- Due to the antenna beam pattern, the
Nguyên lý xác ựịnh vị trắ của hệ thống GPS
Các vệtinh cũng chắnh là các ựiểm tham chiếu cho các vịtrắ trên trái ựất, và hệthống GPS xác ựịnh vịtrắ theo các bước sau:
Nguyên lý cơ bản của GPS là sử dụng Ộphép tắnh toán tam giácỢ (triangulation)
đểtắnh toán tam giác, máy thu GPS ựo khoảng cách dựa vào
thời gian truyền sóngvô tuyến
để ựo thời gian ựó, GPS cần phải xác ựịnh ựược thời gian một cách chắnh xác
Cùng với khoảng cách, GPS cũng cần phải xác ựịnh ựược chắnh xác vịtrắ của vệtinh trong không gian
Cuối cùng hệthống cần phải hiệu chỉnh thời gian trễkhi truyền sóng qua tầng khắ quyển
Bằng cách xác ựịnh khoảng cách tới 3 vệtinh ta có thểxác ựịnh ựược vịtrắ của ta chỉcó thểnằm tại một trong 2 ựiểm trong không gian
Vấn ựềchỉcòn làựo thời giantruyền từvệtinh tới máy thu. Thời gian là một vấn ựềkhá phức tạp. Thứnhất bởi vì thời gian
rất ngắn. Nếu vệtinh ởngay phắa trên thì thời gian truyền chỉ
mất khoảng 0,06 giây. Do ựó chúng ta cần có các ựồng hồ chắnh xác. Giảsửchúng ta ựã có ựồng hồchắnh xác, chúng ta sẽ ựo
thời gian thếnào:
Giảsửcó một cách ựểlàm cho cảvệtinhvàmáy thucùng phát một tắn hiệu như nhau vào ựúng 12 giờ trưa. Nếu tắn hiệu có thể
truyền tới máy thu, thì chúng ta sẽcó 2 tắn hiệu, một từchắnh máy thu và một từvệtinh.
Sẽcó 2 phiên bản không ựồng bộ với nhau. Phiên bản từ vệtinh có thểbịtrễdo phải truyền qua khoảng cách hơn 11000 dặm. Nếu ta muốn biết tắn hiệu từvệtinh bịtrễbao nhiêu ta có thể
cho tắn hiệu của máy thu cho ựến khi chúng ựồng bộ với nhau.
Khoảng thời gian chúng ta phải dịch tắn hiệu của máy thu ựểcó
ựược ựồng bộbằng với thời gian truyền từvệtinh cho tới máy thu. Do ựó chúng ta có thểnhân thời gian ựó với tốc ựộánh sáng và chúng ta sẽxác ựịnh ựược khoảng cách tới vệtinh.
Mỗi vệ tinh ựều sửdụng một mã giảngẫu nhiên duy nhất. Mã giả
ngẫu nhiên là một phần cơ sởcủa GPS. Vềmặt vật lý nó là một mã sốrất phức tạp, nói cách khác nó là một chuỗi các ký tự ựóng mở. Tắn hiệu phức tạp ựến nỗi trông nó gần như là nhiễu ngẫu nhiên, do ựó nó có tên là Ộgiảngẫu nhiênỢ.
Sựphức tạp ựó có một sốưu ựiểm: sựphức tạp sẽ ựảm bảo rằng máy thu không ựồng bộvới một một tắn hiệu nào ựó không mong muốn. Dạng tắn hiệu cũng ựảm bảo không có một tắn hiệu nhiễu nào có dạng ựúng như vậy.
Bởi vìmỗi vệtinhcó một mã giảngẫu nhiên duy nhất do ựó ựảm bảo rằng máy thu không bắt nhầmtắn hiệu của vệtinh khác. Do ựó các vệtinh có thểsửdụng tần sốgiống nhaumà không sợgây nhiễu lẫn nhau. Và còn khó hơn nếu ai ựó muốn gây nhiễucho hệthống. Trong thực tếmã giảngẫu nhiên còn cho phép bộquốc phòng Mỹ ựiều khiển truy cập vào hệthống.
Nhưng còn một lý do nữa ựểsửdụng mã giảngẫu nhiên, ựó là có thểsửdụng Ộlý thuyết thông tin ựểkhuyếch ựại tắn hiệu GPS. đó
Nếu như mấu chốt là ựo thời gian tắn hiệu ựi từvệ tinh ựến máy thu, thì thời gian ựó cần phải rất chắnh xác, bởi vì nếu thời gian lệch ựi 1 phần nghìn giâythì với tốc ựộánh sáng ựộ
lệch vịtrắ xác ựịnh sẽlà200 dặm.
đối với vệtinh, thời gian có ựộchắnh xác cực kỳcao bởi vì nó có ựồng hồnguyên tửrất chắnh xác. Nhưng còn ựối với các máy thu trên mặt ựất? Ta nhớrằng cảvệtinh và máy thu cần phải ựồng bộmã giảngẫu nhiên với nhau thì hệthống mới có giá trị. Nhưng nếu như máy thu của chúng ta cần phải có
ựồng hồnguyên tửthì hệthống sẽtrởnên không kinh tế
(ựồng hồnguyên tửcó giá từ50$ tới 100$), khó có thểcó người mua.
Rất may là những người thiết kếhệthống GPS có một sáng kiến tuyệt vời, ựó là thực hiện thêm một phép ựo nữa. Bây giờ
chúng ta sẽtìm hiểu xem cụthể như thếnào:
Nguyên lý xác ựịnh vị trắ của hệ thống GPS (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giảsửvịtrắ thực của chúng ta nằm cách vệtinh A là 4 giây và cách vệ
tinh B - 6 giây như hình vẽ. Hai
ựường tròn cắt nhau tại ựiểm X chắnh là vịtrắ của ta. Nhưng giảsửrằng
ựồng hồcủa máy thu chậm hơn so với ựồng hồtoàn cầu. Khi ựó khoảng cách từmáy thu tới vệtinh A sẽlà 5 giây và tới vệtinh B sẽlà 7 giây. Do
ựó giao của 2 ựường tròn sẽlà tại
ựiểm XX. Như vậy khoảng cách từX tới XX sẽlà sai sốgây ra do sựkhông chắnh xác của ựồng hồ. Bây giờta sử dụng một vệtinh thứ3. Nếu nhưựồng hồchắnh xác thì cả 3 ựường tròn sẽ phải cắt nhau tại một ựiểm. Mà 2 ựường tròn trên ựã cắt nhau tại XX thì nếu ựúng thì ựường tròn thứ3 cũng sẽ ựi qua XX. Nhưng vì ựồng hồcủa ta sai 1 giây do ựó kết quảsẽlà: ựường tròn thứ3 sẽkhông ựi qua XX, do ựó máy
Bởi vì sai sốthời gian này sẽ ảnh hưởng lên tất cảcác phép ựo cho nên máy tắnh sẽtắnh toánvà rút ra một giá trịsửa lỗisao cho tất cả các ựường tròn ựi qua ựúng một ựiểm. Trong vắ dụ
này, giá trịcần sửa sẽlà trừ ựi 1 giây. Sau khi xác ựịnh ựược giá trịsửa, máy thu có thểsửdụng giá trịnày cho các phép ựo sau này. Và từ ựó ựồng hồcủa máy thu ựã ựược ựồng bộvới thời gian toàn cầu. Tất nhiên quá trình sửa này cần lặp lại theo
ựịnh kỳ ựể ựảm bảo ựồng hồcủa máy thu luôn ựược ựồng bộ. Nhưng với cách này, thậm chắ những máy thu GPS rẻnhất cũng có thểcó ựược thời gian chắnh xác như sửdụng ựồng hồ
nguyên tử, và bây giờchúng ta ựã có thểxác ựịnh ựược chắnh xác vịtrắ. Sử dụng hệquảcủa nguyên lý trên, ta có thểrút ra rằng: hệ thống GPS cần ắt nhất 4 vệ tinh ựểcó thểxác ựịnh ựược chắnh xác vịtrắ của ta so với vệtinh. Nguyên lý xác ựịnh vị trắ của hệ thống GPS đểxác ựịnh ựược vịtrắ ta còn phải biết vịtrắ của vệtinh ựểlấy
ựó làm ựiểm tham chiếu Về cơ bản các quỹ ựạo là khá chắnh
xác tuy nhiên ựể tăng ựộchắnh xác thì các vệ tinh GPS luôn
ựược giám sát bởi bộquốc phòng. Họsửdụng các radarvô cùng chắnh xác ựểcó thểkiểm tra vịtrắ chắnh xác của các vệ
tinh, bao gồm cảvịtrắ và tốc ựộ. Lỗi ựược kiểm tra ựược gọi là Ộlỗi thiên vănỢ bởi vì chúng ảnh hưởng ựến tọa ựộ thiên văn
hay là tọa ựộquỹ ựạo của vệtinh. Các lỗi này gây ra bởi lực hút của mặt trăng, mặt trời và do áp suất của bức xạmặt trời lên vệtinh. Các lỗi này thường rất nhỏ nhưng nếu muốn có sự
chắnh xác thì sẽphải tắnh ựến nó. Sau khi bộquốc phòng ựã ựo chắnh xác vịtrắ của vệtinh, họsẽtruyền thông tin ựó quay trở
lại vệtinh. Vệ tinh sau ựó sẽphát cùng trong tắn hiệu của mình cảthông tin vềvịtrắ ựã hiệu chỉnh. Như vậy bản tincủa vệtinh còn bao gồm cảthông tin về thiên văn của nó (quỹ ựạo, vịtrắ). Với thời gian chắnh xác và xác ựịnh ựược vịtrắ chắnh xác của