GPS là gì và cách GPS hoạt động như thế nào?

GPS là gì?

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là hệ thống điều hướng dựa trên vệ tinh được tạo thành từ ít nhất 24 vệ tinh. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên thế giới, 24 giờ mỗi ngày, không mất phí thuê hoặc phí thiết lập sử dụng GPS. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (USDOD) ban đầu đưa các vệ tinh vào quỹ đạo để sử dụng cho mục đích quân sự, nhưng trong những năm 1980, những vệ tinh này đã có sẵn để sử dụng cho mục đích dân sự

GPS hoạt động như thế nào?

Vệ tinh GPS xoay quanh Trái Đất hai lần một ngày trong một quỹ đạo chính xác. Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu nhất định và các tham số quỹ đạo cho phép các thiết bị GPS giải mã và tính toán vị trí chính xác của vệ tinh. Máy thu GPS sử dụng thông tin này và phép tam giác để tính toán vị trí chính xác của người dùng. Về cơ bản, máy thu GPS đo khoảng cách tới mỗi vệ tinh theo lượng thời gian cần để nhận tín hiệu truyền đi. Với các phép đo khoảng cách từ một vài vệ tinh, máy thu có thể xác định vị trí của người dùng và hiển thị thông tin bằng điện tử để đo tuyến đường đang chạy của bạn, lập bản đồ sân gôn, tìm đường về nhà hoặc phiêu lưu mọi nơi.

Để tính toán vị trí 2-D của bạn (vĩ độ và kinh độ) và theo dõi chuyển động, máy thu GPS phải khóa được với tín hiệu của ít nhất 3 vệ tinh. Với 4 vệ tinh trở lên trong trong tầm nhìn, máy thu có thể xác định vị trí 3-D của bạn (vĩ độ, kinh độ và độ cao). Nói chung, một máy thu GPS sẽ theo dõi 8 vệ tinh trở lên, nhưng điều đó phụ thuộc vào thời gian trong ngày và nơi bạn đang ở trên trái đất. Một số thiết bị có thể thực hiện được tất cả điều đó từ cổ tay của bạn.

Một khi vị trí của bạn đã được xác định thì máy thu GPS có thể tính toán các thông tin khác như:

• Tốc độ
• Góc phương vị
• Đường đua
• Chiều dài tuyến đường
• Khoảng cách tới điểm đến
• Bình minh/hoàng hôn
• Và nhiều hơn thế nữa

GPS chính xác đến mức nào?

Máy thu GPS ngày nay cực kỳ chính xác nhờ thiết kế đa kênh song song. Máy thu của chúng tôi nhanh chóng khóa được vào vệ tinh ngay khi được bật. Các máy thu này duy trì một khóa theo dõi trong khu vực cây che phủ dày đặc hoặc trong đô thị có các tòa nhà cao tầng. Yếu tố không khí nhất định và các lỗi khác có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của máy thu GPS. Máy thu GPS Garmin thường chính xác trong vòng 10 mét. Độ chính xác thậm chí còn tốt hơn trên mặt nước.

Độ chính xác của một số máy thu GPS có thể được cải thiện với WAAS (Hệ thống bổ sung diện rộng). Khả năng này có thể cải thiện độ chính xác đến hơn 3 mét, bằng cách cung cấp khả năng hiệu chỉnh ở tầng khí quyển. Không cần thêm thiết bị hoặc chi phí để sử dụng các vệ tinh WAAS. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS vi sai (DGPS), hiệu chỉnh khoảng cách GPS trong phạm vi trung bình từ 1 -3 mét. Tuần duyên Hoa Kỳ vận hành dịch vụ hiệu chỉnh DGPS phổ biến nhất, bao gồm hệ thống các tháp nhận tín hiệu GPS và truyền tín hiệu hiệu chỉnh bằng máy phát tín hiệu. Để có tín hiệu hiệu chỉnh, ngoài GPS, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai và ăng-ten thu tín hiệu.

Các hệ thống GPS khác

Có những hệ thống tương tự GPS khác trên thế giới, tất cả đều được phân loại là Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS). GLONASS là hệ thống chòm sao vệ tinh do Nga phát triển. Cơ quan Không gian châu Âu đang tạo ra Galileo, trong khi Trung Quốc đang tạo ra BeiDou. Hầu hết các máy thu Garmin đều theo dõi cả GLONASS và GPS, và một số máy thu thậm chí theo dõi BeiDou. Bạn có thể mong đợi một giải pháp tin cậy hơn khi bạn theo dõi nhiều vệ tinh hơn. Bạn có thể theo dõi gần 20 vệ tinh với các sản phẩm mới hơn của Garmin.

Hệ thống vệ tinh GPS

31 vệ tinh tạo thành phân đoạn không gian GPS, chúng đang quay quanh trái đất khoảng 12.000 dặm phía trên chúng ta. Các vệ tinh này liên tục chuyển động, tạo ra hai quỹ đạo hoàn chỉnh trong vòng chưa đầy 24 giờ. Họ di chuyển ở vận tốc khoảng 7.000 dặm một giờ. Tên lửa đẩy nhỏ giữ cho mỗi vệ tinh bay theo một con đường chính xác.

Dưới đây là một số sự thật thú vị khác về vệ tinh GPS:

• Tên chính thức mà Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (USDOD) đặt cho GPS là NAVSTAR
• Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978.
• Chòm sao đầy đủ gồm 24 vệ tinh đã được hoàn chỉnh vào năm 1994.
• Mỗi vệ tinh được chế tạo để hoạt động trong khoảng 10 năm. Các vệ tinh thay thế được chế tạo liên tục và được phóng vào quỹ đạo.
• Một vệ tinh GPS nặng khoảng 2.000 pound và dài khoảng 17 feet với các tấm năng lượng mặt trời mở.
• Vệ tinh GPS sử dụng năng lượng mặt trời, và có cả nguồn pin dự phòng để hoạt động trong trường hợp không có ánh sáng mặt trời.
• Công suất phát chỉ từ 50 Watts trở xuống.

Tín hiệu GPS là gì?

Vệ tinh GPS truyền ít nhất 2 tín hiệu vô tuyến công suất thấp. Các tín hiệu đi theo đường truyền thẳng, nghĩa là chúng sẽ đi qua mây, kính và nhựa nhưng sẽ không đi qua hầu hết các vật thể rắn, chẳng hạn như các tòa nhà và núi. Tuy nhiên, các máy thu hiện đại nhạy cảm hơn và thường có thể theo dõi qua các ngôi nhà.

Tín hiệu GPS chứa 3 mẩu thông tin khác nhau:

• Mã giả ngẫu nhiên là một mã định danh để xác định vệ tinh nào đang truyền thông tin. Bạn có thể xem bạn đang nhận tín hiệu từ vệ tinh nào trên trang vệ tinh của thiết bị.
• Dữ liệu lịch thiên văn là cần thiết để xác định vị trí của vệ tinh và cung cấp thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh, ngày giờ hiện tại.
• Dữ liệu niên lịch cho máy thu GPS biết mỗi vệ tinh GPS ở đâu tại mỗi thời điểm trong ngày và chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống.

Lỗi tín hiệu GPS

Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến tín hiệu GPS và độ chính xác bao gồm:

• Cản trở của tầng điện ly và tầng đối lưu: Các tín hiệu vệ tinh chậm khi đi qua tầng khí quyển. Hệ thống GPS sử dụng một mô hình tích hợp để khắc phục một phần loại lỗi này.
• Tín hiệu đi nhiều đường: Tín hiệu GPS có thể phản chiếu trên các vật thể như tòa nhà cao tầng và bề mặt đá lớn trước khi tín hiệu đến được máy thu, điều này làm tăng thời gian di chuyển của tín hiệu và gây ra lỗi.
• Lỗi đồng hồ máy thu: Đồng hồ tích hợp trong máy thu có thể có lỗi nhỏ về định giờ vì nó không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS.
• Lỗi quỹ đạo: Vệ tinh thông báo vị trí không chính xác.
• Số lượng vệ tinh nhìn thấy: Càng nhiều vệ tinh được máy thu GPS “nhìn thấy” thì càng chính xác. Khi tín hiệu bị chặn thu nhận, bạn có thể gặp lỗi định vị hoặc không định vị được. Các thiết bị GPS điển hình sẽ không hoạt động được dưới nước hoặc dưới đất, nhưng các máy thu có độ nhạy cao có thể theo dõi một số tín hiệu khi ở trong các tòa nhà hoặc dưới tán cây.
• Che khuất về hình học: Thu nhận tín hiệu vệ tinh hiệu quả hơn khi các vệ tinh ở vị trí tạo các góc rộng với nhau, hơn là trong một hàng hoặc nhóm kín.
• Tính sẵn sàng có chọn lọc: Bộ Quốc Phòng một khi đã ứng dụng tính sẵn sàng có chọn lọc (SA) đối với các vệ tinh, khiến tín hiệu kém chính xác hơn để giữ “kẻ thù” không sử dụng được tín hiệu GPS có độ chính xác cao. Chính phủ đã tắt SA vào tháng 5 năm 2000, giúp tăng độ chính xác của máy thu GPS cho mục đích dân sự.