c) Thông số kỹ thuật của hệ thống GLONASS
1.6So sánh giữa hai hệ thống và giải pháp lựa chọn
1.6.1 So sánh
Cả hai hệ thống có số lợng vệ tinh và cấu trúc quỹ đạo của phần không gian tơng tự nhau, nghĩa là dự đoán các vùng làm việc dịch vụ cho ngời sử dụng chủ yếu phụ thuộc vào yếu tố PDOP. Các dải tần số làm việc của hệ thống GPS và GLONASS tơng đối gần nhau nên ngời sử dụng có thể thu nhận tín hiệu của hai hệ thống bằng một anten và bộ tiền khuếch đại chung.
Sự khác nhau cơ bản giữa GLONASS và GSP đợc cho trong bảng sau:
Thông số GLONASS GPS
Số lợng vệ tinh 21+3 24+3
Số mặt phẳng quỹ đạo 3 6
Góc nghiêng quỹ đạo 64,80 550
Độ cao vệ tinh 19.100km 20.200km
Chu kỳ bay 11 Giờ 15 phút 12 Giờ
Phơng pháp mô tả dữ liệu lịch 9 Thông số chuyển động vệ
tinh trong hệ toạ độ địa tâm Thông số Kepler
Hiệu chỉnh thời gian hệ thống so với UTC UTC (SU) UTC (USNO)
Dung lợng lịch vệ tinh 120 Bit 152 Bit
Khoảng thời gian phát lịch vệ tinh 2,5 Phút 12,5 Phút
Phơng pháp truy nhập tín hiệu vệ tinh Tần số Mã
Dải tần làm việc (1602,5625ữ161,5)±0,5MHz 1575,42±1 MHz
Tần số dải L2 1246,4375ữ1256,5 MHz 1227,6 MHz
Số phần tử của một mã 511 1023
Tần số mã 0,511 MHz 1,023 MHz
Mức giao thoa giữa hai kênh lân cận -48 DB -21 DB
Chu kỳ lặp của mã đồng bộ 2 Giây 6 Giây
Số bit trong mã đồng bộ 30 6
Kiểu mã sử dụng định vị Mã vàng
Ngợc lại với hệ thống GPS, trong hệ thống GLONASS ngời ta sử dụng phơng pháp chia tần số tín hiệu. Sự khác biệt này có thể gây ra một vài vấn đề phức tạp, bởi vì cần phải phát triển các bộ đồng bộ tần số cho máy thu ngời sử dụng để tạo lại dạng tín hiệu gốc cho từng tần số sóng mang cho mỗi vệ tinh thích hợp.
Tín hiệu của hệ thống GLONASS đợc phát trên hai băng tần L1 và L2. Các tín hiệu trên L2 đợc điều chế theo mã đặc biệt với dự tính không áp dụng cho ngời sử dụng dân sự. Hơn nữa, các tín hiệu phát trên dải tần số này có thể
còn đợc áp dụng để loại trừ sai số tầng điện ly bằng kỹ thuật giải mã tín hiệu nhận đợc.
Một khía cạnh khác cần đợc xem xét là sự khác nhau giữa hai hệ toạ độ trắc địa là hệ trắc địa toàn cầu WGS-84 đợc sử dụng trong hệ thống GPS, còn hệ toạ độ địa tâm SGS-85 đợc sử dụng cho GLONASS. Sự khác nhau này làm phát sinh sai số trong việc định vị dẫn đờng khi kết hợp hai hệ thống. Sự khác nhau về chuẩn thời gian của các hệ thống sẽ yêu cầu 5 chứ không phải 4 vệ tinh để định vị. Dựa vào các thông số kỹ thuật của hai hệ thống ta thấy rằng, về cơ bản là tơng đơng nhau.
Xét về khía cạnh kinh tế - xã hội, ta thấy, với đà phát triển kinh tế của Mỹ cũng nh các ảnh hởng về chính trị - quân sự, đặc biệt là khả năng tiếp cận thị trờng nhanh trong việc sản xuất hàng loạt các chủng loại máy thu GPS, trong đó có cả máy cầm tay rất gọn và rẻ, nên trong thực tế GPS chiếm đợc u thế hơn trên thị trờng quốc tế. Và cứ nói đến định vị toạ độ bằng vệ tinh là ng- ời ta nói đến GPS của Mỹ.
1.6.2 Giải pháp lựa chọn của thế giới và Việt Nam
Mặc dù hiện nay cả hai nớc Nga và Mỹ đều tuyên bố cho sử dụng miễn phí các hệ thống vệ tinh dẫn đờng của mình, tuy nhiên, ai cũng biết đây là một hệ thống vệ tinh dùng chung cho cả quân sự và là của hai nớc lớn sở hu nên có nhiều nớc lo ngại các vấn đề chung nh sau:
Kinh phí sau khi hết hạn sử dụng miễn phí. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vấn đề pháp luật khi có vi phạm sử dụng hay cung cấp dịch vụ.
Vấn đề cấm vận khi muốn.
Vấn đề phục vụ bay quân sự của từng nớc.
Vấn đề một nớc lớn sau này sẽ thâu tóm việc điều hành bay của các nớc khác, hay việc giữ bí mật hoạt động bay khi có chiến tranh xảy ra.
Vấn đề trợ giúp kinh phí đầu t trang thiết bị mới và huấn luyện nhân viên cho các nớc chậm phát triển.
Do đó cần phải có một hệ thống vệ tinh dẫn đờng toàn cầu dùng riêng cho hàng không dân dụng và do một nhóm nớc đồng sở hữu, ICAO đứng ra tổ chức hoạt động dới dạng cổ phần hay phi lợi nhuận.
Chính vì vậy, ICAO cũng đã thông qua các yêu cầu về đặc tính và tham số kỹ thuật trong thời kỳ quá độ gọi là GNSS-I. GNSS-I rút ra những u điểm và
hạn chế những khuyết điểm của hai hệ thống và là tiền đề cho GNSS-II yêu cầu cao hơn.
Thông qua những phân tích trên ta thấy rằng, Việt Nam nên lựa chọn và sử dụng hệ thống GPS để phục vụ cho công tác dẫn đờng giám sát và định vị của ngành hàng không dân dụng.
CHƯƠNG 2: Nguyên lý làm việc của hệ thống dẫn đờng vệ tinh navstar
2.1 Nguyên lý dẫn đờng của hệ thống dẫn đờng vệ tinh NAVSTAR
Nguyên lý dẫn đờng trong hệ thống NAVSTAR theo nguyên lý tính khoảng cách: Nếu biết đợc khoảng cách và toạ độ của ít nhất 4 điểm đến 1 điểm bất kỳ thì vị trí của điểm đó có thể xác định một cách chính xác.
Giả sử rằng (nh hình 2.1), khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là d1, điều đó có nghĩa rằng vị trí máy thu nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh đó và bán kính là d1. Nếu biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ hai là d2
thì vị trí máy thu đợc xác định trên đờng tròn giao tiếp của hai mặt cầu d1 và d2. Khi biết đợc khoảng cách d3 đến vệ tinh thứ ba thì có thể xác định đợc vị trí máy thu ở một trong hai giao điểm của đờng tròn trên với mặt cầu thứ ba. Trong hai giao điểm đó có một điểm là vị trí ảo, sử dụng những phơng trình tính toán sẵn có thể xác định đợc vị trí thật của máy thu. Tuy nhiên, nếu đo đ- ợc khoảng cách d4 đến vệ tinh thứ t thì vị trí máy thu có thể xác định đợc một cách hoàn toàn chính xác.
Hình 2.1: Nguyên lý dẫn đờng bằng khoảng cách Để xác định khoảng cách từ máy thu ta sử dụng công thức sau:
D = v.∆t
Trong đó: v - tốc độ lan truyền của sóng điện = 299792458m/s
Tuy nhiên, qua cách tính trên ta chỉ mới xác định đợc vị trí của máy thu trong không gian. Để biết đợc vị trí máy thu so với mặt đất, chúng ta cần phải sử dụng thêm các thông tin khác.
Các vệ tinh GPS đợc đặt trên các quỹ đạo cực kỳ chính xác, các vệ tinh bay quanh quỹ đạo với thời gian là 11 giờ 58 phút và chúng đi qua các trạm kiểm soát mỗi ngày 2 lần. Các trạm kiểm soát đó đợc trang bị các thiết bị để thu nhận tín hiệu, tính toán chính xác vị trí, độ cao và tốc độ của các vệ tinh và truyền trở lại vệ tinh các thông tin đó. Khi một vệ tinh đi qua các trạm kiểm soát thì bất kỳ một sự sai lệch nào trên quỹ đạo cũng có thể xác định đợc. Những nguyên nhân chính gây nên sai lệch quỹ đạo là sức hút của mặt trời, mặt trăng, áp suất của các bức xạ mặt trời... Vệ tinh sẽ truyền các thông tin về vị trí so với tâm trái đất và nó đến các máy thu (cùng với các tín hiệu thời gian). Các máy thu sau đó sẽ sử dụng các thông tin (vị trí và thời gian chuẩn) vào trong bài toán mô hình trái đất để xác định kinh độ, vĩ độ, cũng nh khoảng cách của chúng. Mô hình toán học trái đất đợc sử dụng trong hệ thống GPS đ- ợc gọi là hệ trắc địa toàn cầu WGS-84 (World Geodetic System).
2.2 Xác định khoảng cách giả để định vị trong phơng pháp dẫn đờng2.2.1 Định nghĩa khoảng cách giả 2.2.1 Định nghĩa khoảng cách giả
Khoảng cách giả là khoảng cách đo đợc từ máy thu đến vệ tinh, thờng đ- ợc tính bằng mét. Trong phần này khoảng cách giả và thời gian là đồng nghĩa với nhau. Bởi vì, thời gian cần thiết để tín hiệu lan truyền từ vệ tinh đến máy thu (thời gian lan truyền vô tuyến điện), đồng nghĩa với khoảng cách theo công thức d = v.∆t. Vấn đề là phải xác định thời gian lan truyền chính xác.
Thuật ngữ giả đợc sử dụng bởi vì khoảng cách có sai số. Để xác định thời gian đợc chính xác giữa hai vị trí, các đồng hồ phải đợc đồng bộ với nhau. Các đồng hồ giữa các vệ tinh đợc đồng bộ nên khoảng cách giữa chúng là khoảng cách thật, nhng đồng hồ của máy thu không đợc đồng bộ với đồng hồ của vệ tinh. Điều này gây ra sai số ( thời gian máy thu bắt đợc tín hiệu không trùng với thời gian phát tín hiệu ủa vệ tinh), để khắc phục chỉ có thể giải quyết đợc bằng toán học.
37
Saisố đồng hồ vệ tinh Khoảng cách thật
Máy thu Vệ tinh
Khoảng cách giả
Cơ sở việc đo khoảng cách là máy thu tạo ra một bản sao mã để so sánh với bản mã gốc của vệ tinh (hình 2.3).
Nh vậy,vấn đề đặt ra là xác định sự chênh lệch thời gian giữa hai mã trên. Tuy vậy, từ khoảng cách giả đó không thể tính ra đợc khoảng cách thật nếu không có các thông tin khác. Thông thờng máy thu GPS phải xác định khoảng cách tới ba vệ tinh khác nhau và biết chính xác vị trí của tất cả các vệ tinh trong không gian của hệ thống. Tất cả những điều này đợc sử dụng để loại trừ thời gian sai lệch giữa hai đồng hồ và phơng pháp giải để tìm toạ độ vị trí.
2.2.2 Xác định vị trí từ các khoảng cách giả
Giả sử rằng, đồng hồ máy thu đợc đồng bộ với đồng hồ trên vệ tinh và không có độ trễ tín hiệu ở tầng điện ly, tầng đối lu làm trễ thời gian tới của tín (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.2: Khoảng cách giả
Chuỗi tín hiệu thu đ ợc từ vệ tinh
Bản sao tín hiệu bắt đầu tại Tu = 0 không cùng pha với chuỗi tín hiệu thu đ ợc
Bản sao tín hiệu đã đ ợc dịch chuyển để đồng pha với tín hiệu thu đ ợc từ vệ tinh
Tu = 0
hiệu, đồng thời không có sai số trong đo đạc thì việc xác định khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh sẽ rất đơn giản. Nh vậy, chúng ta có thể xác định đợc vị trí máy thu, nó phải nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh và có bán kính là khoảng cách đo đợc, gọi đó là d1. Nếu chúng ta đồng thời đo khoảng cách tới vệ tinh thứ hai thì máy thu cũng phải nằm trên một mặt cầu với bán kính d2 và có tâm là vệ tinh vệ tinh thứ hai. Hai mặt cầu này sẽ giao nhau với quỹ tích của các điểm giao nhau là một vòng tròn đợc gọi là đờng vị trí, máy thu phải nằm trên đờng vị trí này. Tiếp tục đo khoảng cách tới vệ tinh thứ ba ta có mặt cầu thứ ba có bán kính d3, mặt cầu này giao với hai mặt cầu kia chỉ tại hai điểm. Một trong hai điểm sẽ bị loại trừ ngay lập tức, vì nó nằm ở rất xa trong vũ trụ và sẽ không phải là vị trí của máy thu. Vì vậy, việc đo khoảng cách tới ba vệ tinh đủ cung cấp thông tin để xác định vị trí toạ độ ba chiều của máy thu theo nguyên lý tối thiểu.
Từ giả sử đồng hồ của máy thu đợc đồng bộ với các đồng hồ của vệ tinh. Tuy nhiên, giả sử này là không có thật. Khi máy thu GPS đợc đa vào hoạt động, trong quá trình làm việc đồng hồ trên máy thu sẽ mất đồng bộ với đồng hồ của vệ tinh. Máy thu không đợc trang bị đồng hồ nguyên tử nh vệ tinh (giữa các đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh đợc đồng bộ với nhau theo một hệ thời gian chuẩn gọi là thời gian GPS). Vì thế, máy thu thực hiện việc đo khoảng cách sẽ bị chậm hơn do xuất hiện sự mất đồng bộ, cho nên khoảng cách đo đợc chỉ là khoảng cách giả.
Với sai số thời gian là 1ms sẽ gây ra sai số khoảng cách khoảng 300km, đây là sai số không thể chấp nhận đợc. Do đó, ngời khai thác hệ thống phải có nhiệm vụ đồng bộ các đồng hồ vệ tinh bằng cách thờng xuyên hiệu chỉnh từ mặt đất. Máy thu GPS sử dụng các giá trị hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh để hiệu chỉnh khoảng cách giả đo đợc.
Ngoài ra, trong quá trình đo khoảng cách còn xuất hiện sai số đồng hồ. Khi đó, với ba mặt cầu với bán kính là khoảng cách giả đã đo đợc sẽ không cắt nhau tại một điểm. Tuy nhiên, nếu có thể xác định đợc sai số của đồng hồ máy thu dT thì khoảng cách giả có thể đợc hiệu chỉnh và vị trí của máy thu đ- ợc xác định.
Chính vì thế, trên thực tế có 4 ẩn số hay 4 thông số cha biết cần phải xác định là: kinh độ, vĩ độ, độ cao và giá trị hiệu chỉnh đồng hồ của máy thu. Về mặt toán học, chúng ta không thể xác định đợc 4 thông số nếu chỉ có 3 giá trị
đo đợc. Để giải quyết vấn đề này là phải tiến hành đồng thời đo một khoảng cách giả tới vệ tinh thứ t.
Đối với mỗi giá trị đo đạc khoảng cách giả ta có một phơng trình biểu thị mối quan hệ giữa giá trị đo đạc và các thông số cha biết nh sau:
p1 = ( ) ( ) ( )2 1 2 1 2 1 Y y Z z x X− + − + − -c.DT p2 = ( ) ( ) ( )2 2 2 2 2 2 Y y Z z x X− + − + − -c.DT p3 = ( ) ( ) ( )2 3 2 3 2 3 Y y Z z x X− + − + − -c.DT p4 = ( ) ( ) ( )2 4 2 4 2 4 Y y Z z x X− + − + − -c.DT
Giá trị đo đạc khoảng cách giả đợc thực hiện ở máy thu (tính bằng đơn vị quãng đờng) nằm ở vế trái của mỗi phơng trình, biểu thức dới dấu căn là khoảng cách thật tới vệ tinh; xi, yi, zi là toạ độ vị trí của vệ tinh thứ i; các toạ độ vệ tinh đợc lấy từ bản tin dữ liệu tạm thời; X, Y, Z là toạ độ của máy thu, thành phần c.DT là giá trị hiệu chỉnh khoảng cách giả từ số hiệu chỉnh đồng hồ của máy thu.
Giải hệ 4 phơng trình này cho ta các giá trị X, Y, Z cùng số hiệu chỉnh đồng hồ dT. Mặc dù các phơng trình đợc thiết lập theo hệ toạ độ Decác với gốc toạ độ là tâm trái đất (hệ toạ độ địa tâm), các giá trị kết quả X, Y, Z có thể dễ dàng chuyển đổi sang kinh độ, vĩ độ và độ cao.
a) Tuyến tính hoá phơng trình khoảng cách giả
Do có căn bậc hai và bình phơng trong phơng trình nên giá trị khoảng cách giả đo đợc phụ thuộc vào toạ độ của máy thu là không tuyến tính. Các phơng trình này không thể giải đợc bằng thuật toán bình thờng mà phải sử dụng nguyên lý lặp lại của Newton-Raphson. Trong nguyên lý này, mỗi phơng trình đợc kéo dài thành một chuỗi vô tận dựa vào một nhóm các giá trị thử nghiệm hoặc dự đoán X, Y, Z và dT. Các chuỗi này đợc loại bỏ các thành phần bậc cao chỉ giữ lại thành phần bậc nhất, khi đó các phơng trình thành phơng trình tuyến tính của gia số.
Bốn phơng trình đợc thuần nhất có thể đợc giải đồng thời để xác định giá trị của các số giả cùng với các giá trị thử nghiệm đợc điều chỉnh sao cho phù hợp.
Vấn đề gì sẽ xảy ra khi có nhiều hơn 4 vệ tinh ở trong vùng quan sát của ngời sử dụng trong hệ thống GPS. Nếu máy thu của ngời sử dụng chỉ có thể