Tìm hiểu công nghệ gps xây dựng hệ thống thu thập thông tin từ thiết bị gps và hiển thị lên bản đồ số

Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp Lời cảm ơn Lời em xin gửi lời cảm ơn đến tồn thể thầy, giáo trường Đại học Cơng Nghệ, người tận tình dạy dỗ, bảo em suốt bốn năm học vừa qua nhà trường Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thăng Long, người trực tiếp hướng dẫn em suốt trình học tập, nghiên cứu khoa học điện tử viễn thông – Đại Học Công nghệ, Người truyền cho em cách tư có hệ thống, phương pháp nghiên cứu, tiếp cận thực tế - điều quý báu với em trường làm việc thực tế Em xin gửi lời cảm ơn tới tồn thể cán bộ mơn Vi điện tử - vi hệ thống người dẫn dắt định hướng nghiên cứu cho em suốt năm qua Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới cha mẹ, gia đình em người sinh thành, nuôi nấng, tin tưởng động viên em Xin gửi lời cảm ơn tới tất bạn bè, đặc biệt tập thể lớp K49ĐB, người cổ vũ, động viên, chia sẻ với em suốt năm qua Sinh viên thực Mạc Đăng Huy Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS .5 1.1 Giới thiệu hệ thống GPS .5 1.2 Thành phần hệ thông GPS .5 1.2.1 Bộ phận người dùng .5 1.2.2 Bộ phận không gian .6 1.2.3 Bộ phận điều khiển 1.3 Thành phần tín hiệu GPS 1.3.1 Tín hiệu GPS 1.3.1.1 Thông điệp từ chuỗi liệu 50bps .11 1.3.1.2 Cấu trúc thơng diệp tín hiệu 12 1.4 Cách thức làm việc hệ thống GPS 13 1.4.1 Hoạt động GPS 13 1.4.2 Ý tưởng định vị hệ thống GPS 14 1.4.3 Độ xác hệ thống GPS 15 1.4.4 Những nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS 15 1.5 Chuẩn NMEA 17 1.5.1 Giới thiệu chuẩn NMEA 17 1.5.2 Ghép nối phần Cứng theo chuẩn NMEA 18 1.5.3 Các đoạn mã theo chuẩn NMEA 20 1.5.4 Một số đoạn mã theo chuẩn NMEA để xác định vị trí 24 1.5.4.1 Giải mã số đoạn mã xác định vị trí 25 Chương 2: Tổng quan hệ thống GIS kỹ thuật xây dựng đồ số 28 2.1 Tổng quan hệ thống GIS .28 2.1.1 Giới thiệu hệ thống GIS 28 2.1.2 Cấu trúc liệu GIS 29 2.1.2.1 Dữ liệu kiểu không gian 29 2.1.2.2 Dữ liệu kiểu phi không gian .30 2.1.3 Mơ hình liệu GIS 31 2.1.3.1 Mơ hình liệu kiểu RASTER 31 2.1.3.2 Mơ hình liệu kiểu VECTOR 32 2.2 Kỹ thuật xây dựng đồ số phần mềm Mapinfo 33 2.2.1 Cách đăng ký đồ Mapinfo .33 2.2.1.1 Xác định điểm khống chế 33 2.2.1.2 Thiết lập hệ tọa độ 33 2.2.2 Cách số hóa đồ Mapinfo .34 Chương 3: Ngơn ngữ lập trình C# 35 3.1 Ngôn ngữ C# .35 3.1.1 Tổng quan ngôn ngữ C# 35 3.1.2 Mã chương trình 36 Kết luận 45 Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO: 46 MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN 47 Khoa điện tử viễn thông – Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN Trang Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp LỜI GIỚI THIỆU Như biết, nay, cơng nghệ định vị tồn cầu GPS (Global Positioning System ) công nghệ ứng dụng rộng rãi giới nói chung Việt Nam nói riêng Cơng nghệ GPS bắt đầu giới thiệu ứng dụng vào Việt Nam từ năm 1990 chủ yếu để phục vụ cho việc thu thập số liệu tọa độ xác điểm trắc địa gốc để làm sở phát triển lưới trắc địa cấp thấp Trong năm gần đây, với việc xuất thiết bị đo GPS cầm tay đơn giản giá rẻ, việc ứng dụng công nghệ GPS vào công tác thu thập thơng tin vị trí trở nên phổ biến đặc biệt kết hợp với cơng nghệ khác công nghệ GIS hệ thống viễn thơng thực mang lại cách mạng sống Dưới ứng dụng công nghệ GPS, GIS công nghệ viễn thông để tạo nên hệ thống giám sát thiết bị di động có gắn thiết bị đo GPS quản lý ô tô, taxi, xe bus hay máy di động … giúp cho nhà quản lý điều hành giám sát cơng việc cách hiệu Theo nhà dự báo, thời gian tới, thiết bị GPS ngày nhỏ gọn, xác tạo điều khiện cho bùng nổ việc ứng dụng công nghệ Với mục đích nghiên cứu làm chủ cơng nghệ, luận văn này, em tập trung vào tìm hiểu cơng nghệ GPS thử nghiệm xây dựng hệ thống thu thập thông tin từ thiết bị GPS hiển thị lên đồ số Đây tiền đề cho việc xây dựng hệ thống quản lý phương tiện giao thông hệ thống dẫn đường phương tiện đường sử dụng công nghệ GPS Luận văn chia làm chương:  Chương I : Tổng quan hệ thống GPS  Chương II: Tổng quan hệ thống GIS kỹ thuât xây dựng đồ số  Chương III: Ngơn ngữ lập trình C# Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang Mạc Đăng Huy Chương 1: 1.1 Khóa luận tốt nghiệp TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS Giới thiệu hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS hệ thống xác định vị trí dựa vị trí vệ tinh nhân tạo Trong thời điểm, vị trí trái đất xác định khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh ta tính tọa độ vị trí GPS thiết kế quản lý Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, phủ Hoa Kỳ cho phép người sử dụng miễn phí, quốc tịch Hệ thống GPS 1.2Thành phần hệ thông GPS Hệ thống định vị GPS bao gồm phận: phận người dùng, phận không gian phận điều khiển Hình 1.1: Sơ đồ liên quan ba phần hệ thống định vị toàn cầu 1.2.1 Bộ phận người dùng Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp Bộ phận người dùng thiết bị thu tin hiệu GPS người sử dụng thiết bị Thiết bị thu tin hiệu GPS máy thu tín hiệu sóng vơ tuyến đặc biệt Nó thiết kế để thu tín hiệu sóng vơ tuyến truyền từ vệ tinh tính tốn vị trí dựa thơng tin Thiết bị thu tin hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng giá khác Tính chất giá Thiết bị thu tin hiệu GPS 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 1.2.2 Bộ phận khơng gian Bộ phận khơng gian gồm vệ tinh GPS mà truyền tin hiệu thời gian vị trí tới phận người dùng Tập hợp tất vệ tinh gọi “chịm sao” Chúng ta xem qua phận không gian hệ thống GPS: Hệ thống NAVSTAR Mỹ 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 gian 12 giờ/quỹ đạo Quỹ đạo bay không gian vệ tinh xếp để tối thiểu vệ tinh phận người dùng nhìn thấy bao phủ tồn cầu, với vị trí xác hồn tồn (position dilution of precision PDOP) vệ tinh Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp Hình 1.2: Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất Mỗi vệ tinh truyền dải 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 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 dải 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 ồn giả ngẫu nhiên (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 1.2.3 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 GPS 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 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 toạ lạc Falcon Air Force Base, cách 12 dặm phía đơng Colorado Springs, Colorado Mỹ quản lý 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 Thông tin tính tốn trạm MCS, với mệnh lệnh trì thường xuyên truyền anten xoay mặt đất Anten toạ lạc đảo Ascencion, Diego Garcia Khoa điện tử viễn thông – Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN Trang Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp Kwajalein Anten có đủ phương tiện để truyền đến vệ tinh theo đường liên kết sóng vơ tuyến dải tần 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) 1.3 Thành phần tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần số cao, bao gồm tần số sóng mang điều chế loại mã (mã C/A mã P-code) thơng tin định vị Hai sóng mang phát với tần số 1,575.42MHz (sóng mang băng tần L1) 1,227.60MHz( song mang băng tần L2) Tức bước sóng xấp xỉ 19cm 24.4cm.Việc sử dụng loại sóng mang cho phép sửa lỗi hệ thống GPS trễ tầng khí quyền, điều giải thích rõ ràng phần sửa lỗi hệ thống Tất vệ tinh GPS phát chung tần số sóng mang L1 L2, Tuy nhiên mã điều chế khác cho vệ tinh khác Hai loại mã dùng mã C/A (Coarse/Acquisition) mã P-code (precision code) Mỗi mã bao gồm nhóm số nhị phân gọi bit Các mã thông thường biết đến mã PRN - Pseudo Random Noise(mã ồn giả ngẫu nhiên) gọi chúng tao cách ngẫu nhiên tín hiệu giống tín hiệu ồn, thực tế chúng phát từ giải thuật toán học Hiện mã C/A điều chế băng tần L1 mã P-code được điều chế băng tần L1 L2 Việc điều chế gọi điều chế lưỡng pha pha chúng dịch 180độ giá trị mã thay đổi từ ->1 hay từ 1->0 Mã C/A luồng bít nhị phân 1023 số nhị phân lặp lại thân chúng giây Điều có nghĩa tốc độ chip mã C/A 1.023Mbps Hay theo cách khác,chu kỳ bit xấp xỉ 1ms hay tương đương với 300m Việc đo đạc sử dụng mã C/A xác so với mã P-code phức tạp cung cấp cho tất người sử dụng Mã P-code chuỗi dài số nhị phân ,nó lặp lại thân sau 266 ngày Nó nhanh 10 lần so với mã C/A( tốc độ 10.23MBps) Nhân với thời gian lặp lại thân sau 266 ngày tốc độ 10.23Mbps suy mã P-code luồng gồm 2.35x1014chip mã dài 266 ngày chia 38 đoạn;mỗi đoạn tuần.32 đoạn phân chia tới vệ tinh khác Mỗi vệ tinh phát đoạn 1-tuần mã P-code,chúng khởi tạo vào nửa đêm nằm thứ chủ nhật hàng tuần Khoa điện tử viễn thông – Đại học Cơng Nghệ - ĐHQGHN Trang Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp đoạn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác Mã P-code thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích qn Nó cung cấp cho người sử dụng vào ngày 31/1/1994 Ở thời điểm mã P-code mã hóa việc thêm vào loại mã W-code Và kết việc thêm vào loại mã code mã Y-Code có tốc độ chíp giống với mã P-code Hình 1.3 Mơ hình tín hiệu GPS khí truyền 1.3.1 Tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh GPS truyền đồng thời dải tần số L1 L2 (L1 1575,42MHz , L2 1227,60MHz ) Sóng mang tin hiệu L1 gồm thành phần pha thành phần vuông pha Thành phần pha hai pha điều chế luồng liệu 50bps mã giả ngẫu nhiên gọi mã C/A bao gồm chuỗi 1023 chip nối tiếp có chu ky 1ms tốc độ xung nhip 1.023MHz Thành phần vuông pha hai pha điều chế luồng liệu 50bps có khác thành phần vuông pha dùng mã giả ngẫu nhiên gọi P-Code, có xung nhịp 10.23MHz chu kỳ tuần Biểu thức tốn học sóng L1 là: Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang Mạc Đăng Huy Khóa luận tốt nghiệp Trong P1 cơng suất thành phần sóng mang pha PQ cơng suất thành phần sóng mang vng pha d(t) điều chế liệu 50bps c(t) p(t) tương ứng sóng mã C/A mã giả ngẫu nhiên L1 tần số sóng mang độ dịch pha Cơng suất sóng mang vng pha PQ it xấp xỉ 3db so với P1 Trái ngược với tín hiệu L1, tín hiệu L2 điều chế với liệu 50bps mã p-code Biểu thức toán học tín hiệu L2 Hình 1.4 cấu trúc thành phần pha L1 Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 10