1.1.CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS 1.1.1.Các hệ thống định vị vệ tinh 1.Một số hệ thống định vị vệ tinh khu vực + Hệ thống NAVSAT Đây là một hệ thống định vị vệ tinh khu vực được xây dựng để đáp ứng các nhu cầu định vị ở Châu Âu. Hệ thống này sử dụng kết hợp các vệ tinh địa tĩnh và các vệ tinh bay ở quĩ đạo cao nên còn được gọi là GEO_HEO mix. Đây là hệ thống định vị thuần túy mang tính dân sự phục vụ cho đa quốc gia, đa mục đích như đạo hàng ( dẫn đường), liên lạc viễn thông, định vị vị trí … + Hệ thống OMNITRACS Đây là hệ thống định vị cấp khu vực đáp ứng nhu cầu định vị chủ yếu ở nước Mỹ. Hệ thống này sử dụng các vệ tinh địa tĩnh bay ở độ cao 36.000 km. Nó chỉ cho phép định vị 2 chiều với độ chính xác định vị đạt cỡ 500m. + Hệ thống STAR-FIX Đây là hệ thống định vị vệ tinh khu vực phục vụ cho các nhu cầu định vị ở Châu Mỹ. Hệ thống này gồm các vệ tinh địa tĩnh có quĩ đạo bay nằm trong cùng mặt phẳng xích đạo trái đất và các trạm quan sát, xử lý thông tin từ mặt đất. Nguyên tắc làm việc của hệ thống này về cơ bản giống hệ thống định vị toàn cầu GPS mà chúng ta sẽ nghiên cứu ở phần sau. 2.Các hệ thống định vị toàn cầu + Hệ thống TRANSIT Đây là hệ thống đạo hàng vệ tinh trên biển được Mỹ đưa vào sử dụng từ khoảng thập niên 60. Nó còn có tên là NNSS ( Naval Navigation Satelite System). Hệ thống hoạt động dựa theo nguyên lý Doppler, gồm 6 vệ tinh bay ở độ cao cỡ 1075 km trên các quỹ đạo gần như trò cách đều nhau và có góc nghiêng so với mặt phẳng xích đạo Trái đất xấp xỉ 90 o . Tùy thuộc vào vị trí địa lý của điểm quan sát, vệ tinh xuất hiện liên tiếp trên bầu trời từ 35 đến 100 phút. Điều này có nghĩa là cứ sau hơn một nửa giờ đồng hồ mới có thể lại quan sát vệ tinh để định vị. Độ chính xác định vị với mỗi lần vệ tinh bay qua chỉ đạt cỡ vài ba chục mét. Để nâng độ chính xác cần tăng số lần quan sát vệ tinh đi qua. Đây cũng chính là nhược điểm của hệ thống TRANSIT trong nhu cầu định vị nhanh với độ chính xác cao. Hệ thống TRANSIT có thời gian sử dụng khoảng 25 năm, hệ thống này đã kết thúc sử dụng vào cuối năm 1996. + Hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống này có tên gọi đúng là NAVSTAR GPS (Navigation Satelite Timing and Ranging Global Positioning System). Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu thủy và trên đất liền. Trước năm 1980 hệ thống GPS chỉ phục vụ cho mục đích quân sự , do Bộ quốc phòng Mỹ quản lý. Từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự. Từ đó các ứng dụng của GPS vào nhiều lĩnh vực khác nhau và ngày càng được nghiên cứu và phát triển rộng rãi. Hệ thống này gồm 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ. Các vệ tinh bay trên 6 quỹ đạo gần như tròn ở độ cao cỡ 20.000 km với chu kỳ xấp xỉ 12h. Với cách bố trí này thì suốt 24 giờ tại bất kỳ điểm nào trên Trái đất cũng có thể quan sát ít nhất 4 vệ tinh. Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống này được phóng lên quỹ đạo vào tháng 2 năm 1978. Toàn bộ hệ thống đuợc vào hoạt động hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994. Chi phí cho việc thiết lập hệ thống này cỡ khoảng 12 tỉ đôla Mỹ. + Hệ thống GLONASS Song hành với hệ thống NAVSTAR GPS, một hệ thống định vị toàn cầu tương tự mang tên GLONASS (Global Navigation Satelite System ) do Liên Xô chế tạo cũng được đưa vào sử dụng từ năm 1982. Hệ thống này cũnggồm 24 vệ tinh nhưng quay trên 3 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao từ 18.840 km đến 19.940 km. Trên mỗi quỹ đạo các vệ tinh có độ giãn cách là 45 o , chu kỳ quay cỡ 676 phút. Với đúng nghĩa là hệ thống định vị toàn cầu GPS, cả NAVSTAR và GLONASS cùng cho phép thực hiện định vị cho bất kỳ điểm xét nào, vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày và với bất kỳ điều kiện thời tiết nào. Đã có những dự án phối hợp khai thác 2 hệ thống này để nâng cao hiệu quả định vị nói chung trên phạm vi toàn cầu. Hiện nay đã có những hãng chế tạo máy thu có thể thu đồng thời cả tín hiệu vệ tinh NAVSTAR và GLONASS . Sau đây chủ yếu sẽ trình bày về hệ thống NAVSTAR GPS mà chúng ta gọi tắt là hệ thống GPS. 1.1.2.Cấu trúc và nguyên lí hoạt động của hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là đoạn không gian (space segment), đoạn điều khiển (control segment), đoạn sử dụng ( user segment). Chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu cụ thể về từng bộ phận cấu thành của hệ thống và chức năng của chúng. 1. Đoạn không gian Đoạn này gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55 o so với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh gần như tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20.000 km so với mặt đất. Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số nguyên tử chính xác cao cỡ 10 -12 . Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz, và từ đây tạo ra các sóng tải tần số L1 = 1575,42 MHz và L2 = 1227,60 MHz. Người ta sử dụng hai tần số tải để giảm ảnh hưởng của tầng điện ly mà ta sẽ có dịp đề cập ở phần dưới. Các sóng tải được điều biến bởi 2 loại code khác nhau: C/A-code và P-code. C/A code là code thô / thâu tóm (Coarse / Acquisition). Nó được sử dụng cho các mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải L1. Code này được tạo bởi một chuỗi các số 0 và 1 được sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 1,023 MHz tức chỉ bằng 1/10 tần số cơ sở, và được lặp lại sau mỗi miligiây. Mỗi vệ tinh được gắn một C/A – code riêng biệt. P-code là code chính xác (Precise). Nó được sử dụng cho các mục đích quân sự, tức là để đáp ứng yêu cầu độ chính xác cao, và điều biến cả 2 sóng tải L1 và L2. Code này được tạo bởi nhiều chữ số 0 và 1 được sắp xếp theo qui luật tựa ngẫu nhiên với tần số 10,23 MHz; độ dài toàn phần của code là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày P-code mới lặp lại. Tuy vậy người ta chia code này thành các đoạn có độ dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một trong các đoạn code như thế, cứ sau một tuần lại thay đổi. Bằng cách này P-code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được phép. Cả hai sóng tải L1 và L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hàng bao gồm ephemerit của vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng của hệ thống. Sơ đồ liên hệ giữa các sóng tải và các code điều biến được cho trong bảng dưới đây: L1 = 1575,42 MHz C/A-code 1,023MHz P-code 10,23MHz Thông tin đạo hàng L1 = 1227,60 MHz P-code 10,23MHz và thông tin đạo hàng Ngoài hai sóng tải L1 và L2 phục vụ mục đích định vị cho người sử dụng (khách hàng), các vệ tinh còn sử dụng hai sóng tần số 1783,74 Mhz và 2227,5 Mhz để trao đổi thông tin với các trạm điều khiển trên mặt đất sẽ được nói đến ở phần sau. Mỗi vệ tinh có trọng lượng 1830 kg khi phóng và 930 kg khi bay trên quĩ đạo. Các máy móc thiết bị trên vệ tinh hoạt động nhờ năng lượng do các tấm pin mặt trời với sải cánh dài 580 cm cung cấp. Tuổi thọ của vệ tinh theo thiết kế là 7,5 năm; tuy nhiên nhiều vệ tinh bị hỏng hóc khá nhanh và lần lượt được thay thế. 2. Đoạn điều khiển Đoạn này gồm 4 trạm quan sát trên mặt đất trong đó có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Spring và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawai ( Thái Bình Dương) , Ascensin Island (Đại Tây Dương) Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương). Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất. Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng của vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh cũng như hoạt động của đồng hồ trên đó.Tất cả các trạm đều có máy thu GPS, và chúng tiến hành đo khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan sát được, đồng thời đo các số liệu khí tượng. Tất cả các số liệu đo nhận được ở mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm. Trạm trung tâm xử lý các số liệu được truyền từ các trạm theo dõi về cùng với các số liệu đo của chính nó. Kết quả xử lý cho ra các ephemerit chính xác hóa của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh. Từ trạm trung tâm các số liệu này được truyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác. Như vậy là các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh được thường xuyên chính xác hóa và chúng sẽ được cung cấp cho người sử dụng thông qua các sóng tải L1 và L2. Việc chính xác hóa các thông tin như thế được thực hiện 3 lần trong một ngày. Các thông tin cung cấp đại trà cho khách hàng chỉ đảm bảo độ chính xác định vị 10m, còn thông tin đảm bảo độ chính xác định vị đến 1m chỉ có được khi có sự thỏa thuận với nhà cung cấp. 3. Đoạn sử dụng Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng kể cả trên trời, trên biển và trên đất liền. Đó có thể là một máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (trường hợp định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm từ 2 máy thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định ( trường hợp định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác ( trường hợp định vị vi phân) . Đó còn là cả một hệ thống dịch vụ đạo hàng GPS đa năng trên phạm vi toàn cầu hoặc ở từng khu vực đang đuợc thiết lập ở một số nước phát triển. . sẽ trình bày về hệ thống NAVSTAR GPS mà chúng ta gọi tắt là hệ thống GPS. 1.1.2 .Cấu trúc và nguyên lí hoạt động của hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là. 1.1.CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS 1.1.1.Các hệ thống định vị vệ tinh 1.Một số hệ thống định vị vệ tinh khu vực + Hệ thống NAVSAT Đây là một hệ thống định vị vệ. tinh đầu tiên của hệ thống này được phóng lên quỹ đạo vào tháng 2 năm 1978. Toàn bộ hệ thống đuợc vào hoạt động hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994. Chi phí cho việc thiết lập hệ thống này cỡ khoảng