Bài giảng Định vị và dẫn điện tử - Chương 1: Khái quát chung về định vị và dẫn đường điện tử

Nội dung • Khái quát chung về định vị và dẫn đường điện tử – Một số khái niệm – Hệ trục tọa độ tương đối, trục tọa độ tuyệt đối – Các tham số xác định vị trí. • Hệ thống Radar : Radio Detection and Ranging – Khái niệm, phân loại, phương trình Radar, diện tích phản xạ hiệu dụng RCS, cấu trúc hệ thống, nguyên tắc làm việc ... • Hệ thống GNSS: Global Navigation Satellite Systems – Cấu trúc hệ thống – Nguyên tắc định vị vệ tinh. – Tín hiệu vệ tinh và bản tin dẫn đường ... Tài liệu tham khảo • Phạm Văn Tuân , Giáo trình Cơ sở kỹ thuật định vị và dẫn đường điện tử, 1997 • Simon Kingslay & Shaun Quegan , Understanding Radar Systems, 2003 • Prog. AKSen và Dr. A.B.Bhattcharya, Radar system and Radio Aids to Navigation • H.Urkowitz , Modern Radar • Ramjee Prasad, Marina Ruggieri, Applied Satellite Navigation Using GPS, GALILEO, and Augmentation Systems, 2005 Chương 1: Khái quát chung về định vị và dẫn đường điện tử ξ 1. Khái niệm và ứng dụng Khái niệm • Định vị - Positioning: → xác định vị trí hay tọa độ của một đối tượng (object) hay mục tiêu (target) gắn với một hệ tọa độ xác định. - Mặt phẳng: mặt đất, mặt biển → 2 chiều ( 2 D - 2 Dimension) - Không gian → 3 chiều ( 3 D - 3 Dimension) • Dẫn đường - Navigation: → hướng dẫn, điều khiển các đối tượng (phương tiện) chuyển động theo một quỹ đạo xác định. Khái niệm • Định vị và dẫn đường điện tử → là hệ thống định vị và dẫn đường sử dụng thiết bị điện tử. – Định vị và dẫn đường vô tuyến - Radio Positioning and Navigation → sóng điện từ • Hệ thống mặt đất: → Các thiết bị được bố trí trên mặt đất: Hệ thống Radar • Hệ thống vệ tinh: → Các thiết bị được bố trí trong không gian: Hệ thống GPS Mối quan hệ Đo lường (M) Định vị (P) Giám sát (S) Dẫn đường (N) M: Measurement P: Positioning S: Surveillance N: Navigation Ứng dụng • Giao thông: – Hàng hải (mặt biển), đường bộ, đường sắt → 2 D – Hàng không → 3 D • Đồ bản , địa thám. • Khí tượng thủy văn. • Y học (siêu âm - định vị) • Viễn thông. • Quân sự. Điện tử hàng không • ATM: Air Traffic Management • CNS: – Communication – Navigation – Surveillance Tài nguyên không gian • Không phận = (diện tích lãnh thổ + diện tích lãnh hải) x 30km approach airport A airport B Cất cánh Hạ cánh Quản lý không lưu - ATM Hàng tuyến (đường dài) tiếp cậntiếp cận tại cảng en route Air Traffic Management tại cảng take off landing đài phát mốc Mô hình một đường bay Vïng BVïng B C¶ng BC¶ng A Vïng kh«ng gian t¹i c¶ng Vïng kh«ng gian tiÕp cËn cÊt c¸nh Vïng kh«ng gian ®­êng dµi (hµng tuyÕn) Vïng kh«ng gian t¹i c¶ng Vïng kh«ng gian tiÕp cËn h¹ c¸nh Vïng A Vïng AVïng C Hàng không 35 km 300 m Mức bay 9000 ÷ 12000 mét Hành lang bay Air Traffic Management - 02 Flight Information Regions : Hanoi Fir and Ho chi minh Fir. - 22 domestic airport and 60 flight routes (20 domestic and 40 international) Air Traffic Management Air Traffic Management Air Traffic Management Development Trends Development Trends ξ 2. Hệ trục tọa độ và tham số xác định vị trí Hệ trục tọa độ Coordinate System • Hệ trục tọa độ tương đối. → Hệ thống định vị và dẫn đường mặt đất • Hệ trục tọa độ tuyệt đối. → Hệ thống định vị và dẫn đường vệ tinh. NM D φO β LOS Range: cự ly theo tầm nhìn thẳng Line of Sight mặt phẳng đứng Hướng - Direction N EW S SE: Đông NamSW : Tây Nam NW: Tây Bắc NE: Đông Bắc NNE ENE ESE SSESSW WSW NNW WNW WWSW SWSW EENE NENE Hệ tọa độ ĐỊA LÝ Ta có thể xác định một vị trí bất kỳ trên trái đất Vĩ độ Vĩ độ Bắc N Vĩ độ Nam S Kinh độ Đông E Kinh độ Tây W Kinh độ Vĩ độ: 0 ÷ 900 N,S -900 ÷ 900 Kinh độ: 0 ÷ 1800 E,W -1800 ÷ 1800 Bằng cách kết hợp giá trị vĩ độ (latitude) và kinh độ (longitude) Latitude and Longitude Đường kinh tuyến 900 vĩ độ BắcĐường vĩ độ song song Đường xích đạo (00) Kinh tuyến gốc ( 00) đi qua Greenwich London, Anh Đường vĩ độ song song Latitude parallels 0 ° 20 °N 40 °N 60 °N 90 °N 80 °N 20 °S 60 °S 90 °S 40 °S Equator 80 °S Đường kinh độ song song Longitudinal Parallels Prime Meridian (Greenwich England) 0° Longitude Longitude: 0-180 East Longitude: 0-180 West 40:26:46N,79:56:55W 40:26:46.302N 79:56:55.903W 40°26'21"N 79°58'36"W 40d 26' 21" N 79d 58' 36" W 40.446195N 79.948862W 40.446195, -79.948862 40° 26.7717, -79° 56.93172 Cách viết chuẩn, thông dụng: M (40°26′21″N, 79°58′36″W) DMS: Degree Minute Second DD : Decimal Degree Một số cách viết tham số vị trí theo vĩ độ và kinh độ Latitude and Longitude • 19050’00” S: 19 degrees 50 minutes Latitude South -> 19 độ 50 phút vĩ độ Nam • 43050’00” W: 43 degrees 50 minutes Longitude West -> 43 độ 50 phút kinh độ Tây F(19050’ S, 43050’ W) Latitude Longitude M Mặt phẳng xích đạo Mặt phẳng kinh tuyến gốc vĩ độ của M kinh độ của M O Tâm trái đất Cực bắc Chuyển đổi tọa độ địa lý dạng DMS sang dạng DD Dạng DMS : W87°43'41" → ? DD Tổng số giây 43'41" = (43*60 + 41) = 2621 seconds. Lấy phần dư sau khi chia cho 3600: → 2621 / 3600 ≈ 0.728056 Kết quả : 87 + 0.728056 = 87.728056 Do là kinh độ tây nên có giá trị âm: → Kết quả là: - 87.728056. Chuyển đổi tọa độ địa lý dạng DMS sang dạng DD ? DD Vĩ độ: 26‘21" = (26*60 + 21) = 1581 seconds. Lấy phần dư sau khi chia cho 3600: → 1581 / 3600 ≈ 0.4391 Kinh độ: 58‘36" = (58*60 + 36) = 3516 seconds. Lấy phần dư sau khi chia cho 3600: → 3516 / 3600 ≈ 0,9766 Kết quả : M ( 40,4391, -79,9766 ) Dạng DMS : M (40°26′21″N, 79°58′36″W) DMS: Degree Minute Second DD : Decimal Degree Dạng DD: -87.728055 → ? DMS Dấu âm → Kinh độ Tây Phần độ: lấy phần nguyên → 87.728055 = 87 degrees. Phần phút: nhân phần dư với 60 → 0.728055 x 60 = 43.6833 = 43 minutes. Phần giây: nhân phần dư với 60: → 0.6833 x 60 = 40.998 = 41 seconds (làm tròn lên). Có thể làm tròn xuống → 40 seconds, hoặc để nguyên phần thập phân Kết quả nhận được dạng DMS là: W 87043’41” Chuyển đổi tọa độ địa lý dạng DD sang dạng DMS Một số đơn vị • nm (nmi, Nm) : nautical mile – dặm 1 nm = 6080 ft (feet) 1 nm = 1852 m 1 m = 3,28 ft ; 1 ft = 0,304878 m 100 km = 54 nm Ví dụ - 322 km = ? (nm) - 1794 m = ? (ft) Vận tốc : knot kí hiệu là kt; 1 knot = 1 nm/hour 110 knots → ? km/h 210 km/h → ? knots Một số đơn vị • Độ cao: – Height: độ cao so với mặt đất a.g.l ( above ground level) – Altitude: độ cao so với mặt nước biển m.s.l ( mean sea level) Tỷ lệ hiển thị bản đồ RF Small scale: 1:250,000 Large scale: 1:50,000 Một số đơn vị • Tỷ lệ hiển thị bản đồ RF - Representative Fractions Ví dụ: RF là 1: 650 000 , 7cm trên bản đồ sẽ ứng với bao nhiêu km ? Khoảng cách thực [km]= khoảng cách trên bản đồ [cm] * RF / 100 000 Khoảng cách thực = 7 * 650 000 / 100 000 = 45,5 (km) Một số đơn vị • Tỷ lệ hiển thị bản đồ RF - Representative Fractions Ví dụ: Nếu 1,6 cm trên bản đồ ứng với 5,2 km trên thực địa. Khi đó, tỷ lệ hiển bản đồ RF là bao nhiêu ? RF= 1 : (khoảng cách thực [km] * 100000 / khoảng cách trên bản đồ [cm]) RF = 1: 5,2 * 100 000 / 1,6 = 1: 325 000 Một số đơn vị • Tỷ lệ hiển thị bản đồ RF - Representative Fractions Ví dụ: Nếu RF 1: 750 000 thì khoảng cách trên bản đồ là bao nhiêu sẽ ứng với 27,7 km trên thực địa ? khoảng cách trên bản đồ (cm) = khoảng cách thực [km] * 100 000 /RF khoảng cách trên bản đồ = 27,7 [km] * 100 000 / 750 000 ≈ 3,7 (cm) Đường tròn lớn - Great Circle Khái niệm : Đường tròn lớn là giao của bề mặt trái đất và một mặt phẳng đi qua tâm trái đất. Tính chất: • Khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm bất kỳ trên bề mặt trái đất là khoảng cách giữa hai điểm đó theo đường tròn lớn đi qua hai điểm đó. • Đường xích đạo và các đường kinh tuyến là các đường tròn lớn Đường tròn lớn Great Circle Khoảng cách giữa F và T trên đường tròn lớn cos(D) = sin(latF)·sin(latT) + cos(latF)·cos(latT)·cos(dlong) D: Khoảng cách theo đường tròn lớn Lưu ý: LatF, LatT, LongF,LongT tính theo radians (Sign × (Deg + (Min + Sec / 60) / 60)) * (× pi / 180) Chuyển đổi kinh độ, vĩ độ từ dạng DMS -> radians Cách xác định dlong • Hai điểm F và T cùng thuộc bán cầu phải (kinh độ Đông – E) hoặc bán cầu trái (kinh độ Tây – W) dlong = abs (longF - LongT) - Nếu T nằm bên phải so với F -> E - Nếu T nằm bên trái so với F -> W • Điểm F thuộc bán cầu phải (kinh độ Đông – E) và điểm T thuộc bán cầu trái (kinh độ Tây – W) hoặc ngược lại dlong = longF + LongT - Nếu T nằm bên phải so với F -> E - Nếu T nằm bên trái so với F -> W * Nếu dlong > 1800 -> dlong = 360 – dlong và hướng của dlong sẽ chuyển từ E->W hoặc W->E Ví dụ • Xác định độ lệch kinh độ giữa F và T trong các trường hợp sau: a. LongF = 130 00 W , LongT = 150 00 E b. LongF = 140 W , LongT = 130 W c. LongF = 140 W , LongT = 150 E F(450 N, 1400 E) T(650 N, 1100 W) T(650 N, 1100 W) F(450 N, 1400 E) đường tròn lớn F T Khoảng cách giữa F và T trên đường tròn lớn Ví dụ 1. Nashville International Airport (BNA) in Nashville, TN, USA: N 36°7.2', W 86°40.2' 2. Los Angeles International Airport (LAX) in Los Angeles, CA, USA: N 33°56.4', W 118°24.0' (Sign × (Deg + (Min + Sec / 60) / 60)) * (× pi / 180) Chuyển đổi kinh độ, vĩ độ từ dạng DMS -> radians Xác định khoảng cách giữa hai sân bay Xác định khoảng cách trên đường tròn lớn giữa New York và Moscow New York Moscow 40’45”N 73’59”W 55’45”N 37’36”E D = ? Atlanta (32° 53' 49" N ; 97° 02' 17" W) Tokyo (35° 45' 53" N ; 140° 23' 11" E) D = ? Xác định khoảng cách trên đường tròn lớn giữa Tokyo và Alanta Giả sử một cơn bão , có tâm bão xuất hiện tại vị trí F(110N, 1120E). Hãy xác định thời gian để tâm bão di chuyển đến vị trí T(10030’ N, 1100E) biết rằng vận tốc di chuyển của tâm bão 15 km/h. Ví dụ 100 N 120 N 1100 E 1120 E F T Cos(FT) = sin(10,50*pi/180)sin(10,50*pi/180) + cos(110*pi/180)cos(10,50*pi/180)cos(20*pi/180)= → Cos(FT) = 0,99937 → FT = arccos(0,99937)*180/pi ≈ 2,0330 ≈ 2,0275 * 60’ ≈ 121,65’ ≈ 121,65 * 1,852 ≈ 225,2958 km 1‘ = 1 nm (nautical mile) ; 1 nm = 1 852 m Thời gian dịch chuyển tâm bão từ F đến T là: ≈ 234,5 km / 15 (km/h) ≈ 15,02 (giờ) cos(D) = sin(latF)·sin(latT) + cos(latF)·cos(latT)·cos(dlong) Chuẩn số liệu tọa độ địa lý WGS-84 Z X YO WGS84 ellipsoid a b a - b af = = 1/298.257223563 bán trục chính a = 6378137,0 m bán trục phụ b = 6356752,3142 m Hệ số dẹt f : Hệ tọa độ đo đạc theo chuẩn số liệu WGS84 Cực bắc xích đạo Bán trục phụ b = 6 356 752,3142 m Bán trục chính a = 6 378 137,0 m Hệ số dẹt f= (a-b)/a = 1/298,257223563 Hệ tọa độ ECEF O Z X Y ECEF: Earth Center Earth Fix Tâm trái đất M (xm, ym,zm) Chuyển đổi hệ tọa độ địa lý sang hệ tọa độ ECEF Chuyển đổi hệ tọa độ ECEF sang hệ tọa độ địa lý