Báo cáo môn học hệ thống dẫn Đường toàn cầu (gnss) Đề tài hệ thống vệ tinh Định vị toàn cầu glonass

Cùng với GPS của Mỹ, Beidou của Trung Quốc và Galileocủa Châu Âu, hệ thống GLONASS của Nga là một trong bốn hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu lớn nhất, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO MÔN HỌC

HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU (GNSS)

………

TÊN ĐỀ TÀI

HỆ THỐNG VỆ TINH ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

GLONASSGiảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Quỳnh Anh

Sinh viên thực hiện: Huỳnh Kim Thùy

Mã số sinh viên: 2255120085

Lớp: 22ĐHĐT02

TP.Hồ Chí Minh, tháng 11/2024

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO MÔN HỌC

HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG TOÀN CẦU (GNSS)

………

TÊN ĐỀ TÀI

HỆ THỐNG VỆ TINH ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

GLONASSGiảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Quỳnh Anh

Sinh viên thực hiện: Huỳnh Kim Thùy

Mã số sinh viên: 2255120085

Lớp: 22ĐHĐT02

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11/2024

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ GLONASS 2

1.1 Tổng quát về GNSS 2

1.1.1 Cơ cấu của một hệ thống GNSS 3

1.1.2 Hoạt động của hệ thống GNSS 4

1.2 Khái niệm về GLONASS 4

1.3 Lịch sử hình thành và phát triển 5

1.4 Chức năng của GLONASS 10

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 11

2.1 Thành phần của GLONASS 11

2.1.1 Phần không gian của Glonass 11

2.1.2 Phần điều khiển và chỉ huy GLONASS 12

2.1.3 Phần sử dụng 13

2.2 Tính hiệu GLONASS 14

2.3 Nguồn lỗi của tín hiệu GLONASS 16

2.3.1 Các lỗi đến từ vệ tinh 16

2.3.2 Các lỗi đến từ bộ phận thu tín hiệu 16

2.3.3 Các lỗi đến từ quá trình truyền tín hiệu 16

2.4 So sánh GLONASS, GPS, GALILEO, BEIDOU, IRNSS 17

2.5 Các thế hệ GLONASS 19

2.6 Các sự cố của GLONASS 21

2.6.1 Sự cố ngày 2 tháng 9 năm 2010 21

2.6.2 Sự cố ngày 5 tháng 12 năm 2010 21

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA GLONASS 22

3.1 Ứng dụng của GLONASS trong quân sự 23

3.2 Ứng dụng trong thi công công trình 25

3.3 Ứng dụng trong giao thông vận tải 26

3.4 Ứng dụng cá nhân 28

CHƯƠNG 4: THẾ HỆ CỦA GLONASS 29

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

PHỤ LỤC 42

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu, chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

GLONASS Global Orbiting Navigation Satellite

System

Monitor

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Chuyển động của các vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất 2

Hình 2: Một thiết bị nhận GNSS điển hình, gắn vào ôtô hay sử dụng cầm tay 4

Hình 3: Hệ thống định vị GLONASS 5

Hình 4: Hệ thống định vị toàn cầu của Nga được phát triển từ 1967 6

Hình 5: Các thế hệ của vệ tinh 8

Hình 6: Các trụ sở của GLONASS 13

Hình 7: Vị trí hiện tại của SCGLONASS 5/11/24 16

Hình 8: Bộ thu tín hiệu GLONASS của quân đội Nga 23

Hình 9: Ứng dụng của GLONASS trong thi công công trình 26

Hình 10: Ứng dụng của GLONASS trong đường bộ 27

Hình 11: Ứng dụng của GLONASS trong giao thông đường biển 28

Hình 12: Ứng dụng của GLONASS trong giao thông đường bộ 28

Hình 13: Ứng dụng cá nhân của GLONASS 29

Bảng 1: So sánh các GLONASS, GPS, GALILEO, BEIDOU, IRNSS 25

MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghệ số, hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS)đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các dịch vụ định vị, dẫn đường vàđồng bộ thời gian Cùng với GPS của Mỹ, Beidou của Trung Quốc và Galileocủa Châu Âu, hệ thống GLONASS của Nga là một trong bốn hệ thống định vị

vệ tinh toàn cầu lớn nhất, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về định vị chính xáctrong nhiều lĩnh vực

GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) được xâydựng bởi Liên bang Nga nhằm cung cấp dịch vụ định vị liên tục, tin cậy vàmiễn phí cho cả mục đích quân sự và dân sự Từ khi ra mắt, GLONASS đã trảiqua nhiều giai đoạn phát triển, nâng cấp để cải thiện độ chính xác, độ tin cậy

và khả năng phục vụ người dùng trên toàn cầu

Báo cáo này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về lịch sử phát triển, cấu trúc,nguyên lý hoạt động và các ứng dụng đa dạng của hệ thống GLONASS, đồngthời phân tích những xu hướng phát triển và tiềm năng trong tương lai Qua đó,giúp người đọc hiểu rõ hơn về vai trò và tầm quan trọng của hệ thống định vịnày trong đời sống hiện đại

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ GLONASS 1.1 Tổng quát về GNSS

Trên quỹ đạo có những hệ thống vệ tinh nhân tạo với nhiệm vụ là xác định

vị trí của những đối tượng trên mặt đất Bất cứ ai, vật gì trên toàn cầu, khi mangtheo một máy thu đặc biệt thì nhờ hệ thống vệ tinh này có thể biết được kháchính xác hiện tại mình đang ở vị trí nào trên trái đất Người ta gọi đây là Hệthống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System –GNSS)

Hình 1: Chuyển động của các vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất

GNSS được cấu thành như một chòm sao (một nhóm hay một hệ thống) củaquỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất Trong cùng một thời điểm, ở một

vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽtính được tọa độ của vị trí đó GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết,mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày Mỹ là nước đầu tiên phóng lên và đưavào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đường này Mỹ đặt tên cho hệ thống này là hệ thống

vệ tinh định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), ban đầu là để dùngriêng cho quân sự, về sau mở rộng ra sử dụng cho dân sự trên phạm vi toàn cầu,bất kể quốc tịch và miễn phí

Trong khi GPS là GNSS phổ biến nhất, các quốc gia khác đang triển khaihoặc đã triển khai các hệ thống riêng của họ để cung cấp khả năng PNT độc lập,

bổ sung Các hệ thống chính được mô tả dưới đây

Các hệ thống GNSS hiện nay bao gồm:

 GPS: Hoa Kỳ

 GLONASS: Nga

 GALILEO: Liên Minh Châu Âu

 BEIDOU: Trung Quốc

 IRNSS: Ấn Độ

GNSS cũng có thể dùng để chỉ các hệ thống tăng cường, nhưng có quá nhiều

hệ thống tăng cường quốc tế không thể liệt kê ở đây

1.1.1 Cơ cấu của một hệ thống GNS S

Hệ thống GNSS được cấu tạo thành ba phần: phần không gian, phần điềukhiển và phần người sử dụng Cụ thể, mô tả hệ thống GPS của Mỹ như sau:

 Phần không gian: gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời,bay trên quỹ đạo Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm

và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD

 Phần điều khiển: để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũngnhư hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh Có các trạm quan sát trênmặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con Các trạm con, vận hành

tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ Sau đó các trạmcon gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vịtrí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, các vệtinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất

kỳ thời điểm nào

 Phần người sử dụng và thiết bị thu vệ tinh: là khu vực có phủ sóng mà người

sử dụng cần có 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 GNSS

1.1.2 Hoạt động của hệ thống GNSS

Các vệ tinh của GNSS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theomột quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất Các máythu GNSS nhận thông tin này và bằng các phép tính lượng giác, máy thu có thểtính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy tính Máythu GNSS phải bắt được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí haichiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Với bốn hay nhiềuhơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh

độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS cóthể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển,khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn

và nhiều thứ khác nữa

Hình 2: Một thiết bị nhận GNSS điển hình, có thể gắn vào ôtô hay sử dụng cầm

tay

1.2 Khái niệm về GLONASS

Hệ thống GLONASS (viết tắc của cụm từ Globalnaya NavigazionnayaSputnikovaya Sistema) là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu do Liên bang Xô viếtthiết kế và điều hành

GLONASS là một Phần định vị thuộc Chính phủ Liên bang Nga và được sửdụng để cung cấp các dịch vụ định vị, dẫn đường và thời gian một cách chínhxác cao, đáng tin cậy, miễn phí và tất cả mọi người trên thế giới đều có thể sửdụng

Hình 3: Hệ thống định vị GLONASSGLONASS dùng cho cả mục đích quân sự lẫn dân sự, tương tự như GPS củaHoa Kỳ hay Beidou của Trung QuốcBeidou của Trung Quốc

Hệ thống này có chức năng tìm kiếm vị trí của người dùng qua kết nối vệtinh và đo vận tốc vật thể Chính vì sự tương thích này mà hiện nay hầu như cácthiết bị định vị đều có tích hợp GLONASS kèm với GPS để tận dụng hết khảnăng định vị của 2 hệ thống

Hai dịch vụ chính của GLONASS:

 SPS - Standard Positioning Service - là một dịch vụ mở, miễn phícho người dùng trên toàn thế giới, được cung cấp bởi dải băng tầnL1, L2

 PPS -Precise Positioning Service - chỉ được giới hạn cho mục đíchquân sự của Nga và các nước đồng minh

1.3 Lịch sử hình thành và phát triển

Việc phóng thành công vệ tinh dẫn đường đầu tiên “Cosmos-192” năm 1967

là một cột mốc quan trọng đánh dấu sự thành công của quá trình nghiên cứu và

phát triển hệ thống định vị vệ tinh của Liên Xô Ý tưởng ban đầu về việc sửdụng vệ tinh để dẫn đường được VSShebashevich đưa ra vào năm 1957, sau đóđược các nhà khoa học Liên Xô phát triển và hoàn thiện thông qua dự án

“Cicada” Thành tựu này không chỉ chứng tỏ khả năng nghiên cứu và ứng dụngcông nghệ cao của Liên Xô mà còn mở ra những triển vọng mới cho việc pháttriển các hệ thống định vị vệ tinh hiện đại hơn trong tương lai

Hình 4: Hệ thống định vị toàn cầu của Nga được phát triển từ 1967

Hệ thống “Cicada” gồm 4 vệ tinh được đưa vào hoạt động năm 1979, hoạtđộng trên quỹ đạo tròn cách mặt đất 1.000km với góc nghiêng 83 độ, cung cấpkhả năng định vị chính xác cho người dùng Với chu kỳ quét lại vệ tinh trungbình 1-2 giờ 30 phút, người dùng có thể xác định vị trí của mình trong thời gianngắn Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý đo khoảng cách một chiều Việckhông ngừng nâng cấp thiết bị trên tàu, thiết bị dẫn đường và cải thiện độ chínhxác trong việc xác định và dự đoán quỹ đạo vệ tinh đã góp phần nâng cao hiệuquả hoạt động của hệ thống “Cicada”

Các thiết bị đo được lắp đặt trên vệ tinh "Cicada" nhằm phát hiện tín hiệu vôtuyến trong các tình huống khẩn cấp Khi nhận được các tín hiệu này, các vệtinh sẽ truyền lại đến những trạm mặt đất chuyên dụng, nơi tiến hành tính toántọa độ chính xác của các vật thể gặp nạn như tàu và máy bay Hệ thống vệ tinh

"Cicada", cùng với hệ thống "Sarsat" của Mỹ, Pháp và Canada, đã hình thànhnên dịch vụ tìm kiếm và cứu nạn tích hợp mang tên "Cospas", góp phần cứusống hàng nghìn người Bên cạnh đó, hệ thống định vị không gian "Cicada" vàphiên bản nâng cấp "Cicada-M" đã được thiết kế để hỗ trợ điều hướng cho

người dùng quân sự từ năm 1976 Tuy nhiên, từ năm 2008, người dùng đãchuyển sang hệ thống GLONASS, khi hoạt động của các hệ thống quỹ đạo thấpkhông còn đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của người dùng.

Sự vận hành thành công của hệ thống định vị vệ tinh quỹ đạo thấp cho người

sử dụng hàng hải đã thu hút sự chú ý lớn đến lĩnh vực định vị vệ tinh Để đápứng nhu cầu đa dạng của đông đảo người dùng tiềm năng, cần có một hệ thốngđịnh vị đa năng Dựa trên nghiên cứu tổng thể, quyết định đã được đưa ra đểthiết lập chòm sao quỹ đạo gồm 24 vệ tinh phân bố đều trong ba mặt phẳng quỹđạo, nghiêng 64,8° so với đường xích đạo Các vệ tinh GLONASS được đặttrong quỹ đạo gần tròn, ở độ cao danh nghĩa 19.100 km, với chu kỳ quỹ đạo là

11 giờ, 15 phút và 44 giây Nhờ vào chu kỳ này, hệ thống quỹ đạo có thể duy trìtính bền vững mà không cần hiệu chỉnh các xung trong suốt quá trình hoạt động,khác với GPS Độ nghiêng của quỹ đạo đảm bảo khả năng cung cấp dịch vụtoàn cầu, ngay cả khi một số vệ tinh không hoạt động, đặc biệt là trên lãnh thổLiên bang Nga

Trong quá trình thiết kế một hệ thống định vị quỹ đạo cao, hai thách thứcchính đã xuất hiện Thách thức đầu tiên liên quan đến việc đồng bộ hóa cáckhoảng thời gian của các vệ tinh với độ chính xác lên đến phần tỷ giây (nanogiây) Điều này được thực hiện nhờ vào các tiêu chuẩn tần số Caesium trên các

vệ tinh quỹ đạo cao với độ ổn định danh nghĩa đạt 10^-13 và tiêu chuẩn tần sốhydro trên mặt đất với độ ổn định danh nghĩa 10^-14, cùng với sự hỗ trợ từ các

cơ sở mặt đất có khả năng so sánh thang thời gian với sai số từ 3 đến 5ns Tháchthức thứ hai là việc xác định và dự đoán các thông số quỹ đạo của vệ tinh dẫnđường với độ chính xác cao Vấn đề này đã được giải quyết thông qua nghiêncứu khoa học về các yếu tố bậc hai trong vi phân, như áp suất ánh sáng, sự bấtthường trong chuyển động quay của Trái đất và chuyển động cực, v.v

Các cuộc thử nghiệm bay cho hệ thống định vị vệ tinh quỹ đạo cao của Nga,mang tên GLONASS, đã bắt đầu vào tháng 10 năm 1982 với việc phóng vệ tinh

“Kosmos-1413” Hệ thống GLONASS chính thức được công nhận là hoạt động

vào năm 1993 Đến năm 1995, nó đã đi vào hoạt động hoàn toàn với 24 vệ tinhGLONASS thế hệ đầu tiên Một nhược điểm lớn cần được chú ý là sự thiếu hụtthiết bị định vị dành cho người dùng dân sự.

Hình 5: Các thế hệ của vệ tinhNgành công nghiệp vũ trụ bị cắt giảm tài trợ vào những năm 1990, dẫn đếntình trạng xuống cấp nghiêm trọng của hệ thống định vị GLONASS Đến năm

2002, hệ thống này chỉ còn lại 7 vệ tinh hoạt động, không đáp ứng được nhu cầuđịnh vị trên lãnh thổ Nga So với GPS, GLONASS bị đánh giá thấp hơn về độchính xác và tuổi thọ của các vệ tinh, với thời gian hoạt động trung bình chỉ từ 3đến 4 năm

Mọi thứ được cải thiện khi chương trình liên bang "Hệ thống định vị toàncầu năm 2002-2011" được thông qua và triển khai vào năm 2002

Trong suốt chương trình liên bang này đã đạt được những kết quả sau:

 Hệ thống GLONASS được bảo tồn, hiện đại hóa và đi vào hoạt độngbao gồm các vệ tinh “GLONASS-K” Ngày nay có hai hệ thống vệtinh định vị toàn cầu đang hoạt động: GPS và GLONASS

 Phân đoạn điều khiển mặt đất được hiện đại hóa cùng với chòm saoquỹ đạo đảm bảo đặc tính chính xác ở mức tương đương với GPS

 Cơ sở tiêu chuẩn quốc gia về thời gian và tần số và cơ sở xác địnhthông số vòng quay Trái đất được hiện đại hóa

 Các nguyên mẫu tăng cường GNSS, số lượng lớn các mô-đun đo vàthu lõi, thiết bị PNT dành cho mục đích dân dụng, đặc biệt và các hệthống liên quan đã được thiết kế

Công nghệ GNSS đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Để đápứng yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, đặc biệt là trong các ứng dụng đòihỏi độ chính xác thời gian thực ở mức decimet và centimet, hệ thốngGLONASS cần được cải tiến không ngừng Bên cạnh đó, để đảm bảo an toàn và

an ninh trong vận tải, khả năng chống nhiễu và hiệu quả hoạt động của hệ thốngcũng cần được nâng cao Đồng thời, nhu cầu về các thiết bị định vị nhỏ gọn,nhạy bén phục vụ cho các ứng dụng đặc biệt và dân sự ngày càng tăng

Năm 2012, chương trình liên bang “Duy trì, Phát triển và Sử dụngGLONASS cho giai đoạn 2012-2020” đã được triển khai nhằm đáp ứng các yêucầu mới theo quy định tại Nghị định số 189/2012

Kể từ năm 2012, GLONASS đã được định hướng tập trung vào việc nângcao hiệu quả phục vụ các nhiệm vụ quốc phòng, an ninh và phát triển kinh tế -

xã hội

Chương trình liên bang mới xem xét những điều sau:

 Hỗ trợ GLONASS với hiệu suất được đảm bảo ở mức độ cạnh tranh

 Sự phát triển GLONASS theo hướng nâng cao năng lực nhằm đạtđược sự ngang bằng với các hệ thống vệ tinh dẫn đường quốc tế vàdẫn đầu Liên bang Nga về dẫn đường vệ tinh

 GLONASS sử dụng cả trên lãnh thổ Liên bang Nga và nước ngoài

Mức độ nâng cao năng lực GLONASS được xác định bởi một loạt cáchướng phát triển, trong đó các hướng chính như sau:

 Phát triển cấu trúc chòm sao quỹ đạo GLONASS

 Chuyển sang sử dụng vệ tinh dẫn đường thế hệ mới “GLONASS-K”với khả năng nâng cao

 Phát triển phân khúc điều khiển mặt đất GLONASS bao gồm cải tiếnphân khúc quỹ đạo và đồng hồ GLONASS

 Thiết kế và phát triển tăng cường:

 Hệ thống giám sát và hiệu chỉnh vi sai

 Hệ thống toàn cầu có độ chính xác cao về điều hướng, thôngtin về quỹ đạo và đồng hồ theo thời gian thực cho người dùngdân sự

1.4 Chức năng của GLONASS

GLONASS (Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu) là hệ thống định vị toàncầu do Nga phát triển và quản lý, nhằm cung cấp dịch vụ định vị và dẫn đườngcho các ứng dụng quân sự cũng như dân sự trên toàn thế giới Tương tự nhưGPS của Mỹ, GLONASS cung cấp thông tin về vị trí và thời gian với độ chínhxác cao, giúp định vị các đối tượng trên Trái đất với sai số nhỏ GLONASSđược vận hành bởi Cơ quan Vũ trụ Nga và bao gồm một mạng lưới bảo vệ quayquanh Trái đất, phát tín hiệu định vị cho các thiết bị thu tín hiệu như điện thoại,thiết bị GPS và hệ thống

Với mức độ bao phủ toàn cầu và khả năng tương thích với các định vị hệthống khác, GLONASS đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực Đối vớihàng không và hàng hải, hệ thống này cung cấp dữ liệu định vị chính xác, hỗ trợquá trình điều hướng, tránh tai nạn và tăng cường an toàn trong vận hành Trongnông nghiệp, GLONASS hỗ trợ các ứng dụng nông nghiệp thông minh, giúp tối

ưu hóa việc quản lý tài nguyên và tăng năng suất trồng cây trồng Ngoài ra,trong cứu trợ cứu nạn, GLONASS giúp xác định vị trí nạn nhân nhanh chóngtrong các trường hợp khẩn cấp, từ đó giảm thời gian tìm kiếm và nâng cao khảnăng cứu sống

Sự phát triển của công nghệ định vị hợp nhất (multi-GNSS) giữa GLONASSvới GPS, Galileo (châu Âu) và BeiDou (Trung Quốc) giúp tăng độ chính xác và

độ tin cậy trong các khu vực có điều kiện tín hiệu yếu như rừng núi, khu đô thịhay dưới nước Điều này giúp GLONASS trở thành một hệ thống định vị quantrọng, hỗ trợ người dùng khắp nơi trong cuộc sống hàng ngày, góp phần xâydựng hạ tầng giao thông thông minh và đáp ứng các yêu cầu trong nghiên cứukhoa học, môi trường Trong bối cảnh tranh cãi và hợp tác quốc tế ngày cànggia tăng, GLONASS đóng góp vào sự phát triển kinh tế-xã hội của Nga và tưvấn phần đảm bảo quyền tự chủ về định vị cho các quốc gia

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 2.1 Thành phần của GLONASS

GLONASS bao gồm ba phần chính:

 Phần không gian GLONASS: là một phân đoạn của phần định vị vệ tinhtoàn cầu (GNSS), bao gồm các Vệ tinh dẫn đường được đặt trong một sốmặt phẳng quỹ đạo

 Phần chỉ huy và điều khiển GLONASS: là một phân đoạn của GNSS,bao gồm tập hợp các cơ sở trên mặt đất được sử dụng để cung cấp chỉhuy và điều khiển vệ tinh dẫn đường

 Phần sử dụng: là một phân đoạn của GNSS bao gồm toàn bộ nhiều loạimáy thu người dùng GLONASS

2.1.1 Phần không gian của Glonass

 Có 24 vệ tinh thuộc hệ thống Glonass đang hoạt động và bay xung quanhtrái đất

 Chiều cao quỹ đạo của Glonass là 19.100 km

 Độ nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo là 64.8 độ

 Chu kỳ quỹ đạo của một vệ tinh là 11 giờ và 16 phút

Phần không gian GLONASS bao gồm 24 vệ tinh được đặt trong ba quỹ đạonghiêng 64,8 ± 0,3° so với đường xích đạo với độ cao 19.100 km và khoảng thời

gian quỹ đạo là 11 giờ 15 phút 44 giây ± 5 giây Các mặt phẳng quỹ đạo đượcphân cách bởi độ nghiêng phải 120° tăng dần 8 vệ tinh được đặt cách đều nhautrong mỗi mặt phẳng với góc 45° của vĩ độ Cấu hình chòm sao như vậy cungcấp phạm vi bao phủ toàn cầu liên tục của bề mặt Trái đất và không gian gầnTrái đất.

Giao diện giữa vệ tinh và máy thu bao gồm các liên kết tần số vô tuyến Sửdụng các liên kết này, mỗi GLONASS vệ tinh cung cấp các dữ liệu dẫn đườngtrong hai băng tần con của băng tần L( L1 ~ 1,6 GHz, L2 ~ 1,25 GHz)

Giống như GPS, vệ tinh GLONASS truyền hai sóng mang băng tần L cóchứa P Code quân sự trên cả L1 và L2, mã C/A trên L1, và một thông báo dẫnđường

Trái ngược với GPS, các vệ tinh GLONASS truyền cùng một mã C/A bằngsóng mang của riêng chúng tần số Các sóng mang L1 nằm trong dải tần từ1,597 - 1,617 MHz và các sóng mang L2 giữa 1,240 - 1,260 MHz

Do đó, GLONASS sử dụng đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) thay

vì Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) để phân biệt vệ tinh Tỷ lệ cho mã P

và mã C/A là 5,11 và 0,511 Mbps, tương ứng và thông báo dẫn đường là luồng

dữ liệu 50 bps, cung cấp, trong vệ tinh và sự phân bổ kênh

Khi mới ra đời GLONASS sử dụng phương pháp truy cập đa tần FDMA(Frequency Division Multiple Access Method) để liên lạc với các vệ tinh (25kênh cho 24 vệ tinh)

Tín hiệu FDMA GLONASS L1 và L2, dữ liệu dẫn đường được truyền vớitốc độ 50 bps Tín hiệu FDMA truy cập mở GLONASS L1 và L2 đây là giaothức phổ biến trong liên lạc vệ tinh nhưng có hạn chế là dễ bị nhiễu và giánđoạn

Bắt đầu từ năm 2008, GLONASS đã sử dụng CDMA (Code Division MultipleAccess Technique) để mang đến khả năng tương thích với các vệ tinh GPS.Chính vì sự tương thích này mà hiện nay hầu như các thiết bị định vị đều có tíchhợp GLONASS kèm với GPS để tận dụng hết khả năng định vị của 2 hệ thống

2.1.2 Phần điều khiển và chỉ huy GLONASS

Nhiệm vụ chính:

 Đồng bộ hóa đồng hồ vệ tinh với thời gian GLONASS và tính toán

độ lệch thời gian giữa thời gian GLONASS và UTC

 Tải các hiệu chỉnh đồng hồ, lịch thiên văn dự đoán và dữ liệu niênlịch lên các vệ tinh GLONASS

 Giám sát tình trạng của chùm vệ tinh GLONASS và điều chỉnh cáctham số quỹ đạo cho phù hợp

GLONASS tải dữ liệu dẫn đường và hiệu chỉnh của nó lên các vệ tinh hailần một ngày Tổ hợp điều khiển mặt đất GLONASS bao gồm 2 phần chính: mộttrung tâm điều khiển hệ thống được đặt ở Moscow và một mạng lưới các trạmgiám sát điều hành trên khắp nước Nga Vai trò chính của trung tâm điều khiển

hệ thống là quản lý chùm vệ tinh GLONASS trong khi mạng lưới trạm giám sátđiều hành GLONASS được đặt ở 13 nơi và chia thành 5 loại trạm chức năngnhư sau, bao gồm: 2 trạm đồng hồ trung tâm, 12 trạm giám sát, 8 trạm đo laser,

5 trạm đo từ xa, theo dõi và chỉ huy, và 5 trạm tải dữ liệu lên

Hình 6: Các trụ sở của GLONASS

2.1.3 Phần sử dụng

Là thiết bị thu nhận tín hiệu vệ tinh GLONASS (máy thu GLONASS) vàngười sử dụng thiết bị này Máy thu GLONASS: thiết bị có khả năng xác định vịtrí người dùng, vận tốc và thời gian chính xác bằng cách xử lý tín hiệu được phát

bởi các vệ tinh GLONASS Phần người sử dụng: bao gồm các máy thu tín hiệu

vệ tinh và phần mềm xử lý tính toán số liệu, máy tính thu tín hiệu GLONASS cóthể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như ô tô,máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo,

Việc tính toán định vị tín hiệu từ vệ tinh GLONASS yêu cầu ba tham số vịtrí (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và tham số độ chênh lệch đồng hồ Vì vậy cần nhận

và xử lý các tín hiệu định vị từ ít nhất bốn vệ tinh GLONASS đồng thời ở trongtầm nhìn của máy thu để tính toán, xác định các tọa độ vị trí trong không gian,cũng như tính toán vận tốc và thời gian chính xác

2.2 Tính hiệu GLONASS

- Tín hiệu chuẩn: phục vụ trên băng tần L1 (1,6 GHz)

- Tín hiệu chính xác: phục vụ trên băng tần L1 & L2 (1,2 GHz)

- Tương thích với hai phương pháp truy cập FDMA và CDMA

Ban đầu, hệ thống định vị toàn cầu của Nga sử dụng phương pháp truy cập

đa tần FDMA – Frequency Division Multiple Access Method Phương pháp nàytương đối phổ biến nhưng hạn chế về việc nhiễu và gián đoạn tín hiệu Đến năm

2008, GLONASS sử dụng phương pháp CDMA – Code Division MultipleAccess Technique, để tương thích với các vệ tinh GPS, tăng cường tốc độ truyền

và tiện lợi hơn Tuy nhiên, việc tương thích với cả 2 phương pháp truy cập dẫnđến nhược điểm là các thiết bị nhận GLONASS sẽ có kích thước lớn hơn và đắt

đỏ hơn so với các hệ thống khác

Hiện nay, sau nhiều lần nghiên cứu và cải tiến, hệ thống định vị toàn cầu củaNga (GLONASS) đã đạt được hiệu suất làm việc và độ chính xác gần như bằngvới hệ thống định vị toàn cầu GPS

Khác với GPS hay Galileo, mỗi vệ tinh GLONASS sử dụng một tần số khácnhau Mỗi vệ tinh GLONASS được truyền một mã C/A nhằm định vị tiêu chuẩntrên L1, một mã P (chỉ có sẵn cho mục đích quân sự) nhằm định vị chính xáctrên L1 và L2

 Các tính năng cơ bản của GLONASS bao gồm:

Các độ chính xác này có thể tăng lên đáng kể, nếu dùng phương pháp định

vị vi phân và/hay các phương pháp đo bổ sung đặc biệt

Tần số truyền của mỗi vệ tinh GLONASS áp dụng các biểu thức sau:

● f k 1 = f01+ nΔfΔff1, với f01 = 1602MHz (giá trị tần số cho băng tầnGLONASS L1), Δff1 = 0.5625MHz (Là khoảng chênh lệch về tần sốgiữa các sóng mang trên băng tần L1)

● f k 2 = f02+ nΔfΔff2, với f02 = 1246MHz, Δff2 = 0.4375MHz (trong đóf k 1 vàf k 2

là tần số truyền của 2 băng tần L1 và L2; n là chỉ số vệ tinh,1 ≤ n ≤24)

Giống như các tín hiệu GPS kế thừa, các tín hiệu GLONASS bao gồm hai

mã phạm vi nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN): ST (dành cho Standard Precision) và

VT (dành cho High Precision) tương tự như mã C/A- và P của GPS , tương ứngđiều chế trên sóng mang L1 và L2

Mã giả ngẫu nhiên (PRN- Pseudo Range) mã phát sóng ở tốc độ 511 kbps,

dữ liệu điện văn dẫn đường ( NAVigation Messages ) ở tốc độ 50 bps Dữ liệuđiện văn dẫn đường ( NAVigation Messages ) bao gồm 2 loại dữ liệu tức thời vàkhông tức thời:

+ Dữ liệu tức thời

+ Dữ liệu không tức thời

Hình 7: Vị trí hiện tại của SCGLONASS 5/11/24

2.3 Nguồn lỗi của tín hiệu GLONASS

2.3.1 Các lỗi đến từ vệ tinh

 Lỗi do quỹ đạo vệ tinh

 Lỗi do đồng hồ vệ tinh

2.3.2 Các lỗi đến từ bộ phận thu tín hiệu

 Lỗi do đồng hồ máy thu

 Lỗi tạp âm tại máy thu

2.3.3 Các lỗi đến từ quá trình truyền tín hiệu

 Hiệu ứng Sagnac

 Lỗi trễ tầng điện ly

 Lỗi trễ tầng đối lưu

 Lỗi do đa đường

 Hiệu ứng ăng ten của người dùng

 Lỗi người vận hành (người dùng)

sẽ phát triểnlên 7 vệ tinhvào 2024-2025

29 vệ tinhhoạt độngchính

vệ 44 tinhhoạt độngtrong 54 vệtinh

Được thiết

kế với 7 vệtinh

3 quỹ đạo,

14 giờ 22phút

3 quỹ đạo,

12 giờ 50phút

3 quỹ đạo,khoảng 24giờ

E1 = 1575.42 MHz

E6 = 1278.42 MHz

B1 = 1561.1 MHz

B2=1207.14 MHz

L5 = 1076.45 MHz

Sband=2492.0

28 MHz)

L3 = 1202

MHz

L6 = 1278.75 MHz

E5 =1191.795 MHz

E5a =1176.45 MHz

E5b =1207.14 MHz

B =1268.52 MHz

và Dân sự

Dân sự Quân sự và

Dân sự

Quân sự vàDân sự

Xác định vịtrí, dẫnđường (trong

đó có Hàngkhông)

Trắc địa, đo

vẽ bản đồTìm kiếmcứu nạn

Khảo sátViễn thông,giao thông

(trong đó cóHàng

không), khítượng, cảnhbáo

Hàng hải,trên không vàtrên biển

Quản lý thiêntai

Theo dõi xe

và quản lýđội xe

Bản đồ và thu

thập dữ liệutrắc địa

Thiết bị hỗ

hướng trêncạn dành chongười đi bộđường dài và

du khách

Điều hướngbằng hìnhảnh và giọngnói

Bảng 1: So sánh các GLONASS, GPS, GALILEO, BEIDOU, IRNSS

2.5 Các thế hệ GLONASS

Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS (Global Navigation Satellite System)của Nga đã trải qua nhiều thế hệ để phát triển và hoàn thiện hơn Dưới đây làcác thế hệ của hệ thống vệ tinh GLONASS:

Thế hệ đầu tiên: GLONASS

 Bắt đầu vào những năm 1970 tới đầu những năm 1980

 Được tạo ra bởi Liên Xô với mục đích sử dụng cho quân sự

 Gồm 12 vệ tinh, tuy nhiên không có khả năng cung cấp thông tin vịtrí chính xác

Thế hệ thứ hai: GLONASS-M

 Bắt đầu vào giữa những năm 1980 tới những năm 1990

 Gồm 12 vệ tinh, được trang bị công nghệ mới giúp cung cấp thôngtin vị trí chính xác hơn

Và bắt đầu từ thế hệ GLONASS-K1 (thế hệ thứ ba), mục đích sử dụng của

hệ thống định vị toàn cầu GLONASS đã bao gồm cả các ứng dụng dân sự,không chỉ sử dụng cho quân sự nữa Tuy nhiên, hệ thống GLONASS vẫn được

sử dụng rộng rãi trong các hoạt động quân sự của Nga và các nước khác

Thế hệ thứ năm: GLONASS-K3 (Trong một số nguồn tin, GLONASS-KMđược sử dụng thay thế cho tên chính thức của nó Tuy nhiên, tên đầy đủ của thế

hệ GLONASS mới nhất là GLONASS-K3)

 Dự kiến bắt đầu từ năm 2020

 Gồm 27 vệ tinh, với khả năng định vị cao hơn và độ chính xác tối ưuhơn

 Hệ thống này cũng được trang bị các công nghệ mới như sử dụngsóng vô tuyến để truyền thông tin vị trí, giúp tăng hiệu suất và giảmthiểu sai số

*Ngoài ra còn có GLONASS-VKK chuyên để sử dụng cho mục đích quân

sự, được sử dụng bởi quân đội Nga và các cơ quan an ninh

2.6 Các sự cố của GLONASS

Năm 2010, hệ thống định vị toàn cầu GLONASS của Nga gặp phải hai vấn

đề nghiêm trọng, gây ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống cũng như uy tíncủa Nga trong lĩnh vực công nghệ không gian Dưới đây là chi tiết về hai sự cố:

2.6.1 Sự cố ngày 2 tháng 9 năm 2010

Vào ngày 2 tháng 9 năm 2010, toàn bộ các vệ tinh GLONASS trên quỹ đạobất ngờ bị mất kết nối với Trung tâm Kiểm soát Không gian Gia đình (TsUP) tạiMoscow trong khoảng 11 giờ đồng hồ Nguyên nhân của sự cố được xác định là

do lỗi phần mềm tại TsUP Vấn đề phần mềm này đã làm gián đoạn khả năngđiều khiển và quản lý GLONASS, dẫn đến mất kết nối tạm thời của toàn hệthống

Tại thời điểm hiện tại, hệ thống GLONASS chỉ có 11 trên tổng số 24 hoạtđộng bảo vệ Điều này tạo ra GLONASS không thể cung cấp vị trí vật liệu chínhxác cho người dùng như mong đợi, gây khó khăn cho các thiết bị và hệ thốngđịnh vị toàn cầu như GPS và Galileo khi sử dụng dữ liệu từ GLONASS

Sự cố này không gây bất tiện cho người dùng GLONASS mà còn ảnh hưởngtiêu cực đến uy tín của Nga trong lĩnh vực công nghệ hàng không vũ trụ, đặcbiệt là đối với các hệ thống định vị Sau sự cố, Nga đã tiến hành giải quyếtnhanh chóng bằng cách sửa lỗi phần mềm tại Trung tâm Kiểm soát Không gian

và bổ sung các biện pháp bảo mật mạng Việc này nhằm đảm bảo sự ổn định vàtin cậy cho hệ thống GLONASS trong tương lai, đồng thời tăng cường khả nănggiám sát và phản ứng đối với các cố kỹ thuật

2.6.2 Sự cố ngày 5 tháng 12 năm 2010

Vào ngày 5 tháng 12 năm 2010, một sự cố nguy hiểm hơn đã xảy ra khi ba

vệ tinh GLONASS-M bị mất tích sau khi được phóng lên từ trạm vũ trụBaikonur Kazakhstan ở bởi tên lửa Proton-M Tính năng bảo vệ này được thiết

kế để thay thế các tính năng bảo vệ cũ hơn, nhằm cải thiện khả năng định vị của

hệ thống GLONASS Tuy nhiên, do lỗi kỹ thuật của tên lửa Đưa Proton-M, các

vệ tinh đã không thể đi vào đường đạo đúng và rơi xuống Thái Bình Dương gầnquần đảo Hawaii

Sự cố này khiến hệ thống GLONASS chỉ còn lại 21 trong số 24 bảo vệ hoạtđộng, gây ra sự suy giảm đáng kể về khả năng định vị của GLONASS Điều nàygây phiền toái cho người dùng khi chất lượng định vị giảm dần, và hệ thốngkhông đạt được mức độ toàn cầu như dự kiến Nga phải đối mặt với những khókhăn lớn nhất trong việc giải quyết, bao gồm cả thời gian và chi phí để thay thếcác đồ bảo vệ bị mất Cuối cùng, Nga đã phải phát triển các hoạt động bảo vệmới về đạo đức, nhằm khôi phục hoạt động của GLONASS.

Cả hai sự cố này đã làm rõ các kỹ thuật kỹ thuật và ninh trong công việc vậnhành và duy trì hệ thống định vị toàn cầu Nga đã có những hành động giảiquyết đáp ứng kịp thời, đồng thời tiến hành các cải tiến để đảm bảo độ tin cậycủa GLONASS, giúp nâng cao tính cạnh tranh cho các hệ thống định vị khácnhư GPS của Mỹ và Galileo của Châu Âu

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA GLONASS

3 Ứng dụng GLONASS

Hệ thống GLONASS, tương tự như GPS của Mỹ, là một mạng lưới bảo vệcung cấp dữ liệu định vị và chính xác thời gian, giúp xác định vị trí và điềuhướng trong các ứng dụng dân dụng và thương mại Ứng dụng trải nghiệmGLONASS mở rộng từ các công việc hỗ trợ các phương tiện giao thông tiện íchnhư ô tô, tàu thủy, máy bay, cho đến các dịch vụ thiết bị cá nhân như điện thoại

di động và thiết bị định vị cầm tay Bên cạnh đó, trong lĩnh vực nghiên cứu khoahọc và quản lý tài nguyên thiên nhiên, GLONASS cũng giúp cung cấp dữ liệuchính xác để theo dõi biến đổi khí hậu, đo đạc địa chất và quản lý môi trường.Như vậy, từ một hệ thống dịch vụ dành riêng cho mục tiêu quân sự,GLONASS đã phát triển thành một công cụ quan trọng không chỉ trong mộtphòng quốc tế ở ninh quốc mà còn trong các ứng dụng dân dụng, góp phần nângcao chất lượng cuộc sống và hỗ trợ công tác quản lý, nghiên cứu

3.1 Ứng dụng của GLONASS trong quân sự

Trong lĩnh vực quân sự, GLONASS đóng vai trò quan trọng đối với cáctrang sức mạnh của Nga cũng như trong các phòng hoạt động quốc gia của quốcgia Hệ thống này cung cấp khả năng định vị toàn diện đáng tin cậy, giúp quânđội Nga và lực lượng đồng minh thực hiện các nhiệm vụ chiến thuật và chiếnlược một cách chính xác hơn Dưới đây là những ứng dụng chính củaGLONASS trong quân sự:

Hình 8: Bộ thu tín hiệu GLONASS của quân đội Nga

 Định vị và điều chỉnh cho lực lượng quân sự

GLONASS hỗ trợ định vị và điều chỉnh chính xác cho binh lính, xe quân sự,tàu chiến và máy bay Điều này đặc biệt quan trọng trong môi trường chiến đấuphức tạp, nơi có khả năng xác định vị trí chính xác của năng lượng và sức mạnhquân sự giúp tăng cường tính linh hoạt và hiệu quả

 Dẫn đường cho tên lửa và hệ thống vũ khí chính xác cao

Trong các hoạt động chiến đấu hiện đại, GLONASS được sử dụng để dẫnđường cho các loại tên lửa và vũ khí dẫn đường khác, giúp các loại vũ khí nàyđạt được mục tiêu tiêu chuẩn với độ chính xác cao Khả năng xác định chính xác

từng mét giúp giảm thiểu thiệt hại ngoài ý muốn và nâng cao hiệu quả của vũkhí thông minh trên chiến trường.

 Hỗ trợ hoạt động giám sát và khảo sát

GLONASS cung cấp thông tin định vị cho các thiết bị giám sát và giám sát,bao gồm cả máy bay không người lái (UAV) UAV sử dụng dữ liệu từGLONASS để giám sát khu vực, thu thập thông tin tình báo và phát hiện cácmối đe dọa từ xa Đây là một phần quan trọng của các cuộc tấn công chiến lượctrinh sát, giúp phát hiện sớm và đối phó với cơ chế nguy hiểm một cách kịp thời

 Hỗ trợ phối hợp và quản lý chiến dịch

GLONASS cho phép các nguồn năng lượng quân sự dễ dàng chia sẻ vị trí vàđiều phối hoạt động với nhau, giúp các huy động có thể theo dõi vị trí và trạngthái của các đơn vị trong thời gian thực hiện Tính năng này giúp tối ưu hóachiến thuật trên chiến trường, đảm bảo khả năng liên kết và phối hợp nhịp độgiữa

 Ứng dụng trong hoạt động cứu hộ và hỗ trợ quân sự

GLONASS cũng đóng vai trò quan trọng trong các hoạt động cứu trợ và hỗtrợ trong quân sự, tuy nhiên khi cần xác định vị trí của những người bị thươnghoặc bị kẹt trong khu vực chiến tranh Hệ thống định vị trợ giúp nâng cao nănglực hỗ trợ định vị nhanh và tiếp cận các nhân vật, tăng số lượng

 Đảm bảo an toàn cho các hoạt động liên lạc quân sự

Việc hợp nhất GLONASS với trợ giúp mã hóa liên hệ hệ thống để đảm bảorằng dữ liệu được định vị bảo mật, giảm thiểu khả năng lưu trữ hoặc can thiệp.Điều này rất quan trọng trong bối cảnh chiến tranh điện tử và an ninh mạng hiệnnay, nơi mà các hoạt động gián đoạn và tấn công mạng