vinavigation.net

4. Nguyên lý cơ bản của hệ thống định vị toàn cầu: Về nguyên lý chung hoạt động của ba hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu có thể nói nôm na là giống nhau. Phần này sẽ trình bày khái quát cơ cấu hoạt động và nguyên lý chung xác định vị trí bằng hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu. Để tiện cho việc theo dõi, người viết trình bày nguyên lý hoạt động cho hệ thống định vị toàn cầu (GPS).

4.1 Cấu tạo hệ thống GPS

Hệ thống định vị toàn cầu được cấu tạo thành ba phần (phần không gian – space segment, phần điều khiển – control segment và phần người sử dụng – user segment) như trong hình sau.

Hình 1: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của GNSS (GPS)

4.1.1 Phần không gian (space segment)

Phần không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo (được gọi là satellite vehicle, tính đến thời điểm 1995). Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất là quỹ đạo tròn, 24 vệ tinh nhân tạo chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo. Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ. Hình 6 minh họa chuyển động của vệ tinh GPS xung quanh trái đất.

Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đến nay đã có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau. Thế hệ đầu tiên là vệ tinh Block I, thế hệ thứ hai là Block II, thế hệ thứ ba là Block IIA và thế hệ gần đây nhất là Block IIR. Thế hệ cuối của vệ tinh Block IIR được gọi là Block IIR-M. Những vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt động lâu hơn. Vệ tinh thế hệ đầu Block I được cho trong Hình 7. Vệ tinh đầu tiên của thế hệ mới Block IIR-M1 (mới được phóng vào tháng 12 năm 2005) được cho trong Hình 8.

Hình 2: Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất

Một số thông số vệ tinh thế hệ GPS Block I

Vệ tinh GPS chạy bằng năng lượng mặt trời. Vệ tinh được trang bị pin mặt trời để chạy cả khi không có năng lượng mặt trời. Mỗi vệ tinh có bộ nâng đỡ loại tên lửa để duy trì vệ tinh trong quỹ đạo chính xác. Mỗi vệ tinh được xây dựng có thể tồn tại và hoạt động trong khoảng 10 năm. Việc thay thế và phóng vệ tinh lên quỹ đạo được duy trì thường xuyên. Một vệ tinh GPS nặng khoảng 2000 pounds (909 kg) và cao 17 feet (khoảng 5 mét) có bảng nhận năng lượng mặt trời trải rộng. Năng lượng phát sóng chỉ khoảng 50 watts hoặc nhỏ hơn.

Hình 3: Vệ tinh NAVSTAR

Hình 4: Vệ tinh NAVSTAR trên quỹ đạo, Nguồn

Một số thông số vệ tinh thế hệ GPS IIR-M1 (thế hệ mới)

Vệ tinh thế hệ mới nhất GPS IIR-M1 có khối lượng 1132.75 kg. Vệ tinh GPS IIR-M1có khả năng thực hiện tín hiệu quân sự mới (M-code trên L1M và L2M) và tín hiệu dân dụng thứ 2 (L2C). Vệ tinh GPS IIR-M1 trị giá 75 triệu đô la Mỹ đã được phóng thành công vào 3:36 sáng ngày 26/9/2005. Ảnh vệ tinh GPS IIR-M1 cho trong Hình 5.

Hình 5: GPS IIR-M1 launched in Sep 2005 (http://www.mobilemag.com/content/100/313/C4741/)

4.1.2 Phần điều khiển (control segment)

Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS. Phần điều khiển có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:

• Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục
• Quy định thời gian hệ thống GPS
• Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh
• Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể.

Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado Springs bang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm ăng ten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS. Bản đồ trong Hình 6 cho biết vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS. Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang Florida, Mỹ) và một mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặt tính và dữ liệu thời gian thực.

Hình 6: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát GPS

Xem thêm hình này.

4.1.3 Phần người sử dụng (user segment) và máy thu vệ tinh

Phần người sử dụng là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng dùng ăng ten và máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển. Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và máy thu GPS (GPS receivers). Nguyên lý thu ở phần người sử dụng được minh họa trong các Hình 7 và 8.

Máy thu GNSS: Nhằm có vị trí, vận tốc và thông tin thời gian thì chúng ta cần có máy thu GNSS (GPS). Hình 7 minh họa một máy thu GPS tổng quát. Các chức năng của từng phần như sau Rizos 1999).

Hình 7: Generic GPS receiver (Rizos, C., 1999)

Antenna và bộ tiền khuếch đại: Antennas được dùng cho máy thu GPS có đặc tính tia vì vậy chúng không phải được hướng về phía nguồn tín hiệu như đĩa thu TV vệ tinh. Antennas gọn nhẹ và có nhiều loại thiết kế khác nhau. Có khuynh hướng tích hợp antenna với các cơ cấu điện tử của máy thu.

Bộ tần số vô tuyến và bộ xử lý máy tính: Bộ tần số vô tuyến gồm các cơ cấu điện tử xử lý tín hiệu. Các loại máy thu khác nhau về kỹ thuật xử lý tín hiệu. Có một bộ xử lý mạnh không những thục hiện việc tính toán như tách emphemerides và xác định độ cao / phương vị của vệ tinh v.v... mà còn điều khiển truy theo và đo trong các mạch số hiện đại, và trong một số trường hợp thực hiện xử lý tín hiệu số. Hình 8 chỉ cho biết nhiệm vụ của bộ tần số vô tuyến và bộ xử lý máy tính.

Hình 8: Nhiệm vụ của bộ tần số vô tuyến và vi xử lý (Peter H. Dana, 1995)

Giao diện bộ điều khiển: Bộ điều khiển cho phép người vận hành giao tiếp với bộ vi xử lý. Kích thước và kiểu loại khác nhau lớn giữa các máy thu khác nhau, loại nhỏ như loại cầm tay có phím mềm xung quanh một màn hình LCD gắn trong hộp máy thu.

Bộ lưu dữ liệu: Trong trường hợp máy thu GPS định dùng cho mục đích chuyên môn như đo đạc dữ liệu đo được phải được lưu theo cách nào đó để xử lý dữ liệu sau. Trong trường hợp ứng dụng ITS như đo chuyển động của phương tiện thì chỉ cần ghi lại tọa độ và vận tốc đo được từ GPS. Nhiều thiết bị lưu trữ dữ liệu được dùng trong quá khứ bao gồm cả máy thu băng từ, đĩa mềm và băng máy tính v.v... nhưng ngày nay hầu hết các máy thu đều có sử dụng bộ nhớ cứng (RAM) hoặc các thẻ nhớ tháo rời được.

Bộ cấp nguồn: Ngày nay các máy thu GPS di chuyển được cần nguồn điện thấp. Xu hướng áp dụng sử dụng nhiều nguồn điện khác nhau có hiệu quả hơn là một xu hướng mạnh và hầu hết các máy thu GPS hoạt động bằng một số nguồn bao gồm pin NiCad hoặc Lithium gắn trong, ác quy bên ngoài như ác quy xe ô tô hoặc nguồn điện chính.

Có nhiều loại máy thu GPS trên thị thường từ loại cầm tay cho tới loại máy thu GPS dùng cho hệ thống hàng hải, ví dụ nư máy thu GPS của hãng Garmin Ltd trong Hình 9 hoặc máy thu GPS cầm tay của Hãng InterWorld Electronics trong Hình 10.

Hình 9: Máy thu GPS StreePilotIII (Courtesy of Garmin Ltd)

Hình 10: Máy thu GPS cầm tay (Courtesy of Interworld Electronics)

Ở phần người sử dụng chúng ta có thể có rất nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày, trong công nghiệp, trong xây dựng và trong việc điều khiển các phương tiện giao thông. Thông tin chi tiết hơn được trình bày trong phần sau.

Hiện nay có nhiều công ty sản xuất máy thu GPS. Một số những công ty sản xuất máy thu GPS là NovaTel, Magellan, Trimble, Garmin v.v…

4.2 Nguyên lý xác định vị trí bằng GNSS

(còn tiếp)

Bookmark bài viết này:

Những tài liệu trên trang web này có bản quyền thuộc VIN. Ngoài những tài liệu đã ghi rõ nguồn gốc xuất xứ, tất cả những tài liệu trên trang web này là công trình của các thành viên tham gia mà chưa từng công bố hoặc xuất bản ở một nơi nào khác. Các tác giả giữ bản quyền bài viết của chính mình và có toàn quyền gửi các bài viết của mình tham dự hội nghị hoặc đăng trên các tạp chí khác. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, lưu trữ và sử dụng tài liệu trên trang web ngoài mục đích giáo dục. Mọi trích dẫn đều phải ghi rõ nguồn: http://www.vinavigation.net. Mọi thư từ liên hệ xin gửi về webmaster@vinavigation.net. Bản quyền © 2007-2008 VIN. Copyright © 2007-2008 VIN.