Nhắc đến hệ thống định vị toàn cầu thì đa số chúng ta sẽ nghĩ ngay đến GPS, A-GPS và GLONASS. Vậy GPS, A-GPS và GLONASS là gì? Tại sao nó lại được dùng phổ biến như thế?

1. GPS là gì?

GPS là viết tắt của “global positioning system” (hệ thống định vị toàn cầu), thực chất là một mạng lưới bao gồm 27 vệ tinh quay xung quanh trái đất. Trong số 27 vệ tinh này, 24 vệ tinh đang hoạt động, 3 vệ tinh còn lại đóng vai trò dự phòng trong trường hợp 1 trong số 24 vệ tinh chính bị hư hỏng. Dựa vào cách sắp đặt của các vệ tinh này, khi đứng dưới mặt đất, bạn có thể nhìn được ít nhất là 4 vệ tinh trên bầu trời tại bất kì thời điểm nào.

GPS cho phép mọi người trên thế giới sử dụng một số chức năng của GPS miễn phí. Nên bạn có thể sử dụng đinh vị trên các thiết bị thu GPS để xác định vị trí của mình một cách chính xác và hoàn toàn miễn phí.

Cơ chế hoạt động của GPS là gì?

Các vệ tinh GPS bay hai vòng trong một ngày theo một quỹ đạo đã được tính toán chính xác và liên tục phát các tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận các tín hiệu này và giải mã bằng các phép tính lượng giác, qua đó sẽ tính toán và hiển thị được vị trí của người dùng.

Thiết bị smartphone (Android, Windows Phone, iOS) của bạn là một đầu thu GPS, nó sẽ thu dữ liệu từ các vệ tinh GPS ở trên bầu trời. Dữ liệu gì? Nói một cách đơn giản, mỗi vệ tinh cho bạn biết khoảng cách chính xác từ vị trí của bạn đến vệ tinh đó hoặc một điểm nào đó trên trái đất.

Cơ chế hoạt động của GPS rất đơn giản, bạn có thể tưởng tượng như sau. Trên bản đồ có 3 điểm cố định A, B, C. Dữ liệu GPS cho bạn biết khoảng cách lần lượt từ điểm A, B, C đến nơi bạn đứng là 1, 3km, 2km.

Sau đó bạn vẽ 3 vòng tròn có tâm là A, B, C với bán kính lần lượt là 1km, 3km và 2km.

Vị trí giao nhau của ba vòng tròn chính là vị trí của bạn.

Thiết bị smartphone phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để cho ra vị trí hai chiều và để theo dõi được chuyển động của bạn. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất bốn vệ tinh, máy sẽ cho ra được vị trí ba chiều. Một khi vị trí của bạn đã tính được thì thiết bị smartphone (Android, Windows Phone, iOS) có thể tính các thông tin khác, như tốc độ di chuyển, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, khoảng cách đích đến và nhiều thứ khác nữa.

Để đưa ra vị trí chính xác, rất nhiều thiết bị GPS kết nối tới ít nhất là 4 vệ tinh. Đó là lý do vì sao đôi khi để tìm ra vị trí chính xác của bạn, hệ thống GPS lại mất nhiều thời gian tới vậy. Đó cũng là lý do vì sao đôi khi bạn bị mất sóng GPS: thiết bị di động của bạn có thể đã kết nối tới 1 hoặc 2 vệ tinh, song 2 vệ tinh vẫn là không đủ.

Cách sử dụng:

Để bật định vị GPS bạn vào cài đặt:

Tiếp theo chọn vào “Vị trí”:

Bật lên và chọn vào đồng ý để bắt đầu định vị điện thoại trên bản đồ:

Bây giờ kết nối 3G/Wifi để tải dữ liệu của bản đổ google map, sau khi tải được bản đồ thì máy sẽ định vị được vị trí của bạn trên bản đồ.

2. A-GPS (Assisted GPS) là gì?

A-GPS (Assisted GPS) là phiên bản được nâng cấp của GPS, một hệ thống hỗ trợ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất định vị vị trí của bạn nhanh hơn so với định vị bằng vệ tinh thông thường. A-GPS được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị smartphone (Android, Windows Phone, iOS), A-GPS sẽ sử dụng Wifi hoặc dữ liệu di động 3G để lấy thông tin nhanh hơn từ dữ liệu máy chủ A-GPS hỗ trợ, nhờ đó mà điện thoại của bạn có thể được định vị dù là ở trong nhà mà không cần phải ra ngoài nơi thông thoáng để định vị như GPS thông thường.

3. GLONASS là gì?

GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) là hệ thống định vị vệ tinh do Nga phát triển và có các chức năng tương tự như GPS dùng để xác định vị trí, iPhone và khá nhiều thiết bị Android (honor 4c, Sony Z5 Dual,…) đã sử dụng cả GLONASS và GPS để đảm bảo sự chính xác tối đa.

Nếu bạn đang ở khu vực nhiều mây che phủ hoặc bị bao quanh bởi các tòa nhà cao tầng, thiết bị của bạn sẽ sử dụng GLONASS kết hợp cùng với GPS. Điều này cho phép thiết bị được xác định bởi bất kỳ vệ tinh nào trong tổng số 55 vệ tinh trên toàn cầu (các vệ tinh của cả GLONASS và GPS), như vậy sẽ làm tăng độ chính xác của việc định vị. Tuy nhiên, GLONASS thường chỉ được kích hoạt khi tín hiệu GPS yếu để tiết kiệm pin cho thiết bị.

GLONASS và GPS khác nhau như thế nào?

Có một số khác biệt cơ bản giữa GLONASS và GPS. Đầu tiên, GLONASS có ít vệ tinh hơn. GPS có 32 vệ tinh quay quanh trái đất trong 6 quỹ đạo bay. Trong khi đó, GLONASS có 24 vệ tinh với 3 quỹ đạo bay. Điều này có nghĩa là GONASS có nhiều vệ tinh đi theo cùng quỹ đạo hơn GPS và như vậy nó làm giảm độ chính xác của việc định vị.

Tuy vậy, khác biệt lớn nhất giữa GPS và GLONASS là cách thức liên lạc với thiết bị nhận. Với GPS, các vệ tinh sử dụng cùng tần số vô tuyến nhưng có các mã khác nhau để liên lạc. Còn với GLONASS, các vệ tinh có cùng mã nhưng lại sử dụng các tần số khác nhau. Điều này cho phép các vệ tinh liên lạc với nhau mặc dù đang ở cùng quỹ đạo bay.

GLONASS có định vị chính xác hơn GPS?

Độ chính xác của GLONASS tương đương với GPS. Nhưng điều này không phải lúc nào cũng như vậy. Đầu thế kỷ 21, GLONASS bị hỏng khiến hệ thống này hoạt động không chính xác. Điều này khiến Roscosmos (Cơ quan vũ trụ Nga) đặt mục tiêu đưa GLONASS tiệm cận với GPS về độ chính xác và tin cậy vào năm 2011.

Cuối năm 2011, GLONASS đã đạt được mục tiêu đề ra. Nó đã chứng tỏ đạt được độ chính xác trong môi trường tối ưu (không có mây, tòa nhà cao tầng hoặc can nhiễu vô tuyến) tới 2,8 mét. Kết quả này chỉ kém GPS một chút nhưng là mức hoàn toàn chấp nhận được cả với sử dụng thương mại lẫn quốc phòng. Tuy vậy, độ chính xác của GLONASS còn tùy thuộc vào nơi bạn sử dụng. Nó đưa ra kết quả định vị chính xác hơn ở Bán cầu Bắc so với Bán cầu Nam do khu vực này tập trung nhiều trạm mặt đất hơn.

4. Ứng dụng của định vị bằng vệ tinh là gì?

– Định vị vị trí khi đi đường một cách chính xác nhưng đòi hỏi phải có mạng internet và ứng dụng bổ trợ như các ứng dụng bản đồ Google Map hoặc HERE MAPS để tìm đường đi một cách chính xác nhờ vào hệ thống định vị GPS và GLONASS.

– Quản lý và điều hành xe

– Xác đinh được vị trí xe, hướng đi, quãng đường đích đến một cách chính xác.

– Chống trộm cho ứng dụng thuê xe tự lái, theo dõi lộ trình của đoàn xe

– Xác định vị trí xe chính xác ở từng góc đường (vị trí xe được thể hiện qua tín hiệu nhấp nháy trên bản đồ), xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang chạy, biết được lộ trình hiện tại xe đang đi (real time)

– Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc di chuyển.

– Báo cáo tổng số km bạn đi được trên bản đồ.

– Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn

– Chức năng chống trộm.

Thegioididong.com

Thông tin về các IC GPS trên các thiết bị di động tham khảo ở dưới đây:

Các tính năng tiết kiệm năng lượng trong GPS IC, các mô-đun mở rộng tuổi thọ pin trong các ứng dụng di động

Stephen Evanczuk

Đóng góp bằng các sản phẩm điện tử

2012-11-01

Chức năng GPS đã nổi lên như là một yêu cầu thiết yếu cho các thiết bị di động cá nhân. Đối với các kỹ sư, sự cần thiết phải đảm bảo tuổi thọ pin kéo dài có thể xung đột với yêu cầu ứng dụng để kêu gọi sửa lỗi vị trí GPS liên tục. Bằng cách sử dụng các chiến lược bảo tồn năng lượng, các kỹ sư có thể bổ sung thêm khả năng GPS tinh vi cho các thiết bị di động. Là cơ sở cho cách tiếp cận này, các kỹ sư có thể sử dụng nhiều chế độ hoạt động có điện năng thấp có sẵn trong Hệ thống định vị toàn cầu GPS từ Skyworks và Maxim Integrated Products và các mô đun GPS từ Antenova , Linx Technologies , LM Technologies, Taiyo Yuden, và Telit .

Trong các thiết bị di động cá nhân như điện thoại di động, hoạt động GPS có thể tiêu thụ điện nhiều như màn hình hiển thị. Do đó, quản lý năng lượng hiệu quả của các mạch GPS có thể có một tác động đáng kể đến tuổi thọ pin của hệ thống như một toàn thể. Mặc dù yêu cầu ứng dụng phần lớn sẽ dẫn đến những giới hạn hiệu quả cho việc bảo vệ nguồn GPS, các kỹ sư có thể mong đợi kiểm soát được điện năng tiêu thụ trong quá trình sửa GPS ban đầu và trong các trạng thái yên tĩnh của GPS.

Để thiết lập bản sửa lỗi GPS ban đầu, các thiết bị GPS yêu cầu dữ liệu bản ghi dữ liệu, dữ liệu về dữ liệu vị thành niên và bản sửa lỗi vệ tinh. Dữ liệu về Ephemeris cung cấp ngày và thời gian hiện tại cũng như dữ liệu về vệ tinh vệ tinh và thường có thể đạt được trong vòng 30 đến 120 giây. Dữ liệu Almanac cung cấp thông tin về vị trí vệ tinh trong cả ngày và là chi phí tốn kém nhất để cập nhật trong các hệ thống GPS độc lập, đòi hỏi phải mất vài phút để tải xuống ở tốc độ 50 bps có sẵn để tải về từ vệ tinh. GPS được hỗ trợ hoặc A-GPS, các phương pháp có thể sử dụng kết nối không dây cục bộ để truy cập vào Internet để tải dữ liệu về dữ liệu của almanac nhanh hơn tải trực tiếp.

Cùng với dữ liệu của almanac và ephemeris, thiết bị GPS yêu cầu khóa tín hiệu với ít nhất bốn vệ tinh để tính toán vĩ độ, kinh độ, độ cao và thời gian. Thời gian cần thiết để cung cấp tập đầu tiên của các kết quả này được gọi là Thời gian để Đầu tiên Fix (TTFF) và thường là trọng tâm của nỗ lực bảo tồn năng lượng trong thiết kế GPS.

Thông số kỹ thuật cho TTFF thường được cung cấp trong ba bối cảnh:

Khởi động lạnh – bộ tiếp nhận GPS không có dữ liệu thời gian lưu giữ hoặc dữ liệu bản ghi hợp lệ, buộc sự chậm trễ kéo dài để thu thập dữ liệu
Khởi động ấm – người nhận không có dữ liệu nhịn ăn, nhưng dữ liệu almanac hợp lệ và thông tin vị trí được lưu trữ gần đây nhất vẫn còn hợp lệ – kết quả là sự chậm trễ 30 giây để thu thập dữ liệu
Hot start – người nhận có dữ liệu ephemeris và almanac hợp lệ và một thông tin sửa chữa vị trí gần đây hợp lệ, thường dẫn đến sự chậm trễ trong một giây để đạt được một sửa chữa

Trong một phạm vi rộng lớn, thách thức chính trong quản lý điện năng GPS là sử dụng các chiến lược để giảm tiêu thụ điện năng GPS trong thời gian khởi động lạnh và ấm áp, đặc biệt. Đồng thời, tối đa hóa hiệu suất của máy thu GPS là rất cần thiết để đảm bảo thu được tín hiệu nhanh nhất có thể ở tất cả các giai đoạn của quá trình sửa chữa vị trí. Ví dụ, các kỹ sư cần tối ưu hóa hiệu suất ăng-ten. Ăng ten thu thấp sẽ làm giảm độ nhạy của máy thu, có thể mở rộng TTFF ở bất kỳ chế độ hoạt động nào. Hơn nữa, một nguồn năng lượng sạch sẽ được yêu cầu để giúp giảm thiểu các nguồn tiếng ồn có thể đóng góp cho con số tiếng ồn tổng thể trong chuỗi tín hiệu thu. Một nguồn năng lượng ồn sẽ làm tăng con số tiếng ồn và do đó làm giảm độ nhạy của máy thu.

Cùng với các kỹ thuật này, tuy nhiên, các thiết bị GPS tự cung cấp các tính năng khác nhau có thể giúp các nhà thiết kế giảm thiểu điện năng tiêu thụ trong các ứng dụng địa hoá nhạy cảm. Chẳng hạn, Skyworks SE4110L GPS IC (Hình 1) cung cấp ba cấp độ điều khiển công suất – chế độ chờ, dao động và hoạt động. Trong chế độ hoạt động, thiết bị tiêu thụ chỉ 10 mA, có thể giảm thêm 0,4 mA bằng cách sử dụng bộ dao động bên ngoài chứ không phải bộ dao động tinh thể bên trong của IC để cung cấp tần số tham chiếu. Đối với một số ứng dụng, các kỹ sư cũng có thể chọn tắt LNA bên trong, tiết kiệm thêm 1,9 mA. Trong chế độ dao động chỉ, thiết bị tiêu thụ 1 mA, và chế độ chờ chỉ cần 3 μA (typ) hoặc 10 μA (tối đa). IC GPS Skyworks SE4150L tiêu thụ 15 mA ở chế độ hoạt động và có đặc điểm kỹ thuật chế độ chờ 10 μA. Các kỹ sư cũng có thể vô hiệu hóa LNA bên trong trên thiết bị này để tiết kiệm được 5 mA.

GPS ICs such as the Skyworks SD4110L (click for full-size)

Hình 1: Hệ thống định vị toàn cầu GPS như Skyworks SD4110L cung cấp các chế độ điều khiển điện cho phép các kỹ sư giảm điện năng đáng kể tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng. (Được phép của Skyworks)
Đối với thiết bị GPS MAX2769 GPS của mình (Hình 2), Maxim Integrated Products cung cấp khả năng quản lý điện năng gia tăng, trong đó các kỹ sư có thể cân bằng hiệu suất với mức tiêu thụ điện năng bằng cách lập trình có chọn lọc dòng điện thiên vị của từng khối trên chip với các giá trị tối thiểu được đề nghị. Một chế độ tiết kiệm điện tiện lợi thiết lập dòng LNA, máy trộn, LO, và VCU với các giá trị tối thiểu của chúng.

Hình 2: Maxim Integrated MAX2769 GPS IC cho phép các kỹ sư lựa chọn một cách có chọn lọc mức tiêu thụ điện năng trong từng hệ thống con trên chip. Giảm sức mạnh khi các yêu cầu ứng dụng cho phép làm giảm chức năng trong hệ thống con bị ảnh hưởng. (Được phép của Maxim Integrated Products)
Các thiết lập khác trong IC MAX2769 chuyển PLL từ chế độ phân số-N sang chế độ số nguyên-tiết kiệm năng lượng và cấu hình lại bộ lọc băng gốc từ bộ lọc Butterworth thứ 3 đến bộ lọc Butterworth độ sâu bandpass thứ 5. Mặc dù chế độ công suất thấp này làm giảm mức tiêu thụ 10 mA, nhưng nó cũng làm cho con số tạp âm tăng lên 3.8 dB. Tiêu thụ điện năng ở chế độ hoạt động điển hình phụ thuộc vào cấu hình: Thiết bị bao gồm hai LNA được bật riêng biệt có và không có ăng ten hoạt động. Nếu không có một ăng-ten mà LNA1 đang hoạt động, vi mạch tiêu thụ 18 mA nhưng cung cấp một tiếng ồn là 1,4 dB. Với một ăng-ten nơi LNA2 hoạt động, điện năng tiêu thụ giảm xuống còn 15 mA nhưng con số tiếng ồn tăng lên đến 2,7 dB.

Các kỹ sư cũng có thể lựa chọn từ nhiều mô-đun GPS có sẵn để có thể thực hiện các chế độ bảo vệ năng lượng cấp độ tinh vi hơn. Chẳng hạn, Telit Jupiter F2 cung cấp chế độ theo dõi năng lượng thấp chỉ tiêu thụ 10 mA. Telit bao gồm các tính năng tiết kiệm năng lượng bổ sung trong loạt mô-đun Jupiter. Ví dụ, các mô-đun Jupiter có một chế độ TricklePower giảm sức mạnh bằng cách thích ứng với cường độ tín hiệu sGPS, chuyển sang toàn bộ sức mạnh trong các khu vực tín hiệu yếu và công suất thấp ở các vị trí có tín hiệu GPS mạnh. Trong chế độ này, mô-đun Jupiter 32xLP của Telit đạt được mức tiết kiệm điện tới 50% trong khi hoạt động với cập nhật 1 giây. Modul 32xLP cũng cung cấp chế độ Push-To-Fix, giúp hệ thống GPS ở chế độ ngủ yên cho đến khi được kích hoạt bởi tín hiệu wakeup. Đồng thời, thiết bị có thể tự động đánh thức và làm mới dữ liệu về dữ liệu tạm thời để đảm bảo TTFF ngắn khi tín hiệu wakeup bật lại chế độ hoạt động.

Các kỹ sư có thể tìm thấy nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng có sẵn trong các mô đun GPS hiện có khác như môđun GPS Antenova Radionova , mô-đun GPS Taiyo Yuden GYSFFMAXX , mô-đun GPS Linx Technologies SR và SG GPS và mô-đun GPS LM47 LM477 và LM478. Phần lớn được dự định cho các ứng dụng GPS đòi hỏi khắt khe hơn, các mô đun này thường cung cấp các khả năng phức tạp hơn với chi phí yêu cầu điện năng lớn hơn. Tuy nhiên, các kỹ sư có thể tìm thấy một loạt các chế độ tiết kiệm năng lượng trong mỗi mô-đun trong lớp này.

Tóm lược

Khi nhu cầu phát triển về các tính năng nội địa hóa trong các thiết bị di động, các kỹ sư phải đối mặt với những thách thức trong việc đáp ứng các yêu cầu cập nhật GPS yêu cầu với sự cần thiết phải kéo dài tuổi thọ pin trong các thiết bị này. Trên thực tế, mạch GPS có thể tiêu thụ nhiều năng lượng như các hệ thống con hiển thị trong các ứng dụng di động, đặc biệt khi phải cập nhật vị trí liên tục. Để giải quyết những thách thức này, các kỹ sư có thể kết hợp phương pháp bảo tồn năng lượng dựa trên hệ thống với các tính năng quản lý điện năng dựa trên phần cứng có sẵn trong các IC và mô-đun GPS. Bằng cách chọn chế độ năng lượng thấp có sẵn trong các IC và mô-đun, các nhà thiết kế có thể cung cấp các chức năng GPS tinh vi với tác động thấp nhất có thể đối với tuổi thọ pin.