Gii thiu khai quat v h thng v tinh

Giới thiệu khái quát Người gửi: HaiAuVIN hệ thống vệ tinh dẫn đường tồn cầu Tóm tắt: Ngày ngồi xe ô tơ bóng láng, xe tơ có trang bị thiết bị dẫn đường GPS (GPS navigator) nhìn thấy vị trí hay tọa độ xe hình có đồ điện tử hệ thống đường xá phức tạp Vậy thiết bị dẫn đường GPS xe tơ có ngun lý hoạt động nào? Thiết bị dẫn đường tơ có khác với thiết bị dẫn đường tàu thủy máy bay? Thiết bị dẫn đường GPS dựa nguyên lý hoạt động Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System, viết tắt GPS) tên gọi ưa dùng Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite Systems, viết tắt GNSS) Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu bao gồm ba hệ thống vệ tinh dẫn đường sau: GPS Mĩ chế tạo hoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) Nga chế tạo hoạt động từ năm 1995, hệ thống GALILEO Liên hiệp Âu Châu (EU) chế tạo đưa vào sử dụng tương lai khơng xa vào khoảng năm 2008 Ngồi Trung Quốc dự định xây dựng hệ thống thứ tư mang tên COMPASS Nguyên lý hoạt động chung bốn hệ thống GPS, GLONASS, GALILEO COMPASS giống Trong viết này, người viết trình bày sơ lược lịch sử đời hệ thống GPS, nguyên lý hoạt động hệ thống GPS tình hình thực hệ thống GNSS ứng dụng tương lai Các hình 1, minh họa số máy thu GNSS dùng tơ Hình 1: Một loại máy dẫn đường GPS xe (Vision Engineer, 2005) Hình 2: Máy dẫn đường GPS xe taxi Nhật (Wikipedia, 2006) Hình 3: Máy dẫn đường vệ tinh Garmin StreetPilot 2620 (Garmin, 2005) 1.1 Những Dẫn đường phương gì? Sơ pháp lược lịch dẫn sử xác đường-định vị trí Lịch sử dẫn đường xác định vị trí tàu gắn liền với lịch sử dẫn thuyền thám hiểm biển nhiều kỉ trước phương tiện bay không máy bay vũ trụ đời Từ thời tiền sử, người tìm cách để xác định xem đâu đến đích trở cách Những hiểu biết vị trí thường mang tính sống cịn có sức mạnh kinh tế xã hội Con người thời săn bắn kiếm thức ăn thường đánh dấu lối để trở hang động nơi Sau họ làm đồ, phát triển thành hệ thống mạng vĩ tuyến (vị trí trái đất đo từ đường xích đạo phía cực bắc phía cực nam) kinh tuyến (vị trí trái đất đo từ đường kinh tuyến gốc sang phía đơng sang phía tây) Đường kinh tuyến gốc sử dụng giới đường kinh tuyến qua Đài quan sát Hoàng gia (Royal Observatory) Greenwich, Anh Quốc Khi người di chuyển từ vùng đến vùng khác thuyền chạy biển, người biển thuở ban đầu dọc theo bờ biển để tránh bị lạc Sau họ biết cách ghi hướng họ theo trời họ biển xa Những người Phoenicians cổ đại sử dụng Sao Bắc Cực (North Polar) dẫn đường để thực chuyến từ Egypt Crete Theo Homer, nữ thần Athena nói với Odysseus điều khiển tàu Navis chuyến từ Đảo Calypso “hãy để chòm Đại Hùng phía bên trái mạn thuyền” Thật khơng may, nhìn vào ban đêm có thời tiết đẹp trời sáng Con người biết dùng đèn biển - hải đăng (lighthouses) – lấy ánh sáng để dẫn đường, giúp người biển vào ban đêm cảnh báo nguy hiểm Tiếp theo, lịch sử ngành hàng hải (marine navigation) người ta sử dụng la bàn từ (magnetic compass) sextant Kim la bàn hướng cực bắc, cho biết “hướng mũi tàu” (heading) Bản đồ người biển thời kì thám hiểm thường vẽ hướng cảng nhà hàng hải giữ đồ cho riêng Sextant sử dụng gương điều chỉnh đo góc độ xác sao, mặt trăng mặt trời đường chân trời Từ góc đo sử dụng sách Lịch thiên văn hàng hải (The Nautical Almanac) chứa đựng thơng tin vị trí mặt trời, mặt trăng ngơi người ta xác định vĩ độ thời tiết đẹp, vào ban ngày lẫn ban đêm Tuy nhiên người biển xác định kinh độ Ngày nhìn vào hải đồ cũ, thấy vĩ độ bờ biển xác kinh độ có sai lệch đến hàng trăm hải lý Đây vấn đề nghiêm trọng kỷ thứ 17 mà phủ Anh Quốc phải thành lập lên Ban đặc biệt xác định kinh độ Ban tập hợp nhiều nhà khoa học tiếng để tìm cách tính kinh độ Ban đưa phần thưởng 20.000 bảng Anh, tương đương với số tiến ngày khoảng 32.000 la Mỹ, thời tiền có lẽ có giá trị nhiều, cho người tìm cách xác định kinh độ với sai số vòng 30 hải lý Phần thưởng mang lại thành công Câu trả lời phải biết xác thời gian đo độ cao sextant Ví dụ, theo Lịch thiên văn Greenwich dự đoán mặt trời lên cao (vào thiên đỉnh người quan sát) vào lúc ngọ (buổi trưa), tức 12 trưa Nếu có đồng hồ tàu, rời cảng (nước Anh), làm đồng thời gian đồng hồ với thời gian Greenwich Tàu chạy phía tây Ví dụ, lúc chiều ngày, sử dụng sextant đo độ cao mặt trời lúc vị trí mặt trời tương đương với thời gian phía tây Greenwich Như biết, ngày lấy kinh tuyến gốc Greenwich, kinh độ tính 180 độ theo phía đơng, 180 độ theo phía tây tương ứng với 12 múi phía đơng 12 múi phía tây Biết đo tính kinh độ Vào năm 1761, người thợ đồ gỗ mỹ thuật tên John Harrison (1639-1776) (Hình 4) phát minh đồng hồ dùng tàu có tên gọi Thời kế (chronometer), có sai số giây ngày Vào thời gian Thời kế đo thời gian có độ xác điều ngờ được! Trong hai kỉ tiếp theo, sextants thời kế sử dụng kết hợp với để xác định vị trí tàu biển (vĩ độ kinh độ) Hình 4: John Harrison (1639-1776), người phát minh thời kế Đầu kỉ 20, người ta phát minh số hệ thống dẫn đường vô tuyến điện (radiobased navigation systems) sử dụng rộng rãi Chiến tranh giới thứ Các tàu chiến máy bay quân quân đồng minh phát xít sử dụng hệ thống dẫn đường vô tuyến điện mặt đất, công nghệ tiên tiến thời Một số hệ thống dẫn đường vơ tuyến mặt đất đến ngày Một hạn chế phương pháp sử dụng sóng vơ tuyến điện phát mặt đất có hai lựa chọn: 1) hệ thống xác khơng bao phủ vùng rộng lớn, 2) hệ thống bao phủ vùng rộng lớn lại khơng xác Sóng vơ tuyến tần số cao (như sóng TV vệ tinh) cung cấp vị trí xác bao phủ vùng nhỏ hẹp Sóng vơ tuyến tần số thấp (như sóng đài FM, frequency modulation, sóng điều tần) bao phủ vùng rộng lớn lại khơng cho vị trí xác Chính nhà khoa học nghĩ cách bao phủ sóng xác tồn giới đặc trạm phát sóng vơ tuyến điện cao tần đặt không gian phát sóng xuống trái đất Một trạm phát sóng vơ tuyến điện nằm phía khơng gian trái đất phát sóng vơ tuyến điện cao tần tín hiệu mã hóa đặc biệt bao phủ khu vực rộng lớn tới trái đất cách xa phía với mức lượng hữu ích cho phép tái tạo lại thơng tin xác định vị trí Đây ý tưởng ban đầu hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Ý tưởng đúc kết lại 2,000 năm tiến khoa học dẫn đuờng cách tạo “những hải đăng vũ trụ” (space-based lighthouses) làm đồng với thời gian tiêu chuẩn dùng để xác định vị trí xác Hệ thống định vị tồn cầu (GPS) cho biết vị trí nơi bề mặt trái đất với sai số khoảng 20 tới 30 feet, tức khoảng 6-9 mét, điều kiện thời tiết liên tục 24 ngày Với máy thu có độ xác cao thu tín hiệu “hiệu chỉnh vi phân” máy thu GPS đặc biệt đặt vị trí cố định biết, thu vị trí với sai số giảm xuống phạm vi nhỏ feet (1 mét) 1.2 Những phương pháp dẫn đường Từ thuở bình minh loài người bây giờ, việc dẫn dắt xác định vị trí tầu biển phương tiện giao thơng dựa vào phương pháp gì? Các phương pháp dẫn đường tóm tắt sau: 1.2.1 Dẫn đường mục tiêu (Pilotage) Phương pháp dẫn đường mục tiêu phương pháp dẫn đường xác định vị trí phương tiện giao thơng mục tiêu nhìn thấy Những mục tiêu nhìn thấy đỉnh núi, hải đăng, chập tiêu v.v… Phương pháp dẫn đường mục tiêu phương pháp cổ xưa đơn giản 1.2.2 Dẫn đường dự đoán (Dead reckoning) Phương pháp dẫn đường dự đoán phương pháp dẫn đường dựa vào vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển hướng di chuyển để dự đốn vị trí phương tiện Phương pháp khơng có ảnh hưởng ngoại cảnh dịng chảy, gió sóng cho độ xác cao 1.2.3 Dẫn đường thiên văn học (Celestial navigation) Phương pháp dẫn đường thiên văn học dựa vào việc quan sát thiên thể biết bầu trời mặt trời, mặt trăng sao, sử dụng sextant để đo độ ca góc độ thiên thể, dùng đồng hồ (thời kế) để đo thời gian dùng lịch thiên văn để tính tốn vị trí tàu Phương pháp dẫn đường thiên văn học phương pháp sử dụng nhiều ngành hàng hải Hình 5: Thời kế (Chronometer) Hình 6: La bàn biển (marine compass) Hình 7: Một loại la bàn khác Hình 8: Sextant Hình 9: Lịch thiên văn hàng hải (Nautical Almanac) 1.2.4 Dẫn đường vô tuyến điện (Radio navigation) Phương pháp dẫn đường vô tuyến điện phương pháp sử dụng thiết bị phát sóng vơ tuyến điện từ trạm phát cố định có vị trí biết, điểm thu sóng máy thu tính tốn thời gian, khoảng cách kết thu vị trí máy thu sóng vơ tuyến điện Phương pháp sử dụng GPS/GNSS coi phương pháp vô tuyến điện, vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu coi trạm phát vơ tuyến điện, hay nói xác ‘các trạm phát vơ tuyến điện vũ trụ’ (space-based radio wave transmitters) 1.2.5 Dẫn đường quán tính (Inertial navigation) Phương pháp dẫn đường quán tính dựa hiểu biết vị trí, vận tốc động thái ban đầu phương tiện, từ đo tốc độ động thái gia tốc dùng phương pháp tích phân để tính tốn vị trí phương tiện Đây phương pháp dẫn đường khơng dựa vào nguồn tham khảo bên ngồi Nếu phương pháp dẫn đường vô tuyến chịu ảnh hưởng sóng vơ tuyến điện khơng sử dụng khu vực khơng có sóng phương pháp dẫn đường qn tính khắc phục Khái quát lịch sử phát triển hệ thống dẫn đường Các hệ thống GNSSs gồm GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), hệ thống tương lai gồm bao GALILEO (Châu Âu) COMPASS (Trung Quốc) Mục khái quát số hệ thống dẫn đường trước GPS lịch sử đời GPS Như khái quát lịch sử dẫn đường hang hải trên, phương pháp dẫn đường đời cho phép người biển có vị trí xác liên tục Sự đời phương tiên đại máy bay vào đầu kỉ thứ 20, tàu sắt khổng lồ trang bị máy nước sau động diesel tàu vũ trụ làm cho người nhanh xa nữa, đòi hỏi phải có vị trí xác liên tục Khoa học dẫn dắt xác định vị trí (navigation) khơng giới hạn việc dẫn dắt tàu thủy trở thành khoa học dẫn dắt máy bay, tàu vũ trụ phương tiện vận tải mặt đất Chúng ta có thuật ngữ: hàng không (air navigation), du hành vũ trụ (space navigation), hàng hải (marine navigation) di chuyển mặt đất – hàng địa (land navigation) Thuật ngữ navigation khơng cịn hạn chế lĩnh vực hàng hải mà mở rộng nhiều lĩnh vực khác Vào khoảng sau năm 1920s, giới xuất hệ thống dẫn đường vô tuyến điện tạo tiền đề cho việc phát triển hệ thống định vị toàn cầu Những hệ thống hàng hải vơ tuyến điện bao gồm: thiết bị có tầm hoạt động ngắn đèn hiệu vơ tuyến (radio beacons), radar, máy tìm phương, thiết bị có tầm hoạt động dài (cịn gọi hệ thống dẫn đường hyperbol) hệ thống OMEGA, DECCA LORAN-C Những hệ thống dẫn đường chủ yếu sử dụng để dẫn tàu máy bay 2.1 2.1.1 Những phương Hệ pháp thống dẫn đường vô dẫn tuyến đường trước GNSS-OMEGA OMEGA hệ thống dẫn đường hyperbol dựa việc đo lệch pha tín hiệu trạm phát (ít từ ba trạm) máy thu tần số 10-14 kHz Việc triển khai hệ thống OMEGA bắt đầu vào thập niên 1960s, sau thời gian chạy thử số trạm phát, lịch sử hệ thống lùi lại vào sau năm sau Đại chiến giớ Trước hệ thống OMEGA đời, người ta tiến hành nhiều nghiên cứu thí nghiệm việc sử dụng tín hiệu tần số thấp (VLF very low frequency) hệ thống so sánh pha Ưu điểm hệ thống xuất phát từ việc tận dũng tần số thấtp cho phép bao phủ toàn bề mặt trái đất tám trạm phát song (xem Bảng 1) Bảng Các trạm phát sóng OMEGA Hệ thống dẫn đường OMEGA khởi điểm ban đầu sử dụng cho mục đích quân số người sử dụng với mục đích dân ngày gia tăng Vào thời điểm năm 1990 hệ thống hệ thống dẫn đường có sóng bao phủ liên tục toàn cầu Ngày “lấn át” hệ thống định vị tồn cầu, người sử dụng hệ thống dẫn đường OMEGA Những máy thu OMEGA tàu biển dường để sử dụng hỗ trợ máy thu GPS có cố! Độ xác vị trí máy thu OMEGA với sai số vị trí vào khoảng 10-30 km Nếu có sử dụng thêm tín hiệu từ trạm phát OMEGA vi phân độ xác tăng lên đáng kể Hệ thống dẫn đường DECCA DECCA hệ thống dẫn đường hyperbol bề mặt trái đất có trạm phát song liên tục tần số khoảng 70-129 kHz Các trạm phát song bố trí theo chuỗi bao gồm trạm chủ (master station) có chức điều khiển ba trạm phụ thuộc (slaves, có trường hợp có hai trạm phụ thuộc) có tín hiệu pha khóa theo pha trạm chủ Hệ thống DECCA Anh Quốc giới thiệu Đại chiến giới thứ DECCA sử dụng tất vùng biển ven bờ Châu Âu mà sử dụng Nhật Bản, Ấn Độ, Pakistan, Vịnh Ả Rập (Persian Gulf), Nam và số phần Úc Châu Canada (mặc dù số vùng vùng khơng phủ sóng nữa) Với khoảng tần số trên, hệ thống DECCA hệ thống dẫn đường vơ tuyến có vùng phủ sóng rộng lớn, vào năm 1987, có tới 140 trạm tạo thành 42 chuỗi 17 quốc gia Ở Na Uy có chuỗi, Skagerak, Vestland, Trondelag, Helgland, Lofoten Finmark DECCA chủ yếu tàu thủy sử dụng, mở rộng cho máy bay, đặc biệt máy bay lên thẳng Những thử nghiệm mặt đất cho kết tốt, Anh Quốc Na Uy Hệ thống DECCA thường sử dụng để hàng hải ven bờ (coastal navigation) Vị trí xác định dựa việc đo lệch pha giửa tín hiệu từ trạm chủ trạm phụ thuộc Độ xác vị trí hệ thống DECCA vùng chuỗi cao so với OMEGA, sai số khoảng m (Forsell, 1991) 2.1.3 Hệ thống dẫn đường LORAN-C LORAN-C viết tắt từ LOng RAnge Navigation (hàng hải khoảng cách dài) phát triển từ hệ thống hàng hải LORAN-A LORAN-C hệ thống hàng hải dựa việc phát tín hiệu xung (pulse signals), Mỹ phát minh Đại chiến giới thứ Chuỗi LORAN-C hoạt động bờ biển phía đơng Mỹ vào năm 1958 Từ năm 1959 Chuỗi biển Na Uy có trạm Ejde Quần đảo Faeroe (trạm chủ), Jan Mayen, Bo (phía tây nam Tromso Bắc Na Uy), Sylt (ở phần cực bắc bờ biển bắc Đức) Sandur phía tây Iceland Vào năm đầu thập niên 1990s có khoảng 15 chuỗi LORAN-C bao phủ toàn Địa Trung Hải, tây bắc Đại Tây Dương, vùng nước xung quanh Hawai Nhật Bản, đông nam Trung Quốc, vùng xung quanh hồ lớn Bắc Mỹ Vịnh Mexico Ngoài có hai chuỗi Saudi Arabia, chuỗi nhỏ (minichains) số nơi khác giới, ví dụ Kênh đào Suez Hệ thống LORAN-C mở rộng bao phủ phần lại Mỹ chủ yếu nhằm phụ vụ giao thông hàng không Việc mở rộng hoàn thành vào cuối năm 1990 Chuỗi LORAN-C gồm trạm chủ (master, M) cộng thêm hai, ba bốn trạm thứ cấp (secondaries, X, Y, Z W, gọi theo tín hiệu quốc tế X-ray, Yankee, Zulu Whisky) Nga (Liên Xơ cũ) có chuỗi, chuỗi trạm trung tâm phần Đông Âu Nga, chuỗi trạm bờ biển Thái Bình Dương, hai chuỗi thành lập (vào thời gian đầu thập niên 1990s) chuỗi có trạm bao phủ vùng phía tây Bắc Băng Dương Nga Hệ thống Nga gọi Chayka (Hải Âu, Seagull), có dạng tín hiệu tương tự với chuỗi Mỹ, mà số máy thu LORAN-C sử dụng trạm Nga Mỹ đồng thời Trong hệ thống LORAN-C, hệ thống dẫn đường vô tuyến khác, có phát triển máy thu ngày sử dụng nhiều vi xử lý (microprocessors) xử lý tín hiệu số (digital signal processing) Để xác định vị trí, máy thu LORAN-C tìm kiếm tín hiệu từ trạm chủ trạm thứ cấp, xác định điểm qua số không mong muốn (the wanted zero-crossing), theo dõi hình bao (envelope, tín hiệu hình) điểm qua số không, đo thời gian chênh lệch (time differences) cộng thêm tín hiệu hiệu chỉnh tính tốn vị trí Sai số vị trí máy thu LORAN-C phụ thuộc vào nhiều yếu tố Sai số lớn biến thiên tốc độ lan truyền tín hiệu Tốc độ lan truyền tín hiệu mặt đất phụ thuộc vào độ dẫn điện bề mặt trái đất (theo thơng số tầng khí mặt đất) Để tăng độ xác người ta sử dụng kĩ thuật LORAN-C Vi phân (Differential LORAN-C) Ví dụ máy thu LORAN-C có sử dụng LORAN-C Vi phân khu vực Kênh đào Suez cho vị trí có sai số nhỏ 15 mét  2.2 Khái 2.2.1 quát lịch Lý sử phát phát triển GPS minh GPS Sự đời phương tiện vận chuyển máy bay, tàu vũ trụ địi hỏi điều khiển thiết bị khơng gian ba chiều Những phương pháp dẫn đường hệ thống dẫn đường vô tuyến điện khái quát dùng cho việc dẫn dắt tàu thủy trở thành lỗi thời không phù hợp với việc điều khiển thiết bị chuyển động khơng gian ba chiều (6 bậc tự do) hệ thống đương thời xác định vị trí theo chiều khơng gian Trước địi hỏi kỹ thuật nhiều nhà khoa học phủ Mỹ tài trợ để thực nghiên cứu hệ thống dẫn đường dựa vũ trụ 2.2.2 Người phát minh GPS lịch sử phát triển GPS Bộ Quốc phòng Mỹ quan thiết kế điều khiển hệ thống định vị tồn cầu Trong nhóm người tham gia điều hành dự án GPS Bộ Quốc phịng Mỹ cần kể tới đóng góp to lớn TS Ivan Getting, người sáng lập The Aerospace Corporation, TS Bradford Parkinson, chủ tịch hội đồng quản trị The Aerospace Corporation Bảng trình bày tóm tắt niên biểu kiện liên quan tới lịch sử phát triển GPS Bảng Niên biểu lịch sử phát triển GPS ( Thời gian: Sự kiện bật) Thập niên 1920s: Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến Đầu Đại chiến giới 2: LORAN, hệ thống dẫn đường áp dụng phương pháp đo độ lệch thời gian tín hiệu sóng vơ tuyến, Phịng thí nghiệm Bức xạ Đại học MIT (MIT Radiation Laboratory) LORAN hệ thống định vị điều kiện thời tiết thực đầu tiên, hai chiều (vĩ độ kinh độ) 1957: Vệ tinh Sputnik Nga phóng lên vũ trụ Đại học MIT cho tín hiệu vơ tuyến điện vệ tinh tăng lên chúng tiếp cận trái đất giảm rời khỏ trái đất truy theo vị trí từ mặt đất 1959: TRANSIT, hệ thống dẫn đường dựa vệ tinh hoạt động đầu tiên, Phịng thí nghiệm vật lý ứng dụng Johns Hopkins phát triển đạo TS Richard Kirschner Mặc dù khởi đầu Transit chế tạo để hỗ trợ cho đội tàu ngầm Mỹ công nghệ phát triển có ích trở thành Hệ thống định vị tồn cầu Vệ tinh Transit phóng lên vũ trụ vào năm 1959 1960: Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian ba chiều (kinh độ, vị độ độ cao longitude, latitude and altitude) Raytheon Corporation đề xuất theo yêu cầu Air Force để làm hệ thống dẫn đường sử dụng với (with a proposed ICBM) đạt tới độ lưu động chạy hệ thống đường ray Hệ thống dẫn đường trình bày MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control) Ý tưởng bị hỏng chương trình Mobile Minuteman bị hủy bỏ vào năm 1961 1963: Tổng công ty Aerospace Corporation thực nghiên cứu hệ thống không gian làm sở cho hệ thốn dẫn đường cho phương tiện chuyển động nhanh theo ba chiều không gian Việc nghiên cứu trực tiếp dẫn tới khái niệm hệ thống định vị toàn cầu Khái niệm liên quan đến việc đo thời gian tới tín hiệu sóng vơ tuyến phát từ vệ tinh có vị trí xác biết Đo thời gian cho khoảng cách tới vị trí vệ tinh biết xác định vị trí người sử dụng 1963: Air Force bắt đầu hỗ trợ nghiên cứu Aerospace, định nghiên cứu Dự án Hệ thống 621B Khoảng năm 1972, chương trình biểu diễn hoạt động loại tín hiệu xác định khoảng cách vệ tinh dựa tiếng ồn ngẫu nhiên giả tạo (PRN, pseudo random noise) 1964: Timation, hệ thống vệ tinh hải quân, phát triển đạo Roger Easton Phòng nghiên cứu Hải quan (Naval Research Lab, NRL) để cải thiện đồng hồ có tính ổn định cao, khả truyền thời gian, dẫn đường chiều Hoạt động Timation theo tiêu chuẩn thời gian chuẩn vũ trụ cung cấp sở quan trọng cho hệ thống định vị toàn cầu Vệ tinh Timation phóng lên vũ trụ vào tháng năm 1967 1968: Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD, Department of Defence, USA) thành lập ủy ban gọi Ủy ban Thự Vệ tinh Dẫn đường (NAVSEC, Navigation Satellite Executive Committee) để phối hợp nỗ lực nhóm dẫn đường vệ tinh (Transit Hải quân, Chương trình Timation, SECOR Qn đội, hay cịn gọi Hệ thống đồng tương quan khoảng cách chuỗi (Sequential Correlation of Range System) NAVSEC ký hợp đồng số nghiên cứu để làm sáng tỏ khái niệm dẫn đường vệ tinh Những nghiên cứu số vấn đề xung quanh khái niệm lựa chọn tần số sóng mang (dải L đối lập với dải C), thiết kế cấu trúc tín hiệu, lựa chọn định hình quỹ đạo vệ tinh 1969-1972: NAVSEC quản lý thảo luận khái niệm nhóm dẫn đường vệ tinh khác APL Hải quân ủng hộ nhóm Transit mở rộng, NRL Hải quân ủng hộ cho Timation mở rộng, Air Force ủng hộ cho “chịm đồng mở rộng”, tức dự án 'Hệ thống 621B' Tháng năm 1973: Thứ trưởng Bộ Quốc phòng định thiết lập chương trình hợp tác ba dịch vụ để thống khái niệm khác định vị dẫn đường thành hệ thống Bộ quốc phòng hỗn hợp gọi Hệ thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (Defense Navigation Satellite System) Air Force định làm người quản lý (điều hành) chương trình Hệ thống phát triển qua văn phịng chương trình kết hợp (joint program office), với tham gia tất quan chủng quốc phòng Đại tá Brad Parkinson định làm người đạo văn phòng chương trình kết hợp đặt trọng trách phát triển kết hợp khái niệm ban đầu hệ thống dẫn đường dựa không gian (space-based navigation system) Tháng năm 1973: Hệ thống trình bày tới Hội đồng Thu nhận Thẩm định Hệ thống Quốc phòng (Defense System Acquisition and Review Council, DSARC) bị từ chối thơng qua Hệ thống trình lên DSARC gói gọn Hệ thống 621B Air Fore khơng đại diện cho chương trình kết hợp Mặc dù có người ủng hộ ý tưởng hệ thống dẫn đường dựa vệ tinh Văn phịng Chương trình Kết hợp thúc đẩy khẩn trương tổng quát hóa khái niệm bao gồm xem xét yêu cầu tất binh chủng quốc phòng 17/12/1973: Một khái niệm trình tới DSARC thông qua để thực cấp kinh phí hệ thống NAVSTAR GPS, đánh dấu khởi đầu công nhận khái niệm (ý tưởng) (Giai đoạn I chương trình GPS) Khái niệm thực hệ thống dàn xếp (thỏa hiệp – compromise system) Đại tá Parkinson thương lượng kết hợp tốt tất khái niệm công nghệ dẫn đường vệ tinh có sẵn Cấu hình hệ thống thông qua bao gồm 24 vệ tinh chuyển động quỹ đạo nghiêng chu kỳ 12 đồng hồ Tháng năm 1974: Hãng Rockwell International chọn làm nhà cung cấp vệ tinh cho chương trình GPS Ngày 14 tháng năm 1974: Vệ tinh NAVSTAR phóng lên vũ trụ Vệ tinh định Vệ tinh Công nghệ Dẫn đường (NTS) số 1, vệ tịnh Timation tân trang lại NRL đóng Vệ tinh thứ hai (là vệ tinh cuối cùng) nhóm NTS phóng vào năm 1977 Những vệ tinh sử dụng cho việc đề xuất đánh giá khái niệm (ý tưởng) thực đồng hồ ngun tử phóng vào khơng gian (vũ trụ) 1977: Thực kiểm tra thiết bị người sử dụng Yuma, Arizona 22/2/1978: Vệ tinh Block I phóng Tồn 11 vệ tinh Block I phóng khoảng thời gian 1978 1985 Atlas-Centaur Những vệ tinh Block I Rockwell International xây dựng coi vệ tinh mẫu phát triển dùng để kiểm tra hệ thống Bị vệ tinh phóng trượt 26/4/1980: Phóng vệ tinh GPS thực cảm ứng Hệ thống phát tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp (Integrated Operational Nucluear Detonation Detection System (IONDS) sensors) 1982: Bộ Quốc phịng thơng qua định giảm số vệ tinh chòm vệ tinh GPS từ 24 xuống 18 sau tái cấu tạo lại chương trình Quyết định 1979 Văn phòng Thư ký Bộ Quốc phịng gây để cắt giảm kinh phí 500 triệu đô la (khoảng 30%) từ ngân sách cho giai đoạn năm tài FY81-FY86  14/7/1983: Phóng vệ tinh GPS thực hệ thống dị tìm tiếng nổ hạt nhân (NDS) 16/9/1983: Theo (the Soviet downing of Korean Air flight 007), tổng thống Reagan hứa cho GPS sử dụng cho máy bay dân dụng hồn tồn miễn phí hệ thống đưa vào sử dụng Sự kiện đánh dấu bắt đầu lan tỏa công nghệ GPS từ quân sang dân Tháng tư 1985: Hợp đồng thiết bị người sử dụng giao cho JPO Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển lựa chọn sản xuất máy thu GPS dùng cho máy bay, tàu thủy máy thu xách tay (gọn nhẹ) 1987: Bộ Quốc phòng thức u cầu Bộ Giao thơng (Department of Transport, DoT) có trách nhiệm thiết lập cung cấp văn phòng đáp ứng nhu cầu người sử dụng dân thông tin GPS, liệu hỗ trợ kỹ thuật Tháng năm 1989, Coast Guard có trách nhiệm làm đại lý hướng dẫn Dịch vụ GPS Dân (civil GPS service) 1984: Khảo sát trở thành thị trường GPS thương mại đầu bảng nâng cánh! Để bù cho số vệ tinh giới hạn có sẵn q trình phát triển chịm vệ tinh, nhà khảo sát chuyển qua số kỹ thuật nâng cao độ xác bao gồm kĩ thuật GPS Vi phân (DGPS) kỹ thuật truy theo pha sóng mang (carrier phase tracking) 3/1988 Thư ký Air Force thông báo việc mở rộng chòm GPS tới 21 vệ tinh cộng thêm vệ tinh dự phòng 14/2/1989: Vệ tinh vệ tinh Block II phóng từ Cape Canaveral AFT, Florida, dàn phóng Delta II (Delta II booster) Phi thuyền thoi (Space Shuttle) làm bệ phóng theo kế hoạch cho vệ tinh Block II Rockwell Intenational đóng Tiếp theo tai nạn Challenger 1986, Văn phịng Chương trình Kết hợp (JPO) xem xét lại sử dụng Delta II làm bệ phóng vệ tinh GPS SA (Selective Availabity) AS (Anti-spoofing 21/6/1989: Hãng Martine Marietta (sau mua xong General Electric Astro Space Division vào năm 1992) thắng hợp đồng xây dựng 20 vệ tinh bổ sung (Block IIR) Chiếc vệ tinh Block IIR sẵng sàng để phóng vào cuối năm 1996 1990: Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hàng đầu giới thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm ban đầu 25/3/1990: DoD theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến Liên bang, lần khởi động (kích hoạt) SA (Selective Availability) làm giảm độ xác dẫn đường GPS có chủ định 8/1990: SA tắt chiến tranh vịnh Ba tư (Persian Gulf War) Những yếu tố đóng góp vào định tắt SA bao gồm việc phủ sóng ba chiều có giới hạn chịm NAVSTAR cung cấp quỹ đạo vào thời gian sớ máy thu mã số xác (Precision (P)-code) kiểm kê DoD DoD mua hàng nghìn máy thu GPS dân dụng sau khơng lâu dùng cho lực lượng liên minh chiến tranh 1990-1991: GPS lực lượng liên minh dùng lần điều kiện chiến tranh Chiến tranh Vịnh Ba Tư Sử dụng GPS cho Bão Sa Mạc Hoạt Động (Operation Desert Storm) chúng minh cách sử dụng chiến thuật thành công công nghệ không gian giới hạn thiết trí hoạt động 29/8/1991: SA kích hoạt lại sau Chiến tranh Vịnh Ba Tư 1/7/1991: Mỹ cho phép cộng đồng giới sử dụng dịch vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) GPS năm 1993 sở liên tục miển phí vịng 10 năm Lời đề nghị thông báo Hội nghị Dẫn đường Hàng không lần thứ 10 (the 10th Air Navigation Conference) Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO, International Civil Aviation Organization) 5/9/1991: Mỹ mở rộng lời đề nghị 1991 vào Hội nghị thường niên ICAO cách cho phép giới sử dụng SPS tương lai, việc phụ thuộc vào việc có đủ vốn, cung cấp dịch vụ tối thiểu năm có thông báo trước việc chấm dứt hoạt động GPS xóa bỏ SPS 8/12/1992: Bộ Trưởng Bộ Quốc phịng thức thơng báo Khả hoạt động GPS, có nghĩa 24 vệ tinh quỹ đạo hệ thống GPS khơng cịn hệ thống triển khai mà GPS có khả trì độ xác mức độ sai số 100 mét có sẵn tồn cầu liên tục cho người sử dụng SPS hứa 17/2/1994: Người quản trị FAA David Hinson thông báo GPS hệ thống dẫn đường thông qua để sử dựng làm phương tiện hỗ trợ dẫn đường độc lập cho tất phương tiện bay thơng qua tiếp cận khơng xác (nonprecision approach) 6/6/1994: Người quản trị FAA David Hinson thông báo ngừng phát triển Hệ thống Hạ cánh Vi sóng (MLS) cho việc hạ cánh Loại II III 11/1994: Hãng Orbital Sciences, nhà sản xuất tên lửa vệ tinh hàng đầu giới đồng ý mua hãng Magellen Corp., nhà sản xuất máy thu GPS cầm tay California trao đổi chứng khốn trị giá 60 triệu la Mỹ, mang lại cho Orbital tiến gần tới mục tiêu trở thành công ty viển thông hai chiều dựa vào vệ tinh 8/6/1994: Người quản trị FAA David Hinson thông báo thực Hê thống Gia tăng Vùng rộng (WAAS, Wide Area Augmentation System) nhằm mục đích cải thiện tính hợp GPS tăng tính sẵn có cho người sử dụng dân tất phương tiện bay Giá chương trình theo dự tính 400-500 triệu la Mỹ Chương trình lập kế hoạch thực vào khoảng năm 1997 11/10/1994: Ủy ban hành động dẫn đường định vị Bộ Giao thông (the Department of Transportation Positioning / Navigation Executive Committee) thành lập để cung cấp diễn đàn qua đại lý nhằm thực sách GPS 14/10/1994: Người quản trị FAA David Hinson nhắc lại lời đề nghị (US’s offer) làm GPS-SPS có sẵn tương lai, dựa sở liên tục tồn cầu miễn phí cho người sử dụng trực tiếp thư gửi cho ICAO 16/3/1995: Tổng thống Bil Clinton tái khẳng định Mỹ cung cấp tín hiệu GPS cho cộng đồng người sử dụng dân dụng giới thư gửi cho ICAO Từ sau năm 1995 hệ thống GPS tiếp tục trì bảo dưỡng thay vệ tinh già tuổi Năm 2000, số vệ tinh chòm GPS tăng lên 28 vệ tinh SA loại bỏ nên độ xác tốt Những vệ tinh hệ GPS-IIR phóng lên để thay vệ tinh già tuổi Vệ tinh phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên GPS-IIR-M1, vệ tinh thuộc hệ vệ tinh đại GPS-IIR-M Theo kế hoạch, vệ tinh phóng lên khơng gian vào tháng giêng năm (2006) Độc giả quan tâm tìm thơng tin từ trang web The Institute of Navigation (ION, Mỹ) Bạn đọc quan tâm sử dụng từ khóa GLONASS, GALILEO, COMPASS để tìm thơng tin hệ thống vệ tinh dẫn đường khác (thông tin cập nhật) Vài nét khái quát hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS)-Các hệ thống định vị toàn cầu: Hiện giới có ba hệ thống vệ tinh dẫn đường GPS GLONASS hoạt động, GALILEO theo kế hoặch hoàn thành vào năm 2008 Cả ba thống định vị toàn cầu ngày gọi tên chung Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS, Global Navigation Satellite System) Phần tóm lược số thơng tin ba hệ thống vệ tinh nhân tạo: GPS, GLONASS GALILEO 3.1 GPS Tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để hệ thống định vị tồn cầu Bộ quốc phịng Mỹ thiết kế điều hành Bộ Quốc phòng Mỹ thường gọi GPS NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) Mọi người sử dụng GPS miễn phí Vệ tinh GPS phóng vào tháng năm 1978, vệ tinh gần vệ tinh GPS IIR-M1 phóng vào tháng 12 năm 2005 (Wikipedia, 2006) GPS bao gồm 24 vệ tinh (tính đến năm 1994), bổ sung thành 28 vệ tinh (vào năm 2000), chuyển động 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 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) Liên bang Sô viết (cũ) thiết kế điều hành Ngày hệ thống GLONASS Cộng hoà Nga tiếp tục trì hoạt động Hệ thống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động 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 GLONASS sử dụng cho mục đích quân Đối với người sử dụng dân có sai số lớn nều quan điều hành GPS GLONASS kích hoạt phận gây sai số chủ định, ví dụ SA GPS Do Liên hợp Âu Châu (EU) lên kế hoạch thiết kế điều hành hệ thống định vị vệ tinh mang tên GALILEO, mang tên nhà thiên văn học GALILEO, với mục đích sử dụng dân Việc nghiên cứu dự án hệ thống GALILEO bắt đầu triển khai thực từ năm 1999 quốc gia Châu Âu Pháp, Đức, Italia Anh Quốc Giai đoạn đầu triển khai chương trình GALILEO bắt đầu năm 2003 theo dự kiến hoàn thành đưa vào sử dụng năm 2010 (chậm so với thời gian dự định ban đầu năm) (Wikipedia, 2006) GALILEO thiết kế gồm 30 vệ tinh chuyển động 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 11: Nhà thiên văn học Galileo Galilei (1564-1642) Bảng So sánh số thông số kỹ thuật ba hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Yasuda, 2001) 3.4 COMPASS: Hệ thống vệ tinh dẫn đường Trung Quốc tuyên bố xây dựng trình thiết kế xây dựng (thông tin cập nhật  ... 28 v? ?? tinh SA loại bỏ nên độ xác tốt Những v? ?? tinh h? ?? GPS-IIR phóng lên để thay v? ?? tinh già tuổi V? ?? tinh phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên GPS-IIR-M1, v? ?? tinh thuộc h? ?? v? ?? tinh đại GPS-IIR-M Theo... tìm thơng tin h? ?? thống v? ?? tinh dẫn đường khác (thông tin cập nhật) V? ?i nét khái quát h? ?? thống v? ?? tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS)-Các h? ?? thống định v? ?? toàn cầu: Hiện giới có ba h? ?? thống v? ?? tinh dẫn... NRL đóng V? ?? tinh thứ hai (là v? ?? tinh cuối cùng) nhóm NTS phóng v? ?o năm 1977 Những v? ?? tinh sử dụng cho việc đề xuất đánh giá khái niệm (ý tưởng) thực đồng h? ?? ngun tử phóng v? ?o khơng gian (v? ? trụ)