Tìm hiểu phương pháp đo vị trí dịch chuyển dùng sóng radio

Tiểu luâ ân: Tìm hiểu phương pháp đo vi
trí dich chuyển dùng sóng radio
I.Khái niêâm:
Sóng radio (sóng vô tuyến) là một kiểu bức xạ điện từ với bước
sóng trong phổ điện từ dài hơn ánh sáng hồng ngoại. Sóng radio có tần số
từ 3 kHz tới 300 GHz, tương ứng bước sóng từ 100km tới 1mm. Giống
như các sóng điện từ khác, chúng truyền với vận tốc ánh sáng. Sóng radio
xuất hiện tự nhiên do sét, hoặc bởi các đối tượng thiên văn. Sóng radio do
con người tạo nên dùng cho radar, phát thanh, liên lạc vô tuyến di động và
cố định và các hệ thống dẫn đường khác. Thông tin vệ tinh, các mạng máy
tính và vô số các ứng dụng khác. Các tần số khác nhau của sóng vô tuyến
có đặc tính truyền lan khác nhau trong khí quyển Trái Đất; sóng dài truyền
theo đường cong của Trái Đất, sóng ngắn nhờ phản xạ từ tầng điện ly nên
có thể truyền rất xa, các bước sóng ngắn hơn bị phản xạ yếu hơn và truyền
trên đường nhìn thẳng.

Biểu đồ điện trường (E) và từ trường (H) do sóng vô tuyến phát ra từ một anten phát vô tuyến đơn cực
(đường thẳng đứng nhỏ màu đen ở trung tâm). Trường E và H vuông góc với phương truyền sóng.


II.Phương pháp đo:
1.Phương pháp đinh vi toàn cầu GPS:
Hệ thống Đinh vi Toàn cầu (tiếng Anh: Global Positioning System - GPS)
là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ
Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Trong cùng
một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác
định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh.
Khi nói về GPS, người ta chỉ đơn giản nhìn thấy 1 thiết bị nhỏ gọn có thể
đút lọt túi. Trên thực tế, đó chỉ là một phần rất rất nhỏ trong toàn bộ hệ
thống hết sức đồ sộ và phức tạp. Hệ thống định vị toàn cầu này, thực chất
còn bao gồm cả 27 vệ tinh nhân tạo quay liên tục quanh Trái đất (trong đó

24 vệ tinh thực sự hoạt động và 3 vệ tinh để dự phòng những sự cố). Quân
đội Mỹ lần đầu tiên phát triển mạng lưới vệ tinh này nhằm mục đích định vị
quân sự, nhưng sau đó nó được mở rộng ra cho nhiều nhu cầu dân sự
khác.


Mỗi vệ tinh này một ngày có thể đi được 2 vòng quanh Trái đất. Quỹ đạo
của chúng luôn được điều chỉnh, để bất cứ lúc nào, bất cứ nơi nào cũng có
ít nhất 4 vệ tinh được "nhìn thấy" trên bầu trời. Sự xác định vị trí thông qua
4 vệ tinh này được thực hiện nhờ một phép toán đơn giản có tên gọi là
Trilateration - tạm dịch: phép đo tam giác. Hãy cùng tìm hiểu về nguyên lý
phép toán này trong không gian 2 chiều và 3 chiều.
2D – Trilateration:
Hãy thử tưởng tưởng rằng bạn đang ở đâu đó trên lãnh thổ Hoa Kỳ, và vì
một lý do trời ơi đất hõi nào đó mà bạn đang hoàn toàn lạc lối. Bạn không
có bất cứ một đầu mối nào về nơi bạn đang đặt chân, và tấm bản đồ trong
tay trở nên vô dụng. Bạn tìm đến một cư dân địa phương và hỏi, "Tôi đang
ở đâu?". Anh ta trả lời, "Bạn đang ở cách Boise, Idaho 625 dặm."
Thông tin này có vẻ hữu ích, nhưng thực ra, với bạn nó hoàn toàn vô
dụng. Bạn có thể ở bất cứ nơi đâu trên đường tròn ở hình vẽ dưới.

Bạn tiếp tục tìm đến một người khác, và nhận được câu trả lời, "Anh đang
cách Minneapolis, Minnesota 690 dặm.". Giờ thì mọi chuyện có vẻ khá hơn
một chút. Kết hợp thông tin này với thông tin ở trên, giờ đây bạn đã có 2
vòng tròn giao nhau. Bạn đã biết rằng bạn đang nằm ở 1 trong 2 giao điểm
này.


Nếu người thứ 3 cho bạn biết rằng bạn đang ở cách Tucson, Arizona 615
dặm - mọi chuyện đã trở nên ổn thỏa. Giờ đây 3 vòng tròn sẽ giao nhau ở

một điểm duy nhất (Tất nhiên, trong trường hợp cả 3 người dân địa
phương trên đều không.....chém gió), và bạn đã biết chính xác mình đang
ở đâu - Denver, Colorado.

Với không gian 3 chiều, cơ chế hoạt động cũng tương tự như trên, chỉ
khác ở chỗ, giờ đây những hình tròn được thay thế bằng hình cầu, và các
bán kính giờ đây xoay đủ các hướng trong không gian chứ không chỉ giới
hạn trong một mặt phẳng nữa.


3D – Trilateration:
Nếu bạn biết rằng bạn đang cách vệ tinh A nào đó 10 dặm, giờ đây bạn
đang ở trên bề mặt của một quả cầu khổng lồ có bán kính 10 dặm. Tiếp
theo, bạn biết rằng mình đang ở cách vệ tinh B 15 dặm, giờ đây bạn đã có
hình cầu số 2, to hơn 1 chút. 2 hình cầu này giao nhau tạo nên một đường
tròn hoàn hảo. Nếu bạn biết được khoảng cách tới vệ tinh số 3, giờ đây
đường tròn của bạn chỉ còn lại 2 điểm duy nhất.

Trái đất tự bản thân nó có thể hoạt động như một quả cầu thứ 4. Trừ khi
bạn đang đóng vai siêu nhân trong một bộ phim hành động nào đó, trong
những trường hợp còn lại, nơi bạn đặt chân chắc chắn phải ở đâu đó trên
mặt đất. Do đó, bạn có thể loại bỏ được 1 điểm lơ lửng giữa vũ trụ. Tuy
nhiên, trong phần lớn các trường hợp, các thiết bị thu nhận tín hiệu GPS
cần đến sự hoạt động của 4 (hoặc nhiều hơn thế) vệ tinh, nhằm tăng độ
chính xác và cung cấp thông tin chi tiết hơn.


Để thực hiện được phép toán này, các máy thu GPS phải thực hiện ít nhất
2 điều:
Các vị trí của ít nhất 3 vệ tinh đang quay trên đầu bạn.

Khoảng cách từ bạn đến những vệ tinh đó.
Những thiết bị GPS sẽ thu thập những con số này thông qua việc phân
tích các tín hiệu radio có tần số cao, năng lượng thấp từ các vệ tinh GPS.
Nhiều máy móc hiện nay có thể có đến 3-4 đầu thu GPS, do đó chúng có
thể thu nhận đồng thời tín hiệu từ nhiều vệ tinh.

Các sóng radio này có năng lượng điện từ, điều này có nghĩa là chúng di
chuyển với tốc độ ánh sáng. Các đầu thu tín hiệu có thể tìm ra khoảng cách
từ nơi bạn đứng đến vị trí của vệ tinh, thông qua việc xác định thời gian mà
sóng di chuyển trên quãng đường đó. Tuy nhiên, việc tính toán thời gian
này không hề đơn giản chút nào.


*Bộ máy tính toán GPS:
Vào một thời điểm cụ thể (hãy giả dụ là nửa đêm), vệ tinh bắt đầu truyền đi
một khuôn mẫu dài, dạng số được gọi là mã giả-ngẫu nhiên. Bộ phận tiếp
nhận cũng bắt đầu chạy cùng chuỗi số vào đúng nửa đêm. Khi sóng của vệ
tinh gặp bộ phận tiếp nhận, sự truyền của chuỗi sẽ chậm lại một chút trước
khi bộ phận tiếp nhận chạy chuỗi số.

Độ dài thời gian trì hoãn chính là khoảng thời gian sóng di chuyển. Bộ
phận tiếp nhận sẽ nhân khoảng thời gian này với tốc độ của ánh sang để
xác định khoảng cách mà sóng đi qua. Giả định là sóng truyền theo một
đường thẳng, đó chính là khoảng cách từ bộ phận tiếp nhận đến vệ tinh.
Để lập được sự đo lường này, bộ phận tiếp nhận và vệ tinh đều cần đồng
hồ có thể đồng bộ hóa đến đơn vị một phần tỷ giây. Để tạo ra một hệ thống
định vị vệ tinh mà chỉ sử dụng các đồng hồ chỉ cùng thời gian, bạn sẽ cần
đến đồng hồ nguyên tử không chỉ ở trên tất cả vệ tinh, mà cả ở bộ phận

tiếp nhận. Nhưng đồng hồ nguyên tử có giá từ 50.000 đến 100.000 đô la
Mỹ, một cái giá quá chát đối với các thiết bị dân dụng.
GPS đã có một giải pháp thông minh và hiệu quả cho vấn đề này. Mỗi vệ
tinh sẽ được trang bị những chiếc đồng hồ nguyên tử đắt tiền, nhưng bản
thân đầu thu lại chỉ sử dụng một đồng hồ thạch anh bình thường, và nó sẽ
liên tục tự reset. Chính nhờ điều này, một đầu thu chỉ có khả năng nhận
một giá trị thời gian duy nhất, và giá trị này sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào
chiếc đồng hồ nguyên tử nằm trên các vệ tinh. Giá trị thời gian chính xác sẽ
làm cho tất cả sóng tín hiệu giao nhau tại một điểm duy nhất trong ko gian.
Kết quả cuối cùng, các máy thu GPS đều được trang bị "miễn phí" một
chiếc đồng hồ nguyên tử lẽ ra có giá đến hàng chục nghìn đô la.
Tuy nhiên, sự tự điều chỉnh thông qua chiếc đồng hồ thạch anh sẽ làm
cho các tín hiệu trở nên lệch lạc. Bốn hình cầu của bạn sẽ không còn giao
nhau tại 1 điểm như lý thuyết ở trên nữa. Lại một lần nữa, khả năng tự
reset và khả năng đồng bộ hóa giữa chiếc đồng hồ thạch anh trong đầu thu
và chiếc đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh sẽ giải quyết điều này. Sau
những lần tự điều chỉnh, các đầu thu tín hiệu sẽ đọc được khoảng cách
một cách tương đối chính xác.


Nhiều người cho rằng, một chiếc GPS có thể đo đạc chính xác khoảng
cách từ nơi người dùng đến vị trí của các vệ tinh. Thực tế, điều này là rất
khó, nếu như bạn biết rằng các vệ tinh di chuyển với tốc độ rất nhanh. Các
đầu thu GPS chỉ đơn giản làm công việc của một "niên lịch", lưu giữ lại quỹ
đạo của các vệ tinh, từ đó cho ta biết vệ tinh này sẽ ở đâu vào thời điểm
nào. Lực tác động từ Mặt trăng và Mặt trời có thể làm thay đổi chút ít quỹ
đạo di chuyển của các vệ tinh này, nhưng hệ thống GPS luôn có sự giám
sát rất chặt chẽ. Bất cứ sự thay đổi nào đều sẽ ngay lập tức được gửi đến
tất các máy thu GPS như là một phần của tín hiệu truyền đến từ vệ tinh.
*Đôâ chính xác của GPS:

Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều
kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song
(của Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và
chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành
phố với các toà nhà cao tầng. Trạng thái của khí quyển và các nguồn
gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS. Các
máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét.
Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation
System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Không cần
thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng
có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa
lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục
Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một
mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy
phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín
hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ.

*Những thiết bi sử dụng ứng dụng GPS
GPS ngày nay đã thực sự mở rộng trên rất nhiều lĩnh vực, từ quân sự cho
đến dân sự. Hãy cùng điểm qua những thiết bị chính sử dụng ứng dụng
này


-GPS trên các phương tiện xe cộ
Cực kỳ phổ biển và có rất nhiều ứng dụng. Không chỉ làm nhiệm vụ của 1
chiếc bản đồ, 1 thiết bị GPS gắn trên xe còn có thể cho bạn biết xem lộ
trình nào sẽ bớt ùn tắc nhất trong sáng hôm nay, kiểm soát được tốc độ và
lộ trình của những ngày hôm trước, cảnh báo khi bạn vượt quá tốc độ hoặc
đi vào vùng giới hạn.... Chức năng chống trộm cũng là 1 điểm đáng lưu ý,
giờ đây, với GPS gắn trên xe, bạn có thể dễ dàng biết được vị trí chiếc xe

thân yêu của mình.

Bạn có thể tùy chọn cách thông báo: hoặc hiển thị dưới dạng 1 văn bản chỉ
đường, hoặc dưới dạng bản đồ (hay dùng nhất), hoặc giọng nói của một
nữ phát thành viên dễ thương nào đó.
-GPS trên điện thoại
Ở đây, chiếc Sim điện thoại của bạn sẽ đóng vai trò như một đầu thu. Rất
nhiều mạng viễn thông ở Việt Nam có khả năng cung cấp dịch vụ GPS trên
điện thoại: VIETTEL, MOBIFONE, VINAFONE...., và ngay cả khi bạn ra
khỏi địa phận Việt Nam, bạn vẫn có thể duy trì dịch vụ này bằng cách
Roaming chuyển vùng quốc tế.


-GPS trên laptop


Rất nhiều laptop sẽ được mặc định cài sẵn chương trình GPS trên xe sử
dụng qua máy tính xách tay. GPS trên laptop có nhiều ưu thế hơn so với
trên xe: Bản đồ rộng lớn và chi tiết hơn, khả năng sử dụng bàn phím để
kiểm soát các tính năng GPS, đồng thời có một số tính năng mà các thiết bị
khác không có, ví dụ như khả năng thiết lập lịch trình chuyến đi.
-GPS cầm tay

Có khả năng hoạt động độc lập, tự thu tín hiệu, tự xử lý và hiển thị trên
màn hình của máy. Cũng có nhiều nét tương đồng với các thiết bị GPS
khác như khả năng vẽ bản đồ, khả năng nhớ Waypoint...., tuy nhiên các
thiết bị cầm tay được thiết kế cho những tay máu me du lịch bụi, do đó nó
cần đến sự gọn nhẹ, tiện sử dụng và bền.
2.Radar
là

thuâât
ngữ
viết
tắt
của
cụm
từ
tiếng
Anh: RAdio Detection And Ranging (dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến)
hay của Radio Angle Detection And Ranging (dò tìm và định vị góc bằng
sóng vô tuyến) trong tiếng Anh. Đây là một hệ thống sử dụng để định vị và
đo khoảng cách và lập bản đồ các vật thể như máy bay hay mưa.


Radar phát hiện vật ở một khoảng cách bằng sự phản hồi các sóng radio.
Khoảng thời gian của sự phản hồi để xác định khoảng cách. Phương
hướng của tia xác định hướng của sự phản hồi. Sự phân cực và tần số của
sóng phản hồi có thể cho biết bề mặt của vật.
Radar định vị quét một vùng không gian rộng từ 2 đến 4 lần trong 1 phút.
Dùng sóng ngắn phản hồi từ đất hay đá. Radar sử dụng phổ biến trên tàu
thương mại hay máy bay thương mại đường dài.
Radar dùng cho mục đích thông thường dùng tần số radar định vị, nhưng
không phải các tia điều biến và phân cực để các máy thu để xác định bề
mặt của vật phản hồi. Radar thông thường tốt nhất có thể định dạng mưa
trong cơn bão, cũng như mặt đất hay các phương tiện di chuyển. Một số có
thể để lên cùng dữ liệu âm thanh và dữ liệu bản đồ từ định vị GPS.
Radar tìm kiếm quét một vùng rộng lớn với xung tia radio ngắn. Chúng
thường quét một vùng không gian từ 2 đến 4 lần 1 phút. Thỉnh thoảng radar
dùng hiệu ứng Doppler để tách phương tiện vận chuyển với môi trường.
Radar dò tìm mục tiêu sử dụng cùng nguyên lý như radar tìm kiếm nhưng

quét vùng không gian nhỏ hơn nhiều, thường là vài lần 1 giây hay hơn nữa.