Ban đầu các máy thu truy tìm mã hồn tồn khó khăn, để biết chuỗi nào hiện đạng được đo đạc thực tế, sinh ra một sai số khoảng cách là 300 km. Do đó nhiều máy thu cần thiết được biết chúng đang ở đâu để có độ chính xác này mặc dù một vài máy thu hiện đại bây giờ không cần thiết ngay cả thông tin này.
Việc đo khoảng cách địi hỏi máy thu phải có bản sao mỗi tín hiệu vệ tinh thu được và so sánh chúng với nhau tại hình 3.3. Máy thu dịch chuyển bản sao mã của nó để so sánh với mã vệ tinh cho ta hiệu thời gian giữa hai điểm dấu mã - vệ tinh và máy thu. Phương pháp đo thời gian tới (hay khoảng cách ở mã C/A) được minh họa dưới dạng đơn giản như sau. Trên đường thứ nhất mười năm thành phần thời gian Ips được thể hiện, trên đường thứ hai, một chuỗi 9 chip được khâu sử dụng thu nhận được từ vệ tinh. Chuỗi tham khảo hoặc bản sao được phát trong máy thu được biểu thị bằng đường thứ 3, chuỗi này được bắt đầu tại thời điểm tu = 0 của đồng hồ khâu sử dụng. Thời điểm đó (tu = 0), chuỗi sao chép và chuỗi thu nhận không cùng pha nhưng bản sao sẽ dịch chuyển sao cho trùng pha. Khi trung bình các tích của điện áp tức thời đạt tới cực đại thì chuỗi sẽ đồng pha và ngừng dịch chuyển. Mỗi dịch chuyển Ips tương ứng với khoảng cách CxT = 300m. Trong hình vẽ trên, bản sao đã dịch chuyển đi độ dài 5 chip để nhận điều kiện đồng pha. Do vậy, thời gian trôi qua giữa tu = 0 và thời điểm đến của chuỗi vệ tinh là 5ps.
59
Đối với mã C/A sai số của một chuỗi (1ms) tương ứng với khoảng cách là 300 km, giá trị này quá lớn làm việc xác định vị trí rất khó khăn. Vì lý do này nên các chuỗi sao chép bất kỳ có thể được so sánh với các chuỗi vệ tinh bất kỳ.
3.3.1.1. Chức năng của mã C/A
Mã C/A có các chức năng cơ bản như sau:
- Tăng độ chính xác phép đo cự ly và chống lỗi thu tín hiệu nhiều tia: Để xác định vị trí máy thu GPS với độ chính xác 10m, người ta sử dụng phương pháp đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu nhờ vào thời gian truyền sóng tín hiệu GPS. Nhằm đạt được độ chính xác này, người ta phải sử dụng tín hiệu băng thơng rộng được điều chế theo mã C/A. Ngoài ra, nhờ sử dụng mã C/A, máy thu GPS cịn xử lý tương quan tín hiệu thu được làm triệt tiêu sai lỗi do tạp nhiệt. Do mã C/A tạo ra tín hiệu có băng thơng rất lớn so với dòng dữ liệu tốc độ 50b/s nên người ta gọi tín hiệu GPS là tín hiệu trải phổ. Sử dụng mã C/A cịn làm giảm lỗi trễ tín hiệu do lỗi nhiều tia (Lỗi nhiều tia xuất hiện do máy thu ngồi việc thu được tín hiệu đi thẳng, cịn thu được tín hiệu do sự phản xạ ở các vật thể tạo ra trễ truyền sóng) bởi vì tín hiệu băng thơng rộng sẽ làm cho việc tách tín hiệu truyền thẳng và tín hiệu phản xạ trở nên rất dễ dàng.
- Cho phép máy thu đo khoảng cách tới các vệ tinh khác nhau: Mỗi vệ tinh GPS sử dụng một mã C/A khác nhau nên mặc dù chúng dùng chung tần số nhưng khơng gây nhiễu sang tín hiệu của vệ tinh khác. Việc tách các tín hiệu này sử dụng nguyên lý tương quan tín hiệu thu được với từng bản sao mã C/A của chúng được lưu trong máy thu GPS. Sau khi tương quan, các tín hiệu có mã C/A khác sẽ bị biến mất do các mã C/A là trực giao đôi một với nhau nên khi xử lý tương quan sẽ bị triệt tiêu. Cịn tín hiệu từ vệ tinh cần thu sẽ cịn thành phần bình phương sóng mang và dữ liệu 50b/s sẽ được lọc qua bộ lọc thơng thấp. Q trình này được gọi là quá trình giải trải phổ tín hiệu GPS, tín hiệu GPS được gọi là tín hiệu phân kênh theo mã (CDM - Code Division Multiplexing) và phương pháp tách kênh này sẽ được gọi là đa truy nhập phân kênh theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access).
- Chống nhiễu: Mã C/A cũng cung cấp khả năng chống các loại nhiễu ngẫu nhiên và nhiễu cố ý gây ra bởi các máy phát khác. Chúng ta có thể thấy rằng q
60
trình tương quan là q trình giải trải phổ cho tín hiệu cần thu nhưng nó lại là q trình trải phổ cho tín hiệu khác. Do vậy, cơng suất tín hiệu nhiễu tạp dù là dải hẹp cũng bị trải trên một băng tần rộng và chỉ có năng lượng của tín hiệu cần thu lọt qua được bộ lọc thơng thấp. Mã C/A có khả năng chống nhiễu băng hẹp có cơng suất lớn hơn cơng suất tín hiệu GPS từ 20dB đến 30dB.
3.3.1.2. Hàm tự tương quan
Như chúng ta đã biết mỗi vệ tinh có một mã C/A độc lập và chúng đều là các chuỗi 1023 chip được lặp lại với tần suất 1,023MHz, có chu kỳ lms. Các chip có thể có cực tính dương hoặc âm nhưng đều có cùng biên độ. Sự phân bố cực tính của 1023 chip là giả ngẫu nhiên bởi “sự ngẫu nhiên” của chúng được các thanh ghi dịch quy định.
Hàm tự tương quan của mã C/A được biểu diễn như sau:
Ψ(f) = ∫ (3.1)
Trong đó: c(t) là dạng sóng của mã C/A lý tưởng với giá trị chip là ±1.
τ là trễ tương quan (được điều chỉnh về 0).
T là chu kỳ mã (T = 1 ms).
Hàm tự tương quan là hàm với biến τ và được lặp với chu kỳ 1 ms. Hình 3.4
mơ tả một chu kỳ của hàm tự tương quan với hai đỉnh ở τ = 0 và τ = T. Ở đây,
chúng sẽ tạo thành những xung tam giác với bề rộng đúng bằng 2 chip.