NGUYÊN LÍ ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS) VÀ
ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC KHÍ TƯỢNG HỌC
Lê Mạnh Hùng
Tm tt: Phân tích nguyên lí định vị tuyệt đối của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và giới thiệu ứng dụng của kĩ thuật
GPS trong lĩnh vưc khí tượng học
Từ khóa：Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) ,Mã khoảng cách giả, Nghành Khí tượng GPS ( GPS/MET)
Asbtract: This paper analyses the absolute positioning theory of global positioning system and its applications in
meteorological fields
Keywords: Global Positioning System (GPS), Pseudo range, GPS/MET

1.GIỚI THIỆU GPS
Hệ thống định vị toàn cầu tên tiếng anh là Navigation Satellite
Timing And Ranging (NAVSTAR)/Global Positioning System (GPS).
Nó có ý nghĩa là lợi dụng việc đo khoảng cách và đo thời gian của vệ
tinh để dẫn đường, tạo thành một hệ thống định vị toàn cầu. GPS là
sự kết hợp giữa kĩ thuật vô tuyến điện, kĩ thuật máy tính điện tử, kĩ
thuật đo đạc và kĩ thuật không gian .
nh 1 miêu tả bộ phận không gian của GPS gồm: 21 vệ tinh
hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng. Các vệ tinh này nằm trên 6 quĩ đạo
khác nhau, mỗi một quĩ đạo gồm bốn vệ tinh, mỗi một quĩ đạo này
nghiêng một góc 55 độ so với xích đạo và cách mặt đất khoảng
20200 km. Chu kì vận hành của một vệ tinh là 11giờ 58 phút. Hệ
thống GPS được bố trí như trên với mục đích là bất cứ một điểm nào
trên trái đất ở bất kì thời gian nào cũng đồng thời nhận được 4 vệ
tinh quan sát, nhiều nhất có thể lên đến 11 vệ tinh. Do tín hiệu vệ
tinh không bị ảnh hưởng của thời tiết vì thế trong phạm vi toàn cầu
với bất kể người dùng nào dù trên mặt biển, đất liền hoặc không trung hệ thống GPS đều có thể định vị chính xác vị trí,
tốc độ cũng như thời gian của người dùng đó. Hệ thống định vị toàn cầu GPS là một trong những biểu tượng của kĩ
thuật định vị hiện đại, là một trong những thành tựu quan trọng của kĩ thuật không gian trong thế kỷ 20, là sự tiếp nối
thành công của kế hoạch đưa người lên mặt trăng và kế hoạch thám hiểm không gian.

trình bốn ẩn (ba ẩn là ba hệ tọa độ của máy và một ẩn là sai số thời gian), tức là ít nhất phải xác định bốn khoảng cách
giả từ vệ tinh đến máy tiếp nhận. Điều này có nghĩa là ở một điểm bất kì phải ít nhất có bốn vệ tinh cùng theo dõi.

2.2 Đo mã khoảng cách giả
Để thiết lập phương trình tính khoảng cách giả, ta qui ước một số kí hiệu sau:
)(GPSt
j
biểu thị thời gian tiêu chuẩn GPS ngay ở thời điểm phát tín hiệu của vệ tinh thứ j；
)(GPSt
i
biểu thị thời gian tiêu chuẩn GPS ngay ở thời điểm nhận tín hiệu của máy tiếp nhận thứ i；
j
t
là thời gian tương ứng của vệ tinh ghi trên mặt đồng hồ；
i
t
là thời gian tương ứng của máy tiếp nhận ghi trên mặt đồng hồ；
j
t

biểu thị sai số giữa thời gian trên mặt đồng hồ và thời gian tiêu chuẩn GPS；
i
t

biểu thị sai số giữa thời gian ghi trên mặt đồng hồ của máy tiếp nhận và thời gian tiêu chuẩn của GPS;
Ta có mối quan hệ thời gian như sau:
iii
jjj
tGPStt
tGPStt

j
i
j
i
j
i
ttGPStGPStCtC

 )]()([
~

Đồng thời, nếu dùng kí hiệu
i
j

biểu thị khoảng cách hình học giữa vệ tinh
j
S
đến
i
T
；
j
i
t

là sai số thời gian
tương đối giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ của máy tiếp nhận thì
)]()([ GPStGPStC
j


~

Số hạng thứ hai
j
i
tC

biểu thị khoảng cách bị lệch do ảnh hưởng của sự chêch lệch thời gian，Nếu ta xét đến
ảnh hưởng của khúc xạ ánh sáng ở tầng khí quyển, thì phương trình của khoảng cách giả được viết lại là:
)()(
~
tTtItC
j
i
j
i
j
i
j
i
j
i



Trong công thức này
)(tI
j
i

j
，
)(tZ
j
là tọa độ của vệ tinh
j
S
ở hệ không gian ba chiều gốc là tâm trái đất ,
i
X
，
i
Y
，
i
Z
là tọa độ của máy tiếp nhận
i
T
ở hệ không gian ba chiều gốc là tâm trái đất. Để thuận lợi cho việc tính toán ta chuyển
j
i

sang hệ tuyến tính. Nếu giả sử:
ii
ii
ii
ZZZ
YYY
XXX

i
i
j
i
i
i
j
i
i
i
j
i
j
i
j
i
Z
Z
t
Y
Y
t
X
X
t
tt 





))((
1
)
)(
(
0
0
0
0
0
0
0
0
0
tmZtZ
t
Z
t
tlYtY
t
Y
t
tkXtX
t
X
t
j
ii
j
j







Do đó thiết lập được phương trình tuyến tính của
j
i

như sau:
i
j
ii
j
ii
j
i
j
i
j
i
ZtmYtlXtkt

)()()())((
0
)))(())(())([())((

ii
j
ii
j
ii
j
i
j
i
j
i



Xác định được khoảng cách giả từ mỗi vệ tinh tới máy tiếp nhận, giải phương trình 4 ẩn
i
X
，
i
Y
，
i
Z
，t từ đó
(2-6)
(2-7)
(2-8)
(2-9)
(2-10)
(2-11)

trên đỉnh núi và một vệ tinh GPS dung kĩ thuật tín hiệu che khuất để quan sát. Năm 1992 K.R.Hardy cùng cộng sự dựa
vào lí luận lợi dụng các máy tiếp nhận GPS được đặt trên các vệ tinh ở quĩ đạo thấp kết hợp với các vệ tinh GPS thông
qua phương pháp kĩ thuật tín hiệu che khuất và đã xác định được các tham số của tầng khí quyển. Năm 1995 Hiệp hội
nghiên cứu tầng khí quyển của các trường đại học ở Mỹ (UCAR) thực hiện kế hoạch GPS/MET thành công, chứng
minh việc lợi dụng quĩ đạo thấp có thể tiến hành kiểm định được đồ thị biểu diễn nhiệt độ(temperature proflile)
Phương pháp này được gọi là khí tượng GPS không gian. Khí tượng GPS mặt đất và khí tượng GPS không gian hỗ trợ
bổ sung cho nhau, và cùng được gọi là ngành Khí tượng GPS.

3.2 Nguyên lí của Ngành Khí tượng GPS
Hệ thống vệ tinh của GPS phát tín đi các tín hiệu (là các sóng điện từ) khi đến các trạm tiếp nhận dưới mặt đất
phải vượt qua tầng khí quyển. Khi sóng điện từ vượt qua tầng khí quyển vận tốc truyền sóng cũng như đường đi của
sóng đều bị ảnh hưởng. Vì thế tín hiệu vệ tinh phải thông qua hiệu chỉnh mới phù hợp với thực tế. Việc hiệu chỉnh này
không chỉ liên quan đến không khí khô mà còn liên quan đến mật độ điện tử trong tầng khí quyển, hàm lượng hơi nước.
Những năm đầu 90 thế kỷ 20 các nhà khoa học có đặt ra một câu hỏi ngược lại: Có thể dùng các máy tiếp nhận GPS sau
khi nhận được các tín hiệu từ các vệ tinh để tính ngược lại được mật độ điện tích và hàm lượng hơi nước ? Thực tế đã
chứng minh là hoàn toàn có thể tính được hàm lượng hơi nước (lượng nước có thể gây mưa) trong không khí mà việc
này đối với việc dự báo khí tượng và phân tích khí hậu là vô cùng quan trọng. Hơn nữa GPS lại có thể có thể quan sát ở
bất cừ thời gian nào, vì thế đã hình thành lên một phương pháp mới là dùng một máy tiếp nhận GPS cố định thông qua
đo đạc để xác định lượng hơi nước có trong khí quyển, và nghành Khí tượng GPS cũng ra đời từ đây.

3.3 Ứng dụng Ngành Khí tượng GPS

3.3.1 Dự báo thời tiết
Hệ thống quan sát GPS/MET có thê 24/24h quan sát trái đất, cung cấp các thông tin chính xác các dữ liệu về nhiệt
độ, áp suát, độ ẩm để dự báo thời tiết

3.3.2 Giám sát sự biến đổi khí hậu của Trái đất
Hệ thống quan sát GPS/MET có thể tính toán được tỉ lệ khúc xạ của tầng khí quyển. Mà sự khúc xạ này chính là
hàm số của nhiệt độ và độ ẩm của lương khí đó. Vì thế có thể trực tiếp dùng tỉ lệ khúc xạ của tầng khí quyển làm ”máy
đo sự biến hóa toàn cầu”