+ Để đơn giản, trước hết ta hãy xem xét việc xác định vị trí của một máy thu trên một mặt phẳng: Giả sử gọi vị trí của máy thu là U, ban đầu nếu biết trước U cách vệ tinh thứ nhất S1 một khoảng cách là x1 thì vị trí của U sẽ nằm đâu đó trên vòng tròn tâm S1 và bán kính là x1. Tiếp theo, nếu biết U cách vệ tinh thứ hai là S2 một khoảng cách là x2 thì lúc này vị trí của U sẽ chỉ có thể là một trong hai giao điểm của vòng tròn tâm S1, bán kính là x1 và vòng tròn tâm S2, bán kính là x2. X3 X1 X2 X1 X3 X2
Hình 2.11. Định vị với 2 đƣờng tròn trong mặt phẳng
Hơn nữa, nếu biết U cách vệ tinh thứ ba là S3 một khoảng cách là x3 thì lúc này vị trí của U sẽ được xác định một cách chính xác là giao điểm của 3 đường tròn có tâm lần lượt là S1, S2, S3 và bán kính tương ứng là x1, x2 và x3.
Hình 2.12. Định vị với 3 đƣờng tròn trong mặt phẳng
+ Áp dụng nguyên lý trên vào không gian 3 chiều, lúc này ta cũng có 3 mặt cầu thay vì 3 đường tròn, giao nhau tại một điểm. Về mặt nguyên lý thì không khác nhau nhiều lắm, nhưng khó tưởng tượng hoặc mô tả bằng hình vẽ hơn. Thay vì các đường tròn, chúng ta sẽ có các mặt cầu:
Hình 2.13. Định vị với 3 mặt cầu trong không gian
Tương tự như trên, nếu biết khoảng cách từ máy thu U đến vệ tinh S1 là d1 thì vị trí của máy thu lúc này có thể ở bất kỳ nơi nào trên một mặt cầu khổng lồ có bán kính d1. Nếu ta biết thêm rằng máy thu đang ở cách vệ tinh S2 một khoảng cách là d2, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V và lúc này vị trí của U được giới hạn trong đường tròn này. Và nếu ta biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh S3 là d3, thì sẽ có thêm một mặt cầu nữa, mặt cầu này giao với đường tròn V tại hai điểm và U chính là một trong 2 vị trí đó. Trái đất chính là mặt cầu thứ tư, một trong hai giao điểm sẽ nằm trên mặt đất đó là vị trí của máy thu U, điểm thứ hai nằm lơ lửng đâu đó trong không gian và dễ dàng bị loại.
Hình 2.14. Khoảng cách và tọa độ của các vệ tinh trong không gian
d1 S1 d2 d3 S2 S3 U d1 d2 d3 U S1 S2 S3
+ Nếu gọi tọa độ của các vệ tinh S1, S2, S3 trong không gian là (xi, yi, zi)
và khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh là di với i lần lượt là 1, 2, và 3. Lúc này các khoảng cách di được xác định dựa trên công thức: Quãng đường = vận tốc x thời gian, hay:
d1 = c x (tt,1-tr,1+tc) d2 = c x (tt,2-tr,2+tc) d3 = c x (tt,3-tr,3+tc)
Trong đó:
c = (3 x 108m/s) là vận tốc của ánh sáng.
tt,1, tt,2, tt,3là thời gian tại thời điểm các vệ tinh GPS số 1, 2, và 3 lần lượt phát tín hiệu xuống máy thu (thời gian này là một phần trong nội dung của thông tin phát từ vệ đến máy thu).
tr,1, tr,2, tr,3 là thời gian máy thu nhận được các tín hiệu lần lượt từ các vệ tinh GPS số 1, 2, và 3 (thời gian này tùy thuộc vào độ chính xác của đồng hồ trên máy thu GPS).
tc là sai số do đồng hồ của máy thu so với đồng hồ của vệ tinh (máy thu sẽ tự động điều chỉnh để đúng với đồng hồ của vệ tinh).
xi, yi, zi là tọa độ của vệ tinh thứ i (các tọa độ này là một phần trong nội dung của thông tin phát từ vệ đến máy thu).
+ Mặt khác, các vệ tinh chuyển động trên các quĩ đạo biết trước và có thể dự đoán được. Trong bộ nhớ của mỗi máy thu đều có chứa một bảng tra vị trí tính toán của tất cả các vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào gọi là Almanac. Lực hút của mặt trăng, mặt trời có ảnh hưởng nhất định làm thay đổi quĩ đạo của các vệ tinh một chút xíu nhưng bộ quốc phòng Mỹ liên tục theo dõi vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền thông số hiệu chỉnh đến các máy thu thông qua tín hiệu từ vệ tinh. Vệ tinh phát ra các tín hiệu bao gồm vị trí (tọa độ) của chúng, thời điểm phát tín hiệu tt. Do vậy, nếu gọi tọa độ của máy thu U là (xu, yu,zu), lúc này áp dụng công thức tính khoảng cách của một đoạn thẳng trong không gian 3 chiều ta cũng có thể xác định được khoảng cách từ máy thu U lần lượt đến các vệ tinh S1, S2, S3 là: ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( 2 2 2 1 x xu y yu z zu d d2 (x2xu)2(y2yu)2(z2zu)2
) 3 ( ) 3 ( ) 3 ( 3 x xu y yu z zu d
Giải hệ 3 phương trình với 3 ẩn là (xu, yu, zu) máy thu sẽ tính toán được tọa độ của nó trên mặt đất.
Trường hợp có 4 vệ tinh “nhìn thấy”:
Với việc giả sử trái đất là một mặt cầu, ta đã bỏ qua cao độ của máy thu. Do vậy để có cả tung độ, hoành độ và cao độ của máy thu, ta cần thêm một vệ tinh thứ tư nữa.
Trong trường hợp này ta có hệ 4 phương trình sau đây: ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( 2 2 2 1 x xu y yu z zu d ) 2 ( ) 2 ( ) 2 ( 2 2 2 2 x xu y yu z zu d ) 3 ( ) 3 ( ) 3 ( 2 2 2 3 x xu y yu z zu d ) 4 ( ) 4 ( ) 4 ( 2 2 2 4 x xu y yu z zu d
Khi nhận được đầy đủ các thông số được cung cấp từ vệ tinh, máy thu sẽ giải hệ phương trình này và xác định được các ẩn số xu, yu, zu là tọa độ của máy thu trên mặt đất.
2.1.6. Các ứng dụng của GPS [10],[11]
Mặc dù hệ thống GPS chỉ mới được hoàn thành vào năm 1994 nhưng nó đã thực sự tự khẳng định mình trong những ứng dụng quân sự.
Ngày nay, GPS đã trở thành một yếu tố quan trọng của hầu như tất cả các chiến dịch quân sự và tất cả các hệ thống vũ khí. Ngoài ra, GPS còn được sử dụng trên các vệ tinh để đạt được các dữ liệu quỹ đạo có độ chính xác cao và để điều khiển hướng bay của các con tầu vũ trụ.
Mặc dù hệ thống GPS lúc ban đầu được triển khai để đáp ứng các yêu cầu của giới quân sự, nhưng người ta đang không ngừng tìm ra các cách thức mới để sử dụng những khả năng của nó, từ cao siêu đến bình dị. Một trong số cách thức thứ nhất là sử dụng GPS cho công tác quản lý động vật hoang dã. ở châu Phi, các máy thu GPS được sử dụng để giám sát các đường hướng di trú của các đàn động vật lớn cho những mục đích nghiên cứu khác nhau.
Những máy thu GPS cầm tay hiện đang được sử dụng thường ngày trong các ứng dụng thực địa, trong đó có đòi hỏi việc thu thập thông tin chính xác, kể cả việc kiểm tra hiện trường của các công ty phục vụ công cộng, việc vẽ bản đồ của các nhà khai thác dầu mỏ và khí đốt và việc quy hoạch tài nguyên của các công ty lâm nghiệp.
Các khinh khí cầu có trang bị GPS đang giám sát các lỗ hổng trong tầng ô-zôn trên các vùng cực và chất lượng không khí cũng đang được giám sát nhờ các máy thu GPS. Các phao theo dõi lượng dầu tràn lớn trên biển phát đi các dữ liệu cần thiết nhờ sử dụng GPS. Các nhà khảo cổ học và các nhà thám hiểm đang sử dung hệ thống này để đánh dấu các vị trí ở xa trên biển và trên đất liền trước khi họ có thể lập quyết toán trang thiết bị và kinh phí.
Theo dõi các phương tiện vận chuyển là một trong những ứng dụng GPS phát triển nhanh nhất. Các đoàn tầu, các hệ thống vận chuyển công cộng, các đoàn xe tải quá cảnh, các chuyến xe bưu chính... có trang bị các máy thu GPS để giám sát các vị trí của chúng vào mọi thời điểm.
Các dữ liệu GPS sẽ trở nên hữu ích hơn đối với khách hàng khi nó được liên kết với kỹ thuật vẽ bản đồ số. Theo đó, một số hãng sản xuất ô tô đang chào hàng một phương án chế tạo xe mới là trang bị các màn hình trình bày hành trình xe chạy do các máy thu GPS hướng dẫn. Các màn hình này thậm chí còn có thể tháo ra đem về nhà để lập chương trình cho một chuyến đi. Một số
cho các lái xe và qua các lệnh bằng tiếng nói tổng hợp. Những tính năng này cho phép lái xe đến được bất kỳ nơi nào anh ta muốn một cách nhanh chóng hơn và an toàn hơn so với trước đây.
Công nghệ GPS thậm chí còn đang được sử dụng kết hợp với công nghệ mạng tế bào để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng. Với việc ấn một phím bấm trên máy điện thoại di động mạng tế bào, có thể đàm thoại với một nhà cung cấp dịch vụ và cùng một lúc báo hiệu tới các dịch vụ điều phối trung tâm thông báo về vị trí, của họ về các tình huống khẩn cấp hoặc các hỏng hóc trang thiết bị.
Điều này là có thể được với Khối Định vị Mạng tế bào và Nhắn tin Khẩn (Cellular Positioning and Emergency Messaging Unit) của hãng Motorola. Thiết bị này mở ra một kỷ nguyên mới của an toàn di động và theo dõi các đoàn xe và các đoàn tầu biển. Các thiết bị này được thiết kế cho các nhà tích hợp hệ thống là những người đang tạo cấu hình các mạng tiêu dùng và thương mại khai thác qua điện thoại di động tế bào. Khối Định vị Mạng tế bào và Nhắn tin Khẩn truyền đạt thông tin về vị trí và trạng thái của các phương tiện xe cộ do GPS xác định, rất phù hợp để sử dụng trong các hệ thống nhằm trợ giúp cho các nhà quản lý đường bộ, các hãng giám sát nội vụ, các công ty điện thoại di động, các công ty cho thuê xe ô tô, các nhà khai thác đội tầu biển thương mại và các nhà sản xuất ô tô... tìm kiếm những lợi thế cạnh tranh.
Hãng Skytel, nhà cung cấp các dịch vụ nhắn tin vô tuyến, đang quảng cáo hệ thống AutoLink dựa trên GPS của họ dùng cho xe ô tô. Hệ thống AutoLink cung cấp các dịch vụ trả lời khẩn cấp tự động, ngăn chặn trộm cắp, theo dõi và bắt xe cộ dừng lại, nhắn tin cá nhân hai chiều, mở khoá xe từ xa, đánh dấu số hiệu lái xe, hướng dẫn đường đi và thông tin dựa trên vị trí.
Tóm tắt: Do tính chính xác của mình, GPS đã nhanh chóng trở thành phương pháp lựa chọn để thu thập số liệu tại chỗ cho rất nhiều các ứng dụng thương mại, chính quyền và quân sự. GPS chắc chắn trở thành một phương pháp quan trọng và có hiệu quả kinh tế cho việc định vị vô số các mục tiêu trên mặt đất và trên biển. Mặc dù được Bộ Quốc phòng Mỹ cấp kinh phí ban đầu, song việc truy nhập mạng GPS là miễn phí đối với mọi người dùng. Điều này góp phần khuyến khích việc phát triển các ứng dụng và tạo ra một thị trường khách hàng hoàn toàn mới, đặc biệt là trong lĩnh vực định vị các phương tiện giao thông và điều hành vận tải.
2.1.7. Kiến nghị ứng dụng trong định vị đoàn tàu ở ĐSVN
Với các tính năng ưu việt và khá phổ biến của công nghệ GPS như đã phân tích ở trên, trong khuôn khổ bài luận văn này đề xuất sử dụng hệ thống GPS của Mỹ để ứng dụng trong việc xác định vị trí đoàn tàu khi đang di chuyển trong khu gian. Các máy thu GPS sẽ được gắn trên các đầu máy và thu các tín hiệu định vị từ vệ tinh sau đó các thông tin này được gửi đến các ga và trung tâm điều hành vận tải để phục vụ công tác chạy tàu.
Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hệ thống sẽ được thể hiện chi tiết ở Chương III.
2.2. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN MẶT ĐẤT
2.2.1. Hệ thống thông tin di động GSM [2],[9],[11]
2.2.1.1. Tổng quan về mạng GSM
Hệ thống thông tin di động GSM được viết tắt từ (Global System for Mobile Communications) tuy nhiên nguyên thuỷ của nó là: Groupe Special Mobile.
Đây là một trong những công nghệ về mạng điện thoại di động phổ biến nhất trên thế giới. Cho đến nay công nghệ này có hơn 3 tỷ thuê bao sử dụng trên phạm vi 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Do nó hầu như có mặt khắp mọi nơi trên thế giới nên khi các nhà cung cấp dịch vụ thực hiện việc ký kết roaming với nhau nhờ đó mà thuê bao GSM có thể dễ dàng sử dụng máy điện thoại GSM của mình bất cứ nơi đâu.
Mặt thuận lợi to lớn của công nghệ GSM là ngoài việc truyền âm thanh với chất lượng cao còn cho phép thuê bao sử dụng các cách giao tiếp khác rẻ tiền hơn đó là tin nhắn SMS. Ngoài ra để tạo thuận lợi cho các nhà cung cấp dịch vụ thì công nghệ GSM được xây dựng trên cơ sở hệ thống mở nên nó dễ dàng kết nối các thiết bị khác nhau từ các nhà cung cấp thiết bị khac nhau.
Nó cho phép nhà cung cấp dịch vụ đưa ra tính năng roaming cho thuê bao của mình với các mạng khác trên toàn thế giới. Và công nghệ GSM cũng phát triển thêm các tính năng truyền dữ liệu như GPRS và sau này truyền với tốc độ cao hơn họ sử dụng EGDE.
2.2.1.2. Lịch sử mạng GSM
Vào đầu những năm 1980 tại châu Âu người ta phát triển một mạng điện thoại di động chỉ sử dụng trong một vài khu vực. Sau đó vào năm 1982 nó được chuẩn hóa bởi (CEPT : European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) và tạo ra Groupe Special Mobile (GSM) với mục đích sử dụng
Mạng điện thoại di động sử dụng cụng nghệ GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi nhà khai thác Radiolinja ở Finland.
Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho viện viễn thông châu Âu (European Telecommunications Standards Institute (ETSI)), các tiêu chuẩn, đặc tính phase 1 của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990. Đến cuối năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia.
2.2.1.3. Giao tiếp Radio
GSM là mạng điện thoại di động do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm, kết nối với các cell gần nó nhất. Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần. Hầu hết thì hoạt động ở băng 900Mhz và 1800Mhz. Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng băng 850Mhz và 1900Mhz do băng 900Mhz và 1800Mhz ở nơi này đó bị sử dụng trước.
Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400Mhz hay 450Mhz chỉ có ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đó bị cấp phát cho việc khác. Các mạng sử dụng băng tần 900Mhz thì đường uplink sử dụng tần số trong dải 890-915 MHz và đường downlink sử dụng tần số trong dải 935-960 MHz. Họ chia các băng tần này thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25Mhz, mỗi kênh cách nhau 1 khoảng 200Khz.
Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (Time division multiplexing ) để chia ra 8 kênh full rate hay 16 kênh haft rate. Cứ 8 khe thời gian gộp lại gọi thành một khung TDMA. Tốc độ truyền dữ liệu của một kênh là 270.833 kbit/s và khoảng thời gian của một khung là 4.615 m.
Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watts đối với băng GSM 850/900Mhz và tối đa là 1 watts đối với băng GSM 1800/1900Mhz.
Mạng GSM sử dụng 2 kiểu mã hóa âm thanh để nén tín hiệu âm thanh