Điện thoại xác định vị trí bằng cách nghe tín hiệu từ nhiều vệ tinh cùng một lúc. Mỗi vệ tinh liên tục phát ra thời điểm và vị trí của chính nó; đo xem tín hiệu bay tới mất bao lâu, máy tính ra khoảng cách tới từng vệ tinh, rồi tìm ra một điểm duy nhất khớp với tất cả các khoảng cách ấy. Cần ít nhất bốn vệ tinh để làm được điều này.
Chào bạn, đây là Nhà Địa Lý. Chấm xanh nhấp nháy trên bản đồ điện thoại đã thành chuyện bình thường tới mức ít ai hỏi nó từ đâu ra. Hôm nay mình kể câu chuyện đằng sau chấm xanh ấy, một câu chuyện có cả vệ tinh, đồng hồ nguyên tử và một chút thuyết tương đối.
Đo khoảng cách bằng thời gian
Hãy bắt đầu từ một trò chơi đơn giản. Bạn thấy chớp rồi đếm tới khi nghe sấm, nhân với tốc độ âm thanh là ra khoảng cách tới tia sét. Định vị vệ tinh dùng đúng nguyên lý ấy, chỉ khác là dùng sóng vô tuyến bay với tốc độ ánh sáng.
Mỗi vệ tinh định vị mang theo đồng hồ cực kỳ chính xác và liên tục phát ra một thông điệp: đây là vệ tinh số mấy, vệ tinh đang ở vị trí này, và lúc phát đi là đúng thời điểm này. Điện thoại nhận thông điệp, so với thời điểm nhận được, tính ra tín hiệu đã bay bao lâu, từ đó ra khoảng cách.
Vì tín hiệu bay cực nhanh, chỉ cần sai một phần triệu giây là sai khoảng ba trăm mét. Đó là lý do đồng hồ trên vệ tinh phải là đồng hồ nguyên tử, chính xác tới mức khó tưởng tượng.
Biết khoảng cách tới một vệ tinh, bạn chỉ biết mình nằm đâu đó trên một mặt cầu khổng lồ quanh vệ tinh ấy. Cần thêm các vệ tinh khác để thu hẹp lại.
Vì sao cần ít nhất bốn vệ tinh?
Với hai vệ tinh, hai mặt cầu cắt nhau thành một vòng tròn. Với ba vệ tinh, ba mặt cầu cắt nhau còn hai điểm, trong đó thường chỉ có một điểm nằm gần mặt đất hợp lý.
Vậy sao không đủ ba? Vấn đề nằm ở đồng hồ trong điện thoại. Nó không phải đồng hồ nguyên tử, nên luôn lệch một chút so với đồng hồ vệ tinh. Chỉ lệch một chút cũng làm mọi khoảng cách sai đi hàng trăm mét.
Cách giải rất thông minh: dùng vệ tinh thứ tư để tính luôn độ lệch của đồng hồ điện thoại. Bốn vệ tinh cho bốn phương trình, giải ra bốn ẩn số là ba toạ độ vị trí và một sai lệch đồng hồ.
Trên thực tế điện thoại thường nhìn thấy nhiều hơn bốn vệ tinh, từ nhiều hệ thống định vị của các nước khác nhau, càng nhiều vệ tinh thì vị trí càng chính xác.
Một chút thuyết tương đối trong túi bạn
Có một chi tiết mà giới vật lý rất thích kể. Theo thuyết tương đối của Einstein, đồng hồ chạy nhanh hơn ở nơi lực hấp dẫn yếu hơn, và chạy chậm hơn khi chuyển động nhanh.
Vệ tinh định vị bay ở độ cao hàng chục nghìn cây số, nơi lực hấp dẫn yếu hơn mặt đất, nhưng lại bay rất nhanh. Cộng hai hiệu ứng lại, đồng hồ trên vệ tinh chạy nhanh hơn đồng hồ dưới đất một chút mỗi ngày.
Một chút ấy, nếu không được hiệu chỉnh, sẽ tích luỹ thành sai số vị trí lên tới nhiều cây số mỗi ngày. Các kỹ sư đã phải tính toán và hiệu chỉnh cho hiệu ứng này.
Vậy là mỗi lần bạn mở bản đồ tìm quán cà phê, một trong những lý thuyết trừu tượng nhất của vật lý đang lặng lẽ làm việc giúp bạn.
Vì sao định vị bị lệch trong phố và trong nhà?
Tín hiệu vệ tinh rất yếu và cần đường đi thẳng tới điện thoại. Giữa những toà nhà cao, phần trời nhìn thấy hẹp lại, ít vệ tinh hơn. Tín hiệu còn dội vào tường kính rồi mới tới máy, đi đường vòng nên bị tính sai khoảng cách. Chấm xanh nhảy lung tung giữa phố cao tầng là vì vậy.
Trong nhà, trong hầm, dưới tán rừng rậm, tín hiệu bị chặn hoặc yếu đi nhiều. Điện thoại có thể mất định vị hoặc đoán sai.
Để bù lại, điện thoại kết hợp thêm nhiều nguồn: vị trí của trạm phát sóng di động, mạng không dây xung quanh, cảm biến chuyển động trong máy. Đó là lý do khi bật mạng, định vị thường nhanh và ổn định hơn.
Ở ngoài trời thoáng, điện thoại thông thường có thể định vị với sai số vài mét. Trong điều kiện khó, sai số có thể lên hàng chục mét hoặc hơn.
Dùng định vị cho đúng và an toàn
Khi đi rừng, đi núi, hãy tải trước bản đồ ngoại tuyến. Định vị vệ tinh vẫn hoạt động khi không có sóng, nhưng bản đồ nền thì cần tải sẵn.
Đừng tin mù quáng vào chỉ đường. Đã có nhiều chuyện người lái xe theo ứng dụng mà đi vào đường cụt, đường đất đang sạt, hay cả bến phà ngừng hoạt động. Nhìn biển báo và hỏi người địa phương vẫn là kỹ năng cần giữ.
Định vị cũng đi kèm chuyện riêng tư. Nhiều ứng dụng ghi lại nơi bạn đã đến. Nên xem lại quyền truy cập vị trí của từng ứng dụng và tắt với những ứng dụng không cần.
Lần tới thấy chấm xanh trên bản đồ, bạn thử nghĩ tới những vệ tinh đang bay cách đầu mình hàng chục nghìn cây số, mỗi giây đều gửi xuống một lời nhắn về thời gian.
Câu hỏi thường gặp
Định vị vệ tinh có cần internet không?
Không. Việc xác định vị trí chỉ cần nhận tín hiệu vệ tinh. Internet giúp tải bản đồ nền và giúp định vị nhanh hơn, nhưng không bắt buộc nếu đã tải bản đồ ngoại tuyến.
Vì sao cần bốn vệ tinh mà không phải ba?
Ba vệ tinh đủ để xác định vị trí nếu đồng hồ trong máy thu hoàn toàn chính xác. Vì đồng hồ điện thoại luôn lệch một chút, cần vệ tinh thứ tư để tính luôn sai lệch đó.
Định vị trên điện thoại chính xác tới đâu?
Ngoài trời thoáng, điện thoại thông thường thường đạt sai số vài mét. Giữa phố cao tầng, trong nhà hoặc dưới rừng rậm, sai số có thể lớn hơn nhiều.
Vì sao định vị bị nhảy lung tung giữa phố?
Vì các toà nhà cao chắn bớt vệ tinh và làm tín hiệu dội qua tường kính trước khi tới điện thoại. Tín hiệu đi đường vòng làm máy tính sai khoảng cách.
Có bao nhiêu hệ thống định vị vệ tinh?
Hiện có một số hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu do các quốc gia và khu vực khác nhau vận hành, cùng một số hệ thống khu vực. Nhiều điện thoại hiện đại nhận được tín hiệu từ nhiều hệ thống cùng lúc.
