1.1.C U TRÚC VÀ NGUYÊN LÍ HO T Đ NG C A H TH NG GPSẤ Ạ Ộ Ủ Ệ Ố
1.1.1.Các hệ th ngố đ nh v v tinhị ị ệ
1.M t s h th ngộ ố ệ ố đ nh v v tinh ị ị ệ khu v cự
+ H th ng NAVSATệ ố
Đây là m t h th ng đ nh v v tinh khu v c đ c xây d ng đ đáp ng các nhu c uộ ệ ố ị ị ệ ự ượ ự ể ứ ầ
đ nh v Châu Âu. H th ng này s d ng k t h p các v tinh đ a tĩnh và các v tinh bay quĩị ị ở ệ ố ử ụ ế ợ ệ ị ệ ở
đ o cao nên còn đ c g i là GEO_HEO mix. Đây là h th ng đ nh v thu n túy mang tính dânạ ượ ọ ệ ố ị ị ầ
s ph c v cho đa qu c gia, đa m c đích nh đ o hàng ( d n đ ng), liên l c vi n thông,ự ụ ụ ố ụ ư ạ ẫ ườ ạ ễ
đ nh v v trí …ị ị ị
+ H th ng OMNITRACSệ ố
Đây là h th ng đ nh v c p khu v c đáp ng nhu c u đ nh v ch y u n c M . Hệ ố ị ị ấ ự ứ ầ ị ị ủ ế ở ướ ỹ ệ
th ng này s d ng các v tinh đ a tĩnh bay đ cao 36.000 km. Nó ch cho phép đ nh v 2ố ử ụ ệ ị ở ộ ỉ ị ị
chi u v i đ chính xác đ nh v đ t c 500m.ề ớ ộ ị ị ạ ỡ
+ H th ng STAR-FIXệ ố
Đây là h th ng đ nh v v tinh khu v c ph c v cho các nhu c u đ nh v Châu M .ệ ố ị ị ệ ự ụ ụ ầ ị ị ở ỹ
H th ng này g m các v tinh đ a tĩnh có quĩ đ o bay n m trong cùng m t ph ng xích đ oệ ố ồ ệ ị ạ ằ ặ ẳ ạ
trái đ t và các tr m quan sát, x lý thông tin t m t đ t.ấ ạ ử ừ ặ ấ
Nguyên t c làm vi c c a h th ng này v c b n gi ng h th ng đ nh v toàn c uắ ệ ủ ệ ố ề ơ ả ố ệ ố ị ị ầ
GPS mà chúng ta s nghiên c u ph n sau.ẽ ứ ở ầ
2.Các h th ng đ nh v ệ ố ị ị toàn c uầ
+ H th ng TRANSITệ ố
Đây là h th ng đ o hàng v tinh trên bi n đ c M đ a vào s d ng t kho ng th p niênệ ố ạ ệ ể ượ ỹ ư ử ụ ừ ả ậ
60. Nó còn có tên là NNSS ( Naval Navigation Satelite System). H th ng ho t đ ng d a theoệ ố ạ ộ ự
nguyên lý Doppler, g m 6 v tinh bay đ cao c 1075 km trên các qu đ o g n nh trò cáchồ ệ ở ộ ỡ ỹ ạ ầ ư
đ u nhau và có góc nghiêng so v i m t ph ng xích đ o Trái đ t x p x 90ề ớ ặ ẳ ạ ấ ấ ỉ o. Tùy thu c vào vộ ị
trí đ a lý c a đi m quan sát, v tinh xu t hi n liên ti p trên b u tr i t 35 đ n 100 phút. Đi uị ủ ể ệ ấ ệ ế ầ ờ ừ ế ề
này có nghĩa là c sau h n m t n a gi đ ng h m i có th l i quan sát v tinh đ đ nh v .ứ ơ ộ ử ờ ồ ồ ớ ể ạ ệ ể ị ị
Đ chính xác đ nh v v i m i l n v tinh bay qua ch đ t c vài ba ch c mét. Đ nâng độ ị ị ớ ỗ ầ ệ ỉ ạ ỡ ụ ể ộ
chính xác c n tăng s l n quan sát v tinh đi qua. Đây cũng chính là nh c đi m c a h th ngầ ố ầ ệ ượ ể ủ ệ ố
TRANSIT trong nhu c u đ nh v nhanh v i đ chính xác cao.ầ ị ị ớ ộ
H th ng TRANSIT có th i gian s d ng kho ng 25 năm, h th ng này đã k t thúc s d ngệ ố ờ ử ụ ả ệ ố ế ử ụ
vào cu i năm 1996.ố
+ H th ng đ nh v toàn c u GPSệ ố ị ị ầ
H th ng này có tên g i đúng là NAVSTAR GPSệ ố ọ (Navigation Satelite Timing and Ranging
Global Positioning System). Nhi m v ch y u c a h th ng là xác đ nh t a đ khôngệ ụ ủ ế ủ ệ ố ị ọ ộ
gian và t c đ chuy n đ ng c a đi m xét trên tàu vũ tr , máy bay, tàu th y và trên đ tố ộ ể ộ ủ ể ụ ủ ấ
li n. Tr c năm 1980 h th ng GPS ch ề ướ ệ ố ỉ ph c v cho m c đích quân s , do B qu cụ ụ ụ ự ộ ố
phòng M qu n lý. T năm 1980 chính ph M cho phép s d ng trong dân s . T đóỹ ả ừ ủ ỹ ử ụ ự ừ
các ng d ng c a GPS vào nhi u lĩnh v c khác nhau và ngày càng đ c nghiên c u vàứ ụ ủ ề ự ượ ứ
phát tri n r ng rãi.ể ộ
H th ng này g m 21 v tinh ho t đ ng và 3 v tinh d tr . Các v tinh bay trên 6 qu đ oệ ố ồ ệ ạ ộ ệ ự ữ ệ ỹ ạ
g n nh tròn đ cao c 20.000 km v i chu kỳ x p x 12h. V i cách b trí này thì su t 24 giầ ư ở ộ ỡ ớ ấ ỉ ớ ố ố ờ
t i b t kỳ đi m nào trên Trái đ t cũng có th quan sát ít nh t 4 v tinh. Các v tinh đ u tiênạ ấ ể ấ ể ấ ệ ệ ầ
c a h th ng này đ c phóng lên qu đ o vào tháng 2 năm 1978. Toàn b h th ng đu c vàoủ ệ ố ượ ỹ ạ ộ ệ ố ợ
ho t đ ng hoàn ch nh t tháng 5 năm 1994. Chi phí cho vi c thi t l p h th ng này c kho ngạ ộ ỉ ừ ệ ế ậ ệ ố ỡ ả
12 t đôla M .ỉ ỹ
+ H th ng GLONASSệ ố
Song hành v i h th ng NAVSTAR GPS, m t h th ng đ nh v toàn c u t ng t mang tênớ ệ ố ộ ệ ố ị ị ầ ươ ự
GLONASS (Global Navigation Satelite System ) do Liên Xô ch t o cũng đ c đ a vào sế ạ ượ ư ử
d ng t năm 1982. H th ng này cũngg m 24 v tinh nh ng quay trên 3 m t ph ng qu đ oụ ừ ệ ố ồ ệ ư ặ ẳ ỹ ạ
đ cao t 18.840 km đ n 19.940 km. Trên m i qu đ o các v tinh có đ giãn cách là 45ở ộ ừ ế ỗ ỹ ạ ệ ộ o,
chu kỳ quay c 676 phút.ỡ
V i đúng nghĩa là h th ng đ nh v toàn c u GPS, c NAVSTAR và GLONASS cùng cho phépớ ệ ố ị ị ầ ả
th c hi n đ nh v cho b t kỳ đi m xét nào, vào b t kỳ th i đi m nào trong ngày và v i b t kỳự ệ ị ị ấ ể ấ ờ ể ớ ấ
đi u ki n th i ti t nào. Đã có nh ng d án ph i h p khai thác 2 h th ng này đ nâng caoề ệ ờ ế ữ ự ố ợ ệ ố ể
hi u qu đ nh v nói chung trên ph m vi toàn c u. Hi n nay đã có nh ng hãng ch t o máyệ ả ị ị ạ ầ ệ ữ ế ạ
thu có th thu đ ng th i c tín hi u v tinh NAVSTAR và GLONASS .ể ồ ờ ả ệ ệ
Sau đây ch y u s trình bày v h th ng NAVSTAR GPS mà chúng ta g i t t là h th ngủ ế ẽ ề ệ ố ọ ắ ệ ố
GPS.
1.1.2.C u trúc và nguyên lí ho tấ ạ đ ng c a h th ng GPSộ ủ ệ ố
H th ng đ nh v toàn c u GPS bao g m 3 b ph n c u thành, đó là đo n không gian (spaceệ ố ị ị ầ ồ ộ ậ ấ ạ
segment), đo n đi u khi n (control segment), đo n s d ng ( user segment). Chúng ta s l nạ ề ể ạ ử ụ ẽ ầ
l t tìm hi u c th v t ng b ph n c u thành c a h th ng và ch c năng c a chúng.ượ ể ụ ể ề ừ ộ ậ ấ ủ ệ ố ứ ủ
1. Đo n không gianạ
Đo n này g m 24 v tinh, trong đó có 3 v tinh d tr , quay trên 6 m t ph ng qu đ o cáchạ ồ ệ ệ ự ữ ặ ẳ ỹ ạ
đ u nhau và có góc nghiêng 55ềo so v i m t ph ng xích đ o c a trái đ t. Qu đ o c a v tinhớ ặ ẳ ạ ủ ấ ỹ ạ ủ ệ
g n nh tròn, v tinh bay đ cao x p x 20.000 km so v i m t đ t.ầ ư ệ ở ộ ấ ỉ ớ ặ ấ
M i v tinh đ c trang b máy phát t n s nguyên t chính xác cao c 10ỗ ệ ượ ị ầ ố ử ỡ -12. Máy phát này t oạ
ra các tín hi u t n s c s 10,23 MHz, và t đây t o ra các sóng t i t n s L1 = 1575,42ệ ầ ố ơ ở ừ ạ ả ầ ố
MHz và L2 = 1227,60 MHz. Ng i ta s d ng hai t n s t i đ gi m nh h ng c a t ngườ ử ụ ầ ố ả ể ả ả ưở ủ ầ
đi n ly mà ta s có d p đ c p ph n d i.ệ ẽ ị ề ậ ở ầ ướ
Các sóng t i đ c đi u bi n b i 2 lo i code khác nhau: C/A-code và P-code.ả ượ ề ế ở ạ
C/A code là code thô / thâu tóm (Coarse / Acquisition). Nó đ c s d ng cho các m c đích dânượ ử ụ ụ
s và ch đi u bi n sóng t i L1. Code này đ c t o b i m t chu i các s 0 và 1 đ c s p x pự ỉ ề ế ả ượ ạ ở ộ ỗ ố ượ ắ ế
theo quy lu t t a ng u nhiên v i t n s 1,023 MHz t c ch b ng 1/10 t n s c s , và đ cậ ự ẫ ớ ầ ố ứ ỉ ằ ầ ố ơ ở ượ
l p l i sau m i miligiây. M i v tinh đ c g n m t C/A – code riêng bi t.ặ ạ ỗ ỗ ệ ượ ắ ộ ệ
P-code là code chính xác (Precise). Nó đ c s d ng cho các m c đích quân s , t c là đ đápượ ử ụ ụ ự ứ ể
ng yêu c u đ chính xác cao, và đi u bi n c 2 sóng t i L1 và L2. Code này đ c t o b iứ ầ ộ ề ế ả ả ượ ạ ở
nhi u ch s 0 và 1 đ c s p x p theo qui lu t t a ng u nhiên v i t n s 10,23 MHz; đ dàiề ữ ố ượ ắ ế ậ ự ẫ ớ ầ ố ộ
toàn ph n c a code là 267 ngày, nghĩa là ch sau 267 ngày P-code m i l p l i. Tuy v y ng iầ ủ ỉ ớ ặ ạ ậ ườ
ta chia code này thành các đo n có đ dài 7 ngày và gán cho m i v tinh m t trong các đo nạ ộ ỗ ệ ộ ạ
code nh th , c sau m t tu n l i thay đ i. B ng cách này P-code r t khó b gi i mã đ sư ế ứ ộ ầ ạ ổ ằ ấ ị ả ể ử
d ng n u không đ c phép.ụ ế ượ
C hai sóng t i L1 và L2 còn đ c đi u bi n b i các thông tin đ o hàng bao g m ephemeritả ả ượ ề ế ở ạ ồ
c a v tinh, th i gian c a h th ng, s hi u ch nh cho đ ng h v tinh, quang c nh phân bủ ệ ờ ủ ệ ố ố ệ ỉ ồ ồ ệ ả ố
v tinh trên b u tr i và tình tr ng c a h th ng.ệ ầ ờ ạ ủ ệ ố
S đ liên h gi a các sóng t i và các code đi u bi n đ c cho trong b ng d i đây:ơ ồ ệ ữ ả ề ế ượ ả ướ
L1 = 1575,42 MHz
C/A-code
1,023MHz
P-code
10,23MHz
Thông tin đ o hàngạ
L1 = 1227,60 MHz
P-code
10,23MHz
và thông tin đ o hàngạ
Ngoài hai sóng t i L1 và L2 ph c v m c đích đ nh v cho ng i s d ng (khách hàng), cácả ụ ụ ụ ị ị ườ ử ụ
v tinh còn s d ng hai sóng t n s 1783,74 Mhz và 2227,5 Mhzệ ử ụ ầ ố đ trao đ i thông tin v i cácể ổ ớ
tr m đi u khi n trên m t đ t s đ c nói đ n ph n sau.ạ ề ể ặ ấ ẽ ượ ế ở ầ
M i v tinh có tr ng l ng 1830 kg khi phóng và 930 kg khi bay trên quĩ đ o. Các máy mócỗ ệ ọ ượ ạ
thi t b trên v tinh ho t đ ng nh năng l ng do các t m pin m t tr i v i s i cánh dài 580ế ị ệ ạ ộ ờ ượ ấ ặ ờ ớ ả
cm cung c p. Tu i th c a v tinh theo thi t k là 7,5 năm; tuy nhiên nhi u v tinh b h ngấ ổ ọ ủ ệ ế ế ề ệ ị ỏ
hóc khá nhanh và l n l t đ c thay th .ầ ượ ượ ế
2. Đo n đi u khi nạ ề ể
Đo n này g m 4 tr m quan sát trên m t đ t trong đó có m t tr m đi u khi n trung tâm đ tạ ồ ạ ặ ấ ộ ạ ề ể ặ
t i Colorado Spring và 4 tr m theo dõi đ t t i Hawai ( Thái Bình D ng) , Ascensin Islandạ ạ ặ ạ ươ
(Đ i Tây D ng) Diego Garcia ( n Đ D ng) và Kwajalein (Tây Thái Bình D ng). Cácạ ươ Ấ ộ ươ ươ
tr m này t o thành m t vành đai bao quanh trái đ t.ạ ạ ộ ấ
Nhi m v c a đo n đi u khi n là đi u khi n toàn b ho t đ ng và ch c năng c a v tinhệ ụ ủ ạ ề ể ề ể ộ ạ ộ ứ ủ ệ
trên c s theo dõi chuy n đ ng qu đ o c a v tinh cũng nh ho t đ ng c a đ ng h trênơ ở ể ộ ỹ ạ ủ ệ ư ạ ộ ủ ồ ồ
đó.T t c các tr m đ u có máy thu GPS, và chúng ti n hành đo kho ng cách và s thay đ iấ ả ạ ề ế ả ự ổ
kho ng cách t i t t c các v tinh có th quan sát đ c, đ ng th i đo các s li u khí t ng.ả ớ ấ ả ệ ể ượ ồ ờ ố ệ ượ
T t c các s li u đo nh n đ c m i tr m đ u đ c truy n v tr m trung tâm. Tr m trungấ ả ố ệ ậ ượ ở ỗ ạ ề ượ ề ề ạ ạ
tâm x lý các s li u đ c truy n t các tr m theo dõi v cùng v i các s li u đo c a chínhử ố ệ ượ ề ừ ạ ề ớ ố ệ ủ
nó. K t qu x lý cho ra các ephemerit chính xác hóa c a v tinh và s hi u ch nh cho cácế ả ử ủ ệ ố ệ ỉ
đ ng h trên v tinh. T tr m trung tâm các s li u này đ c truy n tr l i cho các tr m theoồ ồ ệ ừ ạ ố ệ ượ ề ở ạ ạ
dõi đ t đó truy n ti p lên cho các v tinh cùng các l nh đi u khi n khác. Nh v y là cácể ừ ề ế ệ ệ ề ể ư ậ
thông tin đ o hàng và thông tin th i gian trên v tinh đ c th ng xuyên chính xác hóa vàạ ờ ệ ượ ườ
chúng s đ c cung c p cho ng i s d ng thông qua các sóng t i L1 và L2. Vi c chính xácẽ ượ ấ ườ ử ụ ả ệ
hóa các thông tin nh th đ c th c hi n 3 l n trong m t ngày. Các thông tin cung c p đ i tràư ế ượ ự ệ ầ ộ ấ ạ
cho khách hàng ch đ m b o đ chính xác đ nh v 10m, còn thông tin đ m b o đ chính xácỉ ả ả ộ ị ị ả ả ộ
đ nh v đ n 1m ch có đ c khi có s th a thu n v i nhà cung c p.ị ị ế ỉ ượ ự ỏ ậ ớ ấ
3. Đo n s d ngạ ử ụ
Đo n s d ng bao g m t t c các máy móc, thi t b thu nh n thông tin t v tinh đ khai thácạ ử ụ ồ ấ ả ế ị ậ ừ ệ ể
s d ng cho các m c đích và yêu c u khác nhau c a khách hàng k c trên tr i, trên bi n vàử ụ ụ ầ ủ ể ả ờ ể
trên đ t li n. Đó có th là m t máy thu riêng bi t ho t đ ng đ c l p (tr ng h p đ nh vấ ề ể ộ ệ ạ ộ ộ ậ ườ ợ ị ị
tuy t đ i) hay m t nhóm g m t 2 máy thu tr lên ho t đ ng đ ng th i theo m t l ch trìnhệ ố ộ ồ ừ ở ạ ộ ồ ờ ộ ị
th i gian nh t đ nh ( tr ng h p đ nh v t ng đ i) ho c ho t đ ng theo ch đ m t máy thuờ ấ ị ườ ợ ị ị ươ ố ặ ạ ộ ế ộ ộ
đóng vai trò máy ch phát tín hi u vô tuy n hi u ch nh cho các máy thu khác ( tr ng h pủ ệ ế ệ ỉ ườ ợ
đ nh v vi phân) . Đó còn là c m t h th ng d ch v đ o hàng GPS đa năng trên ph m vi toànị ị ả ộ ệ ố ị ụ ạ ạ
c u ho c t ng khu v c đang đu c thi t l p m t s n c phát tri n.ầ ặ ở ừ ự ợ ế ậ ở ộ ố ướ ể