Tìm hiểu về các hệ thống định vị toàn cầu GPS, Glonass, Galileo, Beidou, IRNSS

I. Hệ thống định vị toàn cầu GPS

1. Lịch sử ra đời của GPS

Từ hàng ngàn năm trước, con người đã cố gắng tìm nhiều cách khác nhau để xác định phương hướng như sử dụng mặt trời, mặt trăng và các vì sao. 
Đến thế kỷ 20, hải quân Hoa Kỳ đã có những những thí nghiệm định vị vệ tinh vào năm 1960 để theo dõi các tàu ngầm mang tên lửa hạt nhân. Kết quả cho thấy, chỉ với sáu vệ tinh quay quanh các cực, quân đội có thể xác định chính xác vị trí của tàu ngầm trong vòng vài phút.
Từ kết quả đó, năm 1970, bộ quốc phòng Hoa Kỳ đã quyết định phát triển một hệ vệ tinh để đảm bảo luôn có các tín hiệu mạnh, ổn định. Nhờ vào nguồn tiền đổ vào liên tục, cùng các kỹ sư ngày đêm làm việc, vệ tinh đầu tiên đã được phóng lên không gian năm 1978, và toàn bộ hệ vệ tinh đã được hoàn thiện vào năm 1993 với 24 vệ tinh.

2. Một số thông tin về GPS

• Hệ thống định vị toàn cầu GPS được hoàn thiện với đầy đủ chức năng vào năm 1994
• Trung bình, bộ quốc phòng Hoa Kỳ phải chi 2 tỷ USD mỗi ngày để vận hành hệ thống GPS, nhưng lại cho người dân toàn cầu sử dụng miễn phí
• Một vệ tinh di chuyển trong không gian với vận tốc 14000km/giờ
• Với một bộ thu tín hiệu GPS, bạn có thể xác định vị trí của mình tại bất cứ đâu trên trái đất
• Hệ thống GPS hoạt động toàn thời gian 24h/ngày trong mọi điều kiện
• Tín hiệu từ vệ tinh có thể xuyên cqua nhựa, kính nhưng không xuyên qua được gỗ, đá và bê tông
• Độ chính xác định vị thông thường là khoảng 5 mét, nhưng nếu bạn dùng các bộ thu chuyên dụng như máy đo RTK thì độ chính xác sẽ lên tới milimet
• Với GPS, người ta đo được châu Úc đang di chuyển với vận tốc 7.3cm/năm theo dướng Đông Bắc !
• Các quốc gia khác cũng đang cố gắng xây dựng và phát triển các hệ vệ tinh cho riêng mình

II. Hệ thống định vị toàn cầu Glonass

1. Một số phiên bản của Glonass

• GLONASS - được phóng vào năm 1982, nhằm mục đích hoạt động để định vị thời tiết, đo vận tốc và thời gian ở bất kỳ đâu trên thế giới hoặc không gian gần Trái đất của quân đội và các tổ chức chính thức.
• GLONASS-M - ra mắt năm 2003 thêm mã dân sự thứ hai, đây là dấu mốc quan trọng để các nhà khảo sát phát triển đầu thu tin hiệu vệ tinh phục vụ đo vẽ bản đồ.
• GLONASS-k - bắt đầu trở lại năm 2011 có thêm 3 loại nữa là k1, k2 và k. Thêm tần số dân dụng thứ ba.
• GLONASS-K2 - ra mắt sau năm 2015 
• GLONASS-KM - sẽ ra mắt sau năm 2025 (hiện đang trong giai đoạn nghiên cứu)

2. Một số thông tin xung quanh Glonass

• Từ năm 2011 đến năm 2020, chính phủ Nga đã đầu tư tổng cộng 15 tỷ đô và hệ thống định vị Glonass của mình
• Có 24 vệ tinh thuộc hệ thống Glonass đang hoạt động và bay xung quanh trái đất
• Chiều cao quỹ đạo của Glonass là 21150km
• Độ nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo là 64.8 độ
• Chu kỳ quỹ đạo của một vệ tinh là 11 giờ và 16 phút

III.  Hệ thống định vị toàn cầu  Galileo

• Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu được đặt theo tên của nhà khoa học Galileo người Ý, ông là cha đẻ của việc quan sát thiên văn học hiện đại, cha đẻ của ngành vật lý hiện đại, cũng là người khai sinh ra khoa học hiện đại.

1. Dịch vụ của Galileo

• Dịch vụ mở (Open Service – OS): Miễn phí cho tất cả mọi người
• Dịch vụ xác thực tin nhắn điều hướng mở (OS-NMA): Miễn phí cho tất cả mọi người
• Dịch vụ độ chính xác cao (HAS): Miến phí cho tất cả mọi người
• Dịch vụ xác thực tín hiệu (SAS): Dịch vụ trả phí dành cho doanh nghiệp
• Dịch vụ tìm kiếm cứu hộ cứu nạn (Sar) – một phần của Cospas-Sarsat
• Dịch vụ điều tiết công cộng (PRS) – Chỉ cung cấp cho người được các cơ quan chính phủ ủy quyền

2. Điểm mạnh của hệ thống Galileo

• Chính xác cao: Có tính năng định vị thời gian thực, độ chính xác cho người dùng lên tới 1m, và đạt tới hàng centimet nếu sử dụng RTK chuyên dụng
• Tin cậy: Với rất nhiều cải tiến, tín hiệu từ vệ tinh Galileo rất ổn định, tin cậy dù người dùng ở những địa hình khó khăn hiểm trở.
• Tính khả dụng: Hệ thống Galileo có thể tương thích với các hệ thống khách như GPS, Glonass, giúp cho độ chính xác khi định vị được cải thiện đáng kể.

IV. Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu Beidou (hay còn gọi là Bắc Đẩu)

1. Nguyên tắc hoạt động của hệ vệ tinh Beidou

• Nguyên tắc cởi mở: Hệ thống BeiDou sẽ cung cấp dịch vụ mở chất lượng cao miễn phí cho người dùng trên toàn thế giới và giao tiếp với các quốc gia khác để tạo điều kiện phát triển công nghệ và công nghiệp GNSS.
• Nguyên tắc độc lập: Có nghĩa là Trung Quốc sẽ phát triển và vận hành hệ thống BeiDou một cách độc lập, cung cấp dịch vụ một cách độc lập cho người dùng trên toàn thế giới và đặc biệt cung cấp các dịch vụ chất lượng cao ở khu vực Châu Á - Thái Bình Dương.
• Nguyên tắc tương thích: Hệ thống BeiDou sẽ theo đuổi các giải pháp để hiện thực khả năng tương thích, tương tác với các hệ thống định vị vệ tinh khác để người dùng có thể nhận được dịch vụ tốt hơn.
• Nguyên tắc tăng dần: Dựa trên nguyên tắc tăng dần, hệ thống BeiDou sẽ đi theo mô hình từng bước phù hợp với sự phát triển kinh tế và kỹ thuật ở Trung Quốc, cung cấp các dịch vụ liên tục lâu dài cho người dùng, cải thiện hiệu suất hệ thống và đảm bảo quá trình chuyển đổi liền mạch và suôn sẻ giữa hệ thống các giai đoạn xây dựng.

2. Các thành phần của hệ thống định vị toàn cầu Beidou

• Thành phần không gian gồm 35 vệ tinh, trong đó có 5 vệ tinh địa tĩnh và 30 vệ tinh động
• Thành phần mặt đất gồm các trạm điều hành trên mặt đất được đặt tại Trung Quốc và các trạm giám sát được đặt rải rác toàn cầu.
• Thành phần người dùng gồm tất cả các cá nhân, tập thể, doanh nghiệp được trang bị bộ thu tín hiệu vệ tinh. Ví dụ như điện thoại thông minh hoặc thiết bị chuyên dụng đo vẽ bản đồ như máy GPS RTK.

V. Hệ thống định vị toàn cầu IRNSS 
 

• Hệ thống dự kiến sẽ cung cấp khả năng quan sát vị trí, vận tốc và thời gian theo thời gian thực chính xác cho người dùng trên nhiều nền tảng khác nhau với khả năng cung cấp dịch vụ 24 giờ x 7 ngày trong mọi điều kiện thời tiết.
• Hệ thống này không phải là hệ thống định vị phủ sóng trên toàn cầu như hệ thống GPS của Mỹ, Beidou của Trung Quốc, Glonass của Nga hay Galileo của liên minh Châu Âu.

Hiệu suất của IRNSS

Hệ thống IRNSS hiện cung cấp hai loại dịch vụ: 

• SPS -  Standard Position System: Dịch vụ Định vị Tiêu chuẩn
• RS - (Dịch vụ bị hạn chế / được ủy quyền)

VI. Hệ thống định vị toàn cầu QZSS

1. Sự hình thành và phát triển của QZSS

QZSS được chính phủ Nhật Bản cho phép vào năm 2002. Lúc đầu, hệ thống được phát triển bởi nhóm Advanced Space Business Corporation (ASBC), bao gồm Mitsubishi Electric Corp., Hitachi Ltd., và GNSS Technologies Inc. 
Năm 2007, khi ASBC sụp đổ, công trình được tiếp quản bởi JAXA cùng với Trung tâm Nghiên cứu và Ứng dụng Định vị Vệ tinh (SPAC), được thành lập vào tháng 2 năm 2007 và được sự chấp thuận của các Bộ trưởng liên quan đến nghiên cứu và phát triển QZSS.
Năm 2010, hoạt động đầu tiên được diễn ra với việc phóng các vệ tinh của hệ thống QZSS lên quỹ đạo. Tất cả chức năng của vệ tinh cùng trạm điều khiển mặt đất đã đi vào hoạt động và mang lại hiệu quả. Các thử nghiệm đã chỉ ra rằng, một thiết bị thu tín hiệu vệ tinh của QZSS lẫn GPS có độ chính xác cao hơn 10% so với một thiết bị khác chỉ thu tín hiệu GPS.

Năm 2011, Chính phủ Nhật Bản đã quyết định đẩy nhanh việc triển khai QZSS để hệ thống có 7 vệ tinh trong tương lai. 

2. Đặc điểm nổi bật của hệ thống vệ tinh QZSS

• Hệ thống QZSS bao gồm 4 vệ tinh, phủ rộng trên khu vực Châu Á – Thái Bình Dương.
• QZSS có thể phát tín hiệu bổ trợ, giúp nâng cao độ chính xác cho kết quả định vị.
• Vào bất cứ thời điểm nào cũng sẽ có ít nhất một vệ tinh thuộc hệ thống vệ tinh QZSS bay trên bầu trời Nhật Bản.
• Hệ thống vệ tinh QZSS có thể tích hợp với các hệ thống GNSS khác, giúp cải thiện độ chính xác và tin cậy của định vị.