CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ GPS ỨNG DỤNG GPS TRONG QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU HÀNH XE BUU CHÍNH

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Hữu Lập người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo
và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Xin cảm ơn khoa Quốc tế và đào tạo sau
đại học của Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông cùng các anh chị em lớp cao
học Điện tử viễn thông khoá 7 đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Cảm ơn gia đình, cơ quan và bè bạn luôn khuyến khích và động viên tôi góp phần
không nhỏ trong sự hoàn thành luận văn của tôi.
TÁC GIẢ
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN I
MỤC LỤC I
THUẬT NGỮ, CHỮ VIÊT TẮT II
DANH MỤC BẢNG BIỂU III
DANH MỤC HÌNH VẼ III
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 2. XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU GPS 12
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG GPS TRONG BÀI TOÁN QUẢN LÝ XE BƯU CHÍNH 57
KẾT LUẬN 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO 72
PHỤ LỤC 1 73
BẢN TIN NMEA 73
PHỤ LỤC 2 73
MODUL GPS MTI 73
PHỤ LỤC 3 74
CÔNG NGHỆ VI XỬ LÍ MỚI PSOC 74
PHỤ LỤC 4 76
MÃ NGUỒN CỦA CHƯƠNG TRÌNH 76
I
THUẬT NGỮ, CHỮ VIÊT TẮT
Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt
AS Anti-Spoofing Chống giả mạo

C/A Clear/Acquisition Mã thu/xoá
IGS International GPS service Dịch vụ GPS quốc tế
IOC - Initial Operational Capability Mức độ hoạt động khởi tạo
ITRS International Terrestrial
Reference System
Hệ tham chiếu mặt đất quốc tế
FOC Full Operational Capability Toàn khả năng hoạt động
GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ gói tin trên sóng vô tuyến
MCS Master Control Station Trạm điều khiển chính
NSD Người sử dụng
P Precise hoặc Protected Code Mã chính xác
PRN Pseudo random noise Giả tạp âm ngẫu nhiên
SA Selective Availability Tính sẵn có có lựa chọn
TSFR Tapped shift feedback Register Thanh ghi dịch tuyến tính lùi bước
UTC Universal Time Coordinated Thời gian tham chiếu chuẩn
WGS84 World Geodetic System 1984 Hệ thống trắc địa học toàn cầu 1984

II
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các thành phần của hệ thống GPS 4
Hình 1.2: Phép xác định toạ độ 3 chiều 8
Hình 1.3: Thiết bị dẫn đường trên phương tiện vận chuyển 11
III
LỜI NÓI ĐẦU
Việc ứng dụng công nghệ GPS trong các bài toán quản lý phương tiện giao
thông đang trở nên phổ biến trên thế giới và đây là một dịch vụ mang lại giá trị gia tăng
cao dựa trên công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin. Ở nước ta trong vài năm

gần đây một số công ty cũng đã ứng dụng GPS để nâng cao năng lực quản lý chuyên
ngành như Ngân hàng Liên việt, các hãng taxi, xe buýt Đối với ngành Bưu chính,
việc áp dụng công nghệ GPS trong việc quản lý các phương tiện vận chuyển Bưu chính
sẽ đem lại hiệu quả cao, phù hợp với các phương thức quản lý tập trung hiện đại. Trung
tâm khai thác vận chuyển trực thuộc Bưu điện thành phố Hà nội đảm nhận nhiệm vụ
khai thác, chia chọn, trung chuyển giữa các tỉnh thành phố và vận chuyển bưu gửi bằng
các xe ô tô chuyên ngành Bưu chính. Thực tế Trung tâm đang quản lý và điều hành
bằng nhân công nên gặp rất nhiều khó khăn chẳng hạn như: không thể biết chính xác
xe đang ở đâu, không kiểm soát chính xác được chỉ tiêu thời gian khi vận chuyển, khi
điều phối xe tăng cường gặp khó khăn Vì vậy nhu cầu ứng dụng GPS trong công
việc này ngày càng cao và cấp thiết hơn do khối lượng cũng như tần xuất vận chuyển
hàng hoá ngày một tăng.
Luận văn này đề cập đến việc tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật của công nghệ GPS,
từ đó lựa chọn và xây dựng mô hình ứng dụng GPS trong quản lý và điều hành xe Bưu
chính. Cấu trúc của luận văn bao gồm:
Chương 1 "Tổng quan về công nghệ GPS" giới thiệu lịch sử phát triển GPS,
cấu trúc và hoạt động của hệ thống GPS, các ứng dụng GPS hiện nay.
Chương 2 nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật liên quan đến "xử lý và truyền dữ liệu
GPS" bao gồm: cấu trúc tín hiệu vệ tinh, xử lý tín hiệu và phương thức truyền dữ liệu
GPS từ bộ thu về trung tâm xử lý dữ liệu thông qua các dịch vụ sẵn có của mạng thông
tin di động GSM.
1
Chương 3 xây dựng bài toán quản lý và điều hành xe Bưu chính dùng tại Trung
tâm khai thác vận chuyển nhờ ứng dụng công nghệ GPS, kết hợp bản đồ số và mạng
thông tin di động GSM.
Phần kết quả cuối cùng của luận văn đưa ra sản phẩm bộ thu GPS được chế tạo
với giá thành rẻ và chương trình định vị theo dõi xe Bưu chính viết bằng phần mềm
MapInfo.

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS
1.1 Lịch sử phát triển GPS
Năm 1957 Nga phóng vệ tinh Sputnik mở ra kỷ nguyên GPS, khi đó các nhà
khoa học nghiên cứu các quỹ đạo và truy tìm vệ tinh bằng sóng vô tuyến
Đến năm 1964 tàu ngầm của Mỹ bắt đầu dùng phương pháp này để định vị và
hệ thống đó chính là hệ thống định vị nổi tiếng TRANSIT. Hệ thống này chỉ dùng một
vệ tinh để đọc thông tin nên mất khá nhiều thời gian đọc khoảng từ 35 đến 45 phút.
Vào ngày 31/5/1967 hải quân Mỹ đã phóng vệ tinh TIMATION I để cải tiến hệ
thống TRANSIT cũ với việc dùng đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh.
Năm 1973 chương trình NAVSTAR được bắt đầu, hệ thống này sử dụng nhiều
vệ tinh khác với TRANSIT cho kết quả chính xác hơn và thông tin đọc nhanh hơn.
Từ 1974 -1979 tiến hành kiểm tra hệ thống. Năm 1977 thử nghiệm các bộ phát
đáp giả lập trên mặt đất trước khi đưa vệ tinh lên quỹ đạo. Năm 1978 NAVSTAR (viết
tắt của từ dẫn đường bằng thời gian và khoảng cách) bây giờ gọi là GPS (Định vị toàn
cầu) chính thức được Bộ nội vụ Mỹ dùng trong quân sự với 11 vệ tinh trên quỹ đạo
(1978 – 1985).
Năm 1979 Mỹ quyết định mở rộng hệ thống GPS.
Năm 1982 Bộ nội vụ Nga sử dụng hệ thống vệ tinh GLONASS.
Năm 1983 Khi máy bay dân sự của Hàn quốc bị Nga bắn hạ do máy bay này
không biết mình vi phạm vào lãnh thổ của Nga, từ đó nhu cầu GPS trở thành dự án phổ
thông và người ta quyết định sử dụng GPS trong lĩnh vực dân sự.
Năm 1988 Số vệ tinh tăng lên 24 vì 18 vệ tinh không thoả mãn nhu cầu.
Năm 1989 Vệ tinh Block II đầu tiên được lắp đặt và sử dụng.
Năm 7/1991 áp dụng tính sẵn có có lựa chọn SA.
Ngày 8/12/1993 Công bố khả năng sử dụng khởi tạo (IOC). Trong cùng năm
này quyết định cho phép dùng trong lĩnh vực dân sự toàn cầu miễn phí.
Tháng 3/1994 Các vệ tinh Block II cuối cùng được đưa lên chùm sao vệ tinh.
3
Ngày 17/7/1995 Đầy đủ 24 vệ tinh GPS trên quỹ đạo. Tính chất khả năng sử
dụng hoàn toàn FOC được công bố.

Năm 1996 Tổng thống Mỹ Clinton cấp SA cho dân sự toàn cầu với độ chính xác
cao hơn.
Ngày 2/5/2000 UTC SA được thực thi theo quyết định của Clinton năm 1996.
Lĩnh vực dân sự có thể đạt độ chính xác 10 – 15 m, so với độ chính xác 100 m trước
đây.
Ngày 20/3/2004 Phóng lên vệ tinh GPS thứ 50.
Ngày 25/9/2005 Phóng lên vệ tinh IIR-M GPS đầu tiên. Loại vệ tinh mới này hỗ
trợ các tín hiệu quân sự mới (tín hiệu - M) và tín hiệu dân sự thứ hai L2C.
1.2 Thành phần hệ thống
Hệ thống GPS được chia theo quy ước là 3 thành phần như sau:
Hình 1.1: Các thành phần của hệ thống GPS
4
1.2.1 Thành phần không gian
Bao gồm các vệ tinh truyền tín hiệu cần thiết để hệ thống hoạt động. Chức năng
cơ bản của vệ tinh:
• Nhận và lưu trữ dữ liệu do thành phần điều khiển truyền đến.
• Duy trì thời gian chính xác bằng các phương tiện sử dụng một vài chuẩn tần số
đồng hồ nguyên tử nằm ngay trên vệ tinh.
• Truyền tín hiệu và thông tin tới người dùng qua 1 hoặc 2 băng tần L.
Các vệ tinh ban đầu khối I được chế tạo bởi tập đoàn Rockwell International
corporation. Các thế hệ tiếp theo được chia ra làm 4 loại: II, IIA, IIR và IIF. Khối vệ
tinh II và IIA có 28 quả trong đó 24 quả được đưa lên và đang dùng, các quả còn lại là
để dự phòng. Khối vệ tinh IIR có 20 quả và dự kiến chế tạo thêm 6 quả nữa. Loạt khối
IIF vẫn nằm trong giai đoạn thiết kế và có thể dùng để truyền tần số bổ sung. Chu kỳ
thiết kế đối với khối vệ tinh II/IIA GPS là 7.5 năm (tuổi thọ thiết kế của khối I là 5
năm, và tuổi thọ dự kiến là 10 năm đối với khối vệ tinh IIR). Số hiệu của vệ tinh được
dùng theo quy ước sau:
• Số NAVSTAR (hoặc SVN): Các vệ tinh khối II được đánh số SVN 13 đến SVN
21. Khối IIA được thiết kế từ SVN 22 đến SVN 40, và khối IIR sẽ là SVN 41
trở lên.

• Số PRN: là số thành phần có sẵn 37 (37 ngày) của mã P mã giả tạp âm ngẫu
nhiên (PRN) được gắn với mỗi vệ tinh.
1.2.2 Thành phần điều khiển
Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị để theo dõi tình trạng vệ tinh, quan
sát, truy tìm, ra lệnh và điều khiển, tính toán lịch thiên văn và kết nối đường lên. Có 5
trạm mặt đất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein.
Chúng hoạt động với chức năng sau:
• 5 trạm này đều là những trạm quan sát, truy tìm vệ tinh và gửi dữ liệu truy tìm
về trạm điều khiển chính MCS.
5
• Cơ sở không lực ở Falcon, Colorado Springs là trạm điều khiển chính MCS xử
lý dữ liệu truy tìm để tính toán lịch tiên văn vệ tinh và sửa đúng lỗi đồng hồ vệ
tinh. Nó cũng là nơi để khởi tạo tất cả các hoạt động của thành phần vũ trụ như
là sự điều động vệ tinh, mã hoá tín hiệu, duy trì đồng hồ vệ tinh, v.v Trạm
MCS lại được quản lý bởi sư đoàn thứ cấp vận hành đó là Cánh không gian thứ
50 của Không lực Mỹ.
• 3 trạm (Ascension Is., Diego Garcia, và Kwajalein) cùng với hai ăng ten khác
trong nội địa Mỹ là các trạm đẩy lên kết nối dữ liệu chiều lên tới vệ tinh. Dữ
liệu bao gồm lịch thiên văn và thông tin sửa đúng đồng hồ được truyền trong
bản tin di chuyển, cũng như các lệnh điều khiển từ xa từ trạm MCS.
Mỗi trạm đẩy lên có thể nhìn thấy tất cả các vệ tinh một lần trong ngày. Bởi vậy tất cả
các vệ tinh sẽ được trạm đẩy lên nhìn thấy 3 lần trong ngày. Bản tin viễn thám mới và
lệnh điều khiển từ xa có thể truyền tới GPS xấp xỉ 8 giờ nếu cần. Tốc độ đẩy lên hiện
nay là một lần trong ngày (đôi khi là 2 lần/ngày).
Một chức năng quan trọng nữa của thành phần điều khiển là duy trì hệ tham
chiếu WGS84. Người dùng GPS truy cập hệ thống này qua lịch thiên văn vệ tinh do
MCS tính toán. Cơ sở của dịch vụ GPS quốc tế (IGS) là cung cấp lịch thiên văn chuẩn
(ITRS) mà hệ này rất giống với hệ thống WGS84 (trong vòng 1m).
Với bản chất của hệ thống GPS các vệ tinh sẽ hoạt động một cách độc lập với
các thành phần điều khiển trên mặt đất không cần sự phân cấp rõ trên mặt đất. Các vệ

tinh khối IIR và IIF có các kích hoạt chéo giữa các kết nối và đo đạc vệ tinh. Dữ liệu
được xử lý và tạo ra thông tin thiên văn ngay bên trong thành phần không gian.
1.2.3 Thành phần người dùng
Thiết bị người dùng GPS bao gồm chương trình phát triển mở rộng cho cả lĩnh
vực quân sự và dân sự. Khái niệm “thiết bị GPS” tham chiếu tới sự kết hợp của:
• Phần cứng (truy tìm tín hiệu và đo đạc).
• Phần mềm (thuật toán định vị, giao tiếp người dùng).
6
• Thủ tục vận hành (tuỳ theo độ chính xác, theo chức năng, etc.).
Có rất nhiều ứng dụng GPS và sẽ có những thiết bị GPS phù hợp với lĩnh vực đó. Tuy
nhiên người ta phân loại hệ thống theo kiểu quan sát:
• Các bộ thu dẫn đường dùng trong dân sự dùng mã đo trên tần số L1.
• Các bộ thu dẫn đường dùng trong quân sự dùng mã đo trên cả hai tần số băng L.
• Các bộ thu truy tìm pha sóng mang đơn tần L1.
• Các bộ thu truy tìm pha sóng mang song tần.
Trong khi các chương trình nghiên cứu quân sự để đạt được mức độ cao về việc
giảm kích thước, tách khối chức năng và tính tin cậy, các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối
trong dân sự phải thêm việc giảm giá thành và phát triển các đặc tính mà tăng cường
khả năng của hệ thống không được tối ưu cho nhiều nhóm người dùng chủ yếu tuỳ theo
độ chính xác và tính tin cậy. Thực tế ứng dụng khảo sát cần mức độ chính xác cao hơn
ứng dụng dẫn đường. Có rất nhiều nhu cầu định vị chính xác trong các ứng dụng dân
sự khác nhau dẫn đến những ứng dụng cụ thể được thoả mãn theo cách nào đó và có
nhu cầu tổ hợp phần cứng và phần mềm. Hiện nay có hơn 100 nhà sản xuất thiết bị
GPS khác nhau.
Điều quan trọng cần phải nhấn mạnh là GPS được thiết kế chủ yếu để dẫn
đường (định vị toạ độ) và không phải cho khảo sát. Dẫn đường đòi hỏi định vị theo
thời gian thực ở mức vài chục mét trong khi đó mục đích khảo sát cần đạt độ chính xác
cao mức cm trên một khoảng cách lớn vài chục km. Các thủ tục làm giảm dữ liệu, đo
đạc và quan sát đặc biệt, nghiên cứu để đáp ứng độ chính xác khảo sát.
1.3 Hoạt động của hệ thống

1.3.1 Phép đo tam giác 3 chiều trong GPS
Từ một điểm trên bề mặt trái đất đo đồng thời khoảng cách tới 3 vệ tinh A, B, C.
Giao của 3 quả cầu có tâm là các vệ tinh (P1, P2, P3) và có bán kính là khoảng cách từ
vệ tinh đến điểm thu trên mặt đất (r1, r2, r3) là 2 điểm A và B. Điểm A là điểm xa trái
đất nên kết quả là điểm B coi như nằm trên bề mặt trái đất và đó là kết quả của phép
7
đo. Tuy nhiên do lỗi về thời gian của đồng hồ bộ thu và các vệ tinh nên người ta dùng
tối thiểu 4 vệ tinh để xác định toạ độ 3 chiều (X,Y,Z) và thời gian (T).
Hình 1.2: Phép xác định toạ độ 3 chiều
1.3.2 Hoạt động của hệ thống
Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người dùng
và được đo theo phép tam giác 3 chiều nêu trên. Để thực hiện phép đo tam giác này,
GPS đo khoảng cách thông qua thời gian hành trình của bản tin vô tuyến từ vệ tinh tới
một máy thu mặt đất. Để đo thời gian hành trình, GPS sử dụng đồng hồ rất chính xác
trên các vệ tinh (đồng hồ nguyên tử). Một khi khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì
việc biết trước vị trí vệ tinh trong không gian sẽ được dùng để hoàn thành tính toán.
Các máy thu trên mặt đất có một cuốn lịch thiên văn lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của
chúng để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi nào trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào.
Các máy thu GPS tính toán thời gian trễ khi qua tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tục
làm chính xác hơn phép đo vị trí.
Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốn
đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns tức 3 phần tỷ giây. Nhằm tiết kiệm
chi phí, các đồng hồ trong các máy thu được làm bằng thạch anh để giảm chi phí. Bù
lại, phải thêm một phép đo khoảng cách tới vệ tinh thứ tư để loại bỏ lỗi đồng hồ. Phép
đo lượng giác chỉ ra rằng nếu 3 phép đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong
8
không gian ba chiều thì một phép đo thứ tư có loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào
đó và phép đo này chính là sự đồng bộ hoá không hoàn hảo của máy thu.
Khối mặt đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới với tốc độ ánh sáng. Ngay như tại
tốc độ như vậy tin hiệu cũng phải mất một lượng thời gian đáng kể mới tới được máy

thu. Sự chênh lệch giữa thời điểm tín hiệu được gửi đi và thời điểm tín hiệu được thu
nhận với tốc độ ánh sáng cho phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh. Để đo
lường chính xác độ cao, kinh độ và vĩ độ, máy thu đo thời gian các tín hiệu từ một số
vệ tinh truyền tới máy thu.
GPS sử dụng một hệ toạ độ gọi là hệ thống trắc địa học Toàn cầu 1984
(WGS84). Hệ thống này tương tự như các đường kẻ kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộc
thường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn. Hệ thống WGS84 cung cấp một khung
tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ hãng sản xuất nào
cũng cung cấp đúng cùng một thông tin định vị.
1.4 Các dịch vụ định vị GPS
1.4.1 Dịch vụ định vị chính xác (PPS)
Dịch vụ này dành cho người dùng có đăng ký quyền hạn, có các thiết bị được
mật mã và có khoá giải mã. Dịch vụ này thường dành cho quân đội Mỹ và phe đồng
minh, các cơ quan chính phủ Mỹ hoặc những cá nhân được chính phủ Mỹ cho phép.
Dịch vụ này có độ chính xác ước tính như sau:
o Độ chính xác phương ngang 22 m.
o Độ chính xác phương dọc 27.7 m.
o Độ chính xác thời gian 200 nano giây.
1.4.2 Dịch vụ định vị chuẩn (SPS)
Dịch vụ này dành cho tất cả mọi người trên thế giới không phải đóng phí hoặc
giới hạn gì. Hầu hết các bộ thu đều có thể nhận và dùng tín hiệu SPS. Độ chính xác
SPS được phân nhiều cấp theo việc dùng thuộc tính “Tính sẵn có có lựa chọn” do Bộ
nội vụ Mỹ DOD quy định. Dịch vụ này có độ chính xác ước tính như sau:
9
o Độ chính xác phương ngang 100 m.
o Độ chính xác phương dọc 156 m.
o Độ chính xác thời gian 340 nano giây.
1.5 Các ứng dụng GPS
Các ứng dụng GPS được phân loại như sau:
• Khảo sát bản đồ: trên mặt đất, mặt biển và trong không gian. Các ứng dụng

này có độ chính xác tương đối cao, để định vị cho cả trường hợp tĩnh và
động. Kể cả khảo sát tài nguyên và địa vật lý, khảo sát thu thập dữ liệu
GIS,
• Dẫn đường trên mặt đất, đường biển và hàng không: kể cả giao thông trên
đường với độ chính xác cao, theo dõi vận chuyển hàng hoá, truy tìm định vị
xe,
• Hoạt động tìm kiếm và cứu hộ: kể cả chức năng tránh va chạm và hẹn gặp.
• Hoạt động tàu vũ trụ.
• Ứng dụng trong quân sự.
• Sử dụng đặc biệt khác, như truyền thời gian, xác định độ cao, vận hành tự động,
1.6 GPS và mạng tế bào
Công nghệ GPS thậm chí còn đang được sử dụng kết hợp với công nghệ mạng
tế bào để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng. Với việc ấn một phím bấm trên máy
điện thoại di động mạng tế bào, có thể đàm thoại với một nhà cung cấp dịch vụ và cùng
một lúc báo hiệu tới các dịch vụ điều phối trung tâm thông báo về vị trí của họ về các
tình huống khẩn cấp hoặc các hỏng hóc trang thiết bị.
Điều này có thể được với Khối định vị mạng tế bào và nhắn tin khẩn của hãng
Motorola. Thiết bị này mở ra một kỷ nguyên mới của an toàn di động và theo dõi các
đoàn xe và các đoàn tàu biển. Các thiết bị này được thiết kế cho các nhà tích hợp hệ
thống là những người đang tạo cấu hình các mạng tiêu dùng và thương mại khai thác
10
qua điện thoại di động tế bào. Khối định vị mạng tế bào và nhắn tin khẩn truyền đạt
thông tin về vị trí và trạng thái của các phương tiện xe cộ do GPS xác định rất phù hợp
dễ sử dụng trong các hệ thống nhằm trợ giúp cho các nhà quản lý đường bộ, các hãng
giám sát nội vụ, các công ty điện thoại di động, các công ty cho thuê xe ô tô, các nhà
khai thác đội tàu biển thương mại và các nhà sản xuất ô tô tìm kiếm những lợi thế
cạnh tranh.
Hãng Skytel, nhà cung cấp dịch vụ nhắn tin vô tuyến đang quảng cáo hệ thống
AutoLink dựa trên GPS của họ dùng cho xe ô tô. Hệ thống AutoLink cung cấp các dịch
vụ trả lời khẩn cấp tự động, ngăn chặn trộm cắp, theo dõi và bắt xe cộ dừng lại, nhắn

tin cá nhân hai chiều, mở khoá xe từ xa, đánh dấu số hiệu lái xe, hướng dẫn đường đi
và thông tin dựa trên vị trí.
Do tính chính xác của mình, GPS đã nhanh chóng trở thành phương pháp lựa
chọn để thu thập số liệu tại chỗ cho rất nhiều ứng dụng thương mại, chính quyền và
quân sự. GPS chắc chắn trở thành một phương pháp quan trọng và có hiệu quả kinh tế
cho việc định vị vô số các mục tiêu trên mặt đất và trên biển. Mặc dù Bộ Quốc Phòng
Mỹ cung cấp kinh phí ban đầu, song việc truy cập mạng GPS là miễn phí đối với mọi
người dùng. Điều này góp phần khuyến khích việc phát triển các ứng dụng và tạo ra
một thị trường khách hàng hoàn toàn mới đặc biệt là trong lĩnh vực định vị các phương
tiện giao thông và điều hành xa lộ.
Hình 1.3: Thiết bị dẫn
đường trên phương tiện
vận chuyển
11
CHƯƠNG 2. XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU GPS
2.1 Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS
Mỗi vệ tinh GPS truyền tín hiệu tập trung vào 2 tần số băng L của phổ điện từ:
L1 là 1575.42MHz và L2 là 1227.60MHz. Ở tần số sóng viba (sóng cực ngắn) này có
tính chất định hướng cao và dễ bị ngắt quãng cũng như bị phản xạ bởi những vật rắn và
bề mặt nước. Bên cạnh đó tín hiệu còn bị khúc xạ qua tầng điện ly và tần dối lưu. Cấu
trúc cơ bản tín hiệu vệ tinh được biểu diễn như hình dưới đây:
Hình 2.1: Các thành phần tín hiệu vệ tinh GPS.
2.1.1 Sóng mang băng L
Sóng mang là phương tiện để truyền tải bản tin di chuyển và mã khoảng cách tới
trái đất (và tới người dùng). Chức năng chính của mã khoảng cách là để xác định thời
gian truyền tín hiệu (từ vệ tinh tới bộ thu - thời gian đến TOA). Thời gian truyền nhận
với tốc độ sóng điện từ (= 299792458m/s trong chân không) sẽ cho các khoảng cách từ
bộ thu đến vệ tinh. Thành phần tín hiệu được mô tả như sau:
Tất cả các thành phần tín hiệu vệ tinh đều được tạo ra từ đồng hồ nguyên tử ổn
định cao (Hình 2-1) có tần số f

0
= 10.23MHz với mức độ ổn định cỡ 1 phần 10
13
trong
1 ngày và đó là tần số liên hệ cơ bản. Nhân tần số cơ bản f
0
với 2 trường số nguyên
(154 và120) sẽ thu được 2 sóng mang L1 và L2 là:
12
f
L1
= f
0
x 154 = 1575.42MHz có bước sóng tương ứng:
L1
= c / f
L1
19cm
f
L2
= f
0
x 120 = 1227.60MHz bước sóng tương ứng:
L2
= c / f
L2
24cm
Đây là 2 sóng tần số vô tuyến phân cực tròn theo chiều tay phải có thể truyền
qua không khí qua khoảng cách lớn nhưng nó không có thông tin. Tất cả các vệ tinh
quảng bá cùng tần số (mặc dù các tần số nhận được hơi khác nhau vì hiệu ứng dịch

Doppler) và để đưa thông tin vào sóng mang chúng phải được điều chế theo nhiều
cách. Trong GPS có hai loại mã hoá phân biệt dùng để điều chế sóng mang băng L đặt
tên là mã khoảng cách và bản tin di chuyển. Sóng mang L1 được thiết kế để điều chế
với 2 mã khoảng cách, 1 để dùng cho dân sự (mã C/A) và 1 dùng cho quân sự (mã P),
trong khi đó sóng mang L2 chỉ được điều chế với mã quân sự. Cả hai sóng mang đều
chứa bản tin di chuyển.
2.1.2 Mã khoảng cách giả ngẫu nhiên PRN
Tạo mã:
Tín hiệu sóng mang là một chuỗi bit + 1 và -1 có chiều dài chip 293m với mã
C/A và 29.3m với mã P. Chuỗi +1, -1 được thông dịch là các luồng nhị phân 0, 1 và
luồng nhị phân này được tạo ra từ các thanh ghi dịch tuyến tính.
- Hàm nhị phân XOR: là kết hợp của 2 hàm logic "AND" và "OR" có bảng chân lý như
sau:
Vào Ra
A B XOR(A,B)
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Bảng 2. 1: Bảng chân lý hàm nhị phân XOR
- Thanh ghi dịch tuyến tính:
Bảng 2-2 minh hoạ hoạt động của thanh ghi dịch tuyến tính 3 trạng thái. Trạng
thái được xác định thông qua bộ 3 số nhị phân (A, B, C) và nó thay đổi sau một khoảng
thời gian nhất định. Ví dụ trạng thái khởi tạo thanh ghi thường toàn là 1 (1, 1, 1). Các
13
số trong ô trạng thái sẽ dịch dần sang phải thành (trống, 1, 1). Số (1) bị đẩy ra bên phải
và là trạng thái đầu ra của thanh ghi. Phần trống được thay thế bằng phép XOR của 2
trạng thái còn lại ở đây là XOR(1,1)=0. Như vậy trạng thái mới sẽ là (0,1,1). Quá trình
được lặp lại như trên bảng 2-2.
Chu kỳ N A

N
=XOR(A
N-1
,C
N-1
) B
N
=A
N-1
C
N
=B
N-1
1 khởi tạo: 1 1 1
2 XOR(1,1)=0 1 1
3 XOR(0,1)=1 0 1
4 XOR(1,1)=0 1 0
5 XOR(0,0)=0 0 1
6 XOR(0,1)=1 0 0
7 XOR(1,0)=1 1 0
8 (=1) XOR(1,0)=1
(lặp lại)
1 1
Bảng 2. 2: Thanh ghi dịch tuyến tính 3 trạng thái đầu ra là C
Chuỗi số ở đầu ra được viết thành (1,1,1,0 ) và được coi là tuần tự của thanh
ghi dịch tuyến tính. Quá trình được lặp lại khi thực hiện hết số chu kỳ, thanh ghi dịch
tạo ra tất cả các tổ hợp có thể các số nhị phân trừ trường hợp (0,0,0). Bởi vậy dễ dàng
tính được chiều dài của chuỗi trước khi nó lặp lại. Đối với thanh ghi 3 trạng thái sẽ có
8 tổ hợp có thể. Chiều dài trong trường hợp N trạng thái là L(N)=2
N

-1 và N cũng chính
là kích thước thanh ghi (số chữ nhị phân trong trạng thái).
- Mã C/A:
Hình 2.2 minh hoạ thủ tục tạo mã C/A dựa vào "mã vàng" vì nó là phép XOR
của hai thanh ghi dịch. Thanh ghi dịch lùi bước (TFSR) được dùng để tạo bit tuần tự
“0” và “1” ở tốc độ đồng hồ 1.023 MHz. Giá trị mới trong thanh ghi ở đầu trái được
tạo ra bởi phép modulo cơ số 2 (hoặc tổng nhị phân) của các nội dung của một nhóm
thanh ghi đặc biệt. Trong trường hợp sử dụng mã C/A 2 10-bit TFSR mỗi thanh ghi
tạo ra mã vàng: (1) G1 (là đa thức: 1+X
3
+X
10
) và (2) G2 (đa thức: 1 + X
2
+ X
3
+ X
6
+ X
8
+ X
9
+ X
10
).
14
Tổ hợp khác nhau của các đầu ra của thanh ghi của G2 modulo với đầu ra của
mã G1 cho kết quả các mã PRN và tạo ra 36 mã duy nhất. Hình 2-3 chỉ ra 3 mã PRN
đầu tiên: Nội dung thanh ghi ô PRN1 là 2 cộng với 6, PRN2 cộng nội dung thanh ghi 3
và 7, PRN3 cộng nội dung thanh ghi 4 và 8 và tiếp tục.

Hình 2.2: Tạo mã PRN sử dụng hai thanh ghi mã vàng Gold Code.
Là thanh ghi dịch tuyến tính 10 trạng thái có chiều dài L(10)=1023 bit. C/A tạo riêng
cho mỗi vệ tinh, tốc độ dịch chuyển bit C/A là 1.023MHz. Vì tần số đồng hồ là
10.23MHz nên sẽ có 10 chu kỳ mã C/A, tốc độ dịch chuyển là 1023bit/1ms. Chuỗi tuần
tự sẽ lặp 1000 lần/s. Chiều dài chip là 293m. Lặp cả tuần tự là 300km.
- Mã P:
Cũng được tạo ra từ tổ hợp 2 thanh ghi khác nhau theo chu kỳ lặp 266.4 ngày
với tốc độ chip ở tần số cơ bản f
0
= 10.23MHz. Bước sóng của mã này (chiều dài chip
mã P) xấp xỉ 30m, phân giải 10 lần mã C/A (hình 2.3). Thay vì gắn mỗi vệ tinh mã duy
nhất như trong trường hợp với mã C/A, mã P được đặt theo cách mỗi vệ tinh truyền
theo các mẩu tin 1 tuần của chiều dài 266.4 ngày. Vì mã vệ tinh chỉ được 1 mã PRN
duy nhất vì thế mã PRN không nên dùng cho đánh số xe tự hành vệ tinh SVN. Có 38
15
mã PRN có thể dùng cho 24 vệ tinh danh nghĩa và các PRN còn lại dự phòng. Tuần tự
PRN sẽ được xác định lại "Tuần GPS" vào đêm ngày thứ bảy.
Hình 2.3: Ví dụ trật tự chip mã C/A và P.
MÃ P chống giả mạo được mã hoá qua phân chia modul mã bí mật – mã “W”
và gọi là mã Y, sau đó điều chế theo cách thông thường trên sóng mang L1 và L2.
- Truyền nhận dữ liệu GPS:
Tín hiệu xuất phát từ vệ tinh là sự dao động các mức điện áp ở tần số cơ bản
10.23MHz (nếu bật chế độ SA thì tín hiệu còn bị đảo lộn khó đoán được). Tín hiệu này
sau đó được phân chia thành 2 loại sóng mang: L1=f
0
x154=1557.42Hz và
L2=f
0
x120=1220.60Hz. Tín hiệu được nhân với +1, -1 theo thuật toán tạo C/A (L1) và
mã P (trên cả L1 và L2). Các mã này là duy nhất đối với mỗi vệ tinh. Cuối cùng bản tin

di chuyển được mã hoá trên tín hiệu. Sau đó tín hiệu được khuếch đại và truyền đi về
hướng trái đất. Các ăng ten phát tín hiệu và không gian dưới dạng sóng điện từ.
Sóng điện từ đi qua không gian và tầng khí quyển bao quanh trái đất (xấp xỉ tốc
độ ánh sáng truyền trong chân không) rồi đến ăng ten bộ thu. Sóng điện từ tạo ra tín
hiệu âm ở ăng ten bộ thu ở dạng dao động điện áp. Sau đó tín hiệu được tiền khuếch
đại ở ăng ten khuếch đại cường độ tín hiệu tuy nhiên chưa đủ lớn để trội hơn nhiễu khi
16
đi tới đầu cuối của dây cáp. Khi đến mạch điện tử của bộ thu tín hiệu được đo và rút ra
nhờ kỹ thuật tự tương quan.
2.1.3 Đặc tính và nội dung bản tin di chuyển
Các nội dung của bản tin di chuyển và cách thức “khối dữ liệu hoặc khung” được bố trí
trong hình 2-4.
Hình 2.4: Định dạng và nội dung bản tin GPS.
Bản tin di chuyển là luồng dữ liệu 50 bit/giây điều chế trên sóng mang tín hiệu
của mỗi vệ tinh, nó là bản tin đo đạc từ xa và dữ liệu truyền đi ở dạng các khung dữ
liệu. Mỗi khung dữ liệu GPS dài 1500 bit tương ứng khoảng thời gian truyền là 30s.
Mỗi khung có 5 khung phụ dài 300 bit. Khung phụ 1, 2, 3 chứa lịch thiên văn vệ tinh
17
chính xác cao và thông tin về dữ liệu lệch đồng hồ. "Nội dung dữ liệu" của 3 khung
này là giống nhau cho mỗi vệ tinh cụ thể và được truyền đi liên tục theo các chu kỳ
không quá 2 giờ. Khung phụ 1 chứa hệ số đa thức cấp 2 dùng để tính độ lệch đồng hồ
vệ tinh. Khung phụ 1, 2, 3 chứa các thông số quỹ đạo. Khung 4, 5 là các khung có nội
dung khác nhau. Các dữ liệu này lặp lại nhưng 25 khung phụ liên tiếp của 2 khung này
phải được thu thập trước khi bộ thu có tất cả nội dung dữ liệu truyền bởi vệ tinh. Các
vệ tinh truyền nội dung dữ liệu giống nhau trong khung phụ 4, 5 cho đến lần đẩy dữ
liệu lên tiếp theo (khoảng 24h). Khung phụ 4, 5 chứa dữ liệu niên giám, thông tin trạng
thái và dữ liệu cấu hình. Mỗi khung phụ chia thành 10 từ mỗi từ 30 bit (khoảng 0.6s), 6
bit đầu của 10 bit là bit chẵn lẻ, 24 bit của 3 từ đầu mô tả phần nội dung dữ liệu ở trên.
Từ 1, 2 có dạng giống nhau trên tất cả các khung. Từ 1 là thông tin phép đo viễn trắc, 8
từ đầu của từ này là mẫu đồng bộ các bộ thu dùng để đồng bộ chính nó theo bản tin di

chuyển và nhờ thế mới giải mã đúng nội dung dữ liệu. Từ 2 chứa bộ đếm thu gọn Z là
bộ đếm khung phụ chỉ tăng. Quá trình đẩy dữ liệu lên thực hiện 24h/lần cho mỗi vệ
tinh, trạm chính MCS gửi lên vệ tinh tất cả nội dung dữ liệu mà vệ tinh truyền sẽ
truyền đi trong 24h cộng với dữ liệu cho 1 vài tuần tiếp theo để dự phòng khi không
đẩy dữ liệu từ MCS lên được. Một tệp đẩy dữ liệu lên chứa 16 khung phụ 1,2,3 khi vệ
tinh bắt đầu truyền tập dữ liệu mới gọi là điểm cắt chuyển, lần cắt chuyển đầu tiên xảy
ra ở một thời gian nào đó của giờ nhưng những điểm cắt tiếp theo thì thực hiện chính
xác đúng theo giờ. Các khung phụ tiếp theo không truyền quá 2 giờ (1 vài lần chính
xác theo 1 giờ, một vài lần theo 2 giờ và một vài lần không quá 2 giờ). Khung phụ 1
chứa độ lệch thời gian sử dụng được, khung phụ 2, 3 chứa lịch thiên văn ứng dụng
được. Hai giá trị thời gian ứng dụng được này thường là giống nhau và đối với điểm
cắt chuyển ở kỷ nguyên 1h, giá trị thời gian ứng dụng được chính xác sau 2 giờ thời
gian khởi tạo truyền của tập dữ liệu khung phụ 1, 2, 3. Mỗi khung phụ trong 3 khung
này chứa giá trị chỉ mục cho phép bộ thu kiểm tra 3 khung phụ là phần của tập dữ liệu
giống nhau. Các bộ thu truy tìm bản tin di chuyển liên tục tìm nội dung dữ liệu trong
18
khung phụ 1,2,3. Nếu phát hiện sự thay đổi thì nó dùng giá trị mới và dùng để định vị.
Khung phụ 1,2,3 được thiết kế để mô tả đồng hồ và quỹ đạo cho chu kỳ 4 giờ với thời
gian ứng dụng gần tâm chu kỳ.
2.2. Xử lý tín hiệu GPS
2.2.1 Các kỹ thuật liên quan
2.2.1.1 Lỗi pha đồng hồ
Lỗi pha sóng mang đồng hồ (T) được định nghĩa theo lỗi pha ( (T) – (T)):
0
1
( ) .( ( ) ( ))T T T
f
ε φ θ
= −
(2.2.1-1)

hoặc
0
( ) ( ) ( )T T f T
φ θ ε
= +
(2.2.1-2)
trong đó: (T) để biểu diễn pha vệ tinh GPS thực, (T) là dao động ở bộ thu ở thời
gian T. Tuy nhiên việc sử dụng công thức (2.2.1-1) hoặc (2.2.1-2) đều dùng các thành
phần tích phân và vi phân là pha quan sát.
2.2.1.2 Thời gian truyền tín hiệu
Xét việc truyền tín hiệu từ vệ tinh i tới bộ thu j. Thời gian nhận được của tín
hiệu ở bộ thu j là T
j
. Thời gian truyền từ vệ tinh i là T
j
i
. Thời gian truyền tín hiệu từ i
đến j là
j
i
(T
j
) và được định nghĩa:
j
i
(T
j
) = T
j
– T

j
i
(2.2.1-3)
2.2.1.3 Biểu diễn pha của tín hiệu
Pha của tín hiệu nhận tại thời điểm nhận T
j
bằng pha tín hiệu truyền ở thời điểm
truyền T
j
i
. Bởi vậy:
bj
i
(T
j
) =
loj
(T
j
) –
rj
i
(T
j
)=
loj
(T
j
) –
ti

(T
j
i
) (2.2.1-4)
trong đó :
bj
i
(T
j
) là pha nhịp sóng mang đối với bộ thu j, vệ tinh i, ở thời điểm nhận T
j
,
rj
i
(T
j
) là pha tín hiệu nhận được từ vệ tinh i ở bộ thu j ở thời điểm T
j
,
loj
(T
j
) là pha bộ dao động cục bộ của bộ thu j ở thời điểm T
j
, và
ti
(T
j
i
) là pha tín hiệu truyền từ vệ tinh i ở thời điểm truyền T

j
i
.
Kết hợp công thức (2.2.1-2) và (2.2.1-4) biểu thị mối liên hệ giữa pha truyền và lỗi pha
đồng hồ ở thời điểm nhận như sau:
19
0 0 0
( ) ( ) . ( ) ( ) . ( ) . ( )
ti i sci i sci i i
j j j j j j j
T T f T T f T f T
φ θ ε θ ε τ
= − = − −
(2.2.1-5)
trong đó
sci
(T) là thuộc tính lỗi pha đồng hồ vệ tinh GPS i.
Công thức về nhịp pha sóng mang:
0
( ) .[ ( ) ( ) ( )]
i i sci i
bj j j j j rcj j
T f T T T
φ τ ε ε
= − +
(2.2.1-6)
Phân tích (2.2.1-6) theo thành phần khoảng cách hình học
j
i
giữa vệ tinh ở thời gian

truyền và bộ thu ở thời điểm nhận và thành phần thời gian truyền khi tín hiệu đi qua
tầng khí quyển của trái đất ta thu được:

0 0
( ) ( / ). ( ) [ ( ) ( )]+
i i sci i
bj j j j rcj j j khiquyen
T f c T f T T
φ ρ ε ε φ
= + −
(2.2.1-7a)
theo hệ mét:
( ) ( ) [ ( ) ( )]+ .
i i sci i
bj j j j rcj j j khiquyen
T T c T T
ρ ε ε λ φ
Φ = + −
(2.2.1-7b)
trong đó là bước sóng mang ( = c / f
0
). Mối quan hệ giữa khoảng cách và lỗi đồng
hồ (đồng hồ bộ thu và vệ tinh) được minh hoạ trong hình 2.5 dưới đây (lưu ý: Ký hiệu
sử dụng là: dT =
rcj
, dt =
sci
, và p =
bj
i

).
Hình 2.5: Khoảng cách hình học và lỗi đồng hồ
2.2.1.4 Đo nhịp pha sóng mang
Ba điểm lưu ý khi thực hiện phép đo nhịp pha sóng mang từ mô hình trên:
- Nhiễu ngẫu nhiên (giao thoa tín hiệu, đa đường)và đặc trưng bởi đại lượng
nhieu
.
- Sai chu kỳ n
j
i
là số nguyên chưa biết do sự khác biệt giữa nhịp pha sóng mang đo
được và nhịp pha theo mô hình. Giá trị này là duy nhất với một cặp vệ tinh - bộ thu. Có
thể coi là hằng số để bộ thu tiếp tục truy tìm và đếm số chu kỳ nguyên trong thời gian
tín hiệu vệ tinh được thu đầu tiên (Hình 2-6). Ở bất cứ kỷ nguyên nào khác với kỷ
20
nguyên khởi tạo cho phép đo, dụng cụ đo pha vi phân
fj
i
(T
j
) và thực hiện đọc C
R
(T
j
)
trên bộ đếm. Nó kết hợp pha phân số và pha số nguyên quan sát và tham chiếu đến
nhịp pha sóng mang kết hợp và n
j
i
là sai chu kỳ.

- Nếu bộ thu bị lỗi không truy tìm được tín hiệu và sau một số chu kỳ thì tiếp tục trở lại
gọi là hiện tượng trượt chu kỳ S(T
j
).
Hình 2.6: Đo nhịp pha sóng mang kết hợp.
Phương trình đo nhịp pha sóng mang kèm theo 3 khái niệm thêm:
0 0
( ) ( ) ( ) ( )
( / ). (T )+ .[ ( ) ( )]+n
i i
bj j tj j R j j
i sci i i
j j rcj j j j khiquyen nhieu
T T C T S T
f c f T T
φ φ
ρ ε ε φ φ
= + +
= − + +
(2.2.1-8)
Sự thay đổi trong nhịp pha sóng mang theo thời gian tỷ lệ với sự thay đổi sau:
• Khoảng cách địa lý đo vệ tinh - bộ thu,
• Sự khác nhau lỗi pha đồng hồ vệ tinh - bộ thu,
• Trượt một số chu kỳ,
• Trễ tầng đối lưu,
• Trễ tầng điện ly
• Phép đo ảnh hưởng của nhiễu và tín hiệu.
21