Tuy nhiên, từ khoảng cách giả đó khơng thể tính ra được khoảng cách thật nếu khơng có các thơng tin khác. Để giải quyết vấn đề này người ta coi sai lỗi đồng hồ máy thu là ẩn thứ tư và sử dụng phép đo đến một vệ tinh nữa để cung cấp thêm một phương trình đủ cho việc giải hệ bốn phương trình bốn ẩn. Như vậy, máy thu vẫn có thể sử dụng loại đồng hồ rẻ tiền để đo thời gian truyền sóng. Phương thức đo lường được sử dụng ở máy thu là phép đo tựa cự ly được tính tốn như sau:
ρ = c(tr – tx) (3.9) Trong đó : tr là thời điểm máy thu nhận được tín hiệu;
tx là thời điểm máy phát phát tín hiệu; c là vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s).
Chúng ta cần chú ý rằng tr được tính theo đồng hồ máy thu với sai số lớn, còn tx được tính theo đồng hồ vệ tinh.
Một điều nữa là nếu một hay nhiều toạ độ của máy thu đã được biết trước chính xác thì các toạ độ cịn lại và sai số đồng hồ máy thu có thể được xác định bằng cách sử dụng ít hơn 4 khoảng cách giả. Ví dụ nếu ta đã biết trước được độ cao chính xác của máy thu thì chỉ cần biết được khoảng cách tới 3 vệ tinh là có thể xác định được các toạ độ còn lại và sai số của đồng hồ. Nếu sử dụng máy thu cho việc
66
đồng bộ thời gian tại một vị trí đã biết trước toạ độ thì ta chỉ cần đo khoảng cách giả tới một vệ tinh là đủ.
3.3.2. Đo cự ly theo mã P 3.3.2.1. Chức năng của mã P
Do được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự với nhiều yêu cầu khắt khe nên ngoài những chức năng giống như mã C/A, mã P cịn có thêm một số chức năng sau:
- Tăng cường khả năng chống nhiễu: Vì băng thơng của tín hiệu mã P lớn gấp 10 lần băng thơng tín hiệu mã C/A nên hệ số chống nhiễu của nó cũng sẽ được tăng lên gần 10 dB đối với trường hợp nhiễu băng hẹp. Điều này là rất cần thiết bởi những đối thủ của người Mỹ có thể dễ dàng sử dụng máy phát công suất lớn để làm nhiễu tín hiệu GPS nếu băng thơng của nó q thấp.
- Cung cấp khả năng chống mạo danh: Chức năng chống mạo danh này được sử dụng để tránh việc địch thủ của Hoa Kỳ có thể phát tín hiệu giả GPS nhằm đánh lừa máy thu của quân đội nước này. Mã P có thể thực hiện điều này bởi ngoài chức năng của mã truyền dẫn, nó cịn là một mật mã. Máy phát tín hiệu giả GPS khơng thể biết được tiến trình mật mã nên khơng thể tạo được tín hiệu giống tín hiệu mật mã này. Và như vậy, máy thu quân sự có thể dễ dàng loại bỏ những tín hiệu giả GPS và giải mã tín hiệu GPS chuẩn để lấy thơng tin mong muốn.
- Cung cấp khả năng chống truy nhập bất hợp pháp: Cấu trúc của mã C/A được Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ (U.S.DoT - U.S.Department of Transportation) công bố cơng khai nên mọi nhà sản xuất đều có thể thiết kế máy thu giải trải phổ để đo lường khoảng cách đến vệ tinh. Tuy nhiên, mã P lại được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (U.S.DoD - U.S.Department of Defense) mật mã hoá nhằm cấm truy cập bất hợp pháp.
- Tăng độ chính xác phép đo cự ly: Mặc dù sử dụng cùng một bản tin dẫn đường với tín hiệu mã C/A nhưng tín hiệu mã P vẫn có độ chính xác phép đo cự ly cao hơn do băng thơng tín hiệu lớn hơn. Mặt khác, máy thu quân sự thường sử dụng
67
hai nhóm kênh thu tín hiệu cả hai mã cũng tăng thêm độ chính xác phép đo cự ly. Hơn thế nữa, mã P cịn có khả năng chống lỗi nhiều tia tốt hơn do băng thông rộng.
3.3.2.2. Các đặc tính của mã P
Khác với mã C/A, mã P điều chế cả hai băng tần sóng mang L1 và L2 với tốc độ chip 10,23 MHz và chu kỳ một tuần. Tuy nhiên, hàm tự tương quan của mã P có dạng tam giác với đỉnh tại τ = 0 giống như mã C/A nhưng bề rộng chỉ bằng ⁄ .
Phổ năng lượng, tín hiệu mã P cũng có dạng sin2x/x2 nhưng có băng thơng lớn gấp 10 lần tín hiệu mã C/A. Vì chu kỳ của mã P rất dài nên phổ năng lượng của tín hiệu mã P có thể được xem như liên tục. Mỗi vệ tinh cũng phát đi một tín hiệu mã P độc lập. Do quy trình tạo và giải mã tín hiệu mã P cũng gần giống mã C/A nhưng phức tạp hơn và do mã P không được ứng dụng trong hàng hải dân dụng nên chúng ta sẽ không đề cập đến trong bản đồ án này.
3.3.2.3. Mã Y
Dạng mật mã của mã P để tránh mạo danh và truy cập bất hợp pháp được gọi là mã Y. Người ta tạo mã Y bằng cách nhân mã P với một mật mã gọi là mã W. Mã W là một chuỗi chip giả ngẫu nhiên với tốc độ chip 511,5KHz. Do đó, một chip mã W tương ứng với một chip mã P. Bởi mã P và mã W đều có giá trị chip là ±1 nên mã Y có dạng giống mã P (cũng có tốc độ chip 10,23MHz); Tuy nhiên, mã Y không thể giải trải phổ bởi bản sao mã P ở máy thu nếu khơng được giải mật mã trước. Q trình giải mật mã thực chất là nhân mã Y thu được với bản sao của mã W có sẵn trong máy thu qn sự. Bởi vì những người tạo tín hiệu giả GPS không thể biết được mật mã W nên máy thu GPS có thể dễ dàng phát hiện ra tín hiệu này là giả mạo.
3.3. Kết luận Chương 3
Nội dung chương này tập trung nghiên cứu các biện pháp tăng khả năng ứng dụng hệ thống vệ tinh để xác đinh một cách chính xác nhất vị trí của thuê bao để phục vụ cho việc dẫn đường đối với các vật thể chuyển động trên biển nhằm phục vụ cho việc điều hành và quản lý tàu biển. Ngày nay rất dễ dàng nhận thấy sự hiện
68
diện của hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) trong mọi mặt của đời sống. Kết hợp giữa công nghệ thông tin, hệ thống bản đồ số và thiết bị định vị vệ tinh đã tạo thành một hệ thống dẫn đường lý tưởng.
Trong lĩnh vực hàng hải 100% các tàu thuyền thương mại và quân sự sử dụng hệ thống dẫn đường tự động bằng cơng nghệ GNSS.
Có thể nói cơng nghệ định vị bằng vệ tinh đã và đang làm thay đổi cuộc sống của chúng ta hàng ngày, chúng được ứng dụng vào tất cả các lĩnh vực khoa học kỹ thuật giúp tối ưu hóa các cơng việc từ dễ đến khó, từ việc quan sát trực tiếp đến việc định vị vị trí của mọi thứ trên cả một hành tinh.
Chương này tập trung nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý xác định vị trí thuê bao bằng hệ thống vệ tinh. Nội dung chương đã trình bày các biện pháp nâng cao độ chính xác xác định vị trí thuê bao. Nhờ sự thuận lợi và khả năng bao quát của hệ thống vệ tinh nhằmg xác định vị trí của thuê bao ở trên mặt đất, trên biển và trên không nên việc áp dụng nó vào xác định vị trí và điều hành chuyển động của tàu biển là rất thuận lợi với độ chính xác cao. Do vậy, ngày nay việc trang bị hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh cho tàu biển là một nhu cầu tất yếu, nó đã và đang mang lại sự an toàn cũng như hiệu quả kinh tế cao và càng ngày càng được phát triển.
69
CHƯƠNG IV. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG LIÊN LẠC HÀNG HẢI BẰNG HỆ THỐNG INMARSAT
Để đảm bảo an tồn cho các chuyến hải trình, trên tàu thuyền được trang bị các hệ thống phục vụ cho việc xác định toạ độ tàu thuyền như thiết bị đo sóng, đo gió, vận tốc, định vị, dẫn đường... Đồng thời các thành viên trên tàu cần có sự liên lạc với các tàu khác hoặc với mặt đất. hiện nay bao gồm hệ thống liên lạc vô tuyến điện HF/VHF và hệ thống liên lạc vệ tinh INMARSAT.
4.1. Đặc điểm của liên lạc hàng hải
4.1.1. Chức năng và thành phần của các đài liên lạc trên tàu thủy
Để thuận tiện trong mỗi hải trình trên biển, các thủy thủ đồn cần có sự liên lạc thường xuyên với trung tâm điều hành hay các trạm tuần duyên bờ biển từ thời điểm khởi động động cơ tàu thuyền cho đến thời điểm tắt động cơ thả neo cố định tàu. Những sự thơng thoại trực tiếp của thủy thủ đồn với trung tâm điều hành và của thủy thủ đoàn với các tàu thuyền khác được đảm bảo bằng các thiết bị vô tuyến điện trên tàu gọi là đài liên lạc.
Hiện nay, giao thông đường thủy ngày càng thuận tiện làm cho các yêu cầu về số kênh thông tin tăng lên, số lượng các kênh thông tin băng tần LF và HF không đủ đáp ứng, nên cần mở rộng thêm nhiều kênh thông tin trên các dải tần khác. Khi đó các thiết bị dải tần số VHF xuất hiện và được sử dụng để điều khiển và liên lạc giữa các tàu thuyền. Hiện nay liên lạc ở cự ly ngắn sử dụng băng tần VHF trong khi băng tần HF được sử dụng cho cự ly dài.
- Các đài liên lạc dải VHF: Hệ thống liên lạc VHF cho phép liên lạc thoại hoặc
truyền dữ liệu trong giới hạn tầm nhìn thẳng. Nó thực hiện liên lạc giữa các tàu thuyền với nhau hoặc giữa trạm mặt đất với tàu.
Đài liên lạc dải sóng VHF có khả năng chống nhiễu cao (mức tạp âm ngồi nhỏ), sự lan truyền sóng ổn định (sự khơng phụ thuộc của công suất và các tham số khác của tín hiệu sử dụng vào thời gian ngày và đêm trong năm), đổng thời kích
70
thước anten nhỏ. Tuy nhiên, do hạn chế về cự ly, sự liên lạc trên dải sóng VHF được thực hiện trong trường hợp các anten của các đài liên lạc nhìn thấy nhau (trong tầm nhìn thẳng).
Ngồi khả năng liên lạc của dải VHF cịn có thể liên lạc xa hơn nhờ sự phản xạ sóng từ tầng điện ly. Song do độ cao tầng điện ly thay đổi theo thời gian (ngày và đêm) nên cần có sự khảo sát và sử dụng giải tần này nhằm đảm bảo cho sự liên lạc giữa các tàu biển với nhau với với đài điều hành ở trên bờ biển.
- Các đài liên lạc dải HF: Hệ thống liên lạc HF cho phép liên lạc thoại qua
khoảng cách dài hơn tầm nhìn thẳng của tín hiệu vơ tuyến. Hệ thống HF dùng sóng trời để liên lạc ở cự ly dài. Tín hiệu HF đi vào các lớp bị Ion hố của tầng khí quyển (các tầng điện ly), các lớp này phản xạ tín hiệu về phía mặt đất, mặt đất phản xạ lại tín hiệu về phía lớp Ion... Đối với liên lạc ở cự ly ngắn, tín hiệu HF cịn truyền trực tiếp đến trạm mặt đất hoặc với tàu thuyền khác. Dải sóng HF được sử dụng chỉ đối với liên lạc vô tuyến ở xa (các đài liên lạc xa).
Sự hấp thụ năng lượng điện từ nhỏ và khả năng xây dựng an ten hiệu quả cao. Các yếu tố này cho phép đảm bảo liên lạc vơ tuyến trên khơng gian hàng nghìn Km khi công suất của máy phát không vượt quá 100 đến 400W.
Tuy nhiên, dải sóng HF có sự phụ thuộc rất mạnh của trường ở điểm thu vào tình trạng của các tầng điện ly, tức là phụ thuộc vào thời gian ngày, đêm và thời gian trong năm. Trong liên lạc các đài vô tuyến ở xa, sự giảm nhỏ ảnh hưởng này đến chất lượng thông tin đạt được bằng việc thay đổi tần số sóng mang.
Mặc dù tính đa dạng của các loại đài liên lạc trên các tàu thuyền nhưng chúng đều được xây dựng trên cùng một nguyên lý. Đài vô tuyến gồm các bộ phận cơ bản như: tuyến phát, tuyến thu, bộ tổng hợp tần số, hệ thống điều khiển, chuyển mạch anten, anten, tai nghe và micrơ tại Hình 4.1
71
Hình 4. 1. Sơ đồ cấu trúc của đài vô tuyến điện liên lạc hàng hải
- Tuyến phát: dùng để hình thành tín hiệu cơng tác theo dạng làm việc, tuyến
thu dùng để chọn lọc tín hiệu có ích, khuếch đại nó, biến đổi tần số tín hiệu thường dùng, tách sóng và khuếch đại tín hiệu âm tần, đồng thời truyền chúng đến tai nghe của thủy thủ.
- Bộ tổng hợp tần số: có chức năng tạo ra mạng tần số rời rạc trong dải tần số
từ fmin tới fmax với khoảng cách tần số là ∆f cho trước nhằm mục đích: tạo ra tần số kích thích phục vụ cho máy phát và tạo ra tần số dao động ngoại sai phục vụ cho máy thu, ngồi ra nó cịn tạo ra điện áp điều khiển dùng để điều khiển khung cộng hưởng của máy thu.
- Bảng điều khiển của đài: đảm bảo việc tắt, mở đài, xác lập tần số công tác, chọn
dạng liên lạc, điều chỉnh âm lượng, mở bộ nén tạp âm và các bộ tự động kiểm tra, đồng thời chỉ thị khả năng làm việc của đài vô tuyến trong các chế độ làm việc khác nhau.
4.1.2. Đặc tính kỹ thuật cơ bản của đài liên lạc hàng hải
Dạng điều chế cụ thể được sử dụng trong kênh liên lạc vô tuyến xác định cấu trúc máy thu và máy phát của đài liên lạc cùng tham số của nó trong mạch. Trong liên lạc hàng hải phổ biến nhất là điều chế biên độ và điều chế đơn biên. Phổ của tín hiệu điều chế biên độ bao gồm thành phần tần số sóng mang và 2 giải biên, tín hiệu
72
có ích nằm trong 2 giải biên của phổ tín hiệu điều chế biên độ. Dao động tần số sóng mang khơng chứa tin tức, điều đó dẫn đến việc sử dụng khơng hiệu quả cơng suất của máy phát. Ngay cả khi hệ số điều chế bằng 1 (biến điện 100%) thì đối với tần số sóng mang vẫn sử dụng 2/3 cơng suất trung bình của máy phát. Đây chính là nhược điểm của điều chế biên độ. Tín hiệu điều chế biên độ chứa đựng cả 2 dải biên của phổ với cùng một thông tin của nguồn tin là quá thừa. Độ dư thừa này được gạt bỏ trong kênh liên lạc điều chế đơn biên.
Chất lượng làm việc của kênh liên lạc được xác định bằng chất lượng phát và thu tin cùng với tổn hao trên kênh liên lạc. Trong kênh liên lạc vô tuyến chất lượng làm việc chịu tác động của: ảnh hưởng trực tiếp của nhiễu tác động vào kênh liên lạc, độ khơng ổn định và độ khơng hồn hảo của các tham số của thiết bị, độ khơng hồn hảo của tham số đường liên lạc vô tuyến.
Để đánh giá chất lượng làm việc của kênh liên lạc người ta sử dụng các chỉ tiêu, một trong các chỉ tiêu đó là chất lượng thơng tin, còn chỉ tiêu khác là kỹ thuật. Tốc độ truyền thông tin, độ xác thực và khả năng thông qua của kênh là các tham số thông tin của kênh. Tham số kỹ thuật cơ bản của kênh thông tin là: Mức và giải tần số của tín hiệu đầu vào, sự vượt quá cần thiết của mức tín hiệu trên mức tạp âm, dạng và tham số điều chế, phương pháp điều chế, giải tần số sóng mang của kênh vơ tuyến và độ ổn định tần số sóng mang, cơng suất phát xạ của máy phát và độ nhạy của máy thu, độ chọn lọc và độ rộng giải thơng của kênh vơ tuyến, mức tín hiệu trên đầu ra của máy thu, méo tuyến tính và méo phi tuyến của tín hiệu, mức độ phát xạ công tác của máy phát, loại và tham số của thiết bị an ten, mức độ tổn hao tín hiệu trong đường liên lạc và đặc tính lan truyền sóng vơ tuyến..v.v. Ví dụ tham số kỹ thuật của máy thu phát VHF Icom IC-GM600 ở phụ lục 1.
Đối với hệ thống liên lạc HF/VHF, hình thức liên lạc song cơng nghĩa là các đài có khả năng vừa phát vừa thu. Để tiến hành liên lạc được thì các đài phải được điều hưởng làm việc trên cùng một tần số. Các trạm mặt đất cũng phải có các đài