Tốc độ đồng hồ ( Clock rate ): Mọi thành phần của tín hiệu GPS đều dựa trên tốc độ cơ bản của đồng hồ là 10.23 Mhz. Trên thực tế, tốc độ đồng hồ vệ tinh được cố ý đặt thấp hơn 4.45 × 10-10 so với giá trị danh nghĩa nói trên ( tức là 10.299.999,99545 Hz) để bù trừ các hiệu ứng tương quan trung bình bao gồm chênh lệch trung bình thế trọng trường giữa vệ tinh và người sử dụng.
- Tần số Chip mã C/A là 1,023 Mhz.
- Các chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên ( PRN ) của mã C/A đều được tạo bởi bộ ghi dịch hồi tiếp 10 bit ( Feedback Shift Register ). Xung đồng hồ được đưa vào bộ ghi dịch ở bit thứ nhất và nội dung của mã C/A được lấy ra ở bit thứ 10. Đặc tính riêng của bộ ghi dịch hồi tiếp phụ thuộc vào cách thức nhận thống tin vào tại bit 1. Vệ tinh GPS sử dụng bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap ( Tapped Feedback Shift Register).
- Hoạt động của bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap mô tả như sau : Mã C/A được tạo bằng hai bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap 10 bit, bộ G1 có đa thức 1 + x3 + x10 và G2 có đa thức 1 + x2 + x3 + x6 + x8 + x9 + x10. Phương pháp lấy dữ liệu ra được thể hiện trong hình 2-3 là tạo mã C/A cho vệ tinh có mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN1. Thực chất phương pháp này là làm trễ mã PRN bằng cách chọn các cặp đầu ra ( Tap ) khác nhau. Các quan hệ thời gian liên quan đến mã C/A được mô tả trên hình 2-4. Nhiều cặp trị số Tap khác nhau được dùng để tạo ra một bộ đầy đủ gồm 32 mã nhiễu giả ngẫu nhiên
Hình 3.7. Phương pháp tạo mã C/A
3.6. Các loại mã 3.6.1. Mã C/A
Chiều dài mã được thiết kế để làm cho máy thu nhanh chóng có được những tín hiệu vệ tinh. Mã C/A chỉ được truyền trên L1, mã C/A không được mã hoá vì thế tất cả thiết bị GPS đều truy cập được.
3.6.2. Mã P
Mã P chính xác (precise) hoặc được bảo vệ (protêctd) là một chuổi giả ngẫu nhiên cực dài trên sóng mang GPS với tốc độ chíp 10,23 MHz (PRN 10,23 MHz), Mã P thường được mã hoá trong mã Y để bảo vệ người sử dụng khỏi sự bắt chước
3.7. Cấu trúc dữ liệu GPS
Hinh 3.8. Cấu trúc dữ liệu GPS
Khung con 1 TLM HOW Số tuần GPS,độ chính xác, tình trạng vệ tinh Khung con 2 TLM HOW Các tham số lịch thiên văn
Khung con 3 TLM HOW Các tham số lịch thiên văn Khung con 4
( 25 trang )
TLM HOW Dữ liệu niên lịch và trạng thái hoạt động của các vệ tinh thứ 25÷32, các điện văn đặc biệt, cấu hình vệ tinh, cờ, dữ liệu tầng Ion và thời gian UTC.
Khung con 5 ( 25 trang )
TLM HOW Dữ liệu niên lịch và trạng thái hoạt động của các vệ tinh thứ 1÷24 và thời gian tham chiếu niên lịch và số tuần. 30 sec 1 2 3 4 5 25 pages 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 2930 1 frame = 5 subframe 1 subframe = 10 words 1 word = 30 bits
Mỗi khung con trong điện văn được giao một nhiệm vụ mang một thông tin riêng (xem hình 2.12 phần cuối của chương).
- Khung con thứ nhất : Bao gồm các hệ số dùng để hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, các loại cờ khác nhau và niên hạn của dữ liệu.
- Khung con thứ hai và ba : Chứa các tham số lịch thiên văn phát tín ( các tham số của quĩ đạo ).
- Khung con thứ tư : Mới chỉ có những thông tin cảm biến trên 10 trong số 25 trang hiện có. Nội dung của các trang này bao gồm một mô hình tầng điện ly, số liệu giờ thế giới UTC, cờ để nhận biết những vệ tinh khác nhau. Nếu trên quĩ đạo có nhiều hơn 24 vệ tinh và hệ thống chống lừa gạt được chuyển mạch ( khi mã Y hoặc phiên bản bí mật của mã P thay thế mã P ), thì số lượng dữ liệu lịch thư và thông báo tình trạng hoạt động của vệ tinh vượt quá con số 24.
- Khung con thứ năm : Bao gồm các dữ liệu lịch và tình trạng hoạt động của 24 vệ tinh đầu tiên trên quĩ đạo. Dữ liệu lịch thư là một kiểu diễn giải sơ bộ về quĩ đạo vệ tinh, được dùng để xác định từng vệ tinh nằm ở vị trí nào trong chòm vệ tinh, thu nhận các tín hiệu từ vệ tinh nằm trên đường chân trời của người quan sát nhưng chưa được theo dõi. Nhờ đó, khi theo dõi được một vệ tinh, thì việc thu tín hiệu của các vệ tinh khác sẽ tương đối dễ dàng hơn.
Tín hiệu bắt đầu/kết thúc của tuần: Tại thời điểm bắt đầu/kết thúc của tuần Việc đánh số trang tuần hoàn của các khung con từ một đến năm phải được khởi động lại từ khung con thứ nhất mà không cần biết là khung con nào được truyền đi lần cuối cùng trước khi kết thúc hoặc bắt đầu của tuần.
Sự tuần hoàn của 25 trang của các khung con bốn và năm phải được khởi động lại từ trang đầu tiên của mỗi khung con mà không cần biết là trang nào được truyền đi lần cuối cùng trước khi kết thúc hoặc bắt đầu của tuần. Tất cả việc tải điện văn và cắt bỏ trang chỉ diễn ra tại các giới hạn của khung. ( Module 30s ).
Kiểm tra chẳn lẽ dữ liệu: Các từ 1 đến 10 của các khung con từ 1 đến 5 phải chứa 6 bits kiểm tra chẳn lẽ tại các vị trí LSB của nó. Thêm vào đó hai bits không mang thông tin phải được cung cấp tại hai bits 23 và 24 của từ thứ hai và từ thứ mười để cho mục đích tính toán tính chẳn lẽ.
Tại mỗi đầu khung con chiều dài 6s là hai từ đặc biệt gọi là từ Telemetry (TLM) và từ Hand-over ( HOW ). Từ HOW bao gồm "số đếm Z" và cứ mỗi 6s thay đổi một lần. Từ TLM chỉ thay đổi khi chịu tải hoặc liên lạc với các hoạt động của vệ tinh khác.
Từ Telemetry ( TLM ): Mỗi từ TLM dài 30 bit, xuất hiện mỗi 6s trong khung dữ liệu và là từ đầu tiên của mỗi khung. Dạng thức TLM được trình bày theo hình 2-6. Mỗi từ TLM sẽ bắt đầu bởi một từ mào đầu là mẫu đồng bộ cố định 8 bit theo sau bởi 16 bit dành riêng và 6 bit chẵn lẻ. Các bit dành riêng khi thích hợp có thể chứa các nội dung sau:
Tình trạng tải dữ liệu lên vệ tinh. Các điện văn chuẩn đoán.
Các điện văn tương tự như trị số Z của bộ đếm thời gian.
MSB LSB
10001011
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ...24 25 26 27 28 29 30
Hình 3.10. Cấu trúc từ TLM
Từ Hand-over ( HOW ): Từ Hand-over dài 30 bits, là từ thứ hai trong mỗi khung/trang tiếp theo sau từ TLM. Một từ HOW xuất hiện mỗi 6s trong vùng dữ liệu.
Cấu trúc của từ HOW được trình bày ở hình 2-7. HOW bắt đầu với 17 MBS của bộ đếm TOW, bộ đếm TOW đầy đủ bao gồm 19 bits LSB của bộ đếm Z 29 bits, 17 bits này tương ứng với bộ đếm TOW tại thời điểm 1,5s sẽ xuất hiện khi bắt đầu của khung tiếp theo. Từ HOW khi nhân 4, sẽ cho trị số Z của khung con 6s tiếp theo cung cấp chức năng đồng bộ thời gian để chuyển từ mã C/A sang mã P. Ngoài ra, từ HOW còn bao gồm các chỉ số của khung con ( 1 đến 5 ) và một cờ ( Flat ) cảnh báo cho biết khi nào khung con không so hàng chính xác với chuỗi X1 của mã P.
Số nhận dạng ( ID )
MBS LBS Của khung con Parity Số đếm TOW
( phiên bản rút gọn )
1 2 3 4 5 ...14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Hình 3.11. Cấu trúc từ HOW
Bit thứ 18: Trên các vệ tinh được thiết kế bởi mã có cấu hình 001, bit thứ 18 sẽ là cờ báo "Báo động". Khi cờ này được thiết lập ( bit thứ 18 ở mức "1" ), nó báo cho người sử dụng biết rằng độ chính xác về cự ly của người sử dụng vệ tinh (URA) có thể kém hơn mức được chỉ thị trong khung con thứ 1 và việc sử dụng vệ tinh có thể gây rủi ro cho người sử dụng.
Bit thứ 19: được dành riêng.
Bit thứ 20, 21, 22: Các bits thứ 20, 21, 22 của từ HOW phải cung cấp sự nhận dạng của khung con
2Xác định hiệu chỉnh tầng ion 3. Xác định quỹ đạo SV 1Thu thập dữ liệu 4. Xác định hiệu chỉnh SV 5Xác định vẹn toàn SV 6. Cung cấp dữ liệu độc lập xác nhận 7. Compute the Navigation Solution 9. Perform Data Analysis GPS Satellites
8. Perform System Operations
GNSS Testbed Ground Segment GNSS Testbed User Segment Testbed Ethernet Communications Testbed VHF Communications GPS Signal Số đếm Z của vệ tinh: Mỗi vệ tinh sử dụng một thời khoảng là 1,5s để cung cấp một đơn vị thuận lợi cho việc đếm chính xác và thông tin thời gian. Thời gian được thiết lập bằng cách này được gọi là số đếm Z.
3.8. Mối quan hệ giữa các chức năng của hệ thống GPS
Hình 3.12. Mối quan hệ các chức năng của hệ thống GPS
3.9. Hệ quy chiếu không gian và thời gian
Để đo lường chính xác độ cao, kinh độ và vĩ độ, máy thu đo thời gian các tín từ một số vệ tinh truyền tới máy thu GPS sử dụng:
- Hệ quy chiếu không gian: GPS cung cấp thông tin về vị trí cho người sử dụng theo hệ tọa độ WGS-84 ( World Geodetic System -1984 ).Nếu các thành phần của GNSS sử dụng khác hệ tọa độ WGS-84, thì các tham số biến đổi thích hợp phải được cung cấp.GPS sử dụng một hệ tọa độ gọi là Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984 (WGS-84 - Worldwide Geodetic System 1984). Hệ thống này tương tự như
các đường kẻ kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộc thường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn. Hệ thống WGS - 84 cung cấp một khung tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ máy định vị nào của các hang sản xuất. - Hệ quy chiếu thời gian:GNSS cung cấp dữ liệu thời gian cho ngừơi sử dụng theo hệ thời gian UTC (Universal Time Coordinated).
3.10. Các hệ thống định vị khác
3.10.1. Hệ thống định vị toàn cầu Glonass
GLONASS là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Liên bang Nga, tương tự
như GPS (NAVSTAR) của Hoa Kỳ hay Galileo của Liên minh châu Âu.
Nền của hệ là 24 vệ tinh, chuyển động trên bề mặt Quả Đất theo 3 mặt quỹ đạo với góc nghiêng 64,8°, và độ cao 19100 km.
Vệ tinh đầu tiên của GLONASS được Liên Xô đưa lên quỹ đạo ngày 12 tháng 10 năm 1982, vào ngày 24 tháng 9 năm 1993 hệ chính thức được đưa vào sử dụng. Vào thời điểm này nhóm vệ tinh gồm 17 làm việc trong hệ vệ tinh, còn 2 tạm thời không được dùng và 2 chưa được đưa vào hệ. Số lượng này chưa đủ để bao phủ toàn bộ bề mặt Quả Đất.
- Độ mở tích phân GLONASS trên Quả Đất: 80% - Độ mở tích phân GLONASS trên Nga: 94%
- Đứt quãng tối đa của sự định vị trên Quả Đất: 2.4 giờ - Đứt quãng tối đa của sự định vị trên Nga: 0.5 giờ
Để tăng số lượng vệ tinh lên 18 trên lãnh thổ Nga để việc định vị liên tục được đảm bảo 100%. Trên phần còn lại của quả đất theo đây sự ngắt trong việc định vị có thể đạt đến полутора часов. Việc định vị liên tục thực sự trên toàn bộ khu vực của quả đất được bảo đảm trên nhóm quỹ đạo từ 24 vệ tinh.
Các máy vũ trụ làm việc trong thời gian hiện tại gồm 6 vệ tinh «GLONASS- M», (1 phóng vào năm 2003, 2 — vào 2005, 3 — vào 2006), có thời gian bảo hành tồn tại tích cực là 7 năm. Các vệ tinh này, khác với các máy thế hệ trước, phóng 2 tín hiệu dành cho các nhu cầu dân dụng, cho phép tăng độ chính xác của việc xác định vị trí.
Tương ứng với yêu cầu của Tổng thống LB Nga nhóm tối thiểu từ 18 vệ tinh cần hoàn tất vào năm 2007. Nhóm đầy đủ từ 24 vệ tinh tương ứng với chương trình liên bang «Hệ định vị toàn cầu» cần hoàn tất vào năm 2010.
Các vệ tinh «GLONASS-М» trong thành phần nhóm quỹ đạo sẽ nằm, như tối thiểu, đến năm 2015. Các thử nghiệm bay của các vệ tinh негерметичных thế hệ mới «GLONASS-K» với các đặc tính tốt hơn (thời gian bảo hành tăng lên 10 năm và tần số thứ 3 của L-диапазон dành cho các nhu cầu dân dụng) cần được bắt đầu vào năm 2008. Vệ tinh này sẽ nhẹ hơn 2 lần so với thế hệ trước (ví dụ 700 kg so với 1415 kg ở «GLONASS-M»)
Trong tương lai, sau khi hoàn tất nhóm quỹ đạo từ 24 vệ tinh, để đảm bảo sự cung cấp của nó cần thực hiện mỗi năm 1 cuộc phóng 2 vệ tinh «GLONASS-К» trên tên lửa mang «Sojuz», để giảm khấu hao sử dụng.
3.10.2. Galileo của châu âu
Hệ thống định vị Galileo là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) được 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 được điều hành và quản lý bởi các tổ chức dân dụng, phi quân sự. Galileo theo kế hoạch sẽ chính thức hoạt động vào năm 2010, muộn 2 năm so với kế hoạch ban đầu.
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 - Trọng lượng vệ tinh: 675 kg
- Kích thước vệ tinh: 2,7 m × 1,2 m × 1,1 m
Năng lượng từ pin mặt trời: 1500 W (tại thời điểm tuổi thọ thiết kế)
Beidou Navigation System là là 1 kế hoạch do Trung quốc phát triển,là 1 hệ thống dẫn đường độc lập. Kế hoạch bắt đầu từ ngày 30-10-2000, đây là ngày phóng vệ tinh đầu tiên Beidou 1A. Hiện nay, Trung quốc đã phóng được 5 vệ tinh và dự định sẽ phát triển đến 35 vệ tinh- 5 vệ tinh địa tĩnh,30 vệ tinh bay ở tầng bình lưu- trong tương lai.
Kế hoạch Beidou:
- Cung cấp dịch vụ miễn phí với độ chính xác là 10 m, thời gian trể là 50 ns. - Cung cấp dịch vụ có phí với độ chính xác cao hơn.
3.10.4. Irnss
The Indian Regional Navigational Satellite System (IRNSS) là hệ thống dẫn được được xây dựng và quản lý bới Chính Phủ Ấn Độ. Độ chính xác của nó là khoảng 20m ở trong lãnh thổ Ấn Độ và 1500-2000 m nếu ở nơi nào khác.Hệ thống được khởi động từ 5-2006 và sẽ hoàn thành trong vòng 6-7 năm.
3.10.5. Qzss
The Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) là hệ thống định vị và dẫn đường của Nhật Bản.Hệ thống này được Chính phủ Nhật bản uy quyền cho nhóm the Advanced Space Business Corporation (ASBC) gồm có Mitsubisi,Hitachi, GNSS Technology quản lý và phát triển
Mục tiêu của QZSS là các thiết bị di động, các dịch vụ viễn thộng (video, music, data) và thông tin vị trí.
3.11. Ưu điểm của hệ thống so với các hệ thống khác
- Độ chính xác cao.
95% thời gian 99,99% thời gian Lỗi vị trí theo phương ngang 100m 300m
Lỗi vị trí theo phương dọc 156m 500m
- Giá thành hạ: Khi so sánh với các phép đo đòi hỏi ngắm thông, thì phép đo GPS đã loại bỏ hẳn việc ngắm thông giữa các trạm đo, giảm thiểu số lượng trạm đo
cần xây dựng và cho phép lựa chọn vị trí trạm đo một cách thuận tiện và hợp lý hơn. Bản thân giá thiết bị GPS cũng rẻ.
- Hệ tọa độ thống nhất: Trước tháng 07/1985, hệ tọa độ trắc địa thế giới WGS-72 được sử dụng. Từ tháng 07/1985 đến tháng 09/1986 hệ toạ độ WGS – 84 được dùng cho mọi tính toán dự đoán lịch thiên văn, nhưng sau đó lại chuyển đổi trở về hệ WGS-72. Từ tháng 01/1987 hệ toạ độ WGS – 84 chính thức được sử dụng