II. Nội dung chớnh phần lý thuyết (15 tiết)
5.2.1. Khỏi quỏt về GPS
5.2.1.1. Khỏi niệm GPS
GPS là hệ thống định vị toàn cầu (bản chất của GPS là viết tắt từ 3 chữ - Global Positioning System). Hệ thống định vị toàn cầu là hệ thống xỏc định vị trớ dựa trờn vị trớ của cỏc vệ tinh nhõn tạo. Trong cựng một thời điểm, ở một vị trớ trờn mặt đất nếu xỏc định được khoảng cỏch đến ba vệ tinh (tối thiểu) thỡ sẽ tớnh được toạ độ của vị trớ đú.
5.2.1.2. Tổng quan về GPS
GPS được biết đến là một hệ thống gồm 24 vệ tinh bay vũng quanh trỏi đất 2 lần một ngày theo một quỹ đạo cực kỳ chớnh xỏc và truyền cỏc thụng tin về quả đất. Hệ thống này do Bộ Quốc phũng Mỹ phỏt triển. Quõn đội Nga cũng xõy dựng một hệ thống tương tự được gọi là GLONASS. Mỏy định vị phải liờn tục “nhỡn thấy” ớt nhất 3 vệ tinh thỡ mới cú thể xỏc định được vị trớ và theo dừi di chuyển của người cầm mỏy. Để xỏc định được vị trớ 3 chiều 3D (tức cú cả độ cao), mỏy định vị cần tối thiểu 4 vệ tinh. Tuỳ vào từng thời điểm mà mỏy định vị sẽ chọn những vệ tinh nào tốt nhất trong tầm bắt của nú để tớnh toỏn và cập nhật vị trớ của ta. Mỏy định vị lưu trữ số hiệu của cỏc vệ tinh cựng với quỹ đạo của chỳng trong bộ nhớ, nhờ vậy nú cú thể xỏc định được khoảng cỏch và vị trớ của bất kỳ vệ tinh nào và sử dụng thụng tin này để xỏc định vị trớ của ta. Cỏc vệ tinh của GPS tạo
thành bộ phận khụng gian (space segment) của hệ thống định vị toàn cầu. Cỏc vệ tinh này bay cỏch mặt đất khoảng 12 nghỡn dặm (khoảng 19.308 km) với vận tốc khoảng 7000 dặm/giờ (11.263 km/giờ). Cỏc vệ tinh của mỏy định vị hoạt động nhờ năng lượng mặt trời. Trờn vệ tinh cũng cú ắc quy dự trữ để giỳp cho
Hỡnh 5-05. Cỏc vệ tinh của hệ thống
định vị toàn cầu
71 Bài giảng ĐO ĐẠC
chỳng hoạt động trong thời gian mặt trời bị khuất. Cỏc tờn lửa đẩy nhỏ gắn trờn vệ tinh giỳp cho chỳng bay đỳng quỹ đạo. Dưới đõy là một số thụng tin khỏc về hệ thống vệ tinh này:
Vệ tinh GPS đầu tiờn được phúng lờn vào năm 1978. 24 vệ tinh được phúng lờn đầy đủ vào năm 1994. Mỗi vệ tinh được thiết kế cú tuổi thọ hoạt động khoảng 10 năm. Cỏc vệ tinh thay thế luụn được chuẩn bị sẵn để phúng lờn. Mỗi vệ tinh của hệ thống định vị toàn cầu cú trọng lượng khoảng 2000 cõn Anh (khoảng 908 kg) và cú chiều ngang khoảng 17 feet (khoảng 5,2 một) khi cỏc tấm pin mặt trời duỗi ra hết cỡ. Cụng suất truyền tớn hiệu của cỏc vệ tinh là 50 watt hoặc thấp hơn. Tờn gọi chớnh thức của GPS do Bộ quốc phũng Mỹ sử dụng là NAVSTAR. Cỏc vệ tinh GPS truyền tớn hiệu về ở 2 dạng súng vụ tuyến cú năng lượng thấp, được gọi là L1 và L2. Cỏc mỏy định vị dõn sự chỉ thu được súng L1 cú tần số 1575.42 Mhz thuộc băng tần UHF. Thực ra L1 chớnh là mó CA-Code (Charge Acquisition Code) và L2 là P-Code (Precision Code). Mó P rất phức tạp, chỉ cú cỏc mỏy định vị quõn sự mới thu được tớn hiệu của mó này và cú độ chớnh xỏc rất cao (khoảng 1m). Mỏy định vị dõn sự thu được mó CA với độ chớnh xỏc dao động trong khoảng 15 - 100 m. Bộ Quốc phũng Mỹ đó tạo ra bộ gõy sai số ngẫu nhiờn để giảm độ chớnh xỏc của cỏc mỏy định vị dõn sự, điều này được gọi là hiệu lực lựa chọn (Selective Availability - SA). Trong nhiệm kỳ của tổng thống Bill Clinton, Chớnh phủ Mỹ đó quyết định tắt SA đi vào thỏng 5 năm 2000. Vỡ thế hiện nay cỏc mỏy định vị dõn sự cũng trở nờn rất chớnh xỏc. Độ chớnh xỏc của mỏy định vị dõn sự hiện nay cũn dưới 15 m.
Cỏc tớn hiệu của vệ tinh GPS gửi về cú 3 bit thụng tin - một mó ngẫu nhiờn giả (pseudorandom code), dữ liệu về lịch thiờn văn (ephemeris data) và dữ liệu về lịch di chuyển của vệ tinh (tạm dịch từ chữ almanac data). Mó ngẫu nhiờn giả thực ra chỉ là một mó nhận diện, cho biết vệ tinh nào đang truyền tớn hiệu. Đú là số hiệu vệ tinh mà nhỡn thấy trờn mỏy định vị. Dữ liệu về lịch thiờn văn chứa những thụng tin quan trọng về tỡnh trạng của cỏc vệ tinh, ngày và giờ hiện tại. Phần thụng tin này của tớn hiệu là cực kỳ quan trọng để xỏc định tọa độ. Dữ liệu về lịch cho biết vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày vệ tinh nào sẽ ở vị trớ nào trờn bầu trời. Mỏy định vị chỉ cú thể “nhỡn thấy” được cỏc vệ tinh nếu chỳng nằm trờn đường chõn trời. Để sử dụng được
72 Bài giảng ĐO ĐẠC
bộ nhớ về vệ tinh, cỏc mỏy định vị phải được khởi động (initialize), cú nghĩa là ta phải khai bỏo cho mỏy định vị biết đang ở “khoảng” vựng nào trờn thế giới để mỏy định vị biết được phải tỡm kiếm cỏc vệ tinh nào. Mỏy định vị cần phải được khởi động trong cỏc trường hợp sau:
- Lần đầu tiờn mở mỏy định vị (lấy từ trong hộp ra, chưa sử dụng lần nào). - Mỏy định vị tắt và đó bị di chuyển đi một khoảng cỏch hơn 500 dặm (hơn 800 km).
- Toàn bộ cỏc dữ liệu trong mỏy định vị đó bị xoỏ. Mỏy định vị bắt được tối đa 12 trong số 24 vệ tinh trờn để tớnh toỏn vị trớ, cú nghĩa là vào một thời điểm một mỏy định vị chỉ ghi nhận được tối đa là 12 vệ tinh.