Tìm hiểu gps, viết phần mềm mô phỏng tín hiệu gps bằng vb6 với nhịp update thông tin 10hz

Đó là một thiết bị phản hồi thực hiện phép so sánh cơ bản giữa một tín hiệu tới từ bên ngoài với một tín hiệu được tạo ra ở bên trong nội tại máy thu để tạo ra một tín hiệu sai lệch và s

KHOA CÔNG NGHỆ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài: Tìm hiểu GPS, viết phần mềm mô phỏng tín hiệu GPS

bằng VB6 với nhịp update thông tin 10Hz

Sinh viên: Hoàng Văn Thiết

Lớp 510CNT Ngành: Công nghệ thông tin Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Đăng Minh

Hà Nội, tháng 5/ năm 2014

Nền kinh tế - xã hội càng ngày càng phát triển và tiến bộ, đặc biệt là lĩnh vực công nghệ thông tin, đòi hỏi các cấp lãnh đạo phải có phương pháp quản lý, áp dụng một cách có khoa học và hiệu quả tốt nhất Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô

tô bóng láng, trên xe ô tô có trang bị thiết bị dẫn đường GPS (Global Positioning System, viết tắt là GPS) chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của xe mình hiện trên màn hình có bản đồ điện tử trong hệ thống đường xá phức tạp GPS không còn xa

lạ tại Việt Nam

Vậy thiết bị dẫn đường GPS trên xe ô tô có nguyên lý hoạt động như thế nào? Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý hoạt động của Hệ thống định vị toàn cầu hoặc tên gọi mới ưa dùng hơn là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

Trên thế giới khái niệm GPS đã tồn tại khá lâu và đã được áp dụng rất rộng rãi không chỉ trong quân sự mà trong rất nhiều mặt của đời sống Vì thế nghiên cứu tìm hiểu và ứng dụng công nghệ này vào điều kiện cụ thể Việt Nam là điều hoàn toàn thiết thực, đặc biệt trong lĩnh vực giao thông Đặc biệt với cở vật chất cũng như sự phát triển chóng mặt của mạng viễn thông và với cột mốc phóng vệ tinh Vinashat1 thì những đòi hỏi của GPS càng ngày càng trở lên đơn giản

Sau một thời gian tìm hiểu em cảm thấy rất thích và quyết định lấy nó làm đồ

án tốt nghiệp của mình Hy vọng dưới sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Đăng Minh cùng các thầy cô trong khoa em sẽ hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này Em xin cám ơn thầy Nguyễn Đăng Minh, giảng viên bộ môn lập trình trực quan trường Đại học Hòa Bình trong thời gian qua đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình viết và hoàn thành khóa luận này

Em xin chân thành cám ơn!

Sinh viên

Hoàng Văn Thiết

CS Control Segment – Phân hệ điều khiển

DOD Department of Defense - Bộ quốc phòng

DOP Dilution of Precision - Độ suy giảm độ chính xác

DS/SS Direct Sequence/Spread Spectrum - Trải phổ chuỗi trực tiếp

HOW Handover Word - Từ chuyển giao

LSF Leap Seconds Future - Tương lai bước các giây nhảy bước

MCS Master Control Station - Trạm điều khiển chủ

NAV Navigation - Dẫn đường

VB 6 Visual basic 6

SS Space Segment - Phân hệ không gian

SV Space Vehicle - Phương tiện truyền tín hiệu trên không

TOW Time Of Week - Thời gian của tuần

TT&C Telemetry, Tracking and Command - Đo xa, theo dõi và điều hành

UERE User Equivalent Range Error - Sai lệch phạm vi tương đương người

sử dụng

USNO U.S Naval Observatory - Đài quan sát hải quân Mỹ

NMEA National Marine Electronics Association - định nghĩa và quản lý

Hình 1.2: Sơ đồ khối phân hệ điều khiển GPS

Hình 1.3: Sơ đồ tạo tín hiệu L1, L2

Hình 1.4: Sơ đồ giải điều chế tín hiệu DS/SS L1

Hình 1.5: Các mức tín hiệu thu được nhỏ nhất

Hình 1.7: Hệ tọa độ WGS

Hình 1.8: Các mặt cầu biểu diễn cự ly từ vệ tinh tới máy thu GPS

Hình 1.8 a: Mặt cầu có bán kính là cự ly từ vệ tinh tới máy thu GPS, tâm là vệ tinh Hình 1.8 b: Sự giao nhau của 2 mặt cầu

Hình 1.8 c: Sự giao nhau của 3 mặt cầu

Hình 1.9: Cự ly thật và cự ly giả từ vệ tinh tới máy thu GPS

Hình 1.10: So sánh mã của vệ tinh và của máy thu GPS

Hình 1.11: Đo cự ly giả bằng độ lệch pha sóng mang

Hình 1.12: Cự ly giả khi có sai lệch đồng hồ máy thu

Hình 1.13: Các thành phần chính của một kênh máy thu GPS

Hình 2.1: Thêm đối tượng ADODC vào hộp công cụ

Hình 2.7: Mạch chuẩn giao RS232 dùng transitor

Hình 3.1: Giao diện phần mềm mô phỏng tín hiệu GPS

Hình 3.2: Các thông số hiển thị trên phần mềm

Hình 3.3: Sơ đồ khối hoạt động của phần mềm

Hình 3.4: Nhập thông tin chuyến đi

Hình 3.5: Thay đổi bản đồ tương ứng

Hình 3.6: Update thông tin

Hình 3.7: Tính năng review

Hình 3.8: Chuỗi NMEA trong file ghi lại

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1

1 Tầm quan trọng, ý nghĩa của việc mô phỏng tín hiệu GPS 1

2 Mục tiêu đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi đề tài 3

4 Phương pháp nghiên cứu, thực hiện đề tài 3

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU HỆ THỐNG GPS, VISUAL BASIC 6, CỔNG GIAO TIẾP RS232, TIÊU CHUẨN NMEA 0183 4

1 Hệ thông định vị toàn cầu GPS 4

1.1 Giới thiệu về GPS 4

1.2 Một số thông số cơ bản của hệ thống GPS 5

1.3 Cấu trúc hệ thống GPS 5

1.3.1 Phân hệ không gian GPS 5

1.3.2 Phân hệ điều khiển GPS 6

1.3.2.1 Trạm điều khiển chủ (MCS) 7

1.3.2.2 Các trạm giám sát 7

1.3.2.3 Các anten mặt đất 8

1.3.3 Phân hệ người sử dụng 8

1.4 Các tín hiệu vệ tinh GPS 8

1.4.1 Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS L1 8

1.4.2 Phân bố năng lượng và độ bao phủ của tín hiệu vệ tinh L1 11

1.4.3 Cấu trúc tín hiệu L2 12

1.5 Cấu trúc bản tin dẫn đường 12

1.6 Cách xác định vị trí máy thu và máy thu GPS 12

1.6.1 Một số tham số và thuật toán xử lý bản tin vệ tinh 12

1.6.1.1 Các hằng số toán học sử dụng trong các phép tính 12

1.6.1.2 Hệ tọa độ WGS 13

1.6.2.2 Cự ly giả 15

1.6.2.2.1 Phương pháp đo cự ly giả 16

1.6.2.2.1.1 Phương pháp tính độ trễ thời gian 16

1.6.2.2.1.2 Phương pháp tính độ lệch pha 16

1.6.2.3 Xác định vị trí dựa vào cự ly giả 17

1.6.3 Máy thu GPS 19

1.6.3.1 Anten 19

1.6.3.2 Bộ phân chia tần số 20

1.6.3.3 Khôi phục tín hiệu 21

1.6.3.4 Bộ vi xử lý 24

1.6.3.5 Khối giao tiếp với người sử dụng 25

1.6.3.6 Sự tích lũy dữ liệu và đầu ra dữ liệu 26

1.6.3.7 Bộ cấp nguồn 26

1.7 Độ chính xác tín hiệu GPS 26

1.8 Các dạng lỗi 27

1.8.1 Các lỗi do vệ tinh 27

1.8.2 Các lỗi do truyền tín hiệu 28

1.8.3 Các lỗi máy thu 28

1.8.4 Các lỗi do dạng hình học GPS 29

2 VISUAL BASIC 6 31

2.1 Cơ bản về Visual Basic 31

2.1.1 Giới thiệu về Visual Basic 31

2.1.2 Các thao tác cơ bản khi xây dựng ứng dụng 31

2.1.3 Các khái niệm cơ bản 32

2.1.3.1 Đối tượng và các khái niệm liên quan 32

2.1.3.2 Phương pháp lập trình hướng sự kiện 33

2.1.4 Các đối tượng cơ bản 33

2.1.4.1 Form 33

2.1.4.2 TextBox 33

2.1.5 Command Button 34

2.2.1.1 Kiểu số nguyên 34

2.2.1.2 Kiểu số thực 35

2.2.1.3 Kiểu chuỗi (string) 35

2.2.1.4 Kiểu logic (Boolean) 35

2.2.1.5 Kiểu ngày, giờ (Date) 35

2.2.1.6 Kiểu Variant 35

2.2.2 Hằng, biến 35

2.2.3 Hàm chuẩn 36

2.2.3.1 Một số hàm toán học 36

2.2.3.2 Một số hàm thời gian 36

2.2.3.3 Một số hàm kiểu chuỗi 37

2.2.3.4 Một số hàm chuyển kiểu 37

2.2.3.4 Ví dụ: 37

2.3 Các cấu trúc điều khiển 38

2.3.1 Cấu trúc rẽ nhánh 38

2.3.1.1 If…Then… 38

2.3.1.2 Select Case… 38

2.3.2 Ví dụ 40

2.4 Các cấu trúc lặp 42

2.4.1 FOR…NEXT 42

2.4.2 DO WHILE…LOOP 43

2.4.3 Ví dụ 44

2.5 Biến mảng 45

2.5.1 Biến mảng 45

2.5.2 Mảng các ô điều khiển 46

2.5.3 Ví dụ 46

2.6 Chương trình con 47

2.6.1 Khái niệm – Phân loại 47

2.6.2 Cấu trúc của chương trình con 47

2.6.2.1 Hàm 47

2.7 Listbox, Combobox, Scrollbar 49

2.7.1 Listbox 49

2.7.2 Combobox 50

2.7.3 HsCrollBar, VsCrollBar 50

2.8 Image, DriverListBox, DirListBox 50

2.8.1 Image 50

2.8.2 FileListBox 51

2.8.3 DirListBox 51

2.8.4 DriveListBox 51

2.9 Ứng dụng có nhiều Form, Tạo Menu 52

2.9.1 Ứng dụng có nhiều Form 52

2.9.2 Tạo MENU 52

2.10 Đối tượng điều khiển ADO 52

2.10.1 Bổ sung điều khiển ADO vào hộp công cụ 52

2.10.2 Các thuộc tính cơ bản của ADODC 53

2.10.2.1 Thuộc tính ConnectionString: 53

2.10.2.2 Thuộc tính RecordSource: 54

2.10.3 Truy xuất dữ liệu 54

2.10.4 Một số phương thức và sự kiện của ADODC 55

2.11 Một số hỗ trợ khác cho quản trị CSDL 56

2.11.1 DataGrid 56

2.11.2 Lấy dữ liệu thông qua câu lệnh SQL 56

2.11.2.1 Khái niệm, cú pháp: 56

2.11.2.2 Quy định dữ liệu lấy qua SQL 57

3 Tìm hiểu về RS-232 58

3.1 Tổng quan về chuẩn nối 232 58

3.2 Đặt vấn đề 58

3.2.1 Ưu điểm của RS232 58

3.2.2 Những điểm cần lưa ý trong chuẩn RS232 58

3.2.3 Các mức điện áp đường truyền 59

3.2.5.1 Quá trình truyền dữ liệu 60

3.2.5.2 Tốc độ Baud 61

3.2.5.3 Bit chẵn lẻ hay parity bit 61

3.3 Sơ đồ ghép nối RS232 62

3.3.1 Mạch chuẩn giao RS232 dùng IC Max232 62

3.3.2 Mạch chuẩn giao RS232 dùng DS275 62

3.3.3 Mạch chuẩn giao RS232 dùng transitor 63

3.4 Phần mềm giao tiếp 63

4 Tiêu chuẩn NMEA0183 64

4.1 Tổng quan về NMEA 0183 64

4.2 Đặt cấu hình cho cổng giao tiếp serial 64

4.3 Định dạng chung của bản tin 65

4.6 Quy tắc giao thức lớp ứng dụng: 67

4.7 Định dạng chung 67

CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG TÍN HIỆU GPS VỚI NHỊP UPDATE THÔNG TIN 10HZ 69

1 Mục đích của phần mềm 70

2 Mô tả phần mềm 70

3 Hướng dẫn sử dụng phần mềm 71

4 Kết quả trả về, cách đọc thông tin 74

KẾT LUẬN 77

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1 Tầm quan trọng, ý nghĩa của việc mô phỏng tín hiệu GPS

Ngày nay, GPS đã trở thành một yếu tố quan trọng của hầu như tất cả các chiến dịch quân sự và tất cả các hệ thống vũ khí Ngoài ra, GPS còn được sử dụng trên các

vệ tinh để đạt được các dữ liệu quỹ đạo có độ chính xác cao và để điều khiển hướng bay của các con tàu vũ trụ

Mặc dù hệ thống GPS lúc ban đầu được triển khai để đáp ứng các yêu cầu của giới quân sự, nhưng người ta đang không ngừng tìm ra các cách thức mới để sử dụng những khả năng của nó, từ cao siêu đến bình dị Một trong số cách thức thứ nhất là sử dụng GPS cho công tác quản lý động vật hoang dã Ở châu Phi, các máy thu GPS được

sử dụng để giám sát các đường hướng di trú của các đàn động vật lớn cho những mục đích nghiên cứu khác nhau

Những máy thu GPS cầm tay hiện đang được sử dụng thường ngày trong các ứng dụng thực địa, trong đó có đòi hỏi việc thu thập thông tin chính xác, kể cả việc kiểm tra hiện trường của các công ty phục vụ công cộng, việc vẽ bản đồ của các nhà khai thác dầu mỏ và khí đốt và việc quy hoạch tàu nguyên của các công ty lâm nghiệp

Các khinh khí cầu có trang bị GPS đang giám sát các lỗ hổng trong tầng Ô-Zôn trên các vùng cực và chất lượng không khí cũng đang được giám sát nhờ các máy GPS Các phao theo dõi lượng dầu tràn lớn trên biển phát đi các dữ liệu cần thiết nhớ

sử dụng GPS Các nhà khảo cổ học và các nhà thám hiểm đang sử dụng hệ thống này

để đánh dấu các vụ trí ở xa trên biển và trên đất liền trước khi họ có thể lập quyết toán trang thiết bị và kinh phí

Theo dõi các phương tiện vận chuyển là một trong những ứng dụng GPS phát triển nhanh nhất Các đoàn tàu, các hệ thống vận chuyển công cộng, các đoàn xe tải quá cảnh, các chuyến xe bưu chính… có trang bị các máy thu GPS để giám sát các vị trí của chúng vào mọi thời điểm

Các dữ liệu GPS sẽ trở nên hữu ích hơn đối với khách hàng khi nó được liên kết với kỹ thuật vẽ bản đồ số Theo đó, một số hãng sản xuất ô tô đang chào hàng một phương án chế tạo xe mới là trang bị các màn hình trình bày hành trình xe chạy do các máy thu GPS hướng dẫn Các màn hình này thậm chí còn có thể tháo ra đem về nhà để lập trình cho một chuyến đi Một số phương tiện xe cộ có trang bị GPS đưa ra các bảng hướng dẫn trên màn hiển thị cho các lái xe và qua các lệnh bằng tiếng nói tổng hợp Những tính năng này cho phép lái xe đến được bất kỳ nơi nào anh ta muốn một cách nhanh chóng hơn và an toàn hơn so với trước đây

Công nghệ GPS thậm chí còn đang được sử dụng kết hợp với công nghệ mạng

tế bào để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng Với việc án một phím bấm trên máy điện thoại di động mạng tế bào, có thể đàm thoại với một nhà cung cấp dịch vụ và cùng một lúc báo hiệu tới các dịch vụ điều phối trung tâm thông báo về vị trí của họ về các tình huống khẩn cấp hoặc các hỏng hóc trang thiết bị

Cùng với quá trình phát triển của công nghệ, vệ tinh ngày càng được tối ưu và phức tạp hơn Vệ tinh nói chung và GPS nói riêng là một trong những hệ thống thiết bị định vị rất hiệu quả Việc mô phỏng tín hiệu GPS bằng VB6 với nhịp update thông tin 10Hz với chức năng đo vẽ đường đi, load bản đồ, đánh dấu điểm, ghi lại thông tin chuyến đi của người sử dụng là ứng dụng hay dành cho những người thích trải nghiệm, mỗi khi bạn cần biết bạn đang ở vị trí nào trên bản đồ Từ đó giúp ta:

2 Mục tiêu đề tài

Tìm hiểu về hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), nguyên lý hoạt động, phân loại GPS, giới thiệu về tầm quan trọng của GPS và những ưu điểm nổi bật mà GPS mang lại Đưa ra những vấn đề mà khi sử dụng GPS phục vụ cho những nhu cầu, công việc cụ thể

Tìm hiểu về tiêu chuẩn giao tiếp kết hợp điện với tín hiệu thông tin liên lạc NMEA

0183

Tìm hiểu hệ thống GPS

Tìm hiểu phần mềm Visual Basic 6

Tìm hiểu giao thức qua cổng RS-232

Viết phần mềm mô phỏng tín hiệu GPS để có thể thử nghiệm các phần mềm khai thác thông tin GPS mà không cần phải có GPS và không phải mang nó đi thử nghiệm

3 Đối tượng và phạm vi đề tài

Đối tượng: Hệ thống định vị toàn cầu GPS, giao tiếp NMEA 0183

Phạm vi: Thu thập tài liệu, dữ liệu để nghiên cứu, phân tích và đánh giá về hệ thống GPS và việc mô phỏng lại tín hiệu GPS bằng phần mềm

4 Phương pháp nghiên cứu, thực hiện đề tài

Lý thuyết: Vận dụng những kiến thức đã học liên quan đến hệ thống định vị toàn cầu Nghiên cứu, tổng hợp tài liệu về GPS, NMEA 0183

Thực tế: viết phần mềm mô phỏng tín hiệu GPS bằng VB6 với nhịp update thông tin 10Hz

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU HỆ THỐNG GPS, VISUAL BASIC 6, CỔNG GIAO TIẾP RS232, TIÊU CHUẨN NMEA 0183

1 Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS

1.1 Giới thiệu về GPS

Hệ thống Định vị Toàn cầu (Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh

Tuy được quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế giới sử dụng một số chức năng của GPS miễn phí, bất kể quốc tịch nào

Hệ thống định vị toàn cầu GPS cung cấp các dịch vụ chính xác cho người sử dụng ở mọi lúc mọi nơi trên phạm vi toàn cầu Các dịch vụ đó bao gồm:

- Xác định tọa độ

- Dẫn đường

- Cung cấp thời gian chính xác

- Kiểm soát vận tốc

Hiện nay có 2 hệ thống GPS cùng tồn tại, đó là hệ thống Glonass-GPS của Nga

và hệ thống Navstar-GPS của Mỹ Cả hai hệ thống này đều cung cấp các dịch vụ dẫn đường có độ chính xác tương đương nhau Tuy nhiên, hệ thống Glonass-GPS của Nga hiện vẫn chưa hoàn thiện do những hạn chế về tài chính Hiện nay, hệ thống Navstar-GPS được sử dụng phổ biến trên thế giới Hệ thống này do hải quân Mỹ thiết lập từ năm 1978 Ban đầu hệ thống này chủ yếu phục vụ các nhu cầu định vị, dẫn đường trong quân sự của Mỹ Đến năm 1980 hệ thống đã được sử dụng cho các lĩnh vực dân

sự ở Việt Nam đã áp dụng hệ thống định vị Navstar-GPS của Mỹ trên một số các lĩnh vực: hàng hải, địa chính…

1.2 Một số thông số cơ bản của hệ thống GPS

- Số lượng vệ tinh: 27 trong đó có 3 vệ tinh dự phòng

- Phương pháp khóa pha tín hiệu: Sử dụng các bộ đồng bộ

- Hiệu chỉnh thời gian hệ thống so với UTC: UTC (USNO)

- Nội dung lịch vệ tinh: 152 bít

- Khoảng thời phát lịch vệ tinh: 12,5 phút

- Phương pháp truy nhập tín hiệu vệ tinh: Truy nhập theo mã

1.3.1 Phân hệ không gian GPS

Phân hệ không gian bao gồm các vệ tinh GPS bay theo quỹ đạo tròn ở độ cao 10.900 dặm hay 20.200 km và trong thời gian 12 giờ Các quỹ đạo này nghiêng với xích đạo trái đất 550 để đảm bảo mức độ bao phủ các vùng địa cực Năng lượng hoạt động của các vệ tinh được cung cấp bởi các pin mặt trời, các vệ tinh liên tục định hướng để hướng các bảng pin mặt trời của chúng về phía mặt trời và các anten của chúng hướng

về trái đất Mỗi vệ tinh trong 24 vệ tinh được đặt trên một trong 6 mặt phẳng có quỹ đạo 2 lần quanh trái đất một ngày

Mỗi vệ tinh phát một bản tin dẫn đường dựa trên dữ liệu được tải lên một cách định kì

từ phân hệ điều khiển và cộng bản tin đó với một chuỗi mã C/A Chuỗi mã C/A là một tạp âm giả ngẫu nhiên PRN có tần số 1,023 MHz Vệ tinh thực hiện điều chế chuỗi mã thu được với một sóng mang có dải tần số L1 là 1575,42 MHz để tạo thành một tín hiệu đo cự ly được trải phổ Sau đó nó được phát quảng bá tới mọi người sử dụng Mỗi một mã C/A là duy nhất để nhận biết từng vệ tinh trong chòm sao Ngoài ra vệ tinh cũng phát một tín hiệu đo cự ly thứ hai là L2 Trường hợp này được áp dụng cho những người sử dụng dịch vụ PPS với mục đích là hiệu chỉnh các sai lệch dựa trên 2 tần số L1 và L2 Cũng giống như L1, tín hiệu có tần số L2 là một tín hiệu đo cự ly được trải phổ có tần số là 1227,6 MHz Hình 1.1 thể hiện sơ đồ khối tạo và truyền tín hiệu SPS:

TÝn hiÖu ®o cù ly SPS ph©n cùc trßn tay ph¶i 1575,42 MHz

HÖ thèng phô TT&C

Khèi d÷ liÖu dÉn ®-êng.

KiÓm tra d÷ liÖu ®iÒu khiÓn vµ NAV.

Anten

Hình 1.1: Sơ đồ khối tạo và truyền tín hiệu đo cự ly SPS

1.3.2 Phân hệ điều khiển GPS

Phân hệ điều khiển GPS gồm có: một trạm điều khiển chủ, các trạm giám sát và các anten mặt đất Sơ đồ khối phân hệ điều khiển được thể hiện trên hình 1.2:

Các lệnh.

Thực hiện đo xa.

Tải lên dữ liệu dẫn đ-ờng.

Điều khiển anten mặt đất.

Trạng thái anten mặt đất.

Chức năng điều khiển mạng Quản lý l-u l-ợng dữ liệu

Dữ liệu bản tin dẫn đ-ờng.

Dữ liệu đo cự ly.

Điều khiển trạm giám sát.

Xử lý kết quả đo cự ly.

Dự đoán trạng thái vệ tinh.

Tạo dữ liệu dẫn đ-ờng.

Chức năng giám sát chất l-ợng.

Kiểm tra chất l-ợng dựa vào

các tiêu chuẩn.

Cảnh báo nếu phát hiện lỗi.

Trạm điều khiển chủ

Tuyến liên kết TT&C

Tín hiệu đo

cự ly SPS

Hỡnh 1.2: Sơ đồ khối phõn hệ điều khiển GPS

1.3.2.1 Trạm điều khiển chủ (MCS)

Trạm điều khiển chủ được đặt tại căn cứ quõn sự khụng quõn Falcon ở

Colorado và là một nỳt điều khiển trung tõm đối với chũm sao vệ tinh GPS Hoạt động

của nú được duy trỡ liờn tục 24 giờ một ngày MCS chịu trỏch nhiệm toàn bộ cỏc lệnh

và điều khiển chũm sao, bao gồm:

- Bus vệ tinh thường trỡnh và giỏm sỏt trạng thỏi trọng tải

- Duy trỡ vệ tinh và giải quyết những sự cố

- Giỏm sỏt và quản lý chất lượng SPS theo tất cả cỏc tiờu chuẩn chất lượng

- Tải lờn dữ liệu dẫn đường để giữ vững được tiờu chuẩn chất lượng phự hợp với

cỏc tiờu chuẩn chất lượng về độ chớnh xỏc

- Phỏt hiện ngay lập tức và khắc phục những lỗi của dịch vụ

1.3.2.2 Cỏc trạm giỏm sỏt

Năm trạm giỏm sỏt được đặt tại căn cứ khụng quõn Falcon ở Colorado, Hawaii,

đảo Ascension trờn biển Atlantic, đảo san hụ Diego Garcia trờn biển

ấn Độ và đảo Kwajalein trờn biển Nam Thỏi Bỡnh Dương Từng trạm giỏm sỏt kiểm tra

độ cao chớnh xỏc, vị trớ, tốc độ, và toàn bộ tỡnh trạng của cỏc vệ tinh đang hoạt động

trờn quỹ đạo Phõn hệ điều khiển chủ sử dụng cỏc kết quả đo được lựa chọn từ cỏc

trạm giỏm sỏt để dự đoỏn thuộc tớnh của quỹ đạo và đồng hồ của từng vệ tinh Dữ liệu

dự đoỏn này được phỏt tới cỏc vệ tinh để vệ tinh truyền ngược lại tới những người sử

dụng Phõn hệ điều khiển chủ cũng đảm bảo rằng những đồng hồ và quỹ đạo của cỏc

vệ tinh GPS có độ dư trong những giới hạn cho phép Một trạm có thể kiểm tra tới 11

vệ tinh tại một thời điểm Từng trạm sẽ thực hiện kiểm tra hai lần một ngày đúng lúc

mà các vệ tinh thực hiện xong cuộc hành trình quanh trái đất Những biến đổi nổi bật

do lực hấp dẫn của mặt trăng, mặt trời và áp suất của bức xạ mặt trời gây ra đều được loại bỏ bởi trạm điều khiển chủ này

có kích thước lớn Các thiết bị GPS sử dụng trong quân đội được tích hợp trên các máy bay chiến đấu, máy bay ném bom, những máy bay tiếp dầu, các trực thăng, các tàu thủy, các tàu ngầm, các xe tăng, các xe jíp và các thiết bị của binh sĩ Những hoạt động dẫn đường cơ bản và các ứng dụng trong quân đội thêm vào bao gồm sự: xác định mục tiêu, vũ khí thông minh, điểm gặp nhau trong chiến đấu

1.4 Các tín hiệu vệ tinh GPS

1.4.1 Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS L1

Mỗi một vệ tinh của hệ thống GPS phát đi 2 tín hiệu trải phổ trực tiếp DS/SS

Đó là tín hiệu có tần số L1 và tín hiệu có tần số L2 Tín hiệu L1 mang một mã bắt và

đo cự ly tương đối C/A và mang một mã đo cự ly chính xác P Tín hiệu L2 mang một

mã đo cự ly chính xác P để phục vụ cho mục đích quân sự Tần số L1 là 1575,42 MHz, tần số L2 là 1227,6 MHz Sơ đồ tạo tín hiệu L1 và L2 được thể hiện ở hình 1.6:

Sãng mang L1

M· C/A

B¶n tin dÉn

®-êng M· P

90 0

)(

1 t M

) (

1

t C

)(

)

(t D

) 2

cos(

).

( 2

c f t

M A I





Hình 1.3: Sơ đồ tạo tín hiệu L1, L2

Tín hiệu L1 là một tín hiệu QPSK Tuyến liên kết L1 gồm 2 thành phần sóng mang là A.cos(2fct+) và - A.sin(2fct+) Hai thành phần sóng mang này vuông pha với nhau Mỗi thành phần sóng mang là một tín hiệu BPSK, được điều chế bởi 2 chuỗi bít riêng rẽ Chuỗi bít thứ nhất M1(t) là tổng môđun 2 của dữ liệu NAV và mã C/A Chuỗi bít thứ hai M2(t) là tổng môđun 2 của dữ liệu NAV và mã P (hoặc là mã Y) Mỗi vệ tinh

sử dụng một mã C/A và một mã P riêng khác nhau để phân biệt được các vệ tinh trong chòm sao GPS

) (

1

t M

t M

) Trong đó: M1(t), M2(t) là các mã trải phổ có giá trị 1

Nên (t) có thể nhận các giá trị sau:



Với giả thiết là bỏ qua tạp âm và tín hiệu truyền đi có độ trễ  thì phần thu tín hiệu có dạng:

S(t- )= A.M2(t- ) cos(2fct+')-A.M1(t- ).sin(2fct+')

) 2

cos(  t f c + '





0

(.) )

(t− 

S

)(

1 t U

)(

Hình 1.4: Sơ đồ giải điều chế tín hiệu DS/SS L1

U1(t)=-A.C1(t- ’).M2(t- ).cos(2fct+').sin(2fct+') + A.M1(t- ).C1(t- ).Sin2(2fct+')

U2(t)=A.M2(t- ).C2(t- ’).cos2(2fct+') - A.M1(t- ).C2(t- ’).cos(2fct+').sin(2fct+')

C1(t- ) C1(t- ’)= C2(t- ) C2(t- ’)=1

Do đú:

U(t)=U1(t)+U2(t)=A.D(t- )-A.D(t- ).C1(t- ).C2(t- ).sin(4





Kết quả đầu ra của mạch tớch phõn là thành phần dữ liệu Zi=A.D(t- ) Cỏc thành phần

cú tần số 4fc cú giỏ trị trung bỡnh bằng 0, do đú Zi=AT Đầu ra bộ so sỏnh tương ứng

là +1 (logic “1”) khi bản tin dẫn đường là +1; đầu ra là -1 (logic “0”) khi bản tin dẫn đường là -1

1.4.2 Phõn bố năng lượng và độ bao phủ của tớn hiệu vệ tinh L1

Hỡnh 1.5 thể hiện cụng suất nhỏ nhất của tớn hiệu L1 thu được giảm dần bởi người sử

dụng ở gần mặt đất, nú là một hàm của gúc ngẩng vệ tinh

-160 -159 -158 -157

Góc ngẩng (độ)Công suất thu (dBw)

Hỡnh 1.5: Cỏc mức tớn hiệu thu được nhỏ nhất

Với cỏc giả thiết sau:

- Cỏc tớn hiệu được đo tại đầu ra anten thu phõn cực tuyến tớnh 3 dBi

- Vệ tinh cú gúc ngẩng bằng hoặc hơn 50

- Cỏc mức tớn hiệu thu nhận được xột trong băng tần cú mức cụng suất nhỏ nhất -160 dBw tại bề mặt trỏi đất

- Suy hao đường truyền của khớ quyển là 2,0 dB

- Sai lệch độ cao vệ tinh là 0,50

Cỏc mức tớn hiệu cao hơn cú thể cú được khi cú cỏc yếu tố như: cỏc sai lệch độ cao vệ tinh, cỏc sai số sắp xếp anten cơ khớ, những biến đổi năng lượng phỏt đi, những biến đổi về điện ỏp và những biến đổi hệ số khuyếch đại cụng suất, và do sự thay đổi suy hao đường truyền khi truyền tớn hiệu qua khớ quyển Cỏc mức tớn hiệu L1 C/A thu được cực đại khụng vượt quỏ -153,0 dBw Con số ước lượng này được dựa trờn giả

thiết là các đặc điểm của anten thu phân cực tuyến tính có đầu ra 3 dBi, suy hao khí quyển là 0,6 dB và sai lệch độ cao vệ tinh là 0,50

1.4.3 Cấu trúc tín hiệu L2

Tín hiệu L2 là tín hiệu BPSK chỉ được điều chế bởi một chuỗi bít Chuỗi bít được lựa chọn để điều chế L2 là mã P hoặc Y mà không có mã C/A

1.5 Cấu trúc bản tin dẫn đường

Bản tin dẫn (NAV message) là nội dung của lịch vệ tinh, nó cung cấp đầy đủ các thông số để định vị, dẫn đường cho người sử dụng Các dữ liệu này chứa các thông tin cần thiết để phục vụ cho việc xác định:

- Thời gian truyền của vệ tinh

- Vị trí của vệ tinh

- Thể trạng của vệ tinh

- Hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh

- Các ảnh hưởng do độ trễ truyền dẫn

- Chuyển đổi thời gian thành UTC

- Trạng thái của chòm sao

1.6 Cách xác định vị trí máy thu và máy thu GPS

1.6.1 Một số tham số và thuật toán xử lý bản tin vệ tinh

1.6.1.1 Các hằng số toán học sử dụng trong các phép tính

- Tốc độ ánh sáng: c=2,99792458.108 [m/s]

- Hằng số hấp dẫn của WGS-84: M=3,986005.1014 [m3/s2]

- Tốc độ quay của trái đất trong hệ WGS-84:



- Bán trục lớn của trái đất trong hệ WGS-84: a=6378237,00 [m]

- Bán trục nhỏ của trái đất trong hệ WGS-84: b=21313,5624 [m]

- Độ dẹt của trái đất trong hệ WGS-84 : f=

b

b

a −

=298,2572

1.6.1.2 Hệ tọa độ WGS

Z

X

Y0,0,0

1.6.2 Toán học sử dụng trong hệ thống GPS

1.6.2.1 Nguyên lý cơ bản để xác định vị trí máy thu GPS

Khi các đồng hồ được đồng bộ, các phép đo cự ly đồng thời tới 3 vệ tinh GPS

sẽ tính được vị trí máy thu Mỗi một phép đo cự ly có thể được biểu diễn là bán kính p của mặt cầu có tâm là vệ tinh Sự giao nhau của các mặt cầu bao giờ cũng tạo ra vài điểm vị trí máy thu Hình 2.2 biểu diễn cách xác định vị trí máy thu GPS dựa trên các mặt cầu

P

p1

Hình 1.8 a: Mặt cầu có bán kính là cự ly từ vệ tinh tới máy thu GPS, tâm là vệ tinh

p

Hình 1.8 b: Sự giao nhau của 2 mặt cầu

Hình 1.8 c: Sự giao nhau của 3 mặt cầu Hình 1.8: Các mặt cầu biểu diễn cự ly từ vệ tinh tới máy thu GPS

Phép đo cơ bản của máy thu GPS là thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh GPS đến máy thu Bởi vì tín hiệu truyền với tốc độ ánh sáng c nên khoảng thời gian có thể đựợc chuyển thành khoảng cách bằng cách là nhân với tốc độ ánh sáng c

Giả sử đồng hồ máy thu đồng bộ với đồng hồ vệ tinh, và không có độ trễ khi tín hiệu truyền qua tầng điện li và đối lưu Hơn thế nữa, chúng ta giả sử là không có không xáo trộn một cách ngẫu nhiên phép đo, bởi vì nó sẽ làm tất cả các số đo tăng lên hoặc giảm xuống một cách đáng kể Với các phép đo khoảng cách tới vệ tinh chúng ta có thể xác

định được vị trớ mỏy thu: mỏy thu phải nằm trờn hỡnh cầu cú tõm là vệ tinh, bỏn kớnh bằng với cự ly đo được, như minh họa trong hỡnh 2.2.a Chỳng ta gọi đú là khoảng cỏch p1 Nếu chỳng ta đồng thời thực hiện phộp đo cự ly tới vệ tinh thứ 2 thỡ mỏy thu của chỳng ta cũng phải nằm trờn mặt cầu cú tõm là vệ tinh thứ 2 bỏn kớnh p2 Hai mặt cầu này sẽ cắt nhau, như chỉ ra trong hỡnh 2.2.b với quỹ tớch cỏc điểm cắt nhau tạo thành hỡnh trũn Mỏy thu của chỳng ta phải nằm trờn hỡnh trũn đú Phộp đo đồng thời thứ 3, p3 tạo nờn mặt cầu thứ 3 giao với 2 mặt cầu kia chỉ tại 2 điểm, nú được minh họa trong hỡnh 2.2.c Một điểm cú thể bị loại bỏ khi xỏc định vị trớ mỏy thu vỡ nú sẽ nằm rất xa trong khụng gian Do đú, nguyờn lý cơ bản xỏc định vị trớ là đo cự ly đồng thời tới 3 vệ tinh sẽ cho đầy đủ thụng tin để xỏc định vị trớ mỏy thu theo 3 chiều

Máy thu

Vệ tinh

Cự ly thật

Cự ly giả

Sai số đồng

hồ má

y thu

và các

sai số lan truyền

Sai số đồng

hồ vệ tinh

Sóng điện từ

Hỡnh 1.9: Cự ly thật và cự ly giả từ vệ tinh tới mỏy thu GPS

1.6.2.2.1 Phương pháp đo cự ly giả

Có 2 phương pháp cơ bản để xác định cự ly giả

- Tính độ trễ thời gian của tín hiệu phát đi từ vệ tinh GPS tới máy thu GPS của người sử dụng

- Tính độ lệch pha của tín hiệu phát đi từ vệ tinh từ vệ tinh GPS tới máy thu GPS của người sử dụng

1.6.2.2.1.1 Phương pháp tính độ trễ thời gian

Vệ tinh GPS sẽ phát đi các mã giả ngẫu nhiên PRN Máy thu GPS cũng tạo ra các bản sao mã giả ngẫu nhiên PRN tương ứng đối với từng vệ tinh Đem so sánh tương quan giữa 2 bản mã trên sẽ tìm ra được độ trễ thời gian

 t

 t

§é trÔ thêi gian

t

M· cña vÖ tinh GPS

Hình 1.10: So sánh mã của vệ tinh và của máy thu GPS

Để đo cự ly từ vệ tinh GPS tới máy thu GPS các máy thu GPS thường dùng mã C/A Mã C/A được cấu tạo bởi một chuỗi các giá trị 0 và 1 Tần số chíp là 1.023MHz,

độ dài chíp là 0,9975















kỳ dao động sóng Vì vậy, độ lệch pha bằng số nguyên lần bước sóng cộng với độ lệch

pha đo được Máy thu GPS phải tạo ra sóng mang đồng thời với thời điểm của sóng mang phát đi từ vệ tinh Đồng thời, máy thu phải đếm được số nguyên lần bước sóng

từ vệ tinh GPS tới máy thu GPS

Hình 1.11: Đo cự ly giả bằng độ lệch pha sóng mang

Ta có: P=N





Với





1.6.2.3 Xác định vị trí dựa vào cự ly giả

Sai lệch thời gian 1 ms có thể đem đến một sai lệch vị trí khoảng 300 km, đó là một lượng sai không thể chấp nhận được Để hệ thống làm việc được tốt hơn thì các đồng hồ vệ tinh phải đồng bộ dựa trên các lệnh điều chỉnh từ mặt đất được gửi lên thường xuyên Mặt khác, các đồng hồ nguyên tử có thể duy trì thời gian tốt hơn nếu chúng hoạt động riêng rẽ nhau và các tham số của chúng thường xuyên được hiệu chỉnh Đài quan sát hải quân Mỹ có nhiệm vụ giám sát các đồng hồ vệ tinh và xác định độ lệch thời gian của chúng và độ lệch so với thời gian GPS Các tham số này được tải tuần tự tới vệ tinh và là một phần trong bản tin dẫn đường được phát quảng bá bởi các vệ tinh Máy thu GPS sử dụng độ lệch đồng hồ vệ tinh đó để hiệu chỉnh các cự ly giả đo được Tuy nhiên, chúng ta vẫn có sai lệch đồng hồ máy thu phải giải quyết Bởi vì sai lệch này mà 3 mặt cầu sẽ không cắt nhau tại một điểm chung Tuy vậy, nếu sai lệch đồng

hồ máy thu (dT) có thể xác định được thì các cự ly giả có thể được hiệu chỉnh và vị trí của máy thu có thể xác định được Trường hợp này bắt buộc chỉ còn xác định vị trí máy thu theo 2 chiều, như minh họa trong hình 2.6

Vệ

tinh

dT

dT

vÞ trÝ thùc

Hình 1.12: Cự ly giả khi có sai lệch đồng hồ máy thu

Như vậy, để xác định được vị trí máy thu theo 3 chiều ta có 4 tham số chưa biết

mà chúng ta phải xác định là: kinh độ, vĩ độ, chiều cao và độ lệch thời gian máy thu Bây giờ, không thể giải bài toán để xác định duy nhất các giá trị 4 tham số cho bởi 3 phép đo Như vậy ta cần xác định thêm một cự ly giả tới vệ tinh thứ tư

Nhưng thực tế máy thu GPS tìm ra các đại lượng và độ lệch thời gian từ các phép đo như thế nào? Phần mềm của máy thu GPS là một mô hình đại số thể hiện cách xác định vị trí theo dạng hình học như hình 2.6 Để đo từng cự ly giả, mỗi một phương trình phải liên quan tới các tham số chưa biết

Bốn phương trình đó là:

1 2

1 2

2 2

3 2

4 2

Hệ 4 phương trình phải giải đồng thời để thu được các giá trị X, Y, Z và sai lệch

đồng hồ dT Mặc dự cỏc phương trỡnh được viết theo cỏc dạng hỡnh học của hệ trục tọa

độ Đờ-cac nhưng cỏc giỏ trị X, Y, Z cú thể dễ dàng chuyển thành vĩ độ, kinh độ và chiều cao

1.6.3 Mỏy thu GPS

Một mỏy thu GPS gồm một số cỏc khối xõy dựng cơ bản như trong hỡnh 2.9:



Cổng điều khiển và dữ liệu

Khối hiển thị và tạo lệnh

Anten và bộ tiền khuyếch đại

Hỡnh 1.13: Cỏc thành phần chớnh của một kờnh mỏy thu GPS Cỏc thành phần chớnh bao gồm: một anten và một bộ tiền khuếch đại kết hợp, một bộ phõn chia tần số vụ tuyến, một khối hiệu chỉnh tớn hiệu, một lối vào tạo lệnh và khối hiển thị, một khối cung cấp nguồn Toàn bộ mọi hoạt động của mỏy thu được điều khiển bởi bộ vi xử lý Ngoài ra, nhiều mỏy thu cũn bao gồm cỏc thiết bị lưu giữ

dữ liệu, một đầu ra giao tiếp mỏy thu với mỏy tớnh, hoặc là cú cả hai loại trờn

1.6.3.1 Anten

Chức năng của anten là chuyển đổi năng lượng của súng điện từ từ cỏc vệ tinh thành dũng điện Kớch thước và hỡnh dạng của anten là rất quan trọng, vỡ nú chi phối đến khả năng thu nhận cỏc tớn hiệu GPS vốn đó rất yếu của anten Anten cú thể làm việc được với tần số L1 hoặc với cả hai tần số L1 và L2 Bởi vỡ cỏc tớn hiệu GPS là phõn cực trũn nờn tất cả cỏc anten GPS cũng phải phõn cực trũn Mặc dự cũn cú những hạn chế nhất định nhưng nhỡn chung cỏc dạng khỏc nhau của cỏc anten hiện nay đều phự hợp với cỏc mỏy thu GPS Chỳng bao gồm loại đơn cực hoặc lưỡng cực, hỡnh xoắn ốc bậc 4 (giống như cỏc lũ xo), hỡnh xoắn ốc hay là những mảnh rất nhỏ

Những anten cú dạng mảnh và rất nhỏ cú lẽ là anten phổ biến nhất bởi vỡ sự gồ ghề và sự dễ chế tạo của chỳng Nú cú thể cú hỡnh dạng chữ nhật hoặc trũn và giống về

bề ngoài như là một phần nhỏ của bảng điện phủ đồng Nó được hợp lại từ một hoặc nhiều miếng kim loại và được gọi là anten miếng vá Chúng có thể có khả năng thu nhận một hoặc cả hai tần số và mặt nghiêng nhỏ đặc biệt của nó rất lý tưởng để trang

bị cho các thiết bị trên không và các thiết bị cầm tay

Các đặc điểm quan trọng khác của anten GPS là hệ số tăng ích của nó Hệ số tăng ích được thể hiện thông qua độ nhạy của anten trên những hướng của góc nâng và các góc phương vị, và khả năng phân biệt các tín hiệu đa đường đập vào Tín hiệu đa đường đó là các tín hiệu đến anten sau khi đã phản xạ bởi những vật bên cạnh Để có thể định vị được chính xác thì một yêu cầu rất quan trọng là độ ổn định của tâm pha anten Đây là vị trí tập trung về điện của anten, và cũng là vị trí thực của máy thu

Nhiều anten giống như những mảnh nhỏ thích hợp cho các thiết bị sử dụng trên mặt đất Trong quá trình lập bản đồ cần độ chính xác cao thì mặt đất của anten thường được mở rộng giống như một tấm kim loại hoặc như những cái đĩa để làm tăng chất lượng khi xuất hiện các tín hiệu đa đường

Các tín hiệu GPS có thể rất yếu, chúng cũng rất lớn khi chúng truyền từ các vệ tinh địa tĩnh TV Công suất tách tín hiệu GPS khỏi tạp âm nền chung của thượng tầng khí quyển được tập trung trong máy thu hơn là trong anten Tuy nhiên, anten GPS thông thường phải được kết hợp với một bộ tiền khuếch đại tạp âm nhỏ để lọc lấy mức tín hiệu trước khi nó bị tăng lên do chính bản thân máy thu Trong những hệ thống mà trong đó anten là một khối riêng rẽ thì bộ tiền khuếch đại được đặt giữa khối anten và khối công suất máy thu theo đường tín hiệu thu

1.6.3.2 Bộ phân chia tần số

Bộ phân chia tần số của máy thu GPS có chức năng chuyển đổi tần số của các tín hiệu đến anten sang một tần số nhỏ hơn, nó được gọi là tần số trung gian IF Điều này được thực hiện nhờ sự kết hợp giữa tín hiệu mới đến và tín hiệu hình sin thuần túy được tạo ra bởi bộ dao động nội trong máy thu Hầu hết các máy thu GPS sử dụng các

bộ dao động tinh thể thạch anh chính xác Trước khi tín hiệu IF phát đi, nó thực hiện tất cả các quá trình điều chế, chỉ có sóng mang là bị dịch chuyển tần số Tần số sóng mang dịch tần này chỉ đơn giản là độ lệch tần số giữa tần số sóng mang thu nhận được ban đầu với tần số dao động nội Nó thường được gọi là tần số phách giống với tiếng đập mà ta chú ý nghe khi có 2 tiếng nhạc gần nhau được chơi đồng thời Tất cả máy

thu đều dùng nhiều cấp tần số IF, từng bước giảm dần tần số sóng mang Tín hiệu IF cuối cùng đi qua khối tái tạo của máy thu để tìm lại tín hiệu ban đầu

1.6.3.3 Khôi phục tín hiệu

Anten vô hướng của máy thu GPS đón nhận đồng thời nhiều tín hiệu từ tất cả các vệ tinh ở trên mặt phẳng ngang của anten Máy thu phải tách riêng các tín hiệu từ mỗi một vệ tinh riêng rẽ theo một thứ tự để đo cự ly giả từ mã và pha sóng mang Sự tách riêng này được thực hiện thông qua việc sử dụng một số các kênh tín hiệu trong máy thu Các tín hiệu từ các vệ tinh khác nhau có thể phân biệt dễ dàng bởi mã C/A duy nhất đối với mỗi vệ tinh hoặc phần mã P mà chúng truyền và được gán trên kênh riêng

Những kênh này trong máy thu GPS có thể được bổ xung theo một trong 2 cách Cách thứ nhất, một máy thu GPS có thể có những kênh dành riêng, từng kênh liên tục bám theo một vệ tinh riêng ít nhất có 4 kênh như vậy theo dõi các tín hiệu L1 của 4 vệ tinh Các kênh thêm vào cho phép bám theo nhiều vệ tinh hơn hoặc sử dụng các tín hiệu L2 để hiệu chỉnh độ trễ điện li, hoặc để phục vụ cho cả hai mục đích trên

Cách thứ hai là sử dụng một hoặc nhiều kênh liên tục Một kênh liên tục nghe một vệ tinh riêng rẽ trong một khoảng thời gian, thực hiện các phép đo trên các tín hiệu của vệ tính đó và sau đó chuyển sang một vệ tinh khác Một máy thu có một kênh thì phải quét lần lượt qua 4 vệ tinh Vì vậy có thể thu được một vị trí đầu tiên Tuy nhiên máy thu phải ngừng lại đối với mỗi tín hiệu vệ tinh ít nhất là 30 giây để thu được

dữ liệu thích hợp từ bản tin phát quảng bá của vệ tinh Thời gian để tìm ra vị trí đầu tiên và thời gian giữa những lần cập nhật vị trí có thể được giảm xuống bằng cách sử dụng 2 kênh liên tục

Một cách khác là sử dụng kênh kết hợp Với kênh này thì máy thu GPS sẽ quét lần lượt các vệ tinh với một tốc độ nhanh hơn để thu nhận tất cả các bản tin phát quảng

bá từ các vệ tinh khác nhau Với máy thu kết hợp này thì thời gian tìm ra vị trí đầu tiên

là bằng hoặc nhỏ hơn 30 giây

Máy thu với các kênh đơn thường có giá rẻ nhưng bởi vì tốc độ quét của nó chậm nên chỉ giới hạn cho những ứng dụng có tốc độ thấp Những máy thu tốc độ lớn

có độ nhạy lớn hơn bởi vì chúng phải đo tín hiệu nhiều hơn thông thường, nhưng chúng có xu hướng bị xuyên kênh nên một yêu cầu đặt ra là phải được phân bổ kênh

một cách phù hợp Sự phân bổ kênh thường được thực hiện bởi bộ vi xử lý của máy thu GPS

Máy thu GPS sử dụng các kênh giám sát để thực hiện các phép đo cự ly giả và đọc nội dung trong bản tin phát quảng bá Điều này được thực hiện thông qua cách sử dụng các vòng đồng bộ Một vòng đồng bộ là một cơ cấu cho phép một máy thu thay đổi cả về tần số hoặc về thời gian để bắt được tín hiệu Đó là một thiết bị phản hồi thực hiện phép so sánh cơ bản giữa một tín hiệu tới (từ bên ngoài) với một tín hiệu được tạo

ra ở bên trong (nội tại máy thu) để tạo ra một tín hiệu sai lệch và sử dụng tín hiệu này để điều chỉnh tín hiệu bên trong sao cho phù hợp với một tín hiệu bên ngoài để giảm sai lệch bằng không hoặc được giảm tới mức tối thiểu Máy thu GPS gồm 2 loại vòng đồng bộ: khóa độ trễ hay vòng đồng bộ mã; khóa pha hay vòng đồng bộ sóng mang

Vòng khóa độ trễ được sử dụng để sắp cho thẳng hàng chuỗi mã tạp âm giả ngẫu nhiên PRN (từ mã C/A hoặc mã P), chuỗi mã PRN này có mặt trong tín hiệu đến

từ vệ tinh Máy thu cũng tạo ra một chuỗi mã PRN nhờ sử dụng thuật toán tạo mã PRN giống như trong vệ tinh Việc sắp cho thẳng hàng này được thực hiện bởi sự dịch đi một cách thích hợp vài chip thời gian của mã do máy thu tạo ra đến khi mà một chip đặc thù trong chuỗi được tạo ra tại cùng một lúc mà nó ghép đôi với chip từ vệ tinh tới Một bộ so sánh trong vòng khóa độ trễ tương quan ngang một cách liên tục giữa

2 chuỗi mã Chỉ khi nào các chuỗi mã đã được sắp cho thẳng hàng thì giá trị đầu ra là lớn Nếu giá trị đầu ra là thấp thì tạo ra một tín hiệu lỗi và bộ tạo mã được điều chỉnh lại cho đúng Theo cách này, chuỗi mã tạo ra được khóa theo chuỗi mã trong tín hiệu tới Những tín hiệu từ các vệ tinh GPS khác sẽ không ảnh hưởng lớn đến quá trình bám mã bởi vì các mã PRN của tất cả các vệ tinh được chọn lựa là trực giao với nhau Đặc tính trực giao này nghĩa là một giá trị đầu ra rất thấp sẽ luôn luôn được tạo ra bởi

bộ tương quan bất cứ khi nào chuỗi mã sử dụng bởi 2 vệ tinh khác nhau được so sánh với nhau

Đoạn mã P của từng vệ tinh là dài 1 tuần Sử dụng mã P cốt để xác định khoảng cách tới vệ tinh, máy thu phải sắp cho đúng mẫu của mã mà nó tạo ra với mã đến máy thu Với mã dài như vậy thì để tìm ra nhanh chóng điểm sắp xếp mã cho đúng trong máy thu mã P thì nó cần đến sự trợ giúp từ mã C/A Vậy nên mặc dù các máy thu GPS trong quân sự xác định vị trí (tốc độ và thời gian) từ mã P (hoặc mã Y) nhưng nhìn

chung phải cần mã C/A đầu tiên và sau đó sử dụng thông tin từ tín hiệu trong mã P

Theo nguyên lý đồng bộ mã thì độ thay đổi thời gian cần thiết để sắp cho thẳng hàng các chuỗi mã là thời gian cần để tín hiệu truyền từ vệ tinh tới máy thu Nhân khoảng thời gian này với tốc độ ánh sáng sẽ thu được khoảng cách hay cự ly tới vệ tinh Nhưng bởi vì các đồng hồ trong máy thu và trong vệ tinh nhìn chung là không đồng bộ

và chạy với tốc độ khác nhau một ít cho nên các phép đo cự ly cũng bị lệch đi Bởi vì các chip trong chuỗi mã vệ tinh được tạo ra tại một thời điểm đã biết chính xác nên sự sắp cho thẳng hàng các chuỗi mã của máy thu và vệ tinh cũng cho chúng ta biết đồng hồ

vệ tinh tại lúc tạo tín hiệu

Một khi vòng đồng bộ mã bị khóa thì mã PRN có thể được loại ra khỏi tín hiệu

vệ tinh bởi sự trộn lẫn nó với một tín hiệu tạo ra tại máy thu Phương thức này thu hẹp

độ rộng băng tần xuống khoảng 100 Hz Xuyên suốt quá trình này các máy thu GPS đạt được tỉ số tín/tạp cần thiết để bù sự hạn chế hệ số khuếch đại của anten nhỏ

Sau đó tín hiệu IF có băng tần nhỏ hơn sẽ qua vòng khóa pha để giải điều chế hoặc lấy ra bản tin vệ tinh bằng cách sắp cho thẳng hàng giữa pha của tín hiệu dao động nội máy thu với pha của tín hiệu IF hoặc là pha của tín hiệu tần số phách Nếu pha của tín hiệu do bộ dao động tạo ra không bằng với pha tín hiệu IF thì bộ giải điều chế trong vòng khóa pha sẽ phát hiện nó và thực hiện hiệu chỉnh lại pha tín hiệu bộ dao động Một khi bộ dao động bị khóa đối với các tín hiệu vệ tinh thì lại nảy sinh những thay đổi về pha của sóng mang khi cự ly đối với vệ tinh thay đổi Để giải quyết các vấn đề dó là sử dụng vòng Costas Sự thay đổi của vòng khóa pha được thiết kế cho lưỡng pha nhị phân dùng cho điều chế các tín hiệu giống như khi chúng được phát bởi các vệ tinh GPS

Có thể quan sát pha của phách sóng mang theo một nguyên lý đơn giản là đếm các chu kì đã trôi qua và bằng cách đo pha rất nhỏ của tín hiệu bộ dao động nội đã được khóa Phép đo pha, khi chuyển thành các đơn vị khoảng cách, là một phép đo cự

ly tới vệ tinh không rõ ràng Nó không rõ ràng là bởi vì máy thu GPS không thể phân biệt được một chu kì riêng biệt của sóng mang này từ sóng mang khác Vì vậy, khi bắt đầu khóa được tín hiệu thì pha của tín hiệu đo được giả sử là một số tùy ý của những chu kì đầy đủ của pha ban đầu

Nếu phép đo pha được sử dụng để định vị thì số tùy chọn ban đầu này phải được chọn chính xác cùng với các tọa độ máy thu Bởi vì số tùy chọn này là hằng số

còn máy thu duy trì đồng hồ tín hiệu thu được, nên tốc độ thay đổi thời gian của pha sóng mang không phụ thuộc vào số tùy chọn này Số tùy chọn này có liên hệ với dịch chuyển Doppler của tín hiệu vệ tinh và được sử dụng để xác định tốc độ di chuyển của máy thu, cũng như tốc độ của máy bay Sau khi vòng đồng bộ sóng mang khóa được tín hiệu vệ tinh thì các bít trong bản tin quảng bá lần lượt được giải mã bằng những kỹ thuật đồng bộ bít và sử dụng bộ lọc tách dữ liệu chuẩn

Bên cạnh cách kết hợp vòng Costas với sự đồng bộ mã thì pha phách sóng mang có thể được đo bởi phương pháp khác Phương pháp này gọi là kỹ thuật bình phương tín hiệu Để đơn giản ta có thể coi tín hiệu GPS là một sóng mang cố định trong đó pha được dịch một góc chính xác là 1800 (xảy ra hơn 1 triệu lần trên mỗi giây) Tín hiệu GPS đó là kết quả của sự điều chế bởi các mã P và bản tin quảng bá

Sự đảo pha này phải tính đến sự thay đổi biên độ của tín hiệu từ +1 tới -1 hoặc từ -1 tới +1 và như vậy biên độ tức thời của tín hiệu là +1 hoặc -1 Mặc dù với tần số bằng với 2 lần tần số ban đầu nhưng bình phương tín hiệu sẽ thu được một tín hiệu có một biên độ cố định duy nhất Tuy nhiên, pha của tín hiệu này có thể liên hệ được với pha của sóng mang ban đầu Dĩ nhiên trong quá trình bình phương thì cả các mã và bản tin quảng bá là mất đi, vậy nên không thể thực hiện các phép đo cự ly giả từ thông qua mã

và thông tin trong bản tin mô tả quỹ đạo vệ tinh, thể trạng, và các chi tiết khác về các

vệ tinh phải lấy từ nguồn khác Trong quá trình bình phương xảy ra độ suy hao tỉ số tín/tạp So với phương pháp đồng bộ mã thì phương pháp đo pha cho độ suy hao nhỏ hơn

Macrometer là một trong các máy thu có giá trị trên thị trường đầu tiên được sử dụng kĩ thuật bình phương Hiện nay, một số các máy thu tần số kép cũng sử dụng phép tính gần đúng này để đo trên tần số L2 Sự thay đổi kỹ thuật này được sử dụng trong các máy thu để thực hiện đo pha của các mã điều chế mà không cần biết đến chuỗi mã thực

Nếu chế độ “mã hóa chống lừa” được bật lên trong các vệ tinh thì nó sẽ thực hiện mã hóa mã P, sau đó trộn nó với tín hiệu là cách thực hiện các phép đo dựa trên tần số L2 Các phép đo cự ly giả và bản tin quảng bá có thể vẫn được sử dụng theo cách đồng bộ sóng mang và mã trên tần số L1

1.6.3.4 Bộ vi xử lý

Mặc dù phần lớn các máy thu GPS có thể xây dựng nhờ kỹ thuật tương tự nhưng xu hướng phát triển máy thu là các máy thu số có các khối nhỏ hơn và rẻ hơn Trong thực tế, tín hiệu IF được số hóa và thực hiện đồng bộ mã và sóng mang nhờ phần mềm bên trong bộ vi xử lý Như vậy, nếu xét trên một vài phương diện thì một máy thu GPS giống như một đầu đọc đĩa Com-pắc hơn là một máy sử dụng sóng radio

AM Bộ vi xử lý thực hiện điều khiển mọi hoạt động của máy thu Chức năng đó bao gồm: thu nhận các tín hiệu vệ tinh một cách nhanh nhất có thể khi máy thu được bật lên, đồng bộ mã và các sóng mang của các tín hiệu, giải mã bản tin quảng bá, xác định các tọa độ của người sử dụng và theo dõi các vệ tinh khác trong chòm sao Phần mềm cho bộ vi xử lý bao gồm các lệnh để vận hành máy thu Nó được ghi trong các chip nhớ của máy thu GPS

Bộ vi xử lý làm việc với các mẫu số pha sóng mang và cự ly giả Máy thu GPS

sẽ thực hiện lấy mẫu luồng tín hiệu để thu được các mẫu số đó Sau đó, máy thu sử dụng các mẫu đó để thiết lập các vị trí của nó và máy thu có thể khôi phục chúng cho quá trình xử lý tiếp theo Bộ vi xử lý có thể chạy nhiều thủ tục để thực hiện lọc những

dữ liệu thô để giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu hoặc để xác định các vị trí, và tốc độ máy thu có độ tin cậy cao hơn khi máy thu di chuyển

Bộ vi xử lý có thể tìm ra thông tin chỉ đường hoặc chuyển các tọa độ từ mốc đo WGS 84 chuẩn sang một mốc đo tương đương Nó cũng quản lý các lệnh đầu vào từ người sử dụng, hiển thị thông tin và truyền dữ liệu qua cổng thông tin của chúng

1.6.3.5 Khối giao tiếp với người sử dụng

Đa số máy thu GPS đều có một bàn phím nhỏ và màn hiển thị vài kiểu giao tiếp với người sử dụng Bàn phím nhỏ dùng để nhập các lệnh để lựa chọn các chức năng khác nhau đối với dữ liệu thu được, để giám sát những việc mà máy thu đang thực hiện, hoặc hiển thị các tọa độ, thời gian hoặc các tham số khác Những người sử dụng cũng có thể chèn vào những thông tin phụ như dẫn đường chỉ điểm hoặc dữ liệu thông báo thời tiết và độ cao anten để phục vụ cho việc lập bản đồ đo đạc Tất cả các máy thu phải có các lệnh đã được lưu sẵn và hiển thị các menu lựa chọn Đồng thời nó có thể thực hiện các lệnh và sự trợ giúp trực tuyến Nhiều máy thu có một chế độ hoạt động mặc định cơ bản là không cần đầu vào người sử dụng và có thể được kích hoạt một cách đơn giản bằng cách bật máy thu lên

Nhiều máy thu GPS được thiết kế các bộ cảm biến trong hệ thống dẫn đường Do

đó không cần các bàn phím nhỏ cá nhân và các màn hình hiển thị của chúng, đầu vào và đầu ra được chỉ được truy nhập thông qua các cổng dữ liệu

1.6.3.6 Sự tích lũy dữ liệu và đầu ra dữ liệu

Đối với máy thu sử dụng để lập bản đồ và dẫn đường vi sai được trang bị một thiết bị hiển thị Cùng với đó, nhiều máy thu GPS có một bộ nhớ để nhớ pha sóng mang, cự ly giả và các bản tin quảng bá để sử dụng trong các quá trình xử lý tiếp theo

Trong các ứng dụng lập bản đồ, sự theo dõi pha và cự ly giả phải được nhớ lại

để kết hợp với những theo dõi như thế từ các máy thu đang theo dõi đồng thời khác Đồng thời các giá trị được nhớ lại đó còn được sử dụng để thực hiện phân tích tiếp theo Thường thì dữ liệu được nhớ ở bên trong máy thu nhờ sử dụng bộ nhớ bán dẫn Nhiều máy thu lại lưu dữ liệu trên băng từ hoặc trực tiếp trên đĩa mềm nhờ sử dụng một máy vi tính bên ngoài

Đối với nhiều máy thu định vị vi sai thời gian thực (các dữ liệu được nhớ ở bên trong) thì chúng có một cổng RS 232 hoặc những loại cổng thông tin khác để chuyển đổi dữ liệu qua lại giữa máy tính, modem hay máy thu dữ liệu Nhiều máy thu cũng có thể được điều khiển xa thông qua cổng này

1.7 Độ chính xác tín hiệu GPS

Trong bất kì hệ thống đo nào đều có giới hạn độ chính xác với các phép đo Độ chính xác này bị giới hạn bởi cách xây dựng hệ thống đo đạc, các định luật vật lí hay là hệ thống được sử dụng như thế nào Hệ thống định vị toàn cầu GPS chịu ảnh hưởng của tất cả các yếu tố này

Một máy thu GPS thực chất đo thời gian cần thiết để truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu Thời gian truyền này được chuyển thành kết quả đo cự ly bằng cách nhân với tốc độ ánh sáng Tuy nhiên, kết quả đo không thực hiện được bởi một số lỗi khác

nhau, mỗi một lỗi có thể gây ra sai lệch cự ly tương đương người sử dụng (UERE)

Chúng ta cố gắng loại bỏ những lỗi này từ các phép đo từ một trong 2 cách Cách thứ nhất là trừ trực tiếp các lỗi đó từ các phép đo Những hiệu chỉnh này được tính toán nhờ sử dụng các phương trình toán học hoặc là những dạng thể hiện những lỗi mà ảnh hưởng đến phép đo của chúng ta như thế nào Những dạng như vậy được lưu ở trong chương trình của bộ vi sử lý của máy thu GPS Thậm chí nhiều kiểu tinh vi được sử dụng bởi những nhà khoa học và những kĩ sư mà quan tâm đến độ chính xác cao và xử lí dữ liệu GPS trong máy tính các nhân của họ

Ngoài ra chúng ta có thể giảm UERE bằng cách thực hiện các phép đo của chúng ta Bất kì một lỗi nào mà không được loại bỏ khỏi các phép đo cự ly sẽ dẫn đến nhiều lỗi tương tự như vậy hoặc thậm chí các vị trí máy thu được tính toán có kích thước rộng hơn

1.8 Các dạng lỗi

Các phép đo GPS có thể bị ảnh hưởng bởi các lỗi được đưa vào tại vệ tinh (vệ tinh thực hiện tạo và phát tín hiệu), nguyên nhân các lỗi là khi tín hiệu truyền từ vệ tinh tới máy thu người sử dụng, và các lỗi được đưa vào khi các phép đo được thực hiện trong

máy thu

1.8.1 Các lỗi do vệ tinh

Hai ảnh hưởng khác nhau được kết hợp với sự đóng góp của các lỗi cự ly của vệ tinh Đầu tiên phải nói đến là các vệ tinh GPS phát, qua bản tin vệ tinh, thông tin về vị trí vệ tinh (như đã biết là ephemeris), tất cả chúng được sử dụng để tính toán ra vị trí của máy thu Lịch thiên văn vệ tinh này được dự đoán từ những quan sát trước các vệ tinh của các trạm điều khiển GPS Bởi vì sự dự đoán lịch thiên văn không thể thực hiện một cách chính xác tuyệt đối nên vị trí vệ tinh được tính toán từ bản tin bị sai đi do lỗi lịch thiên văn vệ tinh

Như chúng ta đã thấy, cự ly giữa vệ tinh và máy thu là thu được từ phép đo thời gian truyền tín hiệu Theo cách đơn giản là các phép đo thời gian truyền thu được bằng

sự so sánh đồng hồ trong vệ tinh và đồng hồ trong máy thu Do những đồng hồ được

sử dụng trong vệ tinh là có chất lượng cao nhất nên chúng không ảnh hưởng Vì vậy, phép đo thời gian truyền và cự ly tương ứng giữa vệ tinh và máy thu sẽ bị sai bởi đồng

hồ vệ tinh ảnh hưởng của quỹ đạo vệ tinh và các sai lệch đồng hồ được kết hợp lại

trong các phép đo cự ly tương ứng trung bình là vài mét

Để tạo ra những vấn đề có ý đồ xấu bộ quốc phòng Mỹ dự tính giảm cố ý độ chính xác cả những lịch thiên văn phát quảng bá và những đồng hồ của các vệ tinh GPS Việc làm này được gọi là SA và đó là một hành động để hạn chế khả năng định

vị chính xác của tất cả những người sử dụng GPS thông thường Những cải biến này

có thể thực hiện bằng việc sử dụng một mã đặc biệt và chỉ khi nào truy nhập vào mã này mới có thể loại bỏ những ảnh hưởng của SA từ các phép đo cự ly của chúng SA

sẽ tăng thêm các lỗi phụ của vệ tinh trung bình lên đến vài chục mét

1.8.2 Các lỗi do truyền tín hiệu

Loại thứ hai của các lỗi được đưa vào khi các tín hiệu từ các vệ tinh GPS truyền qua khí quyển trái đất theo cách của chúng tới máy thu trên hoặc gần bề mặt trái đất Khí quyển ảnh hưởng đến các tín hiệu là thay đổi tốc độ truyền của chúng, mà một hiện tượng đã biết là sự khúc xạ tín hiệu Điều này dẫn đến một sai lệch cự ly tính từ thời gian truyền tín hiệu

Đầu tiên tín hiệu bị ảnh hưởng bởi tầng điện li, đó là tầng dưới cùng của khí quyển chứa các hạt mang điện Số các hạt này không cố định Vì vậy, ảnh hưởng đến thời gian truyền tín hiệu thay đổi theo ngày và theo vị trí, đó lỗi khúc xạ điện li Trong vài trường hợp nó có thể đạt đến 30 m trong mặt phẳng đứng Đối với sự thu nhận tín hiệu trong mặt phẳng ngang, con số đó tăng thêm đáng kể bởi thừa số ba

Trạng thái của tầng điện li là không thể đoán trước được Nhưng sự tính chất cơ bản của lỗi điện li là các tín hiệu của các nguồn tần số khác nhau thì khác nhau Các tín hiệu GPS cũng bị ảnh hưởng bởi phần thấp nhất của khí quyển, tầng đối lưu ảnh hưởng của tầng đối lưu sinh ra lỗi khúc xạ đối lưu Lỗi này cũng thay đổi theo thời gian và không gian, khoảng 2,3 m trong mặt phẳng đứng Đối với tín hiệu thu nhận được ở gần mặt phẳng ngang, nó có thể tăng thêm bởi thừa số 10 Lỗi đối lưu là không phụ thuộc vào tần số nhưng nó có thể được tính toán với độ chính xác đến vài cm từ những theo dõi khí quyển tại vị trí máy thu

1.8.3 Các lỗi máy thu

Nhóm lỗi cự ly thứ 3 bắt nguồn từ máy thu GPS hoặc từ anten của nó Chúng bao gồm sai lệch đồng hồ máy thu và nhiễu phép đo So với lỗi đồng hồ vệ tinh lỗi đồng hồ máy thu thường lớn hơn rất nhiều và được coi như là một lượng chưa biết giống như vị

trí máy thu Đó là lý do mà chúng ta cần đo tín hiệu tới 4 vệ tinh để xác định vị trí 3 chiều Các nhiễu phép đo phụ thuộc vào công cụ đo được sử dụng cho các phép đo cự

ly Các tín hiệu GPS bao gồm 3 công cụ với các cách giải quyết khác nhau: mã thu nhận thô (C/A), mã P và pha sóng mang Những công cụ này cho phép độ chính xác tương ứng của phép đo cự ly đến vài m, vài dm và vài mm

Hai ảnh hưởng phụ thuộc vào máy thu thêm vào là các lỗi đa đường do bởi tín hiệu phản xạ từ các tòa nhà, hoặc những tín hiệu khác giao thoa với tín hiệu trực tiếp

từ vệ tinh, và các lỗi do sự di chuyển của hạt mang điện hoặc di chuyển tâm pha của anten khi nó thu nhận các tín hiệu từ nhiều hướng khác nhau Những ảnh hưởng này đều rất khó khăn trong việc xử lý và phải được loại bỏ bằng cách ấn định vị trí anten một cách cẩn thận trong các quá trình thu nhận, và nhà sản xuất thiết kế, chế tạo anten một cách thật kĩ lưỡng

Một khi GPS hoạt động tối đa thì nó sẽ có 2 loại dịch vụ GPS: dịch vụ định vị chính xác PPS cho quân đội và cho những người sử dụng đã đăng ký, và dịch vụ định

vị chuẩn SPS cho tất cả mọi người còn lại Sự khác nhau chính của 2 kiểu dịch vụ này

là độ chính xác của phép đo Những người sử dụng PPS sẽ đo các cự ly thông qua việc

sử dụng mã P trên tất cả các tần số được phát bởi vệ tinh Việc sử dụng 2 tần số này cho phép loại bỏ lỗi khúc xạ tầng điện li từ các phép đo cự ly Những người sử dụng PPS cũng truy nhập được các mã SA và có thể loại bỏ những sai lệch của đồng hồ và lịch thiên văn vệ tinh đã được cố ý thêm vào Sai lệch cự ly còn lại tổng cộng đối với những người sử dụng PPS là khoảng 5 mét

Những người sử dụng SPS sẽ đo các cự ly bằng cách sử dụng mã C/A chỉ trên một tần số Chúng chỉ có thể loại bỏ một vài phần sai lệch do khúc xạ tầng điện li bằng cách sử dụng các mô hình dự đoán không hoàn chỉnh Bởi vì chúng không thể truy nhập được mã cho SA nên chúng sẽ không thể loại bỏ các lỗi do SA Những lỗi này sẽ giới hạn độ chính xác phép đo cự ly SPS từ 30 đến 50 m

1.8.4 Các lỗi do dạng hình học GPS

Cho đến bây giờ chúng ta đã nói đến những lỗi trong các cự ly đo được do bởi máy thu GPS Các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của các vị trí GPS: dạng hình học của hình thể vệ tinh Nếu các vệ tinh mà chúng ta đang thu nhận tín hiệu tất cả chúng chụm lại với nhau trên trời thì độ chính xác của chúng ta sẽ có khuynh hướng là

khá nghèo nàn Mặt khác nếu nhiều hoặc ít hơn chúng trải rộng ra trên trời thì độ chính xác của chúng ta sẽ tốt hơn nhiều

Sự ảnh hưởng của dạng hình học của hình thể vệ tinh được thể hiện bởi một lượng gọi là hệ số làm giảm độ chính xác (DOP) và là một hàm lớn của số của các vệ tinh dùng để định vị Một khi chòm sao GPS của các vệ tinh hoàn thiện là trong mặt phẳng thì nói chung chúng ta có thể đoán trước các giá trị DOP từ 3 tới 5 Nếu chúng

ta nhân sai lệch trong phép đo cự ly với hệ số DOP thì chúng ta đánh giá được độ chính xác định vị Với việc nhân sai lệch trong phép đo cự ly kiểu này với những giá trị trung bình DOP của chòm sao đầy đủ kiểu đó thì chúng ta sẽ có thể thu được độ chính xác của điểm vị trí trung bình là ở mức 20 mét đối với người sử dụng PPS và ở

mức 100 mét đối với người sử dụng SPS

Trong mục này chúng ta đã tập trung vào sự thu nhận tín hiệu và các vấn đề chính thực của tín hiệu khi sử dụng GPS để định vị và dẫn đường, và chúng ta đã chỉ ra cách để khắc phục những khó khăn đó Chúng ta cũng tập trung vào độ chính xác vị trí đạt được với GPS là phạm vi 100 mét đối với SPS và tính sẵn sàng lựa chọn được bổ xung

20 mét đối với PPS Tuy nhiên, bởi vì PPS không thể đáp ứng cho những người sử dụng thông thường nên những người sử dụng đó phải theo những phép tính gần đúng khác nếu họ muốn độ chính xác tốt hơn Những kỹ thuật định vị tương quan có thể cải thiện độ chính xác đến 10 mét đối với SPS và đến vài cm nhờ sử dụng các phép đo pha sóng mang

Nhìn chung, để tăng độ chính xác vị trí là không dễ dàng Nó thường tăng theo giá của thiết bị, các vấn đề thuộc về tổ chức của các hoạt động, sự phức tạp sử lý dữ liệu Những người sử dụng phải cân nhắc nhiều yếu tố khi quyết định dùng kiểu định

vị GPS nào Mặc dù những hạn chế của nó song GPS vẫn là hệ thống định vị tốt nhất ở mọi nơi, mọi lúc hiện nay