Các ứng dụng mới của thông tin vệ tinh

Các ứng dụng mới của thông tin vệ tinh

Thanh Bình

(TBVTSG) – Khái niệm hiệu ứng nhà kính có thể hiểu đơn giản như sau: Bạn có một khu vườn được bao bọc xung quanh bằng kính; khi ánh nắng mặt trời chiếu vào, nhiệt độ không gian bên trong khu vườn kính sẽ tăng lên và nhờ vào sức ấm này mà cây có thể đâm chồi, ra hoa.

Ngày nay, khái niệm hiệu ứng nhà kính được nhắc đến nhiều hơn khi nói về môi trường bị ô nhiễm và được hiểu rộng ra là trái đất là một căn nhà trong lồng kính, còn bầu khí quyển là lớp thủy tinh bao xung quanh căn nhà ấy.

Vấn đề là nhà kính – ngày càng bị ô nhiễm bởi khí thải công nghiệp – làm cho trái đất nóng lên và gây ra các biến đổi về khí hậu như các tảng băng tan nhanh gây lũ lụt và mực nước biển dâng cao, thời tiết nóng nực, cháy rừng. Trong bối cảnh đó, con người đang cố gắng làm giảm sự ô nhiễm của bầu khí quyển và việc ứng dụng thông tin vệ tinh cũng không nằm ngoài mục đích đó.

Giám sát khí nhà kính với Ibuki

Năm 2009 đã mở ra giai đoạn mới về nghiên cứu sự biến đổi của khí hậu khi vệ tinh viễn thông dành riêng cho việc giám sát các khí thải gây ra hiện tượng ô nhiễm bầu khí quyển ra đời. Ngày 23-1, từ trung tâm vũ trụ Tanegashima trên một hòn đảo phía Nam Kyushu, miền Nam Nhật Bản, Cơ quan Không gian vũ trụ Nhật Bản (Aerospace Exploration Agency – JAXA) đã phóng lên quỹ đạo vệ tinh Ibuki.

Ibuki (tiếng Nhật có nghĩa là “hơi thở”) là vệ tinh có khả năng quan sát sự thay đổi các khí nhà kính trong bầu khí quyển (Greenhouse Gases Observing Satellite – GOSAT). Dự án này là kết quả hợp tác giữa JAXA, Viện Nghiên cứu Môi trường và Bộ Môi trường Nhật Bản.

Ngày 24-2, Cơ quan Không gian Mỹ (NASA) cũng đã phóng vệ tinh OCO – Orbiting Carbon Observatory – lên quỹ đạo để giám sát lượng khí carbon dioxide (CO2) trong bầu khí quyển, nhưng thật đáng tiếc là OCO đã rơi xuống gần Nam cực ngay sau khi rời bệ phóng từ bang California (Mỹ) do sự cố kỹ thuật.

Ibuki có chiều dài thân chính là 3,7m, nặng 1,75 kg (thuộc loại Nanosat, tức vệ tinh có trọng lượng từ 1kg đến 10 kg), công suất phát 3, 8 kW, thời gian hoạt động là năm năm trên quỹ đạo. Với độ cao trung bình 667 km so với mặt nước biển và có quỹ đạo thấp cách trái đất trong tầm 1.000 km (LEO – Low Earth Orbit), Ibuki có thể quét toàn bộ bề mặt trái đất trong khoảng 100 phút và cho phép giám sát sự hình thành các khí nhà kính rất chính xác. Vệ tinh này sử dụng các cảm biến với độ chính xác rất cao, có thể quan sát khoảng 56.000 điểm trên hành tinh và có thể theo dõi sự hình thành khí nhà kính từ các nguồn khí thải cũng như sự di chuyển của nó trong bầu khí quyển.

Ibuki được trang bị hai loại cảm biến dùng để kiểm tra phân tích ánh sáng mặt trời phản xạ từ trái đất, tìm kiếm các dấu hiệu của carbon dioxide và methane (CH4) để phân tích sự thay đổi của khí nhà kính. Các cảm biến này được gọi là TANSO-FTS (Thermal and near infrared sensor for carbon observation – Fourier transform spectrometer) và TANSO-CAI (Cloud and Aerosol Imager).

TANSO-FTS dùng để cảm biến các bức xạ hồng ngoại và bức xạ nhiệt từ bề mặt trái đất vào vũ trụ, giúp giám sát lượng carbon trong khí quyển và đo các bức xạ này dựa trên nguyên tắc đo phổ của chúng theo nguyên lý phân tích chuỗi Fourier.

Trên Ibuki có khoảng 18.500 kênh để thực hiện việc này với độ nhạy rất cao. Nó có thể phát hiện ra những thay đổi của một phần triệu lượng khí nhà kính trong bầu khí quyển. Nói theo cách ví von của ông Takashi Hamazaki, Giám đốc dự án GOSAT, thì điều này giống như khả năng phát hiện ra bốn giọt nước mắt nhỏ vào bồn tắm có dung tích 200 lít. TANSO-CAI là cảm biến hỗ trợ cho TANSO-FTS trong điều kiện thời tiết xấu như có nhiều mây hoặc mưa mà việc đo của TANSO-FTS bị ảnh hưởng.

Ngày 9-2, JAXA đưa ra thông báo nói rằng, vệ tinh Ibuki đã gửi về thành công các dữ liệu mà nó thu thập được và nó đang hoạt động rất tốt. Trong thời gian ba tháng đầu tiên sau khi phóng, tất cả các chức năng của Ibuki sẽ được kiểm tra lại một lần nữa. Trong ba tháng sau, các dữ liệu được thu thập từ Ibuki sẽ được kiểm tra, so sánh và điều chỉnh về độ chính xác của nó so với thực tế. Sau đó, vệ tinh sẽ bắt đầu nhiệm vụ mà nó được giao và dữ liệu sẽ được phân phối miễn phí cho các nhà khoa học trên toàn thế giới.

Các cuộc quan sát từ Ibuki cũng có thể phát hiện các vấn đề như rò rỉ của khí methane từ các đường ống dẫn khí. Theo ông Hamazaki, có khá nhiều khí đốt bị rò rỉ từ hàng ngàn cây số đường ống dẫn khí và tỷ lệ thất thoát hiện nay là khoảng 1,5%. Đây cũng là một trong những nguyên nhân tác động đến sự nóng lên của trái đất. “GOSAT có khả năng xác định sự rò rỉ trong một khu vực trong bán kính 10 km, quá tốt so với khoảng 100 km hiện nay,”  ông Hamazaki nói.

Ứng dụng của vệ tinh vào GPS

Điều khiển hệ thống giao thông. Trong thành phố và trên đường cao tốc, hệ thống định vị toàn cầu GPS kết hợp với hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) sẽ tạo thành hệ thống để giám sát, hỗ trợ việc điều khiển phương tiện giao thông.

Hệ thống này sẽ làm tăng độ an toàn khi điều khiển xe trên các tuyến đường, hỗ trợ người điều khiển phương tiện giao thông về thông tin trên các tuyến đường để giảm bớt việc kẹt xe.

Ví dụ trong việc quản lý, theo dõi đội xe chở tiền của ngân hàng, trên các xe này có gắn các máy thu GPS, các máy thu này thu tín hiệu GPS từ vệ tinh để định vị chính xác và gửi các thông tin về hình ảnh, vị trí của xe… về trung tâm điều khiển qua đường mạng GPRS, CDMA và hệ thống GIS sẽ hỗ trợ việc giám sát xe theo thời gian thực, bản đồ thực (bằng các phần mềm bản đồ cụ thể theo từng quốc gia, thành phố) để có hướng xử lý khi có sự cố.

Trong việc quản lý xe buýt, hệ thống này sẽ thông báo cho các tài xế tuyến đường nào đang kẹt cũng như quản lý và xử lý việc tài xế chạy quá nhanh hoặc sai tuyến. Tại cuộc triển lãm Telecomp 2008 ở TP.HCM, hãng DoCoMo của Nhật cũng đã giới thiệu thiết bị GPS cầm tay dùng để bảo vệ cho các học sinh tiểu học.

Các thiết bị thu GPS này rất đơn giản, chỉ có một nút bấm màu đỏ. Khi bị tai nạn hoặc bị tấn công, các em chỉ cần bấm nút này. Gần như ngay lập tức, máy sẽ gửi tín hiệu qua các trạm thu sóng của DoCoMo – tức là những nơi nào có sóng của DoCoMo mới dùng được – và thông qua hệ thống GPS, lực lượng cứu hộ sẽ biết học sinh này đang ở đâu và tìm cách ứng cứu kịp thời.

Khảo sát địa hình và thiết lập bản đồ. GPS đã hỗ trợ rất nhiều trong việc khảo sát địa hình cũng như thiết lập bản đồ. Từ tọa độ của các máy thu GPS tại các đỉnh núi, bờ sông người ta có thể dễ dàng tính ra được chiều cao chính xác của ngọn núi đó cũng như chiều rộng của dòng sông đó. Khi đi khảo sát, người ta cũng có thể mang theo các máy thu GPS trong ba-lô, hoặc gắn trên xe ô-tô. Đến bất kỳ vị trí nào, máy thu này cũng sẽ phát liên tục thông tin về vị trí đặt máy cho trạm thu phát ở gần đó bằng sóng vô tuyến. Rồi từ các dữ liệu này, người ta có thể vẽ được chính xác địa hình, đồi núi.

Hệ thống GPS cũng kết hợp với các phương pháp đo trong ngành xây dựng để lập địa hình đáy biển, độ cao các đỉnh núi mà con người không thể đến được. Các dữ kiện nói trên sẽ được cung cấp cho GIS để mô phỏng và thiết lập bản đồ một cách hoàn chỉnh và từ GIS người ta sẽ có nhiểu ứng dụng trên hệ thống này như quản lý tốt hơn tài nguyên thiên nhiên, môi trường.

Bảo vệ thiên nhiên. Bằng cách gắn các chip có tích hợp GPS và máy quay vào các con vật, các nhà bảo vệ thiên nhiên sẽ nhận được các tín hiệu và hình ảnh do các chip đó gửi về trung tâm xử lý. Thông qua hệ thống GIS, người ta có thể quan sát sự di chuyển của các con vật này, qua đó sẽ đưa ra những dự báo về sự thay đổi về môi trường cho từng khu vực cũng như giám sát, phát hiện cháy rừng và các yếu tố tác động đến môi trường sống. Và hệ thống GPS còn có rất nhiều ứng dụng nữa như trong việc thăm dò, khai thác dầu mỏ, trong ngành hàng không, không gian, dự báo các hiện tượng sóng thần, hệ thống dẫn đường trong ngành hàng hải…

Hệ thống GPS hoạt động như thế nào? Về nguyên tắc, chúng ta có thể xác định một vị trí (tọa độ) tại một thời điểm nào đó của máy thu GPS bằng cách dựa vào khoảng cách từ máy thu đến ít nhất ba vệ tinh trong hệ thống các vệ tinh GPS. Đầu tiên, chúng ta xét đơn giản trong một mặt phẳng thì ba đường tròn sẽ có giao nhau tại một điểm chung và nếu như biết tọa độ của tâm ba đường tròn đó thì ta sẽ tính được vị trí của điểm chung đó. Giả sử bạn đang ở TP.HCM nhưng không biết ở vị trí cụ thể nào thì dữ kiện thứ nhất là: “Bạn đang cách Tây Ninh 60 km” – có nghĩa là, bạn đang đứng trên vòng tròn có tâm là Tây Ninh với bán kính là 60 km. Với dữ kiện thứ hai là: “Bạn đang cách Đồng Nai 50 km” –  có nghĩa là, bạn cũng đang đứng trên vòng tròn có tâm là Đồng Nai với bán kính là 50 km. Như vậy, vị trí của bạn lúc này là một trong hai điểm giao nhau của hai đường tròn. Cộng thêm với dữ kiện thứ ba là: “Bạn đang cách Long An 80 km” – thì bạn có thể xác định được vị trí của mình là điểm giao nhau của ba vòng tròn (hình vẽ). Như vậy, trong một mặt phẳng, chúng ta có thể hiểu tâm của ba vòng tròn là vị trí của ba vệ tinh, bán kính của ba vòng tròn là khoảng cách từ máy thu đến ba vệ tinh đó. Điểm giao nhau của ba vòng tròn này sẽ xác định được vị trí của máy thu GPS. Xét trong không gian thì khó tưởng tượng hơn một chút, chúng ta sẽ thay các vòng tròn  nói trên bằng các mặt cầu. Mỗi vệ tinh sẽ tạo ra một mặt cầu có tâm là vệ tinh đó và bán kính là khoảng cách từ vệ tính đến máy thu GPS. Ví dụ: nếu bạn đang cách vệ tinh A là 60 km thì bạn đang đứng trên mặt cầu có tâm là vệ tinh A và bán kính là 60 km. Tương tự, nếu bạn đang cách vệ tinh B là 50 km thì bạn đang đứng trên mặt cầu có tâm là vệ tinh B và bán kính là 50 km. Vùng giao nhau của hai mặt cầu này sẽ tạo ra một đường tròn Q (màu đỏ theo hình vẽ) và lúc này bạn đang đứng trên vòng tròn Q này.  Khi có thêm mặt cầu thứ ba thì điểm giao nhau của mặt cầu này và đường tròn Q sẽ cho ta hai điểm và vị trí của bạn là một trong hai điểm này. Trái đất là mặt cầu thứ tư và chắc chắn rằng chỉ có một trong hai điểm nói trên nằm trên bề mặt trái đất và máy thu có thể tính toán được vị trí của mình trên mặt đất và nếu cần xác định tọa độ cao bao nhiêu thì người ta phải cần thêm một vệ tinh nữa.