1.1.CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS
1.1.1.Các hệ thống định vị vệ tinh
1.Một số hệ thống định vị vệ tinh khu vực
+ Hệ thống NAVSAT
Đây là một hệ thống định vị vệ tinh khu vực được xây dựng để đáp ứng các nhu cầu định
vị ở Châu Âu. Hệ thống này sử dụng kết hợp các vệ tinh địa tĩnh và các vệ tinh bay ở quĩ đạo cao
nên còn được gọi là GEO_HEO mix. Đây là hệ thống định vị thuần túy mang tính dân sự phục
vụ cho đa quốc gia, đa mục đích như đạo hàng ( dẫn đường), liên lạc viễn thông, định vị vị trí …
+ Hệ thống OMNITRACS
Đây là hệ thống định vị cấp khu vực đáp ứng nhu cầu định vị chủ yếu ở nước Mỹ. Hệ
thống này sử dụng các vệ tinh địa tĩnh bay ở độ cao 36.000 km. Nó chỉ cho phép định vị 2 chiều
với độ chính xác định vị đạt cỡ 500m.
+ Hệ thống STAR-FIX
Đây là hệ thống định vị vệ tinh khu vực phục vụ cho các nhu cầu định vị ở Châu Mỹ. Hệ
thống này gồm các vệ tinh địa tĩnh có quĩ đạo bay nằm trong cùng mặt phẳng xích đạo trái đất và
các trạm quan sát, xử lý thông tin từ mặt đất.
Nguyên tắc làm việc của hệ thống này về cơ bản giống hệ thống định vị toàn cầu GPS mà
chúng ta sẽ nghiên cứu ở phần sau.
2.Các hệ thống định vị toàn cầu
+ Hệ thống TRANSIT
Đây là hệ thống đạo hàng vệ tinh trên biển được Mỹ đưa vào sử dụng từ khoảng thập niên 60. Nó
còn có tên là NNSS ( Naval Navigation Satelite System). Hệ thống hoạt động dựa theo nguyên lý
Doppler, gồm 6 vệ tinh bay ở độ cao cỡ 1075 km trên các quỹ đạo gần như trò cách đều nhau và
có góc nghiêng so với mặt phẳng xích đạo Trái đất xấp xỉ 90
o
. Tùy thuộc vào vị trí địa lý của
điểm quan sát, vệ tinh xuất hiện liên tiếp trên bầu trời từ 35 đến 100 phút. Điều này có nghĩa là
cứ sau hơn một nửa giờ đồng hồ mới có thể lại quan sát vệ tinh để định vị. Độ chính xác định vị
với mỗi lần vệ tinh bay qua chỉ đạt cỡ vài ba chục mét. Để nâng độ chính xác cần tăng số lần
quan sát vệ tinh đi qua. Đây cũng chính là nhược điểm của hệ thống TRANSIT trong nhu cầu
định vị nhanh với độ chính xác cao.

1.1.2.Cấu trúc và nguyên lí hoạt động của hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là đoạn không gian (space
segment), đoạn điều khiển (control segment), đoạn sử dụng ( user segment). Chúng ta sẽ lần lượt
tìm hiểu cụ thể về từng bộ phận cấu thành của hệ thống và chức năng của chúng.
1. Đoạn không gian
Đoạn này gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều
nhau và có góc nghiêng 55
o
so với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh gần như
tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20.000 km so với mặt đất.
Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số nguyên tử chính xác cao cỡ 10
-12
. Máy phát này tạo ra
các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz, và từ đây tạo ra các sóng tải tần số L1 = 1575,42 MHz và
L2 = 1227,60 MHz. Người ta sử dụng hai tần số tải để giảm ảnh hưởng của tầng điện ly mà ta sẽ
có dịp đề cập ở phần dưới.
Các sóng tải được điều biến bởi 2 loại code khác nhau: C/A-code và P-code.
C/A code là code thô / thâu tóm (Coarse / Acquisition). Nó được sử dụng cho các mục đích dân
sự và chỉ điều biến sóng tải L1. Code này được tạo bởi một chuỗi các số 0 và 1 được sắp xếp
theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 1,023 MHz tức chỉ bằng 1/10 tần số cơ sở, và được lặp
lại sau mỗi miligiây. Mỗi vệ tinh được gắn một C/A – code riêng biệt.
P-code là code chính xác (Precise). Nó được sử dụng cho các mục đích quân sự, tức là để đáp
ứng yêu cầu độ chính xác cao, và điều biến cả 2 sóng tải L1 và L2. Code này được tạo bởi nhiều
chữ số 0 và 1 được sắp xếp theo qui luật tựa ngẫu nhiên với tần số 10,23 MHz; độ dài toàn phần
của code là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày P-code mới lặp lại. Tuy vậy người ta chia code
này thành các đoạn có độ dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một trong các đoạn code như thế, cứ
sau một tuần lại thay đổi. Bằng cách này P-code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được
phép.
Cả hai sóng tải L1 và L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hàng bao gồm ephemerit của
vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh

ephemerit chính xác hóa của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh. Từ trạm trung
tâm các số liệu này được truyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho các vệ
tinh cùng các lệnh điều khiển khác. Như vậy là các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên
vệ tinh được thường xuyên chính xác hóa và chúng sẽ được cung cấp cho người sử dụng thông
qua các sóng tải L1 và L2. Việc chính xác hóa các thông tin như thế được thực hiện 3 lần trong
một ngày. Các thông tin cung cấp đại trà cho khách hàng chỉ đảm bảo độ chính xác định vị 10m,
còn thông tin đảm bảo độ chính xác định vị đến 1m chỉ có được khi có sự thỏa thuận với nhà
cung cấp.
3. Đoạn sử dụng
Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử
dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng kể cả trên trời, trên biển và trên đất
liền. Đó có thể là một máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (trường hợp định vị tuyệt đối) hay
một nhóm gồm từ 2 máy thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định
( trường hợp định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ
phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác ( trường hợp định vị vi phân) . Đó còn là
cả một hệ thống dịch vụ đạo hàng GPS đa năng trên phạm vi toàn cầu hoặc ở từng khu vực đang
đuợc thiết lập ở một số nước phát triển.