Giáo trình Kĩ thuật Dẫn đường Hàng hải bằng Vệ tinh Phần 1 - TS. Trần Canh Vinh

Khám phá giáo trình hàng hải kỹ thuật dẫn đường hàng hải bằng vệ tinh phần 1, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Ts. Trần Cảnh Vinh
• Người hướng dẫn: ThS. Đỗ Thành Sen
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải - Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hàng hải kĩ thuật dẫn đường
• Đề tài: Hàng Hải Kĩ Thuật Dẫn Đường Hàng Hải Bằng Vệ Tinh
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2003
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời nói đầu
• 1. CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VỆ TINH NHÂN TẠO TRÁI ĐẤT
• 1.1. NHỮNG QUY LUẬT CƠ BẢN VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VỆ TINH NHÂN TẠO
• 1.1.1. Qũi đạo chuyển động
• 1.1.2. Qũi đạo là hình ellipse
• 1.1.2.1. Ba định luật của KEPLER
• 1.1.2.1.1. Định luật thứ nhất của Kepler
• 1.1.2.1.2. Định luật thứ hai của Kepler
• 1.1.2.1.3. Định luật thứ ba của Kepler
• 1.1.2.2. Qũi đạo ellipse của vệ tinh
• 1.2. PHÂN LOẠI QŨI ĐẠO VỆ TINH VÀ ĐẶC TÍNH CỦA CHÚNG
• 1.2.1. Vệ tinh địa tĩnh
• 1.2.2. Vệ tinh chuyển dịch nhanh
• 1.2.3. Vùng nhìn thấy vệ tinh
• 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TÀU BẰNG VỆ TINH
• 1.3.1. Phương pháp đo độ cao (góc ngẩng) vệ tinh
• 1.3.2. Phương pháp đo khoảng cách nghiêng của vệ tinh
• 1.3.3. Phương pháp đo vận tốc hướng tâm
• 1.3.4. Phương pháp hiệu khoảng cách
• 1.3.5. Phương pháp các khoảng cách đồng thời
• 2. CHƯƠNG II: HỆ THỐNG VỆ TINH HÀNG HẢI HẢI QUÂN (NAVY NAVIGATION SATELLITE SYSTEM - NNSS)
• 2.1. Xác định vị trí máy thu
• 2.2. SAI SỐ CỦA HỆ THỐNG
• 2.2.1. Nhược điểm
• 2.3. KHAI THÁC SỬ DỤNG HỆ THỐNG NNSS
• 2.3.1. Giới thiệu máy thu vệ tinh hàng hải
• 2.3.2. Các chú ý về khai thác sử dụng máy thu
• 3. CHƯƠNG III: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (Global Positioning System - GPS)
• 3.1. CẤU TRÚC HỆ THỐNG GPS
• 3.1.1. Khâu vệ tinh
• 3.1.2. Khâu điều khiển
• 3.1.3. Khâu sử dụng
• 3.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS
• 3.2.1. Xác định vị trí
• 3.2.1.1. Xác định vị trí vệ tinh
• 3.2.1.2. Phương trình khoảng cách
• 3.2.1.3. Xác định vị trí người quan sát
• 3.3. TIÊU CHUẨN THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG GPS
• 3.3.1. Tiêu chuẩn thời gian
• 3.3.2. Tín hiệu vệ tinh và mã hóa tín hiệu
• 3.3.2.1. Tần số của tín hiệu vệ tinh
• 3.3.3. Bản tin hàng hải
• 3.4. VI PHÂN GPS
• 3.4.1. Một số phương pháp vi phân GPS
• 3.4.1.1. Trạm chỉ dẫn phát số hiệu chỉnh đối với khoảng cách D0
• 3.4.1.2. Phát số hiệu chỉnh sai số vị trí
• 3.4.1.3. Vệ tinh giả (trạm mẫu chuẩn vi phân)
• 3.5. ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ CÁC NGUỒN SAI SỐ CỦA HỆ THỐNG GPS
• 3.5.1. Hai mức độ chính xác
• 3.5.2. Sự suy giảm độ chính xác về cấu hình của các vệ tinh và máy thu khi đo đạc (DOP)
• 3.5.2.1. “Sai số khoảng cách tương ứng của người sử dụng” (User Equivalent Range Error - UERE)
• 3.5.2.2. Sự suy giảm độ chính xác DOP
• 3.6. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA HỆ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
• 3.6.1. Những ưu điểm của hệ thống đối với hàng hải
• 3.6.2. Tóm tắt về những khả năng ứng dụng của hệ thống
• 3.6.3. Hàng không và trên đất liền
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hướng dẫn toàn diện giáo trình dẫn đường hàng hải vệ tinh

Giáo trình “Dẫn Đường Hàng Hải Bằng Vệ Tinh” của TS. Trần Cảnh Vinh là một tài liệu ngành hàng hải nền tảng, được biên soạn chuyên sâu cho sinh viên, học viên sau đại học và đội ngũ sĩ quan boong. Tài liệu này đóng vai trò cốt lõi trong việc trang bị kiến thức hiện đại về kỹ thuật hành hải, đặc biệt là trong bối cảnh công nghệ định vị không ngừng phát triển. Xác định chính xác vị trí tàu là nhiệm vụ sống còn, quyết định đến an toàn hàng hải và hiệu quả kinh tế của mỗi chuyến đi. Sự ra đời của các hệ thống dẫn đường vô tuyến, mà đỉnh cao là hệ thống định vị toàn cầu (GNSS), đã tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành điều khiển tàu biển. Giáo trình này tập trung vào việc hệ thống hóa các kiến thức từ cơ bản đến nâng cao, bắt đầu từ những quy luật vật lý về chuyển động của vệ tinh nhân tạo, các phương pháp xác định vị trí tàu, đến cấu trúc và nguyên lý vận hành chi tiết của hệ thống GPS. Nội dung được trình bày một cách logic, khoa học, giúp người đọc nắm vững bản chất của công nghệ, từ đó có thể khai thác và sử dụng hiệu quả các thiết bị nhận tín hiệu GPS trên tàu. Đây không chỉ là một cuốn sách chuyên ngành điều khiển tàu biển thông thường, mà còn là cẩm nang thiết yếu cho bất kỳ ai làm việc trong lĩnh vực hàng hải, đặc biệt là các học viên tại Đại học Hàng hải Việt Nam.

1.1. Vai trò của tài liệu trong đào tạo sĩ quan boong hiện đại

Trong chương trình đào tạo sĩ quan boong chuyên nghiệp, việc nắm vững các hệ thống định vị hiện đại là yêu cầu bắt buộc. Giáo trình này cung cấp một nền tảng kiến thức vững chắc, giúp thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết học thuật và ứng dụng thực tiễn trên buồng lái. Nội dung sách không chỉ dừng lại ở GPS hàng hải mà còn mở ra hiểu biết về các hệ thống vệ tinh khác, giúp sĩ quan tương lai có cái nhìn toàn diện về GNSS (Global Navigation Satellite System). Việc hiểu rõ nguyên lý giúp người vận hành không chỉ sử dụng thiết bị một cách máy móc mà còn có khả năng phân tích, đánh giá và xử lý các tình huống bất thường, đặc biệt là khi đối mặt với các sai số trong định vị vệ tinh. Đây là kỹ năng quan trọng giúp đảm bảo an toàn hàng hải ở mức cao nhất.

1.2. Cấu trúc và nội dung chính của giáo trình hàng hải phần 1

Giáo trình được cấu trúc thành các chương mục rõ ràng, dẫn dắt người đọc đi từ những khái niệm cơ bản nhất. Chương đầu tiên giới thiệu về các quy luật chuyển động của vệ tinh nhân tạo, bao gồm ba định luật Kepler nổi tiếng, các loại quỹ đạo và đặc tính của chúng. Các chương tiếp theo đi sâu vào phân tích các hệ thống định vị cụ thể. Chương hai trình bày về Hệ thống Vệ tinh Hàng hải Hải quân (NNSS - Transit), một hệ thống tiền thân của GPS. Chương ba tập trung hoàn toàn vào Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS), giải thích chi tiết về cấu trúc ba thành phần (không gian, điều khiển, người dùng), nguyên lý hoạt động GPS, các nguồn sai số và ứng dụng thực tiễn. Cách trình bày này giúp người học xây dựng kiến thức một cách hệ thống và bền vững.

II. Thách thức trong kỹ thuật hành hải và định vị truyền thống

Trước khi công nghệ vệ tinh ra đời, kỹ thuật hành hải phụ thuộc rất nhiều vào các phương pháp truyền thống với những hạn chế cố hữu. Dẫn đường thiên văn, mặc dù là một kỹ năng kinh điển của người đi biển, nhưng lại đòi hỏi điều kiện thời tiết thuận lợi, tầm nhìn rõ ràng và phụ thuộc lớn vào kỹ năng của người quan sát. Việc xác định vị trí bằng cách đo góc của các thiên thể như mặt trời, mặt trăng và các vì sao thường tốn thời gian và có độ chính xác không cao, đặc biệt khi tàu di chuyển với tốc độ lớn hoặc trong điều kiện biển động. Các hệ thống vô tuyến mặt đất như Decca, Loran, Omega tuy đã cải thiện độ chính xác nhưng lại bị giới hạn về vùng phủ sóng, dễ bị nhiễu và không hoạt động hiệu quả trên các đại dương lớn. Những thách thức này đặt ra yêu cầu cấp thiết về một hệ thống định vị toàn cầu, hoạt động 24/7 trong mọi điều kiện thời tiết và cung cấp vị trí tức thời với độ chính xác cao. Sự phát triển của hệ thống định vị toàn cầu chính là câu trả lời cho những vấn đề này, mang lại một bước đột phá cho ngành hàng hải và nâng cao tiêu chuẩn về an toàn hàng hải.

2.1. Hạn chế của phương pháp dẫn đường thiên văn cổ điển

Phương pháp dẫn đường thiên văn yêu cầu người sĩ quan boong phải có kỹ năng tính toán phức tạp và sử dụng thành thạo các dụng cụ như sextant. Độ chính xác của vị trí tàu phụ thuộc vào nhiều yếu tố không ổn định: sai số của dụng cụ, sai số do khúc xạ khí quyển và sai số cá nhân của người đo. Hơn nữa, phương pháp này chỉ có thể thực hiện được vào những thời điểm nhất định trong ngày (hoàng hôn, rạng đông) hoặc khi có thể quan sát đồng thời cả thiên thể và đường chân trời. Trong điều kiện mây mù, mưa bão, việc quan sát là bất khả thi, khiến cho việc xác định vị trí bị gián đoạn, gây nguy hiểm cho hành trình của tàu.

2.2. Yêu cầu cấp thiết về độ chính xác và an toàn hàng hải

Ngành hàng hải hiện đại với những con tàu ngày càng lớn, tốc độ cao hơn và các tuyến luồng ngày càng đông đúc đòi hỏi độ chính xác định vị cực kỳ cao. Việc tích hợp dữ liệu vị trí với hải đồ điện tử ECDIS (Electronic Chart Display and Information System) yêu cầu thông tin phải liên tục và chính xác đến từng mét. Bất kỳ sai lệch nhỏ nào cũng có thể dẫn đến nguy cơ mắc cạn, va chạm, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Do đó, một hệ thống định vị có khả năng cung cấp vị trí tin cậy, mọi lúc mọi nơi như GPS hàng hải đã trở thành một công cụ không thể thiếu, là nền tảng cho việc đảm bảo an toàn hàng hải trong kỷ nguyên số.

III. Phương pháp nền tảng về chuyển động của vệ tinh nhân tạo

Để hiểu sâu về kỹ thuật dẫn đường hàng hải bằng vệ tinh, việc nắm vững các quy luật cơ bản về chuyển động của vệ tinh nhân tạo là điều kiện tiên quyết. Giáo trình dành trọn chương đầu tiên để lý giải các nguyên tắc vật lý chi phối quỹ đạo của vệ tinh. Mọi chuyển động của vệ tinh quanh Trái Đất đều tuân theo định luật hấp dẫn vũ trụ của Newton. Dựa trên nền tảng đó, ba định luật của Kepler mô tả một cách chính xác hình dạng và đặc tính chuyển động của vệ tinh. Định luật thứ nhất khẳng định quỹ đạo của vệ tinh là một hình ellipse với tâm Trái Đất là một tiêu điểm. Điều này có nghĩa là khoảng cách từ vệ tinh đến Trái Đất luôn thay đổi, đạt giá trị gần nhất tại cận điểm (Perigee) và xa nhất tại viễn điểm (Apogee). Định luật thứ hai, hay định luật về diện tích, cho thấy vận tốc của vệ tinh không không đổi: vệ tinh di chuyển nhanh nhất khi ở gần Trái Đất và chậm nhất khi ở xa Trái Đất. Cuối cùng, định luật thứ ba thiết lập mối quan hệ toán học giữa chu kỳ quay của vệ tinh và bán trục lớn của quỹ đạo ellipse. Hiểu rõ các định luật này là chìa khóa để dự đoán chính xác vị trí của vệ tinh tại bất kỳ thời điểm nào, một yếu tố cốt lõi trong nguyên lý hoạt động GPS.

3.1. Phân tích chi tiết ba định luật Kepler trong quỹ đạo vệ tinh

Giáo trình diễn giải chi tiết ba định luật Kepler. Định luật thứ nhất: “Quỹ đạo của chuyển động là 1 hình ellipse nhận trọng tâm của trái đất làm một tiêu điểm của nó”. Điều này giải thích tại sao tín hiệu từ vệ tinh có thể mạnh yếu khác nhau tùy vào vị trí trên quỹ đạo. Định luật thứ hai: “Các vector bán kính đi qua vệ tinh quét những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau”. Hệ quả trực tiếp là tốc độ vệ tinh biến thiên, nhanh nhất ở cận điểm và chậm nhất ở viễn điểm. Định luật thứ ba: T²(M+m)/a³ = const. Công thức này cho phép tính toán chu kỳ quay khi biết các thông số quỹ đạo, là cơ sở để thiết kế các chòm vệ tinh của hệ thống định vị toàn cầu.

3.2. Phân loại quỹ đạo và đặc tính của vệ tinh địa tĩnh

Quỹ đạo vệ tinh được phân loại dựa trên độ cao và góc nghiêng so với mặt phẳng xích đạo. Có các loại chính như quỹ đạo thấp (LEO), quỹ đạo trung bình (MEO, được sử dụng cho GPS), và quỹ đạo địa tĩnh (GEO). Vệ tinh địa tĩnh có đặc điểm bay trên quỹ đạo xích đạo ở độ cao khoảng 35.870 km, với chu kỳ quay đúng bằng chu kỳ tự quay của Trái Đất (~24 giờ). Do đó, từ mặt đất, vệ tinh dường như đứng yên tại một điểm cố định trên bầu trời. Đặc tính này làm cho chúng rất hữu ích cho mục đích viễn thông và truyền hình. Tuy nhiên, giáo trình cũng phân tích nhược điểm của chúng trong định vị hàng hải: cần nhiều vệ tinh để phủ sóng toàn cầu và độ chính xác ở vùng xích đạo thấp do góc cắt của các đường vị trí quá nhọn.

IV. Cách xác định vị trí tàu biển bằng hệ thống vệ tinh

Giáo trình “Dẫn Đường Hàng Hải Bằng Vệ Tinh” trình bày một cách có hệ thống các phương pháp xác định vị trí tàu, là phần kiến thức cốt lõi của kỹ thuật hành hải hiện đại. Về cơ bản, có năm phương pháp chính về mặt hình học được đề cập, mỗi phương pháp dựa trên một nguyên lý đo lường khác nhau. Phương pháp đo độ cao vệ tinh tương tự như trong dẫn đường thiên văn, nhưng phức tạp hơn do phải tính đến thị sai lớn của vệ tinh. Phương pháp đo khoảng cách nghiêng trực tiếp tới vệ tinh tạo ra các mặt đẳng trị hình cầu. Tuy nhiên, hai phương pháp có tính ứng dụng cao và tạo nên cuộc cách mạng trong định vị là phương pháp đo vận tốc hướng tâm (hiệu ứng Doppler) và phương pháp đo các khoảng cách đồng thời. Phương pháp Doppler là nền tảng của hệ thống Transit (NNSS), dựa trên việc đo sự thay đổi tần số của tín hiệu do vệ tinh phát ra khi nó di chuyển tương đối so với tàu. Từ độ dịch chuyển tần số này, máy thu có thể tính toán ra hiệu khoảng cách đến vệ tinh ở các thời điểm khác nhau. Trong khi đó, phương pháp đo các khoảng cách đồng thời là trái tim của hệ thống định vị toàn cầu (GPS), nơi thiết bị nhận tín hiệu GPS tính toán vị trí dựa trên thời gian tín hiệu truyền từ nhiều vệ tinh đến máy thu.

4.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp đo hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler là hiện tượng thay đổi tần số sóng khi có chuyển động tương đối giữa nguồn phát và máy thu. Giáo trình giải thích rằng khi vệ tinh tiến lại gần tàu, tần số nhận được sẽ cao hơn tần số phát, và ngược lại. Bằng cách đo chính xác độ lệch tần số này (F_d), máy thu có thể xác định vận tốc hướng tâm (V_r). Công thức được nêu rõ: F_d = (V.cosα) / λ. Việc tích phân độ lệch tần số này theo thời gian cho phép tính toán sự thay đổi trong khoảng cách từ tàu đến vệ tinh, tạo ra các đường vị trí có dạng hyperbol. Giao của các đường vị trí này sẽ cho ra tọa độ của tàu. Đây là nguyên lý cơ bản của hệ thống Transit, tiền thân của GPS hàng hải.

4.2. Kỹ thuật đo khoảng cách đồng thời trong GPS hàng hải

Đây là phương pháp nền tảng của nguyên lý hoạt động GPS. Một thiết bị nhận tín hiệu GPS sẽ thu tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh khác nhau. Mỗi tín hiệu chứa thông tin về vị trí chính xác của vệ tinh và thời điểm phát tín hiệu. Máy thu so sánh thời điểm phát với thời điểm nhận để tính ra khoảng thời gian tín hiệu di chuyển (t). Khoảng cách đến vệ tinh (gọi là giả cự ly - pseudorange) được tính bằng công thức D = c * t (với c là tốc độ ánh sáng). Với khoảng cách đến ba vệ tinh, về mặt lý thuyết có thể xác định vị trí 3D. Tuy nhiên, do có sai số đồng hồ của máy thu, cần tín hiệu từ vệ tinh thứ tư để giải một hệ phương trình bốn ẩn (kinh độ, vĩ độ, độ cao và sai số thời gian), từ đó cho ra vị trí chính xác.

V. Phân tích hệ thống định vị toàn cầu GPS và các sai số

Giáo trình dành một phần quan trọng để phân tích chi tiết về Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS), hệ thống xương sống của kỹ thuật hành hải ngày nay. GPS được cấu thành từ ba khâu chính. Khâu không gian bao gồm một chòm khoảng 24 đến 32 vệ tinh bay trên quỹ đạo tầm trung (MEO), đảm bảo rằng tại bất kỳ điểm nào trên Trái Đất cũng có thể quan sát được ít nhất bốn vệ tinh. Khâu điều khiển bao gồm các trạm theo dõi mặt đất, có nhiệm vụ giám sát, tính toán và hiệu chỉnh quỹ đạo cũng như đồng bộ thời gian cho các vệ tinh. Khâu người dùng chính là các thiết bị nhận tín hiệu GPS trên tàu, máy bay, hoặc các thiết bị di động. Nguyên lý hoạt động GPS dựa trên việc máy thu tính toán vị trí thông qua việc đo thời gian tín hiệu truyền đi từ các vệ tinh. Tuy nhiên, độ chính xác của vị trí có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Việc hiểu rõ các nguồn gây sai số trong định vị vệ tinh là cực kỳ quan trọng đối với sĩ quan boong để đảm bảo an toàn hàng hải, từ đó có biện pháp đánh giá và giảm thiểu ảnh hưởng của chúng.

5.1. Cấu trúc ba khâu và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

Giáo trình mô tả chi tiết ba khâu của hệ thống. Khâu không gian (Space Segment) là các vệ tinh phát tín hiệu. Khâu điều khiển (Control Segment) gồm các trạm mặt đất liên tục theo dõi và tải lên dữ liệu quỹ đạo (ephemeris) và hiệu chỉnh đồng hồ cho vệ tinh. Khâu người dùng (User Segment) là hàng triệu máy thu trên toàn cầu. Máy thu nhận tín hiệu, giải mã bản tin hàng hải chứa thông tin quỹ đạo, và tính toán vị trí dựa trên phương pháp các khoảng cách đồng thời. Quá trình này diễn ra liên tục, cung cấp vị trí, vận tốc và thời gian chính xác cho người sử dụng.

5.2. Các nguồn gây sai số trong định vị vệ tinh và cách khắc phục

Độ chính xác của GPS hàng hải không phải là tuyệt đối và bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn sai số. Giáo trình liệt kê các nguồn chính: sai số đồng hồ vệ tinh và máy thu, sai số quỹ đạo vệ tinh, trễ tín hiệu do tầng điện ly và tầng đối lưu. Một yếu tố quan trọng khác là sự suy giảm độ chính xác do cấu hình hình học của các vệ tinh (DOP - Dilution of Precision). Nếu các vệ tinh quan sát được nằm gần nhau trên bầu trời, DOP sẽ cao và độ chính xác vị trí sẽ giảm. Để khắc phục, các hệ thống tăng cường như DGPS (Differential GPS) được sử dụng, trong đó một trạm tham chiếu mặt đất sẽ tính toán sai số và phát tín hiệu hiệu chỉnh đến các máy thu trong khu vực, cải thiện đáng kể độ chính xác.

VI. Tương lai ngành hàng hải với giáo trình dẫn đường vệ tinh

Giáo trình “Dẫn Đường Hàng Hải Bằng Vệ Tinh” không chỉ là một tài liệu lịch sử mà còn đặt nền móng vững chắc cho tương lai của ngành hàng hải. Mặc dù tập trung chủ yếu vào hệ thống GPS, các nguyên lý được trình bày trong sách có thể áp dụng rộng rãi cho toàn bộ GNSS (Global Navigation Satellite System). Thế giới đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống định vị khác như hệ thống GLONASS của Nga, hệ thống Galileo của châu Âu và BeiDou của Trung Quốc. Các thiết bị nhận tín hiệu GPS hiện đại ngày nay thường là máy thu đa hệ thống, có khả năng nhận tín hiệu từ nhiều chòm vệ tinh cùng lúc. Điều này giúp tăng số lượng vệ tinh quan sát được, cải thiện đáng kể độ chính xác, độ tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống, đặc biệt ở các khu vực có địa hình che khuất như hẻm núi hoặc giữa các tòa nhà cao tầng trong cảng. Việc nghiên cứu kỹ lưỡng các sách chuyên ngành điều khiển tàu biển như cuốn giáo trình này sẽ giúp các sĩ quan boong và kỹ sư hàng hải không bị tụt hậu, sẵn sàng tiếp cận và làm chủ các công nghệ mới, góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn hàng hải trong tương lai.

6.1. Vai trò của GNSS GLONASS và Galileo trong tương lai hàng hải

Tương lai của định vị không chỉ thuộc về GPS. Sự kết hợp của nhiều hệ thống GNSS tạo ra một mạng lưới định vị toàn cầu mạnh mẽ hơn. Hệ thống GLONASS và hệ thống Galileo cung cấp các giải pháp thay thế và bổ sung, giảm sự phụ thuộc vào một hệ thống duy nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh địa chính trị, đảm bảo rằng ngành hàng hải toàn cầu luôn có được dịch vụ định vị liên tục và đáng tin cậy. Việc các máy thu hiện đại có thể tận dụng nhiều hệ thống cùng lúc sẽ cải thiện chỉ số DOP và tăng cường khả năng chống nhiễu, một yếu tố sống còn đối với an toàn hàng hải.

6.2. Lợi ích khi nghiên cứu sách chuyên ngành điều khiển tàu biển

Việc đầu tư thời gian để nghiên cứu sâu các tài liệu ngành hàng hải kinh điển mang lại lợi ích lâu dài. Nó không chỉ cung cấp kiến thức để vượt qua các kỳ thi chứng chỉ mà còn xây dựng một tư duy phân tích và giải quyết vấn đề. Khi một thiết bị nhận tín hiệu GPS báo lỗi hoặc cho kết quả không đáng tin cậy, một sĩ quan boong được đào tạo bài bản từ những cuốn sách như thế này sẽ có khả năng nhận biết, phân tích nguyên nhân từ các sai số trong định vị vệ tinh và chuyển sang các phương pháp dự phòng như dẫn đường thiên văn hoặc radar. Đây chính là sự khác biệt giữa một người vận hành và một chuyên gia thực thụ trong lĩnh vực điều khiển tàu biển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VỆ TINH NHÂN TAO TRAI DAT + 1. NHUNG QUY LUAT CO BAN VE CHUYEN DONG CUA VE TINH NHAN TAO 1. Qũi đạo chuyển động: Tất cả các vật đều chịu tác động của các lực hấp dẫn tương hỗ. Chuyển động của các vệ tỉnh (trong đó có mặt trăng) quanh trái đất, của các hành tinh trong đó có trái đất quay quanh mặt trời.

xảy ra đưới tác dụng của các lực tuân theo định luật cơ bản của sự hấp dẫn vũ trụ. Newton đã phát biểu định luật này vào năm 1687: “Giữa hai vật có khối lượng mị và mạ cách nhau một khoảng r, có các lực hút tương hỗ bằng nhau tác dụng, độ lớn của lực tỉ lệ với tích khối lượng mì và m2, đông thời tỉ lệ nghịch bình phương khoảng cách giữa chúng". F=G" @) Trong đó G: là hằng số hấp dẫn (G = 6,67.10”em g”s”) r : khoảng cách giữa hai vật. Hình 1: Các lực tác động của vệ tỉnh trên qãi dao Chuyển động của các vệ tinh đối với trái đất xảy ra theo một qũi đạo xác định.

Dạng của qũi đạo này phụ thuộc vào vận tốc phóng vệ tỉnh và hướng phóng vệ tính ban đầu. Như vậy, vệ tỉnh hàng hải là những vật thể nhân tạo chỉ quay quanh trái đất do lực hấp dẫn tương hỗ giữa nó và trái đất mà không có một thành phần nào khác tác động vào. Muốn cho vệ tinh chuyển động theo qũi đạo tròn thì trọng lực phải cân bằng với lực ly tâm. Điều kiện này dẫn đến đẳng thức : mg = mrạ ®? @2) Trong đó - mm: khối lượng của vệ tinh.

ø: gia tốc trọng trường tại điểm cách trái đất một khoảng cách rọ, rọ = R+H: khoảng cách từ tâm trái đất đến vệ tỉnh. R là bán kính trái đất. H là khoảng cách từ điểm đang xét ở bể mặt trái đất đến vệ tinh. @y: Van tốc góc của vệ tỉnh đối với tâm trái đất.

Gia tốc trọng trường tại điểm cách trái đất một khoảng rọ và biến đổi theo qui luật bình phương : fz &= Zo te} (3) Trong đó: gạ là gia tốc trọng trường trên bể mặt trái đất (tại độ cao H =0) Như vậy, biểu thức (2) có thể biến đổi như sau : 8= 8o (ef =o; (4) Nếu qũi đạo là đường tròn thì vận tốc của vệ tỉnh được biểu diễn qua vận tốc thẳng : o,=% (5) Thay (5) vào (4) ta sẽ xác định được vận tốc thẳng của vệ tinh khi chuyển động theo qũi đạo tròn : Vv =. Khi được phóng với van tốc vũ trụ cấp 1 và hướng theo phương song song với mặt đất, vệ tỉnh sẽ bay theo qũi: đạo tròn. Thời gian vệ tỉnh bay hết một vòng quanh trái đất theo qũi đạo tròn có bán kính rp sẽ bằng : 27? Tị 1 = 7, + (7)7 Bảng dưới cho biết các giá trị vận tốc vũ trụ cấp 1 và chu kỳ bay của vệ tỉnh đối với gũi đạo tròn ở các độ cao khác nhau: H (Km) 0 250 | 1.440 Vị (km⁄s) | 7,91 | 7,76 | 7,35 3,07 Bảng 1: Bằng các tương quan giữa độ cao và chủ kỳ quay của vị tình ở tốc độ vũ trụ cấp 1. Nếu vệ tỉnh có độ cao tăng lên thì tốc độ chuyển động của vệ tỉnh sẽ giảm xuống và chu kỳ bay tăng lên.

Nếu ta phóng vệ tỉnh với vận tốc ngang V¿ = 4214 thì vệ tỉnh sẽ được giải phóng khỏi tác dụng của lực hút trái đất đi ra không gian bên ngoài theo đường Parabola. Thật vậy, để vệ tỉnh thoát khỏi tác dụng của trái đất thì nó phải thắng công của lực hấp dẫn trái đất. Nghĩa là động năng ban đầu của vệ tính ít nhất phải bằng công của lực hấp dẫn trái đất sinh ra từ lúc vệ tỉnh được phóng đi (,=R+H) đến khi vệ tinh ra xa vô cùng (rạ=œ): : 1⁄mV¿ = Ƒ F/dr (F là lực hấp dẫn) R+H c mV,” = 2GmM/(R+H) > V2 = 2GM/(R+H) > ~° Vi? = 2g./2ÚỨ, Tại bể mặt trái đất vận tốc Vụ= Vạ = 11,2 km/s, van tốc này gọi là vận tốc vũ trụ cấp hai hoặc vận tốc giải phóng. Qñi đạo chuyển động hình elipse 1.

Ba định luật của KEPLER: a. Định luật thứ nhất của Kepler: Chuyển động lý tưởng của một vệ tỉnh tạo bởi chỉ một trường trọng lực trọng tâm đuy nhất được gọi là chuyển động Kepler. Cần chú ý rằng các định luật Kepler có giá trị với bất kỳ trường trọng tâm nào, kể cả trường trọng lực hoặc những trường khác. Định luật Kepler phát biểu như sau : “Các chuyển động tương đối so với hệ xích kinh (hệ RA — right ascension) diễn ra trong một mặt phẳng cố định chứa trọng tâm của trái đất.

Qũi đạo của chuyển động là 1 hình ellipse nhận trọng tâm của trái đất làm một tiêu điểm của nó ”. Cận điểm" A a Hình 2a 10 + Điểm gần tâm trái đất nhất trên qữi đạo gọi là cận điểm (Perigee). + Điểm xa tâm trái đất nhất trên gũi đạo gọi là viễn điểm (Apogee). + Hình dạng và kích thước của qũi đạo ellipse là một hằng số.

Định luật thứ hai của Kepler: “Các vector bán kính đi qua vệ tỉnh quét những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau. ” Hình 2b: Diện tích hai hình quạt phải bằng nhau Sở di có hiện tượng này là vì tổng năng lượng của vệ tỉnh cần phải được bảo toàn. Mỗi vệ tinh đều có thế năng và động năng: - Thế năng chỉ chịu ảnh hưởng của trường trọng lực, nó có giá trị nhỏ nhất khi vệ tinh gần vật thể hấp dẫn nhất là trái đất (tức tại cận điểm) và nó có giá trị lớn nhất tại viễn điểm. - _ Động năng là hàm của tốc độ vệ tinh.

Vì vậy, để tổng thế năng và động năng không đổi thì động năng (và do đó tốc độ của vệ tinh) phải thay đổi, tức là tốc độ vệ tỉnh phải lớn nhất tại cận điểm và nhỏ nhất tại viễn điểm. Định luật thứ ba của Kepler: “Tỷ số giữa tích của bình phương chu kỳ chuyển động của vệ tỉnh quanh trái đất với tổng khối lượng của vệ tỉnh và trái đất và lập phương bán trục lớn của ellipse qũi đạo là một đại lượng không đổi (bằng 4 #/G) và đổi với mọi cấp vật đều có giá trị như nhau.” 11 Định luật thứ ba của Kepler được diễn đạt bằng công thức : T? (M +m) = +` = const (8) a G Trong đó T: chu kỳ của vệ tỉnh trên qũi đạo a : bán trục lớn của ellipse M: khối lượng trái đất mì : khối lượng vệ tỉnh G : hằng số hấp dẫn vũ trụ G = 6,67. 10 cm” g”s” khối Do khối lượng của vệ tỉnh nhỏ hơn rất nhiều so với lượng trái đất nên công thức (8) có thể viết thành : PM. (m<<M) (8) a với bán Hệ quả trực tiếp của định luật nầy là các vệ tỉnh GPS giờ.

kính qũi đạo gần 4 lần bán kính trái đất sẽ có chu kỳ khoảng 12 T (phút) 4 Geosynchronus 10 Transit Bán kính qũi đạo vệ tỉnh 1R 2R 3R 4R 5R 6R (R=637ikm) Hinh 3 1. Qũi đạo ellipse của vệ tinh: dẫn Các qũi đạo chuyển động của các vật ở trong trường hấp tốc độ vũ của trái đất ứng với các vận tốc nằm ngang trong giới hạn 12 trụ cấp | (7,91 Km/s) và tốc độ vũ trụ cấp 2 (11,2 Km⁄s) là các ellipe. 'Điều này phù hợp với định luật Kepler thứ nhất. PS Hình 4: mô tả qũi đạo chuyển động của vé tinh.

Trên qũi đạo: - _ Điểm gần tâm trái đất nhất gọi là cận điểm (P). -_ Điểm xa tâm trái đất nhất gọi là viển điểm (A). - Dudng AP gọi là trục qũi đạo - —O,O' gọi là hai tiêu điểm của ellipse. Q : Xích kinh của điểm mọc trên qỗi dao.

- @ : Khoảng cách góc tính từ cận điểm đến vị trí vệ tỉnh. Chu kỳ của vệ tinh trên qõi đạo ellipse được tính tuân theo định luật Kepler thứ ba : 3 Từ công công thức thức (8') (8') => => T=¿j-Š Fe (9)9 Thay cdc gid tri G=6,67. 10” g (khối lượng trái đất) 13 Ta tính được : = 1,66.a?? q0) bằng mối liên Bán trục lớn a của qũi đạo ellipse được xác định theo qũi đạo ellipse hệ giữa độ cao qũi đạo với tỷ lệ tốc độ vệ tỉnh và tốc độ tròn: a= —— qU at V, H A a=R+ ae (12) Hay: Với : Hạ là độ cao viễn điểm H„ là độ cao cận điểm. r là bán kính điểm đầu qũi đạo.

xác định đối với Vị trí của vệ tỉnh trên qũi đạo được coi là toán được 6 thành phần người quan sát ở trái đất chỉ khi đã tính Keppler: với mặt phang ( Góc nghiêng i của mặt phẳng quï đạo so xich dao. của gũi ¿) Khoảng cách góc œ từ cận điểm đến điểm mọc đạo. (4) Tâm sai của qỗi đạo : a-b H,-H, 13 ° = a? = 2a (13) Véi a, b 1a ban truc cia ellipse. (5) Hé s6 qii dao: b 2 x= 7 a (14) 14 (6) Thi gian chuyển dịch của vệ tỉnh từ cận điểm đến'điểm mọc của vệ tỉnh trên qũi đạo.

Năm thành phần đầu đặc trưng vị trí của gũi đạo vệ tinh va hướng chuyển động của nó. Thành phần thứ 6 dùng để xác định vị trí vệ tinh trên qũi đạo của nó. Do đó muốn xác định vị trí tàu bằng vệ tỉnh thì trước hết ta phải biết được các toạ độ của vệ tính tại thời điểm quan sát. Việc tính toán được tiến hành trên cơ sở 6 thành phần Keppler đã nêu ở trên.

Khi nghiên cứu vệ tỉnh và hệ thống và hệ thống hàng hải vệ tỉnh, một vấn để ta cần quan tâm là thời gian tổn tại của vệ tỉnh trên gũi đạo. Tuổi thọ của vệ tỉnh phụ thuộc vào lực cẩn khí quyển, khối lượng của vệ tỉnh và kích thước của vệ tỉnh (đường kính thiết diện cắt ngang của vệ tỉnh: d ). Bảng dưới cung cấp cho ta các số liệu liên quan đến tuổi thọ của vệ tin: Độ cao trang | Chu kỳ G=100kg G=500kg bình của qũi đạo T Giờ) H(Km) 5 d=0,5m | d=lm | d=0,5m | d=1m 500 1,58 145năm | 4năm 72năm | 18năm 1000 1,75 > 100 năm | 62 năm Vài trăm năm Bang 2: Bang các thông số liên quan đến tuổi thọ của vệ tỉnh. PHÂN LOẠI QŨI ĐẠO VỆ TINH VÀ ĐẶC TÍNH CỦA CHÚNG : Trong lĩnh vực hàng hải phương pháp ứng dụng vệ tình phụ thuộc rất lớn vào qũi đạo vệ tinh.

Chính vì thế ta cần phân loại vệ tỉnh, xác định vùng nhìn thấy vệ tinh và khoảng thời gian quan sát vệ tinh trên các qũi đạo khác nhau.