Lịch sử hệ thống định vị toàn cầu

Vietsciences- Nguyễn Đức Hùng         20/03/2006
 

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

 

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 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).

 

 

           © http://vietsciences.free.fr  http://vietsciences.net  Nguyễn Đức Hùng