Phương pháp dẫn đường định vị vô tuyến điện là phương pháp sử dụng thiết bị phát sóng vô tuyến điện tử từ một trạm phát cố định có vị trí đã biết, tại điểm thu sóng, máy thu sẽ tính toán thời gian, khoảng cách và kết quả thu được vị trí. Với việc đặt các trạm phát sóng trên vũ trụ phương pháp này đã trở nên rất phổ biến với các hệ dẫn đường định vị vệ tinh như GPS và GNSS. Hiện nay, phương pháp này đang được sử dụng rất rộng rãi trong quân sự và dân sự làm nhiệm vụ định vị, dẫn đường tên lửa, máy bay, bom thông minh, tàu thuyền, ô tô... Tuy nhiên, phương pháp này phải sử dụng nguồn tham chiếu bên ngoài nên khi không có được những thông tin chính xác từ các vệ
tinh, điều kiện thời tiết không tốt, môi trường nhiều vật cản thì sai số của phương pháp là rất lớn.
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo. GPS dựa trên một mạng lưới 24 vệ tinh được Bộ Quốc phòng Mỹ đặt trên quỹ đạo không gian nhưng chính phủ Mỹ cho phép các nước sử dụng miễn phí. Do GPS được phát triển trước hết cho mục đích quân sự của Mỹ nên mặc dù cho phép dùng trong dân sự nhưng không đảm bảo hoạt động một cách liên tục và chính xác. Vì thế chúng không thoả mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường trong quân sự, hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng trong những thời điểm có hoạt động quân sự của Mỹ. Bộ thu GPS phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và theo dõi được chuyển động. Với bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì bộ thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí đối tượng đã tính được thì bộ thu GPS có thể tính thêm các thông tin khác như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, quãng cách tới điểm đến...
1.5.1.1.Hệ thống vệ tinh GPS
24 vệ tinh làm nên vùng không gian GPS trên quỹ đạo 20.200 km cách mặt đất chuyển động với vận tốc 3400m/s. Các vệ tinh được nuôi 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 vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp giải L1 và L2. (Giải 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 575,42 MHz trong giải 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. Tín hiệu GPS chứa ba mẫu thông tin là giả mã, đốple và pha của sóng mang.
Hình 1.6: Hoạt động của hệ thống GPS 1.5.1.2. Nguồn sai số của tín hiệu GPS
Có bốn nguồn sai số chính ảnh hưởng đến độ chính xác khi xác định vị trí trong hệ thống GPS là các sai số thành phần không gian và thành phần điều khiển, sai số thời gian truyền, sai số của bộ thu GPS và sai số vết quỹ đạo. - Sai số thành phần không gian và thành phần điều khiển
Thành phần không gian và thành phần điều khiển gây ra một phần quan trọng trong toàn bộ sai số khi xác định vị trí. Nó bao gồm sai số của đồng hồ
vệ tinh và sai số của lịch vệ tinh. Sai số đồng hồ trên vệ tinh nằm trong khoảng 10 nano giây tương đương với 3m.
Tất cả các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử, tần số đồng hồ của đồng hồ nguyên tử là cơ sở điều khiển toàn bộ hoạt động của các vệ tinh. Độ chênh lệch giữa đồng hồ nguyên tử với thời gian của bộ thu GPS gây nên sai số đồng hồ vệ tinh. Sai số lịch vệ tinh cũng gây trở ngại trong việc dự đoán lượng hiệu chỉnh quỹ đạo. Lịch vệ tinh chịu ảnh hưởng của trường hấp dẫn trái đất, gió, mặt trời, các đồng hồ trên vệ tinh, các đồng hồ ở trạm điều khiển và một vài yếu tố khác.
- Sai số thời gian truyền
Tín hiệu truyền từ vệ tinh tới bộ thu GPS đi qua tầng điện ly và tầng đối lưu, do đó sai số thời gian truyền bao gồm sai số do độ trễ tầng điện ly, sai số độ trễ tầng đối lưu, sai số do hiện tượng đa đường của tín hiệu [33].
+ Sai số do độ trễ tầng điện ly
Các điện tử tự do trong tầng điện ly ảnh hưởng rất mạnh tới điện từ trường trong khoảng tần số của hệ thống GPS. Ảnh hưởng của tầng điện ly tỷ lệ với tổng dung lượng điện tử dọc theo đường tín hiệu và do đó phụ thuộc vào cường độ mặt trời, vị trí bộ thu GPS, hướng quan sát và thời gian trong ngày. Độ trễ tầng điện ly có thể đạt tới 20÷30m vào ban ngày và 2÷6m vào ban đêm.
Độ trễ tầng điện ly tỷ lệ nghịch với bình phương tần số. Tần số càng cao thì ảnh hưởng của tầng điện ly càng thấp. Sử dụng tín hiệu có tần số cao cho mã P có thể giảm đáng kể sai số do độ trễ tầng điện ly gây ra. (Tần số L1 phát cả mã C/A và mã P, tần số L2 chỉ phát mã P). Quan sát hiệu thời gian tới của tín hiệu mã P trên L1 và L2 sẽ dự đoán được độ trễ của tầng điện ly.
Tia sóng tín hiệu GPS bị uốn cong và bị chậm đi khi đi qua tầng đối lưu. Do đó, giá trị hiệu chỉnh độ trễ tầng đối lưu phải được trừ đi từ giá trị khoảng cách dự tính quan sát được. Độ trễ này phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm, độ cao bộ thu... Hiện nay có nhiều mô hình khúc xạ tầng đối lưu khác nhau. Chúng được sử dụng cùng với các thiết bị đo áp suất, nhiệt độ và độ ẩm để tính toán lượng hiệu chỉnh độ trễ tầng đối lưu.
+ Sai số đa đường truyền
Hầu hết các anten ở các bộ thu GPS là các anten vô hướng, cho phép thu nhận đồng thời tín hiệu từ nhiều vệ tinh. Các phép đo gặp phải sai số đa đường truyền do có sự phản xạ trước khi đến mục tiêu. Đa đường truyền làm sai lệch giá trị đo khoảng cách giả, do có sự thay đổi vị trí hình học giữa bộ thu, vệ tinh và vật phản xạ. Sai số đa đường truyền có thể giảm bằng cách sử dụng các nguyên liệu hấp thu sóng vô tuyến điện xung quang chỗ đặt anten, lắp đặt anten cách đất, chọn vị trí cẩn thận cũng như chọn vị trí cách xa mặt phẳng phản xạ phẳng. Sai số đa đường truyền có thể gây ra sai số khoảng cách từ 2÷10m.
- Sai số bộ thu GPS
Sai số này chủ yếu do sai số đồng hồ của bộ thu, đó là sai số ngẫu nhiên, vì chúng là ngẫu nhiên nên có thể giảm được bằng bộ lọc thông thấp.
- Sai số vết quỹ đạo
Sự thay đổi vận tốc của người sử dụng một cách đột ngột là nguyên nhân gây ra sai số vết quỹ đạo. Các bộ thu GPS thường được cài đặt bộ lọc Kalman để bù trừ sai số này.
Ngoài các nguyên nhân sai số khách quan trên còn có sai số do sự giảm có chủ tâm tín hiệu vệ tinh của Bộ Quốc phòng Mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ