Tài liệu Nghiên cứu khai thác hệ thống dẫn đường vệ tinh navstar

NhiÖm vô §å ¸n tèt nghiÖp Hä vµ tªn: Líp Kho¸ : Chuyªn ngµnh : §iÖn - §iÖn tö : 1. Tªn ®Ò tµi Nghiªn cøu khai th¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh NAVSTAR 2. H×nh thøc ®Ò tµi Nghiªn cøu vµ khai th¸c sö dông 3. Môc ®Ých ®Ò tµi - HiÓu ®îc kh¸i qu¸t chung vÒ c¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh - HiÓu ®îc tÝnh n¨ng, kÕt cÊu, nguyªn lý lµm viÖc vµ ®Æc ®iÓm khai th¸c cña hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh trªn Boeing 777; - Cñng cè vµ hÖ thèng l¹i c¸c kiÕn thøc trong qu¸ tr×nh häc tËp ®Ó lµm c¬ së cho qu¸ tr×nh c«ng t¸c sau nµy. 4. Sè liÖu vµ tµi liÖu chÝnh cÇn sö dông - Gi¸o tr×nh c¸c hÖ thèng dÉn ®êng hµng kh«ng; - Global Positioning System, International Navigation and Intergration. Mohinder S. Grewal, Lawwrence R. Well and Angus P. Andrews; - Avionic Fundamentals; - Tµi liÖu híng dÉn b¶o dìng (Aircraft Maintenance Manual) cña m¸y bay Boeing 777, Version 01-2005. 5. NhiÖm vô a) Néi dung 1 - Lêi nãi ®Çu - Ch¬ng 1: Kh¸i qu¸t chung vÒ c¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh - Ch¬ng 2: §Æc ®iÓm nguyªn lý lµm viÖc cña hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh NAVSTAR - Ch¬ng 3: §Æc ®iÓm khai th¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh trªn Boeing 777 - KÕt luËn. b) C¸c b¶n vÏ kü thuËt - S¬ ®å cÊu tróc hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh; - S¬ ®å hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh trªn m¸y bay Boeing 777; - S¬ ®å xö lý tÝn hiÖu cña hÖ thèng NAVSTAR. 6. Thêi gian Ngµy giao : Ngµy nép : Ngµy …… th¸ng Häc viªn thùc hiÖn n¨m ngêi híng dÉn 2 ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ ®å ¸n tèt nghiÖp …………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… … §iÓm híng dÉn:………… §iÓm ph¶n biÖn:…………. §iÓm b¶o vÖ:…………….. §iÓm tæng hîp:………….. Ngµy …. Th¸ng n¨m 3 Môc Lôc .....................................................................................................3 Lêi nãi ®Çu....................................................................................9 C¸c tõ viÕt t¾t..............................................................................11 CH¦¥NG 1: Kh¸i qu¸t chung vÒ c¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh................................................................................12 1.1 Kh¸i qu¸t chung ..................................................................................12 1.2 C¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh trªn thÕ giíi.........................................14 1.2.1 C¬ së chung vÒ lý thuyÕt dÉn ®êng.................................................14 a) DÉn ®êng b»ng ®Þa tiªu (Pilotage): Trong thêi kú ®Çu, m¸y bay thêng ho¹t ®éng víi cù ly ng¾n, tèc ®é thÊp, ë ®iÒu kiÖn thêi tiÕt tèt, ngêi l¸i cã thÓ quan s¸t ®îc c¸c ®Þa tiªu trªn mÆt ®Êt (c¸c ®Ønh nói, con s«ng, ngän th¸p…) ®· biÕt ®Ó dÉn ® êng cho m¸y bay tíi ®iÓm qui ®Þnh. §©y lµ ph¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt trong c¸c ph¬ng ph¸p dÉn ®êng.......................................................................................................14 b) DÉn ®êng b»ng sa ®å (Dead Reckoning): Ph¬ng ph¸p nµy sö dông la bµn tõ ®Ó ®Þnh híng, sö dông ®ång hå hép mµng ®Ó ®o ®é cao, tèc ®é, tõ ®ã x¸c ®Þnh ®îc híng cÇn bay tõ ®ã ®a ra quyÕt ®Þnh dÉn ®êng. §©y lµ ph¬ng ph¸p cæ ®iÓn nhng cã ®é chÝnh x¸c kh«ng cao.....14 c) DÉn ®êng thiªn v¨n (Celestial Navigation): C¨n cø vµo gãc gi÷a trôc däc m¸y bay vµ c¸c thiªn thÓ ®· biÕt tríc nh: mÆt trêi, mÆt tr¨ng vµ c¸c ng«i sao ë tõng thêi ®iÓm x¸c ®Þnh ®Ó dÉn ®êng cho ph¬ng tiÖn bay ®Õn ®iÓm quy ®Þnh. Còng nh ph¬ng ph¸p dÉn ®êng b»ng ®Þa tiªu, ph¬ng ph¸p dÉn ®êng b»ng thiªn v¨n chØ ®îc sö dông khi ®iÒu kiÖn thêi tiÕt tèt....................................................................................14 d) DÉn ®êng qu¸n tÝnh (Inertial Navigation): Trªn m¸y bay, ngêi ta sö dông thiÕt bÞ nh¹y c¶m ®Ó ®o ®îc gia tèc m¸y bay ë mäi híng. Tõ ®ã sö dông c¸c m¹ch tÝch ph©n gia tèc theo thêi gian cho ra ®îc 4 vËn tèc vµ qu·ng ®êng bay. Chóng ta cã thÓ dÔ dµng nhËn ra ph¬ng ph¸p dÉn ®êng qu¸n tÝnh lµ ph¬ng ph¸p lµm viÖc ®éc lËp, cho nªn nã cã kh¶ n¨ng ®¶m b¶o bÝ mËt khi bay...................................................14 e) DÉn ®êng v« tuyÕn (Radio Navigation): Sö dông c¸c m¸y thu ph¸t sãng v« tuyÕn ®îc ®Æt t¹i nh÷ng vÞ trÝ biÕt tríc trªn mÆt ®Êt hay trong kh«ng gian vµ trªn m¸y bay. M¸y thu ®îc ®Æt trªn ph¬ng tiÖn bay, sau khi thu nhËn tÝn hiÖu sãng v« tuyÕn sÏ tÝnh to¸n ®a ra c¸c tham sè dÉn ®êng. Ph¬ng ph¸p dÉn ®êng b»ng v« tuyÕn cho kÕt qu¶ cã ®é chÝnh x¸c cao, cù ly ho¹t ®éng lín, Ýt phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn thêi tiÕt bªn ngoµi. HÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh lµ mét trong nh÷ng ph¬ng ph¸p trong dÉn ®êng v« tuyÕn. ...........................................................15 1.2.2 HÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh NAVSTAR .........................................15 a) Giíi thiÖu.................................................................................15 b) CÊu tróc hÖ thèng NAVSTAR - GPS.....................................16 c) C¸c th«ng sè kü thuËt cña hÖ thèng NAVSTAR.....................20 d) VÖ tinh NAVSTAR................................................................22 e) ¦u ®iÓm .................................................................................23 1.2.3 HÖ thèng Glonass.........................................................................24 a) Giíi thiÖu.................................................................................24 b) CÊu tróc hÖ thèng GLONASS.................................................24 c) Th«ng sè kü thuËt cña hÖ thèng GLONASS............................25 1.2.4 HÖ thèng vÖ tinh dÉn ®êng d©n dông bao phñ INMARSAT .........27 1.3 C¸c hÖ to¹ ®é sö dông trong dÉn ®êng vÖ tinh......................................29 1.3.1 HÖ to¹ ®é ®Þa lý OzXdYdZd...........................................................29 1.3.2 HÖ to¹ ®é chuÈn ®Þa t©m ................................................................30 1.3.3 HÖ to¹ ®é GPS................................................................................31 1.3.4 HÖ to¹ ®é ®Þa lý côc bé ENU (East North Up Coordinate)............33 1.4 HÖ thêi gian..........................................................................................33 1.4.1 Giê GPS..........................................................................................33 5 1.4.2 Giê UTC.........................................................................................34 a) Trêng hîp thø nhÊt:.................................................................34 b) Trêng hîp thø hai:...................................................................35 c) Trêng hîp thø ba:....................................................................35 1.5 LÞch vÖ tinh...........................................................................................36 1.6 So s¸nh gi÷a hai hÖ thèng vµ gi¶i ph¸p lùa chän..................................36 1.6.1 So s¸nh ...........................................................................................36 Th«ng sè.....................................................................................37 1.6.2 Gi¶i ph¸p lùa chän cña thÕ giíi vµ ViÖt Nam ................................38 CH¦¥NG 2: Nguyªn lý lµm viÖc cña hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh navstar............................................................40 2.1 Nguyªn lý dÉn ®êng cña hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh NAVSTAR.......40 2.2 X¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch gi¶ ®Ó ®Þnh vÞ trong ph¬ng ph¸p dÉn ®êng.......41 2.2.1 §Þnh nghÜa kho¶ng c¸ch gi¶...........................................................41 2.2.2 X¸c ®Þnh vÞ trÝ tõ c¸c kho¶ng c¸ch gi¶...........................................43 a) TuyÕn tÝnh ho¸ ph¬ng tr×nh kho¶ng c¸ch gi¶..........................45 b) HÖ ph¬ng tr×nh kh«ng t¬ng thÝch............................................45 2.3 §Þnh vÞ t¬ng ®èi thêi gian thùc GPS (DGPS Differential GPS) ..........46 2.4 TÝn hiÖu dÉn ®êng tõ vÖ tinh trong hÖ thèng GPS.................................47 2.4.1 CÊu tróc tÝn hiÖu.............................................................................47 2.4.2 TÝnh chÊt vµ thµnh phÇn cña tÝn hiÖu GPS......................................50 a) Chuçi d÷ liÖu 50bps.................................................................50 b) CÊu tróc cña b¶n tin dÉn ®êng.................................................51 c) M· C/A vµ ®Æc tÝnh cña m· C/A..............................................55 d) M· P vµ c¸c ®Æc tÝnh cña m· P................................................62 e) M· Y vµ c¸c ®Æc tÝnh..............................................................63 2.5 CÊu tróc m¸y thu GPS..........................................................................64 2.5.1 Läc vµ khuÕch ®¹i tÝn hiÖu cao tÇn ................................................64 2.5.2 §æi tÇn vµ khuÕch ®¹i trung tÇn .....................................................65 2.5.3 Sè ho¸ tÝn hiÖu GPS .......................................................................67 6 2.5.4 Xö lý tÝn hiÖu b¨ng c¬ së................................................................68 2.6 §é chÝnh x¸c cña hÖ thèng GPS vµ c¸c lçi ®êng truyÒn.......................70 2.6.1 §é chÝnh x¸c cña GPS....................................................................70 2.6.2 Sai sè phÇn vÖ tinh vµ phÇn ®iÒu khiÓn...........................................71 2.6.3 Sai sè thêi gian ph¸t truyÒn ( Sai sè do ®é trÔ tÇng ®iÖn ly)...........71 CH¦¥NG 3: §Æc ®iÓm khai th¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh trªn m¸y bay boeing 777...............................73 3.1 Giíi thiÖu hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh trªn m¸y bay Boeing 777..........73 3.2 M¸y thu tÝn hiÖu vÖ tinh GPS trªn m¸y bay Boeing 777......................74 3.2.1 S¬ ®å khèi m¸y thu GPS trªn Boeing 777 ....................................74 3.2.2 Nguyªn lý lµm viÖc hÖ thèng GPS trªn m¸y bay Boeing 777........75 a) S¬ ®å nguyªn lý hÖ thèng........................................................75 b) Nguyªn lý ho¹t ®éng hÖ thèng GPS trªn Boeing 777..............77 3.3 Chøc n¨ng c¸c khèi trong hÖ thèng GPS trªn m¸y bay Boeing 777 ...78 3.3.1 Chøc n¨ng khèi thu nhËn ®a ph¬ng thøc MMR ............................78 a) VÞ trÝ ®Æt MMR (Multi- Mode Receiver)................................78 b) S¬ ®å chøc n¨ng cña khèi MMR.............................................79 c) C¸c chÕ ®é lµm viÖc cña MMR...............................................80 3.3.2 Khèi nguån vµ anten GPS..............................................................83 3.3.3 HÖ thèng hiÓn thÞ...........................................................................84 a) HiÓn thÞ 2.................................................................................85 3.3.4 Khèi d÷ liÖu kh«ng khÝ vµ dÉn ®êng qu¸n tÝnh ADIRU ................87 a) Giíi thiÖu khèi ADIRU (Air Data Inertial Reference Unit)....87 b) Th«ng sè d÷ liÖu tham chiÕu qu¸n tÝnh cña ADIRU .............88 3.3.5 HÖ thèng c¶nh b¸o gÇn mÆt ®Êt GPWC (ground proximity warning computer).................................................................................................89 3.3.6 HÖ thèng tÝnh to¸n vµ qu¶n lý chuyÕn bay FMCF (flight management computing function)...........................................................89 3.4 C«ng t¸c kiÓm tra mÆt ®Êt ....................................................................89 3.5 C«ng t¸c b¶o dìng cho hÖ thèng GPS trªn m¸y bay Boeing 777.........90 3.5.1 KiÓm tra vµ hiÖu chØnh hÖ thèng GPS trªn Boeing 777 .................90 7 3.5.2 Th¸o l¾p anten GPS........................................................................91 KÕt luËn......................................................................................91 Tµi liÖu tham kh¶o......................................................................92 8 Lêi nãi ®Çu Nh»m ®¸p øng cho c¸c môc ®Ých dÉn ®êng còng nh x¸c ®Þnh vÞ trÝ mét c¸ch chÝnh x¸c, nhanh chãng vµ thuËn tiÖn, mét sè quèc gia vµ tæ chøc quèc tÕ trªn thÕ giíi ®· x©y dùng nªn c¸c hÖ thèng ®Þnh vÞ dÉn ®êng cã ®é chÝnh x¸c cao ®Ó thay thÕ cho c¸c ph¬ng ph¸p ®Þnh vÞ dÉn ®êng truyÒn thèng. §ã chÝnh lµ hÖ thèng NAVSTAR-GPS, hay cßn gäi lµ hÖ thèng GPS. §©y lµ mét hÖ thèng ®Þnh vÞ dÉn ®êng toµn cÇu ®îc Bé Quèc Phßng Mü x©y dùng vµ ph¸t triÓn vµo n¨m 1973 vµ ®îc hoµn thiÖn vµo n¨m 1994, mét mÆt ®¸p øng cho c¸c môc ®Ých qu©n sù vµ mét mÆt nh»m môc ®Ých th¬ng m¹i. Bªn c¹nh ®ã, ngêi Nga còng tù x©y dùng mét hÖ thèng ®Þnh vÞ dÉn ®êng toµn cÇu nh»m ®¸p øng cho c¸c môc ®Ých qu©n sù còng nh th¬ng m¹i cña m×nh ®Ó c¹nh tranh víi hÖ thèng GPS cña Mü, ®ã chÝnh lµ hÖ thèng ®Þnh vÞ dÉn ®êng toµn cÇu GLONASS. HÖ thèng nµy ®îc x©y dùng vµ ph¸t triÓn vµo n¨m 1988 do 3 c¬ quan cña Nga hîp t¸c víi nhau lµ Scientific/Production Group on Applied Mechanics ë Krasnoyarsk chÞu tr¸ch nhiÖm chÕ t¹o vÖ tinh, Scientific/Production Group on Space Device Engineering ë Moscow chÞu tr¸ch nhiÖm chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ ®o ®¹c dÉn ®êng vÖ tinh, tr¹m ®iÒu khiÓn, tr¹m theo dâi, c¸c m¸y thu ngêi sö dông vµ Russian Institute of Radionavigation and Time ë St. Petersburg chÞu tr¸ch nhiÖm thiÕt lËp hÖ ®ång bé cho GLONASS c¸c tiªu chuÈn tÇn sè / thêi gian ë mÆt ®Êt vµ trªn vÖ tinh còng nh c¸c kiÓu m¸y thu ngêi sö dông. VÒ c¬ b¶n th× nguyªn lý ho¹t ®éng vµ cÊu tróc cña hai hÖ thèng GPS vµ GLONASS lµ gièng nhau, tuy nhiªn còng cã nh÷ng kh¸c nhau sÏ ®îc ®Ò cËp chi tiÕt trong phÇn néi dung cña ®å ¸n. V× sù khñng ho¶ng kinh tÕ cho nªn ngêi Nga ®· gÆp ph¶i nh÷ng khã kh¨n khi hoµn thiÖn hÖ thèng GLONASS; h¬n n÷a, v× tÝnh kinh tÕ khi sö dông 9 hÖ thèng còng nh mét sè tÝnh n¨ng vît tréi cña hÖ thèng GPS nªn hiÖn nay hÖ thèng GPS ®îc sö dông réng r·i vµ phæ biÕn h¬n. V× vËy, néi dung ®å ¸n sÏ ®i s©u vµo khai th¸c dùa trªn c¬ së hÖ thèng NAVSTAR - GPS cña Mü. Víi thêi gian cã h¹n còng nh lµ h¹n chÕ vÒ tµi liÖu, v× tµi liÖu vÒ lÜnh vùc nµy rÊt khã tiÕp cËn do viÖc phæ biÕn sö dông hÖ thèng GPS ë ViÖt Nam cßn h¹n chÕ còng nh tÝnh ®éc quyÒn vµ bÝ mËt c«ng nghÖ cña c¸c níc t b¶n, do ®ã viÖc khai th¸c hÖ thèng gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n vµ kh«ng thÓ ®Ò cËp ®îc ®Çy ®ñ mét c¸ch chi tiÕt. Tuy nhiªn, b»ng nç lùc b¶n th©n, häc viªn còng ®· ®¸p øng ®îc phÇn lín c¸c yªu cÇu cña ®å ¸n ®Ò ra, mÆc dï kh«ng thÓ kh«ng cã nh÷ng thiÕu sãt. Néi dung cña ®å ¸n bao gåm 3 ch¬ng nh sau: Ch¬ng 1: Kh¸i qu¸t chung vÒ c¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh quèc tÕ Ch¬ng 2: Nguyªn lý lµm viÖc cña hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh NAVSTAR Ch¬ng 3: §Æc ®iÓm khai th¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh trªn m¸y bay Boeing 777 Hµ Néi, ngµy .... th¸ng .... n¨m 10 C¸c tõ viÕt t¾t ADIRS ADIRU AFDS AIMS ARINC CDU CMCF FCA FCM FIM FMCF GPS INS MAT MEC NCD ND NVM PFC  Air Data Inertial Reference System HÖ thèng tham chiÕu qu¸n tÝnh vµ d÷ liÖu kh«ng khÝ  Air Data Inertial Reference Unit Khèi tham chiÕu qu¸n tÝnh vµ d÷ liÖu kh«ng khÝ  Autopilot Flight Director System HÖ thèng ®iÒu khiÓn dÉn ®êng tù ®éng  Airplane Information Management System HÖ thèng qu¶n lý th«ng tin m¸y bay  Aeronautical Radio Inc. ViÖn v« tuyÕn hµng kh«ng  Control Display Unit  Khèi hiÓn thÞ ®iÒu khiÓn  Central Maintenance Computing Function  Hµm (chøc n¨ng) tÝnh to¸n b¶o dìng trung t©m  Fault Containment Area  Vïng cã háng hãc  Fault Containment Module  Khèi bÞ háng hãc  Faul Isolation Manual  Híng dÉn xö lý háng hãc  Flight Management Computing Function  Hµm (chøc n¨ng) tÝnh to¸n qu¶n lý chuyÕn bay  Global Positioning System  HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu  Inertial Navigation System  HÖ thèng dÉn ®êng qu¸n tÝnh  Maintenance Access Terminal  M¸y tÝnh truy xuÊt th«ng tin phôc vô b¶o dìng  Main Equipment Center  Khoang thiÕt bÞ chÝnh  No Computed Data  D÷ liÖu kh«ng ®îc tÝnh to¸n  Navigation Display  Mµn h×nh dÉn ®êng  Non-Volatile Memory  Bé nhí cè ®Þnh (kh«ng bÞ mÊt d÷ liÖu khi mÊt nguån)  Primary Flight Computer  M¸y tÝnh ®iÒu khiÓn chuyÕn bay chÝnh 11 CH¦¥NG 1: Kh¸i qu¸t chung vÒ c¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh 1.1 Kh¸i qu¸t chung B¾t ®Çu vµo nh÷ng thËp niªn 1960, hÖ thèng vÖ tinh ®îc thiÕt lËp cã ý nghÜa quan träng cña viÖc dÉn ®êng trªn tr¸i ®Êt. HÖ thèng ®îc thiÕt kÕ chñ yÕu cho viÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ hµng ngµy cho tµu bÌ. Nhng ®· b¾t ®Çu ®Æt nÒn mãng cho viÖc sö dông trong qu¸ tr×nh dÉn ®êng cho c¸c ph¬ng tiÖn trªn kh«ng. B¾t ®Çu vµo nh÷ng n¨m 1970, hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh ®èi víi m¸y bay ®îc ph¸t triÓn nhanh. Chóng ®îc ®Çu t sö dông c«ng nghÖ cao vµ mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao. Trong nh÷ng n¨m tiÕp theo hÖ thèng ®îc sö dông mét c¸ch réng r·i, vµ cho ®Õn n¨m 1996 hÖ thèng ®îc øng dông trong viÖc dÉn ®êng ®èi víi c¸c m¸y bay trªn toµn thÕ giíi. HiÖn nay, trªn thÕ giíi ®ång thêi triÓn khai c¸c hÖ thèng dÉn ®êng nh:  Navigation Satellities Time and Ranging Global Positioning System (NAVSTAR-GPS) hay GPS: Lµ mét hÖ thèng ®Þnh vÞ dÉn ®êng toµn cÇu. §îc ph¸t triÓn vµo n¨m 1973 vµ ®îc hoµn thiÖn vµo n¨m 1994 bëi “Bé Quèc Phßng Mü”.  Global Navigation Satellities System (GLONASS): Lµ mét hÖ thèng ®Þnh vÞ dÉn ®êng toµn cÇu do 3 c¬ quan cña Nga: Scientific/Production Group on Applied Mechanics Kranoyarsk, Scientific/Production Group on Space Device Engineering Moscow vµ Russian Institute of Radio Navigation and Time cïng x©y dùng vµ ph¸t triÓn.  INMARSAT Civil Navigation Satellite Overlay: lµ hÖ thèng cung cÊp phÇn kh«ng gian (Space segment). Tæ chøc INMARSAT ®· thùc hiÖn nh÷ng nghiªn cøu vµ thö nghiÖm dÉn ®Õn viÖc ph¸t triÓn vïng phñ sãng vÖ tinh ®Þa tÜnh d©n dông cho GPS vµ GLONASS, nh»m cung cÊp d÷ liÖu cho phÐp c¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh ®¸p øng ®îc c¸c yªu cÇu 12 liªn quan ®Õn ®é tin cËy vµ tÝch hîp th«ng tin cña c¸c nhµ chøc tr¸ch hµng kh«ng vµ hµng h¶i. C¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh dïng ®Ó cung cÊp th«ng tin vÒ vÞ trÝ, tèc ®é vµ thêi gian cho c¸c m¸y thu ë mäi thêi ®iÓm trªn tr¸i ®Êt, trong mäi ®iÒu kiÖn thêi tiÕt. HÖ thèng cã thÓ x¸c ®Þnh vÞ trÝ víi sai sè tõ vµi tr¨m mÐt ®Õn vµi mÐt vµ cã thÓ gi¶m xuèng chØ cßn vµi centimet. TÊt nhiªn, ®é chÝnh x¸c cµng cao th× m¸y thu GPS cµng phøc t¹p h¬n vµ gi¸ thµnh v× thÕ còng t¨ng theo. H×nh 1.1: C¸c thµnh phÇn cña hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh Nh×n chung c¸c hÖ thèng bao gåm 3 phÇn chÝnh nh sau:  PhÇn kh«ng gian (Space Segment) bao gåm c¸c vÖ tinh kh«ng gian. Cã nhiÖm vô thu nhËn tÝn hiÖu tõ tr¹m ®iÒu khiÓn mÆt ®Êt, tÝn hiÖu nµy dïng ®Ó ®iÒu khiÓn sai lÖch quü ®¹o vÖ tinh trong khi bay, hiÖu chØnh ®ång hå vÖ tinh. Sau ®ã ph¸t tÝn hiÖu mang th«ng tin vÒ vÞ trÝ vÖ tinh, thêi gian chuÈn tíi c¸c thuª bao.  PhÇn ®iÒu khiÓn (Control Segment) bao gåm: 1 tr¹m mÆt ®Êt ®iÒu khiÓn trung t©m, mét sè tr¹m theo dâi vµ tr¹m hiÖu chØnh sè liÖu. NhiÖm vô ph¸t vµ thu tÝn hiÖu dïng trong viÖc tÝnh to¸n vµ dù b¸o thêi 13 ®iÓm vÖ tinh xuÊt hiÖn t¹i tõng thêi ®iÓm mét c¸ch chÝnh x¸c vµ hiÖu chØnh. PhÇn sö dông (User Segment) lµ c¸c thuª bao (m¸y thu vµ xö lý tÝn  hiÖu). NhiÖm vô thu nhËn tÝn hiÖu mang th«ng tin vÞ trÝ vµ thêi gian chuÈn cña vÖ tinh, tÝnh to¸n vµ ®a ra vÞ trÝ chÝnh x¸c cña c¸c thuª bao. 1.2 C¸c hÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh trªn thÕ giíi 1.2.1 C¬ së chung vÒ lý thuyÕt dÉn ®êng DÉn ®êng hµng kh«ng lµ mét m«n khoa häc nghiªn cøu vÒ nguyªn lý lµm viÖc, cÊu t¹o c¸c thiÕt bÞ kü thuËt, c¸c ph¬ng ph¸p sö dông, vµ c¸c thiÕt bÞ kü thuËt ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dÉn ®êng cho c¸c ph¬ng tiÖn bay, ®¶m b¶o cho c¸c ph¬ng tiÖn bay theo 1 hµnh tr×nh ®Þnh tríc. Cã c¸c ph¬ng ph¸p dÉn ®êng c¬ b¶n sau: a) DÉn ®êng b»ng ®Þa tiªu (Pilotage): Trong thêi kú ®Çu, m¸y bay thêng ho¹t ®éng víi cù ly ng¾n, tèc ®é thÊp, ë ®iÒu kiÖn thêi tiÕt tèt, ngêi l¸i cã thÓ quan s¸t ®îc c¸c ®Þa tiªu trªn mÆt ®Êt (c¸c ®Ønh nói, con s«ng, ngän th¸p…) ®· biÕt ®Ó dÉn ®êng cho m¸y bay tíi ®iÓm qui ®Þnh. §©y lµ ph¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt trong c¸c ph¬ng ph¸p dÉn ®êng. b) DÉn ®êng b»ng sa ®å (Dead Reckoning): Ph¬ng ph¸p nµy sö dông la bµn tõ ®Ó ®Þnh híng, sö dông ®ång hå hép mµng ®Ó ®o ®é cao, tèc ®é, tõ ®ã x¸c ®Þnh ®îc híng cÇn bay tõ ®ã ®a ra quyÕt ®Þnh dÉn ®êng. §©y lµ ph¬ng ph¸p cæ ®iÓn nhng cã ®é chÝnh x¸c kh«ng cao. c) DÉn ®êng thiªn v¨n (Celestial Navigation): C¨n cø vµo gãc gi÷a trôc däc m¸y bay vµ c¸c thiªn thÓ ®· biÕt tríc nh: mÆt trêi, mÆt tr¨ng vµ c¸c ng«i sao ë tõng thêi ®iÓm x¸c ®Þnh ®Ó dÉn ®êng cho ph¬ng tiÖn bay ®Õn ®iÓm quy ®Þnh. Còng nh ph¬ng ph¸p dÉn ®êng b»ng ®Þa tiªu, ph¬ng ph¸p dÉn ®êng b»ng thiªn v¨n chØ ®îc sö dông khi ®iÒu kiÖn thêi tiÕt tèt. d) DÉn ®êng qu¸n tÝnh (Inertial Navigation): Trªn m¸y bay, ngêi ta sö dông thiÕt bÞ nh¹y c¶m ®Ó ®o ®îc gia tèc m¸y bay ë mäi híng. Tõ ®ã sö 14 dông c¸c m¹ch tÝch ph©n gia tèc theo thêi gian cho ra ®îc vËn tèc vµ qu·ng ®êng bay. Chóng ta cã thÓ dÔ dµng nhËn ra ph¬ng ph¸p dÉn ®êng qu¸n tÝnh lµ ph¬ng ph¸p lµm viÖc ®éc lËp, cho nªn nã cã kh¶ n¨ng ®¶m b¶o bÝ mËt khi bay. e) DÉn ®êng v« tuyÕn (Radio Navigation): Sö dông c¸c m¸y thu ph¸t sãng v« tuyÕn ®îc ®Æt t¹i nh÷ng vÞ trÝ biÕt tríc trªn mÆt ®Êt hay trong kh«ng gian vµ trªn m¸y bay. M¸y thu ®îc ®Æt trªn ph¬ng tiÖn bay, sau khi thu nhËn tÝn hiÖu sãng v« tuyÕn sÏ tÝnh to¸n ®a ra c¸c tham sè dÉn ®êng. Ph¬ng ph¸p dÉn ®êng b»ng v« tuyÕn cho kÕt qu¶ cã ®é chÝnh x¸c cao, cù ly ho¹t ®éng lín, Ýt phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn thêi tiÕt bªn ngoµi. HÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh lµ mét trong nh÷ng ph¬ng ph¸p trong dÉn ®êng v« tuyÕn. 1.2.2 HÖ thèng dÉn ®êng vÖ tinh NAVSTAR a) Giíi thiÖu ThuËt ng÷ GPS (Global Positioning System) ®îc sö dông ®Ó m« t¶ c¸c hÖ thèng vÖ tinh ®Þnh vÞ toµn cÇu. C¸c hÖ thèng nµy ®Òu dùa trªn c¬ së øng dông c¸c kh¶ n¨ng cña vÖ tinh nh©n t¹o ®Ó ®Þnh vÞ to¹ ®é ngêi sö dông trong kh«ng gian 3 chiÒu víi ®é chÝnh x¸c cao. C¸c hÖ thèng nµy cã vïng bao phñ toµn cÇu vµ ho¹t ®éng tin cËy trong mäi ®iÒu kiÖn thêi tiÕt víi thêi gian liªn tôc suèt 24 giê trong ngµy. Navigation Satellities Time and Ranging Global Positioning System (NAVSTAR-GPS) hay GPS: Lµ mét hÖ thèng ®Þnh vÞ dÉn ®êng toµn cÇu ®îc ph¸t triÓn vµo n¨m 1973 vµ ®îc hoµn thiÖn vµo n¨m 1994 bëi “Bé Quèc Phßng Mü”. HÖ thèng cho phÐp ngêi sö dông x¸c ®Þnh vÞ trÝ, thêi gian vµ vËn tèc mét c¸ch chÝnh x¸c ë bÊt kú lóc nµo, ë bÊt kú ®©u vµ trong bÊt kú ®iÒu kiÖn thêi tiÕt nµo trªn thÕ giíi. 15 Lóc ®Çu hÖ thèng nµy ®îc ph¸t triÓn chØ dµnh cho môc ®Ých qu©n sù, tuy nhiªn, sau ®ã c¬ quan hµng kh«ng liªn bang cña Mü còng ®· chÊp nhËn trong viÖc sö dông hÖ thèng nµy cho c¸c môc ®Ých d©n sù. HÖ thèng NAVSTAR bao gåm c¸c hÖ thèng truyÒn vµ nhËn tÝn hiÖu vÒ vÞ trÝ vµ thêi gian sö dông sãng v« tuyÕn vµ c¸c tr¹m kh«ng gian. HÖ thèng bao gåm 3 phÇn chÝnh (nh h×nh 1.1) bao gåm :  PhÇn kh«ng gian (Space Segment) gåm c¸c vÖ tinh trong kh«ng gian.  PhÇn ®iÒu khiÓn(Control Segment) lµ c¸c tr¹m ®iÒu khiÓn ®¹t ë mÆt ®Êt ®Ó ®iÒu khiÓn vµ hiÖu chØnh toµn bé hÖ thèng.  PhÇn sö dông (Use Segment) lµ c¸c m¸y thu vµ xö lý tÝn hiÖu vÖ tinh. b) CÊu tróc hÖ thèng NAVSTAR - GPS  PhÇn vÖ tinh kh«ng gian C¸c vÖ tinh ®îc s¾p xÕp trªn 6 mÆt ph¼ng quü ®¹o trßn vµ nghiªng so víi mÆt ph¼ng xÝch ®¹o mét gãc b»ng 55 0. Trªn mçi mÆt ph¼ng quü ®¹o cã tõ 3 ®Õn 4 vÖ tinh cïng ho¹t ®éng vµ c¸c vÖ tinh nµy lÖch pha nhau 90 0. C¸c quü ®¹o nµy n»m ë ®é cao 20.200km. C¸c vÖ tinh ®îc s¾p xÕp trong kh«ng gian sao cho hÇu hÕt c¸c vïng trªn mÆt ®Êt lu«n nh×n thÊy ®îc Ýt nhÊt 4 vÖ tinh trong suèt 24 giê mét ngµy. Thêi gian ®i hÕt mét vßng quü ®¹o cña vÖ tinh lµ 11 giê 58 phót. Bao gåm mét chïm 24 vÖ tinh, trong ®ã 21 vÖ tinh ë tr¹ng th¸i ho¹t ®éng, 3 vÖ tinh cßn l¹i ®îc sö dông ®Ó dù phßng cho hÖ thèng. H×nh 1.2: C¸c quü ®¹o cña vÖ tinh trong hÖ thèng GPS 16 Mçi vÖ tinh liªn tôc truyÒn tÝn hiÖu trªn hai tÇn sè trong d¶i b¨ng tÇn L: L1 = 1575,42 MHz vµ L2 = 1227,6 MHz. TÇn sè L1 mang c¶ m· C/A (Coarse/Acquisition) vµ m· P (Precision), trong khi ®ã tÇn sè L2 chØ mang mçi m· P. Ngoµi ra, c¶ hai tÇn sè nµy cßn mang theo c¸c d÷ liÖu th«ng tin dÉn ®êng nh: thêi gian ®ång hå vÖ tinh, c¸c th«ng sè vÒ thiªn v¨n, c¸c th«ng tin vÒ t×nh tr¹ng cña tÝn hiÖu vÖ tinh, thêi gian chuÈn cña hÖ thèng (UTC) vµ th«ng tin vÒ ®ång bé. M· P ®îc dµnh riªng cho c¸c øng dông ®ßi hái ®é chÝnh x¸c cao vµ nh÷ng ngêi sö dông m· nµy cÇn ph¶i ®îc phÐp cña “Bé Quèc Phßng Mü”, trong khi ®ã m· C/A ®îc sö dông miÔn phÝ cho mäi môc ®Ých. Mçi vÖ tinh ®îc g¾n cho mét m· C/A vµ m· P riªng. C¸c m· nµy ®îc dïng ®Ó nhËn biÕt vÖ tinh gäi lµ m· vµng (Gold Code).  PhÇn ®iÒu khiÓn hÖ thèng PhÇn ®iÒu khiÓn bao gåm: 1 tr¹m ®iÒu khiÓn trung t©m (Master Control Station) vµ 5 tr¹m theo dâi vÖ tinh (Monitor Station), 3 trong sè ®ã lµ tr¹m hiÖu chØnh sè liÖu (Upload Station) ®Æt trªn mÆt ®Êt, liªn tôc gi¸m s¸t ®êng ®i cña c¸c vÖ tinh trong kh«ng gian . H×nh 1.3: VÞ trÝ ®Æt tr¹m ®iÒu khiÓn GPS trªn mÆt ®Êt C¸c tr¹m trong phÇn ®iÒ khiÓn cã nhiÖm vô: 17 +Gi¸m s¸t vµ hiÖu chØnh quü ®¹o vµ ®ång hå vÖ tinh. +TÝnh to¸n vµ gëi c¸c b¶n tin dÉn ®êng vÖ tinh. B¶n tin nµy ®îc cËp nhËt hµng ngµy m« t¶ vÒ vÞ trÝ vÖ tinh trong t¬ng lai vµ thu nhËn d÷ liÖu tõ tÊt c¶ c¸c vÖ tinh gëi vÒ. +CËp nhËt c¸c b¶n tin dÉn ®êng vÖ tinh mét c¸ch thêng xuyªn. H×nh 1.4: PhÇn ®iÒu khiÓn vÖ tinh trong hÖ thèng GPS Tr¹m ®iÒu khiÓn trung t©m ®Æt ë Colarado Spring, Colorado USA. Tr¹m trung t©m ®iÒu phèi mäi ho¹t ®éng trong phÇn ®iÒu khiÓn. Tr¹m ®iÒu khiÓn trung t©m cã 1 ®ång hå nguyªn tö, thêi gian cña ®ång hå nµy ®îc dïng ®Ó truyÒn ®Õn cho vÖ tinh, lµ thêi gian chuÈn ®Ó hiÖu chØnh ®ång hå nguyªn tö cña vÖ tinh. C¸c tr¹m gi¸m s¸t theo dâi vÖ tinh 24h trªn 1 ngµy. Tr¹m ®iÒu khiÓn trung t©m sÏ ®iÒu khiÓn c¸c tr¹m gi¸m s¸t th«ng qua c¸c ®êng nèi. C¸c ®iÓm ®Æt tr¹m gi¸m s¸t cña hÖ thèng trªn tr¸i ®Êt: +Ascension island +Colorado Spring, Colorado USA +Diego Garcia island +Hawaii +Kawajalein island Tr¹m theo dâi th«ng tin gëi xuèng tõ vÖ tinh: 18 +B¸o c¸o chÝnh x¸c cña thêi gian cña ®ång hå vÖ tinh. +TËm hîp chuyÓn cho tr¹m ®iÒu khiÓn mäi th«ng tin vÒ d÷ liÖu khÝ tîng bao gåm: ¸p suÊt khÝ ¸p, nhiÖt ®é, ®iÓm s¬ng. Tr¹m ®iÒu khiÓn trung t©m sö dông nh÷ng d÷ liÖu nµy ®Ó tÝnh to¸n vµ ®a ra dù b¸o vÒ quü ®¹o vÖ tinh trong t¬ng lai. Tr¹m ®iÒu khiÓn trung t©m sö dông c¸c tr¹m hiÖu chØnh sè liÖu ®Ó gëi th«ng tin cho vÖ tinh bao gåm: +MÖnh lÖnh hiÖu chØnh quü vÖ tinh. VÖ tinh sö dông tÝn hiÖu nµy ®Ó khëi ®éng c¸c tªn löa ®iÒu khiÓn ®a vÖ tinh vÒ quü ®¹o ®óng. +B¶n tin dÉn ®êng ®Õn vÖ tinh. C¸c tr¹m hiÖu chØnh sè liÖu lµ c¸c tr¹m ®îc ®Æt ë Ascension island, Diego Garcia island vµ Kawajalein island.  PhÇn sö dông Bao gåm c¸c thiÕt bÞ thu tÝn hiÖu GPS sö dông cho nhiÒu môc ®Ých kh¸c nhau. KiÓu lo¹i thiÕt bÞ thu hÕt søc ®a d¹ng, tõ c¸c thiÕt bÞ x¸ch tay kh«ng ®¾t tiÒn ®Õn c¸c hÖ thèng phøc t¹p ®ßi hái ph¶i ®îc cÊp chøng chØ chÊt lîng kü thuËt ®Ó trang bÞ cho c¸c trung t©m dÉn ®êng, ®iÒu hµnh bay. H×nh 1.5: PhÇn thiÕt bÞ sö dông dÉn ®êng GPS 19 ThiÕt bÞ m¸y thu tÝn hiÖu GPS chñ yÕu gåm anten thu, bé phËn gi¶i m·, bé phËn xö lý c¸c m· cña tÝn hiÖu vÖ tinh GPS, riªng ®èi víi ngµnh hµng kh«ng nã cßn xö lý c¸c th«ng tin dÉn ®êng vµ truyÒn hiÓn thÞ c¸c th«ng tin cho tæ l¸i vµ mét sè thiÕt bÞ cÇn sö dông d÷ liÖu GPS trong qu¸ tr×nh bay. Khi bËt c«ng t¾c nguån cña thiÕt bÞ m¸y thu GPS lªn, m¸y thu sÏ tù ®éng cung cÊp c¸c gi¶i ph¸p dÉn ®êng chÝnh x¸c mµ kh«ng cÇn ph¶i n¹p c¸c d÷ liÖu tõ bªn ngoµi. §iÒu ®ã chØ cã thÓ thùc hiÖn ®îc khi m¸y thu nhËn ®îc tÝn hiÖu tõ sè vÖ tinh sao ®¶m b¶o cung cÊp ®ñ d÷ liÖu cho bµi to¸n x¸c ®Þnh vÞ trÝ. §èi víi c¸c gi¶i ph¸p dÉn ®êng 2 chiÒu, tøc lµ khi ®· x¸c ®Þnh ®îc ®é cao chØ cÇn x¸c ®Þnh kinh ®é vµ vÜ ®é, khi ®ã cÇn ph¶i cã Ýt nhÊt tÝn hiÖu tõ 3 vÖ tinh, cßn ®èi víi c¸c gi¶i ph¸p dÉn ®êng 3 chiÒu th× cÇn ph¶i cã Ýt nhÊt tÝn hiÖu tõ 4 vÖ tinh n»m ë trong vïng bao phñ mµ m¸y thu cã thÓ nh×n thÊy. ViÖc xö lý tÝn hiÖu tõ 3 hoÆc 4 vÖ tinh cã thÓ tiÕn hµnh ®ång thêi hoÆc tuÇn tù. - C¸c thiÕt bÞ thu thêng gåm 3 thµnh phÇn chÝnh: +Anten vµ c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö ®i kÌm. +Bé phËn nhËn vµ xö lý tÝn hiÖu. +Mµn h×nh ®iÒu khiÓn. c) C¸c th«ng sè kü thuËt cña hÖ thèng NAVSTAR  VÖ tinh: 24 vÖ tinh Quü ®¹o trßn : 12 giê (b¸n kÝnh 26.000km). Víi 6 mÆt ph¼ng quü ®¹o §é nghiªng so víi ®êng kÝnh xÝch ®¹o : 550  Tr¹m kiÓm tra mÆt ®Êt: 01 Tr¹m ®iÒu khiÓn chÝnh. 05 Tr¹m kiÓm tra ph©n bè r¶i r¸c. 03 Anten mÆt ®Êt ph©n bè r¶i r¸c.  Sè thuª bao sö dông: Kh«ng h¹n chÕ.  Gi¶i tÇn sè: 20