(Đề tài NCKH) hệ thống giám sát xe buýt ứng dụng công nghệ GPS và công nghệ GPRS

Sử dụng hệ thống này, thông tin chi tiết về đường bộ cần thiết cho lái xeđược truyền đi từ cột tín hiệu đặt trên đường tới hệ thống thiết bị định vị đặt trên xe.Thông tin truyền diện rộn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

HỆ THỐNG GIÁM SÁT XE BUÝT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS VÀ CÔNG

NGHỆ GPRS

MÃ SỐ: T2014 – 09TĐ

SKC004770

Tp Hồ Chí Minh, 2014

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

HỆ THỐNG GIÁM SÁT XE BUÝT ỨNG DỤNG CÔNG

Hệ thống giám sát xe buýt ứng dụng công nghệ GPS và công nghệ GPRS

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

STT Họ và tên Đơn vị công tác và Nội dung nghiên cứu cụ Chữ ký

lĩnh vực chuyên môn thể được giao

Điện Tử - Khoa ĐĐT

tạo phần cứng module thuthập dữ liệu GPS

Nghiên cứu thiết kế, tích

hợp và chế tạo hệ thốngCKM

Thịnh

thông báo tại trạm chờ xebuýt

khiển, viết báo cáo

Hệ thống giám sát xe buýt ứng dụng công nghệ GPS và công nghệ GPRS

MỤC LỤC

Trang

Mục lục iii

Danh sách các bảng v

Danh sách các hình x

Danh mục các chữ viết tắt xi

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1

1.1Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước 1 1.1.1 Tình hình nước ngoài 1

1.1.2 Trong nước 2

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 3

1.3 Mục tiêu – Cách tiếp cận – Phương pháp nghiên cứu 4

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.3.2 Cách tiếp cận 4

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 5

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 5

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 5

1.5 Nội dung nghiên cứu 6

Chương 1: Hệ thống GPS và các phương thức truyền thông qua mạng 7

1.1 Hệ thống GPS 7

1.1.1 Các thành phần của GPS 7

1.1.2 Nguyên lý hoạt động GPS 11

1.1.3 Tín hiệu GPS 13

1.1.4 Nguồn lỗi của tín hiệu GPS 17

1.1.5 Độ chính xác của GPS 18

1.2 Các phương thức truyền thông qua mạng 19

1.2.1 Sơ lược về GPRS 19

1.2.2 Ứng dụng GPRS trong truyền nhận dữ liệu 20 1.2.3 Ứng dụng giao thức TCP/IP trong việc liên kết các user qua mạng interner 21

iii

Chương 2: Thiết kế phần hệ thống giám sát xe buýt qua google map 22

2.1 Phương án thiết kế 22

2.1.1 Yêu cầu đặt ra 22

2.1.2 Lựa chọn phương pháp thiết kế hệ thống 22

2.2 Thiết kê hệ thống 24

2.3 Thiết kế phần hệ thống giám sát xe buýt qua google map 25

2.4 Sơ đồ giải thuật thu thập dữ liệu qua server 25

2.5 Bản đồ google map online 26

2.6 Lưu đồ thuật toán 28

2.7 Thiết kế hệ thống truyền nhận dữ liệu 28

2.7.1 Sơ đồ khối hệ thống 28

2.7.2 Xây dựng phần mềm server 29

2.8 Thuật toán dự đoán thời gian 32

2.8.1 Lưu đồ thuật toán dự đoán thời gian 35

2.8.2 Hệ thống hiển thị thời gian xe buýt đến trạm 35

2.9 Một số lưu giải thuật chi tiết 37

2.9.1 Lưu đồ khởi tạo SIM908 37

2.9.2 Lưu đồ khởi tạo module GSM/GPRS 38

2.9.3 Lưu đồ khởi tạo module GPS 39

2.10 Một số kết quả thực tế 40

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41

3.1 Kết luận 41

3.1.1 Tính khoa học 41

3.1.2 Khả năng ứng dụng vào thực tế 41

3.1.3 Hiệu quả kinh tế - xã hội 41

3.2 Hướng nghiên cứu phát triển 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

PHỤ LỤC 44 Bản sao Thuyết minh đề tài đã được phê duyệt

iv

Hệ thống giám sát xe buýt ứng dụng công nghệ GPS và công nghệ GPRS

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: 8

Bảng 1.2: 8

Bảng 1.3: 10

Bảng 1.4: 17

Bảng 1.5: 21

Bảng 3.1:. 48

v

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 1.1:. 24

Hình 1.2:. 26

Hình 1.3:. 29

Hình 1.4: 33

Hình 2.1:. 42

Hình 2.2:. 43

Hình 3.1: 45

Hình 3.2:. 46

Hình 3.3: 47

Hình 3.4:. 51

Hình 3.5:. 52

vi

Hệ thống giám sát xe buýt ứng dụng công nghệ GPS và công nghệ GPRS

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Communications

theo mã

vii

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Tp HCM, ngày 07 tháng 11 năm 2014

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

Tên đề tài: Hệ thống giám sát xe buýt ứng dụng công nghệ GPS và công nghệ GPRS

Ngoài ra, đề tài còn có ý nghĩa hiện đại hóa và tự động hóa trong lĩnh vực giao thông vận tảibằng cách đưa những thành tựu công nghệ hiện đại vào phục vụ xã hội và nhu cầu của con người

3 Tính mới và sáng tạo:

Đề tài nghiên cứu đã tìm hiểu rõ hơn về phương pháp xây dựng, điều chỉnh, quản lý cơ sở dữ liệumột cách hiệu quả, trực quan và dễ dàng sử dụng, chỉnh sửa Bên cạnh đó là việc thiết kế hệ thốngbản đồ và nhúng tọa độ tương ứng lên bản đồ đã giúp làm tăng thêm sự hiểu biết về bản đồ onlinecủa Google phát triển

4 Kết quả nghiên cứu:

5 Sản phẩm:

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

ứng dụng kết quả của đề tài cho các mục tiêu phục vụ cộng đồng

Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài

viii

Device supervises the bus travelling system through GPS and GPRS technology

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Device supervises the bus travelling system through GPS and GPRS technology

Code number: T2014-09TĐ

Coordinator: Master of Engineering Dương Thị Cẩm Tú

Implementing institution: University of Technical Education Ho Chi Minh City

Duration: from 06/2013 to 12/2014

2 Objective(s):

The article presents a model for supervising the travelling of buses through GPS and GPRStechnology The software is programmed by Module GPS, microprocessor, SQL Server and Googlemap It is clear that many applications are included such as positioning, data acquisition, distancemeasurement, voice and visual message signs, Graphical User Interface (GUI) with more exactmeasurement Real time bus arrival time prediction could assist transit operators in understandingand improving the quality of bus system

3 Creativeness and innovativeness:

The experiment results indicate that the proposed model is providing real-time information onbus arrival and departure times to passengers to attract more public transport users In addition, voiceand visual message signs are installed on buses helping the passengers, especially disabled peoplecan get the bus stop information more easily

4 Research results:

5 Products:

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

- The research results are used as reference for undergraduate and postgraduate students

- The research results can be used as a reference for building the smart bus system for the comment services

ix

đã được thành lập từ năm 1990 với tên gọi "Hiệp hội phương tiện giao thông thôngminh đường bộ Hoa Kỳ" Từ năm 1992 EU đã có nhiều chương trình, dự án nghiêncứu, ứng dụng công nghệ thông tin trong GTVT Năm 1998 Hàn Quốc là nước chủnhà tổ chức Hội nghị quốc tế về ITS và công bố chương trình tổng thể quốc gia về ITS

do Bộ GTVT và Xây dựng chủ trì Năm 1996 Bộ GTVT Trung Quốc đã thành lậpTrung tâm nghiên cứu về ITS và hệ thống quản lý giao thông tự động đã được triểnkhai ở Bắc Kinh Malayxia đang đẩy mạnh phát triển ITS và đã có dự án tổng thể vềITS Hệ thống ITS đã được lắp đặt ở một số tuyến đường thu thuế Năm 1996, các cơquan của chính phủ Nhật Bản đã phối hợp soạn thảo"Chương trình tổng thể về ITS củaNhật Bản" v.v

Bước khởi đầu để triển khai ITS tại Nhật Bản, các thông tin về giao thông đượccung cấp qua Hệ thống thông tin liên lạc phương tiện giao thông (VICS) Đây là một

hệ thống dữ liệu số nhằm cung cấp cho các lái xe thông tin cập nhật về giao thôngđường bộ Sử dụng hệ thống này, thông tin chi tiết về đường bộ cần thiết cho lái xeđược truyền đi từ cột tín hiệu đặt trên đường tới hệ thống thiết bị định vị đặt trên xe.Thông tin truyền diện rộng được thông qua đài phát sóng FM Từ 1996-1998, số lượng

hệ thống VICS bán ra đã đến 600.000 chiếc Nơi được trang bị đầu tiên là các đườngphố của thủ đô Tôkyô Hệ thống hỗ trợ lái xe tự động trên đường cao tốc (AHS) đã

1

Chương mở đầu

được nghiên cứu và phát triển từ năm 1991 Mục tiêu nghiên cứu là cảnh báo nhữngnguy hiểm phía trước trên đường, xác định vị trí của các phương tiện giao thông khác,ngăn ngừa va đập đằng sau AHS được nghiên cứu trên 3 lĩnh vực chủ yếu: Thông tin:nghiên cứu việc cung cấp thông tin cho lái xe; Điều khiển: nghiên cứu hỗ trợ điềukhiển xe; Dẫn đường tự động: nghiên cứu hỗ trợ lái xe hoàn toàn tự động Sự an toàncủa lái xe là trách nhiệm của hệ thống này Dự án Phương tiện giao thông an toàn cao(ASV) cũng đã bắt đầu được nghiên cứu từ 1991 bao gồm 6 lĩnh vực và 32 hệ thống.Nhiều kết quả đã đạt được trong phát triển công nghệ tự động Một số nhà sản xuất ôtô

đã bán ra các hệ thống điều khiển dẫn đường thích ứng Hệ thống thu thuế đường điện

tử để chống ùn tắc giao thông (ETS) đã được nghiên cứu từ 1990 và triển khai tháng

3-1997 Hệ thống này của Nhật Bản phù hợp với tất cả các kiểu thu thuế đường trong khi

sử dụng cùng một thiết bị trên xe Giai đoạn từ 2000 đến nay thực sự là một cuộc cáchmạng trong hệ thống giao thông với các dịch vụ của ITS cho người sử dụng ở Nhật Từ2005-2010, theo chương trình đã xây dựng, ITS sẽ kết hợp công nghệ mới với nângcấp cơ sở hạ tầng, hoàn thiện pháp chế và thể chế xã hội, lái xe tự động sẽ trở thànhhiện thực, hạn chế tối đa ùn tắc giao thông

1.1.2 Trong nước

Tháng 11/2005 Phòng Thương mại và công nghệ Việt Nam phối hợp với TrườngĐại học GTVT đã tổ chức một cuộc hội thảo bàn về giải pháp tự động hoá phục vụcông tác điều hành giao thông và giới thiệu “Hệ thống điều khiển giao thông thôngminh” do nhóm nghiên cứu Bộ môn Điều khiển học thuộc Đại học GTVT thực hiện

Hệ thống này gồm nhiều thiết bị khác nhau được gắn lên các phương tiện giaothông như: Hộp đen dùng để ghi lại các tình huống hoạt động của xe trong suốt thờigian vận hành Hộp đen này sử dụng công nghệ định vị GPS để xác định tốc độ, giatốc và hướng chuyển động của xe

2

Tháng 04/2010 nhóm nghiên cứu trường Đại học Quốc tế TP.HCM vừa hoàn thành

đề án cảnh báo kẹt xe từ xa bằng hệ thống cảm biến và quang báo Hệ thống cảnh báobao gồm các cảm biến (sensor), biển báo, thiết bị truyền nhận thông tin đặt tại địa điểmhoặc giao lộ cần quan sát Trong trường hợp kẹt xe, cảm biến (nhân công hoặc tựđộng) tại điểm kẹt xe sẽ thông báo về trung tâm điều khiển giao thông Thông tin nàyđược hiển thị trên bản đồ GIS tại trung tâm để hỗ trợ CSGT nhanh chóng đưa raphương án giải quyết các nút ùn tắc Đồng thời, trung tâm có thể gửi thông tin chỉ dẫntránh kẹt xe lên các bảng quang báo đặt tại các giao lộ có hướng đi về điểm kẹt xe Hệthống quang báo này sẽ giúp người lái xe biết sớm tình trạng kẹt xe và hướng dẫnnhững lộ trình lưu thông tránh khỏi điểm ùn tắc

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Từ cuối những năm 90 của thế kỷ 19, khái niệm hệ thống giao thông thông minhmới được nhắc đến ở Việt Nam Tuy nhiên, đến nay mới chỉ có một số sách báo giớithiệu khái quát về hệ thống này, nhưng chưa đi sâu nào phân tích, giải quyết các vấn

đề chuyên môn Mặc dù được đánh giá là xu thế phát triển tất yếu, nhưng việc xâydựng hệ thống giao thông thông minh ở nước ta không phải là đơn giản vì đòi hỏi có

là xu thế tất yếu của sự phát triển trong tương lai, mà còn có tính khả thi nhất định ởViệt Nam

3

Chương mở đầu

1.3 Mục tiêu – Cách tiếp cận – Phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài đi sâu tìm hiểu, thi công sản phẩm ứng dụng hệ thống định vị GPS kết hợpvới hệ thống mạng GSM/GPRS vào thực tế

Về mặt ứng dụng thực tiễn, đề tài xây dựng một hệ thống giao thông xe buýt đượcquản lý và giám sát một cách hệ thống cùng những ứng dụng được lắp đặt thực nghiệmtrong xe buýt và trạm chờ sẽ cung cấp tới người sử dụng xe buýt thông tin chính xác rõràng

Ngoài ra, đồ án còn có ý nghĩa hiện đại hóa và tự động hóa trong lĩnh vực giaothông vận tải bằng cách đưa những thành tựu công nghệ hiện đại vào phục vụ xã hội

và nhu cầu của con người

1.3.2 Cách tiếp cận

các nước tiên tiến trên thế giới: Mỹ, Nhật, Đức, Anh, Singapore Đồng thời cũng tìmhiểu, nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ, từ đó đưa ra phương án tối ưu nhất

qua GPRS

phù hợp

4

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

khiển

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ GPS, GPRS, hệ thống giám sát hành trình,

Led ma trận

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

5

ổn định hệ thống điện.

PHẦN NỘI DUNG

Chương 1: hệ thống GPS và các phương thức truyền thông qua mạng

Trình bày lý thuyết về hệ thống GPS, các ưu và nhược điểm, nguyên lý hoạt động

và các phương thức truyền thông qua mạng, bao gồm GPRS

Chương 2: Thiết kế phần hệ thống giám sát xe buýt qua Google map

Trình bày các phương án thiết kế từ đó chọn giải pháp tối ưu nhất và các thuậttoán, lưu đồ thuật toán cho hệ thống

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trình bày các kết quả đạt được trong đề tài, và hướng nghiên cứu phát triển của đềtài

6

Chương 1

động có thể được kích hoạt lại nếu cần thiết Chúng cách mặt đất 20.200 km, bánkính quỹ đạo 26.600 km Chúng chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạotrong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ Các vệ tinh trênquỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu

1.1.1.3 Phần kiểm soát

Hình 1.2: Hệ thống các trạm kiểm soát và ăng-ten

Gồm một mạng lưới các phương tiện kiểm soát theo dõi các vệ tinh, theo dõiđường truyền, nhận tín hiệu và phân tích xử lý

trạm quan sát chuyên dụng của Không quân Hoa Kỳ đặt ở Hawaii, Kwajalein, ĐảoAscension, Diego Garcia, Colorado Springs, Colorado và Cape Canaveral, cùng vớicác trạm quan sát NGA được vận hành ở Anh, Argentina, Ecuador, Bahrain, Úc vàWashington DC Thông tin đường bay của vệ tinh đi được gởi đến Air Force SpaceCommand's MCS ở Schriever Air Force Base 25 km đông đông nam của ColoradoSprings, do 2nd Space Operations Squadron (2 SOPS) của U.S Air Force vận hành.Sau đó 2 SOPS liên lạc thường xuyên với mỗi vệ tinh GPS thông qua việc cập nhậtđịnh vị sử dụng các ăng-ten mặt đất chuyên dụng hoặc dùng chung (AFSCN)(cácăng-ten GPS mặt đất chuyên dụng được đặt ở Kwajalein, đảo Ascension, DiegoGarcia, và Cape Canaveral) Các thông tin cập nhật này đồng bộ hóa với các đồng

hồ nguyên tử đặt trên vệ tinh trong vòng một vài phần tỉ giây cho mỗi vệ tinh, vàhiệu chỉnh lịch thiên văn của mô hình quỹ đạo bên trong mỗi vệ tinh Việc cập nhậtđược tạo ra bởi bộ lọc Kalman sử dụng các tín hiệu/thông tin từ các trạm quan sáttrên mặt đất, thông tin thời tiết không gian, và các dữ liệu khác

Hình 1.3: Hoạt động giữa trạm điều khiển và vệ tinh 1.1.1.2 Phần sử dụng

Phần sử dụng là thiết bị nhận tín hiệu vệ tinh GPS và người sử dụng thiết bị này

Máy thu GPS là một thiết bị như một máy tính nhỏ gọn có màn hình gắn liền vàanten nhận tín hiệu GPS Thiết bị này thường chỉ là thiết bị có thông tin một chiều.Nhờ anten GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh Hệ điều hành của máy sẽ thể hiện vị trí trên

9

Chương 1

bản đồ được gài sẵn trong thiết bị Khi hệ thống giao thông rộng lớn, phức tạp, cónhiều điểm chia cắt, cầu vượt … thì GPS – Navigation là cần thiết và hoàn toàn cóthể đầu tư Chi phí cho GPS – Navigation là giá của thiết bị + nâng cấp bản đồ

Hình 1.4: GPS – Navigation

GPS – Theo dõi và Điều hành: Là thiết bị định vị khác với thiết bị GPS –Navigation Đây là thiết bị có giao lưu thông tin hai chiều, chính vì thế sẽ phức tạphơn nhiều và khả năng ứng dụng của các thiết bị này rộng lớn hơn Tùy theo lĩnhvực hoạt động của thiết bị, phần cứng của thiết bị có cấu trúc đơn giản hay rất phứctạp tùy theo các ứng dụng mở rộng kèm theo GPS – Theo dõi và Điều hành sửdụng cùng một lúc nhiều công nghệ cao:

Công nghệ xác định vị trí – GPS,

Công nghệ GSM – Đảm bảo liên lạc thông tin hai chiều,

Công nghệ Điện thoại viễn thông,

Công nghệ GPRS/EDGE – Công nghệ chuyền dữ liệu qua GSM,

Công nghệ INTERNET – Công nghệ tiên tiến nhất của nhân loại

10

Hình 1.5: GPS – Theo dõi và Điều hành

Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thôngtin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình,quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của GPS

Nguyên lý xác định toạ độ của hệ thống GPS được dựa trên công thức tính:

quãng đường = vận tốc x thời gian.

Vệ tinh phát ra các tín hiệu (bao gồm vị trí của chúng, thời điểm phát tín hiệu)dạng hình cầu với bán kính bằng khoảng cách từ máy thu GPS tới nó và giao điểmcác hình cầu này chính là vị trí của máy thu

Công việc của một máy thu GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa,tính toán khoảng cách từ các vệ tinh và sử dụng các thông tin đó để xác định vị trícủa chính nó Từ 4 vệ tinh sẽ phát ra tín hiệu dạng hình cầu với bán kính (là thờigian tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu x vận tốc sóng điện từ) bằng khoảng cách từmáy thu GPS tới nó và giao điểm các hình cầu này chính là vị trí của máy thu

Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ các vệ tinh,máy thu GPS tính toán ra được hai thứ trên Máy thu loại tốt có thể thu nhận tín

11

Chương 1

hiệu của nhiều vệ tinh đồng thời Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức

là 300 ngàn km/giây trong chân không

Giả sử rằng tín hiệu truyền trên đường thẳng, đây chính là khoảng cách từ vệtinh đến máy thu Để thực hiện phép đo này, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồtrên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau Một sai số 1 mili giây sẽ dẫnđến sai số là 300 ngàn mét Do đó, độ chính các tối thiểu cho các máy thu phải là cỡnano giây Để có độ chính xác như vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử cho các vệtinh Mỗi quả vệ tinh mang theo một đồng hồ nguyên tử, nhưng mỗi máy thu thì chỉtrang bị đồng hồ quartz thông thường Các đồng hồ quartz này được điều chỉnh liêntục dựa vào tín hiệu được truyền đi từ các vệ tinh Trên lý thuyết thì 4 mặt cầu phảigiao nhau tại 1 điểm Nhưng do sai số đồng hồ quartz, 4 mặt cầu đã không cho 1giao điểm duy nhất Biết rằng sai số này gây ra bởi đồng hồ trên máy thu là nhưnhau ¥t, máy thu có thể dễ dàng loại trừ sai số này bằng cách tính toán ra lượnghiệu chỉnh cần thiết để 4 mặt cầu giao nhau tại một điểm Dựa vào đó, máy thu tựđộng điều chỉnh đồng hồ cho đồng bộ với đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh Nhờ đó

mà đồng hồ trên máy thu có độ chính xác gần như tương đương với đồng hồ nguyêntử

Biết khoảng cách rồi, chúng ta còn phải biết vị trí chính xác của các vệ tinhtrên quĩ đạo Do các vệ tinh chuyển đông trên các quĩ đạo biết trước và có thể dựđoán được.Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều có chứa một bảng tra vị trí tính toáncủa tất cả các vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào gọi là Almanac Lực hút của mặttrăng, mặt trời có ảnh hưởng nhất định làm thay đổi quĩ đạo của các vệ tinh mộtchút xíu nhưng bộ quốc phòng Mỹ liên tục theo dõi vị trí chính xác của các vệ tinh

và truyền thông số hiệu chỉnh đến các máy thu thông qua tín hiệu từ vệ tinh

Giả sử Nếu bạn biết rằng minh đang ở cách vệ tinh A 20 km, bạn có thể ở bất kỳnơi nào trên một mặt cầu khổng lồ có bán kính 20 km Nếu bạn biết thêm rằng bạnđang ở cách vệ tinh B 30 km, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V

12

Và nếu bạn biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ có thêm một mặtcầu, mặt cầu này giao với đường tròn V tại hai điểm Trái đất chính là mặt cầu thứ

tư, một trong hai giao điểm sẽ nằm trên mặt đất, điểm thứ hai nằm lơ lửng đâu đótrong không gian và dễ dàng bị loại ( trừ khả năng bạn đang trên máy bay) Với việcgiả sử trái đất là một mặt cầu, ta đã bỏ qua cao độ của bạn vì 1 điểm nằm trên tráiđất nên cao độ bằng 0 Do vậy để có cả tung độ, hoành độ và cao độ, bạn cần thêmmột vệ tinh thứ tư nữa

Hình 1.6: giao tiếp giữa thiết bị và các vệ tinh

1.1.3 Tín hiệu GPS

Hình 1.7: tín hiệu GPS

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải L

là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân

13

Chương 1

sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa làchúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà

L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên"(pseudo random), đó là mã Protected (P) và

mã Coarse/Acquisition (C/A) Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, chophép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu Mục đích của các mã tín hiệu này là đểtính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS

Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào là phát thông tin nào Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của vệ tinhnào

Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗithời điểm trong ngày Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống

Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quantrọng về trạng thái của vệ tinh, ngày giờ hiện tại

Những dữ liệu được liên tục truyền của mỗi vệ tinh Từ những dữ liệu

thu được của ngày, thời gian khoảng thời gian và vị trí của các vệ tinh

Các dữ liệu đầy đủ tín hiệu bao gồm 37.500 bit và với một tốc độ truyền tải của tổng số 50bit/s là 12,5 phút là cần thiết để nhận được tín hiệu đầy đủ Thời gian này

là yêu cầu của một máy thu GPS cho đến khi xác định vị trí đầu tiên có thể, nếu không có thông tin về các vệ tinh được lưu trữ hoặc thông tin lỗi thời

14

Các tín hiệu dữ liệu được chia thành 25 khung , có chiều dài 1500 bit (cónghĩa là một khoảng thời gian 30 giây để truyền).

Hình 1.8 Các khung dữ liệu

25 khung được chia thành nhiều khung phụ (300 bit, 6 giây), một lần nữa được chia thành 10 từ ( WORD 30 bit, 0.6 giây) Từ đầu tiên của mỗi khung phụ TLM (từ ở xa) Nó chứa thông tin về tuổi của các dữ liệu thiên văn Từ tiếp theo là HOW(giao từ), trong đó có số lượng tính z-epoches Những dữ liệu này chứa thời gian từ cuối cùng "khởi động lại" của thời gian GPS vào ngày chủ nhật trước 00:00 giờ Như các mã P là 7 ngày, HOW được sử dụng bởi quân đội thu để xác định vị trícủa họ truy cập vào mã-P

Phần còn lại của khung phụ đầu tiên chứa dữ liệu về tình trạng và tính chính xác của các vệ tinh truyền cũng như dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ Khung phụ thứ hai

và thứ ba chứa các thông số thiên văn Khung phụ 4 và 5 có chứa các dữ liệu về thời gian trong đó bao gồm thông tin về các thông số quỹ đạo của tất cả các vệ tinh, tình trạng kỹ thuật của họ và cấu hình thực tế, mã số và như vậy Khung phụ 4 chứa

dữ liệu cho các vệ tinh số 25 - 32, chỉnh sửa dữ liệu tầng điện ly, các thông tin đặc biệt và thông tin thời gian UTC, khung phụ 5 chứa các dữ liệu thời gian cho 1 vệ tinh - 24 cũng như thời gian và số lượng của tuần GPS

được từ vị trí thực tế Người nhận giới hạn tìm kiếm của mình để các vệ tinh đã xác định trước và do đó tăng tốc độ xác định vị trí.

Như đã đề cập trước đó, tín hiệu dữ liệu có chứa tham số điều chỉnh cho đồng hồ vệtinh Tại sao điều này cần thiết, nếu các đồng hồ nguyên tử là hoàn toàn chính xác?

Mỗi vệ tinh mang theo đồng hồ nguyên tử và có một thời gian rất chính xác.Tuy nhiên, các đồng hồ nguyên tử của các vệ tinh cá nhân không đồng bộ GPS thời gian cung cấp, nhưng chạy riêng theo giờ của nó Do đó, dữ liệu hiệu chỉnh cho đồng hồ của mỗi vệ tinh được yêu cầu Hơn nữa, thời gian tham khảo GPS là khác nhau từ thời gian UTC (thời gian thế giới) được đồng bộ với chuyển động quay của trái đất bằng các phương tiện giây nhuận

Nếu một vệ tinh không truyền tải dữ liệu của nó một cách chính xác quỹ đạocủa nó là không ổn định, nó có thể được đánh dấu như không đảm bảo bởi các trạmkiểm soát Thông tin này được truyền qua vệ tinh trong tín hiệu của nó Người nhậnsau đó không nhận các dữ liệu từ vệ tinh này vào tài khoản để xác định vị trí Ít nhất

là nếu phần mềm của họ được lập trình

Một lý do điển hình tại sao vệ tinh được đánh dấu là bị lỗi là sự cần thiết phải điều chỉnh quỹ đạo Trong trường hợp này bộ đẩy của vệ tinh được đốt cháy vàđánh dấu khiếm khuyết được loại bỏ ngay khi các vệ tinh đã ổn định trong quỹ đạo của nó

Khi dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch được lưu trữ trong các máy thu GPS, nó phụ thuộc vào thực tế bao lâu GPS cần xác định vị trí đầu tiên của nó Nếu người nhận không có bất kỳ liên lạc với các vệ tinh thời gian dài, xác định vị trí đầu tiên

sẽ mất nhiều thời gian Nếu liên lạc đã bị gián đoạn trong một thời gian ngắn (ví dụ như khi lái xe qua một đường hầm), việc xác định vị trí khởi động lại ngay lập tức

và chúng tôi nói về việc khởi động lại

16

Chương 1

Nếu vị trí và thời gian được biết đến và dữ liệu Lịch thiên văn, chúng ta nói

về một sự khởi động nóng Đây là trường hợp khi nhận được bật tại vị trí khoảng trong vòng 2 - 6 giờ sau khi xác định vị trí cuối cùng Trong trường hợp này, một

vị trí sửa chữa có thể được lấy trong vòng khoảng 15 giây

Nếu các dữ liệu lịch và dữ liệu thiên văn của người nhận là chính xác nhưng các dữ liệu thiên văn là lỗi thời, lúc này nó sẽ khởi động nóng Trong trường hợp này phải mất khoảng 45 giây để hiện thực hóa các dữ liệu thiên văn và có được một vị trí sửa chữa Dữ liệu Lịch thiên văn là lỗi thời khi hơn 2 - 6 giờ đã trôi qua kể từ khi tiếp nhận dữ liệu mới nhất từ vệ tinh trong tầm nhìn Các vệ tinh mới đã đi vào tầm nhìn kể

từ khi xác định vị trí cuối cùng, sự hởi động nóng trở lại sẽ lâu hơn

Nếu cả địa điểm và dữ liệu thời gian và vị trí cuối cùng không được biết đến,chúng ta nói về một sự khởi đầu lạnh Sau đó, trong bước đầu tiên tất cả các dữ liệuthời gian có thể được thu thập từ các vệ tinh, công đoạn này chiếm đến 12,5 phút.Điều này xảy ra khi người nhận đã được tắt trong vài tuần, đã được lưu trữ mà không có pin hoặc đã đi du lịch khoảng 300 km trở lên kể từ khi vị trí sửa chữa cuốicùng

Trong trường hợp cuối cùng không có dữ liệu thời gian có thể được thu thập,nhưng là "nhầm" vệ tinh trong tầm nhìn, người nhận có để sàng lọc tất cả các vệ tinh cho đến khi nó tìm thấy những vệ tinh trong tầm nhìn Đối với rất nhiều thiết bịnhận thời gian bằng một sự khởi động nguội có thể ngày và vị trí gần đúng được nhập bằng tay được rút ngắn

1.1.4 Nguồn lỗi của tín hiệu GPS

Những yếu tố có thể làm giảm tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới chính xác bao gồm:

17

 Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion – Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển.

các đối tượng khác trước khi tới máy thu

hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS

không chính xác

thấy thì càng chính xác Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí tán lá dầy có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất

tinh ở thời điểm bất kì Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các quả vệ tinh ở vị trí tạo các góc rộng với nhau Phân bố xấu xảy ra khi các quả vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc cụm thành nhóm

đặt của Bộ Quốc phòng Mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ quân sự dùng tín hiệu GPS chính xác cao Chính phủ Mỹ đã ngừng việc này từ tháng 5 năm 2000, làm tăng đáng kể

độ chính xác của máy thu GPS dân sự

1.1.5 Độ chính xác của GPS

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

18

Chương 1

Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area AugmentationSystem) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét WAAS là một hệ thốngđịnh vị cực kỳ chính xác được phát triển cho hàng không dân dụng Trước khi cóWAAS, hệ thống không gian quốc gia Mĩ (NAS) không có khả năng cung cấp điềuhướng nằm ngang và thẳng đứng cho các hoạt động tiếp cận cho tất cả người sửdụng tại tất cả các địa điểm Với WAAS, khả năng này là hoàn toàn có thể

Hình 1.9: hệ thống WAAS ứng dụng cho hàng không

WAAS cung cấp dịch vụ cho tất cả các loại máy bay trong tất cả các giaiđoạn của chuyến bay - bao gồm cả trên đường chuyển hướng, khởi hành sân bay, vàđến sân bay Điều này bao gồm các phương pháp hướng dẫn tiếp cận hạ cánh theophương thẳng đứng trong điều kiện cụ khí tượng tại tất cả các địa điểm

1.2 Các phương thức truyền thông qua mạng

kết hợp các khe thời gian chuẩn GSM, tốc độ theo lý thuyết có thể đạt tới 171,2kbps Tuynhiên, tốc độ 20-50kbps là khả thi hơn trong thực tế.

Kết nối liên tục: GPRS là dịch vụ kết nối liên tục, mà không cần phải quay số Đâykhông phải là một tính năng duy nhất có ở GPRS, nhưng sẽ không có trở ngại nào để nó trởthành tính năng then chốt khi chuyển tiếp lên 3G Nó giúp cho các thiết bị tiếp nhận cácdịch vụ một cách tức thời

Các ứng dụng giá trị gia tăng mới và tốt hơn: Kết nối truyền dữ liệu tốc độ cao vàliên tục cho phép các ứng dụng internet và các dịch vụ như hội thoại hình có thể được thựchiện trên các thiết bị di động hay chuyển tới máy PC

Chi phí đầu tư và vận hành: Các nhà cung cấp dịch vụ mạng di động không cầnphải bắt đầu từ vạch xuất phát để có thể triển khai GPRS GPRS được nâng cấp từ mạngGSM đã có

Cước phí dịch vụ truyền tải dữ liệu bằng GPRS thường được tính trên lưu lượngtruyền tải, trong khi đó phương pháp truyền thống sử dụng chuyển mạch kênh được tínhdựa trên thời gian kết nối, không phụ thuộc vào việc người sử dụng đang truyền tải dữ liệuhay ở trạng thái nghỉ

1.2.2 Ứng dụng GPRS trong truyền nhận dữ liệu

Ứng dụng GPRS trong truyền nhận dữ liệu mang lại nhiều ưu thế hơn so với SMS:

20