- 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. - 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. - 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). - Những người Phoenicians cổ đại đã sử dụng Sao Bắc Cực (North Polar) dẫn đường để thực hiện chuyến đi từ Egypt và Crete. - Hình 4: John Harrison 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. - Đây là ý tưởng ban đầu của hệ thống định vị toàn cầu (GPS). - 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. - 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. - --1.2.2 Dẫn đường dự đoán (Dead reckoning. - --1.2.3 Dẫn đường thiên văn học (Celestial navigation. - 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. - 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. - 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. - 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. - --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. - Hệ thống DECCA của Anh Quốc và được giới thiệu trong Đại chiến thế giới thứ 2. - 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. - Hệ thống DECCA thường được sử dụng để hàng hải ven bờ (coastal navigation). - 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. - 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. - 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). - 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. - 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). - 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. - 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). - 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. - Air Force bắt đầu hỗ trợ nghiên cứu của Aerospace, chỉ định nghiên cứu này bằng Dự án Hệ thống 621B. - 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. - NAVSEC ký hợp đồng một số nghiên cứu để làm sáng tỏ khái niệm dẫn đường vệ tinh cơ bản. - 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'. - 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). - 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). - 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. - 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. - 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. - 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). - Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ hạt nhân (NDS) mới hơn. - 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. - 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. - 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). - 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. - 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). - 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. - 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. - 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). - 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. - 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. - 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. - 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. - 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. - Hình 11: Nhà thiên văn học Galileo Galilei Bảng 3 So sánh một số thông số kỹ thuật của ba hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Yasuda 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.