Bước tới nội dung

GPS

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS)
.8px

Quốc gia sở hữuHoa Kỳ
Điều hành(s)Lực lượng Không gian Hoa Kỳ
(Mission Delta 31)
KiểuQuân sự, dân sự
Tình trạngĐang hoạt động
Phủ sóngToàn cầu
Độ chính xác30–500 cm (0,98–16 ft)
Constellation size
Tổng số vệ tinh24
Vệ tinh trên quỹ đạo31 đang hoạt động
Phóng lần đầu22 tháng 2 năm 1978; 48 năm trước (1978-02-22)
Phóng lần cuối21 tháng 4 năm 2026; 18 ngày trước (2026-04-21)
Số lần phóng82
Orbital characteristics
Regime(s)6 mặt phẳng MEO
Chiều cao quỹ đạo20.180 km (12.540 mi)
Other details
Chi phí
  • Chùm vệ tinh ban đầu:
    • 12 tỷ USD[1]
  • Chi phí vận hành:
    • 1,84 tỷ USD mỗi năm (2023)[1]
Websitegps.gov
Hình ảnh mô phỏng vệ tinh GPS Block IIIA trên quỹ đạo Trái Đất
Máy thu GPS dân dụng cuối những năm 1990 ("Thiết bị định vị GPS") trong ứng dụng hàng hải
Hệ thống dẫn đường ô tô trong một chiếc taxi, những năm 2000
Một sĩ quan Lực lượng Không gian Hoa Kỳ vận hành Hệ thống Định vị Toàn cầu vào năm 2022.

Hệ thống Định vị Toàn cầu (Global Positioning System - GPS) là một hệ thống định vị vệ tinh dựa trên định vị hyperbolic thuộc sở hữu của Lực lượng Không gian Hoa Kỳ và được vận hành bởi Mission Delta 31.[2][3] Đây là một trong những hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS) cung cấp thông tin vị trí địa lý và thời gian cho một máy thu GPS ở bất kỳ đâu trên hoặc gần Trái Đất, nơi chất lượng tín hiệu cho phép.[4] Hệ thống không yêu cầu người dùng phải truyền bất kỳ dữ liệu nào và hoạt động độc lập với mọi hoạt động thu nhận Internet hoặc điện thoại, mặc dù các công nghệ này có thể tăng cường tính hữu dụng của thông tin định vị GPS.[5] Nó cung cấp khả năng định vị quan trọng cho người dùng quân sự, dân sự và thương mại trên khắp thế giới. Mặc dù chính phủ Hoa Kỳ tạo ra, kiểm soát và duy trì GPS, nhưng nó có thể được truy cập tự do bởi bất kỳ ai có máy thu GPS.[6]

Tổng quan

[sửa | sửa mã nguồn]

Dự án GPS được khởi xướng bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ vào năm 1973.[7] Mẫu vệ tinh thử nghiệm đầu tiên được phóng vào năm 1978 và toàn bộ chùm 24 vệ tinh đã đi vào hoạt động đầy đủ từ năm 1993.[7] Sau khi Chuyến bay 007 của Korean Air Lines bị bắn rơi do đi nhầm vào không phận Liên Xô, Tổng thống Ronald Reagan đã quyết định rằng hệ thống GPS sẽ được cung cấp cho mục đích dân sự kể từ năm 1988;[8] tuy nhiên, ban đầu việc sử dụng dân sự này bị giới hạn ở độ chính xác trung bình là 100 mét (330 ft) do việc áp dụng tính sẵn sàng có chọn lọc, một sai số cố ý được đưa vào dữ liệu GPS mà chỉ các máy thu quân sự mới có thể hiệu chỉnh được.

Khi việc sử dụng GPS dân dụng ngày càng tăng, áp lực đòi loại bỏ sai số này cũng ngày càng lớn. Hệ thống SA đã tạm thời bị vô hiệu hóa trong Chiến tranh Vùng Vịnh, do tình trạng thiếu hụt các đơn vị GPS quân sự khiến nhiều binh sĩ Mỹ phải sử dụng các máy thu GPS dân dụng được gửi từ quê nhà. Trong những năm 1990, các hệ thống GPS vi phân từ Tuần duyên Hoa Kỳ, Cục Hàng không Liên bang, và các cơ quan tương tự ở các quốc gia khác đã bắt đầu phát sóng các hiệu chỉnh GPS cục bộ, giúp giảm bớt ảnh hưởng của cả hiện tượng suy giảm do SA và các tác động của khí quyển (vốn cũng được các máy thu quân sự hiệu chỉnh). Quân đội Mỹ cũng đã phát triển các phương pháp gây nhiễu GPS cục bộ, đồng nghĩa với việc khả năng làm suy giảm hệ thống trên quy mô toàn cầu không còn cần thiết nữa. Kết quả là, Tổng thống Hoa Kỳ Bill Clinton đã ký một sắc lệnh ra lệnh vô hiệu hóa Tính sẵn sàng có chọn lọc vào ngày 1 tháng 5 năm 2000;[9] và vào năm 2007, chính phủ Mỹ thông báo rằng thế hệ vệ tinh GPS tiếp theo sẽ không còn bao gồm tính năng này nữa.[10]

Những tiến bộ trong công nghệ và các nhu cầu mới đối với hệ thống hiện tại đã dẫn đến những nỗ lực hiện đại hóa GPS và triển khai thế hệ vệ tinh GPS Block III cùng Hệ thống Kiểm soát Vận hành Thế hệ Tiếp theo (OCX)[11] vốn được Quốc hội Hoa Kỳ thông qua vào năm 2000. Khi Tính sẵn sàng có chọn lọc bị ngừng lại, GPS đạt độ chính xác khoảng 5 mét (16 ft). Các máy thu GPS sử dụng băng tần L5 có độ chính xác cao hơn nhiều, lên tới 30 xentimét (12 in), trong khi các ứng dụng cao cấp như kỹ thuật và khảo sát đất đai có độ chính xác trong vòng 2 cm (3⁄4 in) và thậm chí có thể cung cấp độ chính xác dưới milimet với các phép đo dài hạn.[9][12][13] Các thiết bị tiêu dùng như điện thoại thông minh có thể đạt độ chính xác 4,9 m (16 ft) hoặc tốt hơn khi sử dụng kết hợp với các dịch vụ hỗ trợ như hệ thống định vị Wi-Fi.[14]

Tính đến tháng 7 năm 2023, có 18 vệ tinh GPS phát tín hiệu L5, vốn được coi là giai đoạn tiền vận hành trước khi được phát sóng bởi đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 2027.[15]

Lịch sử

[sửa | sửa mã nguồn]
Phim của Không quân giới thiệu về Hệ thống Định vị Toàn cầu Navstar, khoảng năm 1977

Dự án GPS được khởi xướng tại Hoa Kỳ vào năm 1973 nhằm vượt qua những hạn chế của các hệ thống dẫn đường trước đó,[16] bằng cách kết hợp các ý tưởng từ nhiều hệ thống tiền thân, bao gồm cả các nghiên cứu thiết kế kỹ thuật mật từ thập niên 1960. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã phát triển hệ thống này, ban đầu sử dụng 24 vệ tinh, phục vụ cho mục đích quân sự của Hoa Kỳ và đi vào hoạt động đầy đủ từ năm 1993. Việc sử dụng cho mục đích dân sự được cho phép từ thập niên 1980. Roger L. Easton thuộc Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân, Ivan A. Getting thuộc Tập đoàn Aerospace, và Bradford Parkinson thuộc Phòng Thí nghiệm Vật lý Ứng dụng được ghi nhận là những người đã phát minh ra hệ thống này.[17] Công trình của Gladys West tại Chi nhánh Khoa học Đạn đạo thuộc Phân bộ Tác chiến Mặt nước Hải quân Dahlgren về việc tạo ra mô hình toán học trắc địa Trái Đất được coi là công cụ then chốt trong việc phát triển các kỹ thuật tính toán để phát hiện vị trí vệ tinh với độ chính xác cần thiết cho GPS.[18][19]

Thiết kế của GPS một phần dựa trên các hệ thống vô tuyến định vị mặt đất tương tự, chẳng hạn như LORAN và Hệ thống Dẫn đường Decca, được phát triển vào đầu thập niên 1940. Năm 1955, Friedwardt Winterberg đã đề xuất một thử nghiệm về thuyết tương đối tổng quát — phát hiện sự chậm lại của thời gian trong một trường trọng lực mạnh bằng cách sử dụng các đồng hồ nguyên tử chính xác đặt trên quỹ đạo bên trong các vệ tinh nhân tạo. Thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối tổng quát dự đoán rằng các đồng hồ trên vệ tinh GPS, khi quan sát từ Trái Đất, chạy nhanh hơn 38 micro giây mỗi ngày so với đồng hồ trên Trái Đất. Thiết kế của GPS đã hiệu chỉnh sự chênh lệch này;[20][21] vì nếu không làm như vậy, các vị trí tính toán của GPS sẽ tích tụ sai số lên tới 10 kilômét trên ngày (6 mi/d).[22]

Các tiền thân

[sửa | sửa mã nguồn]

Khi Liên Xô phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên (Sputnik 1) vào năm 1957, hai nhà vật lý người Mỹ là William Guier và George Weiffenbach tại Phòng Thí nghiệm Vật lý Ứng dụng (APL) thuộc Đại học Johns Hopkins đã theo dõi các tín hiệu vô tuyến của nó.[23] Chỉ trong vòng vài giờ, họ nhận ra rằng nhờ vào Hiệu ứng Doppler, họ có thể xác định chính xác vị trí của vệ tinh dọc theo quỹ đạo của nó. Giám đốc APL đã cho phép họ truy cập vào máy tính UNIVAC I để thực hiện các phép tính khổng lồ cần thiết.

Các quản lý của Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân cho chương trình Timation và sau đó là chương trình GPS: Roger L. Easton (trái) và Al Bartholemew.

Đầu năm sau, Frank McClure, phó giám đốc APL, đã yêu cầu Guier và Weiffenbach nghiên cứu bài toán ngược: xác định vị trí của người dùng dựa trên vị trí của vệ tinh. (Vào thời điểm đó, Hải quân đang phát triển tên lửa Polaris phóng từ tàu ngầm, đòi hỏi họ phải biết chính xác vị trí của tàu ngầm.) Điều này đã dẫn dắt họ và APL phát triển hệ thống TRANSIT.[24] Năm 1959, ARPA (được đổi tên thành DARPA vào năm 1972) cũng đóng một vai trò trong dự án TRANSIT.[25][26][27]

TRANSIT đã được thử nghiệm thành công lần đầu tiên vào năm 1960.[28] Nó sử dụng một chùm gồm năm vệ tinh và có thể cung cấp một tọa độ dẫn đường khoảng một giờ một lần. Năm 1967, Hải quân Hoa Kỳ đã phát triển vệ tinh Timation, chứng minh tính khả thi của việc đặt các đồng hồ chính xác trong không gian, một công nghệ bắt buộc phải có đối với GPS.[29]

Trong những năm 1970, hệ thống dẫn đường mặt đất OMEGA, dựa trên việc so sánh pha của tín hiệu truyền từ các cặp trạm phát,[30] đã trở thành hệ thống dẫn đường vô tuyến toàn cầu đầu tiên. Những hạn chế của các hệ thống này đã thúc đẩy nhu cầu về một giải pháp dẫn đường vạn năng hơn với độ chính xác cao hơn.

Mặc dù có nhu cầu rộng lớn về dẫn đường chính xác trong cả lĩnh vực quân sự và dân sự, nhưng hầu như không có nhu cầu nào trong số đó được coi là lý do chính đáng cho hàng tỷ đô la chi phí nghiên cứu, phát triển, triển khai và vận hành một chùm vệ tinh dẫn đường. Trong cuộc Chạy đua vũ trang thời Chiến tranh Lạnh, mối đe dọa hạt nhân đối với sự tồn tại của Hoa Kỳ là nhu cầu duy nhất có thể biện minh cho mức chi phí này trong mắt Quốc hội Hoa Kỳ. Hiệu ứng răn đe này chính là lý do GPS được cấp kinh phí.[31][32][33] Đó cũng là lý do cho sự cực kỳ bảo mật vào thời điểm đó. Bộ ba hạt nhân bao gồm các tên lửa đạn đạo phóng từ tàu ngầm (SLBM) của Hải quân Hoa Kỳ cùng với các máy bay ném bom chiến lược và tên lửa đạn đạo liên lục địa (ICBM) của Không quân Hoa Kỳ (USAF). Được coi là yếu tố sống còn đối với vị thế răn đe hạt nhân, việc xác định chính xác vị trí phóng SLBM là một công cụ nhân bội lực lượng.

Việc dẫn đường chính xác sẽ cho phép các tàu ngầm mang tên lửa đạn đạo của Hoa Kỳ xác định tọa độ chính xác của họ trước khi phóng các tên lửa SLBM.[34] Không quân Mỹ, lực lượng nắm giữ hai phần ba bộ ba hạt nhân, cũng có yêu cầu về một hệ thống dẫn đường chính xác và đáng tin cậy hơn. Hải quân và Không quân Hoa Kỳ đã phát triển các công nghệ riêng song song để giải quyết cùng một vấn đề cơ bản. Để tăng khả năng sống sót của các tên lửa ICBM, đã có đề xuất sử dụng các bệ phóng cơ động (tương tự như các loại SS-24 và SS-25 của Liên Xô), do đó nhu cầu xác định vị trí phóng có sự tương đồng với tình huống của SLBM.

Năm 1960, Không quân đề xuất một hệ thống dẫn đường vô tuyến mang tên MOSAIC (Hệ thống Cơ động để Kiểm soát ICBM Chính xác), thực chất là một hệ thống LORAN 3 chiều. Một nghiên cứu tiếp theo, Dự án 57, được thực hiện vào năm 1963 và chính "trong nghiên cứu này, khái niệm GPS đã ra đời". Cùng năm đó, khái niệm này được theo đuổi dưới tên gọi Dự án 621B, vốn có "nhiều thuộc tính mà bạn thấy ở GPS hiện nay"[35] và hứa hẹn tăng độ chính xác cho các máy bay ném bom cũng như tên lửa ICBM của Không quân Hoa Kỳ.

Vệ tinh Công nghệ Dẫn đường – II (Timation IV): NTS-II, vệ tinh đầu tiên được thiết kế và chế tạo hoàn toàn bởi NRL dưới nguồn kinh phí của Chương trình Chung GPS. Phóng ngày 23 tháng 6 năm 1977.

Các bản cập nhật từ hệ thống TRANSIT của Hải quân quá chậm so với tốc độ vận hành cao của Không quân. Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ (NRL) tiếp tục đạt được những tiến bộ với các vệ tinh Timation (Dẫn đường bằng Thời gian) của họ, lần đầu tiên phóng vào năm 1967, lần thứ hai vào năm 1969, lần thứ ba vào năm 1974 mang theo Đồng hồ nguyên tử đầu tiên lên quỹ đạo và lần thứ tư phóng vào năm 1977.[36]

Một tiền thân quan trọng khác của GPS đến từ một nhánh khác của quân đội Hoa Kỳ. Năm 1964, Lục quân Hoa Kỳ đã đưa vào quỹ đạo vệ tinh SECOR (Sắp xếp Phạm vi Tuần tự) đầu tiên được sử dụng để khảo sát trắc địa.[37] Hệ thống SECOR bao gồm ba trạm phát mặt đất tại các vị trí đã biết để gửi tín hiệu đến máy phát đáp vệ tinh trên quỹ đạo. Trạm mặt đất thứ tư, tại một vị trí chưa xác định, sau đó có thể sử dụng các tín hiệu đó để xác định vị trí của mình một cách chính xác. Vệ tinh SECOR cuối cùng được phóng vào năm 1969.[38]

Sự hoạt động của GPS

[sửa | sửa mã nguồn]

Nguyên lý hoạt động cốt lõi của GPS cũng giống như các Hệ thống Định vị bằng Vệ tinh khác là khi xét trong cùng một thời điểm và xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh thì tọa độ của điểm đó trên mặt đất sẽ được xác định.

Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện. Được biết đến nhiều nhất là các hệ thống sau: LORAN – (LOng RAnge Navigation) – hoạt động ở giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN – (TACtical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng trước những năm 2000.

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.

Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.

Độ chính xác của GPS

[sửa | sửa mã nguồn]

Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Trạng thái của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS. Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét.

Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Không cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ.

Các thành phần của GPS

[sửa | sửa mã nguồn]

GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần không gian, kiểm soát và sử dụng.[39] Không quân Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và kiểm soát. Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, và các máy thu GPS sử dụng các tín hiệu này để tính toán vị trí trong không gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và thời gian hiện tại.[40]

Phần không gian

[sửa | sửa mã nguồn]

Phần không gian gồm 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh Trái Đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km. Chúng chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ.[41] Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.

Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.

Phần kiểm soát

[sửa | sửa mã nguồn]

Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác. Có 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 này 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.

Trạm trung tâm cũng có thể truy cập từ các ăng-ten mặt đất của U.S. Air Force Satellite Control Network (AFSCN) và các trạm quan sát NGA (National Geospatial-Intelligence Agency). Các đường bay của vệ tinh được ghi nhận bởi các trạm quan sát chuyên dụng của Không quân Hoa Kỳ đặt ở Hawaii, Kwajalein, Đảo Ascension, Diego Garcia, Colorado Springs, Colorado và Cape Canaveral, cùng với các trạm quan sát NGA được vận hành ở Anh, Argentina, Ecuador, Bahrain, Úc và Washington DC.[42] Thông tin đường bay của vệ tinh đi được gởi đến Air Force Space Command's MCS ở Schriever Air Force Base 25 km đông đông nam của Colorado Springs, do 2nd Space Operations Squadron (2 SOPS) của U.S. Air Force vận hành. Sau đó 2 SOPS liên lạc thường xuyên với mỗi vệ tinh GPS thông qua việc cập nhật định vị sử dụng các ăng-ten mặt đất chuyên dụng hoặc dùng chung (AFSCN)(các ăng-ten GPS mặt đất chuyên dụng được đặt ở Kwajalein, đảo Ascension, Diego Garcia, và Cape Canaveral). Các thông tin cập nhật này đồng bộ hóa với các đồng hồ nguyên tử đặt trên vệ tinh trong vòng một vài phần tỉ giây cho mỗi vệ tinh, và hiệu chỉnh lịch thiên văn của mô hình quỹ đạo bên trong mỗi vệ tinh. Việc cập nhật được tạo ra bở bộ lọc Kalman sử dụng các tín hiệu/thông tin từ các trạm quan sát trên mặt đất, thông tin thời tiết không gian, và các dữ liệu khác.[43]

Phần sử dụng

[sửa | sửa mã nguồn]

Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này.

Dưới đây là một số thông tin đáng chú ý về các vệ tinh GPS (còn gọi là NAVSTAR, tên gọi chính thức của Bộ Quốc phòng Mỹ cho GPS):

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

Tín hiệu GPS

[sửa | sửa mã nguồn]

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). 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, thủy tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà.

L1 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.

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.

Nguồn lỗi của tín hiệu GPS

[sửa | sửa mã nguồn]

Những yếu tố có thể làm giảm tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới chính xác bao gồm:

  • Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion – Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển.
  • Tín hiệu đi nhiều đường – Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu.
  • Lỗi đồng hồ máy thu – Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS.

Lỗi quỹ đạo – Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo vị trí không chính xác.

Lỗi do ảnh hưởng của bão từ, đã được thử nghiệm nhiểu lần, tùy theo cường độ của bão từ mà sai số của GPS sẽ sai từ vài chục đến hơn 100 m.

  • Số lượng vệ tinh nhìn thấy – Càng nhiều quả vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì càng chính xác. Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí tán lá dày có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được. Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất.
  • Che khuất về hình học – Điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểm bất kì. Phân bố vệ tinh lý tưởng là khi các quả vệ tinh ở vị trí tạo các góc rộng với nhau. Phân bố xấu xảy ra khi các quả vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc cụm thành nhóm.
  • Sự giảm có chủ tâm tín hiệu vệ tinh – Là sự làm giảm tín hiệu cố ý do sự áp đặt của Bộ Quốc phòng Mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ quân sự dùng tín hiệu GPS chính xác cao. Chính phủ Mỹ đã ngừng việc này từ tháng 5 năm 2000, làm tăng đáng kể độ chính xác của máy thu GPS dân sự. (Tuy nhiên biện pháp này hoàn toàn có thể được sử dụng lại trong những điều kiện cụ thể để đảm bảo gậy ông không đập lưng ông. Chính điều này là tiềm ẩn hạn chế an toàn cho dẫn đường và định vị dân sự.)

Ứng dụng GPS

[sửa | sửa mã nguồn]

Dân dụng

[sửa | sửa mã nguồn]
Quản lý và điều hành xe

1. Giám sát quản lý vận tải, theo dõi vị trí, tốc độ, hướng di chuyển,… 2. Giám sát mại vụ, giám sát vận tải hành khách,.. 3. Chống trộm cho ứng dụng thuê xe tự lái, theo dõi lộ trình của đoàn xe 4. Liên lạc, theo dõi định vị cho các ứng dụng giao hàng GPS có nhiều ứng dụng mạnh mẽ trong quản lý xe ô tô, đặc biệt là các loại xe như: Xe taxi, xe tải, xe công trình, xe bus, xe khách, xe tự lái. Với nhiều tính năng như:

  • Giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe….
  • Xác định vị trí xe chính xác ở từng góc đường (vị trí xe được thể hiện nháp nháy trên bản đồ), xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang chạy, biết được lộ trình hiện tại xe đang đi (real time)
  • Lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn hình
  • Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc tùy chọn
  • Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm
  • Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng)
  • Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn
  • Chức năng chống trộm
Khảo sát trắc địa, môi trường
Dùng trong điều tra, khảo sát, thiết kế các công trình lâm sinh

Các hạn chế trong ứng dụng dân dụng

[sửa | sửa mã nguồn]

Chính phủ Hoa Kỳ kiểm soát vệc xuất khẩu một số máy thu dân dụng. Tất cả máy thu GPS có khả năng hoạt động ở độ cao trên 18 km (11 mi) và 515 m/s (1.690 ft/s)[44] được phân loại vào nhóm vũ khí theo đó cần phải có phép sử dụng của Bộ ngoại giao Hoa Kỳ. Những hạn chế này nhắm mục đích ngăn ngừa việc sử dụng các máy thu trong tên lửa đạn đạo, trừ việc sử dụng trong tên lửa hành trình do độ cao và tốc độ của các loại này tương tự như các máy bay.

Quy định pháp lý tại Việt Nam về GPS

[sửa | sửa mã nguồn]
  • Nghị định 91/2009/NĐ-CP về thiết bị giám sát hành trình xe.
  • Thông tư 14/2010/TT-BGTGT về dùng GPS giám sát hoạt động vận tải.
  • Thông tư số 69/2011/TT-BNNPTNT Hướng dẫn thực hiện một số nội dung Quy chế quản lý đầu tư xây dựng công trình lâm sinh ban hành kèm theo quyết định số 73/2010/QĐ-TTg ngày 16 tháng 11 năm 2010 của Thủ tướng Chính phủ

Các thiết bị ứng dụng GPS

[sửa | sửa mã nguồn]

Trong quân sự

[sửa | sửa mã nguồn]

Các hệ thống định vị khác

[sửa | sửa mã nguồn]

Các hệ thống định vị vệ tinh khác được sử dụng ở một số nơi bao gồm:

  • Galileo – hệ thống toàn cầu do EU và các quốc gia đối tác khác phát triển, dự kiến đưa vào sử dụng năm 2014.
  • Beidou (Bắc Đẩu) – là hệ thống riêng của CHDNND Trung Hoa phát triển, phủ ở châu Á và tây Thái Bình Dương[45]
  • COMPASS – Hệ thống toàn cầu của CHDNND Trung Hoa, dự kiến đưa vào sử dụng năm 2020[46][47]
  • GLONASS – Hệ thống địa vị toàn cầu của Nga.
  • IRNSS – Hệ thống định vị khu vực của Ấn Độ, dự kiến đưa vào sử dụng năm 2012, phủ Ấn Độ và bắc Ấn Độ Dương[48]
  • QZSS – Hệ thống định vị khu vực của Nhật Bản, phủ châu Á và châu Đại Dương.

Xem thêm

[sửa | sửa mã nguồn]

Tham khảo

[sửa | sửa mã nguồn]
  1. 1 2 "Fiscal Year 2023 Program Funding". ngày 27 tháng 4 năm 2022. Bản gốc lưu trữ ngày 18 tháng 1 năm 2024. Truy cập ngày 24 tháng 9 năm 2023.
  2. ↑ United States Department of Defense (tháng 9 năm 2008). "Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Standard" (PDF) (ấn bản thứ 4). Lưu trữ (PDF) bản gốc ngày 27 tháng 4 năm 2017. Truy cập ngày 21 tháng 4 năm 2017.
  3. ↑ "GPS – NASA" (bằng tiếng Anh). ngày 25 tháng 9 năm 2023. Truy cập ngày 5 tháng 1 năm 2025.
  4. ↑ Science Reference Section (ngày 19 tháng 11 năm 2019). "What is a GPS? How does it work?". Everyday Mysteries. Library of Congress. Lưu trữ bản gốc ngày 12 tháng 4 năm 2022. Truy cập ngày 12 tháng 4 năm 2022.
  5. ↑ Raza, Khalid (ngày 16 tháng 10 năm 2020). Computational Intelligence Methods in COVID-19: Surveillance, Prevention, Prediction and Diagnosis (bằng tiếng Anh). Springer Nature. tr. 114. ISBN 978-981-15-8534-0.
  6. ↑ National Coordination Office for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing (ngày 22 tháng 2 năm 2021). "What is GPS?". Lưu trữ bản gốc ngày 6 tháng 5 năm 2021. Truy cập ngày 5 tháng 5 năm 2021.
  7. 1 2 Lee, Eunsu (2023). Geographic Information Systems for Intermodal Transportation: Methods, Models, and Applications. Elsevier. tr. 3. ISBN 978-0-323-90130-7.
  8. ↑ "Statement by Deputy Press Secretary Speakes on the Soviet Attack on a Korean Civilian Airliner". Archives. Ronald Reagan Presidential Library. Truy cập ngày 27 tháng 5 năm 2025.
  9. 1 2 National Coordination Office for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing (ngày 3 tháng 3 năm 2022). "GPS Accuracy". GPS.gov. Lưu trữ bản gốc ngày 12 tháng 4 năm 2022. Truy cập ngày 12 tháng 4 năm 2022.
  10. ↑ "Selective Availability | GPS.gov". www.gps.gov. Truy cập ngày 17 tháng 12 năm 2025.
  11. ↑ "Factsheets: GPS Advanced Control Segment (OCX)". Losangeles.af.mil. ngày 25 tháng 10 năm 2011. Lưu trữ bản gốc ngày 3 tháng 5 năm 2012. Truy cập ngày 6 tháng 11 năm 2011.
  12. ↑ Kastrenakes, Jacob (ngày 25 tháng 9 năm 2017). "GPS will be accurate within one foot in some phones next year". The Verge. Lưu trữ bản gốc ngày 18 tháng 1 năm 2018. Truy cập ngày 17 tháng 1 năm 2018.
  13. ↑ Moore, Samuel K. (ngày 21 tháng 9 năm 2017). "Superaccurate GPS Chips Coming to Smartphones in 2018". IEEE Spectrum. Lưu trữ bản gốc ngày 18 tháng 1 năm 2018. Truy cập ngày 17 tháng 1 năm 2018.
  14. ↑ "How Do You Measure Your Location Using GPS?". NIST. National Institute of Standards and Technology. ngày 17 tháng 3 năm 2021. Truy cập ngày 7 tháng 3 năm 2022.
  15. ↑ "New Civil Signals". GPS.gov. Bản gốc lưu trữ ngày 18 tháng 7 năm 2019. Truy cập ngày 22 tháng 11 năm 2023.
  16. ↑ National Research Council (U.S.). Committee on the Future of the Global Positioning System; National Academy of Public Administration (1995). The global positioning system: a shared national asset: recommendations for technical improvements and enhancements. National Academies Press. tr. 16. ISBN 978-0-309-05283-2. Truy cập ngày 16 tháng 8 năm 2013.
  17. ↑ Ann Darrin; Beth L. O'Leary (ngày 26 tháng 6 năm 2009). Handbook of Space Engineering, Archaeology, and Heritage. CRC Press. tr. 239–240. ISBN 978-1-4200-8432-0. Lưu trữ bản gốc ngày 14 tháng 8 năm 2021. Truy cập ngày 28 tháng 7 năm 2021.
  18. ↑ Butterly, Amelia (ngày 20 tháng 5 năm 2018). "100 Women: Gladys West – the 'hidden figure' of GPS". BBC News. Lưu trữ bản gốc ngày 13 tháng 2 năm 2019. Truy cập ngày 17 tháng 1 năm 2019.
  19. ↑ Mohdin, Aamna (ngày 19 tháng 11 năm 2020). "Gladys West: the hidden figure who helped invent GPS". The Guardian (bằng tiếng Anh). ISSN 0261-3077. Truy cập ngày 29 tháng 11 năm 2023.
  20. ↑ "Inside the box: GPS and relativity - GPS World" (bằng tiếng Anh). ngày 9 tháng 10 năm 2023. Truy cập ngày 10 tháng 12 năm 2025.
  21. ↑ "The Satellite Clock | GEOG 862: GPS and GNSS for Geospatial Professionals". www.e-education.psu.edu. Truy cập ngày 10 tháng 12 năm 2025.
  22. ↑ Relativistische Zeitdilatation eines künstlichen Satelliten (Sự giãn nở thời gian tương đối tính của một vệ tinh nhân tạo). Astronautica Acta II (tiếng Đức) (25). Truy cập ngày 19 tháng 10 năm 2014. Bản gốc lưu trữ ngày 3 tháng 7 năm 2014. Truy cập ngày 20 tháng 10 năm 2014.
  23. ↑ Guier, William H.; Weiffenbach, George C. (1997). "Genesis of Satellite Navigation" (PDF). Johns Hopkins APL Technical Digest. 19 (1): 178–181. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 12 tháng 5 năm 2012. Truy cập ngày 9 tháng 4 năm 2012.
  24. ↑ Johnson, Steven (2010), Where good ideas come from, the natural history of innovation, New York: Riverhead Books
  25. ↑ Worth, Helen E.; Warren, Mame (2009). Transit to Tomorrow. Fifty Years of Space Research at The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (PDF). Lưu trữ (PDF) bản gốc ngày 26 tháng 12 năm 2020. Truy cập ngày 3 tháng 3 năm 2013.
  26. ↑ Alexandrow, Catherine (tháng 4 năm 2008). "The Story of GPS". Bản gốc lưu trữ ngày 24 tháng 2 năm 2013.
  27. ↑ DARPA: 50 Years of Bridging the Gap. tháng 4 năm 2008. Bản gốc lưu trữ ngày 6 tháng 5 năm 2011.
  28. ↑ Howell, Elizabeth. "Navstar: GPS Satellite Network". SPACE.com. Lưu trữ bản gốc ngày 17 tháng 2 năm 2013. Truy cập ngày 14 tháng 2 năm 2013.
  29. ↑ "NRL Launched First Time-Based Navigation Satellite in 1967". U.S. Naval Research Laboratory (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 5 tháng 1 năm 2025.
  30. ↑ Proc, Jerry. "Omega". Jproc.ca. Lưu trữ bản gốc ngày 5 tháng 1 năm 2010. Truy cập ngày 8 tháng 12 năm 2009.
  31. ↑ "Arms Race and Cold War - UPSC Notes » LotusArise" (bằng tiếng Anh). ngày 1 tháng 3 năm 2024. Truy cập ngày 10 tháng 12 năm 2025.
  32. ↑ "Arms Race: Definition, Cold War & Nuclear Arms". History.com (bằng tiếng Anh). ngày 14 tháng 10 năm 2009. Truy cập ngày 10 tháng 12 năm 2025.
  33. ↑ "U.S. Nuclear Weapons: Changes in Policy and Force Structure". www.everycrsreport.com (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 10 tháng 12 năm 2025.
  34. ↑ "Why Did the Department of Defense Develop GPS?". Trimble Navigation Ltd. Bản gốc lưu trữ ngày 18 tháng 10 năm 2007. Truy cập ngày 13 tháng 1 năm 2010.
  35. ↑ "Charting a Course Toward Global Navigation". The Aerospace Corporation. Bản gốc lưu trữ ngày 1 tháng 11 năm 2002. Truy cập ngày 14 tháng 10 năm 2013.
  36. ↑ "A Guide to the Global Positioning System (GPS) – GPS Timeline". Radio Shack. Bản gốc lưu trữ ngày 13 tháng 2 năm 2010. Truy cập ngày 14 tháng 1 năm 2010.
  37. ↑ "Geodetic Explorer – A Press Kit" (PDF). NASA. ngày 29 tháng 10 năm 2015. Lưu trữ (PDF) bản gốc ngày 11 tháng 2 năm 2014. Truy cập ngày 20 tháng 10 năm 2015.
  38. ↑ "SECOR Chronology". Mark Wade's Encyclopedia Astronautica. Bản gốc lưu trữ ngày 16 tháng 1 năm 2010. Truy cập ngày 19 tháng 1 năm 2010.
  39. ↑ John Pike. "GPS III Operational Control Segment (OCX)". Globalsecurity.org. Truy cập ngày 8 tháng 12 năm 2009.
  40. ↑ "Global Positioning System". Gps.gov. Bản gốc lưu trữ ngày 18 tháng 5 năm 2012. Truy cập ngày 26 tháng 6 năm 2010.
  41. ↑ Agnew, D.C. and Larson, K.M. (2007). "Finding the repeat times of the GPS constellation". GPS Solutions. Quyển 11 số 1. Springer. tr. 71–76. doi:10.1007/s10291-006-0038-4.{{Chú thích tạp chí}}: Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết) This article from author's web site Lưu trữ ngày 16 tháng 2 năm 2008 tại Wayback Machine, with minor correction.
  42. ↑ United States Coast Guard General GPS News 9–9–05 Lưu trữ ngày 12 tháng 7 năm 2012 tại archive.today
  43. ↑ USNO NAVSTAR Global Positioning System Lưu trữ ngày 8 tháng 2 năm 2006 tại Wayback Machine. Truy cập ngày 14 tháng 5 năm 2006.
  44. ↑ Arms Control Association.Missile Technology Control Regime Lưu trữ ngày 16 tháng 9 năm 2008 tại Wayback Machine. Truy cập ngày 17 tháng 5 năm 2006.
  45. ↑ Beidou coverage
  46. ↑ "Beidou satellite navigation system to cover whole world in 2020". Eng.chinamil.com.cn. Truy cập ngày 15 tháng 10 năm 2010.
  47. ↑ New York Times
  48. ↑ "ASM, News on GIS, GNSS, spatial information, remote sensing, mapping and surveying technologies for Asia". Asmmag.com. Truy cập ngày 13 tháng 10 năm 2009.[liên kết hỏng]

Liên kết ngoài

[sửa | sửa mã nguồn]
Lấy từ “https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=GPS&oldid=75000810”