Thiết kế module tích hợp đa chức năng thông tin vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu 1

Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Ngày ngồi xe tơ bóng láng có trang bị thiết bị dẫn đường GPS (GPS navigator) nhìn thấy vị trí hay tọa độ xe hình có đồ điện tử hệ thống đường xá phức tạp Đó ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu Để trả lời câu hỏi để ứng dụng GPS ,trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp em tiến hành thực đề tài : “ THIẾT KẾ MODULE TÍCH HỢP ĐA CHỨC NĂNG THƠNG TIN VỆ TINH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TỒN CẦU“ Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, em cố gắng nghiên cứu xây dựng đồ án với nội dung sau: Chương I: Giới thiệu chung hệ thống định vị toàn càu Chương II: Tìm hiểu Vi điều khiển Chương III: Thiết kế module Mặc dù cố gắng với thời gian trình độ cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót Em mong nhận đước góp ý thầy giáo, giáo bạn Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo Vũ Văn Yêm, thầy cô giáo khoa bạn giúp em hoàn thành đồ án Hà nội, ngày….tháng… năm 2009 Sinh viên thực Page of 59 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU I.Định nghĩa hệ thống định vị toàn cầu I.1 Định nghĩa Hệ thống định vị toàn cầu ( Global Positioning System - GPS) hệ thống xác định vị trí dựa vị trí vệ tinh nhân tạo Trong thời điểm, vị trí mặt đất xác định khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) tính tọa độ vị trí I.2.Các thành phần GPS Hệ thống định vị toàn cầu bao gồm phận: phận người sử dụng, phận không gian phận điều khiển Hình 1.1 Các thành phần GPS Page of 59 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp 1.Bộ phận người sử dụng Bộ phận người sử dụng người sử dụng GPS ghi nhận GPS ghi nhận máy thu tín hiệu sóng vơ tuyến đặc biệt Nó thiết kế để nghe tín hiệu sóng vơ tuyến truyền từ vệ tinh tính tốn vị trí dựa thơng tin GPS ghi nhận có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng giá khác Tính chất giá GPS ghi nhận nói chung lệ thuộc vào chức mà phận thu nhận có ý định Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải hàng không thường sử dụng cho tính giao diện với thẻ nhớ chứa đồ biển Bộ phận thu nhận dùng cho đồ khả xác cao có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận liệu nhanh chóng 2.Bộ phận khơng gian Bộ phận khơng gian gồm vệ tinh GPS mà truyền thời gian vị trí tới người sử dụng Tập hợp tất vệ tinh gọi “chòm sao” -Hệ thống NAVSTAR (Mỹ) - Hệ thống GLONASS (Nga) 3.Bộ phận điều khiển Bộ phận điều khiển gồm toàn thiết bị mặt đất sử dụng để giám sát điều khiển vệ tinh Bộ phận thường người sử dụng khơng nhìn thấy, phận quan trọng hệ thống Bộ phận điều khiển NAVSTAR, gọi hệ thống điều khiển hoạt động (operational control system (OCS)) gồm trạm giám sát, trạm điều khiển (master control station (MCS)) anten quay Các trạm giám thụ động không nhiều GPS nhận mà đường bay vệ tinh nhìn thấy phạm vi tích luỹ liệu từ tín hiệu vệ tinh Có trạm Page of 59 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp giám sát thụ động, toạ lạc Colorado Springs, Hawaii, đảo Ascencion, Diego Garcia Kwajalein Các trạm giám sát gởi liệu thô trạm MSC để xử lý Trạm MCS dược toạ lạc Falcon Air Force Base, cách 12 dặm phía đơng Colorado Springs, Colorado Mỹ quản lý Air Force's 2nd Space Operations Squadron (2nd SOPS) Trạm MCS nhận liệu từ trạm giám sát thời gian 24 giờ/ngày sử dụng thông tin để xác định vệ tinh khoá lịch thiên văn thay đổi để phát thiết bi trục trặc Thông tin tàu thuỷ di chuyển lịch thiên văn tính tốn từ tín hiệu giám sát chuyển đến vệ tinh lần hai lần/ngày Thơng tin tính tốn trạm MCS, với mệnh lệnh trì thường xuyên truyền anten xoay mặt đất Anten toạ lạc đảo Ascencion, Diego Garcia Kwajalein Anten có đủ phương tiện để truyền đến vệ tinh theo đường liên kết sóng vơ tuyến band S Thêm vào chức trạm MCS trì 24 hệ thống tin điện tử với tình trạng tin tức hệ thống sau Công dân liên lạc cho vấn đề với The United States Coast Guard's (USCG) Navigation Center (NAVCEN) II Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu II.1.Hệ thống định vị toàn cầu Mỹ 1.Quá trình xây dựng: -Vệ tinh GPS phóng năm 1978 - Hồn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994 - Mỗi vệ tinh làm để hoạt động tối đa 10 năm - Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg dài khoảng 5m với lượng Mặt Trời mở rộng m² * Công suất phát 50 watts 2.Sự hoạt động Hệ thống NAVSTAR gồm 24 vệ tinh với quỹ đạo bay Các vệ tinh hoạt động quỹ đạo có độ cao 20.200 km (10,900 nm) góc nghiêng 55 độ với thời Page of 59 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp gian 12 giờ/quỹ đạo Quỹ đạo bay không gian vệ tinh xếp để tối thiểu vệ tinh người sử dụng nhìn thấy bao phủ tồn cầu, với vị trí xác hồn toàn (position dilution of precision PDOP) vệ tinh Mỗi vệ tinh truyền band tần số L, L1 có tần số 1575.42 MHz L2 có tần số 1227.6 MHz Mỗi vệ tinh truyền tần số xác định; nhiên, tín hiệu vệ tinh thay đổi theo thời gian đến người sử dụng L1 mang mã P (precise (P) code) mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code) L2 mang mã P (P code) Thông tin liệu hàng hải thêm mã Thông tin liệu hàng hải giống mang band tần số Mã P thường mã hố mã C/A có sẵn đến người sử dụng bình thường; nhiên, vài thơng tin nhận từ mã P Khi mã hoá, mã P hiểu mã Y Mỗi vệ tinh có số nhận dạng Đầu tiên số NAVSTAR với nhận dạng thiết bị vệ tinh đặc biệt Thứ hai số sv (the space vehicle (sv) number) Số ấn định để lệch phóng vệ tinh Thứ ba số mã tiếng âm (the pseudo-random noise-PRN) Đây số nguyên mà sử dụng để mã tín hiệu từ vệ tinh Một vài máy ghi nhận nhận biết vệ tinh mà chúng ghi nhận từ mã SV, mã khác từ mã PRN hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn nhiều thứ khác Page of 59 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp Độ phủ sóng NAVSTAR Hình 1.2 Độ phủ sóng NAVSTAR II.2.Hệ thống định vị tồn cầu Nga 1.Q trình xây dựng: -Vệ tinh GPS phóng năm 1982 - Được đưa vào sử dụng vào năm 1993 2.Sự hoạt động Hệ thống GLONASS gồm 24 vệ tinh, vệ tinh cho quỹ đạo bay gồm quỹ đạo Các vệ tinh hoạt động với quỹ đạo có độ cao 19,100 km orbits góc nghiêng 64.8 độ 11 15 phút/ quỹ đạo Mỗi vệ tinh truyền nhóm tần số L (two L frequency groups) Nhóm L1 tâm tần số 1609 MHz nhóm L2 đăng ký tần số 1251MHz Mỗi vệ tinh truyền cặp tần số Tín hiệu GLONASS mang mã P (precise (P) code) mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code) Mã P mã hố cho qn đội sử dụng mã C/A có sẵn cho cơng dân sử dụng Page of 59 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp Độ phủ sóng GLONASS Hình 1.3 Độ phủ sóng GLONASS II.3.Hệ thống định vị toàn cầu Châu Âu tương lai Hệ thống định vị Galileo hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) xây dựng Liên minh châu Âu Galileo khác với GPS Hoa Kỳ GLONASS Liên bang Nga chỗ hệ thống định vị điều hành quản lý tổ chức dân dụng, phi quân Galileo theo kế hoạch thức hoạt động vào năm 2011-12, muộn 3-4 năm so với kế hoạch ban đầu Hệ thống định vị Galileo đặt theo tên nhà thiên văn học người Ý Galileo Galilei nhằm tưởng nhớ đóng góp ơng 1.Thơng số hệ thống 1.1.Vệ tinh - 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động vệ tinh dự phịng) - Độ cao quỹ đạo: 23.222 km (quỹ đạo tầm trung) - Phân bố mặt chính, góc nghiêng 56 độ - Tuổi thọ thiết kế vệ tinh: > 12 năm Page of 59 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp - Trọng lượng vệ tinh: 675 kg - Kích thước vệ tinh: 2,7 m × 1,2 m × 1,1 m - Năng lượng từ pin mặt trời: 1500 W (tại thời điểm tuổi thọ thiết kế) 1.2.Dịch vụ cung cấp Bốn dịch vụ định vị cung cấp Galileo: - Dịch vụ mở (open service): miễn phí với đối tượng Người dùng sử dụng tần số L1 E5A Độ xác máy thu tần số m cho phương ngang m cho chiều thẳng đứng Đối với máy thu tần số (L1), độ xác 15 m 35 m, tương đương vớiGPS thời - Dịch vụ trả tiền (commercial service): giành cho đối tượng cần có độ xác < m với khoản phí định Dịch vụ cung cấp thông qua tần số thứ (E6) - Dịch vụ cứu hộ (safety of life service): giành riêng cho cứu hộ, độ bảo mật cao, chống gây nhiễu sóng - Dịch vụ cơng cộng (public regulated service): giành riêng cho phủ quân đội nước Liên minh châu Âu Đặc biệt bảo mật, độ tin cậy cao Các giai đoạn dự án 2.1.Lên kế hoạch thử nghiệm Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) chi khoảng 100 triệu euro cho việc lên kế hoạch, thành lập dự án Với tổng chi phí khoảng 1,5 tỉ euro từ EUvà ESA dành cho việc phóng đưa vào hoạt động thử nghiệm hai vệ tinh với trạm thu vào tháng 1, 2006 Vệ tinh thử nghiệm Page of 59 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp - Kí hiệu: GIOVE-A (tiếng Ý: Jupiter, Galileo In-Orbit Validation Element), hay GSTB-V2A (Galileo System Test Bed) - Mang theo: máy phát tín hiệu, đồng hồ nguyên tử Rubidium - Khối lượng: 600 kg - Công suất: 700 W - Kích cỡ: 1,3 m × 1,8 m × 1,65 m - Ngày phóng: 28.12.2005 - Tên lửa phóng: Soyus Vệ tinh thử nghiệm - Kí hiệu: GIOVE-B hay GSTB-V2B - Mang theo: máy phát tín hiệu, đồng hồ nguyên tử Rubidium Hiđrô - Khối lượng: 523 kg - Cơng suất: 943 W - Kích cỡ: 0,955 m × 0,955 m × 2,4 m - Ngày phóng: cuối năm 2007 - Tên lửa phóng: Soyus Trạm thu thử nghiệm - Kí hiệu: GSTB-V1 2.2.Hồn thành đưa vào hoạt động Đến năm 2010 toàn hệ thống hoàn thành: 30 vệ tinh Galileo trung tâm điều khiển mặt đất, trung tâm tạiOberpfaffenhofen (Đức) Fucino (Ý), dự bị Tây Ban Nha Chi phí cho giai đoạn khoảng tỉ euro 3.Các nước tham gia Ngoài nước thuộc khối Liên minh châu Âu (EU), có tham gia nước khác từ nhiều châu lục Trung Quốc, Ấn Độ, Israel, Na Uy, Brasil, Chile, Úc, III Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu III.1.Trong dân Các nhà khoa học dựa vào tính xác GPS để thiết lập đồ, khảo sát cơng trình, tuyến kênh, tuyến đường, xác định vị trí xác Page of 59 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp trụ điện, đường dây tải điện, quản lý tuyến xe… Các xe có xu hướng cài đặt hệ thống dẫn đường (Navigation) Qua đó, thơng tin vị trí, tọa độ xe hiển thị hình, người lái chủ động tìm kiếm thay đổi lộ trình phù hợp thời gian ngắn Một ứng dụng GPS việc quản lý thú hoang dã cách gắn lên chúng chip tích hợp GPS Tất hoạt động chúng kiểm soát chặt chẽ Việt Nam tiến hành thử nghiệm để áp dụng vào việc quản lý đàn sếu đầu đỏ miền Tây Ví dụ với TP Hồ Chí Minh, việc ứng dụng GPS việc quản lý tuyến xe buýt triển khai Cơ sở hạ tầng xây dựng hoàn chỉnh, doanh nghiệp vận tải cần trang bị đầu thu (giá khoảng 30 - 60 USD/đầu thu) cho xe để quản lý phương tiện Tình trạng xe buýt bỏ trạm, chạy tốc độ, sai tuyến hay thái độ nhân viên phát dễ dàng cách nắm bắt tọa độ xe, qua kiểm tra hộp đen lưu trữ thông tin (Black Box) Chất lượng phục vụ xe buýt qua ngày hiệu hơn, thu hút người dân sử dụng phương tiện vận chuyển công cộng, giảm bớt tiền trợ giá hàng năm cho phương tiện vận chuyển hành khách cơng cộng III.2.Trong qn Chúng ta liệt kê loại vũ khí sử dụng hệ thống định vị: -Vũ khí hạt nhân - Bom thơng minh - Tên lủa không đối đất - Tên lửa hành trình - Máy bay huấn luyện Mikoyan MiG-AT Nga - Và sử dụng nhiều tàu chiến tàu ngầm… IV Module thu GPS GPM 1315 IV.1.Mô tả chung GPM 1315 nhận GPS modunle khởi đầu Ginwave Kích thước Page 10 of 59