Nguyên lý và cấu tạo của hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu
Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (Global Navigation Satellite System, GNSS) là một hệ thống định vị có thể cung cấp dịch vụ định vị và dẫn đường ba chiều toàn cầu, liên tục, chính xác cao và hoạt động 24/7 cho tàu thuyền. Thiết bị định vị vệ tinh GPS trên tàu là thiết bị không thể thiếu trong hoạt động hàng hải của tàu thuyền hiện đại, có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho tàu thuyền. Do đó, đảm bảo thiết bị định vị vệ tinh GPS trên tàu có công suất 750 kW trở lên hoạt động bình thường là nhiệm vụ của nhân viên điện tử và điện tử hàng hải. Dự án này dựa trên thiết bị định vị vệ tinh GPS trên tàu để triển khai giảng dạy theo dự án, nhằm giúp sinh viên có thể tự thực hiện công việc bảo trì và bảo dưỡng thiết bị định vị vệ tinh GPS trên tàu trong công việc tương lai thông qua nhận thức và thực hành. Thiết bị định vị vệ tinh GPS FURUNO GP-170 được sử dụng rộng rãi trên tàu, phần này sẽ giới thiệu dựa trên thiết bị loại này.
I. Tổng quan về hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu
Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu chủ yếu bao gồm Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) của Hoa Kỳ, Hệ thống Định vị Vệ tinh BeiDou (BDS) của Trung Quốc, Hệ thống Định vị Vệ tinh GLONASS của Nga và Hệ thống Định vị Vệ tinh Galileo (Galileo) của Châu Âu.
GPS là viết tắt của Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System (viết tắt là NAVSTAR/GPS), có nghĩa là Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu. Hoa Kỳ bắt đầu nghiên cứu hệ thống định vị vệ tinh GPS từ cuối năm 1973, hoàn thành việc triển khai vệ tinh vào cuối năm 1993 và đưa vào sử dụng toàn bộ vào cuối năm 1995.
GPS có thể cung cấp dịch vụ định vị và dẫn đường ba chiều liên tục, chính xác cao, gần như thời gian thực và hoạt động 24/7 trên toàn cầu. Trong đó, mã P chủ yếu được sử dụng cho quân đội và người dùng cao cấp, có độ chính xác định vị lên đến 1m; mã CA chủ yếu được sử dụng cho dân sự, có độ chính xác định vị từ 20 đến 30m.
II. Cấu trúc của hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu
Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu bao gồm ba phần: vệ tinh định vị, trạm mặt đất và thiết bị người dùng. Vệ tinh định vị chịu trách nhiệm phát tín hiệu định vị, trạm mặt đất theo dõi và điều khiển vệ tinh đồng thời truyền tải thông tin định vị, còn bộ thu tín hiệu định vị được lắp đặt trên phương tiện vận chuyển của người dùng sẽ thu tín hiệu từ vệ tinh để thực hiện chức năng định vị và dẫn đường.
GPS satelliteHệ thống vệ tinh được thiết kế bao gồm 24 vệ tinh, trong đó có 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng, được phân bố đều trên 6 quỹ đạo. Sau đó, các vệ tinh thuộc các dòng BLOCKI, II, IIA và IIR đã được phóng lên theo từng đợt.
Trạm mặt đất GPSHệ thống bao gồm ba phần chính: trạm điều khiển chính, trạm theo dõi và trạm truyền dữ liệu. Trạm điều khiển chính chịu trách nhiệm điều khiển toàn bộ hệ thống vệ tinh, đánh giá hiệu suất định vị và tạo ra bảng lịch trình vệ tinh, sau đó mã hóa thông tin định vị và gửi đến trạm truyền dữ liệu. Trạm truyền dữ liệu, dưới sự điều khiển của trạm điều khiển chính, sẽ truyền thông tin định vị vào vệ tinh một đến hai lần mỗi ngày.
Thiết bị của người dùngĐó là thiết bị định vị vệ tinh GPS, bao gồm phần cứng, phần mềm tích hợp và gói phần mềm xử lý dữ liệu GPS. Phần cứng của bộ thu bao gồm ba phần: đơn vị ăng-ten, đơn vị chính và nguồn điện. Ăng-ten được lắp đặt ngoài trời và kết nối với đơn vị chính qua cáp. Đơn vị chính bao gồm bộ biến tần, kênh tín hiệu, bộ vi xử lý và mô-đun hiển thị. Hiện nay, thiết bị định vị liên quan đến mã CA được sử dụng phổ biến trong hàng hải.
III. Nguyên lý định vị và sai số
(1) Nguyên lý định vị
GPS là một hệ thống định vị và đo khoảng cách bằng cách sử dụng các vệ tinh. Người dùng xác định khoảng cách từ mình đến vệ tinh bằng cách đo thời gian truyền tín hiệu vệ tinh đến thiết bị của mình. Vì tốc độ truyền sóng điện từ trong không gian là đã biết, từ đó có thể tính toán khoảng cách từ người dùng đến vệ tinh. Khi định vị cụ thể, người dùng chỉ cần đo khoảng cách đến 3 vệ tinh là có thể xác định được 3 hình cầu có tâm là vệ tinh và bán kính là khoảng cách từ vệ tinh đến người dùng. Điểm giao nhau của 3 hình cầu này chính là vị trí không gian ba chiều của người dùng.
Để xác định vị trí của người dùng, vị trí của vệ tinh khi phát tín hiệu phải được biết chính xác. Người dùng nhận được vị trí của vệ tinh bằng cách thu nhận thông tin về quỹ đạo vệ tinh được chứa trong tín hiệu vệ tinh do vệ tinh GPS phát ra.
(2) Định vị sai số
Khoảng cách được đo bằng thiết bị định vị vệ tinh của người dùng sẽ bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố sau:
1. Độ lệch đồng hồ của vệ tinh và người dùng
Như đã đề cập ở trên, đo khoảng cách về bản chất là đo độ trễ (thời gian truyền sóng điện từ), và một tiêu chuẩn thời gian thống nhất và chính xác là yếu tố quan trọng đối với độ chính xác của phép đo. Các vệ tinh GPS đều sử dụng đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, với độ chính xác lên đến (0,1~10)×10⁻¹³/s, nhưng sai số sẽ tích lũy theo thời gian và phản ánh vào sai số đo lường của người dùng. Mặt khác, người dùng thông thường thường không có đồng hồ chính xác, nên độ trễ đo lường của họ sẽ chứa sai số đồng hồ người dùng khá lớn.
2. Độ trễ truyền tín hiệu
Trong quá trình truyền tín hiệu vệ tinh đến người dùng, tín hiệu phải đi qua sự khúc xạ của tầng ionosphere và tầng troposphere, điều này sẽ làm thay đổi tốc độ và đường truyền của tín hiệu, từ đó gây ra độ trễ trong quá trình truyền tín hiệu. Độ trễ này cũng có thể gây ra sai số trong việc đo thời gian của người dùng.
Tổng hợp các yếu tố trên, khoảng cách được đo bằng thiết bị định vị vệ tinh GPS không phải là khoảng cách thực tế từ người dùng đến vệ tinh, do đó được gọi làgiả khoảng cáchQuá trình đo khoảng cách giả được gọi làgiả đo khoảng cách。
3. Phương pháp loại bỏ sai số định vị
Để xác định khoảng cách thực tế từ vệ tinh đến người dùng, GPS sử dụng các phương pháp sau:
①Trong tin nhắn vệ tinh gửi đến người dùng, vệ tinh GPS cung cấp thông số hiệu chỉnh sai lệch đồng hồ vệ tinh.
②GPS vệ tinh phát tín hiệu hai tần số (1575,42 MHz và 1227,60 MHz) để hiệu chỉnh sai số khúc xạ của tầng điện ly. Đồng thời, GPS vệ tinh cung cấp thông số hiệu chỉnh khí quyển trong tin nhắn vệ tinh, người dùng sử dụng mô hình hiệu chỉnh để hiệu chỉnh sai số khúc xạ của tầng đối lưu, từ đó tính toán độ trễ truyền tín hiệu.
③ Lấy sai số đồng hồ của người dùng làm ẩn số và giải trong phương trình quan sát. Do đó, khi thực hiện định vị ba chiều, người dùng cần giải 4 ẩn số, tức là:Ít nhất cần nhận được tín hiệu từ 4 vệ tinh.Khi thực hiện định vị hai chiều,Ít nhất cần nhận được tín hiệu từ 3 vệ tinh.。
4. Thiết bị định vị vệ tinh GPS
Hiện nay, thiết bị định vị liên quan đến mã CA là loại được sử dụng phổ biến nhất trong hàng hải. Thiết bị định vị vệ tinh GPS bao gồm phần cứng, phần mềm tích hợp và gói phần mềm xử lý dữ liệu GPS. Phần cứng của thiết bị định vị vệ tinh bao gồm ăng-ten, bộ điều khiển chính và nguồn điện. Ăng-ten được lắp đặt ở ngoài trời, kết nối với máy chủ bằng cáp. Máy chủ bao gồm bộ biến tần, bộ khuếch đại trung tần, kênh tín hiệu, bộ vi xử lý, mô-đun hiển thị, v.v., như thể hiện trong hình 2-1-1.
Hình 2-1-1 Cấu trúc của thiết bị định vị vệ tinh GPS
Thiết bị định vị vệ tinh GPS nhận tín hiệu vệ tinh yếu qua ăng-ten GPS, sau đó được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tiền cấp (cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu) và truyền đến bộ chuyển đổi tần số để chuyển đổi tín hiệu tần số vô tuyến (RF) thành tín hiệu tần số trung gian (IF). Tín hiệu tần số trung gian sau khi được khuếch đại sẽ được truyền đến mạch khóa pha mã giả và mạch khóa pha sóng mang để thực hiện tìm kiếm hai chiều mã giả và tần số (sóng mang). Trong đó, vòng lặp khóa mã giả được sử dụng để thiết bị theo dõi mã giả theo thời gian và mã giả nhận được, thực hiện tự động bắt và theo dõi mã vệ tinh; vòng lặp khóa sóng mang được sử dụng để thiết bị theo dõi sóng mang theo tần số và pha và sóng mang nhận được, thực hiện tự động bắt và theo dõi sóng mang vệ tinh.
Dữ liệu mã giả GPS và dữ liệu mã giả theo dõi của thiết bị được so sánh trong bộ tương quan. Khi hai dữ liệu này trùng khớp, giá trị tối đa được xuất ra, cho thấy bộ tương quan đã phát hiện tín hiệu sóng mang điều chế dữ liệu GPS. Tín hiệu này được trộn với sóng mang theo dõi của thiết bị, từ đó phát hiện tín hiệu mã dữ liệu GPS. Sau khi tín hiệu mã dữ liệu GPS được đồng bộ hóa, phát hiện và lọc dữ liệu, tín hiệu điện tử vệ tinh GPS sẽ được phát hiện. Sự chênh lệch giữa sóng mang theo dõi và sóng dao động chuẩn của thiết bị là sự dịch chuyển tần số Doppler; bằng cách so sánh mã giả theo dõi với mã giả chuẩn của thiết bị, có thể đo được độ trễ truyền tín hiệu, từ đó tính toán được khoảng cách giả.
vi xử lýLà bộ phận trung tâm của thiết bị định vị vệ tinh GPS, việc thu nhận và xử lý tín hiệu của thiết bị định vị vệ tinh được thực hiện dưới sự điều khiển của bộ vi xử lý. Các chức năng chính của nó bao gồm: tự kiểm tra khi khởi động, lựa chọn vệ tinh, thu thập dữ liệu vệ tinh, hiệu chỉnh sai số truyền dẫn trong khí quyển, đo khoảng cách giả, tần số Doppler, tính toán vị trí, tốc độ và thông tin định vị của người dùng, v.v.
Thiết bị định vị vệ tinh GPS thường được trang bị màn hình LCD để hiển thị thông tin hoạt động, đồng thời có bàn phím điều khiển để người dùng có thể điều khiển thiết bị định vị vệ tinh thông qua bàn phím. Một số thiết bị định vị vệ tinh còn được trang bị màn hình lớn, có thể hiển thị trực tiếp thông tin định vị và bản đồ số trên màn hình.
GPS vệ tinh định vị có hai loại nguồn điện:Một loại là nguồn điện bên trong máy, thường sử dụng pin lithium, dùng để cấp điện cho bộ nhớ RAM, tránh mất dữ liệu sau khi tắt máy; loại còn lại là nguồn điện bên ngoài máy, thường sử dụng pin cadmium-nickel 12V có thể sạc lại. Khi sử dụng nguồn điện xoay chiều, cần thông qua bộ ổn áp hoặc bộ chuyển đổi nguồn điện chuyên dụng.
V. Hệ thống định vị vệ tinh Beidou
Hệ thống định vị vệ tinh Beidou là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu do Trung Quốc tự nghiên cứu và phát triển, đồng thời cũng là hệ thống định vị vệ tinh thứ ba đã hoàn thiện sau GPS và GLONASS.
(1) Cấu trúc hệ thống
Hệ thống định vị vệ tinh Beidou bao gồm ba phần chính: cụm vệ tinh không gian, hệ thống điều khiển mặt đất và thiết bị đầu cuối người dùng. Cụm vệ tinh không gian sử dụng thiết kế quỹ đạo hỗn hợp bao gồm vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO), quỹ đạo địa tĩnh nghiêng (IGSO) và quỹ đạo trung bình (MEO), tạo thành mạng lưới định vị toàn cầu. Hệ thống Beidou-3 đã triển khai 30 vệ tinh, trong đó có 5 vệ tinh GEO (3 vệ tinh hoạt động và 2 vệ tinh dự phòng), nhằm tăng cường tính ổn định của dịch vụ trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương.
Hệ thống điều khiển mặt đất bao gồm trạm điều khiển chính, trạm giám sát và trạm bơm, chủ yếu chịu trách nhiệm giám sát trạng thái vệ tinh, điều chỉnh quỹ đạo và tăng cường tín hiệu dẫn đường. Thiết bị đầu cuối người dùng bao gồm các thiết bị dân sự và quân sự, chẳng hạn như thiết bị đầu cuối trên tàu BDMSS, thiết bị cầm tay, v.v. Các thiết bị này có chức năng định vị dẫn đường và truyền tin nhắn ngắn.
(2) Nguyên lý định vị
BDS kết hợp công nghệ định vị chủ động và thụ động hai chế độ.Định vị thụ độngĐây là chế độ định vị chính của Beidou-3. Thiết bị đầu cuối của người dùng nhận tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh, sử dụng sự chênh lệch thời gian truyền tín hiệu để tính toán tọa độ ba chiều, với độ chính xác định vị có thể đạt đến cấp mét.Định vị chủ độngThì thiết bị đầu cuối cần chủ động phát tín hiệu yêu cầu đến vệ tinh, phù hợp với nhu cầu định vị khẩn cấp trong phạm vi phủ sóng của trạm mặt đất. Beidou-3 đã tối ưu hóa hiệu quả truyền tín hiệu thông qua công nghệ liên kết giữa các vệ tinh, từ đó nâng cao tốc độ và độ chính xác của việc định vị.
(3) Chức năng và đặc điểm cốt lõi
BDS có thể cung cấp dịch vụ định vị và dẫn đường thời gian thực trên toàn cầu. Độ chính xác định vị dân sự tốt hơn 10m, trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương có thể đạt độ chính xác từ 2 đến 5m, dịch vụ cấp quân sự thậm chí có thể đạt độ chính xác định vị ở mức centimet. BDS độc đáoChức năng truyền tin nhắn ngắnĐược chia thành hai loại: khu vực và toàn cầu. Tin nhắn ngắn khu vực dựa trên cụm vệ tinh GEO, phủ sóng khu vực châu Á-Thái Bình Dương (10°N~55°N, 75°E~135°E), hỗ trợ ba chế độ: truyền phát theo yêu cầu (truyền phát điểm đơn), truyền phát nhóm (truyền thông nhóm) và truyền phát phát sóng (phát hành thông tin khu vực). Chức năng tin nhắn ngắn toàn cầu mới của Beidou-3 đã phá vỡ rào cản địa lý, thực hiện được liên lạc khẩn cấp toàn cầu. Ngoài ra, hệ thống sử dụng thiết kế tín hiệu đa băng tần B1, B2, B3, nâng cao đáng kể khả năng chống nhiễu và độ tin cậy trong môi trường phức tạp.
(4) Ứng dụng thiết bị đầu cuối trên tàu BDMSS và tin nhắn ngắn khu vực
BDMSS là thiết bị đầu cuối trên tàu quan trọng của BDS trong lĩnh vực hàng hải, chủ yếu bao gồm đơn vị định vị và điều hướng, đơn vị điều khiển truyền thông và mô-đun thích ứng môi trường. Đơn vị định vị và điều hướng sử dụng công nghệ thu tín hiệu đa băng tần để đạt độ chính xác định vị ở mức mét; đơn vị điều khiển truyền thông tích hợp giao thức truyền thông chuyên dụng Beidou, hỗ trợ truyền tải tin nhắn ngắn được mã hóa. Thiết bị đầu cuối này sử dụng thiết kế chống ăn mòn muối và hệ thống nguồn điện áp rộng, tuân thủ tiêu chuẩn thiết bị hàng hải quốc tế, có thể thích ứng với môi trường hoạt động phức tạp của tàu biển.
Dịch vụ truyền tin ngắn khu vực của Beidou-3 được hỗ trợ bởi 3 vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo địa tĩnh và 2 vệ tinh dự phòng, phủ sóng khu vực châu Á-Thái Bình Dương từ 75° đến 135° kinh đông và 10° đến 55° vĩ bắc. Dịch vụ này cung cấp ba chế độ: truyền thông theo yêu cầu (truyền tải định hướng), truyền thông đa điểm (hợp tác nhóm) và truyền thông phát sóng (phát hành thông tin công cộng), được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điều phối tàu thuyền, cứu hộ trên biển và cảnh báo thời tiết. Tuy nhiên, do bị giới hạn bởi phạm vi phủ sóng của vệ tinh quỹ đạo tĩnh địa cầu, dịch vụ tin nhắn ngắn có những hạn chế về mặt địa lý và dung lượng truyền thông.Mỗi lần truyền tải không quá 1000 chữ Hán), khi đi biển xa, cần kết hợp với các hệ thống thông tin liên lạc khác để có thể phủ sóng toàn bộ khu vực.
So sánh công nghệ hệ thống GNSS và danh sách các hoạt động thực tế
GPS vs Beidou-3 (BDS-3) | Tiêu chuẩn bảo trì hàng ngày cho thiết bị định vị trên tàu
1. So sánh các chỉ số kỹ thuật của GPS và Beidou-3 (BDS-3)
| Tham số | Hệ thống GPS của Hoa Kỳ | Hệ thống định vị vệ tinh Bắc Đẩu 3 (BDS) của Trung Quốc |
|---|---|---|
| Hệ thống vệ tinh | 24颗 (6个 MEO 轨道面) | 30 quả (quỹ đạo hỗn hợp MEO + IGSO + GEO) |
| Chế độ định vị | Định vị thụ động thuần túy | Định vị chủ động + Định vị thụ động (chế độ kép) |
| Độ chính xác dân dụng | 10 – 30 mét | Toàn cầu < 10 mét (Châu Á - Thái Bình Dương 2 – 5 mét) |
| Tính năng đặc biệt | Phủ sóng toàn cầu hoàn thiện | Tin nhắn ngắn (1000 ký tự Hán mỗi lần) |
| Phân bố tần số | L1, L2, L5 | B1, B2, B3 |
II. Danh sách bảo trì và vận hành thiết bị định vị FURUNO GP-170
- 1. Kiểm tra vật lý ăng-ten: Kiểm tra hàng tháng xem vỏ ăng-ten ngoài trời có bị nứt hay không, và xem có bị phủ bởi tinh thể muối biển (có thể gây suy giảm tín hiệu) hay không.
- 2. Kiểm tra đầu nối dây dẫn: Kiểm tra xem đầu nối TNC/BNC có bị lỏng hoặc bị ăn mòn không, và bán kính uốn cong của dây dẫn có quá nhỏ không.
- 3. Kiểm tra khả năng quan sát vệ tinh: Xác nhận trong giao diện [Satellite Status] HDOP (hệ số chính xác ngang) < 4.0, Số lượng vệ tinh được khóa > 4.
- 4. Bảo trì pin trong máy: Khi khởi động, hiển thị thông báo “Battery Low” hoặc [Self-test] NG Khi đó, cần thay pin lithium 3V trong máy.
- 5. Thiết lập kiểm tra: Xác nhận Điểm chuẩn địa lý (Hệ tọa độ trái đất) Đặt thành WGS-84 (Tiêu chuẩn chung toàn cầu).
III. Gửi tin nhắn ngắn Beidou (Message) Đường đỏ
(1) Giới hạn dung lượng: Mỗi tin nhắn ngắn trong khu vực không được vượt quá 1000 ký tự Hán, nếu vượt quá, hệ thống sẽ tự động chia đoạn hoặc gửi thất bại.
(2) Khoảng thời gian: Tần số phát sóng của thẻ dân dụng thông thường thường bị giới hạn ở Mỗi 1 phút/lần， nghiêm cấm gửi lại nhiều lần gây ra tình trạng khóa thẻ.
(3) Hạn chế về địa lý: Sau khi rời khỏi khu vực phủ sóng châu Á-Thái Bình Dương (75°-135° kinh độ đông), tín hiệu vệ tinh GEO sẽ suy yếu, cần chuyển sang chế độ dịch vụ tin nhắn ngắn toàn cầu.
