LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em đã nhận được nhiều sự
giúp đỡ, tạo điều kiện từ phía nhà trường, gia đình và bạn bè.
Trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thày giáo - TS. Trần Xuân
Việt - người đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo, định hướng, cho em những lời
khuyên hữu ích, cần thiết và đúng lúc trong suốt quá trình chọn đề tài, thực hiện
nội dung cũng như hoàn thiện được đồ án.
Em muốn cảm ơn bố mẹ đã luôn cố gắng cho em điều kiện học tập tốt nhất
trong những năm qua và đặc biệt là trong thời gian hoàn thành đồ án tốt nghiệp
này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn tới toàn thể các thày cô giáo trường Đại học
Hàng Hải Việt Nam nói chung và các thày cô giáo bộ môn Điện tử - Viễn thông
cùng toàn thể các bạn trong tập thể lớp ĐTV51-ĐH nói riêng đã cho em những
năm tháng sinh viên học tập nhiều ý nghĩa.
Hải phòng, tháng 12 năm 2014
Sinh viên thực hiện đề tài
Tiêu Thị Mai Hoa

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Phương pháp điều chế tín hiệu vô tuyến
trong hệ thống dẫn đường GPS” là do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của
thày giáo - TS. Trần Xuân Việt.
Trong đồ án này hoàn toàn là những ghi chép, sắp xếp trình bày lại những
điều em đã được học và đọc được qua các tài liệu có liên quan. Ngoài ra, trong
đồ án em cũng sử dụng các số liệu, hình vẽ được công bố rộng rãi trên mạng qua
một số website tin cậy. Những nguồn tài liệu này em đã liệt kê trong phần tài
liệu tham khảo.


SVN
TLM
TOW count
U.S.
NavalObservatory

Selective Availability – Sai số nhân tạo
2nd Space Operations Squadron - Một đơn vị phi
đội không quân trực thuộc Không quân Mỹ
Binary Phase Shift Keying – điều chế dịch pha
nhị phân
Code Division Multiple Access - phương pháp đa
truy nhập phân chia theo mã
Direct Sequence Spread Spectrum - Trải phổ
chuỗi trực tiếp
U.S Department of Defense - Bộ quốc phòng Hoa
Kỳ
Geostationary Satellite - Vệ tinh địa tĩnh
Global Positioning System – Navigation System
Time And Ranging - Hệ thống dẫn đường vệ tinh của
Mỹ
Handover Word - từ mã chuyển giao
Least Significant Bit - Bit có trọng số thấp nhất
Medium Earth Orbit - Quỹ đạo trái đất tầm trung
Measuring Point - Điểm đo
Most Significant Bit - Bit có trọng số cao nhất
National Aeronautics and Space Administration Cơ quan Hàng Không và Vũ Trụ của Mỹ
Navigation Point - Điểm mốc dẫn đường
Precise Positioning Service - Dịch vụ định vị
chính xác dành riêng cho những thuê bao đặc biệt hoặc


Bảng 1.2
Bảng 3.1

Tình trạng chòm sao GPS cập nhật ngày
11/09/2014
ID tương ứng của các khung phụ đang phát

5

7
46


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Cấu hình hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS

3

Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4


Hiệu ứng đa đường

22

Hình 2.1

Sơ đồ điều chế BPSK

23

Hình 2.2

Đồ thị dạng sóng tín hiệu BPSK

25

Hình 2.3

Sơ đồ giải điều chế BPSK

26

Hình 2.4

Sơ đồ điều chế QPSK

27

Hình 2.5

Hình 2.10

Sơ đồ máy phát DSSS-QPSK

35

6


Hình 2.11

Đồ thị dạng sóng tín hiệu DSSS-QPSK

37

Hình 3.1

Cấu trúc toàn bộ bản tin dẫn đường GPS

44

Hình 3.2

Cấu trúc từ mã TLM và từ mã HOW

45

Hình 3.3

Sơ đồ tạo tín hiệu phát của các vệ tinh GPS

tồn tại khá lâu, mang đến nhiều tiện ích, đặc biệt quan trọng trong việc dẫn
đường của hàng không, đường thủy, đường bộ và cả đường sắt. Từ những ứng
dụng trong lĩnh vực quân sự cho tới những ứng dụng trong lĩnh vực dân sự đều
hết sức đa dạng. Vì vậy, em quyết định chọn mảng kiến thức về hệ thống GPS
này để làm đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Phương pháp điều chế tín hiệu vô tuyến
trong hệ thống GPS” dưới sự hướng dẫn của thày giáo - TS. Trần Xuân Việt.
Trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp này, em xin trình bày một số nội dung như
sau:
Chương I: GPS – Hệ thống định vị toàn cầu
Chương II: Cơ sở lý thuyết điều chế ứng dụng trong GPS
Chương III: Phương pháp điều chế tín hiệu trong hệ thống GPS
Do khả năng có hạn nên đồ án không tránh khỏi các sai sót, em rất mong
nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thày cô để có thể hiểu hơn về đề tài này.
Hải Phòng, tháng 12 năm 2014
Sinh viên thực hiện đề tài
Tiêu Thị Mai Hoa

8


CHƯƠNG I
GPS – HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
1.1. QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG GPS
Từ những năm 60 của thế kỷ 20, quân đội và Cơ quan Hàng Không và Vũ
Trụ của Mỹ (NASA – National Aeronautics and Space Administration) đã tiến
hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính
xác bằng vệ tinh nhân tạo.
Hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS - NAVSTAR (Global Positioning System
- Navigtion Satellite Timing And Ranging) hiện nay được biết đến rộng rãi với
tên gọi là hệ thống định vị toàn cầu GPS. GPS bắt đầu được nghiên cứu từ

áp dụng vào năm 1990 nhằm làm giảm độ chính xác của GPS để ngăn ngừa ứng
dụng GPS vào các hành động chống lại quyền lợi của Mỹ.
Sau đó vào tháng 5 năm 2000, kỹ thuật quân sự Mỹ đã tiến khá xa, lúc này
tổng thống Bill Clinton mới ra lệnh tắt SA. Kể từ đó tới nay, nhu cầu sử dụng
máy thu GPS cá nhân và dân sự mới thực sự bùng nổ. Mặc dù mỗi năm Mỹ phải
tiêu tốn một só tiền không nhỏ để quản lý, vận hành và duy trì hoạt động của hệ
thống GPS nhưng tất cả mọi người trên thế giới đều có thể sử dụng một số chức
năng của GPS miễn phí, bất kể quốc tịch nào.
Trong mỗi lĩnh vực khác nhau, việc yêu cầu về độ chính xác là khác nhau.
Do vậy, việc đặt ra yêu cầu cụ thể về độ chính xác cho mỗi lĩnh vực luôn là điều
cần thiết. Do đó, cũng tùy vào mỗi lĩnh vực mà người ta lại lựa chọn một mức
độ khác nhau về độ chính xác của GPS. Hệ thống GPS cung cấp hai cấp độ
chính xác về dịch vụ:
-

Dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS (Standard Positioning Service): là một dịch vụ
cung cấp cho tất cả người sử dụng GPS một cách liên tục trên toàn thế giới mà
không phải trả phí.

-

Dịch vụ định vị chính xác PPS (Precise Positioning Service): dịch vụ này chỉ
cung cấp thông tin định vị chính xác cho hoạt động quân sự của Mỹ và đồng
minh hay những người sử dụng được Bộ quốc phòng Hoa Kỳ (DoD - U.S.
Department of Defense) cấp phép.

10


1.2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG GPS

vệ tinh tương ứng khoảng 11 giờ 58 phút. Do đó chúng sẽ đi qua cùng một điểm
trên trái đất sau 23 giờ 56 phút (hai lần chu kỳ quỹ đạo vệ tinh) mỗi ngày với tốc
độ ước chừng 13920 km/giờ.

Hình 1.2: Độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh so với mặt phẳng
xích đạo
Ngày 17/07/1995, hệ thống GPS được tuyên bố chính thức là đã đạt được
một khả năng hoạt động đầy đủ (FOC – Full Operational Capability), đảm bảo
khả năng hoạt động thực tế của tối thiểu 24 vệ tinh GPS, không dùng vào thí
nghiệm. Thực tế khi mà GPS đã đạt được FOC của nó, chòm sao vệ tinh thường
12


lớn hơn 24 vệ tinh.
Ban đầu chòm sao vệ tinh GPS được xây dựng với chuỗi gồm 11 vệ tinh
được gọi là các vệ tinh Block I. Các vệ tinh này lần lượt được phóng trong
khoảng thời gian từ năm 1978 đến năm 1985 và được xây dựng chủ yếu để phục
vụ mục đích thí nghiệm. Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo so với xích đạo của
chúng là 63° với thời gian sống theo thiết kế là 4,5 năm. Vệ tinh thuộc Block I
cuối cùng chấm dứt cung cấp dịch vụ vào ngày 18/11/1995.
Tiếp sau các vệ tinh Block I, Mỹ không ngừng đầu tư nghiên cứu, thiết thế
lăp ráp cho ra đời nhiều vệ tinh thế hệ mới. Từ đó tới nay nhiều thế hệ vệ tinh
mới đã được phóng thành công lên quỹ đạo. Bảng 1.1 dưới đây đưa ra một số
thông số của các block vệ tinh hiện hành:

13


Bảng 1.1 : Thông số của một số block vệ tinh hiện hành
Block


12

19972004

7

20052009

Block
IIF
Boeing
North
American

6

từ
28/5/2010

Năng
800
800
2450
lượng mặt
800 watts
watts
watts
watts
trời

gọi là số NAVTAR hay số vệ tinh SVN (Space Vehicle Number). Đây là hệ
được sử dụng theo quy định của cơ quan chương trình chung của Mỹ.Chỉ số thứ
hai là số giả ngẫu nhiên PRN (Pseudo Random Noise). Ngoài ra còn có số nhận
dạng vệ tinh SVID (Space Vehicle Identity).Các chỉ số này của chòm sao vệ tinh
14


GPS hiện hàng được trích từ websie www.navipedia.net cập nhật ngày
07/11/2014 thể hiện trong bảng 1.2dưới đây:
Bảng 1.2: Tình trạng chòm sao GPS cập nhật ngày 07/11/2014
N
o.

S

Pl

1

A

1

VN
(S
ố hiệu
vệ
tinh)
65


5

A

6

64

30

6

B

1

56

16

7

B

2

62

25


2

66

27

C

3

59

19

C

4

53

17

C

5

35

3


4

(
Số
thứ
tự)

an
(
Quỹ
đạo)

1
0
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1


II
R
IIF
II
R
II
R-M
II
R-M
IIF
II
R
II
R-M
II
A
II
R
IIF
II
R
II

Clock
(Đồng hồ
nguyên tử)
Cesium
Rubidium
Cesium
Rubidium

2
4
2
5
2
6
2
7
2
8
2
9
3
0
3
1
3
2

D

5

46

11

D

6


4

54

18

E

5

23

32

E

6

40

10

F

1

41

14


26

F

6

39

9

II
R
IIF
II
R
II
R
II
R-M
II
R
II
A
II
A
II
R
II
R-M

Ba bộ phận chính của khâu mặt đất bao gồm trạm chủ - Master Control
Segment, trạm giám sát theo dõi - Monitor Station và anten mặt đất - Ground
Antena.
16


Hình 1.2 dưới đây cho thấy số lượng cũng như sự bố trí cụ thể của từng loại
trạm trong khâu điều khiển của hệ thống GPS hiện nay.

Hình 1.3: Các trạm mặt đất trong hệ thống GPS
a) Trạm giám sát
Có 16 trạm giám sát (Monitor Station) đặt ở nhiều nơi trên thế giới bao
gồm 6 trạm thuộc quyền không quân Mỹ (Air-Force) và 10 trạm giám sát
chuyên biệt do cơ quan tình báo không gian quốc gia Mỹ (NGA - National
Geospatial-Intelligence Agency) điều hành làm nhiệm vụ bám sát, theo dõi vệ
tinh, thu dữ liệu do vệ tinh truyền về, nhận các thông tin về bầu khí quyển. Sự
bố trí 16 trạm theo dõi này cụ thể như sau:

-

6 Air Force Monitor Station được đặt tại:
Colorado
Kwajalein (Thái Bình Dương)
Đảo Ascension (Đại Tây Dương)
Đảo Diego Garcia (Ấn Độ Dương)
Bán đảo Kaen trên quần đảo Hawaii (Thái Bình Dương)
Cape Canaveral (bang Florida, Mỹ)
17



8 các trạm anten dùng chung (AFSCN Remote Station) được đặt tại:
Greenland
California
Colorado
New Hampshire
Hawaii
United Kingdom
Guam
Diego Garcia

Nhiệm vụ của các trạm này là nhận dữ liệu và các lệnh điều khiển hay hiệu
chỉnh từ trạm chủ (Master control Station) và phát chúng lên vệ tinh.

18


c) Trạm chủ
Trạm chủ (Master Control Station) được đặt tại căn cứ không quân
Schriever (Schriever Air Force Base) mà trước đó là căn cứ không quân Falcon
tại tiểu bang Colorado do 2nd SOPS (2nd Space Operations Squadron) của Không
lực Mỹ (U.S. Air Force) vận hành. Trạm chủ làm nhiệm vụ thu nhận các dữ liệu
do các trạm giám sát gửi về và xử lý chúng (tính lịch thiên văn, hiệu chỉnh đồng
hồ nguyên tử vệ tinh, hiệu chỉnh và điều khiển quỹ đạo, kích hoạt vệ tinh thay
thế hay dự phòng...). Sau quá trình xử lý này, trạm chủ gửi lại thông tin đã hiệu
chỉnh tới một trong những trạm anten mặt đất để phát lên những vệ tinh GPS
thông qua đường link băng S. Mục đích chính của việc gửi đi những thông tin
hiệu chỉnh này là nhằm điều chỉnh quỹ đạo bay và đồng bộ thời gian cho các vệ
tinh cùng với thông tin về sự suy hao đường truyền, đảm bảo tính chính xác của
kết quả định vị GPS.
Ngoài ra còn có một trạm chủ dự phòng - Alternate Master Control Station

độ chính xác 10m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1÷5cm.
- Đa kênh trên hai tần số: nhận được cả hai sóng mang L1 và L2 (f2 = 1227,6 MHz)
với khoảng cách dài đến vài nghìn km, ta sử dụng máy thu hai tần số này để khử
ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển Trái Đất
Trong thực tế hiện nay người ta sử dụng nhiều loại máy thu để thu và xử lý
tín hiệu GPS phục vụ dẫn đường cho phù hợp với nhiều loại thiết bị khác nhau
trong nhiều lĩnh vực. Nhưng nhìn chung để đáp ứng việc thu được tín hiệu GPS
thì các máy thu đều có sơ đồ khối sau:
-

Lọc và khuếch đại tín hiệu cao tần
Đổi tần và khuếch đại trung tần
Số hóa tín hiệu GPS
Xử lý tín hiệu băng cơ sở
1.3. Ý TƯỞNG ĐỊNH VỊ CỦA HỆ THỐNG GPS
Khái niệm định vị dẫn đường được hiểu là quá trình xác định vị trí hay

phương hướng hành trình của con người hay các phương tiện đi đến một đích cụ
thể nào đấy, trong một vùng địa lý hay một tuyến chuyển động nhất định. Con
20


người hay các phương tiện ở đây được gọi chung là chủ thể hay điểm đo (MP –
Measuring Point). Các vật thể định hướng và có vị trí xác định được gọi là các
mốc đạo hàng (NP – Navigation Point).
Trong hệ thống GPS các mốc đạo hàng chính là các vệ tinh nhân tạo trong
khâu vũ trụ đã đề cập tới ở phần trên. Việc định vị vị trí của các chủ thể (con
người, phương tiện) thực chất chính là việc xác định vị trí của các máy thu GPS
mà con người mang theo hay được lắp đặt trên các phương tiện đó.
Ý tưởng định vị của hệ thống GPS xuất phát từ một nguyên lý toán học đơn


Hình 1.6: Trường hợp biết được khoảng cách từ máy thu tới bốn vệ tinh
Như vậy, để xác định được vị trí của máy thu GPS bất kỳ, cần biết được hai
dữ liệu tối thiểu là:
- Vị trí của bốn vệ tinh GPS
- Khoảng cách từ mỗi vệ tinh tới máy thu cần định vị đó
1.4. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS
Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống GPS có thể hiểu như sau: các vệ
tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo xác
định và phát tín hiệu mang thông tin xuống trái đất. Các máy thu GPS thu nhận
và sử dụng thông tin này để tính toán được chính xác vị trí của người dùng.
Máy thu GPS sẽ thực hiện đo khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu truyền
từ các vệ tinh đến được máy thu, rồi từ đó tính ra khoảng cách giữa mỗi vệ tinh
đó với nó theo công thức:
d = V .∆t

(1.1)
Trong đó:
d là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu
V là vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ
ánh sáng (xấp xỉ 300000 km/s)
∆t

là thời gian sóng điện từ truyền từ vệ tinh đến máy thu GPS
23


Như vậy, có thể thấy bài toán tính khoảng cách đưa ra ở phần trên giờ được
đưa về bài toán tính thời gian. Máy thu GPS so sánh thời gian tới của tín hiệu từ
vệ tinh với thời gian chuẩn tại máy thu. Sai lệch về thời gian này cho biết máy


300 km. Đó là một sai số

không thể chấp nhận được (kể cả đối với máy thu GPS phục vụ mục đích dân
sự). Do đó độ chính xác tối thiểu yêu cầu của các máy thu phải là cỡ ns (10 -9 ).
Để có độ chính xác như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử cho không chỉ các
vệ tinh mà còn máy thu GPS của người sử dụng. Nhưng đồng hồ nguyên tử thì
lại quá đắt (khoảng 50 đến 100 ngàn đôla) đối với việc đưa thiết bị định vị GPS
đến với một phạm vi người dùng rộng lớn và đa dạng trên khắp toàn cầu. Giải
pháp được đưa ra là các vệ tinh – trái tim của hệ thống sẽ được trang bị đồng hồ
nguyên tử nhưng mỗi máy thu thì chỉ trang bị đồng hồ quartz thông thường. Các
đồng hồ quartz này được điều chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu được truyền đi từ
các vệ tinh.
Chính do đồng bộ trong hệ thống và môi trường lan truyền sóng không lý
tưởng dẫn tới phép đo khoảng cách như trên có sai số nên khoảng cách đo được
này gọi là khoảng cách giả định (hay một số tài liệu sử dụng thuật ngữ là tựa cự
ly). Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS dựa trên phép đo khoảng cách giả
định này tại máy thu thuê bao thông qua việc đo khoảng thời gian lan truyền của
sóng điện từ từ vệ tinh tới máy thu. Khi đó:
ρ ' = ρ + c.σ ts + c.( ∆tu − ∆t s ) + c.∆t a + ξ m

(1.2)

Trong đó:

ρ'
ρ

c