Khai thác và sử dụng hiệu quả máy thu gps navigator và những giải pháp nâng cao độ chính xác vị trí

  • 67 trang
  • file .docx
LỜI CẢM ƠN
Em xin cảm ơn nhà trường, Khoa Hàng hải đã tạo điều kiện cho chúng em
được học tập trong môi trường chuyên nghiệp cùng với đội ngũ các thầy cô
giảng viên nhiệt tình, giàu kinh nghiệm và nhiệt huyết đã giúp em tiếp thu kiến
thức chuyên môn vững chắc.
Em xin cảm ơn thầy giáo Thạc sỹ Phạm Văn Luân cùng các thầy cô trong
khoa Hàng Hải đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá
trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Cuối cùng em xin cảm ơn tới gia đình đã động viên giúp đỡ em trong suốt
thời gian học tập tại trường, cảm ơn các anh chị khóa trên, bạn bè đã nhiệt tình
chia sẻ kinh nghiệm, trao đổi và góp ý để hoàn thành luận văn.
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu dựa trên lý thuyết và thực
tế của riêng em dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Thạc sỹ Phạm Văn Luân. Các
số liệu, kết quả, hình ảnh nêu trong luận văn tốt nghiệp là trung thực, khách
quan và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi
thông tin, tài liệu trích dẫn trong luận văn này đều được ghi rõ nguồn gốc.
Sinh viên thực hiện
(ký và ghi rõ họ tên)
Hoàng Văn Tùng
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................ii
MỞ ĐẦU..............................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài....................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài.........................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.....................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài..........................................................3
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG VÀ CẤU TẠO HỆ THỐNG GPS
...............................................................................................................................4
1.1 Khái quát về lịch sử của hệ thống GPS.........................................................4
1.2 Cấu trúc hệ thống GPS..................................................................................5
1.2.1 Khâu không gian (khâu vệ tinh)...................................................................5
1.2.2 Khâu điều khiển............................................................................................7
1.2.3 Khâu máy thu (khâu người sử dụng)............................................................8
1.3 Tín hiệu của hệ thống GPS............................................................................9
1.4 Nguyên lý xác định vị trí máy thu của hệ thống GPS.................................10
1.4.1 Nguyên lý đo khoảng cách trong hệ thống GPS.........................................10
1.4.2 Xác định vị trí máy thu...............................................................................12
CHƯƠNG 2: KHAI THÁC SỬ DỤNG MÁY THU GPS NAVIGATOR....15
2.1 Giới thiệu chung về các nút và chức năng của chúng...............................15
2.2 Cài đặt các thông số ban đầu cho máy thu.................................................16
2.2.1 Cài đặt thời gian.........................................................................................17
2.2.2 Cài đặt định dạng ngày tháng/thời gian....................................................17
2.2.3 Cài đặt hệ trắc địa......................................................................................18
2.2.4 Cài đặt các đơn vị đo.................................................................................18
2.2.5 Cài đặt lượng hiệu chỉnh sai số la bàn từ..................................................19
2.2.6 Cài đặt đồng hồ hiện thị tốc độ..................................................................20
2.3 Các chế độ hiển thị của màn hình máy thu................................................20
2.3.1 Chế độ màn hình “Navigation information screen”..................................20
2.3.2 Chế độ màn hình “Plotting Screen”..........................................................23
2.3.3 Chế độ màn hình “CDI Screen”................................................................23
2.3.4 Chế độ hiển thị “GPS Information Screen”...............................................25
2.3.5 Chế độ hiển thị “Waypoint Information Screen”.......................................25
2.3.6 Chế độ hiển thị “Beacon Information Screen”..........................................26
2.3.7 Chế độ hiển thị “Navigation Assistance Screen”......................................26
2.4 Chế độ hàng hải theo điểm..........................................................................27
2.4.1 Khai báo điểm Waypoint............................................................................27
2.4.2 Sao chép thông tin các điểm Waypoint......................................................28
2.4.3 Xóa các điểm waypoint...............................................................................30
2.4.4 Kích hoạt chế độ hàng hải theo điểm.........................................................30
2.5 Chế độ hàng hải theo tuyến.........................................................................32
2.5.1 Tạo một tuyến hành trình...........................................................................32
2.5.2 Chỉnh sửa tuyến hành trình có sẵn.............................................................34
2.5.3 Sao chép tuyến hành trình..........................................................................34
2.5.4 Xóa tuyến hành trình..................................................................................35
2.5.5 Kích hoạt và thoát khỏi chế độ hàng hải theo tuyến..................................36
2.6 Cài đặt các loại báo động.............................................................................38
2.6.1 Các báo động chính....................................................................................38
2.6.2 Một số báo động phụ..................................................................................39
2.7 Chức năng đánh dấu vị trí người rơi xuống nước (MOB _ Man Over
Board).................................................................................................................41
2.8 Chức năng lưu trữ điểm sự kiện (EVT)......................................................42
2.8.1 Thêm các điểm sự kiện/đánh dấu...............................................................42
2.8.2 Hiển thị thông tin điểm sự kiện/ đánh dấu.................................................43
2.8.3 Xóa điểm sự kiện/đánh dấu........................................................................43
CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CHO MÁY
THU GPS............................................................................................................45
3.1 Các nguyên nhân dẫn tới sai số vị trí thu được từ máy thu GPS...............45
3.1.1 Sai số chuẩn thời gian của vệ tinh.............................................................45
3.1.2 Sai số trong tính toán quỹ đạo vệ tinh........................................................45
3.1.3 Sự phát kèm theo sai số SA của người quản lý hệ thống............................46
3.1.4 Sai số do độ trễ tín hiệu khi truyền qua tầng điện ly..................................47
3.1.5 Sai số của tốc độ truyền sóng.....................................................................48
3.1.6 Sai số do độ trễ khi sóng truyền qua tầng đối lưu......................................49
3.1.7 Sai số do đa đường truyền..........................................................................50
3.1.8 Sai số do nhiễu...........................................................................................51
3.1.9 Sai số do sử dụng hệ trắc đạc không đồng nhất trong GPS và trên hải đồ
.............................................................................................................................51
3.2 Một số giải pháp nâng cao độ chính xác vị trí............................................52
3.2.1 Cài đặt các thông số máy thu.....................................................................52
3.2.2 Một số lưu ý trong quá trình sử dụng máy thu GPS...................................56
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..........................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................59
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Theo số liệu thống kê, ngày nay vận tải đường biển chiếm
khoảng 80% tổng lượng hàng hoá luân chuyển trên thế giới,
riêng ở Việt Nam là hơn 90%. Ngành vận tải đường biển trên
thế giới hiện đang ngày càng phát triển với xu hướng ngày
càng hiện đại và đa dạng. Các cảng biển được các nước trên
thế giới khai thác triệt để với quy mô và số lượng tăng nhanh.
Ngày 23/06/1994 Việt Nam phê chuẩn “Công ước Quốc tế
của Liên hiệp quốc về Luật biển 1982”, từ đó đến nay ngành
hàng hải phát triển một cách nhanh chóng cả về số lượng cũng
như chất lượng.
Chúng ta có thể nhận thấy số lượng hàng hoá xuất - nhập
khẩu của nước ta thông qua đường biển ngày càng tăng. Ngoài
ra, đội ngũ thuyền viên của nước ta cũng đã được nâng cao cả
chuyên môn nghiệp vụ và ngày càng chiếm vị trí quan trọng
và dần được thế giới đánh giá cao. Có thể nói, cùng với quá
trình hội nhập của đất nước, ngành hàng hải đã góp một phần
không nhỏ vào sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá đất
nước. Điều đó cũng phản ánh đúng phần nào quá trình tăng
trưởng kinh tế của nước ta trong thời gian gần đây.
Bên cạnh đó, chúng ta cũng phải thừa nhận rằng, số vụ tai
nạn đường biển cũng không phải là một con số nhỏ. Các vụ
tàu bị mắc cạn, va chạm hay chìm đắm... vẫn luôn đe doạ đến
an toàn sinh mạng và tài sản đối với thuyền viên cũng như các
công ty vận tải biển. Những vụ tai nạn đó đã để lại những hậu
1
quả vô cùng to lớn, thiệt hại về kinh tế, ảnh hưởng xấu đến
môi trường biển, và đặc biệt là sinh mạng của các thuyền viên.
Một trong những nguyên nhân dẫn đến các vụ tai nạn đó
là do lỗi của con người khi sử dụng các trang thiết bị dẫn
đường, do thuyền viên khai thác không lường trước, không
đánh giá một cách chính xác các nguyên nhân dẫn đến sai số
của nó... Mặc dù các trang thiết bị dẫn đường ngày càng hiện
đại nhưng khai thác các trang thiết bị có hiệu quả hay không
lại phụ thuộc rất lớn vào trình độ hiểu biết của người sỹ quan
hàng hải về tính năng cũng như cách hoạt động của các trang
thiết bị đó.
Đề tài “Khai thác và sử dụng hiệu quả máy thu GPS
Navigator và những giải pháp nâng cao độ chính xác vị
trí ’’sẽ đề cập đến một phần quan trọng trong quá trình khai
thác và sử dụng hiệu quả máy thu GPS đưa ra một cái nhìn
đầy đủ về tính năng cũng như cách sử dụng chi tiết giúp cho
người đi biển nắm bắt và khai thác hiệu quả các tính năng của
máy thu GPS, đáp ứng xu thế ngày càng phát triển và mở
rộng của vận tải biển hiện nay.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đề tài “Khai thác và sử dụng hiệu quả máy thu GPS
Navigator và những giải pháp nâng cao độ chính xác vị
trí” được thực hiện với mục đích:
- Đưa ra các quy trình khai thác các chức năng hàng hải
của máy thu GPS Navigator và một số khuyến nghị mang tính
2
giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác hoặc loại bỏ sai số cho
máy thu GPS.
- Xây dựng quy trình khai thác sử dụng máy thu GPS
Navigator bằng phần mềm tin học Powerpoint giúp cho người
sỹ quan hành hải có thể làm quen với máy thu GPS Navigator
khi lên tàu, hơn nữa đề tài cũng là tài liệu học tập tham khảo
cho sinh viên ngành Điều khiển tàu biển đang học tập tại
trường.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết của hệ thống GPS
nói chung và máy thu GPS Navigator nói riêng. Từ đó dựa trên
cơ sở thực hành thực tế để xây dựng các phương pháp khai
thác máy thu GPS Navigator một cách hiệu quả. Phạm vi
nghiên cứu chủ yếu của đề tài là đưa ra quy trình khai khai
thác hiệu quả máy thu GPS Navigator trong quá trình hàng
hải.
4. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực
hành dựa trên cơ sở khoa học liên quan đến khai thác sử dụng
máy thu GPS nói chung cũng như máy thu GPS Navigator nói
riêng. Đồng thời đề xuất một số phương pháp nâng cao độ
chính xác và làm giảm sai số trong quá trình sử dụng máy thu
GPS.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Đề tài cung cấp một cách tương đối đầy đủ về lý thuyết
của hệ thống GPS giúp nâng cao hiểu biết của mọi người về hệ
3
thống GPS nói chung cũng như máy thu GPS Navigator nói
riêng. Đưa ra cách khai thác cơ bản đối với máy thu GPS
Navigator giúp mọi người tham khảo khi thực hành trên máy.
- Khi đề tài hoàn thành sẽ là tài liệu tham khảo dành cho
người đi biển cũng như sinh viên đang học tập được tìm hiểu,
làm quen, tiếp cận cách khai thác và sử dụng máy thu GPS
Navigator.
4
CHƯƠNG 1: NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG VÀ CẤU TẠO HỆ
THỐNG GPS
1.1 Khái quát về lịch sử của hệ thống GPS
Sự ra đời của những phương tiện vận chuyển như máy bay và những con
tàu vũ trụ đòi hỏi điều khiển những thiết bị đó trong không gian ba chiều. Những
hệ thống dẫn đường vô tuyến điện trước kia dùng để dẫn tàu hiện nay đã trở
thành lỗi thời và không phù hợp cho việc điều khiển con tàu hiện nay. Trước
những đòi hỏi về độ chính xác cho vị trí xác định nhiều nhà khoa học đã được
chính phủ Mỹ tài trợ để thực hiện nghiên cứu hệ thống dẫn đường, từ đó đã chế
tạo thành công ra hệ thống định vị toàn cầu.
GPS là một hệ thống chuẩn được phát triển bởi bộ quốc phòng Hoa Kỳ.
Đây là chuẩn định vị nhờ vệ tinh với đầy đủ chức năng trên thế giới. GPS sử
dụng một nhóm từ 24 đến 32 vệ tinh bay ở quỹ đạo trung bình với độ cao
20200km quanh Trái đất và phát tín hiệu tới các máy thu GPS nhằm xác định
chính xác vị trí máy thu GPS. Tên đầy đủ của GPS là NAVSTAR GPS và được
quản lý bởi “United States Air Force 50th Space Wing”. GPS thường được sử
dụng trong dân sự như một hệ thống định vị và điều hướng.
Vào khoảng sau những năm 1920, trên thế giới xuất hiện những hệ thống
vô tuyến dẫn đường đã tạo tiền đề cho việc phát triển hệ thống định vị toàn cầu.
Những hệ thống hàng hải vô tuyến điện đó bao gồm: các thiết bị có tầm hoạt
động ngắn như máy tìm phương, đèn hiệu vô tuyến (radio beacons), radar các
thiết bị có tầm hoạt động dài hơn như các hệ thống OMEGA, DECCA và
LORAN-C. Những hệ thống dẫn đường này chủ yếu được sử dụng để dẫn tàu và
máy bay.
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (NAVSTAR GPS - Navigation Satellite
Timing and Ranging Global Positioning System) là một hệ thống vệ tinh có khả
năng xác định vị trí trên toàn cầu với độ chính xác khá cao được phát triển bởi
bộ quốc phòng Hoa Kỳ trong khoảng đầu năm 1970. Đầu tiên, GPS được xây
5
dựng để phục vụ cho các mục đích quân sự. Sau khi chuyến bay 007 từ Hàn
Quốc bị bắn hạ vào năm 1983 vì bay vào vùng cấm bay của USSR, tổng thống
Mỹ, Ronald Reagan đưa ra chỉ thị sử dụng GPS cho dân sự như một tiện ích
chung. Từ khi đó, GPS được sử dụng rộng rãi hỗ trợ định vị toàn cầu, và là một
công cụ hữu dụng cho thiết kế bản đồ, đo đạc địa chất, nghiên cứu khoa học và
các tiện ích cá nhân khác.
Hệ thống GPS chính thức hoàn thành vào ngày 8-12-1993 với 24 vệ tinh.
Trong thực tế hiện nay GPS có số lượng vệ tinh luôn nhiều hơn 24 vệ tinh.
1.2 Cấu trúc hệ thống GPS
GPS gồm 3 khâu:
 Khâu không gian (là các vệ tinh GPS)
 Khâu điều khiển (các trạm kiểm soát mặt đất)
 Khâu sử dụng (gồm các máy thu GPS dùng cho dân sự và quân sự)
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống GPS:
Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống GPS
1.2.1 Khâu không gian (khâu vệ tinh)
Tính đến năm 2012 khâu không gian của hệ thống GPS bao gồm 32 vệ tinh
nhân tạo. Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh bay xung quanh trái đất là quỹ đạo
6
tròn, vệ tinh chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo. Các mặt phẳng quỹ đạo
của hệ thống GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ, ở độ cao
20.200 km, chu kỳ 11 giờ 57 phút 57,26 giây.
Năm 1978 vệ tinh GPS đầu tiên được phóng lên quỹ đạo, từ đó đến nay đã
có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau gồm: Block I, Block II, Block IIA, 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.
Hình 1.2. Chuyển động của các vệ tinh GPS trên mặt phẳng quỹ đạo

nh 1.3. Các thế hệ vệ tinh
7
Mỗi vệ tinh phát lần lượt 2 tần số sóng mang là tần số L1=1575.42 MHz và
L2=1227.60 MHz. Hệ thống sử dụng hai mã P và C/A, mã P được sử dụng trong
quân sự với độ chính xác cao còn mã C/A được sử dụng trong dân sự với độ
chính xác kém hơn mã P.
1.2.2 Khâu điều khiển
Khâu 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 phát bản tin của hệ thống GPS
 Dự đoán quỹ đạo chuyển động tiếp theo và lịch trình của vệ tinh, sự
hoạt động của đồng hồ vệ tinh.
 Cập nhật các bản tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể.
Tất cả các trạm điều khiển đều có máy thu GPS, và chúng tiến hành đo
khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan sát
được, đồng thời đo đạc các số liệu khí tượng. Tất cả các số liệu đo nhận được ở
mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm. Trạm trung tâm xử lý các số liệu
được truyền từ các trạm theo dõi về cùng với các số liệu đo của chính nó. Kết
quả xử lý cho ra vị trí và trạng thái hoạt động chính xác của vệ tinh và số hiệu
chỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh. Từ trạm trung tâm các số liệu này được
truyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng
các lệnh điều khiển khác. Như vậy cập nhật các thông tin về quỹ đạo và thông
tin thời gian trên vệ tinh được thường xuyên, chính xác. Việc chính xác hóa các
thông tin như trên được thực hiện 3 lần trong ngày. Các thông tin cung cấp cho
khách hàng chỉ đảm bảo độ chính xác định vị khoảng 10m, còn thông tin đảm
bảo độ chính xác định vị đến tầm 1m chỉ có được khi có sự thỏa thuận với nhà
cung cấp.
8
Khâu điều khiển gồm có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado
Spring và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawai (Thái Bình Dương), Ascensin Island
(Đại Tây Dương) Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình
Dương). Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất.
Hình 1.4. Sơ đồ bố trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS trên thế
giới
1.2.3 Khâu máy thu (khâu người sử dụng)
Khâu người sử dụng bao gồm các máy thu GPS có thể đặt cố định trên mặt
đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như ô tô, máy bay, tàu biển, tên
lửa.... tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu
tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý và quy trình thao tác thu thập số liệu ở
thực địa.
Hiện nay máy thu GPS cũng ngày một đa dạng hơn đáp ứng mọi nhu cầu
trong đời sống và nghiên cứu khoa học. Trên cơ sở có vị trí liên tục chức năng
của máy thu ngày càng được mở rộng. Hầu hết các máy thu GPS trong hàng hải
đều có chức năng phụ kèm theo như: hàng hải theo điểm, hàng hải theo tuyến,
các chức năng báo động trực neo, báo động lệch khỏi đường đi, báo đông lệch
hướng, báo động vị trí người rơi xuống nước… Ngoài ra máy thu GPS cũng
9
được kết nối để đưa dữ liệu sang các thiết bị khác như radar, hải đồ điện tử phục
vụ công tác cảnh giới và điều động tránh va.
1.3 Tín hiệu của hệ thống GPS
Tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ. Sóng điện từ được dùng cho mục đích đo
đạc có những thông số đặc trưng, được nghiên cứu, thử nghiệm đảm bảo các yêu
cầu nghiêm ngặt về độ chính xác, tính ổn định và yêu cầu kỹ thuật khác. Về mặt
vật lý, tín hiệu vệ tinh có các thông số cơ bản đó là bước sóng, tần số và các mã
điều biến trên sóng tải.
Mỗi vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao. Máy
phát của vệ tinh tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz, và từ đây tạo ra các
tần số L1 = 1575,42 MHz và L2 = 1227,60 MHz. Các sóng tải được điều chế
bởi 2 loại mã khác nhau: mã C/A và mã P.
Tần số cơ bản
10,23MHz
x154 Sóng mang L1 Mã C/A
Mã P
1575,42 MHz 10,23 MHz 1,023 MHz
x120 Sóng mang L2 Mã P
1227,6 MHz 10,23 MHz
- Mã C/A (Coarse/Acquisition) là mã được sử dụng cho các mục đích dân
sự và chỉ được điều chế bởi tần số L1. Mã này được tạo bởi một chuỗi các số 0
và 1 được sắp xếp theo quy luật ngẫu nhiên với tần số 1,023 MHz tức chỉ bằng
1/10 tần số cơ sở, chiều dài mỗi phần tử là 0.9975 micro giây và được lặp lại sau
mỗi miligiây. Mỗi vệ tinh được gắn một mã C/A riêng biệt. Mã C/A cung cấp vị
trí với độ chính xác kém hơn mã P vào khoảng 50m, tương ứng với chế độ định
vị tiêu chuẩn SPS (Standard Positioning Service).
10
- Mã P (Precise) là mã chính xác nó được sử dụng cho các mục đích quân
sự, tức là để đáp ứng yêu cầu độ chính xác cao và điều chế cả 2 tần số L1 và L2.
Mã này được tạo bởi nhiều chữ số 0 và 1 được sắp xếp theo qui luật ngẫu nhiên
với tần số 10,23 MHz, chiều dài mỗi phần tử là 99.75 nano giây; độ dài toàn
phần của mã P là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày mã P mới lặp lại. Tuy vậy
người ta chia mã này thành các đoạn có độ dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh
một trong các đoạn mã như thế, cứ sau một tuần lại thay đổi. Như vậy chuỗi
phần tử mã P rất dài và không lặp lại gây khó khăn cho việc đồng pha và xác
định thời gian truyền sóng, nhưng nó có ưu điểm là nâng cao độ chính xác,
nhưng hạn chế của việc sử dụng mã P là nó chỉ cho một số đối tượng sử dụng
nhất định. Mã P cung cấp độ chính xác cao từ 10-16 mét tương ứng với chế độ
định vị chính xác PPS (Precise Positioning Service). Chỉ có máy thu đặc biệt
mới có thể thu được tín hiệu mã P.
1.4 Nguyên lý xác định vị trí máy thu của hệ thống GPS
1.4.1 Nguyên lý đo khoảng cách trong hệ thống GPS
Hệ thống GPS xác định vị trí tàu bằng phương pháp đo khoảng cách từ vệ
tinh đến máy thu, bằng cách đo thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu
rồi nhân với tốc độ truyền sóng sẽ thu được khoảng cách. Để thực hiện việc đo
khoảng cách được chính xác cần giải quyết các vấn đề sau:
- Xác định mối quan hệ giữa đồng hồ về tinh và đồng hồ máy thu phải xác
định được sai số giữa đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh, ví dụ: Hai đồng hồ
sai lệch nhau 1 micro giây thì sai số đo khoảng cách đã là 300 mét.
- Đo thời gian truyền sóng với độ chính xác cao. Máy thu phải sử dụng
phương pháp đặc biệt để đo thời gian truyền sóng.
a) Sai số đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu
Trạm kiểm tra, trạm điều khiển và vệ tinh được trang bị đồng hồ có độ ổn
định rất cao (đồng hồ Laser dùng Hydro hay đồng hồ nguyên tử Cesi). Nguyên
lý của nó là đếm số chu kỳ dao động sinh ra từ bộ tạo dao động tính từ thời điểm
11
nhất định nào đó. Độ ổn định của đồng hồ này là 2x10 -13 chu kỳ/ngày với đơn vị
đo là nano giây (10-9 s).
Đồng hồ máy thu thường là loại đồng hồ điện tử có độ chính xác thấp hơn
so với đồng hồ máy thu. Do vậy tồn tại sai số t bias của đồng hồ điện tử máy thu
so với đồng vệ tinh chính xác tới micro giây để đo thời gian truyền sóng được
chính xác. Thực tế sai số tbias hầu như không thay đổi và là một hằng số.
b) Nguyên lý đo thời gian truyền sóng
Nguyên lý đo thời gian truyền sóng trong hệ thống GPS dựa trên kỹ thuật
tự động đồng pha đặc biệt. Giả sử vệ tinh phát tới máy thu một chuỗi tín hiệu
gồm các phần tử, lúc đó trong máy thu sẽ sinh ra một chuỗi so sánh giống hệt
như chuỗi tín hiệu của vệ tinh. Chuỗi mô hình bắt đầu từ thời điểm t u=0 theo
đồng hồ máy thu. Ban đầu nó chưa cùng pha với chuỗi tín hiệu thu được từ vệ
tinh nhưng chuỗi mô hình được dịch chuyển dần trên trục thời gian nhờ đồng hồ
máy thu. Khi đã đồng pha, bộ tự động đồng pha sẽ sinh ra một điện áp làm
ngừng sự sự dịch pha giữa thời gian đo được và cơ cấu tính toán.
Nếu khoảng cách giữa tàu và vệ tinh thay đổi làm chuỗi tín hiệu vệ tinh tới
máy thu vào thời điểm khác đi bộ tự động đồng pha đang ở trạng thái đồng pha
sẽ bị lệch pha, nhưng nó sẽ tự động dịch chuyển chuỗi mô hình để duy trì trạng
thái đồng pha.
Giả sử tại thời điểm t sv vệ tinh phát tín hiệu và thời gian tín hiệu này đến
máy thu là tu được báo trên đồng hồ máy thu. Do đồng hồ máy thu sai lệch với
đồng hồ vệ tinh 1 khoảng t bias nên thời gian truyền tín hiệu sẽ là (t u+tbias-tsv) và
khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu sẽ là c.(tu+tbias-tsv).
12
Hình 1.5 Nguyên lý đo thời gian truyền sóng
1.4.2 Xác định vị trí máy thu
Xét trong hệ tọa độ Đề-các có tâm trùng với tâm trái đất, mặt phẳng Oxy là
mặt phẳng xích đạo, trục Ox nằm tronng mặt phẳng kinh tuyến Greenwich.
Trong hệ này khoảng cách giữa máy thu P(x u,yu,zu) với vệ tinh 1(x1,y1,z1) theo
như tính toán phần trên sẽ là:
√ ( x – x ) + ( y – y ) +( z – z ) = c(tu1+tbias-tsv1)
1 u
2
1 u
2
1 u
2
2 2 2
Hay: ( x1 – x u ) + ( y 1 – y u ) + ( z 1 – z u ) = c2(tu1+tbias-tsv1)2
Trong phương trình trên thời gian vệ tinh t sv đã biết nhờ các bản tin vệ tinh
mà máy thu thu được. Như vậy còn 4 đại lượng chưa biết đó là : xu, yu, zu, tbias
hay nói cách khác là có 4 ẩn số. Tọa độ của từng vệ tinh đã biết từ trước, để có
thể xác định được các ẩn số ta cần có ít nhất 4 phương trình như trên, nghĩa là
13
cần có 4 vệ tinh để đo khoảng cách. Khi đó ta có hệ 4 phương trình như sau
(tương túng với 4 vệ tinh 1, 2, 3, 4):
2 2 2
( x1 – x u ) + ( y 1 – y u ) + ( z 1 – z u ) = c2(tu1+tbias-tsv1)2
2 2 2
( x 2 – x u ) + ( y 2 – y u ) + ( z 2 – z u ) = c2(tu2+tbias-tsv2)2
2 2 2
( x3 – x u ) + ( y 3 – y u ) + ( z 3 – z u ) = c2(tu3+tbias-tsv3)2
2 2 2
( x 4 – x u ) + ( y 4 – y u ) + ( z 4 – z u ) = c2(tu4+tbias-tsv4)2
Trong đó:
 (xu,yu,zu) là tọa độ máy thu.
 (x1,y1,z1) (x2,y2,z2) (x3,y3,z3) (x4,y4,z4) lần lượt là tọa độ của 4 vệ tinh
1, 2, 3, 4.
 C là vận tốc truyền sóng.
 (tu1+tbias-tsv1) (tu2+tbias-tsv2) (tu3+tbias-tsv3) (tu4+tbias-tsv4) lần lượt là thời
gian truyền sóng từ máy thu tới các vệ tinh 1, 2, 3, 4.
Như vậy để xác định được vị trí tàu máy thu cần phải thu tín hiệu của ít
nhất 4 vệ tinh, giải hệ phương trình 4 ẩn sẽ cho tọa độ của máy thu. Máy thu sẽ
chuyển tọa độ thu được sang tọa độ trên Trái Đất bằng cách sử dụng hệ trắc địa
WGS-84.
14
Hình 1.6. Xác định vị trí máy thu
Nếu xác định vị trí tàu trên mặt biển ta có tương quan giữa các tọa độ của
tàu là:
(xu2 + yu2 + zu2 = R) trong đó R là bán kính của Trái Đất, khi đó ta chỉ cần
thêm 3 phương trình tương ứng với đo khoảng cách tới 3 vệ tinh là có thể xác
định được vị trí tàu.
Nếu trang bị đồng bộ giữa vệ tinh và máy thu cùng một loại đồng hồ
nguyên tử có độ chính xác cao thì ta coi như loại bỏ được sai số t bias=0 thì lúc
này chỉ cần thu được hai vệ tinh kết hợp với phương trình trái đất sẽ cho ta vị trí
máy thu P(xu,yu,zu) hay vị trí tàu.
15