Nghiên cứu và sử dụng hệ thống định vị dùng để quản lý phương tiện giao thông trên smartphone

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu chung
1.2 Phương hướng xây dựng đề tài
1.2 Các vấn đề đặt ra
CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ DÙNG ĐỂ QUẢN
LÝ XE TRÊN SMARTPHONE
2.1 Tổng quan về GPS
2.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống GPS
2.1.2. Các thành phần của GPS
2.1.3. Hoạt động của hệ thống GPS
2.1.4. Bộ thu GPS
2.1.5. Phương trình xác định tọa độ
2.1.6. Hiệu chỉnh đồng hộ của bộ thu
2.1.7. Tín hiệu định vị
2.1.8. Nguồn lỗi của tín hiệu
2.2. Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM và công nghệ GPRS
2.2.1. Các thế hệ phát triển của hệ thống thông tin di động.
2.2.2. Tổng quan về mạng thông tin di động số tế bào.
1
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


2.2.3. Giao diện vô tuyến
2.2.4. Kiến trúc mạng GSM
2.2.5. Các chức năng của mạng GSM

2.3 Dịch vụ số liệu cải tiến GPRS – General Packet Radio Service
2.3.1. Sơ lược

2.3.2. Kiến trúc hệ thống GPRS chung
2.3.3. Địa chỉ IP
2.3.4 Các lớp thiết bị GPRS
2.3.5 Thông số chất lượng dịch vụ (QoS) GPRS
2.3.6 Các dịch vụ hỗ trợ
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HÓA HỆ THỐNG
3.1. Sơ đồ khối hệ thống
3.2 .Giới thiệu từng khối của hệ thống
3.2.1 Modun Sim 908C
3.2.2 Một số tập lệnh AT cơ bản sử dụng cho ứng dụng GSM
3.2.3 Khối xử lý trung tâm MCU – Atmega8
3.2.4 Giới thiệu hệ điều hành Android và phần mềm Eclipse
CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ
4.1 Thiết kế mạch điện tử
4.1.1 Sơ đồ nguyên lý
2
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


4.1.2 Sơ đồ mạch in
4.2 Thiết kế giao diện điều khiển trên android

3
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay các mạng lưới giao thông phát triển rộng khắp, các phương tiện

hoạt động thường xuyên và phương thức quản lý cũng đòi hỏi chuyên nghiệp và
hiệu quả hơn. Trên thế giới, cùng với sự ra đời của ứng dụng dân sự của hệ thống
vệ tinh định vị toàn cầu GPS, bài toán quản lý giao thông, trong đó có quản lý
các phương tiện giao thông đã được nghiên cứu và phát triển thành các giải pháp
khá hoàn chỉnh.
Tại Việt Nam hiện nay mạng lưới thông tin di động toàn cầu (GSM) đã và
đang phát triển và hứa hẹn với nhiều công nghệ mới, đem lại nhiều giá trị cao.
Đặc biệt với phạm vi phủ sóng và tính ứng dụng rộng rãi, mạng di động trở
thành một mạng lưới thông tin rất hữu ích. Cùng với số lượng rất lớn các phương
tiện cá nhân đang được sử dụng và có nhu cầu quản lý cao đối với cả cá nhân và
doanh nghiệp.
Với những lý do trên nhóm chúng em đã quyết tâm tìm hiểu và thực hiện một
hệ thống định vị để quản lý phương tiện cá nhân sử dụng hệ thống định vị GPS
và công nghệ GPRS mà cụ thể là đề tài “ Nghiên cứu và sử dụng hệ thống
định vị dùng để quản lý phương tiện giao thông trên smartphone ”

Hà Nội, ngày….tháng…..năm 2012
4
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện, đề tài “Nghiên cứu và sử dụng hệ
thống định vị dùng để quản lý phương tiện giao thông trên smartphone ” do
thầy Bùi Thanh Lâm hướng dẫn đã được hoàn thiện. Trong suốt thời gian
nghiên cứu và thực hiện đề tài, chúng em đã gặp không ít những khó khăn và đã
nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt thành và quý báu.
Trước tiên, chúng em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Bùi Thanh Lâm đã tin
tưởng giao đồ án, chỉ đạo và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình thực hiện đề

tài. Chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo
trong khoa Cơ Khí – Bộ Môn Cơ Điện Tử đã động viên, góp ý, tạo điều kiện
thuận lợi nhất giúp cho chúng em được hoàn thành đề tài đúng tiến độ được giao.
Do năng lực và thời gian còn hạn chế nên việc phát triển thêm cho đồ án còn
thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được nhiều hơn nữa ý kiến đóng góp của các
thầy cô giáo, sự chia sẻ tài liệu của các bạn sinh viên để chúng em có thể hoàn
thiện hơn đồ án của mình.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!
5
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG
1.1Giới thiệu chung
Xuất phát từ nhu cầu thực tế, nhất là số lượng các phương tiện giao thông
vận tải ngày cáng tăng nhanh đặt ra yêu cầu quản lý chuyên nghiệp, hiệu quả,
nhu cầu giám sát phương tiện cá nhân đơn giản thông qua thiết bị cầm tay
smartphone, bài toán quản lý và giám sát phương tiện giao thông cá nhân và
doanh nghiệp trở nên rất cần thiết
Bài toán này đã đặt ra cho hệ thống một số yêu cầu sau:
- Giám sát các phương tiện: xác định vị trí, theo dõi, cập nhật các trạng thái
của phương tiện: bao gồm cả các yếu tố bên trong phương tiện từ xa thông qua
thiết bị cầm tay smartphone.
- Quản lý các phương tiện: tìm kiếm, kiểm tra…
- Tương tác 2 chiều, điều khiển phương tiện từ xa.
- Đảm bảo được độ bền đối với thời tiết tại Việt Nam và trong quá trình sử
dụng.
 Một số giải pháp hiện nay :

6
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


- Cắt cử nhân viên theo dõi, ghi nhận các báo cáo bằng văn bản, hoặc đường
điện thoại đối với các phương tiện trong doanh nghiệp (số lượng lớn).
- Sử dụng các module GPS – Galileo: các module này có chức năng thu tín
hiệu từ các hệ thống vệ tinh định vị, qua đó tính toán xác định được vị trí của
thiết bị đó theo hệ tọa độ địa lý: bao gồm kinh độ, vĩ độ và độ cao.
- GIS: là hệ thống phần mềm địa lý có chức năng tiếp nhận thông tin về vị trí
địa lý, sau đó xử lý và hiển thị trên hệ thống bản đồ số. Ví dụ như hệ thống quản
lý tàu đánh cá thông qua bộ đàm, quản lý taxi…
Tuy nhiên trong thực tế vẫn tồn tại các vấn đề :
- Đối với việc quản lý bằng các nhân viên cử theo các phương tiện: tốn kém
về nhân lực và chưa hiệu quả. Khả năng giám sát và điều khiển chưa chuyên
nghiệp, không phù hợp với các phương tiện cá nhân.
- Việc sử dụng các module xác định vị trí bằng GPS còn đơn giản, các thiết bị
hầu hết được nhập khẩu nguyên chiếc, ứng dụng đơn thuần xác định vị trí. Bên
cạnh đó giá thành còn cao và không chủ động được về mặt kỹ thuật.
- Với một số hệ thống quản lý thông tin về bản đồ số như GIS: tuy đã xây
dựng theo mô hình hệ thống mức độ phổ biến chưa cao. Ứng dụng mang tính
chuyên biệt, đặc biệt là mức chi phí đầu tư lớn, chủ động về mặt kỹ thuật bị hạn
chế.

1.2 Phương hướng xây dựng đề tài
Để khắc phục các thực trạng trên và tìm ra một giải pháp tối ưu hơn nhóm đã
kết hợp giữa công nghệ GPS và mạng di động GSM (cụ thể là công nghệ GPRS)
để đưa ra một hệ thống tối ưu hơn:

7
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


-Chi phí đầu tư, chi phí bảo trì và sử dụng thấp.
-Có khả năng quản lý hệ thống rộng lớn.
-Phạm vi quản lý không giới hạn.
-Sản phẩm gọn nhẹ , dễ sử dụng…

Hình 1.1. Sơ đồ thiết kế hệ thống

1.3 Các vấn đề đặt ra
Từ khi nhận được đề tài “ Nghiên cứu và sử dụng hệ thống định vị dùng để
quản lý phương tiện giao thông trên smartphone” , nhóm nhận thấy đây là một
đề tài mới và khi tiến hành triển khai sẽ gặp nhiều khó khăn:
8
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


Về tài liệu đề tài do không phổ biến nên gây nhiều khó khăn trong việc tìm
hiểu đề tài.
Truyền thông qua internet trên nền tảng GPRS là vấn đề mới đòi hỏi các
thành viên nhóm phải nỗ lực hết mình và năng động trong quá trình tìm hiểu.

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ DÙNG ĐỂ QUẢN
LÝ PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG
2.1. Tổng quan về GPS.
2.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống GPS.

Sự ra đời của những phương tiện vận chuyển như máy bay, và những con tàu
vũ trụ đòi hỏi điều khiển những thiết bị đó trong không gian ba chiều. Những
phương pháp dẫn đường và những hệ thống dẫn đường vô tuyến điện chỉ xác
định được vị trí theo 2 chiều không gian dùng cho việc dẫn dắt các tàu thủy đã
trở thành lỗi thời và không còn phù hợp. Trước những đòi hỏi về kỹ thuật đó
nhiều nhà khoa học đã được chính phủ Mỹ tài trợ để thực hiện nghiên cứu hệ
thống dẫn đường dựa trên vũ trụ. Bộ Quốc phòng Mỹ là cơ quan thiết kế và điều
khiển hệ thống định vị toàn cầu. Trong nhóm những người tham gia điều hành
dự án GPS của Bộ Quốc Phòng Mỹ cần kể tới sự đóng góp to lớn của TS Ivan
Getting, người sáng lập The Aerospace Corporation, và TS Bradford Parkinson,
chủ tịch hội đồng quản trị của The Aerospace Corporation.
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) được Chính phủ
Mỹ thiết lập năm 1995, là hệ thống định vị, dẫn hướng và định thời trên không
trung được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Hệ thống vệ tinh này cung cấp miễn
phí các dịch vụ có liên quan, bao gồm các hoạt động dân sự và quân sự cho
người sử dụng trên toàn thế giới. Việc áp dụng công nghệ GPS không chỉ phổ
9
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


biến cho việc sử dụng dân sự, từ ôtô, máy bay đến điện thoại di động, mà cũng là
một bộ phận không thể thiếu của hệ thống an ninh và bảo vệ quốc phòng.
Hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) là một mạng gồm
24 vệ tinh Navstar quay xung quanh Trái đất tại độ cao 11.000 dặm (17.600 km).
Được Bộ Quốc Phòng Mỹ ấn định chi phí ban đầu vào khoảng 13 tỷ USD, song
việc truy nhập tới GPS là miễn phí đối với mọi người dùng, kể cả những người ở
các nước khác. Các số liệu định vị và định thời được sử dụng cho vô số những
ứng dụng khác nhau bao gồm hàng không, đất liền và hàng hải, theo dõi các
phương tiện giao thông trên bộ và tầu biển, điều tra khảo sát và vẽ bản đồ, quản

lý tài sản và tài nguyên thiên nhiên.
Với việc khắc phục được những giới hạn về độ chính xác quân sự vào tháng
3/1996, ngày nay GPS có thể chỉ ra chính xác vị trí của các mục tiêu chỉ nhỏ
bằng đồng 10 xu ở bất kỳ nơi nào trên bề mặt trái đất.
Vệ tinh GPS đầu tiên đã được phóng vào năm 1978. Mười vệ tinh đầu tiên là
các vệ tinh ‘mở mang’, gọi là Block 1 (Lô 1). Từ năm 1989 đến năm 1993 có 23
vệ tinh khai thác, gọi là Block 2 (Lô 2) đã được phóng lên quỹ đạo. Vệ tinh thứ
24 được phóng nốt vào năm 1994 đã hoàn thành hệ thống.
Vệ tinh bay với vận tốc cao cứ 12 tiếng đồng hồ thì đủ một vòng quỹ đạo.
Cho đến nay đã có tổng số 28 vệ tinh, trong đó 24 chiếc đang hoạt động và 4
chiếc kia dùng để dự phòng khi có một chiếc nào bị hỏng.
Quỹ đạo bay của hệ thống vệ tinh này cũng được sắp xếp để bất cứ chỗ nào
trên trái đất đều nhận thấy ít nhất là 4 vệ tinh đang bay ngang trên trời. Nhiệm vụ
của thiết bị GPS là làm sao nhận được tín hiệu phát ra từ các vệ tinh bay ngang
trên trời … tối thiểu là từ ba vệ tinh. Một khi máy đã nhận được tín hiệu phát ra
từ các vệ tinh thì các mạch điện tử trong máy sẽ đo và biết được khoảng cách từ
10
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


các vệ tinh cũng như tọa độ của nó. Trong vài giây đồng hồ máy sẽ làm bài toán
và cho giải đáp ngay đó là tọa độ của máy, phương pháp này trong toán học gọi
là TRILATERATION (phép đo 3 cạnh tam giác). Tọa độ này cho bạn biết từ vĩ
tuyến cho đến kinh tuyến chính xác đến mức độ tới từng giây.
Một số hệ thống toàn cầu và khu vực khác như hệ thống Galileo do liên minh
Châu Âu và Cơ quan vũ trụ Châu Âu thiết lập. Hệ thống dẫn hướng trong không
trung GLONASS của Nga, Hệ thống QZSS của Nhật Bản và Hệ thống
BEIDOU của Trung Quốc hiện đang được xây dựng. Sau nghiên cứu đánh giá kỹ
lưỡng. Chương trình dẫn hướng vệ tinh Galileo, một sáng kiến hợp tác giữa liên

minh Châu Âu và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, cuối cùng đã nhận được sự khẳng
định để sử dụng và chương trình này rất giống với trọng tâm chính sách của Mỹ.
Các thực thể quản lý và cơ quan an ninh cũng được yêu cầu phát hiện và bảo vệ
chống lại việc sử dụng các hệ thống này một cách phi pháp và cho các mục đích
chống đối. Nỗ lực duy trì Chương trình GLONASS cho thấy dự định của Nga
ủng hộ GNSS riêng của mình. Hệ thống do Chính phủ liên bang Nga quản lý bao
gồm 21 vệ tinh, có quỹ đạo quay quanh 3 hành tinh khác nhau. 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 được phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên GPSIIR-M1, là vệ tinh đầu tiên thuộc thế hệ 8 chiếc vệ tinh hiện đại nhất GPS-IIRM. Theo website Space-Based Postioning, Navigation and Timing của chính phủ
Mỹ “Chính phủ Mỹ cam kết cung cấp tối thiểu 24 vệ tinh GPS hoạt động trên
quĩ đạo với 95% thời gian. Không lực Mỹ (USA Air Force) phóng các vệ tinh bổ
sung có chức năng dự trữ để phòng cho thời gian bảo dưỡng định kỳ các vệ tinh
và bảo đảm tính sẳn có của ít nhất 24 vệ tinh hoạt động. Từ 28/08/2009, đã có 35
11
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


vệ tinh trong chòm GPS, với 30 vệ tinh ‘khỏe mạnh’ cho người sử dụng”. Do đó,
chòm 30 vệ tinh đang thực sự bay như một chòm 24 vệ tinh.
Lịch sử phát triển GPS
Bảng 2.1. Lịch sử phát triển GPS

Thời gian

Sự kiện
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

22/2/1978

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.
Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng

26/4/1980

Hệ thống phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp
(Integrated Operational Nucluear Detonation Detection
System (IONDS) sensors).
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

1982

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
12
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4

tiếng nổ hạt nhân (NDS) mới hơn
Theo the Soviet downing of Korean Air flight 007, tổng
thống Reagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay
16/9/1983

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.
Hợp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao

4/1985

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).
Bộ Quốc phòng chính thức yêu cầu Bộ Giao thông
(Department of Transport, DOT có trách nhiệm thiết lập và

1987

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).
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

1988

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)

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
13
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


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
14/2/1989

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.
Hãng Martine Marietta (sau khi mua xong General

21/6/1989

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.
Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS

1990

hàng đầu thế giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt
sản phẩm ban đầu.
DOD theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến Liên bang, lần

25/3/1990

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 số 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
14
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


tranh.

1990-1991
29/8/1991

GPS được các lực lượng liên minh dùng lần đầu tiên trong
điều kiện chiến tranh trong Chiến tranh Vịnh Ba Tư.
SA được kích hoạt lại sau Chiến tranh Vịnh Ba Tư.
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 miễn phí trong vòng ít nhất 10 năm. Lời đề nghị này

1/7/1991

được thông báo trong Hội nghị Dẫn đường Hàng không lần
thứ 10 (the 10th Air Navigation Conference) của Tổ chức
Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO, International Civil
Aviation Organization).
Mỹ mở rộng lời đề nghị 1991 vào Hội nghị thường niên
ICAO bằng cách cho phép thế giới sử dụng SPS trong tương

5/9/1991

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.
Bộ Trưởng Bộ Quốc phòng chính thức thông báo Khả năng
hoạt động đầu tiên của GPS, có nghĩa là 24 vệ tinh trên quỹ

8/12/1992

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
15
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


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).
Người quản trị FAA David Hinson thông báo ngừng phát
6/6/1994

triển Hệ thống Hạ cánh Vi sóng (MLS) cho việc hạ cánh Loại
II và III.
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

11/1994

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.

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

8/6/1994

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 400500 triệu đô la Mỹ. Chương trình này được lập kế hoạch thực
hiện vào khoảng năm 1997.
Ủy ban hành động dẫn đường định vị Bộ Giao thông (the

11/10/1994

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
16

Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


(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.
Tổng thống Bil Clinton tái khẳng định rằng Mỹ cung cấp

16/3/1995

tín hiệu GPS cho cộng đồng người sử dụng dân dụng thế giới
trong thư gửi cho ICAO

28/08/2009

Có 35 vệ tinh trong chòm GPS

2.1.2 Các thành phần của GPS
Hệ thống vệ tinh GPS chia làm 3 phần:
• Phần không gian (space segment): Các vệ tinh.
• Phần điều khiển (control segment ): Trạm mặt đất.
• Phần người sử dụng (user segment): Bộ thu tín hiệu.

2.1.2.1 Phần không gian
Gồm 28 quả vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 4 vệ tinh dự trữ khi có một
chiếc nào bị hỏng) (tính đến năm 2000) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái
đất. Chúng chuyển động ổn định, hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần
24 giờ. Các vệ tinh này chuyển động với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ
tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn
thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.
Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các
nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh
17
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


sáng Mặt Trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ

đạo đã định.

Hình 2.1 Một vệ tinh nhân tạo trong quỹ đạo quanh trái đất
2.1.2.2 Phần điều khiển
Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và
thông tin thời gian chính xác. Có tất cả 5 trạm kiểm soát được đặt rải rác trên trái
đất. Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là
trung tâm ở Colorado Springs bang Colarado của Mỹ. Bốn trạm này nhận tín
hiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung
tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với
hai anten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh.

18
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


Phần điều khiển có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:
• Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục
• Quy định thời gian hệ thống GPS
• Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh
Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể.

Hình 2.2 Trạm điều khiển vệ tinh mặt đất.
2.1.2.3. Phần người sử dụng
Phần người sử dụng là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng dùng anten và
máy thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di
chuyển.
Các bộ thu GPS của người sử dụng bao gồm anten, bộ xử lý và một đồng hồ
có độ ổn định cao được đặt ở tần số truyền dẫn của các vệ tinh. Chúng cũng có

19
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


thể bao gồm các bộ phận hiển thị để cung cấp các thông tin vị trí, tốc độ, hay bản
đồ chỉ đường.
Một bộ thu GPS được mô tả với số kênh. Nó cho biết số lượng vệ tinh tối đa
mà bộ thu có thể xử lý đồng thời. Hiện nay, số kênh của bộ thu GPS thường đạt
tới 12 đến 20 kênh.
Đa số các bộ thu GPS có thể truyền tải dữ liệu tính toán được tới máy tính hay
các thiết bị khác sử dụng giao thức NMEA 0183 hay chuẩn mới hơn và ít sử
dụng hơn là NMEA 2000. Ngoài ra cũng có các giao thức khác như SiRF hay
MTK. Bộ thu GPS có thể truyền dữ liệu tới các thiết bị khác thông qua giao tiếp
nối tiếp, USB hay BlueTooth.
2.1.3 Hoạt động của hệ thống
Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người
dùng và được đo theo phép tam giác đạc. Để thực hiện phép tam giác đạc, GPS
đo khoảng cách thông qua thời gian hành trình của bản tin vô tuyến từ vệ tinh tới
một máy thu mặt đất. Để đo thời gian hành trình, GPS sử dụng các đồng hồ rất
chính xác trên các vệ tinh, một khi khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì việc
biết trước về vị trí vệ tinh trong không gian sẽ được sử dụng để hoàn thành tính
toán. Các máy thu GPS trên mặt đất có một “cuốn niên giám” được lưu trữ trong
bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi nào trên bầu trời
vào bất kỳ thời điểm nào. Các máy thu GPS sẽ tính toán các thời gian trễ qua
tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tục làm chính xác hơn phép đo vị trí.
Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có
bốn đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây.
Nhằm tiết kiệm chi phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới đất được làm ít

chính xác hơn đôi chút. Bù lại, một phép đo tầm hoạt động vệ tinh được trang bị
20
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


thêm. Phép đo lượng giác chỉ ra rằng, nếu ba số đo chính xác định vị được vị trí
một điểm trong không gian ba chiều thì một phép đo thứ tư có thể loại bỏ mọi độ
chênh lệch thời gian nào đó. Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng bộ hoá không
hoàn hảo của máy thu.
Khối mặt đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng,
với tốc độ như vậy tín hiệu cũng phải mất một lượng thời gian đáng kể để tới
được máy thu. Sự chênh lệch giữa thời điểm tín hiệu được gửi đi và thời điểm tín
hiệu được thu nhận với tốc độ ánh sáng cho phép máy thu tính được khoảng cách
tới vệ tinh. Để đo lường chính xác độ cao, kinh độ và vĩ độ, máy thu đo thời gian
các tín hiệu từ một số vệ tinh truyền tới máy thu
GPS sử dụng một hệ tọa độ gọi là Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984
(WGS-84 - Worldwide Geodetic System 1984). Hệ thống này tương tự như các
đường kẻ kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộc thường thấy trên các bản đồ treo
tường cỡ lớn. Hệ thống WGS - 84 cung cấp một khung tham chiếu gắn sẵn tiêu
chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ hãng sản xuất nào cũng cung cấp
đúng cùng một thông tin định vị.

21
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


Hình 2.4 Ví dụ một hệ thống định vị vệ tinh đơn giản

2.1.4 Bộ thu GPS.
Bộ thu GPS tính toán vị trí của nó bằng việc tính toán và so sánh thời gian
truyền tín hiệu từ lúc nó được gửi từ vệ tinh đến khi nhận được tại bộ thu trên
mặt đất. Mỗi vệ tinh truyền liên tục các bản tin có chứa thời gian bản tin được
gửi đi, thông tin quỹ đạo chính xác, tình trạng hệ thống chung. Bộ thu GPS đo
thời gian truyền của mỗi bản tin gửi từ vệ tinh và tính toán khoảng cách tới vệ
tinh đó. Phép đo hình học ba cạnh tam giác được sử dụng để kết hợp các khoảng
cách này cùng vị trí của các vệ tinh để xác định vị trí của bộ thu. Tuy nhiên trên
thực tế, một sai số nhỏ của thời gian nhân với vận tốc rất lớn của ánh sáng (cũng
là vận tốc lan truyền của sóng điện từ) sẽ gây ra sai số về khoảng cách đáng kể.
Do vậy các bộ thu sử dụng thêm một vệ tinh để hiệu chỉnh đồng hồ của chúng.
22
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


Trong một số trường hợp nếu biết một trong các thông số tọa độ không gian, ví
dụ như độ cao, chúng ta chỉ cần 3 vệ tinh để xác định được vị trí chính xác.
Tính toán được khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh, cho phép xác định vị trí của
bộ thu nằm trên hình cầu có tâm là vệ tinh đó. Do vậy, với 4 vệ tinh ta có thể xác
định được vị trí của bộ thu ở tại hai miền giao của 4 hình cầu có tâm là vị trí các
vệ tinh, bán kính là khoảng cách từ bộ thu tới các vệ tinh đó.
Trường hợp không có lỗi, bộ thu GPS sẽ có vị trí tại một điểm giao của 4 bề
mặt hình cầu. Nếu bề mặt của hai mặt cầu giao nhau tại nhiều hơn một điểm,
giao tuyến của chúng sẽ là một hình tròn. Giao tuyến này và mặt cầu thứ 3 trong
hầu hết các trường hợp sẽ giao nhau tại hai điểm (mặc dù chúng có thể chỉ giao
nhau tại một điểm hoặc không giao nhau). Vị trí chính xác của bộ thu GPS là 1
trong hai giao điểm mà gần với bề mặt trái đất nhất đối với các bộ thu của các
phương tiện di chuyển trên hay gần bề mặt trái đất. Giao điểm còn lại có thể là vị
trí chính xác của một thiết bị khác trong không gian.

2.1.5 Phương trình xác định tọa độ

23
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


Hình 2.5. Hệ trục tọa độ máy thu - vệ tinh
Để xác định được tọa độ thì tại vị trí đó cần “nhìn” thấy ít nhất 4 vệ tinh (hình
vẽ). Ta có khoảng cách giữa vị trí cần đo và vệ tinh là ρ = c * t, trong đó c là vận
tốc ánh sáng và t là khoảng thời gian sóng truyền từ vệ tinh tới vật.
Gọi tọa độ vị trí là (X, Y, Z), tại một thời điểm ta có 4 phương trình như sau:

Trong đó Δt là thông số để đồng bộ thời gian giữa phía phát và phía thu. Giải
4 phương trình 4 ẩn ta thu được tọa độ cần xác định.

24
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4


2.1.6 Hiệu chỉnh đồng hồ của bộ thu.
Phương pháp tính toán vị trí trong trường hợp không có lỗi đã được giải thích
ở trên. Trong thực tế, nguồn gây lỗi đáng kể nhất là đồng hồ của bộ thu GPS. Bởi
vì tốc độ lan truyền ánh sáng là rất lớn, do vậy chỉ một sai số nhỏ của thời gian
sẽ gây ra sai lệch lớn trong tính toán khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh. Muốn vậy
bộ thu GPS phải được trang bị một đồng hồ đặc biết chính xác, với giá thành
cao. Tuy nhiên, các nhà sản xuất mong muốn đưa ra thị trường những thiết bị thu
GPS ở mức giá chấp nhận được cho thị trường đa số người dùng, do vậy cách

giải quyết sự xung đột này dựa trên cách mà các mặt cầu giao nhau.
Hầu hết các khả năng bề mặt của 3 mặt cầu sẽ giao nhau khi đường tròn giao
tuyến của hai mặt cầu đầu tiên thường sẽ đủ lớn và sẽ giao với mặt cầu thứ 3 tại
hai điểm. Tuy vậy, mặt cầu thứ 4 hầu như sẽ không có khả năng giao với hai
điểm của ba mặt cầu đầu tiên, do bất kỳ một sự sai số về thời gian khi thực hiện
các phép tính trên bộ thu. Tuy nhiên, khoảng cách từ vị trí ước lượng của bộ thu
GPS tới bề mặt hình cầu ứng với vệ tinh thứ 4 có thể được sử dụng để hiệu chỉnh
sai số đồng hồ. Chúng ta đặt khoảng cách từ vị trí ước lượng của bộ thu GPS tới
vệ tinh thứ 4 là R4, P4 là giả khoảng cách của vệ tinh thứ 4. Khi đó, khoảng cách
Da từ vị trí ước lượng của bộ thu tới bề mặt hình cầu ứng với vệ tinh thứ 4: Da =
R4 – P4. Thời gian ước lượng cho sự sai số đồng hồ được tính là B= Da / c (với
c là vận tốc ánh sáng). Chúng ta dễ nhận thấy đồng hồ trên bộ thu GPS trễ khi
giá trị B là âm và nhanh khi giá trị B là dương.
2.1.7 Tín hiệu định vị
Mỗi vệ tinh GPS liên tục truyền các bản tin định vị với tốc độ 50bit/s bao gồm
các thông tin: thời gian trong tuần, số tuần và thông tin trạng thái hoạt động của
vệ tinh (tất cả chứa trong phần đầu của bản tin), lịch thiên văn (chứa trong phần
thứ 2 của bản tin) và một niên lịch (phần cuối của bản tin). Dữ liệu lịch thiên văn
25
Hệ thống định vị phục vụ quản lý phương tiện giao thông trên smartphone
Lớp Cơ điện tử 2 – K4