TIỂU LUẬN hệ thống định vị toàn cầu GPS

Công nghệ này được Việt Nam sử dụng từgiữa những năm 1990 nhưng chủ yếu để phục vụ cho việc thu thập dữ liệuchính xác tọa độ của các điểm trắc địa gốc để làm cơ sở phát triển các lưới tr

LỜI GIỚI THIỆU

Ở thời điểm hiện nay, công nghệ định vị toàn cầu GPS (Global

Positioning System) đã và đang là công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi trên

thế giới và ở Việt Nam cũng vậy Công nghệ này được Việt Nam sử dụng từgiữa những năm 1990 nhưng chủ yếu để phục vụ cho việc thu thập dữ liệuchính xác tọa độ của các điểm trắc địa gốc để làm cơ sở phát triển các lưới trắcđịa cấp thấp hơn.Gần đây, với việc xuất hiện các thiết bị đo GPS cầm tay đơngiản và giá rẻ, công nghệ GPS được áp dụng vào công tác thu thập thông tin vịtrí trở nên phổ biến hơn Đặc biệt là khi nó được kết hợp với các công nghệkhác như công nghệ GIS và hệ thống viễn thông thì thực sự đã làm cuộc sống

dễ dàng hơn rất nhiều Và đây là một ứng dụng của công nghệ GPS, GIS vàcông nghệ viễn thông để tạo nên một hệ thống giám sát về các thiết bị di động

có gắn thiết bị đo GPS như quản lý ô tô, taxi, xe buýt hay điện thoại thôngminh… có thể điều hành và giám sát được công việc của mình một cách hiệuquả Theo như dự báo, trong thời gian tới các thiết bị GPS sẽ ngày càng nhỏgọn, chính xác tạo điều kiện cho sự bùng nổ trong việc ứng dụng công nghệvào cuộc sống hàng ngày

Và để mục đích nghiên cứu làm chủ công nghệ, trong tiểu luận nhỏ này,

em tập trung vào tìm hiểu công nghệ GPS Đây là cơ hội giúp em tìm hiểu rõ

và chi tiết hơn về công nghệ mà bấy lâu nay em thường xuyên sử dụng

Mục lục

LỜI GIỚI THIỆU 2

Chương 1 4

TÓM TẮT 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.2 Mục tiêu 4

1.3 Giới hạn 4

1.4 Bố cục 4

Chương 1: Tóm tắt 4

Chương 2: Tổng quan về hệ thống GPS 4

Lời kết luận 4

Chương 2 5

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS 5

2.1 Hệ thống GPS 5

2.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS 5

2.2.1 Mảng người dùng 6

2.2.2 Mảng không gian 6

2.2.3 Mảng điều khiển 8

2.3 Thành phần tín hiệu GPS 8

2.3.1 Tín hiệu GPS 10

2.4 Hệ thống GPS hoạt động như thế nào? 14

2.4.1 Hoạt động của GPS 14

2.4.2 Ý tưởng về hệ thống định vị GPS 15

2.4.3 Độ chính xác của hệ thống GPS 16

2.4.4 Những lỗi có thể ảnh hưởng đến tín hiệu GPS 17

2.5 Chuẩn NMEA 18

2.5.1 Giới thiệu về chuẩn NMEA 18

2.5.2 Ghép nối phần Cứng theo chuẩn NMEA 20

2.5.3 Các đoạn mã theo chuẩn NMEA 22

2.5.4 Một số đoạn mã theo chuẩn NMEA để xác định vị trí 26

2.6 Các ứng dụng của GPS trên thiết bị di động 30

Kết luận 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

[5] http://giamsatgps.vn/ GPS là gì, tìm hiểu nguyên lý hoạt động của GPS 31

- Tìm hiểu khái niệm cơ bản về GPS, cách thức hoạt động, ai đã tạo ra GPS,…

- Còn có công nghệ nào hiện đại hơn hay không ?

2.1 Hệ thống GPS

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

độ của vị trí đó

GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng maymắn chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người ở mọi quốc gia sử dụng nó miễnphí

Tính chất và giá cả của các Thiết bị thu tin hiệu GPS nói chung lệ thuộcvào chức năng mà bộ phận thu nhận có ý định Bộ phận thu nhận dùng chongành hàng hải và hàng không thường sử dụng cho tính năng giao diện với thẻnhớ chứa bản đồ đi biển Bộ phận thu nhận dùng cho bản đồ khả năng chínhxác rất cao và có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận dữ liệu nhanhchóng.

2.2.2 Mảng không gian.

Mảng này gồm các vệ tinh GPS mà nó truyền tin hiệu về thời gian và vịtrí tới bộ phận người dùng Tập hợp những 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 vệtinh 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 tinhđược sắp xếp để tối thiểu 4 vệ tinh sẽ được bộ phận người dùng nhìn thấy mọilúc và bao phủ trên toàn cầu, vị trí chính xác hoàn toàn (position dilution ofprecision PDOP) của 6 vệ tinh hoặc ít hơn

Hình 2.2: Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất

Mỗi vệ tinh truyền trên 2 dải tần L tần số L1 có tần số 1575.42 MHz vàL2 có tần số 1227.6 MHz Mỗi vệ tinh truyền trên cùng tần số xác định tuynhiên, tín hiệu mỗi vệ tinh thì thay đổi theo thời gian đến người sử dụng L1mang mã P (precise code) và mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code) L2 chỉmang mã P (P code)

Thông tin của dữ liệu hàng hải được thêm vào các mã này Thông tin dữliệu hàng hải giống nhau sẽ được mang cả 2 dải tần Mã P được mã hoá nên vìthế chỉ mã C/A thì có sẵn đến người sử dụng tuy nhiên, một vài thông tin cóthể 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 tinhđặc 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 random noise-PRN) Đây chỉ là số nguyên mà nó được sử dụng để mã tín hiệu

pseudo-từ các vệ tinh đó Một vài máy ghi nhận nhận biết vệ tinh mà chúng đang ghinhận từ mã SV hoặc mã khác từ mã PRN

2.2.3 Mảng điều khiển.

Mảng điều khiển được dùng để giám sát và điều khiển các vệ tinh Mảngnày thường người sử dụng không thể nhìn thấy, nhưng đây là bộ phận quantrọng của toàn hệ thống Bộ phận điều khiển NAVSTAR, còn gọi là hệ thốngđiều khiển hoạt động (operational control system (OCS)) gồm nhiều trạm giámsát, 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 vệtinh được nhìn thấy và do đó phạm vi tích luỹ dữ liệu từ tín hiệu vệ tinh Có 5trạm giám không chủ động, nằm 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 phíađông 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 pháthiện thiết bi trục trặc Thông tin về tàu thuỷ di chuyển và lịch thiên văn đượctính toán từ tín hiệu giám sát và chuyển đến vệ tinh một lần hoặc hailần/ngày.Thông tin tính toán bởi trạm MCS, cùng với các mệnh lệnh duy trìthường xuyên được truyền bởi anten xoay trên mặt đất Anten này toạ lạc tạiđảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein Anten có đủ phương tiện để truyềnđến vệ tinh theo đường liên kết sóng vô tuyến dải tần S

Thêm vào đó chức năng chính của trạm MCS là để duy trì 24 giờ hệthống bản tin điện tử với tình trạng và tin tức hệ thống sau cùng

2.3 Thành phần tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần số cao, bao gồm 2 tần sốsóng mang được điều chế bởi 2 loại mã (mã C/A và mã P-code) và thông tinđịnh vị Hai sóng mang được phát ra với tần số 1,575.42MHz (sóng mang băngtần L1) và 1,227.60MHz( song mang băng tần L2) Tức là bước sóng gần bằng19cm và 24.4cm.Việc sử dụng 2 loại sóng mang này cho phép sửa lỗi chínhtrong hệ thống GPS đó là sự trễ trong tầng khí quyền, sẽ được giải thích rõ ràng

hơn trong phần sửa lỗi hệ thống Tất cả các vệ tinh GPS phát chung tần số sóngmang L1 và L2, Mỗi vệ tinh sẽ có mỗi mã điều chế riêng.

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 ồnngẫu nhiên) gọi là như vậy vì chúng được tao ra một cách ngẫu nhiên và tínhiệu giống các tín hiệu ồn, nhưng thực tế chúng được phát ra từ các giải thuậttoán học Hiện nay mã C/A chỉ được điều chế ở băng tần L1 còn mã P codeđược được điều chế ở cả 2 dải băng tần L1 và L2 Việc điều chế này gọi làđiều chế lưỡng pha vì pha của chúng dịch 180 độ khi giá trị mã thay đổi từ 0sang 1 hay ngược lại

Mã C/A là 1 luồng bít nhị phân của 1023 số nhị phân và lặp lại bản thânchúng trong mỗi giây Điều này có nghĩa là tốc độ chip của mã C/A là1.023Mbps Hay theo cách khác,chu kỳ của một bit xấp xỉ 1ms hay tươngđương với 300m Việc đo đạc sử dụng mã C/A là kém chính xác so với mã Pcode 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

được chia ra 38 đoạn; 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 cho người ngoài quân sự 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

2.3.1 Tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh GPS truyền đồng thời 2 dải tần L1 và L2 (L1 là1575,42MHz, L2 là 1227,60MHz ) Sóng mang của tin hiệu L1 gồm 1 thànhphần cùng pha và một thành phần vuông pha Thành phần cùng pha là hai phađược 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 kỳ là 1ms và 1 tốc độ xungnhip 1.024MHz

Thành phần vuông pha cũng là hai pha được điều chế bởi 1 luồng dữliệu 50bps nhưng có một sự khác nhau đó là thành phần vuông pha dùng mãgiả ngẫu nhiên được gọi là P Code, nó có xung nhịp là 10.24MHz với chu kỳ

168 tiếng

Biểu thức toán học của sóng L1 là:

Trong đó:

 P1: công suất của thành phần sóng mang cùng pha

dữ liệu 50bps

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

L1: tần số sóng mang

 0: độ dịch pha

Công suất sóng mang vuông pha P Q it hơn xấp xỉ 3db so với P 1

Ngược lại với tín hiệu L1, tín hiệu L2 được điều chế với duy nhất dữ liệu50bps và mã P code

Biểu thức toán học của tín hiệu L2:

Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang qua bộ điều chế rồi sau đóđược mã hóa theo mã C/A rồi được truyền đi

Hình 2.4 cấu trúc của L1

Hình 2.5 Cấu trúc thành phần vuông pha của L1

Hình 2.4 và 2.5 là trình bày cấu trúc của thành phần cùng pha và thành

phần vuông của tín hiệu L1

2.3.1.1 Thông điệp từ chuỗi dữ liệu 50bps.

Chuỗi dữ liệu 50bps chuyên về thông điệp chỉ đường, nó bao gồm nhiềuthông tin và không giới hạn gồm những thứ sau:

 Dữ liệu niêm giám: Mỗi vệ tinh truyền dữ liệu trong không gian đượcgọi 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 Niêmgiám không đủ chính xác để xách dịnh vị trí nhưng có thể được cấtgiữa trong một thiết bi thu ở đâu đó, nó lưu lại trong vài tháng Nóchủ yếu được dung để xác định vệ tinh rõ rang tại 1 vị trí bất kỳ

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

 Dữ liệu về thời gian Chuỗi dữ liệu 50bps bao gồm sự đánh dẫu thờigian, được sử dụng để thiết lập thời gian truyền dẫn của những điểmtrên tin hiệu GPS Thông tin này cần xác định được độ chễ về thờigian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh tới người sử dụng

2.3.1.2 Cấu trúc một thông diệp tín hiệu.

Hình 2.6 Khung dữ liệu của GPS

Một thông điệp đầy đủ là 25 khung hình (frame), mỗi khung hình chứa

1500 bit, mỗi 1 khung dữ liệu lại được chia làm các khung con 300 bit Mỗi khung con bao gồm 10 từ mỗi từ là 30 bit Như vậy với tốc độ truyền 50bps nóphải 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

2.4 Hệ thống GPS hoạt động như thế nào?

2.4.1 Hoạt động của GPS

GPS sử dụng nguyên tắc hướng thẳng tương đối của hình học và lượnggiác học Mỗi vệ tinh liên tục phát và truyền dữ liệu trong quỹ đạo bay của nócho tất cả các chòm sao vệ tinh cộng thêm dữ liệu đến kịp thời và thông tinkhác Do đó, mỗi thiết bị GPS nhận sẽ liên tục truy cập dữ liệu quỹ đạo chínhxác từ vị trí của tất cả vệ tinh có thể tính toán bằng các vi mạch có trên tất cảcác GPS nhận Từ đó tín hiệu hoặc sóng vô tuyến di chuyển ở vận tốc hằng

số ,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 tinhpháp Độ sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách xa vệ tinh baonhiêu bằng cách lấy khoảng thời gian sai lệch nhân với tốc độ của sống vôtuyến 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 2.7 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 Nếu thiết bị thu tín hiệu GPS có thểkhóa được tín hiệu của bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy GPS cóthể tính được vị trí theo ba chiều kinh độ, vĩ độ và độ cao Một khi vị trí người dùng

đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướngchuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thờigian mặt trời mọc, lặn và nhiều yếu tố khác

Hình 2.8: Thông tin của dữ liệu

2.4.2 Ý tưởng về hệ thống định vị GPS

Hình 2.9 Ý tưởng về gps

Theo nguyên tắc thông thường thì để xác định vị trí của 1 vật nào đó tacần xác định được khoảng cách của chúng tới các vật chuẩn khác, ví dụ nhưkhi ta lạc đường , một người chỉ cho ta biết rằng anh đang cách A 15Km, ta chỉbiết được là đang nằm đâu đó trong trên đường tròn bán kính 15Km, nếu 1người khác bảo là ta cách B 20Km thì ta xác định được 2 vị trí bằng cách cho 2đường tròn cắt nhau, và nếu 1 người khác lại cho ta biết rằng vị trí đó cách C

10 Km thì ta sẽ xác định được chính xác vị trí của mình GPS cũng sử dụngnguyên tắc đó để xác định vị trí, tuy nhiên trong không gian, 3 mặt cầu cắtnhau cho ra 2 điểm, nếu sử dụng trái đất là mặt cầu thứ tư thì sẽ xác định được

vị trí của mình Tuy nhiên việc sử dụng như vậy sẽ bỏ qua cao độ vậy nên cần

vệ tinh thứ 4 để xác định được vị trí chính xác của bạn nên 4 vệ tinh đó sẽ chobạn biết khoảng cách của bạn đến nó bằng công thức quãng đường bằng thờigian sóng điện từ truyền nhân với vận tốc sóng truyền, mà vận tốc sóng truyềntính bằng vận tốc ánh sáng và thời gian truyền thì được mã hóa rồi gửi đến máythu

2.4.3 Độ chính xác của hệ thống GPS

Các máy thu GPS hiện nay siêu chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênhhoạt động song song Các máy thu 12 kênh song song nhanh chóng khoá vàocác quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ này, ngay cảtrong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng Tình trạng nhấtđịnh của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chínhxác của máy thu GPS Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình là 15 mét

Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation

System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét Không cần thêm

thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS Người dùng cũng có thể

có độ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các

tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét Cục Phòng vệ Bờbiển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này Hệ thống bao gồm một mạng các đàithu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu Để thuđược tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cảăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ

2.4.4 Những lỗi có thể ảnh hưởng đến tín hiệu GPS

Hệ thống GPS đã được thiết kế để ngày càng chính xác, tuy nhiên trênthực tế khi sử dụng vẫn còn có những lỗi Những lỗi này có thể gây ra một sựlệch từ 50 đến 100m từ vị trí máy thu GPS trên thực tế sau đây có một vàinguồn lỗi được bàn tới:

a Điều kiện khí quyển

Cả tầng điện ly lẫn tầng đối lưu đều khúc xạ những tín hiệu GPS Nógây ra sự thay đổi về tốc độ của tín hiệu trong tầng điện ly và tầng đối lưukhác so với tốc độ tín hiệu GPS trong không gian Bởi vì vậy, khoảng cáchtính toán bằng “tốc độ x thời gian” sẽ khác nhau

b Lỗi do sự giao thoa tín hiệu GPS