Nghiên cứu và xây dựng thiết bị giám sát hành trình phương tiện giao thông qua mạng trên nền tảng chíp FPGA

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Thuật ngữ viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt ASIC Application-specific integrated circuit Vi mạch tích hợp chuyên dụng BSB Base

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-LÊ MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG THIẾT BỊ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG QUA MẠNG TRÊN NỀN TẢNG CHÍP FPGA

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS PHẠM NGỌC NAM

Hà Nội 2010

MỤC LỤC

Trang

TRANG PHỤ BÌA 1

LỜI CAM ĐOAN 4

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 5

Danh mục các bảng 8

Danh mục các hình vẽ và đồ thị 9

MỞ ĐẦU 11

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG 13

1.1 Khái niệm về hệ GIS 13

1.2 Các thành phần cơ bản của hệ GIS 14

1.3 Hệ thống định vị qua vệ tinh GPS 18

1.3.1 Nguyên lý định vị qua vệ tinh 18

1.3.2 Hệ thống định vị toàn cầu qua vệ tinh GPS 21

1.3.2.1 Tổng quan về hệ thống GPS 21

1.3.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS 24

1.3.3 Máy thu GPS 29

1.3.4 Chuẩn giao tiếp với thiết bị thu GPS 31

1.4 Tổng quan về hệ thống giám sát phương tiện giao thông qua GPS 34

1.5 Các giải pháp thực hiện 37

1.6 Kết luận .38

Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ FPGA VÀ MẠCH PHÁT TRIỂN CỦA XILINX 40

2.1 Giới thiệu chung về FPGA 40

2.1.1 Khái niệm và ứng dụng FPGA 40

2.1.2 Kiến trúc FPGA 42

2.2 Mạch phát triển với SPARTAN 3E của hãng Xilinx 48

2.2.1 Giới thiệu về dòng chip SPARTAN 3E 48

2.2.2 Mạch phát triển dùng chip FPGA 50

2.3 Các công cụ thiết kế hệ thống của Xilinx 51

2.3.1 ISE 52

2.3.2 EDK 52

Chương 3 – XÂY DỰNG THIẾT BỊ GIÁM SÁT HÀNH TRÌNH TRÊN NỀN CHÍP FPGA 55

3.1 Quá trình xây dựng hệ thống phần cứng cho thiết bị giám sát tích hợp lõi vi xử lý MicroBlaze trên chíp FPGA 55

3.1.1 Cấu trúc của Microblaze 55

3.1.2 Thiết lập cấu hình phần cứng cơ bản trên mạch phát triển 56

3.1.3 Thêm các lõi xử lý trong quá trình thiết kế phần cứng 66

3.1.4 Cấu trúc phần cứng của thiết bị giám sát phương tiện giao thông 72

3.2 Xây dựng phần mềm cho thiết bị giám sát phương tiện giao thông 74

3.2.1 Thiết kế và phát triển phần mềm bằng công cụ SDK 74

3.2.2 Cấu trúc chung của chương trình điều khiển cho thiết bị giám sát 76

3.2.3 Xây dựng lõi giao tiếp với thiết bị GPS 78

3.2.4 Xây dựng lõi giao tiếp mạng trong Microblaze 80

Chương 4 – XÂY DỰNG PHẦM MỀM GIÁM SÁT PHƯƠNG TIỆN THÔNG QUA BẢN ĐỒ SỐ .85

4.1 Bản đồ số và công cụ phát triển cho bản đồ số 85

4.1.1 Khái niệm về bản đồ số .85

4.1.2 Mô hình cấu trúc dữ liệu của bản đồ số 85

4.1.3 Công cụ phát triển với bản đồ số MapX 92

4.2 Xây dựng chương trình giám sát hành trình qua bản đồ số 94

4.2.1 Cấu trúc chương trình 94

4.2.1 Mô hình truyền thông với thiết bị giám sát 99

KẾT LUẬN 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC 1 103

PHỤ LỤC 2 113

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đồ án nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong bản luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố ở đâu và trong bất kỳ công trình hay luận án nào khác

Người thực hiện:

Lê Minh Tuấn

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Thuật ngữ

viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt

ASIC Application-specific integrated

circuit

Vi mạch tích hợp chuyên dụng

BSB Base System Builder Công cụ xây dựng hệ thống

DCE Data Control Equipment Thiết bị điều kiển số liệu

DCM Digital Clock Manager Khối quản lý nguồn xung

clock bên trong chíp FPGA DDR Double Data-Rate Tốc độ dữ liệu nhân đôi

DLMB Data Local Memory Bus Bus giao tiếp bộ nhớ bên

trong truyền dữ liệu

DOPB Data On-chip Peripheral Bus Bus giao tiếp ngoại vi

trong chip truyền dữ liệu DTE Data Terminal Equipment Thiết bị cuối xử lý số liệu

EDK Embedded Development Kit Công cụ phát triển hệ thống

nhúng FFT Fast Furier Transform Biến đổi Furier nhanh

FPGA Field Programable Gate Arrays Mảng cổng logic có thể lập

trình lại GIS Geograpgic Information System Hệ thống thông tin địa lý GPIO General Purpose Input/Output Giao diện chỉ định vào/ra

chung

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

HDL Hardware Description Language Ngôn ngữ miêu tả phần

IP Intellectual Property Sở hữu trí tuệ

ISE Integrated Software Environment

Môi trường phần mềm tích hợp cho thiết kế lập trình trên FPGA

LCD Liquid crystal display Màn hình tinh thể lỏng LMB Local Memory Bus Bus bộ nhớ bên trong

Lwip LightWeight IP Thư viện điều khiển truyền

thông dữ liệu qua mạng

xử lý và thiết bị thu GPS

OPB On-chip Peripheral Bus Bus giao tiếp ngoại vi

trong chip PLB Processor Local Bus Bus xử lý bên trong

RISC Reduced Instructions Set

Computer

Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa

ROM Read Only Memory Bộ nhở chỉ đọc

SDK Software Development Kit Công cụ phát triển phần

mềm

SDRAM Synchronous dynamic random

access memory

Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên đồng bộ động TCP Transmission Control Protocol

Giao thức điều khiển lớp truyền vận trong mô hình TCP/IP

UART Universal asynchronous

receiver/transmitter Truyền/nhận bất đồng bộ UCF User Constraints File

File định nghĩa chân kết nối trên FPGA với các đường tín hiệu trong chip XPS Xilinx Platform Studio

Môi trường làm việc, xây dựng hệ thống nhúng của Xilinx

Danh mục các bảng

Trang

Bảng 1.1 Một số dạng câu lệnh cơ bản trong chuẩn NMEA 33

Bảng 1.2 Cấu trúc và ý nghĩa các trường thông tin của câu lệnh GPGGA 34

Bảng 4.1 Ánh xạ giữa mô hình dạng raster và mô hình thực 89

Bảng 4.2 Các hàm xử lý cơ bản trong phân lớp CMapObject 96

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

Trang

Hình 2 2 Cấu trúc khối Logic Block điển hình 44

Hình 2 4 Cấu trúc khối lập trình kết nối trong chíp 45 Hình 2 5 Cấu trúc các thành phần của Spartan 3 49

Hình 2 7 Quá trình thực thi thiết kế trên công cụ phát triển EDK 54

Hình 3 2 Cấu hình hệ thống tích hợp MicroBlaze 57 Hình 3 3 Cửa sổ thiết lập hệ thống nhúng trên mạch phát triển Spartan 3E 58

Hình 3 5 Cửa sổ thiết lập thuộc tính cho lõi MicroBlaze 60 Hình 3 6 Cửa sổ thiết lập các ngoại vi trên mạch phát triển 61 Hình 3 7 Tích hợp các khối điều khiển DDR_SRAM và Ethernet Mac 62 Hình 3 8 Thiết lập các Timer vào trong hệ thống 63 Hình 3 9 Thiết lập đường truyền thông và khởi tạo các phần mềm kiểm tra 63 Hình 3 10 Thông tin tổng hợp về hệ thống được thiết lập 64 Hình 3 11 Giao diện cửa sổ thể hiện các thành phần của hệ thống được xây dựng65

Hình 3 13 Thiết lập kết nối từ khối tạo mới vào bus truyền thông của hệ thống 68 Hình 3 14 Vùng cửa sổ hiển thị các dải địa chỉ được chỉ định cho các thành phần của hệ thống 69 Hình 3 15 Thiết lập thuộc tính cho khối GPIO điều khiển giao tiếp với LCD 70 Hình 3 16 Thiết lập kết nối tín hiệu ngoài cho khối GPIO 71 Hình 3 17 Thiết lập chân kết nỗi trên FPGA cho các đường tín hiệu 72 Hình 3 18 Tích hợp MicroBlaze trong phần cứng của thiết bị giám sát 73 Hình 3 19 Các khối chức năng được thiết lập trong hệ thống phần cứng 73 Hình 3 20 Các khối chức năng được thiết lập trong hệ thống phần cứng 74 Hình 3 21 Quá trình thiết kế phần mềm cho hệ nhúng bằng công cụ SDK 75 Hình 3 22 Sử dụng công cụ SDK trong môi trường phát triển XPS 76 Hình 3 23 Cửa sổ giao diện của môi trường phát triển phần mềm SDK 76 Hình 3 24 Giản đồ thuật toán của hàm chương trình chính 77 Hình 3 25 Giảnđồ thuật toán của hàm phân tích chuỗi thông tin định vị 79 Hình 3 26 Thiết lập thông số hệ thống trong SDK 80

Hình 3 28 Mô hình quản lý và sử dụng bộ đệm trong khối chương trình lwip_lib 83 Hình 3 29 Mô hình xử lý truyền thông qua khối lệnh lwip_lib 84 Hình 3 30 Mô hình điều khiển truyền thông trong chương trình 84 Hình 4 1 Mô hình dữ liệu không gian trong bản đồ số 86 Hình 4 2 Mô hình phân lớp dữ liệu trong bản đồ số 87 Hình 4 3 Mô hình dữ liệu kiểu đối tượng điểm 87 Hình 4 4 Mô hình dữ liệu kiểu đối tượng đường 88 Hình 4 5 Mô hình dữ liệu kiểu đổi tượng vùng 89 Hình 4 6 Mô hình liên kết dữ liệu không gian và dữ liệu logic 92 Hình 4 7 Giao diện phần mềm giám sát hành trình 95

Hình 4 9 Mô hình truyền thông giữa máy tính trạm và thiết bị giám sát 99

MỞ ĐẦU

Hệ thống giám sát hành trình xe thông qua hệ thống định vị toàn cầu là một ứng dụng có tính thực tiễn đã được triển khai từ nhiều năm nay không chỉ trong lĩnh vực an ninh quốc phòng mà còn trong các lĩnh vực dân dụng khác Thành phần cơ bản nhất của hệ thống này là thiết bị giám sát hay còn gọi là hộp đen được gắn trên xe Công nghệ chế tạo thiết bị hộp đen này có thể từ đơn giản đến phức tạp đòi hỏi kỹ thuật cao Một giải pháp đưa ra đó là thiết kế thiết bị giám sát hành trình trên nền tảng chíp FPGA FPGA là chip điện tử cho phép xây dựng hay tích hợp các hệ thống số bên trong nó bằng việc lập trình và có khả năng cấu hình lại hệ thống trên chíp

Xuất phát từ các yêu cầu và tính ứng dụng của thiết bị giám sát hành trình, cũng như khả năng của chíp FPGA, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu và xây dựng thiết bị giám sát hành trình phương tiện giao thông qua mạng trên nền tảng chíp FPGA” làm luận văn tốt nghiệp cao học Mục tiêu của đề tài là xây dựng một mô hình mẫu thiết bị dùng để gắn trên xe có chức năng thu nhận thông tin từ

hệ thống định vị toàn cầu GPS và truyền các thông tin này tới một chương trình phần mềm chạy trên máy chủ đã được kết nối mạng với thiết bị Trên chương trình phần mềm này thông tin về vị trí của phương tiện sẽ được hiển thị trên bản

đồ số phục vụ các cho bài toán giám sát và quản lý xe Để thực hiện được mục tiêu của đề tài, nội dung nghiên cứu của luận văn tốt nghiệp sẽ tập trung vào các vấn đề bao gồm:

- Nghiên cứu mô hình giám sát hành trình của phương tiện giao thông và các

mô hình mạng có liên quan

- Thiết kế hệ thống nhúng trên nền tảng chíp FPGA thực hiện chức năng giám sát thông qua việc thu nhận dữ liệu từ hệ thống định vị GPS và truyền các thông tin này về máy tính trung tâm

- Ứng dụng của bản đồ số và xây dựng chương trình phần mềm giám sát

Các vấn đề này được trình bày lần lượt trong các chương của quyển luận văn với nội dung cơ bản của từng chương được mô tả như sau:

- Chương 1 trình bày về những vấn đề cơ bản của hai mô hình hệ thống là cơ

sở cho hệ thống giám sát đó là hệ thống thông tin địa lý toàn cầu GIS và hệ thống định vị toàn cầu GPS Sau khi đề cập đến mô hình chung của một hệ thống giám sát xe, trong phần nội dung của chương 1 sẽ giới thiệu một phương án thực thi thiết bị giám sát hành trình dựa trên nền tảng chíp FPGA

và một mô hình giám sát hành trình xe bao gồm thiết bị giám sát và chương trình phần mềm giám sát trên máy tính

- Chương 2 đề cập đến những kiến thức cơ bản về chíp FPGA, quá trình thiết

kế hệ thống cho chip Trong phần nội dung của chương này cũng giới thiệu

về mạch phát triển dùng chíp FPGA để xây dựng thiết bị giám sát và công cụ của hãng Xilinx được sử dụng trong quá trình thiết kế

- Chương 3 giới thiệu đến nội dung chính của đề tài là xây dựng thiết bị giám sát Thiết bị giám sát là một hệ thống nhúng bao gồm phần cứng và phần mềm được tích hợp trên chip FPGA của mạch phát triển Các quá trình xây dựng các thành phần của hệ thống nhúng này sẽ được giới thiệu lần lượt trong chương 3

- Chương 4 đề cập đến nội dung cuối của đề tài, đó là xây dựng phần mềm chạy trên máy tính có chức năng hiển thị vị trí của phương tiện trên bản đồ

số

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT

PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG

Trong phần nội dung của chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về các hệ thống là

cơ sở và là thành phần của một hệ thống giám sát hành trình, đó là hệ thống thông tin địa lý, hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu Từ đó giới thiệu về vị trí, chức năng và mô hình chung của một hệ thống giám sát hành trình Đồng thời đưa và chọn lựa giải pháp thực hiện thiết kế thiết bị giám sát hành trình

1.1 Khái niệm về hệ GIS

Kỹ thuật "Thông tin Địa lý" (Geograpgic Information System - GIS) xuất hiện từ những năm 1960 và đang được sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển hơn một thập niên qua, đây là một dạng ứng dụng công nghệ tin học (Information Technology) nhằm mô tả thế giới thực (Real world) mà loài người đang sống-tìm hiểu-khai thác [11]

Sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin đã đưa tin học thâm nhập sâu vào nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống, mở ra một giai đoạn mới trong quá trình phát triển khoa học Hệ thống thông tin địa lý là một trong những ứng dụng rất có giá trị của công nghệ tin học trong ngành địa lý, điều tra

cơ bản, quy hoạch đô thị, quản lý giám sát giao thông cũng như trong nhiều lĩnh vực khác của đời sống

Xét về mặt khái niệm có thể hiểu GIS là một hệ phần mềm máy vi tính cung cấp các công cụ phục vụ cho việc thu thập, lưu trữ, phân tích, xử lý và hiển thị các thông tin địa lý Các thông tin đó mô tả về hình dạng, vị trí cũng như các tính chất của các đối tượng trên trái đất trong một hệ tọa độ nào đó

GIS không chỉ thu thập dữ liệu mà còn hiển thị và phân tích và kết nối với các

cơ sở dữ liệu quan hệ Từ các bản đồ cơ sở dữ liệu có thể được vẽ, phân tích hoặc

ngược lại, nghĩa là dữ liệu có thể được tham chiếu từ các bản đồ và khi một cơ sở

dữ liệu được cập nhật bản đồ tự động thay đổi cho phù hợp

Một số ứng dụng của GIS trong thực tế:

™ Hệ thống theo dõi và giám sát phương tiện giao thông: các phương tiện giao thông có thể được theo dõi, giám sát để phục vụ cho chức năng quản lý Các

xe được trang bị các bộ thu GPS và thiết bị thu phát dữ liệu kết nối với trung tâm để chuyển thông tin về vị trí (tọa độ) của xe tại phía máy chủ để phân tích và quan sát vị trí trên bản đồ số

™ Hệ thống điều hành xe: Hệ thống định vị chiếc xe được sử dụng để trung tâm thông báo ra quyết định điều hành tuyến hành trình của xe một cách hợp lý

Hệ thống này được triển khai trong các trung tâm điều hành xe taxi hoặc xe bus

1.2 Các thành phần cơ bản của hệ GIS

Các thành phần cơ bản của hệ thống thông tin địa lý bao gồm:

(1) Thiết bị phần cứng: bao gồm máy vi tính (computer), máy vẽ (plotters),

máy in (printer), bàn số hoá (digitizer), thiết bị quét ảnh (scanners), các phương tiện lưu trữ số liệu (Floppy diskettes, optical cartridges, C.D ROM v.v ) Ngoài ra còn phải kể đến các thiết bị thu nhận và xử lý dữ liệu dữ liệu như thiết bị thu phát định vị qua vệ tinh hay các camera số…

(2) Hệ phần mềm: Có thể là một hệ thống phần mềm trên máy tính hoặc phần

mềm điều khiển phần cứng của máy tính để thực hiện một nhiệm vụ xác định Phần mềm được sử dụng trong kỹ thuật GIS phải bao gồm các tính năng cơ bản sau:

• Nhập và kiểm tra dữ liệu (Data input): Bao gồm tất cả các khía cạnh về

biến đổi dữ liệu đã ở dạng bản đồ, trong lĩnh vực quan sát vào một dạng

số tương thích Ðây là giai đoạn rất quan trọng cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý

• Lưu trữ và quản lý cơ sở dữ liệu (Geographic database): Lưu trữ và quản

lý cơ sở dữ liệu đề cập đến phương pháp kết nối thông tin vị trí (topology)

và thông tin thuộc tính (attributes) của các đối tượng địa lý (điểm, đường đại diện cho các đối tượng trên bề mặt trái đất) Hai thông tin này được tổ chức và liên hệ qua các thao tác trên máy tính và sao cho chúng có thể lĩnh hội được bởi người sử dụng hệ thống

• Xuất dữ liệu (Display and reporting): Dữ liệu đưa ra là các báo cáo kết quả

quá trình phân tích tới người sử dụng, có thể bao gồm các dạng: bản đồ (MAP), bảng biểu (TABLE), biểu đồ, lưu đồ (FIGURE) được thể hiện trên máy tính, máy in, máy vẽ…

• Biến đổi dữ liệu (Data transformation): Biến đổi dữ liệu gồm hai lớp

điều hành nhằm mục đích khắc phục lỗi từ dữ liệu và cập nhật chúng Biến đổi dữ liệu có thể được thực hiện trên dữ liệu không gian và thông tin thuộc tính một cách tách biệt hoặc tổng hợp cả hai

• Tương tác với người dùng (Query input): Giao tiếp với người dùng là yếu

tố quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống thông tin nào Các giao diện người dùng ở một hệ thống tin được thiết kế phụ thuộc vào mục đích của ứng dụng

đó

Các phần mềm tiêu chuẩn và sử dụng phổ biến hiện nay trong khu vực Châu Á là ARC/INFO, MAPINFO, ILWIS, WINGIS, SPANS, IDRISIW,

(3) Chuyên viên (Expertise): Đây là một trong những hợp phần quan trọng của

công nghệ GIS, đòi hỏi những chuyên viên hướng dẫn sử dụng hệ thống để thực hiện các chức năng phân tích và xử lý các số liệu Đòi hỏi phải thông thạo về việc lựa chọn các công cụ GIS để sử dụng, có kiến thức về các số liệu đang được sử dụng và thông hiểu các tiến trình đang và sẽ thực hiện

(4) Số liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý

(geo-referenced data) riêng lẽ 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 (1)

vị trí địa lý, (2) thuộc tính (attributes) của thông tin, (3) mối liên hệ không gian (spatial relationships) của các thông tin, và (4) thời gian Có 2 dạng số liệu được sử dụng trong kỹ thuật GIS là:

• Cơ sở dữ liệu bản đồ: là những mô tả hình ảnh bản đồ được số hoá theo một

khuôn dạng nhất định mà máy tính hiểu được Hệ thống thông tin địa lý dùng cơ sở dữ liệu này để xuất ra các bản đồ trên màn hình hoặc ra các thiết bị ngoại vi khác như máy in, máy vẽ

- Số liệu Vector: được trình bày dưới dạng điểm, đường và diện tích,

mỗi dạng có liên quan đến 1 số liệu thuộc tính được lưu trữ trong cơ sở

dữ liệu

- Số liệu Raster: được trình bày dưới dạng lưới ô vuông hay ô chữ nhật

đều nhau, giá trị được ấn định cho mỗi ô sẽ chỉ định giá trị của thuộc tính Số liệu của ảnhVệ tinh và số liệu bản đổ được quét (scanned

map) là các loại số liệu Raster

• Số liệu thuộc tính (Attribute): được trình bày dưới dạng các ký tự hoặc

số, hoặc ký hiệu để mô tả các thuộc tính của các thông tin thuộc về địa lý Trong các dạng số liệu trên, số liệu Vector là dạng thường sử dụng nhất Tuy nhiên, số liệu Raster rất hữu ích để mô tả các dãy số liệu có tính liên tục như: nhiệt độ, cao độ và thực hiện các phân tích không gian (Spatial analyses) của số liệu Còn số liệu thuộc tính được dùng để mô tả cơ sở dữ liệu

Có nhiều cách để nhập số liệu, nhưng cách thông thường nhất hiện nay

là số hoá (digitizing) bằng bàn số hoá (digitizer), hoặc thông qua việc sử dụng máy quét ảnh (Scanner)

(5) Chính sách và quản lý (lopicy and management): Ðây là hợp phần rất

quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt động của hệ thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm

để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người

sử dụng thông tin Để hoạt động thành công, hệ thống GIS phải được đặt trong 1 khung tổ chức phù hợp và có những hướng dẫn cần thiết để quản

lý, thu thập, lưu trữ và phân tích số liệu, đồng thời có khả năng phát triển được hệ thống GIS theo nhu cầu Hệ thống GIS cần được điều hành bởi 1 bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin Trong quá trình hoạt động, mục đích chỉ có thể đạt được và tính hiệu quả của kỹ thuật GIS chỉ được minh chứng khi công cụ này có thể hỗ trợ những người sử dụng thông tin để giúp họ thực hiện được những mục tiêu công việc Ngoài ra việc phối hợp giữa các cơ quan chức năng có liên quan cũng phải được đặt ra, nhằm gia tăng hiệu quả sử dụng của GIS cũng như các

nguồn số liệu hiện có

1.3 Hệ thống định vị qua vệ tinh GPS

1.3.1 Nguyên lý định vị qua vệ tinh

Vào đầu thế kỷ 20, một vài hệ thống định vị dựa trên sóng radio được phát triển và được sử dụng rộng rãi trong chiến tranh thế giới lần thứ hai Các bên tham chiến đều sử dụng kỹ thuật định vị bằng sóng radio phát theo phương ngang với bề mặt trái đất Đây được coi là một kỹ thuật tiên tiến lúc bấy giờ

Một vài hệ thống định vị sóng radio theo mặt đất vẫn còn được dùng cho đến ngày nay Điểm hạn chế của việc định vị bằng sóng radio phát từ mặt đất lên là khả năng định vị với độ chính xác cao nhưng chỉ dùng cho một khoảng không gian hẹp, nếu muốn hệ thống bao trùm một không gian rộng thì độ chính xác định

vị sẽ giảm đi rất nhiều Sóng radio tần số cao (giống như sóng tivi UHF) có thể cho phép xác định vị trí chính xác nhưng chỉ truyền đi trong một khoảng cách ngắn, còn những sóng radio tần số thấp hơn (như sóng AM) có thể bao phủ một diện tích rộng nhưng khó có thể cho biết vị trí chính xác

Do đó các nhà khoa học đã quyết định rằng cách tốt nhất để có thể phủ sóng bao trùm khắp thế giới là đặt các máy phát sóng ở trên không gian Một máy phát sóng ở cao hơn nhiều so với bề mặt trái đất phát sóng radio tần số cao với các tín hiệu được mã hoá đặc biệt có thể bao phủ một khu vực rất rộng và cho phép thực hiện phép xác định vị trí chính xác Đó chính là nguyên lý cơ bản của hệ thống định vị toàn cầu GPS, viết tắt của Global Positioning System

Sự phát triển của hệ thống GPS được coi là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực định vị trên trái đất bằng cách cung cấp các số đo vị trí tuyệt đối rất chính xác Nguyên tắc của phép đo như sau: từ vệ tinh A, người ta phát ra một sóng điện từ có tần số nằm trong vùng tần số rađiô ở nơi máy thu GPS sẽ có thiết bị đo khoảng thời gian sóng điện từ này truyền qua không gian để đến máy thu Với giá trị thời gian đo được và với bước sóng biết trước, người ta có thể dễ dàng tính được một cách chính xác khoảng cách từ vệ tinh phát đến vị trí của máy thu GPS

Để thuận tiện cho việc định vị vị trí cho bất kỳ điểm nào trên trái đất, người ta

sử dụng hệ tọa độ địa tâm, tức là hệ tọa độ có gốc C trùng với trọng tâm của trái đất, như trình bầy ở hình sau

trôc Y

trôc X

Kinh tuyÕn Greenwich

Hình 1 2 Hệ tọa độ địa tâm

Tâm của hệ toạ độ được qui ước là tâm của trái đất Với hệ trục tọa độ Đề các, một điểm được xác định nếu biết ba giá trị toạ độ: X, Y,Z Người ta qui ước mặt phẳng Z = 0 sẽ tương ứng với mặt phẳng xích đạo Còn mặt phẳng Y = 0 sẽ đi qua kinh tuyến Greenwich

Ngoài ra, người ta cũng có thể xác định vị trí của máy thu GPS trong hệ toạ độ cầu với các toạ độ về kinh tuyến, vĩ tuyến và cao độ Về bản chất thì hai hệ toạ độ này có vai trò như nhau và ta hoàn toàn có thể chuyển đổi toạ độ của một điểm trong hệ toạ độ này sang hệ toạ độ kia

Trong đó RGPS11 là toạ độ của máy thu GPS 1 trong hệ toạ độ thứ nhất và RGPS12 là tọa độ của máy thu GPS 1 trong hệ toạ độ thứ hai R(wx,wy,wz) là ma trận chuyển đổi và wx,wy,wzlà các góc xoay phương vị của các trục tọa độ giữa hai hệ thống Phương trình chuyển đổi này cũng đúng với trường hợp chuyển đổi của véc tơ vận tốc

Đối với mỗi vệ tinh GPS, máy thu sẽ xác định được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh đó nhờ xác định được khoảng thời gian thông điệp được truyền đi từ

vệ tinh đó đến máy thu và biết trước được tốc độ truyền của thông điệp trong không gian Như vậy nếu xác định được vị trí của vệ tinh tại thời điểm tính toán thì hoàn toàn có thể khẳng định là máy thu sẽ nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh

và bán kính là khoảng cách vừa tìm được

Để xác định chính xác vị trí của một điểm trong hệ thống GPS, cần sử dụng ít nhất 4 vệ tinh Điều đó có nghĩa là một máy thu GPS khi liên lạc được với nhiều hơn 4 vệ tinh thì có thể cho biết vị trí chính xác của máy thu đó Điều đó được giải thích như sau: với vệ tinh thứ nhất S1, ta biết được khoảng cách từ vệ tinh này đến máy thu là r1 Với vị trí của các vệ tinh được xác định trước thì điều đó chứng tỏ máy thu sẽ nằm trên bề mặt hình cầu có tâm là vệ tinh S1 và bán kính là khoảng cách r1 Tiếp theo, với vệ tinh thứ hai S2, ta có được máy thu nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh S2 và bán kính là khoảng cách r2 Giao của hai bề mặt cầu này sẽ là một đường tròn và rõ ràng máy thu phải nằm trên đường tròn này Hoàn toàn tương tự với vệ tinh thứ hai S2 và thứ ba S3, ta sẽ thu được một đường tròn thứ hai mà máy thu cũng phải nằm trên đường tròn này Giao của hai đường tròn sẽ cho ta hai điểm, một điểm là vị trí thực của máy thu và điểm thứ hai là một vị trí nào đó ngoài không gian Như vậy là chỉ cần đo khoảng cách từ máy thu đến ba vệ tinh cũng đủ để xác định được vị trí của máy thu theo toạ độ X,Y,Z hoặc kinh độ, vĩ độ và cao độ Ngoài ra, ta cần phải ước đoán được sai số do độ lệnh về thời gian giữa vệ tinh và máy thu Vệ tinh thứ tư S4 sẽ đóng vai trò hiệu chỉnh sai số phép đo do sai số đồng hồ của thiết bị định vị GPS này Sở dĩ có sự lệnh thời gian giữa thiết bị thu và phát tín hiệu là do hầu hết các thiết bị định vị GPS có giá thành tương đối rẻ, cỡ xấp xỉ 100 USD, vì thế nên đồng hồ thời gian không thể là loại có độ chính xác cao Ví dụ tốc độ ánh sáng là 3.108 m/s, nếu đồng hồ của thiết bị nhận GPS có sai số là 0,001s hay 1ms thì sẽ gây ra một sai

số về khoảng cách là 0,001x3.108 m = 300 000 m hay 300km Tuy nhiên vì lí do

là sai số thời gian của thiết bị nhận là như nhau đối với tất cả các vệ tinh, do đó nên ta có thể căn cứ vào độ lệch khoảng cách đo với khoảng cách thực của vệ tinh S4 để hiệu chỉnh sai số do đồng hồ của thiết bị nhận Như thế vệ tinh S4 sẽ đóng

vai trò hiệu chỉnh sai số đồng hồ của thiết bị nhận GPS Bằng cách ước lượng sai

số này mà sai số của phép định vị GPS có thể giảm xuống dưới 10 mét Phương pháp định vị máy thu GPS nhờ theo dõi đồng hời 4 vệ tinh

Trong trường hợp thiết bị thu GPS chỉ nhìn thấy được 3 vệ tinh trên bầu trời thì ta vẫn có thể xác định vị trí của thiết bị này một cách chính xác bằng cách cố định cao độ của thiết bị thu này ở một giá trị xác định, ví dụ như ở cao độ mực nước biển Khi đó ba vệ tinh sẽ cho ta các giá trị kinh độ, vĩ độ và thời gian Nói chung, hiện nay số vệ tinh có mặt trên quĩ đạo là 24 và tại một vị trí bất

kỳ nào trên trái đất và tại một thời điểm bất kỳ nào cũng có thể nhìn thấy được ít nhất 6 vệ tinh

Một ưu điểm nữa của hệ thống GPS là do các vệ tinh ở các độ cao rất lớn (khoảng từ 20000 km đến 25000 km) so với bề mặt trái đất nên hệ thống GPS có thể ứng dụng không chỉ cho các thiết bị trên mặt đất mà còn có thể ứng dụng cho

cả các máy bay ở độ cao trên dưới 10000 km

1.3.2 Hệ thống định vị toàn cầu qua vệ tinh GPS

Hệ GPS bao gồm ba phần: đó là phần không gian, phần người sử dụng và phần điều khiển Phần không gian hiện nay gồm có 24 vệ tinh đang làm việc và một số vệ tinh dự phòng Các vệ tinh được phóng gần đây là loại Block II, là loại cải tiến của thế hệ Block I Các vệ tinh này được sắp xếp trên sáu mặt phẳng quỹ đạo nghiêng góc 550 so với mặt phẳng xích đạo Mỗi vệ tinh bay trên một quĩ đạo

riêng ở độ cao danh nghĩa là 20.183km Khoảng thời gian cần thiết để một vệ tinh bay quanh quĩ đạo một vòng là 12 giờ hằng tinh, tương đương với một nửa thời gian quay của trái đất Các vệ tinh được trang bị hệ đồng hồ chính xác để vệ tinh

có thể phát các tín hiệu mang thông điệp về thời gian Mỗi vệ tinh phát ra hai tần

số vô tuyến phục vụ mục đích định vị: tín hiệu L1 trên tần số 1575,42 MHz và L2 trên tần số 1227,6MHz Các tần số sóng mang được điều biến bởi hai mã giả-ngẫu nhiên (pseudo-random)

Hình 1 3 Hệ thống vệ tinh định vị

Phần điều khiển bao gồm bốn trạm giám sát được phân bố quanh bề mặt trái đất ở Diego Garcia (ấn độ dương), đảo Ascension, Kwajalein và Hawaii và một trạm điều khiển chính được bố trí tại trung tâm điều hành không gian tập trung tại Colorado Springs, tiểu bang Colorado, Mỹ Mục đích của phần điều khiển là hiển thị sự hoạt động của các vệ tinh, xác định quỹ đạo của chúng, xử trí các đồng hồ nguyên tử và truyền các thông điệp cần phổ biến lên các vệ tinh Cả năm trạm đều

là các trạm giám sát theo dõi các tín hiệu GPS để dùng vào việc kiểm soát các vệ tinh và dự đoán quĩ đạo của chúng Công việc theo dõi được thực hiện bởi những máy thu hai tần số có trang bị dao động ký Cesium Các thông số khí tượng được

thu thập để có thể đánh giá một cách chính xác nhất trị thời trễ trong tầng đối lưu

Vị trí quan sát của các trạm này được xác định với độ chính xác cực kỳ cao

Ba trong số các trạm này (Diego Garcia (ấn độ dương), đảo Ascension, Kwajalein) có khả năng chuyển các số liệu lên vệ tinh, bao gồm các lịch thiên văn mới, số liệu hiệu chỉnh đồng hồ và các số liệu thông điệp cần phát đồng thời ra các lệnh điều khiển từ xa Chỉ có một trạm ở Colorado Springs là trạm điều khiển chính

Từ các trạm giám sát, các số liệu theo dõi vệ tinh được truyền về trạm điều khiển chính để xử lý Công việc xử lý bao gồm việc tính lịch thiên văn của các vệ tinh và tính các trị hiệu chỉnh đồng hồ của các vệ tinh Ngoài ra, trạm điều khiển chính còn đảm trách việc điều khiển các số hiệu chỉnh quỹ đạo khi một vệ tinh nào đó đi lạc quá xa vị trí đã được chỉ định, trạm điều khiển chính này còn khởi động các thao diễn cần thiết để thay các vệ tinh đã ngừng hoạt động bằng các vệ tinh dự phòng

Bộ phận người sử dụng bao gồm tất cả mọi người sử dụng quân sự và dân sự Các máy thu riêng biệt theo dõi các mã hoặc pha của sóng mang hoặc đồng thời

cả hai và trong hầu hết các trường hợp đều tiếp nhận các thông điệp phát tín Các máy thu dưới mặt đất sẽ nhận được các tín hiệu phát ra từ vệ tinh Với tốc độ truyền của thông điệp được biết trước, máy thu có thể xác định được khoảng cách

từ máy thu tới vệ tinh phát bằng cách nhân tốc độ truyền tín hiệu với khoảng thời gian chênh lệch giữa lúc phát và lúc nhận Nếu các cự ly tới 4 vệ tinh được liên kết với các thông số về quĩ đạo của vệ tinh tương ứng thì máy thu có thể xác định

vị toạ độ của máy Trong một số ứng dụng trong công tác trắc đạc chính xác, người ta còn đo và ghi nhớ pha tần số của mã hoặc sóng mang để xử lý về sau

Hệ thống GPS dân sự có thể cho phép xác định vị trí của máy thu với độ chính xác dưới 100 mét Để có thể đạt được độ chính xác cao hơn, người ta có thể dùng kết hợp định vị với một máy thu GPS khác đặt ở một vị trí được biết trước

1.3.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh đều phát đi hai tần số sóng mang được dùng cho công việc định vị

là tần số 1575,42MHz và tần số 1227,60MHz Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất nhất quán và được điều biến bởi những tín hiệu khác nhau

Mã nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN – pseudorandom noice) thứ nhất được gọi là

mã C/A (coarse/acquisite code) bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát đi ở tần số f0/10 = 1,023MHz Chuỗi này được lặp lại sau mỗi miligiây

Mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN thứ hai được gọi là mã P (precise code) bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số f0 = 10,.23MHz Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày Khoảng thời gian 267 ngày này được chia ra làm 38 đoạn 7 ngày Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất để theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là những trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau Mã nhiễu giả ngẫu nhiên loại này được dùng cho các mục đích dân sự

Tương tự như vậy, cho các mục đích quân sự, người ta dùng mã Y là mã PRN tương tự như mã P và có thể dùng để thay thế mã P Tuy nhiên phương trình tạo

ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật còn phương trình tạo ra mã

Y thì được giữ bí mật Vì vậy nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không được cho phép sẽ không thu được thông tin

Sóng mang L1 được điều biến bằng cả hai mã: mã C/A và mã P hoặc mã Y trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một mã P hoặc mã Y

Phương pháp tạo tín hiệu L1 và tín hiệu L2 được mô tả như hình 7, trong đó phép cộng là quá trình trộn tín hiệu còn phép nhân là quá trình lấy tổng modul 2 Các mã được điều biến trên sóng mang bằng một cách đơn giản, đó là điều biến pha Nếu mã có trị số -1 thì pha sóng mang đổi 1800 còn nếu mã số có trị số +1 thì pha sóng mang giữ nguyên không thay đổi

Cả hai sóng mang đều mang thông điệp 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 GPS giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực Phương pháp xác định khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu

Sóng điện từ truyền từ vệ tinh tới máy thu có thể được biểu diễn như sau:

Hình 1 4 Quá trình tạo tín hiệu GPS

Có hai cách để xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu Nếu biết trước tốc

độ truyền v của sóng và thời điểm chính xác sóng được truyền đi từ vệ tinh thì ta có thể dùng công thức sau đây:

x = v ∆t

Với x là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu, v là tốc độ truyền của sóng và ∆t

là thời gian sóng truyền từ vệ tinh đến máy thu

Phương pháp thứ hai là xác định khoảng cách dựa vào số lượng chu kỳ pha tín hiệu trong thời gian truyền từ vệ tinh đến máy thu Có thể biết được số lượng chu kỳ pha bằng cách trộn tần số tín hiệu đến với một tần số đã biết Ta có thể xác định được khoảng cách trên đường truyền sóng tại một thời điểm bất kỳ như sau:

Do số lượng chu kỳ pha:

n = k x = (2π/λ) x Nên suy ra:

x = n (λ/2π) Đối với phương pháp thứ hai này, yêu cầu phải biết chính xác tần số của tín hiệu do vệ tinh gửi đi và phải tìm được chính xác số lượng chu kỳ pha của tín hiệu trên đường truyền sóng

ở phương pháp thứ nhất, với một sai lệch do không đồng bộ giữa đồng hồ thời gian bên máy phát đặt trên vệ tinh và đồng hồ bên máy thu sẽ dẫn đến một giá trị sai số rất lớn Đó là vì trong môi trường tự do, sóng radio truyền đi với vận tốc ánh sáng c và chỉ với một sai số nhỏ về thời gian truyền cỡ 1µs cũng sẽ gây ra sai

số là 300m

Với phương pháp thứ hai, yêu cầu các bộ dao động trong các máy phát và máy thu phải đồng bộ hoàn toàn về tần số và pha Khi đó số đo khoảng cách được tính bằng hiệu số giữa pha tín hiệu đến và pha của bộ dao động có trong máy thu Hiệu pha dùng để tính khoảng cách bao gồm cả số lượng chẵn tròn và số lẻ chu

kỳ pha trong khoảng từ 00 đến 3600 Tuy nhiên, chúng ta chỉ có thể đo trực tiếp được số lẻ của hiệu pha và như thế là chưa đủ Chúng ta cần phải dùng một phương pháp nào đó để có thể tìm được chính xác số nguyên lần các chu kỳ pha này Khó khăn chính là ở tính nhập nhằng của số lượng chu kỳ

Với mỗi máy thu GPS, về cơ bản chỉ có thể thực hiện hai loại số đo: số đo giả

cự ly và số đo chu kỳ pha sóng mang

Phương pháp đo giả cự ly (pseudo-range) là phương pháp xác định thời gian

truyền sóng bằng cách so hàng một bản sao của mã ở máy thu và một mã khác nhận được từ vệ tinh Số đo giả cự ly là tích của tốc độ truyền sóng và giá trị biến đổi thời gian cần thiết Trên lý thuyết, giá trị biến đổi thời gian là giá trị chênh lệch giữa thời gian nhận được nhận được tín hiệu (đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín hiệu (đo bằng hệ thời gian của vệ tinh) Trong thực tế, hai hệ thời gian này không đồng nhất và gây nên sai số vào giá trị đo giả cự ly Vì thế nên các số đo thời trễ sai lệch này được nói đến như là những số đo giả cự ly Người ta dùng một bộ dò tương quan, điều khiển bằng một vòng lặp khoá thời trễ để tìm số đo giả cự ly Bộ dò này có nhiệm vụ so hàng tương quan giữa bản sao của mã tạo ra từ máy thu và mã thực đến từ vệ tinh

Vì vậy số đo giả cự ly chính là giá trị thời trễ cần phải bổ xung vào thời điểm của đồng hồ của máy thu để đảm bảo bản sao mã trong máy thu và mã nhận được

từ vệ tinh là tương quan với nhau

Một qui tắc dựa trên kinh nghiệm dùng để tính độ chính xác của các giá trị đo giả cự ly là lấy 1% của đoạn thời gian giữa hai thời điểm bắt đầu của hai mã liên tiếp Đối với mã P, đoạn thời gian này là 0,1µs tức là độ chính xác thời gian là 1ns Với độ chính xác thời gian này thì ta có thể tính được độ chính xác về khoảng cách đo là 30cm Đối với mã C/A có đoạn thời gian này là 1µs thì độ chính xác về khoảng cách đo sẽ là 3m

Bởi vì thực tế không có khả năng giữ cho hai đồng hồ trên vệ tinh và máy thu đồng bộ một cách hoàn hảo về mặt vật lý nên người ta thường phải thực hiện bằng phương pháp toán học Nói chung, mỗi đồng hồ sẽ chạy theo một tốc độ riêng và giữ thời gian riêng Mặc dù vậy, nếu biết trước được mối quan hệ giữa hai gốc thời gian (được xác định bằng đồng hồ) thì người ta vẫn có thể nói chúng

là đồng bộ với nhau Đương nhiên, khó khăn chính là ở chỗ xác định mối quan hệ giữa hai gốc thời gian này Hệ GPS làm việc dựa trên cơ sở giả thiết là tất cả các đồng hồ vệ tinh GPS là đồng bộ Điều này có thể đạt được bằng cách đo một cách chính xác các trị số chênh lệch thời gian giữa các đồng hồ vệ tinh được đếm giờ

bởi những bộ điều khiển được đặt tại các trạm điều khiển mặt đất của hệ GPS, đồng thời kết hợp các số hiệu chỉnh toán học nhận được vào trong thông điệp vệ tinh phát tới máy thu của người sử dụng Vì vậy, người sử dụng có thể giả thiết mọi cự ly GPS, được đo đồng thời bằng các máy thu GPS, là liên quan đến cùng một đồng hồ

Phương pháp đo số chu kỳ sóng mang (carrier beat phase) là phương pháp

đo dựa trên pha của tín hiệu sóng dư rớt lại khi sóng mang từ vệ tinh truyền đến máy thu (đã bị ảnh hưởng của dịch chuyển Doppler) khác pha với sóng do máy thu tạo ra Giá trị này có thể tìm thấy từ kênh tương quan hoặc kênh cầu phương Kênh cầu phương thực hiện phép bình phương tín hiệu để nhận được hàm tuần hoàn thứ hai của sóng mang không chứa các nội dung điều biến của mã

Kênh cầu phương sóng mang được tính như sau:

y2 = A2 cos2(ωt+φ) = 0,5 A2 [1+cos(2ωt+2φ)]

Vì A(t) là chuỗi liên tục các trị số +1 và -1 thể hiện nội dung của mã nên A(t)2luôn luôn có giá trị bằng 1, do đó nội dung của mã bị loại bỏ Khi đó tín hiệu y2chỉ còn lại sóng mang nhưng có tần số lớn gấp đôi tần số ban đầu

Bởi vì chiều dài bước sóng của sóng mang ngắn hơn nhiều lần chiều dài bước sóng của bất kỳ mã nào nên độ chính xác của giá trị đo số chu kỳ pha của sóng mang cao hơn nhiều so với kết quả nhận được từ phương pháp đo giả cự ly Đối với sóng mang L1 của hệ thống GPS, chiều dài bước sóng khoảng 20cm Nếu cho rằng các số đo chu kỳ pha có thể đạt độ chính xác 1% bước sóng thì độ chính xác

về khoảng cách có thể đến 2mm

Tuy có độ chính xác cao như trên nhưng phương pháp đo số chu kỳ pha sóng mang có hai nhược điểm chính, đều liên quan đến vấn đề không xác định của chu

kỳ

Rất khó xác định chính xác số lượng số nguyên lần chu kỳ sóng mang truyền

đi từ vệ tinh đến máy thu Có một cách giải quyết là dựa vào những số đo được coi là có cùng một trị số không xác định về số lượng chu kỳ sóng mang được truyền

Hầu hết các máy thu đều có thể đếm được số nguyên lần chu kỳ sóng mang khi có sự thay đổi khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu tại mọi thời điểm Tuy nhiên vì nhiều lý do khác nhau (ví dụ như tín hiệu bị nhiễu hoặc ăng ten bị che khuất) mà các máy thu sẽ bị lẫn về số chu kỳ Để khắc phục nhược điểm này, có thể áp dụng các tính toán xử lý hậu kỳ để phát hiện và hiệu chỉnh những nhầm lẫn

đó Tuy nhiên, khả năng có các nhầm lẫn về chu kỳ cũng sẽ hạn chế phương pháp

đo số chu kỳ pha sóng mang trong các ứng dụng định vị theo thời gian thực

Phần nhận tần số vô

Bộ nhớ

Ăng ten và bộ tiền khuyếch đại

Hỡnh 1 6 Sơ đồ khối mỏy thu

Ăng ten và bộ tiền khuyếch đại: cỏc ăng ten dựng cho mỏy thu GPS thuộc

loại chựm súng rộng, vỡ vậy khụng cần phải hướng tới nguồn tớn hiệu giống như cỏc đĩa ăng ten thu súng vệ tinh Cỏc ăng ten này tương đối chắc chắn và cú thể đặt trờn chõn chạc ba hoặc lắp trờn cỏc phương tiện giao thụng hoặc tớch hợp trong cỏc thiết bị cầm tay với kớch thước chỉ hơi lớn hơn ăng ten của điện thoại di động Vị trớ thực sự được xỏc định là trung tõm pha của ăng ten

Phần nhận tần số vụ tuyến RF: bao gồm cỏc vi mạch điện tử xử lý tớn hiệu

kết hợp với cỏc mạch số hoỏ và mạch tương tự Mỏy thu cú thể dựng cỏc kỹ thuật

xử lý tớn hiệu khỏc nhau Cỏc kỹ thuật này cú thể kể ra như sau:

• Tương quan mó

• Pha và tần số mó

• Cầu phương tớn hiệu súng mang

Phần tần số vụ tuyến RF bao gồm cỏc kờnh sử dụng một trong ba kỹ thuật núi trờn để theo dừi một tớn hiệu GPS nhận được Số lượng cỏc kờnh biến đổi tuỳ theo cỏc yờu cầu theo dừi đồng thời bao nhiờu vệ tinh

Bộ điều khiển: là phần cho phộp người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lý

Kớch thước và kiểu dỏng của bộ điều khiển ở cỏc loại mỏy thu khỏc nhau cũng rất

khác nhau, bắt đầu từ kiểu thiết bị cầm tay đến những kiểu thiết bị có màn hình giao diện đa năng

Bộ nhớ: là phần lưu giữ các trị số quan trắc và các thông tin hữu ích khác

được tách ra từ những thông điệp vệ tinh thu được

Nguồn nuôi: phần lớn các máy thu đều dùng nguồn nuôi điện áp một chiều

thấp, được cung cấp bằng mạch nguồn một chiều riêng hoặc bằng nguồn pin Chỉ một số rất ít máy thu đòi hỏi nguồn nuôi là điện xoay chiều

Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng Các máy thu 12 kênh song song (của hãng Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng Trạng thái của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét

1.3.4 Chuẩn giao tiếp với thiết bị thu GPS

Thông tin định vị sẽ được xác định thông qua thiết bị (máy thu) GPS Thông thường các thiết bị thu GPS cho phép giao tiếp với các thiết bị khác thông qua truyền (phát) dữ liệu định vị dưới dạng nối tiếp Để lấy về các thông tin định vị từ thiết bị thu GPS, các thiết bị khác phải thiết lập cấu hình kết nối với thiết bị thu GPS và phân tích dữ liệu nhận được để xác định thông tin về vị trí Các chỉ định

về cấu hình kết nối và khuôn dạng dữ liệu giao tiếp với thiết bị thu GPS được chỉ định qua giao thức kết nối Một trong những giao thức chỉ định áp dụng cho các

bộ thu GPS hiện này là giao thức NMEA 0183

NMEA 0183 (hay nói gọi đi là NMEA - National Marine Electronics Association) là tập các chỉ định về điện tử và dữ liệu cho việc giao tiếp giữa các thiết bị như máy đo vận tốc và hướng gió, la bàn, autopilot, máy thu GPS, v.v do National Marine Electronics Association định nghĩa và quản lý

Về mặt kết nối phần cứng, giao thức chỉ định phần cứng kết nối với các đơn vị GPS tuân theo chuẩn NMEA 0183 theo dạng truyền thông nối tiếp, thường sử dụng chuẩn giao tiếp RS232 Tốc độ truyền thông là 4800b/s, với 8 bits dữ liệu, không có bít kiểm tra và một bít stop Với tốc độ này thiết bị GPS chỉ có thể gửi

480 kí tự trong một giây

Xét về khuôn dạng dữ liệu, theo chuẩn NMEA dữ liệu sẽ được truyền theo các dòng dữ liệu dạng kí tự ASCII, được gọi là các câu Có nhiều cấu trúc câu, mỗi câu có nhưng chức năng và chứa thông tin riêng Tuy vậy mỗi câu đều được bắt đầu bởi kí tự ‘$’ và được kết thúc bởi ký tự kết thúc dòng Độ dài mỗi câu không quá 80 kí tự (không tính kí tự kết thúc dòng) Dữ liệu được định dạng trong câu

và cách biệt nhau bởi kí tự ‘,’ Phần cuối mỗi câu có thể có dữ liệu kiểm tra lỗi theo kiểu checksum và trước giá trị này là kí tự ‘*’ Cách tính checksum (XOR) được áp dụng tất cả các kí tự nằm giữa hai kí tự ‘$’ và ‘*’ Giá trị checksum này chỉ có chức năng và được thiết lập trong một số cấu trúc câu chỉ định trong NMEA

Ví dụ về mẫu dữ liệu nhận từ thiết bị GPS

bị thu GPS mô tả trong bảng sau:

Bảng 1.1 Một số dạng câu lệnh cơ bản trong chuẩn NMEA

NMEA Sentence Mô tả chức năng

thống định vị

sát

Cấu trúc cụ thể các câu lệnh trên có thể được tham khảo trong tài liệu hướng dẫn của chuẩn NMEA được công bố trên mạng

Về cơ bản để xác định các thông tin về tọa độ định vị thông qua các vệ tinh,

hệ thống kết nối với thiết bị thu GPS chỉ cần phân tích một số cấu trúc câu lệnh

như $GPGGA hoặc $GPRMC

Cấu trúc của câu lệnh $GPGGA và dữ liệu mẫu có giá trị như sau:

$GPGGA,123519, 4807.038, N, 01131.000, E,1, 08, 0.9,545.4, M, 46.9, M,,*47

Bảng 1.2 Cấu trúc và ý nghĩa các trường thông tin của câu lệnh GPGGA Trường dữ

liệu

Mô tả chức năng

GGA Chỉ định dữ liệu được chốt từ hệ thống định vị

123519 Thời gian hiện tại tính theo khung giờ quốc tế UTC bao

gồm thông tin về giờ, phút, giây

123519 Ù 12h 35’ 19”

4807.038,N Kinh độ (Latitude) của điểm định vị (48 deg 07.038' N)

01131.000,E Vĩ độ (Longitude) của điểm định vị (11 deg 31.000' E)

1 Giá trị chỉ định tính chất dữ liệu trong câu lệnh

Fix quality: 0 = Chưa được “chốt”

1 = Đã được “chốt” tọa độ …

08 Số lượng các vệ tinh đang giám sát (6 vệ tinh)

0.9 Horizontal dilution of position

545.4,M Độ cao của điểm giám sát tính theo mặt nước biển

46.9,M Height of geoid (mean sea level) above WGS84 ellipsoid

*47 Giá trị kiểm tra tổng (checksum) để xác định lỗi dữ liệu

trong câu lệnh

1.4 Tổng quan về hệ thống giám sát phương tiện giao thông qua GPS

Hệ thống giám sát hành trình qua GPS là một ứng dụng cụ thể của hệ GIS có chức năng định vị, giám sát lộ trình của các phương tiện, người, hoặc một đối tượng nào đó thông qua hệ thống định vị toàn cầu Các thông tin về hành trình là tập hợp các dữ liệu về tọa độ xác định theo thời gian của đối tượng giám sát được truyền nhận giữa thiết bị gắn với đối tượng giám sát và máy tính trung tâm Việc truyền thông dữ liệu qua mạng internet giữa thiết bị gắn trên đối tượng giám sát

và máy tính trung tâm có thể được thực hiện qua mạng di động, qua truyền dẫn sóng radio hay thông qua vệ tinh Các thông tin và dữ liệu về hành trình sẽ được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu ở trung tâm, được phân tích và hiển thị trên các chương trình phần mềm bản đồ số

độ tích cực, tuy vậy để hệ thống hoạt động thì đòi hỏi các thành phần chức năng phải được đáp ứng như hệ thống kết nối mạng giữa thiết bị và trung tâm phải được thiết lập thường xuyên không bị ngắt quãng Như vậy để vận hành hệ thống

trong một thời gian thì người sử dụng phải chi trả cho nhà quản lý mạng kết nối một khoản chi phí nhất định để sử dụng dịch vụ truyền dẫn của họ, đồng thời hệ thống cũng phải tích các thiết bị modem chuyên dụng để thực hiện chức năng kết nối và làm cho giá thành chung của hệ thống sẽ lớn hơn một hệ thống giám sát chỉ làm việc ở chế độ thụ thộng

Về cơ bản mô hình của một hệ thống giám sát được thể hiện như trong hình

vẽ 1.8

Hình 1 8 Mô hình hệ thống giám sát hành trình xe

Các thông tin về hành trình của xe như tọa độ, tốc độ, hướng di chuyển,… được thu thập thông qua thiết bị hộp đen gắn trên xe Để thu thập được được các

thông tin này thiêt bị hộp đen phải chứa một khối điều khiển chính giao tiếp với module hay hay cảm biến để thu thập thông tin Về cơ bản module GPS sẽ được gắn trong hộp đen để thu nhận thông tin định vị qua hệ thống GPS Việc kết nối giữa thiết bị hộp đen và máy tính trung tâm (server) có thể thực hiện thông qua mạng di động, để thực hiện kết nối qua mạng di động thì trong hộp đen phải gắn một modem GSM có chức năng như một thuê bao di động và là đối tượng trung gian truyền nhận dữ liệu thông qua kênh GPRS

Thiết bị hộp đen có thể gửi thông tin cho máy chủ bằng việc gửi các tin nhăn,

và ở phía máy chủ sẽ có một thiết bị kết nối với mạng di động có chức năng nhận tin nhắn và lấy dữ liệu gửi lên máy tính trung tâm Với cách thức này tốc độ truyền thông dữ liệu sẽ không nhanh do tính chất xử lý của dịch vụ nhắn tin mà mạng di động cung cấp Ngoài ra thông qua modem GPRS/GSM thì hộp đen có thể kết nối với mạng IP thông qua kênh GPRS của mạng di động để truyền dữ liệu đến máy chủ Với cách thức này thì ở phía máy chủ không cần có một thiết

bị thu nhận tin nhắn từ mạng di động mà chỉ cần kết nối với mạng internet với một địa chỉ IP chỉ định

Chương trình quản lý trên máy chủ sau khi nhận các thông tin từ hộp đen sẽ phân tích dữ liệu và hiển thị dữ liệu trên bản đồ số hoặc cập nhật dữ liệu lên các website để người dùng có thể giám sát hành trình của phương tiện qua mạng hoặc thiết bị cầm tay

1.5 Các giải pháp thực hiện

Các giải pháp thực hiện để xây dựng một hệ thống giám sát phương tiện giao thông tùy thuộc vào việc chọn lựa các thiết bị hay thành phần cấu thành khối điều khiển chính được gắn trên xe Có thể chọn lựa một trong các phương án sau:

™ Sử dụng vi điều khiển: đây là giải pháp đơn giản nhất Tuy vậy để có thể xây dựng một hệ thống gắn trên xe, ngoài việc thiết kế mạch tích hợp vi điều khiển và các thành phần xử lý khác, thì việc viết chương trình điều khiển cho

chíp phải tuân theo các giao thức hay cơ chế truyền thông với các thành phần

xử lý như module GPS, modem GSM,… Và tính năng của hệ thống xây dựng trên VĐK bị giởi hạn và không thay đổi được khi đã thiết lập

™ Sử dụng máy tính đa phương tiện: cũng là một giải pháp khá đơn giản Sử dụng các máy tính đa phương tiện có các cổng giao tiếp cơ bản như UART (RS232), Parallel, USB có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi khác như module GPS cung như các modem GSM được thiết kế giao tiếp thông qua các chuẩn giao tiếp với máy tính Ngoài ra việc sử dụng máy tính đa phương tiện sẽ tạo thuận lợi trong việc lập trình và kiểm tra lỗi chương trình do trên máy tính có thể tích hợp các công cụ lập trình, và tốc độ xử lý cao Máy tính ngoài việc chạy chương trình điều khiển giám sát có thể chạy các chương trình ứng dụng khác như trên máy tính thông thường Tuy vậy nhược điểm của việc sử dụng máy tính đó là kích thước thiết bị lớn, có giá thành cao, và thiết cổng truyền thông để có thể giao tiếp với nhiều thiết bị ngoại vi theo những chuẩn giao tiếp khác nhau là cho khả năng thay đổi và mở rộng khó thực hiện

™ Sử dụng FPGA: cũng giống như giải pháp dùng vi điều khiển để xây dựng

hệ thống phải kết hợp cả việc thiết kế mạch và thiết kế chương trình Nhưng với việc sử dụng FPGA sẽ cho phép khả năng tùy biến tốt hơn nhiều so với hai giải pháp trên Hệ thống có thay đổi tùy theo yêu cầu và khả năng tích hợp Cụ thể là các lõi xử lý của của các module giao tiếp GPS và GSM có thể được tích hợp trong chip FPGA mà không phải sử dụng các module được thiết kế riêng, làm cho kích thước của thiết bị nhỏ và tính năng tốt hơn so với các giải pháp trên Tuy vậy quá trình thiết kế và xây dựng hệ thống cũng phức tạp và đòi hỏi tập hợp nhiều kiến thức cũng như công nghệ cao

1.6 Kết luận

Hệ thống giám sát phương tiện giao thông là một mô hình áp dụng cụ thể của

hệ thống GIS có ý nghĩa và tính ứng dụng cao trong đời sống Để xậy dựng một

hệ thống thì có thể thực hiện theo một trong những giải pháp đã nêu ở phần trên Bắt đầu từ việc nghiên cứu và ứng dụng của chip FPGA đề tài sẽ đưa ra một mô hình hệ thống giám sát phương tiện giao thông được xây dựng trên nền tảng chíp FPGA

Hệ thống sẽ bao gồm hai phần cơ bản đó là thiết bị giám sát được gắn trên phương tiện, và máy tính cài đặt chương trình quản lý trung tâm Thiết bị giám sát gắn trên xe được thiết kế trên nền tảng chíp FPGA, giao tiếp thu nhận thông tin định vị thông qua một module GPS Tuy vậy không giống như các mô hình hệ thống đã trình bày ở phần trên, thiết bị giám sát sẽ kết nối trực tiếp với máy tính trung tâm qua mạng LAN, mà không sử dụng modem truyền thông qua mạng di động

Mô hình thiết kế đưa ra trong đề tài chỉ có tính chất tham khảo để thấy được tính ứng dụng của chíp FPGA trong việc xây dựng một hệ thống nhúng nói chung

và để thực thi thiết kế một thiết bị hộp đen giám sát hành trình phương tiện nói riêng

Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ FPGA VÀ MẠCH PHÁT

TRIỂN CỦA XILINX

Nội dung của chương 2 sẽ đề cập đến những vấn đề cơ bản liên quan đến chíp FPGA và trình tự thiết kế hệ thống trên chíp FPGA Trong nội dung chương này cũng giới thiệu đến bo mạch phát triển cho dòng chíp Spartan 3E của Xilinx và các công cụ thiết kế và xây dựng hệ thống nhúng do hãng cung cấp Các nội dung thiết

kế sẽ được thực hiện trên mạch phát triển này thông các công cụ được giới thiệu trong chương 2

2.1 Giới thiệu chung về FPGA

2.1.1 Khái niệm và ứng dụng FPGA

Khái niệm

FPGA (Field Programable Gate Arrays) là một thiết bị bán dẫn bao gồm các khối logic lập trình được gọi là "Logic Block", và các kết nối khả trình Các khối logic có thể được lập trình để thực hiện các chức năng của các khối logic cơ bản như AND, XOR, hoặc các chức năng kết hợp phức tạp hơn như decoder hoặc các phép tính toán học Trong hầu hết các kiến trúc FPGA, các khối logic cũng bao gồm cả các phần tử nhớ Đó có thể là các Flip-Flop hoặc những bộ nhớ hoàn chỉnh hơn

Các kết nối khả trình (có thể lập trình) cho phép các khối logic có thể nối với nhau theo thiết kế của người xây dựng hệ thống, giống như một bảng mạch khả trình Một kiến trúc khác tương tự nhưng đơn giản hơn FPGA, là CPLD (Complex Programable Logic Device ) Thực chất đây là tiền thân của FPGA Năm 1984, Ross Freeman, một đồng sáng lập của Xilinx đã phát minh ra FPGA FPGA và CPLD đều bao gồm một số lượng khá lớn các phần tử logic khả trình Mật độ cổng logic (Logic Gate) của CPLD nằm trong khoản từ vài nghìn cho đến mười nghìn cổng Trong khi đó FPGA thông thường chứa từ mười nghìn cho đến vài triệu cổng