GPS là gì? GPS là viết tắt của "global positioning system" (Hệ thống định vị toàn cầu), thực chất là một mạng lưới 24 đến 32 vệ tinh quay quanh Trái đất, phát sóng dữ liệu cho phép người dùng trên hoặc gần Trái Đất xác định vị trí không gian của chúng. Trong đó khoảng 24 vệ tinh đang hoạt động, 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, thiết bị thu GPS có thể nhìn thấy được ít nhất là 4 vệ tinh trên bầu trời tại bất kì thời điểm nào.
Hình 6.23.Mạng lưới vệ tinh GPS 6.2 Lịch sử hình thành và phát triển
Từ xưa, con người đã tìm một cách để xác định vị trí (định vị). Ban đầu, đơn giản đánh dấu đường, ví dụ dựa vào núi, cây dọc theo bờ biển,.. .sau đó con người đã biết dùng la bàn và kính lục phân (la bàn cho xác định hướng, còn kính lục phân cho ta xác định vĩ độ, còn kinh độ vẫn là bí ẩn). Sau này người ta mới có thể xác định tọa độ khi xuất hiện của đồng hồ bấm giờ. Vào giai đoạn xuất hiện các phương tiện thông tin Radio, vào đầu thế kỷ 20, một hệ thống định vị dựa trên sóng Radio được phát triển và được sử dụng rộng rãi trong chiến tranh thế giới thứ hai như: Hệ thống Rada, đạo hàng,...Điểm hạn chế của hệ thống định vị dùng sóng Radio là độ chính xác không cao và cự ly ngắn, do vị trí đặt máy phát sóng Radio trên mặt đất là chưa hợp lý,... Các nhà khoa học nhận thấy rằng cách tốt nhất là đặt máy phát sóng trong không gian.
Một máy phát sóng tần số Radio đặt cách mặt đất sẽ cho phạm vi bao phủ mặt đất rất rộng và cho phép định vị chính xác một vật trên mặt đất. Ý tưởng có tính nguyên lý của hệ thống định vị toàn cầu GPS chỉ thực hiện được sau khi các nhà khoa học đã đưa được các vệ tinh nhân tạo lên quỹ đạo của quả đất.
Năm 1999 Nhà sản xuất điện thoại di động Benefon đã tung ra chiếc điện thoại GPS thương mại đầu tiên, một chiếc điện thoại có tên gọi là Benefon Esc! Điện thoại GSM được bán chủ yếu ở châu Âu.
Hình 6.24.Điện thoại Benefon Esc 6.3 Thành phần của hệ thống GPS
GPS là một hệ thống có 3 thành phần cơ bản: Trạm không gian, Trung tâm điều khiển và máy thu
Hình 6.25.Các thành phần của hệ thống GPS
-Trạm không gian (Space station) Trạm không gian bao gồm các vệ tinh nhân tạo liên tục phát tín hiệu khắp toàn cầu. Ngoài ra, trên vệ tinh còn có những tên lửa nhỏ để hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh theo yêu cầu.
-Trung tâm điều khiển (Control station) Trung tâm điều khiển gồm 4 trạm thu tín hiệu (Signals Station) và một trạm chủ (Master Control) để phát tín hiệu lên vệ tinh.
-Máy thu GPS là thành phần cuối cùng của hệ thống GPS.
Hình 6.26.Sơ đồ khối của máy thu GPS 6.4 Tín hiệu GPS
6.4.1 Thành phần
Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu hàng hải duy nhất trên hai băng tần con L1 và L2 có tần số sóng mang tương ứng: f1 =1575.42MHz và f2= 1227.60MHz với tần số cơ sở f0=10,23 MHZ, người ta tạo ra các tần số sóng mang bằng các bộ nhân tần f1=1540 f0 và f2= 1200 f0. Nó bao gồm ba mẩu thông tin khác nhau: mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch.
Hình 6.27.Cấu trúc tín hiệu GPS
Hình 6.28.Kết quả điều chế tín hiệu 6.4.2 Trị đo tín hiệu GPS
Các máy thu GPS cung cấp các trị đo là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Tuy nhiên các trị đo này bao gồm hai loại sau:
-Giả cự ly (pseudo-range): là trị đo dựa trên nguyên tắc đo xung với xung là bản sao mã P hay mã C/A từ máy thu và mã nhận được từ vệ tinh . Đặc điểm của trị đo này là độ chính xác thấp nhưng nó thể hiện trực tiếp khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh.
Hình 6.29.Kỹ thuật so trùng để giải mã tín hiệu từ vệ tinh
-Trị đo pha: bước sóng của các sóng mang rất ngắn – xấp xỉ 19cm cho L1 và 24 cm cho L2. Dựa vào độ lệch pha toàn bộ giữa tín hiệu sóng mang từ vệ tinh gửi đến và tín hiệu sóng mang nhận được ta tính được khoảng cáchMô tả quy trình
6.5 Nguyên tắc hoạt động
Từ vệ tinh A, người ta phát một sóng điện từ có tần số nằm trong vùng tần số Radio đến máy thu GPS đặt tại điểm cần xác định. Tại thiết bị máy thu GPS sẽ đo khoảng thời gian sóng điện từ truyền qua không gian từ máy phát trên vệ tinh đến máy thu tại điểm cần xác định. Với giá trị thời gian đo được và tốc độ truyền hoặc với bước sóng biết trước và chu kỳ lệch pha giữ tín hiệu gửi và nhận, người ta có thể dễ dàng tính được một cách chính xác từ vệ tinh đến vị trí của máy thu GPS.
a. Phương pháp định vị tam giác 2-D
Phương pháp này tính toán vị trí kinh độ và vĩ độ vị trí của bạn trên bản đồ và cần có ít nhất 2 vệ tinh để thực hiện điều đó.
Hình 6.8.Phương pháp định vị tam giác 2-D b. Phương pháp định vị tam giác 3-D
Phương pháp này tính toán vĩ độ, kinh độ và độ cao vị trí của bạn
Hình 6.9.Phương pháp định vị tam giác 3-D 6.6 Các kỹ thuật định vị ở điện thoại
6.6.1 Định vị tuyệt đối
Làm sao để biết khoảng cách từ vệ tinh đến vị trí của bạn? Để thực hiện tính toán này, máy thu GPS của điện thoại phải biết được 2 thứ tối thiểu: Vị trí của ít nhất 3 vệ tinh bên trên nó và khoảng cách giữa máy thu GPS đến từng vệ tinh nói trên.
Khoảng cách = (t2−t1) × c
(với t1, t2 lần lượt là thời gian gửi và nhận)
Hình 6.10.Kỹ thuật định vị tuyệt đối
Cụ thể để xác định tọa độ x,y,z của máy thu và độ hiệu chỉnh thời gian tc
của đồng hồ máy thu GPS thì GPS sẽ giải phương trình sau:
d1=c(tt ,1-tr,1 + tc¿=√(x1−x)2−(y1−y)2+√(z1−z)2
d2= c(tt ,2-tr ,2 + tc¿=√(x2−x)2−(y2−y)2+√(z2−z)2
d3= c(tt ,3-tr,3 + tc¿=√(x3−x)2−(y3−y)2+√(z3−z)2
d4= c(tt ,4-tr ,4 + tc¿=√(x4−x)2−(y4−y)2+√(z4−z)2
Biết khoảng cách rồi, chúng ta còn phải biết vị trí chính xác của các vệ tinh trên quỹ đạo. Vì các vệ tinh chuyển động trên các quỹ đạo biết trước và có thể dự đoán được nên điều này cũng không khó. Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều có chứa một bảng tra vị trí tính toán của tất cả các vệ tinh vào bất kỳ một thời điểm nào đó.
6.6.2 Định vị tương đối
Hầu hết các nguồn sai số trong trị đo khoảng cách có thể được giảm đi đáng kể trong trị đo hiệu giữa hai máy thu. Tuy nhiên để làm điều đó cần phải có ít nhất hai máy thu đồng thời quan trắc một số lượng vệ tinh chung. Kết quả xử lý cho ta hiệu tọa độ giữa hai điểm đặt máy thu.
Hình 6.11.Kỹ thuật định vị tương đối 6.6.3 Định vị động
Nếu trường hợp máy thu không đứng yên mà chuyển động liên tục thì ta gọi đó là định vị động.Định vị động có độ chính xác kém hơn định vị tĩnh (trường hợp máy thu đứng yên). Nó cũng có hai kiểu: tuyệt đối và tương đối. Kiểu tương đối được ưa chuộng hơn vì độ chính xác tốt hơn. Trong trường hợp này, một máy thu được đặt cố định tại một điểm đã biết tọa độ (gọi là base receiver hay reference station), máy thu thứ hai gắn trên các đối tượng động (gọi là rove receiver hay mobile station).
Hình 6.12. Kỹ thuật định vị động 6.7 Sai số
6.7.1 Sai số do đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu
Theo như phép toán tính khoảng cách trên thì một sai số dù rất nhỏ như 1 mili giây sẽ dẫn đến sai số là 300km, tức là rất lớn. Do đó độ chính xác cho máy thu phải là tối thiểu hết mức có thể (thường cỡ nano giây). Để có độ chính xác như vậy thì cả máy phát và máy thu phải trang bị đồng hồ nguyên tử.
6.7.2 Sai số do quỹ đạo của vệ tinh
Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật Kepler do có nhiều tác động nhiễu như: Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút của mặt trăng, mặt trời và của các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời,...
6.7.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu
Được phát đi từ vệ tinh ở độ cao 20 200 km xuống tới máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỉ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu.
6.7.4 Sai số do nhiễu tín hiệu
Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do hiện tượng này gây ra được gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh.
6.8 APGS
A-GPS (Assisted GPS) là phiên bản được nâng cấp của GPS, một hệ thống hỗ trợ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất định vị vị trí của bạn nhanh hơn so với định vị bằng vệ tinh thông thường. A-GPS hiện đang xuất hiện phổ biến trong điện thoại thông minh
Hình 6.13. Nguyên lý hoạt động của A-GPS
Nó sẽ hoạt động nhờ các các server A-GPS được nhà mạng di động triển khai. Các server này có thể xem như bản cache của dữ liệu GPS, nó sẽ lấy dữ liệu từ vệ tinh và lưu trữ
vào cơ sở dữ liệu trên mặt đất. Khi điện thoại của bạn truy xuất vào các server này, chúng sẽ lấy được thông tin nhanh hơn nhiều nhờ sử dụng các kết nối 3G, 4G, thậm chí là Wi-Fi. Các kết nối này có tốc độ nhanh hơn nhiều so với đường truyền vệ tinh.
6.9 Ứng dụng trên điện thoại thông minh
Hệ thống định vị GPS ra đời được xem là bước ngoặt vĩ đại của khoa học đem lại những lợi ích vô cùng to lớn đối với cuộc sống của con người hiện nay. Những tác dụng của thiết bị định vị GPS:
+ Nhu cầu giải trí: GPS có thể tích hợp vào các trò chơi như Pokemon Go để xác định vị trí các bạn bè gần nhau,..
+ Sức khỏe và thể dục: Smartwatch và các thiết bị đeo thông minh có thể theo dõi những hoạt động thể dục như khoảng cách chạy, đạp xe nhờ sự hỗ trợ của GPS
+ Tối ưu kết quả tìm kiếm dựa trên khu vực: Chẳng hạn nếu tìm kiếm quán ăn, nếu có sử dụng vị trí thì những kết quả gần vị trí đang đứng sẽ được ưu tiên lên đầu.
+Ứng phó khẩn cấp: chẳng hạn như ứng dụng BlueZone,…
+ Thực hiện đo quãng đường đã di chuyển thậm chí là cả tốc độ di chuyển.
+ Quản lý danh mục yêu thích cùng với bản đồ số dẫn đường cho người dùng.
+ Cho phép người dùng kèm tọa độ địa lý khi chụp ảnh, hay cho biết lộ trình đoạn đường sắp đi.
+ Tìm kiếm, định vị thiết bị bị mất, khoá điện thoại từ xa.