nghiên cứu thiết kế, chế tạo module gps phục vụ hệ thống dẫn đường phương tiện giao thông

MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài. Hiện nay các ứng dụng công nghệ định vị đều sử dụng thiết bị nhập ngoại được định hướng sản xuất theo chỉ tiêu kỹ thuật cứng trong nhiều trường hợp chưa phù hợp với các điều kiện đặc thù Việt Nam, hơn nữa các thiết bị nhập về ở dạng nguyên chiếc khó can thiệp khi có nhu cầu, đồng thời giá thành cao do có những tính năng không dùng đến. Người sử dụng do không nắm được bản chất của nguyên lý định vị của công nghệ GPS dẫn đến một số trường hợp sử dụng không đúng mục tiêu và đối tượng. Do các mục tiêu và nội dung đề ra em mạnh dạn đề xuất đề tài “Nghiờn cứu thiết kế, chế tạo module GPS phục vụ hệ thống dẫn đường phương tiện giao thụng„ II. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. - Nghiên cứu bản chất công nghệ GPS. - Xây dựng công nghệ và chế tạo các thiết bị trợ giúp giám sát, quản lý phương tiện giao thông đường bộ, đường sắt trên cơ sở ứng dụng các công nghệ hiện đại như định vị vệ tinh, vi cơ điện tử phù hợp với điều kiện Việt Nam. - Chế tạo các sản phẩm ứng dụng công nghệ định vị chất lượng cao, phù hợp với các tiêu chuẩn tương đương trên thế giới, mang tính cạnh tranh cao, có khả năng xuất khẩu sang các nước trong khu vực. - Làm tài liệu tham khảo cho các học viên cao học khóa sau. III. Đối tượng nghiên cứu. Module GPS thu tín hiệu tính toán tọa độ, tốc độ và thời gian. IV. Phạm vi nghiên cứu. Với đề tài này phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại 1 công ty vận tải taxi. 1 V. Phương pháp nghiên cứu. - Nghiên cứu lý thuyết hệ thống thu phát cao tần, nguyên tắc định vị vệ tinh. - Nghiên cứu hệ điều hành thời gian thực phục vụ xây dựng phần mềm. - Kiểm tra đánh giá kết quả trên mô hình. VI. Kết cấu của luận văn. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE GPS PHỤC VỤ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG Chương 1: Tổng quan về hệ thống định vị vệ tinh. Chương 2: Nghiên cứu và lựa chọn chip GPS phù hợp cho bộ thu tín hiệu vệ tinh định vị. Chương 3: Thiết kế mạch nguyên lý, chế tạo mạch điện bộ thu GPS tiêu chuẩn. Chương 4: Xây dựng phần mềm điều khiển cho thiết bị thu GPS. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 1.1 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS. Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống DOPPLER. GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM. Hệ thống này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì. Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùng trong dân sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS. Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau. Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GPS 3 Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hóng trờn thế giới sản xuất đã đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường. Vì lý do trờn, giỏ mỏy đó giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập. Các hóng trên thế giới sản xuất máy thu GPS bao gồm cỏc hóng chớnh như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức). Theo thị trường hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá cao nhất. Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng hơn của nó. Tín hiệu đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra. Chế biến các tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất. Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vô tận. Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính được tọa độ không gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác), số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4 cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng lực (độ chính xác 0.2 mgl). Ngoài ra còn có thể có những tham số khác đang được nghiên cứu. Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS SYSTEM. NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING. Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment). 1.1.1 Phần điều khiển (Control Segment). Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; một trạm 4 điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station). Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu. 1.1.2. Phần không gian (Space Segment). * Chòm vệ tinh GPS. Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20183 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55 o . Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh. Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phỏt trờn cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P súng cũn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz. Ngoài 2 mó trờn vệ tinh cũn phỏt mó phụ có tần số 50 Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao. * Cấu trúc tín hiệu GPS. Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số 1575,42 MHz và tần số 1227,60 MHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau. 5 Mã giả ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát đi ở tần số f 0 /10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ. Mã giả ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số f 0 = 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất, theo dừi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có giấy phép (nói chung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y). Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mó ( Mó - C/A và Mã - P hoặc mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mó-P hoặc mã Y. Cỏc mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu mó cú trị số -1 thì phase sóng mang đổi 180 0 , còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang giữ nguyên không thay đổi. Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) được phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực. 6 1.1.3. Phần sử dụng (User Segment). Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được cỏc mó phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần số phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầng Ion trong khí quyển trái đất. Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m và α=1:29825722. * Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng. Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính: - Phần cứng. - Phần mềm. - Phần triển khai công nghệ. Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử, các bộ dao động tần số vô tuyến RF (Radio Frequency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác. Phần mềm bao gồm những chương trình dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động 7 khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS. Những chương trình này được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS, có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác. Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị. Những bộ phận chính của máy thu GPS. Hình 1.2 Sơ đồ khối máy thu GPS Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm: - Ăngten và bộ tiền khuếch đại. 8 Phần nhận tần số vô tuyến RF Bộ vi xử lý Nguồn nuôi Cổng giao diện hoặc khối điều khiển và hiển thị Bộ nhớ Ăng ten và bộ tiền khuyếch đại - Phần nhận tần số vô tuyến (RF). - Bộ vi xử lí. - Cổng giao diện hoặc khối điều khiển và hiển thị. - Bộ nhớ. - Nguồn nuôi. Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại chựm súng rộng, vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như các đĩa ăngten vệ tinh. Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đặt trên ba chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thông, vị trí thực sự được xác định là trung tâm Phase của ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa. Phần nhận tần số vô tuyến (RF) : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết hợp số hóa và giải tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử lí tín hiệu khác nhau đôi chút, các phương pháp này là : - Tương quan mã. - Phase và tần số mã. - Cầu phương tín hiệu sóng mang. Phần này bao gồm cỏc kờnh sử dụng một trong ba phương pháp nói trên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng cỏc kờnh biến đổi trong khoảng từ 1 đến 12 tuỳ theo những máy thu khác nhau. Bộ vi xử lý: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lý. Kớch cỡ và kiểu dáng của bộ vi xử lý ở các loại máy thu khác nhau cũng khác nhau. 9 Bộ nhớ : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các trị số quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tín hiệu thu được. Nguồn nuôi : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều điện áp thấp, chỉ có một vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều. 1.1.4 Các phương pháp định vị bằng hệ thống GPS. * Phép định vị tĩnh và định vị động. Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động. Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do ăngten tĩnh hoặc động khác nhau nên dẫn đến những khác nhau rất lớn. Trong trường hợp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được một kết quả theo thời gian thực, trong đó mỗi trị quan trắc mới đều được xử lý sao cho có thể cải thiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trị quan trắc có thể được xử lý sau khi kết thúc công tác ngoài trời. Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo thời gian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí (Fix) tại một thời điểm. Một chuỗi các kết quả tại những chỉ định này (lộ trình rời rạc của phương tiện lưu thông) có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong số những thủ thuật tiếp cận bằng đường cong trơn. * Phép định vị tương đối. Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương đối. Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu của cạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời. Sở dĩ có thể đạt được độ chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các cự ly quan trắc thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự 10 [...]... Doppler Tsikada và phục vụ cho công tác dẫn đường cũng như công tác nghiên cứu về trái đất (địa động học, hải dương học, trắc địa bản đồ, …) Hệ thống GLONASS có cấu trúc giống như hệ thống GPS tức gồm ba bộ phận: - Hệ thống vệ tinh (phần không gian) - Hệ thống kiểm tra và điều khiển - Hệ thống người sử dụng Tất cả các thành phần của hệ thống phối hợp với nhau cho phép cung cấp các thông tin chính xác... cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số đo GPS 23 Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không quốc tế đã sử dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay ICAO - Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫn đường và cất, hạ cánh Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng không quốc gia sẽ chính thức sử dụng GPS Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp... gia tăng cho bạn thông qua các thiết bị đơn giản khi sử dụng, hiệu quả, giá thành hợp lý và phương thức ứng dụng sẽ giữ cho số liệu GIS của bạn luôn được cập nhật và có độ chính xác cao KẾT LUẬN 26 Trong chương này phân tích nguyên tắc hoạt động và cấu tạo của hệ thống định vị vệ tinh Trên cơ sở đó nghiên cứu sơ đồ khối bộ thu GPS cho các ứng dụng định vị Phần tiếp theo nghiên cứu về hệ thống định vị... điểm kỹ thuật giữa hai hệ thống định vị Đồng thời trong chương này còn phân tích các ứng dụng điển hình của hệ thống GPS Thực tế thì GPS được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực giao thông (đường bộ, đường biển, đường hàng không), công tác trắc địa bản đồ, quản lý tài nguyên thiên nhiên (thực vật, động vật) và các lĩnh vực khác Trong tương lai GPS còn phát triển hơn nữa do công nghệ kỹ thuật điện tử ngày... khiển vào ra GPIO - Khối giao tiếp BUS - Bộ tạo nguồn chuẩn bên trong 29 Điện áp làm việc của Chip dải rộng từ 2.4 đến 3.6V, cấu trúc của nó thuận tiện trong các ứng dụng: - Dẫn đường cho xe ô tô - Thiết bị GPS cầm tay - Thiết bị điện tử tích hợp GPS - Phụ kiện cho máy tính hoặc trong ngành viễn thông GSC3f/LPx tích hợp CPU, bộ nhớ, bộ xử lý tín hiệu số DSP và UART Với một hệ thống cấu hình tối thiểu,... hết sức quan trọng cho hoạt động của hệ thống Tại GCC có trang bị đồng hồ nguyên 16 tử hydro như là đồng hồ chuẩn cho cả hệ thống Đồng hồ nguyên tử trờn cỏc vệ tinh là đồng hồ cesium * Hệ thống người sử dụng: bao gồm tất cả các thiết bị thu nhận tín hiệu từ hệ thống vệ tinh Các thiết bị này có khả năng thu nhận và xử lý đồng thời các tín hiệu từ tối thiểu 4 vệ tinh, thông qua tính toán thời gian và vận... hàng không, hàng hải và trên bộ Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và là một bộ phận của những hệ thống dẫn đường tích hợp Ngoài ra, các vệ tinh GPS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân 1.3.8 Các ứng dụng trong giáo dục Chương trình thiết bị Bản đồ & GIS Giáo dục (Mapping & GIS Educator) giới thiệu những giải pháp đơn giản và đa dạng, tạo điều kiện thuận lợi nhất... đạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác 1.3.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông dân dụng hầu như tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống Trong việc xác định các hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thể hiện vị trí của phương tiện (được... phương tiện (được xác định bằng GPS) trên một bản đồ điện tử có thể sẽ thay thế sự so sánh có tính thủ công các vật thể xung quanh phương tiện với bản đồ truyền thống Ứng dụng này thuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìm kiếm hoặc cứu hộ Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếu các phương tiện này được trang bị những máy... việc dẫn hướng đường đi Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương cũng có thể được đáp ứng nhờ hệ GPS Phép đo phase của sóng mang bổ túc 22 cho ta tốc độ tàu thuyền chính xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu các dòng chảy của đại dương 1.3.4 Các ứng dụng trong trắc địa bản đồ và giao thông hàng không Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS . đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE GPS PHỤC VỤ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG Chương 1: Tổng quan về hệ thống định vị vệ tinh. Chương 2: Nghiên cứu và lựa chọn chip GPS phù. thống dẫn đường phương tiện giao thụng„ II. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. - Nghiên cứu bản chất công nghệ GPS. - Xây dựng công nghệ và chế tạo các thiết bị trợ giúp giám sát, quản lý phương tiện. nghệ GPS dẫn đến một số trường hợp sử dụng không đúng mục tiêu và đối tượng. Do các mục tiêu và nội dung đề ra em mạnh dạn đề xuất đề tài “Nghiờn cứu thiết kế, chế tạo module GPS phục vụ hệ thống