Đặc điểm và cấu trúc tín hiệu GPS: a Đặc điểm tín hiệu GPS:

Phần cứng: bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến RF Radio Friquency, các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy
thu. Phần mềm: bao gồm những chương trình tính tốn dùng để xử lý dữ liệu cụ thể,
chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích.
Phần triển khai công nghệ: hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mơ hình hóa hiệu ứng của ăngten khác nhau,
hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động
định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau

2. Đặc điểm và cấu trúc tín hiệu GPS: a Đặc điểm tín hiệu GPS:

Các vệ tinh GPS phát ra hai tín hiệu vơ tuyến dải L1 và L2. dải L là phần sóng cực ngắn trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz. GPS dân sự dùng tần số L1= 1575.42
MHz trong dải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi
và nhà. L1 chứa hai mã giả ngẫu nhiên
“PRN” pseudo random Noise, đó là mã chính xác “P”
Protected và mã truy cập thơ “CA” CoarseAcquisition , còn
L2 chỉ chứa mỗi mã P. Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất
định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu. Mục đích của
các mã tín hiệu này là để tính tốn khoảng cách từ vệ tinh đến máy
thu GPS.
Trường: ĐHSPKT TPHCM GVHD: Th.S Nguyễn Văn Thình
Ngồi ra, tín hiệu GPS chứa các mẫu thơng tin khác nhau đó là: mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch.
_“Mã giả ngẫu nhiên” mã CA và P: đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào là phát thơng tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ
tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào hình.
_“Dữ liệu thiên văn”: cho máy thu GPS biết quả vệ tinh đang ở đâu trên quỹ đạo tại mỗi thời điểm trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát ra dữ liệu thiên văn để chỉ ra
thông tin quỹ đạo của chúng và của các vệ tinh khác trong hệ thống. _“Dữ liệu bản lịch vệ tinh”: được phát đều đặn bởi đồng hồ nguyên tử trong mỗi
quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh tốt hay không, ngày giờ hiện tại...
b Cấu trúc tín hiệu GPS:
Các đồng hồ nguyên tử trên mỗi vệ tinh được dùng để tạo ra một dao động cơ bản với tần số là f
=10.23MHz. Các sóng mang L
1
, L
2
và mã giả khoảng cách được tạo ra từ tần số cơ bản này bằng các mạch nhân chia tín hiệu như sau:
_Tần số L1: f
L1
= 154f = 1575.42MHz tương đương với bước sóng:
L1
= c f
L1
19cm. _Tần số L2: f
L2
= 120f = 1227.3MHz tương đương với bước sóng:
L2
= c f
L2
24cm.

Mã CA: là một chuỗi các bit ±
1 có tần số bằng f 10. . Mã CA được sử
dụng chủ yếu để xác định mã P và dùng cho dịch vụ định vị chuẩn.

Mã P: là một chuỗi các bit ±
1 có tần số chính bằng f và chu kỳ lặp lại của
mã này là 7 ngày và đây là mã giả khoảng cách dùng cho dịch vụ định vị
chính xác. _Bản lịch vệ tinh: là các bit dữ liệu chứa các thông tin của vệ tinh. Luồng bit dữ
liệu này có tần số rất thấp 50Hz. 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:
Trường: ĐHSPKT TPHCM GVHD: Th.S Nguyễn Văn Thình
Hình 5: Cấu trúc tín hiệu GPS.
Hình 6: Cấu trúc dữ liệu vệ tinh GPS.
Mã nhiễu giã ngẫu nhiên CA và P được tạo ra từ các thanh ghi dịch có hồi tiếp như sau:
G
1
= 1+x
3
+x
10
G
2
=1+x
2
+x
3
+x
6
+x
8
+x
9
+x
10
Trường: ĐHSPKT TPHCM GVHD: Th.S Nguyễn Văn Thình
Hình 7: Phương pháp tạo mã nhiễu giả ngẫu nhiên CA.
Thanh ghi G
2
có tất cả 32 cặp tế bào khác nhau 1-2, 1-3, 1-4, 1-6, 1-8..., tương ứng với 32 mã giả ngẫu nhiên CA trong hệ thống. Tại mỗi xung đồng hồ 1.023
Mhz, các bit trong thanh ghi được chuyển sang đầu ra bên phải thanh ghi và một giá trị mới được đưa vào đầu vào bên trái thanh ghi bởi bộ cộng nhị phân
tổng hợp modulo-2 . Kết hợp khác nhau các kết quả đầu ra của thanh ghi G2
khi thêm vào đầu ra của G1 sẽ dẫn đến các mã khác nhau .
Mã P cũng được tạo ra theo một nguyên tắc tương tự như mã CA nhưng sử dụng đến 4 bộ thanh ghi. Các bước sóng của mã này dài gấp 10 lần so với mã
CA gần bằng f
và chu kỳ lặp lại của mã này là khoảng một tuần Lặp lại vào mỗi tối thứ 7. Ngồi ra, mã P còn được mã hóa thơng qua mã “W” mã bí mật
để kết hợp tạo thành mã “Y” được sử dụng cho mục đích quân sự. Mã này có thể xuyên qua các vật thể rắn như núi, nhà....
c Thông tin từ bản lịch vệ tinh:
Thông tin định vị GPS bao gồm các bit dữ liệu đơn vị thông tin được gắn với
mốc thời gian xác định. Các bit này làm dấu thời gian truyền của mỗi khung con tại thời điểm chúng được vệ tinh truyền đi.
Một khung dữ liệu chứa 1500 bit được phát đi sau mỗi 30 giây.
Trường: ĐHSPKT TPHCM GVHD: Th.S Nguyễn Văn Thình
Mỗi khung dữ liệu được chia thành 5 khung con và được phát đi mỗi 6 giây, trong đó:
+ Khung con thứ nhất gửi đi thông tin và dữ liệu của đồng hồ vệ tinh. + khung con thứ 2 và 3 gửi đi các tập dữ liệu quỹ đạo vệ tinh chính xác
thơng số dữ liệu bản lịch. + Khung con 4 và 5 được sử dụng để phát đi các trang khác nhau của dữ liệu
hệ thống. + Mỗi một khung con chứa mười thông số bản lịch dùng để mô tả quĩ đạo vệ
tinh. Mỗi thông số quĩ đạo chứa 30 bit và được phát đi trong vòng 0.6 giây. Một thơng điệp định vị hoàn chỉnh bao gồm 25 khung dữ liệu 125 khung con
chứa 37500 bit và được phát đi trong một chu kỳ là 12.5 phút hình 8. Ngồi ra, trước khi tiến hành quan trắc, máy thu cần phải có một khoảng thời
gian khởi động vừa đủ để có thể đọc được đầy đủ dữ liệu bản lịch. Vì vậy, dữ liệu gần đúng được máy thu sử dụng để xác định trước vị trí xấp xỉ và độ dịch
tần số Doppler sóng mang do sự thay đổi khoảng cách lúc vệ tinh di chuyển gây nên.
Hình 8: Cấu trúc dữ liệu trong bản lịch vệ tinh.
Trường: ĐHSPKT TPHCM GVHD: Th.S Nguyễn Văn Thình

III. Nguyên lý định vị GPS:

1. Nguyên lý:

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo nhất định và phát tín hiệu có thơng tin sóng mang và các mã nhiễu giã
xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác có thể 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
khoảng cách đo được tới nhiều vệ tinh mà máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Máy thu phải nhận được 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. Khi nhận được tín hiệu của
ít nhất 4 vệ tinh 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 và nhiều thứ khác nữa. Nguyên lý định vị của
GPS được dựa trên các cơ sở toán học sau:  Cơ sở hình học:
_ Giả sử rằng khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là d1, điều ấy có nghĩa là máy thu nằm ở đâu đó trên mặt cầu có tâm là vệ tinh thứ nhất và bán
kính mặt cầu đó là d1. _Tương tự nếu ta biết
khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 2 là d2 thì
vị trí máy thu được xác định nằm trên đường giao
tiếp của hai mặt cầu hình 6.
_Nếu biết được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 3 thì ta có thể xác định được vị trí máy thu là
một trong hai giao điểm của của đường tròn trên với mặt cầu thứ 3. Trong hai
Trường: ĐHSPKT TPHCM GVHD: Th.S Nguyễn Văn Thình