CNQP&KT - Công nghệ định vị toàn cầu xuất hiện từ những năm 1970, là một trong những bước tiến quan trọng của nền khoa học kỹ thuật thế giới. Hiện nay, có 4 hệ thống định vị toàn cầu (GPS, GLONASS, GALILEO và Bắc Đẩu) với nguyên lý hoạt động cơ bản giống nhau.

HỆ THỐNG GPS

Hệ thống GPS được Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai nghiên cứu từ năm 1973, phóng vệ tinh đầu tiên vào năm 1978 và đưa vào hoạt động trọn bộ từ năm 1994, gồm 3 phần: phần không gian, phần điều khiển và phần sử dụng. Phần không gian gồm 24 vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên quỹ đạo cách Trái Đất khoảng 20.200km. Mỗi vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1.500kg, dài 5m, diện tích các tấm pin năng lượng mặt trời mở khoảng 7m2, công suất 50watts. Quỹ đạo các vệ tinh được thiết lập sao cho tại một vị trí trên mặt đất có thể quan sát được 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào. Các vệ tinh được vận hành bằng năng lượng mặt trời, ngoài ra còn có nguồn dự phòng để duy trì hoạt động khi đi vào vùng không có ánh sáng mặt trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi vệ tinh có tác dụng giữ cho vệ tinh luôn chuyển động đúng quỹ đạo đã xác định. Theo chương trình đã được cài đặt, cứ 15 giây, các vệ tinh truyền tín hiệu về Trái Đất với độ chính xác cao. Phần điều khiển có chức năng kiểm soát vệ tinh chuyển động theo đúng quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác. Các bộ phận GPS tính toán khoảng cách với các vệ tinh bằng cách đo thời gian giữa tín hiệu truyền của 4 vệ tinh. Hệ thống cần ít nhất 3 tín hiệu vệ tinh để xác định vĩ độ, kinh độ và 4 tín hiệu để xác định độ cao so với mặt nước biển. Hệ thống GPS có 5 trạm kiểm soát đặt trên Trái Đất, gồm 4 trạm tự động nhận tín hiệu liên tục từ vệ tinh và truyền các thông tin đến trạm kiểm soát trung tâm. Phần sử dụng là các thiết bị nhận tín hiệu GPS trực tiếp từ các vệ tinh và người sử dụng thiết bị này. Hiện nay, độ chính xác của các thiết bị và vị trí do GPS đem lại tại bất kỳ địa điểm nào trên mặt đất có dung sai +/-10 - 15m.  

Với kết cấu như vậy, hệ thống GPS có chức năng chính là xác định vị trí tọa độ; xác định khoảng cách và phương hướng giữa hai điểm bất kỳ trên đường đi hoặc một vị trí, một điểm trên đường; báo cáo hành trình; đo thời gian chính xác. Hiện, GPS được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt trong quân sự, phục vụ công tác tìm kiếm cứu nạn, cứu hộ; trắc địa, đo đạc; dẫn đường trên không, trên bộ, dẫn đường cho rô-bốt; định vị vệ tinh và theo dõi, hiệu chỉnh quỹ đạo; vận tải đường biển; thông tin về vật lý địa cầu (GIS)…

HỆ THỐNG GLONASS

Chương trình phát triển hệ thống định vị GLONASS của Nga do Tập đoàn Roskosmos triển khai xây dựng từ năm 1982. Để GLONASS hoạt động chính xác, đưa ra thông số chuẩn về vị trí bất kỳ trên lãnh thổ Nga cần có 18 vệ tinh; định vị một vị trí bất kỳ trên bề mặt Trái Đất cần 24 vệ tinh; chuyển động trên quỹ đạo Trái Đất có độ cao 19.100km và góc nghiêng 64,80. Đến nay, Nga đã triển khai khoảng 90 vệ tinh để duy trì hoạt động của GLONASS (tuổi thọ trung bình của mỗi vệ tinh khoảng 4,5 năm). Các vệ tinh thế hệ đầu chỉ tồn tại trong 3 năm hoặc có khi chỉ khai thác được vài tháng. Hiện, Nga đang sử dụng vệ tinh GLONASS-M có thời gian khai thác là 7 năm. Theo kế hoạch, đến năm 2025, Nga sẽ triển khai thế hệ vệ tinh GLONASS-K có khối lượng nhỏ hơn, thời gian sử dụng 10 năm, độ chính xác cao hơn; đồng thời mở rộng quyền truy cập cho mọi người dân.

Theo kế hoạch, khi GLONASS đạt được công suất thiết kế, độ chính xác (+/-5 đến 7m) và chất lượng tín hiệu tương đương với GPS của Mỹ. Song theo đánh giá của các chuyên gia, GLONASS có một số tính năng vượt trội so với GPS, đảm bảo đầy đủ tín hiệu tại vùng Bắc bán cầu và các vĩ tuyến cao nói chung. Hiện, có khá nhiều quốc gia quan tâm đến việc ứng dụng GLONASS như là một hệ thống tương ứng song song cùng với GPS, như: Ấn Độ, U-crai-na, Bê-la-rút, các quốc gia Mỹ La-tinh, khối Ả-rập…

HỆ THỐNG GALILEO

Hệ thống này được thực hiện dựa trên đề xuất của Ủy ban châu Âu và Cơ quan Hàng không vũ trụ châu Âu (ESA), với mục đính đảm bảo cho châu Âu có thể sở hữu hệ thống dẫn đường độc lập và có khả năng cạnh tranh với hệ thống GPS của Mỹ. Tháng 12/1999, Hội đồng Liên minh châu Âu (EU) quyết định chế tạo hệ thống định vị vệ tinh mang tên GALILEO, với chi phí khoảng 3,8 tỷ Euro. Theo kế hoạch, việc xây dựng được chia làm 3 giai đoạn: Nghiên cứu khả thi xây dựng hệ thống, triển khai từng phần và triển khai đồng bộ toàn hệ thống. Hệ thống có 28 quốc gia tham gia nghiên cứu và chế tạo, đáng chú ý là Trung Quốc, I-xra-en, U-crai-na, Ấn Độ, Ả-rập Xê-út, Ma-rốc và Triều Tiên…

Về lý thuyết, GALILEO có khả năng truyền tải đồng thời 10 triệu tín hiệu có mục đích sử dụng khác nhau, xác định vị trí vật thể với sai số khoảng 9m; phục vụ công tác cứu nạn đối với tất cả các phương tiện giao thông; cung cấp thông tin cho lực lượng cảnh sát, cứu hỏa, quân đội… Theo thiết kế, GALILEO sử dụng các vệ tinh nằm trên 3 mặt phẳng quỹ đạo, có khoảng cách trung bình với Trái Đất theo tiêu chuẩn quy định của Liên Hợp quốc về viễn thông (khoảng 20.000km). Khoảng cách từ bề mặt Trái Đất đến mỗi vệ tinh (quỹ đạo hình tròn) khoảng 23.222km, các mặt phẳng quỹ đạo có độ nghiêng lớn (560) so với mặt phẳng của đường xích đạo Trái Đất và giữa các mặt phẳng quỹ đạo. Điều đó sẽ cho phép xác định rất chính xác vị trí dẫn đường cho máy bay và các tàu thuyền ở vĩ độ cao. Hệ thống có tổng cộng 30 vệ tinh, trong đó có 27 vệ tinh hoạt động thường xuyên, 3 vệ tinh dự trữ (mỗi quỹ đạo một vệ tinh), sẵn sàng thay thế các vệ tinh đang hoạt động.

Hệ thống GALILEO có hai trung tâm kiểm soát mặt đất, thu nhận thông tin từ 20 trạm cơ sở trên mặt đất (trạm cảm biến - GSS). Các trung tâm kiểm soát có nhiệm vụ xác định tính toàn vẹn và hợp lệ của thông tin vệ tinh nhận được từ các trạm cảm biến và giám sát hoạt động của hệ thống - đồng bộ hóa tín hiệu về thời gian chính xác của tất cả các vệ tinh và đồng hồ của các trạm mặt đất. Dải tần làm việc của hệ thống GALILEO là 1,2 GHz và 1,5 GHz; các dịch vụ tự do truy cập (Open Sevice-CS) sẽ sử dụng các dải tần 1260 - 1300 MHz. Các máy thu (thiết bị đầu cuối của khách hàng) có khả năng tương thích với các máy thu của hệ thống GPS.

Hiện nay, thế giới có 4 hệ thống định vị toàn cầu (GPS, GLONASS, GALILEO và Bắc Đẩu) với nguyên lý hoạt động cơ bản giống nhau.

HỆ THỐNG BẮC ĐẨU

Năm 2000, chương trình phát triển hệ thống định vị toàn cầu Bắc Đẩu chính thức được Trung Quốc khởi động với 3 giai đoạn: giai đoạn 1 (2000-2003), giai đoạn 2 (đến 2012) và giai đoạn 3 (đến 2020). Bắc Đẩu-1 là hệ thống định vị khu vực thử nghiệm gồm 4 vệ tinh (3 vệ tinh làm việc và 1 vệ tinh dự phòng). Các vệ tinh được thiết kế dựa trên công nghệ vệ tinh viễn thông địa tĩnh DFH-3 do Trung Quốc nghiên cứu chế tạo, trọng lượng tại thời điểm phóng là 1.000kg. Khác với các hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO dùng các vệ tinh sử dụng quỹ đạo trung bình Trái Đất (MEO), Bắc Đẩu-1 sử dụng các vệ tinh địa tĩnh (GEO), khu vực quan sát được nằm trong phạm vi 700 - 400 kinh độ Đông và 50 - 550 vĩ độ Bắc.

Bắc Đẩu-2 là hệ thống định vị dẫn đường mới gồm 35 vệ tinh, trong đó có 5 vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh để tương thích với Bắc Đẩu-1 và 30 vệ tinh quỹ đạo phi tĩnh GSO (27 vệ tinh nằm trên quỹ đạo trung bình Trái Đất, 3 vệ tinh quỹ đạo phi tĩnh nghiêng), có khả năng phủ sóng toàn thế giới. Bắc Đẩu-2 có trọng lượng 2.200kg, trọng lượng không nhiên liệu 1.100kg, sử dụng tín hiệu mã hóa dựa trên công nghệ CDMA và có cấu trúc phức hợp tương tự hệ thống GALILEO và GPS hiện đại; cung cấp dịch vụ trả tiền dùng cho chính phủ và quân sự, miễn phí cho dân sự.

Theo đánh giá, khi Bắc Đẩu chính thức đi vào hoạt động với đầy đủ chức năng vào năm 2025, Trung Quốc sẽ đạt được mục đích quan trọng trong chiến lược quốc phòng, kiểm soát không gian vũ trụ và không phụ thuộc vào dữ liệu cảm biến của nước ngoài; nhanh chóng ứng phó với các vấn đề và mối đe dọa mới về an ninh - quốc phòng (giám sát, theo dõi việc sử dụng điện thoại di động, thiết bị cầm tay, thiết bị dẫn đường, vô tuyến của các đối tượng tội phạm, khủng bố); phát triển kinh tế, giao dịch thương mại thông qua việc bán bản quyền, cho thuê đường vệ tinh; phục vụ công tác cứu nạn, cứu hộ; bảo đảm thông tin liên lạc tại các đảo ngoài khơi...

ĐOÀN HÙNG