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

Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triểntính độc lập của máy thu GPS, có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵnsàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chín

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài.

Hiện nay các ứng dụng công nghệ định vị đều sử dụng thiết bị nhậpngoại được định hướng sản xuất theo chỉ tiêu kỹ thuật cứng trong nhiềutrường hợp chưa phù hợp với các điều kiện đặc thù Việt Nam, hơn nữa cácthiết bị nhập về ở dạng nguyên chiếc khó can thiệp khi có nhu cầu, đồng thờigiá thành cao do có những tính năng không dùng đến

Người sử dụng do không nắm được bản chất của nguyên lý định vị củacông nghệ GPS dẫn đến một số trường hợp sử dụng không đúng mục tiêu vàđối 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 lýphương tiện giao thông đường bộ, đường sắt trên cơ sở ứng dụng các công nghệhiện 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, phùhợp 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

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

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 thốngDOPPLER GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM Hệthống 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 phépdùng trong dân sự Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã laovào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sửdụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu này cho kết quảtrong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phầnmềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GPS

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 đógiảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập Các hóng trên thế giới sảnxuất máy thu GPS bao gồm cỏc hóng chớnh như: TRIMBLE NAVIGATION(Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (TâyĐức) Theo thị trường hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATIONđang được đánh giá cao nhất

Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đadạng hơn của nó Tín hiệu đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinhphát ra Chế biến các tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuậttoán khác nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhaucủa trái đất Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vô tận Với các tínhiệu thu được chúng ta có thể tính được tọa độ không gian tuyệt đối (với độchính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác), số giatọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độchính 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 NAVSTARGPS SYSTEM NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITHTIME AND RANGING

Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phầnkhông 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

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 bằngphương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) Trạm trung tâm làm nhiệm vụtính 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 hiệuchỉnh 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 đạomột góc 55o Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trítrên 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 nhiênbao gồm các số 0 và 1 Mã này được gọi tên là mã P (Precise) Bên cạnh mã Psúng cũn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1 Mã C/A đượcphát 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 đềuđược 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 số1575,42 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

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 f0/10= 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 f0 = 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 mộtđoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất, theo dừi các tàuthuyền 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 thìđược 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 dụngGPS 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 1800, còn nếu mã số có trị số +1thì 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) đểthông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh Các dữ liệu này sẽđược các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thờigian thực

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 vàmáy thu 2 tần số Máy thu 1 tần số chỉ nhận được cỏc mó phát đi với sóngmang L1 Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2 Cácmáy 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 cáchnhỏ hơn 50 km Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm điđáng kể (độ chính xác cỡ dm) Để đo được trên những khoảng cách dài đếnvài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng củatầng Ion trong khí quyển trái đất Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệthống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m và

- 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 đểhoạt động máy thu Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, tincậy 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 dẫnđường đi hữu ích Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động

khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vịGPS Những chương trình này được thiết kế sao cho có thể cung cấp nhữngthông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điềuhành Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triểntính độc lập của máy thu GPS, có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵnsàng 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 ăngtenkhác 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 cậycho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xuthế 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

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

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 tínhiệu giống như các đĩa ăngten vệ tinh Các ăngten này tương đối chắcchắn 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 đượctruyền 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 nóitrên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng cỏc kờnh biến đổitrong 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

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 tínhiệu 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 vậtthể chuyển động Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế doăngten 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 quảtheo thời gian thực, trong đó mỗi trị quan trắc mới đều được xử lý sao cho cóthể cải thiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trịquan 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 theothời gian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí (Fix) tại một thờiđiểm Một chuỗi các kết quả tại những chỉ định này (lộ trình rời rạc củaphương tiện lưu thông) có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong sốnhững 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 vịtương đối Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng đượcđặt tại hai đầu của cạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời Sở dĩ có thểđạt được độ chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trongcác cự ly quan trắc thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự

nhau tại hai đầu của đường đỏy Cỏc sai số này có thể được loại trừ hoặc ítnhất cũng giảm một cách đáng kể khi xác định trị số định vị tương đối.

Hình 1.3 Phép định vị tương đối với hai máy thu GPS

Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được BenRemondi thuộc Cục Đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, là kiểu định vị tương đốidạng bán động (relative semi kinematic positioning) Ý tưởng của kiểu đo này

là sử dụng một máy tĩnh và một máy di động lang thang xung quanh Nếukhông xuất hiện trị số trượt chu kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục đảmbảo độ chính xác tốt hơn 1 chu kỳ (20 cm) của tín hiệu phase phách sóngmang trong các trị số định vị tương đối giữa máy thu tĩnh và máy thu langthang Kiến nghị này có hai ngụ ý:

- Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiềucủa số đo sóng mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã

- Mở ra một phạm vi rộng hơn trong ứng dụng phép định vị GPS: lậptam giác ảnh hàng không dùng đến những điểm khống chế mặt đất

Máy thu 1

Máy thu 2 (X, Y, Z))

* Phép định vị nhiều máy thu.

Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khimột số máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị Nói chung,một mạng lưới luụn cú cấu hình mạnh hơn về mặt hình học so với một cạnh

đo vì có số đo dư thừa, các cạnh đo trong lưới cần phải thoả mãn những điềukiện được xác định bằng phương pháp hình học Các trị đo dư thừa được dùng

để kiểm soát ảnh hưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫunhiên và sai số hệ thống trong các trị quan trắc Chúng ta để ý thấy rằng ngay

cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết các cạnh đáy thiết kế thành cácmạng lưới, có như thế mới cải thiện được độ chính xác của các trị số định vị

Hình 1.4 Phép định vị nhiều máy thu

Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luậtkhác thường, liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động

và liên quan đến các giai đoạn quan trắc trên từng trạm riêng biệt Trong hoàn

cảnh như vậy, người ta cần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hoá lịch đo đểđạt độ chính xác tốt nhất bằng những công cụ rẻ tiền nhất.

* Phép định vị động tương đối.

Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thì cỏcphép định vị điểm mô tả trước đây có thể không đủ sử dụng Khi đó, cần phảidùng tới khái niệm định vị phân sai (differential) tương đối Ý tưởng chínhcủa phép đo này là dùng một ăngten tĩnh tại làm điểm tham chiếu Sau đó,máy thu các ăngten tĩnh tại truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinhđang được máy thu có ăngten chuyển động truy cập (tốt nhất là truy cập tất

cả các vệ tinh nhìn thấy được) Độ chính xác được coi là phụ thuộc vào vị trícủa máy tĩnh tại và sự hoạt động của đồng hồ Sở dĩ có sự khác nhau (tức sai

số khép độ dài) giữa những cự li đo tới các vệ tinh và những cự li tính được từ

vị trí “biết trước” của máy thu tĩnh tại và đồng hồ và sở dĩ có sự biến đổitrông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có những biến động tức thờitrong thông tin quỹ đạo trong giá trị thời gian trễ do khí quyển và trong hoạtđộng của đồng hồ

Hình 1.5 Phép định vị động tương đối

Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độdài tới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lạc trong thờigian thực Kết quả của các nghiên cứu cho thấy rằng người ta nhận đượcnhững kết quả tốt hơn và việc bổ sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khidùng sai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị trí Số hiệu chỉnh thời gianthực này đã nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phép định vị động.

Máy thu tĩnh có thể được coi là một vệ tinh giả đặt trên bờ để truyền tínhiệu và thông báo đã được mó hoỏ bằng cùng một cách giống như những gì

đã được truyền qua vệ tinh

1.2 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GLONASS.

1.2.1 Tổng quan hệ thống GLONASS.

Hệ thống GLONASS (Global Navigation Sattelite System) đã được

cơ quan Phát triển không gian (RSA) và bộ quốc phòng của Liờn Xụ trướcđây (nay là cộng hòa Liên bang Nga) xây dựng và phát triển từ đầu nhữngnăm của thập niên 80 nhằm thay thế cho hệ thống Doppler Tsikada và phục

vụ cho công tác dẫn đường cũng như công tác nghiên cứu về trái đất (địađộng học, hải dương học, trắc địa bản đồ, …) Hệ thống GLONASS có cấutrúc 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 cungcấp các thông tin chính xác về vận tốc, thời gian và vị trí trong không gian 3chiều cho người sử dụng trên toàn thế giới Hệ thống có khả năng xác địnhcác tọa độ ngang với độ chính xác 50-70 m (độ tin cậy 99,7%); các tọa độ

đứng với độ chính xác 70 m (độ tin cậy 99,7%); cỏc vộc-tơ thành phần củavận tốc với độ chính xác 15 cm/s (độ tin cậy 99,7%); thời gian chính xác với

độ chính xác 0,7 às (độ tin cậy 99,7%)

* Phần không gian: cho đến nay hệ thống GLONASS đã được hoạt

động với đầy đủ 24 vệ tinh nằm trên 3 mặt phẳng quỹ đạo trũn nghiờng vớinhau 120o, mỗi quỹ đạo bao gồm 8 vệ tinh Độ cao quỹ đạo vệ tinh và sốlượng vệ tinh được thiết kế tối ưu phục vụ mục tiêu là tính hiệu quả cao trong

sử dụng và cho phép tại một nơi bất kỳ trên trái đất có thể quan sát ít nhất 4

vệ tinh tại mọi thời điểm Độ cao của vệ tinh khoảng 19.140 km, góc nghiêngcủa mặt phẳng quỹ đạo là 64,8o Chu kỳ của vệ tinh là 11h15’ Các vệ tinhđược bố trí sao cho tối thiểu có 5 vệ tinh trong tầm nhìn của các máy thuGLONASS trên toàn thế giới

* Hệ thống kiểm tra và điều khiển: Hệ thống GLONASS được hoạt

động dưới sự điều hành bởi phức hợp điều khiển mặt đất (GCC – Groundbased Control Complex), bao gồm trung tâm điều khiển hệ thống (SCC -System Control Center, Golitsyno-2) đặt tại Moscow và các trạm theo dõi chỉhuy (CTS - Command Tracking Stations ) đặt tại nhiều nơi trờn cỏc vùng lâncận thuộc lãnh thổ Nga Các trạm CTS có nhiệm vụ giám sát trạng thái các vệtinh GLONASS trong tầm nhìn và thu nhận thông tin từ vệ tinh Thông tin từcác CTS sẽ được xử lý tại SCC để xác định tình trạng đồng hồ và quỹ đạo của

vệ tinh Sau đó thông tin này sẽ được SCC gửi lờn cỏc vệ tinh (các dữ liệuchuẩn hóa được nạp lờn cỏc vệ tinh 2 lần trong một ngày) Mỗi vệ tinh đượctrang bị một gương phản xạ laser để hiệu chỉnh định kỳ việc đo khoảng cách

từ các CTS đến các vệ tinh

Việc đồng bộ hoỏ cỏc đồng hồ trờn cỏc vệ tinh GLONASS là hết sứcquan trọng cho hoạt động của hệ thống Tại GCC có trang bị đồng hồ nguyên

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 đồngthời các tín hiệu từ tối thiểu 4 vệ tinh, thông qua tính toán thời gian và vận tốc

để tính toán được vị trí chính xác Tương tự như GPS, hệ thống GLONASSdành cho cả mục đích quân sự và dân sự

Tín hiệu vệ tinh: các vệ tinh GLONASS phát quảng bá các tín hiệu trên

2 băng con của băng tần L: L1 (~1.6 GHz) và L2 (~1.2 GHz) Các sóng mangđược điều chế bởi hai mã nhị phân là mã C/A (C/A-code ), mã P (P-code) vàbởi chính bản thân dữ liệu Tín hiệu truyền trong băng tần L1 được điều chếbởi cả hai loại mã nhị phân trên, trong khi tín hiệu trong băng tần L2 chỉ dựng

mó P Mã C/A được điều biến bởi đồng hồ tần số 0,511MHz được gọi là tínhiệu có độ chính xác tiêu chuẩn Mã P được điều chế với đồng hồ tần số5,11MHz gọi là tín hiệu có độ chính xác cao được dùng cho các mục đíchquân sự [ICD, 1995] Để phục vụ cho mục đích dân sự người ta sử dụng dảitần số L1 Dải tần số L2 phục vụ cho mục đích quân sự Các vệ tinh của hệthống GLONASS cung cấp hai loại tín hiệu dẫn đường trên cả hai băng tần L1

và L2

Các vệ tinh GLONASS sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo tần số(FDMA– Frequency Division Multiple Access) Mỗi vệ tinh truyền các tínhiệu trên băng tần L1, L2 ở các tần số khác nhau kết quả là một máy thuGLONASS có thể nhận được nhiều tín hiệu với tần số khác nhau từ các vệtinh Tất cả các vệ tinh GLONASS đều dùng chung một mã điều chế, đây làđiểm khác biệt khi so sánh với hệ thống GPS Các vệ tinh GPS sử dụng kỹthuật đa truy nhập theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access), mỗi

sóng mang trên vệ tinh GPS được điều chế với một mã khác nhau và tất cảcác vệ tinh GPS đều dùng chung tần số trên cả hai băng tần L1 và L2

Bảng 1.1: Các đặc tính cơ bản của GLONASS và GPS.

Thành phần trong

Tần số sóng mang

L1: 1602 1615.5 MHz,L2: 1246 1256.5 MHz,Cho cỏc kờnh từ 0,1, ,24

L1: 1575.42 MHz,L2: 1227.60 MHz

Mã

C/A-code trên băng L1,P-code trên băng L1 và L2,Tất cả các vệ tinh dùngchung mã

C/A-code trên băng L1,P-code trên băng L1 vàL2,

Các vệ tinh dựng mókhác nhau

Sai số đồng hồ, độ dịchtần số, nhịp tần số

Cập nhật thông số

quỹ đạo

30 phút một lần, vị trí vệtinh, vận tốc vệ tinh, gia tốc

vệ tinh

60 phút một lần, điềuchỉnh theo các phần tửKeplerian

Các vệ tinh của GLONASS được trang bị đồng hồ cesium với sai sốhàng ngày nhỏ hơn 5.10-3s Sai lệch về sự đồng bộ về thời gian giữa các vệtinh với nhau là 20ns Thời gian hệ thống và thang thời gian của các vệ tinh

được so sánh 2 lần một ngày với trung tâm GCC (Ground-based ControlComplex) hiệu chỉnh và nạp tới vệ tinh đảm bảo sự sai lệch không quá 10ns.

Bảng 1.2 So sánh một số đặc tính của hệ thống GLONASS và GPS.

Vệ tinh

Số lượng vệ tinh 21 + 3 (dự phòng) 21+3(dự phòng)

Độ nghiêng quỹ đạo vệ tinh 64,8o 55o

Độ dài mã C/A (chips) 511 1.023

Độ dài mã P (chips) 5,11ì106 6,187104ì1012

Mã C/A

Dung lượng dự phòng (bit) ~620 ~2.750Thời gian Word (giây) 2.0 0.6Dung lượng Word (bit) 100 30

Số lượng từ trong một khung 15 50Tham chiếu thời gian UTC (SU) UTC (USNO)

1.2.2 Khả năng kết hợp định vị giữa GLONASS và GPS

Ngoài những điểm khác nhau giữa hai hệ GLONASS và GPS vừa nêutrên, nói chung nguyên lý làm việc của hai hệ rất giống nhau Việc kết hợp hai

hệ phục vụ cho công tác định vị, quan trắc chuyển dịch lớp vỏ Trái đất (đòihỏi độ chính xác cao) và dẫn đuờng là việc làm hết sức thực tiễn Sự kết hợphai hệ này cho phép số lượng vệ tinh tại một thời điểm đo tăng lên gấp hailần, do vậy độ chính xác sẽ được nâng cao

Với số lượng vệ tinh là 48 sự kết hợp hai hệ này cho phép tại một thời điểmbất kỳ tại một nơi trên trái đất có thể thu nhận được tín hiệu từ ít nhất 11 vệ tinh.Khi đó công tác quan trắc địa động học trở nên dễ dàng và chính xác hơn

Khi kết hợp hai hệ này lại với nhau các vấn đề sau cần phải quan tâm:

- Sự khác nhau về cấu trúc tín hiệu giữa hai hệ

- Sự khác nhau về hệ tọa độ tham chiếu PZ)-90 và WGS-84 được sửdụng vào việc tính toán lịch vệ tinh

- Chuyển đổi thang thời gian giữa GLONASS và GPS

1.3 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1.3.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất.

Độ chính xác cao của các trị số đo Phase sóng mang GPS cùng vớinhững thuật toán bình sai xấp xỉ dần cung cấp một công cụ thích hợp chonhiều nhiệm vụ khác nhau trong công tác trắc địa và bản đồ Chúng ta có thểchia các ứng dụng này làm 4 loại:

- Đo đạc địa chính

- Lập lưới khống chế trắc địa

- Theo dõi độ biến dạng cục bộ

- Theo dõi độ biến dạng toàn bộ

Đo đạc địa chính đòi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10-4.Người ta có thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quantrắc GPS

Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao Độchính xác yêu cầu về vị trí tương đối khoảng 5.10-6 đến 1.10-6 ứng với các cự

ly 20 - 100 km Độ chính xác này có thể đạt được bằng cách xử lý sau các trị

đo phase sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn Các cấp hạngkhống chế thấp hơn (ví dụ lưới đo vẽ bản đồ) có thể cũng được thành lập bằngphương pháp GPS.

Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạngcông trình) đòi hỏi độ chính xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km.Đối với những ứng dụng này, độ chính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chếbởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng tenGPS và sự sai lệch về tín hiệu do môi trường phản xạ nơi đặt ăng ten Hơn thếnữa, khó khăn bị tăng lên do khả năng nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiệntượng bóng tối của tín hiệu trong môi trường công nghiệp

Việc theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng)

đòi hỏi độ chính xác khoảng 10-7 - 10-8 trên cự ly liên lục địa Sự khác nhau cơbản giữa việc theo dõi biến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là

ở chỗ trong trường hợp này cần phải có một mô hình phức tạp về các quỹ đạo

vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độlệch 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 giaothông 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 thểhiện vị trí của 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 phươngtiện với bản đồ truyền thống Ứng dụng này thuộc loại cực kỳ quan trọng đốivới 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 đạtđược nếu các phương tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự

động để hỗ trợ máy thu GPS Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu và xử

lý GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung tâm được thể hiện trênmàn hình

1.3.3 Các ứng dụng trong trắc địa, giao thông và hải dương học trên biển.

Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định(Fix) ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngoàikhơi Đối với công tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác về vị trí mặt phẳngthường thay đổi trong khoảng từ một vài đềcimột đến một vài chục mét Đểđáp ứng các yêu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý

số liệu khác nhau bằng cách sử dụng các phép đo giả cự ly hoặc phép đophase sóng mang Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, các chướngngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) và đo vẽ các cầutàu và bến cảng Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ

đo địa chấn) cũng như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có thể được đápứng bằng GPS Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực củatrái đất ) đều có thể dùng GPS làm công cụ định vị

Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công cụ dẫn đường hàng hảitrên biển lý tưởng Yêu cầu độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổitrong khoảng từ một vài một (trờn bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông)đến một vài trăm mét (dẫn hướng trên đường đi) Thủ tục định vị GPS chínhxác sử dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên và phép đo phase sóng mang có thểđưa đến việc dẫn hướng đi của tàu thuyền trên sông và ven biển không cầnđến phao nổi, công tác tìm kiếm và cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ có hiệu quảhơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi

Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dươngcũng có thể được đáp ứng nhờ hệ GPS Phép đo phase của sóng mang bổ túc

cho ta tốc độ tàu thuyền chính xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu cácdòng 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 cung cấp kỹ thuật dẫn đường bay, xác định tõm chớnh ảnh

Trong đo vẽ ảnh bản đồ đường hàng không, yêu cầu độ chính xác dẫnđường bay khoảng một vài chục mét - có thể thực hiện được một cách dễdàng nhờ hệ GPS Phép xử lý sau với độ chính xác cao bằng GPS có thể thaythế kỹ thuật tam giác ảnh không gian và do đó có thể đóng vai trò của cácđiểm khống chế mặt đất một cách tuyệt hảo Yêu cầu về độ chính xác củaphép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trong khoảng từ 0.5 m đến

26 m tuỳ theo từng loại tỉ lệ bản đồ khác nhau

Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng không có thể được dùng để đo

vẽ trực tiếp bản đồ số của địa hình (mô hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảmbiến (laze) được biết với độ chính xác khoảng 0.5 - 1 m về độ cao và một vàimét về mặt phẳng Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho độ chính xác định vị tốthơn trong phép xử lý sau khi đo

Phép đo trọng lực hàng không cũng đòi hỏi một kiểu định vị tương tựnhư vậy Trong lĩnh vực ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác địnhthêm tốc độ của bộ cảm biến cần thiết cho phép quy EOTVOS dữ liệu trọnglực

Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada đòi hỏi độ chính xácđịnh vị bộ cảm biến không cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số

đo GPS

Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng khôngquốc tế đã sử dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay ICAO - Tổ chứchàng không dân dụng quốc tế đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫnđường và cất, hạ cánh Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng không quốc gia sẽchính thức sử dụng GPS.

Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũcốc ), những lĩnh vực không đòi hỏi tính an toàn của hàng không mà chỉ cầntriển khai việc vận chuyển hàng hóa, kỹ thuật GPS có thể đảm bảo dễ dàngnhững yêu cầu chính xác về dẫn đường bay

1.3.5 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian.

Ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồmviệc định vị và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mangtheo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa Thông thường các vệ tinh này

có quỹ đạo thấp, vì vậy nguyên lý hình học của các phép đo cũng tương tựnhư đã ứng dụng cho mặt đất Những ví dụ điển hình trong lĩnh vực ứng dụngnày là phép đo viễn thám bằng vệ tinh và phép đo độ cao bằng rada Các vị trítọa độ của vệ tinh nhận được từ các số đo GPS có thể được dùng để cải tiếnhoặc đơn giản hóa những tính toán quỹ đạo của các phương tiện không giannày, thậm chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định vị rời rạc trongđịnh vị quỹ đạo bay

1.3.6 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí.

Người ta trông đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục giảm Hiệnnay ở mức giá một vài trăm USD những người sử dụng không chuyên cũng

đã có thể mua được máy thu GPS đơn giản, có kích thước, trọng lượng rấtnhỏ (như đồng hồ đeo tay) Trong trường hợp này, các hoạt động nghỉ ngơi và

điều dưỡng sẽ cung cấp một thị trường rộng lớn cho những máy thu đeo tay,xách tay, giá rẻ dễ sử dụng.

1.3.7 Các ứng dụng trong quân đội.

Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định

vị điểm theo thời gian thực Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướnghàng không, hàng hải và trên bộ Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và làmột bộ phận của những hệ thống dẫn đường tích hợp Ngoài ra, các vệ tinhGPS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạtnhân

1.3.8 Các ứng dụng trong giáo dục.

Chương trình thiết bị Bản đồ & GIS Giáo dục (Mapping & GISEducator) giới thiệu những giải pháp đơn giản và đa dạng, tạo điều kiện thuậnlợi nhất cho các tổ chức giáo dục, thực hiện việc giảng dạy về công nghệ GPS

và GIS cho học viên dựa trên những công nghệ mới nhất của Trimble

Chương trình hỗ trợ giáo dục được thiết kế với mục đích phục vụ chocác tổ chức giáo dục và đào tạo Bằng cách cân đối nhu cầu giữa GPS/GIScác tổ chức này có thể được hưởng rất nhiều quyền lợi của chương trình, cũngnhư cơ hội lựa chọn thiết bị phần cứng và phần mềm với giá ưu đãi đặc biệtnhằm tiết kiệm nhất cho nguồn kinh phí đầu tư

Đặc điểm chính của Chương trình thiết bị Bản đồ & GIS Giáo dục:

- Lựa chọn bản quyền sử dụng phần mềm cho từ 2 đến 100 học viên

- Nhiều giải pháp giảm giá thiết bị phần cứng

- Bộ thiết bị cầm tay Juno™ ST cho lớp học

- Dịch vụ hỗ trợ nhằm đảm bảo phần mềm luôn được cập nhật

- Đào tạo cấp chứng chỉ chuyên nghiệp theo hệ thống Trimble

1.3.9 Các ứng dụng trong lĩnh vực bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

Thế giới chúng ta đang sống không ngừng thay đổi Bảo vệ môi trường

và giữ gìn những nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày nay đang trở thành vấn

đề quan trọng hơn bao giờ hết Đây cũng chính là lý do tại sao rất nhiều các

cơ quan tổ chức và cá nhân trên toàn thế giới lựa chọn sử dụng các công nghệGPS và GIS tiên tiến của Trimble hàng ngày, để quản lý một cách có hiệu quảhơn nguồn tài nguyên thiên nhiên hiện có Hơn 25 năm qua, những công nghệGPS và GIS đã cho phép con người có thể quản lý một cách có hiệu quả hơn,chi tiết và cụ thể hơn những nguồn tài nguyên thiên nhiên mà con người đang

sở hữu

Từ việc quản lý bền vững hệ thống rừng đến các hoạt động tìm kiếmthăm dò khai thác mỏ, những giải pháp GPS và GIS của Trimble làm cho mọihoạt động quản lý trở nên dễ dàng hơn, giúp những nhà quản lý tài nguyênthiên nhiên trong tất cả các công đoạn từ thu thập, lưu trữ, xử lý phân tích vàứng dụng những khối dữ liệu không gian lớn Các lĩnh vực mà công nghệGPS và GIS đó cú những ảnh hưởng mạnh mẽ phải kể đến là quản lý môitrường, quản lý rừng, quy hoạch và phát triển nông nghiệp, điều tra và khaithác mỏ Mỗi ngày, công nghệ GIS lại hỗ trợ đắc lực hơn cho con người trongviệc giải quyết các vấn đề phức tạp như bảo tồn động vật hoang dã, quản lýnăng suất nông nghiệp, kiểm soát chất lượng nguồn nước và không khí, dịchbệnh và sự di chuyển cũng như phát triển của các thảm hoạ tiềm tàng

Không phụ thuộc vào lĩnh vực môi trường nào mà bạn đang nghiên cứuhay khu vực phân bố của chúng, những giải pháp của Trimble luôn đảm bảogiá trị 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 bạnluôn được cập nhật và có độ chính xác cao

KẾT LUẬN

Trong chương này phân tích nguyên tắc hoạt động và cấu tạo của hệ thốngđịnh vị vệ tinh Trên cơ sở đó nghiên cứu sơ đồ khối bộ thu GPS cho các ứngdụng định vị Phần tiếp theo nghiên cứu về hệ thống định vị GLONASS, so sánhcác đặc điểm kỹ thuật giữa hai hệ thống định vị Đồng thời trong chương này cònphân tích các ứng dụng điển hình của hệ thống GPS Thực tế thì GPS được ứngdụng rất nhiều trong lĩnh vực giao thông (đường bộ, đường biển, đường hàngkhông), công tác trắc địa bản đồ, quản lý tài nguyên thiên nhiên (thực vật, độngvật) và các lĩnh vực khác Trong tương lai GPS còn phát triển hơn nữa do côngnghệ kỹ thuật điện tử ngày càng tiên tiến

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN CHIP GPS PHÙ HỢP

CHO BỘ THU TÍN HIỆU VỆ TINH ĐỊNH VỊ.

2.1 TÍNH NĂNG CHIP GPS VÀ CẤU TRÚC BÊN TRONG.

Trong sơ đồ dưới đây mô tả cấu trúc tổng quát của Chip GSC3f/Lpx thuộc

họ SiRFstarIII GPS

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của Chip GSC3f/Lpx

Trong đó bao gồm phần khuyếch đại tần số cao RF, phần xử lý tín hiệuBaseBand

Chip GSC3f/Lpx tích hợp 4MB bộ nhớ FLASH, Chip được đóng vỏ dạngBGA 140 chõn cú tích hợp cả phần số và RF

Chip GSP3f/Lpx là bộ xử lý tín hiệu số gồm các tính năng chính sau:

- Định dạng tín hiệu GPS và thời gian

- Cải thiện độ nhậy thu sóng

- Cải thiện độ chính xác định vị

- Giỏm sỏtcụng suất tiêu thụ năng lượng

Hình 2.2 Sơ đồ khối chức năng của từng khối bên trong Chip

GSP3f/LP được chế tạo trên công nghệ CMOS 0.065 μm Nó được tíchm Nó được tíchhợp với mật độ cao công nghệ hệ thống trên Chip SoC bao gồm:

- Các hàm điều khiển vào ra GPIO

- Khối giao tiếp BUS

- Bộ tạo nguồn chuẩn bên trong

Điện áp làm việc của Chip dải rộng từ 2.4 đến 3.6V, cấu trúc của nóthuận 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, bộ thu chỉ cần 1 chip đơn GSC3f/LPx,chương trình phần mềm nạp trong Flash của người sử dụng Chip GSC3f/LPx

có thể sử dụng cho các ứng dụng đa dạng từ giám sát hành trình đến dẫnđường Thiết bị ngoại vi như bộ nhớ mở rộng có thể dễ dàng kết nối với Chip.Tuy nhiên Chip GSC3f/LPx được thiết kế để sử dụng độc lập không cầnnhiều các thiết bị ngoài, đây là một ưu điểm lớn của Chip này Điều này chophép nhà sản xuất module GPS phát triển sản phẩm với IP lõi dựa trên bộ xử

lý của riêng mình và sự lựa chọn kiến trúc phân chia Việc liên kết vớiGSC3f/LPx từ các thiết bị ngoại vi đơn giản, bộ nhớ trực tiếptruy cập Bộ nhớbên ngoài có thể là RAM 16-bit, hoặc ROM

Bộ xử lý ARM7TDMI

Hệ nhúng ARM7TDMI sử dụng cấu trúc RISC (ARM) họ 32-bit, cungcấp hiệu suất cao và điện năng tiêu thụ rất thấp Tần số dao động xung nhịpcủa vi xử lý là 49,107 MHz

2.2 KHÔNG GIAN ĐỊA CHỈ CHIP GSC3f/LP.

Không gian địa chỉ Chip GSC3f/LP được chia thành các thành phần sau:

- Khối giao tiếp BUS (BIU)

- Điều khiển ngắt

- Khối đồng hồ thời gian thực

- Khối UART

- Khối truyền dữ liệu SPI

- Khối phụ trợ (cấu hình, watchdog, reset, GPIO)

2.3 KHỐI GIAO TIẾP BUS.

Khối giao tiếp BUS có nhiệm vụ kết nối hệ xử lý nhúng ARM vớiRAM, ROM ngoài, Flash EEPROM và thiết bị ngoại vi được hỗ trợ giao thứcchuẩn BIU được thiết kế cho việc truy nhập bộ nhớ 16 bit Việc điều hànhBIU thông qua lập trình các thanh ghi bao gồm thay đổi dung lượng bộ nhớ,thời gian truy xuất

Hình 2.3 Khối giao tiếp BUS

Không gian địa chỉ tối đa là 20 bit, với mỗi địa chỉ chứa ẵ từ (word).Mỗi Chip bộ nhớ lựa chọn có thể địa chỉ hóa đến 1M ẵ từ hoặc 2MB Lựachọn Chip CS0 bắt đầu từ địa chỉ 0x4000 0000 Thời gian truy xuất bộ nhớ cóthể thay đổi từ mức 0 đến mức 7 tương ứng với từ 2 đến 8 chu kỳ máy củaCPU

CS[0] Lựa chọn Chip bộ nhớ ngoài

hoặc bộ nhớ flash bên trong

2.4 KHỐI ĐIỀU KHIỂN NGẮT.

Điều khiển ngắt cung cấp giao tiếp phần mềm đơn giản, có 2 mức ngắt:

- Đòi hỏi ngắt nhanh (FIQ) dùng cho tác nghiệp nhanh

- Đòi hỏi ngắt thông dụng (IRQ)

Tất cả các ngắt ngoại trừ ngắt ngoài là mức tích cực cao Ngắt ngoài có thể có mức tích cực cao hay thấp tùy thuộc vào việc cài đặt thanh ghi

Hình 2.4 Bảng trạng thái ngắt

Mô tả hàm chức năng ngắt, ở phần trên điều khiển ngắt bao gồm các thanh ghi sau:

- Thanh ghi trạng thái ngắt (INTREG)

- Thanh ghi cho phép ngắt (INT_ENABLE)

- Thanh ghi lựa chọn ngắt (INTSEL) để lựa chọn loại ngắt FIQ hay IRQ

- Hai thanh ghi cho trạng thái FIQ và IRQ (INTFIQ và INTIRQ)

- Hai thanh ghi chỉ mức ưu tiên IRQ_IDX và FIQ_IDX)

Bảng 2.2 Trạng thái thanh ghi ngắt.

INTREG (Chỉ đọc); Địa chỉ[0x800A0000];

Giá trị ban đầu = 0x00000000

SPI_INT

UARTB_TX

UARTA_TX

UARTB_RX

UARTA_RX

WD_INT

EIT[0]

DSP_INT20

DSP_INT19

DSP_INT18

DSP_INT17

DSP_INT16

DSP_INT13

DSP_INT12

DSP_INT11

DSP_INT10

DSP_INT9

DSP_INT8

DSP_

INT5

DSP_INT4

DSP_INT3

DSP_INT2

DSP_INT1

DSP_INT0

kiểm tra lỗi), một bộ chuyển đổi song song nối tiếp thanh ghi dịch (shift

register) với bộ kiểm tra lỗi

UART_A_CONTROL (địa chỉ = 0x80030000)

(Giá trị ban đầu x0000)

D[7:0] Bit trạng thái:

D0: Cho phép thoát khỏi ngắt

D1: Cho phép kiểm tra lỗi chẵn lẻ

D2: Cho phép kiểm tra lỗi khung truyền

D3: Cho phép chế độ 2 bytes FIFO

D4: Cho phép Rxa Data Ready

D5: Cho phép Rxa đầy đủ

D6: Cho phép Txa đầy đủ

D7: Cho phép Txa rỗng

D[15:8]: Bit khung dữ liệu

D8: Data 7 (0: 8 bits, 1: 7bits)

D9: Stop2 (0: 1 bit stop 1: 2 bit Stop)

D10: OddPar (0: Kiểm tra bit chẵn 1: kiểm tra bit lẻ)

D11: Cho phép kiểm tra chẵn lẻ (0: không kiểm tra 1: kiểm tra chẵn lẻ)D12: Chế độ LoopBack (0: Không cho phép, 1: cho phép)

D13: Khởi tạo trạng thái ban đầu (nếu mức cao cho phép Reset)

D14: Dừng quá trình trình đường dây Txa

D15: Khởi tạo kênh (Txa and Rxa)

2.6 CÁC ƯU ĐIỂM CỦA CHIP GSC3f/LPx.

2.6.1 Các đặc điểm kỹ thuật nổi trội.

Chip GSC3f/LPx cú cỏc ưu điểm nổi bật như sau so với các Chip GPScủa cỏc hóng khỏc:

- Số kênh thu tín hiệu 20 kênh

- Độ nhậy đầu thu cao -158dB, cho phép thu trong điều kiện bị che chắn

- Công nghệ chuyển đổi TTFF vô cùng nhanh với mức tín hiệu thấp

- Dẫn đường thời gian thực trên hệ LBS (các dịch vụ ứng dụng côngnghệ định vị)

- Thời gian ngắt quãng thấp khi nạp chương trình người sử dụng vào Chip

- Hỗ trợ các chuẩn SBAS (WAAS, MSAS, and EGNOS)

- Tiêu thụ nguồn năng lượng thấp (nhỏ hơn 100mW ở chế độ đầy tải,25mW ở chế độ Trickle-Power)

- Sử dụng vi xử lý tốc độ cao ARM7TDMI cho phép người dùng trựctiếp lập trình Các thiết bị phụ trợ bên ngoài được giảm ở mức tối đa

2.6.2 Công cụ hỗ trợ phát triển.

Hãng Sirf hỗ trợ công cụ phát triển cho phép nghiên cứu và lập trìnhtrên Chip GSC3f/LP Cỏc gúi phần cứng và phần mềm bao gồm các thiết bịchính sau:

Hệ phát triển GSC3f/LPSDK

- Cấp nguồn 1 chiều 3.3V cho phần cứng board mạch chính gồm CPU,

bộ nhớ, mạch cao tần …, nguồn 5.0 DCV cho thiết bị mô phỏng Multi-ICE

- Cấp tần số dao động 49.107MHz cho Chip GSC3f/LP

Hình 2.5 Cấu tạo thiết bị phục vụ lập trình

- Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu

- Board mạch con có chứa Chip GSC3f/LP

- Giao tiếp với các BUS bên ngoài như bộ phân tích Logic, RS-232,SPI và USB Giao tiếp với cổng lập trình và gỡ rối Multi –ICE JTAG

Trong đó

RX Báo tín hiệu khi nhận

TX Báo tín hiệu khi truyền

RF Cấp nguồn cho RF chip

RUN1 Vị trí công tắc cho phép GSW3 thực hiện chương

trình từ bộ nhớ FLASH ngoài

PGM Vị trí công tắc cho phép GSW3 nạp trình vào bộ nhớ

ngoài và sử dụng RUN1 để thực hiện

RUN2 Vị trí công tắc cho phép GSW3 thực hiện chương

SIG 2 ACQCLK clock Tần số dao động là 16.369 MHz

SIG 3 GSC3f_ECLK Tần số dao động là 49.107 MHz

SIG 4 Cổng USB tích cực

Trong đó

USB Cổng USB

COM A Cổng truyền thông A

COM B Cổng truyền thông B

SPI_AUX Công truyền SPI ngoài

SLC_DR Hỗ trợ truyền thời gian

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc hệ phát triển Chip GPS

Hình 2.7 Các thành phần chính trong mạch của hệ phát triển Chip

KẾT LUẬN

Trong chương này phân tích chức năng các khối bên trong chip GPS,các tính năng nổi trội của chip GPS Để từ đó đưa tính toán lựa chọn chip phùhợp với yêu cầu của bài toán Đưa ra phương án thiết kế modul GPS