Hệ thống định vị toàn cầu GPS là gì? Hoạt động và độ chính xác như thế nào?

Vậy GPS là gì? Nó hoạt động như thế nào, có độ chính xác ra sao? Bài viết sau đây chúng ta sẽ cùng tìm hiểu tất cả các vấn đề liên quan đến hệ thống định vị toàn cầu GPS.

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là gì?

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là một hệ thống định vị dựa trên vệ tinh được tạo thành từ ít nhất 24 vệ tinh. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, bất cứ nơi nào trên thế giới, 24 giờ một ngày, không có phí đăng ký hoặc phí thiết lập. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (USDOD) ban đầu đưa các vệ tinh lên quỹ đạo cho mục đích quân sự, nhưng chúng đã được cung cấp cho mục đích dân sự trong những năm 1980.

GPS hoạt động như thế nào?

Các vệ tinh GPS vòng quanh Trái đất hai lần một ngày trên một quỹ đạo chính xác. Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu và thông số quỹ đạo duy nhất 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 trilateration để tính toán vị trí chính xác của người dùng. Về cơ bản, máy thu GPS đo khoảng cách đến từng vệ tinh theo lượng thời gian cần thiết để nhận tín hiệu truyền đi.

Với các phép đo khoảng cách từ một vài vệ tinh, người nhận có thể xác định vị trí của người dùng và hiển thị nó bằng điện tử để đo tuyến đường chạy của bạn, lập bản đồ sân golf, tìm đường về nhà hoặc phiêu lưu ở bất cứ đâu.

Để tính toán vị trí 2 chiều của bạn (vĩ độ và kinh độ) và chuyển động theo dõi, một bộ thu GPS phải được khóa với tín hiệu của ít nhất 3 vệ tinh.

Với 4 hoặc nhiều vệ tinh trong tầm nhìn, người nhận có thể xác định vị trí 3 chiều của bạn (vĩ độ, kinh độ và độ cao). Thông thường, máy thu GPS sẽ theo dõi 8 vệ tinh trở lên, nhưng điều đó phụ thuộc vào thời gian trong ngày và nơi bạn ở trên trái đất. Một số thiết bị có thể làm tất cả điều đó từ cổ tay của bạn

Khi vị trí của bạn đã được xác định, đơn vị GPS có thể tính toán các thông tin khác, chẳng hạn như:

• Tốc độ

• Mang

• Theo dõi

• Khoảng cách chuyến đi

• Khoảng cách đến đích

• Thời gian mặt trời mọc và mặt trời lặn

• Và 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 vào các vệ tinh khi bật lần đầu tiên. Họ duy trì một khóa theo dõi trong cây che phủ dày đặc hoặc trong các thiết lập đô thị với các tòa nhà cao tầng. Một số yếu tố khí quyển và các nguồn lỗi khác có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của máy thu GPS. Máy thu GPS của Garmin thường chính xác trong vòng 10 mét. Độ chính xác thậm chí còn tốt hơn trên mặt nước.

Một số độ chính xác của máy thu GPS Garmin được cải thiện với WAAS (Hệ thống tăng cường diện rộng). Khả năng này có thể cải thiện độ chính xác đến hơn 3 mét, bằng cách cung cấp các hiệu chỉnh cho bầu khí quyển. Không có thiết bị hoặc phí bổ sung được yêu cầu để tận dụng các vệ tinh WAAS. Người dùng cũng có thể có được độ chính xác cao hơn với GPS vi sai (DGPS), giúp điều chỉnh khoảng cách GPS trong phạm vi trung bình từ 1 đến 3 mét. Lực lượng bảo vệ bờ biển Hoa Kỳ vận hành dịch vụ chỉnh sửa DGPS phổ biến nhất, bao gồm một mạng lưới các tháp nhận tín hiệu GPS và truyền tín hiệu được điều chỉnh bởi các máy phát đèn hiệu. Để có được tín hiệu chính xác, người dùng phải có bộ thu tín hiệu vi sai và ăng ten đèn hiệu cùng với GPS.

Hệ thống GPS khác

Có nhiều hệ thống tương tự như GPS trên thế giới, tất cả đều được phân loại là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS). GLONASS là một hệ thống chòm sao vệ tinh được xây dựng bởi Nga. Cơ quan Vũ trụ châu Âu đang tạo ra Galileo, trong khi Trung Quốc đang tạo ra BeiDou. Hầu hết các máy thu của Garmin đều theo dõi cả GLONASS và GPS, và một số thậm chí còn theo dõi BeiDou. Bạn có thể mong đợi một giải pháp đáng tin cậy hơn khi bạn theo dõi nhiều vệ tinh hơn. Bạn có thể theo dõi gần 20 với các sản phẩm mới hơn của Garmin.

Hệ thống vệ tinh GPS

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

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

• Tên USDOD chính thức cho GPS là NAVSTAR

• Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978.

• Một chòm sao đầy đủ gồm 24 vệ tinh đã đạt được vào năm 1994.

• Mỗi vệ tinh được xây dựng để tồn tại khoảng 10 năm. Thay thế liên tục được xây dựng và đưa vào quỹ đạo.

• Một vệ tinh GPS nặng khoảng 2.000 pounds và rộng khoảng 17 feet với các tấm pin mặt trời được mở rộng.

• Các vệ tinh GPS được cung cấp năng lượng mặt trời, nhưng chúng có pin dự phòng trên tàu, trong trường hợp nhật thực.

• Công suất máy phát chỉ từ 50 Watts trở xuống.

Tín hiệu là gì?

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

Một tín hiệu GPS chứa 3 loại thông tin khác nhau:

• Mã giả là một mã ID xác định vệ tinh nào đang truyền thông tin. Bạn có thể xem các vệ tinh bạn đang nhận tín hiệu từ trang vệ tinh của thiết bị.

• Dữ liệu phù du là cần thiết để xác định vị trí của vệ tinh và cung cấp thông tin quan trọng về sức khỏe của vệ tinh, ngày và giờ hiện tại.

• Dữ liệu niên giám cho người nhận GPS biết mỗi vệ tinh GPS sẽ ở bất cứ lúc nào trong suốt cả ngày và hiển thị thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mọi vệ tinh khác trong hệ thống.

Nguồn tín hiệu GPS

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

• Sự chậm trễ tầng điện ly và tầng đối lưu: Tín hiệu vệ tinh chậm khi chúng đi qua bầu khí quyển. Hệ thống GPS sử dụng mô hình tích hợp để sửa một phần cho loại lỗi này.

• Tín hiệu đa đường: Tín hiệu GPS có thể phản ánh hết các đối tượng như nhà cao tầng hoặc các bề mặt đá lớn trước khi nó đạt đến người nhận, mà sẽ làm tăng thời gian đi lại của tín hiệu và gây ra lỗi.

• Lỗi đồng hồ máy thu: Đồng hồ tích hợp của máy thu có thể có lỗi thời gian nhẹ vì nó kém chính xác hơn đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh GPS.

• Lỗi quỹ đạo: Vị trí được báo cáo của vệ tinh có thể không chính xác.

• Số lượng vệ tinh có thể nhìn thấy: Máy thu GPS càng có thể "nhìn thấy", độ chính xác càng cao. Khi tín hiệu bị chặn, bạn có thể gặp lỗi vị trí hoặc có thể không đọc được vị trí nào cả. Các thiết bị GPS thường không hoạt động dưới nước hoặc dưới lòng đất, nhưng các máy thu có độ nhạy cao mới có thể theo dõi một số tín hiệu khi ở trong các tòa nhà hoặc dưới tán cây.

• Hình học/bóng vệ tinh: Tín hiệu vệ tinh hiệu quả hơn khi các vệ tinh được đặt ở các góc rộng so với nhau, thay vì trong một đường thẳng hoặc nhóm chặt chẽ.

• Tính khả dụng có chọn lọc: Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã từng áp dụng Tính khả dụng có chọn lọc (SA) cho các vệ tinh, làm cho tín hiệu kém chính xác hơn để ngăn 'kẻ thù' sử dụng tín hiệu GPS có độ chính xác cao. Chính phủ đã tắt SA vào tháng 5 năm 2000, điều này đã cải thiện độ chính xác của các máy thu GPS dân sự.