GALILEO – FULL PORTION OF THE WORLD POSTIONING SYSTEM
ThS. Hà Thiếu Sang DPA – Công Ty Cổ Phần Vận Tải Nhật Việt
Giới thiệu
Đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học đã phát minh ra một số hệ thống vô tuyến dẫn đường (Radio-based Navigation Systems) và sử dụng rộng rãi trong chiến tranh thế giới thứ hai. Các tàu chiến và máy bay quân sự của quân đồng minh và phát xít đã sử dụng những hệ thống vô tuyến dẫn đường trên mặt đất, những công nghệ tiên tiến nhất thời đó.
Một số hệ thống vô tuyến dẫn đường vẫn còn sử dụng đến ngày nay. Một hạn chế của phương pháp sử dụng sóng vô tuyến dẫn đường được phát trên mặt đất là chỉ có hai lựa chọn: một là hệ thống rất chính xác nhưng không bao phủ được vùng rộng lớn, hai là hệ thống bao phủ được một vùng rộng lớn nhưng lại không chính xác.
Chính vì vậy, các nhà khoa học đã nghĩ rằng cách duy nhất bao phủ sóng chính xác trên toàn thế giới là đặt những trạm phát sóng vô tuyến cao tần đặt trong không gian và phát sóng xuống trái đất. Một trạm phát sóng vô tuyến đặt trong không gian phát sóng vô tuyến cao tần bằng tín hiệu được mã hóa đặc biệt có thể bao phủ được khu vực rộng lớn với một mức năng lượng hữu ích cho phép tái tạo lại thông tin thì sẽ có thể xác định được vị trí.
Đây là ý tưởng ban đầu của hệ thống định vị toàn cầu (hệ thống định vị GPS- Mỹ). Ý tưởng này đã đúc kết lại lịch sử tiến bộ trong khoa học dẫn đuờng bằng cách tạo ra “những hải đăng trong vũ trụ” làm đồng bộ với thời gian tiêu chuẩn có thể dùng để xác định vị trí chính xác.
Cho tới nay có 2 hệ thống định vị toàn cầu bằng vệ tinh, đó là hệ thống định vị GPS của Mỹ và hệ thống định vị GLONASS của Nga. Hai hệ thống này đều được đề xuất từ trong thời kỳ chiến tranh lạnh để phục vụ trong lĩnh vực quân sự và cả hai đều gồm có 24 vệ tinh. Hệ thống GPS được đưa vào hoạt động từ những năm 1980 và được sử dụng bởi quân đội Hoa Kỳ để điều khiển tên lửa hoặc để xác định vị trí các đơn vị trên chiến trường [1]. Từ năm 1993 bộ quốc phòng Mỹ bắt đầu cho phép các cơ quan dân sự sử dụng hệ thống GPS (nhưng khác băng tần hoạt động của quân sự). Từ những năm 1990 Nga cũng khai thác hệ thống định vị GLONASS của họ với mục tiêu quân sự. Tuy nhiên giai đoạn đầu do tình tình kinh tế không được khả quan sau khi Liên Xô tan rã trở thành liên bang Nga cho nên hệ thống GLONASS hoạt động không có hiệu quả, chỉ có 7 trên 24 vệ tinh hoạt động [1].
Cho đến 07/10/2014, Cơ quan Vũ trụ liên bang Nga vừa thông báo tiến độ lắp đặt hệ thống định vị toàn cầu GLONASS đã hoàn tất với 24 vệ tinh và hệ thống sẽ nhận thêm 6 vệ tinh dự phòng nữa trong 4 năm tới.
Như vậy trong vòng hai mươi năm trước chỉ có hệ thống GPS của Mỹ là hoạt động dường như độc quyền trên thị trường công nghệ định vị và hướng dẫn giao thông bằng vệ tinh. Để chấm dứt tình huống phải phụ thuộc vào hệ thống GPS của Mỹ, năm 2002 cộng đồng chung châu Âu đã quyết định thực hiện dự án GALILEO [2], [3].
GALILEO – Hệ thống định vị hoàn thiện nhất trong tương lai
1. Hệ thống GALILEO hiện nay
Hệ thống định vị GALILEO là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Châu Âu, cung cấp, đảm bảo dịch vụ định vị toàn cầu độ chính xác cao, tương thích với hệ thống GPS của Mỹ và hệ thống GLONASS của Nga. Nó bao gồm 30 vệ tinh và các cơ sở hạ tầng mặt đất. Thiết kế hiện đại và hiệu quả của GALILEO sẽ tăng tính độc lập về công nghệ định vị của Châu Âu, và giúp thiết lập các tiêu chuẩn quốc tế về hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu - Global Navigation Satellite Systems (GNSS) [3].
Chương trình hệ thống GALILEO được thực hiện bởi sự hợp tác giữa Liên minh Châu Âu và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (European Space Agency - ESA). Sau khi hoàn thành và đi vào hoạt động, hệ thống được quản lý và điều hành bởi tổ chức dân sự, phi quân sự - ESA, điều này khác biệt hoàn toàn với hệ thống GPS của Mỹ và GLONASS của Nga.
Hệ thống GALILEO hoàn chỉnh sẽ bao gồm 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động chính thức, 03 vệ tinh dự phòng). Chu kỳ bay các vệ tinh khoảng 14 tiếng đồng hồ quay quanh trái đất ở độ cao 23.222 km, luôn có ít nhất bốn vệ tinh bao phủ một khu vực trên bề mặt trái đất. 30 vệ tinh sẽ được đặt trong ba mặt phẳng quỹ đạo có góc nghiêng 56 độ, sẽ cung cấp sự bao phủ đến cả những vùng cực – điều này sẽ khắc phục một trong những hạn chế của hệ thống định vị GPS [3], [5].
Hệ thống GALILEO với cơ sở hạ tầng to lớn, thời gian và định vị cực kỳ chính xác - một phần tỷ giây và sai số định vị trong một phạm vi 30cm. Cơ sở hạ tầng mặt đất bao gồm hai trung tâm điều khiển chính đặt tại Châu Âu, các trạm điều khiển trên toàn thế giới, trạm phát tín hiệu, trạm theo dõi và điều khiển vệ tinh.
Với những mục tiêu trên, có thể thấy rằng nếu hệ thống định vị GALILEO hoàn tất và đi vào hoạt động sẽ là một hệ thống định vị hoàn thiện nhất hiện nay.
2. Các dịch vụ của hệ thống GALILEO
Có 04 dịch vụ về định vị sẽ được cung cấp bao gồm [3]:
Dịch vụ mở (Open Service): miễn phí với mọi đối tượng. Người dùng có thể sử dụng 2 tần số L1 và E5A. Độ chính xác đối với máy thu 2 tần số là 4m cho phương ngang và 8m cho chiều thẳng đứng. Đối với máy thu 1 tần số (L1), độ chính xác là 15m theo phương ngang và 35m theo chiều thẳng đứng.
Dịch vụ trả tiền (Commercial Service): dành cho các đối tượng cần có độ chính xác nhỏ hơn 1m với một khoản phí nhất định. Dịch vụ này sẽ được cung cấp thông qua tần số thứ 3 (E6).
Dịch vụ cứu hộ (Safety of Life Service): dành riêng cho cứu hộ, độ bảo mật cao, chống gây nhiễu sóng.
Dịch vụ công (Public Regulated Service - PRS): dành riêng cho chính phủ và quân đội của các nước Liên minh châu Âu. Đặc biệt có bảo mật, độ tin cậy rất cao.
3. Các giai đoạn triển khai của dự án
Giai đoạn thử nghiệm
Vệ tinh thử nghiệm đầu tiên Giove-A của hệ thống định vị GALILEO đã được phóng vào ngày 28 tháng 10 năm 2005 tại bệ phóng Baikonur ở Kazakhstan. Giove-A được chế tạo bởi công ty Surrey Satellite Technology Ltd tại Anh. Vệ tinh mang máy phát tín hiệu GALILEO đầu tiên bay vào quỹ đạo, Giove-A được trang bị với một anten với băng tần phát L-band (dải tần số 1200-1600 MHz), cũng như hai đồng hồ nguyên tử rubidium có độ chính xác rất cao (chính xác hơn cả đồng hồ nguyên tử của hệ thống GPS) và hai loại máy dò bức xạ giám sát môi trường xung quanh quỹ đạo của nó.
Vệ tinh thử nghiệm thứ hai Giove-B cũng được phóng lên từ bệ phóng Baikonur vào ngày 27 tháng 04 năm 2008, Giove-B được chế tạo bởi một tập đoàn đứng đầu về công nghệ vũ trụ ở Châu Âu là Astrium và Thales - Pháp. Nó cải tiến một số tính năng của anten điều khiển, trang bị một đồng hồ hydro đặc biệt ổn định cùng với một đồng hồ nguyên tử rubidium có độ chính xác rất cao, và một cảm biến bức xạ mới để giám sát môi trường xung quanh quỹ đạo của nó.
Hình 1. Vệ tinh IOV của hệ thống GALILEO đang được phóng lên quỹ đạo[6]
2. Giai đoạn thử nghiệm tín hiệu vệ tinh trên quỹ đạo (In-Orbit Validation - IOV)
Vào lúc 7h30 ngày 21 tháng 10 năm 2011, tại sân bay vũ trụ của châu Âu ở Guiana – lãnh thổ hải ngoại của Pháp tại Nam Mỹ, hai vệ tinh GALILEO đầu tiên (IOV I và IOV II) được phóng lên quỹ đạo. Khối lượng của mỗi vệ tinh là 700kg được tên lửa đẩy Soyuz của Nga đưa thành công chúng lên độ cao 23.222km.
Vào ngày 12 tháng 10 năm 2012, hai vệ tinh tiếp theo (IOV III và IOV IV) cũng được ESA phóng thành công lên quỹ đạo. Như vậy, trên quỹ đạo hiện nay, hệ thống GALILEO đã có 02 vệ tinh thử nghiệm Giove-A, Giove-B và 04 vệ tinh đầu tiên IOV I, IOV II, IOV III, IOV IV. Hệ thống đã hoàn thành giai đoạn ban đầu, được đánh giá hoạt động thông qua các bài kiểm tra, các hoạt động định vị thử nghiệm của hai vệ tinh thử nghiệm, của bốn vệ tinh IOV và cơ sở hạ tầng mặt đất của họ.
3. Giai đoạn 1 hoàn thiện (Full Operational Capability - FOC Phase 1)
Theo kế hoạch, 02 vệ tinh thứ 05 và thứ 06 của hệ thống GALILEO sẽ được phóng vào năm 2013 nhưng đã bị trì hoãn gần một năm do những vấn đề về kĩ thuật. Cho đến ngày 22 tháng 08 năm 2014, 02 vệ tinh này mới được phóng lên nhưng rất tiếc không đi đúng quỹ đạo. Theo kế hoạch thì chúng được đặt vào mặt phẳng quỹ đạo có độ cao 23.222km. Tuy nhiên thất bại của lực đẩy đã khiến các vệ tinh đi vào quỹ đạo 17.000km, nơi chúng không hoạt động được.
Đây là một lỗi về kỹ thuật của tên lửa đẩy và đã được các chuyên gia vũ trụ Châu Âu tìm ra nguyên nhân là do vấn đề ở các ống nhiên liệu nằm trên tầng đẩy thứ tư Fregat của tên lửa Soyuz. Các ống chứa nhiên liệu hydrazine, được sử dụng trên tầng đẩy tăng cường Fregat có nhiệm vụ điều khiển vệ tinh đi vào đúng vị trí của chúng trên quỹ đạo, đã bị đóng băng trong quá trình phóng do chúng nằm gần một ống helium lỏng siêu lạnh. Lỗi này có thể dễ dàng điều chỉnh cho các đợt phóng trong tương lai.
Theo Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), giai đoạn này sẽ được đẩy nhanh tiến độ trong năm 2015 và dự kiến hoàn thành giai đoạn này vào năm 2016.
Giai đoạn này hoàn thành sẽ có 18 vệ tinh trên quỹ đạo (bao gồm cả 04 vệ tinh IOV). Lúc này hệ thống có thể cung cấp các dịch vụ mở (Open Service - OS), dịch vụ tìm kiếm và cứu nạn (Search & Rescue), dịch vụ công cộng (Public Regulated Service - PRS).
4. Giai đoạn 2 hoàn thiện (Full Operational Capability - FOC Phase 2)
Dự kiến đến năm 2020 hệ thống sẽ có đầy đủ 30 vệ tinh trên quỹ đạo kết hợp với cơ sở hạ tầng mặt đất, trung tâm điều khiển hoàn thiện. Hệ thống sẽ cung cấp đầy đủ các dịch vụ được công bố [6], [7].
Những thử nghiệm ban đầu trong ngành hàng hải của hệ thống GALILEO
Ngày 04/12/2013, từ căn cứ hàng hải Den Helder, Hà Lan, tàu khu trục của Bỉ - Leopold I-F930 khởi hành hải trình đến cảng Stavanger, Na Uy. Đây được coi là tuyến đường biển khó khăn với các con sóng có độ cao lên đến 10 mét – đây chính hải trình của đội tàu đi biển Viking lừng danh trong quá khứ, trên hải trình này tàu Leopold I-F930 cũng tiệm cận với vòng cực Bắc vào ngày 17/12/2013.
Đây cũng là chuyến hành hải đầu tiên triển khai sử dụng thử nghiệm dịch vụ định vị dẫn đường Public Regulated Service - PRS của hệ thống GALILEO, trước khi tàu khu trục hướng tới cảng nhà. Thử nghiệm này cung cấp những minh chứng rõ ràng liên quan tới độ ổn định của tín hiệu GALILEO, xuyên suốt hải trình của tàu Leopold I-F930 trên các tần số phát cũng như trên vĩ độ cao, tương ứng với ngưỡng quan sát vệ tinh thấp nhất trong khu vực hoạt động của tàu. Hình 2. Tàu khu trục Leopold I-F930 đang rời cảng Den Helder bắt đầu chuyến hải trình [6] Hoạt động thử nghiệm này thể hiện rõ ràng những nỗ lực và sự hợp tác hiệu quả giữa các bên ở tất cả các cấp độ. Chính phủ Liên hiệp Anh và chính phủ Bỉ là hai quốc gia liên quan trực tiếp tới quá trình thử nghiệm. Ngoài ra còn có các đối tác thuộc những lĩnh vực khác nhau, sự giúp đỡ từ các cơ quan, tổ chức của Châu Âu cùng với sự hỗ trợ chính thức đến từ chính phủ Hà Lan và Na Uy.
Toàn bộ kế hoạch hợp tác thử nghiệm đã được Châu Âu chính thức ghi nhận khi tàu khu trục Leopold I-F930 cập cảng Stavenger. Các quan chức Bỉ và Na Uy có mặt tại cảng cũng đã được xem lại chi tiết toàn bộ các kết quả của quá trình thử nghiệm. Những kết quả thử nghiệm tích cực này sẽ được sử dụng làm định hướng phát triển của hệ thống GALILEO trong những năm tiếp theo.
Xu hướng phát triển và tiềm năng hệ thống GALILEO - cạnh tranh hay hỗ trợ
Xu hướng phát triển
Trong một thời gian dài Mỹ tìm mọi cách thuyết phục EU từ bỏ chương trình GALILEO. Lý lẽ hàng đầu được Washington đưa ra là hệ thống định vị GPS hoạt động vẫn rất tốt, thừa khả năng đáp ứng mọi nhu cầu của thế giới và lại còn miễn phí tín hiệu hoàn toàn. Nhưng các nước châu Âu vẫn kiên quyết xúc tiến kế hoạch riêng của mình.
Ngay cả nước Anh, vốn chủ trương gắn chặt với Mỹ về các vấn đề an ninh quốc phòng, cũng trở nên bị cô lập và phải chuyển sang ủng hộ GALILEO. Bởi theo các chuyên gia, trong trường hợp khủng hoảng, nếu người Mỹ muốn ngăn chặn các tín hiệu phát đi hoặc muốn làm sai lệch kết quả thì Châu Âu (cũng như bất kỳ đối tượng nào sử dụng hệ thống GPS) sẽ gặp rất nhiều khó khăn.
Tại hội nghị thượng đỉnh EU-Mỹ vào năm 2004, được đánh dấu bằng sự ủng hộ mà các nước châu Âu dành cho Mỹ trong công cuộc bình định Iraq, gạt sang một bên những bất đồng trước đó. Để đổi lại, EU giành được từ Mỹ một nhân nhượng quan trọng là thỏa thuận về sự chung sống hòa bình giữa hai hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS (Mỹ) và GALILEO (EU).
Tại Ireland, Tổng thống George W.Bush đã chứng kiến việc ký kết một văn bản cho phép hai hệ thống GPS và GALILEO hoàn toàn tương thích với nhau, một điều tối cần thiết cho người sử dụng để họ khỏi phải mua hai thiết bị giải mã khác nhau cho cùng một mục đích. Đồng thời, EU cũng chấp nhận cho phép Mỹ được quyền gây nhiễu tín hiệu GALILEO tại các vùng có xung đột - một đảm bảo cho sự thống trị của Mỹ trong lĩnh vực an ninh quốc tế [4].
Đánh giá tiềm năng hệ thống
Với việc Mỹ đang dần khắc phục các điểm yếu của hệ thống GPS, hệ thống GLONASS của Nga đang dần hoàn thiện, Châu Âu đẩy nhanh tiến độ hoàn thành hệ thống GALILEO, Trung Quốc đang tăng tốc trong việc hoàn tất hệ thống COMPASS (hay có tên gọi khác là BEIDOU - Bắc Đẩu) thì cuộc chiến về hệ thống định vị trên thế giới hiện nay đang nóng hơn bao giờ hết.
Thế nhưng theo các chuyên gia, các hệ thống này có thể sẽ không xung đột lẫn nhau mà ngược lại có thể cùng nhau hỗ trợ khắc phục các khuyết điểm của từng hệ thống. Điều này đóng góp rất nhiều lợi ích về mặt kinh tế, xã hội và khoa học kỹ thuật cho thế giới. Tài liệu tham khảo
L. Tetley and D. Calcutt (2001), Electronic Navigation Systems, Butterworth-Heinemann, ISBN 0750651385.
R. Prasad and M. Ruggieri (2005), Applied Satellite Navigation Using GPS, GALILEO, and Augmentation Systems, Artech House, ISBN 1580538142.
B.H. Wellenhof, H.Lichtenegger, E. Wasle (2007), GNSS - Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, GALILEO, and more, Springer, ISBN 3211730125.
http://www.galileo-navigationssystem.com
http://www.esa.int
http://en.wikipedia.org/wiki/Belgian_frigate_Leopold_I_(F930)