Giải thích các hệ vệ tinh GNSS: so sánh GPS, GLONASS, Galileo và BeiDou
Những điểm chính
- Một chòm vệ tinh GNSS là tập hợp vệ tinh dẫn đường do một đơn vị vận hành, có quỹ đạo, tín hiệu và khung tham chiếu riêng.
- GPS, GLONASS, Galileo và BeiDou đều phủ toàn cầu; QZSS và NavIC là các hệ khu vực.
- GPS, Galileo và BeiDou dùng chung tần số trung tâm như 1575.42 MHz và 1176.45 MHz, giúp đơn giản hóa máy thu đa hệ.
- Theo dõi mọi hệ thường tăng gấp đôi hoặc ba số vệ tinh trong tầm nhìn so với chỉ GPS.
- Nhiều vệ tinh hơn không loại bỏ nhu cầu hiệu chỉnh RTK hoặc PPK khi cần độ chính xác cấp centimét.
Các hệ vệ tinh GNSS là gì?
Các chòm vệ tinh GNSS là các nhóm vệ tinh tạo thành từng hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS). Một hệ GNSS là dịch vụ đầy đủ: vệ tinh, phân đoạn điều khiển mặt đất theo dõi và cập nhật chúng, cùng đặc tả tín hiệu mà máy thu dùng để tính định vị, dẫn đường và thời gian (PNT).
Hiện có bốn hệ phủ toàn cầu: GPS, GLONASS, Galileo và BeiDou. Hai hệ nữa, QZSS và NavIC, phục vụ các khu vực cụ thể; hệ tăng cường dựa trên vệ tinh (SBAS) bổ sung dữ liệu hiệu chỉnh và tính toàn vẹn. Thuật ngữ GPS thường được dùng chung cho tất cả, nhưng GPS chỉ là hệ của Hoa Kỳ; bài GNSS và GPS giải thích thuật ngữ. Bài này so sánh chính các hệ vệ tinh.
Mỗi vệ tinh phát quỹ đạo (lịch thiên văn) và thời gian đồng hồ chính xác. Máy thu đo thời gian truyền tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh để giải ba tọa độ cùng sai số đồng hồ của chính nó.
So sánh GPS, GLONASS, Galileo và BeiDou như thế nào?
Bốn hệ toàn cầu chủ yếu khác nhau về độ cao quỹ đạo, số mặt phẳng quỹ đạo, thiết kế tín hiệu và đơn vị vận hành, nhưng đều cho độ chính xác độc lập tương tự ở mức vài mét.
| Hệ thống | Đơn vị vận hành | Độ cao quỹ đạo (MEO) | Mặt phẳng / độ nghiêng | Tín hiệu dân dụng chính | Dịch vụ toàn cầu |
|---|---|---|---|---|---|
| GPS | Hoa Kỳ (Lực lượng Không gian Hoa Kỳ) | Khoảng 20200 km | 6 mặt phẳng, 55° | L1 C/A, L1C, L2C, L5 | Đạt khả năng vận hành đầy đủ năm 1995 |
| GLONASS | Nga | Khoảng 19100 km | 3 mặt phẳng, 64.8° | L1OF, L2OF (FDMA), CDMA L3OC mới hơn | Khôi phục đầy đủ chòm vệ tinh năm 2011 |
| Galileo | Liên minh châu Âu | Khoảng 23200 km | 3 mặt phẳng, 56° | E1, E5a, E5b, E6 | Dịch vụ ban đầu từ tháng 12 năm 2016 |
| BeiDou (BDS-3) | Trung Quốc | Khoảng 21500 km, cộng IGSO và GEO | 3 mặt phẳng MEO, 55° | B1I, B1C, B2a, B2b, B3I | Dịch vụ toàn cầu từ năm 2020 |
Chòm vệ tinh GPS cơ sở có 24 vị trí quỹ đạo, và thường khoảng 30 vệ tinh hoạt động. GLONASS được thiết kế cho 24 vệ tinh, Galileo cho 24 cộng vệ tinh dự phòng hoạt động, còn BeiDou-3 dùng 24 vệ tinh quỹ đạo Trái Đất trung bình cộng vệ tinh địa đồng bộ nghiêng (IGSO) và địa tĩnh (GEO) tập trung phủ khu vực châu Á–Thái Bình Dương. Số vệ tinh chính xác thay đổi theo phóng mới và ngừng hoạt động, vì vậy hãy xem trang trạng thái của đơn vị vận hành để biết số hiện tại.
GPS là gì và được phát minh khi nào?
GPS (Hệ thống Định vị Toàn cầu) là hệ định vị vệ tinh thuộc chính phủ Hoa Kỳ, do Lực lượng Không gian Hoa Kỳ vận hành; phát triển bắt đầu năm 1973, vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978 và khả năng vận hành đầy đủ được công bố năm 1995.
Với chuyên gia trắc địa, hai cột mốc quan trọng. Tháng 5 năm 2000, Hoa Kỳ tắt Selective Availability, cơ chế cố ý làm giảm độ chính xác dân dụng, nên máy thu GPS đầu những năm 2000 đột ngột cải thiện từ khoảng 100 m xuống khoảng 10 m khi hoạt động độc lập. Sau đó, tín hiệu dân dụng hiện đại hóa L2C và L5 được bổ sung, còn vệ tinh GPS III phát tín hiệu L1C mới được thiết kế để tương thích với Galileo.
Ứng dụng GPS ngày nay vượt xa dẫn đường: trắc địa, dẫn hướng máy, nông nghiệp chính xác, cấp thời gian cho mạng viễn thông và điện, nghiên cứu khoa học. Trang thông tin chính thức của chính phủ Hoa Kỳ là gps.gov. Để biết chi tiết tín hiệu, xem hướng dẫn tần số GPS L1, L2 và L5.
Hệ thống GLONASS là gì?
GLONASS là hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu của Nga, thiết kế cho 24 vệ tinh trên ba mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao khoảng 19100 km và độ nghiêng 64.8°.
Độ nghiêng lớn hơn giúp vệ tinh GLONASS có hình học tốt hơn ở vĩ độ cao, vì vậy hệ dẫn đường vệ tinh GLONASS đặc biệt hữu ích tại Scandinavia, Canada và Nga. Hệ đạt quy mô đầy đủ năm 1995, suy giảm trong thập kỷ tiếp theo rồi được khôi phục vùng phủ toàn cầu đầy đủ năm 2011.
Khác biệt kỹ thuật chính là cấu trúc tín hiệu. Vệ tinh GLONASS truyền thống dùng phân chia theo tần số (FDMA): mỗi vệ tinh phát ở tần số hơi khác nhau quanh 1602 MHz (L1) và 1246 MHz (L2). Điều này tạo độ lệch giữa kênh mà bộ xử lý RTK phải xử lý, nhất là khi máy thu base và rover khác nhà sản xuất. Vệ tinh GLONASS mới hơn cũng phát tín hiệu phân chia theo mã (CDMA), như L3OC gần 1202 MHz, có thiết kế tương tự các hệ khác.
Khi so sánh GPS và GLONASS, độ chính xác độc lập nhìn chung tương tự. Giá trị của vệ tinh GLONASS với chuyên gia trắc địa là hình học bổ sung, không phải cấp độ chính xác khác.
Hệ thống dẫn đường Galileo là gì?
Galileo là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu dân dụng của Liên minh châu Âu, với vệ tinh trên ba mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao khoảng 23200 km và độ nghiêng 56°. Hệ Galileo đôi khi được gọi là GPS châu Âu hoặc hệ GPS Galileo, nhưng là hệ độc lập có vệ tinh, phân đoạn mặt đất và thang thời gian riêng.
Dự án Galileo của EU do Ủy ban châu Âu chỉ đạo, Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) chịu trách nhiệm thiết kế và mua sắm; hiện Cơ quan Liên minh châu Âu về Chương trình Không gian (EUSPA) quản lý cung cấp dịch vụ và công bố trạng thái tại euspa.europa.eu. Dịch vụ ban đầu Galileo bắt đầu tháng 12 năm 2016.
Các đặc điểm chính của hệ thống dẫn đường vệ tinh Galileo dành cho người dùng chuyên nghiệp:
- Bốn băng tín hiệu: E1 (1575.42 MHz, chung với GPS L1), E5a (1176.45 MHz, chung với GPS L5), E5b (1207.14 MHz) và E6 (1278.75 MHz). E5a và E5b kết hợp tạo tín hiệu E5 AltBOC băng rộng, nổi tiếng với nhiễu thấp và chống đa đường mạnh.
- Dịch vụ độ chính xác cao (HAS): hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ chính xác miễn phí phát trên E6 và trực tuyến, công bố dịch vụ ban đầu năm 2023, mục tiêu độ chính xác ngang cấp decimét.
- Đồng hồ chính xác: đồng hồ maser hydro thụ động và rubidi trên mỗi vệ tinh.
Khi so Galileo với GPS, tín hiệu Galileo hiện đại ngay từ đầu, trong khi GPS vẫn đang thay thế vệ tinh cũ. Với đội trắc địa, lợi ích thực tế của chòm vệ tinh Galileo đơn giản là có thêm vệ tinh chất lượng cao trong tầm nhìn.
BeiDou là gì và so với GPS ra sao?
BeiDou (BDS) là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu của Trung Quốc; thế hệ thứ ba BDS-3 bắt đầu dịch vụ toàn cầu năm 2020, kết hợp vệ tinh quỹ đạo Trái Đất trung bình với vệ tinh IGSO và GEO.
Vệ tinh GEO và IGSO ở trên châu Á và Tây Thái Bình Dương nên BeiDou thường cung cấp số vệ tinh trong tầm nhìn lớn nhất tại khu vực này. Ở nơi khác, hệ đóng góp các vệ tinh MEO toàn cầu. BDS-3 phát tín hiệu cũ B1I và B3I cùng tín hiệu mới B1C (1575.42 MHz), B2a (1176.45 MHz), chung tần số trung tâm với GPS L1 và L5. BeiDou còn cung cấp các dịch vụ hệ khác không có, như liên lạc tin nhắn ngắn và hiệu chỉnh định vị điểm chính xác PPP-B2b tại châu Á–Thái Bình Dương.
Khi so BeiDou với GPS, độ chính xác độc lập tương tự trên toàn cầu. Quyết định của người mua không phải chọn hệ nào mà là máy thu có theo dõi cả hai không: GPS và BeiDou kết hợp cho hình học tốt hơn nhiều tại Đông Á so với dùng riêng từng hệ.
Những hệ khu vực và hệ tăng cường nào bổ sung cho GNSS?
Ngoài bốn hệ toàn cầu, các chòm vệ tinh khu vực và SBAS cải thiện tính sẵn sàng, độ chính xác tại vùng cụ thể.
| Hệ thống | Loại | Vùng phủ | Giá trị bổ sung |
|---|---|---|---|
| QZSS | Hệ vệ tinh khu vực (Nhật Bản) | Nhật Bản và châu Á–châu Đại Dương | Tín hiệu tương thích GPS ở góc cao lớn, cùng hiệu chỉnh L6 cấp centimét tại Nhật Bản |
| NavIC | Hệ vệ tinh khu vực (Ấn Độ) | Ấn Độ và vùng xung quanh khoảng 1500 km | Thêm vệ tinh trên L5 và S-band, vệ tinh mới còn có L1 |
| SBAS (ví dụ WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN) | Tăng cường bằng vệ tinh địa tĩnh | Quy mô lục địa | Hiệu chỉnh và tính toàn vẹn cho độ chính xác dưới mét đến cấp mét |
| Dịch vụ định vị điểm chính xác | Hiệu chỉnh qua vệ tinh hoặc internet | Toàn cầu hoặc khu vực | Độ chính xác decimét đến centimét sau hội tụ |
Máy thu toàn băng tần có thể sử dụng tất cả. Ví dụ, ăng-ten thông minh S20 dành cho phương tiện liệt kê GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS, NavIC và SBAS.
Vì sao máy thu GNSS đa hệ quan trọng trong trắc địa?
Máy thu GNSS đa hệ quan trọng vì nhiều vệ tinh từ nhiều hướng hơn giúp khởi tạo RTK nhanh hơn, nghiệm cố định đáng tin cậy hơn và có kết quả dùng được tại nơi máy thu chỉ GPS không hoạt động.
Dưới bầu trời thông thoáng, máy thu chỉ GPS thường thấy khoảng 8 đến 12 vệ tinh. Với cả bốn hệ toàn cầu, máy thu GNSS cấp trắc địa thường theo dõi 30 đến 40 vệ tinh hoặc hơn. Kỹ sư chúng tôi thấy khác biệt rõ nhất trong bốn tình huống:
- Hẻm đô thị và góc công trình, nơi một nửa bầu trời bị che.
- Dưới tán cây và ven ruộng, nơi tín hiệu bị suy yếu và phản xạ.
- Mỏ lộ thiên và thung lũng, nơi vệ tinh thấp bị địa hình che khuất.
- Ngày làm việc dài, khi hình học của một hệ có những khoảng thời gian yếu.
Vệ tinh bổ sung không thay thế được hiệu chỉnh. Đa GNSS độc lập vẫn ở cấp mét; công việc centimét cần RTK, RTK mạng qua NTRIP hoặc hậu xử lý, như giải thích trong hướng dẫn NTRIP và CORS. Theo dõi đa hệ cũng có lợi cho người dùng khác: GNSS cho ADAS trên phương tiện, drone và máy thu thời gian đều tăng tính sẵn sàng nhờ thêm vệ tinh.
Cách chọn máy thu và ăng-ten GNSS cho mọi hệ vệ tinh
Chọn máy thu và ăng-ten theo dõi cả bốn hệ toàn cầu trên ít nhất hai, tốt nhất ba băng tần, và xác nhận bộ xử lý RTK thực sự dùng mọi hệ trong nghiệm.
- Kiểm tra hệ vệ tinh và tín hiệu. Tìm GPS, GLONASS, Galileo và BeiDou, với tín hiệu hiện đại như L5, E5a/E5b và B2a, không chỉ L1/L2.
- Kiểm tra ăng-ten. Trạm gốc và CORS cần ăng-ten toàn băng tần có tâm pha ổn định, khử đa đường tốt.
- Kiểm tra định dạng hiệu chỉnh. Trạm gốc hoặc mạng phải phát bản tin RTCM 3 MSM đa hệ, nếu không rover không thể dùng tất cả vệ tinh.
- Thử tại nơi làm việc. So sánh thời gian và tỷ lệ cố định nghiệm dưới tán cây hoặc gần công trình, không chỉ ở bãi đỗ xe thoáng.
Máy thu GNSS RTK E1 dùng bộ xử lý toàn hệ 1408 kênh, hoạt động dưới dạng base, rover vô tuyến hoặc rover mạng. Với trạm gốc cố định, ăng-ten GNSS trắc địa SA102 theo dõi GPS, BDS, GLONASS, Galileo, QZSS, SBAS và L-Band, gồm Galileo E1, E5a, E5b và AltBOC. Đội làm việc trong vùng CORS có thể dùng rover RTK mạng Mini nặng 409 g với cùng bộ xử lý 1408 kênh. Hướng dẫn mua máy thu GNSS RTK trình bày các tiêu chí khác, và bạn có thể yêu cầu báo giá bộ đầy đủ.
Câu hỏi thường gặp
Có bao nhiêu hệ vệ tinh GNSS?
Có bốn hệ GNSS toàn cầu: GPS của Hoa Kỳ, GLONASS của Nga, Galileo của Liên minh châu Âu và BeiDou của Trung Quốc. Hai hệ khu vực, QZSS tại Nhật Bản và NavIC tại Ấn Độ, bổ sung vệ tinh trên khu vực tương ứng; các dịch vụ SBAS như WAAS và EGNOS bổ sung hiệu chỉnh. Máy thu cấp trắc địa có thể sử dụng tất cả cùng nhau.
Galileo có chính xác hơn GPS không?
Độ chính xác độc lập của Galileo và GPS tương tự nhau, thường vài mét cho người dùng đơn tần và tốt hơn với tín hiệu hai tần số. Galileo có tín hiệu hiện đại, đồng hồ chính xác và Dịch vụ độ chính xác cao miễn phí hướng đến cấp decimét. Để đo cấp centimét, cả hai vẫn cần hiệu chỉnh RTK hoặc PPK; dùng kết hợp cho kết quả tốt hơn dùng riêng từng hệ.
GLONASS và Galileo khác nhau thế nào?
Khác biệt chính giữa GLONASS và Galileo là quỹ đạo và thiết kế tín hiệu. GLONASS có quỹ đạo thấp hơn, khoảng 19100 km với độ nghiêng 64.8°, hữu ích ở vĩ độ cao, và dùng tín hiệu phân chia theo tần số. Galileo có quỹ đạo khoảng 23200 km và dùng tín hiệu phân chia theo mã chung tần số với GPS, giúp đơn giản hóa thiết kế máy thu và xử lý.
GPS có hoạt động ở Nga không?
Có. Vệ tinh GPS phát trên toàn cầu nên tín hiệu có ở Nga như mọi nơi khác, và phần lớn máy thu bán tại đó kết hợp GPS cùng GLONASS. Như mọi khu vực, nhiễu hoặc gây nhiễu cục bộ gần khu nhạy cảm đôi khi có thể làm gián đoạn thu tín hiệu, là một lý do nữa khiến người dùng chuyên nghiệp ưu tiên máy thu theo dõi nhiều hệ và tần số.
PNT và GPS là gì?
PNT là viết tắt của định vị, dẫn đường và thời gian, ba dịch vụ hệ thống dẫn đường vệ tinh cung cấp. GPS là một hệ cụ thể cung cấp PNT. Nguồn PNT khác gồm các hệ GNSS khác, cảm biến quán tính và hệ vô tuyến mặt đất. Nhà quy hoạch hạ tầng trọng yếu dùng thuật ngữ PNT vì cần khả năng chống gián đoạn không phụ thuộc vào một hệ duy nhất.
DGPS và GPS khác nhau thế nào?
GPS độc lập tính vị trí chỉ từ tín hiệu vệ tinh, với độ chính xác vài mét. GPS vi sai (DGPS) bổ sung hiệu chỉnh từ trạm tham chiếu hoặc SBAS, cải thiện độ chính xác xuống khoảng dưới mét đến một mét. RTK tiến xa hơn, dùng pha sóng mang để đạt cấp centimét. Bài viết về phương pháp hiệu chỉnh GNSS so sánh chi tiết DGPS, RTK, PPK và PPP.
Sat nav và GPS có giống nhau không?
Không hoàn toàn. Sat nav là cách gọi thông dụng của dẫn đường vệ tinh, thường chỉ thiết bị dẫn đường trong ô tô, còn GPS là hệ vệ tinh Hoa Kỳ mà phần lớn thiết bị đó sử dụng. Khi so sánh sat nav và GPS, sat nav là sản phẩm còn GPS, thường cùng Galileo, GLONASS và BeiDou, là nguồn tín hiệu sản phẩm dựa vào.
Bạn cần thiết bị cho công việc này?
Cho chúng tôi biết công việc, quốc gia và số lượng. Kỹ sư sẽ phản hồi cấu hình và giá trong một ngày làm việc. Số lượng đặt hàng tối thiểu là một thiết bị; có dịch vụ OEM.
