Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
LỚI NÓI ĐẦU
GPS không còn xa lạ tại Việt Nam. Đặc biệt với cở vật chất cũng như sự phát triển
chóng mặt của mạng viễn thông với cột mốc phóng vệ tinh Vinashat1 thì những đòi hỏi
của GPS càng ngày càng trở lên đơn giản.
Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô tô bóng láng, trên xe ô tô có trang bị
thiết bị dẫn đường GPS (GPS navigator) chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của xe
mình hiện trên màn hình có bản đồ điện tử trong hệ thống đường xá phức tạp. Vậy thiết bị
dẫn đường GPS trên xe ô tô có nguyên lý hoạt động như thế nào?
Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý hoạt động của Hệ thống định vị toàn cầu
(Global Positioning System, viết tắt là GPS) hoặc tên gọi mới ưa dùng hơn Hệ thống vệ
tinh dẫn đường toàn cầu
Trên thế giới khái niệm GPS đã tồn tại khá lâu và đã được áp dụng rất rộng rãi
không chỉ trong quân sự mà trong rất nhiều mặt của đời sống. Vì thế nghiên cứu tìm hiểu
và ứng dụng công nghệ này vào điều kiện cụ thể Việt Nam là điều hoàn toàn thiết thực, đặc
biệt trong lĩnh vực giao thông.
Ý tưởng làm đề tài này của em được Kỹ sư Đỗ Minh Hiền, cựu sinh viên Bách
Khoa gợi ý. Sau một thời gian tìm hiểu em cảm thấy rất thích và quyết định lấy nó làm đồ
án tốt nghiệp ra trường của mình. Và quá trình thực tập tốt nghiệp 2 tuần cũng là lúc em
càng quyết tâm theo đuổi đề tài này.
Hy vọng dưới sự giúp đỡ của thầy Bùi Minh Cường cùng các thầy cô trong khoa em
sẽ hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này.
Hà nội, Ngày 01 tháng 02 năm 2010
Sinh viên: Đinh Tiến Đức
Lớp: Công nghệ phần mềm B – K47
Mã sinh viên: 0603692
1. Giới thiệu về GPS
- 1 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
(The Global Positioning System (GPS)) là
một chuẩn chung cho hệ thống định vị nhờ vệ tinh

nhất và cho phóng Sputnik đầu tiên vào năm 1957. Một đội các nhà khoa học của Mỹ đứng
đầu là Dr. Richard B. Kershner đã quan sát và kiểm tra sự truyền tín hiệu radio của
Sputnick. Họ đã tìm ra nhờ tác động Doppler. Sự liên tục của tín hiệu được truyền từ
Sputnik thì cao hơn khi tiến gần đến vệ tinh và thấp hơn khi nó tiếp tục xa họ. Họ tiến hanh
việc này từ khi họ biết vị trí chính xác vị trí của họ trên địa cầu. Họ có thể định vị nơi mà
vệ tinh tiến đến. Quỹ đạo của nó được đo bởi biến đổi Doppler.
Niên biểu lịch sử phát triển GPS
Thời gian Sự kiện
Thập niên 1920s Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến
- 2 -
Hệ thống GPS
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
Đầu Đại chiến thế
giới thứ 2
LORAN, hệ thống dẫn đường áp dụng phương pháp đo độ lệch thời
gian của tín hiệu sóng vô tuyến, do Phòng thí nghiệm Bức xạ Đại học
MIT (MIT Radiation Laboratory). LORAN cũng là hệ thống định vị
trong mọi điều kiện thời tiết thực sự đầu tiên, nhưng hai chiều (vĩ độ
và kinh độ).
1957
Vệ tinh Sputnik của Nga được phóng lên vũ trụ. Đại học MIT cho rằng
tín hiệu vô tuyến điện của vệ tinh có thể tăng lên khi chúng tiếp cận
trái đất và giảm đi khi rời khỏ trái đất và do vậy có thể truy theo vị trí
từ mặt đất
1959
TRANSIT, hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh hoạt động đầu tiên, do
Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng Johns Hopkins phát triển dưới sự
chỉ đạo của TS Richard Kirschner. Mặc dù khởi đầu Transit được chế
tạo để hỗ trợ cho đội tàu ngầm của Mỹ nhưng những công nghệ này đã
được phát triển có ích trở thành Hệ thống định vị toàn cầu. Vệ tinh

thời gian chuẩn vũ trụ đã cung cấp cơ sở quan trọng cho hệ thống định
vị toàn cầu. Vệ tinh Timation đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào tháng
5 năm 1967.
- 3 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
1968
Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD, Department of Defence, USA) thành lập
một ủy ban gọi là Ủy ban Thự hiện Vệ tinh Dẫn đường (NAVSEC,
Navigation Satellite Executive Committee) để phối hợp nỗ lực của các
nhóm dẫn đường vệ tinh (Transit của Hải quân, Chương trình
Timation, và SECOR của Quân đội, hay còn gọi là Hệ thống đồng
tương quan khoảng cách chuỗi (Sequential Correlation of Range
System). NAVSEC ký hợp đồng một số nghiên cứu để làm sáng tỏ
khái niệm dẫn đường vệ tinh cơ bản. Những nghiên cứu này về một số
vấn đề chính xung quanh khái niệm như lựa chọn tần số sóng mang
(dải L đối lập với dải C), thiết kế cấu trúc tín hiệu, và lựa chọn định
hình quỹ đạo vệ tinh.
1969-1972
NAVSEC quản lý các thảo luận khái niệm giữa các nhóm dẫn đường
vệ tinh khác nhau. APL Hải quân ủng hộ nhóm Transit mở rộng, trong
khi NRL Hải quân ủng hộ cho Timation mở rộng, còn Air Force thì
ủng hộ cho “chòm sao đồng bộ mở rộng”, tức dự án ‘Hệ thống 621B’.
Tháng 4 năm 1973
Thứ trưởng Bộ Quốc phòng quyết định thiết lập một chương trình hợp
tác ba dịch vụ để thống nhất những khái niệm khác nhau về định vị và
dẫn đường thành một hệ thống Bộ quốc phòng hỗn hợp gọi là Hệ
thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (Defense Navigation Satellite
System). Air Force được chỉ định làm người quản lý (điều hành)
chương trình. Hệ thống mới được phát triển qua văn phòng chương
trình kết hợp (joint program office), với sự tham gia của tất cả quan

vệ tịnh Timation tân trang lại do NRL đóng. Vệ tinh thứ hai (là vệ tinh
cuối cùng) của nhóm NTS được phóng vào năm 1977. Những vệ tinh
này được sử dụng cho việc đề xuất đánh giá khái niệm (ý tưởng) và
thực hiện những đồng hồ nguyên tử đầu tiên đã được phóng vào trong
không gian (vũ trụ).
1977 Thực hiện kiểm tra thiết bị người sử dụng ở Yuma, Arizona.
22/2/1978
Vệ tinh Block I đầu tiên được phóng. Toàn bộ 11 vệ tinh Block I được
phóng trong khoảng thời gian 1978 và 1985 trên Atlas-Centaur. Những
vệ tinh Block I do Rockwell International xây dựng được coi là những
vệ tinh mẫu phát triển được dùng để kiểm tra hệ thống. Bị mất một vệ
tinh do phóng trượt.
26/4/1980
Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng Hệ thống
phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp (Integrated Operational
Nucluear Detonation Detection System (IONDS) sensors).
1982
Bộ Quốc phòng thông qua quyết định giảm số vệ tinh của chòm vệ tinh
GPS từ 24 xuống 18 tiếp theo sau tái cấu tạo lại chương trình chính do
Quyết định 1979 của Văn phòng Thư ký Bộ Quốc phòng gây ra để cắt
giảm kinh phí 500 triệu đô la (khoảng 30%) từ ngân sách cho giai đoạn
năm tài chính FY81-FY86.
14/7/1983
Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ hạt
nhân (NDS) mới hơn
16/9/1983
Theo (the Soviet downing of Korean Air flight 007), tổng thống
Reagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay dân dụng hoàn
toàn miễn phí khi hệ thống đưa vào sử dụng. Sự kiện này đánh dấu sự
bắt đầu lan tỏa công nghệ GPS từ quân sự sang dân sự.

21/6/1989
Hãng Martine Marietta (sau khi mua xong General Electric Astro
Space Division vào năm 1992) được thắng hợp đồng xây dựng 20 vệ
tinh bổ sung (Block IIR). Chiếc vệ tinh Block IIR đầu tiên sẵng sàng
để phóng vào cuối năm 1996.
1990
Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hàng đầu thế
giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm ban đầu.
25/3/1990
DoD theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến Liên bang, lần đầu tiên khởi
động (kích hoạt) SA (Selective Availability) làm giảm độ chính xác
dẫn đường GPS có chủ định.
8/1990
SA được tắt đi trong chiến tranh vịnh Ba tư (Persian Gulf War). Những
yếu tố đóng góp vào quyết định tắt SA bao gồm việc phủ sóng ba
chiều có giới hạn được chòm NAVSTAR cung cấp trong quỹ đạo vào
thời gian đó và sớ máy thu mã số chính xác (Precision (P)-code) trong
bản kiểm kê của DoD. DoD đã mua hàng nghìn máy thu GPS dân dụng
ngay sau đó không lâu đã dùng cho lực lượng liên minh trong cuộc
chiến tranh.
1990-1991
GPS được các lực lượng liên minh dùng lần đầu tiên trong điều kiện
chiến tranh trong Chiến tranh Vịnh Ba Tư. Sử dụng GPS cho Bão Sa
Mạc Hoạt Động (Operation Desert Storm) chúng minh là cách sử dụng
chiến thuật thành công đầu tiên của công nghệ không gian trong giới
hạn thiết trí hoạt động.
29/8/1991 SA được kích hoạt lại sau Chiến tranh Vịnh Ba Tư.
1/7/1991
Mỹ đã cho phép cộng đồng thế giới sử dụng dịch vụ định vị tiêu chuẩn
(SPS) GPS bắt đầu từ năm 1993 trên cơ sở liên tục và miển phí trong

la Mỹ, mang lại cho Orbital tiến gần tới mục tiêu trở thành công ty
viển thông hai chiều dựa vào vệ tinh.
8/6/1994
Người quản trị FAA David Hinson thông báo thực hiện Hê thống Gia
tăng Vùng rộng (WAAS, Wide Area Augmentation System) nhằm mục
đích cải thiện tính hợp nhất GPS và tăng tính sẵn có cho người sử dụng
dân sự trên tất cả các phương tiện bay. Giá chương trình theo dự tính
mất 400-500 triệu đô la Mỹ. Chương trình này được lập kế hoạch thực
hiện vào khoảng năm 1997.
11/10/1994
Ủy ban hành động dẫn đường định vị Bộ Giao thông (the Department
of Transportation Positioning / Navigation Executive Committee) được
thành lập để cung cấp diễn đàn qua đại lý nhằm thực hiện chính sách
GPS.
14/10/1994
Người quản trị FAA David Hinson nhắc lại lời đề nghị (US’s offer)
làm GPS-SPS có sẵn trong tương lai, dựa trên cơ sở liên tục và toàn
cầu miễn phí cho người sử dụng trực tiếp trong thư gửi cho ICAO.
16/3/1995
Tổng thống Bil Clinton tái khẳng định rằng Mỹ cung cấp tín hiệu GPS
cho cộng đồng người sử dụng dân dụng thế giới trong thư gửi cho
ICAO
Từ sau năm 1995 hệ thống GPS vẫn tiếp tục được duy trì và bảo dưỡng cũng như
thay thế những vệ tinh già tuổi. Năm 2000, số vệ tinh trong chòm GPS đã tăng lên 28 vệ
tinh. Những vệ tinh thế hệ GPS-IIR đã và đang được phóng lên để thay thế những vệ tinh
già tuổi. Vệ tinh mới nhất được phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên GPS-IIR-M1, là vệ
tinh đầu tiên thuộc thế hệ 8 chiếc vệ tinh hiện đại nhất GPS-IIR-M. Theo kế hoạch, vệ tinh
tiếp theo sẽ được phóng lên không gian vào tháng giêng năm nay (2006).
Trong quá trình tìm hiểu em tìm được khá nhiều tài liệu cũng như các bài báo liên
quan đến GPS và cũng có các thông tin khác nhau về số lượng vệ tinh hiện nay. Em xin

nhất 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng
với xích đạo một góc 55o . Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và
mỗi vị trí trên trái đất đều có thể theo dõi về vị trí đó bằng 4 vệ tinh gần nhau.
Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz
và L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên
bao gồm các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã
P sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A
được phát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz. Ngoài 2 mã trên vệ tinh
còn phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ
tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao.
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy)
và "hoạt động không khoẻ ( Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được
- 8 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
quyết định do 4 trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu
của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không
khỏe".
- Cấu trúc tín hiệu GPS: Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công
việc định vị là tần số 1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi
là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau.
Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã
C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ
một, được phát đi ở tần số fo/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau
mỗi mili giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết
dưới cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và
trừ một khác, được phát đi ở tần số fo = 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại
sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày.
Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm
mặt đất , theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh
(Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau. Mã

Phần sử dụng GPS có 3 bộ phận chính:

• Phần cứng
• Phần mềm
• Phần triển khai công nghệ
Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến
RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động
máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin
cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác.
Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể,
chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi
hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có
thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS. Những chương
trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho
có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống
tới người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình
phát triển tính độc lập của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố như tính
sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác.
Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như:
cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác nhau,
hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát
triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị
GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá
cả và hiệu suất thiết bị.
2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
Nguyên lý chung:
Nói đến GPS, mọi người thường nghĩ đến máy thu GPS, thực ra, GPS là một
hệ thống gồm 27 vệ tinh (kể cả 3 cái sơ cua) chuyển động trên các quí đạo chung quanh
trái đất. Quân đội Mỹ phát triển hệ thống này với mục đích quân sự nhưng nay nó đã
- 10 -

Hệ thống GPS (Global positioning system)
gồm có 24 vệ tinh phân phối thành 6 nhóm
bay theo 6 quỹ đạo hình tròn quanh trái đất và
ở độ cao khoảng 20 200 km.
Hệ thống GLONASS (GLObal NAvigation
Satellite System). gồm 24 vệ tinh phân
phối thành 3 nhóm bay theo 3 quỹ đạo hình
tròn quanh trái đất và ở độ cao khoảng 19
100 km. Chỉ có 7 trên 24 vệ tinh hãy còn
hoạt động.
- 12 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
- Thực ra đó là những cái tổng quan mà với người không tìm hiểu kĩ về GPS
cũng có thể nắm bắt được. Tựu chung thì nguyên lý ban đầu mà lấy từ những ý
tưởng đã được viết ở trên là: chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống
DOPPLER, đó là nguyên lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu
chuyển động. Hệ thống GPS hoạt động trên một nguyên lý hoàn toàn khác. Để xác
định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng
cách".
- Kỹ thuật này được mô tả bằng các công thức sau đây với các thông số:
s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh;
p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất;
c - Tọa độ sóng;
t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu.
t - Số hiệu chỉnh thời
∆
gian.
- Tập hợp các phương trình đo dạng (I.1) ta có hệ thống phương trình sai số
có 4 ẩn số là t, xp yp zp trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz),
t được xác định theo đồng hồ vệ tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ

- Phaϕ của sóng;
S - Khoảng cách vệ tinh - máy thu.
Từ công thức (I.2) chúng ta có: = (f/c).S - N (I.3)
ϕ
Xét công thức (I.3) từ một phía khác chúng ta có thể viết: p(t) + Nsp
(I.4)
φ
s(ts ) -
φ
(t) =
ϕ
- Trong đó:
s(ts
φ
) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;
p(t) -
φ
Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;
Nsp - Số nguyên lần bước sóng.
Từ các công thức trên ta suy ra: s(t) - (f/c).Ssp -
φ
(t) =
ϕ
p(t) + Nsp (I.5)
φ
Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (I.5) chúng ta biểu diễn
dưới dạng: sp
γ
s(t) +
β

ri
,
máy thu GPS có thể tính được thời gian truyền là (t
ri
- t
i
). Biết được khoảng cách
từ máy thu GPS đến vệ tinh và vị trí của vệ tinh chỉ ra là máy thu GPS nằm trên bề
mặt của một hình cầu có tâm là các vệ tinh. Vì thế chúng ta có thể xác định được vị
trí của máy thu GPS tại điểm giao cắt của 4 hình cầu. Trong trường hợp ko xẩy ra
- 14 -
Đinh Tiến Đức – CNPM B – K47
lỗi, máy thu GPS sẽ nằm trên giao điểm của 4 mặt cầu. Bề mặt của 2 mặt cậu nếu
chúng giao nhau tại hơn 1 điểm thì giao tuyến sẽ là một hình tròn.
Một hình tròn và một mặt cầu trong hầu hết các trường hợp giao nhau tại 2
điểm, mặc dù có thể tưởng tượng được chúng có thể giao nhau tại 1 điểm hoặc tất
cả các điểm. Trở lại với lượng giác trong bài toán này. Vị trí chính xác của máy thu
là giao điểm của bề mặt của bốn mặt cầu với tâm là 4 vệ tịnh. Hai giao điểm đối
xứng với nhau qua mặt phẳng chứa 3 vệ tinh nếu 3 vệ tinh không năm trong một
quỹ đạo tương tự, mặt phẳng chứa 3 vệ tinh sẽ không thẳng đứng (đi qua tâm của
trái đất). Trong trường hợp này một giao điểm sẽ gần trái đất hơn giao điểm còn
lại. Giao điểm gần trái đất sẽ là vị trí chính xác đối với máy thu là phương tiện trên
trái đất, giao điểm xa trái đất sẽ là vị trí chính xác với máy thu là phương tiện
trong vũ trụ.
3. Các phương pháp định vị
- Phép định vị tĩnh và định vị động. Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật
thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động. Mặc dù trị quan trắc là như nhau,
nhưng trên thực tế do ăngten tĩnh hoặc động khác nhau nên dãn đến những khác
nhau rất lớn. Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ
tinh khác nhau, việc làm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ