Thiết Kế Bộ Khuếch Đại Nhiễu Công Suất Thấp LNA Cho Máy Thu Định Vị GPS/GNSS

Tài liệu nghiên cứu Thiết kế bộ khuếh đại nhiễu ông suất thấp lna ho máy thu định vị gpsgnss, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Nguyễn Đức Minh
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Hà Duyên Trung
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Khuếch Đại Nhiễu Công Suất Thấp LNA Cho Máy Thu GPS/GNSS
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH GNSS
• 1.1. Hệ thống định vị dẫn đường GNSS
• 1.2. Một số ứng dụng GNSS và định hướng phát triển
• 2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ LNA
• 2.1. Giới thiệu bộ khếch đại tạp âm thấp – Low noise Amplifier (LNA)
• 2.2. Cơ sở thiết kế
• 2.3. Nhiễu, tạp âm
• 2.4. Hệ số khuếch đại - Transducer Gain
• 2.5. Hệ số ổn định K, tham số tán xạ, phối hợp trở kháng và điều chỉnh
• 2.6. Yêu cầu thiết kế và lựa chọn linh kiện
• 2.6.1. Yêu cầu thiết kế
• 3. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LNA
• 3.1. Giới thiệu công cụ thiết kế ADS – Agilent
• 3.2. Giao diện thiết và mô phỏng của phần mềm ADS
• 3.3. Các công cụ tính toán sử dụng
• 3.4. Các bước thiết kế và mô phỏng
• 3.5. Kết quả mô phỏng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế bộ khuếch đại LNA cho máy thu GPS GNSS

Thiết kế bộ khuếch đại nhiễu công suất thấp (LNA) cho máy thu GPS/GNSS là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ định vị hiện đại. LNA giúp tăng cường tín hiệu yếu từ vệ tinh, đảm bảo độ chính xác trong việc xác định vị trí. Việc tối ưu hóa thiết kế LNA không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu nhiễu, từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu GPS và GNSS.

1.1. Khái niệm về bộ khuếch đại LNA trong hệ thống GNSS

Bộ khuếch đại nhiễu công suất thấp (LNA) là thiết bị quan trọng trong hệ thống GNSS, giúp khuếch đại tín hiệu từ vệ tinh. LNA hoạt động bằng cách giảm thiểu tạp âm, đảm bảo tín hiệu GPS được thu nhận rõ ràng và chính xác.

1.2. Vai trò của LNA trong máy thu GPS

LNA đóng vai trò quyết định trong việc cải thiện độ nhạy của máy thu GPS. Nhờ vào khả năng khuếch đại tín hiệu yếu, LNA giúp máy thu có thể nhận diện được tín hiệu từ các vệ tinh ở khoảng cách xa hơn, từ đó nâng cao độ chính xác trong định vị.

II. Thách thức trong thiết kế bộ khuếch đại LNA cho máy thu GNSS

Thiết kế bộ khuếch đại LNA cho máy thu GNSS gặp nhiều thách thức, bao gồm việc cân bằng giữa hiệu suất và chi phí. Các yếu tố như tạp âm, độ ổn định và khả năng tương thích với các linh kiện khác cũng cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc tối ưu hóa thiết kế LNA là cần thiết để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

2.1. Vấn đề tạp âm trong thiết kế LNA

Tạp âm là một trong những vấn đề lớn nhất trong thiết kế LNA. Việc giảm thiểu tạp âm không chỉ giúp cải thiện chất lượng tín hiệu mà còn ảnh hưởng đến độ chính xác của máy thu GPS. Các kỹ thuật như điều chỉnh trở kháng và lựa chọn linh kiện phù hợp có thể giúp giảm thiểu tạp âm.

2.2. Độ ổn định và hiệu suất của LNA

Độ ổn định của LNA là yếu tố quan trọng trong thiết kế. Một LNA ổn định sẽ đảm bảo rằng tín hiệu được khuếch đại một cách nhất quán, không bị biến đổi trong quá trình hoạt động. Việc lựa chọn linh kiện chất lượng cao và thiết kế mạch hợp lý là cần thiết để đạt được độ ổn định cao.

III. Phương pháp thiết kế bộ khuếch đại LNA hiệu quả cho máy thu GPS

Để thiết kế bộ khuếch đại LNA hiệu quả cho máy thu GPS, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng như ADS giúp tối ưu hóa thiết kế, từ đó đạt được hiệu suất cao nhất. Các bước thiết kế bao gồm phân tích yêu cầu, lựa chọn linh kiện và mô phỏng mạch điện.

3.1. Phân tích yêu cầu thiết kế LNA

Phân tích yêu cầu thiết kế LNA là bước đầu tiên và quan trọng. Cần xác định các thông số kỹ thuật như tần số hoạt động, hệ số khuếch đại và tạp âm tối đa cho phép. Điều này giúp định hình hướng đi cho toàn bộ quá trình thiết kế.

3.2. Sử dụng phần mềm ADS trong thiết kế

Phần mềm ADS (Advanced Design System) là công cụ mạnh mẽ giúp mô phỏng và thiết kế mạch LNA. Việc sử dụng ADS cho phép kiểm tra hiệu suất của mạch trước khi sản xuất, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí phát triển.

IV. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tiễn của LNA trong GNSS

Kết quả mô phỏng từ thiết kế LNA cho máy thu GNSS cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất. Các thông số như hệ số khuếch đại và tạp âm đều đạt yêu cầu, cho phép máy thu GPS hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Ứng dụng thực tiễn của LNA trong các thiết bị định vị hiện đại đã chứng minh giá trị của nó trong việc nâng cao độ chính xác và độ tin cậy.

4.1. Kết quả mô phỏng LNA trong môi trường thực tế

Kết quả mô phỏng cho thấy LNA có thể hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau. Các thông số như tạp âm và hệ số khuếch đại đều đạt tiêu chuẩn, cho phép máy thu GPS hoạt động ổn định và chính xác.

4.2. Ứng dụng LNA trong các thiết bị GPS GNSS

LNA được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị GPS/GNSS hiện đại. Từ smartphone đến các thiết bị định vị chuyên dụng, LNA giúp cải thiện đáng kể khả năng thu tín hiệu, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng và độ chính xác trong định vị.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai cho thiết kế LNA

Thiết kế bộ khuếch đại LNA cho máy thu GPS/GNSS đang ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh chóng. Việc tối ưu hóa thiết kế LNA không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực định vị. Hướng phát triển tương lai có thể bao gồm việc áp dụng công nghệ mới và cải tiến quy trình thiết kế.

5.1. Tương lai của công nghệ LNA trong GNSS

Công nghệ LNA trong GNSS đang có nhiều tiềm năng phát triển. Việc áp dụng các vật liệu mới và công nghệ chế tạo tiên tiến có thể giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Hướng phát triển nghiên cứu và ứng dụng LNA

Nghiên cứu và phát triển LNA cần tiếp tục được đẩy mạnh để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực định vị. Các ứng dụng mới trong công nghiệp và đời sống hàng ngày sẽ mở ra nhiều cơ hội cho công nghệ này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) đã trở thành một công nghệ thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như quân sự, giao thông, nông nghiệp và cứu hộ. Tính đến năm 2014, ba hệ thống vệ tinh dẫn đường chính gồm GPS của Mỹ, GLONASS của Nga và Galileo của Liên minh châu Âu đã được triển khai với hàng chục vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo. Ví dụ, hệ thống GPS có 24 vệ tinh hoạt động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo, cung cấp tín hiệu với tần số L1 = 1575.42 MHz và L2 = 1227.6 MHz. GNSS cho phép xác định vị trí với độ chính xác từ vài mét đến cấp độ centimet tùy thuộc vào loại máy thu và kỹ thuật sử dụng.

Vấn đề nghiên cứu trong luận văn tập trung vào thiết kế bộ khuếch đại nhiễu công suất thấp (Low Noise Amplifier - LNA) cho máy thu định vị GPS/GNSS nhằm nâng cao hiệu suất thu tín hiệu trong điều kiện nhiễu nền cao và tín hiệu yếu. Mục tiêu cụ thể là phát triển một mạch LNA có hệ số nhiễu thấp, hệ số khuếch đại cao và độ ổn định tốt, phù hợp với các tần số tín hiệu GNSS, đặc biệt là băng tần L1 và L2.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích lý thuyết về GNSS, cấu trúc tín hiệu, các loại máy thu GNSS, và thiết kế mô phỏng LNA sử dụng phần mềm ADS trong khoảng thời gian từ năm 2013 đến 2014 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện chất lượng tín hiệu thu, góp phần nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống định vị, từ đó hỗ trợ các ứng dụng trong quản lý giao thông, cứu hộ, và các lĩnh vực công nghiệp khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết về hệ thống GNSS và lý thuyết thiết kế mạch khuếch đại nhiễu thấp (LNA).

1. Lý thuyết hệ thống GNSS: Bao gồm nguyên lý định vị dựa trên phép đo thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu, sử dụng các phép đo mã (code measurements) và pha sóng mang (carrier phase measurements). Các khái niệm quan trọng gồm hệ quy chiếu tọa độ, hệ chuẩn thời gian nguyên tử, và kỹ thuật sai phân DGPS nhằm giảm sai số đo. Mô hình GNSS gồm ba phần: phần không gian (vệ tinh), phần điều khiển (trạm mặt đất), và phần người sử dụng (máy thu).

2. Lý thuyết thiết kế LNA: Tập trung vào các thông số kỹ thuật như hệ số nhiễu (Noise Figure - NF), hệ số khuếch đại (Gain), hệ số ổn định (Stability Factor K), tham số tán xạ (S-parameters), và phối hợp trở kháng. LNA được thiết kế để tối ưu hóa tín hiệu đầu vào, giảm thiểu nhiễu và tăng cường độ nhạy của máy thu GNSS.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: tần số trung gian (Intermediate Frequency - IF), điều chế BPSK và QPSK, mã giả ngẫu nhiên PRN, và các loại máy thu GNSS như máy thu đổi tần (Super heterodyne), máy thu trung tần không (Zero-IF), và máy thu trung tần thấp (Low-IF).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn thiết kế LNA, và các mô hình tín hiệu GNSS được thu thập từ các báo cáo ngành và tài liệu học thuật. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phân tích lý thuyết về cấu trúc tín hiệu GNSS và yêu cầu kỹ thuật của LNA.
• Thiết kế mạch LNA sử dụng phần mềm mô phỏng Advanced Design System (ADS) của Agilent, với các công cụ tính toán như LineCalc và Matching Utility.
• Mô phỏng và đánh giá các tham số như hệ số khuếch đại, hệ số nhiễu, hệ số ổn định, và tham số tán xạ S11, S22, S21.
• Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm các linh kiện bán dẫn như transistor ATF-54143 với điện áp phân cực Vds = 4V, dòng phân cực Ids = 40mA.
• Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2014, bao gồm các bước từ phân tích yêu cầu, thiết kế sơ đồ mạch, mô phỏng, đến đánh giá kết quả và đề xuất cải tiến.

Phương pháp chọn mẫu linh kiện dựa trên tiêu chí hệ số nhiễu thấp và khả năng ổn định cao, phù hợp với tần số hoạt động của GNSS. Phân tích dữ liệu mô phỏng được thực hiện thông qua các biểu đồ hệ số khuếch đại và hệ số nhiễu theo tần số, cũng như bảng tham số tán xạ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hệ số khuếch đại đạt 17.08 dB tại tần số 1 GHz: Mạch LNA thiết kế cho băng tần GNSS thể hiện hệ số khuếch đại cao, giúp tăng cường tín hiệu đầu vào cho máy thu. Sau khi sử dụng kỹ thuật turning và thay thế linh kiện lý tưởng, hệ số khuếch đại giảm nhẹ nhưng vẫn duy trì trên 16 dB, đảm bảo hiệu suất ổn định.

2. Hệ số nhiễu tối thiểu (NFmin) đạt gần 0 dB: Kết quả mô phỏng cho thấy mạch LNA có hệ số nhiễu rất thấp, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu nền và nâng cao độ nhạy của máy thu GNSS.

3. Hệ số ổn định StabFact đạt giá trị > 1 sau khi điều chỉnh mạch: Việc sử dụng cuộn cảm hồi tiếp và thay thế linh kiện giúp cải thiện độ ổn định của mạch, giảm thiểu hiện tượng dao động không mong muốn trong quá trình hoạt động.

4. Hệ số phản xạ cửa vào và ra (S11, S22) dưới -10 dB: Điều này chứng tỏ mạch LNA có khả năng phối hợp trở kháng tốt, giảm thiểu phản xạ tín hiệu và tổn hao năng lượng, góp phần nâng cao hiệu quả thu tín hiệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả tích cực trên là do việc lựa chọn linh kiện bán dẫn ATF-54143 với đặc tính nhiễu thấp và khả năng khuếch đại cao, kết hợp với thiết kế mạch hồi tiếp hợp lý. So sánh với các nghiên cứu khác trong lĩnh vực thiết kế LNA cho GNSS, kết quả này tương đương hoặc vượt trội về mặt hệ số nhiễu và độ ổn định.

Việc mô phỏng chi tiết trên phần mềm ADS cho phép đánh giá chính xác các tham số kỹ thuật trước khi thực hiện sản xuất thực tế, tiết kiệm chi phí và thời gian. Các biểu đồ hệ số khuếch đại và hệ số nhiễu theo tần số minh họa rõ ràng hiệu suất của mạch trong dải tần GNSS, giúp dễ dàng điều chỉnh thiết kế để đạt hiệu quả tối ưu.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là góp phần nâng cao chất lượng máy thu GNSS, từ đó cải thiện độ chính xác định vị và độ tin cậy trong các ứng dụng thực tế như dẫn đường, giám sát giao thông, và cứu hộ. Ngoài ra, thiết kế LNA hiệu quả còn giúp giảm tiêu thụ năng lượng và kích thước thiết bị, phù hợp với xu hướng phát triển thiết bị thu nhỏ và tích hợp cao.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa thiết kế mạch LNA bằng việc sử dụng linh kiện bán dẫn mới: Nghiên cứu và áp dụng các transistor có hệ số nhiễu thấp hơn và khả năng khuếch đại cao hơn nhằm nâng cao hiệu suất mạch, hướng tới độ chính xác định vị dưới 1 mét trong thời gian 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất linh kiện thực hiện.

2. Phát triển mô hình mạch tích hợp (IC) cho LNA GNSS: Thiết kế và chế tạo mạch tích hợp đơn khối nhằm giảm kích thước và tiêu thụ năng lượng, phù hợp với các thiết bị di động và ứng dụng IoT, dự kiến hoàn thành trong vòng 3 năm, do các viện nghiên cứu và công ty công nghệ đảm nhiệm.

3. Áp dụng kỹ thuật điều chỉnh tự động (Automatic Gain Control - AGC): Tích hợp AGC vào mạch LNA để tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại theo điều kiện tín hiệu thực tế, giúp duy trì chất lượng tín hiệu ổn định, thực hiện trong 1-2 năm, do các nhóm phát triển phần cứng và phần mềm phối hợp.

4. Mở rộng nghiên cứu sang các băng tần mới của GNSS: Thiết kế LNA cho các băng tần L5 và E5 của Galileo nhằm tăng khả năng tương thích đa hệ thống và nâng cao độ chính xác định vị, thời gian thực hiện 2-3 năm, do các trung tâm nghiên cứu GNSS và các trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực truyền thông và định vị vệ tinh: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế mạch LNA và cấu trúc tín hiệu GNSS, hỗ trợ phát triển các thiết bị thu tín hiệu hiệu quả.

2. Các công ty sản xuất thiết bị định vị và viễn thông: Thông tin về mô phỏng và thiết kế mạch LNA giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và giảm chi phí sản xuất.

3. Sinh viên và giảng viên ngành kỹ thuật điện tử, viễn thông: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các dự án liên quan đến GNSS và thiết kế mạch khuếch đại.

4. Các cơ quan quản lý và phát triển công nghệ định vị tại Việt Nam: Giúp hiểu rõ về công nghệ GNSS và các giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả ứng dụng trong quản lý giao thông, cứu hộ và các lĩnh vực khác.

Câu hỏi thường gặp

1. LNA là gì và tại sao quan trọng trong máy thu GNSS?
   LNA (Low Noise Amplifier) là bộ khuếch đại tín hiệu đầu vào có hệ số nhiễu thấp, giúp tăng cường tín hiệu yếu từ vệ tinh mà không làm tăng nhiễu nền. Điều này rất quan trọng để đảm bảo độ nhạy và độ chính xác của máy thu GNSS, đặc biệt trong môi trường có nhiều nhiễu.

2. Phần mềm ADS được sử dụng như thế nào trong thiết kế LNA?
   ADS (Advanced Design System) là công cụ mô phỏng mạch điện tử chuyên nghiệp, cho phép thiết kế, mô phỏng và tối ưu hóa các tham số mạch như hệ số khuếch đại, hệ số nhiễu và độ ổn định trước khi sản xuất thực tế, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

3. Tại sao cần ít nhất 4 vệ tinh để xác định vị trí trong GNSS?
   Máy thu cần thu tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh để giải đồng thời 4 ẩn số: ba tọa độ không gian (kinh độ, vĩ độ, độ cao) và sai số thời gian đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu, đảm bảo độ chính xác vị trí.

4. Các hệ thống GNSS khác nhau có thể hoạt động cùng nhau không?
   Có, các hệ thống như GPS, GLONASS và Galileo có thể được tích hợp trong máy thu đa chuẩn, giúp tăng số lượng vệ tinh thu được, cải thiện độ chính xác và độ tin cậy định vị.

5. Ứng dụng thực tế của GNSS tại Việt Nam hiện nay ra sao?
   GNSS được ứng dụng trong đo đạc trắc địa, giám sát chấn động mặt đất, quản lý giao thông, cứu hộ và phát triển dịch vụ dựa trên vị trí (LBS). Tuy nhiên, việc xây dựng hệ thống thông tin địa lý (GIS) hoàn chỉnh còn gặp nhiều khó khăn, cần đầu tư thêm về công nghệ và nhân lực.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế thành công bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) cho máy thu GNSS với hệ số khuếch đại đạt trên 16 dB và hệ số nhiễu gần 0 dB, đảm bảo hiệu suất thu tín hiệu cao.
• Mô phỏng chi tiết trên phần mềm ADS giúp đánh giá và tối ưu hóa thiết kế trước khi sản xuất thực tế, tiết kiệm chi phí và thời gian.
• Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống định vị GNSS, hỗ trợ các ứng dụng trong quân sự, giao thông, cứu hộ và nông nghiệp.
• Đề xuất phát triển mạch tích hợp, áp dụng kỹ thuật AGC và mở rộng sang các băng tần mới nhằm nâng cao hiệu quả và tính đa dụng của máy thu GNSS.
• Khuyến khích các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý tại Việt Nam tiếp tục đầu tư và phát triển công nghệ GNSS để tận dụng tối đa tiềm năng ứng dụng trong tương lai.

Hành động tiếp theo là triển khai thiết kế mạch thực tế dựa trên mô hình mô phỏng, đồng thời nghiên cứu tích hợp các công nghệ mới để nâng cao hiệu suất và mở rộng ứng dụng GNSS trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG VỆ TINH GNSS  1. Hệ thống định vị dẫn đường GNSS Khái niệm định vị (Positioning) dùng để chỉ khả năng xác định được vị trí của một đối tượng gắn với một hệ tọa độ không gian nhất định. Khái niệm dẫn đường (Navigation) nhằm chỉ khả năng có thể dẫn dắt tới một đối tượng dịch chuyển trong không gian từ điểm A đến điểm B. Để dẫn đường một đối tượng trước hết phải định vị được đối tượng đó.

Thời thượng cổ con người định vị bằng cách đánh dấu lên thân cây, vách hang, sau đó dựa vào vị trí các vì sao bằng các công cụ khá tinh xảo và các tính toán phức tạp, nhất là trong các chuyến đi biển. Hiện nay, trên thế giới có 3 hệ thống định vị toàn cầu là: Hệ thống NAVSTAR (Navigation Signal Timing and Ranging) của Mỹ thường được biết đến với tên ngắn gọn hơn “Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System)”; Hệ thống GLONASS (Globalanaya Navigatsionnaya Sputnilovaya Sistema – Global navigation Satellite System) của Nga; Và hệ thống Galileo của Ủy ban Châu Âu. Năm 1960, không quân và hải quân Mỹ bắt đầu các dự án nghiên cứu việc dẫn đường và định vị bằng vệ tinh. Sau đó các dự án này được hợp nhất vào năm 1973.

Đến năm 1978, Block 1 với 11 vệ tinh trong hệ thống định vị toàn cầu GPS (Globe Positioning System) được Mỹ đưa lên quỹ đạo. Hai năm sau đó đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh mới bắt đầu hoạt động. Người Nga lập tức đặt vào quĩ đạo các vệ tinh đầu tiên của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GLONASS vào năm 1982. GNSS được cấu thành như một chòm sao (một nhóm hay một hệ thống) của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất.

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 tọa độ của vị trí đó. GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày. Mỹ là nước đầu tiên phóng lên và đưa vào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đường này. Mỹ đặt tên cho hệ thống này là hệ thống vệ tinh định vị  1     toàn cầu GPS (Global Positioning System).

Ban đầu là để dùng riêng cho quân sự, về sau mở rộng ra sử dụng cho dân sự trên phạm vi toàn cầu, bất kể quốc tịch và miễn phí. Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho 3 hệ thống định vị dẫn dường sử dụng vệ tinh là GPS (Global Positioning System) do Mỹ chế tạo và hoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ thống GALILEO mang tên nhà thiên văn học GALILEO do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo được đưa vào sử dụng trong năm 2010. Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản là giống nhau. Ngoài ra, Trung Quốc cho biết cũng đang thực hiện để có hệ GNSS của Trung Quốc.

Ấn Độ cũng công bố xây dựng hệ GNSS của mình có tên là IRNSS và đi vào hoạt động năm 2012. Hệ thống GNSS được cấu tạo thành ba phần: phần không gian, phần điều khiển và phần người sử dụng. Cụ thể, mô tả hệ thống GPS của Mỹ như sau: - Phần không gian: gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo. Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD.

- Phần điều khiển: để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh. Phần điều khiển gồm các trạm quan sát trên mặt đất được chia thành trạm trung tâm và trạm con. Các trạm con vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh và gửi tới cho trạm chủ, sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào.

- Phần người sử dụng và thiết bị thu vệ tinh: là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng cần có ăng ten cùng máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển. Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và máy thu GNSS. Cấu trúc tổng quát hệ thống GPS Hệ thống GNSS hoạt động như thế nào? 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 thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác sẽ 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. Máy thu sẽ kết hợp nhiều khoảng cách đo được tới các vệ tinh khác để có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Để tính được khoảng cách, 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 thông 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 thông tin khác nữa. Giả sử n ếu biết được khoảng cách và toạ độ của ít nhất 4 điểm đến 1 điểm bất kỳ thì vị trí của điểm đó có thể xác định một cách chính xác. Giả sử rằng (hình 1.2),  3  khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là L1 , khoảng cách máy thu đến vệ tinh thứ hai, ba và bốn là L2, L 3 và L4.

Để xác đinh vị trí cần thoải mãn 4 phươn g t r ì n h : T2 T3 T4 L2 L3 T1 L4 L1 T Hình 1. Nguyên lý định vị tọa độ GPS L1=c(t-t1) =              (1-1) L2=c(t-t2) =             (1-2) L3=c(t-t3) =             (1-3) L4=c(t-t4) =             (1-4) Trong đó: t 1, t2, t3, t 4 là thời gian vệ tinh gửi tín hiệu t: thời gian tại máy thu khi nhận được tín hiệu từ vệ tinh c: vận tốc sóng điện từ (tương đương vận tốc ánh sáng) Giả thiết rằng các đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu được đồng bộ hóa, máy thu sẽ có thể tính toán được chính xác thời gian truyền tín hiệu dựa trên thông tin về thời điểm bắt đầu phát tín hiệu trong dữ liệu định vị (navigation data) được phát xuống cho máy thu và thời điểm thu nhận được tín hiệu tại máy thu. Từ đó,  4  khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu được tính toán chính xác bằng cách nhân thời gian truyền với tốc độ truyền ánh sáng đã biết (3. Để xác định được vị trí của mình, tức là giải được ba ẩn số (Xr , Yr , Zr ) hoặc kinh độ, vĩ độ và cao độ, máy thu phải cần thu được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh.

Vị trí máy thu sẽ là giao điểm duy nhất của 3 hình cầu có tâm là 3 vệ tinh phát tín hiệu này và bán kính là các khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu tương ứng đã đo được. Tuy nhiên, giả thiết ban đầu là các đồng hồ của vệ tinh và của máy thu đều được đồng bộ hóa với nhau. Đây là một giả thiết rất khó đạt được trong thực tế. Do đó, tiêu chuẩn thời gian nguyên tử cho phép lưu trữ thời gian chính xác đến khoảng nano – giây đã được sử dụng.

Công nghệ này đang được sử dụng cho các đồng hồ lắp đặt tại các vệ tinh. Tuy nhiên, công nghệ này không được sử dụng rộng rãi cho đồng hồ ở máy thu vì giá thành rất cao. Các đồng hồ ở máy thu thường dựa trên công nghệ Quarzt và việc đồng bộ hóa thời gian giữa vệ tinh và máy thu trở nên khó thực hiện được. Sai số thời gian nếu không được ước lượng tốt sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến độ chính xác của kết quả ước lượng vị trí máy thu.

Ví dụ, sai số về thời gian 1 nano - giây sẽ gây sai số là 30cm trong giá trị ước lượng của khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Do vậy, sự khác biệt thời gian giữa các vệ tinh và máy thu sẽ được coi như là một ẩn số và được giải cùng với các đại lượng vị trí hoặc vận tốc của máy thu. Trong trường hợp cơ bản, máy thu cần thu nhận các tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh để có thể xác định được vị trí của nó. Sau khi xác định được các phép đo khoảng cách, máy thu sẽ dùng phần mềm tương ứng để xác định vị trí, vận tốc và thời gian.

 5     Máy thu thu nhận các tín hiệu từ tối thiểu 4 vệ tinh tại thời điểm t. Máy thu giải mã tín hiệu (tại thời điểm t) để có được: - Các giá trị đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Phần mềm (được gắn liền hoặc độc lập với máy thu) xác định: - Vị trí - Tốc độ của máy thu tại thời điểm t - Thời gian Hình 1. Quy trình định vị hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu 1.

Một số ứng dụng GNSS và định hướng phát triển. Ý tưởng xây dựng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu được hình thành vào thập kỷ 70 của thế kỷ XX, chủ yếu nhằm phục vụ cho các mục đích quân sự của hai này đã trở cường quốc về công nghệ vũ trụ là Mỹ và Nga. Tuy nhiên, các hệngthố nên phổ biến và nhanh chóng chiếm được thị trường cho các ứng dụng dân sự và đem lại nguồn lợi nhuận khổng lồ.