(Luận văn thạc sĩ) một số kỹ thuật định vị vô tuyến và ứng dụng trong dẫn đường theo ngữ cảnh

i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

VŨ THỊ MAI DUYÊN

MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG
TRONG DẪN ĐƯỜNG THEO NGỮ CẢNH
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60480101

Luận văn Thạc sỹ Khoa học máy tính

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Việt Bình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận văn: “Một số
kỹ thuật định vị vô tuyến và ứng dụng trong dẫn đường theo ngữ cảnh” là cơng
trình nghiên cứu của riêng em, khơng sao chép từ bất kỳ một cơng trình nào khác.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn được sử dụng là trung thực, đã
được kiểm chứng và chưa được cơng bố trong bất kỳ cơng trình của tác giả nào
khác.
Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 7 năm 2016
Học viên

Vũ Thị Mai Duyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii
LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Phạm
Việt Bình –Nguyên Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền
thông – Đại học Thái Nguyên là người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và
hết lịng giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn này.
Xin trân trọng cảm ơn tới Ban lãnh đạo, các thầy cô giáo trường Đại học Công
nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên đã chia sẻ và động viên giúp em vượt
qua mọi khó khăn để hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu của mình.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và những người đã ln ủng hộ,
quan tâm, giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất và là chỗ dựa vững chắc giúp
em có thể hồn thành luận văn.
Cuối cùng em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công tới tất cả quý thầy
cô và gia đình cùng tồn thể các bạn.
Thái Ngun, ngày 20 tháng 7 năm 2016
Học viên

Vũ Thị Mai Duyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

i

LỜI CẢM ƠN

iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

vii

MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN

3

1.1. Giới thiệu

3

1.2. Các thành phần của hệ thống GPS [1]

3

1.2.1. Trạm không gian

4

1.2.2. Trung tâm điều khiển

4

1.2.3. Máy thu GPS

5

1.2.4. Quỹ đạo vệ tinh GPS

5

1.3. Nguyên tắc hoạt động của GPS

6

1.4. Độ chính xác của hệ thống GPS

7

1.5. Đặc điểm tín hiệu GPS

8

1.6. Một số hệ thống định vị khác

13

1.6.1. Hệ thống định vị toàn cầu Glonass

13

1.6.2. Galileo của Châu Âu

15

1.6.3. Hệ thống định vị Beidou

16

1.6.4. IRNSS

18

1.7. Định vị vô tuyến dựa vào cường độ tín hiệuRFID[7]

19

1.8. Một số phương pháp định vị vô tuyến trong nhà

21

1.9. Ứng dụng của hệ thống định vị

22

1.9.1. Ứng dụng định vị trong quản lý giao thông

22

1.9.2. Ứng dụng định vị trong trợ giúp người thân

22

1.9.3. Ứng dụng định vị quản lý kho hàng và hỗ trợ mua sắm

22

1.9.4. Ứng dụng định vị quản lý động vật hoang dã

22

CHƯƠNG 2:MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ VƠ TUYẾN

24

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v

2.1. Giới thiệu

24

2.2. Kỹ thuật định vị vô tuyến dựa vào tín hiệu GPS

24

2.2.1. Phân tích bản tin định vị NMEA 0183

24

2.2.2. Nguyên tắc định vị của hệ thống định vị GPS

30

2.3. Kỹ thuật định vị vô tuyến sử dụng tín hiệu Wi-Fi

35

2.3.1. Một số khái niệm

35

2.3.2. Kỹ thuật định vị dựa vào khoảng cách

36

2.3.3. Kỹ thuật định vị K-Nearest Neighbor

41

2.3.4. Kỹ thuật định vị SVM (Support Vector Machine) [9]

43

2.3.5. Kỹ thuật định vị sử dụng mạng neural

44

2.3.6. Thách thức của hệ thống định vị không dây

45

2.3.6.1. Thách thức của kỹ thuật định vị bằng GPS.

45

2.3.6.2. Thách thức của kỹ thuật định vị vô tuyến trong nhà.

45

CHƯƠNG 3:ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ GPS XÂY DỰNG HỆ
THỐNG DẪN ĐƯỜNG THEO NGỮ CẢNH
47
3.1. Đặt vấn đề

47

3.2. Cài đặt hệ thống

48

3.2.1. Mô hình hệ thống

48

Hình 3.1: Mơ hình hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh

48

3.2.2. Lập bản đồ 2D của trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền
thông.
49
3.2.3. Cài đặt thuật toán phần mềm trên smartphone

52

3.3. Kết quả cài đặt

58

3.4. Đánh giá kết quả cài đặt

61

KẾT LUẬN

63

TÀI LIỆU THAM KHẢO

64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Từ gốc

Nghĩa tiếng việt

GPS

Global Posintioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

WAAS

Wide Area Augmentation
System

Hệ thống bổ sung diện rộng

IRNSS

Indian Regional Navigational
Satellite System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường
khu vực Ấn Độ

RFID

Radio Frequency Identification

Nhận dạng tần số vô tuyến điện

NMEA

National Marine Electronics
Association

Hiệp hội Hàng hải điện tử quốc
gia

TOA

Time of Arrival

Thời gian đến

TDOA

Time Difference of Arrival

Sai khác thời gian đến

RSS

Received Signal Strength

Cường độ tín hiệu thu được

SVM

Support Vector Machine

Máy vector hỗ trợ

SRM

Structural Risk Minimization

Cấu hình giảm thiểu rủi ro

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Mơ hình quỹ đạo hệ thống định vị GPS[1]

4

Hình 1.2: Phân bố các trạm điều khiển mặt đất. [1]

5

Hình 1.3: Mơ hình hoạt động GPS. [1]

7

Hình 1.4: Phổ tín hiệu GPS. [1]

8

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của hệ thống. [1]

9

Hình 1.6: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu GPS. [1]

11

Hình 1.7: Sơ đồ giải điều chế tín hiệu GPS.[1]

12

Hình 1.8: Phương pháp tạo mã C/A.

13

Hình 1.9: Các nhóm phương pháp định vị vơ tuyến trong nhà[3]

21

Hình 2.1. Cấu trúc dữ liệu GPS. [1]

28

Hình 2.2: Vị trí các vật thể được xác định qua 4 phép đo.[1]

30

Hình 2.3: Định vị điểm bằng vệ tinh. [1]

31

Hình 2.4: Kỹ thuật định vị TOA với 2 thiết bị phát sóng [8]

37

Hình 2.5: Kỹ thuật định vị TOA với 3 thiết bị phát sóng [8]

38

Hình 2.6: Minh họa định vị bằng kỹ thuật TDOA[3]

40

Hình 2.7: Phương pháp Neural Network với hàm xử lý phi tuyến tính.[9] 45
Hình 3.1: Mơ hình hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh

48

Hình 3.2: Mơ hình hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh

50

Hình 3.3: Bản đồ xác định điểm GPS

52

Hình 3.4: Thuật tốn đọc vị trí hiện tại của thiết bị

53

Hình 3.5: Thuật tốn đọc vị trí đối tượng tiếp cận

55

Hình 3.6: Thuật tốn xác định thơng tin ngữ cảnh

57

Hình 3.7: Thuật tốn dấn đường

58

Hình 3.8: Kết quả định vị khi ở giảng đường C5

59

Hình 3.9: Kết quả định vị khi ở giảng đường C1

60

Hình 3.10: Kết quả định vị khi ở giảng đường C3

61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, đặc biệt
là trong lĩnh vực công nghệ điện tử và công nghệ thông tin đã tạo động lực thúc
đẩy sản xuất, nghiên cứu và ứng dụng trên thiết bị di động trở lên ngày càng phổ
biến trên thế giới, cũng như ở Việt Nam. Bởi vậy, hàng loạt các hướng nghiên cứu
trên thiết bị di động đang được triển khai, trong đó có hướng nghiên cứu phát triển
kỹ thuật định vị vô tuyến cho thiết bị đi động ở mơi trường khác nhau (ngồi trời,
trong nhà, hầm lị,…).
Bài tốn định vị hay xác định vị trí thiết bị di động được xem là bài tốn rất
quan trọng trong hệ thống truyền thông di động. Thông qua kết quả định vị sẽ cho
phép chúng ta có thể xác định vị trí, tính khoảng cách để thực hiện các ứng dụng
và phát triển dịch vụ mới như xác định vị trí sản phẩm trong kho hàng, phát hiện

vị trí nhân viên y tế, bệnh nhân trong bệnh viện, phát hiện vị trí đối tượng thất lạc,
hay dựa theo vị trí đáp ứng ngữ cảnh phù hợp, hay ứng dụng dị đường, cứu nạn,...
Nhờ đó, chúng ta tiết kiệm thời gian và chi phí trong cuộc sống hiện đại khi mà
nhu cầu định vị ngày càng gia tăng cùng với sự phát triển của thế giới. Bởi thế,
trong nhiều năm qua, hệ thống định vị được phát triển và độ chính xác ngày càng
cao thơng qua việc phát triển hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global Postioning
System) hay hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS - Global Navigation Satellite
System). Trong nhiều năm qua, hệ thống định vị vô tuyến được phát triển rất đa
dạng và việc nghiên cứu nâng cao độ chính xác trong kỹ thuật định vị luôn được
nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
Tuy nhiên, khi ở phạm vi nhỏ hay đối tượng cụ thể (tịa nhà, địa điểm lịch
sử) thì độ chính xác vị trí của thiết bị di động so với đối tượng nhỏ này sẽ không
xác định được hoặc thiếu chính xác. Đặc biệt là khi ở mơi trường trong nhà thì tín
hiệu của hệ thống GPS gần như mất do bị che khuất. Do đó, việc xác định vị trí

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2
hay định vị thiết bị di động trong phạm vi hẹp hay ở mơi trường trong nhà đang
là bài tốn cần thiết được nghiên cứu nhằm nâng cao độ chính xác cho việc định
vị thiết bị di động trong nhà với mơi trườngvơ tuyến.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu một số kỹ thuật định vị vô tuyến như định vị
dựa hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global Postioning System), định vị dựa vào
hệ thống wifi và ứng dụng trong hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh là vấn đề
nghiên cứu có tính khoa học và ý nghĩa thực tiễn. Do đó, em lựa chọn đề tài của
luận văn là “Một số kỹ thuật định vị vô tuyến và ứng dụng trong dẫn đường theo
ngữ cảnh”. Đề tài tập trung nghiên cứu về một số kỹ thuật định tuyến vơ tuyến và

từ đó làm nền tảng cơ sở cho việc cài đặt thử nghiệm hệ thống định vị ứng dụng
cho dẫn đường theo ngữ cảnh.
Luận văn gồm có 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về định vị vô tuyến. Chương này tìm hiểu tổng
quan về khái niệm, kiến trúc, đặc điểm, những vấn đề và ứng dụng của hệ thống
định vị vô tuyến.
Chương 2. Một số kỹ thuật định vị vơ tuyến. Chương này trình bày một
số kỹ thuật định vị vơ tuyến, phân tích, đánh giá các kỹ thuật đó. Trên cơ sở đó
lựa chọn một kỹ thuật để cài đặt ở chương 3.
Chương 3. Ứng dụng kỹ thuật định vị xây dựng hệ thống dẫn đường
theo ngữ cảnh. Chương này trình bày về quá trình cài đặt thuật toán định vị bằng
GPS, kết quả thử nghiệm và đánh giá.
Cuối cùng là phần kết luận về kết quả thực hiện và hướng phát triển của
luận văn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN

1.1. Giới thiệu
Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi
hỏi 1 kỹ thuật mà các hệ thống cũ khơng thể đáp ứng được đó là định vị trong
không gian 3 chiều, đứng trước sự địi hỏi đó chính phủ Mỹ đã tài trợ 1 chương
trình nghiên cứu hệ thống định vị và dẫn đường trong vũ trụ. Với Bộ quốc phòng
Mỹ là cơ quan thiết kế và điều khiển hệ thống định vị toàn cầu. Trong nhóm tham
gia điều hành dự án GPS cần phải kể đến Phd. Ivan Getting và Bradford Parkinson

đã góp phần đáng kể trong dự án. GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên
quỹ đạo, thu thập thơng tin tồn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên
mặt đất. Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương
tiện thám hiểm trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Hệ
GPS là hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh do Hoa Kỳ kiểm sốt và duy trì hoạt
động, ngồi ra Nga và Trung Quốc cũng phát triển mở rộng có hệ thống định vị
riêng cho mình.
1.2. Các thành phần của hệ thống GPS [1]
Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần: Trạm không gian (Space Segment),
trung tâm điều khiển (Control Segment), và máy thu tín hiệu GPS (User Segment).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

Hình 1.1: Mơ hình quỹ đạo hệ thống định vị GPS[1]
1.2.1. Trạm không gian
Trạm không gian bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo liên tục phát tín hiệu quảng
bá khắp tồn cầu và được ví như trái tim của tồn hệ thống. Các vệ tinh được cấp
nguồn hoạt động bởi các tấm pin mặt trời và được thiết kế để hoạt động trong
vòng gần 8 năm. Nếu các tấm pin mặt trời bị hỏng thì vệ tinh sẽ hoạt động nhờ
các ắc quy dự phòng được gắn sẵn trên vệ tinh. Ngồi ra trên vệ tinh cịn có một
hệ thống tên lửa nhỏ để hiệu chỉnh quỹ đạo bay của vệ tinh. Mỹ đã phóng vệ tinh
GPS đầu tiên vào những năm 1978 và tiếp tục hồn thiện việc phóng 24 vệ tinh
lên quỹ đạo vào năm 1994.
1.2.2. Trung tâm điều khiển
Gồm có 4 trạm thu tín hiệu phát đi từ vệ tinh (Monitor Station) và một trạm

chủ (Master Control) để phát tín hiệu lên vệ tinh. Bốn trạm thu được đặt ở các địa
điểm khác nhau trên khắp thế giới: Một được đặt tại đảo Hawaii, một trên đảo
Kwajalein (Thái Bình Dương); một được đặt trên đảo Diego Garcia (Ấn Độ
Dương) và một trạm được đặt ở đảo Ascension (Đại Tây Dương). Trạm chủ được
đặt tại trại Falcon của Không Lực Hoa Kỳ tại Bang Colorado. Bốn trạm thu tín
hiệu có nhiệm vụ thu tín hiệu chứa thơng tin về quỹ đạo và thời gian từ vệ tinh
gửi về sau đó gửi nhưng thơng tin này cho trạm chủ. Trạm chủ sẽ hiệu chỉnh
những thông tin nhận được và gửi lại những thông tin đã được hiệu chỉnh lên vệ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5
tinh để điều chỉnh quỹ đạo bay và đồng bộ thời gian cho các vệ tinh cùng với
thông tin về sự suy hao đường truyền.
Hệ thống điều khiển mặt đất bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm
trung tâm và trạm con. Các trạm con vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh,
gửi tới cho trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi thơng tin đã được hiệu chỉnh trở
lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín
hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thơng tin chính xác tuyệt
đối vào bất kỳ thời điểm nào.

Hình 1.2: Phân bố các trạm điều khiển mặt đất. [1]
1.2.3. Máy thu GPS
Đây là thành phần cuối cùng trong hệ thống GPS. Vì tín hiệu từ vệ tinh
GPS được phát quảng bá trên toàn bộ trái đất nên số lượng máy thu GPS là không
giới hạn. Máy thu GPS sẽ thu các tín hiệu mang thơng tin về cự ly, thời gian, trễ
truyền sóng được phát xuống từ 4 vệ tinh để xác định vị trí cũng như tốc độ của
mình.

1.2.4. Quỹ đạo vệ tinh GPS
Hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh địa tĩnh, trong đó có 03 vệ tinh dành cho
dự phịng, trong tương lai Mỹ sẽ tiếp tục phóng thêm 04 vệ tinh GPS nữa lên quỹ
đạo để bảo đảm dự phòng 1:3 cho toàn bộ hệ thống. Vệ tinh GPS bay theo sáu
quỹ đạo, mỗi quỹ đạo có 04 vệ tinh, mặt phẳng quỹ đạo bay nghiêng 550 so với
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




6
mặt phẳng xích đạo trái đất và các góc xn phân của quỹ đạo lệch nhau số lần
nguyên của 600. Vệ tinh GPS bay quanh trái đất với quỹ đạo trịn, có tâm trùng
với tâm của trái đất với bán kính 26.500km (các bề mặt trái đất khoảng 20.200
km) và quay hết một vòng quanh trái đất trong nửa ngày thiên văn (tương đương
11,96 giờ).
1.3. Nguyên tắc hoạt động của GPS
Trong một ngày, các vệ tinh GPS di chuyển 2 vòng trái đất với quỹ đạo đã
được lập sẵn và liên tục quảng bá tín hiệu vơ tuyến (các thơng tin đã được mã hóa)
tới các máy thu GPS bao gồm thông tin thiên văn, mã giả ngẫu nhiên… Thông tin
này có giá trị trong vài giờ cung cấp thơng tin quỹ đạo của vệ tinh. Với các thông
tin trên máy thu GPS tính tốn vị trí của vệ tinh tại mọi thời điểm.
Mỗi một vệ tinh có mã giả ngẫu nhiên riêng biệt, mã này kết hợp với thông
tin được mã hóa. Cả vệ tinh lẫn máy thu đều tạo ra cùng một mã tại cùng thời
điểm, và sử dung nó để tái cấu trúc dữ liệu. Tuy nhiên do sự trễ truyền tín hiệu
nên tin hiệu vệ tinh sẽ chậm sau tín hiệu máy thu khi nó tới trái đất.Thời gian này
gọi là thời gian truyền. Do đó, khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu có thể được
tính theo cơng thức như sau:
- Distance = speed x (Travel time ).
- Speed = speed of light (3 x 108 (m/s)).

Máy thu GPS là thành phần thứ 3 của hệ thống GPS. Nó có thể được bổ
sung các phần mềm như máy tính cá nhân mà khơng cần cấu tạo lại phần cứng.
Khái niệm SDR không mới thể hiện khả năng có thể thực hiện nhiều q trình của
thiết bị điện tử số.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

Hình 1.3: Mơ hình hoạt động GPS. [1]
1.4. Độ chính xác của hệ thống GPS
Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh
hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin)
nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối
bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng.
Trạng thái của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ
chính xác của máy thu GPS. Các máy thu GPS trong các ứng dụng dân sự như
điện thoại di động có độ chính xác trung bình khoảng 15 mét. Các máy thu mới
hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính
xác trung bình tới dưới 3 mét. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn
với GPS vi sai (DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng
3 đến 5 mét. Cục phịng vệ bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống
bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các
máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín
hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống GPS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8
- Khi các vệ tinh ở quá gần nhau, chúng sẽ khiến việc xác định vị trí chính
xác trở nên khó khăn hơn.
- Vì tín hiệu radio đi từ vệ tinh xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu, tốc
độ cần thiết để tín hiệu truyền tới thiết bị nhận sẽ bị chậm đi.
- Chướng ngại vật lớn như các dãy núi hay các tòa nhà cao tầng cũng làm
cho thông tin sai lệch. Dưới các tầng hầm hoặc đường hầm, tín hiệu nhận được sẽ
rất yếu hoặc thậm chí khơng thu được tín hiệu từ vệ tinh.
- Giữa thiết bị thu tín hiệu GPS của người dùng với vệ tinh có thể khơng
hồn tồn trùng khớp về mặt thời gian, và các vệ tinh đôi khi chạy lệch khỏi quỹ
đạo.
1.5. Đặc điểm tín hiệu GPS
Tín hiệu GPS được truyền ở 2 tần số trên băng UHF từ tần số cơ bản
f0=10,23 MHz. Hai tần số truyền tín hiệu của GPS là L1=154f0=1575,42 MHz
và L2=120f0=1227.60 MHz, với các bước sóng tương ứng lần lượt là ~19 cm và
~24.4 cm. Tất cả những vệ tinh GPS đều phát cùng một cặp tần số sóng mang L1
và L2. Tuy nhiên, điều chế mã thì khác nhau đối với từng vệ tinh, do đó tối thiểu
hóa một cách đáng kể can nhiễu vệ tinh.

Hình 1.4: Phổ tín hiệu GPS. [1]
Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần số thấp khác nhau,
được gọi là L1, L2. Những thiết bị nhận tín hiệu GPS bắt sóng L1, ở dải tần số
UHF 1575,42Mhz, bắt sóng L2 ở tần số 1227.6 Mhz. Một đài phát thanh FM
thường cần có cơng suất chừng 100.000 watt để phát sóng, nhưng một vệ tinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

9
định vị tồn cầu chỉ địi hỏi 20-50 watt để đưa tín hiệu đi xa 20.200 km.Các vệ
tinh GPS phát hai tín hiệu vơ tuyến cơng suất thấp giải L1 và L2.(Giải L là phần
sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz). GPS dân sự dùng
tần số L1 575,42 MHz trong giải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng
sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng
cứng như núi và nhà.Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả
ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch:
- Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ
tinh nào là phát thông tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang
vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào.
- Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở
mỗi thời điểm trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thơng tin
quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống.
- Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan
trọng về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay khơng), ngày giờ hiện tại. Phần này
của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí.

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của hệ thống. [1]
Nguyên lý hoạt động thể hiện qua hình 1.6 .Với GPS, các tín hiệu từ các vệ
tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người dùng và được đo theo phép tam giác

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

10
đạc. Để thực hiện phép tam giác đạc, GPS đo khoảng cách thơng qua thời gian
hành trình của bản tin vô tuyến từ vệ tinh tới một máy thu mặt đất. Để đo thời
gian hành trình, GPS sử dụng các đồng hồ rất chính xác trên các vệ tinh. Một khi
khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì việc biết trước về vị trí vệ tinh trong khơng
gian sẽ được sử dụng để hồn thành tính tốn. Các máy thu GPS trên mặt đất có
một “cuốn niên giám” được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị
mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi nào trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào. Các máy thu
GPS sẽ tính tốn các thời gian trễ qua tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tục làm
chính xác hơn phép đo vị trí. Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ
với nhau, mỗi vệ tinh có bốn đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns,
tức ba phần tỷ giây. Nhằm tiết kiệm chi phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới
đất được làm ít chính xác hơn đơi chút. Bù lại, một phép đo tầm hoạt động vệ tinh
được trang bị thêm. Phép đo lượng giác chỉ ra rằng, nếu ba số đo chính xác định
vị được vị trí một điểm trong khơng gian ba chiều thì một phép đo thứ tư có thể
loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào đó. Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng
bộ hố khơng hồn hảo của máy thu. Khối mặt đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới
với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng. Ngay như tại tốc độ như vậy tín hiệu cũng phải
mất một lượng thời gian đáng kể mới tới được máy thu. Sự chênh lệch giữa thời
điểm tín hiệu được gửi đi và thời điểm tín hiệu được thu nhận với tốc độ ánh sáng
cho phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

Hình 1.6: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu GPS. [1]
Các mã được điều biến trên song mang theo phương thức điều chế BPSK:
- Với Tần số sóng mang L1 : 1.575,42 Mhz ( băng L ).
- Mức công suất tối thiểu : - 160 dBw tại bề mặt trái đất.
- Mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN C/A có tần số 1.203 Mhz, chu kỳ 1ms.
- Sóng mang L1 được điều biến bằng cả hai mã ( mã C/A và P hoặc Y ).
- Sóng mang L2 được điều biến bằng mã P hoặc mã Y.
- Các mã được điều biến trên sóng mang theo phương thức điều chế BPSK.
Thơng điệp vệ tinh dưới dạng dữ liệu số tốc độ 50b/s được cộng mô-đun 2
với mã C/A để điều chế trên sóng mang L1. Thơng điệp vệ tinh sẽ được các máy
thu giải mã và dùng để xác định vị trí theo thời gian thực.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

Hình 1.7: Sơ đồ giải điều chế tín hiệu GPS.[1]
Tín hiệu sóng mang GPS đi đến 2 bộ nhân, 2 bộ nhân để thực hiện giải điều
chế. Lọc vòng: lọc điện áp từ ngỏ của bộ nhân để đưa vào điều chỉnh tần số và pha
của bộ dao dộng VCO.
Bộ nhân thứ 3 mục đích để tìm kiếm sai pha giữa sóng mang 2 BPSK và
sóng mang khơi phục. Kết quả sai pha sẽ thể hiện bằng điện áp lỗi.
Tốc độ đồng hồ (Clock rate): Mọi thành phần của tín hiệu GPS đều dựa trên
tốc độ cơ bản của đồng hồ là 10.23 Mhz. Trên thực tế, tốc độ đồng hồ vệ tinh được
cố ý đặt thấp hơn 4.45  10-10 so với giá trị danh nghĩa nói trên ( tức là
10.299.999,99545 Hz) để bù trừ các hiệu ứng tương quan trung bình bao gồm
chênh lệch trung bình thế trọng trường giữa vệ tinh và người sử dụng.

- Tần số Chip mã C/A là 1,023 Mhz.
- Các chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên ( PRN ) của mã C/A đều được tạo bởi
bộ ghi dịch hồi tiếp 10 bit ( Feedback Shift Register ). Xung đồng hồ được đưa vào
bộ ghi dịch ở bit thứ nhất và nội dung của mã C/A được lấy ra ở bit thứ 10. Đặc
tính riêng của bộ ghi dịch hồi tiếp phụ thuộc vào cách thức nhận thống tin vào tại

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13
bit 1. Vệ tinh GPS sử dụng bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap (Tapped Feedback Shift
Register).

Hình 1.8: Phương pháp tạo mã C/A.[1]
- Hoạt động của bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap mô tả như sau : Mã C/A được
tạo bằng hai bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap 10 bit, bộ G1 có đa thức 1 + x3 + x10 và
G2 có đa thức 1 + x2 + x3 + x6 + x8 + x9 + x10. Phương pháp lấy dữ liệu ra được
thể hiện trong hình 2-3 là tạo mã C/A cho vệ tinh có mã nhiễu giả ngẫu nhiên
PRN1. Thực chất phương pháp này là làm trễ mã PRN bằng cách chọn các cặp đầu
ra (Tap) khác nhau. Các quan hệ thời gian liên quan đến mã C/A được mơ tả trên
hình 2-4. Nhiều cặp trị số Tap khác nhau được dùng để tạo ra một bộ đầy đủ gồm
32 mã nhiễu giả ngẫu nhiên.
1.6. Một số hệ thống định vị khác
1.6.1. Hệ thống định vị toàn cầu Glonass
GLONASS là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Liên bang Nga, tương
tự như GPS (NAVSTAR) của Hoa Kỳ hay Galileo của Liên minh châu Âu.Nền
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

14
của hệ là 24 vệ tinh, chuyển động trên bề mặt Quả Đất theo 3 mặt quỹ đạo với góc
nghiêng 64,8°, và độ cao 19100 km.Vệ tinh đầu tiên của GLONASS được Liên Xô
đưa lên quỹ đạo ngày 12 tháng 10 năm 1982, vào ngày 24 tháng 9 năm 1993hệ
chính thức được đưa vào sử dụng.
Các vệ tinh của hệ GLONASS liên tục phóng ra các tín hiệu định vị theo 2
dạng: tín hiệu định vị chính xác chuẩn (Ch) ở tần số L1 (1,6 GHz) và tín hiệu định
vị chính xác cao (C) ở tần số L1 và L2 (1,2 GHz). Thơng tin, cung cấp bởi tín hiệu
định vị Сh, mở cho tất cả người dùng trên nền toàn cầu và liên tục và đảm bảo khi
dùng máy thu GLONASS, khả năng xác định:
- Các tọa độ ngang với độ chính xác 50-70 m (độ tin cậy 99,7%);
- Các tọa độ đứng với độ chính xác 70 m (độ tin cậy 99,7%);
- Các véc-tơ thành phần của vận tốc với độ chính xác 15 cm/s (độ tin cậy
99,7%)
- Thời gian chính xác với độ chính xác 0,7 mcs (độ tin cậy 99,7%).
Các độ chính xác này có thể tăng lên đáng kể, nếu dùng phương pháp định
vị vi phân và/hay các phương pháp đo bổ sung đặc biệt. Vào thời điểm này
nhóm vệ tinh gồm 17 làm việc trong hệ vệ tinh, cịn 2 tạm thời khơng được dùng
và 2 chưa được đưa vào hệ. Số lượng này chưa đủ để bao phủ toàn bộ bề mặt của
trái đất, cụ thể là:
- Độ mở tích phân GLONASS trên Quả Đất: 80%
- Độ mở tích phân GLONASS trên Nga: 94%
- Đứt quãng tối đa của sự định vị trên Quả Đất: 2.4 giờ
- Đứt quãng tối đa của sự định vị trên Nga: 0.5 giờ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

15
Cần tăng số lượng vệ tinh lên 18 trên lãnh thổ Nga để việc định vị liên tục
được đảm bảo 100%.. Việc định vị liên tục thực sự trên toàn bộ khu vực của quả
đất được bảo đảm trên nhóm quỹ đạo từ 24 vệ tinh.
Các máy vũ trụ làm việc trong thời gian hiện tại gồm 6 vệ tinh GLONASSM có thời gian bảo hành tồn tại tích cực là 7 năm. Các vệ tinh này, khác với các
máy thế hệ trước, phóng 2 tín hiệu dành cho các nhu cầu dân dụng, cho phép tăng
độ chính xác của việc xác định vị trí. Các vệ tinh “GLONASS-М” trong thành phần
nhóm quỹ đạo sẽ nằm, như tối thiểu, đến năm 2015. Các thử nghiệm bay của các
vệ tinh thế hệ mới “GLONASS-K” với các đặc tính tốt hơn (thời gian bảo hành
tăng lên 10 năm và tần số thứ 3 dành cho các nhu cầu dân dụng) cần được bắt đầu
vào năm 2008.
1.6.2. Galileo của Châu Âu
Galileo là một hệ thống dẫn đường vệ tinh hiện đang được xây dựng bởi
Liên minh châu Âu (EU) và Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA). Dự án € 20 tỷ được
đặt theo tên nhà thiên văn học Ý Galileo Galilei. Một trong những mục tiêu của
Galileo là cung cấp một hệ thống định vị có độ chính xác cao khi mà các quốc gia
châu Âu có thể phụ thuộc, độc lập từ Nga GLONASS, GPS của Mỹ, và Compass
của Trung Quốc hệ thống, có thể được vơ hiệu hóa trong thời gian chiến tranh hoặc
xung đột. Khi hoạt động nó sẽ sử dụng hai mặt đất hoạt động trung tâm gần Munich,
Đức và ở Fucino, Italy .
Galileo khác với GPS của Hoa Kỳ và GLONASS của Liên bang Nga ở chỗ
nó là một hệ thống định vị được điều hành và quản lý bởi các tổ chức dân dụng,
phi quân sự. Galileo theo kế hoạch sẽ chính thức hoạt động vào năm 2010, muộn
2 năm so với kế hoạch ban đầu.
- 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động chính và 3 vệ tinh dự phòng)
- Độ cao quỹ đạo: 23.222 km (quỹ đạo tầm trung)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

16
- Phân bố trên 3 mặt chính, góc nghiêng 56 độ
- Tuổi thọ thiết kế của vệ tinh: > 12 năm
- Trọng lượng vệ tinh: 675 kg
- Kích thước vệ tinh: 2,7 m × 1,2 m × 1,1 m
Hệ Galileo hoạt động trên những giải tần số khoảng 1250 MHz và 1570
MHz. Những giải tần số vô tuyến này được chọn để thích hợp với những giải tần
số của hệ GPS (Global positioning system) nhằm hoạt động cùng với GPS và cũng
để tránh xâm phạm vào những giải tần số dành riêng cho các nhà Thiên văn vô
tuyến dùng để nghiên cứu những bức xạ vũ trụ. Bởi vì sự đo đạc thời gian phát tín
hiệu vơ tuyến từ các vệ tinh và thời gian thu tín hiệu tại các trạm trên mặt đất cần
phải thật chính xác nên các vệ tinh cũng như các trạm trên trái đất phải được trang
bị đồng hồ nguyên tử và các đồng hồ phải khớp với nhau để quản lý toàn bộ hệ
Galileo. Hai trung tâm điểu khiển vệ tinh được đặt tại châu Âu và hàng chục trạm
phát và thu tín hiệu được đặt rải rác trên toàn cầu. Với dự án Galileo, Cộng đồng
châu Âu tỏ ra có khả năng kỹ thuật cao có thể sánh vai cùng các cường quốc khác
trong công việc chinh phục không gian vũ trụ với mục tiêu dân sự. Khi Galileo
được đưa vào hoạt động, sẽ chấm dứt độc quyền của GPS của Mỹ trong dịch vụ
định vị bằng vệ tinh. Dự án Galileo còn thu hút sự tham gia của những nước châu
Á đã có khả năng phóng vệ tinh lên Vũ trụ như Ấn Độ, Trung quốc và Nhật bản.
Thị trường định vị bằng vệ tinh đang phát triển về mặt kinh tế.
1.6.3. Hệ thống định vị Beidou
Beidou Navigation System là là 1 kế hoạch do Trung quốc phát triển, là 1 hệ
thống dẫn đường độc lập. Kế hoạch bắt đầu từ ngày 30-10-2000, đây là ngày phóng
vệ tinh đầu tiên Beidou 1A. Hệ thống BeiDou đầu tiên, chính thức được gọi là
BeiDou truyền hình vệ tinh Navigation Thử nghiệm hệ thống, hoặc được biết đến

là BeiDou-1, bao gồm ba vệ tinh và cung cấp vùng phủ sóng hạn chế và ứng dụng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




17
Nó đã được cung cấp dịch vụ chuyển hướng, chủ yếu là cho các khách hàng ở
Trung Quốc và khu vực lân cận, kể từ năm 2000. Thế hệ thứ hai của hệ thống, được
gọi là Compass hoặc BeiDou-2. BeiDou-2 khơng phải là một phần mở rộng hiện
có BeiDou-1, mà là sẽ thay thế nó hồn tồn. Hệ thống mới sẽ là một chịm sao của
35 vệ tinh, trong đó bao gồm 5 vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh cho tính tương thích ngược
với BeiDou-1, và 30 vệ tinh phi địa tĩnh (27 trong quỹ đạo trái đất trung bình và 3
trong quỹ đạo địa tĩnh nghiêng), sẽ cung cấp bảo hiểm đầy đủ của tồn cầu. Sẽ có
hai cấp độ dịch vụ được cung cấp dịch vụ miễn phí cho dân thường và dịch vụ được
cấp phép chính phủ Trung Quốc và người sử dụng quân sự:
Các dịch vụ miễn phí sẽ có 10 mét theo dõi vị trí chính xác, sẽ đồng bộ hóa
đồng hồ với độ chính xác của 10 ns, tốc độ đo lường trong phạm vi 0,2 m / s.
Các dịch vụ được cấp phép sẽ được chính xác hơn so với các dịch vụ miễn
phí, có thể được sử dụng để giao tiếp, và sẽ cung cấp thông tin về trạng thái hệ
thống cho người sử dụng.
Hệ thống mới sẽ là một chòm sao của 35 vệ tinh, trong đó bao gồm 5 quỹ
đạo địa tĩnh (GEO) vệ tinh và 30 quỹ đạo trái đất trung bình (MEO) vệ tinh, mà sẽ
cung cấp phạm vi bảo hiểm đầy đủ của tồn cầu. Các tín hiệu khác nhau, được dựa
trên các nguyên tắc CDMA và có cấu trúc phức tạp điển hình của Galileo hoặc
GPS hiện đại hóa. Tương tự như các hệ thống khác, GNSS sẽ có hai cấp độ của
dịch vụ định vị: mở và hạn chế (quân sự). Các dịch vụ công ích được có sẵn trên
tồn cầu để người dùng nói chung. Khi tất cả các hệ thống GNSS hiện kế hoạch
được triển khai, người dùng sẽ được hưởng lợi từ việc sử dụng một chòm sao tổng
số 75 + vệ tinh, trong đó đáng kể sẽ cải thiện tất cả các khía cạnh của định vị, đặc

biệt là sẵn có của các tín hiệu trong các hẻm núi được gọi là đô thị ,thiết kế chung
của hệ thống chuyển hướng Compass là Sun Jiadong, cũng là nhà thiết kế chung
của người tiền nhiệm của nó, Beidou hệ thống dẫn đường. Nó đã trở thành hoạt
động ở Trung Quốc trong tháng mười hai năm 2011, với 10 vệ tinh trong sử dụng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




18
Nó được lên kế hoạch để cung cấp các dịch vụ cho khách hàng trong khu vực châu
Á-Thái Bình Dương vào năm 2012, và khách hàng tồn cầu khi nó hoàn thành vào
năm 2020.
Trong tháng 12 năm 2011, hệ thống đi vào hoạt động trên một cơ sở thử
nghiệm đã bắt đầu cung cấp chuyển hướng, định vị và dữ liệu thời gian để Trung
Quốc và khu vực lân cận miễn phí từ ngày 27 tháng 12. Trong q trình chạy thử
nghiệm này, hệ thống sẽ cung cấp chính xác vị trí trong vịng 25 mét, nhưng độ
chính xác sẽ cải thiện như vệ tinh được đưa ra. Khi hệ thống được chính thức khởi
động, nó cam kết cung cấp thơng tin người sử dụng chung vị trí chính xác đến 10m,
tốc độ đo lường trong phạm vi 0,2 m mỗi giây, và cung cấp tín hiệu cho đồng bộ
hóa đồng hồ chính xác đến 0,02 micro giây.
1.6.4. IRNSS
The Indian Regional Navigational Satellite System (IRNSS) là hệ thống dẫn
đường được xây dựng và quản lý bới Chính Phủ Ấn Độ. Hệ thống đang được phát
triển bởi Tổ chức nghiên cứu không gian Ấn Độ (ISRO). IRNSS sẽ là hệ thống
điều hướng độc lập và tự trị trong khu vực mục tiêu một khu vực dịch vụ khoảng
1500 km quanh Ấn Độ. Hệ thống sẽ được hoàn thành dưới sự kiểm sốt của Ấn
Độ, với các khâu khơng gian, khâu mặt đất và người dùng nhận tất cả được xây
dựng ở Ấn Độ.
IRNSS được quy hoạch có 7 vệ tinh bổ sung với cơ sở hạ tầng mặt đất thích

hợp. Vì nó là truyền thống trong hệ thống GNSS, kiến trúc được mô tả tiếp theo
trong ba phân đoạn khác nhau: các phân đoạn không gian, phân đoạn mặt đất và
phân khúc người sử dụng.
Các khâu không gian IRNSS: 3 của 7 vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEOS) và
chúng sẽ được đặt tại 34 º Đông, 83 º Đông và 131,5 º kinh độ Đơng. 4 vệ tinh có
quỹ đạo đồng bộ ngày (GSO) trong quỹ đạo 24.000 km đỉnh cao và 250 km cận

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN