TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ QUỐC DÂN

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO ĐỀ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

Giáo viên hướng dẫn: ThS Tống Minh Ngọc Sinh Viên : Dư Đình Minh,Đỗ Ngọc Đại Chuyên ngành: Công nghệ thông tin

Hệ :Chính Quy Lớp: Công nghệ thông tin 48A

Hà Nội,26/5/2009

Lời nói đầu

Từ xa xưa con người đã mong muốn khám phá ra những chân trời mới,vì thếbằng nhiều cách họ đã sáng tạo ra các biện pháp tìm đường khác nhau nhằm thỏamãn mong ước của mình

Nhưng chỉ từ năm 1978 khi quân đội Mỹ sáng tạo ra biện pháp tìm đường ưuviệt nhất thông qua các vệ tinh quay xung quanh trái đất thì kỷ nguyên tìm đườngqua vệ tinh(GPS) và các ứng dụng của nó mới thực sự mang lại tiện ích và là mộtphần không thế thiếu trong cuộc sống của con người như ngày nay

Ở Việt Nam,việc ứng dụng GPS vào các lĩnh vực khác nhau cũng đang đựockhai thác một cách khá triệt để.Để tìm hiểu một cách sâu sắc hơn về lịch sử cũngnhư ứng dụng và kỹ thuật của công nghệ này tôi xin được đưa ra một đề tài nghiêncứu về GPS cùng một số giải pháp ứng dụng GPS trong tương lai như sau

I.Sơ lược về lịch sử các phương pháp dẫn đường thông dụng

I.1.Dẫn đường là gì? Sơ lược lịch sử xác định vị trí

Lịch sử dẫn đường và xác định vị trí tàu gắn liền với lịch sử dẫn thuyền thámhiểm trên biển trong nhiều thập kỉ trước khi các phương tiện bay trên không nhưmáy bay và vũ trụ ra đời

Từ thời tiền sử, con người đã tìm cách để xác định xem mình đang ở đâu và điđến một đích nào đó và trở về bằng cách nào Những hiểu biết về vị trí thườngmang tính sống còn và có sức mạnh kinh tế trong xã hội Con người thời săn bắnkiếm thức ăn thường đánh dấu lối đi của mình để có thể trở về hang động nơi ởcủa mình Sau đó họ làm ra bản đồ, và phát triển thành hệ thống mạng vĩ tuyến (vịtrí trên trái đất đo từ đường xích đạo về phía cực bắc và phía cực nam) và kinhtuyến (vị trí trên trái đất đo từ đường kinh tuyến gốc sang phía đông hoặc sangphía tây) Đường kinh tuyến gốc sử dụng trên thế giới là đường kinh tuyến đi quaĐài quan sát Hoàng gia (Royal Observatory) ở Greenwich, Anh Quốc

Khi con người di chuyển từ vùng này đến vùng khác bằng thuyền chạy trênbiển, những người đi biển thuở ban đầu đi dọc theo bờ biển để tránh bị lạc Sau đó

họ biết cách ghi hướng đi của họ theo các vì sao trên trời họ sẽ đi ra biển xa hơn.Những người Phoenicians cổ đại đã sử dụng Sao Bắc Cực (North Polar) dẫnđường để thực hiện chuyến đi từ Egypt và Crete Theo Homer, nữ thần Athena đãnói với Odysseus khi điều khiển con tàu Navis trong chuyến đi từ Đảo Calypsorằng “hãy để chòm sao Đại Hùng phía bên trái mạn thuyền” Thật không may,những vì sao chỉ có thể nhìn được vào ban đêm và khi có thời tiết đẹp trời trong

sáng Con người cũng đã biết dùng những ngọn đèn biển - những ngọn hải đăng(lighthouses) – lấy ánh sáng để dẫn đường, giúp những người đi biển vào ban đêm

và cảnh báo nguy hiểm

Tiếp theo, trong lịch sử ngành hàng hải (marine navigation) người ta sử dụng labàn từ (magnetic compass) và sextant Kim la bàn luôn chỉ hướng cực bắc, và chochúng ta biết “hướng mũi tàu” (heading) chúng ta đang đi Bản đồ của người đibiển thời kì thám hiểm thường vẽ hướng đi giữa các cảng chính và những nhàhàng hải giữ khư khư những bản đồ đó cho riêng mình.Sextant sử dụng nhữngchiếc gương có thể điều chỉnh được đo góc độ chính xác của các vì sao, mặt trăng

và mặt trời trên đường chân trời Từ những góc đo này và sử dụng cuốn sách Lịchthiên văn hàng hải (The Nautical Almanac) chứa đựng các thông tin vị trí của mặttrời, mặt trăng và các ngôi sao người ta có thể xác định được vĩ độ trong thời tiếtđẹp, vào cả ban ngày lẫn ban đêm Tuy nhiên những người đi biển không thể xácđịnh được kinh độ Ngày nay nếu nhìn vào những tấm hải đồ rất cũ, chúng ta đôikhi có thể thấy vĩ độ của bờ biển rất chính xác nhưng kinh độ có khi sai lệch đếnhàng trăm hải lý.Đây là một vấn đề rất nghiêm trọng trong thế kỷ thứ 17 mà chínhphủ Anh Quốc đã phải thành lập lên một Ban đặc biệt xác định kinh độ Ban này

đã tập hợp nhiều nhà khoa học nổi tiếng để tìm cách tính kinh độ Ban này đưa raphần thưởng 20.000 bảng Anh, tương đương với số tiến ngày nay khoảng 32.000

đô la Mỹ, nhưng thời đó món tiền này có lẽ có giá trị hơn rất nhiều, cho nhữngngười nào có thể tìm được cách xác định kinh độ với sai số trong vòng 30 hải lý Phần thưởng đã mang lại thành công Câu trả lời là phải biết được chính xácthời gian khi đo độ cao bằng sextant Ví dụ, theo Lịch thiên văn Greenwich dựđoán rằng mặt trời lên cao nhất (vào thiên đỉnh người quan sát) vào lúc chính ngọ(buổi trưa), tức là 12 giờ trưa Nếu có một đồng hồ trên tàu, khi rời cảng (nướcAnh), làm đồng bộ thời gian của đồng hồ này với thời gian Greenwich Tàu chạy

về phía tây Ví dụ, lúc 2 giờ chiều trong ngày, khi sử dụng sextant đo độ cao củamặt trời thì lúc đó vị trí mặt trời sẽ tương đương với thời gian 2 giờ phía tây củaGreenwich Như chúng ta đã biết, ngày nay lấy kinh tuyến gốc là Greenwich, kinh

độ được tính 180 độ theo phía đông, và 180 độ theo phía tây tương ứng với 12 múigiờ phía đông và 12 múi giờ phía tây Biết được giờ đo chúng ta sẽ tính được kinhđộ.

I.2.Một số phương pháp dẫn đường

Từ thuở bình minh của loài người cho đến bây giờ, việc dẫn dắt xác định vị

trí tầu trên biển và các phương tiện giao thông dựa vào những phương pháp gì?Các phương pháp dẫn đường có thể được tóm tắt như sau:

I.2.1.Dẫn đường bằng mục tiêu (Pilotage):

Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là phương pháp dẫn đường và xác

định vị trí phương tiện giao thông bằng những mục tiêu nhìn thấy.vd: đỉnh ngọnnúi, hải đăng, chập tiêu v.v…

I.2.2.Dẫn đường dự đoán (Dead reckoning):

Phương pháp dẫn đường dự đoán là phương pháp dẫn đường dựa vào vị trí

xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển và hướng di chuyển để dự đoán vị trí củaphương tiện

I.2.3.Dẫn đường thiên văn học (Celestial navigation):

Phương pháp dẫn đường thiên văn học là dựa vào việc quan sát các thiên thể

đã biết trên bầu trời như mặt trời, mặt trăng và các vì sao…

I.2.4.Dẫn đường quán tính (Inertial navigation):

Phương pháp dẫn đường quán tính dựa trên hiểu biết vị trí, vận tốc và động

thái ban đầu của phương tiện, từ đó đo tốc độ động thái và gia tốc rồi dùng phươngpháp tích phân để tính toán ra vị trí của phương tiện

II.Sơ lược về lịch sử ra đời công nghệ định vị toàn cầu GPS :

GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thông tin toàncầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất Ngày nay, khó hình dungrằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lạikhông lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh

Năm 1978, nhằm mục đích thu thập các thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ),

độ cao và tốc độ của các cuộc hành quân, hướng dẫn cho pháo binh và các hạmđội, Bộ Quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất 24 vệ tinh Những vệ tinhtrị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên trái đất ở độ cao 19.200 km, với tốc độchừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu radio tần số thấp tới cácthiết bị thu nhận Từ những năm đầu thập kỷ 80, các nhà sản xuất lớn chú ý nhiềuhơn đến đối tượng sử dụng tư nhân Trên các xe hơi hạng sang, những thiết bị trợgiúp cá nhân kỹ thuật số PDA (Personal Digital Assistant) như Ipaq của hãngCompaq, được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện giá trị của chủ sở hữu Trong số 24 vệ tinh của Bộ quốc phòng Mỹ nói trên, chỉ có 21 thực sự hoạtđộng, 3 vệ tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ Tín hiệu radio được truyền đi thườngkhông đủ mạnh để thâm nhập vào các tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm và hay tớicác địa điểm dưới nước Ngoài ra nó còn đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh để đưa ra đượcthông tin chính xác về vị trí (bao gồm cả độ cao) và tốc độ của một vật Vì hoạtđộng trên quỹ đạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất kỳ điểm nào trên tráiđất

III.GPS là gì ?

G P S

Global Positioning Systems

GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thông tin toàncầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất Ngày nay, khó hình dungrằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lại

không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh.

IV.Cấu trúc cơ bản của GPS :

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) bao gồm 3 mảng:

- Mảng người dùng, gồm người sử dụng và thiết bị thu GPS.

- Mảng điều khiển bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và

trạm con Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới chotrạm chủ Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệtinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy,các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳthời điểm nào

- Mảng không gian hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo Quãng

thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lênđến hàng tỷ USD

Giờ chúng ta đi xét qua từng mảng của hệ thống định vị toàn cầu GPS

IV.1.Mảng người dùng :

Bộ phận người sử dụng bao gồm tât cả mọi người sử dụng dân sự và quân sự Phân loại máy thu gồm 4 loại máy thu như sau:

Nhóm 1: Máy thu chỉ sử lý duy nhất mã C/A trên tần số L1.

Nhóm2: Máy thu sử lý mã C/A và phase thường gọi tắt là máy thu 1 tần số

Nhóm3: Máy thu sử lý mã C/A và phase thường gọi tắt là máy thu 2 tần số.

IV.2.Mảng điều khiển :

Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng nhưhiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS Phần điều khiển có 5 trạmquan 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 Springsbang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm ăng tenmặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS Bản đồ sau minh họa vị trícác trạm điều khiển hệ thống GPS Gần đây có thêm một trạm phụ ở CapeCañaveral (bang Florida, Mỹ) và một mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng đểđánh giá đặt tính và dữ liệu thời gian thực

IV.3.Mảng không gian :

Phần không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo (được gọi là satellitevehicle, tính đến thời điểm 1995) Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo xungquanh trái đất là quỹ đạo tròn vệ tinh nhân tạo chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹđạo Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc

55 độ.Chu kỳ của vệ tinh là 12h bảo đảm được yêu cầu là bất kỳ lúc nào trên tráiđất cũng nhìn thấy it nhất 4 vệ tinh.Trên mỗi vệ tinh trang bị 4 đồng hồ nguyên tửCESIUM là loại đồng hồ cực kỳ chính xác Đồng hồ sản sinh ra dao động cơ cơtần số f0=10.23MHZ

Có 2 mã đo:

- Mã C/A có tần số 1.023 MHZ=f0/10 và có chiều dài 1msec

- MA P có tần soos10.23 MHZ= f0 và có chiều dài 266,4 ngày

2 mã đo dược điều khiển bởi 2 sóng mang L1=1575.42 MHZ (mã C/A va mã P) vàL2=1227.60 MHZ (chỉ có mã P).Cả hai song mang L1, L2 đều biến bàng các

thông tin đạo hàng bao gồm: Ephemeride của vệ tinh thời gian,sood hiệu chỉnh

cho đồng hồ vệ tinh,tình trạng của hệ thống vệ tinh…

Mỗi vệ tinh có trọng lượng 930 Kg có tuổi thọ khoảng 7.5 năm.nếu vệ tinh nào hỏng đều có thểthay thế ngay để dảm bảo tinh chạt chẽ của cả hệ thống

Hình minh họa chuyển động của vệ tinh GPS xung quanh trái đất.

IV.4.Một số thông số kỹ thuật của hệ thống dẫn đường GPS

Dạng mã số ??

Độ dài mã số

1023 bit2.35x1014

Tốc độ mã số (C/A

L1, P L1, L2)

1.023 Mcps10.23 Mcps

Thời gian chuẩn UTC (USNO)

Sai số chủ định SA (đã bỏ 2000)

V.GPS hoạt động như thế nào

V.1.Cách xác định tọa độ của hệ thống GPS

Nguyên lý xác định tọa độ của hệ thống GPS và Glonass dựa trên công thức

quãng đường = vận tốc x thời gian Vệ tinh phát ra các tín hiệu bao gồm vị trí củachúng, thời điểm phát tín hiệu Máy thu tính toán được khoảng cách từ các vệ tinh,giao điểm của các mặt cầu có tâm là các vệ tinh, bán kính là thời gian tín hiệu đi từ

vệ tinh đến máy thu x vận tốc sóng điện từ là toạ độ điểm cần định vị

Nói đến GPS, mọi người thường nghĩ đến máy thu GPS, thực ra, GPS là một

hệ thống gồm 27 vệ tinh (kể cả 3 cái sơ cua) chuyển động trên các qũy đạo chungquanh trái đất Quân đội Mỹ phát triển hệ thống này với mục đích quân sự nhưngnay nó đã được mở rộng cho các mục đích dân sự Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn,

sử dụng năng lượng mặt trời, chuyển động cách mặt đất khoảng 19300km Mỗi vệtinh quay quanh trái đất 2 vòng một ngày đêm Quỹ đạo của các vệ tinh được tínhtoán sao cho ở bất kỳ nơi nào trên trái đất, vào bất kỳ thời điểm nào

cũng có thể “nhìn thấy” tối thiểu 4 vệ tinh.Công việc của một máy thu GPS là xácđịnh vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa, tính toán khoảng cách từ các vệ tinh và sử

dụng các thông tin đó để xác định vị trí của chính nó Quá trình này dựa trên mộtnguyên lý toán học đơn giản.

Giả sử bạn đang ở một nơi nào đó ở Vietnam, và bạn hoàn toàn không biếtminh ở đâu, vì một lý do nào đó Bạn gặp một người dân địa phương và hỏi mộtcách thân thiện: “làm ơn cho tôi biết tôi đang ở đâu ?” Anh ta trả lời: “bạn đangcách Vũng tàu 45 km” Đây là một sự thật thú vị, nhưng chưa thật sự có ích bạn

có thể ở bất kỳ đâu trên vòng tròn có tâm là Vũng tàu, bán kính 45 km.Bạn hỏimột người khác và cô ta cho biết bạn đang cách Biên Hoà 40 km Bây giờ bạn đãkhá hơn Nếu bạn tổng hợp hai thông tin, bạn sẽ có hai vòng tròn giao nhau Vị trícủa bạn là một trong hai giao điểm của hai đường tròn Người thứ ba cho bạn biết

vị trí của bạn cách Sài gòn 30 km Bây giờ thì bạn đã biết mình đang ở đâu Ápdụng nguyên lý này vào không gian 3 chiều, ta cũng có 3 mặt cầu thay vì 3 đườngtròn, giao nhau tại một điểm Về mặt nguyên lý thì không khác nhau nhiều lắm,nhưng khó tưởng tượng hoặc mô tả bằng hình vẽ hơn Thay vì các đường tròn, bạn

sẽ có các mặt cầu.Nếu bạn biết rằng minh đang ở cách vệ tinh A 20 km, bạn có thể

ở bất kỳ nơi nào trên một mặt cầu khổng lồ có bán kính 20 km Nếu bạn biết thêmrằng bạn đang ở cách vệ tinh B 30 km, giao tuyến của hai mặt cầu này là mộtđường tròn V Và nếu bạn biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ cóthêm một mặt cầu, mặt cầu này giao với đường tròn V tại hai điểm Trái đất chính

là mặt cầu thứ tư, một trong hai giao điểm sẽ nằm trên mặt đất, điểm thứ hai nằm

lơ lửng đâu đó trong không gian và dễ dàng bị loại Với việc giả sử trái đất là mộtmặt cầu, ta đã bỏ qua cao độ của bạn rồi Do vậy để có cả tung độ, hoành độ vàcao độ, bạn cần thêm một vệ tinh thứ tư nữa

Nói nghe thì dễ , nhưng làm sao đo khoảng cách từ vệ tinh

Để thực hiện tính toán này, máy thu GPS phải biết hai thứ tối thiểu:

• Vị trí của ít nhất ba vệ tinh bên trên nó

• Khoảng cách giữa máy thu GPS đến từng vệ tinh nói trên

Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ các vệ tinh,máy thu GPS tính toán ra được hai thứ trên Máy thu loại xịn có thể thu nhận tínhiệu của nhiều vệ tinh đồng thời Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng,tức là 300 ngàn km/giây trong chân không Máy thu có thể tính toán được khoảngcách dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến được máy thu Sau đây, chúng ta

sẽ tìm hiểu máy thu và các vệ tinh đã hoạt động cùng nhau như thế nào để đo các

khoảng cách này Đây là một quá trình khá phức tạp Vào một thời điểm nào đó,giả sử vào lúc 0 giờ, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi tín hiệu dài, được gọi là

mã ngẫu nhiên giả Máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt vào cùng thờiđiểm Khi tín hiệu từ vệ tinh truỳên đến máy thu, chuỗi tín hiệu đó sẽ bị trễ mộtchút so với chuỗi do máy thu tạo ra Chiều dài khoảng thời gian trễ này chính làthời gian truyền của tín hiệu từ vệ tinh Máy thu nhân thời gian này với tốc đọ ámhsáng để xác định quãng đường truyền tín hiệu Giả sử rằng tín hiệu truyền trênđường thẳng, đây chính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Để thực hiện phép

đo này, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phảiđồng bộ với nhau Một sai số 1 mili giây sẽ dẫn đến sai số là 300 ngàn mét, quánhiều phải không các bạn Do đó, độ chính các tối thiểu cho các máy thu phải là

cỡ nano giây (10-9 ).Để có độ chính xác như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tửcho không chỉ các vệ tinh mà còn máy thu của bạn nữa Nhưng đồng hồ nguyên tửthì lại đắt, khoảng 50 đến 100 ngàn đô Điều đó thì quá đắt cho người dùng nghèonhư tớ (và một số trong các bạn nữa) Để có thể đưa các ứng dụng GPS đến vớichúng ta, các ký sư đã có một giải pháp thông minh và hiệu quả Mỗi quả vệ tinhmang theo một cái đồng hồ nguyên tử, nhưng mỗi máy thu thì chỉ trang bị đồng hồquartz thông thường Các đồng hồ quartz này được điều chỉnh liên tục dựa vào tínhiệu được truyền đi từ các vệ tinh Trên lý thuyết thì 4 mặt cầu phải giao nhau tại 1điểm Nhưng do sai số đồng hồ quartz rẻ tiền, 4 mặt cầu đã không cho 1 giao điểmduy nhất Biết rằng sai số này gây ra bởi đồng hồ trên máy thu là như nhau Δt,t,máy thu có thể dễ dàng loại trừ sai số này bằng cách tính toán ra lượng hiệu chỉnhcần thiết để 4 mặt cầu giao nhau tại một điểm Dựa vào đó, máy thu tự động điềuchỉnh đồng hồ cho đồng bộ với đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh Nhờ đó mà đồng

hồ trên máy thu có độ chính xác gần như tương đương với đồng hồ nguyên tử.Vậy là chuyện đo khoảng cách đã được giải quyết ổn thỏa

Biết khoảng cách rồi, chúng ta còn phải biết vị trí chính xác của các vệ tinhtrên quĩ đạo Điều này cũng không khó lắm vì các vệ tinh chuyển đông trên các

quĩ đạo biết trước và có thể dự đoán được.Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều cóchứa một bảng tra vị trí tính toán của tất cả các vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nàogọi là Almanac Lực hút của mặt trăng, mặt trời có ảnh hưởng nhất định làm thayđổi quĩ đạo của các vệ tinh một chút xíu nhưng bộ quốc phòng Mỹ liên tục theodõi vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền thông số hiệu chỉnh đến các máy thuthông qua tín hiệu từ vệ tinh

Vậy là cả hai vấn đề khoảng cách và vị trí đã giải quyết xong, và hệ thống cơbản hoạt động tốt, tuy nhiên, người ta nhận thấy hệ thống có nhiều sai số Nguyênnhân đầu tiên là do việc giả sử rằng các tín hiệu vệ tinh được truyền theo đườngthẳng đến các máy thu với vận tốc không đổi Trong thực tế, bầu khí quyến trái đất

ít nhiều làm chậm tốc độ truyền, đặc biết là khi sóng điên từ đi qua các tầng điện

ly và đối lưu Do tính chất của các tầng này khác nhau tại các vị trí khác nhau trêntrái đất nên độ trễ này phụ thuộc vào vị trí của máy thu trên mặt đất, điều đó cónghĩa là khó có thể loại trừ sai số này Gần đây người ta tạo ra các mô hình toánhọc mô phỏng tính chất của bầu khí quyển trái đát để giảm thiểu sai số này.Ngoài ra, khi tín hiệu phản xạ từ các vật thể lớn như các toà nhà cao tầng, cũng tạocho máy thu một sai số như là đến từ một khoảng cách xa hơn Thỉnh thoảng, tínhiệu từ các vệ tinh cũng có sai số Bộ quốc phòng Mỹ cũng thêm vào sai số nhântạo được gọi một cách văn hoa là Selective Availability hay SA Qua các phần trên, chúng ta đã thấy chức năng cơ bản nhất của máy thu GPS

là thu nhận thông tin từ tối thiểu 4 vệ tinh, phối hợp các thông tin này với thông tin

đã được chứa trong Almanac để tính toán ra vị trí của máy thu trên mặt đất Mộtkhi máy thu đã thu nhận và xử lý thông tin, máy sẽ cho chúng ta biết vĩ độ, kinh

độ và cao độ của vị trí hiện thời Để làm cho việc định vị thân thiện hơn, hầu hếtcác máy thu đều thể hiện các thông tin này dưới dạng các điểm trên bản đồ đượcchứa sẵn trong máy Bạn có thể nối máy thu GPS với PC chứa bản đồ chi tiết Một

số máy thu còn cho phép nạp các bản đồ chi tiết vào bộ nhớ trong của máy hay kếtnối với các thẻ nhớ đã nạp sẵn bản đồ

Để biết vị trí chính xác của các vệ tinh, thiết bị nhận GPS còn nhận thêm 2 loạitín hiệu mã hóa:

- Loại thứ nhất (được gọi là Almanac data) được cập nhật định kỳ và cho biết vịtrí gần đúng của các vệ tinh trên quỹ đạo Nó truyền đi liên tục và được lưu trữtrong bộ nhớ của thiết bị thu nhận khi các vệ tinh di chuyển quanh quỹ đạo

- Tuy nhiên, phần lớn các vệ tinh có thể hơi di chuyển ra khỏi quỹ đạo chính củachúng Sự thay đổi này được ghi nhận bởi các trạm kiểm soát mặt đất Việc sửachữa những sai số này là rất quan trọng và được đảm nhiệm bởi trạm chủ trên mặtđất, trước khi thông báo lại cho các vệ tinh biết vị trí mới của chúng Thông tinđược sửa chữa này được gọi là Ephemeris data Kết hợp Almanac data vàEphemeris data, các thiết bị nhận GPS biết chính xác vị trí của mỗi vệ tinh.Hiệnnay, nếu có bản đồ điện tử, nhiều thiết bị nhận GPS sẽ hiển thị rõ ràng vị trí củabạn qua một màn hình, điều đó giúp cho việc định hướng trở nên cực kỳ thuận lợi.Nhưng nếu tắt thiết bị nhận tín hiệu trong khoảng thời gian chừng 5 giờ đồng hồ,

nó sẽ mất đi các Almanac data (hay không còn nhận biết chính xác các vệ tinh trênquỹ đạo trái đất) Khi hoạt động trở lại, thiết bị sẽ cần khoảng thời gian chừng 30giây để nạp lại thông tin về vị trí của vệ tinh, trước khi cho biết hiện thời bạn đang

ở đâu

VI.Một số ưu và nhược điểm cần khắc phục của công nghệ GPS:

VI.1.Ưu điểm của công nghệ định vị toàn cầu GPS:

GPS đang là một trong những công nghệ tìm đường và định vị đựợc sử dụngrộng rãi nhất trên thế giới.Với những tính năng nổi trội như : Độ chính xáccao,thời gian thực hiện nhanh chóng,độ ổn định cao,không phụ thuộc nhiều vàoảnh hưởng của thời tiết…

Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạtđộng song song của chúng Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh

chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệnày, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng Tìnhtrạng nhất định của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới

độ chính xác của máy thu GPS Các máy thu GPS có độ chính xác trung bìnhtrong vòng 15 mét

Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Hệ Tăng Vùng Rộng, Wide Area

Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét.Không

cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS Người dùng cũng

có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi

các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét.Cục Phòng vệ Bờbiển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tínhiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu Để thu được tín hiệu

đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùngvới máy thu GPS của họ.Một ví dụ cho thấy độ chính xác cao của GPS đó là :GPS

có thể chỉ ra chính xác vị trí các mục tiêu chỉ nhỏ bằng đồng xu ở bất kỳ nơi nàotrên mặt đất

VI.2.Nhược điểm cần khắc phục của công nghệ GPS :

Khi các vệ tinh ở quá gần nhau, chúng sẽ khiến cho việc xác định một vị tríchính xác trở nên khó khăn hơn

Vì tín hiệu radio đi từ vệ tinh xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu, tốc độ cầnthiết để tín hiệu truyền tới thiết bị nhận sẽ bị chậm đi Hệ thống GPS có dự phòngđiều đó bằng cách tính thêm khoảng thời gian chậm trễ trung bình, nhưng cũngkhông được hoàn toàn chính xác.Chướng ngại lớn như các dãy núi hay các toà nhàcao tầng cũng làm cho thông tin bị sai lệch.Giữa thiết bị nhận (nhất là của ngườidùng cá nhân) với vệ tinh (có thể không hoàn toàn trùng khớp về mặt thời gian, vàcác vệ tinh đôi khi chạy lệch khỏi quỹ đạo

Hệ thống GPS gây 300.000 vụ tai nạn mỗi năm

Nghiên cứu của công ty DirectLine (Anh) cho thấy các thiết bị định vị vệ tinh GPS

đã khiến một nửa lượng người sử dụng nó đi nhầm đường và va chạm như húcgầm cầu, kẹt trong đường hẹp, rẽ vào đường tàu hỏa

VII Tổng quan về các ứng dụng của GPS trong cuộc sống

VII.1.Tổng quan

Mặc dù hệ thống GPS chỉ mới được hoàn thành vào năm 1994 nhưng nó đãthực sự tự khẳng định mình trong những ứng dụng quân sự.Ngày nay, GPS đã trởthành một yếu tố quan trọng của hầu như tất cả các chiến dịch quân sự và tất cảcác hệ thống vũ khí Ngoài ra, GPS còn được sử dụng trên các vệ tinh để đạt đượccác dữ liệu quỹ đạo có độ chính xác cao và để điều khiển hướng bay của các contầu vũ trụ.Mặc dù hệ thống GPS lúc ban đầu được triển khai để đáp ứng các yêucầu của giới quân sự, nhưng người ta đang không ngừng tìm ra các cách thức mới

để sử dụng những khả năng của nó, từ cao siêu đến bình dị Một trong số cáchthức thứ nhất là sử dụng GPS cho công tác quản lý động vật hoang dã ở châu Phi,các máy thu GPS được sử dụng để giám sát các đường hướng di trú của các đànđộng vật lớn cho những mục đích nghiên cứu khác nhau.Những máy thu GPS cầmtay hiện đang được sử dụng thường ngày trong các ứng dụng thực địa, trong đó cóđòi hỏi việc thu thập thông tin chính xác, kể cả việc kiểm tra hiện trường của cáccông ty phục vụ công cộng, việc vẽ bản đồ của các nhà khai thác dầu mỏ và khíđốt và việc quy hoạch tài nguyên của các công ty lâm nghiệp

Các khinh khí cầu có trang bị GPS đang giám sát các lỗ hổng trong tầng ô-zôntrên các vùng cực và chất lượng không khí cũng đang được giám sát nhờ các máythu GPS Các phao theo dõi lượng dầu tràn lớn trên biển phát đi các dữ liệu cầnthiết nhờ sử dụng GPS Các nhà khảo cổ học và các nhà thám hiểm đang sử dung

hệ thống này để đánh dấu các vị trí ở xa trên biển và trên đất liền trước khi họ cóthể lập quyết toán trang thiết bị và kinh phí

Theo dõi các phương tiện vận chuyển là một trong những ứng dụng GPS pháttriển nhanh nhất Các đoàn tầu, các hệ thống vận chuyển công cộng, các đoàn xetải quá cảnh, các chuyến xe bưu chính có trang bị các máy thu GPS để giám sátcác vị trí của chúng vào mọi thời điểm.Các dữ liệu GPS sẽ trở nên hữu ích hơn đốivới khách hàng khi nó được liên kết với kỹ thuật vẽ bản đồ số Theo đó, một sốhãng sản xuất ô tô đang chào hàng một phương án chế tạo xe mới là trang bị cácmàn hình trình bày hành trình xe chạy do các máy thu GPS hướng dẫn Các mànhình này thậm chí còn có thể tháo ra đem về nhà để lập chương trình cho mộtchuyến đi Một số phương tiện xe cộ có trang bị GPS đưa ra các bảng hướng dẫntrên màn hiển thị cho các lái xe và qua các lệnh bằng tiếng nói tổng hợp Nhữngtính năng này cho phép lái xe đến được bất kỳ nơi nào anh ta muốn một cáchnhanh chóng hơn và an toàn hơn so với trước đây.

VII.2.GPS và Mạng Tế bào (cellular)

Công nghệ GPS thậm chí còn đang được sử dụng kết hợp với công nghệ mạng

tế bào để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng Với việc ấn một phím bấm trênmáy điện thoại di động mạng tế bào, có thể đàm thoại với một nhà cung cấp dịch

vụ và cùng một lúc báo hiệu tới các dịch vụ điều phối trung tâm thông báo về vịtrí, của họ về các tình huống khẩn cấp hoặc các hỏng hóc trang thiết bị.Điều này là

có thể được với Khối Định vị Mạng tế bào và Nhắn tin Khẩn (Cellular Positioningand Emergency Messaging Unit) của hãng Motorola Thiết bị này mở ra một kỷnguyên mới của an toàn di động và theo dõi các đoàn xe và các đoàn tầu biển Cácthiết bị này được thiết kế cho các nhà tích hợp hệ thống là những người đang tạocấu hình các mạng tiêu dùng và thương mại khai thác qua điện thoại di động tếbào Khối Định vị Mạng tế bào và Nhắn tin Khẩn truyền đạt thông tin về vị trí vàtrạng thái của các phương tiện xe cộ do GPS xác định, rất phù hợp để sử dụngtrong các hệ thống nhằm trợ giúp cho các nhà quản lý đường bộ, các hãng giám sátnội vụ, các công ty điện thoại di động, các công ty cho thuê xe ô tô, các nhà khai

thác đội tầu biển thương mại và các nhà sản xuất ô tô tìm kiếm những lợi thếcạnh tranh.Hãng Skytel, nhà cung cấp các dịch vụ nhắn tin vô tuyến, đang quảngcáo hệ thống AutoLink dựa trên GPS của họ dùng cho xe ô tô Hệ thống AutoLinkcung cấp các dịch vụ trả lời khẩn cấp tự động, ngăn chặn trộm cắp, theo dõi và bắt

xe cộ dừng lại, nhắn tin cá nhân hai chiều, mở khoá xe từ xa, đánh dấu số hiệu lái

xe, hướng dẫn đường đi và thông tin dựa trên vị trí

VIII.A-GPS là gì?Ứng dụng của A-GPS và GPS trong các lĩnh vực đời sống VIII.1.A-GPS là gì ?

Trên thực tế, hầu hết các thiết bị cầm tay (điện thoại di động, PDA,…)GPS hiện nay đều ứng dụng công nghệ A-GPS (Assisted GPS)

Nokia 6110 Navigator

Trong nhiều điều kiện thực tế, việc truyền dẫn tín hiệu GPS giữa vệ tinh và thiết

bị nhận trên mặt đất hoạt động rất kém hoặc thậm chí không thể hoạt động, nhất làtrong các thành phố lớn nhiều nhà cao tầng hoặc ở trong không gian kín A-GPSchính là giải pháp cho vấn đề này