Nghiên cứu phát triển phần mềm tích hợp GPS và cảm biến trên điện thoại cho các phương tiện đường thuỷ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TR

ĐẠ

Ọ

Ệ

----------

VŨ QUA

TẠO

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM TÍCH HỢP GPS
VÀ CẢM BIẾ
TRÊ Đ ỆN THOẠ O Á P Ơ TIỆ Đ NG
THỦY

U

V

T Ạ S

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THU T Đ ỆN TỬ VIỄN THÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Ộ – 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TR

ĐẠ

Ọ

Ệ

----------

VŨ QUA

TẠO

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM TÍCH HỢP GPS
VÀ CẢM BIẾ
TRÊ Đ ỆN THOẠ O Á P Ơ TIỆ Đ NG
THỦY

U

V

T Ạ S

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THU T Đ ỆN TỬ VIỄN THÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Ộ – 2019

ĐẦU
Hiện nay, để xác định vị trí tàu/thuyền thì thiết bị chủ yếu là định vị vệ
tinh ( Phổ biến nhất là GPS). Sai số của phương pháp định vị GPS chủ yếu là do
6 nguyên nhân dưới đây (không kể sai số nhân tạo SA đã được ra lệnh tắt): 1)
Dữ liệu Ephemeris; 2) Đồng hồ vệ tinh; 3) Trễ ở tầng điện ly; 4) Trễ ở tầng đối
lưu; 5) Nhiễu đa đường; 6) Máy thu (bao gồm cả phần mềm, tâm pha anten). Có
thể thấy rõ trong những điều kiện thời tiết xấu thì tín hiệu GPS thường yếu thậm
chí mất tín hiệu GPS làm cho quá trình định vị bị gián đoạn. Thông thường, để
hỗ trợ cho GPS thì một trong những giải pháp đó là sử dụng hệ thống dẫn đường
quán tính (INS). INS có 2 ưu điểm nổi bật khi so sánh với các hệ thống dẫn
đường khác là khả năng hoạt động tự trị và độ chính xác cao trong những
khoảng thời gian ngắn. Sự kết hợp GPS và INS là lý tưởng nhất vì INS sẽ hỗ trợ
cho GPS rất hiệu quả. Trái tim của hệ thống tích hợp này chính là bộ lọc tối ưu
bộ lọc bù.
Smartphone hay nói cách khác là điện thoại thông minh, đang trở nên rất
phổ biến trong những năm trở lại đây. Ban đầu điện thoại thông minh bao gồm
các tính năng của điện thoại di động thông thường kết hợp với các thiết bị phổ
biến khác như hệ thống định vị toàn cầu GPS, cảm biến la bàn từ, cảm biến quán
tính (dùng để xây dựng hệ INS từ cảm biến này) đã được tích hợp sẵn trong
máy.
Thay vì phải trang bị các thiết bị đơn lẻ là la bàn điện tù, thiết bị giám sát
hành trình dung thì học viên đề xuất sử dụng điện thoại thông minh như là một
thiết bị tích hợp thông tin định vị, xác định vận tốc , hướng lái cho các phương
tiện đường thủy.
Trong luận văn này, mục tiêu là bước đầu xây dựng một ứng dụng phục vụ
cho giao thông đường thủy nội địa nên luận văn chủ yếu hướng tới việc nghiên
cứu thuật toán, cách sử dụng các công cụ bộ lọc, xử lý tín hiệu.Hơn nữa, do hạn
chế về thời gian và cơ sở vật chất, các thí nghiệm kiểm thử và kết quả tạm thời
được thực hiện trên đường bộ.

1


Ả

Ơ

Xuất phát từ những ý nghĩa thực tế hỗ trợ các phương tiện giao thông
đường thủy, luận văn là kết quả của quá trình nghiên cứu lý luận và thực tiễn của
cá nhân tác giả dựa trên sự chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Trần Đức
Tân. Thầy đã không quản khó khăn, thời gian, công sức để giúp tôi hoàn thành
luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Đức Tân. Được
thầy hướng dẫn là một vinh hạnh lớn của cá nhân tác giả, bởi lẽ thầy là một nhà
giáo trẻ, mẫu mực, say mê nghiên cứu khoa học, là người có phương pháp
nghiên cứu, có nhiều đóng góp cho sự nghiệp nghiên cứu khoa học .
Tôi c ng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo và bạn b trong lớp K23
chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện Tử – Viễn Thông, Trường Đại Học
Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã có những nhận x t, góp ý cho luận văn
này của tôi.
Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ một phần của đề tài khoa học mã số DT194031
trong quá trình tôi thực hiện luận văn này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tôi, cơ quan tôi đang công
tác, những người đã tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu. Gia đình là
động lực cho tôi vượt qua những thử thách, luôn luôn ủng hộ và động viên tôi
hoàn thành luận văn này.

2

A

ĐOA

Tôi xin cam đoan luận văn này là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm
hiểu của cá nhân dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo của các thầy hướng dẫn, thầy cô
trong bộ môn, trong khoa và các bạn b . Tôi không sao ch p các tài liệu hay các
công trình nghiên cứu của người khác để làm luận văn này.
Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2019
HỌC VIÊN

Vũ Quang Tạo

3


MỤC LỤC
LỜI N I Đ U ........................................................................................................

1

LỜI CẢM N .........................................................................................................

2

LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................

3

DANH MỤC C C K HI U V CHỮ VI T TẮT .............................................

6

DANH MỤC H NH ẢNH ......................................................................................

7

DANH MỤC BẢNG...............................................................................................

9

CHƯ NG I. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUY T.................................................... 10
1.1.

T

M QUAN TRỌNG CỦA ĐỊNH VỊ TRÊN GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY

....... 10

1.1.

TỔNG QUAN VỀ H THỐNG ĐỊNH VỊ TO N C U GPS ............................. 11
1.1.1 Lịch sử phát triển ...................................................................... 11
1.1.2 Cấu trúc hệ thống GPS .............................................................. 12
1.3. NGUYÊN L ĐỊNH VỊ GPS .................................................................... 15
1.3.1. Nguyên lý định vị tuyệt đối ........................................................ 15
1.3.2. Nguyên lý Định vị tương đối ..................................................... 16
1.3.3. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS ................................... 17

CHƯ NG II. C C TH NH PH N ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ỨNG DỤNG21
2.1.

TH

NH PH N PH N CỨNG

.................................................................... 21

2.1.1 Cảm biến gia tốc (Accelerometer) trên điện thoại .................... 21
2.1.2. Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope) trên điện thoại .... 23
2.1.3. Cảm biến la bàn (Compass): ..................................................... 24
2.2.
TH NH PH N PH N MỀM...................................................................... 25
2.2.1. Hệ điều hành Android ............................................................... 25
2.2.2 Google APIs - Giao diện lập trình ứng dụng ............................ 26
2.2.3 Google Location Service API – Lấy vị trí trên thiết bị Android 26
2.3
C C THUẬT TO N ................................................................................ 27
2.3.1. Bộ lọc bù .................................................................................... 27
2.3.2. Xác định va chạm ...................................................................... 30
2.3.3 Lưu lại các hành trình đã đi ...................................................... 32
2.4.
C C TÍNH NĂNG CỦA H THỐNG........................................................... 33
2.4.1. Định vị vị trí phương tiện .......................................................... 33
2.4.2. Lưu lại hành trình trong khoảng thời gian nhất định ............... 34
2.4.3. Lưu lại lịch sử đường đi ............................................................ 35
4

2.4.4.

Cảnh báo va chạm
...36

CHƯ NG III. K T QUẢ VÀ NHẬN XÉT.........................................................37
3.1.
3.3.

KHẢO S T THỰC NGHI M BỘ LỌC BÙ.....................................................37
C C TÍNH NĂNG CỦA PH N MỀM ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC.....................................45

K T LUẬN...........................................................................................................51
HƯỚNG PHÁT TRIỂN........................................................................................52
TÀI LI U THAM KHẢO.....................................................................................53

5


A
Ký hiệu

Ụ

Á

ỆU V

ỮV ẾTT T

nghĩa Tiếng Anh

nghĩa Tiếng Việt

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

TND

Inland Waterway

Thủy nội địa

NAVSTAR Navigation
Satellite Điều hướng về tinh thời gian
Timing and Ranging
và định vị
ECEF

Earth-Centered, Earth Fixed

Hệ tọa độ chuẩn địa tâm

DOP

Dilution of precision

Suy giảm độ chính xác

IIR

Infinite Impulse Response

Đáp ứng xung

API

Application
Interface

RMS

Root Mean Square

Programming Giao diện lập trình ứng dụng
Căn bậc hai của tổng bình
phương

6


A
Ụ
ẢNH
Hình 1. 1: Giao thông đường thủy Việt Nam phức tạp ....................................... 10
Hình 1. 2: Ứng dụng công nghệ GPS vào phương tiện đường thủy ................... 11
Hình 1. 3: Các thành phần cơ bản của GPS ........................................................ 13

Hình 1. 4: Vệ tinh xung quanh trái đất ...............................................................13
Hình 1. 5: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS ........................ 14
Hình 1. 6: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS ....................... 15
Hình 1. 7: Phương pháp định vị tương đối .......................................................... 17
Hình 1. 8: Hiện tượng đa truyền ........................................................................

19

Hình 2. 1: Mô hình cảm biến gia tốc của SmartPhone ..................................... 21
Hình 2. 2: Khối lượng vật thể chuyển động sinh ra dòng điện .......................... 22
Hình 2. 3: Ba trục cảm biến gia tốc ....................................................................

23

Hình 2. 4: Ba hướng góc của cảm biến con quay hồi chuyển ........................... 24
Hình 2. 5: Cảm biến la bàn trên Android ........................................................... 25
Hình 2. 6: Thị phần các hệ điều hành điện thoại trên thế giới vào năm 2017 .... 26
Hình 2. 7: Dịch vụ vị trí của Google “Google Location Serivices API” ............ 27
Hình 2. 8: Mô hình bộ lọc bù ..............................................................................

29

Hình 2. 9: Lưu đồ hoạt động của bộ lọc bù ......................................................... 30
Hình 2. 10: Lưu đồ thuật toán xác định va chạm ................................................ 32
Hình 2. 11: Lưu đồ thuật toán lưu hành trình đã đi ............................................ 33
Hình 2. 12: Xác định vị trí người dùng ...............................................................34
Hình 2. 13: Bắt đầu và dừng lại ghi hành trình ................................................... 34
Hình 2. 14: Vẽ lại hành trình đã đi ......................................................................

35

Hình 2. 15: Lưu lại lịch sử các hành trình ........................................................... 36
Hình 2. 16: Tính năng cảnh báo va chạm ........................................................... 36

Hình 3. 1: Góc hướng của thiết bị sau khi qua bộ lọc trong trường hợp đứng yên,
tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ..................................................... 37
Hình 3. 2: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di
chuyển trên đường thằng, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ........... 38
7


Hình 3. 3: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di
chuyển trên đường tròn, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) .............. 39
Hình 3. 4: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp
quay quanh tâm của thiết bị, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ....... 39
Hình 3. 5: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di
chuyển trên hình chữ nhật quay 3 lần, tần số lấy mẫu f s = 50Hz (Nokia x6, API
28)........................................................................................................................ 40

Hình 3. 6: Tín hiệu ba trục Ax, Ay, Az thu được từ cảm biến gia tốc trong điện
thoại trước khi tiền xử lý. Trạng thái lấy mẫu là điện thoại để yên trên mặt bàn,
tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ..................................................... 41
Hình 3. 7: Tín hiệu ba trục Ax, Ay thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại
trước khi tiền xử lý. Trạng thái lấy mẫu là điện thoại để yên trên mặt bàn, tần số
lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ................................................................ 41
Hình 3. 8: Tín hiệu ba trục Ax, Ay, Az thu được từ cảm biến gia tốc trong điện
thoại sau khi đi qua bước tiền xử lý. Ba đường màu xanh, đỏ cam lần lượt là tín
hiệu Ax, Ay, Az, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ......................... 43
Hình 3. 9: Tín hiệu Ax, Ay thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại sau khi
đi qua bước tiền xử lý, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ................ 43

Hình 3. 10: Sự thay đổi của gia tốc theo 3 trục Ax, Ay, Az khi xảy ra va chạm,
tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ..................................................... 44
Hình 3. 11: Sự thay đổi của RMS khi xảy ra va chạm, tần số lấy mẫu fs = 50Hz
(Nokia x6, API 28) .............................................................................................. 45
Hình 3. 12: Một số quyền mà BoatSafe cần được cung cấp ............................... 46
Hình 3. 13: So sánh độ chính xác BoatSafe với Google Map ............................ 46
Hình 3. 14: Lấy các dữ liệu cần thiết .................................................................. 47
Hình 3. 15: Lưu lại và vẽ lại các hành trình đã đi ............................................... 47
Hình 3. 16: Đoạn đường mất kết nối với GPS được thể hiện bằng đường thẳng
n t đứt .................................................................................................................. 48
Hình 3. 17: Chọn số điện thoại có sẵn trong danh bạ làm số gọi khẩn cấp ........ 49
Hình 3. 18: Người dùng bật chế độ cảnh báo va chạm nếu cần .......................... 49
Hình 3. 19: Khi gặp va chạm, thiết bị sẽ xuất hiện dialog xem người dùng có
đang thật sự bị tan nạn hay không. ...................................................................... 50

8


A

Ụ

ẢNG

Bảng 1: Thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục......................20

9


Ơ

. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT

1.1. Tầm quan trọng của định vị trên giao thông đường thủy
Hiện nay, Việt Nam có khoảng 2.360 con sông và kênh đào với tổng
chiều dài là 220.000 km. Trong đó, có 19% (41.900 km) là lưu thông được và
7% (15.436 km) được quản lý và vận hành. Nhà nước Việt Nam quản lý 65
tuyến đường thủy ở khu vực phía Bắc, trong khi đó ở miền Trung là 21 tuyến
đường thủy và ở miền Nam là 101 tuyến đường thủy. Giao thông vận tải đường
thủy nội địa đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành nền kinh tế Việt Nam
với 2 đồng bằng châu thổ rộng lớn là đồng bằng châu thổ sông Hồng và đồng
bằng châu thổ sông Cửu Long [1].
Thực tế giao thông đường thủy tại Việt Nam là giao thông hỗn hợp, có cả
hàng hải, thủy nội địa, nhiều loại phương tiện cùng lưu thông trên sông, đặc biệt
là các khu vực có các cảng lớn như Hải Phòng, Quảng Ninh, đồng bằng sông
Cửu Long. Trong khi các loại tàu biển trong nước và nước ngoài luôn được trang
bị đầy đủ hệ thống hỗ trợ theo quy dịnh của Bộ luật hàng hải Việt Nam và tổ
chức Hàng hải quốc tế (IMO)….thì hầu hết các phương tiện thủy nội địa ở
nước ta chưa được trang bị một cách đầu đủ. Do vậy, rất khó quản lý một cách
tuyệt đối các phương tiện thủy nội địa. Hơn nữa, các phương tiện thủy nội địa
khi di chuyển chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người dân, theo phương pháp
truyền thống. Hơn nữa, dưới tác động của thời tiết, các phương tiện thủy nội địa
khi hoạt động sẽ vẫn gặp nguy cơ tai nạn rất cao khi không được trang bị các hệ
thống hỗ trợ. Do vậy, phương án đưa công nghệ định vị GPS vào giao thông
đường thủy được đề xuất.

Hình 1. 1: Giao thông đường thủy Việt Nam phức tạp1
1
3107.html

/>
10


Hệ thống dịch vụ GPS phục vụ cho công tác quản lý thông qua các giải
pháp tối ưu cho: các đội tàu đánh cá truyền thống trên cả nước, các đội tàu kiểm
ngư hỗ trợ cho ngư dân trong công tác quốc phòng [2], giúp các phương tiện
thủy nội địa lưu thông một cách dễ dàng và an toàn. Việc tích hợp hệ thống định
vị GPS dựa vào các cảm biển ngà càng trở nên phổ biến khiến việc giám sát tàu
thuyền trở nên đơn giản, tức thì và nhanh chóng.

Hình 1. 2: Ứng dụng công nghệ GPS vào phương tiện đường thủy2
Trong bài luận văn này, một phần mềm ứng dụng chạy trên nền tảng
Android sử dụng GPS và các thuật toán để người đi các phương tiện đường thủy
có thể di chuyển một cách hiệu quả và chính xác nhất .
1.2. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS
1.2.1. Lịch sử phát triển
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (NAVSTAR GPS - Navigation Satellite)
Timing and Ranging Global Poritioning System) là một hệ thống dẫn
đường vô tuyến điện toàn cầu được thành lập bởi bộ quốc phòng Hoa Kỳ, có
chức năng điều hướng, xác định vị trí, thông tin thời gian phục vụ cho các hoạt
động quân sự [6].
Sau này, hệ thống GPS được cho phép sử dụng cho cả mục đích dân sự,
và hiện nay, hệ thống đang được truy nhập bởi cả hai lĩnh vực quân sự và dân
sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chay đua
để đạt những hiệu quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên
dụng GPS. Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo

2 />
11

các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục
đích khác nhau.
GPS đã từng bao gồm một mạng lưới 24 vệ tinh hoạt động. Mạng lưới này
chính thức hoàn thành vào ngày 8-12-1993. Để đảm bảo vùng phủ sóng liên tục
trên toàn thế giới, các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho 4 vệ tinh sẽ nằm cùng
nhau trên 1 trong 6 mặt phẳng quỹ đạo. Với cách sắp xếp này sẽ có 4 đến 10 vệ
tinh được nhìn thấy tại bất kỳ điểm nào trên trái đất với góc ngẩng là
100 độ nhưng thực tế chỉ cần 4 vệ tinh là có thể cung cấp đầy đủ các thông tin
về vị trí.
Các quỹ đạo vệ tinh GPS là những đường vòng, có dạng elip với độ lệch
tâm cực đại là 0.01, nghiêng khoảng 55 0 so với đường xích đạo. Độ cao của các
vệ tinh so với bề mặt trái đất là khoảng 20.200 km, chu kỳ quỹ đạo các vệ tinh
GPS khoảng 12 giờ (11 giờ 58 phút). Hệ thống GPS được chính thức tuyên bố
có khả năng đi vào hoạt động vào ngày 17 -7-1995 với việc đảm bảo có tối thiểu
24 vệ tinh hoạt động. Trong thực tế, để GPS có khả năng hoạt động tốt, số lượng
vệ tinh trong mạng lưới GPS phải luôn luôn nhiều hơn 24 vệ tinh [3].
1.2.2. Cấu trúc hệ thống GPS
GPS gồm 3 phân vùng:

 Phần không gian (space segment): bao gồm các vệ tinh, chúng truyền
những tín hiệu cần thiết cho hệ thống hoạt động.
 Phần điều khiển (control segment): Các tiện ích trên mắt đất thực hiện
nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, tính toán quĩ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng
không gian.
 Phần người sử dụng (user segment): toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật
tính toán để cung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí.
Mô hình ba phần của GPS như hình:

12


Hình 1. 3: Các thành phần cơ bản của GPS 2
1.2.2.1. Phần không gian (space segment)
Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm:
 Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển.
 Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ
tinh.
 Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số

Hình 1. 4: Vệ tinh xung quanh trái đất 3
Các thế hệ vệ tinh GPS được đánh số Block I, II, IIA, IIR, IIF.
Thế hệ vệ tinh đầ tiên là Block I được xây dựng bởi Rockwell
International Corporation, Block II và IIA c ng do công ty này xây dựng nhưng
3 />
13


nặng đến 900 kg. Tuổi thọ của chúng khoảng 7.5 năm. Sự thay thế các vệ tinh
Block II/IIA bằng Block IIR bắt đầu từ năm 1996. Những vệ tinh này công ty
General Electric xây dựng. Block IIF vẫn đang trong giai đoạn thiết kế và dự
định phóng lên quĩ đạo từ năm 2005.
1.2.2.2. Phần điểu khiển (control segment)
Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS c ng
như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS. Phần điều khiển có
5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:






Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục
Quy định thời gian hệ thống GPS
Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh
Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể.
Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado

Springs bang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và
ba trạm ăng ten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS. Bản đồ
trong Hình 1.4 - cho biết vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS.
Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang Florida, Mỹ) và một
mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặc tính và dữ liệu thời
gian thực.

Hình 1. 5: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 3
1.2.2.3. Phần người dùng (user segment)
Thiết bị của người sử dụng GPS là các máy thu bao gồm:
 Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách).
 Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng).
 Các quá trình điều hành.
14


1.3.

guyên lý định vị GPS

Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo. Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể
của việc xác định toạ độ người ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản: Định vị

tuyệt đối và định vị tương đối.
1.3.1. Nguyên lý định vị tuyệt đối
Nguyên lý định vị tuyệt đối của GPS là lấy tâm trái đất làm gốc tọa độ,
xác định vị trí ăng ten của máy tiếp nhận ở trong hệ tọa độ WGS-84 [7]. Do
trong quá trình định vị chỉ cần dùng đến một máy tiếp nhận, nên được gọi là
cách khác là định vị đơn điểm.
Nguyên lý cơ bản của phương pháp định vị tuyệt đối là lấy khoảng cách
đo được giữa vệ tinh và ăng ten của máy tiếp nhận làm chuẩn, dựa vào tọa độ đã
biết của vệ tinh ở ngay thời điểm đấy để xác định vị trí của máy thu ở trên mặt
đất. Phương pháp định vị tuyệt đối của GPS thực chất là phương pháp không
gian giao hội nghịch [8]. Do đó ở mỗi máy thu, chỉ cần lấy được ba khoảng cách
từ máy thu đến ba vệ tinh khác nhau là được. Nói cách khác, máy thu sẽ giao
của ba đường tròn có tâm là các vệ tinh và bán kính là khoảng cách từ vệ tinh
đến máy thu.

Hình 1. 6: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 4
Để xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh, ta sử dụng công thức sau
d = V. ∆ t
trong đó :
4 />
15

(1)


V: Vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng
∆t: Là thời gian sngs điện từ di từ vệ tinh đến máy thu.
Tuy nhiên GPS được áp dụng nguyên tắc tính khoảng cách một chiều, vì
thế có sự sai số giữa đồ hồ đo của máy thu và vệ tinh. Hơn nữa, khoảng cách từ
vệ tinh đến máy thu tương đối xa, dẫn đến sự sai lệch về thời gian gọi là khoảng

cách giả (Pseudo range) [9]. Sai số của đồng hồ vệ tinh có thể được điều chỉnh
bởi những bức điện dẫn đường (chứa các thông tin định vị như thông tin hành
trình của vệ tinh, trạng thái hoạt động, thời gian đã sửa, khoảng cách bị chậm ở
tầng điện li đã sửa, sự khúc xạ ở tầng khí quyển đã sửa vv..)”, tuy nhiên đối với
đồng hồ của máy tiếp nhận rất khó để có thể dự báo trước và sửa thông số. Vì
thế, coi thông số thời gian này như một tham số cùng với các tham số tọa độ của
máy tiếp nhận là các ẩn phải tìm. Do đó ở bất kì một máy tiếp nhận tín hiệu GPS
nào trên mặt đất nếu muốn xác định tọa độ của máy đó thì lúc nào c ng phải giải
hệ phương trình bốn ẩn (ba ẩn là ba hệ tọa độ của máy và một ẩn là sai số thời
gian), tức là ít nhất phải xác định bốn khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy tiếp
nhận. Điều này có nghĩa là ở một điểm bất kì phải ít nhất có bốn vệ tinh cùng
theo dõi
1.3.2. Nguyên lý Định vị tương đối
Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt tại hai
điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian ( ∆X,
∆Y, ∆Z ) hay hiệu tọa độ mặt cầu ( ∆B, ∆L, ∆H ) giữa chúng trong hệ tọa độ
WGS – 84.
Nguyên lý đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng
đo là pha của sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác
định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm x t người ta đã tạo và sử
dụng các sai phân khác nhau cho pha tải nhằm làm giảm ảnh hưởng của các
nguồn sai số khác nhau như: Sai số đồng hồ vệ tinh c ng như trên máy thu, sai số
tọa độ vệ tinh, sai số nguyên đa trị…

16


Hình 1. 7: Phương pháp định vị tương đối
Số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thường nhiều hơn 4, có khi lên tới
10 vệ tinh. Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo.

Không những thế khi đo tương đối các vệ tinh lại được quan sát trong một
khoảng thời gian tương đối dài, thường từ nửa giờ đến vài ba giờ. Do vậy trên
thực tế số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm quan sát sẽ là rất
lớn và khi đó số liệu đo sẽ được xử lý theo nguyên tắc bình phương nhỏ nhất.
Độ chính xác tương đối đạt cỡ cm, và chủ yếu áp dụng trong trắc địa.
1.3.3. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS
C ng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ
thống GPS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau.
- Sai số đo đồng hồ
Đồng hồ của vệ tinh, đồng hồ máy thu luôn có sự sai số, thêm vào đó, có
là do khoảng cách quá xa giữ máy thu và vệ tinh dẫn đến sự không đồng bộ của
chúng.
Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó
nếu phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chính
cho máy thu GPS biết để xử lý [10]. Để làm giảm ảnh hưởng của sai số đồng hồ
của cả vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh c ng
như giữa các trạm quan sát.
- Sai số quỹ đạo vệ tinh
Tọa độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh. Người ta
sử dụng phải dựa vào lịch thông báo tọa độ vệ tinh mà theo lịch tọa độ vệ tinh có
thể bị sai số.
17


Do vậy nếu sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị
tốt hơn. Có hai phương án nhằm hoàn thiện thông tin quỹ đạo vệ tinh:
+ Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm những
điểm chuẩn để tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh dành cho công tác đo đạc đặc biệt.
+ Thu nhận lịch vệ tinh chính xác từ Dịch vụ địa học GPS Quốc tế (The
International GPS Service for Geodynamics – IGS) [11].

- Ảnh hưởng của tầng ion
Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường
trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 – 500 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối
với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ
truyền qua nó. Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán
sắc của tầng ion [11].
Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion, trị đo giải trừ do đó việc định vị
có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài.
- Ảnh hưởng của tầng đối lưu
Tầng đối lưu có độ cao đến 8km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối
với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi. Do vậy số cải chính mô hình khí quyển
phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số, chiết
suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt
và khô, ảnh hưởng của chiết suất khô được tạo thành mô hình loại trừ nhưng ảnh
hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại bỏ trong trị đo
GPS [10].
- Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ
Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải thu được tín hiệu ít nhất 4 vệ
tinh tức là phải có tầm nhìn thông tới các vệ tinh đó.
Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua
mây mù, song không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật cản che chắn. Do
vậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác
đo GPS.
Khi sử dụng trị đo pha cần phải đảm bảo thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên
tục nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu. Tuy nhiên có trường hợp
ngay cả khi vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu,
trường hợp đó có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu vẫn
không đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả
định vị. Do đó cần phải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu
18

GPS. Một số máy thu có thể nhận biết sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh
tương ứng khi xử lý số liệu. Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GPS có thể
dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ.
- Hiện tượng đa đường
Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten mà bị khúc xạ hoặc
phản xạ qua một vật nào dó xung quanh. Do vậy, dẫn đến kết quả đo bị sai lệch
về khoảng cách và thời gian. Để khắc phục được hiện tượng này, anten phải có
tầm nhìn vệ tinh thông thoáng một góc thích hợp để giảm ảnh hưởng bất lợi của
chiết quang khí quyển và hiện tượng đa truyền [13]

Hình 1. 8: Hiện tượng đa truyền 5
Hầu hết anten GPS gắn bản dạng phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ từ
dưới mặt đất lên.
- Sự suy giảm độ chính xác ( OPs) do đồ hình các vệ tinh
Việc định vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào
điểm gốc là vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu GPS.
Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh cần phải có sự
phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo. Chỉ số mô tả đồ
hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ chính xác - hệ số DOP (Delution of
Precision). Chỉ số DOP là số nghịch đảo thể tích của khối tỷ diện tạo thành giữa
các vệ tinh và máy thu. Chỉ số này chia ra thành các loại sau:
+ PDOP chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP).
+ TDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Teme DOP).
+ HDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP).
+ V DOP là chỉ số phân tán độ chính xác về độ cao (Vertical DOP).
5Lawrence R. Weil, "Conquering Multipath: The GPS Accuracy Battle", 1997 GPS world

19

+ G DOP là chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP).
Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số PDOP đạt xấp xỉ 2,5 với
xác xuất 90% thời gian. Đồ hình vệ tinh đạt yêu cầu với chỉ số P DOP < 6. [4]
- Tâm pha của anten
Tâm pha là một điểm nằm bên trong, ở nhà máy chế tạo anten đã được
kiểm định sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó, tuy nhiên tâm pha
thay đổi vị trí phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh, ảnh hưởng này có thể kiểm định
trước khi đo hoặc sử dụng mô hình tâm pha ở giai đoạn tính xử lý. Quy định cần
phải tuân theo là khi đặt anten cần dóng theo cùng một hướng và tốt nhất là sử
dụng cùng một loại anten cho cùng một ca đo.
Bảng 1: Thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục
Nguồn lỗi

Biện pháp xử lý

1. Phụ thuộc vệ tinh
-

Ephemeris

Ephemeris chính xác

-

Đồng hồ vệ tinh

Sai phân bậc một

-

Đồ hình vệ tinh

Chọn thời gian đo có POP < 6

2. Phụ thuộc đường tín hiệu
-

Tầng ion

Dùng máy hai tần số

-

Tầng đối lưu

Lập mô hình

-

Số đa trị nguyên

Xác điịnh đơn trị, sai phân bậc ba

-

Trượt chu kì

Tránh vật cản, sai phân bậc ba

-

Đa tuyến

Tránh phản xạ, ngưỡng góc cao

3. Phụ thuộc máy thu
-

Chiều cao Anten

Do 2 lần khi đo độ cao Antten

-

Cấu hình máy thu

Chú ý khi lắp đặt

-

Tâm pha Anten

Anten chuẩn đặt quay về một hướng

-

Nhiễu điện từ

Tránh bức xạ điện từ

-

Tọa độ quy chiếu

Khống chế chính xác, tin cậy

-

Chiều dài cạnh

Bố trí cạnh ngắn
20


Ơ

. CÁC THÀNH PHẦ Đ ỢC SỬ DỤNG TRONG ỨNG
DỤNG

2.1. Thành phần phần cứng
2.1.1 Cảm biến gia tốc (Accelerometer) trên điện thoại
Tất cả các điện thoại thông minh đều có cảm biến gia tốc, cảm biến gia
tốc giúp cho điện thoại có thể nhận diện được hướng xoay của máy.
Cảm biến gia tốc bao gồm khoang chứa Housing (màu trắng) được gắn
liền vào vật thể chuyển động Seismic Mass (màu xanh lam) và các chân cố định
(màu xanh lá). Dọc theo Seismic Mass được phủ một lớp silicon. Chuyển động
của SmartPhone được đo bằng cách đo chuyển động của lớp silicon dọc này.

Housing

Seismic

Hình 2. 1: Mô hình cảm biến gia tốc của SmartPhone 6
Khi điện thoại chuyển động, khối lượng vật thể c ng sẽ chuyển động theo.
Hình 2.2 a minh họa chuyển động của cảm biến theo chiều X. Trong thiết kế
Chip, với chỉ cùng một khối lượng vật thể chung, chuyển động theo chiều Y
c ng được xác định tương tự nhờ vào các chân cố định vuông góc với các chân
cố định mà dùng để đo chuyển động theo trục X. Tiếp đó, lật con Chip đi 1 góc
90 độ thì các chân cố định dùng để đo chuyển động theo trục Y này sẽ được
dùng để đo chuyển động theo trục Z. Sau khi xuất hiện sự chuyển động của vật
thể, một đầu chân của chiếc lược trung tâm và hai chân được gắn trên khoang
chứa sẽ tạo nên 3 phần của một cặp tụ điện biến thiên như được chỉ ra ở hình
6 />
21


2.2b. Khi đó khoảng cách ban đầu giữa chân lược và hai chân được coi như hai
điện cực cố định sẽ thay đổi dẫn tới điện dung của hai tụ điện thay đổi (vì điện
dung của tụ tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bản tụ). Điện dung thay đổi
làm điện thế thay đổi theo. Vì thế mà việc nhận diện các dòng điện được sản
sinh khi vật thể chuyển động sẽ chỉ ra được chuyển động của Smartphone [14].

Sensor (Measures Capacitance Change)

a) Sự chuyển động của khối lượng vật thể b) Tụ điện biến thiên
Hình 2. 2: Khối lượng vật thể chuyển động sinh ra dòng điện 7
Khi không có gia tốc khoảng cách giữa các điện cực bằng nhau. Khi có sự
thay đổi gia tốc từ bên ngoài thì chênh lệch điện dung giữa hai tụ làm thay đổi

tín hiệu đầu ra. Tuy nhiên, nếu chỉ có một cặp tụ điện như này thì sự thay đổi
khá nhỏ của tụ điện khi vật chuyển động sẽ làm cho cảm biến khó phát hiện
đúng. Cho nên bắt buộc phải sử dụng nhiều điện cực và khối lượng vật thể bằng
cách tất cả được kết nối bằng một cấu hình song song. Cấu hình này cho phép
thay đổi điện dung nhiều hơn dẫn tới cảm biến cảm nhận chuyển động chính xác
và nhạy b n hơn.
Khi thiết bị đặt trên bàn với mặt hình hướng lên trên thì máy đo gia tốc sẽ
có giá trị là -1g theo chiều Z, và là 1g nếu ặt điện thoại úp xuống. Còn nếu chiếc
điện thoại được giữ thẳng đứng thì giá trị sẽ là -1g theo trục Y và xoay ngược lại
thì sẽ là 1g. Tương tự nếu để màn hình điện thoại trước mặt rồi xoay về phía bên
trái 90 độ thì trục X có giá trị là 1g và ngược lại nếu quay về bên phải sẽ là -1g (
g là gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s2). Cảm biến gia tốc có phạm vi ứng dụng
rất lớn nên thu hút được nhiều quan tâm nghiên cứu [27][28].

7 />
22


Hình 2. 3: Ba trục cảm biến gia tốc

7

2.1.2. Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope) trên điện thoại
Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương
hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng. Nó sẽ đo tốc độ
thay đổi góc của điện thoại khi được tích hợp cảm biến. Cảm biến này sẽ nhận
diện các chuyển động quay theo ba hướng nghiêng (Pitch), cuộn (Roll) và xoay
(Yaw) như hình vẽ 2.4 dưới. Hoạt động của GyroScope dựa trên hiệu ứng
Coriolis [15]. Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong các hệ qui chiếu quay
so với các hệ qui chiếu quán tính.

23