Phương pháp điều chế tín hiệu vô tuyến trong hệ thống dẫn đường GPS

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em đã nhận được nhiều sự
giúp đỡ, tạo điều kiện từ phía nhà trường, gia đình và bạn bè.
Trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thày giáo - TS. Trần Xuân
Việt - người đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo, định hướng, cho em những lời
khuyên hữu ích, cần thiết và đúng lúc trong suốt quá trình chọn đề tài, thực hiện
nội dung cũng như hoàn thiện được đồ án.
Em muốn cảm ơn bố mẹ đã luôn cố gắng cho em điều kiện học tập tốt nhất
trong những năm qua và đặc biệt là trong thời gian hoàn thành đồ án tốt nghiệp
này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn tới toàn thể các thày cô giáo trường Đại học
Hàng Hải Việt Nam nói chung và các thày cô giáo bộ môn Điện tử - Viễn thông
cùng toàn thể các bạn trong tập thể lớp ĐTV51-ĐH nói riêng đã cho em những
năm tháng sinh viên học tập nhiều ý nghĩa.
Hải phòng, tháng 12 năm 2014
Sinh viên thực hiện đề tài
Tiêu Thị Mai Hoa

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Phương pháp điều chế tín hiệu vô tuyến
trong hệ thống dẫn đường GPS” là do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của
thày giáo - TS. Trần Xuân Việt.
Trong đồ án này hoàn toàn là những ghi chép, sắp xếp trình bày lại những
điều em đã được học và đọc được qua các tài liệu có liên quan. Ngoài ra, trong
đồ án em cũng sử dụng các số liệu, hình vẽ được công bố rộng rãi trên mạng qua
một số website tin cậy. Những nguồn tài liệu này em đã liệt kê trong phần tài
liệu tham khảo.

2


MỤC LỤC

3


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
SA
2nd SOPS
BPSK
CDMA
DSSS
U.S DOD
GEO
GPS -NAVSTAR
HOW
LSB
MEO
MP
MSB
NASA
NP
PPS
PRN
QPSK
Schriever AFB
SPS
SVID

SVN
TLM
TOW count
U.S.
NavalObservatory

Selective Availability – Sai số nhân tạo
2nd Space Operations Squadron - Một đơn vị phi
đội không quân trực thuộc Không quân Mỹ
Binary Phase Shift Keying – điều chế dịch pha
nhị phân
Code Division Multiple Access - phương pháp đa
truy nhập phân chia theo mã
Direct Sequence Spread Spectrum - Trải phổ
chuỗi trực tiếp
U.S Department of Defense - Bộ quốc phòng Hoa
Kỳ
Geostationary Satellite - Vệ tinh địa tĩnh
Global Positioning System – Navigation System
Time And Ranging - Hệ thống dẫn đường vệ tinh của
Mỹ
Handover Word - từ mã chuyển giao
Least Significant Bit - Bit có trọng số thấp nhất
Medium Earth Orbit - Quỹ đạo trái đất tầm trung
Measuring Point - Điểm đo
Most Significant Bit - Bit có trọng số cao nhất
National Aeronautics and Space Administration Cơ quan Hàng Không và Vũ Trụ của Mỹ
Navigation Point - Điểm mốc dẫn đường
Precise Positioning Service - Dịch vụ định vị
chính xác dành riêng cho những thuê bao đặc biệt hoặc

mất cước
Pseudo Random Noise – Mã giả ngẫu nhiên
Quadrature Phase Shift Keying - điều chế dịch
pha cầu phương
Schriever Air Force Base - Căn cứ không quân
Schriever của quân đội Mỹ
Standard Positioning Service - Dịch vụ định vị
tiêu chuẩn dành cho tất cả các thuê bao
Space Vehicle Identity - Số nhận dạng vệ tinh
Space Vehicle Number - Số vệ tinh
Telemetry Word - từ mã điều khiển xa
Time-Of-Week count - Số đếm thời gian trong
tuần
Đài thiên văn hàng hải Mỹ

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Một số thông số của các block vệ tinh hiện hành

6

Bảng 1.2
Bảng 3.1

Tình trạng chòm sao GPS cập nhật ngày
11/09/2014
ID tương ứng của các khung phụ đang phát

5

7
46


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Cấu hình hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS

3

Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4

Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7

Độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh so với
mặt phẳng
Các trạm mặt đất trong hệ thống GPS
Trường hợp biết được khoảng cách từ máy thu tới
hai vệ tinh
Trường hợp biết được khoảng cách từ máy thu tới
ba vệ tinh
Trường hợp biết được khoảng cách từ máy thu tới
bốn vệ tinh
Độ trễ giữa chuỗi PRN code nhận được và chuỗi
bản sao tại máy

4
9
14
14
15
16

Hình 1.8

Nguyên lý định vị của hệ thống GPS

18

Hình 1.9

Hiệu ứng đa đường

22

Hình 2.1

Sơ đồ điều chế BPSK

23

Hình 2.2

Đồ thị dạng sóng tín hiệu BPSK

25

Hình 2.3

Sơ đồ giải điều chế BPSK

26

Hình 2.4

Sơ đồ điều chế QPSK

27

Hình 2.5

Đồ thị dạng sóng tín hiệu QPSK

29

Hình 2.6

Sơ đồ giải điều chế QPSK

30

Hình 2.7

Sơ đồ đơn giản của máy phát và máy thu trong hệ
thốngDS-CDMA

32

Hình 2.8

Sơ đồ máy phát DSSS - BPSK

33

Hình 2.9

Đồ thị dạng sóng tín hiệu DSSS-BPSK

34

Hình 2.10

Sơ đồ máy phát DSSS-QPSK

35

6


Hình 2.11

Đồ thị dạng sóng tín hiệu DSSS-QPSK

37

Hình 3.1

Cấu trúc toàn bộ bản tin dẫn đường GPS

44

Hình 3.2

Cấu trúc từ mã TLM và từ mã HOW

45

Hình 3.3

Sơ đồ tạo tín hiệu phát của các vệ tinh GPS

47

Hình 3.4

Sơ đồ tạo tín hiệu phát GPS băng L1

48

Hình 3.5

Sơ đồ tạo tín hiệu phát GPS băng L2

49

7


LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại công nghệ ngày càng phát triển hiện nay, thông tin vệ tinh
đã trở thành một khái niệm hết sức phổ biến và quen thuộc với cuộc sống của
con người. Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy sự hiện diện của thông tin vệ tinh
trong cuộc sống hàng ngày của con người, từ dịch vụ truyền hình số vệ tinh, hệ
thống dẫn đường lắp đặt trên các phương tiện giao thông hay phần mềm dẫn
đường trong chính chiếc điện thoại di động nhỏ bé của chúng ta... ; từ việc sử
dụng một phần nào đó các ứng dụng của thông tin vệ tinh cho lĩnh vực dân sự,
cho tới các hệ thống thông tin vệ tinh chuyên dụng phục vụ cho quân sự mà ta
vẫn nghe nhắc tới trên các phương tiện truyền thông, đài báo.
Nói tới thông tin vệ tinh, không thể không nhắc tới hệ thống định vị toàn
cầu GPS - Global Positioning System của Mỹ. Trên thế giới khái niệm GPS đã

tồn tại khá lâu, mang đến nhiều tiện ích, đặc biệt quan trọng trong việc dẫn
đường của hàng không, đường thủy, đường bộ và cả đường sắt. Từ những ứng
dụng trong lĩnh vực quân sự cho tới những ứng dụng trong lĩnh vực dân sự đều
hết sức đa dạng. Vì vậy, em quyết định chọn mảng kiến thức về hệ thống GPS
này để làm đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Phương pháp điều chế tín hiệu vô tuyến
trong hệ thống GPS” dưới sự hướng dẫn của thày giáo - TS. Trần Xuân Việt.
Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp này, em xin trình bày một số nội dung như
sau:
Chương I: GPS – Hệ thống định vị toàn cầu
Chương II: Cơ sở lý thuyết điều chế ứng dụng trong GPS
Chương III: Phương pháp điều chế tín hiệu trong hệ thống GPS
Do khả năng có hạn nên đồ án không tránh khỏi các sai sót, em rất mong
nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thày cô để có thể hiểu hơn về đề tài này.
Hải Phòng, tháng 12 năm 2014
Sinh viên thực hiện đề tài
Tiêu Thị Mai Hoa

8


CHƯƠNG I
GPS – HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
1.1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG GPS
Từ những năm 60 của thế kỷ 20, quân đội và Cơ quan Hàng Không và Vũ
Trụ của Mỹ (NASA – National Aeronautics and Space Administration) đã tiến
hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính
xác bằng vệ tinh nhân tạo.
Hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS - NAVSTAR (Global Positioning System
- Navigtion Satellite Timing And Ranging) hiện nay được biết đến rộng rãi với
tên gọi là hệ thống định vị toàn cầu GPS. GPS bắt đầu được nghiên cứu từ

những năm 70, được phát triển bởi chính phủ Mỹ, quản lý bởi Không Lực Mỹ
( U.S Air Force) và giám sát bởi ủy ban Định vị - Dẫn đường Bộ Quốc phòng
Mỹ. Đây là hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc
độ và thời gian cho các máy thu GPS ở khắp mọi nơi trên trái đất, trong mọi thời
điểm và mọi điều kiện thời tiết.
Trong những năm đầu của thập kỷ 80, Mỹ đã chính thức cho phép ứng
dụng GPS trong dân sự. Sự kiện quan trọng đánh dấu mốc thời gian này là vào
năm 1983, chuyến bay 007 của hãng hàng không Korean Air Lines đã xâm
phạm không phận của Liên Xô do sự cố một thiết bị dẫn đường bị hỏng. Liên
Xô đã bắn hạ chiếc máy bay này dẫn tới thảm kịch 269 hàng khách thiệt mạng.
Sau tai nạn này, nhận thấy nhu cầu định vị và dẫn đường cho các ứng dụng hàng
không và dân dụng trở nên cấp thiết, tổng thống Ronald Reagan đã ra lệnh cho
quân đội Mỹ phải mở cửa một phần GPS cho các ứng dụng dân sự. Sự kiện này
đánh dấu sự bắt đầu lan tỏa của công nghệ GPS từ lĩnh vực quân sự dần sang
các lĩnh vực dân sự khác trên khắp toàn cầu.
Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua
để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh
chuyên dụng GPS cũng như thiết kế, xây dựng và phát triển các hệ thống có tính
năng tương tự của riêng quốc gia mình. Hàng loạt các máy thu GPS do nhiều
9


hãng trên thế giới sản xuất đã đưa ra phục vụ người dùng dân sự. Bởi vậy, giá
thành máy thu GPS nhìn chung đã giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ
cập cao. Tất nhiên đi đôi với độ chính xác càng cao thì cấu tạo của thiết bị định
vị GPS sẽ càng phức tạp và giá thành càng cao hơn.
Tuy nhiên, vẫn phải khẳng định rằng GPS là một hệ thống của quân đội với
mục đích trước nhất là dành cho quân sự. Do đó, Mỹ nhận thấy GPS và độ chính
xác của nó có thể gây nguy hiểm đến các quyền lợi cũng như ưu thế của mình.
Để tránh hiểm hoạ này, Mỹ đã đưa sai số nhân tạo SA (Selective Available) vào

áp dụng vào năm 1990 nhằm làm giảm độ chính xác của GPS để ngăn ngừa ứng
dụng GPS vào các hành động chống lại quyền lợi của Mỹ.
Sau đó vào tháng 5 năm 2000, kỹ thuật quân sự Mỹ đã tiến khá xa, lúc này
tổng thống Bill Clinton mới ra lệnh tắt SA. Kể từ đó tới nay, nhu cầu sử dụng
máy thu GPS cá nhân và dân sự mới thực sự bùng nổ. Mặc dù mỗi năm Mỹ phải
tiêu tốn một só tiền không nhỏ để quản lý, vận hành và duy trì hoạt động của hệ
thống GPS nhưng tất cả mọi người trên thế giới đều có thể sử dụng một số chức
năng của GPS miễn phí, bất kể quốc tịch nào.
Trong mỗi lĩnh vực khác nhau, việc yêu cầu về độ chính xác là khác nhau.
Do vậy, việc đặt ra yêu cầu cụ thể về độ chính xác cho mỗi lĩnh vực luôn là điều
cần thiết. Do đó, cũng tùy vào mỗi lĩnh vực mà người ta lại lựa chọn một mức
độ khác nhau về độ chính xác của GPS. Hệ thống GPS cung cấp hai cấp độ
chính xác về dịch vụ:
-

Dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS (Standard Positioning Service): là một dịch vụ
cung cấp cho tất cả người sử dụng GPS một cách liên tục trên toàn thế giới mà
không phải trả phí.

-

Dịch vụ định vị chính xác PPS (Precise Positioning Service): dịch vụ này chỉ
cung cấp thông tin định vị chính xác cho hoạt động quân sự của Mỹ và đồng
minh hay những người sử dụng được Bộ quốc phòng Hoa Kỳ (DoD - U.S.
Department of Defense) cấp phép.

10


1.2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG GPS

Hệ thống GPS cũng như tất cả các hệ thống thông tin vệ tinh khác, đều có
cấu hình gồm ba khâu như hình 1.1. Cụ thể bao gồm :
- Khâu vũ trụ - Space Segment
- Khâu mặt đất hay còn gọi là khâu điều khiển - Control Segment
- Khâu thuê bao hay còn gọi là khâu người sử dụng - User Segment

Hình 1.1: Cấu hình hệ thống địng vị toàn cầu GPS
1.2.1. Khâu vũ trụ
Khâu vũ trụ của một hệ thống thông tin vệ tinh cho trước được hiểu là tổ
hợp tất cả các vệ tinh của hệ thống hoạt động trên các quỹ đạo cũng như tất cả
các tổ hợp thiết bị, công việc liên quan đến quá trình đưa vệ tinh lên các qũy
đạo. Các vệ tinh nhân tạo này chuyển động trên các quỹ đạo tạo thành chòm sao
vệ tinh (Constellation of Satellites) liên tục phát tín hiệu quảng bá khắp toàn
cầu, được ví như trái tim của toàn hệ thống GPS.
Từ khi bắt đầu xây dựng vào năm 1973, khâu vũ trụ của hệ thống có nhiều
thay đổi. Sự thay đổi này không chỉ ở số lượng, kết cấu các vệ tinh công tác trên
quỹ đạo mà còn cả ở số lượng các quỹ đạo cũng như các thông số khác của
chúng.Hiện nay khâu vũ trụ của hệ thống GPS có 32 vệ tinh sẵn sàng hoạt động
11


với một vài vệ tinh dự phòng có thể kích hoạt khi cần thiết.
Vệ tinh GPS là vệ tinh quỹ đạo trái đất tầm trung (MEO – Medium Earth
Orbit) vì chúng bay ở độ cao khoảng 20200 km (12600 mile) so với mực nước
biển và hoạt động bằng nguồn pin năng lượng mặt trời . Các vệ tinh nàyđược
trang bị đồng hồ nguyên tử có độ chính xác rất cao và được đặt trên sáu mặt
phẳng quỹ đạo được dán nhãn từ A đến F. Đâylàcác quỹ đạo gần tròn(quỹ đạo là
một hình elipse với tâm sai khoảng 0,01) với tâm là trái đất, bán kính xấp xỉ
26600 km (16500 mile). Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh có độ nghiêng khoảng 55°
so với xích đạo để đảm bảo mức độ bao phủ các vùng địa cực. Chu kỳ quỹ đạo

vệ tinh tương ứng khoảng 11 giờ 58 phút. Do đó chúng sẽ đi qua cùng một điểm
trên trái đất sau 23 giờ 56 phút (hai lần chu kỳ quỹ đạo vệ tinh) mỗi ngày với tốc
độ ước chừng 13920 km/giờ.

Hình 1.2: Độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh so với mặt phẳng
xích đạo
Ngày 17/07/1995, hệ thống GPS được tuyên bố chính thức là đã đạt được
một khả năng hoạt động đầy đủ (FOC – Full Operational Capability), đảm bảo
khả năng hoạt động thực tế của tối thiểu 24 vệ tinh GPS, không dùng vào thí
nghiệm. Thực tế khi mà GPS đã đạt được FOC của nó, chòm sao vệ tinh thường
12


lớn hơn 24 vệ tinh.
Ban đầu chòm sao vệ tinh GPS được xây dựng với chuỗi gồm 11 vệ tinh
được gọi là các vệ tinh Block I. Các vệ tinh này lần lượt được phóng trong
khoảng thời gian từ năm 1978 đến năm 1985 và được xây dựng chủ yếu để phục
vụ mục đích thí nghiệm. Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo so với xích đạo của
chúng là 63° với thời gian sống theo thiết kế là 4,5 năm. Vệ tinh thuộc Block I
cuối cùng chấm dứt cung cấp dịch vụ vào ngày 18/11/1995.
Tiếp sau các vệ tinh Block I, Mỹ không ngừng đầu tư nghiên cứu, thiết thế
lăp ráp cho ra đời nhiều vệ tinh thế hệ mới. Từ đó tới nay nhiều thế hệ vệ tinh
mới đã được phóng thành công lên quỹ đạo. Bảng 1.1 dưới đây đưa ra một số
thông số của các block vệ tinh hiện hành:

13


Bảng 1.1 : Thông số của một số block vệ tinh hiện hành
Block

IIA
Nhà
thầu chính
Số
lượng vệ
tinh hiện
đang hoạt
động
Năm
phóng vệ
tinh

Rockwell
International

6

19901997

Block
IIR

Block
IIR-M

Lookhee
d Martin

Lookhee
d Martin

12

19972004

7

20052009

Block
IIF
Boeing
North
American

6

từ
28/5/2010

Năng
800
800
2450
lượng mặt
800 watts
watts
watts
watts
trời

Cân
1,816 kg
2,217 kg
2,217 kg
1,705 kg
nặng
Chiều
3,4 m
1,7 m
1,7 m
2,4 m
cao
Bề
5,3 m
11,4 m
11,4 m
35,5 m
ngang
Tuổi
thọ theo
7,5 năm
7,5 năm
7,5 năm
12 năm
thiết kế
Ngoài ra Mỹ cùng với nhà thầu Lookheed Martin cũng đang tiến hành kế
hoạch lắp ráp, vận hành thử thế hệ vệ tinh mới GPS III hay Block III với các
chức năng mạnh hơn, cung cấp dịch vụ đa dạng, tin cậy hơn.
Ngoài việc phân ra theo các block như trên, mỗi vệ tinh GPS còn được
phân biệt theo một số chỉ số đặc trưng. Chỉ số đầu tiên dựa trên số thứ tự phóng

gọi là số NAVTAR hay số vệ tinh SVN (Space Vehicle Number). Đây là hệ
được sử dụng theo quy định của cơ quan chương trình chung của Mỹ.Chỉ số thứ
hai là số giả ngẫu nhiên PRN (Pseudo Random Noise). Ngoài ra còn có số nhận
dạng vệ tinh SVID (Space Vehicle Identity).Các chỉ số này của chòm sao vệ tinh
14


GPS hiện hàng được trích từ websie www.navipedia.net cập nhật ngày
07/11/2014 thể hiện trong bảng 1.2dưới đây:
Bảng 1.2: Tình trạng chòm sao GPS cập nhật ngày 07/11/2014
N
o.

S

Pl

1

A

1

VN
(S
ố hiệu
vệ
tinh)
65

2

A

2

52

31

3

A

3

38

8

4

A

4

48

7

5

A

6

64

30

6

B

1

56

16

7

B

2

62

25

8

B

3

44

28

9

B

4

58

12

C

1

57

29

C

2

66

27

C

3

59

19

C

4

53

17

C

5

35

3

D

1

61

2

D

2

63

1

D

3

45

21

D

4

34

4

(
Số
thứ
tự)

an
(
Quỹ
đạo)

1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1

Sl

PR

ot
(
Vị trí)

N
(S
ố giả
ngẫu
nhiên)
24

15

Bl
ocktype
(T
hế hệ vệ
tinh)
IÌF
II
R-M
II
A
II
R-M
IIF

II
R
IIF
II
R
II
R-M
II
R-M
IIF
II
R
II
R-M
II
A
II
R
IIF
II
R
II

Clock
(Đồng hồ
nguyên tử)
Cesium
Rubidium
Cesium
Rubidium

Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Cesium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium


8

A
1

9
2
0
2
1
2
2
2
3

2
4
2
5
2
6
2
7
2
8
2
9
3
0
3
1
3
2

D

5

46

11

D

6

67

6

E

1

51

20

E

2

47

22

E

3

50

5

E

4

54

18

E

5

23

32

E

6

40

10

F

1

41

14

F

2

55

15

F

3

43

13

F

4

60

23

F

5

26

26

F

6

39

9

II
R
IIF
II
R
II
R
II
R-M
II
R
II
A
II
A
II
R
II
R-M

II
R
II
R
II
A
II
A

Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Cesium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Rubidium
Cesium

1.2.2. Khâu mặt đất
Khâu mặt đất bao gồm tất cả các trạm theo dõi, kiểm tra, tính toán, phối
ghép được đặt trên mặt đất và tham gia vào hoạt động của toàn hệ thống. Số
lượng và vị trí đặt các trạm phụ thuộc vào: độ lớn của trạm và vị trí địa lý của
các quốc gia được ủy nhiệm tham gia vào việc kiểm tra hệ thống; nguyên lý hoạt
động của hệ thống; khâu vũ trụ (số lượng vệ tinh và quỹ đạo của chúng,…).

Ba bộ phận chính của khâu mặt đất bao gồm trạm chủ - Master Control
Segment, trạm giám sát theo dõi - Monitor Station và anten mặt đất - Ground
Antena.
16


Hình 1.2 dưới đây cho thấy số lượng cũng như sự bố trí cụ thể của từng loại
trạm trong khâu điều khiển của hệ thống GPS hiện nay.

Hình 1.3: Các trạm mặt đất trong hệ thống GPS
a) Trạm giám sát
Có 16 trạm giám sát (Monitor Station) đặt ở nhiều nơi trên thế giới bao
gồm 6 trạm thuộc quyền không quân Mỹ (Air-Force) và 10 trạm giám sát
chuyên biệt do cơ quan tình báo không gian quốc gia Mỹ (NGA - National
Geospatial-Intelligence Agency) điều hành làm nhiệm vụ bám sát, theo dõi vệ
tinh, thu dữ liệu do vệ tinh truyền về, nhận các thông tin về bầu khí quyển. Sự
bố trí 16 trạm theo dõi này cụ thể như sau:

-

6 Air Force Monitor Station được đặt tại:
Colorado
Kwajalein (Thái Bình Dương)
Đảo Ascension (Đại Tây Dương)
Đảo Diego Garcia (Ấn Độ Dương)
Bán đảo Kaen trên quần đảo Hawaii (Thái Bình Dương)
Cape Canaveral (bang Florida, Mỹ)
17

 10 NGA Monitor Station được đặt tại:
-

Alaska
Đài thiên văn Naval Hoa Kỳ (USNO - United States Naval Observatory)
Ecuador
Argentina
United Kingdom
Hàn Quốc
Bahrain
Nam Phi
Australia
New Zealand
Vị trí (tọa độ) của các trạm giám sát này đuợc xác định chính xác. Mỗi trạm

giám sát này được trang bị với những bộ thu GPS chất lượng nhằm mục đích
theo dõi (tracking) liên tục tất cả các vệ tinh GPS trong tầm nhìn. Tất cả những
trạm giám sát và những trạm điều khiển mặt đất được trạm chủ điều khiển từ xa.
b) Trạm hiệu chỉnh
Các trạm hiệu chỉnh đôi khi còn được gọi là các trạm cập nhật hóa
(Injection Station /Uploading Station). Cụ thể gồm:


-

4 trạm anten mặt đất chuyên dụng(Ground Antenna) được đặt tại:
Đảo Ascension (Đại Tây Dương)
Kwajalein (Thái Bình Dương)
Đảo Diego Garcia (Ấn Độ Dương)
Cape Canaveral (bang Florida, Mỹ)

8 các trạm anten dùng chung (AFSCN Remote Station) được đặt tại:
Greenland
California
Colorado
New Hampshire
Hawaii
United Kingdom
Guam
Diego Garcia

Nhiệm vụ của các trạm này là nhận dữ liệu và các lệnh điều khiển hay hiệu
chỉnh từ trạm chủ (Master control Station) và phát chúng lên vệ tinh.

18


c) Trạm chủ
Trạm chủ (Master Control Station) được đặt tại căn cứ không quân
Schriever (Schriever Air Force Base) mà trước đó là căn cứ không quân Falcon
tại tiểu bang Colorado do 2nd SOPS (2nd Space Operations Squadron) của Không
lực Mỹ (U.S. Air Force) vận hành. Trạm chủ làm nhiệm vụ thu nhận các dữ liệu
do các trạm giám sát gửi về và xử lý chúng (tính lịch thiên văn, hiệu chỉnh đồng
hồ nguyên tử vệ tinh, hiệu chỉnh và điều khiển quỹ đạo, kích hoạt vệ tinh thay
thế hay dự phòng...). Sau quá trình xử lý này, trạm chủ gửi lại thông tin đã hiệu
chỉnh tới một trong những trạm anten mặt đất để phát lên những vệ tinh GPS
thông qua đường link băng S. Mục đích chính của việc gửi đi những thông tin
hiệu chỉnh này là nhằm điều chỉnh quỹ đạo bay và đồng bộ thời gian cho các vệ
tinh cùng với thông tin về sự suy hao đường truyền, đảm bảo tính chính xác của
kết quả định vị GPS.
Ngoài ra còn có một trạm chủ dự phòng - Alternate Master Control Station

được đặt tại căn cứ không quân Vandenberg (California) nhằm đảm bảo hệ
thống có thể hoạt động liên tục không bị gián đoạn ngay cả trong trường hợp
trạm chủ tại Colorado xảy ra sự cố.
Tóm lại, từng trạm giám sát kiểm tra độ chính xác, vị trí, tốc độ và toàn bộ
tình trạng của các vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo. Phân hệ điều khiển chủ
sử dụng các kết quả đo được lựa chọn từ các trạm giám sát để dự đoán thuộc
tính quỹ đạo và đồng hồ của từng vệ tinh. Dữ liệu dự đoán này được phát tới các
vệ tinh để vệ tinh truyền ngược lại tới người sử dụng. Một trạm có thể kiểm tra
tới nhiều vệ tinh tại một thời điểm. Từng trạm sẽ thực hiện kiểm tra hai lần một
ngày đúng lúc mà các vệ tinh thực hiện xong cuộc hành trình quanh trái đất.
Những biến đổi nổi bật do lực hấp dẫn của mặt trăng, mặt trời và áp suất của
bức xạ mặt trời gây ra đều được loại bỏ bởi trạm điều khiển chủ này.

19


1.2.3. Khâu thuê bao
Khâu thuê bao trong hệ thống định vị vệ tinh GPS gồm tất cả các điểm thu
(bao gồm cả máy thu quân sự và dân sự) bất kể chủng loại nào dùng để thu tín
hiệu từ các vệ tinh GPS.
Thiết bị thu 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 trên thông tin đó. Tất nhiên, các máy thu (receivers) như tên gọi của
mình, chúng chỉ đơn thuần nhận thông tin một chiều gửi xuống từ vệ tinh mà
không truyền đi bất cứ thông tin gì tới các vệ tinh. Do đó có thể nói các máy thu
GPS định vị một cách thụ động và GPS không theo dõi người dùng. Thiết bị thu
GPS có nhiều kích cỡ cũng như hình dáng, mức độ chuyên dụng tương ứng với
giá thành khác nhau. Các máy thu có thể phân thành hai loại:
- Đơn kênh trên một tần số: chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1 (f 1 =
1575,42MHz). Các máy thu này phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với

độ chính xác 10m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1÷5cm.
- Đa kênh trên hai tần số: nhận được cả hai sóng mang L1 và L2 (f2 = 1227,6 MHz)
với khoảng cách dài đến vài nghìn km, ta sử dụng máy thu hai tần số này để khử
ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển Trái Đất
Trong thực tế hiện nay người ta sử dụng nhiều loại máy thu để thu và xử lý
tín hiệu GPS phục vụ dẫn đường cho phù hợp với nhiều loại thiết bị khác nhau
trong nhiều lĩnh vực. Nhưng nhìn chung để đáp ứng việc thu được tín hiệu GPS
thì các máy thu đều có sơ đồ khối sau:
-

Lọc và khuếch đại tín hiệu cao tần
Đổi tần và khuếch đại trung tần
Số hóa tín hiệu GPS
Xử lý tín hiệu băng cơ sở
1.3. Ý TƯỞNG ĐỊNH VỊ CỦA HỆ THỐNG GPS
Khái niệm định vị dẫn đường được hiểu là quá trình xác định vị trí hay

phương hướng hành trình của con người hay các phương tiện đi đến một đích cụ
thể nào đấy, trong một vùng địa lý hay một tuyến chuyển động nhất định. Con
20


người hay các phương tiện ở đây được gọi chung là chủ thể hay điểm đo (MP –
Measuring Point). Các vật thể định hướng và có vị trí xác định được gọi là các
mốc đạo hàng (NP – Navigation Point).
Trong hệ thống GPS các mốc đạo hàng chính là các vệ tinh nhân tạo trong
khâu vũ trụ đã đề cập tới ở phần trên. Việc định vị vị trí của các chủ thể (con
người, phương tiện) thực chất chính là việc xác định vị trí của các máy thu GPS
mà con người mang theo hay được lắp đặt trên các phương tiện đó.
Ý tưởng định vị của hệ thống GPS xuất phát từ một nguyên lý toán học đơn

giản. Đó là trong một mặt phẳng, nếu biết chính xác vị trí của ba điểm A, B, C
cố định không trùng nhau và khoảng cách R A, RB, RC từ mỗi điểm đó tới một
điểm X chưa biết thì ta có thể dễ dàng xác định được vị trí của điểm X đó. Lời
giải cho bài toán hình học trong mặt phẳng này rất đơn giản: điểm X có vị trí
được xác định chính là giao điểm của cả ba đường tròn tâm A, B, C có bán kính
RA, RB, RC tương ứng. Tuy nhiên đó là định vị trên một mặt phẳng (hai chiều).
Khi áp dụng vào định vị trong không gian ba chiều, điểm X nói trên chính là
máy thu GPS và các đường tròn sẽ trở thành các mặt cầu với tâm là các vệ tinh
xác định.
Giả sử khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là R 1 => mục tiêu (máy
thu GPS) nằm đâu đó trên mặt cầu (I) có tâm là vệ tinh thứ nhất, bán kính R1.
Tương tự nếu biết khoảng cách từ máy thu GPS tới vệ tinh thứ hai là R 2 =>
mục tiêu nằm trên đường tròn giao tuyến giữa hai mặt cầu (I) và mặt cầu (II) có
tâm là vệ tinh thứ hai, bán kính R2.

21


Hình 1.4:Trường hợp biết được khoảng cách từ máy thu tới hai vệ tinh
Tiếp tục nếu biết khoảng cách từ máy thu GPS tới vệ tinh thứ ba là R 3 =>
mục tiêu là một trong hai giao điểm của đường tròn trên mặt cầu (III) là vệ tinh
thứ ba với bán kính R3.

Hình 1.5: Trường hợp biết được khoảng cách từ máy thu tới ba vệ tinh
Biết thêm khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh thứ tư là R 4 => xác định được
chính xác vị trí của mục tiêu là giao điểm của mặt cầu (IV) có tâm là vệ tinh thứ
tư với bán kính R4 với cả ba mặt cầu (I), (II) và (III).

22

Hình 1.6: Trường hợp biết được khoảng cách từ máy thu tới bốn vệ tinh
Như vậy, để xác định được vị trí của máy thu GPS bất kỳ, cần biết được hai
dữ liệu tối thiểu là:
- Vị trí của bốn vệ tinh GPS
- Khoảng cách từ mỗi vệ tinh tới máy thu cần định vị đó
1.4. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS
Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống GPS có thể hiểu như sau: các vệ
tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo xác
định và phát tín hiệu mang thông tin xuống trái đất. Các máy thu GPS thu nhận
và sử dụng thông tin này để tính toán được chính xác vị trí của người dùng.
Máy thu GPS sẽ thực hiện đo khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu truyền
từ các vệ tinh đến được máy thu, rồi từ đó tính ra khoảng cách giữa mỗi vệ tinh
đó với nó theo công thức:
d = V .∆t

(1.1)
Trong đó:
d là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu
V là vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ
ánh sáng (xấp xỉ 300000 km/s)
∆t

là thời gian sóng điện từ truyền từ vệ tinh đến máy thu GPS
23


Như vậy, có thể thấy bài toán tính khoảng cách đưa ra ở phần trên giờ được
đưa về bài toán tính thời gian. Máy thu GPS so sánh thời gian tới của tín hiệu từ
vệ tinh với thời gian chuẩn tại máy thu. Sai lệch về thời gian này cho biết máy

thu GPS ở cách vệ tinh bao xa dựa vào công thức 1.1 ở trên.
Cụ thể như sau: vào một thời điểm nào đó, khi vệ tinh bắt đầu truyền đi
một chuỗi tín hiệu dài, được gọi là mã giả ngẫu nhiên (PRN code). Máy thu
cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt vào cùng thời điểm. Khi tín hiệu từ vệ
tinh truyền đến máy thu, chuỗi tín hiệu đó sẽ bị trễ một khoảng thời gian nhỏ

∆t

so với chuỗi do máy thu tạo ra như minh họa trong hình 1.7 dưới đây:

Hình 1.7: Độ trễ giữa chuỗi PRN code nhận từ vệ tinh và chuỗi bản sao tại
máy thu
Chiều dài khoảng thời gian trễ

∆t

này chính là thời gian truyền của tín

hiệu từ vệ tinh tới máy thu. Máy thu sẽ nhân thời gian này với tốc độ ánh sáng
để xác định quãng đường truyền tín hiệu. Giả sử rằng tín hiệu truyền trên đường
thẳng thì đây chính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Để thực hiện phép đo
này, một điều kiện hết sức quan trọng là đồng hồ trên vệ tinh và đồng hố trong
máy thu phải đồng bộ với nhau. Bởi dễ thấy rằng chỉ một sai số rất nhỏ, cỡ một

24


phần nghìn giây cũng sẽ dẫn đến sai số là

10−3 × 3 ×105 =

300 km. Đó là một sai số

không thể chấp nhận được (kể cả đối với máy thu GPS phục vụ mục đích dân
sự). Do đó độ chính xác tối thiểu yêu cầu của các máy thu phải là cỡ ns (10 -9 ).
Để có độ chính xác như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử cho không chỉ các
vệ tinh mà còn máy thu GPS của người sử dụng. Nhưng đồng hồ nguyên tử thì
lại quá đắt (khoảng 50 đến 100 ngàn đôla) đối với việc đưa thiết bị định vị GPS
đến với một phạm vi người dùng rộng lớn và đa dạng trên khắp toàn cầu. Giải
pháp được đưa ra là các vệ tinh – trái tim của hệ thống sẽ được trang bị đồng hồ
nguyên tử nhưng mỗi máy thu thì chỉ trang bị đồng hồ quartz thông thường. Các
đồng hồ quartz này được điều chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu được truyền đi từ
các vệ tinh.
Chính do đồng bộ trong hệ thống và môi trường lan truyền sóng không lý
tưởng dẫn tới phép đo khoảng cách như trên có sai số nên khoảng cách đo được
này gọi là khoảng cách giả định (hay một số tài liệu sử dụng thuật ngữ là tựa cự
ly). Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS dựa trên phép đo khoảng cách giả
định này tại máy thu thuê bao thông qua việc đo khoảng thời gian lan truyền của
sóng điện từ từ vệ tinh tới máy thu. Khi đó:
ρ ' = ρ + c.σ ts + c.( ∆tu − ∆t s ) + c.∆t a + ξ m

(1.2)

Trong đó:

ρ'
ρ

c

là khoảng cách giả định từ vệ tinh tới máy thu

là khoảng cách thực từ vệ tinh tới máy thu
là vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng (xấp

xỉ 300000 km/s)
σ tS

là sai số thời gian trong hệ thống

25