THIẾT BỊ GPS VÀ ỨNG DỤNG TRÊN BẢN ĐỒ SỐ

Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
Lời cảm ơn
Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy, cô giáo trường Đại
học Công Nghệ, những người đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt bốn năm học
vừa qua tại nhà trường.
Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thăng Long, người
đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại khoa học
điện tử viễn thông – Đại Học Công nghệ, Người đã truyền cho em cách tư duy có hệ
thống, phương pháp nghiên cứu, tiếp cận thực tế - những điều rất quý báu với em
khi ra trường làm việc thực tế.
Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể cán bộ bộ môn Vi cơ điện tử - vi hệ thống
những người đã dẫn dắt và định hướng nghiên cứu cho em trong suốt những năm
qua.
Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới cha mẹ, gia đình em những người đã
sinh thành, nuôi nấng, tin tưởng động viên em. Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè,
đặc biệt là tập thể lớp K49ĐB, những người đã cổ vũ, động viên, chia sẻ với em trong
suốt những năm qua.
Sinh viên thực hiện
Mạc Đăng Huy
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 1
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
MỤC LỤC
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 2
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
LỜI GIỚI THIỆU
Như chúng ta đã biết, hiện nay, công nghệ định vị toàn cầu GPS (Global
Positioning System ) là công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới nói chung
và ở Việt Nam nói riêng. Công nghệ GPS bắt đầu được giới thiệu và ứng dụng vào Việt
Nam từ giữa những năm 1990 nhưng chủ yếu để phục vụ cho việc thu thập số liệu tọa

độ chính xác của các điểm trắc địa gốc để làm cơ sở phát triển các lưới trắc địa cấp thấp
hơn. Trong những năm gần đây, với việc xuất hiện các thiết bị đo GPS cầm tay đơn giản
và giá rẻ, việc ứng dụng công nghệ GPS vào công tác thu thập thông tin vị trí càng trở
nên phổ biến. đặc biệt là khi nó được kết hợp với các công nghệ khác như công nghệ
GIS và hệ thống viễn thông thì thực sự đã mang lại một cuộc cách mạng trong cuộc
sống hiện nay. Dưới đây là một ứng dụng của công nghệ GPS, GIS và công nghệ viễn
thông để tạo nên một hệ thống giám sát các thiết bị di động có gắn thiết bị đo GPS như
quản lý ô tô, taxi, xe bus hay các máy di động … giúp cho nhà quản lý có thể điều hành
và giám sát được công việc của mình một cách hiệu quả. Theo các nhà dự báo, trong
thời gian tới, các thiết bị GPS sẽ ngày càng nhỏ gọn, chính xác tạo điều khiện cho sự
bùng nổ trong việc ứng dụng công nghệ.
Với mục đích nghiên cứu làm chủ công nghệ, trong luận văn này, em tập trung
vào tìm hiểu công nghệ GPS cũng như thử nghiệm xây dựng một hệ thống thu thập
thông tin từ thiết bị GPS và hiển thị lên bản đồ số. Đây là tiền đề cho việc xây dựng một
hệ thống quản lý phương tiện giao thông cũng như hệ thống dẫn đường phương tiện
đường bộ sử dụng công nghệ GPS.
Luận văn được chia làm 3 chương:
• Chương I : Tổng quan về hệ thống GPS
• Chương II: Tổng quan về hệ thống GIS và kỹ thuât xây dựng bản đồ số
• Chương III: Ngôn ngữ lập trình C#
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 3
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS
1.1 Giới thiệu về hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các
vệ tinh nhân tạo. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí bất kỳ trên trái đất nếu xác định
được khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh thì ta có thể tính được tọa độ của vị trí đó.
GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa
Kỳ cho phép mọi người sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch.

Hệ thống GPS
1.2Thành phần cơ bản của hệ thông GPS
Hệ thống định vị GPS bao gồm 3 bộ phận: bộ phận người dùng, bộ phận không
gian và bộ phận điều khiển.
Hình 1.1: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu
1.2.1 Bộ phận người dùng.
Bộ phận người dùng là thiết bị thu tin hiệu GPS và người sử dụng những thiết bị
này. Thiết bị thu tin hiệu GPS là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc biệt. Nó được
thiết kế để thu tín hiệu sóng vô tuyến được truyền từ các vệ tinh và tính toán vị trí dựa
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 4
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
trên thông tin đó. Thiết bị thu tin hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá
cả khác nhau.
Tính chất và giá cả của các Thiết bị thu tin hiệu GPS nói chung lệ thuộc vào chức năng
mà bộ phận thu nhận có ý định. Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải và hàng
không thường sử dụng cho tính năng giao diện với thẻ nhớ chứa bản đồ đi biển. Bộ
phận thu nhận dùng cho bản đồ khả năng chính xác rất cao và có giao diện người sử
dụng cho phép ghi nhận dữ liệu nhanh chóng.
1.2.2 Bộ phận không gian.
Bộ phận không gian gồm các vệ tinh GPS mà nó truyền tin hiệu về thời gian và
vị trí tới bộ phận người dùng. Tập hợp tất cả các vệ tinh này được gọi là “chòm sao”.
Chúng ta có thể xem qua bộ phận không gian của hệ thống GPS:
Hệ thống NAVSTAR của Mỹ gồm 24 vệ tinh với 6 quỹ đạo bay. Các vệ tinh này
hoạt động ở quỹ đạo có độ cao 20.200 km (10,900 nm) ở góc nghiêng 55 độ và với thời
gian 12 giờ/quỹ đạo. Quỹ đạo bay không gian của các vệ tinh được sắp xếp để tối thiểu
5 vệ tinh sẽ được bộ phận người dùng nhìn thấy và bao phủ toàn cầu, với vị trí chính xác
hoàn toàn (position dilution of precision PDOP) của 6 vệ tinh hoặc ít hơn.
Hình 1.2: Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN

Trang 5
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
Mỗi vệ tinh truyền trên 2 dải tần số L, L1 có tần số 1575.42 MHz và L2 có tần số
1227.6 MHz. Mỗi vệ tinh truyền trên cùng tần số xác định. tuy nhiên, tín hiệu mỗi vệ
tinh thì thay đổi theo thời gian đến người sử dụng. L1 mang mã P (precise code) và mã
C/A (coarse/acquisition (C/A) code). L2 chỉ mang mã P (P code).
Thông tin dữ liệu hàng hải được thêm các mã này. Thông tin dữ liệu hàng hải giống
nhau được mang cả 2 dải tần số. Mã P thì thường được mã hoá vì thế chỉ mã C/A thì có
sẵn đến người sử dụng bình thường; tuy nhiên, một vài thông tin có thể nhận được từ
mã P. Khi mã hoá, mã P được hiểu như mã Y. Mỗi vệ tinh có 2 số nhận dạng. Đầu tiên
là số NAVSTAR với nhận dạng trên thiết bị vệ tinh đặc biệt. Thứ hai là số sv (the space
vehicle (sv) number). Số này được ấn định để ra lệch phóng vệ tinh. Thứ ba là số mã ồn
giả ngẫu nhiên (the pseudo-random noise-PRN). Đây chỉ là số nguyên mà nó được sử
dụng để mã tín hiệu từ các vệ tinh đó. Một vài máy ghi nhận nhận biết vệ tinh mà chúng
đang ghi nhận từ mã SV, hoặc mã khác từ mã PRN.
1.2.3 Bộ phận điều khiển.
Bộ phận điều khiển gồm toàn bộ thiết bị trên mặt đất được sử dụng để giám sát
và điều khiển các vệ tinh. Bộ phận này thường người sử dụng không nhìn thấy, nhưng
đây là bộ phận quan trọng của hệ thống GPS. Bộ phận điều khiển NAVSTAR, được gọi
là hệ thống điều khiển hoạt động (operational control system (OCS)) gồm các trạm giám
sát, một trạm điều khiển chính (master control station (MCS)) và anten quay.
Các trạm giám thụ động không nhiều hơn GPS nhận mà đường bay của các vệ tinh được
nhìn thấy và do đó phạm vi tích luỹ dữ liệu từ tín hiệu vệ tinh. Có 5 trạm giám sát thụ
động, toạ lạc ở Colorado Springs, Hawaii, đảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein.
Các trạm giám sát gởi dữ liệu thô về trạm MSC để xử lý.
Trạm MCS được toạ lạc ở Falcon Air Force Base, cách 12 dặm về phía đông của
Colorado Springs, Colorado và được Mỹ quản lý. Trạm MCS nhận dữ liệu từ trạm giám
sát trong thời gian 24 giờ/ngày và sử dụng thông tin này để xác định nếu các vệ tinh
đang khoá hoặc lịch thiên văn thay đổi và để phát hiện thiết bi trục trặc. Thông tin về tàu
thuỷ di chuyển và lịch thiên văn được tính toán từ tín hiệu giám sát và chuyển đến vệ

tinh một lần hoặc hai lần/ngày.
Thông tin tính toán bởi trạm MCS, cùng với các mệnh lệnh duy trì thường xuyên được
truyền bởi anten xoay trên mặt đất. Anten này toạ lạc tại đảo Ascencion, Diego Garcia
và Kwajalein. Anten có đủ phương tiện để truyền đến vệ tinh theo đường liên kết sóng
vô tuyến dải tần S.
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 6
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
Thêm vào đó chức năng chính của trạm MCS duy trì 24 giờ hệ thống bản tin điện tử với
tình trạng và tin tức hệ thống sau cùng. Công dân liên lạc cho vấn đề này với The United
States Coast Guard's (USCG) Navigation Center (NAVCEN).
1.3 Thành phần tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần số rất cao, bao gồm 2 tần số sóng
mang được điều chế bởi 2 loại mã (mã C/A và mã P-code) và thông tin định vị. Hai
sóng mang được phát ra với tần số 1,575.42MHz (sóng mang băng tần L1) và
1,227.60MHz( song mang băng tần L2). Tức là bước sóng xấp xỉ 19cm và 24.4cm.Việc
sử dụng 2 loại sóng mang này cho phép sửa lỗi chính trong hệ thống GPS đó là sự trễ
trong tầng khí quyền, điều này được giải thích rõ ràng hơn trong phần sửa lỗi hệ thống.
Tất cả các vệ tinh GPS phát chung tần số sóng mang L1 và L2, Tuy nhiên mã điều chế
thì khác nhau cho mỗi vệ tinh khác nhau.
Hai loại mã được dùng là mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P-code (precision code).
Mỗi mã bao gồm một nhóm số nhị phân 0 và 1 gọi là các bit. Các mã thông thường
được biết đến là mã PRN - Pseudo Random Noise(mã ồn giả ngẫu nhiên) gọi là như vậy
vì chúng được tao ra một cách ngẫu nhiên và tín hiệu giống như các tín hiệu ồn, nhưng
thực tế chúng được phát ra từ các giải thuật toán học. Hiện nay mã C/A chỉ được điều
chế ở băng tần L1 còn mã P-code được được điều chế ở cả 2 băng tần L1 và L2. Việc
điều chế này gọi là điều chế lưỡng pha vì pha của chúng dịch 180độ khi giá trị mã thay
đổi từ 0 ->1 hay từ 1->0.
Mã C/A là 1 luồng bít nhị phân của 1023 số nhị phân và lặp lại bản thân chúng trong
mỗi giây. Điều này có nghĩa là tốc độ chip của mã C/A là 1.023Mbps. Hay theo cách

khác,chu kỳ của một bit xấp xỉ 1ms hay tương đương với 300m. Việc đo đạc sử dụng
mã C/A là kém chính xác so với mã P-code nhưng nó ít phức tạp và được cung cấp cho
tất cả người sử dụng.
Mã P-code là 1 một chuỗi dài các số nhị phân ,nó lặp lại bản thân nó sau 266 ngày. Nó
cũng nhanh hơn 10 lần so với mã C/A( tốc độ là 10.23MBps). Nhân với thời gian lặp lại
bản thân nó sau 266 ngày để cho ra tốc độ 10.23Mbps suy ra mã P-code là một luồng
gồm 2.35x10
14
chip mã dài 266 ngày được chia ra 38 đoạn;mỗi đoạn là 1 tuần.32 đoạn
được phân chia tới các vệ tinh khác nhau. Mỗi vệ tinh phát ra đoạn 1-tuần của mã P-
code,chúng được khởi tạo vào nửa đêm nằm giữa thứ 7 và chủ nhật hàng tuần. 6 đoạn
còn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác. Mã P-code được thiết kế chủ yếu sử
dụng cho mục đích quân sự. Nó được cung cấp cho người sử dụng vào ngày 31/1/1994.
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 7
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
Ở thời điểm đó mã P-code được mã hóa bằng việc thêm vào nó 1 loại mã W-code. Và
kết quả của việc thêm vào loại mã code này là mã Y-Code và nó có tốc độ chíp giống
với mã P-code.
Hình 1.3 Mô hình tín hiệu GPS khí truyền
1.3.1 Tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh GPS truyền đồng thời 2 dải tần số là L1 và L2 (L1 là 1575,42MHz
, L2 là 1227,60MHz )
Sóng mang của tin hiệu L1 gồm 1 thành phần cùng pha và một thành phần vuông pha.
Thành phần cùng pha là hai pha được điều chế bởi 1 luồng dữ liệu 50bps và một mã
giả ngẫu nhiên được gọi là mã C/A bao gồm 1 chuỗi 1023 chip nối tiếp có chu ky là
1ms và 1 tốc độ xung nhip 1.023MHz.
Thành phần vuông pha cũng là hai pha được điều chế bởi 1 luồng dữ liệu 50bps nhưng
có một sự khác nhau đó là thành phần vuông pha dùng mã giả ngẫu nhiên được gọi là
P-Code, nó có xung nhịp là 10.23MHz và chu kỳ là 1 tuần.

Biểu thức toán học của sóng L1 là:
Trong đó
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 8
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
P1 là công suất của thành phần sóng mang cùng pha
P
Q
là công suất của thành phần sóng mang vuông pha
d(t) là sự điều chế dữ liệu 50bps
c(t) và p(t) tương ứng là những sóng mã C/A và mã giả ngẫu nhiên
L
1
là tần số sóng mang
0 là độ dịch pha
Công suất sóng mang vuông pha P
Q
it hơn xấp xỉ 3db so với P
1
Trái ngược với tín hiệu L1, tín hiệu L2 được điều chế với duy nhất dữ liệu 50bps và
mã p-code
Biểu thức toán học của tín hiệu L2
Hình 1.4 cấu trúc thành phần cùng pha của L1
Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang rồi sau đó được mã hóa theo mã C/A và được
truyền đi.
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 9
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
Hình 1.5 Cấu trúc thành phần vuông pha của tín hiệu L1
Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang rồi sau đó được mã hóa theo mã P-code và

được truyền đi.
Hình 1.4 và hình 1.5 tương ứng trình bày cấu trúc của thành phần cùng pha và thành
phần vuông của tín hiệu L1
1.3.1.1 Thông điệp từ chuỗi dữ liệu 50bps
Chuỗi dữ liệu 50bps chuyên trở thông điệp dẫn đường, nó bao gồm nhiều thông
tin và không giới hạn. nó bao gồm những thông tin sau.
o Dữ liệu vệ tinh Niêm giám. Mỗi vệ tinh truyền dữ liệu trong không gian
được gọi là niêm giám. Nó cho phép người sử dụng tính toán vị trí của
mọi vệ tinh trong chòm sao GPS tại bất ký thời điểm nào. Dữ liệu Niêm
giám không đủ chính xác để xách dịnh vị trí nhưng có thể được cất giữa
trong một thiết bi thu ở đâu đó, nó lưu lại trong vài tháng. Nó chủ yếu
được dung để xác định vệ tinh rõ rang tại 1 vị trí bất kỳ
o Dữ liệu vệ tinh thiên văn. Dữ liệu thiên văn cũng tương tự như dữ liệu
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 10
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
Niêm giác nhưng nó cho phép xác định vị tri với độ chính xác cao hơn,
để cần dược chuyển đổi sự trễ lan truyền trong việc ước lượng vị trí của
người dùng.
o Dữ liệu về thời gian. Chuỗi dữ liệu 50bps bao gồm sự đánh dẫu thời
gian, được sử dụng để thiết lập thời gian truyền dẫn của những điểm
trên tin hiệu GPS. Thông tin này cần xác định được độ chễ về thời gian
lan truyền tín hiệu từ vệ tinh tới người sử dụng
o Dữ liệu trễ do tầng điện ly.
o Thông điệp về tình trạng của GPS
1.3.1.2 Cấu trúc một thông diệp tín hiệu
Thông tin trong thông điệp dẫn hướng có các cấu trúc khung cơ bản.
Hình 1.6 Khung dữ liệu của tín hiệu GPS
Một thông điệp đầy đủ gồm có 25 khung (frame), mỗi khung chứa 1500bit, mỗi 1
khung dữ liệu lại được chia làm các khung con 300bit. Mỗi khung con bao gồm 10 từ

và mỗi từ là 30 bit. Như vậy với tốc độ truyền 50bps nó phải mất 6s để truyền 1 khung
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 11
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
dư liệu con (subframe) và 30s để hoàn thành một khung dữ liệu (frame). Để truyền
hoàn thành 25 khung thông điệp thì yêu cầu cần tới 750s .
1.4 Cách thức làm việc của hệ thống GPS
1.4.1 Hoạt động của GPS
Cơ bản, GPS sử dụng nguyên tắc hướng thẳng tương đối của hình học và lượng
giác học. Mỗi vệ tinh liên tục phát và truyền dữ liệu trong quỹ đạo bay của nó cho tất cả
các chòm sao vệ tinh cộng thêm dữ liệu đến kịp thời và thông tin khác. Do đó, mỗi thiết
bị GPS nhận sẽ liên tục truy cập dữ liệu quỹ đạo chính xác từ vị trí của tất cả vệ tinh có
thể tính toán bằng các vi mạch có trên tất cả các GPS nhận. Từ đó tín hiệu hoặc sóng vô
tuyến di chuyển ở vận tốc hằng số (thường bằng vận tốc ánh sáng – C ), các thiết bị GPS
thu có thể tính toán khoảng cách liên quan từ GPS đến các vệ tinh khác bằng cách máy
thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian mà thiết bị GPS
thu nhận được tín hiệu do các vệ tinh pháp. Độ sai lệch về thời gian cho biết máy thu
GPS ở cách xa vệ tinh bao nhiêu bằng cách lấy khoảng thời gian sai lệch nhân với tốc
độ của sống vô tuyến. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh khác nhau
các thiết bị GPS thu tín hiệu có thể tính được vị trí của thiết bị GPS.
Hình 1.7 Tính khoảng cách từ thiết bị GPS đến các vệ tinh
Tất cả máy thu GPS bắt buộc phải khoá được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để có thể
tính được vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Nếu thiết
bị thu tín hiệu GPS có thể khóa được tín hiệu của bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 12
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
tầm nhìn thì máy GPS có thể tính được vị trí theo ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao).
Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác,
như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới

điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.
Hình 1.8: Thông tin dữ liệu
1.4.2 Ý tưởng định vị của hệ thống GPS
Hình 1.9 Ý tưởng định vị của hệ thống GPS
Theo nguyên tắc thông thường thì để xác định vị trí của 1 vật nào đó ta cần xác
định được khoảng cách của chúng tới các vật chuẩn khác, ví dụ như khi ta lạc đường ,
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 13
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
một người chỉ cho ta biết rằng anh đang cách Hà Nội 15Km, ta chỉ biết được là đang
nằm đâu đó trong trên đường tròn bán kính 50Km quanh Hà nội, nếu 1 người khác bảo
là ta cách Hải Phòng 50Km thì ta xác định được 2 vị trí bằng cách cho 2 đường tròn cắt
nhau, và nếu 1 người khác lại cho ta biết rằng vị trí đó cách Bắc Ninh 10 Km thì ta sẽ
xác định được chính xác vị trí của mình. GPS cũng sử dụng nguyên tắc đó để xác định
vị trí, tuy nhiên trong không gian,3 mặt cầu cắt nhau cho ra 2 điểm, nếu sử dụng trái đất
là mặt cầu thứ tư thì sẽ xác định được vị trí của mình. Tuy nhiên việc sử dụng như vậy
sẽ bỏ qua cao độ vì vậy mà cần 4 vệ tinh để xác định được vị trí chính xác của bạn.
4 vệ tinh đó sẽ cho bạn biết khoảng cách của bạn đến nó bằng công thức quãng đường
bằng thời gian sóng điện từ truyền nhân với vận tốc sóng truyền, mà vận tốc sóng truyền
tính bằng vận tốc ánh sáng và thời gian truyền thì được mã hóa rồi gửi đến máy thu.
1.4.3 Độ chính xác của hệ thống GPS
Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt
động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng
khoá vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ này, thậm
chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Tình trạng nhất định
của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy
thu GPS. Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét.
Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Hệ Tăng Vùng Rộng, Wide Area
Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Không cần
thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có

độ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS
để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch
vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã
sửa lỗi bằng các máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có
máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ.
1.4.4 Những nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS
Hệ thống GPS đã được thiết kế để ngày càng chính xác, tuy nhiên trên thực tế vẫn còn
có những lỗi. Những lỗi này có thể gây ra một sự lệch từ 50 -> 100m từ vị trí máy thu
GPS trên thực tế. sau đây có một vài nguồn lỗi được bàn tới:
a) Điều kiện khí quyển
Cả tầng điện ly lẫn tầng đối lưu đều khúc xạ những tín hiệu GPS. Nó gây ra sự thay
đổi về tốc độ của tín hiệu trong tầng điện ly và tầng đối lưu khác so với tốc độ tín
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 14
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
hiệu GPS trong không gian. Bởi vì vậy, khoảng cách tính toán bằng “tốc độ x thời
gian” sẽ khác nhau.
b) Lỗi do sự giao thoa tín hiệu GPS
Do sự phản xạ từ các vật cản làm cho tin hiệu GPS giao thoa với nhau làm cho
các thiết bị thu GPS sẽ thu được tín hiệu lỗi.
Hình 1.10 Lỗi do giao thoa tin hiệu GPS
c) Lỗi do sự di chuyển của thiết bị GPS.
Do trong qua trình thu tín hiệu GPS các thiết bị GPS di chuyển sẽ xảy ra sai số cỡ
khoảng 5 -> 15m. là do có độ trễ xảy ra trong qua trình truyền giữa vệ tinh và thiết bị
GPS do vậy tuy theo tốc độ di chuyển của máy thu GPS mà sai số giữa vị trí nhận được
và vị trí thực tế của máy thu GPS là bao nhiêu nhưng cỡ khoảng 5 -. 15 m.
1.5 Chuẩn NMEA
1.5.1 Giới thiệu về chuẩn NMEA
Hiệp hội điện tử biển quốc gia Mỹ (NMEA – The National Marine Electronics
Association) đã xây dựng lên một chuẩn để định nghĩa chuẩn giao tiếp giữa các bộ phận

Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 15
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
khác nhau của thiết bị điện tử biển. Chuẩn này cho phép các thiết bị điện tử biển gửi
thông tin về máy vi tinh, và tới một thiết bị biển khác.
Thiết bị truyền thông thu GPS cũng được định nghĩa theo chuẩn này. Hầu hết các
chương trình máy vi tính được cung cấp để hiểu được thông tin vị trí hiện tại và nhận dữ
liệu dưới dạng chuẩn NMEA. Dữ liệu này bao gồm toàn bộ PTV (vị trí, tốc độ và thời
gian) bởi thiết bị thu GPS tính toán được. Ý tưởng của NMEA là sẽ gửi một gói dữ liệu
gọi là một đoạn mã. Đoạn mã này hoàn toàn độc lập và riêng rẽ so với các đoạn mã
khác. Có những đoạn mã chuẩn cho mỗi một thiết bị và cũng có khả năng định nghĩa
những đoạn mã cho người dùng bởi các công ty riêng lẻ. Tất cả những đoạn mã chuẩn
này phải có hai chữ cái thêm vào đầu để định nghĩa kiểu đoạn mã sử dụng, ví dụ thiết bị
thu GPS thêm vào đâu là GP. Tiếp theo là ba chữ cái nối tiếp để định nghĩa nội dung
đoạn mã. Thêm vào đó chuẩn NMEA cho phép những nhà sản xuất tự định nghĩa những
đoạn mã sở hữu riêng cho mình nhằm bất kỳ mục đích nào mà thấy chúng thích hợp.
Tất cả các đoạn mã được sở hữu đều bắt đầu với chữ cái P và tiếp theo là ba chữ cái để
nhận biết nhà sản xuất tạo ra đoạn mã đó. Ví dụ một đoạn mã của Garmin sẽ bắt đầu với
PGRM và Magellan sẽ bắt đầu với PMGN. Mỗi đoạn mã bắt đầu với một ký tự ‘$’ và
kết thúc với một ký tự ‘$’ trên một hàng nối tiếp và không thể lớn hơn 80 ký tự. Dữ liệu
được chứa đựng bên trên một hàng với những kiểu khác nhau được phân biệt bởi dấu
phẩy. Dữ liệu của nó chỉ là dạng mã ASCII và có thể mở rộng qua nhiều đoạn mã khác
nhau trong những thể hiện riêng nhưng bình thường thì hoàn toàn được chứa trong độ
dài đoạn mã. Dữ liệu có thể thay đổi trong số lượng của thông báo chính xác chứa đựng
bên trong, ví dụ: thời gian có thể tăng lên đến nhưng phần 10 của 1 giây hoặc vị trí có
thể chỉ ra với 3 hoặc 4 số sau số thập phân. Những chương trình đọc dữ liệu sẽ sử dụng
những dấu phẩy để xác định những ranh giới các lĩnh vực và không phụ thuộc vào vị trí
cột. Có một sự chuẩn bị để kiểm tra tổng thể vào lúc cuối ở mỗi đoạn lệnh, mà cũng có
thể hoặc có thể không được kiểm tra bởi tùy vào cách đọc dữ liệu. Tổng kiểm tra bao
gồm một ký tự ‘*’ và hai số hex đại diện 1 phép OR 8 bit của tất cả những ký tự giữa,

nhưng không bao gồm, ký tự ‘$’ và ‘*’. Kiểm tra được yêu cầu trên một vài đoạn mã.
So với những chuẩn cũ, chuẩn hiện nay đã có nhiều thay đổi. Nhưng với GPS mức thay
đổi chỉ là 1,5 và 2.0 hoặc 2,3. Những thay đổi này chỉ chỉ ra một vài mô hình đoạn mã
khác nhau nhưng vẫn khớp với những thiết bị mà nó đang tương tác. Một số GPS có thể
cung cấp khả năng định dạng cấu hình một Nhiều thiết bị thu GPS đơn giản chỉ xuất
một chuỗi đoạn mã cố định. Người sử dụng không thể thay đổi những mẫu đoạn mã
này. Phiên bản hiện nay là tiêu chuẩn 3.0.1.
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 16
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
1.5.2 Ghép nối phần Cứng theo chuẩn NMEA
Giao diện phần cứng (hardware interface) của các GPS được thiết kế nhằm đáp
ứng yêu cầu theo chuẩn NMEA. Chúng cũng tương thích với hầu hết cổng nối tiếp của
máy tính, sử dụng giao thức RS232, tuy nhiên nghiêm túc mà nói, tiêu chuẩn NMEA
không phải là RS232. Chúng chỉ giống EIA-422. Tốc độ kết nối có thể điều chỉnh theo
một số mẫu nhưng theo tiêu chuẩn NMEA là 4800 bit/giây với 8 bít dữ liệu, không bít
chẵn lẻ và có 1 bít dừng (bit stop). Tất cả các đơn vị hỗ trợ NMEA thì cũng sẽ hỗ trợ tộc
độ kết nối này. Nên nhớ rằng, với tốc độ 4800 bit/giây, bạn có thể dễ dàng gửi đủ dữ
liệu trước khi hết 2 giây.
Chính vì lý do này, một số đơn vị chỉ gửi thông tin cập nhập trong 2 giây một lần hoặc
chuyển dữ liệu mỗi giây một lần trong khi vẫn bảo đảm dữ liệu khác cũng sẽ được gửi
đi trong thời gian đó. Thêm vào đó, một số đơn vị có thể gửi dữ liệu trong vài giây khi
những đơn vị khác gửi dữ liệu đã thu thập chính trong giây phút nó được gửi. Nói chung
thời gian truyền đi trong từng trường chỉ trong vài giây, do vậy khá dễ dàng để chỉ ra
GPS nào đang hoạt động. Một số đoạn mã có thể được gửi đi chỉ trong một khoảng thời
gian đặc biệt của thiết bị thu như vậy trong khi một đường truyền mà các thiết bị gửi
khác luôn gửi các đoạn mã và chỉ vô hiệu hóa ở ngoài những giá trị. Sự khác nhau sẽ
được chú ý trong phần miêu tả kiểu dữ liệu riêng biệt được định nghĩa ở phần sau.
Với tốc độ 4800 bit/ giây, bạn có thể gửi 480 ký tự trong một giây. Khi một đoạn mã
NMEA bao gồm 82 ký tự, có thể rút thành 6 đoạn mã khác nhau. Trong thực tế hạn chế

này tuỳ thuộc vào từng đoạn mã cụ thể. Tuy nhiên để từ đó thấy được rằng dễ dàng có
thể vượt quá con số trên nếu bạn muốn đoạn mã trả lời nhanh. NMEA được thiết kế để
hoạt động như một quá trình trong vai trò tạo các đoạn mã nền lối ra, và giữ đoạn mã lại
khi cần thiết bằng chương trình. Một số chương trình không thể làm như vậy, tuy nhiên
nhưng chúng sẽ lấy một dòng dữ liệu làm mẫu, sau đó sử dụng dữ liệu này để hiển thị
trên màn hình và sau đó lại lấy mẫu dữ liệu
Tuỳ vào từng lượng thời gian cụ thể, có thể là 4 giây để chuyển dữ liệu. đối với một số
ứng dụng, điều này có thể chấp nhận được, nhưng với nhiều ứng dụng khác lại không.
Ví dụ một chiếc xe hơi di chuyển trong 1h thì một giây nó đi được quãng đường 88 feet.
Chậm vài giây có thể khiến cho toàn bộ hệ thống không hoạt động và mất lượt.
Tiêu chuẩn NMEA đã được ứng dụng trong nhiều năm, từ năm 1983 và đã qua nhiều
lần chỉnh sửa. Giao thức đã thay đổi và số lượng cũng như các loại đoạn mã có thể khác
nhau tuỳ thuộc vào từng phiên bản chỉnh sửa. Hầu hết thiết bị thu GPS đều theo tiêu
chuẩn 0138 phiên bản 2 với tốc độ truyền tải là 4800 bit/ giây. Một số thiết bị thu khác
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 17
Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp
cũng theo những thông số của các phiên bản cũ hơn. Phiên bản lâu đời nhất là 0180, tiếp
đó là 0182 với tốc độ truyền tải là 1200 bit/giây. Tiếp đó là 0183 gọi là phiên bản 1.5.
Một số đơn vị Garmin và các loại khác có thể cài đặt lên tới 9600 hoặc thậm chí cao hơn
cho thiết bị đầu ra của NMEA. Nhưng đó chỉ là tham khảo nếu bạn chắc chắn 4800 hoạt
động tốt, bạn có thể thử cài với tốc độ nhanh hơn. Việc cài đặt để đạt tốc độ nhanh như
mong muốn, đòi hỏi phải nâng cấp khả năng đáp ứng của chương trình.
Để sử dụng giao diện phần cứng, bạn cần một dây cáp. Thông thường dây cáp này khác
so với mô hình phần cứng vì vậy bạn sẽ cần một dây cáp riêng biệt cho các sản phẩm và
khối mô hình bạn sử dụng. Một số máy tính mới nhất không sản xuất kèm theo cổng
tiếp nối ngoại trừ một cổng USB. Hầu hết những thiết bị thu GPS sẽ làm việc với cổng
nối tiếp từ bộ chuyển đổi USB và cổng nối tiếp được gắn thông qua PC-Card chuyển
đổi. Thí dụ NMEA thông thường sử dụng với một thiết bị thu nhận GPS bạn sẽ chỉ cần
2 dây trong cáp truyền, dữ liệu ra từ GPS và đất.

Dây thứ 3, đầu vào dữ liệu, sẽ phải dùng đến nếu muốn thiết bị thu cho phép dữ liệu đi
vào dây cáp đó để tải một điểm hoặc gửi dữ liệu DGPS tới thiết bị thu.
Thiết bị thu GPS có thể sử dụng để giao tiêp với thiết bị theo chuẩn NMEA khác như
máy lái tự động hoặc những thết bị thu GPS khác. Chúng có thể cảm nhận những thiết
bị nhận tín hiệu riêng biệt, những thiết bị này có khả năng gửi dữ liệu sử dụng tiêu
chuẩn RTCM SC-104. Dữ liệu này phù hợp với những yêu cầu phần cứng theo yêu cầu
của dữ liệu lối vào theo chuẩn NMEA. Không có đường bắt tay giành riêng định nghĩa
cho chuẩn NMEA.
1.5.3 Các đoạn mã theo chuẩn NMEA
NMEA bao gồm nhiều đoạn mã, từ đầu tiên trong đoạn mã gọi là loại dữ liệu,
định hướng cách hiểu cho toàn bộ đoạn mã. Mỗi loại kiểu dữ liệu có một cách hiểu
riêng và đã được quy định trong tiêu chuẩn NMEA. Đoạn mã GGA là ví dụ chứng minh
dữ liệu cố định cần thiết. Những đoạn mã khác có thể lặp lại một vài thông tin mẫu
giống nhau nhưng đều cung cấp cả dữ liệu mới. Bất kể thiết bị hay chương trình nào đọc
dữ liệu đều có thể tìm kiếm đoạn mã dữ liệu mà nó cần và bỏ qua những đoạn mã khác
mà nó không quan tâm. Theo chuẩn NMEA, không có lệnh nào chỉ quy định GPS nên
thực hiện chức năng nào khác. Thay vào đó các thiết bị thu chỉ gửi toàn bộ dữ liệu và dự
kiến nhiều dữ liệu trong số đó sẽ bị bỏ qua. Một số thiết bị thu đặt lệnh bên trong một
đơn vị, quy định 1 khối có thể chọn lựa một lượng nhỏ trong số tất cả các đoạn mã hoặc,
trong một số trường hợp, thậm chí các đoạn mã độc lập để gửi đi. Không có cách nào
xác định điều ngược lại với nó như để xác định liệu đoạn mã có được đọc đúng hay
Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN
Trang 18