Máy Định Vị GPS Cầm Tay Hoạt Động Như Thế Nào?

Máy Định Vị GPS Cầm Tay hoạt động được trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên thế giới, 24 giờ một ngày. Không tốn phí đăng ký hoặc phí thiết lập để sử dụng tín hiệu GPS từ vệ tinh và các GNSS khác.

Cấu Trúc GPS

Hệ Thống Định Vị (GPS) là một tổ hợp các tiện ích thuộc sở hữu của Mỹ, nó cung cấp dữ liệu cho người dùng các dịch vụ xác định vị trí (Định vị), điều hướng (Hướng đang di chuyển) và thời gian thực (Đồng hồ thời gian theo múi giờ địa phương trên trái đất). 

• Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng lên quỹ đạo vào năm 1978.
• Một chòm sao đầy đủ gồm 24 vệ tinh đã hoàn thành vào năm 1994.
• Mỗi vệ tinh được xây dựng để tồn tại khoảng 10 năm. Các vệ tinh thay thế liên tục được chế tạo và phóng lên quỹ đạo.
• Một vệ tinh GPS nặng khoảng 900Kg và có chiều ngang khoảng 5m với các tấm pin mặt trời được mở rộng.
• Công suất máy phát sóng mang chỉ từ 50 watt trở xuống.

Tín hiệu GPS là gì?

Các vệ tinh GPS truyền hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp, được chỉ định là L1 và L2. GPS dân dụng sử dụng tần số L1 1575,42 MHz trong băng tần UHF. Các tín hiệu di chuyển theo đường thẳng, có nghĩa là chúng sẽ đi xuyên qua các đám mây, thủy tinh và nhựa nhưng sẽ không đi qua hầu hết các vật thể rắn như các tòa nhà và núi.

Tín hiệu GPS chứa ba trường thông tin khác nhau: Mã giả thời kỳ; Dữ liệu lịch thiên văn và Dữ liệu niên giám. Mã Pseudorandom chỉ đơn giản là một mã ID xác định vệ tinh nào đang truyền thông tin. Bạn có thể xem số này trên màn hình vệ tinh của Máy định vị GPS Cầm Tay, xem vệ tinh nào mà nó đang nhận. 

Dữ liệu về lịch thiên văn, được truyền liên tục bởi mỗi vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (tín hiệu nhận được mạnh hay yếu), ngày và giờ hiện tại. Phần tín hiệu này rất cần thiết để xác định vị trí.

Dữ liệu niên giám cho Máy định vị GPS cầm tay biết vị trí của mỗi vệ tinh GPS vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày. Mỗi vệ tinh truyền dữ liệu niên giám hiển thị thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và cho mọi vệ tinh khác trong hệ thống.

Nguyên lý hoạt động của Máy định vị GPS Cầm Tay

Các vệ tinh GPS quay quanh trái đất hai lần một ngày theo quỹ đạo rất chính xác và truyền thông tin tín hiệu về trái đất. Máy định vị GPS cầm tay nhận thông tin này và sử dụng phương pháp tam giác để tính toán vị trí chính xác của người dùng. 

Về cơ bản, bộ thu GPS so sánh thời gian một tín hiệu được truyền bởi một vệ tinh với thời gian nó được nhận. Sự khác biệt về thời gian cho bộ thu GPS biết vệ tinh còn bao xa. Tương tự, với các phép đo khoảng cách từ một vài vệ tinh nữa, bộ thu có thể xác định vị trí của người dùng và hiển thị nó trên bản đồ điện tử của Máy định vị GPS cầm tay.

Máy định vị GPS cầm tay phải được khóa với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính toán vị trí 2D (vĩ độ và kinh độ) và theo dõi chuyển động. Với bốn vệ tinh trở lên trong chế độ xem, bộ thu có thể xác định vị trí 3D của người dùng (vĩ độ, kinh độ và độ cao). Khi vị trí của người dùng đã được xác định, Ngoài ra Máy định vị GPS cầm tay có thể tính toán các thông tin khác, chẳng hạn như tốc độ, đường đi, khoảng cách chuyến đi, khoảng cách đến điểm đến, thời gian mặt trời mọc và lặn và hơn thế nữa.

Các nguyên nhân gây ra lỗi ảnh hưởng đến độ chính xác của Máy định vị GPS Cầm Tay

Các yếu tố có thể làm suy giảm tín hiệu GPS và do đó ảnh hưởng đến độ chính xác trên Máy định vi GPS cầm tay của người dùng bao gồm:

• Đa đường tín hiệu: Điều này xảy ra khi tín hiệu GPS bị phản xạ khỏi các vật thể như nhà cao tầng, vách núi đá, bề mặt kim loại, tán lá cây dày đặt…trước khi đến ăng-ten thu sóng của Máy định vị GPS cầm tay. Điều này làm tăng thời gian di chuyển của tín hiệu, do đó gây ra lỗi.

• Số lượng vệ tinh có thể nhìn thấy: Máy thu GPS có thể “nhìn thấy” càng nhiều vệ tinh thì độ chính xác càng tốt. Các tòa nhà, địa hình đồi núi, cột ăng-ten viễn thông, đường dây điện cao thế hoặc đôi khi thậm chí là tán lá rậm rạp có thể chặn việc nhận tín hiệu, gây ra lỗi vị trí hoặc có thể không đọc được vị trí nào. Các Máy định vị GPS cầm tay thường sẽ không hoạt động trong nhà, dưới nước hoặc dưới lòng đất.

• Lỗi đồng hồ bộ thu: Đồng hồ tích hợp trên Máy định vị GPS cầm tay không chính xác bằng đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh GPS. Do đó, nó có thể có sai số thời gian rất nhỏ.
• Sự chậm trễ của tầng điện ly và tầng đối lưu: Tín hiệu vệ tinh bị chậm lại khi đi qua bầu khí quyển. Hệ thống GPS sử dụng một mô hình tích hợp để tính toán lượng thời gian trễ trung bình để sửa một phần cho loại lỗi này.
• Lỗi quỹ đạo: Còn được gọi là lỗi thiên văn, đây là những lỗi không chính xác về vị trí được báo cáo của vệ tinh và các trạm điều khiển sẽ sớm nhanh chóng khắc phục lỗi này.
• Hình học/bóng đổ của vệ tinh: Điều này đề cập đến vị trí tương đối của các vệ tinh tại bất kỳ thời điểm nào. Hình học vệ tinh lý tưởng thoát ra khi các vệ tinh nằm ở góc rộng so với nhau. Kết quả hình học kém khi các vệ tinh nằm trên một đường thẳng nhìn từ vị trí người dùng.
• Sự suy giảm có chủ ý của tín hiệu vệ tinh: Tính khả dụng có chọn lọc (SA) là sự suy giảm có chủ ý của tín hiệu từng được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ áp đặt. SA nhằm ngăn chặn người dùng sử dụng tín hiệu GPS có độ chính xác cao. Tuy nhiên Chính phủ Mỹ đã tắt SA vào tháng 5 năm 2000, điều này đã cải thiện đáng kể độ chính xác của các máy thu GPS dân dụng.

By KS. Trần Vĩnh Nguyên