Hệ thống định vị toàn cầu GPS

GPS là từ viết tắt của Global Positioning System, nó còn biết đến với tên gọi NAVSTAR, là một hệ thống dẫn đường vô tuyến trên toàn thế giới, được hình thành từ một chòm 24 vệ tinh và các trạm mặt đất của nó. Về cơ bản GPS sử dụng các vệ tinh này giống như những điểm tham chiếu để tính toán vị trí chính xác của đối tượng đến từng mét. Hệ thống có thể cung cấp thông tin về vị trí và thời gian cho thiết bị GPS trong mọi điều kiện tời tiết, và bất cứ đâu trên trái đất hay vùng gần trái đất, nơi mà có tầm nhìn thẳng tới ít nhất 4 vệ tinh GPS. Hệ thống GPS được sử dụng cho cả mục đích quân sự, dân sự và cả mục đích thương mại trên toàn thế giới.

Kiến trúc của hệ thống GPS:
GPS bao gồm 3 phần chính: phần không gian, phần kiểm soát và phần sử dụng. Không quân Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và kiểm soát.
Phần không gian bao gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo tròn xoay quanh trái đất ở khoảng cách 20.000 km. Bán kính quỹ đạo vào khoảng 26.600 km. Chúng chuyển động ổn định và quay 2 vòng quanh quỹ đạo trong một ngày (chính xác là 11 giờ 58 phút) với vận tốc 7000 dặm trên một giờ. 24 vệ tinh này được chia làm 6 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi mặt phẳng quỹ đạo gồm 4 vệ tinh được sắp xếp đều nhau. Mỗi mặt phẳng quỹ đạo này có góc nghiêng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo.
Phần kiểm soát bao gồm một trạm kiểm soát chính (MSC), một trạm kiểm soát luân phiên, 4 anten mặt đất riêng biệt, 6 trạm giám sát riêng biệt.
Phần người sử dụng đáp ứng nhu cầu sử dụng cho các mục đích quân sự và dân sự, thương mại và nghiên cứu khoa học. Về vơ bản thiết bị thu GPS bao gồm một anten, điều chỉnh tới tần số phát của vệ tinh, bộ vi xử lý tín hiệu thu, và đồng hồ với độ ổn định cao.

Tín hiệu GPS
Các vệ tinh GPS phát tín hiệu vô tuyến công xuất thấp trên nhiều tần số. L1 và L2 là hai tần số sóng mang cơ sở, chứa tín hiệu dẫn đường. Tần số L1 là 1575.42 MHz trong dải UHF, trong khi tần số L2 là 1227.6 MHz. Các tín hiệu truyền theo tầm nhìn thẳng. Tín hiệu L1 chứa 2 loại mã giả ngẫu: mã P và mã C/A.

Một thiết bị thu có thể nhận dạng tín hiệu bởi mỗi vệ tinh GPS phát một đoạn mã riêng biệt. Mã P có thể được xáo trộn để tránh trường hợp truy cập trái phép (anti spoofing), nó còn được gọi là mã P(Y) hay mã Y. Một tín hiệu GPS chứa một đoạn mã giả ngẫu (pseudorandom code), dữ liệu thiên văn (ephemeris data) và dữ liệu niên lịch (almanac data). Đoạn mã đầu tiên sẽ giúp xác định được vệ tinh đang truyền thông tin. Dữ liệu thiên văn chứa thông tin về tình trạng của vệ tinh, dữ liệu hiện thời và thời gian. Dữ liệu niên lịch sẽ thông báo cho thiết bị thu vị trí của mỗi vệ tinh GPS tại bất kỳ thời điểm nào trong ngày.

Ba vệ tinh được sử dụng để xác định vị trí của đối tượng, và vệ tinh thứ tư (trong tầm nhìn thẳng) được dùng để tính toán thời gian. Càng nhiều vệ tinh quan sát thì việc xác định vị trí càng chính xác.

Xác định vị trí:

Việc tính toán vị trí trên trái đất dựa vào độ chính xác của việc đo lường khoảng cách từ thiết bị thu tới 4 vệ tinh GPS này.

Đầu tiên, nếu ví dụ khoảng cách từ một vệ tinh GPS đến thiết bị thu đo được là 18.000 km, thì vị trí có thể của thiết bị thu nằm ở đâu đó trên bề mặt của một hình cầu với bán kính là 18.000 km.

Nếu vị dụ khoảng cách từ thiết bị thu tới vệ tinh thứ hai là 20.000 km, vị trí có thể của thiết bị thu GPS là vùng giao nhau của hình cầu thứ nhất và hình cầu thứ hai với bán kính 20.000 km. Hai hình cầu này cắt nhau và điểm chung của chúng chỉ là một đường tròn.

Nếu khoảng cách đo được tới vệ tinh thứ ba là 15.000 km, khi đó hình cầu bán kính 15.000 km sẽ cắt đường tròn kia tại hai điểm, và một trong hai điểm này là vị trí chính xác của thiết bị thu.

Mặc dù theo lý thuyết thì không cần thêm vệ tinh nào nữa (vì một trong 2 điểm kia không nằm trên bệ mặt trái đất) nhưng thực tế vẫn cần có một vệ tinh thứ tư để xác định chính xác vị trí của thiết bị thu, và càng nhiều vệ tinh cùng làm việc thì vị trí của thiết bị thu càng được đo đạc chính xác.

Xác định khoảng cách tới các vệ tinh

Khoảng cách từ thiết bị thu GPS đến mỗi vệ tinh dựa trên độ chính xác trong việc tính toán thời gian truyền tín hiệu từ mỗi vệ tinh tới thiết bị thu đó.

Khoảng cách = tốc độ x thời gian

trong đó tín hiệu vô tuyến truyền với vận tốc ánh sáng 3.10^8 m/s.

Thực tế, tín hiệu GPS truyền ở vận tốc ánh sáng có 2 vấn đề: thứ nhất là tời gian đo được là rất ngắn, nghĩa là nếu một vệ tinh nằm ngay trên đầu của thiết bị thu, tời gian truyền tín hiệu sẽ vào khoảng 0.06s. Thứ hai, để đo lường chính xác những khoảng thời gian này yêu cầu những đồng hồ thật chính xác (mỗi vệ tinh được trang bị hai đồng hồ hạt nhân nhưng nó sẽ là rất tốn kém nếu nó được sử dụng trên mỗi thiết bị thu cầm tay)

Để tránh được những vấn đề này, mỗi vệ tinh GPS sẽ phát một đoạn mã giả ngẫu riêng biệt của mình và hai đoạn thông tin: GPS Almanac – là file dữ liệu chứa thông tin quỹ đạo của tất cả các vệ tinh, hiệu chỉnh đồng hồ, và các thông số trễ của khí quyển. Ephemeris – chứa dự báo cho vị trí hiện thời của vệ tinh.