Liệu bạn có biết rằng “thời gian” mà cả thế giới này dựa vào để vận hành các chuyến bay, quản lý những ứng dụng toàn cầu giúp điều chỉnh đúng từng giây một thời gian trên thiết bị di động của mọi người đều được cung cấp bởi các vệ tinh xung quanh quả địa cầu?
Đúng vậy, dù bạn có đi đến cùng trời cuối đất đi chăng nữa, chừng nào tín hiệu điện thoại vẫn được bắt thì nhờ những công nghệ vệ tinh hiện tại, bạn có thể xác định được chính xác thời gian và không gian ở vị trí đó.
Tất cả đều nhờ đến một hệ thống có tên “The Global Positioning System (GPS)” dịch ra tiếng Việt là “Hệ thống Định vị Toàn cầu” bao gồm từ 24 đến 32 vệ tinh rải rác xung quanh toàn bộ quỹ đạo của Trái Đất do Hoa Kỳ điều hành.
Tất cả những gì mà điện thoại chúng ta cần làm đó chính là nhận tín hiệu từ 4 vệ tinh khác nhau và nó sẽ tự động cho chúng ta biết được chuẩn xác tọa độ của 3 chiều không gian kèm theo thời gian tại vị trí đó. Sự chuẩn xác của công nghệ này lên đến từng nanosecond tức phải mất đến hàng trăm triệu năm để thời gian có thể bị lệch đi chỉ một giây.
Nói thì có vẻ đơn giản nhưng nhưng trên thực tế, cách thức tính toán của chúng lại khá là phức tạp. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng.
Mỗi vệ tinh GPS liên tục truyền tín hiệu vô tuyến chứa thời gian và dữ liệu hiện tại về vị trí của nó. Do tốc độ của sóng vô tuyến là không đổi và không phụ thuộc vào tốc độ vệ tinh, nên độ trễ thời gian giữa khi vệ tinh truyền tín hiệu và máy thu nhận nó tỷ lệ thuận với khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu.
Một máy thu GPS giám sát nhiều vệ tinh và giải các phương trình để xác định vị trí chính xác của máy thu và độ lệch của nó so với thời gian thực. Tối thiểu, bốn vệ tinh phải ở trong tầm nhìn của máy thu để tính toán bốn đại lượng chưa biết (ba tọa độ vị trí và độ lệch đồng hồ so với thời gian vệ tinh).
Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.
Về cơ bản, để xác định được thời gian và vị trí qua hệ thống GPS cần trải qua ba giai đoạn như sau:
1. Phân đoạn không gian:
Các vệ tinh di chuyển xung quanh Trái Đất với độ cao khoảng 20.200 km (12.600 mi), bán kính quỹ đạo khoảng 26.600 km (16.500 mi), mỗi vệ tinh hoàn thành hai quỹ đạo hoàn chỉnh theo mỗi ngày thiên văn (sidereal day). Điều này rất hữu ích trong quá trình phát triển vì ngay cả khi chỉ có bốn vệ tinh, chỉ cần căn chỉnh chính xác hệ thống thì mọi điểm trên Trái Đất vẫn có thể kết nối với đủ cả 4 vệ tinh trong vòng vài giờ mỗi ngày.
2. Phân đoạn kiểm soát:
Phân đoạn này bao gồm một trạm điều khiển chính, một trạm điều khiển thay thế, bốn ăng ten chuyên dụng và sáu trạm giám sát chuyên dụng. Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác.
3. Phân đoạn người dùng:
Các thiết bị muốn sử dụng GPS đều cần phải có khả năng nhận tín hiệu từ những vệ tinh. Hầu hết những vật dụng điện tử đều có bộ phận thu sóng GPS được đặt bên trong chúng, từ ti vi, điện thoại hay ô tô,….
Nguồn: Bài viết được thực hiện bởi đội ngũ Science Realm.
Các tài liệu tham khảo thêm của bài viết: ScienceAlert, MinutePhysics và Wikipedia.
Để lại bình luận