XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI THU PHÁT VÀ ĐÓNG GÓI DỮ LIỆU CHO TÀU CÁ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐẦU CUỐI THU PHÁT VÀ ĐÓNG GÓI DỮ LIỆU CHO TÀU CÁ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN TRỌNG ĐỨC Thành viên tham gia: NGÔ QUỐC VINH Hải Phòng, tháng 5/2015 Thuyết minh đề tài Nghiên cứu khoa học MỞ ĐẦU Hiện nay, nước có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến công nghệ định vị vệ tinh phục vụ quản lý trang thiết bị, phương tiện thường xuyên di chuyển Các ứng dụng dựa sở thiết bị định vị vệ tinh (GPS), công nghệ cảm biến( cảm biến gia tốc, cảm biến rung động…) để đọc thông tin xử lý chỗ Khi cần xử lý tập trung, thông tin truyền trung tâm xử lý để tổ chức quản lý điều hành Việc truyền nhận thông tin chủ yếu thực thông qua hệ thống thông tin di động, điều giới hạn phạm vi hoạt động tăng chi phí vận hành hệ thống Bên cạnh đó, trung tâm, phần mềm ứng dụng hệ thông tin địa lý với việc số hóa liệu địa lý chưa thực ứng dụng sâu sắc hiệu Đề tài tập trung đưa thử nghiệm giải pháp thông tin cho hệ thống quản lý tàu cá trang bị hệ thống định vị GPS Các liệu thu thập từ module GPS đóng vào khung tin 60 bytes điều chế theo phương pháp GMSK Tín hiệu đưa vào đàm, điều tần để gửi trung tâm Tại trung tâm, thông tin tàu xử lý hiển thị ện trực quan dễ sử dụng, trung tâm gửi thông tin quản lý trở lại cho tàu Nội dung báo cáo thuyết minh bao gồm phần mở đầu, chương phần kết luận Chương I - Tổng quan, tập trung vào việc phân tích đặc tả yêu cầu toán; chương II - Thiết kế hệ thống, đưa mô hình, kiến trúc hệ thống; chương III - Xây dựng hệ thống, xây dựng hệ thống phần cứng phần mềm chương cuối - chương IV đánh giá ban đầu hướng phát triển hệ Thuyết minh đề tài Nghiên cứu khoa học Chương TỔNG QUAN 1.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) Vào thập niên 60 70, Bộ quốc phòng Mỹ đầu tư nghiên cứu xây dựng hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) [1] Vệ tinh GPS phóng vào tháng năm 1978 Đầu năm 1990, GPS bắt đầu sử dụng dân Chính phủ Mỹ dành riêng mức định vị xác cao cho quân đội, nhiên họ phát triển mã thu thô C/A cho mục đích dân dụng Điều giúp sử dụng GPS đâu Ở Nga, với kỹ thuật phóng vệ tinh tốt, Nga xây dựng thành công hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu - GLONASS (Global Orbital Navigation Satellite System) vào năm 1995 Hai hệ thống ban đầu phục vụ cho mục đích quân chính, đưa vào sử dụng cho mục đích dân Liên hiệp Âu Châu khởi công cho dự án hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu với tên gọi GALILEO (đặt tên nhà thiên văn học vật lý học vĩ đại Galileo Galilei) Như vậy, GPS/GNSS không dừng lại cho mục đích ứng dụng quân mà cho mục đích dân như: dẫn tàu thủy, dẫn máy bay, vũ trụ, dẫn phương tiện giao thông mặt đất, xây dựng, đặc biệt lắp đặt thiết bị biển phục vụ ngành khai thác dầu khí thủy hải sải, cảm biến từ xa mang lại hiệu thiết thực Trong thời gian tới ba hệ thống GPS, GLONASS GALILEO tiếp tục củng cố hoàn thiện tích hợp cho độ xác cao Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần chính:  Phân hệ Không gian  Phân hệ Người sử dụng  Phân hệ Điều khiển Thuyết minh đề tài Nghiên cứu khoa học Hình 1.1 Các thành phần GPS 2.1.1 Phân hệ không gian Phân hệ không gian bao gồm 24 vệ tinh hoạt động sáu quỹ đạo tròn cao 20200 km so với mặt đất với góc nghiêng 55°, chu kì 12 (11 58 phút) Các vệ tinh bố trí quỹ đạo cho thời điểm có bốn đến mười vệ tinh nhìn thấy người sử dụng đâu giới, xét góc ngẩng 100 2.1.2 Phân hệ người dùng Phân hệ người sử dụng bao gồm tất máy thu GPS mặt đất cho phép người dùng nhận tín hiệu phát quảng bá từ vệ tinh tính toán thời gian, vận tốc, tọa độ họ cách xác Máy thu người dùng đo thời gian trễ để tín hiệu tới máy thu; cách đo trực tiếp khoảng cách biểu kiến tới vệ tinh Các kết đo thu thập đồng thời từ bốn vệ tinh xử lý để tính toán tọa độ, vận tốc thời gian GPS cung cấp hai cấp dịch vụ Dịch vụ Định vị tiêu chuẩn (SPS) Dịch vụ Định vị xác (PPS) 2.1.3 Phân hệ điều khiển Phân hệ điều khiển gồm trạm điều khiển chủ Colorado Springs, Colorado năm trạm giám sát (ở Colorado Springs, đảo Ascension, đảo Diego Garcia, Hawaii đảo Kwajalein) ba anten mặt đất đặt rải rác giới Ba trạm Ascension, Diego Garcia Kwajalein dùng để triển khai tuyến lên, truyền thông tin từ mặt đất lên vệ tinh, bao gồm liệu lịch thiên văn mới, hiệu chỉnh đồng hồ tin quảng bá khác Thuyết minh đề tài Nghiên cứu khoa học 2.1.4 Cấu trúc tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio cao tần gồm hai tần số sóng mang điều chế hai mã số tin dẫn đường Hai tần số sóng mang phát tần số 1575.42 MHz (sóng mang L1) 1227.60 MHz (sóng mang L2) Theo đó, bước sóng tương ứng 19 cm 24.4 cm; kết rút từ quan hệ tần số sóng mang vận tốc ánh sáng không gian Việc sử dụng hai tần số cho phép sửa lỗi nghiêm trọng GPS trễ tầng điện ly Tất vệ tinh GPS phát tần số sóng mang L1 L2 Tuy nhiên, mã điều chế khác cho vệ tinh, việc làm giảm thiểu can nhiễu tín hiệu Hai mã GPS gọi mã thu thô (mã C/A) mã thu xác (mã P) Mỗi mã chứa luồng số nhị phân gọi bít hay chip Các mã gọi chung mã PRN chúng giống tín hiệu ngẫu nhiên Nhưng thực tế, mã phát nhờ sử dụng thuật toán Mã C/A điều chế vào sóng mang L1, đó, mã P điều chế vào sóng mang L1 L2 Sự điều chế gọi điều chế lưỡng pha, pha sóng mang dịch 180o giá trị mã thay đổi từ đến từ đến Mã C/A luồng 1023 số nhị phân (1023 số 0) tự lặp lại giây Điều có nghĩa tốc độ chip mã C/A 1023 Mb/s Nói cách khác, khoảng thời gian bít xấp xỉ 1ms, tương đương với quãng đường 300m Mỗi vệ tinh gán cho mã C/A nhất, mã cho phép máy thu GPS nhận dạng vệ tinh truyền mã cụ thể Khoảng cách đo mã C/A xác so với mã P Tuy nhiên, mã C/A phức tạp sử dụng cho người dùng Mã P chuỗi nhị phân dài, lặp lại sau 266 ngày Nó nhanh mã C/A 10 lần (tốc độ bít 10.23 Mb/s) Nhân thời gian với số lần lặp lại, 266 ngày nhân tốc độ bit 10.23 Mb/s luồng mã P dài khoảng 2.35x1014 chip! Mã dài 266 ngày chia thành 38 đoạn, đoạn dài tuần Trong đó, có 32 đoạn gán cho vệ tinh khác Mỗi vệ tinh truyền đoạn tuần mã P, đoạn khởi tạo vào ngày chủ nhật hàng tuần Sáu đoạn lại để dự trữ cho mục đích khác Như vậy, vệ tinh GPS thường xác định đoạn tuần mã P Ví dụ, vệ tinh GPS với số nhận dạng PRN 20 tức vệ tinh gán đoạn tuần thứ 20 mã PRN P Mã P ban đầu thiết kế chủ yếu cho mục đích quân Sau đó, sử dụng cho tất người dùng vào ngày 31/1/1994 Vào thời điểm đó, mã P mật mã hóa cách Thuyết minh đề tài Nghiên cứu khoa học thêm vào mã W không xác định Mã mật mã hóa gọi mã Y, mã có tốc độ chip với mã P Việc mật mã hóa gọi việc chống làm giả (AS) Bản tin dẫn đường GPS luồng liệu thêm vào sóng mang L1 L2 điều chế lưỡng pha nhị phân tốc độ thấp 50 kbps Nó chứa 25 khung, khung 1500 bít, tổng số có 37500 bít Nghĩa để truyền dẫn tin dẫn đường hoàn hỉnh phải 750 giây, hay 12.5 phút Bản tin dẫn đường với thông tin khác chứa tọa độ vệ tinh GPS theo thời gian, tình trạng vệ tinh, tín hiệu hiệu chỉnh đồng hồ, niên lịch vệ tinh liệu khí Mỗi vệ tinh truyền tin dẫn đường riêng với vệ tinh khác, vị trí gần tình trạng hoạt động 1.2 Hệ thống quản lí tàu cá sử dụng công nghệ GPS Như nêu trên, đề tài tập trung đưa thử nghiệm giải pháp thông tin cho hệ thống quản lý tàu cá trang bị hệ thống định vị GPS Các liệu thu thập từ module GPS đóng vào khung tin 60 bytes điều chế theo phương pháp điều chế số GMSK Tín hiệu đưa vào đàm, điều tần để gửi trung tâm Tại trung tâm, thông tin tàu xử lý hiển thị qua giao diện trực quan dễ sử dụng, trung tâm gửi thông tin quản lý trở lại cho tàu Mô hình hệ thống hình 1.2 Hình 1.2 Mô hình hệ thống quản lí tàu cá sử dụng công nghệ GPS Thuyết minh đề tài Nghiên cứu khoa học Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Mô hình kiến trúc hệ thống Hệ thống quản lý, giám tàu cá sử dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS công nghệ VHF hình 1.2 bao gồm phân hệ chính:  Các thiết bị đầu cuối thu phát liệu đặt tàu (trạm Mobile Station MS)  Trung tâm liệu, điều khiển đất liền (trạm Base Station - BS) 2.3.1 Trạm Mobile Station Trạm MS đầu cuối tích hợp, vừa có chức máy thu GPS, đồng thời vừa có chức thu phát tín hiệu điều chế số GMSK Khối vi điều khiển có vai trò điều khiển việc truyền liệu hai chiều thông qua hoạt động sau: Vi điều khiển xử lý thông tin tọa độ từ khối thu GPS, đóng gói thành tin, sau gửi tới khối điều chế GMSK Khối GMSK chuyển liệu số rời rạc thành dạng sóng pha liên tục phù hợp với kênh truyền Tín hiệu sau điều chế đưa vào tầng khuếch đại trước vào máy đàm đóng vai trò cung cấp sóng mang Môi trường truyền dẫn môi trường không gian tự dải tần VHF cho phép thiết bị đàm Việc chuyển chế độ đàm (giữa thoại liệu) tất nhiên điều khiển hoàn toàn tự động nhờ vi điều khiển Khi trạm MS đóng vai trò máy phát Ngược lại, có liệu từ trung tâm truyền tới, trạm MS trở thành máy thu Lúc tín hiệu sau qua đàm đưa đến khối giải điều chế GMSK để khôi phục tín hiệu gốc, sau đồng qua vi điều khiển thu tín hiệu trung tâm gửi tới Tuỳ thuộc nội dung tin thu được, chế độ cảnh báo vi điều khiển đưa thị tương ứng (LCD, còi, led ) Sơ đồ khối trạm hình 2.1 Thuyết minh đề tài Nghiên cứu khoa học Hình 2.1 Sơ đồ khối trạm MS 2.3.2 Trạm Base Station Trạm BS hoạt động hoàn toàn tương tự trạm MS vai trò máy phát, khác MS chỗ liệu gửi thông tin cảnh báo thao tác phần mềm đồ số Giao tiếp máy tính vi điều khiển thực thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp RS232 Như trạm BS không bao gồm khối thu GPS Khi đóng vai trò máy thu, sau thu tin, vi điều khiển gửi tin lên máy tính để xử lý Sơ đồ khối trạm Base Station hình 2.2 Hình 2.2 Sơ đồ khối trạm BS Hệ thống hoạt động sở truyền nhận thông tin hai chiều đồng trạm BS trạm MS Qua thông tin thu bao gồm liệu toạ độ, thời gian, tốc độ , từ thông tin xử lý cập nhật, mục đích theo dõi, giám sát quản lý tàu 2.2 Hoạt động hệ thống Hệ thống hoạt động sở truyền nhận thông tin hai chiều đồng BS MS:  Ban đầu chưa có liệu gửi hay nhận, BS MS chưa truyền nhận liệu MS thu tín hiệu GPS đóng gói, lưu giữ tin  BS gửi tin yêu cầu gửi (Sending Request Message) tới MS (đưa chân PKS xuống 0) đợi liệu gửi Việc gửi thực cách tự động theo chu kỳ khoảng 10s Thuyết minh đề tài Nghiên cứu khoa học  MS nhận đọc tin SRM, ID phù hợp thực truyền gói tin (đã đóng gói trước đó) trung tâm Sau truyền xong, trở trạng thái ban đầu  BS nhận gói tin truyền về, thực truyền lên máy tính để xử lý  Phần mềm đồ số máy tính tín hiệu cập nhật liệu thu vào sở liệu Tại đây, trung tâm điều khiển thực truyền tín hiệu cảnh báo tới MS có cố Quy trình hoạt động lặp lại theo chu kỳ thực liên tục theo lưu đồ thuật toán: Khởi tạo ID_packet=1 Bắt đầu S ID trùng khớp? Đọc, tách liệu GPS Đ S Thông báo Đọc lỗi Đ Có tin SRM S ID_packet = ID_packet+1 Có liệu GPS? Đ Đóng gói tin Data[60] Hiển thị toạ độ LCD ID_packet ==10? Đ ID_packet =1 S Đ Có tín hiệu cảnh báo S Gửi gói tin số hiệu ID_packet Cảnh báo Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán truyền trạm MS 2.3 Thiết kế Module đầu cuối trạm Mobile Station Trạm MS đóng vai trò trạm phát hệ thống, gắn tàu với mô hình kiến trúc hình 2.1 Mô hình kiến trúc chi tiết hóa hình 2.4 sau: Thuyết minh đề tài Nghiên cứu khoa học Hình 2.4 Sơ đồ khối trạm MS 2.3.1 Khối thu GPS Khối thu GPS có chức thu nhận tín hiệu từ vệ tinh GPS, phân biệt tín hiệu giải mã để xác định vị trí, tốc độ thời điểm truyền tín hiệu vệ tinh Các thành phần khối bao gồm:  Khối thu tín hiệu cao tần kết nối anten: bao gồm 01 ăng ten vi dải (Patch Antenna) lọc thông thấp (SAW Filter) Tần số ăng ten 1575.42 MHz  Chip xử lý cao tần GPS(ARM7EJ-S) với chức nhận tín hiệu từ 66 kênh vệ tinh, tách liệu tính toán tọa độ, tốc độ, hướng thu  Khối giao tiếp bao gồm chân 3D-FIX, DPLUS, DMINUS, TXD: thực giao tiếp với người sử dụng cổng USB, UART  Các cổng vào/ra bao gồm chân RXD: cho phép người lập trình điều khiển trực tiếp cổng vào theo yêu cầu toán  Khối nguồn (khối Mian LDO): cấp nguồn ổn định cho khối RFBand, BaseBand, Anten tích cực, phần đồng hồ thời gian thực 10 Thuyết minh đề tài Nghiên cứu khoa học Trong khuôn khổ đề tài nhóm tác giả sử dụng khối thu GPS IC GPM 1315 với thông số [2]: Chip: SiRF StarIII GSC3F/LP-7979 Tần số L1: 1575.42MHz, mã C/A Số kênh: 20 Tốc độ cập nhật: 1Hz Điện áp phân cực anten: +2.85V Hệ số khuếch đại LNA: +15dB Nhạy thu: -143 dBm Độ nhạy định vị: -158dBm Độ nhạy dò: -158dBm Khởi động nóng: