Khi GPS không hoạt động tốt và cách khắc phục

Khi nói đến nhiều ứng dụng hiện đại, GPS đơn giản là không đủ chính xác để đạt yêu cầu. Nhìn thoáng qua GPS hiện có thể được hiệu chỉnh để có độ chính xác cao hơn 100 lần so với khi hoạt động riêng lẻ. Tín hiệu GNSS có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều loại nhiễu khiến việc đạt được độ chính xác cực cao trở nên khó khăn. Nhiều lớp nhiễu khác nhau có thể dẫn đến ước tính vị trí sai lệch tới vài mét.

Không thể phủ nhận rằng công nghệ GPS đã thay đổi cuộc sống của chúng ta. Từ khi ra đời vào những năm 1970 cho đến sự phát triển mạnh mẽ trong những thập kỷ tiếp theo, GPS đã trở thành một công cụ thiết yếu đối với người tiêu dùng và doanh nghiệp Hoa Kỳ, đến mức giờ đây nó đi theo chúng ta khắp mọi nơi trong túi.

Người Mỹ hàng ngày sử dụng tín hiệu GPS để điều hướng bằng điện thoại và chia sẻ vị trí của họ với bạn bè. Các công ty dựa vào nó cho mọi thứ, từ quản lý đội xe đến khảo sát xây dựng.

Tóm lại, các công cụ GPS có thể thực hiện vô số nhiệm vụ — hoặc ít nhất là chính xác hơn. Nhưng, như bất kỳ kỹ sư nào cũng biết, chúng chỉ có thể đi xa đến vậy. Khi nói đến nhiều ứng dụng hiện đại, GPS đơn giản là không đủ chính xác để đạt yêu cầu. Tin tốt là GPS hiện nay có thể được hiệu chỉnh để có độ chính xác cao hơn 100 lần so với khi sử dụng riêng lẻ.

GPS của bạn có vấn đề gì vậy?

Trước khi đi sâu vào những nhược điểm của GPS, chúng ta hãy làm rõ các thuật ngữ. GPS là viết tắt của Hệ thống định vị toàn cầu. Mặc dù thường được sử dụng ở Hoa Kỳ như một cách viết tắt cho bất kỳ hệ thống định vị dựa trên vệ tinh nào, GPS chỉ là chòm sao vệ tinh của Hoa Kỳ — chỉ là một trong số nhiều chòm sao vệ tinh trên khắp thế giới, chẳng hạn như Galileo, GLONASS và Beidou.

Cùng nhau, các chòm sao vệ tinh này được gọi là Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu, hay GNSS. Các vệ tinh trong các mảng này truyền tín hiệu đến các máy thu GNSS trên toàn thế giới và các máy thu sử dụng các tín hiệu đó để xác định vị trí tuyệt đối.

Để phản ánh đúng việc sử dụng công nghệ này trên toàn thế giới trong tương lai, GNSS là thuật ngữ được ưa chuộng.

Nguyên nhân và hậu quả của lỗi GNSS

Vì vậy, để đặt lại câu hỏi: GNSS của bạn có vấn đề gì?

Tóm lại, tín hiệu GNSS phải chịu một số loại nhiễu khiến việc đạt được độ chính xác cực cao khi chỉ dựa vào vệ tinh và máy thu trở nên khó khăn. Bản thân các vệ tinh, mặc dù khá chính xác về quỹ đạo và thời gian đồng hồ, có thể bị trôi nhẹ ở cả hai khu vực, dẫn đến sự khác biệt đáng kể trong các phép đo không gian địa lý trên mặt đất.

Các điều kiện trong tầng điện ly và tầng đối lưu — hai lớp của khí quyển Trái Đất — cũng có thể tạo ra sự biến dạng trong tín hiệu khi chúng được truyền từ vệ tinh, khiến các phép đo lệch hướng xa hơn nữa. Cuối cùng, nhiễu mặt đất từ ​​các tòa nhà xung quanh có thể làm chệch hướng tín hiệu, làm tăng thêm độ biến thiên cho các phép đo định vị.

Sự can thiệp của khí quyển dẫn đến cái gọi là “lỗi ephemeris” trong phép đo định vị. Những lỗi này phải được sửa để đạt được độ chính xác. Hình ảnh: Point One Navigation.

Tóm lại, tác động của các lớp nhiễu khác nhau này có thể dẫn đến ước tính vị trí lệch vài mét. Trong các ứng dụng như xây dựng, lái xe tự động và robot, một vài mét là quá đủ để gây ra các vấn đề nghiêm trọng.

Hãy xem xét hậu quả nếu, ví dụ, tọa độ đào đất cho một công trường xây dựng lệch vài mét so với thông số kỹ thuật thiết kế. Người đào đất có thể va vào các tiện ích ngầm, dẫn đến rò rỉ khí hoặc mất điện, hoặc người xây dựng có thể gặp phải sự chậm trễ hoặc các vấn đề khác khi đổ móng cho một tòa nhà. Không cần phải nói, hậu quả của tọa độ xe tự hành không chính xác có thể còn nghiêm trọng hơn.

Tùy chọn cho hiệu chỉnh GNSS

Với khả năng không chính xác như vậy, các phép đo GNSS luôn cần phải hiệu chỉnh. Tuy nhiên, trước đây, các hiệu chỉnh này có chi phí rất cao, lên tới 50.000 đô la trở lên để lắp đặt các trạm gốc tại một địa điểm cụ thể.

Ngày nay, các công ty có thể tận dụng một số loại công nghệ hiệu chỉnh GNSS để đạt được các phép đo chính xác đến vài cm hoặc ít hơn:

Định vị điểm chính xác (PPP): PPP dựa vào một tập hợp các trạm chính xác để tinh chỉnh dữ liệu từ các máy thu GNSS và sửa lỗi. Kết quả là chính xác, nhưng mạng PPP hạn chế cung cấp sự hội tụ tín hiệu cực kỳ chậm — dẫn đến độ trễ hội tụ là 20 phút hoặc hơn.

Biểu diễn không gian trạng thái (SSR): Loại công nghệ hiệu chỉnh GNSS mới hơn này cho phép phân tích dữ liệu tín hiệu sâu nhất. Tuy nhiên, nó thường yêu cầu hỗ trợ của nhà cung cấp cụ thể để tích hợp với công nghệ hiện có, khiến nó trở thành một lựa chọn tốn kém. Và thường thì các công ty cung cấp sẽ hy sinh độ chính xác để tiết kiệm băng thông, chi phí trạm gốc hoặc cả hai.

Động học thời gian thực (RTK): RTK dựa vào mạng lưới các trạm gốc và thiết bị hiệu chỉnh để cung cấp phân tích tín hiệu và hiệu chỉnh ngay lập tức. Vì các trạm gốc được lắp đặt tại các vị trí cố định đã biết, nên xe tự hành, máy bay không người lái và các thiết bị khác có thể kiểm tra dữ liệu GNSS so với vị trí trạm gốc để có độ chính xác ở mức centimet.

Quay số chính xác với định vị động học thời gian thực (RTK)

Định vị động học thời gian thực tránh được những điểm cực đoan của công nghệ PPP và SSR. Với mạng lưới trạm gốc và thiết bị hiệu chỉnh đủ rộng, RTK có thể cung cấp hiệu chỉnh theo thời gian thực. Nó cũng dễ dàng tích hợp với công nghệ hiện có, khiến nó trở thành giải pháp tiết kiệm chi phí cho nhiều ứng dụng.

Tốt hơn nữa, các phép hiệu chỉnh RTK luôn là một trong những phép hiệu chỉnh chính xác và đáng tin cậy nhất hiện có. Với phạm vi phủ sóng mạng đủ rộng, có thể đạt được thời gian hoạt động gần như toàn diện và độ chính xác đến từng milimét.

Lợi ích của độ chính xác thời gian thực như vậy có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng kỹ thuật/thiết kế.

Trong trường hợp đào trước khi xây dựng đã đề cập ở trên, các công ty như Radiodetection đang sử dụng các hiệu chỉnh RTK để xác định vị trí của các đường dây tiện ích ngầm và các cấu trúc ẩn khác. Bằng cách đảm bảo các đội đào tránh xa các cấu trúc quan trọng này, Radiodetection giúp họ tránh được sự chậm trễ tốn kém và các thảm họa tiềm ẩn.

RTK cũng chứng minh được tính thiết yếu đối với các ứng dụng trên mặt đất. Civ Robotics, công ty chế tạo robot để khảo sát, có thể khảo sát và đánh dấu chính xác các công trường xây dựng nhanh gấp sáu lần bằng cách kết nối với mạng RTK đáng tin cậy. Khi dựa vào RTK, Civ Robotics cũng tránh được các khoản chi phí đáng kể mà nếu không sẽ phải chịu để lắp đặt các trạm gốc của riêng mình để hiệu chỉnh.

Hơn nữa, RTK cũng có thể tạo điều kiện cho độ chính xác với các phương tiện tự hành trong các ứng dụng hàng ngày. Ví dụ, Faction triển khai các phương tiện giao hàng tự hành — được hỗ trợ bởi các nhân viên điều khiển từ xa — để tạo điều kiện cho việc giao hàng tận nơi. Các phương tiện của họ dựa vào định vị RTK để đặt các gói hàng trong phạm vi cm tính từ điểm giao hàng mục tiêu.

Mức độ định vị địa không gian chính xác này thậm chí có thể được áp dụng trong việc lái xe đua tự động. Ngay cả trong một ứng dụng hầu như không có biên độ sai số, công nghệ RTK vẫn phát huy tác dụng. Gần đây, cuộc đua Indy Autonomous Challenge (IAC) đã chọn hệ thống định vị RTK để hướng dẫn hàng chục xe đua tự lái quanh đường đua tại Las Vegas Motor Speedway tại CES 2024. Những chiếc xe đã an toàn đi vòng quanh đường đua mà không cần người lái với tốc độ lên tới 180 dặm một giờ.

Đưa phép đo GPS vào thế kỷ 21

Hệ thống GPS và các GNSS khác trên toàn cầu đã thay đổi hoàn toàn cuộc sống của người tiêu dùng và doanh nghiệp. Đặc biệt, các kỹ sư đã có thể tận dụng công nghệ này để hiện thực hóa các khái niệm thiết kế với độ chính xác cao hơn bao giờ hết.

Tuy nhiên, nhu cầu về độ chính xác ngày càng trở nên khắc nghiệt hơn. Khi các kỹ sư và nhà thiết kế dựa nhiều hơn vào robot và các thiết bị tự động khác để hiện thực hóa kế hoạch của họ, họ không còn có thể dựa vào tín hiệu GNSS chưa hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác.

Định vị RTK giúp đạt được hiệu chỉnh chính xác theo thời gian thực và không tốn kém chi phí cho các tùy chọn hiệu chỉnh khác trên thị trường. Nó đưa công nghệ GNSS ra khỏi quá khứ và tiến vào thế kỷ 21, cho phép các nhà thiết kế và kỹ sư tiếp tục xây dựng cho một tương lai thú vị.