Tìm hiểu cách thức hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

Thảo luận trong 'Tin tức 365' bắt đầu bởi taychoi_hd, 10/01/2015.

  1. Offline

    taychoi_hd Super Moderator

    Số bài viết:
    6.309
    Đã được thích:
    3.663
    Công nghệ định vị toàn cầu hay còn gọi tắt là GPS có lẽ đã quá quen thuộc với người dùng hiện nay. Công nghệ này xuất hiện hầu hết các vật dụng và các thiết bị di động hiện nay như đồng hồ thông minh (smartwatch) hay smartphone, trên xe hơi, xe đạp hay nhiều thiết bị khác được trang bị công nghệ này. Với số tiền chỉ vài triệu đồng, người dùng đã có thể sở hữu một thiết bị GPS bỏ túi nhỏ gọn và đa năng hỗ trợ chỉ đường và không bao giờ sợ lạc. Vậy, công nghệ GPS hoạt động như thế nào?

    [IMG]

    Global Positioning System - hệ thống định vị toàn cầu GPS, là tập hợp của 27 vệ tinh có quỹ đạo quay quanh Trái Đất (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh khác để thay thế khi có sự cố hỏng hóc). Quân đội Mỹ đã phát triển hệ thống này và tiến hành thiết lập mạng vệ tinh như là hệ thống định vị dành cho họ. Tuy nhiên, sau đó hệ thống này nhanh chóng được sử dụng rộng rãi với mục đích nhân sự. Mỗi vệ tinh vận hành bằng năng lượng mặt trời với khối lượng từ 1,5 đến 2 tấn, quay xung quanh mặt trời với quãng đường khoảng 19.300km, quay quanh 2 vòng mỗi ngày quanh Trái Đất. Quỹ đạo này được tính toán và thiết lập sao cho ở bất kì một vị trí nào đó trên Trái Đất vào thời điểm nào đó đều có thể nhìn thấy ít nhất 4 vệ tinh trên bầu trời.

    [IMG]

    Chức năng của GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa là tính toán khoảng cách từ các vệ tinh và sử dụng các thông tin đó để xác định vị trí của chính nó. Quá trình này dựa trên một nguyên lý toán học đơn giản là phép đo 3-D trong không gian 3 chiều. Tuy nhiên, để dễ hiểu hơn về phép đo này, có thể bắt đầu từ phép đo 2 chiều (2-D).

    Phép đo 2-D

    Giả sử, bạn đang ở một nơi nào đó tại Mỹ và người dùng hoàn toàn lạc mất phương hướng. Bạn gặp một người dân địa phương và hỏi đây là đâu. Tuy nhiên, người đó chỉ có thể trả lời: "Bạn đang cách Idaho 1000km". Đây là một thông tin đáng giá, tuy nhiên nó không thật sự có ích vì bạn có thể ở bất kì đâu trên vòng tròn có tâm là Idaho với bán kính 1000km.

    [IMG]

    Bạn hỏi tiếp một người khác và cô ấy cho biết bạn đang cách Minnesota 1.104km. Nếu tổng hợp hai thông tin đó lại, bạn sẽ có 2 vòng tròn giao nhau. Vị trí của bạn là một trong hai giao điểm của hai đường tròn. Người thứ ba cho bạn biết vị trí của bạn cách Tucson, Arizona 980km. Như vậy, với 3 thông tin nói trên, bạn đã biết bạn có thể ở đâu. Đó là Denver, Colorado.

    [IMG]

    [IMG]

    Áp dụng nguyên lý này vào không gian 3 chiều, ta cũng có 3 mặt cầu thay vì 3 đường tròn và giao nhau tại 1 điểm. Về mặt nguyên lý thì không khác nhau nhiều lắm, nhưng thay vì các đường tròn, bạn sẽ có các mặt cầu.

    Phép đo 3-D

    [IMG]

    Nếu bạn biết rằng mình đang ở cách vệ tinh A 10km, bạn có thể ở bất kì nơi nào trên một mặt cầu khổng lồ có bán kính 10km. Nếu bạn biết thêm rằng bạn đang ở cách vệ tinh B 15km, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V. Và nếu bạn biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ có thêm một mặt cầu,mặt cầu này giao với đường tròn V tại hai điểm. Trái Đất chính là mặt cầu thứ 4, 1 trong 2 giao điểm sẽ nằm trên mặt đất, điểm thứ hai sẽ nằm lơ lửng đâu đó trong không gian và dễ dàng bị loại. Với việc giả sử Trái Đất là một mặt cầu thì vẫn còn thiếu thông số về cao độ. Do vậy, để có cả vĩ độ, tung độ và cao độ thì bạn cần phải thêm một vệ tinh thứ 4 nữa.

    Để thực hiện công việc tính toán này, GPS phải biết ít nhất 2 điều: (bạn tham khảo thêm tại đây)

    1. Vị trí của ít nhất 3 vệ tinh bên trên nó.
    2. khoảng khoách giữa máy thu GPS đến từng vệ tinh nói trên.

    [IMG]

    Máy thu GPS tính toán ra được 2 điều trên bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ các vệ tinh. Thết bị có thể thu nhận tín hiệu của nhiều vệ tinh đồng thời. Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức là 300.000km/s 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.

    Máy thu và các vệ tinh đã hoạt động cùng nhau như thế nào để đo khoảng cách?

    [IMG]

    * Phép tính của GPS *

    Vào một thời điểm nào đó, giả sử vào lúc nửa đêm, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi tín hiệu dài, được gọi là mã ngẫu nhiên giả (pseudo-random code). 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 chậm một chút so với chuỗi do máy thu tạo ra. Chiều dài khoảng thời gian trễ ngày chính là thời gian truyền của tín hiệu từ vệ tinh. Máy thu nhận thời gian này với tốc độ ánh sáng để xác định quãng đường truyền tín hiệu. Giả sử, tín hiệu truyền trên đường thẳng, đây chính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu.

    [IMG]
    Quãng đường truyền tín hiệu = Tốc độ ánh sáng x Khoảng thời gian trễ

    Để thực hiện phép đo này, 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 300.000m. Do đó, độ chính xác tối thiểu cho các máy thu phải là cỡ nano giây. Để có độ chính xác rất cao như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử không chỉ cho các vệ tinh mà còn cho cả máy thu. Nhưng đồng hồ nguyên tử có giá không hề rẻ, cỡ từ 50.000 đến 100.000 USD. GPS là một giải pháp thông minh và hiệu quả cho vấn đề này. Mỗi vệ tinh mang theo một 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, 4 mặt cầu phải giao nhau tại một điểm. Nhưng do sai số đồng hồ quartz rẻ tiền, 4 mặt cầu đã không cho một giao điểm duy nhất. Biết rằng, sai số này gây ra bởi đồng hồ trên máy thu là như nhau, 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 sao cho đồng bô với đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh. Nhờ đó, 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 thỏa mà không cần phải rả thêm bất kì chi phí nào.

    [IMG]

    Khi đã đo được khoảng cách, bạn sẽ phải vạch ra được vị trí chính xác của 4 vệ tinh trên quỹ đạo. Điều này cũng không khó lắm vì các vệ tinh chuyển động trên các quỹ 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 kì thời điểm nào gọi là Almanac. Lực hút của mặt trăng, mặt trời có ảnh hưởng nhất định làm thay đổi quỹ đạo của các vệ tinh một chút, 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. Cả hai vấn đề khoảng cách và vị trí đã giải quyết xong, tuy nhiên, người ta nhận thấy hệ thống có nhiều sai số.

    [IMG]

    Nguyên nhân 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 nhưng trong thực tế, bầu khí quyển 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 sẽ 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 tòa nhà cao tầng, cũng tạo cho máy thu một sai số như là đến từ một khoảng cách xa hơn. Tín hiệu từ các vệ tinh cũng có sai số. Bộ Quốc phòng Mỹ cũng thêm vào sai số nhân tạo được gọi là Selective Availability (SA).

    Vậy xử lí các sai số này như thế nào?

    * Hệ thống định vị toàn cầu vi sai (DGPS) *

    Như vậy, chức năng cơ bản nhất của thiết bị 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.

    [IMG]
    Hệ thống định vị toàn cầu vi sai (Differential GPS) là một dạng nâng cao của GPS, trong đó sử dụng thêm một mạng lưới các trạm mặt đất cố định để phát tín hiệu làm căn cứ cho các thiết bị định vị nhận biết sự khác biệt giữa các vị trí của các trạm đo theo hai cách: được chỉ định bởi hệ thống vệ tinh và số liệu đo đạc chính xác đã biết từ trước. Từ sai khác giữa vị trí đo bởi vệ tinh và vị trí chính xác đã biết, các thiết bị định vị có thể hiệu chỉnh vị trí chính xác của chúng.

    [IMG]

    Một máy thu GPS tiêu chuẩn không những có thể chỉ ra vị trí của bạn trên bản đồ tại bất kì địa điểm nào, mà còn có thể theo dõi lộ trình di chuyển của bạn. Nếu để GPS ở chế độ bật, thiết bị có thể tương tác tức thời với các vệ tinh GPS, kèm theo một đồng hồ tích hợp sẵn, GPS có thể cho biết các thông tin cụ thể, ít nhất gồm có:

    - Độ dài quãng đường bạn đã đi.
    - Thời gian đã sử dụng.
    - Vận tốc hiện tại của bạn.
    - Vận tốc trung bình trên cả quãng đường.
    - Bản đồ lộ trình các nơi bạn đã di chuyển.
    - Thời gian dự kiến đến đích với tốc độ hiện tại.

    Nguồn: Electronics.howstuffworks.com


    LeDuyphamdungtc thích bài này.

Chia sẻ trang này