Tổng Quan Về Hệ Thống GPS - Một Trong Những Hệ Thống định Vị Toàn ...

Hệ thống Định vị Toàn cầu (tiếng anh: Global Positioning System – GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh.

1. Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống GPS

a.Lịch sử hình thành hệ thống GPS

• Từ thời xa xưa, con người đã sử dụng thiên văn, la bàn và bản đồ để xác định vị trí và tìm đường trong các chuyến thám hiểm khai phá các miền đất lạ. Tuy nhiên phải đến năm 1995, khi các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS của Mỹ và GLONASS của Nga chính thức đi vào hoạt động, nhu cầu định vị dẫn đường mới được giải quyết một cách cơ bản.
• Ngoài mục tiêu quân sự như ý tưởng thiết kế ban đầu, các hệ thống vệ tinh định vị đã được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực dân sự. Ngày nay, công nghệ định vị toàn cầu đã trở thành một ngành công nghiệp có doanh số hàng chục tỷ USD/năm và đang được phát triển mạnh mẽ.

b.Quá trình phát triển hệ thống GPS

• Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978.
• 26/4 1980 phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng Hệ thống phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp (Integrated Operational Nucluear Detonation Detection System (IONDS) sensors).
• 14/7/1983 phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ hạt nhân (NDS) mới hơn
• 1990-1991 GPS được các lực lượng liên minh dùng lần đầu tiên trong điều kiện chiến tranh trong Chiến tranh Vịnh Ba Tư. Sử dụng GPS cho Bão Sa Mạc Hoạt Động  (Operation Desert Storm) chúng minh là cách sử dụng chiến thuật thành công đầu tiên    của công nghệ không gian trong giới hạn thiết trí hoạt động. * Hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994. * Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 10 năm. * Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 5m với các tấm  năng     lượng Mặt Trời mở rộng 7 m² * Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts.
• Các nước trong Liên minh châu Âu cũng đang xây dựng Hệ thống định vị Galileo, có tính năng giống như GPS của Hoa Kỳ, dự tính sẽ bắt đầu hoạt động năm 2011-2012

2. Cấu trúc, thành phần cấu tạo hệ thống GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS được cấu tạo thành ba phần

1. Phần không gian – space segment
2. Phần điều khiển – control segment
3. Phần người sử dụng – use segment

a. Phần không gian (space segment)

• Phần không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo (được gọi là satellite vehicle, tính đến thời điểm 1995). Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất là quỹ đạo tròn,  24 vệ tinh nhân tạo chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo. Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ.
• Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đến nay đã có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau. Thế hệ đầu tiên là vệ tinh Block I, thế hệ thứ hai là Block II, thế hệ thứ ba là Block IIA và thế hệ gần đây nhất là Block IIR. Thế hệ cuối của vệ tinh Block IIR được gọi là Block IIR-M. Những vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt động lâu hơn. Vệ tinh thế hệ đầu Block I. Vệ tinh đầu tiên của thế hệ mới Block IIR-M1 (mới được phóng vào tháng 12 năm 2005)

  Một số thông số vệ tinh thế hệ GPS Block I:

Vệ tinh GPS chạy bằng năng lượng mặt trời. Vệ tinh được trang bị pin mặt trời để chạy cả khi không có năng lượng mặt trời. Mỗi vệ tinh có bộ nâng đỡ loại tên lửa để duy trì vệ tinh trong quỹ đạo chính xác. Mỗi vệ tinh được xây dựng có thể tồn tại và hoạt động trong khoảng 10 năm. Việc thay thế và phóng vệ tinh lên quỹ đạo được duy trì thường xuyên. Một vệ tinh GPS nặng khoảng 2000 pounds (909 kg) và cao 17 feet (khoảng 5 mét) có bảng nhận năng lượng mặt trời trải rộng. Năng lượng phát sóng chỉ khoảng 50 watts hoặc nhỏ hơn.

Một số thông số vệ tinh thế hệ GPS IIR-M1 (thế hệ mới)

Vệ tinh thế hệ mới nhất GPS IIR-M1 có khối lượng 1132.75 kg. Vệ tinh GPS IIR-M1có khả năng thực hiện tín hiệu quân sự mới (M-code trên L1M và L2M) và tín hiệu dân dụng thứ 2 (L2C). Vệ tinh GPS IIR-M1 trị giá 75 triệu đô la Mỹ đã được phóng thành công vào 3:36 sáng ngày 26/9/2005

b.Phần điều khiển (control segment)

Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS. Phần điều khiển có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau

• • Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục
  • Quy định thời gian hệ thống GPS
  • Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh
  • Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể.

Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado Springs bang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm ăng ten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS. Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang Florida, Mỹ) và một mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặt tính và dữ liệu thời gian thực.

c.Phần người sử dụng (user segment)

Phần người sử dụng là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng dùng ăng ten và máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển. Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và máy thu GPS (GPS receivers)

3. Nguyên lý hoạt động và tình hình ứng dụng hệ thống GPS

a.Nguyên lý hoạt động của GPS

• Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
• Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). 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

b.Ứng dụng hệ thống GPS

• Mục đích sử dụng ban đầu của gps dùng trong lĩnh vực quân sự (chế tạo ra các loại tên lửa thông minh), nhưng ngày nay hệ thống GPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi
• Dựa vào tính năng chính xác của gps để thiết lập các bản đồ, khảo sát các công trình, tuyến kênh, tuyến đường, xác định vị trí chính xác của các trụ điện, đường dây tải điện, quản lí các tuyến xe… các xe hơi hiện nay đều có xu hướng cài đặt hệ thống dẫn đường ( Navigation)
• Qua đó các thông tin về vị trí, tọa độ củ axe sẽ được hiển thị ngay trên màn hình, người lái có thể chủ động tìm kiếm và thay đổi lộ trình phù hợp trong thời gian ngắn nhất. Một ứng dụng nữa của gps chính là việc quản lí thú hoang dã bằng cách gắn lên chúng những con chip đã tích hợp gps
• Ứng dụng phổ biến của gps được các bạn trẻ quan tâm nhất hiện nay chính là việc sử dụng các thiết bị tích hợp gps cho việc du lịch, thám hiểm. Tọa độ và hướng di chuyển sẽ hiển thị rõ trên màn hình. Trong trường hợp khẩn cấp, người sử dụng có thể bắn tín hiệu về trung tâm để báo vị trí của mình và chờ giúp đỡ