HDG giải thích: GPS hoạt động như thế nào?


Lần cuối cùng bạn sử dụng điện thoại để có Google Maps xác định chính xác vị trí của bạn trên bản đồ, bạn đã bao giờ dừng lại và tự hỏi làm thế nào để GPS hoạt động chính xác như vậy?

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS ) hệ thống thực sự đã được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đưa ra vào năm 1973 (được gọi là NAVSTAR). Đến năm 1993, có 24 vệ tinh GPS quay quanh Trái đất và phát sóng dữ liệu quỹ đạo và vị trí mà quân đội có thể sử dụng cho mục đích điều hướng và các mục đích quân sự khác. Ngày nay, khi viết bài này, có 28.

Vào những năm 1980, dữ liệu được truyền từ các vệ tinh GPS đã được mở ra cho công chúng, mở ra toàn bộ thị trường cho các loại thiết bị định vị GPS rộng lớn mà chúng ta có hôm nay.

Kể từ khi viết bài viết này, Nga, Trung Quốc, Châu Âu và Ấn Độ đều có hệ thống GPS hoạt động riêng. Nhật Bản đang phát triển hệ thống GPS của riêng mình dự kiến ​​sẽ hoạt động vào năm 2023.

GPS hoạt động như thế nào?

Trong khi công nghệ vệ tinh GPS dựa trên nâng cao, cách hệ thống vận hành đơn giản một cách ấn tượng.

Có ba thành phần cho bất kỳ hệ thống điều hướng GPS riêng lẻ nào.

In_content_1 all: [300x250] / dfp: [ 640x360]->
  • Vệ tinh: Các vệ tinh GPS quay quanh Trái đất và truyền thời gian và vị trí quỹ đạo hiện tại của chúng cho tất cả các máy thu GPS ở phía bên kia hành tinh của chúng.
  • Trung tâm chỉ huy: Trung tâm chỉ huy truyền dữ liệu quỹ đạo, hiệu chỉnh thời gian và vị trí quỹ đạo của các vệ tinh khác lên đến các vệ tinh trên quỹ đạo.
  • Máy thu GPS: Máy thu GPS trên Trái đất nhận thời gian quỹ đạo từ số lượng vệ tinh trong phạm vi và tính toán vị trí của chính nó trên Trái đất dựa trên vị trí của ít nhất bốn vệ tinh GPS.
  • Máy thu GPS sử dụng toán học nguyên tắc được gọi là tam giác để tính toán vị trí của chính nó.

    Cách thức hoạt động của tam giác GPS

    Từ bất kỳ điểm nào trên hành tinh, nếu bạn đang cầm máy thu GPS (như thiết bị nhận trong điện thoại của bạn), Máy thu GPS nhận dấu thời gian từ đồng hồ được đồng bộ hóa trên mỗi vệ tinh GPS trên đầu.

    Sử dụng sự khác biệt về dấu thời gian và tốc độ ánh sáng không đổi mà sóng vô tuyến truyền đi, máy thu GPS có thể xác định khoảng cách giữa nơi bạn đang đứng trước mỗi vệ tinh.

    Điều này cung cấp cho máy thu GPS với bán kính của các quả cầu với các vệ tinh ở trung tâm và vị trí của bạn ở rìa của quả cầu.

    Vì mỗi vệ tinh di chuyển trong một dự đoán quỹ đạo trên trái đất, người nhận có thể sử dụng một niên giám được lưu trữ của vị trí đã biết hiện tại của tất cả các vệ tinh GPS để xác định vị trí, khoảng, những vệ tinh đó hiện đang nằm trên trái đất.

    Với vị trí đã biết của từng vệ tinh và khoảng cách đo được giữa các vệ tinh và vị trí của bạn, GPS của bạn có thể tính toán vị trí gần đúng của bạn bằng cách xác định vị trí giao nhau của ba quả cầu đó với nhau trên bề mặt Trái đất.

    Sau đó, máy thu sẽ hiển thị vị trí đó cho bạn trên bản đồ.

    Ba vệ tinh cung cấp một vị trí gồ ghề và máy thu GPS yêu cầu tín hiệu thứ tư từ một vệ tinh GPS khác để xác định độ cao hiện tại của bạn trên Bề mặt trái đất sử dụng một nguyên tắc toán học khác được gọi là trilateration.

    Cách điện thoại cảm biến GPS của bạn hoạt động

    Hầu hết các điện thoại thông minh hiện đại ngày nay đều được trang bị chip nhận GPS. Con chip này có thể nhận tín hiệu vô tuyến từ các vệ tinh GPS.

    Đồng hồ điện thoại của bạn không phải là đồng hồ nguyên tử, vì vậy thời gian của nó không được đồng bộ hóa với đồng hồ nguyên tử của các vệ tinh trên quỹ đạo. Tuy nhiên, điều này không thành vấn đề khi tính toán vị trí bằng các tín hiệu từ các vệ tinh đó.

    Điều này là do máy thu GPS điện thoại của bạn đang tập trung vào dữ liệu mà nó nhận được từ các vệ tinh và cơ sở dữ liệu về các vị trí vệ tinh đã biết trên Trái đất. Vì tất cả các vệ tinh đều có đồng hồ nguyên tử, thời gian hiện tại trên mỗi vệ tinh hoàn toàn giống nhau tại bất kỳ thời điểm nào.

    Tuy nhiên, do khoảng cách từ vệ tinh và thực tế là tín hiệu vô tuyến truyền đi ở tốc độ ánh sáng, sự khác biệt giữa mỗi dấu thời gian nhận được cho thấy khoảng cách giữa điện thoại của bạn và từng vệ tinh.

    Đây là cách quá trình GPS này hoạt động:

    • Cả bốn các vệ tinh truyền cùng dấu thời gian chính xác đến điện thoại của bạn lúc 5:12:14 PM.
    • Điện thoại của bạn nhận được dấu thời gian đó vào lúc 5:12:15 từ vệ tinh 1.
    • Nó nhận được dấu thời gian lúc 5:12:16 từ vệ tinh 2.
    • Cuối cùng, lúc 5:12:17, nó nhận được dấu thời gian từ vệ tinh 3.
    • Điều này cho biết máy thu GPS của bạn rằng phải mất 1 giây để tín hiệu vô tuyến truyền đến nó từ vệ tinh 1, 2 giây từ vệ tinh 2 và 3 giây từ vệ tinh 3.

      Tốc độ ánh sáng là hằng số đã biết là 299.792.458 mét mỗi giây.

      Sử dụng toán đơn giản, người nhận ca n tính toán rằng khoảng cách của nó là khoảng 300 nghìn mét từ vệ tinh 1, 600 nghìn mét từ vệ tinh 2 và 900 nghìn mét từ vệ tinh 3.

      Sử dụng bảng tra cứu từ cơ sở dữ liệu vệ tinh GPS, máy thu GPS điện thoại của bạn biết vị trí gần đúng trên trái đất của cả ba vệ tinh , cung cấp tọa độ kinh độ và vĩ độ của cả ba.

      Với thông tin đó, điện thoại của bạn có thể tính toán tọa độ kinh độ và vĩ độ của riêng bạn trên Trái đất.

      Sử dụng tọa độ đã biết, máy thu GPS của bạn có thể sử dụng khoảng cách đo được giữa chính nó và một vệ tinh thứ tư để xác định độ cao nào trên Trái đất mà bạn đang nằm.

      Hệ thống định vị toàn cầu được hỗ trợ là gì?

      Trước khi điện thoại thông minh bắt đầu tích hợp mạch GPS, mọi người thường sẽ sử dụng máy thu GPS cầm tay chạy hết pin AA. Hoặc họ sẽ cài đặt các đơn vị GPS trong xe ô tô chạy kết nối với pin điện thoại.

      Điều này là do liên lạc vô tuyến đòi hỏi nhiều năng lượng hơn. Hạn chế của điều này là bạn thường phải chờ vài phút để máy thu GPS của bạn khóa vào các vệ tinh GPS đủ để tính toán vị trí của bạn.

      Các nhà sản xuất điện thoại thông minh đã khắc phục giới hạn pin này bằng cách kết hợp công nghệ hiện có của nó tế bào tam giác. Rất lâu trước khi điện thoại được bật GPS, họ có thể sử dụng tín hiệu từ các tháp điện thoại di động để định vị vị trí của bạn, sử dụng cùng một loại dấu thời gian tam giác và công nghệ khoảng cách như với các vệ tinh GPS.

      Thật không may, vì điện thoại di động tháp ở trên mặt đất, tính toán điều hướng này là ít chính xác hơn. Vì vậy, phần mềm GPS trên điện thoại thông minh của bạn trước tiên sẽ sử dụng phương pháp tam giác tín hiệu di động để xác định vị trí gần đúng của bạn và sau đó cập nhật vị trí đó khi dữ liệu GPS vệ tinh đã sẵn sàng.

      Điều này cho phép điện thoại thông minh hiện đại dự trữ năng lượng pin bằng cách chỉ sử dụng dữ liệu GPS khi những cập nhật vị trí được yêu cầu. Đây là lý do tại sao bạn có thể thường xuyên xem vị trí của bạn trên Google Maps thỉnh thoảng chuyển đến một vị trí mới khi có dữ liệu chính xác hơn.

      Related posts:


      30.12.2019