Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) là công nghệ vô hình mà mọi người sử dụng vào hàng ngày mà không cần nghĩ đến nó. Từ hệ thống thông tin liên lạc đến các ứng dụng điều hướng di động như Google Maps, GNSS ảnh hưởng đến những gì chúng ta làm hàng ngày. Nhưng hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu là gì?
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích GNSS là gì, bao gồm lịch sử của nó và cách chúng được sử dụng ngày nay. Chúng tôi cũng so sánh các chòm sao GNSS khác nhau và các tính năng của chúng, cũng như các thiết bị cần thiết để truy cập các tín hiệu GNSS. Đến cuối phần giới thiệu về GNSS này, chúng tôi hy vọng bạn sẽ hiểu rõ hơn và đánh giá cao phần công nghệ vô hình hàng ngày này.
1. GNSS là gì?
Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) là một mạng lưới các vệ tinh phát thông tin về thời gian và vị trí được sử dụng cho các phép đo dẫn đường và định vị. Nói cách khác, các vệ tinh truyền tín hiệu báo cáo chúng đang ở đâu vào thời gian nào, với thông tin đó được sử dụng để xác định bạn đang ở đâu trên thế giới. Thông qua một loạt các phép tính ba chiều phức tạp, công nghệ của bạn sẽ tính toán vị trí của bạn dựa trên vị trí của bạn trong mối quan hệ với ít nhất bốn vệ tinh.
GNSS không chỉ là vệ tinh quay quanh Trái đất. Nhiều nhóm vệ tinh, được gọi là các chòm sao, phát tín hiệu đến các trạm điều khiển chính và người sử dụng GNSS trên khắp hành tinh. Ba phân đoạn này gồm: không gian, điều khiển và người dùng đều được coi là một phần của GNSS . Nhưng thường xuyên nhất, GNSS được sử dụng để mô tả các vệ tinh trong không gian.
- Phân đoạn không gian: mô tả các chòm sao GNSS quay quanh quỹ đạo từ 20.000 đến 37.000 km trên trái đất. Các vệ tinh này phát các tín hiệu xác định vệ tinh nào đang truyền và thời gian, quỹ đạo và trạng thái hoặc sức khỏe của nó. Có bốn chòm sao chính trong quỹ đạo – GPS, GLONASS, Galileo và BeiDou cũng như hai hệ thống khu vực QZSS và IRNSS – và mỗi chòm sao được quản lý bởi một quốc gia khác nhau.
-
Phân đoạn điều khiển: là một mạng lưới các trạm điều khiển tổng thể, tải lên dữ liệu và giám sát được đặt trên khắp thế giới. Các trạm này nhận tín hiệu của vệ tinh và so sánh vị trí mà vệ tinh cho biết với các mô hình quỹ đạo cho thấy vị trí của nó. Người vận hành tại các trạm này có thể kiểm soát vị trí của vệ tinh để điều chỉnh hoặc thay đổi quỹ đạo của chúng, ví dụ như vệ tinh có bị trôi hay cần phải di chuyển để tránh va chạm với các mảnh vỡ. Quá trình này, cũng như theo dõi sức khỏe của vệ tinh, đảm bảo độ chính xác cơ bản trong định vị GNSS.
-
Phân khúc người dùng: bao gồm thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh và xuất vị trí dựa trên thời gian và vị trí quỹ đạo của ít nhất bốn vệ tinh. Phân đoạn này bao gồm các ăng-ten của người dùng để xác định và nhận tín hiệu chất lượng tốt, cũng như các bộ thu và công cụ định vị có độ chính xác cao xử lý tín hiệu và giải quyết các lỗi thời gian tiềm ẩn. Một số thiết bị như Máy GPS RTK, Máy định vị GPS cầm tay
2. Lịch sử của GNSS
Cơ sở của GNSS và các công nghệ của nó là sử dụng sóng vô tuyến để liên lạc và theo dõi vị trí. Những nỗ lực này đã được áp dụng vào không gian khi Liên Xô phóng Sputnik 1 lên quỹ đạo thấp vào năm 1957.
Sputnik, vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái đất, đã truyền các xung vô tuyến để các nhà khoa học tìm hiểu về mật độ khí quyển của chúng ta và thử nghiệm các phương pháp theo dõi quỹ đạo bằng sóng vô tuyến và quang học. Do môi trường chính trị, nó cũng đã châm ngòi cho Cuộc chạy đua Không gian giữa Liên Xô và Hoa Kỳ. Các nhà khoa học Mỹ đã theo dõi các xung vô tuyến của Sputnik bằng cách sử dụng hiệu ứng Doppler, một phương pháp cuối cùng đã dẫn đến Hệ thống vệ tinh dẫn đường của Hải quân, còn được gọi là Transit.
Transit trở thành hệ thống định vị địa lý dựa trên vệ tinh đầu tiên vào năm 1960 và được sử dụng chủ yếu bởi lực lượng Hải quân bắt đầu từ năm 1964. Công nghệ định vị này vẫn dựa trên việc sử dụng hiệu ứng Doppler để xác định vị trí của bạn đến hoặc từ một vệ tinh, công nghệ này chỉ cung cấp phụ -độ chính xác.
Để tính toán một vị trí chính xác hơn, Hải quân Hoa Kỳ đã phát triển vệ tinh Định thời có thể phát một tham chiếu thời gian chính xác cho một tín hiệu khác nhau. Cách tiếp cận mới này để định vị vệ tinh – vệ tinh phát đi vị trí và thời gian cụ thể tại vị trí đó – là tiền thân của việc Hoa Kỳ phát triển Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS), ra đời vào năm 1973.
Trong khi đó, Liên Xô đã sử dụng những gì họ học được từ Sputnik 1 để phát triển hệ thống định vị vệ tinh của riêng họ có tên là Parus vào năm 1974. Trong khi Parus được thiết kế để sử dụng cho quân đội Nga và tương tự như GPS cho quân đội Mỹ, các hệ thống định vị vệ tinh đã có thể truy cập được trên toàn thế giới vào năm 1983.
Vào tháng 9 năm đó, chuyến bay 007 của Korean Air Lines gặp lỗi điều hướng, dẫn đến việc chúng bay vào không phận Liên Xô và bị bắn hạ. Do đó, GPS đã được chỉ định sử dụng được cho mọi người, ở bất kỳ đâu, tạo tiền lệ cho tất cả các tín hiệu vệ tinh dẫn đường có sẵn trên toàn cầu và cho các sáng kiến dân sự, thương mại và chính phủ.
Các chòm sao của hệ thống định vị vệ tinh tiếp tục phát triển: Parus của Liên Xô cuối cùng đã mở rộng thành Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu, với tên gọi GLONASS vào năm 1982; Trung Quốc giới thiệu hệ thống BeiDou của họ vào năm 2000; Hệ thống vệ tinh Quasi-Zenith của Nhật Bản (QZSS) năm 2010; Liên minh Châu Âu ra mắt Galileo vào năm 2005; và, Hệ thống Vệ tinh Định vị Khu vực Ấn Độ (IRNSS) của Ấn Độ vào năm 2013, hiện được gọi là NavIC. Các chòm sao này tiếp tục được tinh chỉnh và mở rộng bằng cách bổ sung các vệ tinh vào chòm sao của chúng, cũng như phát các loại tín hiệu khác nhau.
Vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái đất, Sputnik 1, đã khơi dậy một dòng khoa học và kỹ thuật dẫn đến gần 150 vệ tinh trên quỹ đạo qua các chòm sao GPS, GLONASS, BeiDou và Galileo.
3. Các loại hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu
Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) là thuật ngữ chung cho bất kỳ chòm sao vệ tinh nào phát dữ liệu định vị, dẫn đường và thời gian. Có bốn chòm sao chính và hai chòm sao khu vực đáng được làm nổi bật.
Các chòm sao này sử dụng tần số vô tuyến trong L-Band để truyền tín hiệu của chúng, tuy nhiên mỗi chòm sao có thể chọn các tần số khác nhau và các nhãn tương ứng cho các tín hiệu này. Thiết bị định vị GNSS thường nhận được ít nhất hai tần số, mà nhiều thiết bị đặc biệt hơn có thể nhận thêm tín hiệu L-Band.
Điều quan trọng cần lưu ý là Hệ thống tăng cường dựa trên vệ tinh (SBAS) cung cấp các hiệu chỉnh lỗi toàn cầu để cải thiện độ chính xác trong các ứng dụng GNSS. Nhiều quốc gia quản lý hệ thống SBAS của riêng họ và những hệ thống này thường được coi là tách biệt với các hệ thống GNSS truyền thống.
3.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Hoa Kỳ)
GPS được vận hành bởi Lực lượng Không gian Hoa Kỳ, một nhánh của Lực lượng Vũ trang Hoa Kỳ. Đây là chòm sao đầu tiên được thành lập trong không gian với vệ tinh đầu tiên được phóng vào năm 1978, với loạt vệ tinh đầu tiên của nó hoạt động hoàn chỉnh vào năm 1993.
Hiện tại hệ thống có 31 vệ tinh trên quỹ đạo hỗ trợ các tần số L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz) và L5 (1176,45 MHz).
3.2 GLONASS (Nga)
GLONASS lần đầu tiên được phát triển ở Liên Xô để cạnh tranh với GPS trong những năm 70 và hiện được điều hành bởi Tổng công ty Nhà nước Roscosmos về Hoạt động Không gian, một bộ phận trong chính phủ Nga. Vệ tinh GLONASS đầu tiên được phóng vào năm 1982 và ngày nay có 24 vệ tinh trên quỹ đạo.
Chòm sao được phóng toàn bộ và hoàn thành vào năm 1995, với toàn bộ vùng phủ vệ tinh đã đạt được trên toàn nước Nga vào năm 2010.
Vệ tinh GLONASS phát tín hiệu trên các tần số GLONASS L1 (1598.0625-1605.375 MHz), L2 (1242.9375-1248.625 MHz) và L3 (1202.025 MHz).
3.3 Galileo (Liên minh Châu Âu)
Galileo là một chòm sao gần đây hơn được phóng lần đầu tiên vào năm 2011. Được Cơ quan Hệ thống Vệ tinh Định hướng Toàn cầu Châu Âu vận hành ngoài Liên minh Châu Âu, Galileo hiện có 26 vệ tinh trên quỹ đạo, với kế hoạch đạt 30 vệ tinh vào năm 2021.
Các vệ tinh này truyền dọc theo phổ L-Band, ghi nhãn các tần số của chúng là E1 (1575,42 MHz), E5 (1191,795 MHz), E5a (1176,45 MHz), E5b (1207,14 MHz) và E6 (1278,75 MHz).
3.4 BeiDou (Trung Quốc)
Được ra mắt lần đầu tiên vào năm 2000, BeiDou hoạt động bên ngoài Trung Quốc bởi Cơ quan Quản lý Không gian Quốc gia Trung Quốc (CNSA). Trong 20 năm kể từ đó, BeiDou có 48 vệ tinh trên quỹ đạo.
Các vệ tinh BeiDou hiện truyền nhiều tín hiệu, bao gồm B1I (1561,098 MHz), B1C (1575,42 MHz), B2a (1175,42 MHz), B2I và B2b (1207,14 MHz) và B3I (1268,52 MHz).
3.5 QZSS (Nhật Bản)
Hệ thống vệ tinh Quasi-Zenith của Nhật Bản (QZSS) do Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) vận hành và được đưa vào hoạt động lần đầu tiên vào năm 2010. Trong khi các chòm sao khác đã phủ sóng toàn cầu, QZSS vẫn duy trì phạm vi phủ sóng khu vực Châu Á-Đại dương giữa Nhật Bản và Úc.
Là một chòm sao khu vực, QZSS chỉ có bốn vệ tinh hiện đang ở trên quỹ đạo, với kế hoạch sẽ có thêm ba vệ tinh trong vài năm tới.
Tín hiệu QZSS truyền cùng tần số với GPS L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz), L5 (1176,45 MHz) cũng như L6 (1278,75 MHz).
3.6 IRNSS / NavIC (Ấn Độ)
Một chòm sao khu vực chính khác là Hệ thống Vệ tinh Định vị Khu vực Ấn Độ (IRNSS) do Tổ chức Nghiên cứu Không gian Ấn Độ (ISRO) vận hành bên ngoài Ấn Độ. IRNSS còn được gọi là NavIC (Điều hướng với Chòm sao Ấn Độ) và bao gồm tám vệ tinh trên quỹ đạo.
Vùng bao phủ của chòm sao này tập trung xung quanh Ấn Độ, về phía tây bao gồm Ả Rập Xê Út, phía bắc và phía đông bao gồm toàn bộ Trung Quốc và xa về phía nam bao gồm cả Mozambique và Tây Úc.
Tín hiệu NavIC truyền trên tần số GPS L5 (1176,45 MHz) cũng như dọc theo băng tần S (2492,028 MHz).
Hình minh họa tàu vũ trụ NST-2 trong Chòm sao Thời gian / Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân (NRL)
4. Các ứng dụng GNSS
Các ứng dụng GNSS dựa vào tín hiệu vệ tinh để hoàn thành nhiệm vụ của chúng một cách hiệu quả và chính xác. Các ứng dụng này trải dài trên nhiều ngành công nghiệp khác nhau – từ nông nghiệp, ô tô đến quốc phòng – nhưng nhìn chung sẽ thuộc năm loại chính:
- Vị trí – xác định vị trí của bạn trên thế giới
- Điều hướng – xác định tuyến đường tốt nhất từ vị trí này đến vị trí khác
- Theo dõi – theo dõi chuyển động của một đối tượng trên thế giới
- Lập bản đồ – tạo bản đồ của một khu vực cụ thể
- Định thời gian – tính toán thời gian chính xác trong vòng một phần tỷ giây.
Ví dụ, nông dân cần các tuyến đường nhất quán trên cánh đồng của họ để tối ưu hóa việc gieo hạt, bón phân và thu hoạch. Họ dựa vào GNSS để xác định vị trí và theo dõi thiết bị của họ. Trong một số trường hợp, nông dân có thể sử dụng GNSS để lập bản đồ ruộng của họ trước khi lên kế hoạch cho các tuyến đường của họ.
Trong không gian ô tô, các phương tiện sử dụng GNSS cho mục đích định vị và điều hướng. Nếu phương tiện tự hành, thì việc theo dõi càng trở nên quan trọng hơn để liên tục theo dõi các mối nguy tiềm ẩn trong môi trường.
GNSS được sử dụng trong không gian vũ trụ để xác định vị trí, điều hướng, theo dõi và định thời gian – Cục Hàng không Liên bang Hoa Kỳ sử dụng thông tin thời gian từ các vệ tinh GNSS để đồng bộ hóa các báo cáo thời tiết nguy hiểm trên toàn quốc.
5. Thiết bị GNSS
Có một loạt thiết bị GNSS đã được phát triển để hỗ trợ các ứng dụng khác nhau trên nhiều môi trường khác nhau.
Về cơ bản, để sử dụng GNSS, bạn cần có một ăng-ten và một bộ thu.
Ăng-ten hoạt động như một người gác cổng đối với các tín hiệu vệ tinh bằng cách chấp nhận các tín hiệu chất lượng cao và từ chối các tín hiệu chất lượng thấp. Một loạt các ăng-ten đã được phát triển để hỗ trợ tốt nhất cho các ứng dụng khác nhau, bao gồm ăng-ten nhỏ gọn , ăng-ten tham chiếu cố định và ăng-ten có kích thước và trọng lượng thấp hiệu suất cao .
Bộ thu có sẵn dưới dạng bảng bộ thu OEM để người dùng cài đặt vào giải pháp hiện có của họ hoặc trong một vỏ GNSS sẵn sàng được sử dụng. Máy thu thực hiện công việc khử điều biến tín hiệu vệ tinh và tính toán các phép đo vị trí, điều hướng hoặc thời gian của người dùng. Vì người dùng yêu cầu cả ăng-ten và đầu thu, nên Hexagon | NovAtel đã phát triển các ăng-ten thông minh đã kết hợp hai công nghệ này thành một giải pháp tất cả trong một.
Tùy thuộc vào nhu cầu của ứng dụng về độ chính xác, khả năng phục hồi tín hiệu và độ tin cậy, có các công nghệ bổ sung giúp nâng cao hiệu suất của máy thu GNSS.
Những công nghệ bổ sung này thường được bao gồm trong các thùng máy thu, như GNSS của NovAtel và công nghệ SPAN quán tính . Hệ thống định vị quán tính (INS) và các đơn vị đo lường quán tính (IMU) của chúng tích hợp các phép đo tiêu đề, vận tốc, thái độ và chuyển động nhanh với các phép đo GNSS để hiểu rõ hơn và đầy đủ hơn ba chiều về vị trí của bạn.
Nếu người dùng đang hoạt động trong các môi trường có thể cố gắng làm nhiễu tín hiệu GNSS hoặc làm sai lệch vị trí, điều hướng và tọa độ thời gian (còn gọi là giả mạo), họ có thể đầu tư vào các giải pháp chống nhiễu. Công nghệ chống nhiễu GPS ( GAJT) của NovAtel giúp bảo vệ ăng-ten của người dùng khỏi bị nhiễu hoặc giả mạo để họ có thể tiếp tục nhận tín hiệu vệ tinh GNSS đến máy thu của họ – giống như những gì chúng ta thấy trong nghiên cứu điển hình này từ các Dragoons của Quân đội Anh . Trong một số trường hợp, phần sụn như Công nghệ toàn vẹn và khả năng phục hồi GNSS (GRIT) của NovAtel có thể được thêm vào máy thu GNSS để xây dựng một hệ thống định vị linh hoạt và mạnh mẽ hơn chống lại các cuộc tấn công gây nhiễu và giả mạo.
Trên tất cả các môi trường và tất cả các ứng dụng, người dùng thường dựa vào các dịch vụ hiệu chỉnh GNSS để tăng độ chính xác và độ tin cậy cho giải pháp của họ. Các dịch vụ hiệu chỉnh có sẵn theo phương pháp Động học thời gian thực (RTK) hoặc thông qua Định vị điểm chính xác (PPP). Các dịch vụ này giúp giảm thiểu và giải quyết các lỗi định vị do hoạt động của khí quyển và tầng điện ly , hiệu ứng đa đường, lỗi quỹ đạo, lỗi đồng hồ vệ tinh và hơn thế nữa. Hệ thống tăng cường dựa trên vệ tinh (SBAS) được đề cập trước đó là một ví dụ về dịch vụ hiệu chỉnh, nhưng có nhiều dịch vụ dựa trên đăng ký cung cấp độ chính xác, tính khả dụng và độ tin cậy cao hơn.
Nhiều công nghệ, thuật toán và đổi mới đã được phát triển và hoàn thiện để tối ưu hóa các vệ tinh GNSS về vị trí, điều hướng và thời gian. Nhiều giải pháp dựa trên sự kết hợp của các công nghệ trên để sử dụng GNSS làm lợi thế của chúng.
GNSS không chỉ hỗ trợ Google Maps. Trong bài đăng trên blog này, chúng tôi đã nêu bật các công nghệ, tổ chức và ứng dụng thực tế hỗ trợ, đổi mới và sử dụng GNSS cho vị trí, điều hướng và thời gian. Với hơn 70 năm phát triển, GNSS là cốt lõi của cuộc sống hàng ngày của chúng ta – tình cảm này sẽ chỉ trở nên đúng hơn khi các ứng dụng tự hành dựa trên GNSS như ô tô tự lái trở nên phổ biến hơn.
