LỜI NÓI ĐẦU
Trong cuộc sống hiện đại, song song với sự  phát triển không ngừng của  
khoa học công nghệ là nhu cầu ngày càng tăng của con người. Nhu cầu về định 
vị dẫn đường là một nhu cầu quan trọng trong đời sống. Sự ra đời của hệ thống 
định vị toàn cầu GNSS(Global Navigation Satellite System ­ là tên dùng chung cho 
các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như GPS (Hoa Kỳ), hệ thống định 
vị Galileo (Liên minh châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga)) đã đáp ứng được 
nhu cầu đó. Với hệ  thống này, con người có thể  dễ  dàng xác định được vị  trí, 
hướng đi, vận tốc, xây dựng bản đồ…phục vụ  cho nhiều mục đích khác nhau. 
Tuy nhiên, nhiều ứng dụng đòi hỏi độ  chính xác cao. Vì vậy, yêu cầu mới được 
đặt ra là là sao để tăng được độ chính xác của hệ thống định vị.
Hiện nay, các hoạt động của con người đòi hỏi về định vị, dẫn đường và 
điều khiển cho các vật thể chuyển động như  máy bay, tên lửa, ôtô, tàu thuyền,  
v.v. đã trở thành một nhu cầu hết sức cấp thiết trong nhiều lĩnh vực đời sống và 
an ninh quốc phòng. Một trong những hệ  thống dẫn đường hiện tại đang được 
ứng dụng nhiều là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GPS). Tuy nhiên, bên cạnh 
những  ưu điểm như  độ  chính xác tương đối cao và  ổn định theo thời gian, hệ 
thống GPS bộ lộ những nhược điểm như  tín hiệu có thể  bị gián đoạn trong thời 
gian không xác định do  ảnh hưởng của địa hình hoặc do sai số  có chủ  đích của  
nhà cung cấp. Bên cạnh hệ thống GPS, hệ thống dẫn đường quán tính (INS) cũng 
được sử  dụng nhiều nhằm xác định tọa độ  và các thông tin của vật thể  chuyển  
động dựa trên các thông số đo đạc tính toán từ các cảm biến gắn trên vật thể như 
cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, la bàn từ, v.v. Việc tích hợp INS và GPS 
cho phép tạo nên một hệ thống dẫn đường có tính hoàn thiện cao được ứng dụng 
trong các ngành như  điều khiển dẫn đường các phương tiện đường bộ, đường 
không và vũ trụ.


Hệ thống được thiết kế sử dụng các kỹ  thuật xử  lý tín hiệu số  hiện đại,  
đặc biệt là lọc bộ  lọc Kalman, và cảm biến gia tốc MEMS mới, để  đáp  ứng 
được các yêu cầu như tính chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh.

            My   project   focuses   on   studying   about  “Integration  of   Precise  Point 
Positioning GPS and INS”.This is a positioning method provides highly accurate, 
stable, less affected by weather conditions. This has lower cost than other systems 
with the same positioning accuracy.Accordingly, the project would like to present 
the contents as follows:
Chapter 1 introduces
The most general definitions ofPrecise Point Positioning (PPP), low Cost   mems 
IMU and intergration of PPP GPS and mems IMU
Chapter 2 presents Global Positioning System (GPS), Precise Point 
Positioning and Inertial Navigation System (INS)
Presentation on GPS systems, positioning method and PPP exact inertial navigation 
system INS.


Chapter 3 describes the method to integrate GPS and INS, theory of 
Kalman filter
A  description   of   the   method  of  integration   between  GPS  and  INS   systems   and 
presents a Kalman filter theory.
Chapter 4 presents in detail method of integration of Precise Point 
Positioning and INS
Presents   particular   methodological   integration   between   precise   point   positioning 
GPS and INS PPP.
Chapter 5 Result of framework
The   result   based   on   the   simulation   using   matlabfor   estimating   error   between 
separate systems and integration system.
And   the   conclusion   will   evaluate   and   make   a   few   suggestions   towards   further 
researches.

MỤC LỤC


chấp nhận được. Một khó khăn gặp phải hiện nay khi sử  dụng MEMS IMU là 
lỗi của cảm biến quán tính, lỗi này nếu không được khắc phục thì sai số  càng  
ngày   càng   tăng   do   sự   tích   lũy   theo   thời   gian.   Trong   hệ   thống   tích   hợp   PPP  
GPS/MEMS IMU, lỗi  này được ước tính bởi hệ thống PPP GPS. Sự tích lũy lỗi  
cũng được hạn chế. Mặt khác, Cảm biến quán tính MEMS IMU có thể  hoạt  
7


động khi tín hiệu PPP GPS bị gián đoạn, đảm bảo cho hệ thống hoạt động liên  
tục. Tóm lại, việc tích hợp hai hệ  thống này lại với nhau giúp hạn chế  những 
nhược điểm  đồng thời phát huy ưu điểm của từng hệ thống.
Với những  ưu điểm như  vậy, hệ  thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU  
thích hợp cho nhiều  ứng dụng. Sau đây là một số   ứng dụng sử  dụng hệ  thống  
này:
Hệ  thống giám sát phương tiện bay không người lái (Unmanned  Aerial 
Vehicle­UAV)
Trong những năm gần đây, UAV được sử dụng ngày càng nhiều trong các  
ứng dụng dân sự, chẳng hạn như: đánh giá thiên tai, tìm kiếm cứu nạn, theo dõi 
thời tiết, thăm dò khoáng sản…UAV muốn hoạt động được cần phải có thông tin 
chính xác về vị trí, tốc độ, phương hướng. Độ chính xác của những thông số này 
phụ  thuộc vào sứ  mệnh mà UAV thực hiện. Hiện nay, một số  hệ  thống dẫn  
đường   thương   mại   cho   UAV   được   phát   triển   dựa   trên   hệ   thống   tích   hợp  
GPS/MEMS IMU, độ chính xác của những hệ thống này là 2 đến 10 mét. Vì vậy , 
những hệ thống này không thể đáp ứng được những ứng dụng yêu cầu độ  chính  
xác cao. Một số  hệ  thống dẫn đường khác được phát triển dựa trên DGPS để 
đảm bảo hiệu năng dẫn đường. phương pháp này không khả  thi trong một số 
trường hợp thiên tai, khẩn cấp bởi vì việc lắp đặt trạm tĩnh đòi hỏi thời gian,  
phạm vi hoạt động cũng bị hạn chế, tăng chi phí mà độ phức tạp.
Hệ  thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU có thể  được sử  dụng cho hệ 
thống đẫn đường UAV, đặc biết là trong trường hợp trạm tĩnh khó lắp đặt.

Canada.
Công nghệ định vị điểm chính xác được đưa ra bởi Zumberge et al. (1997)
[1] cũng như bởi Kouba and Heroux (2000) [2] đề xuất phương pháp tính toán dữ 
liệu quỹ đạo và đồng hồ sử dụng một phần của mạng IGS. Bằng cách sử dụng  
dữ  liệu chính xác với chu kì 30 giây đối với đồng hồ  và 1phút đối với quỹ  đạo 
của vệ  tinh. Kỹ  thuật này đã thu được những kết quả  triển vọng. Kouba and  
Heroux (2000) lần đầu tiên đã đưa ra kỹ  thuật sử  dụng phương pháp đo mã và 
9


quan sát pha sóng mang từ bộ thu lưỡng tần số. Họ nhấn mạnh sự giảm lỗi, đặc 
biết là lỗi liên quan đến phương pháp đo mã và quan sát pha sóng mang. Kết quả 
thu được tương đương với kết quả của Zumberge’s (1997).
Công trình nghiên cứu của Zumberge et al. (1997) cũng như  Kouba and  
Heroux (2000)[2] tập trung sử dụng phương pháp đo giả khoảng cách và quan sát 
pha sóng mang. Các thông số  chưa biết bao gồm số  nguyên lần bước sóng, độ 
lệch đồng hồ  bộ  thu,và các thông số  về  tầng đối lưu. Gao and Shen (2001) đã  
giới thiệu một mô hình quan sát mới sử dụng mức trung bình của đo mã và quan 
sát pha sóng mang trên cả hai tần số L1 và L2 để hiệu chỉnh sự sai pha sóng mang  
do tầng đối lưu gây ra. Mô hình  mới này cho phép ước tính số nguyên lần bước 
sóng trên cả hai tần sốL1 và L2 đối với mỗi vệ tinh cùng với thông số về vị  trí,  
sai số đồng hồ bộ thu và trễ tầng đối lưu.
Sự  thành công của hệ thống định vị  điển chính xác đã cải thiện một cách 
đáng kể tính linh hoạt và giảm giá thành của hệ thống, nó cũng làm gia răng các 
ứng dụng sử dụng công nghệ GPS, chẳng hạn như: thăm dò địa hình , điều khiển  
máy móc, theo dõi thời tiết.

1.1.2.Low cost MEMS IMU
Vấn đề  then chốt của việc lựu chọn MEMS IMU sử dụng cho hệ th ống  
INS thương mại là mức chi phí hợp lý. Với kích thướng nhỏ  hơn, giá cả  thấp  

Nottingham(Mỹ)   có   độ   chính   xác   là   khoảng   20m   theo   phương   ngang.   Godha  
(2006)[5] cũng nghiên cứu hiệu năng của hệ  thống tích hợp DGPS/MEMS IMU 
và thu được độ chính xác ít hơn 10m theo phương ngang bằng cách sử  dụng mô  
hình liên kết chặt chẽ giữa DGPS và Crista MEMS IMU mà không áp dụng bất 
cứ  sự  ràng buộc chuyển động nào  ở  thị  trấn Calgary  ở  Canada. Tuy nhiên, việc 
sử dụng DGPS sẽ làm gia răng chi phí hệ thống và giới hạn phạm vi hoạt động. 

1.2.2.Mô hình cảm biến quán tính
Một vài nghiên cứu đã được tiến hành để  mô tả  các lỗi ngẫu nhiên của 
cảm biến quán tính, nhưng chủ  yếu vẫn là tập trung vào nhiễu cảm biến. Nói 
11


chung, nhiễu cảm biến bao gồm các thành phần tần số  cao( có tính chất của 
nhiễu trắng) và thành phần tần số thấp (nhiễu này được xem như  sự  trôi và có  
tính chất của nhiễu tương quan ) .

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC 
PPP GPS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS

Chương này xem xét các đặc tính của hai hệ thống. Trình bày các phương  
pháp đo trong hệ thống GPS và các nguồn nhiễu ảnh hưởng tới độ chính xác của  
hệ  thống GPS. Sau đó trình bày công nghệ  định vị  điểm chính xác với các biện 
pháp cụ thể để loại trừ các nguồn lỗi ảnh hưởng tới hệ thống. Cuối cùng là trình  
bày nguyên lý của hệ thống định vị quán tính INS bao gồm: các hệ tọa độ, bộ xử 
lý INS, và thủ tục thiết lập các thông số ban đầu.

2.1. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS

GPS là một hệ thống vệ tinh định vị  toàn cầu của Mỹ, cung cấp các dịch 


Hinh 
̀ 2.2. Vệ tinh NAVSTAR.
Các vệ  tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: Chúng có thể  được 
nhận biết bởi vị  trí của chúng trên quỹ  đạo (mỗi vệ  tinh có một vị  trí (1,2,3,…)  
trên 6 quỹ  đạo: A,B,C,D,E,F) hay bởi số chứng nhận NASA, hoặc có thể  được 
xác định bởi ID quốc tế, hoặc có thể bởi mã giả ngẫu nhiên PRN hay bởi số hiệu 
SVN.
Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một đồng hồ với độ chính xác rất cao. 
Các đồng hồ đó hoạt động ở một tần số cơ bản 10.23 MHz, chúng được dùng để 
phát tín hiệu xung, các tín hiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh.
Phân hệ điều khiển
Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ  hệ  thống, bao gồm  
một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station – MCS) đặt tại căn cứ 
không quân Schriever, Colorado Spring  ở  bang Colorado ­ Mỹ; năm trạm thu số 
liệu được đặt quanh trái đất dọc theo đường Xích đạo, cụ thể là ở Nam Đại Tây  
Dương(Ascension),   Ấn   Độ   Dương(Diego   Garcia),   Nam   Thái   Bình 
Dương(Kwajalein), Hawaii và Colorado Spring; và ba trạm truyền số liệu đặt tại  
Nam Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương, Nam Thái Bình Dương.[3]

14


Hình 2.3. Phân hệ điều khiển.
MCS làm nhiệm vụ  theo dõi trạng thái của các vệ  tinh, quản lý quỹ  đạo  
vệ tinh và duy trì thời gian GPS. Từ đó dự  đoán các thông số quỹ đạo và đưa ra  
giá trị  thời gian GPS đồng bộ  giữa các vệ  tinh, nhằm cập nhật dữ  liệu định vị 
của các vệ tinh.
Năm trạm thu số liệu có nhiệm vụ  theo dõi các tín hiệu vệ  tinh để  kiểm  
soát và dự  đoán quỹ  đạo của chúng. Mỗi trạm được trang bị  những máy thu P­

Sóng mang: tần số fL1 và fL2.
Dữ liệu định vị: bao gồm thông tin liên quan tới các quỹ đạo vệ tinh, có 
tốc độ bit là 50 bps.
Dãy trải phổ: mỗi vệ  tinh có hai dãy hoặc mã trải phổ.  Đó là mã C/A 
(coarse acquisition) và một loại mã chính xác được mã hóa là mã P (Y).
Lược đồ tín hiệu GPS
Sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu GPS được trình bày trong hình 2.1
Đọc sơ  đồ  từ  trái qua phải. Ngoài cùng bên trái là tín hiệu đồng hồ  chính được 
cấp cho các khối còn lại. Tín hiệu đồng hồ có tần số 10.23 MHz. Thực tế tần số 
chính xác là 10.22999999543 MHz để  hiệu chỉnh các  ảnh hưởng tương đối với  
tần số 10.23 MHz từ người sử dụng trên trái đất. Khi được nhân với 154 và 120,  
nó tạo ra các tín hiệu sóng mang L1 và L2. Ở góc bên trái dưới cùng, một bộ hạn  
chế được dùng để ổn định tín hiệu đồng hồ trước khi cấp cho các bộ tạo mã C/A  
và mã P (Y).  Ở phía dưới là bộ tạo dữ  liệu có nhiệm vụ  tạo ra dữ  liệu định vị.  
16


Các bộ tạo mã và bộ tạo dữ liệu được đồng bộ qua tín hiệu X1 được cấp bởi bộ 
tạo mã P (Y).
Sau khi  tạo mã,  các  mã  được   kết hợp  với  dữ   liệu  định vị   qua   các   bộ   cộng  
module­2. Phép XOR được dùng trên các dãy bit“0” và “1”, còn dạng phân cực 1 
và ­1 thì phép XOR được thay thế bằng phép nhân thông thường.

Hình 2.4. Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS.
Các tín hiệu là mã C/A (hoặc mã P(Y)) cộng module­2 với dữ  liệu được 
cấp cho hai bộ  điều chế  tần số  L1.  Ở  đây các tín hiệu được điều chế  trên tín  
hiệu  sóng  mang   sử   dụng  phương   thức   điều   chế   pha   nhị   phân  BPSK.   Chú   ý  
rằng,hai mã được điều chế theo pha và vuông pha với mỗi mã trên L1. Tức là có  
một độ  dịch pha 900  giữa hai mã. Sau khi phần P(Y) bị  suy giảm 3 dB, hai tín 
hiệu L1 này được cộng với nhau để được tín hiệu L1. Dịch vụ định vị chuẩn SPS  

chuyển tiếp bit dữ liệu định vị xảy ra (khoảng 1/3 từ cạnh bên phải), pha của tín  
hiệu cuối cùng cũng bị dịch 1800.
Tóm lại, với tín hiệu GPS, chiều dài mã là 1023 chip, tốc độ  chip là 1.023  
MHz (chu kỳ là 1ms), tốc độ dữ liệu là 50 Hz (20 chu kỳ mã trên 1 bit dữ liệu), ~  
90% công suất tín hiệu trong băng tần ~ 2 MHz.
Mã C/A
        Chúng ta chỉ xem xét tín hiệu GPS theo mã C/A. Các mã C/A là các mã Gold 
và có tính chất của mã giả ngẫu nhiên PRN.
Chuỗi Gold

19


Các mã nhiễu giả  ngẫu nhiên PRN được phát bởi các vệ  tinh GPS là các 
chuỗi xác định với các đặc tính giống nhiễu. Mỗi mã C/A được tạo ra bằng cách 
sử dụng một thanh ghi dịch có hồi tiếp tuyến tính (LFSR) có phân nhánh. Nó tạo  
ra một chuỗi có chiều dài tối đa N = (2n – 1) phần tử.
Một mã Gold là tổng của hai chuỗi có chiều dài tối đa. Mã C/A của tín  
hiệu  GPS  sử   dụng  n  =  10.   Chuỗi  p(t)   lặp  lại  theo  ms   nên  chiều  dài  chip  là  
1ms/1023 = 977.5 ns  ≈ 1 µs, tương ứng với một chiều dài 300 m khi truyền dẫn  
trong chân không hoặc không khí. Hàm tự tương quan (ACF) đối với mã C/A này 
là:

(2.4)

Chuỗi này có 512 bit “1” và 511 bit “0” xuất hiện ngẫu nhiên, và hoàn toàn 
xác định. Chuỗi Gold có tính giả ngẫu nhiên chứ không phải ngẫu nhiên. Ngoài ra 
khoảng tương quan ACF của p(t) là ­1/N. Với mã C/A, hằng số  này là ­1/N =  
­1/1023, như hình 2.4.[1]
ACF được biểu diễn như  tổng của hằng số này và một chuỗi vô hạn của hàm  

Hình 2.8. Bộ tạo mã C/A
Bộ  tạo mã bao gồm hai thanh ghi dịch là G1 và G2. Đầu ra của G2 phụ 
thuộc vào bộ  chọn pha. Các cấu hình khác nhau của bộ chọn pha tạo ra các mã 
C/A khác nhau.
Nghĩa là trạng thái 3 và 10 được hồi tiếp về đầu vào. Tương tự  thì thanh ghi G2  
có đa thức:
                (2.9)
Để  tạo các mã C/A khác nhau cho các vệ  tinh, đầu ra của  hai  thanh ghi 
dịch được kết hợp theo các cách thức đặc biệt. Thanh ghi G1 luôn cung cấp đầu  
22


ra của nó, nhưng thanh ghi G2 cung cấp   hai  trong các trạng thái của nó tới bộ 
cộng module­2 để  tạo ra đầu ra của nó. Việc chọn các trạng thái cho bộ  cộng 
module­2 gọi là chọn pha. Bảng 2.1 biểu diễn sự  kết hợp của các sự  chọn pha 
cho mỗi mã C/A. Nó cũng trình bày 10 chip đầu tiên của mỗi mã trong biểu diễn  
bát phân.
Bảng 2.1: Ấn định pha mã C/A

Biểu   diễn 
Lựa   chọn 
Số   PRN   của 
Số   chip   bị  bát   phân   của 
Số ID vệ tinh
pha   mã   của 
tín hiệu GPS
làm trễ
10   chip   đầu 
thanh ghi G2
tiên

59

8

1744

5

5

19

17

1133

6

6

210

18

1455

7

7



10

23

251

1504

11

11

34

252

1642

12

12

56

254

1750

13


16

910

258

1776

17

17

14

469

1156

24


18

18

25

470


1746

22

22

69

474

1763

23

23

13

509

1063

24

24

46

512


1770

25