intTypePromotion=3

Luận văn Thạc sỹ: Nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp GPS/INS

Chia sẻ: Đinh Hải Nam | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:90

0
52
lượt xem
13
download

Luận văn Thạc sỹ: Nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp GPS/INS

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Với kết cấu nội dung gồm 4 chương, luận văn "Nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp GPS/INS" giới thiệu đến các bạn những nội dung tổng quan về định vị điểm chính xác PPP GPS và hệ thống định vị quán tính INS, sự tích hợp giữa GPS và INS, sự tích hợp giữa định vị điểm chính xác GPS và INS,...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sỹ: Nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp GPS/INS

  1. LỜI NÓI ĐẦU Trong cuộc sống hiện đại, song song với sự  phát triển không ngừng của   khoa học công nghệ là nhu cầu ngày càng tăng của con người. Nhu cầu về định  vị dẫn đường là một nhu cầu quan trọng trong đời sống. Sự ra đời của hệ thống  định vị toàn cầu GNSS(Global Navigation Satellite System ­ là tên dùng chung cho  các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như GPS (Hoa Kỳ), hệ thống định  vị Galileo (Liên minh châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga)) đã đáp ứng được  nhu cầu đó. Với hệ  thống này, con người có thể  dễ  dàng xác định được vị  trí,  hướng đi, vận tốc, xây dựng bản đồ…phục vụ  cho nhiều mục đích khác nhau.  Tuy nhiên, nhiều ứng dụng đòi hỏi độ  chính xác cao. Vì vậy, yêu cầu mới được  đặt ra là là sao để tăng được độ chính xác của hệ thống định vị. Hiện nay, các hoạt động của con người đòi hỏi về định vị, dẫn đường và  điều khiển cho các vật thể chuyển động như  máy bay, tên lửa, ôtô, tàu thuyền,   v.v. đã trở thành một nhu cầu hết sức cấp thiết trong nhiều lĩnh vực đời sống và  an ninh quốc phòng. Một trong những hệ  thống dẫn đường hiện tại đang được  ứng dụng nhiều là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GPS). Tuy nhiên, bên cạnh  những  ưu điểm như  độ  chính xác tương đối cao và  ổn định theo thời gian, hệ  thống GPS bộ lộ những nhược điểm như  tín hiệu có thể  bị gián đoạn trong thời  gian không xác định do  ảnh hưởng của địa hình hoặc do sai số  có chủ  đích của   nhà cung cấp. Bên cạnh hệ thống GPS, hệ thống dẫn đường quán tính (INS) cũng  được sử  dụng nhiều nhằm xác định tọa độ  và các thông tin của vật thể  chuyển   động dựa trên các thông số đo đạc tính toán từ các cảm biến gắn trên vật thể như  cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, la bàn từ, v.v. Việc tích hợp INS và GPS  cho phép tạo nên một hệ thống dẫn đường có tính hoàn thiện cao được ứng dụng  trong các ngành như  điều khiển dẫn đường các phương tiện đường bộ, đường  không và vũ trụ.
  2. Hệ thống được thiết kế sử dụng các kỹ  thuật xử  lý tín hiệu số  hiện đại,   đặc biệt là lọc bộ  lọc Kalman, và cảm biến gia tốc MEMS mới, để  đáp  ứng  được các yêu cầu như tính chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh. TÓM TẮT Luận văn của em tập trung tìm hiểu về“nghiên cứu thiết kế bộ thu định   vị  chính xác tích hợp GPS/INS”. Đây là phương pháp định vị  đem lại độ  chính  xác cao,  ổn định, ít chịu  ảnh hưởng của điều kiện thời tiết. Chi phí thấp hơn   nhiều so với các hệ thống định vị khác có cùng độ chính xác. Theo đó, trong luận   văn em xin trình bày các nội dung như sau: CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU Giới thiệu những nét khái quát nhất   về  phương pháp định vị  điểm chính xác,   cảm biến quán tính MEMS IMU và  hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU. CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC PPP GPS VÀ  HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS Trình bày về  hệ  thống GPS, phương pháp định vị  điểm chính xác PPP và hệ  thống định vị quán tính INS. CHƯƠNG 3. SỰ TÍCH HỢP GIỮA GPS VÀ INS Mô tả  về  các phương pháp tích hợp giữa hai hệ  thống GPS và INS đồng thời   trình bày lý thuyết về bộ lọc Kalman. CHƯƠNG 4. SỰ TÍCH HỢP GIỮA ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC GPS VÀ  INS
  3. Trình bày cụ thể về phương pháp tích hợp giữa định vị điểm chính xác PPP GPS   và INS. CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Là những kết quả  thu được dựa trên mô phỏng matlab so sánh sai số vị  trí giữa   các hệ thống rời rạc và hệ thống tích hợp. Cùng với đó, phần kết luận sẽ đưa ra những đánh giá và đề xuất một vài hướng  nghiên cứu tiếp theo. ABSTRACT             My   project   focuses   on   studying   about  “Integration  of   Precise  Point  Positioning GPS and INS”.This is a positioning method provides highly accurate,  stable, less affected by weather conditions. This has lower cost than other systems  with the same positioning accuracy.Accordingly, the project would like to present  the contents as follows: Chapter 1 introduces The most general definitions ofPrecise Point Positioning (PPP), low Cost   mems  IMU and intergration of PPP GPS and mems IMU Chapter 2 presents Global Positioning System (GPS), Precise Point  Positioning and Inertial Navigation System (INS) Presentation on GPS systems, positioning method and PPP exact inertial navigation  system INS.
  4. Chapter 3 describes the method to integrate GPS and INS, theory of  Kalman filter A  description   of   the   method  of  integration   between  GPS  and  INS   systems   and  presents a Kalman filter theory. Chapter 4 presents in detail method of integration of Precise Point  Positioning and INS Presents   particular   methodological   integration   between   precise   point   positioning  GPS and INS PPP. Chapter 5 Result of framework The   result   based   on   the   simulation   using   matlabfor   estimating   error   between  separate systems and integration system. And   the   conclusion   will   evaluate   and   make   a   few   suggestions   towards   further  researches. MỤC LỤC  ẢNH
  5. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
  6. CHƯƠNG 1.                 GIỚI THIỆU Ngày nay, sự kết hợp giữa GPS và  INS cùng với sự ra đời của hệ thông vi   cơ điện tử (MEMS) đã làm cho sự kết hợp này trở nên ngày càng phổ  biến hơn.   Việc tích hợp hai hệ thống này lại với nhau có thể được thực hiện bằng cách sử  dụng bộ lọc Kalman theo 2 mô hình, đó là mô hình liên kết chặt và mô hình liên   kết lỏng. Lỗi nghiêm trọng nhất của hệ thống dẫn đường quán tính INS là do các   cảm biến quán tính gây ra. Lỗi này được khắc phục nhờ  hệ  thống GPS. Đồ  án   này nghiên cứu hệ  thống tích hợp GPS/INS dựa trên bộ  thu GPS lưỡng tần số.  Để tăng thêm độ chính xác, em sử dụng công nghệ định vị điểm chính xác (PPP). 1.1. Sơ lược về  các hệ thống định vị  điểm chính xác GPS và cảm biến   quán tính Hiện nay, hầu hết các hệ thống tích hợp GPS/INS đêu dựa trên công nghệ  GPS vi sai (DGPS). Một hệ thống như thế đòi hỏi 2 bộ  thu GPS, một bộ thu  ở  trạm tham chiếu và một bộ  thu lắp trên các phương tiện cần theo dõi. Việc lắp  đặt thêm một trạm tham chiếu  không những tốn kém về  chi phí, tăng độ  phức  tạp, mà phương pháp này còn gặp phải hạn chế về phạm vi hoạt động. Sự ra đời  của phương pháp định vị điểm chính xác (PPP) đã cho phép nâng cao độ chính xác  tới cm mà không cần trạm tham chiếu. Nó mở  ra cơ hội để  phát triển hệ  thống   tích hợp GPS/INS với độ chính xác cao mà chỉ cần duy nhất một bộ thu GPS.  Đối với hệ  thống INS, cùng với sự  ra đời của công nghệ  vi cơ  điện tử  (MEMS) thì MEMS IMU là một sự lựa chọn tốt khi tính đến chi phí và hiệu năng  chấp nhận được. Một khó khăn gặp phải hiện nay khi sử  dụng MEMS IMU là  lỗi của cảm biến quán tính, lỗi này nếu không được khắc phục thì sai số  càng   ngày   càng   tăng   do   sự   tích   lũy   theo   thời   gian.   Trong   hệ   thống   tích   hợp   PPP   GPS/MEMS IMU, lỗi  này được ước tính bởi hệ thống PPP GPS. Sự tích lũy lỗi   cũng được hạn chế. Mặt khác, Cảm biến quán tính MEMS IMU có thể  hoạt   7
  7. động khi tín hiệu PPP GPS bị gián đoạn, đảm bảo cho hệ thống hoạt động liên   tục. Tóm lại, việc tích hợp hai hệ  thống này lại với nhau giúp hạn chế  những  nhược điểm  đồng thời phát huy ưu điểm của từng hệ thống. Với những  ưu điểm như  vậy, hệ  thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU   thích hợp cho nhiều  ứng dụng. Sau đây là một số   ứng dụng sử  dụng hệ  thống   này: Hệ  thống giám sát phương tiện bay không người lái (Unmanned  Aerial  Vehicle­UAV) Trong những năm gần đây, UAV được sử dụng ngày càng nhiều trong các   ứng dụng dân sự, chẳng hạn như: đánh giá thiên tai, tìm kiếm cứu nạn, theo dõi  thời tiết, thăm dò khoáng sản…UAV muốn hoạt động được cần phải có thông tin  chính xác về vị trí, tốc độ, phương hướng. Độ chính xác của những thông số này  phụ  thuộc vào sứ  mệnh mà UAV thực hiện. Hiện nay, một số  hệ  thống dẫn   đường   thương   mại   cho   UAV   được   phát   triển   dựa   trên   hệ   thống   tích   hợp   GPS/MEMS IMU, độ chính xác của những hệ thống này là 2 đến 10 mét. Vì vậy ,  những hệ thống này không thể đáp ứng được những ứng dụng yêu cầu độ  chính   xác cao. Một số  hệ  thống dẫn đường khác được phát triển dựa trên DGPS để  đảm bảo hiệu năng dẫn đường. phương pháp này không khả  thi trong một số  trường hợp thiên tai, khẩn cấp bởi vì việc lắp đặt trạm tĩnh đòi hỏi thời gian,   phạm vi hoạt động cũng bị hạn chế, tăng chi phí mà độ phức tạp. Hệ  thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU có thể  được sử  dụng cho hệ  thống đẫn đường UAV, đặc biết là trong trường hợp trạm tĩnh khó lắp đặt. Tự động hóa máy móc và phương tiện Hệ  thống đẫn đường dựa trên MEMS IMU tích hợp với GPS được sử  dụng rộng rãi trong các ứng dụng máy móc và phương tiện tự  động, chẳng hạn   như: máy khoan, máy  ủi, máy xúc…Hầu hết các hệ  thống này được phát triển   dựa trên DGPS. Phương pháp này không những tốn kém mà còn bị  giới hạn về  8
  8. phạm vi hoạt động. Vấn đề  khác nữa đó là sự  trượt chu kì xảy ra do tín hiệu  định vị  bị  che khuất. điều này dẫn đến sự  xuống cấp về  chất lượng của hệ  thống. Hệ  thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU có thể  hướng dẫn cho các máy  móc tự động không cần tới trạm tham chiếu mà vẫn đảm bảo độ chính xác và ổn   định cho dù tín hiệu GPS bị đứt quãng. 1.1.1.Định vị điểm chính xác GPS PPP sử dụng các phương pháp ko vi sai từ một bộ thu lưỡng tần số chẳng   hạn như  giả  khoảng cách, đo pha sóng mang kết hợp với dữ  liệu quỹ  đạo và  đồng hồ  chính xác  .Kĩ thuật này không phải chịu những hạn chế  của kỹ  thuật   GPS truyền thống và có thế  đưa ra độ  chính xác tương tự  độ   chính xác của kỹ  thuật DGPS mà không cần trạm tham chiếu. Một số  tổ  chức như  International   GPS Service (IGS) và Jet Propulsion Laboratory (JPL) cung cấp quỹ đạo vệ  tinh  và đồng hồ  chính xác. IGS là một tổ  chức dân sự, hoạt đông với mạng lưới các   trạm GPS lưỡng tần số chất lượng cao trên toàn cầu, cung cấp các thông số  về  quỹ đạo, đồng hồ, chuyển động quay của trái đất, trễ tầng đối lưu và tầng điện   ly. JPL sử dụng mạng lưới các trạm GPS trên toàn cầu, tính toán sai số của quỹ  đạo vệ  tinh và sai số  đồng hồ. Những thông số  này được truyền tới người sử  dụng thông qua internet. Bộ  tài nguyên thiên nhiên Canada cũng sử  dụng một  mạng lưới các trạm GPS để tạo ra thông số  hiệu chỉnh về đồng hồ  và quỹ  đạo   vệ  tinh. Những thông số  này cũng được phát qua internet và vệ  tinh MSAT của  Canada. Công nghệ định vị điểm chính xác được đưa ra bởi Zumberge et al. (1997) [1] cũng như bởi Kouba and Heroux (2000) [2] đề xuất phương pháp tính toán dữ  liệu quỹ đạo và đồng hồ sử dụng một phần của mạng IGS. Bằng cách sử dụng   dữ  liệu chính xác với chu kì 30 giây đối với đồng hồ  và 1phút đối với quỹ  đạo  của vệ  tinh. Kỹ  thuật này đã thu được những kết quả  triển vọng. Kouba and   Heroux (2000) lần đầu tiên đã đưa ra kỹ  thuật sử  dụng phương pháp đo mã và  9
  9. quan sát pha sóng mang từ bộ thu lưỡng tần số. Họ nhấn mạnh sự giảm lỗi, đặc  biết là lỗi liên quan đến phương pháp đo mã và quan sát pha sóng mang. Kết quả  thu được tương đương với kết quả của Zumberge’s (1997). Công trình nghiên cứu của Zumberge et al. (1997) cũng như  Kouba and   Heroux (2000)[2] tập trung sử dụng phương pháp đo giả khoảng cách và quan sát  pha sóng mang. Các thông số  chưa biết bao gồm số  nguyên lần bước sóng, độ  lệch đồng hồ  bộ  thu,và các thông số  về  tầng đối lưu. Gao and Shen (2001) đã   giới thiệu một mô hình quan sát mới sử dụng mức trung bình của đo mã và quan  sát pha sóng mang trên cả hai tần số L1 và L2 để hiệu chỉnh sự sai pha sóng mang   do tầng đối lưu gây ra. Mô hình  mới này cho phép ước tính số nguyên lần bước  sóng trên cả hai tần sốL1 và L2 đối với mỗi vệ tinh cùng với thông số về vị  trí,   sai số đồng hồ bộ thu và trễ tầng đối lưu. Sự  thành công của hệ thống định vị  điển chính xác đã cải thiện một cách  đáng kể tính linh hoạt và giảm giá thành của hệ thống, nó cũng làm gia răng các  ứng dụng sử dụng công nghệ GPS, chẳng hạn như: thăm dò địa hình , điều khiển   máy móc, theo dõi thời tiết. 1.1.2.Low cost MEMS IMU Vấn đề  then chốt của việc lựu chọn MEMS IMU sử dụng cho hệ th ống   INS thương mại là mức chi phí hợp lý. Với kích thướng nhỏ  hơn, giá cả  thấp   hơn, sự lựa chọn này đang được sử  dụng cho nhiều ứng dụng hiện  nay, những   ứng dụng này trước đây là không khả  thi do sự  ràng buộc về  kích thước và chi   phí. MEMS IMU được xếp vào loại cảm biến tự  động dựa trên hiệu năng và  mục đích ứng dụng. Xét về lỗi cảm biến của MEMS IMU, một số cách tiếp cận truyền thống   sử dụng IMU cao cấp là không phù hợp với MEMS IMU, chẳng hạn như phương   pháp  hiệu chỉnh thô không thể thực hiện với MEMS IMU. Vì vậy, các biện pháp  và cách tiếp cận phi truyền thống được sử dụng 10
  10. 1.2.Sơ lược về hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU 1.2.1.Sự kết hợp giữa GPS và INS sử dụng bộ lọc Kalman Trong những năm gần đây, một số  công trình nghiên cứu được tiến hành  để nghiên cứu sự hệ thống tích hợp GPS/INS sử dụng bộ lọc Kalman, Salychev   et al (2000)[3] and Nayak (2000)  áp dụng mô  hình liên kết lỏng  để  tích hợp   MotionPakTM MEMS IMU với DGPS sử dụng phép đo giả khoảng cách và quan   sát pha sóng mang. Hide (2003)nghiên cứu hệ thống tích hợp DGPS/INS sử dụng  mô hình kết hợp chặt chẽ cho các ứng dụng hàng hải dựa trên Crossbow AHRS   DMU­HDX IMU và đo pha sóng mang. Shin and El­Sheimy (2004) sử  dụng bộ  lọc unscented Kalman và extended Kalman để tích hợp DGPS và low cost MEMS   IMU. Li et al (2006) phát triên hệ thống tích hợp GPS/MEMS IMU liên kết lỏng   nhờ sự hộ trợ của hệ thống logic mờ. các hệ thống trên chủ yếu nghiên cứu hiệu  năng trong điều kiện môi trường thuận lợi. Một vài công trình nghiên cứu được tiến hành để  nghiên cứu hiệu năng   của hệ  thống trong môi trường thực tế, chẳng hạn như   ở  các hẻm khuất  ở  khi   vực đô thị. Hide and Moore (2005)[4] nghiên cứu hiệu năng định vị của hệ thống   tích hợp DGPS và low cost INS  ở khu vực đô thị. Nghiên cứu này cho thấy rằng   hệ  thống liên kết chặt cho hiệu năng tốt hơn hệ  thống liên kết lỏng. Hệ  thống  tích hợp  chặt  giữa  Crossbow   AHRS400  MEMS IMU   và   DGPS  tại  thành  phố  Nottingham(Mỹ)   có   độ   chính   xác   là   khoảng   20m   theo   phương   ngang.   Godha   (2006)[5] cũng nghiên cứu hiệu năng của hệ  thống tích hợp DGPS/MEMS IMU  và thu được độ chính xác ít hơn 10m theo phương ngang bằng cách sử  dụng mô   hình liên kết chặt chẽ giữa DGPS và Crista MEMS IMU mà không áp dụng bất  cứ  sự  ràng buộc chuyển động nào  ở  thị  trấn Calgary  ở  Canada. Tuy nhiên, việc  sử dụng DGPS sẽ làm gia răng chi phí hệ thống và giới hạn phạm vi hoạt động.  1.2.2.Mô hình cảm biến quán tính Một vài nghiên cứu đã được tiến hành để  mô tả  các lỗi ngẫu nhiên của  cảm biến quán tính, nhưng chủ  yếu vẫn là tập trung vào nhiễu cảm biến. Nói  11
  11. chung, nhiễu cảm biến bao gồm các thành phần tần số  cao( có tính chất của  nhiễu trắng) và thành phần tần số thấp (nhiễu này được xem như  sự  trôi và có   tính chất của nhiễu tương quan ) . CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC  PPP GPS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS Chương này xem xét các đặc tính của hai hệ thống. Trình bày các phương   pháp đo trong hệ thống GPS và các nguồn nhiễu ảnh hưởng tới độ chính xác của   hệ  thống GPS. Sau đó trình bày công nghệ  định vị  điểm chính xác với các biện  pháp cụ thể để loại trừ các nguồn lỗi ảnh hưởng tới hệ thống. Cuối cùng là trình   bày nguyên lý của hệ thống định vị quán tính INS bao gồm: các hệ tọa độ, bộ xử  lý INS, và thủ tục thiết lập các thông số ban đầu. 2.1. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS GPS là một hệ thống vệ tinh định vị  toàn cầu của Mỹ, cung cấp các dịch  vụ định vị, dẫn đường, và các dịch vụ  thời gian cho người sử dụng  trên toàn thế  giới một cách liên tụctại mọi lúc, mọi nơi, trong mọi điều kiện thời tiết. 2.1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS Phân hệ không gian Phân hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử và phát ra tín hiệu cao tần   chứa mã giả  ngẫu nhiên, và phát lại bản tin định vị  từ  các tín hiệu thu được (từ  phân hệ điều khiển). 12
  12. Phân hệ không gian bao gồm các thành phần sau: Chùm sao vệ tinh Chùm sao vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ,  được phân bố  trên 6 quỹ  đạo gần tròn, kí hiệu từ  A đến F, với đường kính   khoảng 20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo. Mỗi quỹ đạo co 4 ́   vệ tinh chính được kí hiệu từ 1 đến 4 và được phân bố đều. Chu kỳ của các vệ  tinh là 12 giờ. Cấu trúc quỹ  đạo vệ  tinh này cho phép người sử  dụng hệ  thống   GPS trên mặt đất có thể “nhìn thấy” tối thiểu là 4 vệ tinh và trung bình từ 6 đến  8 vệ tinh nếu không bị cản trở bởi các cấu trúc hạ tầng dưới mặt đất. Hình 2.1 Chòm sao vệ tinh Vệ tinh GPS Các vệ tinh có cấu trúc và cơ  cấu giữ  cho chúng  ở  trên quỹ  đạo, liên lạc  với phân hệ điều khiển, và phát tín hiệu tới máy thu. 13
  13. ̀ 2.2. Vệ tinh NAVSTAR. Hinh  Các vệ  tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: Chúng có thể  được  nhận biết bởi vị  trí của chúng trên quỹ  đạo (mỗi vệ  tinh có một vị  trí (1,2,3,…)   trên 6 quỹ  đạo: A,B,C,D,E,F) hay bởi số chứng nhận NASA, hoặc có thể  được  xác định bởi ID quốc tế, hoặc có thể bởi mã giả ngẫu nhiên PRN hay bởi số hiệu  SVN. Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một đồng hồ với độ chính xác rất cao.  Các đồng hồ đó hoạt động ở một tần số cơ bản 10.23 MHz, chúng được dùng để  phát tín hiệu xung, các tín hiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh. Phân hệ điều khiển Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ  hệ  thống, bao gồm   một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station – MCS) đặt tại căn cứ  không quân Schriever, Colorado Spring  ở  bang Colorado ­ Mỹ; năm trạm thu số  liệu được đặt quanh trái đất dọc theo đường Xích đạo, cụ thể là ở Nam Đại Tây   Dương(Ascension),   Ấn   Độ   Dương(Diego   Garcia),   Nam   Thái   Bình  Dương(Kwajalein), Hawaii và Colorado Spring; và ba trạm truyền số liệu đặt tại   Nam Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương, Nam Thái Bình Dương.[3] 14
  14. Hình 2.3. Phân hệ điều khiển. MCS làm nhiệm vụ  theo dõi trạng thái của các vệ  tinh, quản lý quỹ  đạo   vệ tinh và duy trì thời gian GPS. Từ đó dự  đoán các thông số quỹ đạo và đưa ra   giá trị  thời gian GPS đồng bộ  giữa các vệ  tinh, nhằm cập nhật dữ  liệu định vị  của các vệ tinh. Năm trạm thu số liệu có nhiệm vụ  theo dõi các tín hiệu vệ  tinh để  kiểm   soát và dự  đoán quỹ  đạo của chúng. Mỗi trạm được trang bị  những máy thu P­ code để thu các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính. Ba trạm truyền số liệu có khả  năng chuyển số  liệu lên vệ  tinh, gồm lịch  thiên văn mới, dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ, các bản tin, và các lệnh điều khiển từ  xa. Phân hệ sử dụng Phân hệ  sử  dụng bao gồm các bộ  thu GPS và cộng đồng người sử  dụng.   Các máy thu GPS sẽ chuyển đổi các tín hiệu vệ tinh thành các thông số vị trí, vận  tốc, và thời gian. Để tính toán các thông số vị trí (X, Y, Z) và thời gian, chúng ta   cần ít nhất bốn vệ tinh. Bộ thu GPS được sử  dụng cho các dịch vụ  định vị, dẫn  đường, phân phát thời gian, và các nghiên cứu khác. Với cấu trúc và đặc điểm của hệ  thống GPS như  trên, ta thấy rằng GPS   có rất nhiều  ưu điểm và đem lại nhiều lợi ích khi hoạt động. Các ứng dụng sử  15
  15. dụng dịch vụ GPS ngày càng được mở rộng và phát triển rộng rãi. Trong chương  tiếp theo, chúng ta sẽ nghiên cứu về câu truc, đ ́ ́ ặc điểm, và cách tạo tin hiêu GPS. ́ ̣ 2.1.2. Cấu trúc tín hiệu GPS Các tín hiệu và dữ liệu Các tín hiệu GPS được phát trên hai tần số vô tuyến trên băng UHF (500 MHz – 3   GHz). Các tần số này được đặt là L1 và L2 và được nhận từ một tần số chung f 0  = 10.23 MHz: FL1 = 154f0 = 1575.42 MHz            (2.1) FL2 = 120f0 = 1227.60 MHz            (2.2) Các tín hiệu được cấu thành từ 3 thành phần sau: Sóng mang: tần số fL1 và fL2. Dữ liệu định vị: bao gồm thông tin liên quan tới các quỹ đạo vệ tinh, có  tốc độ bit là 50 bps. Dãy trải phổ: mỗi vệ  tinh có hai dãy hoặc mã trải phổ.  Đó là mã C/A  (coarse acquisition) và một loại mã chính xác được mã hóa là mã P (Y). Lược đồ tín hiệu GPS Sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu GPS được trình bày trong hình 2.1 Đọc sơ  đồ  từ  trái qua phải. Ngoài cùng bên trái là tín hiệu đồng hồ  chính được  cấp cho các khối còn lại. Tín hiệu đồng hồ có tần số 10.23 MHz. Thực tế tần số  chính xác là 10.22999999543 MHz để  hiệu chỉnh các  ảnh hưởng tương đối với   tần số 10.23 MHz từ người sử dụng trên trái đất. Khi được nhân với 154 và 120,   nó tạo ra các tín hiệu sóng mang L1 và L2. Ở góc bên trái dưới cùng, một bộ hạn   chế được dùng để ổn định tín hiệu đồng hồ trước khi cấp cho các bộ tạo mã C/A   và mã P (Y).  Ở phía dưới là bộ tạo dữ  liệu có nhiệm vụ  tạo ra dữ  liệu định vị.   16
  16. Các bộ tạo mã và bộ tạo dữ liệu được đồng bộ qua tín hiệu X1 được cấp bởi bộ  tạo mã P (Y). Sau khi  tạo mã,  các  mã  được   kết hợp  với  dữ   liệu  định vị   qua   các   bộ   cộng   module­2. Phép XOR được dùng trên các dãy bit“0” và “1”, còn dạng phân cực 1  và ­1 thì phép XOR được thay thế bằng phép nhân thông thường. Hình 2.4. Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS. Các tín hiệu là mã C/A (hoặc mã P(Y)) cộng module­2 với dữ  liệu được  cấp cho hai bộ  điều chế  tần số  L1.  Ở  đây các tín hiệu được điều chế  trên tín   hiệu  sóng  mang   sử   dụng  phương   thức   điều   chế   pha   nhị   phân  BPSK.   Chú   ý   rằng,hai mã được điều chế theo pha và vuông pha với mỗi mã trên L1. Tức là có   một độ  dịch pha 900  giữa hai mã. Sau khi phần P(Y) bị  suy giảm 3 dB, hai tín  hiệu L1 này được cộng với nhau để được tín hiệu L1. Dịch vụ định vị chuẩn SPS   chỉ được xây dựa trên tín hiệu mã C/A. Tín hiệu được phát bởi vệ tinh k có thể được mô tả như sau: 17
  17. (2.3) Ở  đây PC, PPL1  và PPL2  là các mức công suất của các tín hiệu với mã C/A hoặc   P(Y), Ck là dãy mã C/A  ấn định cho số hiệu vệ tinh k, P k là dãy mã P(Y) ấn định  cho số hiệu vệ tinh k, Dk là chuỗi dữ liệu định vị, và fL1 và fL2 là các tần số sóng  mang của L1 và L2. Hình 2.5 mô tả ba phần hình thành nên tín hiệu trên tần số L1. Mã C/A lặp  lại chính nó mỗi ms, và một bit định vị kéo dài 20 ms. Do đó với mỗi bit định vị,   tín hiệu bao gồm 20 mã C/A đầy đủ. Hình 2.5. Cấu trúc tín hiệu L1. f(t) là sóng mang và C(t) là chuỗi mã C/A rời rạc. Như thấy  ở trên, tín hiệu này  lặp lại chính nó mỗi ms. D(t) là dòng bit dữ liệu định vị  rời rạc. Một bit định vị  kéo dài 20 ms. Ba phần của tín hiệu L1 được nhân để tạo tín hiệu cuối cùng. 18
  18. Hình 2.6. Điều chế BPSK trong tín hiệu GPS. Tín hiệu L1 cuối cùng là sản phẩm của các tín hiệu C, D và sóng mang.  Đồ thị bao gồm 25 chip đầu tiên của mã Gold cho PRN 1. Hình 2.6 mô tả mã Gold C, dữ liệu định vị D, tín hiệu cộng module­2 giữa  C, D và sóng mang. Tín hiệu cuối cùng được tạo ra bằng điều chế  BPSK, trong   đó sóng mang được dịch pha ngay tức thì 1800 ở thời điểm một thay đổi chip. Khi  chuyển tiếp bit dữ liệu định vị xảy ra (khoảng 1/3 từ cạnh bên phải), pha của tín   hiệu cuối cùng cũng bị dịch 1800. Tóm lại, với tín hiệu GPS, chiều dài mã là 1023 chip, tốc độ  chip là 1.023   MHz (chu kỳ là 1ms), tốc độ dữ liệu là 50 Hz (20 chu kỳ mã trên 1 bit dữ liệu), ~   90% công suất tín hiệu trong băng tần ~ 2 MHz. Mã C/A         Chúng ta chỉ xem xét tín hiệu GPS theo mã C/A. Các mã C/A là các mã Gold  và có tính chất của mã giả ngẫu nhiên PRN. Chuỗi Gold 19
  19. Các mã nhiễu giả  ngẫu nhiên PRN được phát bởi các vệ  tinh GPS là các  chuỗi xác định với các đặc tính giống nhiễu. Mỗi mã C/A được tạo ra bằng cách  sử dụng một thanh ghi dịch có hồi tiếp tuyến tính (LFSR) có phân nhánh. Nó tạo   ra một chuỗi có chiều dài tối đa N = (2n – 1) phần tử. Một mã Gold là tổng của hai chuỗi có chiều dài tối đa. Mã C/A của tín   hiệu  GPS  sử   dụng  n  =  10.   Chuỗi  p(t)   lặp  lại  theo  ms   nên  chiều  dài  chip  là   1ms/1023 = 977.5 ns  ≈ 1 µs, tương ứng với một chiều dài 300 m khi truyền dẫn   trong chân không hoặc không khí. Hàm tự tương quan (ACF) đối với mã C/A này  là: (2.4) Chuỗi này có 512 bit “1” và 511 bit “0” xuất hiện ngẫu nhiên, và hoàn toàn  xác định. Chuỗi Gold có tính giả ngẫu nhiên chứ không phải ngẫu nhiên. Ngoài ra  khoảng tương quan ACF của p(t) là ­1/N. Với mã C/A, hằng số  này là ­1/N =   ­1/1023, như hình 2.4.[1] ACF được biểu diễn như  tổng của hằng số này và một chuỗi vô hạn của hàm   tam giác rX(τ): (2.5) 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản