Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 1: Tổng quan về hệ thống dẫn đường quán tính (INS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS).

Chương 1: Tổng quan về hệ thống dẫn đường quán tính (INS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS).

Tải bản đầy đủ - 0trang

Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục



Trong số 24 vệ tinh của Bộ quốc phòng Mỹ nói trên, chỉ có 21 thực sự hoạt động, 3 vệ

tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ. Tín hiệu radio được truyền đi thường khơng đủ mạnh để

thâm nhập vào các tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm và hay tới các địa điểm dưới nước.

Ngồi ra nó còn đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh để đưa ra được thơng tin chính xác về vị trí

(bao gồm cả độ cao) và tốc độ của một vật. Vì hoạt động trên quỹ đạo, các vệ tinh đảm

bảo cung cấp vị trí tại bất kỳ điểm nào trên trái đất.



1.1.1. Cấu trúc của hệ thống định vi toàn cầu.

GPS bao gồm 3 mảng (xem hình 1.2):

 Mảng người dùng: gồm người sử dụng và thiết bị thu GPS.

 Mảng kiểm soát: bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm

con. Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ.

Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được

vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có

thể đảm bảo cung cấp thơng tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào.



Hình 1.2: Cấu trúc hệ thống định vị tồn cầu.

 Mảng khơng gian: gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời và bay trên

quỹ đạo. Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần

thay thế lên đến hàng tỷ USD. Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần

số thấp khác nhau, được gọi là L1, L2...Một đài phát thanh FM thường cần có cơng



Sinh Viên: Cao Ngọc Phát



-7-



Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục



suất chừng 100.000 watt để phát sóng, nhưng một vệ tinh định vị tồn cầu chỉ đòi hỏi

20-50 watt để đưa tín hiệu đi xa 19.200 km.



1.1.2. Thành phần của hệ thống định vị toàn cầu.

Hệ thống GPS gồm có các vệ tinh, các máy thu và các hệ thống điều khiển dưới đất.

Các vệ tinh phát các tín hiệu ở tần số 1575,42 MHz để các máy thu GPS dưới mặt đất có

thể tách ra được. Các máy thu này có thể được lắp đặt trên các con tầu, các máy bay và

các xe ô tô để cung cấp thơng tin định vị chính xác bất kể điều kiện thời tiết như thế nào.

Chúng phát hiện, giải mã và xử lý các tín hiệu vệ tinh GPS để xác định vị trí chính xác

của người dùng.

Đoạn điều khiển (hay đoạn mặt đất) của GPS gồm có 5 trạm giám sát không người

điều khiển đặt tại Hawaii, Kwajalein ở Thái Bình Dương, Diago Garcia ở ấn Độ Dương,

Ascension Island ở Đại Tây Dương và Colorado Springs ở Solo. Còn có một Trạm mặt

đất chính đặt tại Falcon AFB ở Colorado Springs, và 4 trạm mặt đất an-ten lớn để phát

quảng bá các tín hiệu lên các vệ tinh. Các trạm này cũng bám theo và giám sát các vệ tinh

GPS.



1.1.3. Hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu.

Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người dùng và

được đo theo phép tam giác đạc. Để thực hiện phép tam giác đạc, GPS đo khoảng cách

thông qua thời gian hành trình của bản tin vơ tuyến từ vệ tinh tới một máy thu mặt đất. Để

đo thời gian hành trình, GPS sử dụng các đồng hồ rất chính xác trên các vệ tinh. Một khi

khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì việc biết trước về vị trí vệ tinh trong khơng gian sẽ

được sử dụng để hồn thành tính tốn. Các máy thu GPS trên mặt đất có một “cuốn niên

giám” được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi

nào trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào. Các máy thu GPS sẽ tính tốn các thời gian trễ

qua tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tục làm chính xác hơn phép đo vị trí.

Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốn

đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây. Nhằm tiết kiệm

chi phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới đất được làm ít chính xác hơn đôi chút. Bù

lại, một phép đo tầm hoạt động vệ tinh được trang bị thêm. Phép đo lượng giác chỉ ra

rằng, nếu ba số đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong khơng gian ba chiều thì



Sinh Viên: Cao Ngọc Phát



-8-



Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục



một phép đo thứ tư có thể loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào đó. Phép đo thứ tư này

chỉnh lại sự đồng bộ hoá khơng hồn hảo của máy thu.



Hình 1.3: Các tín hiệu từ vệ tinh, được một máy thu GPS đặt trên một chiếc ô tô thu

nhận, được sử dụng để xác định thơng tin vị trí chính xác

Khối mặt đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng. Ngay

như tại tốc độ như vậy tín hiệu cũng phải mất một lượng thời gian đáng kể mới tới được

máy thu. Sự chênh lệch giữa thời điểm tín hiệu được gửi đi và thời điểm tín hiệu được thu

nhận với tốc độ ánh sáng cho phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh. Để đo

lường chính xác độ cao, kinh độ và vĩ độ, máy thu đo thời gian các tín hiệu từ một số vệ

tinh truyền tới máy thu (Hình 1.2).

GPS sử dụng một hệ tọa độ gọi là Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984 (WGS-84 Worldwide Geodetic System 1984). Hệ thống này tương tự như các đường kẻ kinh tuyến

và vĩ tuyến quen thuộc thường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn. Hệ thống WGS - 84

cung cấp một khung tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ

hãng sản xuất nào cũng cung cấp đúng cùng một thông tin định vị.



1.1.4. Ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu.

Mặc dù hệ thống GPS chỉ mới được hoàn thành vào năm 1994 nhưng nó đã thực sự

tự khẳng định mình trong những ứng dụng quân sự.

Ngày nay, GPS đã trở thành một yếu tố quan trọng của hầu như tất cả các chiến dịch

quân sự và tất cả các hệ thống vũ khí. Ngồi ra, GPS còn được sử dụng trên các vệ tinh để

đạt được các dữ liệu quỹ đạo có độ chính xác cao và để điều khiển hướng bay của các con

tầu vũ trụ.



Sinh Viên: Cao Ngọc Phát



-9-



Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục



Mặc dù hệ thống GPS lúc ban đầu được triển khai để đáp ứng các yêu cầu của giới

quân sự, nhưng người ta đang khơng ngừng tìm ra các cách thức mới để sử dụng những

khả năng của nó, từ cao siêu đến bình dị. Một trong số cách thức thứ nhất là sử dụng GPS

cho công tác quản lý động vật hoang dã. ở châu Phi, các máy thu GPS được sử dụng để

giám sát các đường hướng di trú của các đàn động vật lớn cho những mục đích nghiên

cứu khác nhau.

Những máy thu GPS cầm tay hiện đang được sử dụng thường ngày trong các ứng

dụng thực địa, trong đó có đòi hỏi việc thu thập thơng tin chính xác, kể cả việc kiểm tra

hiện trường của các công ty phục vụ công cộng, việc vẽ bản đồ của các nhà khai thác dầu

mỏ và khí đốt và việc quy hoạch tài ngun của các cơng ty lâm nghiệp.

Các khinh khí cầu có trang bị GPS đang giám sát các lỗ hổng trong tầng ô-zôn trên

các vùng cực và chất lượng khơng khí cũng đang được giám sát nhờ các máy thu GPS.

Các phao theo dõi lượng dầu tràn lớn trên biển phát đi các dữ liệu cần thiết nhờ sử dụng

GPS. Các nhà khảo cổ học và các nhà thám hiểm đang sử dung hệ thống này để đánh dấu

các vị trí ở xa trên biển và trên đất liền trước khi họ có thể lập quyết tốn trang thiết bị và

kinh phí.

Theo dõi các phương tiện vận chuyển là một trong những ứng dụng GPS phát triển

nhanh nhất. Các đồn tầu, các hệ thống vận chuyển cơng cộng, các đồn xe tải q cảnh,

các chuyến xe bưu chính... có trang bị các máy thu GPS để giám sát các vị trí của chúng

vào mọi thời điểm.

Các dữ liệu GPS sẽ trở nên hữu ích hơn đối với khách hàng khi nó được liên kết với

kỹ thuật vẽ bản đồ số. Theo đó, một số hãng sản xuất ơ tơ đang chào hàng một phương án

chế tạo xe mới là trang bị các màn hình trình bày hành trình xe chạy do các máy thu GPS

hướng dẫn. Các màn hình này thậm chí còn có thể tháo ra đem về nhà để lập chương trình

cho một chuyến đi. Một số phương tiện xe cộ có trang bị GPS đưa ra các bảng hướng dẫn

trên màn hiển thị cho các lái xe và qua các lệnh bằng tiếng nói tổng hợp. Những tính năng

này cho phép lái xe đến được bất kỳ nơi nào anh ta muốn một cách nhanh chóng hơn và

an tồn hơn so với trước đây.

Cơng nghệ GPS thậm chí còn đang được sử dụng kết hợp với công nghệ mạng tế bào

để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng. Với việc ấn một phím bấm trên máy điện thoại di

động mạng tế bào, có thể đàm thoại với một nhà cung cấp dịch vụ và cùng một lúc báo

Sinh Viên: Cao Ngọc Phát



- 10 -



Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục



hiệu tới các dịch vụ điều phối trung tâm thơng báo về vị trí, của họ về các tình huống

khẩn cấp hoặc các hỏng hóc trang thiết bị.

Điều này là có thể được với Khối Định vị Mạng tế bào và Nhắn tin Khẩn (Cellular

Positioning and Emergency Messaging Unit) của hãng Motorola. Thiết bị này mở ra một

kỷ nguyên mới của an toàn di động và theo dõi các đoàn xe và các đoàn tầu biển. Các

thiết bị này được thiết kế cho các nhà tích hợp hệ thống là những người đang tạo cấu hình

các mạng tiêu dùng và thương mại khai thác qua điện thoại di động tế bào. Khối Định vị

Mạng tế bào và Nhắn tin Khẩn truyền đạt thông tin về vị trí và trạng thái của các phương

tiện xe cộ do GPS xác định, rất phù hợp để sử dụng trong các hệ thống nhằm trợ giúp cho

các nhà quản lý đường bộ, các hãng giám sát nội vụ, các công ty điện thoại di động, các

công ty cho thuê xe ô tô, các nhà khai thác đội tầu biển thương mại và các nhà sản xuất ơ

tơ... tìm kiếm những lợi thế cạnh tranh..



1.1.5. Mã trong hệ thống định vị toàn cầu.

Mỗi một vệ tinh trong hệ thống GPS đều có đồng hồ ngun tử độ chính xác rất cao

để làm cơ sở cho thiết bị phát tần số chuẩn 10,23Mz. Tần số này điều biến 2 sóng mang

L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60MHz. Các sóng mang L1, L2 được điều biến bởi 3

loại mã sau:

 Mã P: là mã chính xác, có tần số 10,23 MHz, độ dài toàn phần 267 ngày. Tuy vậy

người ta đã chia mã này thành các đoạn có độ dài 7 ngày và gắn cho mỗi vệ tinh trong

hệ thống GPS một trong các đoạn mã như thế, cứ sau 1 tuần lại thay đổi nên khó bị

giải mã để sử dụng nếu ko được phép. Mã P điều biến cả 2 sóng mang L1 và L2.

 Mã C/A có tần số 1,023MHz, nó chỉ điều biến sóng mang L1, mã C/A được sử dụng cho

mục đích dân sự, mỗi vệ tinh được gán 1 mã C/A riêng biệt.

 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.



1.1.6. Hoạt động

Tần số L1 chứa đựng 2 tín hiệu số, được gọi là mã P và mã C/A. Mã P nhằm bảo vệ

thông tin khỏi những sự truy nhập trái phép. Tuy nhiên, mục đích chính của các tín hiệu

mã hóa là nhằm tính tốn thời gian cần thiết để thơng tin truyền từ vệ tinh tới một thiết bị

Sinh Viên: Cao Ngọc Phát



- 11 -



Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục



thu nhận trên mặt đất. Sau đó, khoảng cách giữa 2 bên được tính bằng cách nhân thời gian

cần thiết để tín hiệu đến nơi với tốc độ của ánh sáng là 300.000 km/giây.

Tuy nhiên, tín hiệu có thể bị sai đơi chút khi đi qua bầu khí quyển. Vì vậy, kèm theo

thông điệp gửi tới các thiết bị nhận, các vệ tinh thường gửi kèm luôn thông tin về quỹ đạo

và thời gian. Việc sử dụng đồng hồ nguyên tử sẽ đảm bảo chính xác về sự thống nhất thời

gian giữa các thiết bị thu và phát.

Để biết vị trí chính xác của các vệ tinh, thiết bị thu GPS còn nhận thêm 2 loại dữ liệu

mã hóa:

 Dữ liệu Almanac: được cập nhật định kỳ và cho biết vị trí gần đúng của các vệ tinh

trên quỹ đạo. Nó truyền đi liên tục và được lưu trữ trong bộ nhớ của thiết bị thu nhận

khi các vệ tinh di chuyển quanh quỹ đạo.

 Dữ liệu Ephemeris: phần lớn các vệ tinh có thể hơi di chuyển ra khỏi quỹ đạo chính

của chúng. Sự thay đổi này được ghi nhận bởi các trạm kiểm soát mặt đất. Việc sửa

chữa những sai số này là rất quan trọng và được đảm nhiệm bởi trạm chủ trên mặt đất

trước khi thông báo lại cho các vệ tinh biết vị trí mới của chúng. Thông tin được sửa

chữa này được gọi là dữ liệu Ephemeris. Kết hợp dữ liệu Almanac và Ephemeris, các

thiết bị nhận GPS biết chính xác vị trí của mỗi vệ tinh.

Nguyên nhân sai số

Sai số của phương pháp đinh vị GPS chủ yếu là do 6 nguyên nhân dưới đây (không

kể sai số nhân tạo SA đã được cựu tổng thống Bill Clinton ra lệnh tắt):

 Dữ liệu Ephemeris.

 Đồng hồ vệ tinh.

 Trễ ở tầng điện ly.

 Trễ ở tầng đối lưu.

 Nhiễu đa đường.

 Máy thu (bao gồm cả phần mềm).

Lỗi dữ liệu Ephemeris xảy ra khi thơng điệp của GPS khơng truyền chính xác vị trí

của vệ tinh và vì thế ảnh hưởng tới độ chính xác khi xác định khoảng cách. Lỗi này sẽ

Sinh Viên: Cao Ngọc Phát



- 12 -



Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục



tăng theo thời gian từ lần cập nhật cuối cùng của trạm điều khiển. Lỗi do đồng hồ vệ tinh

ảnh hưởng tới cả những người dùng mã C/A hay mã P, lỗi này gây ra sai số 1 – 2 mét sau

khi cập nhật 12 giờ. Lỗi đo lường gây sai số khoảng cách cỡ vài mét.Trễ ở tầng điện ly và

đối lưu gây nên trễ pha khi tính tốn khoảng cách (pseudorange). Lỗi này có thể loại trừ

khi sử dụng các máy thu dùng mã P có 2 băng tần. Với L1 và L2 có tần số khác nhau, tầng

điện ly sẽ làm chúng có độ trễ khác nhau. Đó là cơ sở cho phương pháp loại trừ sai số

này. Lỗi đa đường gây ra bởi các tín hiệu bị phản xạ qua các chướng ngại khác nhau tới

máy thu. Hiện tượng này sẽ trầm trọng hơn nếu có nhiều chướng ngại và lỗi khoảng cách

gây ra có thể tới 15 mét.

Vai trò chính của GPS đó là cung cấp chính xác các thơng số vị trí và vận tốc của vật

thể bay. GPS có thể được sử dụng để hỗ trợ cho các hệ thống dẫn đường khác mà tiêu

biểu là sự kết hơp GPS / INS.



1.2. Hệ thống dẫn đường quán tính (INS).

Một số khái niệm cơ bản sau :





Quán tính: là bản chất của vật thể mà khi khơng có lực tác động thì nó sẽ chuyển



động tịnh tiến đều hoặc chuyển động vòng tròn đều.





Hệ quy chiếu quán tính: hệ quy chiếu mà ba định luật Newton được áp dụng và



bảo tồn.





Cảm biến qn tính: gồm 2 loại là gia tốc kế và cảm biến vận tốc góc (còn gọi con



quay vi cơ).





Hệ thống dẫn đường quán tính: là hệ thống sử dụng các cảm biến vận tốc góc và



cảm biến gia tốc để ước lượng vị trí, vận tốc, độ cao và vận tốc thay đổi độ cao của vật

thể bay.



Sinh Viên: Cao Ngọc Phát



- 13 -



Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục



Z



Góc

hướng



0

khối tâm



Y



Góc nghiêng



X



Góc trúc



Hình 1.4: Trục toạ độ của hệ thống dẫn đường quán tính

Hệ thống INS gồm ba cảm biến vận tốc góc cho phép xác định vận tốc góc nghiêng,

góc chúc và góc hướng trong hệ toạ độ vật thể bay (xem hình 1.4). Hệ thống INS cũng có

thể có thêm ba cảm biến gia tốc cho phép xác định gia tốc theo ba trục của hệ toạ độ vật

thể bay này. Hiện nay có hai cấu trúc dẫn đường qn tính tiêu biểu nhằm xác định các

góc Ơle từ các cảm biến vận tốc góc là cấu trúc gắn chặt (gimble) và cấu trúc nổi

(strapdown). Cấu trúc strapdown hiện được sử dụng rộng rãi hơn, trong đó các cảm biến

gia tốc và vận tốc góc được gắn chặt vào vật thể bay. Các giá trị gia tốc thu được từ các

cảm biến gia tốc được hiệu chỉnh với vận tốc quay của trái đất và gia tốc trọng trường

nhằm xác định vị trí và vận tốc chính xác của vật thể bay.



1.2.1. Phương trình động học.

Định hướng của vật thể bay với hệ trục quả đất cố định được xác định bởi ba góc

Ơle  ,  ,  (hình 1.5). Phương trình (1.1) biểu diễn sự liên hệ giữa các vận tốc góc

nghiêng, vận tốc góc chúc và vận tốc góc hướng ( ký hiệu là p,q và r) và 3 góc Ơle:



Sinh Viên: Cao Ngọc Phát



- 14 -



Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục



 &  1 sin  tan 

 & 

cos 

    0

&  0 sin  sec

 



cos  tan    p 



 sin    q 

cos  sec   r 



(1.1)



Tích phân phương trình (1.1) ta sẽ thu được 3 góc Ơle.



Hình 1.5. Ba góc Ơle

Các gia tốc ax, ay và az của vật thể bay dọc theo 3 trục toạ độ vật thể bay liên hệ

với vận tốc U, V và W trên hệ trục quả đất cố định (XYZ) theo hệ phương trình (1.2):

.



.



U  a x V .r  W.q  g.sin



V a y  U .r  W.p - g.cos  .sin



(1.2)



.



W a z  U .q  W.p - g.cos .cos

.



.



.



Thực hiện tích phân U ,V và W sẽ thu được các vận tốc U, V và W. Sau đó đổi hệ

trục toạ độ nhờ sử dụng ma trận cosin trực tiếp DCM để thu được vận tốc theo hướng bắc,

hướng đông và hướng về trái đất (người ta gọi đó là hệ trục toạ độ dẫn đường,

xem hình 1.4).

Sinh Viên: Cao Ngọc Phát



- 15 -



Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục



 .  V N 

U 

 X.   

T 

 Y  VE   DCM V 

 

 .   

 W 

V

Z

   D

 



(1.3)



Ở đó :

cos  cos





DCM sin  sin  cos  cos  sin 

cos  sin  cos  sin  sin 



cos  sin 

sin  sin  sin   cos  cos

cos  sin  sin   sin  cos



 sin  

sin  cos  

cos  cos  



Tích phân VN,VE và VD sẽ thu được vị trí của vật thể bay trên bề mặt trái đất (hệ

trục toạ độ dẫn đường). Vĩ độ  , kinh độ  và độ cao H của vật thể bay có thể xác định

nhờ hệ phương trình sau:



V

  N

Rearth



Sinh Viên: Cao Ngọc Phát



 



VE

H  VD

Rearth cos 



- 16 -



(1.4)



Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục



Hình 1.6: Hệ trục toạ độ dẫn đường



1.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của INS

 Ưu điểm của hệ INS

- Hoạt động tự trị.

- Tần số cập nhật cao.

- Các sai số có đặc tính thay đổi chậm, ít chịu ảnh hưởng bên ngồi.

- Có khả năng đo các góc định hướng.

 Nhược điểm

Có nhiều loại sai số trong các hệ thống INS và chủ yếu là do các cảm biến quán tính

gây nên. Dưới đây là một số lỗi gây ra bởi các cảm biến gia tốc và vận tốc góc.

- Lổi vị trí khi láp đặt cảm biến gây nên sai số về góc góc nghiêng , góc trúc và góc

hướng.

- Lỗi về độ lệch của cảm biến gia tốc dẫn lối gia của cảm biến gia tốc sẽ bị lệch đi một

giá trị không đổi. Giá trị này lại thay đổi khi bật hoặc tát thiết bị.

Sinh Viên: Cao Ngọc Phát



- 17 -



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 1: Tổng quan về hệ thống dẫn đường quán tính (INS) và hệ thống định vị toàn cầu (GPS).

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×