Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
--------------

NGUYỄN HUY THẮNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GNSS ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG
THU PHÍ GIAO THÔNG ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2017


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
--------------

NGUYỄN HUY THẮNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GNSS ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG
THU PHÍ GIAO THÔNG ĐIỆN TỬ

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ:

0

60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐẶNG HOÀI BẮC

HÀ NỘI - 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày 16 tháng 01 năm 2017
Học viên

Nguyễn Huy Thắng


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, em xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô
giáo, những người đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy giúp đỡ em trong suốt quá trình
học tập, nghiên cứu và rèn luyện ở trường Học viên Công nghệ Bưu chính Viễn
thông.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Đặng Hoài Bắc đã
tận tình, chu đáo hướng dẫn em thực hiện luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng để thực hiện đề tài này một cách hoàn chỉnh nhất, song
do quá trình thực hiện luận văn còn tồn tại những khó khăn nhất định nên không thể

tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự góp ý của quý Thầy, Cô giáo và các
bạn để bài luận văn được hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 16 tháng 01 năm 2017
Học viên
Nguyễn Huy Thắng


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... ix
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GNSS .........................................2
1.1.

Khái quát về công nghệ GNSS ......................................................................2

1.2.

Nguyên lý cấu tạo của công nghệ GNSS.......................................................3

1.2.1.

Đoạn không gian (space segment) ..........................................................4

1.2.2.

Đoạn điều khiển (control segment).........................................................5

1.2.3.

Đoạn sử dụng (User segment) ................................................................6

1.3.

Mã trải phổ, sóng mang .................................................................................7

1.4.

Các nguồn gây ra sai số .................................................................................8

1.4.1 Sai số do đồng hồ ........................................................................................8
1.4.2 Sai số do quỹ đạo vệ tinh .............................................................................8
1.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu .........................................................9
1.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu .............................................................................11
1.5.

Các hệ thống GNSS tiên tiến .......................................................................12

1.5.1. Hệ thống GPS ...........................................................................................12
1.5.2. Hệ thống GLONASS .................................................................................13
1.5.3. Hệ thống GALILEO ..................................................................................14
1.5.4. Hệ thống BEIDOU( còn gọi là COMPASS) .............................................15
1.6.

Ứng dụng công nghệ GNSS ........................................................................16

1.6.1. Ứng dụng trong lĩnh vực định vị ..............................................................16
1.6.2. Ứng dụng trong lĩnh vực dẫn đường ........................................................17
1.6.3. Ứng dụng cho phương tiện không người lái ............................................19
1.6.4. Ứng dụng trong nghiên cứu bão ..............................................................20


iv
1.6.5. Ứng dụng trong lĩnh vực tìm người và thiết bị .........................................21
1.6.6. Ứng dụng trong quản lý giao thông .........................................................22
1.6.7. Ứng dụng trong quân sự, quốc phòng, an ninh........................................23
1.6.8. Ứng dụng trong khảo sát, trắc địa ...........................................................23
1.6.9. Ứng dụng trong trắc địa trên không ........................................................24
1.6.10. Ứng dụng GPS trên điện thoại thông minh ............................................25
1.7.

Kết luận chương ..........................................................................................27

CHƢƠNG II: CÁC CÔNG NGHỆ DÙNG TRONG HỆ THỐNG THU PHÍ
ĐIỆN TỬ GIAO THÔNG ......................................................................................28
2.1.

Công nghệ RFID ..........................................................................................29

2.1.1 Giới thiệu về công nghệ RFID ..................................................................29
2.1.2. Mô hình thu phí giao thông điện tử sử dụng công nghệ RFID ................30
2.1.3. Ưu điểm, nhược điểm của công nghệ RFID .............................................35
2.2.

Công nghệ ANPR ........................................................................................36

2.2.1. Giới thiệu về công nghệ ANPR.................................................................36
2.2.2. Mô hình thu phí giao thông điện tử sử dụng công nghệ ANPR ...............38
2.3.

Công nghệ DSRC ........................................................................................39

2.3.1 Giải pháp thu phí sử dụng công nghệ sóng tầm ngắn DSRC–5,8 GHz ....39
2.3.2 Mô hình thu phí giao thông điện tử sử dụng công nghệ DSRC ................42
2.4.

Công nghệ GNSS.........................................................................................44

2.5.

Kết luận chương ..........................................................................................48

CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS TRONG THU PHÍ ĐIỆN
TỬ GIAO THÔNG .................................................................................................49
3.1 Mô hình và phân tích nguyên lý hoạt động hệ thống GNSS trong thu phí giao
thông điện tử
3.1.1 Mô hình hệ thống GNSS trong thu phí giao thông điện tử ........................49
3.1.2 Ưu điểm, nhược điểm của mô hình thu phí sử dụng công nghệ GNSS .....54
3.2. Tính năng và cách thức hoạt động phần mềm ................................................56
3.2.1. Phân tích về những tính năng có trong phần mềm ..................................56
3.2.2. Cách thức hoạt động của phần mềm thu phí ............................................57


v
3.3. Khả năng ứng dụng trong thực tế của công nghệ GNSS ................................61

3.4. Kết luận chương .............................................................................................64
KẾT LUẬN CHUNG ..............................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................66
PHỤ LỤC .................................................................................................................67


vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt
GNSS
GPS
GSM

ITS
RFID
DSRC
ANPR

GLONASS

Tiếng Anh
Global Navigation Satellite
System

Tiếng Việt
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Communications

cầu thế hệ thứ 2

Intelligent Transportation
Systems
Radio Frequency Identification
Dedicated short-range
communications
Automatic Number Plate
Recognition

Hệ thống giao thông thông minh
Định danh tần số sóng vô tuyến
Hệ thống giao tiếp tầm ngắn
Công nghệ dận dạng số tự động

Global Orbiting Navigation

Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ

Satellite System

đạo toàn cầu

Hệ thống vệ tinh dẫn đường của

GALILEO

liên hợp châu Âu (EU)
Hệ thống vệ tinh dẫn đường của
Trung Quốc, còn có tên khác là

BEIDOU

COMPASS
Frequency Division Multiple

Công nghệ đa truy nhập phân chia

Access

theo tần số

C/A

Coarse/Acquisite-code

Tên một loại mã

UAV

Unmanned Aerial Vehicle

Phương tiện không người lái

RTK

Real Time Kinematic

FDMA

Là một phương pháp đo đạc hiện
đại có độ chính xác cao và nhanh


vii
chóng
Laser Imaging, Detection, and

Công nghệ quét Laser từ trên

Ranging

không

ETC

Electronic Toll Collection

Dịch vụ thu phí điện tử

OBU

On Board Unit

LIDAR

GIS
IRNSS

Geographic Information
System

Là một thiết bị điện tử được gắn
trên xe thu phí
Hệ thống thông tin địa lý

Indian Regional Navigation

Hệ thống định vị vệ tinh dẫn

Satellite System

đường của Ấn Độ
Hệ thống vệ tinh của Nhật Bản

QZSS

Quasi-Zenith Satellite System

phát triển bao phủ Đông Á và
Châu Đại Dương

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Một số tham số kỹ thuật của các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu[6] ............ 4
Bảng 2.1: Ký hiệu một vài loại thiết bị của các hãng sản xuất đã có ở Việt Nam[6] .......... 41


ix

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình vệ tinh nhân tạo ............................................................................3
Hình 1.2: Cấu trúc của hệ thống GNSS ......................................................................3
Hình 1.3: Các trạm điều khiển và kiểm tra của hệ thống GPS ...................................6
Hình 1.4: Một số loại máy thu tín hiệu GNSS ............................................................7
Hình 1.5: Cấu tạo hệ thống GPS ..............................................................................12
Hình 1.6: Hình ảnh vệ tinh GPS................................................................................13
Hình 1.7: Hình ảnh vệ tinh GLONASS ....................................................................14
Hình 1.8: Hình ảnh vệ tinh GALILEO và quỹ đạo hoạt động của nó .....................15
Hình 1.9: Hình ảnh vệ tinh Bắc Đẩu (COMPASS)...................................................16
Hình 1.10: Định vị qua vệ tinh ..................................................................................17
Hình 1.11: Ứng dụng dẫn đường dựa vào vệ tinh .....................................................18
Hình 1.12: Chiếc xe không người lái ........................................................................19
Hình 1.13: Hiển thị vị trí Smartphone khi bị thất lạc ................................................21
Hình 1.14: Mô hình quản lý hệ thống vận tải ...........................................................22
Hình 1.15: Ứng dụng trong trắc địa sử dụng GPS ....................................................23
Hình 1.16: Ứng dụng trong trắc địa trên không ........................................................25
Hình 1.17: Ứng dụng chỉ đường trên điện thoại thông minh ....................................26
Hình 2.1: Mô hình hệ thống thu phí giao thông không dừng....................................31
Hình 2.2: Quy trình đăng kí sử dụng một BOX RFID ..............................................32
Hình 2.3: Mô hình một BOX RFID trang bị trên phương tiện giao thông ...............32

Hình 2.4: Mô hình một BOX TRẠM trang bị ở trạm thu phí ...................................33
Hình 2.5: Mô hình giao tiếp giữa trạm và các xe ......................................................33
Hình 2.6: Mô hình hệ thống nhận dạng biển số xe tự động ......................................36


x
Hình 2.7: Sơ đồ khối của hệ thống nhận dạng biển số xe .........................................37
Hình 2.8: Mô hình thu phí thực tế của hệ thống nhận dạng biển số xe ....................39
Hình 2.9: Mô hình thu phí giao thông điện tử sử dụng công nghệ DSRC...............43
Hình 2.10: Dự báo cơ cấu thị phần các lĩnh vực ứng dụng GNSS cơ bản giai đoạn
2013 – 2023 ...............................................................................................................44
Hình 2.11: Vị trí của phương tiện và điểm thu phí ảo đặt trước (Điểm thu phí được
đánh dấu màu đỏ) ......................................................................................................47
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ..................................................................................49
Hình 3.2: Sơ đồ mạng kết nối hình sao .....................................................................52
Hình 3.3: Hiển thị vị trí thu phí ảo. ...........................................................................58
Hình 3.4: Hình ảnh thông báo thu phí trên phương tiện. ..........................................59
Hình 3.5: Thông tin tin nhắn thu phí chuyển về phía người dùng ............................59
Hình 3.6: Kết quả thử nghiệm khả năng thu phí. ......................................................60


1

LỜI NÓI ĐẦU
Theo thống kê, hiện nay nước ta có khoảng 70 trạm thu phí giao thông đường bộ
với nhiều loại hình thuộc quyền quản lý của nhiều cơ quan khác nhau như: Tổng
cục Đường bộ, Sở giao thông vận tải các tỉnh, UBND, các doanh nghiệp BOT,…
Các trạm thu phí này hoạt động chủ yếu theo hình thức thu phí một dừng mã vạch
kết hợp với thủ công hoặc triển khai 100% thu phí một dừng mã vạch.
Với các hình thức thu phí trên, tình trạng ùn ứ các phương tiện tại các trạm thu phí

thường xảy ra, gây mất trật tự, an toàn giao thông… Bên cạnh đó, các đơn vị quản
lý cũng phải đầu tư nhân sự, chi phí quản lý khá lớn cho việc kiểm soát và thu phí.
Để cải thiện tình trạng đó hàng loạt các giải pháp được đưa ra trong đó việc thu phí
giao thông điện tử đang được nghiên cứu và triển khai ngày càng rộng rãi thay thế
các phương thức thu phí cũ.
Sự ra đời của các công nghệ thu phí điện tử giúp giảm tắc nghẽn giao thông gần các
trạm thu phí, hỗ trợ cho lái xe bằng việc loại bỏ sử dụng tiền mặt, và giảm chi phí
quản lý và tiêu cực.
Hiện tại, ở Việt Nam các trạm thu phí này sử dụng phương pháp thu phí bán
tự động công nghệ bán tự động được sử dụng ở các thiết bị nhận dạng biển số xe,
nhận dạng trọng tải xe, thiết bị soát vé từ/ giấy in/ thẻ Smart Card, thiết bị mạng
máy tính, camera giám sát, barrie tự động, đèn tín hiệu. Còn lại là thạm thu phí thủ
công với quy trình hai dừng (dừng mua vé, dừng soát vé)[6]. Do đó nghiên cứu
công nghệ thu phí điện tử không dừng là một chủ đề nghiên cứu sao cho tối ưu nhất
đưa vào áp dụng đại trà trong thời gian tới.
Nghiên cứu công nghệ GNSS, các mô hình ứng dụng cho thu phí điện tử và
ứng dụng công nghệ GNSS cho hệ thống thu phí giao thông điện tử. Với đề tài ”
Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử”,
luận văn được chia thành ba phần như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ GNSS.
Chương 2: Các công nghệ trong hệ thống thu phí điện tử trong giao thông.
Chương 3: Ứng dụng công nghệ GNSS trong thu phí điện tử giao thông.


2

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GNSS
Chương I. Chương này trình bày về công nghệ vệ tinh dẫn đường GNSS: Mã trải
phổ, sóng mang, các nguồn gây nhiễu. Đồng thời, Chương I cũng trình bày các hệ
thống GNSS tiến tiến như hệ thống GPS, Galileo, Glonass, đồng thời nêu lên ứng

dụng của nó trong hiện tại và tương lai

1.1. Khái quát về công nghệ GNSS
Trong khoảng những năm 60 thế kỷ trước, các nhà khoa học của Liên Xô đã
phóng thành công các vệ tinh nhân tạo, là tiền đề mở ra dự án thành lập hệ thống
định vị toàn cầu mang tên Glonass (Global Navigation Satellite System). Cùng với
thời gian này, bộ quốc phòng Mỹ cũng xây dựng được một hệ thống đạo hàng vô
tuyến vệ tinh mang tên NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Providing Timing
and Ranging Global Positioning System) trên cơ sở các kết quả của chương trình
TRANSIT và đề án Timation. Trong suốt thời gian dài hoạt động, hệ thống định vị
gọi tắt là GPS chỉ có ngành quân sự Mỹ độc quyền khai thác sử dụng. Từ những
năm 1980 trở lại đây, chính phủ Mỹ cho phép khai thác sử dụng hệ thống GPS vào
mục đích dân sự. Từ đó trở đi, công nghệ GPS đã được nghiên cứu, ứng dụng vào
nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau, trong đó có ngành khoa học trái đất.
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, hiệu quả ứng dụng
trong các ngành khoa học. Các nước đã phát triển riêng cho mình một hệ thống định
vị vệ tinh riêng nhằm phục vụ những mục đích khác nhau trong mọi lĩnh vực. Có
thể kể đến những hệ thống định vị lớn bao gồm hệ thống định vị GPS (Mỹ), hệ
thống GLONASS (Nga), hệ thống GALILEO (EU), hệ thống Beidou hay còn gọi là
COMPASS (Trung Quốc).
Cùng với sự phát triển đó hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS
(Global Navigation Satellite System) ra đời nhằm đem lại hiệu quả cũng như đạt độ
chính xác cao hơn. Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS là hệ thống kết hợp


3
bao gồm các hệ thống định vị vệ tinh GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), GALILEO
(EU), BEIDOU – hay còn gọi là COMPASS (Trung Quốc).

Hình 1.1: Mô hình vệ tinh nhân tạo

1.2. Nguyên lý cấu tạo của công nghệ GNSS
GNSS được cấu thành như một chòm sao của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với
thiết bị ở mặt đất. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định
được khoảng cách đến 4 vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ xác định được tọa độ của vị trí đó.
Hệ thống GNSS được cấu tạo từ 3 thành phần: Đoạn không gian (space segment),
Đoạn điều khiển (control segment), Đoạn sử dụng (user segment).

Hình 1.2: Cấu trúc của hệ thống GNSS


4
1.2.1. Đoạn không gian (space segment)
Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh bay trên bầu trời (vệ tinh GPS,
GLONASS, GALILEO, COMPASS) các vệ tinh bố trí di chuyển liên tục theo quỹ
đạo trên bầu trời. Có độ cao và góc nghiêng hợp lý bảo đảm mỗi điểm trên mặt đất
đều thu được ít nhất tín hiệu của 4 vệ tinh cùng lúc.
Dưới đây là bảng thống kê một số tham số kỹ thuật của hệ thống vệ tinh dẫn đường
toàn cầu GNSS bao gồm các tham số của 4 hệ thống vệ tinh: GPS, GLONASS,
GALILEO, BEIDOU hay còn gọi là COMPASS.
Bảng 1.1 Một số tham số kỹ thuật của các hệ thống vệ tinh dẫn đƣờng toàn cầu[7]
Các tham số
kỹ thuật

GPS

Tổng số vệ tinh 24

GLONASS

GALILEO

COMPASS

24

27

35

Số mặt phẳng 6(cách nhau 3
60o)

quỹ đạo
Góc

(cách

nhau 3

(cách

nhau 3

(cách

120o)

120o)

120o)

64,8o

56o

55o

20 200 km

19 100 km

23 616 km

21 550 km

11h58’

11h15’

14h21’

12h50’

8 ngày sao

3 ngày sao

10 ngày sao

nghiêng

mặt phẳng quỹ 55o
đạo
Độ

cao

quỹ

đạo
Chu kỳ quay
của vệ tinh

Chu kỳ quan 1 ngày sao

nhau


5
sát mặt đất
Kỹ thuật tiếp
nhận tín hiệu

Đa truy cập Đa truy cập phân
phân

chia chia

code

Các sóng tải L1=1575.42
sử
(MHz)

dụng L2=1227.60
L5=1176.45

tần

số Phân chia code

Phân chia code

FDMA
L1=1602+k.0.5625

E5a(L5)=1176.45

B1-2=1589.74

L2=1246+k.0.4375

E5b=1207.14

B-1=1561.1

( k là số hiệu vệ E6=1278.750

B-2=1207.14

tinh: k=1,2…24)

B3=1268.52

E2-L1-E1=1575.42

1.2.2. Đoạn điều khiển (control segment)
Đoạn điều khiển được thiết lập với mục đích để duy trì hoạt động của toàn
bộ hệ thống định vị. Trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ chủ yếu là hiệu chỉnh
các tín hiệu, cập nhật thông tin đạo hàng truyền đi từ vệ tinh để chính xác hóa các
thông tin đạo hàng, bảo đảm độ chính xác cần thiết cho công tác định vị. Đoạn điều
khiển có 4 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:
-

Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục;

-

Hiệu chỉnh liên tục các tham số quỹ đạo vệ tinh;

-

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.

6

Hình 1.3: Các trạm điều khiển và kiểm tra của hệ thống GPS

1.2.3. Đoạn sử dụng (User segment)
Đoạn người sử dụng bao gồm dụng cụ thu tín hiệu vệ tinh, phần mềm xử lý
tính toán số liệu, máy tính thu tín hiệu GNSS, có thể đặt cố định trên mặt đất hay
gắn trên các phương tiện chuyển động như ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa.
Dựa vào mục đích sử dụng mà người ta thiết kế cấu tạo ra các máy thu
GNSS khác nhau. Có thể sử dụng 1 máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (trường
hợp định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm 2 máy thu trở lên, hoạt động đồng thời
theo 1 lịch trình thời gian nhất định (trường hợp định vị tương đối) hoặc trường hợp
hoạt động với máy thu đóng vai trò là máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh
cho các máy thu khác (trường hợp định vị vi phân). Trên thế giớ đã có nhiều hãng
chế tạo máy thu GNSS như hãng Trimble Navigation (Mỹ), Ashtech (Mỹ),
Minimax (Đức), Sokkia (Nhật), Leica (Thụy Sĩ),…


7

Hình 1.4: Một số loại máy thu tín hiệu GNSS

1.3. Mã trải phổ, sóng mang
Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số
1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch
lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau.
Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A
(Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát
đi ở tần số fo/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ.
Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số fo

= 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày này được cắt
ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn
dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh
(Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau. Mã Y (Ycode) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương
trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương
trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử
dụng GPS không có giấy phép (nói chung là những người không thuộc quân đội
Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y).


8
Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã ( Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã Y),
trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y.
Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu mã
có trị số -1 thì phase sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng
mang giữ nguyên không thay đổi[3].
Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát
dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới
người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu
giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực

1.4. Các nguồn gây ra sai số
1.4.1 Sai số do đồng hồ
Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không
đồng bộ của chúng.
Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó nếu
phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chính cho
máy thu GPS biết để xử lý. Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệ tinh và
máy thu, người ta sử dụng hiệu các giá chitrị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các
trạm quan sát.

1.4.2 Sai số do quỹ đạo vệ tinh
Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật
Kepler do có nhiều tác động nhiễu như: Tính không đồng nhất của trọng trường trái
đất, ảnh hưởng của sức hút của mặt trăng, mặt trời và của các thiên thể khác, sức
cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời,... Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có
thể xác định theo mô hình chuyển động được xây dựng trên cơ sở các số liệu quan
sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống
GPS và đương nhiên có chứa sai số. Có hai loại ephemerit được xác định từ kết quả
hậu xử lý số liệu quan sát cho chính xác thời điểm nằm trong khoảng thời gian quan
sát và ephemerit được ngoại suy từ các ephemerit nêu trên cho máy ngày tiếp theo,


9
loại ephemerit thứ nhất có độ chính xác ở mức 10 - 50 m, và chỉ được cung cấp khi
được Chính phủ Mỹ cho phép, còn loại thứ 2 ở mức 20 -100 m và cho phép khách
hàng sử dụng. Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác
định toạ độ của điểm quan trắc đơn riêng biệt, nhưng lại được loại trừ đáng kể trong
kết quả định vị tương đối giữa hai điểm.

1.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu
Ảnh hưởng tầng điện ly và tầng đối lưu đến tín hiệu vệ tinh cho đến nay vẫn là
thách thức chủ yếu. Tầng đối lưu được tính từ mặt đất đến độ cao 50km và tầng điện
ly ở độ cao từ 50km đến 1000km. Khi tín hiệu truyền từ vệ tinh với độ cao khoảng
20.200km đi qua tầng điện ly, tầng đối lưu đến máy thu đặt trên trái đất, nó bị khúc xạ
và thay đổi tốc độ truyền tín hiệu. Ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu gây nên
gọi là độ trễ. Cả hai đều gây nên sai số hệ thống.
Các điện tử tự do trong tầng ion gây nên độ trễ nhóm phụ thuộc vào tần số tín
hiệu vệ tinh, độ trễ này là nguồn sai số tiềm năng trong trị đo thời gian. Ngoài ra như
đã rõ, tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử trong tầng điện ly,

và tỷ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu. Mật độ này thay đổi theo các yếu
tố sau:
- Vị trí địa lý nơi đo: mật độ electron tối thiểu ở vùng độ vĩ trung bình và cao
hơn ở hai cực và vùng xích đạo.
- Thời gian trong ngày: mật độ electron đạt cực đại vào sáng sớm và cực tiểu
vào nửa đêm theo giờ địa phương.
- Thời gian trong năm: mật độ electron vào mùa đông cao hơn mùa hè.
- Vào năm nằm trong chu kỳ 11 năm hoạt động đốt nóng của mặt trời với một
cực đại và một cực tiểu.
Khi tiến hành đo vào khoảng thời gian chung quanh cực tiểu, nhiễu xạ tầng ion
sẽ nhỏ và do đó chất lượng đo đảm bảo. Ngược lại, nếu đo vào thời gian đỉnh điểm
của chu kỳ thì ảnh hưởng của tầng điện ly là rất đáng kể, nhất là đối với các quốc gia
ở gần xích đạo như Việt Nam, ảnh hưởng của tầng điện ly được loại bỏ tầng đáng kể
bằng cách sử dụng hai tần số L1 và L2 khác nhau. Tuy nhiên, máy thu loại này giá


10
thành cao và nó chưa hẳn đã hoàn toàn tin cậy khi nhận các tín hiệu từ các vệ tinh ở
ngưỡng thấp và khi chế định đánh lừa SA được kích hoạt. Do đó cần lưu ý khi đặt
ngưỡng cao cho máy thu. Kinh nghiệm cho thấy rằng, nên sử dụng máy thu hai tần
khi đo các cạnh dài trên 20km.
Các phân tích về ảnh hưởng của tầng điện ly đã cung cấp một số lựa chọn sau:
- Việc bỏ qua ảnh hưởng sai số do độ trễ điện ly sẽ làm cho việc khắc phục trượt chu
kỳ và do đó việc tìm lời giải cho tham số số nguyên đa trị khó khăn hơn đối với chiều
dài cạnh đo lớn;
- Tiến hành đo vào ban đêm là lúc ảnh hưởng này tối thiểu;
- Sử dụng mô hình dự báo độ trễ tầng điện ly trong thông điệp đạo hàng quảng bá sẽ
làm tăng gần 50% độ chính xác định vị;
- Sử dụng máy đo hai tần số sẽ cho phép loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly;
- Tạo nên các sai phân số liệu đo tại các điểm sẽ giảm nhỏ được ảnh hưởng của sai số

độ trễ điện ly khoảng 1-2mm do sự tương quan giữa chúng trong chiều dài cạnh ngắn
và trung bình.
Ngày nay, bên cạnh việc hoàn thiện máy thu và anten, người ta đặc biệt quan
tâm tới việc tính hiệu chỉnh ảnh hưởng của độ trễ ion không chỉ trong số liệu đo bằng
máy thu một tần và cả đối với máy thu hai tần. Ảnh hưởng của tầng đối lưu (nằm cách
mặt đất từ 0-70km) mà cụ thể là sự thay đổi nhiệt độ, áp suất và độ ẩm không khí gây
nên sự thay đổi vận tốc truyền sóng tín hiệu radio khiến cả mã code lẫn pha sóng tải
đều chịu ảnh hưởng cùng độ trễ. Độ trễ này phụ thuộc vào góc ngưỡng của vệ tinh, nó
cực tiểu (cỡ 2.3m) khi vệ tinh ở thiên đỉnh, đạt 9,3m khi vệ tinh ở góc ngưỡng 150 và
20-28m ở góc ngưỡng cao 50.
Độ trễ tầng đối lưu có thể chia làm hai thành phần: khô và ướt. Thành phần
khô gây nên 90% tổng độ trễ, nó có thể được mô hình hóa bằng hàm bậc cao để hiệu
chỉnh trong quá trình xử lý. Thành phần ướt gây nên 10% độ trễ còn lại, nó phụ thuộc


11
vào độ ẩm dọc đường truyền GPS. Ta không xác định được ảnh hưởng này như đối
với phần khô. May mắn là nó liên quan yếu đến các dữ liệu khí tượng, do đó, ngày
nay ta có thể sử dụng dữ liệu khí tượng chuẩn (áp suất không khí 1010mb, nhiệt độ
200C và độ ẩm không khí là 50%) trong các mô hình khí tượng thay vì các số liệu đo
thực tế (trong điều kiện của chúng ta, việc đo các yếu tố này không thật chính xác) mà
vẫn đạt được kết quả thỏa mãn trong đa số trường hợp.
Nhìn chung, độ trễ tầng đối lưu được xem là tương tự nhau đối với hai điểm đo
cách nhau dưới vài ba chục cây số và với độ chênh cao địa hình không đáng kể, trong
trường hợp này nó được giảm thiểu trong gia số tọa độ giữa hai điểm đo. Cần lưu ý
rằng ảnh hưởng này không phụ thuộc vào tần số, nghĩa là nó tác động như nhau đến
số liệu đo thu bằng máy một tần cũng như thu bằng máy hai tần. Tuy nhiên, đối với số
liệu đo cả hai tần, có thể tạo nên phương trình kết hợp để loại bỏ sai số đó.

1.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu

Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn
nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do hiện
tượng này gây ra được gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh. Để làm giảm
sai số này, các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo của cả máy thu
và ăng ten.
Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng với nguồn
sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ khác sẽ có sai số
13 m với xác suất 95%. Nếu xét đến ảnh hưởng của chế độ C\A thì sai số này sẽ là
50 m. Song các giá trị này mới chỉ là sai số của khoảng cách từ mỗi vệ tinh đến
điểm quan sát, chứ không phải là sai số của bản thân vị trí điểm quan sát.
Do vị trí điểm quan sát được xác định bởi phép giao hội khoảng cách từ các
vệ tinh nên độ chính xác của nó phụ thuộc vào các góc giao hội, tức là phụ thuộc
vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm quan sát. để có được sai số vị trí điểm quan
sát ta phải đem sai số khoảng cách giao hội nhân với một hệ số lớn hơn 1. Hệ số này
đặc trưng cho đồ hình giao hội và được gọi là hệ số phân tán độ chính xác (Dilution


12
of Precision - DOP). Rõ ràng DOP càng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định
càng chính xác.
Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tán độ chính xác hình học - GDOP,
vì nó đặc trưng cho cả ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu tố thời gian
t. Hệ số GDOP từ 2 - 4 được coi là tốt.

1.5. Các hệ thống GNSS tiên tiến
1.5.1. Hệ thống GPS
GPS (Global Positioning System) 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 (1973). 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.

GPS hoạt động dựa trên 3 phần chính: Đoạn không gian, điều khiển và sử dụng

Hình 1.5: Cấu tạo hệ thống GPS


13
Đoạn 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 vá 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[3].

Hình 1.6: Hình ảnh vệ tinh GPS

1.5.2. Hệ thống GLONASS
Hệ thống GLONASS (Global Navigation Satellite System) là hệ thống vệ
tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu do Liên Xô (cũ) thiết kế và điều hành. Ngày nay,
hệ thống vẫn được Cộng hòa Liên bang Nga tiếp tục duy trì hoạt động.
Hệ thống bao gồm 24 vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo gần tròn. Trên mỗi quỹ
đạo có 8 vệ tinh. Góc nghiêng so với mặt phẳng xích đạo là 64,8 . Các mặt phẳng
quỹ đạo được phân bố cách đều nhau 120 trên xích đạo. Độ cao các vệ tinh là
19.100 km, do đó chu kỳ của vệ tinh là 11 giờ 15 phút. Trọng lượng của vệ tinh xấp
xỉ 1.400 kg, hai cánh vệ tinh là pin mặt trời, có diện tích trên 23m². Thời kì đầu, tuổi