Phương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thống

Phương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thốngPhương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thống Phương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thốngPhương pháp xác định vị trí trong hệ thống định vị vệ tinh GPS và phân tích các nguồn gây sai số của hệ thống

LỜI CẢM ƠN Được phân công khoa Điện - Điện tử trường Đại học Hàng hải Việt Nam đồng ý thầy giáo hướng dẫn Trương Thanh Bình, em hoàn thành đề tài: “Phương pháp xác định vị trí hệ thống định vị vệ tinh GPS phân tích nguồn gây sai số hệ thống” Để hoàn thành đề tài tốt nghiệp này, em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt trình học tập, rèn luyện nghiên cứu trường Đại học Hàng hải Việt Nam Em xin cảm ơn sâu sắc Thầy giáo hướng dẫn Trương Thanh Bình tận tình, chu đáo hướng dẫn em trình làm hoàn thiện đề tài Mặc dù em có nhiều cố gắng để hoàn thiện đề tài Song hạn chế hiểu biết kiến thức thực tế nên không tránh khỏi thiếu sót định mà thân chưa thấy Em mong nhận góp ý quý thầy, cô giáo bạn để đề tài tốt nghiệp em hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài nghiên cứu em thực Em xin chịu trách nhiệm đồ án MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH LỜI MỞ ĐẦU Định vị ngành khoa học xác định vị trí tàu người từ nơi đến nơi khác Trong sống hàng ngày chúng ta, người thực số hình thức di chuyển lái xe đến nơi làm việc đến cửa hàng… đòi hỏi phải sử dụng kỹ điều hướng Đối với hầu hết chúng ta, kỹ đòi hỏi phải sử dụng đôi mắt, cảm giác thông thường, mốc Tuy nhiên, số trường hợp đòi hỏi phải có thông tin xác vị trí chúng ta, hướng dự kiến, thời gian di chuyển đến địa điểm mong muốn cần thiết, định vị giúp tốt sử dụng mốc đánh dấu Trải qua nhiều năm, ngành hàng hải đời ngày phát triển lớn mạnh Việc vận chuyển hàng hóa người từ nơi đến nơi khác đặt mục tiêu an toàn lên hàng đầu Để tàu theo tuyến đường an toàn tối ưu nhất, người huy cần luôn phải biết rõ vị trí tàu tuyến đường hàng hải Trước đây, để xác định vị trí người biển dựa vào kinh nghiệm thân, vận dụng lý thuyết thiên văn, dòng hải lưu, địa hình khu vực biển… kết thường mang tính tương đối Sự phát triển khoa học kỹ thuật cho đời hệ thống dẫn đường Decca, Loran AC, Omega… giúp người biển xác định vị trí tốt Từ đời đến nay, GPS – Hệ thống định vị toàn cầu (Global Position System) trở thành hệ thống dẫn đường tối ưu mà đội tàu giới nói chung Việt Nam nói riêng trang bị Trong luận văn này, em tập trung sâu vào tìm hiểu phương pháp xác định vị trí hệ thống định vị vệ tinh GPS phân tích nguồn gây sai số hệ thống, bao gồm: Chương 1: Tổng quan hệ thống định vị vệ tinh Chương 2: Phương pháp xác định vị trí hệ thống định vị vệ tinh Chương 3: Phân tích nguồn gây sai số hệ thống CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 1.1 Lịch sử đời phát triển: Từ năm đầu thập kỉ 60, số quan Mỹ thực chương trình vệ tinh hàng hải, bao gồm có nghiên cứu John Hopkins với chương trình Transit, nghiên cứu hải quân Mỹ với chương trình TIMATO không quân Mỹ với chương trình 621B Chương trình Transit đời năm 1964 có nguyên lý sử dụng độ dịch tần Doppler vệ tinh bay theo quỹ đạo độ cao 1076km, có nhiệm vụ cung cấp dịch vụ hàng hải cho phương tiện di động tầm thấp Để xác định khoảng cách đến vệ tinh thời điểm liên tiếp, máy thu tính toán xác định vị trí tàu cách gián đoạn Nhằm khắc phục nhược điểm chương trình Transit, lực lượng Hải quân Không quân Mỹ tập trung nghiên cứu để nâng cao chất lượng mặt thời gian dịch vụ hàng hải Cụ thể TIMATION – chương trình phát triển dao động với độ ổn định cao, chuyển đổi thời gian hàng hải chiều hệ thống 621B – chương trình nghiên cứu phát triển ưu điểm hệ thống hàng hải không gian chiều (kinh độ, vĩ độ độ cao) Năm 1973, hai chương trình hợp tạo thành hệ thống hàng hải vệ tinh dành cho quốc phòng (DNSS – Defense Navigatiom System) sau phát triển thêm trở thành NAVSTAR GPS Quá trình phát triển hệ thống chia thành giai đoạn sau: Giai đoạn I: Hợp hai hệ thống Ngày 17/4/1973, hai chương trình hợp thành hệ thống hàng hải có khả hoạt động điều kiện thời tiết gọi NAVSTAR GPS, quan không lực Mỹ đứng đóng vai trò ủy ban hành pháp JPO (Joint Program Office) tên quan thực hầu hết chương trình hệ thống này, đại diện cho quân đội Mỹ, Không quân, Hải quân Khối quân bắc Đại Tây Dương NATO Nhằm mục đích hỗ trợ cho hoạt động hợp nói trên, người ta cho phóng vào không gian vệ tinh kỹ thuật hàng hải NTS ( Navigation Technology Satellite) Tháng 6/1977, vệ tinh NTS – phóng quan không lực Vandenberg sau tháng gặp cố Vệ tinh GPS nhóm vệ tinh I phóng vào tháng 2/1978 khoảng năm từ 1978 đến 1985, 11 vệ tinh lại nhóm I phóng vào không gian quan không lực Vandenberg Tuy nhiên vệ tinh khả SA ( Selective Available) hay AS ( Anti Spoofing) Cho đến tháng 6/1995, nhóm I lại vệ tinh hoạt động Giai đoạn II: Các bước phát triển: Tháng 9/1980, Chính phủ Mỹ thông qua văn kiện vấn đề nâng cấp điều phối hoạt động trạm điều khiển ICS thành hệ thống điều khiển hoạt động (Operational Control System – OCS), nhằm đảm bảo khả trợ giúp liên tục ICS OCS trình hoàn thiện Vào tháng 5/1985, quan không lực Vandenberg tiếp nhận thiết bị OCS sau trải qua quy trình lắp đặt thử nghiệm ban đầu, OCS sử dụng song song với ICS Đến cuối năm 1985, OCS đưa đến quan không lực Falcon, vị trí cố định Tháng 12/1980, văn kiện việc phóng lên 28 vệ tinh GPS nhóm II phủ Mỹ phê duyệt Giai đoạn III: Quá trình triển khai ( từ năm 1986 đến nay) Trong giai đoạn này, đơn vị sản xuất chế tạo thiết bị cho phần hệ thống định vị vệ tinh, phần chia thành: • Phần không gian: Ban đầu nhóm vệ tinh GPS II thiết kế nhằm mục đích phóng lên hệ thống không vận ( tàu thoi) Nhưng sau xảy tai nạn tàu thoi vào năm 1986, phần phóng vệ tinh nhóm II giảm thiểu để phóng lên qua tên lửa tầm trung Delta II Vào tháng 6/1991, vệ tinh GPS nhóm I II kết nối với đạt khả định vị hai chiều vị trí toàn giới Từ tháng 4/1994, nhóm vệ tinh II có đầy đủ 24 vệ tinh Tháng 6/1989, việc bổ sung 20 vệ tinh GPS tạo thành nhóm IIR thông qua Những vệ tinh có khả tự tạo tin hàng hải có nội dung chúng mà không cần liên lạc với vệ tinh khác nhóm Vệ tinh nhóm phóng lên vào tháng 8/1996 Vào năm 1994, để giữ vững hoạt động vệ tinh GPS, quan quản lý chung GPS cho bổ sung vệ tinh NAVSTAR thuộc nhóm IIF, việc lên kế hoạch từ năm 1995 đồng thời bắt đầu cho nghiên cứu GPS tăng cường ( Agumented GPS – AGPS) • Phần điều khiển: Vào tháng 12/1986, hệ thống điều khiển hoạt động (OCS) GPS đưa vào vận hành Cùng thời gian đó, việc kiểm tra khả vận hành hệ thống trung tâm đánh giá kiểm tra hoạt động USAF hoàn tất Tháng 7/1990, chu kỳ hoạt động hệ thống điều khiển với phần huy không gian USAF thiết lập Từ đây, hoạt động phần điều khiển giới hạn để nâng cấp phần mềm hoạt động hỗ trợ thiết bị Hệ thống điều khiển tăng cường với khả di động GA khả dự phòng MCS • Phần sử dụng: tháng 4/1985, hợp đồng vấn đề sản xuất thiết bị người dùng GPS giai đoạn III kí kết hang Rockwell – Collins lựa chọn làm nhà cung ứng thiết bị GPS phục vụ cho mục đích quân Tháng 6/1988, sản phẩm hãng quan quản lý chung JPO tiếp nhận 1.2 Các hệ thống định vị vệ tinh: 1.2.1 Hệ thống GLONASS: GLONASS Nga so với GPS Mỹ Giống GPS, Nga tiến hành thiết kế GLONASS để cung cấp thông tin vể vị trí người sử dụng để phục vụ mục đích dân quân Không giống GPS, hệ thống Nga trì chòm vệ tinh với khả đầy đủ, và, đó, người dùng điều hướng với GLONASS khoảng thời gian định Người Nga phát triển số tàu vũ trụ GLONASS hệ đại hóa để bổ sung chòm vệ tinh Người Nga bổ sung đầy đủ chòm GLONASS lên đến 24 vệ tinh 2011-2012 Theo thiết kế, phân đoạn không gian GLONASS gồm 21 vệ tinh cộng với vệ tinh dự phòng có khả hoạt động Các phân đoạn hỗ trợ mặt đất bao gồm số địa điểm nằm rải rác khắp nước Nga có quyền kiểm soát, theo dõi, tải lên thông tin lịch thiên văn, thông tin thời gian, liệu khác đến vệ tinh Mỗi vệ tinh truyền hai tín hiệu dẫn đường L-band Tại thời điểm này, người Nga có kế hoạch thêm tín hiệu L-band thứ ba gần với tần số radio tín hiệu L5 lên kế hoạch sử dụng cho GPS năm 2008 Người Nga phát triển loạt thiết bị sử dụng cho dân ứng dụng quân Các bên khác nước Nga phát triển thiết bị GLONASS sử dụng cho dân Lịch sử GLONASS tương tự GPS Giống GPS, quân đội Liên Xô khởi xướng chương trình GLONASS vào năm 1970 để hỗ trợ yêu cầu mặt quân Ban đầu, GLONASS tài trợ để hỗ trợ nhu cầu hải quân để điều hướng phổ biến thời gian.Những thử nghiệm hệ thống thuyết phục ban đầu chứng minh GLONASS hỗ trợ nhu cầu sử dụng mặt dân đồng thời bảo đảm cho nhu cầu quốc phòng Liên Xô Vì vậy, hệ thống mở rộng để ứng dụng cho mục đích dân Liên Xô phóng vệ tinh GLONASS vào ngày 12 tháng 10 năm 1982 Ban đầu việc kiểm tra chòm bốn vệ tinh triển khai vào tháng năm 1984 Thông thường, ba vệ tinh phóng đồng thời thiết bị phóng proton SL-12 từ Kazakhstan Tuy nhiên, vào thời gian đầu, Liên Xô cho phóng trọng tải dằn, thay vệ tinh thực sự, để tiết kiệm chi phí sản xuất hệ thống phát triển Tại họp Ủy ban đặc biệt Future Air Systems Navigation (FANS) ICAO năm 1988, Liên Xô cung cấp việc sử dụng miễn phí tín hiệu dẫn đường GLONASS cho cộng đồng giới Một lời đề nghị tương tự thực kỳ họp thứ 35 Ủy ban an toàn hàng hải IMO năm Sau Liên Xô cũ sụp đổ, khoảng thời gian từ 1990-1991, Nga thành lập hệ thống kiểm tra từ 10 đến 12 vệ tinh tiến hành thử nghiệm rộng rãi Kết là, vào tháng năm 1993, Tổng thống Nga Boris Yeltsin thức tuyên bố GLONASS hệ thống có khả vận hành, phần Armory Nga sở cho việc kế hoạch vô tuyến hàng hải Nga Trong trình phát triển, thấy tín hiệu GLONASS thực quan sát thiên văn vô tuyến dải 1,610.6-1,613.8-MHz Khi cộng đồng khoa học quốc tế phản đối, người Nga đồng ý chỉnh sửa kế hoạch tần số GLONASS tương lai vào tháng 10i năm 1993 Theo kế hoạch, Nga nhanh chóng ngừng truyền trực tiếp băng tần, tăng gấp đôi kênh tần số tín hiệu hàng hải, họ hứa di chuyển tín hiệu GLONASS khỏi băng tần thiên văn vô tuyến chúng làm giảm lượng vệ tinh cũ bổ sung chòm vệ tinh Vào khoảng thời gian này, người Nga tiếp tục thực hết cam kết kế hoạch Vào tháng năm 1994, người Nga khởi xướng lần phóng bảy lần phóng để hoàn tất chòm vệ tinh Hình 1.1 Hình ảnh chòm vệ tinh GLONASS Trong tháng 12 năm 1995, Nga phóng thành công lần phóng cuối ba vệ tinh để hoàn thành chòm 24 vệ tinh Vào tháng năm 1996, vệ tinh tuyên bố hoạt động, chòm đưa vào đủ Tuy nhiên, số vệ tinh cũ sau gặp cố, chòm vệ tinh bị xuống cấp nhanh chóng Từ năm 1996 đến năm 2001, người Nga cho mắt hai ba vệ tinh Điều không đủ để trì chòm vệ tinh Các chòm vệ tinh trở thành sáu đến tám vệ tinh vào năm 2001 Cho đến nay, chòm vệ tinh không phục hồi lại khả nâng hoạt động đầy đủ Trong trình phát triển, phủ Nga ban hành Nghị định 237 vào ngày 07 tháng năm 1995, cho phép sử dụng mã C/A GLONASS cho mục đích dân đảm bảo cung cấp miễn phí, khẳng định lại tuyên bố Liên Xô năm 1988 Người Nga xuất công bố công khai tài liệu kiểm soát giao diện, trình bày chi tiết cấu trúc tín hiệu GLONASS Sau đó, vào ngày 18 Tháng năm 1999, Tổng thống Nga ban hành nghị định 38-RP, tuyên bố GLONASS hệ thống có tính sử dụng kép Điều dẫn đến nghị định 10 Hình 3.4 Đặc tính hình học tốt Các DOP tính toán dựa đặc tính hình học vệ tinh tương đối thu trường hợp cần phải có hai máy thu biết tọa độ vệ tinh Các tọa độ gần giá trị DOP xác định mà không cần thực phép đo Là kết tương đối chuyển động máy thu vệ tinh, giá trị DOP thay đổi theo thời gian Trong thực tế có nhiều trị số DOP khác tùy thuộc quan tâm độ xác số tọa độ riêng Sự suy giảm độ xác không gian chiều (kinh độ, vĩ độ, độ cao) gọi PDOP (Position) PDOP chia thành hai phần : suy giảm xác theo phương ngang (HDOP – Horizontal Position) suy giảm xác theo độ cao (VDOP – Vertical Position) Vì máy thu theo dõi vệ tinh đường chân trời, VDOP lớn HDOP Giá trị VDOP cải thiện cách bổ sung vào GPS thiết bị cảm biến Các giá trị DOP khác thường sử dụng TDOP (Time) : suy giảm độ xác theo thời gian GDOP ( Geometrical): suy giảm độ xác theo không gian chiều thời gian GDOP kết hợp giá trị TDOP PDOP Hiện hầu hết gói phần mềm GPS có khả dự đoán hình học vệ tinh dựa vị trí gần máy thu tọa độ vệ tinh thu từ tin dẫn đường 49 UERE sai số khoảng cách vệ tinh tới máy thu UERE sinh số nguyên nhân độ ổn định đồng hồ vệ tinh, quỹ đạo dự đoán vệ tinh, sai số tin vệ tinh, độ xác phép làm đồng pha, sai số bất thường môi trường truyền sóng phép tính toán để khắc phục chúng Do UERE sai số ngẫu nhiên có hàm phụ thuộc vào vệ tinh máy thu 3.1.3 Sai số giữ chậm lại tầng đối lưu tầng điện li Sai số tầng điện li khí xảy tín hiệu từ vệ tinh đến thiết bị thu qua tầng điện li tầng đối lưu Tầng điện li phần khí đặc trưng mật độ ion cao; bao gồm 70-80 kilomet tính từ bề mặt Trái Đất Tầng đối lưu phần thấp khí quyển, kéo dài từ mặt đất đến độ cao kilomet đầu cực độ cao 16 kilomet vùng xích đạo, bao gồm lượng không khí lớn hầu hết lượng nước Vì nên khu vực phải trải qua biến đổi phức tạp không ổn định áp suất, nhiệt độ, mật độ, độ ẩm tùy thuộc vào tương tác hệ thống thời tiết a.Tầng điện li: Ở tầng không khí Trái Đất, tia cực tím tia X xạ từ Mặt Trời tương tác với phân tử khí nguyên tử Những tương tác dẫn đến khí ion hóa: lượng lớn electron mang điện tích âm nguyên tử, phân tử mang điện tích dương tự Vùng không khí diễn trình ion hóa gọi tầng điện li Nó trải dài từ độ cao 50-1000 km Trên thực tế giới hạn tầng điện li không xác định rõ rang Mật độ điện tử khu vực tầng điện li không liên tục, thay đổi theo độ cao Như tầng điện li chia thành nhiều tiểu vùng theo lớp hay theo mật độ điện tử: D (50-90km), E (90-140km), F1 (140-210km), F2 (210-1000km), lớp F2 thường lớp có mật độ điện tử cao Độ cao độ dày lớp khác theo thời gian kết thay đổi xạ Mặt Trời với Trái Đất Câu hỏi đặt ảnh hưởng tầng điện li phép đo GPS Tầng điện li môi trường phân tán, có nghĩa uốn cong tín hiệu GPS thay đổi tốc độ chúng chúng qua lớp điện li khác để tới máy thu GPS Độ cong tín hiệu vệ tinh GPS gây lỗi nhỏ không đáng kể độ cao vệ tinh có góc lớn 5o Lỗi đáng kể gây thay đổi vận tốc truyền sóng Các lớp điện li tăng tốc độ truyền sóng mang vượt qua tốc độ ánh sáng, làm chậm mã PRN 50 (bản tin hàng hải) với lượng tương đương Do khoảng cách tới vệ tinh thu ngắn tính theo pha sóng mang, dài đo mã so với khoảng cách thực tế Sự truyền trễ tầng điện li tỷ lệ thuận với số lượng electron tự dọc theo đường truyền tín hiệu GPS gọi tổng lượng electron (TEC) Tổng lượng electron phụ thuộc vào vài yếu tố: - - Thời gian ngày (mức độ mật độ điện tử đạt tối đa hàng ngày đầu chiều tối thiểu vào khoảng nửa đêm) Thời gian năm ( mức độ mật độ điện tử mùa đông cao vào mùa hẻ) Chu kỳ mặt trời 11 năm ( 11 năm mức độ mật độ điện tử đạt giá trị lớn tương ứng với thiên đỉnh lượng mặt trời hoạt động mạnh gọi chu kỳ cao điểm lượng mặt trời) Vị trí địa lý ( mức tối thiểu mật độ điện tử khu vực xích đạo cao bất thường vùng cực, cực quang khu vực xích đạo) Tầng điện li môi trường phân tán, làm trễ tần số Tần số thấp trễ lớn, lớp điện li F2 gây trễ lớn so với lớp F1 Khoảng cách mà trễ tầng điện li gây thường vào khoảng 5-15m đạt tới 150m mà tín hiệu truyền vào thời điểm mặt trời có mức lượng hoạt động lớn vào buổi trưa Ta thấy mức độ mật độ điện tử tầng điện li thay đổi theo thời gian địa điểm Tuy nhiên với cự li đo ngắn, ta loại bỏ phần lớn sai số trễ cách sử dụng mã giả ngẫu nhiên P phát kết hợp hai tần số sóng mang L L2 Tuy nhiên mã P có độ bảo mật cao phép truy cập có đồng ý Bằng cách bổ sung mã thứ hai C/A tần số L2, hạn chế việc tín hiệu bị trễ tầng điện li xóa bỏ Các phép đo sóng mang L1 L2 kết hợp cách tương tự để xác định chậm trễ tầng điện li giá trị tuyệt đối Người sử dụng máy thu hai tần số kết hợp đo sóng mang L1 L2 để loại bỏ sai số Các sai số tính toán từ số liệu thực tế nên độ xác cao so với việc tính sai số truyền sóng theo mô hình gần Với máy thu hai tần số liệu tầng điện li tin dẫn đường không cần thiết Với máy thu tần số, phương pháp tính sai số truyền sóng tính theo mô hình toán học ( Ionospheric Delay Model) Phương pháp quy sai số truyền qua tầng ion hàng ngày thành hàm số toán học Gía trị sai số xác định có dạng hàm cosin, gồm hệ số giá trị cực đại sai số, thời gian ngày, quãng thời gian dao động giá trị cực tiểu sai số Phép tính 51 xác sai số đạt cực đại ngày Hệ số tính toán phép tính phát cho máy thu tin dẫn đường Hình 3.5 Hướng sai số từ vệ tinh b.Tầng đối lưu: Tầng đối lưu vùng khí trung hòa điện kéo dài lên tới khoảng 50km tính từ bề mặt Trái Đất Với tần số vô tuyến 15GHz tầng đối lưu môi trường không phân tán Do làm trễ sóng mang mã Khi phép đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu lớn so với cự li hình học thực tế nghĩa khoảng cách hai máy thu lớn so với cự li thực tế Khác với trễ tầng điện li, trễ tầng đối lưu loại bỏ phương pháp kết hợp hai tần số sóng mang L L2 Điều xảy trễ tầng đối lưu không phụ thuộc vào tần số Các trễ phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất độ ẩm dọc theo đường tín hiệu truyền qua tầng đối lưu Tín hiệu vệ tinh có góc truyền thấp truyền quãng đường dài qua tầng đối lưu so với vệ tinh có góc truyền cao Do trễ tầng đối lưu giảm bớt góc truyền tín hiệu cao (90 o) đạt tối đa gần đường chân trời Khoảng cách trễ tầng đối lưu gây thiên đỉnh có giá trị khoảng 52 2-3m, đạt khoảng 9,3m góc truyền 15 o khoảng 20-28m cho góc truyền 5o Tầng đối lưu chia làm hai phần : môi trường khô môi trường ẩm Ở môi trường khô, trễ tầng đối lưu chiếm tới khoảng 90% dự đoán với mức xác cao cách sử dụng mô hình toán học Tại môi trường ẩm, trễ tín hiệu lúc phụ thuộc vào nước dọc theo đường truyền tín hiệu GPS Trễ khó dự đoán Một số mô hình toán học sử dụng biện pháp đo khí tượng bề mặt ( áp suất khí quyển, nhiệt độ phần áp suất nước) để tính toán thành phần ẩm ướt Tuy nhiên thành phần cấu tạo môi trường ẩm ướt lại có mối tương quan nhỏ tới liệu khí tượng bề mặt làm hạn chế độ xác dự đoán Thực tế cho thấy ta sử dụng liệu khí tượng mặc định (áp suất khí 1,010 mb, nhiệt độ 20oC độ ẩm tương đối 50%) cho kết khả quan hầu hết trường hợp Nhiệt độ bị giảm qua tầng đối lưu dự đoán với kết hoàn toàn xác điều kiện động lực, chất biến đổi chúng, cách tính toán tốc độ tương đối hai tín hiệu khác thu từ vệ tinh nhiệt độ gây sai số, đến mức độ đó, tối thiểu  Mô hình tầng điện li Người sử dụng dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS phải hiệu chỉnh thời gian thu tín hiệu vệ tinh điều kiện ảnh hưởng tầng điện li cách sử dụng tham số hiệu chỉnh theo mô hình định Người ta dự đoán máy thu sử dụng mô hình giúp giảm 50% sai lệch RMS ảnh hưởng tầng điện li Mô hình hiệu chỉnh tầng điện li cho bởi: Tiono = (giây) Trong đó: AMP = X= (radian) PER = F = 1,0 + 16,0 (0,53 – E)3 53 Và liệu vệ tinh phát đi, với n = 0,1,2,3 Các phương trình khác cần giải là: (1/2 đường tròn) (1/2 đường tròn) (1/2 đường tròn) (1/2 đường tròn) (giây) Trong (s) trừ 86400 (s),nếu t < cộng thêm 86400 (s) Các tham số vệ tinh phát đi: - hệ số phương trình bậc thể độ lớn độ trễ mặt phẳng đứng (4 hệ số bit) hệ số phương trình bậc thể chu kỳ mô hình (4 hệ số bit) Các tham số máy thu tạo ra: - E góc ngẩng người sử dụng vệ tinh A góc phương vị người sử dụng vệ tinh (giá trị dương theo chiều kim đồng hồ) vĩ độ hình học người sử dụng WGS-84 kinh độ hình học người sử dụng WGS-84 Thời gian GPS thời gian hệ thống tính toán máy thu Các tham số tính là: - X pha (radian) F thành phần xiên (không thứ nguyên) t thời gian địa phương (giây) vĩ độ hình học điểm giao tầng điện li hình chiếu Trái Đất (1/2 đường tròn) 54 - kinh độ hình học điểm giao tầng điện li hình chiếu Trái Đất (1/2 đường tròn) vĩ độ hình học điểm giao tầng điện li hình chiếu Trái Đất (1/2 đường tròn) góc tâm Trái Đất vị trí người sử dụng điểm giao tầng điện li hình chiếu Trái Đất (1/2 đường tròn) 3.1.4.Sai số tín hiệu nhiều đường hay nhiễu đa đường: Sai số tín hiệu nhiều đường hay gọi nhiễu đa đường quen thuộc với hiệu ứng bóng mờ đôi lúc nhìn thấy thiết bị thu vô tuyến, chúng gây tín hiệu phản xạ lại từ bề mặt gần máy thu Đây nguồn lỗi lớn cho việc thực tính toán phép đo khoảng cách Lỗi đa đường xảy tín hiệu GPS đến anten máy thu thông qua đường khác Đó tín hiệu trực tiếp thu từ vệ tinh hay tín hiệu phản xạ lại từ mặt đất từ đối tượng khác xung quanh Tín hiệu ban đầu bị sai lệch sau phản xạ tới anten Nó ảnh hưởng tới việc đo pha sóng mang đo khoảng cách giả Đa đường truyền pha sóng mang đạt giá trị lớn phần tư chu kỳ ( 4,8cm cho sóng mang L 1) Về khoảng cách giả, đa đường truyền lên tới vài chục mét sử dụng mã C/A để đo Tuy nhiên với tiến công nghệ thu tín hiệu, đa đường truyền khoảng giả giảm đáng kể Với kỹ thuật làm giảm hiệu ứng đa đường, lỗi đa đường khoảng giả giảm xuống vài mét môi trường phản chiếu cao Các tín hiệu GPS thiết kế để giảm thiểu sai số Các sóng mang L1 L2 khuếch tán tia phản xạ, giảm bớt cường độ tín hiệu sóng phản xạ tới máy thu Ngoài anten máy thu thiết kế để nhận biết loại trừ sóng phản xạ Do tín hiệu GPS tín hiệu phân cực tròn phải nên sử dụng anten phân cực phù hợp với tín hiệu GPS làm giảm đáng kể ảnh hưởng lỗi đa đường Theo tính chất tần số sóng mang, tốc độ đồng pha giảm bớt ảnh hưởng sai số đa đường truyền 55 Hình 3.6 Tín hiệu truyền đa đường Sự trễ tín hiệu phản xạ hay tín hiệu đa đường không làm xáo trộn kết tính toán thiết bị thu mà gây sóng nhiễu với tín hiệu trực tiếp tạo kết xáo trộn nhiễu (hiệu ứng bóng mờ) Nguồn tín hiệu đa đường tòa cao ốc, cấu trúc thượng tầng tàu, vách đá, cối, phương tiện di chuyển…Nếu tín hiệu đa đường không loại bỏ máy thu, tạo dao động điều tác động đến độ xác việc xác định vị trí Mặc dù sai số đa đường sé khó phát máy thu chất lượng tốt, có sử dụng kỹ thuật loại bỏ tín hiệu phức tạp giảm thiểu vấn đề  Phương pháp giảm thiểu đa đường: Hiện nay, phương pháp giảm thiểu đa đường vấn đề quan trọng với nhà nghiên cứu Một vài kỹ thuật nhằm giảm thiểu đa đường hiệu đưa Anten chọn lọc, chí loại bỏ sửa đổi (với lớp bọc bên vật liệu có khả hấp thụ RF) kiến trúc phản chiếu vùng lân cận anten Việc mang lại lợi 56 ích đáng kể Trong môi trường tốt, ví dụ cánh đồng mở, đặt anten gần với mặt đất làm giảm lỗi đa đường Những sai số đa đường truyền không khắc phục việc sử dụng DGPS chúng phụ thuộc vào địa hình lân cận máy thu Cường độ tín hiệu đa đường phụ thuộc vào vị trí loại bề mặt phản xạ nằm gần anten, chiều cao anten tính từ bề mặt Trái Đất khoảng cách đường tín hiệu GPS Ta thấy tín hiệu nhận từ vệ tinh có độ cao thấp có khuynh hướng dễ dàng gây lỗi đa đường tín hiệu từ vệ tinh có độ cao cao Lý với ăng-ten gần với mặt đất, phản xạ đa đường từ mặt đất theo đường ngắn có xu hướng tạo lỗi đa đường nhỏ Ngược lại, môi trường với trở ngại gần đường chân trời, tín hiệu phản xạ chiếm ưu tạo nhiều lỗi đa đường Anten thiết kế để làm giảm bớt phản xạ đa đường, đặc biệt đa đường độ cao gần đường chân trời, nơi tín hiệu không dự kiến đến Anten vòng cảm kháng giúp giảm thiểu đa đường từ mặt đất nơi có độ cao tán xạ thấp Trong hệ thống khác có đường ranh giới ngắn, lỗi đa đường giảm thông qua hiệu chuẩn đo lường lỗi đa dựa vị trí vệ tinh Kỹ thuật để xử lý thu giảm thiểu đa đường chia thành điều chế không tham số có tham số Điều chế không tham số sử dụng thiết kế đặc biệt mà nhạy cảm với lỗi đa đường gây ra, thông số xử lý cố gắng để ước lượng thông số liên quan đến đa đường sau sửa chữa với tác dụng chúng ước tính truyền dẫn trực tiếp Một số phương pháp điều chế không tham số, dựa vào khả tương quan tín hiệu sử dụng phương pháp xử lý thu tiếp cận Kỹ thuật không tham số sử dụng phổ biến 3.1.5 Sai số hoạt động lượng Mặt Trời : Hoạt động lượng mặt trời ảnh hưởng đến độ tin cậy thiết bị GPS hệ thống vệ tinh Sự phun trào lượng đột ngội Mặt Trời gây bão không gian, ảnh hưởng xấu đến việc truyền dẫn tín hiệu GPS 57 Hình 3.7 Tương tác hạt điện tích Mặt Trời với từ Trái Đất Mặt Trời nguồn gốc lượng ánh sáng, gây tác động mang tính phá hoại hệ thống kỹ thuật Khi quan sát Mặt Trời từ không gian tia cực tím hay tia X, ta thấy bùng nổ lớn lượng Mặt Trời với vụ phun trào lớn diễn Từ năm 1980, nhà khoa học thiết lập chuỗi “nhân – quả” xảy Mặt Trời không gian xung quanh Trái Đất Từ trường Mặt Trời nguyên nhân chủ yếu hoạt động Thỉnh thoảng, phần lớn khí bên Mặt Trời ( vầng hào quang xung quanh) bị làm nguội thay đổi từ trường Mặt Trời Lượng vật chất bị văng lên đến tỷ tấn, tốc độ chúng lên đến triệu mét Những phun trào lượng Mặt Trời gọi phun trào nhật hoa (Coronal Mass Ejections - CMEs) chùng có ảnh hưởng gây bão từ Mất khoảng ngày để CME tiếp cận tới Trái Đất nhiên Trái Đất bảo vệ khỏi CME từ trường Những nguồn lượng có tốc độ vượt tốc độ âm gọi gió Mặt Trời bị chuyển hướng quanh Trái Đất tới bầu khí bên Trái Đất Mặc dù vật chất có nguồn gốc từ lượng Mặt Trời tiếp xúc với từ quanh Trái Đất, chúng tạo dòng hạt mang điện tạo đợt sóng vô tuyến công vào bầu khí hành tinh gây sức ép cực lớn lên từ 58 trường Trái Đất Các dòng hạt gây thay đổi nhỏ đo từ trường bề mặt Trái Đất Chúng làm gián đoạn hệ thống liên lạc, gây hỏng hóc vệ tinh địa tĩnh, làm hư hại sản phẩm công nghệ điện tử chí gây tê liệt hệ thống điện Ngoài với bão từ lớn, chúng tạo thành dòng chảy dọc theo bề mặt Trái Đất độ cao cao có cấu trúc dây cáp xuyên đại dương, đường ống hay đường dây điện Hình 3.8 Một vụ nổ Mặt Trời quan sát từ kính viễn vọng đặt mặt đất vào năm 1946 Phần Mặt Trời ảnh bị chắn góc nhìn 59 Hình 3.9 Qúa trình vụ nổ Mặt Trời Các vệ tinh bị ảnh hưởng theo số cách khác Các vệ tinh có quỹ đạo thấp bị chậm liên tục ma sát với bề bầu khí Trái Đất Trong bão, bầu khí Trái Đất mở rộng làm tăng ma sát, vệ tinh bị độ cao nhanh chóng làm giảm tuổi thọ vệ tinh Một vấn đề khác với ma sát liên quan đến việc theo dõi vệ tinh ta bị theo dõi với vệ tinh Vì bão địa từ, ma sát tăng lên nhanh chóng, vệ tinh bay lên độ cao nơi mà trạm theo dõi dự đoán trước Với vệ tinh có độ cao cao vệ tinh GPS ma sát vấn đề với chúng mà mối nguy hiểm khác Ngày 20/1/1994, hai vệ tinh Anik E1 E2 Canada phát sóng thất bại bão nhỏ, trình kiểm soát phục hồi sau thời gian sửa chữa nguyên nhân việc tìm dòng điện từ phát từ bão Tháng 1/1997, vệ tinh liên lạc Telstar 401 bị toàn thông tin bão từ khác Hoạt động lượng Mặt Trời thay đổi theo chu kỳ khoảng 11 năm CME diễn thường xuyên thời gian diễn hoạt động mạnh Các chương trình dự đoán nhà vật lý không gian Vương quốc Anh Liên bang Mỹ thực hiện, chưa có dự báo 60 xác hoạt động địa từ vài năm tới tất dự đoán thời gian lượng Mặt Trời hoạt động, trình truyền dẫn tín hiệu vệ tinh bị ảnh hưởng điều từ lượng nhỏ không đáng kể tới thiệt hại toàn Hậu kết hợp nguồn sai số làm hạn chế tính xác phép đo xác định vị trí theo phương ngang lên đến 33m 95% thời gian Với 5% thời gian lại, khả lỗi gây sai lệch đến 100m hoàn toàn mặt lý thuyết Những số liệu dựa vào lần thử nghiệm với máy thu đơn tần số điển hình điều kiện tiêu chuẩn dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS tháng 10 năm 2001 Tuy nhiên, nhận thấy có vài nguồn gây sai số lớn đến từ bề mặt Trái Đất Vị trí mục tiêu – bao gồm kinh độ vĩ độ xác có từ hệ thống vệ tinh dựa vào hệ trắc địa riêng biệt Ví dụ hệ thống GPS GLONASS sử dụng hệ phối hợp khác nhằm biểu diễn vị trí vệ tinh sau máy thu người sử dụng GPS sử dụng hệ trắc địa WGS84 GLONASS sử dụng hệ trắc địa PZ90 Ngoài biện pháp cải thiện sai số nêu trên, ta gia tăng độ xác định vị cách đáng kể cách sử dụng phép định vị tương quan: xác định vị trí hay nhiều máy thu gốc có vị trí cố định biết Bằng cách liên tục theo dõi sai khác cự li đo từ tín hiệu vệ tinh cự li tính toán nhờ liệu vị trí trạm gốc xác định sai lệch phép đo cố định Do tất sai lệch giống máy thu trạm xa khác nên chúng trừ từ phép đo cự ly vị trí xa Một cách tính gần khác sử dụng ứng dụng GPS lập đồ có độ xác cao Trong lập đồ, ta xác định vị trí tương quan điểm đo cố định khác Thông thường người ta chọn phép đo pha sóng mang Đồng thời, để tận dụng tối đa độ xác công cụ ta cần làm cự ly sai lệch giảm xuống vài cm Còn sai lệch lớn, ta loại trừ giảm thiểu phép hiệu chỉnh phức tạp sai phân tính hiệu số Tính hiệu số phép trừ đơn giản phép đo khoảng cách trạm từ phép đo khoảng cách đồng thời trạm khác Việc loại bỏ hay giảm thiểu sai lệch tốt máy thu đồng thời có vị trí gần 61 KẾT LUẬN Qua trình làm đồ án, tham khảo tài liệu, với bảo hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo ThS.Trương Thanh Bình thầy cô khoa Điện – Điện tử em hoàn thành xong đồ án Qua em hiểu rõ hệ thống GPS phục vụ cho mục đích xác định vị trí người, tàu bè phương tiện khác, để đảm bảo an toàn tính mạng, phương tiện hàng hóa cho người tàu chạy biển Đặc biệt phương pháp xác định vị trí hệ thống GPS, nguyên nhân gây sai số phép định vị cách khắc phục chúng Trong GPS sử dụng phương pháp xác định vị trí bao gồm: • • • • phép định vị tĩnh định vị động phép định vị tương đối phép định vị nhiều máy thu phép định vị động tương đối Các nguồn gây sai số cho hệ thống bao gồm: • • • • • • • sai số đồng hồ vệ tinh sai số quỹ đạo vệ tinh sai số giữ chậm lại tầng đối lưu tầng điện li sai số tín hiệu nhiều đường hay nhiễu đa đường sai số hoạt động nguồn lượng Mặt Trời sai số sách SA Mỹ sai số che khuất mặt hình học Nhằm khắc phục nguyên nhân gây sai số trên, ta cần áp dụng số biện pháp cải thiện hiệu chỉnh đồng hồ, sử dụng tham số hiệu chuẩn… Do hạn chế kiến thức, cố gắng chắn đồ án em thiếu sót Em mong nhận góp ý thầy bạn để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO Electronic Navigation Systems, Laurie Tetley David Calcutt, Đại học Portsmouth Understanding GPS, Principles and Applications, Elliott D Kaplan Christopher J Hegarty 62 Admiralty list of radio signal volume NP282, xuất Viện thủy văn học Anh năm 2005 Tailieu.vn, Luanvan.net 63