NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS VÀ BẢN ĐỒ SỐ TRỰC TUYẾN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ỨNG DỤNG CỦA
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
VÀ BẢN ĐỒ SỐ TRỰC TUYẾN
Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN NGỌC HƯNG
Lớp ĐT5 – K51

Giảng viên hướng dẫn: TS. LÂM HỒNG THẠCH
Cán bộ phản biện:

Hà Nội, 05-2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

--------------------------------------------------

---------------------------------

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: .…………….………….…….. Số hiệu sinh viên: …………….
Khố:…………………….Viện: Điện tử - Viễn thơng Ngành: ……………….......
1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………..………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………..………...

2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
……………………………………..……………………………………………..……..……………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………….…..
………………………..…………………………………………………………………………………….

3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
………………………………………………………………………………………………………………..….………………
……………………………………………………………………………………………………………………..….…………
……………………………………………………………………………………………………………………………..….…
…………………………………………………………………………………………

4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
………………………………………………………………………………………………………………………..….………
…………………………………………………………………………………………………………………..……….………
………………………………………………………………………………………………….

5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………………………………………………………..……………………
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7. Ngày hồn thành đồ án: ………………………………………………………………………..………

Ngày
Chủ nhiệm Bộ mơn

tháng

năm

Giảng viên hướng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày

tháng

năm

Cán bộ phản biện


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

--------------------------------------------------BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ....................................................................... Số hiệu sinh viên: ....................................
Ngành: .................................................................................................. Khoá: ............................................................
Giảng viên hướng dẫn:..............................................................................................................................................
Cán bộ phản biện: ....................................................................................................................................... .................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
..................................................................................................... .....................................................................................................
............................................................................................................................. .............................................................................
............................................................................................................................. .............................................................................

.................................................................................................................................... ......................................................................
.......................................................................................................................................................................................... ................
................................................................................................................... .......................................................................................
......................................................................................................................................................................... ................................

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
............................................................................................................................. .............................................................................
................................................................................................................................................................................... .......................
............................................................................................................ ..............................................................................................
............................................................................................................................. .............................................................................
............................................................................................................................. .............................................................................
........................................................................................................................................... ...............................................................
................................................................................................................................................................................................. .........
.......................................................................................................................... ................................................................................
............................................................................................................................. .............................................................................
............................................................................................................................. .............................................................................
......................................................................................................................................................... ................................................

Ngày

tháng

năm

Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án của em nghiên cứu về các ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS kết

hợp với bản đồ số trực tuyến. Ứng dụng nổi bật nhất chính là hệ thống giám sát trực
tuyến phương tiện giao thông.
Trong phần đầu của đồ án, em trình bày lý thuyết cơ bản về hệ thống định vị tồn
cầu GPS, hệ thống thơng tin địa lý GIS, và hệ thống thông tin di động. Ở phần thứ hai
là các bước thực hành khi thiết kế một mạch thu phát tín hiệu điển hình trong các hộp
đen với giả thiết hoạt động của hệ thống như sau:
Mỗi phương tiện đều được gắn một thiết bị có nhiệm vụ thu tín hiệu GPS từ vệ
tinh, sau đó gửi về Server trung tâm qua mạng di động với giao thức truyền TCP/IP. Ở
Server trung tâm cần được kết nối mạng Internet và sử dụng một phần mềm để kết nối
với thiết bị định vị, thông qua giao thức TCP/IP, nhằm mục đích truyền nhận dữ liệu
giữa 2 bên. Server trung tâm sẽ xử lý dữ liệu GPS nhận được từ thiết bị định vị, sau đó
hiển thị thơng số như tọa độ, vận tốc,...lên bản đồ số Google Maps.

ABSTRACT
My thesis researchs the application of global positioning system GPS with digital
maps online. The most remarkable application is the online vehicles tracking system.
In the first part of the thesis, I presented the basic theory of global positioning
systems GPS, geographical information systems GIS, and mobile communication
systems. In the second step is the practice when designing a circuit of the typical black
box assuming operation of the system as follows:
Each vehicle is fitted with a device which is responsible for collecting signal from
GPS satellites, then sends to the server via the cellular network protocol TCP / IP. At
the central server is connected to the Internet and use a software to connect to the
locating device, via TCP / IP, for the purpose of data transmission between two parties.
Central server processes the data received from GPS devices to locate and then display
parameters

such

as

coordinates,

velocity,

...

on

Google

Maps.


MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................................................9
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................................10
LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................................................11
Chương 1 : HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS ...........................................................................12
1.1. Khái Quát Hệ Thống GPS ............................................................................................................12
1.2. Nguyên Lý Xác Định Vị Trí Của Hệ Thống GPS........................................................................14
1.3.Cấu Trúc Hệ Thống Định Vị Tồn Cầu GPS ................................................................................16
1.3.1. Phân đoạn khơng gian (Space Segment) ...............................................................................17
1.3.2. Phân đoạn điều khiển (Control Segment) .............................................................................18
1.3.3.Phân đoạn người sử dụng (User Segment) .............................................................................19
1.4.Cấu Trúc Tín Hiệu Vệ Tinh GPS ..................................................................................................19
1.5.Các Nguồn Gây Sai Số..................................................................................................................20
1.6.Các Dịch Vụ GPS .........................................................................................................................22

1.6.1.Dân sự - Dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS ...............................................................................22
1.6.2.Quân sự - Dịch vụ định vị chính xác PPS ..............................................................................23
1.6.3.GPS vi sai DGPS...................................................................................................................23
Chương 2 : GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI
ĐỘNG .....................................................................................................................................................24
2.1.Giới Thiệu Về Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS .........................................................................24
2.1.1.Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý GIS ..........................................................................24
2.1.2.Xây dựng GIS ........................................................................................................................25
2.1.3.Các cách nhìn về GIS .............................................................................................................26
2.1.4.Cơ sở dữ liệu địa lý ................................................................................................................27
2.1.3.Ứng dụng GIS ở Việt Nam ....................................................................................................29
2.1.4.Giới thiệu về bản đồ số Google Maps ....................................................................................31
2.2.Khái Quát Về Các Hệ Thống Thông Tin Di Động .......................................................................36
2.2.1.Hệ thống GSM .......................................................................................................................36
2.2.2.Dịch vụ vơ tuyến gói chung GPRS ........................................................................................41
Chương 3 : KHÁI QUÁT CÁC HỆ THỐNG QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG ................45
Page 5


3.1. Sơ Đồ Hệ Thống ..........................................................................................................................45
3.2. Hoạt Động Của Hệ Thống............................................................................................................47
3.3. Các Chức Năng Của Hệ Thống ....................................................................................................48
3.3.1.Giám sát trực tuyến phương tiện giao thông ..........................................................................49
3.3.2.Hệ thống báo cáo thống kê .....................................................................................................51
3.4.Phân Tích Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Hệ Thống Quản Lý Phương Tiện Giao Thông ................53
3.5. Ứng Dụng .....................................................................................................................................55
3.6.Nghị Định 91/2009 Về Quy Định Thời Hạn Ơtơ Phải Lắp Đặt Hộp Đen ....................................55
Chương 4 : THIẾT KẾ MẠCH THU PHÁT TÍN HIỆU ........................................................................60
4.1.Lý Thuyết ......................................................................................................................................60
4.1.1.Nguyên lý hoạt động của hệ thống .........................................................................................60

4.1.2.Sơ đồ nguyên lý......................................................................................................................61
4.2.Giới Thiệu Các Linh Kiện Chính ..................................................................................................64
4.2.1.Giới thiệu vi điều khiển AT Mega 128 ..................................................................................64
4.2.2.Giới thiệu về Module SIM5218A và tập lệnh AT..................................................................74
4.3.Giao Thức NMEA0183 .................................................................................................................80
4.3.Lắp Đặt Mạch Và Lập Trình Cho Vi Điều Khiển .........................................................................82
4.3.1.Sơ đồ mạch in.........................................................................................................................82
4.3.2 .Lập trình cho vi điều khiển AVR ..........................................................................................83
4.4.Kiểm Thử Và Nghiên Cứu Hướng Phát Triển Thiết Bị ................................................................84
Chương 5 : THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO SERVER............................................................................86
Nguyên Lý Thiết Kế : .....................................................................................................................86
5.1.Lập Trình Cho Web Hiển Thị Google Maps.................................................................................86
5.2.Lập Trình Giao Tiếp Với Module Qua Giao Thức TCP/IP ..........................................................90
5.2.1. Cấu hình mở NAT Port cho Modem .....................................................................................90
5.2.2. Lập trình nhận dữ liệu qua giao thức TCP/IP .......................................................................91
5.2.3.Lập trình tách chuỗi dữ liệu nhận về ......................................................................................92
5.3.Xây Dựng Cơ sở Dữ Liệu Cho Server ..........................................................................................92
KẾT LUẬN .............................................................................................................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................................96

Page 6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 : Các tần số hoạt động của hệ thống GPS ............................................................. 13
Hình 1.2 : Các bước xác định vị trí của máy thu .................................................................. 14
Hình 1.3 : Nguyên lý xác định vị trí máy thu ....................................................................... 15
Hình 1.4 : Các phân đoạn chính của hệ thống GPS ............................................................. 16
Hình 1.5: Cấu trúc phân đoạn điều khiển.............................................................................. 18

Hình 1.6: Cấu trúc tín hiệu GPS ............................................................................................ 19
Hình 1.7 : Điều chế BPSK...................................................................................................... 20
Hình1.8: Cấu trúc hệ thống DGPS ........................................................................................ 23
Hình 2.1: Hệ thống GIS của chính phủ Việt Nam ............................................................... 30
Hình 2.2 : Bản đồ số Google Maps ....................................................................................... 33
Hình 2.3 : Cấu trúc mạng GSM/GPRS ................................................................................. 37
Hình 2.4: Cấu trúc GPRS được phát triển dựa trên mạng GSM ........................................ 42
Hình 2.5 : Mơ hình kết nối GPRS.......................................................................................... 43
Hình 3.1 : Tổng quan sơ đồ của hệ thống ............................................................................. 46
Hình 3.2 : Hoạt động của hệ thống ....................................................................................... 47
Hình 4.1 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống ...................................................................... 60
Hình 4.2 : Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ................................................................................ 61
Hình 4.3 : Sơ đồ nguyên lý khối xử lý và hiển thị ............................................................... 62
Hình 4.4 : Sơ đồ nguyên lý khối SIM ................................................................................... 63
Hình 4.5 : Sơ đồ chân của vi điều khiển AVR ..................................................................... 65
Hình 4.6 : Tổ chức bộ nhớ của AVR..................................................................................... 67
Hình 4.7 : Cấu trúc bên trong AVR. ...................................................................................... 69
Hình 4.8 : Thanh ghi UCSRA. ............................................................................................... 71
Hình 4.9 : Thanh ghi UCSRB. ............................................................................................... 72
Hình 4.10 : Thanh ghi UCSRC .............................................................................................. 73
Hình 4.11 : Sơ đồ khối SIM5218A...................................................................................... 75
Page 7


Hình 4.12 : Cấu trúc của SIM5218A .................................................................................. 76
Hình 4.13 : Giao tiếp với máy tính qua HyperTerminal ................................................. 79
Hình 4.14 : Sơ đồ mặt trên (TOP)........................................................................................ 82
Hình 4.15 : Sơ đồ mặt dưới (BOTTOM) ............................................................................ 82
Hình 4.16 : Hiển thị dữ liệu GPS bằng lệnh AT+CGPSINFO=1 .................................. 84
Hình 4.17 : Hiển thị các bản tin NMEA thu được ............................................................ 85

Hình 5.1 : Ứng dụng tìm đường của Google Maps ............................................................. 90
Hình 5.2 : Cấu hình mở NAT Port cho Modem Zyxel........................................................ 91
Hình 5.3 : Sơ đồ quan hệ của các bảng............................................................................... 93
Hình 5.4 : Giao diện chính của phần mềm......................................................................... 94

Page 8


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 4.1 : Một số chân quan trọng của SIM5218A sử dụng trong thiết bị………… 77
Bảng 4.2 : Các lệnh AT cơ bản của SIM5218A sử dụng trong thiết bị ……………. 78

Page 9


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị tồn cầu

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ gói vơ tuyến chung

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thơng tin di động tồn cầu

Communications
3G

Third-Generation Technology

Công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba

GGSN

Gateway GPRS Support

Nút hỗ trợ cổng GPRS

SGSN

Serving GPRS Support

Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

BSS

Base Station Subsystem

Phân hệ trạm gốc

NSS

Network Switching SubSystem

Phân hệ chuyển mạch

RSS

Radio SubSystem

Phân hệ vô tuyến

OMS

Operation and Maintenance SubSystem

Phân hệ vận hành và bảo dưỡng

TCP/UDP

Transmission Control Protocol/ User

Giao thức điều khiển truyền dẫn/ Giao thức

Datagram Protocol

dữ liệu gói người sử dụng

IP

Internet Protocol

Giao thức dùng cho mạng Internet

AT

Attention Command

Tập lệnh AT

CR

CARRIAGE RETURN

Lệnh Enter

LF

Line Feed

Lùi vào đầu dòng

SMS

Short Message Services

Dịch vụ tin nhắn ngắn

UART

Universal Asynchronous Receiver &

Truyền thông không đồng bộ

Transmitter

Page 10


LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay Cơng nghệ định vị tồn cầu GPS và Hệ thống thông tin địa lý GIS đã
được áp dụng phổ biến trong ngành vận tải trên toàn Thế giới. Tại các nước khu vực
Bắc Mỹ, Châu Âu và Đông Á hầu hết các công ty vận tải đều sử dụng công nghệ này
nhằm giám sát, theo dõi và quản lý xe nhằm tăng hiệu quả sử dụng cũng như tiết kiệm
các chi phí khơng cần có. Cơng nghệ này cho phép người quản lý biết vị trí của xe, vận
tốc, hướng đi trạng thái phương tiện tại mọi thời điểm. Đồng thời cho phép cảnh báo
vượt quá tốc độ, ra/vào vùng quy định, xem lại hành trình xe trong quá khứ.v.v. Ở
nước ta, theo nghị định 91/2009, trước ngày 1-7-2011 các ôtô kinh doanh vận tải hành

khách theo tuyến cố định có cự ly từ 500km trở lên và xe container đều phải lắp đặt
hộp đen.
Với mục đích thực hành và hiểu rõ thêm về hệ thống định vị và hệ thống thông tin
di động em đã chọn đề tài đồ án là "Nghiên Cứu Thiết Kế Ứng Dụng Của Hệ Thống
Định Vị Toàn Cầu GPS Và Bản Đồ Số Trực Tuyến". Dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ
nhiệt tình của thầy cơ và các bạn, đặc biệt là TS Lâm Hồng Thạch, em đã hiểu thêm
được nhiều điều về lĩnh vực thông tin liên lạc cũng như hướng phát triển của các hệ
thống viễn thông tại Việt Nam. Em xin chân thành cảm ơn thầy đã nhiệt tình giúp đỡ
em hồn đồ án này! Do khn khổ của đồ án cũng như còn hạn chế về kiến thức nên
em khơng tránh khỏi thiếu sót cũng như nhầm lẫn, em rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp thêm để hoàn thiện hơn nữa về kiến thức của mình.

Page 11


Chương 1 : Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS

Chương 1 : HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
1.1. Khái Quát Hệ Thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống định vị ra
đời nhằm đáp ứng ý tưởng sử dụng vệ tinh nhân tạo của Trái Đất vào mục đích định vị
dẫn đường trên mặt đất, ít phụ thuộc vào thời tiết và thời điểm trong ngày. Nó đã được
các nhà khoa học Liên Xô và Mỹ đề cập đến từ những năm của thập niên 50 - 60 (thế
kỷ XX), khi Liên Xô phóng thành cơng vệ tinh nhân tạo đầu tiên của trái đất (vệ tinh
Sputnik-1) vào năm 1957, từ đó các nhà khoa học quân sự của hai nước và các nhà
khoa học trên thế giới đã tiếp tục nghiên cứu và đã đạt được những thành công trong
việc sử dụng vệ tinh của mình. Để xác định vị trí điểm trên mặt đất hoặc trên đại dương
phục vụ cho việc dẫn đường tàu, thuyền, máy bay và các phương tiện quân sự khác.
Bước đầu các hệ thống định vị vệ tinh khu vực được xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu
định vị chính xác cao cho cả một vùng rộng lớn mà ít phụ thuộc vào các điều kiện

khơng gian và thời gian. Người ta xây dựng các hệ thống định vị vệ tinh khu vực trong
đó vệ tinh thường được sử dụng là vệ tinh địa tĩnh . Một số hệ thống định vị vệ tinh
được xây dựng thuộc loại này như:
- Hệ thống STAR - FIX.
- Hệ thống EUTELTRACS và hệ thống OMNITRACS.
- Hệ thống NAVSTAR.
Vào những năm đầu của thập niên 60 (thế kỷ XX) thì hệ thống định vị toàn cầu
được ra đời như:
- Hệ thống TRANSIT của Mỹ.
- Hệ thống TSICADA của Liên Xô.
Vào khoảng giữa những năm 60 (thế kỷ XX) Bộ quốc phòng Mỹ khuyến khích xây
dựng một hệ thống vệ tinh hồn hảo hơn so với hệ thống TRANSIT. Ý tưởng chính của
đề án do Hải quân Mỹ đề xuất là sử dụng khoảng cách đo từ các điểm trên mặt đất đến
vệ tinh trên cơ sở biết chính xác tốc độ và thời gian lan truyền tín hiệu vơ tuyến, đề án
có tên là TIMATION. Các cơng trình nghiên cứu tương tự cũng được không quân Mỹ
Page 12


Chương 1: Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS

tiến hành trong khn khổ chương trình mang mã số 621B. Song từ năm 1973 Bộ quốc
phịng Mỹ quyết định đình chỉ cả hai chương trình này để triển khai phối hợp nghiên
cứu xây dựng hệ thống đạo hàng vô tuyến vệ tinh trên cơ sở kết quả của chương trình
TRANSIT và hai chương trình vừa nói tới. Hệ thống này có tên gọi đúng là
NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Providing Timing and Ranging Global
Positioning System). Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và
tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu thuỷ và trên đất liền
phục vụ cho Bộ quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự. Khi được hoàn tất, hệ thống sẽ
gồm 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ, các vệ tinh bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo
gần như tròn, ở độ cao cỡ 20200km với chu kỳ xấp xỉ 12 giờ. Với cách bố trí này thì

trong suốt 24 giờ tại bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng sẽ quan sát được ít nhất 4 vệ
tinh. Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống được phóng lên quỹ đạo vào tháng 2 năm 1978,
toàn bộ hệ thống 24 vệ tinh được đưa vào hoạt động hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994.

Hình 1.1 : Các tần số hoạt động của hệ thống GPS
S-band (10cm-radar short-band) : 1.55 -5.2 GHz.
L-band (20cm-radar long-band) : 950Mhz – 1450 MHz
Đặc điểm của hệ thống GPS :
 Có độ chính xác cao.
 Phủ sóng tồn cầu 24/24.
 Là hệ thống thụ động - passive system.
 Vận hành trong mọi điều kiện thời tiết
Page 13


Chương 1: Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS

Ở Việt Nam, công nghệ GPS được ứng dụng từ những năm 90 của thế kỷ trước, chủ
yếu để xây dựng lưới toạ độ quốc gia. Ngày nay, công nghệ GPS được mở rộng hơn
trong các lĩnh vực khác của trắc địa.
Ngoài GPS, trên thế giới cịn có các hệ thống định vị khác như :
 GALILEO : hệ thống định vị của châu Âu
 GLONASS : hệ thống định vị của Nga
 COMPASS : hệ thống định vị của Trung Quốc
1.2. Nguyên Lý Xác Định Vị Trí Của Hệ Thống GPS

5 bước xác định vị trí :
Hình 1.2 : Các bước xác định vị trí của máy thu

Page 14

Chương 1: Hệ Thống Định Vị Tồn Cầu GPS

Hình 1.3 : Nguyên lý xác định vị trí máy thu
Số đo khoảng cách : từ 4 vệ tinh được quan sát đồng thời đến đối tượng cho ta 4
phương trình :
D1 = [( X  x1 ) 2  (Y  y1 ) 2  (Z  z1 ) 2 ]1/ 2  c.dT

(1.1)

D2 = [( X  x2 ) 2  (Y  y2 ) 2  (Z  z2 ) 2 ]1/ 2  c.dT

(1.2)

D3 = [( X  x3 ) 2  (Y  y3 ) 2  ( Z  z3 ) 2 ]1/ 2  c.dT

(1.3)

D4 = [( X  x4 ) 2  (Y  y 4 ) 2  (Z  z 4 ) 2 ]1 / 2  c.dT

(1.4)

Trong đó :
X, Y, Z : biểu thị vị trí của đối tượng đo.
𝑥𝑖 , 𝑦𝑖 , 𝑧𝑖 : là tọa độ vị trí của vệ tinh thứ i.
c.dT : giá trị hiệu chỉnh khoảng cách từ giá trị hiệu chỉnh đồng hồ máy thu.
Giải 4 phương trình này cho ta vị trí tương đối đo và thời gian hiệu chỉnh dT.
 Hoạt động cơ bản :
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo

rất chính xác và phát tín hiệu mang thơng tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận
thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng.

Page 15


Chương 1: Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS

Về bản chất, máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời
gian nhận được tín hiệu tại bộ thu. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách
vệ tinh bao xa. Rồi với các khoảng cách đo được từ bộ thu đến vệ tinh, máy thu có thể
tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ.
Máy thu GPS phải thu được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều
(kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động của vệ tinh. Với bốn hay nhiều hơn
số lượng vệ tinh hiện diện trong tầm nhìn, máy thu có thể tính được vị trí ba chiều
(kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có
thể tính thêm các thơng tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển,
khoảng hành trình, khoảng cách tới điểm đến, thời gian và nhiều thôngtin khác nữa.
1.3. Cấu Trúc Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS
GPS bao gồm 3 phân đoạn: Phân đoạn không gian, Phân đoạn điều khiển , Phân
đoạn người sử dụng (Hình 1.4)

Hình 1.4 : Các phân đoạn chính của hệ thống GPS

Page 16


Chương 1: Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS

1.3.1. Phân đoạn khơng gian (Space Segment)

Phân đoạn khơng gian chính là chòm sao 24 vệ tinh. Mỗi vệ tinh GPS phát đi tín
hiệu, bao gồm những thành phần sau: hai sóng sin ( thành phần sóng mang), hai chuỗi
dữ liệu số,và một thông điệp điều hướng. Dữ liệu số và thông điệp điều hướng kết hợp
với sóng mang bằng cách điều chế nhị phân BPSK. Sóng mang và chuỗi dữ liệu số chủ
yếu được sử dụng để xác định khoảng cách từ máy thu của nguời sử dụng đến những
vệ tinh GPS. Thông điệp điều hướng bao gồm tọa độ của vệ tinh,tọa độ này biểu diễn
dưới dạng hàm biến đổi theo thời gian và một số thông tin cần thiết khác.Tín hiệu phát
được điều khiển bởi những đồng hồ nguyên tử (atomic clocks) có độ chính xác cao,
onboard trên những vệ tinh.
24 vệ tinh phân bố trên 6 quỹ đạo gần trịn, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt
xích đạo một góc 55o. Bán kính quỹ đạo vệ tinh xấp xỉ 26560 km, tức vệ tinh có độ cao
so với mặt đất cỡ 20200 km. Chu kỳ chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo là 718 phút.
Theo thiết kế, hệ thống gồm 24 vệ tinh, mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh. Ở bất kì thời gian và
vị trí quan sát nào trên trái đất cũng có thể quan sát được tối thiểu 4 vệ tinh.
Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ sở là f 0 =
10.23 MHz. Tần số này còn là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cỡ
10-12. Từ các tần số cơ sở tạo ra các tần số sóng tải L1 và L2 (𝐿1 =1575,42 MHz và
𝐿2 = 1227,60 MHz). Để phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu
phát đi mang theo các code riêng biệt. Đó là C/A-code, P-code, Y-code.
C/A - Code (Coarse/ Acquistion) là Code thơ mang tính chất tựa ngẫu nhiên, nó
được sử dụng cho các mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải 𝐿1 , C/A-Code có tần
số 1,023MHz. Mỗi vệ tinh được gán một C/A - Code riêng biệt.
P - Code (Precise) là Code chính xác, nó được sử dụng cho mục đích qn sự
và điều biến cả hai sóng tải 𝐿1 , 𝐿2 . Code này có tần số 10,23 MHz. Mỗi vệ tinh sử dụng
một đoạn code này (tương đương với độ dài một tuần lễ gọi là “code tuần lễ”). P-code
là code tựa ngẫu nhiên PRN-code (Pseudorandom Noise). Code tựa ngẫu nhiên là cơ
sở để định vị tuyệt đối khoảng cách giả và đồng thời dựa vào đó có thể nhận biết được
số hiệu vệ tinh.
Page 17

Chương 1: Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS

Nhiệm vụ :
 Liên tục phát quảng bá các bản tin dẫn đường trên tín hiệu vệ tinh đến máy thu
GPS (mang thơng tin vị trí của vệ tinh và thời điểm phát bản tin)
 Duy trì thời gian tham chiếu với độ chính xác cao ( sai số từ 10−12 đến 10−14
giây)
 Nhận và lưu trữ các thông tin từ trạm điều khiển mặt đất
 Thực hiện hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh và sai số đồng hồ
1.3.2. Phân đoạn điều khiển (Control Segment)
Phân đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì và điều khiển hoạt động của tồn bộ
hệ thống định vị GPS. Phân đoạn này gồm 4 trạm quan sát trên mặt đất và một trạm
điều khiển trung tâm (Master Control Station) đặt tại một căn cứ không quân của Mỹ
gần Colorado Springs. Trạm điều khiển trung tâm này có nhiệm vụ chủ yếu trong đoạn
điều khiển.
Nhiệm vụ của phân đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng
của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh và hoạt động của
đồng hồ vệ tinh.

Hình 1.5: Cấu trúc phân đoạn điều khiển
Page 18


Chương 1: Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS

1.3.3. Phân đoạn người sử dụng (User Segment)
Gồm tất cả các máy móc, thiết bị nhận thơng tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho
các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng. Đó có thể là một máy thu riêng
biệt, hoạt động độc lập (trường hợp định vị tuyệt đối), hay một nhóm từ hai máy thu trở

lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (trường hợp định vị
tương đối), hoặc có thể thu tín hiệu GPS với một số thiết bị thu khác để thực hiện các
kỹ thuật đo động thời gian thực (Real Time Kinematic-RTK), đo vi sai DGPS
(Diferential-GPS), đo vi phân diện rộng WADGPS (Wide-Area-DiferentialGPS). Máy
thu GPS là một thiết bị thụ động. Chỉ thực hiện thu tín hiệu vệ tinh mà khơng phát tín
hiệu.Sai số đo đạc của máy thu GPS tùy thuộc vào dịch vụ định vị được sử dụng (SPS
hoặc PPS).
1.4. Cấu Trúc Tín Hiệu Vệ Tinh GPS

Hình 1.6: Cấu trúc tín hiệu GPS

Page 19


Chương 1: Hệ Thống Định Vị Tồn Cầu GPS

 Sóng mang 𝐿1 : Tần số: 1575,42 MHz ~ bước sóng 19 cm
Được điều chế bởi cả mã C/A và mã P(Y).
Mã P(Y) lệch pha 90 độ so với mã C/A.
 Sóng mang 𝐿2 : Tần số 1227,60 MHz ~ bước sóng 24 cm
Chỉ được điều chế bởi mã P(Y).
Tín hiệu vệ tinh được mang trên hai sóng mang với độ rộng băng tần là 20.46 MHz.
Mã C/A dùng cho dịch vụ SPS ( dân sự)
Mã P dùng cho dịch vụ PPS (quân sự)
Bản tin dẫn đường được mang trong tín hiệu 𝐿1 và 𝐿2
GPS sử dụng phương thức BPSK để điều chế các mã trên sóng mang 𝐿1 và 𝐿2
BPSK: Chuyển mức tín hiệu 0→ 1 hoặc 0→ 1 sẽ gây nên dịch pha 1800 của tín hiệu
sóng mang

Hình1.7 : Điều chế BPSK

1.5. Các Nguồn Gây Sai Số
Định vị GPS thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội không gian các
khoảng cách đo được từ máy thu đến các vệ tinh có toạ độ đã biết. Khoảng cách đo
được là hàm của thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu trong khơng gian giữa vệ tinh
và máy thu. Vì vậy kết quả đo chịu ảnh hưởng trực tiếp của các sai số vệ tinh, của máy
thu, của mơi trường lan truyền tín hiệu và một số nguồn sai số khác. Các nguồn sai số
đó có tính chất hệ thống và tính chất ngẫu nhiên ảnh hưởng đến kết quả đo GPS.

Page 20