Lần cuối cùng bạn sử dụng điện thoại của mình 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 để GPS hoạt động chính xác như vậy chưa?
Hệ thống Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) thực sự được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ ra mắt vào năm 1973 (được gọi là NAVSTAR). Đến năm 1993, đã có 24 vệ tinh GPS quay quanh Trái đất và phát dữ liệu quỹ đạo và vị trí mà quân đội có thể sử dụng cho mục đích điều hướng và quân sự khác.
Vào những năm 1980, dữ liệu được truyền từ các vệ tinh GPS đã được công khai, mở ra toàn bộ thị trường cho nhiều loại thiết bị định vị GPS mà chúng ta có ngày nay.
Khi viết bài báo 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 đi vào hoạt động vào năm 2023.
=> Xem thêm: BIOS là gì ? Vai trò và chức năng của BIOS
GPS hoạt động như thế nào?
Mặc dù dựa trên công nghệ vệ tinh GPS 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 cá nhân nào.
- Vệ tinh : Các vệ tinh GPS quay quanh Trái đất và truyền thời gian hiện tại cũng như vị trí quỹ đạo của chúng tới tất cả các máy thu GPS trên 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 quay quanh quỹ đạo từ bao nhiêu 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 tắc toán học được gọi là phép tính tam giác để tính toán vị trí của chính nó.
Tam giác GPS hoạt động như thế nào
Từ bất kỳ điểm nào trên hành tinh, nếu bạn đang cầm một bộ thu GPS (chẳng hạn như thiết bị trong điện thoại của bạn), bộ thu GPS sẽ nhận dấu thời gian từ các đồng hồ được đồng bộ hóa trên đầu mỗi vệ tinh GPS.
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 nơi bạn đang đứng với từng vệ tinh.
Điều này cung cấp cho máy thu GPS bán kính của các quả cầu với các vệ tinh ở trung tâm và vị trí của bạn ở rìa của quả cầu.
Vì mỗi vệ tinh di chuyển theo một quỹ đạo có thể dự đoán 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 hiện đang được đặt trên trái đất.
Với vị trí đã biết của từng vệ tinh và khoảng cách đo được giữa các vệ tinh đó với vị trí của bạn, bộ nhận GPS của bạn có thể tính toán vị trí gần đúng của bạn bằng cách xác định nơi giao nhau của ba quả cầu đó trên bề mặt Trái đất.
Sau đó, người nhận sẽ hiển thị vị trí đó cho bạn trên bản đồ.
Ba vệ tinh cung cấp vị trí sơ bộ 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 tắc toán học khác được gọi là phép đo ba chiều.
Xem thêm: Cách sử dụng plugin web ChatGPT
Cảm biến GPS trên điện thoại của bạn hoạt động như thế nào
Hầu hết các điện thoại thông minh hiện đại ngày nay đều được trang bị chip thu 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 điện thoại không được đồng bộ hóa với đồng hồ nguyên tử của các vệ tinh trên quỹ đạo. Tuy nhiên, điều này không thành vấn đề khi tính toán vị trí bằng 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 nên thời gian hiện tại trên mỗi vệ tinh là hoàn toàn giống nhau tại bất kỳ thời điểm nào.
Tuy nhiên, do khoảng cách từ vệ tinh và thực tế là tín hiệu vô tuyến di chuyển với tốc độ ánh sáng, sự khác biệt giữa mỗi dấu thời gian nhận được cho biết khoảng cách giữa điện thoại của bạn và từng vệ tinh.
Đây là cách quá trình GPS này hoạt động:
- 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 dấu thời gian lúc 5:12:16 từ vệ tinh 2.
- Cuối cùng, lúc 5:12:17, nó nhận được dấu thời gian từ vệ tinh 3.
Điều này cho máy 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 bằng 299.792.458 mét trên giây.
Sử dụng toán học 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 gần đúng hiện tại 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.
Khi sử dụng các tọa độ đã biết, 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 so với Trái đất mà bạn đang ở.
=> Xem thêm: Cách sử dụng ChatGPT trên iPhone và Android
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 cài đặt các thiết bị GPS trong ô tô chạy bằng pin điện thoại.
Điều này là do liên lạc vô tuyến đòi hỏi nhiều năng lượng hơn. Hạn chế của điều này là bạn thường phải đợi vài phút để bộ thu GPS của bạn “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 tế bào 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 định vị trí của bạn, sử dụng cùng một loại dấu thời gian tam giác và công nghệ khoảng cách như với các vệ tinh GPS.
Thật không may, vì các 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 phép đo tam giác tín hiệu di động để xác định vị trí gần đúng của bạn, sau đó cập nhật vị trí đó sau khi dữ liệu GPS vệ tinh sẵn sàng.
Điều này cho phép điện thoại thông minh hiện đại dự trữ năng lượng pin bằng cách chỉ sử dụng dữ liệu GPS khi những 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 thỉnh thoảng chuyển sang một vị trí mới khi có dữ liệu chính xác hơn.