Cảm biến di động: Vị trí GPS

Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS)

Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) là một hệ thống định vị được phát triển bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ cho mục đích quân sự. Nó cung cấp các ước tính chính xác về vị trí, vận tốc và thời gian bằng cách sử dụng một mạng máy tính và một chòm sao gồm 24 vệ tinh để xác định độ cao, kinh độ và vĩ độ của bất kỳ đối tượng nào trên bề mặt Trái đất thông qua phương pháp tam giác. Hệ thống này đã hoạt động từ năm 1995.

Sử dụng GPS trong dân sự

Trong lĩnh vực dân sự, vì lý do an ninh, chỉ một tập hợp con suy giảm của tín hiệu GPS được phép sử dụng. Tuy nhiên, cộng đồng dân sự đã tìm ra các giải pháp thay thế để đạt được độ chính xác định vị tuyệt vời thông qua các kỹ thuật vi sai. Những kỹ thuật này đã dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ trong các ứng dụng dân sự, và hiện tại có hơn 70 nhà sản xuất thiết bị thu GPS.

Nguyên tắc hoạt động

Mục đích của hệ thống GPS là tính toán vị trí của bất kỳ điểm nào trong không gian tọa độ (x,y,z), bắt đầu từ việc tính toán khoảng cách từ điểm đó đến tối thiểu ba vệ tinh có vị trí đã biết. Khoảng cách giữa người dùng (thiết bị thu GPS) và một vệ tinh được đo bằng cách nhân thời gian bay của tín hiệu phát ra từ vệ tinh với tốc độ lan truyền của nó.

Để xác định thời gian mà tín hiệu radio đã di chuyển, đồng hồ của vệ tinh và thiết bị thu phải được đặt cùng thời gian. Điều này là vì cả hai đều phải phát ra cùng một mã tại cùng một thời điểm. Nhưng trong khi đồng hồ trên vệ tinh rất chính xác, đồng hồ trên thiết bị thu là các bộ dao động thạch anh rẻ tiền không chính xác. Khoảng cách với lỗi do đồng bộ hóa được gọi là giả khoảng cách. Sự khác biệt trong đồng hồ của thiết bị thu là một ẩn số khác khiến cần phải sử dụng ít nhất bốn vệ tinh để xác định vị trí của thiết bị thu.

Tính toán Giả khoảng cách

Trong việc tính toán giả khoảng cách, cần lưu ý rằng tín hiệu GPS yếu và bị ngâm trong nhiễu nền vốn có của hành tinh trong dải tần radio. Nhiễu tự nhiên này bao gồm các xung ngẫu nhiên, dẫn đến việc tạo ra một mã giả ngẫu nhiên nhân tạo bởi các thiết bị thu GPS như một mẫu dao động. Tại mỗi thời điểm, một vệ tinh truyền tín hiệu với cùng mẫu như chuỗi giả ngẫu nhiên được tạo ra bởi thiết bị thu. Dựa trên sự đồng bộ này, thiết bị thu tính toán khoảng cách bằng cách di chuyển mã giả ngẫu nhiên của nó theo thời gian cho đến khi nó trùng khớp với mã nhận được; sự dịch chuyển này tương ứng với thời gian bay của tín hiệu. Quá trình này được thực hiện tự động, liên tục và ngay lập tức trong mỗi thiết bị thu.

Trạm mặt đất và Đồng hồ nguyên tử

Mặc dù tốc độ của các vệ tinh cao (4 km/s), vị trí tức thời của chúng có thể được ước tính với sai số dưới vài mét dựa trên dự đoán của các vị trí trước đó trong khoảng thời gian từ 24 đến 48 giờ. Các trạm mặt đất định kỳ kiểm tra đồng hồ nguyên tử của các vệ tinh, hai đồng hồ cesium và hai đồng hồ rubidium, gửi các thông tin quỹ đạo và các hiệu chỉnh của đồng hồ, vì độ chính xác của đồng hồ và sự ổn định của quỹ đạo của các vệ tinh là yếu tố then chốt trong hoạt động của hệ thống GPS.

Nguồn gốc của lỗi trong GPS

Có nhiều nguồn gốc lỗi có thể ảnh hưởng đến các đo lường GPS. Một số nguồn chính là:

• Nhiễu tầng điện ly: Tầng điện ly được tạo thành từ một lớp các hạt điện tích có thể ảnh hưởng đến tốc độ của các tín hiệu radio đi qua nó.

• Hiện tượng thời tiết: Hơi nước trong tầng đối lưu, lớp gần bề mặt Trái đất nhất, có thể làm chậm các tín hiệu điện từ và gây ra lỗi trong các đo lường GPS khó có thể sửa chữa.

• Sự không chính xác trong đồng hồ: Ngay cả với sự điều chỉnh và kiểm soát cẩn thận, cả đồng hồ nguyên tử của vệ tinh GPS và đồng hồ của thiết bị thu có thể cho thấy sự lệch nhẹ.

• Nhiễu điện không lường trước: Nhiễu điện có thể gây ra lỗi trong sự tương quan của các mã giả ngẫu nhiên hoặc trong tính toán quỹ đạo, dẫn đến sự không khớp lên đến một mét.

• Lỗi đa đường: Tín hiệu GPS có thể bị phản xạ từ các bề mặt trước khi đến thiết bị thu, dẫn đến lỗi trong khoảng cách đo được. Rất khó để giảm thiểu lỗi này vì nó phụ thuộc vào môi trường của ăng-ten GPS.

• Khả dụng chọn lọc (S/A): Quân đội cố ý đưa vào nguồn lỗi này, làm cho nó trở thành nguồn lỗi lớn nhất.

• Hình học của thiết bị thu-vệ tinh: Sự sắp xếp không gian của các vệ tinh nhìn thấy được sử dụng trong tính toán khoảng cách có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của các đo lường GPS. Các thiết bị thu tiên tiến có thể điều chỉnh lỗi đo khoảng cách.

Những nguồn lỗi này có thể được phân loại thành những lỗi phụ thuộc vào hình học của vệ tinh và những lỗi không phụ thuộc. Khả dụng chọn lọc và lỗi đồng hồ không bị ảnh hưởng bởi hình dạng của vệ tinh, nhưng các lỗi do trễ tầng điện ly và tầng đối lưu và lỗi đa đường bị ảnh hưởng rất nhiều bởi hình dạng của vệ tinh. Mỗi đo lường vị trí GPS có một giá trị gọi là ’độ không chắc chắn” dựa trên tất cả các nguồn lỗi khác nhau.

Ứng dụng của GPS

Ứng dụng của GPS có nhiều lĩnh vực sử dụng, bao gồm hệ thống hỗ trợ điều hướng, mô hình hóa không gian khí quyển và mặt đất, và đo lường thời gian chính xác cao. Dưới đây là một số ví dụ về hệ thống GPS được sử dụng trong các lĩnh vực dân sự:

• Nghiên cứu hiện tượng khí quyển: Tín hiệu GPS hữu ích trong việc phát triển các mô hình dự báo thời tiết bằng cách phân tích sự thay đổi tốc độ gây ra bởi hơi nước trong tầng đối lưu.

• Định vị và điều hướng trong các khu vực khắc nghiệt: GPS được sử dụng trong các cuộc thám hiểm nghiên cứu ở những khu vực khó tiếp cận hoặc không có điểm mốc. Điều này giúp mở rộng kiến thức về các vùng cực hoặc sa mạc.

• Mô hình địa chất và địa hình: GPS được các nhà địa chất sử dụng để nghiên cứu sự di chuyển của các mảng kiến tạo và dự đoán động đất. Nó cũng là một công cụ cơ bản trong địa hình học cho khảo sát đất đai và kiểm kê rừng và nông nghiệp.

• Kỹ thuật dân dụng: GPS được sử dụng để giám sát theo thời gian thực các biến dạng của các cấu trúc lớn chịu tải, chẳng hạn như các cấu trúc kim loại hoặc bê tông.

• Hệ thống báo động tự động: GPS được sử dụng trong các hệ thống báo động kết nối với các cảm biến giám sát việc vận chuyển hàng hóa ô nhiễm và dễ hỏng có nguy cơ cao. Báo động cho phép hỗ trợ nhanh chóng cho phương tiện.

• Đồng bộ hóa tín hiệu: Ngành công nghiệp điện sử dụng GPS để đồng bộ hóa đồng hồ của các trạm giám sát nhằm xác định các lỗi có thể xảy ra trong dịch vụ điện.

• Hướng dẫn cho người khuyết tật: Các hệ thống GPS đang được phát triển để giúp người khiếm thị điều hướng qua thành phố. Nó cũng đang được nghiên cứu để sử dụng trong du lịch nhằm tối ưu hóa các tuyến đường giữa các địa điểm khác nhau trên một hành trình.

• Điều hướng và kiểm soát đội xe: GPS được sử dụng để lập kế hoạch lộ trình và kiểm soát đội xe của các tổ chức như cảnh sát, dịch vụ khẩn cấp, trạm taxi, dịch vụ chuyển phát nhanh và công ty giao hàng.

• Hệ thống hàng không dân dụng: GPS được sử dụng trong hàng không dân dụng để hỗ trợ điều hướng và hoạt động hạ cánh. Tầm quan trọng của nó đã dẫn đến sự phát triển của các hệ thống nhằm cải thiện độ chính xác của GPS.

• Điều hướng phương tiện không có người lái: GPS được tích hợp trong các hệ thống DGPS để điều khiển chính xác trong các khu vực có lưu lượng giao thông cao, trong các phương tiện tự hành trên mặt đất, giám sát trong môi trường thù địch và vận chuyển hàng hóa.

Với độ chính xác cao của các đo lường GPS, đã có những tiến bộ quan trọng trong không gian ở quỹ đạo thấp. Các robot hiện có thể thực hiện các công việc nguy hiểm một cách tự động, như kiểm tra, sửa chữa và lắp ráp các vệ tinh nhân tạo.

Tương lai của GPS

Năm 1996, các quy định điều chỉnh hệ thống GPS đã xác định rằng khả dụng chọn lọc sẽ bị loại bỏ vào năm 2006 và một tần số nữa sẽ được tích hợp cho sử dụng dân sự. Điều này có nghĩa là trong vài năm tới, các vệ tinh GPS sẽ gửi mã dân sự trên cả hai tần số L2 và L1. Điều này sẽ tạo ra một sự dư thừa cho phép ước tính lỗi tầng điện ly và cung cấp độ chính xác ở chế độ tuyệt đối tương tự như những gì có thể đạt được với các kỹ thuật vi sai. Tín hiệu trên tần số L1 sẽ giữ nguyên, vì vậy các thiết bị thu hiện tại vẫn có thể hoạt động.

Phân đoạn điều khiển sẽ được cải thiện với việc khởi động một hệ thống điều khiển mới, hiện đang trong giai đoạn thiết kế, cho trạm chuyên gia. Điều này sẽ bao gồm lên đến tổng cộng hai mươi trạm giám sát, dẫn đến việc kiểm soát chính xác hơn về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh.

Tuy nhiên, các hệ thống điều hướng GPS, GLONASS và GPS/GLONASS hiện tại không thể đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt yêu cầu bởi một số ứng dụng dân sự, chẳng hạn như điều hướng hàng không. Thông báo lỗi cho người dùng về hoạt động của hệ thống có thể mất từ một giây, khi lỗi xảy ra ở vệ tinh, đến vài giờ, trong các trường hợp mà phân đoạn điều khiển phát hiện lỗi.

Để giải quyết những nhược điểm này, Châu Âu đang phát triển EGNOS (Dịch vụ Bổ sung Điều hướng Địa tĩnh Châu Âu), sẽ hoạt động vào năm 2003. Hệ thống này sẽ đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn cho điều hướng hàng không bằng cách cài đặt một mạng lưới gồm 34 ăng-ten thu cố định (RIMS) trên mặt đất để nhận tín hiệu GPS và giảm lỗi định vị. Những tín hiệu này sẽ được gửi đến một trung tâm điều khiển nơi thông tin vệ tinh sẽ được hiệu chỉnh, đo lường lỗi có thể xảy ra để sửa chữa nó, và gửi lại đến 10 trạm mặt đất. Ngoài ra, những tín hiệu này sẽ được gửi đến hai vệ tinh INMARSAT địa tĩnh mới nằm ở độ cao 35.000 km, sẽ hoạt động như các bộ lặp và gửi tín hiệu đến người dùng. Cả Mỹ (WAAS: Hệ thống Tăng cường Khu vực Rộng) và Nhật Bản (MTSAS: Hệ thống Tăng cường Dựa trên Vệ tinh MTSAT) đều đang làm việc trên các dịch vụ tương tự.

Châu Âu cũng sẽ phóng GNSS-1, viết tắt của “Hệ thống Định vị Vệ tinh Toàn cầu 1.” Hệ thống này sẽ kết hợp các dịch vụ của GPS, GLONASS, EGNOS, WAAS và MTSAS. Đây sẽ là bước đầu tiên hướng tới một hệ thống định vị châu Âu (GNSS-2 hoặc Galileo) sẽ sử dụng một chòm sao các vệ tinh châu Âu.

Cuối cùng, cần lưu ý rằng trong năm năm tới, GPS và GPS/GLONASS sẽ là các hệ thống định vị duy nhất dựa trên vệ tinh sẽ hoạt động.

Kết luận

Đạt được mức độ chính xác cao yêu cầu nhận thức về nguồn gốc của lỗi đo lường GPS. Hộp công cụ GPS của NOAA là một công cụ thiết yếu cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư làm việc với công nghệ GPS vì nó cung cấp phần mềm và tài nguyên hữu ích để giúp giảm những sai số này.