Nghiên cứu phát triển vi mạch định vị toàn cầu GNSS thiết kế khối giải mã tính toán vị trí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----oOo-----

HOÀNG VIỆT HUY

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VI MẠCH ĐỊNH
VỊ TOÀN CẦU GNSS: THIẾT KẾ KHỐI GIẢI
MÃ TÍNH TOÁN VỊ TRÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN ĐỨC MINH

Hà Nội, 2015
4


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Hoàng Việt Huy
Đề tài luận văn: Nghiên cứu phát triển vi mạch định vị toàn cầu GNSS: Thiết kế
khối giải mã tính toán vị trị
Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử
Mã số SV: CB120623
Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác

giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày….........................………… với các nội dung sau:
………………………………………………………………………………………
……………..…………………………………………………………………………
…………………………..……………………………………………………………
………………………………………..………………………………………………
Ngày ... tháng ... năm 2015
Giáo viên hƣớng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực
sự của cá nhân, đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dƣới sự
hƣớng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Đức Minh.
Các số liệu, kết luận của luận án là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu của
bản thân, chƣa từng đƣợc công bố dƣới bất ký hình thức nào trƣớc khi trình, bảo vệ
trƣớc “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ kỹ thuật”. Các số liệu, kết quả, kết luận
đƣợc tôi tham khảo đã đƣợc trích dẫn nguồn đẩy đủ.
Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên.
Hà Nội, ngày ... tháng 4 năm 2015
Tác giả luận văn

Hoàng Việt Huy

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể các thầy, cô giáo của Viện Điện
tử - Viễn thông, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong
suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo TS
Nguyễn Đức Minh, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi tận tình trong thời gian nghiên
cứu và hoàn thiện luận văn này.
Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn tất cả các thầy cô giáo, bạn bè, đồng
nghiệp đã giúp đỡ và ủng hộ tôi trong thời gian qua. Xin kính chúc các thầy cô giáo,
các anh chị và các bạn mạnh khoẻ, hạnh phúc và thành công.
Tác giả luận văn

Hoàng Việt Huy


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................... vi
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ................................................................................... viii
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. ix
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GNSS - GPS .....................3
1.1. Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS ...................................................3
1.2. Cấu trúc hệ thống ........................................................................................5
1.3. Tín hiệu GPS ..............................................................................................8
1.3.1. Tín hiệu và dữ liệu ...............................................................................8
1.3.2. Mã C/A ..............................................................................................11
1.3.3. Các hiệu ứng ảnh hƣởng đến tín hiệu GPS........................................17
1.4. Cấu trúc máy thu GPS ..............................................................................18

1.4.1. Acquisition – Dò kênh .......................................................................19
1.4.2. Tracking – Bám kênh ........................................................................20
1.4.3. Navigation Data Extraction & PseudoRange Calculation – Tách dữ
liệu định vị và tính toán khoảng giả định ..........................................................21
CHƢƠNG 2. KHỐI GIẢI MÃ TÍNH TOÁN VỊ TRÍ ..............................................22
2.1. Cơ sở lý thuyết của giải mã tính toán vị trí ..............................................22
2.1.1. Sự xác định vị trí trong hệ tọa độ hai chiều .......................................22
2.1.2. Lệch đồng hồ và bù lệch ....................................................................24
2.1.3. Nguyên lý xác định vị trí thông qua các tín hiệu khoảng cách phát từ
vệ tinh ................................................................................................................25
2.1.4. Các hệ tọa độ tham chiếu ...................................................................27
2.2. Giải điều chế dữ liệu và ƣớc lƣợng khoảng cách .....................................35
2.2.1. Khôi phục dữ liệu định vị ..................................................................35
2.2.2. Giải mã tín hiệu định vị .....................................................................36
2.2.3. Ƣớc lƣợng khoảng cách .....................................................................42
2.3. Tính toán vị trí vệ tinh ..............................................................................48
2.4. Tính toán vị trí máy thu ............................................................................53
2.4.1. Hiệu chỉnh thời gian ..........................................................................53


2.4.2. Phƣơng trình quan sát và phƣơng pháp giải gần đúng phƣơng trình
quan sát..............................................................................................................55
2.4.3. Tính toán tọa độ máy thu bằng phƣơng pháp bình phƣơng bé nhất ..57
2.5. Độ chính xác của phép tính toán vị trí ......................................................59
CHƢƠNG 3. TRIỂN KHAI KHỐI GIẢI MÃ TÍNH TOÁN VỊ TRÍ ......................62
3.1. Thuật toán .................................................................................................62
3.1.1. Đồng bộ các bít dữ liệu......................................................................62
3.1.2. Giải mã dữ liệu định vị ......................................................................65
3.1.3. Tính toán vị trí vệ tinh .......................................................................68
3.1.4. Tính toán vị trí máy thu .....................................................................71

3.1.5. Tính toán độ chính xác và chuyển đổi tọa độ ....................................73
3.2. Thiết kế - triển khai ..................................................................................74
3.2.1. Sơ đồ khối của hệ thống ....................................................................74
3.2.2. Khối đồng bộ các bít dữ liệu .............................................................76
3.2.3. Khối giải mã dữ liệu định vị ..............................................................77
3.2.4. Khối tính toán vị trí vệ tinh ...............................................................78
3.2.5. Khối tính toán vị trí máy thu .............................................................81
3.2.6. Khối tính toán độ chính xác và chuyển đổi tọa độ ............................82
CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG – ĐÁNH GIÁ ...............................................................85
4.1. Mô phỏng ..................................................................................................85
4.1.1. Dữ liệu đầu vào ..................................................................................85
4.1.2. Kế hoạch mô phỏng ...........................................................................87
4.1.3. Kết quả mô phỏng..............................................................................87
4.2. Nhận xét – Đánh giá .................................................................................89
KẾT LUẬN ...............................................................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................91


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1-1 Hệ thống GPS ........................................................................................6
Hình 1-2 Hệ thống vệ tinh GPS .............................................................................7
Hình 1-3 Quá trình tạo tín hiệu GPS tại vệ tinh ....................................................9
Hình 1-4 Các thành phần trong tín hiệu vệ tinh GPS ..........................................11
Hình 1-5 Bộ sinh mã C/A ....................................................................................12
Hình 1-6 Kết quả tự tƣơng quan mã C/A 19 .......................................................15
Hình 1-7 Kết quả tƣơng quan chéo mã C/A 19 và 31 .........................................16
Hình 1-8 Kết quả tƣơng quan của mã C/A 19 với phiên bản trễ 1 chip ..............16
Hình 1-9 Các khối xử lý tính toán trong máy thu GPS .......................................19
Hình 2-1 Tập các giá trị có thể là một đƣờng tròn bán kính R1 ..........................22
Hình 2-2 Hai kết quả có thể khi hai phép đo đƣơc thực hiện ..............................23

Hình 2-3 Bài toán cho kết quả duy nhất khi ba phép đo đƣợc tiến hành ............23
Hình 2-4 Tác động của việc thời gian tham chiếu bị dịch lên kết quả tính toán .24
Hình 2-5 Tác động của các phép đo độc lập........................................................25
Hình 2-6 Xác định vị trí trong hệ tọa độ quán tính địa tâm ................................28
Hình 2-7 Mô hình elip của trái đất (mặt cắt vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo)[1]
...................................................................................................................................30
Hình 2-8 Quan hệ giữa dạng hình học thực (topology), thể địa cầu và mô hình
elip tham chiếu .........................................................................................................34
Hình 2-9 Minh họa giá trị đầu ra từ khối tracking...............................................36
Hình 2-10 Ví dụ: Kết quả tƣơng quan giữa 33 giây của chuỗi dữ liệu định vị và
chuỗi mở đầu có độ dài 8 bít .....................................................................................37
Hình 2-11 Hai từ đầu tiên của mỗi khung dữ liệu con. Những từ này đƣợc gọi là
từ telemetry (TLM) và từ Hand over word (HOW) ..................................................38
Hình 2-12 Mối quan hệ về mặt thời gian giữa giờ hệ thống GPS, biến đêm Zcount và biến đếm Z-count rút gọn ...........................................................................40
Hình 2-13 Vị trí ngƣời dùng trong giản đồ vector...............................................43
Hình 2-14 Sử dụng bản sao mã để xác định thời gian truyền .............................44


Hình 2-15 Đo khoảng cách bằng các quan hệ thời gian ......................................45
Hình 2-16 Thời gian truyền và điểm bắt đầu cảu khung con cho 4 kênh............47
Hình 2-17 Vệ tinh trong hệ tọa độ địa tâm địa tĩnh .............................................49
Hình 2-18 Quỹ đạo elip với hệ tọa độ (𝝃, 𝜼) .......................................................49
Hình 3-1 Sơ đồ thuật toán đồng bộ bít dữ liệu ....................................................63
Hình 3-2 Sơ đồ thuật toán kiểm tra parity trong đồng bộ các bít dữ liệu ............64
Hình 3-3 Sở đồ thuật toán giải mã dữ liệu định vị ..............................................66
Hình 3-4 Sơ đồ thuật toán giải mã dữ liệu thiên văn trong giải mã dữ liệu định vị
...................................................................................................................................67
Hình 3-5 Sơ đồ thuật toán giải mã mỗi từ 30 bít của khung dữ liệu trong giãi mã
dữ liệu định vị ...........................................................................................................68
Hình 3-6 Sơ đồ thuật toán tính toán khoảng cách giả định của các vệ tinh ........69

Hình 3-7 Sơ đồ thuật toán tính toán vị trí vệ tinh và độ lệch đồng hồ máy thu ..70
Hình 3-8 Sơ đồ thuật toán tính độ lệch đồng hồ máy thu từ dữ liệu thiên văn ...71
Hình 3-9 Sơ đồ thuật toán tính toán vị trí máy thu ..............................................72
Hình 3-10 Sơ đồ thuật toán độ chính xác phép tính toán và chuyển đổi hệ trục
tọa độ .........................................................................................................................73
Hình 3-11: Sơ đồ khối của toàn bộ khối giải mã, tính toán dữ liệu vị trí ............75
Hình 3-12 Sơ đồ hệ thống đƣợc triển khai trên phần mềm Simulink..................84
Hình 4-1 Các kênh sóng đƣợc dò thành công từ bộ dữ liệu dùng để mô phỏng .86
Hình 4-2 Giá trị firstSubFrame của 6 kênh khả dụng trong mô phỏng ...............87


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1-1 Bảng chân lý phép Cộng Module 2 với Dữ liệu nhị phân .....................9
Bảng 1-2 Lựa chọn pha mã C/A ..........................................................................13
Bảng 2-1 Xác định cao độ và vĩ độ từ các tọa độ thuộc hệ địa tâm địa tĩnh .......32
Bảng 2-2 Phƣơng trinh mã hóa chuỗi bít parity ..................................................39
Bảng 2-3 Bảng giải mã các thông số thiên văn GPS trong dữ liệu định vị .........40
Bảng 2-4 Bảng liệt kê các thông số thiên văn .....................................................41
Bảng 2-5 Các thành phần quỹ đạo Kepler để xác định vị trí vệ tinh trong hệ tọa
độ quy chiếu ..............................................................................................................49
Bảng 3-1 Các tham số của triển khai khối giải mã và tính toán vị trí .................75
Bảng 4-1 Giá trị các tham số tiến hành mô phỏng ..............................................86
Bảng 4-2 Vị trí máy thu đƣợc tính toán với dữ liệu của 4 vệ tinh .......................88
Bảng 4-3 Vị trí máy thu đƣợc tính toán với dữ liệu của 5 vệ tinh .......................88
Bảng 4-4 Vị trí máy thu đƣợc tính toán với dữ liệu của 6 vệ tinh .......................88
Bảng 4-5 Độ chính xác của phép giải mã và tính toán vị trí ...............................88


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Từ viết đầy đủ

Ý nghĩa

C/A

Coarse/Acquisition

Mã C/A dùng để dò kênh

DSP

Digital signal processing

Xử lý số tín hiệu

ECEF

earth centered earth fixed

Địa tâm địa tĩnh

ECI

earth center inertial

Địa tâm quán tính

ED

European Datum

Dữ liệu trắc địa châu Âu

FPGA

field-programmable gate array

Mảng cổng logic lập trình đƣợc

GNSS

Global Navigation Satellite System Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

HOW

Hande over word

Từ HOW trong bản tin GPS

ICD

Interface Control Document

Tài liệu kỹ thuật giao diện hệ

thống

IODC

Issue of Data, Clock

Đồng hồ tham khảo trong dữ liệu
thiên văn

IODE

Issue of Data, Ephemeris

Dữ liệu thiên văn tham khảo

LSB

Least significant bít

Bít giá trị nhỏ nhất

MLS

Maximum length sequence

Chuỗi độ dài tối đa

MSB

most significant bít

Bít có giá trị lớn nhất

NAD

North American Datum

Dữ liệu trắc địa Bắc Mỹ

OS SIS

Open Service Signal In Space

Dịch vụ định vị vệ tinh tiêu
chuẩn của hệ thống Galileo

PRN

Pseudorandom noise

Mã giả nhiễu

SDR

Software Defined Radio

Kỹ thuật xử lý tín hiệu vô tuyến
trên phần mềm

TLM

Telemetry

Từ TLM trong bản tin GPS

USNO

United States Naval Observatory

Đài thiên văn hàng hải Hoa Kỳ

UTC

Coordinated Universal Time

Múi giờ chuẩn (GMT+0)

WGS

World Geodetic System

Hệ thống trắc địa thế giới

XOR

Exclusive-OR

Toán tử XOR

Mở đầu

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nghiên cứu về hệ thống định vị toàn cầu (gọi chung là GNSS) không phải là
một chủ để mới. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các hệ thống định vị toàn
cầu đã có những bƣớc thay đổi và cải tiến mới. Có thể kể đến nhƣ hệ thống GPS đã
trải qua 5 lần điều chỉnh và nâng cấp khả năng kỹ thuật của hệ thống trong 5 năm
trở lại đây. Hệ thống định vị toàn cầu GALILEO của châu Âu cũng đã đƣợc đƣa
vào vận hành thử nghiệm từ năm 2011, cùng với công bố tài liệu kỹ thuật Galileo
OS SIS ICD. Việc các hệ thống này ngày càng đƣợc cải tiến và hoàn thiện hứa hẹn
sẽ mang đến cho ngƣời sử dụng nhiều lợi ích hơn, khi mà thu đƣợc nhiều tín hiệu vệ
tinh hơn đồng nghĩa với khả năng định vị vị trí đƣợc nâng cao. Tuy nhiên, vấn đề
mới đặt ra ở đây là phải kết hợp đƣợc khả năng giải mã và tính toán các bản tin vệ
tinh của các hệ thống khác nhau.
Trƣớc những lợi ích to lớn và ứng dụng phổ biến của định vị vệ tinh, việc
nghiên cứu và phát triển một vi mạch định vị toàn cầu GNSS của Việt Nam là ý
tƣởng đƣợc nhóm nghiên cứu ấp ủ trong khoảng thời gian học tập tại trƣờng. Việc
kết hợp đƣợc khả năng định vị vệ tinh của nhiều hệ thống trên một vi mạch điện tử
là một hƣớng nghiên cứu mới và sẽ đem lại những lợi ích đáng kể nếu đƣợc phát
triển thành công. Khối giải mã tính toán vị trí là khối xử lý cuối cùng, đƣa ra kết
quả định vị tới ngƣời dùng, phải vừa đảm bảo tạo ra kết quả chính xác, vừa phải
đảm bảo hiệu năng tính toán cao, thực sự là một thử thách thú vị. Những lý do trên
đây là cơ sở để tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu phát triển vi mạch định vị toàn cầu
GNSS: Thiết kế khối giải mã tính toán vị trí”.
2. Lịch sử nghiên cứu
Ở Viêt Nam đã có lịch sử nghiên cứu về hệ thống định vị toàn cầu GNSS,
nhƣ sau:
Một số đề tài nghiên cứu cấp cơ sở của các cơ quan, viện nghiên cứu, một số
luận văn thạc sĩ đã nghiên cứu về nội dung này, tuy nhiên cho đến thời điểm này

hƣớng nghiên cứu phát triển vi mạch điện tử còn khá mới, chƣa có công trình
1


Mở đầu

nghiên cứu nào đƣợc công bố.
Ở nƣớc ngoài, hƣớng nghiên cứu phát triển vi mạch điện tử đã có những
công bố, tuy nhiên phần lớn không triển khai trên cùng một nền tảng phần cứng mà
kết hợp nhiều nền tảng SDR, DSP và FPGA.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu: nghiên cứu về khối giải mã tính toán vị trí của vi mạch
định vị toàn cầu GNSS, triển khai các cơ sở lý thuyết cơ bản vào một mô hình hoàn
chỉnh và thử nghiệm các kĩ thuật giải mã và tính toán vị trí mới.
Phạm vi nghiên cứu: dịch vụ định vị vị trí tiêu chuẩn và cơ sở lý thuyết, ứng
dụng của các hệ thống định vị toàn cầu GNSS.
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Nghiên cứu tổng quan về hệ thống GNSS-GPS.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết khối giải mã tính toán vị trí trong vi mạch định vị
toàn cầu GNSS.
Nghiên cứu triển khai khối giải mã tính toán vị trí trong vi mạch định vị toàn
cầu GNSS.
Mô phỏng khối giải mã tính toán vị trí đã đƣợc triển khai, so sánh và đánh
giá các kết quả tìm đƣợc và đƣa ra kết luận.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Nghiên cứu nắm vững các kỹ thuật cơ sở áp dụng cho định vị vệ tinh toàn
cầu.
Áp dụng lý thuyết để xây dựng nên những thuật toán để thực hiện giải mã
tinh toán vị trí dựa trên tín hiệu vệ tinh định vị toàn cầu.
Triển khai các thuật toán thành mô hình, tiến hành mô phỏng với bộ dữ liệu

thích hợp và với kế hoạch mô phỏng định sẵn. Đánh giá và nhận xét các kết quả thu
đƣợc một cách khách quan, dựa vào các tài liệu kĩ thuật và tài liệu tham khảo.

2


Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GNSS - GPS
1.1. Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS
Định vị vệ tinh hay hệ thống SATNAV là một hệ thống các vệ tinh cung cấp vị
trí không gian phủ khắp địa cầu. Nó cho phép những máy thu điện tử nhỏ xác định
đƣợc vị trí của chúng (kinh độ và vĩ độ) với độ chính xác cao (trong khoảng vài mét)
sử dụng tín hiệu phát thẳng bằng sóng vô tuyến từ vệ tinh. Những tín hiệu đó cũng
cho phép máy thu tính toán thời gian thực với độ chính xác cao, tạo một hệ thống
đồng bộ thời gian. Một hệ thống vệ định vị vệ tinh phủ khắp toàn cầu còn đƣợc gọi
là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS - Global Navigation Satellite System).
Mức độ bao phủ toàn cầu của một hệ thống vệ tinh thƣờng là 20 đến 30 vệ tinh
trải rộng trên một số mặt phẳng quỹ đạo. Hệ thống định vị vệ tinh sử dụng cho
những ứng dụng định vị trong dân sự gồm 2 loại sau:
 GNSS-1: Đây là hệ thống thế hệ đầu tiên và là sự kết hợp của hệ thống
định vị vệ tinh đã có (GPS và GLONASS) với hệ thống SBAS (Satellite
Based Augmentation System) hoặc GBAS (Ground Based Augmentation
System).
 GNSS-2: Đây là thế hệ thứ 2 của GNSS. Nó có thể cung cấp một hệ
thống định vị vệ tinh dân sự độc lập nhƣ là hệ thống định vị Galieo của
Châu Âu. Những hệ thống này cung cấp khả năng kiểm soát chính xác và
nhất quán cần cho hệ thống định vị dùng trong dân sự (nhƣ hàng không
dân dụng).

Một số hệ thống định vị toàn cầu hiện nay có thể nhắc tới:
 GPS: Hệ thống vị trí toàn cầu (GPS) gồm tới 32 vệ tinh quanh trái đất
trong 6 mặt phẳng quỹ đạo khác nhau. GPS đƣa vào hoạt động từ năm

3


Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS

1978 và áp dụng trên toàn cầu từ nằm 1994. Hiện nay nó là hệ thống định
vị toàn cầu phổ biên nhất trên thế giới.
 GLONASS: Liên Xô cũ và ngày nay là Nga sử dụng hệ thống định vị
GLONASS. Đây là một hệ thống vệ tinh định vị có chức năng hoàn chỉnh
vào năm 1995. Sau sự sụp đổ của Liên xô, hệ thống này hƣ hỏng dẫn tới
sự thiếu hụt của vùng phủ song, chỉ còn lại một phần còn hoạt động. Tuy
nhiên đến năm 2011, Nga đã khôi phục lại hệ thống này.
 Beidou: Trung Quốc đã lên kế hoạch để hoàn thiện toàn bộ phiên bản 2
của hệ thống vệ tinh Beidou hay còn gọi là COMPASS, bằng cách mở
rộng phạm vi dịch vụ từ trong nƣớc thành toàn cầu vào nằm 2020. Hệ
thống Beidou-2 đề xuất sẽ có 30 vệ tinh trên quỹ đạo và 5 vệ tinh địa tĩnh.
Một phiên bản trong nƣớc gồm 16 vệ tinh (bao phủ khu vực Châu Á và
Thái Bình Dƣơng) đã hoàn thiện vào năm 2012.
Các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu có nhiều ứng dụng quan trọng. Dƣới đây
là những ứng dụng nổi bật và phổ biến của hệ thống GNSS trong dân sự.
 Định vị trên xe hơi: Ô tô có thể đƣợc trang bị bộ thu GNSS trong quá
trình sản xuất hoặc đặt hàng thêm. Nó thƣờng hiển thị bản đồ hành trình
và thông tin về vị trí, tốc độ, hƣớng đi, những tuyến đƣờng lân cận và các
điểm đến ƣa thích.
 Định vị hàng không: Hệ thống định vị hàng không có màn hình hiển thị
bản đồ di chuyển và thƣờng kết nối tới thiết bị lái tự động đề điều chỉnh

hƣớng trong khi bay. Bộ thu GNSS gắn trên buồng lái và có mặt trên các
loại máy bay, sử dụng những công nghệ nhƣ WAAS hay LAAS để tăng
độ chính xác.
 Định vị hàng hải: Tàu thuyền có thể sử dụng GNSS để định vị tất cả sông
hồ, biển và đại dƣơng trên thế giới. GNSS cung cấp các chức năng hữu
ích dùng trên sông nƣớc, cho phép ngay lập tức có thể đánh dấu vị trí
ngƣời bị nạn rơi xuống biển, giúp đơn giản hóa các nỗ lực cứu hộ. GNSS
có thể kết nối tới thiết bị tự lái trên tàu thủy sử dụng giao diện NMEA013.
4


Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS

 Công nghiệp nặng: Ngành công nghiệp năng có thẻ dùng GNSS trong
xây dựng, khai thác mỏ và nông nghiệp chính xác. Các thiết bị xây dựng
có thể dƣợc điều khiển tự động bằng hệ thống hƣớng dẫn GNSS. Máy
móc nông nghiệp sử dụng GNSS để chỉ đạo tự động hoặc nhƣ trợ lý hình
ảnh trên màn hình ngƣời lái. Nó rất hữu ích cho giao thông hoặc điều
khiển việc gặt theo hàng hoặc phun thuốc.
 Ngƣời đi xe đạp: Ngƣời đi xe đạp thƣờng sử dụng GNSS trong các cuộc
đua hoặc các chuyến đi xa. GNSS cho phép họ vạch trƣớc đƣờng đi và đi
theo; điều này cũng giúp họ chọn ra tuyến đƣờng hợp lý hơn mà không
cần dừng lại để xem bản đồ. Loại GNSS cho ngƣời đi xe thƣờng không
có những chức năng tinh vi nhƣ lập bản đồ đƣờng phố mà hƣớng tới ghi
chép các thông tin dọc theo tuyến đƣờng họ đi qua. Những thông tin này
sẽ đƣợc xem lại sau khi ngƣời lái hoàn hành cuộc thi hay chặng đua, hoặc
có thể đƣa lên dịch vụ trực tuyến để xem và so sánh với các đội đua khác.
 Hàng không vũ trụ: Tàu vũ trụ lần đầu sử dụng GNSS nhƣ một công cụ
điều hƣớng. Bổ sung thêm bộ thu GNSS giúp tàu vũ trụ xác định đƣợc
quỹ đạo chính xác mà không cần theo dõi mặt đất. Điều này giúp nó tự

chuyển hƣớng, thiết lập bay.
1.2. Cấu trúc hệ thống
Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là một hệ thống định vị vệ tinh trên không gian
cung cấp vị trí và thông tin bất cứ nơi nào trên hoặc gần Trái đất, nơi có tầm nhìn
tới ít nhất 4 vệ tinh GPS. Hệ thống này có tầm quan trọng trong lĩnh vực quân sự,
dân sự và thƣơng mại trên toàn thế giới.
Dự án triển khai hệ thống định vị toàn cầu GPS đƣợc chính phủ Hoa kì thông
qua năm 1973 và vào năm 1978, vệ tinh đầu tiên trong số các vệ tinh của mạng vệ
tinh định vị đƣợc phóng lên thành công. Ban đầu, hệ thống chỉ đƣợc xây dựng cho
mục đích quân sự của bộ quốc phòng Mỹ. Năm 1995, hệ thống GPS chính thức
đƣợc hoàn thành và đi vào hoạt động ở hai băng tần L1 và L2 với các tần số trung
tâm ở hai băng là 1575,42 MHz và 1227,60 MHz. Băng tần L2 chỉ dành cho các
5


Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS

ứng dụng của quân sự, trong khi đó băng tần L1 đƣợc dành cho ứng dụng của dân
sự. Hệ thống GPS xây dựng trên nguyên lý đa truy nhập phân chia theo mã. Mã trải
phổ sử dụng cho các dịch vụ quân sự và dịch phụ thƣơng mại có phí là mã trải phổ
có tốc độ cao với tần số phát là 10,23 MHz trong khi đó mã trải phổ sử dụng cho
các dịch vụ dân sự có tốc độ phát thấp hơn với tần số là 1,023 MHz nên cho độ ƣớc
lƣợng về tọa độ kém chính xác hơn.
Hệ thống GPS đƣợc chia thành ba phân hệ chính: phân hệ không gian gồm các
vệ tinh phát quảng bá tín hiệu chứa thông tin về quỹ đạo của chúng và thông tin đi
kèm các dịch vụ sử dụng bởi hệ thống; phân hệ điều khiển dƣới mặt đất phát các tín
hiệu điều khiển vệ tinh, hiệu chỉnh quỹ đạo hay tốc độ bay của vệ tinh, giám sát tình
trạng của các vệ tinh và cấp phát các dịch vụ đƣợc phục vụ bởi hệ thống; và cuối
cùng là phân hệ ngƣời dùng gồm tất cả các máy thu thu dữ liệu từ hệ thống định vị
vệ tinh GPS và phân bố ở khắp nơi trên trái đất.

Hình 1-1 Hệ thống GPS

Phân hệ không gian gồm 32 vệ tinh trong đó có 24 vệ tinh thƣờng trực và 8 vệ
tinh còn lại đƣợc dành sẵn để dự trữ để thay thế cho các vệ tinh thƣờng trực nếu có
sự cố xảy ra. 24 vệ tinh đƣợc phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn với góc nghiêng so
với mặt phẳng xích đạo xấp xỉ bằng 55° và độ xích kinh của các nốt lên ở các quỹ
đạo phân tách nhau 60°. Các quỹ đạo vệ tinh đƣợc thiết kế sao cho ở bất kì vị trí nào
trên trái đất luôn có ít nhất 6 vệ tinh nằm trong tầm nhìn thẳng từ đó. Các vệ tinh đi
6


Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS

hết quỹ đạo của chúng trong 12 giờ và cứ 12.5 phút chúng lại phát các bản tin chứa
thông tin cần thiết để xác định quỹ đạo của chúng.

Hình 1-2 Hệ thống vệ tinh GPS

Phân hệ điều khiển đƣợc đặt trên trái đất điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ
thống. Phân hệ điều khiển gồm một trạm điều khiển trung tâm đặt tại căn cứ không
quân Schriever, thuộc bang Colorado của Mỹ và tám trạm thu phát đặt tại các địa
điểm khác nhau dọc theo xích đạo trái đất. Trạm điều khiển trung tâm nhận thông
tin về các vệ tinh từ các trạm thu số liệu để theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản
lý quỹ đạo của các vệ tinh và duy trì sự ổn định của đồng hồ trên vệ tinh theo giờ
GPS từ đó dự đoán các thông số quỹ đạo và giá trị hiệu chỉnh thời gian và quỹ đạo,
truyền các giá trị này cùng với các lệnh điều khiển tới các trạm phát trên xích đạo
trái đất để phát tín hiệu điều khiển tới các vệ tinh. Năm trạm thu có nhiệm vụ nhận
tín hiệu phát từ các vệ tinh, tính toán quỹ đạo vệ tinh và các sai lệch để đƣa về trạm
điều khiển trung tâm xử lý.

Phân hệ ngƣời dùng bao gồm các máy thu tín hiệu GPS và cộng đồng ngƣời sử
dụng dịch vụ của hệ thống GPS. Các máy thu thực hiện tính toán quỹ đạo vệ tinh từ
tín hiệu thu đƣợc, sau đó tính toán ra vị trí của máy thu ở hệ tọa độ xác định. Để
tính toán đƣợc vị trí của máy thu, chúng ta cần ít nhất là thông tin về 4 quỹ đạo của
4 vệ tinh. Các máy thu GPS đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng định vị dẫn

7


Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS

đƣờng, tìm kiếm cứu nạn, các điểm đặt cảm biến trong mạng giám sát, trong nghiên
cứu sinh giới…
1.3. Tín hiệu GPS
1.3.1. Tín hiệu và dữ liệu
Để thiết kế máy thu GPS nói chung, điều cần quan tâm đầu tiên là đặc tính của
tín hiệu cũng nhƣ dữ liệu đƣợc truyền từ vệ tinh GPS và đƣợc nhận tại Anten thu
GPS. Theo [4], tín hiệu GPS đƣợc truyền đi trên 2 băng tần L1 và L2 có nguồn gốc
từ tần số f0 = 10.23 MHz. Tín hiệu đƣợc tạo nên từ 3 thành phần: Sóng mang, bản
tin định vị và mã trải phổ.
fL1 = 154 f0 = 1575.42 MHz, (1.1)
fL2 = 120 f0 = 1227.60 MHz. (1.2)
 Sóng mang: Có tần số L1 và L2
 Bản tin định vị: Chƣa thông tin quỹ đạo của vệ tinh. Các thông tin này đƣợc
tải lên tất cả các vệ tinh từ trạm điều khiển GPS mặt đất. Tốc độ của bản tin
định vị là 50 bps.
 Mã trải phổ: Mỗi vệ tinh có 2 mã trải phổ riêng, đặc trƣng cho vệ tinh đó.
Băng tần L2 đƣợc dành riêng cho quân sự còn băng tần L1 đƣợc sử dụng cho
các dịch vụ dân sự trong đó có các dịch vụ thƣơng mại và các dịch vụ miễn
phí. Mã trải phổ dành cho các dịch vụ thƣơng mại và sử dụng trong quân sự

là các mã trải phổ có bảo mật với độ chính xác cao (P code) và mã trải phổ
dành cho dịch vụ miễn phí là mã trải phổ có độ chính xác kém hơn (C/A
code). Tần số sinh mã trải phổ dành cho dịch vụ miễn phí là 1,023 MHz và
tần số sinh mã trải phổ dành cho các dịch vụ thƣơng mại và dành cho quân
sự là 10,23 MHz.
[6] mô tả quá trình tạo ra tín hiệu GPS tại vệ tinh. Nhƣ đã nói ở trên, tần số cơ
sở sử dụng trong hệ thống định vị toàn cầu GPS là f0 = 10,23 MHz. Để có đƣợc các
sóng mang ở băng tần L1 và L2, tần số cơ sở đƣợc nhân tần với hệ số lần lƣợt là
154 và 120. Tần số cơ sở cũng đƣợc sử dụng để đƣa vào hệ thống sinh mã trải phổ
tƣơng ứng của các dịch vụ hỗ trợ bởi hệ thống GPS.

8


Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS

× 120

× 154

1227.6 MHz

Bộ điều chế
BPSK

-6 dB

1575.42 MHz

Bộ điều chế

BPSK

-3 dB

L1

Bộ điều chế
BPSK

90O

Limiter

L2

Bộ sinh mã P(Y)
Bộ chuyển
kênh

X1
f0 = 10.23 MHz

÷ 10

Bộ sinh mã C/A
1000 Hz

÷ 20
50 Hz

Bộ sinh Dữ liệu

Thông tin

50 bps

Hình 1-3 Quá trình tạo tín hiệu GPS tại vệ tinh

Thông tin về vị trí vệ tinh đƣợc đƣa vào bộ sinh dữ liệu để sinh ra các bít dữ liệu
với tốc độ 50 bps. Bộ sinh dữ liệu và bộ sinh mã hoạt động đồng bộ với nhau thông
qua tín hiệu

đƣợc tạo ra từ bộ sinh mã P.

Mã trải phổ kết hợp với dữ liệu truyền tải bằng các bộ cộng module 2 (Thực
hiện phép toán XOR). Bộ cộng module 2 làm việc với Chuỗi dữ liệu nhị phân đƣợc
diễn tả bởi các bít 0 và 1, đặc tính phép toán đƣợc mô tả trong Bảng 1.
Bảng 1-1 Bảng chân lý phép Cộng Module 2 với Dữ liệu nhị phân

Đầu vào 1 Đầu vào 2 Đầu ra
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1

1
0

Dữ liệu sau khi kết hợp với mã trải phổ đƣợc đƣa vào bộ điều chế để chuyển phổ
lên băng tần tƣơng ứng (L1 và L2). Dữ liệu kết hợp với mã C/A chỉ đƣợc chuyển

9


Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS

lên băng tần L1, trong khi đó, dữ liệu kết hợp với mã P đƣợc đƣa lên cả băng L1 và
L2.
 Tín hiệu có độ chính xác cao đƣợc đƣa qua bộ suy giảm công suất trƣớc
khi đƣợc phát quảng bá vào không gian.
 Tín hiệu dùng cho dịch vụ miễn phí thì đƣợc giữ nguyên công suất khi
phát.
Trên băng L1, hai tín hiệu mang thông tin về hai dịch vụ khác nhau đƣợc mang
bởi hai sóng mang lệch pha nhau 90° (một tín hiệu ở nhánh đồng pha đƣợc mang
bởi sóng cos và một tín hiệu ở nhánh vuông pha đƣợc mang bởi sóng sin).
Tín hiệu đƣợc phát từ vệ tinh thứ k đƣợc cho bởi công thức sau:
( )

( )

(

√

( ))

(

𝑓

√

(

( )

( ))

(

𝑓 )

√

(

( )

( ))

(

𝑓 )

)

Trong đó:


lần lƣợt là công suất của các tín hiệu đƣợc kết hợp với mã C/A
và mã P ở băng L1 và băng L2



là số hiệu vệ tinh



là dữ liệu phát từ vệ tinh thứ

 𝑓

𝑓 lần lƣợt là các tần số sóng mang ở băng L1 và băng L2

[5] mô tả các thành phần trong tín hiệu GPS. Mã trải phổ C và dữ liệu D đƣợc
nhân với nhau và nhân với sóng mang bằng phép nhân thƣờng để định dạng tín hiệu
cuối cùng là khóa dịch pha hai mức mà trong đó sóng mang lật pha ở thời điểm chip
thay đổi giá trị hoặc ở thời điểm mà bít dữ liệu định hƣớng thay đổi giá trị.

10


Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS

Mã trải phổ C

Dữ liệu D

C×D

Sóng mang

Tín hiệu cuối cùng

Hình 1-4 Các thành phần trong tín hiệu vệ tinh GPS

1.3.2. Mã C/A
Mã C/A còn đƣợc gọi là mã Gold, đƣợc đặc tả bởi Robert Gold vào năm 1967.
Mã này có phổ gần nhƣ phổ của nhiễu ngẫu nhiên nên nó còn đƣợc gọi là mã giả
nhiễu ngẫu nhiên hay nói gọn hơn là mã giả nhiễu.
Theo [5], các tín hiệu GPS C/A đƣợc tạo ra từ hai chuỗi 1023-bít PRN G1 và G2.
Cả G1 và G2 đƣợc tạo ra bởi thanh ghi dịch tuyến tính 10 tầng và đƣợc điều khiển
bởi xung đồng hồ 1.023MHz. Nguyên tắc hoạt động cơ bản của hai thanh ghi này
nhƣ nhau. Bộ sinh chuỗi độ dài tối đa (maximum-length sequence - MLS) có thể
đƣợc tạo thành từ một thanh ghi dịch có hồi tiếp. Nếu thanh ghi dịch có n bít, độ dài
của chuỗi đƣợc tạo ra là 2n - 1.
Hình 1-5 là một bộ sinh mã C/A. Bộ cộng modulo-2 đƣợc sử dụng để tạo ra các
mã C/A, với đầu vào là chuỗi bít sinh ra từ G1 và G2. Cả hai bộ sinh mã G1 và G2
đều là 10 bít, do đó, độ dài chuỗi là 1023 (210-1). Mạch hồi tiếp đƣợc thực hiện
thông qua các bộ cộng modulo-2. Vị trí của mạch hồi tiếp quyết định chuỗi đầu ra.
Tín hiệu hồi tiếp của G1 đƣợc tạo thành từ bít 3 và 10, đa thức sinh tƣơng ứng có
thể đƣợc viết nhƣ sau G1: 1 + x3 + x10. Tín hiệu phản hồi của G2 đƣợc tạo thành từ
các bít 2, 3, 6, 8, 9, 10 và đa thức sinh tƣơng ứng là G2: 1 + x2 + x3 + x6 + x8 + x9 +
x10.

11

Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS
Khối sinh mã G1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

G1

Khối chọn pha mã
G2
1.023 MHz

C/A

reset

Khối sinh mã G2
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Hình 1-5 Bộ sinh mã C/A

Bít cuối cùng của thanh ghi dịch G1 (đầu ra của MLS) đƣợc sử dụng làm đầu ra
của chuỗi mã thứ nhất. Bộ sinh mã G2 không sử dụng đầu ra MLS làm đầu ra của

chuỗi mã thứ 2. Đầu ra của bộ sinh mã G2 đƣợc tạo ra từ hai bít đƣợc gọi là mã
chọn pha, thông qua một bộ cộng modulo-2. Đầu ra của G2 là một phiên bản trễ của
đầu ra MLS. Khoảng trễ này phụ thuộc vị trí của hai bít đƣợc lựa chọn.
Giá trị khởi tạo ban đầu của 2 thanh ghi G1, G2 là 10 bít 1, cứ sau mỗi 1023 chu
kỳ (ứng với 1023 chip đƣợc sinh ra), các thanh ghi đƣợc reset về giá trị khởi tạo. Có
tất cả 37 mã giả ngẫu nhiên C/A, trong đó các mã có số hiệu từ 1 đến 32 đƣợc sử
dụng cho định vị toàn cầu còn các mã có số hiệu từ 33 đến 37 đƣợc sử dụng cho các
ứng dụng khác. Trong 32 mã trải phổ sử dụng cho hệ thống định vị toàn cầu có 24
mã thƣờng trực dành cho 24 vệ tinh định vị, còn lại đƣợc dự trữ để phòng khi các vệ
tinh bị hỏng phải thay mới. Bảng 1-2 dƣới đây liệt kê cách lựa chọn pha mã ứng với
từng vệ tinh GPS.

12


Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS
Bảng 1-2 Lựa chọn pha mã C/A

Số hiệu vệ
tinh

Số hiệu mã
trải phổ

1
2
3
4
5
6

7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
-

1
2

3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32

33
34
35
37
37

Hàm lựa chọn
pha mã ở
Số chips bị trễ
thanh ghi
5
6
7
8
17
18
139
140
141
251
252
254
255
256
257
258
469
470
471
472

473
474
509
512
513
514
515
516
859
860
861
862
863
950
947
948
950
13

10 chips đầu
tiên viết dạng
hệ 8
1440
1620
1710
1744
1133
1455
1131
1454

1626
1504
1642
1750
1764
1772
1775
1776
1156
1467
1633
1715
1746
1763
1063
1706
1743
1761
1770
1774
1127
1453
1625
1712
1745
1713
1134
1456
1713

Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS

Ví dụ sau đây sẽ minh họa việc sử dụng những thông tin đƣợc liệt kê trong Bảng
1-2. Để tạo ra mã C/A của vệ tinh 19, bít 3 và 6 đƣợc lựa chọn làm đầu ra bộ sinh
mã G2. Với cách chọn này, chuỗi đầu ra G2 bị trễ đi 471 chip so với đầu ra MLS.
Cột cuối cùng là 1633, hay 1110011011 ở dạng nhị phân.
Xét dãy mã trải phổ ( ) tuần hoàn với chu kì là 1ms. Hàm tự tƣơng quan của
mã này đƣợc cho bởi biểu thức sau:
( )
Trong đó

( ) (

∫

)𝑑

là khoảng tƣơng quan của mã trải phổ và

là chiều dài của một

chip mã trải phổ. Hàm tự tƣơng quan trong phƣơng trình trên có đƣợc biểu diễn lại
dƣới dạng tổng của hằng số

với một chuỗi vô hạn các hàm tam giác

( )

Trong đó hàm tam giác

( )

∑

(

( ):

)

( ) cho bởi:

( )

(
{

| |

| |

)
𝑐

Phép toán là phép toán chập để nhận đƣợc chuỗi vô hạn các hàm tam giác.
Hàm tự tƣơng quan của dãy mã trải phổ viết dƣới dạng số hóa có dạng:
( )

∑ ( ) (

Do dãy ( ) tuần hoàn với chu kì
với chu kì

)

nên hàm tƣơng quan cũng là hàm tuần hoàn

và chỉ số của hàm tƣơng quan

sẽ chạy từ 0 tới

. Đặc tính quan

trọng nhất của dãy mã sinh theo luật Gold là đặc tính tƣơng quan của các mã này.
Hai mã khác nhau sinh bởi luật Gold có độ tƣơng quan rất thấp, gần nhƣ trực giao
nhau, nghĩa là với hai dãy mã

và

đƣợc sử dụng cho các vệ tinh và vệ tinh ,

kết quả tƣơng quan chéo của hai dãy này cho bởi:
14


Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống định vị GNSS – GPS

( )

∑

()

(

)

Tất cả các mã sinh bởi luật Gold chỉ cho một đỉnh tƣơng quan cực đại khi tự
tƣơng quan với chính nó, các đỉnh tƣơng quan nhận đƣợc khi tƣơng quan với các
phiên bản trễ của chính mã này (độ trễ lớn hơn hoặc bằng 1 chip) đều rất nhỏ so với
đỉnh tƣơng quan cực đại, nghĩa là mã sinh bởi luật Gold gần nhƣ không tự tƣơng
quan trừ khi không có trễ ở dãy mã này. Đặc tính tự tƣơng quan của vệ tinh thứ
đƣợc cho bởi công thức sau:
( )

∑

()

(

)

Kết quả tƣơng quan của các mã trải phổ đƣợc minh họa trong Hình 1-6 Kết quả
tự tƣơng quan mã C/A 19, Hình 1-7 Kết quả tƣơng quan chéo mã C/A 19 và 31
vàHình 1-8 Kết quả tƣơng quan của mã C/A 19 với phiên bản trễ 1 chip.

Hình 1-6 Kết quả tự tƣơng quan mã C/A 19

15