Ứng dụng bộ lọc kalman và anten thông minh trong hệ thống gps và dgps

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------

NGUYỄN TẤN KIỆT

ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN VÀ ANTEN
THÔNG MINH TRONG HỆ THỐNG GPS VÀ DGPS
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:
(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, NGÀY THÁNG NĂM

ii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo---

Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN TẤN KIỆT
Ngày, tháng, năm sinh: 13 – 10 – 1969
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số ngành: 605270
MSHV: 01407342
Khoá (Năm trúng tuyển): 2007

Giới tính: Nam
Nơi sinh: Đồng Tháp

1- TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng bộ lọc Kalman và anten thông minh trong hệ thống
GPS và DGPS.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
• Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về hệ thống GPS, DGPS, bộ lọc Kalman và Anten
thơng minh băng hẹp.
• Ứng dụng bộ lọc Kalman và anten thông minh trong hệ thống GPS và DGPS.

• Mơ phỏng đánh giá hiệu quả giải thuật Kalman, LCMV băng hẹp và LMS
băng hẹp.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15 – 12 – 2008
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông
qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

iii


LỜI CẢM ƠN
Đề tài “ Ứng dụng bộ lọc Kalman và anten thông minh trong hệ thống GPS và
DGPS” đã được hoàn thành với sự hướng dẫn và giúp đỡ rất tận tình của Thầy –
Tiến sĩ Đỗ Hồng Tuấn. Xin ghi nhớ lòng biết ơn sâu sắc và gửi lời cảm ơn chân tình
nhất đến thầy.
Xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các Thầy Cô Giáo giảng dạy
chương trình Cao học ngành Kỹ Thuật Điện Tử trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ
Chí Minh đã cung cấp nhiều kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
em hồn thành khóa học.
Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên cao học khóa 2006 và khóa 2007
ngành Kỹ Thuật Điện Tử trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh đã nhiệt tình
giúp đỡ trao dồi kiến thức trong quá trình học tập.
Cuối cùng xin được gửi đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp lời cảm ơn chân

thành nhất vì đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ về vật chất lẫn tinh thần
trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 12 năm 2008

NGUYỄN TẤN KIỆT

iv


TĨM TẮT
Hệ thống định vị tồn cầu GPS (Global Positioning System) bao gồm 24 vệ tinh chủ
đạo và một vài vệ tinh dự trữ được phân bố đều trên 6 quỹ đạo gần trịn. Các vệ tinh
này phát tín hiệu có thơng tin định vị xuống trái đất. Các máy thu GPS nhận thơng
tin này, tính khoảng cách đến các vệ tinh và dựa vào hình học để tính vị trí của
mình. Khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh GPS thường bị sai do hàng loạt
nguồn sai số dẫn đến sai số vị trí của máy thu. Nhiệm vụ luận văn là tìm giải pháp
để đảm bảo việc truyền sóng, truyền dẫn tối ưu và hạn chế ảnh hưởng của sai số.
Luận văn này tìm hiểu giải pháp về kỹ thuật DGPS (Differential GPS) và đưa ra
giải pháp lọc Kalman để giảm các sai số do hiện tượng fading và can nhiễu tại bộ
thu của người sử dụng và các nguồn sai số khác; đồng thời luận văn cũng đưa ra
giải pháp anten thông minh để giảm các sai số do truyền dẫn đa đường, can nhiễu và
bảo đảm truyền dẫn tối ưu trong hệ thống GPS và DGPS. Giải thuật Multiple
LCMV Beamforming băng hẹp được đặt tại trạm tham khảo của hệ thống DGPS
(hoặc có thể được đặt tại bộ thu của người sử dụng) nhằm thu nhận tín hiệu từ các
vệ tinh GPS; đồng thời giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp trong
bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo được đặt tại trạm tham khảo (hoặc tại bộ thu
của người sử dụng) nhằm bảo đảm truyền dẫn tối ưu giữa trạm tham khảo và các bộ
thu của người sử dụng. Luận văn thực hiện mơ phỏng bằng Matlab 7.0 các giải
thuật Kalman tuyến tính trong 2D và 3D; Multiple LCMV Beamforming cho dãy

anten ULA (Uniform Linear Array) và URA (Uniform Rectangular Array) trong 2D
và 3D; Unconstrained LMS Beamforming cho dãy anten ULA trong 2D. Các kết
quả mô phỏng đã chứng minh được rằng giải pháp mà luận văn đưa ra là đảm bảo
việc truyền dẫn tối ưu và hạn chế ảnh hưởng của hàng loạt các sai số.

v


ABTRACT
The Global Positioning System (GPS) consists of a constellation of 24
operational satellites and some standby ones which are arranged so that four
satellites are placed in each of six nearly circular orbits. These satellites transmit
signals with information to the earth. GPS receivers receive GPS signals and
determine the distances from the user’s receiver to the GPS satellites in order to find
out their positions in geometry. These distances are often incorrect because of
various errors, so the GPS receiver’s position is not exact. In this thesis, we find out
the solution to ensure the optimal transmission and to reduce the effect of errors. In
the thesis we also study the DGPS technology (Differential GPS) and apply the
Kalman algorithm in order to decrease the errors due to the fading phenomenon
receiver noise and different errors. In this thesis we apply the Smart Antenna
technique in order to reduce the multipath errors, interference and to ensure the
optimal transmission in the GPS and DGPS systems. The Multiple LCMV (Linearly
Constrained Minimum Variance) Beamforming algorithm for the narrow band is
applied at the DGPS system’s reference station (or at the user’s receiver) to receive
signals from the GPS satellites; the Unconstrained LMS (Least Mean Square)
Beamformer is applied at the reference station (or at the user’s receiver) to ensure
the optimal transmission between reference stations and user’s receivers. In the
thesis, the Matlab 7.0 is used to simulate the linear Kalman algorithm in twodimensional (2D) and three-dimensional (3D) geometries. The Multiple LCMV
Beamformers using the Uniform Linear Array (ULA) and the Uniform Rectangular
Array (URA) are used for 2D and 3D. Unconstrained LMS Beamformer using the

ULA is used for 2D. The simulation results prove that the provided methods ensure
the optimal transmission and reduce the influence of various errors.

v


MỤC LỤC
Tóm tắt ...................................................................................................................... v
Mục lục ..................................................................................................................... vi
Danh mục hình ......................................................................................................... ix
Danh mục bảng ...................................................................................................... xiii
Danh mục từ viết tắt ............................................................................................... xiv
Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................ 1
1.1 Đặt vấn đề và tình hình nghiên cứu hiện nay ................................................. 1
1.2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................. 3
1.3 Bố cục của đề tài ............................................................................................ 3
1.4 Ý nghĩa của đề tài ........................................................................................... 5
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 7
2.1 Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS ................................................ 7
2.1.1 Giới thiệu hệ thống GPS.......................................................................... 7
2.1.2 Các mảng của hệ thống GPS .................................................................. 8
2.1.3 Các thế hệ vệ tinh của hệ thống GPS ...................................................... 9
2.1.4 Cấu trúc tín hiệu GPS ........................................................................... 11
2.1.5 Các sai số trong hệ thống GPS ............................................................. 16
2.1.5.1 Sai số do vệ tinh .............................................................................. 16
2.1.5.1.1 Sai số chủ định SA (selective availability) ............................... 16
2.1.5.1.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh (ephemeris error) ................................... 17
2.1.5.1.3 Sai số đồng hồ của vệ tinh (satellite clock error) ...................... 18
2.1.5.2 Sai số khi truyền tín hiệu ................................................................. 18
2.1.5.2.1 Sai số do truyền dẫn đa đường (multipath error) ...................... 18

2.1.5.2.2 Sai số do tầng điện ly (ionospheric error) ................................. 19
2.1.5.2.3 Sai số do tầng đối lưu (tropospheric error) ............................... 20
2.1.5.3 Sai số do bộ thu của người sử dụng ................................................. 21
2.1.6 Cách tính tọa độ bộ thu dựa theo hình học ............................................. 23
2.1.7 Giới thiệu về bộ thu tín hiệu GPS ........................................................... 26
2.2 Giới thiệu về kỹ thuật DGPS ......................................................................... 29
2.3 Giới thiệu về bộ lọc Kalman ......................................................................... 33
2.3.1 Lý thuyết Kalman tuyến tính .................................................................. 33
2.3.2 Lý thuyết Kalman mở rộng ..................................................................... 37
2.4 Giới thiệu về anten thông minh ..................................................................... 39

vi


2.4.1 Lý thuyết về dãy anten ............................................................................ 40
2.4.2 Phân loại các hệ thống anten thông minh ............................................... 46
2.4.2.1 Các hệ thống tạo búp chuyển đổi ..................................................... 46
2.4.2.2 Bộ tạo búp thích nghi dùng giải thuật LMS ..................................... 47
2.4.2.3 Bộ tạo búp sử dụng hướng đến dùng giải thuật LCMV ................... 53
2.4.3 Những lợi ích của hệ thống anten thơng minh ....................................... 59
Chương 3 ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN VÀ ANTEN THÔNG MINH
TRONG HỆ THỐNG GPS VÀ DGPS ................................................................ 61
3.1 Ứng dụng giải thuật Kalman tuyến tính trong máy thu GPS ....................... 61
3.1.1 Ứng dụng giải thuật Kalman tuyến tính trong máy thu GPS trong không
gian 2D ............................................................................................................ 61
3.1.2 Ứng dụng giải thuật Kalman tuyến tính trong máy thu GPS trong không
gian 3D ............................................................................................................ 65
3.2 Ứng dụng anten thông minh trong hệ thống GPS và DGPS ........................ 69
3.2.1 Ứng dụng giải thuật LCMV băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng hướng
đến của anten thông minh đặt tại trạm tham khảo................................... 72

3.2.1.1 Ứng dụng giải thuật Multiple LCMV beamforming băng hẹp cho dãy
anten ULA (Uniform Linear Array) trong không gian 2D ............... 73
3.2.1.2 Ứng dụng giải thuật Multiple LCMV beamforming băng hẹp cho dãy
anten chữ nhật URA (Uniform Rectangular Array) trong khơng gian
3D ...................................................................................................... 79
3.2.2 Ứng dụng giải thuật thích nghi Unconstrained LMS Beamforming băng
hẹp trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten ULA
trong khơng gian 2D................................................................................ 83
Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................................................................... 91
4.1 Kết quả mơ phỏng giải thuật Kalman tuyến tính ......................................... 91
4.1.1 Kết quả mơ phỏng giải thuật Kalman tuyến tính trong không gian 2D .. 91
4.1.2 Kết quả mô phỏng giải thuật Kalman tuyến tính trong khơng gian 3D .. 95
4.2 Kết quả mô phỏng giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp..... 101
4.2.1 Kết quả mô phỏng giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp
trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến cho dãy anten ULA có N=20 phần tử
trong khơng gian 2D.............................................................................. 101
4.2.2 Kết quả mô phỏng giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp
trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến cho dãy anten URA trong không
gian 3D .................................................................................................. 103
4.3 Kết quả mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp ...110

vii


4.3.1 Kết quả mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp
trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten ULA trong
không gian 2D ...................................................................................... 111
4.3.2 Kết quả mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp
trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo để chọn số phần tử N của dãy
anten ULA tối ưu sao cho thời gian hội tụ nhỏ nhất trong số 200 cặp giá trị

(N, μ ) ..........................................................................................................117
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................ 126
5.1 Kết luận ...................................................................................................... 126
5.2 Hướng phát triển của đề tài ........................................................................ 127
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 129
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 130

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 2.15
Hình 2.16
Hình 2.17
Hình 2.18
Hình 2.19

Hình 2.20
Hình 2.21
Hình 2.22
Hình 2.23
Hình 2.24
Hình 2.25
Hình 2.26
Hình 2.27
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.7
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3

Chịm sao vệ tinh GPS ............................................................................ 7
Các mảng của hệ thống GPS .................................................................. 8
Các thế hệ vệ tinh GPS ......................................................................... 11
Minh họa (a) Sóng sin ; (b) mã số ........................................................ 11
Minh họa cấu trúc mã C/A trên sóng mang L1 .................................... 13
Minh họa cấu trúc mã P trên sóng mang L1 ......................................... 13
Minh họa cấu trúc bản tin định vị ......................................................... 15
Sai số vị trí của bộ thu GPS khi có SA ................................................. 17
Sai số vị trí của bộ thu GPS sau khi bỏ SA .......................................... 17
Minh họa ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường .................................... 19
Minh họa các sai số của hệ thống GPS ................................................. 23
Minh họa vị trí bộ thu của người sử dụng và vệ tinh ........................... 23

Sơ đồ tổng quát của bộ thu tín hiệu GPS .............................................. 27
Sơ đồ khối của bộ thu tín hiệu GPS ...................................................... 28
Minh họa mơ hình GPS sai phân .......................................................... 31
Minh họa mơ hình DGPS cục bộ .......................................................... 32
Minh họa mơ hình DGPS mở rộng ....................................................... 33
Lưu đồ dịng tín hiệu của hệ thống động có thời gian rời rạc tuyến tính ..34
Minh họa dãy anten có các phần tử bất kỳ ........................................... 40
Các dãy anten (a) ULA. (b) UCA. (c) URA. (d) Dãy anten 3 chiều ..... 41
Dãy anten ULA phân bố đều trên trục x ............................................... 42
Mơ hình dãy anten ULA định hướng theo trục x, thu nhận sóng mặt theo
hướng (θ, ф) ......................................................................................... 42
Mạng tạo búp chuyển đổi tạo M búp từ M phần tử dãy ....................... 47
Cấu trúc dãy anten thích nghi ............................................................... 48
Mơ hình tổng qt của hệ thống anten thơng minh dùng tín hiệu tham
khảo ...................................................................................................... 51
Bộ lọc tuyến tính ................................................................................... 54
Sóng tới phẳng trên dãy anten tuyến tính ............................................. 55
Mơ hình chi tiết của giải thuật Kalman tuyến tính trong khơng gian 2D .. 65
Mơ hình chi tiết của giải thuật Kalman tuyến tính trong khơng gian 3D .. 69
Mơ hình đặt anten thơng minh kết hợp với kỹ thuật DGPS ................. 70
Mơ hình dãy anten ULA định hướng theo trục x, thu nhận sóng mặt theo
hướng (θ, ф) ........................................................................................ 75
Minh họa dãy anten URA gồm M*N phần tử phân bố đều .................. 80
Minh họa các ngõ vào và ngõ ra của một hệ thống .............................. 89
Ước tính vị trí 2D trong trường hợp khơng có Kalman và có Kalman . 91
Sai số vị trí theo phương x và y khi khơng có Kalman và có Kalman .. 93
Sai số vị trí theo phương x trên 200 mẫu đo trong trường hợp khơng có
Kalman và có Kalman ......................................................................... 93

ix

Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13
Hình 4.14
Hình 4.15
Hình 4.16
Hình 4.17
Hình 4.18
Hình 4.19
Hình 4.20
Hình 4.21
Hình 4.22
Hình 4.23
Hình 4.24
Hình 4.25
Hình 4.26
Hình 4.27
Hình 4.28
Hình 4.29

Sai số vị trí theo phương y trên 200 mẫu đo trong trường hợp khơng có

Kalman và có Kalman ......................................................................... 94
Trung bình sai số vị trí theo phương x trên 200 mẫu đo (tổng cộng lặp
lại 300 lần) trong trường hợp khơng có Kalman và có Kalman .......... 94
Trung bình sai số vị trí theo phương y trên 200 mẫu đo (tổng cộng lặp
lại 300 lần) trong trường hợp khơng có Kalman và có Kalman .......... 95
Ước tính vị trí 3D trong trường hợp khơng có Kalman và có Kalman . 96
Sai số vị trí theo phương x và y trong trường hợp khơng có Kalman và
có Kalman ............................................................................................ 98
Sai số vị trí theo phương x trên 200 mẫu đo trong trường hợp không có
Kalman và có Kalman ......................................................................... 98
Sai số vị trí theo phương y trên 200 mẫu đo trong trường hợp không có
Kalman và có Kalman ......................................................................... 99
Sai số vị trí theo phương z trên 200 mẫu đo trong trường hợp không có
Kalman và có Kalman ......................................................................... 99
Trung bình sai số vị trí theo phương x trên 200 mẫu đo (tổng cộng lặp
lại 300 lần) trong trường hợp khơng có Kalman và có Kalman ........ 100
Trung bình sai số vị trí theo phương y trên 200 mẫu đo (tổng cộng lặp
lại 300 lần) trong trường hợp khơng có Kalman và có Kalman ........ 100
Trung bình sai số vị trí theo phương y trên 200 mẫu đo (tổng cộng lặp
lại 300 lần) trong trường hợp khơng có Kalman và có Kalman ........ 101
Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming sử
dụng hướng đến dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử trong
khơng gian 2D .................................................................................... 102
Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming sử
dụng hướng đến dùng cho dãy anten chữ nhật URA trong không gian
3D trong trường hợp hướng tín hiệu mong đợi là (θ, ф) = (450, 1250)... 103
Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming dùng
cho dãy anten chữ nhật URA trong khơng gian 3D .......................... 104
Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming dùng
cho dãy anten chữ nhật URA trong không gian 3D khi dùng hàm

contour để vẽ ...................................................................................... 105
Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=4, N=4 ....... 106
Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=6, N=6 ....... 106
Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=8, N=8 ....... 107
Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=10, N=10 ... 107
Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=12, N=12 ... 107
Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=14, N=14 ... 108
Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=16, N=16 ... 108
Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=18, N=18 ... 108
Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=20, N=20 ... 109
Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=30, N=30 ... 109
Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=50, N=50 ... 109

x


Hình 4.30 Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming dùng cho
dãy anten chữ nhật URA trong khơng gian 3D khi M=50, N=50 ......... 110
Hình 4.31 Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming dùng
cho dãy anten chữ nhật URA trong không gian 3D khi M=50, N=50 và
nhìn từ trên xuống .............................................................................. 110
Hình 4.32 Sai số MSE giữa tín hiệu mẫu với ngõ ra của hệ thống trong bộ tạo búp
Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20
phần tử ............................................................................................... 111
Hình 4.33 Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming
dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo 4 hướng đến
SOI(1,2,3,4) = -600; -200; 200; 600 ..................................................... 112
Hình 4.34 Đồ thị hướng tính (tính bằng dB) của bộ tạo búp Unconstrained LMS
Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo 4 hướng
đến SOI(1,2,3,4)= -600; -200; 200; 600 ............................................... 112

Hình 4.35 Đồ thị hướng tính (tính bằng dB) của bộ tạo búp Unconstrained LMS
Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo hướng đến
SOI(1)=-600 ..............................................................................................113
Hình 4.36 Đồ thị hướng tính (tính bằng dB) của bộ tạo búp Unconstrained LMS
Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo hướng đến
SOI(2)=-200 ..............................................................................................113
Hình 4.37 Đồ thị hướng tính (tính bằng dB) của bộ tạo búp Unconstrained LMS
Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo hướng đến
SOI(3)=200 ...............................................................................................114
Hình 4.38 Đồ thị hướng tính (tính bằng dB) của bộ tạo búp Unconstrained LMS
Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo hướng đến
SOI(4)=600 ...............................................................................................114
Hình 4.39 Sự hội tụ của trọng số W theo số mẫu tham khảo (1000 mẫu) trong bộ
tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có
N=20 phần tử theo hướng đến SOI(1) = - 600 ................................... 115
Hình 4.40 Sự hội tụ của trọng số W theo số mẫu tham khảo (1000 mẫu) trong bộ
tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có
N=20 phần tử theo hướng đến SOI(2) = - 200 ................................... 115
Hình 4.41 Sự hội tụ của trọng số W theo số mẫu tham khảo (1000 mẫu) trong bộ
tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có
N=20 phần tử theo hướng đến SOI(3) = 200 ..................................... 116
Hình 4.42 Sự hội tụ của trọng số W theo số mẫu tham khảo (1000 mẫu) trong bộ
tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có
N=20 phần tử theo hướng đến SOI(4) = 600 ..................................... 116
Hình 4.43 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mơ phỏng 1000 mẫu tín hiệu
rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho
dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến
SOI(1) = -600 ..................................................................................... 117

xi

Hình 4.44 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mơ phỏng 1000 mẫu tín hiệu
rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho
dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến
SOI(1) = -600 khi xoay hình 4.43 ...................................................... 118
Hình 4.45 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mơ phỏng 1000 mẫu tín hiệu
rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho
dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến
SOI(2) = -200 ..................................................................................... 118
Hình 4.46 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu
rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho
dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến
SOI(2) = -200 khi xoay hình 4.45 ...................................................... 119
Hình 4.47 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu
rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho
dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến
SOI(3) = 200 ....................................................................................... 119
Hình 4.48 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mơ phỏng 1000 mẫu tín hiệu
rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho
dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến
SOI(3) = 200 khi xoay hình 4.47 ........................................................ 120
Hình 4.49 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mơ phỏng 1000 mẫu tín hiệu
rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho
dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến
SOI(4) = 600 ....................................................................................... 120
Hình 4.50 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mơ phỏng 1000 mẫu tín hiệu
rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho
dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến
SOI(4) = 600 khi xoay hình 4.49 ........................................................ 121

Hình 4.51 Minh họa độ lợi (dB) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu rời rạc trong bộ
tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA
tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến SOI(2) = -200 .. 121
Hình 4.52 Minh họa độ lợi (dB) khi mơ phỏng 1000 mẫu tín hiệu rời rạc trong bộ
tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA
tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến SOI(2) = -200 khi
xoay hình 4.51 ................................................................................... 122

xii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1
Bảng 4.2
Bảng 4.3
Bảng 4.4
Bảng 4.5

Bảng 4.6

Bảng 4.7

Bảng 4.8

Mơ tả trung bình các sai số vị trí lớn nhất và nhỏ nhất so với vị trí đúng
khi khơng có Kalman và có Kalman của 300 lần lặp .......................... 92
Mơ tả các sai số vị trí lớn nhất và nhỏ nhất so với vị trí đúng khi khơng
có Kalman và có Kalman của 1 lần lặp ................................................ 92
Mơ tả các sai số vị trí lớn nhất và nhỏ nhất so với vị trí đúng khi khơng
có Kalman và có Kalman ..................................................................... 96

Mơ tả các sai số vị trí lớn nhất và nhỏ nhất so với vị trí đúng khi khơng
có Kalman và có Kalman ..................................................................... 97
Số liệu thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu rời
rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy
anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến SOI(1) =
-600 hình 4.43 và 4.44 .............................................................................123
Số liệu thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mơ phỏng 1000 mẫu tín hiệu rời
rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy
anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến SOI(2) =
-200 hình 4.45 và 4.46 .............................................................................124
Số liệu thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mơ phỏng 1000 mẫu tín hiệu rời
rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy
anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến SOI(3) =
200 hình 4.47 và 4.48 ...............................................................................125
Số liệu thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu rời
rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy
anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N, μ ) theo hướng đến SOI(4) =
600 hình 4.49 và 4.50 ...............................................................................125

xiii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ADC

Analog to Digital Converter

Amp

Amplification

BPF

Band Pass Filter

CA

Coarse Acquisition

CDMA

Code Division Multiple Access

DOA

Direction-Of-Arrival

DGPS

Differential GPS

EGNOS

European Geostationary Navigation Overlay Service

FDMA

Frequency Division Multiple Access

GAGAN

GPS And GEO Augmented Navigation

GEO

GEOstationary satellite

GIS

Geographical Information Systems

GPS

Global Position System

HOW

Hand-Over Word

IF

Intermediate Frequency

IODC

Issue Of Date, Clock

IODE

Issue Of Date, Ephemeris

LADGPS

Local Area DGPS

LCMV

Linearly Constrained Minimum Variance

LMS

Least Mean Square

LS

Least Square

MCS

Master Control Station

MMSE

Minimum Mean Square Error

MSAS

Multifunctional Transportation Satellite-based Augmentation System

MSE

Mean Squared Error

P

Precision

PPS

Precise Positioning Service

PRN

PseudorRaNdom

xiv


RF

Radio Frequency

RTCM

Radio Technical Commission for Maritime Services

SA

Selective Availability

SIR

Signal to Interference Ratio

SNOI

Signal Not Of Interest

SNR

Signal to Noise Ratio

SOI

Signal Of Interest

SPS

Standard Positioning Service

TDMA

Time Division Multiple Access

TEC

Total Electron Content

TLM

TeLeMetry word

TOW

Time-Of-Week

UCA

Uniform Circular Array

ULA

Uniform Linear Array

URA

Uniform Rectangular Array

URE

User Range Error

WAAS

Wide Area Augmentation System

WADGPS

Wide Area DGPS

WN

Week Number

xv


Chương 1: Đặt vấn đề

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Đặt vấn đề và tình hình nghiên cứu hiện nay:
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống xác định vị
trí dựa vào các vệ tinh nhân tạo gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ
được phân bố quanh trái đất trên 6 quỹ đạo gần tròn với đường kính 20138 km và
có góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo. Để đảm bảo bao phủ khắp mọi nơi
trên trái đất, các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho mỗi quỹ đạo có ít nhất 4 vệ tinh
phân bố đều. Về mặt hình học, bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng thấy được từ 4 đến
10 vệ tinh trong chòm sao vệ tinh GPS. Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất
hai lần trong một ngày (mỗi chu kỳ quỹ đạo mất khoảng 11 giờ 58 phút) theo một
quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thơng tin xuống trái đất. Các máy thu GPS
nhận thơng tin này và bằng phép tính lượng giác tính được vị trí máy thu của người
dùng.
Tín hiệu mà các vệ tinh GPS phát xuống máy thu của người dùng gồm 2 sóng sin
(cịn được gọi là tần số sóng mang), 2 mã CA (Coarse Acquisition) và P (Precision)
[mỗi vệ tinh sẽ phát một mã khác nhau] và bản tin định vị. Tọa độ của các vệ tinh
GPS nằm trong bản tin định vị. Khoảng cách từ máy thu của người dùng đến từng
vệ tinh GPS được xác định dựa vào tần số sóng mang và mã CA hay P tương ứng

của vệ tinh đó (xác định khoảng thời gian từ lúc phát tín hiệu tại vệ tinh đến lúc
nhận được tín hiệu GPS tại máy thu của người dùng, dựa vào vận tốc ánh sáng ta sẽ
tính được quãng đường từ máy thu của người dùng đến vệ tinh đã phát ra mã CA
hay P tương ứng). Khi đã biết được tọa độ của vệ tinh và khoảng cách từ máy thu
của người dùng đến vệ tinh đó, dựa vào hình học ta chỉ cần 3 vệ tinh là xác định
được tọa độ máy thu của người dùng.
Do xung clock tại nơi phát (vệ tinh) và nơi thu (máy thu của người dùng) khơng
đồng bộ nên có sai số thời gian trễ, dẫn đến sai số khoảng cách từ máy thu của
HVTH: Nguyễn Tấn Kiệt

1

MSHV: 01407342


Chương 1: Đặt vấn đề

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

người dùng đến vệ tinh, do đó vị trí máy thu của người dùng cũng sai theo. Vì vậy
mà hệ số sai số đồng hồ được đưa ra và đây là lý do tại sao phải cần đến vệ tinh thứ 4.
Ngoài ra cịn có nhiều nguồn sai số khác như sai số chủ định SA (Selective
Availability) nhằm ngăn ngừa việc tự định vị chính xác ở thời gian thực của các
thuê bao trái phép, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số do truyền dẫn đa đường, sai số trễ
khi tín hiệu truyền qua tầng điện ly và tầng đối lưu, sai số do máy thu. Bên cạnh các
nguồn sai số trên, vấn đề truyền dẫn trong môi trường mật độ người sử dụng cao rất
dễ dẫn đến hiện tượng fading và can nhiễu tại bộ thu của người dùng.
Vấn đề đặt ra là tìm những giải pháp để hạn chế nguồn can nhiễu, fading và hàng
loạt các nguồn sai số khác. Ta không thể can thiệp vào vệ tinh để giảm nguồn sai số
tại đó được. Nguồn sai số do có kích hoạt SA, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ

vệ tinh sẽ được loại bỏ hoàn toàn bằng kỹ thuật DGPS (Differential GPS). Nguồn
sai số trễ khi tín hiệu truyền qua tầng điện ly và tầng đối lưu cũng được hạn chế
bằng kỹ thuật DGPS (trang 265 [3]). Nguồn sai số do hiện tượng fading và can
nhiễu tại bộ thu có thể được giảm bởi bộ lọc Kalman. Nguồn sai số do truyền dẫn đa
đường, can nhiễu và vấn đề truyền dẫn tối ưu cũng được hạn chế bởi anten thơng
minh.
Nhiệm vụ luận văn là tìm giải pháp để đảm bảo việc truyền sóng, truyền dẫn tối ưu
và hạn chế ảnh hưởng của sai số. Vì thế luận văn này tìm hiểu giải pháp về kỹ thuật
DGPS và đưa ra giải pháp lọc Kalman để giảm các sai số do hiện tượng fading và
can nhiễu tại bộ thu của người sử dụng; đồng thời cũng đưa ra giải pháp anten thông
minh để giảm các sai số do truyền dẫn đa đường, can nhiễu và bảo đảm truyền dẫn
tối ưu trong hệ thống GPS và DGPS. Giải thuật Multiple LCMV Beamforming
băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến được đặt tại trạm tham khảo của hệ
thống DGPS (hoặc có thể được đặt tại bộ thu của người sử dụng) nhằm thu nhận tín
hiệu từ các vệ tinh GPS; đồng thời giải thuật Unconstrained LMS Beamforming
băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo được đặt tại trạm tham khảo

HVTH: Nguyễn Tấn Kiệt

2

MSHV: 01407342


Chương 1: Đặt vấn đề

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

(hoặc tại bộ thu của người sử dụng) nhằm bảo đảm truyền dẫn tối ưu giữa trạm
tham khảo và các bộ thu của người sử dụng.

1.2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Trong phạm vi luận văn tốt nghiệp sẽ cố gắng tìm hiểu về hệ thống định vị tồn cầu
GPS, kỹ thuật DGPS, bộ lọc Kalman và anten thông minh. Đặc biệt là nghiên cứu
và trình bày về ứng dụng của bộ lọc Kalman và anten thông minh trong hệ thống
GPS và DGPS. Anten thông minh được dùng ở đây là dãy anten thích nghi, dùng
giải thuật thích nghi LCMV (Linearly Constrained Minimum Variance) băng hẹp
trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến và giải thuật thích nghi LMS (Least Mean
Square) băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo. Luận văn sử dụng
Matlab 7.0 để mơ phỏng bộ lọc Kalman tuyến tính nhằm minh họa sự giảm sai số
định vị của bộ thu người dùng trong hệ thống GPS và DGPS. Đồng thời cũng mô
phỏng giải thuật LCMV trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến nhằm minh họa trên
đồ thị hướng tính khả năng triệt can nhiễu bằng cách hướng búp sóng chính (main
beam) về hướng tín hiệu mong đợi và cực tiểu cơng suất từ các hướng khác (hướng
của can nhiễu và nhiễu). Cịn việc mơ phỏng giải thuật LMS trong bộ tạo búp sử
dụng tín hiệu tham khảo nhằm minh họa khả năng triệt can nhiễu bằng cách hướng
búp sóng chính về hướng tín hiệu (sau khi tối ưu dùng chuỗi tham khảo) và lái
những null của đồ thị hướng tính về hướng can nhiễu.

1.3 Bố cục của đề tài:
Luận văn được chia làm 5 chương chính bao gồm:
Chương 1: Đặt vấn đề .
• Đặt vấn đề và nêu ra mục đích cũng như ý nghĩa của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
• Hệ thống định vị tồn cầu GPS.
• Kỹ thuật DGPS.
HVTH: Nguyễn Tấn Kiệt

3

MSHV: 01407342


Chương 1: Đặt vấn đề

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

• Bộ lọc Kalman.
- Bộ lọc Kalman tuyến tính.
- Bộ lọc Kalman mở rộng.
• Anten thơng minh.
- Bộ tạo búp thích nghi LMS băng hẹp.
- Bộ tạo búp thích nghi LCMV băng hẹp.
- Lợi ích của anten thơng minh.
Chương 3: Ứng dụng bộ lọc Kalman và anten thông minh trong hệ thống GPS
và DGPS.
• Ứng dụng giải thuật Kalman tuyến tính trong máy thu GPS.
• Ứng dụng anten thơng minh trong hệ thống GPS và DGPS.
- Ứng dụng giải thuật LCMV băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng hướng
đến của anten thông minh đặt tại trạm tham chiếu.
+ Ứng dụng giải thuật Multiple LCMV beamforming băng hẹp cho dãy
anten ULA (Uniform Linear Array) trong không gian 2D.
+ Ứng dụng giải thuật Multiple LCMV beamforming băng hẹp cho dãy
anten URA (Uniform Rectangular Array) trong không gian 3D.
- Ứng dụng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp trong bộ
tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten ULA trong không gian
2D.
Chương 4: Kết quả mơ phỏng.
• Kết quả mơ phỏng giải thuật Kalman tuyến tính.
- Kết quả mơ phỏng giải thuật Kalman tuyến tính trong khơng gian 2D.

- Kết quả mơ phỏng giải thuật Kalman tuyến tính trong khơng gian 3D.
HVTH: Nguyễn Tấn Kiệt

4

MSHV: 01407342


Chương 1: Đặt vấn đề

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

• Kết quả mô phỏng giải thuật Multiple LCMV beamforming băng hẹp.
- Kết quả mô phỏng giải thuật Multiple LCMV beamforming băng hẹp
trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến cho dãy anten ULA có N=20 phần tử
trong khơng gian 2D.
- Kết quả mô phỏng giải thuật Multiple LCMV beamforming băng hẹp
trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến cho dãy anten chữ nhật URA có
MxN=12x12 phần tử trong khơng gian 3D.
• Kết quả mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp.
- Kết quả mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp
trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten ULA có N=20
phần tử trong khơng gian 2D.
- Kết quả mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp
trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo để chọn số phần tử N của
dãy anten ULA tối ưu sao cho thời gian hội tụ nhỏ nhất.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài.
• Chương này đưa ra một số kết luận và hướng phát triển của luận văn.

1.4 Ý nghĩa của đề tài:

Đề tài tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống định vị toàn cầu GPS, kỹ thuật DGPS, bộ
lọc Kalman và anten thông minh. Đề tài nghiên cứu và mô phỏng giải thuật Kalman
tuyến tính trong khơng gian 2D và 3D nhằm giảm sai số định vị tại bộ thu của người
sử dụng. Đề tài nghiên cứu và mô phỏng giải thuật Multiple LCMV beamforming
băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến cho dãy anten ULA có N phần tử
trong không gian 2D. Đặc biệt là đề tài đã nghiên cứu và mô phỏng giải thuật
Multiple LCMV beamforming băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến cho
dãy anten chữ nhật URA có MxN phần tử trong khơng gian 3D – Đây là kết quả
mới mà luận văn đã nghiên cứu lập trình và mơ phỏng dựa trên cơ sở lý thuyết,
HVTH: Nguyễn Tấn Kiệt

5

MSHV: 01407342


Chương 1: Đặt vấn đề

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

đóng góp một phần nhỏ vào lĩnh vực phát triển và ứng dụng hệ thống anten thơng
minh vào thực tế. Ngồi ra đề tài cũng mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS
Beamforming băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten
ULA có N phần tử trong khơng gian 2D và đưa ra cách chọn số phần tử N của dãy
anten ULA tối ưu sao cho thời gian hội tụ nhỏ nhất. Các kết quả mô phỏng là tiền
đề cho việc thử nghiệm phần cứng, từ đó thiết kế các ASIC và/hoặc các bộ vi xử lý
phục vụ trong một hệ thống thực.

HVTH: Nguyễn Tấn Kiệt

6

MSHV: 01407342


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS:
2.1.1 Giới thiệu hệ thống GPS: (Trang 1÷2 [1])
Hệ thống định vị tồn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống xác định vị
trí dựa vào các vệ tinh nhân tạo. Được thiết kế và quản lý từ đầu những năm 1970
bởi Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ, ban đầu GPS chỉ dành cho các mục đích quân sự,
nhưng từ năm 1980 chính phủ Hoa Kỳ cho phép phục vụ cho cả mục đích quân sự
lẫn dân sự. Hệ thống GPS hoạt động từ năm 1993 cung cấp thông tin định vị liên
tục 24 giờ một ngày ở mọi nơi trên thế giới dưới bất kỳ điều kiện thời tiết nào. Các
vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày (mỗi chu kỳ quỹ đạo
mất khoảng 11 giờ 58 phút) theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có
thơng tin xuống trái đất. Các bộ thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính
lượng giác tính được chính xác vị trí của mình.

Hình 2.1: Chịm sao vệ tinh GPS (Theo trang 2 [1]).
Hệ thống GPS gồm một chòm sao 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ được
phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn với đường kính 20138km và có góc nghiêng 55o so
với mặt phẳng xích đạo. Để đảm bảo bao phủ khắp mọi nơi trên trái đất, các vệ tinh
GPS được sắp xếp sao cho mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh phân bố đều. Về mặt hình học,

HVTH: Nguyễn Tấn Kiệt

7

MSHV: 01407342


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng thấy được từ 4 đến 10 vệ tinh trong chòm sao vệ
tinh GPS.
Các vệ tinh được nuôi bằng năng lượng mặt trời và có các nguồn pin dự phịng để
duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng khơng có ánh sáng. Các tên lửa nhỏ gắn
ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
2.1.2 Các mảng của hệ thống GPS: (Trang 2÷3 [1] và thơng tin trên mạng)
Hệ thống GPS được chia thành 3 mảng chính: mảng khơng gian (space segment),
mảng điều khiển (control segment) và mảng người sử dụng (user segment) như ở
hình 2.2.

Hình 2.2: Các mảng của hệ thống GPS (Theo trang 3 [1]).
Mảng không gian là chòm sao 24 vệ tinh, mỗi vệ tinh phát tín hiệu gồm 2 sóng sin
(được gọi là các tần số sóng mang), 2 mã số và bản tin định vị. Dùng các sóng mang
và mã để xác định khoảng cách từ bộ thu GPS của người sử dụng đến các vệ tinh
GPS. Bản tin định vị chứa tọa độ của các vệ tinh là hàm thời gian. Các tín hiệu phát
từ vệ tinh được điều khiển bởi đồng hồ điện tử có độ chính xác cao trên vệ tinh.
Mảng điều khiển gồm một trạm điều khiển chủ MCS (Master Control Station), 5
trạm monitor và 3 trạm điều khiển mặt đất. Trạm MCS đặt gần Colorado Springs
HVTH: Nguyễn Tấn Kiệt

8

MSHV: 01407342


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

GVHD: TS. Đỗ Hồng Tuấn

(Colorado, Mỹ) có nhiệm vụ giám sát tồn bộ hệ thống GPS. 5 trạm monitor ở
Colorado Springs, Hawaii, Kwajalein, Diego Garcia và Ascension Island được trang
bị bằng các bộ thu GPS chất lượng cao và bộ tạo dao động cesium nhằm mục đích
theo vết (tracking) liên tục tất cả các vệ tinh GPS. Riêng 3 trạm monitor ở
Kwajalein, Diego Garcia và Ascension Island được trang bị bằng các antenna mặt
đất để tải thông tin lên các vệ tinh GPS. Tất cả các trạm monitor và trạm điều khiển
mặt đất được điều khiển từ xa bởi MCS. Nhiệm vụ chính của mảng điều khiển là
xác định và dự báo các dữ liệu định vị vệ tinh. Các trạm monitor theo vết liên tục
các vệ tinh GPS và phát các giám sát đã thu thập được đến MCS để xử lý. Kết quả
xử lý gồm các vị trí vệ tinh là hàm thời gian, tình trạng hệ thống, các thơng số đồng
hồ vệ tinh, dữ liệu áp suất, niên lịch vệ tinh, ... Dữ liệu định vị tươi này được MCS
gửi đến 1 trong các trạm điều khiển mặt đất để trạm điều khiển mặt đất tải lên các
vệ tinh GPS qua dải băng tần S.
Mảng người sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS quân sự và dân sự. Khi bộ
thu GPS được kết nối với antenna GPS, các máy thu GPS sẽ tính tốn và biết được
vị trí của mình trong khơng gian 3 chiều.
Có 2 loại dịch vụ mà Bộ Quốc Phòng Mỹ đưa vào các ứng dụng dân sự là dịch vụ
định vị cơ bản SPS (Standard Positioning Service) và dịch vụ định vị chính xác PPS
(Precise Positioning Service). Trong đó dịch vụ SPS có độ chính xác tối thiểu
khoảng 100m cho chiều ngang và 156m cho chiều cao, cịn dịch vụ PPS có độ chính

xác khoảng 10m cho chiều ngang và 15m cho chiều cao. Dịch vụ SPS có độ chính
xác thấp hơn dịch vụ PPS là do tín hiệu GPS sử dụng dịch vụ SPS có trộn thêm một
số sai số gọi là sai số SA (Selective Available). Sau ngày 1/5/2000, Bộ Quốc Phòng
Mỹ quyết định không sử dụng sai số SA nữa và độ chính xác của 2 dịch SPS và PPS
khơng cịn cách nhau quá xa.
2.1.3 Các thế hệ vệ tinh của hệ thống GPS: (Trang 4÷5 [1])
Thế hệ vệ tinh thứ nhất gồm 11 vệ tinh Block I được phóng lần đầu tiên vào ngày
22/12/1978 và lần cuối cùng vào ngày 9/10/1985 với mục đích thực nghiệm. Mặt
HVTH: Nguyễn Tấn Kiệt

9

MSHV: 01407342