BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
..

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ THÚY HẰNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT THÔNG MINH
DÀNH CHO NGƯỜI CAO TUỔI VÀ TRẺ EM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG

HÀ NỘI - 2016


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... I
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. II
MỤC LỤC BẢNG....................................................................................................... IV
MỤC LỤC HÌNH ẢNH................................................................................................ V
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ VII
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 1
1.1. Tổng quan về luận văn ......................................................................................... 1
1.1.1. Tính cấp thiết ................................................................................................ 1
1.1.2. Các vấn đề cần giải quyết của luận văn ........................................................ 1
1.1.3. Giải pháp ....................................................................................................... 1
1.2. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu .............................................................. 2

1.2.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 2
1.2.2. Cấu trúc hệ thống GPS.................................................................................. 3
1.2.3. Cấu trúc tín hiệu GPS ................................................................................... 7
1.2.4. Nguyên lý định vị GPS ............................................................................... 11
1.2.5. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS ...................................................... 15
1.2.6. Các ứng dụng của hệ thống định vị tồn cầu GPS...................................... 18
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG .................................................. 22
2.1. Mơ hình hệ thống ............................................................................................... 22
2.1.1. Sơ đồ ngữ cảnh ........................................................................................... 22
2.1.2. Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................... 23
2.2. Phân tích hoạt động của hệ thống ...................................................................... 24
2.3. Xây dựng phần cứng .......................................................................................... 25
2.4. Lựa chọn linh kiện sử dụng ................................................................................ 26
2.4.1. Khối điều khiển ........................................................................................... 26
2.4.2. Khối định vị và kết nối ............................................................................... 27
2.4.3. Khối cảm biến ............................................................................................. 38
2.5. Các giao thức truyền thông giữa các khối .......................................................... 40
2.5.1. Truyền thông nối tiếp không đồng bộ UART ............................................. 40


2.5.2. Giao diện TWI – I2C .................................................................................. 44
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ......... 49
3.1. Tổng quan về các mơi trường lập trình .............................................................. 49
3.1.1. Lập trình nhúng với nền tảng Arduino ....................................................... 49
3.1.2. Net framework và ASP .NET ..................................................................... 54
3.1.3. Hệ điều hành Android ................................................................................. 59
3.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán ................................................................................ 64
3.2.1. Lưu đồ thuật toán phần mềm nhúng trên thiết bị định vị ........................... 64
3.2.2. Lưu đồ thuật tốn chương trình android ..................................................... 67
3.3. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 68

3.3.1. Hình ảnh thiết bị giám sát ........................................................................... 68
3.3.2. Hệ thống hoạt động thực tế ......................................................................... 69
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 74
HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................................. 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 76


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Vũ Thúy Hằng
Sinh ngày 15 tháng 10 năm 1990
Học viên lớp cao học Kỹ thuật Viễn thông 2014B - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội.
Xin cam đoan nội dung đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát thông minh dành
cho người cao tuổi và trẻ em ” là do tơi tự tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Quốc Trung. Mọi trích dẫn và tài liệu tham
khảo mà tơi sử dụng đều có ghi rõ nguồn gốc.
Tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan trên.
Hà Nội, tháng 05 năm 2016
Học viên thực hiện

Vũ Thúy Hằng

I


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
GPS

Global Positioning System


Hệ thống định vị tồn cầu

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vơ tuyến gói tổng
hợp

LORAN

LOng RAnge Navigation

Hệ thống định vị của Mỹ

TACAN

Tactical Air Navigation

Hệ thống định vị của Mỹ

VOR/DME

Very High Frequency Omnidirectional Hệ thống định vị của Mỹ
Range/Distance Measuring Equipment

RTK

Định vị động thời gian


Real Time Kinematic

thực
PPK

Postprocessing Kinematic

Định vị động xử lý sau

LBS

Location Based Services

Dịch vụ dựa trên vị trí

PDAs

Personal Digital Assistances

Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ
cá nhân

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di
động toàn cầu

PWM


Pulse Width Modulation

Điều chế độ rộng xung

AT

Attention

Chú ý

IMU

Inertial Measurement Unit

Đơn vị đo lường quán tính

MEMS

Micro ElectroMechanical Systems

Hệ thống vi cơ điện tử

USART

Universal

Synchronous

& Truyền thông nối tiếp


Asynchronous Serial Reveiver and đồng bộ và khơng đồng bộ
Transmitter
LSB

Least Significant Bit

Bit có trọng số nhỏ nhất

MSB

Most Significant Bit

Bit có trọng số lớn nhất

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

LCD

Liquid Crystal Display

Màn hình tinh thể lỏng

II



GUI

Giao diện đồ họa người

Graphical User Interface

dùng
MSIL

Microsoft Intermediate Language

Ngôn ngữ thông dịch
trung gian

DLL

Dynamic Link Library

Thư viện liên kết động

XML

Extensible Markup Language

Ngôn ngữ liên kết siêu
văn bản

URL

Đơn vị tài nguyên thống


Uniform Resource Locator

nhất
SQL

Structured Query Language

Ngôn ngữ truy vấn cấu
trúc

III


MỤC LỤC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của Arduino Fio ....................................................26
Bảng 2.2. Tập lệnh AT dành cho GPS ......................................................................28
Bảng 2.3. AT+CGPSPWR - Điều khiển nguồn Module GPS ..................................29
Bảng 2.4. AT+CGPSRST - Các chế độ khởi động lại GPS......................................29
Bảng 2.5. AT+CGPSINF - Lấy về thông tin tọa độ hiện tại .....................................30
Bảng 2.6. AT+CGPSOUT - Điều khiển chuỗi dữ liệu GPS NMEA ........................31
Bảng 2.7. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPGGA .........................................................33
Bảng 2.8. Định dạng vị trí .........................................................................................34
Bảng 2.9. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPGLL ..........................................................34
Bảng 2.10. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPGSA ........................................................35
Bảng 2.11. Dạng dữ liệuGPS hoạt động ở chế độ 1 .................................................35
Bảng 2.12. Dạng dữ liệu GPS hoạt động ở chế độ 2 ................................................35
Bảng 2.13. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPGSV ........................................................36
Bảng 2.14. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPRMC .......................................................36

Bảng 2.15. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPVTG ........................................................37
Bảng 2.16. AT+CGPSSTATUS - Trạng thái xác định tọa độ GPS ..........................37

IV


MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Trang
Hình 1.1. Hệ thống vệ tinh quay quanh trái đất ..........................................................3
Hình 1.2. Sơ đồ liên quan giữa ba phần của GPS .......................................................4
Hình 1.3. Quỹ đạo vệ tinh GPS ...................................................................................5
Hình 1.4. Vị trí các trạm điều khiển và giám sát của hệ thống GPS...........................7
Hình 1.5. Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS......................................................................8
Hình 1.6. Cấu trúc dữ liệu vệ tinh GPS.......................................................................8
Hình 1.7. Cấu trúc dữ liệu trong bản lịch vệ tinh......................................................10
Hình 1.8. Các nguồn tác động khác nhau gây ra sai số trong phép đo cự ly ..............16
Hình 2.1. Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống ...........................................................................22
Hình 2.2. Sơ đồ khối phần cứng hệ thống .................................................................23
Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống phần mềm.................................................................24
Hình 2.4. Module Arduino Fio ..................................................................................26
Hình 2.5. Ví dụ sự hoạt động của gia tốc kế .............................................................39
Hình 2.6. Con quay hồi chuyển sử dụng hiệu ứng Coriolis ......................................39
Hình 2.7. Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp ..............................41
Hình 2.8. Khung truyền UART cơ bản .....................................................................43
Hình 2.9. Mạng TWI (I2C) với nhiều thiết bi. ..........................................................45
Hình 2.10. Tương quan giữa xung nhịp SCL với dữ liệu SDA ................................46
Hình 3.1. Board mạch Arduino .................................................................................50
Hình 3.2. Mơi trường lập trình Arduino....................................................................50
Hình 3.3. Máy in 3D .................................................................................................51
Hình 3.4. Robot .........................................................................................................52

Hình 3.5. Máy bay khơng người lái ..........................................................................52
Hình 3.6. Lập trình game tương tác ..........................................................................53
Hình 3.7. Điều khiển hiệu ứng ánh sáng ...................................................................53
Hình 3.8. Q trình chuyển từ ngơn ngữ lập trình sang MSIL .................................55
Hình 3.9. Quá trình xử lý trang web ASP .NET .......................................................58
V


Hình 3.10. Quá trình xử lý tập tin ASPX ..................................................................59
Hình 3.11. Nhân Linux trên Android ........................................................................60
Hình 3.12. Thư viện lâp trình ứng dụng trên Android ..............................................61
Hình 3.13. Khung ứng dụng ......................................................................................63
Hình 3.14. Các ứng dụng trên Android .....................................................................63
Hình 3.15. Lưu đồ thuật tốn chương trình nhúng chính ..........................................65
Hình 3.16. Lưu đồ chương trình đọc dữ liệu GPS ....................................................66
Hình 3.17. Lưu đồ thuật tốn chương trình Android ................................................67
Hình 3.18. Mặt trong thiết bị giám sát ......................................................................68
Hình 3.19. Thiết bị giám sát sau khi đóng hộp .........................................................69
Hình 3.20. Khung đăng nhập ....................................................................................69
Hình 3.21. Giao diện hiển thị vị tri người dùng quản lý ...........................................70
Hình 3.22. Website hiển thị thơng báo người dùng bị ngã .......................................70
Hình 3.23. Trạng thái người dùng và màu chữ hiển thị thay đổi ..............................71
Hình 3.24. Theo dõi lịch sử vị trí của người thân .....................................................71
Hình 3.25. Thời gian cập nhật tại vị trí được nhấp chuột .........................................72
Hình 3.26. Giao diện của phần mềm giám sát trên Android .....................................72

VI


LỜI 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 ngày càng tăng cả về số lượng
và chất lượng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành viễn thông cần 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. Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi
một kỹ thuật mà các hệ thống cũ khơng thể đáp ứng được đó là định vị trong không
gian 3 chiều, và như vậy hệ thống định vị toàn cầu - GPS (Global Positioning
System) ra đời.
Ở Việt Nam, các ứng dụng của GPS đã bắt đầu được thử nghiệm trong các
lĩnh vực lâm nghiệp, thuỷ lợi, giao thơng… Tuy nhiên các ứng dụng GPS mang tính
tích hợp hệ thống, phục vụ các nhu cầu đặc thù của xã hội vẫn chưa được phổ biến.
Một trong số đó chính là việc theo dõi và giám sát con người, đặc biệt là người già
và trẻ em. Các sản phẩm giám sát hiện nay chủ yếu là sản phẩm được sản xuất tại
Trung Quốc, không thể tùy biến theo nhu cầu người sử dụng, tương thích kém với
điều kiện tại Việt Nam. Ngoài ra, một vấn đề đặt ra là các sản phẩm này chưa có sự
cam kết đảm bảo về độ bảo mật của thơng tin vị trí người sử dụng. Một lý do nữa là
các sản phẩm này chưa hoàn toàn hỗ trợ người dùng hiển thị vị trí một cách trực quan,
dẫn tới việc theo dõi gặp nhiều khó khăn.
Chính vì vậy em lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát thông minh
dành cho người cao tuổi và trẻ em” nhằm xây dựng một hệ thống định vị, giám sát
phù hợp với điều kiện ở nước ta, giúp mọi người có thể yên tâm khi theo dõi hoạt
động của người cao tuổi hoặc trẻ em trong gia đình dựa trên cơng nghệ GPS cùng các
ứng dụng công nghệ thông tin.
Nội dung luận văn bao gồm 3 chương:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Chương 2: Thiết kế mơ hình hệ thống
Chương 3: Xây dựng phần mềm và kết quả thực nghiệm.

VII



Để có thể hồn thành luận văn này, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo
PGS.TS. Nguyễn Quốc Trung cùng các thầy, cô tại Trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tuy đã cố gắng
hết sức, nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi
sai sót, em rất mong sự bổ sung, góp ý của các thầy cơ!
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2016

VIII


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về luận văn
1.1.1. Tính cấp thiết
Hiện nay vấn đề an tồn dành cho người cao tuổi và trẻ em đang rất được xã
hội quan tâm. Có nhiều trường hợp người cao tuổi do trí nhớ khơng minh mẫn, hoặc
trẻ em đi một mình dễ bị lạc, dẫn đến gặp nhiều nguy hiểm cũng như gia đình khó
khăn trong việc tìm kiếm.
Các sản phẩm giám sát hiện nay chủ yếu là sản phẩm nước ngồi, có tính tùy
biến thấp, tương thích kém với điều kiện tại Việt Nam. Một lý do nữa là các sản phẩm
này chưa hoàn toàn hỗ trợ người dùng hiển thị vị trí một cách trực quan, dẫn tới việc
theo dõi gặp nhiều khó khăn.
Vì vậy vấn đề cấp thiết đặt ra là xây dựng một hệ thống giám sát và định vị
dành cho người cao tuổi cũng như trẻ em phù hợp với điều kiện tại Việt Nam để gia
đình có thể theo dõi khi cần thiết.
1.1.2. Các vấn đề cần giải quyết của luận văn
Với mục đích thiết kế một hệ thống giám sát thông minh bao gồm một thiết bị
được gắn trên người dùng và website cũng như phần mềm Android tích hợp bản đồ

GoogleMap dành cho người quản lý thuận tiện trong việc theo dõi vị trí người sử
dụng thì các vấn đề cần giải quyết của luận văn bao gồm:
-

Xây dựng, thiết kế phần cứng thu thập dữ liệu về tọa độ người dùng, đồng
thời gửi các thông số đã thu thập được về server.

-

Xây dựng server quản lý thông tin người già hoặc trẻ em và các dữ liệu tọa
độ của người quản lý có sử dụng sản phẩm.

-

Xây dựng phần mềm nhúng trên hệ điều hành Android hiển thị vị trí người
dùng cũng như vị trí của người quản lý.

1.1.3. Giải pháp
Để giải quyết các vấn đề đặt ra của luận văn thì giải pháp được lựa chọn là:
-

Tìm hiểu về GPS và các ứng dụng GPS.

1


-

Tìm hiểu nền tảng Arduino, dựa trên nền tảng Arduino xây dựng phần cứng
thu thập dữ liệu tọa độ.


-

Lập trình Arduino ghép nối Module SIM gửi dữ liệu lên server thơng qua
kết nối GPRS.

-

Lập trình webserver kết nối hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server lưu trữ
thông tin người dùng, thông tin dữ liệu tọa độ đồng thời hiển thị vị trí người
dùng trên nền tảng Google maps.

-

Lập trình ứng dụng trên hệ điều hành Android hiển thị vị trí người dùng
cũng như vị trí của người quản lý.

1.2. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu
1.2.1. Giới thiệu
GPS (Global Positioning System) - hệ thống định vị tồn cầu, là hệ thống xác
định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo. Trong cùng một thời điểm, ở một
vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính
được toạ độ của vị trí đó.
GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ
Hoa Kỳ cho phép mọi người sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch nào từ năm 1980,
GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày.
GPS là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 vệ tinh được đặt trên quỹ đạo
không gian, hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vơ tuyến điện. Được biết nhiều
nhất là các hệ thống có tên gọi LORAN (LOng RAnge Navigation) hoạt động ở dải
tần 90-100 KHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN (Tactical Air Navigation)

dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME (Very High
Frequency Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) dùng cho hàng
không dân dụng.
Gần như đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một hệ
thống tương tự với tên gọi GLONASS. Hiện nay Liên minh châu Âu đang phát triển
hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo, Trung Quốc thì phát triển hệ thống
định vị tồn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu [4] bao gồm 35 vệ tinh.

2


Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một
quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thơng tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS
nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người
dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với
thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh
bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được
vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Máy thu GPS phải khố được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị
trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Với bốn hay nhiều
hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ
độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các
thơng tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành
trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.

Hình 1.1. Hệ thống vệ tinh quay quanh trái đất
1.2.2. Cấu trúc hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS được cấu thành từ ba mảng: Mảng khơng gian,
kiểm sốt và sử dụng [9]. Mảng các vệ tinh trong khơng gian có nhiệm vụ nhận các
thông tin từ trạm điều khiển trên mặt đất và phát đi các tín hiệu vơ tuyến định vị có

tần số khoảng 1.5 GHz. Tín hiệu này chứa các dữ liệu định vị được trạm điều khiển
từ mặt đất truyền đến. Mảng các trạm điều khiển trên mặt đất dùng để quan trắc các
vệ tinh, tính tốn các thơng số quỹ đạo, thông số hiệu chỉnh đồng hồ sau đó phát các
3


thông tin cập nhật và các lệnh điều khiển tới mỗi vệ tinh. Mảng các máy thu có chức
năng thu thập dữ liệu từ các vệ tinh để tính ra tọa độ của chúng dựa vào các thông tin
mà chúng nhận được từ các tín hiệu mà nó quan trắc được trên mỗi vệ tinh.

Hình 1.2. Sơ đồ liên quan giữa ba phần của GPS
a. Mảng không gian (space segment)
Mảng không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng)
nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính
quỹ đạo 26.600 km. Các vệ tinh này được nhóm vào 6 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo nghiêng
550 so với mặt phẳng xích đạo nên khơng có quỹ đạo nào đi trực tiếp qua các cực.

Tuy nhiên, tại các cực cũng như tại một vị trí bất kỳ trên trái đất đều có thể nhìn thầy
rất nhiều quỹ đạo. Các vệ tinh chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong
khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ [2]. Các vệ tinh trên
quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu
4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.

4


Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng mặt trời. Chúng có các
nguồn pin dự phịng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng khơng có ánh sáng
Mặt trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.


Hình 1.3. Quỹ đạo vệ tinh GPS
Trên mỗi quỹ đạo chứa một số vệ tinh nhất định. Tại một thời điểm ln có 24
vệ tinh hoạt động cho mục đích định vị và con số này có thể lên đến 27 hoặc 28. Mục
tiêu của hệ thống là cho phép một vị trí bất kỳ nào trên trái đất cũng có thể nhìn thấy
ít nhất bốn vệ tinh tại một thời điểm và trong thực tế, số vệ tinh có thể nhìn thấy được
nhiều hơn rất nhiều so với con số này, thỉnh thoảng số vệ tinh nhìn thấy được có thể
lên con số là 12 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh sẽ phát đi các tín hiệu vơ tuyến, các tín hiệu này được “làm dấu”
bởi những mã nhận dạng đơn nhất. Các đồng hồ nguyên tử với độ chính xác rất cao
được gắn trên mỗi vệ tinh sẽ điều khiển việc phát đi những tín hiệu và mã này. Mảng
vệ tinh có nhiệm vụ thu nhận và lưu trữ các thơng tin từ mảng điều khiển trên mặt đất
truyền đến, thực hiện các xử lý dữ liệu có chọn lọc, duy trì thời gian chính xác và
phát thơng tin xuống cho mảng người sử dụng.
b. Mảng điều khiển (control segment)
Các tính năng chủ yếu của mảng điều khiển:

5


-

Quan sát chuyển động của vệ tinh và tính tốn dữ liệu quỹ đạo;

-

Giám sát đồng hồ vệ tinh và dự đốn thay đổi của nó;

-

Đồng bộ thời gian của đồng hồ vệ tinh;


-

Phát đi dữ liệu gần đúng quỹ đạo vệ tinh;

-

Phát đi các dữ liệu khác như sức khỏe vệ tinh, sai số đồng hồ.

Hệ thống GPS được vận hành và điều khiển bởi Bộ Quốc phòng Mỹ (U.S
Department Defense) thông qua 5 trạm giám sát đặt trên mặt đất bao gồm một trạm
chủ (Master Control Station) ở Colorado Spring bang Colarado và bốn trạm giám sát
(monitor stations) và ba trạm hỗ trợ (Upload station). Các trạm giám sát được đặt tại
các vị trí đã biết chính xác và hoạt động liên tục trong suốt 24 giờ. Mạng lưới các
trạm này hiện thời đặt tại Ascension, Diego Garcia, Kwajalein, Hawaii và Colorado
Spring [14]. Những trạm này thực hiện các chức năng chính sau đây:
-

Các trạm giám sát thực hiện quan trắc các vệ tinh một cách liên tục và cung
cấp dữ liệu quan trắc được về cho trạm chủ.

-

Trạm chủ sẽ tính các hiệu chỉnh để đồng bộ các đồng hồ nguyên tử trên
các vệ tinh và nó cũng duyệt lại các thông tin về quỹ đạo, kiểm tra tình
trạng của mỗi vệ tinh. Sau đó trạm chủ sẽ truyền ngược các kết quả này tới
các trạm hỗ trợ.

-


Các trạm hỗ trợ sử dụng các thông tin được cung cấp bởi trạm chủ để cập
nhật cho từng vệ tinh riêng lẽ.

6


Hình 1.4. Vị trí các trạm điều khiển và giám sát của hệ thống GPS
c. Mảng sử dụng hệ thống GPS
Mảng sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử lý tính
tốn số liệu, máy tính thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên
các phương tiện chuyển động như ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa... tuỳ theo mục đích
của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần
mềm xử lý và quy trình thao tác thu thập số liệu ở thực địa.
1.2.3. Cấu trúc tín hiệu GPS
Một thành phần quan trọng của hệ thống GPS là tín hiệu phát từ vệ tinh đến
các máy thu. Tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ. Sóng điện từ được dùng cho mục đích
đo đạc có những thơng số đặc trưng, được nghiên cứu, thử nghiệm đảm bảo các yêu
cầu nghiêm ngặt về độ chính xác, tính ổn định và yêu cần kỹ thuật khác. Về mặt vật
lý, cấu trúc tín hiệu vệ tinh bao gồm: Tần số cơ bản, sóng mang L1 và sóng mang L2,
các mã giả khoảng cách P, C/A, và bản lịch vệ tinh (dữ liệu thơng điệp phát tín hiệu
hàng hải).
Các mã giả khoảng cách và dữ liệu bản lịch được điều chế trên các kênh sóng
mang để truyền đến máy thu người sử dụng theo sơ đồ nguyên lý sau:

7


Hình 1.5. Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS

Hình 1.6. Cấu trúc dữ liệu vệ tinh GPS

a. Tần số cơ bản
Tần số cơ bản của sóng truyền tín hiệu vệ tinh của hệ thống GPS là f0  10, 23
MHz.
b. Các thơng tin điều biến
Việc sử dụng tín hiệu mã hóa cho phép các vệ tinh GPS cùng hoạt động mà
không bị nhiễu, mỗi vệ tinh phát đi một mã giả ngẫu nhiên riêng biệt. Máy thu GPS
nhận dạng được tín hiệu của từng vệ tinh trên nền nhiễu khơng xác định của không

8


gian bao quanh trạm đó, điều đó cho phép tín hiệu GPS khơng địi hỏi cơng suất lớn
và máy thu GPS có thể sử dụng anten nhỏ hơn, kinh tế hơn. Có 3 loại mã điều biến
trên sóng tải đó là: C/A. Code, P.Code và Y.Code.
-

Mã C/A (Coarse Acquisition Code)

Mã C/A Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN - Pseudo Random Noise) được phát
đi với tần số 1.023 MHz ( f 0 /10 ). Mã này là chuỗi chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy
luật giả ngẫu nhiên lặp lại với tần suất 1 ms. Mỗi vệ tinh được gán một mã C/A riêng
biệt. Mã C/A chỉ điều biến trên sóng tải L1.
-

Mã P (Precise Code)

Mã P là mã giả ngẫu nhiên thứ hai, phát đi với tần số cơ bản f0  10, 23 MHz.
Mã này tạo bởi nhiều chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật giả ngẫu nhiên. Tín hiệu
lặp lại với tần suất 267 ngày. Chu kỳ 267 ngày chia thành 38 đoạn 7 ngày, trong đó 6
đoạn dành riêng cho mục đích vận hành. Mỗi một đoạn 7 ngày cịn lại được gán mã

phân biệt cho từng vệ tinh. Mã P cũng sử dụng cho mục đích ứng dụng đo đạc qn
sự có độ chính xác cao.
-

Mã Y

Mã Y là mã bảo mật của mã P, việc giải mã Y chỉ thuộc về người có thẩm
quyển, vì vậy khi kích hoạt mã Y thì người dùng sẽ khơng có khả năng sử dụng cả
mã P và mã C/A. Việc sử dụng mã Y được coi là mã bảo mật của người chủ hệ thống.
c. Các loại sóng tải của hệ thống GPS
Tín hiệu phục vụ cho việc đo đạc bằng hệ thống GPS được điều biến sóng tải
có độ dài buớc sóng khác nhau. Đó là các thơng tin về thời gian và vị trí của vệ tinh.
Mỗi vệ tinh có mã phát trên 2 tần số tải.
-

Sóng tải có bước sóng L1 = 19 cm với tần số 154* f 0 = 1575,42 MHz

-

Sóng tải có bước sóng L2 = 24,4 cm với tần số 120* f 0 = 1227,60 MHz

d. Bản lịch vệ tinh
Thông báo dẫn đường do vệ tinh phát đi ở tần số thấp 50 Hz, thông báo này
chứa dữ liệu về trạng thái của vệ tinh và vị trí của chúng. Máy thu GPS giải mã thơng
báo để có được vị trí và trạng thái hoạt động của vệ tinh.
9


Thông báo dẫn đường điều biến trên cả hai tần số sóng tải, nó chia thành năm
đoạn: Ephemeris, Almanac, mơ hình khí quyển, các số hiệu chỉnh đồng hồ, thơng báo

trạng thái. Thông báo vệ tinh được sử dụng trong chương trình lập lịch đo và tính
tốn xử lý kết quả đo. Các tham số thông báo trạng thái của vệ tinh bao gồm: Vệ tinh
khỏe hay không khỏe, vệ tinh hoạt động hay không hoạt động.
Thông điệp định vị GPS bao gồm các bit dữ liệu được gắn thời gian, các bit
này làm dấu thời gian truyền của mỗi khung con tại thời điểm chúng được vệ tinh
truyền đi. Một khung bit dữ liệu chứa 1500 bit và được chia thành 5 khung con. Một
khung dữ liệu được phát đi sau mỗi 30 giây. Ba khung con 6 giây chứa dữ liệu quỹ
đạo và đồng hồ. Hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh được gửi đi trong một khung con thứ
nhất và các tập dữ liệu quỹ đạo vệ tinh chính xác cho mỗi vệ tinh phát được gửi đi
trong các khung con 2 và 3. Các khung con 4 và 5 được sử dụng để phát đi các trang
khác nhau của dữ liệu hệ thống, mỗi khung chứa 25 trang khác nhau.

Hình 1.7. Cấu trúc dữ liệu trong bản lịch vệ tinh
Ngoài các bit dữ liệu, những khung con còn lại chứa các bit kiểm tra chẵn lẻ
cho phép kiểm tra dữ liệu và hiệu chỉnh các sai số trong điều kiện giới hạn. Một tập
gồm 25 khung con tạo thành một thơng điệp định vị hồn chỉnh chứa 37500 bit và
được phát đi trong một chu kỳ 12,5 phút.

10


Các thông số dữ liệu đồng hồ mô tả trạng thái của đồng hồ vệ tinh và mối quan
hệ của nó với thời gian GPS. Thơng thường, một máy thu có thể thu thập dữ liệu bản
lịch mới sau mỗi giờ, nhưng nó cũng có thể sử dụng dữ liệu cũ tới 4 giờ mà không
gây nhiều sai số.
1.2.4. Nguyên lý định vị GPS
a. Các trị đo GPS
Việc định vị bằng GPS được thực hiện trên cơ sở sử dụng hai đại lượng đo cơ
bản, đó là đo khoảng cách giả theo các mã giả ngẫu nhiên (mã C/A và mã P) và đo
pha của sóng tải (L1 và L2).

-

Đo khoảng cách giả theo mã C/A và mã P

Mã giả ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu GPS
cũng tạo ra mã giả ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh mã thu được từ vệ
tinh và mã chính của máy thu có thể xác định được khoảng thời gian lan truyền
của tín hiệu mã, và từ đây dễ dàng tính được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu
(trung tâm anten của máy thu). Do có sự khơng đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và
của máy thu và do có ảnh hưởng của mơi trường lan truyền tín hiệu, nên khoảng cách
tính theo khoảng thời gian đo được khơng phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và
máy thu mà là khoảng cách giả.
Khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu được tính theo cơng thức sau:
R  c(t  t )  ( xs  x)2  (y s  y)2  (z s  z )2  c.t

Trong đó:
-

xs , ys , zs : Tọa độ của vệ tinh.

-

x, y, z : Tọa độ của điểm xét (máy thu).

-

t : Thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu.

-


∆t : Sai số không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và máy thu.

-

R : Khoảng cách giả đo được.

-

c : Vận tốc lan truyền sóng bằng 3.105 km/s.

11

(1.1)


Trong trường hợp sử dụng mã C/A, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền
tín hiệu chỉ có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30 m. Nếu
tính đến ảnh hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo mã
C/A sẽ ở mức 100 m là mức có thể chấp nhận để khách hàng dân sự có thể khai thác.
Tuy nhiên kỹ thuật xử lý tín hiệu mã đã được phát triển đến mức đảm bảo độ
chính xác đo khoảng cách tới cỡ 3 m, tức là hầu như không thua kém so với trường
hợp sử dụng mã P vốn không được dùng cho khách hàng đại trà.
-

Đo pha của sóng tải

Các sóng tải L1 và L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao.
Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số pha của sóng tải do máy thu nhận
được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra. Hiệu số pha do máy
thu đo được là Φ ( 0    2 ).

Khi đó:


2



(R  N   c. t)

(1.2)

R: Khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu
λ: Bước sóng của sóng tải
N: Số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R
t : Sai số khơng đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu

N: Là số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến anten máy thu.
Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa
vệ tinh và máy thu với chế độ chính xác cỡ centimet thậm chí milimet. Sóng tải L2
cho độ chính xác thấp hơn ít nhiều, nhưng tác dụng chủ yếu của nó là cùng với sóng
tải L1 tạo ra khả năng làm giảm ảnh hưởng đáng kể của tầng điện ly, thêm vào đó
làm cho việc xác định số nguyên lần bước sóng được đơn giản hơn.
b. Định vị tuyệt đối
Định vị tuyệt đối (Absolute point positioning) còn được gọi là định vị điểm
(Point positioning) hay định vị điểm đơn (Single point positioning). Định vị điểm là

12


kiểu định vị sơ khai nhất. Đây là kiểu định vị chỉ dựa trên số liệu quan trắc từ một

máy thu. Định vị điểm không loại trừ được các sai số GPS.
Định vị tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ra tọa độ
của điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS - 84. Đó có thể là các thành phần vng
góc khơng gian (X, Y, Z) hoặc thành phần tọa độ mặt cầu (B, L, H).
Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là
khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội khơng gian từ các
điểm có tọa độ đã biết là các vệ tinh.
Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu mã giả ngẫu nhiên từ
vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và máy thu.
Khi đó ba khoảng cách được xác định đồng thời từ ba vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta
vị trí khơng gian đơn vị của máy thu. Song trên thực tế cả đồng hồ máy thu và đồng
hồ vệ tinh đều có sai số, nên các khoảng cách đo được không phải là khoảng cách
chính xác. Kết quả là chúng khơng thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể
xác định được vị trí máy thu. Để khắc phục tình trạng này, cần sử dụng thêm một
đại lượng đo nữa, đó là khoảng cách từ một vệ tinh thứ tư. Để thấy rõ điều này, ta
có hệ gồm bốn phương trình cho bốn vệ tinh:

 xs1  x    ys1  y    zs1  z    R1  c.t 
2
2
2
2
 xs 2  x    ys 2  y    zs 2  z    R2  c.t 
2
2
2
2
 xs 3  x    ys 3  y    zs 3  z    R3  c.t 
2
2

2
2
 xs 4  x    ys 4  y    zs 4  z    R4  c.t 
2

2

2

2

(1.3)

Tọa độ máy thu được xác định bằng cách giải hệ gồm bốn phương trình độc
lập trên. Vậy là bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ bốnvệ tinh đến máy thu
ta có thể xác định được tọa độ tuyệt đối của máy thu, ngồi ra cịn xác định thêm
được số hiệu chỉnh cho đồng hồ của máy thu nữa.
Quan sát đồng thời bốn vệ tinh là yêu cầu tối cần thiết để xác định tọa độ
không gian tuyệt đối của điểm quan sát. Tuy vậy, nếu máy thu được trang bị đồng
hồ chính xác cao thì khi đó chỉ còn ba ẩn số là ba thành phần tọa độ của điểm quan
sát. Để quan sát chúng ta chỉ cần quan sát đồng thời ba vệ tinh.
13


c. Định vị tương đối
Ngược với định vị điểm tuyệt đối, định vị tương đối được thực hiện bởi hai
máy thu. Các máy thu này được đặt tại hai điểm khác nhau trong đó tọa độ một điểm
được biết trước và tọa độ của điểm khác được xác định liên quan tới điểm đã biết này.
Hai máy thu này thực hiện quan trắc các vệ tinh một cách đồng thời. Sau đó các trị
đo ghi được trên hai máy thu này được kết hợp trực tiếp tính ra vị trí của một máy

thu. Định vị tương đối có thể thực hiện theo kiểu xử lý thời gian thực hoặc xử lý sau.
Máy thu đặt tại vị trí đã biết trong suốt khoảng thời gian quan trắc và được đề cập với
tên gọi là máy tham chiếu.
Trong quá khứ, thuật ngữ “tương đối” được sử dụng cho các quan trắc pha
sóng mang (phase observations), ngược lại thuật ngữ vi sai được dùng cho các quan
trắc trên tương quan mã giả khoảng cách (code range observations).
d. Định vị động
Các đối tượng trong thế giới thực luôn tồn tại ở một trong hai trạng thái tĩnh
(đứng yên) hoặc động (chuyển động) xét trên một hệ quy chiếu gắn vào trái đất. Đối
với các đối tượng tĩnh, vị trí của mỗi đối tượng hồn toàn được xác định bằng các giá
trị tọa độ trong một hệ quy chiếu xác định. Ngược lại, đối với các đối tượng động, vị
trí của chúng trong khơng gian thay đổi liên tục theo thời gian. Do vậy quỹ đạo của
các đối tượng động là một hàm theo (x, y, z). Hay nói cách khác, thơng tin về vị trí
của các đối tượng động thường được đi kèm với thông tin về thời gian.
Định vị động xác định vị trí trên quỹ đạo của các đối tượng động theo thời
gian thực. Định vị động liên quan đến các ứng dụng giám sát, theo dõi và dẫn đường
trên các phương tiện lưu thông như máy bay, tàu thủy, các phương tiện di động trên
đường bộ… Trong các ứng dụng định vị động sử dụng hệ thống GPS, mỗi đối tượng
di động cần định vị được gắn một máy thu GPS. Máy thu GPS sẽ cung cấp vị trí của
nó theo thời gian và qua đó vị trí của đối tượng cũng được xác định theo. Định vị
động cũng có hai kiểu: Tuyệt đối và tương đối. Với định vị điểm động, một máy thu
dùng để quan trắc các điểm di chuyển theo thời gian, thời gian quan trắc trên một
điểm không đáng kể. Kết quả định vị được xác định dựa trên số liệu từ một vài chu

14