Đánh giá các kỹ thuật định vị phương tiện vận tải sử dụng gps,đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ***** ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG GPS Giáo viên hướng dẫn: TS VÕ TRƯỜNG SƠN 2.Th.S VÕ THIỆN LĨNH Sinh viên thực hiện:1.TRẦN TUẤN DƯƠNG 2.CAO PHƯƠNG THẢO 3.HUỲNH THỊ LỆ PHƯƠNG 4.NGUYỄN ĐÌNH HẢI Lớp: Kỹ thuật viễn thông K49 Cầu – Đường - K50 TP.Hồ Chí Minh - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ***** ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG GPS Giáo viên hướng dẫn: TS VÕ TRƯỜNG SƠN 2.Th.S VÕ THIỆN LĨNH Sinh viên thực hiện:1.TRẦN TUẤN DƯƠNG 2.CAO PHƯƠNG THẢO 3.HUỲNH THỊ LỆ PHƯƠNG 4.NGUYỄN ĐÌNH HẢI TP.Hồ Chí Minh - 2012 Đề tài NCKHSV NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TP.Hồ Chí Minh, Ngày …tháng 05 năm 2012 Th.S VÕ THIỆN LĨNH Nhóm SVTH TS.VÕ TRƯỜNG SƠN Page Đề tài NCKHSV LỜI CẢM ƠN Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Giao Thông VậnTải – Cơ Sở 2, Phịng Đào Tạo, Phịng Khoa Học Cơng Nghệ, Khoa Điện-Điện Tử Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Chúng em xin gửi lời cảm ơn trân trọng sâu sắc đến Thầy VÕ TRƯỜNG SƠN Thầy VÕ THIỆN LĨNH – người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn cho nhóm chúng em suốt trình nghiên cứu thực đề tài: “ ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG GPS” Xin cảm ơn thầy khoa, người hết lòng giúp đỡ chúng em suốt trình thực đề tài nghiên cứu lĩnh vực liên quan đến đề tài Dù nhiều cố gắng, song báo cáo chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót hạn chế Mong nhận chia sẻ, đóng góp ý kiến q báu q thầy độc giả Tác giả Nhóm sinh viên Nhóm SVTH Page Đề tài NCKHSV MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Sự phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật công nghệ khiến sống người ngày trở nên tiện nghi hơn, nhu cầu dịch vụ tiện ích trở nên phát triển Hơn nữa, theo tinh thần Nghị định 91/2009/NĐ-CP: Đến ngày 1/7/2011, xe ôtô kinh doanh vận tải hành khách theo tuyến cố định có cự ly từ 500km trở lên, xe kinh doanh vận chuyển khách du lịch, xe ơtơ kinh doanh vận tải hàng hóa container phải gắn thiết bị giám sát hành trình Đến ngày 1/1/2012, xe ôtô kinh doanh vận tải hành khách tuyến cố định có cự ly từ 300km trở lên, xe buýt, xe kinh doanh vận tải hành khách hợp đồng phải gắn thiết bị giám sát hành trình Đến ngày 1/7/2012, xe ôtô đơn vị kinh doanh vận tải hành khách xe ôtô theo tuyến cố định, xe buýt, kinh doanh vận tải hành khách theo hợp đồng phải lắp đặt thiết bị giám sát hành trình trì tình trạng kỹ thuật tốt thiết bị giám sát hành trình xe [1] Để đáp ứng nhu cầu đó, việc ứng dụng cơng nghệ GPS tốn quản lý phương tiện vấn đề cấp thiết Đặc biệt tình trạng giao thơng diễn biến phức tạp nay, với việc cắt giảm chi phí cho xã hội, doanh nghiệp giảm thiểu vấn đề an ninh Hoạt động phương tiện nằm tầm kiểm sốt trung tâm (trên tồn lãnh thổ Việt Nam) Do mà có nhiều phương pháp áp dụng để tính tốn định vị phương tiện vận tải.Để chọn phương pháp phù hợp với điều kiện doanh nghiệp nước việc so sánh,đánh giá phương pháp trang thiết bị ứng dụng vấn đề trước tiên cần xét đến thiết lập hệ thống giám sát phương tiện vận tải để từ khai thác tối ưu lợi hệ thống hoạt động hạn chế mặt bất lợi phương pháp chưa hiệu Nhóm SVTH Page Đề tài NCKHSV Đề tài sử dụng lý thuyết hệ thống định vị toàn cầu GPS, phương pháp thực liệu đồ số GIS, phương pháp truyền liệu từ thiết bị trung tâm,các phương pháp kết hợp tính tốn hệ thống định vị để đánh giá đưa nhận xét khách quan hệ thống hoạt động II Mục tiêu nghiên cứu đề tài • Nghiên cứu tổng quan định vị GPS • Nghiên cứu đánh giá kỹ thuật định vị phương tiện vận tải sử dụng GPS điều kiện khác môi trường đô thị, môi trường hầm, môi trường rừng núi • Đề suất sơ giải pháp nhằm nâng cao tính xác kỹ thuật định vị phương tiện vận tải III Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài là: • Cấu trúc hệ thống GPS • Ngun lý truyền tín hiệu GPS • Cấu trúc tín hiệu GPS • Hệ thống GLONASS • Bộ định vị quán tính (INS) • Phương pháp định vị hệ thống thông tin di động GSM • Mạng không dây AD-HOC • Các kỹ thuật định vị phương tiện vận tải nước • Các kỹ thuật định vị phương tiện vận tải nước • Các ưu điểm kỹ thuật định vị phương tiện vận tải • Các nguyên nhân gây sai số GPS • Các đề suất sơ nhằm nâng cao tính xác kỹ thuật định vị phương tiện vận tải Nhóm SVTH Page Đề tài NCKHSV IV Phạm vi nghiên cứu Đề tài thực cấp nghiên cứu khoa học sinh viên, thời gian nghiên cứu, báo cáo tháng Đối tượng nghiên cứu kỹ thuật định vị phương tiện vận tải sử dụng GPS Đề tài hoàn thành dạng lý thuyết V Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu • Phương pháp nghiên cứu : Phương pháp nghiên cứu cho đề tài nghiên cứu tài liệu đánh giá kỹ thuật định vị phương tiện vận tải, để từ đưa đề suất phương pháp nhằm nâng cao tính xác kỹ thuật định vị phương tiện vận tải sử dụng • Các tài liệu gồm: - Tài liệu công nghệ GPS - Tài liệu hệ thống GLONASS - Tài liệu phương pháp truyền liệu GPS - Tài liệu hệ thống định vị tích hợp với GPS - Tài liệu sai số GPS • Đánh giá kỹ thuật: - Tham khảo kỹ thuật định vị sử dụng - Dựa điều kiện đất nước ta để đưa ưu nhược điểm hệ thống định vị - Đưa đề suất sơ nhằm nâng cao tính xác kỹ thuật định vị phương tiện vận tải Nhóm SVTH Page Đề tài NCKHSV VI Cấu trúc báo cáo nghiên cứu khoa học : Mở đầu Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Nội dung nghiên cứu Chương Nghiên cứu tổng quan định vị GPS Chương 2.Nghıên cứu kỹ thuật định vị phương tıện vận tảı sử dụng GPS Chương 3.Đánh gıá đề suất sơ kỹ thuật định vị phương tıện vận tảı sử dụng GPS Kết luận Nhóm SVTH Page Đề tài NCKHSV MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU .3 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) 16 1.1 Tổng quan hệ thống GPS: 16 1.2 Vài nét lịch sử phát triển hệ thống GPS: .17 1.3 Cấu trúc hệ thống GPS: 17 1.3.1 Phần không gian (Space Segment): 18 1.3.2 Phần điều khiển (Control Segment): 20 1.3.3 Phần người sử dụng (Use Segment): 21 1.4 Các trị đo hệ thống GPS: 21 1.5 Nguyên lý định vị GPS: 22 1.5.1 Định vị tuyệt đối: .24 1.5.2 Định vị tương đối: 25 1.6 Các ứng dụng GPS: 25 1.6.1 Đường bộ: 26 1.6.2 Đường sắt: 27 1.6.3 Đường thủy: .27 1.6.4 Hàng không: .28 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG GPS 29 2.1 Cấu trúc tín hiệu GPS: 29 2.2 Cấu trúc tin GPS : .32 Nhóm SVTH Page Đề tài NCKHSV  SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG KẾT HỢP ĐỊNH VỊ DI ĐỘNG Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống kết hợp định vị di động  SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN KẾT HỢP ĐỊNH VỊ DI ĐỘNG Hình 3.10 Sơ đồ thuật tốn hệ thống kết hợp định vị di động Thiết bị tích hợp bao gồm phận thu phát tính hiệu GPS, GSM, AD-HOC, thuật toán RLS tổ hợp Bộ tổ hợp sử dụng tín hiệu Nhóm SVTH Page 82 Đề tài NCKHSV (hay liệu) mà thiết bị cung cấp để tính tốn, dự đốn vị trí thiết bị gắn phương tiện vận tải Thiết bị kết hợp hoạt động theo chế sau: Bước 1: Nếu máy thu GPS đặt phương tiện vận tải thu tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh GPS định vị dựa tín hiệu mà máy thu thu tính tốn xác định vị trí theo nguyên lý định vị GPS nêu Nếu khơng thu tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh GPS chuyển qua bước Bước 2: Nếu phương tiện vận tải nằm vùng không thu tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh GPS, thiết bị kiểm tra tính tích cực tín hiệu GSM Nếu có tín hiệu GSM chuyển qua xác định vị trí cách xác định vị trí vùng thời (Location Area) thiết bị (u cầu thiết bị có gắn SIM) Nếu khơng có tín hiệu GSM chuyển qua bước Bước 3: Thiết bị kết nối mạng Ad-Hoc kiểm tra xem có kết nối mạng Ad-Hoc bên ngồi để nhận tín hiệu vệ tinh GPS khơng (thơng qua bảng định tuyến trì trước đó) Nếu kết nối Ad-Hoc thỏa mãn việc kết nối mạng giúp cho việc truyền tín hiệu GPS từ bên ngồi tới máy thu, máy thu GPS tính tốn xác định vị trí dựa tín hiệu thu Nếu khơng có kết nối mạng Ad-Hoc thỏa mãn chuyển qua bước Bước 4: Dựa vào tham số xác định thời điểm trước (vectơ hồi quy vectơ tham số, hướng di chuyển, tốc độ di chuyển, ) tham số đưa vào thuật tốn bình phương nhỏ đệ quy để tính tốn đưa dự đốn vị trí phương tiện thời điểm tiếp theo, phận tích hợp bên thiết bị có đủ điều kiện hoạt động trở lại Nhóm SVTH Page 83 Đề tài NCKHSV  SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG CỦA HỆ THỐNG KẾT HỢP CẢM BIẾN Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống kết hợp cảm biến  SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN Hình 3.12 Sơ đồ thuật tốn hệ thống kết hợp cảm biến Nhóm SVTH Page 84 Đề tài NCKHSV Thiết bị tích hợp bao gồm phận thu phát tính hiệu GPS, GSM, Ad-Hoc INS sử dụng cảm biến lọc Kalman Bộ tổ hợp sử dụng tín hiệu (hay liệu) mà thiết bị cung cấp để tính tốn, dự đốn vị trí thiết bị gắn phương tiện vận tải Thiết bị kết hợp hoạt động theo chế sau: Bước 1: Nếu máy thu GPS đặt phương tiện vận tải thu tín hiệu GPS trực tiếp từ vệ tinh GPS kết hợp liệu từ GPS (đóng vai trị hiệu chỉnh liệu INS) INS thơng qua lọc Kalman để tính tốn xác định vị trí nêu mục 2.5.1.2 Nếu không thu tín hiệu GPS trực tiếp chuyển qua bước Bước 2: Thiết bị kiểm tra tính tích cực tín hiệu GSM Nếu có tín hiệu GSM chuyển qua xác định vị trí cách xác định vị trí vùng thời (Location Area) thiết bị (yêu cầu thiết bị có gắn SIM), với việc sử dụng vị trí dự đốn mà INS đưa phương tiện vận tải dự đốn vị trí cách xác vùng thời (Location Area) Nếu khơng có tín hiệu GSM chuyển qua bước Bước 3: Thiết bị kết nối mạng Ad-Hoc kiểm tra xem có kết nối mạng Ad-Hoc bên ngồi để nhận tín hiệu vệ tinh GPS khơng (thơng qua bảng định tuyến trì trước đó) Nếu kết nối Ad-Hoc thỏa mãn việc kết nối mạng giúp cho việc truyền tín hiệu GPS từ bên ngồi tới máy thu, máy thu GPS tính tốn xác định vị trí dựa tín hiệu thu đó, với vị trí mà INS tính tốn đưa vị trí hỗ trợ lẫn để người dùng nhận vị trí xác Nếu khơng có kết nối mạng Ad-Hoc thỏa mãn chuyển qua bước Bước 4: Lúc có hệ thống INS lọc Kalman hoạt động tính tốn xác định vị trí vật thể phận tích hợp bên thiết bị có đủ điều kiện hoạt động trở lại Nhóm SVTH Page 85 Đề tài NCKHSV KẾT LUẬN Nội dung đề tài nêu cấu trúc nguyên tắc hoạt động hệ thống GPS; ứng dụng GPS lĩnh vực khác thực tế kiểu truyền liệu GPS từ phương tiện vận tải trung tâm điều khiển; nêu phân tích ưu nhược điểm phương pháp định vị phương tiện vận tải sử dụng GPS, đồng thời đưa số biện pháp khắc phục nhược điểm Thơng qua nội dung nghiên cứu số thiết bị tích hợp sử dụng để tính tốn dự đốn xác định vị trí phương tiện vận tải sử dụng GPS hoạt động môi trường khác tìm hiểu đưa ra, qua đề suất thêm số giải pháp nhằm nâng cao tính xác kỹ thuật định vị phương tiện vận tải sử dụng GPS đáng lưu ý hệ thống kết hợp định vị di động hệ thống kết hợp cảm biến Với kết hợp hệ thống định vị trực tuyến với thuật toán đệ qui cảm ứng nhằm hạn chế trường hợp hồn tồn khơng có tín hiệu định vị khu vực khó khăn cải thiện độ tin cậy cho hệ thống giám sát, định vị phương tiện vận tải Nếu địa hình bị che khuất cấu trúc đơn giản, ngã rẽ độ xác hệ thống kết hợp cao nhiều Vì nghiên cứu dựa lý thuyết chính, thiếu kinh nghiệm thực tế nên chưa sâu cụ thể phương pháp kết hợp thiết bị việc nghiên cứu không tránh khỏi hạn chế, thiếu sót Nhóm sinh viên nghiên cứu khoa học xin chân thành cảm ơn Thầy VÕ TRƯỜNG SƠN Thầy VÕ THIỆN LĨNH hướng dẫn cung cấp kiến thức quan trọng giúp chúng em hoàn thành đề tài nghiên cứu Nhóm SVTH Page 86 Đề tài NCKHSV TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] [2] [3] [4] [5] [6] Lê Trầm Tuệ Sỹ (2011), Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị giám sát phương tiện sử dụng công nghệ GPS, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Đinh Công Tài, Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS ứng dụng hàng không, Đồ án tốt nghiệp, Trường Đại Học Vinh PGS TS Lê Hùng Lân & ThS Phạm Hải An, Nâng cao tính khả dụng hệ dẫn đường phương tiện giới tích hợp mems - INS/GPS dựa lọc kalman hệ suy diễn nơron – mờ thích nghi Trần Đức Tân & Huỳnh Hữu Tuệ (2007), Định vị dẫn đường kỷ 21, Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội KS Nguyễn Quang Huy & TS Nguyễn Viết Thành (2010), Hệ thống dẫn đường quán tính Inertial Navigation System, Tạp chí khoa học cơng nghệ hàng hải, số 23-8/2010 Lê Thành Đạt, Nguyễn Văn Quyền, Nguyễn Văn Quyết, Position Mobile (Not GPS), Báo cáo đề tài, Trường Học Viện Hàng Không Việt Nam [7] ThS NCS Võ Trường Sơn, PGS TS Lê Hùng Lân, TS Nguyễn Thanh Hải, Phương pháp đánh giá lượng tài nguyên sữ trữ cho gọi chuyển giao mạng tế bào CDMA, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Tiếng Anh [8] [9] [10] [11] [12] [13] Gopal Dommety & Raj Jain (1998), Potentia Networking Applications of Global Positioning Systems (GPS) Elliott D Kaplan & Christopher J Hegarty (2006), Understanding GPS Principles and Applications Second Edition, © 2006 ARTECH HOUSE, INC Ahmed El-Rabbany (2002), Introduction to GPS The Global Positioning System, © 2002 ARTECH HOUSE, INC Boston, London James Bao-Yen Tsui (2005), Fundamentals of Global Positioning System Receivers, copyright © 2000 A John Wiley & Sons, Inc., Publication 2005 George T.Schmidt & Richard E.Phillips (February 2003), INS/GPS Integration Architectures, Cambridge Kai Borre, Dennis M Akos, NicolajBertelsen, Peter Rinder, Soren Holdt Jensen, A Software-Defined GPS and Galileo Receiver A Single-Frequency Approach, A product of Birkhauser, Boston Nhóm SVTH Page 87 Đề tài NCKHSV Các nguồn tham khảo tìm hiểu tổng hợp từ internet [14] [15] [16] [17] http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System http://vi.wikipedia.org/wiki/Hệ_thống_định_vị_toàn_cầu http://www.dieukhien.net/vn/discuss.php?thid=168 Các nguồn tham khảo khác Nhóm SVTH Page 88 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ***** TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG GPS Giáo viên hướng dẫn: TS VÕ TRƯỜNG SƠN 2.Th.S VÕ THIỆN LĨNH Sinh viên thực hiện:1.TRẦN TUẤN DƯƠNG 2.CAO PHƯƠNG THẢO 3.HUỲNH THỊ LỆ PHƯƠNG 4.NGUYỄN ĐÌNH HẢI Lớp: Kỹ thuật viễn thơng K49 Cầu – Đường - K50 TP.Hồ Chí Minh - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI ***** TĨM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG GPS Giáo viên hướng dẫn: TS VÕ TRƯỜNG SƠN 2.Th.S VÕ THIỆN LĨNH Sinh viên thực hiện:1.TRẦN TUẤN DƯƠNG 2.CAO PHƯƠNG THẢO 3.HUỲNH THỊ LỆ PHƯƠNG 4.NGUYỄN ĐÌNH HẢI TP.Hồ Chí Minh - 2012 ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG GPS Assessment technical positioning vehicles use GPS Huỳnh Thị Lệ Phương – Lớp: kỹ thuật viễn thông k49 Trần Tuấn Dương – Lớp: kỹ thuật viễn thông k49 Cao Phương Thảo – Lớp: kỹ thuật viễn thơng k49 Nguyễn Đình Hải – Lớp: cầu-đường k50 Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải - Cơ sở II Tóm tắt: Bài báo nêu đánh giá tổng quan kỹ thuật định vị phương tiện vận tải sử dụng GPS có dựa sở đưa phương pháp tối ưu cách kết hợp kỹ thuật sẵn có tảng bổ sung lẫn Abstract: This paper pointed out genaral assessment of the techical positioning means of transport used available GPS and based on that methods to provide more optimal solutions by combining the available techniques on supplementary background on each other Chữ viết tắt: bị hấp thụ qua tầng khí Ngồi 24 vệ tinh GPS cịn bay quĩ đạo bán đồng nghiêng 55˚ so với trục trái đất chu kỳ 11h57’58’’ tạo khả quan sát cao, vị trí thời điểm nhìn thấy tối thiểu vệ tinh Đó đặc điểm giúp GPS có khả hiệu chỉnh sai số tốt Ngồi sai số gây tính hấp thụ tầng khí tín hiệu GPS cịn bị sai số sai lệch đồng hồ máy thu với đồng hồ vệ tinh, sai lệch hướng antenna, cấu hình vệ tinh nhìn thấy bị ảnh hưởng nhiễu đa đường …thậm chí Bộ Quốc Phịng Hoa Kỳ cịn đưa vào tín hiệu phần sai số chọn lọc SA để giảm độ xác hệ thống Nhưng ứng dụng dân độ sai lệch GPS chấp nhận Hiện với tình hình giao thơng diễn biến phức tạp mối lo Việt Nam nói riêng giới nói chung, đặc biệt nghành vận tải Trong đề tài nhóm đưa đánh giá mặt kỹ thuật phương pháp định vị sử dụng GPS có đề suất phương án tối ưu cho việc định vị khu vực có tín hiệu yếu hẳn nhằm phục vụ tốt cho hệ thống giám sát hành trình vận tải đường dài GPS Global Positioning System INS Inertial Navigation System GSM Global System for Mobile SHF Super High Frequency SA Selective Availability RLS Recursive Least squares GDOP Geometric Dilution Of Precision 2.Phần nội dung GMT Greenwich Mean Time UTC Coordinated Universal Time 2.1 Cấu trúc tin GPS : Xét cụ thể số thông tin chứa tin GPS truyền từ vệ tinh xuống máy thu bao gồm: • Thơng số chuyển đổi vệ tinh (UTC) thành trái đất (GMT) Hệ thống vệ tinh sử dụng đồng hồ ngun tử có độ xác cao, chúng đồng với với đơn vị riêng gọi UTC có chu kì tuần Khác với thông thường trái đát GMT tính theo 24 ngày có chu kì ngày Do để sử dụng tín hiệu buộc máy thu phải xử lý liệu có khác biệt đơn vị 1.Phần mở đầu Hiện kỹ thuật định vị phương tiện vận tải ứng dụng GPS làm tảng tính linh hoạt cao độ độ xác tốt thời điểm Nhưng song song với ưu điểm vượt trội GPS bị hạn chế dạng địa hình bị che khuất khu vực đồi núi có tán rậm, khu vực thị hay hầm xuyên đèo núi… Cũng vệ tinh khác, vệ tinh GPS cung cấp tín hiệu băng tần SHF giảm suy hao bẻ cong thời gian Tham số để quy đổi cung cấp tín hiệu GPS • Tọa độ vệ tinh không gian: Căn vào tọa độ vệ tinh không gian mà máy thu nhận được, máy thu không xử lý hết tất thông tin từ vệ tinh quan sát mà chọn lọc vệ tinh cho tứ giác tạo vị trí vệ tinh lớn có thể, để giảm độ lỗng cấu hình vệ tinh GDOP với mục đích giảm sai số hệ thống • Thời gian vệ tinh phát tin: Để máy thu tính tốn vị trí phải tính khoảng cách từ đến vệ tinh khác việc thực tính khoảng thời gian từ lúc vệ tinh phát lúc máy thu nhận tin mà thơi Do tham số thiếu phải vệ tinh cung cấp cho máy thu • Nhiễu chọn lựa có sẵn (SA) Hệ thống điều khiển GPS ln đưa vào sai số tín hiệu để giảm độ xác thơng tin mà tất máy thu nhận nhằm không cho phép người sử dụng khác sử dụng hồn tồn độ xác tín hiệu GPS Tham số đưa vào tin hệ thống người sử dụng mức tức dịch vụ định vị chuẩn có rào chắn (SPS with SA) dùng dân 2.2 Các kiểu truyền liệu: • Phương thức truyền trực tuyến (online) Là phương thức truyền liệu GPS mà phương tiện vận tải trung tâm điều hành có liên lạc trực tuyến trao đổi liệu thời gian thực với [12] • Phương thức truyền khơng trực tuyến (offline) Phương thức hiểu sau ca làm việc trung tâm cập nhật lại liệu hành trình phương tiện vận tải ca làm việc để lưu lại xử lý tự động phục vụ cho công tác quản lý [12] Về mặt thiết bị, quản lý theo phương thức không trực tuyến khác với phương thức quản lý trực tuyến thiết bị phương tiện vận tải khơng có modem GSM/GPRS, mạch vi xử lý thu thập lưu lại liệu vị trí phương tiện vận tải trả liệu trung tâm hết ca làm việc Tại trung tâm phải có hệ thống thơng tin để xử lý liệu phục vụ cho mục đích quản lý Ví dụ: Một xe có gắn modul GPS xuất phát từ trung tâm điều hành di chuyển đến vị trí khác, thời gian di chuyển nhận tín hiệu từ vệ tinh GPS xử lý tín hiệu đó, sau thơng tin cần giám sát lên hình thị (như: đánh dấu vị trí, tốc độ di chuyển, ) Và lưu lại thiết bị lưu trữ liệu bên modul GPS Khi xe thực xong nhiệm vụ trở trung tâm liệu giám sát ghi lại hộp đen từ hành trình nhà điều hành đưa để kiểm tra giám sát lại trình hoạt động xe Phương thức truyền liệu offline có tiết kiệm chi phí so với truyền Online khơng cần đến modul GSM/GPRS/ khơng cước phí liên lạc SMS có hạn chế không quản lý liên tục đến phương tiện vận tải hoạt động vận chuyển 2.3 Các kỹ thuật định vị phương tiện vận tải ứng dụng GPS: • Tích hợp GPS/INS (Inertial navigation system) Dẫn đường qn tính dựa sở tính tốn vị trí, vận tốc hướng vật thể chuyển động cách sử dụng thông số đo từ cảm biến cảm biến gia tốc cảm biến vận tốc góc Các cảm biến quán tính đo chuyển động dựa vào định luật vật lý tự nhiên không chịu ảnh hưởng tín hiệu điện hay điện từ bên ngoài, điều sở cho cảm biến qn tính hoạt động đáng tin cậy khó bị nhiễu Ưu điểm: - Hoạt động tự trị thời gian ngắn - Tần số cập nhật cao - Các sai số có đặc tính thay đổi chậm, chịu ảnh hưởng bên ngồi - Có khả đo góc định hướng Nhược điểm : Có nhiều loại sai số hệ thống INS chủ yếu cảm biến quán tính gây nên Những lỗi đo gia tốc vận tốc góc dẫn tới lỗi tăng dần xác định vị trí vận tốc vật thể Các lỗi tăng dần gọi lỗi dẫn đường Có thể nhận thấy thời gian dài hệ thống dẫn đường qn tính khơng thể hoạt động tự trị mà phải kết hợp với hệ thống khác • Kết hợp GPS/GSM Tín hiệu GPS truyền tần số SHF (siêu cao tần) bị cản trở lớn tòa nhà cao tầng, tán hay môi trường hầm Những hạn chế khắc phục tín hiệu di động GSM Do mà người ta tận dụng đặc điểm để khắc phục nhược điểm GPS cách kết hợp module thu phát sóng di động thiết bị thu GPS để thu tín hiệu hệ thống nhằm hoạt động trường hợp tín hiệu GPS q yếu hẳn • • T y(k) = φ θ (2) Trong φ θ véc tơ hồi quy (véctơ liệu đo được) véctơ tham số, cho sau: T φ = [-y(k-1) -y(k-2) u(k-1) u(k-2)] , θ = [a a b b ] Kết hợp GPS/AD-HOC Mạng Ad-Hoc hiểu mạng cho phép nodes (điểm nối) mạng truyền trực tiếp với sử dụng thu phát không dây (wireless transceiver) không cần sở hạ tầng cố định Trong môi trường mạng không dây Ad-Hoc, hai nút mạng liên lạc trực tiếp với chúng nằm vùng phủ sóng nhau, ngược lại nút (nodes) mạng yêu cầu truyền thông điệp tới nút mạng xa mạng thiết lập liên lạc thông qua nút mạng trung gian Khi kết hợp với GPS, cho phép thiết lập liên kết tạm thời phương tiện vận tải sử dụng thiết bị thu phát mạng Ad-Hoc máy thu GPS tín hiệu lại có độ sai lệch cao Phương pháp bình phương nhỏ đệ quy RLS Phương pháp bình phương nhỏ đệ quy (RLS) phương pháp tham số hệ thống ước lượng liên tục thời điểm Kết có chuỗi giá trị ước lượng tham số Cách ước lượng tham số gọi phương pháp ướng lượng đệ quy (recursive estimation method) tên gọi khác phương pháp ước lượng trực tuyến (online estimation method) Những phương pháp ước lương đệ quy ứng dụng điều khiển thời gian thực việc phát chuẩn đoán lỗi (fault detection and diagnosis) Để áp dụng phương pháp bình phương nhỏ đệ quy, cần lựa chọn mơ hình tốn phù hợp, dạng phương trình vi phân liên tục (cần phải rời rạc hóa), dạng phương trình sai phân (rời rạc) Để hiểu phương pháp lấy ví dụ cụ thể sau Cho hệ thống rời rạc (gián đoạn) mô tả phương trình sai phân sau: T Phương trình (2) phương trình xác mơ tả hệ thống khơng có sai số Tuy nhiên trường hợp lý tưởng Do phương trình (1) viết thành dạng sau: T y(k) = φ θ + e(k) (3) Trong e(k) sai số Từ phương trình (3) có: T e(k) = y(k) - φ θ (4) Ý tưởng phương pháp RLS cực tiểu hóa hàm giá trị sau: k J k = ∑ e (i ) (5) i =1 Từ phương trình (5) ta thấy giá trị hàm giá trị tiếp tục tích lũy giá trị sai số, nhằm làm giảm tích lũy ảnh hưởng từ liệu "cũ" người ta áp dụng hệ số quên sau: k J k = ∑ λ k −1e ( i ) (6) i =1 Trong λ "hệ số quên" có giá trị nhỏ đơn vị thường chọn khoảng : 0.995 - 0.998 [5] Cực tiểu hóa hàm giá trị thực số bước biến đổi thu thuật tốn sai số bình phương nhỏ đệ quy sau: Tại thời điểm t = k+1, tính bước sau: Bước 1: Cập nhật véctơ liệu : φ(k+1) = [-y(k-1) -y(k-2) u(k-1) u(k-2)] T Bước 2: Tính sai số mơ hình hóa: T e(k+1) = y(k+1) - φ (k+1)θ(k) y(k) + a y(k-1) + a y(k-2) = b u(k-1) + b u(k-2) (1) Trong y(k) tín hiệu u(k) tín hiệu vào; a , a , b , b tham số hệ thống Phương trình (1) viết dạng véctơ sau: Bước 3: Cập nhật ma trận đồng phương sai:  ϕ ( K − 1) ϕ T ( k + 1) P ( k )  P (= k + 1) P ( k )  I M −  λ + ϕ T P ( k ) ϕ ( k + 1)   Bước 4: Cập nhật véctơ tham số: φ(k+1) = θ(k) + P(k+1) φ(k+1) e(k+1) Bước 5: Quay trở lại bước Chú ý ma trận đồng phương sai P(k) có giá trị ban đầu P(0) = αI α giá trị tự M chọn, thường có giá trị α = 1000 M số tham số chưa biết mơ hình phương trình (3) Giá trị α ảnh hưởng tới tốc độ hội tụ tham số ước lượng Từ thuật toán thấy véc tơ tham số cập nhật liên tục bước Nếu máy tính nối với hệ động liệu cập nhật liên tục giá trị ước lượng véctơ tham số cập nhật liên tục Đây đặc điểm phương pháp RLS phương pháp áp dụng hệ thống điều khiển tự chỉnh hệ thống điều khiển theo thời gian thực Từ phương trình cập nhật vectơ tham số thấy số hạng thứ hai có chứa sai số vế phải P(k+1)φ(k+1)e(k+1) sai số có giá trị nhỏ có φ(k+1) = θ(k) biểu diễn tính hội tụ tham số hệ thống Sự hội tụ tham số ước lượng đặc điểm quan trọng phương pháp [5] 2.4 Đề suất giải pháp nâng cao tính xác kỹ thuật định vị phương tiện vận tải • Nguyên lý kết hợp Dựa ưu, nhược điểm hệ thống định vị có GPS, GSM, Mạng AD-HOC, INS, thuật tốn tính giá trị bình phương nhỏ đệ quy (RLS) nhóm đưa đề suất kết hợp hệ thống vào thiết bị định vị mở rộng để bổ sung ưu điểm khắc phục nhược điểm lẫn Hệ thống GPS có khả định vị cao, mang nhiều ưu điểm độ xác cao vùng phủ tồn cầu, tính linh hoạt cao…tuy nhiên có nhược điểm khu vực có địa hình bị che khuất (mơi trường hầm, đồi núi có nhiều tán che phủ, khu vực với tòa nhà cao tầng) xảy tượng tín hiệu bị suy yếu mạnh, nhận tín hiệu từ vệ tinh chí hẳn tín hiệu GPS Hệ thống thơng tin di động GSM có tín hiệu tốt khu vực che khuất khu thị với tịa nhà cao tầng (nhờ phạm vi phủ sóng GSM) xác định vị trí lại có độ xác khơng cao Ad-Hoc mạng khơng dây hồn tồn, sử dụng để trung chuyển tín hiệu thu từ vệ tinh GPS khu vực nhận trực tiếp tín hiệu vệ tinh GPS tới máy thu GPS đặt phương tiện vận tải Ad-Hoc thiết lập lúc mà không cần đấu nối hay sở hạ tầng phức tạp, cần có thiết bị thu phát sóng với thực Nhưng độ xác định vị lại phụ thuộc vào thời gian xử lý thu truyền tín hiệu thiết bị mạng Ad-Hoc đặt phương tiện Thêm vào phương pháp tính tốn bình phương nhỏ đệ quy cho phép dựa liệu vị trí trước để dự đốn vị trí phương tiện vận tải • Sơ đồ khối phương pháp kêt hợp định vị di động • H Sơ đồ khối phương pháp kết hợp định vị di động Sơ đồ thuật toán phương pháp kết hợp định vị di động H Sơ đồ thuật toán phương pháp kết hợp định vị di động Thiết bị định vị mở rộng bao gồm phận thu phát tính hiệu GPS, GSM, AD-HOC, phận tiến hành thuật tốn RLS tính tốn tổ hợp Bộ tổ hợp sử dụng tín hiệu (hay liệu) mà thiết bị cung cấp để tính tốn, dự đốn vị trí thiết bị gắn phương tiện vận tải Thiết bị kết hợp hoạt động theo chế sau: Bước 1: Nếu máy thu GPS đặt phương tiện vận tải thu tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh GPS định vị dựa tín hiệu mà máy thu thu tính tốn xác định vị trí theo nguyên lý định vị GPS nêu Nếu khơng thu tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh GPS chuyển qua bước Bước 2: Nếu phương tiện vận tải nằm vùng khơng thu tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh GPS, thiết bị kiểm tra tính tích cực tín hiệu GSM Nếu có tín hiệu GSM chuyển qua xác định vị trí cách xác định vị trí vùng thời (Location Area) thiết bị (yêu cầu thiết bị có gắn SIM) Nếu khơng có tín hiệu GSM chuyển qua bước Bước 3: Thiết bị kết nối mạng AD-HOC kiểm tra xem có kết nối mạng AD-HOC bên ngồi để nhận tín hiệu vệ tinh GPS khơng (thơng qua bảng định tuyến trì trước đó) Nếu kết nối ADHOC thỏa mãn việc kết nối mạng giúp cho việc truyền tín hiệu GPS từ bên ngồi tới máy thu, máy thu GPS tính tốn xác định vị trí dựa tín hiệu thu Nếu khơng có kết nối mạng Ad-Hoc thỏa mãn chuyển qua bước Bước 4: Dựa vào tham số xác định thời điểm trước (vectơ hồi quy vectơ tham số, hướng di chuyển, tốc độ di chuyển, ) tham số đưa vào thuật tốn bình phương nhỏ đệ quy để tính tốn đưa dự đốn vị trí phương tiện thời điểm tiếp theo, phận tích hợp bên thiết bị có đủ điều kiện hoạt động trở lại • Mở rộng Ngồi thuật tốn bình phương nhỏ đệ qui RLS, cịn thay cảm biến khác INS với sơ đồ khối sau: H.3 sơ đồ khối hệ thống định vị kết hợp cảm biến 3.Kết Luận Đề suất kết hợp hệ thống định vị trực tuyến với thuật toán đệ qui cảm biến nhằm hạn chế trường hợp hồn tồn khơng có tín hiệu định vị khu vực tín hiệu bị cản trở, giúp tăng độ tin cậy cho hệ thống định vị, giám sát phương tiện vận tải Nếu địa hình bị che khuất có cấu trúc đơn giản ngã rẽ độ xác hệ thống kết hợp cao nhiều Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Lê Trầm Tuệ Sỹ (2011), Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị giám sát phương tiện sử dụng công nghệ GPS, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Đinh Công Tài, Nghiên cứu hệ thống định vị tồn cầu GPS ứng dụng hàng khơng, Đồ án tốt nghiệp, Trường Đại Học Vinh PGS TS Lê Hùng Lân & ThS Phạm Hải An, Nâng cao tính khả dụng hệ dẫn đường phương tiện giới tích hợp mems - INS/GPS dựa lọc kalman hệ suy diễn nơron – mờ thích nghi Lê Thành Đạt, Nguyễn Văn Quyền, Nguyễn Văn Quyết, Position Mobile (Not GPS), Báo cáo đề tài, Trường Học Viện Hàng Không Việt Nam ThS NCS Võ Trường Sơn, PGS TS Lê Hùng Lân, TS Nguyễn Thanh Hải, Phương pháp đánh giá lượng tài nguyên sữ trữ cho gọi chuyển giao mạng tế bào CDMA, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Gopal Dommety & Raj Jain (1998), Potentia Networking Applications of Global Positioning Systems (GPS) Elliott D Kaplan & Christopher J Hegarty (2006), Understanding GPS Principles and Applications Second Edition, © 2006 ARTECH HOUSE, INC [8] [9] Ahmed El-Rabbany (2002), Introduction to GPS The Global Positioning System, © 2002 ARTECH HOUSE, INC Boston, London James Bao-Yen Tsui (2005), Fundamentals of Global Positioning System Receivers, copyright © 2000 A John Wiley & Sons, Inc., Publication 2005 Các nguồn tham khảo tìm hiểu tổng hợp từ internet [10] [11] [12] http://vi.wikipedia.org/wiki/Hệ_thống_định_vị_t oàn_cầu http://www.dieukhien.net/vn/discuss.php?thid=1 68 Các nguồn tham khảo khác