đề tài công nghệ giám sát và quản lý phương tiện giao thông GPS tracking

MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1.1.LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GPS 1.2.1.Phần không gian (space segment) 1.2.2 Phần điều khiển (control segment) 1.2.3 Phần người sử dụng (user segment) 1.3.CÁC THẾ HỆ VỆ TINH VÀ MẠNG LƢỚI VỆ TINH GPS HIỆN TẠI 1.3.1 Các hệ vệ tinh 1.3.2 Mạng lưới vệ tinh GPS 1.4 CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS 1.4.1 Tần số 1.4.2 Các thông tin điều biến 1.4.3 Các loại sóng tải hệ thống GPS 1.4.4 Các thông báo vệ tinh 1.4.5 Vệ tinh khoẻ không khoẻ (Healthy or Unhealthy) .10 1.4.6 Vệ tinh hoạt động không hoạt động 10 1.4.7 Độ xác dự báo đo khoảng cách (URE) 10 1.5 CÁC TRỊ ĐO GPS 11 Chƣơng NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ GPS 14 2.1 ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI 14 2.1.1 Biểu thức để tính khoảng cách 14 2.1.2 Tính khoảng cách 16 2.2 ĐỊNH VỊ TƢƠNG ĐỐI 19 2.2.1.Sai phân bậc 20 2.2.2 Sai phân bậc hai 20 2.2.3 Sai phân bậc ba 20 2.3 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS 21 2.3.1 Sai số đồng hồ 21 2.3.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh 21 2.3.3 Ảnh hưởng tầng Ion 22 2.3.4 Ảnh hưởng tầng đối lưu 22 2.3.5 Tầm nhìn vệ tinh trượt chu kỳ 23 2.3.6 Hiện tượng đa tuyến 23 2.3.7 Sự suy giảm độ xác (DOPs) đồ hình vệ tinh 24 2.3.8 Tâm pha anten 25 2.4 NGUYÊN LÝ ĐO GPS ĐỘNG 26 2.4.1 Nguyên lý chung đo GPS động 26 2.4.2 Giải pháp kỹ thuật đo GPS động: 26 2.4.3 Các phương pháp đo GPS động 28 2.5 TỌA ĐỘ VÀ HỆ QUI CHIẾU 30 2.6 XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ MÁY THU 31 2.6.1 Xác định tọa độ kinh vĩ: 31 2.6.2 Hiệu ứng Doppler lên máy thu: 32 Chƣơng CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VÀ GIÁM SÁT PHƢƠNG TIỆN GIAO THÔNG GPS TRACKING 34 3.1 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG GPS TRACKING 34 3.1.1.Mơ hình hệ thống GPS tracking: 34 3.1.2 Các chức chính: 36 3.2 CÁC PHƢƠNG THỨC HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS TRACKING 36 3.2.1.Hoạt động off-line: 37 3.2.2.Hoạt động on-line: 37 3.3 MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS 38 3.3.1.Cấu trúc hoạt động: 39 3.4 HỆ THỐNG GPS TRACKING KẾT HỢP KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN BẰNG SÓNG RADIO VHF/UHF 41 3.4.1 Mơ hình hệ thống: 41 3.4.2 Cấu hình hoạt động: 41 3.4.3 Các chức năng: 43 3.5 HỆ THỐNG GPS TRACKING KẾT HỢP THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 44 3.5.1 Mơ hình hệ thống: 44 3.5.2.Cấu hình hoạt động: 44 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking MỞ ĐẦU Trong lịch sử ngành vận tải giới, việc tìm giải pháp quản lý trao đổi thông tin xe, tài xế với trung tâm điều hành chưa công việc dễ dàng Hiện nhờ có phát triển cơng nghệ thông tin với bước tiến mạnh mẽ ngành viễn thơng giúp đơn giản hóa nhiều khó khăn thơng qua hệ thống định vị tồn cầu GPS Cùng với thời gian cơng nghệ GPS ngày phát triển hoàn thiện theo chiều hướng xác, hiệu thuận tiện Với mục đích nghiên cứu nhánh phát triển công nghệ GPS lĩnh vực giám sát quản lý phương tiện giao thông, đề xuất phép nghiên cứu đề tài “Công nghệ giám sát quản lý phương tiện giao thông GPS tracking” Hiện nay, hệ thống bắt đầu xuất Việt Nam với giải pháp GPS Tracking Hệ thống GPS Tracking cho phép người sử dụng thơng qua máy tính ĐTDĐ quan sát gần trực tuyến thông số đội xe di chuyển đường vị trí, vận tốc, hướng di chuyển, tình trạng q tốc độ, nhiệt độ, đường nguy hiểm phía trước…trên đồ số chi tiết 64 tỉnh thành ngồi hành trình xe cịn lưu lại để mơ lại sau tạo lập báo cáo phân tích thống kê, phục vụ cho công tác giám sát quản lý phương tiện giao thông chủ doanh nghiệp Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking Chƣơng TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1.1.LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Hệ thống định vị toàn cầu GPS (NAVSTAR GPS - Navigation Satellite Timing and Ranging Global Poritioning System) hệ thống vệ tinh có khả xác định vị trí tồn cầu với độ xác cao phát triển quốc phòng Hoa Kỳ khoảng đầu 1970 Đầu tiên, GPS xây dựng để phục vụ cho mục đích quân sự, nhiên sau cho phép sử dụng lĩnh vực dân Hiện nay, hệ thống truy nhập hai lĩnh vực quân dân GPS bao gồm mạng lưới 24 vệ tinh hoạt động Mạng lưới thức hồn thành vào ngày 8-12-1993 Để đảm bảo vùng phủ sóng liên tục toàn giới, vệ tinh GPS xếp cho vệ tinh nằm mặt phẳng quỹ đạo Với cách xếp có đến 10 vệ tinh nhìn thấy điểm trái đất với góc ngẩng 100 thực tế cần vệ tinh cung cấp đầy đủ thơng tin vị trí Các quỹ đạo vệ tinh GPS đường vịng, có dạng elip với độ lệch tâm cực đại 0.01, nghiêng khoảng 550 so với đường xích đạo Độ cao vệ tinh so với bề mặt trái đất khoảng 20.200 km, chu kỳ quỹ đạo vệ tinh GPS khoảng 12 (11 58 phút) Hệ thống GPS thức tun bố có khả vào hoạt động vào ngày 17-7-1995 với việc đảm bảo có tối thiểu 24 vệ tinh hoạt động Trong thực tế, để GPS có khả hoạt động tốt, số lượng vệ tinh mạng lưới GPS phải luôn nhiều 24 vệ tinh Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking 1.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GPS GPS gồm phân vùng: - Phần không gian (space segment) - Phần điều khiển (control segment) - Phần người sử dụng (user segment) Mơ hình ba thành phần GPS hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ liên quan ba phần GNSS (GPS) Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking 1.2.1.Phần không gian (space segment) Phần không gian GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo (được gọi satellite vehicle, tính đến thời điểm 1995) Quỹ đạo chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất quỹ đạo tròn, 24 vệ tinh nhân tạo chuyển động mặt phẳng quỹ đạo Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo góc 55 độ.Quĩ đạo vệ tinh gần hình trịn , độ cao 20.200 km , chu kỳ 718 phút , thời hạn sử dụng 7,5 năm Hình1.2- minh họa chuyển động vệ tin xung quanh trái đất Hình 1.2 Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất Từ phóng vệ tinh GPS phóng vào năm 1978, đến có bốn hệ vệ tinh khác Thế hệ vệ tinh Block I, hệ thứ hai Block II, hệ thứ ba Block IIA hệ gần Block IIR Thế hệ cuối vệ tinh Block IIR gọi Block IIR-M Những vệ tinh hệ sau trang bị thiết bị đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt động lâu Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking 1.2.2 Phần điều khiển (control segment) Phần điều khiển để trì hoạt động toàn hệ thống GPS hiệu chỉnh tín hiệu thơng tin vệ tinh hệ thống GPS Phần điều khiển có trạm quan sát có nhiệm vụ sau: • Giám sát điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục • Quy định thời gian hệ thống GPS • Dự đốn liệu lịch thiên văn hoạt động đồng hồ vệ tinh • Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho vệ tinh cụ thể Có trạm điều khiển (Master Control Station) Colorado Springs bang Colarado Mỹ trạm giám sát (monitor stations) ba trạm ăng ten mặt đất dùng để cung cấp liệu cho vệ tinh GPS Bản đồ Hình 1.3- cho biết vị trí trạm điều khiển giám sát hệ thống GPS Gần có thêm trạm phụ Cape Cañaveral (bang Florida, Mỹ) mạng quân phụ (NIMA) sử dụng để đánh giá đặc tính liệu thời gian thực Hình 1.3.Vị trí trạm điều khiển giám sát hệ thống GPS Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking 1.2.3 Phần ngƣời sử dụng (user segment) Phần người sử dụng bao gồm máy thu tín hiệu vệ tinh phần mềm xử lý tính tốn số liệu, máy tính thu tín hiệu GPS, đặt cố định mặt đất hay gắn phương tiện chuyển động ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa vệ tinh nhân tạo tuỳ theo mục đích ứng dụng mà máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác với phần mềm xửlý quy trình thao tác thu thập số liệu thực địa 1.3.CÁC THẾ HỆ VỆ TINH VÀ MẠNG LƢỚI VỆ TINH GPS HIỆN TẠI 1.3.1 Các hệ vệ tinh Việc hình thành mạng lưới vệ tinh GPS bắt đầu với loạt 11 vệ tinh gọi Block I Vệ tinh vệ tinh (và hệ thống GPS) phóng vào ngày 22-2-1978, vệ tinh cuối phóng vào ngày 9-10-1985 Vệ tinh Block I phóng với mục đích chủ yếu để thử nghiệm Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh so với đường xích đạo 630 (góc nghiêng thay đổi hệ vệ tinh kế tiếp) Mặc dù thời gian tồn thiết kế vệ tinh Block I 4,5 năm số vệ tinh tồn 10 năm Vệ tinh Block I cuối chấm dứt hoạt động vào ngày 18-11-1995 Thế hệ thứ hai vệ tinh GPS gọi vệ tinh Block II/IIA Block IIA phiên nâng cấp vệ tinh Block II với việc tăng cường khả lưu trữ liệu (thông điệp dẫn đường) từ 14 ngày Block II lên 180 ngày Block IIA Điều có nghĩa vệ tinh Block II/IIA hoạt động liên tục mà khơng cần hỗ trợ từ mặt đất khoảng thời gian từ 14 ngày (Block II) đến 180 ngày (Block IIA) Có tổng cộng 28 vệ tinh Block II/IIA phóng khoảng thời gian từ tháng 2-1989 đến tháng 11- 1997 Không giống Block I, mặt phẳng quỹ đạo Block II/IIA nghiêng 55 o so với đường xích đạo Thời gian tồn vệ tinh Block II/IIA theo thiết kế 7,5 năm Để đảm bảo tính bảo mật, số tính bảo mật gọi Selective Availability (SA) antispoofing thêm vào vệ tinh Block II/IIA Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking Một hệ vệ tinh GPS gọi Block IIR phóng Các vệ tinh bổ sung có tính tương thích ngược với Block II/IIA, nghĩa thay đổi hoàn toàn suốt user Block IIR gồm 21 vệ tinh với thời gian tồn theo thiết kế 10 năm Ngồi đạt độ xác cao mong đợi, vệ tinh Block IIR có khả vận hành tự động tối thiểu 180 ngày mà không cần hiệu chỉnh từ mặt đất khơng làm giảm độ xác Thêm vào đó, liệu đồng hồ lịch thiên văn dự báo trước 210 ngày upload từ phân vùng điều khiển mặt đất để hỗ trợ cho việc vận hành tự động Hình 1.4 Các hệ vệ tinh Một hệ nối tiếp Block IIR gọi Block IIF, bao gồm 33 vệ tinh Thời gian tồn vệ tinh 15 năm Vệ tinh Block IIF có nhiều khả thơng qua chương trình đại hóa GPS nhằm cải thiện vượt bậc độ xác việc địnhvị GPS tự động Vệ tinh Block IIF phóng vào năm 2007 1.3.2 Mạng lƣới vệ tinh GPS Mạng lưới GPS (kể từ tháng 7-2001) bao gồm vệ tinh Block II, 18 vệ tinh Block IIA vệ tinh Block IIR Điều làm tổng số vệ tinh mạng lưới lên 29, vượt mạng lưới 24 vệ tinh theo chuẩn vệ tinh Tất vệ tinh Block II khơng cịn hoạt động Các vệ tinh GPS nằm mặt phẳng quỹ đạo, đặt tên từ A đến F Do mạng lưới có 24 vệ tinh nên mặt phẳng quỹ đạo chứa vệ tinh Theo bảng 1, tất mặt phẳng quỹ đạo gồm vệ tinh ngoại trừ mặt phẳng quỹ đạo C gồm vệ tinh Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking 1.4 CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS Một thành phần quan trọng hệ thống GPS tín hiệu phát từ vệ tinh đến máy thu Việc phát thu tín hiệu sở cho việc đo đạc hệ thống GPS, tín hiệu GPS có cấu trúc nào? Tín hiệu vệ tinh song điện từ Sóng điện từ dùng cho mục đích đo đạc có thơng số đặc trưng, nghiên cứu, thử nghiệm đảm bảo yêu cầu nghiêm ngặt độ xác, tính ổn định yêu cần kỹ thuật khác Về mặt vật lý, tín hiệu vệ tinh có thơng số bước sóng, tần số mã điều biến song tải Bảng 1.1: Các thành phần tín hiệu tần số tương ứng Thành phần Tần số (MHz) Tần số chuẩn f0 Sóng tải L1 154.f0 = 1575,42Mhz (λ= 19,0cm) Sóng tải L2 120.f0 = 1227,60Mhz (λ= 24,4 cm) P - Code f0 = 1,023 C/A Code f0/10 = 1,023 W - Code f0/20 = 0,5115 Thông tin đạo hàng f0/204600 = 50.10-6 1.4.1 Tần số Tần số song truyền tín hiệu vệ tinh hệ thống GPS fo=10.23 MHz 1.4.2 Các thơng tin điều biến Việc sử dụng tín hiệu mã hóa cho phép vệ tinh GPS hoạt động mà không bị nhiễu, vệ tinh phát mã giả ngẫu nhiên riêng biệt Máy thu GPS nhận dạng tín hiệu vệ tinh nhiễu không xác định không gian bao quanh trạm đó, điều cho phép tín hiệu GPS khơng địi hỏi cơng suất lớn máy thu GPS sử dụng Anten nhỏ hơn, kinh tế Có loại mã điều biến song tải : C/A Code, P.Code Y.Code + C/A Code – mã sơ Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking GPS Tracking Hoạt động off-line GPS TBGhi Hoạt động on-line GPS Vệ tinh GPS sóng radio VHF/UHF GPS sóng GSM Hình 3.2 Các phƣơng thức hoạt động hệ thống GPS tracking 3.2.1.Hoạt động off-line: Hệ thống gồm máy thu GPS thiết bị ghi có chức hộp đen, tự động thu thập thông tin vị trí, tốc độ phương tiện giao thơng suốt hành trình Sau kết thúc hành trình, người quản lý lấy số liệu để quản lý kiểm tra xem xe có chạy, đỗ hành trình với tốc độ quy định hay khơng 3.2.2.Hoạt động on-line: Có nhiều phương án khác nhau, tùy theo kết hợp với hệ thống viễn thông 3.2.2.1 Máy thu GPS vệ tinh: thuật truyền dẫn số liệu qua vệ tinh phương tiện giao thông , giúp cho việc định vị giám sát chuyển động phương tiện giao thơng Do hệ thống địi hỏi phải có vệ tinh đẻ truyền dẫn liệu kết hợp với đài điều khiển mặt đất nên thích hợp cho định vị giám sát hệ thống giao thơng hải 3.2.2.2 Máy thu GPS sóng radio VHF/UHF: Hệ thống kết hợp công nghệ định vị vệ tinh GPS với kỹ thuật truyền dẫn số liệu Vô tuyến Đa truy nhập Băng hẹp băng tần VHF UHF Trung tâm điều hành trang bị thiết bị giải mã, với hỗ trợ đồ số GIS Google Map giúp cho việc định vị giàm sát phương tiện giao thông cách liên tục thời gian thực Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 37 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking Do sử dụng sở viễn thông mạng vơ tuyến đàm nên hệ thống thích hợp cho giám sát điều hành phương tiện giao thông công cộng xe taxi xe buýt 3.2.2.3 Máy thu GPS sóng di động GSM: Đây giải pháp giới (chỉ thực vòng 1, năm trở lại đây), cho phép tận dụng hạ tầng mạng viễn thông sẵn có mà khơng phải xây dựng hệ thống thơng tin riêng có chi phí cao Hoạt động hệ thống kết hợp công nghệ định vị vệ tinh GPS với thông tin di động GSM qua chế SMS GPRS 3.3 MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS Các máy thu GPS chia làm loại: Máy thu tần số máy thu tần số Máy thu tần số nhận mã phát với sóng mang L1 Các máy thu tần số nhận hai loại song mang L1 L2 Phân loại theo chức sử dụng gồm: Dùng cho định vị, dẫn đƣờng (độ xác thấp): - Đơn kênh, mã C/A, độ xác