Ngày nay, GPS đã trở nên phổ biến khắp mọi nơi. Bạn có thể tìm thấy hệ thống GPS trên xe hơi, điện thoại thông minh và cả đồng hồ thông minh. GPS giúp bạn đến nơi mà bạn muốn, từ điểm A đến điểm B và cung cấp thông tin vị trí của bạn khi cần thiết. Hãy tìm hiểu về GPS là gì và cách nó hoạt động qua bài viết này.
GPS - Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu
Hệ thống định vị toàn cầu GPS sử dụng các vệ tinh, máy thu và thuật toán để đồng bộ dữ liệu vị trí, vận tốc và thời gian cho các phương tiện di chuyển trên không, trên biển và trên đường bộ.
Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh quay quanh Trái Đất, được chia thành 6 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh. Các vệ tinh này nằm ở độ cao 20.000 km so với Trái Đất và di chuyển với vận tốc lên đến 14.000 km/h.
Để xác định một vị trí trên Trái Đất, chúng ta chỉ cần 3 vệ tinh, tuy nhiên thường sử dụng thêm một vệ tinh thứ 4 để xác thực thông tin từ 3 vệ tinh kia. Vệ tinh thứ 4 còn giúp xác định chiều không gian thứ ba, từ đó tính được độ cao của vị trí.
Ba Thành Phần Tạo Nên GPS
GPS bao gồm ba thành phần khác nhau, được gọi là các phân đoạn. Chúng kết hợp với nhau để cung cấp thông tin vị trí chính xác theo yêu cầu của người sử dụng.
- Không gian (Các vệ tinh): Các vệ tinh quay quanh Trái Đất và truyền tín hiệu về vị trí địa lý và thời gian trong ngày cho người dùng.
- Điều khiển mặt đất: Phân đoạn điều khiển mặt đất bao gồm các trạm giám sát, trạm điều khiển chính và hệ thống anten trên mặt đất. Các trạm này theo dõi và điều khiển các vệ tinh trong không gian và giám sát quá trình truyền dữ liệu. Chúng được đặt ở nhiều địa điểm trên thế giới.
- Thiết bị của người dùng: Các thiết bị có sẵn máy thu và phát tín hiệu GPS như máy bay, ô tô, điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh,... Tổng chung gọi là thiết bị GPS.
GPS Hoạt Động Như Thế Nào?
GPS hoạt động thông qua một kỹ thuật gọi là trilateration. Sau khi thu thập tín hiệu từ các vệ tinh, trilateration tính toán vị trí, vận tốc và độ cao, sau đó đồng bộ chúng để đưa ra vị trí chính xác nhất.
Các vệ tinh gửi tín hiệu có thể đọc và giải mã được tới các thiết bị nằm trên hoặc gần bề mặt Trái Đất. Để tính toán vị trí, thiết bị GPS cần nhận tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh trong mạng lưới quay quanh Trái Đất ít nhất quay quanh hai lần mỗi ngày và mỗi vệ tinh chỉ gửi một tín hiệu duy nhất chứa thông tin về quỹ đạo và thời gian. Trong một thời điểm, một thiết bị có thể nhận tín hiệu từ 6 vệ tinh trở lên.
Khi một vệ tinh gửi tín hiệu, nó tạo ra một vòng tròn có bán kính bằng khoảng cách từ thiết bị đến vệ tinh đó. Khi thêm một vệ tinh thứ hai, một vòng tròn mới sẽ được tạo ra và vị trí của thiết bị sẽ thu hẹp lại, chỉ còn hai điểm giao nhau của hai vòng tròn.
Với sự tham gia của một vệ tinh thứ ba, vị trí của thiết bị sẽ được xác định chính xác. Nó sẽ nằm ở giao điểm của ba vòng tròn.
Tuy nhiên, chúng ta sống trong một thế giới 3 chiều nên mỗi vệ tinh tạo ra một hình cầu chứ không phải hình tròn. Ba hình cầu giao nhau tại 2 điểm, do đó điểm nào gần Trái Đất nhất sẽ được chọn.
Dưới đây là một hình minh họa:
Minh họa hoạt động của GPS
Khi thiết bị di chuyển như máy bay cất cánh, lái xe, chạy bộ hoặc đi xe đạp, khoảng cách giữa thiết bị và vệ tinh sẽ thay đổi. Điều này dẫn đến việc bán kính của hình cầu thay đổi và vệ tinh sẽ tạo ra một hình cầu mới giúp xác định vị trí mới của thiết bị. Chúng ta có thể sử dụng dữ liệu này, kết hợp với thông tin thời gian từ vệ tinh để xác định vận tốc, khoảng cách tới đích và thời gian ước tính.
GPS - Ứng Dụng Đa Dạng
GPS là một công cụ mạnh mẽ và đáng tin cậy cho nhiều ngành nghề khác nhau. Các nhà thám hiểm, nhà khoa học, phi công, thuyền trưởng, đội phản ứng nhanh, thợ mỏ và cả nông dân đều có thể tận dụng GPS trong công việc hàng ngày.
Thông tin từ GPS được sử dụng để lập bản đồ, thực hiện khảo sát, tính toán thời gian, tìm kiếm vị trí của người hoặc địa điểm, và tìm đường đi. GPS hoạt động mọi lúc, mọi nơi và trong mọi điều kiện thời tiết.
GPS có 5 Công Dụng Chính:
- Vị trí: Xác định vị trí.
- Tìm đường: Chỉ đường di chuyển từ vị trí này tới vị trí khác.
- Theo dõi: Giám sát máy bay, tàu thuyền hoặc sự di chuyển của cá nhân.
- Lập bản đồ: Tạo ra bản đồ chi tiết của thế giới.
- Tính toán thời gian: Thực hiện phép đo chính xác về thời gian.
Một Số Ví Dụ Cụ Thể Về Công Dụng Của GPS:
- Ứng phó khẩn cấp: Trong trường hợp khẩn cấp như bão lũ, đội phản ứng nhanh sử dụng GPS để lập bản đồ, dự báo thời tiết và theo dõi các nhân viên cứu hộ. Tín hiệu GLONASS (giải pháp thay thế GPS) sẽ tự động được gửi khi xảy ra tai nạn xe hơi.
- Giải trí: GPS có thể được tích hợp vào các trò chơi như Pokemon Go và Geocaching.
- Sức khỏe và thể dục: Đồng hồ thông minh và các thiết bị đeo thông minh có thể theo dõi hoạt động thể dục như chạy bộ, đạp xe với sự hỗ trợ của GPS.
- Xây dựng, khai mỏ và du lịch phượt: GPS giúp công ty xây dựng và khai thác tối ưu hóa chi phí và tăng lợi nhuận. Đối với du lịch phượt, GPS giúp dẫn đường đơn giản hơn.
- Vận tải: Các công ty vận chuyển sử dụng GPS để cải thiện năng suất và an toàn cho lái xe. GPS giúp tối ưu hóa tuyến đường, tiết kiệm nhiên liệu và đảm bảo tuân thủ quy định an toàn giao thông.
- Ngành công nghiệp khác: Nông nghiệp, xe tự lái, bán hàng và dịch vụ, quân đội, thông tin di động, an ninh và đánh bắt cá cũng sử dụng GPS.
Độ Chính Xác Của GPS
Độ chính xác của GPS phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Số lượng vệ tinh trong khu vực, tầng điện ly, mật độ nhà ở trong khu vực đô thị... đều ảnh hưởng đến độ chính xác của GPS.
Một số yếu tố làm giảm độ chính xác của GPS bao gồm:
- Vật cản địa lý: Các vật cản địa lý lớn như núi, tòa nhà, cây cối có thể gây sai lệch khi đo thời gian.
- Hiệu ứng khí quyển: Tầng điện ly, bão or bão mặt trời có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của vị trí.
- Hệ thống: Mô hình quỹ đạo bên trong vệ tinh có thể không chính xác hoặc lỗi. Nhưng hiện tại, vấn đề này rất hiếm gặp.
- Sai số tính toán: Điều này xảy ra khi phần cứng không đáp ứng được các thông số kỹ thuật chuẩn.
- Nhiễu nhân tạo: Có thể bao gồm các thiết bị gây nhiễu hoặc làm giả tín hiệu GPS.
Độ chính xác của GPS cao hơn trong khu vực không có vật cản cao như tòa nhà chặn tín hiệu. Ở các đô thị đông đúc, vị trí của máy GPS thường không chính xác.
May mắn là công nghệ GPS đang ngày càng được cải tiến. Các máy GPS độ chính xác cao có thể xác định vị trí với sai số trong bán kính 2,5 mét chính xác tới 95%. Với bán kính 3 mét, độ chính xác có thể lên tới 99%.
Dự án 16 Ứng Dụng Định Vị Cho Android cung cấp thêm thông tin về định vị trên các thiết bị Android.
Ảnh minh họa:
Độ chính xác của GPS đạt mức cao nhất tại các khu vực thoáng đãng, ít nhà cửa
Ảnh minh họa:
GPS có rất nhiều ứng dụng và một trong số đó là cứu hộ
Dù có những hạn chế, GPS vẫn là công nghệ định vị hiện đại và đáng tin cậy cho cuộc sống hằng ngày. Với sự phát triển liên tục, GPS sẽ ngày càng được cải thiện và mang lại nhiều lợi ích hơn cho mọi người.
