HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS – CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Chắc hẳn mọi người đã nghe đi nghe lại thuật ngữ GPS – Hệ thống định vị toàn cầu. Nhưng các bạn có biết GPS của nước nào phát triển? GPS hoạt động như thế nào? Hay trên thế giới chỉ có mỗi hệ thống định vị GPS? Hôm nay mình sẽ giới thiệu về cách thức hoạt động của GPS và điểm qua các khái niệm cơ bản của GPS.

GPS viết tắt của Global Positioning System (Hệ thống định vị toàn cầu), được Mỹ phát triển từ năm 1978 (cách đây 43 năm trước), hệ thống có khoảng 30 vệ tinh đang hoạt động. Ngoài GPS của Mỹ ra thì còn có các hệ thống khác là GLONASS (Nga), Beidou (Trung Quốc), Galileo (EU). GPS là hệ thống định vị được ra đời đầu tiên và được sử dụng phổ biến nhất. Tất cả những hệ thống định vị này được gọi chung là GNSS – Global Navigation Satellite System – Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu.

Bài viết sẽ giới thiệu về GPS theo bố cục sau:

–        Các thành phần của GPS

–        Cách thức hoạt động của GPS

–        Cấu trúc tín hiệu GPS từ vệ tinh

–        Tiêu chuẩn NMEA

I. Các thành phần của GPS

Một hệ thống GPS hoạt động gồm có 3 thành phần chính:

– Phần không gian bao gồm khoảng 30 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo. Các vệ tinh hoạt động nhờ vào năng lượng Mặt trời và nguồn pin dự phòng.

– Phần kiểm soát với chức năng kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác. Gồm 5 trạm kiểm soát, trong đó có 4 trạm hoạt động tự động, nhận tín hiệu liên tục từ vệ tinh và gửi các thông tin đến trạm kiểm soát trung tâm.

Hình 1. Vị trí 5 trạm kiểm soát trên mặt đất của hệ thống GPS

– Phần sử dụng là các thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh được người dùng sử dụng. Các thiết bị này chứa các thuật toán ước tính và sửa chữa kết quả đo chính xác, có thể được đặt cố định hay gắn trên các phương tiện chuyển động. Ví dụ như các Module GPS, điện thoại có chức năng định vị,…

II. Cách thức hoạt động của GPS

Khi thiết bị nhận GPS sẽ tính toán được khoảng thời gian kể từ khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu cho đến khi thiết bị nhận nhận được tín hiệu (Kí hiệu: T).

Ta biết được vận tốc tín hiệu truyền đi trong chân không (V) là 3.10^8m/s, qua công thức S = V.T => từ đó ta tính được khoảng cách từ vệ tinh đến thiết bị thu GPS.

Hình 2. Sơ lược về cách thức hoạt động của hệ thống GPS

Theo hình 2, từ mỗi vệ tinh, ta vẽ được một đường tròn với tập hợp các điểm có khoảng cách bằng khoảng cách từ vệ tinh đến thiết bị đã được tính toán ở trên. Với 3 vệ tinh, sẽ dễ dàng xác định được Kinh độ và Vĩ độ của thiết bị đang ở đâu. Để xác định thêm Cao độ cần phải có ít nhất 4 vệ tinh.

III. Cấu trúc tín hiệu GPS từ vệ tinh

1. Tần số các loại sóng tải tín hiệu của các vệ tinh

Tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ với tần số cơ bản là f= 10.23 MHz.

Tín hiệu phục vụ cho việc đo đạc thời gian và vị trí của vệ tinh bằng hệ thống GPS trên 2 dải tần số:

– Sóng tải có bước sóng λ1 = 19cm với dải tần số L1 = 154*f0 = 1575,42MHz

– Sóng tải có bước sóng λ2 = 24,4cm với dải tần số L2 = 120*f0 = 1227,60MHz

2. Cấu trúc một tín hiệu GPS từ vệ tinh

Toàn bộ một tín hiệu chứa 25 frame (25 khung), mỗi frame chứa 5 sub-frame (5 khung phụ), mỗi sub-frame chứa 10 word (10 từ), với mỗi word chứa 30 bits. Với baudrate là 50bps thì thời gian để truyền toàn bộ 1 message từ vệ tinh kéo dài 12.5 phút. Các bạn theo dõi hình 3 bên dưới để dễ hình dung hơn nhé.

Hình 3. Cấu trúc một tín hiệu GPS truyền từ vệ tinh

=> VẬY NỘI DUNG CỦA MỘT SUB-FRAME CHỨA GÌ?

– Sub-frame 1: mã hóa số tuần và thời gian trong tuần, cũng như dữ liệu về tình trạng của vệ tinh.

– Sub-frame 2 & 3: các khung con này chứa quỹ đạo chính xác của vệ tinh.

– Sub-frame 4 & 5: lịch niên giám, chứa thông tin trạng thái và quỹ đạo cho tối đa 32 vệ tinh trong chòm sao cũng như dữ liệu liên quan đến sửa lỗi các giá trị của vệ tinh hợp lệ.

IV. Tiêu chuẩn NMEA
NMEA – National Marine Electronics Association – Hiệp hội Điện tử hàng hải Quốc gia.

NMEA là định dạng dữ liệu tiêu chuẩn hỗ trợ cho tất cả các thiết bị nhận tín hiệu GPS (Tương tự như ASCII là tiêu chuẩn cho tất cả các máy tính kỹ thuật số), thường gọi là NMEA Message. NMEA được sử dụng làm tiêu chuẩn dữ liệu để truyền từ thiết bị nhận GPS đến máy tính hay các Module khác.

Hình 4. Cấu trúc của một NMEA Message

NMEA Message gồm có:

  • 14 Output messages: Chứa nhiều dữ liệu mà thiết bị nhận GPS thu được từ vệ tinh như thời gian, vị trí tọa độ, số lượng vệ tinh trong vùng quan sát, độ cao, cường độ tín hiệu…
  • 11 Input messages: Người dùng gửi các message này để trực tiếp cấu hình vị trí hiện tại, thời gian, baudrate, bit dữ liệu, bit stop… 

Chúng ta cần quan tâm đến các Output messages. Các Output messages phân biệt với nhau dựa theo các Header được đặt sau ký tự “$”. Có 14 loại Header tương ứng với 14 Output messages, chúng ta chỉ quan tâm đến 3 loại Header có chứa tọa độ vị trí: GPGGA, GPRMC và GPGLL.

Dựa vào hình 4, chúng ta dễ dàng biết được giá trị Vĩ độ và Kinh độ từ một NMEA Message. 

Bài viết đã trình bày một số thông tin và nội dung quan trọng về định nghĩa, cách hoạt động, cấu trúc và tiêu chuẩn của GPS.

TAPIT hy vọng bài chia sẻ này sẽ giúp các bạn mới tiếp cận với khái niệm GPS có cái nhìn rõ và sâu hơn về bản chất của Hệ thống này. Ở bài viết tiếp theo, TAPIT sẽ chia sẻ một số module GPS trên thị trường và các lưu ý khi làm việc với module GPS. Các bạn hãy đón đọc nhé!

TAPIT ARM R&D

[HỌC ONLINE: LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN STM32, VI XỬ LÝ ARM CORTEX – M]

Xem thêm Tổng hợp các bài hướng dẫn Lập trình vi điều khiển STM32 tại đây.
Xem thêm Tổng hợp hướng dẫn Internet of Things với NodeMCU ESP8266 và ESP32 tại đây.