Nguyên Lý Hoạt động Của Hệ Thống định Vị Toàn Cầu GPS - M2-GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là gì? Hệ thống này do nước nào phát triển? Nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS là gì? Áp dụng công nghệ này vào những mặt nào của cuộc sống?

Trên thế giới hiện tại có rất nhiều hệ thống định vị toàn cầu do các quốc gia tự phát triển. Trong đó các cường quốc về không gian như Nga, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ,….đều có hệ thống định vị toàn cầu của riêng mình.

Trong bài viết này tôi sẽ nêu chi tiết về hệ thống định vị toàn cầu do Hoa Kỳ phát triển.(hiện tại thì đa số thiết bị định vị GPS tại Việt Nam đều ứng dụng hệ thống này).

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là gì

Hệ thống định vị toàn cầu vận hành dựa vào 27 vệ tinh (trong đó có 3 vệ tinh dự phòng). Các vệ tinh chuyển động trên các quỹ đạo quanh trái đất.

Hệ thống này do Hoa Kỳ phát triển ban đầu cho mục đích quân sự. Sau này, nhìn thấy những ứng dụng thực tiễn quan trọng đối với đời sống con người. Hệ thống này 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.

Hệ thống kiểm soát vệ tinh

Hệ thống được kiểm soát 5 trạm kiểm soát đặt rải rác trên trái đất. Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm.

Bốn trạm kiểm soát tự động sẽ nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với hai an-ten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh.

Ngoài ra, còn một trạm kiểm soát trung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt.

Lịch sử phát triển hệ thống định vị toàn cầu GPS

• Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978
• Hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994
• Mỗi vệ tinh được sản xuất để hoạt động tối đa là 15 năm
• Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 feet (5 m) với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²)
• Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts

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

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2. (dải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz).

1. Dải L1

GPS dân sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà.

2. Dải L2

Chứa hai mã “giả ngẫu nhiên” (pseudo random), đó là mã Protected (P) và mã Coarse/Acquisition (C/A). Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu. Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS.

3. Tín hiệu GPS

Chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch. Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào là phát thông tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào.

Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống.

Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại. Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí.

Ứng dụng vào đời sống

Hệ thống định vị toàn cầu cho phép xác định vật thể thông qua bộ thu, phân tích dữ liệu sóng GPS. Vì vậy, có hiệu quả và ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với hệ thống giao thông của mỗi quốc gia.

Thiết bị định vị có thể biến thể thành nhiều loại sản phẩm. Phát triển thêm nhiều tính năng tuỳ vào mục đích sử dụng. Còn gọi là Hộp đen.

1. Ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS

• Hộp đen trên máy bay dân dụng. Được thiết kế với chất liệu siêu bền, hoạt động được cả khi máy bay phát nổ, rơi xuống biển… Có khả năng ghi lại toàn bộ hành trình, dữ liệu âm thanh trong quá trình di chuyển
• Định vị chuyên dụng cho tàu thuỷ, tàu biển. Được thiết kế để chống lại môi trường muối biển. Có khả năng sử dụng sóng analog để truyền dữ liệu về đất liền. (Do không có hệ thống mạng data ngoài biển)
• Định vị GPS chuyên dụng cho người đi rừng, leo núi,… Được thiết kế nhỏ gọn với độ bền cao, chống rơi, va đập. Có khả năng truyền sóng analog
• Bộ định vị ô tô được thiết kế với chất liệu bền, chống va đập trong quá trình xe di chuyển
• Định vị hợp chuẩn của Bộ GTVT – bắt buộc lắp đặt cho xe kinh doanh vận tải

2. Các tính năng của thiết bị định vị toàn cầu GPS

• Xác định chính xác vị trí của vật thể đang ở đâu, bất cứ nơi nào trên trái đất
• Bạn có thể quản lý xe của mình thông qua một ứng dụng định vị xe ô tô bằng điện thoại
• Lưu lại toàn bộ trạng thái di chuyển của vật thể trong vòng 1 năm trên máy chủ
• Xác định trạng thái vận tốc theo thời gian thực của vật thể
• Xác định các trạng thái đóng mở cửa, điều hoà bật tắt máy
• Xác định thời gian di chuyển liên tục
• Xác định lộ trình, quãng đường di chuyển
• Quản lý từ xa lượng nhiên liệu trong vật thể, tổng hợp lượng nhiên liệu tiêu thụ
• Các dữ liệu được truyền về máy chủ do cục đường bộ, đường không, đường biển của Bộ Giao thông vận tải quản lý

Tham khảo bài viết về cách sử dụng phần mềm định vị xe ô tô tại đây.