TIỂU LUẬN tổng quan về hệ thống GP tổng quan về hệ thống GIS và kỹ thuât xây dựng bản đồ số

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

Tiểu luận được chia làm 2 chương

Chương I : Tổng quan về hệ thống GPS

Chương II: Tổng quan về hệ thống GIS và kỹ thuât xây dựng bản đồsố

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ 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.

1.2.2 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 1.2: 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

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

1.3 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 rànghon 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 tưongđưong 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 hon 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 độ10.23Mbps suy ra mã P code là một luồng gồm 2.35x1014chip mã dài 266 ngàyđược 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

thời điểm đó mã P code được mã hóa bằng việc thêm vào nó 1 loại mã WCODE Và kết quả của việc thêm vào loại mã code này là mã Y CODE vànó

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 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 kỳ là 1ms và 1 tốc độ xung

nhip 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:

S(I) = ự57ỹ/(/)c(/) cosựo/ + + ự2/^/(/)/X/)sin(<0/ + ờ).

Trong đó:

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

• PQ: công suất của thành phần sóng mang vuông pha d(t): 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: 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 liệu

Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang qua bộ điều chế rồi sau đó

được mã hóa theo mã C/A rồi được truyền đi

Hình 1.5 Cấu trúc thành phần vuông pha của L1

Hình 1.4 và 1.5 là 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 về thông điệp chỉ đường, nó bao gồm nhiềuthông tin và không giới hạn gồm những thứ sau:

J Dữ liệu 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 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

J 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 xáccao, để cần dược chuyển đổi sự trễ lan truyền trong việc ước lượng vịtrí của người dùng

J 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 điểmtrên 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

Hình 1.6 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 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

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 bao

■ự:ĩbbị

/ôết

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 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,gian mặt trời mọc, lặn và nhiều yếu tố khác

The Realistic GPS System

The Realistic GPS System

Hình 1.8: Thông tin của dữ liệu

Hình 1.9 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 1

người khác bảo là ta cách B 20Km thì ta xác định được 2 vị trí bằng

đường tròn cắt nhau, và nếu 1 người khác lại cho ta biết rằng vị trí đó

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 cầucắt

nhau cho ra 2 điểm, nếu sử dụng trái đất là mặt cầu thứ tư thì sẽ xác địnhđược

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

vệ tinh thứ 4 để xác định được vị trí chính xác của bạn nên 4 vệ tinh đó sẽcho

bạn biết khoảng cách của bạn đến nó bằng công thức quãng đường bằngthời

gian sóng điện từ truyền nhân với vận tốc sóng truyền, mà vận tốc sóngtruyền

tính bằng vận tốc ánh sáng và thời gian truyền thì được mã hóa rồi gửi

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 thu

được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai

ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ

1.4.4 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

Do sự phản xạ từ các vật cản làm cho tin hiệu GPS giao thoa với nhaulàm cho các thiết bị thu GPS sẽ thu được tín hiệu lỗi

Hình 1.10 Lỗi giao thoa

c Lỗi do sự di chuyển của thiết bị GPS

Do trong qua trình thu tín hiệu GPS các thiết bị GPS di chuyển sẽ xảy ra sai số

cỡ khoảng 5 đến 15m là do có độ trễ xảy ra trong qua trình truyền giữa vệ tinh

và thiết bị GPS do vậy tuy theo tốc độ di chuyển của máy thu GPS mà sai sốgiữa vị trí nhận được và vị trí thực tế của máy thu GPS là bao nhiêu nhưng cỡkhoảng 5 đến 15 m

1.5 Chuẩn NMEA

1.5.1 Giới thiệu về chuẩn NMEA

Hiệp hội điện tử biển quốc gia Mỹ (NMEA - The National MarineElectronics Association) đã xây dựng lên một chuẩn để định nghĩa chuẩn giaotiếp giữa các bộ phận khác nhau của thiết bị điện tử biển Chuẩn này cho phépcác thiết bị điện tử biển gửi thông tin về máy vi tinh, và tới một thiết bị biểnkhác

Thiết bị truyền thông thu GPS cũng được định nghĩa theo chuẩn này.Hầu hết các chương trình máy vi tính được cung cấp để hiểu được thông tin vịtrí hiện tại và nhận dữ liệu dưới dạng chuẩn NMEA Dữ liệu này bao gồm toàn

bộ PTV (vị trí, tốc độ và thời gian) bởi thiết bị thu GPS tính toán được Ýtưởng của NMEA là sẽ gửi một gói dữ liệu gọi là một đoạn mã Đoạn mã nàyhoàn toàn độc lập và riêng rẽ so với các đoạn mã khác Có những đoạn mãchuẩn cho mỗi một thiết bị và cũng có khả năng định nghĩa những đoạn mã chongười dùng bởi các công ty riêng lẻ Tất cả những đoạn mã chuẩn này phải cóhai chữ cái thêm vào đầu để định nghĩa kiểu đoạn mã sử dụng, ví dụ thiết bị thuGPS thêm vào đâu là GP Tiếp theo là ba chữ cái nối tiếp để định nghĩa nộidung đoạn mã Thêm vào đó chuẩn NMEA cho phép những nhà sản xuất tựđịnh nghĩa những đoạn mã sở hữu riêng cho mình nhằm bất kỳ mục đích nào

mà thấy chúng thích hợp Tất cả các đoạn mã được sở hữu đều bắt đầu với chữcái P và tiếp theo là ba chữ cái để nhận biết nhà sản xuất tạo ra đoạn mã đó Ví

dụ một đoạn mã của Garmin sẽ bắt đầu với PGRM và Magellan sẽ bắt đầu với

PMGN Mỗi đoạn mã bắt đầu với một ký tự ‘$’ và kết thúc với một ký

không được kiểm tra bởi tùy vào cách đọc dữ liệu Tổng kiểm tra bao gồm một

ký tự ‘*’ và hai số hex đại diện 1 phép OR 8 bit của tất cả những ký tự giữa,

nhưng không bao gồm, ký tự ‘$’ và ‘*’ Kiểm tra được yêu cầu trên một vàiđoạn mã So với những chuẩn cũ, chuẩn hiện nay đã có nhiều thay đổi Nhưng

với GPS mức thay đổi chỉ là 1,5 và 2.0 hoặc 2,3 Những thay đổi này chỉ chỉ ra

một vài mô hình đoạn mã khác nhau nhưng vẫn khớp với những thiết bị

1.5.2 Ghép nối phần Cứng theo chuẩn NMEA

Giao diện phần cứng (hardware interface) của các GPS được thiết kếnhằm đáp ứng yêu cầu theo chuẩn NMEA Chúng cũng tương thích với hầu hếtcổng nối tiếp của máy tính, sử dụng giao thức RS232, tuy nhiên nghiêm túc mànói, tiêu chuẩn NMEA không phải là RS232 Chúng chỉ giống EIA-422 Tốc

độ kết nối có thể điều chỉnh theo một số mẫu nhưng theo tiêu chuẩn NMEA là

4800 bit/giây với 8 bít dữ liệu, không bít chẵn lẻ và có 1 bít dừng (bit stop) Tất