LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Hữu Lập người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo
và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Xin cảm ơn khoa Quốc tế và đào tạo sau
đại học của Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông cùng các anh chị em lớp cao
học Điện tử viễn thông khoá 7 đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Cảm ơn gia đình, cơ quan và bè bạn luôn khuyến khích và động viên tôi góp phần
không nhỏ trong sự hoàn thành luận văn của tôi.
TÁC GIẢ
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN I
MỤC LỤC I
THUẬT NGỮ, CHỮ VIÊT TẮT II
DANH MỤC BẢNG BIỂU III
DANH MỤC HÌNH VẼ III
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 2. XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU GPS 12
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG GPS TRONG BÀI TOÁN QUẢN LÝ XE BƯU CHÍNH 57
KẾT LUẬN 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO 72
PHỤ LỤC 1 73
BẢN TIN NMEA 73
PHỤ LỤC 2 73
MODUL GPS MTI 73
PHỤ LỤC 3 74
CÔNG NGHỆ VI XỬ LÍ MỚI PSOC 74
PHỤ LỤC 4 76
MÃ NGUỒN CỦA CHƯƠNG TRÌNH 76
I
THUẬT NGỮ, CHỮ VIÊT TẮT
Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt
AS Anti-Spoofing Chống giả mạo

gần đây một số công ty cũng đã ứng dụng GPS để nâng cao năng lực quản lý chuyên
ngành như Ngân hàng Liên việt, các hãng taxi, xe buýt Đối với ngành Bưu chính,
việc áp dụng công nghệ GPS trong việc quản lý các phương tiện vận chuyển Bưu chính
sẽ đem lại hiệu quả cao, phù hợp với các phương thức quản lý tập trung hiện đại. Trung
tâm khai thác vận chuyển trực thuộc Bưu điện thành phố Hà nội đảm nhận nhiệm vụ
khai thác, chia chọn, trung chuyển giữa các tỉnh thành phố và vận chuyển bưu gửi bằng
các xe ô tô chuyên ngành Bưu chính. Thực tế Trung tâm đang quản lý và điều hành
bằng nhân công nên gặp rất nhiều khó khăn chẳng hạn như: không thể biết chính xác
xe đang ở đâu, không kiểm soát chính xác được chỉ tiêu thời gian khi vận chuyển, khi
điều phối xe tăng cường gặp khó khăn Vì vậy nhu cầu ứng dụng GPS trong công
việc này ngày càng cao và cấp thiết hơn do khối lượng cũng như tần xuất vận chuyển
hàng hoá ngày một tăng.
Luận văn này đề cập đến việc tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật của công nghệ GPS,
từ đó lựa chọn và xây dựng mô hình ứng dụng GPS trong quản lý và điều hành xe Bưu
chính. Cấu trúc của luận văn bao gồm:
Chương 1 "Tổng quan về công nghệ GPS" giới thiệu lịch sử phát triển GPS,
cấu trúc và hoạt động của hệ thống GPS, các ứng dụng GPS hiện nay.
Chương 2 nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật liên quan đến "xử lý và truyền dữ liệu
GPS" bao gồm: cấu trúc tín hiệu vệ tinh, xử lý tín hiệu và phương thức truyền dữ liệu
GPS từ bộ thu về trung tâm xử lý dữ liệu thông qua các dịch vụ sẵn có của mạng thông
tin di động GSM.
1
Chương 3 xây dựng bài toán quản lý và điều hành xe Bưu chính dùng tại Trung
tâm khai thác vận chuyển nhờ ứng dụng công nghệ GPS, kết hợp bản đồ số và mạng
thông tin di động GSM.
Phần kết quả cuối cùng của luận văn đưa ra sản phẩm bộ thu GPS được chế tạo
với giá thành rẻ và chương trình định vị theo dõi xe Bưu chính viết bằng phần mềm
MapInfo.

2

Năm 1996 Tổng thống Mỹ Clinton cấp SA cho dân sự toàn cầu với độ chính xác
cao hơn.
Ngày 2/5/2000 UTC SA được thực thi theo quyết định của Clinton năm 1996.
Lĩnh vực dân sự có thể đạt độ chính xác 10 – 15 m, so với độ chính xác 100 m trước
đây.
Ngày 20/3/2004 Phóng lên vệ tinh GPS thứ 50.
Ngày 25/9/2005 Phóng lên vệ tinh IIR-M GPS đầu tiên. Loại vệ tinh mới này hỗ
trợ các tín hiệu quân sự mới (tín hiệu - M) và tín hiệu dân sự thứ hai L2C.
1.2 Thành phần hệ thống
Hệ thống GPS được chia theo quy ước là 3 thành phần như sau:
Hình 1.1: Các thành phần của hệ thống GPS
4
1.2.1 Thành phần không gian
Bao gồm các vệ tinh truyền tín hiệu cần thiết để hệ thống hoạt động. Chức năng
cơ bản của vệ tinh:
• Nhận và lưu trữ dữ liệu do thành phần điều khiển truyền đến.
• Duy trì thời gian chính xác bằng các phương tiện sử dụng một vài chuẩn tần số
đồng hồ nguyên tử nằm ngay trên vệ tinh.
• Truyền tín hiệu và thông tin tới người dùng qua 1 hoặc 2 băng tần L.
Các vệ tinh ban đầu khối I được chế tạo bởi tập đoàn Rockwell International
corporation. Các thế hệ tiếp theo được chia ra làm 4 loại: II, IIA, IIR và IIF. Khối vệ
tinh II và IIA có 28 quả trong đó 24 quả được đưa lên và đang dùng, các quả còn lại là
để dự phòng. Khối vệ tinh IIR có 20 quả và dự kiến chế tạo thêm 6 quả nữa. Loạt khối
IIF vẫn nằm trong giai đoạn thiết kế và có thể dùng để truyền tần số bổ sung. Chu kỳ
thiết kế đối với khối vệ tinh II/IIA GPS là 7.5 năm (tuổi thọ thiết kế của khối I là 5
năm, và tuổi thọ dự kiến là 10 năm đối với khối vệ tinh IIR). Số hiệu của vệ tinh được
dùng theo quy ước sau:
• Số NAVSTAR (hoặc SVN): Các vệ tinh khối II được đánh số SVN 13 đến SVN
21. Khối IIA được thiết kế từ SVN 22 đến SVN 40, và khối IIR sẽ là SVN 41
trở lên.

tinh khối IIR và IIF có các kích hoạt chéo giữa các kết nối và đo đạc vệ tinh. Dữ liệu
được xử lý và tạo ra thông tin thiên văn ngay bên trong thành phần không gian.
1.2.3 Thành phần người dùng
Thiết bị người dùng GPS bao gồm chương trình phát triển mở rộng cho cả lĩnh
vực quân sự và dân sự. Khái niệm “thiết bị GPS” tham chiếu tới sự kết hợp của:
• Phần cứng (truy tìm tín hiệu và đo đạc).
• Phần mềm (thuật toán định vị, giao tiếp người dùng).
6
• Thủ tục vận hành (tuỳ theo độ chính xác, theo chức năng, etc.).
Có rất nhiều ứng dụng GPS và sẽ có những thiết bị GPS phù hợp với lĩnh vực đó. Tuy
nhiên người ta phân loại hệ thống theo kiểu quan sát:
• Các bộ thu dẫn đường dùng trong dân sự dùng mã đo trên tần số L1.
• Các bộ thu dẫn đường dùng trong quân sự dùng mã đo trên cả hai tần số băng L.
• Các bộ thu truy tìm pha sóng mang đơn tần L1.
• Các bộ thu truy tìm pha sóng mang song tần.
Trong khi các chương trình nghiên cứu quân sự để đạt được mức độ cao về việc
giảm kích thước, tách khối chức năng và tính tin cậy, các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối
trong dân sự phải thêm việc giảm giá thành và phát triển các đặc tính mà tăng cường
khả năng của hệ thống không được tối ưu cho nhiều nhóm người dùng chủ yếu tuỳ theo
độ chính xác và tính tin cậy. Thực tế ứng dụng khảo sát cần mức độ chính xác cao hơn
ứng dụng dẫn đường. Có rất nhiều nhu cầu định vị chính xác trong các ứng dụng dân
sự khác nhau dẫn đến những ứng dụng cụ thể được thoả mãn theo cách nào đó và có
nhu cầu tổ hợp phần cứng và phần mềm. Hiện nay có hơn 100 nhà sản xuất thiết bị
GPS khác nhau.
Điều quan trọng cần phải nhấn mạnh là GPS được thiết kế chủ yếu để dẫn
đường (định vị toạ độ) và không phải cho khảo sát. Dẫn đường đòi hỏi định vị theo
thời gian thực ở mức vài chục mét trong khi đó mục đích khảo sát cần đạt độ chính xác
cao mức cm trên một khoảng cách lớn vài chục km. Các thủ tục làm giảm dữ liệu, đo
đạc và quan sát đặc biệt, nghiên cứu để đáp ứng độ chính xác khảo sát.
1.3 Hoạt động của hệ thống

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. Để đo
lường chính xác độ cao, kinh độ và vĩ độ, máy thu đo thời gian các tín hiệu từ một số
vệ tinh truyền tới máy thu.
GPS sử dụng một hệ toạ độ gọi là hệ thống trắc địa học Toàn cầu 1984
(WGS84). Hệ thống này tương tự như các đường kẻ kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộc
thường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn. Hệ thống WGS84 cung cấp một khung
tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ hãng sản xuất nào
cũng cung cấp đúng cùng một thông tin định vị.
1.4 Các dịch vụ định vị GPS
1.4.1 Dịch vụ định vị chính xác (PPS)
Dịch vụ này dành cho người dùng có đăng ký quyền hạn, có các thiết bị được
mật mã và có khoá giải mã. Dịch vụ này thường dành cho quân đội Mỹ và phe đồng
minh, các cơ quan chính phủ Mỹ hoặc những cá nhân được chính phủ Mỹ cho phép.
Dịch vụ này có độ chính xác ước tính như sau:
o Độ chính xác phương ngang 22 m.
o Độ chính xác phương dọc 27.7 m.
o Độ chính xác thời gian 200 nano giây.
1.4.2 Dịch vụ định vị chuẩn (SPS)
Dịch vụ này dành cho tất cả mọi người trên thế giới không phải đóng phí hoặc
giới hạn gì. Hầu hết các bộ thu đều có thể nhận và dùng tín hiệu SPS. Độ chính xác
SPS được phân nhiều cấp theo việc dùng thuộc tính “Tính sẵn có có lựa chọn” do Bộ
nội vụ Mỹ DOD quy định. Dịch vụ này có độ chính xác ước tính như sau:
9
o Độ chính xác phương ngang 100 m.
o Độ chính xác phương dọc 156 m.
o Độ chính xác thời gian 340 nano giây.
1.5 Các ứng dụng GPS
Các ứng dụng GPS được phân loại như sau:
• Khảo sát bản đồ: trên mặt đất, mặt biển và trong không gian. Các ứng dụng

tin cá nhân hai chiều, mở khoá xe từ xa, đánh dấu số hiệu lái xe, hướng dẫn đường đi
và thông tin dựa trên vị trí.
Do tính chính xác của mình, GPS đã nhanh chóng trở thành phương pháp lựa
chọn để thu thập số liệu tại chỗ cho rất nhiều ứng dụng thương mại, chính quyền và
quân sự. GPS chắc chắn trở thành một phương pháp quan trọng và có hiệu quả kinh tế
cho việc định vị vô số các mục tiêu trên mặt đất và trên biển. Mặc dù Bộ Quốc Phòng
Mỹ cung cấp kinh phí ban đầu, song việc truy cập mạng GPS là miễn phí đối với mọi
người dùng. Điều này góp phần khuyến khích việc phát triển các ứng dụng và tạo ra
một thị trường khách hàng hoàn toàn mới đặc biệt là trong lĩnh vực định vị các phương
tiện giao thông và điều hành xa lộ.
Hình 1.3: Thiết bị dẫn
đường trên phương tiện
vận chuyển
11
CHƯƠNG 2. XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU GPS
2.1 Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS
Mỗi vệ tinh GPS truyền tín hiệu tập trung vào 2 tần số băng L của phổ điện từ:
L1 là 1575.42MHz và L2 là 1227.60MHz. Ở tần số sóng viba (sóng cực ngắn) này có
tính chất định hướng cao và dễ bị ngắt quãng cũng như bị phản xạ bởi những vật rắn và
bề mặt nước. Bên cạnh đó tín hiệu còn bị khúc xạ qua tầng điện ly và tần dối lưu. Cấu
trúc cơ bản tín hiệu vệ tinh được biểu diễn như hình dưới đây:
Hình 2.1: Các thành phần tín hiệu vệ tinh GPS.
2.1.1 Sóng mang băng L
Sóng mang là phương tiện để truyền tải bản tin di chuyển và mã khoảng cách tới
trái đất (và tới người dùng). Chức năng chính của mã khoảng cách là để xác định thời
gian truyền tín hiệu (từ vệ tinh tới bộ thu - thời gian đến TOA). Thời gian truyền nhận
với tốc độ sóng điện từ (= 299792458m/s trong chân không) sẽ cho các khoảng cách từ
bộ thu đến vệ tinh. Thành phần tín hiệu được mô tả như sau:
Tất cả các thành phần tín hiệu vệ tinh đều được tạo ra từ đồng hồ nguyên tử ổn
định cao (Hình 2-1) có tần số f

Doppler) và để đưa thông tin vào sóng mang chúng phải được điều chế theo nhiều
cách. Trong GPS có hai loại mã hoá phân biệt dùng để điều chế sóng mang băng L đặt
tên là mã khoảng cách và bản tin di chuyển. Sóng mang L1 được thiết kế để điều chế
với 2 mã khoảng cách, 1 để dùng cho dân sự (mã C/A) và 1 dùng cho quân sự (mã P),
trong khi đó sóng mang L2 chỉ được điều chế với mã quân sự. Cả hai sóng mang đều
chứa bản tin di chuyển.
2.1.2 Mã khoảng cách giả ngẫu nhiên PRN
Tạo mã:
Tín hiệu sóng mang là một chuỗi bit + 1 và -1 có chiều dài chip 293m với mã
C/A và 29.3m với mã P. Chuỗi +1, -1 được thông dịch là các luồng nhị phân 0, 1 và
luồng nhị phân này được tạo ra từ các thanh ghi dịch tuyến tính.
- Hàm nhị phân XOR: là kết hợp của 2 hàm logic "AND" và "OR" có bảng chân lý như
sau:
Vào Ra
A B XOR(A,B)
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Bảng 2. 1: Bảng chân lý hàm nhị phân XOR
- Thanh ghi dịch tuyến tính:
Bảng 2-2 minh hoạ hoạt động của thanh ghi dịch tuyến tính 3 trạng thái. Trạng
thái được xác định thông qua bộ 3 số nhị phân (A, B, C) và nó thay đổi sau một khoảng
thời gian nhất định. Ví dụ trạng thái khởi tạo thanh ghi thường toàn là 1 (1, 1, 1). Các
13
số trong ô trạng thái sẽ dịch dần sang phải thành (trống, 1, 1). Số (1) bị đẩy ra bên phải
và là trạng thái đầu ra của thanh ghi. Phần trống được thay thế bằng phép XOR của 2
trạng thái còn lại ở đây là XOR(1,1)=0. Như vậy trạng thái mới sẽ là (0,1,1). Quá trình
được lặp lại như trên bảng 2-2.
Chu kỳ N A

-1 và N cũng chính
là kích thước thanh ghi (số chữ nhị phân trong trạng thái).
- Mã C/A:
Hình 2.2 minh hoạ thủ tục tạo mã C/A dựa vào "mã vàng" vì nó là phép XOR
của hai thanh ghi dịch. Thanh ghi dịch lùi bước (TFSR) được dùng để tạo bit tuần tự
“0” và “1” ở tốc độ đồng hồ 1.023 MHz. Giá trị mới trong thanh ghi ở đầu trái được
tạo ra bởi phép modulo cơ số 2 (hoặc tổng nhị phân) của các nội dung của một nhóm
thanh ghi đặc biệt. Trong trường hợp sử dụng mã C/A 2 10-bit TFSR mỗi thanh ghi
tạo ra mã vàng: (1) G1 (là đa thức: 1+X
3
+X
10
) và (2) G2 (đa thức: 1 + X
2
+ X
3
+ X
6
+ X
8
+ X
9
+ X
10
).
14
Tổ hợp khác nhau của các đầu ra của thanh ghi của G2 modulo với đầu ra của
mã G1 cho kết quả các mã PRN và tạo ra 36 mã duy nhất. Hình 2-3 chỉ ra 3 mã PRN
đầu tiên: Nội dung thanh ghi ô PRN1 là 2 cộng với 6, PRN2 cộng nội dung thanh ghi 3
và 7, PRN3 cộng nội dung thanh ghi 4 và 8 và tiếp tục.

di chuyển được mã hoá trên tín hiệu. Sau đó tín hiệu được khuếch đại và truyền đi về
hướng trái đất. Các ăng ten phát tín hiệu và không gian dưới dạng sóng điện từ.
Sóng điện từ đi qua không gian và tầng khí quyển bao quanh trái đất (xấp xỉ tốc
độ ánh sáng truyền trong chân không) rồi đến ăng ten bộ thu. Sóng điện từ tạo ra tín
hiệu âm ở ăng ten bộ thu ở dạng dao động điện áp. Sau đó tín hiệu được tiền khuếch
đại ở ăng ten khuếch đại cường độ tín hiệu tuy nhiên chưa đủ lớn để trội hơn nhiễu khi
16
đi tới đầu cuối của dây cáp. Khi đến mạch điện tử của bộ thu tín hiệu được đo và rút ra
nhờ kỹ thuật tự tương quan.
2.1.3 Đặc tính và nội dung bản tin di chuyển
Các nội dung của bản tin di chuyển và cách thức “khối dữ liệu hoặc khung” được bố trí
trong hình 2-4.
Hình 2.4: Định dạng và nội dung bản tin GPS.
Bản tin di chuyển là luồng dữ liệu 50 bit/giây điều chế trên sóng mang tín hiệu
của mỗi vệ tinh, nó là bản tin đo đạc từ xa và dữ liệu truyền đi ở dạng các khung dữ
liệu. Mỗi khung dữ liệu GPS dài 1500 bit tương ứng khoảng thời gian truyền là 30s.
Mỗi khung có 5 khung phụ dài 300 bit. Khung phụ 1, 2, 3 chứa lịch thiên văn vệ tinh
17
chính xác cao và thông tin về dữ liệu lệch đồng hồ. "Nội dung dữ liệu" của 3 khung
này là giống nhau cho mỗi vệ tinh cụ thể và được truyền đi liên tục theo các chu kỳ
không quá 2 giờ. Khung phụ 1 chứa hệ số đa thức cấp 2 dùng để tính độ lệch đồng hồ
vệ tinh. Khung phụ 1, 2, 3 chứa các thông số quỹ đạo. Khung 4, 5 là các khung có nội
dung khác nhau. Các dữ liệu này lặp lại nhưng 25 khung phụ liên tiếp của 2 khung này
phải được thu thập trước khi bộ thu có tất cả nội dung dữ liệu truyền bởi vệ tinh. Các
vệ tinh truyền nội dung dữ liệu giống nhau trong khung phụ 4, 5 cho đến lần đẩy dữ
liệu lên tiếp theo (khoảng 24h). Khung phụ 4, 5 chứa dữ liệu niên giám, thông tin trạng
thái và dữ liệu cấu hình. Mỗi khung phụ chia thành 10 từ mỗi từ 30 bit (khoảng 0.6s), 6
bit đầu của 10 bit là bit chẵn lẻ, 24 bit của 3 từ đầu mô tả phần nội dung dữ liệu ở trên.
Từ 1, 2 có dạng giống nhau trên tất cả các khung. Từ 1 là thông tin phép đo viễn trắc, 8
từ đầu của từ này là mẫu đồng bộ các bộ thu dùng để đồng bộ chính nó theo bản tin di

hoặc
0
( ) ( ) ( )T T f T
φ θ ε
= +
(2.2.1-2)
trong đó: (T) để biểu diễn pha vệ tinh GPS thực, (T) là dao động ở bộ thu ở thời
gian T. Tuy nhiên việc sử dụng công thức (2.2.1-1) hoặc (2.2.1-2) đều dùng các thành
phần tích phân và vi phân là pha quan sát.
2.2.1.2 Thời gian truyền tín hiệu
Xét việc truyền tín hiệu từ vệ tinh i tới bộ thu j. Thời gian nhận được của tín
hiệu ở bộ thu j là T
j
. Thời gian truyền từ vệ tinh i là T
j
i
. Thời gian truyền tín hiệu từ i
đến j là
j
i
(T
j
) và được định nghĩa:
j
i
(T
j
) = T
j
– T

(T
j
i
) (2.2.1-4)
trong đó :
bj
i
(T
j
) là pha nhịp sóng mang đối với bộ thu j, vệ tinh i, ở thời điểm nhận T
j
,
rj
i
(T
j
) là pha tín hiệu nhận được từ vệ tinh i ở bộ thu j ở thời điểm T
j
,
loj
(T
j
) là pha bộ dao động cục bộ của bộ thu j ở thời điểm T
j
, và
ti
(T
j
i
) là pha tín hiệu truyền từ vệ tinh i ở thời điểm truyền T

truyền và bộ thu ở thời điểm nhận và thành phần thời gian truyền khi tín hiệu đi qua
tầng khí quyển của trái đất ta thu được:

0 0
( ) ( / ). ( ) [ ( ) ( )]+
i i sci i
bj j j j rcj j j khiquyen
T f c T f T T
φ ρ ε ε φ
= + −
(2.2.1-7a)
theo hệ mét:
( ) ( ) [ ( ) ( )]+ .
i i sci i
bj j j j rcj j j khiquyen
T T c T T
ρ ε ε λ φ
Φ = + −
(2.2.1-7b)
trong đó là bước sóng mang ( = c / f
0
). Mối quan hệ giữa khoảng cách và lỗi đồng
hồ (đồng hồ bộ thu và vệ tinh) được minh hoạ trong hình 2.5 dưới đây (lưu ý: Ký hiệu
sử dụng là: dT =
rcj
, dt =
sci
, và p =
bj
i

- Nếu bộ thu bị lỗi không truy tìm được tín hiệu và sau một số chu kỳ thì tiếp tục trở lại
gọi là hiện tượng trượt chu kỳ S(T
j
).
Hình 2.6: Đo nhịp pha sóng mang kết hợp.
Phương trình đo nhịp pha sóng mang kèm theo 3 khái niệm thêm:
0 0
( ) ( ) ( ) ( )
( / ). (T )+ .[ ( ) ( )]+n
i i
bj j tj j R j j
i sci i i
j j rcj j j j khiquyen nhieu
T T C T S T
f c f T T
φ φ
ρ ε ε φ φ
= + +
= − + +
(2.2.1-8)
Sự thay đổi trong nhịp pha sóng mang theo thời gian tỷ lệ với sự thay đổi sau:
• Khoảng cách địa lý đo vệ tinh - bộ thu,
• Sự khác nhau lỗi pha đồng hồ vệ tinh - bộ thu,
• Trượt một số chu kỳ,
• Trễ tầng đối lưu,
• Trễ tầng điện ly
• Phép đo ảnh hưởng của nhiễu và tín hiệu.
21