Tài liệu Bài giảng công nghệ định vị toàn cầu (global positioning system)

Công nghệ định vị toàn cầu Global Posiotioning System 1 Công nghệ định vị toàn cầu Global Posiotioning System Hệ thống định vị toàn cầu- GPS Là hệ thống định vị vệ tinh được bắt đầu nghiên cứu từ năm thập kỷ 70 do quân đội Mỹ chủ trì.  Trong những năm đầu thập kỷ 80, quân đội Mỹ chính thức cho phép sử dụng hệ thống GPS trong dân sự.  2 cấu tạo hệ thống định vị toàn cầu satellite positioning system configuration Cấu tạo hệ thống định vị toàn cầu Công nghệ GPS dựa trên nguyên lý định vị bằng các tín hiệu thu từ vệ tinh NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging). Toàn bộ hệ thống bao gồm 3 đoạn: 1. Đoạn điều khiển (Ground control segment) 2. Đoạn không gian (Space segment) 3 cấu tạo hệ thống định vị toàn cầu satellite positioning system configuration 4 1. đoạn không gian space segment  24 vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20.200 km  Phân bố trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo 1 góc 550. Việc bố trí quỹ đạo như vậy nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm, mỗi vị trí bất kỳ trên mặt trái đất có thể đồng thời quan sát được 4 vệ tinh 5 1. Đoạn không gian space segment Chương trình đưa vệ tinh GPS lên quĩ đạo được thực hiện qua 3 giai đoạn (generation) Giai đoạn Loại vệ tinh Thời gian phóng 1978 – 1985 Mục đích I Block I Thử nghiệm II Block II, IIA 1989 – 1994 Vận hành III Block IIR Sau năm 1994 Cải tiến 6 sơ đồ phân bố vệ tinh GPS trên quỹ đạo GPS Nominal constellation in orbits 7 1.1 hệ thống thời gian time system Bản chất của định vị GPS là giao hội không gian dựa vào các khoảng cách đo từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc sóng điện từ. d = v.t Trong đó: v là tốc độ sóng điện từ t là thời gian lan truyền tín hiệu Việc xác định chính xác thời gian t giưa trạm điều khiển mặt đất, vệ tinh và các máy thu có ý nghĩa rất quan trọng trong hệ thống định vị vệ tinh GPS 8 1.2 đồng hồ sử dụng trong Cnđvtc the GPS clock Để xác định thời gian chính xác nhất, hệ thống GPS sử dụng các loại đồng hồ nguyên tử (Atomic clocks). Trên mỗi vệ tinh Block I có trang bị 4 đồng hồ nguyên tử: 2 đồng hồ caesium 2 đồng hồ rubidium Tần số đồng hồ vệ tinh được hiệu chỉnh từ các trạm điều khiển mặt đất 9 1.2 đồng hồ sử dụng trong Cnđvtc the GPS clock Tất cả đồng hồ của hệ thống GPS đều hoạt động ở tần số (frequency) f=10,23 MHz. Các mã tín hiệu lan truyền (code transmission) và tần số sóng tải (carrier frequency) được thiết lập bằng bội số nguyên tần số đồng hồ chuẩn này. 10 1.3 tín hiệu vệ tinh the gps signals Các vệ tinh của hệ thống GPS phát 2 loại tín hiệu sóng tải cực ngắn: L1= 1575.42 MHz (154.f) L2= 1227.60 MHz (120.f) L1 và L 2 được điều biến theo C/A code và P-code nhằm cung cấp giờ đồng hồ vệ tinh và các tham số khác cho máy thu 11 1.4 mã điều biến modulation code C/A-code (Coarse acquisition)-code thô, sử dụng trong dân sự . C/A-code chỉ điều biến sóng tải L1. Có thể định vị tuyệt đối tới độ chính xác 3m. Điều mà khi thiết kế hệ thống GPS người Mỹ cũng không hy vọng đạt tới. Để giữ tính độc quyền công nghệ GPS, không cho dân sự có thể định vị chính xác các mục tiêu trên mặt đất, Mỹ đã sử dụng kỹ thuật nhiễu SA (Selective Availability) P-code (Precise code)-code chính xác, chỉ quân đội Mỹ mới được sử dụng. Điều biến cả 2 sóng tảI L1 và L2. 12 Vệ tinh GPS gps satellite 13 2. đoạn điều khiển mặt đất ground control network Duy trì toàn bộ hoạt động của hệ thống GPS  1 trạm điều khiển trung tâm MCS (Master Control Station) đặt ở Colorado Springs Nhiệm vụ:  Cập nhật thông tin đạo hàng  Điều khiển thông tin đạo hàng 14 2. đoạn điều khiển mặt đất ground control network 4 trạm theo dõi (Monitor Tracking Station) đặt ở Hawaii, Ascencion Island, Diego Garcia, Kwajalein  3 trạm xử lý số liệu và truyền tín hiệu lên vệ tinh (uplink/dowlink antenae) đặt ở Ascencion Island, Diego Garcia, Kwajale  Toàn bộ hệ thống điều khiển phân bố vòng quanh Trái đất 15 2. Đoạn điều khiển mặt đất ground control network Nhiệm vụ các trạm theo dõi và xử lý số liệu Theo dõi hoạt động các vệ tinh  Xử lý số liệu  Chuyển thông tin về MCS  Chức năng của đoạn điều khiển là theo dõi hoạt động của các vệ tinh và cập nhật thông tin đạo hàng 16 Mạng lưới trạm điều khiển mặt đất GPS ground control network 17 3. Đoạn sử dụng user segment Là các máy thu tín hiệu vệ tinh (GPS receiver) từ trên mặt đất, trên máy bay, trên tàu biển. Chia làm 2 loại: Loại 1 tần số và loại 2 tần số  Máy thu 1 tần số nhận được các mã phát tần số L1 có thể đo tương đối giữa các điểm ≤ 10 km.  Máy thu 2 tần số có thể đo tương đối giữa các điểm ≥10 km. 18 3. Đoạn sử dụng user segment Máy thu GPS có thể kết nối với các thiết bị thu phát để thực hiện các kỹ thuật: Đo động thời gian thực (Real Time Kinematic-RTK)  Đo vi phân (Differential GPS - DGPS)  Đo vi phân diện rộng (Wide Area Differential GPS - WADGPS)  19 đạo hàng bằng công nghệ đvtc GPS navigation 20