Hoạt động của hệ thống GPS với đồng hồ nguyên tử, hiệu ứng Doppler và thuyết tương đối

10/10/2025 10:25
Cách thức hoạt động của hệ thống GPS với đồng hồ nguyên tử, hiệu ứng Doppler và thuyết tương đối
Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) có nguồn gốc từ hơn 50 năm trước, khi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ bắt đầu tìm kiếm một hệ thống dẫn đường mới dựa trên công nghệ vệ tinh. Dựa trên ý tưởng của các nhà khoa học Hải quân, vệ tinh GPS chuyên dụng đầu tiên – thuộc dự án NAVSTAR – đã được phóng vào năm 1978. Đến đầu những năm 1990, mạng lưới này đã mở rộng thành chòm sao 24 vệ tinh, mang lại khả năng phủ sóng toàn cầu và hoạt động liên tục 24/7.

Ban đầu, GPS chỉ phục vụ mục đích quân sự. Tuy nhiên, sau một chỉ thị của Tổng thống Ronald Reagan, tín hiệu GPS bắt đầu mở cho dân sự, dù với độ chính xác thấp hơn. Năm 2000, Tổng thống Bill Clinton ra quyết định cho phép công chúng sử dụng toàn bộ tín hiệu GPS chính xác cao mà không mất phí.
Về cơ bản, chòm sao vệ tinh GPS là tập hợp các vệ tinh nhân tạo được sắp xếp theo nhiều quỹ đạo quanh Trái Đất, nhằm bảo đảm ở bất cứ đâu trên bề mặt địa cầu cũng luôn có thể “nhìn thấy” ít nhất bốn vệ tinh vào mọi thời điểm. Hiện tại, có 24 vệ tinh hoạt động chính thức, chia đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng khoảng 55° so với xích đạo, mỗi mặt phẳng có 4 vệ tinh cách đều nhau. Ngoài các vệ tinh hoạt động, còn có thêm vệ tinh dự phòng để thay thế khi cần.

Lockheed-Martin-GPS-III-Satellite.jpg
Vệ tinh GPS III tại Colorado, chuẩn bị cho việc phóng lên quỹ đạo vào tháng 4 2025



Nhiệm vụ chính của chòm sao GPS là phát sóng tín hiệu chứa vị trí của từng vệ tinh và dấu thời gian chính xác, tạo điều kiện cho hàng tỷ thiết bị thu GPS toàn cầu xác định được vị trí của mình một cách độc lập, không cần tới mạng viễn thông hay internet. Việc định vị được thực hiện chính xác bằng hệ tọa độ địa tâm (Earth-centered coordinate system) so với trung tâm Trái Đất, sau đó chuyển đổi thành vĩ độ (latitude), kinh độ (longitude) và độ cao (altitude) theo tiêu chuẩn quốc tế WGS-84. Thông tin chính xác này, gồm toạ độ không gian và thời gian được mã hóa và phát sóng đều đặn từ mỗi vệ tinh xuống mặt đất để các thiết bị thu GPS xử lý.

GPS-Block-IIIA.jpeg
Vệ tinh trong chòm sao GPS trên quỹ đạo

Nói kĩ hơn thì bên trong các vệ tinh này là những đồng hồ nguyên tử cực kỳ chính xác, phần lớn dùng công nghệ Cesium hoặc Rubidium, cho độ sai lệch của các đồng hồ này chỉ ở mức 1 phần tỷ giây/ngày. Vai trò của chúng là đảm bảo mỗi tín hiệu vệ tinh phát ra đều gắn với “giờ chuẩn tuyệt đối”. Khi thiết bị thu GPS nhận tín hiệu đồng thời từ nhiều vệ tinh, nó sử dụng thời gian này để tính toán chính xác khoảng cách tới từng vệ tinh.

Ngoài ra, vì sóng điện từ di chuyển với vận tốc ánh sáng, chỉ cần thời gian chênh lệch vài nanosecond cũng đã làm sai lệch vị trí tính toán hàng mét, nên đồng hồ nguyên tử càng chính xác thì vị trí càng đúng. Đồng hồ nguyên tử còn giúp đồng bộ hóa toàn bộ hệ thống vệ tinh, hỗ trợ các hoạt động cần chính xác về thời gian như tài chính, viễn thông và khoa học trên toàn cầu.

[​IMG]
Các thành phần của một hệ thống GPS

Với các vệ tinh GPS, thành phần của một hệ thống GPS bao gồm:
  1. Chòm sao vệ tinh: GPS luôn duy trì tối thiểu 24 vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo ở độ cao khoảng 20.000 km, với một số vệ tinh dự phòng để đảm bảo liên tục phủ sóng toàn cầu.
  2. Tín hiệu vệ tinh: Mỗi vệ tinh định kỳ phát tín hiệu chứa thông tin về thời gian chính xác nhờ đồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh và vị trí quỹ đạo của mình.
  3. Tín hiệu thu nhận
  4. Đồng hồ nguyên tử: đóng vai trò đảm bảo đo lường thời gian với độ chính xác tới từng phần tỷ giây
  5. Thiết bị thu GPS: Các thiết bị như smartphone, xe ô tô, máy định vị đều có ăng-ten và mạch điện nhận – xử lý tín hiệu từ nhiều vệ tinh cùng lúc.

QUẢNG CÁO


Với các thành phần này, nguyên lý hoạt động của GPS như sau:
  • Để xác định vị trí, thiết bị GPS phải nhận tín hiệu đồng thời từ ít nhất 4 vệ tinh.
  • Mỗi tín hiệu vệ tinh gửi về đều chứa dấu thời gian và tọa độ chính xác tại thời điểm phát sóng.
  • Thiết bị thu tính toán độ trễ của từng tín hiệu, tức thời gian di chuyển của sóng từ vệ tinh tới thiết bị, từ đó xác định được khoảng cách từng vệ tinh dựa vào vận tốc ánh sáng.
  • Bằng phương pháp “tam giác hóa” với dữ liệu từ 4 vệ tinh, thiết bị biết chính xác vị trí: vĩ độ, kinh độ, độ cao của mình từng mét một.
  • Độ chính xác cực cao này có được nhờ sự kết hợp giữa hình học quỹ đạo và độ chính xác về thời gian của đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh.

doppler-effect-df6e9193.jpeg

Hiệu ứng Doppler quen thuộc cũng có tác động đến việc xử lý tín hiệu GPS

Một yếu tố quan trọng khác cần nói tới là hiệu ứng Doppler (Doppler Shift), vốn là yếu tố khoa học then chốt giúp các hệ thống định vị vệ tinh hoạt động hiệu quả. Hiệu ứng này xảy ra khi tần số sóng điện từ thay đổi do sự thay đổi vị trí tương đối giữa nguồn phát sóng - vệ tinh và thiết bị nhận - thiết bị GPS.
  • Khi vệ tinh chuyển động quanh Trái Đất, vị trí của nó không ngừng thay đổi so với thiết bị trên mặt đất. Do đó, tần số tín hiệu thu nhận sẽ dịch chuyển, tương tự như tiếng còi xe cứu thương thay đổi khi xe tiến gần hay rời xa người nghe.
  • GPS sử dụng chính sự dịch chuyển tần số này để xác định tốc độ tương đối giữa vệ tinh và thiết bị nhận.
  • Đồng thời, vệ tinh dùng đồng hồ nguyên tử để đo cực kỳ chính xác thời gian tín hiệu truyền đi, từ đó kết hợp hai dữ liệu: tốc độ và thời gian truyền, nhằm tính toán chính xác vị trí thiết bị.


Một yếu tố quan trọng khác trong quá trình xử lý đó là thuyết tương đối. Với thuyết tương đối hẹp (Special Relativity), Vệ tinh GPS di chuyển với vận tốc lớn, khoảng 140.000 km/h, so với mặt đất. Khi đó, đồng hồ trên vệ tinh chuyển động nhanh sẽ chạy chậm hơn so với đồng hồ của trạm mặt đất, khoảng 7 micro giây mỗi ngày.

relativity.jpeg
Tương tự với thuyết tương đối rộng và hẹp

Còn với thuyết tương đối rộng, vệ tinh GPS nằm trên quỹ đạo cao, trong trường hấp dẫn yếu hơn mặt đất. Khi đó, động hồ sẽ chạy nhanh hơn và theo lý thuyết này thì con số rơi vào khoảng 45 micro giây/ngày.

Kết hợp hai yếu tố này, đồng hồ trên chòm sao GPS sẽ chạy nhanh hơn đồng hồ dưới mặt đất khoảng 38 micro giây/ngày. Nếu không hiệu chỉnh các hiệu ứng này, mỗi ngày sai số định vị có thể lên tới 10 km, khiến GPS không còn giá trị sử dụng thực tế. Chính vì thế, ngay từ khi thiết kế và mỗi khi vận hành, các kỹ sư đã điều chỉnh (hiệu chỉnh) đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh để bù trừ chính xác các hiệu ứng tương đối này, đảm bảo hệ thống GPS toàn cầu luôn xác định vị trí chính xác đến từng mét.

Tin xem thêm

Vài hiểu lầm cơ bản về sạc nhanh

CÔNG NGHỆ
13/10/2025 14:52

Vài hiểu lầm cơ bản về sạc nhanh

14 năm kể từ ngày Apple ra mắt iCloud, vẫn chỉ là 5GB miễn phí

CÔNG NGHỆ
13/10/2025 14:49

14 năm kể từ ngày Apple ra mắt iCloud, vẫn chỉ là 5GB miễn phí

Hướng dẫn Davinci Resolve: dùng AI làm subtitle tiếng Việt cho video Tiếng Anh

CÔNG NGHỆ
13/10/2025 14:46

Hướng dẫn Davinci Resolve: dùng AI làm subtitle tiếng Việt cho video Tiếng Anh

Cách một chiếc SIM vật lý hoạt động và sự xuất hiện của eSim

CÔNG NGHỆ
12/10/2025 09:36

Cách một chiếc SIM vật lý hoạt động và sự xuất hiện của eSim

Cách mà hệ điều hành Android quản lý RAM: RAM trống không phải lúc nào cũng tốt

CÔNG NGHỆ
12/10/2025 09:29

Cách mà hệ điều hành Android quản lý RAM: RAM trống không phải lúc nào cũng tốt

nubia Z80 Ultra chính thức lộ diện qua bộ ảnh trên tay

CÔNG NGHỆ
12/10/2025 09:23

nubia Z80 Ultra chính thức lộ diện qua bộ ảnh trên tay

Máy bay có số lùi không? Câu trả lời là CÓ, về mặt kỹ thuật

CÔNG NGHỆ
11/10/2025 18:43

Máy bay có số lùi không? Câu trả lời là CÓ, về mặt kỹ thuật

Hoạt động của hệ thống GPS với đồng hồ nguyên tử, hiệu ứng Doppler và thuyết tương đối

CÔNG NGHỆ
10/10/2025 10:25

Cách thức hoạt động của hệ thống GPS với đồng hồ nguyên tử, hiệu ứng Doppler và thuyết tương đối

Reup: REVIEW DJI OSMO POCKET 3

CÔNG NGHỆ
10/10/2025 10:24

REVIEW DJI OSMO POCKET 3