Đề tài Hệ thống định vị GPS

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, thế giới thông tin ngày càng phát triển một cách đa dạng và phong phú. Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống càng tăng cả về số lượng và chất lượng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành viễn thông cần mở rộng. Trong những năm gần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đưa con người nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa học kỹ thuật. Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi 1 kỹ thuật mà các hệ thống cũ không thể đáp ứng được đó là định vị trong không gian 3 chiều, và như vậy hệ thống định vị toàn cầu- GPS(Global Positioning System) ra đời. Việc ứng dụng công nghệ GPS trong các bài toán quản lý phương tiện giao thông đang trở nên phổ biến trên thế giới. Với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, GPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả, mang lại giá trị gia tăng cao dựa trên nền tảng của các dịch vụ viễn thông. Ở Việt Nam, các ứng dụng của GPS đã bắt đầu được thử nghiệm trong các lĩnh vực lâm nghiệp, thuỷ lợi, giao thông… tuy nhiên các ứng dụng GPS mang tính tích hợp hệ thống, phục vụ các nhu cầu đặc thù xã hội vẫn chưa được phổ biến. Đặc biệt, việc áp dụng công nghệ GPS trong việc quản lý vị trí và hành trình các tàu đánh bắt cá xa bờ đang trở thành nhu cầu cấp thiết, phục vụ yêu cầu quản lý của các cơ quan nhà nước, hỗ trợ công tác tìm kiếm cứu nạn và cảnh báo thiên tai trên biển. Với mục đích khảo sát, nghiên cứu hệ thống định vị này, nhóm chúng em chọn đề tài “Hệ thống định vị GPS” cho bài tập lớn của mình. Nội dung đề tài gồm 3 chương chính: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh. Chương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS. Chương 3: Một số ứng dụng phổ biến của GPS. Trong quá trình tìm hiểu do khối lượng kiến thức đề tài lớn nên dễ xảy ra sai sót khi đưa vào đề tài. Vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn. Nhóm thực hiện đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Giới thiệu về sự ra đời và lịch sử phát triển của hệ thống GPS. Sự ra đời 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 phương pháp dẫn đường và những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện như khái quát ở trên chỉ dùng cho việc dẫn dắt các tàu thủy đã trở thành lỗi thời và không phù hợp với việc điều khiển các thiết bị chuyển động trong không gian ba chiều vì những hệ thống đương thời chỉ xác định được vị trí theo 2 chiều không gian. Trước những đòi hỏi về kỹ thuật đó nhiều nhà khoa học đã được chính phủ Mỹ tài trợ để thực hiện nghiên cứu hệ thống dẫn đường dựa trên vũ trụ. Lịch sử phát triển Thập niên 1920: Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến. Đầu Đại chiến thế giới 2: LORAN, hệ thống dẫn đường áp dụng phương pháp đo độ lệch thời gian của tín hiệu sóng vô tuyến, do Phòng thí nghiệm Bức xạ Đại học MIT (MIT Radiation Laboratory). LORAN cũng là hệ thống định vị trong mọi điều kiện thời tiết thực sự đầu tiên nhưng hai chiều(kinh độ và vĩ độ). Năm 1957: Vệ tinh Sputnik của Nga được phóng lên vũ trụ. Đại học MIT cho rằng tín hiệu vô tuyến điện của vệ tinh có thể tăng lên khi chúng tiếp cận trái đất và giảm đi khi rời khỏ trái đất và do vậy có thể truy theo vị trí từ mặt đất. Năm 1959: TRANSIT, hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh hoạt động đầu tiên, do Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng Johns Hopkins phát triển dưới sự chỉ đạo của TS Richard Kirschner. Mặc dù khởi đầu Transit được chế tạo để hỗ trợ cho đội tàu ngầm của Mỹ nhưng những công nghệ này đã được phát triển có ích trở thành Hệ thống định vị toàn cầu. Vệ tinh Transit đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào năm 1959. Năm 1960: Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian ba chiều (kinh độ, vị độ và độ cao longitude, latitude and altitude) đầu tiên do Raytheon Corporation đề xuất theo yêu cầu của Air Force để làm hệ thống dẫn đường sẽ được sử dụng với (with a proposed ICBM) có thể đạt tới độ lưu động bằng chạy trên một hệ thống đường ray. Hệ thống dẫn đường được trình bày là MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control). Ý tưởng này bị hỏng khi chương trình Mobile Minuteman bị hủy bỏ vào năm 1961. Năm 1963: Tổng công ty Aerospace Corporation thực hiện nghiên cứu về hệ thống không gian làm cơ sở cho hệ thống dẫn đường cho phương tiện chuyển động nhanh theo ba chiều không gian. Việc nghiên cứu này trực tiếp dẫn tới khái niệm về hệ thống định vị toàn cầu. Khái niệm liên quan đến việc đo thời gian tới của tín hiệu sóng vô tuyến được phát đi từ vệ tinh có vị trí chính xác đã biết. Đo thời gian sẽ cho khoảng cách tới vị trí vệ tinh đã biết và lần lượt có thể xác định được vị trí của người sử dụng. Năm 1964 Timation, hệ thống vệ tinh hải quân, được phát triển dưới sự chỉ đạo của Roger Easton ở Phòng nghiên cứu Hải quan (Naval Research Lab, NRL) để cải thiện đồng hồ có tính ổn định cao, khả năng truyền thời gian, và dẫn đường 2 chiều. Hoạt động của Timation theo tiêu chuẩn thời gian chuẩn vũ trụ đã cung cấp cơ sở quan trọng cho hệ thống định vị toàn cầu. Vệ tinh Timation đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào tháng 5 năm 1967. Năm1968: Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD, Department of Defence, USA) thành lập một ủy ban gọi là Ủy ban Thự hiện Vệ tinh Dẫn đường (NAVSEC, Navigation Satellite Executive Committee) để phối hợp nỗ lực của các nhóm dẫn đường vệ tinh (Transit của Hải quân, Chương trình Timation, và SECOR của Quân đội, hay còn gọi là Hệ thống đồng tương quan khoảng cách chuỗi (Sequential Correlation of Range System). NAVSEC ký hợp đồng một số nghiên cứu để làm sáng tỏ khái niệm dẫn đường vệ tinh cơ bản. Những nghiên cứu này về một số vấn đề chính xung quanh khái niệm như lựa chọn tần số sóng mang (dải L đối lập với dải C), thiết kế cấu trúc tín hiệu, và lựa chọn định hình quỹ đạo vệ tinh. Năm 1969-1972 NAVSEC quản lý các thảo luận khái niệm giữa các nhóm dẫn đường vệ tinh khác nhau. APL Hải quân ủng hộ nhóm Transit mở rộng, trong khi NRL Hải quân ủng hộ cho Timation mở rộng, còn Air Force thì ủng hộ cho “chòm sao đồng bộ mở rộng”, tức dự án ‘Hệ thống 621B’. Tháng 4 năm 1973 Thứ trưởng Bộ Quốc phòng quyết định thiết lập một chương trình hợp tác ba dịch vụ để thống nhất những khái niệm khác nhau về định vị và dẫn đường thành một hệ thống Bộ quốc phòng hỗn hợp gọi là Hệ thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (Defense Navigation Satellite System). Air Force được chỉ định làm người quản lý (điều hành) chương trình. Hệ thống mới được phát triển qua văn phòng chương trình kết hợp (joint program office), với sự tham gia của tất cả quan chủng quốc phòng. Đại tá Brad Parkinson được chỉ định làm người chỉ đạo văn phòng chương trình kết hợp và được đặt trọng trách phát triển kết hợp khái niệm ban đầu về hệ thống dẫn đường dựa trên không gian (space-based navigation system) Tháng 8 năm 1973 Hệ thống đầu tiên được trình bày tới Hội đồng Thu nhận và Thẩm định Hệ thống Quốc phòng (Defense System Acquisition and Review Council, DSARC) bị từ chối thông qua. Hệ thống được trình lên DSARC được gói gọn trong Hệ thống 621B của Air Fore và không đại diện cho chương trình kết hợp. Mặc dù có người ủng hộ ý tưởng của hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh mới nhưng Văn phòng Chương trình Kết hợp đã được thúc đẩy khẩn trương tổng quát hóa khái niệm bao gồm xem xét và yêu cầu tất cả các binh chủng quốc phòng. Ngày 17/12/1973 Một khái niệm mới được trình tới DSARC và được thông qua để thực hiện và cấp kinh phí là hệ thống NAVSTAR GPS, đánh dấu khởi đầu công nhận khái niệm (ý tưởng) (Giai đoạn I của chương trình GPS). Khái niệm mới thực sự là một hệ thống dàn xếp (thỏa hiệp – compromise system) do Đại tá Parkinson thương lượng đã kết hợp tốt nhất giữa tất cả những khái niệm và công nghệ dẫn đường vệ tinh có sẵn. Cấu hình hệ thống được thông qua bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trong những quỹ đạo nghiêng chu kỳ 12 giờ đồng hồ. Tháng 6 năm 1974 Hãng Rockwell International được chọn làm nhà cung cấp vệ tinh cho chương trình GPS. Ngày 14 tháng 7 năm 1974 Vệ tinh NAVSTAR đầu tiên được phóng lên vũ trụ. Vệ tinh này được chỉ định là Vệ tinh Công nghệ Dẫn đường (NTS) số 1, về cơ bản đây là vệ tịnh Timation tân trang lại do NRL đóng. Vệ tinh thứ hai (là vệ tinh cuối cùng) của nhóm NTS được phóng vào năm 1977. Những vệ tinh này được sử dụng cho việc đề xuất đánh giá khái niệm (ý tưởng) và thực hiện những đồng hồ nguyên tử đầu tiên đã được phóng vào trong không gian (vũ trụ). Năm 1977: Thực hiện kiểm tra thiết bị người sử dụng ở Yuma, Arizona. Ngày 22/2/1978: Vệ tinh Block I đầu tiên được phóng. Toàn bộ 11 vệ tinh Block I được phóng trong khoảng thời gian 1978 và 1985 trên Atlas-Centaur. Những vệ tinh Block I do Rockwell International xây dựng được coi là những vệ tinh mẫu phát triển được dùng để kiểm tra hệ thống. Bị mất một vệ tinh do phóng trượt. 26/4/1980: Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng Hệ thống phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp (Integrated Operational Nucluear Detonation Detection System (IONDS) sensors). Năm 1982: Bộ Quốc phòng thông qua quyết định giảm số vệ tinh của chòm vệ tinh GPS từ 24 xuống 18 tiếp theo sau tái cấu tạo lại chương trình chính do Quyết định 1979 của Văn phòng Thư ký Bộ Quốc phòng gây ra để cắt giảm kinh phí 500 triệu đô la (khoảng 30%) từ ngân sách cho giai đoạn năm tài chính FY81-FY86. Ngày 14/7/1983 Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ hạt nhân (NDS) mới hơn. Ngày 16/9/1983 Theo (the Soviet downing of Korean Air flight 007), tổng thống Reagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay dân dụng hoàn toàn miễn phí khi hệ thống đưa vào sử dụng. Sự kiện này đánh dấu sự bắt đầu lan tỏa công nghệ GPS từ quân sự sang dân sự. Năm 1984: Khảo sát trở thành một thị trường GPS thương mại đầu bảng được nâng cánh! Để bù cho số vệ tinh giới hạn có sẵn trong quá trình phát triển chòm vệ tinh, các nhà khảo sát đã chuyển qua số kỹ thuật nâng cao độ chính xác bao gồm kĩ thuật GPS Vi phân (DGPS) và kỹ thuật truy theo pha sóng mang (carrier phase tracking). Tháng 4 1985 Hợp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao cho JPO. Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển cũng như lựa chọn sản xuất các máy thu GPS dùng cho máy bay, tàu thủy và máy thu xách tay (gọn nhẹ). Năm 1987: Bộ Quốc phòng chính thức yêu cầu Bộ Giao thông (Department of Transport, DoT) có trách nhiệm thiết lập và cung cấp một văn phòng đáp ứng nhu cầu người sử dụng dân sự về thông tin GPS, dữ liệu và hỗ trợ kỹ thuật. Tháng 3/1988 Thư ký Air Force thông báo về việc mở rộng chòm GPS tới 21 vệ tinh cộng thêm 3 vệ tinh dự phòng. Ngày 14/2/1989: Vệ tinh đầu tiên của các vệ tinh Block II đã được phóng từ Cape Canaveral AFT, Florida, trên dàn phóng Delta II (Delta II booster). Phi thuyền con thoi (Space Shuttle) làm bệ phóng theo kế hoạch cho các vệ tinh Block II được Rockwell Intenational đóng. Tiếp theo tai nạn Challenger 1986, Văn phòng Chương trình Kết hợp (JPO) xem xét lại và đã sử dụng Delta II làm bệ phóng vệ tinh GPS. SA (Selective Availabity) và AS (Anti-spoofing). Ngày 21/6/1989: Hãng Martine Marietta (sau khi mua xong General Electric Astro Space Division vào năm 1992) được thắng hợp đồng xây dựng 20 vệ tinh bổ sung (Block IIR). Chiếc vệ tinh Block IIR đầu tiên sẵng sàng để phóng vào cuối năm 1996. Năm 1990: Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hàng đầu thế giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm ban đầu. Ngày 25/3/1990: Do theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến Liên bang, lần đầu tiên khởi động (kích hoạt) SA (Selective Availability) làm giảm độ chính xác dẫn đường GPS có chủ định. Tháng 8/1990: SA được tắt đi trong chiến tranh vịnh Ba tư (Persian Gulf War). Những yếu tố đóng góp vào quyết định tắt SA bao gồm việc phủ sóng ba chiều có giới hạn được chòm NAVSTAR cung cấp trong quỹ đạo vào thời gian đó và sớ máy thu mã số chính xác (Precision (P)-code) trong bản kiểm kê của DoD. DoD đã mua hàng nghìn máy thu GPS dân dụng ngay sau đó không lâu đã dùng cho lực lượng liên minh trong cuộc chiến tranh. Hệ GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thông tin toàn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất. Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Hệ GPS là hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh do Hoa Kỳ kiểm soát và duy trì hoạt động. Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên trái đất ở độ cao 20.200 km (11.900 NM ), với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận. Từ những năm đầu thập kỷ 80, các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối tượng sử dụng tư nhân. Trên các xe hơi hạng sang, những thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số PDA (Personal Digital Assistant), được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện giá trị của chủ sở hữu. Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978. Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 10 năm. Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 bộ (5m) với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²). Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts. Hệ thống dẫn đường vô tuyến (Radio Navigation) Nguyên lý hoạt động Áp dụng nguyên lý tính toán thời gian truyền sóng vô tuyến từ vệ tinh đến máy thu định vị đặt trên đối tượng cần xác định để xác định khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu định vị đó. Ta biết rằng tốc độ sóng vô tuyến trong không gian gần bằng vận tốc ánh sáng (3.108 m/s), nếu máy thu có thể xác định chính xác thời gian khi vệ tinh bắt đầu gửi đoạn tin và thời gian máy thu nhận được đoạn tin đó từ đó có thể xác định được khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh theo biểu thức: R=c.∆T với R: khoảng cách thừ vệ tinh đến máy thu. (m) c : Vận tốc ánh sáng. (c= 3.108 m/s) T : Thời gian truyền sóng từ máy phát đên máy thu. (s) Như vậy để thực hiện thì phải đồng bộ chính xác giữa vệ tinh và máy thu GPS thì máy phát ở vệ tinh và máy thu GPS có các mã định thời giả ngẫu nhiên đồng nhất. Mỗi vệ tinh sẽ liên tục phát mã đồng bộ của chúng một cách chính xác, máy thu GPS sau khi thu được mã đồng bộ phát từ vệ tinh nó sẽ thực hiện so sánh với mã tạo ra để xác định thời gian truyền sóng. Hiệu số thời gian đó nhân với tốc độ truyền sóng sẽ cho ra kết quả khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Hình 1.3 mô tả quá trình so sánh mã của vệ tinh và mã của máy thu GPS để xác định thời gian truyền sóng. Hình 1.3 Quá trình so sánh mã của vệ tinh và mã của máy thu GPS Đặc điểm của hệ thống Thiết bị đơn giản rẻ tiền, dễ thao tác. Tầm hoạt động bị hạn chế, độ chính xác không cao, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Thời điểm đo, nhiệt độ, độ ẩm của không khí ảnh hưởng tới quá trỡnh truyền lan súng điện từ. Vị trí cần xác định tọa độ, ảnh hưởng của địa hỡnh phức tạp tới sự lan truyền của tia sóng. Để tăng tầm hoạt động của hệ thống, người ta thường liên kết từng cụm gồm 3 trạm đèn hiệu vô tuyến thành từng chuỗi hệ thống. Khi đó độ phủ sóng của hệ thống rộng hơn một trạm đơn lẻ, thường vào khoảng 1000 dặm. Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh. Để xác định vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử dụng vệ tinh làm các điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thể đến các vệ tinh này (Hình 1.3a). Ở đây ta đã biết trước vị trí rj của vệ tinh thứ j (phát ra tín hiệu) và muốn xác định vị trí Ri của anten thứ i (thiết bị thu tín hiệu vệ tinh) do đó ta cần phải đo vector cự ly eij ρ Ij giữa 2 vị trí nói trên (eij là vector đơn vị). Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có thể có những kỹ thuật định vị vệ tinh khác nhau và xác định được vị trí của anten thứ i theo công thức sau: Ri=rj -eij ρij Hình 1.3a: Vị trí các vật thể được xác định qua 4 phép đo Do vị trí của vệ tinh thay đổi theo thời gian nên việc dự đoán một cách chính xác vị trí của vệ tinh rj(t) tại một thời điểm nào đó là rất khó khăn. Nhiệm vụ dự đoán quỹ đạo hay lịch thiên văn (ephemeris) của vệ tinh đòi hỏi phải có kiến thức đặc biệt về động lực học vệ tinh mà người vận hành hệ thống cần phải quan tâm. Giả sử ta bỏ qua sai số đồng hồ máy thu trên vật thể i và đo được cự ly từ vật thể i đến vệ tinh 1 là ρi1, nghĩa là vật thể i đang nằm trên một mặt cầu (S1) có tâm là vệ tinh 1 (C1) và bán kính là ρi1. Tiếp theo ta thực hiện phép đo cự ly từ vật thể i đến vệ tinh 2 và nhận được kết quả là ρi2, điều này cho chúng ta biết rằng vật thể i không chỉ nằm trên mặt cầu (S1) mà còn nằm trên mặt cầu (S2) cách vệ tinh 2 (C2) một khoảng cách là ρi2. Nói cách khác, vật thể i sẽ nằm trên đường tròn (O) do 2 mặt cầu (S1), (S2) cắt nhau tạo ra. Nếu chúng ta tiếp tục đo được cự ly từ vật thể i đến vệ tinh 3 là ρi3 thì vị trí chính xác của nó là một trong hai giao điểm P1, P2 của mặt cầu (S3) với đường tròn (O), như ở hình 1.3. Như vậy, bằng các phép đo cự ly từ vật thể i đến 3 vệ tinh, ta có thể xác định được 2 vị trí có thể có của nó trong không gian. Để xác định vị trí nào là vị trí thật ta có thể thực hiện 1 phép đo bổ sung, tuy nhiên 1 trong 2 vị trí tính được từ phép đo này sẽ cho một kết quả không phù hợp (hoặc là ở rất xa trái đất, hoặc là chuyển động với vận tốc vô cùng lớn) và do đó có thể bỏ qua mà không cần phải thực hiện phép đo này.Ba phép đo cự ly ở trên cho ta 3 phương trình độc lập với nhau cần thiết để xác định 3 ẩn số. 3 ẩn số này là tọa độ (x, y, z) của vật thể i trong không gian ba chiều. Hình 1.3b: Định vị điểm bằng vệ tinh Khi kể đến sai số đồng hồ máy thu, tất cả các phép đo cự ly đồng thời đều bị lệch bởi giá trị sai số này. Do đó, trong bất kỳ một tập hợp các phép đo cự ly đồng thời nào, chúng ta cũng cần phải xác định đầy đủ 4 ẩn số (3 ẩn số vị trí, 1 ẩn số thời gian), nghĩa là cần 4 phương trình hay 4 phép đo cự ly đến vệ tinh để xác định vị trí duy nhất của vật thể. Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh Mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code - PRC) Là thành phần cơ bản của GPS, gồm các mã số (digital code) rất phức tạp, hay nói cách khác nó là một chuỗi liên tiếp các xung nhị phân “0” và “1” (hình1.4). Hình 1.41: Mã giả ngẫu nhiên PRC Tín hiệu này phức tạp gần như là các nhiễu điện từ ngẫu nhiên nên được gọi là mã giả ngẫu nhiên. Nó có nhiệm vụ bảo đảm cho máy thu không đồng bộ ngẫu nhiên với tín hiệu khác. Ngoài ra, do mỗi vệ tinh có một mã PRC duy nhất riêng biệt nên điều này cũng bảo đảm rằng máy thu sẽ không tình cờ bắt được tín hiệu của vệ tinh khác, vì vậy các vệ tinh có thể sử dụng cùng tần số mà không làm nhiễu lẫn nhau. Không những vậy, việc sử dụng mã PRC này còn giúp cho quá trình xử lý và khuếch đại tín hiệu dựa trên lý thuyết thông tin được thực hiện dễ dàng hơn, giúp tối ưu hóa anten thu và tiết kiệm chi phí. Đo cự ly bằng sóng xung và sóng liên tục Các hệ thống đo cự ly thường dùng các tín hiệu xung hoặc các tín hiệu sóng liên tục. Mỗi phương pháp đều có những ưu khuyết điểm riêng và đều có thể sử dụng trong phép đo một chiều hoặc hai chiều. Hệ thống định vị vô tuyến toàn cầu là hệ thống đo cự ly một chiều có khả năng sử dụng cả hai loại: sóng xung và sóng liên tục. Nguyên lý đo cự li cơ bản Bằng cách xác định khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu ta có thể tính toán được cự ly giữa chúng nhờ vào công thức: Cự ly = vận tốc x thời gian ( = c.t) Vấn đề ở đây là làm sao tính toán được thời gian truyền tín hiệu giữa chúng. Để thực hiện điều này chúng ta giả sử rằng cả vệ tinh và máy thu đều phát ra các mã PRC giống nhau vào cùng một thời điểm. Lúc này tại máy thu ta nhận được 2 phiên bản mã không đồng thời, 1 phiên bản mã của máy thu và 1 phiên bản mã từ vệ tinh sẽ đến trễ hơn một khoảng thời gian do phải trải qua một quảng đường khá xa từ vệ tinh đến máy thu. Như vậy dựa vào khoảng thời gian trễ trên ta có thể xác định được cự ly một cách dễ dàng. Thời trễ được xác định bằng cách sử dụng nguyên lý tương quan tín hiệu ngẫu nhiên trong máy thu tương quan (correlator). Giả cự ly là cự ly đo được giữa vệ tinh và máy thu khi kể đến các sai số đồng hồ (đồng hồ máy thu và vệ tinh) cũng như các nguồn sai số khác (sai số do lịch thiên văn, do tầng điện ly, do tầng đối lưu, …). Nói cách khác, giả cự ly là tích của tốc độ ánh sáng và trị biến đổi thời gian cần thiết để so hàng một phiên bản mã được phát từ máy thu với một phiên bản mã khác nhận được từ vệ tinh. Trên lý thuyết, trị biến đổi thời gian là trị chênh lệch giữa thời gian nhận tín hiệu (được đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín hiệu (được đo bằng hệ thời gian của vệ tinh). Trên thực tế, hai hệ thời gian này không giống nhau, mỗi hệ tác động một sai lệch vào trị số đó. Vì vậy các số đo thời trễ sai lệch này được xem là những số đo giả cự ly. Các nguồn gây sai số trong phép đo Như chúng ta đã biết để xác định vị trí của một vật thể, ta cần phải tính toán được khoảng cách từ nó đến 4 vệ tinh dựa vào phép đo khoảng thời gian truyền tín hiệu sóng điện từ từ các vệ tinh đến vật thể này. Do đó độ chính xác của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu là các thông số rất quan trọng ảnh hưởng đến các phép đo cự ly cần thiết. Ngoài ra, các yếu tố khác như tầng điện ly, tầng đối lưu, quỹ đạo vệ tinh, độ ồn của máy thu, nhiễu đa đường (multipath)... cũng góp phần gây ra các sai số không nhỏ trong các phép đo cự ly này. Hình 1.5 Các nguồn tác động khác nhau gây ra sai số trong phép đo cự ly Đồng hồ vệ tinh Sóng điện từ truyền đi trong không gian xấp xỉ vận tốc ánh sáng (3.108m/s) nên chỉ cần sai số 1ns sẽ gây ra sai số khoảng cách 30cm. Vì vậy, người ta trang bị cho các vệ tinh các đồng hồ nguyên tử (Cesium) rất chính xác. Các đồng hồ này tuy có độ chính xác cao vẫn tích lũy sai số 1ns sau mỗi 3 giờ, do đó để giải quyết vấn đề này, chúng sẽ được liên tục theo dõi bởi các trạm mặt đất và được so sánh với hệ thống đồng hồ điều khiển trung tâm gồm 10 đồng hồ nguyên tử khác. Sau khi được tính toán kỹ lưỡng, sai số và độ trôi đồng hồ vệ tinh được kèm vào các thông điệp mà vệ tinh phát đi. Khi tính toán khoảng cách đến các vệ tinh, máy thu GPS sẽ lấy thời gian truyền tín hiệu nhận được trừ đi các sai số này để xác định thời gian truyền tín hiệu thực sự. Mặc dù các trung tâm điều khiển mặt đất cố gắng hết sức để liên tục theo dõi hoạt động của các đồng hồ vệ tinh, chúng vẫn không thể xác định các sai số một cách chính xác được. Do đó các vệ tinh vẫn gây ra sai số đồng hồ tiêu biểu khoảng vài ns và sai số khoảng cách khoảng 1m. Đồng hồ máy thu Tương tự như đồng hồ vệ tinh, bất kỳ sai số nào trong đồng hồ máy thu cũng gây ra sai số trong các phép đo khoảng cách. Tuy nhiên không thực tế khi trang bị cho các máy thu này các đồng hồ nguyên tử vì chúng khá nặng (khoảng 20kg), có giá cả rất mắc (50.000USD) và rất bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Giả sử rằng, tại một thời điểm nào đó, đồng hồ máy thu có sai số 1ms và do đó gây ra sai số khoảng cách 300.000 m. Nếu các khoảng cách đến tất cả các vệ tinh được đo chính xác vào cùng một thời điểm thì tất cả khoảng cách này đều bị lệch 300.000 m. Vì vậy, ta có thể xem sai số đồng hồ máy thu là một trong các ẩn số cần tìm và đó cũng là lý do mà tại sao khi xác định vị trí ta cần thực hiện các phép đo cự ly đến 4 vệ tinh, nghĩa là cần 4 phương trình để giải ra 4 ẩn số (3 ẩn số vị trí x, y, z và 1 ẩn số thời gian là sai số đồng hồ máy thu), và từ đó giúp ta có thể sử dụng đồng hồ rẻ tiền và gọn nhẹ hơn trong máy thu. Chú ý rằng việc xem sai số đồng hồ máy thu là 1 ẩn số chỉ hợp lệ nếu ta thực hiện các phép đo cự ly đến các vệ tinh chính xác vào cùng một thời điểm. Nếu các phép đo này không xảy ra đồng thời thì đối với mỗi phép đo sẽ có một sai số đồng hồ khác nhau. Thực hiện các phép đo đồng thời đến 4 vệ tinh, ta không những tính toán được vị trí 3 chiều mà còn xác định được sai số của đồng hồ máy thu với độ chính xác rất cao. Một đồng hồ tiêu biểu có độ trôi khoảng 1000ns mỗi giây nhưng bằng phương pháp trên ta có thể điều chỉnh thời gian máy thu đạt độ chính xác bằng với đồng hồ GPS và biến đồng hồ máy thu rẻ tiền này trở thành một đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao. Máy thu hiệu chỉnh đồng hồ của nó mỗi giây và cung cấp một tín hiệu thời chuẩn cho các ứng dụng bên ngoài. Nếu chúng ta đặt máy thu tại một vị trí chính xác đã biết thì ta chỉ cần theo dõi 1 vệ tinh để tính toán sai số đồng hồ máy thu và điều chỉnh nó. Bốn vệ tinh là số lượng tối thiểu mà chúng ta cần để tính toán vị trí và thời gian. Càng sử dụng nhiều vệ tinh thì kết quả đo nhận được càng chính xác hơn. Sai số quỹ đạo vệ tinh Như đã thảo luận ở các phần trên, độ chính xác của vị trí cần tính toán cũng phụ thuộc vào cách xác định vị trí chính xác của các vệ tinh (được xem là các điểm tham chiếu). Quỹ đạo của các vệ tinh liên tục được theo dõi từ nhiều trạm giám sát nằm xung quanh trái đất và thông tin quỹ đạo dự đoán được truyền đến các vệ tinh, từ đó vệ tinh cung cấp các thông tin này cho máy thu. Độ chính xác tiêu biểu của việc tiên đoán quỹ đạo này vào khoảng vài mét và do đó cũng sẽ gây ra sai số khoảng vài mét khi tính toán vị trí. Máy thu duy trì một bảng niên giám dữ liệu quỹ đạo cho tất cả các vệ tinh và chúng cập nhật các bảng này mỗi giờ khi có dữ liệu mới. Sai số do tầng điện ly Khi tính toán khoảng cách đến vệ tinh, đầu tiên ta đo khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu và sau đó nhân khoảng thời gian này với vận tốc ánh sáng. Vấn đề ở đây là vận tốc này thay đổi phụ thuộc vào tình trạng của tầng khí quyển. Lớp trên của tầng khí quyển gọi là tầng điện ly gồm các hạt mang điện, gây tác động làm chậm tín hiệu mã và nhanh tín hiệu sóng mang. Ảnh hưởng của tầng điện ly nếu không được khắc phục có thể gây ra sai số phép đo lớn hơn 10m. Vài máy thu sử dụng mô hình toán học để tính toán ảnh hưởng của tầng điện ly và xác định gần đúng mật độ các hạt mang điện nên có thể giảm được ảnh hưởng của tầng này khoảng 50% tuy nhiên sai số còn lại vẫn đáng kể. Hình 1.6: Sai số do tầng điện ly Trễ nhiễu tầng khí quyển: I : là số của electron trên một đơn vị Tác động của tầng điện ly đối với tín hiệu điện tử phụ thuộc vào tần số của nó. Tần số càng cao thì ảnh hưởng càng ít. Do đó ta có thể sử dụng 2 tần số sóng mang khác nhau để đo độ trễ sai lệch giữa 2 tín hiệu này và từ đó loại bỏ được ảnh hưởng của tầng điện ly. Đó chính là lý do tại sao mà tất cả các vệ tinh GPS truyền thông tin bằng 2 tần số L1, L2. Máy thu chính xác (máy thu 2 tần số) chủ yếu phục vụ cho quân sự theo dõi cả 2 tín hiệu L1, L2 và thực hiện các kỹ thuật phức tạp để trích ra các tín hiệu mã và sóng mang nhằm loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly. Máy thu không chính xác (máy thu đơn tần) phục vụ chủ yếu trong dân sự chỉ theo dõi 1 tín hiệu L1. Đây là 1 trong những đặc điểm phân biệt chính giữa 2 loại máy thu này. Sai số do tầng đối lưu Lớp thấp hơn của tầng khí quyển chứa đựng hơi nước được gọi là tầng đối lưu, gây tác động làm chậm cả tín hiệu mã lẫn tín hiệu sóng mang. Ta không thể loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu bằng cách sử dụng hệ thống 2 tần số.Phương pháp duy nhất để loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu là tiến hành phép đo lượng hơi nước, nhiệt độ, áp suất của nó và áp dụng một mô hình toán học để có thể tính toán độ trễ gây ra bởi tầng này. Nhiễu đa đường Khi đo khoảng cách đến mỗi vệ tinh, ta giả sử rằng tín hiệu vệ tinh được truyền thẳng từ vệ tinh đến anten của máy thu. Nhưng trong thực tế ngoài tín hiệu trực tiếp này anten máy thu còn nhận được các tín hiệu phản xạ đến từ mặt đất và các vật thể gần anten qua nhiều đường gián tiếp khác nhau, xen nhiễu vào tín hiệu trực tiếp, gây ra sai lệch về thời điểm đến của tín hiệu thực sự. Nếu đường truyền gián tiếp dài hơn đáng kể so với đường truyền trực tiếp (lớn hơn 10m) để hai mẫu tín hiệu trên tách rời nhau thì ảnh hưởng gây ra bởi nhiễu đa đường về cơ bản có thể được khắc phục bởi các kỹ thuật xử lý tín hiệu. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS Cấu trúc hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là phần không gian (space segment), phần điều khiển (control segment), phần người sử dụng (user segment). Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu cụ thể về từng bộ phận cấu thành của hệ thống và chức năng của chúng. Hình 2.1: Các thành phần cấu tạo của hệ thống GPS Phần không gian (Space Segment) Chòm vệ tinh GPS Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh. Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz. Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao. Hình 2.1.1 Các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống GPS Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" (Healthy) và "hoạt động không khoẻ (Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe". Cấu trúc tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số 1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát đi ở tần số f0/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số f0 = 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau. Bằng cách này P- code rất khó bị giái mã để sử dụng nếu không được phép. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có giấy phép (nói chung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y). Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã (Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y. Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu mã có trị số -1 thì phase sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang giữ nguyên không thay đổi. Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực. 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 này bao gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia (Ấn Độ Dương ), Ascension Islend (Đại Tây Dương ), Kwajalein (Tây Thái Bình Dương ) và Hawaii (Thái Bình Dương ); một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station). Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu. Phần sử dụng (User Segment) Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần số phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển trái đất. Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m và =1:29825722. Hình 2.13 Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng. Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính: Phần cứng Phần mềm Phần triển khai công nghệ Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác. Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS. Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác. Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của anten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị. Những bộ phận chính của máy thu GPS. Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm: Anten và bộ tiền khuếch đại Phần tần số vô tuyến (RF) Bộ vi xử lí Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện Thiết bị ghi chép Nguồn năng lượng Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại chùm sóng rộng , vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như các đĩa ăngten vệ tinh . Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đặt trên ba chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thông, vi trí thực sự được xác định là trung tâm Phase của ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa. Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết hợp số hóa và giải tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử lí tín hiệu khác nhau đôi chút, các phương pháp này là : Tương quan mã Phase và tần số mã Cầu phương tín hiệu sóng mang Phần tần số vô tuyến: bao gồm các kênh sử dụng một trong ba phương pháp nói trên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh biến đổi trong khoảng từ 1 đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác nhau. Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí. Kíck thước và kiểu dáng của bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng khác nhau. Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các trị số quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tín hiệu thu được. Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều điện áp thấp, chỉ có một vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều. Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống GPS Đồng hồ GPS Trong hầu hết các hệ thống định vị, thời gian chính xác là một thông số vô cùng quan trọng. Ở hệ thống định vị GPS thời gian chính xác được tạo bởi đồng hồ nguyên tử. Đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao hơn đồng hồ quart. Độ trôi dạt ổn định đo được là : 10 13 s. Trong thực tế mỗi vệ tinh block1 có tới 4 đồng hồ nguyên tử hoạt động: Hai đồng hồ là chuẩn tần số dựa trên phát xạ Cacsium. Hai đồng hồ là chuẩn tần số dựa trên điều khiển khí Rubidium. Ngoài ra còn có nhiều bộ dao động quart rất ổn định, 4 đồng hồ vừa hỗ trợ cho nhau vừa giám sát lẫn nhau nhằm đưa ra độ chính xác nhất. Việc giám sát này cũng được sử dụng để nhằm thỏa mãn các yêu cầu điều chỉnh đồng hồ trên các vệ tinh block2. Các đồng hồ Rubidium có độ ổn định thấp hơn một chút so với đồng hồ Casium, trong một khoảng thời gian dài với một tốc độ trôi dạt là: 10 12 s. Tất cả các đồng hồ của hệ thống GPS được đặt hoạt động ở tần số 10.23 MHz. Các mã phát và sóng mang là một hàm tỷ lệ với tần số đồng hồ cơ sở này. Tuy nhiên các đồng hồ vẫn bị sai lệch do chuyển động, các đồng hồ không thể tự điều chỉnh được, việc điều chỉnh đồng hồ do trạm trung tâm dưới mặt đất thực hiện. Các giá trị hiệu chỉnh được phát cho các vệ tinh, có trong những bản tin dữ liệu (lịch vệ tinh ). Giờ GPS có điểm gốc 0 của thời gian vào đêm 5/1/1980 và sáng ngày 6/1/1980. Trong một tuần có 604800s, giờ GPS lấy mốc là 1,5s , như vậy một tuần theo giờ GPS sẽ có 403200 mốc. Mỗi mốc chia 1,5s là đơn vị thuận tiện cho việc tính toán và liên lạc thời gian chính xác. Thời gian được công bố theo cách thức này gọi là số đếm Z. Cấu trúc của số đếm Z có 29 bit bao gồm 2 phần như sau: 19 bit trái của Z là số đếm trong tuần (TOW-TIME of week ). Điểm mốc 0 của tuần được đánh vào giữa đêm thứ 7 và sáng chủ nhật. Phạm vi của số đếm là từ 0 đến 43199, mỗi mốc cách nhau 1.5s . 10 bit còn lại của số Z là số đếm chỉ thị tuần hiện tại. Nó là một chuỗi số nhị phân gồm 1024 số, phạm vi từ 0-1023. Điểm mốc 0 của tuần là tuẩn đầu tiên, bắt đầu từ đêm 5/1/1980 và sáng 6/1/1980. Khi số đếm tuần đến 1023 thì trở về 0 lại bắt đầu một chu kỳ tiếp theo. Tần số GPS Trong định vị vệ tinh Navstar-GPS, tần số GPS bao gồm các tần số sau : Tần số đồng hồ cơ sở 10.23 MHz. Tần số sóng mang. Tần số chuỗi mã. Tần số sóng mang GPS Đây là tần số cực kỳ quan trọng, nó liên quan tới tín hiệu thực tế phát từ vệ tinh. Hệ thống Navstar có hai tần số sóng mang chính là L1 và L2. L1 có tần số trung tâm là 1575.42 MHz gấp 154 lần tần số đồng hồ 10.23MHz và L2 có tần số trung tâm là 1227.66MHz gấp 120 lần tần số đồng hồ cơ sở. Các vệ tinh còn làm việc trên hai tần số sóng mang khác nữa khi thu phát dữ liệu với trạm điều khiển dưới mặt đất: 1783.74 MHz phát lên và 1227.5 MHz phát xuống. Tần số chuỗi mã Các tín hiệu dẫn đường Nadata cùng với thông tin địa chỉ của người sử dụng được mã hóa bởi một chuỗi mã ngẫu nhiên PRN. Mỗi người sử dụng sẽ có tương ứng một loại mã. Hệ thống GPS sử dụng 2 loại mã PRN chính là mã C/A và mã P. Mã C/A có độ bảo mật kém hơn mã P, hầu hết các máy thu đều dùng mã C/A để bắt và đo cự ly tương đối. Mã C/A được phát ở tần số 10.23 MHz còn tần số của mã P là 10.23 MHz. Mã P thường dùng trong việc đo cự ly xa chính xác cao và mã hóa các bức điện quân sự. Ngoài ra còn sử dụng mã Y, là mã xây dựng dựa trên mã p bằng cách mã hóa mã P và có cùng tần số với mã P. Điều chế và giải điều chế GPS Điều chế tín hiệu GPS Các mã được điều biến trên song mang theo phương thức điều chế BPSK(2PSK). Tần số sóng mang L1 : 1.575,42 Mhz ( băng L ). Mức công suất tối thiểu : - 160 dBw tại bề mặt trái đất. Mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN C/A có tần số 1.203 Mhz, chu kỳ 1ms. Sóng mang L1 được điều biến bằng cả hai mã ( mã C/A và P hoặc Y ). Sóng mang L2 được điều biến bằng mã P hoặc mã Y. Các mã được điều biến trên sóng mang theo phương thức điều chế BPSK. Hình 2.31 Sơ đồ điều chế Điện văn vệ tinh dưới dạng dữ liệu số tốc độ 50b/s được cộng mô-đun 2 với mã C/A để điều chế trên sóng mang L1. Điện văn vệ tinh sẽ được các máy thu giải mã và dùng để xác định vị trí theo thời gian thực. Giải điều chế PSK Tín hiệu sóng mang GPS đi đến 2 bộ nhân, 2 bộ nhân để thực hiện giải điều chế. Lọc vòng: lọc điện áp từ ngỏ của bộ nhân để đưa vào điều chỉnh tần số và pha của bộ dao dộng VCO. Bộ nhân thứ 3 mục đích để tìm kiếm sai pha giữa sóng mang 2PSK và sóng mang khôi phục. Kết quả sai pha sẽ thể hiện bằng điện áp lỗi. Hình 2.32 Sơ đồ giải điều chế Các nguyên tắc và phương pháp đo GPS Các dạng đại lượng đo Việc định vị bằng GPS được thực hiện trên cơ sở sử dụng hai đại lượng đo cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code và P-code ) và đo pha của sóng tải (L1 và L2 ). Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code Code tạo ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu GPS cũng tạo ra code tữa ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh code thu được từ vệ tinh và code chính của máy thu có thể xác định được khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, và từ đây dễ dàng tính được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu ( trung tâm ăngten của máy thu ). Do có sự đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu và do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu, nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu. Đó chính là khoảng cách giả. Ký hiệu: xs , ys , zs :Tọa độ của vệ tinh. x, y, z : Tọa độ của điểm xét ( máy thu). t : Thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét. ∆t : Sai số không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và máy thu. R: Khoảng cách giả đo được. Khoảng cách giả đo được là : Trong đó: c là tốc độ lan truyền tín hiệu. Trong trường hợp sử dụng C/A-code, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30m. Nếu tính đế ảnh hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A-code sẽ ở mức 100m là mức có thể chấp nhận để khách hàng dân sự có thể khai thác. Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code đã được phát triển dến mức đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tới cỡ 3m, tức là hầu như không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không được dùng cho khách hàng đại trà. Đo pha của sóng tải Các sóng tải L1 và L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao. Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số pha của sóng tải do máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra. Hiệu số pha do máy thu đo được là Φ (0< Φ<2Π). R: Khoảng cách giứa vệ tinh và máy thu λ : bước sóng của sóng tải N: số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R t∆ : sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu. N : số nguyên đa trị thường không được biết trước mà cần phải xác định trong quá trình đo. Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với chế độ chính xác cỡ centimet thậm chí milimet. Sóng tải L2 cho độ chính xác thấp hơn ít nhiều, nhưng tác dụng chủ yếu của nó là cùng với sóng tải L1 tạo ra khả năng làm giảm ảnh hưởng đáng kể của tầng điện ly, thêm vào đó làm cho việc xác định số nguyên đa trị được đơn giản hơn. Đo GPS tuyệt đối Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ra tọa độ của điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS-84. Đó có thể là các thành phần vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc thành phần tọa độ mặt cầu (B, L, H). Hệ thống tạo độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của hệ thống GPS; tọa độ của vệ tinh cũng như của điểm quan sát đều được lấy theo hệ thống tọa độ này. Nó được thiết lập gắn với ellipxoid có kích thước như sau: a = 6378137 m; 1/ α = 298,2572 Hình 2.42 Hệ tọa độ GPS Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm có tọa độ đã biết là các vệ tinh. Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và máy thu. Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn vị của máy thu. Song trên thực tế cả đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh đều có sai số, nên các khoảng cách được đo không phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí máy thu. Để khắc phục tình trạng này,cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa, đó là khoảng cách từ một vệ tinh thứ tư. Để thấy rõ điều này, ta có hệ gồm 4 phương trình cho 4 vệ tinh: Vậy là bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu ta có thể xác định được tọa độ tuyệt đối của máy thu, ngoài còn xác định thêm được số hiệu chỉnh cho đồng hồ của máy thu nữa. Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối cần thiết để xác định tọa độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát. Tuy vậy, nếu máy thu được trang bị đồng hồ chính xác cao thì khi đó chỉ còn 3 ẩn số là 3 thành phần tọa độ của điểm quan sát. Để quan sát chúng ta chỉ cần quan sát đồng thời 3 vệ tinh. Đo vi phân Theo phương pháp này cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu vo tuyến được đặt tại điểm có tọa độ đã biết (nó thường được gọi là máy cố định), đồng thời có máy khác ( được gọi là máy di động ) đặt ở vị trí cần xác định tọa độ, đó có thể là điểm cố định hoặc điểm di động như tàu thủy, máy bay, ôtô. Cả máy cố định và máy di động cần tiến hành đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau. Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định tọa độ của cả máy cố định và máy di động cũng đều bị sai lệch. Độ sai lệch này được xác định trên cơ sở so sánh tọa độ tính ra theo tín hiệu thu được và tọa độ đã biết trước của máy cố định và có thể xem là như nhau cho cả máy cố định và máy di động. Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy di động thu nhận mà hiệu chỉnh kết quả xác định tọa độ của mình. Ngoài cách hiệu chỉnh cho tọa độ, người ta còn tiến hành hiệu chỉnh cho khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Cách hiệu chỉnh này đòi hỏi máy thu cố định có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn nhưng lại cho phép người dùng xử lý chủ động linh hoạt hơn. Để đảm bảo độ chính xác cần thiết, các số hiệu chỉnh cần được xác định và chuyển nhanh với tần suất cao. Cũng với lý do này phạm vi hoạt động có hiệu quả của một máy thu cố định không phải là tùy ý, mà hạn chế ở bán kính từ một vài trăm đến năm bảy trăm kilômet. Người ta đã xây dựng các hệ thống GPS vi phân diện rộng cũng như mạng lưới GPS vi phân gồm một số hệ thống gồm một số trạm cố định để phục vụ nhu cầu định vị cho cả một lục địa hay đại dương với độ chính xác cỡ 10m. Phương pháp định vị GPS vi phân có thể đảm bảo độ chính xác phổ biến cỡ vài mét, và hơn thế nữa tới deximet. Đo GPS tương đối Nguyên lý đo GPS tương đối Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian (∆X, ∆Y, ∆Z ) hay hiệu tọa độ mặt cầu ( ∆B, ∆L, ∆H ) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84. Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sỏ sử dụng đại lượng đo là pha của sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao chi kết quả xác định hiệu tọa độ ( hay vị trí tương hỗ ) giữa hai điểm xét người ta đã tạo và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha tải nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như trên máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, sai số nguyên đa trị…. Ký hiệu hiệu pha của của sóng tải từ vệ tinh j được đo tại trạm quan sát r vào thời điểm ti là Φrj (ti). Khi đó nếu xét hai trạm 1 và 2 tiến hành quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời điểm ti , ta có sai phân bậc một sau: Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên vệ tinh . Nếu xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j vào thời điểm ti ta có sai phân bậc hai: Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như sai số của đồng hồ trong máy thu . Nếu xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j, k vào thời điểm ti , ti 1 ta có sai phân bậc ba: Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị. Số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thường nhiều hơn 4, có khi lên tới 10 vệ tinh. Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo. Không những thế khi đo tương đối các vệ tinh lại được quan sát trong một khoảng thời gian tương đối dài, thường từ nửa giờ đến vài ba giờ. Do vậy trên thực tế số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm quan sát sẽ là rất lớn, và khi đó số liệu đo sẽ được xử lý theo nguyên tắc bình phương nhỏ nhất. Đo tĩnh Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đáp ứng yêu cầu công tác trắc địa - địa hình. Trong trường hợp này cần hai máy thu, một máy đặt ở điểm đã biết tọa độ, còn máy kia đặt ở điểm cần xác định. Cả hai máy phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất định, thường là một đến hai ba tiếng đồng hồ. Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là ba, nhưng thường được lấy là 4 để đề phòng trường hợp thu tín hiệu gián đoạn. Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là đủ cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị cúa sóng tải và đồng thời có nhiều trị đo nhằm đạt được độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát. Đây là phương pháp cho phép đạt được độ chính xác cao nhất trong việc định vị tương đối bằng GPS, có thể cỡ xentimet, thậm chí milimet ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilomet. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là thời gian đo kéo dài hàng giờ, do đó năng suất thấp. Đo động Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vòng một phút. Theo phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu. Để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lên điểm đã có tọa độ. Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp sau trong suốt cả chu kỳ đo. Nhờ vậy, thởi gian thu tín hiệu tại điểm đo không phải là một tiếng đồng hồ như trong phương pháp đo tĩnh nữa mà chỉ còn là một phút. Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo. Máy này được gọi là máy cố định. Ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thứ 2, cho nó thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong vòng một phút. Việc làm này gọi là khởi đo ( initiazation ), còn máy thứ 2 này được gọi là máy di động. Tiếp đến cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một phút, và cuối cùng quay trở về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một phút tại điểm này. Yêu cầu nhất thiết của phương pháp là cả máy cố định và máy di động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt chu kỳ đo. Vì vậy tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng tín hiệ thu không bị gián đoạn (cycle slip). Nếu xảy ra trường hợp này thì phải tiến hành khởi đo lại tại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập dự phòng trên tuyến đo. Cạnh đáy có thể dài từ 2m đến 5km. Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị tương đối không thua kém so với phương pháp đo tĩnh. Song nó lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết bị và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu của vệ tinh. Đo giả động Phương pháp đo giả động cũng cho phép xác định vị trí của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng độ chính xác định vị không cao bằng phương pháp đo động. Trong phương pháp này không cần thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết. Máy cố định cũng phải thu tín hiệu liên tục trong suốt chu kỳ đo, còn máy di động được chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi điểm thu tín hiệu trong 5-10 phút. Sau khi đo hết lượt máy di động quay về điểm xuất phát ( điểm đo đầu tiên ) và đo lặp lại tất cả các điểm theo đúng trình tự đó nhưng phải đảm bảo sao cho khoảng thời gian dãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm không ít hơn một tiếng đồng hồ. Chính trong khoảng thời gian này đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi đủ để xác định được số nguyên đa trị, còn hai lần đo, mỗi lần kéo dài 5-10 phút và giãn cách nhau một tiếng đồng hồ, có tác dụng tương đương như phép đo tĩnh kéo dài trong một tiếng. Yêu cầu nhất thiết trong phương pháp này là phải có ít nhất 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát. Điều đáng chú ý là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ cần thu trong vòng 5-10 phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong quá trình vận chuyển từ điểm nọ đến điểm kia. Điều này cho phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có nhiều vật che khuất. Về mặt thiết kế, tổ chức đo thì chỉ nên bố trí khu vực đo tương đối nhỏ với số lượng điểm vừa phải để có thể kịp đo lặp tại mỗi điểm sau một tiếng đồng hồ và đảm bảo số lượng vệ tinh chung cho cả hai lần đo. Các kỹ thuật định vị thuê bao trong mạng GSM/GPRS Việc xác định vị trí thuê bao di động là một trong những vấn đề khó khăn nhất cần phải thực hiện để cung cấp dịch vụ LBS. Các nhà cung cấp dịch vụ LBS sử dụng các phương pháp khác nhau để xác định vị trí thuê bao. Người ta cũng có thể chia phương pháp định vị làm hai loại chính: dựa trên cơ sở mạng như Cell-ID, TOA (Time Of Arrival), AOA (Angle of Arrival), TDOA (Time Difference Of Arrival) và dựa trên máy di động như E-OTD, A-GPS. Ngoài ra người ta cũng có thể chia các kỹ thuật này tuỳ thuộc nó có phụ thuộc vào hệ thống định vị toàn cầu GPS hay không. Cell - ID (Cell site Identification) Cell-ID được sử dụng trong mạng GSM, GPRS và WCDMA, đây là cách xác định vị trí thuê bao đơn giản nhất, nó yêu cầu mạng xác định vị trí của BTS mà MS đang trực thuộc, nếu có được thông tin này thì vị trí của MS cũng chính là vị trí của BTS đó. Tuy nhiên, do MS có thể ở mọi vị trí bất kỳ trong cell nên độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào kích cỡ cell. Nếu MS thuộc vùng đô thị, mật độ đông thì kích cỡ cỡ cell bé nên độ chính xác cao hơn, vùng ngoại ô kích cỡ cell lớn hơn nhiều nên sai lệch về vị trí có thể lên tới chục km. Để tăng độ chính xác người ta dùng sector-ID hoặc có thể kết hợp với một hay cả hai kỹ thuật TA (Timing Advance) và dựa vào độ mạnh của tín hiệu. Cả hai kỹ thuật này ban đầu được dành cho các mục đích khác do đó khi dùng để xác định vị trí thì có thể sử dụng các thiết bị đã tồn tại trong mạng GSM/GPRS. Kỹ thuật TA sử dụng thông tin về sai lệch thời gian được gửi từ BTS tới hiệu chỉnh thời gian phát của MS sao cho tín hiệu từ MS tới BTS đúng với khe thời gian dành cho MS để tính ra khoảng cách từ MS tới BTS. Tuy nhiên, kỹ thuật TA chỉ cho biết MS trong vùng địa lý của BTS đang phục vụ nó với bán kính xác định được nhờ TA. Ngoài ra, trong mạng thông tin di động MS thường đo độ mạnh của tín hiệu từ một số BTS và gửi thông tin này đến BTS đang phục vụ nó, vì vậy có thể dựa vào thông tin độ mạnh tín hiệu này để tính ra được vị trí MS với độ chính xác cao hơn TA. Tuy nhiên, có rất nhiều yếu tố làm hạn chế hiệu quả của phương pháp này như địa hình, suy hao ở môi trường trong nhà (các vật liệu xây dựng, hình dạng, kích cỡ toà nhà. Hình 2.51a Cell-ID kết hợp với Cell-sector hoặc TA Như vậy, Cell-ID và các kỹ thuật tăng cường hỗ trợ nó mặc dù có một số ưu điểm như ít phải thay đổi phần cứng của mạng, ít tốn kém thì độ kém chính xác, tính phụ thuộc vào mật độ cell ..làm cho phương pháp xác định này chỉ có khả năng hỗ trợ cho một số ít các dịch vụ. Bảng 2.51b tổng kết các đặc tính và chỉ tiêu của phương pháp Cell-ID. Chỉ tiêu Đánh giá Chú thích Độ ổn định Kém Độ chính xác phụ thuộc vào mật độ BTS và các kỹ thuật hỗ trợ khác Độ chính xác Trung bình Từ 500m đến 20km TTFF (Time to First Fix) Tốt Khoảng 1 giây Đầu cuối Tốt Không cần có sự thay đổi nào, không tốn pin Roaming Tốt Yêu cầu có LS (Location server) ở mạng khách Hiệu suất Tốt Sử dụng tối thiểu băng thông và dung lượng của mạng. Khả năng mở rộng Tốt Rất dễ dàng khi mở rộng mạng Tính tương thích Rất tốt Cell-ID có thể dùng trong tất cả các mạng Bảng 2.51b Tổng kết các đặc tính và chỉ tiêu của phương pháp Cell-ID. E-OTD (Enhanced Observed Time Difference) Người ta chỉ dùng E-OTD trong mạng GSM/ GPRS. Trong mạng này MS giám sát các cụm truyền từ các BTS lân cận và đo độ lệch thời gian các khung từ các BTS này làm cơ sở của phương pháp xác định vị trí. Độ chính xác của phương pháp E-OTD phụ thuộc vào độ phân giải của phép đo độ lệch thời gian, vị trí địa lý đặt các BTS lân cận và môi trường truyền sóng. MS phải đo thời gian chênh lệch từ ít nhất ba BTS để hỗ trợ xác định được vị trí của MS. Với phương pháp E-OTD, thời gian chính xác là tham số hết sức quan trọng để xác định vị trí của MS, vì vậy trong mạng GSM/GPRS yêu cầu có thêm các phần tử LMU (Location Measurement Unit) với tỷ lệ 1,5 BTS cần có 1LMU. Như vậy, việc đưa thêm phần tử mới LMU vào mạng làm cấu trúc mạng thay đổi đáng kể. Để cung cấp dịch vụ này ở diện rộng cần lắp đặt rất nhiều LMU cho các BTS của mạng, điều này yêu cầu các kỹ sư phải định cỡ mạng, đánh giá ảnh hưởng tới phần vô tuyến khi lắp thêm các phần tử này. Ngoài ra, MS cũng cần nâng cấp về phần mềm để hỗ trợ cho E-OTD và khách hàng phải mang máy của mình đến các trung tâm để cập nhật phần mềm này. Hơn nữa, MS sẽ gặp phải vấn đề khi họ roaming sang mạng của nhà khai thác khác mà mạng này không cài đặt các phần tử LMU. Hình 2.52a: Nguyên lý hoạt động của E-OTD E-OTD là giải pháp cải thiện được các chỉ tiêu so với cell-ID, tuy nhiên lại yêu cầu rất nhiều LMU. Điều này có nghĩa là làm tăng chi phí, khó thực hiện… Ngoài ra, E-TOD yêu cầu có được thông tin từ ít nhất 3BTS do đó phương pháp này sẽ cho độ chính xác kém ở những vùng mật độ BTS thưa, hoặc trong trường hợp các BTS thẳng hàng (dọc các đường quốc lộ,..). Bảng 2.2 dưới đây tổng kết các đặc tính, chỉ tiêu của E-OTD. Chỉ tiêu Đánh giá Chú thích Độ ổn định Trung bình Độ chính xác phụ thuộc vào mật độ, vị trí BTS Độ chính xác Trung bình Từ 100m đến 500m TTFF (Time to First Fix) Tốt Khoảng 5 giây Đầu cuối Tốt Chỉ yêu cầu thay đổi phần mềm, không tốn pin Roaming Kém Yêu cầu phải có LS(Location server) và LMU trong mạng khách Hiệu suất Kém Sử dụng băng thông và dung lượng của mạng cho lưu lượng của LMU. Khả năng mở rộng Kém Khi mở rộng yêu cầu lắp đặt thêm các LMU Tính tương thích Kém Chỉ sử dụng được trong mạng GPRS/GSM, không thể áp dụng cho mạng WCDMA Bảng 2.52b Các đặc tính, chỉ tiêu của E-OTD. Phương pháp A-GPS Giới thiệu Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) sử dụng hệ thống vệ tinh có khả năng xác định vị trí trên toàn cầu với độ chính xác cao. Tuy nhiên, GPS cũng có nhiều hạn chế như mức độ tiêu thụ năng lượng tại đầu cuối cao, thời gian thực hiện định vị lâu và khả năng xuyên sâu của sóng GPS không được tốt nên khả năng phục vụ trong nhà kém. Bên cạnh đó hệ thống GPS thường đi kèm với các thiết bị GPS và chạy độc lập. Nó không cung cấp bất kỳ tính năng truyền thông nào vì vậy việc sử dụng nó bị giới hạn tới các ứng dụng được cài đặt cục bộ tại bộ thu GPS. Để khắc phục và cải thiện các hạn chế trên hệ thống GPS có thể tích hợp vào mạng di động thành A-GPS. Chính vì thế phương pháp định vị sử dụng GPS hỗ trợ các trạm tham chiếu (DGPS), bổ sung vào hạ tầng mạng di động các thủ tục báo hiệu giữa mạng và đầu cuối được gọi là phương pháp định vị sử dụng cho mạng thông tin di động được hỗi trợ từ GPS hay A-GPS (Assisted GPS). A-GPS có thể sử dụng trong các mạng GSM, GPRS và W-CDMA, đặc biệt trong mạng thông tin di động toàn cầu UMTS, A-GPS được xác định như một phương pháp định vị có thể sử dụng độc lập riêng biệt cho mạng. A-GPS thực hiện tốt hơn đáng kể so với GPS trong một chế độ độc lập, dịch vụ được cải thiện trong mọi môi trường truyền sóng và thiết bị đầu cuối giảm phức tạp. Thông thường, các nhà khai thác phải lựa chọn giữa chi phí triển khai và thực hiện cung cấp các dịch vụ. Hiện tại các kỹ thuật hỗ trợ định vị A-GPS bao gồm Cell-ID + TA (Timing Advanced: định thời nâng cao) cho GSM, Cell-ID + RTT cho UMTS hoặc các phương pháp dựa trên các phép đo cường độ tín hiệu thường cung cấp độ chính xác tương đối thấp. A-GPS có các ưu điểm so với GPS có thể kể tới như Tăng độ chính xác. Giảm thời gian xác định vị trí. Mức độ tiêu thụ năng lượng giảm. Tăng độ nhậy của thiết bị nhận. Nguyên lý A-GPS Để sử dụng được hệ thống A-GPS, đầu cuối phải được trang bị một thành phần hỗ trợ GPS để nhận các tín hiệu và các thông tin hỗ trợ từ vệ tinh. Bên cạnh đó, thành phần GPS trong đầu cuối cũng được hỗ trợ bởi hệ thống UMTS. A-GPS có sử dụng các vệ tinh làm các điểm tham chiếu để xác định vị trí. Nguyên lý hoạt động của A-GPS thể hiện ở hình 2.532a. Bằng cách đo chính xác khoảng cách tới ba vệ tinh từ đó máy thu xác định được vị trí của nó ở mọi nơi trên trái đất. Máy thu đo khoảng cách bằng cách đo thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh tới nó vì vậy yêu cầu chính xác thông tin về thời gian. Thời gian chính xác có thể nhận được từ các tín hiệu vệ tinh tuy nhiên quá trình để nhận được thông tin này lâu và khó khi tín hiệu từ vệ tinh quá yếu. Để giải quyết vấn đề này người ta sử dụng một server cung cấp các thông tin liên quan đến vệ tinh cho các máy thu. Hình 2.532a Nguyên lý hoạt động của A-GPS Máy thu hoạt động ở hai dạng chính: Dựa trên MS và hỗ trợ từ MS. Ở dạng hỗ trợ từ MS, máy thu A-GPS trong MS nhận thông tin từ server A-GPS LS và tính khoảng cách đến các vệ tinh, các thông tin này được MS gửi lại server để xác định vị trí của MS. Ở dạng dựa trên MS, MS xác định luôn vị trí của nó nhờ các thông tin hỗ trợ từ server. Những thông tin hỗ trợ này giúp máy thu giảm được thời gian xác định vị trí và cho phép các máy thu A-GPS hoạt động ở các môi trường khác nhau. Thông thường các môi trường chia thành hai khu vực chính, đó là mạng lưới đô thị và mạng lưới nông thôn. Với mạng đô thị phương pháp đề xuất hỗ trợ A-GPS trong mạng UMTS đô thị sử dụng cơ sở dữ liệu ban đầu được đề xuất cho GSM, sử dụng các phép đo và phương thức chuẩn trong phương pháp thí điểm tương quan PCM (Pilot Correlation Method), dựa vào điều chỉnh phần cứng hoặc phần mềm của các thiết bị đầu cuối mà phương pháp định vị khác thường yêu cầu. Với PCM, vị trí ước tính của máy di động MS được gửi đi cùng với dữ liệu hỗ trợ A-GPS khác, cho phép thu nhận vệ tinh và thời gian tính toán định vị nhanh hơn. PCM có ưu điểm thông tin có thể truy cập trong bộ điều khiển mạng vô tuyến phục vụ (SRNC) có chứa phép đo của MS về công suất mã tín hiệu thu được (RSCP) gần đây nhất ở các kênh hoa tiêu chung (CPICH) nhìn thấy được. Nếu MS trong trạng thái Cell DCH/Cell FACH, các thông tin yêu cầu được cập nhật liên tục ở SRNC trong mạng hoạt động bình thường. Tùy thuộc vào cấu hình mạng, thông tin như vậy được thực hiện định kỳ hoặc thực hiện theo thay đổi của điều khiển (pilot). Trong lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC), MS buộc phải Cell- FACH thông qua thủ tục nhắn tin vô tuyến ngay lập tức để nhận thông báo phép đo có chứa các phép đo RSCP. Thủ tục tương tự được thực hiện, khi trên lớp RRC của MS, thông tin phép đo gần nhất đã nhận được từ cách đó khá lâu, vì vậy thông tin yêu cầu cần được cập nhật. Khi SRNC nhận được thông báo yêu cầu vị trí, ở dạng vectơ dữ liệu của phép đo RSCP có từ thông tin phép đo gần nhất được truyền đến máy chủ vị trí, để so sánh với các mẫu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu. Độ lệch giữa mẫu đo và mẫu lưu trữ được tính bằng phương pháp bình phương tối thiểu. Tương ứng với tương quan cao nhất giữa đặc điểm mẫu lưu trữ với mẫu đo gửi về, MS được ước tính trong khu vực định vị. Việc ước tính giữa các khu vực định vị được chọn để tối đa hóa độ chính xác, hơn nữa, nếu sai số phép gán MS trong khu vực định vị có xác suất cao, nó có lợi để xác minh mức độ tương quan thực hiện trong một ngưỡng giới hạn quy định. Trường hợp không đạt được ngưỡng, vectơ dữ liệu RSPC có từ mức trung bình của ba phép đo RSCP gần nhất thu được trong các thông tin phép đo gửi đến SRNC. Cơ sở dữ liệu cho thủ tục định vị bao gồm trạng thái của kênh CPICH nhìn thấy cho mỗi khu vực định vị. Dĩ nhiên, kích thước khu vực định vị giới hạn độ chính xác tính toán, nó được thu nhỏ theo độ chính xác yêu cầu của việc hỗ trợ. Tương ứng, nếu PCM dự kiến triển khai như kỹ thuật độc lập, kích thước của khu vực định vị cần được điều chỉnh theo độ chính xác cần thiết cho dịch vụ LBS. Để liên kết quá trình tìm kiếm cơ sở dữ liệu phân thành các phần phụ thuộc vào mã xáo trộn của tín hiệu hoa tiêu điểu khiển (pilot) đầu tiên. Sau đó, mẫu đo được so sánh với các mẫu lưu trữ có cùng mã xáo trộn của pilot đầu tiên. Cơ sở dữ liệu cần thiết cho PCM được tạo ra một cách tự động từ các tập tin đăng nhập của công cụ phép đo. Vì vậy, không cần sự bổ sung liên quan đến việc thực hiện cơ sở dữ liệu như chức năng giao diện vô tuyến phải đo trong quá trình triển khai và tối ưu hóa mạng. Cở sở dữ liệu cũng có thể được tạo ra từ đầu ra với độ tin cậy cao. Khi MS chỉ cung cấp hỗ trợ thời gian cho thủ tục A-GPS, nó đủ để tiến hành phép đo RTT riêng từ BS phục vụ. Hiệu suất của phép đo RTT đơn thu hẹp cửa sổ dò tìm mã C/A (coarse/acquisition code: Bộ giải mã chuẩn sử dụng cho thiết bị thu GPS) bằng cách bù độ trễ truyền sóng giữa MS và BS. Ngoài ra các modul GPS được trang bị ở đầu cuối để thu các tín hiệu hoa tiêu và dữ liệu hỗ trợ từ vệ tinh, A-GPS phải có các trạm tham chiếu bên trong hạ tầng mạng di động, cho việc tính toán dữ liệu và dịch dữ liệu thô thành dữ liệu hỗ trợ. Trạm tham chiếu được kết nối tới một trung tâm phục vụ định vị thuê bao di động SMLC (Serving Mobile Location Center) (độc lập hoặc kết hợp với một BSC/RNC). Hình 2.532b Kiến trúc A-GPS Chỉ tiêu Đánh giá Chú thích Độ ổn định Tốt Độ chính xác cao ở mọi vị trí địa lý Độ chính xác Tốt Từ 5 đến 50m TTFF Tốt Khoảng 5 đến 10 giây Đầu cuối Kém Yêu cầu thay đổi cả phần cứng, phần mềm Roaming Tốt Yêu cầu phải có A-GPS LS ở mạng khách Hiệu suất Tốt Sử dụng ít băng thông, dung lượng mạng Khả năng mở rộng Tốt Rất dễ dàng mở rộng Tính tương thích Tốt Hỗ trợ các mạng GSM, GPRS và WCDMA Bảng đánh giá kỹ thuật định vị A-GPS Các phương pháp kết hợp Với mạng GSM/GPRS, WCDMA thông dụng nhất là sử dụng kết hợp giữa A-GPS với Cell-ID. Việc kết hợp giữa hai giải pháp này làm tăng vùng dịch vụ cho A-GPS và cải thiện độ chính xác của A-GPS trong mọi trường hợp. Độ chính xác và vùng phủ của A-GPS rất tốt ở mọi địa điểm mà thuê bao tới, tuy vậy nó sẽ giảm mạnh đi khi thuê bao ở trong các toà nhà hoặc vùng mật độ đông đúc. Những nơi này thường mật độ cell rất cao do đó phương pháp cell-ID lại có khả năng xác định được vị trí khá chính xác cho dù không bằng A-GPS. Kết hợp hai phương pháp này làm tăng khả năng roaming cho thuê bao và có thể hỗ trợ cho rất nhiều MS đã có trong mạng. Ngoài phương án kết hợp A-GPS với cell-ID người ta cũng có kết hợp A- GPS với E-OTD. Với phương án này thì A-GPS được sử dụng trong phần lớn mạng còn E-OTD được triển khai dạng ốc đảo. Bằng cách này người ta làm tăng độ chính xác khi định vị cũng như giúp các nhà khai thác cung cấp đa dạng các dịch vụ dựa trên vị trí. Chỉ tiêu Đánh giá Chú thích Độ ổn định Tốt Độ chính xác cao ở mọi vị trí địa lý Độ chính xác Tốt Từ 5m đến 50m khi sử dụng A-GPS và có thể định vị ba chiều. Tuy nhiên cũng sẽ phụ thuộc vào phương án kết hợp TTFF (Time to First Fix) Tốt Khoảng 5 đến 10s Đầu cuối Trung bình Yêu cầu thay đổi cả phần cứng, phần mềm Roaming Tốt Yêu cầu phải có A-GPS LS ở mạng khách. Tuy nhiên sẽ hạn chế khi kết hợp A-GPS với E-OTD Hiệu suất Tốt Sử dụng ít băng thông và dung lượng của mạng Khả năng mở rộng Tốt Rất dễ dàng mở rộng Tính tương thích Tốt Phương án này có thể sử dụng cho tất cả các mạng GSM, GPRS và WCDMA Bảng đặc tính của phương pháp kết hợp Bên cạnh nguyên lý của các kỹ thuật định vị người ta cũng xem xét đến rất nhiều khía cạnh khác của nó như tính riêng tư và độ tiện lợi cho khách hàng, chi phí để triển khai cũng như khả năng hoàn vốn. Theo tài liệu [3], A-GPS cho phép khách chủ động đóng mở chức năng định vị của MS do đó tính riêng tư và độ tiện lợi của nó tốt hơn so với cell-ID và E-OTD. Cũng theo tài liệu này, chi phí triển khai cell-ID là thấp nhất và chi phí để triển khai E-OTD là cao nhất (do cần rất nhiều LMU) và lớn hơn khoảng 2,5 lần so với A-GPS. Tuy nhiên, với cell-ID thì nhà khai thác chỉ cung cấp được rất ít các dịch vụ gia tăng, còn A- GPS cho phép cung cấp được nhiều loại dịch vụ hơn so với E-OTD (vì nó có độ chính xác cao hơn), do đó khả năng hoàn vốn của A-GPS là cao nhất và của cell-ID là thấp nhất. Chỉ tiêu Cell-ID E-OTD A-GPS Kết hợp Độ ổn định Kém Trung bình Tốt Tốt Độ chính xác Kém (100m đến 20km) Trung bình (100m đến 500m) Tốt (5m đến 50m) Tốt (5m đến 50m) TTFF (Time to First Fix) Tốt (1 s) Tốt (5 s) Tốt (5-> 10s) Tốt (5-> 10s) Đầu cuối Tốt Khá tốt Kém Trung bình Roaming Tốt Kém Tốt Tốt Hiệu suất Tốt Trung bình Khá tốt Khá tốt Khả năng mở rộng Tốt Kém Tốt Tốt Tính tương thích Tốt Kém Tốt Tốt Tổng chi phí Tốt Kém Khá tốt Khá tốt Tổng kết Trung bình Trung bình Khá tốt Tốt Bảng các đặc tính của mỗi loại kỹ thuật định vị CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG PHỔ BIẾN CỦA GPS Dân dụng Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất Điều khiển bàn cờ, phân tuyến giúp người quản lý điều xe đón khách theo bản đồ giám sát online 24/24 chi tiết địa chỉ 63 Tỉnh/Thành trên phạm vi toàn quốc: Hiện nay để quản lý trạng thái của xe đang dừng, đang đi đón khách, trả khách,… người ta dùng một bàn cờ cố định hay còn gọi là bàn cờ điều hành hay bảng điều hành. Hiện tại, trên bàn cờ (bản đồ điều hành và quản lý online VietGlobal) các xe trong nhóm sẽ được hiển thị trực tuyến 24/24 trạng thái đang chạy hoặc đang dừng ở một vị trí cụ thể trên bản đồ trực tuyến toàn quốc. Người quản lý có thể phân tuyến từng xe chạy theo sơ đồ phân công vị trí và thời gian tại các điểm chốt khách. Trong công tác điều hành đón khách khi biết được trạng thái dừng/chạy của các xe ở đâu chi tiết trên bản đồ mà ngay lập tức xác định được xe nào đang ở vị trí gần nhất của khách hàng cần đón và điều xe đó tới đón khách.  Giám sát nhiên liệu được nạp đổ, nhiên lieu tiêu hao, nhiên liệu thất thoát, tổng hợp doanh số, chi phí nhiên liệu, hiệu quả kinh doanh, hiệu suất khai thác của từng xe: Thông qua thiết bị cảm biến nhiên liệu hiện đại giúp người quản lý xác định được vị trí, thời gian, số lít từng lần nạp đổ, số lần nạp đổ nhiên liêu trong khoảng thời gian mong muốn. Giúp người quản lý biết được lượng nhiên liệu tiêu hao của xe trên từng tuyến đường ứng với khoảng thời gian xe chạy và thông báo thất thoát nhiên liệu khi xảy ra. Trên cơ sở đó, phần mềm giúp người quản lý tổng hợp được chi phí nhiêu liệu cho từng xe, đưa ra hiệu suất khai thác từng xe. Chức năng chống trộm và bảo vệ tài sản, đưa ra danh sách các xe vi phạm khi vượt quá tốc độ cho phép hay vào ra khỏi phạm vi địa bàn phân công, giám sát: Chức năng này giúp cho người quản lý giám sát chặt chẽ đội xe của mình, ngay lập tức biết được xe vào hay ra khỏi địa bàn phân công, giám sát hay chạy vượt quá tốc độ cho phép, làm cơ sở cho người quản lý tiến hành lập hồ sơ vi phạm của lái xe. Bên cạnh đó, với chức năng định vị vị trí của xe chính xác từng con đường, ngõ hẻm bất cứ nơi nào trên phạm vị toàn quốc mà người quản lý có thể tìm thấy ngay xe khi bị mất cắp hoặc trong trường hợp khẩn cấp có thể tắt toàn bộ hệ thống điện của xe từ xa khi cần thiết qua máy tính hay qua máy di động. Hộp đen lưu giữ thông tin ghi lại nhật ký xe chạy dừng… trong thời gian 3 tháng: Với mỗi tuyến xe chạy theo thì thông thường các nhân viên điều hành thường ghi thông tin ra giấy… Sẽ thật vất vả khi phải tìm lại nhật ký của những ngày trước, hoặc có thể sẽ không tìm thấy vì nó đã bị thất lạc. Với chức năng hộp đen lưu giữ thông tin trong mọi tình huống, thì nay khi áp dụng giải pháp quản lý và điều hành xe của VietGlobal thì công việc quản lý đã trở nên dễ dàng hơn, nhanh chóng đưa ra được nhật ký xe chạy của một ngày nào đó trong thời gian 3 tháng trước đó hoặc của một xe nào đó trong một ngày cụ thể.  Giám sát tắt máy, nổ máy, điều hòa, đóng mở cửa xe, số lần nâng/hạ Ben: Quản lý qua máy tính kêt nối internet giám sát và biết được khi nào xe tắt máy, xe nổ máy dừng hay di chuyển, nâng/hạ ben hay không, bật điều hòa hay tắt điều hòa xe và đếm được số lần xe mở cửa, đóng cửa. Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí. Sử dụng ứng dụng từ hệ thống định vị toàn cầu GPS, trong nhiều trường hợp, bạn còn có thể nhanh chóng cập nhật các địa điểm tham quan, điểm ăn uống, những khu du lịch nổi tiếng của từng địa phương. Đây cũng là một gợi ý hấp dẫn cho cẩm nang du lịch của các bạn. Ngoài ra, việc sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS còn có nhiều tính năng đặc biệt như cảnh báo vượt quá tốc độ, tìm kiếm bãi đậu xe… , sẽ rất tiện ích cho người sử dụng. Những thiết bị định vị GPS chất lượng cao sẽ giúp bạn cập nhật được thông tin về vị trí bị tắc đường, lộ trình di chuyển, điểm đèn xanh đỏ, máy ảnh, xe tuần tra của cảnh sát được hiển thị trên những lộ trình địa phương. Ứng dụng trong lĩnh vực trắc địa - địa hình Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển: Để đảm bảo lợi nhuận tối đa và tuân thủ các nguyên tắc về khai thác tài nguyên, các công ty dầu và khí đốt luôn quan tâm đến việc ứng dụng công nghệ GPS và GIS trong việc thành lập các bản đồ, thu thập giám sát và phân tích số liệu thực địa. Công nghệ này có thể giúp doanh nghiệp trong nhiều lĩnh vực như: Thăm dò trong những khu vực nhạy cảm,  quản lý tài nguyên dầu mỏ, quản lý an toàn khai thác. Sử dụng công nghệ GPS/ GIS, các doanh nghiệp khai thác dầu mỏ có thể định vị và xử lý các dữ liệu bề mặt một cách dễ dàng, cách xa vùng nhậy cảm mà vẫn đảm bảo đạt được những yêu cầu chuyên môn có giá trị của vùng dưới mặt đất. Các số liệu thu được từ quan trắc địa chấn được thu thập để tạo nên các bản đồ 3 chiều dưới mặt đất. Các chuyên gia có thể sử dụng những ảnh 3 chiều này để đưa ra các quyết định về vị trí có thể của các túi dầu mà không cần tiến hành khoan nhiều lần. Các ứng dụng trong thám hiểm không gian Reuters đưa tin nhóm khoa học gia của Viện Max Planck (Đức) đang phát triển công nghệ tìm đường dành riêng cho tàu vũ trụ, dựa vào ánh sáng tia X thường xuyên phát ra từ các ẩn tinh. Đây là những ngôi sao không thể thấy được bằng mắt thường mà chỉ phát hiện được bằng tín hiệu radio. Theo các chuyên gia Đức, chu kỳ phát tín hiệu của ẩn tinh có độ ổn định về thời gian tương đương với đồng hồ nguyên tử, cung cấp những tín hiệu thời gian chính xác có thể được sử dụng như đèn hiệu, tương tự như các vệ tinh GPS trên quỹ đạo trái đất. Bằng việc so sánh thời gian các xung động ánh sáng đến bộ phận thu tín hiệu trên tàu, vị trí của con tàu có thể được xác định với độ chính xác khoảng vài km, dù nó đang trong hệ mặt trời hoặc xa hơn nữa. Với công nghệ mới, trong thời gian không xa các tàu không gian có thể nghĩ đến mở rộng biên giới thám hiểm ra ngoài phạm vi hệ mặt trời, miễn các chuyên gia tìm ra cách kéo dài thời gian du hành của con người trong vũ trụ. Các ứng dụng trong quân đội Hệ thống định vị toàn cầu bằng vệ tinh là phương tiện kỹ thuật không chỉ giúp con người xác định chính xác vị trí ở bất kỳ đâu trên Trái Đất, vào bất kỳ thời điểm nào, mà còn dẫn đường chính xác cho các vũ khí hiện đại tiến công vào bất kỳ mục tiêu nào. Nó đóng vai trò then chốt tạo nên "trí thông minh" cho các hệ thống vũ khí công nghệ cao của Mỹ trong các cuộc chiến tranh gần đây như chiến tranh Vùng Vịnh (1991), chiến tranh Cosovo (1998), chiến tranh Afghanistan (2001) và chiến tranh Iraq (2003). Trong tương lai, hệ thống GPS sẽ là yếu tố có ý nghĩa quyết định hiệu quả tiến công của các loại vũ khí của Mỹ, từ tên lửa chống xe tăng đến các tên lửa xuyên lục địa trong bất kỳ cuộc chiến tranh nào. KẾT LUẬN Với những ưu điểm nổi bật của mình về khả năng truyền dẫn, khả năng cung cấp dịch vụ băng rộng, các dịch vụ truy nhập Internet băng rộng và với phát triển của các nền kinh tế khu vực châu Á - Thái Bình Dương thì thị trường thông tin vệ tinh của khu vực này sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ, hứa hẹn một viễn cảnh tốt đẹp đối với các nhà khai thác vệ tinh châu Á trong đó có vệ tinh Vinasat của Việt Nam. Việc nghiên cứu hệ thống vệ tinh dẫn đường GPS và các ứng dụng của nó là rất cần thiết trong thời buổi hiện nay. Tuy vấn đề này còn khá mới so với nước ta nhưng đã được sử dụng nhiều ở các nước phát triển, vì thế mà trong những năm tới chúng ta cần đẩy mạnh nghiên cứu về hệ thống GPS để có thể có thêm nhiều ứng dụng nữa phục vụ cho đời sống hàng ngày. Đề tài đã nghiên cứu về các kĩ thuật định vị thuê bao trong mạng GSM/GPRS. Hơn nữa, đồ án đã nghiên cứu về phương pháp A-GPS có nhiều ưu điểm hơn so với GPS như tăng độ chính xác, giảm thời gian xác định vị trí, tăng độ nhạy của thiết bị.... Các thiết bị di động hiện nay yêu cầu phải nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, khả năng di động cao và thời gian xác định được vị trí càng nhanh càng tốt. Vì vậy mà phương pháp A-GPS đã khắc phục được rất tốt các vấn đề này. Do thời gian làm đề tài có hạn và không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong có được những ý kiến đánh giá, góp ý của cô và các bạn để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn, đầy đủ hơn. Em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Ngọc Sơn, (2008), Các phương pháp định vị trong mạng GSM, Tạp chí Công nghệ thông tin & Truyền thông . [2] KS. Trần Anh Tú, TS. Chu Ngọc Anh, KS. Lương Lý, KS.Bùi Văn Phú, Dịch vụ dựa trên vị trí thuê bao cho mạng GSM/GPRS, Tạp chí Công nghệ thông tin & Truyền thông. [3] TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng (1995), Thông tin vệ tinh, nhà xuất bản Hà Nội. [4] Trang web tham khảo: tailieu.vn,www.scribd.com, www.wattpad.com.