Chương 3: MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU KHÁC 3. Hệ thống Glonass Glonass là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Liên bang Nga, dùng cho cả mục đích dân sự lẫn quân sự, tương tự như GPS (NAVSTAR) của Hoa Kỳ hay Galileo của Liên minh châu Âu. Từ năm 1976, Bộ quốc phòng Liên Xô đã nghiên cứu thiết kế xây dựng hệ thống định vị toàn cầu GLONASS (GLobal Navigation Satellite System). Ngày 12 tháng 10 năm 1982 vệ tinh đầu tiên của GLONASS được phóng lên quỹ đạo.
Hiện nay hệ thống GLONASS tiếp tục được duy trì và phát triển dưới sự quản lý, bảo trì của Bộ quốc phòng Nga. Tương tự như hệ thống GPS, GLONASS là một hệ thống định vị toàn cầu quân sự. Hệ thống GLONASS cũng được cấu thành bởi 3 đoạn là đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng. GLONASS sử dụng hệ thống toạ độ PZ-90 và hệ thống giờ UTC(SU).
Cấu trúc của hệ thống GLONASS 3. Đoạn không gian Đoạn không gian của hệ thống GLONASS bao gồm 24 vệ tinh hoạt động trên 3 quỹ đạo gần tròn. Trên mỗi quỹ đạo có 8 vệ tinh. Góc nghiêng (i) của các mặt phẳng quỹ đạo với mặt phẳng xích đạo là 640,8.
Các mặt phẳng quỹ đạo được phân bố đều cách nhau 1200 trên Xích đạo. Độ cao của các vệ tinh là 19100 km, do đó chu kỳ của vệ tinh là 11h15 phút. Trọng lượng vệ tinh xấp xỉ 1400kg, 2 cánh vệ tinh là pin mặt trời, có diện tích trên 23m2. Thời kỳ đầu, tuổi thọ của các vệ tinh được thiết kế khoảng 3 năm.
Hiện nay tuổi thọ của các vệ tinh GLONASS thế hệ mới đã kéo dài khoảng 7-10 năm. Trên hình 2-5 là vệ tinh GLONASS-K. Dựa trên tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, các vệ tinh GLONASS phát tín hiệu L1 và L2 có tần số khác nhau được xác định theo công thức: f Lk1 = 1602 MHz + k .0 ,5625MHz f Lk2 = 1246 MHz + k .0 ,4375MHz trong đó k là số hiệu vệ tinh (k=1,2. Quỹ đạo chuyển động của VT Glonass Hình 3.
Vệ tinh GLONASS-K Tín hiệu GLONASS cũng được điều biến theo code tựa ngẫu nhiên để làm cơ sở cho đo khoảng cách giả. Hệ thống GLONASS cũng sử dụng C/A code có tần số 0,511 MHz, và sử dụng P-code có tần số 5,11 MHz làm code cơ sở trong đo khoảng cách giả, do đó được gọi là code khoảng cách. Hệ thống GLONASS sử dụng kỹ thuật phân chia đa tần số để thiết bị thu tiếp nhận tín hiệu, ký hiệu là FDMA (Frequency Division Multiple Access), trong khi đó hệ thống GPS sử dụng kỹ thuật phân chia đa code để thiết bị thu tiếp nhận tín hiệu - CDMA (Code Division Multiple Access). Các sóng tải được điều biến bởi các code và nhờ đó thông tin được chuyển tới máy thu.
Từ năm 2009, các vệ tinh GLONASS-K có khả năng phát thêm tín hiệu L3. Theo chương trình hiện đại hoá hệ thống GLONASS, các vệ tinh thế hệ mới có thể sử dụng cả kỹ thuật phân chia đa code CDMA tương tự như hệ thống GPS. Tính đến tháng 9/2007, có 11 vệ tinh GLONASS hoạt động trên quỹ đạo, trong đó có 7 vệ tinh GLONASS-M và 4 vệ tinh GLONASS (cũ). Theo kế hoạch, đến năm 2010 sẽ đủ 24 vệ tinh của hệ thống GLONASS, trong đó có các vệ tinh GLONASS-K.
Đoạn điều khiển Đoạn điều khiển của hệ thống GLONASS gồm 5 trạm quan sát (TT&C- Telemetry, Tracking and Control stations) đặt trên lãnh thổ Nga, được liên kết chung với trạm điều khiển trung tâm (SCC- System Control Center). Từ năm 1999, Nga đã phối hợp với một số nước khác để tăng cường thêm trạm quan sát vệ tinh GLONASS đặt ở ngoài nước Nga. Đoạn điều khiển của hệ thống GLONASS Vai trò của đoạn điều khiển mặt đất có các nhiệm vụ sau: - Giám sát hoạt động của các vệ tinh trên quỹ đạo - Hiệu chỉnh liên tục các tham số quỹ đạo vệ tinh - Tạo ra và chuyển lên vệ tinh các chương trình được gán nhãn thời gian (time- tagged), các lệnh điều khiển và các thông tin chuyên dụng. Đoạn sử dụng Đoạn sử dụng gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh GLONASS.
Nhóm máy phục vụ công tác đạo hàng sử dụng L1, C/A code và pha sóng tải. Nhóm máy phục vụ công tác trắc địa sử dụng L1: C/A code, P-code, pha sóng tải và L2: P code và pha sóng tải. Một số hãng chế tạo thiết bị định vị đã chế tạo máy thu GPS kết hợp GLONASS như Ashtech Z-18 (Mỹ), GB-1000 của hãng Topcon (Nhật Bản), máy thu OEMV-1G, OEMV-2, OEMV-3 là loại máy thu tích hợp công nghệ GPS và GLONASS. Máy thu GLONASS/GPS 91 3.
Đặc điểm của hệ thống GLONASS Định vị bằng vệ tinh GLONASS được thực hiện trong hệ PZ-90 và trong hệ thống thời gian UTC(SU), và sử dụng giờ Mạc tư khoa (MT=UTC+3 h từ 0h ngày 1 tháng 1 năm 1983). Hệ thống toạ độ PZ-90 có các tham số sau: - Ellipsoid có kích thước: a=6378136m và độ dẹt cực: f=1/298,257 - Hằng số trọng trường tổng hợp: GM =398600,44.109m3/s2 - Tốc độ quay của Trái đất: =7292115.10-6rad/s - Hệ số hàm điều hòa bậc 2, j2=-1082,63.10-6 Hệ quy chiếu PZ-90-02 được xác định chính xác. Sai lệch gốc toạ độ giữa PZ- 90-02 với ITRF-2000 khoảng vài chục cm. Hệ thống Galileo Từ những năm 80 của thế kỷ trước, Cơ quan hàng không vũ trụ Pháp (CNES) đã đưa ra ý tưởng xây dựng hệ thống định vị riêng của Châu Âu, đồng thời cũng là hệ thống định vị toàn cầu, nhưng cơ quan này không đủ khả năng để thực hiện công việc trên, không chỉ vì thiếu nguồn tài chính mà còn vấn đề về công nghệ.
Yêu cầu này đã được đáp ứng khi có sự hợp tác của những quốc gia khác trong Cộng đồng Châu Âu (EU). Trong thời gian đầu, hệ thống này được thiết lập dựa trên hệ thống định vị toàn cầu GPS của Mỹ và hệ thống GLONASS của Nga. Tuy vậy, để đảm bảo tính độc lập của các quốc gia trên lãnh thổ EU là thiết lập một hệ thống vệ tinh dẫn đường mang đặc thù Châu Âu có tên là Galiieo. Cấu trúc của hệ thống GALILEO Cấu trúc và chức năng của GALILEO tương tự như các hệ thống GPS và GLONASS là dựa trên các vệ tinh chuyển động trên các quỹ đạo quanh Trái đất.
Trái tim của hệ thống là đồng hồ nguyên tử có độ chính xác rất cao nằm trong các vệ tinh. Hệ thống GALILEO cũng gồm 3 thành phần cấu thành đó là: 3. Đoạn không gian Gồm 30 vệ tinh phân bố trên 3 mặt phẳng quỹ đạo, sẽ có 27 vệ tinh hoạt động còn 3 vệ tinh sẽ được dự trữ cho trường hợp vệ tinh nào đó bị hỏng. Như vậy 92 trên mỗi quỹ đạo sẽ có 1 vệ tinh dự trữ và 9 vệ tinh hoạt động phân bố cách đều nhau trên quỹ đạo (cách 400).
Các mặt phẳng cũng được phân bố cách đều nhau 1200. Các mặt phẳng quỹ đạo có góc nghiêng là 560. Với góc nghiêng như vây, hệ thống sẽ phục vụ tốt cho vùng có độ vĩ cao (đến 750). Tất cả các quỹ đạo vệ tinh có dạng hình tròn.
Vệ tinh chuyển động ở độ cao 23616 km so với bề mặt trái đất và chu kỳ chuyển động 1 vòng quỹ đạo hết 14h21 phút. Các vệ tinh thử nghiệm GIOVE-A và GIOVE-B của hệ thống GALILEO được đưa lên vào các năm 2005 và 2008. Tính đến tháng 1 năm 2011, hệ thống GALILEO đã có 14 vệ tinh và theo kế hoạch đến tháng 2 năm 2012 có thêm 8 vệ tinh để có tổng số là 22 vệ tinh. Các vệ tinh GALILEO có trọng lượng 650 kg và có hệ thống pin mặt trời tạo năng lượng 1.
Mỗi vệ tinh có 2 đồng hồ nguyên tử Rubin và 2 đồng hồ nguyên tử Hydro để tạo ra thời gian và tần số chuẩn tín hiệu cùng với gương phản chiếu laser. Vệ tinh Galileo Hình 3. Quỹ đạo chuyển động của hệ thống Galileo 3. Đoạn mặt đất Đoạn mặt đất bao gồm một số trạm mặt đất nằm trên lãnh thổ Châu Âu và cả các trạm ngoài Châu Âu, có chức năng truyền thông tin và kiểm tra.
Đây là thành phần cần thiết để gửi và nhận thông tin từ các vệ tinh GALILEO phục vụ kiểm tra và điều khiển, bằng cách này có thể tạo ra các thông tin dịch vụ như số liệu tích hợp, dịch vụ cứu hộ cũng như các thông tin thương mại khác. Các trạm kiểm tra vệ tinh bổ sung sẽ đóng vai trò như các trạm giám sát và kiểm tra đối với mỗi vệ tinh. Đoạn mặt đất có các nhiệm vụ sau: 93 - Điều khiển và kiểm tra các tham số đạo hàng cơ bản, xác định chính xác quỹ đạo vệ tinh và sự đồng bộ của các đồng hồ. - Xác định và truyền phát thông qua các vệ tinh các số liệu liên quan đến cảnh báo sự cố của hệ thống.
- Phát đi các thông tin đến những đơn vị thành viên và các trung tâm dịch vụ làm nhiệm vụ thương mại, nhiệm vụ cứu hộ, tìm kiếm. Đoạn sử dụng GALILEO bao gồm nhiều nhóm sử dụng với nhiều chủng loại máy thu, mà mỗi loại máy thu đòi hỏi các thông tin khác nhau. Để đáp ứng các yêu cầu đó, GALILEO sẽ thỏa mãn các mức dịch vụ khác nhau ở 2 mức tiêu chuẩn: - Mức cơ bản miễn phí: Phục vụ các công việc phổ biến tương tự như GPS trong dịch vụ SPS. - Mức đòi hỏi cơ chế: đối với các ứng dụng thương mại và chuyên nghiệp, phục vụ với độ chính xác cao và cần có thêm dịch vụ cung cấp thông tin bổ sung.
Hệ thống GALILEO không chỉ cung cấp các dịch vụ về định vị mà còn xác định thời gian chính xác. Đặc điểm tín hiệu và phương pháp định vị Khi thiết kế xây dựng hệ GALILEO, người ta quan tâm đến vấn đề phối hợp hoạt động giữa hai hệ thống GPS-GALILEO, liên quan đến các dịch vụ sử dụng tần số sóng tải. Vấn đề quan trọng trong thiết kế tần số sử dụng của GALILEO là phải chú ý tới tính an toàn, và khả năng định vị ở các thành phố lớn. Các tần số mà hệ GALILEO sử dụng được chia ra như sau: Bảng 3.
Tần số sử dụng của GALILEO TT Kí hiệu giải tần Tần số (MHz) 1 E5a(L5) 1176.42 Các tần số này phục vụ cho các dịch vụ sau: 94 - Dịch vụ mở (open service): miễn phí với mọi đối tượng. Người dùng có thể sử dụng 2 tần số L1 và E5A. Độ chính xác đối với máy thu 2 tần số là 4 m cho phương ngang và 8 m cho chiều thẳng đứng. Đối với máy thu 1 tần số (L1), độ chính xác là 15 m và 35 m, tương đương với GPS hiện thời.