PSS cung cấp khả năng đẩy nhằm mục đích thay đổi vị trí và độ cao của các tàu không gian. PSS được cấu thành bởi động cơ nhiên liệu lỏng LAE (Liquid Apogee Engine) phục vụ cho bước cuối cùng đặt vệ tinh vào quỹ đạo, các bộ đẩy 5-lbf được sử dụng để thực hiện các điều chỉnh lớn hơn trên quỹ đạo và các bộ đẩy 0.2-lbf được sử dụng để điều chỉnh độ cao, duy trì độ ổn định theo chu kỳ. MSS bao gồm các cấu trúc cơ bản của tàu không gian, các bản lề khớp nối và các đầu nối sẵn để triển khai các hợp phần bổ sung khi cần thiết.
Tàu không gian GPS III đều có thiết kế chuẩn 12 năm phục vụ và tuổi đời là 15 năm. Các tín hiệu L-band của GPS III sẽ bao gồm tần số và mã cũ như L1 C/A, L1 P(Y), và L2 P(Y); tần số hiện đại hoá L1M, L2C, và L2M; hỗ trợ hoàn toàn cho các tín hiệu trên tần số mới L5 và tần số dân sự L1C.
Các tín hiệu M-code của GPS III khi nhận được trên bề mặt trái đất theo thiết kế đạt tối thiểu -153 dBW tại góc ngẩng 5 độ, trong khi chỉ số này là -158 dBW đối với các vệ tinh Block IIR và IIF. Khả năng này sẽ cải thiện và mang lại lợi thế lớn đối với các ứng dụng quân sự phải triển khai trong những điều kiện thực tế khó khăn hoặc khi thực thi các nhiệm vụ tối mật.
Độ chính xác trong dẫn đường là mối quan ngại đầu tiên của tất cả những người sử dụng GPS. Các tàu không gian GPS Block II yêu cầu phải cung cấp được độ chính xác liên tục nằm trong khoảng 3.5 mét URE (Sai số khoảng cách người dùng). GPS Block IIR yêu cầu phải cung cấp được độ chính xác 2.2 mét URE liên tục 24 giờ trong ngày, khi hoạt động theo chuẩn tần số đồng hồ nguyên tử (RAFS). Block IIF yêu cầu phải cung cấp được độ chính xác tới 3 mét URE 24 giờ trong ngày. GPS II yêu cầu phải cung cấp được độ chính xác 1.0 mét URE liên tục 24 giờ và được cải thiện cho cả ba chiều.
Để đảm bảo hiệu quả cao nhất trong quá trình xử lý và sản xuất các tàu không gian GPS III SV, Lockhed Martin đã đầu tư xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng GPS đa chức năng (GPF) tại Waterton gần Denver, Colorado. Đây sẽ là khu vực triển khai việc chế tạo lắp ráp, tích hợp và thử nghiệm (AI&T) đối với tất cả các tàu không gian GPS III.
Các hợp phần cấu thành vệ tinh sẽ được đưa tới đây từ nhiều địa điểm khác nhau trên khắp Hoa Kỳ để tham gia vào giai đoạn lắp ráp cuối cùng. Tiếp theo là giai đoạn thử nghiệm với nguồn điện ắc quy bao gồm cả công đoạn thử nghiệm trong ống gia nhiệt nóng TVAC và phòng thử nghiệm giao thoa tĩnh điện, tất cả đều được thực hiện tại GPF Waterton. Toàn bộ hạ tầng khu GPF đã được hoàn tất vào đầu năm 2012, các bước kiểm tra, đánh giá và hoàn thiện cũng đã sắp kết thúc đối với tất cả các hợp phần cấu thành GPF.
GNST được coi là hợp phần “dẫn đường” của cả chương trình GPS III. Mô hình đúng kích thước của tàu không gian GPS III SV với đầy đủ các chức năng được lắp đặt trong các hộp không bay, GNST sẽ phục vụ dưới dạng tàu không gian mô phỏng của GPS III. GNST tạo ra hợp phần kiểm tra vật lý tại GPF Waterton, Colorado và khu vực phóng tàu GPS - Căn cứ Không quân Cape Canaveral (CCAFS). Hợp phần quan trọng này sẽ giảm thiểu rủi ro cho quá trình lắp ráp tàu không gian, kiểm tra thử nghiệm, các hoạt động trước khi phóng tàu, và các chức năng bổ sung trong quá trình xây dựng.
GNST đã được chuyển đến GPF cuối năm 2011 và sẽ ở lại đây để phục vụ cho các hoạt động lắp ráp, tích hợp và thử nghiệm (AI&T) nhằm đảm bảo cho việc phóng tàu không gian GPS III trong năm 2012. Sau đó GNST sẽ di chuyển đến CCAFS trong vòng một năm để phục vụ cho các bước trước phóng tàu tại Căn cứ Không quân này.
Tiếp sau các hoạt động tại CCAFS, GNST sẽ quay trở lại GPF Colorado giữ nhiệm vụ kiểm tra thử nghiệm dài hạn trong suốt vòng đời của chương trình GPS III. GNST cũng được thiết kế với khả năng tiếp nhận các chức năng bổ sung cho GPS III trong tương lai. GNST đảm trách các nhiệm vụ trong giai đoạn thiết kế như kiểm chứng, đánh giá, tiền đánh giá trên mặt đất, hỗ trợ kỹ thuật, kiểm tra thiết bị, hiệu chỉnh các hoạt động liên quan đến công tác vận chuyển.
Khi đã ở trên quỹ đạo, các vệ tinh GPS III đều có tuổi thọ dài hơn, độ chính xác được cải thiện một cách đáng kể, khả năng phục vụ cũng tốt hơn nhiều khi so sánh với các thế hệ vệ tinh GPS trước đây. Bảng 1 cung cấp thông tin tóm lược những yêu cầu cơ bản về năng lực hoạt động của các vệ tinh thuộc chương trình GPS III. Các tàu không gian GPS Block IIF và GPS III có những yêu cầu theo mức riêng cho từng vệ tinh riêng lẻ để xác định mức độ sẵn sàng phục vụ của vệ tinh.
Bảng 1. Chỉ tiêu kỹ thuật liên quan đến các thế hệ vệ tinh GPS
Vệ tinh thế hệ mới cũng mang đến cho cộng đồng người sử dụng những tính năng vượt trội so với thế hệ GPS hiện thời, một trong số đó là tín hiệu L1C. Trong phần sau sẽ phân tích kỹ hơn về tính năng quan trọng này của GPS thế hệ mới.
GPS III là thế hệ các vệ tinh GPS thứ nhất có khả năng lựa chọn số hiệu giả bất kỳ PRN (Pseudorandom Number) được xác lập trong khoảng từ 38 – 63. Điều này cho phép có nhiều hơn 32 vệ tinh trên trùm vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo, đây là một trong những điểm hạn chế của các vệ tinh GPS hiện thời và cũng là hạn chế của hợp phần điều khiển hệ thống. Tính năng mới này tuân thủ theo hướng dẫn ISGPS-200.
Các tàu không gian GPS III còn có khả năng mang theo đồng hồ công nghệ cao thứ tư. Khả năng này có thể được sử dụng giống như bộ phận trình diễn về mặt kỹ thuật công nghệ hoặc có thể được sử dụng dưới dạng kiểm chứng trên quỹ đạo, để phục vụ cho mục đích thiết kế đồng hồ độ chính xác cao trong tương lai. Đây là một trong những điểm quan trọng trong tương lai đối với độ chính xác mà trùm vệ tinh GPS có khả năng cung cấp.
Khả năng nhúng gài thêm những tính năng mới có trên các tàu không gian GPS III SV là một trong những chức năng quan trọng của cả chương trình. Khả năng nhúng gài (sẽ được phân tích kỹ trong phần sau) cho phép thiết kế bus có khả năng mở rộng hơn rất nhiều trong tương lai, điều này cũng là lý do để thuyết phục các nhà thầu phụ, các hãng sản xuất thiết bị công nghệ phụ trợ tham gia sâu hơn vào chương trình.
Chương trình GPS III (Phần 4)
Phần 4 – Những tính năng ưu việt của GPS III
Tín hiệu mới L1C
GPS III là thế hệ vệ tinh đầu tiên phát truyền tín hiệu mới L1C. Đây sẽ là tín hiệu dân sự thứ tư (cùng với L1 C/A, L2C, và L5), đồng thời bổ sung vào bản tin dẫn đường hiện đại hoá thế hệ thứ hai CNAV-2. Tín hiệu này hoàn toàn có khả năng kết hợp với các hệ thống GNSS khác như Galileo của Châu Âu, Hệ thống vệ tinh QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) của Nhật Bản, và hệ thống tiềm năng tương lai Compass (BeiDou) của Trung Quốc.
Cũng giống như các tín hiệu GPS hiện đại hoá khác, tín hiệu L1C được thiết kế nhằm cải thiện khả năng dò tìm và thu nhận, truyền tải số liệu nhanh hơn, và dải tín hiệu cũng chính xác hơn, giúp hình thành cấu trúc tín hiệu GPS hiện đại hoá trên tần số L1. Những đặc điểm vượt trội của L1C phải kể đến như tăng cường độ chính xác, giảm thời gian dò tìm bắt tín hiệu và định vị. Với việc bổ sung thêm các bit số liệu hiện thời, cho phép tăng cường độ chính xác PNT trong các bản tin CNAV-2, bao gồm cả hợp phần số liệu vị trí quỹ đạo vệ tinh (SV Orbital Position) trong các bản tin dẫn đường nhằm cải thiện mô hình thiên văn.
Tín hiệu L1C bao gồm hai hợp phần: Tín hiệu đạo hàng không số liệu (Dataless Pilot Signal) và tín hiệu số liệu (Data Signal). Tín hiệu số liệu được phát truyền với một dải mã (Ranging Code), sau đó kết hợp với bản tin số liệu (Data Message), được điều biến trên sóng mang L1 sử dụng kỹ thuật điều biến dịch chuyển trị nguyên sóng mang BOC (Binary Offset Carrier). Tín hiệu đạo hàng được phát truyền cũng với một dải mã, kết hợp với mã chồng lấn duy nhất của từng vệ tinh (SV-Unique Overlay Code), và được điều biến trên sóng mang L1 sử dụng kỹ thuật điều biến dịch chuyển trị nguyên sóng mang BOC đa thời gian TMBOC (Time-Multiplexed BOC). Kỹ thuật TMBOC cho phép người sử dụng thu được tín hiệu một cách tốt và nhanh hơn ở những khu vực khó khăn. Bản thân chuỗi L1C PRN cũng chính xác hơn trong các phép đo chuỗi giả (Pseudorange Meacurement). Xét về tổng quan, với ứng dụng dẫn đường và thời gian, người sử dụng trên toàn thế giới sẽ được hưởng lợi một cách ấn tượng từ việc các vệ tinh GPS III phát truyền đi tín hiệu L1C.
Khả năng nhúng gài
Chương trình thiết kế khả năng nhúng gài thuộc hợp phần nền tảng cơ bản của Chương trình GPS III, được xây dựng nhằm mục đích hỗ trợ tốt nhất cho việc phát triển nâng cấp các phiên bản kế tiếp của GPS III.
Khả năng nhúng gài đã thể hiện giá trị đặc biệt của mình ngay trong chương trình GPS IIR. Các tàu không gian GPS Block IIR đã kết thúc với rất nhiều “phần bổ sung”. Trong nguyên gốc, 21 vệ tinh đã được phát triển. Tám trong số đó được hiện đại hoá và đặt tên là tàu không gian IIR-M. Tất cả tám tàu không gian IIR-M, cùng với bốn vệ tinh nguyên gốc IIR cuối cùng, đều được trang bị thêm các tấm ăng ten nâng cấp. Các đặc điểm đơn nhất, hộp chức năng và những tính năng mới đã được bổ sung vào hầu hết các tàu không gian, chính vì thế mỗi tàu không gian đều là đơn nhất: Gần 20 “phần bổ sung” đặc thù đang tồn tại cùng các vệ tinh IIR/IIR-M hiện tại.
Một trong số danh sách các chức năng của phần nhúng gài trong GPS III là hợp phần Hệ thống Cảnh báo Tai nạn qua Vệ tinh DASS (Distress Alerting Satellite System) chuyển tiếp các tín hiệu tai nạn từ các trạm quan trắc tình trạng khẩn cấp trên biển, phục vụ cho hoạt động tìm kiếm cứu nạn (SAR). Thêm vào đó, khả năng xác định khoảng cách trong không gian bằng laser cho phép các nhà khoa học có thể đo đạc chính xác quỹ đạo của các tàu không gian GPS III, hỗ trợ xây dựng mô hình trọng trường trái đất chính xác hơn và xác định những ảnh hưởng của thuyết tương đối cho từng khu vực riêng.
Bộ tổng hợp khuôn dạng sóng kỹ thuật số sẽ thay thế cho các hộp tổng hợp tương tự, tạo ra khả năng tương thích hoàn toàn với hợp phần dẫn đường kỹ thuật số, trong bộ tổng hợp các tín hiệu dẫn đường trên quỹ đạo. Pin cấp điện Lithium-ion giúp giảm trọng lượng tàu không gian và mang đến hiệu năng hoạt động tốt hơn cho EPS. Hơn thế nữa, công suất M-Code cũng sẽ được tăng cường và bổ sung, nhằm cung cấp các tín hiệu hiện đại hoá có công suất mạnh hơn nhiều phục vụ cho các ứng dụng quân sự.
Một khía cạnh khác trong khả năng nhúng gài chính là việc cân nhắc thiết kế cho phép đưa hai tàu không gian GPS III lên quỹ đạo trong một lần phóng. Đây thực sự là điểm thay đổi cơ bản giúp đảm bảo tiến độ duy trì trùm vệ tinh GPS trên quỹ đạo, đồng thời cũng giảm một cách đáng kể chi phí cho mỗi lần phóng tàu.
Tình hình hiện tại
Tàu không gian GPS III đầu tiên, các bộ mô phỏng, hạ tầng hỗ trợ và các hệ thống đã và đang được phát triển với sự giám sát chặt chẽ, liên tục nhằm đảm bảo chắc chắn rằng tàu không gian GPS III thứ nhất sẽ được phóng lên quỹ đạo vào năm 2014. GNST hiện cũng đã chế tạo và được chuyển đến GPF tại Colorado cuối năm 2011. Các bộ mô phỏng bổ sung đang được phát triển và lịch bàn giao cũng đã được ấn định, bao gồm cả bộ mô phỏng thời gian thực, bộ mô phỏng tàu không gian GPS, bộ tích hợp phần mềm giao tiếp phục vụ cho môi trường thử nghiệm, các mô hình hệ thống con cho tàu không gian và hợp phần mô phỏng chi tiết của chúng… tất cả đều đang được triển khai đồng thời.
Các bộ mô phỏng, được triển khai trên cả hai hợp phần: Phần cứng và phần mềm, đảm bảo chức năng cho các hệ thống kiểm tra, mô phỏng phóng tàu, và duy trì định kỳ trên quỹ đạo. Các trang thiết bị hỗ trợ mặt đất như các bus thiết bị hỗ trợ mặt đất, hợp phần thiết bị hỗ trợ mặt đất, cũng như các cấu trúc hỗ trợ mang tính vật lý, các thiết bị vận chuyển và giao nhận… tất cả đều đã bước vào giai đoạn hoàn chỉnh. Toàn bộ các hộp chức năng phục vụ bay và các bảng điều khiển bay cho vệ tinh đầu tiên đang được chế tạo, đồng thời cũng đang trong quá trình xem xét cấp phép sản xuất cho bốn tàu không gian kế tiếp.
Hệ thống Điều khiển Hoạt động GPS thế hệ kế tiếp OCX (GPS Next Generation Operational Control System) sẽ cung cấp toàn bộ các chức năng điều khiển hoạt động của các tàu không gian GPS III, với các chức năng được hiện đại hoá và chức năng tạo mới. Phiên bản OCX cũ sẽ đảm nhiệm cung cấp các chức năng Phóng và Kiểm tra hệ thống LCS cho GPS III (Launch and Checkout System) trong giai đoạn đầu để đợi đến khi OCX tương thích và hoạt động toàn phần với các tàu không gian GPS III. Đây cũng là điểm thúc đẩy thay đổi đối với hệ thống OCS hiện thời, hoạt động bởi AEP (Architecture Evolution Plan), không được thiết kế để theo dõi hay hoạt động toàn phần với các tín hiệu hiện đại hoá thế hệ mới phát đi từ các vệ tinh GPS IIR-M, GPS IIF hoặc GPS III. LCS đã bắt đầu phát triển và các bước kiểm tra đánh giá hoạt động từng chức năng liên tục được tiến hành, nhằm đảm bảo khả năng thực thi các chức năng của hợp phần phần mềm mặt đất và chuyển giao phục vụ bước kiểm tra đánh giá mô phỏng.
Kết luận
Tất cả các hợp phần nằm trong Chương trình GPS III hiện đang tiến về phía trước một cách chắc chắn, đảm bảo việc bàn giao vệ tinh GPS III đầu tiên vào năm 2013 và phóng lên quỹ đạo vào năm 2014. Việc đưa tàu không gian GPS III đầu tiên lên bệ phóng trong vòng hai năm tới sẽ bắt đầu cho một kỷ nguyên mới của HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS. GPS III sẽ có đầy đủ các chức năng mở rộng và nâng cấp, mang đến cho người sử dụng công nghệ GPS những chức năng mới mạnh mẽ hơn. GPS III sẽ cải thiện các dịch vụ PNT và giới thiệu những nâng cấp ấn tượng đảm bảo hệ thống không bị nghẽn mạch, phủ trùm mọi nơi trên thế giới, GPS III sẽ là hệ thống an ninh cao cấp nhất, chính xác và tin cậy nhất trên phạm vi toàn cầu.
GPS III là hợp phần quan trọng nhằm duy trì tính ổn định của trùm vệ tinh GPS, thay thế từng bước các tàu không gian GPS thế hệ trước, và đáp ứng những yêu cầu ngày các cao đến từ phía người sử dụng. Tất cả người dùng trên khắp thế giới, từ dân sự đến quân sự, sẽ là những người trực tiếp được hưởng lợi từ những cải tiến và nâng cấp của chương trình GPS III trong những thập kỷ tới.
Tác giả: Willard Marquis và Michael Shaw – Công ty Các hệ thống Không gian Lockhed Martin.
Dịch, biên soạn và bổ sung: Nhóm Kỹ thuật & Công nghệ - Công ty TNHH ANTHI Việt Nam.
THÔNG TIN TỔNG HỢP VỀ CHƯƠNG TRÌNH GPS III
NHIỆM VỤ
Mang đến tất cả những chức năng tin cậy, duy trì một hệ thống GPS bền vững phục vụ cho các lực lượng chiến đấu của Hoa Kỳ, đồng minh và người dùng trong lĩnh vực dân sự. Cung cấp các dịch vụ định vị, dẫn đường và thời gian trên khắp toàn cầu.
THÔNG TIN CƠ SỞ
Tháng 05/2008, hợp đồng phát triển vệ tinh GPS III đầu tiên đã được trao cho hãng Lockheed Martin, nhằm mục đích nghiên cứu và chế tạo hai tàu không gian cho giai đoạn đầu, với lựa chọn lên tới 10 vệ tinh nữa khi giai đoạn một kết thúc thành công.
MÔ TẢ
Các tàu không gian GPS III SV sẽ mang đến những chức năng mới nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng, trong cả hai lĩnh vực quân sự và dân sự. GPS III sẽ mang đầy đủ chức năng để sử dụng M-Code nhằm hỗ trợ cho các hoạt động chiến đấu của quân đội Hoa Kỳ. GPS III tối ưu hoá M-Code vượt qua khả năng M-Code hiện có của các Block GPS IIF/IIR. Mở rộng quan hệ hợp tác quốc tế trong kỷ nguyên công nghệ dẫn đường toàn cầu bằng vệ tinh GNSS (Global Navigation Satellite System) thông qua việc bổ sung tín hiệu L2C có khả năng kết hợp hoạt động với Galileo, QZSS (Quazi-Zenith Satellite System) và các hệ thống GNSS khác. Chương trình GPS III cũng cần phải hoàn chỉnh việc áp dụng các chức năng có trong tín hiệu L2C và L5 đã được khởi động trong chương trình hiện đại hoá các vệ tinh GPS IIR-M và GPS IIF.
Nội dung hợp đồng Chương trình GPS III
- Phát triển hai tàu không gian GPS III.
- Phát triển các bộ mô phỏng và dẫn đường mặt đất.
- Hoàn chỉnh tàu không gian theo các bước: Đánh giá nền tảng tích hợp; Đánh giá thiết kế cơ bản; và đạt được chứng chỉ Chấp thuận Milestone C.
- Chương trình chức năng nhúng gài cho các tàu không gian GPS III 9-32.
Lựa chọn sản xuất
- Thực hiện chế tạo 2 tàu không gian (3 và 4)
- Lựa chọn sản xuất 10 tàu tiếp theo.
CHỨC NĂNG
- Các vệ tinh GPS thế hệ kế tiếp
- Tăng cường độ chính xác.
- Tăng cường chống nghẽn mạch.
- Vệ tinh đầu tiên phát truyền tín hiệu chung L1C tương thích với Galileo.
- Đa tín hiệu dân sự/quân sự: L1 C/A, L1 P(Y), L1M, L1C, L2C, L2 P(Y), L2M, L5
- Tăng thêm +10dB cường độ tín hiệu phủ trùm trên bề mặt trái đất trên dải M-Code mà không ảnh hưởng hay làm suy giảm cường độ các tín hiệu quân sự khác.
- Ba đồng hồ rubidium.
KHẢ NĂNG NHÚNG GÀI
Các tàu không gian GPS III từ 1 đến 8
- Tăng cường độ chính xác.
- Tăng cường cường độ M-Code phủ trùm trên bề mặt trái đất.
- Bổ sung tín hiệu dân sự L1C.
- Cải thiện chức năng kiểm tra tính toàn vẹn.
Các tàu không gian GPS III từ thứ 9+
- Bộ tạo khuôn dạng sóng kỹ thuật số.
- Điều biến tín hiệu sóng mang L-Band Carrier thời gian thực.
- Hệ thống cảnh báo tai nạn hàng hải qua vệ tinh.
- Hỗ trợ triển khai tìm kiếm cứu nạn trên toàn cầu.
- Liên kết chéo phục vụ cho kiểm tra và điều khiển trong chế độ thời gian thực.
- Cho phép tải lên vệ tinh thông qua từng điểm liên hệ độc lập.
- Cải thiện độ chính xác trùm vệ tinh.
Quốc phòng
- M-Code cường độ mạnh dành cho các khu vực đặc biệt.
- Tăng cường khả năng chống nghẽn mạch phục vụ cho mục đích quân sự.
THÔNG SỐ CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG
- Quỹ đạo: Sáu mặt phẳng quỹ đạo với góc nghiêng 55 độ
- Cao độ: 10.898 dặm biển.
- Tuổi thọ thiết kế: 15 năm, 13 năm MMD.
- Trọng lượng lúc phóng: 8.115 lb.
- Trọng lượng trên quỹ đạo: 4.767 lb.
- Kích thước: Rộng 97 inch; Cao 134 inch; Dài 70 inch.
- Độ chính xác vị trí: 0.63 mét, cập nhật liên tục từ hợp phần điều khiển.
