Bộ phận hoạt động trên không gian của hệ thống GPS chính là các vệ tinh, bộ phận này có từ 24 đến 32 vệ tinh được xắp xếp bay trong 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng khoảng 55o so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất và cách đều nhau một góc 60o trên xích đạo. Các quỹ đạo vệ tinh là gần tròn, với một nửa trục chính khoảng 26600 km, tương ứng với độ cao xấp xỉ 20200 km trên bề mặt Trái Đất (hình 2.11).
Hình 2.11, Vệ tinh GPS và quỹ đạo bay trong 6 mặt phẳng nghiêng 55o
(http://www.gps.gov/systems/gps/space/).
Vệ tinh GPS đầu tiên được chế tạo và phóng thành công vào ngày 22 tháng 2 năm 1978. Đến ngày 8 tháng 12 năm 1993, chùm 24 vệ tinh đã đi vào hoạt động đầy đủ, cả chùm vệ tinh hoạt động liên tục mọi thời điểm trong ngày đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào ở bất kỳ vị trí nào trên hoặc gần mặt đất có thể nhìn thấy ít nhất 4 vệ tinh. Hiện nay chùm vệ tinh của hệ thống GPS có tổng cộng 32 vệ tinh hoạt động liên tục như được chỉ ra trong bảng 2.2. Hình 2.12 chỉ ra vết các vệ tinh nhìn thấy trên mặt đất, với mật độ dầy đặc và chu kỳ vòng quay quỹ đạo mỗi vệ tinh là khoảng 11 giờ 58 phút, gần như đúng một nửa ngày thiên văn, đảm bảo tại mỗi vị trí trên Trái Đất có thể nhìn thấy ít nhất là 4 vệ tinh. Do chu kỳ quỹ đạo là bội chính xác của chu kỳ quay của Trái Đất, nên các vệ tinh hoàn thành hai vòng quay quỹ
44
đạo trong khi Trái Đất quay được một góc 360o so với không gian quán tính. Tuy nhiên, các vệ tinh xuất hiện ở một vị trí sớm hơn khoảng 4 phút ở mỗi ngày mặt trời.
Bảng 2.2 Tổng số vệ tinh GPS và tình trạng hoạt động (http://www.insidegnss.com/node/918)
(số liệu được cập nhật đến ngày 13/6/2014)
Tên nhóm vệ tinh Thời gian Phóng
Vệ tinh phóng Vệ tinh đang bay trên quỹ đạo và tình trạng hiện nay Thành công Hỏng Chuẩn bị phóng Kế hoạch I 1978–1985 10 1 0 0 Không còn hoạt động II 1989–1990 9 0 0 0 Không còn hoạt động
IIA 1990–1997 19 0 0 0 3 vệ tinh hoạt động
IIR 1997–2004 12 1 0 0 12 vệ tinh hoạt động
IIR-M 2005–2009 8 0 0 0 7 vệ tinh hoạt động
IIF Từ 2010 9 0 3 0 9 vệ tinh hoạt động
IIIA Từ 2016 0 0 0 12 Chưa phóng IIIB - 0 0 0 8 Chưa phóng IIIC - 0 0 0 16 Chưa phóng Tổng số 67 2 3 36 32 Hình 2.12, Vết các vệ tinh GPS trên mặt đất. (http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f.html) Ngoài hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ, Liên Xô (nay là Nga) cũng phát triển một hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu có tên gọi GLONASS (GLObal Navigation Satellite System), có các đặc tính tương tự, hiện tại có 28 vệ tinh hoạt
45
động. Liên minh Châu Âu cũng đang phát triển hệ thống vệ tinh dẫn đường mang tên Galileo, hiện tại có 6 vệ tinh đang hoạt động và dự kiến có khoảng 30 vệ tinh hoạt động vào năm 2019. Tiếp đến là Trung Quốc đang phát triển hệ thống vệ tinh dẫn đường mang tên BeiDou, đã có 14 vệ tinh hoạt động và dự kiến có khoảng 35 vệ tinh hoạt động bao phủ toàn cầu vào năm 2020. Tên gọi chung cho các hệ thống vệ tinh này là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Setellite System - GNSS).