3. Khái
quát hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS)
Các hệ
thống định vị toàn cầu:
Hiện nay trên thế giới có ba hệ thống vệ tinh dẫn
đường. GPS và GLONASS đang hoạt động, GALILEO theo
kế hoặch sẽ hoàn thành vào năm 2008. Cả ba hê thống
định vị toàn cầu ngày nay được gọi tên chung là
Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS,
Global Navigation Satellite System). Phần này sẽ tóm
lược một số thông tin về ba hệ thống vệ tinh nhân
tạo: GPS, GLONASS và GALILEO.
3.1 GPS:
Tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ
hệ thống định vị toàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết
kế và điều hành. Bộ Quốc phòng Mỹ thường gọi GPS là
NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing
and Ranging Global Positioning
System). Mọi người đều có thể sử dụng GPS miễn phí.
Vệ tinh đầu tiên của GPS được phóng vào tháng 2 năm
1978, vệ tinh gần đây nhất là vệ tinh GPS IIR-M1
được phóng vào tháng 12 năm 2005 (Wikipedia, 2006).
GPS bao gồm 24 vệ tinh (tính đến năm 1994), đã được
bổ sung thành 28 vệ tinh (vào năm 2000), chuyển động
trong 6 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 55 độ so với mặt
phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính
26.560 km (Yasuda, 2001). Hay nói cách khác độ cao
trung bình của vệ tinh GPS so với mặt đất vào khoảng
20.200 km (Wikipedia, 2006).
3.2
GLONASS:
Hệ thống
GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite
System, Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu,
tiếng Nga ГЛОНАСС: ГЛОбальная
НАвигационная Спутниковая Система; Global'naya
Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)
do Liên bang Sô viết (cũ) thiết kế và điều hành.
Ngày nay hệ thống GLONASS vẫn được Cộng hoà Nga tiếp
tục duy trì hoạt động. Hệ thống GLONASS bao gồm 30
vệ tinh chuyển động trong ba mặt phẳng quỹ đạo
(nghiêng 64.8 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung
quanh trái đất với bán kính 25.510 km (Yasuda,
2001).
3.3
GALILEO:
Cả hai hệ
thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho mục đích
quân sự. Đối với những người sử dụng dân sự có thể
có sai số lớn nều như cơ quan điều hành GPS và
GLONASS kích hoạt bộ phận gây sai số chủ định, ví dụ
như SA của GPS. Do vậy Liên hợp Âu Châu (EU) đã lên
kế hoạch thiết kế và điều hành một hệ thống định vị
vệ tinh mới mang tên GALILEO, mang tên nhà thiên văn
học GALILEO, với mục đích sử dụng dân sự. Việc
nghiên cứu dự án hệ thống GALILEO được bắt đầu triển
khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc gia Châu Âu
Pháp, Đức, Italia và Anh Quốc. Giai đoạn đầu triển
khai chương trình GALILEO bắt đầu năm 2003 và theo
dự kiến sẽ hoàn thành và đưa vào sử dụng trong năm
2010 (chậm hơn so với thời gian dự định ban đầu 2
năm) (Wikipedia, 2006). GALILEO được thiết kế gồm 30
vệ tinh chuyển động trong 3 mặt phẳng quỹ đạo
(nghiêng 56 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh
trái đất với bán kính 29.980 km (Yasuda, 2001).
Hình 5 Nhà thiên văn học Galileo
Galilei (1564-1642)
Bảng 3 So sánh một số
thông số kỹ thuật của ba hệ thống vệ tinh dẫn đường
toàn cầu
(Yasuda, 2001)
Hạng mục
|
GPS
|
GLONASS
|
GALILEO
|
Số vệ tinh |
28 (tính đến 2000) |
30 |
30 |
Số mặt phẳng quỹ đạo |
6MEO |
3MEO |
3MEO |
Độ nghiêng MPQĐ |
55o |
64.8o |
56o |
Bán kính quỹ đạo |
26.560 km |
25.510 km |
29.980 km |
Chu kỳ |
11 giờ 58 phút 2 giây |
11 giờ 15 phút 40 giây |
14 giờ 21 phút 36 giây |
Tần số sóng mang |
L1: 1575.42 MHz
L2: 1227.60 MHz
L5: 1176.45 MHz
|
G1: 1602 + Kx0.5625
MHz
G2: 1246 + Kx0.5625
MHz
K = –7~24
G2 = G1x7/9
|
E1: 1589.742 MHz
E2: 1561.098 MHz
E5: 1202.025 MHz
E6: 1278.75 MHz
C1: 5019.86 MHz |
Phương trình |
CDMA |
FDMA |
CDMA |
Dạng mã số |
?? |
Chuỗi M |
?? |
Độ dài mã số |
1023 bit
2.35x1014
|
511 bit
5110000
|
N/A |
Tốc độ mã số (C/AL1,
PL1,
L2) |
1.023 Mcps
10.23 Mcps
|
0.511 Mcps
5.11 Mcps
|
E1, E2: 2.046 Mcps
E5: 10.23/1.023 Mcps
E6: 20.46 Mcps |
Thời gian chuẩn |
UTC (USNO) |
UTC (Nga) |
UTC |
Sai số chủ định |
SA (đã bỏ 2000) |
Không có |
Không có |
Thông điệp dẫn đường
(navigation messages) |
Ephemeris |
Yếu tố quỹ đạo |
Vị trí, tốc độ và gia tốc
ba chiều |
- |
Almanac |
Yếu tố quỹ đạo |
Yếu tố quỹ đạo |
- |
Tốc độ truyền dữ liệu |
L1: BPSK: 50 bps
L2: BPSK: 25 bps
L5: QPSK: 50 bps
|
BPSK: 50 bps |
QBSK
E1, E2, C: 300 bps
E5: 330 bps
E6: 2500 bps |
Chu kỳ dữ liệu |
12 phút 30 giây |
2 phút 30 giây |
- |
Định dạng dữ liệu |
30 bit / từ |
100 bit / string |
- |
Dữ liệu hiệu chỉnh điện
từ |
Có |
Không có |
- |
4. Nguyên lý cơ bản của hệ
thống định vị toàn cầu
Về nguyên lý chung hoạt động
của ba hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu có thể
nói nôm na là giống nhau. Phần này sẽ trình bày khái
quá cơ cấu hoạt động và nguyên lý chung xác định vị
trí bằng hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu. Để
tiện cho việc theo dõi, người viết trình bày nguyên
lý hoạt động cho hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và
so sánh sơ bộ các thông số kỹ thuật cơ bản của ba
hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS). Độc
giả muốn tìm hiểu thêm về GLONASS và GALILEO xin xem
nguồn tham khảo ***.
The GPS consists of three
segments designated Space Segment (24 Artificial
Satellites or Space Vehicles, SV), Control Segments
(1 master control stations and 4 upload/monitor
stations) and User Segment. Figure 8 shows the
organisation of GPS.
4.1 Cơ cấu của hệ thống
định vị toàn cầu
Hệ thống định vị toàn cầu được
cấu tạo thành ba phần (phần không gian – space
segment, phần điều khiển – control segment và phần
người sử dụng – user segment).
Hình ** Sơ đồ liên quan giữa ba
phần của hệ thống định vị toàn cầu.
4.1.1 Phần không gian
(space segment)
Phần không gian của GPS bao
gồm 24 vệ tinh nhân tạo (được gọi là satellite
vehicle, tính đến thời điểm 1995). Quỹ đạo chuyển
động của vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất là quỹ
đạo tròn, 24 vệ tinh nhân tạo chuyển động trong 6
mặt phẳng quỹ đạo. Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS
nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ.
Hình 6 minh họa chuyển động của vệ tinh GPS xung
quanh trái đất.
Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu
tiên được phóng vào năm 1978, đến nay đã có bốn thế
hệ vệ tinh khác nhau. Thế hệ đầu tiên là vệ tinh
Block I, thế hệ thứ hai là Block II, thế hệ thứ ba
là Block IIA và thế hệ gần đây nhất là Block IIR.
Thế hệ cuối của vệ tinh Block IIR được gọi là Block
IIR-M. Những vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết
bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian
hoạt động lâu hơn. Vệ tinh thế hệ đầu Block I được
cho trong Hình 7. Vệ tinh đầu tiên của thế hệ mới
Block IIR-M1 (mới được phóng vào tháng 12 năm 2005)
được cho trong Hình 8.
Hình 6 Chuyển động vệ tinh
nhân tạo xung quanh trái đất
Hình 7a Vệ tinh NAVSTAR
Hình 7b
Vệ tinh NAVSTAR
http://www.deagel.com/pandora/index.aspx?p=pm00371005
Một số thông số vệ tinh thế hệ
GPS Block I:
Vệ tinh GPS chạy bằng năng
lượng mặt trời. Vệ tinh được trang bị pin mặt trời
để chạy cả khi không có năng lượng mặt trời. Mỗi vệ
tinh có bộ nâng đỡ loại tên lửa để duy trì vệ tinh
trong quỹ đạo chính xác. Mỗi vệ tinh được xây dựng
có thể tồn tại và hoạt động trong khoảng 10 năm.
Việc thay thế và phóng vệ tinh lên quỹ đạo được duy
trì thường xuyên. Một vệ tinh GPS nặng khoảng 2000
pounds (909 kg) và cao 17 feet (khoảng 5 mét) có
bảng nhận năng lượng mặt trời trải rộng. Năng lượng
phát sóng chỉ khoảng 50 watts hoặc nhỏ hơn.
Một số thông số vệ tinh
thế hệ GPS IIR-M1 (thế hệ mới)
Vệ tinh thế hệ mới nhất GPS
IIR-M1 có khối lượng 1132.75 kg. Vệ tinh GPS IIR-M1có
khả năng thực hiện tín hiệu quân sự mới (M-code trên
L1M và L2M) và tín hiệu dân dụng thứ 2 (L2C). Vệ
tinh GPS IIR-M1 trị giá 75 triệu đô la Mỹ đã được
phóng thành công vào 3:36 sáng ngày 26/9/2005. Ảnh
vệ tinh GPS IIR-M1 cho trong Hình 8.
Hình 8 GPS
IIR-M1 launched in Sep 2005
(http://www.mobilemag.com/content/100/313/C4741/)
4.1.2
Phần điều khiển (control segment):
Phần điều khiển là để duy trì
hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu
chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS.
Phần điều khiển có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ như
sau:
Hình 9 Các trạm điều khiển và
kiểm tra
·
Giám sát và điều khiển
hệ thống vệ tinh liên tục
·
Quy định thời gian hệ
thống GPS
·
Dự đoán dữ liệu lịch
thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh
·
Cập nhật định kỳ thông
tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể.
Có một trạm điều khiển chính
(Master Control Station) ở Colorado Springs bang
Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor
stations) và ba trạm ăng ten mặt đất dùng để cung
cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS. Bản đồ trong hình 9
minh họa vị trí các trạm điều khiển hệ thống GPS.
Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang
Florida, Mỹ) và một mạng quân sự phụ (NIMA) được sử
dụng để đánh giá đặt tính và dữ liệu thời gian thực.
4.1.3 Phần người sử dụng
(user segment) và máy thu vệ tinh
Phần người sử dụng là khu vực
có phủ sóng mà người sử dụng dùng ăng ten và máy thu
thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí,
thời gian và vận tốc di chuyển. Để có thể thu được
vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và máy
thu GPS (GPS receivers). Nguyên lý thu ở phần người
sử dụng được minh họa trong Hình 10 và 11.
GPS/GNSS Receivers:
In order to get position,
velocity and time information, we need GPS
receivers. Figure 10 shows a generic GPS receiver.
Functions of each part are as follows (Rizos, C.,
1999).
|