Nghiên cứu và xây dựng thiết bị giám sát hành trình phương tiện giao thông qua mạng trên nền tảng chíp FPGA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------

LÊ MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG THIẾT BỊ GIÁM SÁT
HÀNH TRÌNH PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG
QUA MẠNG TRÊN NỀN TẢNG CHÍP FPGA

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHẠM NGỌC NAM

Hà Nội 2010


MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA.....................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................4
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ...................................................................5
Danh mục các bảng ...................................................................................................8
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ...............................................................................9
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................11
Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT PHƯƠNG TIỆN
GIAO THÔNG ........................................................................................................13

1.1. Khái niệm về hệ GIS ......................................................................................13
1.2. Các thành phần cơ bản của hệ GIS.................................................................14
1.3. Hệ thống định vị qua vệ tinh GPS ..................................................................18
1.3.1. Nguyên lý định vị qua vệ tinh .................................................................18
1.3.2. Hệ thống định vị toàn cầu qua vệ tinh GPS.............................................21
1.3.2.1. Tổng quan về hệ thống GPS .................................................................21
1.3.2.2. Cấu trúc tín hiệu GPS ...........................................................................24
1.3.3. Máy thu GPS............................................................................................29
1.3.4. Chuẩn giao tiếp với thiết bị thu GPS .......................................................31
1.4. Tổng quan về hệ thống giám sát phương tiện giao thông qua GPS ...............34
1.5. Các giải pháp thực hiện ..................................................................................37
1.6. Kết luận. .........................................................................................................38
Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ FPGA VÀ MẠCH PHÁT TRIỂN CỦA
XILINX ....................................................................................................................40
2.1. Giới thiệu chung về FPGA .............................................................................40
2.1.1. Khái niệm và ứng dụng FPGA ................................................................40
2.1.2. Kiến trúc FPGA .......................................................................................42
2.2. Mạch phát triển với SPARTAN 3E của hãng Xilinx .....................................48
2.2.1. Giới thiệu về dòng chip SPARTAN 3E...................................................48
2.2.2. Mạch phát triển dùng chip FPGA............................................................50
2.3. Các công cụ thiết kế hệ thống của Xilinx.......................................................51

2


2.3.1. ISE ...........................................................................................................52
2.3.2. EDK .........................................................................................................52
Chương 3 – XÂY DỰNG THIẾT BỊ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH TRÊN NỀN
CHÍP FPGA .............................................................................................................55
3.1. Quá trình xây dựng hệ thống phần cứng cho thiết bị giám sát tích hợp lõi vi

xử lý MicroBlaze trên chíp FPGA.........................................................................55
3.1.1. Cấu trúc của Microblaze..........................................................................55
3.1.2. Thiết lập cấu hình phần cứng cơ bản trên mạch phát triển......................56
3.1.3. Thêm các lõi xử lý trong quá trình thiết kế phần cứng............................66
3.1.4. Cấu trúc phần cứng của thiết bị giám sát phương tiện giao thông ..........72
3.2. Xây dựng phần mềm cho thiết bị giám sát phương tiện giao thông...............74
3.2.1. Thiết kế và phát triển phần mềm bằng công cụ SDK..............................74
3.2.2. Cấu trúc chung của chương trình điều khiển cho thiết bị giám sát .........76
3.2.3. Xây dựng lõi giao tiếp với thiết bị GPS ..................................................78
3.2.4. Xây dựng lõi giao tiếp mạng trong Microblaze.......................................80
Chương 4 – XÂY DỰNG PHẦM MỀM GIÁM SÁT PHƯƠNG TIỆN THÔNG
QUA BẢN ĐỒ SỐ. ..................................................................................................85
4.1. Bản đồ số và công cụ phát triển cho bản đồ số ..............................................85
4.1.1. Khái niệm về bản đồ số. ..........................................................................85
4.1.2. Mô hình cấu trúc dữ liệu của bản đồ số...................................................85
4.1.3. Công cụ phát triển với bản đồ số MapX..................................................92
4.2. Xây dựng chương trình giám sát hành trình qua bản đồ số............................94
4.2.1. Cấu trúc chương trình ..............................................................................94
4.2.1. Mô hình truyền thông với thiết bị giám sát .............................................99
KẾT LUẬN ............................................................................................................101
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................102
PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................103
PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................113

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đồ án nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong bản luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố ở đâu và trong

bất kỳ công trình hay luận án nào khác.

Người thực hiện:

Lê Minh Tuấn

4


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Thuật ngữ
viết tắt
ASIC

Thuật ngữ tiếng anh

Thuật ngữ tiếng việt

Application-specific integrated

Vi mạch tích hợp chuyên

circuit

dụng
Công cụ xây dựng hệ thống

BSB

Base System Builder

CLB

Configurable Logic Blocks

cơ bản trong XPS
Khối logic có thể cấu hình
lại được

Complex Programable Logic

Thiết bị logic phức tạp có

Device

thể lập trình được

DCE

Data Control Equipment

Thiết bị điều kiển số liệu

DCM

Digital Clock Manager

DDR

Double Data-Rate

DLMB

Data Local Memory Bus

DOPB

Data On-chip Peripheral Bus

DTE

Data Terminal Equipment

EDK

Embedded Development Kit

FFT

Fast Furier Transform

FPGA

Field Programable Gate Arrays

GIS

Geograpgic Information System

GPIO

General Purpose Input/Output

CPLD

Khối quản lý nguồn xung
clock bên trong chíp FPGA
Tốc độ dữ liệu nhân đôi

5

Bus giao tiếp bộ nhớ bên
trong truyền dữ liệu
Bus giao tiếp ngoại vi
trong chip truyền dữ liệu
Thiết bị cuối xử lý số liệu
Công cụ phát triển hệ thống
nhúng
Biến đổi Furier nhanh
Mảng cổng logic có thể lập
trình lại
Hệ thống thông tin địa lý
Giao diện chỉ định vào/ra
chung


GPS

Global Positioning System

HDL

Hardware Description Language

ILMB

Instruction Local Memory Bus

IOB

Configurable I/O Block

IOPB
IP

Hệ thống định vị toàn cầu
Ngôn ngữ miêu tả phần
cứng
Bus giao tiếp bộ nhớ bên
trong truyền lệnh
Khối lập trình vào/ra trong
FPGA

Instruction Onchip Peripheral

Bus kết nối ngoại vi trong

Bus

chip truyền lệnh

Intellectual Property

Sở hữu trí tuệ
Môi trường phần mềm tích

ISE

Integrated Software Environment hợp cho thiết kế lập trình
trên FPGA

LCD

Liquid crystal display

Màn hình tinh thể lỏng

LMB

Local Memory Bus

Bus bộ nhớ bên trong

LUTs

Look-Up Tables

Bảng ánh xạ

Lwip

LightWeight IP

MHS

NMEA

Thư viện điều khiển truyền
thông dữ liệu qua mạng

Microprocessor Hardware

File thông tin miêu tả phần

Specification

cứng vi xử lý

National Marine Electronics
Association

Giao thức chuẩn chỉ định
truyền thông giữa thiết vị
xử lý và thiết bị thu GPS
Bus giao tiếp ngoại vi

OPB

On-chip Peripheral Bus

PLB

Processor Local Bus

Bus xử lý bên trong

Reduced Instructions Set

Máy tính với tập lệnh đơn

Computer

giản hóa

RISC

6

trong chip


ROM

Read Only Memory

SDK

Software Development Kit

SDRAM

Bộ nhở chỉ đọc
Công cụ phát triển phần
mềm

Synchronous dynamic random

Bộ nhớ truy nhập ngẫu

access memory

nhiên đồng bộ động
Giao thức điều khiển lớp

TCP

Transmission Control Protocol

truyền vận trong mô hình
TCP/IP

UART

Universal asynchronous
receiver/transmitter

Truyền/nhận bất đồng bộ
File định nghĩa chân kết

UCF

User Constraints File

nối trên FPGA với các
đường tín hiệu trong chip
Môi trường làm việc, xây

XPS

Xilinx Platform Studio

dựng hệ thống nhúng của
Xilinx

7


Danh mục các bảng
Trang
Bảng 1.1. Một số dạng câu lệnh cơ bản trong chuẩn NMEA ...................................33
Bảng 1.2. Cấu trúc và ý nghĩa các trường thông tin của câu lệnh GPGGA..............34
Bảng 4.1. Ánh xạ giữa mô hình dạng raster và mô hình thực ..................................89
Bảng 4.2. Các hàm xử lý cơ bản trong phân lớp CMapObject .................................96

8


Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Trang
Hình 1. 1. Các thành phần cơ bản của hệ GIS

14

Hình 1. 2. Hệ tọa độ địa tâm

19

Hình 1. 3. Hệ thống vệ tinh định vị

22

Hình 1. 4. Quá trình tạo tín hiệu GPS

25

Hình 1. 5. Máy thu GPS

29

Hình 1. 6. Sơ đồ khối máy thu

30

Hình 1. 7. Chương trình giám sát hành trình xe

35

Hình 1. 8. Mô hình hệ thống giám sát hành trình xe

36

Hình 2. 1. Kiến trúc của FPGA

42

Hình 2. 2. Cấu trúc khối Logic Block điển hình

44

Hình 2. 3. Cấu trúc khối Vào/Ra

44

Hình 2. 4. Cấu trúc khối lập trình kết nối trong chíp

45

Hình 2. 5. Cấu trúc các thành phần của Spartan 3

49

Hình 2. 6. Mạch phát triển Spartan 3E Start

50

Hình 2. 7. Quá trình thực thi thiết kế trên công cụ phát triển EDK

54

Hình 3. 1. Cấu trúc của MicroBlaze

55

Hình 3. 2. Cấu hình hệ thống tích hợp MicroBlaze

57

Hình 3. 3. Cửa sổ thiết lập hệ thống nhúng trên mạch phát triển Spartan 3E

58

Hình 3. 4. Cửa sổ chọn lõi vi xử lý

59

Hình 3. 5. Cửa sổ thiết lập thuộc tính cho lõi MicroBlaze

60

Hình 3. 6. Cửa sổ thiết lập các ngoại vi trên mạch phát triển

61

Hình 3. 7. Tích hợp các khối điều khiển DDR_SRAM và Ethernet Mac

62

Hình 3. 8. Thiết lập các Timer vào trong hệ thống

63

Hình 3. 9. Thiết lập đường truyền thông và khởi tạo các phần mềm kiểm tra

63

Hình 3. 10. Thông tin tổng hợp về hệ thống được thiết lập

64

Hình 3. 11. Giao diện cửa sổ thể hiện các thành phần của hệ thống được xây dựng65
Hình 3. 12. Thêm mới một GPIO

67

9


Hình 3. 13. Thiết lập kết nối từ khối tạo mới vào bus truyền thông của hệ thống 68
Hình 3. 14. Vùng cửa sổ hiển thị các dải địa chỉ được chỉ định cho các thành phần
của hệ thống

69

Hình 3. 15. Thiết lập thuộc tính cho khối GPIO điều khiển giao tiếp với LCD

70

Hình 3. 16. Thiết lập kết nối tín hiệu ngoài cho khối GPIO

71

Hình 3. 17. Thiết lập chân kết nỗi trên FPGA cho các đường tín hiệu

72

Hình 3. 18. Tích hợp MicroBlaze trong phần cứng của thiết bị giám sát

73

Hình 3. 19. Các khối chức năng được thiết lập trong hệ thống phần cứng

73

Hình 3. 20. Các khối chức năng được thiết lập trong hệ thống phần cứng

74

Hình 3. 21. Quá trình thiết kế phần mềm cho hệ nhúng bằng công cụ SDK

75

Hình 3. 22. Sử dụng công cụ SDK trong môi trường phát triển XPS

76

Hình 3. 23. Cửa sổ giao diện của môi trường phát triển phần mềm SDK

76

Hình 3. 24. Giản đồ thuật toán của hàm chương trình chính

77

Hình 3. 25. Giảnđồ thuật toán của hàm phân tích chuỗi thông tin định vị

79

Hình 3. 26. Thiết lập thông số hệ thống trong SDK

80

Hình 3. 27. Khai báo thông dịch thư viện lwip

81

Hình 3. 28. Mô hình quản lý và sử dụng bộ đệm trong khối chương trình lwip_lib 83
Hình 3. 29. Mô hình xử lý truyền thông qua khối lệnh lwip_lib

84

Hình 3. 30. Mô hình điều khiển truyền thông trong chương trình

84

Hình 4. 1. Mô hình dữ liệu không gian trong bản đồ số

86

Hình 4. 2. Mô hình phân lớp dữ liệu trong bản đồ số

87

Hình 4. 3. Mô hình dữ liệu kiểu đối tượng điểm

87

Hình 4. 4. Mô hình dữ liệu kiểu đối tượng đường

88

Hình 4. 5. Mô hình dữ liệu kiểu đổi tượng vùng

89

Hình 4. 6. Mô hình liên kết dữ liệu không gian và dữ liệu logic

92

Hình 4. 7. Giao diện phần mềm giám sát hành trình

95

Hình 4. 8. Khai báo file tiêu đề MapX.h

96

Hình 4. 9. Mô hình truyền thông giữa máy tính trạm và thiết bị giám sát

99

10


MỞ ĐẦU
Hệ thống giám sát hành trình xe thông qua hệ thống định vị toàn cầu là một
ứng dụng có tính thực tiễn đã được triển khai từ nhiều năm nay không chỉ trong
lĩnh vực an ninh quốc phòng mà còn trong các lĩnh vực dân dụng khác. Thành
phần cơ bản nhất của hệ thống này là thiết bị giám sát hay còn gọi là hộp đen
được gắn trên xe. Công nghệ chế tạo thiết bị hộp đen này có thể từ đơn giản đến
phức tạp đòi hỏi kỹ thuật cao. Một giải pháp đưa ra đó là thiết kế thiết bị giám sát
hành trình trên nền tảng chíp FPGA. FPGA là chip điện tử cho phép xây dựng
hay tích hợp các hệ thống số bên trong nó bằng việc lập trình và có khả năng cấu
hình lại hệ thống trên chíp.
Xuất phát từ các yêu cầu và tính ứng dụng của thiết bị giám sát hành trình,
cũng như khả năng của chíp FPGA, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu và xây
dựng thiết bị giám sát hành trình phương tiện giao thông qua mạng trên nền tảng
chíp FPGA” làm luận văn tốt nghiệp cao học. Mục tiêu của đề tài là xây dựng
một mô hình mẫu thiết bị dùng để gắn trên xe có chức năng thu nhận thông tin từ
hệ thống định vị toàn cầu GPS và truyền các thông tin này tới một chương trình
phần mềm chạy trên máy chủ đã được kết nối mạng với thiết bị. Trên chương
trình phần mềm này thông tin về vị trí của phương tiện sẽ được hiển thị trên bản
đồ số phục vụ các cho bài toán giám sát và quản lý xe. Để thực hiện được mục
tiêu của đề tài, nội dung nghiên cứu của luận văn tốt nghiệp sẽ tập trung vào các
vấn đề bao gồm:
-

Nghiên cứu mô hình giám sát hành trình của phương tiện giao thông và các
mô hình mạng có liên quan.

-

Thiết kế hệ thống nhúng trên nền tảng chíp FPGA thực hiện chức năng giám
sát thông qua việc thu nhận dữ liệu từ hệ thống định vị GPS và truyền các
thông tin này về máy tính trung tâm.

-

Ứng dụng của bản đồ số và xây dựng chương trình phần mềm giám sát.

11


Các vấn đề này được trình bày lần lượt trong các chương của quyển luận văn
với nội dung cơ bản của từng chương được mô tả như sau:
-

Chương 1 trình bày về những vấn đề cơ bản của hai mô hình hệ thống là cơ
sở cho hệ thống giám sát đó là hệ thống thông tin địa lý toàn cầu GIS và hệ
thống định vị toàn cầu GPS. Sau khi đề cập đến mô hình chung của một hệ
thống giám sát xe, trong phần nội dung của chương 1 sẽ giới thiệu một
phương án thực thi thiết bị giám sát hành trình dựa trên nền tảng chíp FPGA
và một mô hình giám sát hành trình xe bao gồm thiết bị giám sát và chương
trình phần mềm giám sát trên máy tính.

-

Chương 2 đề cập đến những kiến thức cơ bản về chíp FPGA, quá trình thiết
kế hệ thống cho chip. Trong phần nội dung của chương này cũng giới thiệu
về mạch phát triển dùng chíp FPGA để xây dựng thiết bị giám sát và công cụ
của hãng Xilinx được sử dụng trong quá trình thiết kế.

-

Chương 3 giới thiệu đến nội dung chính của đề tài là xây dựng thiết bị giám
sát. Thiết bị giám sát là một hệ thống nhúng bao gồm phần cứng và phần
mềm được tích hợp trên chip FPGA của mạch phát triển. Các quá trình xây
dựng các thành phần của hệ thống nhúng này sẽ được giới thiệu lần lượt
trong chương 3.

-

Chương 4 đề cập đến nội dung cuối của đề tài, đó là xây dựng phần mềm
chạy trên máy tính có chức năng hiển thị vị trí của phương tiện trên bản đồ
số.

12


Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT
PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG
Trong phần nội dung của chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về các hệ thống là
cơ sở và là thành phần của một hệ thống giám sát hành trình, đó là hệ thống
thông tin địa lý, hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu. Từ đó giới thiệu về vị trí, chức
năng và mô hình chung của một hệ thống giám sát hành trình. Đồng thời đưa và
chọn lựa giải pháp thực hiện thiết kế thiết bị giám sát hành trình.

1.1. Khái niệm về hệ GIS
Kỹ thuật "Thông tin Địa lý" (Geograpgic Information System - GIS) xuất
hiện từ những năm 1960 và đang được sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển
hơn một thập niên qua, đây là một dạng ứng dụng công nghệ tin học

(Information Technology) nhằm mô tả thế giới thực (Real world) mà loài người
đang sống-tìm hiểu-khai thác. [11]
Sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin đã đưa tin học thâm
nhập sâu vào nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống, mở ra một giai đoạn mới
trong quá trình phát triển khoa học. Hệ thống thông tin địa lý là một trong
những ứng dụng rất có giá trị của công nghệ tin học trong ngành địa lý, điều tra
cơ bản, quy hoạch đô thị, quản lý giám sát giao thông cũng như trong nhiều lĩnh
vực khác của đời sống.
Xét về mặt khái niệm có thể hiểu GIS là một hệ phần mềm máy vi tính cung
cấp các công cụ phục vụ cho việc thu thập, lưu trữ, phân tích, xử lý và hiển thị
các thông tin địa lý. Các thông tin đó mô tả về hình dạng, vị trí cũng như các tính
chất của các đối tượng trên trái đất trong một hệ tọa độ nào đó.
GIS không chỉ thu thập dữ liệu mà còn hiển thị và phân tích và kết nối với các
cơ sở dữ liệu quan hệ. Từ các bản đồ cơ sở dữ liệu có thể được vẽ, phân tích hoặc

13


ngược lại, nghĩa là dữ liệu có thể được tham chiếu từ các bản đồ và khi một cơ sở
dữ liệu được cập nhật bản đồ tự động thay đổi cho phù hợp.
Một số ứng dụng của GIS trong thực tế:
™ Hệ thống theo dõi và giám sát phương tiện giao thông: các phương tiện giao
thông có thể được theo dõi, giám sát để phục vụ cho chức năng quản lý. Các
xe được trang bị các bộ thu GPS và thiết bị thu phát dữ liệu kết nối với trung
tâm để chuyển thông tin về vị trí (tọa độ) của xe tại phía máy chủ để phân
tích và quan sát vị trí trên bản đồ số.
™ Hệ thống điều hành xe: Hệ thống định vị chiếc xe được sử dụng để trung tâm
thông báo ra quyết định điều hành tuyến hành trình của xe một cách hợp lý.
Hệ thống này được triển khai trong các trung tâm điều hành xe taxi hoặc xe
bus.

1.2. Các thành phần cơ bản của hệ GIS
Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin địa lý bao gồm:
- Thiết bị phần cứng
- Phần mềm
- Số liệu
- Chuyên viên
- Chính sách và các thức quản lý

Hình 1. 1. Các thành phần cơ bản của hệ GIS

14


(1) Thiết bị phần cứng: bao gồm máy vi tính (computer), máy vẽ (plotters),
máy in (printer), bàn số hoá (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), các
phương tiện lưu trữ số liệu (Floppy diskettes, optical cartridges, C.D ROM
v.v...). Ngoài ra còn phải kể đến các thiết bị thu nhận và xử lý dữ liệu dữ
liệu như thiết bị thu phát định vị qua vệ tinh hay các camera số…

(2) Hệ phần mềm: Có thể là một hệ thống phần mềm trên máy tính hoặc phần
mềm điều khiển phần cứng của máy tính để thực hiện một nhiệm vụ xác
định. Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính
năng cơ bản sau:
• Nhập và kiểm tra dữ liệu (Data input): Bao gồm tất cả các khía cạnh về
biến đổi dữ liệu đã ở dạng bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào một dạng
số tương thích. Ðây là giai đoạn rất quan trọng cho việc xây dựng cơ sở dữ
liệu địa lý.
• Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu (Geographic database): Lưu trữ và quản
lý cơ sở dữ liệu đề cập đến phương pháp kết nối thông tin vị trí (topology)

và thông tin thuộc tính (attributes) của các đối tượng địa lý (điểm,
đường đại diện cho các đối tượng trên bề mặt trái đất). Hai thông tin này
được tổ chức và liên hệ qua các thao tác trên máy tính và sao cho chúng có
thể lĩnh hội được bởi người sử dụng hệ thống.
• Xuất dữ liệu (Display and reporting): Dữ liệu đưa ra là các báo cáo kết quả
quá trình phân tích tới người sử dụng, có thể bao gồm các dạng: bản đồ
(MAP), bảng biểu (TABLE), biểu đồ, lưu đồ (FIGURE) được thể hiện trên
máy tính, máy in, máy vẽ…
• Biến đổi dữ liệu (Data transformation): Biến đổi dữ liệu gồm hai lớp
điều hành nhằm mục đích khắc phục lỗi từ dữ liệu và cập nhật chúng.
Biến đổi dữ liệu có thể được thực hiện trên dữ liệu không gian và thông tin
thuộc tính một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả hai.

15


• Tương tác với người dùng (Query input): Giao tiếp với người dùng là yếu
tố quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin nào. Các giao diện người
dùng ở một hệ thống tin được thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng
đó.
Các phần mềm tiêu chuẩn và sử dụng phổ biến hiện nay trong khu vực
Châu Á là ARC/INFO, MAPINFO, ILWIS, WINGIS, SPANS, IDRISIW,...

(3) Chuyên viên (Expertise): Đây là một trong những hợp phần quan trọng của
công nghệ GIS, đòi hỏi những chuyên viên hướng dẫn sử dụng hệ thống để
thực hiện các chức năng phân tích và xử lý các số liệu. Đòi hỏi phải thông
thạo về việc lựa chọn các công cụ GIS để sử dụng, có kiến thức về các số
liệu đang được sử dụng và thông hiểu các tiến trình đang và sẽ thực hiện.

(4) Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý (georeferenced data) riêng lẽ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu

(database). Những thông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các dữ kiện về (1)
vị trí địa lý, (2) thuộc tính (attributes) của thông tin, (3) mối liên hệ không
gian (spatial relationships) của các thông tin, và (4) thời gian. Có 2 dạng số
liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là:
• Cơ sở dữ liệu bản đồ: là những mô tả hình ảnh bản đồ được số hoá theo một

khuôn dạng nhất định mà máy tính hiểu được. Hệ thống thông tin địa lý
dùng cơ sở dữ liệu này để xuất ra các bản đồ trên màn hình hoặc ra các
thiết bị ngoại vi khác như máy in, máy vẽ.
- Số liệu Vector: được trình bày dưới dạng điểm, đường và diện tích,

mỗi dạng có liên quan đến 1 số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở
dữ liệu.
- Số liệu Raster: được trình bày dưới dạng lưới ô vuông hay ô chữ nhật

đều nhau, giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ định giá trị của thuộc
tính. Số liệu của ảnhVệ tinh và số liệu bản đổ được quét (scanned

16


map) là các loại số liệu Raster.
• Số liệu thuộc tính (Attribute): được trình bày dưới dạng các ký tự hoặc
số, hoặc ký hiệu để mô tả các thuộc tính của các thông tin thuộc về địa lý.
Trong các dạng số liệu trên, số liệu Vector là dạng thường sử dụng nhất.
Tuy nhiên, số liệu Raster rất hữu ích để mô tả các dãy số liệu có tính liên
tục như: nhiệt độ, cao độ...và thực hiện các phân tích không gian (Spatial
analyses) của số liệu. Còn số liệu thuộc tính được dùng để mô tả cơ sở dữ
liệu.
Có nhiều cách để nhập số liệu, nhưng cách thông thường nhất hiện nay

là số hoá (digitizing) bằng bàn số hoá (digitizer), hoặc thông qua việc sử
dụng máy quét ảnh (Scanner)

(5) Chính sách và quản lý (lopicy and management): Ðây là hợp phần rất
quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, là yếu tố quyết
định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS. Hệ thống GIS cần
được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm
để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người
sử dụng thông tin. Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt
trong 1 khung tổ chức phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản
lý, thu thập, lưu trữ và phân tích số liệu, đồng thời có khả năng phát triển
được hệ thống GIS theo nhu cầu. Hệ thống GIS cần được điều hành bởi 1 bộ
phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ
thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin. Trong
quá trình hoạt động, mục đích chỉ có thể đạt được và tính hiệu quả của kỹ
thuật GIS chỉ được minh chứng khi công cụ này có thể hỗ trợ những
người sử dụng thông tin để giúp họ thực hiện được những mục tiêu công
việc. Ngoài ra việc phối hợp giữa các cơ quan chức năng có liên quan cũng
phải được đặt ra, nhằm gia tăng hiệu quả sử dụng của GIS cũng như các

17


nguồn số liệu hiện có.

1.3. Hệ thống định vị qua vệ tinh GPS
1.3.1. Nguyên lý định vị qua vệ tinh
Vào đầu thế kỷ 20, một vài hệ thống định vị dựa trên sóng radio được phát
triển và được sử dụng rộng rãi trong chiến tranh thế giới lần thứ hai. Các bên
tham chiến đều sử dụng kỹ thuật định vị bằng sóng radio phát theo phương ngang

với bề mặt trái đất. Đây được coi là một kỹ thuật tiên tiến lúc bấy giờ.
Một vài hệ thống định vị sóng radio theo mặt đất vẫn còn được dùng cho đến
ngày nay. Điểm hạn chế của việc định vị bằng sóng radio phát từ mặt đất lên là
khả năng định vị với độ chính xác cao nhưng chỉ dùng cho một khoảng không
gian hẹp, nếu muốn hệ thống bao trùm một không gian rộng thì độ chính xác định
vị sẽ giảm đi rất nhiều. Sóng radio tần số cao (giống như sóng tivi UHF) có thể
cho phép xác định vị trí chính xác nhưng chỉ truyền đi trong một khoảng cách
ngắn, còn những sóng radio tần số thấp hơn (như sóng AM) có thể bao phủ một
diện tích rộng nhưng khó có thể cho biết vị trí chính xác.
Do đó các nhà khoa học đã quyết định rằng cách tốt nhất để có thể phủ sóng
bao trùm khắp thế giới là đặt các máy phát sóng ở trên không gian. Một máy phát
sóng ở cao hơn nhiều so với bề mặt trái đất phát sóng radio tần số cao với các tín
hiệu được mã hoá đặc biệt có thể bao phủ một khu vực rất rộng và cho phép thực
hiện phép xác định vị trí chính xác. Đó chính là nguyên lý cơ bản của hệ thống
định vị toàn cầu GPS, viết tắt của Global Positioning System.
Sự phát triển của hệ thống GPS được coi là một cuộc cách mạng trong lĩnh
vực định vị trên trái đất bằng cách cung cấp các số đo vị trí tuyệt đối rất chính
xác. Nguyên tắc của phép đo như sau: từ vệ tinh A, người ta phát ra một sóng
điện từ có tần số nằm trong vùng tần số rađiô. ở nơi máy thu GPS sẽ có thiết bị đo
khoảng thời gian sóng điện từ này truyền qua không gian để đến máy thu. Với giá
trị thời gian đo được và với bước sóng biết trước, người ta có thể dễ dàng tính
được một cách chính xác khoảng cách từ vệ tinh phát đến vị trí của máy thu GPS.

18


Để thuận tiện cho việc định vị vị trí cho bất kỳ điểm nào trên trái đất, người ta
sử dụng hệ tọa độ địa tâm, tức là hệ tọa độ có gốc C trùng với trọng tâm của trái
đất, như trình bầy ở hình sau.
trôc Z

Cùc CIO
®iÓm P

Kinh tuyÕn
Greenwich

VÐc t¬ vÞ trÝ
®iÓm P
trôc Y

§−êng xÝch ®¹o

T©m Tr¸i
§Êt

trôc X

Hình 1. 2. Hệ tọa độ địa tâm

Tâm của hệ toạ độ được qui ước là tâm của trái đất. Với hệ trục tọa độ Đề các,
một điểm được xác định nếu biết ba giá trị toạ độ: X, Y,Z. Người ta qui ước mặt
phẳng Z = 0 sẽ tương ứng với mặt phẳng xích đạo. Còn mặt phẳng Y = 0 sẽ đi
qua kinh tuyến Greenwich.
Ngoài ra, người ta cũng có thể xác định vị trí của máy thu GPS trong hệ toạ độ
cầu với các toạ độ về kinh tuyến, vĩ tuyến và cao độ. Về bản chất thì hai hệ toạ độ
này có vai trò như nhau và ta hoàn toàn có thể chuyển đổi toạ độ của một điểm
trong hệ toạ độ này sang hệ toạ độ kia
Trong đó RGPS11 là toạ độ của máy thu GPS 1 trong hệ toạ độ thứ nhất và
RGPS12 là tọa độ của máy thu GPS 1 trong hệ toạ độ thứ hai. R(wx,wy,wz) là ma
trận chuyển đổi và wx,wy,wz là các góc xoay phương vị của các trục tọa độ giữa

hai hệ thống. Phương trình chuyển đổi này cũng đúng với trường hợp chuyển đổi
của véc tơ vận tốc.
Đối với mỗi vệ tinh GPS, máy thu sẽ xác định được khoảng cách từ máy thu
đến vệ tinh đó nhờ xác định được khoảng thời gian thông điệp được truyền đi từ

19


vệ tinh đó đến máy thu và biết trước được tốc độ truyền của thông điệp trong
không gian. Như vậy nếu xác định được vị trí của vệ tinh tại thời điểm tính toán
thì hoàn toàn có thể khẳng định là máy thu sẽ nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh
và bán kính là khoảng cách vừa tìm được.
Để xác định chính xác vị trí của một điểm trong hệ thống GPS, cần sử dụng ít
nhất 4 vệ tinh. Điều đó có nghĩa là một máy thu GPS khi liên lạc được với nhiều
hơn 4 vệ tinh thì có thể cho biết vị trí chính xác của máy thu đó. Điều đó được
giải thích như sau: với vệ tinh thứ nhất S1, ta biết được khoảng cách từ vệ tinh
này đến máy thu là r1. Với vị trí của các vệ tinh được xác định trước thì điều đó
chứng tỏ máy thu sẽ nằm trên bề mặt hình cầu có tâm là vệ tinh S1 và bán kính là
khoảng cách r1. Tiếp theo, với vệ tinh thứ hai S2, ta có được máy thu nằm trên
mặt cầu có tâm là vệ tinh S2 và bán kính là khoảng cách r2. Giao của hai bề mặt
cầu này sẽ là một đường tròn và rõ ràng máy thu phải nằm trên đường tròn này.
Hoàn toàn tương tự với vệ tinh thứ hai S2 và thứ ba S3, ta sẽ thu được một đường
tròn thứ hai mà máy thu cũng phải nằm trên đường tròn này. Giao của hai đường
tròn sẽ cho ta hai điểm, một điểm là vị trí thực của máy thu và điểm thứ hai là
một vị trí nào đó ngoài không gian. Như vậy là chỉ cần đo khoảng cách từ máy
thu đến ba vệ tinh cũng đủ để xác định được vị trí của máy thu theo toạ độ X,Y,Z
hoặc kinh độ, vĩ độ và cao độ. Ngoài ra, ta cần phải ước đoán được sai số do độ
lệnh về thời gian giữa vệ tinh và máy thu. Vệ tinh thứ tư S4 sẽ đóng vai trò hiệu
chỉnh sai số phép đo do sai số đồng hồ của thiết bị định vị GPS này. Sở dĩ có sự
lệnh thời gian giữa thiết bị thu và phát tín hiệu là do hầu hết các thiết bị định vị

GPS có giá thành tương đối rẻ, cỡ xấp xỉ 100 USD, vì thế nên đồng hồ thời gian
không thể là loại có độ chính xác cao. Ví dụ tốc độ ánh sáng là 3.108 m/s, nếu
đồng hồ của thiết bị nhận GPS có sai số là 0,001s hay 1ms thì sẽ gây ra một sai
số về khoảng cách là 0,001x3.108 m = 300 000 m hay 300km. Tuy nhiên vì lí do
là sai số thời gian của thiết bị nhận là như nhau đối với tất cả các vệ tinh, do đó
nên ta có thể căn cứ vào độ lệch khoảng cách đo với khoảng cách thực của vệ tinh
S4 để hiệu chỉnh sai số do đồng hồ của thiết bị nhận. Như thế vệ tinh S4 sẽ đóng

20


vai trò hiệu chỉnh sai số đồng hồ của thiết bị nhận GPS. Bằng cách ước lượng sai
số này mà sai số của phép định vị GPS có thể giảm xuống dưới 10 mét. Phương
pháp định vị máy thu GPS nhờ theo dõi đồng hời 4 vệ tinh.
Trong trường hợp thiết bị thu GPS chỉ nhìn thấy được 3 vệ tinh trên bầu trời
thì ta vẫn có thể xác định vị trí của thiết bị này một cách chính xác bằng cách cố
định cao độ của thiết bị thu này ở một giá trị xác định, ví dụ như ở cao độ mực
nước biển. Khi đó ba vệ tinh sẽ cho ta các giá trị kinh độ, vĩ độ và thời gian.
Nói chung, hiện nay số vệ tinh có mặt trên quĩ đạo là 24 và tại một vị trí bất
kỳ nào trên trái đất và tại một thời điểm bất kỳ nào cũng có thể nhìn thấy được ít
nhất 6 vệ tinh.
Một ưu điểm nữa của hệ thống GPS là do các vệ tinh ở các độ cao rất lớn
(khoảng từ 20000 km đến 25000 km) so với bề mặt trái đất nên hệ thống GPS có
thể ứng dụng không chỉ cho các thiết bị trên mặt đất mà còn có thể ứng dụng cho
cả các máy bay ở độ cao trên dưới 10000 km.
1.3.2. Hệ thống định vị toàn cầu qua vệ tinh GPS
1.3.2.1. Tổng quan về hệ thống 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 của 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.
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
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 550 so với mặt phẳng xích đạo. Mỗi vệ tinh bay trên một quĩ đạo

21


riêng ở độ cao danh nghĩa là 20.183km. 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 tần
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 biến bởi hai mã giảngẫu nhiên (pseudo-random).

Hình 1. 3. Hệ thống vệ tinh định vị
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 tập 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 việc 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

22


thu thập để có thể đánh giá một cách chính xác nhất trị thời 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 văn
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.
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 lạc 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 phát tín. 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 với 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.
Hệ thống GPS dân sự có thể cho phép xác định vị trí của máy thu với độ
chính xác dưới 100 mét. Để có thể đạt được độ chính xác cao hơn, người ta có thể

dùng kết hợp định vị với một máy thu GPS khác đặt ở một vị trí được biết trước.

23


1.3.2.2. Cấu trúc tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh đều phát đi hai tần số sóng mang được dùng cho công việc định vị
là tần số 1575,42MHz và tần số 1227,60MHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và
L2, rất nhất quán và được điều biến bởi những tín hiệu khác nhau.
Mã nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN – pseudorandom noice) thứ nhất được gọi là
mã C/A (coarse/acquisite code) bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một,
được phát đi ở tần số f0/10 = 1,023MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi miligiây.
Mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN thứ hai được gọi là mã P (precise code) bao gồm
một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số f0 =
10,.23MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Khoảng thời gian 267 ngày này
được chia ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng
đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất để theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là
những trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ
tinh khác nhau. Mã nhiễu giả ngẫu nhiên loại này được dùng cho các mục đích
dân sự.
Tương tự như vậy, cho các mục đích quân sự, người ta dùng mã Y là mã PRN
tương tự như mã P và có thể dùng để thay thế mã P. Tuy nhiên phương trình tạo
ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật còn phương trình tạo ra mã
Y thì được giữ bí mật. Vì vậy nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng
GPS không được cho phép sẽ không thu được thông tin.
Sóng mang L1 được điều biến bằng cả hai mã: mã C/A và mã P hoặc mã Y
trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một mã P hoặc mã Y.
Phương pháp tạo tín hiệu L1 và tín hiệu L2 được mô tả như hình 7, trong đó
phép cộng là quá trình trộn tín hiệu còn phép nhân là quá trình lấy tổng modul 2.
Các mã được điều biến trên sóng mang bằng một cách đơn giản, đó là điều

biến pha. Nếu mã có trị số -1 thì pha sóng mang đổi 1800 còn nếu mã số có trị số
+1 thì pha sóng mang giữ nguyên không thay đổi.
Cả hai sóng mang đều mang thông điệp vệ tinh (satellite message) cần phát
dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp 50Hz để thông báo tới

24


người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy
thu GPS giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực.
Phương pháp xác định khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu
Sóng điện từ truyền từ vệ tinh tới máy thu có thể được biểu diễn như sau:
y = A.cos(ωt-kx+φ)
• A là biên độ của tín hiệu
• ω là vận tốc góc của tín hiệu, ω = 2πf
• k là số chu kỳ pha truyền trên một đơn vị độ dài, tỷ lệ nghịch với chiều dài
bước sóng, k = 2π/λ (λ là chiều dài bước sóng)
• t là thời gian truyền của sóng tính từ lúc được phát ra khỏi vệ tinh
• θ là trị số lệch pha
Chú ý là trong các môi trường khác nhau thì sóng truyền đi với các bước sóng
khác nhau.

TÝn hiÖu L1

Sãng mang L1
1575.42 MHz
TÝn hiÖu m· C/A
1.023 MHz
TÝn hiÖu
GPS 50Hz

TÝn hiÖu m· P
10.23 MHz
TÝn hiÖu L2

Sãng mang L2
1227.6 MHz

Hình 1. 4. Quá trình tạo tín hiệu GPS
Có hai cách để xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu. Nếu biết trước tốc
độ truyền v của sóng và thời điểm chính xác sóng được truyền đi từ vệ tinh thì ta có
thể dùng công thức sau đây:
x = v . ∆t

25