Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cho phi công

Hệ thống định vị toàn cầu, hay GPS như thường được biết đến, là một thành phần quan trọng đối với điều hướng không khí hiện đại và là thành phần vô giá của chương trình NextGen của FAA.

Dữ liệu GPS cho phép phi công có được dữ liệu vị trí ba chiều hoặc bốn chiều chính xác. Hệ thống GPS sử dụng phương pháp tam giác để xác định vị trí chính xác của máy bay, cũng như tốc độ, đường ray, khoảng cách đến hoặc từ các trạm kiểm soát và thời gian.

Lịch sử của GPS

Quân đội Hoa Kỳ lần đầu tiên sử dụng GPS như một công cụ điều hướng trong những năm 1970. Vào những năm 1980, chính phủ Hoa Kỳ cung cấp GPS miễn phí cho công chúng, miễn phí, chỉ với một lần bắt: Một chế độ đặc biệt, được gọi là Tính chọn lọc, sẽ được kích hoạt nhằm mục đích giảm độ chính xác của GPS cho người dùng công cộng, chỉ bảo lưu chính xác nhất phiên bản GPS cho quân đội.

Năm 2000, dưới thời chính quyền của bà Clinton, tính sẵn sàng chọn lọc đã bị tắt, và độ chính xác tương tự mà quân đội được hưởng lợi đã được cung cấp cho công chúng.

Linh kiện GPS

Hệ thống GPS có ba thành phần: Phân đoạn không gian, phân khúc điều khiển và phân khúc người dùng.

Thành phần không gian bao gồm khoảng 31 vệ tinh GPS. Không quân Hoa Kỳ vận hành 31 vệ tinh này, cộng với ba đến bốn vệ tinh đã ngừng hoạt động có thể được kích hoạt lại nếu cần. Tại bất kỳ thời điểm nào, tối thiểu 24 vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo được thiết kế đặc biệt, đảm bảo có ít nhất bốn vệ tinh được nhìn cùng lúc từ hầu hết mọi điểm trên trái đất. Phạm vi bảo hiểm đầy đủ mà các vệ tinh cung cấp làm cho hệ thống GPS trở thành hệ thống điều hướng đáng tin cậy nhất trong ngành hàng không hiện đại.

Phân đoạn điều khiển được tạo thành từ một loạt các trạm mặt đất được sử dụng để giải thích và chuyển tiếp tín hiệu vệ tinh tới các máy thu khác nhau. Các trạm mặt đất bao gồm một trạm điều khiển chính, một trạm điều khiển chính thay thế, 12 ăng ten mặt đất và 16 trạm giám sát.

Phân khúc người dùng của hệ thống GPS bao gồm các máy thu khác nhau từ tất cả các loại ngành công nghiệp khác nhau. An ninh quốc gia, nông nghiệp, không gian, khảo sát và lập bản đồ là tất cả các ví dụ về người dùng cuối trong hệ thống GPS. Trong ngành hàng không, người dùng thường là phi công, người xem dữ liệu GPS được hiển thị trong buồng lái của máy bay.

Làm thế nào nó hoạt động

vệ tinh GPS quay quanh khoảng 12.000 dặm trên chúng ta, và hoàn thành một quỹ đạo mỗi 12 giờ. Chúng chạy bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo trung bình của Trái đất và truyền tín hiệu vô tuyến đến các máy thu trên mặt đất.

Các trạm mặt đất sử dụng các tín hiệu để theo dõi và giám sát các vệ tinh, và các trạm này cung cấp dữ liệu cho trạm điều khiển chính (MCS). MCS sau đó cung cấp dữ liệu vị trí chính xác cho các vệ tinh.

Máy thu trong máy bay nhận dữ liệu thời gian từ đồng hồ nguyên tử của vệ tinh. Nó so sánh thời gian cần thiết để tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu và tính khoảng cách dựa trên thời gian rất chính xác và cụ thể đó. Máy thu GPS sử dụng hình tam giác - ngày từ tại ba vệ tinh - để xác định vị trí hai chiều chính xác. Với ít nhất bốn vệ tinh trong tầm nhìn và hoạt động, dữ liệu vị trí ba chiều có thể được lấy.

Lỗi GPS

Sự giao thoa tầng điện ly: tín hiệu từ các vệ tinh thực sự chậm lại khi nó đi qua bầu khí quyển của Trái đất. Công nghệ GPS giải quyết lỗi này bằng cách sử dụng thời gian trung bình, điều đó có nghĩa là lỗi vẫn tồn tại nhưng bị hạn chế.

• Lỗi đồng hồ: Đồng hồ trên máy thu GPS có thể không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh GPS, tạo ra một vấn đề chính xác rất nhỏ.
• Lỗi quỹ đạo: Tính toán quỹ đạo có thể không chính xác, gây ra sự mơ hồ trong việc xác định vị trí chính xác của vệ tinh.
• Lỗi vị trí: Tín hiệu GPS có thể bật ra khỏi các tòa nhà, địa hình và thậm chí có thể xảy ra nhiễu điện. Tín hiệu GPS chỉ khả dụng khi máy thu có thể "nhìn thấy" vệ tinh, nghĩa là dữ liệu sẽ bị thiếu hoặc không chính xác giữa các tòa nhà cao tầng, địa hình dày đặc và dưới lòng đất.

Sử dụng thực tế của GPS

GPS được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không ngày nay như là một nguồn điều hướng khu vực. Hầu như mọi máy bay được chế tạo ngày nay đều đi kèm với một đơn vị GPS được cài đặt như thiết bị tiêu chuẩn. Hàng không chung, hàng không kinh doanh và hàng không thương mại đều đã tìm thấy những ứng dụng có giá trị cho GPS.

Từ điều hướng cơ bản và dữ liệu vị trí đến tốc độ bay, theo dõi và vị trí sân bay, GPS là một công cụ quý giá cho các phi công.

Các đơn vị GPS đã cài đặt có thể được phê duyệt để sử dụng trong IMC và cho các chuyến bay IFR khác. Các phi công cụ tìm thấy GPS cực kỳ hữu ích trong việc duy trì nhận thức tình huống và các thủ tục tiếp cận dụng cụ bay. Các thiết bị cầm tay, mặc dù không được chấp thuận cho sử dụng IFR, có thể là một bản sao lưu hữu ích cho các lỗi của thiết bị, cũng như một công cụ có giá trị để duy trì nhận thức tình huống trong mọi tình huống.

Các phi công bay VFR cũng sử dụng GPS như một công cụ điều hướng và sao lưu cho các kỹ thuật điều khiển truyền thống và tính toán chết.

Tất cả các phi công có thể đánh giá cao dữ liệu GPS trong các tình huống khẩn cấp, vì cơ sở dữ liệu sẽ cho phép họ tìm kiếm sân bay gần nhất, tính toán thời gian trên đường bay, nhiên liệu trên máy bay, thời gian của hoàng hôn và bình minh, và nhiều hơn nữa.

Gần đây nhất, FAA đã kích hoạt các quy trình GPS WAAS cho các phương pháp tiếp cận, giới thiệu một cách tiếp cận chính xác mới cho các phi công dưới dạng Phương pháp hiệu suất cục bộ với phương pháp Hướng dẫn dọc (LPV). Đây là một cách tiếp cận chính xác sẽ cho phép hệ thống không phận quốc gia trở nên hiệu quả hơn nhiều và hỗ trợ đáp ứng nhu cầu của hệ thống không phận quốc gia trong tương lai.