Xây dựng hệ thống quản lý đối tượng di động dựa trên công nghệ GPS và GIS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ ĐỐI TƯỢNG DI
ĐỘNG DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ GPS VÀ GIS

NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
MÃ SỐ:
LẠI MẠNH DŨNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN THANH THỦY

HÀ NỘI 2007


Mục Lục

MỤC LỤC
MỤC LỤC................................................................................................. 1
DANH MỤC HÌNH .................................................................................. 4
LỜI NĨI ĐẦU .......................................................................................... 5
Chương I HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS............................. 8
1. Lịch sử kỹ thuật định hướng ................................................................. 8
2. Nguyên lý định vị vệ tinh GPS ............................................................. 9
3. Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu GPS...................................... 14
4. Các khái niệm cơ bản về hệ GPS ........................................................ 16
4.1. Các vệ tinh trong không gian ....................................................... 16
4.2. Cấu trúc gói dữ liệu GPS ............................................................. 19

4.3. Phương pháp xác định khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu......... 20
4.3.1. Phương pháp đo giả cự ly (pseudo-range) ........................... 21
4.3.2. Phương pháp đo số chu kỳ sóng mang (carrier beat phase) . 23
4.4. Cấu trúc máy thu GPS.................................................................. 24
4.4.1. Ăng ten và bộ tiền khuyếch đại: ........................................... 25
4.4.2. Phần nhận tần số vô tuyến RF: ............................................. 25
4.4.3. Bộ điều khiển: ....................................................................... 26
4.4.4. Bộ nhớ: .................................................................................. 26
4.4.5. Nguồn nuôi: .......................................................................... 26
4.5. Giao thức dành cho máy thu GPS ................................................ 26
4.6. Các phép định vị được thực hiện bằng máy thu GPS .................. 29
4.6.1. Phép định vị tương đối:......................................................... 30
4.6.2. Phép định vị động tương đối:................................................ 32
5. Các nguyên nhân gây sai số GPS và cách giải quyết ......................... 33
5.1. Sai lệch đồng hồ khi đo thời gian ................................................ 34
5.2. Sai lệch quĩ đạo vệ tinh ................................................................ 35
5.3. Sai số do trị nhập nhằng của pha sóng mang ............................... 38
5.4. Ảnh hưởng của cấu hình vệ tinh đến sai số ................................. 39
6. Một số lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của GPS ...................................... 41
6.1. Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất ........................... 41
6.2. Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển ......................... 42
6.3. Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không .................... 42
Lại Mạnh Dũng

1


Mục Lục
6.4. Các ứng dụng trong phương tiện giao thông đường bộ ............... 42
Chương II HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) ......................... 44

1. Các thành phần của GIS ...................................................................... 44
1.1. Phần cứng ..................................................................................... 44
1.2. Phần mềm ..................................................................................... 44
1.3. Dữ liệu.......................................................................................... 45
1.4. Con người..................................................................................... 45
1.5. Thủ tục ......................................................................................... 45
2. GIS Làm việc như thế nào?................................................................. 45
2.1. Tham khảo địa lý ......................................................................... 46
2.2. Mơ hình Vector và Raster ............................................................ 46
3. Các nhiệm vụ của GIS ........................................................................ 47
3.1. Nhập dữ liệu ................................................................................. 47
3.2. Thao tác dữ liệu............................................................................ 48
3.3. Quản lý dữ liệu ............................................................................. 48
3.4. Hỏi đáp và phân tích .................................................................... 49
3.4.1. Phân tích liền kề .................................................................... 49
3.4.2. Phân tích chồng xếp .............................................................. 50
3.5. Hiển thị ......................................................................................... 50
4. Tổ chức dữ liệu trong GIS .................................................................. 50
5. Các công nghệ liên quan ..................................................................... 51
5.1. Desktop Mapping (thành lập bản đồ) .......................................... 51
5.2. CAD (trợ giúp thiết kế nhờ mày tính) ......................................... 51
5.3. Viễn thám và GPS (hệ thống định vị toàn cầu) ........................... 52
5.4. DBMS (Hệ quản trị cơ sở dữ liệu) ............................................... 52
6. Giới thiệu công cụ phát triển hệ thống GIS của MapInfo .................. 52
6.1. Giới thiệu về MapX: .................................................................... 53
6.1.1. Điều khiển mở rộng .............................................................. 53
6.1.2. Sử dụng các công cụ ............................................................. 54
6.1.3. Quản lý bản đồ theo mơ hình các lớp ................................... 58
6.1.4. Tạo mới, thay đổi hay xoá bỏ các đối tượng đồ hoạ ............ 59
6.1.5. Hiển thị dữ liệu của người sử dụng lên bản đồ ..................... 61

6.1.6. Quản lý và lựa chọn các đối tượng hiển thị trên bản đồ ....... 62
6.2. Giới thiệu về MapXtreme ............................................................ 66
Lại Mạnh Dũng

2


Mục Lục
6.2.1. Xây dựng Servlet .................................................................. 67
6.2.2. MapJ API .............................................................................. 74
Chương III THIẾT KẾ HỆ THỐNG ..................................................... 83
1. Kiến trúc tổng thể ................................................................................ 83
1.1. Các thiết bị gắn trên xe ................................................................ 83
1.2. Trung tâm quản lý vị trí xe .......................................................... 84
1.3. Sử dụng dịch vụ qua Internet ....................................................... 85
2. Thiết kế thiết bị gắn trên xe ................................................................ 86
2.1. Nhiệm vụ của thiết bị: .................................................................. 86
2.2. Sơ đồ khối thiết bị: ....................................................................... 87
2.3. Giải pháp cho khối điều khiển: .................................................... 89
2.4. Giải pháp cho khối bộ nhớ: .......................................................... 90
2.5. Giải pháp cho khối kết nối trao đổi thông tin với trung tâm: ...... 90
2.6. Giải pháp cho khối kết nối thu nhận thông tin từ GPS: ............... 91
2.7. Giải pháp cho khối nguồn ni: ................................................... 91
2.8. Các thiết bị chính: ........................................................................ 92
3. Truyền thông ....................................................................................... 92
4. Thiết kế cơ sở dữ liệu .......................................................................... 95
Chương IV HỆ THỐNG QUẢN LÝ XE ............................................... 98
1. Ghép nối với modem GSM/GPRS ...................................................... 99
1.1. Modem  Máy tính..................................................................... 99
1.2. Máy tính  Modem ................................................................... 100

2. Quản lý vị trí của xe .......................................................................... 101
2.1. Hiển thị bản đồ theo chuẩn MapInfo ......................................... 102
2.2. Hiển thị vị trí hiện thời của xe ................................................... 102
2.3. Xem lại lộ trình của xe ............................................................... 104
2.4. Các tiện ích khác bao gồm: ........................................................ 105
3. Cung cấp dịch vụ xác định vị trí xe trên nền web............................. 105
4. Đánh giá ............................................................................................ 108
4.1. Cài đặt các mơ đun chương trình ............................................... 108
4.2. u cầu ...................................................................................... 109
KẾT LUẬN ........................................................................................... 111
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................... 114

Lại Mạnh Dũng

3


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.
Hình 2.
Hình 3.
Hình 4.
Hình 5.
Hình 6.
Hình 7.
Hình 8.

Hình 9.
Hình 10.
Hình 11.
Hình 12.
Hình 13.
Hình 14.
Hình 15.
Hình 16.
Hình 17.
Hình 18.
Hình 19.
Hình 20.
Hình 21.
Hình 22.
Hình 23.
Hình 24.
Hình 25.
Hình 26.
Hình 27.
Hình 28.
Hình 29.
Hình 30.
Hình 31.
Hình 32.
Hình 33.
Hình 34.
Hình 35.
Hình 36.
Hình 37.

Hệ GPS trong hệ tọa độ địa tâm.............................................. 10
Phép định vị GPS với một vệ tinh........................................... 11
Cách định vị GPS trong không gian ....................................... 13
Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GPS ................................... 14
Vệ tinh GPS block II ............................................................... 17
Phân bố vệ tinh GPS trên quĩ đạo ........................................... 18
Nội dung gói dữ liệu GPS ....................................................... 19
Xác định tg truyền bằng phương pháp dò tương quan ........... 22
Sơ đồ khối máy thu GPS ......................................................... 25
Phép định vị tương đối với hai máy thu GPS ...................... 30
Phép định vị nhiều máy thu ................................................. 31
Phép định vị động tương đối ............................................... 32
Cấu hình vệ tinh tốt ............................................................. 40
Cấu hình vệ tính tồi ............................................................. 41
Mơ hình phân lớp của GIS .................................................. 45
Mơ hình Vector – Rasstor.................................................... 47
Phân tích xếp chồng trên mơ hình phân lớp ........................ 50
Cấu trúc phân lớp................................................................. 58
Kiến trúc thin client/thick server ......................................... 69
Kiến trúc thick client/thin server ......................................... 71
Kiến trúc Medium client/medium server ............................. 73
Mơ hình truy nhập CSDL .................................................... 79
Sử dụng LocalDataProviderRef........................................... 81
Sử dụng MapXtremeDataProviderRef ................................ 81
Sơ đồ khối thiết bị gắn trên xe ............................................. 83
Kiến trúc tổng thể hệ thống ................................................. 86
Sơ đồ khối thiết bị gắn trên xe ............................................. 87
Kiến trúc hệ thống khi sử dụng GPRS ................................ 94
Cấu trúc bảng trong CSDL .................................................. 95
Sơ đồ khối phần mềm tại trung tâm .................................... 98

Ghép nối máy tính và modem ............................................. 99
Ghép nối modem tại trung tâm .......................................... 100
Hiển thị vị trí hiện thời của xe ........................................... 103
Giao diện hiển thị vị trí hiện thời của xe ........................... 103
Hiển thị lại lộ trình xe ........................................................ 104
Giao diện hiển thị lại lộ trình xe ........................................ 104
Kiến trúc thin client/thick server áp dụng ......................... 106

Lại Mạnh Dũng

4


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

LỜI NĨI ĐẦU
Hệ thống định vị tồn cầu GPS do bộ quốc phòng Mỹ triển khai và đi
vào hoạt động từ năm 1973. Ban đầu, hệ thống được triển khai nhằm mục
đích quân sự. Cho đến nay, hệ thống này đã mở rộng cho phép khai thác bởi
tất cả các lĩnh vực trong đời sống xã hội trên toàn thế giới. Cùng với sự phát
triển của công nghệ thông tin và truyền thơng, ngày càng có nhiều ứng dụng
khai thác sử dụng hệ thống GPS trong tất cả các lĩnh vực. Các hãng sản xuất
phần mềm trên toàn thế giới nghiên cứu phát triển các bộ cơng cụ theo mơ
hình hệ thống thơng tin địa lý GIS mà điển hình có thể nhắc tới là MapInfo,
Google. Thơng qua đó giúp người sử dụng khai thác triệt để hệ thống GPS.
Điều đó thể hiện hệ thống định vị toàn cầu ngày càng hoạt động hiệu quả và
cung cấp những lợi ích khơng thể thiếu trên toàn thế giới.
Ở Việt Nam trong một số năm gần đây, việc áp dụng công nghệ GIS

khai thác hệ thống định vị toàn cầu GPS ngày càng phổ biến, ngày càng xuất
hiện các sản phẩm phần mềm phát triển trên máy tính hoặc trên các thiết bị
cầm tay có gắn kèm GPS cung cấp chức năng định vị cho người sử dụng.
Người sử dụng có thể dễ dàng biết được vị trí của mình thơng qua một bản đồ
số. Tuy nhiên, do phải nhập ngoại hoàn toàn nên thiết bị loại này có giá thành
đắt, mặt khác cả thiết bị lẫn phần mềm đi kèm mới chỉ dừng lại ở mức người
sử dụng cá nhân. Cho nên các sản phẩm này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi
trên diện rộng. Chẳng hạn đối với một doanh nghiệp kinh doanh dịch vụ taxi,
họ cần một trung tâm điều hành có thể nằm được vị trí của từng xe. Khi có
khách gọi, trung tâm điều hành sẽ gọi xe gần nhất đến phục vụ và điều hành
xe trách khỏi tắc nghẽn giao thơng, tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp. Hoặc,
một xí nghiệp cung cấp dịch vụ xe bus cần quản lý các xe theo các tuyến và
các điểm dừng đỗ, ngồi ra cần có sự phối hợp giúp đỡ giữa các xe hoạt động

Lại Mạnh Dũng

5


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

trên khắp địa bàn thành phố… Những nhu cầu này đòi hỏi phải có giải pháp
tổng thể cả phần cứng lẫn phần mềm với chi phí chấp nhận được.
Hiện nay, hệ thống GPS đã và đang nhận được sự quan tâm ngày càng
nhiều của các nhà khoa học trong cả nước. Nhiều ứng dụng của hệ thống đã
được triển khai và góp phần hỗ trợ cho sự phát triển của cuộc sống. Một số
trường đại học như Đại học thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa Hà
nội đã đưa kỹ thuật định vị GPS vào chương trình đào tạo cho sinh viên năm

cuối. Một số nhóm nghiên cứu chuyên sâu để khai thác các ứng dụng của hệ
thống GPS đã được thành lập như ở trường Đại học Giao thơng Vận tải, Học
viện Phịng khơng Khơng qn… Một số chương trình nghiên cứu ứng dụng
hệ thống định vị GPS vào phục vụ dân sinh và quản lý xã hội đã được nhà
nước tài trợ và bước đầu có được những kết quả đáng khích lệ như: chương
trình quản lý tài nguyên rừng và biển, chương trình quản lý tài ngun khống
sản, chương trình quản lý xe bt nội thành... Một số chương trình nghiên cứu
cũng đang được triển khai ở Việt nam như sau:
Chương trình quản lý tài nguyên thiên nhiên: Bộ Khoa học công nghệ
và môi trường tiến hành kết hợp với công nghệ GIS để xác định vùng và quản
lý trên bản đồ số các vùng tài nguyên khoáng sản, giúp cho việc hoạch định
kế hoạch khai thác và bảo vệ hữu hiệu hơn.
Chương trình quản lý và quy hoạch môi trường: Cũng là sự kết hợp
của công nghệ định vị GPS và GIS trong thu thập, phân tích và tinh lọc dữ
liệu phục vụ cơng việc quan trắc, đánh giá các đối tượng môi trường và
nghiên cứu tính khả thi.
Chương trình quản lý và phân tích các sự cố mơi trường: nghiên cứu
tình hình biến động của đất, dự báo động đất, xác định các khu vực có nguy
cơ bị sự cố mơi trường…

Lại Mạnh Dũng

6


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

Chương trình nghiên cứu định vị trong cứu hộ, cứu nạn trên biển và

trên cả đất liền: các thiết bị định vị GPS là một công cụ vô cùng hữu hiệu
giúp cho các tầu thuyền định vị được vị trí. Ngồi ra, định vị hàng không và
định vị đường bay cũng đang được tổng công ty hàng không việt nam và học
viện phịng khơng khơng qn thử nghiệm.
Chương trình định vị cho các xe ôtô lưu thông trong nội thành: cũng
là một chương trình đã được tiến hành và hiện nay vẫn đang từng bước hoàn
thiện. Các xe buýt sẽ được kiểm sốt hành trình và hướng dẫn đường. Ngồi
ra, ứng dụng định vị GPS cũng sẽ được áp dụng trong kiểm sốt hành trình
của các chuyến tàu hoả, giúp tránh được các sự cố va chạm..
Ngoài ra, hệ thống GPS cũng giúp cho quá trình định vị các lỗ khoan
biển và thi cơng đường hầm được chính xác hơn.
Nói chung, với khả năng ứng dụng rộng lớn mà chỉ một phần nhỏ được
trình bày ở trên, hệ thống GPS hồn toàn xứng đáng nhận được sự quan tâm
hơn nữa của các nhà khoa học và của các cơ quan quản lý nhà nước. Chính vì
vậy, em mạnh dạn đề xuất thực hiện đề tài này với mong muốn xây dựng một
hệ thống phần mềm đưa ra các giải pháp cho phép người sử dụng có thể quản
lý được vị trí của đối tượng đang di động trong một địa bàn nào đó dựa trên
nền tảng là cơng nghệ GPS và công nghệ GIS phổ biến hiện nay.

Lại Mạnh Dũng

7


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
Chương I

Ngành Công Nghệ Thông Tin

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

1. Lịch sử kỹ thuật định hướng
Kỹ thuật định hướng đã được nhắc đến từ rất lâu. Thời xa xưa, con người
đã cố gắng tìm một cách tin cậy để xác định vị trí. Bắt đầu chỉ đơn giản như
đánh dấu đường đi bằng các hòn đá, đi dọc theo bờ biển… Sau này khi bắt
đầu có những chuyến đi ra biển thì con người học được cách xác định phương
hướng theo các chòm sao. Ví dụ như trong thần thoại Hy lạp có câu chuyện
nữ thần Atêna hướng dẫn Ơđixê bám theo chịm sao Gấu lớn thì sẽ về đến
nhà…
Tiếp sau này, khi khoa học đã phát triển hơn, con người đã biết sử dụng
la bàn và kính lục phân để xác định vị trí. La bàn chỉ dẫn cho ta biết phương
hướng, kính lục phân chỉ dẫn cho ta biết vĩ độ, cịn kinh độ vẫn là một bí ẩn
lớn. Mãi đến sau này người ta mới có thể xác định được tọa độ khi xuất hiện
sự có mặt của đồng hồ bấm giờ.
Vào đầu thế kỷ 20, một vài hệ thống định vị dựa trên sóng radio được
phát triển và được sử dụng rộng rãi trong chiến tranh thế giới lần thứ hai. Các
bên tham chiến đều sử dụng kỹ thuật định vị bằng sóng radio phát theo
phương ngang với bề mặt trái đất. Đây được coi là một kỹ thuật tiên tiến lúc
bấy giờ.
Một vài hệ thống định vị sóng radio theo mặt đất vẫn còn được dùng cho
đến ngày nay. Điểm hạn chế của việc định vị bằng sóng radio phát từ mặt đất
lên là khả năng định vị với độ chính xác cao nhưng chỉ dùng cho một khoảng
không gian hẹp, nếu muốn hệ thống bao trùm một khơng gian rộng thì độ
chính xác định vị sẽ giảm đi rất nhiều. Sóng radio tần số cao (giống như sóng
tivi UHF) có thể cho phép xác định vị trí chính xác nhưng chỉ truyền đi trong

Lại Mạnh Dũng

8

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

một khoảng cách ngắn, cịn những sóng radio tần số thấp hơn (như sóng AM)
có thể bao phủ một diện tích rộng nhưng khó có thể cho biết vị trí chính xác.
Do đó các nhà khoa học đã quyết định rằng cách tốt nhất để có thể phủ
sóng bao trùm khắp thế giới là đặt các máy phát sóng ở trên khơng gian. Một
máy phát sóng ở cao hơn nhiều so với bề mặt trái đất phát sóng radio tần số
cao với các tín hiệu được mã hố đặc biệt có thể bao phủ một khu vực rất
rộng và cho phép thực hiện phép xác định vị trí chính xác. Đó chính là
nguyên lý cơ bản của hệ thống định vị toàn cầu GPS, viết tắt của Global
Positioning System.

2. Nguyên lý định vị vệ tinh GPS
Các kỹ thuật định vị trước đây chủ yếu là dựa trên phép đo định vị tương
đối. Một điểm đo được xác định toạ độ theo mối quan hệ về khoảng cách với
các điểm mốc đã được xác định trước. Với những khoảng cách ngắn, phép
định vị tương đối tỏ ra khá hiệu quả, đặc biệt là khi hai điểm có thể ngắm
thơng nhau. Hiện tại có nhiều kiểu định vị tương đối khác nhau, dựa trên
những khái niệm vật lý và hình học khác nhau. Phép định vị tương đối là một
dạng định vị cơ bản thường được dùng trong thực tế trắc địa. Tuy nhiên với
những khoảng cách lớn thì việc tiến hành phép định vị tương đối sẽ gặp rất
nhiều khó khăn.
Sự phát triển của hệ thống GPS được coi là một cuộc cách mạng trong
lĩnh vực định vị trên trái đất bằng cách cung cấp các số đo vị trí tuyệt đối rất
chính xác. Nguyên tắc của phép đo như sau: từ vệ tinh A, người ta phát ra một
sóng điện từ có tần số nằm trong vùng tần số rađiơ. Ở nơi máy thu GPS sẽ có
thiết bị đo khoảng thời gian sóng điện từ này truyền qua khơng gian để đến

máy thu. Với giá trị thời gian đo được và với bước sóng biết trước, người ta
có thể dễ dàng tính được một cách chính xác khoảng cách từ vệ tinh phát đến
vị trí của máy thu GPS.
Lại Mạnh Dũng

9


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

Để thuận tiện cho việc định vị vị trí cho bất kỳ điểm nào trên trái đất,
người ta sử dụng hệ tọa độ địa tâm [2], tức là hệ tọa độ có gốc C trùng với
trọng tâm của trái đất, như trình bầy ở Hình 1
trục Z
Cực CIO
điểm P

Kinh tuyến
Greenwich

Véc tơ vị trí
điểm P

Đường xích đạo

trục Y

Tâm Trái

Đất

trục X

Hình 1. Hệ GPS trong hệ tọa độ địa tâm
Tâm của hệ toạ độ được qui ước là tâm của trái đất. Với hệ trục tọa độ
Đề Các, một điểm được xác định nếu biết ba giá trị toạ độ: X, Y, Z. Người ta
qui ước mặt phẳng Z = 0 sẽ tương ứng với mặt phẳng xích đạo. Cịn mặt
phẳng Y = 0 sẽ đi qua kinh tuyến Greenwich.
Ngoài ra, người ta cũng có thể xác định vị trí của máy thu GPS trong hệ
toạ độ cầu với các toạ độ về kinh tuyến, vĩ tuyến và cao độ. Về bản chất thì
hai hệ toạ độ này có vai trị như nhau và ta hồn tồn có thể chuyển đổi toạ độ
của một điểm trong hệ toạ độ này sang hệ toạ độ kia bằng một công thức
chuyển đổi toạ độ:
RGPS 11 = R(wx , wy,wz).RGPS 12

Lại Mạnh Dũng

10


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

Trong đó RGPS 11 là toạ độ của máy thu GPS 1 trong hệ toạ độ thứ nhất,
RGPS 12 là tọa độ của máy thu GPS 1 trong hệ toạ độ thứ hai, R(wx , wy,wz) là
ma trận chuyển đổi và wx, wy, wz là các góc xoay phương vị của các trục tọa
độ giữa hai hệ thống. Phương trình chuyển đổi này cũng đúng với trường hợp
chuyển đổi của véc tơ vận tốc.

Đối với mỗi vệ tinh GPS, máy thu sẽ xác định được khoảng cách từ máy
thu đến vệ tinh đó nhờ xác định được khoảng thời gian thơng điệp được
truyền đi từ vệ tinh đó đến máy thu và biết trước được tốc độ truyền của thông
điệp trong khơng gian. Như vậy nếu xác định được vị trí của vệ tinh tại thời
điểm tính tốn thì hồn tồn có thể khẳng định là máy thu sẽ nằm trên mặt cầu
có tâm là vệ tinh và bán kính là khoảng cách vừa tìm được. Mơ tả này được
trình bầy ở Hình 2.

Vệ tinh

Z

(X1,Y1,Z1)

Máy thu GPS
(X2,Y2,Z2)
Y

C(0,0,0)
Xích đạo

X

Hình 2. Phép định vị GPS với một vệ tinh
Để xác định chính xác vị trí của một điểm trong hệ thống GPS, cần sử
dụng ít nhất 4 vệ tinh. Điều đó có nghĩa là một máy thu GPS khi liên lạc được
Lại Mạnh Dũng

11

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

với nhiều hơn 4 vệ tinh thì có thể cho biết vị trí chính xác của máy thu đó.
Điều đó được giải thích như sau: với vệ tinh thứ nhất S1, ta biết được khoảng
cách từ vệ tinh này đến máy thu là r 1 . Với vị trí của các vệ tinh được xác định
trước thì điều đó chứng tỏ máy thu sẽ nằm trên bề mặt hình cầu có tâm là vệ
tinh S1 và bán kính là khoảng cách r 1 . Tiếp theo, với vệ tinh thứ hai S2, ta có
được máy thu nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh S2 và bán kính là khoảng
cách r 2 . Giao của hai bề mặt cầu này sẽ là một đường tròn và rõ ràng máy thu
phải nằm trên đường trịn này. Hồn tồn tương tự với vệ tinh thứ hai S2 và
thứ ba S3, ta sẽ thu được một đường tròn thứ hai mà máy thu cũng phải nằm
trên đường tròn này. Giao của hai đường trịn sẽ cho ta hai điểm, một điểm là
vị trí thực của máy thu và điểm thứ hai là một vị trí nào đó ngồi khơng gian.
Như vậy là chỉ cần đo khoảng cách từ máy thu đến ba vệ tinh cũng đủ để xác
định được vị trí của máy thu theo toạ độ X,Y,Z hoặc kinh độ, vĩ độ và cao độ.
Ngồi ra, ta cần phải ước đốn được sai số do độ lệnh về thời gian giữa vệ
tinh và máy thu. Vệ tinh thứ tư S4 sẽ đóng vai trò hiệu chỉnh sai số phép đo
do sai số đồng hồ của thiết bị định vị GPS này. Sở dĩ có sự lệnh thời gian giữa
thiết bị thu và phát tín hiệu là do hầu hết các thiết bị định vị GPS có giá thành
tương đối rẻ, xấp xỉ 100 USD, vì thế nên đồng hồ thời gian khơng thể là loại
có độ chính xác cao. Ví dụ tốc độ ánh sáng là 3.108 m/s, nếu đồng hồ của thiết
bị nhận GPS có sai số là 0,001s hay 1ms thì sẽ gây ra một sai số về khoảng
cách là 0,001x3.108 m = 300 000 m hay 300km. Tuy nhiên vì lí do là sai số
thời gian của thiết bị nhận là như nhau đối với tất cả các vệ tinh, do đó nên ta
có thể căn cứ vào độ lệch khoảng cách đo với khoảng cách thực của vệ tinh
S4 để hiệu chỉnh sai số do đồng hồ của thiết bị nhận. Như thế vệ tinh S4 sẽ
đóng vai trò hiệu chỉnh sai số đồng hồ của thiết bị nhận GPS. Bằng cách ước

lượng sai số này mà sai số của phép định vị GPS có thể giảm xuống dưới 10

Lại Mạnh Dũng

12


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

mét. Phương pháp định vị máy thu GPS nhờ theo dõi đồng thời 4 vệ tinh được
mơ tả ở Hình 3.
Trong trường hợp thiết bị thu GPS chỉ nhìn thấy được 3 vệ tinh trên bầu
trời thì ta vẫn có thể xác định vị trí của thiết bị này một cách chính xác bằng
cách cố định cao độ của thiết bị thu này ở một giá trị xác định, ví dụ như ở
cao độ mực nước biển. Khi đó ba vệ tinh sẽ cho ta các giá trị kinh độ, vĩ độ và
thời gian.
Nói chung, hiện nay số vệ tinh có mặt trên quĩ đạo là 24 và tại một vị trí
bất kỳ nào trên trái đất và tại một thời điểm bất kỳ nào cũng có thể nhìn thấy
được ít nhất 6 vệ tinh.
Một ưu điểm nữa của hệ thống GPS là do các vệ tinh ở các độ cao rất lớn
(khoảng từ 20000 km đến 25000 km) so với bề mặt trái đất nên hệ thống GPS
có thể ứng dụng không chỉ cho các thiết bị trên mặt đất mà cịn có thể ứng
dụng cho cả các máy bay ở độ cao trên dưới 10000 km.

Vệ tinh S4

Vệ tinh S2
Vệ tinh S1

Vệ tinh S3

Hình 3. Cách định vị GPS trong không gian
Lại Mạnh Dũng

13


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

3. Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) của
NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing and Ranging) [3] là một hệ thống
định vị dựa trên cơ sở các vệ tinh được triển khai bởi bộ quốc phịng Mỹ.
Cơng việc của hệ thống được bắt đầu vào năm 1973 do sự phối hợp giữa
chương trình TIMATION của Hải quân Mỹ và đề án 621B của lực lượng
Khơng qn Mỹ. Cả hai chương trình này đã được xây dựng trong khoảng
giữa những năm 1960 để triển khai hệ thống dẫn hướng hàng hải bằng phép
đo các cự ly.

Hình 4. Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GPS
Hệ GPS bao gồm ba phần Hình 4: đó là phần khơng gian, phần người sử
dụng và phần điều khiển. Phần khơng gian hiện nay gồm có 24 vệ tinh đang
làm việc và một số vệ tinh dự phịng. Các vệ tinh được phóng gần đây là loại
Block II, là loại cải tiến của thế hệ Block I. Các vệ tinh này được sắp xếp trên
Lại Mạnh Dũng

14


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

sáu mặt phẳng quỹ đạo nghiêng góc 550 so với mặt phẳng xích đạo. Mỗi vệ
tinh bay trên một quĩ đạo riêng ở độ cao danh nghĩa là 20.183km. Khoảng
thời gian cần thiết để một vệ tinh bay quanh quĩ đạo một vòng là 12 giờ hằng
tinh, tương đương với một nửa thời gian quay của trái đất. Các vệ tinh được
trang bị hệ đồng hồ chính xác để vệ tinh có thể phát các tín hiệu mang thơng
điệp về thời gian. Mỗi vệ tinh phát ra hai tần số vô tuyến phục vụ mục đích
định vị: tín hiệu L1 trên tần số 1.575,42 MHz và L2 trên tần số 1.227,6MHz.
Các tần số sóng mang được điều biến bởi hai mã giả-ngẫu nhiên (pseudorandom).
Phần điều khiển bao gồm bốn trạm giám sát được phân bố quanh bề mặt
trái đất ở Diego Garcia (Ấn độ dương), đảo Ascension, Kwajalein và Hawaii
và một trạm điều khiển chính được bố trí tại trung tâm điều hành không gian
tập trung tại Colorado Springs, tiểu bang Colorado, Mỹ. Mục đích của phần
điều khiển là hiển thị sự hoạt động của các vệ tinh, xác định quỹ đạo của
chúng, xử trí các đồng hồ nguyên tử và truyền các thông điệp cần phổ biến lên
các vệ tinh. Cả năm trạm đều là các trạm giám sát theo dõi các tín hiệu GPS
để dùng vào việc kiểm sốt các vệ tinh và dự đoán quĩ đạo của chúng. Công
việc theo dõi được thực hiện bởi những máy thu hai tần số có trang bị dao
động ký Cesium. Các thơng số khí tượng được thu thập để có thể đánh giá
một cách chính xác nhất trị thời gian trễ trong tầng đối lưu. Vị trí quan sát của
các trạm này được xác định với độ chính xác rất cao.
Ba trong số các trạm này (Diego Garcia (Ấn độ dương), đảo Ascension,
Kwajalein) có khả năng chuyển các số liệu lên vệ tinh, bao gồm các lịch thiên
văn mới, số liệu hiệu chỉnh đồng hồ và các số liệu thông điệp cần phát đồng

thời ra các lệnh điều khiển từ xa. Chỉ có một trạm ở Colorado Springs là trạm
điều khiển chính.

Lại Mạnh Dũng

15


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

Từ các trạm giám sát, các số liệu theo dõi vệ tinh được truyền về trạm
điều khiển chính để xử lý. Cơng việc xử lý bao gồm việc tính lịch thiên văn
của các vệ tinh và tính các trị hiệu chỉnh đồng hồ của các vệ tinh. Ngoài ra,
trạm điều khiển chính cịn đảm trách việc điều khiển các số hiệu chỉnh quỹ
đạo khi một vệ tinh nào đó đi lạc quá xa vị trí đã được chỉ định, trạm điều
khiển chính này cịn khởi động các thao diễn cần thiết để thay các vệ tinh đã
ngừng hoạt động bằng các vệ tinh dự phòng.
Bộ phận người sử dụng bao gồm tất cả mọi người sử dụng quân sự và
dân sự. Các máy thu riêng biệt theo dõi các mã hoặc pha của sóng mang hoặc
đồng thời cả hai và trong hầu hết các trường hợp đều tiếp nhận các thông điệp
phát tín. Các máy thu dưới mặt đất sẽ nhận được các tín hiệu phát ra từ vệ
tinh. Với tốc độ truyền của thông điệp được biết trước, máy thu có thể xác
định được khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh phát bằng cách nhân tốc độ
truyền tín hiệu với khoảng thời gian chênh lệch giữa lúc phát và lúc nhận.
Nếu các cự ly tới 4 vệ tinh được liên kết với các thông số về quĩ đạo của vệ
tinh tương ứng thì máy thu có thể xác định vị toạ độ của máy. Trong một số
ứng dụng trong cơng tác trắc đạc chính xác, người ta cịn đo và ghi nhớ pha
tần số của mã hoặc sóng mang để xử lý về sau.

Hệ thống GPS dân sự có thể cho phép xác định vị trí của máy thu với độ
chính xác dưới 100 mét. Để có thể đạt được độ chính xác cao hơn, người ta có
thể dùng kết hợp định vị với một máy thu GPS khác đặt ở một vị trí được biết
trước.

4. Các khái niệm cơ bản về hệ GPS
4.1. Các vệ tinh trong không gian
Hệ thống định vị GPS sử dụng 24 vệ tinh [3], bay ở các quĩ đạo cách mặt
đất hơn 20.000 km. Thời gian bay một vòng quanh quĩ đạo của vệ tinh là 12

Lại Mạnh Dũng

16


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

giờ. Các vệ tinh được sắp xếp sao cho gần như tại bất kỳ thời điểm nào và tại
bất kỳ một điểm nào trên thế giới chúng ta cũng có thể nhận tín hiệu từ ít nhất
6 vệ tinh. Chúng ta cần nhận được nhiều tín hiệu từ các vệ tinh khác nhau để
có thể xác định đầy đủ các toạ độ về vị trí đang đứng. Để có được giá trị thời
gian đúng, mỗi vệ tinh được trang bị các đồng hồ loại rất chính xác, đến
khoảng ba phần tỷ của một giây. Hình dáng bên ngồi của một vệ tinh block
II như được trình bày ở Hình 5.
Hiện nay, người ta đã có kế hoạch cho thế hệ vệ tinh GPS tiếp theo, gọi
là thế hệ Block III. Vệ tinh Block II có trọng lượng khoảng 845kg, nếu được
trang bị khoang phát hiện hạt nhân NUDET (NUclear DETection) thì sẽ có
trọng lượng lớn hơn. Thời gian làm việc trung bình của mỗi vệ tinh là 7 năm

rưỡi.
Một số nhiệm vụ chính của các vệ tinh GPS:


Ghi nhận và lưu trữ thông tin được truyền đi từ bộ phận kiểm sốt.



Thực hiện các phép xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh bằng các
bộ vi xử lý đặt trên vệ tinh.

Hình 5. Vệ tinh GPS block II
Lại Mạnh Dũng

17


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học


Ngành Công Nghệ Thông Tin

Duy trì độ chính xác cao của thời gian bằng các dao động ký: hai
dao động ký bằng chất cesium và hai dao động ký khác bằng hồng
ngọc rubidium đặt trên vệ tinh.

Hình 6. Phân bố vệ tinh GPS trên quĩ đạo


Chuyển tiếp thông tin đến người sử dụng bằng những tín hiệu khác

nhau.



Thay đổi quĩ đạo bay nhờ những tên lửa đẩy được điều khiển bởi
các kỹ thuật viên điều hành hệ thống.

Sơ đồ mô tả phân bố 24 vệ tinh trong quĩ đạo quanh trái đất được trình
bày qua Hình 6. Qua hình, ta có thể thấy 24 vệ tinh được chia thành 6 nhóm,
mỗi nhóm có một mặt phẳng quĩ đạo riêng. Mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 4 vệ
tinh được phân bố đều. Hai vệ tinh kế cận trên cùng một quĩ đạo cách nhau
một góc 600 (tính trong mặt phẳng quĩ đạo). Góc nghiêng của mặt phẳng quĩ
đạo l 550.

Lại Mạnh Dũng

18


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

4.2. Cấu trúc gói dữ liệu GPS
Một gói dữ liệu GPS (GPS navigation data frame) chứa 1500 bit, được
chia đều thành 5 vùng (subframe) bằng nhau (300 bit mỗi vùng), cứ sau 30s
lại có một gói dữ liệu được truyền đi. Vùng đầu tiên chứa thông tin hiệu chỉnh
đồng hồ, vùng thứ 2, 3 cung cấp thông tin về về quỹ đạo thông qua lịch thiên
văn (ephemeris data)
Các vùng thứ 4, 5 chứa các nội dung khác của thông điệp cần truyền đi,

gồm có lịch năm, cường độ tín hiệu của tất cảc các vệ tinh, hệ số mơ hình trễ
tầng điện ly, hệ số thời gian UTC. Nội dung chọn vẹn của một thơng điệp
được chứa trong 25 gói gửi đi liên tiếp. Nội dung dữ liệu trong mỗi vùng
được kiểm soát lỗi bằng cách sử dụng bit chẵn lẻ (parity bits). Tất cả các vùng
trong một gói dữ liệu đều chứa 2 trường TLM (telemetry word) và HOW
(handover word). TLM dùng để đánh dấu điểm đầu của mỗi vùng, HOW chứa
thông tin về thời gian hệ thống GPS dùng xác định vị trí các vệ tinh và
khoảng cách từ thiết bị thu đến vệ tinh

Hình 7. Nội dung gói dữ liệu GPS

Lại Mạnh Dũng

19


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

4.3. Phương pháp xác định khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu
Sóng điện từ truyền từ vệ tinh tới máy thu có thể được biểu diễn như sau:
y = A.cos(ωt-kx+φ)

(1)

Trong đó:
A là biên độ của tín hiệu
ω là vận tốc góc của tín hiệu, ω = 2πf
k là số chu kỳ pha truyền trên một đơn vị độ dài, k tỷ lệ nghịch với

chiều dài bước sóng, k = 2π/λ (λ là chiều dài bước sóng)
t là thời gian truyền của sóng tính từ lúc được phát ra khỏi vệ tinh
φ là trị số lệch pha
Chú ý là trong các mơi trường khác nhau thì sóng truyền đi với các bước
sóng khác nhau.
Có hai cách để xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu. Nếu biết
trước tốc độ truyền v của sóng và thời điểm chính xác sóng được truyền đi từ
vệ tinh thì ta có thể dùng công thức sau đây:
x = v . ∆t

(2)

Với x là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu, v là tốc độ truyền của
sóng và ∆t là thời gian sóng truyền từ vệ tinh đến máy thu.
Phương pháp thứ hai là xác định khoảng cách dựa vào số lượng chu kỳ
pha tín hiệu trong thời gian truyền từ vệ tinh đến máy thu. Có thể biết được số
lượng chu kỳ pha bằng cách trộn tần số tín hiệu đến với một tần số đã biết. Ta
có thể xác định được khoảng cách trên đường truyền sóng tại một thời điểm
bất kỳ như sau:
Do số lượng chu kỳ pha:
n = k . x = (2π/λ) . x

(3)

Nên suy ra:

Lại Mạnh Dũng

20

Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

x = n . (λ/2π)

(4)

Đối với phương pháp thứ hai này, yêu cầu phải biết chính xác tần số của
tín hiệu do vệ tinh gửi đi và phải tìm được chính xác số lượng chu kỳ pha của
tín hiệu trên đường truyền sóng.
Ở phương pháp thứ nhất, với một sai lệch do không đồng bộ giữa đồng
hồ thời gian bên máy phát đặt trên vệ tinh và đồng hồ bên máy thu sẽ dẫn đến
một giá trị sai số rất lớn. Đó là vì trong mơi trường tự do, sóng radio truyền đi
với vận tốc ánh sáng c và chỉ với một sai số nhỏ về thời gian truyền cỡ 1µs
cũng sẽ gây ra sai số là 300m.
Với phương pháp thứ hai, yêu cầu các bộ dao động trong các máy phát
và máy thu phải đồng bộ hoàn toàn về tần số và pha. Khi đó số đo khoảng
cách được tính bằng hiệu số giữa pha tín hiệu đến và pha của bộ dao động có
trong máy thu. Hiệu pha dùng để tính khoảng cách bao gồm cả số lượng chẵn
trịn và số lẻ chu kỳ pha trong khoảng từ 00 đến 3600. Tuy nhiên, chúng ta chỉ
có thể đo trực tiếp được số lẻ của hiệu pha và như thế là chưa đủ. Chúng ta
cần phải dùng một phương pháp nào đó để có thể tìm được chính xác số
ngun lần các chu kỳ pha này. Khó khăn chính là ở tính nhập nhằng của số
lượng chu kỳ.
Với mỗi máy thu GPS, về cơ bản chỉ có thể thực hiện hai loại số đo: số
đo giả cự ly và số đo chu kỳ pha sóng mang.

4.3.1. Phương pháp đo giả cự ly (pseudo-range)

Là phương pháp xác định thời gian truyền sóng bằng cách so sánh một
bản sao của mã ở máy thu và một mã khác nhận được từ vệ tinh. Số đo giả cự
ly là tích của tốc độ truyền sóng và giá trị biến đổi thời gian cần thiết. Trên lý
thuyết, giá trị biến đổi thời gian là giá trị chênh lệch giữa thời gian nhận được
nhận được tín hiệu (đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín
hiệu (đo bằng hệ thời gian của vệ tinh). Trong thực tế, hai hệ thời gian này
Lại Mạnh Dũng

21


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

không đồng nhất và gây nên sai số vào giá trị đo giả cự ly. Vì thế nên các số
đo thời trễ sai lệch này được nói đến như là những số đo giả cự ly.
Người ta dùng một bộ dò tương quan, điều khiển bằng một vịng lặp
khố thời trễ để tìm số đo giả cự ly. Bộ dị này có nhiệm vụ so hàng tương
quan giữa bản sao của mã tạo ra từ máy thu và mã thực đến từ vệ tinh Hình 8
Mã đến từ
vệ tinh
Mã tạo ra
trong máy thu
∆
t

Hình 8. Xác định tg truyền bằng phương pháp dị tương quan
Vì vậy số đo giả cự ly chính là giá trị thời trễ cần phải bổ xung vào thời
điểm của đồng hồ của máy thu để đảm bảo bản sao mã trong máy thu và mã

nhận được từ vệ tinh là tương quan với nhau.
Một qui tắc dựa trên kinh nghiệm dùng để tính độ chính xác của các giá
trị đo giả cự ly là lấy 1% của đoạn thời gian giữa hai thời điểm bắt đầu của hai
mã liên tiếp. Đối với mã P, đoạn thời gian này là 0,1µs tức là độ chính xác
thời gian là 1ns. Với độ chính xác thời gian này thì ta có thể tính được độ
chính xác về khoảng cách đo là 30cm. Đối với mã C/A có đoạn thời gian này
là 1µs thì độ chính xác về khoảng cách đo sẽ là 3m.
Bởi vì thực tế khơng có khả năng giữ cho hai đồng hồ trên vệ tinh và
máy thu đồng bộ một cách hoàn hảo về mặt vật lý nên người ta thường phải
thực hiện bằng phương pháp toán học. Nói chung, mỗi đồng hồ sẽ chạy theo
một tốc độ riêng và giữ thời gian riêng. Mặc dù vậy, nếu biết trước được mối
quan hệ giữa hai gốc thời gian (được xác định bằng đồng hồ) thì người ta vẫn
có thể nói chúng là đồng bộ với nhau. Đương nhiên, khó khăn chính là ở chỗ
xác định mối quan hệ giữa hai gốc thời gian này. Hệ GPS làm việc dựa trên
Lại Mạnh Dũng

22


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

cơ sở giả thiết là tất cả các đồng hồ vệ tinh GPS là đồng bộ. Điều này có thể
đạt được bằng cách đo một cách chính xác các trị số chênh lệch thời gian giữa
các đồng hồ vệ tinh được đếm giờ bởi những bộ điều khiển được đặt tại các
trạm điều khiển mặt đất của hệ GPS, đồng thời kết hợp các số hiệu chỉnh toán
học nhận được vào trong thông điệp vệ tinh phát tới máy thu của người sử
dụng. Vì vậy, người sử dụng có thể giả thiết mọi cự ly GPS, được đo đồng
thời bằng các máy thu GPS, là liên quan đến cùng một đồng hồ.

4.3.2. Phương pháp đo số chu kỳ sóng mang (carrier beat phase)
Là phương pháp đo dựa trên pha của tín hiệu sóng dư rớt lại khi sóng
mang từ vệ tinh truyền đến máy thu (đã bị ảnh hưởng của dịch chuyển
Doppler) khác pha với sóng do máy thu tạo ra. Giá trị này có thể tìm thấy từ
kênh tương quan hoặc kênh cầu phương. Kênh cầu phương thực hiện phép
bình phương tín hiệu để nhận được hàm tuần hồn thứ hai của sóng mang
khơng chứa các nội dung điều biến của mã.
Kênh cầu phương sóng mang được tính như sau:
y2 = A2. cos2(ωt+φ) = 0,5 . A2 . [1+cos(2ωt+2φ)]

(5)

Vì A(t) là chuỗi liên tục các trị số +1 và -1 thể hiện nội dung của mã nên
A(t)2 ln ln có giá trị bằng 1, do đó nội dung của mã bị loại bỏ. Khi đó tín
hiệu y2 chỉ cịn lại sóng mang nhưng có tần số lớn gấp đơi tần số ban đầu.
Bởi vì chiều dài bước sóng của sóng mang ngắn hơn nhiều lần chiều dài
bước sóng của bất kỳ mã nào nên độ chính xác của giá trị đo số chu kỳ pha
của sóng mang cao hơn nhiều so với kết quả nhận được từ phương pháp đo
giả cự ly. Đối với sóng mang L1 của hệ thống GPS, chiều dài bước sóng
khoảng 20cm. Nếu cho rằng các số đo chu kỳ pha có thể đạt độ chính xác 1%
bước sóng thì độ chính xác về khoảng cách có thể đến 2mm.

Lại Mạnh Dũng

23


Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học

Ngành Công Nghệ Thông Tin

Tuy có độ chính xác cao như trên nhưng phương pháp đo số chu kỳ pha
sóng mang có hai nhược điểm chính, đều liên quan đến vấn đề khơng xác
định của chu kỳ.
Rất khó xác định chính xác số lượng số nguyên lần chu kỳ sóng mang
truyền đi từ vệ tinh đến máy thu. Có một cách giải quyết là dựa vào những số
đo được coi là có cùng một trị số khơng xác định về số lượng chu kỳ sóng
mang được truyền.
Hầu hết các máy thu đều có thể đếm được số nguyên lần chu kỳ sóng
mang khi có sự thay đổi khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu tại mọi thời
điểm. Tuy nhiên vì nhiều lý do khác nhau (ví dụ như tín hiệu bị nhiễu hoặc
ăng ten bị che khuất) mà các máy thu sẽ bị lẫn về số chu kỳ. Để khắc phục
nhược điểm này, có thể áp dụng các tính tốn xử lý hậu kỳ để phát hiện và
hiệu chỉnh những nhầm lẫn đó. Tuy nhiên, khả năng có các nhầm lẫn về chu
kỳ cũng sẽ hạn chế phương pháp đo số chu kỳ pha sóng mang trong các ứng
dụng định vị theo thời gian thực.

4.4. Cấu trúc máy thu GPS
Máy thu GPS là phần cứng dùng để theo dõi vệ tinh, thu nhận các tín
hiệu vệ tinh đã được miêu tả ở phần trên. Cấu trúc cơ bản của một máy thu
GPS được trình bày như sơ đồ ở Hình 9 bao gồm:


Ăng ten và bộ tiền khuyếch đại



Phần nhận tần số vô tuyến RF



Bộ vi xử lý



Bộ nhớ



Cổng giao diện hoặc khối điều khiển và hiển thị



Nguồn nuôi

Lại Mạnh Dũng

24