Khái niệm
GPS (Global Positioning System: Hệ thống định vị toàn cầu) là hệ thống dựa trên hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu. GPS cung cấp thông tin vị trí và thời gian trong bất kỳ môi trường, thời gian, vị trí nào trên trái đất nằm trong vùng phủ của từ
ít nhất 4 quả vệ tinh GPS. Hệ thống GPS được thiết kế và ứng dụng lần đầu tiên năm 1973 do bộ quốc phòng Mỹ, bao gồm 24 vệ tinh.
Các thành phần trong hệ thống GPS
Hình 2-13: Các phần trong hệ thống GPS
Hệ thống vệ tinh GPS chia làm 3 phần:
9 Phần không gian (Space segment)
Gồm 24 quả vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 12 nghìn dặm. Chúng chuyển động ổn
định, hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ. Các vệ tinh này chuyển
động với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹđạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời
điểm nào.
Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồn pin dự
phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹđạo đã định.
trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm. Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gữi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại data cho đúng và kết hợp với hai anten khác để gữi lại thông tin cho các vệ tinh.
9 Phần sử dụng (User Segment)
Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này. Dưới đây là một số thông tin đáng chú ý về các vệ tinh GPS (còn gọi là NAVSTAR, tên gọi chính thức của Bộ Quốc phòng Mỹ cho GPS):
• Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978. • Hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994.
• Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 10 năm.
• Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 feet (5 m) với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²).
• Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts.
Định vị
Mỗi vệ tinh GPS truyền liên tục một tính hiệu sóng radio cực ngắn bao gồm có hai vật mang, hai mã, và một thông điệp chỉđường. Khi một thiết bị thu GPS được kích hoạt, nó sẽ chọn sóng GPS qua anten thu nhận. Một khi thiết bị thu giành được sóng GPS, nó sẽ xử lý sóng đó bằng cách sử dụng các phần mềm gắn bên trong. Kết quả riêng của quá trình xử lý bao gồm cả khoảng cách tới vệ tinh GPS thông qua mã kỹ thuật số (được biết tới như là pseudoranges) và vệ tinh xác định vị trí thông qua các thông điệp chỉđường.
Hình 2-14: Nguyên lý định vị GPS
Theo lý thuyết, chỉ 3 khoảng cách tới 3 vệ tinh theo dõi đồng thời là cần thiết. Trong trường hợp này, thiết bị thu sẽ xác định vị trí tại điểm giao nhau của ba quả
cầu, mỗi quả có bán kính từ thiết bị thu tới vệ tinh và tâm nằm ở mỗi vệ tinh (hình 1.5). Từ mỗi thực tế, mỗi điểm của tầm nhìn cần 4 vệ tinh để tính toán offset đồng hồ thiết bị thu. Độ chính xác theo phương ngang có thểđạt được là 22m.
Tín hiệu dẫn đường
Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2. (dải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz). GPS dân sự
dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà.
L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên"(pseudo random), đó là mã Protected (P) và mã Coarse/Acquisition (C/A). Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu. Mục đích của các mã tín hiệu này là để
Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch. Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định
được quả vệ tinh nào là phát thông tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào. Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ởđâu trên quỹ đạo ở mỗi thời (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
điểm trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống.
Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về
trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại. Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí.
Ứng dụng phổ biến của GPS
Ban đầu, GPS được phát triển cho lĩnh vực quân sự, nhưng sau đó được mở rộng cho mục đích dân sự. Do đó, dịch vụ định vị GPS được chia làm 2 mức: : dịch vụ định vị chính xác (PPS: Precision Position System) dùng cho quân sự và dịnh vụ định vị thông thường (SPS: Standard Position System) phục vụ cho dân sự. Độ
chính xác theo phương ngang của PPS là 22m và SPS là 156m.
9 Trong lĩnh vực quân sự
¾ Dẫn đường (Navigation): Cho phép quân lính tìm ra mục tiêu ở
những vùng lãnh thổ mới thậm chí cả trong bóng tối.
¾ Bám theo mục tiêu (Target Tracking): Rất nhiều hệ thống quân sự sử
dụng GPS để theo dõi hay xác định mục tiêu quân địch trên bộ và trên không, đặc biệt trên máy bay quân sự.
¾ Định hướng bay tên lửa, tìm kiếm cứu nạn trong quân sự, và GPS cũng được áp dụng trong việc trinh sát.
9 Trong lĩnh vực dân sự
¾ Ngành công nghiệp tiện ích: Hệ thống GPS/GIS cung cấp bản đồ
chính xác và cập nhật đóng vai trò quan trọng đối với các công ty cung cấp dịch vụ công cộng.
¾ Lâm nghiệp và tài nguyên thiên nhiên: Ứng dụng phổ biến là đánh giá trữ lượng mỏ dầu hay mỏ quặng, kiểm tra cấu trúc đập nước, cầu và tháp truyền hình,..
¾ Ngành công nghiệp bán lẻ: Hệ thống tích hợp phân tích tuyến đường hiệu quả cho khu vực giao hàng (là cơ sở dữ liệu bản đồ các đường phố cho khu vực giao hàng) và kiểm tra nhanh thời gian thực dựa trên GPS. Dựa trên cơ sở dữ liệu đó cũng nhưđiều kiện giao thông, có thể
tối ưu hóa việc điều độ và chọn tuyến đường cho các phương tiện vận chuyển.
¾ Khảo sát địa chính: sử dụng GPS để xác định thuộc tính các góc, giới hạn và các diện tích của các khoảng đất.