Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
Lời nói đầu
Ngày nay chúng ta đang sống trong thời đại của kĩ thuật, chúng ta đã trải qua hang
triệu năm lao động, sáng tạo và phát triển để đạt được đến trình độ tri thức như ngày
hôm nay. Con người luôn muốn khám phá thế giới, luôn muốn đặt chân lên tất cả
mọi nơi trên trái đất, những nơi mà chưa có ai đặt chân tới. Vì vậy cần có một thiết
bị giúp con người có thể xác định được những nơi đó. Một thiết bị có thể giúp con
người xác định được vị trí tọa độ chính xác của bản thân , xác định chính xác các vị
trí mà họ cần quan tâm. Cùng với nhu cầu thực tế của con người, cũng trên nhu cầu
của chính phủ Mỹ, nước Mỹ cần xây dựng một hệ thống quân sự vững mạnh, họ
muốn bao quát toàn bộ thế giới và kiểm soát mọi nơi trên thế giới. Do vậy họ đã
xây dựng nên một hệ thống nhằm giải quyết vấn đề đó. Đó là hệ thống định vị toàn
cầu GPS. Với lý do đó em chọn đề tài : “Hệ thống định vị toàn cầu GPS”. Đồ án
của em gồm:
Chương 1: Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu
Chương 2: Vi xử lý avr ATMEGA16,module GPS SKG25B và LCD
Chương 3: Thiết kế máy thu GPS
Được sự quan tâm và giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài
kiệu của thầy giáo Vũ Văn Yờm cựng với sự nỗ lực của bản thân, đồ án được hoàn
thành. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn, đồ án chắc chắn khụng trỏnh khỏi
những sai sót, kính mong các thầy cô giáo đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng
nội dung cho hướng phát triển tiếp theo.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Văn Yờm và các thầy cô trong Khoa ĐTVT và
các bạn đã tận tỡnh giỳp đỡ trong thời gian học tập và làm đồ án.
Hà nội, ngày 17 tháng 5 năm 2009
SVTH: Triệu Tuấn Đạt Lớp: ĐT12 - K49
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
Các hình vẽ sử dụng trong luận văn
1.1.Chòm sao vệ tinh
1.2.Vệ tinh NAVSTAR
1.3.Tín hiệu vệ tinh GPS

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
2.15.Thanh ghi bộ định thời
2.16.Thanh ghi so sánh ngừ ra
2.17.Thanh ghi mặt nạ ngắt
2.18.Thanh ghi cờ ngắt
2.20.Sơ đồ khối Usart
2.21. Đơn vị tạo xung clock
2.22. Định dạng khung truyền
2.23.Sơ đồ bộ biến đổi AD
2.24.Thanh ghi ADMUX
2.25.Thanh ghi điều khiển và trạng thái ADC
2.26.Thanh ghi dữ liệu ADC
2.27.Module GPS SKG 25B
2.28.Chõn SKG 25B
2.29.Kích thước module
2.30.Mô fỏng đặc trưng mối hàn module
2.31.Sơ đồ chõn MAX232
2.32.Biểu đồ logic
2.33.Kiểm tra mạch điện thu
2.34.Kiểm tra mạch điện điều khiển
3.1.Sơ đồ khối
3.2.Sơ đồ nguyên lý
3.3.Layout
3.4.Sơ đồ khối khối nguồn
3.5.Sơ đồ nguyên lý khối nguồn
SVTH: Triệu Tuấn Đạt Lớp: ĐT12 - K49
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
1.1.Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
GPS là từ viết tắt của NAVSTA GPS. Nó được ghép bởi các chữ cái đầu của các từ

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
Trong nghành địa chất, hệ thống này có thể chỉ vị trí chính xác đế một centimet
hoặc ít hơn.
Hệ thống GPS có thể được sử dụng để đạt được tất cả các độ chính xác trong tất cả
các ứng dụng, sự khác nhau về độ chính xác đạt được là do sử dụng các bộ thu GPS
và các kĩ thuật được thực hiện là khác nhau.
Ban đầu hệ thống GPS được thiết kế chỉ để sử dụng trong quân sự. Nhưng ngay sau
đó đó cú một sự đề nghị được đưa ra rằng hệ thống GPS cũng cần được sử dụng
trong dân sự, và không chỉ xác định vị trí của một ai đó (như trong quân sự). Ban
đầu đó cú hai ứng dụng quan trọng trong dân sự xuất hiện, đó là dẫn đường trong
ngành hàng hải và ngành địa chất. Ngày nay các ứng dụng sử dụng hệ thống GPS
đã trở nên rất rộng rãi như dẫn đường cho ô tô qua sự điều khiển tự động .
1.2.Tổng quan về hệ thống GPS
Cấu trúc của hệ thống GPS bao gồm 3 phân hệ chính:
- Phân hệ không gian: các vệ tinh quay quanh trái đất.
- Phân hệ điều khiển: các trạm được đặt trên đường xích đạo của trái đất để
điều khiển các vệ tinh.
- Phân hệ người sử dụng: bất kì một ai mà người đó thu và sử dụng tín hiệu
GPS.
1.2.1. Phân hệ không gian
Chức năng chính của phân hệ không gian là từ các lệnh được gửi từ phân hệ điều
khiển, cung cấp tham chiếu thời gian nguyên tử, phỏt ra tín hiệu giả ngẫu nhiên cao tần
và lưu trữ, rồi phát lại bản tin dẫn đường. Nó bao gồm các thành phần sau:
1.2.1.1 Chòm vệ tinh
Phân hệ không gian bao gồm có ít nhất là 24 vệ tinh, chỳng cú quỹ đạo bay xung
quanh trái đất, ở một độ cao xấp xỉ 20.200km.
Trong phân hệ không gian sẽ có ít nhất bốn vệ tinh có thể trông thấy trên một góc
cắt 15 độ ở bất cứ một điểm nào trên bề mặt trái đất và ở bất cứ một thời điểm nào.
Để có thể xác định một vị trí chính xác ở trên bề mặt trái đất thì cần phải có ít nhất
bốn vệ tinh trên một quỹ đạo.Nhưng theo nghiên cứu thực tế cần phải sử dụng ít

đạo của mình và tạo ra các bản tin dẫn đường của riêng chỳng. Cỏc vệ tinh
này có thể đo khoảng cách giữa chúng và truyền các quan sát khác tới các vệ
SVTH: Triệu Tuấn Đạt Lớp: ĐT12 - K49
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
tinh khác hoặc tới phân hệ điều khiển. Vệ tinh loại này đã được phát triển
hoàn thiện và có khả năng hoạt động nửa năm mà không cần bất kì hỗ trợ
nào của phân hệ điều khiển và không suy giảm độ chính xác của lịch thiên
văn. Người ta hy vọng một vài trong số chúng có thể trang bị với maze hiđrụ.
- Khối IIF, các vệ tinh tác chiến tiếp sau. Việc phúng cỏc vệ tinh này được dự
kiến vào năm 2001, thời gian hoạt động trung bình trên lý thuyết là khoảng
10 năm, và sẽ có hệ thống định vị quán tính
Các vệ tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: bởi vị trí của chúng trê quỹ đạo
(Mỗi vệ tinh có một vị trí (1,2,3,…), bên trong 6 quỹ đạo – A,B,C,D,E,F, hay bởi số
chứng nhận NASA của chúng, bởi số ID quốc tế, bởi mã giả ngẫu nhiên PRN và bởi
số hiệu phương tiện vũ trụ SVN.
Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một vài cái đồng hồ có độ chính xác rất cao. Các
đồng hồ hoạt động ở một tần số cơ bản 10,23MHz, dùng để phát ra tín hiệu, các tín
hiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh.
Loại đồng hồ
Độ ổn định hang ngày
(∆f/f)
Thời gian cần để sai lệch
1 giây
Tinh thể thạch anh 10
9
−
30 năm.
Rubidium 10
12−
30000 năm

Sóng mang tín hiệu L1
Tấn số L1
Bước sóng L1
154.fo
1575,42 MHz
19,05 cm
Sóng mang tín hiệu L2 120.fo
SVTH: Triệu Tuấn Đạt Lớp: ĐT12 - K49
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
Tần số L2
Bước sóng L2
1227,60 MHz
24,45 cm
Tần số mã P (tốc độ chíp)
Bước sóng mã P
Chu kỡ mã P
Fo =10,23MHz (Mb/s)
29,31 m
266 ngày,7 ngày /vệ tinh
Tần số mã C/A (tốc độ chíp)
Bước sóng mã C/A
Chu kỡ mã C/A
fo /10 = 1,023MHz
293,1 m
1 ms
Tần số bản tin dẫn đường
Chiều dài khung
50bit/s
30 s
Bảng 1.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

Phân hệ điều khiển bao gồm một trạm trung tâm điều khiển chính được đặt ở Flacon
Air Force Base ở Colorado Springs, Colorado và 5 trạm giám sát đặt ở Hawaii,
Colorado Springs, đảo Ascensio ở Nam Đại Tây Dương, Diego Garcia ở Ấn Độ
Dương và Kwajalein ở Bắc Thái Bình Dương và có 3 anten mặt đất phát đi các dữ
liệu tới các vệ tinh tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein. Chúng được phân bố
đều trên 5 khu vực trên đường xích đạo của trái đất.
Hình 1.5 Phân bố các trạm điều khiển trên mặt đất
Các trạm giám sát liên tục theo dõi các vệ tinh trong tầm nhìn thẳng từ các điểm
này. Chúng được trang bị máy thu đo cả hai tần số L1 và L2, tất cả các tín hiệu đến
từ vệ tinh trong tầm nhìn thẳng.
Các dữ liệu thu theo dõi được gửi vể trung tâm điểu khiển chính. Khi đã tới đó
chúng được xử lý để xác định vị trí của các vệ tinh (lịch thiên văn ) và lỗi đồng hồ
trong số nhiều các thông số khác. Quỹ đạo bị ảnh hưởng bởi các nguồn gây xáo trộn
như lực hấp dẫn của Mặt trời, Mặt trăng và các ứng suất của các tia bức xạ trong hệ
Mặt trời lờn cỏc vệ tinh trong số nhiều các ảnh hưởng khác.
SVTH: Triệu Tuấn Đạt Lớp: ĐT12 - K49
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
Vỡ các lý do này, các tính toán để sửa lỗi cần phải được thực hiện sau những
khoảng thời gian nhất định, tạo ra các bản tin dẫn đường được gửi tới các trạm giám
sát mặt đất để được truyền tới vệ tinh. Điều này được thực hiện với các ănten mặt
đất thông qua đường dẫn sóng vô tuyến băng S. Mỗi vệ tinh có thể được tải lên 3
lần/ngày

Hình 1.6 Quá trình điều khiển trong hệ thống GPS
1.2.3.Phân hệ người sử dụng.
Phân hệ người sử dụng bao gồm các máy thu GPS nhằm kết nối bất kì một ai sử
dụng một bộ thu GPS để thu tín hiệu GPS và xác định vị trí của họ hay thời gian.
Chức năng chính của chúng là nhận các tín hiệu GPS, xác định giả khoảng cách và
giải các phương trình dẫn đường để có được các tọa độ và cung cấp thời gian chính
xác.

gian trên vệ tinh thành thời gian GPS. Nó cũng mang dữ liệu thông tin về
tình trạng hiện thời của vệ tinh, và thông tin về những vấn đề về bản tin dẫn
đường.
- Khung con 2 và 3 chứa lịch thiên văn vệ tinh.
- Khung con 4 chứa các thông số mô hình hóa tầng điện ly (để điều chỉnh phản
xạ tầng điện ly), thông tin về UTC, một phần của niên lịch và các chỉ số cho
biết liệu chế độ chống bắt trước Anti-Spoofing (A/S) có được kích hoạt hay
không( chế độ chuyển đổi mã P thành mã Y được mã hóa).
- Khung con 5: Chứa dữ liệu từ niên lịch và trạng thái chòm vệ tinh. Với
khung này,ta có thể nhanh chóng nhận biết 1 vệ tinh từ tín hiệu tới. Cần có
25 khung để hoàn thiện niên lịch.
SVTH: Triệu Tuấn Đạt Lớp: ĐT12 - K49
Khung con 1 Khung con 2 Khung con 3 Khung con 4 Khung con 5
TLM HOW
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
PHÂN HỆ ĐẦU VÀO CHỨC NĂNG ĐẦU RA
KHÔNG GIAN Bản tin dẫn đường
Các lệnh
Cung cấp tỉ lệ về
thời gian nguyên
tử
Phát ra tín hiệu mã
giả
Lưu trữ và truyền
bản tin dẫn đường
Tín hiệu cao tần
giả ngẫu nhiên
Bản tin dẫn đường
Telemetry
ĐIỀU KHIỂN Tín hiệu cao tần

Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
Hình 1.10 Phương pháp DGPS
Dẫn đường tự trị (Autonomous Navigation) sử dụng cho một bộ thu đứng một mình
riêng lẻ. Phương pháp này được sử dụng cho những nhà lữ hành, các con tàu mà
những con tàu đó ở rất xa ngoài biển, phương pháp này được sử dụng cho mục đính
quân sự. Phương pháp này xác định vị trí chính xác khoảng 100m trong sử dụng
dân sự và khoảng 20m cho các sử dụng trong quân đội
Hình1.11.Phương pháp dẫn đường tự trị
- Phân giải vị trí theo pha (Differential Phase Position). Phương pháp này cho
độ chính xác từ 0,5 đến 20mm. Phương pháp này được sử dụng cho các công
việc về địa chất, hay điều khiển các thiết bị máy móc, v…v…
1.3.1.Dẫn đường đơn giản.
Đó là một kĩ thuật đơn giản nhất được sử dụng bởi các bộ thu GPS để xác định
một vị trí ngay lập tức và chiều cao hay độ chính xác về thời gian tới người sử
dụng. Độ chính xác đó đạt được hơn 100m cho các mục đích sử dụng trong dân sự
còn trong các mục đích sử dụng trong quân sự có độ chính xác từ 5 đến 15m. Lý do
cho sự khác nhau về độ chính xác trong mục đích dân sự và quân sự sẽ được trình
SVTH: Triệu Tuấn Đạt Lớp: ĐT12 - K49
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
bày ở phần sau. Các bộ thu được sử dụng cho loại hoạt động là các lọai nhỏ, các
loại sách tay,hay một thiết bị cầm tay với một giá thành thấp.
1.3.1.1. Phạm vi của vệ tinh.
Tất cả các vị trí của GPS đều dựa trên việc đo đạc khoảng cách từ các vệ tinh đến
các bộ thu GPS trên mặt đất. Khoảng cách đó đến mỗi vệ tinh có thể được xác định
bởi một thiết bị thu GPS. Nếu bạn biết khoảng cách từ ba điểm mà ba điểm đó liên
quan đến bạn đến vị trí của bạn, bạn có thể xác định vị trí của bạn liên quan đến ba
điểm đó. Từ khoảng cách đến một vệ tinh, chúng ta biết được rằng, vị trí của một
thiết bị thu phải là một trong số các điểm trên bề mặt của một hình cầu cú tõm là vệ
tinh. Nếu chúng ta có ba hình cầu được xác định bởi ba vệ tinh khác nhau, thì khi
đó vị trí của thiết bị thu sẽ được xác định.

nhiên. Trong thực tế, nó không phải là ngẫu nhiên và nó lặp lại một trăm lần sau
mỗi giây.
Theo cách đó thời gian để truyền tín hiệu radio từ vệ tinh đến máy thu GPS được
xác định.
1.3.1.3 Các nguyên nhân gây nhiễu.
Ở các phần trờn,chỳng ta đều giả thiết rằng vị trí được xác định từ hệ thống GPS là
rất chính xác, và không có lỗi. Nhưng trong thực tế có một số nguyên nhân gây
nhiễu mà nó gây ra sự sai lệch về vị trí từ vài mét đến vài chục một.Cỏc nguyên
nhân gây nhiễu đó là:
- Trễ truyền trong tầng khí quyển và tầng điện ly.
- Sai lệch về đồng hồ giữa vệ tinh và thiết bị thu.
- Đa đường
- Phân tán độ chính xác (Dilution of Precision)
- S/A (Selective Availability)
- Chống bắt trước A-S (Anti Spoofing)
1.3.1.3.1 Trễ tầng điện ly và tầng khí quyển
Khi tín hiệu vệ tinh đi qua tầng điện ly, tín hiệu đó sẽ bị chậm lại, hiệu ứng đó như
khi ánh sang truyền qua một thấu kính và xảy ra hiện tượng khúc xạ. Trễ trong tầng
khí quyển có thể gây ra một lỗi trong phạm vi tính toán như vận tốc của tín hiệu bị
ảnh hưởng (ánh sáng chỉ có vận tốc không đổi khi nó truyển trong chân không).
Hinh1.14 Trễ truyền trong tầng điện ly
SVTH: Triệu Tuấn Đạt Lớp: ĐT12 - K49
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
Trễ trong tầng điện ly thỡ luụn thay đổi và, các hệ số trễ đú thỡ phụ thuộc vào các
nguyên nhân gây trễ trong tầng điện ly.
- Góc chiếu của vệ tinh: Các tín hiệu từ góc chiếu thấp của các vệ tinh sẽ gây
ra ảnh hưởng đến tín hiệu nhiều hơn đối với các tín hiệu của các vệ tinh có
góc chiếu cao hơn. Đó là nguyên nhân gây ra sự tăng về khoảng cách khi tín
hiệu truyền qua tầng khí quyển.
Hình 1.15 Do góc chiếu của vệ tinh

1.3.1.3.3. Nhiễu đa đường
Đa đường xảy ra khi anten của thiết bị thu được đặt ở vị trí gần khu vực có bề
mặt phản xạ rộng như hồ nước hay các tòa nhà. Tín hiệu vệ tinh không đến trực tiếp
được anten, mà nó đập vào các vật gần anten đầu tiên và sau đó được phản xạ lại và
đến anten tạo ra một phép đo sai.
SVTH: Triệu Tuấn Đạt Lớp: ĐT12 - K49
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
Hình1.16 Nhiễu đa đường

Nhiễu đa đường có thể được giảm đi bằng cách sử dụng các anten GPS đặc biệt mà
nó đồng nhất một mặt đất bằng phẳng (có hình dạng một cái đĩa cú cỏc đường tròn
đồng tâm với đường kính khoảng 50 cm), anten đó có tác dụng hạn chế các tín hiệu
phản xạ từ các mặt phản xạ rồi truyền tới anten.
Hinh 3.6. Ănten vòng
Để có độ chính xác cao nhất, các giải pháp thích hợp được sử dụng, đó là một anten
vũng xớt nhau. Một anten cú cỏc vũng xớt nhau, có 4 hoặc 5 vòng đồng tâm, nó có
tác dụng ngăn cản bất kì một một tín hiệu không phải được truyền trực tiếp tới
anten.
Nhiễu đa đường chỉ gây ảnh hưởng độ chính xác cao, nhất là trong việc đo địa chất.
Các thiết bị thu dẫn đường cầm tay đơn giản không sử dụng kĩ thuật này.
1.3.1.3.4 Phân tán độ chính xác (Dilution of Precision)
Phân tán độ chính xác (DOP) là một phép đo về cường độ hình học vệ tinh và nó có
quan hệ với vị trí và không gian của các vệ tinh trên bầu trời. DOP có thể phóng to
lên và gây ra ảnh hưởng nhiễu.
SVTH: Triệu Tuấn Đạt Lớp: ĐT12 - K49
Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Vũ Văn Yêm
Hình 1.17 Nhiễu do phân tán độ chính xác
Vị trí tốt nhất giữa hai vệ tinh được minh họa như sau:
Trong trường hợp trên giữa hai vệ tinh đã gây ra sự không chính xác về vị trí
Phạm vi đối với các vệ tinh có ảnh hưởng tới việc xác định vớ trớ. Khi các vệ tinh