GPS LÀ GÌ, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA GPS NHƯ THẾ NÀO
Các
bạn có biết máy bay, xe tăng, tàu chiến đều sử dụng GPS hoặc GLONASS để
định vị và dẫn đường không ? Ngay cả Trung Quốc hay các nước EU cũng
phải phụ thuộc vào hệ thông GPS của Mỹ. Gần đây, châu Âu đang theo đuổi
dự án Gallileo hòng xây dựng cho mình một hệ thống định vị và dẫn đường
độc lập nhưng bị phía Mỹ phản đối quyết liệt.
Nguyên lý xác dịnh toạ độ của hệ thống GPS và Glonass dựa trên công thức quãng đường = vận tốc x thời gian. Vệ tinh phát ra các tín hiệu bao gồm vị trí của chúng, thời điểm phát tín hiệu. Máy thu tính toán được khoảng cách từ các vệ tinh, giao điểm của các mặt cầu có tâm là các vệ tinh, bán kính là thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu x vận tốc sóng điện từ là toạ độ điểm cần định vị.
Nói đến GPS, mọi người thường nghĩ đến máy thu GPS, thực ra, GPS là một hệ thống gồm 27 vệ tinh (kể cả 3 cái sơ cua) chuyển động trên các quí đạo chung quanh trái đất. Quân đội Mỹ phát triển hệ thống này với mục đích quân sự nhưng nay nó đã được mở rộng cho các mục đích dân sự.
Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn, sử dụng năng lượng mặt trời, chuyển động cách mặt đất khoảng 19300km. Mỗi vệ tinh quay quanh trái đất 2 vòng một ngày đêm. Quỹ đạo của các vệ tinh được tính toán sao cho ở bất kỳ nơi nào trên trái đất, vào bất kỳ thời điểm nào, cũng có thể “nhìn thấy” tối thiểu 4 vệ tinh.
Công việc của một máy thu GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa, tính toán khoảng cách từ các vệ tinh và sử dụng các thông tin đó để xác định vị trí của chính nó. Quá trình này dựa trên một nguyên lý toán học đơn giản.
Giả sử bạn đang ở một nơi nào đó ở Vietnam, và bạn hoàn toàn không biết minh ở đâu, vì một lý do nào đó. Bạn gặp một người dân địa phương và hỏi một cách thân thiện: “làm ơn cho tôi biết tôi đang ở đâu ?” Anh ta trả lời: “bạn đang cách Vũng tàu 45 km”. Đây là một sự thật thú vị, nhưng chưa thật sự có ích. bạn có thể ở bất kỳ đâu trên vòng tròn có tâm là Vũng tàu, bán kính 45 km.
Bạn hỏi một người khác và cô ta cho biết bạn đang cách Biên Hoà 40 km. Bây giờ bạn đã khá hơn. Nếu bạn tổng hợp hai thông tin, bạn sẽ có hai vòng tròn giao nhau. Vị trí của bạn là một trong hai giao điểm của hai đường tròn.
Người thứ ba cho bạn biết vị trí của bạn cách Sài gòn 30 km. Bây giờ thì bạn đã biết mình đang ở đâu.
Áp dụng nguyên lý nay vào không gian 3 chiều, ta cũng có 3 mặt cầu thay vì 3 đường tròn, giao nhau tại một điểm. Về mặt nguyên lý thì không khác nhau nhiều lắm, nhưng khó tưởng tượng hoặc mô tả bằng hình vẽ hơn. Thay vì các đường tròn, bạn sẽ có các mặt cầu.
Nếu bạn biết rằng minh đang ở cách vệ tinh A 20 km, bạn có thể ở bất kỳ nơi nào trên một mặt cầu khổng lồ có bán kính 20 km. Nếu bạn biết thêm rằng bạn đang ở cách vệ tinh B 30 km, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V. Và nếu bạn biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ có thêm một mặt cầu, mặt cầu này giao với đường tròn V tại hai điểm. Trái đất chính là mặt cầu thứ tư, một trong hai giao điểm sẽ nằm trên mặt đất, điểm thứ hai nằm lơ lửng đâu đó trong không gian và dễ dàng bị loại. Với việc giả sử trái đất là một mặt cầu, ta đã bỏ qua cao độ của bạn rồi. Do vậy để có cả tung độ, hoành độ và cao độ, bạn cần thêm một vệ tinh thứ tư nữa.
Nói nghe thì dễ nhỉ, nhưng làm sao đo khoảng cách từ vệ tinh.
Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ các vệ tinh, máy thu GPS tính toán ra được hai thứ trên. Máy thu loại xịn có thể thu nhận tín hiệu của nhiều vệ tinh đồng thời. Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức là 300 ngàn km/giây trong chân không. Máy thu có thể tính toán được khoảng cách dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến được máy thu. Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu máy thu và các vệ tinh đã hoạt động cùng nhau như thế nào để đo các khoảng cách này. Đây là một quá trình khá phức tạp.
Vào một thời điểm nào đó, giả sửu vào lúc 0 giờ, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi tín hiệu dài, được gọi là mã ngẫu nhiên giả. Máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt vào cùng thời điểm. Khi tín hiệu từ vệ tinh truỳên đến máy thu, chuỗi tín hiệu đó sẽ bị trễ một chút so với chuỗi do máy thu tạo ra.
Chiều dài khoảng thời gian trễ này chính là thời gian truyền của tín hiệu từ vệ tinh. Máy thu nhân thời gian này với tốc đọ ámh sáng để xác định quãng đường truyền tín hiệu. Giả sử rằng tín hiệu truyền trên đường thẳng, đây chính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Để thực hiện phép đo này, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau. Một sai số 1 mili giây sẽ dẫn đến sai số là 300 ngàn mét, quá nhiều phải không các bạn. Do đó, độ chính các tối thiểu cho các máy thu phải là cỡ nano giây (10-9 ). Để có độ chính xác như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử cho không chỉ các vệ tinh mà còn máy thu của bạn nữa. Nhưng đồng hồ nguyên tử thì lại đắt, khoảng 50 đến 100 ngàn đô. Điều đó thì quá đắt cho người dùng nghèo như tớ (và một số trong các bạn nữa).
Để có thể đưa các ứng dụng GPS đến với chúng ta, các ký sư đã có một giải pháp thông minh và hiệu quả. Mỗi quả vệ tinh mang theo một cái đồng hồ nguyên tử, nhưng mỗi máy thu thì chỉ trang bị đồng hồ quartz thông thường. Các đồng hồ quartz này được điều chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu được truyền đi từ các vệ tinh.
Trên lý thuyết thì 4 mặt cầu phải giao nhau tại 1 điểm. Nhưng do sai số đồng hồ quartz rẻ tiền, 4 mặt cầu đã không cho 1 giao điểm duy nhất. Biết rằng sai số này gây ra bởi đồng hồ trên máy thu là như nhau Δt, máy thu có thể dễ dàng loại trừ sai số này bằng cách tính toán ra lượng hiệu chỉnh cần thiết để 4 mặt cầu giao nhau tại một điểm. Dựa vào đó, máy thu tự động điều chỉnh đồng hồ cho đồng bộ với đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh. Nhờ đó mà đồng hồ trên máy thu có độ chính xác gần như tương đương với đồng hồ nguyên tử. Vậy là chuyện đo khoảng cách đã được giải quyết ổn thoả.
Biết khoảng cách rồi, chúng ta còn phải biết vị trí chính xác của các vệ tinh trên quĩ đạo. Điều này cũng không khó lắm vì các vệ tinh chuyển đông trên các quĩ đạo biết trước và có thể dự đoán được.Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều có chứa một bảng tra vị trí tính toán của tất cả các vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào gọi là Almanac. Lực hút của mặt trăng, mặt trời có ảnh hưởng nhất định làm thay đổi quĩ đạo của các vệ tinh một chút xíu nhưng bộ quốc phòng Mỹ liên tục theo dõi vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền thông số hiệu chỉnh đến các máy thu thông qua tín hiệu từ vệ tinh.
Vậy là cả hai vấn đề khoảng cách và vị trí đã giải quyết xong, và hệ thống cơ bản hoạt động tốt, tuy nhiên, người ta nhận thấy hệ thống có nhiều sai số. Nguyên nhân đầu tiên là do việc giả sử rằng các tín hiệu vệ tinh được truyền theo đường thẳng đến các máy thu với vận tốc không đổi. Trong thực tế, bầu khí quyến trái đất ít nhiều làm chậm tốc độ truyền, đặc biết là khi sóng điên từ đi qua các tầng điện ly và đối lưu. Do tính chất của các tầng này khác nhau tại các vị trí khác nhau trên trái đất nên độ trễ này phụ thuộc vào vị trí của máy thu trên mặt đất, điều đó có nghĩa là khó có thể loại trừ sai số này. Gần đây người ta tạo ra các mô hình toán học mô phỏng tính chất của bầu khí quyển trái đát để giảm thiểu sai số này. Ngoài ra, khi tín hiệu phản xạ từ các vật thể lớn như các toà nhà cao tầng, cũng tạo cho máy thu một sai số như là đến từ một khoảng cách xa hơn. Thỉnh thoảng, tín hiệu từ các vệ tinh cũng có sai số. Bộ quốc phòng Mỹ cũng thêm vào sai số nhân tạo được gọi một cách văn hoa là Selective Availability hay SA.
Qua các phần trên, chúng ta đã thấy chức năng cơ bản nhất của máy thu GPS là thu nhận thông tin từ tối thiểu 4 vệ tinh, phối hợp các thông tin này với thông tin đã được chứa trong Almanac để tính toán ra vị trí của máy thu trên mặt đất. Một khi máy thu đã thu nhận và xử lý thông tin, máy sẽ cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và cao độ của vị trí hiện thời. Để làm cho việc định vị thân thiện hơn, hầu hết các máy thu đều thể hiện các thông tin này dưới dạng các điểm trên bản đồ được chứa sẵn trong máy. Bạn có thể nối máy thu GPS với PC chứa bản đồ chi tiết. Một số máy thu còn cho phép nạp các bản đồ chi tiết vào bộ nhớ trong của máy hay kết nối với các thẻ nhớ đã nạp sẵn bản đồ.
-- P
L E A S E
Trong chuyến đi vòng quanh
thế giới của hải quân Trung Quốc gần đây, "thủy thủ đoàn không tiết lộ
gì về các chi tiết kỹ thuật, kể cả công nghệ định hướng cho tàu. Có tin
trong chuyến hải hành này, quân đội Trung Quốc sử dụng hệ thống định vị
toàn cầu của Chính phủ Mỹ, nghĩa là vẫn còn phụ thuộc ít nhiều vào công
nghệ nước ngoài. Song các sĩ quan luôn phủ nhận điều đó."
Nguyên lý xác dịnh toạ độ của hệ thống GPS và Glonass dựa trên công thức quãng đường = vận tốc x thời gian. Vệ tinh phát ra các tín hiệu bao gồm vị trí của chúng, thời điểm phát tín hiệu. Máy thu tính toán được khoảng cách từ các vệ tinh, giao điểm của các mặt cầu có tâm là các vệ tinh, bán kính là thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu x vận tốc sóng điện từ là toạ độ điểm cần định vị.
Nói đến GPS, mọi người thường nghĩ đến máy thu GPS, thực ra, GPS là một hệ thống gồm 27 vệ tinh (kể cả 3 cái sơ cua) chuyển động trên các quí đạo chung quanh trái đất. Quân đội Mỹ phát triển hệ thống này với mục đích quân sự nhưng nay nó đã được mở rộng cho các mục đích dân sự.
Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn, sử dụng năng lượng mặt trời, chuyển động cách mặt đất khoảng 19300km. Mỗi vệ tinh quay quanh trái đất 2 vòng một ngày đêm. Quỹ đạo của các vệ tinh được tính toán sao cho ở bất kỳ nơi nào trên trái đất, vào bất kỳ thời điểm nào, cũng có thể “nhìn thấy” tối thiểu 4 vệ tinh.
Công việc của một máy thu GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa, tính toán khoảng cách từ các vệ tinh và sử dụng các thông tin đó để xác định vị trí của chính nó. Quá trình này dựa trên một nguyên lý toán học đơn giản.
Giả sử bạn đang ở một nơi nào đó ở Vietnam, và bạn hoàn toàn không biết minh ở đâu, vì một lý do nào đó. Bạn gặp một người dân địa phương và hỏi một cách thân thiện: “làm ơn cho tôi biết tôi đang ở đâu ?” Anh ta trả lời: “bạn đang cách Vũng tàu 45 km”. Đây là một sự thật thú vị, nhưng chưa thật sự có ích. bạn có thể ở bất kỳ đâu trên vòng tròn có tâm là Vũng tàu, bán kính 45 km.
Bạn hỏi một người khác và cô ta cho biết bạn đang cách Biên Hoà 40 km. Bây giờ bạn đã khá hơn. Nếu bạn tổng hợp hai thông tin, bạn sẽ có hai vòng tròn giao nhau. Vị trí của bạn là một trong hai giao điểm của hai đường tròn.
Người thứ ba cho bạn biết vị trí của bạn cách Sài gòn 30 km. Bây giờ thì bạn đã biết mình đang ở đâu.
Áp dụng nguyên lý nay vào không gian 3 chiều, ta cũng có 3 mặt cầu thay vì 3 đường tròn, giao nhau tại một điểm. Về mặt nguyên lý thì không khác nhau nhiều lắm, nhưng khó tưởng tượng hoặc mô tả bằng hình vẽ hơn. Thay vì các đường tròn, bạn sẽ có các mặt cầu.
Nếu bạn biết rằng minh đang ở cách vệ tinh A 20 km, bạn có thể ở bất kỳ nơi nào trên một mặt cầu khổng lồ có bán kính 20 km. Nếu bạn biết thêm rằng bạn đang ở cách vệ tinh B 30 km, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V. Và nếu bạn biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ có thêm một mặt cầu, mặt cầu này giao với đường tròn V tại hai điểm. Trái đất chính là mặt cầu thứ tư, một trong hai giao điểm sẽ nằm trên mặt đất, điểm thứ hai nằm lơ lửng đâu đó trong không gian và dễ dàng bị loại. Với việc giả sử trái đất là một mặt cầu, ta đã bỏ qua cao độ của bạn rồi. Do vậy để có cả tung độ, hoành độ và cao độ, bạn cần thêm một vệ tinh thứ tư nữa.
Nói nghe thì dễ nhỉ, nhưng làm sao đo khoảng cách từ vệ tinh.
Để thực hiện tính toán này,
máy thu GPS phải biết hai thứ tối thiểu:
• Vị trí của ít nhất ba vệ
tinh bên trên nó
• Khoảng cách giữa máy thu
GPS đến từng vệ tinh nói trên
Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ các vệ tinh, máy thu GPS tính toán ra được hai thứ trên. Máy thu loại xịn có thể thu nhận tín hiệu của nhiều vệ tinh đồng thời. Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức là 300 ngàn km/giây trong chân không. Máy thu có thể tính toán được khoảng cách dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến được máy thu. Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu máy thu và các vệ tinh đã hoạt động cùng nhau như thế nào để đo các khoảng cách này. Đây là một quá trình khá phức tạp.
Vào một thời điểm nào đó, giả sửu vào lúc 0 giờ, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi tín hiệu dài, được gọi là mã ngẫu nhiên giả. Máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt vào cùng thời điểm. Khi tín hiệu từ vệ tinh truỳên đến máy thu, chuỗi tín hiệu đó sẽ bị trễ một chút so với chuỗi do máy thu tạo ra.
Chiều dài khoảng thời gian trễ này chính là thời gian truyền của tín hiệu từ vệ tinh. Máy thu nhân thời gian này với tốc đọ ámh sáng để xác định quãng đường truyền tín hiệu. Giả sử rằng tín hiệu truyền trên đường thẳng, đây chính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Để thực hiện phép đo này, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau. Một sai số 1 mili giây sẽ dẫn đến sai số là 300 ngàn mét, quá nhiều phải không các bạn. Do đó, độ chính các tối thiểu cho các máy thu phải là cỡ nano giây (10-9 ). Để có độ chính xác như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử cho không chỉ các vệ tinh mà còn máy thu của bạn nữa. Nhưng đồng hồ nguyên tử thì lại đắt, khoảng 50 đến 100 ngàn đô. Điều đó thì quá đắt cho người dùng nghèo như tớ (và một số trong các bạn nữa).
Để có thể đưa các ứng dụng GPS đến với chúng ta, các ký sư đã có một giải pháp thông minh và hiệu quả. Mỗi quả vệ tinh mang theo một cái đồng hồ nguyên tử, nhưng mỗi máy thu thì chỉ trang bị đồng hồ quartz thông thường. Các đồng hồ quartz này được điều chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu được truyền đi từ các vệ tinh.
Trên lý thuyết thì 4 mặt cầu phải giao nhau tại 1 điểm. Nhưng do sai số đồng hồ quartz rẻ tiền, 4 mặt cầu đã không cho 1 giao điểm duy nhất. Biết rằng sai số này gây ra bởi đồng hồ trên máy thu là như nhau Δt, máy thu có thể dễ dàng loại trừ sai số này bằng cách tính toán ra lượng hiệu chỉnh cần thiết để 4 mặt cầu giao nhau tại một điểm. Dựa vào đó, máy thu tự động điều chỉnh đồng hồ cho đồng bộ với đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh. Nhờ đó mà đồng hồ trên máy thu có độ chính xác gần như tương đương với đồng hồ nguyên tử. Vậy là chuyện đo khoảng cách đã được giải quyết ổn thoả.
Biết khoảng cách rồi, chúng ta còn phải biết vị trí chính xác của các vệ tinh trên quĩ đạo. Điều này cũng không khó lắm vì các vệ tinh chuyển đông trên các quĩ đạo biết trước và có thể dự đoán được.Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều có chứa một bảng tra vị trí tính toán của tất cả các vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào gọi là Almanac. Lực hút của mặt trăng, mặt trời có ảnh hưởng nhất định làm thay đổi quĩ đạo của các vệ tinh một chút xíu nhưng bộ quốc phòng Mỹ liên tục theo dõi vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền thông số hiệu chỉnh đến các máy thu thông qua tín hiệu từ vệ tinh.
Vậy là cả hai vấn đề khoảng cách và vị trí đã giải quyết xong, và hệ thống cơ bản hoạt động tốt, tuy nhiên, người ta nhận thấy hệ thống có nhiều sai số. Nguyên nhân đầu tiên là do việc giả sử rằng các tín hiệu vệ tinh được truyền theo đường thẳng đến các máy thu với vận tốc không đổi. Trong thực tế, bầu khí quyến trái đất ít nhiều làm chậm tốc độ truyền, đặc biết là khi sóng điên từ đi qua các tầng điện ly và đối lưu. Do tính chất của các tầng này khác nhau tại các vị trí khác nhau trên trái đất nên độ trễ này phụ thuộc vào vị trí của máy thu trên mặt đất, điều đó có nghĩa là khó có thể loại trừ sai số này. Gần đây người ta tạo ra các mô hình toán học mô phỏng tính chất của bầu khí quyển trái đát để giảm thiểu sai số này. Ngoài ra, khi tín hiệu phản xạ từ các vật thể lớn như các toà nhà cao tầng, cũng tạo cho máy thu một sai số như là đến từ một khoảng cách xa hơn. Thỉnh thoảng, tín hiệu từ các vệ tinh cũng có sai số. Bộ quốc phòng Mỹ cũng thêm vào sai số nhân tạo được gọi một cách văn hoa là Selective Availability hay SA.
Qua các phần trên, chúng ta đã thấy chức năng cơ bản nhất của máy thu GPS là thu nhận thông tin từ tối thiểu 4 vệ tinh, phối hợp các thông tin này với thông tin đã được chứa trong Almanac để tính toán ra vị trí của máy thu trên mặt đất. Một khi máy thu đã thu nhận và xử lý thông tin, máy sẽ cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và cao độ của vị trí hiện thời. Để làm cho việc định vị thân thiện hơn, hầu hết các máy thu đều thể hiện các thông tin này dưới dạng các điểm trên bản đồ được chứa sẵn trong máy. Bạn có thể nối máy thu GPS với PC chứa bản đồ chi tiết. Một số máy thu còn cho phép nạp các bản đồ chi tiết vào bộ nhớ trong của máy hay kết nối với các thẻ nhớ đã nạp sẵn bản đồ.
BÀI 2:
Hệ thống định vị
toàn cầu (tiếng Anh:
Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị
trí của các vệ tinh
nhân tạo. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất
nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính
được tọa độ của vị trí đó.
GPS được thiết
kế và bảo quản bởi Bộ Quốc
phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho
phép mọi người trên thế giới sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc
tịch.
Các nước trong
Liên minh
châu Âu đang xây dựng Hệ thống
định vị Galileo, có tính năng giống như GPS của Hoa Kỳ, dự
tính sẽ bắt đầu hoạt động năm 2011-12.
Phân
loại
Hệ thống định vị
toàn cầu của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 quả vệ tinh
(Thực tế chỉ có 21 vệ tinh hoạt động, còn 3 vệ tinh dự phòng) được Bộ
Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ
đạokhông
gian.
Các hệ thống dẫn
đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến
điện. Được biết nhiều nhất là các hệ thống có tên gọi LORAN –
(LOng RAnge Navigation) – hoạt động ở giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải,
hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội
Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME – VHF
(Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng
không dân dụng.
Gần như đồng
thời với lúc Mỹ phát triển
GPS, Liên Xô cũng
phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS. Hiện
nay Liên minh
Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang
tên Galileo.
Chú ý rằng cả
GPS và GLONAS đều được phát triển trước hết cho mục đích quân sự. Nên
mặc dù chúng có cho dùng dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn
tại liên tục và độ chính xác. Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu
cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và
hàng
hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có
hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó. Chỉ có hệ
thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) ngay từ đầu
đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị
dân sự.
GPS ban đầu chỉ
dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép
sử dụng dân sự. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi
trên Trái
Đất, 24 giờ một ngày. Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền
trả cho việc thiết lập sử dụng GPS.
Sự hoạt động của
GPS
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai
lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có
thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu
GPS nhận thông tin này và bằng phép tính
lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản
chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với
thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở
cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh
máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ
điện tử của máy.
Máy thu phải
nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều
(kinh độ và vĩ
độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu
của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh
độ, vĩ độ và độ
cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS
có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát
di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt
Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.
Độ chính xác của
GPS
Các máy thu GPS
ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế
nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh
song song (của Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật
lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ này, thậm chí trong tán lá rậm
rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Tình trạng nhất định của khí quyển và
các nguồn gây sai
số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS.
Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15
mét.
Các máy thu mới
hơn với khả năng WAAS (Hệ Tăng Vùng Rộng, Wide Area Augmentation System)
có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Không cần thêm thiết
bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có
độ chính xác tốt hơn với GPS Vi
sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có
độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục Phòng
vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm
một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các
máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy
thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của
họ.
Hệ thống vệ tinh
GPS
Hệ thống vệ tinh
GPS chia làm 3 phần:
Phần không
gian
Gồm 24 quả vệ
tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ) nằm trên các quỹ đạo
xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 12 nghìn dặm. Chúng chuyển động
ổn định, hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ. Các vệ tinh
này chuyển động với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ
đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy
tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.
Các vệ tinh được
cung cấp bằng năng lượng
Mặt Trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động
khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt
Trời. Các tên lửa nhỏ
gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
Phần kiểm
soát
Mục đích trong
phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin
thời gian chính xác. Có tất cả 5 trạm kiểm soát được đặt rãi rác trên
trái đất. Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm
kiểm soát là trung tâm. Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ
tinh và gữi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm
kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại data cho đúng và kết hợp với hai
anten khác để gữi lại thông tin cho các vệ tinh.
Phần sử
dụng
Phần sử dụng là
thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị
này.
Dưới đây là một
số thông tin đáng chú ý về các vệ tinh GPS (còn gọi là NAVSTAR, tên gọi
chính thức của Bộ Quốc phòng Mỹ cho GPS):
Vệ tinh GPS đầu
tiên được phóng năm 1978.
Hoàn chỉnh đầy
đủ 24 vệ tinh vào năm 1994.
Mỗi vệ tinh được
làm để hoạt động tối đa là 10 năm.
Vệ tinh GPS có
trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 bộ (5 m) với các tấm năng
lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²).
Công suất phát
bằng hoặc dưới 50 watts.
Tín hiệu
GPS
Các vệ tinh GPS
phát hai tín hiệu vô
tuyến công suất thấp
giải L1 và L2. (Giải L là phần sóng cực
ngắn của phổ điện
từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz). GPS dân sự dùng tần số L1
1575.42 MHz trong giải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có
nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinhvà
nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và
nhà.
L1 chứa hai mã
"giả ngẫu nhiên"(pseudo random), đó là mã Protected (P) và mã
Coarse/Acquisition (C/A). Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất
định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu. Mục đích của các mã
tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu
GPS.
Tín hiệu GPS
chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu
nhiên, dữ liệu thiên văn và
dữ liệu lịch. Mã giả
ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào
là phát thông tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên
trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả
nào.
Dữ liệu thiên
văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm
trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ
đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống.
Dữ liệu lịch
được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về
trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại. Phần
này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí.
Nguồn lỗi của
tín hiệu GPS
Những điều có
thể làm giảm tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới chính xác bao
gồm:
Giữ chậm của tầng đối
lưu và tầng
ion – Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí
quyển.
Tín hiệu đi
nhiều đường – Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối
tượng khác trước khi tới máy thu.
Lỗi đồng
hồ máy thu – Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như
đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS.
Lỗi quỹ
đạo – Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo
vị trí không chính xác.
Số lượng vệ tinh
nhìn thấy – Càng nhiều quả vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì càng
chính xác. Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm
chí tán lá dầy có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không
định vị được. Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới nước
hoặc dưới đất.
Che khuất về
hình học – Điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh ở
thời điểm bất kì. Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các quả vệ tinh ở vị
trí tạo các góc rộng với nhau. Phân bố xấu xảy ra khi các quả vệ tinh ở
trên một đường
thẳng hoặc cụm thành nhóm.
Sự giảm có chủ
tâm tín hiệu vệ tinh – Là sự làm giảm tín hiệu cố ý do sự áp đặt của Bộ
Quốc phòng Mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ quân sự dùng tín hiệu GPS
chính xác cao. Chính phủ Mỹ đã ngừng việc này từ tháng 5 năm 2000, làm
tăng đáng kể độ chính xác của máy thu GPS dân sự. (Tuy nhiên biện pháp
này hoàn toàn có thể được sử dụng lại trong những điều kiện cụ thể để
đảm bảo gậy ông không đập lưng ông. Chính điều này là tiềm ẩn hạn chế an
toàn cho dẫn đường và định vị dân sự.)
If you forward this email please delete the forwarding history, which includes my email address. Deleting the history helps prevent spammers from mining addresses and sending out viruses. Thanks
No comments:
Post a Comment