Hệ thống định vị 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 kho

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy, cô giáo trường Đại học Công Nghệ, những người đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt bốn năm học vừa qua tại nhà trường.

Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thăng Long, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại khoa học điện tử viễn thông – Đại Học Công nghệ, Người đã truyền cho em cách tư duy có hệ thống, phương pháp nghiên cứu, tiếp cận thực tế - những điều rất quý báu với em khi ra trường làm việc thực tế.

Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể cán bộ bộ môn Vi cơ điện tử - vi hệ thống những người đã dẫn dắt và định hướng nghiên cứu cho em trong suốt những năm qua.

Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới cha mẹ, gia đình em những người đã sinh thành, nuôi nấng, tin tưởng động viên em Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, đặc biệt là tập thể lớp K49ĐB, những người đã cổ vũ, động viên, chia sẻ với em trong suốt những năm qua.

Sinh viên thực hiện

Mạc Đăng Huy

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU

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.

Luận văn được chia làm 3 chương:

• Chương I : Tổng quan về hệ thống GPS

• Chương II: Tổng quan về hệ thống GIS và kỹ thuât xây dựng bản đồ số• Chương III: Ngôn ngữ lập trình C#

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS

1.1Giới 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.

Hệ thống GPS

1.2Thành 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

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 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.

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 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 2.35x1014chip 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

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 phaPQ là công suất của thành phần sóng mang vuông phad(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 nhiênL1 là tần số sóng mang

0 là độ dịch pha

Công suất sóng mang vuông pha PQ it hơn xấp xỉ 3db so với P1

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.

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.

o 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.

o Dữ liệu về thời gian Chuỗi dữ liệu 50bps bao gồm sự đánh dẫu thời gian, được sử dụng để thiết lập thời gian truyền dẫn của những điểm trên tin hiệu GPS Thông tin này cần xác định được độ chễ về thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh tới người sử dụng

o Dữ liệu trễ do tầng điện ly o Thông điệp về tình trạng của GPS

1.3.1.2 Cấu trúc một thông diệp tín hiệu

Thông tin trong thông điệp dẫn hướng có các cấu trúc khung cơ bản.

Hình 1.6 Khung dữ liệu của tín hiệu GPS

Một thông điệp đầy đủ gồm có 25 khung (frame), mỗi khung chứa 1500bit, mỗi 1 khung dữ liệu lại được chia làm các khung con 300bit Mỗi khung con bao gồm 10 từ và mỗi từ là 30 bit Như vậy với tốc độ truyền 50bps nó phải mất 6s để truyền 1 khung

dư liệu con (subframe) và 30s để hoàn thành một khung dữ liệu (frame) Để truyền hoàn thành 25 khung thông điệp thì yêu cầu cần tới 750s

1.4 Cách thức làm việc của hệ thống GPS

1.4.1 Hoạt động của GPS

Cơ bản, GPS sử dụng nguyên tắc hướng thẳng tương đối của hình học và lượng giác học Mỗi vệ tinh liên tục phát và truyền dữ liệu trong quỹ đạo bay của nó cho tất cả các chòm sao vệ tinh cộng thêm dữ liệu đến kịp thời và thông tin khác Do đó, mỗi thiết bị GPS nhận sẽ liên tục truy cập dữ liệu quỹ đạo chính xác từ vị trí của tất cả vệ tinh có thể tính toán bằng các vi mạch có trên tất cả các GPS nhận Từ đó tín hiệu hoặc sóng vô tuyến di chuyển ở vận tốc hằng số (thường bằng vận tốc ánh sáng – C ), các thiết bị GPS thu có thể tính toán khoảng cách liên quan từ GPS đến các vệ tinh khác bằng cách máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian mà thiết bị GPS thu nhận được tín hiệu do các vệ tinh pháp Độ sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách xa vệ tinh bao nhiêu bằng cách lấy khoảng thời gian sai lệch nhân với tốc độ của sống vô tuyến Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh khác nhau các thiết bị GPS thu tín hiệu có thể tính được vị trí của thiết bị GPS.

Hình 1.7Tính khoảng cách từ thiết bị GPS đến các vệ tinh

Tất cả máy thu GPS bắt buộc phải khoá được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để có thể tính được vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Nếu thiết bị thu tín hiệu GPS có thể khóa được tín hiệu của bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong

tầm nhìn thì máy GPS có thể tính được vị trí theo ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.

Hình 1.8: Thông tin dữ liệu

1.4.2 Ý tưởng định vị của hệ thống GPS

Hình 1.9 Ý tưởng định vị của hệ thống GPS

Theo nguyên tắc thông thường thì để xác định vị trí của 1 vật nào đó ta cần xác định được khoảng cách của chúng tới các vật chuẩn khác, ví dụ như khi ta lạc đường ,

một người chỉ cho ta biết rằng anh đang cách Hà Nội 15Km, ta chỉ biết được là đang nằm đâu đó trong trên đường tròn bán kính 50Km quanh Hà nội, nếu 1 người khác bảo là ta cách Hải Phòng 50Km thì ta xác định được 2 vị trí bằng cách cho 2 đường tròn cắt nhau, và nếu 1 người khác lại cho ta biết rằng vị trí đó cách Bắc Ninh 10 Km thì ta sẽ xác định được chính xác vị trí của mình GPS cũng sử dụng nguyên tắc đó để xác định vị trí, tuy nhiên trong không gian,3 mặt cầu cắt nhau cho ra 2 điểm, nếu sử dụng trái đất là mặt cầu thứ tư thì sẽ xác định được vị trí của mình Tuy nhiên việc sử dụng như vậy sẽ bỏ qua cao độ vì vậy mà cần 4 vệ tinh để xác định được vị trí chính xác của bạn 4 vệ tinh đó sẽ cho bạn biết khoảng cách của bạn đến nó bằng công thức quãng đường bằng thời gian sóng điện từ truyền nhân với vận tốc sóng truyền, mà vận tốc sóng truyền tính bằng vận tốc ánh sáng và thời gian truyền thì được mã hóa rồi gửi đến máy thu.

1.4.3 Độ chính xác của hệ thống GPS

Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khoá vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ này, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng Tình trạng nhất định của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét.

Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Hệ Tăng Vùng Rộng, Wide Area

Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét Không cần

thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS Người dùng cũng có thể có

độ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS

để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ.

1.4.4 Những nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS

Hệ thống GPS đã được thiết kế để ngày càng chính xác, tuy nhiên trên thực tế vẫn còn có những lỗi Những lỗi này có thể gây ra một sự lệch từ 50 -> 100m từ vị trí máy thu GPS trên thực tế sau đây có một vài nguồn lỗi được bàn tới:

a) Điều kiện khí quyển

Cả tầng điện ly lẫn tầng đối lưu đều khúc xạ những tín hiệu GPS Nó gây ra sự thay đổi về tốc độ của tín hiệu trong tầng điện ly và tầng đối lưu khác so với tốc độ tín

hiệu GPS trong không gian Bởi vì vậy, khoảng cách tính toán bằng “tốc độ x thời gian” sẽ khác nhau

b) Lỗi do sự giao thoa tín hiệu GPS

Do sự phản xạ từ các vật cản làm cho tin hiệu GPS giao thoa với nhau làm cho các thiết bị thu GPS sẽ thu được tín hiệu lỗi.

Hình 1.10 Lỗi do giao thoa tin hiệu GPS

c) Lỗi do sự di chuyển của thiết bị GPS.

Do trong qua trình thu tín hiệu GPS các thiết bị GPS di chuyển sẽ xảy ra sai số cỡ khoảng 5 -> 15m là do có độ trễ xảy ra trong qua trình truyền giữa vệ tinh và thiết bị GPS do vậy tuy theo tốc độ di chuyển của máy thu GPS mà sai số giữa vị trí nhận được và vị trí thực tế của máy thu GPS là bao nhiêu nhưng cỡ khoảng 5 - 15 m.

1.5 Chuẩn NMEA

1.5.1 Giới thiệu về chuẩn NMEA

Hiệp hội điện tử biển quốc gia Mỹ (NMEA – The National Marine Electronics Association) đã xây dựng lên một chuẩn để định nghĩa chuẩn giao tiếp giữa các bộ phận

khác nhau của thiết bị điện tử biển Chuẩn này cho phép các thiết bị điện tử biển gửi thông tin về máy vi tinh, và tới một thiết bị biển khác.

Thiết bị truyền thông thu GPS cũng được định nghĩa theo chuẩn này Hầu hết các chương trình máy vi tính được cung cấp để hiểu được thông tin vị trí hiện tại và nhận dữ liệu dưới dạng chuẩn NMEA Dữ liệu này bao gồm toàn bộ PTV (vị trí, tốc độ và thời gian) bởi thiết bị thu GPS tính toán được Ý tưởng của NMEA là sẽ gửi một gói dữ liệu gọi là một đoạn mã Đoạn mã này hoàn toàn độc lập và riêng rẽ so với các đoạn mã khác Có những đoạn mã chuẩn cho mỗi một thiết bị và cũng có khả năng định nghĩa những đoạn mã cho người dùng bởi các công ty riêng lẻ Tất cả những đoạn mã chuẩn này phải có hai chữ cái thêm vào đầu để định nghĩa kiểu đoạn mã sử dụng, ví dụ thiết bị thu GPS thêm vào đâu là GP Tiếp theo là ba chữ cái nối tiếp để định nghĩa nội dung đoạn mã Thêm vào đó chuẩn NMEA cho phép những nhà sản xuất tự định nghĩa những đoạn mã sở hữu riêng cho mình nhằm bất kỳ mục đích nào mà thấy chúng thích hợp Tất cả các đoạn mã được sở hữu đều bắt đầu với chữ cái P và tiếp theo là ba chữ cái để nhận biết nhà sản xuất tạo ra đoạn mã đó Ví dụ một đoạn mã của Garmin sẽ bắt đầu với PGRM và Magellan sẽ bắt đầu với PMGN Mỗi đoạn mã bắt đầu với một ký tự ‘$’ và kết thúc với một ký tự ‘$’ trên một hàng nối tiếp và không thể lớn hơn 80 ký tự Dữ liệu được chứa đựng bên trên một hàng với những kiểu khác nhau được phân biệt bởi dấu phẩy Dữ liệu của nó chỉ là dạng mã ASCII và có thể mở rộng qua nhiều đoạn mã khác nhau trong những thể hiện riêng nhưng bình thường thì hoàn toàn được chứa trong độ dài đoạn mã Dữ liệu có thể thay đổi trong số lượng của thông báo chính xác chứa đựng bên trong, ví dụ: thời gian có thể tăng lên đến nhưng phần 10 của 1 giây hoặc vị trí có thể chỉ ra với 3 hoặc 4 số sau số thập phân Những chương trình đọc dữ liệu sẽ sử dụng những dấu phẩy để xác định những ranh giới các lĩnh vực và không phụ thuộc vào vị trí cột Có một sự chuẩn bị để kiểm tra tổng thể vào lúc cuối ở mỗi đoạn lệnh, mà cũng có thể hoặc có thể không được kiểm tra bởi tùy vào cách đọc dữ liệu Tổng kiểm tra bao gồm một ký tự ‘*’ và hai số hex đại diện 1 phép OR 8 bit của tất cả những ký tự giữa, nhưng không bao gồm, ký tự ‘$’ và ‘*’ Kiểm tra được yêu cầu trên một vài đoạn mã So với những chuẩn cũ, chuẩn hiện nay đã có nhiều thay đổi Nhưng với GPS mức thay đổi chỉ là 1,5 và 2.0 hoặc 2,3 Những thay đổi này chỉ chỉ ra một vài mô hình đoạn mã khác nhau nhưng vẫn khớp với những thiết bị mà nó đang tương tác Một số GPS có thể cung cấp khả năng định dạng cấu hình một Nhiều thiết bị thu GPS đơn giản chỉ xuất một chuỗi đoạn mã cố định Người sử dụng không thể thay đổi những mẫu đoạn mã này Phiên bản hiện nay là tiêu chuẩn 3.0.1

1.5.2 Ghép nối phần Cứng theo chuẩn NMEA

Giao diện phần cứng (hardware interface) của các GPS được thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu theo chuẩn NMEA Chúng cũng tương thích với hầu hết cổng nối tiếp của máy tính, sử dụng giao thức RS232, tuy nhiên nghiêm túc mà nói, tiêu chuẩn NMEA không phải là RS232 Chúng chỉ giống EIA-422 Tốc độ kết nối có thể điều chỉnh theo một số mẫu nhưng theo tiêu chuẩn NMEA là 4800 bit/giây với 8 bít dữ liệu, không bít chẵn lẻ và có 1 bít dừng (bit stop) Tất cả các đơn vị hỗ trợ NMEA thì cũng sẽ hỗ trợ tộc độ kết nối này Nên nhớ rằng, với tốc độ 4800 bit/giây, bạn có thể dễ dàng gửi đủ dữ liệu trước khi hết 2 giây

Chính vì lý do này, một số đơn vị chỉ gửi thông tin cập nhập trong 2 giây một lần hoặc chuyển dữ liệu mỗi giây một lần trong khi vẫn bảo đảm dữ liệu khác cũng sẽ được gửi đi trong thời gian đó Thêm vào đó, một số đơn vị có thể gửi dữ liệu trong vài giây khi những đơn vị khác gửi dữ liệu đã thu thập chính trong giây phút nó được gửi Nói chung thời gian truyền đi trong từng trường chỉ trong vài giây, do vậy khá dễ dàng để chỉ ra GPS nào đang hoạt động Một số đoạn mã có thể được gửi đi chỉ trong một khoảng thời gian đặc biệt của thiết bị thu như vậy trong khi một đường truyền mà các thiết bị gửi khác luôn gửi các đoạn mã và chỉ vô hiệu hóa ở ngoài những giá trị Sự khác nhau sẽ được chú ý trong phần miêu tả kiểu dữ liệu riêng biệt được định nghĩa ở phần sau.

Với tốc độ 4800 bit/ giây, bạn có thể gửi 480 ký tự trong một giây Khi một đoạn mã NMEA bao gồm 82 ký tự, có thể rút thành 6 đoạn mã khác nhau Trong thực tế hạn chế này tuỳ thuộc vào từng đoạn mã cụ thể Tuy nhiên để từ đó thấy được rằng dễ dàng có thể vượt quá con số trên nếu bạn muốn đoạn mã trả lời nhanh NMEA được thiết kế để hoạt động như một quá trình trong vai trò tạo các đoạn mã nền lối ra, và giữ đoạn mã lại khi cần thiết bằng chương trình Một số chương trình không thể làm như vậy, tuy nhiên nhưng chúng sẽ lấy một dòng dữ liệu làm mẫu, sau đó sử dụng dữ liệu này để hiển thị trên màn hình và sau đó lại lấy mẫu dữ liệu

Tuỳ vào từng lượng thời gian cụ thể, có thể là 4 giây để chuyển dữ liệu đối với một số ứng dụng, điều này có thể chấp nhận được, nhưng với nhiều ứng dụng khác lại không Ví dụ một chiếc xe hơi di chuyển trong 1h thì một giây nó đi được quãng đường 88 feet Chậm vài giây có thể khiến cho toàn bộ hệ thống không hoạt động và mất lượt

Tiêu chuẩn NMEA đã được ứng dụng trong nhiều năm, từ năm 1983 và đã qua nhiều lần chỉnh sửa Giao thức đã thay đổi và số lượng cũng như các loại đoạn mã có thể khác nhau tuỳ thuộc vào từng phiên bản chỉnh sửa Hầu hết thiết bị thu GPS đều theo tiêu chuẩn 0138 phiên bản 2 với tốc độ truyền tải là 4800 bit/ giây Một số thiết bị thu khác

cũng theo những thông số của các phiên bản cũ hơn Phiên bản lâu đời nhất là 0180, tiếp đó là 0182 với tốc độ truyền tải là 1200 bit/giây Tiếp đó là 0183 gọi là phiên bản 1.5 Một số đơn vị Garmin và các loại khác có thể cài đặt lên tới 9600 hoặc thậm chí cao hơn cho thiết bị đầu ra của NMEA Nhưng đó chỉ là tham khảo nếu bạn chắc chắn 4800 hoạt động tốt, bạn có thể thử cài với tốc độ nhanh hơn Việc cài đặt để đạt tốc độ nhanh như mong muốn, đòi hỏi phải nâng cấp khả năng đáp ứng của chương trình

Để sử dụng giao diện phần cứng, bạn cần một dây cáp Thông thường dây cáp này khác so với mô hình phần cứng vì vậy bạn sẽ cần một dây cáp riêng biệt cho các sản phẩm và khối mô hình bạn sử dụng Một số máy tính mới nhất không sản xuất kèm theo cổng tiếp nối ngoại trừ một cổng USB Hầu hết những thiết bị thu GPS sẽ làm việc với cổng nối tiếp từ bộ chuyển đổi USB và cổng nối tiếp được gắn thông qua PC-Card chuyển đổi Thí dụ NMEA thông thường sử dụng với một thiết bị thu nhận GPS bạn sẽ chỉ cần 2 dây trong cáp truyền, dữ liệu ra từ GPS và đất

Dây thứ 3, đầu vào dữ liệu, sẽ phải dùng đến nếu muốn thiết bị thu cho phép dữ liệu đi vào dây cáp đó để tải một điểm hoặc gửi dữ liệu DGPS tới thiết bị thu

Thiết bị thu GPS có thể sử dụng để giao tiêp với thiết bị theo chuẩn NMEA khác như máy lái tự động hoặc những thết bị thu GPS khác Chúng có thể cảm nhận những thiết bị nhận tín hiệu riêng biệt, những thiết bị này có khả năng gửi dữ liệu sử dụng tiêu chuẩn RTCM SC-104 Dữ liệu này phù hợp với những yêu cầu phần cứng theo yêu cầu của dữ liệu lối vào theo chuẩn NMEA Không có đường bắt tay giành riêng định nghĩa cho chuẩn NMEA

1.5.3 Các đoạn mã theo chuẩn NMEA

NMEA bao gồm nhiều đoạn mã, từ đầu tiên trong đoạn mã gọi là loại dữ liệu, định hướng cách hiểu cho toàn bộ đoạn mã Mỗi loại kiểu dữ liệu có một cách hiểu riêng và đã được quy định trong tiêu chuẩn NMEA Đoạn mã GGA là ví dụ chứng minh dữ liệu cố định cần thiết Những đoạn mã khác có thể lặp lại một vài thông tin mẫu giống nhau nhưng đều cung cấp cả dữ liệu mới Bất kể thiết bị hay chương trình nào đọc dữ liệu đều có thể tìm kiếm đoạn mã dữ liệu mà nó cần và bỏ qua những đoạn mã khác mà nó không quan tâm Theo chuẩn NMEA, không có lệnh nào chỉ quy định GPS nên thực hiện chức năng nào khác Thay vào đó các thiết bị thu chỉ gửi toàn bộ dữ liệu và dự kiến nhiều dữ liệu trong số đó sẽ bị bỏ qua Một số thiết bị thu đặt lệnh bên trong một đơn vị, quy định 1 khối có thể chọn lựa một lượng nhỏ trong số tất cả các đoạn mã hoặc, trong một số trường hợp, thậm chí các đoạn mã độc lập để gửi đi Không có cách nào xác định điều ngược lại với nó như để xác định liệu đoạn mã có được đọc đúng hay

không hay để yêu cầu gửi lại một số dữ liệu bạn không có Thay vì nhận, đơn vị chỉ kiểm tra tổng dữ liệu được gửi đi và bỏ qua dữ liệu nếu kiểm tra tổng thể đưa ra con số sai lệch, dữ liệu sẽ được gửi lại lần sau

Có nhiều đoạn mã theo tiêu chuẩn NMEA có thể áp dụng cho tất cả mọi loại thiết sử dụng được trong môi trường hải quân Một vài trong số đó có thể dùng cho thiết bị thu tín hiệu GPS theo như bảng kê dưới đây:

• AAM - Waypoint Arrival Alarm – cảnh báo những điểm mốc

• ALM - Almanac data: dữ liệu niên lịch

• APA - Auto Pilot A sentence: Tự động thí điểm đoạn mã A

• APB - Auto Pilot B sentence : Đoạn mã B thí điểm tự động

• BOD - Bearing Origin to Destination –

• BWC - Bearing using Great Circle route

• DTM - Datum being used.: dữ liệu đc sử dụng

• GGA - Fix information: thông tin cố định

• GLL - Lat/Lon data : dữ liệu Lat/ Lon

• GRS - GPS Range Residuals: dãy số dư GPS

• GSA - Overall Satellite data: dữ liệu vệ tinh tổng quát

• GST - GPS Pseudorange Noise Statistics: thông kê tiếng ồn GPS Pseudorage

• GSV - Detailed Satellite data : Dữ liệu vệ tinh chi tiết

• MSK - send control for a beacon receiver

• MSS - Beacon receiver status information

• RMA - recommended Loran data

• RMB - recommended navigation data for gps

• RMC - recommended minimum data for gps

• RTE - route message

• TRF - Transit Fix Data

• STN - Multiple Data ID

• VBW - dual Ground / Water Spped

• VTG - Vector track an Speed over the Ground

• WCV - Waypoint closure velocity (Velocity Made Good)

• WPL - Waypoint Location information

• XTC - cross track error

• XTE - measured cross track error

• ZTG - Zulu (UTC) time and time to go (to destination)

• ZDA - Date and Time

Một vài thiết bị nhận GPS với chức năng đặc biệt sẽ đưa ra những thông báo đặc biệt sau đây:

• HCHDG - Compass output:

• PSLIB - Remote Control for a DGPS receiver:

Thêm vào đó, một số thiết bị nhận GPS có thể bắt chước các thiết bị nhận Loran-C bằng cách đưa ra tiền tố LC trong một số thông điệp của chúng, do vậy chúng có thể được sử dụng để tích hợp với thiết bị chấp nhận tiền tố này thay vì chấp nhận tiền tố GP

Phiên bản mới 2.3 theo tiêu chuẩn NMEA có bổ sung thêm một indicator cho vài đoạn mã chỉ định loại fix mà thiết bị nhận hiện đang có Indication này là một phần của thông tin tổng hợp tín hiệu do FAA Giá trị có thể là A= tự trị, D= vi phân, E= dự tính N= không hiệu quả, S= simulator Đôi khi có cả giá trị null nữa Chỉ giá trị A và D phù hợp với đoạn mã reliable (chuẩn xác) và Active.Có thể bổ sung thêm các ký tự mode vào RMC, RMB, VTG và GLL, va cac cau BWC, XTE

nếu bạn đang ghép nối một GPS với một thiết bị khác, như chương trình máy tính, bạn phải chắc chắn rằng các thiết bị nhận đc tất cả các đoạn mã mà nó cần nếu thiết bị cần một đoạn mã mà GPS của bạn không gửi tới thì phần ghép nối với thiết bị đó sẽ không thực hiện đc Những đoạn mã này do thiết bị thu đặc biệt gửi tới, bao gồm:

• Chuẩn NMEA 1.5

Một số đơn vị không hỗ trợ phiên bản 1.5 Unit Lowrance cung cấp khả năng tuỳ chỉnh (customize) đầu ra NMEA bằng các đoạn mã, vì vậy bạn có thể tự xây dựng cấu trúc đoạn mã riêng của mình

Name Garmin Magellan Notes:

GPAPA N Y Automatic Pilot A

GPBOD Y N bearing origin to destination - earlier G-12's do not send thisGPBWC Y Y bearing to waypoint using great circle route.

GPGLL Y Y lat/lon - earlier G-12's do not send thisGPRMC Y N minimum recommend data

GPRMB Y N minimum recommended data when following a routeGPVTG Y Y vector track and speed over ground

GPWPL Y N waypoint data (only when active goto)GPXTE Y Y cross track error

GPGGA Y Y Y Y fix data

GPGLL Y Y Y Y Lat/Lon data - earlier G-12's do not transmit this

GPGSA Y Y Y Y overall satellite reception data, missing on some Garmin models

GPGSV Y Y Y Y detailed satellite data, missing on some Garmin modelsGPRMB Y Y Y N minimum recommended data when following a routeGPRMC Y Y Y Y minimum recommended data

GPRTE Y U U N route data, only when there is an active route (this is sometimes bidirectional)

GPWPL Y Y U N waypoint data, only when there is an active route (this is sometimes bidirectional)

• Chuẩn NMEA 2.3

Đầu ra NMEA 2.3 từ Garmin Legend, Vista, và có thêm một số đầu ra khác có các đoạn mã BWC, VTG, và XTE

đầu ra Encore Motorola là GGA, GLL, GSV, RMC, VTG, ZDA và đoạn mã thuộc sở hữu PMOTG.

Những đơn vị cơ bản dựa trên chipset có thể làm đầu ra: GGA, GLL, GSA, GSV, RMC, và VTG Đầu ra thực sự là đầu ra đã đc chuơng trình ứng dụng hoặc người dùng chọn lựa Để biết thêm chi tiết, xem dưới đây Một số phiên bản đã nâng cấp khả năng của SiRF với nhiều đoạn mã khác nhau cũng như bằng hình thức thay đổi firmware Ví dụ, thiết bị nhận u-blox bổ sung thêm ZDA và một số đoạn mã thuộc sở hữu và lập thành danh sách các đoạn mã Thiết bị thu Garmin sẽ gửi những đoạn mã thuộc sở hũu như sau:

• PGRME (estimated error) - not sent if set to 0183 1.5 • PGRMM (map datum)

• PGRMZ (altitude)

• PSLIB (beacon receiver control)

Nhớ rằng Garmin chuyển đổi LAT/LON và phối hợp với dữ liệu đã được chọn lựa khi gửi dữ liệu Điều này được thể hiện trong đoạn mã thuộc sở hữu PGRMM Nó cũng giúp các chương trình sử dụng đồ thị với dữ liệu khác nhưng không phải là chuẩn NMEA Nên chắc chắn và lập dữ liệu WGS84 vào các đơn vị của Garmin khi giao tiếp với thiết bị theo chuẩn NMEA khác.

1.5.4 Một số đoạn mã theo chuẩn NMEA để xác định vị trí

Một số thiết bị cũng hỗ trợ chuẩn đầu vào NMEA Mặc dù không có nhiều chương trình hỗ trợ theo chuẩn này nhưng nó cung cấp cách thức chuẩn này để cập nhật hoặc bổ sung điểm mốc và lộ trình dữ liệu Lưu ý rằng, không có sự móc nối hay lệnh trong chuẩn NMEA do vậy bạn chỉ cần gửi dữ liệu vào những đoạn mã chính xác và đơn vị sẽ chấp nhận dữ liệu và bổ sung hoặc ghi đè thông tin trong bộ nhớ nếu dữ liệu không được định dạng đúng, dữ liệu đó sẽ dễ bị bỏ qua Trình tự trả về trên một dòng nối tiếp bắt buộc phải có Ví dụ, nếu đoạn mã dữ liệu giống nhau, bạn sẽ ghi chồng lên dữ liệu đã có mà không được cảnh báo trước Cấu trúc một đoạn mã cần phải giống với cấu trúc mà thiết bị tải xuống tải xuống

Vì vậy bạn có thể lưu giữ đoạn mã WPL từ một thiết bị và sau đó gửi đoạn mã mẫu này tới thiết bị khác, nhưng cần phải cẩn thận vì hai thiết bị phải hỗ trợ nhiều đoạn mã khác nhau với độ dài khác nhau khi thiết bị nhận có thể cắt xén những đoạn mã này và viết chồng lên một đoạn mã ngẫu nhiên Nếu bạn muốn tạo ra một đoạn mã từ rất nhiều các

đoạn mã khác nhau, bạn nên tạo một đoạn mã kiểm tra chính xác Phải chắc chắn là bạn biết và đã từng đặt thiết bị vào dữ liệu chính xác Nhiều thiết bị hỗ trợ đầu vào cho những đoạn mã kiểu WPL và một vài thiết bị cũng hỗ trợ RTE

Trong đầu vào NMEA, thiết bị thu lưu trữ thông tin dựa sau khi đã hiểu bản thân đoạn mã đó Tuy một số thiết bị thu nhận đầu vào theo chuẩn NMEA, đầu vào này chỉ có thể cập nhật một điểm đầu hoặc thực hiện các chức năng tương tự và không gửi lệnh tới thiết bị Các đoạn mã thuộc đầu vào sở hũu có thể dùng để gửi lệnh Vì giao thức Magellan upload và dowload dựa trên cấu trúc đoạn mã chuẩn NMEA, nó hỗ trợ thông báo WPL đã sửa đổi, những thông báo này có thể thêm lời dẫn giải, độ cao và dữ liệu dạng biểu tượng

Một số thiết bị hàng hải có thể chấp nhận đầu vào cho các thông số như độ sâu hay nông của nước dựa vào những đoạn mã DPT hoặc MTW để tính ra nhiệt độ nước Ví dụ, Bản đồ Garmin 76 hỗ trợ các đoạn mã đầu vào DPT, MTW (để đọc nhiệt độ), và VHW ( để đọc tốc độ) Những thiết bị khác có thể sử dụng đoạn mã đầu vào theo chuẩn NMEA để cung cấp dữ liệu khởi tạo qua các đoạn mã thuộc sở hữu hoặc chọn lựa đoạn mã NMEA chuẩn nào đó làm đầu ra

• GSA cung cấp dữ liệu về tình trạng vệ tinh.

a) GGA – dữ liệu thiết yếu được cung cấp dưới dạng 3 chiều và chính xác cao