Hình 2.22 Cấu trúc mới trong bản tin dẫn đường của hệ thống GLONASS
Các nhà khoa học Nga hiện đang đề xuất khuôn dạng mới cho cấu trúc tín hiệu đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) để phát truyền tín hiệu trên tần số mới L3 của các vệ tinh dẫn đƣờng GLONASS. Khi đƣợc chấp thuận và triển khai trên các vệ tinh GLONASS thuộc chƣơng trình hiện đại hoá, đây sẽ là những đóng góp quan trọng trong việc phối hợp hoạt động, thậm chí trao đổi thông tin giữa các tín hiệu GNSS trong không gian. Khuôn dạng bản tin mềm dẻo mới này cũng cho phép nâng cấp một cách dễ dàng hơn, các bản tin dẫn đƣờng trong tƣơng lai khi có yêu cầu.
Bản tin dẫn đƣờng NM (Navigation Message) đã đƣợc phát triển và sử dụng trong suốt thời gian dài trƣớc đây bởi cả hai hệ thống vệ tinh định vị GPS và GLONASS, NM cũng là hợp phần cố định của các hệ thống vệ tinh định vị GNSS. Cấu trúc thông thƣờng của NM bao gồm các trang (Pages) hay còn đƣợc gọi là các khung cấu trúc (Frames), dƣới đó là các khung con (Subframes) và cuối cùng là các ký tự (Words). Mặc dù NM có kết cấu rất đơn giản, nhƣng lại có tính bảo toàn rất cao. Khả năng duy nhất để có thể nâng cấp các bản tin dẫn đƣờng đó là hạn chế sử dụng các khung con đã đƣợc xác lập để dự phòng trƣớc đây. Việc tăng số lƣợng khung và khung con nhƣ vậy lại gây ảnh hƣởng tới chức năng truyền phát bản tin dẫn đƣờng của hệ thống. Chính vì thế, số lƣợng nhỏ nhoi còn lại của hệ thống khung dự phòng đã từng gây ra nhiều khó khăn cho việc nâng cấp cấu trúc bản tin dẫn đƣờng của hệ thống.
Những vấn đề nêu trên đƣợc mô tả một cách rõ ràng hơn trong hai hình dƣới đây. Hình 1 thể hiện cấu trúc bản tin dẫn đƣờng của hệ thống vệ tinh GPS Hoa Kỳ với siêu khung (Superframes) và các khung con dự phòng (Backup subframes) là các ô có chấm tròn màu đen ở giữa. Chúng ta có thể nhìn thấy rõ ràng từ 125 khung con trong cấu trúc bản tin dẫn đƣờng của GPS ứng với chu trình 12.5 phút, chỉ còn lại có 14 khung con (hơn con số 11%) đƣợc xác lập làm hợp phần dự phòng.
Hình 2.23. Hợp phần dự phòng trong bộ siêu khung bản tin dẫn đường hệ thống GPS
Hình 2.24 thể hiện cấu trúc bản tin dẫn đƣờng của hệ thống vệ tinh GLONASS. Các khung dự phòng đƣợc chỉ dấu bằng số lƣợng bit và thể hiện trong hình vẽ bằng các trƣờng không trải nền. Trong phần siêu khung của GLONASS tƣơng ứng với chu trình 2.5 phút, số lƣợng bit còn lại dành cho dự phòng chỉ còn chiếm khoảng 3% mà thôi. .
Hình 2.25 Cấu trúc bản tin dẫn đường của hệ thống vệ tinh GLONASS
Nếu giả sử khối số liệu đƣợc phát truyền đi trong các lời giải dẫn đƣờng của cả GLONASS và GPS là tƣơng đƣơng, chúng ta có thể nhận thấy tỷ lệ truyền dẫn số liệu trong hệ thống GLONASS lớn hơn gấp năm lần so với GPS. Điều này giải thích tại sao tỷ lệ dự phòng dành cho các bản tin dẫn đƣờng của hệ thống GPS lại cao hơn của
luôn là con số nhỏ hơn 32. Hệ quả là kênh truyền phát các bản tin dẫn đƣờng trong hệ thống GPS đã đƣợc sử dụng một cách không hiệu quả.
Đối với hệ thống GLONASS, tình trạng hiện thời có khác hơn. Bản tin dẫn đƣờng chỉ bao gồm khoảng 3% số bit dự phòng và hệ thống trƣờng dự phòng trong siêu khung của GLONASS chỉ đảm bảo phát truyền lịch cho 24 vệ tinh. Điều này gia tăng một cách đáng kể tính hiệu quả của kênh truyền phát bản tin dẫn đƣờng nếu so sánh với GPS, nhƣng cũng vẫn gây ra những vấn đề lớn trong quá trình thực hiện bất kỳ một bƣớc xử lý nào nhằm nâng cấp hệ thống.
Trong những trƣờng hợp nhƣ vậy, nâng cấp toàn diện hay nâng cấp một phần chỉ nên thực hiện khi đƣợc cung cấp năng lực dự phòng tƣơng đƣơng, điều này cũng có nghĩa rằng các thiết bị của ngƣời sử dụng đƣợc sản xuất trƣớc đây cần phải đƣợc duy trì tính tƣơng thích với hệ thống sau khi đƣợc nâng cấp. Khi tổng hợp các bản tin dẫn đƣờng trong khuôn dạng cố định, các cấu trúc bị giới hạn một cách triệt để bao gồm các khung (Frames), khung con (Subframes) và các ký tự (Words) nhằm đảm bảo đƣợc nguyên tắc tƣơng thích với các thiết bị thế hệ trƣớc, điều này cho thấy rõ hơn khả năng nâng cấp chỉ có thể thực hiện nhanh và kịp thời nếu chúng ta sử dụng đúng khung dự phòng của hệ thống với số lƣợng phù hợp, bởi nếu tất cả sự điều chỉnh này không đƣợc thực hiện trên hệ thống khung dự phòng, sẽ gây ra nhiều vấn đề đối với các thiết bị của ngƣời sử dụng đƣợc sản xuất trong thời gian trƣớc. Từ luận điểm này, có thể nhận thấy rõ hơn rằng các hệ thống định vị dẫn đƣờng vệ tinh nhƣ GPS và GLONASS rất cần có hệ thống khung dự phòng với số lƣợng lớn hơn.
Những khó khăn – Qua ví dụ trên đây, chúng ta thấy rõ hơn những vấn đề sẽ phát sinh trong quá trình xử lý nâng cấp hệ thống GLONASS, mục tiêu của quá trình nâng cấp là tăng số lƣợng vệ tinh GLONASS lên con số 30. Việc nâng cấp lên con số 30 vệ tinh nhằm đảm bảo loại bỏ những khu vực mà chỉ số suy giảm độ chính xác DOP, gây ra bởi đồ hình hệ thống của trùm vệ tinh GLONASS chƣa thực sự tối ƣu. Nhƣng để phù hợp với quy định tƣơng thích các hệ thống thiết bị của ngƣời sử dụng, rất cần phải xác lập lịch của 6 vệ tinh sẽ đƣợc đặt vào các siêu khung bit dự phòng. Tuy nhiên số lƣợng bit dự phòng trong hệ thống siêu khung của GLONASS (nhƣ trong Hình 2) còn quá ít và chỉ đủ để đặt cho lịch của 1 vệ tinh mà thôi. Trong trƣờng hợp nâng cấp này, lịch của vệ tinh cơ bản thứ nhất trong số 24 vệ tinh sẽ đƣợc phát truyền trong thang thời gian của một siêu khung, tƣơng đƣơng với 2.5 phút, và lịch của 6 vệ tinh tiếp theo sẽ đƣợc phát truyền dựa trên các hàng dự phòng nằm trong thang thời gian của sáu siêu khung khác, tƣơng đƣơng với 2.5 x 6 = 15 phút.
Hƣớng đi mới – Để tránh những khó khăn đối với các bản tin dẫn đƣờng có cấu trúc bất định và giới hạn nhƣ đã phân tích trong các phần trƣớc, cấu trúc bao gồm tập hợp khung (Frames), khung con (Subframes), và các ký tự. Các nhà khoa học và các chuyên gia đang nghiên cứu hƣớng đi mới, thông qua việc sử dụng các bản tin dẫn
đƣờng với cấu trúc hàng (Row) mềm dẻo hơn cấu trúc cũ. Cấu trúc mới này khá tƣơng đồng với mẫu chuẩn áp dụng lần đầu tiên cho tín hiệu GPS L5. Trong cấu trúc này, bản tin dẫn đƣờng đƣợc hình thành dƣới dạng các biến theo hàng khác nhau về hình thái. Mỗi một dạng hàng có cấu trúc duy nhất và hàm chứa kiểu thông tin xác định, ví dụ: Thông tin khí tƣợng, lịch của các vệ tinh xác định, các tham số mô hình dịch chuyển của Trái đất quanh trục, các tham số mô hình tầng điện ly gây trễ tín hiệu và những thông tin khác.
Thiết bị của ngƣời sử dụng sẽ ấn định thứ tự của các hàng theo trình tự, xác định dạng của hàng, trong mỗi hàng sẽ tƣơng ứng với dạng số liệu đi kèm. Khi sử dụng cấu trúc bản tin dẫn đƣờng nhƣ vậy, những hạn chế thƣờng thấy của các dạng số liệu khác nhau thu nhận đƣợc bởi thiết bị của ngƣời sử dụng sẽ bị ảnh hƣởng, nhƣng hệ thống kiểm soát GNSS lại đảm bảo đƣợc độ trễ trong quá trình truyền mỗi dạng số liệu sẽ không vƣợt quá các giá trị cực đại đã xác định trƣớc, trong tài liệu kiểm soát giao diện ICD (Interface Control Document). Ví dụ, các hàng chứa số liệu lịch thiên văn trên tần số GPS L5 đƣợc phát truyền ít nhất 10 phút một lần, và duy trì liên tục nhƣ vậy. (Độc giả có thể tham khảo tài liệu “Navstar GPS Space Segment/User Segment L5 Interface” tại địa chỉ www.navcen.uscg.gov/pdf/Number.pdf)
Sử dụng trong hệ thống GNSS thế hệ mới – Kiểu cấu trúc hàng mềm dẻo của bản tin dẫn đƣờng thế hệ mới, sẽ mang lại hiệu quả tích cực trong việc sử dụng một cách hợp lý khả năng và dung lƣợng của kênh truyền phát các bản tin dẫn đƣờng, đặc biệt trong bƣớc phát triển hệ thống, nhƣ đã đƣợc kiểm chứng trong những năm qua đối với các hệ thống GNSS mới. Ở giai đoạn này, trùm quỹ đạo vệ tinh GNSS còn chƣa hoàn chỉnh, vì vậy các bản tin dẫn đƣờng có thể đƣợc tổng hợp dƣới dạng các hàng liên tiếp chứa lịch vệ tinh, của những vệ tinh đang thực sự có mặt trên trùm quỹ đạo. Giảm thiểu số lƣợng các hàng dành sẵn cho việc phát lịch của các vệ tinh chƣa đƣa lên quỹ đạo, việc này cũng cho phép tối ƣu khoảng dãn cách thời gian giữa hai lần liên tiếp phát lịch thiên văn, lịch vệ tinh. Điều trƣớc đây các bản tin dẫn đƣờng với cấu trúc cố định thông thƣờng không có khả năng thực hiện.
Điểm mạnh vƣợt trội nhất đối với bản tin dẫn đƣờng có cấu trúc hàng mềm dẻo chính là khả năng duy trì tính tƣơng thích với thiết bị của ngƣời sử dụng, đáp ứng đƣợc đòi hỏi cơ bản của quá trình đổi mới và nâng cấp hệ thống vệ tinh GNSS. Vì mục đích này, trong tài liệu ICD định hƣớng các tín hiệu dành cho các nhà phát triển sản xuất thiết bịđã chỉ rõ rằng, nếu thiết bị ngƣời sử dụng bắt gặp các bản tin có dạng hàng (Row) không xác định, thiết bị có thể bỏ qua. Điều này cho phép bổ sung thêm các kiểu hàng mới trong quá trình xử lý nâng cấp hệ thống GNSS. Việc đƣa vào các kiểu hàng mới trong bản tin dẫn đƣờng thế hệ tiếp theo chắc chắn sẽ hạ thấp đƣợc tốc
Các thiết bị của ngƣời sử dụng đƣợc sản xuất trƣớc đây (hay các thiết bị GNSS thế hệ cũ) sẽ bỏ qua các hàng với kiểu cấu trúc mới, theo đó các thiết bị này sẽ không sử dụng những thay đổi đã áp dụng trong quá trình xử lý nâng cấp hệ thống GNSS, đồng thời khả năng thu và xử lý tín hiệu của những thiết bị cũ này hoàn toàn không bị ảnh hƣởng vì hệ thống GNSS vẫn duy trì tạm thời cấu trúc cũ. Đối với các thiết bị của ngƣời sử dụng đƣợc sản xuất trong thời gian gần đây sẽ có cơ hội sử dụng số liệu từ cả hai kiểu hàng mới và cũ đã triển khai trong quá trình nâng cấp hệ thống GNSS.Trong trƣờng hợp này, thiết bị của ngƣời sử dụng có thể xem xét để nâng cấp phần mềm điều khiển phiên bản cũ lên các phiên bản mới hơn. Việc đổi mới nâng cấp này không có nghĩa rằng các phần mềm điều khiển thế hệ cũ gặp lỗi hay khó khăn trong quá trình thu xử lý tín hiệu,mục đích chính đó là việc đáp ứng mong muốn của ngƣời sử dụng để có thể khai thác những lợi thế mà các bản tin dẫn đƣờng thế hệ mới mang lại dựa trên các hệ thống GNSS mới.
Bên cạnh đó các kiểu hàng thế hệ rất cũ trƣớc đây có thể đƣợc gỡ bỏ khỏi các bản tin dẫn đƣờng. Kể từ thời điểm này, tất cả các thiết bị của ngƣời sử dụng quá cũ sẽ không thể hoạt động đƣợc nữa. Nếu trƣờng hợp này xảy ra, đây cũng là sự kiện hoàn toàn bình thƣờng trong quá trình phát triển của công nghệ, bởi chúng ta sẽ phải đánh đổi các thiết bị thế hệ quá cũ lấy một nền tảng công nghệ mới hơn, ƣu việt hơn. Đồng thời các thiết bị cũ cũng đã hết thời hạn khấu hao và quy trình thu hồi vốn đầu tƣ đã hoàn tất.
Khi sử dụng cấu trúc hàng mềm dẻo mới, các bản tin dẫn đƣờng nâng cấp của GLONASS (nhƣ ví dụ trong phần trƣớc) với số vệ tinh vƣợt quá 30, có nghĩa rằng số lƣợng các hàng cũng dễ dàng vƣợt qua con số giới hạn với kiểu đƣợc xác định trong cấu trúc số liệu lịch thiên văn. Trong trƣờng hợp này, tốc độ truyền lịch thiên văn và số liệu khác có thể sẽ suy giảm đôi chút, nhƣng chắc chắn sẽ không đòi hỏi phải có sự chuyển đổi phần mềm liên quan tới thiết bị của ngƣời sử dụng.
Tình trạng hiện thời – Hiện tại hệ thống GLONASS đang sử dụng các tín hiệu với dải tần số đƣợc tách ra thành L1 (1592.9 – 1610 MHz) và L2 (1237.8 – 1256.8 MHz). Việc nâng cấp hệ thống hiện tại đang đƣợc thực thi có tầm nhìn xa hơn với việc chuyển các tín hiệu đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) trên tần số L1, L2 và L3 (1190.35 – 1212.23 MHz). Một vệ tinh thế hệ mới đã đƣợc phóng và bắt đầu truyền phát các tín hiệu với phân chia theo mã (Code) trên tần số L3.
Tất cả các bản tin trong các tín hiệu GLONASS mới với cấu trúc phân chia theo mã, hay CDMA đều sẽ có cấu trúc hàng mềm dẻo. Các tài liệu liên quan cũng đang đƣợc xây dựng để công bố cấu trúc hàng kiểu mới này. Ví dụ, Hình 3 thể hiện cấu trúc của kiểu ở hàng thứ 20 dành cho hợp phần tín hiệu mở L3OC với phân chia theo mã
trên tần số L3 bao gồm cả lịch vệ tinh. Các hàng của tín hiệu L3OC bao gồm 300 bit và có khoảng dãn cách về thời gian là 3 giây.
Vài nét về tác giả:Alexander Povalyaev hiện là Phó phụ trách hợp phần trong JSC Russian Space Systems và là Giáo sƣ công tác tại Viện Hàng không Matxcơva (Moscow Aviation Institude). Ông là ngƣời đã tham gia phát triển các phƣơng pháp luận và thuật toán cho quy trình đo và xử lý sóng mang GNSS (GNSS Carrier Phase) hơn 30 năm. Hiện tại Ông đang tập trung vào phát triển giải pháp mới phân chia theo mã các tín hiệu của hệ thống vệ tinh định vị Liên bang Nga GLONASS.
Hình 2.26 Cấu trúc kiểu hàng thứ 20 trong tín hiệu GLONASS mở L3OC với cấu trúc phân chia theo mã.
2.3 Hệ thống định vị toàn cầu GALILEO 2.3.1. Giới thiệu
Hệ thống định vị Galileo là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) đƣợc xây dựng bởi Liên minh châu Âu. Galileo khác với GPS của Hoa Kỳ và GLONASS của Liên bang Nga ở chỗ nó là một hệ thống định vị đƣợc điều hành và quản lý bởi các tổ chức dân dụng, phi quân sự. Năm 1998 Cục hàng không châu Âu và Ủy ban liên minh châu Âu quyết định cùng nhau nghiên cứu tính khả thi của GNSS châu Âu độc lập thực sự.Chƣơng trình tên là Galileo đƣợc phê duyệt lần đầu tiên vào năm 1999.
Bên cạnh việc đƣợc độc lập,Galileo đƣợc kỳ vọng đƣa ra độ chính xác lớn hơn,tính toàn vẹn cao hơn,lợi ích nhiều hơn và tính liên tục của các dịch vụ lớn hơn so với các hệ thống hiện nay. Mặc dù bản chất công dụng kép của bất kỳ hệ thống GNSS nào,Galileo đƣợc chú trọng chỉ cho các ứng dụng dân sự.Nó đƣợc xem nhƣ là chƣơng trình dân sự nằm dƣới sự điều khiển phi quân sự.
Các vệ tinh Galileo sẽ truyền 10 tín hiệu khác nhau theo các băng tần : E5a và E5b (1164-1215 MHz),E6 (1620-1300) và E1-L1-E2(1559-1592).Sáu tín hiệu đƣợc dành cho dịch vụ dân sự(open service) và dịch vụ an toàn cuộc sống(safety of life),hai tín hiệu cho ngƣời dùng thƣơng mại và huy trì hai tín hiệu cho cá nhân chính thức/điều chỉnh (dịch vụ qui định công cộng).
Sau khi phân tích tín hiệu của hệ thống dẫn đƣờng GPS và Galileo,có thể xem nhƣ việc có hai băng tần ở hai hệ thống gửi đi đồng thời bản tin dẫn đƣờng:GPS L1 với Galileo E1-L1-E2 và GPS L5 với Galileo E5 (hình 2-7).Một thiết bị đầu cuối đa chuẩn GPS/Galileo có thể nhận tín hiệu từ một hoặc cả hai băng tần và có thể cung cấp vị trí với một hoặc cả hai hệ thống tại cùng một thời điểm
Hệ thống định vị Galileo đƣợc đặt theo tên của nhà thiên văn học ngƣời Ý Galileo Galilei nhằm tƣởng nhớ những đóng góp của ông.
2.3.2.Thông số của hệ thống
Vệ tinh
30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động chính và 3 vệ tinh dự phòng) Độ cao quỹ đạo: 23.222 km (quỹ đạo tầm trung)
Phân bố trên 3 mặt chính, góc nghiêng 56 độ Tuổi thọ thiết kế của vệ tinh: > 12 năm
Năng lƣợng từ pin mặt trời: 1500 W (tại thời điểm tuổi thọ thiết kế) Dịch vụ cung cấp
Bốn dịch vụ về định vị sẽ đƣợc cung cấp bởi Galileo: