Kiến thức trắc địa
GNSS LÀ GÌ? HỆ THỐNG THIẾT BỊ ĐO ĐẠC
GNSS là gì?
“Ý tưởng mới trải qua ba thời kỳ: 1) Không thể thực hiện được. 2) Nó có thể được thực hiện, nhưng nó không đáng làm. 3) Tôi biết đó là một ý tưởng hay! ” Arthur C. Clarke, tác giả, nhà phát minh và nhà tương lai học người Anh.
Hầu hết chúng ta bây giờ đều biết rằng GNSS “đã là một ý tưởng hay” và hiện tại chúng ta đã bước sang giai đoạn thứ ba.
Các khái niệm cơ bản về định vị vệ tinh rất dễ hiểu. Trên thực tế, họ thẳng thắn đến mức một nhân viên của chúng tôi đã được con gái của anh ta yêu cầu giải thích điều đó với lớp 4 của nó.
Trước khi lớp học bắt đầu, anh ấy đã thiết lập phần trình diễn sau đây, phiên bản của anh ấy về “lý thuyết dây”. Ông dán các hình ba vệ tinh bằng bìa cứng lên tường và trần của lớp học, như trong Hình 1. Mỗi “vệ tinh” có một đoạn dây dài được ghim vào đó. Anh ta đánh dấu một vị trí trên sàn bằng một dấu chấm có thể di chuyển được, sau đó kéo các dây xuống và đánh dấu vị trí tất cả chúng chạm đến dấu chấm. Các chuỗi bây giờ đại diện cho khoảng cách từ dấu chấm đến các vệ tinh riêng lẻ. Anh ta ghi lại vị trí của dấu chấm và loại bỏ nó khỏi sàn nhà.
Việc xác định vị trí hơi phức tạp hơn một chút bởi một số yếu tố — các vệ tinh đang di chuyển, tín hiệu từ vệ tinh rất yếu vào thời điểm chúng đến trái đất, bầu khí quyển cản trở việc truyền tín hiệu vô tuyến và vì lý do chi phí , thiết bị của người dùng không tinh vi như thiết bị trong vệ tinh.
HỆ THỐNG GNSS
Mặc dù bạn có thể đã quen với thuật ngữ “GPS” (Hệ thống định vị toàn cầu), nhưng bạn có thể chưa nghe đến thuật ngữ “GNSS” (Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu), được sử dụng để mô tả tập hợp các hệ thống định vị vệ tinh hiện đang hoạt động hoặc được lên kế hoạch.
GPS (Hoa Kỳ): GPS là hệ thống GNSS đầu tiên. GPS được đưa ra vào cuối những năm 1970 bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ. Nó sử dụng một chòm sao gồm 27 vệ tinh và cung cấp vùng phủ sóng toàn cầu.
GLONASS (Nga): GLONASS được điều hành bởi chính phủ Nga. Chòm sao GLONASS bao gồm 24 vệ tinh và cung cấp vùng phủ sóng toàn cầu.
Galileo (Liên minh Châu Âu): Galileo là một hệ thống GNSS dân dụng được điều hành bởi Cơ quan Hệ thống Vệ tinh Định vị Toàn cầu Châu Âu (GSA). Galileo sẽ sử dụng 27 vệ tinh với vệ tinh Khả năng Hoạt động Toàn diện (FOC) đầu tiên được phóng vào năm 2014. Chòm sao đầy đủ được lên kế hoạch triển khai vào năm 2020.
BeiDou (Trung Quốc): BeiDou là hệ thống vệ tinh dẫn đường của Trung Quốc. Hệ thống sẽ bao gồm 35 vệ tinh. Một dịch vụ khu vực bắt đầu hoạt động vào tháng 12 năm 2012. BeiDou sẽ được mở rộng để cung cấp phạm vi phủ sóng toàn cầu vào cuối năm 2020.
IRNSS (Ấn Độ): Hệ thống Vệ tinh Điều hướng Khu vực Ấn Độ (IRNSS) cung cấp dịch vụ cho Ấn Độ và khu vực lân cận. Chòm sao đầy đủ của bảy vệ tinh được lên kế hoạch triển khai vào năm 2015.
QZSS (Nhật Bản): QZSS là hệ thống vệ tinh định vị khu vực cung cấp dịch vụ cho Nhật Bản và khu vực Châu Á – Châu Đại Dương. Hệ thống QZSS dự kiến sẽ được triển khai vào năm 2018.
Trong Chương 3, chúng tôi sẽ cung cấp thêm thông tin về các hệ thống này. Khi các chòm sao và vệ tinh GNSS được thêm vào, chúng tôi sẽ có thể tính toán vị trí chính xác hơn và ở nhiều nơi hơn.
KIẾN TRÚC GNSS
“Tương lai không phải như trước đây.” –Yogi Berra, cựu cầu thủ và quản lý của Giải bóng chày Major League.
Ông Berra nói đúng. Việc triển khai các hệ thống vệ tinh GNSS đã thực sự thay đổi mọi thứ. Hệ thống vệ tinh GNSS bao gồm ba thành phần chính hoặc “phân đoạn”: phân đoạn không gian, phân đoạn điều khiển và phân đoạn người dùng. Chúng được minh họa trong Hình 2.
Phân đoạn không gian
Phân đoạn không gian bao gồm các vệ tinh GNSS, quay quanh khoảng 20.000 km trên trái đất. Mỗi GNSS có “chòm sao” vệ tinh riêng, được sắp xếp theo quỹ đạo để cung cấp vùng phủ mong muốn, như minh họa trong Hình 3.
Mỗi vệ tinh trong một chòm sao GNSS phát đi một tín hiệu xác định nó và cung cấp thời gian, quỹ đạo và trạng thái của nó. Để minh họa, hãy xem xét những điều sau đây. Bạn đang ở trung tâm thành phố. Bạn gọi cho một người bạn. Bạn của bạn không có ở nhà, vì vậy bạn để lại lời nhắn:
Đây là [danh tính] Lori . Hiện tại là 1:35 chiều [thời gian]. Tôi đang ở góc tây bắc của Đại lộ số 1 và Đường số 2 và tôi đang hướng về vị trí của bạn [quỹ đạo]. Tôi không sao, nhưng tôi hơi khát [trạng thái].
Một vài phút sau, người bạn của bạn quay lại, nghe tin nhắn của bạn và “xử lý” nó, sau đó gọi lại cho bạn và gợi ý bạn nên nghĩ ra một cách hơi khác; một cách hiệu quả, bạn của bạn đã cho bạn một “sự điều chỉnh quỹ đạo”.
Phân đoạn kiểm soát
Phân đoạn điều khiển bao gồm một mạng lưới trên mặt đất gồm các trạm điều khiển chính, các trạm tải lên dữ liệu và các trạm giám sát; trong trường hợp GPS, hai trạm điều khiển chính (một chính và một dự phòng), bốn trạm tải dữ liệu và 16 trạm giám sát, được đặt trên khắp thế giới.
Trong mỗi hệ thống GNSS, trạm điều khiển chính điều chỉnh các thông số quỹ đạo của vệ tinh và đồng hồ có độ chính xác cao trên tàu khi cần thiết để duy trì độ chính xác.
Các trạm giám sát, thường được lắp đặt trên một khu vực địa lý rộng, giám sát các tín hiệu và trạng thái của vệ tinh, và chuyển tiếp thông tin này đến trạm điều khiển chính. Trạm điều khiển chính phân tích các tín hiệu sau đó truyền các hiệu chỉnh quỹ đạo và thời gian tới các vệ tinh thông qua các trạm tải dữ liệu lên.
Phân khúc người dùng
Phân khúc người dùng bao gồm thiết bị xử lý các tín hiệu nhận được từ các vệ tinh GNSS và sử dụng chúng để lấy và áp dụng thông tin vị trí và thời gian. Các thiết bị bao gồm từ điện thoại thông minh và thiết bị thu cầm tay được sử dụng bởi những người đi bộ đường dài, đến các thiết bị thu chuyên dụng, tinh vi được sử dụng cho các ứng dụng bản đồ và khảo sát cao cấp.
Tín hiệu GNSS
Tín hiệu vô tuyến GNSS khá phức tạp. Tần số của chúng là khoảng 1,5_GHz (gigahertz) —1,5_ tỷ chu kỳ mỗi giây. GNSS hoạt động ở tần số cao hơn đài FM, nhưng thấp hơn lò vi sóng. Vào thời điểm tín hiệu GNSS chạm đất, chúng rất rất yếu. Chúng tôi sẽ cung cấp thêm thông tin về cách phân khúc người dùng giải quyết vấn đề này trong Chương 2.
Định vị GNSS
“Tôi chưa bao giờ bị lạc, nhưng tôi sẽ thừa nhận đã bối rối trong vài tuần.” Daniel Boone, nhà tiên phong và thợ săn người Mỹ.
Nếu bạn có bộ thu GNSS, không chắc bạn sẽ bị mất lần nữa. Định vị GNSS dựa trên một quá trình được gọi là “trilateration”. Nói một cách đơn giản, nếu bạn không biết vị trí của mình, nhưng biết khoảng cách của bạn từ ba điểm đã biết, bạn có thể chọn vị trí của mình.
Giả sử bạn cách nhà người A 3 km. Tất cả những gì bạn biết là bạn đang ở trên một vòng tròn cách nhà của Người A 3 km, như trong Hình 4.
Nhưng nếu bạn cũng biết rằng bạn đang ở cách nhà của Người B 4 km, bạn sẽ có ý tưởng tốt hơn nhiều về vị trí của bạn, vì chỉ có hai địa điểm (x và y) tồn tại trên cả hai vòng tròn, như trong Hình 5.
Với khoảng cách thứ ba, bạn chỉ có thể ở một vị trí thực tế. Nếu bạn cách nhà người C 6 km thì bạn phải ở vị trí x vì đây là vị trí duy nhất mà cả ba đường tròn (khoảng cách) gặp nhau.
Trong Chương 2, chúng tôi sẽ chỉ cho bạn cách kỹ thuật trilateration được mở rộng cho GNSS. Về mặt khái niệm, chúng ta sẽ mở rộng ví dụ trên bằng cách thay thế các ngôi nhà bằng các vệ tinh. Và vì những lý do mà chúng tôi sẽ phác thảo, chúng tôi sẽ thay thế ba ngôi nhà bằng bốn vệ tinh.
Các ứng dụng phi quân sự đầu tiên của công nghệ GNSS là trong khảo sát và lập bản đồ. Ngày nay, GNSS đang được sử dụng cho các ứng dụng thương mại trong nông nghiệp, giao thông vận tải, phương tiện không người lái, điều khiển máy móc, điều hướng hàng hải và các ngành công nghiệp khác, nơi có thể đạt được hiệu quả từ việc áp dụng thông tin vị trí và thời gian chính xác, liên tục có sẵn. GNSS cũng được sử dụng trong một loạt các ứng dụng tiêu dùng, bao gồm điều hướng phương tiện, thông tin liên lạc di động, giải trí và điền kinh. Khi công nghệ GNSS cải tiến và trở nên ít tốn kém hơn, ngày càng nhiều ứng dụng sẽ được hình thành và phát triển.
Ngoài vị trí, máy thu GNSS có thể cung cấp cho người dùng thời gian rất chính xác, bằng cách “đồng bộ hóa” đồng hồ cục bộ của họ với đồng hồ có độ chính xác cao trên vệ tinh. Điều này đã kích hoạt các công nghệ và ứng dụng như đồng bộ hóa lưới điện, hệ thống di động, Internet và mạng tài chính.
Chúng ta sẽ nói thêm về các ứng dụng GNSS trong Chương 8.
Thiết bị người dùng GNSS
Các thành phần chính của phân đoạn người dùng GNSS là ăng-ten và máy thu, như thể hiện trong Hình 7. Tùy thuộc vào ứng dụng, ăng-ten và máy thu có thể tách biệt về mặt vật lý hoặc chúng có thể được tích hợp thành một cụm.
Ăng ten GNSS
Ăng ten GNSS nhận các tín hiệu vô tuyến được truyền bởi các vệ tinh GNSS và gửi các tín hiệu này đến máy thu. Ăng-ten GNSS có sẵn trong một loạt các hình dạng, kích thước và hiệu suất. Ăng-ten được chọn dựa trên ứng dụng. Mặc dù ăng-ten lớn có thể thích hợp cho một trạm gốc, ăng-ten khí động học có trọng lượng nhẹ, cấu hình thấp có thể phù hợp hơn cho việc lắp đặt máy bay hoặc Phương tiện bay không người lái (UAV). Hình 8 trình bày lấy mẫu các anten GNSS.
Máy thu GNSS
Máy thu xử lý các tín hiệu vệ tinh được thu hồi bởi ăng-ten để tính toán vị trí và thời gian. Máy thu có thể được thiết kế để sử dụng tín hiệu từ một chòm sao GNSS hoặc từ nhiều hơn một chòm sao GNSS. Như minh họa trong Hình 9, máy thu có sẵn ở nhiều dạng và cấu hình để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng đa dạng của GNSS.
Chúng ta sẽ nói thêm về thiết bị GNSS trong Chương 8.
GNSS tăng cường
Định vị dựa trên dịch vụ GNSS độc lập có độ chính xác trong vòng vài mét. Độ chính xác của GNSS độc lập và số lượng vệ tinh có sẵn, có thể không đủ cho nhu cầu của một số người dùng.
