Hệ thống định vị toàn cầu GPS


Khái niệm về vệ tinh nhân tạo và hệ thống GPS:
Vệ tinh nhân tạo ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Các ứng dụng chủ yếu của vệ tinh nhân tạo bao gồm:
+) Thăm dò khí tượng, nghiên cứu khoa học
+) Thông tin liên lạc
+) Các mục đích quân sự
+) Xác định vị trí tàu, vị trí máy thu trên mặt đất.
……..
Vệ tinh nhân tạo là một thiên thể, nó chuyển động trên quĩ đạo quanh Trái đất theo 1 chu kỳ nhất định và tuân theo các định luật Kêple. Độ cao của qũi đạo sẽ quyết định tốc độ vệ tinh và chu kỳ của quĩ đạo.
Có thể phân loại vệ tinh nhân tạo theo một số phương pháp như sau:
+) Theo góc nghiêng của mặt phẳng quĩ đạo đối với mặt phẳng xích đạo của Trái đất (i). Nếu i = 0o, ta có quĩ đạo xích đạo
Nếu i = 90o, ta có quĩ đạo cực
Nếu 0o < i < 90o, ta có quĩ đạo nghiêng
Trong hệ thống GPS, góc i ~ 55o.
+) Theo độ cao của quĩ đạo so với bề mặt Trái đất (h)
Nếu h < 5000 km: ta gọi là vệ tinh bay thấp
Nếu h > 5000 km: ta gọi là vệ tinh bay cao
Nếu độ cao càng thấp thì chu kỳ bay quanh quĩ đạo của vệ tinh càng nhỏ
Trong hệ GPS, h = 20200 km
Nếu vệ tinh có độ cao 35780 km thì chu kỳ của vệ tinh là 1 ngày sao 23h56m4s và vùng nhìn thấy của vệ tinh trên bề mặt Trái đất là 162o. Nếu vệ tinh đó có quĩ đạo xích đạo thì người quan sát trên bề mặt Trái đất sẽ nhìn thấy vệ tinh này gần như là cố định tại một vị trí trên bầu trời với độ cao và phương vị không đổi. Vệ tinh này gọi là vệ tinh địa tĩnh (geo-stationary satellite) thường dùng trong thông tin liên lạc. Nếu mặt phẳng quĩ đạo của vệ tinh này lệch với mặt phẳng xích đạo một góc nhỏ thì người quan sát trên trái đất sẽ nhìn thấy vệ tinh này vẽ thành một hình số 8, một hình parabol… Các vệ tinh này (8-orbit satellite) cũng được sử dụng để định vị trong một phạm vi hẹp trên bề mặt Trái đất.
Nếu vệ tinh có độ cao khoảng 1100 km thì chu kỳ của nó là 103 mi, tốc độ 7,3 km/s, vùng nhìn thấy khoảng 60o. Vệ tinh này gọi là vệ tinh chuyển dịch nhanh, sử dụng trong hệ thống hàng hải vệ tinh cũ Transit (NNSS)
Hệ GPS sử dụng các vệ tinh bay cao có h = 20200 km. Chiều cao này được lựa chọn sao cho vệ tinh có chu kỳ bằng 1/2 ngày sao (11h57m57,26s). Tốc độ vệ tinh khoảng 3,9 km/s. Do bay cao nên vệ tinh ít bị ảnh hưởng của lớp vật chất gần Trái đất.
Để xác định vị trí tàu bằng vệ tinh có các phương pháp sau:
+) Phương pháp đo độ cao và phương vị vệ tinh tương tự như trong thiên văn. Phương pháp này hiện không sử dụng.
+) Phương pháp đo độ dịch tần số Doppler, từ đó suy ra hiệu khoảng cách từ tàu đến hai vị trí nhất định của 1 vệ tinh. Phương pháp này sử dụng trong hệ thống Transit cũ.
+) Phương pháp đo khoảng cách tới vệ tinh, hiện đang sử dụng trong hệ thống GPS.
Trong các hệ thống hàng hải vệ tinh, vấn đề chính là phải luôn xác định được chính xác toạ độ của vệ tinh trong không gian 3 chiều tại bất kỳ thời điểm nào. Công việc này do các máy tính đảm nhiệm. Ngoài ra còn các yêu cầu về độ ổn định và đo thời gian chính xác.
Hệ thống GPS là hệ thống xác định vị trí tàu bằng cách đo khoảng cách từ tàu đến vệ tinh. Đo thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu, nhân với tốc độ truyền sóng được khoảng cách và được 1 vòng tròn vị trí I. Kết hợp với vệ tinh thứ 2 cho ta vòng tròn vị trí II. 2 vòng này giao nhau trên bề mặt Trái đất cho ta vị trí tàu P.
Để thực hiện việc đo khoảng cách được chính xác cần giải quyết được các vấn đề sau:
+) Xác định được mối quan hệ giữa đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh, cụ thể là phải xác định được sai số của đồng hồ máy thu so với đồng hồ vệ tinh. Giả sử nếu hai đồng hồ sai khác nhau 1 micrô giây thì khoảng cách đo được đã chịu sai số là 300 mét.
+) Đo thời gian truyền sóng với độ chính xác cao. Máy thu phải sử dụng phương pháp đặc biệt để đo thời gian truyền sóng

Advertisements
%d bloggers like this: