Phương pháp điều chế tín hiệu vô tuyến trong hệ thống dẫn đường GPS

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Selective Availability – Sai số nhân tạo 2nd Space Operations Squadron - Một đơn vị phi đội không quân trực thuộc Không quân Mỹ Binary Phase Shift Ke

Em muốn cảm ơn bố mẹ đã luôn cố gắng cho em điều kiện học tập tốt nhấttrong những năm qua và đặc biệt là trong thời gian hoàn thành đồ án tốt nghiệpnày.

Cuối cùng, em xin cảm ơn tới toàn thể các thày cô giáo trường Đại họcHàng Hải Việt Nam nói chung và các thày cô giáo bộ môn Điện tử - Viễn thôngcùng toàn thể các bạn trong tập thể lớp ĐTV51-ĐH nói riêng đã cho em nhữngnăm tháng sinh viên học tập nhiều ý nghĩa

Hải phòng, tháng 12 năm 2014 Sinh viên thực hiện đề tài

Tiêu Thị Mai Hoa

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Phương pháp điều chế tín hiệu vô tuyếntrong hệ thống dẫn đường GPS” là do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn củathày giáo - TS Trần Xuân Việt

Trong đồ án này hoàn toàn là những ghi chép, sắp xếp trình bày lại nhữngđiều em đã được học và đọc được qua các tài liệu có liên quan Ngoài ra, trong

đồ án em cũng sử dụng các số liệu, hình vẽ được công bố rộng rãi trên mạng quamột số website tin cậy Những nguồn tài liệu này em đã liệt kê trong phần tàiliệu tham khảo

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

LỜI MỞ ĐẦU x

CHƯƠNG I: GPS – HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU 1

1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG GPS 1

1.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG GPS 3

1.2.1 Khâu vũ trụ 3

1.2.2 Khâu mặt đất 8

1.2.3 Khâu thuê bao 12

1.3 Ý TƯỞNG ĐỊNH VỊ CỦA HỆ THỐNG GPS 13

1.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS 15

1.6 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA GPS 19

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ ỨNG DỤNG TRONG GPS 21

2.1 Điều chế BPSK 21

a Sơ đồ điều chế BPSK 22

b Sơ đồ giải điều chế BPSK 25

2.2 Điều chế QPSK 25

a Sơ đồ điều chế QPSK 26

b Sơ đồ giải điều chế QPSK 29

2.3 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP 30

2.3.1 Máy phát DSSS – BPSK 31

2.3.2 Máy phát DSSS-QPSK 34

2.3.3 Độ lợi xử lý 37

2.3.4 Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ 37

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG GPS 39

3.1 CÁC MÃ TRẢI PHỔ 39

3.1.1 Mã C/A 39

3.1.2 Mã P 40

3.1.3 Mã Y 41

3.2 BẢN TIN DẪN ĐƯỜNG 41

3.2.1 Giới thiệu chung về bản tin dẫn đường 41

3.2.2 Cấu trúc của từ mã TLM và từ mã HOW 44

3.3 SƠ ĐỒ TẠO TÍN HIỆU GPS 45

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 53

ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 54

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Selective Availability – Sai số nhân tạo

2nd Space Operations Squadron - Một đơn vị phi đội không quân trực thuộc Không quân Mỹ

Binary Phase Shift Keying – điều chế dịch pha nhị phân

Code Division Multiple Access - phương pháp đatruy nhập phân chia theo mã

Direct Sequence Spread Spectrum - Trải phổ chuỗi trực tiếp

U.S Department of Defense - Bộ quốc phòng HoaKỳ

Geostationary Satellite - Vệ tinh địa tĩnhGlobal Positioning System – Navigation System Time And Ranging - Hệ thống dẫn đường vệ tinh của Mỹ

Handover Word - từ mã chuyển giaoLeast Significant Bit - Bit có trọng số thấp nhấtMedium Earth Orbit - Quỹ đạo trái đất tầm trungMeasuring Point - Điểm đo

Most Significant Bit - Bit có trọng số cao nhấtNational Aeronautics and Space Administration -

Cơ quan Hàng Không và Vũ Trụ của MỹNavigation Point - Điểm mốc dẫn đườngPrecise Positioning Service - Dịch vụ định vị chính xác dành riêng cho những thuê bao đặc biệt hoặcmất cước

Pseudo Random Noise – Mã giả ngẫu nhiênQuadrature Phase Shift Keying - điều chế dịch

Standard Positioning Service - Dịch vụ định vị tiêu chuẩn dành cho tất cả các thuê bao

Space Vehicle Identity - Số nhận dạng vệ tinhSpace Vehicle Number - Số vệ tinh

Telemetry Word - từ mã điều khiển xaTime-Of-Week count - Số đếm thời gian trong tuần

Đài thiên văn hàng hải Mỹ

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu hình hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS 3

Hình 1.2 Độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh so với

Hình 1.7 Độ trễ giữa chuỗi PRN code nhận được và chuỗi

Hình 2.6 Sơ đồ giải điều chế QPSK 30

Hình 2.7 Sơ đồ đơn giản của máy phát và máy thu trong hệ

Hình 2.8 Sơ đồ máy phát DSSS - BPSK 33

Hình 2.9 Đồ thị dạng sóng tín hiệu DSSS-BPSK 34

Hình 2.11 Đồ thị dạng sóng tín hiệu DSSS-QPSK 37

Hình 3.1 Cấu trúc toàn bộ bản tin dẫn đường GPS 44

Hình 3.2 Cấu trúc từ mã TLM và từ mã HOW 45

Hình 3.3 Sơ đồ tạo tín hiệu phát của các vệ tinh GPS 47

Hình 3.4 Sơ đồ tạo tín hiệu phát GPS băng L 1 48

Hình 3.5 Sơ đồ tạo tín hiệu phát GPS băng L 2 49

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghệ ngày càng phát triển hiện nay, thông tin vệ tinh

đã trở thành một khái niệm hết sức phổ biến và quen thuộc với cuộc sống củacon người Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy sự hiện diện của thông tin vệ tinhtrong cuộc sống hàng ngày của con người, từ dịch vụ truyền hình số vệ tinh, hệthống dẫn đường lắp đặt trên các phương tiện giao thông hay phần mềm dẫnđường trong chính chiếc điện thoại di động nhỏ bé của chúng ta ; từ việc sửdụng một phần nào đó các ứng dụng của thông tin vệ tinh cho lĩnh vực dân sự,cho tới các hệ thống thông tin vệ tinh chuyên dụng phục vụ cho quân sự mà tavẫn nghe nhắc tới trên các phương tiện truyền thông, đài báo

Nói tới thông tin vệ tinh, không thể không nhắc tới hệ thống định vị toàncầu GPS - Global Positioning System của Mỹ Trên thế giới khái niệm GPS đãtồn tại khá lâu, mang đến nhiều tiện ích, đặc biệt quan trọng trong việc dẫnđường của hàng không, đường thủy, đường bộ và cả đường sắt Từ những ứngdụng trong lĩnh vực quân sự cho tới những ứng dụng trong lĩnh vực dân sự đềuhết sức đa dạng Vì vậy, em quyết định chọn mảng kiến thức về hệ thống GPSnày để làm đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Phương pháp điều chế tín hiệu vô tuyếntrong hệ thống GPS” dưới sự hướng dẫn của thày giáo - TS Trần Xuân Việt.Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp này, em xin trình bày một số nội dung nhưsau:

Chương I: GPS – Hệ thống định vị toàn cầu

Chương II: Cơ sở lý thuyết điều chế ứng dụng trong GPS

Chương III: Phương pháp điều chế tín hiệu trong hệ thống GPS

Do khả năng có hạn nên đồ án không tránh khỏi các sai sót, em rất mongnhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thày cô để có thể hiểu hơn về đề tài này

Hải Phòng, tháng 12 năm 2014 Sinh viên thực hiện đề tài Tiêu Thị Mai Hoa

CHƯƠNG I GPS – HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU 1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG GPS

Từ những năm 60 của thế kỷ 20, quân đội và Cơ quan Hàng Không và VũTrụ của Mỹ (NASA – National Aeronautics and Space Administration) đã tiếnhành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chínhxác bằng vệ tinh nhân tạo

Hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS - NAVSTAR (Global Positioning System

- Navigtion Satellite Timing And Ranging) hiện nay được biết đến rộng rãi vớitên gọi là hệ thống định vị toàn cầu GPS GPS bắt đầu được nghiên cứu từnhững năm 70, được phát triển bởi chính phủ Mỹ, quản lý bởi Không Lực Mỹ( U.S Air Force) và giám sát bởi ủy ban Định vị - Dẫn đường Bộ Quốc phòng

Mỹ Đây là hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc

độ và thời gian cho các máy thu GPS ở khắp mọi nơi trên trái đất, trong mọi thờiđiểm và mọi điều kiện thời tiết

Trong những năm đầu của thập kỷ 80, Mỹ đã chính thức cho phép ứngdụng GPS trong dân sự Sự kiện quan trọng đánh dấu mốc thời gian này là vàonăm 1983, chuyến bay 007 của hãng hàng không Korean Air Lines đã xâmphạm không phận của Liên Xô do sự cố một thiết bị dẫn đường bị hỏng Liên

Xô đã bắn hạ chiếc máy bay này dẫn tới thảm kịch 269 hàng khách thiệt mạng.Sau tai nạn này, nhận thấy nhu cầu định vị và dẫn đường cho các ứng dụng hàngkhông và dân dụng trở nên cấp thiết, tổng thống Ronald Reagan đã ra lệnh choquân đội Mỹ phải mở cửa một phần GPS cho các ứng dụng dân sự Sự kiện nàyđánh dấu sự bắt đầu lan tỏa của công nghệ GPS từ lĩnh vực quân sự dần sangcác lĩnh vực dân sự khác trên khắp toàn cầu

Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua

để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinhchuyên dụng GPS cũng như thiết kế, xây dựng và phát triển các hệ thống có tínhnăng tương tự của riêng quốc gia mình Hàng loạt các máy thu GPS do nhiều

hãng trên thế giới sản xuất đã đưa ra phục vụ người dùng dân sự Bởi vậy, giáthành máy thu GPS nhìn chung đã giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổcập cao Tất nhiên đi đôi với độ chính xác càng cao thì cấu tạo của thiết bị định

vị GPS sẽ càng phức tạp và giá thành càng cao hơn

Tuy nhiên, vẫn phải khẳng định rằng GPS là một hệ thống của quân đội vớimục đích trước nhất là dành cho quân sự Do đó, Mỹ nhận thấy GPS và độ chínhxác của nó có thể gây nguy hiểm đến các quyền lợi cũng như ưu thế của mình

Để tránh hiểm hoạ này, Mỹ đã đưa sai số nhân tạo SA (Selective Available) vào

áp dụng vào năm 1990 nhằm làm giảm độ chính xác của GPS để ngăn ngừa ứngdụng GPS vào các hành động chống lại quyền lợi của Mỹ

Sau đó vào tháng 5 năm 2000, kỹ thuật quân sự Mỹ đã tiến khá xa, lúc nàytổng thống Bill Clinton mới ra lệnh tắt SA Kể từ đó tới nay, nhu cầu sử dụngmáy thu GPS cá nhân và dân sự mới thực sự bùng nổ Mặc dù mỗi năm Mỹ phảitiêu tốn một só tiền không nhỏ để quản lý, vận hành và duy trì hoạt động của hệthống GPS nhưng tất cả mọi người trên thế giới đều có thể sử dụng một số chứcnăng của GPS miễn phí, bất kể quốc tịch nào

Trong mỗi lĩnh vực khác nhau, việc yêu cầu về độ chính xác là khác nhau

Do vậy, việc đặt ra yêu cầu cụ thể về độ chính xác cho mỗi lĩnh vực luôn là điềucần thiết Do đó, cũng tùy vào mỗi lĩnh vực mà người ta lại lựa chọn một mức

độ khác nhau về độ chính xác của GPS Hệ thống GPS cung cấp hai cấp độchính xác về dịch vụ:

- Dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS (Standard Positioning Service): là mộtdịch vụ cung cấp cho tất cả người sử dụng GPS một cách liên tục trên toàn thếgiới mà không phải trả phí

- Dịch vụ định vị chính xác PPS (Precise Positioning Service): dịch vụ nàychỉ cung cấp thông tin định vị chính xác cho hoạt động quân sự của Mỹ và đồngminh hay những người sử dụng được Bộ quốc phòng Hoa Kỳ (DoD - U.S.Department of Defense) cấp phép

1.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG GPS

Hệ thống GPS cũng như tất cả các hệ thống thông tin vệ tinh khác, đều cócấu hình gồm ba khâu như hình 1.1 Cụ thể bao gồm :

- Khâu vũ trụ - Space Segment

- Khâu mặt đất hay còn gọi là khâu điều khiển - Control Segment

- Khâu thuê bao hay còn gọi là khâu người sử dụng - User Segment

Hình 1.1: Cấu hình hệ thống địng vị toàn cầu GPS

1.2.1 Khâu vũ trụ

Khâu vũ trụ của một hệ thống thông tin vệ tinh cho trước được hiểu là tổhợp tất cả các vệ tinh của hệ thống hoạt động trên các quỹ đạo cũng như tất cảcác tổ hợp thiết bị, công việc liên quan đến quá trình đưa vệ tinh lên các qũyđạo Các vệ tinh nhân tạo này chuyển động trên các quỹ đạo tạo thành chòm sao

vệ tinh (Constellation of Satellites) liên tục phát tín hiệu quảng bá khắp toàncầu, được ví như trái tim của toàn hệ thống GPS

Từ khi bắt đầu xây dựng vào năm 1973, khâu vũ trụ của hệ thống có nhiềuthay đổi Sự thay đổi này không chỉ ở số lượng, kết cấu các vệ tinh công tác trênquỹ đạo mà còn cả ở số lượng các quỹ đạo cũng như các thông số khác củachúng.Hiện nay khâu vũ trụ của hệ thống GPS có 32 vệ tinh sẵn sàng hoạt độngvới một vài vệ tinh dự phòng có thể kích hoạt khi cần thiết

Vệ tinh GPS là vệ tinh quỹ đạo trái đất tầm trung (MEO – Medium EarthOrbit) vì chúng bay ở độ cao khoảng 20200 km (12600 mile) so với mực nước

biển và hoạt động bằng nguồn pin năng lượng mặt trời Các vệ tinh nàyđượctrang bị đồng hồ nguyên tử có độ chính xác rất cao và được đặt trên sáu mặtphẳng quỹ đạo được dán nhãn từ A đến F Đâylàcác quỹ đạo gần tròn(quỹ đạo làmột hình elipse với tâm sai khoảng 0,01) với tâm là trái đất, bán kính xấp xỉ

26600 km (16500 mile) Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh có độ nghiêng khoảng 55°

so với xích đạo để đảm bảo mức độ bao phủ các vùng địa cực Chu kỳ quỹ đạo

vệ tinh tương ứng khoảng 11 giờ 58 phút Do đó chúng sẽ đi qua cùng một điểmtrên trái đất sau 23 giờ 56 phút (hai lần chu kỳ quỹ đạo vệ tinh) mỗi ngày với tốc

Ban đầu chòm sao vệ tinh GPS được xây dựng với chuỗi gồm 11 vệ tinh

khoảng thời gian từ năm 1978 đến năm 1985 và được xây dựng chủ yếu để phục

vụ mục đích thí nghiệm Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo so với xích đạo củachúng là 63° với thời gian sống theo thiết kế là 4,5 năm Vệ tinh thuộc Block Icuối cùng chấm dứt cung cấp dịch vụ vào ngày 18/11/1995

Tiếp sau các vệ tinh Block I, Mỹ không ngừng đầu tư nghiên cứu, thiết thếlăp ráp cho ra đời nhiều vệ tinh thế hệ mới Từ đó tới nay nhiều thế hệ vệ tinhmới đã được phóng thành công lên quỹ đạo Bảng 1.1 dưới đây đưa ra một sốthông số của các block vệ tinh hiện hành:

Bảng 1.1 : Thông số của một số block vệ tinh hiện hành

BlockIIA

BlockIIR

BlockIIR-M

BlockIIFNhà

thầu chính

RockwellInternational

1990-2004

1997-2009

2005-từ28/5/2010Năng

2450wattsCân

Ngoài ra Mỹ cùng với nhà thầu Lookheed Martin cũng đang tiến hành kếhoạch lắp ráp, vận hành thử thế hệ vệ tinh mới GPS III hay Block III với cácchức năng mạnh hơn, cung cấp dịch vụ đa dạng, tin cậy hơn

Ngoài việc phân ra theo các block như trên, mỗi vệ tinh GPS còn đượcphân biệt theo một số chỉ số đặc trưng Chỉ số đầu tiên dựa trên số thứ tự phóng

gọi là số NAVTAR hay số vệ tinh SVN (Space Vehicle Number) Đây là hệđược sử dụng theo quy định của cơ quan chương trình chung của Mỹ.Chỉ số thứhai là số giả ngẫu nhiên PRN (Pseudo Random Noise) Ngoài ra còn có số nhậndạng vệ tinh SVID (Space Vehicle Identity).Các chỉ số này của chòm sao vệ tinhGPS hiện hàng được trích từ websie www.navipedia.net cập nhật ngày07/11/2014 thể hiện trong bảng 1.2dưới đây:

đạo)

Slot(

Vị trí)

SVN(S

ố hiệu

vệ tinh)

PRN(S

ố giảngẫunhiên)

Block-type(T

hế hệ vệtinh)

Clock(Đồng hồnguyên tử)

Ba bộ phận chính của khâu mặt đất bao gồm trạm chủ - Master ControlSegment, trạm giám sát theo dõi - Monitor Station và anten mặt đất - GroundAntena.

Hình 1.2 dưới đây cho thấy số lượng cũng như sự bố trí cụ thể của từng loạitrạm trong khâu điều khiển của hệ thống GPS hiện nay

Hình 1.3: Các trạm mặt đất trong hệ thống GPS a) Trạm giám sát

Có 16 trạm giám sát (Monitor Station) đặt ở nhiều nơi trên thế giới baogồm 6 trạm thuộc quyền không quân Mỹ (Air-Force) và 10 trạm giám sátchuyên biệt do cơ quan tình báo không gian quốc gia Mỹ (NGA - NationalGeospatial-Intelligence Agency) điều hành làm nhiệm vụ bám sát, theo dõi vệtinh, thu dữ liệu do vệ tinh truyền về, nhận các thông tin về bầu khí quyển Sự

bố trí 16 trạm theo dõi này cụ thể như sau:

 6 Air Force Monitor Station được đặt tại:

- Colorado

- Kwajalein (Thái Bình Dương)

- Đảo Ascension (Đại Tây Dương)

- Đảo Diego Garcia (Ấn Độ Dương)

- Bán đảo Kaen trên quần đảo Hawaii (Thái Bình Dương)

- Cape Canaveral (bang Florida, Mỹ)

 10 NGA Monitor Station được đặt tại:

b) Trạm hiệu chỉnh

Các trạm hiệu chỉnh đôi khi còn được gọi là các trạm cập nhật hóa(Injection Station /Uploading Station) Cụ thể gồm:

 4 trạm anten mặt đất chuyên dụng(Ground Antenna) được đặt tại:

- Đảo Ascension (Đại Tây Dương)

- Kwajalein (Thái Bình Dương)

- Đảo Diego Garcia (Ấn Độ Dương)

- Cape Canaveral (bang Florida, Mỹ)

 8 các trạm anten dùng chung (AFSCN Remote Station) được đặt tại:

do các trạm giám sát gửi về và xử lý chúng (tính lịch thiên văn, hiệu chỉnh đồng

hồ nguyên tử vệ tinh, hiệu chỉnh và điều khiển quỹ đạo, kích hoạt vệ tinh thaythế hay dự phòng ) Sau quá trình xử lý này, trạm chủ gửi lại thông tin đã hiệuchỉnh tới một trong những trạm anten mặt đất để phát lên những vệ tinh GPSthông qua đường link băng S Mục đích chính của việc gửi đi những thông tinhiệu chỉnh này là nhằm điều chỉnh quỹ đạo bay và đồng bộ thời gian cho các vệtinh cùng với thông tin về sự suy hao đường truyền, đảm bảo tính chính xác củakết quả định vị GPS

Ngoài ra còn có một trạm chủ dự phòng - Alternate Master Control Stationđược đặt tại căn cứ không quân Vandenberg (California) nhằm đảm bảo hệthống có thể hoạt động liên tục không bị gián đoạn ngay cả trong trường hợptrạm chủ tại Colorado xảy ra sự cố

Tóm lại, từng trạm giám sát kiểm tra độ chính xác, vị trí, tốc độ và toàn bộtình trạng của các vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo Phân hệ điều khiển chủ

sử dụng các kết quả đo được lựa chọn từ các trạm giám sát để dự đoán thuộctính quỹ đạo và đồng hồ của từng vệ tinh Dữ liệu dự đoán này được phát tới các

vệ tinh để vệ tinh truyền ngược lại tới người sử dụng Một trạm có thể kiểm tratới nhiều vệ tinh tại một thời điểm Từng trạm sẽ thực hiện kiểm tra hai lần mộtngày đúng lúc mà các vệ tinh thực hiện xong cuộc hành trình quanh trái đất

Những biến đổi nổi bật do lực hấp dẫn của mặt trăng, mặt trời và áp suất củabức xạ mặt trời gây ra đều được loại bỏ bởi trạm điều khiển chủ này.

1.2.3 Khâu thuê bao

Khâu thuê bao trong hệ thống định vị vệ tinh GPS gồm tất cả các điểm thu(bao gồm cả máy thu quân sự và dân sự) bất kể chủng loại nào dùng để thu tínhiệu từ các vệ tinh GPS

Thiết bị thu GPS là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc biệt Nó đượcthiết kế để thu tín hiệu sóng vô tuyến được truyền từ các vệ tinh và tính toán vịtrí dựa trên thông tin đó Tất nhiên, các máy thu (receivers) như tên gọi củamình, chúng chỉ đơn thuần nhận thông tin một chiều gửi xuống từ vệ tinh màkhông truyền đi bất cứ thông tin gì tới các vệ tinh Do đó có thể nói các máy thuGPS định vị một cách thụ động và GPS không theo dõi người dùng Thiết bị thuGPS có nhiều kích cỡ cũng như hình dáng, mức độ chuyên dụng tương ứng vớigiá thành khác nhau Các máy thu có thể phân thành hai loại:

- Đơn kênh trên một tần số: chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mangL1 (f1 = 1575,42MHz) Các máy thu này phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệtđối với độ chính xác 10m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1÷5cm

- Đa kênh trên hai tần số: nhận được cả hai sóng mang L1 và L2 (f2 = 1227,6MHz) với khoảng cách dài đến vài nghìn km, ta sử dụng máy thu hai tần số này

để khử ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển Trái Đất

Trong thực tế hiện nay người ta sử dụng nhiều loại máy thu để thu và xử lýtín hiệu GPS phục vụ dẫn đường cho phù hợp với nhiều loại thiết bị khác nhautrong nhiều lĩnh vực Nhưng nhìn chung để đáp ứng việc thu được tín hiệu GPSthì các máy thu đều có sơ đồ khối sau:

- Lọc và khuếch đại tín hiệu cao tần

- Đổi tần và khuếch đại trung tần

- Số hóa tín hiệu GPS

- Xử lý tín hiệu băng cơ sở

1.3 Ý TƯỞNG ĐỊNH VỊ CỦA HỆ THỐNG GPS

Khái niệm định vị dẫn đường được hiểu là quá trình xác định vị trí hayphương hướng hành trình của con người hay các phương tiện đi đến một đích cụthể nào đấy, trong một vùng địa lý hay một tuyến chuyển động nhất định Conngười hay các phương tiện ở đây được gọi chung là chủ thể hay điểm đo (MP –Measuring Point) Các vật thể định hướng và có vị trí xác định được gọi là cácmốc đạo hàng (NP – Navigation Point)

Trong hệ thống GPS các mốc đạo hàng chính là các vệ tinh nhân tạo trongkhâu vũ trụ đã đề cập tới ở phần trên Việc định vị vị trí của các chủ thể (conngười, phương tiện) thực chất chính là việc xác định vị trí của các máy thu GPS

mà con người mang theo hay được lắp đặt trên các phương tiện đó

Ý tưởng định vị của hệ thống GPS xuất phát từ một nguyên lý toán học đơngiản Đó là trong một mặt phẳng, nếu biết chính xác vị trí của ba điểm A, B, C

cố định không trùng nhau và khoảng cách RA, RB, RC từ mỗi điểm đó tới mộtđiểm X chưa biết thì ta có thể dễ dàng xác định được vị trí của điểm X đó Lờigiải cho bài toán hình học trong mặt phẳng này rất đơn giản: điểm X có vị tríđược xác định chính là giao điểm của cả ba đường tròn tâm A, B, C có bán kính

RA, RB, RC tương ứng Tuy nhiên đó là định vị trên một mặt phẳng (hai chiều).Khi áp dụng vào định vị trong không gian ba chiều, điểm X nói trên chính làmáy thu GPS và các đường tròn sẽ trở thành các mặt cầu với tâm là các vệ tinhxác định

Giả sử khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là R1 => mục tiêu (máythu GPS) nằm đâu đó trên mặt cầu (I) có tâm là vệ tinh thứ nhất, bán kính R1.Tương tự nếu biết khoảng cách từ máy thu GPS tới vệ tinh thứ hai là R2 =>mục tiêu nằm trên đường tròn giao tuyến giữa hai mặt cầu (I) và mặt cầu (II) cótâm là vệ tinh thứ hai, bán kính R2

Hình 1.4:Trường hợp biết được khoảng cách từ máy thu tới hai vệ tinh

Tiếp tục nếu biết khoảng cách từ máy thu GPS tới vệ tinh thứ ba là R3 =>mục tiêu là một trong hai giao điểm của đường tròn trên mặt cầu (III) là vệ tinhthứ ba với bán kính R3

Hình 1.5: Trường hợp biết được khoảng cách từ máy thu tới ba vệ tinh

Biết thêm khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh thứ tư là R4 => xác định đượcchính xác vị trí của mục tiêu là giao điểm của mặt cầu (IV) có tâm là vệ tinh thứ

tư với bán kính R4 với cả ba mặt cầu (I), (II) và (III)

Hình 1.6: Trường hợp biết được khoảng cách từ máy thu tới bốn vệ tinh

Như vậy, để xác định được vị trí của máy thu GPS bất kỳ, cần biết được hai

dữ liệu tối thiểu là:

- Vị trí của bốn vệ tinh GPS

- Khoảng cách từ mỗi vệ tinh tới máy thu cần định vị đó

1.4 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS

Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống GPS có thể hiểu như sau: các vệtinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo xácđịnh và phát tín hiệu mang thông tin xuống trái đất Các máy thu GPS thu nhận

và sử dụng thông tin này để tính toán được chính xác vị trí của người dùng Máy thu GPS sẽ thực hiện đo khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu truyền

từ các vệ tinh đến được máy thu, rồi từ đó tính ra khoảng cách giữa mỗi vệ tinh

đó với nó theo công thức:

.

d V t (1.1)Trong đó:

d là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu

V là vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng (xấp xỉ 300000 km/s)

t là thời gian sóng điện từ truyền từ vệ tinh đến máy thu GPS

Như vậy, có thể thấy bài toán tính khoảng cách đưa ra ở phần trên giờ đượcđưa về bài toán tính thời gian Máy thu GPS so sánh thời gian tới của tín hiệu từ

vệ tinh với thời gian chuẩn tại máy thu Sai lệch về thời gian này cho biết máythu GPS ở cách vệ tinh bao xa dựa vào công thức 1.1 ở trên

Cụ thể như sau: vào một thời điểm nào đó, khi vệ tinh bắt đầu truyền đimột chuỗi tín hiệu dài, được gọi là mã giả ngẫu nhiên (PRN code) Máy thucũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt vào cùng thời điểm Khi tín hiệu từ vệtinh truyền đến máy thu, chuỗi tín hiệu đó sẽ bị trễ một khoảng thời gian nhỏ t

so với chuỗi do máy thu tạo ra như minh họa trong hình 1.7 dưới đây:

Hình 1.7: Độ trễ giữa chuỗi PRN code nhận từ vệ tinh và chuỗi bản sao tại

sự) Do đó độ chính xác tối thiểu yêu cầu của các máy thu phải là cỡ ns (10-9 ).

Để có độ chính xác như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử cho không chỉ các

vệ tinh mà còn máy thu GPS của người sử dụng Nhưng đồng hồ nguyên tử thìlại quá đắt (khoảng 50 đến 100 ngàn đôla) đối với việc đưa thiết bị định vị GPSđến với một phạm vi người dùng rộng lớn và đa dạng trên khắp toàn cầu Giảipháp được đưa ra là các vệ tinh – trái tim của hệ thống sẽ được trang bị đồng hồnguyên tử nhưng mỗi máy thu thì chỉ trang bị đồng hồ quartz thông thường Cácđồng hồ quartz này được điều chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu được truyền đi từcác vệ tinh

Chính do đồng bộ trong hệ thống và môi trường lan truyền sóng không lýtưởng dẫn tới phép đo khoảng cách như trên có sai số nên khoảng cách đo đượcnày gọi là khoảng cách giả định (hay một số tài liệu sử dụng thuật ngữ là tựa cựly) Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS dựa trên phép đo khoảng cách giảđịnh này tại máy thu thuê bao thông qua việc đo khoảng thời gian lan truyền củasóng điện từ từ vệ tinh tới máy thu Khi đó:

' c t. s c.( t u t s) c t. a m

             (1.2)Trong đó:

'

 là khoảng cách giả định từ vệ tinh tới máy thu

 là khoảng cách thực từ vệ tinh tới máy thu

c là vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng (xấp

Kết quả đo đồng thời bốn khoảng cách giả định tới bốn vệ tinh khác nhau

có tọa độ cho trước cho phép tìm nghiệm của hệ phương trình dẫn đường

Vệ tinh sẽ truyền các thông tin về vị trí của nó đối với trái đất đến các máy thuGPS được gọi là hệ địa trắc toàn cầu WGS-84 (World Geodetic System 1984)Qua đó có thể thấy chức năng cơ bản nhất của máy thu GPS là thu nhậnthông tin từ tối thiểu bốn vệ tinh, phối hợp các thông tin này với thông tin vềquỹ đạo vệ tinh để tính toán ra vị trí của máy thu trên mặt đất Một khi máy thu

đã thu nhận và xử lý thông tin, máy sẽ cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và cao độcủa vị trí hiện thời Để làm cho việc định vị thân thiện hơn, hầu hết các máy thuđều thể hiện các thông tin này dưới dạng các điểm trên bản đồ được chứa sẵntrong máy

1.6 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA GPS

Có nhiều yếu tố khác nhau có thể làm suy giảm tín hiệu GPS, tác động tới

độ chính xác của hệ thống GPS, trong đó có thể kể tới một số yếu tố sau:

- Sự cản trở của tầng điện ly và tầng đối lưu: tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi

đi qua tầng khí quyển Hệ thống GPS có dự phòng điều đó bằng cách tính thêmkhoảng thời gian trễ trung bình của tín hiệu, nhưng cũng không thể hoàn toànchính xác

- Lỗi của đồng hồ máy thu: do đồng hồ tích hợp trong máy thu không chínhxác như đồng hồ nguyên tử của các vệ tinh, từ đó dẫn tới không bộ giữa đồng hồtrong máy thu và đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh Sự mất đồng bộ dù rất nhỏnày dẫn tới giảm độ chính xác của phép định vị GPS

- Lỗi quỹ đạo hay lỗi thiên văn: do sự không chính xác của báo cáo về vị trícủa các vệ tinh

- Tín hiệu đa đường : do tín hiệu bị phản xạ trước khi tới máy thu Nguyênnhân của hiện tượng này là do tín hiệu GPS bị các đối tượng như nhà cao tầng,các bể mặt đá lớn … cản trở trên đường truyền thẳng tới máy thu Điều này làmtăng thời gian di chuyển của tín hiệu, do đó gây ra lỗi

Hình 1.9: Hiệu ứng đa đường

- Số lượng vệ tinh nhìn thấy – càng nhiều vệ tinh được máy thu GPS có thể

“nhìn thấy” thì kết quả phép đo càng chính xác Các tòa nhà, địa thế, nhiễu điện

tử hoặc đôi khi thậm chí tán lá dày đặc có thể chặn sự tiếp nhận tín hiệu, gây lỗiđịnh vị hoặc thậm chí không đọc được vị trí nào cả Do đó những đơn vị GPSthường không làm việc trong nhà, dưới nước hoặc trong lòng đất

- Phân bố vệ tinh: phân bố vệ tinh lý tưởng (khi các vệ tinh ở vị trí góc rộngtương đối với nhau) hay phân bố xấu (khi các vệ tinh cụm thành nhóm)

- Sai số nhân tạo hay còn gọi là sự suy giảm có chủ ý tín hiệu vệ tinh – SA(Selective Availability) của Bộ Quốc phòng Mỹ nhằm chống lại việc đối thủquân sự dùng tín hiệu GPS có độ chính xác cao Chính phủ Mỹ đã ngừng việcnày từ tháng 5 năm 2000, làm tăng đáng kể độ chính xác của máy thu GPS dân

sự Tuy nhiên biện pháp này hoàn toàn có thể được sử dụng lại trong những điềukiện cụ thể Chính điều này là tiềm ẩn hạn chế an toàn cho dẫn đường và định vịdân sự

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU CHẾ ỨNG DỤNG TRONG GPS

Điều chế là quá trình mà trong đó một hay nhiều đặc tính nào đó của tínhiệu sóng mang tuần hoàn được thay đổi theo tín hiệu điều khiển chính là thôngtin cần truyền đi Quá trình này thực hiện đối với các tín hiệu thông tin đầu vào

là tín hiệu số được gọi là điều chế số Tương ứng nếu sử dụng tín hiệu thông tin

để thay đổi biên độ, tần số hay pha của sóng mang ta sẽ được các phương phápđiều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha tương ứng

Nếu quá trình điều chế được thực hiện ở máy phát thì giải điều chế là quátrình ngược lại với quá trình điều chế và được thực hiện ở phía máy thu Trongquá trình thu được có một trong các tham số: biên độ, tần số, pha của tín hiệusóng mang được biến đổi theo tín hiệu điều chế và tùy theo phương thức giảiđiều chế thích hợp để lấy lại thông tin cần thiết Điều chế và giải điều chế làkhâu không thể thiếu trong một hệ thống thông tin số

Trong phần này ta tìm hiểu cơ sở lý thuyết về phương pháp điều chế khóadịch pha nhị phân – BPSK và khóa dịch pha cầu phương – QPSK cũng như kỹthuật trải phổ được ứng dụng trong hệ thống GPS

2.1 Điều chế BPSK

BPSK – Binary Phase Shift Keying là phương pháp điều chế khóa dịch phanhị phân Trong phương pháp này, sóng mang nhận hai giá trị pha tùy thuộc tínhiệu số đầu vào Trong hai pha đó thì một pha tương ứng với mức logic 1 và mộtpha tương ứng với mức logic 0 Nếu như trạng thái của tín hiệu nhị phân đầuvào có sự thay đổi thì hai góc pha ở đầu ra cũng biến đổi lệch pha nhau 180°.Cũng vì vậy mà tín hiệu BPSK còn được gọi là khóa đảo pha (PRK – PhaseReversal Keying) hoặc điều chế nhị pha

Cụ thể là tín hiệu ở đầu ra sẽ:

- Cùng pha với sóng mang tham chiếu nếu bit đầu vào là “0”

- Ngược pha với sóng mang tham chiếu nếu bit đầu vào là “1”

    

    

 

      

  

    

   

Khi đó tín hiệu sau điều chế là:

2E ( ) ( ). b cos 2