Tong Quan GPS

  • View
    1.050

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

GPS the global positioning system A. L THUYT V GPS:I- Gii

thiu v GPS:

1.1 Tng quan v GPS (Global Postioning System):Thng thng GPS bao gm mt chm sao 24 v tinh.Chm sao ny c hon thnh vo thng 7,1993,c xem nh l nng lc hot ng ban u(initial operational capability (IOC)).Tuy nhin cng b chnh thc l vo ngy 8,thng 12,1993. m bo h thng v tinh ny bao ph khp ton b tri t mt cch lin t c,nhng v tinh ny c sp xp sao cho mi 4 v tinh c t trong mi 6 mt phng qu o(Hnh1).Vi s b tr ny,khong t 4 n 10 v tinh s lun hin hu ti bt c ni no trn th nh v. gii,nu gc ngng (elevation angle) l 10 . Ta ch cn duy nht 4 v tinh cung cp s khong 0.01),vi mt nghing khong 55 so vi xch o.Na trc ln ca qu o Qu o v tinh GPS th gn nh l hnh trn(mt hnh elipse vi tm sai cc i GPS l khong 26560 km( cao v tinh khong 20200 km bn trn b mt tri t).Chu k qu o v tinh tng ng khong 12 gi thin vn (sidereal hour;23:56:4.1).H thng GPS c tuyn b chnh thc l t c mt kh nng hot ng y (full operational capability (FOC)) vo ngy 17,thng 7,n m 1995,m bo kh nng hot ng thc t ca ti thiu 24 v tinh GPS ,khng dng vo th nghi m.Thc t ,khi m GPS t c FOC ca n,chm sao v tinh thng ln hn 24 v tinh.

1 dhspkt-hcm-2009

GPS the global positioning system

Hnh 1: Chm sao GPS S-band(10cm-radar short-band):1.55 -5.2 Ghz. L-band (20cm-radar long-band):950Mhz 1450 Mhz

1.2 Nhng phn on GPS:GPS bao gm 3 phn on: phn on khng gian,phn on iu khin ,phn on ngi s dng(Hnh 2). Phn on khng gian chnh l chm sao 24 v tinh. Mi v tinh GPS pht i tn hiu, bao gm nhng thnh phn sau: hai sng sin ( thnh ph n sng mang), hai chu i d liu s,v mt thng ip iu hng. D liu s v thng ip iu hng kt hp vi sng mang bng cch iu ch nh phn biphase( Hnh 3). Sng mang v chui d liu s ch yu c s dng xc nh khong cch t my thu ca ngui s dng n nhng v tinh GPS. Thng ip iu hng bao gm ta ca v tinh,ta ny biu din di dng hm bin i theo thi gian v mt s thng tin cn thit khc.Tn hiu pht c iu khin bi nhng ng h nguyn t( atomic clocks) c chnh xc cao onboard trn nh ng v tinh.

2 dhspkt-hcm-2009

GPS the global positioning system

Hnh 2: Nhng phn on GPS

Hnh 3: m ha tn hi u dng phng php biphase Phn on iu khin ca h thng GPS bao gm mt mng li rng khp nhng trm theo di (tracking station), vi mt trm iu khin chnh (MCS-master control station) nh v Colorado Springs, Colorado, the United States. Nhim v ban u ca phn on iu khin l theo di du vt ca nhng v tinh GPS m nh v v tin

3 dhspkt-hcm-2009

GPS the global positioning systemon v tr v tinh, tnh trng h thng, hot ng ca ng h nguyn t, d liu kh quyn, nin gim v tinh (the satellite almanac) (tn hiu ny cha nhng thng tin v v tr ca v tinh trn qu o v c lu vo b nh ca my thu,khi v tinh di chuyn th cc thng tin ny c ng lin tc c cp nht vo my thu cng v i qua cc tn hiu m n gi i),v mt s s quan tm khc.Thng tin sau c ng gi v upload ln nhng v tinh GPS thng qua ng link bng S. Phn on ngi s dng bao gm dn thng v qun i.Vi mt b thu GPS kt ni vi mt antenna GPS, mt ngi s dng c th thu c tn hiu GPS, tn hi u ny sau c s dng xc inh v tr ca anh y hoc c y d ang sng bt c ni no trn th gii. Hin ti, GPS sn dng vi tt c ngi s dng khp ni trn th gii vi mc chi ph khng tr c tip (no direct charge).

1.3 Nhng th h v tinh GPS:

Hnh 4: Nhng th h v tinh GPS hi n hnh Ban u, chm sao v tinh GPS c xy dng vi mt chui 11 v tinh, gi l nhng v tinh Khi I. V tinh u tin trong chui ny (v trong h thng GPS) bt u hot ng vo ngy 22 thng 2 nm 1978, ci cui cng bt u hot ng vo ngy 9 thng 10 nm 1985. Nhng v tinh Khi I c xy dng ch yu dng vo th nghim.

4 dhspkt-hcm-2009

GPS the global positioning system

Gc nghing mt phng qu o ca nhng v tinh ny, so vi ng xch o, l 63 , sau c sa i trong nhng th h v tinh theo sau. Mc d thi gian sng trong hn 10 nm. V tinh Khi I cui cng c rt ra khi h thng dch v vo ngy 18 thit k ca nhng v tinh Khi I l 4.5 nm, mt vi ci duy tr trong dch v nhiu

thng 11 nm 1995. Th h v tinh th hai gi l nhng v tinh Khi II/IIA. Khi IIA l mt phin bn cao hn Khi II, vi s tng ln trong kh nng lu tr d liu thng ip iu hng t 14 ngy i vi Khi II n 180 ngy i vi khi IIA. iu ny c ngha rng nhng v tinh Khi II v Khi IIA c th thc hin chc nng mt cch lin t c ,m khng cn c s h tr t mt t, trong nhng khong thi gian t 14 n 180 ngy, tng ng ln lt vi hai h thng. Tng cng 28 v tinh Khi II/IIA c thi hnh trong khong thi gian t thng hai, 1989 n thng 11 nm 1997.Trong s nhng v tinh ny, 23 ci vn cn ang trong dch v. Khng ging nh v tinh Khi I, mt phng qu o ca nhng v tinh Khi II/IIA c gc nghing l 55 so vi mt phng xch o. Thi gian sng

thit k cho nhng v tinh Khi II/IIA l 7.5 nm, nhng thc t thng vt qu con s ny. m bo an ninh quc gia,mt vi tnh nng bo mt bao gm: kh nng c th la chn(SA-selective availability) v chng la o(antispoofing) c thm vo cu trc tn hi u ca nhng v tinh Khi II/IIA. Th h mi ca nhng v tinh GPS, c bit nh l Khi IIR, hin ti ang c thi hnh. Nhng v tinh b sung ny c kh nng tng thch tr li i vi nhng v tinh Khi II/IIA, iu ny c ngha l ngi s dng hon ton c th nm bt c nhng thay i trong Khi IIR. Khi IIR bao gm 21 v tinh vi thi gian sng c thit k l 10 nm. Thm vo , nh vo chnh xc cao hn nh mong i, nhng v tinh Khi IIR c kh nng hot ng mt cch c lp trong khong thi gian t nht l 180 ngy m khng cn s iu chnh t mt t hoc l xy ra thoi ha chnh xc. Kh nng nh v t tr ca th h v tinh ny t c mt phn nh vo cc v tinh ny c kh nng sp xp ln nhau (mutual satellite ranging capabilities.). V i s h tr ca

5 dhspkt-hcm-2009

GPS the global positioning systemephemeris v d liu clock c upload ln nh k trong khong thi gian 210 ngy bi phn on iu khin mt t nhm h tr nh v t tr. Hu ht nhng tnh nng ny c thm vo 12 v tinh cui cng ca Khi IIR, nm trong chng trnh hin i ha GPS, c tin hnh vo u nm 2003. Vo thng 7 nm 2001, su v tinh Khi IIR hot ng thnh cng. Theo sau Khi IIR l khi IIF (flow-on), bao gm 33 v tinh. Khong thi gian sng ca mi v tinh l 15 nm. Nhng v tinh khi IIF c nhng kh nng mi nh vo chng trnh hin i ha GPS, ci thin mt cch n tng tnh chnh xc trong ch nh v GPS t tr.

1.4 Chm sao GPS hin hnh:Chm sao GPS hin hnh cha 5 v tinh Khi II, 18 v tinh Khi IIA, v su v tinh Khi IIR. Nh vy, tng s v tinh GPS trong chm sao hin hnh l 29, vt qu chm sao-24 v tinh thng thng 5 v tinh.Tt c nhng v tinh Khi I khng cn hot ng na. Nhng v tinh GPS c t trong su mt phng qu o, nhng mt phng qu o ny c dn nhn t A n F. Khi m hin ti, h thng c nhiu v tinh hn chm sao 24-v tinh thng thng, mt mt phng qu o c th cha 4 hoc l 5 v tinh. Tt c mt phng qu o u c 5 v tinh, ngoi tr mt phng qu o C- ch c 4 v tinh. Nhng v tinh c th c nhn dng bi nhiu h thng khc nhau. H thng nhn dng v tinh ph bin nht trong cng ng ngi s dng GPS l SVN (Space V ehicle Number) v PRN (Pseudo Random Noise) (vd: SVN-48/PRN-07 l v tinh th su ca Khi IIR-M gm 31 v tinh). Khi v tinh II/IIA c trang b vi bn ng h nguyn t onboard: hai cesium (Cs) v hai rubidium (Rb). ng h cesium c s dng lm ng h thi gian s cp iu khin tn hiu GPS. Tuy nhin, nhng v tinh khi IIR ch s dng ng h rubidium.

6 dhspkt-hcm-2009

GPS the global positioning systemChm sao v tinh GPS 7/2001:

1.5 Nhng v tr iu khin (control sites):Phn on iu khin ca GPS bao gm mt trm iu khin chnh (MCS), mng rng khp nhng trm gim st, v nhng trm iu khin mt t(Hnh 5)

7 dhspkt-hcm-2009

GPS the global positioning system

Hnh 5: Nhng v tr iu khin C 5 trm gim st, nh v ti Colorado Springs(vi MSC), Hawaii, Kwajalein, Diego Garcia, v o Ascension. V tr ( hoc ta ) ca nhng trm gim st ny c xc nh chnh xc. Mi trm gim st c trang b vi nhng b thu GPS cht lng cao v mt b dao ng cesium nhm mc ch theo du vt lin tc tt c nhng v tinh GPS trong tm nhn. Ngoi ra, ba trm gim st (Kwajalein, Diego Garcia, v Ascension Island) cn c trang b vi nhng antenna mt t upload thng tin ti nhng v tinh GPS. Tt c nhng trm gim st v nh ng trm iu khin mt t khng c duy tr hot ng lin tc,v c MCS iu khin t xa.

8 dhspkt-hcm-2009

GPS the global positioning systemNhng quan st GPS thu thp c t nhng trm gim st c pht ti MCS x l. Kt qu x l bao gm d liu iu hng v tinh, v tr v tinh nh l mt hm ca thi gian, tham s ng h v tinh, d liu kh quyn, nin gim v tinh (satellite almanac), v nhng thng tin c n thit khc. D liu iu hng ti mi ny c gi ti mt trong nhng trm iu khin mt t upload ln nhng v tinh GPS thng qua ng link bng S. Ngoi ra, gim st tnh ton v n ca h thng GPS l mt trong nhng nhim v ca MCS. Trng thi ca v tinh c thit lp vi iu kin khng tt (unhealthy) bi MCS sut qu trnh ho t ng hoc ngng hot ng ca v tinh. Tnh trng v tinh xut hin nh mt phn ca thng ip iu hng v tinh, xc nh trn mt nn gn vi thi gian thc (near real-time basis). Trng thi cn hot ng hoc l ngng hot ng ca v tinh c lit k trong danh m c, sau , trng thi ny c tng thut trong mt thng ip gi l bn tin bo trc vi ngi s dng Navstar (Notice Advisory to Navstar Users (NANU)), bn tin ny sn dng vi cng chng thng qua, v d, Trung tm iu hng bo v bi bin M (the U.S. Coast Guard Navigation Center).

1.6 GPS - mt vi khi nim c bn:Khi nim pha sau GPS kh l n gin. Nu nh khong cch t mt im trn Tri t (mt b thu GPS ) ti ba v tinh c xc nh cng vi thng tin v v tr v tinh, vy th v tr ca im (hoc b thu) c th c m t bng cch p dng mt cch n gin nhng khi nim ca s ct b(resection). Tt c ch c vy. Nhng chng ta xc nh khong cch t v tnh ti im quan st cng nh v tr ca v tinh nh th no? Nh cp trc , mi v tinh GPS pht lin t c mt tn hiu v tuyn to thnh tng th t hai sng mang, hai m v mt thng ip iu hng. Khi b thu GPS v tr ON, n s thu ly tn hiu thng qua antenna b thu. Mt khi b thu nhn c tn

9 dhspkt-hcm-2009

GPS the global positioning systemhiu GPS, n s x l nh vo nhng phn mm tch hp bn trong. Kt qu x l bao gm cc khong cch ti nhng v tinh GPS (cn gi l tm gi -the pseudoranges) v ta v tinh c xc nh thng qua thng ip iu hng. Theo l thuyt ch duy nht cn 3 khong cch n 3 v tinh m c theo du vt mt cch ng thi. Trong trng hp ny, b thu s c nh v ti ch giao nhau ca ba hnh cu, mi hnh cu ny c mt bn knh tng ng vi khong cch v tinh-b thu v tm l v tinh (Hnh 6). Tuy nhin, thc t phi cn n 4 v tinh m t lch gia ng h b thu v ng h v tinh.

Hnh 6: Nguyn tc c bn nh v