Phần 1: Tóm tắt
Những phương pháp dẫn đường
Phần 2: Những hệ thống dẫn đường
vô tuyến trước GPS
Phần 3: Lý do chế tạo hệ thống
định vị toàn cầu và tóm lược
lịch sử chế tạo GPS
Phần 1: Tóm tắt
Những phương pháp dẫn đường
Phần 2: Những hệ thống dẫn đường vô tuyến trước
GPS
Phần 3: Lý do chế tạo hệ thống định vị toàn cầu
và tóm lược lịch sử chế tạo GPS
Phần 4: Khái quát hệ thống vệ tinh dẫn đường
toàn cầu GNSS
Phần 5: Nguyên lý cơ bản hệ thống vệ tinh dẫn
đường toàn cầu GNSS
Phần 6: Nguyên lý đo vị trí bằng GNSS
Phần 7: Sai số và những phương pháp nâng cao độ
chính xác
Phần 8: Hướng tương lai và nhu cầu sử dụng GNSS
Phần 9: Ứng dụng của GNSS
Phần 10: Tình hình ứng dụng GNSS ở Việt Nam
Phần 11 Phần cuối
Kết luận
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
Phụ lục 1 Một số thuật ngữ
Phụ lục 2 Tiểu sử TS Ivan Getting và TS Bradford
Parkinson
Phần 1:
Tóm tắt:
1. Những phương pháp dẫn đường
1.1 Dẫn đường là gì? Sơ lược lịch sử xác định vị
trí
1.2 Những phương pháp dẫn đường
1.2.1 Dẫn đường bằng mục tiêu (Pilotage):
1.2.2 Dẫn đường dự đoán (Dead reckoning):
1.2.3 Dẫn đường thiên văn học (Celestial
navigation):
1.2.4 Dẫn đường vô tuyến điện (Radio
navigation):
1.2.5 Dẫn đường quán tính (Inertial navigation):
Phần 1
Tóm tắt
Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô tô
bóng láng, trên xe ô tô có trang bị thiết bị dẫn
đường GPS (GPS navigator) chúng ta có thể nhìn
thấy vị trí hay tọa độ của xe mình hiện trên màn
hình có bản đồ điện tử trong hệ thống đường xá
phức tạp. Vậy thiết bị dẫn đường GPS trên xe ô
tô có nguyên lý hoạt động như thế nào?
Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý hoạt
động của Hệ thống định vị toàn cầu (Global
Positioning System, viết tắt là GPS) hoặc tên
gọi mới ưa dùng hơn Hệ thống vệ tinh dẫn đường
toàn cầu
(Global
Navigation Satellite Systems,
viết tắt là GNSS). Hệ thống vệ tinh dẫn đường
toàn cầu bao gồm ba hệ thống vệ tinh dẫn đường
như sau: GPS do Mĩ chế tạo và hoạt động từ năm
1994, GLONASS (GLobal Orbiting
Navigation Satellite System)
do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ
thống GALILEO do Liên hiệp Âu Châu (EU) chế tạo
và sẽ được đưa vào sử dụng trong tương lai không
xa vào khoảng năm 2008. Nguyên lý hoạt động
chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ
bản giống nhau. Trong bài viết này, người viết
sẽ trình bày sơ lược về lịch sử ra đời của hệ
thống GPS, nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
và tình hình thực tại của những hệ thống GNSS
cũng như những ứng dụng trong tương lai.
Hình 1 Một loại máy dẫn đường
GPS trên xe hơi (Vision Engineer, 2005)
Hình 2 Máy dẫn đường GPS trên xe
taxi ở Nhật (Wikipedia, 2006)
Hình 3 Máy dẫn đường vệ tinh
Garmin StreetPilot 2620 (Garmin, 2005)
1. Những phương pháp
dẫn đường
1.1 Dẫn đường là gì?
Sơ lược lịch sử xác định vị trí
Lịch sử
dẫn đường và xác định vị trí tàu gắn liền với
lịch sử dẫn thuyền thám hiểm trên biển trong
nhiều thập kỉ trước khi các phương tiện bay trên
không như máy bay và vũ trụ ra đời.
Từ thời
tiền sử, con người đã tìm cách để xác định xem
mình đang ở đâu và đi đến một đích nào đó và trở
về bằng cách nào. Những hiểu biết về vị trí
thường mang tính sống còn và có sức mạnh kinh tế
trong xã hội. Con người thời săn bắn kiếm thức
ăn thường đánh dấu lối đi của mình để có thể trở
về hang động nơi ở của mình. Sau đó họ làm ra
bản đồ, và phát triển thành hệ thống mạng vĩ
tuyến (vị trí trên trái đất đo từ đường xích đạo
về phía cực bắc và phía cực nam) và kinh tuyến
(vị trí trên trái đất đo từ đường kinh tuyến gốc
sang phía đông hoặc sang phía tây). Đường kinh
tuyến gốc sử dụng trên thế giới là đường kinh
tuyến đi qua Đài quan sát Hoàng gia (Royal
Observatory) ở Greenwich, Anh Quốc.
Khi con
người di chuyển từ vùng này đến vùng khác bằng
thuyền chạy trên biển, những người đi biển thuở
ban đầu đi dọc theo bờ biển để tránh bị lạc. Sau
đó họ biết cách ghi hướng đi của họ theo các vì
sao trên trời họ sẽ đi ra biển xa hơn. Những
người Phoenicians cổ đại đã sử dụng Sao Bắc Cực
(North Polar) dẫn đường để thực hiện chuyến đi
từ Egypt và Crete. Theo Homer, nữ thần Athena đã
nói với Odysseus khi điều khiển con tàu Navis
trong chuyến đi từ Đảo Calypso rằng “hãy để chòm
sao Đại Hùng phía bên trái mạn thuyền”. Thật
không may, những vì sao chỉ có thể nhìn được vào
ban đêm và khi có thời tiết đẹp trời trong sáng.
Con người cũng đã biết dùng những ngọn đèn biển
- những ngọn hải đăng (lighthouses) – lấy ánh
sáng để dẫn đường, giúp những người đi biển vào
ban đêm và cảnh báo nguy hiểm.
Tiếp
theo, trong lịch sử ngành hàng hải (marine
navigation) người ta sử dụng la bàn từ (magnetic
compass) và sextant. Kim la bàn luôn chỉ hướng
cực bắc, và cho chúng ta biết “hướng mũi tàu”
(heading) chúng ta đang đi. Bản đồ của người đi
biển thời kì thám hiểm thường vẽ hướng đi giữa
các cảng chính và những nhà hàng hải giữ khư khư
những bản đồ đó cho riêng mình.
Sextant
sử dụng những chiếc gương có thể điều chỉnh được
đo góc độ chính xác của các vì sao, mặt trăng và
mặt trời trên đường chân trời. Từ những góc đo
này và sử dụng cuốn sách Lịch thiên văn hàng hải
(The Nautical Almanac) chứa đựng các thông tin
vị trí của mặt trời, mặt trăng và các ngôi sao
người ta có thể xác định được vĩ độ trong thời
tiết đẹp, vào cả ban ngày lẫn ban đêm. Tuy nhiên
những người đi biển không thể xác định được kinh
độ. Ngày nay nếu nhìn vào những tấm hải đồ rất
cũ, chúng ta đôi khi có thể thấy vĩ độ của bờ
biển rất chính xác nhưng kinh độ có khi sai lệch
đến hàng trăm hải lý. Đây là một vấn đề rất
nghiêm trọng trong thế kỷ thứ 17 mà chính phủ
Anh Quốc đã phải thành lập lên một Ban đặc biệt
xác định kinh độ. Ban này đã tập hợp nhiều nhà
khoa học nổi tiếng để tìm cách tính kinh độ. Ban
này đưa ra phần thưởng 20.000 bảng Anh, tương
đương với số tiến ngày nay khoảng 32.000 đô la
Mỹ, nhưng thời đó món tiền này có lẽ có giá trị
hơn rất nhiều, cho những người nào có thể tìm
được cách xác định kinh độ với sai số trong vòng
30 hải lý.
Phần
thưởng đã mang lại thành công. Câu trả lời là
phải biết được chính xác thời gian khi đo độ cao
bằng sextant. Ví dụ, theo Lịch thiên văn
Greenwich dự đoán rằng mặt trời lên cao nhất
(vào thiên đỉnh người quan sát) vào lúc chính
ngọ (buổi trưa), tức là 12 giờ trưa. Nếu có một
đồng hồ trên tàu, khi rời cảng (nước Anh), làm
đồng bộ thời gian của đồng hồ này với thời gian
Greenwich. Tàu chạy về phía tây. Ví dụ, lúc 2
giờ chiều trong ngày, khi sử dụng sextant đo độ
cao của mặt trời thì lúc đó vị trí mặt trời sẽ
tương đương với thời gian 2 giờ phía tây của
Greenwich. Như chúng ta đã biết, ngày nay lấy
kinh tuyến gốc là Greenwich, kinh độ được tính
180 độ theo phía đông, và 180 độ theo phía tây
tương ứng với 12 múi giờ phía đông và 12 múi giờ
phía tây. Biết được giờ đo chúng ta sẽ tính được
kinh độ.
Vào năm
1761, một người thợ đồ gỗ mỹ thuật tên là John
Harrison (1639-1776)
đã phát minh một đồng hồ dùng trên tàu
có tên gọi là Thời kế (chronometer), có sai số 1
giây trong một ngày. Vào thời gian đó một Thời
kế đo thời gian có độ chính xác như thế là một
điều không thể ngờ được! Trong hai thế kỉ tiếp
theo, sextants và thời kế đã được sử dụng kết
hợp với nhau để xác định vị trí của tàu biển (vĩ
độ và kinh độ).
Đầu thế
kỉ 20, người ta đã phát minh ra một số hệ thống
dẫn đường vô tuyến điện (radio-based navigation
systems) và sử dụng rộng rãi trong Chiến tranh
thế giới thứ 2. Các tàu chiến và máy bay quân sự
của quân đồng minh và phát xít đã sử dụng những
hệ thống dẫn đường vô tuyến điện trên mặt đất,
những công nghệ tiên tiến nhất thời đó.
Một số
hệ thống dẫn đường vô tuyến trên mặt đất vẫn còn
đến ngày nay. Một hạn chế của phương pháp sử
dụng sóng vô tuyến điện được phát trên mặt đất
là chỉ có hai lựa chọn: 1) hệ thống rất chính
xác nhưng không bao phủ được vùng rộng lớn, 2)
hệ thống bao phủ được một vùng rộng lớn nhưng
lại không chính xác. Sóng vô tuyến tần số cao
(như sóng TV vệ tinh) có thể cung cấp vị trí
chính xác nhưng chỉ có thể bao phủ vùng nhỏ hẹp.
Sóng vô tuyến tần số thấp (như sóng đài FM,
frequency modulation, sóng điều tần) có thể bao
phủ được vùng rộng lớn hơn nhưng lại không cho
chúng ta vị trí chính xác.
Chính vì
vậy những nhà khoa học đã nghĩ rằng cách duy
nhất bao phủ sóng chính xác trên toàn thế giới
là đặc những trạm phát sóng vô tuyến điện cao
tần đặt trong không gian và phát sóng xuống trái
đất. Một trạm phát sóng vô tuyến điện nằm ở phía
trên không gian của trái đất có thể phát sóng vô
tuyến điện cao tần bằng tín hiệu được mã hóa đặc
biệt có thể bao phủ được khu vực rộng lớn và vẫn
tới được trái đất cách xa ở phía dưới với một
mức năng lượng hữu ích cho phép tái tạo lại
thông tin thì sẽ có thể xác định được vị trí.
Đây là ý tưởng ban đầu của hệ thống định vị toàn
cầu (GPS). Ý tưởng này đã đúc kết lại 2,000 năm
sự tiến bộ trong khoa học dẫn đuờng bằng cách
tạo ra “những hải đăng trong vũ trụ”
(space-based lighthouses) làm đồng bộ được với
thời gian tiêu chuẩn có thể dùng để xác định vị
trí chính xác.
Hệ thống
định vị toàn cầu (GPS) có thể cho chúng ta biết
vị trí ở bất kỳ nơi nào ở trên bề mặt trái đất
với sai số trong khoảng 20 tới 30 feet, tức
khoảng 6-9 mét, trong mọi điều kiện thời tiết và
liên tục 24 giờ trong ngày. Với máy thu có độ
chính xác cao hơn thu tín hiệu “hiệu chỉnh vi
phân” bằng máy thu GPS đặc biệt đặt ở vị trí cố
định đã biết, chúng ta có thể thu được vị trí
với sai số có thể giảm xuống phạm vi nhỏ hơn 3
feet (1 mét).
1.2
Những phương pháp dẫn đường
Từ thuở
bình minh của loài người cho đến bây giờ, việc
dẫn dắt xác định vị trí tầu trên biển và các
phương tiện giao thông dựa vào những phương pháp
gì? Các phương pháp dẫn đường có thể được tóm
tắt như sau:
1.2.1
Dẫn đường bằng mục tiêu (Pilotage):
Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là phương
pháp dẫn đường và xác định vị trí phương tiện
giao thông bằng những mục tiêu nhìn thấy. Những
mục tiêu nhìn thấy có thể là đỉnh ngọn núi, hải
đăng, chập tiêu v.v… Phương pháp dẫn đường bằng
mục tiêu là phương pháp cổ xưa và đơn giản nhất.
1.2.2
Dẫn đường dự đoán (Dead reckoning):
Phương pháp dẫn đường dự đoán là phương pháp dẫn
đường dựa vào vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ
di chuyển và hướng di chuyển để dự đoán vị trí
của phương tiện. Phương pháp này nếu không có
ảnh hưởng của ngoại cảnh như dòng chảy, gió và
sóng thì cho độ chính xác cao.
1.2.3
Dẫn đường thiên văn học (Celestial navigation):
Phương pháp dẫn đường thiên văn học là dựa vào
việc quan sát các thiên thể đã biết trên bầu
trời như mặt trời, mặt trăng và các vì sao, sử
dụng sextant để đo độ ca và góc độ giữa các
thiên thể, dùng đồng hồ (thời kế) để đo thời
gian và dùng lịch thiên văn để tính toán vị trí
của tàu. Phương pháp dẫn đường thiên văn học là
phương pháp được sử dụng nhiều trong ngành hàng
hải.
 |
|
Hình 2 Thời kế (Chronometer) |
 |
|
Hình 3 La bàn đi biển (marine
compass) |
Sextant
Hình 4 Lịch thiên văn hàng
hải (Nautical Almanac)
1.2.4
Dẫn đường vô tuyến điện (Radio navigation):
Phương pháp dẫn đường vô tuyến điện là phương
pháp sử dụng thiết bị phát sóng vô tuyến điện từ
một trạm phát cố định có vị trí đã biết, tại
điểm thu sóng máy thu sẽ tính toán thời gian,
khoảng cách và kết quả thu được vị trí máy thu
sóng vô tuyến điện. Phương pháp sử dụng GPS/GNSS
cũng được coi là phương pháp vô tuyến điện, các
vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu được coi là
các trạm phát vô tuyến điện, hay nói chính xác
hơn ‘các trạm phát vô tuyến điện ở trong vũ trụ’
(space-based radio wave transmitters).
1.2.5
Dẫn đường quán tính (Inertial navigation):
Phương pháp dẫn đường quán tính dựa trên hiểu
biết vị trí, vận tốc và động thái ban đầu của
phương tiện, từ đó đo tốc độ động thái và gia
tốc rồi dùng phương pháp tích phân để tính toán
ra vị trí của phương tiện. Đây là phương pháp
dẫn đường duy nhất không dựa vào nguồn tham khảo
bên ngoài. Nếu phương pháp dẫn đường vô tuyến
chịu ảnh hưởng của sóng vô tuyến điện và không
sử dụng được trong những khu vực không có sóng
thì phương pháp dẫn đường quán tính có thể khắc
phục được.
(Xem
tiếp Phần 2: Những hệ thống dẫn đường vô tuyến
trước GPS)
Những bài
liên quan:
Hệ thống Thông tin Định vị Toàn cầu bằng vệ
tinh
Những sự kiện đáng chú ý trong năm 2005
Lịch sử la bànn
©
http://vietsciences.free.fr
và http://vietsciences.net Nguyễn
Đức Hùng