TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ QUỐC DÂN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THƠNG TIN

BÁO CÁO ĐỀ ÁN MƠN HỌC
ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TỒN CẦU GPS

Giáo viên hướng dẫn: ThS Tống Minh Ngọc
Sinh Viên : Dư Đình Minh,Đỗ Ngọc Đại
Chun ngành: Cơng nghệ thơng tin
Hệ :Chính Quy
Lớp: Cơng nghệ thông tin 48A

Hà Nội,26/5/2009


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

Lời nói đầu
Từ xa xưa con người đã mong muốn khám phá ra những chân trời mới,vì thế
bằng nhiều cách họ đã sáng tạo ra các biện pháp tìm đường khác nhau nhằm thỏa
mãn mong ước của mình.
Nhưng chỉ từ năm 1978 khi quân đội Mỹ sáng tạo ra biện pháp tìm đường ưu
việt nhất thơng qua các vệ tinh quay xung quanh trái đất thì kỷ nguyên tìm đường
qua vệ tinh(GPS) và các ứng dụng của nó mới thực sự mang lại tiện ích và là một

phần khơng thế thiếu trong cuộc sống của con người như ngày nay.
Ở Việt Nam,việc ứng dụng GPS vào các lĩnh vực khác nhau cũng đang đựoc
khai thác một cách khá triệt để.Để tìm hiểu một cách sâu sắc hơn về lịch sử cũng
như ứng dụng và kỹ thuật của công nghệ này tôi xin được đưa ra một đề tài nghiên
cứu về GPS cùng một số giải pháp ứng dụng GPS trong tương lai như sau.


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

I.Sơ lược về lịch sử các phương pháp dẫn đường thơng dụng
I.1.Dẫn đường là gì? Sơ lược lịch sử xác định vị trí
Lịch sử dẫn đường và xác định vị trí tàu gắn liền với lịch sử dẫn thuyền thám
hiểm trên biển trong nhiều thập kỉ trước khi các phương tiện bay trên không như
máy bay và vũ trụ ra đời.
Từ thời tiền sử, con người đã tìm cách để xác định xem mình đang ở đâu và đi
đến một đích nào đó và trở về bằng cách nào. Những hiểu biết về vị trí thường
mang tính sống cịn và có sức mạnh kinh tế trong xã hội. Con người thời săn bắn
kiếm thức ăn thường đánh dấu lối đi của mình để có thể trở về hang động nơi ở của
mình. Sau đó họ làm ra bản đồ, và phát triển thành hệ thống mạng vĩ tuyến (vị trí
trên trái đất đo từ đường xích đạo về phía cực bắc và phía cực nam) và kinh tuyến
(vị trí trên trái đất đo từ đường kinh tuyến gốc sang phía đơng hoặc sang phía tây).
Đường kinh tuyến gốc sử dụng trên thế giới là đường kinh tuyến đi qua Đài quan
sát Hoàng gia (Royal Observatory) ở Greenwich, Anh Quốc.
Khi con người di chuyển từ vùng này đến vùng khác bằng thuyền chạy trên biển,
những người đi biển thuở ban đầu đi dọc theo bờ biển để tránh bị lạc. Sau đó họ biết
cách ghi hướng đi của họ theo các vì sao trên trời họ sẽ đi ra biển xa hơn. Những
người Phoenicians cổ đại đã sử dụng Sao Bắc Cực (North Polar) dẫn đường để thực
hiện chuyến đi từ Egypt và Crete. Theo Homer, nữ thần Athena đã nói với Odysseus

khi điều khiển con tàu Navis trong chuyến đi từ Đảo Calypso rằng “hãy để chịm
sao Đại Hùng phía bên trái mạn thuyền”. Thật khơng may, những vì sao chỉ có thể
nhìn được vào ban đêm và khi có thời tiết đẹp trời trong sáng. Con người cũng đã
biết dùng những ngọn đèn biển - những ngọn hải đăng (lighthouses) – lấy ánh sáng
để dẫn đường, giúp những người đi biển vào ban đêm và cảnh báo nguy hiểm.


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

Tiếp theo, trong lịch sử ngành hàng hải (marine navigation) người ta sử dụng la
bàn từ (magnetic compass) và sextant. Kim la bàn luôn chỉ hướng cực bắc, và cho
chúng ta biết “hướng mũi tàu” (heading) chúng ta đang đi. Bản đồ của người đi biển
thời kì thám hiểm thường vẽ hướng đi giữa các cảng chính và những nhà hàng hải
giữ khư khư những bản đồ đó cho riêng mình.Sextant sử dụng những chiếc gương
có thể điều chỉnh được đo góc độ chính xác của các vì sao, mặt trăng và mặt trời
trên đường chân trời. Từ những góc đo này và sử dụng cuốn sách Lịch thiên văn
hàng hải (The Nautical Almanac) chứa đựng các thông tin vị trí của mặt trời, mặt
trăng và các ngơi sao người ta có thể xác định được vĩ độ trong thời tiết đẹp, vào cả
ban ngày lẫn ban đêm. Tuy nhiên những người đi biển không thể xác định được
kinh độ. Ngày nay nếu nhìn vào những tấm hải đồ rất cũ, chúng ta đơi khi có thể
thấy vĩ độ của bờ biển rất chính xác nhưng kinh độ có khi sai lệch đến hàng trăm
hải lý.Đây là một vấn đề rất nghiêm trọng trong thế kỷ thứ 17 mà chính phủ Anh
Quốc đã phải thành lập lên một Ban đặc biệt xác định kinh độ. Ban này đã tập hợp
nhiều nhà khoa học nổi tiếng để tìm cách tính kinh độ. Ban này đưa ra phần thưởng
20.000 bảng Anh, tương đương với số tiến ngày nay khoảng 32.000 đô la Mỹ,
nhưng thời đó món tiền này có lẽ có giá trị hơn rất nhiều, cho những người nào có
thể tìm được cách xác định kinh độ với sai số trong vịng 30 hải lý.
Phần thưởng đã mang lại thành cơng. Câu trả lời là phải biết được chính xác thời

gian khi đo độ cao bằng sextant. Ví dụ, theo Lịch thiên văn Greenwich dự đoán rằng
mặt trời lên cao nhất (vào thiên đỉnh người quan sát) vào lúc chính ngọ (buổi trưa),
tức là 12 giờ trưa. Nếu có một đồng hồ trên tàu, khi rời cảng (nước Anh), làm đồng
bộ thời gian của đồng hồ này với thời gian Greenwich. Tàu chạy về phía tây. Ví dụ,
lúc 2 giờ chiều trong ngày, khi sử dụng sextant đo độ cao của mặt trời thì lúc đó vị
trí mặt trời sẽ tương đương với thời gian 2 giờ phía tây của Greenwich. Như chúng
ta đã biết, ngày nay lấy kinh tuyến gốc là Greenwich, kinh độ được tính 180 độ theo
phía đơng, và 180 độ theo phía tây tương ứng với 12 múi giờ phía đơng và 12 múi
giờ phía tây. Biết được giờ đo chúng ta sẽ tính được kinh độ.


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

I.2.Một số phương pháp dẫn đường
Từ thuở bình minh của loài người cho đến bây giờ, việc dẫn dắt xác định vị trí
tầu trên biển và các phương tiện giao thơng dựa vào những phương pháp gì? Các
phương pháp dẫn đường có thể được tóm tắt như sau:
I.2.1.Dẫn đường bằng mục tiêu (Pilotage):
Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là phương pháp dẫn đường và xác
định vị trí phương tiện giao thơng bằng những mục tiêu nhìn thấy.vd: đỉnh ngọn
núi, hải đăng, chập tiêu v.v…
I.2.2.Dẫn đường dự đoán (Dead reckoning):
Phương pháp dẫn đường dự đoán là phương pháp dẫn đường dựa vào vị trí
xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển và hướng di chuyển để dự đốn vị trí của
phương tiện.
I.2.3.Dẫn đường thiên văn học (Celestial navigation):
Phương pháp dẫn đường thiên văn học là dựa vào việc quan sát các thiên thể
đã biết trên bầu trời như mặt trời, mặt trăng và các vì sao…

I.2.4.Dẫn đường qn tính (Inertial navigation):
Phương pháp dẫn đường quán tính dựa trên hiểu biết vị trí, vận tốc và động
thái ban đầu của phương tiện, từ đó đo tốc độ động thái và gia tốc rồi dùng phương
pháp tích phân để tính tốn ra vị trí của phương tiện.

II.Sơ lược về lịch sử ra đời cơng nghệ định vị tồn cầu GPS :


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thơng tin tồn
cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất. Ngày nay, khó hình dung
rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lại khơng
lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh.
Năm 1978, nhằm mục đích thu thập các thơng tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ),
độ cao và tốc độ của các cuộc hành quân, hướng dẫn cho pháo binh và các hạm đội,
Bộ Quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất 24 vệ tinh. Những vệ tinh trị giá
nhiều tỷ USD này bay phía trên trái đất ở độ cao 19.200 km, với tốc độ chừng
11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu
nhận. Từ những năm đầu thập kỷ 80, các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối
tượng sử dụng tư nhân. Trên các xe hơi hạng sang, những thiết bị trợ giúp cá nhân
kỹ thuật số PDA (Personal Digital Assistant) như Ipaq của hãng Compaq, được coi
là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện giá trị của chủ sở hữu.
Trong số 24 vệ tinh của Bộ quốc phịng Mỹ nói trên, chỉ có 21 thực sự hoạt
động, 3 vệ tinh cịn lại là hệ thống hỗ trợ. Tín hiệu radio được truyền đi thường
không đủ mạnh để thâm nhập vào các tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm và hay tới các
địa điểm dưới nước. Ngồi ra nó cịn địi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh để đưa ra được
thông tin chính xác về vị trí (bao gồm cả độ cao) và tốc độ của một vật. Vì hoạt

động trên quỹ đạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất kỳ điểm nào trên trái
đất.
III.GPS là gì ?
G

P

S


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Global

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

Positioning

Toàn cầu

Định vị

Systems
Hệ thống

Hệ thống định vị toàn cầu

GPS là tên của hệ thống dẫn đường do Mỹ thiết kế và quản lý. Đối chọi với hệ
thống GPS là GLONASS của Nga, Galileo của châu Âu, và Compass của Trung
Quốc.

GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thơng tin tồn
cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất. Ngày nay, khó hình dung
rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lại khơng
lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh.

IV.Cấu trúc cơ bản của GPS :
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) bao gồm 3 mảng:
- Mảng người dùng, gồm người sử dụng và thiết bị thu GPS.


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

- Mảng điều khiển bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và
trạm con. Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho
trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ
tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy,
các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thơng tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ
thời điểm nào.
- Mảng không gian hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo. Quãng
thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên
đến hàng tỷ USD.
Giờ chúng ta đi xét qua từng mảng của hệ thống định vị toàn cầu GPS.
IV.1.Mảng người dùng :
Bộ phận người sử dụng bao gồm tât cả mọi người sử dụng dân sự và quân sự.
Phân loại máy thu gồm 4 loại máy thu như sau:
Nhóm 1: Máy thu chỉ sử lý duy nhất mã C/A trên tần số L1.
Nhóm2: Máy thu sử lý mã C/A và phase thường gọi tắt là máy thu 1 tần số
Nhóm3: Máy thu sử lý mã C/A và phase thường gọi tắt là máy thu 2 tần số.

IV.2.Mảng điều khiển :
Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của tồn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu
chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS. 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


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

- 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.
Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado Springs bang
Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm ăng ten mặt đất
dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS. Bản đồ sau minh họa vị trí các trạm
điều khiển hệ thống GPS. Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang
Florida, Mỹ) và một mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặt tính
và dữ liệu thời gian thực.
IV.3.Mảng không gian :
Phần không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo (được gọi là satellite
vehicle, tính đến thời điểm 1995). Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo xung
quanh trái đất là quỹ đạo tròn vệ tinh nhân tạo chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ
đạo. Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc
55 độ.Chu kỳ của vệ tinh là 12h bảo đảm được yêu cầu là bất kỳ lúc nào trên trái đất
cũng nhìn thấy it nhất 4 vệ tinh.Trên mỗi vệ tinh trang bị 4 đồng hồ nguyên tử
CESIUM là loại đồng hồ cực kỳ chính xác . Đồng hồ sản sinh ra dao động cơ cơ tần
số f0=10.23MHZ.
Có 2 mã đo:

- Mã C/A có tần số 1.023 MHZ=f0/10 và có chiều dài 1msec
- MA P có tần soos10.23 MHZ= f0 và có chiều dài 266,4 ngày
2 mã đo dược điều khiển bởi 2 sóng mang L1=1575.42 MHZ (mã C/A va mã P) và
L2=1227.60 MHZ (chỉ có mã P).Cả hai song mang L1, L2 đều biến bàng các thông
tin đạo hàng bao gồm: Ephemeride của vệ tinh thời gian,sood hiệu chỉnh cho đồng
hồ vệ tinh,tình trạng của hệ thống vệ tinh…
Mỗi vệ tinh có trọng lượng 930 Kg có tuổi thọ khoảng 7.5 năm.nếu vệ tinh nào hỏng đều có thể
thay thế ngay để dảm bảo tinh chạt chẽ của cả hệ thống


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

Hình minh họa chuyển động của vệ tinh GPS xung quanh trái đất.


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

IV.4.Một số thông số kỹ thuật của hệ thống dẫn đường GPS

Hạng mục
GPS
Số vệ tinh
28 (tính đến 2000)
Số mặt phẳng quỹ
6MEO
đạo

Độ nghiêng MPQĐ 55o
Bán kính quỹ đạo 26.560 km
Chu kỳ
11 giờ 58 phút 2 giây
L1: 1575.42 MHz
Tần số sóng mang L2: 1227.60 MHz

Phương trình
Dạng mã số

L5: 1176.45 MHz
CDMA
??
1023 bit

Độ dài mã số

2.35x1014

1.023 Mcps
Tốc độ mã số (C/A
10.23 Mcps
L1, P L1, L2)
Thời gian chuẩn
Sai số chủ định

UTC (USNO)
SA (đã bỏ 2000)

V.GPS hoạt động như thế nào

V.1.Cách xác định tọa độ của hệ thống GPS


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

Nguyên lý xác định tọa độ của hệ thống GPS và Glonass dựa trên công thức
quãng đường = vận tốc x thời gian. Vệ tinh phát ra các tín hiệu bao gồm vị trí của
chúng, thời điểm phát tín hiệu. Máy thu tính tốn được khoảng cách từ các vệ tinh,
giao điểm của các mặt cầu có tâm là các vệ tinh, bán kính là thời gian tín hiệu đi từ
vệ tinh đến máy thu x vận tốc sóng điện từ là toạ độ điểm cần định vị.
Nói đến GPS, mọi người thường nghĩ đến máy thu GPS, thực ra, GPS là một hệ
thống gồm 27 vệ tinh (kể cả 3 cái sơ cua) chuyển động trên các qũy đạo chung
quanh trái đất. Quân đội Mỹ phát triển hệ thống này với mục đích qn sự nhưng
nay nó đã được mở rộng cho các mục đích dân sự. Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn,
sử dụng năng lượng mặt trời, chuyển động cách mặt đất khoảng 19300km. Mỗi vệ
tinh quay quanh trái đất 2 vòng một ngày đêm. Quỹ đạo của các vệ tinh được tính
tốn sao cho ở bất kỳ nơi nào trên trái đất, vào bất kỳ thời điểm nào

cũng có thể “nhìn thấy” tối thiểu 4 vệ tinh.Công việc của một máy thu GPS là xác
định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa, tính tốn khoảng cách từ các vệ tinh và sử
dụng các thông tin đó để xác định vị trí của chính nó. Q trình này dựa trên một
ngun lý tốn học đơn giản.
Giả sử bạn đang ở một nơi nào đó ở Vietnam, và bạn hồn tồn khơng biết minh
ở đâu, vì một lý do nào đó. Bạn gặp một người dân địa phương và hỏi một cách


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

thân thiện: “làm ơn cho tôi biết tôi đang ở đâu ?” Anh ta trả lời: “bạn đang cách
Vũng tàu 45 km”. Đây là một sự thật thú vị, nhưng chưa thật sự có ích. bạn có thể ở
bất kỳ đâu trên vịng trịn có tâm là Vũng tàu, bán kính 45 km.Bạn hỏi một người
khác và cơ ta cho biết bạn đang cách Biên Hoà 40 km. Bây giờ bạn đã khá hơn. Nếu
bạn tổng hợp hai thông tin, bạn sẽ có hai vịng trịn giao nhau. Vị trí của bạn là một
trong hai giao điểm của hai đường trịn. Người thứ ba cho bạn biết vị trí của bạn
cách Sài gịn 30 km. Bây giờ thì bạn đã biết mình đang ở đâu. Áp dụng nguyên lý
này vào khơng gian 3 chiều, ta cũng có 3 mặt cầu thay vì 3 đường trịn, giao nhau
tại một điểm. Về mặt ngun lý thì khơng khác nhau nhiều lắm, nhưng khó tưởng
tượng hoặc mơ tả bằng hình vẽ hơn. Thay vì các đường trịn, bạn sẽ có các mặt
cầu.Nếu bạn biết rằng minh đang ở cách vệ tinh A 20 km, bạn có thể ở bất kỳ nơi
nào trên một mặt cầu khổng lồ có bán kính 20 km. Nếu bạn biết thêm rằng bạn đang
ở cách vệ tinh B 30 km, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V. Và
nếu bạn biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ có thêm một mặt cầu,
mặt cầu này giao với đường tròn V tại hai điểm. Trái đất chính là mặt cầu thứ tư,
một trong hai giao điểm sẽ nằm trên mặt đất, điểm thứ hai nằm lơ lửng đâu đó trong
khơng gian và dễ dàng bị loại. Với việc giả sử trái đất là một mặt cầu, ta đã bỏ qua
cao độ của bạn rồi. Do vậy để có cả tung độ, hoành độ và cao độ, bạn cần thêm một
vệ tinh thứ tư nữa.


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

Nói nghe thì dễ , nhưng làm sao đo khoảng cách từ vệ tinh.
Để thực hiện tính tốn này, máy thu GPS phải biết hai thứ tối thiểu:
• Vị trí của ít nhất ba vệ tinh bên trên nó

• Khoảng cách giữa máy thu GPS đến từng vệ tinh nói trên
Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ các vệ tinh,
máy thu GPS tính tốn ra được hai thứ trên. Máy thu loại xịn có thể thu nhận tín
hiệu của nhiều vệ tinh đồng thời. Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức
là 300 ngàn km/giây trong chân không. Máy thu có thể tính tốn được khoảng cách
dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến được máy thu. Sau đây, chúng ta sẽ tìm
hiểu máy thu và các vệ tinh đã hoạt động cùng nhau như thế nào để đo các khoảng


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

cách này. Đây là một quá trình khá phức tạp. Vào một thời điểm nào đó, giả sử vào
lúc 0 giờ, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi tín hiệu dài, được gọi là mã ngẫu
nhiên giả. Máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt vào cùng thời điểm. Khi
tín hiệu từ vệ tinh truỳên đến máy thu, chuỗi tín hiệu đó sẽ bị trễ một chút so với
chuỗi do máy thu tạo ra. Chiều dài khoảng thời gian trễ này chính là thời gian
truyền của tín hiệu từ vệ tinh. Máy thu nhân thời gian này với tốc đọ ámh sáng để
xác định quãng đường truyền tín hiệu. Giả sử rằng tín hiệu truyền trên đường thẳng,
đây chính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Để thực hiện phép đo này, chúng
ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau.
Một sai số 1 mili giây sẽ dẫn đến sai số là 300 ngàn mét, q nhiều phải khơng các
bạn. Do đó, độ chính các tối thiểu cho các máy thu phải là cỡ nano giây (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 của bạn nữa. Nhưng đồng hồ nguyên tử thì lại đắt, khoảng 50 đến
100 ngàn đơ. Điều đó thì q đắt cho người dùng nghèo như tớ (và một số trong các
bạn nữa). Để có thể đưa các ứng dụng GPS đến với chúng ta, các ký sư đã có một
giải pháp thơng minh và hiệu quả. Mỗi quả vệ tinh mang theo một cái 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. Trên lý thuyết thì 4 mặt cầu phải giao nhau tại 1 điểm. Nhưng do sai số
đồng hồ quartz rẻ tiền, 4 mặt cầu đã không cho 1 giao điểm duy nhất. Biết rằng sai
số này gây ra bởi đồng hồ trên máy thu là như nhau Δt, máy thu có thể dễ dàng loại
trừ sai số này bằng cách tính tốn ra lượng hiệu chỉnh cần thiết để 4 mặt cầu giao
nhau tại một điểm. Dựa vào đó, máy thu tự động điều chỉnh đồng hồ cho đồng bộ
với đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh. Nhờ đó mà đồng hồ trên máy thu có độ chính
xác gần như tương đương với đồng hồ nguyên tử. Vậy là chuyện đo khoảng cách đã
được giải quyết ổn thỏa.
Biết khoảng cách rồi, chúng ta còn phải biết vị trí chính xác của các vệ tinh
trên quĩ đạo. Điều này cũng khơng khó lắm vì các vệ tinh chuyển đông trên các quĩ


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

đạo biết trước và có thể dự đốn được.Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều có chứa
một bảng tra vị trí tính tốn của tất cả các vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào gọi là
Almanac. Lực hút của mặt trăng, mặt trời có ảnh hưởng nhất định làm thay đổi quĩ
đạo của các vệ tinh một chút xíu nhưng bộ quốc phịng Mỹ liên tục theo dõi vị trí
chính xác của các vệ tinh và truyền thơng số hiệu chỉnh đến các máy thu thơng qua
tín hiệu từ vệ tinh.
Vậy là cả hai vấn đề khoảng cách và vị trí đã giải quyết xong, và hệ thống cơ
bản hoạt động tốt, tuy nhiên, người ta nhận thấy hệ thống có nhiều sai số. Nguyên
nhân đầu tiên là do việc giả sử rằng các tín hiệu vệ tinh được truyền theo đường
thẳng đến các máy thu với vận tốc khơng đổi. Trong thực tế, bầu khí quyến trái đất
ít nhiều làm chậm tốc độ truyền, đặc biết là khi sóng điên từ đi qua các tầng điện ly
và đối lưu. Do tính chất của các tầng này khác nhau tại các vị trí khác nhau trên trái
đất nên độ trễ này phụ thuộc vào vị trí của máy thu trên mặt đất, điều đó có nghĩa là

khó có thể loại trừ sai số này. Gần đây người ta tạo ra các mơ hình tốn học mơ
phỏng tính chất của bầu khí quyển trái đát để giảm thiểu sai số này.

Ngồi ra, khi

tín hiệu phản xạ từ các vật thể lớn như các toà nhà cao tầng, cũng tạo cho máy thu
một sai số như là đến từ một khoảng cách xa hơn. Thỉnh thoảng, tín hiệu từ các vệ
tinh cũng có sai số. Bộ quốc phịng Mỹ cũng thêm vào sai số nhân tạo được gọi một
cách

văn

hoa

là

Selective

Availability

hay

SA.

Qua các phần trên, chúng ta đã thấy chức năng cơ bản nhất của máy thu GPS là
thu nhận thông tin từ tối thiểu 4 vệ tinh, phối hợp các thông tin này với thơng tin đã
được chứa trong Almanac để tính tốn ra vị trí của máy thu trên mặt đất. Một khi
máy thu đã thu nhận và xử lý thông tin, máy sẽ cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và
cao độ của vị trí hiện thời. Để làm cho việc định vị thân thiện hơn, hầu hết các máy
thu đều thể hiện các thông tin này dưới dạng các điểm trên bản đồ được chứa sẵn

trong máy. Bạn có thể nối máy thu GPS với PC chứa bản đồ chi tiết. Một số máy
thu còn cho phép nạp các bản đồ chi tiết vào bộ nhớ trong của máy hay kết nối với
các thẻ nhớ đã nạp sẵn bản đồ.


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

Để biết vị trí chính xác của các vệ tinh, thiết bị nhận GPS cịn nhận thêm 2 loại
tín hiệu mã hóa:
- Loại thứ nhất (được gọi là Almanac data) được cập nhật định kỳ và cho biết vị trí
gần đúng của các vệ tinh trên quỹ đạo. Nó truyền đi liên tục và được lưu trữ trong
bộ nhớ của thiết bị thu nhận khi các vệ tinh di chuyển quanh quỹ đạo.
- Tuy nhiên, phần lớn các vệ tinh có thể hơi di chuyển ra khỏi quỹ đạo chính của
chúng. Sự thay đổi này được ghi nhận bởi các trạm kiểm soát mặt đất. Việc sửa
chữa những sai số này là rất quan trọng và được đảm nhiệm bởi trạm chủ trên mặt
đất, trước khi thông báo lại cho các vệ tinh biết vị trí mới của chúng. Thơng tin
được sửa chữa này được gọi là Ephemeris data. Kết hợp Almanac data và
Ephemeris data, các thiết bị nhận GPS biết chính xác vị trí của mỗi vệ tinh.Hiện
nay, nếu có bản đồ điện tử, nhiều thiết bị nhận GPS sẽ hiển thị rõ ràng vị trí của bạn
qua một màn hình, điều đó giúp cho việc định hướng trở nên cực kỳ thuận lợi.
Nhưng nếu tắt thiết bị nhận tín hiệu trong khoảng thời gian chừng 5 giờ đồng hồ, nó
sẽ mất đi các Almanac data (hay khơng cịn nhận biết chính xác các vệ tinh trên quỹ
đạo trái đất). Khi hoạt động trở lại, thiết bị sẽ cần khoảng thời gian chừng 30 giây
để nạp lại thông tin về vị trí của vệ tinh, trước khi cho biết hiện thời bạn đang ở đâu.
VI.Một số ưu và nhược điểm cần khắc phục của công nghệ GPS:
VI.1.Ưu điểm của cơng nghệ định vị tồn cầu GPS:
GPS đang là một trong những cơng nghệ tìm đường và định vị đựợc sử dụng
rộng rãi nhất trên thế giới.Với những tính năng nổi trội như : Độ chính xác cao,thời

gian thực hiện nhanh chóng,độ ổn định cao,khơng phụ thuộc nhiều vào ảnh hưởng
của thời tiết…
Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động
song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng
khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ này,


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các tồ nhà cao tầng. Tình trạng
nhất định của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính
xác của máy thu GPS. Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15
mét.
Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Hệ Tăng Vùng Rộng, Wide Area
Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét.Khơng
cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có
thể có độ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín
hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét.Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ
vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS
và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi,
người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu
GPS của họ.Một ví dụ cho thấy độ chính xác cao của GPS đó là :GPS có thể chỉ ra
chính xác vị trí các mục tiêu chỉ nhỏ bằng đồng xu ở bất kỳ nơi nào trên mặt đất.
VI.2.Nhược điểm cần khắc phục của công nghệ GPS :
Khi các vệ tinh ở quá gần nhau, chúng sẽ khiến cho việc xác định một vị trí
chính xác trở nên khó khăn hơn.
Vì tín hiệu radio đi từ vệ tinh xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu, tốc độ cần
thiết để tín hiệu truyền tới thiết bị nhận sẽ bị chậm đi. Hệ thống GPS có dự phịng

điều đó bằng cách tính thêm khoảng thời gian chậm trễ trung bình, nhưng cũng
khơng được hồn tồn chính xác.Chướng ngại lớn như các dãy núi hay các tồ nhà
cao tầng cũng làm cho thơng tin bị sai lệch.Giữa thiết bị nhận (nhất là của người
dùng cá nhân) với vệ tinh (có thể khơng hồn tồn trùng khớp về mặt thời gian, và
các vệ tinh đôi khi chạy lệch khỏi quỹ đạo.
Hệ thống GPS gây 300.000 vụ tai nạn mỗi năm


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

Nghiên cứu của công ty DirectLine (Anh) cho thấy các thiết bị định vị vệ tinh GPS
đã khiến một nửa lượng người sử dụng nó đi nhầm đường và va chạm như húc gầm
cầu, kẹt trong đường hẹp, rẽ vào đường tàu hỏa...
VII. Tổng quan về các ứng dụng của GPS trong cuộc sống
VII.1.Tổng quan
Mặc dù hệ thống GPS chỉ mới được hồn thành vào năm 1994 nhưng nó đã thực
sự tự khẳng định mình trong những ứng dụng quân sự.Ngày nay, GPS đã trở thành
một yếu tố quan trọng của hầu như tất cả các chiến dịch quân sự và tất cả các hệ
thống vũ khí. Ngồi ra, GPS còn được sử dụng trên các vệ tinh để đạt được các dữ
liệu quỹ đạo có độ chính xác cao và để điều khiển hướng bay của các con tầu vũ
trụ.Mặc dù hệ thống GPS lúc ban đầu được triển khai để đáp ứng các yêu cầu của
giới quân sự, nhưng người ta đang khơng ngừng tìm ra các cách thức mới để sử
dụng những khả năng của nó, từ cao siêu đến bình dị. Một trong số cách thức thứ
nhất là sử dụng GPS cho công tác quản lý động vật hoang dã. ở châu Phi, các máy
thu GPS được sử dụng để giám sát các đường hướng di trú của các đàn động vật lớn
cho những mục đích nghiên cứu khác nhau.Những máy thu GPS cầm tay hiện đang
được sử dụng thường ngày trong các ứng dụng thực địa, trong đó có địi hỏi việc
thu thập thơng tin chính xác, kể cả việc kiểm tra hiện trường của các công ty phục

vụ công cộng, việc vẽ bản đồ của các nhà khai thác dầu mỏ và khí đốt và việc quy
hoạch tài nguyên của các công ty lâm nghiệp.
Các khinh khí cầu có trang bị GPS đang giám sát các lỗ hổng trong tầng ô-zôn
trên các vùng cực và chất lượng khơng khí cũng đang được giám sát nhờ các máy
thu GPS. Các phao theo dõi lượng dầu tràn lớn trên biển phát đi các dữ liệu cần
thiết nhờ sử dụng GPS. Các nhà khảo cổ học và các nhà thám hiểm đang sử dung hệ
thống này để đánh dấu các vị trí ở xa trên biển và trên đất liền trước khi họ có thể
lập quyết tốn trang thiết bị và kinh phí.


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

Theo dõi các phương tiện vận chuyển là một trong những ứng dụng GPS phát
triển nhanh nhất. Các đoàn tầu, các hệ thống vận chuyển cơng cộng, các đồn xe tải
q cảnh, các chuyến xe bưu chính... có trang bị các máy thu GPS để giám sát các
vị trí của chúng vào mọi thời điểm.Các dữ liệu GPS sẽ trở nên hữu ích hơn đối với
khách hàng khi nó được liên kết với kỹ thuật vẽ bản đồ số. Theo đó, một số hãng
sản xuất ơ tơ đang chào hàng một phương án chế tạo xe mới là trang bị các màn
hình trình bày hành trình xe chạy do các máy thu GPS hướng dẫn. Các màn hình
này thậm chí cịn có thể tháo ra đem về nhà để lập chương trình cho một chuyến đi.
Một số phương tiện xe cộ có trang bị GPS đưa ra các bảng hướng dẫn trên màn hiển
thị cho các lái xe và qua các lệnh bằng tiếng nói tổng hợp. Những tính năng này cho
phép lái xe đến được bất kỳ nơi nào anh ta muốn một cách nhanh chóng hơn và an
tồn hơn so với trước đây.
VII.2.GPS và Mạng Tế bào (cellular)
Công nghệ GPS thậm chí cịn đang được sử dụng kết hợp với công nghệ mạng tế
bào để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng. Với việc ấn một phím bấm trên máy
điện thoại di động mạng tế bào, có thể đàm thoại với một nhà cung cấp dịch vụ và

cùng một lúc báo hiệu tới các dịch vụ điều phối trung tâm thơng báo về vị trí, của
họ về các tình huống khẩn cấp hoặc các hỏng hóc trang thiết bị.Điều này là có thể
được với Khối Định vị Mạng tế bào và Nhắn tin Khẩn (Cellular Positioning and
Emergency Messaging Unit) của hãng Motorola. Thiết bị này mở ra một kỷ nguyên
mới của an toàn di động và theo dõi các đoàn xe và các đoàn tầu biển. Các thiết bị
này được thiết kế cho các nhà tích hợp hệ thống là những người đang tạo cấu hình
các mạng tiêu dùng và thương mại khai thác qua điện thoại di động tế bào. Khối
Định vị Mạng tế bào và Nhắn tin Khẩn truyền đạt thông tin về vị trí và trạng thái
của các phương tiện xe cộ do GPS xác định, rất phù hợp để sử dụng trong các hệ
thống nhằm trợ giúp cho các nhà quản lý đường bộ, các hãng giám sát nội vụ, các
công ty điện thoại di động, các công ty cho thuê xe ô tô, các nhà khai thác đội tầu


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

biển thương mại và các nhà sản xuất ô tô... tìm kiếm những lợi thế cạnh tranh.Hãng
Skytel, nhà cung cấp các dịch vụ nhắn tin vô tuyến, đang quảng cáo hệ thống
AutoLink dựa trên GPS của họ dùng cho xe ô tô. Hệ thống AutoLink cung cấp các
dịch vụ trả lời khẩn cấp tự động, ngăn chặn trộm cắp, theo dõi và bắt xe cộ dừng lại,
nhắn tin cá nhân hai chiều, mở khoá xe từ xa, đánh dấu số hiệu lái xe, hướng dẫn
đường đi và thông tin dựa trên vị trí.

VIII.A-GPS là gì?Ứng dụng của A-GPS và GPS trong các lĩnh vực đời sống
VIII.1.A-GPS là gì ?
Trên thực tế, hầu hết các thiết bị cầm tay (điện thoại di động, PDA,…) GPS hiện
nay đều ứng dụng công nghệ A-GPS (Assisted GPS).

Nokia 6110 Navigator

Trong nhiều điều kiện thực tế, việc truyền dẫn tín hiệu GPS giữa vệ tinh và thiết
bị nhận trên mặt đất hoạt động rất kém hoặc thậm chí khơng thể hoạt động, nhất là
trong các thành phố lớn nhiều nhà cao tầng hoặc ở trong không gian kín. A-GPS
chính là giải pháp cho vấn đề này.


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

Đơn giản, thay cho việc truyền tín hiệu trực tiếp với vệ tinh, A-GPS kết nối tín
hiệu qua một “trạm trung chuyển” là một hệ thống máy chủ hỗ trợ. Hệ thống trung
gian này xác định vị trí của thiết bị so với các trạm thu phát sóng của các mạng điện
thoại trung gian trong khu vực và từ đó tính tốn ra vị trí trên hệ thống GPS. Có thể
nói, nếu khơng có sự hỗ trợ của các trạm trung chuyển qua mạng điện thoại di động
này, thiết bị A-GPS vẫn có thể nhận được tín hiệu từ vệ tinh nhưng khơng có khả
năng giải mã vị trí.
Một thiết bị tích hợp cơng nghệ A-GPS điển hình cần có các kết nối dữ liệu (qua
mạng GPRS, 3G hoặc Wi-fi) để có thể truyền tải dữ liệu qua lại với máy chủ trung
gian. Nhiều thiết bị hỗ trợ A-GPS vẫn có thể hoạt động với cơng nghệ GPS chuẩn
khơng qua hỗ trợ của mạng truyền dẫn, tuy nhiên trong một số trường hợp, việc xác
định vị trí theo thời gian thực sẽ gặp nhiều khó khăn do thơng tin từ vệ tinh đến
thiết bị không ổn định.

VIII.2.Ứng dụng trong các lĩnh vực của cuộc sống
VIII.2.1.Ứng dụng trong Cơ quan chính phủ
Ngay từ những ngày đầu tiên phát triển công nghệ định vị tồn cầu GPS,chính
phủ vẫn ln dẫn đầu trong khai thác và sử dụng.Từ cấp trung ương đến địa
phương,từ đô thị đến nông thôn GPS luôn tạo điều kiện thực sự thuận lợi giúp các
cơ quan cơng quyền hồn thành tốt nhiệm vụ được giao .Có thể bạn chỉ là người

duy nhất trong bộ phận thành lập bản đồ của một tổ chức chính phủ chun trách về
phịng cháy chữa cháy,hay bạn là thành viên của một bộ lâm nghiệp chuyên quản lý
rừng và các khu bảo tồn thiên nhiên rộng hang ngàn hecta,GPS ln có những giải
pháp tối ưu trong tìm đừong và xác định vị trí tối ưu giúp cơng việc của các bạn dễ
dàng và chính xác.
Những công nghệ thu thập số liệu Bản đồ và GPS làm cho cơng việc của các cơ
quan chính phủ trở nên đơn giản hơn rất nhiều mà không phụ thuộc vào kiểu, khối
lượng số liệu được thu thập, lưu trữ, xử lý và phân tích cho dù đó có thể là một


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

lượng số liệu không gian rất lớn. Các Bản đồ GPS đảm bảo cung cấp giải pháp hoàn
chỉnh cho các cơ quan thành phố, các đơn vị quân sự, các cục bảo vệ tài nguyên
thiên nhiên và bất kỳ cơ quan chính phủ nào có nhu cầu quản lý số liệu nhằm mục
đích hỗ trợ việc ra các quyết định nhanh chính xác nhất.

VIII.2.2.Ứng dụng trong lĩnh vực dầu khí
Ngày nay,các cơng ty dầu khí ln bị đặt dưới áp lực lớn nhất,tuân thủ và phù
hợp với các quy định của quốc tế,các cơng ty ln phải duy trì số liệu cụ thể về hệ
thống hạ tầng ống dẫn vô cùng phúc tạp của họ.
Hơn bao giờ hết, các công ty dầu và khí đốt ln là các cơng ty đi đầu trong việc
ứng dụng công nghệ GPS trong việc thành lập các bản đồ, thu thập giám sát và phân
tích số liệu thực địa. Các giải pháp cơng nghệ khơng gian có thể làm đơn giản đi tất
cả từ việc thành lập bản đồ các tài sản cố định như hệ thống đường ống và các đầu
nối đường ống đến việc sử dụng chúng cho duy tu bảo dưỡng, để mở rộng hay triển
khai các chương trình khắc phục khi có sự cố xảy ra. Các giải pháp định vị GPS có
độ chính xác tới một vài đềximét thực sự là những công cụ đắt giá và hiệu quả khi

Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

các cơng ty dầu khí muốn xây dựng bản đồ hay xác định vị trí của các tài sản ngầm.

Hầu hết các cơng ty dầu khí trên tồn thế giới đều đã lựa chọn sử dụng công
nghệ và giải pháp tiên tiến GPS để phục vụ cho việc đơn giản hố các bước xử lý
trong q trình thu thập, lưu trữ và phân tích các dạng số liệu thực địa quan trọng.
Với số liệu phân bố không gian các tài sản cố định rất chính xác, cho phép các cơng
ty dầu khí hoạt động hiệu quả hơn, quản lý đơn giản hơn,giảm chi phí và tăng lợi
nhuận.

VIII.2.3.Ứng đụng trong giáo dục
Các thiết bị Bản đồ của GPS đưa ra những giải pháp đơn giản và đa dạng, tạo
điều kiện thuận lợi nhất cho các tổ chức giáo dục, thực hiện việc giảng dạy về công
nghệ GPS.


Đại Học Kinh Tế Quốc Dân

Bộ Môn Công Nghệ Thông Tin

Chương trình hỗ trợ giáo dục được thiết kế với mục đích phục vụ cho các tổ
chức giáo dục và đào tạo. Bằng cách cân đối nhu cầu giữa GPS các tổ chức này có
thể được hưởng rất nhiều quyền lợi của chương trình, cũng như cơ hội lựa chọn
thiết bị phần cứng và phần mềm với giá ưu đãi đặc biệt nhằm tiết kiệm nhất cho
nguồn kinh phí đầu tư.

VIII.2.4.Ứng dụng trong quản lý Tài nguyên thiên nhiên
Thế giới chúng ta đang sống không ngừng thay đổi. Bảo vệ mơi trường và giữ
gìn những nguồn tài ngun thiên nhiên ngày nay đang trở thành vấn đề quan trọng
hơn bao giờ hết. Đây cũng chính là lý do tại sao rất nhiều các cơ quan tổ chức và cá
nhân trên tồn thế giới lựa chọn sử dụng các cơng nghệ GPS tiên tiến hàng ngày, để
quản lý một cách có hiệu quả hơn nguồn tài nguyên thiên nhiên hiện có. Hơn 25
năm qua, những công nghệ GPS đã cho phép con người có thể quản lý một cách có
hiệu quả hơn, chi tiết và cụ thể hơn những nguồn tài nguyên thiên nhiên mà con
người đang sở hữu.
Từ việc quản lý bền vững hệ thống rừng đến các hoạt động tìm kiếm thăm dị
khai thác mỏ, những giải pháp GPS làm cho mọi hoạt động quản lý trở nên dễ dàng
hơn, giúp những nhà quản lý tài nguyên thiên nhiên trong tất cả các công đoạn từ
thu thập, lưu trữ, xử lý phân tích và ứng dụng những khối dữ liệu không gian lớn.
Các lĩnh vực mà công nghệ GPS đã có những ảnh hưởng mạnh mẽ phải kể đến là
quản lý môi trường, quản lý rừng, quy hoạch và phát triển nông nghiệp, điều tra và
khai thác mỏ. Mỗi ngày, công nghệ GPS lại hỗ trợ đắc lực hơn cho con người trong