Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS và ứng dụng trong nghành hàng không

LỜI CẢM ƠN Sau năm học tập trường, tận tình dạy dỗ thầy cô Em hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng nghành hàng không ” Em xin gởi lời cám ơn đến ban lãnh đạo nhà trường, quý thầy cô môn Công Nghệ Điên Tử truyền đạt kiến thức quý báu làm sở cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em đặc biệt cám ơn cô giáo Nguyễn Thị Dung người trực tiếp hướng dẫn em thực đề tài Em xin cám ơn sâu sắc đến gia đình bạn bè tạo cho em điều kiện thuận lợi suốt trình học tập thực đề tài SVTH: Lê Quang Huy LỜI CAM ĐOAN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp thời gian quy định đáp ứng yêu cầu đề ra, em cố gắng tìm hiểu, học hỏi, tích lũy kiến thức học Em có tham khảo số tài liệu nêu phần “Tài liệu tham khảo” không chép nội dung từ đồ án khác Em xin cam đoan đồ án công trình nghiên cứu cá nhân nghiên cứu, xây dựng hướng dẫn cô giáo Nguyễn Thị Dung Nội dung lý thuyết đồ án có tham khảo sử dụng số tài liệu, thông tin đăng tải tác phẩm, tạp chí trang web theo danh mục tài liệu đồ án Em xin cam đoan lời khai đúng, thông tin sai lệch em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012 Sinh viên thực hiện: Lê Quang Huy MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Khái quát định vị 1.2 Nguyên lý hệ thống thông tin vệ tinh 1.2.1 Quỹ đạo cực tròn 10 1.2.2 Quỹ đạo elip nghiêng 10 1.2.3 Quỹ đạo xích đạo tròn 10 1.3 Đặc điểm thông tin vệ tinh 11 1.4 Hệ thống thông tin vệ tinh 12 1.5 Tần số sử dụng thông tin vệ tinh 13 1.6 Cơ sở phép định vị vệ tinh 14 1.6.1 Nguyên lý đo cự ly phép định vị vệ tinh 16 1.6.2 Các nguồn gây sai số phép đo 19 1.7 Sai số quỹ đạo vệ tinh 21 1.7.1 Sai số tầng điện ly 22 1.7.2 Sai số tầng đối lưu 23 1.7.3 Nhiễu đa đường 23 1.7.4 Các sai số máy thu 24 1.8 Các phương pháp đa truy nhập đến vệ tinh 24 1.8.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 24 1.8.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 25 1.8.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 26 1.9 Phương pháp đa truy nhập phân phối trước đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 28 1.9.1 Đa truy nhập phân phối trước 28 1.9.2 Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 28 1.11 Suy hao thông tin vệ tinh 30 1.11.1 Suy hao không gian tự 30 1.11.2 Suy hao tầng đối lưu 31 1.11.3 Suy hao tầng điện ly 32 1.11.4 Suy hao thời tiết 32 1.11.5 Suy hao đặt anten chưa 33 1.11.6 Suy hao thiết bị phát thu 33 1.11.7 Suy hao phân cực không đối xứng 33 1.12 Tạp âm thông tin vệ tinh 34 1.12.1 Nhiệt tạp âm hệ thống 34 1.13 Hiệu ứng Doppler 41 1.14 Trễ truyền dẫn 41 CHƯƠNG II: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 42 2.1 Sự đời hệ thống GPS 42 2.2 Cấu tạo hệ thống GPS 48 2.2.1 Chùm vệ tinh 48 2.2.2 Hệ thống điều khiển mặt đất 48 2.2.3 Bộ phận người sử dụng 49 2.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống 49 2.4 Điều chế giải điều chế GPS 51 2.4.1 Điều chế tín hiệu GPS 51 2.4.2 Giải điều chế GPS 52 2.5 Phương pháp tạo mã C/A 52 2.6 Các loại mã 53 2.6.1 Mã C/A 53 2.6.2 Mã P 53 2.7 Cấu trúc liệu GPS 54 2.8 Mối quan hệ chức hệ thống GPS 58 2.9 Hệ quy chiếu không gian thời gian 58 2.10 Các hệ thống định vị khác 59 2.10.1 Hệ thống định vị toàn cầu Glonass 59 2.10.2 Galileo châu âu 60 2.10.3 Beidou 60 2.10.4 Irnss 61 2.10.5 Qzss 61 2.11 Ưu điểm hệ thống so với hệ thống khác 61 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 62 TRONG NGÀNH HÀNG KHÔNG 62 3.1 Hạn chế hệ thống dẫn đường truyền thống 62 3.2 Cấu trúc hệ thống Testbed 62 3.2.1 Thiết bị TRS 63 3.2.2 Thiết bị TVR 63 3.2.3 Trung tâm khai thác hệ thống (SOC) 63 3.2.4 Thiết bị TUP 63 3.3 Các hệ thống tăng cường dẫn đường 63 3.3.1 Hệ thống SBAS ( Satellite Based Augmentation System ) 64 3.3.2 Hệ thống GBAS ( Ground-Based Augmentation System ) 67 3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống tăng cường 69 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Mục lục Hình 1.1 Ba dạng quỹ đạo vệ tinh .9 Hình 1.2 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh 10 Hình 1.3 Liên lạc hai trạm mặt đất qua vệ tinh 12 Hình 1.4 vị trí vật thể xác định qua phép đo 14 Hình 1.5 định vị điểm vệ tinh 15 Hình 1.6 Miêu tả phép đo vệ tinh 16 Hình 1.7 Miêu tả xác định ví trí 16 Hình 1.8: Mã giả ngẫu nhiên PRC 17 Hình 1.9 Phương pháp đo giả cự ly 19 Hình 1.11 Các sai số lỗi 20 hình 1.12 sai số tầng điện ly 22 Hình 1.13 Nhiễu đa đường 23 Hình 1.14 Truy nhập theo tần số 24 Hình 1.15 Đa truy nhập phân chia theo thời gian 25 Hình 1.16 Đồ thị biểu diễn suy hao mưa (nhỏ) tầng điện ly theo tần số 29 Hình 1.17 Sai lệch đặt anten chưa 33 Hình 1.18 Suy hao thiết bị phát thu 33 Hình 1.19 Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh 34 Hình 1.20 Can nhiễu viba trạm mặt đất vệ tinh 38 Hình 1.21 Can nhiễu hệ thống thông tin vệ tinh 39 Hình 1.22 Đặc tính vào TWT 40 Hình 1.24 Mức lùi đầu vào lùi đầu 40 Hình 2.1 Qũy đạo vệ tinh GPS 47 Hình 2.2 Các trạm điều khiển mặt đất 48 Hình 2.3 Cấu tạo hệ thống 49 Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống 49 Hình 2.5 Sơ đồ điều chế 51 Hình 2.6 Giải điều chế 52 Hình 2.7 Phương pháp tạo mã C/A 53 Hình 2.8 Cấu trúc liệu GPS 54 Hình 2.9 Mô tả định dạng điện văn 55 Hình 2.10 Cấu trúc từ TLM 56 Hình 2.11 Cấu trúc từ HOW 57 Hình 2.12 Mối quan hệ chức hệ thống GPS 58 Bảng 3.1 Các hạn chế hệ thống dẫn đường 62 Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống 62 Hình 3.3 Hệ thống SBAS 64 Hình 3.2 Cấu trúc nguyên lý hệ thống SBAS 64 Hình 3.4 GBAS comfonents 67 Hình 3.5 Hệ thống GBAS 68 Hình 3.6 Cấu trúc hệ thống GBAS 68 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, giới thông tin ngày phát triển cách đa dạng phong phú Nhu cầu thông tin liên lạc sống tăng số lượng chất lượng, đòi hỏi dịch vụ ngành Viễn Thông mở rộng Trong năm gần thông tin vệ tinh giới có bước tiến vượt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đưa người nhanh chóng tiếp cận với tiến khoa học kỹ thuật Sự đời nhiều loại phương tiện tiên tiến máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi kỹ thuật mà hệ thống cũ đáp ứng định vị không gian ba chiều, đứng trước đòi hỏi phủ Mỹ tài trợ chương trình nghiên cứu hệ thống định vị vũ trụ Được hướng dẫn Cô giáo Nguyễn Thị Dung em chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng hàng không” cho đồ án tốt nghiệp Nội dung đồ án gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh Chương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS Chương 3: Ứng dụng hệ thống GPS ngành hàng không Chương 1: Cung cấp khái niệm TTVT, định vị, sở lý thuyết phép định vị vệ tinh, phương trình đo mã, thiết lập mô hình toán học phép đo nguồn gây sai số phép đo tìm hiểu phương pháp ảnh hưởng tạp âm suy hao thông tin vệ tinh Chương 2: Tìm hiểu ưu điểm, chức năng, cấu tạo, cấu trúc-đặc tính tín hiệu, định dạng liệu điện văn GPS thông tin dẫn đường GPS Chương 3: Sẽ trình bày ứng dụng hệ thống GPS vào hàng không, đồng thời xét hai hệ thống tăng cường GBAS SBAS Sinh viên thực Lê Quang Huy CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN Từ viết tắt GPS Tiếng Anh Tiếng việt Global Positioning Systems GLONASS Global navigation Hệ thống định vị toàn cầu Định vị toàn cầu Nga Định vị toàn cầu Châu Âu CDMA Code Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo mã Satellite Vệ tinh LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo thấp D/C Down Converter Bộ hạ tần U/C Up Converter Bộ nâng tần HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất cao LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp PRN Pseudo Random Code Mã giả ngẫu nhiên BPSK Binary Phase Shift Key Khóa dịch pha nhị phân precise protectd Mã xác mã bảo vệ C/A Coarse/Acquired Mã S/A Selective Availability Là loại tín hiệu NDB Non – Directional Radio Beacon DME Distance Measuring Equipment Đài đo cự ly Instrument Loading Sysem Là hệ thống thiết bị mặt đất S P ILS VOR SBAS GBAS GMS Very High Frequency Omi Range Đài phát sóng dài phát vô hướng Đài vô tuyến phương vị mặt đất Satellite Based Augmentation Hệ thống tăng cường vệ System tinh Ground-Based Augmentation Hệ thống tăng cường mặt System đất Ground Monitor Station Trạm giám sát mặt đất MCS Master Control Station Trạm điều khiển GS Ground System Hệ thống mặt đất AS Aircraft System Hệ thống máy bay CNMP Multipath error confidence bounds Gới hạn nhiễu đa đường TROP Troposphere delay UDRE User Differential Range Error GIVE Grid Ionosphere Vertical Error Lỗi lưới dọc ion VPL Vertical protection level Mức bảo vệ dọc HPL Horizontal protection level Mức bảo vệ ngang Earth Cented Earth Fixed Hệ tọa độ có gốc tọa độ đặt Coordnate tâm trái đất cố định ECEF WGS-84 Trể tầng đối lưu World Geodetic System -1984 Lỗi sai lệch cự ly người dùng vệ tinh Hệ thống trắc địa học toàn cầu 1984 UTC Universal Time Coordinated Là hệ thời gian TLM Telemetry Là từ khung liệu HOW Hand-over Là từ thứ khung liệu International Civil Aviation Tổ chức hàng không dân dụng Organization quốc tế IGP Ionosphere Grid Piont Điểm lưới tầng ion IPP Ionospheric Pierce Points Điểm xuyên qua tầng Ion RF Radio Frequency Tần số vô tuyến Frequency Division Multiplex Đa truy nhập phân chia theo tần Access số ICAO FDMA TDMA Time Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian 2.8 Mối quan hệ chức hệ thống GPS GPS Satellites  1Th u thập liệu Testbed Ethernet Communications Testbed VHF Communications 2Xác định hiệu chỉnh  Xác định quỹ đạo SV   GNSS Testbed GPS Signal Cung cấp liệu độc lập xác nhận Xác định hiệu chỉnh SV Compute the Navigation Solution GNSS Testbed 5Xác định vẹn toàn SV Perform Data Analysis Perform System Operations Hình 2.12 Mối quan hệ chức hệ thống GPS 2.9 Hệ quy chiếu không gian thời gian Để đo lường xác độ cao, kinh độ vĩ độ, máy thu đo thời gian tín từ số vệ tinh truyền tới máy thu GPS sử dụng: - Hệ quy chiếu không gian: GPS cung cấp thông tin vị trí cho người sử dụng theo hệ tọa độ WGS-84 ( World Geodetic System -1984 ).Nếu thành phần GNSS sử dụng khác hệ tọa độ WGS-84, tham số biến đổi thích hợp phải cung cấp.GPS sử dụng hệ tọa độ gọi Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984 (WGS-84 - Worldwide Geodetic System 1984) Hệ thống tương tự đường kẻ kinh tuyến vĩ tuyến quen thuộc thường thấy đồ treo tường cỡ lớn Hệ thống WGS - 84 cung cấp khung tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép máy thu máy định vị hãng sản xuất 58 - Hệ quy chiếu thời gian: GNSS cung cấp liệu thời gian cho người sử dụng theo hệ thời gian UTC (Universal Time Coordinated) 2.10 Các hệ thống định vị khác 2.10.1 Hệ thống định vị toàn cầu Glonass GLONASS hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Liên bang Nga, tương tự GPS (NAVSTAR) Hoa Kỳ hay Galileo Liên minh châu Âu Nền hệ 24 vệ tinh, chuyển động bề mặt Quả Đất theo mặt quỹ đạo với góc nghiêng 64,8°, độ cao 19100 km Vệ tinh GLONASS Liên Xô đưa lên quỹ đạo ngày 12 tháng 10 năm 1982, vào ngày 24 tháng năm 1993 hệ thức đưa vào sử dụng Vào thời điểm nhóm vệ tinh gồm 17 làm việc hệ vệ tinh, tạm thời không dùng chưa đưa vào hệ Số lượng chưa đủ để bao phủ toàn bề mặt Quả Đất - Độ mở tích phân GLONASS Quả Đất: 80% - Độ mở tích phân GLONASS Nga: 94% - Đứt quãng tối đa định vị Quả Đất: 2.4 - Đứt quãng tối đa định vị Nga: 0.5 Để tăng số lượng vệ tinh lên 18 lãnh thổ Nga để việc định vị liên tục đảm bảo 100% Trên phần lại đất theo ngắt việc định vị đạt nửa Việc định vị liên tục thực toàn khu vực đất bảo đảm nhóm quỹ đạo từ 24 vệ tinh Các máy vũ trụ làm việc thời gian gồm vệ tinh «GLONASS-M», (1 phóng vào năm 2003, — vào 2005, — vào 2006), có thời gian bảo hành tồn tích cực năm Các vệ tinh này, khác với máy hệ trước, phóng tín hiệu dành cho nhu cầu dân dụng, cho phép tăng độ xác việc xác định vị trí Tương ứng với yêu cầu Tổng thống LB Nga nhóm tối thiểu từ 18 vệ tinh cần hoàn tất vào năm 2007 Nhóm đầy đủ từ 24 vệ tinh tương ứng với chương trình liên bang “ Hệ định vị toàn cầu ” cần hoàn tất vào năm 2010 59 Các vệ tinh «GLONASS-М» thành phần nhóm quỹ đạo nằm, tối thiểu, đến năm 2015 Các thử nghiệm bay vệ tinh bị rò rỉ hệ «GLONASS-K» với đặc tính tốt (thời gian bảo hành tăng lên 10 năm tần số thứ L-band dành cho nhu cầu dân dụng) cần bắt đầu vào năm 2008 Vệ tinh nhẹ lần so với hệ trước (ví dụ 700 kg so với 1415 kg «GLONASS-M») Trong tương lai, sau hoàn tất nhóm quỹ đạo từ 24 vệ tinh, để đảm bảo cung cấp cần thực năm phóng vệ tinh «GLONASSК» tên lửa mang «Sojuz», để giảm khấu hao sử dụng 2.10.2 Galileo châu âu Hệ thống định vị Galileo hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) xây dựng Liên minh châu Âu Galileo khác với GPS Hoa Kỳ GLONASS Liên bang Nga chỗ hệ thống định vị điều hành quản lý tổ chức dân dụng, phi quân Galileo theo kế hoạch thức hoạt động vào năm 2010, muộn năm so với kế hoạch ban đầu Vệ tinh: - 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động vệ tinh dự phòng) - Độ cao quỹ đạo: 23.222 km (quỹ đạo tầm trung) - Phân bố mặt chính, góc nghiêng 56 độ - Tuổi thọ thiết kế vệ tinh: > 12 năm - Trọng lượng vệ tinh: 675 kg - Kích thước vệ tinh: 2,7 m × 1,2 m × 1,1 m Năng lượng từ pin mặt trời: 1500 W (tại thời điểm tuổi thọ thiết kế) 2.10.3 Beidou Beidou Navigation System là kế hoạch Trung quốc phát triển, hệ thống dẫn đường độc lập Kế hoạch ngày 30-10-2000, ngày phóng vệ tinh Beidou 1A Hiện nay, Trung quốc phóng vệ tinh dự định phát triển đến 35 vệ tinh- vệ tinh địa tĩnh, 30 vệ tinh bay tầng bình lưu- tương lai 60 Kế hoạch Beidou: - Cung cấp dịch vụ miễn phí với độ xác 10 m, thời gian trể 50 ns - Cung cấp dịch vụ có phí với độ xác cao 2.10.4 Irnss The Indian Regional Navigational Satellite System (IRNSS) hệ thống dẫn được xây dựng quản lý bới Chính Phủ Ấn Độ Độ xác khoảng 20m lãnh thổ Ấn Độ 1500-2000 m nơi khác.Hệ thống khởi động từ 5-2006 hoàn thành vòng 6-7 năm 2.10.5 Qzss The Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) hệ thống định vị dẫn đường Nhật Bản Hệ thống Chính phủ Nhật uy quyền cho nhóm the Advanced Space Business Corporation (ASBC) gồm có Mitsubisi, Hitachi, GNSS Technology quản lý phát triển Mục tiêu QZSS thiết bị di động, dịch vụ viễn thộng (video, music, data) thông tin vị trí 2.11 Ưu điểm hệ thống so với hệ thống khác - Độ xác cao 95% thời gian 99,99% thời gian Lỗi vị trí theo phương ngang 100m 300m Lỗi vị trí theo phương dọc 156m 500m - Giá thành hạ: Khi so sánh với phép đo đòi hỏi ngắm thông, phép đo GPS loại bỏ hẳn việc ngắm thông trạm đo, giảm thiểu số lượng trạm đo cần xây dựng cho phép lựa chọn vị trí trạm đo cách thuận tiện hợp lý Bản thân giá thiết bị GPS rẻ - Hệ tọa độ thống nhất: Trước tháng 07/1985, hệ tọa độ trắc địa giới WGS-72 sử dụng Từ tháng 07/1985 đến tháng 09/1986 hệ toạ độ WGS – 84 dùng cho tính toán dự đoán lịch thiên văn, sau lại chuyển đổi trở hệ WGS-72 Từ tháng 01/1987 hệ toạ độ WGS – 84 thức sử dụng ứng dụng Sử dụng hệ toạ độ WGS – 84 đặc điểm có ảnh hưởng rộng rãi hệ GPS làm sở thống số liệu nhận từ nguồn ngoại lai hệ thống định vị tương đối khác 61 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TRONG NGÀNH HÀNG KHÔNG 3.1 Hạn chế hệ thống dẫn đường truyền thống NDB VOR/DME ILS /DME Hạn chế tầm phủ sóng X X X X X Khó khăn lắp đặt vùng sâu xa cao thiếu dẫn dẫn đường Khó khăn lắp đặt số cảng hàng không X Thiết bị cũ, tính X X Đường bay đặt dọc theo hệ thống nên kéo dài hành trình bay X X X Bảng 3.1 Các hạn chế hệ thống dẫn đường 3.2 Cấu trúc hệ thống Testbed Nhằm khắc phục phần hạn chế trên, xét hệ thống hệ thống sử dụng thông tin vệ tinh để dẫn đường Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống 62 3.2.1 Thiết bị TRS - Máy thu định vị GPS thu tín hiệu L1 tần số 1.575,42 MHz để cung cấp tọa độ WGS-84 (World Geodetic System-1984) máy bay - Trạm TMS: - Xử lý liệu từ TRS - Thu thập tọa độ máy bay vùng quản lý - Lưu trữ liệu sở liệu 3.2.2 Thiết bị TVR - Nhận tin từ TMR - Re-broadcasts SBAS 3.2.3 Trung tâm khai thác hệ thống (SOC) - Quản lý, giám sát hiển thị tình trạng hoạt động toàn hệ thống - Giám sát tình trạng hệ thống vệ tinh GPS để cung cấp thông tin đến trạm trung tâm tình trạng hoạt động hệ thống GPS để cảnh báo cho trạm máy bay biết tình trạng sai lệch bảo trì vệ tinh GPS, điều kiện dị thường tín hiệu vệ tinh, tượng bão từ gây sai lệch máy thu GPS máy bay 3.2.4 Thiết bị TUP -Nhận tin vệ tinh -Tính toán theo chuẩn MOPS để định vị 3.3 Các hệ thống tăng cường dẫn đường Do hạn chế nội hệ thống (GPS,GLONASS), khả không đáp ứng độ xác (accuracy) , tính toàn vẹn (integrity), mức độ tin cậy (reliability) cho yêu cầu dẫn đường hàng không giai đoạn chuyến bay, đặc biệt hoạt động tiếp cận xác hạ cánh, hệ thống tăng cường dẫn đường vệ tinh thiết lập để thoả mãn hạn chế cuả hệ thống Các hệ thống tăng cường dẫn đường vệ tinh là: Hệ thống tăng cường diện rộng SBAS hệ thống tăng cường cục GBAS Hệ thống tăng cường máy bay ABAS hệ thống độc lập chức tích hợp máy thu GPS máy bay để cung cấp khả báo động tình 63 trạng vệ tinh dẫn đường, đồng thời kết hợp số liệu dẫn đường từ nguồn khác máy bay để tăng cường mức độ sãn sàng độ xác định vị giai đoạn cuả chuyến bay 3.3.1 Hệ thống SBAS ( Satellite Based Augmentation System ) GEO GPS/GLONASS Dữ liệu tải lên GEO Quảng bá ranging (L1) - Xử lý liệu - Giám sát hệ thống - Cung cấp tín hiệu SBAS Ranging (L1) Thu tín hiệu GNSS Uplink tín hiệu SBAS GE S GE S MCS GMS MCS GMS Mạng ISDN mặt đất GMS GMS Hình 3.2 Cấu trúc nguyên lý hệ thống SBAS Hình 3.3 Hệ thống SBAS 64 3.3.1.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động SBAS Là hệ thống hỗ trợ cho vệ tinh tăng độ rộng vùng phủ sóng, truyền gửi tín hiệu cho thiết bị thu Hệ thống bao gồm nhiều trạm mặt đất, trạm lấy tín hiệu từ hay nhiều vệ tinh, thông tin môi trường làm ảnh hưởng đến tín hiệu người dùng Sau lấy thông tin trạm thực phép tính toán sai số gửi trả lại cho vệ tinh, truyền đến người sử dụng.Tuy SBAS thiết kế thực với quy mô lớn lại bị giới hạn quy tắc tổ chức hàng không dân dụng Quốc Tế ICAO, truyền theo dạng thông báo đặc biệt tần số phải phù hợp với Hoa Kỳ - Wide Area Augmentation System Hình 3.2 miêu tả kiến trúc SBAS bao gồm thành phần cần thiết tối thiểu Dữ liệu vệ tinh GPS/GLONASS hay GEO thu thập xử lý trạm giám sát mặt đất GMS (Ground Monitor Station) phân bố vùng cung cấp dịch vụ SBAS Các liệu chuyển đến trạm điều khiển MCS (Master Control Station) qua mạng số liệu ISDN mặt đất, trạm xử lý liệu để xác định mức độ vẹn toàn, hiệu chỉnh vi sai, thông tin lỗi thặng dư, thông tin tầng điện ly cho vệ tinh giám sát thiết lập tham số dẫn đường cho vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO).Thông tin gửi đến trạm vệ tinh mặt đất (GES) tải lên với thông điệp dẫn đường GEO đến vệ tinh GEO Các vệ tinh GEO quảng bá liệu tần số L1 điều chế tương tự tín hiệu GPS/GLONASS Để cung cấp mức độ vẹn toàn cho toàn hệ thống, SBAS xác minh tính vẹn toàn nội hệ thống đưa số xử lý cần thiết để đảm bảo yêu cầu hoạt động SBAS Máy thu SBAS máy bay xử lý: (1) Dữ liệu mức độ vẹn toàn để đảm bảo vệ tinh sử dụng cung cấp liệu dẫn đường hợp lệ, (2) hiệu chỉnh vi sai liệu thông tin tầng điện li để tăng cường độ xác phép giải nghiệm vị trí máy bay, (3) liệu đo cự ly từ nhiều vệ tinh GEO để xác định vị trí 65 3.3.1.2 Đánh giá hệ thống a Ưu điểm: - Cung cấp thông tin vị trí chiều xác, liên tục cho giai đoạn chuyến bay từ hoạt động đường dài đại dương đến tiếp cận xác cấp - Cung cấp chức dẫn đường quán nơi trái đất cho phép giảm thiểu tai nạn việc sử dụng nhiều hệ thống dẫn đường khác - Đơn giản hoá thiết bị máy bay - Tăng dung lượng vùng trời, giảm phân cách máy bay nhờ tăng độ xác dẫn đường b Nhược điểm: - Do tính chất phân bố hệ thống SBAS, yêu cầu phối hợp, hợp tác quốc tế chặt chẽ, gia tăng mức độ phức tạp việc quản lý mạng - Chất lượng dịch vụ mạng khu vực phụ thuộc vào số lượng trạm theo dõi lên cận khu vực - Vấn đề xử lý thời gian thực mạng diện rộng yêu cầu gia tăng số lượng trạm điều khiển GES - Thời gian chuyển giao mạng SBAS lớn (trên 10 phút) - Thuật toán hiệu chỉnh tầng Iôn cung cấp dịch vụ dẫn đường tiếp cận xác cấp có mức độ sẵn sàng thấp dù cấu hình mạng SBAS đầy đủ Yếu tố rủi ro xuất thuật toán không đáp ứng mong muốn, điều dẫn đến việc thực NPA số khu vực vùng dịch vụ 3.3.1.3 Một số SBAS khác - The Wide Area Augmentation System (WAAS) the United States Federal Aviation Administration (FAA) quản lý - The Wide Area GPS Enhancement (WAGE), the United States Department of Defense quản lý, dùng mục đích quân máy thu ủy quyền - The Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS) system, Japan's Ministry of Land, Infrastructure and Transport(JCAB) quản lý 66 - The GPS and GEO Augmented Navigation (GAGAN) system đề xuất Ấn Độ 3.3.2 Hệ thống GBAS ( Ground-Based Augmentation System ) Các thuật ngữ Ground Based Augmentation System (GBAS) and Groundbased Regional Augmentation System (GRAS) dùng để đến Hệ thống hỗ trợ tín hiệu măt đất Các trạm mặt đất xử lý tín hiệu rùi rùi gửi vệ tinh – phần SBAS, mà lấy Phép đo GNSS tín hiệu nhiều vệ tinh gửi tới người dùng cuối Hình 3.4 GBAS comfonents 3.3.2.1 Chức Dịch vụ định vị cung cấp GPS/GLONASS không thoả mãn đầy đủ yêu cầu mức độ vẹn toàn, liên tục, xác, sẵn sàng dẫn đường tiếp cận hạ cánh xác Hệ thống GBAS vận dụng khái niệm GPS vi sai, tăng cường GPS SPS /GLONASS để thoả mãn yêu cầu Các dịch vụ dẫn đường GBAS thể hình 3.1 3.3.2.2 Cấu trúc nguyên lý hoạt động GBAS hệ thống tích hợp bao gồm thành phần riêng biệt: Hệ thống mặt đất GS (Ground System) hệ thống máy bay AS (aircraft system) trình bày hình 3.4 67 Hình 3.5 Hệ thống GBAS GS cung cấp hiệu chỉnh vi sai, tham số vẹn toàn hệ thống, liệu lộ điểm phương thức tiếp cận xác quảng bá tần số VHF đến hệ thống AS máy bay Thành phần không gian cung cấp cho GS hệ thống máy bay tín hiệu đo cự ly ( GPS/GLONASS/SBAS ) tham số quỹ đạo Các giả vệ tinh đặt sân bay APL thiết lập để tăng cường cấu hình vệ tinh cục Hệ thống máy bay sử dụng hiệu chỉnh GS tín hiệu đo cự ly GPS/GLONASS SBAS để xác định vị trí với mức độ xác, vẹn toàn, liên tục, sẵn sàng theo yêu cầu Các thông tin vị trí hiệu chỉnh sai số sử dụng với liệu lộ điểm để điều khiển hệ thống chấp hành tương ứng máy bay thưc tiếp cận xác Hình 3.6 Cấu trúc hệ thống GBAS 68 3.3.2.3 Đánh giá hệ thống GBAS a Ưu điểm - Một hệ thống mặt đất GBAS phục vụ nhiều đường băng sân bay cho phép giảm thiểu chi phí thiết bị - Cung cấp dịch vụ dẫn đường đa phương thức, linh hoạt, cho phép thực tiếp cận cong b Nhược điểm - Vùng cung cấp dịch vụ giới hạn khu vực gần sân bay (dưới 30 NM) tín hiệu GBAS chịu ảnh hưởng yếu tố địa hình - Hiện thuật toán xác định khoảng tin cậy lỗi định vị cho cấp dịch vụ IIIa IIIb chưa hoàn thiện Khả vệ tinh phát tín hiệu nguy hại, dị thường vệ tinh hay tín hiệu vệ tinh gây nên lỗi mức độ vẹn toàn (Integrity) Vấn đề tiếp tục giải khung thời gian từ đến năm 2015 Mặt khác sử dụng tín hiệu ranging từ vệ tinh địa tĩnh SBAS vệ tinh có vùng phủ sóng phù hợp để tăng mức độ sẵn sàng 3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống tăng cường 3.3.3.1 Ảnh hưởng nhiễu Trên quan điểm lý thuyết , hệ thống GNSS thỏa mãn yêu cầu dẫn đường để trở thành hệ thống dẫn đường hàng không cung cấp dịch vụ dẫn đường tất giai đoạn chuyến bay Tuy nhiên, ảnh hưởng nguồn can nhiễu dẫn đến việc phải thiết lập hệ thống dẫn đường truyền thống làm hệ thống dự phòng loại bỏ ảnh hưởng can nhiễu hay thiết lập khả chống nhiễu cho thiết bị máy bay - Nhiễu truyền hình, hệ thống VHF mặt đất, Rada : hạn chế can nhiễu từ hệ thống việc sử dụng luật lệ quy định mức công suất giới hạn chấp nhận ảnh hưởng đến băng tần dẫn đường vệ tinh - Tăng cường tần số vệ tinh dẫn đường (phân tập tần số) để giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu 69 3.3.3.2 Ảnh hưởng khúc xạ tầng ion - Lỗi không làm thay đổi đến đặc tính hệ thống GPS/ GLONASS/ GBAS ảnh hưởng lớn SBAS - Giảm thiểu ảnh hưởng tầng Ion hệ thống SBAS việc tăng cường mật độ trạm theo dõi điểm lưới tầng Ion tăng cường thuật toán hiệu chỉnh - Việc sử dụng tần số vệ tinh dẫn đường dân thứ loại bỏ ảnh hưởng 3.3.3.3 Ảnh hưởng bão từ (Scintillation) - Bão từ xảy chu kỳ hoạt động cực đại mặt trời ảnh hưởng nhiều vùng xích đạo vùng cực quang (vĩ độ 65o N - 72oN , 15o 10o N đến 15o -> 10o S) - Bão từ tạo phân bố điện tử không đồng dịch chuyển từ trường trái đất gây nên hiệu ứng truyền sóng đa đường tín hiệu - Tại thời điểm vị trí khí trái đất , mật độ điện tử đủ lớn làm suy giảm tín hiệu nhiều vệ tinh GNSS đến 20 dB lớn khoảng thời gian đến vài phút Ngoài bão từ gây nên tượng jitter pha Các tượng dẫn đến việc tín hiệu máy thu hay đồng thu dẫn đến lỗi đo lường - Giảm ảnh hưởng cách sử dụng nhiều máy thu trạm theo dõi tàu bay (phân tập không gian) - Tăng cường cấu hình vệ tinh GPS - Với chu kỳ hoạt động cực đại mặt trời xấp xỉ 11 năm dự báo xác, nghiên cứu liên quan cho thấy khoảng 30% đợt bão từ làm thay đổi mật độ điện tử tầng Ion thời gian bão từ kéo dài vài ngày Tuy nhiên ảnh hưởng lớn xảy vài bão từ - Các thuật toán xác định lỗi truyền sóng qua tầng Ion sử dụng số liệu tầng Ion qua giai đoạn liên tục Vì vài xuất bão từ, giới hạn lỗi đủ lớn làm suy giảm mức độ sẵn sàng hệ thống SBAS đến 0,99 Như thời gian SBAS cung cấp dịch vụ dẫn đường đến NPA - Sau đợt bão từ tháng 05/2000, ảnh hưởng xấu hệ thống SBAS cần đánh giá để đưa thay đổi cần thiết bổ sung vào thiết kế hệ thống 70 KẾT LUẬN Việc nghiên cứu hệ thống vệ tinh dẫn đường GPS ứng dụng cho ngành hàng không cần thiết để nâng cao chất lượng, an toàn chuyến bay Tuy vấn đề so với nước ta sử dụng nhiều nước phát triển, mà năm tới công trình hoàn toàn khả thi Đồ án sâu vào hệ thống SBAS để nâng cao độ an toàn cho máy bay Vì đạt kết sau: Đồ án nêu bật khả ứng dụng hệ thống vệ tinh ứng dụng toàn cầu Đồ án phân tích lỗi biện pháp khắc phục lỗi gây khiến phép định vị bị sai lệch, đồng thời qua hệ thống tăng cường xữ lý lỗi Tuy khiêm tốn đảm bảo cho chuyến bay an toàn nhờ xữ lý triệt lỗi UDRE, GIVE,… mà trước chưa có hệ thống đạt Đồ án nêu mức bảo vệ máy bay theo phương dọc (VPL), phương ngang (HPL), độ sẵn sàng, qua mà phi công có thông tin xác vị trí máy bay để đảm bảo chất lượng, an toàn cho chuyến bay Do thời gian làm đồ án có hạn hạn chế không tránh khỏi việc hiểu biết vấn đề chủ yếu dựa lý thuyết nên đồ án tốt nghiệp em chắn không tránh khỏi thiếu sót Em mong có ý kiến đánh giá, góp ý thầy bạn để đồ án thêm hoàn thiện Cuối em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy cô khoa bạn giúp đỡ em hoàn thành đồ án Em xin trân thành cảm ơn! 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cục hàng không dân dụng Việt Nam, “Giới thiệu kiến thức hệ thống CNS/ATM”, 1997 [2] ThS Lê Hoài Nam, Luận văn cao học: “Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS ứng dụng cho ngành hàng không dân dụng Việt Nam”.năm 1999 [3] TS Nguyễn Văn Tuấn, “Giáo trình thông tin vi ba-vệ tinh” Tái năm 2004 [4] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin vệ tinh”, nhà xuất Hà Nội Năm 1995 [5] “Aeonautical Telecommunication”, Annex 10,14, July 1996 [6] Company Prpfile Air Navigation System, “Airsys ATM” Năm 2001 [7] Mobinder S Grewal, Lawrence R, Weill, and Angus P Andrews “Global Positioning System”.Năm 2005 [8] James Bao –Yen TSUI, “Fundamentals of Global Positioning System Receivers” Năm 2000 72 [...]... 1.1 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 13 Hiện nay, băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất, băng C (4/6 GHz) nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, suy hao ít do mưa, trước đây được dùng cho các hệ thống viba mặt đất Sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ thống khác bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa Băng Ku (12/14 và 11/14 GHz), được sử dụng rộng rãi... QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Khái quát về định vị Thật vậy, từ xa xưa con người đã biết vận dụng nhiều phương pháp như: - Định vị cổ điển như quan sát theo dõi các ngọn núi, tòa nhà cao - Định vị quan sát các chòm sao và hành tinh trên vũ trụ: như sao Bắc đẩu để xác định vị trí của mình tuy là không chính xác lắm Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và các phương pháp định vị hiện... có những ưu khuyết điểm riêng và đều có thể sử dụng trong phép đo một chiều hoặc hai chiều Hệ thống định vị vô tuyến toàn cầu là hệ thống đo cự ly một chiều có khả năng sử dụng cả hai loại: sóng xung và sóng liên tục 1.6.1.4 Nguyên lý đo cự ly cơ bản Bằng cách xác định khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu ta có thể tính toán được cự ly giữa chúng nhờ vào công thức: Cự ly = vận tốc... tiến bộ của khoa học kỹ thuật và các phương pháp định vị hiện đại như: - Định vị quán tính - Định vị vô tuyến mặt đất - Định vị vô tuyến không gian người ta đã tính toán và đo được các thông số của quá trình chuyển động (vị trí, vận tốc, thời gian,…) chính xác hơn 1.2 Nguyên lý của hệ thống thông tin vệ tinh Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thông tin ngoài trái đất Nó có nhiệm vụ... ly eijIj giữa 2 vị trí nói trên (eij là vector đơn vị) Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có thể có những kỹ thuật định vị vệ tinh khác nhau và xác định được vị trí của anten thứ i theo công thức sau: Ri = rj - eijij (1.1) Hình 1.4 vị trí các vật thể được xác định qua 4 phép đo 14 Do vị trí của vệ tinh thay đổi theo thời gian nên việc dự đoán một cách chính xác vị trí của vệ tinh... tinh Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến nhanh chóng vì nhiều lý do khác nhau Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp quang và hệ thống chuyển tiếp viba số là: - Có khả năng đa truy nhập - Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần 3 vệ tinh địa tĩnh là có thể phủ sóng toàn cầu 11 - Ổn định cao, chất lượng và. .. khi sử dụng kỹ thuật TDMA - Giao diện với các hệ thống mặt đất tương tự rất phức tạp dẫn đến giá thành của hệ thống cao 1.8.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA CDMA (Code Division Multiplex Access) là phương pháp truy nhập ứng dụng kỹ thuật trải phổ, trong đó mọi đối tượng có thể : - Được phép hoạt động đồng thời; 26 - Hoạt động tại tần số như nhau; - Sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống. .. hợp cho thông tin chất lượng cao 1.6 Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh Để xác định vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử dụng vệ tinh làm các điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thể đến các vệ tinh này (Hình 1.4) Ở đây ta đã biết trước vị trí rj của vệ tinh thứ j (phát ra tín hiệu) và muốn xác định vị trí Ri của anten thứ i (thiết bị thu tín hiệu vệ... là một trong hai giao điểm P1, P2 của mặt cầu (S3) với đường tròn (O), như ở hình 1.5 Như vậy, bằng các phép đo cự ly từ vật thể i đến 3 vệ tinh, ta có thể xác định được 2 vị trí có thể có của nó trong không gian Để xác định vị trí nào là vị trí thật ta có thể thực hiện 1 phép đo bổ sung, tuy nhiên 1 trong 2 vị trí tính được từ phép đo này sẽ cho một kết quả không phù hợp (hoặc là ở rất xa trái đất,... thiết bị phát và thu Suy hao trong thiết bị phát và thu còn gọi là suy hao do hệ thống fiđơ, có hai loại như sau: Suy hao LFTX giữa máy phát và anten, để anten phát được công suất PT cần phải cung cấp một công suất PTX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do vậy: PT = PTX - LFTX [dB] Suy hao LFRX giữa anten và máy thu, công suất PRX ở đầu vào máy thu bằng: PR = PRX - LFRX [dB] Trong các hệ thống vệ tinh