HDG Giải thích: GPS hoạt động như thế nào?

0

Lần cuối cùng bạn sử dụng điện thoại để Google Maps xác định vị trí chính xác của bạn trên bản đồ, bạn đã bao giờ dừng lại và tự hỏi làm thế nào mà GPS hoạt động chính xác đến vậy?

Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ triển khai vào năm 1973 (được gọi là NAVSTAR). Đến năm 1993, đã có 24 vệ tinh GPS quay quanh Trái đất và phát dữ liệu về quỹ đạo và vị trí mà quân đội có thể sử dụng cho các mục đích điều hướng và quân sự khác. Ngày nay, tính đến thời điểm viết bài này, có 28.

Vào những năm 1980, dữ liệu truyền từ vệ tinh GPS đã được công khai rộng rãi, điều này đã mở ra toàn bộ thị trường cho nhiều loại thiết bị định vị GPS mà chúng ta có ngày nay.

Khi viết bài này, Nga, Trung Quốc, Châu Âu và Ấn Độ đều có hệ thống GPS hoạt động của riêng họ. Nhật Bản đang phát triển hệ thống GPS của riêng mình, dự kiến sẽ hoạt động vào năm 2023.

GPS hoạt động như thế nào?

Mặc dù công nghệ vệ tinh mà GPS dựa trên rất tiên tiến, nhưng cách thức hoạt động của hệ thống lại đơn giản một cách ấn tượng.

Có ba thành phần đối với bất kỳ hệ thống định vị GPS riêng lẻ nào.

  • Vệ tinh: Các vệ tinh GPS quay quanh Trái đất và truyền thời gian hiện tại và vị trí quỹ đạo của chúng tới tất cả các máy thu GPS ở phía hành tinh của chúng.
  • Trung tâm chỉ huy: Trung tâm chỉ huy truyền dữ liệu quỹ đạo, hiệu chỉnh thời gian và vị trí quỹ đạo của các vệ tinh khác đến các vệ tinh trên quỹ đạo.
  • Máy thu GPS: Máy thu GPS trên Trái đất nhận thời gian quỹ đạo từ nhiều vệ tinh trong phạm vi và tính toán vị trí của chính nó trên Trái đất dựa trên vị trí của ít nhất bốn vệ tinh GPS.

Máy thu GPS sử dụng một nguyên lý toán học được gọi là phương pháp tam giác để tính toán vị trí của chính nó.

Cách thức hoạt động của tam giác GPS

Từ bất kỳ điểm nào trên hành tinh, nếu bạn đang cầm bộ thu GPS (như bộ thu trong điện thoại của bạn), bộ thu GPS sẽ nhận các dấu thời gian từ các đồng hồ được đồng bộ hóa trên mỗi vệ tinh GPS trên đầu.

Sử dụng sự khác biệt về dấu thời gian và tốc độ ánh sáng không đổi mà sóng vô tuyến truyền đi, bộ thu GPS có thể xác định khoảng cách giữa vị trí bạn đang đứng đến mỗi vệ tinh.

Điều này cung cấp cho bộ thu GPS bán kính của hình cầu với vệ tinh ở trung tâm và vị trí của bạn ở rìa hình cầu.

Vì mỗi vệ tinh di chuyển theo một quỹ đạo có thể đoán trước được trên trái đất, nên máy thu có thể sử dụng niên giám được lưu trữ về vị trí đã biết hiện tại của tất cả các vệ tinh GPS để xác định vị trí gần đúng của các vệ tinh đó trên trái đất.

Với vị trí đã biết của mỗi vệ tinh và khoảng cách đo được giữa các vệ tinh đó và vị trí của bạn, bộ nhận GPS có thể tính toán vị trí gần đúng của bạn bằng cách xác định vị trí giao điểm của ba quả cầu đó với nhau trên bề mặt Trái đất.

Sau đó, người nhận hiển thị vị trí đó cho bạn trên bản đồ.

Ba vệ tinh cung cấp một vị trí thô và máy thu GPS yêu cầu tín hiệu thứ tư từ một vệ tinh GPS khác để xác định độ cao hiện tại của bạn trên bề mặt Trái đất bằng cách sử dụng một nguyên lý toán học khác được gọi là độ phân cực.

Cách hoạt động của cảm biến GPS trên điện thoại của bạn

Hầu hết các điện thoại thông minh hiện đại ngày nay đều được trang bị chip nhận GPS. Con chip này có thể nhận tín hiệu vô tuyến từ vệ tinh GPS.

Đồng hồ trên điện thoại của bạn không phải là đồng hồ nguyên tử, vì vậy thời gian của nó không được đồng bộ hóa với đồng hồ nguyên tử của các vệ tinh trên quỹ đạo. Tuy nhiên, điều này không quan trọng khi tính toán vị trí bằng cách sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh đó.

Điều này là do bộ thu GPS trên điện thoại của bạn đang tập trung vào dữ liệu mà nó nhận được từ các vệ tinh và cơ sở dữ liệu về các vị trí vệ tinh đã biết trên Trái đất. Vì tất cả các vệ tinh đều có đồng hồ nguyên tử, thời gian hiện tại trên mỗi vệ tinh là chính xác như nhau tại bất kỳ thời điểm nào.

Tuy nhiên, do khoảng cách với vệ tinh và thực tế là tín hiệu vô tuyến truyền với tốc độ ánh sáng, sự khác biệt giữa mỗi dấu thời gian nhận được cho thấy khoảng cách giữa điện thoại của bạn và mỗi vệ tinh.

Đây là cách thức hoạt động của quá trình GPS này:

  • Tất cả bốn vệ tinh truyền cùng một dấu thời gian chính xác đến điện thoại của bạn lúc 5:12:14 chiều.
  • Điện thoại của bạn nhận được dấu thời gian đó lúc 5:12:15 từ vệ tinh 1.
  • Nó nhận được dấu thời gian lúc 5:12:16 từ vệ tinh 2.
  • Cuối cùng, vào lúc 5:12:17, nó nhận được dấu thời gian từ vệ tinh 3.

Điều này cho bộ thu GPS của bạn biết rằng phải mất 1 giây để tín hiệu vô tuyến đến được từ vệ tinh 1, 2 giây từ vệ tinh 2 và 3 giây từ vệ tinh 3.

Tốc độ ánh sáng là một hằng số đã biết là 299.792.458 mét / giây.

Sử dụng phép toán đơn giản, máy thu có thể tính toán rằng khoảng cách của nó là khoảng 300 nghìn mét từ vệ tinh 1, 600 nghìn mét từ vệ tinh 2 và 900 nghìn mét từ vệ tinh 3.

Sử dụng bảng tra cứu từ cơ sở dữ liệu vệ tinh GPS, bộ thu GPS trên điện thoại của bạn biết vị trí hiện tại gần đúng trên trái đất của cả ba vệ tinh, cung cấp tọa độ kinh độ và vĩ độ của cả ba vệ tinh.

Với thông tin đó, điện thoại của bạn có thể tính toán tọa độ kinh độ và vĩ độ của riêng bạn trên Trái đất.

Sử dụng tọa độ đã biết của bạn, bộ thu GPS của bạn sau đó có thể sử dụng khoảng cách được đo giữa chính nó và vệ tinh thứ tư để xác định độ cao mà bạn đang ở trên Trái đất.

Hệ thống định vị toàn cầu được hỗ trợ là gì?

Trước khi điện thoại thông minh bắt đầu tích hợp mạch GPS, mọi người thường sử dụng máy thu GPS cầm tay chạy bằng pin AA. Hoặc họ sẽ lắp đặt thiết bị GPS trong ô tô, chạy được kết nối với pin của điện thoại.

Điều này là do liên lạc vô tuyến đòi hỏi nhiều năng lượng hơn. Hạn chế của việc này là bạn thường phải đợi vài phút để máy thu GPS “khóa” đủ vệ tinh GPS để tính toán vị trí của bạn.

Các nhà sản xuất điện thoại thông minh đã khắc phục hạn chế về pin này bằng cách kết hợp công nghệ tam giác di động hiện có của họ. Rất lâu trước khi điện thoại được kích hoạt GPS, chúng có thể sử dụng tín hiệu đến từ tháp điện thoại di động để xác định vị trí của bạn, sử dụng cùng loại dấu thời gian và công nghệ khoảng cách tam giác như với vệ tinh GPS.

Thật không may, vì tháp điện thoại di động ở trên mặt đất, tính toán điều hướng này kém chính xác hơn nhiều. Vì vậy, phần mềm GPS trên điện thoại thông minh của bạn trước tiên sẽ sử dụng tam giác tín hiệu di động để xác định vị trí gần đúng của bạn và sau đó cập nhật vị trí đó khi dữ liệu GPS vệ tinh đã sẵn sàng.

Điều này cho phép điện thoại thông minh hiện đại dự trữ pin bằng cách chỉ sử dụng dữ liệu GPS khi các cập nhật vị trí đó được yêu cầu. Đây là lý do tại sao bạn có thể thường thấy vị trí của mình trên Google Maps đôi khi chuyển đến một vị trí mới khi có dữ liệu chính xác hơn.

Để lại bình luận

Địa chỉ email của bạn sẽ được chúng tôi bảo mật thông tin.