ĐỒ ÁN: Công nghệ giám sát quản lý phương tiện giao thông GPS tracking

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TAO TRƯỜNG………………… Đồ án Công nghệ giám sát quản lý phương tiện giao thông GPS tracking MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS .2 1.1.LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.2 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GPS 1.2.1.Phần không gian (space segment) .4 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.Mô 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 thơng tin với bước tiến mạnh mẽ ngành viễn thông giúp đơn giản hóa nhiều khó khăn thơng qua hệ thống định vị tồn cầu GPS Cùng với thời gian công nghệ GPS ngày phát triển hồn 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 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 mô 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 tồn 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 tuyên 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 tồn 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 đoán 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 không 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 không 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 thông 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 thông 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 khơng 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 Mã C/A Code mã giả ngẫu nhiên (PRN) phát với tần số 1.023 MHz (fo/10) Mã chuỗi chữ số xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên lặp lại với tần suất 1/1000 giây vệ tinh gán mã C/A.Code riêng biệt Mã C/A.Code điều biến sóng tải L1 + P.Code – mã xác P.Code mã giả ngẫu nhiên (PNR) thứ hai, phát với tần số fo = 10.23 MHz Mã tạo nhiều chữ số xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên Tín hiệu lặp lại với tần suất 267 ngày Chu kỳ 267 ngày chia thành 38 đoạn ngày, đoạn dành riêng cho mục đích vận hành Mỗi đoạn ngày lại gán mã phân biệt cho vệ tinh P.Code sử dụng cho mục đích ứng dụng đo đạc qn có độ xác cao + Y.Code Y.Code mã bảo mật P.Code, việc giải mã Y.Code thuộc người có thẩm , kích hoạt Y.Code người dùng khơng có khả sử dụng P.Code lẫn Y.code Việc sử dụng Y.Code coi mã bảo mật người chủ hệ thống 1.4.3 Các loại sóng tải hệ thống GPS Tín hiệu phục vụ cho việc đo đạc hệ thống GPS điều biến sóng tải có độ dài buớc sóng khác Đó thơng tin thời gian vị trí vệ tinh Mỗi vệ tinh có mã phát tần số tải - Sóng tải có bước sóng L1 = 19cm với tần số 54*fo = 1575,42MHz - Sóng tải có bước sóng L2=24,4cm với tần số 120*fo = 1227,60MHz Mã C/A.Code điều biến sóng tải L1 Mã P.Code điều biến sóng tải L1 L2 1.4.4 Các thông báo vệ tinh Thông báo dẫn đường vệ tinh phát tần số thấp 50 Hz, thông báo chứa liệu trạng thái vệ tinh vị trí chúng Máy thu GPS giải mã thơng báo để có vị trí trạng thái hoạt động vệ tinh, số liệu giải mã gọi la Ephemeris Thông báo dẫn đường điều biến hai tần số sóng tải, Nó chia thành đoạn : Ephemeris, Almanac, mơ hình khí quyển, số hiệu chỉnh đồng hồ, thông báo trạng thái Thông báo vệ tinh sưr dụng chương Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thơng GPS tracking trình lập lịch đo tính tốn xử lý kết đo Các tham số thông báo trạng thái vệ tinh bao gồm: 1.4.5 Vệ tinh khoẻ không khoẻ (Healthy or Unhealthy) Các vệ tinh thường phát thông báo trạng thái khoẻ hay khơng khoẻ tín hiệu Máy thu GPS tránh sử dụng vệ tinh không khoẻ Thông thường vệ tinh bị trạm theo dõi coi khơng khoẻ lý sau: Vệ tinh phóng lên quỹ đạo, lúc đầu cịn phải thực thao tác kiểm tra quỹ đạo vệ tinh trạng thái đồng hồ Vệ tinh bảo trì định kỳ chuyển động quỹ đạo, bảo trì đồng hồ’ Vệ tinh kiểm tra chuyên môn, vệ tinh bị điều khiển hoạt động theo cách gây sai số lớ Khi vệ tinh sửa chữa hoạt động trạng thái bất thường, hoạt động sai chức Bộ quốc phòng quân đội Mỹ la người công bố đặt vệ tinh vào trạng thái khơng khoẻ Thơng tin có sẵn qua số dịch vụ thông báo điện tử, như: Trimble BBS hàng Trimble Trạng thái khoẻ tất vệ tinh thông báo thông số Almânc vệ tinh phát Số liệu Alphanac DoD cập nhật hàng ngày vệ tinh phát quãng đươcngf chừng 12.5 phút lần 1.4.6 Vệ tinh hoạt động không hoạt động Trong máy thu GPS tất vệ tinh mặc định hoạt động Có nghĩa chúng kể đến phép tính (với điều kiện vệ tinh khoẻ) Một số máy thu cho tuỳ chọn khơng kích hoạt vệ tinh khoẻ khiến cho máy thu bỏ qua vệ tinh Hãng Trimble khuyến nghị người dùng kích hoạt sử dụng tất vệ tinh 1.4.7 Độ xác dự báo đo khoảng cách (URE) Giá trị URE có tín hiệu vệ tinh, giá trị dự báo độ xác trị đo đến vệ tinh định URE vệ tinh xem hình máy thu Vị trí vệ tinh có thơng tin quỹ đạo ephemerit Do vị trí anten máy thu xác định biết tọa độ vệ tinh khoảng cách tương ứng đến máy thu cách tính giao hội nghịch không gian, tọa Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 10 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking độ điểm xác định, điểm hoàn toàn so với nguyên tắc đo đạc truyền thống, vấn đề giải tọa độ độ xác tọa độ điểm đo đề cập đến phàn cụ thể sau 1.5 CÁC TRỊ ĐO GPS Trị đo GPS số liệu máy thu GPS nhận từ tín hiệu vệ tinh truyền tới, vệ tinh GPS phát thông số dùng cho việc đo đạc chia thành nhóm bao gồm: + Nhóm trị đo Code - C/A Code - P Code + Nhóm trị đo pha: - L1 – Carrie - L2 Carrie - Tổ hợp L1/L2 Các trị đo sử dụng riêng biệt kết hợp để xác định khoảng cách đến vệ tinh Mơ hình tốn học tín hiệu GPS: Trên tần số L1 = 1575.42 MHz: Trên tần số L2 = 1227.60 MHz: Trong đó: d(t) : liệu tần số 50bps c(t) : mã C/A tần số 1.023MHz p(t) : mã P tần số 10.23 MHz ω : tần số sóng mang Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 11 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thơng GPS tracking Mơ tả truyền tín hiệu miền thời gian: (Hình 1.5) Hình 1.5.Mơ tả truyền tín hiệu Mơ hình điều chế tín hiệu:(Hình 1.6) Hình 1.6 Mơ hình điều chế tín hiệu Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 12 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking Mã liệu: Tần số bit liệu GPS: 50Hz truyền 20ms word liệu gồm 30bits, truyền 600 ms 10 words – subframe truyền giây page gồm subframes, truyền 30 giây Một liệu hoàn chỉnh gồm 25 pages truyền 12.5 phút Mỗi subframe bắt đầu word: TLM, HOW - TLM word sử dụng để xác định bắt đầu subframe - HOW word sử dụng để tính tc q trình xác định vị trí vệ tinh Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 13 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking Chƣơng NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ GPS Định vị việc xác định vị trí điểm cần đo Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể việc xác định toạ độ người ta chia thành loại hình định vị bản: Định vị tuyệt đối định vị tương đối 2.1 ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI 2.1.1 Biểu thức để tính khoảng cách Trong GPS, người ta xác định vị trí đối tượng phương pháp khoảng cách TOA Phương pháp mô tả sau: Xét mặt trục thời gian xác định (system time), giả sử thời điểm xác định (Ts), máy phát phát tín hiệu đi, thời điểm máy phát nhận biết giá trị thời đồng hồ máy phát (T t), mặt lý tưởng Ts = Tt (như có nghĩa thực tế thời điểm Tt máy phát phát tín hiệu đi) Bên máy thu thu tín hiệu xem thời gian thu tín hiệu xác định nhờ đồng hồ máy thu (Tr), ta giả sử đồng hồ máy thu đồng với bên máy phát, khoảng cách máy phát máy thu xác định bằng: ρ = v.(Tr – Ts) Trong đó: v : vận tốc truyền tín hiệu ρ : khoảng cách máy phát máy thu Khi đó, việc xác định vị trí máy thu Hình 2.1: Hệ phương trình toạ độ máy thu: Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 14 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thơng GPS tracking Hình 2.1 Xác định vị trí máy thu Trong đó: Xs, Ys, Zs : tọa độ thực vệ tinh (đã biết), hệ trục tọa độ Oxyz (i = 1,2,3,…) X, Y, Z : tọa độ thực máy thu (chưa biết), hệ trục tọa độ Oxyz ρi : khoảng cách đo từ vệ tinh đến máy thu Oxyz : hệ tọa độ chuẩn để xác định vị trí máy phát máy thu.Trong GPS hệ tọa độ ECEF Trên thực tế tồn sai số ∆tt Ts Tt; đồng hồ máy thu không đồng với đồng hồ máy phát;… Do thực tế cần thu tín hiệu vệ tinh để xác định toạ độ điểm đo khơng gian chiều biểu thức tốn học việc định vị sau: ρi =D Xs Xr Ys Yr Zs Zr c( t T atm (2.1) Trong : - Xr, Yr, Zr toạ độ khơng gian chiều vị trí Anten máy thu Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 15 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thông GPS tracking - c tốc độ truyền sóng ( tốc độ ánh sáng) - t độ lệch tuyệt đối đồng hồ máy thu - T độ lệch tuyệt đối đồng hồ vệ tinh - atm sai số khí tổng hợp sai số khác Với vệ tinh thành lập phương trình kiểu (2.1) Với ẩn số Xr, Yr, Zr toạ độ điểm cần đo ẩn số thứ độ lệch tương đối đồng hồ vệ tinh đồng hồ máy thu điểm cần đo cần thu tín hiệu vệ tinh khoẻ toạ độ điểm đo xác định Trong thực tế khơng đồng máy phát máy thu gây sai lệch lớn khơng có phương pháp để hiệu chỉnh, sai lệch ∆tt nhỏ không đáng kể hiệu chỉnh nhờ trạm mặt đất 2.1.2 Tính khoảng cách Có cách tính xác định khoảng cách vệ tinh máy thu : dựa vào mã (C/A P) dựa vào pha sóng mang 2.1 2.1 Đo khoảng cách theo tín hiệu code Trong trường hợp này, máy thu nhận mã phát từ vệ tinh, so sánh với tín hiệu tương tự mà máy thu tạo nhằm xác định thời gian tín hiệu lan truyền vệ tinh tới máy thu từ khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh xác định công thức sau: D c.t c t (2.2) Trong đó: c vận tốc lan truyền sóng = 299792458 m/s t thời gian truyền tín hiệu t lượng hiệu chỉnh sai số không đồng đồng hồ máy thu vệ tinh lượng hiệu chỉnh mơi trường Việc xác định theo trị đo Code có thẻ diễn tả hình 2.2 Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 16 Công nghệ giám sát quản lý phƣơng tiện giao thơng GPS tracking Hình 2.2.Sơ đồ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS Do sách làm giảm độ xác định vị phủ Mỹ tác động nhiễu SA làm sai lệch đén tín hiệu vệ tinh nên với trị đo C/A Code vị trí điểm đo có độ xác vị trí điểm 30m với độ tin cậy 95% Từ ngày 20/5/2000, phủ Mỹ bỏ tác động SA đến tín hiệu vệ tinh nên độ xác định vị với trị đo Code đạt tới 30m, với độ xác định vị trị đo sử dụng định vị việc dẫn đườn, đo đạc đối tượng có độ xác thấp 2.1 2.2 Đo khoảng cách theo pha sóng tải Sóng tải phát từ vệ tinh có chiều dài bước sóng khơng đổi gọi chiều dài bước sóng khoảng cách vệ tinh máy thu GPS là: D N Trong đó: N số nguyên lần bước sóng phần lẻ bước sóng Trị đo pha phần lẻ bước sóng cách đo độ di pha sóng tải thu sóng tải máy thu tạo Phần lẻ đo với độ xác cỡ khảng % vịng pha tương đương vài mm ( hình 2.3) Biểu thức xác định độ di pha: R c( t Trong đó: R Xs Xr T) Ys Yr N (2.3) atm Zs Zr R khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Xs, Ys, Zs tọa độ khơng gian chiều vị trí antren máy thu Sinh viên: Nguyễn Thị Thanh Loan – Lớp ĐT1001 17