ĐỒ ÁN MÔN CÔNG NGHỆ VỆ TINH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS & ỨNG DỤNG

Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin
BÁO CÁO ĐỀ TÀI
CÔNG NGHỆ VỆ TINH
ĐỀ TÀI
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
GPS & ỨNG DỤNG
GVHD:
ThS. Trần Bá Nhiệm
Nhóm SV thực hiện:  Lê Văn Thương
 Nguyễn Thành Vinh
 Đặng Tiểu Bình
08520599
08520618
08520032

TP. HCM, tháng 4 – 2014
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Trích yếu
Mục tiêu và đối tượng tìm hiểu của báo cáo
Báo cáo tìm hiểu một số vấn đề liên quan đến hệ thống định vị toàn cầu GPS và các ứng
dụng thực tiễn của nó. Trong đó, việc tìm hiểu các ứng dụng thực tiễn ở thế giới và cũng
như ở Việt Nam được quan tâm xem xét. Cụ thể, báo cáo sẽ đi tổng quan về cơ sở lý
thuyết của hệ thống định vị toàn cầu GPS, các nguyên lý và phương pháp định vị tọa độ
của một điểm trên trái đất, các thông tin về sai số và khảo sát độ chính xác của hệ thống
GPS. Từ đó báo cáo sẽ tìm hiểu về các ứng dụng của hệ thống GPS và khả năng áp dụng
chúng vào thực tế.
Phương pháp nghiên cứu và tìm kiếm thông tin
Trong báo cáo, chúng em sử dụng các kiến thức đã được học ở môn “Công nghệ vệ tinh”
và môn “Công nghệ mạng viễn thông” được dạy ở trường Đại học Công nghệ Thông tin.
Các kiến thức được sử dụng bao gồm các bài nghiên cứu về vệ tinh và viễn thông. Chúng

em sử dụng search google.com để tìm kiếm các tài liệu liên quan, tìm hiểu các báo cáo về
hệ thống GPS của các trường đại học, học viện ở Việt Nam cũng như trên thế giới để
tổng hợp thành một bài báo cáo hoàn chỉnh.
Các kết quả thu được
- Đưa ra được các khái niệm cơ bản của hệ thống định vị GPS, nêu lên được các hệ
thống định vị “công cộng” trên thế giới.
- Tìm hiểu được cấu hình của hệ thống định vị GPS, cũng như các nguyên lý, các
phương pháp để định vị tọa độ của một điểm bất kỳ trên trái đất.
- Tìm hiểu được các nguyên nhân gây ra sai số trong quá trình định vị và đưa ra các
mức của độ chính xác khi định vị bằng GPS.
- Dựa vào độ chính xác khi định vị, tìm hiểu các ứng dụng của hệ thống GPS và khả
năng ứng dụng chúng vào thực tế.
Trang i
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Mục lục
1
Trích yếu i
Mục lục ii
Lời cảm ơn iv
Danh mục v
Lời nói đầu 1
Cơ sở lý thuyết 2
1.1.Khái quát về GPS và hệ thống định vị GPS 2
1.2.Cấu hình của hệ thống định vị GPS 2
1.2.1.Phân đoạn không gian 3
1.2.2.Phân đoạn điều khiển 5
1.2.3. Phân đoạn sử dụng 7
1.3.Nguyên lý xác định vị trí của GPS 8
1.4.Phương pháp định vị trí của GPS 12
1.4.1.Định vị tuyệt đối 12

1.4.2. Định vị tương đối 13
1.4.3.Định vị sai phân 13
1.5.Sai số trong định vị GPS 13
1.5.1.Sai số đồng hồ 14
1.5.2.Sai số quỹ đạo vệ tinh 15
1.5.3.Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu 15
Trang ii
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
1.5.4.Sai số do nhiễu tín hiệu 16
1.6.So sánh hai hệ thống định vị NAVSTAR GPS và GLONASS 17
Ứng dụng thực tiễn 19
1.7.Xử lý thời gian thực và xử lý sau 19
1.8.Độ chính xác và thiết bị 21
1.9.Phạm vi ứng dụng 22
1.10.Ứng dụng GPS vào thực tiễn 24
1.10.1.Các ứng dụng trên phương tiện đường bộ 24
1.10.2.Các ứng dụng trên tàu thuyền 25
1.10.3.Các ứng dụng trên máy bay 27
1.10.4.Ứng dụng GPS trong lĩnh vực giáo dục 32
1.10.5.Ứng dụng GPS trong thu thập GIS di động 33
1.10.6.Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất 34
1.10.7.Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất 35
1.10.8.Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không 39
1.10.9. Ứng dụng GPS trong lĩnh vực quân sự 40
Kết luận 42
Tài liệu tham khảo 43
Trang iii
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Lời cảm ơn
Trước tiên, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo ThS. Trần Bá Nhiệm đã

tận tình hướng dẫn chúng em trong quá trình nghiên cứu đề tài này.
Chúng em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những thầy cô giáo đã giảng dạy chúng em
trong bốn năm qua, những kiến thức mà chúng em nhận được trên giảng đường đại học
sẽ là hành trang giúp chúng em vững bước trong tương lai.
Cuối cùng, chúng em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả bạn bè đã góp ý để bài báo
cáo hoàn thiện hơn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2012
Nhóm viết báo cáo
Trang iv
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Danh mục
Danh mục hình ảnh
Hình 2.1. Cấu hình của hệ thống định vị GPS 3
Hình 2.2. Phân đoạn không gian 4
Hình 2.3. Phần điều khiển vệ tinh trong hệ thống GPS 5
Hình 2.4. Vị trí đặt trạm điều khiển GPS trên mặt đất 6
Hình 2.5. Các hình thức sử dụng GPS 7
Hình 2.6. Cách định vị một điểm trong không gian bằng GPS 8
Hình 2.7. Công thức tính khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh 9
Hình 2.8. Mô phỏng cách thức điều chỉnh thời gian của đồng hồ tại máy thu 11
Hình 3.1. Các ứng dụng định vị động theo cấp độ chính xác của GPS 23
Hình 3.2. Các ứng dụng với độ chính xác thấp 25
Hình 3.3. Ứng dụng đo độ sâu đáy đại dương 29
Hình 3.4. Xác định bề mặt nước biển bằng kỹ thuật tích hợp GPS-LADS 30
Hình 3.5. Lập mô hình mặt cắt địa hình bằng kỹ thuật Laser-GPS 32
Hình 3.6. Mô hình giải thuật của hệ thống US 7260472B2 36
Hình 3.7. Hình ảnh thể hiện tình trạng giao thông ở Philadelphia 37
Hình 3.8. Tên lửa hành trình 40
Hình 3.9. Máy bay huấn luyện 41
Hình 3.10. Bom thông minh 41

Trang v
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Danh mục bảng biểu
Bảng 2.1. Bảng so sánh sự khác nhau giữa GLONASS và GPS 17
Bảng 3.1. Độ chính xác của các phương pháp đo 21
Bảng 3.2. Yêu cầu độ chính xác của các ứng dụng 26
Bảng 3.3. Yêu cầu độ chính xác trong ứng dụng hành không 28
Danh mục từ viết tắt
Trang vi
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Từ viết tắt Tường minh Giải thích
C
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập theo mã
G
GPS Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
do bộ quốc phòng Hoa Kỳ
thành lập
GALILEO
Hệ thống định vị toàn cầu
của liên minh khối EU
GLONASS
Hệ thống định vị toàn cầu
của Liên Bang Nga
GNSS Global Navigation Satellite System
Là tên dùng chung cho các
hệ thống định vị toàn cầu
sử dụng vệ tinh như GPS
(Hoa Kỳ), Hệ thống định vị
Galileo (Liên minh châu

Âu) và GLONASS (Liên
bang Nga).
GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý
S
SPS Standard Positioning Service
Dịch vụ tiêu chuẩn, chỉ
cung cấp cho quân đội Hoa
Kỳ
U
USNO United States Naval Observatory Cục hải quân Hoa Kỳ
Định luật
Định luật
Kepler I:
. Các hành tinh chuyển động
quanh mặt trời theo quỹ đạo
hình elip, với mặt trời ở
Trang vii
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
một trong 2 tiêu điểm của
elip đó.
Định luật
Kepler II:
Diện tích quét bởi vector
bán kính của một hành tinh
tỷ lệ thuận với thời gian.
Hay nói một cách khác diện
tích bán kính vector quét
được trong một khoảng thời
gian là như nhau.
Định luật

Kepler III:
Bình phương chu kỳ
chuyển động của một hành
tinh thì tỷ lệ với lập phương
bán trục lớn của quỹ đạo
elip của hành tinh đó.
( T
2
/a
3
= const )
Trang viii
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Lời nói đầu
Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển vượt bậc nhằm đáp ứng nhu cầu
ngày càng cao của con người. Trong đó, công nghệ định vị vị trí vật thể ở ngoài trời ở
bất cứ vị trí nào trên trái đất được quan tâm phát triển. Hiện nay, có rất nhiều tổ
chức, quốc gia phát triển hệ thống định vị toàn cầu. Trong số các hệ thống định vị toàn
cầu đó thì hệ thống định vị GPS là được sử dụng phổ biến hơn cả. Hệ thống GPS được
sử dụng cả trong lĩnh vực quân sự (dành riêng cho quân đội Mỹ) hay dân sự (toàn thế
giới, được chính phủ Mỹ cho phép từ những năm 1980 mà không tính phí). Chính nhờ
điều này, GPS đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực để phục vụ con người: quản lý và
điều hành xe, chỉ đường, khảo sát trắc địa, môi trường, bản đồ hàng không. Ở Việt Nam
do nhiều nguyên nhân và điều kiện khác nhau GPS vẫn chưa được sử dụng một cách
rộng rãi cũng như chưa tận dụng được hết khả năng của GPS, đặc biệt đối với người
dùng đầu cuối.
Trong khuôn khổ nghiên cứu này, chúng em xin mạn phép nghiên cứu về hệ thống định
vị GPS và các ứng dụng thực tiễn của nó. Mục tiêu của nghiên cứu không nhằm đi sâu
về cơ sở lý thuyết cũng như cách vận hành của hệ thống định vị mà chỉ đưa ra các nhìn
tổng quan về hệ thống, cách thức hoạt động và sau đó đi tìm các ứng dụng thực tế đã

được áp dụng từ hệ thống này. Cấu trúc của báo cáo được chia thành các phần chính
như sau:
1. Lời nói đầu – Giới thiệu về đề tài và các mục tiêu cần đạt được khi nghiên
cứu.
2. Cơ sở lý thuyết – Giới thiệu tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu nói chung
và hệ thống định vị GPS, đưa ra các khái niệm và cách thức hoạt động cũng
như vận hành của hệ thống GPS.
3. Ứng dụng thực tiễn – Nêu ra các ứng dụng của hệ thống định vị GPS.
4. Kết luận – Rút ra những kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu đề tài.
Trang 1
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Cơ sở lý thuyết
1.1. Khái quát về GPS và hệ thống định vị GPS
Hệ thống định vị toàn cầu được viết tắt theo tiếng Anh là GPS (Global Positioning
System). Hiện thời có hai hệ thống GPS “công cộng”. Hệ thống NAVSTAR là một hệ
thống do Mỹ sở hữu và được Bộ Quốc phòng Mỹ (DoP: Department of Defense)
giám sát. Hệ thống GLONASS là hệ thống thuộc quyền sở hữu của Nga. Mặc dù cả
hai hệ thống NAVSTAR và GLONASS đều là những hệ thống định vị toàn cầu
nhưng NAVSTAR thường được đề cập với tên gọi là GPS vì hệ thống này tồn tại
trước. Nội dung đề tài này chỉ tập trung đề cập đến hệ thống NAVSTAR GPS.
Hệ thống NAVSTAR được quản lý bởi Văn phòng chương trình NAVSTAR GPS
(NAVSTAR GPS Joint Program Office) đặt tại căn cứ không quân Los Angeles.
Điểm liên lạc lấy thông tin về NAVSTAR cho phía dân sự là Trung tâm Dẫn đường
Hàng hải (NAVCEN) thuộc bộ phận Giám sát Hải phận Mỹ (U. S. Coast Guard).
NAVCEN cung cấp thông tin về trạng thái hệ thống trong các trang tài liệu NANU.
Máy thu dân dụng có thể nhận các sản phẩm từ hệ thống NAVSTAR thông qua Ủy
Ban Giao tiếp dịch vụ GPS dân dụng (CGSIC).
Các hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thời
gian cho các máy thu ở mọi thời điểm trên trái đất, trong mọi điều kiện thời tiết. Hệ
thống có thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài mét và có thể giảm

xuống chỉ còn vài centimet. Tất nhiên, độ chính xác càng cao thì máy thu GPS càng
phức tạp hơn và giá thành vì thế cũng tăng theo.
1.2. Cấu hình của hệ thống định vị GPS
Hệ thống GPS bao gồm ba phân đoạn là phân đoạn không gian (space segment), phân
đoạn điều khiển (control segment), phân đoạn người dùng (user segment).
Trang 2
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Hình 2.1. Cấu hình của hệ thống định vị GPS
1.2.1. Phân đoạn không gian
GPS là một hệ thống gồm 24 vệ tinh chuyển động trên các quỹ đạo chung quanh
Trái Đất. Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn, sử dụng năng lượng Mặt Trời, chuyển
động cách mặt đất khoảng 20.183km và có chu kỳ quay quanh trái đất là 11 giờ
57’58”. Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong ngày theo một quỹ
đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông 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. Về bản chất, máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ
vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS
cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu
Trang 3
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Máy
thu GPS phải có được với 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. Với bốn hay nhiều hơn số vệ
tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ
cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông
tin khác như tốc độ hướng chuyển động, bám sát di chuyển quãng cách tới điểm
đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.
Phân đoạn không gian có các chức năng cơ bản sau:
- Nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền lên từ phân đoạn điều khiển.
- Duy trì thời gian chính xác nhờ các chuẩn tần số nguyên tử trên vệ tinh

(đồng hồ nguyên tử).
- Truyền thông tin và tín hiệu tới cho người dùng trên một hoặc hai băng tần
L.
Hình 2.2. Phân đoạn không gian
Trang 4
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
1.2.2. Phân đoạn điều khiển
Phần điều khiển bao gồm: 1 trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và
5 trạm theo dõi vệ tinh (Monitor Station), 3 trong số đó là trạm hiệu chỉnh số liệu
(Upload Station) đặt trên mặt đất, liên tục giám sát đường đi của các vệ tinh trong
không gian.
Các trạm trong phần điều khiển có nhiệm vụ:
- Giám sát và hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh.
- Tính toán và gởi các bản tin dẫn đường vệ tinh. Bản tin này được cập nhật
hàng ngày mô tả về vị trí vệ tinh trong tương lai và thu nhận dữ liệu từ tất
cả các vệ tinh gởi về.
- Cập nhật các bản tin dẫn đường vệ tinh một cách thường xuyên.
Hình 2.3. Phần điều khiển vệ tinh trong hệ thống GPS
Trạm điều khiển trung tâm đặt ở Colarado Spring, Colorado USA. Trạm trung tâm
điều phối mọi hoạt động trong phần điều khiển. Trạm điều khiển trung tâm có một
đồng hồ nguyên tử, thời gian của đồng hồ này được dùng để truyền đến cho vệ
tinh, là thời gian chuẩn để hiệu chỉnh đồng hồ nguyên tử của vệ tinh.
Trang 5
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Hình 2.4. Vị trí đặt trạm điều khiển GPS trên mặt đất
Các trạm giám sát theo dõi vệ tinh 24h/ngày. Trạm điều khiển trung tâm sẽ điều
khiển các trạm giám sát thông qua các đường nối. Các điểm đặt trạm giám sát của
hệ thống trên trái đất:
- Ascension island
- Colorado Spring, Colorado USA

- Diego Garcia island
- Hawaii
- Kawajalein island
Trạm theo dõi thông tin gởi xuống từ vệ tinh:
- Báo cáo chính xác của thời gian của đồng hồ vệ tinh.
- Tập hợp chuyển cho trạm điều khiển mọi thông tin về dữ liệu khí tượng bao
gồm: áp suất khí áp, nhiệt độ, điểm sương. Trạm điều khiển trung tâm sử
dụng những dữ liệu này để tính toán và đưa ra dự báo về quỹ đạo vệ tinh
trong tương lai.
Trạm điều khiển trung tâm sử dụng các trạm hiệu chỉnh số liệu để gởi thông tin
cho vệ tinh bao gồm:
Trang 6
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
- Mệnh lệnh hiệu chỉnh vĩ đạo vệ tinh. Vệ tinh sử dụng tín hiệu này để khởi
động các tên lửa điều khiển đưa vệ tinh về vĩ đạo đúng.
- Bản tin dẫn đường đến vệ tinh.
Các trạm hiệu chỉnh số liệu là các trạm được đặt ở Ascension island, Diego Garcia
island và Kawajalein island.
1.2.3. Phân đoạn sử dụng
Bao gồm các thiết bị thu tín hiệu GPS sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Kiểu loại thiết bị thu hết sức đa dạng, từ các thiết bị xách tay không đắt tiền đến
các hệ thống phức tạp đòi hỏi phải được cấp chứng chỉ chất lượng kỹ thuật để
trang bị cho các trung tâm dẫn đường, điều hành bay.
Hình 2.5. Các hình thức sử dụng GPS
Thiết bị máy thu tín hiệu GPS chủ yếu gồm anten thu, bộ phận giải mã, bộ phận
xử lý các mã của tín hiệu vệ tinh GPS, riêng đối với ngành hàng không nó còn xử
lý các thông tin dẫn đường và truyền hiển thị các thông tin cho tổ lái và một số
thiết bị cần sử dụng dữ liệu GPS trong quá trình bay.
Trang 7
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm

1.3. Nguyên lý xác định vị trí của GPS
Các vệ tinh chính là các điểm tham chiếu cho các vị trí trên trái đất. Nguyên lý cơ bản
của GPS là sử dụng “phép tính toán tam giác”. Để tính toán tam giác, máy thu GPS đo
khoảng cách dựa vào thời gian truyền sóng vô tuyến. Để đo thời gian đó, GPS cần phải
xác định được thời gian một cách chính xác. Cùng với khoảng cách, GPS cũng cần
phải xác định được chính xác vị trí của vệ tinh trong không gian. Cuối cùng, hệ thống
cần phải hiệu chỉnh thời gian trễ khi truyền sóng qua tầng khí quyển. Bằng cách xác
định khoảng cách tới 3 vệ tinh, ta có thể xác định được vị trí của ta chỉ có thể nằm tại
một trong hai điểm trong không gian.
Hình 2.6. Cách định vị một điểm trong không gian bằng GPS
Vấn đề chỉ còn là đo thời gian truyền từ vệ tinh tới máy thu. Thời gian là một vấn đề
khá phức tạp. Thứ nhất bởi vì thời gian rất ngắn. Nếu vệ tinh ở ngay phía trên thì thời
gian truyền chỉ mất khoảng 0.06 giây. Do đó chúng ta cần phải có các đồng hồ chính
xác. Giả sử có một cách để làm cho cả vệ tinh và máy thu cùng phát một tín hiệu như
nhau đúng 12 giờ trưa. Nếu tín hiệu đó có thể truyền tới máy thu, thì chúng ta sẽ có hai
tín hiệu, một từ chính máy thu, một từ vệ tinh. Khi đó, sẽ có hai phiên bản không đồng
bộ với nhau. Phiên bản từ vệ tinh có thể bị trễ do phải truyền qua khoảng cách 11000
Trang 8
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
dặm (~20000km). Nếu ta muốn biết tín hiệu từ vệ tinh bị trễ bao nhiêu, ta có thể cho
tín hiệu của máy thu đến khi chúng đồng bộ với nhau.
Khoảng thời gian chúng ta phải dịch chuyển tin hiệu của máy thu để có được đồng bộ
bằng với thời gian truyền từ vệ tinh cho tới máy thu. Do đó, chúng ta có thể nhân thời
gian đó với vận tốc ánh sáng và sẽ xác định được khoảng cách tới vệ tinh.
Distance = Time Delay * Speed of Light
Hình 2.7. Công thức tính khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh
Mỗi vệ tinh đều sử dụng một mã giả ngẫu nhiên duy nhất. Mã giả ngẫu nhiên là một
phần cơ sở của GPS. Về mặt vật lý nó là một mã số rất phức tạp, nói cách khác nó là
một chuỗi các ký tự đóng mở. Tín hiệu phức tạp đến nỗi trông nó gần như là nhiễu
ngẫu nhiên, đó đó nó có tên là “giả ngẫu nhiên”.

Trang 9
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Sự phức tạp đó có một ưu điểm: sự phức tạp đảm bảo rằng máy thu không đồng bộ với
một tín hiệu nào đó không mong muốn. Dạng tín hiệu cũng đảm bảo không có một tín
hiệu nhiễu nào có dạng đúng như vậy. Bởi vì vệ tinh có một mã giả ngẫu nhiên duy
nhất, do đó đảm báo rằng máy thu không bắt nhầm tín hiệu của một vệ tinh khác. Do
đó các vệ tinh có thể sử dụng tần số giống nhau mà không sợ gây phiền nhiễu lẫn
nhau. Và còn khó hơn nếu ai đó muốn gây nhiễu cho hệ thống. Trong thực tế mã giả
ngẫu nhiên còn cho phép bộ quốc phòng Mỹ điều khiển truy cập vào hệ thống. Nhưng
còn một lý do nữa để sử dụng mã giả ngẫu nhiên, đó là có thể sử dụng “lý thuyết
thông tin để khuyếch đại tín hiệu GPS”. Đó chính là lý do tại sao các máy thu GPS
không cần sử dụng các anten lớn để thu tín hiệu – điều này khiến cho GPS trở nên rất
kinh tế.
Nếu như mấu chốt là đo thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu, thì thời gian đó
cần phải rất chính xác, bởi vì nếu thời gian lệch đi một phần nghìn giây thì với tốc độ
ánh sáng, độ lệch vị trí xác định sẽ là 200 dặm.
Đối với vệ tinh, thời gian có độ chính xác cực kỳ cao bởi vì nó có đồng hồ nguyên tử
rất chính xác. Nhưng còn đối với các máy thu trên mặt đất? Ta nhớ rằng cả vệ tinh và
máy thu cần phải đồng bộ mã giả ngẫu nhiên với nhau thì hệ thống mới có giá trị.
Nhưng nếu máy thu của chúng ta cần phải có đồng hồ nguyên tử thì hệ thống GPS sẽ
trở nên không kinh tế (đồng hồ nguyên tử có giá từ $50 đến $100), làm tăng giá thành
sản phẩm. Rất may là những người thiết kế hệ thống GPS có một sáng kiến tuyệt vời,
đó là thực hiện thêm một phép đo nữa. Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu cụ thể:
Trang 10
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Hình 2.8. Mô phỏng cách thức điều
chỉnh thời gian của đồng hồ tại máy
thu
Giả sử vị trí thực của chúng ta nằm ở
cách vệ tinh A là 4 giây và cách vệ tin B

là 6 giây. Hai đường tròn cắt nhau tại
điểm X chính là vị trí cần định vị.
Nhưng giả sử rằng đồng hồ của máy thu
chậm hơn so với đồng hồ toàn cầu 1
giây. Khi đó khoảng cách từ máy thu đến
vệ tinh A sẽ là 5 giây và tới vệ tnh B là 7
giây. Do đó, giao của hai đường tròn sẽ
là tại điểm XX. Như vậy khoảng cách từ
X tới XX sẽ là sai số gây ra do sự không
chính xác của đồng hồ. Bây giờ ta sử
dụng một vệ tinh thứ ba. Nếu như đồng
hồ chính xác thì cả ba điểm này sẽ cắt
nhau tại một điểm. Mà hai đường tròn
trên đã cắt nhau tại XX thì nếu đúng,
đường tròn thứ ba cũng sẽ đi qua điểm
XX. Nhưng vì đồng hồ của ta sai 1 giây,
do đó kết quả sẽ là: đường tròn thứ ba
không đi qua XX, do đó máy thu biết
ngay là có sai số về thời gian.
Bởi vì sai số thời gian này sẽ ảnh hưởng lên tất cả các phép đo cho nên máy tính sẽ
tính toán và rút ra một giá trị sửa lỗi sao cho tất cả các đường tròn đi qua đúng một
điểm. Trong ví dụ này, giá trị cần sửa sẽ trừ đi 1 giây. Sau khi xác định được giá trị
sửa, máy thu có thể sử dụng giá trị này cho các phép đo sau này. Và từ đó đồng hồ của
máy thu đã được đồng bộ với thời gian toàn cầu. Tất nhiên quá trình sửa này cần lập
lại theo định kỳ để đảm bảo đồng hồ của máy thu luôn luôn đồng bộ. Với cách này,
Trang 11
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
thậm chí những máy thu GPS rẻ nhất cũng có thể có được thời gian chính xác như sử
dụng đồng hồ nguyên tử và bây giờ chúng ta đã có thể xác định được chính xác vị trí.
Sử dụng hệ quả của nguyên lý trên, ta có thể rút ra rằng: hệ thống GPS cần ít nhất bốn

vệ tinh để có thể xác định được chính xác vị trí của ta so với vệ tinh.
Để xác định vị trí ta còn phải biết vị trí của vệ tinh để lấy đó làm điểm tham chiếu. về
cơ bản các quỹ đạo là khá chính xác. Tuy nhiên, để tăng độ chính xác thì các vệ tinh
GPS luôn được giám sát bởi bộ quốc phòng. Họ sử dụng các radar vô cùng chính xác
để có thể kiểm tra vị trí chính xác của các vệ tinh, bao gồm cả vị trí và tốc độ. Lỗi
được kiểm tra được gọi là “lỗi thiên văn” bởi vì chúng ảnh hưởng đến tọa độ thiên văn
hay gọi là tọa độ quỹ đạo vệ tinh. Các lỗi này gây ra bởi lực hút của mặt trăng, mặt trời
và do áp suất của bức xạ mặt trời lên vệ tinh. Các lỗi này thường rất nhỏ nhưng nếu
muốn có sự chính xác thì sẽ phải tính đến nó. Sau khi bộ quốc phòng đã đo chính xác
vị trí của vệ tinh, họ sẽ truyền thông tin đó quay lại vệ tinh. Vệ tinh sau đó sẽ phát
cùng trong tín hiệu của mình cả thông tin về vị trí đã hiệu chỉnh. Như vậy bản tin của
vệ tinh bao gồm cả thông tin về thiên văn của nó (quỹ đạo, vị trí). Với thời gian chính
xác và xác định được vị trí chính xác của vệ tinh ta có thể tính toán vị trí của mình.
1.4. Phương pháp định vị trí của GPS
1.4.1. Định vị tuyệt đối
Định vị tuyệt đối còn gọi là định vị điểm đơn, tức là dựa vào trị đo khoảng cách
từ vệ tinh đến máy thu GPS để xác định trực tiếp vị trí tuyệt đối của anten máy
thu trong hệ toạ độ WGS-84 (hệ toạ độ có điểm gốc là tâm khối lượng Trái
đất). Định vị tuyệt đối còn được chia thành định vị tuyệt đối - tĩnh và định vị
tuyệt đối - động. "Tĩnh" hay "động" là nói trạng thái của (anten) máy thu
trong quá trình định vị.
Độ chính xác của định vị tuyệt đối- tĩnh ước đạt cỡ mét, còn độ chính xác định vị
Trang 12
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
tuyệt đối- động khoảng 10- 40 mét.
1.4.2. Định vị tương đối
Định vị tương đối là trường hợp dùng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm khác
nhau (hai điểm mút của một đường đáy) quan trắc đồng bộ cùng các vệ tinh
để xác định vị trí tương đối (DX, DY, DZ hoặc DB, DL, DH) giữa hai điểm mút
của đường đáy hoặc vector đường đáy trong hệ toạ độ WGS-84. Tương tự, nhiều

máy thu được đặt ở các điểm mút của một số đường đáy, quan trắc đồng bộ cùng
các vệ tinh GPS thì có thể xác định được một số vector đường đáy đó. Nếu đã
biết toạ độ của một điểm thì có thể dùng vector đường đáy để tính toạ độ của
điểm kia.
Định vị tương đối cũng được phân chia thành định vị tương đối - tĩnh và định vị
tương đối - động.
1.4.3. Định vị sai phân
Định vị GPS sai phân còn gọi là định vị GPS vi phân (Differential GPS viết tắt là
DGPS). Trong phương pháp này, một máy thu đặt tại một điểm đã biết toạ độ,
gọi là trạm gốc hoặc trạm tham khảo, đồng thời có máy thu khác đặt ở điểm cần
xác định toạ độ, gọi là trạm đo. Dựa vào toạ độ chính xác đã biết của trạm gốc,
tính số hiệu chỉnh khoảng cách từ trạm gốc đến vệ tinh và số hiệu chỉnh này đ-
ược máy GPS ở trạm gốc phát đi. Máy thu ở trạm đo, trong khi đo đồng thời cũng
thu được số hiệu chỉnh từ trạm gốc và tiến hành hiệu chỉnh kết quả định vị, từ đó
nâng cao độ chính xác định vị.
1.5. Sai số trong định vị GPS
Định vị GPS về thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội không gian các khoảng
Trang 13
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
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 không gian giữa vệ tinh và máy
thu. Vì vậy kết quả đo chịu ảnh hưởng trực tiếp của các sai số của vệ tinh, của máy
thu, của môi trường lan truyền tín hiệu và các 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.
1.5.1. Sai số đồng hồ
Sai số đồng hồ gồm sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu và sự không
đồng bộ giữa chúng. Đồng hồ vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác cao
nhưng không phải hoàn toàn không có sai số. Trong đó sai số hệ thống lớn
hơn sai số ngẫu nhiên rất nhiều, nhưng có thể dùng mô hình để cải chính sai số
hệ thống, do đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ

chính xác của đồng hồ. Khi hai trạm đo tiến hành quan trắc đồng bộ đối với vệ
tinh thì ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh đối với trị đo của hai trạm là như
nhau.
Đồng hồ máy thu là đồng hồ thạch anh. Cùng một máy thu, khi quan trắc
đồng thời nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu có ảnh hưởng như nhau
đối với các trị đo tương ứng và các sai số đồng hồ của các máy thu có thể được
coi là độc lập với nhau.
Như đã biết vận tốc truyền tín hiệu xấp xỉ 3.10
8
m/s, do đó nếu đồng hồ thạch
anh có sai số 10
-4
giây thì sai số tương ứng của khoảng cách là 30.000m; nếu
đồng hồ nguyên tử có sai số 10
-7
giây thì sai số tương ứng của khoảng cách
là 30m.
Trong định vị GPS tương đối, sử dụng các sai phân bậc 1, 2, 3, có thể loại trừ
hoặc giảm thiểu ảnh hưởng sai số đồng hồ trong kết quả đo.
Trang 14
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
1.5.2. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Do sự thay đổi của trọng trường Trái đất, sức hút Mặt trăng, Mặt trời và các thiên
thể khác tác động lên vệ tinh, nên chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo
không hoàn toàn tuân theo định luật Kepler. Đó là nguyên nhân gây nên sai số
quỹ đạo vệ tinh hay còn gọi là sai số vị trí của vệ tinh. Trong định vị GPS cần
phải sử dụng lịch quỹ đạo vệ tinh (Ephemerit). Các trạm điều khiển quan
trắc liên tục để xác định quỹ đạo chuyển động của vệ tinh và đa ra lịch dự báo,
gọi là lịch vệ tinh quảng bá, cung cấp đại trà cho người sử dụng bằng cách thu
trực tiếp nhờ máy thu GPS. Lịch vệ tinh quảng bá cho phép xác định vị trí tức

thời của vệ tinh với độ chính xác cỡ 20 - 100 m.
Ngoài lịch vệ tinh quảng bá còn có lịch vệ tinh chính xác (Precise Ephemerit).
Lịch vệ tinh này được thành lập từ kết quả hậu xử lý số liệu quan trắc ở các thời
điểm trong khoảng thời gian quan trắc, có độ chính xác toạ độ vệ tinh cỡ 10 -
50m.
Sai số vị trí của vệ tinh chịu ảnh hưởng gần như trọn vẹn đến độ chính xác tọa độ
điểm định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn), nhưng lại được loại trừ về cơ bản
trong kết quả định vị tương đối.
1.5.3. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu
Tầng đối lưu được tính từ mặt đất tới độ cao 50km và tầng điện ly ở độ cao từ
50km đến 1000km. Tín hiệu truyền từ vệ tinh qua tầng điện ly, tầng đối lưu đến
máy thu, bị khúc xạ và thay đổi tốc độ lan truyền.
Đối với tầng điện ly, giá trị sai số tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự do và tỷ
lệ nghịch với bình phương của tần số tín hiệu. Đối với tín hiệu GPS, số hiệu
chỉnh khoảng cách theo hướng thiên đỉnh có thể đạt giá trị tối đa là 50m, theo
hướng có góc cao 20
0
, có thể đạt đến 150m. Để giảm thiểu sai số do tầng điện ly
Trang 15
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
thường dùng máy thu 2 tần số, dùng mô hình hiệu chỉnh hoặc dùng hiệu các
trị đo đồng bộ.
Đối với tầng đối lưu, sự khúc xạ của đờng truyền tín hiệu càng phức tạp hơn,
phụ thuộc vào sự biến đổi của khí hậu mặt đất, áp lực không khí, nhiệt độ và
độ ẩm, ảnh hưởng của khúc xạ trong tầng đối lưu phụ thuộc vào góc cao của
đường truyền tín hiệu. Giá trị ảnh hưởng sai số theo hướng thiên đỉnh có thể đạt
đến 2-3m, theo hướng có góc cao 10
o
có thể đạt đến 20m.
1.5.4. Sai số do nhiễu tín hiệu

Tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu GPS có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân như:
Tín hiệu phản xạ từ các vật khác (kim loại, bê tông, mặt nước ) ở gần máy thu
GPS; tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các sóng điện từ khác (khi đặt máy thu ở
gần các trạm phát sóng, gần đường dây tải điện cao áp); tín hiệu bị gián đoạn do
bị che chắn bởi các vật cản (nhà cửa, cây cối ). Các tín hiệu bị nhiễu nói trên
chập với tín hiệu truyền trực tiếp từ vệ tinh đến máy thu gây ra sai số đối với trị
đo.
Để khắc phục sai số do nhiễu tín hiệu, cần phải đặt máy thu cách xa các vật dễ
phản xạ tín hiệu hoặc các đối tượng gây nhiễu tín hiệu; không thu tín hiệu khi trời
đầy mây, đang mưa, không đặt máy thu ở dưới các rặng cây.
Ngoài các nguồn sai số chủ yếu trên đây còn có các nguồn sai số khác như sai số
do ảnh hưởng xoay của Trái đất, do triều tịch của Trái đất, do hiệu ứng của
thuyết tương đối, sai số vị trí của máy thu, sai số vị trí tâm pha của anten.
Trong định vị chính xác cao cần phải xem xét và tìm biện pháp giảm ảnh
hưởng của các nguồn sai số này.
Trang 16