Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt)

Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt) Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt) Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt) Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt) Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt) Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt) Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt) Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt) Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt) Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt) Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử (tt)

-

NGUYỄN HUY THẮNG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ GNSS ỨNG DỤNG CHO HỆ

THỐNG THU PHÍ GIAO THÔNG ĐIỆN TỬ

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ: 0 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2017

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Hoài Bắc

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Theo thống kê, hiện nay nước ta có khoảng 70 trạm thu phí giao thông đường bộ với nhiều loại hình thuộc quyền quản lý của nhiều cơ quan khác nhau như: Tổng cục Đường bộ, Sở giao thông vận tải các tỉnh, UBND, các doanh nghiệp BOT,… Các trạm thu phí này hoạt động chủ yếu theo hình thức thu phí một dừng mã vạch kết hợp với thủ công hoặc triển khai 100% thu phí một dừng mã vạch Với các hình thức thu phí trên, tình trạng ùn ứ các phương tiện tại các trạm thu phí thường xảy ra, gây mất trật tự, an toàn giao thông… Bên cạnh đó, các đơn vị quản lý cũng phải đầu tư nhân sự, chi phí quản lý khá lớn cho việc kiểm soát và thu phí Để cải thiện tình trạng đó hàng loạt các giải pháp được đưa ra trong đó việc thu phí giao thông điện

tử đang được nghiên cứu và triển khai ngày càng rộng rãi thay thế các phương thức thu phí cũ

Sự ra đời của các công nghệ thu phí điện tử giúp giảm tắc nghẽn giao thông gần các trạm thu phí, hỗ trợ cho lái xe bằng việc loại bỏ sử dụng tiền mặt, và giảm chi phí quản lý và tiêu cực

Hiện tại, ở Việt Nam các trạm thu phí này sử dụng phương pháp thu phí bán tự động công nghệ bán tự động được sử dụng ở các thiết bị nhận dạng biển số xe, nhận dạng trọng tải xe, thiết bị soát vé từ/ giấy in/ thẻ Smart Card, thiết bị mạng máy tính, camera giám sát, barrie tự động, đèn tín hiệu Còn lại là chạm thu phí thủ công với quy trình hai dừng (dừng mua vé, dừng soát vé) Do đó nghiên cứu công nghệ thu phí điện tử không dừng là một chủ đề nghiên cứu sao cho tối ưu nhất đưa vào áp dụng đại trà trong thời gian tới

Nghiên cứu công nghệ GNSS, các mô hình ứng dụng cho thu phí điện tử và ứng dụng công nghệ GNSS cho hệ thống thu phí giao thông điện tử

Do đó, tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ GNSS ứng dụng cho hệ thống thu phí giao thông điện tử ” cho

luận văn tốt nghiệp

Luận văn được chia thành ba chương:

 Chương 1: Tổng quan về công nghệ GNSS

 Chương 2: Các công nghệ trong hệ thống thu phí điện tử trong giao thông

 Chương 3: Ứng dụng công nghệ GNSS trong thu phí điện tử giao thông

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GNSS 1.1 Khái quát về công nghệ GNSS

Trong khoảng những năm 60 thế kỷ trước, các nhà khoa học của Liên Xô đã phóng thành công các vệ tinh nhân tạo, là tiền đề mở

ra dự án thành lập hệ thống định vị toàn cầu mang tên Glonass (Global Navigation Satellite System) Cùng với thời gian này, bộ quốc phòng Mỹ cũng xây dựng được một hệ thống đạo hàng vô tuyến

vệ tinh mang tên NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Providing Timing and Ranging Global Positioning System) trên cơ sở các kết quả của chương trình TRANSIT và đề án Timation Trong suốt thời gian dài hoạt động, hệ thống định vị gọi tắt là GPS chỉ có ngành quân

sự Mỹ độc quyền khai thác sử dụng Từ những năm 1980 trở lại đây, chính phủ Mỹ cho phép khai thác sử dụng hệ thống GPS vào mục đích dân sự Từ đó trở đi, công nghệ GPS đã được nghiên cứu, ứng dụng vào nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau, trong đó có ngành khoa học trái đất

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, hiệu quả ứng dụng trong các ngành khoa học Các nước đã phát triển riêng cho mình một hệ thống định vị vệ tinh riêng nhằm phục vụ những mục đích khác nhau trong mọi lĩnh vực Có thể kể đến những hệ thống định vị lớn bao gồm hệ thống định vị GPS (Mỹ), hệ thống GLONASS (Nga), hệ thống GALILEO (EU), hệ thống Beidou hay còn gọi là COMPASS (Trung Quốc) Cùng với sự phát triển đó hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) ra đời nhằm đem lại hiệu quả cũng như đạt độ chính xác cao

hơn Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS là hệ thống kết hợp bao gồm các hệ thống định vị vệ tinh GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), GALILEO (EU), BEIDOU– COMPASS (Trung Quốc)

Hình 1.1: Mô hình vệ tinh nhân tạo

1.2 Nguyên lý cấu tạo của công nghệ GNSS

GNSS được cấu thành như một chòm sao của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến 4 vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ xác định được tọa độ của vị trí đó Hệ thống GNSS được cấu tạo từ 3 thành phần: Đoạn không gian (space segment), Đoạn điều khiển (control segment), Đoạn sử dụng (user segment)

1.2.1 Đoạn không gian (space segment)

Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh bay trên bầu trời (vệ tinh GPS, GLONASS, GALILEO, COMPASS) các vệ tinh bố trí di chuyển liên tục theo quỹ đạo trên bầu trời Có độ cao và góc nghiêng hợp lý bảo đảm mỗi điểm trên mặt đất đều thu được ít nhất tín hiệu của 4 vệ tinh cùng lúc

1.2.2 Đoạn điều khiển (control segment)

Đoạn điều khiển được thiết lập với mục đích để duy trì hoạt động của toàn bộ hê thống định vị Trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ chủ yếu là hiệu chỉnh các tín hiệu, cập nhật thông tin đạo hàng truyền

đi từ vệ tinh để chính xác hóa các thông tin đạo hàng, bảo đảm độ chính xác cần thiết cho công tác định vị Đoạn điều khiển có 4 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:

 Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục;

 Hiệu chỉnh liên tục các tham số quỹ đạo vệ tinh;

 Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên

vệ tinh;

 Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể

1.2.3 Đoạn sử dụng (User segment)

Đoạn người sử dụng bao gồm dụng cụ thu tín hiệu vệ tinh, phần mềm xử lí tính toán số liệu, máy tính thu tín hiệu GNSS, có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa

1.3 Mã trải phổ và sóng mang

Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị

là tần số 1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau

Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái

tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số

cộng một và trừ một, được phát đi ở tần số fo/10= 1.023 MHz Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ Mã nhiễu giải ngẫu nhiên

(PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise - code), bao

gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần

số fo = 10,23 MHz Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày Thời gian

267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn

lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau Mã Y

(Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có giấy phép (nói chung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y)

Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã ( Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y

Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có

ý thức Nếu mã có trị số -1 thì phase sóng mang đổi 1800, còn nếu mã

số có trị số +1 thì phase sóng mang giữ nguyên không thay đổi

Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát

dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực

1.4 Các nguồn gây ra sai số

1.4.1 Sai số do đồng hồ

Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu

và sự không đồng bộ của chúng

Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và

do đó nếu phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chính cho máy thu GPS biết để sử lý Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát

1.4.2 Sai số do quỹ đạo vệ tinh

Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật Kepler do có nhiều tác động nhiễu như: Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút của mặt trăng, mặt trời và của các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời, Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể xác định theo mô hình chuyển động được xây dựng trên cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS và đương nhiên có chứa sai số

1.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

Ảnh hưởng tầng điện ly và tầng đối lưu đến tín hiệu vệ tinh cho đến nay vẫn là thách thức chủ yếu Tầng đối lưu được tính từ mặt đất đến độ cao 50km và tầng điện ly ở độ cao từ 50km đến 1000km Khi tín hiệu truyền từ vệ tinhvới độ cao khoảng 20.200km đi qua tầng điện ly, tầng đối lưu đến máy thu đặt trên trái đất, nó bị khúc xạ

và thay đổi tốc độ truyền tín hiệu Ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu gây nên gọi là độ trễ Cả hai đều gây nên sai số hệ thống

Các điện tử tự do trong tầng ion gây nên độ trễ nhóm phụ thuộc vào tần số tín hiệu vệ tinh, độ trễ này là nguồn sai số tiềm năng trong trị đo thời gian Ngoài ra như đã rõ, tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử trong tầng điện ly, và tỷ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu

1.4.4 Sai số do nhiễu tin hiệu

Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh Sai số do hiện tượng này gây ra được gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh Để làm giảm sai số này, các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo của cả máy thu và ăng ten

1.5 Các hệ thống GNSS tiên tiến

1.5.1 Hệ thống GPS

GPS (Global Positioning System) là hệ thống xác định vị trí

dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa

Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý (1973) Trong cùng một

thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh GPS hoạt động dựa trên 3 phần chính: Đoạn không gian, điều khiển và sử dụng

Đoạn không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3

vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km Chúng chuyển động ổn định vá quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần

24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ

1.5.2 Hệ thống GLONASS

Hệ thống GLONASS (Global Navigation Satellite System) là

hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu do Liên Xô (cũ) thiết kế

và điều hành Ngày nay, hệ thống vẫn được Cộng hòa Liên bang Nga tiếp tục duy trì hoạt động

Hệ thống bao gồm 24 vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo gần tròn Trên mỗi quỹ đạo có 8 vệ tinh Góc nghiêng so với mặt phẳng xích đạo là 64,8 Các mặt phẳng quỹ đạo được phân bố cách đều nhau 120 trên xích đạo Độ cao các vệ tinh là 19.100 km, do đó chu

kỳ của vệ tinh là 11 giờ 15 phút

1.5.3 Hệ thống GALILEO

Hệ thống Galileo được đặt theo tên nhà thiên văn học GALILEO (1564-1642) được Liên minh Châu Âu (EU) thiết kế và thành lập với mục đích sử dụng trong lĩnh vực dân sự

Hệ thống bao gồm 30 vệ tinh phân bố trên 3 mặt phẳng quỹ đạo, trong đó có 27 vệ tinh hoạt động còn 3 vệ tinh sẽ được dự trữ cho vệ tinh nào bị hỏng Như vậy trên mỗi quỹ đạo có 1 vệ tinh dự trữ và 9 vệ tinh hoạt động phân bố cách đều nhau trên quỹ đạo (cách

40 )

1.5.4 Hệ thống BEIDOU(hay còn gọi là COMPASS)

Hệ thống định vị Bắc Đẩu (COMPASS) là dự án của Trung Quốc phát triển một hệ thống vệ tinh định vị độc lập Hệ thống Bắc Đẩu đầu tiên, chính thức được gọi là “Hệ thống thử nghiệm định vị

vệ tinh Bắc Đẩu”

Đoạn không gian của hệ thống bao gồm 27 vệ tinh ở quỹ đạo trung bình (MEO), 3 vệ tinh ở quỹ đạo nghiêng đồng bộ trái đất (IGSO) và 5 vệ tinh địa tĩnh (GEO) Đoạn mặt đất bao gồm một trạm chủ (MCS), hai trạm điều khiển cập nhật (Upload Station) và 30 trạm theo dõi (MS)

1.6 Ứng dụng công nghệ GNSS

1.6.1 Ứng dụng trong lĩnh vực định vị

1.6.2 Ứng dụng trong lĩnh vực dẫn đường

1.6.3 Ứng dụng cho phương tiện không người lái

1.6.4 Ứng dụng trong nghiên cứu bão

1.6.5 Ứng dụng trong lĩnh vực tìm người và thiết bị

1.6.6 Ứng dụng trong quản lý giao thông

1.6.7 Ứng dụng trong quân sự, quốc phòng, an ninh

1.6.8 Ứng dụng trong khảo sát, trắc địa

1.6.9 Ứng dụng trong trắc địa trên không

1.6.10 Ứng dụng GPS trên điện thoại thông minh

1.7 Kết luận chương

Qua việc giới thiệu chi tiết về công nghệ GNSS ta có thể thấy

rõ được tầm quan trọng và ứng dụng của công nghệ GNSS trong cuộc sống chúng ta hiện nay

Tại Việt Nam, GNSS từ lâu đã được ứng dụng cho các công việc quản lý hệ thống xe bus, hỗ trợ quản lý bãi gửi xe, hạ tầng giao thông, kiểm lâm, cứu nạn Tuy nhiên các hệ thống mới chỉ dừng ở mức độ thu nhận thông tin về kinh độ, vĩ độ và cao độ, chưa triển khai ứng dụng trong lĩnh vực thiết bị dẫn đường vì chưa được tích hợp bản đồ số Việt Nam Thời gian gần đây, việc tạo lập bản đồ số đã

có kết quả và trên thị trường xuất hiện một số thiết bị dẫn đường

dành cho ôtô trong giai đoạn vừa thăm dò vừa hoàn thiện sản phẩm

CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG NGHỆ DÙNG TRONG HỆ THỐNG

THU PHÍ ĐIỆN TỬ GIAO THÔNG 2.1 Công nghệ RFID

2.1.1 Giới thiệu về công nghệ RFID

RFID là công nghệ xác nhận dữ liệu đối tượng bằng sóng vô tuyến để nhận dạng, theo dõi và lưu thông tin trong một thẻ Kĩ thuật RFID có liên quan đến hệ thống không dây cho phép một thiết bị đọc thông tin được chứa trong chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, mà không thực hện bất kì giao tiếp vật lý nào hoặc yêu cầu một sự nhìn thấy giữa hai thiết bị

Các thành phần chính trong hệ thống RFID là thẻ, reader, phần dẻo và cơ sở dữ liệu

2.1.2 Mô hình thu phí giao thông điện tử sử dụng công nghệ RFID

Hệ thống trạm thu phí tự động không dừng áp dụng công nghệ RFID sẽ tương tự như một hệ thống RFID active và gồm ba thành phần cơ bản như sau:

 Khối phát hành thẻ RFID

 Box RFID trên mỗi xe - Box trạm

 Hệ thống máy chủ và cơ sở dữ liệu

Hình 2.1: Mô hình hệ thống thu phí giao thông không dừng

2.1.3 Ưu điểm, nhược điểm của công nghệ RFID