Ứng dụng công nghệ GPS và các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất trong quản lý, vận hành giao thông đường sắt Việt Nam

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ADSL Asynchronous Digital Subscriber Line Đường thuê bao số cận đồng bộ BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm cơ sở BTS Base Transfer Station Trạm gốc tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

******

BÙI XUÂN LIỆU

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS VÀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN MẶT ĐẤT TRONG QUẢN LÝ, VẬN HÀNH GIAO THÔNG ĐƯỜNG SẮT VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2009

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan ngoài những phần tham khảo từ các tài liệu liên quan như đã được chú thích trong các trang của luận văn, nội dung luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi, không sao chép từ bất kỳ một luận văn nào khác

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2009

Người cam đoan

Học viên: Bùi Xuân Liệu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG I: HIỆN TRẠNG MẠNG THÔNG TIN ĐƯỜNG SẮT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 10

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐƯỜNG SẮT VIỆT NAM 10

1.1.1 Giới thiệu chung [1],[4] 10

1.1.2 Hiện trạng hệ thống Thông tin tín hiệu Đường sắt 12

1.1.3 Trung tâm điều hành vận tải đường sắt hiện nay [1],[4] 17

1.1.4 Hiện trạng thị phần vận tải Đường sắt [1],[4] 18

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 22

1.2.1 Ứng dụng công nghệ GPS và các kỹ thuật nhận biết tự động khác trong vận hành giao thông đường sắt trên thế giới [7],[11] 22

1.2.2 Mục tiêu nghiên cứu cụ thể [1],[4] 25

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ GPS VÀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN MẶT ĐẤT 27

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 27

2.1.1 Hệ thống GPS [5],[6],[10] 27

2.1.1.1 Khái niệm 27

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS 28

2.1.1.3 Các thành phần của GPS 28

2.1.1.4 Quỹ đạo của vệ tinh 29

2.1.1.5 Tín hiệu GPS 31

2.1.1.6 Cấp chính xác của hệ thống GPS 32

2.1.1.7 Nguồn lỗi của tín hiệu GPS 32

2.1.2 GPS vi phân (Differential GPS) [6],[8],[10] 33

2.1.3 Các hệ thống GPS trên thế giới hiện nay [10],[11] 34

2.1.3.1 Hệ thống định vị toàn cầu của Hoa Kỳ - GPS 34

2.1.3.2 Hệ thống GLONASS của Nga 34

2.1.3.3 Hệ thống Galileo của Châu Âu: 36

2.1.3.4 Các hệ thống khác 36

2.1.4 Một số hệ toạ độ sử dụng trong GPS 37

2.1.4.1 Hệ toạ độ địa lý 37

2.1.4.2 Hệ toạ độ chuẩn địa tâm: 38

2.1.4.3 Hệ toạ độ GPS 39

2.1.4.4 Hệ toạ độ địa lý cục bộ 40

2.1.5 Phương pháp tính toán trong GPS 41

2.1.6 Các ứng dụng của GPS [10],[11] 46

2.1.7 Kiến nghị ứng dụng trong định vị đoàn tàu ở ĐSVN 48

2.2 CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN MẶT ĐẤT 48

2.2.1 Hệ thống thông tin di động GSM [2],[9],[11] 48

2.2.1.1 Tổng quan về mạng GSM 48

2.2.1.2 Lịch sử mạng GSM 48

2.2.1.3 Giao tiếp Radio 49

2.2.1.4 Cấu trúc mạng GSM 50

2.2.1.5 Các thành phần chính của hệ thống GSM 51

2.2.1.6 Cấu trúc địa lý của mạng 54

2.2.1.7 Các đặc trưng của GSM 55

2.2.1.8 Kiến nghị ứng dụng trong định vị đoàn tàu ở ĐSVN 58

2.2.2 Hệ thống nhận dạng bằng sóng vô tuyến RFID [3],[7],[11] 59

2.2.2.1 Khái niệm 59

2.2.2.2 Cấu trúc hệ thống và các loại thẻ 59

2.2.2.3 Thẻ thụ động (passsive) 60

2.2.2.4 Thẻ chủ động (active) 60

2.2.2.5 Các phương thức truyền thông của công nghệ RFID 61

2.2.2.6 Những ưu điểm của công nghệ RFID 61

2.2.2.7 Phạm vi ứng dụng của công nghệ RFID 62

2.2.2.8 Kiến nghị ứng dụng trong định vị đoàn tàu ở ĐSVN 63

CHƯƠNG III: LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ, GIẢI PHÁP KỸ THUẬT 64

3.1 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ 64

3.1.1 Yêu cầu đối với Trung tâm điều hành vận tải tương lai [1],[3],[4] 64

3.1.1.1 Độ tin cậy trong việc xác định vị trí đoàn tàu 64

3.1.1.2 Lập biểu đồ chạy tàu bằng máy tính 64

3.1.1.3 Kiểm soát chạy tàu và đánh giá khả năng vận hành 65

3.1.1.4 Tối ưu hoá việc sử dụng đầu máy toa xe và nhân viên phục vụ 65

3.1.1.5 Cải thiện thông tin và dịch vụ cho trực ban hoá vận 65

3.1.2 Lựa chọn công nghệ [1],[4] 67

3.1.2.1 Các nguyên tắc của hệ thống định vị 67

3.1.2.2 Lựa chọn công nghệ định vị 67

3.2 GIẢI PHÁP KỸ THUẬT 71

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống [1],[4] 71

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống [1],[4] 73

3.2.2.1 Định vị đoàn tàu trên khu gian 73

3.2.2.2 Định vị đoàn tàu trong ga [1],[4],[7] 75

3.2.3 GPS trong các hầm [1],[4] 79

3.2.4 Các yêu cầu GSM 79

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 81

4.1 KẾT LUẬN 81

4.2 NHỮNG LỢI ÍCH ĐẠT ĐƯỢC CỦA HỆ THỐNG MỚI [1],[4] 81

4.2.1 Đảm bảo an toàn chạy tàu 81

4.2.2 Doanh thu 81

4.2.3 Tiết kiệm chi phí nhân sự 83

4.2.4 Các lợi ích khác không thể định lượng 83

4.3 CÁC KHUYẾN NGHỊ 83

LỜI CẢM ƠN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADSL Asynchronous Digital Subscriber Line Đường thuê bao số cận đồng bộ BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm cơ sở

BTS Base Transfer Station Trạm gốc trung chuyển

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GPRS General Package Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GSM Global System for Mobile Telecom Hệ thống thông tin di động toàn cầu HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú

ISDN Integrated Service Digital Network Mạng số đa dịch vụ tích hợp

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

MC Multipoint Controller Bộ điều khiển đa điểm

MS Mobile Subscriber Thuê bao di động

OCC Operation Control Center Trung tâm điều hành vận tải

OCS Operation Control System Hệ thống điều hành vận tải

PoP Point of Presence Điểm hiện diện

PPS Precise Positioning Service Dịch vụ định vị chính xác

PSDN Public Switching Data Network Mạng dữ liệu chuyển mạch công cộng PSTN Public Swiching Telephone Network Mạng ĐT chuyển mạch công cộng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RCC Resident Control Center Trung tâm điều hành khu vực

RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng bằng sóng vô tuyến

SA Selective availability Rào chắn

SIM Subscriber Identification Modul Khối nhận dạng thuê bao

SPS Standard Positioning Service Dịch vụ định vị tiêu chuẩn

TDM Time division multiplexing Đa truy nhập phân chia theo thời gian VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú

VNR Vietnam Railways Đường sắt Việt Nam

VNPT Vietnam Post and Telecom Tập đoàn BCVT Việt nam

WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây nội hạt

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mạng lưới giao thông vận tải Việt Nam 10

Hình 1.2 Mạng lưới Đường sắt Việt Nam 11

Hình 1.3 Thiết bị tải ba dùng cho truyền dẫn đường trục 13

Hình 1.4 Thiết bị thông tin liên lạc cũ kỹ và lạc hậu 14

Hình 1.5 Đài khống chế hệ thống liên lạc khóa rơle kiểu cũ 14

Hình 1.6 Hiện trạng mạng cáp quang đường sắt 16

Hình 1.7 Số hành khách-km theo phương thức vận tải 19

Hình 1.8 Khối lượng hàng hóa tấn-km theo phương thức vận tải 19

Hình 1.9 Số hành khách theo phương thức vận tải 20

Hình 1.10 Khối lượng hàng hóa tấn theo phương thức vận tải 20

Hình 1.11 Đầu tư của nhà nước đối với lĩnh vực vận tải trong 21

các năm qua 21

Hình 1.12 Tàu cao tốc Shinkansen của Nhật Bản 22

Hình 1.13 Tàu cao tốc TGV của Pháp 23

Hình 2.1 Hệ thống vệ tinh GPS 27

Hình 2.2 Cấu trúc của một hệ thống GPS 28

Hình 2.3 Vị trí của trung tâm điều khiển 29

Hình 2.4 Quỹ đạo vệ tinh GPS 30

Hình 2.5 Nguyên tắc hoạt động của DGPS 33

Hình 2.6 Hệ toạ độ địa lý 37

Hình 2.7 Hệ toạ độ chuẩn địa tâm 38

Hình 2.8 Hệ toạ độ GPS 39

Hình 2.9 Góc nghiêng của quỹ đạo GPS 39

Hình 2.10 Cơ sở của định vị trong GPS 41

Hình 2.11 Định vị với 2 đường tròn trong mặt phẳng 42

Hình 2.12 Định vị với 3 đường tròn trong mặt phẳng 42

Hình 2.13 Định vị với 3 mặt cầu trong không gian 43

Hình 2.14 Khoảng cách và tọa độ của các vệ tinh trong không gian 43

Hình 2.15 Cấu trúc tổng thể mạng GSM 50

Hình 2.16 Thẻ RFID 59

Hình 2.17 Mô hình kỹ thuật của hệ thống ứng dụng công nghệ RFID 60

Hình 3.1 Các trung tâm điều hành vận tải đề xuất 66

Hình 3.2 Sơ đồ khối bố trí thiết bị trên đầu máy 71

Hình 3.3 Trung tâm điều hành vận tải tương lai 72

Hình 3.4 Sơ đồ mô tả hoạt động của hệ thống trên khu gian 73

Hình 3.5 Sơ đồ mô tả hoạt động của hệ thống định vị trong ga 75

Hình 3.6 Dạng bên ngoài của một thẻ RFID gắn trên tàu 75

Hình 3.7 Dạng bên ngoài của một đầu đọc thẻ 77

Hình 3.8 Bên trong thiết bị đọc thẻ 77 Hình 3.9 Nhân viên nhà ga dùng máy cầm tay để đọc thẻ nhận dạng gắn trên toa xe

78 Hình 3.10 Đầu đọc thẻ RFID cầm tay 78

LỜI NÓI ĐẦU

Đường sắt Việt Nam - một trong những ngành công nghiệp lâu đời nhất của Việt Nam, lịch sử của ngành đã mở ra trang đầu tiên từ năm 1881 với việc khởi công xây dựng tuyến Đường sắt đầu tiên Sài Gòn - Mỹ Tho và chuyến tàu đầu tiên bắt đầu khởi hành từ Sài Gòn đi Mỹ Tho vào ngày 20/7/1885

Trong giai đoạn giữa năm 1882 và 1936 các tuyến đường chính đã được xây dựng theo công nghệ của Pháp và đến nay Tổng Công ty Đường sắt Việt Nam (VNR) đang vận dụng 3160 km đường sắt nối liền tất cả các trung tâm quan trọng và các vùng phụ cận của đất nước bao gồm 6 tuyến đường chính với hầu hết là loại đường đơn khổ rộng 1000mm Sau hơn 70 năm vận hành và khai thác, tuy nhiên, do tính đặc thù của ngành cần phải đầu tư với số vốn lớn và đồng bộ nên việc đầu tư, nâng cấp và hiện đại hóa ngành Đường sắt vẫn chưa được chú trọng do đó việc khai thác và vận hành chưa hiệu quả

Đến nay, Đường sắt Việt Nam đã và đang bắt tay vào chương trình khôi phục và hiện đại hoá Đường sắt để ngành Đường sắt trở thành một ngành vận tải hàng đầu của Việt Nam, đóng góp tích cực vào sự tăng truởng kinh tế của đất nước và hoà nhập với Đường sắt trong khu vực và trên thế giới

Một trong những hạng mục quan trọng góp phần vào sự thành công trong công tác điều hành vận tải Đường sắt đó là việc xác định chính xác vị trí và tốc

độ của đoàn tàu khi đang di chuyển trên đường, hạng mục này thuộc chuyên ngành Thông tin tín hiệu đường sắt, là một ngành thuộc lĩnh vực công nghệ Điện

tử - Viễn thông phục vụ cho các tác nghiệp vận tải hành khách và hàng hoá Tuy nhiên, do không được đầu tư một cách đồng bộ nên lĩnh vực này của đường sắt Việt Nam hiện nay đã tụt hậu xa so với sự phát triển mạch mẽ của ngành Điện tử

- Viễn thông ở trong nước và trên thế giới

Việc hiện đại hóa lĩnh vực Thông tin tín hiệu Đường sắt nói chung và công nghệ định vị đoàn tàu nói riêng là một việc làm hết sức cần thiết trong công cuộc xây dựng ngành Đường sắt tiến lên chính quy, hiện đại

Trong khuôn khổ bài luận văn này, em xin giới thiệu đề tài “Ứng dụng công nghệ GPS và các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất trong quản lý vận hành giao thông Đường sắt việt nam” phục vụ công tác khai thác, điều hành vận tải Đường sắt Nội dung bài luận văn của em bao gồm 4 chương, với các nội dung cụ thể như sau:

Chương 1: Hiện trạng mạng Thông tin tín hiệu đường sắt và mục tiêu nghiên cứu

Chương này giới thiệu một cách tổng quan về ngành Đường sắt nói chung

và hiện trạng về lĩnh vực Thông tin tín hiệu Đường sắt nói riêng, bao gồm những hạn chế và bất cập cũng như các ưu điểm và nhược điểm của hệ thống điều hành vận tải Đường sắt hiện tại

Chương 2: Tổng quan về Hệ thống GPS và các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất

Chương này giới thiệu về công nghệ GPS các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất, bao gồm các thành phần chính, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng trong thực tế và trong ngành Đường sắt trên thế giới

Chương 3: Lựa chọn công nghệ và giải pháp kỹ thuật

Chương này mô tả chi tiết cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống định vị đoàn tàu dựa trên công nghệ GPS kết hợp với các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất

Chương 4: Kết luận và đánh giá

Chương này đưa ra các đánh giá, các phân tích về tính hiệu quả của hệ thống mới so với hệ thống cũ và khả năng nâng cấp để thích ứng với tiến trình hiện đại hóa của ngành Đường sắt

CHƯƠNG I HIỆN TRẠNG MẠNG THÔNG TIN ĐƯỜNG SẮT

VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐƯỜNG SẮT VIỆT NAM

1.1.1 Giới thiệu chung [1],[4]

Ngành giao thông vận tải của Việt Nam bao gồm toàn bộ các hình thức giao thông chủ yếu như đường bộ, đường sắt, đường biển, đường thuỷ nội địa và hàng không Do địa hình địa lý đặc thù, các hành lang giao thông chính là các tuyến đường nối các thành phố lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh và giữa Miền Bắc với Miền Nam nói chung Các hành lang giao thông quan trọng khác

là các tuyến đường nối với Hải Phòng, Đồng Đăng và Lào Cai

Tổng Công ty Đường sắt Việt

đang vận dụng

3160 km đường sắt nối liền tất cả các trung tâm quan trọng và các vùng phụ cận của đất nước bao gồm 7 tuyến đường chính với hầu hết là loại đường đơn khổ rộng 1000mm

1.800 cây cầu (57.044m) và 39 hầm (11.513 m)

và 281 nhà ga và khoảng 350 đầu máy Tuyến đường quan

Hình 1.1 Mạng lưới giao thông vận tải Việt Nam

trọng nhất là tuyến đường đơn từ Hà Nội đi T.Phố HCM với chiều dài 1726 km Một tuyến quan trọng khác nữa là tuyến nối Lào Cai đến Cảng Hải Phòng

Do cơ sở hạ tầng kỹ thuật đã được khai thác từ lâu nên có nhiều trở ngại đang gây vướng mắc cho hoạt động của ĐSVN như:

Hướng tuyến với đường cong bé, độ dốc tới 1,7%, khổ đường hẹp 1 mét, ray nhẹ (cho phép tải trọng trục 14 tấn), các hầm nhỏ, hẹp, ghi mòn, đường dẫn cầu làm hạn chế đáng kể tốc độ đường và tải trọng đoàn tàu

Hơn nữa, các đường tránh trong ga ngắn, chiều dài các khu gian đóng đường khác nhau nhiều và hệ thống tín hiệu đóng đường bán tự động làm giảm năng lực thông qua của tuyến Các thiết bị quản lý và lập kế hoạch chạy tàu đã lạc hậu và tốn nhiều thời gian Một phần đầu máy, toa xe không đủ công suất và lạc hậu, vì thế tốc độ lữ hành trung bình lớn nhất giữa Hà Nội và TP HCM đạt được là 50 km/h và những mác tàu ít quan trọng hơn chỉ đạt được 35 km/h

Hình 1.2 Mạng lưới Đường sắt Việt Nam

Tuyến đường sắt Hà Nội – TP Hồ Chí Minh xây dựng vào thập niên 1880 trong thời kỳ Pháp thuộc - là tuyến đường “xương sống” của Hệ thống đường sắt Việt

Khổ đường

Thị phần trong mạng VNR

Thị phần trong mạng VNR

Đường trục & nhánh Các vòng & tránh

Nam nối Thủ đô ở phía Bắc với các trung tâm kinh tế ở miền Nam Các tuyến đường chính khác gồm: Hà Nội – Hải Phòng nối Hà Nội với thành phố Cảng Hải Phòng, và 2 tuyến đường nối Việt Nam với Trung Quốc: Hà Nội – Lào Cai

và Hà Nội - Đồng Đăng

Tổng Công ty Đường sắt Việt Nam (VNR) được thành lập năm 2003 quản lý hoạt động vận tải đường sắt và trả phí 10% tổng doanh thu cho việc sử dụng hạ tầng đường sắt Theo tiến trình tập đoàn hoá, hoạt động kinh doanh nội bộ của VNR đã được tái cơ cấu thành 4 doanh nghiệp chính: 2 công ty hoạt động vận chuyển hành khách tại Hà Nội và TP HCM, 1 công ty vận chuyển hàng hoá trụ

sở đặt tại Hà Nội và 1 nhóm các cơ quan quản lý hạ tầng kỹ thuật khu vực

1.1.2 Hiện trạng hệ thống Thông tin tín hiệu Đường sắt

Hệ thống Thông tin tín hiệu Đường sắt là một ngành thuộc lĩnh vực công nghệ điện tử viễn thông có tính chất đặc thù nhằm mục đích phục vụ cho các tác nghiệp vận tải hành khách và hàng hoá Hiện nay, ở các nước có hệ thống đường sắt phát triển cùng với hệ thống điện khí hoá như Pháp, Nhật, Mỹ … thì hệ thống Thông tin tín hiệu đường sắt chiếm một tỷ lệ vốn đầu tư tương đối lớn, khoảng 30-40% tổng mức đầu tư cho dự án vì đây là một lĩnh vực chuyên môn rất quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điều hành chạy tàu và hiệu quả sản xuất kinh doanh của ngành

Tuy vậy, trước năm 2000, hệ thống TTTH của đường sắt Việt Nam không được đầu tư đáng kể, chỉ bằng khoảng 5% tổng số vốn Xây dựng cơ bản hàng năm, có một số dự án được thực hiện dựa vào nguồn vốn trong nước: như dự án cáp quang Nha Trang – Sài Gòn, công trình các ga đèn màu ĐSTN … nhưng do không đủ vốn nên dự án kéo dài, chắp vá nên mặc dù lĩnh vực điện tử viễn thông trên thế giới cũng như trong nước phát triển rất mạnh mẽ nhưng trong ngành đường sắt Việt Nam thì vẫn sử dụng dây trần và các thiết bị đầu cuối là thiết bị tải ba, công nghệ truyễn dẫn analoge để truyền dẫn thông tin tín hiệu đường trục, công nghệ của các thiết bị cơ bản này là của những năm 60 đến 70 của thế kỷ trước, thậm chí một số ga tín hiệu còn sử dụng thiết bị đóng đường của thế kỷ

19 Chỉ các trung tâm thông tin trên các tuyến hiện đã được lắp đặt tổng đài điện

tử kỹ thuật số nhưng do hạn chế về đường truyền nên các tổng đài này không kết nối thành hệ thống theo công nghệ hiện đại được Cho đến nay, tại các nơi chưa thực hiện dự án, vẫn đang dùng các thiết bị cũ và lạc hậu

Hình 1.3 Thiết bị tải ba dùng cho truyền dẫn đường trục

Thông tin hiện nay trong mạng lưới ĐSVN hòan tòan dựa vào điện thoại Tất

cả các hoạt động liên quan đến thông tin giữa các Trung tâm điều hành vận tải (sau đây được gọi là trung tâm OCC- Operation control center) tại Hà Nội, Đà Nẵng và Sài Gòn và các ga trong khu vực điều khiển liên quan chỉ có thể thực hiện bằng điện thoại Ngoài ra còn có các đường điện thoại giữa các ga và các đường ngang được bảo vệ trong khu vực liên quan

Các hệ thống dây trần chủ yếu được dùng cho việc truyền dẫn đường dài với các thiết bị đầu cuối là các máy tải ba Đôi dây cáp đồng được sử dụng cho thông tin & tín hiệu cục bộ Các dây cáp đồng (4 dây) dùng cho việc truyền dẫn

âm tần trong một số khu gian

Hình 1.4 Thiết bị thông tin liên lạc cũ kỹ và lạc hậu

Hình 1.5 Đài khống chế hệ thống liên lạc khóa rơle kiểu cũ

Vì hiện nay không có thông tin giữa các tàu và Trung tâm OCC hay các nhà

ga, nên nhân viên chạy tàu phải tự giải quyết các tai nạn (nếu có) – hoặc là đi bộ

để gọi trợ giúp hay đưa nạn nhân lên tàu đi đến ga kế tiếp hay 1 hoặc 2 nhân viên chạy tàu ở lại với nạn nhân tại hiện trường cho đến khi tàu đến ga kế và gọi được trợ giúp; vì vậy loại tai nạn này có ảnh hưởng lớn hoạt động, vì thời gian phản hồi sự cố bị kéo dài do thiếu thông tin Do vậy, thông tin giữa các tàu và trung tâm OCC sẽ là một trong những chú trọng của thiết kế cho trung tâm OCC mới

Từ năm 1998, trên tuyến Hà Nội – Tp.HCM, ĐSVN đã áp dụng hệ thống điện thoại truyền hình hội nghị sử dụng công nghệ Microband ATM và phương thức truyền dẫn đa kênh với tốc độ 64 kbps thuê qua Tổng Công ty Bưu chính Viễn thông Việt Nam

Từ năm 2000 đến nay, sau khi Chính phủ ban hành "Chiến lượt phát triển Giao thông vận tải Việt nam (Quy hoạch tổng thể) đến năm 2020" do Bộ Giao Thông Vận Tải ban hành năm 2002, các mục tiêu đầy tham vọng cho lĩnh vực vận tải cần phải đạt được đến các năm 2005, 2010 và 2020 đã ấn định Các mục tiêu chủ yếu cho lĩnh vực đường sắt bao gồm việc nâng cấp các tuyến hiện có để đạt tiêu chuẩn đường sắt quốc gia và khu vực, phát triển thêm các tuyến mới, phục hồi & phát triển các tuyến đường sắt lồng, điện khí hóa và tiến hành xây dựng các tuyến đường sắt cao tốc Bắc – Nam… Lĩnh vực Thông tin tín hiệu đường sắt cũng đã từng bước được cải thiện và nguồn vốn đầu tư ngày càng được được chú trọng hơn trong lĩnh vực này, với mục tiêu chính là thay thế hệ thống TTTH cũ, công nghệ truyễn dẫn analoge sang hệ thống thông tin cáp quang, sử dụng kỹ thuật số, nâng cấp hệ thống kết cấu hạ tầng kỹ thuật đường sắt, nâng cao tốc độ, rút ngắn hành trình chạy tàu, bảo đảm an toàn, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao tính cạnh tranh của vận tải đường sắt

Kết hợp với các dự án khác từng bước hiện đại hoá ngành đường sắt, đi bước đầu tiên của ngành TTTH đường sắt trong việc hiện đại hoá theo công nghệ mới Nâng cao trình độ cán bộ công nhân viên ĐS trong việc tiếp cận công nghệ mới Với mục tiêu: Đường cáp quang như là “đường trục chính” truyền dẫn tòan

bộ thông tin giọng nói và số liệu là mục tiêu trong tương lai của tất cả các tuyến Hiện trạng việc lắp đặt các tuyến cáp quang đang được thực hiện ở các dự án như sau:

 Đọan Hà Nội– Vinh: việc xây dựng/lắp đặt đã được hoàn tất, với nguồn vốn viện trợ ODA của Cộng hòa Pháp

 Đọan Nha Trang – Sài Gòn: việc xây dựng đã hòan tất, với nguồn vốn trong nước

 Đoạn Vinh - Nha Trang: dự án đang được triển khai thi công, với nguồn vốn vay ưu đãi của Chính phủ Trung quốc

 Các khu vực Hà Nội – Lào Cai; Hà Nội – Thái Nguyên; Hà Nội – Đồng Đăng và khu vực đầu mối Hà Nội: dự án đang được triển khai bước thiết kế thi công, với nguồn vốn vay ưu đãi của Chính phủ Trung quốc

 Hà Nội – Hải Phòng: Bước nghiên cứu khả thi đang được chuẩn bị

Hiện trạng mạng cáp quang đường sắt được thể hiện ở hình sau:

Hình 1.6 Hiện trạng mạng cáp quang đường sắt

Hệ thống đường trục chính và hệ thống thông tin đường sắt giữ một vai trò cực kỳ quan trọng trong việc hiện đại hóa và nâng cao năng lực vận tải trong ngành Đường sắt Hiện nay nỗ lực của ngành Đường sắt là từng bước hoàn thiện

Bản đồ mạng lưới đường sắt Việt Nam

Tổng quan về hệ thống thông tin

Hệ thống thông tin

Cáp quang Khác

Địa điểm

Các cơ sở duy tu bảo dưỡng thông tin-tín hiệu

Thị phần của các hệ thống TT

mạng lưới truyền dẫn đường trục cáp quang sử dụng công nghệ SDH và mạng tổng đài điện tử số

1.1.3 Trung tâm điều hành vận tải đường sắt hiện nay [1],[4]

Trung tâm điều hành vận tải được xem như là trái tim của một hệ thống vận tải, nếu như điều hành vận tải một cách hợp lý và có hiệu quả thì sẽ đem lại lợi ích rất lớn và tiết kiệm chi phí

Hiện nay có ba trung tâm điều hành vận tải khu vực đặt tại Hà Nội, Đà Nẵng và TP HCM đang giám sát và gửi đón tàu hoạt động với các qui định của mình Một trung tâm điều hành vận tải quốc gia tại Hà Nội đang kiểm soát biểu

đồ chạy tàu và phối hợp điều hành chạy tàu

Bộ phận kiểm sóat tuyến đường của Trung tâm điều hành vận tải đường sắt (OCC) Hà Nội gồm 8 phòng điều độ riêng biệt, các nhân viên làm việc tại đây

có nhiệm vụ giám sát hoạt động chạy tàu thực tế và chịu trách nhiệm quản lý mạng lưới đường sắt có tổng chiều dài xấp xỉ 1.400 km

 Mỗi phòng điều độ rộng khoảng 16 m2

o Khu vực miền Trung của tuyến đường sắt Bắc-Nam gặp phải điều kiện địa hình rất khó khăn Tuyến đường này chạy giữa các đồi núi

và bờ biển, thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai (bão, lụt);

 Các phòng điều khiển phục vụ chức năng giám sát chạy tàu và điều độ trên hai đoạn tuyến với 57 ga Diện tích mỗi phòng từ 16 đến 18 m2

;

 Trung tâm điều hành vận tải đường sắt tại thành phố Hồ Chí Minh cũng là đơn vị trực thuộc của trung tâm OCC tại Hà Nội, chịu trách nhiệm điều hành tuyến đường sắt dài 640 km và 54 ga; có 2 phòng điều khiển quản lý đoạn tuyến này chịu sự chỉ đạo của OCC Hà Nội, mỗi phòng rộng khoảng

Phương pháp định vị đoàn tàu hiện tại: Hiện tại, Đường Sắt Việt Nam đang

ghi nhận vị trí các đoàn tàu, toa xe, hay đầu máy hoàn tòan bằng quá trình xử lý thủ công Nhân viên nhà ga thông báo cho nhân viên của trung tâm OCC về các

vị trí mới (các toa xe trong khu vực tập trung, đầu máy trong Depot, các đoàn tàu khi chúng được lập mới / tháo dỡ và khi đến hay rời ga) bằng điện thoại Điều này có nghĩa:

 Thông tin sẵn sàng cho các nhà ga, bãi, depot nhưng không có thông tin trên tuyến giữa các ga Các đoàn tàu được các nhân viên trung tâm OCC định vị theo thứ tự lôgíc giữa các ga liền kề vì không thể thực hiện tại các

ga trên tuyến;

 Độ tin cậy của thông tin phụ thuộc phần lớn vào một chuỗi thông tin bởi con người Nếu một mắt xích bị khuyết thì thông tin bị mất hay không chính xác

Mặc dầu các đơn vị hiện có thực hiện các chức năng cơ bản của vận tải đường sắt do hiểu biết và kinh nghiệm chuyên môn của mình, hệ thống hiện tại thiếu mất tính linh hoạt, hiệu quả và công việc; tính đúng giờ của các chuyến tàu thấp; các thiết bị và cơ sở dữ liệu không đưa ra được các thông tin cần thiết để lập kế

hoạch, bố trí, sắp xếp và kiểm soát vận tải đường sắt có tính cạnh tranh

1.1.4 Hiện trạng thị phần vận tải Đường sắt [1],[4]

Do việc đầu tư cho lĩnh vực thông tin tín hiệu chưa được chú trọng một cách thích đáng, thiết bị và công nghệ lạc hậu nên dẫn đến hiệu quả khai thác vận tải trong ngành đường sắt rất thấp và luôn bị các phương thức vận tải khác chiếm lĩnh thị phần

Trước đây khi các lĩnh vực vận tải khác như đường bộ, đường không và đường thủy chưa được cải thiện thì vận tải đường sắt đã tăng trưởng 6% mỗi năm về vận tải hành khách (hành khách-km) và 9% mỗi năm về vận tải hàng hoá (tấn-km) đó là do tỷ lệ tăng trưởng kinh tế trung bình là 8,4% mỗi năm Tuy nhiên, trong thời gian gàn đây, thị phần của đường sắt đã giảm từ 10% xuống còn 8% về vận tải hành khách và bảo vệ thị phần vận tải hàng hoá của mình ở mức thấp là 4% Hiện nay đường bộ chiếm 69% về vận tải hành khách và 73%

về vận tải hàng hoá Trong những năm gần đây, lĩnh vực đường bộ nhận được 87% lượng đầu tư do chính sách của các nhà tài trợ đa phương Vận tải đường sắt sẽ dần đánh mất thị phần của mình nếu như các khoản đầu tư cần thiết nhằm cải thiện cho việc hoạt động của hệ thống bị hạn chế

Đường sắt Việt Nam (ĐSVN) đã chịu mất thị phần vận tải trong vòng nhiều năm qua, đầu tiên có thể nhìn thấy từ phân đọan thị trường vận tải hành khách và sau đến phân đọan thị trường vận tải hàng hóa Sự mất mát này đi kèm với việc tăng mức độ kinh doanh không có lãi – chỉ xét trên tuyến Hà Nội – Tp.HCM thì cũng chỉ có lĩnh vực vận tải hành khách là có lãi Thêm vào đó, Nhà nước chỉ có những khỏan đầu tư nhỏ vào mạng lưới đường sắt mà hiện trạng khai thác không như mong đợi

Hình 1.8 Khối lượng hàng hóa tấn-km theo phương thức vận tải

Về mặt tuyệt đối, thị phần vận tải đường sắt thậm chí còn nhỏ hơn, chỉ có 1% trong toàn bộ hành khách và chỉ có 3% trong tổng số tấn hành hóa vận chuyển

Hình 1.10 Khối lượng hàng hóa tấn theo phương thức vận tải

Vì nhu cầu vận tải tăng lên trong khi không có việc mở rộng mạng lưới đường sắt nên việc sử dụng mạng lưới (mật độ lưu thông) đã tăng liên tục, đạt mức 2,36 triệu đơn vị lưu thông (Traffic Unit - TU)/tuyến-km Nhìn vào sự phân

bổ các khỏan đầu tư của nhà nước cho thấy vị thế không được thuận lợi về lượng đầu tư vào đường sắt

4.6%

8.4%

Đường bộ Đường sắt Các loại khác

Hình 1.11 Đầu tư của nhà nước đối với lĩnh vực vận tải trong

các năm qua

Tình hình tài chính và kinh tế phản ánh hoạt động khai thác kém Thậm chí khối lượng vận tải nhỏ như hiện nay trên mạng lưới của ngành cũng khó mà tăng lên do hiện trạng của cơ sở hạ tầng, cơ cấu tổ chức và quá trình lập kế hoạch khai thác

Dù có những khiếm khuyết nêu trên nhưng ĐSVN cũng đang nhắm đến việc hiện đại hóa, phát triển thị phần Tuy nhiên những mục tiêu đầy tham vọng này chỉ có thể đạt được nếu những cải thiện cơ bản được thực hiện ở công nghệ khai thác vận tải, thì mới có thể đương đầu với những thử thách về kinh tế và tài chính

Việc nâng cao, cải thiện họat động khai thác yêu cầu việc tổ chức điều độ tốt hơn về đầu máy, toa xe và nhân sự, các thông tin và phản hồi thời gian thực

và tổ chức tốt hơn các xí nghiệp đầu máy cũng như các đơn vị kinh doanh vận tải hành khách và hàng hóa Các công tác cải thiện này phải được hỗ trợ bởi các biện pháp phụ trợ như là các khỏan đầu tư cơ bản vào hạ tầng của mạng lưới đường và đoàn xe

Giải pháp để có thể đạt được các tiến bộ quan trọng trong việc cải thiện hoạt động khai thác đó là thiết kế và triển khai xây dựng một Trung tâm Điều hành Vận tải (OCC) phù hợp các yêu cầu của ĐSVN, có “tính mở” cả về hệ thống và công nghệ

Trung tâm OCC trong tương lai sẽ được đặt tại Hà Nội cùng với một Trung tâm ĐHVT khu vực điều hành họat động vận tải phần phía Bắc của mạng lưới ĐSVN Một Trung tâm ĐHVT khu vực thứ hai sẽ được đặt tại Tp.HCM chịu trách nhiệm điều hành họat động vận tải phần phía Nam của mạng lưới Trung tâm OCC sẽ giúp lập kế hoạch tập trung tự động, điều chỉnh biểu đồ chạy tàu

“động” trong suốt quá trình điều hành vận tải, tối ưu hóa hoạt động trong trường hợp xảy ra chậm trễ và thông tin trực tiếp giữa lái tàu và các nhân viên trung tâm

OCC Trung tâm OCC cũng sẽ đưa ra các thông tin liên quan đến quá trình khai thác tạo điều kiện cải thiện hoạt động trong tương lai

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1.2.1 Ứng dụng công nghệ GPS và các kỹ thuật nhận biết tự động khác trong vận hành giao thông đường sắt trên thế giới [7],[11]

Hình 1.12 Tàu cao tốc Shinkansen của Nhật Bản

Việc sử dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS) trong vận hành giao thông đường sắt đã được ứng dụng ở rất nhiều vùng trên thế giới, nó được sử dụng kết hợp với các cảm biến, máy vi tính, và các hệ thống thông tin liên lạc để cải thiện tính an toàn, an ninh, và sự hoạt động hiệu quả của đường sắt Các công nghệ này giúp giảm thiểu tai nạn, sự chậm trễ và chi phí vận hành, trong khi làm tăng khả năng theo dõi, sự hài lòng của khách hàng, và tiết kiệm chi phí một cách hiệu quả nhất Tính đến hiệu quả hoạt động của một hệ thống đường sắt là những yêu cầu về tính chính xác, thông tin về vị trí thời gian thực của các đầu máy

Bảo đảm mức độ an toàn cao, nâng cao hiệu quả của hoạt động kinh doanh đường sắt, và khả năng mở rộng hệ thống đang có là tất cả các mục tiêu chính của ngành công nghiệp đường sắt ngày nay Không giống như hầu hết các lĩnh vực khác của giao thông vận tải, việc quản lý giao thông đường sắt ít có sự linh hoạt do có tính đặc thù cao Hầu hết các hệ thống đường ray bao gồm nhiều đoạn ray kết nối với nhau Tuyến đường sắt được nối bởi rất nhiều ga với nhau, đồng thời phải chia sẻ việc sử dụng duy nhất một tuyến đường

Hình 1.13 Tàu cao tốc TGV của Pháp

Biết được vị trí chính xác của đầu máy là điều kiện cần thiết để ngăn chặn các xung đột, duy trì lưu lượng giao thông thông suốt và giảm thiểu chi phí do phải chờ đợi để giải phóng đường chạy Nhờ có các kỹ năng của các nhân viên điều độ, tính chính xác và linh hoạt về mặt thời gian, việc bố trí chính xác tiêu chí "đáp ứng và vượt qua" trên một khu gian cho phép các điều độ viên đường sắt hướng dẫn tàu của họ thông qua một cách an toàn Do đó, việc xác định được chính xác vị trí của đoàn tàu là cực kỳ quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả khi vận hành toàn bộ hệ thống

GPS cũng góp phần vào việc lập biểu đồ chạy tàu một cách đáng tin cậy thông qua việc xác định chính xác vị trí của các đoàn tàu trên khu gian, tăng cường khả năng kết nối với các phương thức giao thông vận tải khác như các nhà ga đường sắt đến sân bay trung chuyển

Một khái niệm tăng cường cho tín hiệu GPS cơ bản đó là Differential GPS (DGPS), nhằm cải thiện độ chính xác và an toàn trong phạm vi theo dõi của nó Các thông tin vị trí được tăng cường cho phép các điều độ viên để xác định được chính xác vị trí của đoàn tàu đang nằm ở đường nào trong hai đường song song với nhau Khi đoàn tàu đi vào các vị trí khuất tầm nhìn của GPS như trong hầm, đằng sau ngọn đồi và các chướng ngại vật thì DGPS có thể cung cấp cho trung

tâm quản lý hệ thống một vị trí đáng tin cậy và chính xác nhờ khả năng tìm và phán đoán vị trí một cách chính xác

DGPS là một thành phần quan trọng của khái niệm kiểm soát vị trí đoàn tàu (Positive train control - PTC) đang được áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới Khái niệm này bao gồm việc cung cấp các thông tin vị trí đoàn tàu một cách chính xác để trung tâm quản lý đưa ra được kế hoạch chạy tàu chính xác và hợp

lý nhất bao gồm tốc độ chạy tàu, tái định tuyến giao thông, đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành

Một hệ thống PTC có thể theo dõi các vị trí và tốc độ đoàn tàu một cách chính xác để các nhân viên điều độ đường sắt có thể thực hiện việc điều chỉnh tốc độ chạy tàu một cách hợp lý và phù hợp với giới hạn cho phép Bằng cách cung cấp một cách tốt nhất trong việc theo dõi vị trí và tốc độ của đoàn tàu, PTC làm tăng hiệu quả hoạt động, cho phép theo dõi với năng lực cao hơn, tăng cường tính chính xác và an toàn hơn

Cuối cùng, với sự hiện đại hóa của GPS, có thể vận hành đường sắt mong muốn được tiếp tục cung cấp các dịch vụ tốt hơn Ngoài những dịch vụ hiện tại của hệ thống GPS với mục đích dân dụng, Hoa Kỳ cam kết sẽ thực hiện thêm hai hệ thống GPS với mục đích dân dụng nữa Việc truy nhập và sử dụng hệ thống tín hiệu định vị toàn cầu sẽ gia tăng độ chính xác, tính khả dụng hơn, và tích hợp tốt hơn cho tất cả người dùng

Các thành phần chủ yếu được sử dụng trong việc định vị đoàn tàu bằng công nghệ GPS đó là các bộ cảm biến, máy tính và hệ thống thông tin kỹ thuật

số để lựa chọn, xử lý và sử dụng các thông tin nhằm mục đích an toàn tiết kiệm

và đạt hiệu quả khai thác cao Hiện nay hệ thống giao thông thông minh (ITS) sử dụng cho đường sắt cao tốc và vận chuyển với khối lượng lớn chủ yếu dựa trên các cơ sở công nghệ này như là các hệ thống điều khiển giao thông hàng không

và hàng hải Các dịch vụ quân sự, vận chuyển hàng hóa, các nhà khai thác đường ống dẫn, cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương và trong lĩnh vực xây dựng đều

sử dụng các công nghệ này

Hiệp hội đường sắt thế giới hiện nay đang từng bước phát triển hệ thống đường sắt thông minh (Intelligent Railroad Systems – IRS) nhằm nâng cao tính chính xác, an toàn và hiệu quả trong quản lý và vận hành giao thông đường sắt

Hệ thống đường sắt thông minh thế hệ mới sẽ là chìa khóa thành công trong điều hành vận tải hàng hóa và vận tải hành khách liên tỉnh cũng như đường dài với mục đích an toàn hơn, tiết kiệm hơn, chính xác hơn và có hiệu suất khai thác cao hơn, thỏa mãn các yêu cầu và làm hài lòng khách hàng hơn Các hệ thống này có thể được phát triển như là một hệ thống độc lập hoặc là một hệ thống tích hợp tùy thuộc vào các điều kiện về tài chính của đường sắt mỗi quốc gia

1.2.2 Mục tiêu nghiên cứu cụ thể [1],[4]

Từ những hiện trạng về hệ thống thông tin và điều hành vận tải của ngành Đường sắt hiện nay thì việc nghiên cứu, ứng dụng những công nghệ mới vào công tác vận hành và khai thác chạy tàu là một việc làm tất yếu, mục tiêu trước mắt là phải nâng cao năng lực vận hành, khai thác chạy tàu của các trung tâm điều hành vận tải hiện nay

Mục tiêu tổng quát của đề tài là nghiên cứu, ứng dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS kết hợp với các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất trong việc quản lý vận hành giao thông Đường sắt ở Việt nam nhằm tăng mức độ sẵn sàng

và tin cậy cũng như cải thiện sự hoạt động và chất lượng dịch vụ vận tải của ngành đường sắt Việt Nam

Các mục tiêu cụ thể cần phải đạt được của một trung tâm điều hành vận tải trong tương lai là:

(1) Phát hiện thường xuyên vị trí đoàn tàu một cách trực quan, giám sát và

điều khiển chạy tàu, bảo đảm an toàn và hiệu quả

(2) Tăng tính đúng giờ của các đoàn tàu, trong khi nó đã và đang giảm mạnh

từ năm 2000, từ 85 % xuống còn 62 % các tàu đến các ga đích là đúng giờ Các trục trặc, rắc rối gây trễ tàu hầu hết là xảy ra trên hành trình,

vì tính đúng giờ của các tàu khởi hành tại các ga đi là cao hơn 98 % (3) Giám sát tốc độ đoàn tàu đảm bảo tuân thủ tuyệt đối công lệnh chạy tàu (4) Tăng khả năng điều hành vận tải, bảo đảm an tòan chạy tàu

(5) Tạo điều kiện sử dụng tối đa công suất đầu máy công suất cao hơn

(6) Tăng tính cạnh tranh của vận tải đường sắt với các phương thức vận tải

khác

Để đạt được mục tiêu đó, nhiệm vụ của đề tài là phải khắc phục được những hạn chế còn tồn tại của việc giám sát vị trí và tốc độ chạy tàu hiện tại của Trung tâm điều hành vận tải và đưa ra được phương án kỹ thuật tiên tiến cho mô hình trung tâm điều hành vận tải trong tương lai áp dụng công nghệ mới một cách hiệu quả và an toàn trên cơ sở nhu cầu thực tế hiện tại của nghành đường sắt Việt Nam

Trên cơ sở các điều kiện hiện tại của ngành Đường sắt về cơ sở vật chất và thực tế khả năng đầu tư, các yêu cầu kỹ thuật cần thiết phải đáp ứng của một trung tâm điều hành vận tải, bài luận văn này đề xuất phân chia công việc định

vị đoàn tàu trên toàn mạng lưới đường sắt thành 2 nhóm:

+ Định vị đoàn tàu trên khu gian: Công việc này sẽ sử dụng công nghệ

định vị toàn cầu GPS để xác định vị trí của đoàn tàu khi đang di chuyển trên khu

gian giữa 2 ga kết hợp với mạng thông tin di động mặt đất thông qua việc gửi các tin nhắn ngắn (SMS) có chứa các nội dung thông tin về vị trí và tốc độ của đoàn tàu về Trung tâm điều hành vận tải Tốc độ của đoàn tàu sẽ được lấy từ bộ

đo tốc độ thực tế của đoàn tàu gắn trên đầu máy

+ Định vị đoàn tàu và toa xe trong khu vực ga: Công việc này chỉ thực

hiện khi đoàn tàu bắt đầu vào ga và khi đã hoàn toàn nằm trong ga, các thông tin cần cung cấp sẽ là vị trí của đoàn tàu và các toa xe đang nằm trên đường nào trong ga, việc xác định vị trí các toa xe có thể tự động theo đoàn tàu hoặc bằng nhân công đối với các toa xe đã được tháo rời Công việc này sẽ sử dụng công nghệ nhận dạng vô tuyến RFID, các thẻ RFID sẽ được gắn trên đầu máy và các toa xe, tại các nhà ga, trên các đường ray mà ở đó đoàn tàu sẽ chuyển đường hoặc các toa xe sẽ được thay đổi sẽ gắn các đầu đọc thẻ RFID, khi đoàn tàu đi qua các vị trí này các thông tin về đoàn tàu sẽ được ghi lại và gửi về máy tính xử

lý trung tâm ở nhà ga qua đường truyền ADSL

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ GPS

GPS được cấp quỹ xây dựng và hoạt động bởi chính phủ Hoa Kỳ và được quản lý bởi không lực Hoa Kỳ (U.S.Air Force) với sự giám sát của uỷ ban định

vị dẫn đường Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ Bộ giao thông vận tải Hoa Kỳ cũng có

một uỷ ban tương tự chịu trách nhiệm đưa các văn bản hướng dẫn cho ứng dụng dân sự của hệ thống GPS

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thông tin toàn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát

từ vệ tinh với thời gian máy thu mặt đất nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Rồi kết hợp với các quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy

Máy thu GPS phải bắt được tín hiệu của ít nhất ba quả vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và nếu có bốn hay nhiều hơn số quả vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, theo dõi di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa…

Hình 2.2 Cấu trúc của một hệ thống GPS

Trạm không gian bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo liên tục phát tín hiệu quảng bá

khắp toàn cầu và được ví như trái tim của toàn bộ hệ thống Các vệ tinh được cấp nguồn bởi các tấm pin mặt trời và được thiết kế hoạt động trong vòng hơn 7 năm Nếu các tấm pin mặt trời này bị hỏng thì vệ tinh sẽ hoạtđộng nhờ các acqui

dự phòng được gắn trên vệ tinh Ngoài ra, trên vệ tinh còn có các tên lửa nhỏ để hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh Hoa Kỳ phóng vệ tinh GPS đầu tiên vào năm 1978

và hoàn thiện việc phóng 24 vệ tinh lên quỹ đạo vào năm 1994

Trung tâm điều khiển gồm có 4 trạm theo dõi (Monitor Station) và một trạm

chủ (Master Control) để phát tín hiệu điều khiển vệ tinh Bốn trạm theo dõi được đặt ở các địa điểm khác nhau trên khắp thể giới: Một ở đảo Hawaii, một ở đảo Kwajaleln (đều nằm ở Thái Bình Dương), một ở đảo Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và một trạm đặt ở Ascension (Đại Tây Dương) Trạm chủ được đặt tại trại Falcon của không lực Hoa Kỳ tại bang Colorado Bốn trạm theo dõi có nhiệm vụ thu tín hiệu chứa thông tin về quỹ đạo và thời gian từ vệ tinh gửi về; sau đó gửi những thông tin này cho trạm chủ Trạm chủ sẽ hiệu chỉnh những thông tin đã nhận đựơc và gửi những thông tin đã hiệu chỉnh lên vệ tinh để điều chỉnh quỹ đạo và đồng bộ thời gian cho các vệ tinh cùng với thông tin về suy hao truyền sóng

Hình 2.3 Vị trí của trung tâm điều khiển

Máy thu GPS là thành phần cuối cùng của hệ thống GPS Vì tín hiệu từ vệ

tinh được phát quảng bá nên số lượng máy thu GPS là không hạn chế Máy thu GPS sẽ nhận những thông tin về cự ly, thời gian, trễ truyền sóng từ bốn vệ tinh GPS để xác định vị trí cũng như tốc độ của mình

2.1.1.4 Quỹ đạo của vệ tinh

Hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh phi địa tĩnh, trong đó có 3 vệ tinh dự phòng Trong tương lai, Hoa Kỳ sẽ phóng thêm 4 vệ tinh nữa để đảm bảo dự

phòng 1:3 cho toàn bộ hệ thống Vệ tinh GPS bay theo 6 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo

có 4 vệ tinh

Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 55o

so với mặt phẳng xích đạo và các góc xuân phân (góc giữa đường cắt mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng quỹ đạo với đường xuân phân) của quỹ đạo lệch nhau lần nguyên của 60o.Vệ tinh GPS bay với quỹ đạo tròn, tâm đường tròn quỹ đạo trùng với tâm trái đất với bán kính 26.560 km

và quay hết một vòng trong nửa ngày thiên văn (11,967h)

Tất cả các vệ tinh GPS thế hệ I (Block I) phóng bắt đầu từ năm 1978, nay không còn hoạt động Đến năm 1985, Hoa Kỳ bắt đầu phóng vệ tinh thế hệ II ( Block II) bằng phi thuyền con thoi Sau đó, do hỏng hóc của tàu con thoi, Hoa

Kỳ đã dùng tên lửa đẩy Delta II để hoàn thành quá trình phóng vệ tinh của mình Các thông số chính của vệ tinh thế hệ II như sau:

Hình 2.4 Quỹ đạo vệ tinh GPS

Khối lượng trên quỹ đạo: 930kg

Đường kính: 5,1m

Tốc độ bay: 7000 dặm / giờ, tương đương 3.12 km/s

Tần số sóng mang “đường xuống” băng L1:1575,42MHz, băng L2: 1227,60MHz

Tần số sóng mang “đường lên”:1783,74MHz

Đồng hồ: 2 đồng hồ nguyên tử Cesium; 2 đồng hồ nguyên tử Rubidium Thời gian hoạt động: 7,5 năm

Phóng bởi tên lửa Delta II

Về lý thuyết, một quan sát viên đứng ở bất cứ địa điểm nào trên trái đất, trong bất cứ thời điểm nào đều có thể “ nhìn thấy” ít nhất là ba vệ tinh GPS và hoàn

toàn có thể xác định được vị trí của mình nhờ phép đo khoảng cách từ các vệ tinh đến vị trí của quan sát viên này

2.1.1.5 Tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh GPS thế hệ thứ II đều có mang theo 2 đồng hồ nguyên tử Cesium

và 2 đồng hồ nguyên tử Rubidium để đưa thông tin thời gian vào tín hiệu phát

Vệ tinh GPS sử dụng tín hiệu đường xuống băng L, được chia thành 2 băng tần con L1, L2 có tần số sóng mang tương ứng: f1=1575,42MHz; f2=1227,60MHz Với tần số cơ sở fo=1,023MHz, người ta tạo ra các tần số sóng mang bằng các

bộ nhân tần: f1=1540fo; f2=1200fo

Tín hiệu L1 từ một vệ tinh sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK) được điều chế bởi 2 mã giả tạp ngẫu nhiên PRN Thành phần đồng pha được gọi là “mã kém” hay mã C/A được dùng cho mục đích dân sự Thành phần trực giao gọi là

“mã chính xác” hay mã P được dùng bởi Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ và quân đội các nước đồng minh Tín hiệu băng L2 cũng là tín hiệu BPSK được điều chế bằng mã P

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA: Khi biết mã giả tạp ngẫu nhiên

PRN, chúng ta có thể độc lập truy nhập đến những tín hiệu từ vệ tinh GPS trong cùng một tần số sóng mang Tín hiệu được truyền bởi mỗi vệ tinh GPS sẽ được tách ở máy thu bằng cách tạo mã PRN tương ứng Sau đó, ghép hoặc tương quan hoá mã PRN này với tín hiệu thu đã được biết trước, nó được tạo hoặc lưu trong máy thu GPS

Tín hiệu dẫn đường: Tín hiệu từ vệ tinh GPS là dòng dữ liệu tốc độ 50b/s

mang các thông tin cơ bản như:

a Lịch thư (Satellite Almanac Data): Dữ liệu chứa thông tin về quỹ đạo

tương đối của tất cả 24 vệ tinh Mỗi lịch thư có giá trị trong 4 tháng và sẽ được hiệu chỉnh 4 tháng một lần bởi trạm chủ mặt đất ở Mỹ Máy thu GPS sẽ thu và lưu lại tín hiệu này Lịch thư sẽ được dùng để dò tìm vệ tinh khi bắt đầu bật máy thu bởi nó có thể cho ta biết khu vực vệ tinh đang bay

b Lịch sao (Satellite Ephemeris Data): Đây là dữ liệu chính xác về vị trí

của vệ tinh để máy thu có thể đo chính xác khoảng cách đến vệ tinh nhằm phục vụ cho tính toán dẫn đường Mỗi vệ tinh chỉ phát lịch sao của chính

nó

c Dữ liệu thời gian (Satellite Timing Data): Dữ liệu này được sử dụng để

tính thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh đến máy thu và từ đó xác định cự

ly bằng phép nhân giữa thời gian truyền ( ) với tốc độ lan truyền sóng điện từ (c3.108

km/s) Vì khoảng cách này khi đo sẽ có sai số nên được gọi là tựa cự ly (Pseudo-Range)

2.1.1.6 Cấp chính xác của hệ thống GPS

Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã sử dụng rào chắn SA nhằm làm giảm độ chính xác của những người sử dụng thiết bị GPS phi quân sự Đây là rào chắn được xây dựng bằng sự kết hợp của các phương thức điều chế, các cấu hình khác nhau và chia GPS thành 3 cấp dịch vụ với độ chính xác khác nhau: dịch vụ định vị chính xác PPS, dịch vụ định vị chuẩn không rào chắn SPS without SA và dịch vụ định

vị chuẩn có rào chắn SPS with SA

PPS là dịch vụ có độ chính xác cao nhất Dịch vụ này chỉ được cung cấp cho quân đội Mỹ và quân đội các nước đồng minh thân cận của Mỹ Dịch vụ này có khả năng truy cập mã P và được dỡ bỏ tất cả rào chắn SA Các dịch vụ định vị chuẩn SPS có độ chính xác thấp hơn và chỉ truy nhập tới mã C/A ở băng tần L1 Tuy nhiên, vào ngày 1 tháng 5 năm 2000, tổng thống tiền nhiệm của Hoa Kỳ Bill Clinton đã ký vào thông cáo quyết định huỷ bỏ tất cả các rào chắn SA để cung cấp các dịch vụ định vị chính xác hơn cho các máy thu GPS dân sự

2.1.1.7 Nguồn lỗi của tín hiệu GPS

Những điều có thể làm giảm tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới độ chính xác bạo gồm:

 Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion – tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển

 Tín hiệu đi nhiều đường – điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu

 Lỗi đồng hồ máy thu – đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS

 Lỗi quỹ đạo – cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo

vị trí không chính xác

 Số lượng vệ tinh nhìn thấy – càng nhiều quả vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì càng chính xác Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí tán lá dầy có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất

 Hình học che khuất – điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểm bất kì Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các quả vệ tinh

ở vị trí góc rộng với nhau Phân bố xấu xảy ra khi các vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc cụm thành nhóm

 Sự giảm có chủ tâm tín hiệu vệ tinh – là sự làm giảm tín hiệu cố ý do

sự áp đặt của Bộ Quốc phòng Mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ quân

sự dùng tín hiệu GPS chính xác cao Chính phủ Mỹ đã ngừng việc này

từ tháng 5 năm 2000, làm tăng đáng kể độ chính xác của máy thu GPS dân sự (Tuy nhiên biện pháp này hoàn toàn có thể được sử dụng lại trong những điều kiện cụ thể để đảm bảo gậy ông không đập lưng ông

Chính điều này là tiềm ẩn hạn chế an toàn cho dẫn đường và định vị dân sự.)

2.1.2 GPS vi phân (Differential GPS) [6],[8],[10]

GPS vi phân là một kỹ thuật nhằm làm giảm sai lỗi trong khi định vị bằng cách thu thêm tín hiệu được phát ra từ một trạm chuẩn đặt ở một vị trí biết trước Khi trạm chuẩn thu được tín hiệu từ vệ tinh, nó sẽ tự động tính toán vị trí và thời gian theo tín hiệu vệ tinh Vị trí và thời gian này được so sánh với vị trí và thời gian thực, từ đó biết được sai lệch do môi trường truyền sóng và sai lệch do hiệu ứng rào chắn SA Sau đó, sai lệch này được chuyển thành thông tin hiệu chỉnh đưa đến máy thu GPS để xác định vị trí máy thu này với độ chính cao hơn GPS thông thường

Có 2 loại GPS vi phân: GPS cục bộ (LADGPS) và GPS diện rộng (WADGPS)

Hình 2.5 Nguyên tắc hoạt động của DGPS

+ GPS cục bộ: là GPS vi phân có máy thu GPS nhận thông tin hiệu chỉnh

tựa cự ly và pha sóng mang từ một trạm chuẩn được đặt trong tầm nhìn thẳng Chính vì đặc điểm hạn chế này nên máy thu GPS chỉ có thể thu tín hiệu khi ở trong khu vực gần trạm chuẩn nên phương thức này có tên gọi là GPS cục bộ Thông tin hiệu chỉnh bao gồm: hiệu chỉnh quỹ đạo thu được từ vệ tinh, lỗi đồng

hồ và trễ truyền sóng

+ GPS diện rộng: sử dụng một mạng lưới các trạm chuẩn được phân bố ở

một vùng rộng lớn Nhờ hệ thống này người ta có thể xác định vị riêng rẽ từng

lỗi như: lỗi đồng hồ, trễ truyền sóng, lỗi quỹ đạo Những thông tin này sẽ được tính toán và gửi đến cho máy thu GPS thông qua các vệ tinh viễn thông hay

mạng thông tin di động mặt đất

2.1.3 Các hệ thống GPS trên thế giới hiện nay [10],[11]

Hiện nay trên thế giới có 3 hệ thống GPS chính đang hoạt động, bao gồm:

2.1.3.1 Hệ thống định vị toàn cầu của Hoa Kỳ - GPS

Hệ thống này bao gồm một mạng gồm 24 vệ tinh Navstar quay xung quanh Trái đất như đã được giới thiệu ở phần trên Khi sử dụng hệ thống này không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS kể cả những người ở các nước khác (Trên thực tế, khi mua các thiết bị tích hợp chip GPS thì người sử dụng đã trả một khoản chi phí cho việc sử dụng hệ thống GPS rồi) Các số liệu định vị và định thời được sử dụng cho vô số những ứng dụng khác nhau, bao gồm đạo hàng hàng không, đất liền và hàng hải, theo dõi các phương tiện giao thông trên bộ và tầu biển, điều tra khảo sát và vẽ bản đồ, quản

lý tài sản và tài nguyên thiên nhiên…

Với việc khắc phục được những giới hạn về độ chính xác quân sự vào tháng 3/1996, ngày nay GPS có thể chỉ ra chính xác vị trí của các mục tiêu chỉ nhỏ bằng một đồng xu ở bất kỳ nơi nào trên bề mặt trái đất

Các vệ tinh được bố trí sao cho các tín hiệu từ 6 trong số 24 vệ tinh đó có thể được thu nhận gần như 100 phần trăm thời gian tại bất kỳ điểm nào trên trái đất

Hệ thống GLONASS (Global Navigation Satellite System) của Nga cũng tương tự như GPS của Mỹ Cả hai hệ thống đều dựa trên cùng những nguyên tắc truyền tín hiệu và định vị

Hệ thống GLONASS gồm có 21 vệ tinh (và 3 quả dự phòng) chuyển động trên 3 mặt phẳng quĩ đạo Các mặt phẳng quĩ đạo cách nhau 120 độ và mỗi quả trên cùng mặt phẳng thì cách nhau 45 độ Bán kính quĩ đạo khoảng 19,100 km với chu kỳ 11 giờ 15 phút

Các trạm điều khiển mặt đất được bố trí rải rác trong phạm vi các nước thuộc Liên xô cũ Vệ tinh GLONASS đầu tiên được phóng vào 1982 Theo kế hoạch ban đầu, hệ thống sẽ được đưa vào vận hành hoàn chỉnh vào 1991, nhưng

trong thực tế, việc phóng các vệ tinh chỉ được hoàn thành vào cuối 1995 đầu

1996 Tổng thống Nga chính thức công bố GLONASS bắt đầu hoạt động vào 24 tháng 9 năm 1993

Hệ thống Glonass hiện nay đang hoạt động trong trạng thái “degraded” tức là không đủ một trăm phần trăm công suất, vào thời điểm này chỉ có nhóm gồm 17 vệ tinh làm việc trong hệ thống 21 vệ tinh, còn 2 tạm thời không được dùng và 2 chưa được đưa vào hệ thống Số lượng này chưa đủ để bao phủ toàn

bộ bề mặt quả đất, do vậy mà khả năng "phủ sóng" trái đất không được như hệ thống GPS của Hoa Kỳ

Độ mở tích phân GLONASS trên Quả Đất: 80%

Độ mở tích phân GLONASS trên Nga: 94%

Đứt quãng tối đa của sự định vị trên Quả Đất: 2.4 giờ

Đứt quãng tối đa của sự định vị trên Nga: 0.5 giờ

Để đảm bảo việc định vị liên tục 100% trên lãnh thổ Nga thì hệ thống này cần thiết tối thiểu là 18 quả vệ tinh và để việc định vị liên tục thực sự trên toàn

bộ các khu vực của quả đất được bảo đảm 100% thì trên nhóm quỹ đạo của Hệ thống Glonass phải cần từ 24 quả vệ tinh trở lên

Các máy vũ trụ làm việc trong thời gian hiện tại gồm 6 vệ tinh

“GLONASS-M”, (1 phóng vào năm 2003, 2 phóng vào năm 2005, 3 phóng vào năm 2006), có thời gian bảo hành tồn tại tích cực là 7 năm Các vệ tinh này, khác với các máy thế hệ trước, phóng 2 tín hiệu dành cho các nhu cầu dân dụng, cho phép tăng độ chính xác của việc xác định vị trí

Tương ứng với yêu cầu của Tổng thống LB Nga nhóm tối thiểu từ 18 vệ tinh cần hoàn tất vào năm 2007 Nhóm đầy đủ từ 24 vệ tinh tương ứng với chương trình liên bang «Hệ định vị toàn cầu» cần hoàn tất vào năm 2010

Trong tương lai, sau khi hoàn tất nhóm quỹ đạo từ 24 vệ tinh, để đảm bảo

sự cung cấp của nó cần thực hiện mỗi năm 1 cuộc phóng 2 vệ tinh К» trên tên lửa mang «Sojuz», để giảm khấu hao sử dụng

«GLONASS-Ngày 29 tháng 11 năm 2006, bộ trưởng Quốc phòng Sergey Ivanov, trong chuyến thăm Học viện định vị sóng và thời gian Nga, thông báo rằng hệ GLONASS trong thời gian tới sẽ dùng cho dân sự

2.1.3.3 Hệ thống Galileo của Châu Âu:

Hệ thống định vị Galileo là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) được xây dựng bởi Liên minh châu Âu Galileo khác với GPS của Hoa

Kỳ và GLONASS của Liên bang Nga ở chỗ nó là một hệ thống định vị được điều hành và quản lý bởi các tổ chức dân dụng, phi quân sự Galileo theo kế hoạch sẽ chính thức hoạt động vào năm 2011-12, muộn 3-4 năm so với kế hoạch ban đầu

Hệ thống định vị Galileo được đặt theo tên của nhà thiên văn học người Ý Galileo Galilei nhằm tưởng nhớ những đóng góp của ông Là hệ thống đầu tiên được thiết kế chỉ để phục vụ mục đích dân sự, khác với đối thủ GPS vốn ban đầu được phát triển cho mục đích quân sự Galileo sẽ cho phép châu Âu có được sự độc lập chiến lược khi hệ thống vệ tinh ngày càng không thể tách rời trong việc điều hòa không khí, giúp điều tiết sự lưu thông của xe cộ Theo ESA, Galileo sẽ cung cấp sự định vị chính xác đến từng mét mà hiện chưa có hệ thống nào phục

vụ mục đích dân sự có khả năng làm được Mục tiêu cuối cùng cần đạt được của

hệ thống là một chòm 30 vệ tinh bay quanh trái đất Đến năm 2010 toàn bộ hệ thống sẽ được hoàn thành: 30 vệ tinh Galileo và các trung tâm điều khiển tại mặt đất, 2 trung tâm chính tại Oberpfaffenhofen (Đức) và Fucino (Ý), 1 dự bị tại Tây Ban Nha

Hệ thống sẽ bao gồm 30 vệ tinh quay theo quỹ đạo bên trên trái đất 23.600km Trong số đó, có 27 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng được đặt

ở 3 quỹ đạo khác nhau Các đồng hồ cảm biến trên vệ tinh sẽ được đồng bộ hoá thông qua 20 trạm cảm biến trên trái đất, 2 trung tâm chỉ huy và 15 trạm liên kết Các thiết bị dưới mặt đất sẽ sử dụng tín hiệu thời gian mà các vệ tinh phát đi để định vị chính xác vị trí của chúng

2.1.3.4 Các hệ thống khác

Ngoài 3 hệ thống vệ tinh có khả năng định vị toàn cầu nêu trên, ngày nay trên thế giới còn có 2 hệ thống vệ tinh khác cũng có khả năng cung cấp thông tin định vị và dẫn đường nhưng chỉ trong phạm vi khu vực, đó là Hệ thống vệ tinh Beidou (Bắc Đẩu) của Trung Quốc và hệ thống vệ tinh QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) của Nhật Bản

Hệ thống Beidou của Trung Quốc bao gồm 4 vệ tinh địa tĩnh, dự kiến hoàn thành vào năm 2010 Cho đến nay, TQ đã phóng thành công 2 vệ tinh Bắc Đẩu 1A và 1B vào năm 2000

Hệ thống QZSS của Nhật Bản bao gồm 3 vệ tinh có chức năng tăng cường cho hệ thống định vị GPS, hệ thống này phủ sóng chủ yếu trên diện tích

đất nước Nhật Bản Vệ tinh đầu tiên dự kiến sẽ được phóng lên quỹ đạo vào năm

2010 và một hệ thống hoàn chỉnh sẽ được đưa vào hoạt động vào năm 2013

Trên cơ sở các thông tin về các hệ thống định vị toàn cầu trên thế giới như

đã nêu ở trên, trong khuôn khổ bài luận văn này kiến nghị lựa chọn hệ thống định vị toàn cầu GPS của Hoa Kỳ sử dụng cho việc định vị đoàn tàu của Đường sắt Việt Nam với các ưu điểm là hoạt động ổn định, chất lượng và hiện tại đang hoạt động với 100% công suất với mật độ phủ sóng tốt nhất

2.1.4 Một số hệ toạ độ sử dụng trong GPS

Để xác định vị trí của một vật thể trên trái đất, chúng ta nhất thiết phải xác định các toạ độ của vật thể đó trong một hệ toạ độ nhất định nào đó Ở đây chỉ trình bày một số hệ toạ độ sử dụng trong các tính toán định vị sau này

2.1.4.1 Hệ toạ độ địa lý

Hệ toạ độ địa lý là hệ toạ độ gắn với trái đất, xem trái đất là một quả cầu đứng yên trong hệ quy chiếu này Mặt phẳng xích đạo là mặt phẳng vuông góc với trục quay trái đất, chia trái đất thành 2 bán cầu: bán cầu Bắc và bán cầu Nam Các mặt phẳng chứa trục quay quả đất cắt quả đất theo các đường tròn gọi là kinh tuyến gốc (kinh tuyến 0) đi qua Greenwich - Luân Đôn chia trái đất thành hai bán cầu Đông, Tây Các mặt phẳng vuông góc trục quay cắt trái đất theo các vòng tròn gọi là vĩ tuyến Như vậy, trái đất được chia làm 180 độ kinh tuyến Đông, 180 độ kinh tuyến Tây (kinh Đông mang dấu +, kinh Tây mang dấu -)

Từ xích đạo (0 độ) đến 2 cực (90 độ) sẽ có các vĩ tuyến: Vĩ Bắc(+); Vĩ Nam(-)

Hình 2.6 Hệ toạ độ địa lý

Để xác định vị trí của điểm M bất kỳ trên quả đất, chúng ta thực hiện theo các bước như sau: Vẽ đường xích đạo và đường kinh tuyến gốc, chúng cắt nhau ở điểm A (xem hình 2.8); Vẽ đường kinh tuyến qua M cắt xích đạo tại điểm M’; Góc  sẽ được gọi là vĩ tuyến và góc  gọi là kinh tuyến của điểm M Xin lưu ý

rằng góc ,  là góc có hướng:  > 0: Kinh Đông;  < 0: Kinh Tây;  > 0: Vĩ Bắc;  < 0: Vĩ Nam

Chúng ta có thể thấy rằng hệ toạ độ địa lý thức chất là hệ toạ độ cực (O:,,r), trong đó: O là tâm và r là bán kính trái đất

2.1.4.2 Hệ toạ độ chuẩn địa tâm:

Hình 2.7 Hệ toạ độ chuẩn địa tâm

Hệ toạ độ chuẩn địa tâm (ECEF) là hệ toạ độ Descartes, gắn với trái đất Tâm của trái đất là gốc toạ độ O Trục Ox là trục nối O với giao điểm giữa kinh tuyến gốc và xích đạo được gọi là trục địa lý Trục Oz là trục quay của trái đất, hướng lên phía Bắc Trục Oy hợp với trục Ox, Oz tạo tam diện thuận Oxyz

Từ hình 2.8 và 2.9, chúng ta có thể dễ dàng chuyển đổi toạ độ của điểm M(x,y,z): hệ toạ độ chuẩn địa tâm sang M(,,r): hệ toạ độ địa lý và ngược lại:

Trục xuân phân

Mặt phẳng quỹ đạo

Mặt phẳng xích đạo

Trục cực

Hình 2.9 Góc nghiêng của quỹ đạo GPS