Lần cuối cùng bạn sử dụng điện thoại để Google Maps xác định vị trí chính xác của bạn^{(Google Maps pinpoint your exact location)} trên bản đồ, bạn đã bao giờ dừng lại và tự hỏi làm thế nào mà GPS hoạt động chính xác đến vậy?

Hệ thống Định vị Toàn cầu^{(Global Positioning System)} ( GPS ) được Bộ Quốc phòng ^(Defense)Hoa Kỳ^{(U.S. Department)} triển khai vào năm 1973 (được gọi là NAVSTAR ). Đến năm 1993, có 24 vệ tinh GPS quay quanh Trái đất và phát dữ liệu quỹ đạo và vị trí mà quân đội có thể sử dụng cho các mục đích định hướng và quân sự khác. Ngày nay, tính đến thời điểm viết bài này, có 28.

Vào những năm 1980, dữ liệu truyền từ vệ tinh GPS đã được công khai rộng rãi, điều này đã mở ra toàn bộ thị trường cho nhiều loại thiết bị định vị GPS^(GPS) mà chúng ta có ngày nay. 

Khi viết bài báo này, Nga^(Russia) , Trung Quốc^(China) , Châu Âu^(Europe) và Ấn Độ đều có hệ thống ^(India)GPS đang hoạt động của riêng họ . Nhật Bản^(Japan) đang phát triển hệ thống GPS của riêng mình, dự kiến ​​sẽ hoạt động vào năm 2023.

GPS hoạt động như thế nào?^{(How Does GPS Work?)}

Mặc dù công nghệ vệ tinh mà GPS dựa trên rất tiên tiến, nhưng cách thức hoạt động của hệ thống lại đơn giản một cách ấn tượng.

Có ba thành phần đối với bất kỳ hệ thống định vị GPS^(GPS) riêng lẻ nào .

• Vệ tinh^(Satellites) : Các vệ tinh GPS quay quanh Trái đất^(Earth) và truyền thời gian hiện tại và vị trí quỹ đạo của chúng tới tất cả các máy thu GPS ở bên cạnh hành tinh của chúng.
• Trung tâm chỉ huy^{(Command Center)} : Trung tâm chỉ huy truyền dữ liệu quỹ đạo, hiệu chỉnh thời gian và vị trí quỹ đạo của các vệ tinh khác tới các vệ tinh trên quỹ đạo.
• Máy thu GPS^{(GPS Receivers)} : Máy thu GPS trên Trái đất^(Earth) nhận thời gian quỹ đạo từ nhiều vệ tinh trong phạm vi và tính toán vị trí của chính nó trên Trái đất^(Earth) dựa trên vị trí của ít nhất bốn vệ tinh GPS .

Máy thu GPS^(GPS) sử dụng một nguyên lý toán học được gọi là phương pháp tam giác để tính toán vị trí của chính nó. 

Cách thức hoạt động của tam giác GPS^{(How Does GPS Triangulation Work)}

Từ bất kỳ điểm nào trên hành tinh, nếu bạn đang cầm bộ thu GPS (như bộ thu trong điện thoại của bạn), bộ thu GPS sẽ nhận các dấu thời gian từ các đồng hồ được đồng bộ hóa trên mỗi vệ tinh GPS trên đầu.

Sử dụng sự khác biệt về dấu thời gian và tốc độ ánh sáng không đổi mà sóng vô tuyến truyền đi, bộ thu GPS có thể xác định khoảng cách giữa vị trí bạn đang đứng đến mỗi vệ tinh.

Điều này cung cấp cho bộ thu GPS bán kính của các hình cầu với các vệ tinh ở trung tâm và vị trí của bạn ở rìa của hình cầu.

Vì mỗi vệ tinh di chuyển theo một quỹ đạo có thể đoán trước được trên trái đất, bộ thu có thể sử dụng một niên giám được lưu trữ về vị trí đã biết hiện tại của tất cả các vệ tinh GPS để xác định vị trí gần đúng của các vệ tinh đó trên trái đất.

Với vị trí đã biết của từng vệ tinh và khoảng cách đo được giữa các vệ tinh đó và vị trí của bạn, bộ nhận GPS có thể tính toán vị trí gần đúng của bạn bằng cách xác định vị trí giao điểm của ba quả cầu đó với nhau trên bề mặt Trái đất^(Earth) .

Sau đó, người nhận hiển thị vị trí đó cho bạn trên bản đồ.

Ba vệ tinh cung cấp một vị trí thô và máy thu GPS yêu cầu tín hiệu thứ tư từ một vệ tinh GPS khác để xác định độ cao hiện tại của bạn trên bề mặt Trái đất bằng cách sử dụng một nguyên lý toán học khác được gọi là độ bazơ.

Cách hoạt động của cảm biến GPS trên điện thoại của bạn^{(How Your Phone GPS Sensor Works)}

Hầu hết các điện thoại thông minh hiện đại ngày nay đều được trang bị chip nhận GPS . Con chip này có thể nhận tín hiệu vô tuyến từ vệ tinh GPS .

Đồng hồ trên điện thoại của bạn không phải là đồng hồ nguyên tử, vì vậy thời gian của nó không được đồng bộ hóa với đồng hồ nguyên tử của các vệ tinh trên quỹ đạo. Tuy nhiên, điều này không quan trọng khi tính toán vị trí bằng cách sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh đó.

Điều này là do bộ thu GPS của điện thoại đang tập trung vào dữ liệu mà nó nhận được từ các vệ tinh và cơ sở dữ liệu về các vị trí vệ tinh đã biết trên Trái đất^(Earth) . Vì tất cả các vệ tinh đều có đồng hồ nguyên tử, thời gian hiện tại trên mỗi vệ tinh là chính xác như nhau tại bất kỳ thời điểm nào.

Tuy nhiên, do khoảng cách với vệ tinh và thực tế là tín hiệu vô tuyến truyền với tốc độ ánh sáng, sự khác biệt giữa mỗi dấu thời gian nhận được cho thấy khoảng cách giữa điện thoại của bạn và mỗi vệ tinh.

Đây là cách thức hoạt động của quá trình GPS này:

• Tất cả bốn vệ tinh truyền cùng một dấu thời gian chính xác đến điện thoại của bạn lúc 5:12:14 chiều.
• Điện thoại của bạn nhận được dấu thời gian đó lúc 5:12:15 từ vệ tinh 1.
• Nó nhận được dấu thời gian lúc 5:12:16 từ vệ tinh 2.
• Cuối cùng, vào lúc 5:12:17, nó nhận được dấu thời gian từ vệ tinh 3.

Điều này cho bộ thu GPS của bạn biết rằng phải mất 1 giây để tín hiệu vô tuyến đến được với nó từ vệ tinh 1, 2 giây từ vệ tinh 2 và 3 giây từ vệ tinh 3.

Tốc độ ánh sáng là một hằng số đã biết là 299.792.458 mét / giây.

Sử dụng phép toán đơn giản, máy thu có thể tính toán rằng khoảng cách của nó là khoảng 300 nghìn mét từ vệ tinh 1, 600 nghìn mét từ vệ tinh 2 và 900 nghìn mét từ vệ tinh 3.

Sử dụng bảng tra cứu từ cơ sở dữ liệu vệ tinh GPS , bộ thu ^(GPS)GPS trên điện thoại của bạn biết vị trí hiện tại gần đúng trên trái đất của cả ba vệ tinh, cung cấp tọa độ kinh độ và vĩ độ của cả ba vệ tinh. 

Với thông tin đó, điện thoại của bạn có thể tính toán tọa độ kinh độ và vĩ độ của riêng bạn^{(your own longitude and latitude coordinates)} trên Trái đất.

Sử dụng tọa độ đã biết của bạn, bộ thu GPS của bạn sau đó có thể sử dụng khoảng cách đo được giữa chính nó và vệ tinh thứ tư để xác định độ cao mà bạn đang ở trên Trái đất^(Earth) .

Hệ thống định vị toàn cầu được hỗ trợ là gì?^{(What Is An Assisted Global Positioning System?)}

Trước khi điện thoại thông minh bắt đầu tích hợp mạch GPS , mọi người thường sử dụng máy thu GPS cầm tay chạy bằng pin AA. Hoặc họ sẽ lắp đặt thiết bị GPS^(GPS) trong ô tô, được kết nối với pin của điện thoại.

Điều này là do liên lạc vô tuyến đòi hỏi nhiều năng lượng hơn. Hạn chế của việc này là bạn thường phải đợi vài phút để bộ thu GPS "khóa" đủ vệ tinh GPS để tính toán vị trí của bạn.

Các nhà sản xuất điện thoại thông minh đã khắc phục hạn chế về pin này bằng cách kết hợp công nghệ tam giác di động hiện có của họ. Rất lâu^(Long) trước khi điện thoại được kích hoạt GPS , chúng có thể sử dụng tín hiệu đến từ tháp điện thoại di động để xác định vị trí của bạn, sử dụng cùng loại dấu thời gian và công nghệ khoảng cách tam giác như với vệ tinh GPS . 

Thật không may, vì tháp điện thoại di động ở trên mặt đất, tính toán điều hướng này kém chính xác hơn nhiều. Vì vậy, phần mềm GPS trên điện thoại thông minh của bạn trước tiên sẽ sử dụng phương pháp tam giác tín hiệu di động để xác định vị trí gần đúng của bạn và sau đó cập nhật vị trí đó khi dữ liệu GPS vệ tinh đã sẵn sàng.

Điều này cho phép điện thoại thông minh hiện đại dự trữ pin bằng cách chỉ sử dụng dữ liệu GPS khi các cập nhật vị trí đó được yêu cầu. Đây là lý do tại sao bạn có thể thường thấy vị trí của mình^{(see your location)} trên Google Maps đôi khi chuyển đến một vị trí mới khi có dữ liệu chính xác hơn.

HDG Explains : How Does GPS Work?

The last time you used your phone to have Google Maps pinpoint your exact location on a map, did you ever stop and wonder how does GPS work so accurately?

The Global Positioning System (GPS) system was actually launched by the U.S. Department of Defense in 1973 (known as NAVSTAR). By 1993, there were 24 GPS satellites orbiting the Earth and broadcasting orbital and positional data that the military could use for navigational and other military purposes. Today, as of this writing, there are 28.

In the 1980s, data transmitted from GPS satellites were opened up to the public, which opened up an entire market for the wide assortment of GPS navigation devices we have today. 

As of the writing of this article, Russia, China, Europe, and India all have their own active GPS systems. Japan is developing its own GPS system slated to be operational in 2023.

How Does GPS Work?

While the satellite technology GPS is based on is very advanced, the way the system operates is impressively simple.

There are three components to any individual GPS navigational system.

• Satellites: GPS satellites orbit the Earth and transmit their current time and orbital position to all GPS receivers on their side of the planet.
• Command Center: The command center transmits orbital data, time corrections, and the orbital position of other satellites up to the satellites in orbit.
• GPS Receivers: A GPS receiver on Earth receives orbital times from as many satellites within range, and calculates its own position on Earth based on the positions of at least four GPS satellites.

GPS receivers utilize a mathematical principle known as triangulation to calculate its own location. 

How Does GPS Triangulation Work

From any point on the planet, if you’re holding a GPS receiver (like the one in your phone), a GPS receiver receives time stamps from the synchronized clocks on each of the GPS satellites overhead.

Using the differences in timestamps, and the constant speed of light at which radio waves travel, the GPS receiver can determine the distance between where you’re standing to each satellite.

This provides the GPS receiver with the radius of the spheres with the satellites at the center, and your location at the edge of the sphere.

Since each satellite travels in a predictable orbit over the earth, the receiver can use a stored almanac of the current known position of all GPS satellites to determine where, approximately, those satellites are currently located over the earth.

With the known position of each satellite, and the measured distance between those satellites and your position, your GPS receive is able to calculate your approximate location by determining where the intersection of those three spheres come together on the surface of the Earth.

The receiver then displays that location to you on a map.

Three satellites provide a rough location, and GPS receivers require a fourth signal from another GPS satellite to determine your current altitude on the Earth’s surface using another mathematical principle known as trilateration.

How Your Phone GPS Sensor Works

Most modern smartphones today come equipped with a GPS receiver chip. This chip can receive the radio signals from GPS satellites.

Your phone’s clock is not an atomic clock, so its time isn’t synced with the atomic clocks of the satellites in orbit. However, this doesn’t matter when it comes to calculating location using signals from those satellites.

This is because your phone’s GPS receiver is focusing on the data it receives from the satellites, and a database of known satellite locations over the Earth. Since all of the satellites do have an atomic clock, the current time on each satellite is exactly the same at any given moment.

However, due to distance from the satellite, and the fact that the radio signals travel at the speed of light, the differences between each received timestamp reveals the distance between your phone and each of the satellites.

Here’s how this GPS process works:

• All four satellites transmit the same exact timestamp to your phone at 5:12:14 PM.
• Your phone receives that timestamp at 5:12:15 from satellite 1.
• It receives the timestamp at 5:12:16 from satellite 2.
• Finally, at 5:12:17, it receives the timestamp from satellite 3.

This tells your GPS receiver that it took 1 second for the radio signal to reach it from satellite 1, 2 seconds from satellite 2, and 3 seconds from satellite 3.

The speed of light is a known constant of 299,792,458 meters per second.

Using simple math, the receiver can calculate that its distance is roughly 300 thousand meters from satellite 1, 600 thousand meters from satellite 2, and 900 thousand meters from satellite 3.

Using a lookup table from a GPS satellite database, your phone’s GPS receiver knows the approximate current location over the earth of all three satellites, which provides longitude and latitude coordinates of all three. 

With that information, your phone is able to calculate your own longitude and latitude coordinates on the Earth.

Using your known coordinates, your GPS receiver can then use the distance measured between itself and a fourth satellite to determine what altitude above the Earth you’re located.

What Is An Assisted Global Positioning System?

Before smartphones started integrating GPS circuitry, people typically would use handheld GPS receivers that ran off AA batteries. Or they would install GPS units in cars, which ran connected to the phone’s battery.

This was because radio communication requires more power. The limitation of this is that you often had to wait several minutes for your GPS receiver to “lock onto” enough GPS satellites to calculate your position.

Smartphone manufacturers got around this battery limitation by combining its existing technology of cellular triangulation. Long before phones were GPS enabled, they could use signals coming from cellphone towers to triangulate your position, using the same sort of triangulation timestamp and distance technology as with GPS satellites. 

Unfortunately, because cell phone towers are at ground level, this navigational calculation is far less accurate. So your smartphone GPS software will first use cell signal triangulation to determine your approximate position, and then update that position once satellite GPS data is ready.

This allows modern smartphones to reserve battery power by only using GPS data when those location updates are required. This is why you may often see your location on Google Maps occasionally jump to a new location when more accurate data is available.

Related posts

• HDG Giải thích: In 3D hoạt động như thế nào?

• HDG Giải thích: CAPTCHA là gì và nó hoạt động như thế nào?

• HDG giải thích: Thực tế tăng cường hoạt động như thế nào?

• HDG Giải thích: SFTP & FTP là gì?

• HDG Giải thích: Máy chủ Máy tính là gì?

• HDG Giải thích: Markdown là gì và Kiến thức cơ bản tôi nên biết là gì?

• Lấy khóa bảo mật mạng không dây của bạn trong Windows

• HDG giải thích: Băng thông là gì?

• Phần mềm kết thúc có ý nghĩa gì và bạn có nên quan tâm?

• HDG Giải thích: Thunderbolt là gì?

• HDG Giải thích: BIOS là gì?

• So sánh bộ xử lý CPU - Intel Core i9 vs i7 vs i5 vs i3

• 12 mẹo và thủ thuật dành cho Chromebook

• HDG Giải thích: GPU là gì?

• HDG Giải thích: Cổng máy tính là gì và chúng được sử dụng để làm gì?

• HDG Giải thích: API là gì?

• Hướng dẫn khắc phục sự cố cơ bản cho các sự cố treo Windows 7

• Làm thế nào để nói những gì True or False trên Internet

• Đã xác định Hacking mũ màu đen, trắng và xám

• HDG Giải thích: Cơ sở dữ liệu Blockchain là gì?