Độ chính xác GPS hoạt động thế nào

Vệ tinh, đồng hồ và phép đo tam biên

GPS là chòm khoảng 31 vệ tinh (cùng với Galileo của châu Âu, GLONASS của Nga và BeiDou của Trung Quốc — điện thoại đời mới dùng cả bốn) bay ở độ cao chừng 20.200 km. Mỗi vệ tinh phát đi một dấu thời gian cực kỳ chính xác từ đồng hồ nguyên tử mang theo. Điện thoại của bạn đo xem mỗi tín hiệu mất bao lâu mới tới nơi; nhân với tốc độ ánh sáng là ra khoảng cách tới từng vệ tinh. Một khoảng cách đặt bạn trên một mặt cầu, hai khoảng cách trên một đường tròn, ba khoảng cách còn lại hai điểm — và vệ tinh thứ tư giải quyết cả điểm cuối cùng lẫn sai số đồng hồ của chính máy thu. Đó là lý do một lần «định vị» cần ít nhất bốn vệ tinh, và là lý do lần định vị đầu tiên sau khi ở trong nhà lâu nhất: máy thu vẫn đang tải dữ liệu quỹ đạo của từng vệ tinh.

Sai số đến từ đâu

Mỗi mét sai số đều là một bài toán thời gian ở thang nano giây. Tín hiệu chậm lại khó lường khi đi qua tầng điện ly và tầng đối lưu (sai số 2–5 m), đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh trôi nhẹ (±2 m), và — thủ phạm lớn nhất trong thành phố — tín hiệu nảy khỏi kính và bê tông trước khi tới chỗ bạn. Hiệu ứng đa đường đó khiến điện thoại đo một tia phản xạ thay vì tia đi thẳng, nên độ chính xác trong hẻm phố cao tầng có thể tụt xuống 30–50 m, còn giữa cánh đồng trống thì đạt 3 m. Tán cây, chính cơ thể bạn, thậm chí việc cầm điện thoại thấp cũng gây ra phiên bản nhẹ hơn của cùng vấn đề đó.

Độ cao được đo theo đúng cách đó nhưng chịu sai số gấp chừng 1,5–3× sai số ngang, vì mọi vệ tinh đều ở phía trên bạn — không có gì ràng buộc lời giải từ bên dưới. Đó là lý do công cụ đo độ cao của chúng tôi đưa ra thêm số đọc từ mô hình địa hình bên cạnh số đọc GPS.

Vòng tròn độ chính xác thật ra nói lên điều gì

Vòng tròn quanh chấm vị trí là một phát biểu thống kê, không phải một ranh giới: thông thường nó được vẽ sao cho có khoảng 68% khả năng vị trí thật nằm bên trong. Vòng tròn 20 m không có nghĩa là bạn lệch 20 m — nó có nghĩa là ước lượng sai số của chính máy thu, suy ra từ chất lượng tín hiệu và hình học vệ tinh, là 20 m. Hình học quan trọng ngang với cường độ tín hiệu: nếu các vệ tinh nhìn thấy được dồn hết về một góc trời (gọi là suy giảm độ chính xác cao), sai số thời gian nhỏ biến thành sai số vị trí lớn, giống như hai đường gần song song cắt nhau một cách nhập nhằng.

Điện thoại có gian lận — theo hướng tốt

Một lần định vị trên điện thoại hiếm khi là GPS thuần túy. GPS hỗ trợ (A-GPS) tải dữ liệu quỹ đạo vệ tinh qua mạng để máy thu bỏ qua bước dò trời chậm chạp; định vị Wi-Fi đối chiếu các điểm truy cập gần đó với bản đồ do cộng đồng góp (đạt chừng 15–40 m trong nhà); trạm phát sóng di động cho ngay một ước lượng thô 100 m–3 km. Hệ điều hành hợp nhất tất cả với cảm biến gia tốc và la bàn, nên đôi khi chấm vị trí nhảy sang chỗ mới: bộ hợp nhất vừa đổi ý về nguồn nào đáng tin. Khi bạn xem vị trí của bạn trên trang này, trình duyệt trao cho chúng tôi đúng thứ mà bộ hợp nhất của hệ điều hành tạo ra — chúng tôi hiển thị trung thực độ chính xác mà nó báo, thay vì giả vờ có một độ chính xác nó không hề có.

Bắt định vị tốt hơn

Các bước thực tế, xếp theo mức hiệu quả: ra chỗ thoáng trời (chỉ cần bước ra xa mặt tường tòa nhà cũng đã ăn đứt mọi cách khác); cho phép định vị 30–60 giây để ổn định thay vì đọc ngay ước lượng đầu tiên; tắt các chế độ định vị tiết kiệm pin, vốn lặng lẽ chuyển sang nguồn thô; và với những lần ghi dài như trên đồng hồ tốc độ GPS của chúng tôi, hãy giữ màn hình sáng và đừng che điện thoại — nhiều máy bóp nghẹt GPS khi khóa màn hình. Nếu hai thiết bị cho kết quả khác nhau, hãy tin máy hiển thị vòng tròn độ chính xác nhỏ hơn, và nhớ rằng cả hai đều có thể đúng trong giới hạn chúng công bố. Để chia sẻ một điểm thật chuẩn bất kể nhiễu GPS, hãy dùng các định dạng tọa độ trên trang tọa độ GPS — một mã Plus Code hay tham chiếu MGRS thì không trôi.