Lịch sử công nghệ định vị ① — Từ tiếng hát cá voi đến UWB

Trong bóng tối sâu thẳm của đại dương, nơi ánh sáng không thể chạm tới, cá nhà táng vẫn tìm ra đàn mực cách xa hàng cây số. Không phải bằng mắt, mà bằng âm thanh. Lịch sử của công nghệ định vị không bắt đầu từ con người, mà bắt đầu từ tự nhiên.

"Mình đang ở đâu?" — trong suốt chiều dài lịch sử, câu hỏi này là vấn đề sống còn. Người hoa tiêu đọc sai vì sao thì chìm cùng con tàu; đội quân không biết vị trí của chính mình thì lạc lối giữa chiến trường. Vì vậy, suốt hàng nghìn năm, loài người đã dò dẫm tọa độ của mình bằng những vì sao, la bàn và ngọn hải đăng.

Điều thú vị là, câu trả lời thanh thoát nhất cho câu hỏi cổ xưa ấy lại do tự nhiên tìm ra trước. Và loài người của thế kỷ 20 — qua sonar, radar, GPS rồi đến UWB — rốt cuộc chỉ đang phát minh lại chính câu trả lời đó.

Đây là bài đầu tiên trong loạt bài "Lịch sử công nghệ định vị". Xuất phát từ tiếng hát cá voi, đi qua radar và dẫn đường vô tuyến sinh ra từ chiến tranh, qua những chiếc đồng hồ nguyên tử ngoài vũ trụ (trái tim của nguyên lý GPS), đến UWB — tuyến đầu của định vị trong nhà ngày nay — chúng ta sẽ cùng đi hết hành trình hơn 100 năm này.

I. Câu trả lời tự nhiên tìm ra trước — Hệ thống định vị đầu tiên

Dơi bay với tốc độ cao trong hang động tối đen mà không hề đâm vào vách. Bí quyết nằm ở sóng siêu âm. Nó phát ra một âm thanh ngắn rồi đo thời gian âm thanh ấy chạm vật cản và dội ngược trở lại. Vì tốc độ âm thanh là không đổi, biết thời gian khứ hồi là biết khoảng cách. Từ chênh lệch thời gian cực nhỏ giữa lúc âm thanh đến tai trái và tai phải, nó còn đọc được cả phương hướng. Đó chính là định vị bằng tiếng vang (echolocation).

Cá heo và cá voi cũng dùng nguyên lý này. Dưới nước, ánh sáng nhanh chóng bị hấp thụ, nhưng âm thanh truyền đi nhanh hơn và xa hơn nhiều so với trong không khí. Cá voi tận dụng đặc tính ấy để săn mồi trong bóng tối, xác định vị trí đồng loại và di cư hàng nghìn cây số.

Tại đây, nguyên lý cốt lõi xuyên suốt toàn bộ lịch sử định vị xuất hiện. Gửi một tín hiệu đi, rồi đo thời gian nó quay về hoặc đến nơi. Biết thời gian là biết khoảng cách, biết khoảng cách là biết vị trí. Mọi công nghệ xuất hiện sau này — sonar, radar, GPS, UWB — đều là biến tấu của một câu duy nhất ấy.

II. Con người ra biển — Sonar

Điều khiến con người bắt đầu nghiêm túc mô phỏng nguyên lý này là một thảm kịch. Đầu thế kỷ 20, khi tàu Titanic đâm vào băng trôi và chìm, câu hỏi "liệu có thể phát hiện trước chướng ngại vật dưới nước không?" trở nên cấp bách. Ngay sau đó, Thế chiến thứ nhất nổ ra, tàu ngầm — mối đe dọa vô hình — xuất hiện, và câu hỏi ấy trở thành vấn đề sống còn của cả quốc gia.

Câu trả lời đúng y cách của cá voi: phóng xung siêu âm xuống nước và lắng nghe tiếng vọng phản xạ từ mục tiêu. Lấy thời gian khứ hồi nhân với tốc độ âm thanh trong nước rồi chia đôi, ta có khoảng cách đến mục tiêu. Công nghệ được đưa vào thực tiễn theo cách đó chính là sonar (SONAR). Con người đã đem thuật toán được hàng trăm triệu năm tiến hóa mài giũa, cấy vào thiết bị điện tử.

III. Sóng vô tuyến và chiến tranh — Từ radar đến dẫn đường

Nếu âm thanh là ngôn ngữ của nước, thì ngôn ngữ của bầu trời là sóng vô tuyến. Vào khoảng Thế chiến thứ hai, radar — phát sóng vô tuyến và đo thời gian khứ hồi của tín hiệu phản xạ từ máy bay để tính khoảng cách — được đưa vào thực chiến. Nguyên lý giống hệt sonar, chỉ có môi trường truyền và loại tín hiệu thay đổi. Khả năng "nghe" trước máy bay ném bom trên bầu trời đêm đã thay đổi cục diện chiến tranh.

Cùng thời kỳ đó còn có một bước nhảy vọt khác. Nếu radar hỏi "đối phương ở đâu", thì dẫn đường vô tuyến hỏi "mình đang ở đâu". Những hệ thống như LORAN đo chênh lệch thời gian mà tín hiệu từ nhiều trạm phát ven biển đến được con tàu. Biết chênh lệch thời gian đến của tín hiệu từ trạm A và trạm B, vị trí khả dĩ của bạn thu hẹp về một đường cong duy nhất. Vẽ thêm một đường cong nữa từ cặp trạm phát khác, giao điểm của hai đường cong chính là vị trí của bạn.

Tại đây, khái niệm cốt lõi thứ hai của định vị được xác lập. Phép đo tam biên (trilateration) — đo khoảng cách đến nhiều điểm mốc đã biết vị trí, ta có thể tính ngược ra vị trí của mình. Điểm mốc đổi từ hải đăng sang tháp phát sóng, rồi sang vệ tinh nhân tạo, nhưng bài toán ấy không hề thay đổi.

IV. Đồng hồ trên trời — Nguyên lý GPS

Cuối thập niên 1950, khi vệ tinh Sputnik lên quỹ đạo, các nhà khoa học dưới mặt đất phát hiện rằng chỉ cần quan sát hiệu ứng Doppler của sóng vô tuyến do vệ tinh phát ra — tần số tăng khi tiến lại gần và giảm khi rời xa — là có thể tính được quỹ đạo của vệ tinh. Rồi có người lật ngược câu hỏi: "Nếu thu tín hiệu từ một vệ tinh đã biết quỹ đạo, chẳng phải ngược lại ta có thể tính ra vị trí của mình trên mặt đất sao?"

Ý tưởng ấy được hoàn thiện vài thập kỷ sau thành GPS của Bộ Quốc phòng Mỹ. Vệ tinh GPS liên tục phát xuống tín hiệu chứa thời khắc chính xác được ghi bằng đồng hồ nguyên tử cùng thông tin quỹ đạo của chính nó. Máy thu lấy chênh lệch giữa thời điểm tín hiệu rời vệ tinh và thời điểm nó đến nơi — tức thời gian truyền — nhân với tốc độ ánh sáng để ra khoảng cách đến từng vệ tinh. Biết khoảng cách đến nhiều vệ tinh — từ quen thuộc lại xuất hiện — phép đo tam biên cho ra vị trí của bạn. Cách "đo thời gian" mà cá voi vẫn dùng, lần này kết hợp với đồng hồ nguyên tử ở độ cao 20.000 km.

Sinh ra cho mục đích quân sự, công nghệ này khi mở cửa cho dân sự đã thay đổi thế giới. Bản đồ dẫn đường trên smartphone, ứng dụng gọi xe, chấm xanh trên bản đồ — lần đầu tiên trong lịch sử loài người, việc biết vị trí của mình trở nên tưởng như miễn phí.

V. Mảnh ghép cuối cùng — Định vị trong nhà và UWB

Thế nhưng câu chuyện này vẫn còn một khoảng trống lớn. Sóng GPS không xuyên tốt qua bê tông và khung thép. Ngay khi bước vào trong tòa nhà, tín hiệu suy giảm đột ngột và chấm xanh trên bản đồ lạc lối. Vấn đề là nơi con người hiện đại dành phần lớn thời gian trong ngày lại chính là trong nhà. Nhà máy, trung tâm logistics, bệnh viện, văn phòng — những không gian nơi con người và tài sản di chuyển với mật độ cao nhất lại là điểm mù của định vị.

Nỗ lực đầu tiên là tái sử dụng những tín hiệu sẵn có: ước lượng khoảng cách từ cường độ tín hiệu (RSSI) của WiFi hay BLE (Bluetooth). Nhưng cường độ tín hiệu dao động theo từng bức tường, từng con người, từng kệ hàng, thậm chí cả chiếc xe nâng chạy ngang qua. Sai số lên đến vài mét — biết được "đâu đó trên tầng này" nhưng không biết "trước kệ hàng nào".

Vậy là ta quay về với thời gian. UWB (băng siêu rộng) phát những xung vô tuyến cực ngắn cỡ nano giây và đo trực tiếp thời gian bay (ToF) của chúng. Vì đo tín hiệu đến nhanh chậm ra sao chứ không phải mạnh yếu thế nào, UWB chống nhiễu tốt hơn hẳn, độ chính xác đạt mức vài chục cm — trong nhà đạt độ phân giải còn cao hơn cả GPS ngoài trời. Bằng chính "cách đo thời gian" mà dơi và cá voi đã dùng từ hàng trăm triệu năm trước, lịch sử định vị đã đi trọn một vòng và trở về điểm xuất phát.

Tổng hợp theo từng thời kỳ như sau.

Thời kỳ	Công nghệ	Môi trường/Tín hiệu	Nguyên lý	Độ chính xác (ước lượng)
Hàng trăm triệu năm trước~	Định vị bằng tiếng vang (dơi, cá voi)	Âm thanh (siêu âm)	Thời gian khứ hồi của sóng phản xạ	Đủ để săn mồi
Đầu thế kỷ 20	Sonar	Sóng âm dưới nước	Thời gian khứ hồi của sóng phản xạ	Hàng chục m
Khoảng Thế chiến II	Radar, LORAN	Sóng vô tuyến	Thời gian khứ hồi, chênh lệch thời gian đến (đo tam biên)	Hàng trăm m~km
Thập niên 1970~	GPS	Sóng vô tuyến vệ tinh	Thời gian đến theo đồng hồ nguyên tử (đo tam biên)	Vài m (ngoài trời)
Hiện nay	Định vị trong nhà UWB	Xung băng siêu rộng	Thời gian bay (ToF)	Vài chục cm (trong nhà)

Lời kết

Lịch sử công nghệ định vị, suy cho cùng, là câu chuyện về một câu hỏi duy nhất — "đây là đâu?" — với điểm mốc được dời từ biển lên trời, rồi từ trời ra vũ trụ. Và chương cuối của câu chuyện ấy đang được viết ngay lúc này, ở trong nhà. Biết theo thời gian thực xe nâng trong nhà máy, thiết bị y tế trong bệnh viện, pallet trong trung tâm logistics đang ở đâu — đó chính là RTLS (hệ thống định vị thời gian thực).

ORBRO đang đứng ở tuyến đầu của chương cuối này. Từ phần cứng thẻ định vị UWB, BLE đến hạ tầng thu thập dữ liệu và nền tảng giám sát cho thấy toàn bộ dữ liệu vị trí trong nháy mắt — ORBRO cung cấp trọn vẹn quy trình định vị trong nhà trong một hệ sản phẩm duy nhất. Bạn có thể tìm hiểu chi tiết tại ORBRO RTLS.

Trong bài tiếp theo, chúng ta sẽ mổ xẻ thế giới định vị trong nhà một cách trọn vẹn. UWB, BLE, WiFi, camera thị giác — mỗi công nghệ tính toán vị trí theo nguyên lý nào, và cuộc so tài về độ chính xác, chi phí, độ khó lắp đặt sẽ phân thắng bại ra sao — một cuộc đối đầu thực sự giữa các công nghệ.