Lịch sử phát triển hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là gì? Được phát triển lần đầu tiên bởi Quốc Gia nào?

Hiện nay trên thế giới có bao nhiêu hệ thống định vị GPS?

Ứng dụng của hệ thống này giúp được gì cho An ninh quốc phòng, dân sinh?

1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) của Hoa Kỳ

Khái niệm về hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu được tạo ra để xác định toạ độ, vị trí chính xác của “vật thể” trên trái đất. “Vật thể” này chính là thiết bị thu sóng GPS từ các các vệ tinh nhân tạo.

Hệ thống bao gồm 3 thành phần:

• 30 vệ tinh phát sóng GPS bay xung quanh trái đất. (27 vệ tinh chính – 3 vệ tinh dự phòng)
• Kết hợp với 5 trạm điều hành vệ tinh GPS mặt đất
• Các bộ thu GPS (thu và phân tích sóng GPS)

Lịch sử hình thành hệ thống GPS của Hoa Kỳ

Hệ thống GPS được phát triển lần đầu tiên bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ. Ban đầu mục đích khai thác ứng dụng hệ thống này chỉ dành cho các mục đích quân sự của Hoa Kỳ. Tuy nhiên từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng vào mục đích thương mại, dân sự. Cụ thể:

• Vệ tinh của hệ thống GPS đầu tiên được phóng năm 1978
• Hoàn chỉnh đầy đủ 30 vệ tinh của hệ thống GPS vào năm 2011
• Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 15 năm
• Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg, dài khoảng 5m với các tấm năng lượng Mặt Trời mở rộng 7m²
• Công suất phát bằng hoặc dưới 50 Watts

GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày. Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng sóng GPS. Chỉ cần thiết bị định vị toàn cầu GPS của bạn có khả năng thu và sử dụng sóng GPS.

1. Hệ thống định vị toàn cầu của Nga – Glonass

Khái quát

Glonass là từ viết tắt của cụm từ Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema. (hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu).

GLONASS là hệ thống định vị vệ tinh do Lực lượng Phòng vệ Không gian của Nga điều hành.

Tuy gọi là đối trọng của hệ thống định vị GPS của Hoa Kỳ, nhưng thực ra hệ thống Glonass của Nga có số lượng hoạt động ít hơn. (Cụ thể hiện nay chỉ có 24 vệ tinh Glonass đang hoạt động).

Nguyên lý hoạt động của hệ thống Glonass

Glonass gồm các vệ tinh có quỹ đạo bay ở độ cao 19.400 Km so với Trái đất, độ nghiêng 64,8 độ. Tốc độ bay 1 vòng trong thời gian 11giờ 15 phút.

Hệ thống hoạt động tốt hơn GPS tại vị trí 2 cực của địa cầu. Các nhóm vệ tinh bay trên 3 quỹ đạo, với mỗi quỹ đạo có khoảng 8 vệ tinh.

Để tín hiệu bao phủ toàn trái đất, hệ thống huy động 24 vệ tinh làm việc. Khi muốn xác định tọa độ của vật, cần tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh. Nếu chỉ dùng dữ liệu của 3 vệ tinh, khả năng sai số là khá cao.

Hiệu quả hoạt động của hệ thống Glonass và ứng dụng

Hiệu quả của Glonass đã gần bắt kịp GPS khi nó có thể định vị được chính xác vị trí một vật với sai số chỉ là 2,8m trong môi trường tối ưu (không mây, không can nhiễu vô tuyến…).

Glonass hiện đang được sử dụng rộng rãi cho mục đích quân sự của Nga. Mới đây, pháo tự hành Koalitsiya- SV đã được trang bị đạn được điều khiển bởi Glonass. Hay như Bom dẫn đường vệ tinh KAB-500S-E cũng được trang bị công nghệ dẫn đường hệ thống định vị toàn cầu GLONASS đem lại độ chính xác rất cao.

Trong tương lai, Glonass được tiên đoán sẽ là hệ thống thay thế hệ thống định vị toàn cầu GPS của Hoa Kỳ. Và người dùng đang mong đợi sẽ được ứng dụng rộng rãi vào đời sống dân sự.

3. Công nghệ định vị LBS – Trạm gốc

LBS cơ sở bao gồm:

• Trạm gốc di động Trung Quốc
• Trạm cơ sở viễn thông Trung Quốc
• Trạm gốc Sprint – Hoa Kỳ
• Trạm gốc AT & T – Hoa Kỳ
• Trạm gốc Verizon ect.

Định vị trạm gốc là phương pháp tính toán vị trí của điện thoại di động bằng sự khác biệt của tín hiệu trạm gốc thông tin di động.

Nó phụ thuộc rất nhiều vào mật độ phủ sóng của trạm gốc gần vị trí.

Nếu có nhiều trạm gốc, việc định vị sẽ có độ chính xác càng cao. Nếu có ít trạm gốc, sai số sẽ lớn hơn, dẫn đến định vị không tốt lắm.

Nói chung, độ chính xác định vị là 50-2000 mét. Định vị LBS phải được kết nối với mạng và điện thoại di động ở trạng thái đăng ký thẻ SIM.

Ưu điểm của công nghệ định vị LBS

Rất thuận tiện vì được định vị bằng cách nhận tín hiệu trạm gốc thông qua thẻ SIM.

Về mặt lý thuyết, chỉ cần tín hiệu giữa ba trạm gốc được tính toán, vị trí của điện thoại di động có thể được xác định. Miễn là điện thoại di động của người dùng nằm trong phạm vi phủ sóng của mạng truyền thông di động. 

Nhược điểm

• Độ chính xác kém hơn của công nghệ định vị toàn cầu GPS
• Bị ảnh hưởng bởi môi trường.
• Ở vùng ngoại ô và nông thôn, trạm di động có thể được định vị trong phạm vi từ 10 đến 20 mét.
• Ở khu thành phố có nhiều nhà cao tầng thì sai số có thể tới 100 đến 200 mét.
• Nếu vượt quá phạm vi dịch vụ của điện thoại di động hoặc số lượng trạm gốc không đủ thì không thể thực hiện định vị LBS. Trong điểm này, nó không phù hợp để sử dụng tại hiện trường.

4. Công nghệ định vị WIFI

Định vị WIFI, như tên cho thấy, phải có WIFI xung quanh thì mới có thể sử dụng. Mục đích của định vị WIFI là giải quyết vấn đề định vị chính xác trong nhà và nguyên tắc tương tự như định vị trạm gốc.

Chúng tôi biết rằng mỗi thiết bị di động không dây có một địa chỉ MAC duy nhất trên toàn cầu. Định vị WIFI phụ thuộc vào việc phát hiện địa chỉ MAC của tất cả các điểm truy cập không dây gần đó (Điểm truy cập WIFI).

Sau đó so sánh tọa độ của địa chỉ MAC trong cơ sở dữ liệu, tính toán ra vị trí.

Các điều kiện để định vị WIFI

• Phải bật WIFI, bất kể điểm nóng có được kết nối hay không.
• Nó phải có khả năng truy cập internet. Dữ liệu di động hoặc mạng WIFI có sẵn. 

Ưu điểm

• Độ chính xác định vị cao, đặc biệt là ở những nơi đông người
• Tốc độ nhanh
• Có thể định vị WIFI xung quanh ngay cả khi không kết nối.

Nhược điểm

• Phụ thuộc Wifi – không thể được định vị mà không mở WIFI
• Nó phải ở trạng thái kết nối internet

5. Công nghệ định vị AGPS

AGPS là một phương pháp hỗ trợ định vị GPS. Nguyên tắc định vị giống như GPS, ngoại trừ việc nó được bổ sung bởi mạng data di động. Nó chỉ hoạt động khi được trang bị mô-đun GPS.

Nếu không có mô-đun GPS, định vị này không hoạt động. Định vị AGPS được sử dụng để tăng tốc độ định vị GPS do tốc độ tìm kiếm khi chỉ sử dụng GPS thông thường rất chậm do khởi động nguội GPS (bạn có thể tham khảo mục 1).

Sau khi thêm định vị AGPS, bạn có thể sử dụng trạm gốc để tìm vị trí của mình một cách đại khái. Theo vị trí này, máy chủ sẽ chuyển các thông số vệ tinh (số lượng, tần số, vị trí, độ cao, v.v.) cho thiết bị định vị của bạn. Bằng cách này, GPS trên thiết bị có thể tìm kiếm các vệ tinh có hướng.

Ưu điểm

Tìm kiếm vệ tinh và định vị nhanh, bất kể khởi động lạnh hay khởi động nóng.

Nhược điểm

Bạn phải kết nối với internet. Nếu thiết bị của bạn không thể truy cập internet hoặc không có WIFI xung quanh, bạn không thể sử dụng AGPS để đạt được hiệu quả tuyệt vời. 

6. Định vị Beidou

Nguyên tắc định vị của Beidou tương tự như định vị GPS. Nó dựa vào nghiên cứu và phát triển độc lập của vệ tinh beidou.

Người dùng lớn nhất hiện nay là ngành công nghiệp quân sự Trung Quốc, trong khi các ngành công nghiệp dân sự không phổ biến lắm.

Ở một mức độ nào đó, nó không chính xác như định vị GPS.

Ưu điểm

An toàn và hỗ trợ giao tiếp & định vị mục tiêu mà GPS không khả dụng.

GPS chỉ có thể cho người dùng biết “Tôi” ở đâu, nhưng hệ thống beidou không chỉ có thể cho người dùng biết “Tôi” ở đâu, mà còn cho người dùng biết “bạn của tôi đang ở đâu.

Nhược điểm

Nó vẫn đang trong giai đoạn phát triển, chủ yếu được sử dụng trong ngành công nghiệp quân sự Trung Quốc, trong khi công nghiệp dân sự vẫn chưa được phổ biến đầy đủ. Ngoài ra, chi phí chip cao.

Ở vĩ độ trung bình và cao, do số lượng vệ tinh beidou ít và phân bố vệ tinh kém, loại độ chính xác định vị này không tốt.

Các ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS

1. Hộp đen trên máy bay dân dụng

Được thiết kế với chất liệu siêu bền, hoạt động được cả khi máy bay phát nổ, rơi xuống biển… Có khả năng ghi lại toàn bộ hành trình, dữ liệu âm thanh trong quá trình di chuyển.

2. Định vị chuyên dụng cho tàu thuỷ, tàu biển

Được thiết kế để chống lại môi trường muối biển. Có khả năng sử dụng sóng analog để truyền dữ liệu về đất liền. (Do không có hệ thống mạng data ngoài biển).

3. Định vị GPS chuyên dụng cho người thám hiểm

Được thiết kế nhỏ gọn với độ bền cao, chống rơi, va đập. Có khả năng truyền sóng analog. Có màn hình hiển thị, giúp người dùng xác định được mình đang ở vị trí nào trên bản đồ số.

4. Được sử dụng với mục đích quản lý vận tải

Được sử dụng trong quản lý vận tải, triển khai giải pháp điều hành xe nhờ thiết bị định vị ô tô bằng điện thoại. Việc ứng dụng thiết bị này được khai thác trên phần mềm định vị xe ô tô.

Ứng dụng để bảo vệ xe máy nhờ việc lắp đặt thiết bị định vị xe máy.

** Xem thêm: định vị xe máy trên điện thoại

Định vị cầm tay thường được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, giấu kín, chống nước, có khả năng nghe âm thanh. Các thiết bị định vị cẩm tay thường có dung lượng Pin lớn, thời gian hoạt động lên tới 30 ngày.

Lắp định vị ô tô