Chương 3 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Tổng quan về phương pháp nghiên cứu
3.1.2. Tổng quan về GPS
3.1.2.1 Khái niệm
Theo M. Salvemini (2001) định nghĩa, GPS (Hệ thống định vị toàn cầu) là một máy thu sóng vơ tuyến được sử dụng để cung cấp các tọa độ cung cấp vị trí chính xác của một phần tử trong một không gian nhất định. Các sóng vơ tuyến được phát ra bởi một chịm sao vệ tinh quay quanh, hoạt động như một hệ quy chiếu cho GPS. Trong thực tế,
SVTH: Đỗ Thị Thu Ánh Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Phú Song Tồn Trang 22
GPS dựa trên cơng nghệ có khả năng đạt đến mức độ chính xác rất cao, thậm chí đến dưới milimét [21].
Theo Larry E. Daniel, Lars E. Daniel (2012) định nghĩa, Hệ thống định vị toàn cầu, hay đơn vị GPS, đã trở nên phổ biến trong xã hội hiện đại. Đúng như bất kỳ thiết bị nào có thể ghi và lưu trữ dữ liệu, các thiết bị này có thể trở thành nguồn chứng cứ trong các vụ án dân sự và hình sự. Khi sử dụng dữ liệu GPS làm bằng chứng, điều quan trọng là phải hiểu những gì ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu mà các thiết bị này tạo ra cũng như khả năng xảy ra sai sót trong phân tích dữ liệu [22].
Theo Alan B. Craig (2013) định nghĩa, GPS là một hệ thống định vị sử dụng một mạng lưới gồm 24 vệ tinh trong khơng gian vũ trụ. Máy thu có thể xác định vị trí của nó ở X và Y nếu nó có thể nhận được 3 vệ tinh bằng cách đo khoảng thời gian để tín hiệu GPS truyền từ vệ tinh đến máy thu. Bằng cách so sánh lượng thời gian tín hiệu thu được từ một số vệ tinh khác nhau, vị trí của bộ thu có thể được tính trong phạm vi vài mét [23].
3.1.2.2 Các loại hệ thống định vị trên thế giới
Hiện nay các hệ thống định vị trên thế giới gồm có: GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), GALILEO (Châu Âu), IRNSS (Ấn Độ), BEIDOU (Trung Quốc), QZSS (Nhật Bản).
- GPS (Mỹ):
GPS là hệ thống định vị toàn cầu do Mỹ phát triển và vận hành. GPS là tên viết tắt của cụm từ “Global Positioning System”. Nó là một hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh bay trên quỹ đạo phía trên trái đất ở độ cao 20,200 km. Từ lúc GPS ra đời cho đến nay đã có nhiều vệ tinh được phóng lên nhưng khơng phải vệ tinh nào cũng thành cơng và cịn hoạt động. Để đảm bảo sự hoạt động của các thiết bị định vị trên tồn cầu, Mỹ cam kết duy trì sự sẵn có của ít nhất 24 vệ tinh GPS hoạt động khoảng 95% thời gian. Năm 2011 Mỹ cam kết duy trì sự sẵn có thêm 3 vệ tinh nữa và hiện nay tổng cộng có ít nhất là 27 vệ tinh đang hoạt động liên tục [24].
Sự ra đời của GPS ban đầu nhằm mục đích phục vụ cho quân sự, sau này được mở rộng để sử dụng cho thiết bị dân sự. Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Điều này khiến GPS ngày càng trở nên phổ biến [24].
- GLONASS (Nga)
Đây là từ viết tắt của cụm từ tiếng Nga "Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema" (tạm dịch là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu). GLONASSlà hệ thống định vị vệ tinh do Lực lượng Phịng vệ Khơng gian của Nga điều hành. Tương tự như GPS, GLONASS được Bộ quốc phòng của Nga dùng làm hệ thống dẫn đường trong các mơi trường địi hỏi tốc độ cao như máy bay phản lực và tên lửa, sau này nó được mở rộng sang các thiết bị dân sự [24].
GLONASS bao gồm 24 vệ tinh hoạt động ở độ cao 20.000 km (12.000 dặm) trên quỹ đạo tròn vừa. Khi mới ra đời GLONASS sử dụng phương pháp truy cập đa tần FDMA (Frequency Division Multiple Access Method) để liên lạc với các vệ tinh (25 kênh cho 24 vệ tinh). Đây là giao thức phổ biến trong liên lạc vệ tinh nhưng có hạn chế
SVTH: Đỗ Thị Thu Ánh Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Phú Song Toàn Trang 23
là dễ bị nhiễu và gián đoạn. Bắt đầu từ năm 2008, GLONASS đã sử dụng CDMA (Code Division Multiple Access Technique) để mang đến khả năng tương thích với các vệ tinh GPS. Chính vì sự tương thích này mà hiện nay hầu như các thiết bị định vị đều có tích hợp GLONASS kèm với GPS để tận dụng hết khả năng định vị của 2 hệ thống [24].
- GALILEO (Châu Âu) [24]:
GALILEO là hệ thống định vị do Liên minh Châu Âu phát triển. Được lấy theo tên của nhà thiên văn học, vật lý học, triết học người Ý Galileo. Hệ thống này được điều hành và quản lý bởi các tổ chức dân dụng, phi quân sự… Hệ thống định vị này dự kiến sẽ hoạt động vào năm 2019.
- BEIDOU - QZSS – IRNSS (Châu Á)
Để tránh lệ thuộc vào hệ thống định vị của nước khác, một số các quốc gia phát triển cũng tự xây dựng hệ thống định vị vệ tinh cho riêng mình chẳng hạn như:
Beidou (Bắc Đẩu) – là hệ thống định vị riêng của CHDNND Trung Hoa phát triển, phủ khắp ở châu Á và tây Thái Bình Dương
IRNSS – Hệ thống định vị tại khu vực của Ấn Độ, hoạt động bắt đầu từ năm 2013, có độ phủ ở Ấn Độ và bắc Ấn Độ Dương.
QZSS – Hệ thống định vị khu vực của Nhật Bản, phủ khắp châu Á và châu Đại Dương.
Tuy nhiên hiện nay thì chỉ có 2 hệ thống định vị tồn cầu đang chính thức hoạt động phổ biến là GPS và GLONASS. Các hệ thống cịn lại đang trong q trình hồn thiện hoặc chỉ phục vụ một khu vực nào đó.
3.1.2.3 Các thành phần của GPS
GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần khơng gian, kiểm sốt và sử dụng. Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ khơng gian, và các máy thu GPS sử dụng các tín hiệu này để tính tốn vị trí trong khơng gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và thời gian hiện tại [11]. - Phần không gian gồm 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh Trái Đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km. Chúng chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo 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 phịng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng khơng có ánh sáng Mặt Trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định [11].
- Phần kiểm soát mục đích trong phần này là kiểm sốt vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thơng tin thời gian chính xác. Có 5 trạm kiểm sốt đặt rải rác trên Trái Đất. Bốn 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 gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết
SVTH: Đỗ Thị Thu Ánh Giảng viên hướng dẫn: TS. Phạm Phú Song Toàn Trang 24
hợp với hai an-ten khác để gửi lại thơng tin cho các vệ tinh. Ngồi ra, cịn một trạm kiểm sốt trung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt [11].
- Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này [11].
3.1.2.4 Ứng dụng GPS
- Dân dụng:
Quản lý và điều hành xe: Giám sát quản lý vận tải, theo dõi vị trí, tốc độ, hướng di chuyển, ... Giám sát mại vụ, giám sát vận tải hành khách, ... Chống trộm cho ứng dụng thuê xe tự lái, theo dõi lộ trình của đồn xe. Liên lạc, theo dõi định vị cho các ứng dụng giao hàng GPS có nhiều ứng dụng mạnh mẽ trong quản lý xe ô tô, đặc biệt là các loại xe như: Xe taxi, xe tải, xe cơng trình, xe bus, xe khách, xe tự lái. Với nhiều tính năng như:
Giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe….
Xác định vị trí xe chính xác ở từng góc đường (vị trí xe được thể hiện nháp nháy trên bản đồ), xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang chạy, biết được lộ trình hiện tại xe đang đi (real time).
Lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn hình. Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc tùy chọn.
Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm. Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng). Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn. Chức năng chống trộm.
Khảo sát trắc địa, môi trường.
Dùng trong điều tra, khảo sát, thiết kế các cơng trình lâm sinh [11].