Giới thiệu khái quát về hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu Người gửi: HaiAuVIN --Tóm tắt:-- Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô tô bóng láng, trên xe ô tô có trang bị thiết bị dẫ
Trang 1Giới thiệu khái quát về hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu Người gửi: HaiAuVIN
Tóm tắt: Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô tô bóng láng, trên xe ô tô có trang
bị thiết bị dẫn đường GPS (GPS navigator) chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của
xe mình hiện trên màn hình có bản đồ điện tử trong hệ thống đường xá phức tạp Vậy thiết
bị dẫn đường GPS trên xe ô tô có nguyên lý hoạt động như thế nào? Thiết bị dẫn đường trên ô tô có gì khác với thiết bị dẫn đường trên tàu thủy và trên máy bay?
Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý hoạt động của Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System, viết tắt là GPS) hoặc tên gọi mới ưa dùng hơn Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite Systems, viết tắt là GNSS) Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu bao gồm ba hệ thống vệ tinh dẫn đường như sau: GPS
do Mĩ chế tạo và hoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ thống GALILEO do Liên hiệp Âu Châu (EU) chế tạo và sẽ được đưa vào sử dụng trong tương lai không xa vào khoảng năm 2008 Ngoài ra Trung Quốc sẽ dự định xây dựng hệ thống thứ tư mang tên COMPASS Nguyên lý hoạt động chung của bốn hệ thống GPS, GLONASS, GALILEO
và COMPASS cơ bản giống nhau Trong bài viết này, người viết sẽ trình bày sơ lược về lịch sử ra đời của hệ thống GPS, nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS và tình hình thực
tại của những hệ thống GNSS cũng như những ứng dụng trong tương lai Các hình 1, 2 và
3 minh họa một số máy thu GNSS dùng trên ô tô.
Hình 1: Một loại máy dẫn đường GPS trên xe hơi (Vision
Engineer, 2005)
Trang 2Hình 2: Máy dẫn đường GPS trên xe taxi ở Nhật (Wikipedia, 2006)
Hình 3: Máy dẫn đường vệ tinh Garmin StreetPilot
2620 (Garmin, 2005)
đường 1.1 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 thám hiểm trên biển trong nhiều thế kỉ trước khi các phương tiện bay trên không như máy bay và vũ trụ ra
Trang 3Từ thời tiền sử, con người đã tìm cách để xác định xem mình đang ở đâu và đi đến một đích nào đó và trở về bằng cách nào Những hiểu biết về vị trí thường mang tính sống còn
và có sức mạnh kinh tế trong xã hội Con người thời săn bắn kiếm thức ăn thường đánh dấu lối đi của mình để có thể trở về hang động nơi ở của mình Sau đó họ làm ra bản đồ,
và phát triển thành hệ thống mạng vĩ tuyến (vị trí trên trái đất đo từ đường xích đạo về phía cực bắc và phía cực nam) và kinh tuyến (vị trí trên trái đất đo từ đường kinh tuyến gốc sang phía đông hoặc sang phía tây) Đường kinh tuyến gốc sử dụng trên thế giới là đường kinh tuyến đi qua Đài quan sát Hoàng gia (Royal Observatory) ở Greenwich, Anh Quốc
Khi con người di chuyển từ vùng này đến vùng khác bằng thuyền chạy trên biển, 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) dẫn đường để thực hiện chuyến
đi từ Egypt và Crete Theo Homer, nữ thần Athena đã nói với Odysseus khi điều khiển con tàu Navis trong chuyến đi từ Đảo Calypso rằng “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
Tiếp theo, trong lịch sử ngành hàng hải (marine navigation) người ta sử dụng la bàn từ (magnetic compass) và sextant Kim la bàn luôn chỉ hướng cực bắc, và cho chúng ta biết
“hướng mũi tàu” (heading) chúng ta đang đi Bản đồ của người đi biển thời kì thám hiểm thường vẽ hướng đi giữa các cảng chính và những nhà hàng hải giữ khư khư những bản
Sextant sử dụng những chiếc 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 Lịch thiên văn hàng hải (The Nautical Almanac) chứa đựng các thông tin vị trí của mặt trời, mặt trăng và các ngôi sao người ta có thể xác định được vĩ độ trong thời tiết đẹp, vào cả ban ngày lẫn ban đêm Tuy nhiên những người đi biển không thể xác định được kinh độ Ngày nay nếu nhìn vào những tấm hải đồ rất cũ, chúng ta đôi khi có thể thấy vĩ
độ của bờ biển rất chính xác nhưng kinh độ có khi sai lệch đến hàng trăm hải lý Đây là một vấn đề rất nghiêm trọng trong thế kỷ thứ 17 mà chính phủ 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 ra phần 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 những người nào có thể tìm được cách xác định kinh độ với sai
Phần thưởng đã mang lại thành công Câu trả lời là phải biết được chính xác thời gian khi
đo độ cao bằng sextant Ví dụ, theo Lịch thiên văn Greenwich dự đoán rằng mặt trời lên cao nhất (vào thiên đỉnh người quan sát) vào lúc chính ngọ (buổi trưa), tức là 12 giờ trưa
Trang 4Nếu có một đồng hồ trên tàu, khi rời cảng (nước Anh), 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 của mặt trời thì lúc đó vị trí mặt trời sẽ tương đương với thời gian 2 giờ phía tây của Greenwich 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 múi giờ phía đông và 12 múi giờ phía tây Biết được giờ đo chúng ta sẽ tính được
Vào năm 1761, một người thợ đồ gỗ mỹ thuật tên là John Harrison (1639-1776) (Hình 4)
đã phát minh một đồng hồ dùng trên tàu có tên gọi là Thời kế (chronometer), có sai số 1 giây trong một ngày Vào thời gian đó một Thời kế đo thời gian có độ chính xác như thế là một điều không thể ngờ được! Trong hai thế kỉ tiếp theo, sextants và thời kế đã được sử dụng kết hợp với nhau để xác định vị trí của tàu biển (vĩ độ và kinh độ)
Hình 4: John Harrison (1639-1776), người
phát minh ra thời kế
Đầu thế kỉ 20, người ta đã phát minh ra một số hệ thống dẫn đường vô tuyến điện (radio-based navigation systems) và sử dụng rộng rãi trong Chiến tranh thế giới thứ 2 Các tàu chiến và máy bay quân sự của quân đồng minh và phát xít đã sử dụng những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện trên mặt đất, những công nghệ tiên tiến nhất thời đó Một số hệ thống dẫn đường vô tuyến trên mặt đất vẫn còn đến ngày nay Một hạn chế của phương pháp sử dụng sóng vô tuyến điện được phát trên mặt đất là chỉ có hai lựa chọn: 1)
Trang 5hệ thống rất chính xác nhưng không bao phủ được vùng rộng lớn, 2) hệ thống bao phủ được một vùng rộng lớn nhưng lại không chính xác Sóng vô tuyến tần số cao (như sóng
TV vệ tinh) có thể cung cấp vị trí chính xác nhưng chỉ có thể bao phủ vùng nhỏ hẹp Sóng
vô tuyến tần số thấp (như sóng đài FM, frequency modulation, sóng điều tần) có thể bao phủ được vùng rộng lớn hơn nhưng lại không cho chúng ta vị trí chính xác Chính vì vậy những nhà khoa học đã nghĩ rằng cách duy nhất bao phủ sóng chính xác trên toàn thế giới là đặc những trạm phát sóng vô tuyến điện cao tần đặt trong không gian và phát sóng xuống trái đất Một trạm phát sóng vô tuyến điện nằm ở phía trên không gian của trái đất có thể phát sóng vô tuyến điện cao tần bằng tín hiệu được mã hóa đặc biệt có thể bao phủ được khu vực rộng lớn và vẫn tới được trái đất cách xa ở phía dưới với một mức năng lượng hữu ích cho phép tái tạo lại thông tin thì sẽ có thể xác định được vị trí Đây là ý tưởng ban đầu của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Ý tưởng này đã đúc kết lại 2,000 năm sự tiến bộ trong khoa học dẫn đuờng bằng cách tạo ra “những hải đăng trong
vũ trụ” (space-based lighthouses) làm đồng bộ được với thời gian tiêu chuẩn có thể dùng
Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) có thể cho chúng ta biết vị trí ở bất kỳ nơi nào ở trên bề mặt trái đất với sai số trong khoảng 20 tới 30 feet, tức khoảng 6-9 mét, trong mọi điều kiện thời tiết và liên tục 24 giờ trong ngày Với máy thu có độ chính xác cao hơn thu tín hiệu “hiệu chỉnh vi phân” bằng máy thu GPS đặc biệt đặt ở vị trí cố định đã biết, chúng ta
có thể thu được vị trí với sai số có thể giảm xuống phạm vi nhỏ hơn 3 feet (1 mét)
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
(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 Những mục tiêu nhìn thấy có thể
là đỉnh ngọn núi, hải đăng, chập tiêu v.v… Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là
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 của phương tiện Phương pháp này nếu không có ảnh hưởng của ngoại cảnh như dòng chảy, gió và sóng thì cho độ chính
1.2.3 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
Trang 6bầu trời như mặt trời, mặt trăng và các vì sao, sử dụng sextant để đo độ ca và góc độ giữa các thiên thể, dùng đồng hồ (thời kế) để đo thời gian và dùng lịch thiên văn để tính toán vị trí của tàu Phương pháp dẫn đường thiên văn học là phương pháp được sử dụng nhiều trong ngành hàng hải
Hình 5: Thời kế
(Chronometer)
Hình 6: La bàn đi biển (marine compass)
Trang 7Hình 7: Một loại la bàn khác
Hình 8: Sextant
Trang 8Hình 9: Lịch thiên văn
hàng hải (Nautical Almanac)
1.2.4 Dẫn đường vô tuyến điện (Radio navigation) Phương pháp dẫn đường vô tuyến điện là phương pháp sử dụng thiết bị phát sóng vô tuyến điện từ một trạm phát cố định có vị trí đã biết, tại điểm thu sóng máy thu sẽ tính toán thời gian, khoảng cách và kết quả thu được vị trí máy thu sóng vô tuyến điện Phương pháp sử dụng GPS/GNSS cũng được coi là phương pháp vô tuyến điện, các vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu được coi là các trạm phát vô tuyến điện, hay nói chính xác hơn ‘các trạm phát vô tuyến điện ở trong vũ trụ’ (space-based radio wave transmitters)
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 phương pháp tích phân để tính toán ra vị trí của phương tiện Đây là phương pháp dẫn đường duy nhất không dựa vào nguồn tham khảo bên ngoài Nếu phương pháp dẫn đường vô tuyến chịu ảnh hưởng của sóng vô tuyến điện và không sử dụng được trong những khu vực không có sóng thì phương pháp dẫn đường quán tính có thể khắc phục được 2 Khái quát lịch sử phát triển các hệ thống dẫn đường Các hệ thống GNSSs hiện nay gồm GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), và các hệ thống tương lai gồm bao GALILEO (Châu Âu) và COMPASS (Trung Quốc) Mục này sẽ khái quát một số hệ thống dẫn đường trước GPS và lịch sử ra đời GPS
Như khái quát lịch sử dẫn đường hang hải ở trên, các phương pháp dẫn đường lần lượt ra đời cho phép người đi biển có được vị trí chính xác và liên tục Sự ra đời của các phương tiên hiện đại hơn như máy bay vào đầu thế kỉ thứ 20, những con tàu sắt khổng lồ được
Trang 9trang bị máy hơi nước và sau này là động cơ diesel và tàu vũ trụ đã làm cho con người có thể đi nhanh và đi xa hơn nữa, do vậy đòi hỏi phải có vị trí chính xác liên tục Khoa học dẫn dắt và xác định vị trí (navigation) không chỉ còn giới hạn trong việc dẫn dắt tàu thủy nữa đã trở thành khoa học dẫn dắt máy bay, tàu vũ trụ và những phương tiện vận tải trên mặt đất nữa Chúng ta có các thuật ngữ: hàng không (air navigation), du hành vũ trụ (space navigation), hàng hải (marine navigation) và di chuyển trên mặt đất – hàng địa (land navigation) Thuật ngữ navigation không chỉ còn hạn chế trong lĩnh vực hàng hải mà
Vào khoảng sau những năm 1920s, trên thế giới xuất hiện những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện đã tạo tiền đề cho việc phát triển hệ thống định vị toàn cầu Những hệ thống hàng hải vô tuyến điện đó bao gồm: các thiết bị có tầm hoạt động ngắn như đèn hiệu vô tuyến (radio beacons), radar, máy tìm phương, các thiết bị có tầm hoạt động dài hơn (còn được gọi là hệ thống dẫn đường hyperbol) như các hệ thống OMEGA, DECCA và LORAN-C Những hệ thống dẫn đường này chủ yếu được sử dụng để dẫn tàu và máy bay 2.1 Những phương pháp dẫn đường vô tuyến trước
OMEGA OMEGA là hệ thống dẫn đường hyperbol dựa trên việc đo lệch pha tín hiệu giữa trạm phát (ít nhất từ ba trạm) và máy thu ở tần số 10-14 kHz Việc triển khai hệ thống OMEGA được bắt đầu vào giữa thập niên 1960s, sau một thời gian chạy thử trên một số trạm phát, nhưng lịch sử của hệ thống này có thể lùi lại vào ngay sau những năm sau Đại chiến thế giớ 2 Trước khi hệ thống OMEGA ra đời, người ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu và thí nghiệm trên việc sử dụng tín hiệu tần số rất thấp (VLF very low frequency) bằng các hệ thống so sánh pha Ưu điểm của hệ thống này xuất phát từ việc tận dũng tần số rất thấtp cho phép bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất bằng tám trạm phát song (xem Bảng 1)
Bảng 1 Các trạm phát sóng OMEGA
Trang 10Hệ thống dẫn đường OMEGA khởi điểm ban đầu được sử dụng cho mục đích quân sự nhưng số người sử dụng với mục đích dân sự cũng ngày càng gia tăng Vào thời điểm năm 1990 hệ thống này là hệ thống dẫn đường duy nhất có sóng bao phủ liên tục và toàn cầu Ngày nay do sự “lấn át” của hệ thống định vị toàn cầu, ít người sử dụng hệ thống dẫn đường OMEGA Những máy thu OMEGA trên các tàu biển dường như để sử dụng hỗ trợ
Độ chính xác vị trí bằng máy thu OMEGA với sai số vị trí vào khoảng 10-30 km Nếu có
sử dụng thêm tín hiệu từ các trạm phát OMEGA vi phân thì độ chính xác tăng lên đáng kể
DECCA DECCA là hệ thống dẫn đường hyperbol trên bề mặt trái đất có các trạm phát song liên tục ở tần số trong khoảng 70-129 kHz Các trạm phát song được bố trí theo một chuỗi bao gồm trạm chủ (master station) có chức năng điều khiển và ba trạm phụ thuộc (slaves, có trường hợp chỉ có hai trạm phụ thuộc) có tín hiệu là pha khóa theo pha của trạm chủ Hệ thống DECCA của Anh Quốc và được giới thiệu trong Đại chiến thế giới thứ 2 DECCA không những đã từng được sử dụng ở tất cả các vùng biển ven bờ Châu Âu mà còn được
sử dụng ở Nhật Bản, Ấn Độ, Pakistan, Vịnh Ả Rập (Persian Gulf), Nam và và một số phần ở Úc Châu và Canada (mặc dù một số vùng trong các vùng này hiện không được phủ sóng nữa) Với khoảng tần số trên, hệ thống DECCA là một hệ thống dẫn đường vô tuyến có vùng phủ sóng rộng lớn, vào năm 1987, đã có tới 140 trạm tạo thành 42 chuỗi ở trên 17 quốc gia Ở Na Uy có 6 chuỗi, đó là Skagerak, Vestland, Trondelag, Helgland, Lofoten và Finmark DECCA chủ yếu được các tàu thủy sử dụng, và được mở rộng cho máy bay, đặc biệt là máy bay lên thẳng Những thử nghiệm trên mặt đất cũng cho những kết quả khá tốt, ở cả Anh Quốc và Na Uy
