Skip to content

Các hệ thống GNSS

Trang này mô tả chi tiết các hệ thống định vị vệ tinh. Trình tự gồm bảng so sánh, từng hệ thống (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS, NavIC), hệ thống tăng cường SBAS, tần số dùng chung, thang thời gian và các lưu ý khi chọn hệ thống cho thiết kế. Phần nguyên lý định vị và phần cứng nằm ở GNSS. Các giá trị là thông số thiết kế hoặc giá trị danh định. Số vệ tinh hoạt động và trạng thái dịch vụ thay đổi theo thời gian, nên cần đối chiếu với trang trạng thái chính thức của từng hệ thống (xem mục Tài liệu tham khảo).

Chưa kiểm chứng

Các nội dung sau chưa được đối chiếu với tài liệu giao diện (ICD) chính thức: trạng thái dịch vụ chính thức của OSNMA, số vệ tinh QZSS hiện có, tín hiệu CDMA trên từng thế hệ vệ tinh GLONASS, các đặc tính của NavIC, độ lệch giữa GST và GPST, tên thang thời gian của QZSS và NavIC, và dải 1559 đến 1610 MHz của băng L1. Các mục còn lại dựa trên kiến thức chung và các nguồn ở cuối trang.

So sánh nhanh

GPS GLONASS Galileo BeiDou (BDS-3) QZSS NavIC
Quốc gia / tổ chức Mỹ (Space Force) Nga (Roscosmos) EU (EUSPA, ESA) Trung Quốc Nhật Bản Ấn Độ (ISRO)
Phạm vi Toàn cầu Toàn cầu Toàn cầu Toàn cầu Khu vực châu Á - châu Đại Dương Ấn Độ và vùng lân cận
Cấu hình danh định 24 vệ tinh MEO 24 vệ tinh MEO 24 vệ tinh MEO và dự phòng 24 MEO, 3 IGSO, 3 GEO GEO và quỹ đạo nghiêng QZO, đang mở rộng 7: 3 GEO, 4 IGSO
Độ cao quỹ đạo 20.200 km 19.100 km 23.222 km 21.528 km (MEO) Địa đồng bộ (GEO 35.786 km, QZO lệch tâm) 35.786 km
Góc nghiêng quỹ đạo 55° 64,8° 56° 55° (MEO, IGSO) QZO nghiêng cao GEO 0°, IGSO nghiêng
Chu kỳ quỹ đạo 11 h 58 min 11 h 15 min 14 h 05 min 12 h 53 min (MEO) ≈ 23 h 56 min ≈ 23 h 56 min
Đa truy cập CDMA FDMA (tín hiệu cũ), CDMA (mới) CDMA CDMA CDMA CDMA
Hệ quy chiếu tọa độ WGS 84 PZ-90.11 GTRF CGCS2000 JGS (tương thích GRS80/WGS 84) IRNWGS84
Thang thời gian GPST GLONASST GST BDT QZSST NavIC time

So sánh độ cao quỹ đạo và chu kỳ của các chòm sao

Các thuật ngữ trong bảng:

Thuật ngữ Ý nghĩa
MEO (Medium Earth Orbit) Quỹ đạo tầm trung, độ cao vài chục nghìn km, vệ tinh chuyển động so với mặt đất
GEO (Geostationary Orbit) Quỹ đạo địa tĩnh, vệ tinh đứng yên trên xích đạo
IGSO (Inclined Geosynchronous Orbit) Quỹ đạo địa đồng bộ nghiêng, chu kỳ bằng một ngày thiên văn, quỹ đạo mặt đất có dạng số 8
QZO (Quasi-Zenith Orbit) Quỹ đạo địa đồng bộ nghiêng cao và lệch tâm của QZSS
CDMA (Code Division Multiple Access) Đa truy cập phân chia theo mã: mọi vệ tinh dùng chung tần số, phân biệt bằng mã
FDMA (Frequency Division Multiple Access) Đa truy cập phân chia theo tần số: mỗi vệ tinh một tần số riêng

Quỹ đạo thấp hơn thì vệ tinh chuyển động nhanh hơn, tín hiệu mạnh hơn ở mặt đất, nhưng mỗi vệ tinh phủ được vùng nhỏ hơn. GLONASS nghiêng 64,8° nên phủ tốt hơn ở vĩ độ cao. Các vệ tinh GEO và IGSO nằm cố định hoặc dao động nhẹ trên một vùng bầu trời nên chỉ phục vụ khu vực.

GPS (Mỹ)

GPS (NAVSTAR GPS) là hệ thống GNSS đầu tiên và phổ biến nhất, do Không quân Mỹ phát triển từ thập niên 1970, vận hành bởi Space Force. Vệ tinh đầu tiên phóng năm 1978, hệ thống đạt năng lực hoạt động đầy đủ năm 1995. Từ năm 2000, Mỹ ngừng cố ý làm giảm độ chính xác tín hiệu dân dụng (Selective Availability).

Chòm sao. Thiết kế 24 vệ tinh trên 6 mặt phẳng quỹ đạo, góc nghiêng 55°, độ cao khoảng 20.200 km, chu kỳ gần 12 giờ. Trên thực tế số vệ tinh hoạt động thường lớn hơn 24. Các thế hệ gồm Block IIR, IIR-M, IIF và GPS III (từ 2018), thế hệ sau thêm tín hiệu và độ chính xác đồng hồ.

Tín hiệu. Đa truy cập CDMA.

Băng Tần số Tín hiệu dân dụng Ghi chú
L1 1575,42 MHz C/A, L1C C/A là tín hiệu lâu đời nhất, L1C mới hơn và tương thích với Galileo E1
L2 1227,60 MHz L2C Cho phép hiệu chỉnh tầng điện ly khi kết hợp với L1
L5 1176,45 MHz L5 Băng bảo vệ an toàn hàng không, băng thông rộng, chống nhiễu tốt hơn

Ngoài ra có tín hiệu quân sự mã hóa (P(Y), M-code), module dân dụng không giải mã được.

Thời gian và tọa độ. GPST là thang thời gian liên tục, không có giây nhuận. Hiện nay UTC chậm hơn GPST 18 giây. Hệ tọa độ là WGS 84.

GLONASS (Nga)

GLONASS do Liên Xô phát triển, phóng vệ tinh đầu tiên năm 1982, đủ 24 vệ tinh năm 1995. Hệ thống suy giảm trong cuối thập niên 1990 rồi được khôi phục đầy đủ năm 2011.

Chòm sao. 24 vệ tinh trên 3 mặt phẳng, 8 vệ tinh mỗi mặt, độ cao khoảng 19.100 km, góc nghiêng 64,8°, chu kỳ khoảng 11 giờ 15 phút.

Tín hiệu. Điểm khác biệt chính là FDMA cho tín hiệu cũ: mỗi vệ tinh phát trên một tần số riêng (kênh k từ −7 đến +6), hai vệ tinh ở hai phía đối nhau của Trái Đất dùng chung kênh.

Băng Tần số Ghi chú
L1 FDMA 1602 + k × 0,5625 MHz Tín hiệu mở hiện có
L2 FDMA 1246 + k × 0,4375 MHz
L1OC, L2OC, L3OC ≈ 1600,995; 1248,06; 1202,025 MHz Tín hiệu CDMA mới, có trên các vệ tinh GLONASS-K và K2 (tùy thế hệ)

Hệ quả cho phần cứng và phần mềm: bộ thu phải xử lý nhiều tần số trong một băng, và còn có độ lệch giữa các kênh (inter-frequency bias) cần hiệu chỉnh khi dùng cùng các hệ thống khác để đo chính xác cao. Với vị trí thông thường, module xử lý sẵn.

Thời gian và tọa độ. GLONASST bằng UTC(SU) + 3 giờ và có giây nhuận, khác với GPST. Hệ tọa độ là PZ-90.11.

Galileo (EU)

Galileo là hệ thống do EU và ESA phát triển, vận hành dân sự, không thuộc quân đội. Dịch vụ ban đầu công bố tháng 12/2016.

Chòm sao. 24 vệ tinh hoạt động cộng vệ tinh dự phòng, 3 mặt phẳng, độ cao khoảng 23.222 km, góc nghiêng 56°, chu kỳ khoảng 14 giờ 05 phút.

Tín hiệu.

Băng Tần số Ghi chú
E1 1575,42 MHz Dùng chung với GPS L1C, BeiDou B1C
E5a 1176,45 MHz Dùng chung với GPS L5, BeiDou B2a
E5b 1207,14 MHz Dùng chung với BeiDou B2b
E5 AltBOC Gộp E5a + E5b Băng thông rất rộng, đo khoảng cách chính xác
E6 1278,75 MHz Mang dịch vụ HAS (E6-B) và dịch vụ chính phủ PRS (E6-A)

Dịch vụ.

  • OS (Open Service): định vị miễn phí.
  • HAS (High Accuracy Service): dịch vụ miễn phí truyền hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ (kiểu PPP) qua tín hiệu E6-B và qua Internet. Dịch vụ ban đầu được công bố tháng 1/2023.
  • OSNMA (Open Service Navigation Message Authentication): xác thực bản tin điều hướng của OS, giúp chống giả mạo (spoofing). Tín hiệu đã phát ổn định và đang chuyển từ giai đoạn thử nghiệm sang dịch vụ chính thức.
  • PRS (Public Regulated Service): dịch vụ mã hóa cho cơ quan chính phủ được cấp phép.
  • SAR: hỗ trợ tìm kiếm cứu nạn, có kênh phản hồi cho người phát tín hiệu cấp cứu.

Thời gian và tọa độ. GST là thang liên tục, gần với GPST (chênh lệch rất nhỏ, bản tin điều hướng cung cấp độ lệch GGTO). Hệ tọa độ GTRF, tương thích ITRF.

BeiDou (Trung Quốc)

BeiDou (BDS) phát triển theo ba giai đoạn: BDS-1 (2000, vài vệ tinh GEO, phục vụ khu vực), BDS-2 (dịch vụ khu vực châu Á - Thái Bình Dương từ cuối 2012), BDS-3 (toàn cầu, hoàn thiện cuối tháng 6/2020 và công bố dịch vụ toàn cầu tháng 7/2020). Mô tả dưới đây là BDS-3.

Chòm sao. Hỗn hợp ba loại quỹ đạo:

Loại Số lượng Đặc điểm
MEO 24 Độ cao khoảng 21.528 km, nghiêng 55°, cung cấp phủ sóng toàn cầu
IGSO 3 Quỹ đạo địa đồng bộ nghiêng 55°
GEO 3 Cố định trên xích đạo

Sự có mặt của GEO và IGSO làm BeiDou có nhiều vệ tinh nằm cao trên bầu trời ở khu vực châu Á - Thái Bình Dương, nên phủ sóng ở đó dày hơn nơi khác.

Tín hiệu.

Băng Tần số Ghi chú
B1I 1561,098 MHz Tín hiệu cũ từ BDS-2, vẫn giữ trong BDS-3
B1C 1575,42 MHz Dùng chung với GPS L1C, Galileo E1
B2a 1176,45 MHz Dùng chung với GPS L5, Galileo E5a
B2b 1207,14 MHz Tương tác với Galileo E5b
B3I 1268,52 MHz Tín hiệu từ BDS-2

Không phải vệ tinh nào cũng phát đủ các tín hiệu: các vệ tinh MEO và IGSO phát tập đầy đủ, vệ tinh GEO phát ít tín hiệu hơn (B1C và B2a không có trên GEO, theo tài liệu tham khảo).

Dịch vụ đặc trưng.

  • PPP-B2b: dịch vụ khu vực, truyền hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ qua tín hiệu B2b từ các vệ tinh GEO, không cần Internet.
  • Tin nhắn ngắn hai chiều (RDSS): vệ tinh có thể nhận và chuyển tin nhắn ngắn từ người dùng, một điểm khác với các hệ thống còn lại.

Thời gian và tọa độ. BDT là thang liên tục, bắt đầu từ 00:00 UTC ngày 1/1/2006, nên BDT chậm hơn GPST 14 giây và không có giây nhuận. Hệ tọa độ CGCS2000.

QZSS (Nhật Bản)

QZSS (Quasi-Zenith Satellite System, còn gọi là Michibiki) bổ sung cho GPS ở Nhật Bản. Mục tiêu chính là phủ sóng ở nơi tòa nhà cao và địa hình núi che khuất vệ tinh GPS thấp trên đường chân trời.

Chòm sao. Gồm các vệ tinh trên QZO (quasi-zenith orbit, quỹ đạo địa đồng bộ nghiêng cao và lệch tâm) và một số vệ tinh GEO. Vệ tinh QZO ở lâu trên cao điểm đỉnh đầu (zenith) ở vùng châu Á - châu Đại Dương, nên ít bị che. Hệ thống bắt đầu hoạt động với 4 vệ tinh từ 2018 và đang được mở rộng, kế hoạch hướng tới 7 vệ tinh rồi 11 vệ tinh vào cuối thập niên 2030.

Tín hiệu. Phát các tín hiệu tương thích GPS trên cùng tần số (L1 C/A, L1C, L2C, L5), nên bộ thu GPS dùng được thêm vệ tinh QZSS gần như không cần thay đổi. Ngoài ra:

Tín hiệu Mục đích
L6 Dịch vụ CLAS (Centimeter Level Augmentation Service) cho định vị cỡ cm tại Nhật, và MADOCA-PPP
L1S, L5S Tăng cường kiểu SBAS (độ chính xác dưới mét) và nhắn tin cảnh báo thiên tai

QZSS vừa là chòm sao RNSS khu vực vừa mang chức năng SBAS.

NavIC (Navigation with Indian Constellation, trước đây là IRNSS) do ISRO phát triển, phục vụ Ấn Độ và vùng quanh Ấn Độ khoảng 1.500 km.

Chòm sao. Thiết kế 7 vệ tinh: 3 GEO và 4 IGSO. Một số vệ tinh thế hệ đầu gặp sự cố đồng hồ nguyên tử và được thay dần bằng thế hệ mới (NVS) có thêm tín hiệu L1.

Tín hiệu. Hai băng: L5 (1176,45 MHz) và băng S (2492,028 MHz). Hai dịch vụ: SPS (Standard Positioning Service) cho dân dụng và RS (Restricted Service) cho người dùng được phép. Băng S nằm xa các băng GNSS khác nên bộ thu cần đường RF riêng, vì vậy không phải module nào cũng hỗ trợ NavIC.

SBAS: tăng cường dựa trên vệ tinh

SBAS (Satellite-Based Augmentation System) không phải chòm sao định vị riêng. Đây là hệ thống vệ tinh địa tĩnh phát thông tin hiệu chỉnh và toàn vẹn trên băng L1 (và L5 cho thế hệ mới) cho GPS và các hệ thống khác, đưa độ chính xác lên mức khoảng 1 mét.

Hệ thống Khu vực
WAAS Bắc Mỹ
EGNOS Châu Âu
MSAS Nhật Bản
GAGAN Ấn Độ
BDSBAS Trung Quốc
SDCM Nga

Tần số dùng chung

Kế hoạch tần số: nhiều hệ thống dùng chung các tần số sóng mang

Các hệ thống thế hệ mới được thiết kế để dùng chung một số tần số, cho phép một bộ thu dùng chung đường RF cho nhiều hệ thống:

  • 1575,42 MHz: GPS L1/L1C, Galileo E1, BeiDou B1C, QZSS L1.
  • 1176,45 MHz: GPS L5, Galileo E5a, BeiDou B2a, QZSS L5, NavIC L5.

Đây là lý do một module GNSS có thể thu GPS, Galileo và BeiDou trên cùng một ăng-ten và một đầu thu RF. GLONASS dùng băng riêng quanh 1602 MHz. BeiDou B1I (1561,098 MHz) nằm cách L1 khoảng 14 MHz nên một số module phải hỗ trợ cả hai. Đối với bộ lọc và ăng-ten, băng L1 cần phủ từ khoảng 1559 đến 1610 MHz để thu cả BeiDou và GLONASS, xem phần ăng-ten ở GNSS.

Thang thời gian và giây nhuận

Mỗi hệ thống có thang thời gian riêng, quan hệ như sau:

Thang Giây nhuận Quan hệ
UTC Có Thời gian dân dụng
GPST Không UTC chậm hơn GPST 18 s (giá trị hiện tại). TAI − GPST = 19 s
GST (Galileo) Không Gần bằng GPST, chênh nhỏ (độ lệch GGTO trong bản tin)
BDT (BeiDou) Không GPST − BDT = 14 s
GLONASST Có UTC(SU) + 3 giờ

Giây nhuận quan trọng với hệ thống đồng bộ thời gian:

  • Bộ thu GNSS đổi GPST sang UTC bằng số giây nhuận trong bản tin điều hướng. Module xuất UTC qua NMEA và 1PPS đã xử lý việc này.
  • PTP dùng thang TAI. GPST và TAI chênh nhau cố định 19 giây, nên grandmaster lấy thời gian từ GNSS phải khai báo đúng độ lệch UTC trong gói tin PTP. Xem Synchronization.

Chọn hệ thống khi thiết kế

  • Thu nhiều hệ thống cùng lúc (multi-constellation) cho số vệ tinh nhiều hơn, hình học tốt hơn và fix nhanh hơn, nhất là nơi bị che khuất. Đa số module cho phép bật hoặc tắt từng hệ thống bằng cấu hình (ví dụ lệnh cấu hình UBX của u-blox).
  • Bật tất cả hệ thống không phải lúc nào cũng tốt hơn. Mỗi hệ thống bật thêm tăng tải xử lý và có thể giảm tốc độ cập nhật tối đa.
  • Khác biệt theo khu vực. BeiDou, QZSS và NavIC phủ tốt ở châu Á - châu Đại Dương. Galileo và GPS có độ phủ tốt ở nhiều nơi trên thế giới.
  • Độ bền. Dùng nhiều hệ thống do nhiều quốc gia vận hành làm giảm rủi ro khi một hệ thống gặp sự cố. Đây là lý do mạng viễn thông thường thu đa hệ thống.
  • Talker ID trong NMEA thay đổi theo hệ thống (GP, GL, GA, GB, GQ cho QZSS, GI cho NavIC), hoặc GN khi kết hợp, xem NMEA 0183.

Liên quan

  • GNSS: nguyên lý định vị, độ chính xác, phần cứng và ăng-ten.
  • GNSS trên Linux: đọc dữ liệu, PPS, chrony và ts2phc.
  • NMEA 0183: talker ID theo từng hệ thống.
  • Linux PTP: đồng bộ thời gian qua PTP, dùng GNSS làm nguồn tham chiếu.
  • Synchronization: vai trò GNSS trong đồng bộ mạng RAN.
  • NTN Overview: UE dùng GNSS để bù Doppler và timing.

Tài liệu tham khảo

Trang trạng thái và tài liệu chính thức:

Tài liệu tổng hợp đã dùng để đối chiếu số liệu: