Tìm hiểu về hệ thống định vị toàn cầu - GPS

Hiện nay các  ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu (GPS)  ngày càng trở nên phổ biến. Từ các thiết bị đo đạc cầm tay đến điện thoại di động có tích hợp chức năng xác định vị trí nhờ GPS,  từ việc xác định vị trí và quỹ đạo thậm chí điều khiển các phương tiện tham gia giao thông, quân sự đến công tác trắc địa môi trường...đều ứng dụng GPS. Bài viết này giới thiệu những khái niệm cơ bản về GPS nhằm giúp bạn đọc hiểu thêm về vấn đề này.

1. GPS là gì?

GPS là hệ thống Định vị Toàn cầu(tiếng Anh:Global Positioning System-GPS). Nó là hệ thống xác định vị trí một đối tượng cần tìm (một điểm hay một vật thể) dựa trên vị trí của cácvệ tinh nhân tạo, doBộ Quốc phòng Hoa Kỳthiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh.

Từ năm 1980, Chính phủHoa Kỳcho phép mọi người trên thế giới sử dụng một số chức năng của GPS miễn phí, bất kể quốc gia nào. 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 nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ.

2. Hiện nay thế gới có những hệ thống nào hoạt động như GPS của Hoa Kỳ?

Ngoài GPS, thế giới đang có một số hệ thống định vị toàn cầu hoạt động như GPS. Đó là Glonass của Nga, Bắc Đẩu của Trung quốc và Galileo của Cộng đồng Châu Âu, hệ thống định vị khu vực của Ấn Độ và của Nhật Bản...

3. Nguyên lý xác định tọa độ của GPS là gì?

Nguyên lý xác định toạ độ của hệ thống GPS và Glonass... dựa trên công thức quãng đường = vận tốc x thời gian. Vệ tinh phát ra các tín hiệu bao gồm vị trí của chúng, thời điểm phát tín hiệu. Máy thu tính toán được khoảng cách từ các vệ tinh, giao điểm của các mặt cầu có tâm là các vệ tinh, bán kính là thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu x vận tốc sóng điện từ là toạ độ điểm cần định vị.

Nói đến GPS, mọi người thường nghĩ đến máy thu GPS, thực ra, GPS là một hệ thống gồm 27 vệ tinh (kể cả 3 cái dự phòng) chuyển động trên các quỹ đạo chung quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km. Chúng chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một 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 hoạt động từ nguồn năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồnpindự phòng để duy trì hoạt động khi chạy vào vùng không có ánh sángMặt Trời. Cáctên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.

GPS

Sơ đồ thiết kế vị trí các vệ tinh GPS

24 vệ tinh trong 6 mặt phẳng quỹ đạo

4 vệ tinh trong 1 mặt phẳng quỹ đạo

Cao độ 22.200 km, nghiêng 55 độ

4.Làm sao đo được khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu?

Nói nghe thì dễ, nhưng làm sao đo khoảng cách từ vệ tinh? Để thực hiện phép toán này, máy thu GPS phải biết hai thứ tối thiểu: vị trí của ít nhất ba vệ tinh bên trên nó và khoảng cách giữa máy thu GPS đến từng vệ tinh nói trên. Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ các vệ tinh, máy thu GPS tính toán ra được hai thứ trên. Máy thu loại chất lượng cao có thể thu nhận tín hiệu của nhiều vệ tinh đồng thời. Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức là 300 ngàn km/giây trong chân không. Máy thu có thể tính toán được khoảng cách dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến được máy thu. Đây là một quá trình khá phức tạp.
Vào một thời điểm nào đó, giả sử vào lúc 0 giờ, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi tín hiệu dài, được gọi là mã ngẫu nhiên giả. Máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt vào cùng thời điểm. Khi tín hiệu từ vệ tinh truyền đến máy thu, chuỗi tín hiệu đó sẽ bị trễ một chút so với chuỗi do máy thu tạo ra.
Chiều dài khoảng thời gian trễ này chính là thời gian truyền của tín hiệu từ vệ tinh. Máy thu nhân thời gian này với tốc độ ámh sáng để xác định quãng đường truyền tín hiệu. Giả sử rằng tín hiệu truyền trên đường thẳng, đây chính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Để thực hiện phép đo này, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau. Một sai số 1 mili giây sẽ dẫn đến sai số là 300 ngàn mét là quá nhiều . Do đó, độ chính các tối thiểu cho các máy thu phải là cỡ nano giây (10-9 ). Để có độ chính xác như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử cho không chỉ các vệ tinh mà còn máy thu  nữa. Nhưng đồng hồ nguyên tử thì lại đắt, khoảng 50 đến 100 ngàn đô. Điều đó thì quá đắt cho người dùng.
Để có thể đưa các ứng dụng GPS đến với mọi người, các chuyên gia đã có một giải pháp thông minh và hiệu quả. Mỗi quả vệ tinh mang theo một cái đồng hồ nguyên tử, nhưng mỗi máy thu thì chỉ trang bị đồng hồ quartz thông thường. Các đồng hồ quartz này được điều chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu được truyền đi từ các vệ tinh.
Trên lý thuyết thì 4 mặt cầu phải giao nhau tại 1 điểm. Nhưng do sai số đồng hồ quartz rẻ tiền, 4 mặt cầu đã không cho 1 giao điểm duy nhất. Biết rằng sai số này gây ra bởi đồng hồ trên máy thu là như nhau Δt, máy thu có thể dễ dàng loại trừ sai số này bằng cách tính toán ra lượng hiệu chỉnh cần thiết để 4 mặt cầu giao nhau tại một điểm. Dựa vào đó, máy thu tự động điều chỉnh đồng hồ cho đồng bộ với đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh. Nhờ đó mà đồng hồ trên máy thu có độ chính xác gần như tương đương với đồng hồ nguyên tử. Vậy là chuyện đo khoảng cách đã được giải quyết ổn thoả.

Biết khoảng cách rồi, chúng ta còn phải biết vị trí chính xác của các vệ tinh trên quĩ đạo. Điều này cũng không khó lắm vì các vệ tinh chuyển động trên các quĩ đạo biết trước và có thể dự đoán được. Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều có chứa một bảng tra vị trí tính toán của tất cả các vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào gọi là Almanac. Lực hút của mặt trăng, mặt trời có ảnh hưởng nhất định làm thay đổi quĩ đạo của các vệ tinh một chút xíu nhưng Bộ Quốc phòng Mỹ liên tục theo dõi vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền thông số hiệu chỉnh đến các máy thu thông qua tín hiệu từ vệ tinh.
Vậy là cả hai vấn đề khoảng cách và vị trí đã giải quyết xong và hệ thống cơ bản hoạt động tốt. Như vậy, chúng ta đã thấy chức năng cơ bản nhất của máy thu GPS là thu nhận thông tin từ tối thiểu 4 vệ tinh, phối hợp các thông tin này với thông tin đã được chứa trong Almanac để tính toán ra vị trí của máy thu trên mặt đất. Một khi máy thu đã thu nhận và xử lý thông tin, máy sẽ cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và cao độ của vị trí hiện thời. Để làm cho việc định vị thân thiện hơn, hầu hết các máy thu đều thể hiện các thông tin này dưới dạng các điểm trên bản đồ được chứa sẵn trong máy. Bạn có thể nối máy thu GPS với máy tính chứa bản đồ chi tiết. Một số máy thu còn cho phép nạp các bản đồ chi tiết vào bộ nhớ trong của máy hay kết nối với các thẻ nhớ đã nạp sẵn bản đồ.

5.Vậy phép đo GPS có sai số không?

Hệ thống GPS có nhiều loại sai số. Nguyên nhân đầu tiên là do việc giả sử rằng các tín hiệu vệ tinh được truyền theo đường thẳng đến các máy thu với vận tốc không đổi. Trong thực tế, bầu khí quyến trái đất ít nhiều làm chậm tốc độ truyền, đặc biệt là khi sóng điện từ đi qua các tầng điện ly và đối lưu. Do tính chất của các tầng này khác nhau tại các vị trí khác nhau trên trái đất nên độ trễ này phụ thuộc vào vị trí của máy thu trên mặt đất, điều đó có nghĩa là khó có thể loại trừ sai số này. Gần đây người ta tạo ra các mô hình toán học mô phỏng tính chất của bầu khí quyển trái đất để giảm thiểu sai số này. Ngoài ra, khi tín hiệu phản xạ từ các vật thể lớn như các toà nhà cao tầng, cũng tạo cho máy thu một sai số như là đến từ một khoảng cách xa hơn. Đồng hồ máy thu cũng tạo sai số. Thỉnh thoảng, tín hiệu từ các vệ tinh cũng có sai số... Bộ Quốc phòng Mỹ cũng thêm vào sai số nhân tạo để giữ bí mật.

6. Độ chính xác của GPS như thế nào?

Có nhiều loại sai số như vậy thì độ chính xác của GPS chắc là lớn? Không phải vậy, bằng các giải pháp kỹ thuật và các thuật toán, tùy theo mục đích của phép đo mà người ta chế tạo ra các dụng cụ đo có độ chính xác khác nhau. Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác nhờ vàothiết kế nhiều kênhhoạt động song song của chúng. Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét. Các máy thu mới hơn có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn vớiGPS vi sai(Differential GPS,DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét./.

Đ.V.Phú



Vusta

 Vifotec

Logo Hoi thi STKT - web

Logo Cuoc thi 2017-web

Logo-bao-ve-nguoi-tieu-dung

Hội Bảo vệ Quyền lợi Người Tiêu dùng tỉnh Sóc Trăng