Xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát xe bus tại trung tâm vận hành

- Giữa thiết bị nhận nhất là của người dùng cá nhân với vệ tinh, có thể không hoàn toàn trùng khớp về mặt thời gian và các vệ tinh đôi khi chạy lệch khỏi quỹ đạo.. Chính vì

LỜI CẢM ƠN

Em sẽ không hoàn thành khóa luận này nếu không có sự hướng dẫn và chỉ bảo của thầy PGS TS Lê Huy Thập Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn của thầy

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của tất cả các bạn trong quá trình thực hiện khóa luận

Là sinh viên lần đầu nghiên cứu khoa học chắc chắn khóa luận của em không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy em rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn để khóa luận của em được hoàn thiện hơn Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn công lao dạy dỗ chỉ bảo của các thầy giáo,

cô giáo Kính chúc quý thầy cô giáo mạnh khỏe, tiếp tục đạt được nhiều thắng lợi trong nghiên cứu khoa học và sự nghiệp trồng người

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Minh Hòa

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Minh Hòa

Sinh viên lớp: K34 - CNTT - Trường ĐHSP Hà Nội 2

Tôi xin cam đoan:

1 Luận văn tốt nghiệp : “Xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát xe bus tại trung tâm vận hành ” là công trình nghiên c ứu của bản thân tôi dưới sự

dẫn của thầy PGS TS Lê Huy Thập và tham khảo một số tài liệu khác

2 Luận văn không sao chép từ bất kỳ tài liệu có sẵn nào

3 Kết quả nghiên cứu của tôi không trùng với các tác giả khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan này

Hà Nội, ngày 8 tháng 5 năm 2012

Người cam đoan

Nguyễn Minh Hòa

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

MỞ ĐẦU 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 9

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 11

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

1.1 Tìm hiểu về GPS 12

1.1.1 Các phương pháp định vị 12

1.1.2 Hệ thống thông tin địa lý - Geographic Information System 16

1.1.3 Hệ thống định vị dựa trên vị trí 21

1.2 Các công nghệ định vị 24

1.2.1 Các hệ thống phát tín hiệu 24

1.2.1.1 Các vệ tinh 24

1.2.1.2 Các trạm thu phát (Base station) 26

1.2.2 Các thiết bị có tính năng định vị 27

1.2.3 Các cách thức định vị khác ngoài GPS 28

1.2.3.1 Cell ID 29

1.2.3.2 Phương pháp định vị từ nhiều phía (Multilateration) 31

1.2.3.2.1 Time difference of arrival (TDOA) 31

1.2.3.2.2 Time of Arrival (TOA) 31

1.2.3.2.3 Angle of arrival (AOA) 32

1.2.3.2.4 Enhanced Observed Time Difference (EOTD) 32

1.2.4 Assisted GPS (A-GPS) 33

1.3 Giới thiệu về MapInfo 34

1.4 Giới thiệu về Visual C# 35

1.5 Giới thiệu về Visual Stadio và SDK MapXtreme 2008 36

1.5.1 Visual Stadio 36

1.5.2 SDK MapXtreme 2008 36

Chương 2: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 38

2.1 Khảo sát hệ thống 38

2.1.1 Khảo sát hiện trạng 38

2.1.2 Hướng giải quyết yêu cầu đặt ra của bài toán 38

2.1.3 Yêu cầu hệ thống mới 39

2.2 Phân tích hệ thống 40

2.2.1 Sơ đồ chức năng 40

2.2.1.1 Chức năng hiển thị 40

2.2.1.2 Chức năng theo dõi 41

2.2.1.3 Chức năng xem lại lộ trình 41

2.2.2 Biểu đồ luồng dữ liệu 42

2.2.2.1 Biểu đồ luồng dữ liệu mức khung cảnh 42

2.2.2.2 Phân tích các yêu cầu chức năng 43

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 45

3.1 Thiết kế cơ sở dữ liệu 45

3.2 Thiết kế chức năng 46

3.2.1 Chức năng hiển thị 46

3.2.2 Chức năng theo dõi 47

3.2.3 Thiết kế cài đặt chức năng quản lý 48

3.2.4 Chức năng xem lại lộ trình 49

3.2.5.Chức năng thống kê vi phạm 50

3.3 Thiết kế giao diện 50

3.3.1 Hiển thị vị trí xe 51

3.3.2 Theo dõi vi phạm 52

3.4 Thử nghiệm kịch bản 55

3.4.1 Hiển thị vị trí xe 55

3.4.2 Theo dõi lộ trình xe 57

3.4.3 Xem lại lộ trình xe 57

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

đồ số, định vị và dẫn đường Cho đến nay, đã có rất nhiều công nghệ định vị được phát triển với mục đích tăng cường sự chính xác càng nhiều càng tốt, giảm chi phí truyền dữ liệu

Chính vì vậy, em đã chọn đề tài “ Xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát

xe bus tại trung tâm vận hành” làm khóa luận tốt nghiệp của mình

2 Nhiệm vụ, yêu cầu

- Nhiệm vụ:

Nhiệm vụ của khóa luận là xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát xe bus tại trung tâm vận hành Đây là một hệ thống con trong một hệ thống lớn giám sát và quản lý xe bus

- Yêu cầu:

Do những nhiệm vụ đã nêu trên, luận văn phải thực hiện được những yêu cầu sau:

- Tìm hiểu về LBS và các ứng dụng của nó

- Xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát xe bus với các chức năng hiển thị,

- Xây dựng ứng dụng nhận dạng biên với các kỹ thuật khác nhau dựa trên ngôn ngữ Visual C#

3 Phương pháp nghiên cứu

a Phương pháp nghiên cứu lý luận

Nghiên cứu qua việc đọc sách, báo và các tài liệu liên quan nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết của đề tài và các biện pháp cần thiết để giải quyết các vấn đề của đề tài

b Phương pháp chuyên gia

Tham khảo ý kiến của các chuyên gia để có thể thiết kế chương trình phù hợp với yêu cầu thực tiễn, nội dung xử lý nhanh đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng

c Phương pháp thực nghiệm

Thông qua quan sát thực tế, yêu cầu của cơ sở, những lý luận được nghiên cứu và kết quả đạt được qua những phương pháp trên

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống hỗ trợ giám sát xe bus với các chức năng hiển thị, theo dõi và xem lại lộ trình

b Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi luận văn của em dừng lại ở việc nghiên cứu và phát triển một phần nhỏ ứng dụng trong việc xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát xe bus với

các chức năng hiển thị, theo dõi và xem lại lộ trình

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Nếu đề tài “Xây dựng hệ thống hỗ trợ giám sát xe bus tại trung tâm vận hành” được đưa vào sử dụng trong thực tế thì nó sẽ góp phần đáng kể

trong việc giảm b ớt về sức người và chi phí cho việc giám sát xe bus cũng như các phương tiện giao thông khác hiện nay

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài mở đầu và kết luận, khóa luận bao gồm 3 chương:

- Chương 1: Cơ sở lý thuyết

- Chương 2: Phân tích hệ thống

- Chương3: Thiết kế hệ thống

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Thành phần không gian của hệ thống GPS 12

Hình 1.2: Vị trí các trạm của thành phần điều khiển hệ thống GPS 13

Hình 1.3: Nguyên lý định vị không gian 4 điểm 15

Hình 1.4: Biểu thị kết quả bản đồ dưới dạng raster 18

Hình 1.5: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm 19

Hình 1.6: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng đường 20

Hình 1.7: Số liệu vector biểu thị dưới dạng vùng 20

Hình 1.8: Dữ liệu vectơ kết hợp với dữ liệu không thưa khác 21

Hình 1.9: Nền tảng của LBS là GNSS và GIS 22

Hình 1.10: LBS có ứng dụng rất rộng rãi trong giao thông 23

Hình 1.11: Cell ID 30

Hình 1.12: TDOA 31

Hình 1.13: TOA 32

Hình 1.14: AOA 32

Hình 1.15: Biểu tượng MapInfo 34

Hình 2.1: Sơ đồ chức năng của hệ thống giám sát xe bus 40

Hình 2.2: Biểu đồ mức khung cảnh 43

Hình 3.1: Sơ đồ liên kết giữa các bảng trong cơ sở dữ liệu 45

Hình 3.2: Sơ đồ thuật toán hiển thị vị trí xe 46

Hình 3.3: Sơ đồ thuật toán của hàm SavePosition() 47

Hình 3.4: Sơ đồ thuật toán chức năng theo dõi lộ trình xe 48

Hình 3.5: Sơ đồ thuật toán chức năng xem lại lộ trình xe 49

Hình 3.6: From giao diện ban đầu của hệ thống hỗ trợ theo dõi lộ trình xe bus 50

Hình 3.7: Form kết quả hiển thị vị trí các xe đang hoạt động 51

Hình 3.8: Kết quả lưu thông tin lộ trình trong bảng LOTRINH 51

Hình 3.9: Form kết quả giám sát lộ trình của xe (Chiều đi) 52

Hình 3.10: Thông báo khi đã lưu xong vi phạm 53

Hình 3.11: Kết quả lưu vi phạm trong bảng VIPHAM 53

Hình 3.12: Lựa chọn thông tin xe cần xem lại lộ trình 54

Hình 3.13: Lộ trình của xe được xem lại (Chiều đi, có vi phạm) 54

Hình 3.14: Lộ trình của xe được xem lại (Chiều về, không vi phạm) 54

Bảng sắp xếp kịch bản lộ trình của xe 56

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

LBS: Location based service

GPS: Global Position System

GIS: Geographic Information system

GNSS: Global Navigation Satellite System

SDK: Software Development Kit

IDE: Integrated Development Environment

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tìm hiểu về GPS

1.1.1 Các phương pháp định vị

Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý của hệ thống định vị toàn cầu (Global Position System - GPS) hay tên gọi mới phổ biến hơn là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite System – GNSS) Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu được nhiều người biết đến nhất hiên nay là

GPS do Mĩ chế tạo và hoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting

Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ

thống GALILEO do Liên hiệp Âu Châu (EU) chế tạo và sẽ được đưa vào sử

dụng trong tương lai (2013) Ngoài ra còn có các hệ thống khác mang tính địa

phương như BeiDou (BeiDou Navigation System) của Trung Quốc, QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) của Nhật Bản, DORIS (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite) của Pháp, IRNSS

(Indian Regional Navigational Satellite System) của Nhật Bản [10]

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu được ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực và ngày càng chứng minh được tính hữu dụng của nó

Hệ thống GPS gồm 3 thành phần [1]:

a Thành phần không gian

Thành phần này bao gồm các vệ tinh GPS bay trên quĩ đạo Như ta đã biết ở phần trên thì vào năm 1978, Mỹ đã phóng các vệ tinh GPS lên trên quĩ đạo cách trái đất khoảng 19.200 km, với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm

vụ truyền đi các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận

b Thành phần điều khiển

Phần điều khiển là các trạm điều khiển các vệ tinh đặt trên trái đất Phần điều khiển gồm: 1 trạm điều khiển chính, 5 trạm thu số liệu, 3 trạm truyền số liệu

Hình 1.2: Vị trí các trạm của thành phần điều khiển hệ thống GPS

- Một trạm điều khiển chính:

Đặt tại Colorade Springs (Mỹ) có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu theo dõi

vệ tinh từ các trạm thu số liệu để xử lý

Công nghệ xử lý gồm: Tính lịch thiên văn, tính và hiệu chỉnh đồng hồ, hiệu chỉnh quỹ đạo điều khiển, thay thế các vệ tinh ngừng họat động bằng các

vệ tinh dự phòng

- 5 trạm thu số liệu:

Được đặt tại Hawai, Colorade Springs, Ascension (Nam Đại Tây Dương), Diago Garia (Ấn Độ Dương), Kwayalein (Nam Thái Bình Dương) Có nhiệm

vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và dự đoán quỹ đạo của chúng Mỗi trạm được trang bị những máy thu P-code để thu các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính

- 3 trạm truyền số liệu:

Đặt tại Ascension, Diago Garia, Kwayalein có khả năng chuyển số liệu lên

vệ tinh gồm lịch thiên văn mới, hiệu chỉnh đồng hồ, các thông điệp cần phát, các lệnh điều khiển từ xa

c Thành phần người sử dụng

Thành phần người sử dụng gồm các thành phần:

- Những máy thu tín hiệu GPS có Ăngten riêng (máy định vị)

- Các thiết bị tự ghi (bộ ghi số liệu)

- Máy tính (phần mềm xử lý số liệu)

- Máy định vị: Khi ta di chuyển hay dừng tại chỗ, máy thu GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh rồi tính toán định vị Kết quả tính được là tọa độ hiển thị trên màn hình bộ ghi số liệu

- Bộ ghi số liệu: Bộ ghi số liệu là máy cầm tay, có phần mềm thu thập số liệu Bộ ghi số liệu có thể ghi vị trí hoặc gắn thông tin thuộc tính với vị trí

- Máy tính, phần mềm xử lý số liệu: Hệ thống GPS có kèm theo phần mềm xử lý số liệu Sau khi thu thập số liệu ở thực địa, phần mềm chuyển số liệu vị trí và thông tin thuộc tính sang máy tính (PC), sau đó phần mềm sẽ nâng cao độ chính xác (bằng kỹ thuật phân sai)

Phần mềm xử lý số liệu GPS còn có chức năng biên tập hoặc vẽ Phần mềm này cũng hỗ trợ thu thập các yếu tố địa lý và thông tin thuộc tính cho GPS hoặc các cơ sở dữ liệu khác

GPS hoạt động dựa trên nguyên lý định vị không gian 4 điểm [4]:

Hình 1.3: Nguyên lý định vị không gian 4 điểm

Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần số thấp khác nhau, được gọi là L1, L2 Những thiết bị nhận tín hiệu GPS thông thường bắt sóng L1, ở dải tần số UHF 575,42 Mhz Một đài phát thanh FM thường cần có công suất chừng 100.000W để phát sóng, nhưng một vệ tinh định vị toàn cầu chỉ đòi hỏi 20-50W để đưa tín hiệu đi xa 19.200 km Tần số L1 chứa đựng 2 tín hiệu số (mã hoá bằng kỹ thuật số), được gọi là P-code và C/A-code Mã P nhằm bảo vệ thông tin khỏi những sự truy nhập trái phép Tuy nhiên, mục đích chính của các tín hiệu mã hóa là nhằm tính toán thời gian cần thiết để thông tin truyền từ vệ tinh tới một thiết bị thu nhận trên mặt đất

Thông thường trong không gian, để xác định vị trí của một điểm chỉ cần tìm giao điểm của 3 hình cầu (trái đất là hình cầu thứ 4) Tuy nhiên nếu đồng

hồ của thiết bị không chính xác tuyệt đối thì sai số của vị trí ước lượng được

sẽ rất lớn do dùng công thức:

Quãng đường = thời gian x vận tốc

Trong đó vận tốc là vận tốc truyền của tín hiệu từ vệ tinh đến thiết bị, cũng chính là vận tốc ánh sáng - một hằng số lớn

Vì chế tạo thiết bị đo đếm thời gian chính xác tuyệt đối khá khó khăn (chi phí đắt đỏ, kích thước lớn) nên thường các thiết bị GPS chỉ hoạt động khi có thể nhận tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh - 3 vệ tinh để xác định vị trí và 1 để

đồng bộ đồng hồ Cũng bằng cách này bất kì thiết bị nào cần tính toán thời gian một cách chính xác đều có thể sử dụng GPS làm đồng hồ (thời gian hệ thống của NAVSTAR GPS được cung cấp bởi đồng hồ nguyên tử của Viện các chuẩn và công nghệ Hoa Kỳ - NIST)

Hoạt động của GPS có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

- Khi các vệ tinh ở quá gần nhau, chúng sẽ khiến cho việc xác định một

vị trí chính xác trở nên khó khăn hơn

- Vì tín hiệu radio đi từ vệ tinh xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu, tốc độ cần thiết để tín hiệu truyền tới thiết bị nhận sẽ bị chậm đi Hệ thống GPS có dự phòng điều đó bằng cách tính thêm khoảng thời gian chậm trễ trung bình, nhưng cũng không được hoàn toàn chính xác

- Chướng ngại lớn như các dãy núi hay các toà nhà cao tầng cũng làm cho thông tin bị sai lệch

- Giữa thiết bị nhận (nhất là của người dùng cá nhân) với vệ tinh, có thể không hoàn toàn trùng khớp về mặt thời gian và các vệ tinh đôi khi chạy lệch khỏi quỹ đạo

1.1.2 Hệ thống thông tin địa lý - Geographic Information System

a Khái niệm về GIS

Hệ thống thông tin địa lý, GIS, là một loại hệ thống thông tin quản lý các thông tin về các sự vật (things), sự kiện (events) và các họat động (activities) dựa trên vị trí của chúng

Hệ thống thông tin địa lý bao gồm các thành phần:

- Thành phần phần cứng: các thiết bị bao gồm máy vi tính, máy in, bàn số hóa, thiết bị quét ảnh, các phương tiện lưu trữ dữ liệu

- Thành phần phần mềm: Có thể là một hoặc một tổ hợp các phần mềm máy tính Các phần mềm này có các tính năng cơ bản như: nhập và kiểm tra

dữ liệu, lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu, xuất dữ liệu, biến đổi dữ liệu, tương tác với người dùng

Các phần mềm tiêu chuẩn và được sử dụng phổ biến trong khu vực Châu Á là: ARCGIS, MAPINFO, WINGIS…

Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý referenced data) riêng lẻ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu (database) Những thông tin địa lý có nghĩa là sẽ bao gồm các dữ kiện về vị trí địa lý, thuộc tính (attributes) của thông tin, mối liên hệ không gian (spatial relationships) của các thông tin, và thời gian

(geo-b Dữ liệu cho GIS

Dữ liệu cho GIS thường khá lớn, liên kết nhiều loại dữ liệu khác nhau:

dữ liệu có thể được nhập bằng tay, bằng các thiết bị hỗ trợ với tính năng GPS,

từ ảnh scan v.v… Để có thể chuyển nhiều loại dữ liệu thô khác nhau này thành dữ liệu luận lý phục vụ cho việc xử lý đòi hỏi sự kết hợp của khá nhiều công nghệ; trong đó có:

- Định vị: hỗ trợ việc vẽ bản đồ và thu thập dữ liệu Giờ đây các phương tiện có thiết bị định vị có thể giúp điều chỉnh độ chính xác của các bản đồ, thu thập dữ liệu hình ảnh

- Xử lý ảnh: Tuy để có dữ liệu tốt nhất cần phải đầu tư cho khâu thu thập dữ liệu nhưng dữ liệu thu thập được sẽ khó có thể hoàn hảo trong mọi điều kiện: hình ảnh chụp được từ vệ tinh hoặc các thiết bị khảo sát khác có thể có độ nét không cao, bị lỗi (bụi, mờ, mây che v.v…) hoặc chỉ biểu diễn một mặt nào đó của dữ liệu cần thu thập (như chỉ chụp phần xanh để lập bản đồ rừng mà không chụp nhà cửa của cư dân trong vùng) Do đó, cần có các công nghệ xử lý ảnh để kết hợp thông tin từ nhiều lần khảo sát khác nhau hoặc sửa chữa sai sót giữa các lần khảo sát của cùng một khu vực, từ đó xây dựng được

dữ liệu với độ chính xác tương đối

- Nhận dạng: trước khi các hệ thống thông tin địa lý kỹ thuật số ra đời,

do nhu cầu của công việc hoặc cuộc sống nên đã có khá nhiều dữ liệu địa lý được tạo ra dưới dạng bản đồ trên giấy hoặc các dữ liệu khảo sát của vùng/ miền Việc nhập tay lượng dữ liệu cực kỳ lớn này đòi hỏi quá nhiều nhân lực

so với việc xây dựng toàn bộ hệ thống GIS Với công nghệ nhận dạng giờ đây các bản đồ có thể được scan, các vùng khác nhau trên bản đồ được tự động nhận dạng và chuyển thành dạng vector, dữ liệu chữ và số được đưa vào cơ sở

dữ liệu một cách hoàn toàn tự động

Để lưu trữ dữ liệu được hiệu quả và đáp ứng nhu cầu xử lý (nhanh và chính xác) của các ứng dụng GIS, việc thiết kế cơ sở dữ liệu cũng cần được chú ý Hiện có khá nhiều kiểu dữ liệu được ứng dụng trong GIS và được phân thành 2 loại chính [2]:

- Dữ liệu dạng raster: Thường được chia nhiều dòng và cột, mỗi “ô” trong dữ liệu chứa một giá trị nào đó Dữ liệu raster thông dụng nhất là ảnh kĩ thuật số, trong đó mỗi điểm trên ảnh mang giá trị là màu của điểm đó Dữ liệu raster có thể được lưu vào file hoặc hệ quản trị cơ sở dữ liệu, tuy nhiên việc tìm kiếm trên dữ liệu này khá khó khăn vì mỗi bản ghi thường có kích thước khá lớn

- Dữ liệu dạng vector: là cách tốt nhất để biểu diễn các yếu tố địa lý như sông, hồ Vector có thể biểu diễn dưới dạng toán học (tọa độ 2 đầu của một đường thẳng) thay vì nhiều điểm liên tục như dữ liệu dạng raster (lưu tọa độ của tất cả các điểm trên đường) nên thường nhỏ hơn và dễ tìm kiếm hơn, và vì không phải là một mảng như raster nên dữ liệu vector có thể biểu diễn nhiều thành phần khác nhau nằm cách xa nhau - nói một cách khác là các đối tượng rời rạc (discrete) và thưa (spatial) Dữ liệu vector thường là sự kết hợp của nhiều đối tượng hình học đơn giản như:

+ Điểm: Thường dùng để chỉ một vị trí nào đó hoặc một vùng nào đó trên các bản đồ tỉ lệ lớn Điểm thường được biểu diễn dưới dạng tọa độ trong một

hệ tọa độ được quy ước

Hình 1.5: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm

+ Đường: Thường dùng để biểu diễn những thứ liên tục như đường, sông ngòi, mạch nước hoặc các đường độ cao Từ dữ liệu dạng đường thường có thể suy ra độ dài của đường Dữ liệu vector có thể biểu diễn các đường cong không chính xác vì thường phải xấp xỉ bằng các đường thẳng

Hình 1.6: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng đường

+ Đa giác: Thường dùng để biểu diễn một vùng hoặc một bề mặt nào đó như ranh giới tỉnh, khuôn viên một công trình, một mặt hồ… Dữ liệu dạng này có thể dùng để suy ra diện tích và chu vi của đối tượng

- Các dữ liệu không thưa (non - spatial) khác: Thường được lưu trữ kết hợp với các kiểu dữ liệu trên để phục vụ việc xử lý và ra quyết định Ví dụ hình ảnh vệ tinh của một quận (raster) có thể đi kèm với bản đồ đường (vector) và các chỉ tiêu phát triển xã hội như số dân, mật độ dân số, thành phần dân số…

Hình 1.8: Dữ liệu vectơ kết hợp với dữ liệu không thưa khác

1.1.3 Hệ thống định vị dựa trên vị trí

a Khái niệm về LBS

Khái niệm vị trí (location) ở đây được hiểu là vị trí không gian (spatial location) Chính vì vậy, các dịch vụ dựa trên vị trí là các dịch vụ cung cấp thông tin tiện ích cho người sử dụng dựa trên việc lưu trữ, quản lý và phânt tích vị trí của các đối tượng được theo dõi[5]

Như vậy, để xây dựng được một dịch vụ dựa trên vị trí, ta cần hai thành phần sau:

- Một hệ thống thông tin địa lý để lưu trữ, quản lý và phân tích các thông

tin về các đối tượng cố định, các đối tượng di động và các vị trí của chúng theo thời gian

- Một hệ thống định vị để cung cấp nguồn thông tin vị trí của các đối

tượng Bao gồm đối tượng di động và cố định; định vị yêu cầu thời gian thực và định vị yêu cầu độ chính xác cao

Hình 1.9: Nền tảng của LBS là GNSS và GIS

b Các ứng dụng của LBS [6]

- Dịch vụ cung cấp thông tin dựa trên vị trí (Location based information services) Một ví dụ tiêu biểu cho dịch vụ này là hệ thống định vị dẫn đường tùy vào thiết bị của người sử dụng và nguyên tắc hoạt động của hệ thống mà quá trình khai thác dịch vụ có thể được thực hiện theo 2 cách là: ứng dụng web, client/server

- Tính cước dịch vụ theo vị trí (Location sensitive billing) Hệ thống cần xác định vị trí của khách hàng để tính cước cho dịch vụ mà họ sẽ cung cấp (dịch vụ mua hàng từ xa, dịch vụ vận chuyển)

- Dịch vụ hỗ trợ khẩn cấp (Emergency services) Trong sinh hoạt hàng ngày, đôi khi ta không tránh khỏi các tai nạn hay các tình huống nguy hiểm

Hệ thống hỗ trợ khẩn cấp hoạt động trên nguyên tắc: nhà cung cấp dịch vụ nhận tín hiệu yêu cầu hỗ trợ từ khách hàng, khi đã xác định được vị trí của người yêu cầu, nhà cung cấp dịch vụ sẽ gửi các trang thiết bị kỹ thuật, nhân lực cần thiết đến hiện trường để giải quyết sự cố

- Dịch vụ quản lý giám sát (Tracking) Để bảo vệ các tài sản có giá trị người ta có thể gắn vào nó các thiết bị giám sát, khi được kích hoạt thiết bị này có nhiệm vụ gửi về máy tính của nhà cung cấp dịch vụ vị trí hiện tại của mình Dữ liệu vị trí được sử dụng để vẽ lại vệt di chuyển của thiết bị trên bản

Ta còn gặp các dịch vụ giám sát dưới dạng các hệ thống quản lý, điều hành (hệ thống quản lý điều hành mạng lưới taxi, mạng lưới xe bus…)

Hình 1.10: LBS có ứng dụng rất rộng rãi trong giao thông

c Ứng dụng LBS ở Việt Nam

Ở các nước tiên tiến, LBS đã được ứng dụng vào thực tế từ rất lâu Tuy nhiên, ở Việt Nam, do điều kiện cơ sở hạ tầng chưa phát triển nên ứng dụng LBS còn tương đối ít với những lý do sau:

- Độ chính xác định vị chưa cao: Hiện nay, theo thí nghiệm tại Việt

Nam với chip GPS phổ dụng, với điều kiện trời quang, vị trí không bị che lấp bởi cây cối, nhà cao tầng thì độ chính xác định vị khoảng 5-7 m Còn với những điểm không thuận lợi (như dưới nhà cao tầng, cây cối, vật cản) độ chính xác trở nên rất thấp

- Độ chính xác của bản đồ chưa cao: Hiện nay, hầu hết các ứng dụng

đã triển khai đều sử dụng bản đồ miễn phí (phổ biến nhất là Google Map) chưa đảm bảo về mặt độ chính xác và độ chi tiết dữ liệu

- Độ mềm dẻo trong tích hợp: Đối với bộ thu là một khối tích hợp, các

chức năng chưa mềm dẻo (thiếu các chức năng thu thập thông tin và điều khiển) Bản đồ chưa thể tích hợp nhiều nghiệp vụ

1.2 Các công nghệ định vị

Việc định vị là cốt lõi của khả năng cung cấp các dịch vụ dựa theo vị trí (Location-based service, từ đây gọi là LBS) Chỉ khi xác định được vị trí của người dùng hoặc thiết bị thì hệ thống mới có thể đưa ra nội dung hoặc quyết định dựa theo thông tin vị trí ấy

Để có thể định vị được thiết bị, cần có sự kết hợp giữa nhiều yếu tố như

hệ thống phát và thu Cơ sở hạ tầng cho các hệ thống này rất đa dạng: từ vệ tinh, trạm thu phát cho đến các thiết bị cầm tay

Các hệ thống định vị thường bao gồm:

- Một hệ thống phát tín hiệu được phân tán trên diện rộng, chẳng hạn như

vệ tinh hoặc các trạm thu phát sóng Các hệ thống này thường phát tín hiệu một cách tự động và liên tục, bất kỳ thiết bị nào trong vùng phủ sóng đều có thể nhận được

- Các đầu thu dựa vào tín hiệu nhận được có thể tính toán ra vị trí của mình một cách chủ động

Tuy nhiên vẫn có những hệ thống hoạt động theo cách khác (thiết bị chủ động gửi tín hiệu đến các hệ thống lớn hơn) nhưng không phát triển mạnh vì chi phí cho thiết bị có khả năng phát sóng thường khá lớn

1.2.1 Các hệ thống phát tín hiệu

1.2.1.1 Các vệ tinh

Vệ tinh hiện là loại hệ thống được sử dụng rộng rãi nhất vì các ưu điểm của nó như tầm bao phủ rộng và có độ chính xác tương đối, đáp ứng được hầu hết các nhu cầu thông thường Tuy nhiên phương pháp này không phải không

có khuyết điểm:

Các hệ thống đang hoạt động đều được xây dựng cho mục đích quân

sự, các tổ chức kiểm soát các hệ thống này có quyền hạn chế truy cập của

Chất lượng tín hiệu phụ thuộc nhiều vào thời tiết Các hoạt động thời tiết thông thường như giông bão có thể gây nhiễu một cách đáng kể vì vệ tinh

ở quá xa so người nhận so với nơi hình thành nhiễu

Phải có tầm nhìn tới vệ tinh: không nên có vật cản giữa thiết bị nhận và

vệ tinh vì tín hiệu có tính xuyên thấu kém

Đồng hồ của thiết bị bị lệch dù ít cũng có thể gây ảnh hưởng lớn đến kết quả, có thể đòi hỏi chi phí sản xuất lớn để tạo ra đồng hồ độ chính xác cao

Tuy nhiên, vệ tinh vẫn có rất nhiều ứng dụng trong viễn thông như truyền dẫn, phát hay khảo sát

Có nhiều hệ thống vệ tinh được sử dụng để định vị như là:

- Hệ thống NAVSTAR GPS là hệ thống vệ tinh phát tín hiệu định vị được sử dụng nhiều nhất hiện nay NAVSTAR GPS được triển khai bởi quân đội Mỹ, bắt đầu hoạt động hoàn chỉnh từ năm 1993 NAVSTAR GPS là sản phẩm kế thừa của hệ thống định vị bằng vệ tinh trước đó của Mỹ: Transit

- Hệ thống GLONASS được Liên bang Xô Viết cũ xây dựng từ 1976 và đạt độ phủ toàn cầu năm 1991 Từ sau sự sụp đổ của Liên bang Xô Viết, hệ thống này không còn được duy trì tốt Chỉ đến năm 2001, khi tổng thống Nga lúc bấy giờ là Vladimir Putin kí sắc lệnh duy trì thì các lỗ hổng trong hệ thống mới được khắc phục và hệ thống được nâng cấp để sử dụng thêm nhiều tần số và kéo dài tuổi đời vệ tinh

- Hệ thống Galilleo được đặt tên theo nhà thiên văn học nổi danh người Ý; Galilleo hiện vẫn ở giai đoạn lập kế hoạch Tuy nhiên Galilleo khác biệt với NAVSTAR GPS và GLONASS ở các điểm:

Có thể dùng để tăng cường độ chính xác cho việc định vị dựa vào NAVSTAR GPS và GLONASS: từ vài chục mét xuống vài cm; đồng thời có khả năng hoạt động độc lập khi hai hệ thống trên có vấn đề

Là dự án có sự hợp tác của nhiều quốc gia trong Liên minh châu Âu và một số nước khác

Được xây dựng cho mục đích dân sự, mọi đối tượng đều có thể sử dụng miễn phí; quá trình quản lý sẽ minh bạch hơn do có sự tham gia của nhiều quốc gia

1.2.1.2 Các trạm thu phát (Base station)

Các trạm thu phát là nền tảng của truyền thông di động hiện đại, với ưu điểm cung cấp tín hiệu tốt trong các vùng đô thị, chi phí thấp và dễ lắp đặt hơn so với vệ tinh, ta có thể thấy các trạm thu phát ở hầu như mọi nơi

Trạm thu phát là những điểm truyền / nhận sóng vô tuyến tới các thiết

bị di động, thường chỉ hoạt động trong một phạm vi nhất định Thêm nữa, các dịch vụ di động chỉ có thể dùng một số tần số đã được cấp phép (số lượng tần số này có hạn) Do đó, để có thể cung cấp dịch vụ một cách xuyên suốt cho người dùng, các trạm thu phát thường có vùng phủ sóng chồng lên nhau Mật độ trạm thu phát cũng tùy vùng mà thay đổi:

Ở các vùng đô thị mật độ trạm phải cao vì:

- Có nhiều kiến trúc kiên cố, sóng vô tuyến không dễ xuyên qua

- Lượng người dùng tập trung lớn trong khi số kênh thu phát lại phụ thuộc vào số tần số được các tổ chức quản lý cho phép dùng nên cũng bị giới hạn, các trạm buộc phải dùng lại cùng một kênh tại cùng một thời điểm mà không làm ảnh hưởng lẫn nhau

Ở các vùng nông thôn thì mật độ trạm lại thấp vì lượng người dùng ít, các công trình xây dựng thường không cao mà tầm phủ sóng của các trạm lại khá rộng

Vì các trạm thu phát là cố định, nên nếu biết được người dùng thiết bị

di động đang ở trạm thu phát nào gần nhất thì có thể suy ra được vị trí tương

đối của người dùng Tuy nhiên sai số sẽ lớn ở các vùng nông thôn do mật độ trạm thưa và tầm phủ sóng của một trạm có thể lên đến hàng kilômét

Điện thoại di động có thể dựa vào mã số trạm, mã mạng và mã nước để truy vấn các cơ sở dữ liệu vị trí trạm như OpenCellID, từ đó suy ra vị trí của mình

1.2.2 Các thiết bị có tính năng định vị

Với công nghệ sản xuất ngày càng hiện đại, việc tích hợp khả năng định vị vào các thiết bị khác nhau cũng trở nên dễ dàng hơn; trao cho người dùng quyền quyết định chọn sản phẩm nào thích hợp với nhu cầu của mình nhất

- Bộ định vị: Ban đầu được thiết kế cho các mục đích quân sự, các thiết

bị này từ chỗ chỉ hiển thị tọa độ để bổ sung cho các phương tiện định vị khác như bản đồ và la bàn thì giờ đã bắt đầu thân thiện với người dùng hơn và bắt đầu giống các thiết bị di động như điện thoại hoặc dashtop hơn Các bộ định

vị không có các tính năng bổ sung hiện vẫn được bán trên thị trường với giá thấp cho những ai không có điều kiện sử dụng các thiết bị hiện đại hơn hoặc đặt nặng độ chính xác hơn tính tiện dụng

- PDA/Điện thoại cầm tay: Các thiết bị này ban đầu được phát triển cho mục đích liên lạc dân sự (truyền âm thanh, số liệu), dần dần được tích hợp nhiều tính năng hơn, trong đó có khả năng xử lý thông tin Đây cũng là các thiết bị có nhiều người sử dụng nhất (đồng thời có thị phần lớn) nên các dịch

vụ được cung cấp khá đa dạng và phong phú Giờ đây các thiết bị này đang dần được tích hợp thêm khả năng định vị để các dịch vụ dựa theo vị trí của người dùng có thể phát triển

- Dashtop: là một loại thiết bị khá mới, ra đời để bổ sung cho khiếm khuyết của các thiết bị di động: thời gian hoạt động phụ thuộc vào nguồn điện Các thiết bị Dashtop thường được trang bị cho các xe hơi hạng sang với

Định vị trên hệ thống mạng lưới là kết hợp với việc định vị các thiết bị của mạng để chỉ ra vị trí của thiết bị di động,ví dụ cho giải pháp này là AOA, TOA, TDOA, Cell ID [3]

Định vị trên thiết bị di động vì chính thiết bị di động sẽ chỉ ra vị trí của người sử dụng, các thiết bị di động được cung cấp các tính năng định vị sẽ

đo lượng dữ liệu và sử dụng các thuật toán để xác định ví trí, ví dụ cho giải pháp này là EOTD

Ứng dụng tìm kiếm dựa theo vị trí có thể không cần thông tin vị trí chính xác tuyệt đối của người dùng để có thể đưa ra các kết quả tương ứng ở chung quanh Chẳng hạn như tìm một nhà hàng thì chỉ cần biết người dùng đang ở quận nào

Ngược lại, để xác định vị trí của một trường hợp khẩn cấp trong một thành phố lớn lại cần độ chính xác cao vì có thể đối tượng ở trong một ngõ hẻm độc đạo, việc xác định đường đi đến đối tượng cần phải chính xác để có thể lên kế hoạch điều phối một cách nhanh nhất

Hiểu biết về cách thức hoạt động của từng cách thức định vị sẽ giúp người phát triển đưa ra lựa chọn thích hợp cho ứng dụng của mình

1.2.3.1 Cell ID

Cell-ID được sử dụng trong mạng GSM, GPRS và WCDMA, đây là cách xác định vị trí thuê bao đơn giản nhất Phương pháp này yêu cầu mạng xác định vị trí của BTS mà MS đang trực thuộc, nếu có được thông tin này thì

vị trí của MS cũng chính là vị trí của BTS đó Tuy nhiên, do MS có thể ở mọi

vị trí bất kỳ trong cell nên độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào kích cỡ cell Nếu MS thuộc vùng đô thị, mật độ đông thì kích cỡ cỡ cell bé nên độ chính xác cao hơn, vùng ngoại ô kích cỡ cell lớn hơn nhiều nên sai lệch về vị trí có thể lên tới chục kilômét