4.1 Sự ra đời của hệ thống GPS
GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹđạo, thu thập thông tin toàn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất. Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh.
Năm 1978, nhằm mục đích thu thập các thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), độ cao và tốc độ của các cuộc hành quân, hướng dẫn cho pháo binh và các hạm đội, Bộ Quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất 24 vệ tinh. Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên trái đất ở độ cao 19.200 km, với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận. Từ những năm đầu thập kỷ 80, các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối tượng sử dụng tư nhân. Trên các xe hơi hạng sang, những thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số PDA (Personal Digital Assistant) như Ipaq của hãng Compaq, được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện giá trị của chủ sở hữu. Số lượng các vệ tinh ngày càng tăng lên, do được phóng lên thêm. Tính đến thời điểm hiện tại thì số lượng vệ tinh của hệ thống GPS là 28 vệ tinh.
Các đặc điểm mà GPS thu hút nhiều người quan tâm và sử dụng như:
- Mức độ chính xác của vị trịđưa ra là tương đối cao, từ hàng 10m đến hàng mm… - Có khả năng xác định được vận tốc vật trên mặt đất vào thời điểm chính.
- Tín hiệu phát ra đến được người dùng tại khắp mọi nơi trên thế giới: trên không, trên mặt đất, hay trên biển…
- Là hệ thống định vị mà người dùng không phải trả tiền sử dụng. Ngoài ra các yêu cầu về phần cứng có giá cũng không phải quá cao – nếu không muốn nói là tương đối thấp.
- Nó hoạt động trong mọi thời điểm, và trong mọi thời tiết.
- Thông tin vị trí mà GPS cung cấp là được miêu tả trong không gian 3 chiều, các thông tin vị trí cung cấp như chiều dọc, chiều ngang, độ cao(hay còn gọi là kinh độ, vĩ độ, cao độ)
4.2 Nghiên cứu các thành phần hệ thống GPS
4.2.1Nghiên cứu việc thiết kế hệ thống GPS
Thực sự việc nghiên cứu phát triển hệ thống GPS của Bộ Quốc Phòng Mỹ được tiến hành trong năm 1973, mục đích chính lúc đó mà đến cả ngày nay là xây dựng một hệ thống định vị hoạt động tốt trong tất cả các điều kiện thời tiết, khí hậu, hoạt động 24 giờ trong ngày và phần quan trọng của hệ thống là cung cấp các thông tin về vị trí các điểm yêu cầu của lực lượng vũ trang Mỹ và các nước đồng minh của Mỹ. Vì thế hệ thống GPS được thiết kếđể thay thế các hệ thống điều hướng đang được sử dụng và điểm mạnh của GPS so với các hệ thống có chức năng tương tự khác là ở độ tin cậy và tính bền vững.
Hệ thống định vị GPS gặp phải một số khó khăn trong việc thiết kế như:
- Khả năng đáp ứng được tất cả các lớp nền: như phù hợp bất kì một máy móc nào, tàu thủy, đất liền, và ở không trung.
- Có thể sử dụng cho một số lượng lớn các loại máy móc, động cơ khác nhau.
- Khả năng xác định rõ vị trí, vận tốc và thời điểm hiện tại, và chúng phải phù hợp với nhau, tức là vị trí và vận tốc phải ở cùng một thời điểm, không để xảy ra tình trạng vận tốc ở thời điểm này lại được cho là vận tốc ở thời điểm khác gây ra nhầm lẫn. - Độ chính xác cao nhất của hệ thống chắc chắn bị hạn chế với một lớp người nào đấy. - Có khả năng giải quyết các lỗi, sự cố xảy ra trong việc tính toán, vận hành hệ thống –
có thể do chủ quan hay khách quan đem lại.
- Hệ thống hoàn toàn bị động trong việc truyên dữ liệu từ người dùng đến vệ tinh, mà chỉ có chiều ngược lại.
- Có thể cung cấp dịch vụđến số lượng người dùng không giới hạn.
Việc thiết kế xây dựng hệ thống GPS nói chung là dựa trên các tiêu chí sau:
- Một hệ thống dải một chiều, trong đó các vệ tinh truyền tín hiệu đi mà không biết ai sẽ là người nhận tín hiệu.
- Sử dụng các kỹ thuật và công nghệ hiện đại nhưđồng hồ nguyên tử, truyền sóng radio ngắn.
- Các tín hiệu vệ tinh sẽ không bịảnh hưởng của điều kiện thời tiết.
- Hệ thống GPS gồm các vệ tinh thay nhau làm việc nhưng phải luôn đảm bảo là vào bất kì thời điểm nào cũng có đủ số vệ tinh cần thiết cùng hoạt động, để từđó mới đảm
- Sự thiếu chính xác về vị trí là trong khoảng chấp nhận được.
Đề cập đến tính chính xác của GPS, cũng phải nói thêm là ngày nay hệ thống GPS ngày càng hoàn thiện hơn, đặc biệt là về độ chính xác ngày càng cao đến hàng milimet. Chính vì độ chính xác cao như vậy nên GPS ngày càng được áp dụng vào nhiều ứng dụng của con người, và thật khó có thể hình dung được là cuộc sống của chúng ta lại thiếu GPS.
Các công nghệ, kỹ thuật được áp dụng trong việc xây dụng hệ thống GPS như:
- Độ tin cậy của hệ thống không gian:
Năm 1973, chương trình không gian của Mỹ đã cho thấy độ tin tưởng của phần cứng không gian. Trong thực tế các hệ thống truyền tín hiệu là rất quan trọng. Các vệ tinh truyền tín hiệu ban đầu được thiết kế hoạt động được 2 đến 3 năm trên quĩ đạo, nhưng có một số vệ tinh đã vượt ra cả dự đoán ban đầu, chúng có thể chạy trên 25 năm trên quĩđạo.
- Công nghệđồng hồ nguyên tử:
Với việc ra đời và phát triển của đồng hồ nguyên tử, thì một kỉ nguyên mới trong việc đảm bảo tính chính xác của thời gian đã mở ra... Tuy nhiên, trước khi các chương trình của GPS được đưa vào triển khai thì sự chính xác của các đồng hồ nguyên tửđã được kiểm tra trên vũ trụ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các đồng hồ nguyên tử hiện tại cũng cực kỳ chính xác. Chúng chậm chưa tới một giây sau khi chạy hơn 15 triệu năm. Chúng đếm thời gian dựa trên cách thức các nguyên tử xeri (caesium) nhảy lên xuống giữa các mức năng lượng khác nhau. Những bước nhảy hay "những tiếng tích tắc" rất đều này xảy ra ở những tần số sóng cực ngắn và được sử dụng để định giây - chính xác là 9.192.631.770 tiếng tích tắc/giây.
Tuy nhiên, vào năm ngoái, các nhà nghiên cứu thuộc Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia (Nist) ở Washington DC Mỹ tiến thêm một bước bằng việc chế tạo một loại đồng hồ dựa trên tần số quang học của một ion thuỷ ngân đơn nhất được làm mát (1 nguyên tử thuỷ ngân có 1 electron bị loại bỏ). Trong thiết bị này, họ cần một thiết bị laser siêu nhanh để đếm những bước nhảy nhanh hơn nhiều của ion thuỷ ngân khi nó di chuyển giữa các mức năng lượng - tạo ra khoảng 1.065.000.0004 tiếng tích tắc/giây.
Scott Diddams, một nhà nghiên cứu tại Nist, phát biểu tại Hội nghị: ''Chúng tôi biết loại đồng hồ thế hệ mới rất ổn định. Vì vậy, nghiên cứu của chúng tôi hiện tập trung vào việc kiểm tra nó hoạt động chính xác như thế nào. Các thí nghiệm cho thấy chúng có thể chỉ chậm một khoảng giây trong 100 triệu năm".
- Máy tạo dao động tinh thể thạch anh:
Nhằm mục tiêu giảm giá trị của các thiết bị thì máy tạo dao động tinh thể thạch anh đã được đưa ra. Máy tạo dao động này hơn là việc sử dụng đồng hồ nguyên tử trong các vệ tinh GPS. Hơn nữa giá của chúng lại thấp hơn và có sự ổn định rất cao trong thời gian ngắn.
- Theo rõi tính chính xác của các vệ tinh và xác định rõ quĩđạo của chúng:
Trong quá trình hoạt động của mình, các vệ tinh không thể tránh khỏi các sai xót, bay lệch quĩ đạo của mình( dù là rất nhỏ)… chính vì thế chúng luôn phải được quản lý, theo dõi... khi thấy sai xót là phải sửa lại ngay - điều này được thực hiện bởi trạm điều hành ở dưới mặt đất.
- Công nghệ mạch tích hợp cao:
Một mức độ về sự tinh vi của công nghệ trong việc chế tạo các chip bán dẫn, có khả năng tương đương hơn 100. 000 - và có thểđến 1 triệu - transistor được đặt trong một chip. Nhờ vào công nghệ này mà giá sẽ thấp và kích thước của các thiết người dùng nhỏ hơn... sự thành công các chương trình GPS phụ thuộc rất lớn vào mạch tích hợp cao, và sức mạnh của hệ thống GPS cũng được xây dụng từ chúng.
4.2.2Các thành phần hệ thống GPS
Hệ thống GPS gồm có 3 thành phần chính: - Phần vũ trụ
Gồm các vệ tinh và sự truyền phát tín hiệu. - Phần điều khiển
Là các trạm trên mặt đất có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các vệ tinh, từ đố kiểm tra các vệ tinh, tính toán quĩ đạo chuyển động, và đưa ra các điều chỉnh cần thiết để các vệ tinh luôn hoạt động chính xác.
- Phần người dùng
Hình 4-1 Các thành phần của hệ thống GPS Sau đây chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các thành phần này:
4.2.2.1Phần vũ trụ
Hình 4-2 Các vệ tinh GPS bay trên quĩ đạo
Phần vũ trụ bao gồm các vệ tinh GPS bay trên quĩđạo. Như ta đã biết ở phần trên thì vào năm 1978, Mỹđã phóng các vệ tinh GPS lên trên quĩđạo cách trái đất khoảng 19.200 km, với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận.
Trong số 28 vệ tinh của Bộ quốc phòng Mỹ nói trên, chỉ có 24 thực sự hoạt động, 3 vệ tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ, và 1 vệ tinh mới phóng thêm vào ngày 26 tháng 9 năm 2005. Tín hiệu radio được truyền đi thường không đủ mạnh để thâm nhập vào các
tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm và hay tới các địa điểm dưới nước. Ngoài ra nó còn đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh đểđưa ra được thông tin chính xác về vị trí (bao gồm cảđộ cao) và tốc độ của một vật. Vì hoạt động trên quỹđạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất kỳđiểm nào trên trái đất.
Phần Vũ trụ gồm các vệ tinh trên, chúng 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.
Theo tin tức của báo Vietnamnet thì Mỹ vừa phóng vệ tinh định vị hiện đại nhất, thuộc một nhóm vệ tinh định vị toàn cầu mới (GPS) nhằm giúp người sử dụng thương mại và quân đội Mỹ xác định được vị trí và mục tiêu chính xác hơn.
Hình 4-3 Vệ tinh GPS thế hệ mới
Trị giá 75 triệu đôla, vệ tinh được phóng bằng tên lửa Boeing Delta 2 vào ngày 26/9/2005. Trong thời gian tiếp theo, nó sẽ triển khai các tấm pin mặt trời, anten và khai hoả một tên lửa nhỏ trên boong để đạt tới quỹ đạo cuối cùng, chừng 18.00km bên trên Trái đất. Vệ tinh này nhập vào một mạng lưới gồm 28 vệ tinh GPS hiện nay. Hệ thống 28 vệ tinh GPS giúp người sử dụng xác định vị trí của họ. Tuy nhiên, vệ tinh mới - vệ tinh đầu tiên trong 8 vệ tinh GPS IIR do Lookheed Martin chế tạo, có nhiệm vụ cải thiện độ chính xác của toàn hệ thống GPS hiện có.
Vệ tinh mới mang theo một tấm anten, cung cấp tín hiệu mạnh hơn cho người sử dụng mặt đất, cũng như ba tín hiệu hoàn toàn mới. Hai trong số đó sẽ giúp quân đội Mỹ
khắc phục tình trạng tắc nghẽn tín hiệu GPS trên các phương tiện di chuyển mặt đất, máy bay và tàu thuỷ. Ngoài ra, chúng còn cải thiện độ chính xác của các loại vũ khí thông minh định hướng bằng GPS. Tín hiệu thứ ba sẽ là một tần số dành cho người sử dụng dân sự, giảm thiểu lỗi định vị do lớp hạt tích điện ở thượng tầng khí quyển gây ra.
Quân đội Mỹ dự định phóng tiếp ba vệ tinh GPS IIR vào năm 2006. Sau đó, vệ tinh đầu tiên trong số 12 vệ tinh còn hiện đại hơn sẽđược phóng vào năm 2007. Những vệ tinh này, GPS IIF, do Boeing chế tạo và cung cấp tín hiệu dân sự thứ ba cho các máy bay.
Có 5 loại vệ tinh được sử dụng trong hệ thống GPS: Block I, Block II, Block-IIA, (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Block IIR và Block IIF
- Block I
Vệ tinh Block I đầu tiên do tập đoàn Rockwell xây dựng và đưa vào hoạt động vào ngày 22 tháng 2 năm 1978. Các vệ tinh Block I đã hoạt động từ 1978 đến 1985 với tổng số 11 vệ tinh. Các vệ tinh Block I được dùng để kiểm tra và xác nhận độ khả thi của hệ thống định vị. Block I bay trên cùng quĩ đạo với “Block II” nhưng nghiêng một góc là 630, và đương nhiên là sử dụng năng lượng mặt trời.
Hình 4-4 Vệ tinh Block I
Sau đây là các đặc tính kỹ thuật của các vệ tinh trong “Block I”:
Block I
Tần số 1572.42 MHz and 1227.6 MHz (L-Band)
2227.5 MHz (S-Band) Nhà cung cấp Tập đoàn Rockwell International
Khối lượng 759 kg
Tuổi thọ 5 năm
Điện năng tiêu thụ 0.410 kw
Pin 3 - 15 cell Ah NiCd
- Block II
Các vệ tinh Block II có trọng lượng khoảng 1660 kg nặng gần gấp 2 lần Block I. Vệ tinh đầu tiên được đưa vào hoạt động đầu tiên vào năm 1989, với sải cánh dài 5.1m và có thời gian phục vụ khoảng 7,5 năm. Có tổng số 9 vệ tinh Block II( từ 12 đến 21), và 18 vệ tinh Block IIA hoạt động đến tháng 9 năm 1996.
Các vệ tinh Block II được thiết kế để cho phép 14 ngày hoạt động không cần sự điều khiển của phần điều khiển.
Bảng 4-2 Thông số kỹ thuật vệ tinh Block II
Tần số 1572.42 MHz and 1227.6 MHz (dải L)
2227.5 MHz (dải S)
Nhà cung cấp Tập đoàn Rockwell International
Khối lượng 1660 kg
Tuổi thọ 7,5 năm
Điện năng tiêu thụ 0,710 kw
Pin 3 - 35 cell Ah NiCd
- Block III
Quá trình nghiên cứu cấu trúc của Block III gồm 3 giai đoạn, giai đoạn 1 kết thúc vào năm 2001. Boeing và Lockheed Martin để ra 16 triệu USD cho giai đoạn 1. Một nhà thầu đã trúng thầu để xây dựng và phát triển các vệ tinh Block III, theo dự kiến thì vệ tinh
Lực lượng không quân Mỹ( U.S. Air Force) muốn các vệ tinh Block III phải tăng cường tính bảo mật bằng cách cung cấp 2 kênh cho tín hiệu military-code (M-code) đó là L1 và L2 mà chúng phục vụ cho quân sự.
Ngoài ra còn có một số các vệ tinh loại khác như Block IIA, Block IIF... xin xem thêm phần phụ lục.
4.2.2.2Phần điều khiển
Hình 4-5 Vị trí các trạm điều khiển vệ tinh GPS
Phần điều khiển là các trạm điều khiển các vệ tinh đặt trên trái đất. Phần điều khiển gồm:1 trạm điều khiển chính, 5 trạm thu số liệu,3 trạm truyền số liệu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Trạm điều khiển chính
Đặt tại Colorade Springs (Mỹ) có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu theo dõi vệ tinh từ các trạm thu số liệu để xử lý
Công nghệ xử lý gồm : Tính lịch thiên văn, tính và hiệu chỉnh đồng hồ, hiệu chỉnh quỹ Đạo điều khiển, thay thế các vệ tinh ngừng họat động bằng các vệ tinh dự phòng.