Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS
2.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG NGHỆ GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) gồm ba bộ phận cấu thành đó là đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng.
Hình 2.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS 2.1.1. Đoạn không gian
Đoạn không gian gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau, bay ở độ cao khoảng 20200 km so với mặt đất. Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo của trái đất một góc 55 độ. Quỹ đạo của vệ tinh chuyển động gần như tròn với chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút. Như vậy ở mỗi một quỹ đạo có 4 vệ tinh chuyển động do đó trong bất kỳ thời gian nào, ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên trái đất cũng có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh .
Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600 kg khi phóng và khoảng 800 kg khi bay trên quỹ đạo. Các thiết bị trên vệ tinh hoạt động nhờ năng lượng pin mặt trời. Theo thiết kế tuổi thọ của các vệ tinh khoảng 7,5 năm. Các vệ tinh GPS được đưa lên quỹ đạo theo các khối như khối I, II, II-A, II-R, II-F. Đến 1998 chỉ còn 3 vệ tinh của khối I cùng với các vệ tinh của khối II và II-A cùng hoạt động.
Mỗi vệ tinh thuộc khối I được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử, hai đồng hồ thuộc loại censium và hai đồng hồ thuộc loại rubidium. Ngoài ra mỗi vệ tinh còn được trang bị thêm bộ tạo dao động thạch anh rất chính xác. Việc sử dụng 4 đồng hồ không chỉ với mục đích dự phòng mà còn tạo ra một cơ sở giám sát thời gian và cung cấp giờ chính xác nhất. Đồng hồ nguyên tử rubidium có độ ổn định kém hơn một chút so với đồng hồ nguyên tử censium trong thời gian dài, sai lệch cỡ 10-12. Việc hiệu chỉnh tần số đồng hồ trên vệ tinh có thể thực hiện từ mặt đất nhờ các trạm điều khiển. Trên các vệ tinh GPS thuộc khối II người ta đã nâng cấp thiết bị bởi 3 đồng hồ cencium. Hệ thống giám sát các đồng hồ vệ tinh là một trong các chức năng của đoạn điều khiển.
Tất cả các vệ tinh GPS đều trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử tạo ra dao động với tần số chuẩn cơ sở là fo = 10,23 MHz. Tần số này còn là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cỡ 10-12. Từ đây tạo ra hai tần số sóng tải là L1 và L2.
Sóng tải L1 có tần số f1 = 154.fo = 1575,42 MHz (≈ =λ1 19,032 cm) Sóng tải L2 có tần số f2 = 120.fo = 1227,60 MHz (≈ =λ2 24,42 cm)
Với hai tần số này các tín hiệu sẽ ít bị ảnh hưởng của tầng điện li (tầng ion) và tầng đối lưu vì mức độ làm chậm tín hiệu do tầng điện li tỉ lệ nghịch với bình phương của tần số. Tùy theo mục đích sử dụng của các đối tượng khác nhau mà các tín hiệu phát đi được điều biến theo các code khác nhau đó là C/A-code, P-code và Y-code.
C/A-code (Coarse / Acquisition code ) là code thô. Code này được sử dụng cho mục đích dân sự. C/A-code mang tính chất code tựa ngẫu nhiên nó được tạo bởi một chuỗi các chữ số 0 và 1 xắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số thấp f = 1,023 MHz bằng 1/10 tần số cơ sở, tương ứng với bước sóng 293 mét. C/A-code chỉ điều biến sóng tải L1, song nếu có sự can thiệp của các trạm điều khiển trên mặt đất có thể chuyển sang cả sóng tải L2. Chu kỳ hoạt động của C/A-code là 1 miligiây trong đó chứa 1023 bite (1023 chip). Mỗi vệ tinh được gán một C/A-code riêng biệt.
P-code ( Precision code ) là code chính xác, điều biến cả sóng tải L1 và L2. Nó được sử dụng cho mục đích quân sự của Mỹ, code này được tạo bởi nhiều chuỗi các số 0 và 1 được xắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên, có độ dài cỡ 1014 bite (cỡ 38 tuần lễ). Tín hiệu P-code có tần số bằng tần số chuẩn fo=10,23 MHz tương ứng bước sóng 29,3 mét. Mỗi một vệ tinh được gán cho một đoạn code này (tương đương độ dài 1 tuần lễ) cứ sau 1 tuần lễ lại thay đổi.
Code tựa ngẫu nhiên là cơ sở để định vị tuyệt đối khoảng cách giả, đồng thời dựa vào đó có thể nhận biết được số hiệu vệ tinh.
Y-code là code bí mật, được phủ lên P-code gọi là kỹ thuật AS (Anti- Spoofing), chỉ có các vệ tinh thuộc khối II (sau 1989) mới có khả năng này.
Ngoài các tần số trên các vệ tinh GPS còn có thể trao đổi với các trạm điều khiển trên mặt đất bởi các tần số 1783,74 MHz và 2227,5MHz để truyền các thông tin đạo hàng và các lệnh điều khiển tới vệ tinh.
Theo ước lượng độ chính xác định vị đạt cỡ 1% bước sóng (≈3 m ) khi sử dụng C/A code. Chính vì vậy phía Mỹ đã chủ động làm nhiễu tín hiệu để hạ thấp độ chính xác định vị tuyệt đối đó là kỹ thuật nhiễu SA. Do nhiễu SA mà khách hàng chỉ có thể định vị tuyệt đối với độ chính xác cỡ 50 đến 100 m.
Hình 2.2: Vệ tinh GPS
2.1.2. Đoạn điều khiển
Nhiệm vụ chủ yếu của đoạn điều khiển là duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống định vị. Trong đoạn điều khiển có một trạm điều khiển trung tâm (trạm chủ) được đặt tại căn cứ không quân của Mỹ gần Colorado Springs. Trạm điều khiển trung tâm này có nhiệm vụ chủ yếu trong đoạn điều khiển, cập nhật thông tin đạo hàng truyền đi từ vệ tinh. Cùng phối hợp hoạt động với trạm điều khiển trung tâm là hệ thống 4 trạm theo dõi phân bố đều trên vành đai xích đạo của trái đất, bao gồm Hawaii, Assension Islands, DiegoGarcia và Kwajalein. Các trạm này theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh, từ đó tiến hành đo khoảng cách từ trạm tới tất cả các vệ tinh, đo các số liệu khí tượng …
Các số liệu quan sát ở các trạm này được chuyển về trạm điều khiển trung tâm, tại đây các số liệu này được xử lý cùng với số liệu của nó. Kết quả tạo ra các tệp thông tin đạo hàng, các tệp thông tin này được truyền trở lại cho các trạm
theo dõi để truyền tiếp lên các vệ tinh, từ đó truyền đến các máy thu của người sử dụng.
Như vậy ngoài vai trò quan trọng là theo dõi sự hoạt động của các vệ tinh, đoạn điều khiển còn liên tục cập nhật để chính xác hóa các thông tin đạo hàng, trong đó có lịch vệ tinh quảng bá, nhằm cung cấp thông tin cho người sử dụng một cách chính xác nhất bảo đảm độ chính xác định vị GPS.
Hình 2.3: Các trạm điều khiển GPS
2.1.3. Đoạn sử dụng
Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS, các thiết bị thu nhận tín hiệu từ vệ tinh GPS, để khai thác phục vụ cho các mục đích khác nhau như dẫn đường trên biển, trên không, đất liền và phục vụ cho công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới. Trong khai thác sử dụng công nghệ GPS người ta có thể kết nối các thiết bị thu tín hiệu GPS với một số thiết bị thu phát khác để thực hiện đo động thời gian thực, đo vi phân DGPS, đo vi phân diện rộng WADGPS, kỹ thuật đo vi phân diện rộng còn sử dụng vệ tinh thương mại như là phương tiện trung gian để truyền số cải chính đo vi phân cho các trạm đo.
Các máy thu GPS ngày càng được chế tạo hoàn thiện hơn. Có một số hãng còn chế tạo được máy thu có thể đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS và cả vệ tinh GLONASS.