Theo dự đoỏn cho thị trường ứng dụng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu vào năm 2015, cỏc dịch vụ thụng tin liờn lạc dựa trờn vị trớ của khỏch hàng sẽ chiếm 33%, trong
khi định vị xe hơi sẽ vẫn đúng vai trũ chủ đạo với 41% thị trường [12]. Vai trũ của định vị trong cỏc ngành dịch vụ gúp phần cải thiện chất lượng sống của con người như giải trớ, giao thụng cụng cộng, an ninh xó hội sẽ tăng cao. Mặc dự chiếm một tỷ lệ nhỏ, nhưng ứng dụng của định vị trong thụng tin địa lý (GIS) bao gồm đo đạc bản đồ, trắc địa, quản lý đụ thị... vẫn rất quan trọng.
Cỏc dịch vụ GPS nhằm cung cấp thụng tin chớnh xỏc và cụ thể cho khỏch hàng dựa trờn vị trớ của họ tại bất kỳ thời điểm nào. Cỏc loại hỡnh dịch vụ này được xem là một giải phỏp hiệu quả, nú cung cấp thụng tin cho người sử dụng tại thời điểm và vị trớ cần thiết. Nú hứa hẹn đem lại sự thuận tiện, thoải mỏi và nhiều khi tiết kiệm được rất nhiều thời gian cho người sử dụng. Đồng thời, mọi lợi nhuận khổng lồ mà kiểu dịch vụ này đang hứa hẹn đó hấp dẫn khụng chỉ cỏc nhà đầu tư trong cụng nghệ thụng tin và cỏc thiết bị điện tử, mà cả trong ngành vui chơi giải trớ, trong tỡm kiếm cứu hộ và nghiờn cứu xó hội.
Về phương diện kỹ thuật, ngành dịch vụ này yờu cầu sự hợp tỏc phỏt triển của nhiều ngành kỹ thuật, bao gồm cụng nghệ vi tớnh, vi điện tử, cụng nghệ thụng tin liờn lạc vụ tuyến và GIS. Cỏc cụng nghệ khỏc nhau này sẽ được kết hợp tạo thành một mạng lưới hoạt động dựng liờn lạc vụ tuyến, để trao đổi dữ liệu và thụng tin giữa người sử dụng dịch vụ và trung tõm cung cấp dịch vụ.
Hạn chế lớn nhất đối với việc ứng dụng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu chớnh là khả năng thu nhận được cỏc tớn hiệu định vị vụ cựng yếu từ vệ tinh, đặc biệt là trong cỏc khu đụ thị sầm uất, nơi mà nhu cầu của loại dịchvụ này thường cao. Trong phần lớn cỏc trường hợp, tớn hiệu vệ tinh dễ dàng bị mất, hoặc bị yếu đi rất nhiều khi khỏch hàng đi vào trong nhà, hoặc đi dưới tỏn cõy rậm rạp. Trong khu đụ thị, hiện tượng đa đường truyền cũng gõy ảnh hưởng khụng nhỏ tới chất lượng định vị. Rất nhiều nghiờn cứu phỏt triển đó được thực hiện bởi cỏc nhà khoa học và cụng nghệ trong ngành định vị, để cú thể đưa ra một số giải phỏp tớch cực cho vấn đề này. Cỏc mỏy thu GPS nhạy đó được chế tạo [12] cựng với cỏc phương phỏp xử lý số liệu tinh tế đó được phỏt triển, nghiờn cứu và bước đầu cho những kết quả khả quan [12].
Tại Việt nam cụng nghệ GIS cũng được thớ điểm khỏ sớm, và đến nay đó được ứng dụng trong khỏ nhiều ngành như quy hoạch nụng lõm nghiệp, quản lý rừng, lưu trữ
tư liệu địa chất, đo đạc bản đồ, địa chớnh, quản lý đụ thị [12]... Tuy nhiờn cỏc ứng dụng cú hiệu quả nhất mới giới hạn ở cỏc lĩnh vực lưu trữ, in ấn cỏc tư liệu bản đồ bằng cụng nghệ GIS. Cỏc ứng dụng GIS thuộc lĩnh vực quản lý, điều hành, trợ giỳp quyết định hầu như mới dừng ở mức thử nghiệm, cũn cần thời gian và đầu tư mới cú thể đưa vào ứng dụng chớnh thức.
3.4 Ứng dụng GPS trong đường sắt Việt nam
Muốn xỏc định được vị trớ của tảu, thỡ trờn tàu phải gắn thiết bị thu tớn hiệu GPS, sau đú truyền tớn hiệu này về trung tõm điều hành. Thực hiện việc truyền tớn hiệu từ tàu về trung tõm cú thể lựa chọn nhiều phương thức khỏc nhau, xem hỡnh 3.16:
- Sử dụng dịch vụ SMS ( gửi tớn nhắn) qua hệ thống thụng tin di động (GMS). - Sử dụng dịch vụ truyền gúi tin qua GPRS cũng qua hệ thống GMS.
- Xõy dựng cỏc đường truyền vụ tuyến từ đầu mỏy về trung tõm điều hành.
Hai dịch vụ đầu thỡ chi phớ lắp đặt đơn giản vỡ chỉ cần thuờ của VTN hoặc Vietttel hoặc EVN... nhưng qỳa trỡnh sử dụng dịch sẽ tốn kộm vỡ bản tin cần cập nhật liờn tục nờn tiền thuờ bao sẽ rất lớn. Bờn cạnh đú do phụ thuộc vào nhà cung cấp dịch vụ nờn quỏ trỡnh xẩy ra nghẽn, sự cố mạng là khụng trỏnh khỏi và phải phụ thuộc hoàn toàn vào nhà cung cấp dịch vụ. Trong thời gian tới mạng thụng tin quang đường sắt Việt nam hoàn thành nờn ta sẽ khai thỏc mạng thụng tin quang để xõy dựng hệ thống thụng tin GPS cho trung tõm điều hành.
3.4.1 Xõy dựng mụ hỡnh ứng dụng GPS trong điều độ đường sắt Hệ thống bao gồm:
- Hệ thống cỏc mỏy thu GPS lắp đặt trờn cỏc đầu tàu. -Thiết bị thu phỏt vụ tuyến .
- Hệ thống mỏy tớnh và mạng.
-Phầm mềm + bản đồ số để xử lý tớn hiệu thu từ vệ tinh để xỏc định vị trớ, xỏc định tốc độ, kẻ biểu đồ chạy tàu...
Xem hỡnh 3.21
Nguyờn lý hoạt động:
Trờn mỗi một đầu mỏy gắn một thiết bị thu GPS và một modul thu phỏt vụ tuyến. Modul sẽ thu tớn hiệu định vị từ mỏy thu GPS , điều chế tớn hiệu thành súng cao tần phỏt
lờn anten gắn trờn đầu mỏy. Tại mỗi ga sẽ đặt một modul thu cú nhiệm vụ thu tớn hiệu từ tàu sau đú giải điều chế đưa trả về tớn hiệu GPS cho một đầu cuối mạng dữ liệu (mỏy tớnh). Mỏy tớnh sẽ lưu thụng tin này trong bộ nhớ, dữ liệu sẽ được truyền về mỏy tớnh tại trung tõm điều độ nhờ mạng truyền dữ liệu. Tại trung tõm phần mềm sẽ xử lý cỏc tớn hiệu thu được để đưa ra cỏc giao diện cho điềuhiển thị về vị trớ, đường đi và tốc độ của đoàn tàu.
3.4.2 Chi tiết về cỏc thiết bị 1.Xõy dựng mạng truyền dữ liệu
Trờn mạng thụng tin số đường sắt ta cú thể dễ dàng xõy dựng một mạng truyền dữ liệu giữa cỏc mỏy tớnh đặt tại cỏc ga với trung tõm điều độ, xem hỡnh 2.24.
2.Thiết bị thu GPS
a.Thị trường thiết bị GPS tại Việt nam
Hiện nay cú rất nhiều nhà sản xuất, thiết kế và sản suất thiết bị GPS, dưới đõy xin giới thiệu một số hóng uy tớn trờn thế giới, bao gồm :
- Cỏc hóng Garmin, Trimble, Magellan: chuyờn về cỏc loại thiết bị thu GPS (GPS receiver) cho cỏ nhõn , giỏ tại Việt nam khỏ cao khoảng 300USD/1 receiver [20,21, 22].
Ba hóng trờn là cỏc nhà sản xuất thiết bị GPS hoàn chỉnh tức là tớch hợp cả mỏy thu GPS và phần mềm GIS...thiết bị đem lại cỏc tiện ớch cụ thể đến ngoài dung như: thiết bị dẫn đường, hiển thị vị trớ...
- Globalsat [22]: chuyờn về cỏc dũng sản phẩm thu GPS: GPS engine board, GPS module, Bluetooth GPS receiver, GPS data logger, GPS trackinh.
+ GPS engine board là board thu chưa cú anten, được sản xuất để người sử dụng cú thể tớch hợp với cỏc thiết bị xử lý GPS như PC ....hiện nay cú nhiều loại như: ET 112, ET312, ET333…
+ GPS modulle thỡ tớch hợp cả anten, hiện cú một số loại như EM 411, EM408, EM406. Cỏc module này thu tớn hiệu GPS từ vệ tinh và đưa ra dưới dạng dữ liệu là cỏc mó ASCII.
+ Bluetooth GPS receiver là thiết bị thu GPS truyền dữ liệu ra ngoài qua cổng Bluetooth.
+ GPS data logger là thiết bị thu và cú chức năng lưu giữ cỏc tớn hiệu GPS dưới dạng dữ liệu để khi cần thỡ cú thể lấy ra sử dụng.
A-GPS
A-GPS
A-GPS
RS232 RS232 RS232
Mạng quang (thiết bị truy nhập và vận tải) đầu mỏy Ga 1 Ga 2 Ga n TRUNG TÂM ĐIỀU ĐỘ Trung bỡnh 15 km Trung bỡnh 15 km modem
Tuỳ theo từng chức năng mà cú giỏ thành khỏc nhau, vớ dụ [27]: - Module EM-406 gia 54USD
- Đầu thu GPS bluetooth BT-338 gia 150USD - GPS antena gia khoang 25USD.
Cú thể cài đặt chức năng, kiểm tra, đọc dữ liệu cho cỏc thiết bị trờn thụng qua phần mềm “GPSinfo”, cỏc phần mềm này cú thể tải về từ trang ww.globalsat.com.
Cỏc đầu thu GPS đều ghộp nối qua chuẩn RS232-V24, 1 giõy trả dữ liệu về 1 lần, tốc độ lờn tới 9600baud [22].
Ở Việt nam cũng bắt đầu xuất hiện một số cụng ty tư nhõn sản xuất, thiết kế thiết bị GPS như: ELCOM, N-WAVE, CARPRO...
b.Lựa chon GPS module EM 411
Hỡnh 3.21: GPS Module EM411
Thụng số kỹ thuật (Specification): General
Chipset: SiRF StarⅢ
Tần số: L1, 1575.42 MHz
C/A code 1.023 MHz chip rate
Channels: 20 channel all-in-view tracking
Sai số(Accuracy)
Vị trớ (Position): 10 meters, 2D RMS
Hệ toạ độ (Datum)
Mặc định (Default) WGS-84
Datum : WGS-84 (Ellipsoid World Geodetic Systerm - 1984) đõy là hệ toạ độ địa lý sử dụng phương thức hỡnh học húa trỏi đất bằng một hỡnh Ellipsoid, phự hợp với vị trớ của Việt nam làm cơ sở cho hệ toạ độ VN-2000. Hệ thống định vị dựng WGS-84 để làm cơ sở hệ tọa độ GPS [6].
Nguồn điện (Power):
Điện ỏp nguồn vào 4.5V ~ 6.5V DC input Dũng tiờu thụ 60mA
Giao thức (Protocol):
Mức điện (chuẩn RS-232 level): TTL level, Output voltage level: 0V ~ 2.85V Tốc độ (Baud rate) : từ 4,800 bps đến 9600 bps
Chuẩn dữ nội dungliệu ra: NMEA 0183 GGA, GSA, GSV, RMC, VTG,GLL
Đặc tớnh vật lý (Physical Characteristics):
Kớch thước (Dimension) 30mm*30mm*10.5mm ±0.3mm
Nhiệt độ làm việc -40oC tới +85oC
Thời gian nhận biết tớn hiệu vệ tinh ( Acquisition Time):
Thời gian nhận thường trực (Reacquisition): 0.1 sec., average
Thời gian khởi động núng (Hot start): 1 sec., average
Thời gian khởi động ấm (Warm start): 38 sec., average
Thời gian khởi động nguội (Cold start): 42 sec., average
Định dạng dữ liệu NMEA cú dạng: $GPGLL,5330.12,N,00215.31,W,134531,A<CR><LF> Trong đú: $GPGLL là mó NMEA. 5330.12 là vĩ độ. N là vĩ độ Bắc.
00215.31 là kinh độ. W là kinh độ Tõy. 134531 là thời gian.
A là ký hiệu bỏo dữ liệu trả về là đỳng đắn theo cỏch hiểu của mỏy thu. <CR><LF> là 2 ký tự bỏo hết chuỗi dữ liệu.
3.Thiết bị thu phỏt vụ tuuyến
Lựa chọn modem khụng dõy 9XTend-PKGTM RF Modems [28] xem hỡnh 3.22.
Thụng số kỹ thuật:
Hoạt động:
+Tốc độ dữ liệu 9600 hoặc 115200 bps
+Cụng suất đầu ra anten 1mW - 1W (0 -30dBm)
+Khoảng cỏch liờn lạc vụ tuyến tầm nhỡn thẳng 22 Km (nanten dipole w/2.1 dB) Hỡnh 3.22: Modem khụng dõy 9XTend-PKGTM RF
Nếu anten đặt trờn cao khoảng cỏch cú thể nờn tới 64Km (sử dụng anten cú độ tăng ớch caoc hơn).
+ Tốc độ dữ liệu ( cú thể điều chỉnh): 10000 bps, 9600 bps, 12500bps, 115200 bps + Độ nhạy thu: -100dBm
Điều chế + bảo mật
+ Tần số: ISM 902 - 928 MHz + Trải phổ: FHSS + Điều chế : FSK + Số kờnh: 10 -50 kờnh + Hỗ trợ cấu hỡnh mạng: peer - to -peer, point - to -point
+ Giao tiếp với mỏy tớnh thụng qua cỏng COM, USB hoặc đầu giắc Ethernet
Anteana:
+ Đầu nối chuẩn :RPSMA + Trở khỏng: 50
Mức điện;
+ Nguồn: 7-28V;
+ Dũng tớn hiệu đầu vào: 110mA + Dũng tớn hiệu ra: 110 - 900mA
Cổng nối ghộp vật lý: DB-9; USB; RJ -45; RS232
4.Bản đồ số:
Bản đồ số mạng lưới đường sắt cú thể được xõy dựng thành nhiều lớp như: lớp đường, lớp tờn đường, lớp lý trỡnh, lớp ga, lớp khu gian ( giữa hai ga), lớp cỏp quang, lớp thiết bị thụng tin...trong ứng dụng xỏc định vị trớ tàu ta chỉ cần lớp đường, lớp tờn đường, lớp lý trỡnh, lớp ga và khu gian để cho ta biết tàu đang ở lý trỡnh, ga nào và khu gian nào...
Trong phụ lục 2, để số húa bản đồ (lớp đường), ta chia đường sắt thành cỏc đoạn (Pline) mỗi đoạn sẽ được xỏc định bằng số cỏc điểm (pixel) mỗi điểm được xỏc định bằng một toạ độ (WGS-84) gồm (kinh độ, vĩ độ), mỗi đoạn được tụ màu theo lệnh Pen (R B G) (tương ứng là tỉ lệ cỏc màu Red Blue Green cú trị số tương ứng từ 0 0 0 đến 255 255 255), xem phụ lục 2.
1146132.626000 966530.515800 1194641.101000 996064.632100 Pen (1,2,0)
5.Phần mềm
Xem phụ lục 1: phần mềm GPS
Hỡnh 3..24: Sơ đồ khối nguyờn lý hoạt động hệ thống GPS xỏc định tàu Mỏy thu GPS thu nhận cỏc tớn hiệu từ tối thiểu 4 vệ tinh tại thời điểm t
Mỏy thu GPS giải mó tớn hiệu để cú được (tại thời điểm t): - Cỏc giỏ trị đo khoảng cỏch từ vệ tinh đến mỏy thu - Vị trớ của cỏc vệ tinh
- Cỏc giỏ trị hiệu chỉnh sai số
Phần mềm + GIS (bản đồ số) xỏc định: - Vị trớ
- Tốc độ của tàu tại thời điểm t - Thời gian
- Khoảng cỏch từ trung tõm
Chỳ thớch hỡnh 2.25: ID: tờn đoàn tàu
Kinh độ: Kinh độ vị trớ đầu mỏy Vĩ độ :Vĩ độ vị trớ đầu mỏy
Khoảng cỏch: Khoảng cỏch từ đầu mỏy đến trung tõm điều độ (địa chỉ 118 đường Lờ Duẩn TP. Hà nội
Tốc độ: tốc độ của tàu (km/h)
Hướng: hướng vận tốc (gốc tại trung tõm điều hành)
Hỡnh 3..25: Cỏc thụng số về tàu do phần mềm cung cấp
Sơ đồ khối quy trỡnh hoạt động của hệ thống và phần mềm xỏc định vị trớ, tốc độ và thời gian của đoàn tàu được mụ tả ở hỡnh 3..24.
Chức năng của phần mềm:
Nhận dữ liệu GPS từ modem đem dữ liệu thu được từ modem (kinh độ, vĩ độ, thời gian), so sỏnh với dữ liệu trong bản đồ số đưa ra vị trớ của tàu, tốc độ và tớnh khoảng cỏch từ tàu đến trung tõm điều hành.
Giao diện phần mềm:
Xem hỡnh 3..25.