GPS là một công nghệ được ứng dụng rất phổ biến với các thiết bị thông minh hiện đại như điện thoại, drone, ô tô, máy bay và nhiều thiết bị khác. Vậy GPS là gì? Nguyên lý hoạt động như thế nào? Được ứng dụng trong những lĩnh vực nào? Cùng DRONE1 tìm hiểu chi tiết trong bài viết này nhé.
GPS là gì?
GPS (viết tắt của: Global Positioning System – Hệ thống Định vị Toàn cầu) là một hệ thống được tạo thành bởi các thành phần chính dưới đây:
- Phần không gian (Space Segment): Gồm ít nhất 24 vệ tinh quay quanh Trái Đất ở độ cao khoảng 20.200 km, trong sáu mặt phẳng quỹ đạo. Các vệ tinh này phát tín hiệu vô tuyến chứa thông tin về vị trí và thời gian chính xác.
- Phần điều khiển (Control Segment): Bao gồm các trạm điều khiển và giám sát trên mặt đất phân bố khắp thế giới. Các trạm này theo dõi vệ tinh, điều chỉnh vị trí của chúng, và cập nhật dữ liệu điều hướng để đảm bảo các vệ tinh hoạt động ổn định và chính xác.
- Phần người dùng (User Segment): Bao gồm các thiết bị thu GPS, như điện thoại di động, hệ thống điều khiển thiết bị bay drone, hệ thống điều hướng xe hơi hoặc các thiết bị chuyên dụng. Những thiết bị này nhận tín hiệu từ các vệ tinh, tính toán thời gian truyền tín hiệu và sử dụng dữ liệu từ ít nhất bốn vệ tinh để xác định vị trí chính xác đến từng centimet trên bề mặt Trái Đất.
Hệ thống định vị toàn cầu GPS được phát triển và vận hành bởi Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ. Ban đầu, GPS là một dự án được phát triển cho các mục đích quân sự nhằm cung cấp định vị chính xác cho quân đội Mỹ. Tuy nhiên, vào những năm 1980, GPS đã được mở rộng cho người dùng dân sự trên phạm vi toàn cầu.
Hệ thống GPS được duy trì hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, ở bất kỳ đâu trên Trái Đất, liên tục 24/7 và hoàn toàn miễn phí cho hầu hết các dịch vụ.
GNSS là gì?
GNSS (viết tắt của: Global Navigation Satellite System – Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu) là tên gọi được sử dụng chung cho tất cả các các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh bao gồm: GPS, GLONASS, Galileo và BeiDou. GNSS là khái niệm rộng hơn GPS và có khả năng kết hợp nhiều hệ thống định vị vệ tinh khác nhau để cải thiện độ chính xác và tính khả dụng.
Sự khác biệt giữa GPS và GNSS
Mặc dù có tên gọi khi được dịch nghĩa ra thì khá giống nhau là: Hệ thống định vị toàn cầu và Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu. Tuy nhiên về bản chất thì GPS và GNSS là 2 khái niệm có một số điểm khác biệt như:
- Phạm vi: GPS chỉ là một phần của GNSS. GNSS khái niệm chung bao gồm cả GPS và các hệ thống định vị toàn cầu khác như GLONASS, Galileo và BeiDou.
- Số lượng vệ tinh: GNSS có thể sử dụng nhiều hệ thống vệ tinh với rất nhiều vệ tinh từ các quốc gia khác nhau, trong khi GPS chỉ sử dụng mạng lưới vệ tinh của Mỹ. Điều này làm cho GNSS có khả năng cung cấp tín hiệu từ nhiều vệ tinh hơn, giúp nâng cao tối đa độ chính xác trong định vị.
- Độ chính xác: GNSS thường có độ chính xác cao hơn vì nó kết hợp thông tin từ nhiều hệ thống vệ tinh khác nhau, trong khi GPS chỉ dựa vào hệ thống của Mỹ.
Nguyên lý hoạt động của GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS sử dụng các vệ tinh quay quanh Trái Đất để cung cấp dữ liệu về vị trí và thời gian cho các thiết bị thu trên mặt đất. Dưới đây là các bước mô tả nguyên lý hoạt động của GPS:
– Phát tín hiệu từ vệ tinh: Hệ thống GPS bao gồm ít nhất 24 vệ tinh quay quanh Trái Đất ở độ cao khoảng 20.200 km. Mỗi vệ tinh sẽ di chuyển hai vòng quay quanh Trái Đất mỗi ngày và liên tục phát ra tín hiệu vô tuyến chứa thông tin về vị trí của vệ tinh và thời gian phát tín hiệu.
– Nhận tín hiệu từ vệ tinh: Các thiết bị thu GPS sẽ nhận tín hiệu từ các vệ tinh GPS (chứa thông tin về vị trí của vệ tinh và thời gian tín hiệu được phát ra). Sau đó tính toán sự chênh lệch thời gian tín hiệu phát ra từ vệ tinh với thời gian tín hiệu đó đến thiết bị thu GPS, rồi nhân với tốc độ ánh sáng để có thể xác định khoảng cách từ vệ tinh đến thiết bị.
– Tính toán vị trí bằng trilateration: Để xác định vị trí 2D (2 chiều: vĩ độ và kinh độ), thiết bị thu GPS cần nhận tín hiệu từ ít nhất ba vệ tinh. Tuy nhiên, để xác định vị trí 3D (3 chiều: vĩ độ, kinh độ và độ cao), thiết bị cần nhận tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh. Vệ tinh thứ tư thường được sử dụng để hiệu chỉnh thời gian, đồng thời xác định độ cao một cách chính xác hơn.
– Điều chỉnh sai lệch: Tín hiệu GPS đôi khi có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như lực hấp dẫn hoặc vật cản như tòa nhà và cây cối. Để đảm bảo độ chính xác, các trạm điều khiển GPS trên mặt đất giám sát liên tục và điều chỉnh dữ liệu từ các vệ tinh, sau đó truyền các điều chỉnh này đến thiết bị thu GPS.
– Cung cấp thông tin bổ sung: Sau khi tính toán được vị trí, thiết bị thu GPS có thể cung cấp thêm các thông tin hữu ích khác như tốc độ di chuyển, hướng di chuyển, và quãng đường đã đi.
Hệ thống định vị toàn cầu khác
Ngoài hệ thống định vị toàn cầu GPS của Mỹ thì nhiều nước khác cũng đã phát triển hệ thống định vị vệ tinh riêng của họ. Dưới đây là 3 hệ thống định vị toàn cầu nổi bật khác:
GLONASS là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu được Nga phát triển và quản lý, cung cấp dữ liệu về vị trí và thời gian tương tự như GPS. Với khoảng 24 vệ tinh hoạt động, GLONASS thường được kết hợp với GPS để tăng độ chính xác và độ tin cậy trong các điều kiện môi trường khó khăn, giúp các thiết bị định vị hoạt động tốt hơn ngay cả khi tín hiệu GPS yếu.
2. Galileo – Liên minh châu Âu
Galileo là hệ thống định vị toàn cầu do Liên minh châu Âu phát triển và quản lý. Hệ thống định vị này hoạt động độc lập với GPS và GLONASS, giúp cung cấp dữ liệu định vị chính xác với khoảng 30 vệ tinh. Galileo được ứng dụng phổ biến trong thương mại và công nghệ tự động. Hệ thống này cũng có thể kết hợp với GPS để cải thiện độ chính xác và ổn định trên toàn cầu.
BeiDou là hệ thống định vị toàn cầu của Trung Quốc, hoạt động độc lập với GPS, Galileo, và GLONASS. Hệ thống này cung cấp dịch vụ định vị và thời gian chính xác trên toàn cầu với sự hỗ trợ của khoảng 35 vệ tinh trong quỹ đạo. BeiDou cũng được áp dụng vào các mẫu drone, flycam của hãng DJI, giúp những thiết bị bay của hãng này có thể hoạt động rất ổn định.
Thông thường các thiết bị điều khiển tự động như drone, xe ô tô tự lái, hệ thống điều khiển tự động trong nông nghiệp,… thường sử dụng cùng lúc nhiều hệ thống định vị khác nhau như GPS, GLONASS, Galileo, và BeiDou. Việc kết hợp nhiều hệ thống định vị sẽ giúp thiết bị tự động vẫn hoạt động chính xác khi một hệ thống định vị bị nhiễu sóng.
Ứng dụng của GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS được ứng dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực đời sống hiện đại. Dưới đây là những ứng dụng nổi bật nhất của công nghệ GPS:
- Hàng không và hàng hải: GPS giúp các phi công và thuyền trưởng điều hướng chính xác, tránh va chạm và tối ưu hóa hành trình. Hệ thống này cũng hỗ trợ việc hạ cánh, cất cánh an toàn và dẫn đường trên biển.
- Quân sự: GPS được phát triển cho mục đích quân sự và hiện vẫn đóng vai trò rất quan trọng trong việc dẫn đường, xác định mục tiêu và điều hướng cho các phương tiện quân sự, máy bay không người lái và tên lửa, giúp tăng độ chính xác trong các nhiệm vụ chiến đấu.
- Nông nghiệp chính xác: GPS được sử dụng để hỗ trợ điều khiển tự động các máy móc nông nghiệp và máy bay nông nghiệp, giúp tự động hóa các các quy trình nông nghiệp như cày xới, gieo trồng, phun thuốc, bón phân và thu hoạch. Góp phần giúp nông dân tối ưu hóa tài nguyên và cải thiện năng suất.
- Hệ thống xe tự lái và giao thông: GPS được ứng dụng rộng rãi vào các hỗ trợ các hệ thống xe tự lái và giúp cải thiện quản lý giao thông, từ việc theo dõi phương tiện, tối ưu hóa lộ trình, đến cung cấp thông tin giao thông thời gian thực (ví dụ tắc đường).
- Điện thoại di động: GPS là một phần quan trọng trong các thiết bị di động, giúp người dùng điều hướng, tìm địa điểm và sử dụng các dịch vụ dựa trên vị trí như đặt xe, giao hàng, dẫn đường và nhiều ứng dụng khác.
Ứng dụng của GPS trên Drone, Flycam, UAV
Có một ứng dụng rất quan trọng của công nghệ GPS đó là trong lĩnh vực Drone (máy bay không người lái). Công nghệ GPS giúp tối ưu hoạt động của drone trở nên an toàn và chính xác hơn. Dưới đây là những ứng dụng của GPS được tích hợp trên Drone, Flycam, UAV:
- Định vị và điều hướng: GPS giúp xác định vị trí chính xác của drone trong thời gian thực, hỗ trợ điều khiển drone bay thủ công hoặc tự động, duy trì đường bay ổn định, lơ lửng tại chỗ hoặc thực hiện các thao tác phức tạp mà không cần nhiều sự can thiệp từ người điều khiển.
- Quay về điểm xuất phát (Return-to-Home): Return-to-Home là tính năng dựa vào định vị GPS, cho phép drone tự động quay lại điểm cất cánh khi mất tín hiệu hoặc pin yếu, giúp tránh việc bị lạc và đảm bảo an toàn khi thu hồi thiết bị.
- Bay theo lộ trình định sẵn (Waypoint Navigation): Với công nghệ GPS, drone có thể được thiết lập để bay theo lộ trình được lập trình sẵn bằng cách điều hướng đến các tọa độ GPS cụ thể. Điều này rất hữu ích cho các nhiệm vụ yêu cầu độ chính xác cao như giám sát nông nghiệp, kiểm tra xây dựng và lập bản đồ.
- Giới hạn khu vực bay (Geofencing): Công nghệ GPS giúp giới hạn drone chỉ hoạt động trong các khu vực giới hạn địa lý được xác định trước, đảm bảo thiết bị bay trong khu vực cho phép, tránh các khu vực cấm bay, đảm bảo an toàn và tuân thủ quy định.
- Bay tự động: Công nghệ GPS cho phép drone bay tự động theo các tuyến đường bay đã được lập trình sẵn. Giúp thực hiện các nhiệm vụ như khảo sát hoặc giám sát mà không cần sự can thiệp của người điều khiển. Ứng dụng này phổ biến vào các loại máy bay phun thuốc, drone nông nghiệp hoặc drone thu thập dữ liệu.
- Lập bản đồ địa hình bằng ảnh chụp từ trên không (Photogrammetry): GPS hỗ trợ việc tạo ra các mô hình 3D và bản đồ chính xác bằng cách cung cấp thông tin định vị khi drone thực hiện việc chụp ảnh từ trên không. Ứng dụng này có giá trị trong các ngành như xây dựng, lâm nghiệp và giám sát môi trường.
Lời kết: Trên đây DRONE1 đã giải thích khái niệm về GPS, mô tả chi tiết cách GPS hoạt động cũng như các ứng dụng quan trọng của công nghệ này trong đời sống hiện đại. Công nghệ GPS có vai trò rất quan trọng trong viết hỗ trợ các thiết bị bay không người lái như drone, flycam, UAV có thể bay tự động một cách an toàn, chính xác.
Xem thêm: LiDAR là gì? Cảm biến LiDAR là gì? Hoạt động thế nào?
Tổng hợp bởi: DRONE1
