Tổ tiên của chúng ta đã thực sự trở thành bậc thầy trong nghệ thuật tìm đường xác định vị trí. Nhiều cột mốc hoành tráng được dựng lên, những bản đồ cực kỳ chi tiết được soạn ra, hơn thế nữa, họ còn học được cách xác định phương hướng thông qua vị trí của các ngôi sao trên bầu trời.
Ngày nay, mọi chuyện đã trở nên dễ dàng hơn nhiều. Chỉ với khoảng 100 $, bạn đã có thể sở hữu một thiết bị bỏ túi giúp xác định chính xác vị trí của mình trên mặt đất. Với thiết bị này trong tay, 100% bạn sẽ chẳng bao giờ lạc đường một lần nữa.
GPS – viết tắt của Global Positioning System, tạm dịch: hệ thống định vị toàn cầu. Đây là một hệ thống rất đồ sộ, đắt tiền và có liên quan đến rất nhiều công nghệ tinh vi, hiện đại khác. Tuy nhiên, cơ chế hoạt động của nó lại khá đơn giản và trực quan. Bài viết dưới đây hi vọng sẽ cung cấp cho bạn đọc một vài thông tin hữu ích về thiết bị này, từ cách hoạt động, cách các vệ tinh thu nhận tín hiệu cho đến các thiết bị hiện đang sử dụng công nghệ GPS.
Khi nói về GPS, người ta chỉ đơn giản nhìn thấy 1 thiết bị nhỏ gọn có thể đút lọt túi. Trên thực tế, đó chỉ là một phần rất rất nhỏ trong toàn bộ hệ thống hết sức đồ sộ và phức tạp. Hệ thống định vị toàn cầu này, thực chất còn bao gồm cả 27 vệ tinh nhân tạo quay liên tục quanh Trái đất (trong đó 24 vệ tinh thực sự hoạt động và 3 vệ tinh để dự phòng những sự cố). Quân đội Mỹ lần đầu tiên phát triển mạng lưới vệ tinh này nhằm mục đích định vị quân sự, nhưng sau đó nó được mở rộng ra cho nhiều nhu cầu dân sự khác.
Mỗi vệ tinh này một ngày có thể đi được 2 vòng quanh Trái đất. Quỹ đạo của chúng luôn được điều chỉnh, để bất cứ lúc nào, bất cứ nơi nào cũng có ít nhất 4 vệ tinh được “nhìn thấy” trên bầu trời. Sự xác định vị trí thông qua 4 vệ tinh này được thực hiện nhờ một phép toán đơn giản có tên gọi là Trilateration – tạm dịch: phép đo tam giác. Hãy cùng tìm hiểu về nguyên lý phép toán này trong không gian 2 chiều và 3 chiều.
2D – Trilateration
Hãy thử tưởng tưởng rằng bạn đang ở đâu đó trên lãnh thổ Hoa Kỳ, và vì một lý do trời ơi đất hõi nào đó mà bạn đang hoàn toàn lạc lối. Bạn không có bất cứ một đầu mối nào về nơi bạn đang đặt chân, và tấm bản đồ trong tay trở nên vô dụng. Bạn tìm đến một cư dân địa phương và hỏi, “Tôi đang ở đâu?”. Anh ta trả lời, “Bạn đang ở cách Boise, Idaho 625 dặm.”
Thông tin này có vẻ hữu ích, nhưng thực ra, với bạn nó hoàn toàn vô dụng. Bạn có thể ở bất cứ nơi đâu trên đường tròn ở hình vẽ dưới.
Bạn tiếp tục tìm đến một người khác, và nhận được câu trả lời, “Anh đang cách Minneapolis, Minnesota 690 dặm.”. Giờ thì mọi chuyện có vẻ khá hơn một chút. Kết hợp thông tin này với thông tin ở trên, giờ đây bạn đã có 2 vòng tròn giao nhau. Bạn đã biết rằng bạn đang nằm ở 1 trong 2 giao điểm này.
Nếu người thứ 3 cho bạn biết rằng bạn đang ở cách Tucson, Arizona 615 dặm – mọi chuyện đã trở nên ổn thỏa. Giờ đây 3 vòng tròn sẽ giao nhau ở một điểm duy nhất (Tất nhiên, trong trường hợp cả 3 người dân địa phương trên đều không…..chém gió), và bạn đã biết chính xác mình đang ở đâu – Denver, Colorado.
Với không 3 chiều, cơ chế hoạt động cũng tương tự như trên, chỉ khác ở chỗ, giờ đây những hình tròn được thay thế bằng hình cầu, và các bán kính giờ đây xoay đủ các hướng trong không gian chứ không chỉ giới hạn trong một mặt phẳng nữa.
3D – Trilateration
Nếu bạn biết rằng bạn đang cách vệ tinh A nào đó 10 dặm, giờ đây bạn đang ở trên bề mặt của một quả cầu khổng lồ có bán kính 10 dặm. Tiếp theo, bạn biết rằng mình đang ở cách vệ tinh B 15 dặm, giờ đây bạn đã có hình cầu số 2, to hơn 1 chút. 2 hình cầu này giao nhau tạo nên một đường tròn hoàn hảo. Nếu bạn biết được khoảng cách tới vệ tinh số 3, giờ đây đường tròn của bạn chỉ còn lại 2 điểm duy nhất.
Trái đất tự bản thân nó có thể hoạt động như một quả cầu thứ 4. Trừ khi bạn đang đóng vai siêu nhân trong một bộ phim hành động nào đó, trong những trường hợp còn lại, nơi bạn đặt chân chắc chắn phải ở đâu đó trên mặt đất. Do đó, bạn có thể loại bỏ được 1 điểm lơ lửng giữa vũ trụ. Tuy nhiên, trong phần lớn các trường hợp, các thiết bị thu nhận tín hiệu GPS cần đến sự hoạt động của 4 (hoặc nhiều hơn thế) vệ tinh, nhằm tăng độ chính xác và cung cấp thông tin chi tiết hơn.
Để thực hiện được phép toán này, các máy thu GPS phải thực hiện ít nhất 2 điều:
Các vị trí của ít nhất 3 vệ tinh đang quay trên đầu bạn.
Khoảng cách từ bạn đến những vệ tinh đó.
Những thiết bị GPS sẽ thu thập những con số này thông qua việc phân tích các tín hiệu radio có tần số cao, năng lượng thấp từ các vệ tinh GPS. Nhiều máy móc hiện nay có thể có đến 3-4 đầu thu GPS, do đó chúng có thể thu nhận đồng thời tín hiệu từ nhiều vệ tinh.
Các sóng radio này có năng lượng điện từ, điều này có nghĩa là chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng. Các đầu thu tín hiệu có thể tìm ra khoảng cách từ nơi bạn đứng đến vị trí của vệ tinh, thông qua việc xác định thời gian mà sóng di chuyển trên quãng đường đó. Tuy nhiên, việc tính toán thời gian này không hề đơn giản chút nào.
Bộ máy tính toán GPS
Vào một thời điểm cụ thể (hãy giả dụ là nửa đêm), vệ tinh bắt đầu truyền đi một khuôn mẫu dài, dạng số được gọi là mã giả-ngẫu nhiên. Bộ phận tiếp nhận cũng bắt đầu chạy cùng chuỗi số vào đúng nửa đêm. Khi sóng của vệ tinh gặp bộ phận tiếp nhận, sự truyền của chuỗi sẽ chậm lại một chút trước khi bộ phận tiếp nhận chạy chuỗi số.
Độ dài thời gian trì hoãn chính là khoảng thời gian sóng di chuyển. Bộ phận tiếp nhận sẽ nhân khoảng thời gian này với tốc độ của ánh sang để xác định khoảng cách mà sóng đi qua. Giả định là sóng truyền theo một đường thẳng, đó chính là khoảng cách từ bộ phận tiếp nhận đến vệ tinh.
Để lập được sự đo lường này, bộ phận tiếp nhận và vệ tinh đều cần đồng hồ có thể đồng bộ hóa đến đơn vị một phần tỷ giây. Để tạo ra một hệ thống định vị vệ tinh mà chỉ sử dụng các đồng hồ chỉ cùng thời gian, bạn sẽ cần đến đồng hồ nguyên tử không chỉ ở trên tất cả vệ tinh, mà cả ở bộ phận tiếp nhận. Nhưng đồng hồ nguyên tử có giá từ 50.000 đến 100.000 đô la Mỹ, một cái giá quá chát đối với các thiết bị dân dụng.
GPS đã có một giải pháp thông minh và hiệu quả cho vấn đề này. Mỗi vệ tinh sẽ được trang bị những chiếc đồng hồ nguyên tử đắt tiền, nhưng bản thân đầu thu lại chỉ sử dụng một đồng hồ thạch anh bình thường, và nó sẽ liên tục tự reset. Chính nhờ điều này, một đầu thu chỉ có khả năng nhận một giá trị thời gian duy nhất, và giá trị này sẽ hoàn toàn phụ thuộc vào chiếc đồng hồ nguyên tử nằm trên các vệ tinh. Giá trị thời gian chính xác sẽ làm cho tất cả sóng tín hiệu giao nhau tại một điểm duy nhất trong ko gian. Kết quả cuối cùng, các máy thu GPS đều được trang bị “miễn phí” một chiếc đồng hồ nguyên tử lẽ ra có giá đến hàng chục nghìn đô la.
Tuy nhiên, sự tự điều chỉnh thông qua chiếc đồng hồ thạch anh sẽ làm cho các tín hiệu trở nên lệch lạc. Bốn hình cầu của bạn sẽ không còn giao nhau tại 1 điểm như lý thuyết ở trên nữa. Lại một lần nữa, khả năng tự reset và khả năng đồng bộ hóa giữa chiếc đồng hồ thạch anh trong đầu thu và chiếc đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh sẽ giải quyết điều này. Sau những lần tự điều chỉnh, các đầu thu tín hiệu sẽ đọc được khoảng cách một cách tương đối chính xác.
Nhiều người cho rằng, một chiếc GPS có thể đo đạc chính xác khoảng cách từ nơi người dùng đến vị trí của các vệ tinh. Thực tế, điều này là rất khó, nếu như bạn biết rằng các vệ tinh di chuyển với tốc độ rất nhanh. Các đầu thu GPS chỉ đơn giản làm công việc của một “niên lịch”, lưu giữ lại quỹ đạo của các vệ tinh, từ đó cho ta biết vệ tinh này sẽ ở đâu vào thời điểm nào. Lực tác động từ Mặt trăng và Mặt trời có thể làm thay đổi chút ít quỹ đạo di chuyển của các vệ tinh này, nhưng hệ thống GPS luôn có sự giám sát rất chặt chẽ. Bất cứ sự thay đổi nào đều sẽ ngay lập tức được gửi đến tất các máy thu GPS như là một phần của tín hiệu truyền đến từ vệ tinh.
Nguồn: GENK