GPS là gì?

Mèo con mở bản đồ trên điện thoại, một chấm xanh hiện ra đúng chỗ mình đang đứng. Không ai gõ địa chỉ, không ai bấm gì - vậy làm sao chiếc máy trong túi biết bạn ở đâu giữa cả hành tinh này?

Câu trả lời ở tít trên cao: có những vệ tinh bay cách mặt đất hàng chục nghìn cây số, liên tục phát tín hiệu xuống. Điện thoại lắng nghe vài vệ tinh cùng lúc rồi tự tính ra vị trí của mình. Đó chính là GPS.

• ▸GPS = hệ thống định vị dựa trên tín hiệu từ vệ tinh.
• ▸Điện thoại chỉ nghe tín hiệu rồi tự tính - không cần ai nhập vị trí.
• ▸Cả khoá này sẽ bóc tách từng lớp: tín hiệu, khoảng cách, cách tính ra toạ độ.

Định vị là bài toán cũ bằng tuổi loài người đi biển. Suốt nhiều thế kỷ, thuỷ thủ nhìn sao, mặt trời và đường chân trời để đoán mình đang ở vĩ độ nào - chính xác tới đâu thì tuỳ tay nghề và trời có quang mây hay không.

Đến Thế chiến II, người ta dựng hệ LORAN: vài đài phát sóng vô tuyến đặt trên mặt đất, tàu thuyền đo chênh lệch thời gian tín hiệu từ các đài tới để suy ra vị trí. Tốt hơn nhìn sao, nhưng vẫn vướng: đài chỉ phủ quanh một vùng, ra giữa đại dương hay tới vùng xa là “mù”.

Năm 1957, Liên Xô phóng Sputnik - vệ tinh nhân tạo đầu tiên. Các nhà khoa học Mỹ ngồi nghe tiếng “bíp” của nó và nhận ra: khi vệ tinh bay lại gần, tần số tín hiệu nghe cao lên; bay ra xa thì trầm xuống - đúng kiểu tiếng còi xe đổi cao độ khi nó vụt qua. Đó là hiệu ứng Doppler.

Họ lật ngược bài toán: nếu biết quỹ đạo vệ tinh, thì kiểu đổi tần số đó cho biết người nghe đang ở đâu. Từ ý tưởng này ra đời hệ Transit của Hải quân Mỹ (thập niên 1960), giúp tàu ngầm xác định vị trí. Nó chậm - phải chờ vệ tinh bay qua mới có một lần định vị - nhưng đã chứng minh: định vị bằng vệ tinh là khả thi.

• ▸Hiệu ứng Doppler: nguồn lại gần thì tần số cao lên, ra xa thì trầm xuống.
• ▸Transit dùng Doppler để định vị, nhưng mỗi lần phải chờ một vệ tinh bay qua.
• ▸Bài học: muốn định vị tức thì và liên tục, cần NHIỀU vệ tinh luôn ở trên trời.

Để định vị mọi lúc, mọi nơi, Bộ Quốc phòng Mỹ xây hệ NAVSTAR GPS: một “chòm” nhiều vệ tinh sắp khéo sao cho từ bất kỳ điểm nào trên Trái Đất, lúc nào cũng nhìn thấy đủ vệ tinh. Vệ tinh GPS đầu tiên lên quỹ đạo năm 1978; tới năm 1995 chòm vệ tinh đầy đủ và hệ chạy chính thức.

Ban đầu GPS làm cho quân đội, sau mở cho dân dùng. Bước nhảy so với Transit: thay vì chờ một vệ tinh bay qua, nay máy thu thấy nhiều vệ tinh cùng lúc nên định vị tức thì, liên tục và theo cả ba chiều (kinh độ, vĩ độ, độ cao). Cách máy gộp khoảng cách tới nhiều vệ tinh để lần ra toạ độ là chuyện của bài Định vị bằng giao điểm (trilateration).

• ▸GPS = chòm nhiều vệ tinh, luôn có đủ vệ tinh trên đầu bạn.
• ▸Mốc chính: vệ tinh đầu tiên 1978, hệ đầy đủ 1995.
• ▸Khác Transit: định vị tức thì, liên tục, theo ba chiều.

Ta quen miệng gọi mọi thứ là “GPS”, nhưng chính xác thì GPS là hệ của Mỹ. Khi các nước khác thấy định vị quá quan trọng, họ tự xây hệ riêng. Tên gọi chung cho tất cả là GNSS (Global Navigation Satellite System - hệ định vị vệ tinh toàn cầu):

• ▸GPS - Mỹ; GLONASS - Nga; Galileo - Liên minh châu Âu; BeiDou - Trung Quốc.
• ▸Thêm vài hệ khu vực: QZSS (Nhật Bản), NavIC (Ấn Độ).
• ▸Điện thoại đời mới bắt nhiều hệ CÙNG LÚC - nhiều vệ tinh hơn thì định vị nhanh và chính xác hơn.

Dù là hệ nào, một hệ định vị vệ tinh luôn gồm ba mảnh ghép lại:

• ▸Mảng không gian (space): các vệ tinh trên quỹ đạo, liên tục phát tín hiệu.
• ▸Mảng điều khiển (control): trạm dưới mặt đất theo dõi vệ tinh, chỉnh đồng hồ và quỹ đạo cho chuẩn.
• ▸Mảng người dùng (user): máy thu trong điện thoại, xe, đồng hồ - chỉ nghe rồi tự tính vị trí.

Một chuyện ít ai biết: tới tận năm 2000, GPS dân dụng vẫn bị cố tình làm nhiễu (cơ chế tên là Selective Availability), khiến vị trí lệch tới khoảng 100 mét - đủ sai để không thể dẫn đường trong phố. Tháng 5 năm 2000, Mỹ tắt nhiễu, và chỉ sau một đêm độ chính xác dân dụng nhảy xuống còn cỡ vài mét. Đó là lúc bản đồ dẫn đường trên xe và điện thoại mới thật sự bùng nổ.