công nghệ GPS - xây dựng một hệ thống thu thập thông tin từ thiết bị GPS và hiển thị lên bản đồ số

GPS

Khoa: Điện – Điện tử Lớp: CĐ Điện Tử 1 - K6 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………….2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS .3 1.1 Giới thiệu về hệ thống GPS 3 1.2 Thành phần cơ bản của hệ thông GPS . 3 1.2.1 Bộ phận người dùng. . 4 1.2.2 Bộ phận không gian . 4 1.2.3 Bộ phận điều khiển. . 5 1.3 Thành phần tín hiệu GPS 6 1.3.1 Tín hiệu GPS 7 1.3.1.1 Thông điệp từ chuỗi dữ liệu 50bps . 9 1.3.1.2 Cấu trúc một thông diệp tín hiệu . 10 1.4 Cách thức làm việc của hệ thống GPS 11 1.4.1 Hoạt động của GPS 11 1.4.2 Ý tưởng định vị của hệ thống GPS .12 1.4.3 Độ chính xác của hệ thống GPS 13 1.4.4 Những nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS .13 KẾT LUẬN…………………………………………………………………….16 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………… 16 Bài tập lớn 1 Khoa: Điện – Điện tử Lớp: CĐ Điện Tử 1 - K6 LỜI NÓI ĐẦU Như chúng ta đã biết, hiện nay, công nghệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System ) là công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Công nghệ GPS bắt đầu được giới thiệu và ứng dụng vào Việt Nam từ giữa những năm 1990 nhưng chủ yếu để phục vụ cho việc thu thập số liệu tọa độ chính xác của các điểm trắc địa gốc để làm cơ sở phát triển các lưới trắc địa cấp thấp hơn. Trong những năm gần đây, với việc xuất hiện các thiết bị đo GPS cầm tay đơn giản và giá rẻ, việc ứng dụng công nghệ GPS vào công tác thu thập thông tin vị trí càng trở nên phổ biến. đặc biệt là khi nó được kết hợp với các công nghệ khác như công nghệ GIS và hệ thống viễn thông thì thực sự đã mang lại một cuộc cách mạng trong cuộc sống hiện nay. Dưới đây là một ứng dụng của công nghệ GPS, GIS và công nghệ viễn thông để tạo nên một hệ thống giám sát các thiết bị di động có gắn thiết bị đo GPS như quản lý ô tô, taxi, xe bus hay các máy di động … giúp cho nhà quản lý có thể điều hành và giám sát được công việc của mình một cách hiệu quả. Theo các nhà dự báo, trong thời gian tới, các thiết bị GPS sẽ ngày càng nhỏ gọn, chính xác tạo điều khiện cho sự bùng nổ trong việc ứng dụng công nghệ. Với mục đích nghiên cứu làm chủ công nghệ, trong luận văn này, em tập trung vào tìm hiểu công nghệ GPS cũng như thử nghiệm xây dựng một hệ thống thu thập thông tin từ thiết bị GPS và hiển thị lên bản đồ số. Đây là tiền đề cho việc xây dựng một hệ thống quản lý phương tiện giao thông cũng như hệ thống dẫn đường phương tiện đường bộ sử dụng công nghệ GPS. Bài tập lớn 2 Khoa: Điện – Điện tử Lớp: CĐ Điện Tử 1 - K6 Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện - Điện Tử đã giúp đỡ chúng em trong quá trình làm đồ án và cô LÊ NGỌC HÀ đã trực tiếp giảng dạy và hướng dẫn chúng em là bài tập lớn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong quá trình làm đồ án ,chưa có kinh nghiệm nên còn có nhiều nhiều khiếm khuyết trong cách trình bày cũng như phần thể hiện đồ án của mình mong các thầy góp ý và bổ sung thêm. Chúng em xin chân thành cảm ơn. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS 1.1 Giới thiệu về hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu 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 bất kỳ trên trái đất nếu xác định được khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh thì ta có thể tính được tọa độ của vị trí đó. GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch. 1.2 Thành phần cơ bản của hệ thông GPS Hệ thống định vị GPS bao gồm 3 bộ phận: bộ phận người dùng, bộ phận không gian và bộ phận điều khiển. Bài tập lớn 3 Khoa: Điện – Điện tử Lớp: CĐ Điện Tử 1 - K6 Hình 1.1: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu 1.2.1 Bộ phận người dùng. Bộ phận người dùng là thiết bị thu tin hiệu GPS và người sử dụng những thiết bị này. Thiết bị thu tin hiệu GPS là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc biệt. Nó được thiết kế để thu tín hiệu sóng vô tuyến được truyền từ các vệ tinh và tính toán vị trí dựa trên thông tin đó. Thiết bị thu tin hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau. Tính chất và giá cả của các Thiết bị thu tin hiệu GPS 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. 1.2.2 Bộ phận không gian. Bộ phận không gian gồm các vệ tinh GPS mà nó truyền tin hiệu về thời gian và vị trí tới bộ phận người dùng. Tập hợp tất cả các vệ tinh này được gọi là “chòm sao”. Chúng ta có thể xem qua bộ phận không gian của hệ thống GPS: Hệ thống NAVSTAR của Mỹ 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 gian 12 giờ/quỹ đạo. Quỹ đạo bay không gian của các vệ tinh Bài tập lớn 4 Khoa: Điện – Điện tử Lớp: CĐ Điện Tử 1 - K6 được sắp xếp để tối thiểu 5 vệ tinh sẽ được bộ phận người dùng nhìn thấy và bao phủ toàn cầu, với vị trí chính xác hoàn toàn (position dilution of precision PDOP) của 6 vệ tinh hoặc ít hơn. Hình 1.2: Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất Mỗi vệ tinh truyền trên 2 dải 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 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 dải 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 ồn giả ngẫu nhiên (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. 1.2.3 Bộ phận điều khiển. Bài tập lớn 5 Khoa: Điện – Điện tử Lớp: CĐ Điện Tử 1 - K6 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 GPS. 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 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 được toạ lạc ở Falcon Air Force Base, cách 12 dặm về phía đông của Colorado Springs, Colorado và được Mỹ quản lý. 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 dải tần 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). 1.3 Thành phần tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần số rất cao, bao gồm 2 tần số sóng mang được điều chế bởi 2 loại mã (mã C/A và mã P-code) và thông tin định vị. Hai sóng mang được phát ra với tần số 1,575.42MHz (sóng mang băng tần L1) và 1,227.60MHz( song mang băng tần L2). Tức là bước sóng xấp xỉ 19cm và 24.4cm.Việc sử dụng 2 loại sóng mang này cho phép sửa lỗi chính trong hệ thống GPS đó là sự trễ trong tầng khí quyền, điều này được giải thích rõ ràng hơn trong phần sửa lỗi hệ thống. Tất cả các vệ tinh GPS phát chung tần số sóng mang L1 và L2, Tuy nhiên mã điều chế thì khác nhau cho mỗi vệ tinh khác nhau. Hai loại mã được dùng là mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P-code (precision code). Mỗi mã bao gồm một nhóm số nhị phân 0 và 1 gọi là các bit. Bài tập lớn 6 Khoa: Điện – Điện tử Lớp: CĐ Điện Tử 1 - K6 Các mã thông thường được biết đến là mã PRN - Pseudo Random Noise(mã ồn giả ngẫu nhiên) gọi là như vậy vì chúng được tao ra một cách ngẫu nhiên và tín hiệu giống như các tín hiệu ồn, nhưng thực tế chúng được phát ra từ các giải thuật toán học. Hiện nay mã C/A chỉ được điều chế ở băng tần L1 còn mã P- code được được điều chế ở cả 2 băng tần L1 và L2. Việc điều chế này gọi là điều chế lưỡng pha vì pha của chúng dịch 180độ khi giá trị mã thay đổi từ 0 ->1 hay từ 1->0. Mã C/A là 1 luồng bít nhị phân của 1023 số nhị phân và lặp lại bản thân chúng trong mỗi giây. Điều này có nghĩa là tốc độ chip của mã C/A là 1.023Mbps. Hay theo cách khác,chu kỳ của một bit xấp xỉ 1ms hay tương đương với 300m. Việc đo đạc sử dụng mã C/A là kém chính xác so với mã P-code nhưng nó ít phức tạp và được cung cấp cho tất cả người sử dụng. Mã P-code là 1 một chuỗi dài các số nhị phân ,nó lặp lại bản thân nó sau 266 ngày. Nó cũng nhanh hơn 10 lần so với mã C/A( tốc độ là 10.23MBps). Nhân với thời gian lặp lại bản thân nó sau 266 ngày để cho ra tốc độ 10.23Mbps suy ra mã P-code là một luồng gồm 2.35x10 14 chip mã dài 266 ngày được chia ra 38 đoạn;mỗi đoạn là 1 tuần.32 đoạn được phân chia tới các vệ tinh khác nhau. Mỗi vệ tinh phát ra đoạn 1-tuần của mã P-code,chúng được khởi tạo vào nửa đêm nằm giữa thứ 7 và chủ nhật hàng tuần. 6 đoạn còn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác. Mã P-code được thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích quân sự. Nó được cung cấp cho người sử dụng vào ngày 31/1/1994. Ở thời điểm đó mã P-code được mã hóa bằng việc thêm vào nó 1 loại mã W-code. Và kết quả của việc thêm vào loại mã code này là mã Y-Code và nó có tốc độ chíp giống với mã P-code. Hình 1.3 Mô hình tín hiệu GPS khí truyền Bài tập lớn 7 Khoa: Điện – Điện tử Lớp: CĐ Điện Tử 1 - K6 1.3.1 Tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh GPS truyền đồng thời 2 dải tần số là L1 và L2 (L1 là 1575,42MHz L2 là 1227,60MHz ) Sóng mang của tin hiệu L1 gồm 1 thành phần cùng pha và một thành phần vuông pha. Thành phần cùng pha là hai pha được điều chế bởi 1 luồng dữ liệu 50bps và một mã giả ngẫu nhiên được gọi là mã C/A bao gồm 1 chuỗi 1023 chip nối tiếp có chu ky là 1ms và 1 tốc độ xung nhip 1.023MHz. Thành phần vuông pha cũng là hai pha được điều chế bởi 1 luồng dữ liệu 50bps nhưng có một sự khác nhau đó là thành phần vuông pha dùng mã giả ngẫu nhiên được gọi là P-Code, nó có xung nhịp là 10.23MHz và chu kỳ là 1 tuần. Biểu thức toán học của sóng L1 là: Trong đó P1 là công suất của thành phần sóng mang cùng pha P Q là công suất của thành phần sóng mang vuông pha d(t) là sự điều chế dữ liệu 50bps c(t) và p(t) tương ứng là những sóng mã C/A và mã giả ngẫu nhiên Bài tập lớn 8 Khoa: Điện – Điện tử Lớp: CĐ Điện Tử 1 - K6 L 1 là tần số sóng mang 0 là độ dịch pha Công suất sóng mang vuông pha P Q it hơn xấp xỉ 3db so với P 1 Trái ngược với tín hiệu L1, tín hiệu L2 được điều chế với duy nhất dữ liệu 50bps và mã p- code Biểu thức toán học của tín hiệu L2 Hình 1.4 cấu trúc thành phần cùng pha của L1 Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang rồi sau đó được mã hóa theo mã C/A và được truyền đi. Bài tập lớn 9 Khoa: Điện – Điện tử Lớp: CĐ Điện Tử 1 - K6 Hình 1.5 Cấu trúc thành phần vuông pha của tín hiệu L1 Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang rồi sau đó được mã hóa theo mã P- code và được truyền đi. Hình 1.4 và hình 1.5 tương ứng trình bày cấu trúc của thành phần cùng pha và thành phần vuông của tín hiệu L1 1.3.1.1 Thông điệp từ chuỗi dữ liệu 50bps Chuỗi dữ liệu 50bps chuyên trở thông điệp dẫn đường, nó bao gồm nhiều thông tin và không giới hạn. nó bao gồm những thông tin sau. - Dữ liệu vệ tinh Niêm giám. Mỗi vệ tinh truyền dữ liệu trong không gian được gọi là niêm giám. Nó cho phép người sử dụng tính toán vị trí của mọi vệ tinh trong chòm sao GPS tại bất ký thời điểm nào. Dữ liệu Niêm giám không đủ chính xác để xách dịnh vị trí nhưng có thể được cất giữa trong một thiết bi thu ở đâu đó, nó lưu lại trong vài tháng. Nó chủ yếu được dung để xác định vệ tinh rõ rang tại 1 vị trí bất kỳ o Dữ liệu vệ tinh thiên văn. Dữ liệu thiên văn cũng tương tự như dữ liệu Niêm giác nhưng nó cho phép xác định vị tri với độ chính xác cao hơn, để cần dược chuyển đổi sự trễ lan truyền trong việc ước lượng vị trí của người dùng. Bài tập lớn 10 . thống thu thập thông tin từ thiết bị GPS và hiển thị lên bản đồ số. Đây là tiền đề cho việc xây dựng một hệ thống quản lý phương tiện giao thông cũng như hệ. một ứng dụng của công nghệ GPS, GIS và công nghệ viễn thông để tạo nên một hệ thống giám sát các thiết bị di động có gắn thiết bị đo GPS như quản lý ô