Hệ thống định vị toàn cầu

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là gì? Cách thức hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu

Khái niệm về hệ thống định vị

Hệ thống định vị GPS (Global Positioning System) là hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thời gian cho các máy thu GPS ở khắp mọi nơi trên trái đất, trong mọi thời điểm và mọi điều kiện thời tiết, cùng với đó là độ chính xác cao, thời gian đo đạc nhanh.

Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS

Các thành phần của hệ thống GPS:

• Đoạn không gian
• Đoạn điều khiển
• Đoạn sử dụng

Đoạn không gian

Đoạn này gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng  so với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh hầu như tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20200km so với mặt đất, chu kỳ quay của vệ tinh là 718 m (xấp xỉ 12 giờ). Do vậy sẽ bay qua đúng điểm cho trước trên mặt đất mỗi ngày một lần, với cách phân bố như vậy thì tại bất cứ thời điểm nào, ở bất cứ vị trí nào trên trái đất cũng đều nhìn thấy ít nhất là 4 vệ tinh.

Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10.23 MHZ, từ đây tạo ra các sóng tải tần số L1= 1227.60 MHZ, các sóng tải được điều biến bởi hai loại Code khác nhau: C/A – Code và P- Code

Đoạn điều khiển

Đoạn này gồm 4 trạm quan sát trên mặt đất trong đó có 1 trạm điều khiển trung tâm tại Colorado Spings và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương), các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất.

Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo vệ tinh cũng như hoạt động của đồng hồ trên đó. Tất cả các trạm đều có máy thu GPS và chúng tiến hành đo khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan sát được, đồng thời đo các số liệu khí tượng. Tất cả các số liệu đo nhận được ở mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm, trạm trung tâm xử lý các số liệu được truyền từ các trạm theo dõi về cùng với các số liệu đo của chính nó, Kết quả xử lý cho ra các Ephemerit chính xác hóa vệ tinh và các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.

Các thông  tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh được thường xuyên chính xác hóa và chúng sẽ được cung cấp cho người sử dụng thông qua các sóng tải L1, L2

Đoạn sử dụng

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng kể cả trên trời, trên biển và trên đất liền.

Đó có thể là một máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm từ 20 máy thu trở  lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (định vị tương đối) hoặc hoạt động theo cơ chế một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu Phát tín hiệu  vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác  (định vị vi phân)

Nguyên lý định vị GPS

Thực chất của việc định vị để xác định vị trí điểm trên mặt đất là bài toán giao hội cạnh trong không gian. Dựa trên cơ sở hình học, nếu ta biết được khoảng cách và toạ độ của ít nhất 4 điểm đến 1 điểm bất kỳ thì vị trí của điểm đó có thể xác định được một cách chính xác.

Để xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh ta sử dụng công thức sau:

d=V.Δt

Trong đó V: Là vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng.
Δt: Là thời gian sóng điện từ đi từ máy phát đến máy thu.
Tuy nhiên qua cách tính trên ta mới xác định được vị trí của máy thu trong không gian, để biết được vị trí của máy thu so với mặt đất chúng ta cần phải sử dụng các thông tin khác.
Các vệ tinh GPS được đặt trên quỹ đạo rất chính xác và bay quanh trái đất một vòng trong 11giờ 58 phút nghĩa là các vệ tinh GPS bay qua các trạm kiểm soát 2 lần trong một ngày. Các trạm kiểm soát được trang bị các thiết bị để tính toán chính xác tốc độ, vị trí, độ cao của các vệ tinh và truyền trở lại vệ tinh các thông tin đó. Khi một vệ tinh đi qua trạm kiểm soát thì bất kỳ sự thay đổi nào trên quỹ đạo cũng có thể xác định được. Những nguyên nhân đó chính là sức hút của mặt trời, mặt trăng, áp suất bức xạ mặt trời…vv. Vệ tinh sẽ truyền các thông tin về vị trí của nó đối với tâm trái đất đến các máy thu GPS (cùng với các tín hiệu về thời gian). Các máy thu GPS sẽ sử dụng các thông tin này vào trong tính toán để xác định vị trí, toạ độ của nó theo các kinh độ và vĩ độ của trái đất. Tọa độ của các điểm được xác định trong hệ tọa độ toàn cầu là WGS-84

Hiện nay công nghệ định vị toàn cầu GPS cũng đang được ứng dụng vào việc thành lập các mạng lưới khống chế Trắc địa cho độ chính xác cao cũng như thời gian đo đạc nhan, tăng năng xuất lao động và sự phụ thuộc con người