Hệ thống định vị toàn cầu GPS hoạt động thế nào?

Ngày nay khó có thể hình dung bất cứ một chiếc máy bay, tàu thủy, hay phương tiện thám hiểm nào mà không lắp đặt bộ thu tín hiệu GPS phát ra từ những vệ tinh bay trên quỹ đạo quanh trái đất.

Khi nói đến GPS (hệ thống định vị toàn cầu), người ta thường nghĩ tới máy thu, chẳng hạn máy thu GPS trên máy bay, tàu thủy, xe hơi, hay hầu hết smartphone cũng tích hợp GPS để định vị, và cùng với các ứng dụng bản đồ chúng trở thành công cụ dẫn đường hữu hiệu. Thực tế GPS là một hệ thống định vị vận hành dựa vào 27 vệ tinh (trong đó có 3 vệ tinh dự phòng) chuyển động trên các quỹ đạo quanh trái đất, do Mỹ phát triển ban đầu cho mục đích quân sự, nay đã mở rộng ra cho cả dân sự. Các vệ tinh được bố trí sao cho tại bất kỳ thời điểm nào và ở nơi nào trên mặt đất, cũng có thể thấy ít nhất 4 vệ tinh.

Vệ tinh phát ra các tín hiệu gồm vị trí của chúng và thời điểm phát tín hiệu. Nhiệm vụ của máy thu GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh, tính toán khoảng cách tới các vệ tinh để từ đó tự xác định vị trí của chính nó theo công thức: Quãng đường = Vận tốc x Thời gian.

Nguyên lý xác định vị trí bằng GPS
Giả sử bạn đang ở một nơi xa lạ và muốn biết mình đang ở đâu. Bạn hỏi thăm một người dân địa phương và được biết đang cách Vũng Tàu 60 km. Thông tin nhận được mới chỉ cho bạn biết đang ở đâu đó trên vòng tròn tâm Vũng Tàu, bán kính 50 km.

Một người khác nói bạn cách Biên Hòa 40 km. Giờ thì đã rõ hơn, bạn biết mình đang ở một trong hai vị trí là giao nhau của 2 vòng tròn.
Người thứ ba cho biết, bạn đang cách TP.HCM 20 km. Và bạn đã có thể xác định vị trí hiện tại của mình là Nhơn Trạch – nơi giao của 3 vòng tròn.

Nguyên lý trên cũng được áp dụng tương tự để xác định vị trí trong hệ thống GPS, lấy điểm giao nhau của 3 mặt cầu trong không gian 3 chiều, thay vì là 3 đường tròn.

3 mặt cầu cắt nhau tại 2 điểm, cho biết vị trí của thiết bị thu GPS sẽ là 1 trong 2 điểm đó
 

Máy thu GPS qua tính toán xác định được khoảng cách tới một vệ tinh và biết được nó đang ở đâu đó trên mặt cầu tâm vệ tinh này. Hai mặt cầu đầu giao nhau tạo thành một vòng tròn. Mặt cầu thứ 3 sẽ cắt vòng tròn này chỉ tại 2 điểm, trong đó 1 điểm là vị trí của máy thu trên mặt đất. Điểm giao cắt thứ hai là một nơi nào đó lơ lửng trong không gian, cách xa trái đất hàng ngàn km nên có thể bỏ qua.

Một vệ tinh thứ tư cần thiết để cải thiện tính chính xác của việc xác định thời gian, vì chỉ cần sai số 1 phần triệu giây giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu cũng có thể dẫn đến định vị sai lệch hàng trăm mét.

Như vậy để xác định vị trí của mình trên mặt đất, máy thu GPS phải tính để biết khoảng cách tới 4 vệ tinh và vị trí chính xác của các vệ tinh trên quỹ đạo.
 
GPS tính toán ra sao
Máy thu GPS tính toán dựa vào khoảng thời gian tính từ khi vệ tinh phát tín hiệu đến lúc nó nhận được. Đó là tín hiệu radio tần số cao, công suất cực thấp. Sóng radio chuyển động với tốc độ đều, tương đương tốc độ của ánh sáng, khoảng 300.000 km/giây trong chân không.
Để đo chính xác, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau, chỉ cần chênh nhau 1 phần triệu giây là đã dẫn đến sai số khoảng 300 m. Với độ chính xác như vậy, chỉ có thể là đồng hồ nguyên tử. Nhưng đồng hồ nguyên tử có giá quá cao, tới hàng chục ngàn đô la Mỹ, nên chỉ có thể trang bị cho các vệ tinh. Với máy thu, người ta buộc phải chọn phương án giá rẻ, dùng đồng hồ quartz thông thường. Các đồng hồ quartz này được hiệu chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu nhận được từ các vệ tinh để đồng bộ thời gian chính xác theo đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh. Nhờ đó mà bốn mặt cầu giao nhau tại một điểm.

Tính khoảng cách tới vệ tinh. Vào một thời điểm nào đó trong ngày, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi dài tín hiệu số, được gọi là mã giả ngẫu nhiên. Cùng lúc, máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt, sau đó một chút mới nhận được chuỗi tín hiệu của vệ tinh. Độ trễ này là khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu. Nhân thời gian trễ này với vận tốc ánh sáng, máy thu tính ra quãng đường truyền tín hiệu. Đây là khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh, với giả thiết tín hiện truyền theo đường thẳng với vận tốc truyền không đổi.

Xác định vị trí vệ tinh. Điều này không quá khó, vì mỗi máy thu đều cập nhật và lưu trữ định kỳ một bảng tra cứu (gọi là almanac data) vị trí gần đúng của từng vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo vào bất kỳ thời điểm nào. Một số yếu tố như lực hút của mặt trăng, mặt trời làm lệch quỹ đạo của các vệ tinh đôi chút nhưng bộ quốc phòng Mỹ liên tục giám sát vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền những hiệu chỉnh đến các máy thu GPS thông qua tín hiệu từ vệ tinh.

Vậy là chúng ta đã biết cách mà một máy thu GPS tính toán vị trí của nó trên mặt đất dựa trên thông tin nhận được từ 4 vệ tinh địa tĩnh. Qua quá trình thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, máy thu cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và cao độ của vị trí hiện thời. Trên smartphone, những thông tin này được thể hiện thành điểm trên bản đồ.

Dù vậy hệ thống tính toán vẫn còn những sai số. Trước hết là do phương pháp này giả định tín hiệu từ vệ tinh truyền thẳng tới các máy thu qua bầu khí quyển với vận tốc không đổi (bằng vận tốc ánh sáng). Trong thực tế, bầu khí quyển của trái đất làm chậm tốc độ truyền xuống một chút, đặc biệt là khi tín hiệu xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Độ trễ khác nhau tùy thuộc vào vị trí của máy thu trên mặt đất, có nghĩa là rất khó để loại trừ yếu tố sai số này trong các tính toán khoảng cách. Vấn đề cũng có thể xảy ra khi các tín hiệu radio phản xạ bởi các vật chắn lớn, chẳng hạn như những dãy núi cao hay tòa nhà chọc trời, khiến máy thu nhầm vệ tinh xa hơn thực tế. Đôi khi tín hiệu từ vệ tinh có sai số, báo sai vị trí của nó.

Một số kỹ thuật được áp dụng để sửa sai số tính toán của hệ thống GPS. Hệ thống định vị toàn cầu vi sai DGPS (Differential GPS) là một dạng nâng cao của GPS, trong đó sử dụng thêm một mạng các trạm thu GPS mặt đất cố định. Ý tưởng cơ bản là để tính toán sai số tại trạm thu GPS cố định so với số liệu đo đạc chính xác đã biết từ trước. Sau đó trạm phát tín hiệu radio cung cấp thông tin hiệu chỉnh tín hiệu cho khu vực, giúp những máy thu DGPS trong khu vực đó định vị chính xác hơn. DGPS được các nước như Mỹ, Úc và Canada dùng cho các hệ thống hỗ trợ tàu bè ven biển.

Trong khi đó công nghệ hỗ trợ định vị Assisted-GPS (A-GPS) thường được dùng cho các thiết bị cầm tay. Ngoài việc định vị GPS, smartphone sử dụng A-GPS còn kết nối với máy chủ thông qua mạng 3G, GPRS hay Wi-Fi để nhận tín hiệu phát ra từ các trạm phát sóng của nhà mạng. Nhờ thế mà thiết bị khắc phục được sai số từ tín hiệu vệ tinh khi truyền xuống vùng đô thị có nhiều tán cây, cao ốc.
 

PC World VN, 09/2014