Cấu trúc chung của hệ thống định vị vệ tinh
GPS
Tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị toàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành. Bộ Quốc phòng Mỹ thường gọi GPS là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System). Mọi người đều có thể sử dụng GPS miễn phí. Vệ tinh đầu tiên của GPS được phóng vào tháng 2 năm 1978, vệ tinh gần đây nhất là vệ tinh GPS IIR-M1 được phóng vào tháng 12 năm 2005 (Wikipedia, 2006).
GPS bao gồm 24 vệ tinh (tính đến năm 1994), đã được bổ sung thành 28 vệ tinh (vào năm 2000), chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 26.560 km (Yasuda, 2001). Hay nói cách khác độ cao trung bình của vệ tinh GPS so với mặt đất vào khoảng 20.200 km (Wikipedia, 2006).
GLONASS
Hệ thống GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System, Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu, tiếng Nga ГЛОНАСС: ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система; Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) do Liên bang Sô viết (cũ) thiết kế và điều hành.
Ngày nay hệ thống GLONASS vẫn được Cộng hoà Nga tiếp tục duy trì hoạt động. Hệ thống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động trong ba mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 64.8 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 25.510 km (Yasuda, 2001).
GALILEO
Cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho mục đích quân sự. Đối với những người sử dụng dân sự có thể có sai số lớn nều như cơ quan điều hành GPS và GLONASS kích hoạt bộ phận gây sai số chủ định, ví dụ như SA của GPS. Do vậy Liên hợp Âu Châu (EU) đã lên kế hoạch thiết kế và điều hành một hệ thống định vị vệ tinh mới mang tên GALILEO, mang tên nhà thiên văn học GALILEO, với mục đích sử dụng dân sự.
Việc nghiên cứu dự án hệ thống GALILEO được bắt đầu triển khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc gia Châu Âu Pháp, Đức, Italia và Anh Quốc. Giai đoạn đầu triển khai chương trình GALILEO bắt đầu năm 2003 và theo dự kiến sẽ hoàn thành và đưa vào sử dụng trong năm 2010 (chậm hơn so với thời gian dự định ban đầu 2 năm) (Wikipedia, 2006). GALILEO được thiết kế gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 56 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 29.980 km (Yasuda, 2001).
Công nghệ Định vị Dẫn đường Vệ tinh GNSS – Hiện tại và Tương lai
Kể từ ngày đầu khai thác đến nay, công nghệ định vị vệ tinh đã được sử dụng tại Việt Nam gần 20 năm. Hầu hết người sử dụng Việt Nam đều đã quen với cụm từ Hệ thống định vị vệ tinh GPS. Trên thực tế, đến thời điểm này thế giới của công nghệ định vị vệ tinh đã và đang có những thay đổi to lớn. Thuật ngữ Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu – GNSS (Global Navigation Satellite System) đang dần thay thế cho thuật ngữ Hệ thống định vị vệ tinh GPS khi các chuyên gia đề cập hay thảo luận về công nghệ dẫn đường vệ tinh. Hội nghị GPS thường niên do Viện Đạo Hàng ION (Institute of Navigation) tổ chức, nay đã được biết đến với tên gọi mới Hội nghị thường niên ION GNSS. Tổ chức Dịch vụ GPS quốc tế (The International GPS Service) bây giờ được gọi bằng tên mới Tổ chức Dịch vụ GNSS quốc tế (International GNSS Service).
Trong suốt thời gian dài vừa qua, GPS vẫn là lựa chọn chính yếu cho tất cả mọi ứng dụng. Mặc dù vậy, với chương trình nâng cấp và đổi mới hệ thống GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) và chương trình xây dựng hệ thống Galileo của Cộng đồng Châu Âu hay hệ thống vệ tinh định vị đầy tham vọng COMPASS của Trung Quốc chắc chắn sẽ tạo ra những thay đổi lớn trong bức tranh toàn cảnh về tương lai của công nghệ định vị vệ tinh. Thêm vào đó, bản thân GPS cũng đang có các chương trình nâng cấp ấn tượng trong thập kỷ tới nhằm cải thiện và nâng cao khả năng tích hợp cũng như độ chính xác của số liệu mà hệ thống này đang cung cấp. Ví dụ như sự kết hợp của GPS và Galileo, khi hai hệ thống đi vào hoạt động sẽ cung cấp số lượng vệ tinh gấp đôi số lượng vệ tinh hiện có của GPS, nâng cao độ chính xác tín hiệu và khả năng quan sát vệ tinh của các máy thu mặt đất.
Những đổi thay mang tính chiến lược này có ảnh hưởng gì tới các ứng dụng trong lĩnh vực đo đạc và bản đồ? Dự án nâng cấp hệ thống đã có cùng với dự án xây dựng mới hệ thống Galileo làm nảy sinh rất nhiều câu hỏi của người sử dụng liên quan tới các vấn đề như độ chính xác, khả năng dò tìm vệ tinh, chi phí khai thác sử dụng, khả năng nâng cấp thiết bị và rất nhiều các vấn đề khác, người sử dụng hiện đang phải cân nhắc: “Tôi có nên đợi trùm các vệ tinh tần số L2C chính thức hoạt động trước khi nâng cấp các máy thu hay không? Tôi có nên đưa ra quyết định mua các thiết bị GPS tại thời điểm này hay đợi cho tới khi hệ thống Galileo đi vào hoạt động?” … Bài báo này được đưa ra nhằm mục đích cung cấp cho bạn đọc tại Việt Nam cái nhìn tổng quan về tương lai của công nghệ GNSS, hỗ trợ việc ra quyết định đầu tư mua sắm trang thiết bị tại thời điểm hiện tại và trong tương lai.
Dự đoán cho tương lai
Trước hết phải nhìn nhận rằng cả Galileo và GPS với các tần số L2C, L5, và GPS III (L1C) vẫn còn cần thêm vài năm xây dựng nữa mới có thể hoàn chỉnh hệ thống để tạo nên sự khác biệt. Có thể nói rằng còn rất nhiều biến động trong công nghệ sản xuất máy thu trước thời điểm các hệ thống chính thức đi vào hoạt động, do vậy việc các nhà sản xuất tạo ấn tượng cho sản phẩm của mình bằng các tính năng kết hợp như “Sẵn sàng – L2C/L5/Galileo” tại thời điểm này không mang nhiều ý nghĩa thực tiễn. Thêm vào đó, cạnh tranh toàn cảnh có thể sẽ có những thay đổi lớn. L2C sẽ mở ra thị trường hứa hẹn cho những nhà sản xuất thiết kế máy thu hai tần số (Dual-frequency) không cần phải phát triển các kỹ thuật giải mã L2 hiện đang được sử dụng. Chắc chắn một điều rằng, chỉ phần cứng của máy thu thôi sẽ không đủ để tạo ra giải pháp đo đạc bản đồ theo công nghệ GPS, L2C sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho tất cả những công ty quan tâm tới tính cạnh tranh trong phân khúc thị trường đo đạc bản đồ. Để hoàn chỉnh các tín hiệu GPS như L2C, L5, GPSIII và L1C các chuyên gia sẽ còn phải tiến hành rất nhiều bước khác nhau trong chương trình thiết kế nâng cấp và hiện đại hoá hệ thống GPS.
Tương phản với việc rất nhiều nhà sản xuất đã nhanh chóng quảng bá và giới thiệu thế hệ máy GPS sử dụng trong đo đạc được trang bị các tính năng sẵn sàng cho L2C/Galileo/GLONASS, thì các nhà sản xuất máy thu dùng cho bản đồ và GIS (có độ chính xác thấp hơn so với máy thu dùng trong đo đạc, thường là nhỏ hơn 1 mét) và máy thu cá nhân sử dụng cho các ứng dụng dẫn đường đơn giản (máy thu độc lập) lại không mấy quan tâm tới những đổi thay của GNSS. Tại sao vậy? Câu trả lời cũng rất đơn giản, bởi cả nhà sản xuất lẫn người sử dụng các dòng máy này không quan tâm nhiều tới độ chính xác. Đối với họ, hỗ trợ cho phát triển GNSS là các chiến dịch và kế hoạch tiếp thị sản phẩm. Thêm vào đó, phần lớn các sản phẩm trong lĩnh vực này đều sử dụng bộ xử lý của hãng SiRF Technology và tới thời điểm hiện tại SiRF cũng chưa công bố bất kỳ giải pháp mới nào cho bộ xử lý GNSS, như vậy rất dễ nhận thấy các nhà sản xuất những dòng máy dân dụng đơn thuần không đề cập nhiều tới những thay đổi và sự xuất hiện của hệ thống GPS hay Galileo.
Đối với những dòng thiết bị phục vụ cho bản đồ và GIS, giá trị của việc sử dụng trùm vệ tinh GNSS là giá trị kỹ thuật, ví dụ như tăng khả năng làm việc và ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh một cách hiệu quả và tin cậy ở các khu vực nhiều nhà cao tầng, dưới các tán cây rậm … nơi mà trước đây thực sự là khó khăn đối với ứng dụng GPS tách riêng. Nhưng điều đó không phải đã tạo ra khả năng thay thế hoàn toàn, chính lợi ích mà nó mang lại cho những nhà sản xuất chưa thực sự thuyết phục, dẫn đến chưa đủ mạnh để tạo ra áp lực buộc các nhà sản xuất thiết bị thuộc dòng này đưa công nghệ GNSS vào sản phẩm của mình. Điều này hoàn toàn không phải là sự nhầm lẫn hay phỏng đoán vô căn cứ, các máy thu phục vụ cho bản đồ và GIS cũng sẽ dần khám phá và tiếp cận GNSS, nhưng những nhu cầu ban đầu vẫn sẽ không phải là nhu cầu thực sự cấp bách. Có thể lấy ngay một ví dụ, hệ GLONASS đã xuất hiện trên thế giới khá nhiều năm và đã làm nên những ảnh hưởng khá ấn tượng đối với phân khúc thị trường định vị độ chính xác cao (đo khống chế, đo RTK, xây dựng công trình …), nhưng trên thực tế thì GLONASS lại chẳng gây ra ấn tượng hay sự thay đổi nào đối với phân khúc thị trường máy thu dùng cho bản đồ và các máy thu dẫn đường đơn thuần.
Ứng dụng nào sẽ bị thu hẹp bởi GNSS – và lý do nào khiến người sử dụng từ chối mua các thiết bị GNSS tại thời điểm hiện tại. Chúng tôi muốn nói đến máy thu độ chính xác tới cm, máy thu cho đo đạc thời gian thực (hay đo RTK, đo động thời gian thực). Các máy thu kết hợp tín hiệu GPS/GLONASS đã xuất hiện trong phân khúc thị trường máy đo đạc độ chính xác cao từ nhiều năm, nhưng thực tế đã được kiểm chứng bởi nhiều hạn chế của hệ thống GLONASS. Khi chỉ sử dụng GPS, phương pháp đo đạc RTK gặp phải khá nhiều khoảng thời gian tín hiệu không tốt trong ngày, đặc biệt khi đo đạc trong điều kiện môi trường khó khăn cho GPS nơi mà khả năng quan sát vệ tinh bị giới hạn bởi nhà cao tầng, cây xanh …Để đơn giản, có thể kết luận rằng, hiện tại số lượng vệ tinh đang hoạt động không đủ để đáp ứng đòi hỏi của phương pháp đo đạc GPS thời gian thực có độ chính xác cỡ cm trong rất nhiều trường hợp và nhiều khu vực.