CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ GPS ỨNG DỤNG GPS TRONG QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU HÀNH XE BUU CHÍNH

Đề tài : CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ GPS, ỨNG DỤNG GPS TRONG QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU HÀNH XE BUU CHÍNH Cấu trúc của luận văn bao gồm: Chương 1 tìm hiểu về tổng quan về công nghệ GPS. Chương 2 trình bày các vấn đề kỹ thuật liên quan đến xử lý và truyền dữ liệu GPS. Chương 3 trình bày bài toán quản lý và điều hành xe Bưu chính hiện đang dùng tại Trung tâm khai thác vận chuyển và mô hình bài toán nhờ ứng dụng công nghệ GPS. Phần kết luận tóm tắt lại các công việc đã trình bày trong luận văn và định hướng tiếp tục nghiên cứu.

LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Hữu Lập người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Xin cảm ơn khoa Quốc tế và đào tạo sau đại học của Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông cùng các anh chị em lớp cao học Điện tử viễn thông khoá 7 đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Cảm ơn gia đình, cơ quan và bè bạn luôn khuyến khích và động viên tôi góp phần không nhỏ trong sự hoàn thành luận văn của tôi. TÁC GIẢ MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I MỤC LỤC I THUẬT NGỮ, CHỮ VIÊT TẮT II DANH MỤC BẢNG BIỂU III DANH MỤC HÌNH VẼ III LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 2. XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU GPS 12 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG GPS TRONG BÀI TOÁN QUẢN LÝ XE BƯU CHÍNH 57 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 1 73 BẢN TIN NMEA 73 PHỤ LỤC 2 73 MODUL GPS MTI 73 PHỤ LỤC 3 74 CÔNG NGHỆ VI XỬ LÍ MỚI PSOC 74 PHỤ LỤC 4 76 MÃ NGUỒN CỦA CHƯƠNG TRÌNH 76 I THUẬT NGỮ, CHỮ VIÊT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AS Anti-Spoofing Chống giả mạo C/A Clear/Acquisition Mã thu/xoá IGS International GPS service Dịch vụ GPS quốc tế IOC - Initial Operational Capability Mức độ hoạt động khởi tạo ITRS International Terrestrial Reference System Hệ tham chiếu mặt đất quốc tế FOC Full Operational Capability Toàn khả năng hoạt động GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ gói tin trên sóng vô tuyến MCS Master Control Station Trạm điều khiển chính NSD Người sử dụng P Precise hoặc Protected Code Mã chính xác PRN Pseudo random noise Giả tạp âm ngẫu nhiên SA Selective Availability Tính sẵn có có lựa chọn TSFR Tapped shift feedback Register Thanh ghi dịch tuyến tính lùi bước UTC Universal Time Coordinated Thời gian tham chiếu chuẩn WGS84 World Geodetic System 1984 Hệ thống trắc địa học toàn cầu 1984 II DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các thành phần của hệ thống GPS 4 Hình 1.2: Phép xác định toạ độ 3 chiều 8 Hình 1.3: Thiết bị dẫn đường trên phương tiện vận chuyển 11 III LỜI NÓI ĐẦU Việc ứng dụng công nghệ GPS trong các bài toán quản lý phương tiện giao thông đang trở nên phổ biến trên thế giới và đây là một dịch vụ mang lại giá trị gia tăng cao dựa trên công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin. Ở nước ta trong vài năm gần đây một số công ty cũng đã ứng dụng GPS để nâng cao năng lực quản lý chuyên ngành như Ngân hàng Liên việt, các hãng taxi, xe buýt Đối với ngành Bưu chính, việc áp dụng công nghệ GPS trong việc quản lý các phương tiện vận chuyển Bưu chính sẽ đem lại hiệu quả cao, phù hợp với các phương thức quản lý tập trung hiện đại. Trung tâm khai thác vận chuyển trực thuộc Bưu điện thành phố Hà nội đảm nhận nhiệm vụ khai thác, chia chọn, trung chuyển giữa các tỉnh thành phố và vận chuyển bưu gửi bằng các xe ô tô chuyên ngành Bưu chính. Thực tế Trung tâm đang quản lý và điều hành bằng nhân công nên gặp rất nhiều khó khăn chẳng hạn như: không thể biết chính xác xe đang ở đâu, không kiểm soát chính xác được chỉ tiêu thời gian khi vận chuyển, khi điều phối xe tăng cường gặp khó khăn Vì vậy nhu cầu ứng dụng GPS trong công việc này ngày càng cao và cấp thiết hơn do khối lượng cũng như tần xuất vận chuyển hàng hoá ngày một tăng. Luận văn này đề cập đến việc tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật của công nghệ GPS, từ đó lựa chọn và xây dựng mô hình ứng dụng GPS trong quản lý và điều hành xe Bưu chính. Cấu trúc của luận văn bao gồm: Chương 1 "Tổng quan về công nghệ GPS" giới thiệu lịch sử phát triển GPS, cấu trúc và hoạt động của hệ thống GPS, các ứng dụng GPS hiện nay. Chương 2 nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật liên quan đến "xử lý và truyền dữ liệu GPS" bao gồm: cấu trúc tín hiệu vệ tinh, xử lý tín hiệu và phương thức truyền dữ liệu GPS từ bộ thu về trung tâm xử lý dữ liệu thông qua các dịch vụ sẵn có của mạng thông tin di động GSM. 1 Chương 3 xây dựng bài toán quản lý và điều hành xe Bưu chính dùng tại Trung tâm khai thác vận chuyển nhờ ứng dụng công nghệ GPS, kết hợp bản đồ số và mạng thông tin di động GSM. Phần kết quả cuối cùng của luận văn đưa ra sản phẩm bộ thu GPS được chế tạo với giá thành rẻ và chương trình định vị theo dõi xe Bưu chính viết bằng phần mềm MapInfo. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 1.1 Lịch sử phát triển GPS Năm 1957 Nga phóng vệ tinh Sputnik mở ra kỷ nguyên GPS, khi đó các nhà khoa học nghiên cứu các quỹ đạo và truy tìm vệ tinh bằng sóng vô tuyến Đến năm 1964 tàu ngầm của Mỹ bắt đầu dùng phương pháp này để định vị và hệ thống đó chính là hệ thống định vị nổi tiếng TRANSIT. Hệ thống này chỉ dùng một vệ tinh để đọc thông tin nên mất khá nhiều thời gian đọc khoảng từ 35 đến 45 phút. Vào ngày 31/5/1967 hải quân Mỹ đã phóng vệ tinh TIMATION I để cải tiến hệ thống TRANSIT cũ với việc dùng đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh. Năm 1973 chương trình NAVSTAR được bắt đầu, hệ thống này sử dụng nhiều vệ tinh khác với TRANSIT cho kết quả chính xác hơn và thông tin đọc nhanh hơn. Từ 1974 -1979 tiến hành kiểm tra hệ thống. Năm 1977 thử nghiệm các bộ phát đáp giả lập trên mặt đất trước khi đưa vệ tinh lên quỹ đạo. Năm 1978 NAVSTAR (viết tắt của từ dẫn đường bằng thời gian và khoảng cách) bây giờ gọi là GPS (Định vị toàn cầu) chính thức được Bộ nội vụ Mỹ dùng trong quân sự với 11 vệ tinh trên quỹ đạo (1978 – 1985). Năm 1979 Mỹ quyết định mở rộng hệ thống GPS. Năm 1982 Bộ nội vụ Nga sử dụng hệ thống vệ tinh GLONASS. Năm 1983 Khi máy bay dân sự của Hàn quốc bị Nga bắn hạ do máy bay này không biết mình vi phạm vào lãnh thổ của Nga, từ đó nhu cầu GPS trở thành dự án phổ thông và người ta quyết định sử dụng GPS trong lĩnh vực dân sự. Năm 1988 Số vệ tinh tăng lên 24 vì 18 vệ tinh không thoả mãn nhu cầu. Năm 1989 Vệ tinh Block II đầu tiên được lắp đặt và sử dụng. Năm 7/1991 áp dụng tính sẵn có có lựa chọn SA. Ngày 8/12/1993 Công bố khả năng sử dụng khởi tạo (IOC). Trong cùng năm này quyết định cho phép dùng trong lĩnh vực dân sự toàn cầu miễn phí. Tháng 3/1994 Các vệ tinh Block II cuối cùng được đưa lên chùm sao vệ tinh. 3 Ngày 17/7/1995 Đầy đủ 24 vệ tinh GPS trên quỹ đạo. Tính chất khả năng sử dụng hoàn toàn FOC được công bố. Năm 1996 Tổng thống Mỹ Clinton cấp SA cho dân sự toàn cầu với độ chính xác cao hơn. Ngày 2/5/2000 UTC SA được thực thi theo quyết định của Clinton năm 1996. Lĩnh vực dân sự có thể đạt độ chính xác 10 – 15 m, so với độ chính xác 100 m trước đây. Ngày 20/3/2004 Phóng lên vệ tinh GPS thứ 50. Ngày 25/9/2005 Phóng lên vệ tinh IIR-M GPS đầu tiên. Loại vệ tinh mới này hỗ trợ các tín hiệu quân sự mới (tín hiệu - M) và tín hiệu dân sự thứ hai L2C. 1.2 Thành phần hệ thống Hệ thống GPS được chia theo quy ước là 3 thành phần như sau: Hình 1.1: Các thành phần của hệ thống GPS 4 1.2.1 Thành phần không gian Bao gồm các vệ tinh truyền tín hiệu cần thiết để hệ thống hoạt động. Chức năng cơ bản của vệ tinh: • Nhận và lưu trữ dữ liệu do thành phần điều khiển truyền đến. • Duy trì thời gian chính xác bằng các phương tiện sử dụng một vài chuẩn tần số đồng hồ nguyên tử nằm ngay trên vệ tinh. • Truyền tín hiệu và thông tin tới người dùng qua 1 hoặc 2 băng tần L. Các vệ tinh ban đầu khối I được chế tạo bởi tập đoàn Rockwell International corporation. Các thế hệ tiếp theo được chia ra làm 4 loại: II, IIA, IIR và IIF. Khối vệ tinh II và IIA có 28 quả trong đó 24 quả được đưa lên và đang dùng, các quả còn lại là để dự phòng. Khối vệ tinh IIR có 20 quả và dự kiến chế tạo thêm 6 quả nữa. Loạt khối IIF vẫn nằm trong giai đoạn thiết kế và có thể dùng để truyền tần số bổ sung. Chu kỳ thiết kế đối với khối vệ tinh II/IIA GPS là 7.5 năm (tuổi thọ thiết kế của khối I là 5 năm, và tuổi thọ dự kiến là 10 năm đối với khối vệ tinh IIR). Số hiệu của vệ tinh được dùng theo quy ước sau: • Số NAVSTAR (hoặc SVN): Các vệ tinh khối II được đánh số SVN 13 đến SVN 21. Khối IIA được thiết kế từ SVN 22 đến SVN 40, và khối IIR sẽ là SVN 41 trở lên. • Số PRN: là số thành phần có sẵn 37 (37 ngày) của mã P mã giả tạp âm ngẫu nhiên (PRN) được gắn với mỗi vệ tinh. 1.2.2 Thành phần điều khiển Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị để theo dõi tình trạng vệ tinh, quan sát, truy tìm, ra lệnh và điều khiển, tính toán lịch thiên văn và kết nối đường lên. Có 5 trạm mặt đất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein. Chúng hoạt động với chức năng sau: • 5 trạm này đều là những trạm quan sát, truy tìm vệ tinh và gửi dữ liệu truy tìm về trạm điều khiển chính MCS. 5 • Cơ sở không lực ở Falcon, Colorado Springs là trạm điều khiển chính MCS xử lý dữ liệu truy tìm để tính toán lịch tiên văn vệ tinh và sửa đúng lỗi đồng hồ vệ tinh. Nó cũng là nơi để khởi tạo tất cả các hoạt động của thành phần vũ trụ như là sự điều động vệ tinh, mã hoá tín hiệu, duy trì đồng hồ vệ tinh, v.v Trạm MCS lại được quản lý bởi sư đoàn thứ cấp vận hành đó là Cánh không gian thứ 50 của Không lực Mỹ. • 3 trạm (Ascension Is., Diego Garcia, và Kwajalein) cùng với hai ăng ten khác trong nội địa Mỹ là các trạm đẩy lên kết nối dữ liệu chiều lên tới vệ tinh. Dữ liệu bao gồm lịch thiên văn và thông tin sửa đúng đồng hồ được truyền trong bản tin di chuyển, cũng như các lệnh điều khiển từ xa từ trạm MCS. Mỗi trạm đẩy lên có thể nhìn thấy tất cả các vệ tinh một lần trong ngày. Bởi vậy tất cả các vệ tinh sẽ được trạm đẩy lên nhìn thấy 3 lần trong ngày. Bản tin viễn thám mới và lệnh điều khiển từ xa có thể truyền tới GPS xấp xỉ 8 giờ nếu cần. Tốc độ đẩy lên hiện nay là một lần trong ngày (đôi khi là 2 lần/ngày). Một chức năng quan trọng nữa của thành phần điều khiển là duy trì hệ tham chiếu WGS84. Người dùng GPS truy cập hệ thống này qua lịch thiên văn vệ tinh do MCS tính toán. Cơ sở của dịch vụ GPS quốc tế (IGS) là cung cấp lịch thiên văn chuẩn (ITRS) mà hệ này rất giống với hệ thống WGS84 (trong vòng 1m). Với bản chất của hệ thống GPS các vệ tinh sẽ hoạt động một cách độc lập với các thành phần điều khiển trên mặt đất không cần sự phân cấp rõ trên mặt đất. Các vệ tinh khối IIR và IIF có các kích hoạt chéo giữa các kết nối và đo đạc vệ tinh. Dữ liệu được xử lý và tạo ra thông tin thiên văn ngay bên trong thành phần không gian. 1.2.3 Thành phần người dùng Thiết bị người dùng GPS bao gồm chương trình phát triển mở rộng cho cả lĩnh vực quân sự và dân sự. Khái niệm “thiết bị GPS” tham chiếu tới sự kết hợp của: • Phần cứng (truy tìm tín hiệu và đo đạc). • Phần mềm (thuật toán định vị, giao tiếp người dùng). 6 [...]... hơn ứng dụng dẫn đường Có rất nhiều nhu cầu định vị chính xác trong các ứng dụng dân sự khác nhau dẫn đến những ứng dụng cụ thể được thoả mãn theo cách nào đó và có nhu cầu tổ hợp phần cứng và phần mềm Hiện nay có hơn 100 nhà sản xuất thiết bị GPS khác nhau Điều quan trọng cần phải nhấn mạnh là GPS được thiết kế chủ yếu để dẫn đường (định vị toạ độ) và không phải cho khảo sát Dẫn đường đòi hỏi định vị. .. thông trên đường với độ chính xác cao, theo dõi vận chuyển hàng hoá, truy tìm định vị xe, • Hoạt động tìm kiếm và cứu hộ: kể cả chức năng tránh va chạm và hẹn gặp • Hoạt động tàu vũ trụ • Ứng dụng trong quân sự • Sử dụng đặc biệt khác, như truyền thời gian, xác định độ cao, vận hành tự động, 1.6 GPS và mạng tế bào Công nghệ GPS thậm chí còn đang được sử dụng kết hợp với công nghệ mạng tế bào để cung... o Độ chính xác phương dọc 156 m o Độ chính xác thời gian 340 nano giây 1.5 Các ứng dụng GPS Các ứng dụng GPS được phân loại như sau: • Khảo sát bản đồ: trên mặt đất, mặt biển và trong không gian Các ứng dụng này có độ chính xác tương đối cao, để định vị cho cả trường hợp tĩnh và động Kể cả khảo sát tài nguyên và địa vật lý, khảo sát thu thập dữ liệu GIS, • Dẫn đường trên mặt đất, đường biển và hàng... cấu hình các mạng tiêu dùng và thương mại khai thác 11 qua điện thoại di động tế bào Khối định vị mạng tế bào và nhắn tin khẩn truyền đạt thông tin về vị trí và trạng thái của các phương tiện xe cộ do GPS xác định rất phù hợp dễ sử dụng trong các hệ thống nhằm trợ giúp cho các nhà quản lý đường bộ, các hãng giám sát nội vụ, các công ty điện thoại di động, các công ty cho thuê xe ô tô, các nhà khai thác... mọi người dùng Điều này góp phần khuyến khích việc phát triển các ứng dụng và tạo ra một thị trường khách hàng hoàn toàn mới đặc biệt là trong lĩnh vực định vị các phương tiện giao thông và điều hành xa lộ Hình 1.3: Thiết bị dẫn đường trên phương tiện vận chuyển 12 CHƯƠNG 2 XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU GPS 2.1 Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS Mỗi vệ tinh GPS truyền tín hiệu tập trung vào 2 tần số băng... dựa trên vị trí Do tính chính xác của mình, GPS đã nhanh chóng trở thành phương pháp lựa chọn để thu thập số liệu tại chỗ cho rất nhiều ứng dụng thương mại, chính quyền và quân sự GPS chắc chắn trở thành một phương pháp quan trọng và có hiệu quả kinh tế cho việc định vị vô số các mục tiêu trên mặt đất và trên biển Mặc dù Bộ Quốc Phòng Mỹ cung cấp kinh phí ban đầu, song việc truy cập mạng GPS là miễn... thông tin định vị 1.4 Các dịch vụ định vị GPS 1.4.1 Dịch vụ định vị chính xác (PPS) Dịch vụ này dành cho người dùng có đăng ký quyền hạn, có các thiết bị được mật mã và có khoá giải mã Dịch vụ này thường dành cho quân đội Mỹ và phe đồng minh, các cơ quan chính phủ Mỹ hoặc những cá nhân được chính phủ Mỹ cho phép Dịch vụ này có độ chính xác ước tính như sau: o Độ chính xác phương ngang 22 m o Độ chính xác... hiện chính xác đúng theo giờ Các khung phụ tiếp theo không truyền quá 2 giờ (1 vài lần chính xác theo 1 giờ, một vài lần theo 2 giờ và một vài lần không quá 2 giờ) Khung phụ 1 chứa độ lệch thời gian sử dụng được, khung phụ 2, 3 chứa lịch thiên văn ứng dụng được Hai giá trị thời gian ứng dụng được này thường là giống nhau và đối với điểm cắt chuyển ở kỷ nguyên 1h, giá trị thời gian ứng dụng được chính. .. dài đường chuẩn biểu diễn qua đơn vị cm 2.2.2.4 Tính sẵn có có lựa chọn SA Chính sách SA để phân cấp ứng dụng quân sự và dân sự Phân cấp SA định vị theo phương ngang tới 100m (mức tin cậy 95%) và xác định độ cao tới 150-170m (mức tin cậy 95%) cho người dùng SPS SA áp dụng từ 25/3/1990 và bao gồm: • Thành phần "epsilon" ( ) là phần rút gọn thông tin quỹ đạo truyền đi trong bản tin NM do đó toạ độ vệ... gần bằng 1 và càng ngẫu nhiên khác nhau sẽ gần tới 0 Chính vì vậy tín hiệu GPS được xem là ngẫu nhiên Càng so sánh tín hiệu có nhiều bit thì càng chính xác Mã vàng để tạo mã C/A có thuộc tính tự tương quan là hằng số 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng 2.2.2.1 Khái niệm lỗi và độ lệch phép đo Tất cả các phép đo GPS pha sóng mang và giả khoảng cách GPS đều bị ảnh hưởng bởi một loạt lỗi và độ lệch (xem hình 2-7)