HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

Hệ thống định vị toàn cầu là gì?

Trong xã hội hiện nay, chúng ta đã quá quen với khái niệm định vị toàn cầu. Dễ dàng hình dung nhất từ quy mô công nghiệp với các hệ thống giao thông vận tải đường thủy, hang không, đường bộ….đến các hệ thống dân dụng nhỏ nhất như một chiếc điện thoại, máy tính….. đều có thể xác định chính xác tọa độ của người đang sử dụng nó.

Từ thời cổ xưa, người ta dùng nhiều phương pháp định vị khác nhau như dựa vào bản đồ, la bàn, các mốc trên thực địa như sông, núi…..các mốc thiên văn: mặt trăng, mặt trời, các chòm sao, các dụng cụ tính toán như kính lục phân, máy kinh vĩ, con quay hồi chuyển….tóm lại rất lằng con bà nhằng và không phải ai cũng làm được.

Ngày nay, với đà phát triển của KHCN, với sự phủ song dày đặc của các vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất nên chỉ cần cái điện thoại bé tí cũng định vị được vị trí của người sử dụng nó trên toàn cầu. Đó là dựa vào hệ thống định vị vệ tinh  GNSS. Vậy  GNSS là gì?

GNSS là tên viết tắt của Global Navigation Satellite System – hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu. Hiểu một cách đơn giản thì nó gồm tập hợp tất cả các vệ tinh nhân tạo trên quỹ đạo ngoài Trái Đất. Các vệ tinh này sẽ di chuyển liên tục xung quanh địa cầu. Chúng sẽ xác định vị trí của các đối tượng trên mặt đất và định vị chính xác theo tọa độ.

Lưu ý:  chúng ta thường hay nghe nói định vị toàn cầu GPS. Thực tế GPS chỉ là một trong những hệ thống định toàn cầu GNSS mà thôi.

Cơ cấu của một hệ thống GNSS

Một hệ thống GNSS gồm 3 thành phần cơ bản:

• Phần không gian: Là các vệ tinh bay trên quỹ đạo ngoài Trái Đất. Các vệ tinh này hoạt động bằng năng lượng Mặt Trời và có tuổi thọ khoảng >10 năm.

Ngoài ra trên vệ tinh còn có dự trữ năng lượng cho các tên lửa đẩy nhỏ gắn xung quanh vệ tinh để thực hiện điều chỉnh quỹ đạo bay của vệ tinh được chính xác. Thực tế tuổi thọ của vệ tinh phụ thuộc lớn vào nguồn năng lượng dự trữ này. Khi hết nguồn năng lượng này, vệ tinh sẽ không thể điều khiển được nữa và được coi như hết vòng đời hoạt động của vệ tinh.

• Phần điều khiển: Gồm các trạm quan sát trung tâm và trạm con, có nhiệm vụ phân tích các dữ liệu của vệ tinh, điều khiển vệ tinh đúng quy đạo mong muốn, hiệu chỉnh, đồng bộ các thông số cho vệ tinh đảm bảo hoạt động chính xác.
• Phần người sử dụng: Thiết bị thu vệ tinh là khu vực có phủ sóng vệ tinh. Để có thể sử dụng được các dữ liệu từ GNSS, người dùng cần 1 máy thu GNSS và các phần mềm xử lý dữ liệu nhận được để tính toán ra tọa độ của người dùng.

Hệ thống GNSS hoạt động như thế nào?

Nguyên lý hoạt động của hệ thống GNSS khá phức tạp về mặt kỹ thuật, nhưng lại rất dễ dàng giải thích ở mức tổng quát, dễ hiểu hơn:

Đầu tiên, các vệ tinh được phóng lên quỹ đạo, bay vòng quanh trái đất với thời gian bay là xác đinh trước. Thời gian bay vòng quanh trái đất của mỗi loại vệ tinh khác nhau phụ thuộc vào độ cao của quỹ đạo vệ tinh. Phần lớn quy đạo bay của các vệ tinh định vị là quỹ đạo gần tròn xung quanh trái đất.

Các vệ tinh này được vận hành, theo dõi bởi các trạm điều khiển mặt đất. Các trạm điều khiển này sẽ gửi tín hiệu về thời gian, vị trí một cách chính xác cho vệ tinh.

Các vệ tinh này nhận tín hiệu từ các trạm điều khiển mặt đất và sẽ biết được chính xác vị trí của chúng.

Khi đã biết được vị trí chính xác của mình, các vệ tinh sẽ gửi các tín hiệu xuống trái đất cho các máy thu GNSS.

Máy thu GNSS sẽ nhận tín hiệu, tính toán được chính xác vị trí của mình khi nhận được tín hiệu của ít nhất 3 vệ tinh.

Ví dụ với hệ thống GPS

Diễn giải nôm na cho dễ hiểu như sau:

Mỗi quả vệ tinh đều có mã riêng (tên riêng) và luôn luôn biết mình là ai? Mình đang ở đâu? Vào giờ nào? Các thông tin này luôn được các trạm điều khiển trên mặt đất cập nhật và hiệu chỉnh cho vệ tinh.

Khi bay trên trời, vệ tinh luôn phát sóng xuống mặt đất các thông tin này – như cái loa phường

Các chú bên dưới cần định vị thì sẽ dỏng tai lên nghe các thông tin từ vệ tinh phát xuống – ít nhất phải hóng thông tin từ 3 chú vệ tinh loanh quanh đấy, được nhiều hơn thì các tốt.

Sau đó các chú dưới đất chổng mông lên “thước kẻ, com pa….” tính toán dựa theo các thông tin nghe được, đối chiếu với cái đồng hồ, bản đồ của mình – vì thời gian tín hiệu phát tự vệ tinh đến tai các chú hóng có độ trể nhất định do khoảng các truyền khác nhau – từ đó ra được kết quả là biết được mình đang ở đâu.

Vậy những điều gì ảnh hưởng đến độ chính xác khi tiến hành định vị?

• Tín hiệu phải tốt, tức là nghe được rõ ràng, gặp thằng nói ngọng hay loa rè là bỏ mọe . Hoặc tín hiệu bị che khuất, bị dội do địa hình địa vật cũng gây ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị.
• Nghe được càng nhiều thằng nói càng tốt, tối thiểu 3 thằng.
• Thằng đang gào trên trời kia khi phát thông tin nó phát chính xác đến bao nhiêu sô thập phân nữa chứ. Ví dụ nếu phát miễn phí nó chỉ nói đến 2 chữ số thập phân, nếu có xiền nó phát đến 10 chữ số thập phân chẳng hạn…..tóm lại thằng có tiền sẽ định vị chính xác hơn thằng không tiền. Thằng quân sự sẽ chính xác hơn thằng dân sự.
• Lưu ý thêm là thông tin định vị là thông tin 1 chiều, tức là chỉ có thằng trên giời phát xuống, thằng dưới đất chỉ nghe thôi – trừ trạm điều khiển vệ tinh – vì vậy thằng trên giời nó đíu biết thằng dưới đất đang ở đâu cả.

Việc theo dõi thằng dưới đất là do những hệ thống khác, có thể là độc lập hoặc nhà thiết kế chơi “ăn gian” nhét thêm vào thằng trên giời thôi.

Một số ứng dụng của GNSS

Ngày nay, GNSS đã được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày. Có thể kể đến những ứng dụng tuyệt vời từ hệ thống định vị GNSS như sau:

• Hệ thống dẫn đường tự động cho máy bay.
• Hệ thống dẫn đường ô tô.
• Ứng dụng trong ngành đo đạc bản đồ, tuyệt đối chính xác mà không phụ thuộc vào các yếu tố thời tiết, khoảng cách, địa hình.
• Công tác hàng hải, cứu hộ biển.
• Kiểm lâm, cứu nạn……

Các hệ thống định vị toàn cầu GNSS trên thế giới

Hiện nay, hệ thống định vị ngoài công trình của Hoa Kỳ thì còn rất nhiều quốc gia khác cũng sở hữu công nghệ hiện đại này:

• Hệ thống định vị vệ tinh Glonass của Nga.
• Hệ thống định vị vệ tinh Galileo của châu Âu.
• Hệ thống định vị vệ tinh Beidou của Trung Quốc.
• Hệ thống định vị vệ tinh GPS của Hoa Kỳ

Bên cạnh đó, còn có một số hệ thống vệ tinh địa tĩnh, và các hệ thống vệ tinh địa phương để làm nhiệm vụ hiệu chỉnh tín hiệu, làm tăng độ chính xác cho các kết quả định vị như:

• Hệ thống định vị vệ tinh IRNSS của Ấn Độ. Hệ thống đinh vị tại Ấn Độ và các vùng lân cận
• Hệ thống định vị QZSS của Nhật Bản. Hệ thống định vị tại Châu Á - Châu Đại Dương
• …………………………..