Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu (GPS), được gọi tắt là Navstar GPS, là một hệ thống định vị dựa trên vệ tinh và thu phát sóng radio, do Chính phủ Hoa Kỳ sở hữu và Cục Không gian Quân đội Hoa Kỳ điều hành. Nó là một trong những hệ thống định vị toàn cầu (GNSS) cung cấp thông tin vị trí và thời gian chính xác cho bất kỳ thiết bị nhận GPS nào trên Trái Đất hoặc gần Trái Đất, miễn là có tầm nhìn không bị chắn từ bốn hoặc nhiều hơn các vệ tinh GPS. Hệ thống này không yêu cầu người dùng phải truyền dữ liệu và hoạt động độc lập với bất kỳ mạng điện thoại hoặc internet nào, tuy nhiên, các công nghệ này có thể nâng cao hiệu quả sử dụng thông tin vị trí từ GPS. Hệ thống GPS cung cấp khả năng xác định vị trí quan trọng cho người dùng quân sự, dân sự và thương mại trên toàn thế giới. Mặc dù Chính phủ Hoa Kỳ tạo ra, kiểm soát và duy trì hệ thống GPS, bất kỳ ai có thiết bị nhận GPS đều có thể sử dụng miễn phí.
Tổng quan
Dự án GPS được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ bắt đầu vào năm 1973. Mẫu vệ tinh đầu tiên được phóng vào năm 1978 và toàn bộ số vệ tinh của hệ thống, gồm 24 vệ tinh, đã hoạt động vào năm 1993. Ban đầu chỉ được sử dụng bởi quân đội Hoa Kỳ, việc sử dụng dân sự đã được phép từ những năm 1980 sau một sắc lệnh của Tổng thống Ronald Reagan sau thảm kịch chuyến bay Korean Air Lines Flight 007. Các tiến bộ trong công nghệ và nhu cầu mới đối với hệ thống hiện có đã dẫn đến việc nâng cấp GPS và triển khai thế hệ tiếp theo của vệ tinh GPS Block IIIA và Hệ thống Kiểm soát Hoạt động Thế hệ Kế tiếp (OCX), được Quốc hội Hoa Kỳ ủy quyền vào năm 2000.
Từ đầu những năm 1990, độ chính xác vị trí của GPS đã bị giảm bởi Chính phủ Hoa Kỳ bằng cách sử dụng công nghệ gọi là Selective Availability, cho phép giảm chất lượng hoặc từ chối truy cập vào hệ thống bất cứ lúc nào, như đã xảy ra với quân đội Ấn Độ năm 1999 trong cuộc chiến Kargil. Như kết quả, một số đơn vị không thuộc Hoa Kỳ, bao gồm Nga, Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản và Liên minh Châu Âu, đã phát triển hoặc đang phát triển hệ thống định vị toàn cầu hoặc khu vực riêng của riêng mình. Selective Availability đã được chấm dứt vào ngày 1 tháng 5 năm 2000, theo luật được Tổng thống Bill Clinton ký vào luật.
Khi Selective Availability bị chấm dứt, GPS có độ chính xác khoảng 5 mét. Các thiết bị nhận GPS sử dụng băng tần L5 có độ chính xác cao hơn nhiều, khoảng 30 cm, trong khi những thiết bị dành cho các ứng dụng cao cấp như kỹ thuật và khảo sát địa ốc có độ chính xác trong phạm vi 2 cm và thậm chí có thể cung cấp độ chính xác dưới một milimét với các đo lường lâu dài. Các thiết bị người dùng như điện thoại thông minh có thể có độ chính xác 4,9 m hoặc tốt hơn khi sử dụng các dịch vụ hỗ trợ như xác định vị trí qua Wi-Fi.
Đến tháng 7 năm 2023, 18 vệ tinh GPS phát sóng tín hiệu L5, được coi là hoạt động trước khi được phát sóng bởi đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 2027.
Lịch sử
Dự án GPS được khởi đầu tại Hoa Kỳ vào năm 1973 để vượt qua những hạn chế của các hệ thống định vị trước đó, kết hợp ý tưởng từ một số tiền nhiệm, bao gồm các nghiên cứu thiết kế kỹ thuật phân loại từ những năm 1960. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã phát triển hệ thống này, ban đầu sử dụng 24 vệ tinh, để sử dụng bởi quân đội Hoa Kỳ và hoàn thành vào năm 1995. Việc sử dụng dân sự đã được phép từ những năm 1980. Roger L. Easton của Viện Nghiên cứu Hải quân, Ivan A. Getting của Tổ chức Không gian và Bradford Parkinson của Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng được ghi nhận là những người phát minh nó. Công việc của Gladys West trong việc tạo ra mô hình toán học địa cầu đã đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các kỹ thuật tính toán để phát hiện vị trí vệ tinh với độ chính xác cần thiết cho GPS.
Tổ chức thiết kế của GPS dựa một phần vào các hệ thống định vị dựa trên đất liền, chẳng hạn như LORAN và Decca Navigator, được phát triển vào đầu những năm 1940.
Vào năm 1955, Friedwardt Winterberg đề xuất một thử nghiệm về lý thuyết tương đối chung - phát hiện giảm chậm thời gian trong một trường hấp dẫn mạnh bằng cách sử dụng đồng hồ nguyên tử chính xác được đặt vào quỹ đạo trong vệ tinh nhân tạo. Thuyết tương đối đặc biệt và tổng quát dự đoán rằng các đồng hồ trên vệ tinh GPS, khi quan sát bởi những người ở trên Trái Đất, chạy nhanh hơn 38 micro giây mỗi ngày so với những đồng hồ trên Trái Đất. Thiết kế của GPS được hiệu chỉnh để sửa chữa sự khác biệt này, vì nếu không làm như vậy, vị trí tính toán bằng GPS sẽ tích lũy sai số lên đến 10 kilomet mỗi ngày.
Khi Liên Xô phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên của mình (Sputnik 1) vào năm 1957, hai nhà vật lý người Mỹ, William Guier và George Weiffenbach, tại Viện Nghiên cứu Vật lý Ứng dụng của Đại học Johns Hopkins quyết định theo dõi sóng radio của vệ tinh này. Trong vòng vài giờ, họ nhận ra rằng, nhờ hiệu ứng Doppler, họ có thể xác định chính xác vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo. Giám đốc Viện Nghiên cứu Vật lý Ứng dụng đã cho họ tiếp cận máy tính UNIVAC của họ để thực hiện các phép tính nặng.
Vào đầu năm sau đó, Frank McClure, phó giám đốc của Viện Nghiên cứu Vật lý Ứng dụng, yêu cầu Guier và Weiffenbach điều tra vấn đề đảo ngược: xác định vị trí của người dùng dựa trên vị trí của vệ tinh. (Vào thời điểm đó, Hải quân đang phát triển tên lửa Polaris được phóng từ tàu ngầm, đòi hỏi họ phải biết vị trí của tàu ngầm.) Điều này đã dẫn đến việc phát triển hệ thống TRANSIT. Năm 1959, ARPA (đổi tên thành DARPA vào năm 1972) cũng đóng vai trò trong TRANSIT.
Hệ thống TRANSIT đã được thử nghiệm thành công lần đầu tiên vào năm 1960. Nó sử dụng một bộ vệ tinh gồm năm vệ tinh và có thể cung cấp một vị trí xác định xấp xỉ mỗi giờ một lần.
Vào năm 1967, Hải quân Hoa Kỳ phát triển vệ tinh Timation, chứng minh được khả năng đặt đồng hồ chính xác trong không gian, công nghệ này là yêu cầu để có thể sử dụng GPS.
Vào những năm 1970, hệ thống định vị trên đất Omega dựa trên so sánh pha của tín hiệu truyền từ các cặp trạm trở thành hệ thống định vị trên toàn cầu đầu tiên trên thế giới. Hạn chế của các hệ thống này đã thúc đẩy nhu cầu về một giải pháp định vị thông dụng hơn với độ chính xác cao hơn.
Mặc dù có nhu cầu rộng rãi về định vị chính xác trong các lĩnh vực quân sự và dân sự, gần như không có lý do nào đủ để chứng minh việc tiêu tốn hàng tỷ đô la vào nghiên cứu, phát triển, triển khai và vận hành một hệ thống vệ tinh định vị. Trong suốt cuộc đua vũ khí Chiến tranh Lạnh, mối đe dọa hạt nhân đối với sự tồn tại của Hoa Kỳ là một nhu cầu duy nhất mà Quốc hội Hoa Kỳ đã chấp nhận chi phí này. Đây là lý do tại sao GPS được tài trợ và cũng là lý do cho sự bí mật vô cùng vào thời điểm đó. Tam giác hạt nhân bao gồm tên lửa đạn đạo phòng không của Hải quân Hoa Kỳ (SLBM) cùng với các máy bay ném bom chiến lược của Quân đội không gian Hoa Kỳ (USAF) và tên lửa đạn đạo (ICBM). Được coi là quan trọng đối với tư thế ngăn chặn hạt nhân, việc xác định chính xác vị trí phóng tên lửa SLBM là một yếu tố tăng cường sức mạnh.
Định vị chính xác sẽ cho phép tàu ngầm chở tên lửa đạn đạo của Hoa Kỳ xác định vị trí chính xác trước khi phóng tên lửa SLBM của họ. Không quân của Hoa Kỳ, chiếm hai phần ba của tam giác hạt nhân, cũng có yêu cầu về hệ thống định vị chính xác và đáng tin cậy hơn. Hải quân và Không quân Hoa Kỳ đang phát triển công nghệ riêng của họ song song nhằm giải quyết vấn đề cơ bản này.
Để tăng khả năng sống sót của các tên lửa đạn đạo phạm vi liên châu lục Mỹ, đã có đề xuất sử dụng các nền tảng phóng di động (tương tự như SS-24 và SS-25 của Liên Xô) và vì vậy nhu cầu xác định vị trí phóng tên lửa có sự tương đồng với tình hình tên lửa SLBM.
Vào năm 1960, không quân đề xuất một hệ thống định vị dựa trên sóng radio gọi là MOSAIC (MObile System for Accurate ICBM Control) một hệ thống LORAN 3D. Một nghiên cứu tiếp theo, Dự án 57, được thực hiện vào năm 1963 và "trong nghiên cứu này, khái niệm GPS đã ra đời". Cùng năm đó, khái niệm này được theo đuổi dưới dạng Dự án 621B, có "nhiều thuộc tính giống những gì bạn hiện thấy trong GPS" và hứa hẹn tăng cường độ chính xác cho bom cánh không của Không quân Hoa Kỳ cũng như tên lửa đạn đạo phạm vi liên châu lục.
Các cập nhật từ hệ thống TRANSIT thuộc Hải quân quá chậm so với tốc độ cao của các hoạt động của Không quân Hoa Kỳ. Viện Nghiên cứu Hải quân (NRL) tiếp tục đạt được tiến bộ với các vệ tinh Timation của họ, được phóng vào năm 1967, phóng thứ hai vào năm 1969, với vệ tinh thứ ba vào năm 1974 mang theo đồng hồ nguyên tử đầu tiên vào quỹ đạo và phóng thứ tư vào năm 1977.
Một số tiền nhiệm quan trọng khác của GPS đến từ một nhánh quân sự khác của quân đội Hoa Kỳ. Năm 1964, quân đội Hoa Kỳ phóng vệ tinh Sequential Collation of Range (SECOR) đầu tiên của họ được sử dụng cho khảo sát địa lý. Hệ thống SECOR bao gồm ba trạm trên mặt đất ở vị trí đã biết sẽ gửi tín hiệu đến bộ phát sóng vệ tinh trên quỹ đạo. Một trạm trên mặt đất thứ tư, ở một vị trí chưa xác định, sau đó có thể sử dụng những tín hiệu đó để xác định vị trí của nó một cách chính xác. Vệ tinh SECOR cuối cùng được phóng vào năm 1969.
Với sự phát triển song song này vào những năm 1960, nhận ra rằng một hệ thống ưu việt hơn có thể được phát triển bằng cách tổng hợp những công nghệ tốt nhất từ 621B, Transit, Timation và SECOR trong một chương trình đa ngành. Các sai số vị trí quỹ đạo vệ tinh, được gây ra bởi các biến thể trong lĩnh vực trọng lực và khúc xạ radar và những yếu tố khác, phải được giải quyết. Một nhóm dẫn đầu bởi Harold L Jury của Bộ phận Hàng không của Pan Am Aerospace tại Florida từ năm 1970 đến năm 1973 sử dụng viễn thám dữ liệu thời gian thực và ước tính đệ quy để làm như vậy, giảm thiểu sai số hệ thống và sai số còn lại đến một mức có thể quản lý để đảm bảo định vị chính xác.
Trong suốt cuối tuần Lễ Lao động năm 1973, một cuộc họp giao bộ khoảng mười sĩ quan quân sự tại Pentagon đã thảo luận về việc tạo ra một Hệ thống Định vị Hàng không Quốc phòng (DNSS). Chính tại cuộc họp này mà tổ hợp thực tế đã trở thành GPS được tạo ra. Cuối năm đó, chương trình DNSS được đặt tên là Navstar. Navstar thường bị cho là viết tắt của "NAVigation System Using Timing and Ranging" nhưng không bao giờ được xem như vậy bởi Văn phòng Chương trình Liên kết GPS (TRW có thể đã từng ủng hộ một hệ thống định vị khác sử dụng từ viết tắt đó). Với việc các vệ tinh cá nhân được liên kết với tên Navstar (như các tiền nhiệm Transit và Timation), một tên gọi phủ diện hơn được sử dụng để xác định tổng thể các vệ tinh Navstar, Navstar-GPS. Mười một "Block I" mẫu vệ tinh đã được phóng vào giai đoạn từ năm 1978 đến năm 1985 (một đơn vị bị phá hủy do sự cố phóng vệ tinh).
Hiệu ứng của bầu khí quyển lên truyền sóng radio đã được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm vật lý địa tầng của Trung tâm Nghiên cứu Hải quân Cambridge, được đổi tên thành Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Địa tầng không quân (AFGRL) vào năm 1974. AFGRL đã phát triển mô hình Klobuchar để tính toán sửa lỗi của bầu khí quyển đối với vị trí GPS. Đáng chú ý là công việc của nhà khoa học không gian người Úc Elizabeth Essex-Cohen tại AFGRL vào năm 1974. Cô quan tâm đến việc cong của các đường sóng radio (khúc xạ không khí) đi qua bầu khí quyển từ các vệ tinh NavSTAR.
Sau khi Korean Air Lines Flight 007, một chiếc Boeing 747 với 269 người, bị một phi cơ tiếp viện của Liên Xô bắn rơi sau khi lạc đường vào không phận cấm do sai sót định vị, gần quần đảo Sakhalin và Moneron, Tổng thống Ronald Reagan ban hành một chỉ thị làm cho GPS miễn phí sử dụng cho dân sự, sau khi nó đạt đủ sự phát triển như một lợi ích chung. Vệ cơ bản đầu tiên Block II đã được phóng vào ngày 14 tháng 2 năm 1989, và vệ tinh thứ 24 được phóng vào năm 1994. Tổng chi phí chương trình GPS đến thời điểm này, không bao gồm chi phí thiết bị người dùng nhưng bao gồm các chi phí phóng vệ tinh, đã được ước tính là 5 tỷ đô la Mỹ.
Ban đầu, tín hiệu chất lượng cao được dành cho sử dụng quân sự và tín hiệu có sẵn cho sử dụng dân sự đã được làm giảm chất lượng một cách cố ý, trong một chính sách được gọi là Selective Availability. Điều này đã thay đổi vào ngày 1 tháng 5 năm 2000, khi Tổng thống Bill Clinton ký một chỉ thị chính sách để tắt Selective Availability và cung cấp độ chính xác tương tự cho người dân như đối với quân đội. Đề xuất chỉ thị đến từ Bộ trưởng Quốc phòng Hoa Kỳ, William Perry, xem xét sự phát triển rộng rãi của các dịch vụ GPS khác biệt của ngành tư nhân nhằm cải thiện độ chính xác dân sự. Hơn nữa, quân đội Hoa Kỳ đang phát triển công nghệ để từ chối dịch vụ GPS đối với các kẻ thù tiềm năng trên cơ sở vùng lãnh thổ. Selective Availability đã được loại bỏ khỏi kiến trúc GPS bắt đầu với GPS-III.
Kể từ khi triển khai, Hoa Kỳ đã thực hiện nhiều cải tiến cho dịch vụ GPS, bao gồm các tín hiệu mới cho việc sử dụng dân sự và độ chính xác và tính xác thực gia tăng cho tất cả người dùng, trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích với thiết bị GPS hiện có. Hiện đại hóa hệ thống vệ tinh là một sáng kiến liên tục của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thông qua hàng loạt việc thụ hưởng vệ tinh để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của quân đội, dân sự và thị trường thương mại.
Đến đầu năm 2015, các thiết bị nhận GPS dịch vụ Định vị Tiêu chuẩn (SPS) chất lượng cao cung cấp độ chính xác ngang hàng dưới 3,5 mét, mặc dù nhiều yếu tố như chất lượng thiết bị nhận và ăng-ten và các vấn đề bầu khí quyển có thể ảnh hưởng đến độ chính xác này.
GPS được sở hữu và điều hành bởi chính phủ Hoa Kỳ như một nguồn tài nguyên quốc gia. Bộ Quốc phòng là người quản trị GPS. Hội đồng chấp hành Liên cơ quan GPS (IGEB) giám sát các vấn đề chính sách GPS từ năm 1996 đến năm 2004. Sau đó, Ủy ban Đối tác Quốc gia về Vị trí, Định vị dựa trên không gian và Thời gian được thành lập thông qua chỉ thị của Tổng thống vào năm 2004 để tư vấn và phối hợp các bộ trưởng liên bang
