Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của GPS

GPS (Global Positioning System) là hệ thống định vị toàn cầu, cung cấp thông tin vị trí và thời gian bất kỳ nơi nào trên Trái Đất, bất kể điều kiện thời tiết. GPS được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ hàng hải, hàng không, quân sự đến các ứng dụng hàng ngày như bản đồ trên điện thoại thông minh. Bài viết này sẽ cũng cấp thông tin cho bạn về nguyên lý hoạt động của GPS.

Nguyên lý hoạt động của GPS

Hệ thống GPS bao gồm ba phân đoạn chính: phân đoạn không gian, phân đoạn kiểm soát và phân đoạn người dùng.

Phân đoạn không gian: Hệ thống gồm 24 vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo cách mặt đất khoảng 20,200 km. Các vệ tinh này phát tín hiệu liên tục về vị trí và thời gian hiện tại của chúng.
Phân đoạn kiểm soát: Bao gồm các trạm mặt đất đặt tại nhiều vị trí trên thế giới. Nhiệm vụ của các trạm này là theo dõi, kiểm soát và điều chỉnh quỹ đạo của các vệ tinh để đảm bảo chúng hoạt động đúng như dự kiến.
Phân đoạn người dùng: Bao gồm tất cả các thiết bị nhận tín hiệu GPS như điện thoại thông minh, thiết bị định vị, và các hệ thống dẫn đường trên ô tô. Các thiết bị này nhận tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh để tính toán vị trí hiện tại của chúng.

Công nghệ GPS đã xuất hiện tại Việt Nam từ những năm 1990 và nhanh chóng chứng tỏ tiềm năng to lớn của mình trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong ngành trắc địa. GPS đã trở thành một công cụ không thể thiếu, giúp thiết lập các lưới tọa độ từ liên lục địa, lưới tọa độ quốc gia đến việc đo vẽ chi tiết bản đồ.

Trong trắc địa công trình, GPS được ứng dụng để thành lập lưới khống chế, thi công và quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình. So với các phương pháp truyền thống, GPS có nhiều ưu điểm nổi bật như: lựa chọn điểm linh hoạt hơn, không cần thông hướng giữa các điểm, cạnh đo nhanh hơn, có thể đo cả ngày lẫn đêm, và đặc biệt là độ chính xác cao, từ đó nâng cao hiệu quả công việc. Với những ưu điểm vượt trội này, GPS không chỉ cải thiện hiệu suất làm việc mà còn đảm bảo tính chính xác và an toàn cho các dự án, khẳng định vai trò quan trọng trong sự phát triển và hiện đại hóa ngành trắc địa tại Việt Nam.

>> Xem thêm Nguyên lý hoạt động của máy GPS RTK và ứng dụng thực tế

Nguyên lý đo GPS

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hoạt động dựa trên nguyên lý đo khoảng cách từ thiết bị nhận tín hiệu đến các vệ tinh trong quỹ đạo. Nguyên lý này giúp xác định vị trí chính xác của thiết bị GPS trên Trái Đất. Dưới đây là các bước cơ bản trong quá trình đo GPS:

Phát tín hiệu từ vệ tinh: Các vệ tinh GPS liên tục phát tín hiệu chứa dữ liệu về thời gian phát sóng và vị trí hiện tại của vệ tinh. Các tín hiệu này truyền đi với tốc độ ánh sáng và được thiết bị GPS trên mặt đất tiếp nhận.
Nhận tín hiệu từ vệ tinh: Thiết bị GPS (máy GPS RTK, máy GPS cầm tay) phải nhận được tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh để xác định vị trí chính xác. Mỗi vệ tinh cung cấp một tập hợp dữ liệu khác nhau về thời gian và vị trí.
Tính toán thời gian truyền tín hiệu: Thiết bị GPS tính toán thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh đến thiết bị. Bằng cách biết thời gian này và tốc độ truyền tín hiệu (tốc độ ánh sáng), thiết bị GPS có thể xác định khoảng cách đến từng vệ tinh.
Xác định khoảng cách: Dựa trên thời gian truyền tín hiệu, thiết bị GPS xác định khoảng cách đến mỗi vệ tinh. Quá trình này thường được gọi là triangulation (tam giác đạc) hoặc trilateration (định vị bằng ba cạnh).
Tính toán vị trí: Sau khi biết được khoảng cách đến ít nhất bốn vệ tinh, thiết bị GPS sử dụng phương pháp trilateration để tính toán vị trí của mình. Phương pháp này liên quan đến việc vẽ các quả cầu tưởng tượng xung quanh mỗi vệ tinh với bán kính là khoảng cách đã tính được. Điểm giao nhau của các quả cầu này là vị trí hiện tại của thiết bị GPS.
Điều chỉnh và hiệu chỉnh: Để đảm bảo độ chính xác cao, thiết bị GPS còn thực hiện các điều chỉnh và hiệu chỉnh dựa trên các tín hiệu bổ sung từ các vệ tinh khác và dữ liệu từ các trạm kiểm soát mặt đất.

>>> Xem thêm: Top 3 máy GPS cầm tay có độ chính xác cao được ưa chuộng nhất

Nguyên lý hoạt động GPS — Nguyên lý hoạt động của GPS

Nguyên lý định vị GPS

Hệ Tọa Độ Địa Tâm WGS-84:

Các điểm trên mặt đất được định vị trong hệ tọa độ địa tâm WGS-84. Hệ tọa độ này có:

Gốc tọa độ O: Là tâm Trái Đất.
Trục OX: Nối từ tâm Trái Đất đến giao điểm của kinh tuyến gốc và đường xích đạo.
Trục OY: Vuông góc với trục OX.
Trục OZ: Trùng với trục quay của Trái Đất và vuông góc với mặt phẳng XOY.

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.

Nguyên lý định vị GPS — Định vị GPS trên toàn cầu

Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của GPS giúp chúng ta tận dụng tối đa công nghệ này trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ điều hướng hàng ngày đến các ứng dụng phức tạp trong công nghiệp và quân sự. GPS không chỉ là công cụ định vị mà còn là một phần quan trọng của cuộc sống hiện đại, mang lại sự tiện lợi và độ chính xác cao. Việt Thanh Group hy vọng đã cung cấp cho bạn các thông tin cần thiết về hệ thống định vị GPS.

>> Xem thêm dịch vụ cho thuê thiết bị đo đạc