BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM VĂN QUYỀN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHẦN MỀM CHO BỘ THU GPS

Chuyên ngành: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. NGÔ HỒNG SƠN

Hà Nội – 2010


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN………………….………………………………………….1
CÁC TỪ VIẾT TẮT……………….…………………………………………2
DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU.………………………………………4
MỞ ĐẦU……………………………..……………………………………….6
CHƯƠNG 1- HỆ THỐNG GNSS………….………………………………...9
1.1.

Giới thiệu……………………………………………………………..9

1.2.

Các hệ thống GNSS…………………………………………………..9

1.2.1. Hệ thống thông tin định vị toàn cầu GPS…………………………9
1.2.2. Hệ thống Galileo………………………………………………...10
1.2.3. Glonass…………………………………….…………………….11
1.2.4. Compass (Beidou-2)…………….……………………………….13
1.2.5. Hệ thống QZSS của Nhật….…………………………………….14
1.2.6. Hệ thống định vị vệ tinh của Ấn Độ IRNSS…………………….15

CHƯƠNG 2- NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA GPS.…………...…………….16
2.1.

Hệ thống GPS………………………………………………………16

2.1.1. Các thành phần của hệ thống……….……………………………16
2.1.2. Thành phần không gian………………………….………………16
2.1.3. Thành phần điều khiển………………….……………………….18
2.1.4. Thành phần người dùng………….………………………………19
2.2.

Cấu trúc tín hiệu…………………………………………………….20

2.3.

Mã CA………………………………………………………………22

2.3.1. Chức năng của mã C/A……………….…………………………22
2.3.2. Hàm tự tương quan……………….……………………………..23
2.3.3. Cách tạo mã C/A………………….…………………………….25

2.4.

Hiệu ứng Doppler………..………………………………………….27

Phạm Văn Quyền

1 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

2.5.

Bản tin dẫn đường……………..…………………………………….29

2.6.

Tính PVT (Position, Velocity, Time)…..……………………………31

2.6.1. Lý thuyết về tính toán vị trí của máy thu GPS…………………..31
2.6.2. Tính thời gian và vận tốc máy thu……………………………….36

CHƯƠNG 3- NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ THU GPS……….38
3.1.

Nguyên tắc hoạt động của bộ thu GPS……………………………...38

3.2.


Lý thuyết chung của quá trình giải mã bản tin dẫn đường…………..39

3.3.

Acquisition……….………………………………………………….41

3.3.1. Phương pháp tìm kiếm tuần tự…………………………………..43
3.3.2. Phương pháp tìm kiếm không gian tần số song song……………44
3.3.3. Phương pháp tìm kiếm pha mã song song……………………….46
3.3.4. Tối ưu tần số sóng mang………………………………………...48
3.4.

Tracking……………………………………………………………..49

3.4.1. Vòng khóa pha…………………………………………………...50
3.4.2. Áp dụng vòng khóa pha vào bám mã và pha sóng mang………..54
3.4.3. Bám pha sóng mang……………………………………………..56
3.4.4. Bám mã………………………………………………………….58
3.4.5. Khối bám tín hiệu hoàn thiện……………………………………60
CHƯƠNG 4- GIẢI PHÁP PHẦN MỀM CHO BỘ THU GPS……………...63
4.1.

Lựa chọn độ dài dữ liệu phân tích. ……….……………..………….63

4.2.

Lựa chọn bước tần số sóng mang trong acquisition. …….......…..…65

4.3.


Thuật toán Acquisition………………..…….…….………………...65

4.4.

Thuật toán Tracking………………………..………………………67

4.5.

Kết quả thực hiện chương trình……….…….……………………...69

KẾT LUẬN…………………………………………………………………74
1. Kết quả đạt được………..………………………………………………74
2. Thảo luận………………..………………………………………………74
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………75
Phạm Văn Quyền

2 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

PHỤ LỤC…………………………………………………………………………..77
1. Tạo mã C/A……………………...………………………………………77
1.1.
a.

Hàm tạo mã C/A …………………………………….………...77

Hàm số hóa mã C/A…………………………….…………...77

2. Hàm Acquisition…..…………………………………………………...78
3. Hàm Tracking…………………………………………………………82

Phạm Văn Quyền

3 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn có được từ quá trình nghiên cứu,
tham khảo tài liệu và hướng dẫn của TS. Ngô Hồng Sơn. Không sao chép.

Tác giả luận văn

Phạm Văn Quyền

Phạm Văn Quyền

4 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 


CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
STT Từ viết tắt

Giải nghĩa

1.

Differential Global Positioning System

DGPS

Hệ thống định vị toàn cầu vi sai
2.

GNSS

Global Navigation Satellite System
Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

3.

GPS

Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ

4.

GLONASS


Global Orbiting Navigation Setellite System
Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu của Nga

5.

IRNSS

Indian Regional Navigation Satellite System
Hệ thống vệ tinh dẫn đường khu vực Ấn Độ

6.

QZSS

Quasi-Zenith Setellite System
Hệ thống vệ tinh của Nhật

7.

PVT

Position, Velocity, Time
Vị trí, vận tốc, thời gian

8.

C/A

Coarse/Acquisition

Mã trải phổ CA

9.

PRN

PseudoRandom Noise
Nhiễu giả ngẫu nhiên

10.

PLL

Phase Lock Loop
Vòng khóa pha

11.

DLL

Delay Lock Loop
Vòng khóa trễ

12.

BPSK

Binary Phase Shift Key
Khóa dịch pha nhị phân


Phạm Văn Quyền

5 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

13.

FFT

Fast Fourier Tranform
Biến đổi Fourier nhanh

14.

IF

Intermediate Frequency
Tần số trung tần

15.

VCO

Volt Control Oscilator
Bộ tạo sóng mang cục bộ


16.

I

Inphase
Đồng pha

17.

Q

Quarature
Trực pha

18.

Acquisition

Tìm kiếm vệ tinh và thu nhận, xử lý, lấy các thông số thô về
tần số sóng mang, mã, pha C/A ban đầu của từng vệ tinh

19.

Tracking

Bám mã, pha của mã C/A, tần số sóng mang, giải mã ra tín
hiệu dẫn đường

Phạm Văn Quyền


6 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU
Hình 1.1. Hệ thống vệ tinh Glonass……………………………………………………….12
Hình 1.2. Sơ đồ tạo tín hiệu Glonass…………………………………………………….13
Hình 1.3. Vệ tinh Michibiki đầu tiên của Nhật…………………………………………14
Hình 1.4. Hình minh họa hệ thống vệ tinh tương lai của Ấn Độ………………….….15
Hình 2.1. Các thành phần của hệ thống GPS…………………………………………..16
Hình 2.2. Quỹ đạo vệ tinh GPS…………………………………………………….…….17
Hình 2.3. Các thành phần chức năng của vệ tinh GPS………………………….…….18
Hình 2.4. Chức năng của thành phần điều khiển trong hệ thống GPS………….…..19
Hình 2.5. Sơ đồ khối chức năng thiết bị thu nhận tín hiệu GPS………………….…..20
Hình 2.6. Sơ đồ tạo tín hiệu GPS ………………………………………………………..21
Hình 2.7. Tạo tín hiệu GPS ………………………………………………………….……21
Hình 2.8. Tự tương quan và tương quan chéo của mã C/A …………………….…….24
Hình 2.9. Tạo mã C/A………………………………………………………………….…..25
Bảng 2.10. Quy tắc tính modulo2. ………………………………………………….……25
Hình 2.11. Bảng đăng ký pha mã C/A ……………………………………………….….26
Hình 2.12. Tần số doppler gây ra bởi chuyển động của vệ tinh…………………..….27
Hình 2.13. Quan hệ giữa vận tốc doppler và góc θ……………………………………28
Hình 2.14. Cấu trúc của một khung bản tin dẫn đường…………………………….…30
Hình 2.15. Phương pháp định vị trong không gian…………………………….…..32,33
Hình 1.16 Hệ tọa độ Oxyz……………………………………………..………..…..…….34
Hình 2.17. Xác định khoảng cách do sai số……………………………………….……35 
Hình 2.18. Ước lượng vị trí người dùng………………………………….………....…..35

Hinh 3.1. Cấu trúc chung của bộ thu GPS……………………………………….……..38
Hình 3.2. sơ đồ khối thuật toán phương pháp acquisition tuần tự……………..……43
Hình 3.3. Tách mã C/A………………………………………………………….….……...44
Hình 3.4. Sơ đồ khối phương pháp acquisition tần số song song…………………....45
Hình 3.5. Sơ đồ khối phương pháp acquisition pha, mã song song…………..….….47
Hình 3.6. Sơ đồ giải mã bản tin dẫn đường……..………………………………….….50
Phạm Văn Quyền

7 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

Hình 3.7. Sơ đồ vòng khóa pha cơ bản…………………………………………….….…51
Hình 3.8. Bộ lọc bậc hai trong vòng lặp………………………………………….…….54
Hình 3.9. Sơ đồ khối bám pha và mã………………………………………….…..……..55
Hình 3.10. Vòng khóa pha sóng mang……………………………………….…….……56
Hình 3.11. Vòng Costas bám sóng mang……………………………………….…….…57
Hình 3.12. Sơ đồ khối vòng bám mã cơ bản…………………………………….….…..58
Hình 3.13. Mô tả kết quả tương quan mã E, P, L ………………………………..……59
Hình 3.14. Sơ đồ khối vòng bám mã với sáu bộ tương quan …………………..…….60
Hình 3.15. Sơ đồ khối tổng hợp vòng bám mã, pha sóng mang…………………..….61
Hình 3.16. Sơ đồ khối của một kênh tracking GPS hoàn thiện…………………..…..62
Hình 4.1. Quy trình xử lý phần mềm tín hiệu GPS đã số hóa trên một kênh……….63
Hình 4.2. Sơ đồ khối phương pháp acquisition pha, mã song song………………….66
Hình 4.3. Sơ đồ khối của một kênh tracking GPS hoàn thiện……………………...…67
Hình 4.4. Kết quả acquisition …………………………………………………………....70
Hình 4.5. Kết quả quá trình tracking với vệ tinh số 2……………………………...…..71

Hình 4.6. Kết quả quá trình tracking với vệ tinh số 2 với β=50Hz………………….72
Hình 4.6. Kết quả quá trình tracking với vệ tinh số 2 với β=5Hz…………….……..72

Phạm Văn Quyền

8 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

MỞ ĐẦU
Các hệ thống GNSS (Global Navigation Satellite System) ban đầu với mục đích
là phục vụ cho các hoạt động quân sự với sự cạnh tranh của Mỹ (với hệ thống GPS Global Positioning System) và Nga (Liên Xô cũ) (với hệ thống Glonass - Global
Orbiting Navigation Setellite System). Kể từ khi dịch vụ này được mở rộng cho các
hoạt động dân sự thì nó đã phát triển mạnh mẽ và len lỏi vào mọi lĩnh vực và đã trở
nên phổ biến trên toàn thế giới, đặc biệt là hệ thống GPS của Mỹ, do có lợi thế là
liên tục được nâng cấp và hoạt động đầy đủ bao phủ trên phạm vi toàn cầu. Với
nhiều tác dụng và có phạm vi ứng dụng rộng lớn nên nhiều nước và khu vực đã tiến
hành triển khai cho riêng mình các hệ thống độc lập, hiện đại như Trung Quốc với
Beidou, Châu Âu với Galileo, Nhật với QZSS, Ấn Độ với IRNSS. Đặc biệt là hệ
thống Galileo của Châu Âu sắp tới đi vào hoạt động đầy đủ (2013) sẽ mang lại
nhiều tiềm năng ứng dụng lớn (bởi vì đây là hệ thống hoạt động phi chính trị, có
nhiều loại hình dịch vụ, cung cấp độ chính xác cao). Ngay ở nước ta vừa qua cũng
đã thành lập trung tâm nghiên cứu về GNSS với sự tài trợ của liên minh Châu Âu,
đã có các chính sách đầu tư và phát triển công nghệ liên quan đến lĩnh vực này.
Lý do chọn đề tài: Với sự đa dạng về các hệ thống GNSS, việc nghiên cứu các
phương pháp xử lý tín hiệu GNSS đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và
ứng dụng công nghệ này. Trong đó giải pháp tiếp cận xử lý tín hiệu GNSS bằng

phần mềm cho phép dễ dàng tìm hiểu các phương pháp xử lý tín hiệu trước khi triển
khai đại trà trên các bộ thu thông dụng, hay thiết kế các trạm như DGPS để tăng
cường độ chính xác,…Với xu hướng đó cùng với nhu cầu của cơ quan công tác, tôi
đã chọn hướng nghiên cứu về vấn đề này với đề tài “Nghiên cứu giải pháp phần
mềm cho bộ thu GPS” nhằm mục đích nắm bắt được công nghệ xử lý tín hiệu GPS
để có được các thông tin dẫn đường. Lý do chọn tín hiệu GPS ở đây là do đây là tín
hiệu của một hệ thống đang hoạt động đầy đủ, hoàn thiện và được xử dụng rộng rãi.
Các hệ thống khác cũng có nguyên lý hoạt động tương tự nên khi nắm được cách
thức xử lý tín hiệu của hệ thống này ta dễ dàng tiếp cận và xử lý đối với các hệ
thống khác trong tương lai.
Phạm Văn Quyền

9 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài: Do đây là một vấn đề khó và lớn, có
nhiều công đoạn, lĩnh vực phối hợp, cần phải có nhiều thời gian và nhiều người
cùng phối hợp mới giải quyết trọn vẹn được. Do vậy trong khuôn khổ luận văn này
tôi mới chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm ban đầu về một
số thuật toán xử lý tín hiệu GPS, trong đó tập trung cụ thể vào hai pha quan trọng
trong phần mềm bộ thu GPS là acquisition (pha này nhằm mục đích tìm kiếm vệ
tinh và thu nhận, xử lý, lấy các thông số thô về tần số sóng mang, mã, pha C/A ban
đầu của từng vệ tinh) và tracking (Pha này nhằm mục đích bám mã, pha của mã
C/A, tần số sóng mang, giải mã ra tín hiệu dẫn đường).
Về kết quả của luận văn: Với mục đích và phạm vi nghiên cứu của luận văn kết
quả cuối cùng luận văn về cơ bản đã giải quyết được các vấn đề liên quan đến lý

thuyết nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS, bộ thu GPS, các thuật toán cụ thể
liên quan đến quá trình acquisition và tracking. Về mặt thử nghiệm các thuật toán
trên phần mềm Matlab đã bước đầu giải mã được tín hiệu GPS tuy là chưa xem xét
nhiều về mặt hiệu năng của thuật toán.
Cụ thể luận văn gồm các phần như sau:
Chương 1: Hệ thống GNSS. Giới thiệu một cách khái quát về tình hình phát
triển của các hệ thống GNSS trên thế giới, xu hướng phát triển và tiềm năng ứng
dụng của các hệ thống này. Cập nhật những thông tin mới nhất về các hệ thống
GNSS trên thế giới.
Chương 2: Nguyên lý cơ bản của GPS. Mô tả về nguyên tắc hoạt động của hệ
thống GPS, lý thuyết về cấu trúc tín hiệu GPS, mã trải phổ C/A, tác động của hiệu
ứng Doppler lên tín hiệu, bản tin dẫn đường, cách tính PVT.
Chương 3: Nguyên tắc hoạt động của bộ thu GPS. Trong chương này đã tập
trung cụ thể vào bộ thu GPS. Khái quát hoạt động của bộ thu phần cứng, nguyên tắc
hoạt động, lý thuyết về quá trình giải quyết hai phần quan trọng của bộ thu GPS là
acquisition và tracking.
Chương 4: Giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS. Trình bày về các vấn đề
liên quan để giải quyết cụ thể hai bài toán acquisition và tracking, cài đặt và thử
Phạm Văn Quyền

10 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

nghiệm các thuật toán bằng phần mềm Matlab, xử lý trên các bộ dữ liệu GPS thực
tế để đánh giá thuật toán.
Do điều kiện thời gian và thiết bị phục vụ cho quá trình nghiên cứu cũng như

kinh nghiệm nghiên cứu còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi có nhiêu thiếu
sót, rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình, kịp thời có
những điều chỉnh về phương hướng cũng như phương pháp tiếp cận và giải quyết
vấn đề của thầy giáo TS. Ngô Hồng Sơn. Tôi cũng xin cảm ơn sự tạo điều kiện,
giúp đỡ của các lãnh đạo: Bộ môn Toán Tin, Khoa Cơ Bản, Trường Sỹ quan Không
quân, gia đình và bạn bè đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập để tôi có
thể hoàn thành luận văn này.

Phạm Văn Quyền

11 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

CHƯƠNG 1- HỆ THỐNG GNSS.
1.1.

Giới thiệu.

Hệ thống GNSS (Global Navigation Setellite System – Hệ thống vệ tinh dẫn
đường toàn cầu) là tên gọi chung cho các hệ thống dẫn đường toàn cầu bằng vệ tinh
hiện nay trên thế giới như GPS, Galileo, Glonass…. Sự ra đời của hệ thống này đã
mang lại rất nhiều ứng dụng thuận tiện cho cuộc sống. Ban đầu là các hệ thống GPS
của Mỹ và Glonass của Liên Xô, với mục là phục vụ cho quân sự thì giờ đây nó đã
phổ biến và không thể thiếu trong rất nhiều lĩnh vực từ giao thông hàng không, bản
đồ, cứu hộ… cho đến lĩnh vực nông nghiệp, bảo vệ môi trường. Với khả năng cung

cấp tọa độ, vị trí chính xác ngày càng cao, thời gian cỡ nano giây và vận tốc đo
được lớn nhất khoảng 500m/s (trên tốc độ siêu âm). Với máy chuyên dụng sử dụng
đầy đủ công nghệ thì còn chính xác hơn rất nhiều, và không ngừng được cải tiến
nâng cấp, mang lại các thông tin cần thiết mọi lúc. Với ý nghĩa và tác dụng to lớn
như vậy hiện nay ngoài Mỹ (GPS) và Nga (Glonass) nhiều nước và khu vực đã tiến
hành triển khai cho riêng mình các hệ thống độc lập như Trung Quốc với Beidou,
Châu Âu với Galileo, Nhật với QZSS, Ấn Độ với IRNSS.
1.2.

Các hệ thống GNSS.

1.2.1. Hệ thống thông tin định vị toàn cầu GPS.
GPS (Global Positioning System) là một hệ thống GNSS phát triển bởi Bộ
quốc phòng Mỹ và là hệ thống định vị phổ biến nhất hiện nay. GPS có thể hoạt
động trong mọi điều kiện thời tiết cũng như các khu vực khác nhau trên toàn thế
giới. Ban đầu GPS được phát triển cho mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 đã
được mở rộng phạm vi sử dụng sang các lĩnh vực dân sự. GPS hiện đang được ứng
dụng rộng rãi trên toàn thế giới ở mọi lĩnh vực. Ở Việt Nam hiện nay cũng có rất
nhiều ứng dụng như về quản lý hệ thống vận tải, giám sát phương tiện, hành trình,
giám sát tội phạm và đo đạc bản đồ, nghiên cứu địa chất… Về nguyên lý hoạt động
của hệ thống này ta sẽ tập trung kỹ ở phần sau. Hiện nay hệ thống GPS ngày càng
được chú trọng và hoàn thiện để cạnh tranh với các hệ thống mới nổi của Châu Âu,
Phạm Văn Quyền

12 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 


Nga, Trung Quốc khi mà các quốc gia này cũng đang xúc tiến rất mạnh cho các hệ
thống độc lập của riêng họ. Hệ thống này ta sẽ tìm hiểu chi tiết ở phần sau và cũng
là hệ thống chính được nghiên của luận văn này.
1.2.2. Hệ thống Galileo.
Đây là hệ thống đang được phát triển bởi liên minh Châu Âu. Về mặt nguyên
tắc hoạt động cũng gần giống như hệ thống GPS của Mỹ. Các thiết bị thu tín hiệu
của Galileo cũng có thể thu được tín hiệu GPS do vậy khi hệ thống này đi vào hoạt
động sẽ có rất nhiều ích lợi cho người sử dụng do có thể thu được nhiều tín hiệu từ
các vệ tinh của cả hai hệ thống để tăng cường độ chính xác, ổn định. Mặt khác hệ
thống Galileo là hệ thống độc lập về mặt chính trị, cung cấp nhiều giải pháp ứng
dụng và có nhiều giải pháp hiện đại hơn hệ thống GPS. Nên về tương lai (dự kiến sẽ
chính thức đi vào hoạt động vào năm 2013) khi hệ thống này đi vào hoạt động sẽ
mang lại nhiều lợi ích cho nhiều nước trên thế giới cũng như Việt Nam. Trong thời
gian vừa qua cũng đã có nhiều hoạt động xúc tiến, hội thảo về chương trình Galileo
ở Việt Nam. Gần đây nhất là việc thành lập trung tâm nghiên cứu về Galileo ở khu
vực Đông Nam Á mà trụ sở đặt tại Đại học Bách Khoa Hà Nội (thành lập vào ngày
01/10/2010 tại tầng 6 thư viện Tạ Quang Bửu nằm trong dự án SEAGAL).
Hệ thống Galileo có 24 vệ tinh (có 3 vệ tinh dự phòng) nằm rải trên 6 quỹ
đạo, mục đích cung cấp đa dạng dịch vụ phù hợp với nhiều đối tượng sử dụng bao
gồm:
Dịch vụ mở OS(Open Service): Dịch vụ miễn phí có sẵn cho thị trường các
ứng dụng đòi hỏi định vị đơn giản và không cần sự đảm bảo.
Dịch vụ Thương mại CS (Commercial Service): Dịch vụ này đòi hỏi được sử
dụng chuyên nghiệp, có độ chính xác cao hơn và cung cấp dịch vụ bảo đảm có thu
phí.
Dịch vụ An toàn của cuộc sống (Safety of Life Service): Đây là một dịch vụ
cho các ứng dụng đảm bảo an toàn quan trọng cho cuộc sống như hàng hải, hàng
không, đường sắt, phương thức vận chuyển mà ứng dụng hoặc hoạt động yêu cầu
thực hiện nghiêm ngặt về mức độ an toàn.

Phạm Văn Quyền

13 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

Dịch vụ Điều hành công vụ (Public Regulated Service): Chỉ dành cho đối
tượng được chính phủ cho phép sử dụng.
Dịch vụ tìm kiếm và cứu nạn (Search and Rescue Service): Nó cho phép phát
hiện nguy hiểm và phát đi cảnh báo theo thời gian thực Nó tương thích với
COSPAS-SARSAT. Đảm bảo thông tin tương tác 2 chiều.
1.2.3. Glonass.
Glonass (Global Orbiting Navigation Setellite System) là hệ thống GNSS
của Nga được phát triển từ thời Liên Xô để đối chọi với Mỹ với tính năng tương tự.
Tuy nhiên sau khi Liên Xô sụp đổ thì hệ thống này không được duy tu và phát triển
nên bị suy yếu nhiều năm. Gần đây hệ thống này đang được khởi động mới lại với
việc cải tiến công nghệ, phóng thêm các vệ tinh mới để thay thế và để đảm bảo có
thể bao phủ toàn cầu, cung cấp cho cả dân sự và quân sự. Gần đây nhất tên lửa
Proton-M đã phóng thành công mang theo ba vệ tinh Glonass M lên quỹ đạo vào
ngày 02/09/2010. Và dự kiến tháng 12/2010 sẽ phóng tiếp ba vệ tinh Glonass K là
các vệ tinh mới hiện đại có khả năng hoạt động lâu dài hơn, chính xác hơn. Dự kiến
đến năm 2011 hệ thống Glonass sẽ hoạt động đầy đủ chức năng trên toàn cầu. Thời
điểm hiện tại này Glonass có 26 vệ tinh trên quỹ đạo với 21 đang hoạt động bình
thường, 3 vệ tinh đang được bảo trì và 2 vệ tinh dự phòng (bao phủ toàn bộ Nga và
98% thế giới).
Hệ thống Glonass đầy đủ sẽ gồm 24 vệ tinh hoạt động và chia làm ba quỹ
đạo, mỗi quỹ đạo có 8 vệ tinh. Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo

một góc 64,80 và góc xuân phân giữa hai quỹ đạo sai khác nhau 1200. Quỹ đạo cách
bề mặt trái đất 19.100 km.

Phạm Văn Quyền

14 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

Hình 1.1. Hệ thống vệ tinh Glonass
Không giống như hệ thống GPS truyền thông tin dẫn đường qua định dạng
CDMA , Glonass sử dụng định dạng FDMA. Mỗi vệ tinh GPS truyền một cặp mã
C/A và P duy nhất trên cùng tần số thì mỗi vệ tinh Glonass truyền cùng cặp mã
PRN trên các tần số khác nhau. Điều này tuy mang lại nhiều khả năng về dung
lượng cho Glonass nhưng các thiết bị thu của Glonass sẽ đắt hơn do yêu cầu thêm
thiết bị đầu cuối để xử lý nhiều tần số. Mỗi vệ tinh Glonass truyền ở hai băng tần L1
(f1=(1,602+9k/16) GHz ) và L2 (f2=(1,246+7k/16) GHz) với k=0-24 là chỉ số vệ
tinh. Băng L1 được điều chế bởi mã C/A và mã P, băng L2 chỉ sử dụng mã P.
Glonass cũng truyền thông tin dẫn đường với dữ liệu 50bit/s.

Phạm Văn Quyền

15 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    



Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

Hình 1.2. Sơ đồ tạo tín hiệu Glonass.
Tần số sóng mang f có công thức chung như sau:

Với Z = 9 cho L1 và 7 cho L2. K=0-23 với lần lượt 24 vệ tinh. [3]
1.2.4. Compass (Beidou-2).
Đây là hệ thống GNSS được phát triển của riêng Trung Quốc với tham vọng
đến năm 2020 sẽ hoạt động đầy đủ và bao phủ toàn cầu. Hiện nay Beidou-2 đã có
vệ tinh thứ năm trên quỹ đạo. Trong năm 2010 Trung Quốc phóng ba vệ tinh vào
các tháng giêng, sáu và mới nhất là tháng tám. Trong hệ thống của mình Trung
Quốc tuyên bố cung cấp hai dịch vụ: dịch vụ miễn phí có độ chính xác thấp và dịch
vụ riêng cung cấp cho Trung Quốc có độ chính xác cao. Với các vệ tinh đang có
phục vụ trên lãnh thổ của mình Trung Quốc thông báo là đã có độ chính xác vị trí là
10m, thời gian chính xác cỡ 10ns, và vận tốc là 0,2m/s.
Phạm Văn Quyền

16 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

1.2.5. Hệ thống QZSS của Nhật.
Nhật là một nước có rất nhiều ứng dụng dựa trên hệ thống GPS của Mỹ, với
trình độ khoa học kỹ thuật cao của mình Nhật cũng đã có tham vọng xây dựng cho
riêng mình hệ thống GNSS và đó là lý do sự ra đời của QZSS (Quasi-Zenith
Setellite System). Dự kiến đến năm 2013 sẽ chính thức hoạt động và có khả năng
bao phủ vùng Nhật và châu Úc. Ngày 11/09/2010 Nhật đã phóng thành công vệ tinh

đầu tiên của mình.Vệ tinh "Michibiki" được đưa vào quỹ đạo không gian bằng tên
lửa H-IIA của Nhật từ trung tâm không gian Tanegashima, vào lúc 20h17 (giờ địa
phương). là vệ tinh đầu tiên nằm trong kế hoạch 3 vệ tinh của Nhật, dự kiến sẽ cung
cấp tín hiệu trên toàn quần đảo Nhật Bản. Nhật đã thiết kế quỹ đạo sao cho 1 trong
3 vệ tinh Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) luôn bay phía trên nước Nhật. Vệ
tinh có thể phủ sóng ở mọi khu vực, thành phố của nước này, nhưng ở một số vị trí
có thể không có sóng do sự cản trở của các nhà cao tầng, đỉnh núi.Vệ tinh cũng có
khả năng phát quảng bá tín hiệu sửa lỗi trong dữ liệu để dịch vụ định vị chính xác
hơn.

Hình 1.3. Vệ tinh Michibiki đầu tiên của Nhật
Tín hiệu từ vệ tinh QZSS tương thích với hệ thống GPS hiện tại nên đảm bảo
cho các thiết bị định vị hiện tại hoạt động tốt mà không phải thay đổi, chỉnh sửa gì.

Phạm Văn Quyền

17 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

Hệ thống vệ tinh QZSS của Nhật là một trong số kế hoạch phát triển mạng lưới vệ
tinh nhằm giảm sự lệ thuộc vào mạng GPS của Mỹ.
1.2.6. Hệ thống định vị vệ tinh của Ấn Độ IRNSS.
IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) sẽ được triển khai và
đưa vào hoạt động vào năm 2014. Đây là thông tin mà Chính phủ nước này đưa ra
trước Quốc hội Ấn Độ hôm 10/08/2010. Được phát triển bởi Cơ quan Nghiên cứu
Vũ trụ Ấn Độ (ISRO) và với sự giúp đỡ của Mỹ, IRNSS bao gồm 7 vệ tinh liên kết

với các cơ sở hạ tầng dưới mặt đất.

Hình 1.4. Hình minh họa hệ thống vệ tinh tương lai của Ấn Độ
Dự án IRNSS được thông qua năm 2006 với ngân sách dự kiến 14 tỷ Rupi
(khoảng 231 triệu euro). Các quan chức Ấn Độ cho rằng việc phát triển hệ thống
IRNSS là cần thiết để đảm bảo tính tự chủ về công nghệ của nước này, tránh sự lệ
thuộc vào các hệ thống của nước ngoài (hiện nay sử dụng Hệ thống GPS của Mỹ),
nhất là khi các hệ thống này gặp sự cố.
Theo G Madhavan Nair, cựu Giám đốc ISRO, IRNSS sẽ có 3 vệ tinh được
đặt ở quỹ đạo địa tĩnh và 4 vệ tinh khác được đặt gần quỹ đạo này, điều này cho
phép đảm bảo tính hoạt động liên tục của hệ thống.

Phạm Văn Quyền

18 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

CHƯƠNG 2- NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA GPS.
Trong chương này ta sẽ tập trung vào tìm hiểu qua các thành phần cơ bản
của hệ thống GPS sau đó đi vào một số điểm lưu ý và quan trọng về cấu trúc tín
hiệu GPS, mã C/A, tác động của hiệu ứng Doppler đối với tín hiệu GPS, cách tính
toán các giá trị PVT (Position – vị trí, Velocity – vận tốc, Time – thời gian). Đây
chính là các cơ sở lý thuyết quan trọng phục vụ cho các chương sau.
2.1.

Hệ thống GPS.


2.1.1. Các thành phần của hệ thống.
Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần (segment) chính: thành phần không gian
(Space Segment), thành phần điều khiển (Control Segment) và thành phần người
dùng (User Segment). Các thành phần của hệ thống GPS được minh họa trong hình
dưới đây:

Hình 2.1. Các thành phần của hệ thống GPS
2.1.2. Thành phần không gian
Thành phần không gian của GPS là một hệ thống bao gồm 24 vệ tinh bay trên
quỹ đạo trái đất. Các vệ tinh này có khả năng phủ sóng toàn bộ bề mặt trái đất với
cấu hình như sau:
-

24 vệ tinh hoạt động

Phạm Văn Quyền

19 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

-

6 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao 20.200km. Thời gian bay hết quỹ đạo là
11h58’ và độ nghiêng 530


-

4 vệ tinh bay trên một mặt phẳng

Hình 2.2. Quỹ đạo vệ tinh GPS
Quỹ đạo của vệ tinh được xác định là quỹ đạo trái đất trung bình (Medium Earth
Orbit – MEO) khác với quỹ đạo địa lý tĩnh (Geostationary Earch Orbit – GEO) ở độ
cao 36.000km. Các vệ tinh được cài đặt sao cho độ che phủ bề mặt trái đất là tối đa,
nghĩa là tối thiểu tại một điểm bất kì phải thu nhận được tín hiệu từ 4 vệ tinh. Đây là
số vệ tinh tối thiểu mà thiết bị thu nhận phải phát hiện được để tính toán vị trí chính
xác.
Mỗi vệ tinh có chứa 4 đồng hồ nguyên tử để có thể cung cấp dịch vụ thời gian
chính xác. Chỉ một trong bốn đồng hồ được hoạt động tại một thời điểm. Số còn lại
được để dành.
Mỗi vệ tinh lại có các thành phần sau:

Phạm Văn Quyền

20 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

Hình 2.3. Các thành phần chức năng của vệ tinh GPS
-

Atomic Frequency Standard (AFS) tạo tín hiệu đổng hồ chuẩn 10.23MHz.


-

Frequency Synthesizer and Distribution Unit (FSDU) nhận tín hiệu đồng hồ
chuẩn để tổng hợp loại tần số khác cho các hệ con.

-

Navigation Data Unit (NDU) nhận các dữ liệu định vị Navigation (NAV
data) từ thành phần điều khiển Control Segment (CS) thông qua các hệ
thống con Telemery, Track, Command (TT&C).

-

Navigation Baseband sinh ra nhiễu giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Noise)
PRN (C/A-code, P(Y)-code) và điều chế với thông tin dữ liệu định vị.

-

L-Band Subsystem điều chế các chuỗi dữ liệu nhị phân vào các sóng mang
tần số L1 (1575.42MHz) và L2 (1227.6MHz). Tín hiệu được phát xuống
thông qua các ăng-ten.

2.1.3. Thành phần điều khiển
Thành phần điều khiển của GPS là một mạng lưới các trạm thu phát tín hiệu
được lắp đặt rải rác trên thế giới. Nó bao gồm một Master Control Station (MCS),
tại Falcon Air Force Base (AFB) ở Colorado Springs, USA, và các trạm điều khiển
(Monitor Station – MS) cùng các ăng-ten mặt đất (Ground Antena – GA).
Các trạm này có nhiệm vụ giám sát và quản lý mạng lưới vệ tinh. Chúng cập
nhật các thông tin mới, dữ liệu sửa lỗi (nếu có) lên mỗi vệ tinh. Dữ liệu sửa lỗi bao
gồm dữ liệu về vị trí và thời gian của vệ tinh đó cũng như các vệ tinh khác trên quỹ

đạo.

Phạm Văn Quyền

21 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

Hình 2.4. Chức năng của thành phần điều khiển trong hệ thống GPS
-

TT&C Link: tín hiệu điều khiển Telemery, Track, Command để cập nhật
thông tin, sửa sai dữ liệu, điều khiển vệ tinh.

-

GPS SIS - GPS Signal-In-Space: tín hiệu cập nhật thông tin định vị cho vệ
tinh.

2.1.4. Thành phần người dùng.
Thành phần người dùng trong hệ thống chính là các loại thiết bị thu nhận tín
hiệu vệ tinh. Chúng sẽ phân tích tín hiệu và tính toán dữ liệu để tìm ra vị trí hiện tại
và thời gian chính xác tại thời điểm đó.
Một thiết bị thu nhận tín hiệu GPS có các phần chính sau đây:

Phạm Văn Quyền


22 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    


Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

Hình 2.5. Sơ đồ khối chức năng thiết bị thu nhận tín hiệu GPS
Các thành phần này có nhiệm vụ sau đây:
-

Radio Frequency Chain: thành phần khuyếch đại biên độ và trộn tần số (cho
ra tần số mong muốn).

-

ADC: bộ chuyển đổi tương tự - số.

-

Acquisition (thu nhận tín hiệu): thu nhận các thông tin ban đầu về vệ tinh,
pha mã C/A, sóng mang với giá trị thô.

-

Tracking (bám tín hiệu): Bám pha, mã, giải mã bản tin dẫn đường.

-

Dữ liệu nhận được được phân tích (tách frame dữ liệu).


-

Ephemeris & pseudorange: Tính toán dữ liệu thiên văn và giả khoảng cách.

-

Tính toán vị trí vệ tinh.

-

Tính toán vị trí thiết bị thu nhận.

2.2.

Cấu trúc tín hiệu.
Tín hiệu GPS phát quảng bá ở hai tần số L1 và L2 xuất phát từ tần số chuẩn

fo=10,23MHz.

Trong đó L1 dành cho dân sự, L2 dành cho quân đội Mỹ. Do vậy trong luận
văn này chỉ tập trung nghiên cứu liên quan đến tín hiệu GPS L1. Hình dưới đây mô
tả cách thức tạo ra tín hiệu GPS trên các vệ tinh.

Phạm Văn Quyền

23 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010    



Đề tài: Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS 

Hình 2.6. Sơ đồ tạo tín hiệu GPS
Tín hiệu gồm có sóng mang L1, L2, dữ liệu bản tin dẫn đường, mã trải phổ
CA, P(Y). Ta có thể hình dung cách phối hợp của chúng như hình sau:

Hình 2.7. Tạo tín hiệu GPS
Phương trình tín hiệu:
Phạm Văn Quyền

24 

Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010