Tìm hiểu và trình bày ngắn gọn những hiểu biết của em về hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu

Giải Chuyên đề Vật lí 11 Chân trời sáng tạo Bài 4: Thế năng hấp dẫn. Thế hấp dẫn

Vận dụng trang 26 Chuyên đề Vật Lí 11: Tìm hiểu và trình bày ngắn gọn những hiểu biết của em về hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GPS) đang bay xung quanh Trái Đất (Hình 4.7).

Lời giải:

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống định vị sử dụng các vệ tinh, máy thu và thuật toán để đồng bộ hóa dữ liệu vị trí, vận tốc và thời gian cho các phương tiện hàng không, trên biển và đường bộ.

Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh quay quanh Trái Đất, chia làm 6 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh. Quỹ đạo của các vệ tinh này nằm ở độ cao 20.000 km so với Trái Đất và tốc độ bay của các vệ tinh lên tới 14.000 km/h.

Để xác định được một vị trí trên Trái Đất chúng ta chỉ cần tới 3 vệ tinh nhưng một vệ tinh thứ 4 thường được sử dụng để xác thực thông tin từ 3 vệ tinh kia. Vệ tinh thứ 4 còn giúp chúng ta xác định chiều không gian thứ ba, giúp tính được độ cao của vị trí.

Ba phân đoạn của GPS là:

- Không gian (Các vệ tinh): Các vệ tinh quay quanh Trái Đất, truyền tín hiệu cho người dùng về vị trí địa lý và thời gian trong ngày.

- Điều khiển mặt đất: Phân đoạn điều khiển mặt đất được tạo nên từ các trạm giám sát, trạm điều khiển chính và hệ thống anten trên mặt đất. Các trạm này sẽ theo dõi và vận hành các vệ tinh trong không gian và giám sát quá trình truyền dữ liệu. Các trạm giám sát được đặt ở khắp các châu lục trên thế giới.

- Thiết bị của người dùng: Các thiết bị được tích hợp máy thu và phát tín hiệu GPS như máy bay, xe hơi, smartphone, smartwatch,... Sau đây gọi chung là thiết bị.

GPS hoạt động thông qua một kỹ thuật có tên trilateration. Sau khi thu thập tín hiệu từ các vệ tinh, trilateration sẽ tính toán vị trí, vận tốc và độ cao sau đó đồng bộ chúng để đưa ra vị trí chính xác nhất.

Các vệ tinh quay quanh Trái Đất gửi tín hiệu có thể đọc và giải mã được tới các thiết bị, nằm trên hoặc gần bề mặt Trái Đất. Để tính toán vị trí, thiết bị GPS phải nhận được tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh.

Mỗi vệ tinh trong mạng lưới quay quanh Trái Đất ít nhất hai lần/1 ngày và mỗi vệ tinh sẽ chỉ gửi một tín hiệu, thông số quỹ đạo và thời gian duy nhất tới thiết bị. Tại một thời điểm bất kỳ, một thiết bị có thể đọc tín hiệu từ 6 vệ tinh trở lên.

Một vệ tinh sẽ phát ra sóng để thiết bị nhận và tính toán khoảng cách từ thiết bị đến vệ tinh đó. Vì chỉ có thông số về khoảng cách nên nếu chỉ dùng một vệ tinh, không thể xác định được vị trí của thiết bị trên bề mặt Trái Đất.

Khi một vệ tinh gửi tín hiệu, nó sẽ tạo ra một vòng tròn có bán kính bằng khoảng cách từ thiết bị tới vệ tinh. Khi thêm một vệ tinh thứ hai, một vòng tròn mới sẽ được tạo ra và vị trí của thiết bị sẽ được thu hẹp lại, nằm ở một trong hai điểm giao nhau của hai vòng tròn.

Với sự tham gia của một vệ tinh thứ 3, vị trí của thiết bị sẽ được xác định chính xác. Nó nằm ở giao điểm của 3 vòng tròn.

Tuy nhiên, chúng ta sống trong một thế giới 3 chiều nên mỗi vệ tinh sẽ tạo ra một hình cầu chứ không phải hình tròn. Ba hình cầu giao nhau tại 2 điểm vì thế điểm nào gần Trái Đất nhất sẽ được chọn.

GPS có 5 công dụng chính:

- Vị trí: Xác định vị trí

- Tìm đường: Chỉ đường di chuyển từ vị trí này tới vị trí khác

- Theo dõi: Giám sát máy bay, tàu thuyền... hoặc sự di chuyển của cá nhân nào đó

- Lập bản đồ: Tạo ra bản đồ chi tiết của thế giới

- Tính toán thời gian: Thực hiện các phép đo chính xác về thời gian

Một số ví dụ cụ thể về công dụng của GPS:

- Ứng phó khẩn cấp: Trong trường hợp khẩn cấp như bão lũ, đội phản ứng nhanh sẽ dùng GPS để lập bản đồ, theo dõi và dự báo thời tiết cũng như theo dõi các nhân viên cứu hộ. Mỗi khi tai nạn xe hơi xảy ra, tín hiệu GLONASS (một giải pháp thay thế GPS) sẽ tự động được gửi tới cơ quan chức năng.

- Giải trí: GPS có thể được tích hợp vào các trò chơi như Pokemon Go và Geocaching.

- Sức khỏe và thể dục: Smartwatch và các thiết bị đeo thông minh có thể theo dõi những hoạt động thể dục như khoảng cách chạy, đạp xe nhờ sự hỗ trợ của GPS.

- Xây dựng, khai mỏ và đi phượt: Từ việc tìm vị trí đặt vật tư sao cho phù hợp tới tính toán và phân bổ nguồn lực, GPS giúp các công ty xây dựng và khai mỏ tối ưu chi phí và tăng thêm lợi nhuận. Trong khi đó, việc đi du lịch phượt sẽ trở nên dễ dàng hơn nhờ có sự dẫn đường của GPS.

- Vận tải: Các hãng hậu cần sử dụng những hệ thống GPS để cải thiện năng suất và an toàn cho lái xe. GPS có thể giúp lái xe tối ưu hóa tuyến đường, tiết kiệm nhiên liệu, đảm bảo an toàn và tuân thủ các quy định an toàn giao thông.

- Các ngành công nghiệp khác cũng ứng dụng GPS gồm: nông nghiệp, xe tự lái, bán hàng và dịch vụ, quân đội, thông tin di động, an ninh và đánh bắt cá.

Một số yếu tố làm giảm độ chính xác của GPS gồm:

- Vật cản địa lý: Các phép đo thời gian đến dự tính có thể bị sai lệch bởi các vật cản địa lý lớn như núi đồi, tòa nhà, cây cối...

- Hiệu ứng khí quyển: Tầng điện ly khiến sóng truyền qua chậm, bão lớn hay bão mặt trời đều có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của vị trí.

- Hệ thống: Mô hình quỹ đạo bên trong vệ tinh có thể không chính xác hoặc lạc hậu. Ngày nay, vấn đề này rất hiếm gặp.

- Sai số tính toán: Điều này xảy ra khi thiết bị phần cứng không được thiết kế theo các thông số kỹ thuật chuẩn.

- Nhiễu nhân tạo: Bao gồm các thiết bị gây nhiễu hoặc làm giảm tín hiệu GPS.