CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS

Đây là một hệ thống định vị vệ tinh khu vực được xây dựng để đáp ứng các nhu cầuđịnh vị ở Châu Âu. Hệ thống này sử dụng kết hợp các vệ tinh địa tĩnh và các vệ tinh bay ở quĩđạo cao nên còn được gọi là GEO_HEO mix. Đây là hệ thống định vị thuần túy mang tính dânsự phục vụ cho đa quốc gia, đa mục đích như đạo hàng ( dẫn đường), liên lạc viễn thông,định vị vị trí …...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS1.1.CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS1.1.1.Các hệ thống định vị vệ tinh1.Một số hệ thống định vị vệ tinh khu vực + Hệ thống NAVSAT Đây là một hệ thống định vị vệ tinh khu vực được xây dựng để đáp ứng các nhu cầuđịnh vị ở Châu Âu. Hệ thống này sử dụng kết hợp các vệ tinh địa tĩnh và các vệ tinh bay ở quĩđạo cao nên còn được gọi là GEO_HEO mix. Đây là hệ thống định vị thuần túy mang tính dânsự phục vụ cho đa quốc gia, đa mục đích như đạo hàng ( dẫn đường), liên lạc viễn thông,định vị vị trí … + Hệ thống OMNITRACS Đây là hệ thống định vị cấp khu vực đáp ứng nhu cầu định vị chủ yếu ở nước Mỹ. Hệthống này sử dụng các vệ tinh địa tĩnh bay ở độ cao 36.000 km. Nó chỉ cho phép định vị 2chiều với độ chính xác định vị đạt cỡ 500m.+ Hệ thống STAR-FIX Đây là hệ thống định vị vệ tinh khu vực phục vụ cho các nhu cầu định vị ở Châu Mỹ.Hệ thống này gồm các vệ tinh địa tĩnh có quĩ đạo bay nằm trong cùng mặt phẳng xích đạotrái đất và các trạm quan sát, xử lý thông tin từ mặt đất. Nguyên tắc làm việc của hệ thống này về cơ bản giống hệ thống định vị toàn cầuGPS mà chúng ta sẽ nghiên cứu ở phần sau.2.Các hệ thống định vị toàn cầu+ Hệ thống TRANSITĐây là hệ thống đạo hàng vệ tinh trên biển được Mỹ đưa vào sử dụng từ khoảng thập niên60. Nó còn có tên là NNSS ( Naval Navigation Satelite System). Hệ thống hoạt động dựa theonguyên lý Doppler, gồm 6 vệ tinh bay ở độ cao cỡ 1075 km trên các quỹ đạo gần như trò cáchđều nhau và có góc nghiêng so với mặt phẳng xích đạo Trái đất xấp xỉ 90o. Tùy thuộc vào vịtrí địa lý của điểm quan sát, vệ tinh xuất hiện liên tiếp trên bầu trời từ 35 đến 100 phút. Điềunày có nghĩa là cứ sau hơn một nửa giờ đồng hồ mới có thể lại quan sát vệ tinh để định vị.Độ chính xác định vị với mỗi lần vệ tinh bay qua chỉ đạt cỡ vài ba chục mét. Để nâng độchính xác cần tăng số lần quan sát vệ tinh đi qua. Đây cũng chính là nhược điểm của hệ thốngTRANSIT trong nhu cầu định vị nhanh với độ chính xác cao.Hệ thống TRANSIT có thời gian sử dụng khoảng 25 năm, hệ thống này đã kết thúc sử dụngvào cuối năm 1996.+ Hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống này có tên gọi đúng là NAVSTAR GPS (Navigation Satelite Timing and Ranging Global Positioning System). Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu thủy và trên đất liền. Trước năm 1980 hệ thống GPS chỉ phục vụ cho mục đích quân sự , do Bộ quốc phòng Mỹ quản lý. Từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự. Từ đó các ứng dụng của GPS vào nhiều lĩnh vực khác nhau và ngày càng được nghiên cứu và phát triển rộng rãi.Hệ thống này gồm 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ. Các vệ tinh bay trên 6 quỹ đạogần như tròn ở độ cao cỡ 20.000 km với chu kỳ xấp xỉ 12h. Với cách bố trí này thì suốt 24 giờtại bất kỳ điểm nào trên Trái đất cũng có thể quan sát ít nhất 4 vệ tinh. Các vệ tinh đầu tiêncủa hệ thống này được phóng lên quỹ đạo vào tháng 2 năm 1978. Toàn bộ hệ thống đuợc vàohoạt động hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994. Chi phí cho việc thiết lập hệ thống này cỡ khoảng12 tỉ đôla Mỹ.+ Hệ thống GLONASSSong hành với hệ thống NAVSTAR GPS, một hệ thống định vị toàn cầu tương tự mang tênGLONASS (Global Navigation Satelite System ) do Liên Xô chế tạo cũng được đưa vào sửdụng từ năm 1982. Hệ thống này cũnggồm 24 vệ tinh nhưng quay trên 3 mặt phẳng quỹ đạoở độ cao từ 18.840 km đến 19.940 km. Trên mỗi quỹ đạo các vệ tinh có độ giãn cách là 45o,chu kỳ quay cỡ 676 phút.Với đúng nghĩa là hệ thống định vị toàn cầu GPS, cả NAVSTAR và GLONASS cùng cho phépthực hiện định vị cho bất kỳ điểm xét nào, vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày và với bất kỳđiều kiện thời tiết nào. Đã có những dự án phối hợp khai thác 2 hệ thống này để nâng caohiệu quả định vị nói chung trên phạm vi toàn cầu. Hiện nay đã có những hãng chế tạo máythu có thể thu đồng thời cả tín hiệu vệ tinh NAVSTAR và GLONASS .Sau đây chủ yếu sẽ trình bày về hệ thống NAVSTAR GPS mà chúng ta gọi tắt là hệ thốngGPS.1.1.2.Cấu trúc và nguyên lí hoạt động của hệ thống GPSHệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là đoạn không gian (spacesegment), đoạn điều khiển (control segment), đoạn sử dụng ( user segment). Chúng ta sẽ lầnlượt tìm hiểu cụ thể về từng bộ phận cấu thành của hệ thống và chức năng của chúng.1. Đoạn không gianĐoạn này gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cáchđều nhau và có góc nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Quỹ đạo của vệ tinhgần như tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20.000 km so với mặt đất.Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số nguyên tử chính xác cao cỡ 10-12. Máy phát này tạora các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz, và từ đây tạo ra các sóng tải tần số L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60 MHz. Người ta sử dụng hai tần số tải để giảm ảnh hưởng của tần ...