Giải pháp tính khoảng cách từ tàu đến mốc phía trước sử dụng định vị vệ tinh

Để tính khoảng cách từ tàu đến mốc phía trước sử dụng định vị vệ tinh, nghiên cứu đã xây dựng quy trình gồm hai bước để triển khai giải pháp, đề xuất sử dụng thiết bị GNSS của U-blox để thu nhận thông tin định vị. Bài viết giới thiệu các công thức cơ bản để tính khoảng cách ngắn nhất, tính một điểm khi biết hai điểm và tính điểm giữa của hai điểm trên bề mặt trái đất. Bản đồ đường tàu để tính khoảng cách được tạo lập trên cơ sở các giải thuật: tìm đoạn gần nhất, tìm điểm gần nhất, loại điểm dư thừa, tính trung bình các lần đo.

Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Giải pháp tính khoảng cách từ tàu đến mốc phía trước sử dụng định vị vệ tinh Lê Hồng Minh*, Võ Công Minh, Nguyễn Huy Hưng, Đồn Hồng Quang Viện Ứng dụng Cơng nghệ, Bộ Khoa học Công nghệ Ngày nhận 11/2/2019; ngày chuyển phản biện 4/3/2019; ngày nhận phản biện 9/4/2019; ngày chấp nhận đăng 25/4/2019 Tóm tắt: Để tính khoảng cách từ tàu đến mốc phía trước sử dụng định vị vệ tinh, nghiên cứu xây dựng quy trình gồm hai bước để triển khai giải pháp, đề xuất sử dụng thiết bị GNSS U-blox để thu nhận thông tin định vị Bài viết giới thiệu cơng thức để tính khoảng cách ngắn nhất, tính điểm biết hai điểm tính điểm hai điểm bề mặt trái đất Bản đồ đường tàu để tính khoảng cách tạo lập sở giải thuật: tìm đoạn gần nhất, tìm điểm gần nhất, loại điểm dư thừa, tính trung bình lần đo Từ khóa: dẫn đường, định vị vệ tinh, GNSS, I-ATP, phòng vệ đồn tàu tự động kiểu điểm Chỉ số phân loại: 2.2 Algorithms for calculating the distance from the train to the ahead landmark using satellite navigation Hong Minh Le*, Cong Minh Vo, Huy Hung Nguyen, Hong Quang Doan National Center for Technological Progress, Ministry of Science and Technology Received 11 February 2019; accepted 25 April 2019 Abtract: To calculate the distance from the train to the ahead landmark using satellite navigation, the study developed a two-step process for deploying the solution, suggesting the use of Ublox’s GNSS device to acquire positioning information The article introduces the basic formulas for calculating the shortest distance, calculating a point by knowing two points, and computing the midpoint of two points on the surface of the earth The route-map for calculating the distance is based on the following algorithms: finding the nearest segment, finding the nearest point, removing the excess point, and averaging the measurements Keywords: GNSS, I-ATP, intermittent automatic train protection, navigation, satellite navigation Classification number: 2.2 Đặt vấn đề Trong “Hệ thống phòng vệ đồn tàu tự động kiểu điểm” (Intermitten - Automatic Train Protection - I-ATP) khoảng cách từ tàu đến mốc1 phía trước thơng tin đầu vào quan trọng để tính tốn điều khiển tốc độ tàu, đảm bảo an tồn đến mốc [1] Hiện thông tin đường (trong có khoảng cách) chủ yếu cung cấp mốc bên đường Hình thức người xử lý, không phù hợp với hệ thống dẫn đường tự động Từ công nghệ định vị vệ tinh đồ số ứng dụng rộng rãi dẫn đường tự động trở nên phổ biến Các ứng dụng vào vị trí nhận qua thiết bị định vị, với đồ số đưa thông tin dẫn đường, hướng dẫn người dùng Ở Việt Nam, ứng dụng dẫn đường tự động sử dụng chủ yếu phát triển cho đường bộ, sử dụng cho đường sắt có nhiều vấn đề khơng phù hợp, kể là: - Các đồ số phổ biến tích hợp liệu cho đường sắt chưa đầy đủ [2-4] - Ứng dụng điều khiển tự động cho mục đích an tồn u cầu độ tin cậy khác với ứng dụng dẫn đường mang tính trợ giúp - Dữ liệu đường sắt (nếu có) từ đồ số dùng chung khó đáp ứng u cầu an tồn khơng quản lý độ tin cậy độ xác Để “tính khoảng cách từ tàu đến mốc phía trước”, sử dụng liệu dạng lý trình đường vị trí mốc, tính quãng đường để biết khoảng cách lại Phương án có hạn chế có sai số tích lũy, ngồi với trường hợp mốc phía trước chuyển động (tàu chạy phía trước), cột hiệu ảo (trường hợp phân khu Mốc đèn hiệu, biển bảo, ghi, mốc tránh va chạm, balisse, tàu phía trước * Tác giả liên hệ: Email: isgcontact@gmail.com 61(8) 8.2019 39 Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ đóng đường di động) khơng phù hợp Sử dụng cơng nghệ định vị vệ tinh, với đặc thù đường sắt tàu chạy đường ray cố định biết trước, xác định khoảng cách hai điểm đường tàu với độ xác cao, sai số phạm vi quản lý Bài viết trình bày kết nghiên cứu xây dựng giải thuật để tự động tính khoảng cách từ tàu chạy đến mốc phía trước định vị vệ tinh bày kếtnghiên nghiên cứu xây dựng giải thuật để tự động tính khoảng cách từ tàu Nội dung cứu chạy đến mốc phía trước định vị vệ tinh Trong nghiên cứu này, chúng tơi giới thiệu cơng thức tính Nội dung nghiên cứu toán liênTrong quan đến bềthiệu mặtcáctrái pháp nghiên cứu này,điểm chúng tơi giới cơngđất, thức phương tính toán liên quan thu đến thập điểm xử lýtrêndữbề liệu, đồng thời đề xuất sử dụng thiết bị GNSS mặt trái đất, phương pháp thu thập xử lý liệu, đồng thời đề xuất U-blox để thu thông tin định sử dụng thiếtnhận bị GNSS U-blox để thuvị nhận thơng tin định vị Phân tích tốn Phân tích tốn Ví dụ, có đoạn đường tàu từ A đến B, mô tả danh sách n điểm R , (i = i 0…n-1), điểm đường Ri bao gồm kinh B, độ (ở nmơ = 7,tả R0bằng A, Rdanh B).sách Đoạn Ví dụ, cómỗiđoạn tàuvĩtừđộAvàđến đường AB biểu diễn dạng tuyến tính đồ cách nối thẳng n điểm Ri, (i = 0…n-1), điểm Ri bao gồm vĩ độ kinh độ (ở điểm theo thứ tự thành đường gấp khúc gồm đoạn [R0R1], [R1R2], [R2R3], [R3R4 ], n = 7, R0 ≡ A, R6 ≡ B) Đoạn đường AB biểu diễn dạng [R4R5 ], [R5R6] (hình 1) R2 R1 R0 R3 R4 R5 T S A R6 B HìnhHình Bản đồđồđường đượctuyến tuyến Bản đường tàu tàu tínhtính hóa.hóa tuyến tính cáchở vịnối thẳng thứ Giả sử, tàu vịđồ trí T, cột hiệu trí S, khoảngcác cáchđiểm từ tàu theo đến cột hiệutựTSthành không đường khúc gồm [Rđiểm R ], [R R ], [R R ], [R R ], [R RR ],+ phảigấp độ dài đường chấm nối đoạn thẳng hai T, S mà TS = TR + R R + R R + R 2 3 1 2 3 44 55 [R5RR6]5S.(hình 1) Như vậy, để tính khoảng cách từ tàu đến cột hiệu phía trước sử dụng định vị vệ Trong nghiên cứu yêu cầu thiết bị thu GNSS có sai số vị trí trung bình nhỏ m; nhận tín hiệu di chuyển với vận tốc lớn; tần số lấy mẫu cao; tích hợp sẵn cơng nghệ nội suy vị trí tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn Thiết bị thu định vị vệ tinh GNSS U-blox [6] nhận thấy đáp ứng yêu cầu trên, nghiên cứu lựa chọn sử dụng Các thiết bị lựa chọn hỗ trợ 72 kênh hệ thống định vị vệ tinh GPS L1C/A, SBAS L1C/A, QZSS L1C/A, QZSS L1-SAIF, GLONASS L1OF, BeiDou B1I, Galileo E1B/C; tần số nhận tín hiệu tối đa 20 Hz; tốc độ di chuyển đến 500 m/s Có hai loại thiết bị sử dụng: - Thiết bị thu GNSS sở module NEO-M8P-2 [7] để ghi nhận vị trí trạng thái tĩnh Đặc điểm: thiết bị sử dụng với phần mềm U-center U-blox kèm theo có tính tự hiệu chỉnh để đạt độ xác cao Sử dụng: để ghi đo thủ công xây dựng đồ đường tàu mẫu; tạo sở liệu (CSDL) mốc tĩnh Chế độ làm việc: thiết bị đặt chế độ tự hiệu chỉnh với độ xác 1,5 m Khi đo ghi liệu, antena thu đặt vào vị trí hai ray ngang với mốc - Thiết bị GNSS sở module NEO-M8U [8] để ghi nhận vị trí trạng thái động Đặc điểm: thiết bị ngồi tính định vị vệ tinh tích hợp cảm biến gia tốc cảm biến hướng để tăng độ xác liệu định vị khơng bị ngắt đoạn tín hiệu vệ tinh Theo nhà sản xuất, liệu thu nhận có độ xác trung bình 2,5 m Sử dụng: để tập hợp liệu xây dựng đồ đường tàu trình vận hành khai thác sau CácChế cơng thứcviệc: sở độ làm antenna thu đặt toa tàu, vào vị Giả sử, tàu vị trí T, cột hiệu vị trí S, khoảng cách từ tàu đến tinh, cần thực quy trình với đối tượng công việc sau: đường ray;cơtầnsởsốđược thu thiết đặt Hz giải thuật để: tính khoảng cách Các cơng thức sử dụng cột hiệuBước TS 1:không phải độ lập dàibảnđường chấm nốihợpthẳng haiRđiểm T, S trí chuẩn bị liệu: đồ đường tàu (tập điểm i), lập liệu mà TS TRcố2 định + Rcủa R + R3R4 + R4R5 + R5S Các2cơng sở mặt trái đất; tính vị trí (vĩ độ, kinh độ) điểm điểmthức trêncơbề các=mốc 3tuyến đường Các công thức sở tính khoảng cách: xác định vị trí thời tàu (từ vệ tinh), ánh xạ vào công sởđiểm sử dụng thuật để: tính NhưBước vậy,2: để tính khoảng cách từ tàu đến cột hiệu phía trước sử điểmCácvàCác khoảng cách tính đến biết; vị trí (vĩ độ,ngắn kinh độ công thứcthức cơ sởtừđược sửcần dụng cácđiểm giải giải thuật để: tính tính khoảng cách đồ đường tàu (nói chung vị trí nhận không nằm đường đồ), xác định dụng định vị vệ tinh, cần thực quy trình với đối tượng khoảng cách ngắn điểm bề mặt trái đất; tính vị trí (vĩ điểm Cáctính cơng thức giả thiết trái điểm đất làkhihình c mốc phía trước (từ liệu lưu trữ cung cấp từ ga), tính khoảng cách từ tàu điểm điểm2 bề mặtbiết đất; (vĩ độ, kinh độ) biết cầu, độ, kinh2 độ) điểm khitrái biết điểmvịvàtríkhoảng cách từ điểm 1cần côngđến việc sau: mốc điểm khoảng cách từ điểm cầntrítính điểmđộ) biết; tính vịgiữa trí (vĩ tính điểm biết; tính vị (vĩ đến độ, kinh điểm củađộ, kinh độ) kính làvàđến 6371 km Công sử dụng Bước 1: cụ chuẩn bị liệu: lập đồ đường tàu (tập hợp điểm điểm biết Các công thức giả thiết trái đất hình cầu, có bán điểm điểm biết Các công thức giả thiết trái đất hình bán hai Khoảng cách điểm bề mặt trái đất đường ngắncầu, nhấtcónối Ri), lập liệu mốc cố định tuyến đường kính 6371 km kính 6371 km độ dài cung ngắn thuộc đường tròn lớn qua hai điểm Đường trò Bước 2: tính khoảng cách: xác định vị trí thời tàu (từ vệ Khoảng điểm bề mặt trái làđấtđường đường ngắn Khoảng cáchcách giữagiữa điểm trên bề mặt trái đất ngắn nối hai điểm, tinh), ánh xạ vào đồ đường tàu (nói chung vị trí nhận khơng củanhất trái nối đấthai định nghĩa giao điểm mặtđường phẳng lớn quađitâm trái đất b điểm, độlàdài cung ngắncủa thuộc tròn dài cung ngắn thuộc đường tròn lớn qua hai điểm Đường tròn lớn nằm đường đồ), xác định mốc phía trước (từ liệu lưu trữ qualàhaiđộđiểm Đường tròn lớn trái đất định nghĩa giao trái đất [9] củađiểm trái đất định nghĩa giaotrái điểm mặtmặt phẳng cung cấp từ ga), tính khoảng cách từ tàu đến mốc mặt phẳng qualàtâm đấtcủa bề trái đấtqua [9].tâm trái đất bề mặt  Công thức 1: cơng thức tính khoảng cách điểm bề mặt trái đất (công trái đất [9] Công cụ sử dụng  Cơng thức 1: cơng thức tính khoảng cách điểm bề mặt Haversine) 11]:  trái Cơng 1:[10, cơng thức tính khoảng đấtthức (cơng thức Haversine) [10, 11]:cách điểm bề mặt trái đất (công thức Thơng tin vị trí xác định thiết bị định vị vệ tinh (Global Haversine) [10, 11]: (√ √ ) (CT-1) Navigation Satellite System - GNSS) Độ xác liệu thu (CT-1) ( ) nhận định độ xác đồ đường tàu, vị trí cột hiệu, vị Trong đó: √ √ Trong đó: trí tàu khoảng cách tính Nhưng thiết bị thu GNSS ln có sai Trong đó: d khoảng cách điểm (km) dd khoảng cách cách giữa 22điểm điểm (km) số [5] nên công nghệ để cải thiện độ xác định vị vệ tinh Rlàlàkhoảng bán kính trái đất (km)(km) R bán kính trái trái đất đất (km) (km) bán kính chủ đề quan tâm Tuy nhiên, phạm vi nghiên cứu tăng độ xác thiết bị thu GNSS, mà lựa chọn thiết bị phù hợp với yêu cầu làvĩvĩđộđộđiểm điểm vĩ điểm độ điểm 1; 1; vĩlàđộ 2; 2; làkinh kinhđộđộđiểm điểm kinh độ điểm 2; 1; 1; kinh độ điểm 2; 61(8) 8.2019  Cơng Cơng thức thức tínhtính điểm biết điểm khoảng cách đếncách điểmđến thứ điểm  thức2:2:công công thức điểm 2biết điểm khoảng 40 (điểm (điểmđầu) đầu)[11]: [11]: ( √ ( √ ) ) (CT-2) Khoảng cách điểm bề mặt trái đất đường ngắn nối hai điểm, Haversine) [10, 11]:  Công thức công khoảng cáchđi 2qua điểm bề mặt tráitròn đấtlớn(cơng thức độ dài 1: cung ngắnthức thuộctính đường tròn lớn hai điểm Đường (CT-1) ) ( củaHaversine) trái đất được[10, định11]: nghĩa là√giao √ điểm mặt phẳng qua tâm trái đất bề mặt Trong trái đấtđó: [9] ) (√ √ d khoảng cách điểm (km)  Cơng Trong đó:thức 1: cơng thức tính khoảng cách điểm bề mặt trái đất (cơng thức R bán kính trái đất (km) Haversine) [10, 11]: d khoảng cách điểm (km) (CT-1) R bán kính trái (đất ) √ (km) √ Trong đó: vĩ độ độcách điểm 1; ϕ vĩ(km) độ điểm điểm 2; 2; Δϕ=ϕ - ϕ ϕd 1làlàlàkhoảng vĩ điểm 1; làlà vĩ độ 2điểm R bán kính trái đất (km) kinh độ độ điểm điểm 1; 1; λ là kinh kinh độ độ điểm điểm 2; 2; Δλ=λ - λ λ làlà kinh (CT-1) Khoa học Kỹ thuật Công nghệ lần đo (theo tần số thiết đặt, đơn vị tính giờ) Tiền xử lý liệu vĩ độ điểm 1; vĩ độ điểm 2;  Cơng thức 2: cơng thức tính điểmđộkhi biết2;2 điểm khoảng cách đến điểm thứ kinhthức độ điểm 1; thức là1kinh điểm  Cơng 2: cơng tính điểm biết điểm khoảng Dữ liệu thu nhận có dư thừa (ví dụ đoạn thẳng cần điểm, (điểm đầu) [11]: vĩđiểm độ điểm 1; vĩ độ1đầu) điểm 2;khi biết điểm khoảng cách đến thứ (điểm  cách Cơngđến thức 2: cơng thứclà tính điểm[11]: điểm thứ ghi nhận nhiều tốc độ di chuyển tần suất ghi), kinh độ điểm khơng có thơng tin (ví dụ tàu đứng n), dị thường (ví dụ hai vị trí ) độ điểm 2; √1; kinh (điểm đầu) ([11]: (CT-2) (CT-2)  Công thức 2: cơng thức tính điểm biết điểm khoảng cách đến điểm thứghi liên tục cách xa) ) ( √ nhấtđó: (điểm đầu) [11]: Trong Trong đó: vĩ độ (điểm ) √ i cần tìm Trong đó: ϕi làlà vĩ độ độ điểm i cần tìmtìm kinh điểm i cần vĩ độ điểm i cần tìm Trong đó: độ điểm i cần tìm λz i làlà kinh kinh độ điểm i cần tìm vĩ độ điểm i cần tìm z kinh độ điểm i cần tìm (CT-2) Tiền xử lý liệu loại bỏ liệu sai, liệu dư thừa để có liệu tối thiểu mô tả đường tàu Dữ liệu sau lần ghi nhận (CT-2) đưa qua “lọc” sau: - Định vị lại điểm đầu điểm cuối tuyến đường (thủ công) z vĩ độ điểm 1; vĩ độ điểm điểm độ điểm kinh vĩ độđộ điểm 1;1; làlàvĩkinh độ điểm 2 vĩ độ vĩ độ điểm 2 ϕi làlà vĩ độ điểm điểm1;1; ϕlà2 vĩ độ điểm kinh độ điểm 1; kinh độ điểm kinh độ độ điểm độđiểm điểm1; 1; λlà2 kinh kinh độ điểm λi làlà kinh - Loại bỏ liệu lỗi ngẫu nhiên: vào vận tốc di chuyển tối đa tàu ghi nhận, loại bỏ điểm có vận tốc lớn vận tốc tối đa - Loại bỏ liệu khơng có thơng tin: loại bỏ điểm liền có giá trị vận tốc (tàu đứng yên), giữ lại điểm - Loại bỏ liệu dư thừa: theo nguyên tắc với đoạn thẳng cần điểm để mô tả Nghiên cứu xây dựng giải thuật để loại bỏ điểm trung gian đoạn thẳng hàng Lập đồ đường tàu ⁄khoảng 2giữa điểm (km), bán kính đất kính (km) với dcách khoảng cách2giữa 2Rđiểm (km), làbán bán kính trái đất (km) δ = d/⁄⁄R với vớiddlàlà khoảng cách điểm (km), R Rlàtrái Để lập đồ đường tàu, dùng phương pháp đo thủ công ⁄ với với dd là khoảng khoảng cách cách giữa 22 điểm điểm (km), (km), RR là bán bán kính kính trái trái đất đất (km) (km) trái đất (km) trực tiếp điểm Ri hình Với thiết bị đo có độ xác cao f = d1 /d ftỷ=lệd khoảng từ điểm đầutừđến điểm cần (d1)cần so với /d tỷcách lệcách khoảng cách điểm đầu đếntính điểm tính)tồn (d1) so với tồn /d làlà tỷtỷlệlệ1khoảng khoảng từ điểm đầu đến điểm cần tính (d ff = dd11/d = cách từ điểm đầu đến điểm cần tính (d ) so với tồnthì ngun tắc, ta có số liệu có độ xác cao Tuy nhiên, f =khid1/d lệ khoảng từ điểm cần tính (d ) so với đoạn (d); f =là0, tỷ điểm tínhcách đầu; f đầu = 1, đến điểmđiểm cần tính cuốitồn điểm so với tồn (d);cần f =là0,điểm điểm tính điểm =là1, điểm đoạnđoạn (d); f =khi 0, điểm cần tínhcần điểm đầu; f = 1,đầu; điểmfcần tính làphương điểm cuốipháp thủ cơng ngồi hạn chế chi phí nhân cơng cao thời đoạn (d); f = 0, điểm cần tính điểm đầu; f = 1, điểm cần tính điểm  Cơng thức 3: cơng thức tính điểm điểm [11]: đoạn khichính f = 0, điểm cầncuối tính điểm đầu; f = 1, điểm cần tính điểm cuối cuối cần(d); tính điểm gian dài độ xác phụ thuộc vào số điểm đo  Công thức 3: công thức tính điểm điểm [11]:  3: thức tính điểm [11]:  Cơng Cơng thức 3: cơng cơng tính điểm điểm giữa điểmgiữa [11]: điểm [11]:) thức Cơng thức 3: cơng thức tính√22điểm ( thức Dễ thấy sử dụng thiết bị thu định vị vệ tinh, dịch chuyển (CT-3) ( ) √ (( ( )) (CT-3) đường quan tâm, ghi lại vị trí (như ứng dụng √ theo tuyến ) √ (CT-3)tracking) có đồ cho tuyến đường Tuy nhiên, với (CT-3)(CT-3) Trong đó: ( ) (( )) lần ghi liệu nói chung liệu ghi nhận làTrong vĩ độ đó: điểm cần tính Trong đó: Trong đó: kinh độ điểm cần tính tuyến đường không trùng bởi: Trong đó: vĩ độ điểm cần tính vĩvĩ độ điểm cần tính cầncần tínhtính độ điểm điểm ϕm làlàlà vĩ kinh độ điểm cần tính kinh độ điểm cần tính kinh độ điểm λm là kinh độ điểm cầncần tínhtính vĩ độ điểm 1; kinh độ điểm 1; vĩ độ điểm kinh độ điểm 2; Thu nhận liệu vĩ độ điểm 1; vĩ độ điểm - Số điểm mô tả không nhau: tốc độ di chuyển tàu, tần số ghi khác - Giá trị tuyệt đối điểm tương ứng không trùng (trừ điểm đầu, điểm cuối thiết đặt cố định) 22 ϕ1 vĩđộ độđiểm điểm1; làđộ vĩ điểm độ điểm - Đường vẽ đồ không trùng vĩvĩ độ điểm 1;1; ϕ là2vĩvĩ độ điểm Dữλliệu định vị đểkinh lậpkinh độ đồ2; đường tính khoảng cách làđiểm kinhthu độnhận điểm 1;tạo điểm 2; tàu- kinh độ 1; λ độ điểm Δλ=λ λ kinh độ điểm 1; kinh độ điểmhành 1; là2kinh kinh độ độ điểm điểm 2; 2; - Với điều kiện đo ghi (cùng thiết bị định vị, tàu đến mốc khinhận Thu liệu dữvậnliệu ThuThu nhậnnhận liệu phương án di chuyển) khơng thể đánh giá liệu Thu liệu Thiếtnhận bị thudữGNSS chọn hoạt động cung cấp thông tin từ vệ tinh Dữ liệu định lựa vị thu nhận để tạo lập đồ đường tàu tính khoảng cáchhơn, tất đểu có sai số đặc thù xác định vị trí xác Dữ liệu định vị thu nhận để tạo lậpPhần mềm đồ đường tàu dựng tính Dữ liệu định vị để tính theoDữcácliệu “câu” định thu dạngnhận NMEA-0183 để cách thu địnhtheo vị được thu nhận để tạo tạo lập lập[12] đồ đồ đường đường tàu tàu xây tính khoảng khoảng cách tàu đến mốc vận hành định vị vệ tinh [5] khoảng cách tàu đến mốc vận hành nhận tàu đến liệumốc phân tíchhành câu loại “GNRMC” “GNGGA” để lấy vĩ độ, kinh tàu đến mốc vận vận hành Thiết bị thu GNSS lựa chọn hoạt động cung cấp thông tin từTuy vệ tinh nhiên, ta có liệu “tốt” để đáp ứng mục thuđiểm GNSS đượcDữlựa chọn hoạt độnglưuthông sẽtrữcung cấp độ,Thiết vậnThiết tốc thu tạibịthời ghi nhận liệu 1khi điểm dạng:từ “vĩ độ, Thiết bị bị thu GNSS GNSS được lựa lựa chọn chọn khi hoạt hoạt động động sẽ cung cung cấp cấp thông tin tin từ vệ vệ tinh tinh tiêu xác định khoảng cách tính “trung bình” thông tin từ vệ tinh theo “câu” theo định dạng NMEA-0183 [12] theo “câu” theo định dạng NMEA-0183 [12] Phần mềm xây dựng để thu kinh độ: vận tốc” Ví dụ: 21.4889352,105.0832045:21 theo “câu” theo dạng [12] Phần mềm xây dựng để theo cácmềm “câu”được theo định định dạng NMEA-0183 NMEA-0183 [12] Phần mềm xâycác dựng để thu thuliệu có Mỗi có liệu ghi, ta tính trung bình Phần xây dựng để thu nhận liệu phân tích câu phân tính tíchtheo cơng câu loại “GNRMC” “GNGGA” để lấy vĩ độ, kinh Ngoài ra,nhận vận phân tốcliệu nhận liệu tích “GNGGA” độ, loại “GNGGA” để lấy thức vĩ độ, kinh độ, vậnđể tốclấy tạivĩvĩthời nhận dữ“GNRMC” liệu sẽ phânhoặc tích các câu câu loại loại “GNRMC” “GNRMC” “GNGGA” để lấy độ, kinh kinhbộ liệu liệu có; liệu kết (trung bình) độ,v vận tốctốc tại(km/h); thời điểm ghi nhận Dữ liệuđược điểm sẽghi lưuđược trữ dạng: “vĩ độ, Trong đó: vận s quãng đường lần (km), điểm ghi nhận Dữ liệu điểm lưu trữ dạng: “vĩ độ, kinh coi tốt độ, vận tốc thời điểm ghi nhận Dữ liệu điểm lưu trữ dạng: “vĩ độ, vận tốc thời điểm ghi nhận Dữ liệu điểm lưu trữ dạng: “vĩ độ, độ, độ: vận tốc” độ: tốc” Ví dụ: 21.4889352,105.0832045:21 tính sửvận dụngkinh cơng thức CT-1; tVílàdụ: thời21.4889352,105.0832045:21 gian lần đo (theo tần số thiết đặt, đơn vị kinh Nghiên cứu xây dựng giải thuật để tính trung bình liệu kinh độ: độ: vận vận tốc” tốc” Ví Ví dụ: dụ: 21.4889352,105.0832045:21 21.4889352,105.0832045:21 tính giờ) Ngồi ra, vận tốc tính theo cơng thức Ngồi ra, vận tốc tính theo cơng thức nhiều lần ghi để liệu đồ đường tàu với độ tin cậy cao Ngồi ra, tốc tính theo cơng thức Tiền xử tốc liệucó thể tính theo cơng thức Ngồi ra,lývận vận Trong đó:vận v làtốc vận (km/h); tốc (km/h); quãngđường đường lần ghi (km), Trong đó: v s làsthẳng quãng đi2được ghi Cần lưu ý là, đường ray cho tàu chạy hai chiều Trong đó:thuvv nhận vận quãng ghi (km), Dữ liệu có (km/h); dư thừass(ví đoạnđường chỉđược cần 2giữa điểm, có thểđược Trong làđược vậnsẽtốc tốc (km/h); dụ quãng đường lần lần ghigiữa (km), đượcở quy ước đường tàu có hướng từ trái sang phải Đối với lần ghiđó: (km), tính sử dụng cơng thức CT-1; t thời gian tính sử dụng cơng thức CT-1; t thời gian lần đo (theo tần số thiết đặt, đơn vị nhận rấtdụng nhiều thức tốc độ di chuyển tần suất ghi), khơng có thơngsố tin (ví dụ tàuvị tính tính sử sử dụng công công thức CT-1; CT-1; tt là thời thời gian gian giữa 22 lần lần đo đo (theo (theo tần tần số thiết thiết đặt, đặt, đơn đơn vị tính giờ) đứng yên), dị thường (ví dụ hai vị trí ghi liên tục cách xa) tính tính là giờ) giờ) Tiền xử lý liệu Tiền Tiền xử xử lý lý dữ liệu liệu 41có thể ghi Dữ liệu thu nhận có dư thừa (ví dụ đoạn thẳng cần điểm, 61(8) 8.2019 Dữ liệu thu nhận Dữ liệu thu nhận sẽ có có dư dư thừa thừa (ví (ví dụ dụ đoạn đoạn thẳng thẳng chỉ cần cần 22 điểm, điểm, nhưng có thể ghi ghi nhận nhiều tốc độ di chuyển tần suất ghi), khơng có thơng tin (ví dụ tàu nhận nhận rất nhiều nhiều do tốc tốc độ độ di di chuyển chuyển và tần tần suất suất ghi), ghi), khơng khơng có có thơng thơng tin tin (ví (ví dụ dụ khi tàu tàu đứng yên), dị thường (ví dụ hai vị trí ghi liên tục cách xa) đứng yên), dị thường (ví dụ hai vị trí ghi liên tục cách xa) (GT-2) Bài toán: Có đoạn đường tàu mơ tả n điểm (từ R đến Rn-1), biết điểm A (A khơng trước R0 khơng sau Rn-1), tính điểm H thuộc đường tàu gần với điểm Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ A (hình 3) A Ri Nghiên cứu xây dựng giải thuật để tính trung bình liệu nhiều lần ghi để Rj C B có đồ điểm đầutàu bên điểm Phân tích: H đoạn dữthì liệusẽbản đường vớitrái, độ tin cậycuối cao bên phải Các điểm nói chung khó sử dụng vĩ độ, kinh độ để xác định thuộc vị Cần lưu ý là, đường ray cho tàu chạy hai chiều quy ước Nếu xem bề mặt trái đất khu vực mặt phẳng, đoạn trí đường đồ, nên tính tốn thơng qua tính gầnnhất A BC; điểm gần A điểm H đường tàu có hướng từ trái sang phải Đối với đoạn có điểm đầu bênHình trái,đường Tìm thẳng điểm gần khoảng cách công thức CT-1 chân đường cao AH tam giác ABC điểm cuối bên phải Các điểm nói chung khó sử dụng vĩ độ, kinh độ để Phân tích: Kết quảthuộc vị trí đường đồ, nên tính tốn thơng quaNếu xem xác định Giảibềthuật: mặt trái đất khu vực mặt phẳng, đoạn đường thẳng gần A tính khoảng cách thứcdựng CT-1.được Nghiên cứu công xây điểmđịnh gần Ađoạn BC chính(2làđiểm điểm B H -và chân cao AH tam năm giải thuật sử dụng để tạo lậpnhất BC; - Xác C) đường gần điểm A nhất, sử giác dụngABC giảithuật: thuật GT-1 Giải đường đồ tàu tự động tính khoảng cách từ tàu đến mốc Kết NghiênGiải cứu thuật xây1: dựng năm giảinhất thuật sử dụng để tạo lập đường(GT-1) đồ tàu - Xác định (2 điểm gần độ điểm nhất,đoạn sử dụng GT-1; tìmđược đoạn gần - Biếtđoạn cácBC điểm B, CBvàvàA;C)tính dàiAcác AB,giải ACthuật BC sử tự động tính khoảng cách từ tàu đến mốc - Biết điểm B, C A; tính độ dài đoạn AB, AC BC sử dụng công thức Bài tốn: có đoạn đường tàu mơ tả n điểm (từ R0 đến dụng công thức CT-1 CT-1; Rn-1), biết điểm A (A không trước R0 khơng sau Rn-1),(GT-1) - Tính đoạn BH: sử dụng định lý định lý Pitago, ta có: Bài tốn: có đoạn đường tàu mô tả n điểm (từ R đến R ), biết n-1 - Tính đoạn BH: sử dụng định lý định lý Pitago, ta có: tìm đoạn BC (xác định điểm B C) đường tàu gần nhấtđiểm A bấtvới kỳ điểm (A khơng trước2) R0 khơng sau Rn-1), tìm đoạn BC (xác định điểm B A (hình Giải thuật 1: tìm đoạn gần C) đường tàu gần với điểm A (hình 2) A R0 D C B Rn-1  Hình Tìm đoạn gần    - Tính điểm H: sử dụng cơng thức CT-2 tính điểm H, biết điểm B, C - Tính điểm H: sử dụng cơng thức CT-2 tính điểm H, biết điểm B, C khoảng cách BH khoảng cách BH Hình Tìm đoạn gần Phân tích: Nhận xét: Phân Để tích:tìm đoạn BC gần điểm A nhất, trước tiên cần tìm điểm C gần Nhận xét: Điểm H A A nằm đoạn BC, kể A trùng với B C Để tìm đoạn gần điểm A nhất, sau BC đánh giá A nhất, trước tiên cần tìm điểm C gần A nhất, sau Điểm H A A nằm đoạn BC, kể A trùng (GT-3) đánh giá Gọi: với B C Gọi: - Khoảng cách từ điểm đầu đến điểm A d A Giải thuật 3: loại điểm dư thừa (GT-3) - Khoảng cách từ điểm đầu đến điểm A dA - Khoảng cách từ điểm đầu đến điểm C dC - Khoảng cách từ điểm đầu đến điểm C dC Giả sử ta có liệu gồm n điểm (từ R0 đến Rn-1), điểm cần Nếu: kiểm tra dư thừa từ điểm R1 đến điểm Rn-2 Giải thuật kiểm tra Nếu: d < d đoạn gần BC loại bỏ điểm dư thừa so sánh khoảng cách với mốc điểm dA Ad>C Giải thuật: Giải thuật: Lặp với điểm R (i = đến n-2) i - Tìm -điểm liệu A tínhnhất khoảng cách từ TìmCđiểm C đồ liệuđường tàu đồ gần đường tàu(bằng gần A (bằng đến Rn-1 sử dụng công thức cách A đến công điểmthức từ RCT-1) A đếntính khoảng điểm từ R Rn-1 sử dụng đếntừ CT-1) Tính (sử dụng cơng thức CT-1): D khoảng cách ngắn đường từ Ri-1 đến Ri+1, D1 khoảng cách ngắn đường từ Ri-1 đến Ri, D2 khoảng cách ngắn đường từ Ri đến Ri+1 A bên phải cách tính - Xác định -AXác bên định trái hay bêntrái phảihay củabên C cáchCtính khoảng cách khoảng BA BC sử Kiểm tra: D = D + D loại bỏ điểm R i cách BA BC sử dụng công thức CT-1: BA < BC A bên trái dụng cơng thức CT-1: BA < BC A bên trái C, đoạn gần BC; BA > Lưu ý: kết tính khoảng cách theo CT-1 số thực với đơn vị C, đoạn gần BC; BA > BC A bên phải C, đoạn gần BC A bên phải C, đoạn gần CD; BA = BC A trùng C, lấy BC km, nhiên tính tốn nên đổi làm tròn khoảng cách theo CD CD; BA = BC A trùng C, lấy BC CD Giải thuật 2: tính điểm gần (GT-2) Giải thuật 2: tính điểm gần (GT-2) Bài tốn: Bài tốn: đơn vị nhỏ (ví dụ cm) để thuận tiện cho phép so sánh xác Giải thuật 4: tính trung bình hai liệu (GT-4) Giả sử có liệu có n điểm (từ đến n-1), giải thuật Có đoạn đường mơ tả(từ bởiR0n đến điểmRn-1 (từ), R đến Rn-1), biết phát biểu sau: Có đoạn đường tàu mơtàu tả n điểm biết A điểm điểm A (A không trước R không sau R ), tính điểm H thuộc đường tàu gần với điểm A (hình 3) (A khơng trước R0 khơng sau Rn-1), tính điểm0 H thuộc đườngn-1tàu gần với điểm Lặp với điểm từ điểm thứ đến điểm thứ n-2 (gọi A): A (hình 3) A Ri C B Rj tính điểm H liệu cũ (đang có) gần với A sử dụng GT-2; tính điểm G, điểm đoạn AH sử dụng CT-3; thêm điểm G vào liệu cũ Loại tất điểm liệu cũ (các điểm A, B thuộc đoạn AB gần GT-1) tham gia vào q trình tính trung bình (tính điểm G), ta liệu trung bình H Hình Tìm điểm gần Hình Tìm điểm gần Phân tích: Nếu xem bề mặt trái đất khu vực mặt phẳng, đoạn đường thẳng gần A 61(8) 8.2019 42 BC; điểm gần A điểm H - chân đường cao AH tam giác ABC Giải thuật: Giải thuật 5: tính khoảng cách từ tàu đến mốc (GT-5) Giải thuật tính khoảng cách từ tàu đến mốc phía trước sử dụng (GT-4) Giả sử có liệu có n điểm (từ đến n-1), giải thuật phát biểu sau: Lặp với điểm từ điểm thứ đến điểm thứ n-2 (gọi A): tính điểm H liệu cũ (đang có) gần với A sử dụng GT-2; tính điểm G, điểm Khoa học Kỹ thuật Công nghệ đoạn AH sử dụng CT-3; thêm điểm G vào liệu cũ Loại tất điểm liệu cũ (các điểm A, B thuộc đoạn AB gần GT-1) tham gia vào q trình tính trung bình (tính điểm G), ta liệu trung bình Giảitin thuật 5: tính tàu đến mốcđược tạo lập trình bày (GT-5) thơng đầu vàokhoảng là: bảncách đồ từ đường tàu: Giải thuật tính khoảng cách từ tàu đến mốc phíalưu trước dụng 3nhận thơngđược tin đầuqua vào trên; vị trí mốc (cố định, di động): trữsửhoặc là: đồ đường tạo bàycủa trên;tàu: vị tríghi mốcnhận (cố định, di động): kênh truyềntàu:thơng; vị lập trí hiệntrình thời thiết lưu trữ nhận qua kênh truyền thơng; vị trí thời tàu: đồ ghi bị định vị vệ tinh GNSS (cùng loại cách ghi với việc lập nhận thiết bị định vị vệ tinh GNSS (cùng loại cách ghi với việc lập đồ đường tàu) Tần suất tính khoảng cách yêu cầu điều khiển cụ thể, đường khoảng u cầutrí điều khiển cụ thể, liên có thểtàu) tínhTần liênsuấttụctính(mỗi khicách có giá trị vị mới) hay có cóthể utínhcầu tục (mỗi có giá trị vị trí mới) hay có u cầu T Ri-1 Rj Ri M Rj+1 T’ Hình Tính khoảng cách T-M Giải thuật phát biểu gồm bước sau (hình 4): xác định vị trí thời tàu T thiết bị GNSS; tính điểm đồ đường tàu gần tàu T’ sử dụng giải thuật GT-2; xác định điểm Ri đường tàu phía trước điểm T’: xác định đoạn Ri-1Ri gần T’ GT-1; lấy điểm Ri bên phải T’; xác định điểm Rj đường tàu phía sau mốc M: xác định đoạn RjRj+1 gần M GT-1; lấy điểm Rj bên trái M; tính khoảng cách T’M tổng khoảng cách: T’Ri, đoạn RiRj RjM Các khoảng cách tính sử dụng cơng thức CT-1 Thảo luận Giải pháp tính khoảng cách từ tàu đến mốc định vị vệ tinh độ xác đồ đường tàu tạo lập tự động độ tin cậy kết tính khoảng cách điều cần quan tâm Độ xác đồ tạo lập Do vị trí thu từ vệ tinh có sai số nên đồ đường tàu tạo lập tự động cách trung bình lần đo cần phải đánh giá độ xác Giả sử có đường đồ chuẩn (gốc), sử dụng tiêu “khoảng cách trung bình (KCTB)” đồ tạo lập so với đồ gốc để đánh giá sai số (độ xác) đồ tạo lập KCTB tính trung bình khoảng cách ngắn điểm đường đồ tạo lập so với đồ gốc Giá trị nhỏ xác, giá trị tiến tới đồ tạo lập trùng với đồ gốc Tuy nhiên, khơng có đường đồ gốc (tất nhiên), nên để đánh giá sai số, KCTB đồ đồ cũ tính Căn vào giá trị ngưỡng đặt trước (có thể điều chỉnh tùy u cầu độ xác), trình tạo lập đồ tự động dừng KCTB nhỏ ngưỡng Giá trị ngưỡng coi độ xác đường đồ tạo lập Lưu ý: liệu tracking tàu q trình khai thác sử dụng để tiếp tục xây dựng đồ đường tàu Độ tin cậy định vị vệ tinh Sự gián đoạn tín hiệu thu từ vệ tinh: nguyên nhân việc nhiều vấn đề xảy phổ biến với thiết bị thu phổ cập, nhiên, thiết bị GNSS đề nghị sử dụng khắc phục hạn chế Thiết bị có khả thu giải mã tín hiệu từ hệ thống định vị lớn GPS, SBAS, QZSS, Glonass, Beidou, Galileo nên giảm thiểu tình trạng bị thiếu vệ tinh định vị Ngồi ra, với thơng tin từ cảm biến gia tốc hướng, thiết bị tính cung cấp vị 61(8) 8.2019 trí thời điểm tín hiệu vệ tinh Vị trí cung cấp có sai số: sai số vị trí định vị vệ tinh khơng tránh khỏi, lựa chọn thiết bị với sai số nhỏ Thiết bị lựa chọn có thêm thơng tin từ cảm biến gia tốc cảm biến hướng nên sai số hướng chuyển động giảm thiểu Phương án tốt để sử dụng định vị vệ tinh sử dụng trạm sở để cung cấp tín hiệu hiệu chỉnh, tăng độ xác cho thiết bị GNSS Việc sử dụng phương pháp, thiết bị cho việc tạo lập đồ khai thác sau giúp quản lý sai số Đường tàu hình thành tính trung bình nhiều lần đo, vị trí tàu tính khoảng cách ánh xạ vào đường tàu nên nhận định sai số tính khoảng cách từ tàu đến mốc khoảng sai số trung bình thiết bị GNSS Biết khoảng sai số, điều khiển thiết lập hệ số an tồn phù hợp để việc điều khiển tin cậy Kết luận Nghiên cứu xây dựng giải thuật để triển khai giải pháp tính khoảng cách từ tàu đến mốc định vị vệ tinh Trước tiên, giải thuật đề xuất sử dụng để tạo lập đồ đường tàu tự động cách tính trung bình số liệu ghi nhận; sau khoảng cách từ tàu đến mốc tính sở đồ đường tàu tạo lập Các giải thuật giới thiệu cài đặt tích hợp hệ thống I-ATP với sai số tính khoảng cách nhỏ quản lý Giải thuật tạo lập đồ tự động trình bày sử dụng không để lập đồ cho hệ thống đường sắt mà sử dụng để lập đồ đường cần kiểm soát độ tin cậy, khơng có sẵn liệu từ nguồn đồ chuyên dụng LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu kết đạt phần công việc thuộc nhiệm vụ KH&CN cấp quốc gia, mã số: ĐTĐL.CN17/16 Viện Ứng dụng Công nghệ quan chủ trì Các tác giả xin trân trọng cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thuyết minh nhiệm vụ KH&CN cấp quốc gia: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống phòng vệ đồn tàu tự động kiểu điểm (I-ATP) nâng cao an toàn lực vận tải đường sắt Việt Nam”, mã số: ĐTĐL.CN17/16 (2016-2018) [2] https://www.google.com/maps [3] https://www.openstreetmap.org [4] https://www.openrailwaymap.org [5] M Karaim, M Elsheikh, A Noureldin (2018), GNSS Error Sources [6] https://www.u-blox.com/en [7] https://www.u-blox.com/en/product/neo-m8p-series [8] https://www.u-blox.com/en/product/neo-m8u-module [9] Benny Dwi Kifana, et al (2012), “Great Circle Distance Methode for Improving Operational Control System Based on GPS”, International Journal on Computer Science and Engineering (IJCSE), 4(4), pp.647-662 [10] Van Brummelen, Glen Robert (2013), Heavenly Mathematics: The Forgotten Art of Spherical Trigonometry, Princeton University Press [11] https://www.movable-type.co.uk/scripts/latlong.html [12] https://www.nmea.org/content/nmea_standards/nmea_0183_v_410.asp 43 ... giác ABC Giải thuật: Giải thuật 5: tính khoảng cách từ tàu đến mốc (GT-5) Giải thuật tính khoảng cách từ tàu đến mốc phía trước sử dụng (GT-4) Giả sử có liệu có n điểm (từ đến n-1), giải thuật... tính khoảng cách: xác định vị trí thời tàu (từ vệ tinh) , ánh xạ vào công sởđiểm sử dụng thuật để: tính NhưBước vậy,2: để tính khoảng cách từ tàu đến cột hiệu phía trước sử điểmCácvàCác khoảng cách. .. dựng giải thuật để tự động tính khoảng cách từ tàu chạy đến mốc phía trước định vị vệ tinh bày kếtnghiên nghiên cứu xây dựng giải thuật để tự động tính khoảng cách từ tàu Nội dung cứu chạy đến mốc