Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS

Trên đà phát triển như vậy thì một vấn đề đặt ra là làm thế nào có thể kiểm soát được các phương tiện này một cách hiệu quả mà không cần phải sử dụng nhiều đên nguồn lực con người, một v

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DL KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Trang 2

HOCIÁODVK-ADÀỌTẠỌ i:-0N(.: l i IA XÃ II!Í)Ì Cllù NOIIĨA VIIiV'■ NAIM TKƯONL tụt UỌL 1)1.lõvntuẢ t cõnc NOIIÌ: l)iV L;Ì|1 ■ ''/!).• ■ Ihmii ri,la'

3 Ngny gii'0 liliiộm vụ luộn.ón : Oi/.¿O/^ẴdOƯ

4 Nị-ìiy lioàn t hò nh nlíiộm vụ : O b / O ^ Ị ^ C l ù S

s llụ tCn người hưứng (1*10 : IMiíÌh luíưng (lẫn

Trang 3

Họ và tên sinh viên: ĐẶNG Đ ỗ ĐÌNH ĐẠT

Mã số sinh viên : 00ĐĐT033

Ngành : Điện tử - Viễn Thông

Tên đề t à i : Nghiên cứu hệ thông định vị toàn cầu GPS

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DAN

Ngày tháng năm 2005

Giáo viên hướng dẫn

Trang 4

Mã sô" sinh viên : 00ĐĐT033

Tên đề t à i : Nghiên cứu hệ thông định vị toàn cầu GPS

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Trang 5

N H Ậ N X É T CỦA HỘI Đ ồ N G G IÁ M KHẢO

Mã số sinh viên : 00ĐĐT033

Tên đề t à i : Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hội đồng giám khảo

Trang 6

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình làm Đồ

án tốt nghiệp với khoảng thời gian ngắn em đã được sự hướng dẫn tận tình của Thầy Hồ Ngọc Bá, Thầy đã tạo điều kiện để em làm quen với một hệ thống vệ tinh mới ngoài những kiến thức của Bộ môn Điện

tử - Viễn thông mà em đã được trang bị trong quá trình học của mình Em gửi lời cảm ơn chân tình tới Thầy đã đôn đôc, nhắc nhở em trong quá trình làm Đồ án này, Thầy

đã tận tình giúp đỡ em tìm kiếm nguồn tài liệu để phục vụ cho nhiệm

vụ làm Đồ án tốt nghiệp Một lần nữa em thật sự biết ơn về những gì Thầy đã làm cho em trong khoảng thời gian vừa qua và kính chúc Thầy thật nhiều sức khoẻ.

Trang 7

Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.

( Global Positioning System) _

LỜI NÓI Đ Ầ U

ỶỔíSự tiến bộ của khoa học kỹ thuật làm cho xã hội ngày càng không ngừng phát triển về nhiều mặt Một trongmhữụg sự tiến bộ của xã hội là về mặt cơ sở hạ tầng giao thông vận tải,cùng3kie^đó các loại phương tiện giao thông cũng không ngừng được cải tiến và phát triển Trên đà phát triển như vậy thì một vấn đề đặt ra là làm thế nào có thể kiểm soát được các phương tiện này một cách hiệu quả mà không cần phải sử dụng nhiều đên nguồn lực con người, một ví dụ nhỏ để minh họa cho sự phát triển quá nhiều các loại phương tiện giao thông trên mặt đất đó là tình trạng kẹt xe và làm thế nào để giải quyết vấn nạn kẹt xe và tránh xảy ra tình trạng ùn tắc giao thông đó là

\ việc cần phải sử dụng một hệ thống dẫn đường và dẫn hướng đi trên mọi loại t>-vvíỊ địa hình và trong mọi loại thời tiết hệ thông đó được gọi là Hệ thông định vị

^ J \ toàn cầu GPS( Global Positioning System) Hệ thống này có thể dẫn đường

1 đi cho các loại phương tiện trên mặt đất chỉ bằng một máy thu định vị và một

bản đồ điện tử và cũng có thể trong một tương lai không xa viẹfcdi chuyển của con người bằng ô tô, xe lửa, xe điện sẽ không cần người lái mà chỉ cần một máy thu định vị sẩn lộ trình cho phương tiện, phương tiện sẽ dựa vào các tín hiệu dẫn đường này mà hoàn tất lộ trình một cách chính xác Ngoài ra hệ thống này còn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như: đo đạc bản

đồ, tìm kiếm cứu nạn, dẫn đường hàng hải trên biển, giao thông hàng không , hệ thống này được dùng để dẫn dắt tàu thuyền đi lại trên các đại dương và định vị máy bay trong lúc chuẩn bị tiêp cận chính xác và cất cánh

an toàn trên các đường bay Với khoảng thời gian không phải là nhiêu trong quá íình làm đồ án tốt nghiệp em xin giới thiệu sơ lược vê Hệ thông định vị toàn cầu GPS trong nội dung làm đồ án tốt nghiệp của em bao gồm: tìm hiểu

về các nguyên lý định vị, các hệ thống của GPS và các ứng dụng của hệ thống này trong thực tế.

1

Trang 8

MỤC LỤC

Chương một: Giới thiệu tổng quát về hệ thống GPS.

I: Lịch sử ra đời và phát triển.

1.1: Giai đoạn xây dựng khái niệm.

1.2: Giai đoạn nghiên cứu, kiểm chứng.

1.3: Giai đoạn hoàn chỉnh hệ thống.

1.4: Giai đoạn triển khai ứng dụng.

1.5: Giai đoạn nâng cấp hệ thống.

2.6: ứng dụng trong thám hiểm không gian.

2.7: ứng dụng trong giao thông hàng không.

2.8: ứng dụng trong quân sự.

Chương hai: Nguyên lý định vị GPS.

I: Khái niệm định vị từ vệ tinh.

3.1: Nguyên tắc của phép định vị Dopler.

3.2: Các sô"đo Dopler Transit.

II: Khái niệm cơ bản về hệ thông định vị toàn cầu GPS.

1: Phương pháp đo.

1.1: Phương pháp truyền sóng điện từ.

Trang 9

1.2: Phép đo cự ly một chiều và hai chiều.

1.3: Phép đo cự ly bằng sóng xung và sóng liên tục 1.4: Các sô" đo giả cự ly.

1.5: Phương pháp đo pha phách sóng mang.

Chương ba: Độ lệch và sai số.

I: Các loại sai sô".

1: Sai sô" cự ly do người sử dụng.

2: Sai sô" do tâm pha dịch chuyển.

II: Các ảnh hưởng bên ngoài.

1: Ảnh hưởng khuếch tán của tầng điện ly.

2: Lập mô hình tầng điện ly.

3: Ảnh hưởng của tầng đôi lưu.

4: Đa đường và ảo ảnh.

III: Các kiểu độ lệch.

1: Độ lệch đồng hồ.

2: Độ lệch quỹ đạo.

3: Lập mô hình độ lệch quỹ đạo.

4: Giá trị không ổn định của pha phách sóng mang 5: Phép loại trừ giá trị không ổn định của chu kỳ.

6: Trị sô" trượt chu kỳ.

-3

Trang 10

VI: Các sai số đo và tọa độ trạm đo.

1: Các sai sô" đo.

2: Tọa độ trạm đo.

Chương bốn: Các hệ thống định vị GPS.

I: Phần không gian.

1: Vệ tinh GPS.

1.1: Tình trạng của vệ tinh GPS sơ khai.

1.2: Quỹ đạo của những vệ tinh sơ khai.

1.3: Chòm vệ tinh GPS năm 1990.

1.4: Triển khai chòm 21 vệ tinh.

1.5: Các trạm điều khiển vệ tinh.

2: Tín hiệu vệ tinh.

II: Phần điều khiển.

III: Phần người sử dụng.

1: Các bộ phận thiết bị GPS của người sử dụng.

2: Nét chung của máy thu GPS.

3: Máy thu theo dõi liên tục và máy thu chuyển mạch 4: Phân loại máy thu GPS.

ị Global Positioning System)

Trang 11

4: ứng dụng đối với các phương tiện giao thông đường bộ.

4.1: Đường truyền thử nghiệm đối với các phương tiện giao thông đường bộ.

4.2: Kết quả xác định tốc độ các phương tiện giao thông đường bộ 5: ứng dụng trên tàu thuyền.

6: Đo đạc địa chấn không gian ba chiều.

7: ứng dụng trên máy bay.

7.1: Phép đo sâu laser.

7.2: Tam giác ảnh hành không không dùng điểm khống ch ế mặt đất:

7.3: Trọng lực hàng không.

7.4:ứng dụng trên máy bay trực thăng.

( Global Positioning System)

5

Trang 12

CHƯƠNG MỘT:

GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VE HỆ THÔNG GPS

Trang 13

I Lịch sử ra đời và phát triển.

Hệ thống GPS là một hệ thống dẫn đường trong mọi loại thời tiết cho biết thời gian và cự ly của thiết bị cần xác định dựa trên cơ sở tính cự ly giữa điểm cần định vị và vệ tinh Hệ thống GPS được hoàn chỉnh vào năm 1994 cung cấp khả năng định vị chính xác tức thời trên qui mô toàn cầu.

Ý tưởng đầu tiên về một hệ thống định vị toàn cầu sử dụng sóng vô tuyến phát từ vệ tinh hình thành từ năm 1957 ngay sau khi vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài người được phóng thành cồng.

Trong quá trình theo dõi tín hiệu vệ tinh, các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm Vật lý ứng dụng thuộc Đại học Johns Hopkins nhận thấy sóng điện từ phát đi từ vệ tinh có sự thay đổi tần sô" phụ thuộc vận tốc tương đối giữa vệ tinh và máy thu( Hiệu ứng Doppler).

Bằng một đồ thị thể hiện tần sô" tín hiệu vệ tinh trong một chu kỳ quỹ đạo có thể xác định được vị trí vệ tinh tại mỗi thời điểm trong các chu kỳ quỹ đạo kê" tiếp.

Như vậy, nếu xác định được quỹ đạo vệ tinh( thông qua tính toán kêt hợp với các phương pháp quan trắc), có thể xác định chính xác vị trí máy thu bằng cách đo độ dịch tần Doppler.

Với sự bảo trỢ của Hải quân và Không quân Mỹ, nhiều chương trình nghiên cứu đã được tiến hành độc lập nhằm xây dựng một hệ thông dẫn đường cho các phương tiện chiến đấu và vũ khí kỹ thuật cao của quân đội Mỹ.

1.1 Giai đoan xâv dưng khái niêm Các nghiên cứu tiếp theo tại phòng thí nghiệm Vật lý ứng dụng Đại học Johns Hopkins dẫn tới sự hình thành hệ thống dẫn đường vệ tinh đầu tiên được gọi là hệ Transit.

Hệ Transit bao gồm từ bôn đến sáu vệ tinh bay quanh trái đất ở độ cao

1 100km, ba trạm giám sát có nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, cập nhật các thông

sô quỹ đạo hai lần mỗi ngày Vệ tinh Transit phát thông tin về quỹ đạo trên hai tần sô" 150MHz và 400MHz( việc sử dụng đồng thời hai tần sô" cho phép giảm thiểu sai sô" do ảnh hưởng của tầng điện ly đôi với quá trình truyền sóng điện từ ) Các máy thu Transit nhận tín hiệu vệ tinh, xác định độ dịch tần

7

Trang 14

Doppler, tính toán các toạ độ trên cơ sở thông tin về vị trí vệ tinh được phát

từ vệ tinh mỗi hai phút.

Độ chính xác của phép định vị Transit khoảng 500m đôi với máy thu một tần số, 25m đối với máy thu hai tần số Lặp lại phép đo nhiều lần có thể đạt tới độ chính xác tương ứng là 50m và 15m Đ ể có kết quả đo chính xác, vận tốc phương tiện được xác định chính xác( sai sei vận tốc một hải lý giờ sẽ dẫn tới sai sei định vị cỡ 0,2 hải lý).

Transit chỉ cung câp thông tin định vị hai chiều( kinh độ, vĩ độẶ cao độ

phải được xác định bằng thiết bị độc lập Do số vệ tinh trên quỹ đạo ít và chỉ

sử dụng phương pháp đo pha phách sóng mang( các vệ tinh Transit không phát mã PRN trong thông điệp vệ tinh) hệ Transit không có khả năng cung cấp các số đo định vị tức thời Thời gian xác lập( tức khoảng thời gian từ khi bắt đầu đo tới khi thu được các số đo định vị) phụ thuộc vĩ độ của điểm đo, khoảng 110 phút ở xích đạo và 30 phút ở vĩ độ 80.

Do các hạn chế trên, Transit chỉ thích hợp sử dụng cho hàng hải( do phương tiện có vận tốc thấp, không cần thông tin độ cao và thường không đòi hỏi các thông tin định vị tức thời).

Bắt đầu hoạt động từ năm 1964 như hệ thống dẫn đường chính của Hải quân Mỹ, năm 1976 Transit được mở rộng cho các ứng dụng dân sự( hàng hải, trắc điạ, bản đồ) và nhanh chóng thu hút được một sô lượng lớn người sử dụng dân sự Transit chấm dứt hoạt động năm 1996 sau khi GPS đạt được khả năng hoạt động đầy đủ và chính thức đóng vai trò như hệ thống dẫn đường duy nhất của quân đội Mỹ.

Năm 1964, Hải quân bắt đầu chương trình Timation với mục tiêu nâng cao khả năng của các vệ tinh định vị Kết quả của chương trình là vệ tinh đầu tiên Timation 1 được phóng lên quỹ đạo 1976, Timation là thê hệ vệ tinh định vị đầu tiên được trang bị các đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao( các vệ tinh Oscar và Nova của hệ Transit được trang bị các đồng hồ sử dụng dao động thạch anh).

Trong cùng thời gian, Không quân Mỹ cũng xúc tiến một chương trình nghiên cứu được gọi là đề án 6 2 1B Một trong những kết quả của đê án này

là việc nghiên cứu và thử nghiệm thành công kỹ thuật định vị bằng các mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN( Pseudo random noise).

Trang 15

Năm 1973, Bộ quốc phòng Mỹ hợp nhất hai chương trình Timation 1

và 6 2 1B nhằm nghiên cứu một hệ thống định vị vệ tinh hoạt động trong mọi thời tiết, có khả năng định vị ba chiều với độ chính xác cao với tên gọi NAVSTAR GPS, quyền điều hành NAVSTAR được giao cho Không quân Mỹ.

1.2 Giai đoan nghiên cứu, kiểm chứng( 1973-1979).

Hai vệ tinh thử nghiệm NTS( Navigation Technology System) được phóng vào các năm 1974 và 1977 cho phép hoàn thiện các kỹ thuật được sử dụng để ch ế tạo các vệ tinh đầu tiên của hệ GPS gọi là Block I Hai vệ tinh NTS và vệ tinh đầu tiên thuộc Block I bắt đầu thử nghiệm dịch

vụ định vị hai chiều từ năm 1978.

Cũng trong thời gian này, các trạm điều khiển mặt đất đã được xây dựng tại California, Alaska, Guam và Hawaii.

1.3 Giai đoan hoàn chỉnh hê thổng( 1979-1985).

Song song với việc hoàn thiện các trạm điều khiển mặt đất các vệ tinh GPS Block I tiếp tục được phóng vào quỹ đạo từ sân bay quân sự Vandenberg bằng tên lửa Atlas.

Tổng cộng mười một vệ tinh GPS Block I đã được phóng trong thời gian từ 1980 tới 1985, tuổi thọ của vệ tinh Block I trung bình khoảng bảy năm, vệ tinh cuối cùng ngưng hoạt động năm 1995.

1.4 Giai đoan triển khai ứng dung( 1986-1994).

Thế hệ k ế tiếp của các vệ tinh GPS là Block II, dự kiến bắt đầu hoạt động từ năm 1986, được thiết k ế để phóng vào quỹ đạo bằng tàu con thoi nhưng dự án đã phải tạm ngưng do vụ nổ tàu con thoi Challenger năm 1986 Năm 1989, vệ tinh đầu tiên thuộc Block II mới được đưa vào quỹ đạo bằng tên lửa đẩy Delta.

Năm 1991, GPS bắt đầu đảm bảo khả năng định vị hai chiều trên phạm vi toàn thế giới Khả năng định vị ba chiều được chính thức công bô năm 1993, năm 1994 chùm vệ tinh GPS đã bao gồm đủ hai mươi bốn vệ tinh

đa số thuộc Block II.

9

Trang 16

Sau vụ máy bay Korean Aữlines bị bắn hạ do xâm phạm không phận Liên Xô năm 1983, chính phủ Mỹ công bố khả năng cho phép ứng dụng GPS cho các lĩnh vực dân sự đặc biệt là hàng không ngay sau khi hoàn tất quá trình triển khai.

Từ năm 1993, cộng đồng hàng không dân dụng quốc tế chính thức được phép sử dụng miễn phí các dịch vụ của GPS trong thời gian tối thiểu mười năm Cam kết này được tái khẳng định nhiều lần trong các năm tiếp theo bởi các quan chức cao cấp của Chính phủ Mỹ.

1.5 Giai đoan nâng cấp hê thống( từ 1995).

Sau khi đạt được khả năng hoạt động đầy đủ, GPS tiếp tục được nâng cấp nhiều lần đặc biệt là khả năng của các vệ tinh Cho tới nay, nhiêu thê hệ

k ế tiếp( Block IIA, Block IIR, Block IIF) đã và đang được triển khai.

II Phạm vi ứng dụng của hệ thông GPS.

Kỹ thuật dẫn đường bằng vệ tinh được ứng dụng rất nhiều trong tất cả các lĩnh vực như: hàng không, hàng hải, dẫn hay theo dõi các hoạt động của các phương tiện giao thông vận tải trên mặt đất, câm tay di động, đo đạc ban

đồ, địa chất

2.1 ứ n g dung trong trắc đỉa và bản đỗ măt đất.

Độ chính xác cao của các trị số đo pha sóng mang GPS, cùng với những thuật toán bình sai thoả đáng, sẽ cung cấp một công cụ thích hợp cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong công tác trắc địa và bản đồ Các ứng dụng này chia làm bốn loại:

• Đo đạc địa chính.

• Lập lưới khống chế trắc địa.

• Theo dõi biến dạng cục bộ.

• Theo dõi biến dạng toàn bộ.

Đo đạc địa chính đòi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10'4 Người ta có thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan trắc GPS Tuy nhiên, để có thể áp dụng GPS một cách rộng rãi trong lĩnh vực

Trang 17

này, cần phải thực hiện được việc xử lý hoàn toàn tự động trên vị trí điểm nếu có thể.

Lưới không chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao để

từ đó người ta có thể lập những lưới hạng thấp hơn Độ chính xác yêu cầu về

vị trí tương đối khoảng 5x10'6 đến lxl 0"4 tương ứng với các cự ly 20 đến 100

km Độ chính xác này có thể đạt được bằng cách xử lý hậu kỳ các trị đo pha sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn Các câp hạng khống chế thấp hơn có thể cũng được thành lập một cách kinh tế bằng GPS.

Việc theo dõi biến dạng cục bộ đòi hỏi độ chính xác lm m đến lcm trên cự ly tới một vài km Đối với những ứng dụng này, độ chính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tâm vi mạch trong anten GPS và sự sai lệch của tín hiệu do môi trường phản

xạ nơi đặt anten Hơn thế nữa, khó khăn đã bị tăng lên do khả năng nhìn thây

vệ tinh bị giới hạn vì hiện tượng che chắn của môi trường công nghiệp tiêu biểu.

Việc theo dõi biến dạng toàn cục đòi hỏi độ chính xác khoảng 10 7 đên 10~8trên cự ly liên lục địa Sự khác nhau cơ bản giữa việc theo dõi biến dạng

toàn bộ so với những ứng dụng đã thảo luận phía trên là ở chỗ trong trường

hỢp này cần phải cổ một mô hình phức tạp về các quỹ đạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác.

2.2 ứ n g dung trong giao thông và thông tin trên măt đất Việc phổ biến rộng rãi phép định vị GPS hành trình hàng hải vào trong giao thông dân dụng sẽ được nối tiếp theo sau việc giảm một cách đáng kể giá cả của các thiết bị thu GPS V iệc giảm giá thiết bị hoàn toàn có thể đạt được trong những năm tới, vì vậy GPS có thể được coi là sẽ thay thê các phương pháp truyền thống trong những nhiệm vụ đang thực hiện Trong lĩnh vực xác định các hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thê hiện vị trí của phương tiện trên một sơ đồ điện tử có thế sẽ thay thê sự so sánh có tính chất thủ công các vật thể chung quanh phương tiện với bản đồ truyên thống, ứng dụng này sẽ thuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp, các chuyên công tác tìm kiếm hoặc cứu hộ

-11

Trang 18

Việc giám sát vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếu các phương tiện này được trang bị thêm những máy phát tự động đê

hỗ trỢ máy thu GPS Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu hoặc bộ xử lý GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung tâm để thể hiện trên màn hình.

2.3 ứ n g dung trong trắc đỉa và bản đồ trên biển.

Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngoài khơi Đối với công tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác vê vị trí mặt băng thường thay đổi trong khoảng từ một vài dm đến một vài chục mét Đ ê đáp ứng các nhu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý sô liệu khác nhau bằng cách sử dụng các phép đo giả cự ly hoặc phép đo pha sóng mang.

Trang 19

Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đô các chướng ngại đê dan hướng tàu thuyền( đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nôi) và đo vẽ các câu tàu va bến cảng Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa vật lý đáy biển( ví dụ đo địa chấn) cũng như các yêu câu vê định vi các hô khoan đeu co tho được đap ứng bằng GPS.

Trong trắc địa biển( địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đât ) đều có thể dùng GPS làm công cụ định vị Đ ể đo trường trọng lực, ngoài vị trí của máy thu còn phải biết thêm tốc độ của máy thu.

2-4 ứ n g dung trong giao thông và hải dương hoc trên biển.

Hệ thống định vị GPS sẽ trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lý tưởng một khi việc phóng các vệ tinh được thực hỉện đủ đe cung

13

Trang 20

Cấp thông tin liên tục cho phép định vị không gian hai chiêu Yêu câu độ chính xác dẫn đường đi trên biển thay đổi trong khoảng từ một vài mét( trên bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông) đến một vài trăm mét( dan hướng trên đường đi) Khả năng đảm bảo độ chính xác đầy đủ cho việc dẫn đường

đi lại trên biển trong mọi giai đoạn khác nhau bằng một hệ thông định vị vô tuyến duy nhất là lợi thê chính yếu của phép định vị GPS Thủ tục định vị GPS chính xác sử dụng cả phép đo giả-ngẫu nhiên và phép đo pha sóng mang có thể đưa đến việc dẫn hướng đi của tàu thuyền trên sông và ven biển

mà không cần đến phao nổi, công tác tìm kiêm và cứu hộ ngoài khơi xa cũng

sẽ có hiệu quả hơn khi được nâng cao độ chính xác dẫn hướng đường đi.

Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương học cũng có thể được đáp ứng nhờ hệ GPS Phép đo pha của sóng mang bổ túc cho ta tốc độ tàu thuyền chinh xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu các dòng chảy của đại dương.

2.5 ứ n g dung trong trác đỉa và bản đỗ hàng không.

Trong ứng dụng đo đạc và vẽ bản đồ từ không ảnh, hệ định vị GPS cung cấp kỹ thuật dẫn đường bay và định vị bộ cảm biến.

Trọng lượng ảnh hàng không, yêu cầu độ chính xác dân đường bay của

bộ cảm biên ( khoảng một vài chục mét) có thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ hệ GPS Phép định vị( và định hướng) hậu kỳ bộ cảm biến với độ chính xác cao bằng GPS có thể thay thế kỹ thuật tam giác ảnh không gian va

do đó làm cho vai trò của các điểm khống chê mặt đất trở nên không cân thiết Yêu cầu về độ chính xác của phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trong khoảng từ 0.5 mét đến 26 mét tùy theo từng loại tỷ lệ bản đồ khác nhau.

Trang 21

Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiện cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.

Hình 1.2: ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không.

Phép lập mặt cắt địa hình bằng laser hàng không có thể được dùng để

đo vẽ trực tiếp bản đồ số của địa hình( mô hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảm biến được biết với độ chính xác khoảng 0.5 mét đến 1 mét về độ cao và một vài mét về mặt phẳng Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho đọ chinh xac định vị tốt hơn trong phép phân tích hậu kỳ.

Phép đo trọng lực và trọng sai( dị thường trọng lực) hàng không cũng đòi hỏi một kiểu định vị đại để như vậy Trong lĩnh vực ứngdụng này, các số

đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộ cảm biến cấn thiết cho phép quy Eotvos dữ liệu trọng lực.

Phép đo sâu laser hàng không và phép ảnh radar thường đòi hỏi độ chính xác định vị bộ cảm biến không cao, vì vậy có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng các số đo GPS.

15

Trang 22

ị Global Positioning System) _

2.6 ứ n g dung trong thám hiển không gian.

Hình 1.3: ứng dụng trong thám hiểm không gian.

ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa vật lý hoặc trắc địa Thông thường các vệ tinh này có quỹ đạo thấp, vì vậy nguyên lý hình học cua các phep đo cung tương tự như đã ứng dụng cho mặt đất Những ví dụ điển hình trong lĩnh vực ứng dụng này là phép viễn thám bằng vệ tinh và phép đo cao độ bằng radar Các vị trí toạ độ của vệ tinh nhận được từ các sô đo GPS có the được dung đe cải tiến hoặc đơn giản hoá việc tính toán quỹ đạo cua các phương tiẹn khong

Trang 23

gian này, thậm chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định vị rời rạc trong định vị quỹ đạo bay.

2.7 ứ n g dung trong giao thông hàng không.

Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, việc sử dụng đơn độc hệ GPS làm hệ thông dẫn đường bay gắn chặt với việc liệu hệ GPS có đưa ra được một kỹ thuật định vị thực sự liên tục với đầy đủ các sô đo dư thừa hay không Trong cấu trúc của GPS một vài vùng khác nhau vẫn có thể xảy ra tình trạng yếu kém do sự phân bố hình học vệ tinh không tốt Trong thời gian yếu kém người ta không thể thực hiện được việc dẫn đường bay an toàn chỉ đơn thuần bằng các số đo GPS Tuy nhiên kỹ thuật GPS vẫn có thể được dùng làm một phần của hệ thông dẫn đường bay tích hợp, cho tới nay độ chính xác nhận được bằng hệ GPS trong các thời kỳ không yếu kém tỏ ra ưu việc hơn nhiều hơn so với bất kỳ một hệ định vị vô tuyến bất kỳ nào khác.

2.8 ứ n g dung trong quân sư.

GPS được thiết k ế ban đầu dùng cho mục đích quân sự Những ứng dụng này xoay quanh các vấn đề: hàng không, hàng hải và mặt đất GPS sẽ được phục vụ như một hệ thống riêng rẽ hoặc một bộ phận của hệ thống có giao tiếp Dưới dạng là những ứng dụng chính trong quân sự, thám thính vệ tinh GPS mang cảm biến để bảo vệ và hiển thị các vụ nổ nguyên tử.

17

Trang 24

CHƯƠNG HAI:

NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ GPS

Trang 25

I Khái niệm định vị từ vệ tỉnh.

1 Phép đinh vi điểm Định vị có nghĩa là xác định vị trí của các vật thể tĩnh tại hoặc chuyển động Các vị trí này có thể được xác định theo một trong hai phương pháp sau đây:

i Theo một hệ tọa độ không gian ba chiều đã được định

nghĩa( ở đây chúng ta cho rằng một hệ tọa độ đã được định nghĩa là hệ tọa độ đã được định vị và định hướng theo trái đất).

ii Theo vị trí của một điểm khác, được thừa nhận là điểm

gốc của một hệ tọa độ địa phương.

Kiểu đầu tiên của định vị là định vị điểm, kiểu thứ hai là định vị tương đốì( kiểu định vị tương đối còn gọi là định vị vi sai).

Hình 2.1: Hệ tọa độ qui ước quốc tế CT.

v ề khái niệm, dùng hệ tọa độ nào để định vị điểm không quan trọng Tuy nhiên, người ta vẫn thường dùng hệ tọa độ địa tâm hơn, tức là một hệ tọa

19

Trang 26

độ CÓ gốc trùng với trọng tâm c của trái đất Vì vậy, đôi khi khái niệm định

vị tuyệt đối vẫn thường được dùng để thay thế thuật ngữ định vị điểm, đặc biệt trong lĩnh vực định vị động.

Nếu một vật thể cần được định vị ở trạng thái tĩnh, chúng ta nói đó là phép định vị tĩnh Ngược lại, khi vật thể chuyển động, chúng ta nói đó là phép định vị động.

1 ■ 1 Phép đinh vi tương đổì.

Phép định vị tương đối bằng các phương pháp mặt đât thường đơn giản hơn phép định vị điểm, đặc biệt khi hai điểm có thể ngắm thông nhau Hiện tồn tại nhiều kiểu định vị tương đối khác nhau, dựa trên những khái niệm vật

lý và hình học khác nhau Phép định vị tương đôi là một dạng định vị cơ bản thường được dùng trong thực tế trắc địa.

Có thể dùng bất kỳ một hệ tọa độ địa phương nào để thực hiện phép định vị tương đôi Khi định vị tương đôi bằng các thiết bị đo truyền thống, người ta thường dùng hệ tọa độ thiên văn địa phương LAS( Local Astronical System) Trong khi để thực hiện phép định vị tương đối từ không gian người

ta phải dùng đến một hệ tọa độ khác, có thể một cách đơn giản như sau.

Giả thiết đã biết vị trí Rl của điểm Pl trong hệ tọa độ cụ thể và vectơ nôi giữa Pị và một điểm P2 khác trên cùng một hệ tọa độ là ARi2, cùng xác định trên cùng một hệ tọa độ Khi đó, vị trí của điểm P2 sẽ được xác định bởi phương trình vectơ:

R1 =R1+ ARì2

Nêu mô hình này được dùng cho phép định vị động thì cả hai vectơ

ARl2, R2đều là những hàm theo thời gian.

1.2 Hê thống lưới gồm nhiều điểm.

Thông thường sẽ có lợi khi nối tất cả các điểm cùng loại với nhau trong cùng một mạng lưới Cách thức này thường được dùng trong phép định vị tĩnh với các điểm được xây dựng một cách hợp lý Nguyên nhân chính là vì thường phải đặt máy đo lại trên từng điểm riêng biệt của lưới Khi các diêm này được cùng định vị và được nối với nhau bằng những liên kết dư thừa thì cấu trúc hình học của lưới sẽ mạnh hơn.

Trang 27

■ ( Global Positioning System) _

Trong một lưới, mỗi liên kết cộ thể được coi là một vectơ giủa các

trạm đo và mỗi cặp điểm kê cận là ịnột cặp điểm được định vị tương đối điểm nọ so với dểm kia Nếu biết được toàn bộ các vectơ giữa các phép đo - nhận được từ các trị số đo - thì lưới đựỢc coi là một vật trung gian để truyền tọa độ từ đầu nọ đến đầu kia của lưới Xuất phát từ quan điểm này có thể thây kiểu xây dựng lưới gồm nhiều điểm thực chất là một kiểu truyền tọa độ

Vì vậy, đương nhiên sẽ phải chịu các sai số tích lũy và cần phải thận trọng đến hạn chế ảnh hưởng lan truyền của các sai số hệ thống Trong thực tế trắc địa, lưới bao giờ cũng là một kiểu địáh vị tọa độ phổ biến nhất Các điểm được lưới liên kết lại với nhau được gọi là các điểm khống chế.

Đ ể định vị chính xác, cho tới nay chúng ta thường dựa vào kỹ thuật định vị tương đối Phép định vị tương đối dạng lưới thường được coi là một dạng cơ bản của định vị trắc địa Bởi yì, trước đây các thiết bị quang học đặt trên mặt đất( máy kinh vĩ, thuỷ chuẩnị ) đã từng được độc quyền sử dụng để

đo các vectơ liên kết giữa các trạm, cho nên việc liên kết giữa các điểm lân cận vẫn thường giới hạn trong lĩnh vực liên kết theo hướng nhắm Lưới trắc địa tọa độ là loại lưới được xác định tọư độ phẳng và kinh vĩ độ của các điểm khống chế với độ chính xác tối đa, trọng khi cao độ chỉ cần biết gần đúng Lưới trắc địa cao độ là lưới bao gồm các điểm không chế cao độ có độ chính

xác tốt nhất, trong khi vị trí mặt bằng phỉ cần là những trị số có độ chính xác

rất kém.

ĩ 3 Hê toa đô phẵng và cẹo đô.

Trong các phép định vị cổ điển, khái niệm về các mặt gốc giữ một vai trò hết sức quan trọng Mặt gôc là một mặt có cùng một giá trị tọa độ như nhau Trong thực tế có hai loại mặt g^c khác nhau: mặt gốc tọa độ phẳng và mặt gốc cao độ Mặt gốc cao độ là Iĩiột mặt có cao độ băng không, thường được chọn là geoid, mặt đẳng thế của trường trọng lực trái đât xâp xỉ tôt nhât với mặt biển trung bình Các cao độ được tham chiếu trên mặt geoid gọi là cao độ chính xác H( orthometic hiegtits), cũng chính là những cao độ mọi người thây vẽ trên các bản đồ địa hình Cao độ chính là cao độ được dùng rộng rãi trong thực tê trắc địa và trong những lĩnh vực khác.

2hr.TRUÔNG PMDl -;<TCN THƯ Vi ỆN

ầ

e-teen * ^ -—J vso 4>'

Trang 28

Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cậu GPS.

Nếu mặt geoid được thay bằng một mặt ellipsoid hai trục thì người ta

có định nghĩa về cao độ hình học h( geometrical hieghts), còn gọi là các cao

độ trên mặt ellipsoid rất ít sử dụng trên thực tê Tuy nhiên, điêu hap dan cua những cao độ này chính là chúng có thể nhận được một cách trực tiêp từ các tọa độ Descartes ba chiều của diêm chúng ta quan tâm, miên la đa biet được cách định vị và định hướng của ellipsoid tham chiếu trong hệ tọa độ Descartes này Phương trình liên kêt hai loại cao độ này được giơi thiẹu trong hình vẽ, trong đó cao độ N của Itiặt geoid trên mặt ellipsoid tham chiêu thường được gọi là cao độ geoid( geoid height) Nói chung tại mọi nơi, tn tuyệt đôi của N ứng với ellipsoid tham chiếu phù hợp nhất với địa tâm luôn luôn nhỏ hơn 100 mét.

Vì vậy trong nhiều nhiệm vụ việc dùng ellipsoid làm mặt tham chiêu cao độ là không thực tế, phổ biến nhất vẫn là dùng mặt này làm mặt tham

chiếu cho các tọa độ phẳng vĩ độ cp và kinh độ X Điều này đã giải thích tại

sao các ellipsoid tham chiếu này thường được gọi là các mặt gôc tọa đọ phẳng.

Trang 29

Rõ ràng, nếu chúng ta khéo léo biểu diễn vị trí điểm theo tọa độ Descartes trong một hệ tọa độ địa tâm qui ước thì cả hai mặt gôc cao độ và tọa độ phẳng đều bị loại bỏ Trên khái niệm, đó chính là trường hợp đã dùng

để định vị điểm theo vệ tinh Tuy nhiên, trong thực tế thông thường các tọa

độ được xác định bằng vệ tinh đều phải chuyển đổi về (p, X và H Phép

chuyển đổi này đòi hỏi phải có hiểu biết về:

• Phép định vị và định hướng mặt gốc tọa độ phẳng đã lưạ chọn trong

hệ tọa độ Descartes xác định.

• Cao độ của mặt geoid phía trên mặt gôc tọa độ phăng.

1.4 Phép đinh vi thiên văn.

Từ ngàn xưa loài người đã luôn nô lực để đo đạc một cách chính xác vị trí điểm trên bề mặt trái đất Kỹ thuật duy nhất tồn tại trước khi xuất hiện các

vệ tinh là kỹ thuật thiên văn quang học Ýnghĩa cơ bản của phép định vị thiên văn là xác định vị trí của điểm thiên đỉnh địa phương trong bầu trời sao

Vĩ độ thiên văn và kinh độ thiên văn được tính từ vị trí tương đối giữa thiên đỉnh địa phương tương ứng với các ngôi sao xung quanh.

Khó khăn chủ yếu của phép định vị thiên văn là phải chuyên đôi các tọa độ thiên văn thành những tọa độ có độ chính xác tốt hơn để có lợi cho định vị điểm chính xác Nhiệm vụ này đòi hỏi cân có kiên thưc đay đu ve trường trái đất Không có các kiến thức này thì những sai lệch trong các trị tọa độ vị trí xác định bằng thiên văn có thể lớn tới hàng trăm mét Mặt dù vậy c á c tọa độ này vẫn rât hữu dụng trong định VỊ sơ bọ, đinh tuyen đương đi trên mặt đất trong không gian hoặc trên mặt biển Với những hiêu biêt đây

đủ về trường trọng lực trái đất, thì sau khi chuyển đổi, các sai số trong định vị

c ó thể đạt mức 10 mét, có nghĩa là độ chính xác tương đối của các vị trí này vào khoảng 1 ppm.

Ngày nay người ta ít dùng phép đinh vi thiên văn đê đinh VỊ chinh xac Đôi khi người ta dùng phép định vị thiên văn để nghiên cứu trường trọng lực của trái đất Phương pháp này cho ta một công cụ tiện lợi để xác định độ lệch của dây dọi, tức độ nghiêng của mặt geoid so với ellipsoid tham chiếu đã lựa chọn.

Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thôhg định vị toàn cầu GPS.

( Global Positỉoning System)

2 3

Trang 30

2 Phép đinh vi v ẽ tinh.

Khi nói đến phép định vị vệ tinh thì có nghĩa là phép định vị điểm mặt đất bằng công cụ vệ tinh chứ không phải định vị các vệ tinh Nói một cách

ngắn gọn, chúng ta muôn xác định vị trí( Rị) của anten thứ i( một thiết bị thu

tín hiệu của vệ tinh và sau đó xác định vệ tinh điểm) Chúng ta đã biêt vị trí

(ry) của vệ tinh thứ j( phát ra tín hiệu) và cần phải đo vectơ cự ly eịpị giữa

hai vị trí nói trên Khi đó, tùy,, thuộc vào cách thức đo vectơ cự ly, chúng ta có thể có những kỹ thuật định vị vệ tinh khác nhau Dự đoán một cách chính xác

vị trí của vệ tinh r‘(t) tại một thời điểm nào đó là một công việc cực kỳ khó khăn Nhiệm vụ dự đoán lịch thiên văn một tên gọi thích hợp cho rj khi được

coi là hàm theo thời gian, đòi hỏi phải có kiến thức đặc biệt về động lực học

vệ tinh Thường những người làm việc trong hệ thống điều khiển vệ tinh đảm nhận công việc xác định lịch thiến văn và dự đoán hành trình cua vẹ tinh Những người sử dụng hệ thống này cũng có thể có điều kiện cải tiến những lịch thiên văn đã được cung cấp Như vậy, người sử dụng có thể thiết lập một mạng lưới riêng biệt gồm nhiều trạm theo dõi vệ tinh, tốt nhất là mạng lưới toàn cầu để tính lịch thiên văn riêng theo kiểu xử lý hậu kỳ.

Trang 31

3 Phép đinh vi Doppler.

3.1 Nguyên tắc của đinh vi Doppler.

Hiệu ứng Doppler, được khám phá bởi nhà vật lý Christian Doppler vào thế kỷ 19 đã trở nên quen thuộc Một người đứng cạnh đường ray xe lửa khi xe lửa chạy ngang qua tiếng còi xe lửa thay đôi theo từng lúc xe chạy qua Bắt đầu rất cao, thay đổi khi tiến đến và hạ thấp khi xe chạy ngang qua, càng xa càng thấp Hiện tượng này đã từng xảy ra đôi với các tân sô am

2 5

Trang 32

thanh và cũng xảy ra tương tự đôi với các sóng điện từ Các tần sô của cả sóng vô tuyến và sóng ánh sáng đều bị dịch chuyển khi nguồn và người quan sát chuyển động tương đối với nhau.

Giải thích cổ điển đối với hiệu ứng này là người quan sát nhận được nhiều đỉnh sóng trong một giây hơn, tức tần sô" tăng nếu nguồn sóng và người quan sát chuyển động gần nhau hơn, và ngược lại tần sô giảm nêu khoảng cách này càng xa hơn Nếu tốc độ tương đối giữa nguồn phát và người quan sát nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ánh sáng, khi đó tần số nhận một cách gần đúng được tính theo công thức:

/ , ' = / / , - ỉ ậ ì

f s : tần sô" nguồn.

c: vận tô"c ánh sáng.

s: khoảng cách giữa nguồn và người quan sát.

— : vận tốc tương đối giữa nguồn và người quan sát.

Quay lại vấn đề xe lửa, chúng ta có thê nhận thây răng khi chúng ta càng đứng gần đường sắt thì cao độ của tiếng còi càng thay đôi nhanh hơn Ngay cả khi chúng ta không nhìn hoặc cảm giác về tàu hỏa đi ngang qua chung ta cũng có thể nói khi nào nó đi ngang qua bằng cách để ý đến thời điểm khi cao độ của tiếng còi nằm ở giữa hai thái cực cao và thấp Vì vậy, bằng cách hiển thị tần sô" của âm thanh thu nhận được khi tàu hoa đi ngang qua và biêt được tốc độ chuyển động đêu của tàu, chúng ta có thê xac đinh được vị trí của chúng ta trong hệ tọa độ không gian hai chiêu, trong đó trục X

chạy dọc theo đường ray và trục y vuông góc với đường ray Điểm gốc có thể chỉ định một cách tùy ý, đó chính là nguyên lý của phép định vị Doppler.

Trong trường hợp vệ tinh Transit( hoặc bât kỳ loại vệ tinh nào khác dùng cho mục đích này) vị trí của máy thu có thể được xác định bằng cách liên tục ghi chép trị dịch chuyển Doppler của tín hiệu nhận được( hoặc sô lượng chu kỳ của tần sô" Doppler có thể quan sát và ghi nhận một cách tương đối chính xác) Sau đó, các sô" liệu này được phối hợp với độ chính xác của

vệ tinh để xác định vị trí của máy thu Giông như trường hợp chạy ngang qua của tàu hỏa, một lần ngang qua của vệ tinh chỉ có thê cho nhiêu nhât là hai giá trị tọa độ Trong khi cách thức này có thể phù hợp với việc dẫn đường đi

Trang 33

trên biển là nơi đã biêt trước một cách gần đúng cao độ so với mặt ellipsoid tham chiếu, thì phép định vị không gian ba chiều lại đòi hỏi phải quan sát vệ tinh ngang qua nhiều lần.

3.2 Các sỏ" đo Doppler Transit.

Tần số gần đúng của sóng vô tuyến nhận được từ vệ tinh( khi bỏ qua hiệu ứng tương đối) được xác định bởi:

/ : tần số tín hiệu đo được tại vệ tinh, c: vận tốc ánh sáng,

— : tốc đô chuyển động của vệ tinh, cũng là vectơ thành phần của vectơ của vệ tinh dọc theo hướng ngắm của máy thu.

Tốc độ cực đại trên cự ly của vệ tinh Transit là vào khoảng 7.4km/s, ứng với trị dịch chuyển Doppler cực đại khi vệ tinh mọc hoặc lặn vào khoang

25 ppm của tần số phát sóng Trị này ứng với 8.4 KHz tại tần số 400 MHz.

Trị dịch chuyển Doppler có thể được đo bằng hiệu số của tần số nhận được so với tần số' hằng tham chiếu trong máy thu Đối với phần lớn máy thu Transit các tần sô này thường đúng bằng 400 MHz và 150 MHz Đ ê trị dịch chuyển Doppler không đi qua điểm không, người ta thường chọn tân sô phát sóng của vệ tinh thấp hơn khoảng 80 ppm tần sei tham chiêu cua máy thu Nêu tần sô" phát sóng không có sự sai lệch nói trên, máy thu sẽ khó phân biệt giữa các trị dịch chuyển Doppler dương và âm Cận diêm cua vẹ tinh tưc la lúc trị dịch chuyển Doppler bằng không xuất hiện sau 6 phút kê từ khi máy thu chốt tín hiệu.

Bởi vì việc đêm các chu kỳ có thê được thực hiện chinh xac hơn viẹc

đo tần số tức thời, cho nên phần lớn các máy thu Doppler hệ Transit đều dùng cách đếm sô" lượng các chu kỳ tích lũy của tân sô Doppler( trên thực te

là f - f ) chứ không dùng phép đo chính tần sô" Doppler tức thời Bộ đếm

được đọc trong các khoảng thời gian nhất định và các sô liệu đọc được lưu trư lại Thông thường bộ đếm được đặt lại sau mỗi đoạn hai phút hoặc tại mỗi thời điểm cuối của mỗi lần ngang qua của vệ tinh Trên thực tê", hiệu liên tiếp của các sô đọc trên bộ đếm tạo thành hàng loạt các hiẹu cự ly co lẹch.

dt

-27

Trang 34

II Khái niệm cơ bản về hệ thống định vị toàn cầu GPS.

1 Phướng pháp đo.

1.1 Phương pháp truvền sổng điện từ.

Sóng điện từ truyền từ vệ tinh tới máy thu được thể hiện dưới công thức:

Trong đó: A là biên độ của tín hiệu, , \~ cọ là vậntốc góc tính theo đơn vị radian( (ù=2ĩif),

v ^ k là sô" lượng chu kỳ pha truyền đi trên một đơn vị độ dài

k=2n/x, phụ thuộc vào chiều dài bước sóng trong không gian tự

cự ly= (tốc độ truyền sóng) X ( thời gian trôi qua).

Kỹ thuật giả cự ly( pseudorange technique) đòi hỏi phải biết thời gian một cách chính xác.

Một phương pháp xác định cự ly khác là đếm sô" lượng chu kỳ pha trên đường truyền sóng Điều này có thê thực hiện băng phép trọn tan so tin hiẹu đến với tan sô" tín hiệu đã biết Khi đó, tại bất kỳ một thời điểm cho trước nào, cự ly trên đường truyền sóng đều được cho bởi:

sô" lượng chu kỳ pha trên đường truyền sóng=k.x=( 2n/X)x

do đó x=( sô" lượng chu kỳ pha trên đường truyền sóng)(27t/x,).

Phương pháp này đòi hỏi phải biết chính xác tân sô tín hiẹu cua vẹ tinh

và có thể theo dõi được một cách chính xác sô' lượng chu kỳ pha của tín hiệu trên đường truyền sóng

Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thông định vị toàn cầu GPS.

Trang 35

Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thông định vị toàn cầu GPS.

1.2 Phép đo cư lv môt chiều và hai chiểu.

Việc đo cự ly bằng tin hiệu điện từ có thể thực hiện bằng hai kiểu khác nhau: đo một chiều hoặc đo hai chiều Phép đo hai chiêu tương đôi đơn gian

về khái niệm, chỉ cần một đồng hồ đặt trong máy thu-phát đê điêu khien viẹc

đo thời gian trên cự ly đang đo Tại đầu kia của đoạn thẳng là một thiết bị chỉ đơn giản làm nhiệm vụ phản hồi các tín hiệu đến Nếu là thiêt bị thụ động( một bảng ngắm hoặc gương phản chiếu) thì nó chỉ đơn giản phản xạ tín hiệu trở về máy thu-phát Nếu là thiết bị chủ động( máy phản hồi) thì nó sẽ phát một tín hiệu trở về tuỳ thuộc vào những gì truyền từ máy thu-phát tới, trong

đó thời gian chênh lệch giữa thời điểm tín hiệu đến và thời điểm tín hiệu phản hồi là một hằng số biết trước Trị số đo trong trường hợp đo hai chiều sẽ

là sô lượng dao động con lắc của đồng hồ hệ thông trong khoảng thời gian từ lúc tín hiệu đầu tiên phát ra đến lúc nhận được nó trở vê máy thu-phát, tức là thời gian hai chiều của chuyển động Chúng ta sẽ phát hiện ra điem bat lợi của phép đo cự ly hai chiều khi chúng ta coi thiết bị phản hồi chủ động hoặc

bị động chỉ là một trạm tham chiếu duy nhất Một máy phát-thu thường có xu hướng đơn điệu hoá sử dụng một (hoặc nhiều) trạm tham chiếu như vậy s ố lượng người sử dụng( cùng một lúc) cũng sẽ bị hạn chế, thường chỉ là một người.

Phản xạ

Hình 2.4: Nguyên tắc đo thời gian truyền hai chiều.

Đo:At = 2 p /c ( thời gian truyền hai chiều)

=> p = cAt / 2

Phép đo cự ly một chiều phức tạp hơn nhiều Mỗi đầu thu và phát được điều khiển bằng những đồng hồ khác nhau Đồng hồ của thiết bị phát làm công việc phát tín hiệu, đồng hồ của thiết bị thu làm công việc dò tìm khi tín hiệu đến Cả hai đồng hồ đều cần phải giữ đúng giờ Một sai số lp s trong việc đảm bảo đồng bộ hai đồng hồ sẽ kéo theo một sai số cự ly 300 mét.

2 9

Trang 36

Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.

Phát từ vệ tinh 3— ► .

Thu

Hình 2.5: Nguyên tắc đo thời gian truyền một chiều.

Đo: At = p lc (thời gian truyền một chiều)

=> p - cAt

Bởi vì trên thực tế không có khả năng giữ cho hai đồng hồ đồng bộ một cách hoàn hảo trên phương diện vật lý, nên người ta thường phải thực hiện bằng phương pháp toán học Nói chung mỗi đồng hồ sẽ chạy theo một tốc độ riêng và giữ thời gian riêng Mặc dù vậy, nếu biết trước môi quan hệ giữa hai gốc thời gian( được xác định bằng đồng hồ) thì người ta vẫn có thể nói chúng

là đồng bộ với nhau Đương nhiên, khó khăn chính là ở chỗ xác định mối quan hệ giữa hai gốic thời gian này, hệ GPS làm việc trên cơ sở giả thiêt răng tất cả các đồng hồ vệ tinh GPS là đồng bộ( một cách toán học không phải là vật lý học) giữa chúng với nhau Điều này, có thể đạt được bằng cách đo một cách cẩn thận các trị sô" chênh lệch thời gian giữa các đồng hồ vệ tinh được đếm giờ bởi những bộ điều khiển được đặt tại các trạm điều khiển mặt đất cuả hệ GPS, đồng thời bao gồm các số hiệu chỉnh toán học nhận được vào trong thông điệp vệ tinh phát tới những người sử dụng Vì vậy, người sử dụng

có thể giả thiết mọi cự ly GPS, được đo đồng thời bằng các máy thu của họ là liên quan đến cùng một đồng hồ đặt tại vệ tinh đang được dùng đê đo cự ly.

1.3 Phép đo cư lv bằng sổng xung và sổng liên tuc.

Các hệ thống đo cự ly thường dùng các tín hiệu xung hoặc các tín hiệu liên tục Mỗi phương pháp điều có những lợi điểm và bất lợi riêng, c ả hai phương pháp đều có thể dùng trong phép đo một chiều hoặc hai chiêu Hệ GPS là một hệ thống đo dài một chiều có khả năng sử dụng cả hai loại: sóng xung( phép đo giả cự ly bằng một mã) và sóng liên tục( phép đo pha phách sóng mang).

Đối với phép đo cự ly một chiều bằng tín hiệu xung Những ảnh chụp nhanh của các xung tín hiệu đang chuyển động từ máy phát đặt trên vệ tinh

Trang 37

GPS tới máy thu của người sử dụng được thể hiện qua ba giai đoạn Thời gian

chuyển động một chiều là t2- t 0, trong đó t2được đo bằng đồng hồ trong máy thu và í0được đo bằng đồng hồ máy phát Chỉ cần hai đồng hồ đồng bộ một cách hoàn hảo, cự ly có thể được xác định chuẩn xác( không nhập nhằng) theo công thức:

• Một bộ thể hiện sự thay đổi pha theo thời gian được quan sát từ

cự ly đuỢc tính bằng hiệu số pha giữa tín hiệu đến( thu từ máy phát ở vệ tinh)

và pha của bộ dao động đặt trong máy thu Tổng hiệu pha tham gia trong phép đo cự ly bao gồm cả scí chẳn và lẻ chiêu dài bước sóng, hoặc chu ky pha nằm giữa máy phát và máy thu trong lân chụp nhanh Tuy nhien, chung

ta có thể đo trực tiếp số lẻ hiệu pha trong khoảng từ 0° đến 360°, hoặc trong phạm vi chu kỳ một tín hiệu Vì không thể đo trực tiếp cho nến chúng ta phải dùng một cách khác để giải ra số nguyên lần các chu kỳ pha này Khó khăn

về tính nhập nhằng của scí lượng chu kỳ là nhược diêm lớn nhat cua hẹ thong

đo cự ly bằng sóng liên tục Nhưng ưu điểm chính của phép đo cự ly băng sóng liên tục là ở chỗ tính liên tục của mật độ thông tin, sóng liên tục không xuất hiện rời rạc trong từng giai đoạn giông như phep đo cự ly theo xung, ngược lại có mặt 24/24 giờ mỗi ngày và luôn luôn sấn sàng phục vụ mọi phép đo.

Trang 38

_( Global Positioning System) _

1.4 Các số đo giá cư lv.

Giả cự ly là tích sô" của tốc độ ánh sáng và trị biến đổi thời gian cần thiết( để so hàng một phiên bản của mã được phát từ máy thu với một mã khác nhận được từ vệ tinh) Trên lý thuyết, trị biến đổi thời gian là trị chênh lệch giữa thời gian nhận tín hiệu( được đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín hiệu( được đo bằng hệ thời gian của vệ tinh) Trên thực tế, hai hệ thời gian này không giống nhau, mỗi hệ tác động một sai lệch vào trị

sô đo và vì vậy các sô" đo thời trễ sai lệch này được nói đên như là những sô"

đo giả cự ly.

Các giả cự ly được đo bằng một bộ dò tương quan, điều khiển một vòng lặp khóa thời trễ, có nhiệm vụ bảo đảm so hàng giữa phiên bản mã phát

từ máy thu và mã thực đến từ phía ngoài máy Nói một each đơn giản, khái niệm tương quan mã có liên quan đến việc phát phiên bản của một chuỗi mã bên trong máy thu và việc so hàng theo thơỉ gian của phiên bản này với tín hiệu đến từ phía ngoài.

Vì vậy, sô" đo giả cự ly chính là trị thời trễ cần phải bổ sung vào thời điểm của đồng hồ máy thu để đảm bảo phiên bản trong máy và mã đên từ phía ngoài máy được so hàng với nhau.

Một qui tắc được dùng để tính độ chính xác của các sô" đo giả cự ly( cũng tức là tính độ chính xác mà theo đó giữ cho các đỉnh tương quan với nhau) là lấy 1% của đoạn thời gian giữa hai thời điểm bắt đầu của hai mã liên tiếp Đối với mã-P đoạn thời gian này là 0.1 ps, suy ra độ chính xác của

sô đo là một nanô giây Khi được nhân với tốc độ ánh sáng thì điều đó có nghĩa là độ chính xác đo cự ly là 30 cm, đối với mã-C/A các sô" đo có độ chính xác kém hơn mười lần hoặc độ chính xác đo cự ly là ba mét.

Trang 39

Tín hiệu từ các vệ tinh định vị( thường được đặt trên các quỹ đạo ở độ cao 20 000 km so với bề mặt trái đất) phải mất khoảng thời gian cỡ 70 ms để tới máy thu Nếu chu kỳ của mã lớn hơn 70 ms, Àt đúng bằng chênh lệch thời gian giữa hai mã, ngược lại nếu chu kỳ mã nhỏ hơn 70 ms thì At = ổt + n.T

Trong đó 5t là chênh lệch thời gian giữa hai mã đo được; T là chu kỳ mã; n là sô"nguyên lần chu kỳ mã.

Nói cách khác, trường hợp T<70 ms phép đo giả cự ly( hay phép so mã) chỉ cho kết quả là một phần lẻ cuả chu kỳ T; sô" nguyên lần chu kỳ n không thể xác định trực tiếp từ phép đo do đó n được gọi là trị nhập nhằng về chu kỳ.

Trị nhập nhằng về chu kỳ n có thể được xác định bằng nhiều cách:

• Sử dụng các thông tin về thời gian và vị trí vệ tinh trong thông điệp dẫn đường.

• Lựa chọn chu kỳ mã thích hợp.

• Dùng phương pháp định vị vi sai.

Với phương pháp định vị vi sai sô" đo giả cự ly của vị trí cần khảo sát được so sánh với toạ độ của một điểm chuẩn( cự ly giữa điểm chuẩn và điểm cần khảo sát đã được biết trước toạ độ chính xác tương đôi) kết quả so sánh cho phép xác định trị nhập nhằng chu kỳ

1.5 Phương pháp đo pha phách sổng mang.

Pha phách sóng mang là pha của tín hiệu dư rớt lại khi sóng mang từ

vệ tinh đến máy thu khác với tần sô" cô" định do máy thu phát ra( dựa ưên hiệu ứng Doppler) Trị quan ứắc này nhận được dưới dạng sản phẩm phụ của kênh tương quan hoặc từ kênh cầu phương, kênh cầu phương thực hiện phép bình phương tín hiệu nhận được để được hàm tuần hoàn thứ hai của sóng mang không chứa đựng các nội dung điều biến của mã.

Đ ồ án tốt nghiệp: Nghịên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.

3 3

Trang 40

_ _( Global Positioning System) _

Bởi vì A(t) là chuỗi liên tục các giá trị +1 và -1 thể hiện nội dung của

mã, trị A2(t) = Ắ2 luôn luôn bằng + 'l nội dung của mã bị loại bỏ Do đó, tín hiệu ,y2chỉ thuần tuý còn lại sóng mang nhưng có tần sô" hai lần tần sô" lớn hơn tần sô" ban đầu.

Hình 2.7: Sô" đo pha phách sóng mang.

Bởi vì chiều dài bước sóng của sóng mang ngắn hơn chiều dài bước sóng của bất kỳ mã nào, nên độ chính xác của trị sô" đo pha phách của sóng mang cao hơn nhiều độ chính xác của phép đo giả cự ly Đối với tín hiệu sóng mang LI của hệ GPS, chiều dài bước sóng khoảng 20 cm, nếu sử dụng qui tắc lây 1% bước sóng có nghiã là độ chính xác đo dài bằng phương pháp pha phách sóng mang có thể đạt khoảng 2mm.

Hai nhược điểm của phép đo pha phách sóng mang đều liên quan đến vấn đề xác định của chu kỳ.

• Nếu không phải là không thể thì cũng khó có thể xác định sô" lượng sô" nguyên lần chu kỳ ở đầu sóng mang nằm trong khoảng giữa vệ tinh

và máy thu Chỉ có một cách giải quyết duy nhất là đọc những sô" đo được coi là có cùng một trị không xác định về sô" lượng chu kỳ ở đầu sóng mang và trừ sô" nọ cho sô" kia.

• Hầu hết các máy thu có chất lượng tốt đều có thể cho sô" đếm sô" nguyên lần chu kỳ khi có sự thay đổi cự ly từ vệ tinh đến máy thu trong mọi thời gian Tuy nhiên, vì nhiều lý do khác nhau như tín hiệu bị nhiễu hoặc anten bị che khuất các máy thu sẽ lầm về chu kỳ và thất

Tiêu đề	Nghiên Cứu Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS
Tác giả	Đặng Đỗ Đình Đạt
Người hướng dẫn	TS. Hồ Ngọc Bảo
Trường học	Trường Đại Học DL Kỹ Thuật Công Nghệ TP HCM
Chuyên ngành	Điện Tử - Viễn Thông
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2005
Thành phố	TP Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	101
Dung lượng	3,19 MB