Bài giảng Định vị và dẫn đường hàng hải

Nội dung text: Bài giảng Định vị và dẫn đường hàng hải

1. BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG ĐỊNH VỊ & DẪN ĐƯỜNG HÀNG HẢI TÊN HỌC PHẦN : ĐỊNH VỊ & DẪN ĐƯỜNG HH MÃ HỌC PHẦN : 13230 TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÙNG CHO SV NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HẢI PHÒNG – 2010
2. YÊU CẦU VÀ NỘI DUNG CHI TIẾT Tên học phần: Định vị và dẫn đường hàng hải Loại học phần : III Bộ môn phụ trách giảng dạy: Điện tử viễn thông Khoa phụ trách: Điện - ĐTTB Mã học phần: 13230 Tổng số TC: 4 TS tiết Lý thuyết Thực hành/ Xemina Tự học Bài tập lớn Đồ án môn học 90 90 có Điều kiện tiên quyết: SV phải có cơ sở kiến thức về: vật lý điện từ, lý thuyết truyền tin, cấu kiện điện tử, mạch điện tử, kỹ thuật siêu cao tần, anten và truyền sóng, . Mục tiêu của học phần: Cung cấp kiến thức cơ bản của các hệ thống và thiết bị định vị và dẫn đường hàng hải cho các SV Điện tử viễn thông. Nội dung chủ yếu: Khái niệm về nguyên lý hoạt động, cấu trúc hệ thống, cấu trúc thiết bị và những kiến thức lý thuyết và chuyên môn của các hệ thống. Nội dung chi tiết: PHÂN PHỐI SỐ TIẾT TÊN CHƯƠNG MỤC TS LT Xemina BT KT 50 có VÔ TUYẾN ĐỊNH VỊ 8 8 Chương 1: Nguyên lý chung của vô tuyến định vị 1.1. Khái niệm chung 1.2. Hệ thống radar phát sóng liên tục 1.3. Radar phat xung 1.4. Phương pháp xác định góc phương vị. 1.5. Tầm quan sát không gian. 1.6. Những thông số khai thác và kỹ thuật. Chương 2: Tầm xa của radar hàng hải 5 5 2.1. Tầm xa của radar hàng hải trong không gian tự do. 2.2 Nén xung trong radar hàng hải 2.3 Ảnh hưởng của khí quyển. 2.4 Ảnh hưởng của bề mặt biển (mặt đất). 2.5 Ảnh hưởng của sóng biển. Chương 3: Máy phát radar 12 12 3.1 Sơ đồ khối. 3.2 Manhetron. 3.3. Mạch điều chế xung. 3.4 Thyristor và một số mạch điều chế xung. Chương 4: Anten và các đường truyền năng lượng 8 8 4.1 Các đường truyền năng lượng. 4.2 Phối hợp trở kháng trong đường truyền năng lượng 4.3. Chuyển mạch anten. 4.4. Anten và những đặc tính. Chương 5: Máy thu radar 5 5 5.1. Đặc điểm chung. 5.2 Mạch đổi tần. 5.3. Mạch khuếch đại trung tần. 5.4. Tách sóng và khuếch đại thị tần 5.5. Nhiễu tạp và những phươngbpháp hạn chế. 5.6. Tự động điều chỉnh tần số.
3. Chương 6: Cơ cấu chỉ báo radar. 12 12 6.1. Chức năng và phân loại. 6.2. Monitor. 6.3. Phương pháp tạo quét “bán kính quay”. 6.4. Phương pháp tạo quét mành. 6.5. Cơ cấu chỉ báo số. 6.6. Phương pháp chỉ báo khoảng cách. 6.7. Chỉ báo góc phương vị. 6.8. Radar chỉ báo chuyển động thực. DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH 25 Chương 7: Những khái niệm chung 7.1 Nguyên lý dẫn đường bằng vô tuyến điện. 5 5 7.2 Vệ tinh nhân tạo và những đặc tính. 7.3 Hệ tọa độ tham chiếu. 7.4 Cấu hình hệ thống dẫn đường vệ tinh. Chương 8: Các phương pháp xác định vị trí. 8 8 8.1. Nguyên lý chung. 8.2. chuẩn thời gian và thang đo. Chương 9: Hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS. 12 12 9.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. 9.2 Khâu vũ trụ. 9.3 Khâumặt đất. 9.4 Khâu thuê bao. 9.5 DGPS – dạng vi sai của GPS. 9.6 Các hệ thống dẫn đường vệ tinh khác. Nhiệm vụ của sinh viên: Lên lớp đầy đủ và chấp hành mọi quy định của Nhà trường. Tài liệu học tập: 1. Vô tuyến định vị tầu biển .A.M. Bajrasevski NXB “Cydostrojenie” L.B.Nga 1993 2.Các hệ thống dẫn đường vệ tinh Hàng hải J. Janusevski, Gdynia 2002. 3.Các tổ hợp dẫn đường vệ tinh hàng hải. NXB “Cydostrojenie”. Moscova 1996. 4. Vô tuyến định vị hàng hải. Bài giảng chi tiết, Trần Đức Inh. ĐHHH Việt nam,199 tr. 2005. 5.Dẫn đường vệ tinh Hàng hải. Bài giảng chi tiết, Trần Đức Inh. ĐHHH Việt nam,189 tr. 2005. Hình thức và tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Thi viết hoặc thi vấn đáp. - Sinh viên phải bảo đảm các điều kiện theo Quy chế của Nhà trường và của Bộ. Thang điểm : Thang điểm chữ A,B,C,D,F. Điểm đánh giá học phần: Z=0,3X+0,7Y. Bài tập lớn: I. Tên các bài. 1 - Khái quát chung về radar hàng hải đi sâu phân tích khối thu phát và bức xạ (Scanner Unit) của radar . 2 - Khái quát chung về radar hàng hải đi sâu phân tích cơ cấu chỉ báo số của radar . . 3 - Các phương pháp chỉ báo khoảng cách và góc phương vị trong radar, đi sâu phân tích. 4 - Manhetron: cấu tạo, đặc điểm, phân loại và ứng dụng của nó trong các bộ tạo sóng siêu cao của radar hàng hải. 5 - Thyristor và đường dây dài. Nguyên lý cấu tạo, hoạt động và ứng dụng của chúng trong các mạch điều chế xung của radar. Minh họa bằng cách phân tích một mạch điều chế xung cụ thể. 6 – Các phương pháp chỉ báo trong radar hàng hải. Đi sâu phan tích cơ cấu chỉ báo quét tròn trong radar JMA 625. 7 – Những can nhiếu chủ yếu trong radar hàng hải. Phân tíc các phương pháp hạn chế trong các thiết bị cụ thể. 8 – Những đặc điểm của máy thu radar. Đi sâu phân tích mạch đổi tần và chỉ báo dòng diode của mạch trộn tần radar JMA 625.
4. 9 – Hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS. Đi sâu phân tích nguyên lý xác định điểm đo bằng phép đo khoảng cách giả định vệ tinh – thuê bao qua phép đo thời gian lan truyền của sóng. 10 – Hệ thống dẫn đường vệ tinh vi sai. Nguyên lý hoạt động và các phương pháp gửi trị hiệu chỉnh vi sai tromng các hệ thống hiện hành và tương lai. II. Mục tiêu và Yêu cầu: Các bài tập lớn là những tiểu luận về một vấn đề đặt ra, giúp SV làm quen dần với cách giải quyết những vấn đề đặt ra của đề tài, cách viết, cách phân tích, tổng hợp và cách đưa ra những nhận xét cần thiết. Nhằm củng cố kiến thức và kỹ năng làm đồ án sau này. III. Nội dung: Ở mỗi bài, SV phải đưa ra được hai nội dung: Phần phân tích lý thuyết và phần phân tích các mạch cụ thể. IV. Hình thức đánh giá: Sinh viên bảo vệ và giáo viên đánh giá đồng thời đọc bài viết của SV. V. Hình thức trình bày: Bài nộp có thể viết bằng tay hay chế bản vi tính, song phải đảm bảo các yêu cầuvè kích cỡ, dạng chư dễ đọc và các tiêu chuẩn ấn loát khác. Bìa ngoài cứng theo mẫu mã quy định
5. TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM -o0o- TS. TRẦN ĐỨC INH ĐỊNH VỊ & DẪN ĐƯỜNG HÀNG HẢI Hải Phòng, tháng 6 năm 2010
6. MỤC LỤC NỘI DUNG Trang PHẦN I: ĐỊNH VỊ HÀNG HẢI 4 Chương 1: NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA VÔ TUYẾN ĐỊNH VỊ 4 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG 4 1.2 HỆ THỐNG RADAR PHÁT SÓNG LIÊN TỤC 4 1.2.1. RADAR PHÁT SÓNG LIÊN TỤC KHÔNG ĐIỀU CHẾ 4 1.3 RADAR PHÁT XUNG 5 1.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ GÓC 6 1.4.1. PHƯƠNG PHÁP BIÊN ĐỘ CỰC ĐẠI 6 1.4.2 PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG BIÊN ĐỘ 6 1.4.3 PHƯƠNG PHÁP PHA 7 1.5 TẦM QUAN SÁT KHÔNG GIAN 7 1.6. NHỮNG THÔNG SỐ KHAI THÁC VÀ KỸ THUẬT 7 1.6.1 CÁC THÔNG SỐ KHAI THÁC 7 1.6.2 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT 8 Chương 2: TẦM XA CỦA RADAR HÀNG HẢI 9 2.1 TẦM XA HOẠT ĐỘNG CỦA RADAR HÀNG HẢI TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO 9 2.2 NÉN XUNG TRONG RADAR 9 2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN 10 2.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT NƯỚC BIỂN (MẶT ĐẤT) 10 2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG BIỂN 11 Chương 3: MÁY PHÁT RADAR 12 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÁY PHÁT RADAR 12 3.2 MANHETRON 12 3.2.1 CẤU TRÚC MANHETRON ĐỒNG BỘ 12 3.2.2. NGUYÊN LÝ TẠO VÀ DUY TRÌ DAO ĐỘNG 13 3.2.3. ĐẶC TÍNH CÔNG TÁC VÀ ĐẶC TÍNH TẢI 13 3.3. MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG 14 3.3.1. KHÁI NIỆM CHUNG 14 3.3.2 MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG TỤ 14 3.3.3 MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY DÀI 15 3.4 THYRISTOR VÀ MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY DÀI 15 3.4.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THYRISTOR. 15 3.4.2 THYRISTOR TRONG MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG RADAR 16 Chương 4: ANTEN VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG 17 4.1 ĐƯỜNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG 17 4.1.1 CÁP ĐỒNG TRỤC 17 4.1.2 ỐNG DẪN SÓNG 17 4.2 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG TRONG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG 18 4.3 CHUYỂN MẠCH ANTEN 19 4.3.1 CHUYỂN MẠCH CÔNG TẮC 19 4.3.2 CHUYỂN MẠCH CÂN BẰNG HAY CHUYỂN MẠCH CẦU 19 4.3.3. CHUYỂN MẠCH PHA 20 4.4 ANTEN RADAR VÀ NHỮNG ĐẶC TÍNH 20 4.4.1 ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA ANTEN RADAR 20 4.4.2 ANTEN LOA 20 4.4.3 ANTEN KHE 21 Chương 5: MÁY THU RADAR 22 5.1 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM 22 5.1.1 YÊU CẦU CHUNG 22 1
7. 5.1.2 ĐỘ NHẠY VÀ ĐẶC TÍNH 22 5.2 MẠCH ĐỔI TẦN 22 5.2.1 MẠCH DAO ĐỘNG NỘI DÙNG DIODE GANN 23 5.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN 23 5.4 TÁCH SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI THỊ TẦN 24 5.4.1 MẠCH TÁCH SÓNG 24 5.4.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THỊ TẦN 24 5.5 NHIỄU TẠP VÀ PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ 25 5.5.1 CÁC MẠCH TỰ ĐIỀU KHUYẾCH (AGC) 25 5.5.2 MẠCH CHỐNG NHIỄU MƯA VÀ SƯƠNG MÙ 26 5.6 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ 26 Chương 6: CƠ CẤU CHỈ BÁO RADAR 27 6.1 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI 27 6.2 MONITOR 27 6.3 PHƯƠNG PHÁP TẠO QUÉT “BÁN KÍNH QUAY” 27 6.3.1 PHƯƠNG PHÁP “CUỘN QUÉT QUAY” 28 6.4 PHƯƠNG PHÁP QUÉT MÀNH 29 6.5 CƠ CẤU CHỈ BÁO SỐ 30 6.6 PHƯƠNG PHÁP CHỈ BÁO KHOẢNG CÁCH 31 6.7 PHƯƠNG PHÁP CHỈ BÁO GÓC PHƯƠNG 32 6. 8 RADAR CHỈ BÁO CHUYỂN ĐỘNG THỰC 33 PHẦN II: DẪN ĐƯỜNG VỆTINH 35 Chương 7: KHÁI NIỆM CHUNG 35 7.1. NGUYÊN LÝ DẪN ĐƯỜNG VÔ TUYẾN ĐIỆN 35 7.1.1 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG MẶT ĐẤT 35 7.1.2 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH 36 7.2 VỆ TINH VÀ NHỮNG ĐẶC TÍNH 36 7.2.1 VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG 36 A. Vận tốc vũ trụ cấp I 36 B. Định luật Kepler 37 7.2.2 QŨY ĐẠO VÀ CÁC THÔNG SỐ QUỸ ĐẠO 37 7.2.3 TẦM NHÌN CỦA VỆ TINH 37 7.3 HỆ TỌA ĐỘ THAM CHIẾU 38 7.3.1 PHÂN LOẠI 38 7.4 CẤU HÌNH HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH 39 7.4.1 KHÂU VŨ TRỤ 40 7.4.2 KHÂU MẶT ĐẤT 40 7.4.3 KHÂU THUÊ BAO 40 Chương 8: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ 42 8.1 NGUYÊN LÝ CHUNG 42 8.1.1 PHƯƠNG PHÁP DOPPLER 42 B. Nguyên lý thu tích phân Doppler 42 8.1.2 PHÉP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN 43 8.1.3 ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VỊ TRÍ 43 8.2 CHUẨN THỜI GIAN VÀ THANG ĐO 45 8.2.1 MẪU CHUẨN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ 45 8.2.2 ĐỊNH NGHĨA ĐƠN VỊ THỜI GIAN 45 8.2.3 THANG ĐO THỜI GIAN 45 Chương 9: HỆ THỐNG GPS – NAVSTAR 47 9.1 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 47 9.1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 47 9.1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 47 9.2 KHÂU VŨ TRỤ 47 9.2.1 THÔNG SỐ QUỸ ĐẠO, SỐ LƯỢNG VÀ CÁCH BỐ TRÍ 47 2
8. 9.2.3 TẦN SỐ SÓNG MANG 48 9.2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ 48 Phổ tần của các tín hiệu phát đi từ vệ tinh trên các tần số L1, L2, trong hệ thống GPS được minh họa trên hình 9.4 49 9.2.5 MÃ ĐIỀU CHẾ 49 9.2.6 THÔNG BÁO VŨ TRỤ 50 9.2.7 NHIỄU VÀ GÂY NHIỄU CỐ Ý 50 9.3 KHÂU MẶT ĐẤT 50 9.3.1 TRẠM DÕI THEO 51 9.3.2 TRẠM CHÍNH 51 9.3.3 TRẠM HIỆU CHỈNH 51 9.4 KHÂU THUÊ BAO 51 9.4.1 PHÉP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN VÀ MỨC CHÍNH XÁC 52 9.4.2 MÁY THU DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH 52 A. Nguyên lý hoạt động của máy thu hiện đại 52 B. Anten của máy thu 52 9.5 DGPS - DẠNG VI SAI CỦA HỆ THỐNG GPS 55 9.5.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 55 9.5.2 DẪN ĐƯỜNG VI SAI TRONG HÀNG HẢI 55 9.5.4 MÁY THU DẪN ĐƯỜNG DGPS 56 9.5.5 PHIÊN BẢN MẠNG CỦA DGPS 57 9.5.6. ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA DGPS 57 9.6. CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH KHÁC 57 9.6.1. HỆ THỐNG GLONASS 57 9.6.2 HỆ THỐNG ĐƯỜNG TOÀN CẦU GNSS 57 9.6.3 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH HỖ TRỢ 58 9.6.4 CÁC HỆ THỐNG VỆ TINH CHÂU ÂU 58 3
9. PHẦN I: ĐỊNH VỊ HÀNG HẢI Chương 1: NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA VÔ TUYẾN ĐỊNH VỊ 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG Các định nghĩa: -Vô tuyến định vị là gì? -Mục tiêu của định vì là gi?. - Trạm vô tuyến định vị (trạm radar) là gì? Phân loại theo nguyên lý hoạt động chúng ta có: - Vô tuyến định vị thụ động, -Vô tuyến định vị tích cực, - Tích cực với trả lời thụ động, - Tích cực với trả lời tích cực. Phụ thuộc vào dạng của các sóng thăm dò - Phát sóng liên tục: trong đó có điều chế hoặc không bị điều chế. - phát xung. Hình 1.1 mô tả sơ đồ khối của các hệ thống radar nói chung. a) Ch ỉ báo Máy thu b) Máy phát Hình 1.1 Các hệ thống định vị: Chỉ báo Máy thu thụ động (a), tích cực (b) 1.2 HỆ THỐNG RADAR PHÁT SÓNG LIÊN TỤC 1.2.1. RADAR PHÁT SÓNG LIÊN TỤC KHÔNG ĐIỀU CHẾ Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên hiện tượng Doppler. Hệ thống radar này được mô tả trong hình 1.2. Nếu vận tốc được tính bằng Km/h, tần số bằng Hz, f1 Máy phát bước sóng bằng cm. Chúng ta có: v Chỉ báo Máy thu F 55,6 r (1.1) f1 ± Δf D 1 Hình 1.2 Hệ thống radar phát sóng liên tục không điều chế. Vận tốc hướng trạm của mục tiêu vr , được tính trên cơ sở hình 1.3:  vr vm 1 FD 55,6 cos vm F D (1.2) vm 1 55,6cos Để xác định khoảng cách tới mục tiêu, cần sử dụng hệ Hình 1.3 Vận tốc hướng trạm thống song song (Doppler) như hình 1.4. Khi đó: 4
10. c  D (1.3) 4 f Máy phát 1 1.2.2. RADAR PHÁT SÓNG LIÊN Máy thu 1 TỤC CÓ ĐIỀU CHẾ  Máy thu 2 Hệ thống phát sóng điều chế tần số, có thể theo quy luật hàm sin hay quy Máy phát 2 luật tuyến tính như trên hình 1.5. Khoảng cách đến mục tiêu trong Hình 1.4 Hệ thống radar Doppler. hệ thống được xác định: D FDM c/ 4 f F (1.3) f f a) 1 fMax f FD fMin Hình 1.5 Điều chế theo quy luật t Tm t tuyến tính: Tần số phát (nét b) liền), phản xạ (nét đứt )-(a);Tần số Doppler (b). FD t Thông thường dụng cụ đo tần số Doppler FD trong biểu thức (1.3) là bộ đếm xung, có chu kỳ đếm TFDD 1/ , N. 1.3 RADAR PHÁT XUNG Đây là hệ thống được sử dụng rất rộng rãi và duy nhất trong radar hàng hải. Radar phát xung, phát đi các chùm sóng siêu cao tần có tính chu kỳ, được gọi là các chùm xung “thăm dò”, có độ rộng rất nhỏ so với độ rỗng lớn. Trong khoảng thời gian giữa 2 chùm xung ấy, máy thu của trạm thu nhận các chùm xung phản xạ từ mục tiêu trở về. Mỗi một chùm xung đơn lẻ phản xạ từ mục tiêu trở về máy thu có độ trễ tỷ lệ thuận với khoảng cách của mục tiêu nơi sóng phản xạ trở về:  2D / c . Bằng phương pháp hiển thị điện tử, tạo quét tương ứng, chúng ta có thể tái tạo được hình ảnh không gian quan sát của trạm và các thông số (khoảng cách và góc mạn) của mục tiêu như được mô tả trên hình 1.6. 5
11. (1) t Sơ đồ khối của trạm radar hàng hải được mô tả như trong hình 1.7. (2) t (3) Điều chế Tạo sóng t (4) Đồng bộ và nguồn t Chuyển mạch Đi anten (5) Chỉ báo Máy thu Hình 1.7 Sơ đồ khối của radar phát xung. D1 D2 D Bao gồm các khối chức năng sau: Khối 3 đồng bộ và nguồn nuôi, Mạch điều chế xung, Mạch tạo dao động siêu cao tần, Cơ cấu chuyển mạch anten, Hệ thống Anten – Phiđơ, Hình 1.6 Nguyên lý chỉ báo Máy thu và Cơ cấu chỉ báo, hiển thị điện tử. của radar phát xung 1.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ GÓC Tọa độ góc của các mục tiêu được xác định dựa trên tính định hướng của anten. Có hai phương pháp xác định: biên độ hay phương pháp pha. 1.4.1. PHƯƠNG PHÁP BIÊN ĐỘ CỰC ĐẠI Nguyên lý hoạt đông được mô tả trong hình 1.8a, dựa vào đặc tính định hướng cao của anten - U() . Độ nhạy của phương pháp được đánh giá: dU S V , (1.4) d 0 Sai số của phép đo:  USV / (1.5) Độ định hướng của anten được định nghĩa là góc giữa điểm (0,7) giá trị cực đại đối với đặc tính biên độ và điểm (0,5) giá trị cực đại đối với đặc tính công suất như như được mô tả trên hình 1.8b. a) b) y 0,7 Hình 1.8 Xác định góc mạn bằng phương phápbiên độ cực đại (a) và 0 U() 0,5 góc mở của búp sóng anten (b). 0 x 1.4.2 PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG BIÊN ĐỘ Bằng cáh sử dụng hai anten có đặc tính định hướng giống hệt nhau và bị dịch đi một góc  như hình 1.9a, có thể xác định chính xác góc phượng vị của mục tiêu. 6
12. a) b) B 2 D D1 2 A1 d/2 d A2 1.4.3 PHƯƠNG PHÁP PHA Để xác định tọa độ góc bằng phương pháp pha, cần dùng hai anten có độ định hướng cao đặt cách nhau một khoảng d như trong hình 1.9b. Với góc đủ nhỏ sin : chúng ta có: (1.6) 2 d /  Thông qua việc đo sự lệch pha của tín hiệu thu được từ hai anten ta có thể xác định được góc phương vị của mục tiêu (so với phương thẳng đứng – phương chuẩn). 1.5 TẦM QUAN SÁT KHÔNG GIAN Trong radar hàng hải người ta sử dụng dạng quan sát liên tiếp và đây là quan sát tuyến tính quanh tâm (vòng) như trên hình 1.10. Thời gian “rọi” mục tiêu phụ thuộc vào độ định hướng và vận tốc góc quay Ω của anten: H 0 t H NT. (1.7) d  min X Hình 1.10 Quan sát nối tiếp Nếu đề cập tới các quan hệ giữa các thông số: (  6n ), tuyến tính quanh tâm của radar. 1.6. NHỮNG THÔNG SỐ KHAI THÁC VÀ KỸ THUẬT 1.6.1 CÁC THÔNG SỐ KHAI THÁC Đây là các thông số liên quan và xác định các chức năng bảo đảm nhiệm vụ dẫn dắt tàu thuyền tốt của các sỹ quan hàng hải. Có thể liệt kê những thông số khai thác cơ bản sau: 1. Tầm xa cực đại: (được xác định tronbg chương 3) 2. Tầm xa cực tiểu: Dmin1 x c.  x / 2 (1.8) Tầm xa cực tiểu còn bị giới hạn bởi “vùng chết” do điểm đặt của anten của radar gây nên. 3. Khả năng phân giải của trạm: 3a. Khả năng phân giải theo khoảng cách: Để có thể phân biệt được hai mục tiêu khác nhau trong cơ cấu chỉ báo, điều kiện cần và đủ là: .c / 2  x . c / 2, (1.9) 3b. Khả năng phân giải theo phương vị: Đó là góc phương vị nhỏ nhất giữa hai vật thể kề cận khác nhau mà trạm có thể phân biệt được. Khả năng phân biệt tiềm năng theo phương vị phụ thuộc hoàn toàn vào độ rộng và dạng của đặc tính định hướng anten trong mặt phẳng chân trời. 4. Độ chính xác của phép đo khoảng cách: Đặc trưng bởi sai số nhận được kết quả xác định khoảng cách bằng radar.Sai số phép đo khoảng cách, cũng như tất cả các sai số của các phép đo khác có thể phân ra theo dấu hiệu quy luật xuất hiện thành sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống. 7
13. 4a. Sai số ngẫu nhiên: Khi chế độ công tác của trạm radar thay đổi bởi các nhân tố khác nhau không thể tiên đoán hay đề cập trước được. 6. Tính chống nhiễu của trạm. Khả năng đảm bảo được các thông số cơ bản của trạm trong phạm vi xác định khi có tác dụng của nhiễu. Về số lượng, tính chống nhiễu của trạm radar được đánh giá bởi tầm xa hoạt động của trạm khi có tác động của nhiễu. 1.6.2. CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT Các thông số kỹ thuật của một trạm radar có thể kể ra như sau: 1. Độ dài bước sóng. Bước sóng thường dùng nhất trong các trạm radar hàng hải thuộc dải sóng cm và mm là: 8mm; 3,2mm và 10cm. 2. Tần số lặp lại của xung thăm dò Tần số lặp lại này được chọn xuất phát từ yêu cầu xác định đơn trị khoảng cách và sao cho chu kỳ lặp lại của các xung thăm dò lớn hơn thời gian quét thuận và quét ngược của chùm tia ở cơ cấu chỉ báo hiển thị. Trong thực tế tần số xung lặp lại Fx được chọn trong điều kiện: FFFx,min x x , m ax và nằm trong phạm vi 400 3200 xung /s. 3. Công suất của máy phát Đây là thông số gây ảnh hưởng tới tầm xa hoạt động của trạm. Có hai dạng công suất khác nhau đó là công suất đỉnh (xung) và công suất trung bình, quan hệ giữa chúng được biểu diễn bằng biểu thức: PPTx  x 0 x PPTPF0 x.( x / x ) x .  x . x (1.10) 4. Độ nhạy và dải thông của máy thu Độ nhạy máy thu đặc trưng bởi khả năng thu được các tín hiệu yếu khi tác động của tạp nhiễu và được xác định: PR. min N m K T 0 f (1.12) 5. Hệ số định hướng của anten Mỗi anten đặc trưng bởi tỷ số bức xạ cực đại Amax và bức xạ trung bình: GA max/A tr.b = 4 / HV . (1.13) VẤN ĐỀ VÀ CÂU HỎI Câu 2.1: Có những hệ thống định vị nào? Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị phát sóng liên tục không điều chế? Câu 2.2: Có những hệ thống định vị nào? Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị phát sóng liên tục có điều chế? Câu 2.3: Có những hệ thống định vị nào? Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị phát xung? Câu 2.4: Liệt kê các thông số khai thác và kỹ thuật của hệ thống Radar hàng hải và nhận xét? 8
14. Chương 2: TẦM XA CỦA RADAR HÀNG HẢI 2.1 TẦM XA HOẠT ĐỘNG CỦA RADAR HÀNG HẢI TRONG KHÔNG GIAN TỰ DO Tầm xa cực đại của radar trong không gian tự do được gọi tắt là tầm xa của radar, nếu bỏ qua các ảnh hưởng của môi trường, bề mặt của biển và trái đất, được xác định: 2 2 4 PGSx x a e  1 2 ) Dmax 3 (2.1) N.m.kTo (4 ) trong đó, Px , Ga - Sa ,  , 1 , 2 ,  x 1/ f là các thông số kỹ thuật của radar. 2.2 NÉN XUNG TRONG RADAR Để tăng tầm xa cực đại của radar, người ta sử dụng phương pháp phương pháp “dãn – nén” xung được mô tả tron các sơ đồ và hình vẽ sau: . Chuyển đổi Manhetron Điều chế tần số anten Trộn tần Dao động nội Khuếch đại Chỉ báo Hình 2.1 Hệ thống radar “ nén – dãn” xung Trung tần Mạch lọc nén Tách sóng Nguyên lý “dãn - nén” xung được mô tả bằng các đồ thị thời gian như trên hình. 2.2. c) a) Hình 2.2 Phương pháp dãn t t - nén xung trong radar: Xung thăm dò (a);Quy luật biến đổi b) d) tần số phát (b); Xung phản xạ f f sau khi nén (c); Quy luật biến f2 f2 đổi tần số của mạch nén (d). f 1 f1  X1  X 2 t t Tỉ số độ rộng của xung đầu ra và xung đầu vào là: Knen  X1/  X 2 fMX. 1 (2.2) Mạch nén thường hình thành từ các đoạn ống dẫn sóng hay các mạch trễ siêu âm hay các dải dẫn bằng vật liệu dẫn siêu âm với sơ đồ được giới thiệu trên hình 2.3.   X1 Biến đổi điện bằng piezo X 2 Hình 2.3. Sơ đồ dây trễ siêu âm phương sai Đầu vào Dây trễ 3 Cửa ra Khuếch đại sửa sai 9
15. 2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA KHÍ QUYỂN Ảnh hưởng đến tầm xa hoạt động của radar còn phải kể đến suy hao năng lượng của sóng điện từ, trong điều kiện hơi nước, độ mặn, các điều kiện khí tượng thủy văn khác , được minh họa trên h. 2.4. b) 10 a) 10 5 5 ()  3 3 ()  1 1 dB/ Km 1 dB/ Km 0,5 0.5 2 . 0., 0,1 0,05 0,05 [cm] 0.3 1 2 3 4 10 [cm] 0.3 1 2 3 4 10 Hình 2.4 Đồ thị sự suy hao năng lượng điện từ trong khí quyển mặn (a1); Trong hơi nước( a2) và quan hệ giữa suy hao do mưa rơi (đường liền),mây mù (đứt quãng) (b) Cũng cần phải nhận ra rằng, suy hao do tuyết rơi và mưa đá cũng nhỏ hơn suy hao do mưa gây nên. Khi đó, tầm xa cực đại của trạm radar được tính bằng [1]: * * 0,46 0Dm ax Dmax D m ax . e (2.3) Biểu thức trên là biểu thức siêu việt có thể giải bằng phương pháp đồ thị hoặc gần đúng. Hình 2.5 minh họa mối quan hệ giữa tỷ số DDmax/ max với tích 3.Dmax [4]. 1,0 D max D 0,4 max 0,3 0,2 Hình 2.5 Ảnh hưởng của khí 0,1 quyển tới tầm xa cực đại của radar 0,02 3.Dmax 0,01 1 2 3 10 20 100 200 1000 2.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT NƯỚC BIỂN (MẶT ĐẤT) Nếu độ dài của bước sóng phát của trạm nhỏ hơn rất nhiều so với độ cao của anten h1 và vật phản xạ h2 , các xung phản xạ trở về bằng các đường khác nhau như trên hình 2.6. Radar D , E 1 Mục tiêu h1 d1 Hình 2.6 Sự phản xạ năng lượng d2 , E2 h từ bề mặt nước 2 Kết quả là, năng lượng sóng phát tới mục tiêu và năng lượng của sóng phản xạ từ mục tiêu về trạm có thể là tổng của hai năng lượng từ hai đường khác nhau đó: j E0 E 1 E 2 E 1 E 1 e (2.4) 10
16. Nếu coi công suất hấp thụ được tại anten thu của trạm radar tương ứng với độ nhạy của máy thu: p0.R p R , min , biểu thức xác định tầm xa cực đại của trạm radar: 2 P. G . S . . 4 ( h . h ) 0,058 D 8 x a e 1 2 1 2 3m ax Dmax 2 . e (2.5) PR. min Ngoài sự phản xạ năng lượng của sóng từ bề mặt nước, bề mặt cong của trái đất cũng rất ảnh hưởng đến tầm xa hoạt động của radar và được minh họa trên hình 2.7. Radar h 2 Hình 2.7 Ảnh hưởng của đường cong h1 Re trái đất tới tầm hoạt động của radar. Với khí quyển chuẩn, bán kính hiệu dụng của trái đất Reo k. R e 8460 km: D0 4,12( h 1 h 2 ) (2.6) 2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG BIỂN Sử dụng phương trình cơ bản của vô tuyến định vị (2.1), đề cập tới hiện tượng giao thoa giữa sóng trực tiếp và sóng phản xạ từ bề mặt biển có gợn sóng, công suất trung bình của tín hiệu phản xạ từ bề mặt gợn sóng của biển: 2 4 Px G a.4 .1 .  2 .( h 1 h 2 ) . r . C .  x P = . S e. i (2.9) R 2D 7 2 Ảnh hưởng của mặt biển không bằng phẳng khi có sóng gió đối phản xạ sóng điện từ và với tầm xa hoạt động cực đại của radar có thể minh họa bằng đường cong D f() D0 trên hình 2.8 được đưa ra từ công trình [5]. D, Km D, Km a) b) Hình 2.8 Ảnh hưởng của 15 15 phản xạ từ bề mặt gợn sóng của biển tới tầm 2 3 10 10 xa cực đại của radar: 1 3 1– cấp 0-2; 2- cấp 2-4; D0[Km] 1 2 D [Km] cấp 5-8 5 5 0 0 . 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 VẤN ĐỀ VÀ CÂU HỎI Câu 2.1: Viết công thức xác định tầm xa cực đại của radar trong không gian tự do và nhận xét những nhân tố ảnh hưởng đến tầm xa này. 11
17. Chương 3: MÁY PHÁT RADAR 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MÁY PHÁT RADAR Máy phát của radar tàu biển bao gồm các phần tử cơ bản như trong hình 3.1. Đi anten Điều chế Tạo sóng xung siêu cao Nguồn nuôi Hình 3.1 Sơ đồ khối của máy phát radar Trong dải sóng centimet và milimet người ta dùng một đèn điện tử chân không hai cực đặc biệt gọi là manhetron. 3.2 MANHETRON 3.2.1 CẤU TRÚC MANHETRON ĐỒNG BỘ Sơ đồ cấu trúc của đèn được mô tả như trong hình 3.2, theo các mặt cắt dọc B-B và mặt cắt ngang A-A [6]. Hình 3.2 Cấu trúc của manhetron đồng bộ: mặt cắt dọc B-B Và mặt cắt ngang A-A: 1- khối anode, 2- các hốc cộng hưởng, 3-móc ghép cửa ra, 4- đường đồng trục,5 –katode, 6 -giá đỡ katode và dẫn điện sợi đốt , 7- mạch chặn trên katode, 8- vỏ bọc thủy tinh kín chân không cho katode,9 -đáy đèn, 10 –vỏ bọc thủy tinh kín chân không cho mạch ghép cửa ra, 11- vùng tương tác, 12- đáy katode, 13- vòng khuyên cân bằng, 14- mấu chỉnh dung kháng, 15- màng đàn hồi kín chân không, 16 – cơ cấu chỉnh dung kháng. Các hốc cộng hưởng của đèn, được ghép với nhau và năng lượng dao động được dẫn ra như trên hình 3.3A và B. Lối ra B) Lối ra A) Hình 3.3 Ghép từ tính giữa các hốc cộng hưởng (a) và sơ đồ tương đương (b)-(A); Cấu trúc đường dẫn năng lượng siêu cao: Biến áp đồng trục (a); Biến áp khe (b)- (B). 12
18. 3.2.2. NGUYÊN LÝ TẠO VÀ DUY TRÌ DAO ĐỘNG Nguyên lý tạo dao động và duy trì dao động trong đèn được minh họa bằng sự hình thành các đám mây điện tử hình sao biển và sơ đồ mạch điện tương đương như trên hình 3.4. b) a) Anode A c) Ï Katode Lối ra 1 Tia và chùm K K Ï K tia điện tử M L 2 Không gian C CAK, tương tác Hình 3.4 Chuyển động của điện tử trong đèn manhetron (a); Đám mây điện tử hình sao biển trong đèn (b); Sơ đồ tương đương điện của manhetron (c). Từ điều kiện pha giữa các hốc n : N n 2 n , n = 1,2,3,4, , có thể tính pha của hốc thứ n : n = 2 n/N (3.1) Mỗi giá trị lệch pha n tương ứng với một tần số xác định của hệ thống: M CA,K n 0/(12 c os)[1+ n ] (3.2) L 2c.(1-cos n ) trong đó:0 1/ LC . Với hệ thống đối xứng lý tưởng có N hốc, ta có N / 2 tần số cộng hưởng khác nhau, khi đó sự lệch pha của do động n = . 3.2.3. ĐẶC TÍNH CÔNG TÁC VÀ ĐẶC TÍNH TẢI Đặc tính công tác của đèn là mối quan hệ giữa công suất hữu ích P , hiệu suất η, dòng anode Ia và tần số dao động với sự thay đổi của điện áp nuôi Ea và độ cảm ứng từ B khi đèn được phối hợp tải và được minh họa trên hình 3.6a. Đặc tuyến tải của manhetron là quan hệ giữa công suất ra, tần số dao động với tải không được phối hợp khi điện áp nuôi là cố định được xác định và được vẽ trên hệ trục tọa độ cực (,)p , như trong hình 3.6b. 0 a) b) 90 Ea -5MHz -10MHz -15MHz B 3 E 4 a 0MHz 34kw 42kw P3 2 B3 0 0 0 P p 0.8 0.6 0.4 0.2 0 180 B 2 2  B 1 1 +5MHz I P1 I +15MHZ a a +10MH Hình 3.6 Đặc tính công tác(a) và đặc tính 2700 tải (b) của đèn manhetron đồng bộ. 13
19. 3.3. MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG 3.3.1. KHÁI NIỆM CHUNG Mạch điều chế xung trong các máy phát radar có nhiệm vụ cung cấp các xung điện áp hình vuông cho anode đèn manhetron . Dạng thực tế của các xung, bằng các xung điều chế có dạng thực tế như trên hình 3.7. U x 0,9U max U U max Hình 3.7 Dạng xung điều chế t 0,1.U  x max o t f tb Các thông số của xung điều chế phải thỏa mãn các điều kiện như: t f = (0,1- 0,2)  x,  x -là độ rộng của xung, tb = (0,2-0,3)  x, độ bằng phẳng đỉnh xung:  UU/ max 1  2% . Hình 3.8 minh họa sơ đồ khối của các mạch điếu chế xung trong radar hàng hải. Phần tử Phần tử hạn chế tích năng Nguồn Phần Bộ tạo Hình 3.8 Sơ đồ khối cao áp tử Sun sóng mạch điều chế xung. K 3.3.2 MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG TỤ Sơ đồ nguyên lí của mạch điều chế xung dùng tụ được mô tả trên hình 3.10a. a) T E b) x a Em Rg t C  x U C U1 U2 KR0 C0 t UI, a a U a, m ax U a Ia, m ax Hình 3.10 Mạch điều chế xung dùng tụ: Ia Sơ đồ (a); dạng điện áp và dòng(b). t Từ nguyên lý hoạt động của mạch, có thể xác định giá trị của điện dung C: CR x/. m  (3.3) Sau khi nhân cả tử lẫn mẫu vế phải của (3.9) với công suất xung phát: 2 CPU x./. x m  (3.4) Trong thực tế giá trị của C được chọn trong khoảng từ một vài phần trăm đến một vài phần mười của micro phrát ( (0,NNF 0,00 ) . 14
20. 3.3.3 MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY DÀI Sơ đồ nguyên lý của mạch điều chế xung dùng đường dây dài về nguyên tắc được mô tả trong hình 3.11. Tr1 E D1 L1 Hình 3.11 Mạch điều chế xung D2 dùng đường dây dài R2 DL Để thay đổi độ rộng của xung điều chế  x người ta có thể dùng các đoạn ống đơn, kép hai hay kép ba, song rất cồng kềnh. Trong trường hợp đường dây dài nhân tạo, để thay đổi độ rộng của xung phát, người ta sử thay đổi số lượng mắt xích LC trong mạch như trong hình 3.12. a) L L L L b) L1 L2 L3 Hình 3.12 Cấu trúc L0 C0 C1 C2 C3 đường dây dài nhân tạo C C C C tập trung (a) và phối hợp (b). Độ dài của các xung hình thành từ các mạch này được xác định:  x 2n LC , (3.5) ở đây, n - số lượng các mắt xích, LC - cảm kháng và dung kháng của các mắt lọc. Trở kháng sóng của các đường dây dài được xác định: DL LC/ (3.6) Đây chính là các mắt lọc dải dưới thông với tần số giới hạn trên: fmax 1/ 2 LC (3.7) Và C  x/ 2 n . R m . (3.8) Để cải thiện dạng xung điều chế người ta sử dụng các đường dây dài nhân tạo mắc phối hợp mắc nối tiếp và song song như trong hình 3.12b. 3.4 THYRISTOR VÀ MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG DÙNG ĐƯỜNG DÂY DÀI 3.4.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THYRISTOR. Thyristor là một linh kiện bán dẫn có hai trạng thái ổn định, cấu tạo từ ba hoặcnhiều hơn ba tiếp giáp bán dẫn P-N, dụng cụ có thể chuyển từ trạng thái đóng sang mở và ngược lại [7]. Cấu trúc và ký hiệu của thyristor được mô tả trên hình 3.14. Có hai dạng thyristor là : dinistor (h. 3.14a) và thyristor có điều khiển (h. 3.145b). a) b) p p c) A 1 p 1 J 1 J 1 n + 1 1 n1 + T1 E _ n1 n1 J2 p p J2 E T2 2 p p + 2 _ G J 2 2 E 3 n _ J3 2 n + n K 2 2 _ E d) A Hình 3.14 Sơ đồ cấu trúc của:Dinistor (a); SCR Thyristor (b); Sơ đồ tương đương (c) G K và ký hiệu của thyristor (d). 15
21. Nguyên lý hoạt động của dinistor và thyristor có thể tìm hiểu kỹ trong tài liệu [4] . Đặc tuyến von- ampe của dinistor và thyristor được minh họa như hình 3.15. a) b) P Ia a, m ax Ia (,)IUa, m ax a , m ax B A Hình 3.15 Đặc tuyến Vôn-Ampe Ingat B của: Dinistor (a); Thyristor (b) Ia0 IG3 > I > I U U G2 G1 A d U mo a Ia1 U U U U a1 m,2 m,1 m,0 Ua 3.4.2 THYRISTOR TRONG MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU CHẾ XUNG RADAR Trong các mạch điều chế xung dùng đường dây dài thực tiễn [8] để có được các xung điều chế có dạng cũng như các thông số phù hợp với các thang đo khác nhau của trạm radar, người ta dùng các đường dây dài nhân tạo có số lượng các mắt xích có thể thay đổi được như trên hình 3.16, với các thyristor nối tiếp. L0 D0 L L L C C C C SCR1 R1 R3 D1 Tr Rg C0 SCR2 R R2 R0 R4 D2 Hình 3.16 Sơ đồ mạch điều chế xung dùng đường dây dài ứng với nhiều thang đo khác nhau, dùng hai thyristor mắc nối tiếp VẤN ĐỀ VÀ CÂU HỎI Câu 3.1: Vẽ và giải thích sơ đồ khối của máy phát radar hàng hải? Nguyên lý tạo dao động siêu cao bằng đèn Manhetron và các đặc tính cơ bản của nó?. Câu 3.2: Vẽ và giải thích nguyên lý hoạt động của mạch điều chế xung dùng tụ, những đặc tính của mạch này? Câu 3.3: Vẽ và giải thích sơ đồ khối của mạch điều chế xung dùng đường dây dài? Nguyên lý hoạt động và những đặc tính của mạch này? 16
22. Chương 4: ANTEN VÀ ĐƯỜNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG 4.1 ĐƯỜNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG Trong các trạm radar tàu thủy, để truyền năng lượng siêu cao tần (truyền sóng) từ máy phát tới anten và từ anten tới máy thu người ta sử dụng cả các ống dẫn sóng lẫn các loại cáp đồng trục như các đường truyền năng lượng. 4.1.1 CÁP ĐỒNG TRỤC Với điều kiện các kích thước của cáp thoả mãn điều kiện: (D d ) / 2  / , các loại cáp đồng trục này có thể truyền được sóng ngang TEM, như hình 4.1,. Cũng như tất cả các đường truyền hai dây khác, cáp đồng trục đặc trưng bởi các thông số cơ bản như: d D w 138lg(D / d )[  ] (4.1) - Suy hao của đường truyền đồng trục: 1 (D / d ) 0,172 (4.2) Hình 4.1 Mặt cắt ngang của 2D log( D / d ) đường truyền đồng trục -Công suất truyền cực đại: 2 2 Pmax 2 E m ax . d ln( D / d ) (4.3) 4.1.2 ỐNG DẪN SÓNG Trong các dải sóng cm và mm, các đường truyền năng lượng siêu cao cơ bản là các ống dẫn sóng. Trên thực tế, các ống dẫn sóng thiết diện hình chữ nhật được sử dụng rộng rãi nhất, với các loại sóng đơn giản như TE10 hay H 10 như trên hình 4.2. y Hình 4.2 Mặt cắt ngang của ống dẫn sóng hình chữ nhật được kích thích sóng TE10 và H 10 . b x Do bước sóng tới hạn g h 2a , nên có thể chọn a a sao cho các sóng bậc cao hơn không được kích thích trong ống. Vì bước sóng công tác của đường truyền  g h nên tối ưu nhất là chọn  g h / 3 . Trong điều kiện không khí và khai thác bình thường : b 0,62 a . P .(B /  ) (4.4) - Bước sóng của sóng thực tế truyền trong ống dẫn sóng thường ngắn hơn so với sóng truyền trong không gian tự do và được xác định: 2 B / 1 (  /  g h ) (4.5) - Suy hao trong đường truyền sóng sẽ phụ thuộc vào độ dài bước sóng, kích thước ống dẫn sóng và vật liệu của thành ống R{1 [2.( b /2 a )2 /2 a ]} s (4.6) 2 c b1 (  / 2 a ) - Trở kháng sóng: của không khí 0 120 , còn của ống dẫn sóng: B = 0 (/) B  = 120 / 1 ( B /  ) (4.7) Các ống dẫn sóng hình trụ, tuy thua kém các ống dẫn sóng hình chữ nhật ở nhiều phương diện: kích cỡ, suy hao, độ ổn định truyền sóng, đơn giản tạo ra các phần tử đơn lẻ, nhưng hình dạng đồng trục 17
23. đối xứng lại rất thuận lợi cho việc chế tạo các phần tử quay tròn trong các cơ cấu ghép nối như trong hình 4.3. Bước sóng giới hạn trong các ống dẫn sóng loại này được xác định: d  1.31d (4.8) g h Trong thực tế người ta thường sử dụng mối liên kết điện, thông qua dây dẫn trong của đường truyền đồng trục như Hình 4.3 Ống dẫn sóng hình trụ. một dipole trên thành tường rộng của ống dẫn sóng hình vuông, như trên hình 4.4. a  / 4  / 4 Hình 4.4 Các cách khích thích a/2 b sóng trong ống dẫn sóng hình chữ nhật Ở chế độ quay tròn của anten radar rất cần có các cơ cấu dẫn năng lượng quay tròn, như hình 4.4. Khi cần phối hợp các ống dẫn sóng có kích thước khác nhau, người ta có thể sử dụng các đoạn phối hợp kiểu bậc thang như trong hình 4.5 .  / 4 a) b) Hình 4.5 Phối hợp trở kháng trong đường truyền năng 1 0 2 lượng: kiểu bậc thang (a) b , b , 1 1 0 0 b2, 2 và kiểu hình côn (kiểu cái nêm) (b). 4.2 PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG TRONG ĐƯỜNG TRUYỀN SÓNG Để phối hợp tải người ta có hai phương pháp: phương pháp biến áp và phương pháp bù. Phương pháp biến áp: Nhờ các cơ cấu biến áp thành phần tích cực của tổng trở tải đường truyền sóng được biến đổi bằng trở kháng sóng của đường truyền bằng, nhờ một đoạn đường truyền 1/4 bước sóng như hình 4.5a, khi đó 2 ZZvao B / 0 (4.9) Phương pháp bù: là đưa vào đường truyền một thành phần điện kháng cùng độ lớn nhưng trái dấu. Phần tử này có thể mắc song song hoặc nối tiếp với tải và đường truyền, trở kháng vào được xác định bởi biểu thức: Zvao j L tg2 /  l , (4.10) a) a b) c) h d b Hình 4.6 Các phần tử d phối hợp trở kháng: Cảm kháng (a); Dung kháng (b); Cả C L dung kháng lẫn cảm L kháng (c) . C Phụ thuộc vào độ dài l mà trở kháng (4.10) có thể là thuần trở, cảm kháng hay dung kháng.Vì vậy để điều chỉnh tính chất của tổng trở (4.10) người ta có thể thay đổi kích thước của đoạn ống phối 18
24. hợp như độ dài l , các cạnh a, b của đoạn ống hay thậm chí các đinh vít kim loại nhúng sâu vào đoạn ống phối hợp như trên hình 4.6. 4.3 CHUYỂN MẠCH ANTEN 4.3.1 CHUYỂN MẠCH CÔNG TẮC Chuyển mạch cống tắc có thể là nối tiếp hoặc song song. Sơ đồ cấu trúc và sơ đồ điện tương đương được mô tả trên hình 4.7. a) P (2n 1) / 4 Tới ống phóng 1 B  / 2 B Máy phát A B Đi anten P2 B / 2 Tới máy thu b) P 1 (2n 1)B / 4 Máy thu B / 4 Máy phát A B  / 4 Từ máy phát B  / 4 A B B P2 Máy thu Đi máy thu Hình 4.7 Chuyển mạch nối tiếp (a), song song (b) P1,2 ống phóng chân không Nguyên lý hoạt động của chuyển mạch dựa trên sự thay đổi trở kháng đầu vào của đoạn ống ngắn, hở mạch đầu cuối được ghép nối vào điểm cần phối hợp trên đường truyền. 4.3.2 CHUYỂN MẠCH CÂN BẰNG HAY CHUYỂN MẠCH CẦU Gồm hai mạch phân nhánh cầu giống hệt nhau L1 và L2 , các ống phóng P1 ở cửa B1 và P2 ở cửa D1 cách vòng xuyến một đoạn / 4 , như được mô tả trong hình 4.8. Máy phát được nối với cửa A1 , máy thu được nối với cửa B2 . Tại cửa D2 có đặt một tải giả và ngắn mạch đầu cuối. Tuy nhiên khi phóng điện, trở kháng của các ống phóng không hoàn toàn bằng không toàn nên có một phần năng lượng bị rò rỉ sang mạch vòng L2 và suy hao tại A2 . P L1 1  / 4 C1 Đi anten B1 P2 D1 TG Máy phát A2 D A1 2  / 2 B Máy thu 2 C2 Hình 4.8 Sơ đồ chuuyển mạch cân bằng L (chuyển mạch cầu) 2 19
25. 4.3.3. CHUYỂN MẠCH PHA Trong các chuyển mạch anten loại này người ta sử dụng các phần tử làm lệch pha 900 hoặc không đảo pha tùy theo hướng lan truyền của sóng khi đi qua phần tử đó, đây là các feryt. Chuyển mạch pha anten được mô tả trên hình 4.9. N M 2 Anten M1 7  TG 1 3 1 5 8 2 4 6 2 D S Hình 4.9 Chuyển mạch pha hay feryt 4.4 ANTEN RADAR VÀ NHỮNG ĐẶC TÍNH 4.4.1 ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA ANTEN RADAR Do những đặc điểm công tác riêng của các trạm radar hàng hải, anten radar phải thỏa mãn những yêu cầu riêng như sau : 0 - Có khả năng thu phát sóng theo góc phương vị là 360 . - Độ định hướng cao và có đặc tính định hướng theo yêu cầu cả trong mặt phẳng ngang cũng như mặt phẳng đứng. - Dải thông tần đủ rộng. - Các búp phụ là tối thiểu cả về biên độ lẫn số lượng. - Độ bền vững cơ điện đảm bảo, kích thước trọng lượng và hướng cản gió là tối thiểu. Yêu cầu quay tròn là cần thiết để quan sát trạng thái xung quanh trong vùng hoạt động của radar. Độ định hướng của anten radar được minh họa trên hình 4.10 [13]. EP, P() Hình 4.10 Đồ hình định hướng 1 P() 0,7 chuẩn của anten trong các hệ 0,7 E() E() 0,5 trục tọa độ khác nhau:Tọa độ 0,5 vuông góc (a);Tọa độ cực (b). Nét mảnh ứng với P() và nét 0 đậm ứng với ( E() . 4.4.2 ANTEN LOA Nếu một ống dẫn sóng hở một đầu thì năng lượng của sóng truyền trong ống sẽ bức xạ ra xung quanh và có một phần phản xạ ngược trở lại ống. Tỷ lệ sóng bức xạ và phản xạ phụ thuộc vào việc phối hợp trở kháng sóng của ống và của môi trường xung quanh tại điểm hở đó. Do trở kháng sóng của ống dẫn sóng hình chữ nhật được xác định là: BB 120  /  , nên để phối hợp trở kháng tốt, c = B thì B /  1 hay a và đầu cuối của đường truyền có dạng loa như hình 4.11. R a b y b Hình 4.11 Anten loa x d 20
26. 4.4.3 ANTEN KHE Anten khe hay còn gọi là anten nhiễu xạ có nguyên lý hoạt động như sau: Nếu trên bề mặt dẫn vô hạn được khoét một khe hẹp, có độ dài  /2 và tại điểm giữa của khe được cấp áp từ một nguồn dao động siêu cao có tần số phù hợp, thì khe sẽ bức xạ sóng điện từ vào không gian như một chấn tử nửa bước sóng. A a) b) c) A d) l  / 2  / 2  / 2  / 2  d  / 2 A A Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý (a) và cấu trúc của anten khe từ một đoạn ống dẫn sóng Cấu trúc nguyên lý và sự hình thành anten khe được minh họa trên hình 4.12. Các loại anten khe có thể hình thành trên cơ sở kỹ thuật ống dẫn sóng, vì các ống dẫn sóng (như đã được nghiên cứu phần trên) thường được khép kín bởi các mặt tường kim loại có độ dẫn điện rất tốt. Phần tử bức xạ của tổ hợp của anten radar hàng hải là một đoạn ống dẫn sóng ngắn mạch đầu cuối có một dãy các khe bức xạ được cắt trên thành hẹp của đoạn ống, như minh họa trên hình 4.13. Vành loa phản xạ Đo ạn ống dẫn sóng Hình 4.13 Sơ đồ kết cấu của tổ hợp anten khe radar hàng hải d l  / 2 Tường ngắn mạch Toàn bộ hệ thống dàn anten được đặt trong một gương phản xạ đồng thời là hộp bảo vệ anten. Vì hệ số định hướng của anten theo phương ngang rất lớn cho nên độ dài của anten theo phương này cũng rất lớn. VẤN ĐỀ VÀ CÂU HỎI Câu 4.1: Có những phần tử phân đường năng lượng nào được sử dụng trong radar hàng hải? mô tả những đặc điểm chính của chúng? Câu 4.2: Những đặc tính cơ bản của anten radar hàng hải? Có những loại anten nào? Trình bày cấu tạo và đặc điểm của một loại đặc trưng? Câu 4.3: Có những loại chuyển mạch anten nào được sử dụng trong radar hàng hải? Vẽ và giải thích nguyên lý hoạt động của một mạch đặc trưng? 21
27. Chương 5: MÁY THU RADAR 5.1 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM 5.1.1 YÊU CẦU CHUNG Ở dải sóng centimét và milimét, máy thu radar hàng hải phải đảm bảo những yêu cầu sau: - Độ nhạy cao, dải thông đủ rộng để thu không méo các tín hiệu cần thu thuộc dạng xung. - Hệ số khuếch đại đủ lớn để đảm bảo khả năng quan sát mục tiêu bằng chỉ báo hiển thị, chế độ công tác tin cậy và có khả năng tự động bám theo mục tiêu. - Thời gian phục hồi hệ số khuếch đại của máy thu phải đủ ngắn, đảm bảo thu được tín hiệu phản xạ từ các mục tiêu ở gần trạm nhất. - Có chế độ tự động điều chỉnh tần số thu khi tần số phát có sai lệch - Có khả năng chống nhiễu cao để có thể phát hiện được những mục tiêu khác nhau với xác suất đảm bảo, với độ chính xác cần thiết khi có tác động của nhiễu. - Có khả năng thay đổi hệ số khuếch đại, hằng số thời gian của các mạch điện để hạn chế được nhiễu mưa, nhiễu biển, đặc biệt khi phạm vi biến động biên độ tín hiệu phản xạ lớn. - Chế độ công tác phải ổn định trước những nhân tố bất ổn định của môi trường biển. Ngoài ra máy thu radar phải đảm bảo hàng loạt các yêu cầu khác do các đặc tính khai thác và kỹ thuật của trạm radar hàng hải đặt ra . 5.1.2 ĐỘ NHẠY VÀ ĐẶC TÍNH Để đảm bảo độ nhạy và khả năng hiển thị tốt, máy thu radar là các máy thu đổi tần với sơ đồ khối đặc trưng trên hình 5.1. Tự điều khuếch Chuyển Trộn Khuêch đại Tách Khuếch mạch anten tần trung tần sóng đại thị tần Dao động Tự động điều nội chỉnh tần số Hình 5.1 Sơ đồ khối máy thu radar hàng hải Như đã biết, hệ số tạp âm của hệ thống gồm n các mạch 4 cực riêng biệt mắc nối tiếp được xác định bằng biểu thức: NN2 1 2 1 Nn 1 NN 1 (5.1) kp1 k p 1 k p 2 k p 1 k p 2 k pn Hệ số tạp âm của máy thu khi đó được xác định [1]: NNLO 1 Mix 1 N IFAmp 1 N = N A (5.2) kA k A k LO k A k LO k Mix trong đó : N A , NLO , NMix , NIFAmp - là hệ số tạp âm của các tầng trong máy thu; kA , kLO , kMix - hệ số khuếch đại của: anten, dao động nội, mạch trộn. 5.2 MẠCH ĐỔI TẦN Mạch đổi tần bao gồm các mạch trộn tần và dao động nội. Trong dải sóng cm và mm, phần tử trộn được sử dụng là diode bán dẫn, còn dao động nội được tạo ra nhờ diode Gann. 22
28. 5.2.1 MẠCH DAO ĐỘNG NỘI DÙNG DIODE GANN Diode Gann là một diode bán dẫn, không tiếp giáp, được hình thành từ một khối tinh thể của các hợp chất như: InSb, ZnSe, CdTe, GaAs , khi được cấp áp đủ lớn, đặc tuyến Von-ampe của chúng có dạng hình chữ N [6]. Mạch dao động nội của máy thu radar dùng diode Gann trong thực tiễn được minh họa trên hình 5.2 (radar JMA 625). Ở đây, DG là diode Gann, tạo dao động nội. DV là diode biến dung (varicap), để điều chỉnh tần số dao động của mạch. Với giải pháp này, tần số DG 10V dao động nội có thể tự động thay đổi thông mạch tự R DV động điều chỉnh tần số (AFC). AFC 5.2.2. MẠCH TRỘN TẦN Mạch trộn dùng trong các máy thu radar Hình 5.2 Mạch dao động nội thông thường là mạch trộn cầu hay cân bằng dùng 2 dùng diode Gann. diode, sơ đồ mạch điện tương đương được mô tả trong hình 5.3. Vì: III01 02 0 nên dòng điện ở cửa ra của mạch trộn: i i1 i 2 2 I 0 sinIF t (5.3) IF () r  Lo là xung lượng trung gian, nếu chia cho 2 , chúng ta có tần số trung gian. D1 a) b) L2 L1 Tr1 i1 i  N1  C IF LO. C1 C2 Tr2 u IF L3 Tr2 u D2 i2 R i N 2 D1 D2 uL. o Tr3 R Hình 5.3 Mạch trộn cân bằng: Sơ đồ nguyên lý (a), Sơ đồ kết cấu (b) Trong khi đó, dòng tạp âm trong hai cuộn bằng nhau và chảy ngược chiều nhau, nên dòng tổng ở cuộn ra sẽ có giá trị: i i i 0 (5.4) NNN1 2 Đây cũng chính là ưu điểm nổi trội của các mạch trộn cân bằng hay còn gọi là trộn đối xứng. 5.3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRUNG TẦN Xuất phát từ những quan điểm thực tiễn, tần số trung gian của các máy thu radar được chọn trong phạm vi 15- 90 MHz, trong radar hàng hải, người ta chọn từ 30 -60 MHz. Nếu như không có những yêu cầu quá cao cho độ chính xác xác định tọa độ mục tiêu, dải thông của mạch trung tần được chọn: f ( kx / x ) 2 f k (5.5) trong đó, kx -là hệ số phụ thuộc vào dạng của xung điều chế, fk - phạm vi điều chỉnh tần số thu của mạch tự động điều chỉnh tần số AFC. Nếu đề cập cả hệ thống tự động điều chỉnh tần số AFC dải thông của mạch khuếch đại trung tần được xác định: f (0,7  1) / ty 2 f k (5.6) 23
29. Số tầng trong các mạch khuếch đại trung tần thường từ 3 đến 5, hệ số khuếch đại có thể đạt được từ 100-110 dB (> 1000 lần). Tải của mạch khuếch đại trung tần là các mạch cộng hưởng, có thể là đơn hay kép, đồng cộng hưởng hay lệch cộng hưởng như trong hình 5.4. Vào Ra k f k f k f k f 1 1 2 2 3 1 4 2 Hình 5.4 Mạch khuếch đại trung tần là: Đồng cộng hưởng khi f1 f 2 fIF và lệch cộng hưởng khi f1 f 2 fIF . 5.4 TÁCH SÓNG VÀ KHUẾCH ĐẠI THỊ TẦN 5.4.1 MẠCH TÁCH SÓNG Trong các máy thu radar, để biến đổi các chùm sóng phản xạ từ các mục tiêu trở về ở tần số trung gian thành các xung thị tần, người ta thường dùng các mạch tách sóng điều biên với sự tham gia của các diode bán dẫn hoặc các transistor. Để nâng cao hệ số truyền người ta có thể dùng một transistor trong mạch tách sóng, việc tách sóng biên độ được tiến hành nhờ tiếp giáp EB của transistor như trong hình 5.5. b) R332 R333 a) Cf +12V D Lf Tr1 C309 C341 a) L310 C342 ouput C1 C0 C2 input Hình 5.5 Mạch tách R0 R329 R331 sóng diode (a) và C340 transistor (b) R330 - 12V Để phối hợp trở kháng giữa tầng khuếch đại trung tần cuối cùng và đường truyền, người ta sử dụng các mạch tải emiter ở đầu ra. 5.4.2 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THỊ TẦN Khác với các mạch khuếch đại thị tần trong máy thu truyền hình, trong các máy thu radar yêu cầu đối với các mạch khuếch đại thị tần không thật cao. Tuy nhiên để đảm bảo hệ số khuếch đại cỡ 20-40 lần (40 – 50dB) và không làm méo dạng xung, người ta sử dụng các mạch khuếch đại tải RC. Dải thông của các mạch khuếch đại thị tần được chọn khoảng 2 lần nhỏ hơn dải thông của mạch khuếch đại trung tần: fv. amp f if / 2 (5.7) Sự xuất hiện các phần tử điện kháng (dung kháng và cảm kháng) trong các mạch khuếch đại thị tần dẫn đến hệ số khuếch đại phụ thuộc vào tần số. Và dạng xung đầu ra bị méo dạng như trên hình 5.6. a) U() t b) U() t Hình 5.6 Méo dạng xung trong các mạch khuếch đại thị tần: Dạng xung đầu vào (a);Dạng t t xung đầu ra (b). Để khắc phục, người ta thường mắc thêm cuộn cảm L. Ngoài chức năng khuếch đại tín hiệu thị tần, các mạch khuếch đại thị tần còn có nhiệm vụ trộn các tín hiệu khác cần thể hiện trên màn chỉ báo như: đánh dấu mũi tầu SHM, các xung đánh dấu các vòng cự ly cố định RM và di động VRM, xung dập tín hiệu phát trực tiếp hoặc của trạm radar kề cạnh (Unblanking Gate) 24
30. 5.5 NHIỄU TẠP VÀ PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ Tác động chung của hai tác nhân này gọi chung là nhiễu tạp. Nhiễu tạp thường gây méo biên độ hoặc pha của tín hiệu phản hồi thu nhận được tại máy thu và hậu quả là gây rối loạn trong chỉ báo. Để hạn chế các ảnh hưởng của nhiễu tạp biên độ, người ta thường dùng các mạch tự điều khuyếch AGC – Automatic Gain Control; còn để hạn chế ảnh hưởng của nhiễu dưới dạng tạp âm nền (mưa, mù) người ta sử dụng các mạch lọc có hằng số thời gian thay đổi phù hợp với tín hiệu hữu ích và không phù hợp với nhiễu. 5.5.1 CÁC MẠCH TỰ ĐIỀU KHUYẾCH (AGC) Cường độ sóng phản xạ tại cửa vào của máy thu radar, thông thường thay đổi trong một giới hạn rất rộng, đại lượng đặc trưng cho sự biến động là dải động của tín hiệu và được ký hiệu là S , được tính bằng tỷ số: Pmax Pmax SP , SP[dB] 10lg dB- đối với công suất. (5.8) Pmin Pmin Trong các máy thu radar tàu biển, các mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại theo thời gian được sử dụng rất rộng rãi. Đó là các mạch thay đổi hệ số khuếch đại theo quy luật hàm logarit – Mạch khuếch đại logarit. Đặc tính điều chỉnh của các loại mạch này (dạng điện áp điều khiển) có dạng hàm mũ như hình 5.7. a) t Hình 5.7 Dạng xung phát (a) và xung điều khiển TAGC (b) b) t Đây là dạng tự điều khuếch theo thời gian TAGC- Time Automatic Gain Control. Mặt khác, các mục tiêu trên biển, thường có kích thước cũng như bản chất phản xạ sóng điện từ rất đa dạng, nghĩa là dải động của các tín hiệu nay biến đổi trong phạm vi rất rộng. Để phối hợp với phạm vi động của cơ cấu chỉ báo, người ta sử dụng các mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại có đặc tuyến điều chỉnh hoặc là tuyến tính nhẩy bậc, giảm tức thời, khi xuất hiện các xung phản xạ quá lớn – FAGC (Fast Automatic Gain Control) - AGC nhanh, như minh họa trên hình 5.8. b) t t ()EU g N Hình 5.8 Nguyên lý hoạt động của mạch FAGC:Khi không có nhiễu (a);Khi có nhiễu (b). t Nếu các mạch FAGC áp dụng trong một tầng không đủ nhạy người ta có thể áp dụng ở một vài tầng mạch khuếch đại trung tần khác nhau. 25
31. 5.5.2 MẠCH CHỐNG NHIỄU MƯA VÀ SƯƠNG MÙ Dưới tác dụng của nhiễu mưa, tại cơ cấu chỉ báo, chúng tạo nên trên màn ảnh chỉ báo một nền sáng mờ nhạt làm giảm độ tương phản của các mục tiêu. Xung phản xạ tổng hợp này được coi như một quá trình biến đổi chậm so với các xung biến đổi nhanh phản xạ từ các mục tiêu cụ thể. Vì vậy, để chống nhiễu loại này người ta sử dụng các mạch chống nhiễu mưa như hình 5.9. +12V R535 C490 + R536 Video R534 SAR RV4003 signalC506 C507 R538 TR412 Hình 6.9 Mạch chống nhiễu R199 mưa trong radar JMA625 D435 D436 D437 C508 Đầu ra D438 R532 R533 - 12V Khi có mưa, xuất hiện các xung phản xạ từ từng hạt mưa rơi, tích hợp lại thành một chùm xung có độ rộng tổng khá lớn. Đây là xung biến đổi chậm chỉ đi qua thành phần thuần trở đó là các diode DD435 437 , cố độ dẫn thay đổi nhờ vị trí đặt trước của VR4003. Đây chính là cơ chế chống nhiễu mưa và sương mù trong các hệ thống định vị hàng hải SAR- Sea Anticluti Rain. 5.6 TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TẦN SỐ Có hai hệ thống tự động điều chỉnh tần số là ổn định vi sai và ổn định tuyệt đối. Hệ thống AFC (Automatic Frequency Control) tuyệt đối thường được sử dụng trong các máy thu tín hiệu định vị đèn biển hay tín hiệu nhận dạng đèn biển. AFC vi sai có thể chia ra đơn kênh hoặc đa kênh. AFC một kênh thật đơn giản nhưng chứa đựng những nhược điểm rất cơ bản. Nhược điểm lớn nhất là ảnh hưởng của ống phóng bảo vệ cửa vào máy thu tới tính đồng bộ của hệ thống. Để loại trừ nhược điểm này trong một số hệ thống định vị người ta sử dụng rộng rãi hệ thống AFC hai kênh. VẤN ĐỀ VÀ CÂU HỎI Câu 5.1: Những đặc điểm của máy thu radar hàng hải? Vẽ và giải thích sơ đồ khối của máy thu radar hàng hải. Câu 5.2: Có những loại can nhiễu nào thường xảy ra trong hệ thống định vị hàng hải? Các phương pháp chống hay hạn chế chúng? 26
32. Chương 6: CƠ CẤU CHỈ BÁO RADAR 6.1 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI Cơ cấu chỉ báo có nhiệm vụ biến đổi các tín hiệu phản xạ thu nhận được này thành dạng nhận biết thuận tiện cho người sử dụng. Trên thực tế các cơ cấu chỉ báo hiển thị được sử dụng rộng rãi nhất. Chúng có các đặc tính sau: - Quán tính rất nhỏ (hầu như không có trễ). - Khả năng quan sát đồng thời rất nhiều mục tiêu, đặc biệt là trong chế độ bao quan sát quanh tâm của các loại radar. - Khả năng xác định đồng thời hai hay nhiều thông số tọa độ và trạng thái mục tiêu. - Khả năng thu nhận được nhiều thông tin của mục tiêu và kết hợp xử lý các thông tin ấy cùng với các thông số nội suy của trạm như chế độ ARPA ; tích hợp các khả năng của trạm với các thiết bị thông tin liên lạc, dẫn đường, la bàn, đo sâu, đo gió , thậm chí cả soạn thảo văn bản cũng như hòa mạng Internet, truyền hình quảng bá. Các cơ cấu chỉ báo điện quang có thể phân chia theo các dấu hiệu sau: - Theo phương thức điều khiển chùm tia: Điện treường hay từ trường. - Theo phưong thức hiện ảnh: Nền ảnh sáng - mục tiêu đen hay ngược lại. - Theo quy luật điều khiển chùm tia quét: Quét tròn hay quét mành. - Theo phương thức chỉ báo mối tương quan mục tiêu - trạm: tương đối hay chuyển động thực. Trong các cơ cấu Quét mành, chùm tia điện tử được điều khiển và chuyển động theo quy luật “đọc sách”, từ trái sang phải và từ trên xuống dưới. Trong các cơ cấu Quét tròn, chùm tia điện tử được điều khiển và chuyển động theo quy luật từ tâm ra biên và xoay tròn đồng bộ với chuyển động của anten radar. Chỉ báo hiển thị được mô tả như trong hình 6.1. y MR(,) - M(,) x y  Hình 6.1 Cách hiển thị mục tiêu MR(,) và ( M(,) x y ) trên màn ảnh. x 6.2 MONITOR Đối với một trạm radar thì phương tiện quan sát và kiểm tra đầy đủ nhất cho sĩ quan hành hải là màn hình kiểm tra – monitor. Sơ đồ khối của một monitor có thể mô tả tổng quát như trong hình 6.2 Lái tia Chùm tia Óng phóng Màn hình quang Khuếch đại thị tần Video Anode signal Hình 6.2 Sơ đồ monitor Khối tạo Tạo cao điện tử dùng CRT quét áp anode 6.3 PHƯƠNG PHÁP TẠO QUÉT “BÁN KÍNH QUAY” Có hai phương pháp tạo ra từ trường quay xung quanh cổ đèn hình, đó là: - Phương pháp “cuộn quét quay”, nghĩa là dùng một cuộn quét quay đồng bộ với chuyển động của anten tại cổ đèn hình. - Phương pháp cuộn quét bất động, nghĩa là sử dụng hoặc: hai cuộn quét bất động đặt 27
33. vuông góc với nhau, hoặc các cuộn quét đặt lệch pha nhau 1200 (hình tam giác) và trong mỗi cuộn đều có các dòng điện hình răng cưa bị biến điệu biên độ theo quy luật chuyển động của anten chảy qua. 6.3.1 PHƯƠNG PHÁP “CUỘN QUÉT QUAY” Có hai phương pháp ghép: Đó là phương pháp ghép cơ khi và phương pháp ghép điện. Phương pháp cơ khí đơn giản, hiệu quả và tin cậy song rất khó thực hiện. Phương pháp điện – cơ, dùng hệ thống sensil thu – phát được sử dụng rộng rãi hơn. Sơ đồ của hệ thống được mô tả trên hình 6.3. 6.3.2. PHƯƠNG PHÁP “CUỘN Anten Cuộn quét QUÉT BẤT ĐỘNG” Điều tốc Để tạo ra từ trường quay trong cổ đèn hình có thể sử dụng hai cuộn quét ST bất động đặt vuông góc với nhau và SR 1 được cấp áp sao cho trong chúng chảy 2 4 hai dòng điện hình răng cưa bị biến điệu 3 theo quy luật chuyển động của anten, R C2 nhưng lệch pha nhau một góc bằng / 2 C1 K2 K1 6 5 như trong hình 6.4. Để có được “bán 12 V Rơle kính quay” trên màn ảnh, biên độ của các dòng điện hình răng cưa trong các cuộn Hình 6.3 Hệ thống tạo từ trường quay, dây kể trên phải biến đổi như thế nào? đồng bộ với chuyển động của anten. Chúng ta cần tìm ra quy luật biến đổi của các dòng điện tạo quét. b) Y a) M(,) x0 y 0 UY y 0 Hình 6.4 Tạo từ trường quay bằng hai cuộn quét bất động XY , đặt U X 0 x0 X vuông góc với nhau. Nếu tâm của màn hình trùng với tâm của ống tia CRT, thì biên độ dòng điện chảy trong các cuộn dây có dạng: Imax, X R/ k . n sin (6.1) Imax, Y R/ k . nc os Thay t , trong đó  -là vận tốc góc của anten, biên độ của dòng điện: Imax, X R/ k . n sin  t (6.2) Imax, Y R/ k . nc os  t Thông thường, việc ghép pha và điều chế được thực hiện nhờ các cơ cấu điện cơ khác nhau: biến áp sin-cos, biến áp quay, mạch chia điện áp bằng dung kháng. Có thể minh họa một trong những phương pháp kể trên qua sơ đồ khối được mô tả trên hình 6.6 UU3, 5  U1 U TSNF Khóa K 8 I BA-SC Mạch phóng nạp TSNF Khóa K U7 Hình 6.6 Mạch tạo quét U 2 “bán kính quay”,dùng U0 UU4, 6 U Tạo 7 cuộn quét bất động Xung đột 28
34. Trong các radar hiện đại ngày nay người ta tạo ra từ trường quay cũng bằng cách sử dụng các cuộn quét bất động nhưng được đặt lệch pha nhau một góc 1200 , như trong hình 6.8. R4 220V Dòng điện trong cuộn sơ cấp R3 110V của biến áp quay (BAQ) R2 R1 80V D2 Một pha của dòng thứ cấp của BAQ D1 40V D3 D4 C4006 + Biến áp quay CD571 R575 R620 (BAQ) tạo quét Cuộn quét + C573 C572 R576 R578 CD572 TR4005 TR4006 Stator thứ cấp R573 C571 Rotor (sơ cấp) Hình 6.8 Sơ đồ và đồ thị thời gian mô tả R574 R571 R572 mạch tạo quét “bán kính quay” với cuộn quét bất động đặt lệch pha 1200. 6.4 PHƯƠNG PHÁP QUÉT MÀNH Ngay trong cách đọc và ghi lần lượt, liên tiếp cũng tồn tại hai cách khác nhau: lần lượt liên tiếp và lần lượt xen kẽ, như mô tả trên hình 6.9. Trong phần lớn các cơ cấu chỉ báo hiện thị dùng ống tia điện tử như truyền hình, máy tính, radar người ta dùng phương pháp đọc và ghi trong hệ trục tọa độ vuông góc trên nguyên tắc lần lượt điểm theo điểm và liên tục theo thời gian. Trường hợp quét xen kẽ, chùm tia bắt đầu đọc thông tin của mành thứ nhất từ các dòng lẻ, dòng đầu tiên là 1 kết thúc tại dòng 625 – điểm B; mành thứ hai, bắt đầu từ dòng số 2 (mành chẵn) và kết thúc tại dòng 624 rồi quay về điểm A của ảnh tiếp theo như được minh họa trên hình 6.9b. A a) 1 b) 1 2 2 C C 3 4 B 625 B D 624 A c) t V d) t HA. t H t HP. tVF D tVB. Hình 6.9 Cách đọc (ghi) ảnh điểm trong các cơ cấu hiển thị quét mành: Đọc liên tiếp (a); Đọc xen kẽ (b), Thời gian quét hết một mành (c); Thời gian quét hết một dòng (d). 29
35. 6.5 CƠ CẤU CHỈ BÁO SỐ Trên các trạm radar hàng hải, cơ cấu chỉ báo quét tròn được thay thế dần bằng cơ cấu chỉ báo quét mành thông qua việc xử lý số tín hiệu. Ở đây, tín hiệu thị tần thu được chứa đựng các thông tin về hình ảnh không gian quanh tàu, được biến đổi từ liên tục sang dạng số, để trở thành các dữ liệu cho các thiết bị điện toán. Thiết bị điện toán sẽ xử lý các dữ liệu và kết hợp với công nghệ đồ họa khống chế cách thể hiện thông tin trên màn hình. Các điểm ảnh được ghi nhận trong tọa độ cực, được ghi nhớ lại rồi đọc ra theo quy luật tọa độ trực giao (deccac). Quá trình biến đổi tương tự - số (chuyển đổi từ phương thức ghi lại hình ảnh trong tọa độ cực sang phương thức đọc ra theo phương thức trong tọa độ deccac) này gồm các bước sau: 1- Gián đoạn tín hiệu thị tần với tần số lấy mẫu FS 2 f max , trong đó fmax là tần số lớn nhất trong phổ tần của tín hiệu hình ( : 6MHz). 2 - Quá trình lượng tử tín hiệu là quá trình gián đoạn biên độ các mẫu theo các mức xác định. Trong radar hàng hải do chất lượng chỉ báo hình ảnh không cần cao cho nên thông thường người ta sử dụng 4 bit để lượng tử hóa các thông tin về mục tiêu là đủ, nghĩa là dải động của biên độ mẫu được chia thành 24 = 16 mức. 3 - Mã hoá tín hiệu để ghi vào bộ nhớ (đặc biệt các thông tin về góc phương vị) 4 - Ghi nhớ hình ảnh thực sau một vòng quay của anten vào bộ nhớ trung gian. Ở giai đoạn này toàn bộ thông tin về trạng thái thực (do tín hiệu thị tần mang lại) xung quanh trạm được ghi lần lượt trong bộ nhớ địa chỉ toạ độ cực, tần số quét là tần số quay của anten. Đây là bộ nhớ trung gian (Temporary memor) vì vận tốc quay của anten không trùng với tần số đọc ảnh của hệ thống quét mành. 5 - Đọc ra các dữ liệu từ bộ nhớ theo tốc độ phù hợp với vận tốc quét của chùm tia f 15.625 Hz / 50 Hz và f 15.750 Hz / 60 Hz . Các thông tin về hình ảnh thực, trạng thái quanh trạm được ghi theo các chuẩn thời gian của dữ liệu (radar frame). 6- Trộn các dữ liệu về hình ảnh, thông số của mục tiêu với các dữ liệu điều khiển đồ họa từ kênh điều khiển chỉ báo đồ họa GDC – Graphic Display Control. 7 – Tiếp sau đó là quá trình biến đổi các thông tin về hình ảnh dưới dạng các dữ liệu số thành các tín hiệu tương tự để khuyếch đại và kích thích cho đèn hình. Quá trình này được gọi là biến đổi tương tự - số (Digital - Analog -D/A). Quá trình chuyển đổi tín hiệu thị tần trong các cơ cấu chỉ báo số của radar được minh họa trên hình 6.10. Chuyển đổi Kiểm tra đồng chỉnh tọa độ góc phương Bộ nhớ vị (,,)RXY Nhớ khung Tín hiệu hình dữ liệuRadar Biến đổi Bộ frame Mạch xử lý A/D nhớ đệm số tín hiệu Corr/ trail Nhớ Xung lấy Đồng bộ mẫu ghi- đọc Nhịp đọc Tạo xung Điều khiển Mạch trộn đồng bộ (hồ) đọc/ghi các tín hiệu Hình 6.10 Sơ đồ khối chuyển đổi hình ảnh từ “quét tròn” Biến đổi sang “quét mành” bằng xử lý số tín hiệu. D/A 30
36. 6.6 PHƯƠNG PHÁP CHỈ BÁO KHOẢNG CÁCH Độ chính xác khi xác định tọa độ của mục tiêu sẽ được cải thiện rất nhiều nếu dùng các phương pháp đánh dấu điện tử hay biểu thị điện tử. Có hai khả năng chỉ báo khoảng cách của các mục tiêu trong chỉ báo hiển thị điện tử của radar hàng hải, đó là chỉ báo thô (tương đối) bằng các vòng tròn cự ly cố định (RM – Range Marker) và chỉ báo chính xác (tinh) bằng vòng tròn cự ly di động (VRM – Variable Range Marker), được minh họa trên hình 6.11. c) VRM a) b) - RM r U D t Hình 6.11 Các phương pháp chỉ báo cự ly: Phương thức tạo U M dấu (a); Các vòng cự ly cố định RM (b); Vòng cự ly t di động VRM (c). Có hai phương pháp để tạo ra các xung điều chế chùm tia có thời điểm xuất hiện biến đổi trong các bộ chỉ báo tương tự, đó là phương pháp pha và phương pháp biên độ. u Ucos t Hình 6.12 Mạch tạo điện áp có pha biến đổi 0  2 e 1- Phương pháp thứ nhất là phương pháp pha. Người ta sử dụng sự thay đổi pha của điện áp tạo ra xung đánh dấu Mạch tạo xung điều chế VRM bằng phương pháp pha dùng biến áp quay được mô tả trên hình 6.12. Sự lệch pha của sức điện động cảm ứng tổng trên hai cuộn rotor : 0 e e1 e 2 Um cos( t- -45 ) (6.5) Điện áp (6.5) được đưa vào mạch khuyếch đại chọn lọc, mạch hạn chế và mạch dao động nghẹt (dao động Blocking) để tạo xung VRM. 2. Phương pháp thứ hai là phương pháp so sánh điện áp. Nguyên lý tạo xung của phương pháp được mô tả trên hình 6.13: b) u1 t u u a) 3 u4 5 u Tạo xung So sánh Tạo xung 2 răng cưa t Lối ra u2 u0 u0 u u 1 Dãn xung Điện áp Bộ đếm 3 t ngưỡng u4 t Hình 6.13 Sơ đồ khối bộ tạo xung VRM bằng phương pháp u so sánh điện áp (a); Minh họa bằng đồ thị (b). 5 t Trong các radar chỉ báo số các mạch tạo ra VRM, RM và chuyển chế độ công tác của chúng hoàn toàn được điều khiển bởi các chương trình con được gài sẵn trong các ổ cứng của khối xử lý trung tâm CPU và được gọi ra nhờ các lệnh sẵn có từ bàn phím như các chương trình của máy vi tính rất thuận tiện cho người sử dụng. 31
37. 6.7 PHƯƠNG PHÁP CHỈ BÁO GÓC PHƯƠNG Về nguyên tắc, có hai phương pháp tạo chỉ báo góc phương vị bằng điện tử trong các loại radar chỉ báo tương tự: tăng độ sáng của tia quét bán kính quay cơ bản trong thời gian một vài chu kỳ quét hoặc sử dụng mạch tạo quét phụ khi đi qua điểm cần xác định. Anten khe  Motor Ghép chuyển Mã hóa Mạch ra động Nhớ khung Chuyển đổi tọa độ Hình 6.16 Sơ đồ mạch dữ liệu radar (,)(,)RXY chỉ báo góc phương vị b ằng ph ương pháp số. Corr/ trail Trộn tín hiệu Bộ nhớ thị tần Phương pháp thứ nhất, không được sử dụng rộng rãi do quán tính lớn của nó, rất khó khăn trong xác định góc phương vị không chỉ đối với các mục tiêu di động mà cả các mục tiêu bất động. Phương pháp thứ hai là tạo ra một tia quét bán kính quay riêng biệt không phụ thuộc vào hệ thống quét cơ bản, như được minh họa trong tài liệu [8]. Ở các trạm radar chỉ báo số, góc phương vị được chỉ báo một cách rất tiện lợi hơn nhiều và dựa trên phương pháp hoàn toàn “điện tử”, như được mô tả trong hình 6.16. Trong phương pháp này, tại cơ cấu quay của anten người ta đặt các phần tử cảm biến “điện – quang” (các diode cảm quang) và điểm sáng đối diện tại vị trí khi mặt phẳng pháp tuyến của anten song song với hướng hành trình của tàu. Khi anten quay các xung điện áp được hình thành trong mạch ứng với góc quay của anten. Các xung điện chứa đựng thông tin về góc quay của anten được mã hóa bằng một mã hiệu phù hợp tại mạch mã hóa - Encoder, rồi được đưa tới bộ chỉ báo thông qua mạch đầu vao, mạch chuyển đổi dữ liệu từ địa chỉ tọa độ cực sang địa chỉ tọa độ deccac (,)(,)RXY và được trộn vào bộ nhớ tạo khung dữ liệu ảnh radar (Radar Frame Memor). 32
38. TO OTHER SÝTEM OR OTHER DISPLAY UNIT ADDRESS / DATA BUS D/A BEARING (R,  )-(XY) R.S.PROCE. MIXER INPUT CIR. CONTROL CONVERTER VIDEO SIGNAL RADAR PROCESING FRAME VIDEO MEMORY CLOCK BUFFER GENER. CLOCK CORR/TRI GENER. MEMORY. DISPLAY MONITOR RADAR SIGNAL PROCESSING UNIT MONITOR UNIT GDC GRAPHIC MEMORY TRIGER HS/VS GENER. GDC UNIT CPU V40HL OSC KEY MATRIX CPU B7AD +12V INDICATOR ON/OFF AVR SWITCH +5V TRACKBALL X/Y POWER CONTROL KEY BOARD UNIT TRACK BALL Hình 6.17 Sơ đồ khối bộ chỉ báo số radar JMA 7252. 6. 8 RADAR CHỈ BÁO CHUYỂN ĐỘNG THỰC Khi công nghệ vi tính phát triển, khả năng chỉ báo của các trạm radar được mở rộng rất nhiều. Ngoài những chức năng phát hiện, xác định tọa độ tương đối của các mục tiêu, chỉ báo chuyển động thực, cơ cấu chỉ báo của radar còn cho phép đặt chế độ xác định tọa độ thực hay vector chuyển động của các mục tiêu, đặt vùng cảnh báo, trợ giúp tự động tránh va ARPA (Automatic Radar Ploting Add ). Khi đó cần thiết phải chuẩn hóa các dữ liệu từ các thiết bị dẫn đường khác như GPS, la bàn, tốc độ kế, đo sâu. Nguyên lý xác định tọa độ thực hay vector chuyển động của mục tiêu trong chỉ báo radar xử lý số dựa trên việc tính toán truy toán của CPU theo phương trình xác định tọa độ hay vector chuyển động của mục tiêu: r r uuur vo v s Do s (6.6) r Để giải được phương trình (6.6), cần biết được vector chuyển động của tàu vs và vector chỉ uuur r chuyển động tương đối giữa mục tiêu và trạm: Do s (Object – Ship). Vector vs có được nhờ đưa vào CPU các dữ liệu của: Girocompas, tốc độ kế, tốc độ gió, dòng hải lưu và tọa độ tức thời của tàu từ máy 33
39. thu dẫn đường đặt trên tầu (GPS, DGPS, GLONASS .). Vector chỉ chuyển động tương đối giữa mục tiêu và trạm có được từ phép đo khoảng cách của hệ thống định vị tàu thủy (radar). Để minh họa cho những nhận xét trên, chúng ta có thể phân tích sơ đồ khối của một cơ cấu chỉ báo số của một trạm radar thế hệ 2000 trên hình 6.17. VẤN ĐỀ VÀ CÂU HỎI Câu 6.1: Có những phương pháp chỉ báo mục tiêu nào được sử dụng trong định vị nói chung và hàng hải nói riêng? Những ưu, nhược điểm của từng phương pháp. Phân tích phương pháp chỉ báo quét tròn? Câu 6.2: Có những phương pháp chỉ báo mục tiêu nào được sử dụng trong định vị nói chung và hàng hải nói riêng? Những ưu, nhược điểm của từng phương pháp. Phân tích phương pháp chỉ báo quét mành? Câu 6.3: Các phương pháp chỉ báo góc phương vị và khoảng cách mục tiêu trong radar hàng hải? . 34
40. PHẦN II: DẪN ĐƯỜNG VỆTINH Chương 7: KHÁI NIỆM CHUNG 7.1. NGUYÊN LÝ DẪN ĐƯỜNG VÔ TUYẾN ĐIỆN Khái niệm dẫn đường được hiểu là quá trình xác định vị trí hay phương hướng hành trình của con người hay các các phương tiện đi đến một đích cụ thể nào đấy, trong một vùng địa lý hay một tuyến chuyển động nhất định. Con người hay các phương tiện ở đây được gọi chung là chủ thể. Các vật thể định hướng và có vị trí xác định được gọi là các mốc đạo hàng [1,5]. 7.1.1 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG MẶT ĐẤT Các hệ thống dẫn đường mặt đất được hiểu là các hệ thống mà điểm mốc nằm trên bề mặt trái đất. A. Hệ thống radio tìm phương. Đây là dạng hệ thống dẫn đường đơn giản nhất, sử dụng rộng rãi nhất và cũng là cổ xưa nhất [1]. Trong hệ thống này, hướng của máy phát (điểm mốc) có thể được xác định nhờ hai anten giống hệt nhau, đặt vuông vuông góc với nhau trong hình 7.1. a) b) C D uur Hình 7.1 Anten của radio tìm n phương (a); Giản đồ định ur 2 n1 hướng của các antenvòng : K A B A,B, anten cảm biến:C, tổ ur uur hợp anten: D=A+C-B (b). n1 n 2 Máy thu Để loại trừ tính đa trị, người ta mắc thêm một anten cảm biến nữa như trong hình 7.1a và nguyên lý loại trừ được khắc phục nhờ đặc tính định hướng tổng hợp như trên hình 7.1b. B. Các hệ thống dẫn đường hypecbole Như chúng ta đã biết các đường hypecbol (h. 7.2) Trạm phụ (đỏ) M a) b) M N Trạm chính F2 F1 N O Trạm phụ (lam) Trạm phụ (lục) Hình 7.2 Các đường đẳng trị hypecbol (a); nguyên lý loại trừ tính trị trong hệ thống Decca(b). là quỹ tích của các điểm mà hiệu khoảng cách từ các điểm này đến hai điểm cố định cho trước được gọi là các tiêu điểm là không đổi: MF1 MF 2 2 a = const. (7.1) Bằng cách xây dựng các họ đường hipecbol rồi đưa lên hải đồ và xác định các đường đẳng pha, tàu thuyền có thể xác định được vị trí của điểm đo. Để khắc phục tính đa trị (điểm N trên hình 7.2a) người ta xây dựng ba họ các đường hypecbol khác nhau như hình 7.2b. 35
41. 7.1.2 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH Đây là các hệ thống dẫn đường, mà các điểm mốc NP là các vệ tính nhân tạo trái đất. A. Đặc tính chung của dẫn đường vệ tinh Các hệ thống này thỏa mãn đầy đủ nhất những yêu cầu hiện đại của công việc dẫn đường an toàn và thuận tiên cho con người và các phương tiện như: - Phạm vi hoạt động dẫn đường toàn cầu. - Độ chính xác cao, ổn định và đồng đều ở mọi vùng biển công tác trên thế giới. - Cách chọn dạng quỹ đạo phù hợp, có thể giới hạn các vùng hoạt động của hệ thống. - Khả năng sử dụng hệ thống dẫn đường vệ tinh không phụ thuộc vào các điều kiện khí tượng thủy văn, thời điểm trong ngày, các mùa trong năm. - Bên cạnh nhiệm vụ dẫn đường hàng hải, còn các dịch vụ khác như khí tượng, thủy văn, trắc địa, khảo sát thậm chí ngay cả các công tác bảo hiểm. - Ngoài các yêu cầu trên, hệ thống vệ tinh có thể được khai thác trong các mục đích khác như: thông tin liên lạc, điều hành hoạt động của các đội tầu, tìm kiếm cứu hộ B. Nguyên lý xác định điểm đo. Để xác định vị trí trong dẫn đường vệ tinh cần biết được vị trí của điểm mốc nào đấy và xác định mối quan hệ giữa điểm mốc này với vị trí cần xác định. Điểm mốc dẫn đường hàng hải (NP- Navigation Point) chính là các điểm vật chất tự nhiên hay nhân tạo, có thể quan sát được từ tàu biển nhờ các phương tiện kỹ thuật nào đấy và tọa độ vị trí của các điểm mốc này phải được biết trước trong các hệ trục tham chiếu đã chọn, ít nhất tại thời điểm quan sát. Trong dẫn đường vệ tinh, điểm mốc chính là các vệ tinh. Nếu điểm mốc đạo hàng NP nằm trên cùng một mặt phẳng với điểm đo, thì tọa độ của điểm đo MP (Measuring Point - chế độ 2D), được xác định [6]: () MP NP MP NP (7.2) MP NP()  MP  NP Từ các biểu thức (7.2) cho thấy, quá trình quan sát hay xác định tọa độ điểm đo MP được tiến hành theo ba bước: 1. Xác định mối tương quan tương đối: ()mMP m NP giữa điểm đo và điểm mốc. 2. Xác định tọa độ vị trí của điểm mốc đạo hàng NP. 3. Tính các giá trị tọa độ của điểm đo. Từ nguyên lý trên cho thấy cấu hình của hệ thống dẫn đường vệ tinh bao gồm: 1. Khâu vũ trụ bao gồm số lượng vệ tinh và quỹ đạo cần thiết. 2. Khâu thuê bao, đó là người hay các phương tiện hành trình cần xác định vị trí. 3. Các trạm mặt đất có nhiệm vụ theo dõi, kiểm tra, điều chỉnh mọi hoạt động hữu hiệu của các vệ tinh. 7.2 VỆ TINH VÀ NHỮNG ĐẶC TÍNH Vệ tinh nhân tạo trái đất gọi tắt là vệ tinh, là các vật thể do con người tạo ra được bắn lên quỹ đạo nhờ tên lửa đẩy với vận tốc quỹ đạo cấp I và chuyển động tự do trên các quỹ đạo. 7.2.1 VỆ TINH DẪN ĐƯỜNG Vệ tinh dẫn đường là các vệ tinh nhân tạo trái đất, dùng trong các hệ thống dẫn đường. Đó là các vệ tinh không người lái, sử dụng một lần. Việc liên lạc hai phía Vệ tinh  Trái đất, do các thiết bị thu - phát vô tuyến đảm nhiệm, được cấp nguồn bằng các pin mặt trời. A. Vận tốc vũ trụ cấp I Ở độ cao bằng 0, vật thể muốn vượt qua địa trường, chúng phải được bắn lên với vận tốc 7,912 km/s được gọi là vận tốc vũ trụ cấp I . Vận tốc vũ trụ cấp I cũng sẽ giảm dần khi chiều cao quỹ đạo của vệ tinh càng lớn dần via dụ với 200 km là: 7,79 km/s, còn ở độ cao 20000 km vận tốc này chỉ là: 6,92 km/s. 36
42. B. Định luật Kepler Theo định luật I của Keplera, thì vệ tinh bay vòng quanh trái đất theo một đường cong là mặt cắt của khối hình nón, với các vật trung tâm (trái đất) nằm ở một trong 2 tâm điểm của quỹ đạo với bán kính dẫn: r P/1 e .cos (7.5) ở đây, r -bán kính dẫn vệ tinh, P -thông số quỹ đạo cực, e -tâm sai,  - dị thường thực. Tâm sai của elip - Một đại lượng không đơn vị và được xác định: e ()// a2 b 2 a 2 c a (7.6) Quỹ đạo vệ tinh sẽ là hình tròn nếu e 0 , elip nếu 0 e 1, parabol nếu e 1 và hypebol nếu e 1. Phương trình quỹ đạo vệ tinh dẫn đường, như được mô tả trên hình 7.4. S b r  Hình 7.4 Quỹ đạo chuyển động hình elip của vệ A a P tinh S:O - tâm trái đất, A - viễn cực(Apogeum); E OE OE P - cận cực (Perygeum);  - dị thường thực. 7.2.2 QŨY ĐẠO VÀ CÁC THÔNG SỐ QUỸ ĐẠO Các quỹ đạo của vệ tinh đặc trưng bởi 3 tham số cơ bản là: hình dạng quỹ đạo; khoảng cách tới bề mặt trái đất; góc nghiêng của quỹ đạo, đó là góc giữa mặt phẳng quỹ đạo cho trước so với mặt phẳng xích đạo và được ký hiệu là I$. Có thể phân chia chúng như sau: + Dựa trên góc lệch của mặt phẳng quỹ đạo I$, có thể chia ra thành: qũy đạo xích đạo I$ 00 ; quỹ đạo nghiêng 00 I$ 90 0 ; quỹ đạo cực I$ 900 . + Theo hình dạng quỹ đạo có thể là: Quỹ đạo tròn và quỹ đạo elip, các quỹ đạo khác như parabol, hypebol không được sử dụng trong thực tế nên ở các phần tiếp theo không đề cập tới. + Dựa trên độ cao của quỹ đạo người ta chia chúng ra thành: - Quỹ đạo tầm thấp LEO (Low Earth Orbit) - Quỹ đạo tầm trung MEO (Medium Earth Orbit) - Quỹ đạo trung bình ICO (Intermediate Circular Orbit) - GEO (Geosynchronous Earth Orbit), còn được gọi là các quỹ đạo địa tĩnh. 7.2.3 TẦM NHÌN CỦA VỆ TINH Tầm nhìn của các vệ tinh trong các hệ thống dẫn đường vệ tinh được định nghĩa như khả năng thấy được vệ tinh của điểm quan sát cũng như các điều kiện để đảm bảo chắc chắn tầm nhìn ấy và được đặc trưng bởi góc , được xác định như minh họa trên hình 7.5a. a) S b) P hC Hình 7.5 Phạm vi nhìn thấy vệ S PE  tinh S của điểm đo P (a)  RE và bề mặt phủ sóng của vệ hS O E tinh (b). RZ Góc này có thể xác định bởi biểu thức:  arccos(REES / R h ) (7.7) Ở đây, độ cao: hCE R.(1 cos ) (7.8) còn mặt phẳng PE được xác định bởi: PEEC 2 . R . h (7.9) 37
43. Người ta còn xác định độ cao tối thiểu, đảm bảo khả năng xác định tin cậy vị trí trong dẫn đường vệ tinh là ht, min và được minh họa trong hình 7.6. a) S b) ht min h P P PE ht min Hình 7.6 Vùng nhìn thấy vệ RE tinh S tại điểm đo P, có đề RE S   OE cập giới hạn độ cao h . t, min OE Xích đạo Trong trường hợp này, góc  nhìn của vệ tinh được xác định bằng biểu thức: REcos( h t min )  arccos ht min (7.10) RES h 0 Thông thường ht, min = 5 . Người ta con đưa ra khái niệm hành trình của vệ tinh trên trái đất, đó là vết bay của vệ tinh trên bề mặt trái đất. 7.3 HỆ TỌA ĐỘ THAM CHIẾU 7.3.1 PHÂN LOẠI Những tiêu chuẩn cơ bản nhất để chia hệ trục toạ độ không gian là: điểm gốc toạ độ và hướng toạ độ. Phụ thuộc vào điểm gốc đó có thể chia thành: - Địa tâm tuyệt đối - Địa tâm tương đối - Tâm vệ tinh - Các hệ trục “sao, như minh họa trên hình 7.7. - Các hệ trục trái đất, hình 7.8a, - Hệ trục toàn cầu. Các hệ trục toàn cầu thường là các hệ trục địa tâm (gốc tọa độ trùng với tâm của địa cầu), từ cuối thế kỷ 20 người ta sử dụng hai hệ trục không khác nhau lắm là: World Geodetic System 1972 (WGS-72) và World Geodetic System 1984 (WGS-84). - Hệ trục địa phương: Đó là các hệ trục Zg,z S mà bề mặt của nó trên elipsoid tương đối gần N giống nhất với một vùng mặt phẳng của địa cầu, r có gốc tọa độ trùng với gốc của địa cầu.  E W Yz 7.3.2 TỌA ĐỘ VỊ TRÍ Điểm “con cừu” Trong quá trình tính toạ độ điểm đo, trên Y cơ sở các phép đo thông số đạo hàng, toạ độ của Xg S g Xz điểm đo cũng như của tất cả các vệ tinh, phải được tính trong cùng một hệ trục. Thường đó là Hình 7.7 Các hệ trục không gian trực giao hệ trục địa tâm tương đối trực giao, như minh Hệ sa trời (g) và hệ trái đất (z); Gr – kinh họa trên hình 7.8a. tuyến số 0 -Greenwich. Giữa các toạ độ trực giao x, y, z của điểm P và toạ độ kinh vĩ độ ,  trên địa cầu quan hệ với nhau như sau: x RE cos .cos  y RE cos .sin  (7.11) z RE sin trong đó RE là bán kính trung bình của địa cầu. 38
44. Z Hình 7.8 Hệ trục toạ độ a) N Z trực giao: x, y, z và toạ độ b) N P địa lý: , của điểm đo P P R z trên địa cầu - geoid (a); Gr E z Gr N E W E trên khối elip - elípoid (b). W x Gr(Greenwich)- kinh tuyến x Y  Y  số 0, R -bán kính trái đất, y y E X N –bán kính đường cong X S kinh tuyến đầu tiên. S Ngược lại các toạ độ kinh, vĩ độ , được biểu diễn bằng các toạ độ không gian trực giao x , y , z như sau: y  arctg x (7.12) z arctg x cos y sin  Giữa các toạ độ x , y , z của điểm đo P và kinh, vĩ độ  , trên khối elip (h. 1.9b), có bán trục lớn a , tâm sai e là các mối quan hệ sau: x N cos .cos y N cos .sin  (7.13) 2 z N(1 e )sin trong đó, N là bán kính đường cong mặt phẳng kinh tuyến thứ nhất. Và được xác định: 1 N a/(1 e2 sin 2 ) 2 (7.14) Ngược lại kinh vĩ độ điểm đo P trên khối elips với toạ độ vuông góc x, y, z quan hệ với nhau như sau: y  arctg x 2 2 , (7.15) z N( 1)e sin ( 1) i i i arctg x cos y sin  Vĩ độ trên elip được tính bằng phương pháp bước tiếp bước gần đúng đầu tiên là 0 được xác định bằng biểu thức (7.12). Nếu toạ độ của điểm P trên địa cầu elips được xác định bởi 3 đại lượng , , h trong đó h là độ cao của điểm đo tới bề mặt khối elips, khi đó toạ độ x, y, z của điểm này được tính theo: x (N h).cos cos y (N h) cos sin  , (7.16) 2 z [1 (1 e ) h].sin Ngược lại nếu biết trước x, y, z của điểm P trên bề mặt khối elips thì toạ độ , có thể tính theo biểu thức (7.15) còn độ cao h theo: x h 1, (7.17) cos .cos trong đó, N - là bán kính đường cong của mặt phẳng kinh tuyến đầu tiên (mặt phẳng cắt điểm P) để xác định vĩ độ . 7.4 CẤU HÌNH HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH Các hệ thống dẫn đường vệ tinh cũng như tất cả các hệ thống viễn thông vệ tinh khác, đều có chung một cấu hình, gồm ba khâu chính sau: 39
45. - Khâu vũ trụ, - Khâu mặt đất, - Khâu thuê bao, Nội dung cụ thể của từng khâu kể trên sẽ được phân tích rất đầy đủ trong mục này đối với các hệ thống dẫn đường đầu tiên trong lịch sử nhân loại, đó là hệ thống Transit của Mỹ. 7.4.1 KHÂU VŨ TRỤ Các thông số quan trọng của khâu vũ trụ có thể kể ra như: độ cao quỹ đạo, góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo, góc pha giữa các vệ tinh, góc pha giữa các mặt phẳng quỹ đạo, cách phân bố các quỹ đạo và số lượng của chúng trong hệ thống, số lượng vệ tinh hoạt động và dự phòng trên các quỹ đạo. Có các cấu hình sắp đặt các vệ tinh trên từng quỹ đạo như trên hình 7.9. 00 0 00 00 a) b) 45 c) d) 0 0 315 0 270 0 0 0 270 90 270 90 0 0 0 90 0 225 135 0 180 180 1800 Hình 7.9 Bố trí vệ tinh trên các quỹ đạo kề cạnh nhau: Đối xứng (a,b); không đối xứng (c, đ) trong hệ thống dẫn đường vệ tinh. Các vệ tinh dẫn đường công tác trên các quỹ đạo phải được trang bị những trang thiết bị cần thiết như: - Khối phát đảm bảo truyền sóng liên tục với những thông số xác định. - Khối thu, cho phép thu nhận những tín hiệu truyền lan từ các trạm mặt đất. - Anten với những đặc tính xác định, là một phần tích hợp của hệ thống thu phát. - Khối kiểm tra và điều khiển hoạt động của tất cả các bộ phận của vệ tinh. - Máy tính trên boong được lập trình sẵn, để xử lý, lưu trữ và đưa ra các lệnh. - Khối đảm bảo định hướng vệ tinh-trái đất và đồng thời vị trí vệ tinh. - Nguồn năng lượng đảm bảo hoạt động của tất cả các bộ phận có trên boong. Tất cả các thiết bị kể trên phải đảm bảo độ tin cậy cao, đảm bảo hoạt động không sự cố trong suốt thời kỳ không ngắn hơn tuổi thọ dự kiến trước của các vệ tinh. 7.4.2 KHÂU MẶT ĐẤT Khâu mặt đất bao gồm tất cả các trạm theo dõi, kiểm tra, tính toán, phối ghép được đặt trên mặt đất và tham gia vào hoạt động của toàn hệ thống. Những nhiệm vụ quan trọng nhất của phần mặt đất có thể kể ra như: - Xác định và giữ vững quỹ đạo chuyển động của các vệ tinh. - Kiểm tra tình trạng kỹ thuật của vệ tinh, mục đích của sự kiểm tra này là giữ. -Điều khiển và tổ chức hệ thống. - Xử lý dữ liệu đo xa - Ấn định và biểu thị kết quả đo. Thường các trạm mặt đất được đặt ở những nơi mà điều kiện địa lý và chính trị của quốc gia chủ quản cho phép và phù hợp nhất 7.4.3 KHÂU THUÊ BAO Khâu thuê bao trong các hệ thống dẫn đường vệ tinh là tất cả các điểm thu (máy thu) bất kể chủng loại nào dùng để thu tín hiệu dẫn đường từ vệ tinh. Phụ thuộc vào mục đích, có thể thu được tín hiệu trên một hoặc hai tần số sóng mang cùng các mã tương ứng của các vệ tinh. Công dụng của các máy thu, bao gồm các lĩnh vực như xác định vị trí điểm thu (dân sự, quân sự, cố định hay di động), chuyển đổi thời gian (transfer time), đo lường trắc địa . Trong các mục tiếp theo của tài liệu này như tiêu đề của tài liệu, chỉ đề cập tới các máy thu được trang bị nhằm mục đích xác định vị trí duy nhất của tàu biển. 40
46. VẤN ĐỀ VÀ CÂU HỎI Câu 7.1: Nguyên lý chung về dẫn đường VTĐ? Trình bày phương pháp xác định tọa độ điểm đo trong dẫn đường Vệ tinh. 41
47. Chương 8: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ 8.1 NGUYÊN LÝ CHUNG Có hai phương pháp để xác định khoảng cách này, đó là phương pháp đo pha Doppler và phương pháp đo khoảng thời gian thời gian. 8.1.1 PHƯƠNG PHÁP DOPPLER A. Hiệu ứng Doppler và ứng dụng Hiện tượng Doppler được phát biểu: Nếu nguồn sóng (quang học hay âm thanh) và điểm đo cùng chuyển động hoặc một trong hai đối tượng đó đứng yên, thì tần số của sóng thu được tại điểm đo khác với tần số của nguồn sóng. Khi hai đối tượng trên gần nhau thì tần số sóng thu được sẽ tăng lên và khi chúng xa nhau thì tần số này sẽ giảm đi. Hiệu của hai tần số phát và thu là tần số Doppler: FDTR f f (8.1) Tần số Doppler được minh họa trên hình 8.1. Do nguồn sóng vượt qua trong thời gian một chu kỳ T, nên: d vT. = v/ f và độ dài bước sóng:'  d  v/ f . Nếu như vận tốc của âm thanh là g thì fRTD f F Đi xa tần số thu được tại điểm đo f R tương ứng với fT Tới gần bước sóng R sẽ là: t fRTD f F v t1- Điểm đo fRT f (1 ) , (8.2) g Hình 8.1 Minh họa hiện tượng Doppler. Tương tự như vậy, tần số Doppler, khi nguồn S là sóng điện từ được xác định: v F f W (8.3) DT c Khi điểm đo bất động, nguồn phát sóng điện từ (vệ tinh) chuyển động trên quỹ đạo quanh trái đất được minh họa trên hình 8.2. Vận tốc hướng tâm của vệ tinh được xác định: vR = vw .cos , (8.4) f R Các giá tri vận tốc trong (8.4) được mô tả trên F D hình 8.3. Với giả thiết rằng hệ số chiết suất của fT FD sóng điện từ trong không trung bằng 1: t t v ' 0 F f f f R = f . , (8.5) DRTT c T c Hình 8.2 Tần số thu, khi điểm đo P bất động. ' trong đó, vR -vận tốc góc tương đối hướng tâm của vệ tinh, dD/ dt - đạo hàm của khoảng cách S-P, fT , fR -tần số phát của vệ tinh và tần số thu được tại điểm P. Đây chính là nguyên lý cơ bản của phép đo tần số Doppler của các hệ thống dẫn đường vệ tinh. B. Nguyên lý thu tích phân Doppler Nguyên lý đo lường ở đây dựa vào biểu thức (8.6), mối liên quan giữa tần số Doppler đo được và vận tốc hướng tâm tương đối của vệ tinh vR . S vR v S vw vw v Hình 8.3 Vận tốc tương đối, vận tốc S w 0 Vệt đi góc của vệ tinh (a); Sự biến đổi vận tốc v 90 R S của vệ góc của vệ tinh S khi bay qua điểm đo vP tinh trên (b). P d P vw mặt đất. S vR 42
48. Tần số Doppler trong trường hợp này được đo trên cơ sở so sánh giữa tần số thu được f R , với tần số chuẩn f0 fT , tạo ra tại máy thu như trong sơ đồ trên hình 8.4. f F f TD Máy phát T Máy thu fR VỆ TINH Dao động So tần chuẩn f Tạo sóng 0 f f f f 0 T T 0 Hình 8.4 Nguyên lý thu tích phân Doppler trong các hệ thống dẫn đường vệ tinh. Trong thực tế, do sự chênh lệch giữa tần số phát và tần số thu rất nhỏ, nên tấn số Doppler này có thể đo được bằng phương pháp đếm xung trong một khoảng thời gian ( t1, t 2 ): t2 N () f f dt (8.6) R 0 t1 Thiết bị tần số Doppler trong khoảng thời gian đo khác nhau ( t1, t 2 ) là mạch đếm số chu kỳ N. 8.1.2 PHÉP ĐO KHOẢNG THỜI GIAN Phép đo khoảng cách giả định giữa tàu - vệ tinh, với những giả thiết như vận tốc lan truyền sóng là cố định, chính là phép đo thời gian lan truyền của sóng điện từ trên khoảng cách ấy thông qua việc so sánh thời gian tới của tín hiệu từ vệ tinh với thời gian chuẩn tại máy thu. Do đồng bộ trong hệ thống và môi trường lan truyền sóng không lý tưởng nên khoảng cách đo được ' , được gọi là khoảng cách giả định:: ' c.( tu t S ) c . t a (8.7) trong đó: tu , tS -độ lệch thời gian của đồng hồ thuê bao và đồng hồ vệ tinh so với chuẩn hệ thống, ta -thời gian trễ khi sóng đi qua các tầng điện ly và đối lưu. Khi đó khoảng cách đo được trong không gian 3 chiều được xác định: 2 2 2 PSSPSPSP ()()()XXYYZZ (8.8) Và để giải phương trình trên, cần tiến hành đo tối thiểu 03 khoảng cách giả định giữa máy thu với các vệ tinh khác nhau. Vì sai số tu là một đại lượng chưa biết nhưng là cố định, nên sẽ là ẩn số thứ 4. Vì thế trong các hệ thống dẫn đường vệ tinh cần tới 4 phép đo mới có thể xác định được toạ độ của điểm đo (4 phép đo khoảng cách, cho hệ phương trình 4 ẩn số ). 8.1.3 ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VỊ TRÍ Độ chính xác trong xác định vị trí bằng hệ thống GPS của từng vị trí điểm đo có thể ước lượng trên cơ sở ma trận hợp biến P của vector tọa độ gia tăng W 2  K  K h K t 2 K    K h K t P cov( W ) 2 (8.9) K h K h  h K ht 2 K t K t K th  t 2 2 2 2 Đường chéo của ma trận này  ,   ,  h ,  t , là các sai số (biến thái) của các thông số cần xác định: ,  , h thời gian t . Trong hệ thống GPS vị trí của điểm đo được xác dịnh nhờ 4 vệ tinh, nên ma trận hợp biến R khi đó có dạng: 43
49.  2 KKK 1 1 2 1 3 1 4 2 KKK  R 2 1 2 2 3 2 4 (8.10) KKK 2 3 1 3 2 3 3 4 KKK  2 4 1 4 2 4 3 4 Nếu giả thiết rằng sai số các phép đo của tất cả các khoảng cách không chỉ độc lập với nhau, mà còn đồng nhất và có cùng sai số  =  =  =  = . . Trong hệ thống GPS, sai số M, của vị trí 1 2 3 4 P xác định được có thể đánh giá bằng căn hai của tổng các phương sai: 2 2 2 2 M     h  t , (8.11) được gọi là căn bậc hai của “Dấu ma trận: Tr” – (Trace trong tiếng Anh). Trong biểu thức trên, người ta giả thiết rằng tất cả các biến thái (có 4 biến), có cùng 2 2 một đơn vị đo [m ], điều đó có nghĩa là trong biến thái  t người ta đã đề cập tới vận tốc lan truyền của sóng điện từ c . Nếu không biểu thức (8.12) có dạng: 2 2 2 2 M    h c.  t (8.12) Nếu đề cập tới biểu thức (8.12) và sai số phép đo, sai số M sẽ có dạng: T 1 M  P Tr() G G (8.13) Trong các tài liệu đặc biệt, căn của “Dấu ma trận”: Tr(.) GT G 1 được gọi là hệ số chính xác địa cầu 4 chiều (không gian: 3 chiều + thời gian), từ đó chúng ta có: - Hệ số chính xác địa cầu GDOP (Geometric Dilution of Precition) : GDOP Tr(G T .G) 1 (8.14) Người ta cũng còn dùng một vài hệ số không đơn vị khác nữa như: - Hệ số chính xác không gian, được xác định PDOP (Position Dilution of Precition): 1 2 2 2 PDOP     h (8.15)  P - Hệ số chính xác theo phương ngang (không gian 2 chiều) HDOP -(Horizontal Dilution of Precition), đó chính là hệ số chính xác trên mặt phẳng ngang: 1 2 2 HDOP    (8.16)  P - Hệ số chính xác theo phương đứng VDOP (Vertical Dilution of Precision): 1 2 VDOP  h (8.17)  P - Hệ số chính xác thời gian TDOP (Time Dilution of Precision): 1 2 TDOP  th (8.18)  P Tất cả các hệ số chính xác trên đều không có đơn vị và liên quan với nhau bằng các biểu thức: (PDOP)2 =(HDOP) 2 +(VDOP) 2 (8.19) 2 2 2 (GDOP) =(PDOP) +(TDOP) Trong dẫn đường hàng hải, các hệ số thường được sử dụng nhất là PDOP và hệ số HDOP. Giá trị của chúng thường được báo hiệu ở phần lớn các máy thu dẫn đường đẳng cấp trung bình và cao. 44
50. 8.2 CHUẨN THỜI GIAN VÀ THANG ĐO Thời gian là một đại lượng vật lý đặc trưng cho những sự kiện xảy ra kế tiếp nhau, đơn vị của thời gian là giây (s), theo Newton thời gian là một đại lượng tuyệt đối không phụ thuộc vào không gian hay bất cứ một nhân tố nào khác. Tần số là đại lượng liên hệ chặt chẽ với thời gian và liên quan đén quá trình quan sát các hiện tượng lặp đi, lặp lại trong các khoảng thời gian nhất định. Vậy, tần số là đại lượng biểu thị tốc độ lặp lại của các sự kiện trong một đơn vị thời gian. Đơn vị của tần số là Hertz (Hz). 8.2.1 MẪU CHUẨN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ Mẫu chuẩn thời gian là hệ thống tạo ra các sự kiện được sắp đặt trong không gian, được chọn trên tiêu chuẩn đồng đều cực đại và việc xuất hiện các sự kiện có thể kiểm tra được bằng thực nghiệm đối với các hệ chuẩn mực khác nhau. Mẫu thời gian được trang bị trong bộ nhớ - đếm số các sự kiện được gọi là đồng hồ. Mẫu chuẩn tần số lại là một mạch dao động, tạo ra chuỗi các sự kiện độc lập theo thời gian. Ở cuối thế kỷ 20 đầu thế kỷ 21 phần lớn các chuẩn mẫu thời gian hoạt động trên thế giới là mẫu chuẩn nguyên tử, trong đó 80% là Rubid, còn lại là Cez. Độ ổn định hàng năm và hàng ngày của những mẫu chuẩn này là 10-12 và 10-13 (ở đây không có quan hệ tuyến tính). Hiện nay, xuất hiện mẫu chuẩn Hydro với độ ổn định cỡ 10 14 10 15 / năm. Mẫu chuẩn tần số (và thời gian) nguyên tử là các bộ dao động điện áp biến đổi, được ổn định bằng các hiện tượng bên trong của nguyên tử Cez với tần số chuẩn là: 9.192.631.770 Hz. 8.2.2 ĐỊNH NGHĨA ĐƠN VỊ THỜI GIAN. Đó là: -1s = 1/86.400 của một ngày mặt trời trung bình. -1s = 1/31.556.925,9747 phần của một năm “khép kín “Giây” chính là thời gian tồn tại 9.192.631,770 chu kỳ bức xạ tương ứng với sự thay đổi trạng thái của hai mức năng lượng ở dải cơ bản của nguyên tử cez 133. [6] 8.2.3 THANG ĐO THỜI GIAN Có 3 thang đo thời gian ràng buộc với chuyển động của trái đất là: thang sao trời, thời gian mặt trời trung bình và thang đo vạn năng UT (Universal time), dựa trên việc trung bình hóa thời gian quay của trái đất quanh mặt trời. Với thang đo thời gian vạn năng có thể phân thành: UT0, UT1 và UT2. Thời gian GMT (Greenwich Mean Time- thời gian Greewich trung bình), được sử dụng như thang đo tương đối chung cho thời gian vạn năng UT. Ngày nay, trong khi đề cập tới tất a) GIÂY CHUYỂN TIẾP cả các hiệu chỉnh UTC từ trước tới nay, sự chênh lệch giữa TAI và UTC được tính khoảng 10 giây. UTC có tốc độ chuyển dịch tương tự như TAI nhưng 56 57 58 59 60 0 1 2 3 4 khác nhau một số chẵn giây, số này lựa 30 tháng 6, 23h 59m 61s 1 tháng 7, 0 h 0m 0s chọn sao cho: UT UTC 0,9s (8.20) GIÂY CHUYỂN TIẾP 1 b) Do chuyển động của trái đất có sự dao động nhất định như đã nói ở phần trên, TAI hàng năm vượt UTI là 0,82s, TAI hàng năm vượt UTI là 0,82 s, nên thang 54 55 56 57 58 0 1 2 3 4 đo UTC điều chỉnh 2 lần trong một năm, như minh họa trên hình 8.5. Hình 8.6 30 tháng sau, 23h 59 m 59s 1 tháng 7, 0 h 0m 0s minh hoạ quan hệ giữa các thang đo thời gian, trong thực tế có thể chia thành tự Hình 8.5 Minh họa “ giây chuyển tiếp”: nhiên và nhân tạo (mẫu nguyên tử0 Giây dương(a), giây âm (b). 45
51. Sự chênh lệch dự đoán giữa UTI và UTC, được ký hiệu là: DUT1: DUT1=UT1-UTC (8.21) THANG ĐO THỜI GIAN Thang đo thời gian, dựa vào Thang đo thời gian, dựa chuyển động của trái đất trên các mẫu nguyên tử. UT0 Hình 8.6 Quan hệ giữa các thang đo thời gian, dựa trên TAI chuyển động của trái đất và các mẫu nguyên tử. UT1 UTC UT1-UTC < 0,9 s UT2 DUT UT1-UTC VẤN ĐỀ VÀ CÂU HỎI Câu 8.1: Các phương pháp đo khoảng cách giả định trong các hệ thống dẫn đường vệ tinh. Ưu, nhược điểm của từng phương pháp? 46
52. Chương 9: HỆ THỐNG GPS – NAVSTAR Hệ thống dẫn đường vệ tinh của Mỹ GPS - NAVSTAR (Global Position System - Navigation System Time And Ranging) tiếp theo được gọi ngắn gọn là GPS. Đó là một hệ thống xác định vị trí của thuê bao nhờ phép đo khoảng cách giữa thuê bao và vệ tinh gián tiếp thông qua phép đo khoảng thời gian của tín hiệu từ vệ tinh tới thuê bao. 9.1 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 9.1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Do những khiếm khuyết cơ bản của hệ thống Transit, ở Mỹ người ta đã tích cực tiến hành các công việc xây dựng một hệ thống dẫn đường khác, hoàn toàn mới, thoả mãn tất cả các yêu cầu của công tác dẫn đường hàng hải, hàng không và đường bộ.hiện hành, đó là: - Xác định vị trí của thuê bao ở mọi nơi, mọi lúc và trong mọi điều kiện môi trường. - Hệ thống có thể xác định vị trí thuê bao với sai số trung bình nhân không quá 10 m, vận tốc chuyển động của thuê bao không quá 0,1 m/s, sai số thời gian không quá 1s. - Hệ thống có khả năng chống tắc nghẽn. - Hệ thống có khả năng chống lừa gạt. - Trạm thuê bao là thụ động (chỉ thu không phát). - Sử dụng hệ thống miễn phí, khi cần thiết phí tổn là tối thiểu. - Vệ tinh có thể sử dụng để mang các tải có ý nghĩa quân sự. - Vệ tinh được bảo đảm không bị hỏng hóc do bức xạ laze và chấn động cơ khí. Công cuộc xây dựng hệ thống GPS kéo dài gần 20 năm, bắt đầu từ tháng 7 năm 1974 và hoàn chỉnh vào ngày 17.7.1995. Số lượng vệ tinh là 24 chiếc được bố trí trên 6 quỹ đạo khác nhau [6]. Ngày nay, hệ thống GPS do Bộ Quốc phòng Mỹ quản lý và điều hành. Hệ thống GPS, bao gồm 3 khâu: Khâu mặt đất, khâu vũ trụ (các vệ tinh) và khâu thuê bao. 9.1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS dựa trên phép đo khoảng cách giả định ' tại máy thu thuê bao thông qua việc đo khoảng thời gian lan truyền của sóng điện từ từ vệ tinh tới máy thu. Khi đó: ' c.  tS c .( t U t S ) c . t a  m (9.1) Kết quả đo đồng thời 4 khoảng cách giả định tới 4 vệ tinh khác nhau có thể tìm nghiệm của hệ phương trình dẫn đường: 2 2 2 '()()().' XSi X U Y Si Y U Z Si Z U c  , i 1  4 (9.2) 9.2 KHÂU VŨ TRỤ 9.2.1 THÔNG SỐ QUỸ ĐẠO, SỐ LƯỢNG VÀ CÁCH BỐ TRÍ Cấu hình nguyên thủy được khẳng định vào năm 1973 là 24 vệ tinh, phân bố đều trên 3 quỹ đạo (3 x 8 ), góc nghiêng quỹ đạo là 630, chiều cao là 20.335 Km, các quỹ đạo cách nhau 1200 theo đường kinh tuyến. Vài ba năm sau, góc nghiêng này giảm xuống 530, số lượng quỹ đạo tăng lên 6 quỹ đạo (4 x 6=24). Độ cao của quỹ đạo trong phương án này là 20.138 Km, vận tốc chuyển động là 3,87 Km/s và chu kỳ quay của vệ tinh là 11 giờ 57 phút 58,3 giây (một nửa ngày). Có thể quan sát không ít hơn 4 vệ tinh, với xác suất tới 0,9996, khi h 50,. Các quỹ đạo được t, min ký hiệu từ A đến F, các vệ tinh trên cùng một quỹ đạo được ký hiệu từ 1 đến 4 ví dụ A-3, D-4. Cách phân bố 24 vệ tinh được giới thiệu trên hình 9.1. Từ năm 2000, sau hội thảo châu Âu 47 Hình 9.1 Số lượng và phân bố vệ tinh GPS. lần thứ hai tại Tuluze, (lượng vệ tinh dự
53. phòng tăng lên 4 chiếc [(4 x 5) và (2 x 4)]. Hình 9.2 giới thiệu cách phân bố tất cả 27 vệ tinh trên từng quỹ đạo của hệ thống GPS (theo vĩ độ của vệ tinh và kinh độ của nút khởi đầu), vào lúc tại 9 giờ UTC, ngày 25 tháng 2 năm 1998. toàn không đối xứng. Qua hình vẽ cho thấy, kể 0 D3 A3 Vĩ độ vệ tinh [ ] C2 cả trường hợp 4 hay 5 vệ tinh trên 1/90 27 9/92 180.0 B3 3 4/96 23 cùng quỹ đạo, cách bố trí chúng 26 F2 8/89 31 7/92 2 C3 trên quỹ đạo hoàn không đối 21 4/93 E2 A1 xứng. 90.0 D2 8/90 9 7/93 15 10/90 F1 7 C4 12/92 A5 6/93 E1 1 6 8 11/97 B4 9.2.2 CẤU TRÚC VỆ TINH 4/89 F4 9/98 5 0.0 1/93 D4 14 29 11/93 E5 25 30 B2 10/89 A2 Tất cả các vệ tinh của hệ 4 16 9/96 3/92 D1 thống GPS cho đến nay đã được 24 F3 8/91 -90.0 18 2/90 C1 sản xuất hay đang trong thiết kế D3 6 8/96 3/94 10 F5 có thể chia làm 5 thế hệ, mỗi thế B1 D3 7/97 22 17 1/90 13 4/93 hệ được đặc trưng bởi tên gọi là A4 19 11/89 block, đó là các khối O, I, II, IIa -180.0 và IIR. Các vệ tinh “Block IIa” Hình 9.2 Cách bố trí 27 vệ tinh trên quỹ đạo IIR ngoài cấu trúc tự mang có thể kể ra 7 hệ thống phụ như sau: Hệ thống đưa vệ tinh vào quỹ đạo; Hệ thống bám theo và điều; Hệ thống kiểm tra độ cao và vận tốc của vệ tinh; Hệ thống kiểm tra công tác của các động cơ; Hệ thống dẫn đường; Hệ thống kiểm tra nhiệt, Nguồn nuôi Các vệ tinh “block II/IIa” có trọng lượng khoảng 900 Kg, bao gồm khoảng 65.000 các cấu kiện khác nhau. 9.2.3 TẦN SỐ SÓNG MANG. Tất cả các vệ tinh trong hệ thống liên tục phát đi các tín hiệu trên 2 tần số sóng mang khác nhau trên băng L và S: f1 10, 23 MHz 154 1575, 42 MHz và f2 10, 23 MHz 120 = 1.227,6 MHz. Ngoài mục đích xác định vị trí, tất cả các vệ tinh còn phát sóng ở tần số 1.381,05 MHz cho các mục đích khác nữa. Tần số 1.783,84 MHz dùng cho việc truyền các thông số của vệ tinh về các trạm mặt đất và các mối liên lạc trái đất - vệ tinh được truyền trên tần số 2.227,5 MHz . 9.2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ Sóng mang bị biến điệu biên độ - pha bởi các mã nhị phân PRN: Pi () t , Ci () t và thông báo vũ trụ được mã hóa Di () t của máy phát vệ tinh thứ i có dang: Si.1() t APtDtcos P .(). i i (). (2 ft 1 .) 2 ACtDtsin c i (). i (). (2 ft 1 .) , (9.3) Si.2() t BPtDtcos P .(). i i (). (2 ft 2 .) (9.4) Mã P() t , loại mã chính xác (P – Precis, hay Protected - được bảo mật); Mã phổ thông C() t , C/A -Coarse Acquisition hay Clear Acquisition - truy nhập tự do; Mã D() t (Depose – lưu trữ), là các thông báo vũ trụ. Sơ đồ khối của quá trình tạo nên các tín hiệu phát đi từ các vệ tinh được minh họa trên hình 9.3. 48
54. 10,23 Dịch pha 900 MHz 1575,42  MHz S() t i,1 Mã C/A 1,023MHz Di(t) Hình 9.3 Sơ đồ tạo tín hiệu 50bit/s phát của các vệ tinh GPS. Mã P/Y 10,23MHz Nhân modulo 2 1227,6 Si,2 () t Cộng modulo2 MHz Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống GPS phát các tín hiệu với công suất 6 W. Ngày nay, do tiến bộ của công nghệ và kỹ thuật, giá thành của các thiết bị phát được giảm xuống và công suất máy phát có thể đạt tới 450 W, hoạt động liên tục trong rất nhiều năm. Mức công suất tín hiệu tối thiểu thường có giá trị danh định là: - 163 dBW với tần số 1575,42 MHz mã P - 160 dBW với tần số 1575,42 MHz mã C/A - 166 dBW với tần số 1227,60 MHz mã P. Phổ tần của các tín hiệu phát đi từ vệ tinh trên các tần số L1, L2, trong hệ thống GPS được minh họa trên hình 9.4. 9.2.5 MÃ ĐIỀU CHẾ Mã chính xác P là tích của hai mã giống hệt nhau có thể tách ra 37 dãy mã khác nhau, mỗi một dãy mã trong số này: Pi( t ) X1 ( t ). X 2 ( t n i . T ) (9.5) (3.7) trong đó, ni - các số nằm trong khoảng (0,36) đặc trưng cho vệ tinh thứ i, T - thời gian tồn tại của một tín hiệu nhị phân (chu kỳ), nghĩa là 10-6/10,23 = 1/10,23 s. a) P[dBW] b) 2,046 MHz P[dBW] 160 C/A codeP - Code 166 P- Code 163 1575,42 MHz f [Hz] 1227,542 MHz f [Hz] 20,46 MHz 20,46 MHz Hình 9.4 Dạng phổ của tín hiệu phát đi từ vệ tinh trên các tần số sóng mang khác nhau. Mã C/A là mã tính được 1023 tín hiệu, nguồn tạo ra chúng đồng pha với dao động tạo ra các mã X1 và mã X2 ở tần số 1,023 MHz. Mỗi một chu kỳ của mã này là 1ms. Mã Ci () t đặc trưng cho vệ tinh thứ i là tích của hai mã C1 và C2 : Ci( t ) C1 ( t ). C 2 ( t m i .10 T ) (9.6) 49
55. trong đó, mi - một số nằm trong vùng (0  1022), mi 0,1022 , đặc trưng cho vệ tinh thứ i , T - thời gian tồn tại một xung nhị phân trong biểu thức (3.8) hay T = 1/10,23 s. Nghĩa là có thể kể ra 1023 mã Ci () t khác nhau, là mã code của vệ tinh cho trước. 9.2.6 THÔNG BÁO VŨ TRỤ Thông tin đạo hàng đôi khi còn được gọi là khung dữ liệu hoặc thông báo vũ trụ được chuyển tới thuê bao dưới dạng "thông báo quảng bá". Thông báo này được truyền từ vệ tinh bằng mã D() t với vận tốc 50 bit/s. i Mỗi chu kỳ gồm 1500 bit và được truyền trong 30 giây chia thành 5 khoảng nhỏ có độ dài 6 giây mỗi khoảng (đôi khi còn được gọi các Hình 9.5 Khung thời gian của chu kỳ thông báo vũ trụ khung con 6 giây), mỗi khung con chứa 10 từ mã với độ dài 30 bit. Thời gian truyền một từ sẽ là 0,6 s và 1 bít hết 0,02 s, như mô tả trên hình 9.5. Trong mỗi khung của tất cả 5 khung kể trên, hai từ đầu được gọi là các từ khóa và hoàn toàn giống nhau: TLM và HOW. 8 từ còn lại là nội dung thông tin được tạo ra từ khâu mặt đất, bao gồm: - Số thứ tự tuần GPS, sai lệch đồng hồ chuẩn vệ tinh tS , tuổi dữ liệu, quy ước và sức khoẻ của vệ tinh. - Thông báo dữ liệu quỹ đạo vệ tinh. - Dấu hiệu mã P(Y), dữ liệu UTC, hiệu chỉnh điện ly, cảnh báo cho độ ưu tiên, báo động hệ thống (n vệ tinh dự phòng tích cực) - Niên lịch của hệ thống (24 vệ tinh hoạt động) 9.2.7 NHIỄU VÀ GÂY NHIỄU CỐ Ý Để đảm bảo an ninh quốc gia, Chính phủ Mỹ ra quyết định gây nhiễu cố ý SA (Silective Aviability), dựa trên cơ sở làm rối loạn một cách chủ ý và chu kỳ các tín hiệu phát đi từ các vệ tinh, bao gồm hai thành phần:  - trong đó thông tin đạo hàng về thông số quỹ đạo của vệ tinh bị rối loạn và  -rối loạn trong thông báo về tần số của đồng hồ chuẩn vệ tinh. Phương pháp thứ hai, hạn chế truy nhập vào GPS là phương pháp dựa trên việc gây méo tín hiệu bằng cách số hoá mã P thành mã Y. Cùng với mã Y người ta đưa vào hệ thống một mã đặc biệt nữa được gọi là A-S (Anti Spooting) - chống lừa gạt. 9.3 KHÂU MẶT ĐẤT Khâu mặt đất của hệ thống GPS cũng như bất kỳ một hệ thống viễn thông vệ tinh nào khác, bao gồm các trạm: các trạm dõi theo, trạm chính và các trạm hiệu chỉnh, được minh họa trên hình vẽ 9.6. Vệ tinh KHÂU VŨ TRỤ Thông báo dẫn đường, thông Thông báo vệ tinh, hướng Hình 9.6 Cấu trúc báo vũ trụ. dẫn và kết nối KHÂU THUÊ BAO hệ thống GPS Trạm Trạm Trạm hiệu Máy thu GPS dõi theo chính chỉnh KHÂU MẶT ĐẤT 50
56. 9.3.1 TRẠM DÕI THEO Các trạm dõi theo (bám theo) thu nhận các tín hiệu vệ tinh giống như các thuê bao của hệ thống và được đặt ở : - Colorado Springs, thuộc bang Colorado, USA. - Trên đảo Nhập thiên (Đại Tây Dương), - Trên đảo Diego Garcia (Ấn Độ Dương), - Kwajalem trên đảo Marschalla (Thái Bình Dương), - Bán đảo Kaen trên quần đảo Hawaj (Thái Bình Dương) Nhiệm vụ chính của các trạm này là kiểm tra, theo dõi các vệ tinh khi đưa lên quỹ đạo. 9.3.2 TRẠM CHÍNH Trạm chính của khâu mặt đất được đặt cách Colorado Springs một vài chục Km. Các thiết bị và các cụm thiết bị quan trọng được trang bị tại trạm chính đều ở chế độ kép (chế độ dự phòng), cho phép đồng thời vừa tính toán các thông số đạo hàng vừa kiểm tra quy chế của vệ tinh. Hoạt động của trạm dựa trên các tính toán của máy tính IBM ES/9000 có chương trình tính toán rất lớn, khoảng 2 triệu đường mã thực hiện. Trên cơ sở những dữ liệu nhận được từ các trạm dõi theo, xác định các hiệu chỉnh đồng hồ thời gian, các thông báo vũ trụ của tất cả các vệ tinh. Và cứ sau 15 phút, nhờ một chương trình đặc biệt và khẳng định các kết quả đo được của các trạm dõi theo, các kết quả tính toán của trạm chính, các thông báo về vệ tinh được gửi đến trạm hiệu chỉnh cùng các lệnh liên quan tới công tác của các vệ tinh. 9.3.3 TRẠM HIỆU CHỈNH Các trạm hiệu chỉnh đôi khi còn được gọi là các trạm cập nhật hoá (Injection station) được bố trí ở 3 trong số 5 trạm, đó là: - Tại đảo "Nhập thiên" - Đại Tây Dương. - Tại đảo Diego Garcia - Ân Độ Dương. - Kwajalein trên đảo Marchalla - Thái Bình Dương. Nhiệm vụ chính của các trạm này có thể là gửi tới tất cả các vệ tinh: các dữ liệu cập nhật cần có trong bộ nhớ của vệ tinh, các lệnh thuộc nhiều dạng khác nhau liên quan tới hoạt động của vệ tinh và gửi đi các dữ liệu đo được từ xa. Tên và cách bố trí của các trạm mặt đất này được bố trí như trên hình 9.7. Hình 9.7 Vị trí các trạm mặt đẩt trong hệ thống GPS. 9.4 KHÂU THUÊ BAO Trong hệ thống GPS các thuê bao xác định vị trí của mình, nhờ một máy thu phù hợp trên cơ sở các phép đo và giải mã các thông tin dẫn đường. Phép đo khoảng cách giả định ở đây được thực hiên thông qua phép đo khoảng thời gian như đã được đề cập. 51