Lời nói đầu
Ngày nay chúng ta đang sống trong thời đại của kĩ thuật, chúng ta đã trải qua hàng
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 SIM548C 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 Nguyễn Hoàng Dũng cùng với sự nỗ lực của cả nhóm, đề tài
được hoàn thành. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn đề tài chắc chắn không
tránh 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 Nguyễn Hoàng Dũng các bạn, các anh đã tận tình
giúp đỡ trong thời gian thực hiện đề tài.
Hà nội, ngày 14 tháng 6 năm 2014
Các hình vẽ sử dụng trong báo cáo
1.1.Chòm sao vệ tinh
1.2.Vệ tinh NAVSTAR
1.3.Tín hiệu vệ tinh GPS
1.4.Tạo mã C/A code
1.5.Phân bố các trạm điều khiển
1.6.Quá trình điều khiển trong hệ thống GPS

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 SIM548C
2.28.Chân SIM548C
2.29.Kích thước module
2.30.Mô phỏng 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
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
NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System.
GPS là một giải pháp cho một ai đó ở rất xa và cần sự giúp đỡ . Nó cung cấp câu trả
lời cho câu hỏi “tụi đang ở đâu trên trái đất?”, có thể thấy rằng đó là một câu hỏi dễ
dàng để trả lời. Bạn có thể dễ dàng xác định đúng vị trí của mình bằng cách quan
sát mọi thứ ở xung quanh bạn và vị trí của bạn được xác định nhờ sự tương quan
với chúng. Việc xác định vị trí của bạn sẽ như thế nào nếu như bạn không có các vật
xung quanh mình, hay bạn đang ở giữa sa mạc hoặc bạn đang ở giữa đại dương.

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, chúng có 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
nhất là năm vệ tinh trong suốt thời gian,và thông thường có sáu hoặc bẩy vệ tinh.
Hình 1.1 Chòm sao vệ tinh
1.2.1.2 Vệ tinh
Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc với phân hệ
điều khiển, phát tín hiệu tới máy thu.
Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của hệ thống GPS là đồng hồ vệ tinh.
Vì lý do này mà các vệ tinh được trang bị các đồng hồ nguyên tử (ribidium và
secium) có độ ổn định cao.
Hình 1.2 Vệ tinh NAVSTAR

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
Cesium 10
13−
300000 năm
Hỷđụ 10
15−
30000000 năm
Bảng 1.1Độ ổn định của các đồng hồ
Các vệ tinh phát ra hai song mang cố định, các sóng mang này ở băng tần L (sử
dụng cho radio) và chúng truyền quanh trái đất với một tốc độ bằng tốc độ của ánh
sáng.
Các sóng mang đó được tạo ra từ tần số cơ bản, được phát đi bởi một đồng hồ
nguyên tử có độ chính xác rất cao:
- Sóng mang L1 được phát đi ở tần số 1575, 42 MHz (10,23MHz *154).
- Sóng mang L2 được phát đi ở tần số 1227, 60 MHz (10,23MHz *120)
Sau đó sóng mang L1 có hai mã được điều chế, đó là mã C/A Code hay

Tần số mã C/A (tốc độ chíp)
Bước sóng mã C/A
Chu kì 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
- Bản tin dẫn đường D(t) được điều chế trên cả hai sóng mang có tốc độ 50bít/
s, thông báo các thông tin về lịch thiên văn, độ sai lệch của đồng hồ vệ tinh,
hệ số mô hình tầng điện ly và trạng thái tầng điện ly v…v…
Để hạn chế người dùng dân sự truy cập được độ chính xác hệ thống đầy đủ, nhiều
kĩ thuật đã được phát triển:
- S/N hay tính khả dụng có lựa chọn : là sự suy giảm chất lượng đồng hồ vệ
tinh và thay đổi lich thiên văn có chủ ý. Nó gây ảnh hưởng lên định vị theo
phương ngang khoảnh sai số từ 10m(khi S/A tắt) tới 100m(khi S/A bật).
- A/S hay chống bắt trước (Anti-Spoofing): nó cốt ở mã hóa P bằng cách kết
hợp nó với mã W bí mật, cho ra mã Y, mã này được điều biên trên hai sóng
mang L1 và L2. Mục đích để tránh các truy nhập của người dùng không
được cấp phép nhằm mã hóa trên cả hai tần số P1 và P2, dẫn tới C/A chủ yếu
sử dụng với L1
Các bộ thu GPS sử dụng các mã khác nhau để nhận biết giữa các vệ tinh. Các mã
cũng có thể được sử dụng như một phương thức cơ bản để làm phép đo giả và vì
vậy được dung để tính toán một vị trí.
Hình 1.4 Tạo mã C/A code
1.2.2. Phân hệ điều khiển.
Phân hệ điều khiển có trách nhiệm vận hành hệ thống GPS. Các chức năng cơ bản

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.
Các ứng dụng đặc trưng của phân hệ người dùng là dẫn đường mặt đất cho những
người lữ hành,vị trí của phương tiên, địa chất , dẫn đường hàng hải, dẫn đường trên
không ,v v
Hình 1.7 Một số các ứng dụng của hệ thống GPS
Các khối chính của một máy thu thông dụng là một ănten, bộ tiền khuyếch đại,
tạo mã, bộ tạo dao động xung đồng hồ, bộ vi xử lý, nguồn điện , bộ nhớ để lưu trữ
dữ liệu và giao diện với người dùng, vị trí được tính toán là tâm pha của ănten
Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của một bộ thu GPS
1.2.4 Bản tin dẫn đường
Mỗi vệ tinh nhận từ các ănten mặt đất, thông báo chứa trông tin về các thông số quỹ
đạo của nó, trạng thái đồng hồ, dữ liệu hiện thời của các vệ tinh khác. Thông tin này
được gửi trở lại người dùng thông qua bản tin dẫn đường.
Bit (0,02s)
Hình 1.9 Bản tin dẫn đường
Bản tin dẫn đường được điều biến trên cả hai sóng mang ở tốc độ 50 bit/s. Toàn bộ
bản tin gồm 25 trang hay khung, tạo nên khung lớn nhất 12,5 phút để truyền đi. Mỗi
khung được chia ra thành 5 khung con dài 6 giây mỗi khung, đồng thời mỗi khung
con lại bao gồm 10 từ, 30 bít mỗi từ. Một khung mất 30 giây để truyền đi.
Mỗi khung con luôn bắt đầu với từ TML (Telemetry), cần thiết cho việc đồng bộ.
Tiếp đó, từ transference (HOW) xuất hiện. Việc phát đi từ này để cho phép nhanh
chóng hoán đổi mã C/A cho mã P
Nôi dung của mỗi khung con như sau:
- Khung con 1 : Chứa các thông tin về các thông số được sử dụng bởi đồng hồ
vệ tinh phục vụ sửa lỗi. Các giá trị này là các hệ số cho phép chuyển đổi thời
gian trên vệ tinh thành thời gian GPS. Nó cũng mang dữ liệu thông tin về

Xác định tỉ lệ thời
gian và dự đoán
lịch thiên văn
Giữ cho phân hệ
không gian hoạt
động
Bản tin dẫn đường
Các lệnh
NGƯỜI DÙNG Tín hiệu cao tần
giả ngẫu nhiên.
Bản tin dẫn đường
Giải phương trình
dẫn đường
Vị trí
Tốc độ
Thời gian
Bảng 1.3 Thông tin trao đổi giữa các phân hệ
1.3.GPS làm việc như thế nào?
Có một vài các phương thức khác nhau cho việc thu được một vị trí sử dụng GPS.
Một phương thức được sử dụng phụ thuộc vào độ chính xác, được yêu cầu bởi
người sử dụng và sự đa dạng của bộ thu. Nói chung, vể mặt kĩ thuật chúng có thể
được chia làm ba phương pháp cơ bản sau:
- Phân giải chính xác vị trớ(Differentially corrected positioning). Phương pháp
đó được biết như là DGPS. Phương pháp này cho độ chính xác tới 0,5 đến
5m, và nó được sử dụng cho dẫn đường hàng hải ven bờ,thu thập dữ liệu GIS
v…v…
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

Hình 1.13 Xác định một điểm trong không gian qua 4 vệ tinh
1.3.1.2.Tính toán khoảng cách đến vệ tinh
Theo một cách khác việc tính toán khoảng cách đến mỗi vệ tinh có thể được tính
thông qua định luật Newton:
khoảng cách = vận tốc * thời gian
Cho một ví dụ, ta có thể tính khoảng cách của một con tàu, nếu như chúng ta biết
được vận tốc của nó và thời gian nó đi.
Yêu cầu của bộ thu GPS là tính toán khoảng cách từ thiết bị thu đến khoảng cách
của vệ tinh. Vận tốc ở đây là vận tốc của tín hiệu radio, sóng radio truyền với tốc
độ bằng tốc độ ánh sáng 290.000km trên 1 giây.
Thời gian được đo bằng thời gian truyền tín hiệu sóng radio từ vệ tinh đến thiết bị
thu GPS. Việc tính toán này tương đối khó khăn, vì khi đó ta cần phải phải xác định
khi nào thì tín hiệu radio dời khỏi vệ tinh và khi nào thì nó tới được thiết bị thu.
Tính toán về thời gian: Tín hiệu từ vệ tinh có hai loại mã được điều chế, đó là mã
C/A code và mã P code. Mã C/A code được dựa trên thời gian được cho bởi đồng
hồ nguyên tử có độ chính xác rất cao. Bộ thu cũng có một đồng hồ mà nó được sử
dụng để tạo ra sự so sánh với mã C/A code. Thiết bị thu GPS sau đó tự so sánh
hoặc sẽ tương quan với mã bên trong của vệ tinh để thiết bị thu phát ra mã.
Mã C/A code là một mã số đó là mã “giả ngẫu nhiờn” hoặc xuất hiện một cách ngẫu
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 trên, chúng 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 mét.Các 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.

+ Phương pháp thứ hai là sử dụng “cặp tần số”của thiết bị thu GPS. Các bộ
thu đo hai tần số L1 và L2 của tín hiệu GPS. Nó được biết như sau, khi một tín hiệu
truyền qua tầng điện ly, nó bị chậm xuống ở một tốc độ nghịch đảo tỉ lệ đối với tần
số của nó. Vì vậy nếu như thay đổi thời gian của hai tín hiệu đối chiếu cho nhau, thì
chúng ta có thể đánh giá chính xác sự trễ của tín hiệu. Chú ý rằng điều đó chỉ có thể
xảy ra đối với các thiết bị thu GPS với cặp tần số. Hầu hết các thiết bị thu được tạo
ra dung để dẫn đường , vì vậy nó chỉ có một tần số.
- Ảnh hưởng của hơi nước đối với tín hiệu GPS: Hơi nước có trong tầng
điện ly cũng gây ảnh hưởng tới tín hiệu GPS.Kết quả của ảnh hưởng đó làm
giảm bớt độ chính xác về vị tri xác định, và có thể khắc phục băng cách sử
dụng các mô hình khí quyển.
1.3.1.3.2 Nhiễu do đồng hồ của vệ tinh và thiết bị thu
Mặc dù các đồng hồ sử dụng trong vệ tinh có độ chính xác rất cao (đến khoảng 3
ns), nhưng thỉnh thoảng chúng cũng gây ra sự trượt và tạo ra những lỗi nhỏ, và gây
ảnh hưởng đến sự chính xác về vị trí.
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.
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 của 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 xát nhau. Một anten có vũng xát 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.