Định vị điện thoại hoạt động ra sao: GPS, Wi-Fi, BTS, Bluetooth

Điện thoại của bạn biết vị trí của mình trong vài mét, kể cả khi ở trong nhà, kể cả khi không có sóng di động, đôi khi cả khi đã tắt nguồn. Đó không phải một công nghệ duy nhất gồng mình. Đó là bốn hệ thống định vị riêng biệt chạy song song, mỗi cái lấp chỗ trống của cái kia khi điều kiện thay đổi.

Bài này giải thích chính xác cách từng hệ thống vận hành, giới hạn độ chính xác của chúng, và cách Find My iPhone cùng Google Find My Device kết hợp tất cả thành một ước lượng vị trí duy nhất. Các tham chiếu kỹ thuật lấy từ đặc tả NAVSTAR của hệ thống GPS do Không quân Hoa Kỳ vận hành, quy định của Bộ Thông tin và Truyền thông (MIC) về truyền vị trí cho cuộc gọi khẩn cấp 113/114/115, các tiêu chuẩn IEEE 802.11 cho định vị Wi-Fi, và tài liệu chính thức về mạng Find My của Apple cũng như mạng Find My Device của Google.

Bốn cách điện thoại biết vị trí của mình

Smartphone hiện đại dùng bốn công nghệ định vị. Hệ điều hành chọn cái nào trả về ước lượng tốt nhất nhanh nhất, rồi pha trộn kết quả khi có nhiều hơn một nguồn.

Tóm tắt: GPS chiếm ưu thế ngoài trời, Wi-Fi tiếp quản trong nhà, sóng di động lấp khoảng trống khi không còn gì khác, và Bluetooth lo độ chính xác cấp căn phòng cho thiết bị ở gần.

GPS: định vị ngoài trời qua vệ tinh

GPS, viết tắt của Global Positioning System, là lớp lâu đời và quen thuộc nhất. Điện thoại lắng nghe tín hiệu phát từ các vệ tinh trên quỹ đạo Trái Đất tầm trung, đo thời gian mỗi tín hiệu đi tới, rồi tính vị trí của chính nó bằng phép đo hình học gọi là trilateration. Ba vệ tinh cho định vị 2D, bốn vệ tinh cho định vị 3D bao gồm cả độ cao.

Phần lớn người dùng nói “GPS” nhưng điện thoại hiện đại thực sự dùng cùng lúc bốn chòm vệ tinh:

• GPS (Hoa Kỳ), 31+ vệ tinh đang hoạt động. Nguồn: gps.gov
• GLONASS (Nga), 24 vệ tinh
• Galileo (Liên minh châu Âu), 28 vệ tinh. Nguồn: European GNSS Agency
• BeiDou (Trung Quốc), 35+ vệ tinh

Theo dõi cùng lúc nhiều chòm vệ tinh nghĩa là điện thoại thường nhìn thấy 15-20 vệ tinh trên đầu, ngay cả khi tòa nhà hay địa hình che mất nửa bầu trời. Chip GPS phổ thông cho độ chính xác khoảng 5 m. Chip song tần mới hơn nhận cả hai tín hiệu L1 và L5 đẩy con số đó xuống còn khoảng 2 m. iPhone 14 Pro và Pixel 7 là những máy phổ thông đầu tiên trang bị bộ thu song tần; các flagship sau này nay đã theo.

GPS không hoạt động trong nhà vì tín hiệu vệ tinh yếu, khoảng 50 watt phát từ 20.000 km, và tường bê tông hay thép chặn tín hiệu. Hầm để xe, tàu điện ngầm và giữa trung tâm thương mại lớn thường không bắt được GPS. Ngay cả ngoài trời, các “hẻm núi đô thị” sâu cũng gây sai số 30 m trở lên do tín hiệu phản xạ trên các tòa nhà kính trước khi đến điện thoại, hiện tượng gọi là multipath. Bộ thu song tần cũng giúp ích ở đây: dải L5 xuyên qua tốt hơn và ít bị ảnh hưởng bởi phản xạ, đó là lý do dẫn đường turn-by-turn ở Manhattan hay trung tâm Tokyo chạy tốt hơn nhiều trên Pixel 8 so với máy năm năm tuổi.

Bản thân GPS chỉ thu sóng. Điện thoại lắng nghe, vệ tinh không biết bạn tồn tại, và không có cách nào để ai đó theo dõi bạn qua chính hệ thống GPS. Việc theo dõi luôn xảy ra ở lớp bên trên: một ứng dụng đọc vị trí mà điện thoại đã tính, hệ điều hành lưu trữ nó, hoặc mạng báo cáo nó.

A-GPS: vì sao điện thoại định vị nhanh

Lần định vị GPS từ trạng thái nguội, không có dữ liệu trước đó, mất 30-60 giây vì bộ thu phải tải dữ liệu quỹ đạo (almanac và ephemeris) trực tiếp từ vệ tinh với tốc độ chậm 50 bit mỗi giây.

A-GPS, hay Assisted GPS, giải quyết chuyện này. Điện thoại tải cùng dữ liệu quỹ đạo qua sóng di động hoặc Wi-Fi, trong 1-5 giây. Chip GPS đã biết mỗi vệ tinh nên ở đâu, nên lần định vị đầu tiên gần như xuất hiện tức thì. Đó là lý do mở Google Maps trong thành phố cảm giác tức thì, còn mở ở vùng xa không có sóng có thể mất một phút.

A-GPS cần một dạng kết nối dữ liệu lần đầu, nhưng khi almanac đã được lưu đệm, các lần định vị tiếp theo vẫn nhanh trong nhiều giờ offline.

Wi-Fi định vị: cách điện thoại định vị mà không cần GPS

Khi GPS không khả dụng, Wi-Fi định vị tiếp quản. Kỹ thuật khá thẳng thắn: mỗi router Wi-Fi có một mã định danh phần cứng duy nhất gọi là BSSID, và Apple cùng Google duy trì các cơ sở dữ liệu khổng lồ ánh xạ mỗi BSSID tới tọa độ địa lý nơi nó từng được ghi nhận.

Điện thoại quét các mạng Wi-Fi gần đó, gửi danh sách BSSID nhìn thấy lên Apple hoặc Google, rồi nhận lại một vị trí ước lượng. Không cần kết nối tới các mạng đó, chỉ cần quét.

Độ chính xác thường là 20 m trong nhà và tốt tới 10 m ở các khu đô thị dày đặc nơi nhiều điểm truy cập chồng lấn. Kỹ thuật này được Skyhook Wireless tiên phong năm 2003 và nay vận hành ở quy mô hành tinh: mọi iPhone và máy Android bật dịch vụ vị trí đều âm thầm đóng góp dữ liệu Wi-Fi quan sát ngược về cơ sở dữ liệu. Đó là cách bản đồ luôn cập nhật mà không cần đội ngũ ngoài thực địa lái xe đi quét.

Wi-Fi định vị là lý do điện thoại có thể ghim bạn đúng tầng trong trung tâm thương mại khi GPS không cho thấy gì. Đánh đổi là cơ sở dữ liệu chỉ tươi tới mức ai đó vừa đi qua. Nếu một quán cà phê chuyển sang khu khác và mang theo router, BSSID vẫn báo địa chỉ cũ cho đến khi đủ điện thoại báo cáo địa chỉ mới. Đây là nguyên nhân phổ biến nhất của than phiền “điện thoại tưởng tôi đang ở nơi tôi không có ở”.

Tại Việt Nam, ở Hà Nội và TP HCM mật độ điểm truy cập Wi-Fi rất dày: chung cư, quán cà phê, văn phòng phủ kín các tuyến phố trung tâm, nên Wi-Fi định vị thường cho sai số 20-50 m trong khu vực thành thị. Vùng nông thôn đồng bằng và miền núi, mật độ thấp hơn nhiều, máy thường rơi sang sóng di động.

Tam giác sóng di động: phương án dự phòng

Định vị qua trạm phát sóng (BTS) là thô nhất trong bốn lớp, nhưng cũng đáng tin nhất. Miễn là điện thoại còn bất kỳ tín hiệu di động nào, nhà mạng biết những trạm BTS nào trong tầm phủ, cường độ tín hiệu tới mỗi trạm, và (với dữ liệu timing advance) thời gian hai chiều của tín hiệu.

Khi nhìn thấy ba trạm trở lên, điện thoại hoặc nhà mạng có thể tam giác hóa vị trí:

• Đô thị dày đặc (trung tâm Hà Nội, TP HCM, Đà Nẵng): ±50-200 m, đôi khi ±50 m với small cell và 5G
• Ngoại ô và đô thị vừa (Hải Phòng, Cần Thơ, Vinh): ±200 m đến 1 km
• Nông thôn đồng bằng và miền núi: ±1-5 km, có thể tệ hơn nếu chỉ một trạm trong tầm

Tại Việt Nam, các nhà mạng Viettel, Vinaphone, MobiFone, Vietnamobile, Reddi và Wintel đều lưu nhật ký kết nối BTS như một phần vận hành mạng bình thường. Cảnh sát có thể yêu cầu dữ liệu này theo quy định pháp luật, đặc biệt khi điều tra các vụ việc liên quan tới Luật An ninh mạng 2018 và Luật An toàn thông tin mạng 2015.

Bluetooth và UWB: độ chính xác tầm ngắn

Lớp thứ tư là sóng radio tầm ngắn. Bluetooth Low Energy (BLE) và Ultra-Wideband (UWB) không cho bạn vị trí toàn cầu. Chúng cho biết một thứ ở đâu so với điện thoại, với độ chính xác cao hơn nhiều so với các hệ thống khác.

Bluetooth Low Energy có mặt trong điện thoại từ năm 2012. Tầm hoạt động 10-30 m, độ chính xác chỉ dựa trên cường độ tín hiệu là 1-5 m. AirTag, Tile, Galaxy SmartTag và beacon Find My Device đều dùng BLE.

Ultra-Wideband mới hơn và chính xác hơn nhiều. Chip U1 của Apple, ra mắt trên iPhone 11 năm 2019, đo thời gian bay của các xung chỉ rộng vài nanosecond và cho độ chính xác vị trí khoảng 10 cm trong tầm 10 m. UWB là thứ làm mũi tên định hướng trong ứng dụng Find My chỉ chính xác vào một AirTag thất lạc. Nó cũng có trên iPhone 11 trở lên, các Apple Watch gần đây, AirTag, HomePod mini, và một số flagship Android gồm Pixel 6 Pro và Galaxy S21+.

Vì các tín hiệu này tầm ngắn, chúng chỉ quan trọng khi thiết bị ở gần. Nhưng đó chính là tình huống GPS gặp khó nhất, nên độ chính xác mới đáng giá. UWB còn cho phép một tính năng GPS không thể: angle-of-arrival. Điện thoại có thể biết không chỉ AirTag cách bao xa, mà cả hướng nó đang ở, đó là thứ tạo ra mũi tên động của Precision Finding.

Find My và Google Find My Device dùng tất cả những thứ này ra sao

Find My của Apple và Find My Device của Google không phải sản phẩm dùng một công nghệ duy nhất. Chúng phối hợp mọi lớp ở trên thành một ước lượng vị trí.

Khi một iPhone bị mất còn online:

• Báo cáo tọa độ GPS hiện tại nếu ngoài trời
• Báo cáo vị trí Wi-Fi nếu trong nhà
• Rơi về vị trí trạm BTS nếu không có nguồn nào khác
• Vị trí xuất hiện trên iCloud.com hoặc trong ứng dụng Find My

Trường hợp thú vị là khi điện thoại offline hoặc tắt nguồn. Đây là lúc mạng Find My vào cuộc. Mọi thiết bị Apple tham gia một lưới toàn cầu: hơn 1 tỷ iPhone, iPad, Mac và Apple Watch âm thầm lắng nghe các beacon BLE phát từ thiết bị Apple khác đã đánh dấu mất. Khi một iPhone đi qua nghe được beacon, nó chuyển tiếp mã định danh mã hóa luân phiên cùng vị trí của chính nó tới Apple. Chỉ chủ ban đầu mới giải mã được kết quả.

Trên iPhone 11 trở lên, sóng U1 và BLE vẫn hoạt động tới 24 giờ sau khi tắt nguồn, lấy điện từ pin dự phòng nhỏ, đó là lý do Find My có thể định vị một chiếc iPhone “chết” suốt một ngày.

Google ra mắt mạng Find My Device vào tháng 4 năm 2024 với cùng kiến trúc: thiết bị Android 9 trở lên tạo thành mạng chuyển tiếp BLE đám đông trên hơn 3 tỷ thiết bị. Giao thức dùng mã hóa đầu cuối nên Google cũng không thấy vị trí thiết bị.

Nếu muốn xem hướng dẫn sâu hơn cho từng hệ thống, xem hướng dẫn đầy đủ Find My iPhone và hướng dẫn đầy đủ Google Find My Device.

Ai có thể truy cập vị trí điện thoại của bạn

Khi điện thoại đã tính ra vị trí, một số bên có thể nhìn thấy.

• Hệ điều hành (Apple, Google) nhận một bản sao mỗi khi bạn dùng dịch vụ hệ thống như Find My, Maps hay Significant Locations. Apple xử lý phần lớn trên thiết bị bằng mã định danh luân phiên; Google giữ nhiều hơn trong Location History cấp tài khoản khi bật.
• Ứng dụng bạn cấp quyền thấy mức độ chính xác bạn cho phép. iOS phân biệt giữa “precise” (GPS thô) và “approximate” (làm tròn về ~5 km). Android cung cấp tương tự từ Android 12.
• Các nhà quảng cáo nhận vị trí qua SDK nhúng trong ứng dụng, thường chính là các ứng dụng bạn đã tin tưởng. Dữ liệu vị trí gộp được các data broker bán; trong những năm gần đây, Federal Trade Commission đã phạt nhiều broker về thực tiễn này.
• Nhà mạng giữ nhật ký kết nối trạm BTS như một phần vận hành mạng bình thường. Tại Việt Nam, Viettel, Vinaphone, MobiFone và các nhà mạng khác lưu dữ liệu này theo quy định của Luật An toàn thông tin mạng 2015 và Luật An ninh mạng 2018. Cơ quan chức năng có thể yêu cầu truy cập theo trình tự pháp luật.
• Cơ quan thực thi pháp luật thường tiếp cận dữ liệu vị trí qua yêu cầu hợp pháp gửi tới Apple, Google hoặc nhà mạng. Tại Việt Nam, Nghị định 13/2023/NĐ-CP về Bảo vệ dữ liệu cá nhân có hiệu lực từ ngày 1 tháng 7 năm 2023, quy định rõ điều kiện thu thập và xử lý dữ liệu vị trí cá nhân.

Nếu nghi ngờ ai đó đang theo dõi điện thoại mà không có sự đồng ý, các triệu chứng và bước phát hiện được trình bày trong hướng dẫn của chúng tôi về phát hiện theo dõi điện thoại. Cùng kỹ thuật dùng để tìm điện thoại thất lạc cũng có thể bị lạm dụng, đó là lý do Apple và Google nay đều cảnh báo các AirTag và tracker lạ đang di chuyển cùng bạn. Trong tình huống nguy hiểm, gọi cảnh sát 113.

Bạn cũng có thể đặt câu hỏi ngược lại: nếu muốn biết điện thoại của chính mình đang ở đâu ngay lúc này, dùng công cụ định vị điện thoại miễn phí trên trang chủ thay vì cài phần mềm bên thứ ba.

Bốn lớp định vị độc lập nhau. Tắt một lớp hiếm khi dừng được việc theo dõi; tắt cả bốn (chế độ máy bay, tắt Wi-Fi, tắt Bluetooth) là cách duy nhất đáng tin để hoàn toàn vô hình, và ngay cả khi đó một iPhone 11 trở lên còn bật nguồn vẫn tiếp tục phát beacon BLE Find My công suất thấp. Biết lớp nào đang hoạt động trong từng khoảnh khắc là bước đầu để hiểu điện thoại của bạn đang chia sẻ gì và với ai.