ĐỒ ÁN XÂY DỰNG ỨNG DỤNG GIÁM SÁM SÁT PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG DÙNG SIM 5218
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.58 MB, 96 trang )
CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ
NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ỨNG DỤNG CỦA
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
VÀ BẢN ĐỒ SỐ TRỰC TUYẾN
Sinh viên thực hiện:
NGUYỄN NGỌC HƯNG
Lớp ĐT5 – K51
Giảng viên hướng dẫn: TS. LÂM HỒNG THẠCH
Cán bộ phản biện:
Hà Nội, 05-2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
--------------------------------------------------
---------------------------------
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: .…………….………….…….. Số hiệu sinh viên: …………….
Khoá:…………………….Viện: Điện tử - Viễn thông
Ngành: ……………….......
1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………..………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………..………...
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
……………………………………..……………………………………………..……..……………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………….…..
………………………..…………………………………………………………………………………….
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
………………………………………………………………………………………………………………..….
……………………………………………………………………………………………………………………………………..
….
……………………………………………………………………………………………………………………………………
…..….……………………………………………………………………………………………
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
………………………………………………………………………………………………………………………..….
…………………………………………………………………………………………………………………………..……….
………………………………………………………………………………………………………….
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………………………………………………………..……………………
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7. Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..………
Chủ nhiệm Bộ môn
Ngày
tháng
năm
Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày
tháng
năm
Cán bộ phản biện
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------------
2
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ....................................................................... Số hiệu sinh viên: ....................................
Ngành: .................................................................................................. Khoá: ............................................................
Giảng viên hướng dẫn:..............................................................................................................................................
Cán bộ phản biện: ........................................................................................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................................................
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
.........................................................................................................................................................................................................
Ngày
tháng
năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
3
Đồ án của em nghiên cứu về các ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS kết
hợp với bản đồ số trực tuyến. Ứng dụng nổi bật nhất chính là hệ thống giám sát trực
tuyến phương tiện giao thông.
Trong phần đầu của đồ án, em trình bày lý thuyết cơ bản về hệ thống định vị toàn
cầu GPS, hệ thống thông tin địa lý GIS, và hệ thống thông tin di động. Ở phần thứ hai
là các bước thực hành khi thiết kế một mạch thu phát tín hiệu điển hình trong các hộp
đen với giả thiết hoạt động của hệ thống như sau:
Mỗi phương tiện đều được gắn một thiết bị có nhiệm vụ thu tín hiệu GPS từ vệ
tinh, sau đó gửi về Server trung tâm qua mạng di động với giao thức truyền TCP/IP. Ở
Server trung tâm cần được kết nối mạng Internet và sử dụng một phần mềm để kết nối
với thiết bị định vị, thông qua giao thức TCP/IP, nhằm mục đích truyền nhận dữ liệu
giữa 2 bên. Server trung tâm sẽ xử lý dữ liệu GPS nhận được từ thiết bị định vị, sau đó
hiển thị thông số như tọa độ, vận tốc,...lên bản đồ số Google Maps.
ABSTRACT
My thesis researchs the application of global positioning system GPS with digital
maps online. The most remarkable application is the online vehicles tracking system.
In the first part of the thesis, I presented the basic theory of global positioning
systems GPS, geographical information systems GIS, and mobile communication
systems. In the second step is the practice when designing a circuit of the typical black
box assuming operation of the system as follows:
Each vehicle is fitted with a device which is responsible for collecting signal from
GPS satellites, then sends to the server via the cellular network protocol TCP / IP. At
the central server is connected to the Internet and use a software to connect to the
locating device, via TCP / IP, for the purpose of data transmission between two parties.
Central server processes the data received from GPS devices to locate and then display
parameters such as coordinates, velocity, ... on Google Maps.
MỤC LỤC
Trang
4
DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1 : Các tần số hoạt động của hệ thống GPS
Hình 1.2 : Các bước xác định vị trí của máy thu
Hình 1.3 : Nguyên lý xác định vị trí máy thu
Hình 1.4 : Các phân đoạn chính của hệ thống GPS
Hình 1.5: Cấu trúc phân đoạn điều khiển.
Hình 1.6: Cấu trúc tín hiệu GPS
Hình 1.7 : Điều chế BPSK.
Hình1.8: Cấu trúc hệ thống DGPS
Hình 2.1: Hệ thống GIS của chính phủ Việt Nam
Hình 2.2 : Bản đồ số Google Maps
Hình 2.3 : Cấu trúc mạng GSM/GPRS
Hình 2.4: Cấu trúc GPRS được phát triển dựa trên mạng GSM
Hình 2.5 : Mô hình kết nối GPRS
Hình 3.1 : Tổng quan sơ đồ của hệ thống
Hình 3.2 : Hoạt động của hệ thống
Hình 4.1 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hình 4.2 : Sơ đồ nguyên lý khối nguồn
Hình 4.3 : Sơ đồ nguyên lý khối xử lý và hiển thị
Hình 4.4 : Sơ đồ nguyên lý khối SIM
Hình 4.5 : Sơ đồ chân của vi điều khiển AVR
Hình 4.6 : Tổ chức bộ nhớ của AVR
Hình 4.7 : Cấu trúc bên trong AVR.
Hình 4.8 : Thanh ghi UCSRA.
Hình 4.9 : Thanh ghi UCSRB.
5
Hình 4.10 : Thanh ghi UCSRC
Hình 4.11 : Sơ đồ khối SIM5218A
Hình 4.12 : Cấu trúc của SIM5218A
Hình 4.13 : Giao tiếp với máy tính qua HyperTerminal
Hình 4.14 : Sơ đồ mặt trên (TOP)
Hình 4.15 : Sơ đồ mặt dưới (BOTTOM)
Hình 4.16 : Hiển thị dữ liệu GPS bằng lệnh AT+CGPSINFO=1
Hình 4.17 : Hiển thị các bản tin NMEA thu được
Hình 5.1 : Ứng dụng tìm đường của Google Maps
Hình 5.2 : Cấu hình mở NAT Port cho Modem Zyxel
Hình 5.3 : Sơ đồ quan hệ của các bảng
Hình 5.4 : Giao diện chính của phần mềm
6
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 4.1 : Một số chân quan trọng của SIM5218A sử dụng trong thiết bị………… 77
Bảng 4.2 : Các lệnh AT cơ bản của SIM5218A sử dụng trong thiết bị ……………. 78
7
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
GPS
GPRS
GSM
3G
GGSN
SGSN
BTS
BSC
BSS
NSS
RSS
OMS
TCP/UDP
IP
AT
CR
LF
SMS
UART
8
Global Positioning System
General Packet Radio Service
Global System for Mobile
Communications
Third-Generation Technology
Gateway GPRS Support
Serving GPRS Support
Base Transceiver Station
Base Station Controller
Base Station Subsystem
Network Switching SubSystem
Radio SubSystem
Operation and Maintenance SubSystem
Transmission Control Protocol/ User
Datagram Protocol
Internet Protocol
Attention Command
CARRIAGE RETURN
Line Feed
Short Message Services
Universal Asynchronous Receiver &
Transmitter
Hệ thống định vị toàn cầu
Dịch vụ gói vô tuyến chung
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
Công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba
Nút hỗ trợ cổng GPRS
Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS
Trạm thu phát gốc
Bộ điều khiển trạm gốc
Phân hệ trạm gốc
Phân hệ chuyển mạch
Phân hệ vô tuyến
Phân hệ vận hành và bảo dưỡng
Giao thức điều khiển truyền dẫn/ Giao thức
dữ liệu gói người sử dụng
Giao thức dùng cho mạng Internet
Tập lệnh AT
Lệnh Enter
Lùi vào đầu dòng
Dịch vụ tin nhắn ngắn
Truyền thông không đồng bộ
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay Công nghệ định vị toàn cầu GPS và Hệ thống thông tin địa lý GIS đã
được áp dụng phổ biến trong ngành vận tải trên toàn Thế giới. Tại các nước khu vực
Bắc Mỹ, Châu Âu và Đông Á hầu hết các công ty vận tải đều sử dụng công nghệ này
nhằm giám sát, theo dõi và quản lý xe nhằm tăng hiệu quả sử dụng cũng như tiết kiệm
các chi phí không cần có. Công nghệ này cho phép người quản lý biết vị trí của xe, vận
tốc, hướng đi trạng thái phương tiện tại mọi thời điểm. Đồng thời cho phép cảnh báo
vượt quá tốc độ, ra/vào vùng quy định, xem lại hành trình xe trong quá khứ.v.v. Ở nước
ta, theo nghị định 91/2009, trước ngày 1-7-2011 các ôtô kinh doanh vận tải hành khách
theo tuyến cố định có cự ly từ 500km trở lên và xe container đều phải lắp đặt hộp đen.
Với mục đích thực hành và hiểu rõ thêm về hệ thống định vị và hệ thống thông tin
di động em đã chọn đề tài đồ án là "Nghiên Cứu Thiết Kế Ứng Dụng Của Hệ Thống
Định Vị Toàn Cầu GPS Và Bản Đồ Số Trực Tuyến". Dưới sự hướng dẫn, giúp đỡ
nhiệt tình của thầy cô và các bạn, đặc biệt là TS Lâm Hồng Thạch, em đã hiểu thêm
được nhiều điều về lĩnh vực thông tin liên lạc cũng như hướng phát triển của các hệ
thống viễn thông tại Việt Nam. Em xin chân thành cảm ơn thầy đã nhiệt tình giúp đỡ
em hoàn đồ án này! Do khuôn khổ của đồ án cũng như còn hạn chế về kiến thức nên
em không tránh khỏi thiếu sót cũng như nhầm lẫn, em rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp thêm để hoàn thiện hơn nữa về kiến thức của mình.
9
Chương 1 : HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
1.1. Khái Quát Hệ Thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống định vị ra
đời nhằm đáp ứng ý tưởng sử dụng vệ tinh nhân tạo của Trái Đất vào mục đích định vị
dẫn đường trên mặt đất, ít phụ thuộc vào thời tiết và thời điểm trong ngày. Nó đã được
các nhà khoa học Liên Xô và Mỹ đề cập đến từ những năm của thập niên 50 - 60 (thế
kỷ XX), khi Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên của trái đất (vệ tinh
Sputnik-1) vào năm 1957, từ đó các nhà khoa học quân sự của hai nước và các nhà
khoa học trên thế giới đã tiếp tục nghiên cứu và đã đạt được những thành công trong
việc sử dụng vệ tinh của mình. Để xác định vị trí điểm trên mặt đất hoặc trên đại dương
phục vụ cho việc dẫn đường tàu, thuyền, máy bay và các phương tiện quân sự khác.
Bước đầu các hệ thống định vị vệ tinh khu vực được xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu
định vị chính xác cao cho cả một vùng rộng lớn mà ít phụ thuộc vào các điều kiện
không gian và thời gian. Người ta xây dựng các hệ thống định vị vệ tinh khu vực trong
đó vệ tinh thường được sử dụng là vệ tinh địa tĩnh . Một số hệ thống định vị vệ tinh
được xây dựng thuộc loại này như:
- Hệ thống STAR - FIX.
- Hệ thống EUTELTRACS và hệ thống OMNITRACS.
- Hệ thống NAVSTAR.
Vào những năm đầu của thập niên 60 (thế kỷ XX) thì hệ thống định vị toàn cầu
được ra đời như:
- Hệ thống TRANSIT của Mỹ.
- Hệ thống TSICADA của Liên Xô.
Vào khoảng giữa những năm 60 (thế kỷ XX) Bộ quốc phòng Mỹ khuyến khích xây
dựng một hệ thống vệ tinh hoàn hảo hơn so với hệ thống TRANSIT. Ý tưởng chính của
đề án do Hải quân Mỹ đề xuất là sử dụng khoảng cách đo từ các điểm trên mặt đất đến
vệ tinh trên cơ sở biết chính xác tốc độ và thời gian lan truyền tín hiệu vô tuyến, đề án
có tên là TIMATION. Các công trình nghiên cứu tương tự cũng được không quân Mỹ
10
tiến hành trong khuôn khổ chương trình mang mã số 621B. Song từ năm 1973 Bộ quốc
phòng Mỹ quyết định đình chỉ cả hai chương trình này để triển khai phối hợp nghiên
cứu xây dựng hệ thống đạo hàng vô tuyến vệ tinh trên cơ sở kết quả của chương trình
TRANSIT và hai chương trình vừa nói tới. Hệ thống này có tên gọi đúng là NAVSTAR
GPS (Navigation Satellite Providing Timing and Ranging Global Positioning
System). Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ
chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu thuỷ và trên đất liền phục vụ
cho Bộ quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự. Khi được hoàn tất, hệ thống sẽ gồm 21
vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ, các vệ tinh bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo gần như
tròn, ở độ cao cỡ 20200km với chu kỳ xấp xỉ 12 giờ. Với cách bố trí này thì trong suốt
24 giờ tại bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng sẽ quan sát được ít nhất 4 vệ tinh. Các vệ
tinh đầu tiên của hệ thống được phóng lên quỹ đạo vào tháng 2 năm 1978, toàn bộ hệ
thống 24 vệ tinh được đưa vào hoạt động hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994.
Hình 1.1 : Các tần số hoạt động của hệ thống GPS
S-band (10cm-radar short-band) : 1.55 -5.2 GHz.
L-band (20cm-radar long-band) : 950Mhz – 1450 MHz
Đặc điểm của hệ thống GPS :
11
Có độ chính xác cao.
Phủ sóng toàn cầu 24/24.
Là hệ thống thụ động - passive system.
Vận hành trong mọi điều kiện thời tiết
Ở Việt Nam, công nghệ GPS được ứng dụng từ những năm 90 của thế kỷ trước, chủ
yếu để xây dựng lưới toạ độ quốc gia. Ngày nay, công nghệ GPS được mở rộng hơn
trong các lĩnh vực khác của trắc địa.
Ngoài GPS, trên thế giới còn có các hệ thống định vị khác như :
GALILEO : hệ thống định vị của châu Âu
GLONASS : hệ thống định vị của Nga
COMPASS : hệ thống định vị của Trung Quốc
1.2. Nguyên Lý Xác Định Vị Trí Của Hệ Thống GPS
5 bước xác định vị trí :
Hình 1.2 : Các bước xác định vị trí của máy thu
Hình 1.3 : Nguyên lý xác định vị trí máy thu
Số đo khoảng cách : từ 4 vệ tinh được quan sát đồng thời đến đối
tượng cho ta 4 phương trình :
D1
=
[( X − x1 ) 2 + (Y − y1 ) 2 + ( Z − z1 ) 2 ]1 / 2 − c.dT
(1.1)
D2
=
[( X − x2 ) 2 + (Y − y 2 ) 2 + ( Z − z 2 ) 2 ]1 / 2 − c.dT
(1.2)
[( X − x3 ) 2 + (Y − y3 ) 2 + ( Z − z3 ) 2 ]1/ 2 − c.dT
D3 =
D4 =
(1.3)
[( X − x 4 ) 2 + (Y − y 4 ) 2 + ( Z − z 4 ) 2 ]1 / 2 − c.dT
(1.4)
Trong đó :
X, Y, Z : biểu thị vị trí của đối tượng đo.
, , : là tọa độ vị trí của vệ tinh thứ i.
c.dT : giá trị hiệu chỉnh khoảng cách từ giá trị hiệu chỉnh đồng hồ máy thu.
Giải 4 phương trình này cho ta vị trí tương đối đo và thời gian hiệu chỉnh dT.
12
Hoạt động cơ bản :
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 mang thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận
thông tin này và bằng phép tính lượng giác 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 tín hiệu tại bộ thu. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách
vệ tinh bao xa. Rồi với các khoảng cách đo được từ bộ thu đến vệ tinh, máy thu có thể
tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ.
Máy thu GPS phải thu 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 của vệ tinh. Với bốn hay nhiều hơn
số lượng vệ tinh hiện diện trong tầm nhìn, 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 thêm các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển,
khoảng hành trình, khoảng cách tới điểm đến, thời gian và nhiều thôngtin khác nữa.
1.3. Cấu Trúc Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS
GPS bao gồm 3 phân đoạn: Phân đoạn không gian, Phân đoạn điều khiển , Phân
đoạn người sử dụng (Hình 1.4)
13
Hình 1.4 : Các phân đoạn chính của hệ thống GPS
1.3.1. Phân đoạn không gian (Space Segment)
Phân đoạn không gian chính là chòm sao 24 vệ tinh. Mỗi vệ tinh GPS phát đi tín
hiệu, bao gồm những thành phần sau: hai sóng sin ( thành phần sóng mang), hai chuỗi
dữ liệu số,và một thông điệp điều hướng. Dữ liệu số và thông điệp điều hướng kết hợp
với sóng mang bằng cách điều chế nhị phân BPSK. Sóng mang và chuỗi dữ liệu số chủ
yếu được sử dụng để xác định khoảng cách từ máy thu của nguời sử dụng đến những
vệ tinh GPS. Thông điệp điều hướng bao gồm tọa độ của vệ tinh,tọa độ này biểu diễn
dưới dạng hàm biến đổi theo thời gian và một số thông tin cần thiết khác.Tín hiệu phát
được điều khiển bởi những đồng hồ nguyên tử (atomic clocks) có độ chính xác cao,
onboard trên những vệ tinh.
24 vệ tinh phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt
xích đạo một góc 55o. Bán kính quỹ đạo vệ tinh xấp xỉ 26560 km, tức vệ tinh có độ cao
14
so với mặt đất cỡ 20200 km. Chu kỳ chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo là 718 phút.
Theo thiết kế, hệ thống gồm 24 vệ tinh, mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh. Ở bất kì thời gian và
vị trí quan sát nào trên trái đất cũng có thể quan sát được tối thiểu 4 vệ tinh.
Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ sở là f 0 =
10.23 MHz. Tần số này còn là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cỡ
10-12. Từ các tần số cơ sở tạo ra các tần số sóng tải L1 và L2 (=1575,42 MHz và
= 1227,60 MHz). Để phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu
phát đi mang theo các code riêng biệt. Đó là C/A-code, P-code, Y-code.
C/A - Code (Coarse/ Acquistion) là Code thô mang tính chất tựa ngẫu nhiên, nó
được sử dụng cho các mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải , C/A-Code có tần số
1,023MHz. Mỗi vệ tinh được gán một C/A - Code riêng biệt.
P - Code (Precise) là Code chính xác, nó được sử dụng cho mục đích quân sự và
điều biến cả hai sóng tải , . Code này có tần số 10,23 MHz. Mỗi vệ tinh sử dụng một
đoạn code này (tương đương với độ dài một tuần lễ gọi là “code tuần lễ”). P-code là
code tựa ngẫu nhiên PRN-code (Pseudorandom Noise). Code tựa ngẫu nhiên là cơ sở
để định vị tuyệt đối khoảng cách giả và đồng thời dựa vào đó có thể nhận biết được số
hiệu vệ tinh.
Nhiệm vụ :
Liên tục phát quảng bá các bản tin dẫn đường trên tín hiệu vệ tinh đến máy thu
GPS (mang thông tin vị trí của vệ tinh và thời điểm phát bản tin)
Duy trì thời gian tham chiếu với độ chính xác cao ( sai số từ đến giây)
Nhận và lưu trữ các thông tin từ trạm điều khiển mặt đất
Thực hiện hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh và sai số đồng hồ
1.3.2. Phân đoạn điều khiển (Control Segment)
Phân đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì và điều khiển hoạt động của toàn bộ
hệ thống định vị GPS. Phân đoạn này gồm 4 trạm quan sát trên mặt đất và một trạm
điều khiển trung tâm (Master Control Station) đặt tại một căn cứ không quân của Mỹ
gần Colorado Springs. Trạm điều khiển trung tâm này có nhiệm vụ chủ yếu trong đoạn
điều khiển.
15
Nhiệm vụ của phân đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng
của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh và hoạt động của
đồng hồ vệ tinh.
Hình 1.5: Cấu trúc phân đoạn điều khiển
1.3.3. Phân đoạn người sử dụng (User Segment)
Gồm tất cả các máy móc, thiết bị nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho
các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng. Đó có thể là một máy thu riêng
biệt, hoạt động độc lập (trường hợp định vị tuyệt đối), hay một nhóm từ hai máy thu trở
lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (trường hợp định vị
tương đối), hoặc có thể thu tín hiệu GPS với một số thiết bị thu khác để thực hiện các
kỹ thuật đo động thời gian thực (Real Time Kinematic-RTK), đo vi sai DGPS
(Diferential-GPS), đo vi phân diện rộng WADGPS (Wide-Area-DiferentialGPS). Máy
thu GPS là một thiết bị thụ động. Chỉ thực hiện thu tín hiệu vệ tinh mà không phát tín
hiệu.Sai số đo đạc của máy thu GPS tùy thuộc vào dịch vụ định vị được sử dụng (SPS
hoặc PPS).
16
1.4. Cấu Trúc Tín Hiệu Vệ Tinh GPS
Hình 1.6: Cấu trúc tín hiệu GPS
Sóng mang : Tần số: 1575,42 MHz ~ bước sóng 19 cm
1
Được điều chế bởi cả mã C/A và mã P(Y).
2
Mã P(Y) lệch pha 90 độ so với mã C/A.
Sóng mang : Tần số 1227,60 MHz ~ bước sóng 24 cm
3
Chỉ được điều chế bởi mã P(Y).
Tín hiệu vệ tinh được mang trên hai sóng mang với độ rộng băng tần là 20.46 MHz.
Mã C/A dùng cho dịch vụ SPS ( dân sự)
Mã P dùng cho dịch vụ PPS (quân sự)
Bản tin dẫn đường được mang trong tín hiệu và
GPS sử dụng phương thức BPSK để điều chế các mã trên sóng mang và
17
BPSK: Chuyển mức tín hiệu 0→ 1 hoặc 0→ 1 sẽ gây nên dịch pha 1800 của tín hiệu
sóng mang
Hình1.7 : Điều chế BPSK
1.5. Các Nguồn Gây Sai Số
Định vị GPS thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội không gian các
khoảng cách đo được từ máy thu đến các vệ tinh có toạ độ đã biết. Khoảng cách đo
được là hàm của thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu trong không gian giữa vệ tinh
và máy thu. Vì vậy kết quả đo chịu ảnh hưởng trực tiếp của các sai số vệ tinh, của máy
thu, của môi trường lan truyền tín hiệu và một số nguồn sai số khác. Các nguồn sai số
đó có tính chất hệ thống và tính chất ngẫu nhiên ảnh hưởng đến kết quả đo GPS.
Sai số đồng hồ.
Sai số đồng hồ gồm sai số đồng hồ vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu và sự không
đồng bộ giữa chúng. Đồng hồ vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác cao
nhưng không hoàn toàn là không có sai số. Trong đó sai số hệ thống lớn hơn sai số
ngẫu nhiên rất nhiều, nhưng có thể dùng mô hình để cải chính sai số hệ thống, do
đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ chính xác đồng
hồ. Khi hai trạm đo tiến hành quan trắc đồng bộ đối với vệ tinh thì ảnh hưởng của
sai số đồng hồ vệ tinh đối với trị đo của hai trạm là như nhau.
18
Sai số quỹ đạo vệ tinh.
Do sự thay đổi của trọng trường trái đất, sức hút của mặt trăng, mặt trời và
các thiên thể, các áp lực bức xạ mặt trời…tác động lên vệ tinh, nên chuyển động
của vệ tinh lên quỹ đạo không hoàn toàn tuân theo định luật Kepler. Đó là
nguyên nhân gây nên sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số này ảnh hưởng đáng kể đến
kết quả định vị tuyệt đối, song lại được khắc phục về cơ bản trong định vị tương
đối và định vị vi phân.
Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu.
Tầng đối lưu được tính từ mặt đất tới độ cao 50 km và tầng địên ly ở độ cao
từ 50 km đến 1000 km. Khi tín hiệu truyền từ vệ tinh đi qua tầng điện ly, tầng
đối lưu đến máy thu, nó bị khúc xạ và thay đổi tốc độ truyền tín hiệu.
Đối với tầng điện ly giá trị sai số tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự do
trong tầng điện ly và tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số tín hiệu. Để giảm
thiểu sai số do tầng điện ly thường dùng máy thu GPS hai tần số, dùng mô hình
hiệu chỉnh hoặc dùng hiệu các trị đo đồng bộ. Đối với tầng đối lưu, sự khúc xạ
của đường truyền tín hiệu càng phức tạp hơn, nó phụ thuộc vào sự biến dổi của
khí hậu mặt đất, áp lực không khí, nhiệt độ và độ ẩm. Ảnh hưởng của khúc xạ
trong tầng đối lưu phụ thuộc vào góc cao của đường truyền tín hiệu.
Sai số do nhiễu tín hiệu.
Anten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn
nhận cả tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do hiện
tượng này gây ra được gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh (còn gọi là
hiện tượng đa đường dẫn).
Các nguồn sai số khác.
Ngoài các nguồn sai số kể trên còn có các nguồn sai số khác như sai số do
ảnh hưởng của sự xoay trái đất, do chế độ thuỷ triều trái đất, do hiệu ứng của
thuyết tương đối, sai số vị trí của máy thu, sai số vị trí trung tâm pha của anten.
Trong định vị chính xác cao cần phải xem xét và tìm biện pháp nhằm giảm ảnh
hưởng của các nguồn sai số này.
19
1.6. Các Dịch Vụ GPS
Các vệ tinh GPS cung cấp dịch vụ cho người dùng theo các mục đích dân sự và
quân sự. Các dịch vụ phục vụ mục đích dân sự được dùng miễn phí trên toàn thế giới.
Còn các dịch vụ với mục đích quân sự chỉ dành cho Hoa Kỳ và các lực lượng vũ trang
đồng minh cũng như các tổ chức chính phủ được cho phép.
Ngày nay có rất nhiều công nghệ cũng như các hệ thống mở rộng của GPS nhằm nâng
cao khả năng đáp ứng các yêu cầu đặc biệt của người dùng từ GPS. Các công nghệ kĩ
thuật này cải tiến tính toàn vẹn và độ chính xác của tín hiệu, thậm chí còn ứng dụng tốt
hơn so với các dịch vụ GPS dân sự thông thường. Ứng dụng nổi bật của GPS trong
nhiều năm qua đã lấy được sự tin cậy từ hàng triệu người trên thế giới. Hệ thống GPS
chắc chắn sẽ còn mang lại lợi ích cho người dùng trên toàn thế giới trong tương lai.
1.6.1. Dân sự - Dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS (Standard Positioning Service)
Sử dụng mã C/A tại tần số
Sai số đo:
Theo phương ngang ≈ 100 m
Theo phương đứng ≈ 156 m
Thời gian ≈ 340 ns
1.6.2. Quân sự - Dịch vụ định vị chính xác PPS (Precise Positioning Service)
Sử dụng mã P tại tần số hoặc
Sai số đo:
Theo phương ngang ≈ 22 m
Theo phương đứng ≈ 27,7 m
Thời gian ≈ 100 ns
1.6.3. GPS vi sai DGPS (Differential GPS )
Là kỹ thuật sử dụng trạm thu GPS tham chiếu để cung cấp thông tin hiệu chỉnh
sai số cho các máy thu GPS ở một vùng cục bộ xác định.
Các máy thu DGPS sẽ có độ chính xác tăng và cao hơn máy thu GPS thông
thường.
Hệ thống có độ phức tạp tăng lên và cần có hệ thống truyền số liệu giữa trạm
tham chiếu và máy thu DGPS.
20
Có hai chế độ hiệu chỉnh sử dụng trong hệ thống DGPS:
Hiệu chỉnh theo thời gian thực ( real-time )
Hiệu chỉnh không theo thời gian thực ( post processing )
Hình1.8 : Cấu trúc hệ thống DGPS
21
Chương 2 : Giới Thiệu Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS Và Hệ Thống Thông Tin Di Động
Chương 2 : GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ HỆ
THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
2.1. Giới Thiệu Về Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS
2.1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý GIS
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS) được
hình thành vào những năm 1960 và phát triển rất rộng rãi trong 10 năm lại đây. GIS
ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc
phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính
phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân... đánh giá được hiện trạng của
các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập,
quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền hình học
(bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào. Một hệ thống GIS về cơ
bản là một hệ thống thông tin dựa trên nền tảng là bản đồ số.
Chức năng chính của một hệ thống GIS là:
Thu thập, lưu trữ dữ liệu không gian (thông tin địa lí hay dữ liệu không gian)
dưới dạng bản đồ số kèm theo các dữ liệu thuộc tính (phi không gian)
Truy cập vào dữ liệu và trình bày dữ liệu dưới dạng các biểu mẫu và bản đồ
Phân tích và xử lí dữ liệu bằng cách tổng hợp nhiều lớp bản đồ, các thuộc tính
không gian và phi không gian.
Một trong những đặc trưng quan trọng của GIS là xác định vị trí, tức là nó cho phép
truy cập và xác định “cái gì ở đâu”. Vì thế các hệ thống GIS thường được tích hợp
với các công nghệ định vị. Ngày nay công nghệ định vị toàn cầu (GPS) trở nên rất tiên
tiến và có dịch vụ miễn phí,do đó nhiều hệ thống GIS được tích hợp với công nghệ
định vị GPS. Có thể kể ra một số ứng dụng tiêu biểu đã được thương mại hóa rộng rãi
đó là bảng chỉ dẫn đường trên xe hơi; chỉ dẫn đường bay trong hàng không; xác định vị
Page 22
Chương 2 : Giới Thiệu Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS Và Hệ Thống Thông Tin Di Động
trí lãnh hải và dẫn đường hàng hải… Các hệ thống này về cơ bản là sử dụng bản đồ số
và kết nối với thiết bị định vị để thể hiện vị trí hiện tại của một đối tượng đang xét như
xe hơi, máy bay hay tàu thủy.
2.1.2. Xây dựng GIS
Theo cách tiếp cận truyền thống, GIS là một công cụ máy tính để lập bản đồ và
phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên Trái đất. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác
cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân
tích không gian. Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và
khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích
các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược).
Việc áp dụng công nghệ thông tin trong lĩnh vực dữ liệu không gian đã tiến những
bước dài: từ hỗ trợ lập bản đồ (CAD mapping) sang hệ thống thông tin địa lý (GIS).
Cho đến nay cùng với việc tích hợp các khái niệm của công nghệ thông tin như hướng
đối tượng, GIS đang có bước chuyển từ cách tiếp cận cơ sở dữ liệu (database
approach) sang hướng tri thức (knowledge approach)
Hệ thống thông tin địa lý là hệ thống quản lý, phân tích và hiển thị tri thức địa lý,
tri thức này được thể hiện qua các tập thông tin:
Các bản đồ: giao diện trực tuyến với dữ liệu địa lý để tra cứu, trình bày kết quả
và sử dụng như là một nền thao tác với thế giới thực
Các tập thông tin địa lý: thông tin địa lý dạng file và dạng cơ sở dữ liệu gồm các
yếu tố, mạng lưới, topology, địa hình, thuộc tính
Các mô hình xử lý: tập hợp các quy trình xử lý để phân tích tự động
Page 23
Chương 2 : Giới Thiệu Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS Và Hệ Thống Thông Tin Di Động
Các mô hình dữ liệu: GIS cung cấp công cụ mạnh hơn là một cơ sở dữ liệu
thông thường bao gồm quy tắc và sự toàn vẹn giống như các hệ thông tin khác.
Lược đồ, quy tắc và sự toàn vẹn của dữ liệu địa lý đóng vai trò rất quan trọng
Metadata: hay tài liệu miêu tả dữ liệu, cho phép người sử dụng tổ chức, tìm hiểu
và truy nhập được tới tri thức địa lý…
2.1.3. Các cách nhìn về GIS
Khi làm việc với hệ thống GIS có thể tiếp cận dưới các cách nhìn nhận như sau:
1. Cơ sở dữ liệu địa lý (Geodatabase - theo cách gọi của ESRI): GIS là một cơ sở
dữ liệu không gian chuyển tải thông tin địa lý theo quan điểm gốc của mô hình
dữ liệu GIS (yếu tố, topology, mạng lưới, raster,...)
2. Hình tượng hoá (Geovisualization): GIS là tập các bản đồ thông minh thể hiện
các yếu tố và quan hệ giữa các yếu tố trên mặt đất. Dựa trên thông tin địa lý có
thể tạo nhiều loại bản đồ và sử dụng chúng như là một cửa sổ vào trong cơ sở dữ
liệu để hỗ trợ tra cứu, phân tích và biên tập thông tin.
3. Xử lý (Geoprocessing): GIS là các công cụ xử lý thông tin cho phép tạo ra các
thông tin mới từ thông tin đã có. Các chức năng xử lý thông tin địa lý lấy thông
tin từ các tập dữ liệu đã có, áp dụng các chức năng phân tích và ghi kết quả vào
một tập mới.
Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một
công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ độ (bản đồ) để biến chúng thành các thông tin trợ
giúp quyết định cho các nhà quản lý.
Do các ứng dụng GIS trong thực tế quản lý nhà nước có tính đa dạng và phức tạp xét
cả về khía cạnh tự nhiên, xã hội lẫn khía cạnh quản lý, những năm gần đây GIS thường
Page 24
Chương 2 : Giới Thiệu Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS Và Hệ Thống Thông Tin Di Động
được hiểu như một hệ thống thông tin đa quy mô và đa tỷ lệ. Tuỳ thuộc vào nhu cầu
của các người sử dụng mà hệ thống có thể phải tích hợp thông tin ở nhiều mức khác
nhau, nói đúng hơn, là ở các tỷ lệ khác nhau, nói cách khác là tuỳ thuộc vào các định
hướng do cơ sở tri thức đưa ra.
2.1.4. Cơ sở dữ liệu địa lý
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) sử dụng cơ sở dữ liệu địa lý (geodatabase) làm dữ liệu
của mình.
Các thành phần của cơ sở dữ liệu không gian bao gồm:
Tập hợp các dữ liệu dạng vector (tập các điểm, đường và vùng)
Tập hợp các dữ liệu dạng raster (dạng mô hình DEM hoặc ảnh)
Tập hợp các dữ liệu dạng mạng lưới (ví dụ như đường giao thông, lưới cấp thoát
nước, lưới điện ...)
Tập hợp các dữ liệu địa hình 3 chiều và bề mặt khác
Dữ liệu đo đạc
Dữ liệu dạng địa chỉ
Các bảng dữ liệu là thành phần quan trọng của cơ sở dữ liệu không gian, được
liên kết với các thành phần đồ họa với nhiều kiểu liên kết khác nhau.
Về khía cạnh công nghệ, hình thể, vị trí không gian của các đối tượng cần quản lý,
được miêu tả bằng các dữ liệu đồ hoạ. Trong khi đó, tính chất các đối tượng này được
miêu tả bằng các dữ liệu thuộc tính.
Page 25
