TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊNBỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN
ThS. Nguyễn Duy Liêm
Bài giảng: Hệ thống Định vị Toàn cầu
(Global Positioning System - GPS)
1. Tổng quan về GPS
(Global Positioning System)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊNBỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN
Nội dung
Nhu cầu định vị của con người
Tiến trình phát triển của các phương pháp định vị
Tổng quan về GPS
Tên gọi, Tổ chức phát triển, Mục đích
Lược sử phát triển
Phạm vi ứng dụng
Nguyên lý hoạt động của GPS
Những phân đoạn của GPS
Nhu cầu định vị của con người
Hai câu hỏi muôn thuở và rắc rối nhất của con người:
Ta đang ở đâu trên mặt đất này?
Ta đang đi đâu?
Chúng ta đang ở đâu?
Phương pháp định vị truyền thống
Phương pháp đơn giản nhất
Quan sát những đối tượng xung quanh ta,
Ước lượng vị trí tương đối của ta đối với chúng.
Nhưng nếu không có đối tượng nào xung quanh ta? Giả sử như khi ta đang ở trong sa mạc hay giữa đại dương?
Trong nhiều thế kỷ, vấn đề này đã được giải quyết bằng cách sử dụng mặt trời và các ngôi sao để định
hướng Thời tiết xấu?
Ngoài ra, trên mặt đất, có thể sử dụng điểm tham chiếu để tiến hành đo đạc hoặc tìm đường.
Phương pháp định vị truyền thống
Đánh dấu đường đi bằng ụ đá
Mưa tuyết, gió?
Phân biệt 2 con đường?
Vẽ bản đồ trên phiến đất sét hoặc mảnh giấy da
Vùng Lưỡng Hà cách đây 5.000 năm
Mở đầu cho công nghệ bản đồ
Phương pháp định vị hiện tại
Khảo sát, đo đạc
Đáp ứng yêu cầu độ chính xác cao
Chi phí tốn kém (thời gian, công sức, tiền bạc)
Chậm, khó khăn trong các nhu cầu dẫn đường
Phương pháp định vị hiện tại
Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite Systems- GNSS)
GPS (Global Poisitioning System)
GLONASS (Global'naya
Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)
Galileo
Compass
IRNSS (Indian Regional
Navigational Satellite System)
Tổng quan về GPS
Tên gọi:
GPS là tên viết tắt của cụm từ NAVSTAR-GPS “NAVigational
System Time And Ranging Global Positioning System”, tạm dịch là Hệ thống Định vị Toàn cầu.
Tổ chức phát triển:
Đây là hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh dựa trên sóng vô tuyến do Bộ Quốc phòng Mỹ xây dựng.
Trang chủ: http://www.gps.gov/
Mục tiêu:
Cung cấp thông tin về địa điểm/vị trí, vận tốc, hướng di chuyển, thời gian chính xác,
Hoạt động ở mọi nơi, 24/7, mọi điều kiện thời tiết.
Ý nghĩa tên gọi GPS
Global (ngược lại với Local): Gần như bất kỳ nơi nào trên Trái đất đều có thể sử dụng GPS.
Tuy nhiên không phải tất cả mọi nơi đều có tín hiệu GPS hoặc có nhưng chất lượng kém như:
Bên trong tòa nhà
Dưới mặt đất
Mưa bão
Dưới tán cây rậm rạp
Xung quanh đài phát thanh
Trong "hẻm" giữa các tòa nhà cao tầng
Ý nghĩa tên gọi GPS
Positioning: Cung cấp thông tin vị trí, vận tốc, hướng di chuyển, thời gian.
System: Tập hợp các thành phần với liên kết với nhau
(Trái đất, Vệ tinh, Trạm kiểm soát mặt đất, Bộ thu tín hiệu,
Nhà sản xuất bộ thu tín hiệu, Bộ Quốc phòng Mỹ, Người
sử dụng).
Các thành phần của GPS
Trái đất (khối lượng, bề mặt, không gian phía trên)
Khối lượng của Trái đất giữ các vệ tinh chuyển động với vận tốc
~4 km/s trong quỹ đạo dưới tác dụng của lực hấp dẫn.
Quỹ đạo của vệ tinh song song với đường cong của bề mặt Trái đất.
Bề mặt của Trái đất được xem là cơ sở đánh dấu tọa độ. Nhờ đó, cho phép chúng ta xác định vị trí của bất kỳ đối tượng nào trên bề mặt Trái đất.
Các thành phần của GPS
Vệ tinh
Đặc điểm vật lý
Tên: NAVSTAR
Nhà sản xuất: Rockwell International
Trọng lượng: ~900kg
Kích thước: rộng ~5m
Tuổi thọ: 7,5 năm
Đặc trưng quỹ đạo
Độ cao: ~20.200 km từ mặt đất
Chu kỳ quỹ đạo: 12 giờ
Mặt phẳng quỹ đạo: nghiêng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo
Mỗi quỹ đạo lệch nhau 60 độ
Có 6 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi mặt phẳng quỹ đạo có 4 vệ tinh
Các thành phần của GPS
Trạm kiểm soát mặt đất
Giám sát hành trình, thiết bị điện tử của vệ tinh dưới tác động trọng lực của mặt trăng, mặt trời và gió mặt trời.
4 trạm kiểm soát mặt đất nằm tại các vị trí gần xích đạo:
Ascension ở Đại Tây Dương, Diego Garcia ở Ấn Độ Dương,
Kwajalein, Hawaii ở Thái Bình Dương.
1 trạm kiểm soát trung tâm đặt tại Colorado Springs, Colorado.
Các thành phần của GPS
Trạm kiểm soát mặt đất
Thông tin từ các trạm kiểm soát được truyền lại cho các vệ tinh, mà sau đó nó phát sóng cho máy thu GPS.
Thông tin phát sóng của vệ tinh bao gồm:
Sức khỏe của thiết bị điện tử,
Cách theo dõi các vệ tinh khác nhau tối ưu,
Lịch thiên văn hiện tại của tất cả vệ tinh,
….
Các thành phần của GPS
Bộ thu tín hiệu
Một ăng-ten,
Thiết bị điện tử nhận tín hiệu vệ tinh,
Máy vi tính xử lý dữ liệu để xác định sự vị trí ăng-ten, và lưu lại tọa độ,
Nút điều khiển,
Một màn hình hiển thị thông tin,
Ngoài ra, có thể thêm bộ nhớ.
Các thành phần của GPS
Nhà sản xuất bộ thu tín hiệu
Garmin
Magellan
Trimble
...
Bộ Quốc phòng Mỹ
Phát triển và duy trì hệ thống GPS
Người sử dụng
Mỗi người trong chúng ta.
Những phân đoạn của GPS
Những phân đoạn của GPS
Lược sử phát triển GPS
Phát triển bởi Bộ Quốc phòng Mỹ,
Nghiên cứu khả thi bắt đầu trong những năm 1960.
Lầu Năm Góc dành riêng tài trợ trong năm 1973,
Phóng vệ tinh đầu tiên vào năm 1978,
Hoàn thiện vận hành hệ thống vào tháng 4/1995,
Mở cửa cho công chúng năm 2000,
Hiện đang được kiểm soát bởi Không quân Hoa Kỳ,
Chi phí quản lý và duy trì hệ thống khoảng
$750.000.000/năm
Phạm vi ứng dụng GPS
