Mỗi chiếc điện thoại ngày nay đều biết chính xác mình đang ở đâu trên Trái Đất, chính xác tới vài mét, hoàn toàn miễn phí. Ít người biết rằng khả năng tưởng như hiển nhiên ấy đến từ một hệ thống vệ tinh quân sự của Mỹ trị giá hàng chục tỷ đô la, được xây dựng để dẫn đường cho tên lửa và máy bay chiến đấu. Và càng ít người biết hơn: hệ thống ấy chỉ hoạt động chính xác được nhờ thuyết tương đối của Albert Einstein — một lý thuyết ra đời trước cả khi vệ tinh đầu tiên bay lên trời.

Từ Sputnik đến Navstar: nguồn gốc quân sự

Câu chuyện bắt đầu năm 1957, khi Liên Xô phóng Sputnik, vệ tinh nhân tạo đầu tiên. Hai nhà khoa học Mỹ tại Đại học Johns Hopkins, William Guier và George Weiffenbach, nhận ra họ có thể tính được quỹ đạo của Sputnik bằng cách nghe sự thay đổi tần số tín hiệu radio của nó — hiệu ứng Doppler. Rồi họ nảy ra ý tưởng ngược lại đầy táo bạo: nếu biết chính xác vị trí các vệ tinh, người dưới mặt đất có thể tính ngược ra vị trí của chính mình. Hải quân Mỹ nhanh chóng xây dựng hệ thống Transit trong thập niên 1960 để định vị cho tàu ngầm mang tên lửa, nhưng nó chậm và thiếu chính xác.

Năm 1973, Bộ Quốc phòng Mỹ hợp nhất các chương trình định vị của các quân chủng thành một hệ thống duy nhất: Navstar GPS. Những kiến trúc sư trưởng của nó gồm Bradford Parkinson, thường được gọi là "cha đẻ của GPS", cùng Roger Easton và Ivan Getting với các đóng góp nền tảng về đồng hồ nguyên tử và thiết kế hệ thống. Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978. Ban đầu, tín hiệu chính xác cao chỉ dành cho quân đội, còn dân sự nhận tín hiệu bị làm nhiễu cố ý gọi là "Sai lệch chọn lọc", khiến sai số lên tới khoảng 100 mét. Hai bước ngoặt mở GPS ra cho dân sự: năm 1983, sau khi máy bay chở khách của Hàn Quốc bị bắn rơi vì bay lạc vào không phận Liên Xô, Tổng thống Reagan tuyên bố sẽ cho dân sự dùng GPS để tránh thảm kịch tương tự; và ngày 1 tháng 5 năm 2000, Tổng thống Clinton cho tắt hẳn cơ chế làm nhiễu, độ chính xác dân sự lập tức cải thiện từ 100 mét xuống còn khoảng 10 mét — mở ra kỷ nguyên của định vị cá nhân.

GPS định vị bạn như thế nào

Hệ thống gồm tối thiểu 24 vệ tinh bay ở độ cao khoảng 20.200 km, mỗi vệ tinh bay quanh Trái Đất hai vòng mỗi ngày và liên tục phát đi một tín hiệu tưởng như đơn giản: "Tôi là vệ tinh số X, vị trí của tôi là đây, và bây giờ chính xác là mấy giờ" — theo đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh, chính xác tới từng nano giây.

Máy thu GPS trong điện thoại của bạn chỉ việc lắng nghe. Nó đo thời gian tín hiệu từ mỗi vệ tinh bay tới mình; nhân thời gian với tốc độ ánh sáng sẽ ra khoảng cách tới vệ tinh đó. Biết khoảng cách tới ba vệ tinh cho phép khoanh vị trí trong không gian, và vệ tinh thứ tư giúp sửa sai số đồng hồ của chính máy thu — vì điện thoại của bạn dĩ nhiên không có đồng hồ nguyên tử. Toàn bộ phép tính diễn ra ngay trong thiết bị của bạn; vệ tinh hoàn toàn không biết bạn là ai hay đang ở đâu.

Điều kỳ diệu là phép tính ấy chỉ đúng khi áp dụng thuyết tương đối của Einstein. Đồng hồ trên vệ tinh chạy nhanh hơn đồng hồ mặt đất khoảng 38 micro giây mỗi ngày do kết hợp hai hiệu ứng tương đối, và nếu không hiệu chỉnh, vị trí tính ra sẽ lệch dần tới khoảng 10 km mỗi ngày — vô dụng hoàn toàn. GPS vì thế là minh chứng thực tế được kiểm chứng mỗi ngày của một lý thuyết từng bị coi là trừu tượng xa vời.

Từ vũ khí dẫn đường đến túi quần mỗi người

Hôm nay GPS và các hệ thống anh em của nó — GLONASS của Nga, Galileo của châu Âu, Bắc Đẩu của Trung Quốc — hiện diện trong gần như mọi hoạt động: máy bay và tàu biển định hướng an toàn, xe tải được theo dõi hành trình, nông dân canh tác chính xác từng luống, đội cứu hộ tìm người mất tích, các ứng dụng gọi xe và giao đồ ăn. Ít ai biết rằng tín hiệu thời gian siêu chính xác của GPS còn âm thầm đồng bộ hóa lưới điện, mạng viễn thông và các giao dịch tài chính toàn cầu. Một hệ thống sinh ra cho chiến tranh đã trở thành tiện ích công cộng miễn phí mà cả nhân loại cùng dựa vào mỗi ngày.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Tín hiệu GPS khi đến mặt đất yếu đến mức nằm dưới cả mức nhiễu vô tuyến thông thường; máy thu phải dùng kỹ thuật xử lý tín hiệu tinh vi mới "nghe" được nó — tương đương việc cố nghe tiếng thì thầm từ cách xa hàng chục nghìn cây số.
  • Mỗi vệ tinh GPS mang theo tới bốn đồng hồ nguyên tử để dự phòng, và đội ngũ vận hành phải liên tục hiệu chỉnh chúng từ mặt đất.
  • Chiếc máy thu GPS cầm tay dân sự đầu tiên, Magellan NAV 1000 ra đời năm 1989, có giá khoảng 3.000 đô la và to gần bằng một viên gạch.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Vệ tinh GPS đang theo dõi vị trí của tôi." Hoàn toàn không. Vệ tinh GPS chỉ phát tín hiệu một chiều như đài radio; chúng không nhận bất cứ thứ gì từ điện thoại của bạn và không thể biết bạn ở đâu. Vị trí được tính ngay trong thiết bị của bạn. Nếu một ứng dụng nào đó biết vị trí của bạn, đó là do ứng dụng tự gửi dữ liệu đi qua Internet — lỗi không nằm ở GPS.

Hiểu lầm: "GPS cần có Internet mới hoạt động được." GPS hoạt động độc lập với Internet: máy thu chỉ cần nhìn thấy bầu trời và nhận tín hiệu vệ tinh, nên điện thoại vẫn định vị được giữa biển hay trên núi không có sóng. Internet chỉ giúp tải bản đồ về và hỗ trợ khóa vị trí nhanh hơn lúc khởi động; tắt dữ liệu di động, GPS vẫn chạy, chỉ là bạn có thể không có bản đồ để hiển thị.

Nguồn tham khảo