MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài GPS không xa lạ Việt Nam Đặc biệt với cở vật chất phát triển chóng mặt mạng viễn thông với cột mốc phóng vệ tinh Vinashat1 đòi hỏi GPS ngày trở lên đơn giản Trên giới khái niệm GPS tồn lâu áp dụng rộng rãi không quân nhiều mặt đời sống Vì nghiên cứu tìm hiểu ứng dụng công nghệ vào điều kiện cụ thể Việt Nam điều hoàn toàn thiết thực, đặc biệt lĩnh vực vận tải thủy Xuất phát từ phổ biến tầm quan trọng GPS, nhờ hướng dẫn giúp đỡ TS Phạm Văn Phước em sâu tìm hiểu đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật truy bám vệ tinh máy thu GPS cấu hình mềm” cho luận văn tốt nghiệp 1.2 Mục đích đề tài Nghiên cứu khả sử dụng phần mềm máy thu GPS để tăng độ xác 1.3 Cơ sở khoa học, ý nghĩa thực tiễn đề tài Nghiên cứu định vị áp dụng cho GPS, mô hình toán mô Hệ thống GPS áp dụng cho ngành khoa học trắc đạc 1.4 Phương pháp nghiên cứu đề tài Mô hình hóa toán học, phân tích hệ thống 1.5 Nội dung đề tài Nội dung đề tài gồm ba phần: Chương 1: Tổng quan hệ thống GPS Chương 2: Cấu trúc tín hiệu mã C/A GPS Chương 3: Máy thu GPS sử dụng phần mềm mô -1- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GPS 1.1 Lịch sử vắn tắt GPS Trong năm đầu 1960, số tổ chức phủ Mỹ bao gồm: Bộ Quốc phòng (DOD), Cơ quan Hàng không Vũ trụ (NASA), Bộ Giao thông (DOT) quan tâm đến việc phát triển hệ thống vệ tinh để xác định vị trí không gian ba chiều Hệ thống tối ưu xem có chức sau: phủ sóng toàn cầu, hoạt động liên tục điều kiện thời tiết, có khả phục vụ tảng thích ứng độ xác cao Khi Transit vào hoạt động năm 1964, chấp nhận rộng rãi với tảng thích ứng thấp Tuy nhiên hạn chế vốn có Hải quân Mỹ tìm cách phát triển Transit phát triển hệ thống dẫn đường vệ tinh khác với khả mong muốn đề cập trước Một số thay đổi hệ thống Transit ban đầu đề xuất nhà thiết kế Phòng thí nghiệm Vật lý ứng dụng Đại học Johns Hopkins Đồng thời, Phòng thí nghiệm nghiên cứu Hải quân (NRL) tiến hành thí nghiệm với đồng hồ không gian dựa tính ổn định cao để đạt việc truyền thời gian xác Chương trình định nghĩa Timation Những sửa đổi thực cho vệ tinh Timation để cung cấp khả xác định khoảng cách để xác định vị trí hai chiều Timation sử dụng phương pháp điều chế nội âm để xác định vị trí người sử dụng vệ tinh Tại thời điểm cải tiến Transit xem xét nỗ lực Timation tiến hành Air force khái quát nên hệ thống định vị vệ tinh ký hiệu hệ thống 621B Hình dung hệ thống vệ tinh 621B theo quỹ đạo elip góc nghiêng 0°, 30°, 60° Những thay đổi nhiều số lượng vệ tinh (15-20) cấu hình quỹ đạo họ kiểm tra Việc sử dụng điều chế tạp âm giả ngẫu nhiên (PRN) xác định cự ly với tín hiệu kỹ thuật số đề xuất Hệ thống -2- 621B cung cấp việc phủ sóng ba chiều dịch vụ liên tục, rộng khắp toàn giới Khái niệm kỹ thuật hoạt động kiểm chứng Yuma Proving Grounds sử dụng cự ly nghịch đảo vệ tinh giả truyền tín hiệu vệ tinh để định vị máy bay Hơn nữa, Quân đội Ft Monmouth, New Jersey, nghiên cứu nhiều công nghệ bao gồm xác định cự ly, xác định góc sử dụng phép đo Doppler Từ kết việc nghiên cứu quân đội, người ta đề nghị sử dụng phương pháp điều chế PRN việc xác định cự ly Năm 1969, Văn phòng Bộ trưởng Quốc phòng (OSD) thành lập chương trình Hệ thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (DNSS) để thống nỗ lực phát triển độc lập dịch vụ quốc phòng để tạo nên hệ thống sử dụng chung OSD thành lập Ban đạo điều hành vệ tinh Navigation Group chịu trách nhiệm xác định khả DNSS lập kế hoạch phát triển họ Từ nỗ lực này, hệ thống NAVSTAR GPS thành lập Chương trình NAVSTAR GPS phát triển Văn phòng chương trình kết hợp GPS (GPS Joint Program Office JPO) El Segundo, California JPO GPS tiếp tục giám sát việc phát triển sản xuất vệ tinh mới, thiết bị điều khiển mặt đất, máy thu người quân Mặc dù, hệ thống GPS phổ biến GPS đơn giản 1.2 Cấu trúc hệ thống GPS GPS bao gồm ba khâu: khâu không gian, khâu điều khiển, khâu người sử dụng - Khâu không gian vệ tinh hoạt động (24 vệ tinh) Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu bao gồm thành phần sau: hai sóng hình sin (thành phần sóng mang), hai chuỗi liệu số, thông điệp điều hướng Dữ liệu số thông điệp điều hướng kết hợp với sóng mang -3- cách điều chế nhị phân biphase Sóng mang chuỗi liệu số chủ yếu sử dụng để xác định khoảng cách từ máy thu người sử dụng đến vệ tinh GPS Thông điệp điều hướng bao gồm tọa độ vệ tinh, tọa độ biểu diễn dạng hàm biến đổi theo thời gian số thông tin cần thiết khác Tín hiệu phát điều khiển đồng hồ thứ nguyên có độ xác cao vệ tinh Tóm lại khâu không gian liên tục phát quảng bá tin dẫn đường tín hiệu vệ tinh đến máy thu GPS (mang thông tin vị trí SV thời điểm phát tin), trì thời gian tham chiếu với độ xác cao (sai số từ 10-14 đến 10-12 sec), nhận lưu thông tin từ trạm điều khiển mặt đất, thực hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh sai số đồng hồ - Khâu điều khiển hệ thống GPS bao gồm mạng lưới rộng khắp trạm truy bám (tracking station), với trạm điều khiển (MCSmaster control station) định vị Colorado Springs, Colorado, the United States Nhiệm vụ ban đầu khâu điều khiển theo dõi dấu vết vệ tinh GPS định vị tiên đoán vị trí vệ tinh, tình trạng hệ thống, hoạt động đồng hồ nguyên tử, liệu khí quyển, niêm giám vệ tinh số quan tâm khác Thông tin sau đóng gói upload lên vệ tinh GPS thông thường qua đường link băng S - Khâu người sử dụng bao gồm dân quân đội Một người sử dụng thu tín hiệu GPS có thu GPS kết nối với anten GPS Máy thu GPS tín hiệu thụ động thực thu tín hiệu vệ tinh mà không phát tín hiệu Sai số đo đạc máy thu GPS tùy thuộc vào dịch vụ định vị sử dụng (SPS PPS) 1.3 GPS – Một số khái niệm Khái niệm phía sau GPS đơn giản Nếu khoảng cách từ điểm trái đất (một thu GPS) tới ba vệ tinh xác định với -4- thông tin vị trí vệ tinh, vị trí điểm (bộ thu) mô tả cách áp dụng cách đơn giản khái niệm cắt bỏ Nhưng xác định khoảng cách từ vệ tinh tới điểm quan sát vị trí vệ tinh nào? Trước hết ta lấy ví dụ thực tế đơn giản sau: Nếu bạn vị trí mà bạn nhiên bạn gặp người lạ bạn hỏi người đó: - Xin lỗi cho hỏi địa danh vậy? bạn không nhận câu trả lời xác mà người lại cho bạn biết - Bạn cách Chợ Sắt 10km Lấy Chợ Sắt làm tâm thật khó cho vị trí bán kính R1 = 10km Bạn lại tiếp tục hỏi người thứ hai lần họ cho bạn biết bạn cách Cầu Lạc Long 8km Bạn mừng chút bạn biết điểm giao hai đường tròn Và bạn tiếp tục bạn hỏi người khác người cho biết bạn cách Ngã Năm 7km lúc bạn biết bạn đâu Đây cách xác định vị trí mặt đất Hệ thống định vị khó khăn chút: Thay đường tròn, bạn có mặt cầu Nếu bạn biết cách vệ tinh A khoảng 20km, bạn nơi mặt cầu khổng lồ có bán kính 20km Nếu bạn biết thêm bạn cách vệ tinh B 30km, giao tuyến hai mặt cầu đường tròn V Và bạn biết thêm khoảng cách đến vệ tinh C, bạn có thêm mặt cầu, mặt cầu giao với đường tròn V hai điểm Trái đất mặt cầu thứ tư, hai giao điểm nằm mặt đất, điểm thứ hai nằm lơ lửng không gian dễ dàng bị loại Với việc giả sử trái đất mặt cầu, ta bỏ qua cao độ bạn -5- Do để có tung độ, hoành độ cao độ bạn cần thêm vệ tinh thứ tư Để thực tính toán này, máy thu GPS phải biết hai thứ tối thiểu: * Vị trí ba vệ tinh bên * Khoảng cách máy thu GPS đến vệ tinh nói Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ vệ tinh, máy thu GPS tính toán hai thứ Máy thu loại xịn thu nhận tín hiệu nhiều vệ tinh đồng thời Sóng vô tuyến chuyển động với vận tốc ánh sáng chân không Máy thu tính toán khoảng cách dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến máy thu Sau tìm hiểu máy thu vệ tinh hoạt động để đo khoảng cách Đây trình phức tạp Vào thời điểm đó, giả sử lúc giờ, vệ tinh bắt đầu truyền chuỗi liệu dài, gọi mẫu giả ngẫu nhiên Máy thu bắt đầu tạo chuỗi mã giống hệt vào thời điểm Khi tín hiệu từ vệ tinh truyền đến máy thu, chuỗi tín hiệu bị trễ chút so với chuỗi máy thu tạo Trên lý thuyết mặt cầu phải giao điểm Nhưng sai số đồng hồ quartz rẻ tiền, mặt cầu không cho giao điểm Biết sai số gây đồng hồ máy thu Δt, máy thu dễ dàng loại trừ sai số cách tính toán lượng hiệu chỉnh cần thiết để cầu giao điểm Dựa vào đó, máy thu tự động điều chỉnh đồng hồ cho đồng với đồng hồ nguyên tử vệ tinh Nhờ mà đồng hồ máy thu có độ xác gần tương đương với đồng hồ nguyên tử Vậy chuyện đo khoảng cách giả ổn thỏa -6- Hình 1.1: Hình thức xác định vị trí máy thu Biết khoảng cách phải biết thêm vị trí xác vệ tinh quỹ đạo Điều không khó vệ tinh chuyển động quỹ đạo biết trước dự đoán Trong nhớ máy thu có chứa bảng tra vị trí tính toán tất vệ tinh vào thời điểm gọi Niên giám (Almanac) Lực hút mặt trăng, mặt trời có ảnh hưởng định làm thay đổi quỹ đạo vệ tinh chút xíu Bộ quốc phòng Mỹ liên tục theo dõi vị trí xác vệ tinh truyền thông số hiệu chỉnh đến máy thu thông qua tín hiệu vệ tinh Vậy hai vấn đề khoảng cách vị trí giải xong, hệ thống hoạt động tốt, nhiên, người ta nhận thấy hệ thống có nhiều sai số Nguyên nhân việc giả sử tín hiệu vệ tinh truyền theo đường thẳng đến máy thu với vận tốc không đổi Trong thực tế, bầu khí trái đất nhiều làm chậm tốc độ truyền, đặc biệt sóng điện từ -7- qua tầng điện ly tầng đối lưu Do tính chất tầng khác vị trí khác trái đất nên độ trễ phụ thuộc vào vị trí máy thu mặt đất, điều có nghĩa khó loại trừ sai số Gần người ta tạo mô hình toán học mô tính chất bầu khí trái đất để giảm thiểu sai số Ngoài ra, tín hiệu phản xạ từ vật thể lớn nhà cao tầng, tạo cho máy thu sai số đến từ khoảng cách xa Bộ quốc phòng Mỹ đưa thêm vào sai số nhân tạo gọi Selective Availability hay SA Theo lý thuyết cần khoảng cách đến vệ tinh mà truy bám đồng thời tính vị trí Trong trường hợp này, thu định vị chỗ giao ba hình cầu, hình cầu có bán kính tương ứng với khoảng cách vệ tinh-khối thu tâm vệ tinh (hình 1.2) Tuy nhiên, thực tế phải cần đến vệ tinh để mô tả độ lệch đồng hồ vệ tinh đồng hồ khối thu Hình 1.2: Nguyên tắc định vị GPS 1.4 Nguyên lý hoạt động GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần theo quỹ đạo xác phát tín hiệu mang thông tin xuống trái đất Các máy thu GPS nhận thông tin phép tính lượng giác tính xác vị trí người dùng Về chất, máy thu GPS so sánh thời gian tín -8- hiệu phát từ vệ tinh với thời gian nhận tín hiệu khối thu Sai lệch thời gian cho biết khối thu GPS cách vệ tinh bao xa Rồi với khoảng cách đo từ khối thu đến vệ tinh, khối thu tính vị trí người dùng hiển thị lên đồ điện tử máy Máy thu GPS phải khóa với tín hiệu ba vệ tinh để tính ví trí hai chiều (kinh độ vĩ độ) để theo dõi chuyển động vệ tinh Với bốn hay nhiều số lượng vệ tinh diện tầm nhìn, máy thu tính vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ cao độ) Một vị trí người dùng tính máy thu GPS tính thêm thông tin khác tốc độ, hướng chuyển động, truy bám di chuyển, khoảng hành trình, khoảng cách tới điểm đến, thời gian Mặt trời mọc, lặn nhiều thông tin khác Hoạt động GPS bị ảnh hưởng yếu tố sau: • Khi vệ tinh gần nhau, chúng khiến việc xác định vị trí xác trở nên khó khăn • Vì tín hiệu vô tuyến từ vệ tinh xuyên qua tầng điện ly tầng đối lưu, tốc độ cần thiết để tín hiệu truyền tới thiết bị nhận bị chậm Hệ thống GPS có dự phòng điều cách tính thêm khoảng thời gian chậm trễ trung bình, không hoàn toàn xác • Chướng ngại lớn dãy núi hay tòa nhà cao tầng làm cho thông tin bị sai lệch • Giữa thiết bị nhận (nhất người dùng cá nhân) với vệ tinh (có thể không hoàn toàn trùng khớp mặt thời gian) vệ tinh chạy lệch khỏi quỹ đạo 1.5 Những chế độ định vị GPS Định vị GPS tiến hành theo hai cách: định vị điểm định vị tương đối -9- 1.5.1 Định vị điểm GPS Hình 1.3: Nguyên tắc định vị điểm GPS Định vị điểm GPS hay gọi định vị tự trị bao gồm khối thu GPS Trong khối thu GPS truy bám đồng thời vệ tinh GPS để mô tả tọa độ so với gốc tọa độ tâm trái đất (Hình 1.3) Hầu hết khối thu GPS có mặt thị trường có khả hiển thị tọa độ định vị điểm Bất nào, để mô tả vị trí điểm khối thu đòi hỏi phải có tọa độ vệ tinh khoảng cách từ khối thu đến bốn vệ tinh Khối thu có tọa độ vệ tinh thông qua tin điều hướng, khoảng cách có từ mã P mã C/A, phụ thuộc vào dạng khối thu (dân hay quân sự) Như đề cập trước đó, đo lường cự ly giả bị làm sai lệch lỗi đồng đồng hồ khối thu đồng hồ vệ tinh Điều chỉnh lỗi đồng hồ vệ tinh thực tin điều hướng; lỗi đồng hồ khối thu xem tham số phụ tiến trình đánh giá Như vậy, có tổng cộng tham số: bat ham số tọa độ khối thu tham số lại lỗi đồng đồng hồ khối thu Đây lý ta cần tối thiểu bốn vệ tinh Nếu có nhiều bốn vệ tinh kỹ thuật lọc Kalman sử dụng Khi mà tọa độ vệ tinh thuộc hệ thống WGS 84 tọa độ khối thu - 10 - Quá trình hoạt động để thêm thời gian tốt cho thời gian khác Để có kết tốt giá trị thời gian tốt thu từ việc điều khiển tay điểm liệu khoảng 1m2 Có thể sử dụng thời gian tương đối 0; 35935; 47222, – 15232 để tính toán cự ly giả Trong tính toán này, vài cự ly giả âm Một số thêm vào thời gian tương đối để làm cho dương; nhiên, điều không cần thiết mà bước thuận tiện mà Khi trễ thời gian từ vệ tinh tới người sử dụng phạm vi từ 67-86 ms giá trị hai số lựa chọn hợp lý Mặc dù thảo luận cự ly giả đơn vị thực tế thời gian chúng thay đổi thành đơn vị khoảng cách cách nhân với tốc độ ánh sáng Các cự ly giả ρ tính sau: ρ = c(const + diff of dat +finetime) (3.4) đó: c = 299792458 m/s tốc độ ánh sáng; const số lựa chọn tùy ý để làm cho tất cự ly giả dương; thời gian chuyển tiếp tương đối (diff of dat) liệt kê cột cuối Bảng 3.1; thời gian tốt thu từ chương trình truy bám Chúng ta chọn const = 75 ms Với ví dụ trên, bốn cự ly giả (pr) tính sau: ρ1 = 299792458 × (75 × 10-3) ρ2 = 299792458 × (75 × 10-3 + 35935 × 200 × 10-9) ρ3 = 299792458 × (75 × 10-3 + 47222 × 200 × 10-9) ρ4 = 299792458 × (75 × 10-3 - 15232 × 200 × 10-9) Trong công thức thời gian tốt Để tính toán thực tế thời gian tốt phải có phương trình Ngoài phải bao gồm giới hạn hiệu chỉnh tầng điện ly công thức (2.8) (2.9) giới hạn điều chỉnh - 68 - tầng đối lưu phương trình (2.19) Kết thu từ công thức (2.19) mét phải chia cho tốc độ ánh sáng để chuyển sang thời gian Cần lưu ý số hiệu chỉnh tầng điện ly khung phụ Việc sử dụng thông tin ba khung phụ thực việc hiệu chỉnh tầng điện ly Như đề cập trên, phần khởi đầu mã C/A có độ phân giải thời gian 10 ms Sự khởi đầu khung phụ có độ phân giải thời gian 20 ms Điểm liệu dẫn đường khác biệt ms có độ phân giải thời gian ms Những số lượng sử dụng để xác định phần mở đầu khung phụ vòng ms Như vậy, giá trị phần mở đầu mã C/A giới hạn lên đến 5.000 (1 ms) Các giá trị lớn phần mở đầu mã C/A 9802893; 9803828; 9850115 9752661 thể hình 3.6a, 3.6b, 3.6c, 3.6d không cần thiết Bốn giá trị phần lại bốn giá trị trừ bội số 5.000 Kết 2893; 3828; 115 2661 Những liệu liệt kê Bảng 3.3 - 69 - Bảng 3.3 Cự ly giả tương đối thô với phần mở đầu mã C/A Sat a b c d nav 10 17 sfg 100 100 100 99 inds 196 196 197 195 difms 7 bca(ind) 2893 3828 115 2661 dat 9802893 9838828 9850115 9787661 diff of dat 35935 47222 -15232 Chỉ có khác Bảng 3.3 3.2 cột thứ Phần mở đầu khung phụ tính sau: dat = 10 × 5000 × ind + 5000 × difms + bca(ind) (3.5) Vì dat có độ phân giải thời gian 10 ms, difms có độ phân giải thời gian ms ms có 5000 điểm liệu Với việc sử dụng công thức giá trị giống dat thu liệt kê bảng Trong chương trình khối thu phần mềm thực tế, phần mở đầu mã C/A sử dụng giá trị nhỏ 5000 Trong phần thảo luận tác vụ tìm điểm liệu đầu vào phù hợp với phần mở đầu khung phụ Thảo luận nhiều cách tiếp cận để thực mục đích 3.10 Thời gian hệ thống GPS thời điểm truyền hiệu chỉnh thời gian phát (tc) Kể từ thời gian biến hệ thống tọa độ mặt đất cố định, mặt đất trung tâm thời gian phải sử dụng để xác định vị trí người sử dụng Tất tín hiệu GPS từ vệ tinh khác truyền thời điểm ngoại trừ lỗi đồng hồ vệ tinh Tuy nhiên, tất tín hiệu đến khối thu thời điểm khác cự ly giả khác Thời gian nhận thời gian truyền cộng với thời gian chuyển tiếp Thời gian chuyển tiếp thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh tới người sử dụng, cự ly giả chia cho tốc độ ánh sáng Việc lựa chọn thời gian điều hợp lý (thời gian nhận) để đo vị trí người dùng Khi thời gian thu chọn để tham chiếu thời gian truyền thu cách lấy thời - 70 - gian thu trừ thời gian chuyển tiếp Khi thời gian chuyển tiếp vệ tinh khác khác thời gian truyền vệ tinh khác khác Điều không hợp lý tất thời gian truyền vệ tinh khác gần Sự khác giải thích việc lựa chọn thời gian thu tham chiếu làm cho thời gian truyền khác Thời gian truyền tham chiếu thời gian truyền điều chỉnh thời gian chuyển tiếp ký hiệu tc Như thảo luận phần trước, thời gian chyển tiếp đo độ lệch đồng hồ người sử dụng chưa biết Chỉ thời gian chuyển tiếp tương đối vệ tinh khác đo Thời gian tc tìm từ thời gian chuyển tiếp tương đối thời gian tuần (TOW), với độ phân giải thời gian ms Các TOW thu từ vệ tinh khác nên có giá trị giống độ phân giải thời gian giây thời gian chuyển tiếp 67-86 ms Thời gian tc thu cách lấy TOW trừ thời gian chuyển tiếp tương đối công thức sau: tc = TOW – relative transit time = TOW – diff of dat × 200 × 10-9 (3.6) Ý nghĩa việc trừ thời gian truyền thời gian nhận trước Thời gian chuyển tiếp tương đối tương tự khác biệt điểm liệu số hóa (diff of dat) 200 × 10-9 thời gian điểm số hóa 3.11 Tính toán vị trí vệ tinh Chúng ta sử dụng liệu thu để tính toán chuyển động trung bình theo công thức (4.33): (3.7) Trong µ = 9386005 × 108 m3/s2 tham số vạn vật hấp dẫn trái đất, as bán trục lớn quỹ đạo vệ tinh thu từ khung phụ - 71 - bit từ 227-234 từ 241-264, Δn khác biệt chuyển động trung bình thu từ khung phụ bit từ 91-106 Việc hiệu chỉnh thời gian GPS thời gian truyền (tc) phải thực trước tiên Sự hiệu chỉnh tính theo công thức sau: Nếu tc - toe > 302400 tc → tc – 604800 tc - toe < - 302400 tc → tc + 604800 (3.8) Trong tc tính từ (9.6) toe (khung phụ 2, bit từ 271-286) lịch thiên văn thời gian tham chiếu thu từ liệu dẫn đường Nếu thời gian hệ thống GPS thời gian truyền (tc) tính cự ly trung bình tính theo công thức: M = M0 + n (tc - toe) (3.9) Trong M0 cự ly trung bình thời gian tham chiếu thu từ khung phụ bit từ 107-114, từ 121-144 Cự ly lệch tâm E tìm theo công thức: E = M + es sin E (3.10) Trong es độ lệch tâm quỹ đạo vệ tinh thu từ khung phụ với bit từ 167-174 từ 181-204 Vì công thức không tuyến tính nên phải sử dụng phương pháp lặp lặp lại để thu E Giới hạn điều chỉnh tương đối tìm theo công thức: (3.11) Trong F = -4.442807633 × 10-10 sec/m1/2 số, es, as E đề cập công thức (3.7) (3.10) Giới hạn hiệu chỉnh thời gian tổng thể nêu công thức sau: Δt = af0 + af1(tc – toc) + af2(tc – toc) + Δtr – TGD - 72 - (3.12) Trong af0 (271-292), af1(249-264), af2 (241-248), toc (219-234) hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, TGD ( 197-204 ) chênh lệch độ trễ nhóm xấp xỉ, tất thu từ khung phụ Thời gian GPS thời điểm truyền sửa lại theo công thức sau: t = tc - Δt (3.13) Cự ly thật tính theo công thức sau: (3.14) góc ø tính theo công thức sau: π≡ν+ω (3.15) Trong ω tham số cận điểm (khung phụ 3, bit từ 197-204 211-234) thu từ liệu dẫn đường Các giới hạn hiệu chỉnh cần thiết sau công thức: δφ = Cus sin2ø + Cuc cos2ø δr= Crs sin2ø + Crc cos2ø δi = Cis sin2ø + Cic cos2ø (3.16) Trong Cus (khung phụ 2, bit 211-226), Cue (khung phụ 2, bit 151-166), Crs (khung phụ 2, bit 69-84), Crc (khung phụ 3, bit 181196), Cis (khung phụ 3, bit 121-126), Cic (khung phụ 3, bit 61-76) thu từ liệu dẫn đường Ba thuật ngữ sử dụng để hiệu chỉnh thuật ngữ công thức sau: - 73 - (3.17) Trong idot (khung phụ 3, bit 279-292) tỉ lệ góc nghiêng thu từ liệu dẫn đường, t tính từ công thức (3.13) Góc nút trọng điểm kinh tuyến Greenwich kinh tuyến Ωer tính theo công thức sau: Ωer = Ωe + Ω(t-toe) – Ωiet (3.18) Hai bước cuối để tìm vị trí vệ tinh điều chỉnh cự ly giả giới hạn điều chỉnh đồng hồ tổng thể sau: = (3.19) Chương trình máy tính (p3_6) liệt kê phụ lục để minh họa cho việc tính toán vị trí vệ tinh 3.12 Tính toán vị trí người sử dụng hệ tọa độ Đề Các Việc tính toán vị trí người sử dụng đề cập Chương Đầu vào vị trí vệ tinh cự ly giả Về mặt lý thuyết, vị trí người sử dụng xác định theo công thức sau: = + = + = + - 74 - = + (3.20) Tuy nhiên công thức khó giải vấn đề nên sử dụng lặp lặp lại công thức sau: (3.21) 3.13 Điều chỉnh hệ tọa độ vệ tinh Như đề cập phần trước, hệ tọa độ trung tâm mặt đất, hệ tọa độ mặt đất cố định chức thời gian Thời gian sử dụng để tính toán vị trí vệ tinh thời gian sử dụng để tính toán vị trí người sử dụng khác Thời gian sử dụng để tính toán vị trí vệ tinh điều chỉnh để giống với thời gian để tính toán vị trí người sử dụng Ba phương trình sau sử dụng ặp lặp lại để thực việc điều chỉnh Trước tiên cự ly giả thời gian chuyển tiếp xác định theo công thức sau: (3.22) Trong x, y, z xu, yu, zu tọa độ vệ tinh người sử dụng tương ứng, c vận tốc ánh sáng Sử dụng thời gian chuyển tiếp để thay đổi góc Ωer công thức sau: - - 75 - (3.23) Sử dụng Ωer phần công thức (3.19) để tính toán vị trí vệ tinh x, y, z hệ tọa độ Từ vị trí vệ tinh này, vị trí người sử dụng xu, yu, zu tính toán lại từ công thức (3.21) Bốn công thức (3.19), (3.21) , (3.22) (3.23) sử dụng lặp lặp lại thay đổi x, y, z (hoặc x u, yu, zu) nhỏ giá trị xác định trước Vị trí cuối vị trí người sử dụng x u, yu, zu mong muốn 3.14 Chuyển đổi vị trí người sử dụng sang hệ tọa độ mặt đất Khi vị trí người sử dụng xu, yu, zu hệ tọa độ Đề xác định chuyển đổi sang hệ tọa độ cầu vị trí người sử dụng bề mặt trái đất đưa công thức (2.17) - (2.19) vĩ độ trắc địa L, kinh độ trắc địa l, cao độ trắc địa h: = = (3.24) Trong Lc vĩ độ địa tâm Tuy nhiên, bề mặt trái đất khối cầu hoàn toàn hình dạng trái đất phải xét đến Vĩ độ trắc địa L sử dụng đồ phải tính toán Lc thông qua công thức sau: = + = + - 76 - (9.25) Trong ep dạng elip Phần thứ hai công thức viết lặp lặp lại Cao độ tính theo công thức sau: = - (3.26) Ba giá trị cuối cùng, vĩ độ L, kinh độ l, độ cao h vị trí người sử dụng mong muốn Vĩ độ kinh độ thường biểu thị độ, phút giây độ phút Chương trình máy tính (p3_7) liệt kê phụ lục để minh họa việc tính toán vị trí người sử dụng Chương trình tích hợp việc hiệu chỉnh vị trí người sử dụng vị trí vệ tinh với 3.15 Chuyển tiếp từ chương trình thu thập liệu sang chương trình truy bám Phần đề cập dựa sở liệu số hóa lưu trữ nhớ Tuy nhiên việc xây dựng khối thu thời gian thực thông tin thu từ chương trình thu thập liệu phải chuyển qua chương trình truy bám cách kịp thời Theo phương thức tiếp cận phần mềm trình thu thập liệu thực tập hợp liệu thu thập trình bám xử lý liệu đến Với cường độ tín hiệu thông thường chương trình thu thập liệu phải giây để xử lý ms liệu số hóa để tìm tín hiệu sử dụng máy tính máy tính Pentium 400 MHz Vì vậy, chương trình truy bám xử lý liệu thu thập sau chương trình thu thập liệu đươc sử dụng khoảng giây Hình 3.7 cho thấy hoạt động Dữ liệu sử dụng cho việc nhận dạng Thời gian nhận dạng Bắt đầu truy bám Hình 3.7: Chuyển tiếp thời gian yêu cầu từ nhận dạng sang truy bám Câu hỏi đặt liệu thời gian thu thập liệu tối đa đủ ngắn để chương trình truy bám xử lý liệu Phần - 77 - việc chia tách thời gian cho phép tối đa liệu thu thập liệu truy bám Các kết thu thực nghiệm Hai tham số, tần số sóng mang phần mở đầu mã C/A thu từ chương trình thu thập liệu chuyển qua chương trình truy bám Nếu hai thông số biết bắt đầu truy bám liệu Sóng mang thu từ việc thu thập liệu sử dụng chương trình truy bám phần mở đầu khác mã C/A từ việc thu thập liệu phải sử dụng liệu thu Về mặt lý thuyết, phần mở đầu mã C/A xác nhận từ tần số sóng mang Tuy nhiên, tần số lấy mẫu nằm giá trị mong muốn Vì vậy, tập hợp liệu số hóa trước hết phải kiểm tra thực nghiệm Quá trình kiểm tra để xử lý liệu thu thập tìm mối liên hệ tần số sóng mang phần mở đầu mã C/A Kết thu cách truy theo nhiều vệ tinh để thu thập liệu Sau kết thu được, sử Dịch chuyển phần mở đầu tích lũy mã C/A dụng cho tất vệ tinh Đơn vị thời gian 10ms - 78 - Hình 3.8: Dịch chuyển điểm mở đầu tích lũy thời gian mã C/A Dữ liệu sử dụng cho minh họa lấy từ số hóa kênh IQ Tần số lấy mẫu danh nghĩa 3,2 MHz Dữ liệu chuyển đổi sang dạng thực với tần số lấy mẫu tương đương 6.4 MHz tần số trung tâm 1,6 MHz Hình 3.8 cho thấy dịch chuyển điểm khởi đầu tích lũy mã C/A theo thời gian Kết đường thẳng; coi chúng đường dịch chuyển tích lũy Mỗi đường bao gồm 12.400 điểm liệu đầu vào vệ tinh Nếu tần số lấy mẫu xác đường nên có hệ số góc âm dương để đưa dịch tần Doppler dương âm Các kết Hình 3.8 tần số lấy mẫu 1,6 Tần số Doppler (Hz) MHz, hệ số góc đường dương Hệ số góc đường tích lũy - 79 - Hình 3.9: Tần số Doppler gia với hệ số góc đường tích lũy Hệ số góc đường biểu thị dịch tần Doppler đo kết thể hình 3.9 Tần số Doppler đo khác biệt tần số đo thông qua chương trình truy bám tần số trung tâm giả định 1,6 MHz Kết gần đường thẳng Từ hai hình xác định dịch chuyển mong muốn phần mở đầu C/A Ví dụ, giá trị định tần số Doppler đo từ hình 3.9 hệ số góc đường tích lũy thu Hệ số góc sử dụng để vẽ đường thể Hình 3.8 Điểm khởi đầu tích lũy mã C/A tìm thấy hàm thời gian Phương pháp sử dụng để tìm thời gian tối đa từ liệu sử dụng việc thu liệu để truy bám Đối với tất vệ tinh thời gian tối thiểu thu 30 giây Chỉ giây để thực việc thu liệu; đó, có nhiều thời gian để chuyển tiếp thông tin cần thiết cho chương trình truy bám Do đó, hai thông số: tần số sóng mang phần mở đầu mã C/A sử dụng cho máy thu thời gian thực - 80 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Với tìm hiểu nghiên cứu đồ án em trình bày ba vấn đề gồm: Chương 1: Tổng quan hệ thống GPS: Trình bày cách tổng quát hệ thống GPS, nguyên tắc hoạt động, phương thức định vị vệ tinh Chương 2: Cấu trúc tín hiệu mã C/A GPS: Chương chủ yếu đề cập đến mã C/A Việc phát mã C/A thuộc tính giới thiệu liên quan mật thiết với việc thu truy bám tín hiệu GPS Chương 3: Máy thu GPS sử dụng phần mềm mô phỏng: Chương mô tả máy thu GPS theo luồng tín hiệu Dữ liệu số hóa sử dụng đầu vào để thực việc thu tìm tín hiệu tất vệ tinh Khi tín hiệu tìm thấy chúng truy bám Kết chương trình truy bám chuyển đổi thành liệu dẫn đường Đồng thời chương minh họa chuyển tiếp từ việc thu liệu sang truy bám khối thu phần mềm đạt với ứng dụng thời gian thực chương trình mô phần mềm nghiên cứu GPS Với bùng nổ công nghệ thông tin đồ án em nhiều hạn chế phạm vi tìm hiểu hẹp Hướng phát triển đồ án tốt nghiệp em cần sâu nâng cao vào phương thức truyền dẫn ngôn ngữ lập trình phần mềm cho phù hợp với xu hướng phát triển thời đại Do nhiều mặt hạn chế nên em mong nhận sẹ đóng góp ý kiến Thày, cô, bạn đồng nghiệp để đồ án ngày hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! - 81 - TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Phạm Văn Phước (2011), Giáo trình Hệ thống Định vị Dẫn đường điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Elliott D.Kaplan Christopher J.Hegarty (2006), Understanding GPS (Principles and Appications), 2nd edition Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification, 2nd edition., GPS Joint Program Office, June 2, 1995 James Bao-Yen Tsui (2005), Fundamentals of Global Positioning System Receivers, 2nd edition Spilker, J J (1978), “GPS signal structure and performance characteristics,” Navigation, Institute of Navigation Spilker, J J Jr (1978), “GPS signal structure and theoretical performance,” Chapter in Parkinson, B W., Spilker, J J Jr., Global Positioning System: Theory and Appli- cations L’Enfant Promenade, SW, Washington, DC, 1996 - 82 - [...]... gian của tuần trong các khối 6 giây TOW là LSB rút gọn của việc đếm Z * Hai bit tiếp theo (18, 19) là các bit cờ Đối với cấu hình vệ tinh 001 (vệ tinh block II) bit 18 là bit cảnh báo và bit 19 là bit thực Hầu hết các vệ tinh block I là các vệ tinh thử nghiệm và tất cả các vệ tinh nằm trong quỹ đạo là từ vệ tinh block II Khi bit 18 = 1, thì nó chỉ ra rằng độ chính xác dải người sử dụng vệ tinh có thể... nhiên, hầu hết những khối thu GPS đều cung cấp tham số chuyển đổi giữa WGS 84 và nhiều datum cục bộ trên toàn thế giới 1.5.2 Định vị tương đối GPS Hình 1.4: Nguyên tắc định vị tương đối GPS Định tương đối GPS hay còn gọi là định vị sai phân, sử dụng hai khối thu GPS để truy bám dấu vết cùng một vệ tinh nhằm mô tả những tọa độ tương đối của nó Một trong hai khối thu này gọi là khối thu nền, nó duy trì vị... chiếu được sử dụng tại vệ tinh là 10,229999995433MHz (10,23x106-4,567x10-3) Khi một khối thu GPS thu các tín hiệu này thì các tần số này là các tần số mong muốn Tuy nhiên sự di chuyển của vệ tinh và khối thu có thể gây ra ảnh hưởng Doppler Sự dịch chuyển tần số Doppler sinh ra bởi sự di chuyển vệ tinh tại tần số L1 là xấp xỉ ±5 KHz Cấu trúc tín hiệu của vệ tinh có thể được sửa đổi trong tương lai Tuy... được thu từ dữ liệu dẫn đường Dữ liệu thiên văn được sử dụng để thu được vị trí vệ tinh Cuối cùng, vệ tinh người sử dụng có thể được tính toán từ các vị trí vệ tinh và các cự ly giả Phần mềm được sử dụng để tìm vị trí người sử dụng sẽ được đề cập trong luận văn này - 12 - CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC TÍN HIỆU MÃ C/A GPS 2.1 Giới thiệu Để thực hiện việc tính toán vị trí người sử dụng, vị trí của các vệ tinh và... phần mềm và đây cũng là lý do vì sao luận văn này lại quan tâm đến phần mềm Việc thu tín hiệu có nghĩa là tìm tín hiệu của một vệ tinh nào đó Chương trình truy bám được sử dụng để tìm chuyển tiếp pha của dữ liệu dẫn đường Trong một khối thu thông thường, chương trình thu và truy bám được thực hiện bởi phần cứng Từ chuyển tiếp pha dữ liệu dẫn đường, các khung phụ và dữ liệu dẫn đường có thể được thu. .. khung phụ Truy bám Thu Phần mềm Hình 1.5: Khối thu GPS cơ bản Tín hiệu phát từ các vệ tinh GPS được thu bởi antenn Qua chuỗi tần số vô tuyến (RF) tín hiệu đầu vào được khuyếch đại thành biên độ riêng và tần số này được biến đổi thành tần số đầu ra mong muốn Bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) được sử dụng để số hóa tín hiệu đầu ra Anten, chuỗi tần số RF và ADC là phần cứng sử dụng trong khối thu Sau khi... hiệu OK ⇒ Vệ tinh tạm thời lỗi – không sử dụng vệ tinh trong thời gian này ⇒ Vệ tinh sẽ tạm thời bị lỗi – lưu ý khi sử dụng ⇒ Dự trữ ⇒ Nên yêu cầu nhiều hơn một sự phối hợp để mô tả những điều bất thường ⇒ Điều chế mã vệ tinh hoặc/và có vấn đề trong việc tryền mức tín hiệu – điều cái chế dữ liệu dẫn đường cố định: tuy nhiên, người sử dụng có thể gặp các vấn đề nhận dạng gián đoạn nếu vệ tinh thu được... người sử dụng là tàu bay như thể là đang ở trong búp sóng chính của tín hiệu GPS và không nằm trong vùng tối của trái đất thì nó có thể thu được tín hiệu này Các tín hiệu được phát bởi anten vệ truy n tới anten là phân cực thu n Do đó, anten khối thu sẽ được phân cực thu n để đạt được hiệu quả tối đa - 15 - Hình 2.1: Chùm chính của tín hiệu GPS 2.3 Tín hiệu đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) Tín hệu... cứ thay đổi nào trong việc điều chỉnh các tham số IODC đa phát sẽ khác so với bất cứ giá trị nào đã phát bởi vệ tinh trong vòng bảy ngày trước đó * Chênh trễ nhóm ước lượng TGD (197-204): Thông tin 8 bit này là một thu t ngữ hiệu chỉnh đồng hồ để tính toán độ chênh trễ nhóm vệ tinh * Các tham số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh: Khung phụ này cũng chứa các bốn tham số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh: toc (219-234),... số về tọa độ vệ tinh được chứa trong khung phụ đầu tiên của mỗi trang Nếu có thể thu thông tin của ba khung phụ từ bốn hoặc nhiều hơn bốn vệ tinh thì vị trí người sử dụng có thể được tìm thấy Về mặt lý thuyết, người ta có thể chỉ cần lấy tối thiểu 18s của dữ liệu từ bốn vệ tinh là có thể tính toán được vì trí người sử dụng Tuy nhiên, các khung phụ từ mỗi vệ tinh sẽ không đạt tới khối thu tại cùng một