Tìm hiểu công nghệ GPS, xây dựng thử nghiệm kịch bản hệ quản lý taxi với bộ thí nghiệm NavSAS

GNSS cho phép các thiết bị điện tử xác định vị trí của chúng thông qua cácthông số vĩ độ, kinh độ, cao độ sử dụng tín hiệu thời gian được truyền bởi tín hiệuradio từ các vệ tinh trên khô

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, các ứng dụng của hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS (GlobalPositioning System) được thể hiện ở rất nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, môitrường, nông nghiệp, vũ trụ, cứu hộ… Các nước phát triển đã áp dụng hiệu quảcông nghệ này từ lâu Tuy nhiên thì ở Việt Nam, GPS vẫn còn là một điều mới mẻ.GPS mới chỉ được dùng ở các lĩnh vực đặc thù như kiểm lâm, cứu nạn… nhưngcũng chỉ dừng ở mức độ thu nhận thông tin tọa độ mà chưa được tích hợp với cáccông cụ bản đồ số Gần đây thì một số công ty và nhóm phát triển đã cho ra mắt cácsản phẩm bản đồ số cho các thành phố, khu vực ở Việt Nam, do đó mà việc tích hợpcông nghệ GPS để cho ra mắt các ứng dụng thương mại đầu tiên trở nên dễ dàng vàrộng rãi hơn VietmapGPS Pro, sản phẩm của công ty Vietmap, tích hợp phần mềmđiều khiển và định vị GPS vào màn hình DVD trên xe ôtô là một ví dụ Các hãng xebus cũng đang bắt đầu triển khai hệ thống định vị này Sự phát triển của các thiết bị

di động số như SmartPhone, PDA… cũng tích hợp sẵn công nghệ GPS nên nhiềuứng dụng bản đồ trên di động đã tận dụng khả năng của hệ thống định vị toàn cầunày Tuy nhiên các ứng dụng này cũng mới chỉ dừng ở mức độ thử nghiệm vànghiên cứu, còn ở mức độ thương mại thì chưa hoàn toàn thành công Vì vậy, việcnghiên cứu và ứng dụng GPS tại Việt Nam vẫn còn là điều cần thiết

Đề tài của đồ án tốt nghiệp này được thực hiện trong môi trường triển khai dự ánSEAGAL của ĐHBK HN hợp tác với Châu Âu về Hệ thống vệ tinh dẫn đường định

vị toàn cầu (Global Navigation Satellite System – GNSS)- Galileo đang được xâydựng Trong khuôn khổ của dự án, Đại học Bách khoa Torino và Viện nghiên cứucao cấp Mario Boella (Istituto Superiore ISMB) Italy đã cung cấp cho ĐHBK HN

bộ công cụ thực hành NavSAS (SAT-SURF và SAT-SURFER) cho phép thu nhận

và xử lý tín hiệu GPS Nhiệm vụ của đồ án nhằm tìm hiểu tổng quan về hoạt độngcủa hệ thống GPS, sử dụng bộ NavSAS tiến hành xây dựng thí nghiệm và đánh giákết quả thu được với NavSAS, trên cơ sở đó đồ án sẽ xây dựng một ứng dụng kịchbản thử nghiệm hệ thống quản lý taxi sử dụng công nghệ GPS

Mặc dù vậy, bộ công cụ thực hành NavSAS hiện tại đang có hạn chế về tính diđộng khi mà nó đòi hỏi thiết bị nguồn khá cồng kềnh, chỉ phù hợp với môi trườngphòng thí nghiệm Do đó, đồ án sẽ kết hợp sử dụng ứng dụng GoogleMaps để tiếnhành xây dựng dữ liệu mẫu phục vụ cho hệ thống mô phỏng Hi vọng trong các giaiđoạn tiếp theo của dự án SEAGAL, thiết bị thí nghiệm sẽ nhỏ gọn hơn để có thể sửdụng như một thiết bị thu di động, thông qua đó có thể tiến hành nhiều ứng dụngthử nghiệm hơn

Nội dung báo cáo đồ án tốt nghiệp được trình bày thành 3 chương, bao gồm cụthể như sau:

- Chương I – Tổng quan hệ thống GPS: trình bày nguyên lý hoạt động của hệ

thống định vị toàn cầu GPS cũng như các đặc điểm, tính chất của nó

- Chương II – Thí nghiệm và thí nghiệm với hệ thống NavSAS: giới thiệu và

tiến hành thí nghiệm, đánh giá kết quả thu được

- Chương III – Xây dựng chương trình mô phỏng kịch bản hệ thống quản

lý taxi: phân tích thiết kế, xây dựng chương trình dùng công cụ NavSAS mô

phỏng hệ thống quản lý taxi dựa trên công nghệ GPS và đánh giá kết quả

Em xin cảm ơn PGS TS Nguyễn Thị Hoàng Lan là người trực tiếp hướng dẫn

em thực hiện đồ án này, em cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của TS Ngô HồngSơn và anh Phương Xuân Quang, nghiên cứu sinh tại Viện ISMB- Italy, trong quátrình thực hiện đồ án

Hà Nội, tháng 5/2009Sinh viên thực hiện: Đoàn Ngọc Hà

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỤC LỤC 3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG GPS 6

1.1 Giới thiệu chung 6

1.2 Các thành phần của hệ thống GPS 6

1.2.1 Thành phần không gian 7

1.2.2 Thành phần điều khiển 12

1.2.3 Thành phần người dùng 13

1.3 Phương pháp định vị 15

1.3.1 Tính toán lý tưởng 15

1.3.2 Tính toán có sai số 17

1.3.3 Các hệ tọa độ tham chiếu 19

1.4 Các loại sai số trong hệ thống 21

1.4.1 Trễ do tầng khí quyển 21

1.4.2 Sai số đồng hồ 22

1.4.3 Hiện tượng giao thoa 23

1.4.4 Hiện tượng đa đường, bóng tín hiệu 23

1.4.5 Tham số Dilution Of Precision (DOP) 24

1.4.6 Tham số Selective Availability, Anti Spoofing 25

1.5 GPS vi sai – DGPS 26

1.5.1 Chữa lỗi đồng hồ vệ tinh 26

1.5.2 Chữa lỗi sai lệch thông số vệ tinh 27

1.5.3 Chữa lỗi do tầng đối lưu gây ra 28

1.5.4 Chữa lỗi do tầng điện ly gây ra 29

1.5.5 Chữa lỗi do nhiễu và hiện tượng đa đường 30

1.6 Các ứng dụng dựa trên công nghệ GPS 31

CHƯƠNG II TÌM HIỂU VÀ THÍ NGHIỆM VỚI HỆ THỐNG CÔNG CỤ NAVSAS 33

2.1 Giới thiệu về hệ thống NavSAS 33

2.1.1 SAT-SURF 33

2.1.2 SAT-SURFER 34

2.2 Thí nghiệm với SAT-SURF 35

2.2.1 Hiển thị vị trí lên công cụ bản đồ số 35

2.2.2 Xác định độ chính xác kết quả định vị 37

2.2.3 Xác định tọa độ vệ tinh 39

2.2.4 Kiểm nghiệm các giá trị DOP 40

CHƯƠNG III XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG KỊCH BẢN HỆ THỐNG QUẢN LÝ TAXI 42

3.1 Phân tích hệ thống về nghiệp vụ 42

3.1.1 Mô hình tổng quan hệ thống 42

3.1.2 Các chức năng của hệ thống 45

3.1.3 Bài toán ánh xạ dữ liệu vệ tinh với bản đồ số 46

3.2 Phân tích hệ thống về cấu trúc 51

3.2.1 Biểu đồ luồng dữ liệu 51

3.2.2 Biểu đồ lớp 51

3.2.3 Biểu đồ tương tác 54

3.2.4 Biểu đồ cơ sở dữ liệu 55

3.3 Thiết kế cài đặt chương trình xây dựng bản đồ số GPSMAPMAKER57 3.3.1 Xây dựng chuẩn XML mô tả dữ liệu 57

3.3.2 Các tính năng của chương trình 59

3.4 Xây dựng và thử nghiệm hệ thống 59

3.4.1 Môi trường phát triển và thử nghiệm 59

3.4.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu mẫu 60

3.4.3 Đánh giá độ chính xác của phương pháp ánh xạ qua thử nghiệm 66

3.4.4 Kết quả hoạt động của chương trình mô phỏng 68

KẾT LUẬN 72

PHỤ LỤC A DANH MỤC THUẬT NGỮ 74

PHỤ LỤC B DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG 75

Danh mục hình 75

Danh mục bảng 77

PHỤ LỤC C HAVERSINE FORMULA 78

PHỤ LỤC D VINCENTY FORMULA 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG GPS

GNSS – Global Navigation Satellite System hay Hệ thống vệ tinh dẫn đườngtoàn cầu là tên gọi chung của các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng công nghệ vệtinh GNSS cho phép các thiết bị điện tử xác định vị trí của chúng thông qua cácthông số vĩ độ, kinh độ, cao độ sử dụng tín hiệu thời gian được truyền bởi tín hiệuradio từ các vệ tinh trên không Các thiết bị trên mặt đất mà có tọa độ biết trước cóthể được dùng như là các điểm tham chiếu để nâng cao độ chính xác của kết quả thunhận

GPS – Global Positioning System là một hệ thống GNSS phát triển bởi bộ QuốcPhòng Hợp Chủng Quốc Hoa Kỳ và là hệ thống định vị duy nhất hiện này đang hoạtđộng đầy đủ chức năng GPS có thể hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết cũngnhư các khu vực khác nhau trên toàn thế giới Ngoài GPS còn có các hệ thống định

vị toàn cầu khác như GALILEO của châu Âu, GLONASS của Nga… Các hệ thốngnày đang được phát triển và hoạt động trong thời gian gần [11]

Ban đầu GPS được phát triển cho mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 đãđược mở rộng phạm vi sử dụng sang các lĩnh vực dân sự GPS hiện đang được ứngdụng rộng rãi trên toàn thế giới ở mọi lĩnh vực như giao thông vận tải, môi trường,nông nghiệp, vũ trụ, cứu hộ… Tuy nhiên thì độ chính xác của nó không đảm bảođược những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải, đặcbiệt là tại những vùng và những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia

sở hữu hệ thống đó Chỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo đang đượcxây dựng ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫnđường và định vị dân sự, nhưng cũng phải tới năm 2013 thì hệ thống này mới hoạtđộng hoàn toàn [11]

Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần (segment) chính: thành phần không gian(Space Segment), thành phần điều khiển (Control Segment) và thành phần ngườidùng (User Segment) Các thành phần của hệ thống GPS được minh họa trong hìnhdưới đây [9]

Hình 1 Các thành phần của hệ thống GPS

1.2.1 Thành phần không gian

Thành phần không gian của GPS là một hệ thống bao gồm 24 vệ tinh bay trênquỹ đạo trái đất Các vệ tinh này có khả năng phủ sóng toàn bộ bề mặt trái đất vớicấu hình như sau [7]:

- 21 vệ tinh hoạt động, 3 vệ tinh dự trữ

- 6 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao 20.200km Thời gian bay hết quỹ đạo là11h58’ và độ nghiêng 530

- 4 vệ tinh bay trên một mặt phẳng

Hình 2 Quỹ đạo vệ tinh GPS [9]

Quỹ đạo của vệ tinh được xác định là quỹ đạo trái đất trung bình (Medium EarthOrbit – MEO) khác với quỹ đạo địa lý (Geostationary Earch Orbit – GEO) ở độ cao36.000km Các vệ tinh được cài đặt sao cho độ che phủ bề mặt trái đất là tối đa,nghĩa là tối thiểu tại một điểm bất kì phải thu nhận được tín hiệu từ 4 vệ tinh Đây là

số vệ tinh tối thiểu mà thiết bị thu nhận phải phát hiện được để tính toán vị trí chínhxác Vấn đề này sẽ được đề cập ở phần sau

Hình 3 Mật độ che phủ của vệ tinh [7]

Mỗi vệ tinh có chứa 4 đồng hồ nguyên tử để có thể cung cấp dịch vụ thời gianchính xác Chỉ một trong bốn đồng hồ được hoạt động tại một thời gian Số còn lạiđược để dành

Mỗi vệ tinh lại có các thành phần sau [8]:

Hình 4 Các thành phần chức năng của vệ tinh GPS

- Atomic Frequency Standard (AFS) tạo tín hiệu đổng hồ chuẩn 10.23MHz.

- Frequency Synthesizer and Distribution Unit (FSDU) nhận tín hiệu đồng hồ

chuẩn để tổng hợp loại tần số khác cho các hệ con

- Navigation Data Unit (NDU) nhận các dữ liệu định vị Navigation (NAV data) từ thành phần điều khiển Control Segment (CS) thông qua các hệ thống con Telemery, Track, Command (TT&C).

- Navigation Baseband sinh ra nhiễu giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Noise) PRN (C/A-code, P(Y)-code) và điều chế với thông tin dữ liệu định vị.

- L-Band Subsystem điều chế các chuỗi dữ liệu nhị phân vào các sóng mang

tần số L1 (1575.42MHz) và L2 (1227.6MHz) Tín hiệu được phát xuốngthông qua các ăng-ten

nó tạo ra các Mã Nhiễu Giả Ngẫu Nhiên (Pseudo Random Noice code – PRN code).

Mã này là một chuỗi n bit lặp lại sau mỗi bit thứ n Mỗi một vệ tinh được đánh số 1trong 32 mã PRN duy nhất

Có 2 loại mã PRN là C/A code (coarse acquisition) được dành cho các thiết bịdân sự, và P code (Precise code) dành cho các thiết bị của quân đội

Mã C/A có chiều dài 10n – 1 bit, với n là số các thành dịch bit số mà thiết bị có.Trong các vệ tinh GPS thì n = 10, do đó mã C/A có chiều dài 1023 bit Như vậy tốc

độ truyền dữ liệu là 1,023 Mbps, bằng 1/10 tần số cơ bản:

f 0 / 10 = 1,023 MHz

Với tần số này thì mất 1ms để truyền 1023 bit mã C/A

P-code được truyền với tần số cơ bàn f0 Tần số của nó cao hơn 10 lần so với tần

số của mã C/A nên dữ liệu sẽ chính xác gấp 10 lần Mã P-code không được côngkhai nên nó không thể dùng cho thiết bị dân sự P-code có chiều dài hơn rất nhiều

so với C/A-code, phải mất 7 ngày thì nó mới lặp lại, do đó không thể bắt được tínhiệu Ngoài ra, P-code còn được mã hóa bởi các thuật toán đặc biệt trước khi truyền,nên có còn được gọi là Y-code hay P(Y)-code Chỉ có các thiết bị của quân đội Mỹ

và đồng minh mới có thể giải mã tín hiệu này

Quá trình điều chế tín hiệu trước khi truyền như sau:

Hình 6 Điều chế tín hiệu GPS[7]

Ta có thể thấy PRN-code được kết hợp với Navigation Message nhờ bộ cộng 2,sau đó chúng được trộn với sóng mang để truyền tín hiệu đi Kĩ thuật điều chế này

có một số lợi ích sau:

- Tín hiệu cuối cùng nhận đựoc bị đảo pha liên tục nên việc điều chế lại tínhiệu PRN từ sóng mang dễ dàng hơn

- Tín hiệu PRN giúp phân biệt tín hiệu từ các vệ tinh khác nhau khi chúng phát

ra đồng thời Kĩ thuật này chính là nền tảng của kĩ thuật CDMA (truyền phátnhiều loại tín hiệu trên cùng một giải tần số)

- Hạn chế hiện tượng giao thoa nhiễu dải hẹp

1.2.1.2 Cấu trúc dữ liệu

Dữ liệu định vị được truyền từ vệ tinh thông qua Navigation Message [1] Bản tin này là một chuỗi các khung bản tin (frame) liên tục và lặp lại, có độ dài 1500 bit

và được chia thành 5 khung con (sub-frame) Mỗi một sub-frame có chiều dài 300

bit và được gửi với tần số 50Hz (cần 6s để truyền), trong đó có 60 bit tiêu đề

(header) và 240 bit dữ liệu.

Tiêu đề của bản tin chia thành 2 từ

Từ thứ nhất là Telemetry Word (TLM), gồm 8 bit bắt đầu 10001011 dùng để

nhận diện frame Tiếp sau là 16 bit dữ trữ và 6 bit checksum TLM chủ yếu dùngcho thiết bị thu nhận phát hiện bắt đầu sub-frame

Từ thứ hai là Handover Word (HOW) với 17 bit đầu là dữ liệu Time Of Week

(TOW) Mặc dù đồng hồ của thiết bị thu nhận đã được đồng bộ một cách chính xác,nhưng không thể biết được cách thời gian được lưu trữ trên các vệ tinh và ở dướimặt đất Hệ thống GPS không quan tâm các giây nhảy quãng, trong khi đây là điều

không tránh khỏi Do đó, Navigation Message có nhiệm vụ thông báo cho thiết bị

thu các sai lệch thời gian để nó điều chỉnh về đúng giờ UTC (Coordinated UniversalTime) 7 bit tiếp theo chứa dữ liệu chung của sub-frame, bao gồm sub-frame ID (số

thứ tự từ 1 – 5), một cờ báo hiệu (để dành) và cờ Anti-Spoofing Cờ báo hiệu thông

báo cho thiết bị thu rằng nó có thể nhận dữ liệu đo đạc không chính xác

Hình 7 Cấu trúc bản tin GPS [1].

Trước khi thiết bị thu sử dụng dữ liệu thì nó phải chắc chắn là đã đọc đúng tiêu

đề mà không phải là chuỗi bit giống tiêu đề Để làm điều này thì nó tính toán mãchẵn lẻ parity, so sánh với 6 bit cuối của HOW Nếu không trùng, nó quay lại tìmheader khác

Mỗi sub-frame có một header riêng vì một thiết bị có thể bắt đầu quá trình thu ởbất kì thời điểm nào, và không cần phải chờ 30s cho một vòng lặp với Như vậy,một frame dữ liệu đầy đủ có thể được thu sau tối đa 36s

Ngoài cấu trúc header giống nhau, mỗi sub-frame lại mang một gói dữ liệu khácnhau:

- Sub-frame 1 chứa thời gian chính xác thu thập được từ 4 đồng hồ nguyên tửtrên vệ tinh

- Sub-frame 2 và 3 cùng chứa các dữ liệu thiên văn của vệ tinh

- Sub-frame 4 và 5 cũng được nhóm lại, và chia thành 25 trang riêng biệt (cần12,5’ để thu thập đủ) Dữ liệu này hầu như chỉ dành cho các trạm điều khiển.Như vậy thiết bị thu nhận chỉ dùng dữ liệu của 3 sub-frame đầu để tính toán vịtrí tương đối với một vệ tinh xác định vì nó biết được thời gian cần thiết để truyền

dữ liệu và vị trí vệ tinh ở thời điểm tín hiệu được truyền

1.2.2 Thành phần điều khiển

Thành phần điều khiển của GPS là một mạng lưới các trạm thu phát tín hiệuđược lắp đặt rải rác trên thế giới Nó bao gồm một Master Control Station (MCS),tại Falcon Air Force Base (AFB) ở Colorado Springs, USA, và các trạm điều khiển(Monitor Station – MS) cùng các ăng-ten mặt đất (Ground Antena – GA)

Các trạm này có nhiệm vụ giám sát và quản lý mạng lưới vệ tinh Chúng cậpnhật các thông tin mới, dữ liệu chữa lỗi (nếu có) lên mỗi vệ tinh sau mỗi 4h Dữ liệuchữa lỗi bao gồm dữ liệu về vị trí và thời gian của vệ tinh đó cũng như các vệ tinhkhác trên quỹ đạo [8].

Hình 8 Chức năng của thành phần điều khiển trong hệ thống GPS

- TT&C Link: tín hiệu điều khiển Telemery, Track, Command để cập nhậtthông tin, sửa sai dữ liệu, điều khiển vệ tinh

- GPS SIS - GPS Signal-In-Space: tín hiệu cập nhật thông tin định vị cho vệ tinh

1.2.3 Thành phần người dùng

Thành phần người dùng trong hệ thống chính là các loại thiết bị thu nhận tínhiệu vệ tinh Chúng sẽ phân tích tín hiệu và tính toán dữ liệu để tìm ra vị trí hiện tại

và thời gian chính xác tại thời điểm đó Tuy nhiên GPS cung cấp hai cấp độ dịch vụ

là dịch vụ định vị chính xác (Precise Positioning Service – PPS) và dịch vụ định vịtiêu chuẩn (Standard Positioning Service – SPS) [8]

PPS là dịch vụ chỉ dành cho quân đội Mỹ và các đồng minh PPS cung cấp độchính xác 16m Spherical Error Probable (SEP) (3-D, 50%) và 100 nano giâyUniversal Coordinated Time (UTC) Thiết bị thu nhận có thể bắt được vận tốc với

độ chính xác 0.2m/s 3-D Tuy nhiên, đây là các thiết bị đặc biệt, có chức khả nănggiải mã các tín hiệu của PPS, nên chỉ có quân đội có quyền dùng

SPS là dịch vụ dành cho dân sự với độ chính xác 156m 3D (95%) và 337 nanogiây UTC Độ chính xác này có thể bị giảm xuống nữa nếu Bộ Quốc Phòng Mỹ, cơquan chủ quản của GPS quyết định thay đổi cấp độ Selective Availability (SA) vàAnti-Spoofing (A-S) (ví dụ như trong thời chiến)

Một thiết bị thu nhận tín hiệu GPS có các phần chính sau đây [5]:

Hình 9 Sơ đồ khối chức năng thiết bị thu nhận tín hiệu GPS

Các thành phần này có nhiệm vụ sau đây:

- Radio Frequency Chain: thành phần khuyếch đại biên độ và điều chế tần số(cho ra tần số mong muốn) Thành phần phần cứng này có thể thay thế bằngsoftware radio (điều chỉnh được chức năng bộ khuyếch đại bằng phần mềm –điều biên, điều tần)

- ADC: bộ chuyển đổi tương tự - số

- Acquisition (dò tín hiệu): tìm tín hiệu vệ tinh nhất định

- Bắt tín hiệu (Tracking): tìm kiếm sự chuyển đổi pha của dữ liệu định vị.(Trước đây thành phần Acquisition và Tracking thuộc về phần cứng)

- Dữ liệu nhận được được phân tích (tách frame dữ liệu)

- Ephemeris & pseudorange: Tính toán dữ liệu thiên văn và khoảng cách thô

- Tính toán vị trí vệ tinh

- Tính toán vị trí thiết bị thu nhận.

Các bước cơ bản để thiết bị thu nhận tính hiệu tính toán được vị trí của nó là:

- Thiết bị thu nhận bắt tín hiệu từ một vệ tinh GPS

- Nó xác định sự khác nhau về thời gian giữa thời điểm hiện tại và thời gianđược truyền qua tín hiệu (thời gian vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu)

- Nó tính toán khoảng cách từ vệ tinh tới thiết bị, với giả thiết vận tốc truyềnbằng vận tốc ánh sáng

- Thiết bị thu nhận bắt tín hiệu từ hai hoặc nhiều hơn các vệ tinh khác, và tiếptục tính toán khoảng cách tới chúng

- Biết được khoảng cách tới 3 điểm biết trước, thiết bị thu nhận ước lượngđược khoảng cách của nó

1.3.1 Tính toán lý tưởng

Hệ thống GPS sử dụng phương pháp tính toán khoảng cách TOA (Time OfArrival) Thời gian tín hiệu bắt đầu được truyền đi sẽ được nhúng vào trong dữ liệutruyền Thiết bị nhận sẽ xác nhận thời gian bắt được tín hiệu, và tính toán khoảngthời gian chênh lệch để tìm được thời gian truyền Giá trị này nhân với vận tốctruyền (vận tốc ánh sáng c) sẽ cho ra khoảng cách từ vệ tinh tới thiết bị thu nhận

Giả sử như một vệ tinh truyền tín hiệu đi tại thời điểm t si Thiết bị thu sẽ nhận

được tín hiệu tại thời điểm t u sau đó Như vậy khoảng cách giữa thiết bị thu và vệ

tinh i sẽ được tính bởi quan hệ [5]:

ρ iT = c(t u – t si )

Với mỗi khoảng cách, có thể xác định được một mặt cầu có tâm là vị trí của vệtinh Nếu thiết bị thu nhận được tín hiệu từ 3 vệ tinh trở lên, sẽ tính toán được vị tríchính xác của thiết bị như hình minh họa dưới Có thể thấy trong Hình 10(d), có 2

vị trí được xác định là tọa độ thiết bị Tuy nhiên có thể loại bỏ 1 điểm, vì có thể biếtchắc nếu thiết bị ở trên bề mặt trái đất thì điểm thấp hơn sẽ được chấp nhận Trongtrường hợp một vật thể bay (máy bay) thì cần có thêm các thông tin khác để xácđịnh chính xác tọa độ (như dựa vào dữ liệu từ vệ tinh thứ 4)

Chú ý rằng vị trí thiết bị thu nhận đang đề cập tới được xác định trong một hệtọa độ đề-các

Hình 10 Phương pháp định vị trong không gian [1]

(a) Vị trí người dùng ở trên bề mặt cầu (b) Vị trí người dùng nằm trên vành tròn

màu xám.

Hình 10 (tiếp) (c) Mặt phẳng giao nhau cắt ngang (d) Vị trí người dùng thuộc một

trong hai điểm đánh dấu (e) Mặt cắt ngang

Tiến hành xem xét vấn đề dưới góc nhìn các phương trình toán học cụ thể Giả

sử trong trường hợp này các khoảng cách tính toán được là chính xác và vị trí các

vệ tinh là biết được Gọi 3 điểm này là r1 (x1, y1, z1), r2 (x2, y2, z2) và r3 (x3, y3,z3) Gọi điểm xác định vị trí thiết bị thu là ru (xu, yu, zu) Khoảng cách giữa r1, r2 vàr3 tới điểm chưa biết ru là đo được với các giá trị p1, p2 và p3 thì phương trình biểudiễn sẽ là [5]:

Như vậy với 3 phương trình và 3 ẩn, hệ phương trình này hoàn toàn có thể giảiđược Nhưng do các phương trình này không phải dạng phương trình tuyến tính nênkhó có thể giải trực tiếp mà phải sử dụng các kỹ thuật tuyến tính hóa và lặp để giải

Ở các phương trình này thì tọa độ của vệ tinh là biết trước Trong thực tế thì vịtrí của vệ tinh được xác định nhờ các thông tin định vị mà thiết bị thu nhận bắtđược

Hình 11 Hệ tọa độ Oxyz

1.3.2 Tính toán có sai số

Về mặt lý thuyết, khoảng cách được tính bằng cách lấy thời gian nhân với vậntốc Tuy nhiên, thực tế thời gian truyền tín hiệu trong không gian không phải là thờigian chênh lệch giữa hai đồng hồ đo (thời gian nhận của thiết bị thu nhận và thờigian phát của vệ tinh) Nguyên nhân là do tín hiệu không phải bao giờ cùng truyềntheo đường thẳng, và vận tốc không phải là hằng số, ví dụ như độ trễ truyền do ảnhhưởng của tầng khí quyển, sự sai lệch của đồng hồ đo, hiệu ứng giao thoa, hiện

tượng ‘đa đường’… Do vậy, thời gian thực tế để tín hiệu truyền từ vệ tinh tới thiết

bị thu nhận bao giờ cũng lớn hơn tính toán lý thuyết [5]

Có thể thấy trên Hình 12, khoảng cách tính toán được từ vệ tinh tới thiết bị bịảnh hưởng bởi một hằng số ε đặc trưng cho các sai số có thể có Đường đứt nét thểhiện khoảng cách tính toán được, còn đường liền nét thể hiện khoảng cách thật sự.Sai số dẫn tới không thể tìm ra một tọa độ chính xác cho thiết bị mà chỉ xác địnhđược vùng không gian có thể chứa tọa độ đó

Hình 12 Xác định khoảng cách do sai số[1]

Hình 13 Ước lượng vị trí người dùng[1]

Để biểu diễn toán học cho vấn đề này, gọi thời điểm vệ tinh bắt đầu gửi tín hiệu

là t si Thiết bị thu sẽ nhận được tín hiệu tại thời điểm t u Như vậy khoảng cách giữa

thiết bị thu và vệ tinh thứ i được tính bởi quan hệ sau [5]:

Với c là vận tốc ánh sáng, ρ iT là giá trị chính xác khoảng cách giữa vệ tinh i và

thiết bị thu

Do ảnh hưởng của môi trường truyền mà các giá trị này không đúng so với lý

thuyết Thời điểm thực sự truyền là t’ si và thời điểm thực sự nhận là t’ u với quan hệ:

Với ∆b i là lỗi đồng hồ vệ tinh, b ut là lỗi đồng hồ của thiết bị thu Ngoài sai lệch

do đồng hồ, còn nhiều yếu tố khác ảnh hưởng tới phương trình này, bao gồm trễ dotầng khí quyển, nhiễu, … Như vậy, hệ phương trình xác định tọa độ phải được viếtlại như sau:

Với b u là tổng hợp các sai lệch trong tính toán khoảng cách do nhiều yếu tố gâynên Hệ phương trình có 4 ẩn, do đó cần 4 phương trình để giải ra các giá trị cầnthiết Muốn vậy thiết bị thu cần bắt được tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh để có thể tínhtoán vị trí chính xác

1.3.3 Các hệ tọa độ tham chiếu

Như đã nói ở trên, hệ tọa độ dùng để tính toán vị trí là hệ tọa độ Đề-cac, lấy tâm

là tâm của trái đất và các trục có hướng xác định dựa vào các vì sao Hệ tọa độ nàygọi là hệ trục ECI (Earth Centered Inertial) Một vệ tinh GPS tuân theo các định luật

về chuyển động và trọng lực của Newton trong hệ tọa độ ECI Thông thường mặtphẳng xy là đồng nhất với mặt phẳng xích đạo Trục +x- được gắn cố định theo mộthướng xác định tương đối so với đường chân trời, còn trục +z- trực giao với mặtphẳng xy về hướng cực bắc, trục +y- được chọn để tạo hệ trục quay phải tay(dương 900) Trong trường hợp này hệ tọa độ đã coi trái đất có hình cầu hoàn hảo,

và các tính toán đều dựa trên đặc tính đó Tuy nhiên, thực tế trái đất có hình gầngiống elip và bản thân trái đất tự quay quanh mình nên không thể sử dụng hệ trụctọa độ đó để biểu diễn vị trí của người dùng

Do đó, người ta đưa ra hệ trục tọa độ ECEF (Earth Centered Earth Fixed) Hệtọa độ này xác định vị trí người dùng với các tham số cao độ, kinh độ, vĩ độ củangười dùng Tọa độ này cũng tương ứng với cách biểu diễn bản đồ phổ biến trên thếgiới, do đó dễ dàng xác định vị trí người dùng trên bản đồ [1]

Hình 14 Chuyển đổi hệ tọa độ ECI sang ECEF

Sau khi tính toán tọa độ trong hệ ECI, giá trị đó sẽ được chuyển đổi sang hệECEF Để thực hiện được sự chuyển đổi này, người ta đưa ra các mô hình toán họcbiểu diễn trái đất WGS (World Geodetic System) Mô hình này có nhiều phiên bản(được chỉnh lý qua nhiều năm), trong đó WGS-84 được coi là mô hình chuẩn vàđược sử dụng rộng rãi Các mô hình này đều coi trái đất có dạng elipse, nhưng có sựkhác nhau ở giá trị các hằng số tham gia vào quá trình tính toán Ví dụ như, hằng số

e dùng để đo độ kì dị của một elipse, được xác định là e2 = 0.00669437999014 trongWGS 84, nhưng trong chuẩn GRS 80 thì nó lại có giá trị e2 = 0.0669438002290.Bước chuyển đổi tọa độ từ ECI sang ECEF được thực hiện thông qua một loạt cácphương trình toán học với các hằng số thiên văn đã được định nghĩa sẵn

Hình 15 Mô hình toán học của trái đất

Tuy nhiên các mô hình này không phải là chính xác tuyệt đối bởi địa hình bềmặt trái đất không hề bằng phẳng Do đó, cần có thêm các bước tính toán để đưa ra

vị trí chính xác của người dùng trên bề mặt trái đất Bởi vì mỗi nước lại có những

bản đồ thực địa riêng của mình nên phải đưa ra cách tham chiếu giữa tọa độ trong

hệ ECEF với bản đồ thật sự [6]

Hình 16 Mối quan hệ giữa mô hình toán học và bề mặt thật sự cúa trái đất [6]

Khó khăn nhất trong tính toán là xác định được độ cao chính xác vì địa chất thực

tế phức tạp hơn các mô hình tính toán rất nhiều

Dưới đây đồ án đề cập tới các loại sai số ảnh hưởng tới độ chính xác của thiết bịthu nhận

1.4.1 Trễ do tầng khí quyển

Đây là trễ tín hiệu gây ra do tầng khí quyển trái đất (bao gồm tầng điện ly vàtầng đối lưu) Hiện tượng này làm cho tín hiệu vệ tinh bị giảm cường độ, đôi lúcgây ra mất tín hiệu khiến cho các thiết bị thu nhận khó khăn trong việc lần theo tínhiệu vệ tinh Hiện tượng này có thể được giảm thiểu do người ta đã đưa ra các môhình toán học biểu diễn sự ảnh hưởng này Dựa vào mô hình toán học có thể tínhtoán và loại bỏ ảnh hưởng do hiện tượng này gây ra

Một mô hình toán học đơn giản biểu thị một tín hiệu GPS cụ thể mà thiết bị thunhận được là [1]:

Với P là năng lượng tín hiệu nhận được, ω là tần số sóng mang (rad/s), s(t) là tínhiệu truyền được chuẩn hóa, và n(t) là nhiễu

Ảnh hưởng do các hiện tượng ở tầng điện ly gây ra sự đảo lộn ở cả biên độ vàtần số của tín hiệu nhận được, dẫn tới mô hình phức tạp hơn là:

Với là tham số không đơn vị, dương biểu thị sự thay đổi biên độ do ảnh hưởngđiện ly, và là tham số (rad) biểu diễn sự thay đổi pha Các hằng này được tínhtoán nhiều lần bằng thực nghiệm và được đưa ra các giá trị sao cho độ chính xác làcao nhất.

Hình 17 Ảnh hưởng của tầng điện ly tới năng lượng tín hiệu [1]

và sẽ nhận được các tín hiệu sửa lỗi ngay [1,6,8] Các tham số sửa lỗi được ghi nhậnbởi thiết bị thu sử dụng một phương trình bậc 2 [1]:

Với các tham số:

af0 = độ lệch đồng hồ

af1 = tốc độ trôi đồng hồ (s/s)

af2 = tần số trôi (s/s2)

t∞ = thời gian tham chiếu dữ liệu đồng hồ (s)

t = thời gian bắt đầu hiện tại (s)

∆tr = sự sửa lỗi theo hiệu ứng tương đối

Các tham số này được tính toán nhờ phương pháp ước lượng đường cong gầnnhất nên độ chính xác không phải là tuyệt đối Sai số không thể loại bỏ được vềkhoảng cách có thể là 0.3 – 4m

Đồng hồ ở phía thiết bị thu nhận kém chính xác hơn rất nhiều Sai số do nó gây

ra thường lớn Tuy nhiên, thiết bị thu nhận luôn có một quá trình đồng bộ thời gianvới vệ tinh thông qua các dữ liệu về thời gian thu nhận được trong tín hiệu GPS

1.4.3 Hiện tượng giao thoa

Thiết bị thu nhận GPS thường nhận được các tín hiệu sóng radio từ nhiều nguồnkhác nhau gây ra hiện tượng giao thoa tại thiết bị Hiện tượng này thường khôngđoán nhận được, nhưng có trường hợp là biết trước (hiện tượng jamming)

Hiện tượng giao thoa thông thường được phân loại theo tần số: giao thoa dải hẹp và dải rộng, tùy thuộc vào độ lớn nhỏ của băng thông của tín hiệu giao thoa so

với tín hiệu vệ tinh Sự giao thoa có thể xảy ra giữa tín hiệu của các vệ tinh với nhau(self-interfernce hay intrasystem interference) hoặc giữa các hệ thống định vị vệtinh khác nhau (intersystem interference) như GPS và GALILEO [1]

Hiện tượng giao thoa có chủ ý (jamming, spoofing) xảy ra khi tổ chức chủ quảncủa GPS phát ra các sóng gây nhiễu để làm giảm độ chính xác của các tín hiệu vệtinh Điều này xảy ra trong các điều kiện đặc biệt như chiến tranh, nếu nước Mỹbuộc phải bảo vệ chính họ khỏi các thiết bị định vị GPS Các thiết bị thu nhận củaquân đội đã được thiết kế để giảm tối thiểu ảnh hưởng của hiện tượng này

1.4.4 Hiện tượng đa đường, bóng tín hiệu

Hình 18 Sai số do Multipath và Shadowing [1]

Đây là hiện tượng tín hiệu vệ tinh không đến trực tiếp thiết bị thu nhận theo mộtđường thẳng mà theo các đường gấp khúc do sự phản xạ tín hiệu trên các đối tượngkhác, ví dụ như các công trình tòa nhà cao tầng, hoặc tín hiệu đi xuyên qua các lớpvật chất khác nhau như lá cây, làm cho tín hiệu bị trễ so với thời gian thực sự Hiệntượng này không chỉ gây ra độ trễ mà còn làm giảm cường độ tín hiệu, thay đổi các

đặc tính của tín hiệu Ví dụ như nếu tín hiệu bình thường (không xảy ra hiện tượng

‘đa đường’) có phương trình dạng [1]:

Với x(t) là tín hiệu được truyền đi, Τ0 là thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh tớithiết bị, fc là tần số sóng mang thì phương trình đơn giản nhất biểu diễn tín hiệu khixảy ra hiện tượng ‘đa đường’ là:

Trong đó N là số bước phản xạ, α0 là biên độ nhận được của sóng trực tiếp và αn

là biên độ nhận được của các sóng phản xạ thứ n, T0 là thời gian trễ của sóng trựctiếp, Tn là thời gian trễ của sóng phản xạ thứ n, Фo là pha nhận được của sóng mangtheo được trực tiếp, Ф0 là pha nhận được của sóng mang của lần phản xạ thứ n và fn

là tần số nhận được của sóng phản xạ thứ n tương đối so với tần số sóng mang Cáctham số này còn biến đổi phụ thuộc vào chuyển động của vệ tinh và thiết bị thunhận, cũng như chuyển động của đối tượng gây ra phản xạ

1.4.5 Tham số Dilution Of Precision (DOP)

Dilution Of Precision (DOP) hay Độ Giảm Chính Xác là các giá trị đo độ chínhxác mà các thiết vị định vị có thể tính toán được phụ thuộc vào các vị trí địa lýkhông gian khác nhau của các vệ tinh Ví dụ như trong hình dưới đây

(a) Vị trí tốt của vệ tinh (b) Vị trí không thuận lợi

Hình 19 Dilution Of Precision (DOP) [6]

Ta thấy trong hình (a) thì khoảng không gian giao nhau mà các tín hiệu vệ tinh baophủ là nhỏ hơn so với hình (b), nghĩa là vị trí tính toán được đối với trường hợp đầu

sẽ có sai số nhỏ hơn so với trường hợp sau Dựa vào nhận xét này mà người ta đãtính toán và đưa ra các thông số đặc trưng gọi là các thông số DOP

Giá trị GDOP (Geometrical DOP – DOP hình học) được định nghĩa như sau [5]:

với σ là sai số của khoảng cách thô đo đạc được, có trung bình bằng 0; các giá trị σx

σy σz là sai số theo các phương x,y,z của vị trí người dùng; σb là sai số do đồng hồ.Giá trị PDOP (Positional DOP – DOP vị trí) được định nghĩa là:

Giá trị HDOP (Horizontal DOP – DOP theo chiều ngang) được định nghĩa là:

Giá trị VDOP (Vertical DOP – DOP theo chiều dọc) được định nghĩa là:

Giá trị TDOP (Time DOP – DOP thời gian) được định nghĩa là:

Giá trị DOP tính toán được càng nhỏ thì độ chính xác càng cao Theo hình minhhọa có thể thấy muốn giảm DOP thì phần không gian mà 4 vệ tinh chiếm phải cànglớn càng tốt Giả sử 4 vệ tinh hình thành nên điều kiện tốt nhất Ở điều kiện này thìgóc nghiêng là 00 và 3 trong 4 vệ tinh hình thành nên tam giác đều Người quan sát

ở vị trí chính giữa của tứ diện Các giá trị DOP tính toán được trong điều kiện này là

TDOP = 1/ = 0,58 Đây là các giá trị nhỏ nhất mà khi lựa chọn vệ tinh để thu tínhiệu, cần đạt tới các giá trị DOP này

1.4.6 Tham số Selective Availability, Anti Spoofing

Selective Availability (SA) là quá trình được thực hiện bởi Bộ Quốc Phòng Mỹ.

Quá trình này sẽ loại bỏ khả năng sử dụng GPS của các thiết bị dân dụng và các đốitượng thù địch nước ngoài bằng cách thay đổi các thông số phát tín hiệu (thông quacác trạm điều khiển) cũng như các giá trị thiên văn Những thiết bị của quân đội Mỹ

sẽ không bị ảnh hưởng bởi thay đổi này

Anti Spoofing (A/S) cũng tương tự như SA trong đó mục đích là loại bỏ các truy

cập của thiết bị dân dụng và thế lực thù địch tới thành phần P-code, bắt buộc phải sửdụng thành C/A-code (mà thành phần này đã bị thay đổi bởi quá trình SA) Quá

trình A/S sẽ mã hóa P-code thành Y-code, loại mã chỉ có thể giải được khi dùng cácthiết bị của quân đội.

DGPS là phương pháp nâng cao độ chính xác của hệ thống bằng cách sử dụngcác trạm phát tín hiệu mà các trạm này có tọa độ đã biết trước Các trạm này đượctrang bị thiết bị định vị, và sau đó phát các tín hiệu được dùng để sửa lỗi cho cácthiết bị định vị khác Nhờ vào các dữ liệu này có thể tính toán ra vị trí người dùngmột chính chính xác hơn rất nhiều

Hình 20 Mô hình khải niệm DGPS

Có thể phân loại DGPS theo nhiều cách: DGPS tương đối hay tuyệt đối; DGPSkhu vực nội bộ, theo vùng, hoặc diện rộng; DGPS dựa trên tín hiệu mã hay tín hiệumang

Hệ thống DGPS có thể chữa các sai số sau:

1.5.1 Chữa lỗi đồng hồ vệ tinh

Sai số do độ trễ tín hiệu gây ra có thể dễ dàng được chỉnh sửa nhờ vào DGPS

Đó là bởi vì lỗi đồng hồ vệ tinh gây ra những ảnh hưởng giống nhau lên các phéptính toán khoảng cách thô và pha sóng mang, không kể đến vị trí của người dùng

Ví dụ như, nếu đồng hồ vệ tinh bị sai lệch 10ns, nó sẽ gây ra sai số 3m trong tínhkhoảng cách và sai số trong phép đo đạc pha sóng mang của một thiết bị thu ở bất kìđiểm nào Các trạm RS cũng bị ảnh hưởng tương tự nên nó chỉ cần tính ra sai lệchnày và gửi thông tin sửa lỗi cho thiết bị thu nhận của người dùng theo một tần sốnhất định (tương ứng với độ lệch)

1.5.2 Chữa lỗi sai lệch thông số vệ tinh

Lỗi trong việc truyền đi vị trí của vệ tinh trong không gian cũng dẫn tới sai lệchtrong tính toán khoảng cách và pha sóng mang Để định lượng sai số này, có thể sửdụng mô hình bài toán như sau để tính toán [1] Gọi U là vị trí người dùng, M là vịtrí trạm thu phát tín hiệu, khoảng cách giữa chúng là p Vị trí thật sự của vệ tinh làtại S, nhưng do sai số dẫn tới ước lượng vị trí sai tại S’, và độ lệch sẽ là εs Gọi dm vàd’m là các khoảng cách thật và khoảng cách ước lượng giữa trạm thu phát và vệ tinh,còn du và d’u là khoảng cách thật và ước lượng giữa người dùng và vệ tinh Gọi Φm làgóc hợp bởi SMU và α là góc SMS’ Dựa trên các định lý hình học sin và cosin cóthể thu được các phương trình sau:

Với α’ là sự sai lệch Φm - Φ’m về góc nghiêng của vệ tinh giữa vị trí thật và vị trí ước lượng so với trạm thu

Hình 21 Tính toán sai số dữ liệu định vị nhờ DGPS [1]

Giải các phương trình này và đánh giá sai số, kết quả thu được là:

Với εm = d’m – dm và εu = d’u – du Độ sai lệch này chính là sai số cần sửa tại vị tríngười dùng Phương trình này chỉ ra sai số tăng lên tỉ lệ với khoảng cách giữa trạmthu và người dùng Ví dụ, nếu sai số của vị trí vệ tinh ước lượng được là 5m vàkhoảng cách giữa người dùng và trạm thu là 100km thì giá trị sửa lỗi tương ứng vớikhoảng cách đó sẽ là:

với góc nghiêng >5o

1.5.3 Chữa lỗi do tầng đối lưu gây ra

Vận tốc của sóng truyền bị thay đổi khi nó đi qua tầng đối lưu, dưới ảnh hưởngcủa nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tương đối Để xác định chính xác ảnh hưởng của cácmôi trường này cần đựa trên các tính toán vật lý phức tạp Tuy nhiên, có thể dùngmột mô hình toán học tương đối biểu diễn trễ do tầng đối lưu gây ra như sau [1]:

với εu Tropo = trễ do tầng đối lưu gây ra (m)

Φ = góc nghiêng từ người dùng tới vệ tinh (độ)

Ns = độ khúc xạ bề mặt

Hình 22 Tính toán sai số chiều ngang do tầng điện ly gây ra nhờ GPS [1]

Ta thấy trên hình minh họa, có thể xây dựng các phương trình tính toán độ trễ vàước lượng sai số gặp phải sau khi đã dùng dữ liệu sửa lỗi

Sai số này phục thuộc vào khoảng cách từ người dùng tới trạm tham chiếu vàgóc nghiêng của vệ tinh Nhờ vào thông tin của các trạm tham chiếu, sai số này cóthể giảm xuống rất nhiều Ví dụ với góc nghiêng 450 và khoảng cách giữa ngườidùng và trạm tham chiếu là 100km, sai số do tầng đối lưu gây ra (sau khi được sửa)chỉ còn là (với N = 360)

1.5.4 Chữa lỗi do tầng điện ly gây ra

Như đã trình bày ở trên, ảnh hưởng của tầng điện ly (môi trường từ tính) gây ratrễ đối với tín hiệu nhận được Tiến hành xây dựng mối liên hệ giữa độ trễ εiono(m)

do tầng điện ly gây ra, tần số f của tín hiệu, góc nghiêng Φ’ tại điểm xuyên quatầng điện ly (Ionspheric Pierce Point – IPP) và mật độ điện tích TEC (total electroncontent) dọc theo đường truyền của tín hiệu [1]:

sin Φ’ biểu diễn sự gia tăng đường đi tín hiệu qua môi trường điện ly (theo chiềudọc) Điểm xuyên qua tầng điện ly là điểm nằm trên đường nối vị trí người dùng với

vị trí vệ tinh và ở giữa tầng điện ly, thông thưởng ở độ cao khoảng 300km đến400km

Hình 23 Ảnh hưởng của độ khúc xạ và góc nghiêng lên độ trễ điên ly [1]

Sai số do tầng điện ly gây ra, sau khi sử dụng các giá trị chữa lỗi của các trạmtham chiếu được tính toán như sau:

Với p = khoảng cách giữa người dùng và trạm tham chiếu

Φm = góc nghiêng của vệ tinh từ trạm thao chiếu

Φ’m = góc nghiêng của điểm xuyên qua tầng điện ly

Hình 24 Tính toán độ trễ do tầng điện ly gây ra nhờ DGPS

Giá trị TEC thường nằm trong khoảng 1016 tới 1018 electron/m2 Như vậy giả sử p

= 100km thì độ sai lệch được tính là:

1.5.5 Chữa lỗi do nhiễu và hiện tượng đa đường

Các trạm tham chiếu tín hiệu này cũng chịu ảnh hưởng của các sai số tương tựnhư các thiết bị thu nhận Do đó, khi tính toán vị trí của mình, các trạm này sẽ sosánh với tọa độ biết trước của nó để tìm ra ước lượng sai số gặp phải Những thôngtin về sai số này sẽ được phát lại cho thiết bị thu nhận để chúng có thể loại bỏ sai

số, tính toán một cách chính xác hơn

1.6 Các ứng dụng dựa trên công nghệ GPS

GPS đang được ứng dụng trên mọi môi trường trên đất liền, trên không, dướinước và ở mọi lĩnh vực của đời sống Dưới đây là một số các ứng dụng của GPS[2]:

- Nông nghiệp

Trong trồng trọt chính xác (Precision Farming), công nghệ GPS cho phépquản lý điểu khiển lượng nước tưới tiêu, phân bón, thuốc trừ sâu…để đảmbảo tính tiết kiệm và hiệu quả Nó cũng cung cấp các thông tin về vị trí đểgiúp nông dân cày, thu gặt, vẽ bản đồ trang trại, đánh dấu các khu vực cỏ dạihoặc bệnh dịch…

bị thay đổi bởi thảm họa thiên nhiên

- Giao thông

Công nghệ GPS cho phép xác định vị trí của các phương tiện giao thông trênđường phố Nhờ đó có thể tiến hành chỉ dẫn và dẫn đường cho lái xe trên cácbản đồ số, đi tới địa điểm đích một cách chi tiết GPS cũng giúp quản lý phânluồng giao thông, hay giúp các xe cứu hộ đến đích nhanh nhất

Sử dụng GPS để xác định vị trí chính xác của tàu trên đường ray có thểphòng tránh tai nạn, đảm bảo giao thông thông suốt, giảm thiểu chi phí

- Thời gian

Dịch vụ thời gian là một trong những chức năng quan trọng nhất của GPS

Nó giúp cho việc đồng hộ đồng hồ và các sự kiện trên khắp thế giới

CHƯƠNG II TÌM HIỂU VÀ THÍ NGHIỆM VỚI HỆ THỐNG CÔNG CỤ

NAVSAS

NavSAS (Navigation – Signal Analysis and Simulation) là một bộ thí nghiệm vàđào tạo thực tế về công nghệ GNSS do tổ chức NavSAS Group, một tổ chức đượcthành lập với sự kết hợp của đại học Bách khoa Torino (Politecnico di Torino) vàIstituto Superiore Mario Boella, Italy, phát triển Bộ công cụ giải pháp này gồm 2phần [7, 8]:

- SAT-SURF là gói phần cứng có các chức năng GNSS và COM

- SAT-SURFER là công cụ phần mềm chạy trên các PC tiêu chuẩn sử dụng dữliệu thu được từ SAT-SURF

Ngoài chức năng cơ bản của thiết bị thu nhận GPS, SAT-SURF còn được tíchhợp các mô-dun GSM/GPRS để có thể kiểm thử được chức năng Assisted-GNSS(tương tự DGPS nhưng sử dụng các trạm phát sóng mobile) và cung cấp các dữ liệusửa lỗi cho các thiết bị khác thông qua kênh COM

2.1.1 SAT-SURF

SAT-SURF là gói phần cứng tích hợp GPS và các chức năng GSM/GPRS

Để thử nghiệm SAT-SURF không nhất thiết phải cài SAT-SURFER mà có thể

sử dụng Windows Hyper Terminal hoặc các công cụ tương đương để ghi nhận dữ

liệu thu thập được Dữ liệu ra của thiết bị GPS theo chuẩn NMEA (9600bps, 8 bit

dữ liệu, không parity, 1 stop bit, không kiểm soát dòng)

Để kết nối SAT-SURF thì máy tính cần có cổng I/O (COM) hoặc có thể dùng bộchuyển đổi USB-RS232 để kết nối thông qua cổng USB

Hình 25 Thiết bị thí nghiệm SAT-SURF

2.1.2 SAT-SURFER

SAT-SURFER là chương trình phần mềm cho phép xử lý các thông tin thu nhận được từ thiết bị thu nhận GNSS Nó có các chức năng sau:

- Nhận dữ liệu GNSS thô từ các thiết bị thu nhận GNSS

- Xuất dữ liệu dưới dạng các tệp ASCII (.txt), Microsoft Office Excel (.xls), MATLAB (.mat) để có thể xử lý tiếp trong MATLAB

- Hiển thị các dữ liệu thu nhận được ở chế độ thời gian thực

- Nhận các dữ liệu theo các chuẩn nhị phân khác từ các mô-đun GPS (ngoài NMEA)

Để chạy được thiết bị cần yêu cầu cấu hình PC như sau:

- Hệ điều hành: Window XP hoặc Vista

- RAM: 512MB

- Ổ cứng: 20MB

- Phần mềm: Microsoft NET Framework 2.0

Hình 26 Giao diện chương trình SAT-SURFER

Ngoài ra, để có thể xử lý dữ liệu thu nhận được, có thể dung MATLAB để xâydựng các chương trình tính toán kiểm nghiệm độ chính xác của kết quả

2.2.1 Hiển thị vị trí lên công cụ bản đồ số

Dùng phần mềm SAT-SURFER kết nối tới thiết bị thu đặt tại phòng thí nghiệmcủa trường đại học kỹ thuật Torino, Ý Thiết lập thông số GPS Receiver cho phầnmềm:

- Type: TCP

- IP Address: 130.192.85.207

- TCP Port: 2002

Tại thời điểm thu cho ra kết quả tọa độ [45°3'54.959, 7°39'32.384] Sử dụng

phần mềm Google Maps, vị trí của thiết bị có thể thấy được trên bản đồ:

Hình 27 Vị trí của thiết bị thu tại đại học Bách Khoa Torino

Kết quả thu được khá chính xác vì theo ghi nhận, số vệ tinh trong tầm quan sátcủa thiết bị thu luôn lớn hơn 9

Tiếp tục tiến hành thu tín hiệu sử dụng thiết bị SAT-SURF đặt tại phòng thínghiệm liên mạng của đại học Bách Khoa Hà Nội, tầng 4, nhà C1 Kết quả thu được

tọa độ [21°00′27″, 105°50′35″] Hiển thị kết quả trên bản đồ, có thể thấy độ lệch so

với vị trí chính xác vào khoảng 20m

Hình 28 Vị trí của thiết bị thu tại đại học Bách Khoa Hà Nội

Kết quả thiếu chính xác này là do số vệ tinh trong tầm quan sát của thiết bị thu chỉ dao động từ 3 đến 5 vệ tinh

2.2.2 Xác định độ chính xác kết quả định vị

Như đã biết kết quả thu được luôn có tính tương đối nhất định, do đó tại nhữngthời điểm khác nhau thì kết quả cũng khác nhau Tiến hành thu tín hiệu trongkhoảng thời gian 4h từ 20h37’39’ ngày 27-04-2009 (giờ Việt Nam) Kết quả thuđược được ghi lại trong tệp dữ liệu Pos_20090427_203739.csv Dữ liệu có bao gồmgiá trị tọa độ X, Y, Z theo hệ trục Oxyz (hệ tọa độ ECI) Các giá trị đó được tínhtoán giá trị trung bình và phương sai bằng công cụ Matlab® Kết quả cho thấy:

X_mean = 4.4724e+006; Y_mean = 6.0143e+005; Z_mean = 4.4927e+006 Xstd = 1.9490; Ystd = 1.0286; Zstd = 2.2933

với X_mean, Y_mean, Z_mean là giá trị trung bình của X, Y, Z

Xstd, Ystd, Zstd là giá trị trung bình của phương sai theo phương X, Y, Z.

Hình 29 Biểu diễn 2D của vị trí thu được

Theo ghi nhận thì số vệ tinh trong tầm quan sát luôn lớn hơn 9, do đó có thể thấygiá trị sai số khá nhỏ, chỉ trong khoảng -5m đến +7m đối với chiều X và -3m đến4m đối với chiều Y

Các đồ thị dưới đây biểu diễn các mô hình 2 chiều (2D) và 3 chiều (3D) của cáctọa độ thu được tại từng thời điểm và độ lệch về vị trí dọc theo các hướng.

Hình 30 Biểu diễn 2D sai số vị trí

Hình 31 Biểu diễn 3D của vị trí thu được

Hình 32 Biểu diễn 3D sai số vị trí

Có thể thấy độ lệch chuẩn theo mỗi hướng không giống nhau Nguyên nhân

là do độ chính xác của kết quả còn phụ thuộc vào vị trí hình học của vệ tinh trong không gian, và các vị trí này ảnh hưởng khác nhau theo từng hướng thu

2.2.3 Xác định tọa độ vệ tinh

Các dữ liệu thu được còn cho phép xác định vị trí của vệ tinh tại thời điểm quansát cũng như đường di chuyển của vệ tinh trong một khoảng thời gian dài Sử dụngtệp dữ liệu SatPos26012009_125526.csv, thu ngày 26-01-2009 trong khoảng 1h Sửdụng Matlab để xử lý dữ liệu và vẽ mô hình bầu trời cũng như đường đi của các vệtinh trong tầm ngắm tại thời điểm đó gồm các vệ tinh số: 3, 6, 11, 14, 18, 19, 20,

22, 28, 32

Hình 33 Biểu diễn quỹ đạo của vệ tinh

2.2.4 Kiểm nghiệm các giá trị DOP

Các giá trị DOP phản ánh độ chính xác về vị trí (Positional DOP - PDOP), vị trítheo chiều ngang (Horizontal DOP - HDOP), vị trí theo chiều dọc (Vertical DOP -VDOP), vị trí theo thời gian (Time DOP - TDOP) của kết quả thu được Ảnh hướnglớn nhất tới chúng chính là do vị trí hình học của các vệ tinh trong tầm quan sát củathiết bị, ngoài ra còn có tác động của nhiễu môi trường, độ chính xác đồng hồ…Tiếp tục sử dụng tệp dữ liệu Pos_20090427_203739.csv để chiết xuất các giá trịDOP và vẽ đồ thị dùng Matlab Trục X thể hiện thời gian quan sát, trục Y thể hiệngiá trị DOP tại thời điểm quan sát (tính bằng giây)

Có thể thấy các giá trị DOP thay đổi liên tục do vị trí địa lý của các vệ tinh thayđổi Tại thời điểm 6000s – 8000s giá trị DOP cao đột ngột, độ chính xác của kết quảtại thời điểm đó sẽ thấp nhất Thông thường DOP tốt khi góc nâng của các vệ tinh ởtrong khoảng 150 đến 350, đáng tiếc thiết bị không ghi nhận được góc nghiêng theothời gian để có thể vẽ đồ thị tương quan giữa hai tham số này