nghiên cứu thiết kế, chế tạo module gps phục vụ hệ thống dẫn đường phương tiện giao thông

MỞ ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài.
Hiện nay các ứng dụng công nghệ định vị đều sử dụng thiết bị nhập
ngoại được định hướng sản xuất theo chỉ tiêu kỹ thuật cứng trong nhiều
trường hợp chưa phù hợp với các điều kiện đặc thù Việt Nam, hơn nữa các
thiết bị nhập về ở dạng nguyên chiếc khó can thiệp khi có nhu cầu, đồng thời
giá thành cao do có những tính năng không dùng đến.
Người sử dụng do không nắm được bản chất của nguyên lý định vị của
công nghệ GPS dẫn đến một số trường hợp sử dụng không đúng mục tiêu và
đối tượng.
Do các mục tiêu và nội dung đề ra em mạnh dạn đề xuất đề tài “Nghiờn
cứu thiết kế, chế tạo module GPS phục vụ hệ thống dẫn đường phương
tiện giao thụng„
II. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
- Nghiên cứu bản chất công nghệ GPS.
- Xây dựng công nghệ và chế tạo các thiết bị trợ giúp giám sát, quản lý
phương tiện giao thông đường bộ, đường sắt trên cơ sở ứng dụng các công nghệ
hiện đại như định vị vệ tinh, vi cơ điện tử phù hợp với điều kiện Việt Nam.
- Chế tạo các sản phẩm ứng dụng công nghệ định vị chất lượng cao, phù
hợp với các tiêu chuẩn tương đương trên thế giới, mang tính cạnh tranh cao,
có khả năng xuất khẩu sang các nước trong khu vực.
- Làm tài liệu tham khảo cho các học viên cao học khóa sau.
III. Đối tượng nghiên cứu.
Module GPS thu tín hiệu tính toán tọa độ, tốc độ và thời gian.
IV. Phạm vi nghiên cứu.
Với đề tài này phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại 1 công ty vận tải taxi.
1
V. Phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết hệ thống thu phát cao tần, nguyên tắc định vị vệ tinh.
- Nghiên cứu hệ điều hành thời gian thực phục vụ xây dựng phần mềm.
- Kiểm tra đánh giá kết quả trên mô hình.

VI. Kết cấu của luận văn.
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE GPS
PHỤC VỤ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG
Chương 1: Tổng quan về hệ thống định vị vệ tinh.
Chương 2: Nghiên cứu và lựa chọn chip GPS phù hợp cho bộ thu tín hiệu
vệ tinh định vị.
Chương 3: Thiết kế mạch nguyên lý, chế tạo mạch điện bộ
thu GPS tiêu chuẩn.
Chương 4: Xây dựng phần mềm điều khiển cho thiết bị thu GPS.
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH
1.1 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS.
Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống
DOPPLER. GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM. Hệ
thống này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì.
Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép
dùng trong dân sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao
vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử
dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS. Những thành tựu này cho kết quả
trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần
mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau.
Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GPS
3
Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hóng trờn thế giới sản xuất
đã đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường. Vì lý do trờn, giỏ mỏy đó
giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập. Các hóng trên thế giới sản
xuất máy thu GPS bao gồm cỏc hóng chớnh như: TRIMBLE NAVIGATION
(Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây
Đức). Theo thị trường hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION
đang được đánh giá cao nhất.

Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa
dạng hơn của nó. Tín hiệu đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh
phát ra. Chế biến các tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật
toán khác nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhau
của trái đất. Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vô tận. Với các tín
hiệu thu được chúng ta có thể tính được tọa độ không gian tuyệt đối (với độ
chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác), số gia
tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ
chính xác từ 0.7 đến 4 cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm),
và số gia trọng lực (độ chính xác 0.2 mgl). Ngoài ra còn có thể có những tham
số khác đang được nghiên cứu.
Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR
GPS SYSTEM. NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH
TIME AND RANGING.
Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần
không gian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment).
1.1.1 Phần điều khiển (Control Segment).
Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi
(Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; một trạm
4
điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu
(Upload Station). Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng
phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ
tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được
từ vệ tinh. Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu
chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 giờ các
vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu.
1.1.2. Phần không gian (Space Segment).
* Chòm vệ tinh GPS.
Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20183 km,

chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo
một góc 55
o
. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí
trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz
và L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phỏt trờn cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên
bao gồm các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P
súng cũn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được
phát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz. Ngoài 2 mó trờn vệ tinh cũn phỏt
mó phụ có tần số 50 Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều
được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao.
* Cấu trúc tín hiệu GPS.
Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số
1575,42 MHz và tần số 1227,60 MHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2,
rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau.
5
Mã giả ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A
(Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một,
được phát đi ở tần số f
0
/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili
giây đồng hồ. Mã giả ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã
P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được
phát đi ở tần số f
0
= 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian
267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một
đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất, theo dừi các tàu
thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày

dành cho những vệ tinh khác nhau. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như
mã P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì
được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã
Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng
GPS không có giấy phép (nói chung là những người không thuộc quân đội
Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y).
Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mó ( Mó - C/A và Mã - P hoặc
mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mó-P hoặc mã Y.
Cỏc mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức.
Nếu mó cú trị số -1 thì phase sóng mang đổi 180
0
, còn nếu mã số có trị số +1
thì phase sóng mang giữ nguyên không thay đổi.
Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message)
được phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để
thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ
được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời
gian thực.
6
1.1.3. Phần sử dụng (User Segment).
Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền,
máy bay và tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và
máy thu 2 tần số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được cỏc mó phát đi với sóng
mang L1. Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các
máy thu 1 tần số phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác
10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách
nhỏ hơn 50 km. Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi
đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến
vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của
tầng Ion trong khí quyển trái đất. Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ

thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m và
α=1:29825722.
* Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng.
Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính:
- Phần cứng.
- Phần mềm.
- Phần triển khai công nghệ.
Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử, các bộ dao động tần số vô
tuyến RF (Radio Frequency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để
hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, tin
cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác.
Phần mềm bao gồm những chương trình dùng để xử lý dữ liệu cụ thể,
chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn
đường đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động
7
khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị
GPS. Những chương trình này được thiết kế sao cho có thể cung cấp những
thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều
hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển
tính độc lập của máy thu GPS, có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn
sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác.
Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS
như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten
khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm
xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy
cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu
thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị.
Những bộ phận chính của máy thu GPS.
Hình 1.2 Sơ đồ khối máy thu GPS
Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm:

- Ăngten và bộ tiền khuếch đại.
8
Phần nhận
tần số vô
tuyến RF
Bộ vi xử lý
Nguồn nuôi
Cổng giao diện hoặc
khối điều khiển và
hiển thị
Bộ nhớ
Ăng ten và bộ
tiền khuyếch đại
- Phần nhận tần số vô tuyến (RF).
- Bộ vi xử lí.
- Cổng giao diện hoặc khối điều khiển và hiển thị.
- Bộ nhớ.
- Nguồn nuôi.
Ăngten và bộ tiền khuếch đại

: Các Ăngten dùng cho máy thu GPS
thuộc loại chựm súng rộng, vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín
hiệu giống như các đĩa ăngten vệ tinh. Các ăngten này tương đối chắc
chắn và có thể đặt trên ba chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thông,
vị trí thực sự được xác định là trung tâm Phase của ăngten, sau đó được
truyền lên mốc trắc địa.
Phần nhận tần số vô tuyến (RF) : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín
hiệu và kết hợp số hóa và giải tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những
kỹ thuật xử lí tín hiệu khác nhau đôi chút, các phương pháp này là :
- Tương quan mã.

- Phase và tần số mã.
- Cầu phương tín hiệu sóng mang.
Phần này bao gồm cỏc kờnh sử dụng một trong ba phương pháp nói
trên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng cỏc kờnh biến đổi
trong khoảng từ 1 đến 12 tuỳ theo những máy thu khác nhau.
Bộ vi xử lý: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lý. Kớch
cỡ và kiểu dáng của bộ vi xử lý ở các loại máy thu khác nhau cũng khác nhau.
9
Bộ nhớ : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các
trị số quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tín
hiệu thu được.
Nguồn nuôi : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều
điện áp thấp, chỉ có một vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều.
1.1.4 Các phương pháp định vị bằng hệ thống GPS.
* Phép định vị tĩnh và định vị động.
Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật
thể chuyển động. Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do
ăngten tĩnh hoặc động khác nhau nên dẫn đến những khác nhau rất lớn.
Trong trường hợp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được một kết quả
theo thời gian thực, trong đó mỗi trị quan trắc mới đều được xử lý sao cho có
thể cải thiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trị
quan trắc có thể được xử lý sau khi kết thúc công tác ngoài trời.
Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo
thời gian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí (Fix) tại một thời
điểm. Một chuỗi các kết quả tại những chỉ định này (lộ trình rời rạc của
phương tiện lưu thông) có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong số
những thủ thuật tiếp cận bằng đường cong trơn.
* Phép định vị tương đối.
Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị
tương đối. Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được

đặt tại hai đầu của cạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời. Sở dĩ có thể
đạt được độ chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong
các cự ly quan trắc thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự
10
nhau tại hai đầu của đường đỏy. Cỏc sai số này có thể được loại trừ hoặc ít
nhất cũng giảm một cách đáng kể khi xác định trị số định vị tương đối.
Hình 1.3 Phép định vị tương đối với hai máy thu GPS
Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben
Remondi thuộc Cục Đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, là kiểu định vị tương đối
dạng bán động (relative semi kinematic positioning). Ý tưởng của kiểu đo này
là sử dụng một máy tĩnh và một máy di động lang thang xung quanh. Nếu
không xuất hiện trị số trượt chu kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục đảm
bảo độ chính xác tốt hơn 1 chu kỳ (20 cm) của tín hiệu phase phách sóng
mang trong các trị số định vị tương đối giữa máy thu tĩnh và máy thu lang
thang. Kiến nghị này có hai ngụ ý:
- Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiều
của số đo sóng mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã.
- Mở ra một phạm vi rộng hơn trong ứng dụng phép định vị GPS: lập
tam giác ảnh hàng không dùng đến những điểm khống chế mặt đất.
11
Máy thu 1
Máy thu 2
(∆X, ∆Y, ∆Z)
* Phép định vị nhiều máy thu.
Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi
một số máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị. Nói chung,
một mạng lưới luụn cú cấu hình mạnh hơn về mặt hình học so với một cạnh
đo vì có số đo dư thừa, các cạnh đo trong lưới cần phải thoả mãn những điều
kiện được xác định bằng phương pháp hình học. Các trị đo dư thừa được dùng
để kiểm soát ảnh hưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu

nhiên và sai số hệ thống trong các trị quan trắc. Chúng ta để ý thấy rằng ngay
cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết các cạnh đáy thiết kế thành các
mạng lưới, có như thế mới cải thiện được độ chính xác của các trị số định vị.
Hình 1.4 Phép định vị nhiều máy thu
Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luật
khác thường, liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động
và liên quan đến các giai đoạn quan trắc trên từng trạm riêng biệt. Trong hoàn
12
cảnh như vậy, người ta cần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hoá lịch đo để
đạt độ chính xác tốt nhất bằng những công cụ rẻ tiền nhất.
* Phép định vị động tương đối.
Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thì cỏc
phép định vị điểm mô tả trước đây có thể không đủ sử dụng. Khi đó, cần phải
dùng tới khái niệm định vị phân sai (differential) tương đối. Ý tưởng chính
của phép đo này là dùng một ăngten tĩnh tại làm điểm tham chiếu. Sau đó,
máy thu các ăngten tĩnh tại truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh
đang được máy thu có ăngten chuyển động truy cập (tốt nhất là truy cập tất
cả các vệ tinh nhìn thấy được). Độ chính xác được coi là phụ thuộc vào vị trí
của máy tĩnh tại và sự hoạt động của đồng hồ. Sở dĩ có sự khác nhau (tức sai
số khép độ dài) giữa những cự li đo tới các vệ tinh và những cự li tính được từ
vị trí “biết trước” của máy thu tĩnh tại và đồng hồ và sở dĩ có sự biến đổi
trông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có những biến động tức thời
trong thông tin quỹ đạo trong giá trị thời gian trễ do khí quyển và trong hoạt
động của đồng hồ.
Hình 1.5 Phép định vị động tương đối
13
Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ
dài tới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lạc trong thời
gian thực. Kết quả của các nghiên cứu cho thấy rằng người ta nhận được
những kết quả tốt hơn và việc bổ sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khi

dùng sai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị trí. Số hiệu chỉnh thời gian
thực này đã nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phép định vị động.
Máy thu tĩnh có thể được coi là một vệ tinh giả đặt trên bờ để truyền tín
hiệu và thông báo đã được mó hoỏ bằng cùng một cách giống như những gì
đã được truyền qua vệ tinh.
1.2 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GLONASS.
1.2.1. Tổng quan hệ thống GLONASS.
Hệ thống GLONASS (Global Navigation Sattelite System) đã được
cơ quan Phát triển không gian (RSA) và bộ quốc phòng của Liờn Xụ trước
đây (nay là cộng hòa Liên bang Nga) xây dựng và phát triển từ đầu những
năm của thập niên 80 nhằm thay thế cho hệ thống Doppler Tsikada và phục
vụ cho công tác dẫn đường cũng như công tác nghiên cứu về trái đất (địa
động học, hải dương học, trắc địa bản đồ, …). Hệ thống GLONASS có cấu
trúc giống như hệ thống GPS tức gồm ba bộ phận:
- Hệ thống vệ tinh (phần không gian).
- Hệ thống kiểm tra và điều khiển.
- Hệ thống người sử dụng.
Tất cả các thành phần của hệ thống phối hợp với nhau cho phép cung
cấp các thông tin chính xác về vận tốc, thời gian và vị trí trong không gian 3
chiều cho người sử dụng trên toàn thế giới. Hệ thống có khả năng xác định
các tọa độ ngang với độ chính xác 50-70 m (độ tin cậy 99,7%); các tọa độ
14
đứng với độ chính xác 70 m (độ tin cậy 99,7%); cỏc vộc-tơ thành phần của
vận tốc với độ chính xác 15 cm/s (độ tin cậy 99,7%); thời gian chính xác với
độ chính xác 0,7 às (độ tin cậy 99,7%).
* Phần không gian: cho đến nay hệ thống GLONASS đã được hoạt
động với đầy đủ 24 vệ tinh nằm trên 3 mặt phẳng quỹ đạo trũn nghiờng với
nhau 120
o
, mỗi quỹ đạo bao gồm 8 vệ tinh. Độ cao quỹ đạo vệ tinh và số

lượng vệ tinh được thiết kế tối ưu phục vụ mục tiêu là tính hiệu quả cao trong
sử dụng và cho phép tại một nơi bất kỳ trên trái đất có thể quan sát ít nhất 4
vệ tinh tại mọi thời điểm. Độ cao của vệ tinh khoảng 19.140 km, góc nghiêng
của mặt phẳng quỹ đạo là 64,8
o
. Chu kỳ của vệ tinh là 11
h
15
’
. Các vệ tinh
được bố trí sao cho tối thiểu có 5 vệ tinh trong tầm nhìn của các máy thu
GLONASS trên toàn thế giới.
* Hệ thống kiểm tra và điều khiển: Hệ thống GLONASS được hoạt
động dưới sự điều hành bởi phức hợp điều khiển mặt đất (GCC – Ground
based Control Complex), bao gồm trung tâm điều khiển hệ thống (SCC -
System Control Center, Golitsyno-2) đặt tại Moscow và các trạm theo dõi chỉ
huy (CTS - Command Tracking Stations ) đặt tại nhiều nơi trờn cỏc vùng lân
cận thuộc lãnh thổ Nga. Các trạm CTS có nhiệm vụ giám sát trạng thái các vệ
tinh GLONASS trong tầm nhìn và thu nhận thông tin từ vệ tinh. Thông tin từ
các CTS sẽ được xử lý tại SCC để xác định tình trạng đồng hồ và quỹ đạo của
vệ tinh. Sau đó thông tin này sẽ được SCC gửi lờn cỏc vệ tinh (các dữ liệu
chuẩn hóa được nạp lờn cỏc vệ tinh 2 lần trong một ngày). Mỗi vệ tinh được
trang bị một gương phản xạ laser để hiệu chỉnh định kỳ việc đo khoảng cách
từ các CTS đến các vệ tinh.
Việc đồng bộ hoỏ cỏc đồng hồ trờn cỏc vệ tinh GLONASS là hết sức
quan trọng cho hoạt động của hệ thống. Tại GCC có trang bị đồng hồ nguyên
15
tử hydro như là đồng hồ chuẩn cho cả hệ thống. Đồng hồ nguyên tử trờn cỏc
vệ tinh là đồng hồ cesium.
* Hệ thống người sử dụng: bao gồm tất cả các thiết bị thu nhận tín

hiệu từ hệ thống vệ tinh. Các thiết bị này có khả năng thu nhận và xử lý đồng
thời các tín hiệu từ tối thiểu 4 vệ tinh, thông qua tính toán thời gian và vận tốc
để tính toán được vị trí chính xác. Tương tự như GPS, hệ thống GLONASS
dành cho cả mục đích quân sự và dân sự.
Tín hiệu vệ tinh: các vệ tinh GLONASS phát quảng bá các tín hiệu trên
2 băng con của băng tần L: L
1
(~1.6 GHz) và L
2
(~1.2 GHz). Các sóng mang
được điều chế bởi hai mã nhị phân là mã C/A (C/A-code ), mã P (P-code) và
bởi chính bản thân dữ liệu. Tín hiệu truyền trong băng tần L
1
được điều chế
bởi cả hai loại mã nhị phân trên, trong khi tín hiệu trong băng tần L
2
chỉ dựng
mó P. Mã C/A được điều biến bởi đồng hồ tần số 0,511MHz được gọi là tín
hiệu có độ chính xác tiêu chuẩn. Mã P được điều chế với đồng hồ tần số
5,11MHz gọi là tín hiệu có độ chính xác cao được dùng cho các mục đích
quân sự [ICD, 1995]. Để phục vụ cho mục đích dân sự người ta sử dụng dải
tần số L
1
. Dải tần số L
2
phục vụ cho mục đích quân sự. Các vệ tinh của hệ
thống GLONASS cung cấp hai loại tín hiệu dẫn đường trên cả hai băng tần L
1
và L
2

.
Các vệ tinh GLONASS sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo tần số
(FDMA– Frequency Division Multiple Access). Mỗi vệ tinh truyền các tín
hiệu trên băng tần L
1
, L
2
ở các tần số khác nhau kết quả là một máy thu
GLONASS có thể nhận được nhiều tín hiệu với tần số khác nhau từ các vệ
tinh. Tất cả các vệ tinh GLONASS đều dùng chung một mã điều chế, đây là
điểm khác biệt khi so sánh với hệ thống GPS. Các vệ tinh GPS sử dụng kỹ
thuật đa truy nhập theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access), mỗi
16
sóng mang trên vệ tinh GPS được điều chế với một mã khác nhau và tất cả
các vệ tinh GPS đều dùng chung tần số trên cả hai băng tần L
1
và L
2
.
Bảng 1.1: Các đặc tính cơ bản của GLONASS và GPS.
Thành phần trong
hệ thống
GLONASS GPS
Tần số sóng mang
L1: 1602 1615.5 MHz,
L2: 1246 1256.5 MHz,
Cho cỏc kờnh từ 0,1, ,24
L1: 1575.42 MHz,
L2: 1227.60 MHz
Mã

C/A-code trên băng L1,
P-code trên băng L1 và L2,
Tất cả các vệ tinh dùng
chung mã
C/A-code trên băng L1,
P-code trên băng L1 và
L2,
Các vệ tinh dựng mó
khác nhau
Kỹ thuật
đa truy nhập
FDMA CDMA
Tần số mã
C/A-code: 0.511 MHz,
P-code: 5.11 MHz
C/A-code: 1.023 MHz,
P-code: 10.23 MHz
Thời gian chuẩn
hệ thống
UTC(SU) UTC(USNO)
Sửa lỗi đồng hồ
vệ tinh
Sai số đồng hồ (clock offset),
độ dịch tần số (frequency
offset)
Sai số đồng hồ, độ dịch
tần số, nhịp tần số
Cập nhật thông số
quỹ đạo
30 phút một lần, vị trí vệ

tinh, vận tốc vệ tinh, gia tốc
vệ tinh
60 phút một lần, điều
chỉnh theo các phần tử
Keplerian
Các vệ tinh của GLONASS được trang bị đồng hồ cesium với sai số
hàng ngày nhỏ hơn 5.10
-3
s. Sai lệch về sự đồng bộ về thời gian giữa các vệ
tinh với nhau là 20ns. Thời gian hệ thống và thang thời gian của các vệ tinh
17
được so sánh 2 lần một ngày với trung tâm GCC (Ground-based Control
Complex) hiệu chỉnh và nạp tới vệ tinh đảm bảo sự sai lệch không quá 10ns.
Bảng 1.2. So sánh một số đặc tính của hệ thống GLONASS và GPS.
Thông số Chi tiết GLONASS GPS
Vệ tinh
Số lượng vệ tinh 21 + 3 (dự phòng) 21+3(dự phòng)
Số quỹ đạo vệ tinh 3 6
Độ nghiêng quỹ đạo vệ tinh 64,8
o
55
o
Bán kính quỹ đạo (km) 25.510 26.560
Tín hiệu
Tần số đồng hồ cơ bản 5,0 MHz 10,23 MHz
Kỹ thuật đa truy nhập FDMA CDMA
Tần số sóng mang: L
1
(MHz) Từ 1598,0625 đến
1609,3125

1575,42
Tần số sóng mang: L
2
(MHz) Từ 1242,9375 đến
1251,6875
1227,6
Tốc độ mã hóa: C/A (MHz) 0,511 1,023
Tốc độ mã hóa: P (MHz) 5,11 10,23
Độ dài mã C/A (chips) 511 1.023
Độ dài mã P (chips) 5,11ì10
6
6,187104ì10
12
Mã C/A
Thời gian (phút) 2,5 12,5
Dung lượng (bit) 7.500 37.500
Dung lượng dự phòng (bit) ~620 ~2.750
Thời gian Word (giây) 2.0 0.6
Dung lượng Word (bit) 100 30
Số lượng từ trong một khung 15 50
Tham chiếu thời gian UTC (SU) UTC (USNO)
Tham chiếu vị trí PZ-90 WGS84
1.2.2. Khả năng kết hợp định vị giữa GLONASS và GPS.
Ngoài những điểm khác nhau giữa hai hệ GLONASS và GPS vừa nêu
trên, nói chung nguyên lý làm việc của hai hệ rất giống nhau. Việc kết hợp hai
hệ phục vụ cho công tác định vị, quan trắc chuyển dịch lớp vỏ Trái đất (đòi
hỏi độ chính xác cao) và dẫn đuờng là việc làm hết sức thực tiễn. Sự kết hợp
hai hệ này cho phép số lượng vệ tinh tại một thời điểm đo tăng lên gấp hai
lần, do vậy độ chính xác sẽ được nâng cao.
18

Với số lượng vệ tinh là 48 sự kết hợp hai hệ này cho phép tại một thời điểm
bất kỳ tại một nơi trên trái đất có thể thu nhận được tín hiệu từ ít nhất 11 vệ tinh.
Khi đó công tác quan trắc địa động học trở nên dễ dàng và chính xác hơn.
Khi kết hợp hai hệ này lại với nhau các vấn đề sau cần phải quan tâm:
- Sự khác nhau về cấu trúc tín hiệu giữa hai hệ.
- Sự khác nhau về hệ tọa độ tham chiếu PZ-90 và WGS-84 được sử
dụng vào việc tính toán lịch vệ tinh.
- Chuyển đổi thang thời gian giữa GLONASS và GPS.
1.3 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS.
1.3.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất.
Độ chính xác cao của các trị số đo Phase sóng mang GPS cùng với
những thuật toán bình sai xấp xỉ dần cung cấp một công cụ thích hợp cho
nhiều nhiệm vụ khác nhau trong công tác trắc địa và bản đồ. Chúng ta có thể
chia các ứng dụng này làm 4 loại:
- Đo đạc địa chính
- Lập lưới khống chế trắc địa.
- Theo dõi độ biến dạng cục bộ.
- Theo dõi độ biến dạng toàn bộ.
Đo đạc địa chính đòi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10
-4
.
Người ta có thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan
trắc GPS.
Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao. Độ
chính xác yêu cầu về vị trí tương đối khoảng 5.10
-6
đến 1.10
-6
ứng với các cự
ly 20 - 100 km. Độ chính xác này có thể đạt được bằng cách xử lý sau các trị

19
đo phase sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn. Các cấp hạng
khống chế thấp hơn (ví dụ lưới đo vẽ bản đồ) có thể cũng được thành lập bằng
phương pháp GPS.
Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạng
công trình) đòi hỏi độ chính xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km.
Đối với những ứng dụng này, độ chính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chế
bởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten
GPS và sự sai lệch về tín hiệu do môi trường phản xạ nơi đặt ăng ten. Hơn thế
nữa, khó khăn bị tăng lên do khả năng nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiện
tượng bóng tối của tín hiệu trong môi trường công nghiệp.
Việc theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng)
đòi hỏi độ chính xác khoảng 10
-7
- 10
-8
trên cự ly liên lục địa. Sự khác nhau cơ
bản giữa việc theo dõi biến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là
ở chỗ trong trường hợp này cần phải có một mô hình phức tạp về các quỹ đạo
vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ
lệch khác.
1.3.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất.
Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao
thông dân dụng hầu như tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống.
Trong việc xác định các hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thể
hiện vị trí của phương tiện (được xác định bằng GPS) trên một bản đồ điện tử
có thể sẽ thay thế sự so sánh có tính thủ công các vật thể xung quanh phương
tiện với bản đồ truyền thống. Ứng dụng này thuộc loại cực kỳ quan trọng đối
với các phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìm kiếm hoặc cứu hộ
Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt

được nếu các phương tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự
20
động để hỗ trợ máy thu GPS. Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu và xử
lý GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung tâm được thể hiện trên
màn hình.
1.3.3 Các ứng dụng trong trắc địa, giao thông và hải dương học trên biển.
Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định
(Fix) ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngoài
khơi. Đối với công tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác về vị trí mặt phẳng
thường thay đổi trong khoảng từ một vài đềcimột đến một vài chục mét. Để
đáp ứng các yêu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý
số liệu khác nhau bằng cách sử dụng các phép đo giả cự ly hoặc phép đo
phase sóng mang. Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, các chướng
ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) và đo vẽ các cầu
tàu và bến cảng. Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ
đo địa chấn) cũng như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có thể được đáp
ứng bằng GPS. Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của
trái đất ) đều có thể dùng GPS làm công cụ định vị.
Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải
trên biển lý tưởng. Yêu cầu độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi
trong khoảng từ một vài một (trờn bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông)
đến một vài trăm mét (dẫn hướng trên đường đi). Thủ tục định vị GPS chính
xác sử dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên và phép đo phase sóng mang có thể
đưa đến việc dẫn hướng đi của tàu thuyền trên sông và ven biển không cần
đến phao nổi, công tác tìm kiếm và cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ có hiệu quả
hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi.
Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương
cũng có thể được đáp ứng nhờ hệ GPS. Phép đo phase của sóng mang bổ túc
21
cho ta tốc độ tàu thuyền chính xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu các

dòng chảy của đại dương.
1.3.4 Các ứng dụng trong trắc địa bản đồ và giao thông hàng không
Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị
GPS cung cấp kỹ thuật dẫn đường bay, xác định tõm chớnh ảnh.
Trong đo vẽ ảnh bản đồ đường hàng không, yêu cầu độ chính xác dẫn
đường bay khoảng một vài chục mét - có thể thực hiện được một cách dễ
dàng nhờ hệ GPS. Phép xử lý sau với độ chính xác cao bằng GPS có thể thay
thế kỹ thuật tam giác ảnh không gian và do đó có thể đóng vai trò của các
điểm khống chế mặt đất một cách tuyệt hảo. Yêu cầu về độ chính xác của
phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trong khoảng từ 0.5 m đến
26 m tuỳ theo từng loại tỉ lệ bản đồ khác nhau.
Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng không có thể được dùng để đo
vẽ trực tiếp bản đồ số của địa hình (mô hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảm
biến (laze) được biết với độ chính xác khoảng 0.5 - 1 m về độ cao và một vài
mét về mặt phẳng. Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho độ chính xác định vị tốt
hơn trong phép xử lý sau khi đo.
Phép đo trọng lực hàng không cũng đòi hỏi một kiểu định vị tương tự
như vậy. Trong lĩnh vực ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định
thêm tốc độ của bộ cảm biến cần thiết cho phép quy EOTVOS dữ liệu trọng
lực.
Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada đòi hỏi độ chính xác
định vị bộ cảm biến không cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số
đo GPS.
22
Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không
quốc tế đã sử dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay. ICAO - Tổ chức
hàng không dân dụng quốc tế đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫn
đường và cất, hạ cánh. Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng không quốc gia sẽ
chính thức sử dụng GPS.
Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũ

cốc ), những lĩnh vực không đòi hỏi tính an toàn của hàng không mà chỉ cần
triển khai việc vận chuyển hàng hóa, kỹ thuật GPS có thể đảm bảo dễ dàng
những yêu cầu chính xác về dẫn đường bay.
1.3.5 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian.
Ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm
việc định vị và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang
theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa. Thông thường các vệ tinh này
có quỹ đạo thấp, vì vậy nguyên lý hình học của các phép đo cũng tương tự
như đã ứng dụng cho mặt đất. Những ví dụ điển hình trong lĩnh vực ứng dụng
này là phép đo viễn thám bằng vệ tinh và phép đo độ cao bằng rada. Các vị trí
tọa độ của vệ tinh nhận được từ các số đo GPS có thể được dùng để cải tiến
hoặc đơn giản hóa những tính toán quỹ đạo của các phương tiện không gian
này, thậm chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định vị rời rạc trong
định vị quỹ đạo bay.
1.3.6 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí.
Người ta trông đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục giảm. Hiện
nay ở mức giá một vài trăm USD những người sử dụng không chuyên cũng
đã có thể mua được máy thu GPS đơn giản, có kích thước, trọng lượng rất
nhỏ (như đồng hồ đeo tay). Trong trường hợp này, các hoạt động nghỉ ngơi và
23
điều dưỡng sẽ cung cấp một thị trường rộng lớn cho những máy thu đeo tay,
xách tay, giá rẻ dễ sử dụng.
1.3.7 Các ứng dụng trong quân đội.
Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định
vị điểm theo thời gian thực. Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng
hàng không, hàng hải và trên bộ. Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và là
một bộ phận của những hệ thống dẫn đường tích hợp. Ngoài ra, các vệ tinh
GPS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt
nhân.
1.3.8 Các ứng dụng trong giáo dục.

Chương trình thiết bị Bản đồ & GIS Giáo dục (Mapping & GIS
Educator) giới thiệu những giải pháp đơn giản và đa dạng, tạo điều kiện thuận
lợi nhất cho các tổ chức giáo dục, thực hiện việc giảng dạy về công nghệ GPS
và GIS cho học viên dựa trên những công nghệ mới nhất của Trimble.
Chương trình hỗ trợ giáo dục được thiết kế với mục đích phục vụ cho
các tổ chức giáo dục và đào tạo. Bằng cách cân đối nhu cầu giữa GPS/GIS các
tổ chức này có thể được hưởng rất nhiều quyền lợi của chương trình, cũng
như cơ hội lựa chọn thiết bị phần cứng và phần mềm với giá ưu đãi đặc biệt
nhằm tiết kiệm nhất cho nguồn kinh phí đầu tư.
Đặc điểm chính của Chương trình thiết bị Bản đồ & GIS Giáo dục:
- Lựa chọn bản quyền sử dụng phần mềm cho từ 2 đến 100 học viên.
- Nhiều giải pháp giảm giá thiết bị phần cứng.
- Bộ thiết bị cầm tay Juno™ ST cho lớp học.
- Dịch vụ hỗ trợ nhằm đảm bảo phần mềm luôn được cập nhật.
- Đào tạo cấp chứng chỉ chuyên nghiệp theo hệ thống Trimble.
1.3.9 Các ứng dụng trong lĩnh vực bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.
24
Thế giới chúng ta đang sống không ngừng thay đổi. Bảo vệ môi trường
và giữ gìn những nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày nay đang trở thành vấn
đề quan trọng hơn bao giờ hết. Đây cũng chính là lý do tại sao rất nhiều các
cơ quan tổ chức và cá nhân trên toàn thế giới lựa chọn sử dụng các công nghệ
GPS và GIS tiên tiến của Trimble hàng ngày, để quản lý một cách có hiệu quả
hơn nguồn tài nguyên thiên nhiên hiện có. Hơn 25 năm qua, những công nghệ
GPS và GIS đã cho phép con người có thể quản lý một cách có hiệu quả hơn,
chi tiết và cụ thể hơn những nguồn tài nguyên thiên nhiên mà con người đang
sở hữu.
Từ việc quản lý bền vững hệ thống rừng đến các hoạt động tìm kiếm
thăm dò khai thác mỏ, những giải pháp GPS và GIS của Trimble làm cho mọi
hoạt động quản lý trở nên dễ dàng hơn, giúp những nhà quản lý tài nguyên
thiên nhiên trong tất cả các công đoạn từ thu thập, lưu trữ, xử lý phân tích và

ứng dụng những khối dữ liệu không gian lớn. Các lĩnh vực mà công nghệ
GPS và GIS đó cú những ảnh hưởng mạnh mẽ phải kể đến là quản lý môi
trường, quản lý rừng, quy hoạch và phát triển nông nghiệp, điều tra và khai
thác mỏ. Mỗi ngày, công nghệ GIS lại hỗ trợ đắc lực hơn cho con người trong
việc giải quyết các vấn đề phức tạp như bảo tồn động vật hoang dã, quản lý
năng suất nông nghiệp, kiểm soát chất lượng nguồn nước và không khí, dịch
bệnh và sự di chuyển cũng như phát triển của các thảm hoạ tiềm tàng.
Không phụ thuộc vào lĩnh vực môi trường nào mà bạn đang nghiên cứu
hay khu vực phân bố của chúng, những giải pháp của Trimble luôn đảm bảo
giá trị gia tăng cho bạn thông qua các thiết bị đơn giản khi sử dụng, hiệu quả,
giá thành hợp lý và phương thức ứng dụng sẽ giữ cho số liệu GIS của bạn
luôn được cập nhật và có độ chính xác cao
KẾT LUẬN
25