Vệ tinh Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) đầu tiên được phóng vào tháng 2 năm 1978, đánh dấu một kỷ nguyên điều hướng mới bằng cách cung cấp cho người dùng một điểm chính xác về vị trí của họ trên Trái đất.
Ngày nay, thật khó để tưởng tượng cuộc sống mà không có GPS và nhiều ứng dụng của nó, từ trồng trọt và giao hàng đến giúp người dùng điện thoại thông minh tìm nhà hàng gần nhất.
Các kiến trúc sư của hệ thống GPS, Tiến sĩ Brad Parkinson, Giáo sư James Spilker Jr, Hugo FrueHauf và Richard Schwartz, là những người chiến thắng Giải thưởng Kỹ thuật của Nữ hoàng Elizabeth năm 2019.
Chúng tôi đã nói chuyện với Tiến sĩ Brad Parkinson, hiện là giáo sư tại Đại học Stanford, về sự phát triển ban đầu của GPS và nó có thể đưa chúng ta đến đâu trong tương lai.
Ngay từ đầu, tôi đã lãnh đạo nhóm kiến trúc, phát triển, xây dựng và thử nghiệm GPS ở giai đoạn sơ khai.
Trong thời gian đó, chúng tôi đã có một số kinh nghiệm rất đau buồn, nhưng dự án đã thành công gần như theo cách mà chúng tôi đã đề xuất. Đã có một số đổi mới và rất nhiều kỹ sư rất sáng tạo.
Theo thời gian, GPS đã thực sự trở thành một hệ thống được mọi người coi là hiển nhiên và tôi nghĩ đó là minh chứng cho độ tin cậy và chính xác của nó.
Có một quý ông tên là Ivan Getting, người đứng đầu Tập đoàn Hàng không Vũ trụ, và là người đã thúc đẩy lực lượng không quân nghiên cứu một loại hệ thống định vị mới sử dụng vệ tinh.
Đã có một số hệ thống tiền nhiệm nhưng chúng không có nhiều khả năng, vì vậy một nghiên cứu đã được thực hiện và 12 giải pháp thay thế đã được kiểm tra trong thời gian 1964 – 1966.
Khi thời gian trôi qua, điều bình thường đã xảy ra. Bất kỳ khoản tài trợ nào cho một cuộc biểu tình đều bị hoãn lại, có những ý tưởng cạnh tranh khác, và vào khoảng thời gian đó, tôi đã tham gia và được yêu cầu ủng hộ và đạt được sự chấp thuận cho một hệ thống.
Lần thử đầu tiên của tôi là một thất bại hoàn toàn! Tôi đã đến trước hội đồng Lầu Năm Góc và họ đã nhất trí bỏ phiếu bác bỏ.
Nhưng tôi đã có một người cố vấn và anh ấy nói “Brad, bạn quay lại và thử lại.” Anh ấy muốn tôi thiết kế lại nó, vì vậy tôi đã làm.
Tôi tổ chức một cuộc họp cách xa Los Angeles, nơi tôi đóng quân, và tôi đã tuyển dụng 10 kỹ sư không quân thông minh và giỏi nhất mà tôi từng thấy.
Và sau một ngày cuối tuần dài, chúng tôi đã nghĩ ra một thiết kế, và thiết kế đó là thiết kế mà bạn thấy ngày nay.
Nó có một số đổi mới, bao gồm một loại tín hiệu hoàn toàn mới, bao gồm cả việc sử dụng đồng hồ nguyên tử trong không gian và bao gồm cả ý tưởng rằng nếu bạn nghe bốn vệ tinh cùng một lúc, người dùng có thể điều hướng chính xác và không cần một chiếc đồng hồ rất chính xác.
Điều đó quan trọng bởi vì nếu bạn muốn làm cho nó có giá cả phải chăng, bạn không thể đeo đồng hồ nguyên tử trên cổ tay của mình.
Thật thú vị vì Sputnik được phóng vào mùa thu năm 1957 và tôi là sinh viên mới tốt nghiệp Học viện Hải quân Hoa Kỳ, vì vậy có thể nói tôi là một đứa trẻ của Thời đại Không gian.
Trong suốt sự nghiệp cá nhân của mình, tôi đã dạy cơ học không gian cho các phi hành gia tại học viện hàng không và tôi đã từng là kỹ sư về các hệ thống không gian khác nhau.
Tôi có thể nói rằng Sputnik đã mở mang tầm mắt cho Hoa Kỳ. Tất nhiên, vào thời điểm đó, nó được coi là một mối đe dọa phòng thủ, ý tưởng rằng mọi thứ đang bay trên đầu, và thực sự có một số sự thật trong đó vì công nghệ phóng nó cũng có thể phóng ICBM (tên lửa đạn đạo xuyên lục địa).
Vì vậy, một cách tự nhiên, đất nước đã tăng tốc và chúng tôi chuyển sang chế độ công nghệ mạnh mẽ từ năm 1957 trở đi. Chúng tôi bắt đầu lắp đặt những thứ có thể nhìn và nghe, đồng thời kích hoạt nhiều cảm biến khác nhau trong không gian.
Nhưng mãi đến giữa những năm 1960, Hải quân mới nghĩ ra một hệ thống định vị và họ gọi nó là Transit.
Quá cảnh là một sự phát triển khá tốt đẹp, nhưng nó mang tính định kỳ và không chính xác lắm. Khoảng 2 hoặc 3 giờ một lần bạn có thể sửa lỗi, nhưng nó không phải là 3 chiều.
Nó cho rằng bạn biết mình đang ở đâu và trong trường hợp này, Hải quân thường hoạt động trên bề mặt đại dương nên họ có chiều thứ ba mà không gặp rắc rối nào.
Nhưng thời gian trôi qua, rõ ràng là phải có một cách tốt hơn và chúng tôi đang tìm kiếm thứ gì đó thực sự chính xác.
Vào thời điểm đó, ‘thực sự chính xác’ là khoảng 10 mét. Một nghiên cứu đã được thực hiện, 12 phương án thay thế đã được phác thảo và khi tôi tổ chức cuộc họp đó sau khi không được sự chấp thuận, chúng tôi đã chọn phương án khó nhất trong số những phương án đó.
Nhưng nó cũng mang lại lợi ích lớn nhất vì chúng tôi không yêu cầu đồng hồ nguyên tử trong máy thu của người dùng và chúng tôi đã thực hiện một loạt thử nghiệm trên sa mạc cho thấy một hệ thống như vậy có thể đạt độ chính xác 10 mét, trên toàn thế giới, 24/7 , không chỉ ở 2 chiều, mà còn ở độ cao.
Với loại hệ thống đó, lợi ích cho cả quân sự và dân sự là khá rõ ràng.
Thường có một tuyên bố trong lịch sử – và những lịch sử sai lầm, tôi có thể thêm vào – rằng GPS là một hệ thống quân sự và chỉ rất lâu sau đó dân thường mới sử dụng nó. Không phải như vậy.
Ngay từ đầu, tôi đã làm chứng trước Quốc hội, trước khi chúng tôi phóng vệ tinh đầu tiên, rằng hệ thống có một thành phần dân sự sẽ được cung cấp miễn phí và vào thời điểm đó, tôi đã công bố các thông số kỹ thuật tín hiệu để mọi người có thể thực sự xây dựng một hệ thống như vậy. người nhận.
Thật kỳ lạ, máy thu dân sự đầu tiên khóa tín hiệu GPS được chế tạo bởi các sinh viên ở Vương quốc Anh, tại Đại học Leeds dưới sự chỉ đạo của Giáo sư Peter Daly, và họ đã làm điều đó trên quỹ đạo đầu tiên sau khi chúng tôi bật tín hiệu.
Đây là minh họa cho thực tế rằng GPS, ngay từ đầu, đã có mục đích kép, mặc dù chúng tôi không đảm bảo nó với thế giới.
Tuy nhiên, khi KAL007 bị bắn hạ, Tổng thống Reagan nói rằng chúng tôi sẽ đảm bảo nó với thế giới và đưa ra thông báo ít nhất 10 năm trước khi chúng tôi tắt nó.
Không có khả năng nó bị tắt vì cơ sở hạ tầng của thế giới phụ thuộc rất nhiều vào nó.
Khi chúng tôi lắp đặt vệ tinh GPS đầu tiên, tôi đã thực hiện một loạt các bản vẽ ứng cử viên cho thấy cách nó có thể được sử dụng để điều hướng trong ô tô, với giọng nói và thông báo trên màn hình.
Điều đó chưa bao giờ được thực hiện trước đây và nó không thể được thực hiện với chi phí hợp lý vì các vi mạch cần thiết vẫn chưa được sản xuất. Nhưng tầm nhìn của tôi là tất cả những gì có thể xảy ra.
Tuy nhiên, tôi chưa bao giờ nghĩ rằng bạn có thể sử dụng GPS để định vị các vật thể trong không gian, gần Trái đất. Ví dụ, Trạm vũ trụ có máy thu GPS trên đó.
Nhiều tên lửa đẩy đưa vệ tinh vào quỹ đạo ngày nay sử dụng GPS. Toàn bộ khái niệm đó được gọi là Khối lượng dịch vụ không gian và điều này đề cập đến lượng không gian xung quanh Trái đất, nhưng không phải trên Trái đất, nơi GPS thường có sẵn.
NASA hiện đã tìm ra một cách, thay vì sử dụng thùy chính của tín hiệu vô tuyến của chúng ta, để đi vào các thùy bên rất yếu có lẽ có 1% năng lượng và chúng vẫn có thể điều hướng.
Trên thực tế, họ có thể điều hướng mọi cách ra ngoài quỹ đạo GPS và họ tin rằng họ có thể điều hướng đến tận Mặt trăng bằng GPS.
Nếu ai đó hỏi tôi liệu điều đó có khả thi không, tôi sẽ nói “Tôi không nghĩ vậy”, nhưng hóa ra các kỹ sư tài giỏi đã thực sự đưa ra các giải pháp và sản xuất máy thu GPS mà bạn đặt trên tàu vũ trụ và cho phép tàu vũ trụ đó hoạt động với chi phí rất rẻ. để tự động biết chính xác nó ở đâu.
Nếu bạn nghĩ về thực tế là bạn không muốn trả tiền cho quá nhiều vệ tinh, rõ ràng là bạn đặt các vệ tinh lên càng cao càng tốt để chúng có thể nhìn thấy được từ nhiều nơi.
Trở lại năm 1975 khi chúng tôi hình thành hệ thống này, chúng tôi đã có một bệ phóng rất rẻ tiền gọi là ICBM Atlas, và lý do khiến chúng rẻ như vậy là trong quá trình đàm phán cắt giảm vũ khí khác nhau, chúng tôi đã có một loạt Atlas dư thừa.
Vì vậy, câu hỏi tiếp theo là, nếu chúng ta có giai đoạn đầu tiên, bạn có thể đặt một vệ tinh hợp lý ở độ cao bao nhiêu?
Chúng tôi kết luận rằng chúng tôi có thể tiến tới cái mà chúng tôi gọi là ‘bán đồng bộ’, tức là một nửa của 24 giờ: 12 giờ. Đây là khoảng 11.000 dặm trên Trái đất.
Vì vậy, tất cả các vệ tinh GPS và tất cả các hệ thống tương tự đều nằm trong cùng một vùng quỹ đạo. Có một vài trường hợp ngoại lệ. Trung Quốc đã đặt một vài vệ tinh nằm trong quỹ đạo đồng bộ địa lý, tức là khoảng thời gian 24 giờ.
Lý do chúng tôi ở độ cao như hiện nay là do bị hạn chế khá nhiều bởi máy trợ lực mà chúng tôi có vào thời điểm đó. Nhưng nó phức tạp hơn một chút vì bạn vẫn cần phải tự hỏi mặt phẳng quỹ đạo nên ở độ nghiêng nào so với đường xích đạo và liệu quỹ đạo nên là hình tròn hay hình elip.
Chúng tôi phát hiện ra rằng câu trả lời tốt nhất là quỹ đạo tròn ở độ nghiêng khoảng 63°.
Cách chúng tôi đã làm ở Hoa Kỳ trong một thời gian là, trên danh nghĩa có 6 mặt phẳng quỹ đạo, cách đều nhau quanh Trái đất và mỗi mặt phẳng có 4 vệ tinh phân bố đều trong đó, với tổng số trên danh nghĩa là 24.
Ban đầu, chúng tôi chế tạo các vệ tinh có tuổi thọ khoảng 3-5 năm, nhưng nhiều vệ tinh cũ hơn có tuổi thọ 20 năm.
Một trong những điều làm tôi kinh ngạc – và tôi rất tự hào về những kỹ sư đã làm ra nó, một trong số họ là người đoạt Giải thưởng Nữ hoàng Elizabeth về Kỹ thuật năm nay, Hugo Fruehauf – đã chế tạo ra một chiếc đồng hồ không gian có tuổi thọ cao.
Đây là một chiếc đồng hồ nguyên tử được đặt ở Vành đai Van Allen phía trên, nơi mà con người sẽ không thể tồn tại nếu không được bảo vệ do bức xạ. Đó là một khu vực cực kỳ nóng.
Chưa hết, thiết bị điện tử của chúng ta và thiết kế đặc biệt của đồng hồ nguyên tử đã tồn tại hơn 20 năm trong nhiều trường hợp.
Tôi nghĩ rằng có một nhận thức rằng bằng cách nào đó các vệ tinh cuối cùng sẽ phân rã trên quỹ đạo của chúng và cuối cùng rơi xuống Trái đất. Ở độ cao của chúng ta, có lẽ sẽ mất 100 đến 1000 năm. Nó sẽ không xảy ra nếu không có sự can thiệp nào đó.
Sau khi các vệ tinh GPS ngừng hoạt động, chúng sẽ được đẩy lên quỹ đạo cao hơn và chúng sẽ ở đó cho đến khi chúng ta tìm ra cách nào đó để đưa chúng xuống.
Điều đó làm phiền tôi rất nhiều. Tôi ví nó giống như ai đó ném tất cả rác của họ ra sân sau và hy vọng tất cả sẽ rỉ sét. Những vệ tinh này sẽ không bị rỉ sét.
Về các mảnh vỡ quỹ đạo, mối quan tâm thực sự là các quỹ đạo thấp của Trái đất. Mọi người đang nói về việc lắp đặt hàng ngàn vệ tinh. Chúng có thể có mục đích tốt nhưng đối với tôi chắc chắn chúng giống như rác rưởi!
Có một câu trả lời, tuy nhiên. Chúng ta có thể đạt được một thỏa thuận quốc tế rằng chúng ta không đặt bất cứ thứ gì ở độ cao dưới 1.000 dặm mà không có khả năng đẩy và đào trở lại bầu khí quyển, rơi xuống và bốc cháy.
Nó sẽ yêu cầu chúng phải có một lực đẩy dự trữ, nhưng không nhiều, bởi vì tất cả những gì bạn cần làm là thay đổi độ lệch tâm một chút và bạn có thể đưa vệ tinh xuống vị trí mà quỹ đạo sẽ phân rã nhanh chóng.
Tôi đã chủ trì Hội đồng Cố vấn của NASA trong 6,5 năm và một trong những lời khuyên mà tôi đưa ra là chúng ta phải làm gì đó để giải quyết vấn đề mảnh vỡ quỹ đạo.
Tôi không lo lắng về nó đặc biệt cho GPS. Có tương đối ít vệ tinh và những vệ tinh được sử dụng hết sẽ được đẩy vào quỹ đạo mà chúng hầu như không thể va vào thứ gì đó, kể cả phi hành gia hay bất kỳ thứ gì khác.
Không gian rộng lớn, vì vậy chúng tôi có lợi thế đó. Nhưng nếu bạn nhìn vào sự tích tụ của các mảnh vỡ trong quỹ đạo từ khoảng 100-300 dặm, thẳng thắn mà nói thì nó khá đáng sợ.
Bạn lo lắng rằng một va chạm đơn lẻ có thể tạo ra phản ứng dây chuyền. Nếu nó va chạm đủ mạnh, các mảnh khác có thể bắt đầu tạo ra hiệu ứng xếp tầng giống như một lò phản ứng hạt nhân chạy trốn có thể gây ra.
Chắc chắn có thể sao chép một số phiên bản phụ của GPS xung quanh Mặt trăng hoặc Sao Hỏa. Nếu bạn làm điều đó, thì nhu cầu có lẽ không liên tục, nó không nhất thiết giống như việc hạ cánh máy bay.
Bạn muốn làm điều đó với chi phí thấp nhất có thể mà vẫn đáp ứng được bất kỳ nhu cầu cụ thể nào của bạn.
Tôi khuyên họ nên quay lại và xem xét hệ thống Hải quân cũ, hệ thống này có thể hoạt động khá tốt chỉ với một vệ tinh.
Nó sẽ không cung cấp cho bạn độ chính xác nhưng nó chắc chắn sẽ ghim mọi thứ xuống 1/10 dặm. Đó có thể là cách tốt nhất để làm điều đó.
Nhưng nếu bạn định nhìn về tương lai, với tôi phần thú vị là toàn bộ hoạt động kinh doanh của các phương tiện rô-bốt đang đến. Chúng tôi tiếp tục đọc về nó.
Ở Mỹ, tôi có thể thấy trước tất cả các xe tải đường dài đều được chuyển sang hoạt động phi nhân đạo. Chúng tôi đã chứng minh điều đó rồi. Các khoản tiết kiệm trong năng suất là rất lớn.
Nếu bạn đã từng tham gia một chuyến đi dài và thực sự phải lái xe trong 10 hoặc 12 giờ đồng hồ, tâm trí của bạn thực sự có vấn đề.
Nhưng các tài xế xe tải làm việc này ngày này qua ngày khác. Xe tải khá an toàn: chúng hoạt động khá tốt. Tuy nhiên, khi họ gặp tai nạn, họ thường ngoạn mục.
Chúng tôi có công nghệ sử dụng GPS, cảm biến đường, radar, thông tin liên lạc giữa xe với xe, để đưa vào vận tải đường dài hoàn toàn bằng rô-bốt.
Một điều quan trọng khác sắp tới là hệ thống máy bay không người lái, UAS, một lần nữa đòi hỏi điều hướng định vị và thời gian có độ tin cậy cao, mạnh mẽ.
Khi các UAS này trở nên phổ biến, bạn sẽ phải lo lắng, đó là cách chúng tôi giám sát và kiểm soát chúng cũng như ý nghĩa an toàn là gì.
Tôi nghĩ rằng chúng ta càng sớm tìm ra giải pháp cho những vấn đề này thì tất cả chúng ta sẽ càng trở nên tốt hơn.
Nhưng tôi nghĩ cuối cùng chúng ta đang trở nên quá phụ thuộc vào GPS. Bản đồ kiểu cũ vẫn còn sống và hoạt động tốt, và tôi thấy rằng ngay cả bản thân tôi, người dựa vào GPS để đi từ A đến B trong ô tô của mình, tôi thấy rằng tôi đã đánh mất thứ mà tôi từng làm, đó là điều hướng theo mốc.
Tôi đã từng nghĩ “tại trạm đổ xăng, bạn rẽ phải, sau đó đi xuống trường học và rẽ trái là đến nơi.”
Tôi thấy tôi không kích hoạt nó nữa. Tôi nghĩ điều đó là sai, và rằng tất cả chúng ta không nên từ bỏ nhận thức về không gian một cách dễ dàng.
Tôi chèo thuyền trần rất nhiều trên vùng biển Caribê và các con tôi cười nhạo tôi vì tôi bận quan sát đất liền và xem máy đo độ sâu, vẽ vị trí của tôi trên biểu đồ, và chúng nói “tại sao bạn lại làm tất cả những điều đó?”
Và tôi nói “Tôi sẽ không chỉ dựa vào hệ thống GPS đó!”