Hình 1: GPS
GPS (Hệ thống Định vị Toàn cầu) là một hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo. Hệ thống này được thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ.
Ban đầu, GPS được sử dụng trong mục đích quân sự, nhưng sau những năm 1980, chính phủ Hoa Kỳ cho phép sử dụng GPS vào mục đích dân sự ở phạm vi toàn cầu. Hệ thống GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày. Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS, chỉ cần có thiết bị thu tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ.
GPS được sử dụng rộng rãi và là hệ thống định vị bằng vệ tinh được sử dụng nhiều nhất trên thế giới. Ngoài GPS, còn có GLOASS của Nga và Galileo của Liên minh châu Âu có tính năng tương tự và độ chính xác tương đương với GPS của Hoa Kỳ.
Lịch sử
Ban đầu, GPS chỉ được sử dụng trong mục đích quân sự. Sau vụ sự cố Chuyến bay 007 của Korean Air Lines vào năm 1983, khi máy bay này bị bắn rơi sau khi đi lạc vào vùng trời bị cấm của Liên Xô và làm chết 269 người, tổng thống Ronald Reagan mới cho phép sử dụng GPS vào mục đích dân sự sau những năm 1980. Tuy nhiên, lo ngại về vấn đề an ninh khiến chính phủ Mỹ giảm độ chính xác của hệ thống định vị ban đầu, không thỏa mãn được yêu cầu an toàn của hàng không dân sự và hàng hải. Phải đến ngày 1 tháng 5 năm 2000, Tổng thống Bill Clinton mới ký chỉ thị giúp cho hệ thống định vị dân sự có độ chính xác tương tự như hệ thống quân sự.
Sự hoạt động của GPS
GPS hoạt động dựa trên nguyên lý xác định vị trí thông qua khoảng cách từ điểm cần xác định đến ít nhất ba vệ tinh. Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất theo quỹ đạo chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và tính toán vị trí của người dùng. Máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát từ vệ tinh với thời gian nhận được để xác định khoảng cách. Rồi thông qua nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh, máy thu GPS có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Máy thu GPS phải nhận được tín hiệu từ ít nhất ba vệ tinh để tính toán vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và từ ít nhất bốn vệ tinh để tính toán vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Sau khi vị trí người dùng đã được tính toán, máy thu GPS còn có thể tính các thông tin khác như tốc độ, hướng chuyển động, khoảng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thông tin khác.
Độ chính xác của GPS
Các máy thu GPS ngày nay rất chính xác nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song. Các máy thu 12 kênh song song của Garmin, ví dụ, nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và duy trì kết nối ổn định, thậm chí trong môi trường có nhiều tán lá hoặc thành phố với các tòa nhà cao tầng. Tuy nhiên, trạng thái của khí quyển và các yếu tố gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS. Các máy thu GPS trung bình có độ chính xác trong khoảng 15 mét. Tuy nhiên, các máy thu mới hơn với khả năng sử dụng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể đạt độ chính xác dưới 3 mét. Có cũng máy thu sử dụng GPS vi sai (Differential GPS, DGPS) để sửa lỗi tín hiệu GPS và đạt độ chính xác từ 3 đến 5 mét.
Các thành phần của GPS
GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần không gian, phần kiểm soát và phần sử dụng. Phần không gian và phần kiểm soát được phát triển, bảo trì và vận hành bởi Không quân Hoa Kỳ. Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian và các máy thu GPS sử dụng tín hiệu này để tính toán vị trí và thời gian hiện tại.
Phần không gian gồm 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo quanh Trái Đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào. Các vệ tinh GPS được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời và có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động.
Phần kiểm soát nhằm kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và cung cấp thông tin thời gian chính xác. Có 5 trạm kiểm soát đặt rải rác trên Trái Đất, trong đó 4 trạm kiểm soát hoạt động tự động và 1 trạm kiểm soát là trung tâm. Trạm kiểm soát trung tâm nhận tín hiệu từ các vệ tinh và gửi thông tin này đến các trạm kiểm soát khác. Tại trạm kiểm soát trung tâm, thông tin được sửa lại và gửi lại cho các vệ tinh. Hệ thống kiểm soát còn bao gồm trạm kiểm soát trung tâm dự phòng và các trạm quan sát chuyên biệt.
Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này.
Ứng dụng GPS
GPS có nhiều ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày, đặc biệt là trong lĩnh vực quản lý và điều hành xe. GPS được sử dụng để giám sát quản lý vận tải, giám sát mại vụ, chống trộm, giao hàng, và nhiều ứng dụng khác trong ngành vận tải và logictics. Ngoài ra, GPS còn được sử dụng trong khảo sát trắc địa, môi trường và quản lý các công trình lâm sinh.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng có một số hạn chế về việc sử dụng GPS trong mục đích dân dụng. Chính phủ Hoa Kỳ kiểm soát xuất khẩu một số máy thu GPS dân dụng, đặc biệt là những máy thu có khả năng hoạt động ở độ cao trên 18 km và vận tốc trên 515 m/s.
Quy định pháp lý về GPS tại Việt Nam
Ở Việt Nam, có những quy định pháp lý liên quan đến việc sử dụng GPS như Nghị định 91/2009/NĐ-CP về thiết bị giám sát hành trình xe, Thông tư 14/2010/TT-BGTGT về sử dụng GPS giám sát hoạt động vận tải và Thông tư số 69/2011/TT-BNNPTNT về quản lý đầu tư xây dựng công trình lâm sinh.
Các thiết bị ứng dụng GPS
Có nhiều thiết bị ứng dụng GPS trong cuộc sống hàng ngày. Trong quân sự, GPS được sử dụng trong vũ khí hạt nhân, bom thông minh JDAM, tên lửa không đối đất và nhiều loại máy bay huấn luyện khác. Ngoài ra, còn có các hệ thống định vị khác như Galileo, Beidou, COMPASS, GLONASS, IRNSS và QZSS.
GPS đã trở thành một công nghệ không thể thiếu và có sự ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ quản lý vận tải đến khảo sát trắc địa, GPS đã đóng góp vào việc nâng cao hiệu quả và đáng tin cậy của nhiều hoạt động trong cuộc sống hàng ngày.
