Bài viết sưu tầm

1.3.1 Sóng của vệ tinh GPS

Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần số thấp khác nhau, được gọi là L1, L2... Những thiết bị nhận tín hiệu GPS thông thường bắt sóng L1, ở dải tần số UHF 575,42 Mhz. Một đài phát thanh FM thường cần có công suất chừng 100.000 watt để phát sóng, nhưng một vệ tinh định vị toàn cầu chỉ đòi hỏi 20-50 watt để đưa tín hiệu đi xa 19.200 km.

Tần số L1 chứa đựng 2 tín hiệu số mã hoá bằng kỹ thuật số), được gọi là P-code và C/A-code. Mã P nhằm bảo vệ thông tin khỏi những sự truy nhập trái phép. Tuy nhiên, mục đích chính của các tín hiệu mã hóa là nhằm tính toán thời gian cần thiết để thông tin truyền từ vệ tinh tới một thiết bị thu nhận trên mặt đất. Sau đó, khoảng cách giữa 2 bên được tính bằng cách nhân thời gian cần thiết để tín hiệu đến nơi với tốc độ của ánh sang là 300.000 km/giây (khoảng cách = vận tốc x thời gian).

Tuy nhiên, tín hiệu có thể bị sai đôi chút khi đi qua bầu khí quyển. Vì vậy, kèm theo thông điệp gửi tới các thiết bị nhận, các vệ tinh thường gửi kèm luôn thông tin vềquỹ đạo và thời gian. Việc sử dụng đồng hồ nguyên tử sẽ đảm bảo chính xác vềsự thống nhất thời gian giữa các thiết bị thu và phát.

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

- Loại thứ nhất (được gọi là Almanac data) được cập nhật định kỳ và cho biết vị trí gần đúng của các vệ tinh trên quỹ đạo. Nó truyền đi liên tục và được lưu trữ trong 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 của chúng. Sự thay đổi này được ghi nhận bởi các trạm kiểm soát mặt đất. Việc sửa chữa những sai số này là rất quan trọng và được đảm nhiệm bởi trạm chủ trên mặt đất, trước khi thông báo lại cho các vệ tinh biết vị trí mới của chúng. Thông tin được sửa chữa này được gọi là Ephemeris data. Kết hợp Almanac data và Ephemeris data, các thiết bị nhận GPS biết chính xác vị trí của mỗi vệ tinh.

Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người dùng và được đo theo phép tam giác đạc. Để thực hiện phép tam giác đạc, GPS đo khoảng cách thông qua thời gian hành trình của bản tin vô tuyến từ vệ tinh tới một máy thu mặt đất.

Để đo thời gian hành trình, GPS sử dụng các đồng hồ rất chính xác trên các vệ tinh sử dụng đồng hồ nguyên tử. Một khi khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì việc biết trước vềvị trí vệ tinh trong không gian sẽ được sử dụng để hoàn thành tính toán. Các máy thu GPS trên mặt đất có một “cuốn niên giám” được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi nào trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào.

Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốn đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây. Nhằm tiết kiệm chi phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới đất được làm ít chính xác hơn đôi chút. Bù lại, một phép đo tầm hoạt động vệ tinh được trang bị thêm. Phép đo lượng giác chỉ ra rằng, nếu ba số đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong không gian ba chiều thì một phép đo thứ tư có thể loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào đó. Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng bộ hoá không hoàn hảo của máy thu.

GPS sử dụng một hệ tọa độ gọi là Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984 (WGS-84- Worldwide Geodetic System 1984). Hệ thống này tương tự như các đường kẻ kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộc thường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn. Hệ thống WGS - 84 cung cấp một khung tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ hãng sản xuất nào cũng cung cấp đúng cùng một thông tin định vị.

Hiện nay, nhờ có bản đồ số, nhiều thiết bị nhận GPS sẽ hiển thị rõ ràng vị trí của bạn 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 trên quỹ đạo trái đất). Khi hoạt động trở lại, thiết bị sẽ cần khoảng thời gian chừng 30 giây để nạp lại thông tin vềvị trí của vệ tinh, trước khi cho biết hiện thời bạn đang ở đâu.

1.3.2 Cách xác định vị trí trên trái đất thông qua hệ thống GPS

Chúng ta biết, phần sử dụng trong hệ thống GPS bao gồm các thiết bị thu tín hiệu từ vệ tinh. Để sau đó chúng qua quá trình xử lí kỹ thuật sẽ đưa ra vị trí đúng của chúng. Mỗi vệ tinh quay quanh trái đất 2 vòng một ngày đêm. Quỹ đạo của các vệ tinh được tính toán 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 xác định 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. Vì phải dựa vào ít nhất là tín hiệu của 4 vệ tinh thì thông tin vềvị trí mới chính xác cao. Các thiết bị thu GPS xác định quãng đường (S) từ vệ tinh đến nó, bằng cách: lấy thời gian(T) nhân với vận tốc của ánh sáng (V = 3.10⁸m/s).

Quá trình xác định vị trí dựa trên một nguyên lý toán học đơn giản. Giả sử bạn đang ở một nơi nào đó ở Việt Nam, và bạn hoàn toàn không biết mình ở đâu, vì một lý do nào đó. Bạn gặp một người dân địa phương và hỏi một cách thân thiện: “Làm ơn cho tôi biết tôi đang ở đâu ?” Anh ta trả lời: “Bạn đang cách Hội An 30km”. 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 Hội An, bán kính 30 km.

Bạn hỏi một người khác và cô ta cho biết bạn đang cách Huế 100 km. Bây giờ bạn đã khá hơn. Nếu bạn tổng hợp hai thông tin, bạn sẽ có hai vòng tròn giao nhau. Vị trí của bạn là một trong hai giao điểm của hai đường tròn. Người thứ ba cho bạn biết vị trí của bạn cách Quảng Trị 200 km. Bây giờ thì bạn đã biết mình đang ở đâu. Ta có thể nhìn vào hình bên để thấy rõ cách xác định vị trí này.

                                                                                                  Hình 1.9: Cách xác định vị trí bằng 3 đường tròn    

Áp dụng nguyên lý này vào không gian ba chiều, ta cũng có  ba mặt cầu thay vì ba đường tròn, giao nhau tại một điểm. Vềmặt  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 mình 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 thêm rằng bạn đang ở cách vệ tinh B 30 km, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V. Và nếu bạn biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ có thêm 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 một mặt cầu,

ta đã bỏ qua cao độ của bạn rồi. Do vậy để có cả tung độ, hoành độ và cao độ, bạn cần thêm một vệ tinh thứ tư nữa.

Như vậy, với việc thu tín hiệu của ít nhất của 4 vệ tinh cùng tại một thời điểm thì ta thu được vị trí( toạ độ) có độ chính xác cao. Vì vậy mà GPS ngày càng được ứng dụng rộng dãi trong các lĩnh vực đời sống .v.v.