Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1. Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) 1. Sự hình thành của hệ thống GPS Từ những năm 60 của thế kỷ XX, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT.
Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler. Hệ thống TRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa. Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất của hệ TRANSIT [1].
Tiếp sau thành công bước đầu của hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging – Global Positioning System) gọi tắt là GPS. Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh Trái đất theo những quỹ đạo xác định. Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao một cách đáng kể so với TRANSIT và nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục. Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS khối I.
Từ năm 1978 dến 1985 có 11 vệ tinh khối I đã được phóng lên quỹ đạo. Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc khối I đã hết hạn sử dụng. Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II (khối II) bắt đầu vào năm 1989. Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh đã được triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ 12 giờ 58 phút, ở độ cao xấp xỉ 12,600 dặm (20,200 km).
Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (khối IIR, IIR-M và II-F) được thiết kế thay cho những vệ tinh khối II, cho đến nay đã có 32 vệ tinh của hệ thống GPS hoạt động trên quỹ đạo [22]. n 5 Gần như đồng thời với hệ thống GPS của Mỹ, Nga cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS (nhưng không thương mại hóa rộng rãi). Hiện nay Liên minh Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên GALILEO, hiện đã có một số vệ tinh đã được đưa lên quỹ đạo và hệ thống dự kiến được đưa vào sử dụng năm 2014. Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên BEIDOU (Bắc Đẩu) bao gồm 35 vệ tinh.
Ngoài ra còn một số hệ thống định vị vệ tinh khác được sử dụng ở một số nơi trên thế giới. Những ứng dụng sớm nhất của công nghệ GPS trong trắc địa là đo đạc các mạng lưới trắc địa mặt bằng, năm 1983 người ta đã xây dựng mạng lưới trắc địa ở Elfel (CHLB Đức), tiếp theo đó nhiều mạng lưới khác cũng được xây dựng ở Montgomery County, Pennsylvania (Mỹ),. Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1991-1992, chúng ta cũng đã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng một số mạng lưới tọa độ nhà nước hạng II ở những vùng khó khăn chưa có lưới khống chế (Minh Hải, Tây Nguyên,. Sử dụng GPS để xây dựng lưới trắc địa biển, kết nối đất liền với các hải đảo trong một hệ thống tọa độ chung.
Trong những năm 1995-1997, chúng ta đã xây dựng mạng lưới GPS cấp “0”. Trên cơ sở đó thành lập hệ quy chiếu Quốc gia mới (VN-2000) cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30000 điểm). Hiện nay, hệ thống GPS vẫn đang phát triển và ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số liệu), được ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng đơn giản, hiệu quả [22] 1. Cấu trúc của hệ thống GPS GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần (còn gọi là đoạn – segment): - Đoạn không gian (Space Segment).
- Đoạn điều khiển (Control Segment). - Đoạn sử dụng (User Segment). Cấu trúc của hệ thống GPS 1. Đoạn không gian Đoạn không gian gồm tối thiểu 24 vệ tinh bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất.
Quỹ đạo của vệ tinh gần như hình tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20200 km so với mặt đất, bán kính quỹ đạo 26,600 km. Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo với chu kỳ là 718 phút, mỗi một quỹ đạo có ít nhất 4 vệ tinh. Do đó, ở bất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên trái đất trong điều kiện địa hình thông thoáng cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS - điều kiện tối thiểu để có thể định vị được trong không gian 3 chiều [1] Hình 1. Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS n 7 Hình 1.
Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất Một thành phần quan trọng của đoạn không gian là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu. Việc phát và thu tín hiệu vệ tinh là cơ sở để đo đạc với hệ thống GPS. Tín hiệu phát ra từ vệ tinh bao gồm 3 thành phần cơ bản sau: - 2 sóng tải (hay sóng mang - carrier wave) trong dải tần số L (L band) là L1 và L2. - Mã giả ngẫu nhiên sử dụng để đo khoảng cách, bao gồm C/A-code và P-code (hay Y-code).
- Thông báo định vị (navigation message). Mỗi vệ tinh GPS có 1 đồng hồ nguyên tử rất chính xác. Các đồng hồ này xung nhịp với tần số f 0 10.23MHz là tần số cơ bản để tạo ra tín hiệu phát đi từ vệ tinh. Các sóng tải có nhiệm vụ chuyển tải mã đo khoảng cách và các thông báo định vị.
Vệ tinh GPS phát ra sóng tải ở 2 tần số ký hiệu là L1 và L2, các tần số này được tính từ tần số cơ bản như sau: f L1 154 f 0 1575.60Mhz Từ các tần số trên, có thể tính được bước sóng của L1 và L2 như sau: n 8 c c L1 19cm L 2 24cm f L1 f L2 Các mã giả ngẫu nhiên được sử dụng để đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu. Các mã này được gọi là giả ngẫu nhiên vì chúng có tính chất gần giống như một mã ngẫu nhiên, nhưng trong thực tế được phát sinh ra theo một thuật toán phức tạp mà ta có thể biểu diễn một cách đơn giản dưới dạng hàm số G = G(PRN) với PRN là số nguyên có giá trị từ 1 đến 36. Với mỗi một giá trị của PRN sẽ có một mã giả ngẫu nhiên. Mỗi vệ tinh GPS được gán một giá trị PRN riêng và do đó nó có mã giả ngẫu nhiên riêng [1].
Có 2 loại mã giả ngẫu nhiên là: - C/A-code (viết tắt của từ "clear/access code" hay "coarse/acquisition code"), được phát đi ở tần số 1,023MHz và có chu kỳ lặp lại là 1ms (cứ 1ms thì mã C/A- code lại lặp lại). Chỉ có sóng tải L1 là được điều biến bởi C/A-code, tức là mã này chỉ có trong sóng L1. - P-code (viết tắt của từ "private code" hay "precise code"), được phát đi ở tần số 10,23MHz và có chu kỳ lặp lại là 266,4 ngày. Số 266,4 ngày này được chia thành các khoảng 7 ngày (1 tuần) và mỗi khoảng được gán với 1 vệ tinh.
Như vậy, P-code của mỗi vệ tinh sẽ lặp lại sau 1 tuần. P-code được truyền bởi cả 2 sóng tải là L1 và L2. Khi chế độ A/S (Anti Spoofing) được bật thì P-code được mã hóa thành Y-code và người dùng dân sự không sử dụng được. - Các thông báo định vị (Navigation message) chứa các thông tin dự báo về: + Lịch vệ tinh.
+ Các hệ số của mô hình dùng để hiệu chỉnh sai lệch đồng hồ của vệ tinh. + Các thông số của mô hình mô tả ảnh hưởng của tầng điện ly. Các thông tin dự báo trên được các trạm điều khiển cung cấp lên vệ tinh rồi truyền xuống các máy thu của người sử dụng trong các thông báo định vị. Các thông báo định vị được phát đi từng bit một (0 hay 1) cứ sau 20 chu kỳ lặp lại của mã C/A-code.
Toàn bộ một thông báo định vị dài 1500 bit và để truyền tải một thông báo như vậy cần 30s [5]. Cấu trúc tín hiệu GPS n 10 1. Đoạn điều khiển Đoạn này gồm 5 trạm quan sát trên mặt đất, trong đó có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs (Mỹ) và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Đông Thái Bình Dương). Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất.
Các trạm điều khiển theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được. Các số liệu quan sát được ở các trạm này được chuyển về trạm điều khiển trung tâm (MCS – master control station). Tại đây việc tính toán số liệu chung được thực hiện và cuối cùng các thông tin cập nhật được chuyển lên các vệ tinh, để sau đó từ vệ tinh chuyển đến các máy thu của người sử dụng. Như vậy, vai trò của đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hoá các thông tin, bảo đảm độ chính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS.
TTrrạạm m đđiiềềuu kkhhiiểểnn ccũũ TTrrạạm m đđiiềềuu kkhhiiểểnn m mớớii Hình 1. Mạng lưới các trạm điều khiển của hệ thống GPS từ sau năm 2005 n 11 Từ tháng 8 năm 2005, 6 trạm điều khiển của cơ quan tình báo trắc địa không gian Mỹ (NGA: National Geospatial-Intelligence Agency) đã được thêm vào phần điều khiển của GPS, nâng tổng số trạm điều khiển lên thành 11 (hình 1. Với số lượng trạm điều khiển như vậy, mỗi vệ tinh luôn luôn có thể nhìn được thấy ít nhất từ 2 trạm điều khiển và kết quả xác định vị trí của vệ tinh sẽ được chính xác hơn. Trong thời gian tới, sẽ có thêm 5 trạm điều khiển nữa của NGA được bổ sung và khi đó mỗi vệ tinh luôn luôn có thể nhìn được tối thiểu 3 trạm điều khiển [5].