ỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, thế giới thông tin ngày càng phát triển một cách đa dạng và phong
phú. Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống càng tăng cả về số lượng và
chất lượng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành Viễn Thông càng mở rộng. Trong những
năm gần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc đáp
ứng nhu cầu đời sống, đưa con người nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa
học kỹ thuật.
Vệ tinh nói chung và GPS nói riêng là một trong những hệ thống thiết bị
định vị rất hiệu quả. Do đó em chọn đề tài “Các mô hình định vị GPS” cho đồ án
kết thúc môn học của mình.
Nội dung của đồ án gồm 2 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh
Chương 2: Hệ thống định vị toàn cầu GPS
Chương 1: Giới thiệu về sự ra đời và phát triển của hệ thống GPS, cung cấp các
khái niệm cơ bản về thông tin vệ tinh, định vị, cơ sở lý thuyết của phép định vị
bằng vệ tinh, phương trình đo mã, thiết lập mô hình toán học của phép đo cũng như
các nguồn gây sai số của phép đo.
Chương 2: Nghiên cứu về cấu trúc của hệ thống GPS, kĩ thuật định vị GPS, các
nguyên tắc và phương pháp đo GPS. Đồng thời nghiên cứu về phương pháp A-
GPS nhằm tăng độ chính xác, giảm thời gian xác định vị trí, giảm mức độ tiêu thụ
năng lượng và tăng độ nhạy của thiết bị thu.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
1.1. Khái quát chung về các hệ thống dẫn đường vệ tinh quốc tế
1.1.1. Khái quát chung
1
Bắt đầu vào những thập niên 1960, hệ thống vệ tinh được thiết lập có ý nghĩa
quan trọng của việc dẫn đường trên trái đất. Hệ thống được thiết kế chủ yếu cho việc
xác định vị trí hàng ngày của tàu bè. Nhưng đã bắt đầu đặt nền móng cho việc sử
dụng trong quá trình dẫn đường cho các phương tiện trên không.
Các hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và
thời gian cho các máy thu ở mọi nơi trên trái đất, trong mọi điều kiện thời tiết. Hệ

thống có thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài mét và có thể giảm
xuống chỉ còn vài centimet.
1.1.2. Hệ thống dẫn đường vô tuyến (Radio Navigation)
Hệ thống dẫn đường vô tuyến, là hệ thống định vị sử dụng hệ tọa độ mặt đất,
nguyên tắc định vị dựa vào nguyên lý giao hội hai cạnh bằng sóng radio:
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
2 2
1 1 1
2 2
2 2 2
R X x Y y m
R X x Y y m
 
= − − −
 
 
= − − −
 

Trong đó:
- R
1
: Khoảng cách từ máy phát 1 đến máy thu.
- R
2
: Khoảng cách từ máy thu 2 đến máy thu.
- X, Y: Tọa độ máy thu.
-
1 2 1 2

, , ,x x y y
: Tọa độ các máy phát 1 và 2.
Nguyên tắc định vị của hệ thống dẫn đường vô tuyến dựa theo nguyên lý
giao hội hai cạnh bằng sóng radio được thể hiện như hình 1.1.
2
Hình 1.1: Nguyên lý định vị bằng giao hội 2 cạnh sóng Radio
1.1.2.1. Nguyên lý hoạt động
Áp dụng nguyên lý tính toán thời gian truyền sóng vô tuyến từ vệ tinh đến
máy thu định vị đặt trên đối tượng cần xác định để xác định khoảng cách từ vệ tinh
đến máy thu định vị đó. Ta biết rằng tốc độ sóng vô tuyến trong không gian gần
bằng vận tốc ánh sáng (3.10
8
m/s), nếu máy thu có thể xác định chính xác thời gian
khi vệ tinh bắt đầu gửi đoạn tin và thời gian máy thu nhận được đoạn tin đó từ đó
có thể xác định được khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh theo biểu thức:

.R c T= ∆
(1.1)
với R: khoảng cách thừ vệ tinh đến máy thu. (m)
c : Vận tốc ánh sáng. (c= 3.10
8
m/s)

T
∆
: Thời gian truyền sóng từ máy phát đên máy thu. (s)
Như vậy để thực hiện thì phải đồng bộ chính xác giữa vệ tinh và máy thu
GPS thì máy phát ở vệ tinh và máy thu GPS có các mã định thời giả ngẫu nhiên
đồng nhất. Mỗi vệ tinh sẽ liên tục phát mã đồng bộ của chúng một cách chính xác,
máy thu GPS sau khi thu được mã đồng bộ phát từ vệ tinh nó sẽ thực hiện so sánh

3
với mã tạo ra để xác định thời gian truyền sóng. Hiệu số thời gian đó nhân với tốc
độ truyền sóng sẽ cho ra kết quả khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Hình 1.3 mô
tả quá trình so sánh mã của vệ tinh và mã của máy thu GPS để xác định thời gian
truyền sóng.

Hình 1.2: Quá trình so sánh mã của vệ tinh và mã của máy thu GPS
• Đặc điểm của hệ thống
- Thiết bị đơn giản rẻ tiền, dễ thao tác.
- Tầm hoạt động bị hạn chế, độ chính xác không cao, nó phụ thuộc vào
nhiều yếu tố:
+ Thời điểm đo, nhiệt độ, độ ẩm của không khí ảnh hưởng tới quá trỡnh
truyền lan súng điện từ.
+ Vị trí cần xác định tọa độ, ảnh hưởng của địa hinh phức tạp tới sự lan
truyền của tia sóng.
Để tăng tầm hoạt động của hệ thống, người ta thường liên kết từng cụm gồm 3
trạm đèn hiệu vô tuyến thành từng chuỗi hệ thống. Khi đó độ phủ sóng của hệ thống
rộng hơn một trạm đơn lẻ, thường vào khoảng 1000 dặm.
1.2. Sự ra đời của hệ thống GPS
Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi
hỏi 1 kỹ thuật mà các hệ thống cũ không thể đáp ứng được đó là định vị trong
không gian 3 chiều, đứng trước sự đòi hỏi đó chính phủ Mỹ đã tài trợ 1 chương
trình nghiên cứu hệ thống định vị và dẫn đường trong vũ trụ. Với Bộ quốc phòng
Mỹ là cơ quan thiết kế và điều khiển hệ thống định vị toàn cầu. Trong nhóm tham
gia điều hành dự án GPS cần phải kể đến Phd. Ivan Getting và Phd. Bradford
Parkinson đã góp phần đáng kể trong dự án.
4
Vệ tinh
Thập niên 1920: Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến
Đầu Đại chiến thế giới 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).
Năm 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 Transit đầu tiên được phóng lên vũ trụ
vào năm 1959.
Năm 1960 : Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian ba chiều (kinh độ, vị độ
và độ cao longitude, latitude and altitude) đầu tiên do Raytheon Corporation đề
xuất theo yêu cầu của Air Force để làm hệ thống dẫn đường sẽ được sử dụng với
(with a proposed ICBM) có thể đạt tới độ lưu động bằng chạy trên một hệ thống
đường ray. Hệ thống dẫn đường được trình bày là MOSAIC (Mobile System for
Accurate ICBM Control). Ý tưởng này bị hỏng khi chương trình Mobile
Minuteman bị hủy bỏ vào năm 1961
Năm 1963: Tổng công ty Aerospace Corporation thực hiện nghiên cứu về
hệ thống không gian làm cơ sở cho hệ thống dẫn đường cho phương tiện chuyển
động nhanh theo ba chiều không gian. Việc nghiên cứu này trực tiếp dẫn tới khái
niệm về hệ thống định vị toàn cầu. Khái niệm liên quan đến việc đo thời gian tới
của tín hiệu sóng vô tuyến được phát đi từ vệ tinh có vị trí chính xác đã biết. Đo
thời gian sẽ cho khoảng cách tới vị trí vệ tinh đã biết và lần lượt có thể xác định
được vị trí của người sử dụng.

5
Ngày 14 tháng 7 năm 1974 Vệ tinh NAVSTAR đầu tiên được phóng lên vũ
trụ. Vệ tinh này được chỉ định là Vệ tinh Công nghệ Dẫn đường (NTS) số 1, về cơ
bản đây là 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).
Năm 1977: Thực hiện kiểm tra thiết bị người sử dụng ở Yuma, Arizona.
Ngày 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.
Ngày 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).
Năm 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.
Ngày 14/7/1983 Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng
nổ hạt nhân (NDS) mới hơn.
Ngày 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.
6
Năm 1984: Khảo sát trở thành một thị trường GPS thương mại đầu bảng
được nâng cánh! Để bù cho số vệ tinh giới hạn có sẵn trong quá trình phát triển
chòm vệ tinh, các nhà khảo sát đã chuyển qua số kỹ thuật nâng cao độ chính xác
bao gồm kĩ thuật GPS Vi phân (DGPS) và kỹ thuật truy theo pha sóng mang
(carrier phase tracking).
Tháng 4 1985 Hợp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao cho
JPO. Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển cũng như lựa chọn sản xuất
các máy thu GPS dùng cho máy bay, tàu thủy và máy thu xách tay (gọn nhẹ).

Năm 1987: Bộ Quốc phòng chính thức yêu cầu Bộ Giao thông (Department
of Transport, DoT) có trách nhiệm thiết lập và cung cấp một văn phòng đáp ứng
nhu cầu người sử dụng dân sự về thông tin GPS, dữ liệu và hỗ trợ kỹ thuật. Tháng
2 năm 1989, Coast Guard có trách nhiệm làm đại lý hướng dẫn Dịch vụ GPS Dân
sự (civil GPS service).
Ngày 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.
Năm 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.
Ngày 25/3/1990 Do 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.
Tháng 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.
7
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.
- Hệ GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thông
tin toàn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất. Ngày nay, khó
hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ
nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Hệ GPS là hệ thống dẫn
đường bằng vệ tinh do Hoa Kỳ kiểm soát và duy trì hoạt động.
Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên trái đất ở độ cao
20.200 km (11.900 NM ), với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi
các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận. Từ những năm đầu thập kỷ
80, các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối tượng sử dụng tư nhân. Trên các

xe hơi hạng sang, những thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số PDA (Personal
Digital Assistant), được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện giá trị của chủ sở
hữu.
- Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978.
- Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 10 năm.
- Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 17 bộ (5 m)
với các tấm năng lượng Mặt Trời mở (có độ rộng 7 m²).
- Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts.
1.3. Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh
Để xác định vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử dụng
vệ tinh làm các điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thể
đến các vệ tinh này (Hình 1.3). Ở đây ta đã biết trước vị trí
j
r
của vệ tinh thứ j
(phát ra tín hiệu) và muốn xác định vị trí R
i
của anten thứ i (thiết bị thu tín hiệu vệ
tinh) do đó ta cần phải đo vector cự ly e
i
j
ρ
I
j
giữa 2 vị trí nói trên (e
i
j
là vector đơn
vị).
8

Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có thể có những kỹ
thuật định vị vệ tinh khác nhau và xác định được vị trí của anten thứ i theo công
thức sau:

j j j
i i i
R r e
ρ
= −
(1.2)
Hình 1.3: Vị trí các vật thể được xác định qua 4 phép đo
Do vị trí của vệ tinh thay đổi theo thời gian nên việc dự đoán một cách
chính xác vị trí của vệ tinh r
j
(t) tại một thời điểm nào đó là rất khó khăn. Nhiệm vụ
dự đoán quỹ đạo hay lịch thiên văn (ephemeris) của vệ tinh đòi hỏi phải có kiến
thức đặc biệt về động lực học vệ tinh mà người vận hành hệ thống cần phải quan
tâm.
Giả sử ta bỏ qua sai số đồng hồ máy thu trên vật thể i và đo được cự ly từ vật
thể i đến vệ tinh 1 là
ρ
i
1
, nghĩa là vật thể i đang nằm trên một mặt cầu (S
1
) có tâm là
vệ tinh 1 (C
1
) và bán kính là
ρ

i
1
. Tiếp theo ta thực hiện phép đo cự ly từ vật thể i
đến vệ tinh 2 và nhận được kết quả là
ρ
i
2
, điều này cho chúng ta biết rằng vật thể i
không chỉ nằm trên mặt cầu (S
1
) mà còn nằm trên mặt cầu (S
2
) cách vệ tinh 2 (C
2
)
một khoảng cách là
ρ
i
2
. Nói cách khác, vật thể i sẽ nằm trên đường tròn (O) do 2
mặt cầu (S
1
), (S
2
) cắt nhau tạo ra. Nếu chúng ta tiếp tục đo được cự ly từ vật thể i
9






!"
#$
%&'
()*+,-./0/1230!"
4
đến vệ tinh 3 là
ρ
i
3
thì vị trí chính xác của nó là một trong hai giao điểm P
1
, P
2
của
mặt cầu (S
3
) với đường tròn (O), như ở hình 1.4.
Như vậy, bằng các phép đo cự ly từ vật thể i đến 3 vệ tinh, ta có thể xác định
được 2 vị trí có thể có của nó trong không gian. Để xác định vị trí nào là vị trí thật
ta có thể thực hiện 1 phép đo bổ sung, tuy nhiên 1 trong 2 vị trí tính được từ phép
đo này sẽ cho một kết quả không phù hợp (hoặc là ở rất xa trái đất, hoặc là chuyển
động với vận tốc vô cùng lớn) và do đó có thể bỏ qua mà không cần phải thực hiện
phép đo này.Ba phép đo cự ly ở trên cho ta 3 phương trình độc lập với nhau cần
thiết để xác định 3 ẩn số. 3 ẩn số này là tọa độ (x, y, z) của vật thể i trong không
gian 3 chiều.
Khi kể đến sai số đồng hồ máy thu, tất cả các phép đo cự ly đồng thời đều bị
lệch bởi giá trị sai số này. Do đó, trong bất kỳ một tập hợp các phép đo cự ly đồng
thời nào, chúng ta cũng cần phải xác định đầy đủ 4 ẩn số (3 ẩn số vị trí, 1 ẩn số
thời gian), nghĩa là cần 4 phương trình hay 4 phép đo cự ly đến vệ tinh để xác định

vị trí duy nhất của vật thể
1.3.1. Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh
1.3.1.1. Mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code - PRC)
10
()*+5-#3637894
Là thành phần cơ bản của GPS, gồm các mã số (digital code) rất phức tạp,
hay nói cách khác nó là một chuỗi liên tiếp các xung nhị phân “0” và “1” (hình
1.5).
Tín hiệu này phức tạp gần như là các nhiễu điện từ ngẫu nhiên nên được gọi
là mã giả ngẫu nhiên. Nó có nhiệm vụ bảo đảm cho máy thu không đồng bộ ngẫu
nhiên với tín hiệu khác. Ngoài ra, do mỗi vệ tinh có một mã PRC duy nhất riêng
biệt nên điều này cũng bảo đảm rằng máy thu sẽ không tình cờ bắt được tín hiệu
của vệ tinh khác, vì vậy các vệ tinh có thể sử dụng cùng tần số mà không làm nhiễu
lẫn nhau. Không những vậy, việc sử dụng mã PRC này còn giúp cho quá trình xử
lý và khuếch đại tín hiệu dựa trên lý thuyết thông tin được thực hiện dễ dàng hơn,
giúp tối ưu hóa anten thu và tiết kiệm chi phí.
1.3.1.2 Giả cự ly
Là cự ly đo được giữa vệ tinh và máy thu khi kể đến các sai số đồng hồ
(đồng hồ máy thu và vệ tinh) cũng như các nguồn sai số khác (sai số do lịch thiên
văn, do tầng điện ly, do tầng đối lưu, …). Các cự ly đo được trên hình 1.8 ở trên
chính là các số đo giả cự ly cần thiết để xác định vị trí của vật thể i được tính theo
công thức sau:

.
j j
i i
pr c T
ρ
= + ∆
(1.3)

trong đó
pr
i
j
: giả cự ly giữa vật thể i và vệ tinh thứ j
ρ
i
j
: cự ly thật giữa vật thể i và vệ tinh thứ j
c : vận tốc ánh sáng (3.10
8
m/s);

∆
T : các nguồn sai số.
11
1.3.1.2. Đo cự ly bằng sóng xung và sóng liên tục
Các hệ thống đo cự ly thường dùng các tín hiệu xung hoặc các tín hiệu sóng
liên tục.
Mỗi phương pháp đều có những ưu khuyết điểm riêng và đều có thể sử dụng
trong phép đo một chiều hoặc hai chiều. Hệ thống định vị vô tuyến toàn cầu là hệ
thống đo cự ly một chiều có khả năng sử dụng cả hai loại: sóng xung dụng trong và
sóng liên tục.
1.3.1.3. Nguyên lý đo cự ly cơ bản
Bằng cách xác định khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu
ta có thể tính toán được cự ly giữa chúng nhờ vào công thức:
Cự ly = vận tốc x thời gian hay
ρ
= c.t (1.4)
Vấn đề ở đây là làm sao tính toán được thời gian truyền tín hiệu giữa chúng.

Để thực hiện điều này chúng ta giả sử rằng cả vệ tinh và máy thu đều phát ra các
mã PRC giống nhau vào cùng một thời điểm. Lúc này tại máy thu ta nhận được 2
phiên bản mã không đồng thời, 1 phiên bản mã của máy thu và 1 phiên bản mã từ
vệ tinh sẽ đến trễ hơn một khoảng thời gian do phải trải qua một quảng đường khá
xa từ vệ tinh đến máy thu. Như vậy dựa vào khoảng thời gian trễ trên ta có thể xác
định được cự ly một cách dễ dàng.
12
()*+:-4&;3<<%36=>?

#@&'A0!"
#B%?8C%
DE
6=>?
DE&'F/23GHBI338?9>J&;3K8L!83789%3?8&;3K8%>%+
Giả cự ly là tích của tốc độ ánh sáng và trị biến đổi thời gian cần thiết để so
hàng một phiên bản mã được phát từ máy thu với một phiên bản mã khác nhận
được từ vệ tinh. Trên lý thuyết, trị biến đổi thời gian là trị chênh lệch giữa thời
gian nhận tín hiệu (được đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín
hiệu (được đo bằng hệ thời gian của vệ tinh). Trên thực tế, hai hệ thời gian này
không giống nhau, mỗi hệ tác động một sai lệch vào trị số đó. Vì vậy các số đo
thời trễ sai lệch này được xem là những số đo giả cự ly.
1.3.2. Các nguồn gây sai số trong phép đo
Như chúng ta đã biết để xác định vị trí của một vật thể, ta cần phải tính toán
được khoảng cách từ nó đến 4 vệ tinh dựa vào phép đo khoảng thời gian truyền tín
hiệu sóng điện từ từ các vệ tinh đến vật thể này.
Do đó độ chính xác của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu là các thông số
rất quan trọng ảnh hưởng đến các phép đo cự ly cần thiết. Ngoài ra, các yếu tố
khác như tầng điện ly, tầng đối lưu, quỹ đạo vệ tinh, độ ồn của máy thu, nhiễu đa
đường (multipath) cũng góp phần gây ra các sai số không nhỏ trong các phép đo
cự ly này.

13
5MN
OMMN
OP+MMMN
()*+Q-38R3N83?GG%3<S<%=>?
T8UC%0!"
.R3R0!"
.R3R?8
VE8&D3
VE8?8
W!88?XA0!"?8/GG0Y/E

1.3.2.1. Đồng hồ vệ tinh
Sóng điện từ truyền đi trong không gian xấp xỉ vận tốc ánh sáng (3.10
8
m/s)
nên chỉ cần sai số 1ns sẽ gây ra sai số khoảng cách 30cm. Vì vậy, người ta trang bị
cho các vệ tinh các đồng hồ nguyên tử (Cesium) rất chính xác. Các đồng hồ này
tuy có độ chính xác cao vẫn tích lũy sai số 1ns sau mỗi 3 giờ, do đó để giải quyết
vấn đề này, chúng sẽ được liên tục theo dõi bởi các trạm mặt đất và được so sánh
với hệ thống đồng hồ điều khiển trung tâm gồm 10 đồng hồ nguyên tử khác. Sau
khi được tính toán kỹ lưỡng, sai số và độ trôi đồng hồ vệ tinh được kèm vào các
thông điệp mà vệ tinh phát đi. Khi tính toán khoảng cách đến các vệ tinh, máy thu
GPS sẽ lấy thời gian truyền tín hiệu nhận được trừ đi các sai số này để xác định
thời gian truyền tín hiệu thực sự.
Mặc dù các trung tâm điều khiển mặt đất cố gắng hết sức để liên tục theo dõi
hoạt động của các đồng hồ vệ tinh, chúng vẫn không thể xác định các sai số một
cách chính xác được. Do đó các vệ tinh vẫn gây ra sai số đồng hồ tiêu biểu khoảng
vài nano giây và sai số khoảng cách khoảng 1m.
1.3.2.2. Đồng hồ máy thu

14
Tương tự như đồng hồ vệ tinh, bất kỳ sai số nào trong đồng hồ máy thu cũng
gây ra sai số trong các phép đo khoảng cách. Tuy nhiên không thực tế khi trang bị
cho các máy thu này các đồng hồ nguyên tử vì chúng khá nặng (khoảng 20kg), có
giá cả rất mắc (50.000USD) và rất bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
Giả sử rằng, tại một thời điểm nào đó, đồng hồ máy thu có sai số 1ms và do
đó gây ra sai số khoảng cách 300.000 m. Nếu các khoảng cách đến tất cả các vệ
tinh được đo chính xác vào cùng một thời điểm thì tất cả khoảng cách này đều bị
lệch 300.000 m. Vì vậy, ta có thể xem sai số đồng hồ máy thu là một trong các ẩn
số cần tìm và đó cũng là lý do mà tại sao khi xác định vị trí ta cần thực hiện các
phép đo cự ly đến 4 vệ tinh, nghĩa là cần 4 phương trình để giải ra 4 ẩn số (3 ẩn số
vị trí x, y, z và 1 ẩn số thời gian là sai số đồng hồ máy thu), và từ đó giúp ta có thể
sử dụng đồng hồ rẻ tiền và gọn nhẹ hơn trong máy thu.
Chú ý rằng việc xem sai số đồng hồ máy thu là 1 ẩn số chỉ hợp lệ nếu ta thực
hiện các phép đo cự ly đến các vệ tinh chính xác vào cùng một thời điểm. Nếu các
phép đo này không xảy ra đồng thời thì đối với mỗi phép đo sẽ có một sai số đồng
hồ khác nhau. Thực hiện các phép đo đồng thời đến 4 vệ tinh, ta không những tính
toán được vị trí 3 chiều mà còn xác định được sai số của đồng hồ máy thu với độ
chính xác rất cao. Một đồng hồ tiêu biểu có độ trôi khoảng 1000ns mỗi giây nhưng
bằng phương pháp trên ta có thể điều chỉnh thời gian máy thu đạt độ chính xác
bằng với đồng hồ GPS và biến đồng hồ máy thu rẻ tiền này trở thành một đồng hồ
nguyên tử có độ chính xác cao. Máy thu hiệu chỉnh đồng hồ của nó mỗi giây và
cung cấp một tín hiệu thời chuẩn cho các ứng dụng bên ngoài. Nếu chúng ta đặt
máy thu tại một vị trí chính xác đã biết thì ta chỉ cần theo dõi 1 vệ tinh để tính toán
sai số đồng hồ máy thu và điều chỉnh nó. Bốn vệ tinh là số lượng tối thiểu mà
chúng ta cần để tính toán vị trí và thời gian. Càng sử dụng nhiều vệ tinh thì kết quả
đo nhận được càng chính xác hơn.
1.4. Sai số quỹ đạo vệ tinh
15
Như đã thảo luận ở các phần trên, độ chính xác của vị trí cần tính toán cũng

phụ thuộc vào cách xác định vị trí chính xác của các vệ tinh (được xem là các điểm
tham chiếu). Quỹ đạo của các vệ tinh liên tục được theo dõi từ nhiều trạm giám sát
nằm xung quanh trái đất và thông tin quỹ đạo dự đoán được truyền đến các vệ tinh,
từ đó vệ tinh cung cấp các thông tin này cho máy thu. Độ chính xác tiêu biểu của
việc tiên đoán quỹ đạo này vào khoảng vài mét và do đó cũng sẽ gây ra sai số
khoảng vài mét khi tính toán vị trí. Máy thu duy trì một bảng niên giám dữ liệu quỹ
đạo cho tất cả các vệ tinh và chúng cập nhật các bảng này mỗi giờ khi có dữ liệu
mới.
1.4.1. Sai số do tầng điện ly
Khi tính toán khoảng cách đến vệ tinh, đầu tiên ta đo khoảng thời gian
truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu và sau đó nhân khoảng thời gian này với vận
tốc ánh sáng. Vấn đề ở đây là vận tốc này thay đổi phụ thuộc vào tình trạng của
tầng khí quyển. Lớp trên của tầng khí quyển gọi là tầng điện ly gồm các hạt mang
điện, gây tác động làm chậm tín hiệu mã và nhanh tín hiệu sóng mang.
Ảnh hưởng của tầng điện ly nếu không được khắc phục có thể gây ra sai số
phép đo lớn hơn 10m. Vài máy thu sử dụng mô hình toán học để tính toán ảnh
hưởng của tầng điện ly và xác định gần đúng mật độ các hạt mang điện nên có thể
giảm được ảnh hưởng của tầng này khoảng 50% tuy nhiên sai số còn lại vẫn đáng
kể.
16
hình 1.8: Sai số do tầng điện ly
Trễ nhiễu tầng khí quyển:
I : là số của electron trên một đơn vị
Tác động của tầng điện ly đối với tín hiệu điện tử phụ thuộc vào tần số của
nó. Tần số càng cao thì ảnh hưởng càng ít. Do đó ta có thể sử dụng 2 tần số sóng
mang khác nhau để đo độ trễ sai lệch giữa 2 tín hiệu này và từ đó loại bỏ được ảnh
hưởng của tầng điện ly. Đó chính là lý do tại sao mà tất cả các vệ tinh GPS truyền
thông tin bằng 2 tần số L
1
, L

2
. Máy thu chính xác (máy thu 2 tần số) chủ yếu phục
vụ cho quân sự theo dõi cả 2 tín hiệu L
1
, L
2
và thực hiện các kỹ thuật phức tạp để
trích ra các tín hiệu mã và sóng mang nhằm loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly.
Máy thu không chính xác (máy thu đơn tần) phục vụ chủ yếu trong dân sự chỉ theo
dõi 1 tín hiệu L
1
. Đây là 1 trong những đặc điểm phân biệt chính giữa 2 loại máy
thu này.
1.4.2. Sai số do tầng đối lưu
Lớp thấp hơn của tầng khí quyển chứa đựng hơi nước được gọi là tầng đối
lưu, gây tác động làm chậm cả tín hiệu mã lẫn tín hiệu sóng mang. Ta không thể
loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu bằng cách sử dụng hệ thống 2 tần số.Phương
pháp duy nhất để loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu là tiến hành phép đo lượng
hơi nước, nhiệt độ, áp suất của nó và áp dụng một mô hình toán học để có thể tính
toán độ trễ gây ra bởi tầng này.
1.4.3. Nhiễu đa đường
17
Khi đo khoảng cách đến mỗi vệ tinh, ta giả sử rằng tín hiệu vệ tinh được
truyền thẳng từ vệ tinh đến anten của máy thu.
Nhưng trong thực tế ngoài tín hiệu trực tiếp này anten máy thu còn nhận
được các tín hiệu phản xạ đến từ mặt đất và các vật thể gần anten qua nhiều đường
gián tiếp khác nhau, xen nhiễu vào tín hiệu trực tiếp, gây ra sai lệch về thời điểm
đến của tín hiệu thực sự.
Nếu đường truyền gián tiếp dài hơn đáng kể so với đường truyền trực tiếp
(lớn hơn 10m) để hai mẫu tín hiệu trên tách rời nhau thì ảnh hưởng gây ra bởi

nhiễu đa đường về cơ bản có thể được khắc phục bởi các kỹ thuật xử lý tín hiệu.
Các sai số của máy thu
Máy thu có thể gây ra vài sai số khi thực hiện phép đo mã hay sóng mang.
Tuy nhiên, trong các máy thu chất lượng cao các sai số này không đáng kể, nhỏ
hơn 1mm đối với phép đo pha sóng mang và vài cm đối với phép đo pha mã.
Direct signal

Hình 1.9: Nhiễu đa đường
1.5. Tổng kết chương 1
Trong chương 1 đồ án đã giới thiệu 1 cách tổng quan về hệ thống thông tin
vệ tinh, sự ra đời và phát triển của hệ thống GPS. Trong chương này cũng đã chỉ ra
18
Ground
Reflected signal
Antenna
Antenna
image
Excess of
optical
path
cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh, các nguồn gây sai số trong phép đo GPS. Đây
cũng là cơ sở để nghiên cứu về cách khắc phục các sai số này và được nghiên cứu
ở chương tiếp theo.
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
2.1. Cấu trúc mô hình hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là phần
không gian (space segment), phần điều khiển (control segment), phần người sử
dụng (user segment).

19

Hình 2.1: Các thành phần cấu tạo mô hình của hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh trong không
gian để xác định vị chí của vật thể trên trái đất. GPS là một trùm 24 vệ tinh quỹ
đạo quay xung quanh trái đất ở độ cao khoảng 20,000km, trong một ngày sẽ thực
hiện 2 vòng quay quang trái đất. Vị trí hiện tại,thời gian và vận tốc có thể được xác
định bởi các máy thu GPS xử lý tín hiệu được phát từ vệ tinh. Một máy thu GPS sẽ
được sử dụng để xử lý các tín hiệu vô tuyến.
Máy thu sẽ chuyển tín hiệu nhận được từ vệ tinh thành các thông tin như :
Vĩ độ
20
kinh độ 
tốc độ
độ cao 
1.4.2 Các thành phần của hệ thống GPS
Hệ thống GPS hiện tại bao gồm 3 thành phần chính.Những thành phần này là
phần không gian (SS), phần điều khiển (CS), phần người dùng (US).

Hình 1. 1: Các thành phần của GPS

Thành phần không gian gồm có những vệ tinh GPS hay là các phương tiện
không gian (SV) theo như các nói trong GPS. Chúng được cung cấp năng lượng từ
những tấm pin mặt trời, những tấm pin mặt trời này luôn được điều chỉnh hướng về
21
phía mặt trời và anten của vệ tinh hướng về phía trái đất. Các vệ tinh này quay hết
một vòng trái đất trên mặt phẳng quỹ đạo trong khoảng 12 tiếng (4 vệ tinh nằm
trong một mặt phẳng).Có 6 mặt phẳng quỹ đạo với góc nghiêng tương đối so với
đường xích đạo trái đất là 55 độ. Cấu trúc như vậy là để đảm bảo rằng đối tượng
được định vị ở bất kì đâu trên trái đất cũng có tầm nhìn thẳng trực tiếp đến ít nhất 4
vệ tinh ở bất kì thời điểm nào.
Khi quỹ đạo của các vệ tinh thay đổi, quan hệ hinh học giữa chúng cũng thay

đổi để đảm bảo cấu trúc ban đầu của quỹ đạo. Vệ tinh phát ra tín hiệu vô tuyến
được mã hóa cho máy thu GPS giải mã để xác định các thông số quan trọng của hệ
thống.
Hình 1. 2: Mô hình hệ thống định vị vệ tinh GPS.

22
Thành phần điều khiển có nhiệm vụ giám sát khả năng hoạt động và tình trạng
của thành phần không gian. Phần điều khiển bao gồm hệ thống các trạm điều chỉnh
đặt khắp nơi trên thế giới, 6 trám giám sát, 4 trạm anten và một trung tâm điều
khiển. Trạm giám sát tính toán tín hiệu mà các vệ tinh gửi vệ trạm chủ. Trạm giám
sát nhận các dữ liệu từ vệ tinh và gửi chúng về trạm chủ, tại đây thông tin quỹ đạo,
đòng hồ của vệ tinh (thông tin thiên văn) sẽ được hiệu chỉnh gửi tới vệ tinh thông
qua trạm anten. Nó cũng tránh cho vệ tinh không bị trôi dạt và quỹ đạo được giới
hạn. Nhưng dữ liệu này sẽ được vệ tinh quảng bá cho phần người sử dụng.

Hình 1. 3: Thành phần điều khiển
23
Thành phần người dùng: Bao gồm các anten và vi xử lý thu để thu và giải mã
các tín hiệu vệ tinh nhằm đưa ra các thông số vị trí, vận tốc và độ chính xác về thời
gian. Từ đó tính toán ra tọa độ và thời gian. GPS có thể cung cấp dịch vụ không
giới han cho người dùng. Phần lớn các máy thu GPS hiện nay đều được thiết kế
nhiều kênh song song, có từ 5 đến 12 mạch thu.
1.4.3 Nguyên tắc hoạt động của GPS
Trong một ngày, các vệ tinh GPS di chuyển 2 vòng trái đất với quỹ đạo đã
được lập sẵn và lien tục quảng bá tín hiệu vô tuyến (các thông tin đã được mã hóa)
tới các máy thu GPS bao gồm thông tin thiên văn, mã giả ngẫu nhiên…Thông tin
này có giá trị trong vài giờ cung cấp thông tin quỹ đạo của vệ tinh. Với các thông
tin trên máy thu GPS tính toán vị trí của vệ tinh tại mọi thời điểm.
24
Hình 1. 4: Hoạt động máy thu GPS với đồng thời 4 vệ tinh.

Mỗi môt vệ tinh có mã giả ngẫu nhiên riêng biệt, mã này kết hợp với thông tin
được mã hóa. Cả vệ tinh lẫn máy thu đều tạo ra cùng một mã tại cùng thời điểm, và
sử dung nó để tái cấu trúc dữ liệu. Tuy nhiên do sự trễ truyền tín hiệu nên tin hiệu
vệ tinh sẽ chậm sau tín hiệu máy thu khi nó tới trái đất.Thời gian này gọi là thời
gian truyền. Do đó, khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu có thể được tính theo
công thức như sau:
25