2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu GNSS
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (tiếng Anh: Global Navigation Satellite System - GNSS) là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như GPS (Hoa Kỳ), Hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga) và Hệ thống định vị Bắc Đẩu (Trung Quốc). [9]
GNSS được cấu thành như một chịm sao (một nhóm hay một hệ thống) của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó. GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày. Mỹ là nước đầu tiên phóng lên và đưa vào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đường này. Mỹ đặt tên cho hệ thống này là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), ban đầu là để dùng riêng cho quân sự, về sau mở rộng ra sử dụng cho dân sự trên phạm vi tồn cầu, bất kể quốc tịch và miễn phí. [9]
Các hệ thống định vị tồn cầu: Hiện nay trên thế giới có ba hệ thống vệ tinh dẫn đường. GPS và GLONASS, GALILEO. Cả ba hê thống định vị toàn cầu ngày nay được gọi tên chung là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS, Global Navigation Satellite System). GPS được Bộ Quốc phòng Hoa kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý, bắt đầu hoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995 và hệ thống GALILEO mang tên nhà thiên văn học GALILEO do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo và dự kiến được đưa vào sử dụng trong năm 2010. Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản là giống nhau. Trung Quốc cho biết cũng đang thực hiện để có hệ GNSS của Trung Quốc. Ấn Độ cũng công bố xây dựng hệ GNSS của mình có tên là IRNSS và đi vào hoạt động năm 2012. [9]
Cấu trúc hệ thống GNSS: Hệ thống GNSS được cấu tạo thành ba phần: phần
không gian, phần điều khiển và phần người sử dụng. Cụ thể, mô tả hệ thống GPS của Mỹ như sau:
35
- Phần không gian: gồm các vệ tinh 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.
- Phần điều khiển: để duy trì hoạt động của tồn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thơng tin của vệ tinh. Có các trạm quan sát trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con. Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi thơng tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thơng tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào.
- Phần người sử dụng và thiết bị thu vệ tinh: là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng cần có ăng ten và máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thơng tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển. Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và máy thu GNSS.
Nguyên lý hoạt động:
Hình 2.1 Hệ thống định vị tồn cầu GPS
Hình 2.1 mơ tả 24 vệ tinh GPS bay quanh 6 quỹ đạo trái đất tầm trung (MEO – Medium Earth Orbits). Các vệ tinh của GNSS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thơng tin xuống trái đất. Các máy thu GNSS nhận thông tin này và bằng các phép tính lượng giác, máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy tính. Máy thu GNSS phải bắt được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều
36
(kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Với bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn và nhiều thứ khác nữa. [9]
Ứng dụng của hệ thống GNSS:
Ngày nay rất dễ dàng nhận thấy sự hiện diện của GNSS trong mọi mặt của đời sống. Kết hợp giữa công nghệ thông tin, hệ thống bản đồ số và thiết bị định vị vệ tinh đã tạo thành một hệ thống dẫn đường lý tưởng. Trong lĩnh vực hàng không, 100% các máy bay thương mại và quân sự sử dụng hệ thống dẫn đường tự động bằng GNSS. Trong giao thông, hệ thống giám sát dẫn đường và điều khiển giao thông cũng đã khai thác tuyệt đối thế mạnh của GNSS đã trở thành một hợp phần không thể thiếu trong công nghiệp ô tô, chẳng hạn như hệ thống định vị dẫn đường trong các thương hiệu xe hơi nổi tiếng như Mercedes, BMW, Porsche, Maybach, Cadillac, Audi, Roll Royce…Trong ngành đo đạc bản đồ, sự xuất hiện của GNSS đã thay đổi hoàn toàn phương pháp đo đạc truyền thống, không phụ thuộc vào thời tiết, không bị giới hạn bởi khoảng cách, giảm tối đa yêu cầu về nhân lực lao động. Với công nghệ GNSS, người sử dụng có được thơng tin vị trí hiện tại, hướng di chuyển, độ cao hiện thời. Cá nhân cũng dễ dàng mang theo loại máy thu GNSS nhỏ cũng có thể lắp ghép cùng điện thoại di động để biết được vị trí mình đang đứng hay có thể theo dõi cả độ cao khi leo núi. Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lý tưởng và cơng tác tìm kiếm, cứu hộ ngồi khơi xa cũng sẽ có hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi. Ứng dụng chủ yếu của GNSS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị và định hướng bay của các phương tiện khơng gian khác có mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa. Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng khơng, hàng hải và trên bộ. Ngồi ra, các vệ tinh của GNSS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân. Một ứng dụng nữa của GNSS chính là việc quản lý thú hoang dã bằng cách gắn lên chúng những con chip đã tích hợp GNSS. Tất cả hoạt động của chúng sẽ được kiểm soát chặt chẽ. Việt Nam cũng đang tiến hành thử nghiệm để áp dụng vào việc quản lý đàn sếu đầu đỏ ở miền Tây… [9]
2.1.2 Hệ thống định vị toàn cầu được hỗ trợ (A-GNSS) [3]
Đối với GPS và GNSS tiêu chuẩn, việc xác định vị trí của thiết bị là một quá trình nhiều bước. Đầu tiên, hệ thống định vị nhận được các tín hiệu từ một vài vệ tinh khác nhau quay quanh trái đất. Có tính đến vị trí của quỹ đạo vệ tinh và thời gian để tín hiệu truyền từ vệ tinh đến thiết bị, vị trí được tính trong số các tín hiệu truyền đó.
37
Vấn đề là các vệ tinh không giữ một quỹ đạo cố định. Vệ tinh thường có xu hướng đi chệch khỏi quỹ đạo của nó theo thời gian.
Để đo quỹ đạo chính xác của từng vệ tinh và tính tốn chính xác vị trí, cần có đài quan sát trên mặt đất để định kỳ xác định quỹ đạo chính xác của từng vệ tinh trong số 18 đến 30 vệ tinh của hệ thống. Khi quỹ đạo của vệ tinh được xác định, đài quan sát sẽ gửi dữ liệu này đến từng vệ tinh, sau đó vệ tinh sẽ gửi tới các máy thu trên mặt đất. Dữ liệu này được gửi giữa đài quan sát, vệ tinh và máy thu gọi là dữ liệu Ephemeris và tính tốn này của quỹ đạo Vệ tinh cung cấp cho việc theo dõi vị trí chính xác của thiết bị như hình 2.2 bên dưới.
Hình 2.2 Định vị A-GNSS
Tuy nhiên, thời gian đồng bộ đầu tiên có thể kéo dài quá lâu, có hai giá trị khi đề cập đến Thời gian sửa lỗi đầu tiên (TTFF) của thiết bị GNSS: Khởi động nóng (hot start) và Khởi động nguội (cool start). Khởi động nóng là khi mơ-đun có tất cả dữ liệu lịch thiên văn mà nó cần để tính tốn chính xác vị trí của máy thu. Khởi động nguội là nơi người nhận vẫn cần tải xuống dữ liệu Ephemeris từ các vệ tinh trước khi có thể tính tốn vị trí chính xác. Thời gian Khởi động nóng thường khoảng 1 giây trong khi thời gian Khởi động nguội là khoảng 30 giây trở lên.
Sự ra đời của A-GNSS (Assisted-GNSS) chính là để giải quyết vấn đề này, cụ thể: Có ba cách để người nhận GPS hoặc GNSS có thể nhận được dữ liệu Ephemeris:
1. Tải xuống trực tiếp: Đây là phương pháp cơ bản, người nhận tải dữ liệu vị trí trực tiếp từ vệ tinh.
2. Ephemeris Injection: Nếu thiết bị đầu cuối được kết nối với internet, nó có thể tải xuống dữ liệu Ephemeris từ máy chủ trực tuyến và chuyển dữ liệu này đến máy thu GNSS của bạn khi khởi động. Phương pháp này được gọi là Ephemeris Injection đây là cách hầu hết các điện thoại thơng minh có thể hiệu chỉnh vị trí nhanh chóng.
38
3. Ephemeris Generation: Mô-đun GNSS hoặc GPS của bạn cũng có thể dự đốn vị trí tương lai của các vệ tinh dựa trên những thay đổi trước đó ở vị trí của chúng. Điều này hoạt động bằng cách ngoại suy một vài vị trí trong các ngày khác nhau và tìm ra hướng mà vệ tinh đang trơi đến. Dữ liệu này sau đó được sử dụng để tính tốn các vệ tinh sẽ ở đâu trong vài ngày tới. Phương pháp này hoạt động tốt trong các tình huống mà thiết bị của bạn được bật thường xuyên, nhưng khơng có kết nối Internet. Các mơ-đun GNSS thường có thể dự đốn dữ liệu Ephemeris trong khoảng 5 ngày trong tương lai, nhưng nó phụ thuộc vào thuật tốn cụ thể được sử dụng. Trong trường hợp cụ thể, nếu sản phẩm của bạn bị tắt trong 6 ngày và mơ-đun GNSS chỉ có thể tạo ra 5 ngày của Ephemeris, thì người nhận sẽ không thể tận dụng Ephemeris Generation để rút ngắn thời gian sửa lỗi đầu tiên.
2.1.3 Đánh giá công nghệ định vị A-GNSS
- Theo dõi vị trí liên tục với mức tín hiệu có độ nhạy cao (-161 dBm). - Định vị trong vòng vài giây khi vận hành GPS và nhận dữ liệu hỗ trợ.
- Giảm mức tiêu thụ năng lượng bằng cách giảm thời gian nhận dữ liệu điều hướng từ vệ tinh GPS và tính tốn vị trí hiện tại.
- Sử dụng GNSS độc lập với sự trợ giúp từ mạng LTE để tăng tốc độ định vị. - Độ chính xác cao (từ 10m đến 50m), được sử dụng là công nghệ định vị phổ biến.