Tần số GPS và GNSS: L1, L2, L5 và chức năng của máy thu hai băng, đa băng
Những điểm chính
- GPS L1 là 1575.42 MHz, L2 là 1227.60 MHz và L5 là 1176.45 MHz, bằng 154, 120 và 115 lần 10.23 MHz.
- Trễ tầng điện ly phụ thuộc tần số nên kết hợp hai băng loại gần như toàn bộ; máy thu một băng phải mô hình hóa.
- Galileo E1 và BeiDou B1C dùng chung tần số GPS L1, còn Galileo E5a và BeiDou B2a chung GPS L5.
- Tín hiệu GPS nhận được cực yếu, khoảng −158.5 dBW với L1 C/A, thấp hơn nền nhiễu nhiệt.
- Với RTK cấp trắc địa, ăng-ten phải phủ mọi băng máy thu theo dõi và có tâm pha ổn định trên từng băng.
GPS dùng tần số nào?
Kế hoạch tần số GPS dùng ba tần số sóng mang dân dụng trong băng L: L1 tại 1575.42 MHz, L2 tại 1227.60 MHz và L5 tại 1176.45 MHz. Cả ba xuất phát từ một tham chiếu đồng hồ nguyên tử 10.23 MHz: L1 bằng 154 × 10.23 MHz, L2 bằng 120 × và L5 bằng 115 ×.
L1 mang mã dân dụng ban đầu C/A (thô/thu nhận) và tín hiệu L1C hiện đại trên vệ tinh GPS III. L2 mang mã quân sự mã hóa P(Y) và tín hiệu dân dụng L2C. L5 mang tín hiệu dân dụng thiết kế cho an toàn sinh mạng, trong băng được bảo vệ cho dẫn đường vô tuyến hàng không. Mỗi tín hiệu GPS là sóng mang được điều chế bằng mã đo khoảng cách và bản tin dẫn đường.
Trang gps.gov công bố trạng thái chính thức từng tín hiệu. Để biết quan hệ giữa các tần số này với hệ khác, xem hướng dẫn các hệ vệ tinh GNSS.
Băng GPS và tần số GNSS của các hệ khác là gì?
Băng GPS nằm trong khoảng 1164 đến 1610 MHz, các hệ khác dùng cùng vùng, thường cùng tần số trung tâm để một ăng-ten và phần đầu RF có thể nhận nhiều hệ.
| Băng tần | GPS | Galileo | BeiDou | GLONASS |
|---|---|---|---|---|
| Băng L trên | L1 1575.42 MHz | E1 1575.42 MHz | B1C 1575.42 MHz; B1I 1561.098 MHz | L1 khoảng 1598–1606 MHz (FDMA) |
| Giữa | L2 1227.60 MHz | E6 1278.75 MHz | B3I 1268.52 MHz | L2 khoảng 1243–1249 MHz (FDMA) |
| Băng L dưới | L5 1176.45 MHz | E5a 1176.45 MHz; E5b 1207.14 MHz | B2a 1176.45 MHz; B2b 1207.14 MHz | L3OC khoảng 1202 MHz (CDMA) |
QZSS và SBAS cũng phát trên L1, L5; NavIC dùng L5 và S-band. Dịch vụ hiệu chỉnh qua vệ tinh dùng kênh L-band riêng, khoảng 1525–1560 MHz, nên một số ăng-ten ghi hỗ trợ L-Band.
GPS L1 và tần số GPS L1 là gì?
GPS L1 là tín hiệu GPS dân dụng ban đầu, phát trên tần số L1 1575.42 MHz với bước sóng khoảng 19 cm. Mọi máy thu GPS, từ điện thoại đến máy thu trắc địa, đều theo dõi L1.
Mã L1 C/A truyền thống là chuỗi 1023 chip gửi ở tốc độ 1.023 triệu chip mỗi giây, nên lặp lại mỗi miligiây. Vệ tinh GPS III bổ sung L1C, dùng điều chế khác và thiết kế để tương thích Galileo E1, BeiDou B1C.
Chỉ L1 đủ cho dẫn đường và lập bản đồ cấp mét; với RTK có thể cho kết quả centimét trên đường đáy ngắn. Giới hạn là tầng điện ly: với một tần số, máy thu không thể đo trực tiếp trễ tầng điện ly, có thể vài mét ban ngày và lớn hơn nhiều khi bão Mặt Trời. Do đó RTK một băng khởi tạo chậm hơn và chỉ tin cậy ở khoảng cách ngắn, thường vài kilômét.
Vì sao hai tần số loại được sai số tầng điện ly?
Hai tần số loại sai số tầng điện ly vì trễ tín hiệu trong tầng điện ly tỷ lệ nghịch bình phương tần số, nên đo cùng khoảng cách trên hai băng cho phép máy thu tính và khử trễ.
Tầng điện ly, lớp mang điện khoảng 50–1000 km trên Trái Đất, làm chậm mã và làm sớm pha sóng mang. Ở L1, trễ thường vài mét đến hơn mười mét, thay đổi theo giờ, mùa, vĩ độ và chu kỳ Mặt Trời. Vì L5 có tần số thấp hơn, cùng tầng điện ly gây trễ khoảng 1.8 lần L1. Kết hợp hai số đo thành tổ hợp không ảnh hưởng tầng điện ly loại tác động bậc nhất, chiếm hơn 99 % tổng hiệu ứng.
Với RTK, lợi ích gián tiếp nhưng quan trọng: khi đo tầng điện ly thay vì giả định bằng nhau tại base và rover, máy thu có thể giải trị mơ hồ trên đường đáy dài hơn và phục hồi nhanh sau mất khóa. Đây là lý do chính máy thu đa băng khởi tạo trong vài giây tại nơi máy một băng có thể cần vài phút.
Tần số GPS L5 là gì và vì sao quan trọng?
Tần số GPS L5 là 1176.45 MHz, bước sóng khoảng 25.5 cm. L5 là tín hiệu GPS dân dụng hiện đại nhất, có công suất phát cao hơn và mã đo khoảng cách nhanh gấp mười L1 C/A, cải thiện độ chính xác và chống đa đường.
Galileo E5a, BeiDou B2a, QZSS, NavIC và SBAS dùng cùng tần số L5, nên máy thu theo dõi băng này có thể dùng nhiều vệ tinh trên thiết kế tín hiệu chung. Điều đó có giá trị với cả thiết bị hai băng phổ thông lẫn máy thu trắc địa.
L5 được vệ tinh GPS mới hơn (Block IIF và GPS III) phát. Chính phủ Hoa Kỳ đang hoàn thiện hệ mặt đất cần để công bố vận hành đầy đủ, nên với ứng dụng an toàn trọng yếu hãy kiểm tra trạng thái hiện tại từ nguồn chính thức. Trong trắc địa, L5 đã được dùng rộng rãi cùng L1 và L2 trong bộ xử lý RTK đa băng.
Tín hiệu GPS hoạt động thế nào và dạng sóng GPS là gì?
Tín hiệu GPS là tín hiệu vô tuyến trải phổ chuỗi trực tiếp: sóng mang thuần có pha đảo bởi mã giả ngẫu nhiên nhanh để đo khoảng cách và bản tin dẫn đường chậm, nên dạng sóng GPS trông như nhiễu cho đến khi máy thu tương quan với bản sao mã.
- Sóng mang: sóng sin L1, L2 hoặc L5. Máy thu trắc địa đo pha đến milimét, là cơ sở của RTK và PPK.
- Mã đo khoảng cách: chuỗi chip đã biết, riêng cho từng vệ tinh. Máy thu đo trễ để tính khoảng cách giả chính xác khoảng decimét đến mét.
- Bản tin dẫn đường: dữ liệu quỹ đạo, đồng hồ và tình trạng, gửi ở 50 bit mỗi giây trên L1 C/A truyền thống và ở định dạng hiện đại hóa trên L2C, L5, L1C.
- Điều chế: tín hiệu truyền thống dùng khóa dịch pha nhị phân (BPSK); tín hiệu hiện đại như L1C và Galileo E1 dùng biến thể sóng mang lệch nhị phân (BOC) giúp theo dõi sắc nét hơn.
Vì mọi vệ tinh phát cùng tần số trung tâm (trừ GLONASS truyền thống), máy thu tách chúng theo mã. Đây là đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA).
Cường độ tín hiệu GPS là gì và vì sao yếu như vậy?
Cường độ tín hiệu GPS tại mặt đất khoảng −158.5 dBW (khoảng −128.5 dBm) với L1 C/A, yếu hơn nhiễu nhiệt nền; máy thu chỉ khôi phục được nhờ độ lợi tương quan mã.
Máy thu báo chất lượng tín hiệu bằng mật độ sóng mang trên nhiễu (C/N0), đơn vị dB-Hz. Dưới bầu trời thoáng, giá trị điển hình khoảng 40–50 dB-Hz cho vệ tinh cao. Giá trị giảm xuống hơn 30 hoặc thấp hơn chỉ ra che khuất, tán lá, nhiễu hoặc ăng-ten kém, và theo dõi pha sóng mang trở nên thiếu tin cậy.
Mẹo hiện trường từ các kỹ sư:
- Giữ ăng-ten cao hơn đầu và tránh xe, mái kim loại, tường để giảm đa đường.
- Kiểm tra C/N0 từng băng trong trạng thái máy thu; băng thiếu hoặc yếu thường cho thấy lỗi cáp, đầu nối hoặc ăng-ten.
- Tránh bó sát cáp vô tuyến, di động và GNSS với nhau tại trạm gốc.
GPS hai băng và đa băng: khác nhau thế nào?
GPS hai băng theo dõi hai băng tần, thường L1 + L5 trong điện thoại, thiết bị đeo hoặc L1 + L2 ở máy thu trắc địa cũ; GPS đa băng theo dõi từ ba băng trở lên, thường L1, L2, L5 cùng Galileo E5b, E6 và BeiDou B3I, trên mọi hệ.
| Cấp máy thu | Băng điển hình | Độ chính xác điển hình | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|---|
| Một băng | L1 / E1 / B1 | Vài mét khi độc lập; RTK centimét trên đường đáy ngắn | Dẫn đường, GIS cơ bản |
| Hai băng (phổ thông) | L1 + L5 | Khoảng 1–3 m khi độc lập, tốt hơn trong đô thị | Điện thoại, đồng hồ, phương tiện |
| GPS hai tần số chính xác | L1 + L2 | RTK centimét, đường đáy dài hơn một băng | Thiết bị trắc địa và dẫn hướng máy đời cũ |
| Đa băng (cấp trắc địa) | L1, L2, L5, E5b, E6, B3 và nhiều băng khác | Khoảng 1 cm + 1 ppm RTK theo phương ngang | Trắc địa, CORS, xây dựng, nông nghiệp |
Vậy GPS đa băng trong thực tế là gì? Đó là máy thu kết hợp mọi tín hiệu sẵn có để bộ xử lý RTK có thêm số đo độc lập giải trị mơ hồ pha sóng mang. Kết quả là cố định nghiệm nhanh hơn, tin cậy hơn khi bị che một phần, chịu hoạt động tầng điện ly và đường đáy dài tốt hơn. Hướng dẫn độ chính xác GPS cho thấy cách so sánh các giá trị này.
Cách chọn máy thu và ăng-ten cho đúng băng tần GPS
Chọn máy thu, ăng-ten và nguồn hiệu chỉnh cùng bộ tần số; máy thu đa băng với ăng-ten băng hẹp hoặc trạm gốc chỉ gửi L1/L2 sẽ mất phần lớn lợi thế.
- Liệt kê băng cần dùng. Với trắc địa chuyên nghiệp, chọn theo dõi toàn hệ, đa băng gồm L5 / E5a / B2a.
- Chọn ăng-ten toàn băng. Kiểm tra phủ băng L dưới và trên, có tâm pha ổn định và độ lợi khuếch đại nhiễu thấp đủ. Hướng dẫn ăng-ten GNSS giải thích tâm pha và hiệu chuẩn.
- Kiểm tra hiệu chỉnh. Dùng bản tin RTCM 3 MSM từ base hoặc mạng để mọi băng và hệ đến rover.
- Xác minh hiện trường. Xem tín hiệu theo dõi của từng vệ tinh và C/N0 trên mỗi băng trước khi tin cậy cấu hình mới.
Ăng-ten GNSS trắc địa SA102 là ăng-ten toàn băng cho trạm gốc và CORS, theo dõi GPS, BDS, GLONASS, Galileo (E1, E5a, E5b, AltBOC), QZSS, SBAS và L-Band, với độ lợi LNA 36 ± 2 dB và đầu nối TNC. Máy thu GNSS RTK E1 dùng bộ xử lý toàn hệ 1408 kênh cho trắc địa, còn ăng-ten GNSS thông minh S20 kết hợp máy thu và ăng-ten toàn băng trong một vỏ radome IP67 cho máy kéo, phương tiện công tác. Để so sánh phương pháp hiệu chỉnh, đọc hướng dẫn PPK, RTK và các hiệu chỉnh GNSS khác, hoặc yêu cầu báo giá bộ đa băng.
Câu hỏi thường gặp
Tần số GPS L1 là gì?
Tần số GPS L1 là 1575.42 MHz, bằng 154 lần đồng hồ tham chiếu GPS 10.23 MHz. Bước sóng khoảng 19 cm. L1 mang mã C/A truyền thống được mọi máy thu GPS dùng, mã quân sự mã hóa và tín hiệu dân dụng hiện đại L1C trên vệ tinh GPS III. Galileo E1 và BeiDou B1C dùng chung tần số này.
Tần số L5 dùng để làm gì?
Tần số L5 1176.45 MHz mang tín hiệu dân dụng GPS hiện đại nhất, thiết kế cho an toàn sinh mạng trong hàng không và định vị chính xác. Tín hiệu có công suất cao hơn, mã nhanh hơn L1 C/A. Galileo E5a, BeiDou B2a, QZSS và NavIC dùng cùng tần số nên máy thu theo dõi L5 có thêm nhiều tín hiệu chất lượng cao.
GPS hai băng có chính xác hơn không?
Có, trong phần lớn điều kiện. Máy thu hai băng có thể đo, loại trễ tầng điện ly và khử đa đường tốt hơn, nên độ chính xác độc lập thường cải thiện từ vài mét xuống một đến ba mét. Trong thành phố, máy thu L1 + L5 cũng theo dõi tốt hơn gần công trình. Với công việc centimét, bạn vẫn cần hiệu chỉnh RTK hoặc PPK bên cạnh theo dõi hai băng.
GPS đa băng là gì?
GPS đa băng, hay GNSS đa băng, nghĩa là máy thu theo dõi từ ba băng tần trở lên như L1, L2 và L5 từ nhiều hệ cùng lúc. Máy thu đa băng cấp trắc địa dùng tín hiệu bổ sung để giải trị mơ hồ RTK nhanh và tin cậy hơn, nhất là khi bị che một phần, tầng điện ly hoạt động mạnh hoặc đường đáy đến trạm gốc dài.
Cường độ tín hiệu GPS có ảnh hưởng độ chính xác không?
Có. Mật độ sóng mang trên nhiễu thấp, thường dưới mức hơn 30 dB-Hz một chút, làm số đo mã và pha nhiễu hơn, gây trượt chu kỳ, làm chậm hoặc ngăn cố định RTK. Tín hiệu yếu thường do che khuất, tán lá, đa đường hoặc lỗi cáp. Nâng ăng-ten, cải thiện tầm nhìn bầu trời và kiểm tra cáp, đầu nối thường cải thiện cường độ và độ chính xác.
Tôi có cần L2 nếu máy thu có L5 không?
Với trắc địa, tốt nhất có cả hai. L2 được mọi vệ tinh GPS hiện đại phát và phần lớn mạng CORS sử dụng, còn L5 có trên vệ tinh mới cùng các hệ khác. Máy thu đa băng kết hợp chúng để giải trị mơ hồ vững chắc hơn, đồng thời vẫn tương thích trạm gốc và mạng gửi hiệu chỉnh L1/L2.
Bạn cần thiết bị cho công việc này?
Cho chúng tôi biết công việc, quốc gia và số lượng. Kỹ sư sẽ phản hồi cấu hình và giá trong một ngày làm việc. Số lượng đặt hàng tối thiểu là một thiết bị; có dịch vụ OEM.
