Hệ
Thống GPS GPS (Global Positioning System) hay còn được gọi là NAVSTAR
(NAVigation Satellite Timing And Ranging) là hệ thống dẫn đường vệ tinh
dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thời gian cho các máy
thu GPS ở khắp mọi nơi trên trái đất, trong mọi thời điểm và mọi điều
kiện thời tiết.
Hệ thống
thiết bị định vị
GPS có thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài centimet.
Tất nhiên với độ chính xác càng cao thì cấu tạo của máy thu tín hiệu
thiết bị định vị GPS càng phức tạp và giá thành càng cao.
Hệ thống được phát triển bởi chính phủ Mỹ, quản lý bởi Không Lực Mỹ (
U.S Air Force) và giám sát bởi ủy ban Định vị - Dẫn đường Bộ Quốc phòng
Mỹ
Các thành phần của hệ thống
thiết bị định vị GPS
Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần: Trạm không gian (Space Segment),
trung tâm điều khiển (Control Segment) và máy thu tín hiệu GPS (User
Segment).
Trạm không gian: Trạm không
gian bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo liên tục phát tín hiệu quảng bá khắp
toàn cầu và được ví như trái tim của toàn hệ thống. Các vệ tinh được cấp
nguồn hoạt động bởi các tấm pin mặt trời và được thiết kế để hoạt động
trong vòng gần 8 năm. Nếu các tấm pin mặt trời bị hỏng thì vệ tinh sẽ
hoạt động nhờ các ắc quy dự phòng được gắn sẵn trên vệ tinh. Ngoài ra
trên vệ tinh còn có một hệ thống tên lửa nhỏ để hiệu chỉnh quỹ đạo bay
của vệ tinh. Mỹ đã phóng vệ tinh GPS đầu tiên vào những năm 1978 và tiếp
tục hoàn thiện việc phóng 24 vệ tinh lên quỹ đạo vào năm 1994
Trung tâm điều khiển:
Gồm có 4 trạm thu tín hiệu phát đi từ vệ tinh (Monitor Station) và một
trạm chủ (Master Control) để phát tín hiệu lên vệ tinh. Bốn trạm thu
được đặt ở các địa điểm khác nhau trên khắp thế giới: Một được đặt tại
đảo Hawaii, một trên đảo Kwajalein (Thái Bình Dương); một được đặt trên
đảo Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và một trạm được đặt ở đảo Ascension (Đại
Tây Dương).
Trạm chủ được đặt tại trại Falcon của Không Lực Hoa Kỳ
tại Bang Colorado. Bốn trạm thu tín hiệu có nhiệm vụ thu tín hiệu chứa
thông tin về quỹ đạo và thời gian từ vệ tinh gửi về sau đó gửi nhưng
thông tin này cho trạm chủ. Trạm chủ sẽ hiệu chỉnh những thông tin nhận
được và gửi lại những thông tin đã được hiệu chỉnh lên vệ tinh để điều
chỉnh quỹ đạo bay và đồng bộ thời gian cho các vệ tinh cùng với thông
tin về sự suy hao đường truyền
Máy thu GPS:
Đây là thành phần cuối cùng trong hệ thống GPS. Vì tín hiệu từ vệ tinh
GPS được phát quảng bá trên toàn bộ trái đất nên số lượng máy thu GPS là
không giới hạn. Máy thu GPS sẽ thu các tín hiệu mang thông tin về cự
ly, thời gian, trễ truyền sóng được phát xuống từ 4 vệ tinh để xác định
vị trí cũng như tốc độ của mình
Quỹ đạo vệ tinh GPS: Hệ thống
thiết bị định vị GPS
bao gồm 24 vệ tinh địa tĩnh, trong đó có 03 vệ tinh dành cho dự phòng,
trong tương lai Mỹ sẽ tiếp tục phóng thêm 04 vệ tinh GPS nữa lên quỹ đạo
để bảo đảm dự phòng 1:3 cho toàn bộ hệ thống. Vệ tinh GPS bay theo sáu
quỹ đạo, mỗi quỹ đạo có 04 vệ tinh, mặt phẳng quỹ đạo bay nghiêng 55o so
với mặt phẳng xích đạo trái đất và các góc xuân phân của quỹ đạo lệch
nhau số lần nguyên của 60o. Vệ tinh GPS bay quanh trái đất với quỹ đạo
tròn, có tâm trùng với tâm của trái đất với bán kính 26.500km và quay
hết một vòng quanh trái đất trong nửa ngày thiên văn (tương đương 11,96
giờ).
Tất cả các vệ tinh GPS thế hệ I (Block I) bắt đầu được phóng
lên quỹ đạo từ những năm 1978 đến nay không còn hoạt động nữa. Đến năm
1985 Mỹ bắt đầu phóng vệ tinh GPS thế hệ II (Block II) bằng phi thuyền
con thoi và tên lửa đẩy Delta II. Các thông số chính của vệ tinh thế hệ
thứ II như sau:
- Khối lượng trên quỹ đạo: 930Kg.
- Đường kính: 5,1m.
- Tốc độ bay: 4km/s.
- Tần số sóng mang “đường xuống” băng L1: 1575,42MHz; băng L2: 1227,6MHz.
- Tần số sóng mang “đường lên” 1783,74MHz.
- Đồng hồ: 02 đồng hồ nguyên tử Cesium; 02 đồng hồ nguyên tử Rubidium.
- Thời gian hoạt động trên quỹ đạo: 7÷8 năm.
Về lý thuyết một máy thu GPS tại bất cứ một địa điểm nào trên trái đất
và trong mọi điều kiện thời tiết đều có thể “nhìn thấy” ít nhất 3 vệ
tinh GPS và khi phát hiện được vệ tinh thứ tư là hoàn toàn có thể xác
định được vị trí của mình nhờ các phép đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy
thu
Tín hiệu GPS: Mỗi vệ tinh GPS thế
hệ II đều có mang theo hai loại đồng hồ nguyên tử để đưa thông tin thời
gian vào trong tín hiệu phát. Vệ tinh GPS sử dụng tín hiệu đường xuống
băng L và được chia thành hai băng con đó là L1 và L2 với tần số sóng
mang tương ứng là f1=1575,42MHz và f2=1227,6MHz. Với tần số cơ sở
f0=1,023MHz, người ta tạo ra các tần số sóng mang bằng các bộ nhân tần:
f1=1540f0; f2=1200f0.
Tín hiệu L1 từ mỗi vệ tinh sử dụng khoá dịch
pha nhị phân (BPSK - Binary Phase Shift Keying) được điều chế bởi hai mã
giải tạp ngẫu nhiên PRN. Thành phần đồng pha được gọi là “mã kém” hay
mã C/A (Coarse/Acquistion Code) được dùng cho mục đích dân sự. Thành
phần trực pha (dịch pha 90o) được gọi là “mã chính xác” hay mã P
(Precision Code) được sử dụng trong quân đội Mỹ và các nước đồng minh
với Mỹ. Tín hiệu băng L2 cũng là tín hiệu BPSK được điều chế bằng mã P.
Khi biết mã giả tạp ngẫu nhiên PRN, chúng ta có thể độc lập truy nhập
đến những tín hiệu từ nhiều vệ tinh GPS trong cùng một tần số sóng mang.
Tín hiệu được truyền bởi mỗi về tinh GPS sẽ được tách ở mỗi máy thu
bằng cách tạo mã PRN tương ứng. Sau đó ghép hoặc tương quan hoá mã PRN
này với tín hiệu thu được từ vệ tinh, chúng ta sẽ có được thông tin dẫn
đường. Tất cả các mã PRN đều đã được biết từ trước, nó được tạo hoặc lưu
trong máy thu GPS
Độ chính xác của hệ thống:
Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã sử dụng rào chắn SA (Selective
Availability) nhằm làm giảm độ chính xác của những người sử dụng máy thu
GPS phi quân sự. Đây là rào chắn được xây dựng bằng sự kết hợp của các
phương thức điều chế, các cấu hình khác nhau và chia GPS thành 3 cấp
dịch vụ với độ chính xác khác nhau: dịch vụ định vị chính xác (PPS -
Precise Positioning Service), dịch vụ định vị chuẩn không rào chắn( SPS
without SA - Standard Positioning Service without SA) và dịch vụ định vị
chuẩn có rào chắn (SPS with SA).
PPS là dịch vụ có độ chính xác cao
nhất. Dịch vụ này chỉ được cung cấp cho quân đội Mỹ và quân đội các
nước đồng minh thân cận của Mỹ. Dịch vụ này có khả năng truy nhập mã P
và được dỡ bỏ tất cả các rào chắn SA. Các dịch vụ định vị chuẩn SPS có
độ chính xác thấp hơn và chỉ truy nhập tới mã C/A ở băng tần L1
.
GPS vi phân
GPS vi phân (DGPS - Differential GPS) là một kỹ thuật nhằm giảm sai lỗi
trong khi định vị bằng cách thu thêm tín hiệu được phát ra từ một trạm
chuẩn đặt ở một vị trí biết trước. Khi trạm chuẩn thu được tín hiệu từ
vệ tinh, nó sẽ tự động tính toán vị trí và thời gian theo tín hiệu vệ
tinh. Vị trí và thời gian này được so sánh với vị trí và thời gian thực,
từ đó biết được sai lệch do môi trường truyền sóng và sai lệch do hiệu
ứng rào chắn SA. Sau đó, sai lệch này được chuyển thành thông tin hiệu
chỉnh đưa đến máy thu này với độ chính xác cao hơn GPS thông thường.
Có hai loại GPS vi phân: GPS cục bộ (LADGPS - Local Area Differential
GPS) và GPS diện rộng (WADGPS - Wide Area Differential GPS).
GPS cục
bộ là GPS vi phân có máy thu GPS nhận thông tin hiệu chỉnh tựa cự ly và
pha sóng mang từ một trạm chuẩn được đặt trong tầm nhìn thẳng. Chính vì
đặc điểm hạn chế này nên máy thu GPS chỉ có thể thu tín hiệu khi ở
trong khu vực gần trạm chuẩn, do đó phương thức này có tên gọi là GPS
cục bộ. Thông tin hiệu chỉnh bao gồm: hiệu chỉnh quỹ đạo thu được từ vệ
tinh, lỗi đồng hồ (có kể thêm hiệu ứng rào chắn SA) và trễ truyền sóng.
GPS diện rộng sử dụng một mạng lưới các trạm chuẩn được phân bố ở một
vùng rộng lớn. Nhờ hệ thống này người ta có thể xác định riêng rẽ từng
lỗi như: lỗi đồng hồ, trễ truyền sóng, lỗi quỹ đạo. Những thông này sẽ
được tính toán và gửi đến cho máy thu GPS thông qua các vệ tinh viễn
thông hay mạng thông tin di động mặt đất.
Các thông tin được vệ tinh gửi đi:
Thông tin trong bản tin dẫn đường
Bản tin dẫn đường (Navigation Message) tách từ dòng dữ liệu tốc độ
50bps được phát xuống từ vệ tinh GPS mang các thông tin cơ bản như sau:
* Lịch thư (Satellite Almanac Data):
Dữ liệu này chứa thông tin về quỹ đạo tương đối của tất cả 4 vệ tinh.
Mỗi lịch thư có giá trị trong bốn tháng và sẽ được hiệu chỉnh bốn tháng
một lần bởi trạm chủ đặt tại Hoa Kỳ. Máy thu GPS sẽ thu và lưu lại tín
hiệu này. Sau đó mang ra sử dụng để dò tìm vệ tinh khi bắt đầu bật máy
thu bởi nó có thể cho ta biết khu vực vệ tinh đang bay.
* Lịch sao (Satellite Ephemeris Data):
Đây là dữ liệu chính xác về vị trí của vệ tinh để máy thu có thể đo
chính xác khoảng cách đến vệ tinh nhằm phục vụ cho tính toán dẫn đường.
Mỗi vệ tinh chỉ phát lịch sao của chính nó.
* Dữ liệu thời gian (Satellite Timing Data):
Dữ liệu này được sử dụng để tính thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh
này đến máy thu và từ đó có thể xác định cự ly bằng phép nhân thời gian
truyền với tốc độ lan truyền sóng điện từ ( c 3.108 km/s). Vì khoảng
cách này khi đo sẽ có sai số nên được gọi là tựa cự ly.
* Trễ truyền sóng tầng điện ly (Inospheric Delay Data):
Dữ liệu này mang thông tin được tính toán ước lệ về trễ truyền sóng tín
hiệu từ vệ tinh khi đi qua tầng điện ly. Đây là tầng khí quyển có trễ
truyền sóng cao nhất.
* Trạng thái vệ tinh (Satellite Health Message):
Bản tin dẫn đường còn chứa thông tin về trạng thái của vệ tinh khi đang
truyền tin. Nếu vệ tinh hoạt động sai quy cách thì máy thu sẽ nhận được
thông báo “vệ tinh đang ốm” để từ đó máy thu loại bỏ tất cả các thông
tin phát xuống từ vệ tinh này
Nguyên lý định vị GPS:
Dựa trên cơ sở hình học, nếu ta biết được khoảng cách và toạ độ của ít
nhất 4 điểm đến 1 điểm bất kỳ thì vị trí của điểm đó có thể xác định
được một cách chính xác. Giả sử rằng khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh
thứ nhất là d1, điều ấy có nghĩa là máy thu nằm ở đâu đó trên mặt cầu có
tâm là vệ tinh thứ nhất và bán kính mặt cầu đó là d1. Tương tự nếu ta
biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 2 là d2 thì vị trí máy thu
được xác định nằm trên đường tròn giao tiếp của hai mặt cầu. Nếu biết
được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 3 thì ta có thể xác định
được vị trí máy thu là một trong hai giao điểm của của đường tròn trên
với mặt cầu thứ 3. Trong hai giao điểm đó có một giao điểm được loại bỏ
bằng phương pháp nội suy. Tuy nhiên nếu ta lại biết được khoảng cách từ
máy thu đến một vệ tinh thứ 4 thì ta có thể hoàn toàn xác định chính xác
vị trí của máy thu.
Để xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh ta sử dụng công thức sau:
d=V.Δt
Trong đó V: Là vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng.
Δt: Là thời gian sóng điện từ đi từ máy phát đến máy thu.
Tuy nhiên qua cách tính trên ta mới xác định được vị trí của máy thu
trong không gian, để biết được vị trí của máy thu so với mặt đất chúng
ta cần phải sử dụng các thông tin khác.
Các vệ tinh GPS được đặt
trên quỹ đạo rất chính xác và bay quanh trái đất một vòng trong 11giờ 58
phút nghĩa là các vệ tinh GPS bay qua các trạm kiểm soát 2 lần trong
một ngày. Các trạm kiểm soát được trang bị các thiết bị để tính toán
chính xác tốc độ, vị trí, độ cao của các vệ tinh và truyền trở lại vệ
tinh các thông tin đó. Khi một vệ tinh đi qua trạm kiểm soát thì bất kỳ
sự thay đổi nào trên quỹ đạo cũng có thể xác định được. Những nguyên
nhân đó chính là sức hút của mặt trời, mặt trăng, áp suất bức xạ mặt
trời...vv. Vệ tinh sẽ truyền các thông tin về vị trí của nó đối với tâm
trái đất đến các máy thu GPS (cùng với các tín hiệu về thời gian). Các
máy thu GPS sẽ sử dụng các thông tin này vào trong tính toán để xác định
vị trí, toạ độ của nó theo các kinh độ và vĩ độ của trái đất. Mô hình
toán học của trái đất được dùng trong hệ thống GPS được gọi là hệ trắc
địa toàn cầu WGS-84 (World Geodetic System 1984
Xác định khoảng cách giả để định vị:
Định nghĩa khoảng cách giả:
Khoảng cách giả là khoảng cách đo được từ máy thu GPS đến vệ tinh
thường được tính bằng mét. Trong phần nay ta nên hiểu khoảng cách giả
(tựa cự ly) đồng nghĩa với thời gian, bởi vì thời gian cần thiết để sóng
điện từ lan truyền từ vệ tinh đến máy thu đồng nghĩa với khoảng cách
được tính theo công thức: d=V.Δt. Vấn đề ở đây là phải tính được thời
gian lan truyền chính xác.
Thuật ngữ “tựa cự ly” được sử dụng bởi vì
phép đo khoảng cách có sai số. Để thời gian được xác định chính xác
giữa hai vị trí thì các đồng hồ phải được đồng bộ với nhau. Các đồng hồ
giữa các vệ tinh được đồng bộ nên khoảng cách giữa chúng là khoảng cách
thật, nhưng đồng hồ của máy thu không được đồng bộ với đồng hồ của vệ
tinh. Điều này gây ra một sai số và chỉ có thể giải quyết được bằng các
phương pháp toán học.
Xác định vị trí từ các khoảng cách giả:
Giả sử rằng đồng hồ máy thu được đồng bộ với đồng hồ trên vệ tinh và
không có độ trễ tín hiệu ở tầng điện ly, tầng đối lưu và không có sai
sót trong đo đạc thì việc xác định khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh sẽ
rất đơn giản. Như vậy chúng ta có thể xác định được vị trí của máy thu
đó là điểm nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh và có bán kính là khoảng
cách đo được.
Từ giả sử đồng hồ của máy thu luôn được đồng bộ với
các đồng hồ của vệ tinh, nhưng giả thiết đó không thể xảy ra trong thực
tế. Khi máy thu GPS được bật lên thì đồng hồ của nó đã mất đồng bộ với
đồng hồ trên vệ tinh. Hơn nữa các đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh luôn
được đồng bộ với nhau theo một hệ thời gian chuẩn gọi là thời gian GPS.
Máy thu thực hiện việc đo khoảng cách sẽ bị chậm vì đồng hồ của máy thu
va đồng hồ của vệ tinh có sai số do đó khoảng cách đo được là giả. Với
sai số về thời gian là 1ms thì sai số khoảng cách đo được là 300Km. Điều
này không thể chấp nhận được. Do vậy người khai thác hệ thống phải có
nhiệm vụ đồng bộ các đồng hồ vệ tinh bằng cách thường xuyên chuyển cho
chúng các lệnh hiệu chỉnh từ mặt đất. Máy thu GPS từ mặt đất sử dụng các
giá trị hiệu chỉnh này để hiệu chỉnh lại khoảng cách giả đo được.