ĐỒ ÁN MÔN CÔNG NGHỆ VỆ TINH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS & ỨNG DỤNG

Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin BÁO CÁO ĐỀ TÀI CÔNG NGHỆ VỆ TINH ĐỀ TÀI HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS & ỨNG DỤNG GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm Nhóm SV thực hiện:  Lê Văn Thương  Nguyễn Thành Vinh  Đặng Tiểu Bình 08520599 08520618 08520032 TP. HCM, tháng 4 – 2014 Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm Trích yếu Mục tiêu và đối tượng tìm hiểu của báo cáo Báo cáo tìm hiểu một số vấn đề liên quan đến hệ thống định vị toàn cầu GPS và các ứng dụng thực tiễn của nó. Trong đó, việc tìm hiểu các ứng dụng thực tiễn ở thế giới và cũng như ở Việt Nam được quan tâm xem xét. Cụ thể, báo cáo sẽ đi tổng quan về cơ sở lý thuyết của hệ thống định vị toàn cầu GPS, các nguyên lý và phương pháp định vị tọa độ của một điểm trên trái đất, các thông tin về sai số và khảo sát độ chính xác của hệ thống GPS. Từ đó báo cáo sẽ tìm hiểu về các ứng dụng của hệ thống GPS và khả năng áp dụng chúng vào thực tế. Phương pháp nghiên cứu và tìm kiếm thông tin Trong báo cáo, chúng em sử dụng các kiến thức đã được học ở môn “Công nghệ vệ tinh” và môn “Công nghệ mạng viễn thông” được dạy ở trường Đại học Công nghệ Thông tin. Các kiến thức được sử dụng bao gồm các bài nghiên cứu về vệ tinh và viễn thông. Chúng em sử dụng search google.com để tìm kiếm các tài liệu liên quan, tìm hiểu các báo cáo về hệ thống GPS của các trường đại học, học viện ở Việt Nam cũng như trên thế giới để tổng hợp thành một bài báo cáo hoàn chỉnh. Các kết quả thu được - Đưa ra được các khái niệm cơ bản của hệ thống định vị GPS, nêu lên được các hệ thống định vị “công cộng” trên thế giới. - Tìm hiểu được cấu hình của hệ thống định vị GPS, cũng như các nguyên lý, các phương pháp để định vị tọa độ của một điểm bất kỳ trên trái đất. - Tìm hiểu được các nguyên nhân gây ra sai số trong quá trình định vị và đưa ra các mức của độ chính xác khi định vị bằng GPS. - Dựa vào độ chính xác khi định vị, tìm hiểu các ứng dụng của hệ thống GPS và khả năng ứng dụng chúng vào thực tế. Trang i Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm Mục lục 1 Trích yếu i Mục lục ii Lời cảm ơn iv Danh mục v Lời nói đầu 1 Cơ sở lý thuyết 2 1.1.Khái quát về GPS và hệ thống định vị GPS 2 1.2.Cấu hình của hệ thống định vị GPS 2 1.2.1.Phân đoạn không gian 3 1.2.2.Phân đoạn điều khiển 5 1.2.3. Phân đoạn sử dụng 7 1.3.Nguyên lý xác định vị trí của GPS 8 1.4.Phương pháp định vị trí của GPS 12 1.4.1.Định vị tuyệt đối 12 1.4.2. Định vị tương đối 13 1.4.3.Định vị sai phân 13 1.5.Sai số trong định vị GPS 13 1.5.1.Sai số đồng hồ 14 1.5.2.Sai số quỹ đạo vệ tinh 15 1.5.3.Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu 15 Trang ii Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm 1.5.4.Sai số do nhiễu tín hiệu 16 1.6.So sánh hai hệ thống định vị NAVSTAR GPS và GLONASS 17 Ứng dụng thực tiễn 19 1.7.Xử lý thời gian thực và xử lý sau 19 1.8.Độ chính xác và thiết bị 21 1.9.Phạm vi ứng dụng 22 1.10.Ứng dụng GPS vào thực tiễn 24 1.10.1.Các ứng dụng trên phương tiện đường bộ 24 1.10.2.Các ứng dụng trên tàu thuyền 25 1.10.3.Các ứng dụng trên máy bay 27 1.10.4.Ứng dụng GPS trong lĩnh vực giáo dục 32 1.10.5.Ứng dụng GPS trong thu thập GIS di động 33 1.10.6.Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất 34 1.10.7.Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất 35 1.10.8.Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không 39 1.10.9. Ứng dụng GPS trong lĩnh vực quân sự 40 Kết luận 42 Tài liệu tham khảo 43 Trang iii Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm Lời cảm ơn Trước tiên, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo ThS. Trần Bá Nhiệm đã tận tình hướng dẫn chúng em trong quá trình nghiên cứu đề tài này. Chúng em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những thầy cô giáo đã giảng dạy chúng em trong bốn năm qua, những kiến thức mà chúng em nhận được trên giảng đường đại học sẽ là hành trang giúp chúng em vững bước trong tương lai. Cuối cùng, chúng em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả bạn bè đã góp ý để bài báo cáo hoàn thiện hơn. TP. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2012 Nhóm viết báo cáo Trang iv Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm Danh mục Danh mục hình ảnh Hình 2.1. Cấu hình của hệ thống định vị GPS 3 Hình 2.2. Phân đoạn không gian 4 Hình 2.3. Phần điều khiển vệ tinh trong hệ thống GPS 5 Hình 2.4. Vị trí đặt trạm điều khiển GPS trên mặt đất 6 Hình 2.5. Các hình thức sử dụng GPS 7 Hình 2.6. Cách định vị một điểm trong không gian bằng GPS 8 Hình 2.7. Công thức tính khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh 9 Hình 2.8. Mô phỏng cách thức điều chỉnh thời gian của đồng hồ tại máy thu 11 Hình 3.1. Các ứng dụng định vị động theo cấp độ chính xác của GPS 23 Hình 3.2. Các ứng dụng với độ chính xác thấp 25 Hình 3.3. Ứng dụng đo độ sâu đáy đại dương 29 Hình 3.4. Xác định bề mặt nước biển bằng kỹ thuật tích hợp GPS-LADS 30 Hình 3.5. Lập mô hình mặt cắt địa hình bằng kỹ thuật Laser-GPS 32 Hình 3.6. Mô hình giải thuật của hệ thống US 7260472B2 36 Hình 3.7. Hình ảnh thể hiện tình trạng giao thông ở Philadelphia 37 Hình 3.8. Tên lửa hành trình 40 Hình 3.9. Máy bay huấn luyện 41 Hình 3.10. Bom thông minh 41 Trang v Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm Danh mục bảng biểu Bảng 2.1. Bảng so sánh sự khác nhau giữa GLONASS và GPS 17 Bảng 3.1. Độ chính xác của các phương pháp đo 21 Bảng 3.2. Yêu cầu độ chính xác của các ứng dụng 26 Bảng 3.3. Yêu cầu độ chính xác trong ứng dụng hành không 28 Danh mục từ viết tắt Trang vi Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm Từ viết tắt Tường minh Giải thích C CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập theo mã G GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu do bộ quốc phòng Hoa Kỳ thành lập GALILEO Hệ thống định vị toàn cầu của liên minh khối EU GLONASS Hệ thống định vị toàn cầu của Liên Bang Nga GNSS Global Navigation Satellite System Là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như GPS (Hoa Kỳ), Hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga). GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý S SPS Standard Positioning Service Dịch vụ tiêu chuẩn, chỉ cung cấp cho quân đội Hoa Kỳ U USNO United States Naval Observatory Cục hải quân Hoa Kỳ Định luật Định luật Kepler I: . Các hành tinh chuyển động quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, với mặt trời ở Trang vii Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm một trong 2 tiêu điểm của elip đó. Định luật Kepler II: Diện tích quét bởi vector bán kính của một hành tinh tỷ lệ thuận với thời gian. Hay nói một cách khác diện tích bán kính vector quét được trong một khoảng thời gian là như nhau. Định luật Kepler III: Bình phương chu kỳ chuyển động của một hành tinh thì tỷ lệ với lập phương bán trục lớn của quỹ đạo elip của hành tinh đó. ( T 2 /a 3 = const ) Trang viii Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm Lời nói đầu Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển vượt bậc nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Trong đó, công nghệ định vị vị trí vật thể ở ngoài trời ở bất cứ vị trí nào trên trái đất được quan tâm phát triển. Hiện nay, có rất nhiều tổ chức, quốc gia phát triển hệ thống định vị toàn cầu. Trong số các hệ thống định vị toàn cầu đó thì hệ thống định vị GPS là được sử dụng phổ biến hơn cả. Hệ thống GPS được sử dụng cả trong lĩnh vực quân sự (dành riêng cho quân đội Mỹ) hay dân sự (toàn thế giới, được chính phủ Mỹ cho phép từ những năm 1980 mà không tính phí). Chính nhờ điều này, GPS đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực để phục vụ con người: quản lý và điều hành xe, chỉ đường, khảo sát trắc địa, môi trường, bản đồ hàng không. Ở Việt Nam do nhiều nguyên nhân và điều kiện khác nhau GPS vẫn chưa được sử dụng một cách rộng rãi cũng như chưa tận dụng được hết khả năng của GPS, đặc biệt đối với người dùng đầu cuối. Trong khuôn khổ nghiên cứu này, chúng em xin mạn phép nghiên cứu về hệ thống định vị GPS và các ứng dụng thực tiễn của nó. Mục tiêu của nghiên cứu không nhằm đi sâu về cơ sở lý thuyết cũng như cách vận hành của hệ thống định vị mà chỉ đưa ra các nhìn tổng quan về hệ thống, cách thức hoạt động và sau đó đi tìm các ứng dụng thực tế đã được áp dụng từ hệ thống này. Cấu trúc của báo cáo được chia thành các phần chính như sau: 1. Lời nói đầu – Giới thiệu về đề tài và các mục tiêu cần đạt được khi nghiên cứu. 2. Cơ sở lý thuyết – Giới thiệu tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu nói chung và hệ thống định vị GPS, đưa ra các khái niệm và cách thức hoạt động cũng như vận hành của hệ thống GPS. 3. Ứng dụng thực tiễn – Nêu ra các ứng dụng của hệ thống định vị GPS. 4. Kết luận – Rút ra những kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu đề tài. Trang 1 [...]... tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS Trần Bá Nhiệm Cơ sở lý thuyết 1.1 Khái quát về GPS và hệ thống định vị GPS Hệ thống định vị toàn cầu được viết tắt theo tiếng Anh là GPS (Global Positioning System) Hiện thời có hai hệ thống GPS công cộng” Hệ thống NAVSTAR là một hệ thống do Mỹ sở hữu và được Bộ Quốc phòng Mỹ (DoP: Department of Defense) giám sát Hệ thống GLONASS là hệ thống. .. tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS Trần Bá Nhiệm thậm chí những máy thu GPS rẻ nhất cũng có thể có được thời gian chính xác như sử dụng đồng hồ nguyên tử và bây giờ chúng ta đã có thể xác định được chính xác vị trí Sử dụng hệ quả của nguyên lý trên, ta có thể rút ra rằng: hệ thống GPS cần ít nhất bốn vệ tinh để có thể xác định được chính xác vị trí của ta so với vệ tinh Để xác định. .. đất, do hiệu ứng của thuyết tương đối, sai số vị trí của máy thu, sai số vị trí tâm pha của anten Trong định vị chính xác cao cần phải xem xét và tìm biện pháp giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số này Trang 16 Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng 1.6 GVHD: ThS Trần Bá Nhiệm So sánh hai hệ thống định vị NAVSTAR GPS và GLONASS Cả hai hệ thống (GPS và GLONASS) có số lượng vệ tinh và cấu trúc... thu GPS càng phức tạp hơn và giá thành vì thế cũng tăng theo 1.2 Cấu hình của hệ thống định vị GPS Hệ thống GPS bao gồm ba phân đoạn là phân đoạn không gian (space segment), phân đoạn điều khiển (control segment), phân đoạn người dùng (user segment) Trang 2 Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS Trần Bá Nhiệm Hình 2.1 Cấu hình của hệ thống định vị GPS 1.2.1 Phân đoạn không gian GPS. .. trung tâm sử dụng những dữ liệu này để tính toán và đưa ra dự báo về quỹ đạo vệ tinh trong tương lai Trạm điều khiển trung tâm sử dụng các trạm hiệu chỉnh số liệu để gởi thông tin cho vệ tinh bao gồm: Trang 6 Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS Trần Bá Nhiệm - Mệnh lệnh hiệu chỉnh vĩ đạo vệ tinh Vệ tinh sử dụng tín hiệu này để khởi - động các tên lửa điều khiển đưa vệ tinh về vĩ... máy thu trong hệ toạ độ WGS-84 (hệ toạ độ có điểm gốc là tâm khối lượng Trái đất) Định vị tuyệt đối còn được chia thành định vị tuyệt đối - tĩnh và định vị tuyệt đối - động "Tĩnh" hay "động" là nói trạng thái của (anten) máy thu trong quá trình định vị Độ chính xác của định vị tuyệt đối- tĩnh ước đạt cỡ mét, còn độ chính xác định vị Trang 12 Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS... thể: Trang 10 Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS Trần Bá Nhiệm Giả sử vị trí thực của chúng ta nằm ở cách vệ tinh A là 4 giây và cách vệ tin B là 6 giây Hai đường tròn cắt nhau tại điểm X chính là vị trí cần định vị Nhưng giả sử rằng đồng hồ của máy thu chậm hơn so với đồng hồ toàn cầu 1 giây Khi đó khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh A sẽ là 5 giây và tới vệ tnh B là 7 giây Do... Như vậy bản tin của vệ tinh bao gồm cả thông tin về thiên văn của nó (quỹ đạo, vị trí) Với thời gian chính xác và xác định được vị trí chính xác của vệ tinh ta có thể tính toán vị trí của mình 1.4 Phương pháp định vị trí của GPS 1.4.1 Định vị tuyệt đối Định vị tuyệt đối còn gọi là định vị điểm đơn, tức là dựa vào trị đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS để xác định trực tiếp vị trí tuyệt đối của... GLONASS Sự khác nhau này làm phát sinh sai số trong việc định vị dẫn đường khi kết hợp hai hệ thống Sự khác nhau về chuẩn thời gian của các hệ thống sẽ yêu cầu 5 chứ không phải 4 vệ tinh để định vị Dựa vào các thông số kỹ thuật của hai hệ thống ta thấy rằng, về cơ bản là tương đương nhau Trang 18 Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS Trần Bá Nhiệm Xét về khía cạnh kinh tế - xã... tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS Trần Bá Nhiệm Độ chính xác (1σ) 30m Dùng trong hầu hết các ứng dụng dẫn đường: định vị và dẫn đường xe tải, taxi, xe cứu thương, các ứng dụng giám sát đối tượng di động trên mặt đất 10m Các ứng dụng đo đạc thuỷ văn Ứng dụng trên các máy bay đo độ sâu đáy biển Khảo sát địa chấn 3-D 1m Phép đo đạc tam giác bằng máy bay Hệ thống xây dựng bản đồ vector . về GPS và hệ thống định vị GPS Hệ thống định vị toàn cầu được viết tắt theo tiếng Anh là GPS (Global Positioning System). Hiện thời có hai hệ thống GPS công cộng”. Hệ thống NAVSTAR là một hệ. 2 Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm Hình 2.1. Cấu hình của hệ thống định vị GPS 1.2.1. Phân đoạn không gian GPS là một hệ thống gồm 24 vệ tinh chuyển. theo mã G GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu do bộ quốc phòng Hoa Kỳ thành lập GALILEO Hệ thống định vị toàn cầu của liên minh khối EU GLONASS Hệ thống định vị toàn cầu của