công nghệ GPS - xây dựng một hệ thống thu thập thông tin từ thiết bị GPS và hiển thị lên bản đồ số

GPS

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU……….2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

GPS 3

1.1 Giới thiệu về hệ thống GPS 3 1.2 Thành phần cơ bản của hệ thông GPS 3

1.2.1 Bộ phận người dùng 4 1.2.2 Bộ phận không gian 4 1.2.3 Bộ phận điều khiển 5

1.3 Thành phần tín hiệu GPS 6 1.3.1 Tín hiệu GPS 7 1.3.1.1 Thông điệp từ chuỗi dữ liệu 50bps 9

1.3.1.2 Cấu trúc một thông diệp tín hiệu 10

1.4 Cách thức làm việc của hệ thống

GPS 11

1.4.1 Hoạt động của GPS 11 1.4.2 Ý tưởng định vị của hệ thống GPS

12

1.4.3 Độ chính xác của hệ thống GPS

13

1.4.4 Những nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS

13

KẾT LUẬN……….16 TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 16

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết, hiện nay, công nghệ định vị toàn cầu GPS

(Global Positioning System ) là công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi trên

thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Công nghệ GPS bắt đầu được giới thiệu và ứng dụng vào Việt Nam từ giữa những năm 1990 nhưng chủ yếu để phục vụ cho việc thu thập số liệu tọa độ chính xác của các điểm trắc địa gốc để làm cơ sở phát triển các lưới trắc địa cấp thấp hơn Trong những năm gần đây, với việc xuất hiện các thiết bị đo GPS cầm tay đơn giản và giá

rẻ, việc ứng dụng công nghệ GPS vào công tác thu thập thông tin vị trí càng trở nên phổ biến đặc biệt là khi nó được kết hợp với các công nghệ khác như công nghệ GIS và hệ thống viễn thông thì thực sự đã mang lại một cuộc cách mạng trong cuộc sống hiện nay Dưới đây là một ứng dụng của công nghệ GPS, GIS và công nghệ viễn thông để tạo nên một hệ thống giám sát các thiết bị di động có gắn thiết bị đo GPS như quản lý ô tô, taxi, xe bus hay các máy di động … giúp cho nhà quản lý có thể điều hành và giám sát được công việc của mình một cách hiệu quả Theo các nhà dự báo, trong thời gian tới, các thiết bị GPS sẽ ngày càng nhỏ gọn, chính xác tạo điều khiện cho

sự bùng nổ trong việc ứng dụng công nghệ

Với mục đích nghiên cứu làm chủ công nghệ, trong luận văn này, em tập trung vào tìm hiểu công nghệ GPS cũng như thử nghiệm xây dựng một

hệ thống thu thập thông tin từ thiết bị GPS và hiển thị lên bản đồ số Đây là tiền đề cho việc xây dựng một hệ thống quản lý phương tiện giao thông cũng như hệ thống dẫn đường phương tiện đường bộ sử dụng công nghệ GPS

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện - Điện Tử

đã giúp đỡ chúng em trong quá trình làm đồ án và cô LÊ NGỌC HÀ đã trực

tiếp giảng dạy và hướng dẫn chúng em là bài tập lớn

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong quá trình làm đồ án ,chưa có kinh nghiệm nên còn có nhiều nhiều khiếm khuyết trong cách trình bày cũng như phần thể hiện đồ án của mình mong các thầy góp ý và bổ sung thêm

Chúng em xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS 1.1 Giới thiệu về hệ thống GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí bất kỳ trên trái đất nếu xác định được khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh thì ta có thể tính được tọa

độ của vị trí đó

GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch

1.2 Thành phần cơ bản của hệ thông GPS

Hệ thống định vị GPS bao gồm 3 bộ phận: bộ phận người dùng, bộ phận không gian và bộ phận điều khiển

Hình 1.1: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị

toàn cầu

1.2.1 Bộ phận người dùng.

Bộ phận người dùng là thiết bị thu tin hiệu GPS và người sử dụng những thiết

bị này

Thiết bị thu tin hiệu GPS là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc biệt Nó được thiết kế để thu tín hiệu sóng vô tuyến được truyền từ các vệ tinh và tính toán vị trí dựa trên thông tin đó Thiết bị thu tin hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau

Tính chất và giá cả của các Thiết bị thu tin hiệu GPS nói chung lệ thuộc vào chức năng mà bộ phận thu nhận có ý định Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải và hàng không thường sử dụng cho tính năng giao diện với thẻ nhớ chứa bản đồ đi biển Bộ phận thu nhận dùng cho bản đồ khả năng chính xác rất cao và có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận dữ liệu nhanh chóng

1.2.2 Bộ phận không gian.

Bộ phận không gian gồm các vệ tinh GPS mà nó truyền tin hiệu về thời gian

và vị trí tới bộ phận người dùng Tập hợp tất cả các vệ tinh này được gọi là

“chòm sao” Chúng ta có thể xem qua bộ phận không gian của hệ thống GPS:

Hệ thống NAVSTAR của Mỹ gồm 24 vệ tinh với 6 quỹ đạo bay Các vệ tinh này hoạt động ở quỹ đạo có độ cao 20.200 km (10,900 nm) ở góc nghiêng

55 độ và với thời gian 12 giờ/quỹ đạo Quỹ đạo bay không gian của các vệ tinh

được sắp xếp để tối thiểu 5 vệ tinh sẽ được bộ phận người dùng nhìn thấy và bao phủ toàn cầu, với vị trí chính xác hoàn toàn (position dilution of precision PDOP) của 6 vệ tinh hoặc ít hơn

Hình 1.2: Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất

Mỗi vệ tinh truyền trên 2 dải tần số L, L1 có tần số 1575.42 MHz và L2

có tần số 1227.6 MHz Mỗi vệ tinh truyền trên cùng tần số xác định tuy nhiên, tín hiệu mỗi vệ tinh thì thay đổi theo thời gian đến người sử dụng L1 mang mã P (precise code) và mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code) L2 chỉ mang mã P (P code)

Thông tin dữ liệu hàng hải được thêm các mã này Thông tin dữ liệu hàng hải giống nhau được mang cả 2 dải tần số Mã P thì thường được mã hoá vì thế chỉ

mã C/A thì có sẵn đến người sử dụng bình thường; tuy nhiên, một vài thông tin

có thể nhận được từ mã P Khi mã hoá, mã P được hiểu như mã Y Mỗi vệ tinh

có 2 số nhận dạng

Đầu tiên là số NAVSTAR với nhận dạng trên thiết bị vệ tinh đặc biệt Thứ hai là số sv (the space vehicle (sv) number) Số này được ấn định để ra lệch phóng vệ tinh Thứ ba là số mã ồn giả ngẫu nhiên (the pseudo-random noise-PRN) Đây chỉ là số nguyên mà nó được sử dụng để mã tín hiệu từ các vệ tinh

đó Một vài máy ghi nhận nhận biết vệ tinh mà chúng đang ghi nhận từ mã SV, hoặc mã khác từ mã PRN

1.2.3 Bộ phận điều khiển.

Bộ phận điều khiển gồm toàn bộ thiết bị trên mặt đất được sử dụng để giám sát và điều khiển các vệ tinh Bộ phận này thường người sử dụng không nhìn thấy, nhưng đây là bộ phận quan trọng của hệ thống GPS Bộ phận điều khiển NAVSTAR, được gọi là hệ thống điều khiển hoạt động (operational control system (OCS)) gồm các trạm giám sát, một trạm điều khiển chính (master control station (MCS)) và anten quay

Các trạm giám thụ động không nhiều hơn GPS nhận mà đường bay của các

vệ tinh được nhìn thấy và do đó phạm vi tích luỹ dữ liệu từ tín hiệu vệ tinh Có

5 trạm giám sát thụ động, toạ lạc ở Colorado Springs, Hawaii, đảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein Các trạm giám sát gởi dữ liệu thô về trạm MSC để

xử lý

Trạm MCS được toạ lạc ở Falcon Air Force Base, cách 12 dặm về phía đông của Colorado Springs, Colorado và được Mỹ quản lý Trạm MCS nhận dữ liệu

từ trạm giám sát trong thời gian 24 giờ/ngày và sử dụng thông tin này để xác định nếu các vệ tinh đang khoá hoặc lịch thiên văn thay đổi và để phát hiện thiết

bi trục trặc Thông tin về tàu thuỷ di chuyển và lịch thiên văn được tính toán từ tín hiệu giám sát và chuyển đến vệ tinh một lần hoặc hai lần/ngày

Thông tin tính toán bởi trạm MCS, cùng với các mệnh lệnh duy trì thường xuyên được truyền bởi anten xoay trên mặt đất Anten này toạ lạc tại đảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein Anten có đủ phương tiện để truyền đến

vệ tinh theo đường liên kết sóng vô tuyến dải tần S

Thêm vào đó chức năng chính của trạm MCS duy trì 24 giờ hệ thống bản tin điện tử với tình trạng và tin tức hệ thống sau cùng Công dân liên lạc cho vấn

đề này với The United States Coast Guard's (USCG) Navigation Center (NAVCEN)

1.3 Thành phần tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần số rất cao, bao gồm 2 tần số sóng mang được điều chế bởi 2 loại mã (mã C/A và mã P-code) và thông tin định

vị Hai sóng mang được phát ra với tần số 1,575.42MHz (sóng mang băng tần L1) và 1,227.60MHz( song mang băng tần L2) Tức là bước sóng xấp xỉ 19cm và 24.4cm.Việc sử dụng 2 loại sóng mang này cho phép sửa lỗi chính trong hệ thống GPS đó là sự trễ trong tầng khí quyền, điều này được giải thích rõ ràng hơn trong phần sửa lỗi hệ thống Tất cả các vệ tinh GPS phát chung tần số sóng mang L1 và L2, Tuy nhiên mã điều chế thì khác nhau cho mỗi vệ tinh khác nhau

Hai loại mã được dùng là mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P-code (precision code) Mỗi mã bao gồm một nhóm số nhị phân 0 và 1 gọi là các bit

Các mã thông thường được biết đến là mã PRN - Pseudo Random Noise(mã ồn giả ngẫu nhiên) gọi là như vậy vì chúng được tao ra một cách ngẫu nhiên và tín hiệu giống như các tín hiệu ồn, nhưng thực tế chúng được phát ra từ các giải thuật toán học Hiện nay mã C/A chỉ được điều chế ở băng tần L1 còn mã P-code được được điều chế ở cả 2 băng tần L1 và L2 Việc điều chế này gọi là điều chế lưỡng pha vì pha của chúng dịch 180độ khi giá trị mã thay đổi từ 0 ->1 hay

từ 1->0

Mã C/A là 1 luồng bít nhị phân của 1023 số nhị phân và lặp lại bản thân chúng trong mỗi giây Điều này có nghĩa là tốc độ chip của mã C/A là 1.023Mbps Hay theo cách khác,chu kỳ của một bit xấp xỉ 1ms hay tương đương với 300m Việc đo đạc sử dụng mã C/A là kém chính xác so với mã P-code nhưng nó ít phức tạp và được cung cấp cho tất cả người sử dụng

Mã P-code là 1 một chuỗi dài các số nhị phân ,nó lặp lại bản thân nó sau 266 ngày Nó cũng nhanh hơn 10 lần so với mã C/A( tốc độ là 10.23MBps) Nhân với thời gian lặp lại bản thân nó sau 266 ngày để cho ra tốc độ 10.23Mbps suy

ra mã P-code là một luồng gồm 2.35x1014chip mã dài 266 ngày được chia ra 38 đoạn;mỗi đoạn là 1 tuần.32 đoạn được phân chia tới các vệ tinh khác nhau Mỗi vệ tinh phát ra đoạn 1-tuần của mã P-code,chúng được khởi tạo vào nửa đêm nằm giữa thứ 7 và chủ nhật hàng tuần 6 đoạn còn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác Mã P-code được thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích quân sự Nó được cung cấp cho người sử dụng vào ngày 31/1/1994 Ở thời điểm đó mã P-code được mã hóa bằng việc thêm vào nó 1 loại mã W-code

Và kết quả của việc thêm vào loại mã code này là mã Y-Code và nó có tốc độ chíp giống với mã P-code

Hình 1.3 Mô hình tín hiệu GPS khí truyền

1.3.1 Tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh GPS truyền đồng thời 2 dải tần số là L1 và L2 (L1 là 1575,42MHz L2 là 1227,60MHz )

Sóng mang của tin hiệu L1 gồm 1 thành phần cùng pha và một thành phần vuông pha Thành phần cùng pha là hai pha được điều chế bởi 1 luồng dữ liệu 50bps và một mã giả ngẫu nhiên được gọi là mã C/A bao gồm 1 chuỗi 1023 chip nối tiếp có chu ky là 1ms và 1 tốc độ xung nhip 1.023MHz

Thành phần vuông pha cũng là hai pha được điều chế bởi 1 luồng dữ liệu 50bps nhưng có một sự khác nhau đó là thành phần vuông pha dùng mã giả ngẫu nhiên được gọi là P-Code, nó có xung nhịp là 10.23MHz và chu kỳ là 1 tuần

Biểu thức toán học của sóng L1 là:

Trong đó

P1 là công suất của thành phần sóng mang cùng pha

PQ là công suất của thành phần sóng mang vuông pha

d(t) là sự điều chế dữ liệu 50bps

c(t) và p(t) tương ứng là những sóng mã C/A và mã giả ngẫu nhiên

L1 là tần số sóng mang

0 là độ dịch pha

Công suất sóng mang vuông pha PQ it hơn xấp xỉ 3db so với P1 Trái ngược với tín hiệu L1, tín hiệu L2 được điều chế với duy nhất dữ liệu 50bps và mã p-code

Biểu thức toán học của tín hiệu L2

Hình 1.4 cấu trúc thành phần cùng pha của

L1

Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang rồi sau đó được mã hóa theo mã C/A

và được truyền đi

Hình 1.5 Cấu trúc thành phần vuông pha của tín hiệu L1

Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang rồi sau đó được mã hóa theo mã P-code và được truyền đi

Hình 1.4 và hình 1.5 tương ứng trình bày cấu trúc của thành phần cùng pha

và thành phần vuông của tín hiệu L1

1.3.1.1 Thông điệp từ chuỗi dữ liệu 50bps

Chuỗi dữ liệu 50bps chuyên trở thông điệp dẫn đường, nó bao gồm nhiều thông tin và không giới hạn nó bao gồm những thông tin sau

- Dữ liệu vệ tinh Niêm giám Mỗi vệ tinh truyền dữ liệu trong không gian được gọi là niêm giám Nó cho phép người sử dụng tính toán vị trí của mọi vệ tinh trong chòm sao GPS tại bất ký thời điểm nào Dữ liệu Niêm giám không

đủ chính xác để xách dịnh vị trí nhưng có thể được cất giữa trong một thiết

bi thu ở đâu đó, nó lưu lại trong vài tháng Nó chủ yếu được dung để xác định vệ tinh rõ rang tại 1 vị trí bất kỳ

o Dữ liệu vệ tinh thiên văn Dữ liệu thiên văn cũng tương tự như dữ liệu Niêm giác nhưng nó cho phép xác định vị tri với độ chính xác cao hơn, để cần dược chuyển đổi sự trễ lan truyền trong việc ước lượng vị trí của người dùng

o Dữ liệu về thời gian Chuỗi dữ liệu 50bps bao gồm sự đánh dẫu thời gian, được sử dụng để thiết lập thời gian truyền dẫn của những điểm trên tin hiệu GPS Thông tin này cần xác định được độ chễ về thời gian lan truyền tín hiệu

từ vệ tinh tới người sử dụng

o Dữ liệu trễ do tầng điện ly

o Thông điệp về tình trạng của GPS

1.3.1.2 Cấu trúc một thông diệp tín hiệu

Thông tin trong thông điệp dẫn hướng có các cấu trúc khung cơ bản

Hình 1.6 Khung dữ liệu của tín hiệu GPS

Một thông điệp đầy đủ gồm có 25 khung (frame), mỗi khung chứa

1500bit, mỗi 1 khung dữ liệu lại được chia làm các khung con 300bit Mỗi khung con bao gồm 10 từ và mỗi từ là 30 bit Như vậy với tốc độ truyền 50bps nó phải mất 6s để truyền 1 khung dư liệu con (subframe) và 30s để hoàn thành một khung dữ liệu (frame) Để truyền hoàn thành 25 khung thông điệp thì yêu cầu cần tới 750s

1.4 Cách thức làm việc của hệ thống GPS

1.4.1 Hoạt động của GPS

Cơ bản, GPS sử dụng nguyên tắc hướng thẳng tương đối của hình học và lượng giác học Mỗi vệ tinh liên tục phát và truyền dữ liệu trong quỹ đạo bay của nó cho tất cả các chòm sao vệ tinh cộng thêm dữ liệu đến kịp thời và thông tin khác Do đó, mỗi thiết bị GPS nhận sẽ liên tục truy cập dữ liệu quỹ đạo chính xác từ vị trí của tất cả vệ tinh có thể tính toán bằng các vi mạch có trên tất cả các GPS nhận Từ đó tín hiệu hoặc sóng vô tuyến di chuyển ở vận tốc hằng số (thường bằng vận tốc ánh sáng – C ), các thiết bị GPS thu có thể tính toán khoảng cách liên quan từ GPS đến các vệ tinh khác bằng cách máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian mà thiết bị GPS thu nhận được tín hiệu do các vệ tinh pháp Độ sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách xa vệ tinh bao nhiêu bằng cách lấy khoảng thời gian sai lệch nhân với tốc độ của sống vô tuyến Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh khác nhau các thiết bị GPS thu tín hiệu có thể tính được vị trí của thiết bị GPS

Hình 1.7 Tính khoảng cách từ thiết bị GPS đến các vệ tinh

Tất cả máy thu GPS bắt buộc phải khoá được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh

để có thể tính được vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Nếu thiết bị thu tín hiệu GPS có thể khóa được tín hiệu của bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy GPS có thể tính được vị trí theo