trí tàu

Các trạm phát DGPS hoạt động trên tần số từ 285  325kHz

 Nhập các thông số tần số phát và tốc độ dữ liệu của trạm vi phân vào máy

thu (Tx fx và Tx rate)

 Nhập thông số time out vào máy thu, tuỳ từng loại máy thu mà thông số

này cho phép nhập giá trị từ 010  180s Nói chung nên chọn giá trị trung bình

khoảng 100s Nếu máy thu bị mất tín hiệu DGPS quá thời gian trên thì nó sẽ tự

động chuyển sang chế độ GPS bình thường

 Một thông số nữa cũng cần lựa chọn cho máy thu là tốc độ thu nhận tín hiệu DGPS (baud rate) Thông số này thường cho phép lựa chọn một vài giá trị cho sẵn, giá trị thông thường là 4800bps Việc lựa chọn giá trị ở đầu vào này sẽ định dạng cho tín hiệu đầu ra của máy thu nhằm có thể kết nối máy thu DGPS với các thiết bị hàng hải khác như hải đồ điện tử, ARPA Sau đó máy thu đã có thể thu nhận tín hiệu DGPS để xác định vị trí Trên màn hình chỉ thị thường kèm theo một ký hiệu chỉ rõ vị trí đang hiển thị là vị trí DGPS

5) Sự phát triển của hệ thống GPS và Hàng hải vệ tinh trong tương lai

a) Ứng dụng tương lai của hệ thống GPS

Vi phân GPS phạm vi rộng (Wide-Area DGPS-WADGPS): người sử dụng máy thu DGPS sẽ đạt được độ chính xác cao không những trong phạm vi phủ sóng của các trạm vi phân mà còn cả ở vùng đại dương do việc sử dụng các vệ tinh thông tin để truyền dữ liệu hiệu chỉnh DGPS

Với việc ứng dụng kỹ thuật đo pha sóng mang trong hàng không, độ chính xác đạt tới mức độ cm Ứng dụng kỹ thuật này trong hàng hải có thể dùng để dẫn tàu cập cầu, đặt phao luồng, đo đạc thuỷ triều

b) Xu hướng phát triển của hệ thống GPS

Khi hệ thống FGPS đã hoàn toàn hoàn thiện, thì vấn đề đặt ra là quản lý hệ thống và ứng dụng của chúng sẽ phát triển theo chiều hướng nào những vấn đề sau đây đã được đề cập đến:

 Về góc độ dân dụng: dưới áp lực của quốc hội Mỹ và đòi hỏi của người sử dụng là cần nhanh chóng dân sự hoá GPS Bộ giao thông vận tải và Hiệp hội quản lý hàng không Mỹ đang gây áp lực trong việc điều khiển và quản lý hệ thống GPS chống thế độc quyền từ bộ quốc phòng Mỹ

 Chi phí sử dụng: khi hệ thống GPS đã được dân sự hoá thì chi phí cho việc mua và lắp đặt máy thu sẽ giảm rất nhiều

 Về khía cạnh quốc tế: hiệp hội hàng không dân dụng quốc tế đang tìm cách xây dựng lại hệ thống vệ tinh hàng hải toàn cầu cho mục đích dân sự, phương án kết hợp giữa hệ thống GPS và GLONASS đã được bàn đến

Do cách bố trí của các vệ tinh không giống nhau: hệ thống GLONASS có 24 vệ tinh phân bố trên 3 mặt phẳng quỹ đạo trong khi 24 vệ tinh của hệ thống GPS lại phân bố trên 6 mặt phẳng quỹ đạo, hơn nữa góc hợp bởi các mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh vứi mặt phẳng xích đạo của 2 hệ thống này khác nhau (hệ thống GLONASS là 6408, hệ thống GPS là 550) cho nên mỗi hệ thống đều có những ưu, nhược điểm khác nhau Hệ thống GLONASS thích hợp với máy thu ở vĩ độ cao trong khi hệ thống GPS thích hợp với máy thu ở vĩ độ thấp

Để kết hợp được ưu điểm của 2 hệ thống này, từ năm 1990 các nhà khoa học Mỹ và Nga

đẫ nghiên cứu và chế tạo máy thu kết hợp GPS/GLONASS Máy thu này có ưu điểm là độ

chính xác cao hơn và không bị hạn chế bởi vùng phủ sóng của vệ tinh Độ chính xác có thể đạt tới 8m

Hiện nay đã có một số hãng đã chế tạo được những máy thu vệ tinh có khả năng thu và

xử lý tín hiệu từ hơn 14 vệ tinh hàng hải của cả 2 hệ thống GLONASS và GPS Toạ độ hiển thị trên máy thu có thể lựa chọn theo các hệ quy chuẩn: PZ90, WGS84, NAD83 tuỳ theo hải

đồ đang sử dụng

c) Hệ thống vệ tinh tăng cường SBAS (Satellite Based Augmentation System)

SBAS là hệ thống vệ tinh bao trùm cả 2 hệ thống GPS và GLONASS Với việc sử dụng một hệ thống vệ tinh địa tĩnh sẽ đưa đến cho người sử dụng độ tin cậy cao hơn thông qua việc làm tăng độ chính xác và liên tục của vị trí xác định Mặc dù những cải biến đó là do yêu cầu của ngành hàng hải nhưng trong thực tế những người sử dụng cho mục đích hàng hải, đường bộ, đường sắt, khảo sát trắc địa cũng có thể sử dụng Các bộ phận chính của SBAS là: EGNOS (The

European Geostationary Navigation Overlay Service), WAAS (The Americian Wide Area Augmentation System) và MSAS (The Japanese Multi-functional Transport Satllite (MTSAT)-Base satellite Augmentation System) Đây là 3 hệ thống vệ tinh tăng cường của châu Âu (EGNOS), của Mỹ (WASS) và của Nhật Bản (MSAS) có cùng đặc điểm chung là sử dụng các vệ tinh địa tĩnh để phát tín hiệu định vị trong một khu vực hạn chế Tín hiệu được phủ bởi SBAS sẽ thích hợp với tín hiệu của GPS/GLONASS nghĩa là tín hiệu này sẽ không làm suy yếu việc thu tín hiệu của hệ thống GPS/GLONASS trong một lúc

Kế hoạch tiến hành hệ thống SBAS sẽ được hoàn thiện trong giai đoạn 20032005 bởi tổ chức Advanced Operational Capability (AOC)

d) Hệ thống GNSS (The Global Navigation Satellite System)

Đây là hệ thống vệ tinh hàng hải toàn cầu trong tương lai theo nghị quyết A.860(20) thông qua ngày 27/11/1997

1) Yêu cầu hàng hải về GNSS

GNSS là hệ thống vệ tinh phục vụ đa lĩnh vực để xác định vị trí, thời gian

và tốc độ Hệ thống bao gồm một hoặc nhiều chòm vệ tinh (khâu vũ trụ), một khâu điều khiển với các phương tiện để kiểm tra và giám sát, khâu sử dụng là các máy thu đáp ứng quy định GNSS ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu thông

thường về hàng hải vô tuyến và thông tin liên lạc

2) Tình trạng hiện tại

Hiện tại có 2 hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu phục vụ cho nhu cầu dân sự: GPS và GLONASS Hệ thống GPS đã hoạt động đầy đủ từ năm 1995 với độ chính xác 100m (95%) còn DGPS có độ chính xác 5m (95%); GLONASS đã

hoạt động từ năm 1996 nhưng để dùng cho dân sự không hạn chế ít nhất phải đến 2010, độ chính xác của GLONASS là 45m (95%) còn vi phân GLONASS cung cấp độ chính xác 510m (95%)

3) Đòi hỏi của hàng hải đối với hệ thống GNSS trong tương lai

 GNSS phục vụ các yêu cầu bao gồm dẫn tàu trong cảng và vùng phụ cận, các vùng hàng hải bị hạn chế, khó khăn

 Chỉ cần máy thu GNSS có thể hàng hải khắp thế giới mà không cần máy thu của hệ thống nào khác

 GNSS có khả năng phục vụ người sử dụng nhiều mục đích, số lượng không giới hạn ở biển, trên không và đất liền

 GNSS phải tin cậy và giá thành thấp, có như vậy mới đáp ứng được yêu cầu an toàn và kinh tế Quyền lợi của phía vận tải và quốc gia ven bờ được xem xét đến trong phân bố và thu hồi chi phí đầu tư GNSS

 Phải thoả mãn yêu cầu dẫn tàu

 Thiết bị phải thoả mãn yêu cầu của IMO

 GNSS phải cung cấp thông tin vị trí, hướng, tốc độ tàu so với đất, đồng thời phải có khẳ năng kết nối dữ liệu và đáp ứng yêu cầu của thiết bị GNSS

 Với tàu: kết nối với hệ thống hiển thị điện tử , kết nối với bộ phận báo vị trí tự động, kết nối với hệ thống GMDSS, ssử dụng cho các tàu cao tốc, điều khiển vết chạy tàu, phục vụ cho tàu vào ụ và làm dây, theo dõi đường chạy tàu, ghi nhận số kiệu chuuyến đi, chỉ thị hướng chuyển động và hướng mũi tàu

 Bản thân IMO sẽ không cung cấp và vận hành GNSS, tuy nhiên IMO luôn

có trách nhiệm duy trì, kiểm tra, giám sất GNSS ở các khía cạnh: đáp ứng yêu cầu của người sử dụng hàng hải Áp dụng nguyên tắc cổ phần và khấu trừ quốc

tế Đảm bảo trách nhiệm bồi hoàn

 Thời gian tiến hành: năm 1999 đánh giá lại GNSS, năm 2001 xem xét mục đích GNSS, đảm bảo các thoả thuận liên quan giữa các chính phủ tham gia, các tổ chức quốc tế khác và các nhà cung cấp hệ thống

Năm 2008 dự kiến khánh thành hệ thống GNSS và được IMO phê duyệt Trong đó:

 GNSS (Global Navigation Satellite System): hệ thống vệ tinh hàng hải toàn cầu

 GNSS 1: hệ thống vệ tinh hàng hải toàn cầu giai đoạn 1: tổ hợp cả 3 hệ thống SBAS, GLONASS, GPS phục vụ hạn chế theo khu vực

 GNSS 2: hệ thống vệ tinh hàng hải giai đoạn 2, phục vụ không hạn chế trong hàng hải và dân dụng

§ 3: VAI TRÒ CỦA MÁY THU GPS TRONG HÀNG HẢI HIỆN NAY

Hệ thống GPS ra đời có thể coi như đã mở ra một kỷ nguyên mới cho ngàng hàng hải, nó làm thay đổi hẳn phương thức dẫn đường trước đây và là cho nhiều hệ thống vô tuyến dẫn đường đã có trước đó đi vào quá khứ

Tính ưu việt của hệ thống GPS thể hiện qua những nét chính sau:

 Cho phép các nhà hàng hải xác định được vị trí, thời gian, tốc độ tàu một cách chính xác và liên tục trong mọi điều kiện thời tiết

 Thao tác sử dụng đơn giản, tiết kiệm được rất nhiều thời gian và công sức cho sỹ quan hàng hải trong việc xác định vị trí tàu

 Lập kế hoạch chuyến đi một cách nhanh chóng, tiết kiệm được thời gian

và nhiên liệu

 Độ chính xác của vị trí xác định cao hơn hẳn các hệ thống đã có trước đó

và nhất là khi sử dụng mạng DGPS với độ chính xác của vị trí nhỏ hơn 5m thì hệ thống này còn có thể được sử dụng co nhiều lính vực khác nhau như: dẫn tàu trong luồng, trắc địa, dầu khí, hàng không Ngày nay, máy thu GPS đã trở thành một thiết bị được lắp đặt phổ biến trên các tàu biển trên thế giới Các trang

thiết bị bắt buộc của hệ thống GMDSS trên tàu như: VHF DSC, MF/HF, INMARSAT C đều được kết nối với máy thu GPS nên vị trí của tàu luôn được cập nhật vào các thiết bị này Khi các thiết bị GMDSS phát tín hiệu cấp cứu thì các máy thu trên bờ sẽ thu được toạ độ của tàu bị nạn ngay trong bản điện cấp cứu giúp cho việc tìm kiếm được thuận lợi và nhanh chóng

 Ngoài ra, tín hiệu về toạ độ của máy thu GPS trên tàu cũng được kết nối với RADAR/ARPA, thiết bị tự động nhận dạng AIS giúp cho người sử dụng có thể biết được toạ độ, nhận dạng tàu mục tiêu một cách dễ dàng, hỗ trợ đắc lực cho sỹ quan hàng hải đưa ra giải pháp tránh va an toàn Hơn nữa, các nhà điều hành hệ thống phân luồng hàng hải VTS ở các khu vực trên thế giới cũng có thể

dễ dàng kiểm soát được tình trạng lưu thông của tàu thuyền, đưa ra những mệnh lệnh, khuyến cào chính xác cho người đi biển điều động tàu an toàn và kinh tế

B: THỰC HÀNH KHAI THÁC SỬ DỤNG MÁY THU VỆ TINH

GPS KODEN KGP-912

I - GIỚI THIỆU CHỨC NĂNG CÁC NÚM NÚT

MENU: dùng để gọi menu của máy gồm 9 mục lựa chọn hoặc thoát khỏi các menu con

MODE: nhấn phím này để lựa chọn các chế độ hiển thị màn hình: NAV1, NAV2, NAV3 hoặc PLOT

SEL: lựa chọn các thông số, các chế độ màn hình

CTRS: thay đổi mức độ tương phản của màn hình gồm 8 mức

EVT: ghi nhớ vị trí hiện tại theo một mục đích, sự kiện nào đó

ENT: nhập dữ liệu số, các thông số hay các lựa chọn

MOB: kích hoạt chức năng màn hình MOB ở chế độ khẩn cấp có người rơi xuống nước (Man Over Board)

PWR/DIM: bật nguồn và thay đổi độ sáng mặt điều khiển (3 mức độ)

II - KHAI THÁC SỬ DỤNG

1) Khởi động, điều chỉnh, cài đặt thông số ban đầu, tắt máy

Khi khởi động máy lần đầu tiên (thường là sau thời gian dài không sử dụng) các dữ liệu quỹ đạo vệ tinh chưa được ghi vào bộ nhớ máy thu và do đó mất khoảng 15 phút để máy thu xác định được vị trí Các lần sử dụng sau đó vị trí được xác định ngay su khi mở máy

 Khởi động: nhấn phím PWD/DIM để cấp nguồn, màn hình sẽ hiển thị chữ GPS ở trung tâm, dòng trạng thái hiển thị chữ CHECKING Máy thu bắt đầu kiểm tra dữ liệu và các thông số quỹ đạo vệ tinh, khi kết thúc hiển thị CHECK OK Tiếp theo màn hình hiển thị ở chế độ NAV1 – OFF, nếu máy thu chưa thu được vị trí thì chữ N/S và E/W (ở sau các chữ số chỉ kinh độ, vĩ độ) sẽ nhấp nháy, lức này máy thu đang lựa chọn vệ tinh Khi máy thu đã xác định được vị trí thì toạ độ vị trí hiện tại sẽ được hiển thị, chữ N/S và E/W không còn nhấp nháy, các thông số khác cũng được hiển thị trên màn hình

 Điều chỉnh độ sáng màn hình, mặt máy: nhấn phím PWD/DIM lần lượt

để thay đổi mức độ sáng (3 mức) Thay đổi độ tương phản màn hình LCD (Liquid Cristal Display) theo 8 mức độ lần lượt khi nhấm phím CTRS

 Cài đặt thông số ban đầu: khi sử dụng máy thu lần đầu thì các thống số cần được cài đặt cho máy là:

+ Chế độ định vị: trong mục đích hàng hải, vị trí tàu được xác định bởi 2 thông số nên ta chọn chế độ định vị 2D để tăng độ chính xác Thao tác: MENUGPSFIX MODE2D

+ Chọn hệ thống trắc địa hải đồ: thông thường máy thu được cài đặt mặc định theo hệ thống chuẩn trắc địa thế giới WGS-84 (World Geodetic System –

hệ thống được xây dựng năm 1984), đa số hải đồ được sử dụng hiện nay đều phù hợp với hệ thống này, nếu hải đồ sử dụng hệ thống trắc đạc khác thì cần lựa chọn phù hợp (tham khảo thêm mục Appendix Local Geodetic System trong

MENUGPSDATUMnhập số hiệu chỉ hệ thống trắc đạc muốn sử dụng bằng các phím số (theo bảng chỉ mục) hoặc sử dụng các phím dịch chuyển con trỏ để lựa chọn trong danh sách đã được lưu trong máy

+ Độ cao ănten: thông số độ cao ănten so với mặt nước biển là rất cần thiết để máy thu xác định vị trí trong chế độ 2D Thao tác: MENUGPSANT.Hnhập giá trị độ cao bằng các phím sốENT để xác nhận

+ Chọn đơn vị đo tốc độ và khoảng cách: MENUINITIALUNITchọn đơn vị thích hợp

+ Chọn kiểu thông báo thông số vị trí: thông số vị trí tàu có thể chỉ thị dạng kinh, vĩ độ hoặc đường vị trí Loran C Thao tác: MENUINITIALPOSITIONchọn kiểu chỉ báo mong muốn Chế độ hiển thị dạng kinh, vĩ độ thường được sử dụng và được cài mặc định trong máy

 Cài đặt các thông số khác:

+ Thông số DOP (Dilution Of Precision – mức suy giảm độ chính xác):

giá trị này nhằm để máy thu nhanh chóng xác định được vị trí, giảm thấp nhất sai số bằng cách loại bỏ bớt các vệ tinh có giá trị thông số DOP quá cao Nếu ở chế độ định vị 2D thì thông số là HDOP (theo phương nằm ngang), còn ở chế độ 3D sẽ là PDOP Trong chế độ 2D nếu giá trị DOP lớn hơn giá trị cài đặt thì máy thu sẽ không xác định vị trí, còn ở chế độ 3D nếu giá trị DOP lớn hơn giá trị cài đặt thì máy sẽ tự động chuyển về chế độ định vị 2D Thao tác: MENUGPSDOP MASKnhập giá trị bằng phím sốENT để xác nhận

+ Giới hạn góc ngẩng vệ tinh: vị trí sẽ không xác định được hoặc xác định

sẽ không chính xác khi máy thu các vệ tinh có góc ngẩng dưới 50 Khi đặt giá trị này các vệ tinh có góc ngẩng nhỏ hơn sẽ bị loại bỏ nâng cao độ chính xác của vị trí Thao tác: MENUGPSELV MASKchọn các giá trị đã được đặt sẵn (0/3/5/10/150)

+ Vi phân GPS (DGPS): khi hoạt động gần bờ sai số của vị trí xác định

bởi máy thu GPS tăng lên do vậy một số trạm ven bờ được xây dựng để giúp máy thu loại bỏ bớt những sai số để nâng cao độ chính xác khi xác định vị trí Các trạm đó được gọi là trạm vi phân GPS Trạm vi phân GPS thu nhận tín hiệu

từ vệ tinh, xác định vị trí và so sánh với vị trí chính xác từ đó tính toán lượng hiệu chỉnh Khi đó máy thu GPS được lắp đặt thiết bị thu tín hiệu do trạm vi phân GPS gửi tới khi tàu hoạt động trong tầm phủ sóng của trạm này (khoảng 100200NM) nó sẽ nhận được tín hiệu hiệu chỉnh do trạm đó gửi tới và mày thu GPS sẽ tính toán để cho vị trí tàu chính xác

Có 3 chế độ cài đặt DGPS:

OFF: vị trí xác định như thông thường, không có hiệu chỉnh DGPS ON: vị trí xác định đã hiệu chỉnh DGPS, chữ D hoặc DGPS sẽ hiển thị

AUTO: khi máy thu nhận được tín hiệu DGPS, vị trí xác định được hiệu chỉnh, nếu không có tín hiệu DGPS thì vị trí xác định như thông thường

Thao tác: MENUDGPSDGPS MODEON hoặc AUTO

 Tắt máy: nhấn và giữ OFF khoảng 2s để tắt máy tất cả dữ liệu trước đó

sẽ được lưu trong bộ nhớ cho lần sử dụng lần sau

2) Các chế độ hiển thị

Màn hình NAV 1: hiển thị vị trí hiện tại, các thông số ở dạng dữ liệu số Màn hình NAV 2: hiển thị vòng tròn phương vị, vị trí tàu ở trung tâm vòng tròn Chế độ này sẽ hiển thị phương vị, hướng, khoảng cách đến điểm tới và góc lệch hướng, độ dạt ngang của tàu so với hướng đi

Màn hình NAV 3: hiển thị đường hàng hải dạng 3 chiều với các thông số: phương vị, hướng, khoảng cách đến điểm tới và góc lệch hướng, độ dạt ngang hiện tại của tàu so với hướng đi

Màn hình PLOT: hiển thị vết đường di chuyển của tàu, vị trí hiện tại, điểm tới và vị trí các điểm được ghi nhớ

Để chuyển đổi giữa các chế độ hiển thị thì ta sử dụng phím MODE Trong các chế độ hiển thị, để lựa chọn giữa OFF/WAYPOINT/ROUTE/ANCHOR WATCH SCREEN ta sử dụng phím SEL

3) Lưu trữ vị trí điểm hàng hải

a) Lưu trữ vị trí điểm mới hoặc thay đổi toạ độ vị trí của điểm đã lưu trữ (theo dạng LAT, LONG)

Tối đa có 25 nhóm điểm, mỗi nhóm có 10 điểm được lưu trong bộ nhớ Ngoài 20 điểm trong nhóm 00 và nhóm 01 đực sử dụng cho lưu trữ các vị trí MOB, EVENT(EVT), còn các điểm thuộc nhóm từ 02 đến 24 (tổng cộng là 230 điểm) được sử dụng để lưu trữ các điểm hàng hải WAYPOINT

Thao tác: MENUWAYPOINTấn phím số để lựa chọn nhóm điểm cần

sử dụng (từ 00 đến 24) Các điểm thuộc nhóm đó sẽ được hiển thị trên màn hình

có thể đã có hoặc chưa có giá trị kinh độ, vĩ độ Dùng con trỏ đưa vệt sáng tới số hiệu điểm cần sử dụng Số hiệu điểm được hiển thị gồm 3 chữ số trong đó 2 số đầu chỉ số hiệu nhóm, số cuối chỉ số hiệu điểm thuộc nhóm Lúc này con trỏ đang ở vị trí biểu thị số hiệu điểm, nhấn phím mũi tên sang phải 2 lần để đưa con trỏ tới phần đặt tên hay ký hiệu cho điểm Dùng các phím mũi tên để dịch chuyển con trỏ tới ký hiệu muốn sử dụng và nhấn SEL để chọn, thao tác tương

tự để nhập các ký tự (tối đa là 10 ký tự) Khi kết thúc việc đặt tên hay ký hiệu, nhấn phím ENT để chuyển sang phần nhập toạ độ của điểm, sử dụng các phím

số để nhập giá trị vĩ độ của điểm gồm số và dùng phím 2/N và 8/S để chọn vĩ độ Bắc hay Nam, ấn ENT để xác nhận vĩ độ Tiếp theo nhập các giá trị của kinh độ

gồm số và sử dụng phím 6/E hoặc 4/W để chọn kinh độ Đông hay Tây, ấn ENT

để xác nhận

Phím  được sử dụng để sửa lỗi sai khi nhập các số liệu tại vị trí bên trái con trỏ, phím CLR được sử dụng để xoá toàn bộ một dữ liệu sai và việc nhập được thực hiện lại từ đầu

Nếu không muốn đặt tên hay ký hiệu cho điểm thì tại vị trí biểu thị số điểm

ta đưa con trỏ về dấu = bằng cách nhấn phím  một lần sau đó dùng phím  đưa con trỏ về dòng nhập vĩ độ và thao tác như trên

Sau khi nhập xong dữ liệu kinh vĩ độ cho một điểm thì vệt sáng sẽ nhảy tới điểm kế tiếp Để nhập dữ liệu ta thao tác tương tự như với điểm trước đó

b) Sao chép dữ liệu của điểm đã được lưu trữ

Có thể chép vị trí của các điểm hiện tại

c) Thay đổi tên hay ký hiệu của điểm đã lưu trước

Để thay đổi tên hay ký hiệu của điểm đã được lưu trữ thì ta thao tác như sau:

d) Xoá dữ liệu của điểm đã nhập

Có thể xoá dữ liệu kinh vĩ độ của các điểm đã được nhập trong các nhóm 4) Hàng hải theo điểm

Khi đặt chế độ hàng hải theo điểm người ta sử dụng nhập và gọi lại các điểm hàng hải (điểm chuyển hướng) lần lượt bằng tay, khi tàu tới gần điểm đó trong chế độ báo động điểm tới thì máy phát tín hiệu báo cho ta biết và ta sẽ gọi điểm kế tiếp bằng cách thao tác các phím ở trên máy

a) Đặt chế độ hành hải theo điểm

Nhấn phím MODE để chọn các chế độ hiển thị,

b) Gọi lại điểm hàng hải

Có thể gọi lại hay kiểm tra lại điểm tới trong danh sách các điểm một cách nhanh chóng như sau:

c) Đặt nhanh chế độ hàng hải theo điểm

Có thể chọn trực tiếp chế độ hàng hải theo điểm một cách nhanh chóng như sau:

d) Nhập lại điểm ban đầu ở chế độ hàng hải theo điểm

Nếu muốn thay đổi điểm ban đầu để đi đến điểm tới là điểm tại vị trí hiện tại thì thao tác:

e) Loại bỏ chế độ hàng hải theo điểm

Để loại bỏ chế độ này ta thao tác:

5) Hàng hải theo tuyến

Chế độ hàng hải theo tuyến là chế độ mà người sử dụng lập tuyến đường bao gồm các điểm hàng hải theo thứ tự được chọn từ các nhóm đã được nhập từ trước trong máy và hành trình theo tuyến đó Khi sử dụng chế độ này máy thu sẽ báo cho ta biết khi tàu tới gần điểm chuyển hướng và tự động nhảy sang điểm kế tiếp (hiển thị các thông số kinh, vĩ độ, khoảng cách, phương vị ) theo thứ tự trong tuyến đó

Khái niệm tới gần điểm chuyển hướng có nghĩa là khi vị trí tàu đi vào khu vực có khoảng cách tới điểm chuyển hướng nhỏ hơn giá trị mà ta đã đặt trước trong chế độ đặt báo động điểm tới (CIRCLE MODE), điều nàu khác với chế độ BI-SECTOR là khi tàu đi qua đường phân giác của góc hợp bởi hướng phải đi đến điểm hàng hải và hướng từ điểm đó tới điểm tiếp theo của tuyến Chế độ này ít sử dụng

a) Lập tuyến hành trình

Có thể

b) Đặt chế độ hàng hải theo tuyến

Lựa chọn tuyến hàng hải

c) Chọn lại điểm xuất phát của tuyến

Có thể đặt toạ độ của vị trí hiện tại của tàu là điểm xuất phát của tuyến hành trình

d) Bỏ qua một điểm của tuyến trong khi hàng hải theo tuyến

Có thể bỏ qua một điểm của tuyến trong khi hành hải theo tuyến và đi tới một điểm mới của tuyến

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG NHẬN DẠNG TỰ ĐỘNG TÀU THUYỀN

(AIS-AUTOMATIC IDENTIFICATION SYSTEM)

I Khái niệm về hệ thống tự động nhận dạng tàu thuyền AIS

Hệ thống tự động nhận dạng AIS (Automatic Identification System) là hệ thống nhằm tự động nhận dạng, trao đổi thông tin lẫn nhau của các phương tiện

di động trong tầm ảnh hưởng của các thiết bị này Thiết bị AIS được yêu cầu bắt buộc trên các tàu vận tải, các phương tiện tìm kiếm cứu nạn theo quy định của SOLAS 74

Mục đích của việc trang bị lắp đặt AIS trên tàu là để:

 Cung cấp dữ liệu nhận dạng của các phương tiện vận tải: tàu, máy bay, các trạm bờ,…

 Theo dõi quản lý quá trình lưu thông hàng hải

 Thực hiện trao đổi thông tin đơn giản với nhau giữa các phương tiện với nhau hoặc giữa phương tiện với bờ

 Phục vụ tìm kiếm cứu nạn, an toàn hàng hải, an ninh, tìm kiếm cứu nạn, bảo vệ môi trường biển…

Nói chung, các dữ liệu thu thập qua thiết bị AIS giúp cải tiến chất lượng thông tin cho sĩ quan trực ca trên buồng lái và cho các trạm kiểm soát trên bờ Không những chất lượng thông tin được cải tiến mà số lượng thông tin cũng tăng lên rất phong phú Sĩ quan trực ca phải làm việc rất nhiều với AIS nghĩa là phải cung cấp thông tin cho các tàu khác đồng thời cũng thu nhận liên tục thông tin từ tàu khác

Việc trang bị thiết bị tự động nhận dạng AIS trên tàu thủy được quy định trong SOLAS-74 (cập nhật các sửa đổi năm 2004) như sau (chương V điều 19): 2.4 Tất cả các tàu có GT từ 300 trở lên chạy tuyến quốc tế, các tàu hàng có

GT 500 trở lên không chạy tuyến quốc tế và các tàu khách mọi kích cỡ đề phải trang bị thiết bị tự động nhận dạng AIS như sau:

.1 Các tàu thiết kế sau ngày 1/7/2002;

.2 Tàu tham gia các tuyến quốc tế thiết kế trước ngày 1/7/2002;

.2.1 Trường hợp với tàu khách không được muộn hơn ngày

1/7/2003;

.2.2 Đối với tàu dầu, không được muộn hơn lần kiểm tra an toàn

hàng năm hoặc sau ngày 1/7/2003;

.2.3 Các tàu không phải là tàu khách hoặc tàu dầu, có GT lớn hơn

50.000 không được muộn hơn ngày 1/7/2004;

.2.4 Các tàu không phải tàu khách hoặc tàu dầu, có GT lớn hơn

300 nhưng nhỏ hơn 50.000 không được muộn hơn lần kiểm tra trang thiết bị an toàn hàng năm hoặc ngày 31/12/2004 tính từ sau ngày 1/7/2004, tùy theo thời điểm nào đến sớm hơn; và

.3 Các tàu không chạy tuyến quốc tế được thiết kế trước ngày 1/7/2002, không muộn hơn ngày 1/7/2008;

.4 Chính quyền hành chính có thể miễn trừ cho các tàu không phải áp dụng những quy định trong điều này nếu tàu đó sẽ không còn hoạt động trong vòng 2 năm sau ngày có hiệu lực được qui định trong các mục 2 và 3;

.5 Thiết bị AIS phải:

.1 Tự động cung cấp cho các thiết bị theo dõi thích hợp trên bờ, các

tàu và máy bay khác các thông tin bao gồm số nhận dạng của tàu, loại tàu, vị trí, hướng, tốc độ, trạng thái hàng hải và các thông tin an toàn có liên quan khác;

.2 Tự động thu nhận các thông tin từ các tàu được trang bị tương tự

khác

.3 Kiểm tra đường đi của các tàu; và 4 Trao đổi dữ liệu với các trạm bờ khác;

.6 Các yêu cầu của mục 2.4.5 không áp dụng cho các trường hợp khi

có các hiệp định, quy tắc hoặc các tiêu chuẩn khác nhằm bảo vệ các thông tin trong hàng hải; và

.7 Thiết bị AIS phải hoạt động trên cơ sở dựa vào các khuyến cáo của

tổ chức IMO Tàu trang bị AIS phải duy trì AIS hoạt động liên tục trừ các trường hợp khi có các hiệp định, qui tắc hoặc các tiêu chuẩn khác nhằm bảo vệ các thông tin trong hàng hải;

Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống AIS:

 Điều chế và tốc độ: GMSK/FSK, tốc độ 9600bps

 Phương pháp truy nhập: SOTDMA (Self Organized Time Division

Multiple Access)

 Chế độ phát: F1D, F2B

II Cấu trúc hệ thống AIS và chủng loại AIS

Toàn bộ hệ thống AIS bao gồm các thành phần sau: AIS trang bị trên tàu, AIS trang bị trên máy bay tìm kiếm cứu nạn, AIS trợ giúp hàng hải, AIS đài bờ

Hệ thống bao gồm 2 cự ly hoạt động: cự ly gần sử dụng giải tần VHF, cự ly

 Chế độ phát theo quy định (assigned): chu trình phát được điều khiển bởi

cơ quan có thẩm quyền để phục vụ cho kiểm soát giao thông

 Chế độ kiểm soát thăm dò thông tin (polled): phát đáp để trao đổi thông tin với các tàu hoặc chính quyền cảng

Tất cả các tàu liên tục phát đi các thông số tĩnh và các thông số thay đổi của con tàu đó sử dụng chế độ phát liên tục nếu tàu chủ muốn biết thông tin về một tàu khác thì nó sẽ trao đổi thông tin bằng chế độ thăm dò thông tin Tàu mục tiêu

sẽ phát đáp trên cùng tần số VHF mà không ảnh hưởng đến chế độ phát liên tục

ở trên

Các trạm AIS trợ giúp hàng hải (AtoN) phát đi các tín hiệu nhận dạng, loại thiết bị, vị trí, dung tích,… theo từng quãng thời gian 3 phút hoặc theo trình tự

do chính quyền quy định

Các trạm VTS phát các tín hiệu điều khiển mã hóa chế độ TDMA bao gồm

mã hiệu, loại, vị trí… của các phao tiêu theo chu kỳ 3 phút Các AtoN này sẽ phát lại các thông tin này cho các tàu Các trạm AIS cũng sử dụng phương thức phát theo chỉ định

Toàn bộ hệ thống được đồng bộ với giờ GPS nhằm đạt độ chính xác đo thời gian cao, tránh xung đột thông tin do có nhiều người sử dụng

II.1 Thiết bị AIS trang bị trên tàu

Thiết bị AIS trang bị trên tàu có chức năng tự động trao đổi các thông tin với tàu khác và với đài bờ phục vụ cho việc tìm kiếm cứu nạn và an toàn hàng hải Cấu tạo của một trạm AIS trên tàu thường bao gồm các bộ phận chính sau:

 An ten VHF/GPS: một số loại AIS có tích hợp máy thu GPS luôn

 Thiết bị phát đáp AIS (AIS Transponder) là thiết bị thu và phát tín hiệu trên dải tần VHF Thiết bị này gồm máy phát VHF, hai máy thu TDMA (time division multiple access) hoạt động song song trên hai tần số VHF (AIS1-87B; AIS2-88B), máy thu VHF DSC kênh 70, tích hợp máy thu GPS nếu có

 Thiết bị điều khiển AIS: điều khiển toàn bộ hoạt động của AIS, gồm màn ảnh, bàn phím, cơ cấu kết nối và trao đổi dữ liệu với các thiết bị ngoại vi như: Radar, ECDIS, Auto Pilot, Compass, PC, GPS, Echo Sounder, Log,…

 Pin Back up cho thiết bị điều khiển có hạn dùng 5 năm Khi có chỉ thị trên màn hình yêu cầu thay pin thì phải thay càng nhanh càng tốt Thay xong phải nhập lại toàn bộ dữ liệu

 Thiết bị kết nối ngoại vi là các bộ ghép nối để trao đổi dữ liệu với các thiết

bị hàng hải khác

 Nguồn cung cấp: cấp điện cho toàn bộ hệ thống

II.2 Chủng loại AIS

 Loại A là thiết bị di động đặt trên tàu thỏa mãn yêu cầu của IMO như đã trình bày ở trên

 Loại B cũng là thiết bị di động dùng cho tàu nhưng không cần thiết đáp ứng hoàn toàn theo yêu cầu của IMO như loại A Loại B cũng gần giống như loại A trừ các thông tin sau đây không cần thiết phát đi:

 Tần suất phát báo thấp hơn loại A

 Không phát số hiệu IMO và hô hiệu

 Không phát tên cảng đích và ETA

 Không phát trạng thái hàng hải

 Chỉ thu nhận mà không phát bản tin an toàn

 Không phát tốc độ quay tàu

 Không phát mớn nước tàu

Hiện nay AIS loại B chưa được sản xuất do thực tế hầu hết không tàu nào có nhu cầu lắp loại này

III Thông tin phát đi từ hệ thống AIS của tàu

III.1. Các loại thông tin do AIS phát đi

Thông tin mà thiết bị AIS của tàu phát đi có thể chia làm 3 loại khác nhau như sau :

1 Các thông tin cố định (tĩnh), chúng được cài đặt vào máy sau khi lắp ráp máy lên tàu, chỉ thay đổi khi đổi tên tàu, hoặc tàu trải qua sự cải hoán rất lớn;

2 Thông tin động, ngoại trừ thông tin về trạng thái hàng hải, các thông tin này được tự động cập nhật thông qua các bộ cảm biến nối vào AIS;

3 Thông tin có liên quan đến hành trình được đưa vào thiết bị bằng tay và cập nhật cũng bằng tay suốt hành trình

Bảng 1 dưới đây thống kê các thông tin phát từ tàu vừa nói ở trên:

Bảng 1

Loại thông tin Tạo thông tin, loại và số lượng thông tin

Tĩnh MMSI (số nhận dạng của tàu) Cài đặt vào máy sau khi lắp đặt

Phải chỉnh khi thay đổi chủ tàu

Hô hiệu và tên tàu Cài đặt vào máy sau khi lắp đặt

Phải chỉnh khi thay đổi chủ tàu

Chiều dài và chiều rộng của tàu Cài đặt vào máy sau khi lắp đặt hoặc sau khi

Thời gian tương ứng với vị trí theo giờ UTC Cập nhật tự động từ bộ cảm biến chính của

tàu nối vào AIS

Hướng đi qua đáy (COG) Cập nhật tự động từ bộ cảm biến chính của

tàu nối vào AIS

Thông tin này có thể không có

Tốc độ qua đáy (SOG) Cập nhật tự động từ bộ cảm biến chính của

tàu nối vào AIS

Thông tin này có thể không có

tàu nối vào AIS

Trạng thái hàng hải Thông tin về trạng thái hàng hải phải do sĩ

quan trực ca cài đặt vào máy bằng tay và thay đổi khi cần, ví dụ: