THIẾT KẾ MODULE TÍCH HỢP ĐA CHỨC NĂNG THÔNG TIN VỆ TINH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

THIẾT KẾ MODULE TÍCH HỢP ĐA CHỨC NĂNG THÔNG TIN VỆ TINH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô tô bóng láng có trang bị thiết bị dẫn đường GPS (GPS navigator) chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của xe mình hiện trên màn hình có bản đồ điện tử trong hệ thống đường xá phức tạp. Đó là một trong các ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu. Để trả lời câu hỏi làm sao để ứng dụng được GPS ,trong khuôn khổ của đồ án tốt nghiệp em tiến hành thực hiện đề tài : “THI T K MODULE TÍCH H P AẾ Ế Ợ Đ CH C N NG THÔNG TIN V TINH H TH NG NH V TOÀN C UỨ Ă Ệ Ệ Ố ĐỊ Ị Ầ “ Sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, em đã cố gắng nghiên cứu xây dựng đồ án với các nội dung chính như sau: Chương I: Giới thiệu chung về hệ thống định vị toàn càu Chương II: Tìm hiểu Vi điều khiển Chương III: Thiết kế module Mặc dù đã cố gắng nhưng với thời gian và trình độ còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận đước sự góp ý của các thầy giáo, cô giáo và các bạn. Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo Vũ Văn Yêm, các thầy cô giáo trong khoa và các bạn đã giúp em hoàn thành đồ án này. Hà nội, ngày….tháng…. năm 2009 Sinh viên thực hiện Nguyễn Đức Long Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU I.Định nghĩa về hệ thống định vị toàn cầu I.1. Định nghĩa Hệ thống định vị toàn cầu ( Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo . Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó. I.2.Các thành phần chính của GPS Hệ thống định vị toàn cầu bao gồm 3 bộ phận: bộ phận người sử dụng, bộ phận không gian và bộ phận điều khiển Hình 1.1. Các thành phần chính của GPS Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp 1.Bộ phận người sử dụng Bộ phận người sử dụng là người sử dụng và GPS ghi nhận. GPS ghi nhận là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc biệt. Nó được thiết kế để nghe tín hiệu sóng vô tuyến được truyền từ các vệ tinh và tính toán vị trí dựa trên thông tin đó. GPS ghi nhận có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau. Tính chất và giá cả của GPS ghi nhận nói chung lệ thuộc vào chức năng mà bộ phận thu nhận có ý định. Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải và hàng không thường sử dụng cho tính năng giao diện với thẻ nhớ chứa bản đồ đi biển. Bộ phận thu nhận dùng cho bản đồ khả năng chính xác rất cao và có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận dữ liệu nhanh chóng. 2.Bộ phận không gian Bộ phận không gian gồm các vệ tinh GPS mà nó truyền thời gian và vị trí tới người sử dụng. Tập hợp tất cả các vệ tinh này được gọi là “chòm sao”. -Hệ thống NAVSTAR (Mỹ) - Hệ thống GLONASS (Nga) 3.Bộ phận điều khiển Bộ phận điều khiển gồm toàn bộ thiết bị trên mặt đất được sử dụng để giám sát và điều khiển các vệ tinh. Bộ phận này thường người sử dụng không nhìn thấy, nhưng đây là bộ phận quan trọng của hệ thống. Bộ phận điều khiển NAVSTAR, được gọi là hệ thống điều khiển hoạt động (operational control system (OCS)) gồm các trạm giám sát, một trạm điều khiển chính (master control station (MCS)) và anten quay. Các trạm giám thụ động không nhiều hơn GPS nhận mà đường bay của các vệ tinh được nhìn thấy và do đó phạm vi tích luỹ dữ liệu từ tín hiệu vệ tinh. Có 5 trạm Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp giám sát thụ động, toạ lạc ở Colorado Springs, Hawaii, đảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein. Các trạm giám sát gởi dữ liệu thô về trạm MSC để xử lý. Trạm MCS dược toạ lạc ở Falcon Air Force Base, cách 12 dặm về phía đông của Colorado Springs, Colorado và được Mỹ quản lý. Air Force's 2nd Space Operations Squadron (2nd SOPS). Trạm MCS nhận dữ liệu từ trạm giám sát trong thời gian 24 giờ/ngày và sử dụng thông tin này để xác định nếu các vệ tinh đang khoá hoặc lịch thiên văn thay đổi và để phát hiện thiết bi trục trặc. Thông tin về tàu thuỷ di chuyển và lịch thiên văn được tính toán từ tín hiệu giám sát và chuyển đến vệ tinh một lần hoặc hai lần/ngày. Thông tin tính toán bởi trạm MCS, cùng với các mệnh lệnh duy trì thường xuyên được truyền bởi anten xoay trên mặt đất. Anten này toạ lạc tại đảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein. Anten có đủ phương tiện để truyền đến vệ tinh theo đường liên kết sóng vô tuyến band S. Thêm vào đó chức năng chính của trạm MCS duy trì 24 giờ hệ thống bản tin điện tử với tình trạng và tin tức hệ thống sau cùng. Công dân liên lạc cho vấn đề này với The United States Coast Guard's (USCG) Navigation Center (NAVCEN). II. Giới thiệu các hệ thống định vị toàn cầu II.1.Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ 1.Quá trình xây dựng: -Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978. - Hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994. - Mỗi vệ tinh được làm để hoạt động tối đa là 10 năm. - Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg và dài khoảng 5m với các tấm năng lượng Mặt Trời mở rộng 7 m². * Công suất phát bằng hoặc dưới 50 watts. 2.Sự hoạt động Hệ thống NAVSTAR gồm 24 vệ tinh với 6 quỹ đạo bay. Các vệ tinh này hoạt động ở quỹ đạo có độ cao 20.200 km (10,900 nm) ở góc nghiêng 55 độ và với thời Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp gian 12 giờ/quỹ đạo. Quỹ đạo bay không gian của các vệ tinh được sắp xếp để tối thiểu 5 vệ tinh sẽ được người sử dụng nhìn thấy bao phủ toàn cầu, với vị trí chính xác hoàn toàn (position dilution of precision PDOP) của 6 vệ tinh hoặc ít hơn. Mỗi vệ tinh truyền trên 2 band tần số L, L1 có tần số 1575.42 MHz và L2 có tần số 1227.6 MHz. Mỗi vệ tinh truyền trên cùng tần số xác định; tuy nhiên, tín hiệu mỗi vệ tinh thì thay đổi theo thời gian đến người sử dụng. L1 mang mã P (precise (P) code) và mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code). L2 chỉ mang mã P (P code). Thông tin dữ liệu hàng hải được thêm các mã này. Thông tin dữ liệu hàng hải giống nhau được mang cả 2 band tần số. Mã P thì thường được mã hoá vì thế chỉ mã C/A thì có sẵn đến người sử dụng bình thường; tuy nhiên, một vài thông tin có thể nhận được từ mã P. Khi mã hoá, mã P được hiểu như mã Y. Mỗi vệ tinh có 2 số nhận dạng. Đầu tiên là số NAVSTAR với nhận dạng trên thiết bị vệ tinh đặc biệt. Thứ hai là số sv (the space vehicle (sv) number). Số này được ấn định để ra lệch phóng vệ tinh. Thứ ba là số mã tiếng âm thanh (the pseudo-random noise-PRN). Đây chỉ là số nguyên mà nó được sử dụng để mã tín hiệu từ các vệ tinh đó. Một vài máy ghi nhận nhận biết vệ tinh mà chúng đang ghi nhận từ mã SV, hoặc mã khác từ mã PRN. hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa. Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp Độ phủ sóng của NAVSTAR Hình 1.2. Độ phủ sóng của NAVSTAR II.2.Hệ thống định vị toàn cầu của Nga 1.Quá trình xây dựng: -Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1982 - Được đưa vào sử dụng vào năm 1993 2.Sự hoạt động Hệ thống GLONASS gồm 24 vệ tinh, 8 vệ tinh cho một quỹ đạo bay gồm 3 quỹ đạo. Các vệ tinh hoạt động với quỹ đạo có độ cao 19,100 km orbits ở góc nghiêng 64.8 độ và 11 giờ 15 phút/ quỹ đạo. Mỗi vệ tinh truyền trên 2 nhóm tần số L (two L frequency groups). Nhóm L1 là tâm ở tần số 1609 MHz trong khi nhóm L2 được đăng ký ở tần số 1251MHz. Mỗi vệ tinh truyền trên một cặp tần số duy nhất. Tín hiệu GLONASS mang cả mã P (precise (P) code) và mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code). Mã P được mã hoá cho quân đội sử dụng trong khi đó mã C/A thì có sẵn cho công dân sử dụng. Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp Độ phủ sóng của GLONASS Hình 1.3. Độ phủ sóng của GLONASS II.3.Hệ thống định vị toàn cầu của Châu Âu tương lai Hệ thống định vị Galileo là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) được xây dựng bởi Liên minh châu Âu. Galileo khác với GPS của Hoa Kỳ và GLONASS của Liên bang Nga ở chỗ nó là một hệ thống định vị được điều hành và quản lý bởi các tổ chức dân dụng, phi quân sự. Galileo theo kế hoạch sẽ chính thức hoạt động vào năm 2011-12, muộn 3-4 năm so với kế hoạch ban đầu. Hệ thống định vị Galileo được đặt theo tên của nhà thiên văn học người Ý Galileo Galilei nhằm tưởng nhớ những đóng góp của ông. 1.Thông số của hệ thống 1.1.Vệ tinh - 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động chính và 3 vệ tinh dự phòng) - Độ cao quỹ đạo: 23.222 km (quỹ đạo tầm trung) - Phân bố trên 3 mặt chính, góc nghiêng 56 độ - Tuổi thọ thiết kế của vệ tinh: > 12 năm Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp - Trọng lượng vệ tinh: 675 kg - Kích thước vệ tinh: 2,7 m × 1,2 m × 1,1 m - Năng lượng từ pin mặt trời: 1500 W (tại thời điểm tuổi thọ thiết kế) 1.2.Dịch vụ cung cấp Bốn dịch vụ về định vị sẽ được cung cấp bởi Galileo: - Dịch vụ mở (open service): miễn phí với mọi đối tượng. Người dùng có thể sử dụng 2 tần số L1 và E5A. Độ chính xác đối với máy thu 2 tần số là 4 m cho phương ngang và 8 m cho chiều thẳng đứng. Đối với máy thu 1 tần số (L1), độ chính xác là 15 m và 35 m, tương đương vớiGPS hiện thời. - Dịch vụ trả tiền (commercial service): giành cho các đối tượng cần có độ chính xác < 1 m với một khoản phí nhất định. Dịch vụ này sẽ được cung cấp thông qua tần số thứ 3 (E6). - Dịch vụ cứu hộ (safety of life service): giành riêng cho cứu hộ, độ bảo mật cao, chống gây nhiễu sóng. - Dịch vụ công cộng (public regulated service): giành riêng cho chính phủ và quân đội của các nước Liên minh châu Âu. Đặc biệt bảo mật, độ tin cậy cao. 2. Các giai đoạn của dự án 2.1.Lên kế hoạch và thử nghiệm Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đã chi khoảng 100 triệu euro cho việc lên kế hoạch, thành lập dự án. Với tổng chi phí khoảng 1,5 tỉ euro từ EUvà ESA dành cho việc phóng và đưa vào hoạt động thử nghiệm hai vệ tinh cùng với trạm thu vào tháng 1, 2006. Vệ tinh thử nghiệm 1 Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp - Kí hiệu: GIOVE-A (tiếng Ý: Jupiter, Galileo In-Orbit Validation Element), hay GSTB-V2A (Galileo System Test Bed) - Mang theo: máy phát tín hiệu, đồng hồ nguyên tử Rubidium - Khối lượng: 600 kg - Công suất: 700 W - Kích cỡ: 1,3 m × 1,8 m × 1,65 m - Ngày phóng: 28.12.2005 - Tên lửa phóng: Soyus Vệ tinh thử nghiệm 2 - Kí hiệu: GIOVE-B hay GSTB-V2B - Mang theo: máy phát tín hiệu, đồng hồ nguyên tử Rubidium và Hiđrô - Khối lượng: 523 kg - Công suất: 943 W - Kích cỡ: 0,955 m × 0,955 m × 2,4 m - Ngày phóng: cuối năm 2007 - Tên lửa phóng: Soyus Trạm thu thử nghiệm - Kí hiệu: GSTB-V1 2.2.Hoàn thành và đưa vào hoạt động Đến năm 2010 toàn bộ hệ thống sẽ được hoàn thành: 30 vệ tinh Galileo và các trung tâm điều khiển tại mặt đất, 2 trung tâm chính tạiOberpfaffenhofen (Đức) và Fucino (Ý), 1 dự bị tại Tây Ban Nha. Chi phí cho giai đoạn này khoảng 3 tỉ euro. 3.Các nước tham gia Ngoài các nước thuộc khối Liên minh châu Âu (EU), còn có sự tham gia của các nước khác từ nhiều châu lục như Trung Quốc, Ấn Độ, Israel, Na Uy, Brasil, Chile, Úc, III. Ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu III.1.Trong dân sự Các nhà khoa học dựa vào tính năng chính xác của GPS để thiết lập các bản đồ, khảo sát các công trình, tuyến kênh, tuyến đường, xác định vị trí chính xác của các Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50 Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Văn Yêm Đồ án tốt nghiệp trụ điện, đường dây tải điện, quản lý các tuyến xe… Các xe hơi hiện nay đều có xu hướng cài đặt hệ thống dẫn đường (Navigation). Qua đó, các thông tin về vị trí, tọa độ của xe sẽ được hiển thị ngay trên màn hình, người lái có thể chủ động tìm kiếm và thay đổi lộ trình phù hợp trong thời gian ngắn nhất. Một ứng dụng nữa của GPS chính là việc quản lý thú hoang dã bằng cách gắn lên chúng những con chip đã tích hợp GPS. Tất cả hoạt động của chúng sẽ được kiểm soát chặt chẽ. Việt Nam cũng đang tiến hành thử nghiệm để áp dụng vào việc quản lý đàn sếu đầu đỏ ở miền Tây. Ví dụ như với TP Hồ Chí Minh, việc ứng dụng GPS trong việc quản lý các tuyến xe buýt hiện nay đang được triển khai. Cơ sở hạ tầng đã được xây dựng hoàn chỉnh, các doanh nghiệp vận tải chỉ cần trang bị các đầu thu (giá khoảng 30 - 60 USD/đầu thu) cho mỗi xe để quản lý phương tiện của mình. Tình trạng xe buýt bỏ trạm, chạy quá tốc độ, đi sai tuyến hay bất cứ thái độ nào của nhân viên cũng được phát hiện dễ dàng bằng cách nắm bắt tọa độ của từng xe, qua đó kiểm tra hộp đen lưu trữ thông tin (Black Box). Chất lượng phục vụ trên xe buýt qua đó sẽ ngày càng hiệu quả hơn, thu hút người dân sử dụng phương tiện vận chuyển công cộng, giảm bớt tiền trợ giá hàng năm cho các phương tiện vận chuyển hành khách công cộng. III.2.Trong quân sự Chúng ta có thể liệt kê ra các loại vũ khí sử dụng hệ thống định vị: -Vũ khí hạt nhân - Bom thông minh - Tên lủa không đối đất - Tên lửa hành trình - Máy bay huấn luyện Mikoyan MiG-AT của Nga - Và được sử dụng nhiều trong các tàu chiến tàu ngầm… IV. Module thu GPS GPM 1315 IV.1.Mô tả chung GPM 1315 nhận GPS là một modunle khởi đầu của Ginwave. Kích thước của nó bé nên được sử dụng rộng rãi Sinh viên: Nguyễn Đức Long – Lớp SPKT Điện Tử -K50