Chương 1 trạm quan sát chuyên dụng của Không quân Hoa Kỳ đặt ở Hawaii, Kwajalein, Đảo Ascension, Diego Garcia, Colorado Springs, Colorado và Cape Canaveral, cùng với các trạm quan sát NGA được vận hành ở Anh, Argentina, Ecuador, Bahrain, Úc và Washington DC. Thông tin đường bay của vệ tinh đi được gởi đến Air Force Space Command's MCS ở Schriever Air Force Base 25 km đông đông nam của Colorado Springs, do 2nd Space Operations Squadron (2 SOPS) của U. Air Force vận hành. Sau đó 2 SOPS liên lạc thường xuyên với mỗi vệ tinh GPS thông qua việc cập nhật định vị sử dụng các ăng-ten mặt đất chuyên dụng hoặc dùng chung (AFSCN)(các ăng-ten GPS mặt đất chuyên dụng được đặt ở Kwajalein, đảo Ascension, Diego Garcia, và Cape Canaveral).
Các thông tin cập nhật này đồng bộ hóa với các đồng hồ nguyên tử đặt trên vệ tinh trong vòng một vài phần tỉ giây cho mỗi vệ tinh, và hiệu chỉnh lịch thiên văn của mô hình quỹ đạo bên trong mỗi vệ tinh. Việc cập nhật được tạo ra bởi bộ lọc Kalman sử dụng các tín hiệu/thông tin từ các trạm quan sát trên mặt đất, thông tin thời tiết không gian, và các dữ liệu khác.3: Hoạt động giữa trạm điều khiển và vệ tinh 1.2Phần sử dụng Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này. Máy thu GPS là một thiết bị như một máy tính nhỏ gọn có màn hình gắn liền và anten nhận tín hiệu GPS. Thiết bị này thường chỉ là thiết bị có thông tin một chiều.
Nhờ anten GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh. Hệ điều hành của máy sẽ thể hiện vị trí trên 9 Luan van Chương 1 bản đồ được gài sẵn trong thiết bị. Khi hệ thống giao thông rộng lớn, phức tạp, có nhiều điểm chia cắt, cầu vượt … thì GPS – Navigation là cần thiết và hoàn toàn có thể đầu tư. Chi phí cho GPS – Navigation là giá của thiết bị + nâng cấp bản đồ.4: GPS – Navigation GPS – Theo dõi và Điều hành: Là thiết bị định vị khác với thiết bị GPS – Navigation.
Đây là thiết bị có giao lưu thông tin hai chiều, chính vì thế sẽ phức tạp hơn nhiều và khả năng ứng dụng của các thiết bị này rộng lớn hơn. Tùy theo lĩnh vực hoạt động của thiết bị, phần cứng của thiết bị có cấu trúc đơn giản hay rất phức tạp tùy theo các ứng dụng mở rộng kèm theo. GPS – Theo dõi và Điều hành sử dụng cùng một lúc nhiều công nghệ cao: Công nghệ xác định vị trí – GPS, Công nghệ GSM – Đảm bảo liên lạc thông tin hai chiều, Công nghệ Điện thoại viễn thông, Công nghệ GPRS/EDGE – Công nghệ chuyền dữ liệu qua GSM, Công nghệ INTERNET – Công nghệ tiên tiến nhất của nhân loại. 10 Luan van Chương 1 Hình 1.5: GPS – Theo dõi và Điều hành Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính 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 thứ khác nữa.2 Nguyên lý hoạt động của GPS Nguyên lý xác định toạ độ của hệ thống GPS được dựa trên công thức tính: quãng đƣờng = vận tốc x thời gian.
Vệ tinh phát ra các tín hiệu (bao gồm vị trí của chúng, thời điểm phát tín hiệu) dạng hình cầu với bán kính bằng khoảng cách từ máy thu GPS tới nó và giao điểm các hình cầu này chính là vị trí của máy thu. Công việc của một máy thu GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa, tính toán khoảng cách từ các vệ tinh và sử dụng các thông tin đó để xác định vị trí của chính nó. Từ 4 vệ tinh sẽ phát ra tín hiệu dạng hình cầu với bán kính (là thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu x vận tốc sóng điện từ) bằng khoảng cách từ máy thu GPS tới nó và giao điểm các hình cầu này chính là vị trí của máy thu. Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ các vệ tinh, máy thu GPS tính toán ra được hai thứ trên.
Máy thu loại tốt có thể thu nhận tín 11 Luan van Chương 1 hiệu của nhiều vệ tinh đồng thời. Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức là 300 ngàn km/giây trong chân không. Giả sử rằng tín hiệu truyền trên đường thẳng, đây chính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Để thực hiện phép đo này, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau.
Một sai số 1 mili giây sẽ dẫn đến sai số là 300 ngàn mét. Do đó, độ chính các tối thiểu cho các máy thu phải là cỡ nano giây. Để có độ chính xác như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử cho các vệ tinh. Mỗi quả vệ tinh mang theo một đồng hồ nguyên tử, nhưng mỗi máy thu thì chỉ trang bị đồng hồ quartz thông thường.
Các đồng hồ quartz này được điều chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu được truyền đi từ các vệ tinh. Trên lý thuyết thì 4 mặt cầu phải giao nhau tại 1 điểm. Nhưng do sai số đồng hồ quartz, 4 mặt cầu đã không cho 1 giao điểm duy nhất. Biết rằng sai số này gây ra bởi đồng hồ trên máy thu là như nhau Δt, máy thu có thể dễ dàng loại trừ sai số này bằng cách tính toán ra lượng hiệu chỉnh cần thiết để 4 mặt cầu giao nhau tại một điểm.
Dựa vào đó, máy thu tự động điều chỉnh đồng hồ cho đồng bộ với đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh. Nhờ đó mà đồng hồ trên máy thu có độ chính xác gần như tương đương với đồng hồ nguyên tử. Biết khoảng cách rồi, chúng ta còn phải biết vị trí chính xác của các vệ tinh trên quĩ đạo. Do các vệ tinh chuyển đông trên các quĩ đạo biết trước và có thể dự đoán được.Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều có chứa một bảng tra vị trí tính toán của tất cả các vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào gọi là Almanac.
Lực hút của mặt trăng, mặt trời có ảnh hưởng nhất định làm thay đổi quĩ đạo của các vệ tinh một chút xíu nhưng bộ quốc phòng Mỹ liên tục theo dõi vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền thông số hiệu chỉnh đến các máy thu thông qua tín hiệu từ vệ tinh. Giả sử Nếu bạn biết rằng minh đang ở cách vệ tinh A 20 km, bạn có thể ở bất kỳ nơi nào trên một mặt cầu khổng lồ có bán kính 20 km. Nếu bạn biết thêm rằng bạn đang ở cách vệ tinh B 30 km, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V. 12 Luan van Chương 1 Và nếu bạn biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ có thêm một mặt cầu, mặt cầu này giao với đường tròn V tại hai điểm.
Trái đất chính là mặt cầu thứ tư, một trong hai giao điểm sẽ nằm trên mặt đất, điểm thứ hai nằm lơ lửng đâu đó trong không gian và dễ dàng bị loại ( trừ khả năng bạn đang trên máy bay). Với việc giả sử trái đất là một mặt cầu, ta đã bỏ qua cao độ của bạn vì 1 điểm nằm trên trái đất nên cao độ bằng 0. Do vậy để có cả tung độ, hoành độ và cao độ, bạn cần thêm một vệ tinh thứ tư nữa.6: giao tiếp giữa thiết bị và các vệ tinh 1.3 Tín hiệu GPS Hình 1.7: tín hiệu GPS Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2. GPS dân 13 Luan van Chương 1 sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF.
Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà. L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên"(pseudo random), đó là mã Protected (P) và mã Coarse/Acquisition (C/A). Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu. Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS.
Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch. Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào là phát thông tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của vệ tinh nào. Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày.
Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống. Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh, ngày giờ hiện tại. Những dữ liệu được liên tục truyền của mỗi vệ tinh. Từ những dữ liệu thu được của ngày, thời gian khoảng thời gian và vị trí của các vệ tinh.
Các dữ liệu đầy đủ tín hiệu bao gồm 37.500 bit và với một tốc độ truyền tải của tổng số 50bit/s là 12,5 phút là cần thiết để nhận được tín hiệu đầy đủ. Thời gian này là yêu cầu của một máy thu GPS cho đến khi xác định vị trí đầu tiên có thể, nếu không có thông tin về các vệ tinh được lưu trữ hoặc thông tin lỗi thời. 14 Luan van Chương 1 Các tín hiệu dữ liệu được chia thành 25 khung , có chiều dài 1500 bit (có nghĩa là một khoảng thời gian 30 giây để truyền).8 Các khung dữ liệu 25 khung được chia thành nhiều khung phụ (300 bit, 6 giây), một lần nữa được chia thành 10 từ ( WORD 30 bit, 0. Từ đầu tiên của mỗi khung phụ TLM (từ ở xa).
Nó chứa thông tin về tuổi của các dữ liệu thiên văn. Từ tiếp theo là HOW(giao từ), trong đó có số lượng tính z-epoches. Những dữ liệu này chứa thời gian từ cuối cùng "khởi động lại" của thời gian GPS vào ngày chủ nhật trước 00:00 giờ. Như các mã P là 7 ngày, HOW được sử dụng bởi quân đội thu để xác định vị trí của họ truy cập vào mã-P.
Phần còn lại của khung phụ đầu tiên chứa dữ liệu về tình trạng và tính chính xác của các vệ tinh truyền cũng như dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ. Khung phụ thứ hai và thứ ba chứa các thông số thiên văn.