GPS là gì? Hiểu rõ cách hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu

GPS là gì?

GPS (Global Positioning System) tức “Hệ thống định vị toàn cầu”. Đây là một hệ thống định vị dựa trên vệ tinh được phát triển và điều hành bởi bộ quốc phòng Hoa Kỳ. Hệ thống GPS sử dụng một mạng vệ tinh để cung cấp thông tin về vị trí và thời gian chính xác tới các thiết bị và người dùng trên toàn thế giới.

Hệ thống vệ tinh bao gồm 24 vệ tinh trong 6 mặt phẳng quỹ đạo lấy Trái Đất làm trung tâm, mỗi mặt phẵng gồm 4 vệ tinh, quay quanh cách bề mặt Trái Đất khoảng 13000 dặm (tương đương 20.200 km) và di chuyển với tốc độ 14000 km/h.

GPS hoạt động bằng cách sử dụng ít nhất bốn vệ tinh GPS để xác định vị trí của một thiết bị hoặc người dùng trên mặt đất. Mặc dù nếu xác định vị trí thì ta chỉ cần 3 vệ tinh, nhưng vệ tinh thứ tư thường được dùng để xác thực thông tin chính xác. Máy thu GPS trên thiết bị hoặc trong xe hơi sẽ tiếp sóng từ các vệ tinh này và tính toán vị trí dựa trên thời gian mà tín hiệu từ các vệ tinh đã đi qua.

GPS đã trở thành một công nghệ quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm hệ thống định vị và điều hướng xe hơi, điện thoại di động, hàng không, hàng hải, và nhiều ứng dụng khác. Nó cũng có ứng dụng trong việc theo dõi thời gian thực và định vị trong các ngành công nghiệp như logistics, nông nghiệp, và khoa học.

3 Thành phần trọng tâm của GPS

Hệ thống GPS (Global Positioning System) bao gồm ba thành phần quan trọng sau đây:

1. Vệ tinh GPS: Hệ thống GPS sử dụng một mạng vệ tinh có sẵn trên quỹ đạo xung quanh Trái Đất. Các vệ tinh GPS phát ra tín hiệu radio chứa thông tin về thời gian và vị trí của họ. Hiện nay, có hơn 30 vệ tinh GPS hoạt động trong mạng lưới.
2. Máy thu GPS: Máy thu GPS là thiết bị hoặc phần mềm có khả năng tiếp sóng tín hiệu từ các vệ tinh GPS và tính toán vị trí của nó dựa trên thông tin đo đạc từ ít nhất bốn vệ tinh. Máy thu GPS có thể là các thiết bị cầm tay, điện thoại di động, thiết bị định vị xe hơi, hoặc bất kỳ thiết bị nào có tích hợp GPS.
3. Trạm kiểm soát đất liền: Hệ thống GPS cũng cần các trạm kiểm soát đất liền để theo dõi và duy trì hoạt động của các vệ tinh GPS. Những trạm này được đặt ở các vị trí chiến lược trên toàn cầu và gửi thông tin sửa đổi đến các vệ tinh để cải thiện độ chính xác của dự đoán vị trí.

Các thành phần này hoạt động cùng nhau để cung cấp thông tin về vị trí và thời gian chính xác cho các thiết bị và người dùng sử dụng hệ thống GPS.

Công nghệ GPS hoạt động như thế nào?

GPS hoạt động dựa trên kỹ thuật gọi là Trilateration. Kỹ thuật này được sử dụng để tính toán vị trí, vận tốc và độ cao, phép đo 3 chiều nhằm thu thập tín hiệu từ vệ tinh để biết được thông tin vị trí. Kỹ thuật này thường bị nhầm với “phép đo tam giác” được dùng để đo góc chứ không phải khoảng cách.

Về cơ bản, công nghệ GPS hoạt động như sau:

• Vệ tinh phát tín hiệu: Mỗi vệ tinh GPS phát ra tín hiệu chứa thông tin về thời gian và vị trí của nó. Tín hiệu này di chuyển với tốc độ ánh sáng và được gửi xuống Trái Đất.
• Các máy thu GPS thu tín hiệu từ vệ tinh: Máy thu GPS (như điện thoại hoặc định vị ô tô) thu nhận các tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh khác nhau. Bằng cách ghi lại thời gian mà tín hiệu từ mỗi vệ tinh đã đi qua không gian và đến máy thu, máy thu biết được khoảng thời gian mà tín hiệu mất để đi từ vệ tinh đến nó.
• Tính khoảng cách: Vì tín hiệu di chuyển với tốc độ cố định (tốc độ của ánh sáng), máy thu có thể tính khoảng cách từ nó đến mỗi vệ tinh bằng cách nhân thời gian mà tín hiệu mất đi với tốc độ của ánh sáng.
• Xác định vị trí: Khi máy thu GPS biết khoảng cách đến ít nhất bốn vệ tinh và biết vị trí của các vệ tinh đó (vì thông tin này được gửi cùng tín hiệu), máy thu sử dụng phép toán giả sử để xác định vị trí chính xác của nó trên bề mặt Trái Đất.
• Điều chỉnh độ chính xác: Thông tin từ các trạm kiểm soát đất liền được sử dụng để điều chỉnh đồng hồ của các vệ tinh và cung cấp các sửa đổi cần thiết để đảm bảo độ chính xác cao.

Vệ tinh không cung cấp cho các thiết bị thu thông tin về góc mà chỉ cho biết khoảng cách. Do đó, vị trí của điện thoại di động của bạn có thể ở bất kỳ đâu trên bề mặt Trái Đất. Khi gửi tín hiệu, vệ tinh tạo ra 1 vòng tròn có bán kính được đo từ thiết bị GPS đến vệ tinh.

Khi nhận được thông tin từ vệ tinh thứ 2, ta sẽ có được 1 vòng tròn thứ 2. Lúc này khoảng mà 2 vòng tròn giao nhau sẽ là vị trí của thiết bị.

Tiếp tục đến thông tin từ vệ tinh thứ 3, ta sẽ lại thu hẹp thêm và biết được vị trí của thiết bị nằm ở giao điểm của 3 vòng tròn.

Vì ta đang sống trong không gian 3 chiều nên mỗi vệ tinh tạo ra 1 hình cầu thay vì hình tròn. Giao điểm của 3 mặt cầu tạo ra 2 điểm giao nhau. Do đó, điểm nào gần Trái Đất hơn thì điểm đó sẽ được chọn làm vị trí của thiết bị.

Khi thiết bị di chuyển, các vòng tròn mới được tạo ra và ta lại có được giao điểm mới cho biết bị trí của thiết bị.

5 Ứng dụng quan trọng nhất của GPS

GPS trở thành một công nghệ quan trọng và đa dụng có ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh của cuộc sống hiện đại:

1. Vị trí: GPS giúp xác định vị trí của các thiết bị hoặc người dùng trên bản đồ hoặc trên mặt đất.
2. Điều hướng: GPS cho phép hướng dẫn người dùng từ vị trí hiện tại đến một vị trí cụ thể khác, cung cấp hướng dẫn đường đi.
3. Theo dõi: GPS cho phép giám sát và theo dõi đối tượng hoặc chuyển động cá nhân, có ứng dụng trong lĩnh vực quản lý vận chuyển, an ninh, và nhiều lĩnh vực khác.
4. Lập bản đồ: GPS được sử dụng để tạo bản đồ và cập nhật thông tin địa lý về môi trường tự nhiên, cơ sở hạ tầng, và vị trí địa lý.
5. Thời gian: GPS cung cấp đồng hồ với độ chính xác cao, giúp thực hiện các phép đo thời gian và đồng bộ hóa thời gian trên toàn thế giới.

Công nghệ GPS chính xác như thế nào?

GPS có độ chính xác thường nằm trong khoảng từ vài mét đến vài centimet tùy thuộc vào nhiều yếu tố. Cụ thể là:

• Độ chính xác tương đối (Relative Accuracy): GPS có thể cung cấp độ chính xác tương đối từ vài mét đến vài chục mét. Điều này đủ để xác định vị trí tương đối của các đối tượng trên bản đồ, ví dụ trong ứng dụng điều hướng, nơi bạn cần biết nơi bạn đang ở và cách đi từ điểm này đến điểm khác.
• Độ chính xác tuyệt đối (Absolute Accuracy): Với sự hiện diện của nhiều vệ tinh GPS trong tầm ngắm, GPS có thể cung cấp độ chính xác tuyệt đối trong khoảng vài mét đến vài centimet. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi định vị vị trí một cách chính xác, ví dụ như trong khoa học địa lý, đo lường địa chất, xây dựng, hoặc trong quản lý vận tải và logistics.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của GPS bao gồm:

• Số lượng vệ tinh: Độ chính xác tăng khi có nhiều vệ tinh GPS trong tầm ngắm. Độ chính xác tối ưu đạt được khi bạn có tối thiểu 4 vệ tinh để tính toán vị trí. Thêm vệ tinh có thể cải thiện độ chính xác.
• Sự che khuất: Sự che khuất do các tòa nhà, cây cối, núi non hoặc cấu trúc khác có thể làm giảm độ chính xác của GPS bằng cách làm giảm số lượng vệ tinh mà thiết bị GPS có thể thấy hoặc do tín hiệu phản xạ.
• Loại anten: Loại anten và công nghệ thu của thiết bị GPS có thể ảnh hưởng đến độ chính xác. Anten chất lượng cao và thiết bị GPS chuyên nghiệp thường có độ chính xác cao hơn so với thiết bị tiêu dùng.
• Dịch vụ kiểm soát đất liền (RTK): Trong một số ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như định vị trong xây dựng hoặc nông nghiệp, bạn có thể sử dụng dịch vụ RTK để cải thiện độ chính xác tới vài milimét.
• Điều kiện thời tiết: Một thời tiết xấu như cơn bão có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của GPS bằng cách làm tăng sự dao động của tín hiệu.

GPS và Google Map có phải là một không?

Google Maps và GPS khác nhau, nhưng thường được sử dụng cùng nhau để cung cấp thông tin vị trí và điều hướng.

• GPS là một hệ thống định vị toàn cầu dựa trên vệ tinh do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ phát triển và quản lý. Nó sử dụng một mạng các vệ tinh trên quỹ đạo để cung cấp thông tin về vị trí và thời gian chính xác cho các thiết bị định vị. GPS không phụ thuộc vào internet và có khả năng hoạt động ở hầu hết mọi nơi trên Trái Đất.
• Google Map là một ứng dụng và dịch vụ trực tuyến do Google cung cấp. Nó sử dụng thông tin từ GPS cùng với dữ liệu địa lý trên internet để hiển thị bản đồ, cung cấp thông tin về địa điểm, điều hướng, và nhiều tính năng khác. Google Maps không phải là một hệ thống GPS riêng lẻ mà là một ứng dụng dựa trên dịch vụ vị trí và bản đồ, thường được sử dụng trên các thiết bị có kết nối internet.

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu – GNSS

GNSS (Global Navigation Satellite System) tức “Hệ thống định vị toàn cầu bằng vệ tinh”. GNSS là một thuật ngữ tổng quát dùng để chỉ mọi hệ thống định vị toàn cầu dựa trên vệ tinh, không chỉ giới hạn cho hệ thống GPS (Global Positioning System) của Hoa Kỳ.

Ngoài GPS, có nhiều hệ thống GNSS khác trên khắp thế giới. Các ví dụ khác bao gồm:

• GLONASS: Hệ thống định vị toàn cầu của Nga. GLONASS cung cấp dịch vụ định vị toàn cầu và là một đối thủ chính của GPS.
• BeiDou: Hệ thống định vị toàn cầu của Trung Quốc, thường được gọi là BDS hoặc BeiDou. BeiDou đã trở thành một hệ thống GNSS quan trọng với khả năng cung cấp dịch vụ trên toàn thế giới.
• Galileo: Hệ thống định vị toàn cầu của Liên minh Châu Âu. Galileo được phát triển để độc lập với các hệ thống khác và cung cấp độ chính xác và khả năng cung cấp dịch vụ thời gian thực.

Các hệ thống GNSS này hoạt động bằng cách sử dụng mạng các vệ tinh trên quỹ đạo để cung cấp thông tin về vị trí và thời gian cho các thiết bị trên mặt đất, biển và không gian. GNSS đã trở thành một công nghệ quan trọng và có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm điều hướng, quản lý vận tải, khoa học địa chất và nhiều lĩnh vực khác.

Công nghệ GPS có hạn chế nào?

GPS có một số hạn chế và giới hạn trong sử dụng, bao gồm:

• Sự che khuất: Tòa nhà, cây cối, và cấu trúc khác có thể che khuất tín hiệu từ vệ tinh và làm giảm độ chính xác của GPS. Trong môi trường đô thị hoặc trong rừng sâu, sự che khuất có thể gây ra sai số lớn.
• Khả năng mất tín hiệu: Trong môi trường kháng tín hiệu hoặc nơi có nhiều cản trở, tín hiệu GPS có thể bị mất hoàn toàn, gây khó khăn trong việc định vị. Sự mất tín hiệu có thể xảy ra khi bạn ở trong các khu vực núi non, hẻo lánh, hoặc khi bạn đang đi dưới lòng đất.
• Độ chính xác biến đổi: Độ chính xác của GPS có thể biến đổi theo thời gian và vị trí. Tùy thuộc vào số lượng vệ tinh hiện diện và điều kiện môi trường, độ chính xác có thể thay đổi từ vài mét đến vài chục mét.
• Bảo mật: Tín hiệu GPS có thể bị can thiệp và can thiệp, điều này có thể làm giảm độ chính xác hoặc gây nguy cơ về bảo mật trong một số trường hợp.
• Độ phủ sóng toàn cầu không đồng đều: Các vùng xa biển, bắc cực và nam cực có độ phủ sóng GPS kém hơn. Điều này có thể gây khó khăn trong việc sử dụng GPS ở các vùng khó tiếp cận.

Không có Internet có dùng GPS được không?

Có, bạn có thể sử dụng GPS mà không cần kết nối internet. GPS (Global Positioning System) là một hệ thống định vị toàn cầu dựa trên vệ tinh, và nó hoạt động độc lập với internet. Điều quan trọng là có một thiết bị GPS hoặc ứng dụng GPS trên điện thoại di động của bạn có khả năng thu nhận tín hiệu từ các vệ tinh GPS.

Tuy nhiên, internet có thể được sử dụng để cải thiện trải nghiệm của bạn khi sử dụng GPS. Ví dụ, nếu bạn kết nối internet, bạn có thể tải bản đồ trực tiếp từ internet để cải thiện thông tin địa lý trên thiết bị GPS của bạn, nhận cập nhật về lưu lượng giao thông, và tìm kiếm địa điểm trực tuyến. Internet cũng có thể sử dụng để chia sẻ thông tin vị trí của bạn với người khác, như trong ứng dụng chia sẻ vị trí hoặc ứng dụng mạng xã hội.