Nghiên cứu và khai thác hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh GPS

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CÁC TỪ VIẾT TẮT CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG VỆ TINH 1.1 Sơ lƣợc lịch sử phát triển 1.2 Các hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh giới 1.2.1 Hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh NAVSTAR -GPS 1.2.2 Hệ thống Glonass 15 1.2.3 Hệ thống vệ tinh dẫn đƣờng dân dụng bao phủ INMARSAT 18 1.3 Các hệ tọa độ sử dụng dẫn đƣờng vệ tinh 20 1.3.1 Hệ tọa độ địa lý OzXdYdZd 20 1.3.2 Hệ tọa độ chuẩn địa tâm 21 1.3.3 Hệ tọa độ GPS 22 1.3.4 Hệ toạ độ địa lý cục ENU 24 1.4 Hệ thời gian sử dụng dẫn đƣờng vệ tinh 24 1.3.1 Giờ GPS 24 1.3.2 Giờ UTC 25 1.5 Lịch vệ tinh 27 CHƢƠNG 2: NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG VỆ TINH NAVSTAR -GPS 28 2.1 Nguyên lý dẫn đƣờng hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh NAVSTAR GPS 28 2.2 Xác định khoảng cách giả để định vị phƣơng pháp dẫn đƣờng 29 2.2.1 Định nghĩa khoảng cách giả 29 2.2.2 Xác định vị trí từ khoảng cách giả 31 2.3 Định vị tƣơng đối thời gian thực GPS 34 2.4 Tín hiệu dẫn đƣờng từ vệ tinh hệ thống GPS 35 2.4.1 Cấu trúc tín hiệu 35 2.4.2 Tính chất thành phần tín hiệu GPS 39 2.5 Cấu trúc máy thu GPS 47 2.5.1 Lọc khuếch đại tín hiệu cao tần 47 2.5.2 Đổi tần khuếch đại trung tần 48 2.5.3 Số hố tín hiệu GPS 49 2.5.4 Xử lý tín hiệu băng sở 50 2.6 Độ xác hệ thống GPS nguyên nhân gây sai số 52 2.6.1 Độ xác GPS 52 2.6.2 Các nguyên nhân gây sai số 53 CHƢƠNG : ỨNG DỤNNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TRONG NGÀNH HÀNG KHÔNG 55 3.1 Hạn chế hệ thống dẫn đƣờng truyền thống 55 3.2 Cấu trúc hệ thống Testbed 56 3.3 Các hệ thống tăng cƣờng dẫn đƣờng 56 3.3.1 Hệ thống SBAS ( Satellite Based Augmentation System ) 57 3.3.2 Hệ thống GBAS ( Ground-Based Augmentation System ) 60 3.3.3 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống tăng cƣờng 63 CHƢƠNG 4: KHAI THÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƢỜNG VỆ TINH TRÊN MÁY BAY BOEING 777 64 4.1 Giới thiệu hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh máy bay Boeing 777 64 4.2 Máy thu tín hiệu vệ tinh GPS máy bay Boeing 777 65 4.2.1 Sơ đồ khối máy thu GPS Boeing 777 65 4.2.2 Nguyên lý làm việc hệ thống GPS máy bay Boeing 777 67 4.3 Chức khối hệ thống GPS máy bay Boeing 777 70 4.3.1 Chức khối thu nhận đa phƣơng thức MMR 70 4.3.2 Hệ thống dẫn đƣờng quán tính ADIRS 75 4.3.3 Khối nguồn anten GPS 78 4.3.4 Hệ thống hiển thị 79 4.3.5 Khối liệu khơng khí dẫn đƣờng qn tính ADIRU 82 4.3.6 Hệ thống cảnh báo gần mặt đất GPWC (ground proximity warning computer) 84 4.3.7 Hệ thống tính toán quản lý chuyến bay FMCF (flight management computing function) 84 4.4 Công tác kiểm tra mặt đất 85 4.5 Công tác bảo dƣỡng cho hệ thống GPS máy bay Boeing 777 85 KẾT LUẬN 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG – K13 LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, giới thông tin ngày phát triển cách đa dạng phong phú Nhu cầu thông tin liên lạc sống tăng số lƣợng chất lƣợng, đòi hỏi dịch vụ ngành viễn thông mở rộng Trong năm gần thơng tin vệ tinh giới có bƣớc tiến vƣợt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đƣa ngƣời nhanh chóng tiếp cận với tiến khoa học kỹ thuật Nhằm đáp ứng cho mục đích dẫn đƣờng nhƣ xác định vị trí cách xác, nhanh chóng thuận tiện, số quốc gia tổ chức quốc tế giới xây dựng nên hệ thống định vị dẫn đƣờng có độ xác cao để thay cho phƣơng pháp định vị dẫn đƣờng truyền thống nhƣ: NAVSTAR - GPS, GLONASS, INMARSAT, GALILEO… Công nghệ định vị toàn cầu NAVSTAR - GPS (Navigation Satellities Time and Ranging - Global Positioning System) hệ thống định vị tồn cầu đƣợc Bộ Quốc Phịng Mỹ xây dựng phát triển vào năm 1973 đƣợc hoàn thiện vào năm 1994 Công nghệ GPS bắt đầu đƣợc giới thiệu ứng dụng vào Việt Nam từ năm 1990 nhƣng chủ yếu để phục vụ cho công việc quan trắc đồ Những năm gần hệ thống GPS đƣợc Việt Nam áp dụng vào quản lý, giám sát phƣơng tiện giao thông, đặc biệt ứng dụng công nghệ GPS vào phƣơng tiện kĩ thuật cao nhƣ: máy bay tàu thủy… Tạo bƣớc tiến vƣợt bậc cho việc phát triển ứng dụng GPS cho hệ thống dẫn đƣờng tự động Để hiểu rõ hệ thống GPS em chọn đề tài “Nghiên cứu khai thác hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS” làm đồ án tốt nghiệp Đồ án sâu vào khai thác dựa sở hệ thống NAVSTAR - GPS Mỹ Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13 Nội dung đồ án bao gồm chƣơng : Chương 1: Tổng quan hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh quốc tế Chương 2: Nguyên lý định vị hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh NAVSTAR – GPS Chương 3: Ứng dụng hệ thống định vị vệ tinh ngành hàng không Chương 4: Khai thác hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh máy bay BOEING 777 Với thời gian có hạn nhƣ hạn chế tài liệu, tài liệu lĩnh vực hàng khơng khó tiếp cận, tính bảo mật độc quyền hãng máy bay Vì việc khai thác hệ thống gặp nhiều khó khăn khơng thể đề cập đƣợc đầy đủ Tuy nhiên, nỗ lực thân, em đáp ứng đƣợc yêu cầu đồ án đề ra, khơng thể khơng có thiếu sót Rất mong đƣợc đóng góp ý kiến thầy cô bạn để đồ án đƣợc hồn thiện Hải Phịng, ngày tháng năm 2013 Sinh viên thƣc Trần Văn Việt Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13 CÁC TỪ VIẾT TẮT  Air Data Inertial Reference System ADIRS ADIRU AFDS AIMS ARINC CDU CMCF FCA FCM FIM FMCF GPS INS MAT Hệ thống tham chiếu quán tính liệu khơng khí  Air Data Inertial Reference Unit Khối tham chiếu qn tính liệu khơng khí  Autopilot Flight Director System Hệ thống điều khiển dẫn đƣờng tự động  Airplane Information Management System Hệ thống quản lý thông tin máy bay  Aeronautical Radio Inc Viện vô tuyến hàng không  Control Display Unit  Khối hiển thị điều khiển  Central Maintenance Computing Function  Hàm (chức năng) tính tốn bảo dƣỡng trung tâm  Fault Containment Area  Vùng có hỏng hóc  Fault Containment Module  Khối bị hỏng hóc  Faul Isolation Manual  Hƣớng dẫn xử lý hỏng hóc  Flight Management Computing Function  Hàm (chức năng) tính toán quản lý chuyến bay  Global Positioning System  Hệ thống định vị toàn cầu  Inertial Navigation System  Hệ thống dẫn đƣờng quán tính  Maintenance Access Terminal Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG – K13  Máy tính truy xuất thơng tin phục vụ bảo dƣỡng MEC NCD ND  Main Equipment Center  Khoang thiết bị  No Computed Data  Dữ liệu khơng đƣợc tính tốn  Navigation Display  Màn hình dẫn đƣờng  NVM PFC  Non-Volatile Memory  Bộ nhớ cố định (không bị liệu nguồn)  Primary Flight Computer  Máy tính điều khiển chuyến bay Page ĐỒ ÁN TT NGHIP IN T VIN THễNG K13 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển Bắt đầu vào thập niên 1960, hệ thống vệ tinh đƣợc thiết lập có ý nghĩa quan trọng việc dẫn đƣờng trái đất Hệ thống đƣợc thiết kế chủ yếu cho việc xác định vị trí hàng ngày cho tàu bè Nhƣng bắt đầu đặt móng cho việc sử dụng trình dẫn đƣờng cho phƣơng tiện không Bắt đầu vào năm 1970, hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh máy bay đƣợc phát triển nhanh Chúng đƣợc đầu tƣ sử dụng công nghệ cao mang lại hiệu kinh tế cao Trong năm hệ thống đƣợc sử dụng cách rộng rãi, năm 1996 hệ thống đƣợc ứng dụng việc dẫn đƣờng máy bay toàn giới Hiện nay, giới đồng thời triển khai hệ thống dẫn đƣờng nhƣ:  Navigation Satellities Time and Ranging Global Positioning System (NAVSTAR-GPS) hay GPS: Là hệ thống định vị dẫn đƣờng toàn cầu Đƣợc phát triển vào năm 1973 đƣợc hoàn thiện vào năm 1994 “Bộ Quốc Phòng Mỹ”  Global Navigation Satellities System (GLONASS): Là hệ thống định vị dẫn đƣờng toàn cầu quan Nga: Scientific/Production Group on Applied Mechanics Kranoyarsk, Scientific/Production Group on Space Device Engineering Moscow Russian Institute of Radio Navigation and Time xây dựng phát triển  INMARSAT Civil Navigation Satellite Overlay: hệ thống cung cấp phần không gian (Space segment) Tổ chức INMARSAT thực nghiên cứu thử nghiệm dẫn đến việc phát triển vùng phủ sóng vệ tinh địa tĩnh dân dụng cho GPS GLONASS, nhằm cung cấp Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13 liệu cho phép hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh đáp ứng đƣợc yêu cầu liên quan đến độ tin cậy tích hợp thơng tin nhà chức trách hàng không hàng hải Các hệ thống dẫn đƣờng vệ tinh dùng để cung cấp thơng tin vị trí, tốc độ thời gian cho máy thu thời điểm trái đất, điều kiện thời tiết Hệ thống xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài mét giảm xuống cịn vài centimet Tất nhiên, độ xác cao máy thu GPS phức tạp giá thành tăng theo Hình 1.1: Các thành phần hệ thống dẫn đường vệ tinh Nhìn chung hệ thống bao gồm phần nhƣ sau:  Phần không gian (Space Segment) bao gồm: vệ tinh khơng gian Có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu từ trạm điều khiển mặt đất, tín hiệu dùng để điều khiển sai lệch quỹ đạo vệ tinh bay, hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh Sau phát tín hiệu mang thơng tin vị trí vệ tinh, thời gian chuẩn tới thuê bao  Phần điều khiển (Control Segment) bao gồm: trạm mặt đất điều khiển trung tâm, số trạm theo dõi trạm hiệu chỉnh số liệu Nhiệm vụ phát thu tín hiệu dùng việc tính tốn dự báo thời Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG – K13 điểm vệ tinh xuất thời điểm cách xác hiệu chỉnh  Phần sử dụng (User Segment): thuê bao (máy thu xử lý tín hiệu) Nhiệm vụ thu nhận tín hiệu mang thơng tin vị trí thời gian chuẩn vệ tinh, tính tốn đƣa vị trí xác thuê bao 1.2 Các hệ thống dẫn đường vệ tinh giới 1.2.1 Hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR a) Giới thiệu Thuật ngữ GPS (Global Positioning System) đƣợc sử dụng để mô tả hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Các hệ thống dựa sở ứng dụng khả vệ tinh nhân tạo để định vị toạ độ ngƣời sử dụng khơng gian chiều với độ xác cao Các hệ thống có vùng bao phủ tồn cầu hoạt động tin cậy điều kiện thời tiết với thời gian liên tục suốt 24 ngày Navigation Satellities Time and Ranging Global Positioning System (NAVSTAR-GPS) hay GPS: Là hệ thống định vị dẫn đƣờng toàn cầu đƣợc phát triển vào năm 1973 đƣợc hoàn thiện vào năm 1994 “Bộ Quốc Phòng Mỹ” Hệ thống cho phép ngƣời sử dụng xác định vị trí, thời gian vận tốc cách xác lúc nào, đâu điều kiện thời tiết giới Lúc đầu hệ thống đƣợc phát triển dành cho mục đích qn sự, nhiên, sau quan hàng không liên bang Mỹ chấp nhận việc sử dụng hệ thống cho mục đích dân Hệ thống NAVSTAR bao gồm hệ thống truyền nhận tín hiệu vị trí thời gian sử dụng sóng vơ tuyến trạm không gian Page ... dụng GPS cho hệ thống dẫn đƣờng tự động Để hiểu rõ hệ thống GPS em chọn đề tài ? ?Nghiên cứu khai thác hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS? ?? làm đồ án tốt nghiệp Đồ án sâu vào khai thác dựa sở hệ thống. .. Các hệ thống dẫn đường vệ tinh giới 1.2.1 Hệ thống dẫn đường vệ tinh NAVSTAR a) Giới thiệu Thuật ngữ GPS (Global Positioning System) đƣợc sử dụng để mô tả hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu Các hệ. .. TNG QUAN V CC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển Bắt đầu vào thập niên 1960, hệ thống vệ tinh đƣợc thiết lập có ý nghĩa quan trọng việc dẫn đƣờng trái đất Hệ thống đƣợc thiết