Hệ thống định vị toàn cầu GPS và ứng dụng

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU VÀ ỨNG DỤNG Nguyễn Văn Căn Khoa CNTT, Trường ĐH KT - HC CAND Từ thời xa xưa, người sử dụng thiên văn, la bàn đồ để xác định vị trí tìm đường chuyến thám hiểm khai phá miền đất lạ Ngày nay, công nghệ định vị toàn cầu phát triển mạnh mẽ triển khai nhiều ứng dụng hiệu định vị dẫn đường Bài viết nhằm giới thiệu khái quát hệ thống định vị toàn cầu ứng dụng Các khái niệm, cấu trúc, thành phần hệ thống định vị toàn cầu giới thiệu mục 1; mục trình bày số lĩnh vực ứng dụng hệ thống định vị tồn cầu; mục trình bày số ứng dụng điện thoại thông minh cuối đánh giá kết luận Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) hệ thống xác định vị trí dựa vị trí vệ tinh nhân tạo, Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành quản lý, cho phép người giới sử dụng số chức miễn phí, quốc tịch Trong thời điểm, tọa độ điểm mặt đất xác định xác định khoảng cách từ điểm đến ba vệ tinh [1] Các nước liên minh châu Âu xây dựng hệ thống định vị Galileo, có tính giống GPS Hoa Kỳ, dự tính bắt đầu hoạt động năm 2014 Trung Quốc phát triển hệ thống định vị tồn cầu mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh [1] Dẫn đường (navigator) ứng dụng GPS nhiều người biết đến hay sử dụng điện thoại thơng minh để tìm đường di chuyển Hệ thống dẫn đường vệ tinh Galileo đặt mục tiêu đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt dẫn đường định vị dân Hình Vệ tinh GPS Sự hoạt động GPS [2]: GPS hoạt động điều kiện thời tiết, nơi trái đất, 24 ngày Khơng phí th bao tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS phí cho thiết bị thu tín hiệu phần mềm nhúng hỗ trợ Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần ngày theo quỹ đạo xác phát tín hiệu có thơng tin xuống trái đất Các máy thu GPS nhận thơng tin phép tính lượng giác, tính xác vị trí người dùng Về chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu phát từ vệ tinh với thời gian nhận chúng Sai lệch thời gian cho biết máy thu GPS cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo tới nhiều vệ tinh máy thu tính vị trí người dùng hiển thị lên đồ điện tử máy Máy thu phải nhận tín hiệu ba vệ tinh để tính vị trí hai chiều ( kinh độ vĩ độ) để theo dõi chuyển động Khi nhận tín hiệu bốn vệ tinh máy thu tính vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ độ cao) Một vị trí người dùng tính máy thu GPS tính thông tin khác, tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn nhiều thứ khác Vị trí điểm mặt đất, tham chiếu so với vị trí vệ tinh trung tâm tín hiệu trung gian mặt đất Khi nhận tín hiệu từ vệ tinh, thiết bị tự tính tốn khoảng cách thiết bị vệ tinh Theo lý thuyết, cần có ba vệ tinh tính tốn vị trí (tính tọa độ x, y, z khơng gian), nhiên có sai số định nên hệ thống cần thêm tham chiếu nữa, tức thêm vệ tinh bốn vệ tinh để tính tốn xác Dĩ nhiên có nhiều bốn vệ tinh nhận hết xử lý hết tín hiệu Cuối cùng, GPS tính tốn vị trí xác ln ln có sai số Sai số vài mét, vài trăm mét Sai số hiển thị hình thiết bị sai số có dựa phân tích tín hiệu thu nhận được, thực tế khó biết xác Bởi vệ tinh, trái đất, di chuyển liên tục đồng thời thời gian thực GPS gồm ba phần chính: phần khơng gian, kiểm sốt sử dụng (Hình 2) Khơng qn Hoa Kỳ phát triển, bảo trì vận hành phần khơng gian kiểm sốt Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ khơng gian, máy thu GPS sử dụng tín hiệu để tính tốn vị trí khơng gian ba chiều (kinh độ, vĩ độ độ cao) thời gian Hình Hình Các thành phần GPS Thứ nhất, mảng không gian: Mảng không gian bao gồm vệ tinh, chúng truyền tín hiệu cần thiết cho hệ thống hoạt động Phần không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động vệ tinh dự phòng) nằm quỹ đạo xoay quanh trái đất Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km Chúng chuyển động ổn định quay hai vòng quỹ đạo khoảng thời gian gần 24 với vận tốc nghìn dặm Các vệ tinh quỹ đạo bố trí cho máy thu GPS mặt đất nhìn thấy tối thiểu vệ tinh vào thời điểm Các vệ tinh cung cấp lượng mặt trời Chúng có nguồn pin dự phòng để trì hoạt động chạy khuất vào vùng khơng có ánh sáng mặt trời Các tên lửa nhỏ gắn vệ tinh giữ chúng bay quỹ đạo định Các chức vệ tinh bao gồm: Thu nhận lưu trữ liệu truyền từ mảng điều khiển; Cung cấp thời gian xác chuẩn tần số nguyên tử đặt vệ tinh; Truyền thông tin tín hiệu đến người sử dụng hay hai tần số Thứ hai, mảng điều khiển: Mảng điều khiển tiện ích mặt đất thực nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, tính tốn quĩ đạo cần thiết cho quản lý mảng khơng gian Mục đích phần kiểm soát vệ tinh hướng theo quỹ đạo thơng tin thời gian xác Có năm trạm kiểm sốt đặt rải rác trái đất Bốn trạm kiểm soát hoạt động cách tự động, trạm kiểm soát trung tâm Bốn trạm nhận tín hiệu liên tục từ vệ tinh gửi thông tin đến trạm kiểm sốt trung tâm Tại trạm kiểm sốt trung tâm, sửa lại liệu cho kết hợp với hai an-ten khác để gửi lại thông tin cho vệ tinh Ngồi ra, trạm kiểm sốt trung tâm dự phòng sáu trạm quan sát chuyên biệt Mảng điều khiển bao gồm tiện ích cần cho việc giám sát, theo dõi, điều khiển, tính toán lịch vệ tinh nạp liệu lên vệ tinh Năm trạm điều khiển mặt đất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia Kwajalein Chức chúng sau: Tất năm trạm trạm giám sát, theo dõi vệ tinh truyền liệu đến trạm điều khiển chính; Trạm đặt Colorado Springs trạm điều khiển (MSC) Tại liệu theo dõi xử lý nhằm tính toạ độ số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh; Hình Các trạm điều khiển GPS giới Ba trạm Ascension, Diego Garcia Kwajalein trạm nạp liệu lên vệ tinh Dữ liệu bao gồm lịch thông tin số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh thông báo hàng hải Thứ ba, mảng người sử dụng: Thiết bị người sử dụng GPS máy thu bao gồm: Phần cứng (theo dõi tín hiệu trị đo khoảng cách); Phần mềm (các thuật tốn, giao diện người sử dụng); Các q trình điều hành Hiện thị trường có nhiều loại máy thu khác chủng loại, độ xác giá tiền Theo cấu tạo chia thành hai loại: Máy thu tần số máy thu hai tần số Theo độ xác chia làm ba loại: Độ xác cao, trung bình thấp Độ xác cao loại máy thu hai tần số đắt tiền dùng trắc địa Thiết bị phần cứng phức tạp nên việc sử dụng khó khăn Độ xác trung bình loại máy thu tần số, có cấu tạo đơn giản dễ mang vác dễ sử dụng cho thu thập liệu phục vụ đồ GIS Độ xác thấp loại máy thu tần số có cấu tạo gọn nhẹ (máy thu cầm tay) giá thành thấp thường dùng cho mục đích định vị hàng hải, du lịch,… Một số lĩnh vực ứng dụng GPS Ưu điểm công nghệ GPS khơng đòi hỏi tính thơng hướng trạm đo Các vệ tinh quan sát vùng lãnh thổ rộng lớn quốc gia, lục địa GPS cho phép định vị độ xác cao ngày cải thiện Ứng dụng thực tế GPS thời điểm đa dạng, chia thành nhóm lĩnh vực định vị, dẫn đường, tìm kiếm, [3] Lĩnh vực định vị: Đây có lẽ tính thiết bị có tích hợp GPS Tính từ trước đến hiểu đơn giản người sử dụng dễ dàng xác định vị trí dù đâu thông qua GPS Tuy nhiên, ứng dụng thực tế tính thời điểm đa dạng Chẳng hạn dựa tọa độ mà GPS định vị, ứng dụng trợ lý giọng nói Google Voice, S Voice… cung cấp cho người dùng hàng loạt thơng tin hữu ích thời tiết, nhiệt độ, vị trí nhà hàng, khách sạn, bệnh viện gần Một số ứng dụng cho phép người dùng chia sẻ vị trí thơng qua tin nhắn SMS Khi tin nhắn gửi đi, thiết bị gửi kèm theo tọa độ để người nhận xác định người gửi đâu, tiện lợi Hình Định vị qua vệ tinh Lĩnh vực dẫn đường: Dẫn đường tính mà hầu hết người sử dụng muốn có cầm tay thiết bị có GPS Dựa vị trí tọa độ thiết bị cộng thêm liệu ứng dụng đồ, thiết bị GPS vạch cho người sử dụng lộ trình từ điểm đầu đến điểm cuối cho ngắn thuận tiện Hơn nữa, số ứng dụng có tính dẫn đường giọng nói, giúp người dùng dễ dàng di chuyển mà khơng cần phải nhìn liên tục vào hình thiết bị Tuy nhiên, cần lưu ý khơng phải ứng dụng đáp ứng hoàn hảo cho nhu cầu dẫn đường Chẳng hạn số dòng thiết bị, ứng dụng Google Maps dẫn đường với độ xác cao lại khơng trang bị đồ ngoại tuyến, bắt buộc người sử dụng phải kết nối internet sử dụng Việc giải sóng 3G nhược điểm lúc thiết bị bắt sóng di chuyển Đối với hãng vận tải GPS ứng dụng khơng thể thiếu việc điều hành quản lý phương tiện Trước tiên, cho phép giám sát lộ trình đường phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển trạng thái tắt/mở máy, tốc độ xe… Dựa vào đó, thiết bị lưu trữ lộ trình xe hiển thị lại lộ trình xe hình Ngồi ra, số thiết bị GPS có tác dụng cảnh báo xe vượt tốc độ cho phép thay vai trò máy chống trộm hiệu Hình Dẫn đường qua vệ tinh Lĩnh vực tìm người, thiết bị: Hầu hết nhà sản xuất smartphone cố gắng trang bị cho thiết bị ứng dụng giúp người dùng xác định vị trí chúng phòng thất lạc Khi bật tính này, người dùng theo dõi vị trí thiết bị dù đâu, chúng kết nối internet thơng qua 3G wifi Hơn nữa, ứng dụng cho phép chủ nhân thiết bị gửi tin nhắn, bật âm báo hiệu, khóa xóa tồn liệu từ xa Trên thực tế, ứng dụng hữu ích việc tìm lại điện thoại bị thất lạc tìm lại điện thoại bị cắp, chúng bị vơ hiệu hóa với vài thao tác Đối với bậc cha mẹ tính đặc biệt hữu ích việc tìm, quản lý cái, người thân Mặc dù vậy, đơi cảm thấy khó chịu vơ hình trung tính lại khiến người sử dụng đánh quyền riêng tư Trong quản lý giao thông: Ngày nay, nhiều ứng dụng giao thông thông minh phát huy hiệu lớn, như: Giám sát quản lý vận tải, theo dõi vị trí, tốc độ, hướng di chuyển; Giám sát mại vụ, giám sát vận tải hành khách; Chống trộm cho ứng dụng th xe tự lái, theo dõi lộ trình đồn xe; Liên lạc, theo dõi định vị cho ứng dụng giao hàng GPS có nhiều ứng dụng mạnh mẽ quản lý xe tơ Với nhiều tính như: Giám sát lộ trình đường phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển trạng thái tắt/mở máy, tốc độ xe…; Xác định vị trí xe xác góc đường, xác định vận tốc thời gian xe dừng hay chạy, biết lộ trình xe đi; Lưu trữ lộ trình xe hiển thị lại lộ trình xe hình; Xem lại lộ trình xe theo thời gian vận tốc tùy chọn; Quản lý theo dõi hay nhiều xe thời điểm; Báo cáo cước phí tổng số km xe (ngày/tháng); Cảnh báo xe vượt tốc độ, vượt khỏi vùng giới hạn; Chức chống trộm Về quản lý giao thơng, Việt Nam có số quy định pháp lý GPS như: Nghị định 91/2009/NĐ-CP thiết bị giám sát hành trình xe; Thơng tư 14/2010/TT-BGTGT dùng GPS giám sát hoạt động vận tải Trong quân sự, quốc phòng an ninh: Trong lĩnh vực quân sự, giới GPS có nhiều ứng dụng: Vũ khí hạt nhân; Bom thơng minh JDAM; Tên lửa khơng đối đất; Tên lửa công đất liền; Tên lửa hành trình; Tên lửa đất đối đất; Máy bay huấn luyện Mikoyan MiG-AT Nga; Các hệ thống định vị vệ tinh khác sử dụng số nơi bao gồm: Galileo – hệ thống toàn cầu EU quốc gia đối tác khác phát triển, đưa vào sử dụng năm 2014; Beidou (Bắc Đẩu) – hệ thống riêng Trung quốc phát triển, phủ châu Á tây Thái Bình Dương; COMPASS – Hệ thống toàn cầu Trung quốc, dự kiến đưa vào sử dụng năm 2020; GLONASS – Hệ thống địa vị toàn cầu Nga; IRNSS – Hệ thống định vị khu vực Ấn Độ, đưa vào sử dụng năm 2012, phủ Ấn Độ bắc Ấn Độ Dương; QZSS – Hệ thống định vị khu vực Nhật Bản, phủ châu Á châu Đại Dương Ứng dụng GPS hay dành cho điện thoại thông minh Hiện có số ứng dụng dành cho hệ điều hành Android, iOS, BlackBerry Windows Phone [4] Không phải dễ dàng lựa chọn ứng dụng tốt nhất, trừ xem xét chúng theo tiêu chí chất lượng giao diện, tính xác đồ khả thực theo lộ trình mà khơng cần kết nối điện thoại di động Waze, ứng dụng thông tin giao thông Bắt nguồn từ Israel, ứng dụng miễn phí Google mua lại hữu ích việc cảnh báo cho người sử dụng điểm ùn tắc giao thông, vụ tai nạn tuyến đường thắt nút, dẫn cho họ tuyến đường nhanh Google Maps, ứng dụng đồ mặc định phiên điện thoại thông minh chạy Android, Google Maps lựa chọn tốt thay ứng dụng đồ Maps iPhone Với việc sử dụng đơn giản, ứng dụng không hướng dẫn cho tài xế xe tơ, mà để đường cho xe đạp, người người sử dụng phương tiện giao thông công cộng Nokia Here, sản phẩm phát triển Nokia cho thiết bị chạy Windows Phone, ứng dụng định hướng có sẵn cho số sản phẩm Samsung tích hợp mùa đơng phiên dành cho Android iPhone Nhưng Here Maps cho Windows Phone thiết kế cho người dùng tuyến đường bộ, xe ô tô giao thông công cộng, phiên dành cho Android giới hạn điều hướng xe ô tô Tuy nhiên, dễ chịu để sử dụng thiết kế, chế độ offline thông tin giao thơng Hình Ứng dụng thơng tin giao thơng Apple Plans sản phẩm Apple giành riêng cho hệ điều hành iOS Phiên Apple Plans chứng tỏ khả hiển thị tòa nhà 3D, xếp vào danh sách ứng dụng định vị GPS thực tế nhất, đòi hỏi phải kết nối Internet Tóm tại, hệ thống GPS hệ thống cơng nghệ tích hợp lĩnh vực viễn thông Việc cập nhật thông tin cấu trúc, thành phần ứng dụng mang lại lợi ích thiết thực cho người dùng Để tiếp cận chi tiết cơng nghệ cần có nghiên cứu sâu sóng điện từ, sóng ánh sáng thuật tốn tính tốn chun sâu lĩnh vực viễn thông Qua viết đặt cho nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển thuật toán định vị để nâng cao độ xác cơng nghệ định vị Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] http://vi.wikipedia.org/wiki/He_thong_Dinh_Vi_Toan_Cau Hofmann-Wellenhof, B., H Lichtenegger, and J Collins, GPS Theory and Practice, Springer-Verlag, 1993 http://www.tinmoi.vn/ung-dung-thuc-tien-cua-gps-011065057.html http://vnmedia.vn/VN/cong-nghe/hoi dap/sau-ung-dung-gps-hay-danh-cho-de-thongminh-33-3211617.html ... Bình Dương; COMPASS – Hệ thống toàn cầu Trung quốc, dự kiến đưa vào sử dụng năm 2020; GLONASS – Hệ thống địa vị toàn cầu Nga; IRNSS – Hệ thống định vị khu vực Ấn Độ, đưa vào sử dụng năm 2012, phủ... MiG-AT Nga; Các hệ thống định vị vệ tinh khác sử dụng số nơi bao gồm: Galileo – hệ thống toàn cầu EU quốc gia đối tác khác phát triển, đưa vào sử dụng năm 2014; Beidou (Bắc Đẩu) – hệ thống riêng... chứng tỏ khả hiển thị tòa nhà 3D, xếp vào danh sách ứng dụng định vị GPS thực tế nhất, đòi hỏi phải kết nối Internet Tóm tại, hệ thống GPS hệ thống cơng nghệ tích hợp lĩnh vực viễn thông Việc