GPS hoạt động như thế nào?

GPS là một trong những công nghệ được sủ dụng và rộng rãi nhất. Nó giúp chúng ta tìm đường về nhà, quyết định bữa trưa sẽ ăn tại đâu, dự báo thời tiết, cứu hộ và ứng dụng trong quân sự. Có thể nói, GPS là một trong nhiều dự án thành công nhất của chính phủ Mỹ. “Đó là dự án của chính phủ mà giúp đỡ bạn rất nhiều trong cuộc sống”, Richard Easton, tác giả của cuốn  GPS Declassified: From Smart Bombs to Smartphones cho biết.

Richard cũng ước tính rằng, GPS mang lại lợi nhuận khoảng 100 tỷ đôla mỗi năm trong khi chỉ phải chi 1 tỷ đôla để vận hành và bảo dưỡng.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu GPS hoạt động thế nào và tương lai của công nghệ hữu ích này.

GPS 101: Hệ thống định vị toàn cầu

GPS, hệ thống định vị toàn cầu, là hệ thống các vệ tinh bay xung quanh quỹ đạo. GPS cung cấp các thông tin về vị trí, định hướng và thời gian chính xác cho người dùng. Bất cứ ai với thiết bị phù hợp đều có thể sử dụng dịch vụ mà GPS mang lại miễn phí.

Hiện tại, có tổng cộng 24 vệ tinh hoạt động trong hệ thống vệ tinh của GPS và được vận hành bởi chính phủ Mỹ. Những vệ tinh này nằm cách mặt đất 12.000 dặm và bay xung quanh quỹ đạo 2 lần một ngày.

Để tăng khả năng truyền sóng về mặt đất, mỗi vệ tinh GPS có chứa một vài đồng hồ nguyên tử để cung cấp thời gian chính xác nhất. Vệ tinh GPS cũng có 2 pin năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng.

Từ vũ trụ đến điện thoại cá nhân

Như đã nói, chúng ta cần ít nhất 24 vệ tinh nằm trên 6 quỹ đạo để hình thành nên hệ thống GPS.

Các vệ tinh này được đặt tại những vị trí sao cho bất cứ thời điểm nào ở bất cứ đâu, một thiết bị trên mặt đất có thể kết nối đến ít nhất 4 vệ tinh - con số cần thiết cho việc định vị chính xác trên địa cầu. Họ sắp xếp 24 vệ tinh này trên 6 “mặt phẳng quỹ đạo” mà bạn có thể thấy trong hình.

Các vệ tinh này cũng thỉnh thoảng được thay thế và luôn luôn có một vài vệ tinh sơ cua sẵn sàng vào vị trí để đảm bảo luôn có 24 vệ tinh hoạt động. Thực tế, trên quỹ đạo hiện nay có đến 30 vệ tinh, 24 cái hoạt động chính và 6 cái sơ cua.

Mỗi vệ tinh khi hoạt động liên tục gửi các sóng vô tuyến, trong đó chứa các thông tin về vị trí vệ tinh cũng như thời gian sóng được gửi đi. “Tùy thuộc vào tuổi và kiểu vệ tinh, các vệ tinh trong hệ thống có thể cùng lúc phát tối đa  7 tín hiệu khác nhau, 4 tín hiệu phục vụ quân sự và 3 dành cho dân sự ”, Mark Steward chuyên gia GPS của Lockeed Martin cho biết. Một cách đơn giản, các tín hiệu này được điều chế đặc biệt dành cho các thiết bị GPS, cũng như đài FM chỉ tiếp nhận sóng FM.

Như vậy, trong mỗi chiếc smartphone có một bộ thu tín hiệu GPS và nó tính toán khoảng cách đến vệ tinh thông qua thông tin nhận được và tốc độ ánh sáng. Ánh sáng di chuyển với vận tốc xấp xỉ 300.000 km/s. Điện thoại sẽ dựa vào độ chênh lệch thời gian gửi và thời gian nhận để tính ra giá trị cần tìm.

Quá trình được lặp lại đối với 3 vệ tinh khác nhau. Từ khoảng cách đến 3 vệ tinh khác nhau, smartphone sử dụng hình học để tính ra tọa độ của mình trên mặt đất. Vệ tinh thứ 4 sẽ được dùng để tính toán độ cao. Do vậy, đây là lý do tại sao một thiết bị phải luôn luôn kết nối với 4 vệ tinh để cho ra kết quả định vị chính xác.

Một hiểu nhầm thường thấy về GPS: GPS cho phép theo dõi vị trí của bạn. Thực tế, điện thoại của bạn không gửi bất cứ thông tin nào cho vệ tinh và vệ tinh cũng không lưu trữ bất kỳ thông tin nào và như vậy GPS không theo dõi người dùng.

Tương lai của GPS

Để tiếp tục vận hành GPS một cách tin cậy và được cập nhật, các vệ tinh sẽ phải được thay thế. Thế hệ tiếp theo của GPS là GPS II đang được nghiên cứu và phát triển.

Những vệ tinh thế hệ mới sẽ gia tăng độ chính xác lên gấp 3 lần và gia tăng thời hạn phụ vụ lên 25% so với các vệ tinh tiền nhiệm với thời hạn phục vụ khoảng 15 năm. “Các vệ tinh mới sẽ được cung cấp khả năng chống nhiễu gấp 8 lần trước các cuộc chế áp điện tử ”, ông Steward cho biết. GPS II cũng cung cấp thêm các tín hiệu phục vụ dân sự lên 8 tín hiệu thay vì 4 tín hiệu như hiện tại.

Lịch phóng vệ tinh GPS II đầu tiên chưa được công bố, nhưng tập đoàn Lockheed Martin cho biết chiếc đầu tiên sẽ phục vụ không quân vào năm 2015.

Nguồn: Businessinsider.com

>>Đồng hồ thể thao tích hợp GPS và cảm biến nhịp tim của TomTom