GPS là hệ thống định vị toàn cầu được sử dụng phổ biến trong đời sống dân dụng, quân sự. Tần số GPS hoạt động trên ba dải tần số L1, L2 và L5 giúp nâng cao khả năng ứng dụng và độ chính xác. Vậy cụ thể tín hiệu GPS hoạt động ra sao? Tần số L1, L2 và L5 có ý nghĩa gì? Hãy cùng Đất Hợp tìm hiểu qua bài viết dưới đây!
Nội dung chính
Giới thiệu tổng quan vệ hệ thống GPS
GPS (Global Positioning System) là hệ thống định vị toàn cầu được phát triển bởi quân đội Hoa Kỳ. Vệ tinh đầu tiên của hệ thống GPS được phóng vào không gian vào năm 1978. Kể từ đó đến nay, đã có đến hơn 24 vệ tinh để mở rộng mạng lưới hệ thống định vị GPS.
Tín hiệu GPS sử dụng sơ đồ truyền dẫn CDMA, còn được gọi là đa truy cập phân chia theo mã. Mặc dù các tín hiệu vệ tinh GPS sử dụng trên cùng một tần số, thế nhưng chúng được điều biến bởi một chuỗi hay mã kỹ thuật số giả ngẫu nhiên. Một một vệ tinh có duy nhất một mã giả ngẫu nhiên.
Giả ngẫu nhiên được hiểu là tín hiệu xuất hiện một cách ngẫu nhiên. Trong thực tế, tín hiệu này thường được lặp lại sau một khoảng thời gian nhất định. Mã giả ngẫu nhiên này của mỗi vệ tinh đều được nhận biết và xác định bởi các thiết bị thu. Điều này cho phép các máy thu tương thích với tín hiệu CDMA của một vệ tinh cụ thể. Những tín hiệu CDMA ở mức rất thấp, nhưng bộ thu có thể truy xuất tín hiệu và thông tin được truyền tải thông qua mã tương quan.
Hình 1. Ví dụ về mã CDMA.
Hiện nay, hệ thống GPS đã phủ sóng khắp mọi nơi trên toàn thế giới. GPS được ứng dụng phổ biến trong đời sống hằng ngày từ di chuyển, đi lại, đến theo dõi quá trình luyện tập, hoặc thậm chí là tìm kiếm địa điểm cà phê gần nhất. Tín hiệu GPS được truyền bởi các vệ tinh trong không gian và được nhận bởi các máy thu đặt trên mặt đất. Tần số GPS trong dân dụng được truyền trên 3 băng tần L là L1, L2 và L5 (một phần của phổ vô tuyến giữa 1 và 2GHz).
Hình 2. Tần số GPS được truyền trên L1, L2 và L5.
Tần số GPS L1, L2 và L5 là gì?
Các vệ tinh thuộc hệ thống định vị toàn cầu GPS quay quanh Trái Đất hai lần một ngày theo một quỹ đạo chính xác. Chúng truyền tín hiệu liên tục, cho phép máy thu GPS tại mặt đất tính toán vị trí, tốc độ và hướng chính xác.
GPS bắt đầu hoạt động với hai tín hiệu L1 (tần số 1575.42MHz) và L2 (tần số 1227.60MHz). Các tín hiệu GPS này bao gồm hai mã phạm vi là P(Y) hoặc mã chính xác và mã C/A. Với mã đầu tiên chỉ phục vụ cho mục đích dân sự, trong khi mã thứ hai chỉ dành cho mục đích quân sự. Những mã phạm vi này được dùng để tính toán khoảng cách từ vệ tinh, cũng như xác định thông báo điều hướng.
Mặc dù hệ thống GPS đã đạt được khả năng hoạt động tương đối đầy đủ, nhưng để đáp ứng nhu cầu, cung cấp dịch vụ, công nghệ tốt hơn, hệ thống vẫn được hiện đại hóa, cải tiến và triển khai những điểm mới. Trong đó, việc mở rộng tín hiệu GPS L5 là một trong những cải tiến hiện đại hóa của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ.
Do đó, hiện nay có ba tần số GPS được sử dụng dân dụng, đó là:
- Tần số L1: 1575.42 MHz.
- Tần số L2: 1227.60 MHz.
- Tần số L5: 1176.45 MHz.
Mỗi tần số có một thuộc tính riêng và phù hợp với từng mục đích ứng dụng cụ thể.
– Tần số GPS L1
Tần số GPS L1 gửi tín hiệu định vị vệ tinh ở tần số 1575.42MHz, mã C/A được thu thập thô (mở ở chế độ công khai) và mã chính xác (P) được mã hóa gọi là mã P(Y) bị hạn chế truy cập. Tần số L1 được sử dụng để theo dõi vị trí vệ tinh GPS. Chức năng thông báo định vị, điều hướng tại tần số GPS L1 có tốc độ truyền dữ liệu thấp, chứa các dữ liệu như:
- Ngày và giờ theo hệ thống GPS.
- Tình trạng và sức khỏe của vệ tinh. Nếu vệ tinh gặp sự cố hoặc quỹ đạo bị thay đổi, vệ tinh sẽ không thể hoạt động. Khi tình huống này xảy ra, vệ tinh sẽ gửi thông báo ngừng hoạt động.
- Dữ liệu thiên văn vệ tinh, cho phép máy thu tính toán vị trí của vệ tinh. Thông tin này chính xác với đơn vị thập phân. Thiết bị thu có thể xác định chính xác vị trí, thời gian của vệ tinh tại thời điểm truyền.
- GPS Almanac bao gồm những thông tin và trạng thái của tất cả vệ tinh trong hệ thống GPS, cho phép máy thu xác định vệ tinh nào có thể truy cập để theo dõi.
Ngoài ra, với mã P(Y) chỉ được sử dụng trong quân đội và có khả năng loại bỏ nhiễu tốt hơn mã C/A, nhờ đó GPS quân sự mạnh hơn GPS dân dụng.
– Tần số GPS L2
Tần số L2 được sử dụng để theo dõi tình trạng của vệ tinh GPS. Tần số L2 hoạt động ở 1227.60MHz (nhanh hơn L1). Điều này cho phép tín hiệu đi qua các chướng ngại vật như mây, cây cối, tòa nhà hiệu quả hơn. Tần số L2 truyền mã P(Y) trên các vệ tinh GPS mới hơn và mã C/A (còn được gọi tắt là L2C) cung cấp cho người dùng dân sự một mã công khai thứ hai.
– Tần số GPS L5
Tần số L5 hoạt động ở 1176.45MHz, với công suất truyền cao hơn và cấu trúc tín hiệu được nâng cao so với các tín hiệu GPS L1 và L2. Tần số GPS L5 được dự kiến sẽ cải thiện hiệu suất, độ chính xác của hệ thống GPS cho mục đích sử dụng dân sự như hướng dẫn tiếp cận chính xác của máy bay. L5 được dự đoán là sẽ mang đến mức độ xử lý mạnh mẽ, tăng cao nhờ vào băng thông lớn và các mã trải rộng tương đối dài hơn.
Một trong những điểm nổi bật, đáng chú ý của tần số L5 là bao gồm cả sóng riêng biệt lẫn các thành phần dữ liệu biến điệu vuông pha. Tại L5, hai mã khoảng cách giả nhiễu (còn được gọi là chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên – mã PN hoặc PRN) được truyền đi: mã cùng pha (ký hiệu I5) và mã pha vuông góc (ký hiệu Q5).
Tần số GPS L5 được sử dụng trong vận chuyển cứu sinh, cũng như những ứng dụng đòi hỏi khắt khe như hàng không. Bên cạnh đó, đây là một tín hiệu sẽ được cung cấp quyền truy cập và ứng dụng trong dân sự. Tuy nhiên, tần số L5 còn khá mới mẻ đối với các nhà khảo sát nên chưa được ứng dụng nhiều. Hiện nay, Trimble là một trong những thương hiệu GNSS trên thế giới đi đầu trong việc nghiên cứu và triển khai công nghệ thu sóng vệ tinh GNSS ở tần số L5 vào các thiết bị định vị GNSS của mình.
Hình 3. Xác định phạm vi vệ tinh đến máy bằng phép đo pha sóng mang.
Hình 4. Xác định vị trí từ vệ tinh đến máy thu bằng phép đo giả cự ly.
Lợi ích của việc sử dụng nhiều tần số GPS khác nhau
Mỗi một tần số GPS về mặt xử lý, truyền và nhận tín hiệu, cũng như ăng-ten, băng thông, khoảng cách di chuyển, độ phản xạ, tác động tầng khí quyển khác nhau. Hiểu được các yếu tố của từng tần số, kết hợp các tần số khi quan sát, thu thập dữ liệu GPS sẽ giúp giảm sai số.
Ví dụ như, tín hiệu GPS L2 có tần số cao hơn, do đó có thể di chuyển dễ dàng hơn qua các chướng ngại vật. Các sai số có thể được tính toán và loại bỏ khi so sánh hai tín hiệu. Từ đó mang lại độ chính xác cao hơn so với khi sử dụng tần số L1.
Các tần số L1, L2 và L5 của GPS rất quan trọng trong thực hiện điều hướng, định vị, khảo sát chính xác và nhiều ứng dụng PNT (Định vị, Điều hướng và Thời gian) khác. Ba tần số này hoạt động cùng nhau để cung cấp dữ liệu vị trí chính xác.
Thiết bị thu tín hiệu GPS được cả ba tần số L1, L2 và L5
Hiện nay, các thiết bị thu tín hiệu vệ tinh được xem là hiệu quả, chính xác nhất khi thu được tín hiệu GPS trên cả ba dải tần số L1, L2 và L5. Trimble hiện đang là đơn vị dẫn đầu thế giới trong cung cấp thiết bị, giải pháp định vị vệ tinh. Các thiết bị định vị vệ tinh GNSS mới nhất của Trimble được nâng cấp, cải tiến với một số dòng máy có thể thu được cả tín hiệu L5 như:
- Máy định vị Trimble Catalyst DA2.
- Máy định vị Trimble R780.
- Máy định vị Trimble R4s.
- Máy định vị Trimble R12/12i.
Hình 5. Máy định vị vệ tinh GPS Trimble thu được tần số L5.
Mong rằng qua bài viết này, bạn đã hiểu thêm được những thông tin hữu ích về tần số GPS, cũng như đặc điểm của từng dải băng tần L1, L2 và L5. Nếu có bất kỳ thắc mắc, cũng như có nhu cầu tư vấn về thiết bị định vị vệ tinh phù hợp nhất với yêu cầu, hãy liên hệ ngay đến HOTLINE 0903 825 125 để được hỗ trợ trong thời gian sớm nhất!
>>> Xem thêm: Vệ Tinh GPS Cách Trái Đất Bao Xa?
