Hiện tại khó có thể mường tưởng bất cứ một chiếc phi cơ, tàu thủy, bộ đàmhay công cụ thám hiểm nào mà không lắp đặt bộ thu tín hiệu GPS phát ra từ những vệ tinh bay trên quỹ đạo quanh co địa cầu.
Khi nói đến GPS (hệ thống định vị toàn cầu), người ta thường nghĩ tới máy thu,chả hạnmáy thu GPS trênphi cơ, tàu thủy, xe hơi, hayhầu hếtsmartphone cũng tích hợp GPS để định vị, và cùng với cácáp dụngbản đồ chúngtrở thànhcông cụdẫn đường hữu hiệu.thực tếGPS 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 đạonói quanh nói quẩntrái đất, do Mỹ phát triểnban đầuchomục tiêuquân sự, nay đãmở mangra cho cả dân sự. Các vệ tinh được bố trí sao cho tại bất kỳthời điểmnào và ở nơi nào trên mặt đất, cũng có thể thấychí ít4 vệ tinh.
Vệ tinh phát ra các tín hiệu gồm vị trí của chúng vàthời khắcphát 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 tốcxthời gian.
Nguyên lý xác định vị trí bằng GPS
Ví dụ 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 báonhận được mới chỉ cho bạn biết đang ở đâu đó trên vòng tròn tâm Vũng Tàu, bán kính 50 km.
Một người khác nói qua bộ đàm liên lạcbạn 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 cóthân xácđịnh vị tríhiện tạicủa mình là Nhơn Trạch – nơi giao của 3 vòng tròn.
Nguyên lý trên cũng đượcáp dụngna náđể 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 đólơ lửngtrong không gian, cách xatrái đấthàng ngàn km nên có thể bỏ qua.
Một vệ tinh thứ tưcần thiếtđể cải thiện tínhxác thựccủa việc xác địnhthời kì, vì chỉ cần sai số 1 phần triệu giây giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu cũng có thể dẫn đến định vịméo móhàng 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 tríchuẩn xáccủa các vệ tinh trên quỹ đạo.
GPS tính toán ra sao
Máy thu GPS tính toán dựa vào khoảngthời kìtính 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 đochính xác, chúng ta phảikiên cốlà 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 độchuẩn xácnhư 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, máy bộ đàm cầm tay người ta buộc phải chọn phương án giá rẻ, dùng đồng hồ quartzthông thường. Các đồng hồ quartz này được hiệu chỉnhliên tiếpdựa vào tín hiệu nhận được từ các vệ tinh để đồng bộthời gianxác thựctheo 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 mộtthời điểmnào đó trong ngày, một vệ tinhkhởi đầutruyền một chuỗi dài tín hiệu số, được gọi là mã giảtình cờ. Cùng lúc, máy thu cũngkhởi đầutạo ra chuỗi mãy sì, sau đómột tẹomới nhận được chuỗi tín hiệu của vệ tinh. Độ trễ này là khoảngthời giantruyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu. Nhânthời giantrễ này vớivận tốcánh sáng, máy thu tính ra quãng đường truyền tín hiệu. Đây là khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh, vớigiả địnhtín hiện truyền theo đường thẳng vớivận tốctruyền 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 kỳthời khắcnào. Một sốnhân tốnhư lực hút của mặt trăng, mặt trời làm lệch quỹ đạo của các vệ tinhchút đỉnhnhưng bộ quốc phòng Mỹliên tụcgiám sát vị tríxác thựccủa các vệ tinh và truyền những hiệu chỉnh đến các máy thu GPSphê chuẩntín 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 trênthông báonhận được từ 4 vệ tinh địa tĩnh. Qua quá trìnhtiếp thụtín hiệu và xử lýthông báo, máy thu cho chúng ta biết vĩ độ,kinh độvà cao độ của vị tríhiện thời. Trên smartphone, nhữngthông tinnày đượctrình bàythành điểm trên bản đồ.
Dù vậy hệ thống tính toán vẫn còn những sai số.trước nhấtlà docách thứcnàygiả thiếttín hiệu từ vệ tinh truyền thẳng tới các máy thu qua bầu khí quyển vớivận tốckhông đổi (bằngvận tốcánh sáng). Trongthực tiễn, bầu khí quyển củatrái đấtlàm chậm tốc độ truyền xuốngmột tí, 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, cónghĩa làrất khó để loại trừyếu tốsai 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,chả hạnnhư những dãy núi cao hay tòa nhà chọc trời, khiến máy thu nhầm vệ tinh xa hơnthực tiễn.đôi khitín hiệu từ vệ tinh có sai số, báo sai vị trí của nó.
Một số kỹ thuật đượcvận dụngđể 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 đấtcố định. Ý tưởngcơ bảnlà để tính toán sai số tại trạm thu GPSmột mựcso với số liệu đo đạcchuẩn xácđã biết từ trước. Sau đó trạm phát tín hiệu radio cung cấpthông tinhiệu chỉnh tín hiệu cho khu vực, giúp những máy thu DGPS trong khu vực đó định vịchính xáchơn. DGPS được các nước như Mỹ, Úc và Canada dùng cho các hệ thốngtương trợtàu bèven biển.
Trong khi đó công nghệhỗ trợđịnh vị Assisted-GPS (A-GPS) thường được dùng cho các thiết bị máy bộ đàm chính hãngcầm tay. Ngoài việc định vị GPS, smartphone sử dụng A-GPS còn kết nối với máy chủưng chuẩnmạng 3G, GPRS hay Wi-Fi để nhận tín hiệu phát ra từ các trạm phát sóng của nhà mạng. Nhờthế màthiết bị khắc phục được sai số từ tín hiệu vệ tinh khi truyền xuống vùngtỉnh thànhcó nhiều tán cây, cao ốc.