Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống 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 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 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 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:

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.

en_bac - thienvanhoc.org

Nhận xét bài viết

(Xem mã khác)

(Vui lòng điền đầy đủ thông tin hoặc đăng nhập bằng tài khoản Facebook hoặc Gmail)

Hiện tại chưa có ý kiến đánh giá nào về bài viết này. Hãy là người đầu tiên chia sẻ cảm nhận của bạn.