Định vị GPS hoạt động như thế nào? Giải thích dễ hiểu

 Chúng ta sử dụng định vị GPS trên điện thoại, ô tô, ... để xác định vị trí mỗi ngày, thế nhưng có bao giờ bạn thắc mắc định vị GPS nó hoạt động như thế nào chưa? Trong bài viết này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về hệ thống định vị GPS để xem nó hoạt động như thế nào nhé.

Hệ thống định vị GPS toàn cầu bằng vệ tinh

 Định vị GPS là gì? GPS là viết tắt của cụm từ tiếng Anh "Global Positioning System" được dịch ra tiếng Việt là "hệ thống định vị toàn cầu". Đúng như cái tên của nó, hệ thống này giúp chúng ta có thể định vị ở bất cứ đâu trên toàn cầu mà không cần có kết nối wifi, 3g, 4g, ...

 GPS là hệ thống định vị của nước Mỹ chứ không phải là của thế giới. Trước đây Mỹ đã xây dựng hệ thống này với mục đích sử dụng cho quân sự. Tuy nhiên đến nay thì nó đã được áp dụng cho cả dân sự và trở thành hệ thống định vị phổ biến nhất trên thế giới.

 Vậy GPS hoạt động như thế nào mà có thể định vị được bất kỳ vị trí nào trên thế giới? Chắc chắn bạn sẽ nghĩ đến ngay những chiếc vệ tinh, chỉ có vệ tinh mới có thể phát tín hiệu xoay quanh trái đất. Và đúng như vậy, hiện nay Mỹ đang sử dụng 30 vệ tinh trong hệ thống định vị toàn cầu (trong đó 27 chiếc vệ tinh hoạt động và 3 chiếc vệ tinh để dự phòng).

 Các vệ tinh GPS được thiết kế để hoạt động trong vòng 15 năm, mỗi vệ tinh dài khoảng 5 mét và nặng khoảng 1500 kg. Các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời, chúng được trang bị bình tích điện để duy trì hoạt động khi bay qua các vùng tối. Những chiếc vệ tinh đầu tiên của hệ thống GPS được phóng lên không gian vào năm 1978.

 Để điều khiển 30 chiếc vệ tinh của hệ thống GPS, Mỹ đã lắp đặt 5 trạm kiểm soát rải rác khắp trái đất. Trong đó có 4 trạm kiểm soát tự động và 1 trạm được điều khiển bởi các chuyên gia. Những trạm điều khiển này có chức năng điều khiển các vệ tinh bay đúng quỹ đạo cách mặt đất 20.200 mét và quay 2 vòng quanh trái đất mỗi ngày. Vệ tinh có thể bay chính xác trong quỹ đạo là nhờ có những động cơ đẩy chỉnh hướng nằm bên trong.

Trạm kiểm soát mặt đất điều khiển hệ thống vệ tinh GPS

 Chức năng quan trọng của trạm kiểm soát đó chính là thu thập các dữ liệu từ vệ tinh, sau đó tính toán và xử lý cho chính xác, rồi sau đó lại gửi về vệ tinh, nhờ vậy mà việc định vị luôn được cập nhật và có độ chính xác cao.

 Một chiếc điện thoại thông minh trên mặt đất làm thế nào để tự xác định được vị trí của mình dựa vào các vệ tinh? Sau đây chúng ta cùng tìm hiểu về nguyên lý của GPS - Phần quan trọng nhất của bài viết này. Để có thể định vị được, các nhà khoa học đã thiết kế sao cho tại bất kỳ vị trí nào trên trái đất cũng sẽ nhìn thấy được 4 vệ tinh cùng lúc. Tại sao lại phải nhìn thấy 4 vệ tinh cùng lúc? Nó có liên quan gì đến việc xác định vị trí? Cơ chế hoạt động của GPS là sử dụng khoảng cách để xác định vị trí, điện thoại của bạn sẽ liên tục nhận được tín hiệu từ 4 vệ tinh này. Trong tín hiệu đó sẽ cung cấp thông tin về vị trí của các vệ tinh. Do biết được vị trí và khoảng cách của các vệ tinh dựa vào tốc độ truyền sóng và thời gian nhận sóng mà điện thoại sẽ tự tính được vị trí của mình.

 Để cho dễ hiểu về nguyên lý hoạt động bên trên, chúng tôi lấy một ví dụ cụ thể như sau: Bạn đang đứng trong bóng tối, không có cái đèn pin hay bất cứ một loại ánh sáng nào hết. Vậy làm sao để biết mình đang đứng ở đâu? Bạn hãy quan sát hình vẽ bên dưới và xem giải thích tiếp về ví dụ cụ thể này.

Cách xác định vị trí định vị GPS

 Do bạn đang đứng ở trong bóng tối, bạn không thể định hướng nên đi về hướng nào. Bạn sẽ nhấc máy lên gọi điện cho ông A và ông A nói với bạn rằng "Ông A đang đứng cách bạn 1km". Chỉ có thông tin từ ông A bạn vẫn chưa biết chính xác mình đang ở vị trí nào, bạn sẽ gọi điện tiếp cho ông B và ông B nói với bạn "ông B đang đứng cách bạn 2km". Bạn tiếp tục gọi cho ông C, ông C nói là ông đó đang đứng cách bạn 3km. Như vậy với dữ liệu của ông A, ông B, ông C bạn sẽ có giao điểm của 3 đường tròn với bán kình lần lượt là 1km, 2km, 3km. Bạn đã xác định được chính xác vị trí của mình đang đứng. Nhưng chỗ bạn đang đứng là tầng cao của một toà chung cư, nếu bạn cứ đi thẳng thì nguy cơ cao sẽ ngã xuống đất, vậy làm sao mà bạn xác định được độ cao chỗ mình đứng so với mặt đất? Bạn sẽ phải gọi điện tiếp cho ông D, ông D sẽ ở tầng 1 của toà nhà và cho bạn biết được khoảng cách từ mặt đất lên trên chỗ bạn đứng là bao nhiêu. Và hệ thống định vị vệ tinh GPS cũng hoạt động tương tự như ví dụ trên, đó là lý do tại sao nó cần phải nhìn thấy 4 vệ tinh cùng 1 lúc.

 Theo chúng tôi tìm hiểu, hệ thống định vị toàn cầu GPS có độ chính xác trung bình là 15 mét. Nếu được áp dụng thêm các công nghệ tiên tiến thì vị trí chính xác trung bình của nó sẽ giảm xuống là 3 mét mà thội.

 Mặc dù có độ chính xác cao, nhưng GPS cũng có những nhược điểm. Do sử dụng sóng điện từ để phát tín hiệu, nên khi gặp thời tiết xấu và địa hình phức tạp (mây nhiều hoặc bị che bởi những ngọn núi cao, những nhà cao tầng, ...) thì điện thoại phát tín hiệu sẽ bị gián đoạn. Do đó đôi lúc khi sử dụng GPS bạn sẽ thấy vị trí của mình đứng im một chỗ hoặc bị "nhảy cóc" một cái đi cả vài km.