CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 1. Giới thiệu Trong xã hội hiện nay, các ứng dụng thông tin vệ tinh đã bao phủ hầu hết mọi mặt của đời sống xã hội. Ví dụ, một chiếc điện thoại sử dụng thông tin vệ tinh có thể xác định chính xác được tọa độ của người dùng. Tọa độ này được xác định nhờ hệ thống hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS: Global Navigation Satellite System).
GNSS là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như GPS (Hoa Kỳ), hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga) và hệ thống định vị Bắc Đẩu (Trung Quốc) [15]. Ngày nay hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS của Mỹ, GLONASS của Nga là những hệ thống định vị hoạt động đầy đủ. Hệ thống Galileo của Châu Âu và hệ thống Compass được phát triển trên cơ sở hệ thống định vị vệ tinh khu vực Bắc Đẩu của Trung Quốc cũng đang có những bước tiến quan trọng. Thêm vào đó, một số hệ thống định vị vệ tinh khu vực và hệ thống định vị vệ tinh cơ sở mở rộng đã và đang được triển khai như hệ thống QZSS của Nhật Bản, IRNS của Ấn Độ, MSAS, GAGAN,.
Hệ thống định vị vệ tinh GNSS bay quanh trái đất GNSS được cấu thành như một chòm sao (một nhóm hay hệ thống) của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh thì sẽ tính được tọa 5 độ vị trí đó. GNSS có thể hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày. Mỹ là nước đầu tiên đưa vào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đường.
Mỹ đặt tên cho hệ thống này là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GPS: Global Positioning System), đây cũng được coi là hệ thống GNSS đầu tiên. Dự án được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ phê duyệt vào năm 1973. Hệ thống hoạt động đầy đủ vào năm 1995 với chòm sao bao gồm 24 vệ tinh trải rộng trong 6 mặt phẳng quỹ đạo. Hiện tại chòm sao hoạt động được tạo thành từ 30 vệ tinh.
Tần số tín hiệu GPS được phân bổ trong ba băng tần: L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,6 MHz) và L5 (1176,45 MHz) [13]. Năm 1995, Nga đã phát triển và đưa vào hoạt động hệ thống vệ tinh dẫn đường của riêng mình mang tên Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS). Nó được thiết kế gồm 24 vệ tinh trên 3 mặt phẳng quỹ đạo. Tín hiệu GLONASS được truyền trên các băng tần G1 (1598,0625 - 1605,375 MHz), G2 (1242,9375 - 1248,625 MHz) và G3 (1201,5 MHz) [16].
Với mục tiêu là GNSS dân dụng đầu tiên, dự án Galileo đã được Cơ quan Vũ trụ Châu Âu phê duyệt vào năm 2002. Khi được triển khai đầy đủ, hệ thống bao gồm 27 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng trong 3 quỹ đạo Trái đất tròn (MEO). Tín hiệu Galileo được truyền ở 4 dải tần: E1 (1575,42MHz), E5 (1191,795 MHz), E5a (1176,45 MHz), E5b (1207,14 MHz) và E6 (1276,75 MHz) [14]. Năm 2000, Trung Quốc phóng vệ tinh đầu tiên của hệ thống định vị vệ tinh Trung Quốc (Beidou-1).
Phạm vi của hệ thống chỉ giới hạn ở Trung Quốc và các khu vực lân cận. Hệ thống Beidou thế hệ thứ hai bắt đầu hoạt động vào năm 2011 với 10 vệ tinh trên quỹ đạo. Nó được thiết kế gồm 5 vệ tinh quỹ đạo trái đất địa tĩnh (GEO), 27 vệ tinh quỹ đạo trái đất trung bình (MEO) và 3 vệ tinh quỹ đạo đồng bộ trái đất nghiêng (IGSO). Các tín hiệu Beidou được truyền trong ba băng tần: B1 (1559.
6 Hiện nay, tổng số vệ tinh của các hệ thống GNSS có 154 vệ tinh (36 GPS, 27 GLONASS, 30 Galileo, 35 BaiDou, 19 SBAS và 07 QZSS). Năm 2020, GNSS có hơn 160 vệ tinh chủ yếu là các vệ tinh toàn cầu của Galileo và Bắc Đẩu [15]. Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị vệ tinh Các vệ tinh của GNSS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu mang thông tin xuống trái đất. Các máy thu GNSS nhận thông tin này và bằng các phép tính lượng giác, máy thu có thể tính toán vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy tính.
Máy thu GNSS phải bắt được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và theo dõi được chuyển động của thiết bị. Với bốn hoặc nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Khi đã tính được vị trí người dùng thì máy thu GNSS có thể tính ra các thông tin khác như: tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc/ lặn và nhiều thông tin khác. Từ vệ tinh A, sóng điện từ có tần số nằm trong vùng tần số vô tuyến được phát đến máy thu GPS đặt tại điểm cần xác định.
Tại máy thu GPS sẽ có thiết bị đo khoảng thời gian sóng điện từ truyền qua không gian từ máy phát trên vệ tinh đến máy thu tại điểm cần xác định. Với giá trị thời gian đo được và bước sóng biết trước, có thể dễ dàng tính được một cách chính xác khoảng cách từ vệ tinh đến vị trí của máy thu. Hệ GPS trong tọa độ địa tâm 7 Để thuận tiện cho việc định vị với bất kỳ điểm nào trên trái đất, ta dùng hệ tọa độ địa tâm, nghĩa là hệ tọa độ có gốc O trùng với tâm của trái đất như Hình 1. Tâm của tọa độ được quy ước là tâm của trái đất.
Với hệ tọa độ Decartes, một điểm được xác định nếu biết vị trí tọa độ X, Y, Z. Ta quy ước mặt phẳng Z = 0 tương ứng với mặt phẳng xích đạo; còn mặt phẳng Y = 0 sẽ đi qua kinh tuyến GreenWich. Ngoài ra, ta cũng có thể xác định vị trí của máy thu GPS trong hệ tọa độ cầu với các hệ tọa độ kinh tuyến, vĩ tuyến và cao độ. Về bản chất thì hai hệ tọa độ này có vai trò như nhau và hoàn toàn có thể chuyển đổi tọa độ của các điểm trong hệ tọa độ này sang hệ tọa độ kia và ngược lại, bằng một phép chuyển đổi theo công thức: RGPS11 = R(WX , WY , WZ) RGPS12 (1.1) Trong đó: RGPS11 là tọa độ của máy thu GPS một trong hệ tọa độ thứ nhất RGPS12 là tọa độ của máy thu GPS một trong hệ tọa độ thứ hai.
R(WX, WY, WZ) là ma trận chuyển đổi. WX, WY, WZ là góc xoay phương vị của các trục tọa độ giữa hai hệ tọa độ. Phương trình chuyển đổi này cũng đúng với trường hợp chuyển đổi của vector tốc độ. Đối với mỗi vệ tinh GPS, máy thu sẽ xác định được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh đó nhờ xác định được khoảng thời gian thông báo phát từ vệ tinh đó đến máy thu GPS và biết được tốc độ truyền thông trong không gian (bằng vận tốc ánh sáng).
Phép định vị GPS với một vệ tinh 8 Như vậy, nếu xác định được vị trí của vệ tinh tại thời điểm tính toán thì hoàn toàn có thể khẳng định máy thu GPS sẽ nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh và khoảng cách là bán kính vừa tìm được. Điều này sẽ được mô tả trên Hình 1. Để xác định vị trí chính xác của một điểm trong hệ thống GPS khi liên lạc được với nhiều hơn 3 vệ tinh thì có thể biết vị trí chính xác của máy thu GPS đó. Với vệ tinh thứ nhất (S1), ta biết được khoảng cách từ vệ tinh S1 đến máy thu là r1.
Tiếp đến với vệ tinh thứ hai (S2), ta có máy thu nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh S2 và bán kính là khoảng cách r2. Giao của hai mặt cầu này là một đường tròn và rõ ràng máy thu GPS phải nằm trên đường tròn này. Giao của hai đường tròn sẽ cho ta hai điểm, một điểm là vị trí máy thu GPS và điểm kia là một vị trí ngoài không gian. Như vậy, ta chỉ cần đo khoảng cách từ máy thu GPS đến vệ tinh thứ ba (S 3) cũng đủ để xác định được vị trí của máy thu theo tọa độ X, Y, Z hoặc kinh độ, vĩ độ và cao độ.
Ngoài ra, ta cần ước đoán được sai số đo độ lệch về thời gian giữa vệ tinh và máy thu. Vệ tinh thứ tư (S4), sẽ đóng vai trò hiệu chỉnh sai số đồng hồ của thiết bị định vị GPS này. Phương pháp định vị máy thu GPS nhờ theo dõi đồng thời 4 vệ tinh được mô tả trên Hình 1. Nguyên tắc cơ bản của định vị GNSS Trong trường hợp thiết bị thu GPS chỉ nhìn thấy được 3 vệ tinh trên bầu trời thì ta vẫn có thể xác định được vị trí của thiết bị này một cách chính xác bằng cách 9 cố định độ cao của thiết bị thu ở một giá trị xác định, ví dụ ở độ cao mực nước biển.
Khi đó có 3 vệ tinh sẽ cho ta vị trí kinh độ, vĩ độ và thời gian. Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh Hệ thống GNSS có cấu trúc như Hình 1.5 gồm ba phần cơ bản [2]: + Phần không gian là các vệ tinh định vị bay trên quỹ đạo Trái đất. Các vệ tinh này hoạt động bằng năng lượng mặt trời và có tuổi thọ khoảng 10 năm. Mỗi hệ thống GNSS có chòm sao vệ tinh riêng và được sắp xếp trên các quỹ đạo có thể cung cấp thông tin trên các vùng mong muốn.
Các tín hiệu từ mỗi vệ tinh cho phép người dùng tính toán, đo đạc khoảng cách đến vệ tinh và mỗi vệ tinh quảng bá một bản tin, bản tin này cho phép người dùng có thể xác định được vị trí của vệ tinh trong không gian và từ các tham số thu được này, người dùng có thể xác định được vị trí của họ. + Phần điều khiển là các trạm mặt đất (trạm dữ liệu, trạm điều khiển, trạm gốc) có nhiệm vụ giám sát và điều khiển toàn bộ hệ thống. + Phần người dùng là các máy thu định vị vệ tinh hoặc các thiết bị có sử dụng chức năng định vị và dẫn đường GNSS. Mô hình các thành phần của hệ thống GNSS Phần không gian đóng vai trò trạm trung gian, chuyển tiếp tín hiệu giữa phần điều khiển và phần người dùng thông qua đường lên (Uplink) và đường xuống 10 (Downlink).