HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TẦM XA LORAN c

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM Khoa Điện Tử Viễn Thông _ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TẦM XA LORAN-C SINH VIÊN THỰC HIỆN: LÊ KHÁNH DUY MÃ SỐ SV: 1853020009 LỚP: 18ĐHĐT01 Giảng viên T.S: Nguyễn Thanh Dũng Thành phố Hồ Chí Minh – 11/2021 Mục Lục Lịch sử đời: Khái niệm Phân loại Cấu tạo Nguyên lý định vị hệ thống Loran- C Các đặc điểm LORAN-C 10 6.1: Cơ sở tầm phủ sóng .10 6.2: Giới hạn 10 6.3: Sky Wave 10 6.4: Các đo lường khác biệt thời gian 11 6.5: Hoạt động tự động 11 6.6: Cụm xác 12 6.7: Phương pháp điều khiển “SAM” 12 6.8: Phương pháp điều khiển “TOE” 12 Lịch sử đời: Từ năm 1990 năm 2010, Loran phục vụ 48 tiểu bang lớn Hoa Kỳ, khu vực ven biển họ, Alaska số 13 tỉnh Canada Tuy nhiên, tín hiệu Loran-C Bắc Ameri bị chấm dứt vào năm 2010 theo Đạo luật Chiếm đoạt tài sản Bộ Nội địa năm 2010 Cảnh sát biển Hoa Kỳ ngừng truyền tín hiệu Loran-C vào ngày tháng năm 2010 hầu hết lãnh thổ Hoa Kỳ Vào ngày tháng năm 2010, đài Hoa Kỳ hoạt động phối hợp với đài Canada đài Ca nadian, ngừng truyền Chính phủ Hợp nước bắt đầu tháo dỡ cọc cũ Loran-C năm 2014 “Đạo luật vận tải hàng hải cảnh sát biển Howard Coble năm 2014” ký thành luật Cảnh sát biển biện minh sở hạ tầng Loran-C không cần thiết lưu vào GPS Năm 2001, báo cáo “Volpe” (Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ 2001) lỗ hổng việc áp dụng GPS cho nhu cầu sở hạ tầng quan trọng Báo cáo (Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ 2001) người đề cập đến việc sử dụng Loran nâng cao eLoran ngày gọi eLoran hình thành thiết kế mod ern, kỷ 21 thay cho Loran-C eLoran phác thảo phương pháp điều hướng thời gian dự phòng cho Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) GPS trường hợp hệ thống GNSS khơng khả dụng khơng đáng tin cậy Nó hình thành kết “Chương trình đại hóa Loran” có độ xác cao Loran-C tính (Hiệp hội Loran quốc tế 2007) Tài liệu định nghĩa eLoran, nêu rõ thiết kế hệ thống eLoran, phát hành vào ngày 16 tháng 10 năm 2007 (Hiệp hội Loran liên quốc gia 2007) nêu rõ yêu cầu mà phương pháp phải có khác với Loran-C Tính đến năm 2016 eLoran thử nghiệm trạm khắp Hoa Kỳ (UrsaNav 2015) Hàn Quốc chuẩn bị xây dựng trạm eLoran để đối phó với việc gây nhiễu GPS Triều Tiên (GPS World 2016) quốc gia khác tìm cách xây dựng sở hạ tầng eLoran Với việc ngừng phát tín hiệu Tây Bắc Âu vào ngày 31 tháng 12 năm 2015, eLoran khơng cịn khả dụng để sử dụng điều hướng nơi giới Vương quốc Anh tiếp tục vận hành trạm Anthorn eLoran họ để cung cấp thời gian truyền thơng liệu Tín hiệu eLoran truyền từ Đơn vị hỗ trợ USCG Loran cũ Wildwood, New Jersey khuôn khổ Thỏa thuận nghiên cứu phát triển Cooper (CRADA) DHS, USCG, UrsaNav Harris Corporation Khái niệm Loran-C (Loran từ viết tắt Long Range Navigation) hệ thống định vị vô tuyến Hyperbol cho phép người nhận xác định vị trí cách nghe tín hiệu vơ tuyến tần số thấp truyền đèn hiệu vô tuyến cố định đất liền Hệ thống Loran C tổ hợp trạm phát sóng (Master) phụ ( Slave) đặt bờ phát tần số thấp 100kHz dạng xung Phân loại Loại thứ máy thu lưỡng dụng AC vừa sử dụng máy thu Loran A máy thu Loran C Tuy nhiên loại máy thu chưa ứng dụng ưu điểm phương pháp thu xung pha mã hoá, kỹ thuật thu tương quan mà dùng phương pháp đo xung đồng mắt Phương pháp đo chịu ảnh hưởng tạp âm lớn, với tỷ lệ tín hiệu/tạp âm 5/1 sai số hiệu thời gian đến 1-2 It s Hơn loại máy thu chỉ báo hiệu thời gian, hiển thị vị trí tàu, người sử dụng phải dùng biểu bảng hải đồ đặc biệt để xác định vị trí Hiện loại máy thu bị đào thải vào thập niên cuối kỷ trước Loại thứ hai, máy thu Loran C tự động, hoàn toàn dựa vào phương pháp thu mã pha xung, kỹ thuật thu tự tương quan kỹ thuật máy tính, tự động nhận dạng trạm chủ trạm phụ, đo hiệu pha xung cách xác, tính tốn hiển thị kinh vĩ độ vị trí người sử dụng Với mức so sánh tín hiệu/tạp âm 5/1, máy thu làm việc tốt, sai số hiệu thời gian 0,1 Ms Tầm xa hoạt động máy thu Loran C tự động so với loại máy thu thông thường tốt nhiều Cấu tạo Các thành phần hệ thống Loran-C bao gồm trạm phát đất liền, máy thu máy phát ăng ten Hệ thống Loran gồm có trạm chủ đến trạm phù hợp thành chuỗi trạm Trạm chủ gán tên M trạm phụ mang tên W, X, Y, Z mô tả hình Một trạm thường phối hợp với 2, trạm phụ Bằng cách bố trí hình dưới, tình bình thường, người sử dụng nhận đường vị trí có góc giao hợp lý Máy phát Loran-C tổ chức thành chuỗi 3, trạm Trong chuỗi, trạm ký hiệu " Master" (M) trạm " Secondary" khác xác định chữ W, X, Y Z Các ký hiệu phụ khác sử dụng tùy thuộc vào số lượng trạm chuỗi Điều tóm tắt hình Nguyên lý định vị hệ thống Loran- C Nguyên tắc định vị LORAN dựa sai lệch thời gian hai tín hiệu nhận hai đài phát khác Với khoảng thời gian sai lệch không đổi vị trí máy thu thể nằm hyperbol với hai tiêu cự hai đài phát Vị trí hai đài phát biết trước, vị trí máy thu xác định điểm đường hyperbol tùy thuộc vào khác thời gian hai tín hiệu Trong điều kiện lý tưởng, hiệu thời gian cho biết xác hiệu khoảng cách máy thu đến hai máy phát Vị trí máy thu điểm hyperbol Cần phải có thêm máy phát để có thêm hyperbol khác Giao điểm hai hyperbol vị trí máy thu Trong thực tế, LORAN hình thành thành cụm , thành lập trạm chủ hai trạm (có thể đến 3,4,5) có thời gian lặp GRI (group repetition interval) xác định micro giây Trạm chủ chuyền dãy xung sau dừng lại khoảng thời gian trước lặp lại dãy xung Trạm nhận xung từ trạm chủ, sau đợi khoảng thời gian (thời gian trễ) để trạm mã hóa tín hiệu truyền Trong cụm định, trạm có thời gian trễ khác nhau, cho phép phân biệt tín hiệu trạm khác Vì tất máy phát Loran-C hoạt động tần số, GRI cách để máy thu xác định tách nhóm tín hiệu khỏi chuỗi cụ thể Ví dụ, chuỗi Great Lakes có GRI 8970 Điều có nghĩa khoảng thời gian 89700 micro giây Số ngồi bên phải ln ngụ ý GRI bội số 10 micro giây Trong máy thu Loran-C cũ, người vận hành phải thực đặt số để nhận chuỗi Trong trường hợp tín hiệu Loran quan sát máy sóng, xung từ chuỗi mong muốn đứng yên xung từ chuỗi khác trôi xuống gốc thời gian với tốc độ khác Trên thực tế, cách để xác định cách tích cực chuỗi, nhiên máy thu đại, điều thực tự động Mỗi cụm LORAN gán vào vị trí định mặt đất (ví dụ: GRI 9960 thuộc khu vực bắc Mỹ) Do tính chất đường cong hyperbol, kết hợp trạm chủ trạm có cho kết mạng lưới, trục cắt góc nhọn Để có độ xác tốt nhất, cần phải xếp mạng lưới định vị cho trục vng góc với Khi máy thu qua cụm, lựa chọn trạm mà lúc đầu có đường TD gần vng góc trở nên nghiêng đáng kể Kết việc chọn hai trạm bị thay đổi đường TD gần với góc vng Để thực việc này, gần tất cụm phải có từ trạm con, nhiều Hình 2: LORAN Station Malone, Malone, Florida Great Lakes chain (GRI 8970)/Southeast U.S chain (GRI 7980) GRI chọn sở: (a) Độ dài đường sở thứ hai Nếu khoảng cách phụ thứ 1000 km, tín hiệu vô tuyến 33.000 micro giây để đến với phụ nên GRI nhỏ (b) Số lượng nô lệ phải - tất phải có chậm trễ để khơng có khả họ vượt qua nơi vùng phủ sóng (c) Địa lý (d) Các chuỗi lân cận khác xem xét đến can thiệp (e) Nhiễu tần số chéo Skywave (f) Chu kỳ hoạt động máy phát - GRI nhanh có nghĩa cơng suất trung bình tín hiệu truyền cao nên giai đoạn cuối máy phát đòi hỏi nhiều Làm mát với độ dài đường sở trung bình ba slave, GRI tối thiểu khơng nhỏ 50.000 micro giây Chu kỳ hoạt động máy phát GRI nhanh có nghĩa cơng suất trung bình tín hiệu truyền cao nên giai đoạn cuối máy phát đòi hỏi nhiều GRI tối thiểu không nhỏ 50.000 micro giây Mỗi xung Loran-C có thời gian xấp xỉ 200 µs Khoảng cách xung nhóm xung 1000 µs, ngoại trừ hai xung cuối Master có khoảng cách 2000 µs Hình minh họa xung Hình 3: Dạng xung hình dạng cho trình truyền Loran C Tiếp theo, xung riêng lẻ kết hợp thành chuỗi Đối với tín hiệu chính, chuỗi chín xung truyền, tám xung cách 1000 μgiây, xung thứ chín truyền 2000 μgiây sau xung thứ tám Các trạm thứ cấp truyền chuỗi tám xung, xung cách 1000 μgiây Các trạm phụ ký hiệu chữ V, W, X, Y Z; ký hiệu chữ cho biết thứ tự mà chúng truyền theo gốc Nếu chuỗi có hai phụ, chúng định Y Z Nếu chuỗi có ba phụ, chúng X, Y Z, v.v Một số ngoại lệ mẫu đặt tên chung tồn (ví dụ: W, X Y số chuỗi thứ cấp) Hình 4: Trục thời gian LORAN TD cho điểm A Khoảng cách tín hiệu tín hiệu phụ điều chỉnh số tham số mơ tả Hình Ý tưởng chung tín hiệu phải xóa tồn vùng phủ sóng chuỗi trước tín hiệu truyền đi, để khơng có tín hiệu nhận khơng theo thứ tự Thời gian cần thiết để tín hiệu truyền đến trạm phụ xác định làtrung bình thời gian di chuyển đường sở(BTT)hoặc độ dài đường sở (BLL) Khoảng thời gian thêm vào độ trễ bổ sung định nghĩa độ trễ mã hóa thứ hai (SCD), đơn giản độ trễ mã hóa (CD) Tổng hai độ trễ gọi độ trễ phát xạ (ED), khoảng thời gian xác lần truyền tín hiệu q trình truyền tín hiệu phụ Mỗi trạm thứ cấp có giá trị ED riêng Để đảm bảo trình tự thích hợp, ED Y thứ cấp dài X ED Z dài Y Khi thứ cấp cuối phát, lại truyền chu kỳ lặp lại Thời gian bắt đầu chu kỳ truyền xác định đặc tính quan trọng cho chuỗi: khoảng thời gian lặp lại nhóm (GRI) Khoảng thời gian lặp lại nhóm chia cho mười tạo định số chuỗi Ví dụ, khoảng thời gian lần truyền liên tiếp nhóm xung chủ cho Chuỗi Đông Bắc Hoa Kỳ (thường gọi “NEUS”) 99.600 μgiây, 1/10 giây ngày Từ định nghĩa trên, định GRI cho chuỗi xác định 9960 Như đề cập trước đây, GRI phải đủ lớn phép tín hiệu từ trạm phụ trạm thứ cấp chuỗi truyền hoàn toàn khắp vùng bao phủ chuỗi trước chu kỳ xung bắt đầu Hai đặc điểm bổ sung nhóm xung mã hóa pha mã hóa nhấp nháy Trong mã hóa pha, pha tín hiệu sóng mang 100 kHz đảo ngược từ xung sang xung khác theo mẫu đặt trước lặp lại sau hai GRI Giai đoạn coding cho phép thu loại bỏ nhiễm bẩn sóng bầu trời khỏi tín hiệu sóng mặt đất Tín hiệu Loran-C từ trạm phát theo tất hướng Sóng mặt đất lượng Loran truyền dọc theo bề mặt trái đất Skywave lượng Loran truyền lên bầu trời Tầng điện ly phản chiếu số sóng bầu trời trở lại bề mặt trái đất Sóng trời ln đến muộn sóng mặt đất di chuyển khoảng cách xa Do đó, sóng trời xung làm ô nhiễm sóng mặt đất xung nhóm xung Mã hóa pha đảm bảo nhiễm sóng bầu trời ln "loại bỏ" tất xung hai GRI liên tiếp tính trung bình Mã hóa nhấp nháy cung cấp tính tồn vẹn cho tín hiệu Loran nhận Khi tín hiệu từ trạm thứ cấp nằm ngồi phạm vi điều chỉnh tạm thời khơng phù hợp để điều hướng, vượt mức cho phép (OOT), trạm thứ cấp bị ảnh hưởng nhấp nháy; nghĩa là, hai xung thứ hai bị ảnh hưởng Khi nhận tín hiệu nhấp nháy, người vận hành không nên sử dụng trạm phụ bị ảnh hưởng Nếu tín hiệu nhà ga tạm thời ngừng hoạt động để bảo trì, thơng báo gián đoạn quyền địa phương có trách nhiệm ban hành Khi trạm thứ cấp nhấp nháy, trạm nhấp nháy xung thứ chín theo mẫu xác định trước để xác định xung thứ cấp thứ hai vượt dung sai Nếu trạm vượt dung sai, tất trạm thứ hai chuỗi phụ nhấp nháy Nếu tồn chuỗi OOT, chuỗi tất chuỗi phụ nhấp nháy Hai khái niệm quan trọng khác hiểu biết hoạt động Loran đường sở phần mở rộng đường sở Đường địa lý kết nối trạm với trạm phụ cụ thể xác định đường sở cặp trạm Nói cách khác, đường sở phần vòng tròn lớn, có tất điểm nối hai trạm Phần mở rộng đường vượt trạm để bao gồm điểm dọc theo vòng tròn lớn không nằm hai trạm xác định phần mở rộng đường sở Các đặc điểm LORAN-C 6.1: Cơ sở tầm phủ sóng Một đường tưởng tượng vẽ Trạm trạm phụ gọi đường sở Sự tiếp tục đường sở theo hai hướng gọi phần mở rộng đường sở Đường sở điển hình dài từ 1200 đến 1900 km (ví dụ 600 đến 1000 hải lý) Phạm vi bao phủ chuỗi xác định công suất truyền từ máy phát chuỗi, khoảng cách chúng cách máy phát khác định hướng mối quan hệ với (dạng hình học chuỗi) 6.2: Giới hạn LORAN chịu ảnh hưởng hiệu ứng điện tử, thời tiết, tầng ion mặt trời lặn mọc Tín hiệu xác sóng mặt đất, sóng mà truyền theo bề mặt trái đất, lý tưởng truyền mặt biển Vào buổi tối, mà sóng thẳng bầu trời phản lại tầng ion, gây vấn đề có nhiều sóng đến theo đường khác Các trạm phát mặt đất LORAN bao phủ chắn số vùng Mức độ bao phủ tốt Bắc Mĩ, châu Âu, châu Á Thái Bình Dương 6.3: Sky Wave Tần số 100 kHz chọn cho sóng mang Loran-C để tận dụng lan truyền sóng mặt đất ổn định tới khoảng cách xa Tuy nhiên, diện sóng bầu trời bị trễ, phản xạ từ tầng điện ly, gây biến dạng hình dạng xung thay đổi pha sóng mang xung tín hiệu nhận Khơng vậy, sóng bầu trời đến máy thu lâu sóng mặt đất, diện chúng làm phức tạp tính tốn Để tránh nhiễm sóng bầu trời, máy thu Loran-C chọn điểm giao không chu kỳ sóng mang xác định đầu trước xung truyền trạm phụ Thực sớm lựa chọn chu kỳ xung sóng mặt đất - thường chu kỳ thứ ba sử dụng - đảm bảo phép đo khoảng thời gian thực cách sử dụng phần không bị nhiễm xung Nhưng đỉnh thứ ba chọn chưa biết thời gian bắt đầu 10 xung? Để giải vấn đề, máy thu so sánh đường bao (hình dạng thơ) xung nhận với đường bao lưu trữ, Q trình gọi "phép đo thơ" Khi đỉnh thứ ba định vị cuối cùng, pha tín hiệu xác định Pha tín hiệu khơng pi radian Việc kiểm sốt xác hình dạng xung máy phát đảm bảo máy thu xác định điểm giao không chọn cách đáng tin cậy Zero Crossing: Biểu đồ minh họa chu kỳ thứ ba xung Loran 6.4: Các đo lường khác biệt thời gian Các phép đo thực máy thu Loran-C để xác định khác biệt thời gian đến (TD) tín hiệu tín hiệu từ trạm thứ cấp chuỗi Mỗi giá trị TD đo với độ xác khoảng 0,1 micro giây (100 nano giây) cao Theo quy luật chung, 100 nano giây tương ứng với khoảng 30 mét Nguyên tắc phép đo chênh lệch thời gian chế độ hypebol thể 6.5: Hoạt động tự động Máy phát Loran-C trạng thái rắn, đại ngày điều chỉnh để vận hành tự động; có nghĩa tất chức quan trọng máy phát chép thiết kế để giảm thiểu suy thối kết lỗi giảm thiểu Do đó, máy phát vận hành trạm không người lái ngoại trừ người chăm sóc 11 6.6: Cụm xác Để đạt độ xác định vị cao khu vực phục vụ, trạm phát Loran-C trang bị đồng hồ nguyên tử cung cấp thời gian cho tín hiệu Loran-C truyền Trên hầu hết trạm, đồng hồ tiêu chuẩn tần số xêzi với độ ổn định thường 10-13, sai số giây 317.000 năm Điều hướng xác với Loran-C yêu cầu sai số hệ thống thời gian không vượt vài chục nano giây Đối với NELS, đồng hồ trạm không lệch 30 nano giây so với đồng hồ trạm lân cận Để đạt độ xác thời gian này, cần phải liên tục đo độ lệch thời gian đồng hồ hệ thống 6.7: Phương pháp điều khiển “SAM” Có hai phương pháp sử dụng để theo dõi điều chỉnh đồng hồ hệ thống Loran-C Phương pháp sử dụng phổ biến đo chênh lệch thời gian tín hiệu Loran-C nhận từ tín hiệu tín hiệu thứ cấp vị trí cố định vùng phủ sóng Kiểm sốt thời gian bao gồm thực điều chỉnh đồng hồ trạm thứ cấp để TD đo được giữ giá trị xác định trước Thiết bị đo lường vị trí cố định gọi Hệ thống giám sát khu vực (SAM), phương pháp điều khiển thời gian gọi "điều khiển SAM" 6.8: Phương pháp điều khiển “TOE” Trong phương pháp khác để kiểm soát thời gian, sử dụng Hệ thống Loran-C Tây Bắc Châu Âu (NELS), khơng có SAM Thay vào đó, thời gian đến tín hiệu từ máy phát lân cận đo so với đồng hồ cục trạm phát Các phép đo từ tất trạm hệ thống gửi liên kết liệu thường trực đến trạm điều khiển nơi chúng kết hợp để tính tốn độ lệch thời gian đồng hồ máy phát Các điều chỉnh tính tốn trả trang web máy phát riêng lẻ, nơi chúng sử dụng để đồng hóa đồng hồ Điều dẫn đến tham chiếu thời gian chung cho Thời gian phát thải (TOE) xung Loran-C từ tất máy phát gọi "điều khiển TOE" Tham chiếu thời gian NELS chung có liên quan đến UTC cách sử 12 dụng tiêu chuẩn thời gian UTC (Brest) đặt với Trung tâm điều khiển NELS Brest, Pháp Đồng hóa tham chiếu thời gian NELS với UTC (Brest) trì vịng 100 ns Dưới kiểm soát TOE, phép đo chênh lệch thời gian vùng phủ sóng thay đổi chút với thay đổi theo mùa tốc độ lan truyền sóng mặt đất Với điều khiển SAM, phép đo chênh lệch thời gian thực đặc biệt gần với hình khu vực ổn định Do đó, kiểm sốt TOE cung cấp giám sát hiệu suất tổng thể tốt toàn vùng phủ sóng Các ưu điểm khác kiểm sốt TOE so với kiểm sốt SAM là: * Mơ hình hóa dự đoán biến thể TD thực dễ dàng * Thời gian thu từ tín hiệu xác * Độ xác tốt cho việc sử dụng xuyên chuỗi độc lập * Độ xác tốt cho điều hướng Rho Rho (phương pháp điều hướng vịng trịn); * Khơng cần trang web giám sát 13 ... t? ?c độ kh? ?c Trên th? ?c tế, c? ?ch để x? ?c định c? ?ch tích c? ? ?c chuỗi, nhiên máy thu đại, điều th? ?c tự động Mỗi c? ??m LORAN gán vào vị trí định mặt đất (ví dụ: GRI 9960 thu? ?c khu v? ?c b? ?c Mỹ) Do tính chất... c? ? g? ?c giao hợp lý Máy phát Loran- C tổ ch? ?c thành chuỗi 3, trạm Trong chuỗi, trạm ký hiệu " Master" (M) trạm " Secondary" kh? ?c x? ?c định chữ W, X, Y Z C? ?c ký hiệu phụ kh? ?c sử dụng tùy thu? ?c vào... chất đường cong hyperbol, kết hợp trạm chủ trạm c? ? cho kết mạng lưới, tr? ?c cắt g? ?c nhọn Để c? ? độ x? ?c tốt nhất, c? ??n phải xếp mạng lưới định vị cho tr? ?c vng g? ?c với Khi máy thu qua c? ??m, lựa chọn trạm