Tìm hiểu về hệ thống QZSS. Cách thức hệ thống nâng cao chất lượng dịch vụ

GPS

1. Tìm hiểu về hệ thống QZSS1.1 Giới thiệu

- The Quasi Zenith Satellite System ( QZSS ) là hệ thống định vị, dẫn đường, thời gian bằng vệ tinh được ủy quyền bởi chính phủ Nhật Bản trong chương trình phát triển không gian quốc gia.

- Dự án QZSS được chính phủ Nhật Bản cho phép bắt đầu từ năm 2002, giai đoạn đầu hệ thống được phát triển bởi Advanced Space Business Corporation. Tuy nhiên đến năm 2007, công việc được chuyển tiếp cho JAXA và Satellite Positioning Research and Application Center (SPAC).

- Để xác định được vị trí ta cần thu được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh, tuy nhiên tại các thành phố lớn hoặc những vùng có nhiều đồi núi của Nhật Bản thì rất khó thu được tín hiệu light – of – sight của đủ 4 vệ tinh, vì vậy lỗi xảy ra nhiều.Bằng cách truyền tín hiệu định vị tương tự như GPS, QZSS sẽ cho phép bộ thu có thể thu đủ được ít nhất 4 tín hiệu vệ tinh, vì thế chất lượng của các dịch vụ truyền thông, định vị … sẽ được nâng cao.

- Ngoài ra, QZSS còn được cài thêm các tín hiệu L1-SAIF và LEX để giúp nâng cao độ chính xác của phép đo.

1.2 Miêu tả hệ thống- Hệ thống QZSS bao phủ Đông Á và châu Đại Dương nhưng chủ yếu là ở Nhật

Bản, QZSS không hoạt động một mình mà kết hợp cùng với hệ thống định vị toàn cầu GPS hoặc một hệ thống định vị toàn cầu khác.

- Hệ thống gồm 2 thành phần : phân đoạn mặt đất và phân đoạn không gian. - Phân đoạn không gian gồm các vệ tinh Quasi Zenith Satellite (QZS).- Phân đoạn mặt đất gồm các khối : Monitor Stations (MS), Master Control

Station (MCS), Tracking Control Stations ( TCS ) và Time Management Station (TMS).

- Tín hiệu từ vệ tinh QZSS được thu nhận bởi MS, MSC tập hợp dữ liệu từ MS sau đó ước lượng và dự đoán thời gian và quỹ đạo của QZS. Đồng thời MSC cũng tập hợp nhiều dữ liệu khác để sinh ra bản tin điều chỉnh thông số của vệ tinh, bản tin này được gửi đến vệ tinh thông qua TCS. Ngoài ra, khoảng một

năm một lần, TCS điều chỉnh lại quỹ đạo của vệ tinh để đảm bảo rằng chúng luôn di chuyển trên quỹ đạo chính xác.

1.2.1 Phân đoạn không gian- Trạm không gian gồm 3 vệ tinh Quasi Zenith Satellite và tại một thời điểm bất

kì ta đều nhìn thấy ít nhất một vệ tinh trên đỉnh bầu trời Nhật Bản. Vệ tinh đầu tiên của QZSS là Michibiki được phóng đầu tiên vào ngày 11 tháng 9 năm 2010 và đi vào quỹ đạo của nó vào ngày 27/9/2010.

- Mỗi vệ tinh di chuyển theo mỗi quỹ đạo khác nhau.- Quỹ đạo: hình elip với các tham số :

Bán kính trục lớn: a = 42146 Km. Tâm sai: e = 0.075 +/- 0.015Góc nghiêng: i = 43°+/-4°Argument của cận điểm : ω = 2700+/-2°

- Từ mặt đất nhìn lên ta sẽ thấy quỹ đạo của 3 vệ tinh tạo thành hình số 8 như hình vẽ.

- Vệ tinh QZS : có 2 tấm pin năng lượng mặt trời lớn, các ăngten : L-band transmission antenna (L-ANT), L1-SAIF transmission antenna (LS-ANT), TTC antennas, và Ku-band Time Transfer Antenna (Ku-ANT).

QZSS được điều khiển để đảm bảo rằng các anten luôn luôn hướng về phía trung tâm của Trái Đất, các tấm pin năng lượng mặt trời được điều chỉnh sao cho luôn nhận được lượng năng lượng nhiều nhất.

1.2.2 Phân đoạn mặt đất- Monitor Stations (MS) : các trạm MS được phân bố rộng rãi, chúng thu nhận

các tín hiệu từ QZS và GPS phát xuống mặt đất.- Master Control Sation ( MCS): thu thập các kết quả giám sát từ MS sau đó ước

lượng và dự đoán clock offset và quỹ đạo của vệ tính, sinh ra các bản tin điều hướng…

- Tracking Control Station (TCS) : gửi bản tin điều hướng lên đến vệ tinh và quan sát trạng thái của vệ tinh.

- Time Management Station (TMS) : đồng bộ thời gian với vệ tinh. -

1.3 Tín hiệu- Vệ tinh trong hệ thống QZSS truyền 6 loại tín hiệu định vị : L1C/A , L1-SAIF ,

L1C, L2C, LEX và L5. Trong đó, bốn tín hiệu : L1C/A, L1C, L2C và L5 được sử dụng nhằm nâng cao tính sẵn sàng của hệ thống, bổ sung cho hệ thống định vị toàn cầu. Hai tín hiệu còn lại L1-SAIF và LEX nhằm nâng cao độ chính xác của phép định vị.

- Sáu tín hiệu định vị của QZSS có 4 tần số trung tâm:

Signal Center frequencyL5 1176.45 MHz

L2C 1227.60 MHzLEX 1278.5 MHzL1C

1575.42 MHzL1C/AL1-SAIF

-

2. Cách thức hệ thống QZSS nâng cao chất lượng dịch vụ GPS2.1 Hệ thống GPS

- Tín hiệu GPS cơ bản C/A code (Coarse/Acquisition code) : là mã PRN (PseudoRandom

Noise )có chiều dài 1023 bit, được truyền với tốc độ 1023Mb/s, có chu kỳ truyền là 1ms. Mỗi vệ tinh có một mã PRN duy nhất và không trùng với vệ tinh nào, các mã PRN trực giao với nhau ( nhân với nhau = 0 ). Mã này được sử dụng trong dân sự.

P-code (Precision code): cũng là một loại mã PRN có chiều dài là 6.1871 * 1012 bit, có chu kỳ truyền là 1 tuần. Khác với C/A code, P-code của mỗi vệ tinh là một đoạn nhỏ trong 2.35 * 1014 bit, mỗi vệ tinh truyền đoạn P-code mà nó được chỉ định. Mã này được sử dụng trong quân sự, do đó trước khi truyền nó sẽ được mã hóa thành P(Y)-code.

Bản tin định vị (Navigation Message) : ngoài các thông tin về khoảng cách (được xác định từ mã PRN), bộ thu còn cần biết thông tin về vị trí của vệ tinh. Navigation message được tạo từ 3 phần : phần đầu tiên cho biết ngày và giờ của hệ thống, phần thứ 2 chứa thông tin cho phép bộ thu có thể biết được vị trí của vệ tinh, phần thứ 3 chứa thông tin liên quan đến tất cả các vệ tinh, vị trí của chúng và mã PRN.

- C/A code, P(Y)-code và Navigation message được điều chế vào sóng mang trước khi truyền đi. Trong thiết kế cơ bản, hai tần số sóng mang là : L1 = 1575.42MHz và L2 = 1227.60MHz. C/A code được truyền trên L1 với điều chế BPSK (gọi là L1C/A); P(Y)-code được truyền trên cả L1 và L2 với điều chế BPSK ( gọi là L1P(Y) và L2P(Y) ), sóng mang của P(Y)-code vuông pha với sóng mang của C/A code.

- Để đáp ứng tốt hơn những mục đích dân sự và quân sự, ngoài các tín hiệu L1C/A, L1P(Y), L2P(Y), GPS truyền thêm những tín hiệu sau: L1C, L2C, L1M, L2M và L5.

L1C : là tín hiệu sử dụng trong dân sự (civil signal), truyền đi ở tần số L1. Có PRN dài 10230 bit và truyền ở tốc độ 1.023Mb/s.

L2C : là tín hiệu được sử dụng trong dân sự, truyền đi ở tần số L2. Gồm 2 mã riêng biệt : Civilian Moderate (CM) có độ dài 10230 bit và chu kỳ truyền 20ms, Civilian Long (CL) có độ dài 767250 bit và chu kỳ truyền 1500ms.

L1M : tín hiệu dùng trong quân sự L2M : tín hiệu dùng trong quân sự L5 : tín hiệu dân sự, truyền ở tần số 1176.45 MHz

2.2 Hệ thống QZSS- L1C/A, L1C, L2C, L5: giống GPS- L1 SAIF, LEX: nâng cao chất lượng phép định vị‐

Signal Name Center Frequency Frequency BandwidthRanging code and

modulation method

L1A/C

1575.42 MHz 24.0 MHz (±12.0 MHz)

Giống trong GPS

L1C Giống trong GPS

L1-SAIF

Mã PRN là mã PRN của C/A trong

GPS, điều chế BPSK

L2C 1227.60 MHz 24.0 MHz (±12.0 MHz) Giống trong GPS

L5 1176.45 MHz 24.9 MHz (±12.45 MHz) Giống trong GPS

LEX 1278.75 MHz 39.0 MHz (±19.5 MHz)

- Djfek- Faej;