GPS (hệ thống định vị toàn cầu) hoạt động như thế nào

hệ thống định vị toàn cầu - hay còn được gọi bằng cái tên thân thuộc là GPS, là một mạng lưới 30 vệ tinh quay xung quanh Trái Đất ở độ cao 20.000km. Hệ thống này ban đầu được Mỹ phát triển cho mục đích định vị quân sự, sau đó mở ra cho tất cả mọi người cùng sử dụng miễn là họ dùng một thiết bị có hỗ trợ bóng sóng GPS từ các vệ tinh.

Cái hay của GPS đó là dù bạn ở bất cứ đâu trên Trái Đất, bạn cũng luôn kết nối được tới 4 vệ tinh GPS. Mỗi chiếc vệ tinh sẽ truyền đi thông tin về vị trí của nó cũng như thời gian hiện tại. Việc truyền tải này được thực hiện định kỳ. Các tín hiệu nói trên di chuyển với tốc độ ánh sáng và sẽ được thu nhận bởi thiết bị GPS của bạn, ví dụ như một cái điện thoại di động hay là chiếc smartwatch chẳng hạn. Thiết bị của bạn sẽ tính toán khoảng cách tới các vệ tinh dựa trên quãng thời gian truyền thông tin.

Khi thiết bị của bạn biết được khoảng cách từ ít nhất 3 vệ tinh đến nó, máy sẽ tính toán ra vị trí hiện tại của bạn bằng một quy trình gọi là trilateration.

​

Trilateration

Hãy tưởng tượng rằng bạn đang đứng đâu đó trên Trái Đất và có 3 vệ tinh bay trên đầu bạn. Nếu bạn biết khoảng cách của bạn tới vệ tinh số 1, bạn biết rằng bạn đang đứng đâu đó trong vòng tròn màu đỏ. Tương tự, bạn cũng tính khoảng cách của bạn tới vệ tinh số 2 và số 3, sau đó bạn lấy giao điểm của 3 đường tròn này thì đó chính là vị trí của bạn.

​

Cơ bản phương pháp là thế, còn thực ra thiết bị GPS của bạn sẽ dùng giao điểm của các hình cầu chứ không phải hình tròn, do không gian ba chiều chứ không phải là 2 chiều. Bạn nhìn hình dưới là hiểu ngay.

Độ chính xác của phép tính này tăng lên khi có càng nhiều vệ tinh bay trên đầu bạn, và để "chấm" được vị trí đủ chính xác thì cần 4 vệ tinh trở lên.

​

GPS và Thuyết tương đối

Vệ tinh GPS mang theo các đồng hồ nguyên tử để tính thời gian một cách chính xác. Tuy nhiên, thuyết tương đối dự đoán rằng các đồng hồ này rồi sẽ lệch so với đồng hồ trên Trái Đất.

Cụ thể, Thuyết tương đối rộng (General Relativity) nói rằng thời gian sẽ dường như chậm hơn khi trọng lực mạnh hơn, tức thời gian của đồng hồ trên vệ tinh sẽ chạy nhanh hơn so với đồng hồ ở Trái Đất.

Ngoài ra, Thuyết tương đối hẹp (Special Relativity) còn dự đoán rằng bởi vì đồng hồ trên vệ tinh di chuyển tương đối so với đồng hồ trên Trái Đất, nó sẽ dường như chạy chậm hơn.

Vậy nên hệ thống GPS phải chừa ra các sai số vì những ảnh hưởng nói trên - đây là bằng chứng Thuyết tương đối có ảnh hượng thật tới đời sống của chúng ta.

Ngoài GPS ra còn một số hệ thống định vị khác

Để giảm sự phụ thuộc vào GPS vì các lý do quân sự, chính trị và an ninh, nhiều quốc gia đã thiết lập các hệ thống tương tự như GPS. Ví dụ như:

• Beidou: phóng và vận hành bởi Trung Quốc, 2012 mở cho dân thường sử dụng, 2019 mở cho toàn cầu sử dụng
• Galileo: hệ thống định vị của Liên minh Châu Âu và một số nước thành viên khác, bắt đầu hoạt động vào 2016, dự kiến triển khai đầy đủ vào năm 2020
  
• GLONASS: hệ thống của Nga, đã vận hành toàn cầu
• IRNSS: một hệ thống định vị ở quy mô vùng của Ấn Độ
  
• QZSS: tương tự như trên nhưng dùng cho vùng biển Châu Á, chủ yếu là Nhật Bản

Nguồn: Physics, GIS Geography​