Hệ thống định vị vệ tinh GPS

Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
LỚI NÓI ĐẦU
GPS không còn xa lạ tại Việt Nam. Đặc biệt với cở vật chất cũng như sự phát triển
chóng mặt của mạng viễn thông với cột mốc phóng vệ tinh Vinashat1 thì những đòi hỏi
của GPS càng ngày càng trở lên đơn giản.
Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô tô bóng láng, trên xe ô tô có trang bị
thiết bị dẫn đường GPS (GPS navigator) chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của xe
mình hiện trên màn hình có bản đồ điện tử trong hệ thống đường xá phức tạp. Vậy thiết bị
dẫn đường GPS trên xe ô tô có nguyên lý hoạt động như thế nào?
Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý hoạt động của Hệ thống định vị toàn cầu
(Global Positioning System, viết tắt là GPS) hoặc tên gọi mới ưa dùng hơn Hệ thống vệ
tinh dẫn đường toàn cầu
Trên thế giới khái niệm GPS đã tồn tại khá lâu và đã được áp dụng rất rộng rãi
không chỉ trong quân sự mà trong rất nhiều mặt của đời sống. Vì thế nghiên cứu tìm hiểu
và ứng dụng công nghệ này vào điều kiện cụ thể Việt Nam là điều hoàn toàn thiết thực, đặc
biệt trong lĩnh vực giao thông.
Ý tưởng làm đề tài này của em được Kỹ sư Đỗ Minh Hiền, cựu sinh viên Bách
Khoa gợi ý. Sau một thời gian tìm hiểu em cảm thấy rất thích và quyết định lấy nó làm đồ
án tốt nghiệp ra trường của mình. Và quá trình thực tập tốt nghiệp 2 tuần cũng là lúc em
càng quyết tâm theo đuổi đề tài này.
Hy vọng dưới sự giúp đỡ của thầy Bùi Minh Cường cùng các thầy cô trong khoa em
sẽ hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này.
Hà nội, Ngày 01 tháng 02 năm 2010
Sinh viên: Đinh Tiến Đức
Lớp: Công nghệ phần mềm B – K47
Mã sinh viên: 0603692
1. Giới thiệu về GPS
- 1 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
(The Global Positioning System (GPS)) là
một chuẩn chung cho hệ thống định vị nhờ vệ tinh

(Global Navigation Satellite System(GNSS) ), được
phát triển bởi bộ quốc phòng Hoa kỳ. Là chuẩn định
vị nhờ vệ tinh với đầy đủ chức năng trên thế giới.
GPS sử dụng một nhóm từ 24 đến 32 vệ tinh bay ở
quỹ đạo Medium Earth Orbit (MEO 2000km đến
35,768km) quanh trái đất phát tín hiệu sóng tới các
các thiệt bị thu GPS nhằm xác định chính xác vị trí
máy thu GPS, thời gian và vận tốc của chúng. Cơ
quan của GPS là NAVSTAR GPS. Nhóm vệ tinh GPS
được quản lý bởi United States Air Force 50
th
Space
Wing. GPS thường được sử dụng trong dân sự như
một hệ thông định vị, điều hướng.
Sau khi chuyến bay 007 từ Hàn Quốc bị bắn hạ vào năm 1983 vì bay vào vùng cấm
bay của USSR, tổng thống Ronald Reagan đưa ra chỉ thị sử dụng GPS cho dân sự như một
tiện ích chung. Từ khi đó, GPS được sử dụng rộng rãi hỗ trợ định vị toàn cầu, và là một
công cụ hữu dụng cho thiết kế bản đồ, đo đạc vùng đất, công thương, khoa học và trở
thành tiện ích cá nhân. Tham chiếu thời gian chính xác được sử dụng trong nhiều ứng dụng
bao gồm nghiên cứu khoa học về động đất. GPS yêu cầu đồng bộ tài nguyên của các mạng
lưới đối tượng, như giao tiếp không dây Qualcomm CDMA sử dụng bới các thiết bị không
dây trong các quốc gia.
Hệ thống định vị vệ tinh đầu tiên, Transit, được sử dụng bởi hải quân Mỹ, là thử
nghiệm thành công đầu tiên vào năm 1960. Sử dụng một nhóm 5 vệ tinh, nó có thể cung
cấp một định vị trong xấp xỉ một giờ đồng hồ. Năm 1967, hải quân Mỹ phát triển vệ tinh
Timation chứng minh khả năng đặt giờ chính xác trong vũ trụ. Năm 1970, hệ thống định vị
vận tốc góc, dựa trên việc so sánh các giai đoạn của tín hiệu, trở thành hệ thống định vị
radio toàn cầu đầu tiên. Thiết kế của GPS một phần tương tự như hệ thống định vị radio,
như LORAN và Decca Navigator phát triển vào đầu năm 1940, và được sử dụng trong suốt
đại chiến thế giới lần thứ 2. Thêm vào đó là cuộc chạy đua công nghệ khi Liên Xô thống

nhất và cho phóng Sputnik đầu tiên vào năm 1957. Một đội các nhà khoa học của Mỹ đứng
đầu là Dr. Richard B. Kershner đã quan sát và kiểm tra sự truyền tín hiệu radio của
Sputnick. Họ đã tìm ra nhờ tác động Doppler. Sự liên tục của tín hiệu được truyền từ
Sputnik thì cao hơn khi tiến gần đến vệ tinh và thấp hơn khi nó tiếp tục xa họ. Họ tiến hanh
việc này từ khi họ biết vị trí chính xác vị trí của họ trên địa cầu. Họ có thể định vị nơi mà
vệ tinh tiến đến. Quỹ đạo của nó được đo bởi biến đổi Doppler.
Niên biểu lịch sử phát triển GPS
Thời gian Sự kiện
Thập niên 1920s Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến
- 2 -
Hệ thống GPS
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
Đầu Đại chiến thế
giới thứ 2
LORAN, hệ thống dẫn đường áp dụng phương pháp đo độ lệch thời
gian của tín hiệu sóng vô tuyến, do Phòng thí nghiệm Bức xạ Đại học
MIT (MIT Radiation Laboratory). LORAN cũng là hệ thống định vị
trong mọi điều kiện thời tiết thực sự đầu tiên, nhưng hai chiều (vĩ độ
và kinh độ).
1957
Vệ tinh Sputnik của Nga được phóng lên vũ trụ. Đại học MIT cho rằng
tín hiệu vô tuyến điện của vệ tinh có thể tăng lên khi chúng tiếp cận
trái đất và giảm đi khi rời khỏ trái đất và do vậy có thể truy theo vị trí
từ mặt đất
1959
TRANSIT, hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh hoạt động đầu tiên, do
Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng Johns Hopkins phát triển dưới sự
chỉ đạo của TS Richard Kirschner. Mặc dù khởi đầu Transit được chế
tạo để hỗ trợ cho đội tàu ngầm của Mỹ nhưng những công nghệ này đã
được phát triển có ích trở thành Hệ thống định vị toàn cầu. Vệ tinh

Transit đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào năm 1959.
1960
Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian ba chiều (kinh độ, vị độ và độ
cao longitude, latitude and altitude) đầu tiên do Raytheon Corporation
đề xuất theo yêu cầu của Air Force để làm hệ thống dẫn đường sẽ được
sử dụng với (with a proposed ICBM) có thể đạt tới độ lưu động bằng
chạy trên một hệ thống đường ray. Hệ thống dẫn đường được trình bày
là MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control). Ý tưởng
này bị hỏng khi chương trình Mobile Minuteman bị hủy bỏ vào năm
1961
1963
Tổng công ty Aerospace Corporation thực hiện nghiên cứu về hệ thống
không gian làm cơ sở cho hệ thốn dẫn đường cho phương tiện chuyển
động nhanh theo ba chiều không gian. Việc nghiên cứu này trực tiếp
dẫn tới khái niệm về hệ thống định vị toàn cầu. Khái niệm liên quan
đến việc đo thời gian tới của tín hiệu sóng vô tuyến được phát đi từ vệ
tinh có vị trí chính xác đã biết. Đo thời gian sẽ cho khoảng cách tới vị
trí vệ tinh đã biết và lần lượt có thể xác định được vị trí của người sử
dụng.
1963
Air Force bắt đầu hỗ trợ nghiên cứu của Aerospace, chỉ định nghiên
cứu này bằng Dự án Hệ thống 621B. Khoảng năm 1972, chương trình
này đã biểu diễn hoạt động của một loại tín hiệu xác định khoảng cách
vệ tinh mới dựa trên tiếng ồn ngẫu nhiên giả tạo (PRN, pseudo random
noise).
1964
Timation, hệ thống vệ tinh hải quân, được phát triển dưới sự chỉ đạo
của Roger Easton ở Phòng nghiên cứu Hải quan (Naval Research Lab,
NRL) để cải thiện đồng hồ có tính ổn định cao, khả năng truyền thời
gian, và dẫn đường 2 chiều. Hoạt động của Timation theo tiêu chuẩn

thời gian chuẩn vũ trụ đã cung cấp cơ sở quan trọng cho hệ thống định
vị toàn cầu. Vệ tinh Timation đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào tháng
5 năm 1967.
- 3 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
1968
Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD, Department of Defence, USA) thành lập
một ủy ban gọi là Ủy ban Thự hiện Vệ tinh Dẫn đường (NAVSEC,
Navigation Satellite Executive Committee) để phối hợp nỗ lực của các
nhóm dẫn đường vệ tinh (Transit của Hải quân, Chương trình
Timation, và SECOR của Quân đội, hay còn gọi là Hệ thống đồng
tương quan khoảng cách chuỗi (Sequential Correlation of Range
System). NAVSEC ký hợp đồng một số nghiên cứu để làm sáng tỏ
khái niệm dẫn đường vệ tinh cơ bản. Những nghiên cứu này về một số
vấn đề chính xung quanh khái niệm như lựa chọn tần số sóng mang
(dải L đối lập với dải C), thiết kế cấu trúc tín hiệu, và lựa chọn định
hình quỹ đạo vệ tinh.
1969-1972
NAVSEC quản lý các thảo luận khái niệm giữa các nhóm dẫn đường
vệ tinh khác nhau. APL Hải quân ủng hộ nhóm Transit mở rộng, trong
khi NRL Hải quân ủng hộ cho Timation mở rộng, còn Air Force thì
ủng hộ cho “chòm sao đồng bộ mở rộng”, tức dự án ‘Hệ thống 621B’.
Tháng 4 năm 1973
Thứ trưởng Bộ Quốc phòng quyết định thiết lập một chương trình hợp
tác ba dịch vụ để thống nhất những khái niệm khác nhau về định vị và
dẫn đường thành một hệ thống Bộ quốc phòng hỗn hợp gọi là Hệ
thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (Defense Navigation Satellite
System). Air Force được chỉ định làm người quản lý (điều hành)
chương trình. Hệ thống mới được phát triển qua văn phòng chương
trình kết hợp (joint program office), với sự tham gia của tất cả quan

chủng quốc phòng. Đại tá Brad Parkinson được chỉ định làm người chỉ
đạo văn phòng chương trình kết hợp và được đặt trọng trách phát triển
kết hợp khái niệm ban đầu về hệ thống dẫn đường dựa trên không gian
(space-based navigation system)
Tháng 8 năm 1973
Hệ thống đầu tiên được trình bày tới Hội đồng Thu nhận và Thẩm định
Hệ thống Quốc phòng (Defense System Acquisition and Review
Council, DSARC) bị từ chối thông qua. Hệ thống được trình lên
DSARC được gói gọn trong Hệ thống 621B của Air Fore và không đại
diện cho chương trình kết hợp. Mặc dù có người ủng hộ ý tưởng của
hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh mới nhưng Văn phòng Chương
trình Kết hợp đã được thúc đẩy khẩn trương tổng quát hóa khái niệm
bao gồm xem xét và yêu cầu tất cả các binh chủng quốc phòng.
17/12/1973
Một khái niệm mới được trình tới DSARC và được thông qua để thực
hiện và cấp kinh phí là hệ thống NAVSTAR GPS, đánh dấu khởi đầu
công nhận khái niệm (ý tưởng) (Giai đoạn I của chương trình GPS).
Khái niệm mới thực sự là một hệ thống dàn xếp (thỏa hiệp –
compromise system) do Đại tá Parkinson thương lượng đã kết hợp tốt
nhất giữa tất cả những khái niệm và công nghệ dẫn đường vệ tinh có
sẵn. Cấu hình hệ thống được thông qua bao gồm 24 vệ tinh chuyển
động trong những quỹ đạo nghiêng chu kỳ 12 giờ đồng hồ.
Tháng 6 năm 1974 Hãng Rockwell International được chọn làm nhà cung cấp vệ tinh cho
- 4 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
chương trình GPS.
Ngày 14 tháng 7
năm 1974
Vệ tinh NAVSTAR đầu tiên được phóng lên vũ trụ. Vệ tinh này được
chỉ định là Vệ tinh Công nghệ Dẫn đường (NTS) số 1, về cơ bản đây là

vệ tịnh Timation tân trang lại do NRL đóng. Vệ tinh thứ hai (là vệ tinh
cuối cùng) của nhóm NTS được phóng vào năm 1977. Những vệ tinh
này được sử dụng cho việc đề xuất đánh giá khái niệm (ý tưởng) và
thực hiện những đồng hồ nguyên tử đầu tiên đã được phóng vào trong
không gian (vũ trụ).
1977 Thực hiện kiểm tra thiết bị người sử dụng ở Yuma, Arizona.
22/2/1978
Vệ tinh Block I đầu tiên được phóng. Toàn bộ 11 vệ tinh Block I được
phóng trong khoảng thời gian 1978 và 1985 trên Atlas-Centaur. Những
vệ tinh Block I do Rockwell International xây dựng được coi là những
vệ tinh mẫu phát triển được dùng để kiểm tra hệ thống. Bị mất một vệ
tinh do phóng trượt.
26/4/1980
Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng Hệ thống
phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp (Integrated Operational
Nucluear Detonation Detection System (IONDS) sensors).
1982
Bộ Quốc phòng thông qua quyết định giảm số vệ tinh của chòm vệ tinh
GPS từ 24 xuống 18 tiếp theo sau tái cấu tạo lại chương trình chính do
Quyết định 1979 của Văn phòng Thư ký Bộ Quốc phòng gây ra để cắt
giảm kinh phí 500 triệu đô la (khoảng 30%) từ ngân sách cho giai đoạn
năm tài chính FY81-FY86.
14/7/1983
Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ hạt
nhân (NDS) mới hơn
16/9/1983
Theo (the Soviet downing of Korean Air flight 007), tổng thống
Reagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay dân dụng hoàn
toàn miễn phí khi hệ thống đưa vào sử dụng. Sự kiện này đánh dấu sự
bắt đầu lan tỏa công nghệ GPS từ quân sự sang dân sự.

Tháng tư 19985
Hợp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao cho JPO.
Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển cũng như lựa chọn sản
xuất các máy thu GPS dùng cho máy bay, tàu thủy và máy thu xách tay
(gọn nhẹ).
1987
Bộ Quốc phòng chính thức yêu cầu Bộ Giao thông (Department of
Transport, DoT) có trách nhiệm thiết lập và cung cấp một văn phòng
đáp ứng nhu cầu người sử dụng dân sự về thông tin GPS, dữ liệu và hỗ
trợ kỹ thuật. Tháng 2 năm 1989, Coast Guard có trách nhiệm làm đại
lý hướng dẫn Dịch vụ GPS Dân sự (civil GPS service).
1984
Khảo sát trở thành một thị trường GPS thương mại đầu bảng được
nâng cánh! Để bù cho số vệ tinh giới hạn có sẵn trong quá trình phát
triển chòm vệ tinh, các nhà khảo sát đã chuyển qua số kỹ thuật nâng
cao độ chính xác bao gồm kĩ thuật GPS Vi phân (DGPS) và kỹ thuật
truy theo pha sóng mang (carrier phase tracking)
- 5 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
3/1988
Thư ký Air Force thông báo về việc mở rộng chòm GPS tới 21 vệ tinh
cộng thêm 3 vệ tinh dự phòng
14/2/1989
Vệ tinh đầu tiên của các vệ tinh Block II đã được phóng từ Cape
Canaveral AFT, Florida, trên dàn phóng Delta II (Delta II booster). Phi
thuyền con thoi (Space Shuttle) làm bệ phóng theo kế hoạch cho các vệ
tinh Block II được Rockwell Intenational đóng. Tiếp theo tai nạn
Challenger 1986, Văn phòng Chương trình Kết hợp (JPO) xem xét lại
và đã sử dụng Delta II làm bệ phóng vệ tinh GPS. SA (Selective
Availabity) và AS (Anti-spoofing.

21/6/1989
Hãng Martine Marietta (sau khi mua xong General Electric Astro
Space Division vào năm 1992) được thắng hợp đồng xây dựng 20 vệ
tinh bổ sung (Block IIR). Chiếc vệ tinh Block IIR đầu tiên sẵng sàng
để phóng vào cuối năm 1996.
1990
Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hàng đầu thế
giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm ban đầu.
25/3/1990
DoD theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến Liên bang, lần đầu tiên khởi
động (kích hoạt) SA (Selective Availability) làm giảm độ chính xác
dẫn đường GPS có chủ định.
8/1990
SA được tắt đi trong chiến tranh vịnh Ba tư (Persian Gulf War). Những
yếu tố đóng góp vào quyết định tắt SA bao gồm việc phủ sóng ba
chiều có giới hạn được chòm NAVSTAR cung cấp trong quỹ đạo vào
thời gian đó và sớ máy thu mã số chính xác (Precision (P)-code) trong
bản kiểm kê của DoD. DoD đã mua hàng nghìn máy thu GPS dân dụng
ngay sau đó không lâu đã dùng cho lực lượng liên minh trong cuộc
chiến tranh.
1990-1991
GPS được các lực lượng liên minh dùng lần đầu tiên trong điều kiện
chiến tranh trong Chiến tranh Vịnh Ba Tư. Sử dụng GPS cho Bão Sa
Mạc Hoạt Động (Operation Desert Storm) chúng minh là cách sử dụng
chiến thuật thành công đầu tiên của công nghệ không gian trong giới
hạn thiết trí hoạt động.
29/8/1991 SA được kích hoạt lại sau Chiến tranh Vịnh Ba Tư.
1/7/1991
Mỹ đã cho phép cộng đồng thế giới sử dụng dịch vụ định vị tiêu chuẩn
(SPS) GPS bắt đầu từ năm 1993 trên cơ sở liên tục và miển phí trong

vòng ít nhất 10 năm. Lời đề nghị này được thông báo trong Hội nghị
Dẫn đường Hàng không lần thứ 10 (the 10
th
Air Navigation
Conference) của Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO,
International Civil Aviation Organization).
5/9/1991
Mỹ mở rộng lời đề nghị 1991 vào Hội nghị thường niên ICAO bằng
cách cho phép thế giới sử dụng SPS trong tương lai, việc này phụ
thuộc vào việc có đủ vốn, cung cấp dịch vụ này tối thiểu 6 năm có
thông báo trước về việc chấm dứt hoạt động GPS hoặc xóa bỏ SPS.
8/12/1992 Bộ Trưởng Bộ Quốc phòng chính thức thông báo Khả năng hoạt động
- 6 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
đầu tiên của GPS, có nghĩa là 24 vệ tinh trên quỹ đạo hệ thống GPS
không còn là hệ thống đang triển khai nữa mà GPS đã có khả năng duy
trì độ chính xác ở mức độ sai số 100 mét và có sẵn trên toàn cầu liên
tục cho người sử dụng SPS như đã hứa.
17/2/1994
Người quản trị FAA David Hinson thông báo GPS là một hệ thống dẫn
đường đầu tiên đã được thông qua để sử dựng làm phương tiện hỗ trợ
dẫn đường độc lập cho tất cả các phương tiện bay thông qua tiếp cận
không chính xác (nonprecision approach).
6/6/1994
Người quản trị FAA David Hinson thông báo ngừng phát triển Hệ
thống Hạ cánh Vi sóng (MLS) cho việc hạ cánh Loại II và III.
11/1994
Hãng Orbital Sciences, một nhà sản xuất tên lửa và vệ tinh hàng đầu
thế giới đồng ý mua hãng Magellen Corp., một nhà sản xuất máy thu
GPS cầm tay ở California bằng trao đổi chứng khoán trị giá 60 triệu đô

la Mỹ, mang lại cho Orbital tiến gần tới mục tiêu trở thành công ty
viển thông hai chiều dựa vào vệ tinh.
8/6/1994
Người quản trị FAA David Hinson thông báo thực hiện Hê thống Gia
tăng Vùng rộng (WAAS, Wide Area Augmentation System) nhằm mục
đích cải thiện tính hợp nhất GPS và tăng tính sẵn có cho người sử dụng
dân sự trên tất cả các phương tiện bay. Giá chương trình theo dự tính
mất 400-500 triệu đô la Mỹ. Chương trình này được lập kế hoạch thực
hiện vào khoảng năm 1997.
11/10/1994
Ủy ban hành động dẫn đường định vị Bộ Giao thông (the Department
of Transportation Positioning / Navigation Executive Committee) được
thành lập để cung cấp diễn đàn qua đại lý nhằm thực hiện chính sách
GPS.
14/10/1994
Người quản trị FAA David Hinson nhắc lại lời đề nghị (US’s offer)
làm GPS-SPS có sẵn trong tương lai, dựa trên cơ sở liên tục và toàn
cầu miễn phí cho người sử dụng trực tiếp trong thư gửi cho ICAO.
16/3/1995
Tổng thống Bil Clinton tái khẳng định rằng Mỹ cung cấp tín hiệu GPS
cho cộng đồng người sử dụng dân dụng thế giới trong thư gửi cho
ICAO
Từ sau năm 1995 hệ thống GPS vẫn tiếp tục được duy trì và bảo dưỡng cũng như
thay thế những vệ tinh già tuổi. Năm 2000, số vệ tinh trong chòm GPS đã tăng lên 28 vệ
tinh. Những vệ tinh thế hệ GPS-IIR đã và đang được phóng lên để thay thế những vệ tinh
già tuổi. Vệ tinh mới nhất được phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên GPS-IIR-M1, là vệ
tinh đầu tiên thuộc thế hệ 8 chiếc vệ tinh hiện đại nhất GPS-IIR-M. Theo kế hoạch, vệ tinh
tiếp theo sẽ được phóng lên không gian vào tháng giêng năm nay (2006).
Trong quá trình tìm hiểu em tìm được khá nhiều tài liệu cũng như các bài báo liên
quan đến GPS và cũng có các thông tin khác nhau về số lượng vệ tinh hiện nay. Em xin

phép lấy các tài liệu nghiên cứu 24 vệ tinh làm nguồn tham khảo chính vì dù số lượng có
khác nhau nhưng về nguyên tắc hoạt động thì không hể khác nhau.
- 7 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
Cũng phải nói thêm là đối trọng với hệ thống GPS của Hoa Kỳ, Liên Xô cũng đã xây dựng
thành công hệ thống định vị cho riêng mình. Và năm 2008 cũng là năm đánh dấu sự ra đời của hệ
thống định vị toàn cầu mang nhãn hiệu EU
Hệ thống GLONASS (Nga)
Hệ thống GLONASS gồm 24 vệ tinh, 8 vệ tinh cho một quỹ đạo bay gồm 3 quỹ đạo. Các vệ tinh
hoạt động với quỹ đạo có độ cao 19,100 km orbits ở góc nghiêng 64.8 độ và 11 giờ 15 phút/ quỹ
đạo. Mỗi vệ tinh truyền trên 2 nhóm tần số L (two L frequency groups). Nhóm L1 là tâm ở tần số
1609 MHz trong khi nhóm L2 được đăng ký ở tần số 1251MHz. Mỗi vệ tinh truyền trên một cặp
tần số duy nhất. Tín hiệu GLONASS mang cả mã P (precise (P) code) và mã C/A
(coarse/acquisition (C/A) code). Mã P được mã hoá cho quân đội sử dụng trong khi đó mã C/A thì
có sẵn cho công dân sử dụng.
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, phần không gian và phần sử dụng.
A - Phần điều khiển (Control Segment):
Gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego
Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii và một trạm 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 khi 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 làm nhiệm vụ thu tín hiệu từ vệ tinh.
B - Phần không gian (Space Segment):
- Chòm vệ tinh GPS: Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng

nhất 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng
với xích đạo một góc 55o . Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và
mỗi vị trí trên trái đất đều có thể theo dõi về vị trí đó bằng 4 vệ tinh gần nhau.
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 phát trên 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 sóng còn 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 mã trên vệ tinh
còn phát mã 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.
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy)
và "hoạt động không khoẻ ( Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được
- 8 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
quyết định do 4 trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu
của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không
khỏe".
- 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 NHz. Hai sóng mang này gọi
là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau.
Mã nhiễu giải 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 fo/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau
mỗi mili giây đồng hồ. Mã nhiễu giải 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 fo = 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 dõi 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 mã ( Mã-C/A và Mã`-P hoặc
mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y.
Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức.
Nếu mã có trị số -1 thì phase sóng mang đổi 1800, 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) cần
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.
C - 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 các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2
- 9 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
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 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 = 1:29825722.α

Phần sử dụng GPS có 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 Friquency), 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, có thể xách tay, tin
cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác.
Phần mềm bao gồm những chương trình tính 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 khi cần để có
thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS. Những chương
trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và 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.
2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
Nguyên lý chung:
Nói đến GPS, mọi người thường nghĩ đến máy thu GPS, thực ra, GPS là một
hệ thống gồm 27 vệ tinh (kể cả 3 cái sơ cua) chuyển động trên các quí đạo chung quanh
trái đất. Quân đội Mỹ phát triển hệ thống này với mục đích quân sự nhưng nay nó đã
- 10 -

Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
được mở rộng cho các mục đích dân sự.Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn, sử dụng năng
lượng mặt trời, chuyển động cách mặt đất khoảng 19300km. Mỗi vệ tinh quay quanh
trái đất 2 vòng một ngày đêm. Quỹ đạo của các vệ tinh được tính toán sao cho ở bất kỳ
nơi nào trên trái đất, vào bất kỳ thời điểm nào, cũng có thể “nhìn thấy”.
Công việc của một máy thu GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa,
tính toán khoảng cách từ các vệ tinh và sử dụng các thông tin đó để xác định vị trí của
chính nó. Quá trình này dựa trên một nguyên lý toán học đơn giản.
Giả sử bạn đang ở một nơi nào đó ở Vietnam, và bạn hoàn toàn không biết minh ở đâu,
vì một lý do nào đó. Bạn gặp một người dân địa phương và hỏi một cách thân thiện:
“làm ơn cho tôi biết tôi đang ở đâu ?” Anh ta trả lời: “bạn đang cách Vũng tàu 45 km”.
Đây là một sự thật thú vị, nhưng chưa thật sự có ích. bạn có thể ở bất kỳ đâu trên vòng
tròn có tâm là Vũng tàu, bán kính 45 km. Bạn hỏi một người khác và cô ta cho biết bạn
đang cách Biên Hoà 40 km. Bây giờ bạn đã khá hơn. Nếu bạn tổng hợp hai thông tin,
bạn sẽ có hai vòng tròn giao nhau. Vị trí của bạn là một trong hai giao điểm của hai
đường tròn.Người thứ ba cho bạn biết vị trí của bạn cách Sài gòn 30 km..
Áp dụng nguyên lý nay vào không gian 3 chiều, ta cũng có 3 mặt cầu thay vì
3 đường tròn, giao nhau tại một điểm. Về mặt nguyên lý thì không khác nhau nhiều
lắm, nhưng khó tưởng tượng hoặc mô tả bằng hình vẽ hơn. Thay vì các đường tròn, bạn
sẽ có các mặt cầu.
Nếu bạn biết rằng minh đang ở cách vệ tinh A 20 km, bạn có thể ở bất kỳ nơi nào
trên một mặt cầu khổng lồ có bán kính 20 km. Nếu bạn biết thêm rằng bạn đang ở cách vệ tinh
B 30 km, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V. Và nếu bạn biết thêm một
khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ có thêm một mặt cầu, mặt cầu này giao với đường tròn
V tại hai điểm. Trái đất chính là mặt cầu thứ tư, một trong hai giao điểm sẽ nằm trên mặt đất,
điểm thứ hai nằm lơ lửng đâu đó trong không gian và dễ dàng bị loại. Với việc giả sử trái đất
là một mặt cầu, ta đã bỏ qua cao độ của bạn rồi. Do vậy để có cả tung độ, hoành độ và cao độ,
bạn cần thêm một vệ tinh thứ tư nữa.
- 11 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47

Hệ thống GPS (Global positioning system)
gồm có 24 vệ tinh phân phối thành 6 nhóm
bay theo 6 quỹ đạo hình tròn quanh trái đất và
ở độ cao khoảng 20 200 km.
Hệ thống GLONASS (GLObal NAvigation
Satellite System). gồm 24 vệ tinh phân
phối thành 3 nhóm bay theo 3 quỹ đạo hình
tròn quanh trái đất và ở độ cao khoảng 19
100 km. Chỉ có 7 trên 24 vệ tinh hãy còn
hoạt động.
- 12 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
- Thực ra đó là những cái tổng quan mà với người không tìm hiểu kĩ về GPS
cũng có thể nắm bắt được. Tựu chung thì nguyên lý ban đầu mà lấy từ những ý
tưởng đã được viết ở trên là: chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống
DOPPLER, đó là nguyên lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu
chuyển động. Hệ thống GPS hoạt động trên một nguyên lý hoàn toàn khác. Để xác
định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng
cách".
- Kỹ thuật này được mô tả bằng các công thức sau đây với các thông số:
s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh;
p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất;
c - Tọa độ sóng;
t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu.
t - Số hiệu chỉnh thời
∆
gian.
- Tập hợp các phương trình đo dạng (I.1) ta có hệ thống phương trình sai số
có 4 ẩn số là t, xp yp zp trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz),
t được xác định theo đồng hồ vệ tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ

truyền sóng điện từ. Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác định tọa độ với độ chính
xác 10 m. Nếu kết quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, chúng ta có
được tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ chính xác 1 m. Sở dĩ độ chính xác được tăng
lên đáng kể vì máy thu chỉ thu được lịch vệ tinh dự báo, còn ở trạm điều khiển trung
tâm có lịch vệ tinh chính xác. Qua đây chúng ta thấy tọa độ tuyệt đối các điểm mặt
đất được xác định có độ chính xác kém phương pháp DOPPLER. Sở dĩ như vậy vì
vệ tinh của hệ thống GPS có độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER.
- Tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m của hệ thống GPS chỉ dùng để đáp ứng
2 mục đích:
+) Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển động như tàu biển, máy
bay....)
+) Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS.
Nguyên lý xác định tọa độ tương đối
Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt được
thành tựu đáng kể trong việc xác định tọa độ tương đối. Nguyên lý đo tọa độ tương
đối là xác định pha của sóng mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy
thu 2 tần số).
Chúng ta có công thức:

(I.2)
λϕ
+
λ
S = N
Trong đó:
- Bướcλ = c/f)λsóng (
f - Tần số sóng;
- 13 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
N - Số nguyên lần bước sóng;

- Phaϕ của sóng;
S - Khoảng cách vệ tinh - máy thu.
Từ công thức (I.2) chúng ta có: = (f/c).S - N (I.3)
ϕ
Xét công thức (I.3) từ một phía khác chúng ta có thể viết: p(t) + Nsp
(I.4)
φ
s(ts ) -
φ
(t) =
ϕ
- Trong đó:
s(ts
φ
) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;
p(t) -
φ
Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;
Nsp - Số nguyên lần bước sóng.
Từ các công thức trên ta suy ra: s(t) - (f/c).Ssp -
φ
(t) =
ϕ
p(t) + Nsp (I.5)
φ
Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (I.5) chúng ta biểu diễn
dưới dạng: sp
γ
s(t) +
β

p(t) +
α
(t) = - (f/c).Ssp -
ϕ
(I.6)
- Trong đó:
p(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máyα thu gây ra (chủ yếu là
số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu)
s(t) - Thành phần ảnhβ hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là
số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh)
sp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thuγ
p(to) + Nsp , trong đó toφs(to) - φgây ra không phụ thuộc thời gian (chủ yếu
là là thời điểm bắt đầu đo)
Công thức (I.6) chính là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹ thuật
đo tọa độ tương đối GPS. Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ hợp các trị đo
sao cho khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p.
Thực ra chúng ta có thể nắm bắt tổng quan lại như sau (vì có khá nhiều phần
lý thuyết chúng ta có thể lược bỏ)
Sử dụng những tin nhắn nhận được từ một tối thiểu của 4 vệ tinh. Một máy
thu GPS có thể xác định được vị trí của vệ tinh và thời gian gửi. các thành phần x,
y, z của vị trí và thời gian gửi được chỉ rõ bởi [x
i
,y
i
,z
i
,t
i
] với i là số hiệu của vệ
tinh nhận giá trị 1,2,3 hoặc 4. Biết thời gian chỉ định của tin nhắn khi nhận là t

ri
,
máy thu GPS có thể tính được thời gian truyền là (t
ri
- t
i
). Biết được khoảng cách
từ máy thu GPS đến vệ tinh và vị trí của vệ tinh chỉ ra là máy thu GPS nằm trên bề
mặt của một hình cầu có tâm là các vệ tinh. Vì thế chúng ta có thể xác định được vị
trí của máy thu GPS tại điểm giao cắt của 4 hình cầu. Trong trường hợp ko xẩy ra
- 14 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
lỗi, máy thu GPS sẽ nằm trên giao điểm của 4 mặt cầu. Bề mặt của 2 mặt cậu nếu
chúng giao nhau tại hơn 1 điểm thì giao tuyến sẽ là một hình tròn.
Một hình tròn và một mặt cầu trong hầu hết các trường hợp giao nhau tại 2
điểm, mặc dù có thể tưởng tượng được chúng có thể giao nhau tại 1 điểm hoặc tất
cả các điểm. Trở lại với lượng giác trong bài toán này. Vị trí chính xác của máy thu
là giao điểm của bề mặt của bốn mặt cầu với tâm là 4 vệ tịnh. Hai giao điểm đối
xứng với nhau qua mặt phẳng chứa 3 vệ tinh nếu 3 vệ tinh không năm trong một
quỹ đạo tương tự, mặt phẳng chứa 3 vệ tinh sẽ không thẳng đứng (đi qua tâm của
trái đất). Trong trường hợp này một giao điểm sẽ gần trái đất hơn giao điểm còn
lại. Giao điểm gần trái đất sẽ là vị trí chính xác đối với máy thu là phương tiện trên
trái đất, giao điểm xa trái đất sẽ là vị trí chính xác với máy thu là phương tiện
trong vũ trụ.
3. Các phương pháp định vị
- 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 dãn đến những khác
nhau rất lớn. Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ
tinh khác nhau, việc làm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ

nhiều trị đo và nhận được độ chính xác cao của vị trí được xác định. Khi ăngten
chuyển động chúng ta chỉ có thể nhận được những chỉ định (Fix) tức thời,
(thông thường từ 4 cự ly được quan trắc đồng thời hoặc gần như đồng thời)
không có số đo dư thừa.
Trong trường hơp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một kết
quả theo thời gian thực, trong đó môĩ trị quan trắc mới đều được sử 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.Chúng ta gọi là
nghiệm xử lý sau (postprocessed solution). 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 cộng 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 nhau tại hai đầu của đường đáy. Các 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.
- 15 -