Hệ thống thông tin vệ tinh - chương 10

Chia sẻ: Khinh Kha Kha | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

173
lượt xem 100
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hệ thống định vị nhờ vệ tinh - khái quát về hệ thống định vị GPS - cấu hình của hệ thống vệ tinh GPS - nguyên lý xác định vị trí của GPS - máy thu GPS

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Hệ thống thông tin vệ tinh - chương 10

H TH NG THÔNG TIN V TINH B môn Thông tin vô tuy n ð i h c công ngh - ðHQG HN Gi ng viên Th m ð c Phương Tel. 0903 229 117 E- Mail: phuongthamduc@yahoo.com Chương 10 – H th ng ñ nh v nh v tinh 1. Khái quát v h th ng ñ nh v GPS 2. C u hình c a h th ng v tinh GPS 3. Nguyên lý xác ñ nh v trí c a GPS 4. Máy thu GPS GLONASS GPS GALILLEO 1
Khái quát v h th ng ñ nh v GPS M t nhu c u r t l n trong thông tin hi n ñ i ñó là kh năng xác ñ nh v trí và d n ñư ng cho các ñ i tư ng trên trái ñ t. Và nhu c u ñó ñã d n t i s ra ñ i c a h th ng ñ nh v b ng v tinh. Vào nh ng năm 70, nh m m c ñích thu th p các thông tin v t a ñ (vĩ ñ và kinh ñ ), ñ cao và t c ñ c a các cu c hành quân, hư ng d n cho pháo binh và các h m ñ i, B Qu c phòng M ñã phóng lên qu ñ o trái ñ t 24 v tinh (21 v tinh ho t ñ ng, 3 v tinh d tr ). Nh ng v tinh tr giá nhi u t USD này bay phía trên trái ñ t ñ cao 20.200 km, v i t c ñ ch ng 11.200 km/h trên 6 qu ñ o tròn, Chu kỳ ~ 12h. Trư c năm 1980, ch ph c v cho m c ñích quân s do B qu c phòng M qu n lý. T năm 1980 chính ph M cho phép s d ng trong dân s . H th ng GLONASS H th ng ñ nh v toàn c u GLONASS c a Nga (Global Navigation Satellite System). H th ng GLONASS d a trên chòm các v tinh truy n liên t c các tín hi u ñã ñư c mã hóa trên 2 băng t n, tín hi u ñó có th ñư c thu b i ngư i dùng b t kỳ ñâu trên trái ñ t ñ bi t ñư c v trí và v n t c theo th i gian th c. H th ng này cũng tương t như h th ng GPS c a M , c 2 h th ng s d ng cùng m t nguyên lý ñ nh v và truy n d li u. GLONASS ñư c qu n lý b i không quân Nga và ñư c ñi u hành b i trung tâm ñi u ph i thông tin khoa h c n m trong b qu c phòng Liên bang Nga Phân ño n không gian bao g m 21 v tinh ho t ñ ng trong 3 m t ph ng qu ñ o. Các v tinh ho t ñ ng qu ñ o tròn cách m t ñ t 19,100 km và m i v tinh quay quanh qu ñ o m t kho ng 11h15’. Các v tinh GLONASS ñ u tiên ñư c phóng lên qu ñ o vào năm 1982 nhưng các chòm v tinh ch hoàn thi n vào cu i năm 1995 - ñ u 1996. H th ng chính th c ho t ñ ng vào ngày 24/9/93. 2
M t s ñ c ñi m và ng d ng GPS s d ng các v tinh và các ñi m tham chi u ñ tính toán v trí b ng phép ño tam giác, kh năng chính xác c a nó có th t i t ng mét. Trong th c t , v i nh ng ưu ñi m c a GPS ta có th th c hi n các phép ño chính xác t i t ng centi mét. V ý nghĩa nó gi ng như vi c gán cho m i m t mét vuông trên trái m t ñ a ch duy nh t. Các máy thu GPS ñã ñư c thu nh b ng các m ch tích h p và do ñó nó tr nên r t kinh t , và khi n cho công ngh tr nên ph bi n v i t t c m i ngư i. Ngày nay GPS ñư c ng d ng r t nhi u trong xe hơi, thuy n, thi t b xây d ng, ñi n tho i, máy tính … và ñư c s d ng cho các m c ñích: Tr c ñ a và b n ñ (v b n ñ ). D n ñư ng trên m t ñ t, trên bi n và hàng không (taxi, tàu bè, máy bay…). Tìm ki m và c u n n. S d ng cho các ho t ñ ng c a v tinh (ñi u ch nh v trí c a v tinh). Các ng d ng trong quân s (tên l a, bom thông minh…). S d ng vào các m c ñích gi i trí trên m t ñ t, trên bi n và trên không. Và m t s ng d ng chuyên d ng khác (truy n thông tin th i gian, chu n t n s trong ño lư ng, v n hành t ñ ng…) ð c ñi m và ng d ng T nh ng năm ñ u th p k 80, các nhà s n xu t l n chú ý nhi u hơn ñ n ñ i tư ng s d ng tư nhân. Trên các xe hơi h ng sang, nh ng thi t b tr giúp cá nhân k thu t s PDA (Personal Digital Assistant) như Ipaq c a hãng Compaq, ñư c coi là m t trang b tiêu chu n, th hi n giá tr c a ch s h u. Như v y, h th ng ñ nh v toàn c u b ng v tinh ngày càng kh ng ñ nh ñư c giá tr c a nó và tr nên r t ph bi n cho r t nhi u ng d ng, t dân s , quân s cho ñ n các lĩnh v c chuyên d ng. Hi n nay ñang có 2 h th ng ñ nh v toàn c u là GPS c a M và GLONASS c a Nga, s p t i s có h th ng GALILLEO c a châu Âu, d báo khi ñó s có r t nhi u ñi u thú v cho ng d ng và th trư ng dành cho các h th ng ñ nh v . 3
C u hình h th ng GPS H th ng GPS bao g m 3 phân ño n là phân ño n không gian (space segment), phân ño n ñi u khi n (control segment) và phân ño n ngư i dùng (user segment) Signal Components L1 1575.42MHz L2 1227.60MHz Coarse Acquisition C/A) Precision (P-Code) Navigation Message 4
C u hình h th ng GPS C u hình h th ng GPS Phân ño n không gian Bao g m 24 v tinh, ngoài ra có th có các v tinh d phòng. M i v tinh có qu ñ o 12h. 6 m t ph ng qu ñ o, m i m t ph ng có 4 v tinh. M i m t ph ng nghiêng 55 ñ so v i m t ph ng xích ñ o. Cách m t ñ t kho ng 20,200 km. T m t v trí trên trái ñ t có th nhìn th y 5 ñ n 8 v tinh Phân ño n không gian có các ch c năng cơ b n như sau: • Nh n và lưu tr d li u ñư c truy n lên t phân ño n ñi u khi n • Duy trì th i gian chính xác nh các chu n t n s nguyên t trên v tinh (ñ ng h nguyên t ) • Truy n thông tin và tín hi u t i cho ngư i dùng trên m t ho c 2 băng t n L 5
C u hình h th ng GPS Phân ño n ñi u khi n. Phân ño n ñi u khi n bao g m các phương ti n, thi t b c n thi t ñ có th d dàng giám sát, ño ñ c t xa, theo dõi, ra l nh và ñi u khi n, tính toán. H th ng ñư c ñi u khi n b i 5 tr m: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia and Kwajalein. T t c 5 tr m là tr m giám sát, theo dõi các v tinh và g i d li u theo dõi ñ n tr m ñi u khi n chính (Master Control Station). C u hình h th ng GPS Phân ño n ñi u khi n. Chúng th c hi n các ch c năng sau: Căn c không quân Falcon, Colorado Springs, là ñ a ñi m tr m ñi u khi n chính Master Control Station (MCS), ñó d li u theo dõi ñư c x lý ñ tính toán thiên văn và s a l i ñ ng h c a v tinh. ðây cũng là tr m s kh i ch y t t c các ho t ñ ng c a phân ño n không gian, như là v n ñ ng (di chuy n) v tinh, mã hóa d li u và qu n lý ñ ng h v tinh... Tr m chính MCS ñư c qu n lý 50th Space Wing c a không quân M . Các tr m còn l i (Hawaii, Ascension Is., Diego Garcia, and Kwajalein), cùng v i 2 anten khác trong l c ñ a M ñóng vai trò là các tr m t i lên (upload) cho phép t i d li u lên các v tinh. D li u bao g m thông tin v thiên văn, thông tin s a ñ ng h ñư c truy n bên trong b n tin ñi u hư ng, cũng như các l nh ño t xa c a tr m chính MCS. 6
C u hình h th ng GPS Các b n tin ñi u hư ng m i và các l nh ño t xa có th ñư c truy n t i các v tinh GPS trong m i 8h, n u c n. Hi n t i thì t l ñó là m t l n m i ngày. N u h th ng GPS ñư c thi t k hoàn thi n thì các v tinh có th ho t ñ ng ñ c l p v i phân ño n ñi u khi n dư i m t ñ t, mà không nh hư ng m y ñ n ch t lư ng h th ng. C u hình h th ng GPS Phân ño n ngư i dùng Thi t b GPS c a ngư i dùng ñã ph i tr i qua m t chương trình phát tri n bao quát, trong c lĩnh v c quân s và dân s . Theo ñó, “thi t b ” GPS ám ch s k t h p c a: Ph n c ng (theo dõi và ño ñ c), Ph n m m (các thu t toán xác ñ nh v trí, giao di n cho ngư i dùng), và Qui trình ho t ñ ng (chi ph i b i ñ chính xác by accuracy, ch c năng, ...). Các ng d ng c a GPS r t r ng rãi, tương ng v i s ña d ng c a thi t b ngư i dùng. Tuy nhiên, cách phân lo i cơ b n nh t như sau: Các máy thu dân s (d ch v cho v trí tiêu chu n) s d ng mã kho ng cách (ranging code) C/A trên m t băng t n L1 Các máy thu quân s (d ch v cho v trí chính xác) s d ng mã kho ng cách (ranging code) C/A và P trên c 2 băng t n L1/L2 7
C u hình h th ng GPS Trong khi các chương trình nghiên c u và phát tri n quân s nh m m c tiêu ñ t ñư c kích thư c nh , và ñ tin c y cao, thì các thi t b dân s hư ng t i m c tiêu gi m giá thành và phát tri n các tính năng có th tăng cư ng kh năng c a h th ng. Thêm n a s phát tri n c a GPS làm tăng s ña d ng ng d ng c a ngư i dùng. Do m i ng d ng có th yêu c u ch t lư ng khác nhau, do ñó có m t s hư ng phát tri n, m t s nh m ñ n ñ chính xác cao, m t s hư ng ñ n tính năng ña d ng. Hi n nay có kho ng hơn 100 nhà s n xu t thi t b GPS v i nhi u lo i khác nhau. Nguyên lý xác ñ nh v trí c a h th ng GPS Các v tinh cũng chính là các ñi m tham chi u cho các v trí trên trái ñ t, và h th ng GPS xác ñ nh v trí theo các bư c sau: Nguyên lý cơ b n c a GPS là s d ng “phép tính toán tam giác” (triangulation) ð tính toán tam giác, máy thu GPS ño kho ng cách d a vào th i gian truy n sóng vô tuy n ð ño th i gian ñó, GPS c n ph i xác ñ nh ñư c th i gian m t cách chính xác Cùng v i kho ng cách, GPS cũng c n ph i xác ñ nh ñư c chính xác v trí c a v tinh trong không gian Cu i cùng h th ng c n ph i hi u ch nh th i gian tr khi truy n sóng qua t ng khí quy n B ng cách xác ñ nh kho ng cách t i 3 v tinh ta có th xác ñ nh ñư c v trí c a ta ch có th n m t i m t trong 2 ñi m trong không gian 8
B ng cách xác ñ nh kho ng cách t i 3 v tinh ta có th xác ñ nh ñư c v trí c a ta ch có th n m t i m t trong 2 ñi m trong không gian Nguyên lý xác ñ nh v trí c a h th ng GPS V n ñ ch còn là ño th i gian truy n t v tinh t i máy thu. Th i gian là m t v n ñ khá ph c t p. Th nh t b i vì th i gian r t ng n. N u v tinh ngay phía trên thì th i gian truy n ch m t kho ng 0,06 giây. Do ñó chúng ta c n có các ñ ng h chính xác. Gi s chúng ta ñã có ñ ng h chính xác, chúng ta s ño th i gian th nào: Gi s có m t cách ñ làm cho c v tinh và máy thu cùng phát m t tín hi u như nhau vào ñúng 12 gi trưa. N u tín hi u có th truy n t i máy thu, thì chúng ta s có 2 tín hi u, m t t chính máy thu và m t t v tinh. S có 2 phiên b n không ñ ng b v i nhau. Phiên b n t v tinh có th b tr do ph i truy n qua kho ng cách hơn 11000 d m. N u ta mu n bi t tín hi u t v tinh b tr bao nhiêu ta có th cho tín hi u c a máy thu cho ñ n khi chúng ñ ng b v i nhau. 9
Kho ng th i gian chúng ta ph i d ch tín hi u c a máy thu ñ có ñư c ñ ng b b ng v i th i gian truy n t v tinh cho t i máy thu. Do ñó chúng ta có th nhân th i gian ñó v i t c ñ ánh sáng và chúng ta s xác ñ nh ñư c kho ng cách t i v tinh. M i v tinh ñ u s d ng m t mã gi ng u nhiên duy nh t. Mã gi ng u nhiên là m t ph n cơ s c a GPS. V m t v t lý nó là m t mã s r t ph c t p, nói cách khác nó là m t chu i các ký t ñóng m . Tín hi u ph c t p ñ n n i trông nó g n như là nhi u ng u nhiên, do ñó nó có tên là “gi ng u nhiên”. S ph c t p ñó có m t s ưu ñi m: s ph c t p s ñ m b o r ng máy thu không ñ ng b v i m t m t tín hi u nào ñó không mong mu n. D ng tín hi u cũng ñ m b o không có m t tín hi u nhi u nào có d ng ñúng như v y. B i vì m i v tinh có m t mã gi ng u nhiên duy nh t do ñó ñ m b o r ng máy thu không b t nh m tín hi u c a v tinh khác. Do ñó các v tinh có th s d ng t n s gi ng nhau mà không s gây nhi u l n nhau. Và còn khó hơn n u ai ñó mu n gây nhi u cho h th ng. Trong th c t mã gi ng u nhiên còn cho phép b qu c phòng M ñi u khi n truy c p vào h th ng. Nhưng còn m t lý do n a ñ s d ng mã gi ng u nhiên, ñó là có th s d ng “lý thuy t thông tin ñ khuy ch ñ i tín hi u GPS. ðó chính là lý do t i sao các máy thu GPS không c n s d ng các anten l n ñ thu tín hi u – ñi u này khi n cho GPS tr nên r t kinh t . 10
Nguyên lý xác ñ nh v trí c a h th ng GPS N u như m u ch t là ño th i gian tín hi u ñi t v tinh ñ n máy thu, thì th i gian ñó c n ph i r t chính xác, b i vì n u th i gian l ch ñi 1 ph n nghìn giây thì v i t c ñ ánh sáng ñ l ch v trí xác ñ nh s là 200 d m. ð i v i v tinh, th i gian có ñ chính xác c c kỳ cao b i vì nó có ñ ng h nguyên t r t chính xác. Nhưng còn ñ i v i các máy thu trên m t ñ t? Ta nh r ng c v tinh và máy thu c n ph i ñ ng b mã gi ng u nhiên v i nhau thì h th ng m i có giá tr . Nhưng n u như máy thu c a chúng ta c n ph i có ñ ng h nguyên t thì h th ng s tr nên không kinh t (ñ ng h nguyên t có giá t 50$ t i 100$), khó có th có ngư i mua. R t may là nh ng ngư i thi t k h th ng GPS có m t sáng ki n tuy t v i, ñó là th c hi n thêm m t phép ño n a. Bây gi chúng ta s tìm hi u xem c th như th nào: Gi s v trí th c c a chúng ta n m cách v tinh A là 4 giây và cách v tinh B - 6 giây như hình v . Hai ñư ng tròn c t nhau t i ñi m X chính là v trí c a ta. Nhưng gi s r ng ñ ng h c a máy thu ch m hơn so v i ñ ng h toàn c u. Khi ñó kho ng cách t máy thu t i v tinh A s là 5 giây và t i v tinh B s là 7 giây. Do ñó giao c a 2 ñư ng tròn s là t i ñi m XX. Như v y kho ng cách t X t i XX s là sai s gây ra do s không chính xác c a ñ ng h . Bây gi ta s d ng m t v tinh th 3. N u như ñ ng h chính xác thì c 3 ñư ng tròn s ph i c t nhau t i m t ñi m. Mà 2 ñư ng tròn trên ñã c t nhau t i XX thì n u ñúng thì ñư ng tròn th 3 cũng s ñi qua XX. Nhưng vì ñ ng h c a ta sai 1 giây do ñó k t qu s là: ñư ng tròn th 3 s không ñi qua XX, do ñó máy thu s bi t ngay là có sai s v th i gian. 11
Nguyên lý xác ñ nh v trí c a h th ng GPS B i vì sai s th i gian này s nh hư ng lên t t c các phép ño cho nên máy tính s tính toán và rút ra m t giá tr s a l i sao cho t t c các ñư ng tròn ñi qua ñúng m t ñi m. Trong ví d này, giá tr c n s a s là tr ñi 1 giây. Sau khi xác ñ nh ñư c giá tr s a, máy thu có th s d ng giá tr này cho các phép ño sau này. Và t ñó ñ ng h c a máy thu ñã ñư c ñ ng b v i th i gian toàn c u. T t nhiên quá trình s a này c n l p l i theo ñ nh kỳ ñ ñ m b o ñ ng h c a máy thu luôn ñư c ñ ng b . Nhưng v i cách này, th m chí nh ng máy thu GPS r nh t cũng có th có ñư c th i gian chính xác như s d ng ñ ng h nguyên t , và bây gi chúng ta ñã có th xác ñ nh ñư c chính xác v trí. S d ng h qu c a nguyên lý trên, ta có th rút ra r ng: h th ng GPS c n ít nh t 4 v tinh ñ có th xác ñ nh ñư c chính xác v trí c a ta so v i v tinh. ð xác ñ nh ñư c v trí ta còn ph i bi t v trí c a v tinh ñ l y ñó làm ñi m tham chi u V cơ b n các qu ñ o là khá chính xác tuy nhiên ñ tăng ñ chính xác thì các v tinh GPS luôn ñư c giám sát b i b qu c phòng. H s d ng các radar vô cùng chính xác ñ có th ki m tra v trí chính xác c a các v tinh, bao g m c v trí và t c ñ . L i ñư c ki m tra ñư c g i là “l i thiên văn” b i vì chúng nh hư ng ñ n t a ñ thiên văn hay là t a ñ qu ñ o c a v tinh. Các l i này gây ra b i l c hút c a m t trăng, m t tr i và do áp su t c a b c x m t tr i lên v tinh. Các l i này thư ng r t nh nhưng n u mu n có s chính xác thì s ph i tính ñ n nó. Sau khi b qu c phòng ñã ño chính xác v trí c a v tinh, h s truy n thông tin ñó quay tr l i v tinh. V tinh sau ñó s phát cùng trong tín hi u c a mình c thông tin v v trí ñã hi u ch nh. Như v y b n tin c a v tinh còn bao g m c thông tin v thiên văn c a nó (qu ñ o, v trí). V i th i gian chính xác và xác ñ nh ñư c v trí chính xác c a v tinh ta có th tính toán v trí c a mình. 12
Máy thu GPS Tín hi u. Tín hi u c a v tinh v cơ b n bao g m các tín hi u sau: Hai sóng mang trên băng t n L. Các mã kho ng cách ñư c ñi u ch trên 2 sóng mang ñó. B n tin ñi u hư ng ch a thông tin v v trí c a v tinh Sóng mang L1 có t n s 1575,42 MHz và mang c thông tin v tr ng thái (v trí v tinh) và mã gi ng u nhiên C/A ñ xác ñ nh kho ng cách. Sóng mang L2 có t n s 1227,60 MHz và ñư c s d ng cho mã gi ng u nhiên chính xác P dành cho quân s . Mã này có ñ ph c t p hơn nhi u so v i mã C/A và khi ñư c mã hóa nó ñư c g i là mã Y. M c ñích chính c a các mã gi ng u nhiên là ñ xác ñ nh th i gian truy n c a tín hi u ñ t ñó xác ñ nh kho ng cách ñ n các v tinh. Ngoài ra còn có m t tín hi u t n s th p ñư c ghép thêm vào các mã c a băng t n L1 ch a các thông tin v v trí c a v tinh, thông tin s a cho ñ ng h và thông tin v tr ng thái c a h th ng. Máy thu GPS Như ñã trình bày, h th ng GPS làm vi c d a trên nguyên lý: n u như ta bi t kho ng cách t i m t s v trí ñã bi t, khi ñó ta có th tính ra ñư c v trí c a mình. Các v trí ñã bi t chính là 24 v tinh ñư c ñ t trên 6 m t ph ng qu ñ o cách m t ñ t 20,200 km. Các v tinh quay quanh trái ñ t m t 12h và qu ng bá d li u v i t n s chính 1,575 GHz mang tín hi u ñã mã hóa C/A v m t ñ t. Các máy thu ño th i gian truy n c a mã C/A theo ñơn v mili giây, và t ñó xác ñ nh kho ng cách t i v tinh. Sau ñó tính toán v trí c a mình. Các h th ng con c a máy thu GPS bao g m: Ăng ten. Khu ch ñ i t p âm th p LNA. B l c RF. B l c IF. B x lí tín hi u DSP. B ñi u khi n - Controller. Bàn phím - Keyboard. Màn hi n th - Display. Ngu n ñi n - Power Supply 13
Máy thu GPS Máy thu GPS Tín hi u ñư c thu b i anten s ñư c qua ph n ti n khuy ch ñ i và chuy n ñ i xu ng băng cơ b n. Sau ñó tín hi u s ñư c gi i ñi u ch , tách b n tin ñi u hư ng (bao g m v trí c a v tinh) và tách mã C/A. Hai thông tin trên k t h p v i ñ ng h c a máy thu s ñư c ñưa vào b x lý ñ tính toán v trí c a máy thu. Tín hi u l i ra c a máy thu bao g m các thông tin v v trí, v n t c và th i gian. 14