1. GPS là gì?
GPS (Global Positioning System) là một hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu thuộc sở hữu của chính phủ Hoa Kỳ và được vận hành bởi Lực lượng Không gian Hoa Kỳ. Đây là một trong những hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS) cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thời gian cho các thiết bị nhận tín hiệu GPS trên Trái Đất hoặc gần Trái Đất.
GPS hoạt động 24/7 trong mọi điều kiện thời tiết và không yêu cầu bất kỳ phí đăng ký hay thiết lập nào.
2. Cấu tạo của hệ thống GPS
Hệ thống GPS bao gồm ba phân đoạn chính:
- Phân đoạn không gian (Space Segment): Gồm một mạng lưới khoảng 30 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và các vệ tinh dự phòng) bay quanh Trái Đất ở độ cao khoảng 20.200 km. Mỗi vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử cực kỳ chính xác. Các vệ tinh này liên tục phát sóng radio chứa thông tin về vị trí và thời gian của chúng.
- Phân đoạn kiểm soát (Control Segment): Bao gồm các trạm mặt đất trên khắp thế giới. Nhiệm vụ của các trạm này là theo dõi, giám sát và điều chỉnh quỹ đạo của các vệ tinh, đảm bảo chúng hoạt động đúng vị trí và đồng hồ của chúng luôn chính xác.
- Phân đoạn người dùng (User Segment): Bao gồm tất cả các thiết bị nhận tín hiệu GPS, từ điện thoại thông minh, hệ thống định vị trên ô tô, đến các thiết bị chuyên dụng trong quân sự và hàng không.
3. Nguyên lý hoạt động cơ bản
GPS hoạt động dựa trên một nguyên lý gọi là phép tam giác hóa (trilateration).
- Phát tín hiệu: Mỗi vệ tinh GPS liên tục gửi một tín hiệu radio chứa hai thông tin quan trọng: vị trí chính xác của vệ tinh và thời gian mà tín hiệu được gửi đi (theo đồng hồ nguyên tử của vệ tinh).
- Nhận và tính toán: Thiết bị GPS của bạn (ví dụ: điện thoại) nhận tín hiệu từ các vệ tinh. Nó so sánh thời gian nhận được tín hiệu với thời gian tín hiệu được gửi đi. Sự chênh lệch thời gian này cho phép thiết bị tính toán khoảng cách từ nó đến từng vệ tinh.
- Xác định vị trí:
- Với tín hiệu từ một vệ tinh, thiết bị của bạn biết rằng nó đang nằm ở đâu đó trên một hình cầu có tâm là vệ tinh đó và bán kính là khoảng cách đã tính.
- Với tín hiệu từ hai vệ tinh, thiết bị của bạn biết rằng nó đang nằm trên một đường tròn, là giao điểm của hai hình cầu.
- Với tín hiệu từ ba vệ tinh, thiết bị của bạn có thể xác định hai điểm trên bề mặt Trái Đất. Một điểm là vị trí hiện tại của bạn, điểm còn lại thường ở một vị trí không hợp lý (ví dụ: ở ngoài vũ trụ), nên thiết bị sẽ loại bỏ nó.
- Với tín hiệu từ bốn vệ tinh trở lên, thiết bị của bạn có thể xác định được cả ba chiều (vĩ độ, kinh độ và độ cao), cùng với việc hiệu chỉnh sai số thời gian để đảm bảo độ chính xác cao nhất.
4. Ứng dụng phổ biến
GPS đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại:
- Định vị cá nhân: Chỉ đường trên điện thoại, theo dõi vị trí.
- Vận tải và hậu cần: Giám sát xe cộ, quản lý đội xe, tối ưu hóa lộ trình.
- Hàng không và Hàng hải: Định vị máy bay và tàu thuyền.
- Nông nghiệp: Điều khiển máy cày tự động để gieo hạt hoặc phun thuốc chính xác.
- Quân sự: Định vị mục tiêu, dẫn đường cho tên lửa.