Giới thiệu khái quát về hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu Người gửi: HaiAuVIN --Tóm tắt:-- Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô tô bóng láng, trên xe ô tô có trang bị thiết bị dẫn đường GPS (GPS navigator) chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của xe mình hiện trên màn hình có bản đồ điện tử trong hệ thống đường xá phức tạp. Vậy thiết bị dẫn đường GPS trên xe ô tô có nguyên lý hoạt động như thế nào? Thiết bị dẫn đường trên ô tô có gì khác với thiết bị dẫn đường trên tàu thủy và trên máy bay? Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý hoạt động của Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System, viết tắt là GPS) hoặc tên gọi mới ưa dùng hơn Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite Systems, viết tắt là GNSS). Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu bao gồm ba hệ thống vệ tinh dẫn đường như sau: GPS do Mĩ chế tạo và 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 do Liên hiệp Âu Châu (EU) chế tạo và sẽ được đưa vào sử dụng trong tương lai không xa vào khoảng năm 2008. Ngoài ra Trung Quốc sẽ dự định xây dựng hệ thống thứ tư mang tên COMPASS. Nguyên lý hoạt động chung của bốn hệ thống GPS, GLONASS, GALILEO và COMPASS cơ bản giống nhau. Trong bài viết này, người viết sẽ trình bày sơ lược về lịch sử ra đời của hệ thống GPS, nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS và tình hình thực tại của những hệ thống GNSS cũng như những ứng dụng trong tương lai. Các hình 1, 2 và 3 minh họa một số máy thu GNSS dùng trên ô tô. Hình 1: Một loại máy dẫn đường GPS trên xe hơi (Vision Engineer, 2005) Hình 2: Máy dẫn đường GPS trên xe taxi ở Nhật (Wikipedia, 2006) Hình 3: Máy dẫn đường vệ tinh Garmin StreetPilot 2620 (Garmin, 2005) --1. Những phương pháp dẫn đường-- --1.1 Dẫn đường là gì? Sơ lược lịch sử xác định vị trí-- Lịch sử dẫn đường và xác định vị trí tàu gắn liền với lịch sử dẫn thuyền thám hiểm trên biển trong nhiều thế kỉ trước khi các phương tiện bay trên không như máy bay và vũ trụ ra đời. Từ thời tiền sử, con người đã tìm cách để xác định xem mình đang ở đâu và đi đến một đích nào đó và trở về bằng cách nào. Những hiểu biết về vị trí thường mang tính sống còn và có sức mạnh kinh tế trong xã hội. Con người thời săn bắn kiếm thức ăn thường đánh dấu lối đi của mình để có thể trở về hang động nơi ở của mình. Sau đó họ làm ra bản đồ, và phát triển thành hệ thống mạng vĩ tuyến (vị trí trên trái đất đo từ đường xích đạo về phía cực bắc và phía cực nam) và kinh tuyến (vị trí trên trái đất đo từ đường kinh tuyến gốc sang phía đông hoặc sang phía tây). Đường kinh tuyến gốc sử dụng trên thế giới là đường kinh tuyến đi qua Đài quan sát Hoàng gia (Royal Observatory) ở Greenwich, Anh Quốc. Khi con người di chuyển từ vùng này đến vùng khác bằng thuyền chạy trên biển, những người đi biển thuở ban đầu đi dọc theo bờ biển để tránh bị lạc. Sau đó họ biết cách ghi hướng đi của họ theo các vì sao trên trời họ sẽ đi ra biển xa hơn. Những người Phoenicians cổ đại đã sử dụng Sao Bắc Cực (North Polar) dẫn đường để thực hiện chuyến đi từ Egypt và Crete. Theo Homer, nữ thần Athena đã nói với Odysseus khi điều khiển con tàu Navis trong chuyến đi từ Đảo Calypso rằng “hãy để chòm sao Đại Hùng phía bên trái mạn thuyền”. Thật không may, những vì sao chỉ có thể nhìn được vào ban đêm và khi có thời tiết đẹp trời trong sáng. Con người cũng đã biết dùng những ngọn đèn biển - những ngọn hải đăng (lighthouses) – lấy ánh sáng để dẫn đường, giúp những người đi biển vào ban đêm và cảnh báo nguy hiểm. Tiếp theo, trong lịch sử ngành hàng hải (marine navigation) người ta sử dụng la bàn từ (magnetic compass) và sextant. Kim la bàn luôn chỉ hướng cực bắc, và cho chúng ta biết “hướng mũi tàu” (heading) chúng ta đang đi. Bản đồ của người đi biển thời kì thám hiểm thường vẽ hướng đi giữa các cảng chính và những nhà hàng hải giữ khư khư những bản đồ đó cho riêng mình. Sextant sử dụng những chiếc gương có thể điều chỉnh được đo góc độ chính xác của các vì sao, mặt trăng và mặt trời trên đường chân trời. Từ những góc đo này và sử dụng cuốn sách Lịch thiên văn hàng hải (The Nautical Almanac) chứa đựng các thông tin vị trí của mặt trời, mặt trăng và các ngôi sao người ta có thể xác định được vĩ độ trong thời tiết đẹp, vào cả ban ngày lẫn ban đêm. Tuy nhiên những người đi biển không thể xác định được kinh độ. Ngày nay nếu nhìn vào những tấm hải đồ rất cũ, chúng ta đôi khi có thể thấy vĩ độ của bờ biển rất chính xác nhưng kinh độ có khi sai lệch đến hàng trăm hải lý. Đây là một vấn đề rất nghiêm trọng trong thế kỷ thứ 17 mà chính phủ Anh Quốc đã phải thành lập lên một Ban đặc biệt xác định kinh độ. Ban này đã tập hợp nhiều nhà khoa học nổi tiếng để tìm cách tính kinh độ. Ban này đưa ra phần thưởng 20.000 bảng Anh, tương đương với số tiến ngày nay khoảng 32.000 đô la Mỹ, nhưng thời đó món tiền này có lẽ có giá trị hơn rất nhiều, cho những người nào có thể tìm được cách xác định kinh độ với sai số trong vòng 30 hải lý. Phần thưởng đã mang lại thành công. Câu trả lời là phải biết được chính xác thời gian khi đo độ cao bằng sextant. Ví dụ, theo Lịch thiên văn Greenwich dự đoán rằng mặt trời lên cao nhất (vào thiên đỉnh người quan sát) vào lúc chính ngọ (buổi trưa), tức là 12 giờ trưa. Nếu có một đồng hồ trên tàu, khi rời cảng (nước Anh), làm đồng bộ thời gian của đồng hồ này với thời gian Greenwich. Tàu chạy về phía tây. Ví dụ, lúc 2 giờ chiều trong ngày, khi sử dụng sextant đo độ cao của mặt trời thì lúc đó vị trí mặt trời sẽ tương đương với thời gian 2 giờ phía tây của Greenwich. Như chúng ta đã biết, ngày nay lấy kinh tuyến gốc là Greenwich, kinh độ được tính 180 độ theo phía đông, và 180 độ theo phía tây tương ứng với 12 múi giờ phía đông và 12 múi giờ phía tây. Biết được giờ đo chúng ta sẽ tính được kinh độ. Vào năm 1761, một người thợ đồ gỗ mỹ thuật tên là John Harrison (1639-1776) (Hình 4) đã phát minh một đồng hồ dùng trên tàu có tên gọi là Thời kế (chronometer), có sai số 1 giây trong một ngày. Vào thời gian đó một Thời kế đo thời gian có độ chính xác như thế là một điều không thể ngờ được! Trong hai thế kỉ tiếp theo, sextants và thời kế đã được sử dụng kết hợp với nhau để xác định vị trí của tàu biển (vĩ độ và kinh độ). Hình 4: John Harrison (1639-1776), người phát minh ra thời kế Đầu thế kỉ 20, người ta đã phát minh ra một số hệ thống dẫn đường vô tuyến điện (radio-based navigation systems) và sử dụng rộng rãi trong Chiến tranh thế giới thứ 2. Các tàu chiến và máy bay quân sự của quân đồng minh và phát xít đã sử dụng những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện trên mặt đất, những công nghệ tiên tiến nhất thời đó. Một số hệ thống dẫn đường vô tuyến trên mặt đất vẫn còn đến ngày nay. Một hạn chế của phương pháp sử dụng sóng vô tuyến điện được phát trên mặt đất là chỉ có hai lựa chọn: 1) hệ thống rất chính xác nhưng không bao phủ được vùng rộng lớn, 2) hệ thống bao phủ được một vùng rộng lớn nhưng lại không chính xác. Sóng vô tuyến tần số cao (như sóng TV vệ tinh) có thể cung cấp vị trí chính xác nhưng chỉ có thể bao phủ vùng nhỏ hẹp. Sóng vô tuyến tần số thấp (như sóng đài FM, frequency modulation, sóng điều tần) có thể bao phủ được vùng rộng lớn hơn nhưng lại không cho chúng ta vị trí chính xác. Chính vì vậy những nhà khoa học đã nghĩ rằng cách duy nhất bao phủ sóng chính xác trên toàn thế giới là đặc những trạm phát sóng vô tuyến điện cao tần đặt trong không gian và phát sóng xuống trái đất. Một trạm phát sóng vô tuyến điện nằm ở phía trên không gian của trái đất có thể phát sóng vô tuyến điện cao tần bằng tín hiệu được mã hóa đặc biệt có thể bao phủ được khu vực rộng lớn và vẫn tới được trái đất cách xa ở phía dưới với một mức năng lượng hữu ích cho phép tái tạo lại thông tin thì sẽ có thể xác định được vị trí. Đây là ý tưởng ban đầu của hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Ý tưởng này đã đúc kết lại 2,000 năm sự tiến bộ trong khoa học dẫn đuờng bằng cách tạo ra “những hải đăng trong vũ trụ” (space-based lighthouses) làm đồng bộ được với thời gian tiêu chuẩn có thể dùng để xác định vị trí chính xác. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) có thể cho chúng ta biết vị trí ở bất kỳ nơi nào ở trên bề mặt trái đất với sai số trong khoảng 20 tới 30 feet, tức khoảng 6-9 mét, trong mọi điều kiện thời tiết và liên tục 24 giờ trong ngày. Với máy thu có độ chính xác cao hơn thu tín hiệu “hiệu chỉnh vi phân” bằng máy thu GPS đặc biệt đặt ở vị trí cố định đã biết, chúng ta có thể thu được vị trí với sai số có thể giảm xuống phạm vi nhỏ hơn 3 feet (1 mét). --1.2 Những phương pháp dẫn đường-- Từ thuở bình minh của loài người cho đến bây giờ, việc dẫn dắt xác định vị trí tầu trên biển và các phương tiện giao thông dựa vào những phương pháp gì? Các phương pháp dẫn đường có thể được tóm tắt như sau: --1.2.1 Dẫn đường bằng mục tiêu (Pilotage)-- Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là phương pháp dẫn đường và xác định vị trí phương tiện giao thông bằng những mục tiêu nhìn thấy. Những mục tiêu nhìn thấy có thể là đỉnh ngọn núi, hải đăng, chập tiêu v.v… Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là phương pháp cổ xưa và đơn giản nhất. --1.2.2 Dẫn đường dự đoán (Dead reckoning)-- Phương pháp dẫn đường dự đoán là phương pháp dẫn đường dựa vào vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển và hướng di chuyển để dự đoán vị trí của phương tiện. Phương pháp này nếu không có ảnh hưởng của ngoại cảnh như dòng chảy, gió và sóng thì cho độ chính xác cao. --1.2.3 Dẫn đường thiên văn học (Celestial navigation)-- Phương pháp dẫn đường thiên văn học là dựa vào việc quan sát các thiên thể đã biết trên bầu trời như mặt trời, mặt trăng và các vì sao, sử dụng sextant để đo độ ca và góc độ giữa các thiên thể, dùng đồng hồ (thời kế) để đo thời gian và dùng lịch thiên văn để tính toán vị trí của tàu. Phương pháp dẫn đường thiên văn học là phương pháp được sử dụng nhiều trong ngành hàng hải. Hình 5: Thời kế (Chronometer) Hình 6: La bàn đi biển (marine compass) Hình 7: Một loại la bàn khác Hình 8: Sextant Hình 9: Lịch thiên văn hàng hải (Nautical Almanac) --1.2.4 Dẫn đường vô tuyến điện (Radio navigation)-- Phương pháp dẫn đường vô tuyến điện là phương pháp sử dụng thiết bị phát sóng vô tuyến điện từ một trạm phát cố định có vị trí đã biết, tại điểm thu sóng máy thu sẽ tính toán thời gian, khoảng cách và kết quả thu được vị trí máy thu sóng vô tuyến điện. Phương pháp sử dụng GPS/GNSS cũng được coi là phương pháp vô tuyến điện, các vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu được coi là các trạm phát vô tuyến điện, hay nói chính xác hơn ‘các trạm phát vô tuyến điện ở trong vũ trụ’ (space-based radio wave transmitters). --1.2.5 Dẫn đường quán tính (Inertial navigation)-- Phương pháp dẫn đường quán tính dựa trên hiểu biết vị trí, vận tốc và động thái ban đầu của phương tiện, từ đó đo tốc độ động thái và gia tốc rồi dùng phương pháp tích phân để tính toán ra vị trí của phương tiện. Đây là phương pháp dẫn đường duy nhất không dựa vào nguồn tham khảo bên ngoài. Nếu phương pháp dẫn đường vô tuyến chịu ảnh hưởng của sóng vô tuyến điện và không sử dụng được trong những khu vực không có sóng thì phương pháp dẫn đường quán tính có thể khắc phục được. --2. Khái quát lịch sử phát triển các hệ thống dẫn đường-- Các hệ thống GNSSs hiện nay gồm GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), và các hệ thống tương lai gồm bao GALILEO (Châu Âu) và COMPASS (Trung Quốc). Mục này sẽ khái quát một số hệ thống dẫn đường trước GPS và lịch sử ra đời GPS. Như khái quát lịch sử dẫn đường hang hải ở trên, các phương pháp dẫn đường lần lượt ra đời cho phép người đi biển có được vị trí chính xác và liên tục. Sự ra đời của các phương tiên hiện đại hơn như máy bay vào đầu thế kỉ thứ 20, những con tàu sắt khổng lồ được trang bị máy hơi nước và sau này là động cơ diesel và tàu vũ trụ đã làm cho con người có thể đi nhanh và đi xa hơn nữa, do vậy đòi hỏi phải có vị trí chính xác liên tục. Khoa học dẫn dắt và xác định vị trí (navigation) không chỉ còn giới hạn trong việc dẫn dắt tàu thủy nữa đã trở thành khoa học dẫn dắt máy bay, tàu vũ trụ và những phương tiện vận tải trên mặt đất nữa. Chúng ta có các thuật ngữ: hàng không (air navigation), du hành vũ trụ (space navigation), hàng hải (marine navigation) và di chuyển trên mặt đất – hàng địa (land navigation). Thuật ngữ navigation không chỉ còn hạn chế trong lĩnh vực hàng hải mà đã mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác. Vào khoảng sau những năm 1920s, trên thế giới xuất hiện những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện đã tạo tiền đề cho việc phát triển hệ thống định vị toàn cầu. Những hệ thống hàng hải vô tuyến điện đó bao gồm: các thiết bị có tầm hoạt động ngắn như đèn hiệu vô tuyến (radio beacons), radar, máy tìm phương, các thiết bị có tầm hoạt động dài hơn (còn được gọi là hệ thống dẫn đường hyperbol) như các hệ thống OMEGA, DECCA và LORAN-C. Những hệ thống dẫn đường này chủ yếu được sử dụng để dẫn tàu và máy bay. --2.1 Những phương pháp dẫn đường vô tuyến trước GNSS-- --2.1.1 Hệ thống dẫn đường OMEGA-- OMEGA là hệ thống dẫn đường hyperbol dựa trên việc đo lệch pha tín hiệu giữa trạm phát (ít nhất từ ba trạm) và máy thu ở tần số 10-14 kHz. Việc triển khai hệ thống OMEGA được bắt đầu vào giữa thập niên 1960s, sau một thời gian chạy thử trên một số trạm phát, nhưng lịch sử của hệ thống này có thể lùi lại vào ngay sau những năm sau Đại chiến thế giớ 2. Trước khi hệ thống OMEGA ra đời, người ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu và thí nghiệm trên việc sử dụng tín hiệu tần số rất thấp (VLF very low frequency) bằng các hệ thống so sánh pha. Ưu điểm của hệ thống này xuất phát từ việc tận dũng tần số rất thấtp cho phép bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất bằng tám trạm phát song (xem Bảng 1). --Bảng 1-- Các trạm phát sóng OMEGA Hệ thống dẫn đường OMEGA khởi điểm ban đầu được sử dụng cho mục đích quân sự nhưng số người sử dụng với mục đích dân sự cũng ngày càng gia tăng. Vào thời điểm năm 1990 hệ thống này là hệ thống dẫn đường duy nhất có sóng bao phủ liên tục và toàn cầu. Ngày nay do sự “lấn át” của hệ thống định vị toàn cầu, ít người sử dụng hệ thống dẫn đường OMEGA. Những máy thu OMEGA trên các tàu biển dường như để sử dụng hỗ trợ khi máy thu GPS có sự cố! Độ chính xác vị trí bằng máy thu OMEGA với sai số vị trí vào khoảng 10-30 km. Nếu có sử dụng thêm tín hiệu từ các trạm phát OMEGA vi phân thì độ chính xác tăng lên đáng kể. --Hệ thống dẫn đường DECCA-- DECCA là hệ thống dẫn đường hyperbol trên bề mặt trái đất có các trạm phát song liên tục ở tần số trong khoảng 70-129 kHz. Các trạm phát song được bố trí theo một chuỗi bao gồm trạm chủ (master station) có chức năng điều khiển và ba trạm phụ thuộc (slaves, có trường hợp chỉ có hai trạm phụ thuộc) có tín hiệu là pha khóa theo pha của trạm chủ. Hệ thống DECCA của Anh Quốc và được giới thiệu trong Đại chiến thế giới thứ 2. DECCA không những đã từng được sử dụng ở tất cả các vùng biển ven bờ Châu Âu mà còn được sử dụng ở Nhật Bản, Ấn Độ, Pakistan, Vịnh Ả Rập (Persian Gulf), Nam và và một số phần ở Úc Châu và Canada (mặc dù một số vùng trong các vùng này hiện không được phủ sóng nữa). Với khoảng tần số trên, hệ thống DECCA là một hệ thống dẫn đường vô tuyến có vùng phủ sóng rộng lớn, vào năm 1987, đã có tới 140 trạm tạo thành 42 chuỗi ở trên 17 quốc gia. Ở Na Uy có 6 chuỗi, đó là Skagerak, Vestland, Trondelag, Helgland, Lofoten và Finmark. DECCA chủ yếu được các tàu thủy sử dụng, và được mở rộng cho máy bay, đặc biệt là máy bay lên thẳng. Những thử nghiệm trên mặt đất cũng cho những kết quả khá tốt, ở cả Anh Quốc và Na Uy. Hệ thống DECCA thường được sử dụng để hàng hải ven bờ (coastal navigation). Vị trí được xác định dựa trên việc đo lệch pha giửa các tín hiệu từ trạm chủ và các trạm phụ thuộc. Độ chính xác vị trí bằng hệ thống DECCA ở trong vùng chuỗi khá cao so với OMEGA, sai số có thể trong khoảng 5 m (Forsell, 1991). --2.1.3 Hệ thống dẫn đường LORAN-C-- LORAN-C viết tắt từ LOng RAnge Navigation (hàng hải khoảng cách dài) được phát triển từ hệ thống hàng hải LORAN-A. LORAN-C cũng là hệ thống hàng hải dựa trên việc phát tín hiệu xung (pulse signals), do Mỹ phát minh trong Đại chiến thế giới thứ 2. Chuỗi LORAN-C đầu tiên được hoạt động ở bờ biển phía đông của Mỹ vào năm 1958. Từ năm 1959 Chuỗi biển Na Uy có các trạm ở Ejde trên Quần đảo Faeroe (trạm chủ), Jan Mayen, Bo (phía tây nam Tromso ở Bắc Na Uy), Sylt (ở phần cực bắc của bờ biển bắc Đức) và ở Sandur phía tây Iceland. Vào những năm đầu thập niên 1990s có khoảng 15 chuỗi LORAN-C bao phủ toàn bộ Địa Trung Hải, tây bắc Đại Tây Dương, các vùng nước xung quanh Hawai và Nhật Bản, đông nam Trung Quốc, các vùng xung quanh hồ lớn ở Bắc Mỹ và ở Vịnh Mexico. Ngoài ra cũng có hai chuỗi ở Saudi Arabia, và những chuỗi nhỏ (minichains) ở một số nơi khác trên thế giới, ví dụ như Kênh đào Suez. Hệ thống LORAN-C còn được mở rộng bao phủ các phần còn lại của Mỹ chủ yếu nhằm phụ vụ giao thông hàng không. Việc mở rộng này hoàn thành vào cuối năm 1990. Chuỗi LORAN-C gồm một trạm chủ (master, M) cộng thêm hai, ba hoặc bốn trạm thứ cấp (secondaries, X, Y, Z và có thể là W, hoặc cũng có thể lần lượt được gọi theo tín hiệu quốc tế là X-ray, Yankee, Zulu và Whisky). Nga (Liên Xô cũ) cũng có 4 chuỗi, một chuỗi 5 trạm ở trung tâm phần Đông Âu của Nga, một chuỗi 5 trạm ở bờ biển Thái Bình Dương, và hai chuỗi mới được thành lập (vào thời gian đầu thập niên 1990s) mỗi chuỗi có 3 trạm bao phủ vùng phía tây Bắc Băng Dương của Nga. Hệ thống của Nga được gọi là Chayka (Hải Âu, Seagull), có dạng tín hiệu tương tự với các chuỗi của Mỹ, do vậy mà một số máy thu LORAN-C có thể sử dụng các trạm của Nga và của Mỹ đồng thời. Trong hệ thống LORAN-C, cũng như những hệ thống dẫn đường vô tuyến khác, có sự phát triển các máy thu và ngày càng sử dụng nhiều bộ vi xử lý (microprocessors) và xử lý tín hiệu số (digital signal processing). Để xác định được vị trí, máy thu LORAN-C tìm kiếm tín hiệu từ trạm chủ và các trạm thứ cấp, xác định điểm qua số không mong muốn (the wanted zero-crossing), theo dõi hình bao (envelope, trong tín hiệu trên màn hình) và điểm qua số không, đo thời gian chênh lệch (time differences) cộng thêm tín hiệu hiệu chỉnh và tính toán vị trí. Sai số vị trí bằng máy thu LORAN-C phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Sai số lớn nhất là sự biến thiên tốc độ lan truyền tín hiệu. Tốc độ lan truyền tín hiệu trên mặt đất phụ thuộc vào độ dẫn điện của bề mặt trái đất (theo các thông số tầng khí quyển trên mặt đất). Để tăng độ chính xác người ta sử dụng kĩ thuật LORAN-C Vi phân (Differential LORAN-C). Ví dụ máy thu LORAN-C có sử dụng LORAN-C Vi phân ở khu vực Kênh đào Suez cho vị trí có sai số nhỏ hơn 15 mét. --2.2 Khái quát lịch sử phát triển GPS-- --2.2.1 Lý do phát minh GPS-- Sự ra đời của những phương tiện vận chuyển như máy bay, và những con tàu vũ trụ đòi hỏi điều khiển những thiết bị đó trong không gian ba chiều. Những phương pháp dẫn đường và những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện như khái quát ở trên chỉ dùng cho việc dẫn dắt các tàu thủy đã trở thành lỗi thời và không phù hợp với việc điều khiển các thiết bị chuyển động trong không gian ba chiều (6 bậc tự do) vì những hệ thống đương thời chỉ xác định được vị trí theo 2 chiều không gian. Trước những đòi hỏi về kỹ thuật đó nhiều nhà khoa học đã được chính phủ Mỹ tài trợ để thực hiện nghiên cứu hệ thống dẫn đường dựa trên vũ trụ. --2.2.2 Người phát minh GPS và lịch sử phát triển GPS-- Bộ Quốc phòng Mỹ là cơ quan thiết kế và điều khiển hệ thống định vị toàn cầu. Trong nhóm những người tham gia điều hành dự án GPS của Bộ Quốc phòng Mỹ cần kể tới sự đóng góp to lớn của TS Ivan Getting, người sáng lập The Aerospace Corporation, và TS Bradford Parkinson, chủ tịch hội đồng quản trị của The Aerospace Corporation. Bảng 2 trình bày tóm tắt niên biểu những sự kiện liên quan tới lịch sử phát triển GPS. --Bảng 2-- Niên biểu lịch sử phát triển GPS (--Thời gian:-- Sự kiện nổi bật) --Thập niên 1920s:-- Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến --Đầu Đại chiến thế giới 2:-- LORAN, hệ thống dẫn đường áp dụng phương pháp đo độ lệch thời gian của tín hiệu sóng vô tuyến, do Phòng thí nghiệm Bức xạ Đại học MIT (MIT Radiation Laboratory). LORAN cũng là hệ thống định vị trong mọi điều kiện thời tiết thực sự đầu tiên, nhưng hai chiều (vĩ độ và kinh độ). --1957:-- Vệ tinh Sputnik của Nga được phóng lên vũ trụ. Đại học MIT cho rằng tín hiệu vô tuyến điện của vệ tinh có thể tăng lên khi chúng tiếp cận trái đất và giảm đi khi rời khỏ trái đất và do vậy có thể truy theo vị trí từ mặt đất. --1959:-- TRANSIT, hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh hoạt động đầu tiên, do Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng Johns Hopkins phát triển dưới sự chỉ đạo của TS Richard Kirschner. Mặc dù khởi đầu Transit được chế tạo để hỗ trợ cho đội tàu ngầm của Mỹ nhưng những công nghệ này đã được phát triển có ích trở thành Hệ thống định vị toàn cầu. Vệ tinh Transit đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào năm 1959. --1960:-- Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian ba chiều (kinh độ, vị độ và độ cao longitude, latitude and altitude) đầu tiên do Raytheon Corporation đề xuất theo yêu cầu của Air Force để làm hệ thống dẫn đường sẽ được sử dụng với (with a proposed ICBM) có thể đạt tới độ lưu động bằng chạy trên một hệ thống đường ray. Hệ thống dẫn đường được trình bày là MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control). Ý tưởng này bị hỏng khi chương trình Mobile Minuteman bị hủy bỏ vào năm 1961. --1963:-- Tổng công ty Aerospace Corporation thực hiện nghiên cứu về hệ thống không gian làm cơ sở cho hệ thốn dẫn đường cho phương tiện chuyển động nhanh theo ba chiều không gian. Việc nghiên cứu này trực tiếp dẫn tới khái niệm về hệ thống định vị toàn cầu. Khái niệm liên quan đến việc đo thời gian tới của tín hiệu sóng vô tuyến được phát đi từ vệ tinh có vị trí chính xác đã biết. Đo thời gian sẽ cho khoảng cách tới vị trí vệ tinh đã biết và lần lượt có thể xác định được vị trí của người sử dụng. --1963:-- Air Force bắt đầu hỗ trợ nghiên cứu của Aerospace, chỉ định nghiên cứu này bằng Dự án Hệ thống 621B. Khoảng năm 1972, chương trình này đã biểu diễn hoạt động của một loại tín hiệu xác định khoảng cách vệ tinh mới dựa trên tiếng ồn ngẫu nhiên giả tạo (PRN, pseudo random noise). --1964:-- Timation, hệ thống vệ tinh hải quân, được phát triển dưới sự chỉ đạo của Roger Easton ở Phòng nghiên cứu Hải quan (Naval Research Lab, NRL) để cải thiện đồng hồ có tính ổn định cao, khả năng truyền thời gian, và dẫn đường 2 chiều. Hoạt động của Timation theo tiêu chuẩn thời gian chuẩn vũ trụ đã cung cấp cơ sở quan trọng cho hệ thống định vị toàn cầu. Vệ tinh Timation đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào tháng 5 năm 1967. --1968:-- Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD, Department of Defence, USA) thành lập một ủy ban gọi là Ủy ban Thự hiện Vệ tinh Dẫn đường (NAVSEC, Navigation Satellite Executive Committee) để phối hợp nỗ lực của các nhóm dẫn đường vệ tinh (Transit của Hải quân, Chương trình Timation, và SECOR của Quân đội, hay còn gọi là Hệ thống đồng tương quan khoảng cách chuỗi (Sequential Correlation of Range System). NAVSEC ký hợp đồng một số nghiên cứu để làm sáng tỏ khái niệm dẫn đường vệ tinh cơ bản. Những nghiên cứu này về một số vấn đề chính xung quanh khái niệm như lựa chọn tần số sóng mang (dải L đối lập với dải C), thiết kế cấu trúc tín hiệu, và lựa chọn định hình quỹ đạo vệ tinh. --1969-1972:-- NAVSEC quản lý các thảo luận khái niệm giữa các nhóm dẫn đường vệ tinh khác nhau. APL Hải quân ủng hộ nhóm Transit mở rộng, trong khi NRL Hải quân ủng hộ cho Timation mở rộng, còn Air Force thì ủng hộ cho “chòm sao đồng bộ mở rộng”, tức dự án 'Hệ thống 621B'. --Tháng 4 năm 1973:-- Thứ trưởng Bộ Quốc phòng quyết định thiết lập một chương trình hợp tác ba dịch vụ để thống nhất những khái niệm khác nhau về định vị và dẫn đường thành một hệ thống Bộ quốc phòng hỗn hợp gọi là Hệ thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (Defense Navigation Satellite System). Air Force được chỉ định làm người quản lý (điều hành) chương trình. Hệ thống mới được phát triển qua văn phòng chương trình kết hợp (joint program office), với sự tham gia của tất cả quan chủng quốc phòng. Đại tá Brad Parkinson được chỉ định làm người chỉ đạo văn phòng chương trình kết hợp và được đặt trọng trách phát triển kết hợp khái niệm ban đầu về hệ thống dẫn đường dựa trên không gian (space-based navigation system). --Tháng 8 năm 1973:-- Hệ thống đầu tiên được trình bày tới Hội đồng Thu nhận và Thẩm định Hệ thống Quốc phòng (Defense System Acquisition and Review Council, DSARC) bị từ chối thông qua. Hệ thống được trình lên DSARC được gói gọn trong Hệ thống 621B của Air Fore và không đại diện cho chương trình kết hợp. Mặc dù có người ủng hộ ý tưởng của hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh mới nhưng Văn phòng Chương trình Kết hợp đã được thúc đẩy khẩn trương tổng quát hóa khái niệm bao gồm xem xét và yêu cầu tất cả các binh chủng quốc phòng. --17/12/1973:-- Một khái niệm mới được trình tới DSARC và được thông qua để thực hiện và cấp kinh phí là hệ thống NAVSTAR GPS, đánh dấu khởi đầu công nhận khái niệm (ý tưởng) (Giai đoạn I của chương trình GPS). Khái niệm mới thực sự là một hệ thống dàn xếp (thỏa hiệp – compromise system) do Đại tá Parkinson thương lượng đã kết hợp tốt nhất giữa tất cả những khái niệm và công nghệ dẫn đường vệ tinh có sẵn. Cấu hình hệ thống được thông qua bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trong những quỹ đạo nghiêng chu kỳ 12 giờ đồng hồ. --Tháng 6 năm 1974:-- Hãng Rockwell International được chọn làm nhà cung cấp vệ tinh cho chương trình GPS. --Ngày 14 tháng 7 năm 1974:-- Vệ tinh NAVSTAR đầu tiên được phóng lên vũ trụ. Vệ tinh này được chỉ định là Vệ tinh Công nghệ Dẫn đường (NTS) số 1, về cơ bản đây là vệ tịnh Timation tân trang lại do NRL đóng. Vệ tinh thứ hai (là vệ tinh cuối cùng) của nhóm NTS được phóng vào năm 1977. Những vệ tinh này được sử dụng cho việc đề xuất đánh giá khái niệm (ý tưởng) và thực hiện những đồng hồ nguyên tử đầu tiên đã được phóng vào trong không gian (vũ trụ). --1977:-- Thực hiện kiểm tra thiết bị người sử dụng ở Yuma, Arizona. --22/2/1978:-- Vệ tinh Block I đầu tiên được phóng. Toàn bộ 11 vệ tinh Block I được phóng trong khoảng thời gian 1978 và 1985 trên Atlas-Centaur. Những vệ tinh Block I do Rockwell International xây dựng được coi là những vệ tinh mẫu phát triển được dùng để kiểm tra hệ thống. Bị mất một vệ tinh do phóng trượt. --26/4/1980:-- Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng Hệ thống phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp (Integrated Operational Nucluear Detonation Detection System (IONDS) sensors). --1982:-- Bộ Quốc phòng thông qua quyết định giảm số vệ tinh của chòm vệ tinh GPS từ 24 xuống 18 tiếp theo sau tái cấu tạo lại chương trình chính do Quyết định 1979 của Văn phòng Thư ký Bộ Quốc phòng gây ra để cắt giảm kinh phí 500 triệu đô la (khoảng 30%) từ ngân sách cho giai đoạn năm tài chính FY81-FY86. --14/7/1983:-- Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ hạt nhân (NDS) mới hơn. --16/9/1983:-- Theo (the Soviet downing of Korean Air flight 007), tổng thống Reagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay dân dụng hoàn toàn miễn phí khi hệ thống đưa vào sử dụng. Sự kiện này đánh dấu sự bắt đầu lan tỏa công nghệ GPS từ quân sự sang dân sự. --Tháng tư 1985:-- Hợp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao cho JPO. Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển cũng như lựa chọn sản xuất các máy thu GPS dùng cho máy bay, tàu thủy và máy thu xách tay (gọn nhẹ). --1987:-- Bộ Quốc phòng chính thức yêu cầu Bộ Giao thông (Department of Transport, DoT) có trách nhiệm thiết lập và cung cấp một văn phòng đáp ứng nhu cầu người sử dụng dân sự về thông tin GPS, dữ liệu và hỗ trợ kỹ thuật. Tháng 2 năm 1989, Coast Guard có trách nhiệm làm đại lý hướng dẫn Dịch vụ GPS Dân sự (civil GPS service). --1984:-- Khảo sát trở thành một thị trường GPS thương mại đầu bảng được nâng cánh! Để bù cho số vệ tinh giới hạn có sẵn trong quá trình phát triển chòm vệ tinh, các nhà khảo sát đã chuyển qua số kỹ thuật nâng cao độ chính xác bao gồm kĩ thuật GPS Vi phân (DGPS) và kỹ thuật truy theo pha sóng mang (carrier phase tracking) 3/1988 Thư ký Air Force thông báo về việc mở rộng chòm GPS tới 21 vệ tinh cộng thêm 3 vệ tinh dự phòng. --14/2/1989:-- Vệ tinh đầu tiên của các vệ tinh Block II đã được phóng từ Cape Canaveral AFT, Florida, trên dàn phóng Delta II (Delta II booster). Phi thuyền con thoi (Space Shuttle) làm bệ phóng theo kế hoạch cho các vệ tinh Block II được Rockwell Intenational đóng. Tiếp theo tai nạn Challenger 1986, Văn phòng Chương trình Kết hợp (JPO) xem xét lại và đã sử dụng Delta II làm bệ phóng vệ tinh GPS. SA (Selective Availabity) và AS (Anti-spoofing. --21/6/1989:-- Hãng Martine Marietta (sau khi mua xong General Electric Astro Space Division vào năm 1992) được thắng hợp đồng xây dựng 20 vệ tinh bổ sung (Block IIR). Chiếc vệ tinh Block IIR đầu tiên sẵng sàng để phóng vào cuối năm 1996. --1990:-- Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hàng đầu thế giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm ban đầu. --25/3/1990:-- DoD theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến Liên bang, lần đầu tiên khởi động (kích hoạt) SA (Selective Availability) làm giảm độ chính xác dẫn đường GPS có chủ định. --8/1990:-- SA được tắt đi trong chiến tranh vịnh Ba tư (Persian Gulf War). Những yếu tố đóng góp vào quyết định tắt SA bao gồm việc phủ sóng ba chiều có giới hạn được chòm NAVSTAR cung cấp trong quỹ đạo vào thời gian đó và sớ máy thu mã số chính xác (Precision (P)-code) trong bản kiểm kê của DoD. DoD đã mua hàng nghìn máy thu GPS dân dụng ngay sau đó không lâu đã dùng cho lực lượng liên minh trong cuộc chiến tranh. --1990-1991:-- GPS được các lực lượng liên minh dùng lần đầu tiên trong điều kiện chiến tranh trong Chiến tranh Vịnh Ba Tư. Sử dụng GPS cho Bão Sa Mạc Hoạt Động (Operation Desert Storm) chúng minh là cách sử dụng chiến thuật thành công đầu tiên của công nghệ không gian trong giới hạn thiết trí hoạt động. --29/8/1991:-- SA được kích hoạt lại sau Chiến tranh Vịnh Ba Tư. --1/7/1991:-- Mỹ đã cho phép cộng đồng thế giới sử dụng dịch vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) GPS bắt đầu từ năm 1993 trên cơ sở liên tục và miển phí trong vòng ít nhất 10 năm. Lời đề nghị này được thông báo trong Hội nghị Dẫn đường Hàng không lần thứ 10 (the 10th Air Navigation Conference) của Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO, International Civil Aviation Organization). --5/9/1991:-- Mỹ mở rộng lời đề nghị 1991 vào Hội nghị thường niên ICAO bằng cách cho phép thế giới sử dụng SPS trong tương lai, việc này phụ thuộc vào việc có đủ vốn, cung cấp dịch vụ này tối thiểu 6 năm có thông báo trước về việc chấm dứt hoạt động GPS hoặc xóa bỏ SPS. --8/12/1992:-- Bộ Trưởng Bộ Quốc phòng chính thức thông báo Khả năng hoạt động đầu tiên của GPS, có nghĩa là 24 vệ tinh trên quỹ đạo hệ thống GPS không còn là hệ thống đang triển khai nữa mà GPS đã có khả năng duy trì độ chính xác ở mức độ sai số 100 mét và có sẵn trên toàn cầu liên tục cho người sử dụng SPS như đã hứa. --17/2/1994:-- Người quản trị FAA David Hinson thông báo GPS là một hệ thống dẫn đường đầu tiên đã được thông qua để sử dựng làm phương tiện hỗ trợ dẫn đường độc lập cho tất cả các phương tiện bay thông qua tiếp cận không chính xác (nonprecision approach). --6/6/1994:-- Người quản trị FAA David Hinson thông báo ngừng phát triển Hệ thống Hạ cánh Vi sóng (MLS) cho việc hạ cánh Loại II và III. --11/1994:-- Hãng Orbital Sciences, một nhà sản xuất tên lửa và vệ tinh hàng đầu thế giới đồng ý mua hãng Magellen Corp., một nhà sản xuất máy thu GPS cầm tay ở California bằng trao đổi chứng khoán trị giá 60 triệu đô la Mỹ, mang lại cho Orbital tiến gần tới mục tiêu trở thành công ty viển thông hai chiều dựa vào vệ tinh. --8/6/1994:-- Người quản trị FAA David Hinson thông báo thực hiện Hê thống Gia tăng Vùng rộng (WAAS, Wide Area Augmentation System) nhằm mục đích cải thiện tính hợp nhất GPS và tăng tính sẵn có cho người sử dụng dân sự trên tất cả các phương tiện bay. Giá chương trình theo dự tính mất 400-500 triệu đô la Mỹ. Chương trình này được lập kế hoạch thực hiện vào khoảng năm 1997. --11/10/1994:-- Ủy ban hành động dẫn đường định vị Bộ Giao thông (the Department of Transportation Positioning / Navigation Executive Committee) được thành lập để cung cấp diễn đàn qua đại lý nhằm thực hiện chính sách GPS. --14/10/1994:-- Người quản trị FAA David Hinson nhắc lại lời đề nghị (US’s offer) làm GPS-SPS có sẵn trong tương lai, dựa trên cơ sở liên tục và toàn cầu miễn phí cho người sử dụng trực tiếp trong thư gửi cho ICAO. --16/3/1995:-- Tổng thống Bil Clinton tái khẳng định rằng Mỹ cung cấp tín hiệu GPS cho cộng đồng người sử dụng dân dụng thế giới trong thư gửi cho ICAO. Từ sau năm 1995 hệ thống GPS vẫn tiếp tục được duy trì và bảo dưỡng cũng như thay thế những vệ tinh già tuổi. Năm 2000, số vệ tinh trong chòm GPS đã tăng lên 28 vệ tinh và SA đã được loại bỏ nên độ chính xác tốt hơn. Những vệ tinh thế hệ GPS-IIR đã và đang được phóng lên để thay thế những vệ tinh già tuổi. Vệ tinh mới nhất được phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên GPS-IIR-M1, là vệ tinh đầu tiên thuộc thế hệ 8 chiếc vệ tinh hiện đại nhất GPS-IIR-M. Theo kế hoạch, vệ tinh tiếp theo sẽ được phóng lên không gian vào tháng giêng năm nay (2006). Độc giả quan tâm có thể tìm được thông tin từ trang web của The Institute of Navigation (ION, Mỹ). Bạn đọc quan tâm có thể sử dụng các từ khóa GLONASS, GALILEO, COMPASS để tìm thông tin về các hệ thống vệ tinh dẫn đường khác (thông tin sẽ được cập nhật). --3. Vài nét khái quát các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS)-- Các hệ thống định vị toàn cầu: Hiện nay trên thế giới có ba hệ thống vệ tinh dẫn đường. GPS và GLONASS đang hoạt động, GALILEO theo kế hoặch sẽ hoàn thành vào năm 2008. 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). Phần này sẽ tóm lược một số thông tin về ba hệ thống vệ tinh nhân tạo: GPS, GLONASS và GALILEO. --3.1 GPS-- Tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị toàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành. Bộ Quốc phòng Mỹ thường gọi GPS là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System). Mọi người đều có thể sử dụng GPS miễn phí. Vệ tinh đầu tiên của GPS được phóng vào tháng 2 năm 1978, vệ tinh gần đây nhất là vệ tinh GPS IIR-M1 được phóng vào tháng 12 năm 2005 (Wikipedia, 2006). GPS bao gồm 24 vệ tinh (tính đến năm 1994), đã được bổ sung thành 28 vệ tinh (vào năm 2000), chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 26.560 km (Yasuda, 2001). Hay nói cách khác độ cao trung bình của vệ tinh GPS so với mặt đất vào khoảng 20.200 km (Wikipedia, 2006). --3.2 GLONASS:-- Hệ thống GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System, Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu, tiếng Nga ГЛОНАСС: ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система; Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) do Liên bang Sô viết (cũ) thiết kế và điều hành. Ngày nay hệ thống GLONASS vẫn được Cộng hoà Nga tiếp tục duy trì hoạt động. Hệ thống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động trong ba mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 64.8 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 25.510 km (Yasuda, 2001). --3.3 GALILEO-- Cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho mục đích quân sự. Đối với những người sử dụng dân sự có thể có sai số lớn nều như cơ quan điều hành GPS và GLONASS kích hoạt bộ phận gây sai số chủ định, ví dụ như SA của GPS. Do vậy Liên hợp Âu Châu (EU) đã lên kế hoạch thiết kế và điều hành một hệ thống định vị vệ tinh mới mang tên GALILEO, mang tên nhà thiên văn học GALILEO, với mục đích sử dụng dân sự. Việc nghiên cứu dự án hệ thống GALILEO được bắt đầu triển khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc gia Châu Âu Pháp, Đức, Italia và Anh Quốc. Giai đoạn đầu triển khai chương trình GALILEO bắt đầu năm 2003 và theo dự kiến sẽ hoàn thành và đưa vào sử dụng trong năm 2010 (chậm hơn so với thời gian dự định ban đầu 2 năm) (Wikipedia, 2006). GALILEO được thiết kế gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 56 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 29.980 km (Yasuda, 2001). Hình 11: Nhà thiên văn học Galileo Galilei (1564-1642) Bảng 3 So sánh một số thông số kỹ thuật của ba hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Yasuda, 2001) --3.4 COMPASS:-- Hệ thống vệ tinh dẫn đường của Trung Quốc mới được tuyên bố xây dựng và đang trong quá trình thiết kế xây dựng (thông tin sẽ được cập nhật.