Hệ thống QZSS là gì?
Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) là hệ thống định vị, dẫn đường, đo thời gian bằng vệ tinh do Nhật Bản nghiên cứu phát triển. Hệ thống này bao phủ Đông Á và Châu Đại Dương. Tuy nhiên, đây không phải là một hệ thống hoạt động độc lập mà được sử dụng kết hợp với hệ thống định vị toàn cầu GPS của Mỹ hoặc các hệ thống khác, nhằm nâng cao độ chính xác của dữ liệu định vị thu từ vệ tinh.
Để xác định được chính xác vị trí, cần thu được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh định vị(1), tuy nhiên tại các vùng đồi núi hay các thành phố với rất nhiều nhà cao tầng, rất khó thu được đầy đủ tín hiệu của cả 4 vệ tinh GPS, dẫn đến sai số rất lớn. Bằng cách truyền tín hiệu định vị tương tự như GPS (hoặc các hệ thống vệ tinh khác khi cần thiết), QZSS sẽ cho phép thiết bị định vị dưới mặt đất có thể thu đủ được ít nhất 4 tín hiệu vệ tinh. Ngoài ra, hệ thống QZSS còn phát tín hiệu bổ trợ để nâng cao độ chính xác của dữ liệu định vị. Với hệ thống QZSS mới này, về mặt lý thuyết sai số của tín hiệu định vị thu được sẽ giảm xuống còn 1cm, bằng khoảng 1/1000 so với hệ thống GPS dân sự hiện nay, và ngay cả khi ngồi trong nhà cũng có thể thu được tín hiệu với độ chính xác cao.
Các thành phần của hệ thống QZSS
Cũng giống như các hệ thống vệ tinh định vị khác như GPS của Mỹ hay GLONASS của Nga, hệ thống QZSS gồm 2 thành phần chính là: các vệ tinh trong không gian và trạm điều khiển dưới mặt đất.
Các vệ tinh trong không gian:
Quỹ đạo của các vệ tinh QZSS được tính toán sao cho thời gian bay trên bầu trời Nhật Bản là lớn nhất, đồng thời vẫn đảm bảo được các yêu cầu về kỹ thuật, cũng như thuận lợi trong việc điều khiển…, vì vậy các nhà thiết kế đã chọn quỹ đạo hình số 8 bất đối xứng, hay còn gọi là quỹ đạo Quasi-Zenith.
Để biết thêm về quỹ đạo Quasi-Zenith, các bạn có thể xem clip dưới đây (Nguồn: JAXA – http://www.jaxa.jp/countdown/f18/overview/orbit_j.html):
[youtube link=”http://youtu.be/1ltCbob_8_c” width=”590″ height=”315″]
Các vệ tinh trong hệ thống QZSS trong tiếng Nhật được gọi là Juntenchou Eisei (Eisei: vệ tinh, Juntenchou: ngay trên đỉnh đầu), xuất phát từ việc ở bất kỳ thời điểm nào cũng có ít nhất 1 vệ tinh QZSS bay trên vùng trời Nhật Bản. Với quỹ đạo hình số 8 bất đối xứng như trên, thời gian trung bình 1 vệ tinh có mặt trên bầu trời Nhật Bản là khoảng 7 ~ 9 tiếng một ngày. Vì vậy, để đảm bảo trong suốt 24h có ít nhất 1 vệ tinh trên vùng trời Nhật Bản, hệ thống QZSS cần phải có ít nhất 3 vệ tinh như vậy
Trạm điều khiển dưới mặt đất:
• Trạm điều khiển trung tâm: giám sát hoạt động của toàn bộ hệ thống (bao gồm: vệ tinh, trạm điều khiển trung tâm, trạm thí nghiệm giám sát). Trạm điều khiển trung tâm sẽ tiếp nhận dữ liệu từ các trạm thí nghiệm giám sát để tính toán thời gian và quỹ đạo của các vệ tinh, từ đó tổng hợp các thông tin làm cơ sở cho các tín hiệu định vị và truyền các thông tin này đến vệ tinh.
• Trạm thí nghiệm giám sát: bao gồm 9 trạm (4 trạm trong nước và 5 trạm ở nước ngoài), có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu từ vệ tinh, tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến trạm thí nghiệm giám sát và gửi các thông tin này về trạm điều khiển trung tâm.
Đôi nét về vệ tinh đầu tiên của hệ thống QZSS – Michibiki
Vệ tinh đầu tiên trong hệ thống QZSS có tên là “Michibiki” (trong tiếng Nhật có nghĩa là “Người mở đường”) đã được phóng lên quỹ đạo vào ngày 11/9/2010.
Khái quát về hình dáng của Michibiki cùng các bộ phận được lắp đặt Các thông số kỹ thuật cơ bản của vệ tinh MichibikiHiện tại, chính phủ Nhật đang đặt hàng Công ty điện khí Mitsubishi chế tạo vệ tinh thứ 2. Dự tính đến năm 2019, cùng với Michibiki, hệ thống sẽ có 4 vệ tinh cùng hoạt động trên quỹ đạo.
Chú thích:
(1) Vì sao cần phải có ít nhất 4 vệ tinh để xác định vị trí trên mặt đất?
Tín hiệu do vệ tinh định vị truyền về mặt đất gồm 2 thành phần chính là: tọa độ hiện tại của vệ tinh và thời điểm tín hiệu bắt đầu được truyền đi. Thời điểm này được đo bằng đồng hồ nguyên tử (với sai số: 1giây/300.000 năm) gắn trên vệ tinh.
Thiết bị thu trên mặt đất sẽ tiếp nhận tín hiệu này, sau đó so sánh thời điểm tín hiệu được truyền đi (t1) với thời điểm nhận được tín hiệu (t2) (thời điểm nhận được tín hiệu đo bằng đồng hồ gắn trên thiết bị thu) để tính toán thời gian di chuyển (t) của tín hiệu theo công thức: t = t2 – t1
Sau đó, lấy thời gian t này nhân với vận tốc di chuyển của tín hiệu (bằng với tốc độ ánh sáng, xấp xỉ 300.000km/s), sẽ tính được khoảng cách từ vệ tinh đến điểm cần xác định vị trí.
Khoảng cách R = Vận tốc di chuyển của tín hiệu ☓ Thời gian truyền tín hiệu
Để đơn giản, ta chọn hệ trục tọa độ với gốc là tâm của trái đất (thực tế, hệ trục tọa độ mà các vệ tinh định vị sử dụng phức tạp hơn rất nhiều, và có thể khác nhau, tùy thuộc vào từng hệ thống), khi đó tọa độ của vệ tinh là (X, Y, Z), tọa độ của điểm cần xác định vị trí là (x, y, z) và ta sẽ được phương trình:
R2 = (X-x)2 + (Y-y)2 + (Z-z)2
Về nguyên tắc, để tìm được 3 ẩn (x, y, z) này, cần phải có ít nhất 1 hệ gồm 3 phương trình như vậy. Chính vì vậy phải cần phải có ít nhất 3 dữ liệu (R, X, Y, Z) từ 3 vệ tinh.
Phương trình trên giải được trong điều kiện lý tưởng là thời gian trên đồng hồ nguyên tử của vệ tinh và thời gian trên thiết bị thu là hoàn toàn đồng bộ với nhau. Tuy nhiên, trên thực tế, do giới hạn về mặt kinh tế, đồng hồ gắn trên các thiết bị thu đa số chỉ là loại đồng hồ thông thường, và luôn có sai số. Vì vậy để tính toán chính xác vị trí cần tìm, cần phải loại bỏ sai số này (bởi chỉ cần lệch 1/1.000.000s, khoảng cách tính toán sẽ lệch đi 300m).
Nếu gọi sai số về thời gian này là dt, vận tốc di chuyển của tín hiệu là C (xấp xỉ 300.000km/s), ta sẽ lập được phương trình như sau:
(R – C*dt)2 = (X-x)2 + (Y-y)2 + (Z-z)2
Phương trình bây giờ trở thành phương trình 4 ẩn (dt, x, y, z), cần phải có ít nhất 1 hệ gồm 4 phương trình để giải. Vì vậy, để tính toán chính xác vị trí của một điểm trên mặt đất, cần phải thu được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh định vị.
Ngoài ra, với việc thu được tín hiệu từ 4 vệ tinh định vị, còn có thể tính được cao độ của điểm cần tìm so với mực nước biển.
Tổng hợp và biên tập: NVB
Nguồn tham khảo: JAXA – http://www.jaxa.jp/
