GPS là gì? Công dụng của GPS

GPS, hay Hệ thống Định vị Toàn cầu, là một hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu cung cấp đồng bộ hóa vị trí, khoảng cách và thời gian. 

GPS có ở khắp mọi nơi. Bạn có thể tìm thấy hệ thống GPS trong ô tô, điện thoại thông minh và đồng hồ của mình, GPS giúp bạn xác định được nơi bạn sắp đến, từ điểm A đến điểm B. GPS là gì? Đọc bài viết này để tìm hiểu thêm về cách nó hoạt động, lịch sử của nó và những tiến bộ trong tương lai.

GPS là gì và nó hoạt động như thế nào?

Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) là một hệ thống định vị sử dụng vệ tinh, một máy thu và các thuật toán để đồng bộ hóa dữ liệu vị trí, vận tốc và thời gian cho việc di chuyển trên không, trên biển và trên bộ. GPS là hệ thống định vị toàn cầu do Mỹ phát triển và vận hành. GPS là tên viết tắt của cụm từ “Global Positioning System”. Nó là một hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh bay trên quỹ đạo phía trên trái đất ở độ cao 20.200 km.

Hệ thống vệ tinh bao gồm một chòm sao gồm 24 vệ tinh trong sáu mặt phẳng quỹ đạo trung tâm Trái đất, mỗi mặt phẳng có bốn vệ tinh, quay quanh Trái đất ở độ cao 13.000 dặm (20.000 km) và di chuyển với tốc độ 8.700 dặm / giờ (14.000 km/h).

Trong khi chúng ta chỉ cần ba vệ tinh để tạo ra một vị trí trên bề mặt trái đất, vệ tinh thứ tư thường được sử dụng để xác thực thông tin từ ba vệ tinh kia. Vệ tinh thứ tư cũng đưa chúng ta vào không gian thứ ba và cho phép chúng ta tính toán độ cao của thiết bị.

Ba yếu tố của GPS là gì?

GPS được tạo thành từ ba thành phần khác nhau, được gọi là phân đoạn, hoạt động cùng nhau để cung cấp thông tin vị trí.

Ba phân đoạn của GPS là:

• Space (Vệ tinh) – Các vệ tinh quay quanh Trái đất, truyền tín hiệu cho người dùng về vị trí địa lý và thời gian trong ngày.
• Kiểm soát trên mặt đất – Phân đoạn kiểm soát bao gồm các trạm giám sát trên Trái đất, trạm điều khiển chính và ăng-ten trên mặt đất. Các hoạt động kiểm soát bao gồm theo dõi và vận hành các vệ tinh trong không gian và giám sát các đường truyền. Có các trạm quan trắc ở hầu hết các lục địa trên thế giới, bao gồm Bắc và Nam Mỹ, Châu Phi, Châu Âu, Châu Á và Châu Úc.
• Thiết bị dành cho người dùng – Máy thu và phát GPS bao gồm các mặt hàng như đồng hồ, điện thoại thông minh, máy định vị GPS RTK và thiết bị viễn thông.

Công nghệ GPS hoạt động như thế nào?

GPS hoạt động thông qua một kỹ thuật được gọi là trilateration. Được sử dụng để tính toán vị trí, vận tốc và độ cao, trilateration thu thập tín hiệu từ vệ tinh để xuất ra thông tin vị trí. Nó thường bị nhầm với phương pháp tam giác, được sử dụng để đo góc, không phải khoảng cách.

Các vệ tinh quay quanh trái đất gửi tín hiệu để đọc và giải thích bằng thiết bị GPS, nằm trên hoặc gần bề mặt trái đất. Để tính toán vị trí, thiết bị GPS phải có khả năng đọc tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh.

Mỗi vệ tinh trong mạng quay quanh trái đất hai lần một ngày và mỗi vệ tinh gửi một tín hiệu duy nhất, các thông số quỹ đạo và thời gian. Tại bất kỳ thời điểm nào, thiết bị GPS có thể đọc tín hiệu từ sáu vệ tinh trở lên.

Một vệ tinh phát tín hiệu vi ba được thiết bị GPS thu nhận và được sử dụng để tính khoảng cách từ thiết bị GPS đến vệ tinh. Vì thiết bị GPS chỉ cung cấp thông tin về khoảng cách từ một vệ tinh, một vệ tinh không thể cung cấp nhiều thông tin vị trí. Vệ tinh không cung cấp thông tin về góc, vì vậy vị trí của thiết bị GPS có thể ở bất kỳ đâu trên diện tích bề mặt hình cầu.

Khi một vệ tinh gửi tín hiệu, nó sẽ tạo ra một vòng tròn có bán kính được đo từ thiết bị GPS đến vệ tinh.

Khi chúng ta thêm vệ tinh thứ hai, nó tạo ra một vòng tròn thứ hai và vị trí được thu hẹp xuống một trong hai điểm nơi các vòng tròn giao nhau.

Với vệ tinh thứ ba, vị trí của thiết bị cuối cùng có thể được xác định, vì thiết bị nằm ở giao điểm của cả ba vòng tròn.

Điều đó nói lên rằng, chúng ta đang sống trong một thế giới ba chiều, có nghĩa là mỗi vệ tinh tạo ra một hình cầu, không phải hình tròn. Giao điểm của ba mặt cầu tạo ra hai điểm giao nhau, vì vậy điểm gần Trái đất nhất được chọn.

Dưới đây là một minh họa về phạm vi vệ tinh:

Khi một thiết bị di chuyển, bán kính (khoảng cách đến vệ tinh) thay đổi. Khi bán kính thay đổi, các hình cầu mới được tạo ra, cho chúng ta một vị trí mới. Chúng ta có thể sử dụng dữ liệu đó, kết hợp với thời gian từ vệ tinh, để xác định vận tốc, tính toán khoảng cách đến điểm đến của chúng ta và ETA.

Công dụng của GPS là gì?

GPS là một công cụ mạnh mẽ và đáng tin cậy cho các doanh nghiệp và tổ chức trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Các nhà khảo sát, nhà khoa học, phi công, thuyền trưởng, người phản ứng đầu tiên và công nhân khai thác mỏ và nông nghiệp, chỉ là một số người sử dụng GPS hàng ngày cho công việc. Họ sử dụng thông tin GPS để chuẩn bị các cuộc khảo sát và bản đồ chính xác, thực hiện các phép đo thời gian chính xác, theo dõi vị trí hoặc vị trí và để điều hướng. GPS hoạt động mọi lúc và trong hầu hết mọi điều kiện thời tiết.

Có năm cách sử dụng chính của GPS:

1. Vị trí – Xác định vị trí.
2. Điều hướng – Đi từ vị trí này đến vị trí khác.
3. Theo dõi – Giám sát đối tượng hoặc chuyển động cá nhân.
4. Lập bản đồ – Tạo bản đồ thế giới .
5. Thời gian – Giúp bạn có thể thực hiện các phép đo thời gian chính xác.

Một số ví dụ cụ thể về các trường hợp sử dụng GPS bao gồm:

• Ứng phó khẩn cấp: Trong trường hợp khẩn cấp hoặc thiên tai , những người ứng cứu đầu tiên sử dụng GPS để lập bản đồ, theo dõi và dự đoán thời tiết cũng như theo dõi nhân viên khẩn cấp. Tại EU và Nga, quy định về cuộc gọi điện tử dựa trên công nghệ GLONASS (một giải pháp thay thế GPS) và viễn thông để gửi dữ liệu đến các dịch vụ khẩn cấp trong trường hợp xe bị tai nạn, giảm thời gian chờ đợi. 
• Giải trí: GPS có thể được tích hợp vào các trò chơi và hoạt động như Pokémon Go và Geocaching.
• Sức khỏe và thể chất: Đồng hồ thông minh và công nghệ có thể đeo được có thể theo dõi hoạt động thể dục (chẳng hạn như quãng đường chạy) và đánh giá nó theo nhân khẩu học tương tự.
• Xây dựng, khai thác mỏ và vận tải đường bộ: Từ thiết bị định vị đến đo lường và cải thiện phân bổ tài sản, GPS cho phép các công ty tăng lợi tức trên tài sản của họ. Kiểm tra các bài viết của chúng tôi về theo dõi xe công trình và theo dõi thiết bị địa hình .
• Vận tải: Các công ty hậu cần triển khai hệ thống viễn thông để cải thiện năng suất và sự an toàn của người lái xe. Công cụ theo dõi xe tải có thể được sử dụng để hỗ trợ tối ưu hóa tuyến đường, tiết kiệm nhiên liệu, an toàn và tuân thủ của người lái xe.
• Đo đạc và thành lập bản đồ: Các đơn vị trong các ngành tài nguyên môi trường sử dụng các loại máy đo đạc chính xác cao như máy định vị vệ tinh GPS RTK để đo đạc và thành lập bản đồ với độ chính xác cao

GPS ứng dụng trong công tác cứu hộ, cứu nạn

Các ngành khác mà GPS được sử dụng bao gồm: nông nghiệp, xe tự hành, bán hàng và dịch vụ, quân sự, truyền thông di động, an ninh và đánh cá.

GPS chính xác như thế nào?

Độ chính xác của thiết bị GPS phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như số lượng vệ tinh có sẵn, tầng điện ly, môi trường đô thị và hơn thế nữa.

Một số yếu tố có thể cản trở độ chính xác của GPS bao gồm:

• Các vật cản vật lý: Các phép đo thời gian đến có thể bị sai lệch bởi các khối lượng lớn như núi, tòa nhà, cây cối, v.v.
• Ảnh hưởng đến khí quyển: Độ trễ tầng điện ly, lớp phủ bão lớn và bão mặt trời đều có thể ảnh hưởng đến thiết bị GPS.
• Ephemeris: Mô hình quỹ đạo trong vệ tinh có thể không chính xác hoặc lỗi thời, mặc dù điều này ngày càng trở nên hiếm.
• Tính toán sai số: Đây có thể là một yếu tố khi phần cứng của thiết bị không được thiết kế theo thông số kỹ thuật.
• Gây nhiễu nhân tạo: Chúng bao gồm các thiết bị gây nhiễu hoặc thiết bị giả mạo GPS .

Độ chính xác có xu hướng cao hơn ở những khu vực thoáng đãng không có nhà cao tầng liền kề có thể chặn tín hiệu. Hiệu ứng này được biết đến như một hẻm núi đô thị. Khi một thiết bị bị bao quanh bởi các tòa nhà lớn, chẳng hạn như ở trung tâm Manhattan hoặc Toronto, tín hiệu vệ tinh đầu tiên bị chặn, sau đó bị dội lại từ một tòa nhà, nơi cuối cùng thiết bị sẽ đọc được tín hiệu. Điều này có thể dẫn đến tính toán sai khoảng cách vệ tinh.

Sơ lược về lịch sử GPS

Con người đã thực hành điều hướng hàng ngàn năm bằng cách sử dụng mặt trời, mặt trăng, các ngôi sao, và sau đó là tiếp theo. GPS là một tiến bộ của thế kỷ 20 được tạo ra bởi công nghệ thời đại không gian.

Công nghệ GPS đã được sử dụng trên toàn cầu trong suốt lịch sử. Việc phóng vệ tinh Sputnik I của Nga vào năm 1957 đã mở ra khả năng định vị địa lý và ngay sau đó, Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ bắt đầu sử dụng nó để điều hướng tàu ngầm.

Năm 1983, chính phủ Hoa Kỳ công bố công khai GPS, nhưng vẫn giữ quyền kiểm soát các dữ liệu có sẵn. Mãi cho đến năm 2000, các công ty và công chúng mới có quyền truy cập đầy đủ vào việc sử dụng GPS, cuối cùng mở đường cho sự tiến bộ lớn hơn của GPS.

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS)

GPS được coi là Hệ thống Vệ tinh Điều hướng Toàn cầu (GNSS) – có nghĩa là nó là một hệ thống định vị vệ tinh có phạm vi phủ sóng toàn cầu. Tính đến năm 2020, có hai hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu đang hoạt động hoàn chỉnh: GPS định vị và phạm vi tín hiệu dẫn đường (NAVSTAR) của Mỹ và Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GLONASS) của Nga. NAVSTAR GPS bao gồm 32 vệ tinh thuộc sở hữu của Hoa Kỳ và là hệ thống vệ tinh nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi nhất. GLONASS của Nga bao gồm 24 vệ tinh đang hoạt động với 3 vệ tinh còn lại dưới dạng phụ tùng hoặc đang thử nghiệm.

Hình minh họa của Vệ tinh GLONASS, GPS và Galileo.

Các quốc gia khác cũng đang chạy đua để bắt kịp. Chẳng hạn, EU đang làm việc với Galileo, dự kiến ​​sẽ đạt công suất hoạt động tối đa vào cuối năm 2020 . Trung Quốc cũng đang xây dựng Hệ thống vệ tinh dẫn đường BeiDou, với 35 vệ tinh dự kiến ​​sẽ lên quỹ đạo vào tháng 5 năm 2020 . Nhật Bản và Ấn Độ cũng đang trên đà phát triển với các hệ thống khu vực của riêng họ, Hệ thống Vệ tinh Quasi-Zenith (QZSS) và Hệ thống Vệ tinh Định vị Khu vực Ấn Độ (IRNSS), tương ứng.

Thiết bị GPS và GNSS

Mặc dù GPS là một tập hợp con của GNSS, các máy thu được phân biệt là GPS (nghĩa là chỉ dành cho GPS) hoặc GNSS. Máy thu GPS chỉ có khả năng đọc thông tin từ các vệ tinh trong mạng vệ tinh GPS, trong khi thiết bị GNSS điển hình có thể nhận thông tin từ cả GPS và GLONASS (hoặc nhiều hơn hai hệ thống này) cùng một lúc.

Một máy thu GNSS có sẵn 60 vệ tinh để xem. Trong khi một thiết bị chỉ cần ba vệ tinh để xác định vị trí của nó, độ chính xác được cải thiện với số lượng vệ tinh lớn hơn. Biểu đồ dưới đây cho thấy một ví dụ về số lượng vệ tinh có sẵn (được hiển thị bằng màu xanh lá cây), cùng với cường độ tín hiệu của nó (chiều cao của cột), đối với bộ thu GPS. Trong trường hợp này, 12 vệ tinh có sẵn.