GPS hoạt động bằng cách đo thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu. Mỗi vệ tinh liên tục phát đi giờ chính xác từ đồng hồ nguyên tử và vị trí của nó; máy thu (như điện thoại) nhận tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh, tính khoảng cách tới từng chiếc, rồi suy ra vị trí của mình. Điện thoại chỉ nhận, không phát gì lên vệ tinh, nên GPS dùng được cả khi không có sóng di động hay mạng internet.
Hệ thống gồm ba phần
| Phần | Là gì |
|---|---|
| Phần không gian | Chòm vệ tinh của Mỹ, thiết kế cơ bản 24 vệ tinh (thực tế thường hơn 30 chiếc hoạt động), bay ở độ cao khoảng 20.200 km, mỗi vòng quanh Trái Đất khoảng 12 giờ |
| Phần điều khiển | Mạng lưới trạm mặt đất theo dõi vệ tinh, hiệu chỉnh đồng hồ và quỹ đạo |
| Phần người dùng | Mọi máy thu: điện thoại, đồng hồ, máy định vị ô tô, máy bay, tàu thuyền |
Các vệ tinh xếp trên sáu mặt phẳng quỹ đạo, bố trí sao cho ở hầu hết mọi nơi trên mặt đất, vào mọi lúc, đều có ít nhất bốn vệ tinh nằm trên đường chân trời. Hệ thống do Bộ Quốc phòng Mỹ phát triển từ thập niên 1970, đạt khả năng hoạt động đầy đủ năm 1995 và miễn phí cho người dùng dân sự toàn cầu.
Từ thời gian ra khoảng cách
Tín hiệu vô tuyến đi với tốc độ ánh sáng, khoảng 300.000 km mỗi giây. Nếu biết tín hiệu rời vệ tinh lúc nào và đến máy thu lúc nào, nhân thời gian với tốc độ là ra khoảng cách. Tín hiệu từ một vệ tinh GPS mất chừng 0,07 giây để xuống tới mặt đất.
Vấn đề: chỉ cần sai một phần triệu giây là khoảng cách sai 300 m. Vệ tinh có đồng hồ nguyên tử cực chính xác, nhưng điện thoại thì chỉ có đồng hồ thạch anh thông thường. Lời giải rất khéo: máy thu coi sai số đồng hồ của chính nó là một ẩn số cần tìm, cùng với ba ẩn số vị trí (kinh độ, vĩ độ, độ cao). Bốn ẩn số cần bốn phương trình — tức tín hiệu từ bốn vệ tinh. Đó là lý do cần ít nhất bốn vệ tinh.
Hình dung bằng những quả cầu
- Biết cách vệ tinh A 20.500 km: bạn ở đâu đó trên mặt một quả cầu khổng lồ bán kính 20.500 km quanh vệ tinh A.
- Thêm vệ tinh B: bạn ở trên giao tuyến của hai quả cầu — một vòng tròn.
- Thêm vệ tinh C: vòng tròn đó cắt quả cầu thứ ba ở hai điểm; thường một điểm nằm xa trong không gian, điểm kia trên mặt đất.
- Vệ tinh thứ tư giúp xác định chắc chắn và sửa sai số đồng hồ.
Cách tính này gọi là định vị bằng khoảng cách (trilateration), khác với cách đo góc (triangulation) trong đo đạc cổ điển.
Thuyết tương đối có mặt trong túi bạn
Một chi tiết hay: đồng hồ trên vệ tinh GPS chạy lệch so với đồng hồ trên mặt đất vì hai hiệu ứng của thuyết tương đối. Vệ tinh bay nhanh nên đồng hồ chạy chậm đi (thuyết tương đối hẹp); nhưng ở xa Trái Đất, trọng trường yếu hơn nên đồng hồ chạy nhanh hơn (thuyết tương đối rộng). Cộng lại, đồng hồ vệ tinh nhanh hơn khoảng 38 micro giây mỗi ngày. Nếu không hiệu chỉnh, sai số vị trí sẽ tích luỹ thêm khoảng hơn 10 km mỗi ngày. Hệ thống được thiết kế để bù trừ chênh lệch này — một ứng dụng thường ngày của vật lý Einstein.
GPS chính xác đến đâu
Theo trang thông tin chính thức GPS.gov của chính phủ Mỹ, điện thoại thông minh có GPS thường cho vị trí chính xác trong khoảng gần 5 m dưới bầu trời thoáng. Độ chính xác thực tế giảm khi:
- Ở giữa các toà nhà cao (tín hiệu dội lại từ tường kính).
- Dưới tán rừng rậm, trong thung lũng hẹp.
- Trong nhà, trong hầm, trong xe kín.
- Khi máy vừa bật và chưa bắt đủ vệ tinh.
Thiết bị chuyên dụng dùng kỹ thuật hiệu chỉnh từ trạm mặt đất có thể đạt độ chính xác centimet, phục vụ đo đạc, nông nghiệp, xây dựng.
Điện thoại không chỉ dùng GPS
Điện thoại hiện đại kết hợp nhiều nguồn để định vị nhanh và chính xác hơn:
- Nhiều hệ vệ tinh: GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Galileo (Liên minh châu Âu), BeiDou (Trung Quốc) và một số hệ khu vực.
- GPS hỗ trợ (A-GPS): tải trước thông tin quỹ đạo vệ tinh qua mạng di động để bắt tín hiệu nhanh hơn.
- Wifi và trạm phát sóng: ước vị trí theo các mạng xung quanh, hữu ích trong nhà nhưng kém chính xác hơn.
- Cảm biến: gia tốc, con quay, la bàn từ giúp ước lượng khi mất tín hiệu ngắn (như khi đi qua hầm).
Khi ở vùng núi không có sóng, chỉ còn vệ tinh làm việc. Máy vẫn định vị được, nhưng lần đầu có thể mất lâu hơn — đứng ở chỗ thoáng trời vài phút giúp máy bắt vệ tinh.
GPS không biết bạn đang quay mặt hướng nào
GPS cho vị trí, không cho hướng. Khi bạn đứng yên, hướng trên màn hình là do la bàn điện tử trong máy. Khi bạn di chuyển, máy suy ra hướng đi từ chuỗi vị trí liên tiếp. Đây là lý do mũi tên hướng có khi quay lung tung khi đứng yên, và vì sao vẫn cần hiểu la bàn và bản đồ.
Câu hỏi thường gặp
GPS hoạt động như thế nào?
Máy thu nhận tín hiệu thời gian từ ít nhất bốn vệ tinh, tính khoảng cách tới từng vệ tinh dựa trên thời gian tín hiệu đi, rồi suy ra vị trí của mình. Vệ tinh dùng đồng hồ nguyên tử để phát giờ chính xác.
GPS có cần sóng điện thoại hay internet không?
Không. Máy chỉ nhận tín hiệu từ vệ tinh nên vẫn định vị được khi không có sóng. Tuy nhiên muốn xem bản đồ thì cần tải bản đồ ngoại tuyến trước.
Vì sao cần ít nhất bốn vệ tinh?
Vì máy thu phải tìm bốn ẩn số: kinh độ, vĩ độ, độ cao và sai số đồng hồ của chính nó. Bốn ẩn số cần tín hiệu từ bốn vệ tinh.
GPS trên điện thoại chính xác bao nhiêu mét?
Theo GPS.gov, điện thoại thường chính xác trong khoảng gần 5 m dưới bầu trời thoáng. Giữa nhà cao tầng, dưới tán rừng hoặc trong nhà, sai số lớn hơn.
Vệ tinh GPS bay cao bao nhiêu?
Khoảng 20.200 km so với mặt đất, mỗi vòng quanh Trái Đất mất khoảng 12 giờ. Chòm vệ tinh thiết kế cơ bản 24 chiếc, thực tế thường có hơn 30 chiếc hoạt động.