Công nghệ định vị toàn cầu GPS bắt đầu được giới thiệu và ứng dụng vào Việt Nam từ giữa những năm 1990 nhưng phần lớn dùng để phục vụ cho việc thu thập số liệu tọa độ chính xác của các đ
Trang 1KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
BÁO CÁO KĨ THUẬT CHUYÊN ĐỀ VIỄN THÔNG
ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH
VỊ VỆ TINH GPS
GIÁO VIÊN HƯỚNG ĐẪN: PGS.TS NGUYỄN TẤN HƯNG
SINH VIÊN THỰC HIỆN: LÊ TRƯƠNG VIỆT HÙNG
TRẦN QUỐC HOÀN
Đà Nẵng, tháng 5 năm 2021
Trang 2MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS 3
1.1 Giới thiệu về công nghệ định vị vệ tinh GPS 3
1.2 Thành phần cơ bản của hệ thống GPS 3
1.2.1 Bộ phận không gian 4
1.2.2 Bộ phận điều khiển 5
1.2.3 Bộ phận người dùng 5
CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DỊCH VỤ ĐỊNH VỊ GPS 7
2.1 Nguyên lý hoạt động của GPS 7
2.1.1 Ý tưởng định vị của GPS 7
2.1.2 Nguyên lý hoạt động 7
2.2 Thành phần tín hiệu GPS 8
2.3 Độ chính xác của hệ thống GPS 9
CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA GPS 10
3.1 Các ứng dụng của GPS 10
3.2 Những nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS 12
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 14
Trang 3CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS 1.1 Giới thiệu về công nghệ định vị vệ tinh GPS.
Như chúng ta đã biết, hiện nay, GPS (Global Positioning System ) – công nghệ
định vị toàn cầu là công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới nói chung và
ở Việt Nam nói riêng GPS có khả năng cung cấp thông tin rất chính xác về vị trí của mọi vật trên bề mặt Trái Đất trong mọi thời điểm trong ngày, dưới mọi điều kiện thời tiết
Công nghệ định vị toàn cầu GPS bắt đầu được giới thiệu và ứng dụng vào Việt Nam từ giữa những năm 1990 nhưng phần lớn dùng để phục vụ cho việc thu thập số liệu tọa độ chính xác của các điểm trắc địa gốc để làm cơ sở phát triển các lưới trắc địa cấp thấp hơn Trong những năm gần đây, với việc xuất hiện các thiết bị đo GPS nhỏ gọn, đơn giản và giá rẻ, việc áp dụng công nghệ GPS vào công tác thu thập thông tin vị trí càng trở nên phổ biến Đặc biệt hơn là khi nó được kết hợp với các công nghệ khác như công nghệ GIS và hệ thống viễn thông thì thực sự đã mang lại một cuộc cách mạng trong cuộc sống hiện nay
GPS xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí bất kỳ trên trái đất nếu xác định được khoảng cách đến tối thiểu
ba vệ tinh thì ta có thể tính được tọa độ của vị trí đó GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, liên tục suốt 24 giờ
GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch
1.2 Thành phần cơ bản của hệ thống GPS.
Hệ thống định vị GPS bao gồm 3 bộ phận: bộ phận người dùng, bộ phận không gian và bộ phận điều khiển
Trang 4Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn
cầu 1.2.1 Bộ phận không gian.
Bộ phận không gian gồm 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh Trái Đất Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km Chúng chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4
vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào
Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời Chúng có các nguồn pin
dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định
1.2.2 Bộ phận điều khiển.
Trang 5Bao gồm 5 trạm kiểm soát và thu dữ liệu, 1 trạm điều khiển trung tâm, 3 trạm truyền số liệu:
Năm trạm kiểm soát và thu dữ liệu: được đặt tại Hawaii, Colorado Springs,
Ascension Islands, Diego Garcia và Kwajalein Trạm kiểm soát và thu dữ liệu
có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát sự hoạt động và tính toán quỹ đạo của chúng
Mỗi trạm được trang bị các máy thu tín hiệu mã P, liên tục theo dõi khoảng cách đến tất cả các vệ tinh quan sát được Sau đó, kết quả hiệu chỉnh của năm trạm này được gửi về trạm điều khiển trung tâm
Vị trí của các trạm kiểm soát và thu dữ liệu
Trạm điều khiển trung tâm: được đặt tại căn cứ không quân của Mỹ gần
Colorado Springs, có nhiệm vụ nhận dữ liệu của năm trạm kiểm soát để xử lý, tính ra lịch tọa độ vệ tinh chính xác và tính các số hiệu chỉnh đồng hồ của từng
vệ tinh Ngoài ra, trạm này còn điều khiển các số hiệu chỉnh quỹ đạo của từng
vệ tinh và điều khiển việc thay thế các vệ tinh đã ngừng hoạt động bằng các vệ tinh dự phòng
Ba trạm truyền số liệu: được đặt tại Ascension Islands, Diego Garcia và
Kwajalein; có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ trạm điều khiển trung tâm gửi lên các
vệ tinh, đồng thời ra các lệnh điều khiển vệ tinh đi đúng quỹ đạo định trước
1.2.3 Bộ phận người dùng.
Bộ phận người dùng là thiết bị thu tin hiệu GPS và người sử dụng những thiết
bị này Thiết bị thu tin hiệu GPS là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc biệt Nó được thiết kế để thu tín hiệu sóng vô tuyến được truyền từ các vệ tinh và tính toán vị trí dựa trên thông tin đó Thiết bị thu tin hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau
Trang 6Tính chất và giá cả của các Thiết bị thu tin hiệu GPS nói chung lệ thuộc vào chức năng mà bộ phận thu nhận có ý định Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải
và hàng không thường sử dụng cho tính năng giao diện với thẻ nhớ chứa bản đồ đi biển Bộ phận thu nhận dùng cho bản đồ khả năng chính xác rất cao và có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận dữ liệu nhanh chóng
Trang 7CHƯƠNG II: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DỊCH VỤ
ĐỊNH VỊ GPS 1.
2.
1.
2.
2.1 Nguyên lý hoạt động của GPS.
2.1.1 Ý tưởng định vị của GPS.
Ý tưởng định vị của hệ thống GPS
Theo nguyên tắc thông thường thì để xác định vị trí của 1 vật nào đó ta cần xác định được khoảng cách của chúng tới các vật chuẩn khác, ví dụ như khi ta lạc đường, một người chỉ cho ta biết rằng anh đang cách Hà Nội 15Km, ta chỉ biết được là đang nằm đâu đó trong trên đường tròn bán kính 50Km quanh Hà nội, nếu 1 người khác bảo là ta cách Hải Phòng 50Km thì ta xác định được 2 vị trí bằng cách cho 2 đường tròn cắt nhau, và nếu 1 người khác lại cho ta biết rằng vị trí đó cách Bắc Ninh 10 Km thì ta sẽ xác định được chính xác vị trí của mình GPS cũng sử dụng nguyên tắc đó để xác định vị trí, tuy nhiên trong không gian, 3 mặt cầu cắt nhau cho ra 2 điểm, nếu sử dụng trái đất là mặt cầu thứ tư thì sẽ xác định được vị trí của mình Tuy nhiên việc sử dụng như vậy sẽ bỏ qua cao độ vì vậy mà cần 4 vệ tinh để xác định được vị trí chính xác của bạn
4 vệ tinh đó sẽ cho bạn biết khoảng cách của bạn đến nó bằng công thức quãng đường bằng thời gian sóng điện từ truyền nhân với vận tốc sóng truyền, mà vận tốc sóng truyền tính bằng vận tốc ánh sáng và thời gian truyền thì được mã hóa rồi gửi đến máy thu
2.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động.
GPS sử dụng nguyên tắc hướng thẳng tương đối của hình học và lượng giác học Mỗi vệ tinh liên tục phát và truyền dữ liệu trong quỹ đạo bay của nó cho tất cả các chòm sao vệ tinh cộng thêm dữ liệu đến kịp thời và thông tin khác Do đó, mỗi thiết bị GPS nhận sẽ liên tục truy cập dữ liệu quỹ đạo chính xác từ vị trí của tất cả vệ tinh có thể tính toán bằng các vi mạch có trên tất cả các GPS nhận Từ đó tín hiệu
Trang 8hoặc sóng vô tuyến di chuyển ở vận tốc hằng số (thường bằng vận tốc ánh sáng – C ), các thiết bị GPS thu có thể tính toán khoảng cách liên quan từ GPS đến các vệ tinh khác bằng cách máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian mà thiết bị GPS thu nhận được tín hiệu do các vệ tinh pháp Độ sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách xa vệ tinh bao nhiêu bằng cách lấy khoảng thời gian sai lệch nhân với tốc độ của sống vô tuyến Rồi với nhiều khoảng cách đo được tới nhiều vệ tinh khác nhau các thiết bị GPS thu tín hiệu có thể tính được vị trí của thiết bị GPS
Tính khoảng cách từ thiết bị GPS đến các vệ tinh
Tất cả máy thu GPS bắt buộc phải khoá được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để
có thể tính được vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Nếu thiết bị thu tín hiệu GPS có thể khóa được tín hiệu của bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy GPS có thể tính được vị trí theo 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 các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa
2.
2.1.
2.2 Thành phần tín hiệu GPS.
Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải L
là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân
sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà
L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên" (pseudo random), đó là mã Protected (P) và
mã Coarse/Acquisition (C/A) Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS
Hai loại mã được dùng là mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P-code
(precision code) Mỗi mã bao gồm một nhóm số nhị phân 0 và 1 gọi là các bit.
Trang 9Mã C/A: là 1 luồng bít nhị phân của 1023 số nhị phân và lặp lại bản
thân chúng trong mỗi giây Điều này có nghĩa là tốc độ chip của mã C/A là 1.023Mbps Việc đo đạc sử dụng mã C/A là kém chính xác so với mã P-code nhưng nó ít phức tạp và được cung cấp cho tất cả người sử dụng
Mã P-code: là 1 một chuỗi dài các số nhị phân ,nó lặp lại bản thân nó
sau 266 ngày, gồm 2.35x1014 chip mã dài 266 ngày được chia ra 38 đoạn;mỗi đoạn là 1 tuần.32 đoạn được phân chia tới các vệ tinh khác nhau Mỗi vệ tinh phát ra đoạn 1-tuần của mã P-code,chúng được khởi tạo vào nửa đêm nằm giữa thứ 7 và chủ nhật hàng tuần 6 đoạn còn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác Mã P-code được thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích quân sự
Mô hình tín hiệu GPS khi truyền
Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào là phát thông tin nào Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào
Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống
Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng
về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí
3.
4.
3.1
2.3 Độ chính xác của hệ thống GPS.
Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khoá vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ này, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng Tình trạng nhất định của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính
Trang 10xác của máy thu GPS Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét
Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Hệ Tăng Vùng Rộng, Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét Không cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS Người dùng cũng có thể có
độ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ
CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG CỦA GPS 3.1 Các ứng dụng của GPS.
Ứng dụng của GPS trong đời sống hiện nay thì nhiều vô kể, trên đất liền, trên biển và trên không Về cơ bản, GPS có thể sử dụng ở mọi nơi trừ những nơi không thể nhận được tín hiệu như bên trong tòa nhà, dưới tầng hầm, trong hang động…Có thể kể
ra một số ứng dụng cơ bản của GPS như:
Hàng không: người ta áp dụng GPS để điều hướng bằng máy bay thương mại
và hàng không bằng cách cung cấp tọa độ của máy bay theo thời gian thực cho phi công Từ đó phi công có thể xác định được vị trí bay, bản đồ hành trình cũng như quãng đường đi qua dựa trên cập nhật vị trí hoạt động của máy bay
Định vị GPS ứng dụng trong ngành hàng không
Hàng hải: tương tự như hàng không, GPS cũng giúp điều hướng tàu trên biển,
giúp thuyền trưởng xác định vị trí và phương hướng, phác thảo được bản đồ hành trình sắp đến
Trang 11Máy định vị GPS trong ngành hàng hải
Vận tải: đây là ngành chúng ta dễ dàng chứng kiến hiện nay GPS được các
công ty vận chuyển, dịch vụ vận tải áp dụng rất nhiều nhằm theo dõi tuyến đường và điều phối đội xe để vận chuyển hàng hóa, con người qua những chặng đường xa Gần gũi hơn chúng ta có thể thấy những hãng xe công nghệ như Grab, GoJek, Be… cũng thường xuyên cải thiện hệ thống GPS của mình
để chở khách trong khu vực thành phố, giao đồ ăn hay hàng hóa
Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS trong lái xe
Quân sự: ứng dụng đầu tiên có sự hiện diện của GPS và được mọi quốc gia áp
dụng như một cơ chế phòng thủ trong thời chiến Chính quân đội Mỹ đã tận dụng GPS để giảm sai số đánh trúng mục tiêu của các loại bom, đạn chính xác chỉ khoảng 1-2m, tăng tỷ lệ đánh trúng mục tiêu của tên lửa hành trình Tomahawk Block III đã tăng lên trên 90%
Trang 12Ứng dụng GPS trong quân sự
Du lịch: một trong những mảng được ứng dụng GPS nhiều nhất đó chính là
việc du lịch, thám hiểm, đặc biệt dành cho các bạn trẻ tự đi khám phá Các bạn
sẽ biết được điểm đến cụ thể, hành trình đi, hướng nào, tốc độ của mình và trong thời gian bao lâu bởi mọi thông tin được hiển thị rõ trên màn hình Trong trường hợp khẩn cấp, người sử dụng có thể bắn tín hiệu về trung tâm để báo vị trí của mình và chờ giúp đỡ Tuy nhiên cần lưu ý ở một số khu vực như rừng sâu, thiết bị GPS sẽ bị vô hiệu hóa
Viễn thông: các bạn có thể dễ dàng thấy được hầu như các nhà mạng đều cung
cấp các thiết bị di động hỗ trợ GPS
Trắc địa, thủy văn: GPS giúp xác định vị trí để đo đạc bản đồ, đất đai, san lấp
mặt bằng, làm đường cao tốc, trải nhựa đường…
Đời sống hằng ngày: GPS là công cụ đắc lực trong các hoạt động thường nhật
như chạy bộ, trượt tuyết, leo núi, chạy xe đạp (xác định quãng đường chạy, vị trí bản thân, điểm đến, thời gian, tốc độ…) Người ta cũng dùng hệ thống này
để giám sát những trường hợp đặc biệt (áp dụng trong phòng chống tệ nạn, xã
Trang 13hội, tù nhân, giam lỏng….) hay những trường hợp cần được chăm sóc đặc biệt (trẻ tự kỷ, người già, người mắc bệnh Alzheimer….)
3.2 Những nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS.
Hệ thống GPS đã được thiết kế để ngày càng chính xác, tuy nhiên trên thực tế vẫn còn có những lỗi Những lỗi này có thể gây ra một sự lệch từ 50 -> 100m từ vị trí máy thu GPS trên thực tế sau đây có một vài nguồn lỗi được bàn tới:
Điều kiện khí quyển:
Cả tầng điện ly lẫn tầng đối lưu đều khúc xạ những tín hiệu GPS Nó gây ra
sự thay đổi về tốc độ của tín hiệu trong tầng điện ly và tầng đối lưu khác so với tốc
độ tín hiệu GPS trong không gian Bởi vì vậy, khoảng cách tính toán bằng “tốc độ x thời gian” sẽ khác nhau
Lỗi do sự giao thoa tín hiệu GPS:
Do sự phản xạ từ các vật cản làm cho tin hiệu GPS giao thoa với nhau làm cho các thiết bị thu GPS sẽ thu được tín hiệu lỗi
Lỗi do giao thoa tín hiệu GPS
Lỗi do sự di chuyển của thiết bị GPS:
Do trong qua trình thu tín hiệu GPS các thiết bị GPS di chuyển sẽ xảy ra sai
số cỡ khoảng 5 -> 15m là do có độ trễ xảy ra trong qua trình truyền giữa vệ tinh và thiết bị GPS do vậy tuy theo tốc độ di chuyển của máy thu GPS mà sai số giữa vị trí nhận được và vị trí thực tế của máy thu GPS là bao nhiêu nhưng cỡ khoảng 5 - 15 m
