TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦ U GNSS – GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM
2.1.2. Hệ định vị toàn cầu GPS (Global Position System)
2.1.2.1. Khái quát về hệ thống GPS
- Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) bao gồm ba bộ phận là Chùm vệ tinh, Hệ
thống điều khiển mặt đất và Bộ phận người sử dụng.
- Hệ thống hoạt động đầy đủ bao gồm 24 vệ tin chính trên 6 mặt phẳng quỹ đạo.
Lu n văn t t nghi p – Hoa Ng c Anh l p XLTT&TT 2008 ‐ 2010
Hình 2.1 Ba phân đoạn của GPS. Nguồn [6]
-Chùm vệ tinh: Chùm vệ tinh của hệ GPS hiện có tất cả là 28 vệ tinh làm việc và dự phòng. Các vệ tinh này được sắp xếp trên sáu mặt phẳng quĩ đạo nghiêng 55°
so với mặt phẳng xích đạo. Quĩđạo chùm vệ tinh của hệ GPS gần tròn với cao độ là 20.200 Km (11.900 NM). Chu kỳ quỹđạo là một nửa ngày thiên văn hay 11 tiếng 58 phút. Mỗi vệ tinh phát ra hai tần số vô tuyến phục vụ mục đích định vị, L1 trên tần số 1575.42MHz phục vụ cho dân sự và L2 trên tần số 1227.6 MHz phục vụ cho quân sự. Các tần số sóng mang được điều chế bởi các tín hiệu giả ngẫu nhiên C/A, P và điện văn dẫn đường. Các tần số sóng mang và tín hiệu điều chế được điều khiển bởi những đồng hồ nguyên tửđặt trên vệ tinh.
-Phân đoạn điều khiển vận hành có nhiệm vụ duy trì các vệ tinh và sự hoạt động chính xác của chúng: bao gồm bốn trạm giám sát đặt ở Diego Garreia, Đảo Ascension, Đảo Kwajalein và Đảo Hawail; và một trạm điều khiển chính tại trung tâm điều hành không gian Colorado – Hoa Kỳ, các địa điểm nay được chọn để tối đa hóa vùng bao phủ của các vệ tinh. Mục đích của hệ thống điều khiển là điều khiển sự hoạt động của các vệ tinh, xác định quĩ đạo, xử lý các đồng hồ nguyên tử, truyền các điện văn cần thông báo lên các vệ tinh. Hoạt động của các trạm giám sát này như
Lu n văn t t nghi p – Hoa Ng c Anh l p XLTT&TT 2008 ‐ 2010
liệu này tới trạm điều khiển trung tâm (Main Control Station – MCS), các trạm giám sát liên tục theo dõi các vệ tinh và đường đi của chúng, lưu trữ các dữ liệu về chúng, thông tin này được xử lý ở trạm điều khiển chính để xác định quỹ đạo của các vệ
tinh và cập nhật thông tin dẫn đường cho mỗi vệ tinh như quỹ đạo chính xác, lịch thiên văn, sửa lỗi đồng hồ…thông tin này được truyền lên các vệ tinh cung cấp phương tiện để ra lệnh và điều khiển các vệ tinh, tải lên các thông tin dẫn đường và các dữ liệu khác
Hình 2.2: Bản đồ phân bố các trạm giám sát. Nguồn [6]
-Bộ phận người sử dụng: Bao gồm tất cả các đối tượng sử dụng cho mục đích dân sự và quân sự. Các máy thu riêng biệt theo dõi các mã hoặc pha của các sóng mang (hoặc cả hai) và đều thu nhận các điện văn thông báo. Bằng cách so hàng tín hiệu đến từ vệ tinh với bản sao của mã phát được lưu giữ trong máy thu, ta có thể
xác định được cự ly đến vệ tinh. Nếu các cự ly tới bốn vệ tinh được liên kết với các thông số quĩ đạo vệ tinh thì máy thu có thể xác định ba giá trị toạđộ địa tâm của vị
trí mình.
GPS là hệ thống dẫn đường bằng sóng vô tuyến đặt trên không gian (Space – Based Radionavigation System) thành công nhất cho tới nay. Khoảng cách từ một vệ
Lu n văn t t nghi p – Hoa Ng c Anh l p XLTT&TT 2008 ‐ 2010
tinh tới máy thu được đo bởi thời gian tới của tín hiệu vệ tinh. Tọa độ 3 chiều, vận tốc và thời gian cũng đo được nhờ GPS. Hệ thống này có thể sử dụng được trong mọi điều kiện thời tiết, trên toàn cầu và vào mọi thời điểm.[6]
Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978. 10 vệ tinh đầu tiên là các vệ tinh triển khai, được gọi là Block I. Từ năm 1989 đến 1993, 23 vệ tinh sản xuất, được gọi là Block II được phóng. Việc phóng vệ tinh thứ 24 năm 1994 đã hoàn thiện hệ
thống. Bộ Quốc phòng Mỹ dự trữ 4 vệ tinh để thay thế bất kỳ vệ tinh nào bị hỏng hoặc không hoạt động. Ngày 27/04/1995, FOC (Full Operational Capability – Khả
năng hoạt động đầy đủ) được tuyên bố. Hiện nay, các vệ tinh đang được sử dụng thuộc các Block II/IIA/IIR.
2.1.2.2. Chức năng và quỹđạo của vệ tinh
-Mười một vệ tinh (SV) thuộc Block I được chế tạo và phóng trong khoảng từ
năm 1978 đến 1985 với mục đích thử nghiệm và cung cấp dịch vụ dẫn đường hai chiều (2D). Các vệ tinh thuộc Block I không có đặc điểm giáng cấp độ chính xác
định vị tương đối với mã C/A được gọi là SA (Selective Available).
- Chòm 24 vệ tinh thuộc Block II (II-1 đến II-24) được đưa vào hoạt động từ
năm 1989 đến 1994, và cung cấp các tính năng hoạt động đầy đủ vào năm 1995 mở đầu kỷ nguyên hoạt động của hệ thống định vị GPS. Các vệ tinh thuộc Block II được thiết kếđể làm việc trong vòng 7.5 năm. Ban đầu các vệ tinh này sử dụng SA, cho
đến ngày 01/05/2000, chức năng này đã bị hủy bỏ hoàn toàn.
- Các vệ tinh Block IIR được phóng từ năm 1996 để thay thế các vệ tinh Block II. Các vệ tinh thay thế này sẽ có khả năng tự động tạo ra các điện văn dẫn
đường. Từ năm 2001, Boeing phát triển các vệ tinh thuộc Block IIF bao gồm 33 vệ
tinh sẽ được phóng lên để duy trì hoạt động của hệ thống GPS cho giai đoạn tiếp sau.
Các chức năng của chùm vệ tinh:
-Ghi nhận và lưu trữ các thông tin được truyền đi từ các bộ phận kiểm soát. -Thực hiện các phép xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh
Lu n văn t t nghi p – Hoa Ng c Anh l p XLTT&TT 2008 ‐ 2010
-Duy trì khả năng chính xác cao của các đồng hồ thời gian
-Thông báo điện văn dẫn đường đến người sử dụng bằng những tín hiệu khác nhau
-Thay đổi quỹ đạo bay nhờ những tên lửa đẩy được điều khiển bởi hệ thống
điều khiển trên mặt đất.
2.1.2.3. Cấu trúc tín hiệu GPS
Do yêu cầu của tín hiệu GPS là định vị theo thời gian thực, được chia sẻ cho nhiều người sử dụng, việc nhận biết tín hiệu của vệ tinh nào phải được quy định bằng cách mỗi vệ tinh phải có một mã duy nhất gọi là mã giả ngẫu nhiên. Các tín hiệu này được điều chế bằng các mã trải phổ và được truyền đi với độ chính xác cao cả về tốc độ và vị trí.
GPS cung cấp hai mức dịch vụ là dịch vụ định vị chuẩn (Standard Positioning Service – SPS) và dịch vụđịnh vị chính xác (Precise Positioning Service –PPS). [6]
-SPS là dịch vụ đo thời gian và định vị dùng trên toàn cầu không mất phí trực tiếp, được cung cấp trên tần số L1 mang mã C/A và thông báo dẫn đường.
-PPS là dịch vụđịnh vị, đo tốc độ, thời gian cho quân đội với độ chính xác cao. Sử dụng mã P(Y), dữ liệu được truyền trên cả hai tần số L1 và L2, chỉ có máy thu
đặc biệt với thiết bị mã khóa và giải mã kèm theo mới sử dụng được hệ thống PPS. a. Đặc tính của tín hiệu GPS
Được truyền trên hai băng tần L1= 1575,42 MHz và L2=1227,6 MHz. Mức công suất tối thiểu là 160 dBw trên bề mặt trái đất.
Các loại mã giả ngẫu nhiên
- Mã C/A: có tần số 1.023MHz chu kỳ 1ms, điều biến pha của sóng mang L1. Mỗi vệ tinh khác nhau có mã C/A khác nhau.
Lu n văn t t nghi p – Hoa Ng c Anh l p XLTT&TT 2008 ‐ 2010
Điện văn vệ tinh điều chế tín hiệu mã L1- C/A tốc độ 50b/s bao gồm các bit dữ
liệu mô tả quỹđạo của vệ tinh, sửa lỗi đồng hồ, các thông tin dẫn đường khác.
Hình 2.3: Các tín hiệu vệ tinh của hệ thống GPS b. Thông tin dẫn đường của vệ tinh GPS
Thông tin dẫn đường bao gồm - Thời gian phát của vệ tinh - Vị trí của vệ tinh
- Trạng thái hoạt động của vệ tinh.
- Thông tin để hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh. - Ảnh hưởng của trị số trễ do truyền sóng. - Chuyển đổi thời gian GPS, UTC
- Trạng thái chòm vệ tinh. c. Phương pháp tạo mã C/A.
- Tốc độ đồng hồ (Clock rate): Tốc độ cơ bản của đồng hồ là 10.23 Mhz. Trên thực tế, tốc độ đồng hồ vệ tinh được cố ý đặt thấp hơn 4.45 × 10-10 so với giá trị
Lu n văn t t nghi p – Hoa Ng c Anh l p XLTT&TT 2008 ‐ 2010
danh nghĩa nói trên để bù trừ các hiệu ứng tương quan trung bình bao gồm chênh lệch trung bình thế trọng trường giữa vệ tinh và người sử dụng.
- Tần số Chip mã C/A là 1,023 Mhz.
- Các chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRN) của mã C/A đều được tạo bởi bộ ghi dịch hồi tiếp 10 bit (Feedback Shift Register). Xung đồng hồ được đưa vào bộ ghi dịch ở bit thứ nhất và nội dung của mã C/A được lấy ra ở bit thứ 10. Đặc tính riêng của bộ ghi dịch hồi tiếp phụ thuộc vào cách thức nhận thống tin vào tại bit 1. Vệ tinh GPS sử dụng bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap (Tapped Feedback Shift Register).
d. Nội dung điện văn GPS.
Điện văn GPS được chia thành các khung con, mỗi khung con chứa một thông tin riêng. [6]
- Khung con thứ nhất: Bao gồm các hệ số dùng để hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, các loại cờ khác nhau và niên hạn của dữ liệu.
- Khung con thứ hai và ba: Chứa các tham số lịch thiên văn phát tín (các tham số của quĩđạo).
- Khung con thứ tư: Mới chỉ có những thông tin cảm biến trên 10 trong số 25 trang hiện có. Nội dung của các trang này bao gồm một mô hình tầng điện ly, số liệu giờ thế giới UTC, cờ để nhận biết những vệ tinh khác nhau. Nếu trên quĩ đạo có nhiều hơn 24 vệ tinh và hệ thống chống lừa gạt được chuyển mạch (khi mã Y hoặc phiên bản bí mật của mã P thay thế mã P), thì số lượng dữ liệu lịch thư và thông báo tình trạng hoạt động của vệ tinh vượt quá con số 24.
- Khung con thứ năm: Bao gồm các dữ liệu lịch và tình trạng hoạt động của 24 vệ tinh đầu tiên trên quĩđạo. Dữ liệu lịch thư là một kiểu diễn giải sơ bộ về quĩ đạo vệ tinh, được dùng để xác định từng vệ tinh nằm ở vị trí nào trong chòm vệ tinh, thu nhận các tín hiệu từ vệ tinh nằm trên đường chân trời của người quan sát nhưng chưa được theo dõi. Nhờđó, khi theo dõi được một vệ tinh, thì việc thu tín hiệu của các vệ tinh khác sẽ tương đối dễ dàng hơn.
Lu n văn t t nghi p – Hoa Ng c Anh l p XLTT&TT 2008 ‐ 2010
+ Việc đánh số trang tuần hoàn của các khung con từ một đến năm phải được khởi động lại từ khung con thứ nhất mà không cần biết là khung con nào được truyền đi lần cuối cùng trước khi kết thúc hoặc bắt đầu của tuần.
+ Sự tuần hoàn của 25 trang của các khung con bốn và năm phải được khởi
động lại từ trang đầu tiên của mỗi khung con mà không cần biết là trang nào được truyền đi lần cuối cùng trước khi kết thúc hoặc bắt đầu của tuần. Tất cả việc tải điện văn và cắt bỏ trang chỉ diễn ra tại các giới hạn của khung. (Module 30s).
- Kiểm tra chẳn lẽ dữ liệu: Các từ 1 đến 10 của các khung con từ 1 đến 5 phải chứa 6 bits kiểm tra chẳn lẽ tại các vị trí LSB của nó. Thêm vào đó hai bits không mang thông tin phải được cung cấp tại hai bits 23 và 24 của từ thứ hai và từ thứ
mười để cho mục đích tính toán tính chẵn lẻ.
- Tại mỗi đầu khung con chiều dài 6s là hai từ đặc biệt gọi là từ Telemetry (TLM) và từ Hand-over (HOW). Từ HOW bao gồm "số đếm Z" và cứ mỗi 6s thay
đổi một lần. Từ TLM chỉ thay đổi khi chịu tải hoặc liên lạc với các hoạt động của vệ
tinh khác.
- Từ Telemetry (TLM): Mỗi từ TLM dài 30 bit, xuất hiện mỗi 6s trong khung dữ liệu và là từ đầu tiên của mỗi khung. Dạng thức TLM được trình bày theo hình 2.4. Mỗi từ TLM sẽ bắt đầu bởi một từ mào đầu là mẫu đồng bộ cố định 8 bit theo sau bởi 16 bit dành riêng và 6 bit chẵn lẻ. Các bit dành riêng khi thích hợp có thể
chứa các nội dung sau: + Tình trạng tải dữ liệu lên vệ tinh. + Các điện văn chuẩn đoán. + Các điện văn tương tự như trị số Z của bộđếm thời gian. MSB LSB Từ mào đầu 10001011 Dành riêng Parity 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ... 24 25 26 27 28 29 30
Lu n văn t t nghi p – Hoa Ng c Anh l p XLTT&TT 2008 ‐ 2010
Hình 2.4: Cấu trúc từ TLM.
- Từ Hand-over (HOW): Từ Hand-over dài 30 bits, là từ thứ hai trong mỗi khung/trang tiếp theo sau từ TLM. Một từ HOW xuất hiện mỗi 6s trong vùng dữ
liệu. Cấu trúc của từ HOW được trình bày ở hình 2.5. HOW bắt đầu với 17 MBS của bộ đếm TOW, bộ đếm TOW đầy đủ bao gồm 19 bits LSB của bộ đếm Z 29 bits, 17 bits này tương ứng với bộđếm TOW tại thời điểm 1,5s sẽ xuất hiện khi bắt đầu của khung tiếp theo. Từ HOW khi nhân 4, sẽ cho trị số Z của khung con 6s tiếp theo cung cấp chức năng đồng bộ thời gian để chuyển từ mã C/A sang mã P. Ngoài ra, từ
HOW còn bao gồm các chỉ số của khung con (1 đến 5) và một cờ (Flat) cảnh báo cho biết khi nào khung con không so hàng chính xác với chuỗi X1 của mã P.
Số nhận dạng (ID) Của khung con
MBS LBS Parity Sốđếm TOW
(phiên bản rút gọn)