GPS xác định vị trí của bạn bằng cách đo xem tín hiệu từ mỗi vệ tinh mất bao lâu để tới máy thu, rồi đổi thời gian đó thành khoảng cách. Biết khoảng cách tới nhiều vệ tinh mà vị trí của chúng đã biết, máy thu giải ra toạ độ của chính mình. Vì đồng hồ trong điện thoại không đủ chính xác, máy thu cần ít nhất bốn vệ tinh: ba để xác định ba toạ độ không gian và một để giải luôn sai lệch đồng hồ của chính nó.
Điện thoại không phát gì lên vệ tinh. GPS là hệ thống một chiều: vệ tinh phát, máy thu nghe. Ứng dụng theo dõi vị trí gửi toạ độ đi bằng mạng di động hay Wi-Fi, không phải bằng GPS. Tín hiệu đi với tốc độ ánh sáng, khoảng 30 cm mỗi nano giây, nên sai một micro giây trong đo thời gian là sai khoảng 300 m vị trí. Toàn bộ kỹ thuật GPS xoay quanh việc giữ thời gian chính xác ở mức đó, kể cả hiệu chỉnh hiệu ứng của thuyết tương đối.
Hệ thống gồm những gì: vệ tinh, trạm điều khiển và máy thu
GPS do Hoa Kỳ vận hành, gồm ba phần. Phần không gian là chòm vệ tinh ở quỹ đạo tầm trung, độ cao khoảng 20.200 km, chu kỳ gần 12 giờ, phân bố trên sáu mặt phẳng quỹ đạo. Thiết kế cần tối thiểu 24 vệ tinh để từ hầu hết mọi điểm trên mặt đất luôn thấy được ít nhất bốn cái; trên thực tế số vệ tinh đang hoạt động thường nhiều hơn để dự phòng.
Phần điều khiển là mạng trạm mặt đất theo dõi vệ tinh, tính quỹ đạo và sai lệch đồng hồ của từng vệ tinh, rồi tải các thông số đó lên để vệ tinh phát lại cho người dùng. Phần người dùng là mọi máy thu: điện thoại, đồng hồ thể thao, thiết bị dẫn đường tàu thuyền, máy đo đạc, máy bay không người lái phun thuốc trên đồng ruộng.
Mỗi vệ tinh mang đồng hồ nguyên tử (rubidi hoặc cesium) và liên tục phát hai loại thông tin trên cùng sóng mang: một mã giả ngẫu nhiên riêng của vệ tinh đó, đóng vai trò thước đo thời gian, và một bản tin dẫn đường tốc độ chậm (50 bit/giây) chứa thời điểm phát, quỹ đạo chính xác (ephemeris) và thông tin hiệu chỉnh đồng hồ. Tần số dân sự quen thuộc nhất là L1, 1575,42 MHz; các vệ tinh đời mới phát thêm tín hiệu dân sự ở L2 và L5.
Từ năm 2000, Hoa Kỳ tắt chế độ cố ý làm nhiễu độ chính xác cho người dùng dân sự (Selective Availability), và độ chính xác của máy thu dân dụng cải thiện ngay từ cỡ hàng chục mét xuống cỡ vài mét.
Từ thời gian đến vị trí: vì sao cần bốn vệ tinh
Máy thu tạo sẵn bản sao mã giả ngẫu nhiên của từng vệ tinh, rồi dịch bản sao theo thời gian đến khi nó khớp với tín hiệu nhận được. Độ dịch cần thiết chính là thời gian tín hiệu bay. Nhân với tốc độ ánh sáng ra khoảng cách. Vì phép đo này chứa cả sai lệch đồng hồ máy thu, kết quả được gọi là giả cự ly (pseudorange), chứ chưa phải khoảng cách thật.
Nếu đồng hồ máy thu hoàn hảo, ba khoảng cách đủ để định vị: mỗi khoảng cách cho một mặt cầu quanh một vệ tinh, ba mặt cầu cắt nhau tại hai điểm, và một điểm nằm vô lý ngoài không gian. Nhưng đồng hồ thạch anh trong điện thoại có thể lệch hàng micro giây hay hơn, tức sai hàng trăm mét. Thay vì cần đồng hồ nguyên tử trong máy thu, hệ thống coi sai lệch đồng hồ là ẩn số thứ tư. Bốn ẩn (x, y, z và sai lệch đồng hồ) cần bốn phương trình, tức bốn vệ tinh.
Một hệ quả thú vị: sau khi giải xong, điện thoại biết giờ chính xác đến cỡ phần triệu giây hoặc tốt hơn. GPS vì thế là nguồn thời gian chuẩn cho mạng viễn thông, lưới điện và hệ thống giao dịch tài chính, một vai trò ít người biết nhưng quan trọng không kém định vị.
Khi thấy nhiều hơn bốn vệ tinh, máy thu giải bài toán bình phương tối thiểu, dùng số đo dư để giảm sai số và phát hiện số đo bất thường. Điện thoại hiện nay nhận cùng lúc nhiều hệ thống GNSS (GPS, GLONASS của Nga, Galileo của châu Âu, BeiDou của Trung Quốc, QZSS của Nhật Bản), nên thường có hàng chục vệ tinh trong tầm nhìn.
Thuyết tương đối trong túi bạn: 38 micro giây mỗi ngày
GPS là một trong số ít công nghệ dân dụng bắt buộc phải tính đến cả hai thuyết tương đối của Einstein. Theo thuyết tương đối hẹp, đồng hồ chuyển động nhanh chạy chậm hơn so với người quan sát đứng yên; vệ tinh bay khoảng 3,9 km/s nên đồng hồ của nó chậm đi cỡ 7 micro giây mỗi ngày. Theo thuyết tương đối rộng, đồng hồ ở nơi thế hấp dẫn yếu hơn (xa Trái Đất hơn) chạy nhanh hơn; ở độ cao hơn 20.000 km, hiệu ứng này làm đồng hồ vệ tinh nhanh lên cỡ 45 micro giây mỗi ngày.
Cộng lại, đồng hồ trên vệ tinh chạy nhanh hơn đồng hồ cùng loại ở mặt đất khoảng 38 micro giây mỗi ngày. Nhân với tốc độ ánh sáng, nếu không hiệu chỉnh, sai số giả cự ly tích luỹ cỡ hơn 10 km mỗi ngày. Kỹ sư xử lý bằng cách chỉnh tần số gốc của đồng hồ vệ tinh thấp hơn danh định một lượng cỡ 4,5 phần mười tỷ trước khi phóng, để khi lên quỹ đạo nó “chạy đúng” khi nhìn từ mặt đất. Máy thu còn hiệu chỉnh thêm một số hạng nhỏ do quỹ đạo hơi elip.
Cần chính xác về một điểm hay bị phóng đại: không phải nếu thiếu hiệu chỉnh thì GPS “không thể hoạt động”. Một phần sai lệch chung của các đồng hồ có thể được hấp thụ vào ẩn số đồng hồ máy thu. Nhưng hệ thống được thiết kế với hiệu chỉnh tương đối ngay từ đầu, và việc nó hoạt động ổn định nhiều thập kỷ là một kiểm chứng thực tế liên tục cho các dự đoán của Einstein.
Sai số GPS đến từ đâu và hệ thống bù trừ thế nào
Điện thoại ngoài trời thoáng thường đạt độ chính xác vài mét. Sai số còn lại đến từ nhiều nguồn, mỗi nguồn có cách khắc phục riêng.
| Nguồn sai số | Cơ chế | Cách giảm |
|---|---|---|
| Tầng điện ly | Các electron tự do ở độ cao khoảng 50–1.000 km làm chậm tín hiệu, mức độ thay đổi theo giờ trong ngày và hoạt động Mặt Trời; Việt Nam nằm gần xích đạo từ nên tầng điện ly biến động mạnh | Mô hình hiệu chỉnh trong bản tin; máy thu hai tần số loại bỏ phần lớn vì độ trễ phụ thuộc tần số |
| Tầng đối lưu | Hơi nước và không khí làm chậm tín hiệu, nhất là vệ tinh ở góc thấp | Mô hình khí quyển, loại bỏ vệ tinh quá thấp |
| Đa đường | Tín hiệu dội từ toà nhà, mặt nước rồi mới tới máy thu, đi đường dài hơn | Thiết kế ăng-ten, thuật toán lọc; vẫn là vấn đề lớn ở phố cao tầng |
| Quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh | Thông số phát trong bản tin chỉ là dự báo, sai lệch nhỏ so với thực tế | Trạm điều khiển cập nhật thường xuyên; dịch vụ quỹ đạo chính xác cho ứng dụng chuyên nghiệp |
| Hình học vệ tinh (DOP) | Vệ tinh tụm một góc trời làm các mặt cầu cắt nhau xiên, sai số đo khuếch đại thành sai số vị trí lớn | Dùng nhiều hệ GNSS để có vệ tinh trải đều; ứng dụng chuyên nghiệp lập lịch đo vào khung giờ tốt |
| Vật cản và nhiễu | Tín hiệu đến mặt đất rất yếu, bị cây, mái che chặn hoặc bị phát nhiễu | Kết hợp cảm biến quán tính, Wi-Fi, mạng di động |
Khi đi bộ giữa các toà nhà cao ở trung tâm TP.HCM hay Hà Nội và thấy chấm xanh trên bản đồ nhảy sang phố bên cạnh, thủ phạm thường là đa đường kết hợp với hình học vệ tinh xấu, không phải điện thoại hỏng.
Từ vài mét đến vài centimet: DGPS, RTK và A-GPS
GPS vi sai (DGPS). Một trạm cố định đã biết toạ độ chính xác so sánh vị trí GPS tính được với vị trí thật, rồi phát phần chênh lệch cho các máy thu gần đó. Vì các máy thu gần nhau chịu sai số khí quyển và quỹ đạo gần giống nhau, hiệu chỉnh này đưa độ chính xác xuống cỡ dưới một mét.
RTK — động học thời gian thực. Thay vì chỉ dùng mã giả ngẫu nhiên (bước sóng tương đương khoảng 300 m mỗi chip), RTK đo pha của chính sóng mang có bước sóng khoảng 19 cm ở L1. Đo pha chính xác tới một phần nhỏ bước sóng, kết hợp số liệu từ trạm gốc gần, cho độ chính xác cỡ centimet. Phần khó là xác định số nguyên bước sóng chưa biết giữa vệ tinh và máy thu. RTK được dùng trong đo đạc địa chính, xây dựng, máy bay không người lái phun thuốc và máy nông nghiệp tự lái.
A-GPS — định vị nhanh hơn nhờ mạng. Bản tin dẫn đường truyền chỉ 50 bit/giây; nhận đủ dữ liệu quỹ đạo của một vệ tinh mất cỡ 30 giây trong điều kiện tốt, nên máy thu khởi động “lạnh” có thể mất cả phút mới có vị trí. A-GPS tải thông tin quỹ đạo và thời gian qua mạng di động, giúp điện thoại khoá vệ tinh trong vài giây. Đây là trợ giúp tăng tốc, không phải bản thân GPS dùng mạng để định vị.
Kết hợp cảm biến. Điện thoại trộn GPS với gia tốc kế, con quay hồi chuyển, la bàn từ, Wi-Fi và trạm di động bằng các bộ lọc ước lượng. Nhờ vậy chấm định vị vẫn di chuyển khi bạn vào hầm ngắn, và mượt hơn so với số đo GPS thô vốn dao động.
Những hiểu lầm phổ biến về GPS
Nắm cơ chế ở trên, bạn có thể tự kiểm chứng nhiều điều hay được nói về GPS.
- “GPS cần sóng điện thoại.” Không. Máy thu GPS hoạt động ở giữa biển hay trên núi không có sóng; chỉ có A-GPS và việc tải bản đồ là cần mạng. Bản đồ ngoại tuyến cộng GPS vẫn dẫn đường được.
- “Vệ tinh theo dõi được bạn.” Không. Vệ tinh GPS không nhận gì từ máy thu. Việc theo dõi xảy ra khi một ứng dụng gửi vị trí đi qua kênh khác.
- “GPS trong điện thoại kém hơn máy chuyên dụng vì chip yếu.” Chỉ đúng một phần. Hạn chế lớn của điện thoại là ăng-ten nhỏ, đặt trong vỏ kim loại cạnh tay người, dễ nhiễu đa đường. Nhiều điện thoại mới đã có máy thu hai tần số, rút ngắn khoảng cách đáng kể.
- “Trời mây làm GPS kém.” Mây và mưa ảnh hưởng không đáng kể ở tần số L1; vật cản rắn và toà nhà mới là vấn đề. Tán cây ướt dày lại làm suy giảm tín hiệu rõ hơn.
- “GPS là tên chung của định vị vệ tinh.” Về thuật ngữ, GPS là hệ thống của Hoa Kỳ; tên chung là GNSS. Khi bạn bật “GPS” trên điện thoại, máy thường dùng đồng thời nhiều hệ.
- “Định vị vệ tinh không thể bị đánh lừa.” Tín hiệu dân sự không mã hoá và rất yếu khi tới mặt đất, nên có thể bị phát nhiễu (jamming) hay giả mạo (spoofing). Hàng hải và hàng không ngày càng quan tâm tới khả năng phát hiện và chống chịu các hình thức này.
Câu hỏi thường gặp
GPS tính độ cao có chính xác bằng vị trí ngang không?
Thường kém hơn, khoảng 1,5 đến 2 lần, vì tất cả vệ tinh đều nằm phía trên máy thu, hình học theo phương thẳng đứng kém hơn phương ngang. Ngoài ra độ cao GPS tính so với mặt elipxoit quy chiếu, cần mô hình geoid để đổi ra độ cao so với mực nước biển. Nhiều điện thoại kết hợp cảm biến áp suất để đo thay đổi độ cao mượt hơn.
Vì sao bản đồ trên điện thoại đôi khi lệch dù GPS chính xác?
Toạ độ GPS theo hệ quy chiếu toàn cầu WGS84, còn bản đồ có thể dựng theo hệ quy chiếu khác hoặc bị số hoá sai. Ở Việt Nam, hệ toạ độ quốc gia VN-2000 khác WGS84, chuyển đổi không đúng tham số sẽ cho độ lệch cỡ hàng chục đến hàng trăm mét. Lỗi lúc này nằm ở dữ liệu bản đồ, không ở vệ tinh.
Máy thu GPS cần bao nhiêu năng lượng và vì sao điện thoại hao pin khi dẫn đường?
Bản thân chip GNSS hiện đại tiêu thụ khá ít, cỡ vài chục mili oát khi theo dõi liên tục. Phần hao pin lớn khi dẫn đường thường đến từ màn hình sáng liên tục, xử lý bản đồ và kết nối mạng để tải dữ liệu giao thông. Tắt màn hình và dùng bản đồ ngoại tuyến giảm hao pin rõ rệt.
GPS hoạt động trong nhà hoặc dưới tầng hầm không?
Tín hiệu GPS khi tới mặt đất yếu hơn nhiễu nền nhiệt nhiều lần, chỉ thu được nhờ kỹ thuật tương quan mã. Mái bê tông và tường dày làm suy giảm thêm, nên trong nhà sâu hay tầng hầm thường không có định vị. Điện thoại khi đó dựa vào Wi-Fi, mạng di động hay cảm biến quán tính, và độ chính xác giảm đi nhiều.
Nếu hệ thống GPS ngừng hoạt động thì điều gì xảy ra?
Định vị dân dụng vẫn có thể dựa vào các hệ GNSS khác như Galileo hay BeiDou. Nhưng nhiều hạ tầng dùng GPS làm nguồn đồng bộ thời gian, nên các nhà vận hành viễn thông và lưới điện thường có đồng hồ dự phòng giữ thời gian trong một khoảng nhất định. Rủi ro phụ thuộc vào một nguồn thời gian duy nhất là chủ đề được giới hạ tầng quan tâm.
Máy bay không người lái nông nghiệp dùng GPS thế nào để bay theo hàng?
Thiết bị thường dùng GNSS có RTK, nhận hiệu chỉnh từ trạm gốc đặt tại ruộng hoặc từ mạng trạm tham chiếu, cho vị trí chính xác cỡ centimet. Nhờ vậy nó bay theo đường đã lập trình, giữ khoảng cách giữa các luống phun đều, không trùng và không bỏ sót. Không có RTK, sai số vài mét đủ làm luống phun chồng lên nhau rõ rệt.