GPS hoạt động như thế nào?

Sau đây, mời bạn đọc đến với bài giải thích chi tiết về GPS của BTV Joel Lee từ trang công nghệ Makeuseof để hiểu rõ về công nghệ hữu dụng này.

Là một người yêu thích game, tôi rất ngạc nhiên về mối quan hệ giữa các tính năng GPS trong game hiện đại và sự bùng phát của công nghệ GPS trong cuộc sống hàng ngày. Khi tôi vẫn còn là một đứa trẻ, các tấm bản đồ vẫn còn là một thứ rất phổ biến: nếu bạn bị lạc, bạn buộc phải sử dụng tới các công cụ cổ điển này và mất rất nhiều thời gian để tìm đến nơi mình cần đến. Nhưng giờ đây, chúng ta đã có một phép màu mang tên gọi GPS để đưa chúng ta đến khắp nơi trên thế giới.

Vậy GPS là cái gì? Bạn có biết GPS hoạt động như thế nào không? Đâu là bí mật của sự chính xác gần như tuyệt đối của GPS? Hãy đọc đoạn tiếp theo để nhận biết được ý tưởng vĩ đại dẫn tới sự ra đời của hệ thống định hướng tuyệt vời này.

Đâu là điểm giống nhau của năng lượng nguyên tử, Internet và GPS? Chúng đều được sinh ra với vai trò củng cố vị thế dẫn đầu của Hoa Kỳ trên mặt trận công nghệ. Cụ thể hơn là vị thế của quân đội Hoa Kỳ. Internet giúp cho liên lạc đường dài trở nên thuận tiện hơn; năng lượng nguyên tử vừa là một vũ khí nguy hiểm, vừa giúp tạo ra một nguồn năng lượng khổng lồ; và GPS cho phép các đơn vị quân đội có thể tìm đường đi trên các môi trường xa lạ một cách dễ dàng.

GPS, viết tắt của "global positioning system" (hệ thống định vị toàn cầu), thực chất là một mạng lưới bao gồm 27 vệ tinh quay xung quanh trái đất. Trong số 27 vệ tinh này, 24 vệ tinh đang hoạt động, 3 vệ tinh còn lại đóng vai trò dự phòng trong trường hợp 1 trong số 24 vệ tinh chính bị hư hỏng. Dựa vào cách sắp đặt của các vệ tinh này, khi đứng dưới mặt đất, bạn có thể nhìn được ít nhất là 4 vệ tinh trên bầu trời tại bất kì thời điểm nào.

Phối hợp hoạt động với các vệ tinh quay xung quanh trái đất là 5 trạm theo dõi đặt trên mặt đất: trạm chủ được đặt tại Colorado (Mỹ) và 4 trạm khác (không có người điều khiển) được đặt tại các vị trí rất xa lạ, song lại rất gần với đường xích đạo (trong đó có Hawaii cũng ở Mỹ). Các trạm theo dõi này thu thập dữ liệu từ các vệ tinh và truyền dữ liệu về trạm chủ. Trạm chủ sau đó sẽ xử lý dữ liệu và đưa ra các thay đổi cần thiết để chuyển dữ liệu chuẩn về các vệ tinh GPS.

Như vậy là chúng ta có hệ thống nhiều vệ tinh và các trạm theo dõi ở khắp nơi trên trái đất, liên tục truyền tải và xử lý dữ liệu. Vậy các thiết bị di động của chúng ta làm thế nào để truy cập được vào mạng lưới này để phát hiện ra được vị trí chính xác của chúng ta? Và tại sao dù có nhiều vệ tinh đến vậy, trong rất nhiều trường hợp chúng ta vẫn bị mất sóng GPS?

Hãy nghĩ về thiết bị GPS của bạn. Cho dù đó là một bộ GPS riêng biệt đến từ công ty TomTom hay là ứng dụng bản đồ (Maps) của Google trên Android, ý tưởng cốt lõi vẫn là một: thiết bị của bạn là một đầu thu GPS. Nói một cách khác, thiết bị của bạn thu dữ liệu từ các vệ tinh GPS ở trên bầu trời. Dữ liệu gì? Nói một cách đơn giản, mỗi vệ tinh cho bạn biết khoảng cách chính xác từ vị trí của bạn đến vệ tinh đó.

Đọc đến đây thì chắc bạn đang cảm thấy hơi rối vì rõ ràng là bất kì một hệ thống nào cũng cần nhiều dữ liệu hơn là khoảng cách từ bạn đến một vệ tinh để đưa ra vị trí chính xác của bạn. Suy nghĩ của bạn hoàn toàn đúng! Sử dụng khoảng cách của bạn tới mỗi vệ tinh khác nhau, thiết bị GPS sẽ sử dụng một kỹ thuật mang tên gọi "trileration" để tìm ra vị trí của bạn.

Hãy thử tưởng tượng bạn bị lạc ở trong rừng. Nếu bạn gọi điện tới một người bạn ở Philadelphia (thành phố của Mỹ) và anh ta, bằng một cách nào đó, biết được rằng bạn đang cách xa Philadelphia 400 dặm, bạn sẽ biết được rằng vị trí của bạn hiện thời là một điểm trên đường tròn có bán kính 400 dặm, với tâm là thành phố Philadelphia.

Sau đó, bạn gọi điện đến một người bạn khác ở thành phố New York của Mỹ và anh ta nói với bạn rằng bạn đang cách xa anh ta 300 dặm. Như vậy, vị trí của bạn cũng sẽ là 1 điểm nào đó trên đường tròn có bán kính 300 dặm với tâm là thành phố New York. Hiện tại, bạn có 2 vòng tròn khác nhau, và vị trí của bạn sẽ là một trong 2 điểm giao nhau của 2 đường tròn này.

Bây giờ, bạn gọi điện tới người bạn thứ 3. Anh ta sẽ nói với bạn rằng bạn cách xa Newark 200 dặm. Hiện tại, bạn đã có 3 đường tròn. 3 đường tròn này giao nhau tại 1 điểm duy nhất. Đó chính là vị trí của bạn.

Ví dụ nói trên mô tả một cách đơn giản về cách hoạt động của GPS: mỗi vệ tinh có thể được coi là một người bạn của bạn. Tuy vậy, các vệ tinh hoạt động trên không gian ba chiều, do đó bạn sẽ phải tưởng tượng ra các hình cầu, thay vì các hình tròn. Sử dụng các dữ liệu về khoảng cách tới các vệ tinh, kết hợp với việc bạn chắc chắn đang ở trên bề mặt trái đất, việc tìm ra vị trí chính xác của bạn trở nên dễ dàng.

Để đưa ra vị trí chính xác, rất nhiều thiết bị GPS kết nối tới ít nhất là 4 vệ tinh. Đó là lý do vì sao đôi khi để tìm ra vị trí chính xác của bạn, hệ thống GPS lại mất nhiều thời gian tới vậy. Đó cũng là lý do vì sao đôi khi bạn bị mất sóng GPS: thiết bị của bạn có thể đã kết nối tới 1 hoặc 2 vệ tinh, song 2 vệ tinh vẫn là không đủ.

Dĩ nhiên, đằng sau cách hoạt động của GPS còn rất nhiều thuật toán cũng như các ứng dụng khoa học khác. Ví dụ, bạn sẽ phải tính đến mức độ trễ của tín hiệu giữa vệ tinh và các đầu nhận GPS. Ngoài ra, bạn đã bao giờ tự hỏi vì sao GPS lại làm tốn pin điện thoại rất nhanh chưa? Lý do là vì smartphone của bạn phải liên tục tính toán để sửa chữa các sai sót trong dữ liệu về vị trí.

Hi vọng, qua ví dụ vừa rồi, các bạn đã hiểu được thêm một chút về GPS và cách hoạt động của các thiết bị này.

Nguồn tin: GPS hoạt động như thế nào?