CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ VÀ DẪN ĐƯỜNG 1. Nhu cầu về định vị, dẫn đường và một số nghiên cứu liên quan Nhu cầu định vị và dẫn đường là rất cần thiết và quan trọng trong các hệ thống vận chuyển nhằm xác định vị trí và đường đi của các vật thể trong hệ thống. Từ xa xưa, con người đã dùng các ký hiệu để xác định vị trí, đường đi như các chòm sao, hướng mặt trời mọc, khắc dấu lên thân cây, tảng đá để đánh dấu đường đi.
Hiện nay, các hoạt động của con người đòi hỏi về định vị, dẫn đường và điều khiển cho các vật thể chuyển động như máy bay, tên lửa, ôtô, tàu thuyền, v. đã trở thành một nhu cầu hết sức cấp thiết trong nhiều lĩnh vực đời sống và an ninh quốc phòng. Một trong những hệ thống dẫn đường hiện tại đang được ứng dụng nhiều là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu - GPS. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm như độ chính xác tương đối cao và ổn định theo thời gian, hệ thống GPS bộc lộ những nhược điểm như tín hiệu có thể bị gián đoạn trong thời gian không xác định do ảnh hưởng của địa hình hoặc do sai số có chủ đích của nhà cung cấp.
Bên cạnh hệ thống GPS, hệ thống dẫn đường quán tính - INS cũng được sử dụng nhiều nhằm xác định tọa độ và các thông tin của vật thể chuyển động dựa trên các thông số đo đạc tính toán từ các cảm biến gắn trên vật thể như cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, la bàn từ, v. Việc tích hợp INS và GPS cho phép tạo nên một hệ thống dẫn đường có tính hoàn thiện cao, được ứng dụng trong các ngành như điều khiển dẫn đường các phương tiện đường bộ, đường không và vũ trụ. Hệ thống được thiết kế sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số hiện đại, đặc biệt là bộ lọc Kalman, và cảm biến gia tốc MEMS mới, để đáp ứng được các yêu cầu như tính chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh. Hệ thống định vị toàn cầu - GPS Hệ thống định vị toàn cầu – GPS là hệ thống xác định vị trí dựa vào các vệ tinh nhân tạo.
Nó cung cấp chính xác thông tin về vị trí và vận tốc của thiết bị di chuyển có gắn cảm biến GPS trên toàn thế giới. Hệ thống vệ tinh này do bộ quốc phòng Mỹ xây dựng. Lúc đầu, nó phục vụ cho quân đội Mỹ nhưng sau đó chính phủ Mỹ cho phép mọi người được sử dụng miễn phí. Cấu trúc cơ bản của GPS GPS gồm có 3 phần [2] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Cấu trúc cơ bản của GPS Phần không gian Gồm 24 vệ tinh (hình 1.2) [4] quay quanh trái đất trên 6 quĩ đạo phẳng cách đều nhau và góc nghiêng so với mặt phẳng xích đạo của trái đất là 550 Mỗi vệ tinh được trang bị một máy phát tần số nguyên tử chính xác cao với sai số khoảng 10-12. Máy phát này tạo ra các tín hiệu có tần số cơ sở 10,23MHz, và từ đây tạo ra các sóng tải tần số L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60MHz. Hệ thống sử dụng hai tần số tải này để giảm ảnh hưởng của tần số điện li. Quỹ đạo của các vệ tinh GPS LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Các sóng tải được điều biến bởi ba loại mã là mã C/A, mã P và mã D [3] - Mã C/A: được sử dụng cho mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải L1.
Mã này được tạo bởi chuỗi các chữ số 1 và 0 và được sắp xếp theo quy luật ngẫu nhiên với tần số 1,023MHz tức chỉ bằng 1/10 tần số cơ sở và chu kỳ là một mili giây. Mỗi vệ tinh được gắn với một mã C/A riêng biệt. - Mã P là mã chính xác cao hơn mã C/A, nó được sử dụng cho các mục đích quân sự. Mã này điều biến hai dải sóng tải L1 và L2.
Mã này được tạo bởi nhiều chữ số 0 và 1 và được sắp xếp ngẫu nhiên với tần số 10,23MHz, độ dài toàn phần của mã là 267 ngày. Như vậy, sau 267 ngày thì mã P được lặp lại. Tuy nhiên, nó được chia thành các đoạn 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một trong các đoạn mã đó, và như vậy sau mỗi tuần nó sẽ thay đổi. - Mã D là mã dùng để truyền lịch vệ tinh mới nhất, thông số của lớp khí quyển sóng điện từ truyền qua, thời gian của hệ thống, sai số đồng hồ vệ tinh, phân bố của các vệ tinh trên quỹ đạo.
Nó điều biến cả 2 sóng mang L1 và L2. Cả hai sóng tải L1 và L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hằng bao gồm lịch thiên văn của vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng của hệ thống. Phần điều khiển Gồm các trạm điều khiển trên mặt đất. Mảng này thực hiện chức năng điều khiển và giám sát các vệ tinh của GPS, điều khiển vệ tinh đi đúng qũy đạo, điều chỉnh thông tin thời gian.
Có năm trạm kiểm soát nằm rải rác trên trái đất. Bốn trạm hoạt động tự động và một trạm kiểm soát là trung tâm. Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ vệ tinh và gửi thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm nó sẽ biên tập lại thông tin và gửi lại cho các vệ tinh thông qua hai anten phát.
Ngoài ra, nó còn có một trạm trung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt. Phần người sử dụng Bao gồm người sử dụng thiết bị thu GPS và phần mềm xử lý số liệu. Thiết bị GPS là thiết bị thu tín hiệu GPS, được thiết kế để nhận tín hiệu sóng chuyển từ vệ tinh xuống, xác định và tính toán vị trí các đối tượng trong không gian. Máy thu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất, trên các phương tiện chuyển động như ô tô, xe máy, máy bay, tên lửa, vệ tinh…Thiết bị thu GPS có thể là một máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (định vị tuyệt đối), có thể một nhóm máy thu hoạt động đồng thời (định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (định vị vi phân).
Phương thức hoạt động của GPS Hoạt động của GPS Các vệ tinh của GPS bay vòng quanh trái đất với vận tốc hai vòng trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu chứa thông tin xuống trái đất. Các máy LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Tất cả máy thu GPS bắt buộc phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để có thể tính được vị trí theo hai chiều (kinh độ, vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Nếu thiết bị thu tín hiệu GPS bắt được tín hiệu của bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy GPS có thể tính được vị trí theo ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao).
Phương thức xác định vị trí của hệ thống GPS Hình 1. Phương thức xác định vị trí của GPS Xác định khoảng cách tới một điểm chuẩn [5]. Như vậy quỹ tích của nó là mặt cầu có bán kính là khoảng cách tới điểm chuẩn đó. Ví dụ, ta có khoảng cách từ điểm cần xác định vị trí đến vệ tinh thứ nhất là R1 thì quỹ tích của nó là mặt cầu có bán kính R1.
Tương tự, ta xác định khoảng cách đến điểm chuẩn thứ hai ta được mặt cầu thứ hai có bán kính là R2. Giao của hai mặt cầu này là một đường tròn V. Ta xác định tiếp khoảng cách đến điểm chuẩn thứ ba ta được mặt cầu thứ ba có bán kính là R3. Mặt cầu thứ ba này giao với đường tròn V tại hai điểm.
Nếu có mặt cầu thứ tư thì giao của nó là một điểm. Như vậy, nếu ta xem trái đất là mặt cầu thứ tư thì ta xác định được vị trí của điểm cần tìm. Nhược điểm của hệ thống GPS Nhược điểm cơ bản của các hệ thống định vị là khi bị che khuất tầm nhìn vệ tinh, tín hiệu GPS bị sai số hoặc bị mất tín hiệu. Ngoài ra còn có một số nguyên nhân sau gây ra sai số của phương pháp định vị GPS [2].
Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion – Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển. Tín hiệu đi nhiều đường – Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu. Lỗi đồng hồ máy thu – Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS. Lỗi quỹ đạo – Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo vị trí không chính xác.
Số lượng vệ tinh nhìn thấy – Càng nhiều vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì càng chính xác. Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 tán lá dầy có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được. Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất. Che khuất về hình học – Điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểm bất kì.
Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các quả vệ tinh ở vị trí tạo các góc rộng với nhau. Phân bố xấu xảy ra khi các quả vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc cụm thành nhóm. Sự giảm có chủ tâm tín hiệu vệ tinh – Là sự làm giảm công suất tín hiệu cố ý do sự áp đặt của Bộ Quốc phòng Mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ quân sự dùng tín hiệu GPS chính xác cao. Chính phủ Mỹ đã ngừng việc này từ tháng 5 năm 2000, làm tăng đáng kể độ chính xác của máy thu GPS dân sự.
(Tuy nhiên biện pháp này hoàn toàn có thể được sử dụng lại trong những điều kiện cụ thể. Chính điều này là tiềm ẩn hạn chế an toàn cho dẫn đường và định vị dân sự). Hệ thống dẫn đường quán tính INS Hệ thống dẫn đường quán tính INS là hệ thống dựa vào các cảm biến vận tốc góc, cảm biến gia tốc để xác định phương hướng của vật di chuyển trong không gian.