Nghiên cứu phát triển phần mềm tích hợp GPS và cảm biến trên điện thoại cho các phương tiện đường thủy

Ban đầu điện thoại thông minh bao gồm các tính năng của điện thoại di động thông thường kết hợp với các thiết bị phổ biến khác như hệ thống định vị toàn cầu GPS, cảm biến la bàn từ, cảm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TR ĐẠ Ọ Ệ

- -

VŨ QUA TẠO

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM TÍCH HỢP GPS

VÀ CẢM BIẾ TRÊ Đ ỆN THOẠ O Á P Ơ

TIỆ Đ NG THỦY

U V T Ạ S NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THU T Đ ỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Ộ – 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TR ĐẠ Ọ Ệ

- -

VŨ QUA TẠO

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM TÍCH HỢP GPS

VÀ CẢM BIẾ TRÊ Đ ỆN THOẠ O Á P Ơ

TIỆ Đ NG THỦY

U V T Ạ S NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THU T Đ ỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Ộ – 2019

1

ĐẦU

Hiện nay, để xác định vị trí tàu/thuyền thì thiết bị chủ yếu là định vị vệ tinh ( Phổ biến nhất là GPS) Sai số của phương pháp định vị GPS chủ yếu là do

6 nguyên nhân dưới đây (không kể sai số nhân tạo SA đã được ra lệnh tắt): 1)

Dữ liệu Ephemeris; 2) Đồng hồ vệ tinh; 3) Trễ ở tầng điện ly; 4) Trễ ở tầng đối lưu; 5) Nhiễu đa đường; 6) Máy thu (bao gồm cả phần mềm, tâm pha anten) Có thể thấy rõ trong những điều kiện thời tiết xấu thì tín hiệu GPS thường yếu thậm chí mất tín hiệu GPS làm cho quá trình định vị bị gián đoạn Thông thường, để

hỗ trợ cho GPS thì một trong những giải pháp đó là sử dụng hệ thống dẫn đường quán tính (INS) INS có 2 ưu điểm nổi bật khi so sánh với các hệ thống dẫn đường khác là khả năng hoạt động tự trị và độ chính xác cao trong những khoảng thời gian ngắn Sự kết hợp GPS và INS là lý tưởng nhất vì INS sẽ hỗ trợ cho GPS rất hiệu quả Trái tim của hệ thống tích hợp này chính là bộ lọc tối ưu

bộ lọc bù

Smartphone hay nói cách khác là điện thoại thông minh, đang trở nên rất phổ biến trong những năm trở lại đây Ban đầu điện thoại thông minh bao gồm các tính năng của điện thoại di động thông thường kết hợp với các thiết bị phổ biến khác như hệ thống định vị toàn cầu GPS, cảm biến la bàn từ, cảm biến quán tính (dùng để xây dựng hệ INS từ cảm biến này) đã được tích hợp sẵn trong máy

Thay vì phải trang bị các thiết bị đơn lẻ là la bàn điện tù, thiết bị giám sát hành trình dung thì học viên đề xuất sử dụng điện thoại thông minh như là một thiết bị tích hợp thông tin định vị, xác định vận tốc , hướng lái cho các phương tiện đường thủy

Trong luận văn này, mục tiêu là bước đầu xây dựng một ứng dụng phục

vụ cho giao thông đường thủy nội địa nên luận văn chủ yếu hướng tới việc nghiên cứu thuật toán, cách sử dụng các công cụ bộ lọc, xử lý tín hiệu.Hơn nữa,

do hạn chế về thời gian và cơ sở vật chất, các thí nghiệm kiểm thử và kết quả tạm thời được thực hiện trên đường bộ

Tôi c ng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo và bạn b trong lớp K23 chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện Tử – Viễn Thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã có những nhận x t, góp ý cho luận văn này của tôi

Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ một phần của đề tài khoa học mã số DT194031 trong quá trình tôi thực hiện luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tôi, cơ quan tôi đang công tác, những người đã tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu Gia đình là động lực cho tôi vượt qua những thử thách, luôn luôn ủng hộ và động viên tôi hoàn thành luận văn này

3

A ĐOA

Tôi xin cam đoan luận văn này là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm

hiểu của cá nhân dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo của các thầy hướng dẫn, thầy cô

trong bộ môn, trong khoa và các bạn b Tôi không sao ch p các tài liệu hay các

công trình nghiên cứu của người khác để làm luận văn này

Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm

Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2019 HỌC VIÊN

Vũ Quang Tạo

MỤC LỤC

LỜI N I Đ U 1

LỜI CẢM N 2

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC C C K HI U V CHỮ VI T TẮT 6

DANH MỤC H NH ẢNH 7

DANH MỤC BẢNG 9

CHƯ NG I TỔNG QUAN VỀ LÝ THUY T 10

1.1 T M QUAN TRỌNG CỦA ĐỊNH VỊ TRÊN GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY 10

1.1 TỔNG QUAN VỀ H THỐNG ĐỊNH VỊ TO N C U GPS 11

1.1.1 Lịch sử phát triển 11

1.1.2 Cấu trúc hệ thống GPS 12

1.3 NGUYÊN L ĐỊNH VỊ GPS 15

1.3.1 Nguyên lý định vị tuyệt đối 15

1.3.2 Nguyên lý Định vị tương đối 16

1.3.3 Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS 17

CHƯ NG II C C TH NH PH N ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ỨNG DỤNG 21 2.1 TH NH PH N PH N CỨNG 21

2.1.1 Cảm biến gia tốc (Accelerometer) trên điện thoại 21

2.1.2 Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope) trên điện thoại 23

2.1.3 Cảm biến la bàn (Compass): 24

2.2 TH NH PH N PH N MỀM 25

2.2.1 Hệ điều hành Android 25

2.2.2 Google APIs - Giao diện lập trình ứng dụng 26

2.2.3 Google Location Service API – Lấy vị trí trên thiết bị Android 26 2.3 C C THUẬT TO N 27

2.3.1 Bộ lọc bù 27

2.3.2 Xác định va chạm 30

2.3.3 Lưu lại các hành trình đã đi 32

2.4 C C TÍNH NĂNG CỦA H THỐNG 33

2.4.1 Định vị vị trí phương tiện 33

2.4.2 Lưu lại hành trình trong khoảng thời gian nhất định 34

2.4.3 Lưu lại lịch sử đường đi 35

5

2.4.4 Cảnh báo va chạm 36

CHƯ NG III K T QUẢ VÀ NHẬN XÉT 37

3.1 KHẢO S T THỰC NGHI M BỘ LỌC BÙ 37

3.3 C C TÍNH NĂNG CỦA PH N MỀM ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC 45

K T LUẬN 51

HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52

TÀI LI U THAM KHẢO 53

A Ụ Á ỆU V Ữ V ẾT T T

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu TND Inland Waterway Thủy nội địa

NAVSTAR Navigation Satellite

Timing and Ranging

Điều hướng về tinh thời gian

và định vị ECEF Earth-Centered, Earth -

Fixed

Hệ tọa độ chuẩn địa tâm

DOP Dilution of precision Suy giảm độ chính xác

IIR Infinite Impulse Response Đáp ứng xung

API Application Programming

Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

RMS Root Mean Square Căn bậc hai của tổng bình

phương

7

A Ụ ẢNH

Hình 1 1: Giao thông đường thủy Việt Nam phức tạp 10

Hình 1 2: Ứng dụng công nghệ GPS vào phương tiện đường thủy 11

Hình 1 3: Các thành phần cơ bản của GPS 13

Hình 1 4: Vệ tinh xung quanh trái đất 13

Hình 1 5: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 14

Hình 1 6: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 15

Hình 1 7: Phương pháp định vị tương đối 17

Hình 1 8: Hiện tượng đa truyền 19

Hình 2 1: Mô hình cảm biến gia tốc của SmartPhone 21

Hình 2 2: Khối lượng vật thể chuyển động sinh ra dòng điện 22

Hình 2 3: Ba trục cảm biến gia tốc 23

Hình 2 4: Ba hướng góc của cảm biến con quay hồi chuyển 24

Hình 2 5: Cảm biến la bàn trên Android 25

Hình 2 6: Thị phần các hệ điều hành điện thoại trên thế giới vào năm 2017 26

Hình 2 7: Dịch vụ vị trí của Google “Google Location Serivices API” 27

Hình 2 8: Mô hình bộ lọc bù 29

Hình 2 9: Lưu đồ hoạt động của bộ lọc bù 30

Hình 2 10: Lưu đồ thuật toán xác định va chạm 32

Hình 2 11: Lưu đồ thuật toán lưu hành trình đã đi 33

Hình 2 12: Xác định vị trí người dùng 34

Hình 2 13: Bắt đầu và dừng lại ghi hành trình 34

Hình 2 14: Vẽ lại hành trình đã đi 35

Hình 2 15: Lưu lại lịch sử các hành trình 36

Hình 2 16: Tính năng cảnh báo va chạm 36

Hình 3 1: Góc hướng của thiết bị sau khi qua bộ lọc trong trường hợp đứng yên, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) 37

Hình 3 2: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di chuyển trên đường thằng, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) 38

Hình 3 3: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di

chuyển trên đường tròn, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) 39

Hình 3 4: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp quay quanh tâm của thiết bị, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) 39

Hình 3 5: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di chuyển trên hình chữ nhật quay 3 lần, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) 40

Hình 3 6: Tín hiệu ba trục Ax, Ay, Az thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại trước khi tiền xử lý Trạng thái lấy mẫu là điện thoại để yên trên mặt bàn, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) 41

Hình 3 7: Tín hiệu ba trục Ax, Ay thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại trước khi tiền xử lý Trạng thái lấy mẫu là điện thoại để yên trên mặt bàn, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) 41

Hình 3 8: Tín hiệu ba trục Ax, Ay, Az thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại sau khi đi qua bước tiền xử lý Ba đường màu xanh, đỏ cam lần lượt là tín hiệu Ax, Ay, Az, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) 43

Hình 3 9: Tín hiệu Ax, Ay thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại sau khi đi qua bước tiền xử lý, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) 43

Hình 3 10: Sự thay đổi của gia tốc theo 3 trục Ax, Ay, Az khi xảy ra va chạm, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) 44

Hình 3 11: Sự thay đổi của RMS khi xảy ra va chạm, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) 45

Hình 3 12: Một số quyền mà BoatSafe cần được cung cấp 46

Hình 3 13: So sánh độ chính xác BoatSafe với Google Map 46

Hình 3 14: Lấy các dữ liệu cần thiết 47

Hình 3 15: Lưu lại và vẽ lại các hành trình đã đi 47

Hình 3 16: Đoạn đường mất kết nối với GPS được thể hiện bằng đường thẳng n t đứt 48

Hình 3 17: Chọn số điện thoại có sẵn trong danh bạ làm số gọi khẩn cấp 49

Hình 3 18: Người dùng bật chế độ cảnh báo va chạm nếu cần 49

Hình 3 19: Khi gặp va chạm, thiết bị sẽ xuất hiện dialog xem người dùng có đang thật sự bị tan nạn hay không 50

9

A Ụ ẢNG

Bảng 1: Thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục 20

Ơ TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT

1.1 Tầm quan trọng của định vị trên giao thông đường thủy

Hiện nay, Việt Nam có khoảng 2.360 con sông và kênh đào với tổng chiều dài là 220.000 km Trong đó, có 19% (41.900 km) là lưu thông được và 7% (15.436 km) được quản lý và vận hành Nhà nước Việt Nam quản lý 65 tuyến đường thủy ở khu vực phía Bắc, trong khi đó ở miền Trung là 21 tuyến đường thủy và ở miền Nam là 101 tuyến đường thủy Giao thông vận tải đường thủy nội địa đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành nền kinh tế Việt Nam với 2 đồng bằng châu thổ rộng lớn là đồng bằng châu thổ sông Hồng và đồng bằng châu thổ sông Cửu Long [1]

Thực tế giao thông đường thủy tại Việt Nam là giao thông hỗn hợp, có cả hàng hải, thủy nội địa, nhiều loại phương tiện cùng lưu thông trên sông, đặc biệt

là các khu vực có các cảng lớn như Hải Phòng, Quảng Ninh, đồng bằng sông Cửu Long Trong khi các loại tàu biển trong nước và nước ngoài luôn được trang bị đầy đủ hệ thống hỗ trợ theo quy dịnh của Bộ luật hàng hải Việt Nam và

tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO)….thì hầu hết các phương tiện thủy nội địa ở nước ta chưa được trang bị một cách đầu đủ Do vậy, rất khó quản lý một cách tuyệt đối các phương tiện thủy nội địa Hơn nữa, các phương tiện thủy nội địa khi di chuyển chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người dân, theo phương pháp truyền thống Hơn nữa, dưới tác động của thời tiết, các phương tiện thủy nội địa khi hoạt động sẽ vẫn gặp nguy cơ tai nạn rất cao khi không được trang bị các hệ thống hỗ trợ Do vậy, phương án đưa công nghệ định vị GPS vào giao thông đường thủy được đề xuất

Hình 1 1: Giao thông đường thủy Việt Nam phức tạp 1

1

https://maydinhvigps.vn/tim-hieu-ve-he-thong-dinh-vi-gps-tau-thuy-tau-bien-cano-thuyen-danh-ca-11

Hệ thống dịch vụ GPS phục vụ cho công tác quản lý thông qua các giải pháp tối ưu cho: các đội tàu đánh cá truyền thống trên cả nước, các đội tàu kiểm ngư hỗ trợ cho ngư dân trong công tác quốc phòng [2], giúp các phương tiện thủy nội địa lưu thông một cách dễ dàng và an toàn Việc tích hợp hệ thống định

vị GPS dựa vào các cảm biển ngà càng trở nên phổ biến khiến việc giám sát tàu thuyền trở nên đơn giản, tức thì và nhanh chóng

Hình 1 2: Ứng dụng công nghệ GPS vào phương tiện đường thủy 2

Trong bài luận văn này, một phần mềm ứng dụng chạy trên nền tảng Android sử dụng GPS và các thuật toán để người đi các phương tiện đường thủy

có thể di chuyển một cách hiệu quả và chính xác nhất

1.2 Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS

1.2.1 Lịch sử phát triển

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (NAVSTAR GPS - Navigation Satellite) Timing and Ranging Global Poritioning System) là một hệ thống dẫn đường vô tuyến điện toàn cầu được thành lập bởi bộ quốc phòng Hoa Kỳ, có chức năng điều hướng, xác định vị trí, thông tin thời gian phục vụ cho các hoạt động quân sự [6]

Sau này, hệ thống GPS được cho phép sử dụng cho cả mục đích dân sự,

và hiện nay, hệ thống đang được truy nhập bởi cả hai lĩnh vực quân sự và dân

sự Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chay đua

để đạt những hiệu quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo

2 http://climatechangegis.blogspot.com/2012/04/gps-thanh-phan-nguyen-ly-va-cac-ung_2196.html

các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau

GPS đã từng bao gồm một mạng lưới 24 vệ tinh hoạt động Mạng lưới này chính thức hoàn thành vào ngày 8-12-1993 Để đảm bảo vùng phủ sóng liên tục trên toàn thế giới, các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho 4 vệ tinh sẽ nằm cùng nhau trên 1 trong 6 mặt phẳng quỹ đạo Với cách sắp xếp này sẽ có 4 đến 10 vệ tinh được nhìn thấy tại bất kỳ điểm nào trên trái đất với góc ngẩng là

100 độ nhưng thực tế chỉ cần 4 vệ tinh là có thể cung cấp đầy đủ các thông tin

có khả năng đi vào hoạt động vào ngày 17 -7-1995 với việc đảm bảo có tối thiểu

24 vệ tinh hoạt động Trong thực tế, để GPS có khả năng hoạt động tốt, số lượng

vệ tinh trong mạng lưới GPS phải luôn luôn nhiều hơn 24 vệ tinh [3]

 Phần người sử dụng (user segment): toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật tính toán để cung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí

Mô hình ba phần của GPS như hình:

13

Hình 1 3: Các thành phần cơ bản của GPS 2

1.2.2.1 Phần không gian (space segment)

Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm:

 Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển

 Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ tinh

 Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số

Hình 1 4: Vệ tinh xung quanh trái đất 3

Các thế hệ vệ tinh GPS được đánh số Block I, II, IIA, IIR, IIF

Thế hệ vệ tinh đầ tiên là Block I được xây dựng bởi Rockwell International Corporation, Block II và IIA c ng do công ty này xây dựng nhưng

3 https://tinhte.vn/threads/cac-he-thong-ve-tinh-dinh-vi-toan-cau-tren-the-gioi-hien-nay.2773511/

nặng đến 900 kg Tuổi thọ của chúng khoảng 7.5 năm Sự thay thế các vệ tinh Block II/IIA bằng Block IIR bắt đầu từ năm 1996 Những vệ tinh này công ty General Electric xây dựng Block IIF vẫn đang trong giai đoạn thiết kế và dự định phóng lên quĩ đạo từ năm 2005

1.2.2.2 Phần điểu khiển (control segment)

Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS c ng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS Phần điều khiển có

5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:

 Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục

 Quy định thời gian hệ thống GPS

 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

Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado

Springs bang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và

ba trạm ăng ten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS Bản đồ trong Hình 1.4 - cho biết vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang Florida, Mỹ) và một mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặc tính và dữ liệu thời gian thực

Hình 1 5: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 3

1.2.2.3 Phần người dùng (user segment)

Thiết bị của người sử dụng GPS là các máy thu bao gồm:

 Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách)

 Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng)

 Các quá trình điều hành

15

1.3 guyên lý định vị GPS

Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể của việc xác định toạ độ người ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản: Định vị tuyệt đối và định vị tương đối

1.3.1 Nguyên lý định vị tuyệt đối

Nguyên lý định vị tuyệt đối của GPS là lấy tâm trái đất làm gốc tọa độ, xác định vị trí ăng ten của máy tiếp nhận ở trong hệ tọa độ WGS-84 [7] Do trong quá trình định vị chỉ cần dùng đến một máy tiếp nhận, nên được gọi là cách khác là định vị đơn điểm

Nguyên lý cơ bản của phương pháp định vị tuyệt đối là lấy khoảng cách

đo được giữa vệ tinh và ăng ten của máy tiếp nhận làm chuẩn, dựa vào tọa độ đã biết của vệ tinh ở ngay thời điểm đấy để xác định vị trí của máy thu ở trên mặt đất Phương pháp định vị tuyệt đối của GPS thực chất là phương pháp không gian giao hội nghịch [8] Do đó ở mỗi máy thu, chỉ cần lấy được ba khoảng cách từ máy thu đến ba vệ tinh khác nhau là được Nói cách khác, máy thu sẽ giao của ba đường tròn có tâm là các vệ tinh và bán kính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu

Hình 1 6: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 4

Để xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh, ta sử dụng công thức sau

d = V ∆ t (1) trong đó :

4 http://www.physics.org/article-questions.asp?id=55

V: Vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng

∆t: Là thời gian sngs điện từ di từ vệ tinh đến máy thu

Tuy nhiên GPS được áp dụng nguyên tắc tính khoảng cách một chiều, vì thế có sự sai số giữa đồ hồ đo của máy thu và vệ tinh Hơn nữa, khoảng cách từ

vệ tinh đến máy thu tương đối xa, dẫn đến sự sai lệch về thời gian gọi là khoảng cách giả (Pseudo range) [9] Sai số của đồng hồ vệ tinh có thể được điều chỉnh bởi những bức điện dẫn đường (chứa các thông tin định vị như thông tin hành trình của vệ tinh, trạng thái hoạt động, thời gian đã sửa, khoảng cách bị chậm ở tầng điện li đã sửa, sự khúc xạ ở tầng khí quyển đã sửa vv )”, tuy nhiên đối với đồng hồ của máy tiếp nhận rất khó để có thể dự báo trước và sửa thông số Vì thế, coi thông số thời gian này như một tham số cùng với các tham số tọa độ của máy tiếp nhận là các ẩn phải tìm Do đó ở bất kì một máy tiếp nhận tín hiệu GPS nào trên mặt đất nếu muốn xác định tọa độ của máy đó thì lúc nào c ng phải giải

hệ phương trình bốn ẩn (ba ẩn là ba hệ tọa độ của máy và một ẩn là sai số thời gian), tức là ít nhất phải xác định bốn khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy tiếp nhận Điều này có nghĩa là ở một điểm bất kì phải ít nhất có bốn vệ tinh cùng theo dõi

1.3.2 Nguyên lý Định vị tương đối

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt tại hai điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian ( ∆X,

∆Y, ∆Z ) hay hiệu tọa độ mặt cầu ( ∆B, ∆L, ∆H ) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS – 84

Nguyên lý đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng

đo là pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm x t người ta đã tạo và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha tải nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: Sai số đồng hồ vệ tinh c ng như trên máy thu, sai

số tọa độ vệ tinh, sai số nguyên đa trị…

17

Hình 1 7: Phương pháp định vị tương đối

Số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thường nhiều hơn 4, có khi lên tới

10 vệ tinh Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo Không những thế khi đo tương đối các vệ tinh lại được quan sát trong một khoảng thời gian tương đối dài, thường từ nửa giờ đến vài ba giờ Do vậy trên thực tế số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm quan sát sẽ là rất lớn và khi đó số liệu đo sẽ được xử lý theo nguyên tắc bình phương nhỏ nhất

Độ chính xác tương đối đạt cỡ cm, và chủ yếu áp dụng trong trắc địa

1.3.3 Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS

C ng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thống GPS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau

- Sai số đo đồng hồ

Đồng hồ của vệ tinh, đồng hồ máy thu luôn có sự sai số, thêm vào đó, có

là do khoảng cách quá xa giữ máy thu và vệ tinh dẫn đến 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 xử lý [10] Để làm giảm ảnh hưởng của sai số đồng hồ của cả vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh c ng như giữa các trạm quan sát

- Sai số quỹ đạo vệ tinh

Tọa độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh Người ta

sử dụng phải dựa vào lịch thông báo tọa độ vệ tinh mà theo lịch tọa độ vệ tinh có thể bị sai số

Do vậy nếu sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị tốt hơn Có hai phương án nhằm hoàn thiện thông tin quỹ đạo vệ tinh:

+ Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm những điểm chuẩn để tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh dành cho công tác đo đạc đặc biệt

+ Thu nhận lịch vệ tinh chính xác từ Dịch vụ địa học GPS Quốc tế (The International GPS Service for Geodynamics – IGS) [11]

- Ảnh hưởng của tầng ion

Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 – 500 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng ion [11]

Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion, trị đo giải trừ do đó việc định vị

có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài

- Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Tầng đối lưu có độ cao đến 8km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi Do vậy số cải chính mô hình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số, chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt

và khô, ảnh hưởng của chiết suất khô được tạo thành mô hình loại trừ nhưng ảnh hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại bỏ trong trị đo GPS [10]

- Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ

Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải thu được tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh tức là phải có tầm nhìn thông tới các vệ tinh đó

Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây mù, song không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật cản che chắn Do vậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác

đo GPS

Khi sử dụng trị đo pha cần phải đảm bảo thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu Tuy nhiên có trường hợp ngay cả khi vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu, trường hợp đó có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu vẫn không đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định vị Do đó cần phải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu

19

GPS Một số máy thu có thể nhận biết sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GPS có thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ

- Hiện tượng đa đường

Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten mà bị khúc xạ hoặc phản xạ qua một vật nào dó xung quanh Do vậy, dẫn đến kết quả đo bị sai lệch

về khoảng cách và thời gian Để khắc phục được hiện tượng này, anten phải có tầm nhìn vệ tinh thông thoáng một góc thích hợp để giảm ảnh hưởng bất lợi của chiết quang khí quyển và hiện tượng đa truyền [13]

Hình 1 8: Hiện tượng đa truyền 5

Hầu hết anten GPS gắn bản dạng phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ từ dưới mặt đất lên

- Sự suy giảm độ chính xác ( OPs) do đồ hình các vệ tinh

Việc định vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào điểm gốc là vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu GPS

Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh cần phải có sự phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ chính xác - hệ số DOP (Delution

of Precision) Chỉ số DOP là số nghịch đảo thể tích của khối tỷ diện tạo thành giữa các vệ tinh và máy thu Chỉ số này chia ra thành các loại sau:

+ PDOP chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP)

+ TDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Teme DOP)

+ HDOP là chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP) + V DOP là chỉ số phân tán độ chính xác về độ cao (Vertical DOP)

5 Lawrence R Weil, "Conquering Multipath: The GPS Accuracy Battle", 1997 GPS world

+ G DOP là chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP)

Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số PDOP đạt xấp xỉ 2,5 với xác xuất 90% thời gian Đồ hình vệ tinh đạt yêu cầu với chỉ số P DOP < 6 [4]

- Tâm pha của anten

Tâm pha là một điểm nằm bên trong, ở nhà máy chế tạo anten đã được kiểm định sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó, tuy nhiên tâm pha thay đổi vị trí phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh, ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc sử dụng mô hình tâm pha ở giai đoạn tính xử lý Quy định cần phải tuân theo là khi đặt anten cần dóng theo cùng một hướng và tốt nhất là sử dụng cùng một loại anten cho cùng một ca đo

Bảng 1: Thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục

1 Phụ thuộc vệ tinh

- Ephemeris Ephemeris chính xác

- Đồng hồ vệ tinh Sai phân bậc một

- Đồ hình vệ tinh Chọn thời gian đo có POP < 6

2 Phụ thuộc đường tín hiệu

- Tầng đối lưu Lập mô hình

- Số đa trị nguyên Xác điịnh đơn trị, sai phân bậc ba

- Trượt chu kì Tránh vật cản, sai phân bậc ba

- Đa tuyến Tránh phản xạ, ngưỡng góc cao

3 Phụ thuộc máy thu

- Chiều cao Anten Do 2 lần khi đo độ cao Antten

- Cấu hình máy thu Chú ý khi lắp đặt

- Tâm pha Anten Anten chuẩn đặt quay về một hướng

- Nhiễu điện từ Tránh bức xạ điện từ

- Tọa độ quy chiếu Khống chế chính xác, tin cậy

- Chiều dài cạnh Bố trí cạnh ngắn

21

Ơ CÁC THÀNH PHẦ Đ ỢC SỬ DỤNG TRONG ỨNG

DỤNG

2.1 Thành phần phần cứng

2.1.1 Cảm biến gia tốc (Accelerometer) trên điện thoại

Tất cả các điện thoại thông minh đều có cảm biến gia tốc, cảm biến gia tốc giúp cho điện thoại có thể nhận diện được hướng xoay của máy

Cảm biến gia tốc bao gồm khoang chứa Housing (màu trắng) được gắn liền vào vật thể chuyển động Seismic Mass (màu xanh lam) và các chân cố định (màu xanh lá) Dọc theo Seismic Mass được phủ một lớp silicon Chuyển động của SmartPhone được đo bằng cách đo chuyển động của lớp silicon dọc này

Hình 2 1: Mô hình cảm biến gia tốc của SmartPhone 6

Khi điện thoại chuyển động, khối lượng vật thể c ng sẽ chuyển động theo Hình 2.2 a minh họa chuyển động của cảm biến theo chiều X Trong thiết kế Chip, với chỉ cùng một khối lượng vật thể chung, chuyển động theo chiều Y

c ng được xác định tương tự nhờ vào các chân cố định vuông góc với các chân

cố định mà dùng để đo chuyển động theo trục X Tiếp đó, lật con Chip đi 1 góc

90 độ thì các chân cố định dùng để đo chuyển động theo trục Y này sẽ được dùng để đo chuyển động theo trục Z Sau khi xuất hiện sự chuyển động của vật thể, một đầu chân của chiếc lược trung tâm và hai chân được gắn trên khoang chứa sẽ tạo nên 3 phần của một cặp tụ điện biến thiên như được chỉ ra ở hình

6 https://vnreview.vn/tu-van-di-dong/-/view_content/content/883011/cam-bien-gia-toc-la-gi

Housing

Seismic

2.2b Khi đó khoảng cách ban đầu giữa chân lược và hai chân được coi như hai điện cực cố định sẽ thay đổi dẫn tới điện dung của hai tụ điện thay đổi (vì điện dung của tụ tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bản tụ) Điện dung thay đổi làm điện thế thay đổi theo Vì thế mà việc nhận diện các dòng điện được sản sinh khi vật thể chuyển động sẽ chỉ ra được chuyển động của Smartphone [14]

a) Sự chuyển động của khối lượng vật thể b) Tụ điện biến thiên

Hình 2 2: Khối lượng vật thể chuyển động sinh ra dòng điện 7

Khi không có gia tốc khoảng cách giữa các điện cực bằng nhau Khi có sự thay đổi gia tốc từ bên ngoài thì chênh lệch điện dung giữa hai tụ làm thay đổi tín hiệu đầu ra Tuy nhiên, nếu chỉ có một cặp tụ điện như này thì sự thay đổi khá nhỏ của tụ điện khi vật chuyển động sẽ làm cho cảm biến khó phát hiện đúng Cho nên bắt buộc phải sử dụng nhiều điện cực và khối lượng vật thể bằng cách tất cả được kết nối bằng một cấu hình song song Cấu hình này cho phép thay đổi điện dung nhiều hơn dẫn tới cảm biến cảm nhận chuyển động chính xác

và nhạy b n hơn

Khi thiết bị đặt trên bàn với mặt hình hướng lên trên thì máy đo gia tốc sẽ

có giá trị là -1g theo chiều Z, và là 1g nếu ặt điện thoại úp xuống Còn nếu chiếc điện thoại được giữ thẳng đứng thì giá trị sẽ là -1g theo trục Y và xoay ngược lại thì sẽ là 1g Tương tự nếu để màn hình điện thoại trước mặt rồi xoay về phía bên trái 90 độ thì trục X có giá trị là 1g và ngược lại nếu quay về bên phải sẽ là -1g (

g là gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s2) Cảm biến gia tốc có phạm vi ứng dụng rất lớn nên thu hút được nhiều quan tâm nghiên cứu [27][28]

23

Hình 2 3: Ba trục cảm biến gia tốc 7 2.1.2 Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope) trên điện thoại

Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn mô men động lượng Nó sẽ

đo tốc độ thay đổi góc của điện thoại khi được tích hợp cảm biến Cảm biến này

sẽ nhận diện các chuyển động quay theo ba hướng nghiêng (Pitch), cuộn (Roll)

và xoay (Yaw) như hình vẽ 2.4 dưới Hoạt động của GyroScope dựa trên hiệu ứng Coriolis [15] Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong các hệ qui chiếu quay so với các hệ qui chiếu quán tính

Hình 2 4: Ba hướng góc của cảm biến con quay hồi chuyển 8

Nó được thể hiện qua hiện tượng lệch quĩ đạo của những vật chuyển động trong hệ qui chiếu này Sự lệch quỹ đạo do một lực quán tính gây ra, gọi là lực Coriolis Lực này được tính bằng công thức 4 sau:

⃗ = m ⃗⃗⃗⃗⃗ = 2m ⃗ x ⃗⃗⃗ (2) trong đó :

m là khối lượng của vật

⃗ là v c tơ vận tốc của vật

⃗⃗⃗ là v c tơ vận tóc góc của hệ Cảm biến MEMS Gyroscope sử dụng một khối “proff mass” dao động theo một phương được gọi là phương sơ cấp Khối này đồng thời bị quay quanh một trục, làm xuất hiện lực Coriolis khiến nó có thêm dao động theo phương khác, gọi là phương thứ cấp Trên phương chuyển động thứ cấp này có gắn bản cực tụ điện để nhận biết sự thay đổi điện dung gây bởi chuyển động này Chuyển động sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện rất thấp sau đó được khuếch đại và đọc ra để xử lý Cuối cùng ta sẽ thu thập được thông tin về tốc độ thay đổi góc của thiết bị gắn cảm biến con quay này

https://www.geeky-gadgets.com/researchers-hack-smartphone-gyroscope-to-become-a-microphone-25

hợp cùng các loại dữ liệu địa lý khác nhau như GPS hay GLONASS Một số ứng dụng di động hiện nay tận dụng la bàn số để hiển thị một mặt la bàn thực thụ cho chúng ta xem hướng đông tây nam bắc, thậm chí chúng còn đo được góc lệch so với hướng bắc [15]

Hình 2 5: Cảm biến la bàn trên Android 9

2.2 Thành phần phần mềm

2.2.1 Hệ điều hành Android

Android là hệ điều hành có mã nguồn mở dựa trên nền tảng Linux được thiết kế dành có các thiết bị di động có màn hình cảm ứng như điện thoại thông minh và máy tính bảng [4]

Ban đầu Android được phát triển bởi tổng công ty Android, với sự hỗ trợ tài chính từ Google, sau này được chính Google mua lại vào năm 2005 và hệ điều hành Android đã ra mắt vào năm 2007[16] Sau đó, nhanh chóng trở thành

hệ điều hành di động phổ biến nhất trên thế giới với 65.53 % thị phần điện thoại thông minh trên toàn cầu (số liệu vào thời điểm cuối năm 2017 [17] được chỉ ra

ở hình 2.6) Chính vì có mã nguồn mở nên hệ điều hành có khả năng tùy biến cao, có thể chỉnh sửa mà không có sự can thiệp hay cấm cản từ Google Khả năng đa nhiệm c ng là một ưu điểm nổi trội, hệ điều hành cho phép chạy cùng lúc nhiều ứng dụng cao với một kho ứng dụng Google Play Store đồ sộ Những yếu tố này đã tạo ra một môi trường thuận lợi thu hút cộng đồng lớn các nhà phát triển thiết kế và triển khai ứng dụng di động c ng như nền tảng cho một số sản phầm thông minh như Android TV, Android Auto và Android VR…

9 https://www.appsapk.com/compass-for-android/

2.2.2 Google APIs - Giao diện lập trình ứng dụng

Google APIs (Application Programming Interfaces) được phát triển bởi Google, là một “giao diện” giữa phần mềm với phần mềm API là cách để các phần mềm (hệ điều hành, ứng dụng, các module trong hệ thống doanh nghiệp,

…vv) giao tiếp với nhau và tận dụng năng lực của nhau Mỗi hệ điều hành, ứng dụng đều có những bộ API khác nhau Nó cung cấp cho người lập trình các hàm tương tác với cơ sở dữ liệu, lập trình thực hiện các thao tác với hệ điều hành hay phần mềm đó Chính vì thế mà các dịch vụ của Google như Serch, Gmail, Translate, Google Maps hay rất nhiều các trang web, ứng dụng, … vv có thể giao tiếp với nhau

2.2.3 Google Location Service API – Lấy vị trí trên thiết bị Android

Để có thể lấy được vị trí người dùng trên Android thì có 2 cách là sử dụng Location API hoặc Google Play Services API Android Location API sử dụng 3 nguồn cung cấp để lấy vị trí bao gồm nguồn ác định vị trí dựa trên vệ tinh, nguồn xác định vị trí dựa trên cột thu phát sóng của mạng di động và các điểm truy cập WIFI hoặc nguồn xác định vị trí sinh ra bởi các nguồn khác Google Play services location API (hình 2.7) là cách mới được phát triển bởi Google cho phép tự động chọn nguồn cung cấp vị trí để sử dụng dựa trên độ chính xác

và mức tiêu thụ PIN Do đó mà API này được Google khuyến khích sử dụng thay thế cho Android Location API c Hiện nay trên thị trường có một số dòng

Hình 2 6: Thị phần các hệ điều hành điện thoại trên thế giới vào năm

2017