Mục lục
Mục lục..................................................................................................................... 1
Mục Lục Hình Vẽ....................................................................................................2
Tóm tắt đồ án...........................................................................................................7
Chương 1: Hệ thống vệ tinh định vị.......................................................................8
1.1 Khái niêm về vệ tinh định vị..........................................................................8
1.2 Lịch sử phát triển định vị..............................................................................8
1.3 Lịch sử và nguyên lý định vị vệ tinh...........................................................11
1.4 Hệ thống vệ tinh GPS trong định vị............................................................12
1.4.1 Sơ lược hệ thống GPS............................................................................12
1.4.2 Các thành phần của hệ thống GPS.......................................................14
1.4.3 Nguyên tắc hoạt động của GPS.............................................................16
1.4.4 Các khái niệm và định luật sử dụng trong công nghe GPS................18
1.5 Tổng quan vệ tín hiệu GPS..........................................................................20
1.5.1 Tần số GPS.............................................................................................20
1.5.2 Cấu tạo của tín hiệu GPS......................................................................21
1.5.3 Cấu trúc của dữ liệu định vị GPS.........................................................21
1.5.4 Quá trình tạo tín hiệu GPS....................................................................22
1.6 Các mô phỏng trong hệ thống GPS.............................................................23
1.6.1 Phần mềm MATLAB/SIMULINK.......................................................23
1.6.2 Mô hình hệ thống phát tín hiệu GPS trên vệ tinh................................26
1.6.3 Các thành phần máy thu tín hiêu GPS.................................................31
1.7 Các kết quả mô phỏng của hệ thống phát GPS..........................................33
1.7.1 Kết quả tạo mã C/A cho máy phát........................................................33
1.7.2 Kết quả mô phỏng dữ liệu định vị cho máy phát.................................36
1.7.3 Kết quả mô phỏng mã P(Y) cho máy phát...........................................38
1.7.4 Kết quả mô phỏng sóng mang cho máy phát.......................................39
1
1.7.5 Kết quả kết hợp các thành phần của tín hiệu......................................40
1.8 Mô phỏng máy thu GPS...............................................................................42
1.8.1 Các khối mô phỏng................................................................................42
1.8.2 Kết quả mô phỏng máy thu...................................................................45
Chương 2:Hệ thống W-CDMA.............................................................................47
2.1 Giới thiệu chung về W-CDMA....................................................................47
2.2 Các phương pháp định vị trong W-CDMA................................................49
Chương 3: Thuật toán định vị..............................................................................55
3.1 Thuật toán TDOA........................................................................................55
3.2 Thuật toán định vị vệ tinh...........................................................................58
3.3 Phương pháp định vị kết hợp......................................................................60
3.4 Đánh giá phương pháp mới.........................................................................61
Kết Luận................................................................................................................63
2
Mục Lục Hình V
Hình 1. 1: Quỹ đạo của 5 vệ tinh tong hệ thống Transit....................................11
Hình 1. 2: Mô hình định vị vệ tinh.......................................................................12
Hình 1. 3: Các thành phần của GPS...................................................................13
Hình 1. 4: Mô hình hệ thống định vị vệ tinh GPS..............................................14
Hình 1. 5: Thành phần điều khiển.......................................................................15
Hình 1. 6: Hoạt động máy thu GPS với đồng thời 4 vệ tinh...............................16
Hình 1. 7: Mô hình hoạt động GPS......................................................................17
Hình 1. 8: Định vị với 1 vệ tinh.............................................................................18
Hình 1. 9: Định vị với 2 vệ tinh.............................................................................18
Hình 1. 10: Định vị với 3 vệ tinh...........................................................................19
Hình 1. 11:Đặc tính của tín hiệu vệ tinh GPS......................................................20
Hình 1. 12:Dữ liệu định vị.....................................................................................21
Hình 1. 13: Tạo tín hiệu vệ tinh GPS...................................................................21
Hình 1. 14:Tạo tín hiệu GPS tại vệ tinh...............................................................25
Hình 1. 15: Tạo tín hiệu băng L1..........................................................................26
Hình 1. 16:Sơ đồ nguyên lý của bộ tạo mã C/A...................................................27
Hình 1. 17:Sự kết hợp các thành phần máy phát................................................29
Hình 1. 18:Sơ đồ khối của máy thu GPS.............................................................30
Hình 1. 19: Sơ đồ các khối chức năng máy thu...................................................30
Hình 1. 20: Khối tạo mã C/A sử dụng scope để theo dõi kết quả.......................32
Hình 1. 21: Bộ đếm mã C/A..................................................................................33
Hình 1. 22: Bộ đếm mã C/A trong khoảng thời gian 1m/s..................................33
Hình 1. 23:Bộ đếm mã C/A khi phóng to.............................................................34
Hình 1. 24:Bộ đếm reset khi tới 1022...................................................................34
Hình 1. 25: Sử dụng máy đo để lấy kết quả dữ liệu............................................35
Hình 1. 26:Bộ đếm định vị....................................................................................36
Hình 1. 27:Bộ đếm chu kỳ định vị reset sau 20 bước..........................................36
Hình 1. 28:Bộ đếm định vị phóng to.....................................................................37
Hình 1. 29:Mã P(Y) ở 10.23 MHz.........................................................................37
Hình 1. 30:Sơ đồ khối tạo sóng mang...................................................................38
Hình 1. 31:Sóng mang tại tần số 9.548MHz........................................................38
Hình 1. 32: Mô hình máy thu sau khi kết hợp các khối......................................39
Hình 1. 33:Sóng mang tại tần số 9.548Mhz.........................................................40
Hình 1. 34:Tín hiệu máy thu của 5 bit dữ liệu định vị đầu.................................40
Hình 1. 35:Bộ tạo mã PRN....................................................................................41
Hình 1. 36:Bên trong của bộ tạo mã PRN............................................................41
Hình 1. 37:FFT tại tín hiệu I và Q........................................................................42
Hình 1. 38:Mô hình tìm kiếm mã pha song song.................................................43
3
Hình 1. 39:Mô hình theo dõi sóng mang..............................................................43
Hình 1. 40:Đỉnh của PRN 01 khi code pha là 0...................................................44
Hình 1. 41:Kết quả khi sóng mang đã bị tách.....................................................44
Hình 1. 42:Tín hiệu sau khi sóng mang đã bị tách..............................................45
Y
Hình 2. 1:Các phương pháp định vị dựa trên cell...............................................49
Hình 2. 2: Phương pháp đo OTDoA- IPDL.........................................................50
Hình 2. 3: Cơ sở hạ tầng A-GPS...........................................................................51
Hình 3. 1:Nguyên tắc hình học của thuật toán....................................................55
Hình 3. 2: Mô phỏng việc xác định vị trí bằng TDOA........................................56
Hình 3. 3:Trong không gian 3 chiều.....................................................................57
Hình 3. 4:GDOP của GPS khi không có thông tin hỗ trợ...................................61
Hình 3. 5:GDOP của hệ thống lai giữa GPS và W-CDMA................................61
4
Bảng các chữ viết tắt trong đồ án
GPS
W-CDMA
Global Positioning system
Wide-code division
Hệ thống định vị toàn cầu
Đa truy nhập theo mã
T-DoA
multiple access
Time-Difference of
băng rộng
Sai khác thời gian tới
SV
BPSK
Arrival.
Space vehicle
Vệ tinh
Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân
QPSK
Quadrature Phase Shift
Keying
Khóa dịch pha cầu
DSSS
Direct-sequence spread
spectrum
Trải phổ chuỗi trực tiếp
ADC
IF
VCO
Analog digital converter
intermediate frequency
Voltage-controled
Chuyển đổi tương tự số
Trung tần
Bộ tạo giao động điều
PRN
FFT
IFFT
oscillator
Pseudo-range
Fast Fourier Transform
Inverse Fast Fourier
khiển điện áp
Giả khoảng cách
Biến đổi Fourier
Biến đổi Fourier ngược
GSM
AoA
BTS
SMLC
Transform
Global System Mobile
Angel of Arrival
Base Transmission Station
Serving Mobile Location
Hệ thống di động.
Góc sóng tới
Trạm phát gốc
Trung tân dịch vụ định vị
LMU
Center
Location Measurement
thuê bao di động
Khối đo đạc vị trí
SDR
Unit
Software-Defined receiver Máy thu định nghĩa bằng
phương
TDMA
Time division multiple
phần mềm
Đa truy nhập theo thời
LBS
access
Location-Based Service
gian
Dịch vụ định vị
5
Lời nói đầu
Cùng với quá trình phát triển của công nghệ, vệ tinh ngày càng được tối ưu và
phức tạp hơn. Vệ tinh nói chung và GPS nói riêng là một trong những hệ thống thiết
bị định vị rất hiệu quả. Tuy nhiên, một vấn đề chủ yếu thường gặp phải là khi ở
những khu vực đô thị hay trong những tòa nhà,sử dụng vệ tinh sẽ không cho chúng
ta những kết quả thực sự chính xác. Trong những năm qua,rất nhiều các nghiên cứu
đã được đưa ra để cải thiện nhược điểm này. Ngược lại, hiện nay ở các thành phố,
hệ thống BTS của các mạng thông tin di động rất dày đặc, và khả năng định vị của
BTS trong khu vực đông dân cư cũng như trong các tòa nhà chính xác hơn so với vệ
tinh. Nhược điểm của BTS là tại những nơi ít thuê bao, số lượng BTS ko đủ để có
thể định vị một cách chính xác nhưng vệ tinh lại có thể giải quyết được điều này. Từ
những ưu nhược điểm của từng hệ thống như vậy, một hệ thống định vị có sự kết
hợp giữa vệ tinh GPS và hệ thống thông tin di động tế bào W-CDMA sẽ giải quyết
được vấn đề. Khả năng định vị sẽ được nâng cao, tận dụng được hệ thống có sẵn
(W-CDMA) nên chi phí ứng dụng sẽ không lớn. Tuy nhiên, một vấn đề được đặt ra
là đi kèm với một hệ thống mới này, chúng ta cần có một thuật toán để tính toán vị
trí tương ứng với phần cứng của hệ thống.Trong đồ án này, em xin trình bày về
thuật toán áp dụng cho hệ thống định vị lai cũng như các mô phỏng về hệ thống vệ
tinh GPS và W-CDMA.
Trong quá trình làm đề tài “Nghiên cứu thuật toán cho hệ thống định vị lai” em
đã được sự hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong viện
điện tử viễn thông đặc biệt là phó giáo sư, tiến sĩ Đào Ngọc Chiến.
Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn phó giáo sư tiến sĩ
Đào Ngọc Chiến, bộ môn hệ thống viễn thông, viện điện tử viễn thông,Trường đại
học bách khoa Hà Nội, và các thầy cô giáo trong khoa điện tử viễn thông đại học
bách khoa Hà Nội đã có những giúp đỡ kịp thời cũng như những ý kiến quý báu
giúp em hoàn thành đồ án.
Ngày 20 tháng 5 năm 2011
6
Tóm tắắt đồồ án
Trong những thập kỉ gần đây, vệ tinh được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị
truyền thông cho mục đích thương mại cũng như quân sự, đặc biêt là trong lĩnh vực
định vị dẫn đường. Trong nhiều năm, những nỗ lực để cải thiện độ chính xác định
vị đã được thực hiện. Một trong những phương pháp phổ biến nhất là kết hợp giữa
nhiều hệ thống định vị với nhau như Wifi-GPS….Trong khi nghiên cứu tại trung
tâm navis, em có đọc được một bài báo về cải thiện độ chính xác trong định vị của
vệ tinh thông qua hệ thống thông tin di động. Trong đồ án này, em xin được trình
bày các nghiên cứu cũng như mô phỏng về thuật toán của hệ thống định vị lai sử
dụng phần mềm mô phỏng MATLAB/SIMULINK . Đồ án bao gồm 3 chương, Hệ
thống GPS và các kết quả mô phỏng sẽ được đưa ra ở chương 1, Ở chương 2 hệ
thống W-CDMA và các phương pháp định vị trong mạng tế bào được giới
thiệu.Các thuật toán TDOA và định vị cho vệ tinh được giới thiêu ở chương 3 và
các kết quả mô phỏng.
Abstract
In recent decades, satellite has been widely utilised by many communication
devices for commercial and military purposes, especially in navigation area.In
many years, a lots of efforts have been done to improve the accuracy for
location.One of the most popular method is the combination of many navigation
systems such as Wifi-GPS…When researching in NAVIS centre, I read an article
about the advance the precise in GPS system using cellular radio networks.In this
thesis, I have shown the researching and simulating result of algorithm for hybrid
positioning system. My thesis include 3 chapter, in the first chapter GPS system and
results of modulation are shown.W-CDMA system and positioning methods in
cellular network are mentioned.TDOA and positioning algorithm in GPS and some
graph are given out.
7
Chương 1: Hệ thồắng vệ tinh định vị
1.1 Khái niêm vêồ vệ tinh định vị
Định vị được hiểu là một môn khoa học để xác định vị trí bao gồm kinh
độ, vĩ độ, độ cao của một đối tượng thông qua việc thu thập dữ liệu bằng các
phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối
tượng. Nói cách khác, định vị vệ tinh là thu thập các thông tin từ xa sau đó
tính toán đưa ra các thông số định vị. Do đặc thù thuật toán xác định vị trí
của vệ tinh nên các vệ tinh định vị thường được bố trí thành một hệ thống
GNSS như:
GPS
Myỹ.
GLONASS
Nga.
GALILEO
Liên minh Châu Âu .
Băắc Đẩu
Trung Quốắc.
1.2 Lịch sử phát triển định vị
Lịch sử dẫn đường và xác định vị trí gắn liền với lịch sử dẫn thuyền thám hiểm
trên biển trong nhiều thập kỉ trước khi các phương tiện bay trên không như máy bay
và vũ trụ ra đời.
Từ thời tiền sử, con người đã tìm cách để xác định xem mình đang ở đâu và đi
đến một đích nào đó và trở về bằng cách nào. Những hiểu biết về vị trí thường
mang tính sống còn và có sức mạnh kinh tế trong xã hội. Con người thời săn bắn
kiếm thức ăn thường đánh dấu lối đi của mình để có thể trở về hang động nơi ở của
mình. Sau đó họ làm ra bản đồ, và phát triển thành hệ thống mạng vĩ tuyến (vị trí
trên trái đất đo từ đường xích đạo về phía cực bắc và phía cực nam) và kinh tuyến
(vị trí trên trái đất đo từ đường kinh tuyến gốc sang phía đông hoặc sang phía tây).
8
Đường kinh tuyến gốc sử dụng trên thế giới là đường kinh tuyến đi qua Đài quan sát
Hoàng gia (Royal Observatory) ở Greenwich, Anh Quốc.
Khi con người di chuyển từ vùng này đến vùng khác bằng thuyền chạy trên
biển, những người đi biển thuở ban đầu đi dọc theo bờ biển để tránh bị lạc. Sau đó
họ biết cách ghi hướng đi của họ theo các vì sao trên trời họ sẽ đi ra biển xa hơn.
Những người Phoenicians cổ đại đã sử dụng Sao Bắc Cực (North Polar) dẫn đường
để thực hiện chuyến đi từ Egypt và Crete. Theo Homer, nữ thần Athena đã nói với
Odysseus khi điều khiển con tàu Navis trong chuyến đi từ Đảo Calypso rằng “hãy
để chòm sao Đại Hùng phía bên trái mạn thuyền”. Thật không may, những vì sao
chỉ có thể nhìn được vào ban đêm và khi có thời tiết đẹp trời trong sáng. Con người
cũng đã biết dùng những ngọn đèn biển - những ngọn hải đăng (lighthouses) – lấy
ánh sáng để dẫn đường, giúp những người đi biển vào ban đêm và cảnh báo nguy
hiểm.
Tiếp theo, trong lịch sử ngành hàng hải (marine navigation) người ta sử dụng la
bàn từ (magnetic compass) và sextant. Kim la bàn luôn chỉ hướng cực bắc, và cho
chúng ta biết “hướng mũi tàu” (heading) chúng ta đang đi. Bản đồ của người đi biển
thời kì thám hiểm thường vẽ hướng đi giữa các cảng chính và những nhà hàng hải
giữ khư khư những bản đồ đó cho riêng mình.
Sextant sử dụng những chiếc gương có thể điều chỉnh được đo góc độ chính
xác của các vì sao, mặt trăng và mặt trời trên đường chân trời. Từ những góc đo này
và sử dụng cuốn sách Lịch thiên văn hàng hải (The Nautical Almanac) chứa đựng
các thông tin vị trí của mặt trời, mặt trăng và các ngôi sao người ta có thể xác định
được vĩ độ trong thời tiết đẹp, vào cả ban ngày lẫn ban đêm. Tuy nhiên những người
đi biển không thể xác định được kinh độ. Ngày nay nếu nhìn vào những tấm hải đồ
rất cũ, chúng ta đôi khi có thể thấy vĩ độ của bờ biển rất chính xác nhưng kinh độ có
khi sai lệch đến hàng trăm hải lý. Đây là một vấn đề rất nghiêm trọng trong thế kỷ
thứ 17 mà chính phủ Anh Quốc đã phải thành lập lên một Ban đặc biệt xác định
kinh độ. Ban này đã tập hợp nhiều nhà khoa học nổi tiếng để tìm cách tính kinh độ.
Ban này đưa ra phần thưởng 20.000 bảng Anh, tương đương với số tiến ngày nay
9
khoảng 32.000 đô la Mỹ, nhưng thời đó món tiền này có lẽ có giá trị hơn rất nhiều,
cho những người nào có thể tìm được cách xác định kinh độ với sai số trong vòng
30 hải lý.
Phần thưởng đã mang lại thành công. Câu trả lời là phải biết được chính xác
thời gian khi đo độ cao bằng sextant. Ví dụ, theo Lịch thiên văn Greenwich dự đoán
rằng mặt trời lên cao nhất (vào thiên đỉnh người quan sát) vào lúc chính ngọ (buổi
trưa), tức là 12 giờ trưa. Nếu có một đồng hồ trên tàu, khi rời cảng (nước Anh), làm
đồng bộ thời gian của đồng hồ này với thời gian Greenwich. Tàu chạy về phía tây.
Ví dụ, lúc 2 giờ chiều trong ngày, khi sử dụng sextant đo độ cao của mặt trời thì lúc
đó vị trí mặt trời sẽ tương đương với thời gian 2 giờ phía tây của Greenwich. Như
chúng ta đã biết, ngày nay lấy kinh tuyến gốc là Greenwich, kinh độ được tính 180
độ theo phía đông, và 180 độ theo phía tây tương ứng với 12 múi giờ phía đông và
12 múi giờ phía tây. Biết được giờ đo chúng ta sẽ tính được kinh độ.v ào năm 1761,
một người thợ đồ gỗ mỹ thuật tên là John Harrison (1639-1776) đã phát minh một
đồng hồ dùng trên tàu có tên gọi là Thời kế có sai số 1 giây trong một ngày. Vào
thời gian đó một Thời kế đo thời gian có độ chính xác như thế là một điều không
thể ngờ được! Trong hai thế kỉ tiếp theo, sextants và thời kế đã được sử dụng kết
hợp với nhau để xác định vị trí của tàu biển (vĩ độ và kinh độ).
Đầu thế kỉ 20, người ta đã phát minh ra một số hệ thống dẫn đường vô tuyến
điện và sử dụng rộng rãi trong Chiến tranh thế giới thứ 2. Các tàu chiến và máy bay
quân sự của quân đồng minh và phát xít đã sử dụng những hệ thống dẫn đường vô
tuyến điện trên mặt đất, những công nghệ tiên tiến nhất thời đó.
Một số hệ thống dẫn đường vô tuyến trên mặt đất vẫn còn đến ngày nay. Một
hạn chế của phương pháp sử dụng sóng vô tuyến điện được phát trên mặt đất là chỉ
có hai lựa chọn: 1) hệ thống rất chính xác nhưng không bao phủ được vùng rộng
lớn, 2) hệ thống bao phủ được một vùng rộng lớn nhưng lại không chính xác. Sóng
vô tuyến tần số cao (như sóng TV vệ tinh) có thể cung cấp vị trí chính xác nhưng
10
chỉ có thể bao phủ vùng nhỏ hẹp. Sóng vô tuyến tần số thấp (như sóng đài FM,
frequency modulation, sóng chính xác.
1.3 Lịch sử và nguyên lý định vị vệ tinh
Những hệ thống tiền than dựa chủ yếu trên các hệ thống như DECCA, LORAN
và định vị sóng OMEGA những hệ thống sử dụng máy phát sóng vô tuyến thay cho
vệ tinh. Những hệ thống định vị này phát gửi quảng bá xung vô tuyến từ một trạm
gốc đã xác định,được truyền lan bằng các xung lặp từ một số các trạm con. Thời
gian trễ giữa khi nhận và khi gửi tín hiệu ở trạm con được kiểm soát cẩn thận, cho
phép máy thu so sánh trễ lúc nhận và trễ lúc gửi. Từ đó,khoảng cách của mỗi trạm
con sẽ được xác định và đưa ra một vị trí. Hệ thống định vị vệ tinh đầu tiên là
Transit, một hệ thống được triển khai bởi quân đội Mỹ ở những thập niên 60. Hoạt
động của Transit dựa trên hiệu ứng Doppler: Các vệ tinh di chuyển theo các đường
đặc biệt và gửi quảng bá tín hiệu của chúng trên các tần số phổ biến. Tần số thu
được sẽ có một chút khác biệt so với tần số quảng bá do sự di chuyển của vệ tinh
đối với máy thu. Bằng cách xác định sự thay đổi tần số trong một khoảng thời gian
ngắn, máy thu có thể ác định được vị trí của nó đối với một hoặc nhiều vệ tinh, sự
kết hợp của một vài phép tính toán như vậy cùng với quỹ đạo của vệ tinh đã được
xác định sẽ cho ta một vị trí cụ thể trên mặt đất. Một phần của bản tin quảng bá vệ
tinh bao gồm dữ liệu chính xác về quỹ đạo. Để đảm bảo độ chính xác, USNO liên
tục theo dõi sự chính xác trong quỹ đạo của vệ tinh. Khi quỹ đạo của một vệ tinh
chệch hướng, USNO sẽ gửi thông tin điều chỉnh cho vệ tinh. Thông tin quảng bá
sau cùng từ một vệ tinh đã chỉnh sửa sẽ bao gồm thông tin chính xác nhất về quỹ
đạo mà nó mới cập nhật. Những hệ thống hiện đai thì trực tiếp hơn. Vệ tinh gửi
quảng bá một tín hiệu bao gồm dữ liệu quỹ đạo (từ đó có thể tính ra vị trí của vệ
tinh) và thời gian chính xác tín hiệu được truyền đi. Thông tin quỹ đạo được truyền
đi cùng bản tin dữ liệu được chèn đè lên một mã đáp ứng như nhiễu thời gian. Các
vệ tinh sử dụng một đồng hồ nguyên tử để duy trì sự đồng bộ của tất cả các vệ tinh
trong hệ thống.Máy thu sẽ so sánh thời gian của bản tin quảng bá được mã hóa
11
trong máy phát với thời gian thu được xác định bởi đồng hồ đặt trong máy thu, do
đó ta tính được thời gian truyền tới vệ tinh. Các phép đo như vậy có thể thực hiện
đòng thời với các vệ tinh khác nhau,cho phép xác định vị trí trong thời gian thực
phù hợp với phép đo ba cạnh tam giác. Mỗi một phép đo khoảng cách, không quan
tâm đến hệ thống đang được sử dụng những nơi mà máy thu nằm trên một mặt cầu
ở khoảng cách đã đo từ vệ tinh. Bằng cách sử dụng một vài phép đo như vậy và tìm
một điểm nơi chúng giao nhau, một vị trí sẽ được xác định. Tuy nhiên,trong trường
hợp máy thu di chuyển nhanh, vị trí của tín hiệu di chuyển khi tín hiệu được nhận từ
vài vệ tinh. Hơn nữa,tín hiệu vô tuyến sẽ chậm đi một chút khi đi qua tầng điện ly,
sự trễ này thay đổi theo góc của vệ tinh đối với máy thu do sự thay đổi khoảng cách
của tầng điện ly. Những sự tính toán cơ bản này cố gắng tìm ra đường tiếp tuyến
trực tiếp ngắn nhất tới bốn mặt cầu có tâm là 4 vệ tinh. Máy thu định vị vệ tinh
giảm lỗi bằng cách sử dụng kết hợp tín hiệu từ nhiều vệ tinh và sử dụng các công
nghệ tiên tiến như lọc Kalman để giảm nhiễu và không làm thay đổi dữ liệu trong
đánh giá vị trí, thời gian, và vận tốc.
12
Hình 1. 1: Quỹ đạo của 5 vệ tinh tong hệ thống Transit
1.4 Hệ thồắng vệ tinh GPS trong định vị
1.4.1 Sơ lược hệ thồắng GPS
Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế hệ thống định vị sử dụng sóng vô tuyến với tên gọi
NAVSTAR GPS được phòng lên từ năm 1978. Hệ thống được điều hành bởi lực
lượng không quân Hoa Kỳ cung cấp thông tin định vị với độ chính xác cao. Mục
tiêu ban đầu của hệ thống là cho phép lực lượng bộ binh, cơ giới, máy bay và tàu
chiến xác định vị trí chính xác của họ ở những nơi không xác định trên toàn thế
giới. Tuy nhiên, GPS có thể sử dụng cho rất nhiều ứng dụng, trong những năm 80,
Mỹ đã ứng dụng GPS và mục đích khoa học và thương mại. GPS sử dụng nguyên lý
13
phép đo ba cạnh tam giác, trong đó nhiều phép đo khoảng cách sẽ được thực hiện
cho phép máy thu tính toán được một vị trí.
Hình 1. 2: Mô hình định vị vệ tinh
Hệ thống định vị toàn cầu GPS sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh trong không gian
để xác định vị chí của vật thể trên trái đất. GPS là một trùm 24 vệ tinh quỹ đạo quay
xung quanh trái đất ở độ cao khoảng 20,000km, trong một ngày sẽ thực hiện 2 vòng
quay quang trái đất. Vị trí hiện tại,thời gian và vận tốc có thể được xác định bởi các
máy thu GPS xử lý tín hiệu được phát từ vệ tinh. Một máy thu GPS sẽ được sử dụng
để xử lý các tín hiệu vô tuyến.
Máy thu sẽ chuyển tín hiệu nhận được từ vệ tinh thành các thông tin như :
Vĩ độ
kinh độ
tốc độ
độ cao
1.4.2 Các thành phầồn của hệ thồắng GPS
14
Hệ thống GPS hiện tại bao gồm 3 thành phần chính.Những thành phần này là
phần không gian (SS), phần điều khiển (CS), phần người dùng (US).
Hình 1. 3: Các thành phần của GPS
Thành phần không gian gồm có những vệ tinh GPS hay là các phương tiện
không gian (SV) theo như các nói trong GPS. Chúng được cung cấp năng lượng từ
những tấm pin mặt trời, những tấm pin mặt trời này luôn được điều chỉnh hướng về
phía mặt trời và anten của vệ tinh hướng về phía trái đất. Các vệ tinh này quay hết
một vòng trái đất trên mặt phẳng quỹ đạo trong khoảng 12 tiếng (4 vệ tinh nằm
trong một mặt phẳng).Có 6 mặt phẳng quỹ đạo với góc nghiêng tương đối so với
đường xích đạo trái đất là 55 độ. Cấu trúc như vậy là để đảm bảo rằng đối tượng
được định vị ở bất kì đâu trên trái đất cũng có tầm nhìn thẳng trực tiếp đến ít nhất 4
vệ tinh ở bất kì thời điểm nào.
Khi quỹ đạo của các vệ tinh thay đổi, quan hệ hinh học giữa chúng cũng thay
đổi để đảm bảo cấu trúc ban đầu của quỹ đạo. Vệ tinh phát ra tín hiệu vô tuyến được
mã hóa cho máy thu GPS giải mã để xác định các thông số quan trọng của hệ thống.
15
Hình 1. 4: Mô hình hệ thống định vị vệ tinh GPS.
Thành phâần điêầu khiển có nhiệm vụ giám sát khả năng hoạt động và tình trạng
của thành phần không gian. Phần điều khiển bao gồm hệ thống các trạm điều chỉnh
đặt khắp nơi trên thế giới, 6 trám giám sát, 4 trạm anten và một trung tâm điều
khiển. Trạm giám sát tính toán tín hiệu mà các vệ tinh gửi vệ trạm chủ. Trạm giám
sat nhận các dữ liệu từ vệ tinh và gửi chúng về trạm chủ, tại đây thông tin quỹ đạo,
đòng hồ của vệ tinh (thông tin thiên văn) sẽ được hiệu chỉnh gửi tới vệ tinh thông
qua trạm anten. Nó cũng tránh cho vệ tinh không bị trôi dạt và quỹ đạo được giới
hạn. Nhưng dữ liệu này sẽ được vệ tinh quảng bá cho phần người sử dụng.
16
Hình 1. 5: Thành phần điều khiển
Thành phâần người dùng bao gồm các anten và vi xử lý thu để thu và giải mã các
tín hiệu vệ tinh nhằm đưa ra các thông số vị trí, vận tốc và độ chính xác về thời
gian. Từ đó tính toán ra tọa độ và thời gian. GPS có thể cung cấp dịch vụ không giới
han cho người dùng. Phần lớn các máy thu GPS hiện nay đều được thiết kế nhiều
kênh song song, có từ 5 đến 12 mạch thu.
1.4.3 Nguyên tắắc hoạt động của GPS
Trong một ngày, các vệ tinh GPS di chuyển 2 vòng trái đất với quỹ đạo đã được lập
sẵn và lien tục quảng bá tín hiệu vô tuyến (các thông tin đã được mã hóa) tới các
máy thu GPS bao gồm thông tin thiên văn, mã giả ngẫu nhiên…Thông tin này có
giá trị trong vài giờ cung cấp thông tin quỹ đạo của vệ tinh. Với các thông tin trên
máy thu GPS tính toán vị trí của vệ tinh tại mọi thời điểm.
17
Hình 1. 6: Hoạt động máy thu GPS với đồng thời 4 vệ tinh.
Mỗi môt vệ tinh có mã giả ngẫu nhiên riêng biệt, mã này kết hợp với thông tin
được mã hóa. Cả vệ tinh lẫn máy thu đều tạo ra cùng một mã tại cùng thời điểm, và
sử dung nó để tái cấu trúc dữ liệu. Tuy nhiên do sự trễ truyền tín hiệu nên tin hiệu
vệ tinh sẽ chậm sau tín hiệu máy thu khi nó tới trái đất.Thời gian này gọi là thời
gian truyền. Do đó, khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu có thể được tính theo công
thức như sau:
Distance = speed x (Travel time ) ; speed = speed of light (3 x 10 8 (m/s)).
18
Máy thu GPS là thành phần thứ 3 của hệ thống GPS. Nó có thể được bổ xung các
phần mềm như máy tính cá nhân mà không cần cấu tại lại phần cứng. Khái niệm
SDR không mới thể hiện khả năng có thê thực hiện nhiều quá trinh của thiết bị điện
tử số.
Hình 1. 7: Mô hình hoạt động GPS
1.4.4 Các khái niệm và định luật sử dụng trong cồng nghe GPS
19
Phép đo ba cạnh tam giác là phương pháp xác định vị trí tương đối của vật thể sử
dụng nguyên tắc hình học của tam giác. Vị trí được xác định dựa trên phép đạc tam
giác :
Biết vị trí của mỗi vệ tinh.
Biết sự khác nhau về khoảng cách của các vệ tinh.
Đồng hồ chính xác tại máy thu.
Thêm khả năng sửa lỗi.
Các phép đo khoảng cách cần tối thiểu 3 vệ tinh để đưa ra một vị trí chính xác.
Máy thu GPS thường sử dụng 4 vệ tinh hoặc nhiều hơn để tăng cường độ chính xác
và cung cấp thêm thông tin giống như độ cao của vật thể. Giả sử nếu khoảng cách
của vật thể và vệ tinh A là 100 km thì vật thể có thể nằm trên một mặt cầu ảo có
bán kính là 100km và tâm là A.
Hình 1. 8: Định vị với 1 vệ tinh
Thiết bị GPS nằm trong tầm phủ của vệ tinh B với bán kính là 150 km. Hai mặt
cầu ảo tâm là A và B cắt nhau tạo thành một đường tròn.
20
- Xem thêm -