bài thảo luận: đặc điểm các hệ thống định vị toàn cầu trên thế giới

đặc điểm các hệ thống định vị toàn cầu trên thế giới .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.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐỊA LÝ

BÀI THẢO LUẬNĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU TRÊN THẾ GIỚI

 Các hệ thống định vị

 HỆ THỐNG GPS

 Lịch sử hình thành và phát triển

• GPS (Global Positioning System) – NAVSTAR

tên gọi chính thức của BộQuốc phóng Mỹ cho

GPS.

• GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân

sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho

phép sử dụng trong dân sự.

• Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1973.

• Hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994.

• Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa 10

năm.

• Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500kg và

dài khoảng 17 feet (5m).

 Cơ cấu hệ thống GPS

• Hệ thống GPS gồm 3 thành phần

 MẢNG KHễNG GIAN

Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm:

• Thu nhận và l u trữ dữ liệu đ ợc truyền từ mảng điều khiển

• Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên

vệ tinh

• Truyền thông tin và tín hiệu đến ng ời sử dụng trên một hay hai tần số

 MẢNG ĐIỀU KHIỂN

Mảng điều khiển bao gồm các tiện ích cần cho việc giám sát sức khoẻ; theo dõi, điều khiển, tính toán bản lịch vệ tinh và nạp dữ liệu lên vệ tinh Có 5 trạm

điều khiển trên mặt đất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is.,

Diego Garcia và Kwajalein Chức năng của chúng nh sau:

• Tất cả 5 đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến trạm

điều khiển chính

• Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC) Tại đó dữ

liệu theo dõi đ ợc xử lý nhằm tính toạ độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh

• Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu

lên vệ tinh Dữ liệu bao gồm các bản lịch và thông tin số hiệu chỉnh đồng

hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải

 MẢNG NGƯỜI SỬ DỤNG

Thiết bị của ng ời sử dụng GPS là các máy thu bao gồm:

• Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách)

• Phần mềm (các thuật toán, giao diện ng ời sử dụng)

• Các quá trình điều hành

Hiện nay trên thị tr ờng có rất nhiều loại máy thu khác nhau về chủng loại, độ

chính xác và giá tiền Theo cấu tạo có thể chia thành hai loại:

• Máy thu một tần số: là loại máy thu chỉ thu đ ợc tín hiệu trên 1 tần số L1

• Máy thu hai tần số: là loại máy có thể thu đầy đủ tín hiệu trên hai tần số

Theo độ chính xác, có thể chia làm ba loại:

• Độ chính xác cao: đây là loại máy thu hai tần số đắt tiền nhất hiện nay đ ợc dùng trong trắc địa Thiết bị phần cứng phức tạp nên việc sử dụng khó khăn Ví

dụ nh Trimble 4800, Topcon Legacy, Topcon Hiper Series, Topcon GB-500, Topcon GB-1000, Leica system 500,vv…

• Độ chính xác trung bình: đây là loại máy thu một tần số, có cấu tạo đơn giản

dễ mang vác và dễ sử dụng cho thu thập dữ liệu phục vụ bản đồ và GIS Ví dụ

Độ chính xác thấp: cũng là loại máy thu một tần số nh ng có cấu tạo gọn nhẹ nhất (th ờng là máy thu cầm tay) và rẻ tiền nhất th ờng đ ợc dùng cho các mục

đích định vị hàng hải, du lịch, … Ví dụ Lowrance 200, Garmin III+,

• Đối với máy thu dân dụng phổ biến, hệ thống GPS cung cấp 2 loại dịch vụ

cơ bản:

• Dịch vụ định vị cơ bản (SPS): theo thiết kế, dịch vụ SPS sẽ cung cấp chính xác tối thiểu là 100m theo chiều ngang và 156m theo chiều cao

• Dịch vụ định vị chính xác (PPS) : cho độ chính xác 10m (95%) cho

chiều ngang và khoảng 15m cho chiều cao

• Dịch vụ SPS có đưa thêm sai số SA còn dịch vụ PPS không có sai số SA

• Kết quả tính toán thời gian tại máy thu GPS theo thống kê đạt độ chính xác trong khoảng 20 nano – giây so với giá trị thực của UTC ( UNSO ) đối với dịch vụ PPS và trong khoảng 340 nano-giây đối với dịch vụ SPS khi còn SA

• Quỹ đạo vệ tinh

• Hệ thống GPS gồm 24 vệ

tinh với 6 quỹ đạo bay Các

vệ tinh này hoạt động ở quỹ

đạo có độ cao 20200km, ở

góc nghiêng 55 độ và với thời

gian 12 giờ/quỹ đạo.

• Mỗi vệ tinh truyền trên 2

• Hàng hải: GPS đã giúp các nhân viên y tế xác định vị trí, điều hướng một cách nhanh chóng và chính xác, giúp các thuỷ thủ xác định vị trí tàu-bến tàu làm tăng sự an toàn và tiết kiệm cho chuyến đi Ngoài ra GPS còn giảm thiệt hại trong ngành giao thông hang hải, giảm bớt tỉ lệ container bị nhầm lẫn hoặc bị mất, giúp chính phủ kiểm tra giám sát tăng cường an ninh hàng hải.

• Cứu trợ: Nhờ hệ thống GPS, các thông tin về điểm mốc, vị trí các toà nhà, các con đường lớn, những nơi có dịch vụ cứu trợ như trạm cứu hoả, bệnh viện, sở cảnh sát sẽ được chuyển đến cho các lực lượng chịu trách nhiệm một cách nhanh nhất

• Khi có hoả hoạn, GPS sẽ giúp nhân viên cứu hoả tạo ra một “ranh giới” giúp cho công tác dập lửa được diễn ra hiệu quả hơn bằng cách xác định được những khu vực có khả năng tiếp nước (ao hồ song suối) những khu vực đông dân cư để kịp thời sơ tán….

• Hệ thống GPS giúp các nhà khoa học nghiên cứu khu vực dưới đáy đại dương, các

nguy cơ xảy ra động đất, sóng thần sẽ được phát hiện và cảnh báo sớm đến người dân.

• Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: Nông nghiệp, Hàng không-Vũ trụ, Quản lí tài nguyên môi trường, Giao thông, Cứu trợ thiên tai, Giải trí…

• Nông nghiệp: Bằng việc kết hợp GPS và GIS, nông dân có thể làm việc trong điều kiện thời tiết xấu (tầm nhìn hạn chế) như mưa, bụi, sương mù….Biết được các thông tin về sự thay đổi tính chất của đất, các khu vực có sâu bệnh, … từ đó lập bản đồ ranh giới giữa các khu vực để điều chỉnh kĩ thuật canh tác phù hợp.

• Hàng không: Phi công sử dụng hệ phống GPS để tăng tính an toàn và hiệu quả của chuyến bay(thông tin về thời tiết, thông tin về các chuyến bay trong khu vực máy bay bay qua…), mở ra các đường bay mới hiệu quả và tiết kiệm hơn.

• Quản lí tài nguyên môi trường: Để duy trì môi trường trái đất trong khi cân đối nhu cầu của con người thì việc cập nhật thông tin nhanh chóng, chính xác kịp thời rất quan trọng Hệ thống GPS sẽ mang lại những thông tin cần thiết đó Việc kết hợp GPS và GIS sẽ đưa ra một cái nhìn cụ thể và sâu sắc hơn về một tình huống cụ thể nào đó hơn là qua các phương tiện thông thường.

 Định vị

HỆ THỐNG GPS

• D n ẫn đường đường ng

- Dẫn đường là một tính năng mà hầu hết

những người sử dụng đều muốn có khi cầm

trong tay một thiết bị có GPS Dựa trên vị

trí tọa độ của thiết bị cộng thêm dữ liệu của

ứng dụng bản đồ, thiết bị GPS sẽ vạch cho

người sử dụng một lộ trình từ điểm đầu đến

điểm cuối sao cho ngắn nhất và thuận tiện nhất.

- Đối với những hãng vận tải thì GPS là một ứng

dụng không thể thiếu trong việc điều hành và

quản lý phương tiện Trước tiên, nó cho phép

giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo

thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng

thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe… Dựa vào

đó, thiết bị có thể lưu trữ lộ trình từng xe và hiển

thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn

hình Ngoài ra, một số thiết bị GPS còn có tác

dụng cảnh báo mỗi khi xe vượt quá tốc độ cho

phép hoặc thay thế vai trò của một máy chống

trộm hết sức hiệu quả.

• Nú cú nhiều ưu điểm sau:

•Độ chớnh xỏc định vị cao, từ decimet đến milimet

•Cú sẵn cho người sử dụng bất cứ đõu trờn trỏi đất

•Hoạt động liờn tục 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết

•GPS trước tiờn là một hệ thống hàng hải phục vụ cho mục đớch quõn sự

Nú được thiết kế, hỗ trợ tài chớnh, khai thỏc và điều khiển bởi Bộ quốc

phũng Mỹ Tuy nhiờn GPS được cung cấp miễn phớ cho người sử dụng dõn

sự ở một mức độ giới hạn

•GPS đ ợc thiết kế để thay thế cho hệ thống vệ tinh Doppler TRANSIT đã

phục vụ tốt cho cộng đồng trắc địa và hàng hải trên 20 năm Việc xây dựng thành công GPS là nhờ vào những thành tựu khoa học và kỹ thuật sau:

• Độ tin cậy cao của hệ thống không gian

• Công nghệ đồng hồ nguyên tử độ chính xác cao

• Khả năng xác định và theo dõi vệ tinh một cách chính xác

 GLONASS

 GLONASS (tiếng Nga: ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая

Система - ГЛОНАСС ; chuyển tự : Global'naya Navigatsionnaya

Sputnikovaya Sistema) là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Liên

bang Nga , tương tự như GPS (NAVSTAR) của Hoa

Kỳ hay Galileo của Liên minh châu Âu.

 Lịch sử hình thành và phát triển

• Hệ thống GLONASS của liên bang sô viết(cũ) được xây dựng từ năm

1982, được chính thức công bố đưa vào hoạt động vào ngày 24/09/1993 với cấu hình không đầy đủ và vào ngày 07/03/1995 với cấu hình đầy đủ

Hệ thống GLONASS được xây dụng qua 3 giai đoạn:

 Giai đoạn 1 (1982 – 1985): tính chỉnh thiết kế hệ thống, thực nghiệm đánh giá từ 4 đến 6 vệ tinh.

 Giai đoạn 2 (1986 – 1993): triển khai hệ thống gồm 12 vệ tinh, bắt đầu khai thác thử nghiệm.

 Giai đoạn 3 (1993 – 1995): triển khai đầy đủ hệ thống gồm 24 vệ tinh.

• Từ năm 1996, do nga có khó khăn về tài chính, nên hệ thốngGLONASS hoạt động cầm chừng Số lượng vệ tinh hoạt động của hệ thống giảm dần

do không có vệ tinh thay thế, có thời gian hệ thồng chỉ còn lại 7 vệ tinh trên quỹ đạo.

• Hệ thống GLONASS hoạt động trực tiếp dưới quyền kiểm soát của bộ quốc phòng Nga, ban đầu chủ yếu phục vụ cho mục đích quân sự cua Nga.

• Tháng 8 năm 2011, chính phủ Liên Bang Nga đã phê chương trình

10 năm (2001 – 2011) nhằm bổ sung nâng cấp và hiện đai hóa hệ thống GLONASS theo hướng:

 Bổ sung đủ số lượng vệ tinh

 Phát triển các vệ tinh thế hệ GLONASS mới:

GLONASS-M,GLONASS-K và GLONASS-KM.

• Chương trình dự kiến đến năm 2010, hệ thống GLONASS sẽ có đủ

24 vệ tinh thế hệ mới trên quỹ đạo.

• Quá trình phát triển các thế hệ vệ tinh:

 Quỹ đạo vệ tinh

• Hệ thống Glonass gồm 27 vệ tinh

gồm 24 vệ tinh chính thức và 3 vệ

tinh lưu trữ

• Được phóng lên 3 mặt phẳng quỹ

đạo cách nhau 120 độ, nghiêng

64.8 độ so với mặt phẳng xính

đạo

• Trên mỗi măt phẳng, 8 vệ tinh

cách nhau 45 độ và bay ở độ cao

19100 km với chu kì 11h15 phút

Các vệ tinh của hệ GLONASS liên tục phóng ra các tín hiệu định

vị theo 2 dạng: tín hiệu định vị chính xác chuẩn (Ch) ở tần số L1 (1,6 GHz) và tín hiệu định vị chính xác cao (C) ở tần số L1

và L2

• (1,2 GHz) Thông tin, cung cấp bởi tín hiệu định vị Сh, mở cho

tất cả người dùng trên nền toàn cầu và liên tục và đảm bảo

khi dùng máy thu GLONASS, khả năng xác định

• các tọa độ ngang với độ chính xác 50–70 m (độ tin cậy

99,7%);

• các tọa độ đứng với độ chính xác 70 m (độ tin cậy 99,7%);

• các véc-tơ thành phần của vận tốc với độ chính xác 15 cm/s

(độ tin cậy 99,7%)

• thời gian chính xác với độ chính xác 0,7 m(độ tin cậy 99,7%).

• Các độ chính xác này có thể tăng lên đáng kể, nếu dùng

phương pháp định vị vi phân và/hay các phương pháp đo bổ

sung đặc biệt.

• Tín hiệu C về cơ bản, được chỉ định dành cho các nhu cầu

của Bộ Quốc Phòng Nga, và việc sử dụng trái phép không

được khuyến khích Câu hỏi về việc cung cấp tín hiệu C cho

nhu cầu dân sự đang trong tình trạng xem xét.

• Để xác định các tọa độ không gian và thời gian chính xác cần nhận và xử lý các tín hiệu định vị từ không ít hơn 4 vệ tinh

GLONASS Khi nhận các tín hiệu sóng định vị GLONASS máy thu,

dùng các phương pháp kỹ thuật sóng đã biết, đo các độ dài đến các vệ tinh nhìn thấy và đo các vận tốc chuyển động

của chúng

 Ứng dụng thực tế

• Đối với thị tr ờng trong n ớc, theo Giám đốc điều hành Công ty mạng liên

bang NIS-GLONASS, A-lếch-xan-đơ Gu-cô (Alexander Gurko), hiện

GLONASS đ ợc ứng dụng trên nhiều lĩnh vực, bắt đầu từ các hệ thống dinh vigiao thông vận tải thông minh đã có ở thành phố Mát-xcơ-va và Xanh Pê-téc-bua

• Lĩnh vực này bao gồm hàng chục trung tâm điều phối, dự án “Xe buýt an

toàn”, “Bến đỗ thông minh” với băng-rôn chạy chữ và những thứ khác

GLONASS chiếm một vị trí đặc biệt trong việc chuẩn bị cho Thế vận hội lim-pích mùa đông ở Sochi năm 2014, nơi mà hệ thống kiểm soát giao thông hoạt động trong chế độ thử nghiệm Điều này cho phép kiểm soát tất cả các

Ô-ph ơng thức vận tải, kể cả bằng đ ờng hàng không và đ ờng biển

• Hiện có một dự án đáng chú ý là hệ thống kiểm soát đội cơ động, cho phép

nhanh chóng đáp ứng các tr ờng hợp khẩn cấp và truy lùng tội phạm theo dấu vết nóng Dịch vụ “Era-GLONASS” nhanh chóng báo cáo bất kỳ sự cố nào trên đ ờng cho các đội tuần tra đ ờng bộ và đội xe cấp cứu Theo dự kiến, vào

•Tại 15 khu vực của Nga đó thụng qua chương trỡnh cụ thể về

ỏp dụng GLONASS, cho phộp đỏnh giỏ nhu cầu của khỏch

hàng đối với hệ thống giỏm sỏt và định vị chớnh xỏc giao

thụng vận tải Trong số cỏc khỏch hàng cú cụng ty ” i n t Điện tử ện tử ử

Nga" và "Transneft", những đơn vị đang làm việc trong điều kiện khú khăn ở Bắc cực.Theo dự báo, trong vòng 4 năm tới, chỉ tính riêng tiềm lực khai thác GLONASS ở thị tr ờng Nga sẽ đạt mức 4 tỷ USD, lớn hơn rất nhiều so với hiện nay

• Hệ thống định vị vệ tinh của Nga được được sử dụng ở cỏc nước khỏc nhau, chủ yếu ở Ấn Độ, nơi mà cỏc chi nhỏnh của

"NIS GLONASS" xuất hiện cỏch đõy một năm rưỡi Tại Ấn Độ

Cú đó bắt đầu dự ỏn trong lĩnh vực điều khiển giao thụng và cảnh sỏt

• Tại thời điểm này, thị trường Ấn Độ sử dụng dịch vụ

GLONASS là thị trường chớnh, sau Nga Sau Ấn Độ, là cỏc

nước SNG và Trung Đụng và Mỹ Latinh Ấn Độ sẽ trở thành lĩnh vực cạnh tranh chớnh giữa hệ thống GLONASS của Nga

và "Compass" của Trung Quốc

 Hệ thống định vị Galileo được đặt theo tên của nhà thiên văn học người Y Galileo Gamilei nhằm tưởng nhớ những đóng góp của ông.

 Lịch sử hình thành và phát triển

Ý tưởng xây dựng hệ thống định vị toàn cầu mang tên Galileo được hình thành từ những năm đầu của thập kỷ 90(thế kỷ XX).Liên hợp Châu Âu(EU) đã lên kế hoach thiết kế và điều hành 1 hệ thống định vị vệ tinh mới mang tên Galileo mang tên nhà thiên văn học…., với mục đích sử dụng dân sự Việc nghiên cứu dự án hệ thống được bắt đầu triển khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc gia Pháp, Đức, Ý, Anh Quốc Giai đoạn đầu triển

khai chương trình Galileo bắt đầu năm 2003 và theo dự kiến sẽ hoàn thành và đưa vào sử dụng trong năm 2010.Galileo được thiết kế gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 30 mặt phẳng quỹ đạo ( nghiêng 560 so với mp XĐ xung quanh TĐvới bán kính 29980km), nhiều gấp 5 lần số lượng vệ tinh mà Mỹ đang sử

dụng cho hệ thống GPS

• Các giai đoạn phát triển :

• Kế hoạch xây dựng hệ thống Galileo được chia ra làm 3 giai đoạn:

 Giai đoạn 2001- 2005: Hoàn thành việc thiết kế hệ thống,

phóng thử 2 đến 4 vệ tinh để bước đầu xác nhận tính hợp

lệ trong thiết kế quỹ đạo vệ tinh và các trạm điểu khiển

 Giai đoạn 2006- 2007: Tiếp tục phóng các vệ tinh còn lại

và hoàn thành các trạm điều khiển Khi đưa vào khai

thác, toàn bộ hệ thống sẽ có 2 trung tâm vận hành mặt đất, một ở gần Munich của Đức và một ở Fucino cách

Rome (Italy) 130 km về phía Đông Từ ngày 18 tháng 5 năm 2007, EU đã chính thức nhận việc điều hành toàn bộ

dự án Galileo từ một nhóm gồm 8 công ty tư nhân gọi là European Satellite Navigation Industries – nhóm này đã

từ bỏ dự án Galileo từ đầu năm 2007

 Giai đoạn 2008: Hoàn thành hệ thống và tuyên bố đưa

hệ thống vào khai thác thương mại

• Tất cả vệ tinh của hệ thống này do Công ty Không gian

Ariane phụ trách công tác phóng cụ thể

• Là tổ chức đi đầu chủ yếu của chương trình Galileo, Cục

Hàng không vũ trụ châu Âu có kế hoạch lần lượt phóng 3 lần và 2 lần tên lửa Soyuz vào năm 2013, 2014, mỗi lần tên lửa mang theo 2 vệ tinh của hệ thống Galileo

• Ngoài ra, Cục Hàng không vũ trụ châu Âu cũng có kế hoạch vào năm 2014 sử dụng một quả tên lửa Ariane được cải tạo đặc biệt để phóng 4 vệ tinh hệ thống Galileo trong 1 lần, đến năm 2015 tiếp tục sử dụng loại tên lửa này để phóng 2 lần

• Theo Cơ quan vũ trụ châu Âu, đến năm 2014, sẽ có 18 hệ tinh Galileo được đưa vào không gian, đủ để bắt đầu triển khai dịch vụ này một cách rộng rãi Đến năm 2020 toàn bộ các vệ tinh còn lại sẽ vào quỹ đạo