Xử lý tín hiệu trong hệ thống Galileo

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi tự nghiên cứu
và thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Quang Hiếu
Học viên
Ngô Quang Đạt
MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.45 Sơ đồ điều chế tín hiệu E5
Hình 2.46. Giản đồ sóng tín hiệu E5
Hình 2.47 Sơ đồ điều chế tín hiệu E6.
Hình 2.48. Sơ đồ điều chế tín hiệu E1
Hình 2.49. Thành phần tín hiệu L1-B
Hình 2.50 Thành phần Tín hiệu L1-C
Hình 2.51 Phổ tần số các tín hiệu vệ tinh GALILEO
Hình 2.52. Đồ hình các chùm IQ
Hình 3.1. Mô hình tổng quát thực hiện bộ thu tín hiệu E1
Hình 3.2. Sự thay đổi khi thay đổi tốc độ lấy mẫu
Hình 3.3. Thông số GLRT sử dụng thuật toán Parallel Code Phase Search
(PCPS) với fIN = 4Msps
Hình 3.4. Sự thay đổi của các thông số VE, E, P, L va VL
Hình 3.5. Sơ đồ khối Tracking
Hình 3.6. Biểu đồ phân tán, hiển thị các bit tín hiệu của tín hiệu E1B
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thông số cơ bản của hệ thống GPS
Bảng 1.2 Thông số cơ bản hệ thống GLONASS
Bảng 1.3 Thông số cơ bản hệ thống GALILEO
Bảng 2.1 Nội dung các sub-frame trong thông điệp F/NAV
Bảng 2.2 Liệt kê các thông số lịch thiên văn
Bảng 2.3 Thuật toán dùng để xác định lịch thiên văn trên máy thu
Bảng 2.4 Thông số GST
Bảng 2.5 Bảng thông số hiệu chinh đồng hồ

Bảng 2.6 Dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ GALILEO.
Bảng 2.7 Mã BGD
Bảng 2.8 Đặc tính thông số truyền.
Bảng 2.9 Bảng tham số chuyển đổi GST-UTC
Bảng 2.10 Thông tin dữ liệu GGTO
Bảng 2.11 Cấu trúc thông số dịch vụ
Bảng 2.12 Định nghĩa bit chỉ ra tính hợp lệ của dữ liệu.
Bảng 2.13 Định nghĩa trạng thái tín hiệu
Bảng 2.14 Thông số dữ liệu dương lịch
Bảng 3.15 Tần số sóng mang tín hiệu GALILEO
Bảng 3.16 Băng thông tín hiệu nhận
DANH SÁCH VIẾT TẮT
GNSS Global Navigation Setellite
System
Hệ thống dẫn đường vệ tinh
GPS Global Posistion System Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ
GLONASS Global'naya Navigatsionnaya
Sputnikovaya Sistema
Hệ thống định vị toàn cầu của Nga
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã
FDAM Frequency Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo tần số
GST Galileo System Time Thời gian của hệ thống Galileo
BDG Broadcast Group Delay Trễ nhóm phát
PLL Phrase Lock loop Vòng khóa pha số
UTC Giờ phối hợp quốc tế
SAR Search and rescue Dịch vị tìm kiếm cứu nạn
GGTO Galileo to GPS Time Offset
ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang

số
CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra lỗi
DLL Delay Lock loop Vòng khóa trễ
MỞ ĐẦU
Ngay từ những kỷ nguyên đầu tiên của nền văn mình loài người. Từ những
kiến thức kinh nghiệm lẫn khoa học được tích góp qua quá trình lao động, quan sát
thiên nhiên vũ trụ, con người đã không ngừng sáng tạo ra các phương pháp sử dụng
trong việc định vị và dẫn đường đặc biệt là trong ngành hàng hải, vận tải, giao
thông.
Thế kỷ 20, với việc phát triển không ngừng của khoa học và kỹ thuật, đã cho
ra đời những phương tiện hiện đại hơn như máy bay, tàu vũ trụ. Mở ra cho con
người kỷ nguyên mới, chinh phục vũ trụ bao la.
Điều này đòi hỏi cần có những hệ thống dẫn đường mới, tiên tiến hơn, hiện
đại hơn giúp con người định vị chính xác, dẫn đường cho các máy bay, tàu vũ trụ…
Đáp ứng những yêu cầu đó, các hệ thống dẫn dường tiên tiến dựa trên vệ tinh
đã được phát triển thành công và đưa vào sử dụng như GPS, GLONASS… Mặc dù
hiện tại các hệ thống này đã phủ sóng toàn cầu, cho phép mọi người được sử dụng
các dịch vụ định vị, dẫn dường từ những hệ thống này. Tuy nhiên, vì một số lý do
nên việc sử dụng những hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào tình hình của các
nước chủ quản.
Nhận thấy tầm quan trọng của 1 hệ thống dẫn đường tiên tiến, hoạt động ổn
định và liên tục là rất cần thiết cho việc phát triển kinh tế, ổn định an ninh, xã hội.
Liên minh Châu Âu đã lên chương trình cho việc xây dụng hệ thống GALILEO, với
những công nghệ tiên tiến được áp dụng.
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, phát triển các thiết bị sử dụng tín hiệu vệ tinh
từ GALILEO có vai trò quan trọng, cho phép phát triển các thiết bị định vị đa hệ
thống, giảm sự phụ thuộc tăng cao độ tin cậy và chính xác. Phục vụ tốt hơn cho các
ứng dụng dân sự, an ninh và quốc phòng.
Luận văn này cung cấp cái nhìn khái quát về các hệ thống định vị toàn cầu
trên thế giới, về cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Đặc biệt, tập trung vào việc tìm

hiểu, phân tích hệ thống định vị toàn cầu Galileo.
6
Nội dung trình bày được chia thành 3 chương có nội dung được mô tả như
dưới đây.
Chương 1 – Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh
GNSS. Chương này sẽ giới thiệu về các hệ thống định vị toàn cầu hiện có trên thế
giới. Lịch sử nghiên cứu và phát triển. Đặc biệt là chương trình GALILEO được
Liên minh Châu Âu xây dựng và phát triển.
Chương 2–Tín hiệu của hệ thống GALILEO . Chương này tập trung vào
cấu trúc các khung tin dẫn đường tương ứng với các dịch vụ được cung cấp bởi hệ
thống GALILEO. Ngoài ra, trong chương này cũng sẽ đưa ra sơ đồ khối cho các bộ
thu phát tín hiệu GALILEO.
Chương 3 – Thực hiện bộ thu tín hiệu GALILEO E1 – sử dụng trong dân
sự. Trình bày những thiết lập và cấu hình trên lý thuyết cần thiết cho phép thực hiện
1 bộ thu tín hiệu GALILEO trên Matlab Simulink. Từ đó đưa ra những đánh giá và
kết luận.
Kết luận . Đánh giá quá trình thực hiện đề tài, và đề ra những phương án tiếp
theo để phát triển đề tài tiếp theo.
7
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
SỬ DỤNG VỆ TINH GNSS
Từ những tiến bộ kỹ thuật trong khoa học vũ trụ, hàng hải đã đưa đến những
yêu cầu về một hệ thống định vị dẫn đường tiên tiến hơn. Mỹ là nước đầu tiên trên
thế giới xây dựng và phát triển hệ thống định vị vệ tinh - GPS. Nó đã chứng minh
được những ưu điểm của mình trong kinh tế, dân sự, an ninh quốc phòng. Sau Mỹ,
đã có những hệ thống định vị tiếp theo được ra đời bởi nhiều quốc gia trên thế giới.
Chương này sẽ cung cấp những định nghĩa về 1 hệ thống GNSS, giới thiệu những
hệ thống GNSS hiện có trên thế giới. Cũng như những thông tin về lịch sử hình
thành và phát triển cả hệ thống định vị toàn cầu

1.1 Tổng quan
Global Navigation Setellite System (GNSS) là tên được sử dụng để chỉ các hệ
thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh. Một hệ thống GNSS bao gồm một tổ hợp
các vệ tinh xoay quanh trái đất. Các vệ tinh này liên tục gửi các thông tin về vị trí
hiện tại của nó tới các thiết bị thu trên mặt đất. Từ việc tính toán các giá trị từ các
thông tin này có thể cho biết được vị trí hiện tại của 1 thiết bị thu trên mặt đất. Ngày
nay, GNSS được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự, kinh tế,
dân sự… bởi những tiện lợi thiết thực từ các hệ thống này mang lại.
Hiện tại, trên thế giới có các hệ thống GNSS được sử dụng như :
- Global Position System – GPS của Mỹ.
- GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema – GLONASS của Nga.
- GALILEO–Châu Âu.
- COMPASS/BeiDou –Trung Quốc.
- IRNSS - Ấn Độ.
- QZSS – Nhật Bản.
Trong đó, GALILEO là một hệ thống định vị toàn cầu được xây dựng và phát
triển bởi liên minh Châu Âu, nó được đặt theo tên nhà thiên văn người Ý Galileo
8
Galilei. Khác với các hệ thống GPS hay GLONASS ,GALILEO được điều hành và
quản lý bởi các tổ chức dân dụng và phi quân sự.
Ở Việt Nam, trước đây chúng ta thường sử dụng hệ thống GPS trong các ứng
dụng định vị. Vừa qua với việc nhóm nghiên cứu tại Trường Đại Học Bách Khoa
Hà Nội thành công trong việc xác định vị trí thông qua dịch vụ mở của hệ thống
định vị toàn cầu GALILEO, đã đặt nền tảng bước đầu trong việc xây dựng và phát
triển các giải pháp định vị đa hệ thống, giúp nâng cao độ chính xác, độ tin cậy, và
giảm sự phụ thuộc vào các hệ thống định vị riêng lẻ.
1.2 Lịch sử hình thành và phát triển
Từ xa xưa, các phương pháp định vị và dẫn đường được phát triển gắn liền với
sự phát triển của ngành hàng hải. Tuy nhiên, với sự xuất hiện của máy bay, các con
tàu khổng lồ với động cơ hơi nước, tàu vũ trụ… đòi hỏi hệ thống định vị và dẫn

đường cần phải chính xác, liên tục.
Vì vậy, vào những năm 1920, trên thế giới bắt đầu hình thành các hệ thống
dẫn đường vô tuyến tạo tiền đề cho các hệ thống định vị toàn cầu. Các hệ thống đó
bao gồm các thiết bị có tầm hoạt động ngắn như radar,máy tìm phương, radar
beacons, đến các hệ thống có tầm hoạt động xa hơn như OMEGA, DECCA,
LORAN-C.
Năm 1957 Nga phóng thành công vệ tinh Sputnik . Đại học MIT cho rằng tín
hiệu vô tuyến điện của vệ tinh có thể tăng lên khi nó tiếp cận Trái đất, giảm đi khi
rời khỏi Trái đất cho nên có thể truy theo vị trí trên mặt đất.
Năm 1959 Hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh - TRANSIT của Mỹ được đưa
vào hoạt động.
Năm 1960 Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ, độ
cao) được đưa vào nghiên cứu.
Năm 1963 Công ty Areospace Corporation thực hiện nghiên cứu về hệ thống
không gian làm cơ sở cho hệ thống dẫn đường. Trong thí nghiệm này, khái niệm
liên quan tới việc đo thời gian tới của sóng tín hiệu được phát đi từ 1 vệ tinh có vị
trí chính xác đã biết,việc làm này cho phép xác định vị trí của người sử dụng. Đây
là bước khởi đầu quan trọng cho hệ thống định vị toàn cầu.
9
Đây là những bước khởi đầu quan trọng cho việc xây dựng các hệ thống định
vị sử dụng vệ tinh sau này.
Dựa trên những nghiên cứu đó, Mỹ là nước đầu tiên xây dựng hệ thống định vị
GPS của mình.
Tháng 22/2/1978 vệ tinh đầu tiên của hệ thống GPS được phóng lên quỹ đạo.
Hệ thống định vị GPS bắt đầu đưa vào hoạt động từ những năm 1980.
Ngày 12/10/1982 vệ tinh đầu tiên của hệ thống GLONASS được phóng lên
quỹ đạo. Đến ngày 24/9/1993 hệ thống GLONASS chính thức đi vào hoạt động.
Tuy nhiên, cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho các
mục đích quân sự. Đối với người dùng dân sự, sai số có thể sẽ rất lớn nếu như các
cơ quan điều hành của GPS hay GLONASS kích hoạt các bộ gây sai số chủ định, ví

dụ như SA của GPS. Do vậy, nhằm tránh sự lệ thuộc vào Nga và Mỹ trong trường
hợp xảy ra chiến tranh, liên minh Châu Âu đã lên kế hoạch thiết kế và xây dựng 1
hệ thống định vị vệ tinh mới cho các mục đích dân sự, lấy tên là GALILEO.
Năm 1999, bắt đầu triển khai dự án nghiên cứu thiết kế hệ thống GALILEO
với 4 nước tham gia bao gồm Pháp, Đức, Italia, Anh.
Năm 2003, bắt đầu giai đoạn 1 của chương trình nghiên cứu.
Năm 2005, vệ tinh GIOVE- A được đưa vào hệ thống.
Ngày 30/11/2007, bộ trưởng giao thông vận tải của 27 quốc gia thuộc liên
mình Châu Âu thống nhất đưa hệ thống GALILEO vào hoạt động vào năm 2013,
tuy nhiên sau đó đã phải dời lại năm 2014.
Năm 2008, vệ tinh GIOVE – B được đưa vào hệ thống.
Tháng 10/2009 do sự khó khăn trong vấn đề tài chính cho dự án, Ủy ban Châu
Âu quyết định cắt giảm số lượng vệ tinh phóng tiếp theo từ 28 xuống còn 22 vệ tinh.
Tháng 11/2009 khánh thành trạm mặt đất đầu tiên tại Kourou.
Tháng 12/2010 Prague thuộc cộng hòa Séc được chọn làm trụ sở cho dự án
GALILEO.
21/10/2011 Hai vệ tinh IOV được đưa lên hệ thống bằng tên lửa Soyuz. Và 2
vệ tinh còn lại sẽ được đưa lên vào ngày 12/10/2012.
10
Dự tính tới năm 2014 bắt đầu đưa các vệ tinh FOC còn lại lên hệ thống.
1.3 Những hệ thống định vị toàn cầu trên thế giới
Như đã giới thiệu ở trên, nhận thấy vai trò quan trọng của hệ thống định vị vệ
tinh nên nhiều quộc gia trên thế giới đã xây dựng những hệ thống định vị cho mình.
Tuy nhiên, ở đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu và phân tích 3 hệ thống lớn bao gồm :
- Hệ thống GPS – Mỹ.
- Hệ thống GLONASS- Nga.
- Hệ thống GALILEO – Châu Âu.
Những vấn đề đươc phân tích ở đây bao gồm :
- Cấu trúc của hệ thống.
- Thông số hệ thống.

- Nguyên lý hoạt động : Nguyên lý hoạt động của các hệ thống định vị vệ tinh
về cơ bản là giống nhau cho nên ở đây ta chỉ làm rõ về nguyên lý của hệ thống
GPS, các hệ thống khác hoàn toàn tương tự.
- Tín hiệu định vị, dẫn đường từ hệ thống.
- Phân tích ưu và nhược điểm mỗi hệ thống.
- Những nghiên cứu và phát triển của Việt Nam đối với hệ thống GALILEO.
1.3.1 Hệ thống GPS – Mỹ
1.3.1.1 Giới thiệu hệ thống GPS
GPS là hệ thống định vị vệ tinh được phát triển và điều hành bởi bộ quốc
phòng Mỹ. Hệ thống GPS bắt đầu được xây dựng vào tháng 2/1978 với việc
phóng vệ tinh đầu tiên - Block I - lên quỹ đạo. Năm 1983, tổng thống Mỹ Reagan
cho phép sử dụng miễn phí tín hiệu vệ tinh GPS trong các ứng dụng dân sự. Hệ
thống GPS được hoàn thiện và đưa vào hoạt động đầy đủ từ năm 1995. Tuy nhiên,
với những tiến bộ mới trong công nghệ và để đáp ứng nhu cầu hiện đại, chính phủ
Mỹ đã đề ra các mục tiêu nhằm hiện đại hóa hệ thống GPS tiến tới xây dựng và
phát triển hệ thống GPS III, năm 2000 Quốc hội Mỹ cho phép phát triển hệ thống
GPS III.
11
Hình 1.1.Logo chính thức của hệ thống GPS [1]
1.3.1.2 Thông số hệ thống GPS
Bảng sau liệt kê những thông số cơ bản của hệ thống GPS.
Bảng 1.1 Thông số cơ bản của hệ thống GPS
Hạng mục Thông số
Số vệ tinh 27 vệ tinh
Số mặt phẳng quỹ đạo 6MEO
Độ nghiêng mặt phảng quỹ đạo 55
o
Bán kính quỹ đạo 26.600 km
Chu kỳ 11 giờ 57 phút 58 giây
Tần số sóng mang

L1 : 1575.42 Mhz
L2 : 1227.60 Mhz
L5 : 1176.46 Mhz (năm 2009)
Sóng mang CDMA
Thời gian chuẩn UTC (USNO)
Thông điệp dẫn đường
Ephemeris Yếu tố quỹ đạo
Almanac Yếu tố quỹ đạo
Tốc độ truyền dữ liệu
L1: BPSK 50bps
L2: BPSK 25bps
L5: QPSK 50bps
Chu kỳ dữ liệu 12 phút 30 giây
Định dạng dữ liệu 30 bit/ từ
1.3.1.3 Cấu trúc hệ thống GPS
12
Hiện tại hệ thống GPS bao gồm 3 phần chính :
- Phần không gian (Space Segment).
- Phần kiểm soát ( Control Segment).
- Phần sử dụng ( Use Segment).
Phần không gian:
Bao gồm 27 vệ tinh ( 24 vệ tinh sử dụng và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các
quỹ đạo xung quanh trái đất , hoạt động ở độ cao 20.200 km (so với mặt đất), bán
kính quỹ đạo 26.600 km, bay với vận tốc 7000 dặm/ giờ với chu kỳ 11’57”58. Công
suất phát dưới 50Watt.
Các vệ tinh này hoạt động dựa trên năng lượng mặt trời. Có nguồn pin dự
phòng cho trường hợp vệ tinh đi vào vùng tối của Trái Đất. Các tên lửa nhỏ được
gắn vào mỗi vệ tinh để giữ cho chúng bay đúng quỹ đạo.
Hình 1.2 Hệ thống định vị vệ tinh GPS [1]
Hệ thống GPS được thiết kế sao cho tại 1 vị trí nào đó trên trái đất ở 1 thời

điểm bất kỳ đều có thể quan sát thấy 4 vệ tinh ở góc trên 15
0
(Nếu là ngưỡng 10
0
thì
sẽ thấy 10 vệ tinh, ngưỡng 5
0
sẽ thấy được 12 vệ tinh)
Nhiệm vụ chủ yếu của các vệ tinh này :
- Ghi nhận và lưu trữ các thông tin được truyền đi từ phần điều khiển.
- Xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh.
- Duy trì tính chính xác cao của thời gian bằng các đồng hồ nguyên tử.
13
- Chuyển tiếp thông tin đến người dung.
- Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển từ mặt đất.
Một số thông tin về các thế hệ vệ tinh GPS đã được Mỹ phát triển.
GPS Block I : Là thế hệ vệ tinh đầu tiên được sử dụng cho hệ thống GPS. Các
vệ tinh này được chạy bằng năng lượng mặt trởi, đồng thời trang bị cả pin mặt trời.
Có tên lửa đẩy giúp vệ tinh bay đúng quỹ đạo. Được thiết kế để hoạt động trong 10
năm, việc thay thế các vệ tinh được thực hiện thường xuyên. Các vệ tinh này nặng
909 kg, cao 5m với 2 cánh là các bảng nhận năng lượng mặt trời. Có thể phát tín
hiệu với công suất nhỏ hơn hoặc bằng 50W.
Hình 1.3 Vệ tinh GPS Block I [1]
GPS IIR-M1 : Đây là thế hệ vệ tinh GPS mới nhất của Mỹ. Có khả năng thực
hiện các tín hiệu quân sự mới nhất (M-code trên L1M và L2M) và tín hiệu dân sự
thức 2 (L2C).
Hình 1.4 Vệ tinh GPS IIR-M1 [1]
Phần kiểm soát :
14
Bao gồm :

- 1 trạm điều khiển chính: Được đặt tại Colorade Sping (Mỹ), Đây là trung
tâm điều khiển chính của hệ thống. Hoạt động của trung tâm dựa trên thông tin
được thu thập từ các trạm thu số liệu. Ngoài ra, trung tâm cũng có thể truy cập tới
các antenna mặt đất AFSNC (U.S. Air Force Satellite Control Network), và các
trạm quan sát NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) để thu thập các
thông tin của vệ tinh. Sau đó, trung tâm điều khiển sẽ tiến hành xử lý các số liệu, và
tiến hành các công việc như : Tính lịch thiên văn, tính và hiệu chỉnh đồng hồ, hiệu
chỉnh quỹ đạo bay của các vệ tinh, thay thế các vệ tinh ngừng hoạt động bằng các
vệ tinh dự phòng.
- 5 trạm thu số liệu : Được đặt rải rác trên thế giới: Hawai, Colorade Sping
(Mỹ), Ascension ( Nam Đại Tây Dương), Diago Garia ( Ấn Độ Dương ), Kwayalein
( Nam Thái Bình Dương ) Các trạm này có nhiệm vụ theo dõi và thu thập thông tin
từ các vệ tinh. Mỗi trạm được trang bị những máy thu P-code để thu các tín hiệu,
sau đó truyền các tín hiệu đó tới trạm điều khiển chính.
- 3 trạm truyền số liệu: Được đặt tại Ascension, Diago Garia, Kwayalein. Các
vệ tinh này có nhiệm vụ chuyển lên các vệ tinh các thông tin cập nhật đã được tính
toán và xử lý từ trung tâm điều khiển chính. Các thông tin cập nhật này sẽ được
đồng bộ hóa với các đồng hồ nguyên tử đặt trên mỗi vệ tinh và hiệu chỉnh lịch thiên
văn của mô hình quỹ đạo bên trong mỗi vệ tinh.
Ngoài ra, còn có một trạm điều khiển trung tâm dự phòng nhằm đảm bảo sự
ổn định của hệ thống.
Phần sử dụng :
Bao gồm :
- Máy thu tín hiệu GPS có anten riêng ( máy định vị ) : Máy thu GPS được
tính toán với tần suất mỗi giây 1 vị trí và cho độ chính xác 1m – 5m.
- Các thiết bị tự ghi ( bộ ghi số liệu ): là máy cầm tay có phần mềm thu thập số
liệu, dữ liệu ghi được có thể được ghi ra hay gán thông tin với vị trí
- Máy tính ( cá phần mềm xử lý số liệu): Sau khi thu thập số liệu ở thực địa,
15
các thông tin vị trí và thuộc tính sẽ được chuyển lên PC và sử dụng phần mềm để

nâng cao độ chính xác (sử dụng kỹ thuật sai phân )
Hình 1.5 Sơ đồ về mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống GPS [1]
1.3.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
Hệ thống GPS là một mạng lưới bao gồm 27 vệ tinh quay xung quanh trái đất.
Trong số 27 vệ tinh này, 24 vệ tinh đang hoạt động, 3 vệ tinh còn lại đóng vai trò dự
phòng trong trường hợp 1 trong số 24 vệ tinh chính bị hư hỏng. Dựa vào cách sắp
đặt của các vệ tinh này, khi đứng dưới mặt đất, bạn có thể nhìn được ít nhất là 4 vệ
tinh trên bầu trời tại bất kì thời điểm nào.
16
Phối hợp hoạt động với các vệ tinh quay xung quanh trái đất là 5 trạm theo dõi
đặt trên mặt đất: Trạm chủ được đặt tại Colorado (Mỹ) và 4 trạm khác (không có
người điều khiển) được đặt tại các vị trí rất xa lạ, song lại rất gần với đường xích
đạo (trong đó có Hawaii cũng ở Mỹ). Các trạm theo dõi này thu thập dữ liệu từ các
vệ tinh và truyền dữ liệu về trạm chủ. Trạm chủ sau đó sẽ xử lý dữ liệu và đưa ra
các thay đổi cần thiết để chuyển dữ liệu chuẩn về các vệ tinh GPS.
Như vậy là chúng ta có hệ thống nhiều vệ tinh và các trạm theo dõi ở khắp nơi
trên trái đất, liên tục truyền tải và xử lý dữ liệu.
Đối với thiết bị là một đầu thu GPS. Thiết bị thu thông điệp từ các vệ tinh GPS
ở trên bầu trời. Sau đó dựa vào thông số độ trễ tính từ lúc thông điệp được phát đến
lúc thiết bị thu nhận được thông điệp, thiết bị thu sẽ tính ra được khoảng cách từ
thiết bị đến vệ tinh vừa phát ra thông điệp đó. Sử dụng khoảng cách của thiết bi tới
mỗi vệ tinh khác nhau, thiết bị GPS sẽ sử dụng một kỹ thuật mang tên gọi
"trileration" để tìm ra vị trí của bạn.
Hình vẽ sau mô tả cách mà thiết bị thu tính toán ra vị trí của bạn dựa vào các
thông điệp dẫn đường.
17
Hình 1.6 Nguyên lý hoạt động của GPS [1]
Với mỗi khoảng cách từ thiết bị thu tới vệ tinh ta có 1 mặt cầu trong không
gian. Với 3 vệ tinh ta có tất cả là 3 mặt cầu. Giao điểm của 3 mặt cầu sẽ là vị trí
hiện tại của thiết bị thu. Dựa vào vị trí của hiện tại của 3 vệ tinh này, người ta có thể

tính ra vị trí hiện tại của thiết bị.
1.3.1.5 Tín hiệu trong hệ thống GPS
Các tín hiệu vệ tinh GPS phát 2 tín hiệu vô tuyến công suất thấp L1 và L2.
Ngoài ra, GPS dân sự sử dụng dải L1 với tần số là 1575.46 Mhz trong dải UHF.
Các tín hiệu này có thể xuyên qua mây, thủy tinh, và nhựa nhưng không thể xuyên
qua phần lớn các đối tượng cứng như núi đá, nhà,…
Tín hiệu L1 chứa 2 mã giả ngẫu nhiên là P (Protected) và C/A ( Coarse/
Acquisistion ). Mỗi vệ tinh sẽ có 1 mã truyền nhất định để thiết bị thu có thể phân
biệt được tín hiệu được gửi đến từ vệ tinh nào, nhằm tính toán khoảng cách từ vệ
tinh tới thiết bị thu.
Tín hiệu GPS chữa 3 thông tin khác nhau : Mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên
văn và dữ liệu lịch. Trong đó:
- Mã giả ngẫu nhiên : Là mã nhận dạng, cho biết dữ liệu GPS này được truyền
18
từ vệ tinh nào.
- Dữ liệu thiên văn : Thông tin cho máy thu biết vệ tinh sẽ ở đâu trên quỹ đạo
vào 1 thời điểm nào đó trong ngày. Mỗi vệ tinh sẽ thông tin vị trí trên quỹ đạo của
vệ tinh đó và những vệ tinh khác trong hệ thống.
- Dữ liệu lịch : Được phát đều đặn bởi mỗi vệ tinh, chứa thông tin về trạng thái
của vệ tinh và ngày giờ hiện tại. Đây là thông tin quan trọng để xác định vị trí.
1.3.1.6 Những nguyên nhân gây ra lỗi và sai số trong các thiết bị định vị GPS
Hệ thống GPS được kế thừa và phát triển trong 1 thời gian dài, nó chứa trong
mình những ưu điểm, đáp ứng những yêu cầu của 1 hệ thống định vị, dẫn đường
hiện đại. Tuy nhiên, qua quá trình sử dụng GPS đã bộc lộ những hạn chế khách
quan và chủ quan của nó, thiết bị thu GPS dân sự thường không cho kết quả chính
xác. Một số nguyên nhân ảnh hưởng, gây ra các lỗi trên hệ thống GPS như sau :
- Tín hiệu vệ tinh đi chậm khi đi xuyên qua tầng khí quyển, gây ảnh hưởng tới
việc tính toán khoảng cách từ thiết bị thu tới vệ tinh.
- Tín hiệu đi nhiều đường.
- Lỗi gây ra do đồng hồ của máy thu : Do các máy thu sẽ không được trang bị

đồng hồ nguyên tử chính xác như trên các vệ tinh.
- Lỗi quỹ đạo ( lỗi thiên văn ) : Nguyên nhân là do các vệ tinh không thông
báo chính xác vị trí hiện tại của vệ tinh.
- Số lượng vệ tinh mà máy thu quan sát được : Khi thiết bị thu quan sát được
càng nhiều vệ tinh thì càng chính xác.
- Do địa hình : Tại các nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện từ, hay đôi khi
là tán lá cây dày đều có thể cản tín hiệu của vệ tinh, gây nên lỗi định vị sai hoặc
không định vị được.
- Che khuất hình học : Do vị trí tương đối của các vệ tinh GPS trong 1 thời
điểm bất kỳ. Điều kiện tốt nhất là khi các vệ tinh tạo thành các góc rộng với nhau.
Trong điều kiện xấu là khi các vệ tinh nằm trên cùng 1 đường thẳng hay đứng thành
các cụm (nhóm) với nhau.
19
- Do hệ thống gây sai số chủ định – SA. Hệ thống này có tác dụng làm giảm đi
tín hiệu GPS, nó được bộ quốc phòng Mỹ áp đặt nhằm ngăn chặn việc các đối thủ
quân sự sử dụng tín hiệu GPS có độ chính xác cao gây bất lợi cho Mỹ. Từ tháng
5/2000, Mỹ đã cho ngừng việc này, điều này đã tăng đáng kể độ chính xác của GPS
dân sự. Tuy nhiên, đây là nguy cơ tiềm tàng cho các hệ thống quân sự/dân sự vì Mỹ
hoàn toàn có thể cho hoạt động lại hệ thống SA bất cứ lúc nào.
Ngoài ra, trong các ứng dụng dân sự, chính phủ Mỹ kiểm soát việc xuất khẩu
các máy thu dân dụng nhằm hạn chế việc sử dụng các máy thu GPS trong việc phát
triển thiết bị dẫn đường cho vũ khí ( Tên lửa đạn đạo, tên lửa hành trình…)
1.3.2 Hệ thống GLONASS – Nga
1.3.2.1 Giới thiệu hệ thống GLONASS
GLONASS – hệ thống định vị toàn cầu của Nga. Việc phát triển hệ thống
GLONASS đã được Liên Xô bắt đầu từ năm 1976.Vệ tinh đầu tiên của GLONASS
được Liên Xô đưa lên quỹ đạo vào ngày 12/10/1982. Sau quá trình xây dựng, ngày
24/9/1993 hệ thống GLONASS chính thức được đưa vào sử dụng. Trong những
năm 2000, dưới nhiệm kỳ của tổng thống Vladimir Putin, chính phủ Nga đã đặt việc
phục hồi và phát triển hệ thống GLONASS lên làm ưu tiền hàng đầu. Kinh phí cho

chương trình GLONASS được tăng lên đáng kể và là chương trình đắt tiền nhất của
cơ quan vũ trụ liên bang Nga. Với những sự đầu tư chú trọng đó, năm 2010
GLONASS đã phủ được 100% lãnh thổ liên bang Nga. Tháng 10/2010 toàn bộ 24
vệ tinh của GLONASS được phục hồi hoàn toàn, đảm bảo có thể bao phủ toàn cầu.
Thiết kế của các vệ tinh GLONASS đã được nâng cấp, phát triển với phiên bản mới
nhất là GLONASS-K.
20
Hình 1.7 Logo chương trình GLONASS
1.3.2.2 Thông số hệ thống GLONASS
Sau đây là bảng liệt kê một số thông tin quan trọng của hệ thống GLONASS:
Bảng 1.2. Thông số cơ bản hệ thống GLONASS
Hạng mục Thông số
Số vệ tinh 28 vệ tinh
Số mặt phẳng quỹ đạo 3MEO
Độ nghiêng mặt phảng quỹ đạo 64.8
o
Bán kính quỹ đạo 25.510 km
Chu kỳ 11 giờ 15 phút 40giây
Sóng mang FSMA, CDMA(2008)
Thời gian chuẩn UTC (Nga)
Thông điệp dẫn đường
Ephemeris Vị trí, tốc độ và gia tốc 3 chiều
Almanac Yếu tố quỹ đạo
Tốc độ truyền dữ liệu BPSK 50bps
Chu kỳ dữ liệu 2 phút 30 giây
Định dạng dữ liệu 100 bit/ string
1.3.2.3 Cấu trúc hệ thống vệ tinh GLONASS
Các vệ tinh hoạt động thuộc hệ thống GLONASS (24 vệ tinh ) được chia
thành 3 nhóm, mỗi nhóm 8 vệ tinh. Hoạt động trên 3 mặt phẳng quỹ đạo. Độ
nghiêng của các mặt phẳng quỹ đạo là 64.8

o
. Bán kính quỹ đạo đạt 25.510 km. Các
vệ tinh hoạt động ở độ cao 19.100 km. Chu kỳ của mỗi vệ tinh đạt 11’15”40.
Ngoài hệ thống các vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo. Hệ thống định vị
21
GLONASS còn bao gồm 1 hệ thống các Trung tâm điều khiển mặt đất và các Trạm
quan sát. Phần lớn các trạm này nằm trong lãnh thổ Liên Xô trước đây, ngoài ra có
1 trạm đặt tại Brazilia, Brazil. Trong đó, trung tâm điều khiển mặt đất và chuẩn hóa
thời gian được mặt tại Moscow. Các trạm quan sát được đặt tại Saint Petersburg,
Ternopol, Eniseisk, và Komsomolsk-na-Amure.
1.3.2.4 Tín hiệu trong hệ thống GLONASS
Trong quá trình chuyển động trên các mặt phẳng quỹ đạo, các vệ tinh định vị
GLONASS sẽ liên tục phát ra các tín hiệu định vị theo 2 dạng: Tín hiệu định vị
chính xác chuẩn Ch ở tần số L1 = 1.6GHz và tín hiệu định vị chính xác cao C ở tần
số L1 và L2 = 1.2GHz.
Trong đó :
Tín hiệu định vị chính xác chuẩn Ch: Hiện được cung cấp rộng rãi cho các ứng
dụng dân sự. Các tín hiệu này hiện được bao phủ trên toàn cầu. Nó được đảm bảo
và liên tục khi các máy thu sử dụng tín hiệu GLONASS. Độ chính xác như sau :
- Các hoành độ với độ chính xác 50 – 70m (độ tin cậy 99.7%).
- Các tung độ với độ chính xác 70m (độ tin cậy 99.7%).
- Các vector thành phần của vận tốc ứng với độ chính xác 15cm/s (độ tin cậy
99.7%).
- Thời gian ứng với độ chính xác 7mcs (độ tin cậy 99.7%).
Độ chính xác của các tín hiêu này có thể được nâng cao nhờ các kỹ thuật định
vị vi phân, các bộ lọc, và sử dụng các phương pháp đo bổ xung.
Tín hiệu định vị chính xác cao C: hiện tại chỉ được sử dụng cho mục đích quân
sự của bộ quốc phòng Nga.
Khi các máy thutín hiệu GLONASS nhận được bảng tin từ ít nhất 4 vệ tinh.
Nó sẽ thực hiện việc tính toán khoảng cách từ thiết bị tới các vệ tinh, tính toán vận

tốc của vệ tinh. Từ đó xác định vị trí hiện tại của thiết bị.
1.3.3 Hệ thống GALILEO – Châu Âu:
22
1.3.3.1 Giới thiệu hệ thống GALILEO
Galileo là một hệ thống định vị vệ tinh đang được xây dựng bởi Liên minh
Châu Âu và Cơ quan vũ trụ Châu Âu. Đây là 1 dự án có giá trị 5 tỉ euro. Nó được
đặt theo tên của nhà thiên văn học người Ý Galileo Galilei nhằm tưởng nhớ tới
những đóng góp của ông. Mục tiêu của dự án là xây dựng hệ thống định vị vệ tinh
có độ chính xác cao cho các quốc gia thuộc Liên minh Châu Âu, khắc phục những
phụ thuộc vào hệ thống định vị, dẫn đường của Mỹ và Nga. Đảm bảo tính chính
xác, liên tục và an toàn cho Liên minh Châu Âu trong trường hợp xảy ra chiến
tranh, xung đột. Theo như dự kiến, vào tháng 2/2014 hệ thống GALILEO bắt đầu
được đưa vào sử dụng thử nghiệm chức năng tìm kiếm và cứu nạn – hoạt động như
một phần của chương trình Cospas – Sarsat hiện hành của quốc tê – với mục tiêu
xác định 77% các vị trí bị nạn trong bán kính 2 km và 95% trong bán kính 5km.
Hình 1.8. Logo chương trình GALILEO
Hình 1.9. Galileo Galilei [1]
Hiện tại hệ thống GALILEO sẽ hoạt động với 2 Trung tâm điều khiển mặt
đất được đặt tại Munich ( Đức ) và Fucino (Ý). Đồng thới, vào tháng 12/2010, Cuộc
họp các bộ trưởng của Liên minh Châu Âu ( tại Brussels – Bỉ) đã đi đến thống nhất
đặt Trụ sở của dự án GALILEO tại Prague ( Cộng hòa Séc ).
Vào ngày 21/10/2010 2 trong số 4 vệ tinh hoạt động chính đã được đưa lên hệ
thống. Ngày 12/10/2012 2 vệ tinh còn lại được đưa lên hệ thống, đánh dấu cột mốc
quan trọng, bắt đầu có thể kiểm tra hệ thống GALILEO end-to-end.Sau khi giai
23
đoạn kiểm tra trên quỹ đạo này hoàn thành, các vệ tinh bổ sung sẽ được đưa lên hệ
thống để đạt được năng lực hoạt động ban đầu vào giữa thập kỷ này. Ngày
12/3/2013 lần đầu tiên người ta xác định được vị trí trên mặt đất dựa vào các bản tin
từ các vệ tinh trong hệ thống GALILEO gửi về. Hệ thống GALILEO khi hoàn
thành sẽ có tất cả 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động thường xuyên và 3 vệ tinh dự

phòng).
1.3.3.2 Thông số hệ thống GALILEO
Sau đây bảng liệt kê một số thông tin quan trọng của hệ thống GALILEO:
Bảng 1.3 Thông số cơ bản hệ thống GALILEO
Hạng mục Thông số
Số vệ tinh 30 vệ tinh
Số mặt phẳng quỹ đạo 3MEO
Độ nghiêng mặt phảng quỹ đạo 56
o
Bán kính quỹ đạo 29.980 km
Chu kỳ 14 giờ 21 phút 36giây
Sóng mang CDMA
Thời gian chuẩn UTC
Thông điệp dẫn đường
Tốc độ truyền dữ liệu QPSK
1.3.3.3 Cấu trúc hệ thống GALILEO
Hệ thống GALILEO được thiết kế hoạt động với 30 vệ tinh trong đó có 27 vệ
tinh hoạt động thường xuyên và 3 vệ tinh được sử dụng cho mục đích dự phòng.
Các vệ tinh này hoạt động trên 3 mặt phẳng quỹ đạo, các mặt phẳng quỹ đạo này
lệch nhau 120
0
theo kinh độ. Độ nghiêng mặt phẳng quỹ đạo lầ 56
0
. Bán kính quỹ
đạo 29.980 km. Trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo bao gồm 9 vệ tinh hoạt động thường
xuyên và 1 vệ tinh dự phòng. Các vệ tinh này sẽ hoạt động ở độ cao 23.222 km với
chu kỳ cho 1 vòng quay quanh trái đất của mỗi vệ tinh sẽ là 14’21”36.
24
Hình 1.10 Vệ tinh thuộc hệ thống GALILEO được phóng vào ngày 21/10/2011 [2]
Hiện tại trong quá trình phát triển hệ thống GALILEO đã hình thành các nhóm

vệ tinh với các mục tiêu và yêu cầu khác nhau :
- Galileo satellite test beds –GIOVE :
Năm 2004, ESA và European Satellite Navigation Industries đã tiến hành thực
hiện thực hiện dự án Galileo System Test Bed Version 1 (GSTB-V1). Dự án này
được thực hiện nhằm mục đích kiểm tra hoạt động của các thuật toán điều khiển
mặt đất cho phép xác định vị trí và đồng bộ thời gian. Từ dự án này, người ta đã đề
ra các muc tiêu nhiệm vụ mà hệ thống GALILEO cần đạt được.Vệ tinh GIOVE – A
Là vệ tinh thử nghiệm đầu tiên, được phát triển bởi Surrey Satellite Technology Ltd
(SSTL). Được phóng thành công vào ngày 28/12/2005. Hoạt động của GIOVE – A
đảm bảo rằng hệ thống GALILEO đáp ứng các yêu cầu về phân bổ tần số trong
vùng tần số cho phép của ITU. Nhiệm vụ này hoàn thành vào tháng 6/2006.
GIOVE – B được phát triển bởi Astrium và Thales Alenia Space. Nó có tải
trọng lớn hơn GIOVE-A và được phóng thành công vào ngày 27/4/2008.
Ngoài ra trong chương trình này còn biên chế thêm một vệ tinh GIOVE-A2
cũng do SSTL sản xuất. Tuy nhiên, nó đã bị cắt giảm do sự ra mắt thành công của
vệ tinh GIOVE-B trong quỹ đạo.
Hoạt động của các vệ tinh GIOVE- A/B cung cấp các kết quả thử nghiệm dựa
trên cá dữ liệu thực tế nhằm giảm thiểu rủi ro cho cá vệ tinh IOV sẽ được phóng khi
25