Chùm sao vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủđạo và một vài vệ tinh dự trữ, được phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn, kí hiệu từ A đến F, với đường kính khoảng 20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo. Mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh chính được kí hiệu từ 1 đến 4 và được phân bố đều. Chu kỳ của các vệ tinh là 12 giờ. Cấu trúc quỹ đạo vệ tinh này cho phép người sử dụng hệ thống GPS trên mặt
đất có thể “nhìn thấy” tối thiểu là 4 vệ tinh và trung bình từ 6 đến 8 vệ tinh nếu không bị cản trở bởi các cấu trúc hạ tầng dưới mặt đất. [3]
Hình 3.1. Chùm sao vệ tinh.
3.1.1.2. Vệ tinh GPS
Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc với phân hệđiều khiển, và phát tín hiệu tới máy thu.
Hình 3.2. Vệ tinh NAVSTAR.
Các vệ tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: Chúng có thể được nhận biết bởi vị trí của chúng trên quỹđạo (mỗi vệ tinh có một vị trí (1, 2, 3, …) trên 6 quỹ đạo: A, B, C, D, E, F) hay bởi số chứng nhận NASA, hoặc có thểđược xác định bởi ID quốc tế, hoặc có thể bởi mã giả ngẫu nhiên PRN hay bởi số hiệu SVN.
Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một đồng hồ với độ chính xác rất cao. Các
đồng hồđó hoạt động ở một tần số cơ bản 10.23 MHz, chúng được dùng để phát tín hiệu xung, các tín hiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh.
3.1.2. Phân hệ điều khiển
Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ hệ thống, bao gồm một trạm
điều khiển trung tâm (Master Control Station – MCS) đặt tại căn cứ không quân Schriever, Colorado Spring ở bang Colorado - Mỹ; năm trạm thu số liệu được đặt quanh trái đất dọc theo đường Xích đạo, cụ thể là ở Nam Đại Tây Dương (Ascension), Ấn Độ Dương (Diego Garcia), Nam Thái Bình Dương (Kwajalein), Hawaii và Colorado Spring; và ba trạm truyền số liệu đặt tại Nam Đại Tây Dương,
Hình 3.3. Phân hệđiều khiển.
MCS làm nhiệm vụ theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản lý quỹ đạo vệ tinh và duy trì thời gian GPS. Từđó dựđoán các thông số quỹđạo và đưa ra giá trị thời gian GPS đồng bộ giữa các vệ tinh, nhằm cập nhật dữ liệu định vị của các vệ tinh.
Năm trạm thu số liệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và dự đoán quỹ đạo của chúng. Mỗi trạm được trang bị những máy thu P-code để thu các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính.
Ba trạm truyền số liệu có khả năng chuyển số liệu lên vệ tinh, gồm lịch thiên văn mới, dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ, các bản tin, và các lệnh điều khiển từ xa.
3.1.3. Phân hệ sử dụng
Phân hệ sử dụng bao gồm các bộ thu GPS và cộng đồng người sử dụng. Các máy thu GPS sẽ chuyển đổi các tín hiệu vệ tinh thành các thông số vị trí, vận tốc, và thời gian. Để tính toán các thông số vị trí (X, Y, Z) và thời gian, chúng ta cần ít nhất bốn vệ tinh. Bộ thu GPS được sử dụng cho các dịch vụ định vị, dẫn đường, phân phát thời gian, và các nghiên cứu khác.
Với cấu trúc và đặc điểm của hệ thống GPS như trên, ta thấy rằng GPS có rất nhiều ưu điểm và đem lại nhiều lợi ích khi hoạt động. Các ứng dụng sử dụng dịch vụ GPS ngày càng được mở rộng và phát triển rộng rãi. Trong phần tiếp theo, chúng
3.2 Cấu trúc tín hiệu GPS
Để thiết kế máy thu GPS đơn tần định nghĩa bởi phần mềm thì cần phải biết về
các đặc tính của tín hiệu và dữ liệu được phát từ vệ tinh GPS cũng như nhận bởi anten máy thu GPS.
3.2.1. Các tín hiệu và dữ liệu
Các tín hiệu GPS được phát trên hai tần số vô tuyến trên băng UHF (500 MHz – 3 GHz). Các tần số này được đặt là L1 và L2 và được nhận từ một tần số chung f0 = 10.23 MHz:
FL1 = 154f0 = 1575.42 MHz (3.1)
FL2 = 120f0 = 1227.60 MHz (3.2)
Các tín hiệu được cấu thành từ 3 thành phần sau:
• Sóng mang: tần số fL1 và fL2.
• Dữ liệu định vị: bao gồm thông tin liên quan tới các quỹđạo vệ tinh, có tốc độ
bit là 50 bps.
• Dãy trải phổ: mỗi vệ tinh có hai dãy hoặc mã trải phổ. Đó là mã C/A (coarse acquisition) và một loại mã chính xác được mã hóa là mã P (Y).
3.2.2. Lược đồ tín hiệu GPS
Sơđồ khối của bộ tạo tín hiệu GPS được trình bày trong hình 3.1. [1]
Đọc sơ đồ từ trái qua phải. Ngoài cùng bên trái là tín hiệu đồng hồ chính được cấp cho các khối còn lại. Tín hiệu đồng hồ có tần số 10.23 MHz. Thực tế tần số
chính xác là 10.22999999543 MHz để hiệu chỉnh các ảnh hưởng tương đối với tần số 10.23 MHz từ người sử dụng trên trái đất. Khi được nhân với 154 và 120, nó tạo ra các tín hiệu sóng mang L1 và L2. Ở góc bên trái dưới cùng, một bộ hạn chếđược
dùng đểổn định tín hiệu đồng hồ trước khi cấp cho các bộ tạo mã C/A và mã P (Y).
Ở phía dưới là bộ tạo dữ liệu có nhiệm vụ tạo ra dữ liệu định vị. Các bộ tạo mã và bộ tạo dữ liệu được đồng bộ qua tín hiệu X1 được cấp bởi bộ tạo mã P (Y).
Sau khi tạo mã, các mã được kết hợp với dữ liệu định vị qua các bộ cộng module-2. Phép XOR được dùng trên các dãy bit “0” và “1”, còn dạng phân cực 1 và -1 thì phép XOR được thay thế bằng phép nhân thông thường.
Hình 3.4. Sơđồ khối bộ tạo tín hiệu GPS.
Các tín hiệu là mã C/A (hoặc mã P (Y)) cộng module-2 với dữ liệu được cấp cho hai bộđiều chế tần số L1. Ở đây các tín hiệu được điều chế trên tín hiệu sóng mang sử dụng phương thức điều chế pha nhị phân BPSK. Chú ý rằng, hai mã được điều chế theo pha và vuông pha với mỗi mã trên L1. Tức là có một độ dịch pha 900 giữa hai mã. Sau khi phần P (Y) bị suy giảm 3 dB, hai tín hiệu L1 này được cộng với nhau đểđược tín hiệu L1. Dịch vụđịnh vị chuẩn SPS chỉđược xây dựa trên tín hiệu mã C/A.
Tín hiệu được phát bởi vệ tinh k có thểđược mô tả như sau: [1]
Ở đây PC, PPL1 và PPL2 là các mức công suất của các tín hiệu với mã C/A hoặc P (Y), Ck là dãy mã C/A ấn định cho số hiệu vệ tinh k, Pk là dãy mã P (Y) ấn định cho số hiệu vệ tinh k, Dk là chuỗi dữ liệu định vị, và fL1 và fL2 là các tần số sóng mang của L1 và L2.
Hình 3.2 mô tả ba phần hình thành nên tín hiệu trên tần số L1. Mã C/A lặp lại chính nó mỗi ms, và một bit định vị kéo dài 20 ms. Do đó với mỗi bit định vị, tín hiệu bao gồm 20 mã C/A đầy đủ.
Hình 3.5. Cấu trúc tín hiệu L1.
f(t) là sóng mang và C(t) là chuỗi mã C/A rời rạc. Như thấy ở trên, tín hiệu này lặp lại chính nó mỗi ms. D(t) là dòng bit dữ liệu định vị rời rạc. Một bit định vị kéo dài 20 ms. Ba phần của tín hiệu L1 được nhân để tạo tín hiệu cuối cùng.
Hình 3.6. Điều chế BPSK trong tín hiệu GPS.
Tín hiệu L1 cuối cùng là sản phẩm của các tín hiệu C, D và sóng mang. Đồ thị
bao gồm 25 chip đầu tiên của mã Gold cho PRN 1.
Hình 3.3 mô tả mã Gold C, dữ liệu định vị D, tín hiệu cộng module-2 giữa C, D và sóng mang. Tín hiệu cuối cùng được tạo ra bằng điều chế BPSK, trong đó sóng mang được dịch pha ngay tức thì 1800 ở thời điểm một thay đổi chip. Khi chuyển tiếp bit dữ liệu định vị xảy ra (khoảng 1/3 từ cạnh bên phải), pha của tín hiệu cuối cùng cũng bị dịch 1800.
Tóm lại, với tín hiệu GPS, chiều dài mã là 1023 chip, tốc độ chip là 1.023 MHz (chu kỳ là 1ms), tốc độ dữ liệu là 50 Hz (20 chu kỳ mã trên 1 bit dữ liệu), ~ 90% công suất tín hiệu trong băng tần ~ 2 MHz.
3.2.3. Mã C/A
Chúng ta chỉ xem xét tín hiệu GPS theo mã C/A. Các mã C/A là các mã Gold và có tính chất của mã giả ngẫu nhiên PRN.