Số 7 Hàm Nghi, P. Vĩnh Trung

Q. Thanh Khê, TP Đà Nẵng

Email

highmarksecurity@gmail.com

Giờ làm việc

Thứ 2 - 7: Từ 7.30 đến 17.30

Thiết bị định vị GPS, máy đo đạc

Máy đo đạc trắc địa bao gồm các loại máy như: máy toàn đạc điện tử, máy kinh vĩ, máy thủy bình, máy dọi laser, máy định vị GPS...

Tag Archive

Nguyên lý hoạt động hệ thống định vị GPS

he-thong-dinh-vi-gps

HighMark Security giới thiệu Nguyên lý hoạt động hệ thống định vị GPS

Hệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) được Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai từ những năm 70 của thế kỷ 20. Ban đầu, hệ thống này được dùng cho mục đích quân sự, sau đó đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác. Với ưu điểm nổi bật như độ chính xác, mức độ tự động hóa cao, hiệu quả kinh tế lớn, khả năng ứng dụng ở mọi nơi, mọi lúc, trên đất liền, trên biển, trên không…nên công nghệ GPS đã đem lại cuộc cách mạng kỹ thuật sâu sắc trong lĩnh vực trắc địa.

Ở Việt nam, công nghệ GPS đã được nhập vào từ những năm 1990 và đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong trắc địa công nghệ GPS đã được ứng dụng để thành lập lưới tọa độ liên lục địa, lưới tọa độ quốc gia cho đến đo vẽ chi tiết bản đồ.

Công nghệ GPS cũng đã được ứng dụng trong trắc địa công trình để thành lập lưới khống chế trong đo vẽ bản đồ, thi công và quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình. So với các phương pháp truyền thống thì ứng dụng GPS để thành lập lưới khống chế có ưu điểm nổi bật như: chọn điểm linh hoạt hơn, không cần thông hướng giữa các điểm, cạnh đo nhanh hơn và có thể đo cả ngày lẫn đêm, độ chính xác cao và từ đó hiệu quả cao hơn.

Nguyên lý định vị GPS

Các điểm mặt đất được định vị GPS trong hệ tọa độ địa tâm xây dựng trên Elipxoid WGS-84. Hệ tọa độ có gốc tọa độ O là tâm trái đất, trục OX là đường thẳng nối tâm trái đất với giao điểm kinh tuyến gốc cắt đường xích đạo; trục OY vuông góc với OX, trục OZ trùng với trục quay trái đất và vuông góc với mặt phẳng xoy (hình 1.6).

S= vectơ r  – vectơ R

Trong đó: 
vectơ R – là vectơ vị trí (XN, YN, ZN ) các điểm cần định vị trên mặt đất tại thời điểm “t” nào đó, đây chính là bốn ẩn số cần xác định đối với vị trí một điểm.

vectơ r – là vectơ vị trí ( Xv, Yv, Yv ) các vệ tinh trên quỹ đạo tại thời điểm “t” đã biết từ thông tin đạo hàng mà máy định vị thu được từ vệ tinh.

S – là khoảng cách giả từ điểm định vị đến vệ tinh mà máy định vị GPS đo được.

Như vậy để định vị một điểm ta cần lập và giải hệ phương trình tối thiểu phải có bốn phương trình dạng (1.1). Số phương trình lớn hơn bốn sẽ được giải theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất, vì vậy càng thu được tín hiệu của nhiều vệ tinh thì độ chính xác định vị càng cao.

Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm ba bộ phận: đoạn không gian, đoạn điều khiển và
đoạn sử dụng.

Đoạn không gian(space segment)

Đoạn không gian gồm 24 vệ tinh phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn, trên mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo 55o. Các vệ tinh bay trên các quỹ đạo cách mặt đất cỡ 20200km. Chu kỳ chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo là 718 phút (12giờ). Số lượng vệ tinh có thể quan sát được tùy thuộc vào thời gian và vị trí quan sát trên mặt đất, nhưng có thể nói rằng ở bất kỳ thời điểm và vị trí nào trên trái đất cũng có thể quan trắc được tối thiểu 4 vệ tinh và tối đa 11 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh đều có đồng hồ nguyên tử có độ ổn định tần số 10-12,  tạo ra tín hiệu với tần số cơ sở fo = 10,23Mhz , từ đó tạo ra sóng tải L1 = 154. fo = 1575,42Mhz ( λ=19cm) và L2
= 120. fo = 1227.60Mhz (λ = 24cm). Các sóng tải được điều biến bởi hai loại code khác nhau:
C/A-code (Coarse/Accquition code), dùng cho mục đích dân sự với độ chính  xác không cao và chỉ điều biến sóng tải L1. Chu kỳ lặp lại của C/A-code là 1 miligiây và mỗi vệ tinh được gắn một C/A code riêng biệt.

P-code(presice code), được dùng cho quân đội Mỹ với độ chính xác cao, điều biến cả sóng tải L1 và L2. Mỗi vệ tinh chỉ được gắn một đoạn code loại này, do đó P-code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được phép.

Ngoài ra cả lai sóng tải L1 và L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hàng về: vị trí vệ tinh, thời qian của hệ thống, số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng của hệ thống.

Đoạn điều khiển(control segment)

Gồm một trạm điều khiển trung tâm đặt tại căn cứ không quân Mỹ gần Colorado Spring và bốn trạm quan sát đặt tại: Hawai(Thái bình dương), Assention Island(Đại tây dương), Diego Garcia(Ấn độ dương) và Kwajalein(Tây Thái bình dương).
Các trạm quan sát đều có máy thu GPS để theo dõi liên tục các vệ tinh, đo các số liệu khí tượng và gửi số liệu này về trạm trung tâm. Số liệu các trạm quan sát được trạm trung tâm xử lý cùng với số liệu đo được của bản thân nó cho thông tin chính xác về vệ tinh, số hiệu chỉnh đồng hồ. Các số liệu này được phát trở lại các vệ tinh, công việc chính xác hóa thông tin được thực hiện 3 lần trong một ngày.

Đoạn sử dụng(User segment)

Đoạn này gồm các máy móc thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng. Đó có thể là máy thu riêng biệt, hoạt động độc lập (định vị tuyệt đối) hay một nhóm từ hai máy trở lên hoạt động đồng thời ( định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu hiệu chỉnh cho các máy thu khác ( định vị vi phân).

Các phương pháp định vị GPS

Định vị tuyệt đối

Định vị tuyệt đối là dựa vào trị đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS để xác định trực tiếp vị trí tuyệt đối của Anten máy thu trong hệ tọa độ WGS-84. Độ chính xác của định vị tuyệt đối khoảng 10m đến 40m.

Định vị tuyệt đối chia thành định vị tuyệt đối tĩnh và định vị tuyệt đối động, ” tĩnh ” hay ” động ” là nói trạng thái của Anten máy thu trong quá trình định vị.

Định vị tương đối

Định vị tương đối là trường hợp dùng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm khác nhau, quan trắc đồng bộ các vệ tinh để xác định vị trí tương đối giữa chúng (∆x, ∆y, ∆z) trong hệ
WGS-84, nếu biết tọa độ một điểm thì sẽ tính được tọa độ điểm kia. Độ chính xác định vị
tương đối cao hơn rất nhiều so với định vị tuyệt đối.

Định vị vi phân

Trong định vị vi phân, một máy đặt tại một điểm đã biết tọa độ (trạm gốc), các máy thu khác đặt tại các điểm cần xác định tọa độ(trạm đo). Dựa vào độ chính xác đã biết của trạm gốc, tính số hiệu chỉnh khoảng cách từ trạm gốc đến vệ tinh và hiệu chỉnh này được máy GPS ở trạm gốc phát đi. Máy trạm đo trong khi đo đồng thời vừa thu được tính hiệu vệ tinh và số hiệu chỉnh của trạm gốc và tiền hành hiệu chỉnh kết quả định vị, chính vì thề nâng cao được độ chính xác định vị.

Sưu tầm

Lỗi thường gặp khi sử dụng hệ thống định vị GPS

HighMark Security giới thiệu Lỗi thường gặp khi sử dụng hệ thống định vị GPS

Khi sử dụng thiết bị định vị cho xe máy, đôi khi hệ thống gặp một số sự cố nhỏ. Sau đây Dinhviasia xin chia sẻ một số sự cố thường gặp mà cách giải quyết để khách hàng tham khảo:

loi-khi-su-dung-he-thong-dinh-vi1

 

Những lỗi thường gặp khi sử dụng hệ thống định vị GPS

  •  –   Thiết bị không lên đèn báo
  •  –   Tín hiệu báo sai vị trí hiện tại
  •  –   Không cập nhật vị trí mới
  •  –   Nạp tiền cho sim, xe di chuyển vẫn không có tín hiệu:
  •  –   Nhanh hết tiền trong sim:

Làm gì khi hệ thống định vị GPS bị lỗi?

Nếu thiết bị không lên đèn báo: Kiểm tra nguồn kết nối(12V) của thiết bị

Tín hiệu báo sai vị trí hiện tại (không cập nhật vị trí mới): Kiểm tra tài khoản của sim trong thiết bị còn đủ không? Nếu hết tiền khách hàng hãy nạp thêm để thiết bị cập nhật vị trí liên tục về phần mềm theo dõi.

Nạp tiền vẫn không thấy có tín hiệu: Trong trường hợp này, khách hàng cần chờ đợi cho thiết bị di chuyển thì mới cập nhật được vị trí mới, vì khi xe đứng im thì bộ cảm biến chuyển động sẽ không được kích hoạt và chưa chốt được vị trí để truyền lên phần mềm GPS

Nạp tiền cho sim, xe di chuyển vẫn không có tín hiệu: có 2 trường hợp

–  Kiểm tra lại xem nạp tiền đúng cách chưa? Đảm bảo đã nạp đúng để sim đủ điều kiện hoạt động. Xem thêm hướng dẫn nạp tiền sim phía dưới.

–  kiểm tra lại phần cứng lắp đặt: thiết bị có mất nguồn nuôi hay không? Có bị ai đó tác động tháo thiết bị hay không? Có bị dùng phá sóng GSM hay không?

Nhanh hết tiền trong sim: Khi đăng ký sử dụng Gói giá III bất kỳ sản phẩm nào của Dinhviasia, khách hàng sẽ được cấp 1 thẻ sim mobifone và 1 cước sim 3G 01 năm (130.000VNĐ). Tuy nhiên tùy thuộc vào mục đích sử dụng của mỗi người mà tiền sim hàng tháng của quý khách có thể lớn hơn. Thông tin chi tiết xem tại đây

Số sim trong thiết bị là số nào?: Số sim này chúng tôi cung cấp trên phiếu giao hàng, hợp đồng do vậy quy khách cần lưu lại trong điện thoại để nạp tiền khi cần.

Tổng hợp Internet

Định vị GPS hoạt động như thế nào?

Định vị GPS hoạt động như thế nào?

Có thể nói GPS là một trong những đột phá công nghệ hữu ích nhất trong những năm gần đây: thay vì phải đọc những tấm bản đồ tốn thời gian, người tiêu dùng giờ đây đã có thể tìm được đường đi chỉ trong vòng một phút với hướng dẫn chi tiết cùng với số lượng địa điểm đồ sộ tăng dần theo thời gian.

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.

1

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.

2

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.

3

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.

4

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.

5

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.

Theo Vnreview

Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS

may_gps_garmin_gpsmap_64s

Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS

GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thông tin toàn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất. Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh.

gps3a-767606-1368829472_500x0.jpg

Một thiết bị nhận GPS điển hình, có thể gắn vào bảng tap-lô của ôtô hay sử dụng cầm tay.

Năm 1978, nhằm mục đích thu thập các thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), độ cao và tốc độ của các cuộc hành quân, hướng dẫn cho pháo binh và các hạm đội, Bộ Quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất 24 vệ tinh. Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên trái đất ở độ cao 19.200 km, với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận. Từ những năm đầu thập kỷ 80, các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối tượng sử dụng tư nhân. Trên các xe hơi hạng sang, những thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số PDA (Personal Digital Assistant) như Ipaq của hãng Compaq, được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện giá trị của chủ sở hữu.

Trong số 24 vệ tinh của Bộ quốc phòng Mỹ nói trên, chỉ có 21 thực sự hoạt động, 3 vệ tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ. Tín hiệu radio được truyền đi thường không đủ mạnh để thâm nhập vào các tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm và hay tới các địa điểm dưới nước. Ngoài ra nó còn đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh để đưa ra được thông tin chính xác về vị trí (bao gồm cả độ cao) và tốc độ của một vật. Vì hoạt động trên quỹ đạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất kỳ điểm nào trên trái đất.

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) bao gồm 3 mảng:

Mảng người dùng, gồm người sử dụng và thiết bị thu GPS.

Mảng kiểm soát bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con. Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào.

Mảng còn lại gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo. Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD.

Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần số thấp khác nhau, được gọi là L1, L2… Những thiết bị nhận tín hiệu GPS thông thường bắt sóng L1, ở dải tần số UHF 575,42 Mhz. Một đài phát thanh FM thường cần có công suất chừng 100.000 watt để phát sóng, nhưng một vệ tinh định vị toàn cầu chỉ đòi hỏi 20-50 watt để đưa tín hiệu đi xa 19.200 km.

gps2a-149120-1368829472_500x0.jpg

Thiết bị nhận GPS cài đặt sẵn trên xe Honda Accord.

Tần số L1 chứa đựng 2 tín hiệu số (mã hoá bằng kỹ thuật số), được gọi là P-code và C/A-code. Mã P nhằm bảo vệ thông tin khỏi những sự truy nhập trái phép. Tuy nhiên, mục đích chính của các tín hiệu mã hóa là nhằm tính toán thời gian cần thiết để thông tin truyền từ vệ tinh tới một thiết bị thu nhận trên mặt đất. Sau đó, khoảng cách giữa 2 bên được tính bằng cách nhân thời gian cần thiết để tín hiệu đến nơi với tốc độ của ánh sáng là 300.000 km/giây(khoảng cách = vận tốc x thời gian).

Tuy nhiên, tín hiệu có thể bị sai đôi chút khi đi qua bầu khí quyển. Vì vậy, kèm theo thông điệp gửi tới các thiết bị nhận, các vệ tinh thường gửi kèm luôn thông tin về quỹ đạo và thời gian. Việc sử dụng đồng hồ nguyên tử sẽ đảm bảo chính xác về sự thống nhất thời gian giữa các thiết bị thu và phát.

Để biết vị trí chính xác của các vệ tinh, thiết bị nhận GPS còn nhận thêm 2 loại tín hiệu mã hóa.

– Loại thứ nhất (được gọi là Almanac data) được cập nhật định kỳ và cho biết vị trí gần đúng của các vệ tinh trên quỹ đạo. Nó truyền đi liên tục và được lưu trữ trong bộ nhớ của thiết bị thu nhận khi các vệ tinh di chuyển quanh quỹ đạo.

– Tuy nhiên, phần lớn các vệ tinh có thể hơi di chuyển ra khỏi quỹ đạo chính của chúng. Sự thay đổi này được ghi nhận bởi các trạm kiểm soát mặt đất. Việc sửa chữa những sai số này là rất quan trọng và được đảm nhiệm bởi trạm chủ trên mặt đất, trước khi thông báo lại cho các vệ tinh biết vị trí mới của chúng. Thông tin được sửa chữa này được gọi là Ephemeris data. Kết hợp Almanac data và Ephemeris data, các thiết bị nhận GPS biết chính xác vị trí của mỗi vệ tinh.

Hiện nay, nếu có bản đồ điện tử, nhiều thiết bị nhận GPS sẽ hiển thị rõ ràng vị trí của bạn qua một màn hình, điều đó giúp cho việc định hướng trở nên cực kỳ thuận lợi. Nhưng nếu tắt thiết bị nhận tín hiệu trong khoảng thời gian chừng 5 giờ đồng hồ, nó sẽ mất đi các Almanac data (hay không còn nhận biết chính xác các vệ tinh trên quỹ đạo trái đất). Khi hoạt động trở lại, thiết bị sẽ cần khoảng thời gian chừng 30 giây để nạp lại thông tin về vị trí của vệ tinh, trước khi cho biết hiện thời bạn đang ở đâu.

Hoạt động của GPS có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

– Khi các vệ tinh ở quá gần nhau, chúng sẽ khiến cho việc xác định một vị trí chính xác trở nên khó khăn hơn.  

– Vì tín hiệu radio đi từ vệ tinh xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu, tốc độ cần thiết để tín hiệu truyền tới thiết bị nhận sẽ bị chậm đi. Hệ thống GPS có dự phòng điều đó bằng cách tính thêm khoảng thời gian chậm trễ trung bình, nhưng cũng không được hoàn toàn chính xác.

– Chướng ngại lớn như các dãy núi hay các toà nhà cao tầng cũng làm cho thông tin bị sai lệch.

– Giữa thiết bị nhận (nhất là của người dùng cá nhân) với vệ tinh (có thể không hoàn toàn trùng khớp về mặt thời gian, và các vệ tinh đôi khi chạy lệch khỏi quỹ đạo.

X.O. (theo Wheels24)

Hệ thống định vị toàn cầu GPS hoạt động thế nào?

Hệ thống định vị toàn cầu GPS hoạt động thế nào?
 
Ngày nay khó có thể hình dung bất cứ một chiếc máy bay, tàu thủy, hay phương tiện thám hiểm nào mà không lắp đặt bộ thu tín hiệu GPS phát ra từ những vệ tinh bay trên quỹ đạo quanh trái đất.

he-thong-dinh-vi-gps-toan-cau

Khi nói đến GPS (hệ thống định vị toàn cầu), người ta thường nghĩ tới máy thu, chẳng hạn máy thu GPS trên máy bay, tàu thủy, xe hơi, hay hầu hết smartphone cũng tích hợp GPS để định vị, và cùng với các ứng dụng bản đồ chúng trở thành công cụ dẫn đường hữu hiệu. Thực tế GPS 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 đạo quanh trái đất, do Mỹ phát triển ban đầu cho mục đích quân sự, nay đã mở rộng ra cho cả dân sự. Các vệ tinh được bố trí sao cho tại bất kỳ thời điểm nào và ở nơi nào trên mặt đất, cũng có thể thấy ít nhất 4 vệ tinh.

Vệ tinh phát ra các tín hiệu gồm vị trí của chúng và thời điểm phát 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 tốc x Thời gian.

Nguyên lý xác định vị trí bằng GPS
Giả sử 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 tin nhận được mới chỉ cho bạn biết đang ở đâu đó trên vòng tròn tâm Vũng Tàu, bán kính 50 km.

Một người khác nói bạn 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 có thể xác định vị trí hiện tại của mình là Nhơn Trạch – nơi giao của 3 vòng tròn.

Nguyên lý trên cũng được áp dụng tương tự để 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 đó lơ lửng trong không gian, cách xa trái đất hàng ngàn km nên có thể bỏ qua.

Một vệ tinh thứ tư cần thiết để cải thiện tính chính xác của việc xác định thời gian, vì chỉ cần sai số 1 phần triệu giây giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu cũng có thể dẫn đến định vị sai lệch hàng 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 trí chính xác của các vệ tinh trên quỹ đạo.
 
GPS tính toán ra sao
Máy thu GPS tính toán dựa vào khoảng thời gian tính 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 đo chính xác, chúng ta phải chắc chắn là 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 độ chính xác như 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, người ta buộc phải chọn phương án giá rẻ, dùng đồng hồ quartz thông thường. Các đồng hồ quartz này được hiệu chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu nhận được từ các vệ tinh để đồng bộ thời gian chính xác theo 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 một thời điểm nào đó trong ngày, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi dài tín hiệu số, được gọi là mã giả ngẫu nhiên. Cùng lúc, máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt, sau đó một chút mới nhận được chuỗi tín hiệu của vệ tinh. Độ trễ này là khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu. Nhân thời gian trễ này với vận tốc ánh sáng, máy thu tính ra quãng đường truyền tín hiệu. Đây là khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh, với giả thiết tín hiện truyền theo đường thẳng với vận tốc truyền 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 kỳ thời điểm nào. Một số yếu tố như lực hút của mặt trăng, mặt trời làm lệch quỹ đạo của các vệ tinh đôi chút nhưng bộ quốc phòng Mỹ liên tục giám sát vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền những hiệu chỉnh đến các máy thu GPS thông qua tín 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 trên thông tin nhận được từ 4 vệ tinh địa tĩnh. Qua quá trình thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, máy thu cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và cao độ của vị trí hiện thời. Trên smartphone, những thông tin này được thể hiện thành điểm trên bản đồ.

Dù vậy hệ thống tính toán vẫn còn những sai số. Trước hết là do phương pháp này giả định tín hiệu từ vệ tinh truyền thẳng tới các máy thu qua bầu khí quyển với vận tốc không đổi (bằng vận tốc ánh sáng). Trong thực tế, bầu khí quyển của trái đất làm chậm tốc độ truyền xuống một chút, 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, có nghĩa là rất khó để loại trừ yếu tố sai 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, chẳng hạn như những dãy núi cao hay tòa nhà chọc trời, khiến máy thu nhầm vệ tinh xa hơn thực tế. Đôi khi tín hiệu từ vệ tinh có sai số, báo sai vị trí của nó.

Một số kỹ thuật được áp dụng để 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 đất cố định. Ý tưởng cơ bản là để tính toán sai số tại trạm thu GPS cố định so với số liệu đo đạc chính xác đã biết từ trước. Sau đó trạm phát tín hiệu radio cung cấp thông tin hiệu chỉnh tín hiệu cho khu vực, giúp những máy thu DGPS trong khu vực đó định vị chính xác hơn. DGPS được các nước như Mỹ, Úc và Canada dùng cho các hệ thống hỗ trợ tàu bè ven biển.

Trong khi đó công nghệ hỗ trợ định vị Assisted-GPS (A-GPS) thường được dùng cho các thiết bị cầm tay. Ngoài việc định vị GPS, smartphone sử dụng A-GPS còn kết nối với máy chủ thông qua mạng 3G, GPRS hay Wi-Fi để nhận tín hiệu phát ra từ các trạm phát sóng của nhà mạng. Nhờ thế mà thiết bị khắc phục được sai số từ tín hiệu vệ tinh khi truyền xuống vùng đô thị có nhiều tán cây, cao ốc.

Theo PCWORLD