gps thiết kế và phát triển các hệ thống định vị toàn cầu để sử dụng trong các ứng dụng về định vị và định hướng

Cách thức hoạt động của hệ ống định vị thtàn cầuGPS 5Chương 2: Cấu tạo chung và các tín hiệu trong hệ thống đ nh vịị toàn cầu 62.1.. Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô tô có tran

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆ – ỆN TỬ N ĐI

BÁO CÁO MÔN NHẬP MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

TỬ VIỄN THÔNG TOPIC SỐ 8:

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS): Thiết kế và phát triển các hệ thống định

vị toàn cầu để sử dụng trong các ứng dụng về định vị và định hướng.

Giảng viên: Nguyễn Tiến Hoà

Lớp: ĐTVT – K67

Họ và tên: Nguyễn Minh Tiến – 20221120P

Nguyễn Xuân Sơn - 20221113P Đào Ngọc Sơn - 20221112P

Vũ Anh Quân – 20221108P Đinh Trọng Hiếu - 20221092P

Hà Nộ 4-i, 2023

Ụ Ụ

Nội dung chính:

Chương 1: Khái quát chung về hệ thống đ ịn vị toàn c ầu (GPS) 2

1.1 Khái niệm và lịch sử hình thành của hệ th ng định vị toàn cầu (GPS) ố 2

1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển 2

1.2 Phân loại hệ thống định vị toàn cầu 3

1.3 Cách thức hoạ t động c ủa hệ ống định vị th tàn cầu(GPS) 5

Chương 2: Cấ u t ạo chung và các tín hiệu trong hệ thống đ nh v ị ị toàn cầu 6

2.1 Các thành phầ n c ủa GPS 6

2.1.1 Phần không gian (Space): 7

2.1.2 Phầ n ki ểm soát và điều khiển (Control): 7

2.1.3 Phầ n s ử dụng (User): 9

Chương 3: Giải pháp công ngh ệ và cơ hộ i việc l àm của hê ống GPS th 10

3.1 Những công ngh ệ đang được phát triển 10

3.2 Định hướ ng c ông việc v cơ hội việc làm trong h th à ệ ống đị nh v to ị àn cầu 12

Chương 4: Ứ ng d ụng hệ ống định vị toàn cầu trong thự th c tiễn 13

4.1 Các thành phầ n c ủa hệ thống đ nh v ị ị 14

4.1.1 Tính năng bắt buộc theo yêu cầ u c ủa Bộ GTVT 14

4.2 Tính năng mở rộng của giải pháp GPS cho xe taxi 15

PHẦN MỞ ĐẦU

Trên thế ới khái niệm hệ ống định vị toàn cầu GPS đã tồn tại khá lâu và đã đượgi th c

áp dụng trong rất nhiều mặt của đời sống xã hội Ở ệt Nam nói riêng công nghệ Vi GPS đượ ứng dụng rộng rãi và phổ ến, đặc biệt khi được kết hợp với các công c bi nghệ khác nhằm phục vụ cho việc tìm kiếm, định vị định hướng thì thực sự đã mang lại một cuộc cách mạng trong cuộc sống hiện nay GPS đang ngày càng phát triển hoàn thiện theo chiều hướng chính xác, hiệu quả, đa dạng và thuận tiện Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô tô có trang bị thiết bị dẫn đường GPS (GPS navigator), chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của xe hiện trên màn hình có bản đồ ện tử trong hệ ống đường xá phức tạp hoặc khi chúng ta bị ất lạc điệđi th th n thoại thì chỉ với vài thao tác cơ bản từ xa mà ta đã có thể định vị chính xác được vị trí cụ ể của chiếc điện thoại, và còn vô vàn những ứng dụng nữa đang đượth c ứng dụng và phát triển nhờ có GPS Với mong muốn được tìm hiểu về công nghệ, kỹ thuật của hệ ống định vị GPS đã thúc đẩy cho việc tìm hiểu nghiên cứu của cả th nhóm chọn Đề tài "Hệ ống định vị toàn cầu (GPS): Thiết kế và phát triển cá hệ th

thống định vị các hệ ống toàn cầu để sử dụng trong các ứng dụng về định vị và th định hướng" là một nghiên cứu hoàn toàn thiết thực Cùng với sự phát t ển như vũ ri bão của công nghệ thông tin và ứng dụng đa dạng của GPS trong thời đại mới thì đề tài này là một tài liệu cơ sở lý thuyết cho những người muốn đi sâu hơn khi có nhu cầu nghiên cứu thiết ké và phát triển hệ ống hoặc tham gia quản lý khai thác hệ th thống

Hướng nghiên cứu của đề tài sẽ tập chung đi vào giới thiệu chung về toàn bộ hệ thống GPS, cách thức hoạt động của nó và những tính năng, công nghệ cũng như ứng dụng của GPS vào thực tiễn nói chung và cụ thể là thiết kế, phát triển trong ứng dụng định vị ịnh hướng., đ

Chương 1: Khái quát chung về hệ ống địn vị toàn cầu (GPS) th 1.1 Khái niệm và lịch sử hình thành của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) 1.1.1 Khái niệm chung

Hệ ống Định vị Toàn cầu th (Global Positioning System – GPS) là hệ ống xác th định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết

kế, xây dựng, vận hành và quản lý Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất

ba vệ tinh

Hình 1.1: Mô phỏng hệ ống định vị GPS trong không gian th

Bên trên là hình ảnh mô phỏng hệ ống định vị toàn cầu(GPS) được bắn ra ngoài th không gian Tuy được quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế ới sử dụng một số ức năng của GPS miễn phí, bất kể gi ch quốc tịch nào

1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển

Hệ thống GPS được phát triển lần đầu tiên bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ Ban đầu mục đích khai thác ứng dụng hệ thống này chỉ dành cho các mục đích quân sự của

Hoa Kỳ Tuy nhiên từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng vào mục đích thương mại, dân sự

Cụ thể:

• Vệ tinh của hệ thống GPS đầu tiên được phóng năm 1978

• Hoàn chỉnh đầy đủ 30 vệ tinh của hệ thống GPS vào năm 2011

• Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 15 năm

• Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg, dài khoảng 5m với các tấm năng lượng Mặt Trời mở rộng 7m²

• Công suất phát bằng hoặc dưới 50 Watts

GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng sóng GPS Chỉ cần thiết bị định vị toàn cầu GPS của bạn có khả năng thu và sử dụng sóng GPS

Phân loại hệ thống địn vị toàn cầu

Hệ thống định vị toàn cầu(GPS) của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24

vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian Các hệ ống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô th tuyến điện Được biết đến nhiều nhất là các hệ ống sau: LORA – (th N Long Range Navigation) – hoạt động ở ải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay gi

TACAN – (Tactical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng.

Gần như đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS Hiện nay Liên minh Châu Âu đang phát triển hệ

dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo Trung Quốc thì phát triển hệ thống

định vị toàn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh.

Hình 1.2: Các hệ thống GPS trên thế giới

Trên đây là các hệ thống định vị toàn cầu trên thế giới được các nước đưa ra ngoài

Ban đầu, GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân

sự, nên mặc dù chúng dùng được cho dân sự nhưng không hệ ống nào đưa ra sự th đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác cao Vì thế chúng không thỏa mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó Chỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường

và định vị dân sự

GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền không rẻ để mua thiết bị thu tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ

Hệ thống bao gồm các vệ tinh quay xung quanh trái đất và các trạm phát sóng GPS mặt đất Chúng liên tục phát ra các sóng GPS Thiết bị định vị sẽ thu sóng của cả vệ tinh và trạm phát sóng GPS mặt đất Dựa vào các thuật toán để xử lý, cho ra vị trí tọa độ chính xác nhất trên bản đồ.Dưới đây là cách thức hoạt động cụ thể của GPS:

Hình 1.3: Cách thức hoạt động của hệ thống GPS

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng

Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về ời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh th bao xa Và với khoảng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ ện tử của máy.đi

Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh

độ và vĩ độ) Để có thể theo dõi được chuyển động thì máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh, từ đó máy thu mới tính toán được vị trí ba chiều (kinh độ,

vĩ độ và độ cao) Khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, khoảng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn …

Chương 2: Cấu tạo chung và các tín hiệu trong hệ ống định vị toàn cầu th

2.1 Các thành phần của GPS

Hệ ống định vị GPS được cấu tạo nên từ 3 thành phần: Phần không gian (Space), th Phần kiểm soát và điều khiển (Control), Phần sử dụng (User)

Hình 2.1 Cấu tạo khung của hệ ống GPS th

2.1.1 Phần không gian (Space):

Bao gồm 24 vệ tinh thường trực (và 3 vệ tinh dự phòng) bay vòng quanh trái đất trên

6 quỹ đạ ở độ cao 20200 km.o

Mỗi vệ tinh này được trang bị bốn đồng hồ nguyên tử cực kỳ chính xác (0,000000001s), mỗi vệ tinh sẽ phát ra 2 tần số sóng vô tuyến phục vụ cho mục đích định vị đó là: Sóng L1 có tần số 157,42 MHz và sóng L2 có tần số 1227,6 MHz Với sự bố trí 24 vệ tinh trên 6 quỹ đạo, nó cho phép máy thu tín hiệu GPS dù ở bất

cứ đâu trên trái đất, ngày cũng như đêm, đều có thể được “ nhìn thấy” tối thiểu 4 đến

8 vệ tinh Điều này đủ ều kiện để máy thu tín hiệu được tọa độ ểm đo và độ lệch đi đi thời gian giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu

2.1.2 Phần kiểm soát và điều khiển (Control):

Bao gồm 5 trạm kiểm soát và thu dữ liệu, 1 trạm điều khiển trung tâm, 3 trạm truyền

số liệu:

• Năm trạm kiểm soát và thu dữ liệu:

Được đặt tại Hawaii, Colorado Springs, Ascension Islands, Diego Garcia và

Kwajalein Trạm kiểm soát và thu dữ ệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ li tinh

để ểm soát sự ạt động và tính toán quỹ đạo của chúng.ki ho

Mỗi trạm được trang bị các máy thu tín hiệu mã P Liên tục theo dõi khoảng cách đến tất cả các vệ tinh quan sát được Sau đó, kết quả ệu chỉnh của năm trạm này hi được gửi về trạm điều khiển trung tâm

Hình 2.2 Mô phỏng các vệ tinh trong không gian

• Một trạm điều khiển trung tâm:

Được đặt tạ căn cứ không quân của Mỹ gần Colorado Springs Có nhiệm vụ i nhận

dữ ệu của năm trạm kiểm soát để xử lý Tính ra lịch tọa độ vệ tinh chính xác và li tính các số ệu chỉnh đồng hồ của từng vệ tinh.hi

Ngoài ra, trạm này còn điều khiển các số ệu chỉnh quỹ đạo của từng vệ tinh Và hi điều khiển việc thay thế các vệ tinh đã ngừng hoạt động bằng các vệ tinh dự phòng

• Ba trạm truyền số liệu:

Được đặt tại Ascension Islands, Diego Garcia và Kwajalein Có nhiệm vụ ận dữ nh

liệu từ ạm điều khiển trung tâm gửi lên các vệ tinh Đồng thời ra các lệnh điều tr khiển vệ tinh đi đúng quỹ đạo định trước

2.1.3 Phần sử dụng (User):

Bao gồm các thiết bị sử dụng hệ ống định vị GPS Như máy bay, tàu thuyền, ô tô, th máy thu tín hiệu trên mặt đất…

Máy thu tín hiệu có 2 loại:

• Loại 1 tần số chỉ thu được mã phát của sóng L1 (xác định được vị trí tương đối giữa các trạm với độ chính xác 1-5cm nếu khoảng cách đo <50km)

• Loại 2 tần số có thể đo được khoảng cách hàng ngàn km

•

2.2 Tín hiệu GPS

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải L là

phần sóng cực ngắn của phổ ện từ ải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân sự đi tr dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF

Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS

Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ẫu nhiên, dữ ệu thiên ng li văn và dữ ệu lịch Mã giả ẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác địli ng nh

được quả vệ tinh nào là phát thông tin nào Có thể nhìn số ệu của các quả vệ tinh hi trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để ết nó nhận được tín hiệu của quả nào bi

Dữ ệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạ ở mỗi thờli o i điểm trong ngày Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho

vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ ống Dữ ệu lịch được phát đều đặn bởth li i mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh, ngày giờ hiện

tại Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí.

Chương 3: Giải pháp công nghệ và cơ hội việc làm của hê ống GPS th

Khoa học quân sự- c hệ ác thống t lừa dò ên đường, t lửa li lục địa ,hệ ên ên thống GPS

sử dụng mạng quân đội từ các vệ tinh GPS và một máy thu GPS trên tên lửa để phát hiện vị trí của nó với độ ính xác rất cao.ch

Hình 3.1: Tên lửa sử dụng định vị GPS

ví dụ; T lửa xuy lục địa của mỹ sử dụng GPS để x định vị í đánh bom cũng ên ên ác tr như tăng độ chính ác x từng cm v vị ào trí mục tiêu

Hàng không, vận tải biển- x định t ác àu thuyền, định vị c t thuyền gần nhau ác àu người ta áp dụng GPS để điều hướng bằng máy bay thương mại và hàng không bằng cách cung cấp tọa độ của máy bay theo thời gian thực cho phi công Từ đó phi công

có thể xác định được vị trí bay, bản đồ hành trình cũng như quãng đường đi qua dựa trên cập nhật vị trí hoạt động của máy bay

Hình 3.2: Sử dụng GPS để xác định vị trí máy bay

ví dụ hình ảnh về ệc sử dụng GPS để x định vị vi ác trí m bay và b cho phi côngáy áo Quản lý, giám sát, điều hành vận tải đường bộ- chống trộm cho ứng dụng thuê xe tự lái, theo dõi lộ trình đoàn xe

liên lạc theo d c ứng dụng giao hang GPS c ứng dụng trong quản lý oto, l xe õi ác ác ái công ình với nhiều tính năng như gitr ám át s lộ ình , định vị xe Giám sát lộ tr trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe….Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm

Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng)

Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn

Chức năng chống trộm

Công nghệ di độ - ợc tích hợp với c sản phẩm như điện thoại, đồng hồ ng đư ác nhằm xác định vị trí vật chủ của người đeo cũng như thông tin vị trí của thiết bị( Hầu như

các thiết bị hiện đại ng nay đều được tích hợp GPS trày ên ác c thiết bị ện tạhi i

- Định hướng công vi ệc- c ứ dụng của GPS trong đời sốác ng ng

Nhanh chóng, dễ dàng định vị vị í của người sử dụng: dễ dàng t ếm người bị tr ìm ki nạn, thích hợp cho công việc t ếm của c ành nghề hỗ ìm ki ác ng trợ

Xem bản đồ, tìm kiếm đường thuận tiện và nhanh chóng ở ắp mọi nơi trên thế kh giới: thích hợp để thiết kế bản đồ địa lý, giúp tiếp cận những vùng con người chưa tiếp cận được

Khi chụ ảnh hoặc lộ ình đường đi có thể kèm theo tọa độ địa lý: tp tr ìm hiểu được các địa điểm chụ ảnh là gì p

Xác định vị í thiết bị trong trường hợp bị ất lạc hoặc trộm cướp, Trong trườtr th ng hợp laptop bị mất cắp có thể chụp ảnh người mở máy hoặc khóa máy.: hỗ ợ công tr tác điều tra của c ban ngành đặc thùác

Tối ưu hóa những kết quả tìm kiếm dựa trên khu vực

Phát triển c hệ ống định vị GPS to cầu để tăng độ ính x cho GPS kết nốác th àn ch ác i các miền lại với nhau, giảm độ ậm trẽ trong việc x định vị í bằng GPSch ác tr

- Cơ hội việc làm

Kỹ sư ph triển phần mềm, lập trát ình viên: c ác phần mềm li quan đ GPS như gg ên ên map, c ứ dụng kiểm so bằng GPS.ác ng át

Các b ành x dựng: nâng cấp ổ ên ng ây ph biến các trạm ph sát óng ín hi t ệu cho GPS Nền công nghiệp Vũ trụ: tạo việc làm cho các nhân viên để phát triển c vệ tinh ác phóng l bầu khí ên quyển tăng thu ph sóng t ệu GPSát ín hi