Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách thức hoạt động của GPS, cách nó tính toán vị trí của chúng ta và cách các vệ tinh GPS cung cấp thông tin vị trí ở bất kỳ đâu trên Trái đất.
GPS là một công nghệ mà chúng ta rất quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày, dù đó là cảnh sát theo dõi vị trí của nghi phạm hay sử dụng định vị trên điện thoại thông minh. Dưới đây là một cảnh trong tiểu thuyết "Mật mã Da Vinci" của Dan Brown. Sophie và Langdon đang trốn trong nhà vệ sinh. Sophie quyết định giúp Langdon trốn thoát; cô lấy thiết bị theo dõi từ túi áo khoác bên trái của anh, đặt nó vào bên trong một thỏi xà phòng và ném về phía một chiếc xe kéo đang chạy ngang qua. Cảnh sát nhầm tưởng Langdon đã lên xe kéo và đuổi theo nhưng không thành công, nhờ đó Langdon và Sophie đã trốn thoát khỏi Bảo tàng Louvre an toàn. Làm thế nào cảnh sát có thể theo dõi vị trí của Langdon bằng thiết bị theo dõi? Nguyên tắc đằng sau đó nằm ở GPS.
GPS (Hệ thống Định vị Toàn cầu) là một hệ thống định vị vệ tinh tính toán vị trí của người dùng bằng cách sử dụng các tín hiệu được truyền bởi các vệ tinh.
Liệu có thể xác định vị trí chỉ bằng một vệ tinh? Rất tiếc là không. Điều này là do thông tin khoảng cách do một vệ tinh duy nhất cung cấp tương ứng với vô số vị trí khả dĩ ở cùng khoảng cách đó. Khi số lượng vệ tinh tăng lên, các vị trí chồng chéo sẽ thu hẹp từ một khu vực thành một đường thẳng, và sau đó thành một điểm duy nhất.
Để hiểu được số lượng vệ tinh tối ưu, trước tiên chúng ta phải hiểu khái niệm về chiều không gian. Chiều không gian được định nghĩa bởi số hướng mà một vật thể có thể di chuyển độc lập. Điều này là bởi vì việc biết vật thể đã di chuyển bao xa và theo hướng nào so với một điểm tham chiếu cho phép chúng ta xác định vị trí của nó.
Trong không gian một chiều, vị trí của một vật thể có thể được xác định đơn giản bằng cách biết nó đã di chuyển bao xa về phía trước hoặc phía sau. Trong không gian hai chiều, cần thông tin theo hai hướng—tiến/lùi và trái/phải. Vậy còn không gian ba chiều thì sao? Cả ba hướng—tiến/lùi, trái/phải và lên/xuống—đều cần thiết. Vì không gian chúng ta đang sống là ba chiều, nên cần thông tin về cả ba hướng này để tính toán vị trí.
Do đó, cần bốn vệ tinh để tính toán vị trí chính xác trong không gian ba chiều, vì cần thông tin về điểm tham chiếu cũng như các hướng tiến-lùi, trái-phải và trên-dưới. Tuy nhiên, bằng cách tận dụng thực tế người dùng đang ở trên bề mặt Trái đất, chính Trái đất có thể đóng vai trò là mặt phẳng tham chiếu, có nghĩa là, về lý thuyết, vị trí có thể được tính toán chỉ bằng ba vệ tinh. Tuy nhiên, các hệ thống GPS thực tế sử dụng tổng cộng bốn tín hiệu vệ tinh. Vệ tinh bổ sung được sử dụng để hiệu chỉnh các lỗi thời gian xảy ra trong quá trình truyền và nhận tín hiệu; nó giúp xác định vị trí chính xác hơn bằng cách tính toán thời gian ánh sáng truyền đi.
Bây giờ, chúng ta hãy xem cách tính toán thông tin khoảng cách nhận được từ các vệ tinh. Trong phần này, bạn sẽ thấy tại sao định lý Pitago và các hàm lượng giác—những kiến thức bạn đã học trong môn toán trung học cơ sở—lại quan trọng.
Phép tam giác hóa là một phương pháp tính toán tọa độ và khoảng cách của một điểm cho trước bằng cách sử dụng các thuộc tính của tam giác. Cho hai điểm tham chiếu, nếu bạn đo các góc tạo bởi cạnh đáy và hai cạnh còn lại của tam giác được tạo bởi vị trí chưa biết và hai điểm tham chiếu đó—và biết độ dài các cạnh—bạn có thể tính toán tọa độ và khoảng cách bằng cách sử dụng định luật sin và các công thức khác.
Ví dụ, giả sử chúng ta đang đo khoảng cách từ bãi biển đến một con tàu ngoài khơi. Một người quan sát đo các góc α và β từ hai điểm cố định, A và B, tương ứng. Nếu khoảng cách l giữa A và B được cho trước, hoặc nếu tọa độ của hai điểm được biết, tọa độ của con tàu tại điểm C có thể được tính toán bằng cách sử dụng các tính chất của tam giác đồng dạng và định luật sin, và khoảng cách d từ bãi biển đến con tàu cũng có thể được xác định. Hệ thống GPS hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự.
Nó tính toán vị trí của một vật thể trên Trái đất bằng cách kết hợp vị trí của các vệ tinh với thông tin khoảng cách đo được từ chúng.
Hiện nay, hệ thống GPS bao gồm khoảng 31 vệ tinh đang hoạt động; trong số đó, thông thường có từ 24 vệ tinh trở lên tạo thành hệ thống hoạt động cốt lõi, trong khi số còn lại đóng vai trò dự phòng hoặc tăng cường hiệu suất. Các vệ tinh này quay quanh Trái đất theo nhiều mặt phẳng quỹ đạo và được thiết kế sao cho nhiều vệ tinh GPS có thể được quan sát đồng thời từ bất cứ đâu trên thế giới. Điều này đảm bảo tín hiệu ổn định từ ít nhất bốn vệ tinh, cung cấp thông tin vị trí chính xác hơn. Các vệ tinh GPS được cung cấp năng lượng bởi các tấm pin mặt trời.
Hãy dành chút thời gian ngước nhìn bầu trời đêm. Nếu bạn thấy một chấm sáng di chuyển đặc biệt, đó có thể là một vệ tinh GPS đang tính toán vị trí của bạn.
