Những 'mắt thần' trên quỹ đạo của Mỹ

Trên thế giới hiện có 4 hệ thống định vị toàn cầu là GPS của Mỹ, GLONASS của Nga, GALILEO của Liên minh châu Âu (EU) và Bắc Đẩu của Trung Quốc. Ngoài ra, Ấn Độ đang xây dựng hệ thống định vị toàn cầu riêng mang tên IRNSS.

Các thành phần của GPS

Với các chức năng chính gồm xác định vị trí và tọa độ; xác định khoảng cách và hướng giữa 2 điểm bất kỳ trên đường đi hoặc một vị trí, một điểm trên đường; báo cáo về toàn bộ hành trình; đo thời gian chính xác, ... hệ thống GPS gồm 3 phần không gian, điều khiển và sử dụng.

Phần không gian có 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên quỹ đạo cách Trái Đất 20.200km. Mỗi vệ tinh GPS có trọng lượng 1.500kg, dài 5m, diện tích các tấm pin năng lượng mặt trời 7m², công suất phát 50W.

Quỹ đạo các vệ tinh được thiết lập sao cho tại 1 vị trí trên mặt đất có thể quan sát được 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào. Các vệ tinh vận hành bằng năng lượng mặt trời, ngoài ra còn có nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi 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 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 đúng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác. Các bộ nhận GPS tính khoảng cách với các vệ tinh bằng cách đo thời gian giữa tín hiệu truyền của 4 vệ tinh. Cần có ít nhất 3 tín hiệu vệ tinh để xác định vĩ độ, kinh độ và ít nhất là 4 tín hiệu để xác định độ cao so với mặt nước biển.

GPS có 5 trạm kiểm soát, trong đó 4 trạm kiểm soát hoạt động tự động và 1 trạm kiểm soát trung tâm. Bốn trạm kiểm soát tự động nhận tín hiệu từ các vệ tinh và gửi tín hiệu thông tin đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, dữ liệu sẽ được điều chỉnh cho đúng và kết hợp với 2 ăng-ten khác để gửi lại tín hiệu thông tin cho các vệ tinh.

Phần sử dụng là các thiết bị nhận tín hiệu GPS trực tiếp từ các vệ tinh và người sử dụng thiết bị. Độ chính xác của các thiết bị này và mức độ chính xác về vị trí do GPS mang lại tại bất kỳ địa điểm nào trên mặt đất có dung sai +/-10 - 15 m. Việc dùng GPS để nhận dạng mặt đất sẽ cho những bức ảnh có độ phân giải 30 x 30 m.

Cơ chế vận hành

Các vệ tinh GPS chuyển động quanh Trái Đất 2 lần/ ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu đến Trái Đất. Các thiết bị thu GPS nhận thông tin và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người sử dụng.

Về bản chất, thiết bị thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được, sự sai lệch về thời gian cho biết thiết bị thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Với các khoảng cách đo được tới các vệ tinh, thiết bị thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của thiết bị.

Thiết bị thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất 3 vệ tinh để tính ra vị trí 2 chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh, thiết bị thu có thể tính được vị trí 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và cao độ).

Một khi vị trí người dùng đã tính được thì thiết bị thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, hành trình, khoảng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn…

Hệ thống GPS sử dụng đồng hồ nguyên tử Cs133 và nguyên tử Rubidium, độ chính xác đạt 10-4-10-5 ms/ngày; tổng sai số đo khoảng cách lý thuyết và lỗi do phân bố vệ tinh từ 10 - 20 m.

Các hệ thống dẫn đường hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện, cụ thể: LORAN hoạt động ở dải tần 90 - 100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải; TACAN dùng cho quân đội; và biến thể với độ chính xác thấp VOR/ DME-VHF dùng cho hàng không dân dụng. Các vệ tinh của GPS phát 2 loại tín hiệu vô tuyến công suất thấp, dải L-1 và L-2.

GPS trong các cuộc chiến tranh

Trong cuộc chiến vùng Vịnh năm 1991, mặc dù chưa đầy đủ và còn trong giai đoạn thử nghiệm, hệ thống định vị GPS đã hỗ trợ đáng kể cho lực lượng Mỹ. Nhờ những vệ tinh, “con mắt quan sát” trên quỹ đạo, các đơn vị quân đội Mỹ dễ dàng hơn trong việc xác định thời gian, thông tin liên lạc và định hướng giúp họ cùng vũ khí trang bị vượt qua hàng trăm km trên chiến trường sa mạc có điều kiện địa hình, thời tiết khắc nghiệt ở Kuwait và Iraq.

Đến cuộc chiến Afghanistan năm 2001, Mỹ đã huy động toàn bộ 24 vệ tinh trong hệ thống định vị toàn cầu GPS để cung cấp những thông tin cần thiết và dẫn đường cho vũ khí chính xác tiến công trong thời gian 24/24 giờ.

Những bức ảnh chụp từ vệ tinh có độ phân giải cao giúp nhận biết được các mục tiêu cần không kích như­ địa điểm tập kết quân, trận địa của Taliban, tạo điều kiện cho không quân dễ dàng không kích, phá huỷ mục tiêu.

Các vệ tinh thuộc hệ thống GPS cũng phát huy vai trò to lớn trong việc hiệp đồng tác chiến giữa trung tâm chỉ huy chiến tranh với Tư­ lệnh chiến trường, định vị chính xác mục tiêu cho pháo binh và các đợt không kích tiêu diệt mục tiêu, tiếp sóng phục vụ các máy bay trinh sát không người lái, dự báo thời tiết và phát hiện tên lửa đối phương,…

Theo Tạp chí Điện tử