Hệ thống định vị toàn cầu GPS và ứng dụng

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU VÀ ỨNG DỤNG
Nguyễn Văn Căn
Khoa CNTT, Trường ĐH KT - HC CAND
Từ thời xa xưa, con người đã sử dụng thiên văn, la bàn và bản đồ để xác
định vị trí và tìm đường trong các chuyến thám hiểm khai phá các miền đất lạ. Ngày nay,
công nghệ định vị toàn cầu đang được phát triển mạnh mẽ và triển khai nhiều ứng dụng rất hiệu
quả trong định vị và dẫn đường. Bài viết này nhằm giới thiệu khái quát về hệ thống định vị toàn
cầu và những ứng dụng của nó. Các khái niệm, cấu trúc, thành phần của hệ thống định vị toàn
cầu được giới thiệu trong mục 1; tại mục 2 trình bày một số lĩnh vực ứng dụng chính của hệ
thống định vị toàn cầu; tại mục 3 trình bày một số ứng dụng trên điện thoại thông minh và cuối
cùng là đánh giá và kết luận.

1. Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí
dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành
và quản lý, cho phép mọi người trên thế giới sử dụng một số chức năng miễn phí, bất kể quốc
tịch nào. Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác
định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh. [1]
Các nước trong liên minh châu Âu đang xây dựng hệ thống định vị Galileo, có tính năng
giống như GPS của Hoa Kỳ, dự tính sẽ bắt đầu hoạt động năm 2014. Trung Quốc thì phát triển
hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh. [1]
Dẫn đường (navigator) là một ứng dụng của GPS được nhiều người biết đến nhất hiện hay
khi sử dụng điện thoại thông minh để tìm đường đi khi di chuyển. Hệ thống dẫn đường vệ tinh
Galileo đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự.

Hình 1. Vệ tinh GPS
Sự hoạt động của GPS [2]:
GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất, 24 giờ một ngày. Không
mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải chi phí cho thiết bị
thu tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ.
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất

chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và
bằng phép tính lượng giác, tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS
so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời
gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ
tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều ( kinh
độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất bốn vệ tinh thì
máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã
tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám
1


sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn và nhiều
thứ khác nữa.
Vị trí của một điểm trên mặt đất, sẽ là tham chiếu so với vị trí của các vệ tinh và trung tâm
tín hiệu trung gian mặt đất. Khi nhận được tín hiệu từ vệ tinh, thiết bị sẽ tự tính toán ra khoảng
cách giữa thiết bị và vệ tinh.
Theo lý thuyết, chỉ cần có ba vệ tinh là có thể tính toán được vị trí (tính ra tọa độ x, y, z
trong không gian), tuy nhiên do có sai số nhất định nên hệ thống cần thêm một tham chiếu nữa,
tức là thêm một vệ tinh nữa là bốn vệ tinh để có thể tính toán được chính xác. Dĩ nhiên nếu có
nhiều hơn bốn vệ tinh thì nó cũng sẽ nhận hết và xử lý hết tín hiệu.
Cuối cùng, GPS tuy tính toán vị trí rất chính xác nhưng vẫn luôn luôn có sai số. Sai số này
có thể và vài mét, hoặc vài trăm mét. Sai số hiển thị trên màn hình thiết bị chỉ là sai số có thể có
dựa trên phân tích tín hiệu thu nhận được, còn thực tế thì khó biết được chính xác. Bởi các vệ
tinh, trái đất, và cả chúng ta đều di chuyển liên tục đồng thời trong thời gian thực.
GPS hiện tại gồm ba phần chính: phần không gian, kiểm soát và sử dụng (Hình
2). Không quân Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và kiểm soát. Các vệ
tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, và các máy thu GPS sử dụng các tín hiệu này để tính
toán vị trí trong không gian ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và thời gian hiện tại.

Hình 2. Hình Các thành phần cơ bản của GPS
Thứ nhất, mảng không gian:
Mảng không gian bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín hiệu cần thiết cho hệ thống
hoạt động. Phần không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm
trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo
26.600 km. Chúng chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24
giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu
GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.
Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng mặt trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để
duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng mặt trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở
mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm: Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được
truyền từ mảng điều khiển; Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt
trên vệ tinh; Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số.
Thứ hai, mảng điều khiển:
Mảng điều khiển là các tiện ích trên mặt đất thực hiện nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, tính toán
quĩ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng không gian. Mục đích phần này là kiểm soát vệ tinh đi
đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác. Có năm trạm kiểm soát đặt rải rác
trên trái đất. Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung
tâm. Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm
soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với hai
2


an-ten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh. Ngoài ra, còn một trạm kiểm soát trung tâm dự
phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt.
Mảng điều khiển bao gồm các tiện ích cần cho việc giám sát, theo dõi, điều khiển, tính
toán bản lịch vệ tinh và nạp dữ liệu lên vệ tinh.
Năm trạm điều khiển trên mặt đất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia
và Kwajalein. Chức năng của chúng như sau: Tất cả năm trạm đều là trạm giám sát, theo dõi vệ

tinh và truyền dữ liệu đến trạm điều khiển chính; Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều
khiển chính (MSC). Tại đó dữ liệu theo dõi được xử lý nhằm tính toạ độ và số hiệu chỉnh đồng
hồ vệ tinh;

Hình 3. Các trạm điều khiển GPS trên thế giới
Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu lên vệ tinh. Dữ
liệu bao gồm các bản lịch và thông tin số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải.
Thứ ba, mảng người sử dụng:
Thiết bị của người sử dụng GPS là các máy thu bao gồm: Phần cứng
(theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách); Phần mềm (các thuật toán, giao
diện người sử dụng); Các quá trình điều hành. Hiện nay trên thị trường có rất
nhiều loại máy thu khác nhau về chủng loại, độ chính xác và giá tiền. Theo cấu tạo
có thể chia thành hai loại: Máy thu một tần số và máy thu hai tần số. Theo độ chính xác thì có thể
chia làm ba loại: Độ chính xác cao, trung bình và thấp. Độ chính xác cao đối với các loại máy
thu hai tần số đắt tiền nhất hiện nay được dùng trong trắc địa. Thiết bị phần cứng phức tạp nên
việc sử dụng khó khăn. Độ chính xác trung bình đối với các loại máy thu một tần số, có cấu tạo
đơn giản dễ mang vác và dễ sử dụng cho thu thập dữ liệu phục vụ bản đồ và GIS. Độ chính xác
thấp đối với các loại máy thu một tần số nhưng có cấu tạo gọn nhẹ (máy thu cầm tay) và giá
thành thấp thường được dùng cho các mục đích định vị hàng hải, du lịch,…

2. Một số lĩnh vực ứng dụng của GPS
Ưu điểm của công nghệ GPS là không đòi hỏi tính thông hướng giữa các trạm đo. Các vệ
tinh có thể được quan sát trên một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia, lục địa. GPS cho phép
định vị độ chính xác cao và đang ngày càng được cải thiện. Ứng dụng thực tế của GPS ở thời
điểm hiện tại là rất đa dạng, được chia thành các nhóm lĩnh vực như định vị, dẫn đường, tìm
kiếm,...[3].
Lĩnh vực định vị:
Đây có lẽ là tính năng cơ bản nhất của một thiết bị có tích hợp GPS. Tính năng này từ
trước đến nay vẫn chỉ được hiểu đơn giản rằng người sử dụng có thể dễ dàng xác định được ngay
vị trí của mình dù đang ở bất kỳ đâu thông qua GPS. Tuy nhiên, ứng dụng thực tế của tính năng

này ở thời điểm hiện tại là khá đa dạng. Chẳng hạn dựa trên tọa độ mà GPS định vị, những ứng
dụng trợ lý giọng nói như Google Voice, S Voice… cung cấp cho người dùng hàng loạt những
thông tin hữu ích về thời tiết, nhiệt độ, hoặc vị trí nhà hàng, khách sạn, bệnh viện ở gần đó. Một
số ứng dụng còn cho phép người dùng chia sẻ vị trí của mình thông qua tin nhắn SMS. Khi tin
3


nhắn được gửi đi, thiết bị sẽ gửi kèm theo đó một tọa độ để người nhận có thể xác định được
người gửi đang ở đâu, rất tiện lợi.

Hình 4. Định vị qua vệ tinh
Lĩnh vực dẫn đường:
Dẫn đường là một tính năng mà hầu hết những người sử dụng đều muốn có khi cầm trong
tay một thiết bị có GPS. Dựa trên vị trí tọa độ của thiết bị cộng thêm dữ liệu của ứng dụng bản
đồ, thiết bị GPS sẽ vạch cho người sử dụng một lộ trình từ điểm đầu đến điểm cuối sao cho ngắn
nhất và thuận tiện nhất. Hơn nữa, một số ứng dụng còn có tính năng dẫn đường bằng giọng nói,
giúp người dùng dễ dàng di chuyển mà không cần phải nhìn liên tục vào màn hình thiết bị.
Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng không phải ứng dụng nào cũng có thể đáp ứng hoàn hảo
cho nhu cầu dẫn đường. Chẳng hạn trên một số dòng thiết bị, ứng dụng Google Maps tuy có thể
dẫn đường với độ chính xác khá cao nhưng nó lại không được trang bị bản đồ ngoại tuyến, bắt
buộc người sử dụng phải kết nối internet mới có thể sử dụng được. Việc này về cơ bản có thể giải
quyết bằng sóng 3G nhưng nhược điểm là không phải lúc nào thiết bị cũng bắt được sóng khi
đang di chuyển.
Đối với những hãng vận tải thì GPS là một ứng dụng không thể thiếu trong việc điều hành
và quản lý phương tiện. Trước tiên, nó cho phép giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo
thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe… Dựa vào
đó, thiết bị có thể lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn
hình. Ngoài ra, một số thiết bị GPS còn có tác dụng cảnh báo mỗi khi xe vượt quá tốc độ cho
phép hoặc thay thế vai trò của một máy chống trộm hết sức hiệu quả.

Hình 5. Dẫn đường qua vệ tinh
Lĩnh vực tìm người, thiết bị:
4


Hầu hết các nhà sản xuất smartphone hiện nay đều cố gắng trang bị cho thiết bị những ứng
dụng giúp người dùng có thể xác định được vị trí của chúng phòng khi thất lạc. Khi bật tính năng
này, người dùng có thể theo dõi được vị trí của thiết bị dù ở bất kỳ đâu, miễn sao chúng vẫn có
thể kết nối internet thông qua 3G hoặc wifi. Hơn thế nữa, ứng dụng này còn cho phép chủ nhân
của thiết bị có thể gửi tin nhắn, bật âm báo hiệu, khóa hoặc xóa toàn bộ dữ liệu từ xa. Trên thực
tế, ứng dụng này hữu ích trong việc tìm lại điện thoại bị thất lạc hơn là tìm lại điện thoại bị mất
cắp, bởi chúng cũng có thể bị vô hiệu hóa chỉ với vài thao tác.
Đối với các bậc cha mẹ thì tính năng này còn đặc biệt hữu ích trong việc tìm, và quản lý
con cái, người thân. Mặc dù vậy, đôi khi chúng ta sẽ cảm thấy khó chịu vì vô hình trung tính
năng này lại khiến người sử dụng đánh mất quyền riêng tư.
Trong quản lý giao thông:
Ngày nay, nhiều ứng dụng trong giao thông thông minh phát huy hiệu quả rất lớn, như:
Giám sát quản lý vận tải, theo dõi vị trí, tốc độ, hướng di chuyển; Giám sát mại vụ, giám sát vận
tải hành khách; Chống trộm cho ứng dụng thuê xe tự lái, theo dõi lộ trình của đoàn xe; Liên lạc,
theo dõi định vị cho các ứng dụng giao hàng GPS có nhiều ứng dụng mạnh mẽ trong quản lý xe
ô tô. Với nhiều tính năng như: Giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực:
vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe…; Xác định vị trí xe chính
xác ở từng góc đường, xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang chạy, biết được lộ trình
hiện tại xe đang đi; Lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn
hình; Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc tùy chọn; Quản lý theo dõi một hay nhiều xe
tại mỗi thời điểm; Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng); Cảnh báo khi xe
vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn; Chức năng chống trộm.
Về quản lý giao thông, tại Việt Nam có một số quy định pháp lý về GPS như: Nghị định
91/2009/NĐ-CP về thiết bị giám sát hành trình xe; Thông tư 14/2010/TT-BGTGT về dùng GPS
giám sát hoạt động vận tải.

Trong quân sự, quốc phòng và an ninh:
Trong lĩnh vực quân sự, trên thế giới GPS cũng có nhiều ứng dụng: Vũ khí hạt nhân; Bom
thông minh JDAM; Tên lửa không đối đất; Tên lửa tấn công đất liền; Tên lửa hành trình; Tên lửa
đất đối đất; Máy bay huấn luyện Mikoyan MiG-AT của Nga;
Các hệ thống định vị vệ tinh khác được sử dụng ở một số nơi bao gồm: Galileo – hệ thống
toàn cầu do EU và các quốc gia đối tác khác phát triển, đưa vào sử dụng năm 2014; Beidou (Bắc
Đẩu) – là hệ thống riêng của Trung quốc phát triển, phủ ở châu Á và tây Thái Bình Dương;
COMPASS – Hệ thống toàn cầu của Trung quốc, dự kiến đưa vào sử dụng năm 2020;
GLONASS – Hệ thống địa vị toàn cầu của Nga; IRNSS – Hệ thống định vị khu vực của Ấn Độ,
đưa vào sử dụng năm 2012, phủ Ấn Độ và bắc Ấn Độ Dương; QZSS – Hệ thống định vị khu vực
của Nhật Bản, phủ châu Á và châu Đại Dương.

3. Ứng dụng GPS hay dành cho điện thoại thông minh
Hiện nay có một số ứng dụng dành cho hệ điều hành Android, iOS, BlackBerry và
Windows Phone [4]. Không phải dễ dàng lựa chọn ứng dụng tốt nhất, trừ khi xem xét chúng theo
các tiêu chí như chất lượng của giao diện, tính chính xác của các bản đồ hoặc khả năng thực hiện
theo lộ trình mà không cần kết nối điện thoại di động.
Waze, ứng dụng thông tin giao thông. Bắt nguồn từ Israel, ứng dụng miễn phí này được
Google mua lại rất hữu ích trong việc cảnh báo cho người sử dụng những điểm ùn tắc giao
thông, những vụ tai nạn và những tuyến đường thắt nút, chỉ dẫn cho họ các tuyến đường đi
nhanh nhất.
5


Google Maps, ứng dụng bản đồ mặc định trên các phiên bản điện thoại thông minh chạy
Android, Google Maps là một lựa chọn tốt thay thế ứng dụng bản đồ Maps trên iPhone. Với việc
sử dụng đơn giản, ứng dụng này không chỉ hướng dẫn cho những tài xế xe ô tô, mà còn để chỉ
đường cho xe đạp, người đi bộ hoặc người sử dụng các phương tiện giao thông công cộng.
Nokia Here, là sản phẩm được phát triển bởi Nokia cho các thiết bị chạy Windows Phone,
ứng dụng định hướng này có sẵn cho một số sản phẩm của Samsung và sẽ được tích hợp trong

mùa đông này trong một phiên bản dành cho Android và iPhone. Nhưng trong khi Here Maps
cho Windows Phone thiết kế cho người dùng một tuyến đường đi bộ, đi xe ô tô hoặc giao thông
công cộng, phiên bản dành cho Android chỉ giới hạn trong điều hướng xe ô tô. Tuy nhiên, nó rất
dễ chịu để sử dụng vì thiết kế, chế độ offline và các thông tin giao thông.

Hình 6. Ứng dụng thông tin giao thông
Apple Plans là sản phẩm của Apple giành riêng cho hệ điều hành iOS. Phiên bản này của
Apple Plans đã chứng tỏ khả năng hiển thị các tòa nhà bằng 3D, được xếp vào danh sách một
trong những ứng dụng định vị GPS thực tế nhất, mặc dù nó đòi hỏi phải kết nối Internet.
Tóm tại, hệ thống GPS là một hệ thống công nghệ tích hợp trong lĩnh vực viễn thông. Việc
cập nhật thông tin về cấu trúc, thành phần và ứng dụng của nó sẽ mang lại lợi ích thiết thực cho
người dùng. Để tiếp cận chi tiết về công nghệ cần có những nghiên cứu sâu hơn về sóng điện từ,
sóng ánh sáng và các thuật toán tính toán chuyên sâu trong lĩnh vực viễn thông. Qua bài viết này
cũng đặt ra cho các nhà nghiên cứu là tiếp tục phát triển các thuật toán định vị để nâng cao độ
chính xác trong công nghệ định vị.

Tài liệu tham khảo
[1]
[2]
[3]
[4]

/>Hofmann-Wellenhof, B., H. Lichtenegger, and J. Collins, GPS Theory and Practice,
Springer-Verlag, 1993.
/> />
6