1. Nguyờn tắc chung của hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu
Cỏc hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu đều hoạt động trờn nguyờn tắc sử dụng phộp đo khoảng cỏch từ vệ tinh đến mỏy thu, dựa trờn giả thiết về sự đồng bộ húa thời gian giữa cỏc vệ tinh và mỏy thu. Cỏc vệ tinh định vị toàn cầu liờn tục phỏt đi cỏc tớn hiệu chứa đựng mó riờng biệt của vệ tinh, thụng tin về vị trớ và vận tốc của vệ tinh tại thời điểm truyền tớn hiệu. Giả thiết rằng, cỏc đồng hồ vệ tinh và đồng hồ mỏy thu được đồng bộ húa, mỏy thu sẽ cú thể tớnh toỏn được chớnh xỏc thời gian truyền tớn hiệu dựa trờn thụng tin về thời điểm bắt đầu phỏt tớn hiệu trong dữ liệu định vị (navigation data) được phỏt xuống cho mỏy thu và thời điểm thu nhận được tớn hiệu tại mỏy thu. Từ đú, khoảng cỏch từ vệ tinh tới mỏy thu được tớnh toỏn chớnh xỏc bằng cỏch nhõn thời gian truyền với tốc độ truyền ỏnh sỏng đó biết (3 x 108 m/s) [12].
Hỡnh 3.8: Toạ độ gắn với tõm trỏi đất (CTRS)
Để xỏc định được vị trớ của mỡnh; tức là giải được ba ẩn số xr, yr, zr hoặc kinh độ, vĩ độ và cao độ, xem hỡnh 3.8; mỏy thu cần thu được tớn hiệu của ớt nhất ba vệ tinh.
Hỡnh 3.9: Thu tớn hiệu của 3 vệ tinh sẽ xỏc định được vị trớ trờn mặt đất
Vị trớ của mỏy thu sẽ là giao điểm duy nhất của 3 hỡnh cầu cú tõm là 3 vệ tinh phỏt tớn hiệu này và bỏn kớnh là cỏc khoảng cỏch từ vệ tinh đến mỏy thu tương ứng đó đo được, như mụ tả ở hỡnh 3.9, 3.10. Như vậy khi thu tớn hiệu từ 3 vệ tinh cho phộp ta xỏc định vị trớ của mỏy thu theo kinh độ và vĩ độ (theo 2 chiều-2D).Tuy nhiờn xin lưu ý rằng, giả thiết ban đầu là cỏc đồng hồ của vệ tinh và của mỏy thu đều được đồng bộ húa với nhau. Đõy là một giả thiết rất khú đạt được trờn thực tế. Như đó được giới thiệu ở mục trờn, tiờu chuẩn thời gian nguyờn tử cho phộp việc lưu trữ thời gian chớnh xỏc đến khoảng nanụ-giõy. Cụng nghệ này đang được sử dụng cho cỏc đồng hồ lắp đặt tại cỏc vệ tinh. Tuy nhiờn, cụng nghệ này khụng được sử dụng rộng rói cho đồng hồ ở mỏy thu vỡ giỏ thành rất cao. Cỏc đồng hồ ở mỏy thu thường dựa trờn cụng nghệ quarzt và việc đồng bộ húa thời gian giữa vệ tinh và mỏy thu trở nờn khú thực hiện được. Sai số thời gian nếu khụng được ước lượng tốt sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới độ chớnh xỏc của kết quả ước lượng vị trớ mỏy thu.
Vớ dụ, sai số về thời gian 1 nanụ-giõy sẽ gõy ra sai số là 30 cm trong giỏ trị ước lượng của khoảng cỏch từ vệ tinh tới mỏy thu. Do vậy, sự khỏc biệt thời gian giữa cỏc từ vệ tinh và mỏy thu sẽ được coi như là một ẩn số và được giải cựng với cỏc đại lượng vị trớ hoặc vận tốc của mỏy thu. Trong trường hợp cơ bản, mỏy thu cần thu nhận cỏc tớn hiệu của ớt nhất 4 vệ tinh để cú thể xỏc định được vị trớ của nú về phương diện ba chiờu (3D, kinh độ, vĩ độ và độ cao) hỡnh3.11.
Hỡnh 3.10: Giao của ba đường cầu tại một điểm
Hỡnh 3.11: Thu tớn hiệu của 4 vệ tinh xỏc định được vị trớ và độ cao so với mặt đất Sau khi xỏc định được cỏc phộp đo khoảng cỏch, mỏy thu sẽ dựng phần mềm tương ứng để xỏc định vị trớ, vận tốc và thời gian.. Trong trường hợp anten thu tớn hiệu ở trạng thỏi tĩnh, vị trớ tĩnh của nú trong toàn bộ khoảng thời gian thu tớn hiệu là giỏ trị trung bỡnh của cỏc vị trớ ước lượng được tại mọi thời điểm..
2. GPS vi sai (DGPS: Differential GPS):
Một hệ thống định vị như trờn theo lý thuyết thỡ sẽ hoạt động tốt. Tuy nhiờn trong thực tế cũn nhiều vấn đề nảy sinh. Trước hết là khi vệ tinh quay quanh Trỏi đất, nú cũn
bị ảnh hưởng của lực hỳt từ mặt trăng, mặt trời. Trường hợp này cỏc lực cú mức độ ảnh hưởng tương đối ớt và cố định nờn hệ thống vệ tớnh sẽ được điều chỉnh thớch hợp để giảm thiểu sai số này. Vấn đề thứ hai là bầu khớ quyển của Trỏi đất khụng phải là đồng nhất nờn sẽ làm giảm vận tốc của súng radio tựy theo mức độ dày đặc của khớ quyển khỏc nhau. Như vậy là với cỏc vị trớ khỏc nhau trờn Trỏi đất cần cỏc hiệu chỉnh khỏc nhau. Nhưng mỏy thu khụng cú cỏch nào biết được hệ số hiệu chỉnh này. Một vấn đề nữa là khi cỏc súng radio truyền sẽ chịu cỏc va đập khỏc nhau tuỳ theo địa hỡnh, cõy cối, nhà cao tầng... Mỏy thu cũng khụng cú cỏch nào biết được điều này.
Những vần đề nảy sinh cho thấy khi cần cỏc ứng dụng cú độ chớnh xỏc cao thỡ hệ thống mỏy thu bỡnh thường là khụng đỏp ứng được. Khi đú, cần phải cú 1 hệ thống mới để giải quyết vấn đề này. Hệ thống GPS vi sai đó được đưa ra. í tưởng chớnh của hệ thống GPS vi sai là nếu hai mỏy thu ở gần nhau thỡ so với khoảng cỏch rất lớn tới vệ tinh chỳng cú thể coi là như nhau về sai số. Vỡ vậy người ta xõy dựng sẵn cỏc trạm thu trờn mặt đất, cỏc trạm này hoàn toàn biết vị trớ của mỡnh, khi nhận được cỏc thụng số từ vệ tinh nú sẽ tớnh toỏn sai số của cỏc thụng số. Cỏc thụng số này được truyền đi. Khi mỏy thu nhận được tớn hiệu từ vệ tinh, nú sẽ trừ đi cỏc sai số thu được từ cỏc trạm thu và sẽ cú được kết quả chớnh xỏc. Đấy là lý do tại sao hệ thống mới gọi là GPS vi sai.
Cỏc hệ thống DGPS:
+ USCG DGPS của Lực lượng tuần dương Mỹ USCG (US Coast Guard).
+ WAAS DGPS của Cơ quan quản trị hàng khụng Liờn bang Mỹ (Federal Aviation Administration).
Hai hệ thống DGPS này đều hoạt động theo nguyờn tắc chung của DGPS nhưng họ nhận thấy như sau: hệ thống DGPS là khỏ tin cậy và ổn định nhưng thỉnh thoảng vẫn xảy ra lỗi truyền cỏc tớn hiệu sai. Để giải quyết cỏc lỗi này, cỏc trạm điều khiển dưới mặt đất sẽ giỏm sỏt cỏc vệ tinh và khi phỏt hiện ra lỗi nú sẽ gửi tớn hiệu yờu cầu cỏc mỏy thu bỏ qua cỏc tớn hiệu sai cho tới khi chỳng được sửa. Tuy nhiờn quỏ trỡnh bỏo cho mỏy thu cú thể kộo dài tới vài phỳt. Thời gian này với người dựng bỡnh thường chẳng là gỡ nhưng với cỏc hệ thống tốc độ cao như tàu ngầm, mỏy bay thỡ sẽ là thảm hoạ. Chỉ cần vài phỳt chiếc tài ngầm cú thể lao thẳng vào vỉa đỏ ngầm và cũng trong thời gian đú 2 chiếc mỏy bay cú thể lao thẳng vào nhau. Chớnh vỡ vậy mà hai cơ quan trờn đó quyết định xõy dựng
thờm cỏc trạm cung cấp thụng tin sửa lỗi nhanh chúng hơn. Thay cho cỏc trạm điều khiển dưới mặt đất, họ phúng thờm cỏc trạm điều khiển trờn khụng. Cỏc trạm này cú nhiệm vụ truyền thụng tin cho cỏc mỏy bay tức thỡ nếu cú sự cố. Đồng thời, cỏc trạm này cũn kiờm luụn cả cỏc chức năng cung cấp cỏc thụng tin định vị và cỏc hệ số hiệu chỉnh. Sự khỏc biệt chớnh giữa 2 hệ thống là cỏch cỏc tớn hiệu sửa sai được truyền đi. Hệ thống USCG DGPS truyền tớn hiệu ở tần số thấp từ cỏc trạm hiệu chỉnh của họ. Rừ ràng việc truyền tớn hiệu ở tần số thấp dễ bị ảnh hưởng của cỏc tỏc động bờn ngoài nờn ứng dụng của USCG là hạn chế. Hệ thống WAAS DGPS khi tớnh toỏn được sai số, tớn hiệu sẽ được truyền lờn cỏc trạm WAAS trờn khụng và truyền ở tần số cao trựng với tần số của tớn hiệu GPS, vỡ vậy khi thu tớn hiệu WAAS DGPS cỏc mỏy thu khụng cần phải cú thờm thiết bị nào như của USCG DGPS.