nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị định vị vệ tinh phục vụ giám sát, quản lý phương tiện giao thông đường bộ, đường sắt

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.06/06-10




BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị định vị vệ tinh phục vụ giám sát,
quản lý phương tiện giao thông đường bộ, đường sắt

Mã số: KC.06.02/06-10









Cơ quan chủ trì đề tài: Trường đại học GTVT
Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thanh Hải



8183

Hà Nội - 2010


BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.06/06-10


BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI



Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị định vị vệ tinh phục vụ giám sát,
quản lý phương tiện giao thông đường bộ, đường sắt

Mã số: KC.06.02/06-10






Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài

.TS. Nguyễn Thanh Hải

Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ






Hà Nội - 2010


- 9 -
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BSS Base Station Subsystem
CGW Charging Gateway
CDMA Code Division Multiple Access
CTS Command Tracking Stations
DCM Direction Cosine Matrix
EIR Equipment Identity Register
FDMA Frequency Division Multiple Access
GPRS General Packet Radio Service
GGSN Gateway GPRS Support Node
GPS Global Positioning System
GNSS Global Navigation Satellite System
GLONASS Russian GLOlal NAVigation Satellite System
GCC Ground-based Control Complex
INS Inertial Navigation System
HLR Home Location Register

NED North – East - Down
MT Mobile Terminal
SMS Short Message Service
SCC System Control Center
SINS Strapdown Inertial Navigation System
TE Terminal Equipment
VLR Visitor Location Register
WGS Geodetic Reference System






- 10 -
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các đặc tính cơ bản
Bảng 1.2: Các đặc tính vệ tinh hệ GLONASS và GPS
Bảng 1.3: Bảng tóm lược các đặc tính cơ bản
Bảng 1.4. So sánh một số đặc tính của hệ thống GPS và
GLONASS:

Bảng 1.5. Dải tần làm việc tín hiệu định vị Galileo
Bảng 2.1 So sánh mô hình tích hợp INS/GPS tập trung và phân tán
Bảng 2.2. Mô tả chức năng các chân của thiết bị
Bảng 3.1 Cấu trúc vùng nhớ của Chip GSC3f/LP
B
ảng 3.2 Lựa chọn bộ nhớ sử dụng
Bảng 6.1 Tra sai số đường đáy theo sai số vị trí vệ tinh

Bảng 7.1 Thuộc tính dữ liệu.
Bảng 7.2 Thuộc tính của lớp bản đồ.
Bảng 8.1. Bảng mã lắp đặt trên các xe tại phân xưởng 5.
Bảng 8.2. Khung truyền số liệu.
Bảng 8.3. Dữ liệu nhận về máy tính.














- 11 -
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GPS
Hình 1.2 Hệ GPS trong hệ tọa độ địa tâm
Hình 1.3 Phép định vị GPS với một vệ tinh
Hình 1.4 Cách định vị GPS trong không gian
Hình 1.5 Quá trình tạo tín hiệu GPS
Hình 1.6 Thời gian truyền thông tin bằng phương pháp dò tương
quan

Hình 1.7 Sơ đồ khối máy thu GPS
Hình 1.8 Phép định vị tương đối với hai máy thu GPS
Hình 1.9 Phép định vị nhiều máy thu
Hình 1.10 Phép định vị động tươ
ng đối
Hình 1.11: Thiết bị thu Gnonass
Hình1.12: Phân bố vệ tinh GLONASS trên quỹ đạo
Hình 1.13: Phân bố tần số trong hệ GPS và băng tần L
1
của hệ
GLONASS.

Hình 1.14: Hai vệ tinh GLONASS ở vị trí đối điểm trên quỹ đạo
Hình 1.15: Giao diện vệ tinh/máy thu trong hệ GLONASS
Hình 1.16: Vệ tinh GLONASS-M
Hình 1.17: Vệ tinh GLONASS-K
Hình 1.18: Chương trình triển khai hệ thống GLONASS
Hình 1.19: Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GALILEO
Hình 1.20: Băng tần dùng trong hệ thống định vị GALILEO
Hình 1.21: Băng tần dùng trong hệ thống định vị GALILEO
Hình 2.1: Hệ toạ độ quán tính
Hình 2.1: Hệ toạ độ trái đất và h
ệ toạ độ dẫn đường
Hình 2.2: Hệ toạ độ vật thể
Hình 2.4: Sơ đồ khối một hệ đo gia tốc
Hình 2.5: các dạng chuyển động mà gia tốc kế thường ứng dụng
Hình 2.6: Một gia tốc kế đo chấn động điển hình.

- 12 -
Hình 2.7: Sự bố trí của một gia tốc kế áp điện dạng nén

Hình 2.8: Mô hình đo gia tốc kiểu vòng mở
Hình 2.9. Mô hình tương đương của một cảm biến gia tốc vòng mở
Hình 2.10: Sơ đồ tụ vi phân cảm biến
Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý của MEMS-ADIS16354
Hình 2.12 Phương pháp truyền thẳng (vòng lặp mở)
Hình 2.13 Phương pháp phản hồi (vòng lặp đóng)
Hình 2.14 Tích hợp lỏng GPS/INS
Hình 2.15 Sơ đồ tích hợp INS/GPS tập trung (vòng mở)

Hình 2.16 Sơ đồ tích hợp INS/GPS tập trung (vòng đóng)
Hình 2.17 Sơ đồ tích hợp INS/GPS phân tán (vòng mở)
Hình 2.18 Sơ đồ tích hợp INS/GPS phân tán (vòng đóng)
Hình 2.19 Cảm biến quán tính
Hình 2.20 Các khối chức năng của cảm biến quán tính
Hình 2.21 Đọc dữ liệu
Hình 2.22 Quá trình tính toán của bộ lọc Kalman
Hình 2.13 Khoảng thời gian đo lường IMU và GPS
Hình 2.24 Ảnh hưởng của cánh tay đòn
Hình 2.25 Kết nối hệ phát triển và bộ nhớ
Hình 2.26 Bộ xử lý trung tâm 32bit
Hình 2.27 Mạch c
ấp nguồn
Hình 2.28 Giao diện phần mềm quản lý
Hình 2.29 Mạch điện thiết kế
Hình 3.1 Cấu trúc tổng quát của Chip GSC3f/Lpx
Hình 3.2 Sơ đồ khối chức năng của từng khối bên trong Chip
Hình 3.3 giao tiếp BUS
Hình 3.4 Bảng trạng thái ngắt
Hình 3.5 Cấu tạo thiết bị phục vụ lập trình
Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc hệ phát triển Chip GPS

Hình 3.9. Các thành phần chính trong mạch của hệ phát triển Chip

- 13 -
Hình 3.10. Sơ đồ khối thiết bị
Hình 3.11 Cấu tạo bộ lọc
Hình 3.12.Đặc tính tần số
Hình 3.13 Cấu tạo bộ khuếch đại
Hình 3.14 Sơ đồ thiết kế bộ khuếch đại
Hình 3.15 Sơ đồ thiết kế mạch dao động
Hình 3.16 Sơ đồ thiết kế khối Reset
Hình 3.17 Sơ đồ kết nối UART
Hình 3.18 Cổng giao tiếp máy tính
Hình 3.19 Sơ đồ ghép nối mạch lõi GPS
Hình 3.20 S
ơ đồ phần vi xử lý ARM
Hình 3.21 Sơ đồ phần cao tần khối thu GPS
Hình 3.22 Sơ đồ thiết kế bộ thu mạch chính
Hình 3.23 Thiết bị chế tạo mẫu
Hình 3.24 Cấu trúc phần mềm
Hình 3.25 Các khối chương trình phần mềm
Hình 3.26 Cấu trúc một chương trình mã nguồn
Hình 3.27 Màn hình lập trình
Hình 3.28 Màn hình điều khiển
Hình 3.29 Màn hình tham số
Hình 3.30 Màn hình nạp trình
Hình 3.31 Cấu trúc của chương trình
Hình 3.32 Giao thức người sử dụng
Hình 4.1 C
ấu trúc Chip GPS
Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc bên trong Chip GPS

Hình 4.3 Thiết bị thu phát
Hình 4.4 Module GPS
Hình 4.5 Sơ đồ cấu trúc Chip bộ nhớ
Hình 4.6. Đọc dữ liệu
Hình 4.7 Ghi dữ liệu

- 14 -
Hình 4.8 Xóa dữ liệu
Hình 4.9 Sơ đồ khối chức năng.
Hình 4.10 Quá trình nhận dữ liệu.
Hình 4.11 Giao tiếp truyền dữ liệu
Hình 4.12 Kiểm tra nhận dạng tin hiệu
Hình 4.13 Điều khiển truyền nhận
Hình 4.14 Cài đặt cấu hình
Hình 4.15 Giản đồ thời gian cài đặt
Hình 4.16 Sơ đồ cấp nguồn
Hình 4.17 Sơ đồ khối Chip điều chế độ rộng xung
Hình 4.18 Bản vẽ mạch in thiết b
ị tại trung tâm
Hình 4.19 Bản vẽ mạch in thiết bị tại xe
Hình 4.20 Bản vẽ thiết kế mạch điện thiết bị tại trung tâm
Hình 4.21 Bản vẽ thiết kế mạch điện thiết bị trên xe
Hình 4.22 Thiết bị giám sát hành trình không trực tuyến
Hình 4.23 Dữ liệu nhận về máy tính
Hình 4.24 Sơ đồ thiết kết Chip PsoC
Hình 4.25 Chương trình phần mềm
Hình 5.1. Modem truyền thông GSM
Hình 5.2. Bản vẽ thiết k
ế mạch điện thiết bị trên xe.
Hình 5.3. Mạch in của thiết bị trên xe.

Hình 5.4. Mô hình WebGIS
Hình 5.5. Mô hình hệ thống LBS dưới dạng ứng dụng Web
Hình 5.6. Cấu trúc ứng dụng WEB GIS của MapXTreme.
Hình 5.7. Bản đồ Hà Nội trên Google Maps.
Hình 5.8. Kiến trúc mạng GPRS.
Hình 5.9. Modem GSM kết nối trực tiếp với máy thu.
Hình 5.10. Modem GSM kết nối gián tiếp đến Web Server.
Hình 5.11. Máy thu GPS kết nối với Web Server qua GPRS
Hình 5.12. Hệ thống định vị trực tuyến xây dụng trong đề tài.

- 15 -
Hình 5.13. Các user case chính.
Hình 5.14. Use case tra cứu thông tin địa lý.
Hình 5.15. Use case tìm đường giữa 2 điểm.
Hình 5.16. Use case giám sát đối tượng.
Hình 5.17. Use case dẫn đường.
Hình 5.18. Các lớp đối tượng chính trong chương trình.
Hình 5.19. Cập nhật dữ liệu vị trí.
Hình 5.20. Tra cứu thông tin địa lý.
Hình 5.21. Tìm đường giữa 2 điểm.
Hình 5.22. Giám sát vị trí đối tượng.
Hình 5.23. Dẫn đường.
Hình 5.24. Mô hình Winged-edge Topology.
Hình 5.25. Topology cấp 0.
Hình 5.26. Topology cấp 1 và 2.
Hình 5.27. Topology cấp 3.
Hình 5.28. Cơ sở dữ liệu của hệ thống.
Hình 5.29. Cấu trúc gói dữ liệ
u máy thu GPS gửi về web server
Hình 5.30. Giám sát vị trí xe trên Google Map.

Hình 5.31. Giám sát hành trình xe trên Google Map.
Hình 5.32. Phần mềm GPS Data Gateway.
Hình 6.1 Cấu hình vệ tinh tốt
Hình 6.2 Cấu hình vệ tính tồi
Hình 6.3 Mô hình phân lớp của GIS
Hình 6.4 Mô hình Vector – Rasstor
Hình 6.5 Mối quan hệ liền kề
Hình 6.6 Phân tích xếp chồng trên mô hình phân lớp
Hình 6.7 Cấu trúc phân lớp
Hình 6.8 Kiến trúc client/thick server
Hình 6.9 Kiến trúc thick client/thin server
Hình 6.10 Kiến trúc Medium client/medium server

- 16 -
Hình 6.11 Mô hình truy nhập CSDL
Hình 6.12 Sử dụng LocalDataProviderRef
Hình 6.13 Sử dụng MapXtremeDataProviderRef
Hình 7.1. Mô tả cấu trúc giao thông của bản đồ.
Hình 7.2 Mô hình thực hiện thuật toán.
Hình 7.3. Quy trình thực hiện thuật toán.
Hình 7.4. Papago R5800.
Hình 7.5. VIGO GPS Touch-Module.
Hình 7.6. VIETMAP GPS R12.
Hình 7.7. Chiều dài, hướng rẽ và tên đường trên màn hình.
Hình 7.8. Hệ dẫn đường Oziexplorer.
Hình 7.9. Hiển thị hệ dẫn đường Oziexplorer.
Hình 7.10. Giao diện ngôn ngữ lập trình C/C++.
Hình 7.11. Công cụ mô phỏng thiết bị di động.
Hình 7.12. MFC smart device application.
Hình 7.13. Khung chương trình thiết kê theo mô hình document và

view.

Hình 7.14. Xây dựng các chức năng cơ
bản.
Hình 7.15. Liên kết project chương trình.
Hình 7.16. Hình ảnh khi chuyển chế độ hiển thị trên thiết bị
mobile.

Hình 7.17. Lưu đồ thuật toán của quá trình xử lý.
Hình 7.18. Mô hình danh sách liên kết mô tả và quản lý dữ liệu đồ
thị.

Hình 7.19. Giao diện chương trình trên PC.
Hình 7.20. Thuật toán quá trình thiết lập dữ liệu.
Hình 7.21. Giao diện chương trình trên thiết bị di động.
Hình 7.22. Connect GPS device.
Hình 7.23. Start GPS.
Hình 7.24. Ví dụ về kết quả chức năng tìm đường.
Hình 8.1 Ví dụ v
ề hành trình xe chở đất trên mỏ.

- 17 -
Hình 8.2. Hệ thống giám sát phương tiện off-line.
Hình 8.3. Hệ thống giám sát phương tiện on-line.
Hình 8.4. Thiết bị giám sát hành trình lắp đặt tại mỏ Đèo nai.
Hình 8.5. Các thành phần của hệ thống.
Hình 8.6. Cài đặt tham số truyền thông.
Hình 8.7. Giao diện của chương trình thu nhận dữ liệu.
Hình 8.8. Theo dõi hành trình của xe trên bản đồ số.
Hình 8.9. Thuật toán kiểm tra tính hợp lệ của các chuyến xe.

Hình 8.10. Kết quả xử lý dữ liệu.
Hình 8.11. Cơ sở dữ
liệu của hệ thống.
Hình 8.12 Thiết bị lắp đặt tại Công ty Than Đèo nai
Hình 8.13 Bộ thu trung tâm và máy tính quản lý tại Công ty than
Đèo nai

Hình 9.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống quản lý toa xe hàng.
Hình 9.2. Mô hình xác định vị trí toa xe và truyền về trung tâm.
Hình 9.3. Một sơ đồ đơn giản của một hệ thống RFID.
Hình 9.4. Hệ thống RFID.
Hình 9.5. Thành phần của thẻ địa chỉ thụ động.
Hình 9.6. Những thành phần cơ bả
n của một chíp RFID.
Hình 9.7. An ten kiểu lưỡng cực
Hình 9.8. Cấu trúc logic của một hệ thống RFID
Hình 9.9. Cấu trúc tổng thể hệ thống quản lý toa xe.
Hình 9.10. Lắp đặt thiết bị tại ga có đường vào và đường ra riêng.
Hình 9.11. Lắp đặt thiết bị tại ga dùng 1 bộ thu.
Hình 9.12. Lắp đặt thiết bị tại ga có 2 bộ thu.
Hình 9.13. Thiết bị phần cứng thu phát tín hiệu RFID
Hình 9.14. Cấu trúc lớp của phần mềm.
Hình 9.15. Cử
a sổ làm việc chính phần mềm quản lý toa xe.
Hình 9.16. Xác định vị trí hiện tại toa xe hàng trên bản đồ.
Hình 9.17. Báo cáo hoạt động của một toa xe theo thời gian.

- 18 -
Hình 9.18. Báo cáo hoạt động tất cả các toa xe theo thời gian.
Hình 9.19. Các bảng trong CSDL quản lý toa xe.

Hình 9.20. Vẽ bản đồ số.









- 2 -
MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 9
Danh mục các bảng 10
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 11
Mở đầu 19
Chương 1 CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VÀ ỨNG DỤNG GIÁM SÁT,
QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG.
22
1.1 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 22
1.2 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GLONASS 44
1.2.1. Tổng quan hệ thống GLONASS 44
1.2.2. Khả năng kết hợp định vị gi
ữa GLONASS và GPS 54
1.3. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GALILEO 55
1.4 KẾT LUẬN 59
Chương 2 HỆ DẪN ĐƯỜNG KẾT HỢP CÔNG NGHỆ INS VÀ GPS 60
2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH 60
2.1.1. Các hệ tọa độ tham chiếu và chuyển vị 60

2.1.2. Các công thức dẫn đường quán tính 64
2.1.3 Nghiên cứu công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) ứng dụng để chế tạo
cảm biến đo gia tốc và tốc độ góc.
68
2.1.4. Nghiên cứ
u phương pháp kết hợp giữa hệ GPS và hệ đo quán tính
trong việc xác định tọa độ
78
2.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ DẪN ĐƯỜNG DÙNG CÔNG
NGHỆ INS KẾT HỢP GPS.
91
2.2.1 Nghiên cứu, lựa chọn chip vi cơ điện tử sử dụng để đo gia tốc và
góc quay.
91
2.2.2 Xây dựng cơ sở loại bỏ nhiễu trên bộ lọc Kalman trên chip vi xử lý 96
2.3 K
ẾT LUẬN 109
Chương 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TAO BỘ THU GPS TIÊU 110



- 3 -
CHUẨN
3.1 NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN CHIP GPS PHÙ HỢP CHO BỘ
THU TÍN HIỆU VỆ TINH ĐỊNH VỊ.
110
3.1.1 Tính năng Chip GPS và cấu trúc bên trong. 110
3.1.2 Không gian địa chỉ Chip GSC3f/LP 113
3.1.3 Khối giao tiếp BUS. 115
3.1.4 Khối điều khiển ngắt 116

3.1.5 Khối UART 118
3.1.6 Các ưu điểm của chip GSC3f/LPx 119
3.2 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN BỘ
THU GPS TIÊU CHUẨN
123
3.2.1
Thiết kế mạch nguyên lý bộ thu GPS tiêu chuẩn 123
3.2.2 Sơ đồ khối 124
3.2.3 Thiết kế phần nhận tín hiệu cao tần 125
3.2.4 Bộ dao động thạch anh 129
3.2.5 Khối Reset Chip 129
3.2.6 Thiết kế ghép nối thiết bị ngoại vi. 129
3.2.7 Lắp đặt thiết bị. 136
3.3 XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ THU
GPS.
137
3.3.1 Cấu trúc chương trình ph
ần mềm. 137
3.3.2 Cấu hình và cài đặt thông số trên hệ phát triển phần mềm cho Chip 141
3.3.3 Xây dựng chương trình điều khiển dữ liệu vào ra 147
3.4 KẾT LUẬN 150
Chương 4 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÀNH TRÌNH KHÔNG
TRỰC TUYẾN
151
4.1 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP GHÉP NỐI VÀ ĐIỀU KHIỂN
TÍN HIỆU TRONG THIẾT BỊ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH KHÔNG
TRỰC TUYẾN
151

- 4 -
4.1.1 Thiết bị thu GPS 151
4.1.2 Bộ nhớ tin cậy cao 153
4.1.3 Thiết bị thu phát vô tuyến 153
4.1.4 Nguồn ổn áp xung 153
4.2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MẠCH ĐIỆN CHO
THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ VỆ TINH PHỤC VỤ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH
KHÔNG TRỰC TUYẾN
154
4.2.1 Lựa chọn linh kiện chế tạo thiết bị 154
4.2.2 Thiết k
ế mạch điện của thiết bị 164
4.2.3 Thi công lắp đặt. 168
4.3 XÂY DỰNG PHẦN MỀM CHO THIẾT BỊ GIÁM SÁT HÀNH
TRÌNH KHÔNG TRỰC TUYẾN
168
4.3.1 Phần mềm cho thiết bị trung tâm. 168
4.3.2 Phần mềm cho thiết bị trên xe 170
4.4. KẾT LUẬN. 172
Chương 5. THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIÁM SÁT HÀNH
TRÌNH TRỰC TUYẾN
174
5.1. THIẾT KẾ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM MẠCH ĐI
ỆN CHO THIẾT
BỊ ĐỊNH VỊ VỆ TINH PHỤC VỤ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH TRỰC
TUYẾN
174
5.1.1. Chức năng nhiệm vụ 174
5.1.2. Thiết kế thiết bị 174

5.1.3. Phương án khai thác 178
5.1.4. Thiết kế mạch điện của thiết bị 179
5.1.5. Thi công lắp đặt 181
5.2. XÂY DỰNG PHẦN MỀM CHO THIẾT BỊ GIÁM SÁT HÀNH
TRÌNH TRỰC TUYẾN
181
5.2.1. Xây dựng phần mềm thiết bị trên xe 181
5.2.2. Xây d
ựng phần mềm tại trung tâm điều hành 182
5.3. XÂY DỰNG ỨNG DỤNG WEB ĐỂ NHẬN VÀ TRUYỀN DỮ 182



- 5 -
LIỆU QUA INTERNET
5.3.1. Khái quát về công nghệ web GIS 182
5.3.2. Chuẩn quốc tế cho Web GIS 186
5.3.3. Thiết kế kiến trúc tổng thể 189
5.3.4. Công nghệ WebGIS sử dụng trong hệ thống 192
5.3.5. Lựa chọn công nghệ phát triển Web 195
5.3.6. Các giải pháp truyền thông di động 196
5.3.7. Mô hình hệ thống xây dựng trong đề tài 204
5.3.8. Phân tích thiết kế hệ thống 205
5.4. KẾT LUẬN 225
Chương 6 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ SAI SỐ THIẾT BỊ
ĐỊNH VỊ
TRÊN BẢN ĐỒ SỐ
226
6.1 NGHIÊN CỨU CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ: 226
6.1.1 Sai lệch đồng hồ khi đo thời gian 227

6.1.2 Sai lệch quĩ đạo vệ tinh 228
6.1.3 Sai số do trị nhập nhằng của pha sóng mang 231
6.1.4 Ảnh hưởng của cấu hình vệ tinh đến sai số 231
6.2. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM HIỂN THỊ HÀNH
TRÌNH TRÊN BẢN ĐỒ SỐ.
234
6.2.1 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 234
6.2.2. Tổ chức dữ
liệu trong GIS 240
6.2.3 Các công nghệ liên quan 241
6.2.4 Giới thiệu công cụ phát triển hệ thống GIS của MapInfo 242
6.4 KẾT LUẬN 263
Chương 7. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ DẪN ĐƯỜNG CHO
CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG
264
7.1. NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN DẪN ĐƯỜNG 264
7.1.1. Chỉ dẫn người sử dụng hướng di chuyển 264



- 6 -
7.1.2. Thông báo các thông tin hướng dẫn từ trung tâm điều hành 271
7. 2. XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN DẪN ĐƯỜNG
PHƯƠNG TIỆN
272
7.2.1. Tổng quan về các hệ phần mềm dẫn đường 272
7.2.2. Công cụ phát triển xây dựng phần mềm 277
7.2.3. Các thành phần và cấu trúc của phần mềm 279
7.2.4. Chức năng và hướng dẫn sử dụng phần mềm 296
7.3. KẾT LUẬN 299

Chương 8. NGHIÊN CỨ
U THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM
SÁT QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI TRÊN CÁC MỎ LỘ
THIÊN
300
8.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHUẨN CHO LOẠI HÌNH QUẢN LÝ
PHƯƠNG TIỆN ĐẶC THÙ TRONG CÁC KHAI TRƯỜNG MỎ LỘ
THIÊN
300
8.1.1. Thực trạng và yêu cầu tự động hoá công tác quản lý phương tiện
vận chuyển trên mỏ
300
8.1.2. Công nghệ GPS trong quản lý phương tiện giao thông 302
8.1.3. Các phương án thiết kế hệ th
ống quản lý xe sử dụng GPS 303
8.2. THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN CHO
THIẾT BỊ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH PHƯƠNG TIỆN TRÊN MỎ LỘ
THIÊN
306
8.2.1. Chức năng nhiệm vụ 306
8.2.2. Thiết kế thiết bị 307
8.2.3. Thi công lắp đặt 307
8.2.4. Xây dựng phần mềm 309
8.3. XÂY DỰNG PHẦN MỀM HIỂN THỊ VÀ QUẢN LÝ DỮ LIỆU
TRÊN BẢN ĐỒ SỐ
CỦA MỘT MỎ THAN LỘ THIÊN
312
8.3.1. Cấu trúc phần mềm 312
8.3.2. Phần mềm truyền thông 315
8.3.3. Phần mềm xử lý dữ liệu 317

- 7 -
8.3.4. Thử nghiệm và đánh giá 321
8.4. KẾT LUẬN 324
Chương 9. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÁC
ĐOÀN TẦU TRÊN ĐƯỜNG SẮT PHỤC VỤ QUẢN LÝ TOA XE
325
9.1. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP QUẢN LÝ CÁC TOA XE PHỤC VỤ
VIỆC ĐIỀU PHỐI LẬP TẦU TRÊN TOÀN TUYẾN
325
9.1.1. Giới thiệu 325
9.1.2. Xây dựng bài toán quản lý và giám sát toa xe hàng trong đường
sắt việt nam
326
9.1.3. Lựa chọn các giải pháp công nghệ cho hệ thố
ng quản lý toa xe
hàng
329
9.2. NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ NHẬN DẠNG VÔ TUYẾN
RFID
333
9.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt đông của RFID 333
9.2.2. Miếng thẻ địa chỉ 335
9.2.3. An ten 338
9.2.4. Cấu trúc của một hệ thống RFID 340
9.2.5. Những thông số kỹ thuật của hệ thống RFID 341
9.3. THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN CHO
THIẾT BỊ TRUYỀN RFID VÀ GIÁM SÁT ĐOÀN TẦU

344
9.3.1. Thiết bị thu tín hiệ
u và các thẻ RFID 344
9.3.2 Cấu trúc tổng thể hệ thống quản lý toa xe hàng 345
9.4. XÂY DỰNG PHẦN MỀM QUẢN LÝ TOA XE HÀNG TẠI MỘT
GA LẬP TẦU
348
9.4.1. Nhiệm vụ của chương trình quản lý toa xe hàng 348
9.4.2. Cấu trúc phần mềm 349
9.4.3. Giao diện của chương trình 350
9.4.4. Khung dữ liệu truyền về trung tâm qua kênh GPRS 352
9.4.5. Thiết kế cơ sở dữ liệu (CSDL) 352
9.5. BẢN ĐỒ SỐ TUYẾN HÀ NỘI –NAM ĐỊNH 354



- 8 -
9.5.1. Các dữ liệu bản đồ số 354
9.5.2. Bản vẽ bản đồ số 357
9.6. KẾT LUẬN 362
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 363
TÀI LIỆU THAM KHẢO 365




- 19 -
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử, trong những năm gần
đây hệ thống định vị dẫn đường ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế giới

và Việt nam tại các cơ quan Nhà nước, các doanh nghiệp vận tải đến người
dùng cá nhân. Và trong những năm tới hứa hẹn sự tăng trưởng hơn nữa với mục
đích
ứng dụng công nghệ này để đảm bảo an toàn giao thông trên các tuyến
quốc lộ. Để chủ động trong việc ứng dụng công nghệ này, việc nắm vững về bản
chất công nghệ trên khía cạnh lý thuyết và thực tiễn đóng vai trò vô cùng quan
trọng. Trên cơ sở đó nhóm nghiên cứu của Trường đại học giao thông vận tải đề
xuất và triển khai đề tài „Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thi
ết bị định vị vệ tinh
phục vụ giám sát, quản lý phương tiện giao thông đường bộ, đường sắt“ với các
mục tiêu chính sau:
- Xây dựng công nghệ và chế tạo các thiết bị trợ giúp giám sát, quản lý
phương tiện giao thông đường bộ, đường sắt trên cơ sở ứng dụng các
công nghệ hiện đại như định vị vệ tinh, vi cơ điện tử phù hợp vớ
i điều
kiện Việt Nam.
- Chế tạo các sản phẩm ứng dụng công nghệ định vị chất lượng cao, phù
hợp với các tiêu chuẩn tương đương trên thế giới, mang tính cạnh tranh
cao, có khả năng xuất khẩu sang các nước trong khu vực.
- Đào tạo, bồi dưỡng đội ngũ cán bộ có trình độ cao trong các lĩnh vực liên
quan của ngành giao thông vận tải.
Đối tượng nghiên cứu và phạ
m vi nghiên cứu gồm:
- Chip GPS thu tín hiệu và tính toán tọa độ, tốc độ và thời gian.
- Thiết bị đo quán tính INS ứng dụng trong công nghệ định vị.
- Các thiết bị giám sát hành trình và kiểm soát tốc độ ứng dụng trong giao
thông đường bộ và đường sắt.
Tính cấp thiết của đề tài:

- 20 -

Hiện nay các ứng dụng công nghệ định vị đề sử dụng thiết bị nhập ngoại
được định hướng sản xuất theo chỉ tiêu kỹ thuật cứng trong nhiều trường hợp
chưa phù hợp với các điều kiện đặc thù Việt nam, hơn nữa các thiết bị nhập
về ở dạng nguyên chiếc khó can thiệp khi có nhu cầu đồng thời giá thành cao
do có những tính năng không dùng đế
n.
Người sử dụng do không nắm được bản chất của nguyên lý định vị của công
nghệ GPS dẫn đến một số trường hợp sử dụng không đúng mục tiêu và đối
tượng.
Do đó các mục tiêu và nội dung đề ra của đề tài là hết sức cần thiết và đáp
ứng được yêu cầu đề ra.
Ý nghĩa khoa học của đề tài:
- Nghiên cứu bản chất của công ngh
ệ định vị trên cơ sở thu nhận tín hiệu từ
vệ tinh định vị. Bao gồm: cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán tọa độ và
tốc độ cúa các hệ thống GPS, GLONASS, GALILEO. Nghiên cứu các
nguyên nhân sai số và các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sai số định vị
- Nghiên cứu hệ thống định vị trên công nghệ dẫn đường quán tính INS và
kết hợp 2 hệ thống GPS và INS để nâng cáo độ chính xác định v
ị.
- Xây dựng mô hình hệ thống quản lý phương tiện trên công nghệ định vị,
mô hình này thể hiện ở hệ thống quản lý phương tiện trực tuyến và không
trực tuyến. Đặc điểm của mô hình này là kết hợp giữa bài toán định vị và bài
toán truyền dữ liệu về trung tâm qua kênh vô tuyến hoặc hữu tuyến mà nổi
bất là phương pháp truyền dữ liệu qua mạng di động (đường truy
ền GPRS và
Internet).
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:
- Ứng dụng công nghệ định vị để quản lý và giám sát phương tiện trên mở
than lộ thiên.

- 21 -
- Ứng dụng công nghệ GPS và INS chế tạo thiết bị đo dao động, độ xóc và an
toàn nền đường chạy tàu.
- Ứng dụng công nghệ GPS và truyền dữ liệu qua mạng di động để giám sát
tốc dộ xe khách đường dài.
- Thiết kế chế tạo hộp đen giám sát tốc độ phương tiện vận tải đường bộ đảm
bảo an toàn giao thông.
- Đề xuất mô hình nhận dạng toa xe hàng ứng dựn trong ngành
đường sắt.
- Thiết kế chế tạo thử nghiệm module GPS từ Chip GPS cơ sở.
Xuất xứ của đề tài từ một trong các nguồn sau:
- Đề tài cấp Nhà nước KC.03.21 “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Tự
động hoá trong quản lý giao thông đô thị” 2004-2005.
- Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật GPS trong quản lý và điều khiển phương
tiện giao thông vận tải. Đề tài khoa học công nghệ cấ
p Bộ B2002-35-36.
Nêu mục tiêu hoàn thiện công nghệ, quy mô và trình độ của công nghệ
cần đạt được, tính khả thi và hiệu quả kinh tế của dự án.


- 22 -
Chương 1
CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VÀ ỨNG DỤNG
GIÁM SÁT, QUẢN LÝ
PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG.

1.1 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) của NAVSTAR
(NAVigation Satellite Timing and Ranging) là một hệ thống định vị dựa trên

cơ sở các vệ tinh được triển khai bởi bộ quốc phòng Mỹ. Công việc của hệ
thống được bắt đầu vào năm 1973 do sự phối hợp giữa chương trình
TIMATION của Hải quân Mỹ và đề án 621B c
ủa lực lượng Không quân Mỹ.
Cả hai chương trình này đã được xây dựng trong khoảng giữa những năm
1960 để triển khai hệ thống dẫn hướng hàng hải bằng phép đo các cự ly.
Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GPS
Hệ GPS bao gồm ba phần đó là phần không gian, phần người sử dụng và phần
điều khiển. Phần không gian hiện nay gồm có 24 vệ tinh đang làm việc và

- 23 -
một số vệ tinh dự phòng. Các vệ tinh được phóng gần đây là loại Block II, là
loại cải tiến của thế hệ Block I. Các vệ tinh này được sắp xếp trên sáu mặt
phẳng quỹ đạo nghiêng góc 55
0
so với mặt phẳng xích đạo. Mỗi vệ tinh bay
trên một quĩ đạo riêng ở độ cao danh nghĩa là 20183km. Khoảng thời gian cần
thiết để một vệ tinh bay quanh quĩ đạo một vòng là 12 giờ hằng tinh, tương
đương với một nửa thời gian quay của trái đất. Các vệ tinh được trang bị hệ
đồng hồ chính xác để vệ tinh có thể phát các tín hiệu mang thông điệp về thời
gian. Mỗi vệ tinh phát ra hai tầ
n số vô tuyến phục vụ mục đích định vị: tín
hiệu L1 trên tần số 1575,42 MHz và L2 trên tần số 1227,6MHz. Các tần số
sóng mang được điều biên bởi hai mã giả-ngẫu nhiên (pseudo-random).
Phần điều khiển bao gồm bốn trạm giám sát được phân bố quanh bề mặt trái
đất ở Diego Garcia (Ấn độ dương), đảo Ascension, Kwajalein và Hawaii và
một trạm điều khiển chính được bố trí tại trung tâm điều hành không gian t
ập
trung tại Colorado Springs, tiểu bang Colorado, Mỹ. Mục đích của phần điều
khiển là hiển thị sự hoạt động của các vệ tinh, xác định quỹ đạo của chúng, xử

trí các đồng hồ nguyên tử và truyền các thông điệp cần phổ biến lên các vệ
tinh. Cả năm trạm đều là các trạm giám sát theo dõi các tín hiệu GPS để dùng
vào việc kiểm soát các vệ tinh và dự đoán quĩ đạo của chúng. Công vi
ệc theo
dõi được thực hiện bởi những máy thu hai tần số có trang bị dao động ký
Cesium. Các thông số khí tượng được thu thập để có thể đánh giá một cách
chính xác nhất thời gian trễ trong tầng đối lưu. Vị trí quan sát của các trạm
này được xác định với độ chính xác cực kỳ cao.
Ba trong số các trạm này (Diego Garcia (Ấn độ dương), đảo Ascension,
Kwajalein) có khả năng chuyển các số liệu lên vệ tinh, bao gồm các lịch thiên
v
ăn mới, số liệu hiệu chỉnh đồng hồ và các số liệu thông điệp cần phát đồng
thời ra các lệnh điều khiển từ xa. Chỉ có một trạm ở Colorado Springs là trạm
điều khiển chính.

- 24 -
Từ các trạm giám sát, các số liệu theo dõi vệ tinh được truyền về trạm điều
khiển chính để xử lý. Công việc xử lý bao gồm việc tính lịch thiên văn của
các vệ tinh và tính các trị hiệu chỉnh đồng hồ của các vệ tinh. Ngoài ra, trạm
điều khiển chính còn đảm trách việc điều khiển các số hiệu chỉnh quỹ đạo khi
một vệ tinh nào đó đi lạ
c quá xa vị trí đã được chỉ định, trạm điều khiển chính
này còn khởi động các thao diễn cần thiết để thay các vệ tinh đã ngừng hoạt
động bằng các vệ tinh dự phòng.Bộ phận người sử dụng bao gồm tất cả mọi
người sử dụng quân sự và dân sự. Các máy thu riêng biệt theo dõi các mã
hoặc pha của sóng mang hoặc đồng thời cả hai và trong hầu hết các trường
hợp
đều tiếp nhận các thông điệp. Các máy thu dưới mặt đất sẽ nhận được các
tín hiệu phát ra từ vệ tinh. Với tốc độ truyền của thông điệp được biết trước,
máy thu có thể xác định được khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh phát bằng

cách nhân tốc độ truyền tín hiệu với khoảng thời gian chênh lệch giữa lúc
phát và lúc nhận. Nếu các cự ly tới 4 vệ tinh được liên kết vớ
i các thông số về
quĩ đạo của vệ tinh tương ứng thì máy thu có thể xác định vị toạ độ của máy.
Trong một số ứng dụng trong công tác trắc đạc chính xác, người ta còn đo và
ghi nhớ pha tần số của mã hoặc sóng mang để xử lý về sau.
Nguyên lý định vị vệ tinh GPS
Các kỹ thuật định vị trước đây chủ yếu là dựa trên phép đo định vị tương đối.
M
ột điểm đo được xác định toạ độ theo mối quan hệ về khoảng cách với các
điểm mốc đã được xác định trước. Với những khoảng cách ngắn, phép định vị
tương đối tỏ ra khá hiệu quả, đặc biệt là khi hai điểm có thể ngắm thông nhau.
Hiện tại có nhiều kiểu định vị tương đối khác nhau, dựa trên những khái niệm
vật lý và hình h
ọc khác nhau. Phép định vị tương đối là một dạng định vị cơ
bản thường được dùng trong thực tế trắc địa. Tuy nhiên với những khoảng
cách lớn thì việc tiến hành phép định vị tương đối sẽ gặp rất nhiều khó khăn.