Cuộc đua tìm phương án dự phòng cho GPS

Khi tín hiệu GPS bị gián đoạn

Tín hiệu GPS khi truyền từ vệ tinh xuống mặt đất tương đối yếu nên có thể bị lấn át. Gây nhiễu khiến thiết bị không nhận được tín hiệu, còn giả mạo có thể khiến nó nhận thông tin sai về vị trí.

Một nghiên cứu do Todd Humphreys, chuyên gia tại Đại học Texas ở Austin, đứng đầu đã phân tích nhiều vụ gián đoạn GPS diện rộng tại châu Âu và các khu vực khác kể từ năm 2019, cho thấy nhiễu từ không gian có khả năng tác động trên phạm vi rất rộng.

Ảnh minh họa vệ tinh GPS của Mỹ trên quỹ đạo Trái đất, loại vệ tinh ngày càng thường xuyên trở thành mục tiêu gây nhiễu. Ảnh: Lockheed Martin/Lực lượng Không gian Mỹ

Ngoài việc cho biết phương tiện đang ở đâu và đi theo hướng nào, GPS còn cung cấp những mốc thời gian cực kỳ chính xác để nhiều thiết bị, cảm biến và mạng lưới hoạt động đồng bộ. Khi tín hiệu gặp vấn đề, các phương án dự phòng vì thế phải xử lý cả việc tìm vị trí lẫn duy trì chuẩn thời gian.

Camera là một cách tương đối dễ hình dung: phương tiện nhận diện địa hình phía dưới rồi đối chiếu với bản đồ. Nhưng cách này khó phát huy tác dụng trên biển, trong mây, sương mù hoặc bóng tối, khiến các nhà nghiên cứu phải tìm đến những dấu hiệu ít phụ thuộc hơn vào điều kiện quan sát.

Các loại đá trong vỏ Trái đất có đặc tính từ khác nhau, tạo nên những biến đổi nhỏ giữa từng khu vực, gần giống một “dấu vân tay” vô hình. Cảm biến đủ nhạy có thể đọc những dấu hiệu này, đối chiếu với bản đồ từ trường và từ đó xác định phương tiện đang ở đâu mà không cần tín hiệu GPS.

Q-CTRL, một công ty Australia, năm ngoái đã thử nghiệm cách dẫn đường này trên chuyến bay tại bang New South Wales và cho biết kết quả tốt hơn một giải pháp thay thế GPS được dùng để so sánh. Công nghệ cảm biến tiếp tục được cải thiện, nhưng khả năng ứng dụng rộng vẫn phụ thuộc nhiều vào bản đồ, bởi dữ liệu từ trường của vỏ Trái đất tại không ít khu vực chưa đủ đồng nhất và chi tiết để dẫn đường chính xác.

Trong khi đó, hàng nghìn vệ tinh Starlink và OneWeb vốn được phóng lên để cung cấp internet cũng có thể trở thành những mốc định vị. Sự thay đổi rất nhỏ trong tín hiệu khi vệ tinh di chuyển cho phép hệ thống ước tính vị trí dù các tín hiệu này ban đầu không được thiết kế để dẫn đường.

Trong cuộc thử nghiệm ngày 24-8-2024 trên một con tàu ngoài khơi phía tây Greenland, hệ thống Matrix của ASPIN Lab thuộc Đại học bang Ohio đã xử lý tín hiệu từ 21 vệ tinh Starlink và OneWeb, xác định vị trí con tàu với sai lệch khoảng 27m khi có thông tin ban đầu về vị trí và tốc độ.

Cách tận dụng những tín hiệu có sẵn còn được mở rộng xuống mặt đất. Trong thử nghiệm với không quân Mỹ, Matrix sử dụng tín hiệu từ các trạm phát sóng di động để hỗ trợ dẫn đường cho máy bay. Những mạng lưới vốn phục vụ internet hoặc điện thoại nhờ đó có thể đảm nhiệm thêm vai trò định vị khi GPS bị suy giảm.

Phần thời gian của GPS lại cần một giải pháp khác. Cơ quan Các dự án nghiên cứu quốc phòng tiên tiến Mỹ (DARPA) đang phát triển những đồng hồ có thể duy trì thời gian chính xác trong thời gian dài mà không cần liên tục đồng bộ với vệ tinh.

Theo DARPA, các đồng hồ quang học chính xác cao mà cơ quan này đang phát triển có thể duy trì độ chính xác tương đương thời gian GPS trong hơn hai đến ba tuần mà không cần đồng bộ lại, so với chỉ vài giờ ở một số công nghệ hiện nay.

Từ thử nghiệm tới ứng dụng

Matrix hiện đã được cấp phép cho doanh nghiệp và người dùng quân sự, còn Giám đốc ASPIN Lab Zak Kassas cho rằng thiết bị có thể sẵn sàng cho thị trường trong vòng hai năm. Dẫn đường bằng từ trường cũng đã qua thử nghiệm bay nhưng còn chờ những bản đồ tốt hơn. Với đồng hồ của DARPA, kích thước, trọng lượng, mức tiêu thụ điện và chi phí vẫn phải được giảm trước khi công nghệ có thể triển khai rộng.

Việc mỗi hướng tiến tới ứng dụng với tốc độ khác nhau cũng cho thấy khó có một giải pháp duy nhất đảm nhiệm toàn bộ những chức năng GPS đang cung cấp. Báo cáo của một cơ quan giám sát Chính phủ Mỹ năm 2021 cũng đi tới nhận định tương tự.

Trong vài năm tới, các lớp dự phòng nhiều khả năng sẽ được bổ sung dần vào những hệ thống quan trọng. Vệ tinh viễn thông và trạm di động có thể hỗ trợ xác định vị trí khi GPS suy giảm, từ trường Trái đất tạo thêm một nguồn tham chiếu độc lập, còn đồng hồ chính xác giúp thiết bị tiếp tục hoạt động theo cùng một chuẩn thời gian khi kết nối với vệ tinh bị gián đoạn.

GPS nhiều khả năng vẫn giữ vai trò chính trong điều kiện bình thường. Sau nhiều thập kỷ mà khả năng xác định vị trí và đồng bộ thời gian gần như được coi là điều hiển nhiên, thay đổi đáng chú ý nằm ở cách các hệ thống quan trọng được chuẩn bị cho lúc điều kiện ấy không còn được bảo đảm.

Khả năng tiếp tục hoạt động khi một nguồn tín hiệu quen thuộc bị mất hoặc sai lệch đang trở thành một phần ngày càng quan trọng của chính thiết kế hệ thống.