Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu - Chương 2: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

Chia sẻ: AndromedaShun _AndromedaShun | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu - Chương 2: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS cung cấp cho học viên những kiến thức về quá trình hình thành hệ thống định vị toàn cầu GPS; cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu; cấu trúc tín hiệu GPS; trị đo GPS; môi trường truyền tín hiệu GPS;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu - Chương 2: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

9/8/2013 Chương 2 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA Từ năm 1967 – 1969 lực lượng không quân HỆ THỐNG GPS mỹ dự định thực hiện đề án đưa lên các quỹ đạo đồng bộ 20 vệ tinh hoạt động từ 600 vĩ Quá Bắc đến 600 vĩ Nam; 2.1 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH HỆ THỐNG ĐỊNH trinh VỊ TOÀN CẦU GPS hình Các vệ tinh này được theo dõi bằng một hệ thành thống các trạm giám sát trên mặt đất. Nhờ Quá Từ những năm 1960 cùng với sự tiến bộ hệ các vệ tinh này tại mỗi điểm trên mặt trái đất, trinh của khoa học kỹ thuật, chế tạo tên lửa và lý thống vào bất kỳ thời gian nào cũng có thể quan sát hình thuyết định vị vệ tinh đã xây dựng được các định vị ít nhất 3 vệ tinh; hệ thống định vị vệ tinh; thành toàn hệ cầu thống Năm 1967 Bộ quốc phòng Mỹ đã hoàn thành Cùng trong thời gian này lực lượng hải quân định vị hệ thống đạo hàng TRANSIT khá hoàn chỉnh mỹ thực hiện đề án xây dựng hệ thống định với nhiệm vụ chủ yếu là dẫn đường; vị toàn cầu gồm khoảng 21 đến 27 vệ tinh; toàn cầu Dưới sự chủ trì của Bộ quốc phòng Mỹ cả Trước năm 1980 hệ thống GPS chỉ được dùng hai đề án trên đã được phối hợp lại hình cho mục đích quân sự do Bộ quốc phòng Mỹ thành hệ thống định vị toàn cầu GPS; quản lý; Quá Quá trinh Ngày 22/8/1978 vệ tinh đầu tiên của hệ trinh hình thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa hình Từ sau năm 1980 Mỹ cho phép sử dụng hệ thành lên quỹ đạo; thành thống GPS cho lĩnh vực dân sự, nhiều lĩnh hệ hệ vực khác nhau đã nghiên cứu và ứng dụng thống Năm 1993 hệ thống GPS đã đủ 24 vệ tinh thống hệ thống GPS; định vị bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo; định vị toàn toàn Vào những năm 1980 Liên xô xây dựng hệ cầu cầu thống định vị toàn cầu GLONASS, hệ thống Với hệ thống GPS, vấn đề thời gian, vị trí, tốc độ được giải quyết nhanh chóng, này có một số điểm tương đồng với hệ thống chính xác trên phạm vi toàn cầu trong bất GPS, nhưng cũng có một số đặc thù riêng. kỳ thời điểm nào Một số đặc trưng của hệ thống GPS và GLONASS 2.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU Yếu tố đặc trưng GPS GLONASS Số vệ tinh 24 24 GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự Số quỹ đạo 6 3 phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo 550 64,80 phần gọi là Đoạn (Segment): Bán kính quỹ đạo 20200km 25510 km Chu kỳ quỹ đạo 11h58m 11h15m Kỹ thuật tách tín hiệu CDMA (code) FDMA (tần) - Đoạn không gian (Space Segment), Sóng mang (sóng tải) L1 = 1575,42 MHz L1= 1602,56 – 1615,5 MHz L2 = 1227,60 MHz L2 = 1264,4375 – 1256,5 MHz C/A code (L1) 1.023 MHz 0,511 MHz - Đoạn điều khiển (Control Segment), P – Code (L2) 10,23 MHz 5,11 MHz Hệ thống giờ UTC UTC Ellipxoid tham khảo WGS - 84 SGS - 84 - Đoạn người sử dụng (User Segment) Gây nhiễu cố ý có không Bí mật P-Code có Có thể 1
9/8/2013 1. Đoạn không gian Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu, bay trên các quỹ đạo xác định quanh trái đất. Vệ tinh bay trong 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo trái đất; Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg trước khi phóng, và khoảng 800kg trên quỹ đạo; Qũy đạo vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 12.600 dặm (20.200 km) với chu kỳ 718 phút; Tuổi thọ của các vệ tinh theo thiết kế khoảng 7,5 đến Theo thiết kế hệ thống GPS gồm 24 vệ tinh, mỗi 10 năm; quỹ đạo có 4 vệ tinh; Năng lượng cung cấp cho các hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là năng lượng pin mặt trời; Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo; Chương trình đưa các vệ tinh GPS lên quỹ đạo đã được chia làm các khối (block) I, II, II-A, tính đến năm 1994 chỉ còn các vệ tinh khối II, II-A đang hoạt động. Đoạn điều khiển là 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh trái đất, trong đó 1 trạm chủ (Master Station) và 4 trạm theo dõi (Monitor Station) 2. Đoạn Trạm chủ đặt tại căn cứ không quân điều Falcon ở Colorado Sping, bang Colorado, USA là nơi nhận, xử lý tín hiệu thu được khiển từ các vệ tinh tại 4 trạm theo dõi. Đoạn điều khiển có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh và gửi đi những điều chỉnh cần thiết (lịch vệ tinh, số hiệu chỉnh đồng hồ…) 2
9/8/2013 - Số liệu GPS được thu thập bởi các trạm theo dõi và truyền cho trạm chủ Master Station ở Colorado Spring; - Toạ độ của từng vệ tinh (Ephemeris) và độ lệch đồng hồ vệ tinh theo giờ GPS được tính 2. Đoạn toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ. Các trị số đó điều lại truyền nạp lên vệ tinh hàng ngày qua các khiển trạm điều khiển mặt đất; - Sau khi số liệu GPS được thu thập, xử lý, toạ độ và độ lệch đồng hồ của từng vệ tinh được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ và truyền tới các vệ tinh hàng ngày qua các trạm theo dõi; - Đoạn người sử dụng bao gồm các máy - Cấu tạo anten đẳng hướng của máy thu thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử lý tính GPS có thể bắt tín hiệu GPS phân cực tròn toán số liệu; ở mọi hướng. Tâm pha của anten là điểm thu tín hiệu và xác định toạ độ; - Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định 3. Đoạn trên mặt đất (đo tĩnh) hay gắn trên các 3. Đoạn phương tiện chuyển động như đi bộ, xe - Tâm pha anten và tâm máy thu không người người đạp, xe cơ giới, ô tô, máy bay, tàu biển…; nhất thiết phải trùng nhau; sử dụng sử dụng - Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten máy - Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà thu; các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý, và quy trình thao tác thu thập số liệu ở thực địa. 2.3 CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS Mã C/A-code là mã giả ngẫu nhiên được phát đi với tần số 1.023 MHz (fo/10). Mã này lặp lại Bộ tạo giao động trên vệ tinh liên tục tạo ra tần số chuẩn 1. C/A với tần suất miligiây. Phương trình giải mã C/A là fo = 10.23 MHz với độ ổn định 10-12 Code không bảo mật do vậy mã C/A thông dụng trong nhiều máy thu dân sự để dẫn đường và lập bản đồ Tín hiệu vệ tinh GPS được mã hoá, có hai loại mã C/A Code và P-Code. P.Code là mã giả ngẫu nhiên thứ hai, phát đi Việc sử dụng tín hiệu mã hoá cho phép các vệ tinh GPS với tần số cơ bản fo = 10.23 MHz. Tín hiệu này hoạt động trên cùng tần số mà không bị nhiễu, mỗi vệ lặp lại với tần suất 266,4 ngày. Chu kỳ 266,4 tinh phát đi một mã giả ngẫu nhiên duy nhất ngày chia thành 38 đoạn 7 ngày, trong đó có 6 2. P- đoạn giành riêng cho mục đích vận hành. Máy thu GPS nhận dạng, đọc tín hiệu GPS không đòi code Mỗi đoạn 7 ngày còn lại được gán mã phân hỏi công suất lớn, do đó máy thu GPS có thể sử dụng biệt cho từng vệ tinh. P-Code cũng sử dụng anten nhỏ hơn, kinh tế hơn được trong các ứng dụng dân sự trong trường hợp phương trình giải mã không bảo mật 3
9/8/2013 Tín hiệu vệ tinh GPS điều biến sóng mang L chứa các thông tin quý giá về thời gian và vị trí Y. Code là dạng bảo mật của P-Code. của vệ tinh. Mỗi vệ tinh có mã riêng phát trên 2 Việc giải mã Y.Code chỉ thuộc về người tần số mang. dùng có thẩm quyền. Vì vậy khi bên quân 3. Y. code đội kích hoạt Y.Code thì người dùng 4. Bước sóng L1 = 19cm với tần số là 154*fo = không thuộc quân đội sẽ không có khả Phase 1575,42 MHz năng sử dụng cả P.Code lẫn Y.Code sóng mang băng Bước sóng L2 = 24cm với tần số là 120*fo = 1227,60 MHz tần L. Mã sơ bộ (C/A) chỉ điều biến trên sóng mang L1. Mã chính xác P-Code điều biến cả hai sóng mang L1 và L2 khi được bảo mật (khoá mã) cho Y- Code. Thông báo dẫn đường do vệ tinh phát đi ở tần số thấp 50Hz, thông báo này chứa dữ liệu về trạng thái của vệ tinh và vị trí của chúng 5. Thông Thông báo vệ tinh được sử dụng trong báo vệ chương trình lập kế hoạch và tính toán xử lý kết quả đo tinh Các tham số thông báo trạng thái của vệ tinh khoẻ hoặc không khoẻ - (Healthy or Unhealthy). Máy thu GPS sẽ tránh sử dụng vệ tinh không khoẻ Vệ tinh hoạt động và không hoạt động (Enable Vệ tinh mới phóng lên quỹ đạo, lúc đầu or Disable). Trong máy thu GPS tất cả các vệ còn phải thực hiện các thao tác kiểm tra Các vệ tinh đều mặc định là hoạt động. Có nghĩa là quỹ đạo vệ tinh và trạng thái đồng hồ. tinh bị Các vệ chúng đều được kể đến trong mọi phép tính Trạm điều (với điều kiện vệ tinh khoẻ). tinh bị Bảo trì định kỳ chuyển động quỹ đạo, khiển coi Trạm điều bảo trì đồng hồ cesium. là không khiển coi khoẻ vì Một số máy thu cho tuỳ chọn không kích hoạt là không những lý vệ tinh khoẻ khiến cho máy thu bỏ qua vệ khoẻ vì Định kỳ kiểm tra chuyên môn, hoặc khi vệ tinh bị điều khiển hoạt động theo do sau: tinh đó. Hãng Trimble khuyến nghị người những lý dùng kích hoạt tất cả các vệ tinh. cách gây sai số lớn. do sau: Sửa chữa những động thái bất thường khi vệ tinh hoạt động sai chức năng 4
9/8/2013 2.4 TRỊ ĐO GPS Máy thu GPS tạo ra bản sao mã giải phẫu (PRN code) đối với từng vệ tinh và xác định được độ Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS chậm (thời gian trễ) giữa tín hiệu thu và tín hiệu nhận được từ tín hiệu của vệ tinh truyền tới. Mỗi vệ phát đi bằng kỹ thuật tương quan ngang. tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dùng cho việc đo Kết quả là thời gian truyền tín hiệu, khi nhân đạc chia thành 2 nhóm bao gồm: 1. Đo với tốc độ ánh sáng ta được khoảng cách. khoảng + Nhóm trị đo Code cách Độ chính xác khoảng cách gần đúng (code -C/A.Code, theo trị pseudorange) tuỳ thuộc loại mã sử dụng C/A đo Code hay P Code. -P.Code. code + Nhóm trị đo pha: Cạnh tính theo C/A Code có độ chính xác cỡ 100m, cạnh tính theo P Code có độ chính xác -L1-Carrier, cỡ 30m khi định vị một điểm đơn -L2-Carrier, -Tổ hợp L1/L2 Biểu thức toán học xác định code pseudo range: Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng cách đến từng vệ tinh. Khoảng cách gần đúng- pseudo range giữa vệ tinh và anten máy thu có chứa sai số p  ( X s  X r ) 2  ((Y s  Yr ) 2  ( Z s  Z r ) 2  c(t  T )   atm   trong đó sai số lớn nhất do sự không đồng bộ của đồng hồ vệ tinh và máy thu. Trong đó: Vị trí của từng vệ tinh có trong thông tin quỹ đạo ephemeris do đó vị trí của anten được xác định khi biết X, Y, Z là toạ độ không gian 3 chiều, toạ độ vệ tinh và khoảng cách tương ứng đến máy thu bằng cách tính giao hội cạnh. Chỉ số s là vệ tinh, chỉ số r là anten máy thu, c là tốc độ ánh sáng trong chân không (299792458 m/s), Trị đo code dùng trong định vị có độ chính xác thấp và dẫn đường (đạo hàng) p trị đo pseudorange, (t là độ lệch đồng hồ máy thu, T là độ lệch đồng hồ vệ tinh, atm là sai số do khí quyển, σ là tổ hợp các sai số khác…. Trị đo Code (C/A Code và P.Code) 2. Đo khoảng cách theo trị đo pha Trong trường hợp này, máy thu nhận mã được phát (Hiệu số phase) độ trễ pha giữa sóng mang thu được và sóng đi từ vệ tinh, so sánh với tín hiệu tương tự mà máy thu mang do máy thu tạo ra đo được với độ chính xác khoảng cỡ 1% tạo ra nhằm xác định được thời gian tín hiệu lan truyền chu kỳ phase tương đương vài mm. từ vệ tinh tới máy thu và từ đó khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh được xác định bằng công thức: Biểu thức xác định độ trễ pha: D=c.t + cδt + δ     c(t  T )  N   atm   Trong đó: Trong đó: -c là vận tốc lan truyền sóng (ánh sáng)= λϕ là độ trễ pha sóng mang đo được, c là tốc độ ánh sáng trong 299792458 m/s, chân không -t là thời gian truyền tín hiệu, δt là độ lệch đồng hồ máy thu, δT là độ lệch đồng hộ vệ tinh -δt là lượng hiệu chỉnh do sai số sự không đồng bộ λ là bước sóng của sóng mang, N là số nguyên lần bước sóng đồng hồ máy thu và vệ tinh, σatm là sai số do khí quyển, σ là tổ hợp các sai số khác… -δ là lượng hiệu chỉnh do môi trường. 5
9/8/2013 Phương pháp này cho kết quả định vị chính xác hơn phương Sự trượt chu kỳ phát sinh do vật cản, do tín hiệu yếu, pháp chỉ dùng đo code. Khó khăn chính là xác định đơn trị anten di động nhanh hoặc tầng ion hoạt động mạnh. số nguyên lần bước sóng giữa anten máy thu và vệ tinh. Sự trượt chu kỳ phải được loại trừ để xác định số đa trị Một khi máy thu bắt được tín hiệu của một vệ tinh nào đó nguyên tức là số nguyên lần bước sóng tín hiệu GPS nó sẽ đếm số bước sóng trôi qua sau thời điểm đó. Do vậy điều cần thiết duy nhất là tính được số đa trị nguyên ban Để xác định số nguyên lần bước sóng: có nhiều đầu phương pháp. Tuy nhiên nếu khoá vệ tinh bị gián đoạn - sự cố trượt chu 1. Phương pháp hình học dựa trên sự thay đổi hình kỳ (Cycle slip) nảy sinh do đó số đa trị nguyên thay đổi. học vệ tinh trong khi đo để giải số nguyên lần bước sóng đồng thời với toạ độ anten. 2. So sánh (kết hợp) trị đo phase và trị đo code. 2.5 MÔI TRƯỜNG TRUYỀN TÍN HIỆU GPS Tầng đối lưu có độ cao đến 8km so với mặt đất và ảnh hưởng khúc xạ của tầng Tầng ion là lớp chứa các hạt tích điện trong đối lưu không bị tán sắc đối với tín hiệu bầu khí quyển ở độ cao từ 50 - 1000km, tầng GPS. ion có tính chất tán sắc đối với sóng điện từ Do vậy số cải chính mô hình khí quyển Chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng 2. Tầng phải được áp dụng đối với trị đo của máy 1. Tầng điện từ truyền qua nó một tần số và cả máy hai tần số ion đối Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép lưu. Chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng ion. chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt và khô, ảnh hưởng chiết suất khô được tạo mô hình và loại trừ Hiệu chỉnh tầng ion đối với trị đo của máy thu 1 tần số phải dựa vào các tham số mô hình Nhưng ảnh hưởng của chiết suất ướt là phát đi trong thông báo vệ tinh, tuy nhiên chỉ nguồn sai số khó lập mô hình và loại bỏ giảm được khoảng 50% ảnh hưởng tầng ion. trong trị đo GPS 6