Mạng thụng tin số đường sắt đang trong quỏ trỡnh số húa toàn mạng, theo cấu hỡnh mạng thụng tin lấy truyền cỏp quang sử dụng cụng nghệ SDH làm mạng truyền dẫn với tốc độ STM 4 cú thể nõng cấp lờn STM16, STM 32, tiến tới song song với mạng đường trục của VTN, Viettel, EVN (điện lực Việt nam).
Hiện kế hoạch khai thỏc mạng mới chỉ mang tớnh phục vụ cho mạng thụng tin chuyờn dụng trong ngành, trong khi đú trờn mạng truyền dẫn cú thể sử dụng để cung cấp cỏc dịch vụ viễn thụng như cỏc dịch vụ của mạng viễn thụng khỏc. Do vậy vấn đề khai thỏc mạng cú hiệu quả là một vấn đề lớn, bao trựm nhiều lĩnh vực cụng nghệ, trong phạm vi luận văn chỉ mang tớnh giới thiệu và định hướng phỏt triển cỏc hướng khai thỏc
đường sắt được xõy dựng nhiệm vụ chớnh là phục vụ cụng tỏc điều độ chạy tàu và cụng tỏc điều hành hoạt động của toàn ngành, nhất là trong giai đoạn hiện nay yờu cầu an toàn trong vận tải hành khỏch là yờu cầu hàng đầu. Để giữ an toàn trong vận tải hành khỏch thỡ yờu cầu nhiều yếu tố như: cơ sở hạ tầng giao thụng, đầu mỏy - toa xe, con người...nhưng trờn hạ tầng mạng sẵn cú để vận tải an toàn và hiệu quả thỡ khõu quyết định đú là cụng tỏc điều độ chạy tàu. Trờn cơ sở nghiờn cứu mạng thụng tin đường sắt, hệ thống điều độ hiện đại trờn thế giới, luận văn đi sõu về xõy dựng hệ thống điều độ ứng dụng cụng nghệ GPS kết hợp với GIS khai thỏc cơ sở hạ tầng mạng thụng tin
Chương 3 - ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU CHO CễNG TÁC ĐIỀU ĐỘ CHẠY TÀU
3.1 Hệ thống định vị vệ tinh GPS 3.1.1 GPS là gỡ?
GPS là hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System).
Thực ra đầu tiờn bộ quốc phũng Mỹ muốn phỏt triển 1 hệ thống mạng vệ tinh toàn cầu cho mục đớch định vị cho quõn sự mà chủ yếu là việc dẫn đường cho mỏy bay, xe tăng, hệ thống tờn lửa xuyờn lục địa và hệ thống phũng thủ tờn lửa của họ. Tuy nhiờn, về sau do những lợi ớch to lớn mà nú đem lại, hệ thống định vị vệ tinh đó được mở rộng cho mọi đối tượng sử dụng. Năm 1996, Chõu Âu cũng dự định xõy dựng 1 hệ thống định vị vệ tinh mang tờn là Galileo để đối trọng với hệ thống của Mỹ nhưng do nhiều lý do mà hệ thống này đó bị huỷ bỏ. Hiện nay ngoài hệ thống GPS của Mỹ chỉ cú duy nhất 1 hệ thống định vị vệ tinh khỏc là của Nga mang tờn GLONASS. Tuy nhiờn hệ thống này của Nga cũn rất yếu kộm so với sự lớn mạnh của GPS.
Sau đõy là hỡnh ảnh vệ tinh GPS của NAVSTAR:
Hỡnh 3. 1. Vệ tinh NAVSTAR.
3.1.2 Cỏc thành phần của GPS:
+ Phần vũ trụ (space segment).
+ Phần điều khiển (control segment) và + Phần người sử dụng (user segment).
Bộ Quốc phũng Mỹ phụ trỏch việc sản xuất và phúng cỏc vệ tinh cũng như việc quản lý cỏc trạm điều khiển vệ tinh ở mặt đất. Phần người sử dụng bao gồm nhiều thành phần, cú nhiệm vụ quản lý và phỏt triển cỏc ứng dụng GPS, bao gồm cả việc xõy dựng cỏc thiết bị sử dụng hệ thống như anten và mỏy thu.Đối với cỏc mỏy thu dõn dụng phổ biến, hệ thống GPS cung cấp hai loại dịch vụ cơ bản (cho vị trớ, tốc độ và thời gian của mỏy thu hiển thị ngay trờn màn hỡnh): loại dịch vụ định vị cơ bản (Standard Positioning Service - SPS) và loại dịch vụ định vị “chớnh xỏc” (Precise Positioning Service - PPS). Ngoài hai loại dịch vụ này, cỏc mỏy thu chất lượng cao dựng phộp đo pha cú độ chớnh xỏc cao để tớnh toỏn cỏc khoảng cỏch từ mỏy thu đến vệ tinh và xử lý chỳng bằng cỏc thuật toỏn cao cấp. Kết quả định vị với cỏc mỏy thu loại này thường cú độ chớnh xỏc tới vài centimột [12].
1. Phần vệ tinh trờn khụng gian:
Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu là bao gồm 27 vệ tinh được phúng lờn quay theo quỹ đạo Trỏi đất, trong đú cú 24 quả hoạt động thực sự cũn 3 quả cũn lại là để dự trữ khi cú hỏng húc.
Mỗi vệ tinh GPS này nặng khoảng 1.2 tới 1.5 tấn, chạy bằng năng lượng mặt trời. Cỏc vệ tinh này quay xung quanh Trỏi đất với tốc độ 19300 km và trong một ngày một đờm sẽ quay quanh Trỏi đất 2 vũng. 24 vệ tinh được sắp xếp sao cho trong 1 thời điểm ở 1 nơi trờn Trỏi đất luụn cú thể thấy được cựng lỳc 4 vệ tinh [15,16]. Đõy là yờu cầu của nguyờn lý xỏc định vị trớ cho hệ thống GPS. Sau đõy là hỡnh ảnh vị trớ lý thuyết của cỏc vệ tinh GPS:
Khi quay quanh Trỏi đất, cỏc vệ tinh này liờn tục truyền tớn hiệu xuống Trỏi đất ở 2 tần số súng radio là L1=1575.42MHz và L2=1227.6MHz. Tớn hiệu truyền ở tần số trờn cú khả năng xuyờn qua mõy, thuỷ tinh, nhựa nhưng khụng xuyờn qua được hầu hết cỏc chất rắn như bờ tụng, sắt, thộp... Cỏc vệ tinh chỉ truyền tớn hiệu với cụng suất khỏ nhỏ cỡ 20-50W.
Hỡnh 3.2. Hệ thống vệ tinh GPS bao quanh Trỏi đất.
2. Phần điều khiển dưới mặt đất:
Đõy là cỏc trạm đặt dưới mặt đất với chức năng điều khiển hiệu chỉnh hoạt động của cỏc vệ tinh để đảm bảo cho chỳng hoạt động chớnh xỏc. Phần điều khiển bao gồm cỏc trạm trờn mặt đất, chia thành trạm trung tõm và trạm con. Cỏc trạm con, vận hành tự động, nhận thụng tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đú cỏc trạm con gửi thụng tin đó được hiệu chỉnh trở lại, để cỏc vệ tinh biết được vị trớ của chỳng trờn quỹ đạo và thời gian truyền tớn hiệu. Nhờ vậy, cỏc vệ tinh mới cú thể đảm bảo cung cấp thụng tin chớnh xỏc tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào.
Trạm điều khiển trung tõm làm nhiệm vụ theo dừi trạng thỏi của cỏc vệ tinh, quản lý quỹ đạo vệ tinh và duy trỡ thời gian GPS để từ đú dự đoỏn cỏc thụng số quỹ đạo và đưa ra giỏ trị thời gian GPS đồng bộ giữa cỏc vệ tinh, nhằm cập nhật dữ liệu định vị của cỏc vệ tinh. Để làm được nhiệm vụ này, trạm điều khiển trung tõm cần sự trợ giỳp của cỏc trạm điều khiển khỏc (khụng phải trung tõm) nằm rải rỏc toàn cầu. Cỏc trạm điều khiển này được trang bị những mỏy thu tớn hiệu GPS chất lượng rất cao, thiết bị đo khớ tượng và cỏc thiết bị liờn lạc với trạm điều khiển trung tõm. Dữ liệu GPS thu được bằng cỏc mỏy thu chất lượng cao sẽ dựng để trợ giỳp việc tớnh toỏn quỹ đạo chớnh xỏc của cỏc vệ tinh và sai số thời gian trờn cỏc vệ tinh. Cỏc tham số thời gian đều được chuẩn húa theo thời gian GPS (GPS Time - GPST).
GPST được định nghĩa dựa trờn cỏc phộp đo từ một tập hợp cỏc tiờu chuẩn tần số của cesium và rubi dựng tại cỏc trạm điều khiển hệ thống GPS và trờn cỏc vệ tinh. GPST là một chuẩn thời gian liờn tục. GPST được duy trỡ để theo sỏt UTC (USNO) trong khoảng sai số giới hạn là 1 s. Trờn thực tế, trong những năm gần đõy, GPST theo sỏt được UTC (USNO) với độ chớnh xỏc khoảng 10 nanụ-giõy. Việc đồng bộ húa cỏc đồng hồ trờn vệ tinh được thực hiện bằng cỏch ước lượng sai số thời gian, sự trụi lệch và tốc độ trụi lệch của mỗi đồng hồ trờn vệ tinh so với thời gian GPST chuẩn. Sau đú sai số thời gian của cỏc đồng hồ vệ tinh sẽ được mó húa trong bảng thụng số định vị và được truyền đi cựng tớn hiệu vệ tinh. Việc liờn lạc giữa trạm điều khiển trung tõm với cỏc vệ tinh được thực hiện bằng cỏc trạm anten mặt đất [24].
.
Hỡnh 3.3: Trạm điều khiển vệ tinh GSP
Tuy nhiờn để tăng độ chớnh xỏc, người ta cũn xõy dựng cỏc trạm hiệu chỉnh khỏc trờn mặt đất để tớnh toỏn và hiệu chỉnh sai số. Chỳng ta sẽ núi ở phần GPS vi sai (DGPS: Differential GPS).
3. Phần người sử dụng:
Phần này chớnh là cỏc sản phẩm mỏy thu bỏn trờn thị trường. Cỏc mỏy thu cú chức năng nhận thu tớn hiệu từ ớt nhất 4 vệ tinh, thực hiện cỏc tớnh toỏn cần thiết để xỏc định được cỏc thụng số về kinh độ, vĩ độ, cao độ, thời gian, vận tốc, gia tốc...
Cụng nghệ mạch tớch hợp IC (Integrated Circuit) đó tạo nờn một cuộc cỏch mạng lớn trong cụng nghệ điện tử núi chung và trong cụng nghệ mỏy thu GPS núi riờng, tạo ra những mỏy thu cú kớch cỡ nhỏ, khối lượng nhẹ, giỏ thành thấp. Vào năm 1980, mỏy thu
GPS đầu tiờn dành cho cỏc ứng dụng định vị cú độ chớnh xỏc cao đó được sản xuất và bỏn với giỏ hàng trăm ngàn USD. Ngày nay, một mỏy thu cú nhiều chức năng hơn và gọn nhẹ hơn cú thể được bỏn với giỏ vài chục ngàn USD. Hiện nay trờn thị trường toàn cầu cú hàng trăm loại mỏy thu GPS khỏc nhau. Hỡnh 2.3. giới thiệu về một số mỏy thu GPS điển hỡnh ngày nay. Giỏ thành của chỳng dao động rất rộng, từ vài trăm đến vài chục ngàn USD, phụ thuộc vào ứng dụng và độ chớnh xỏc trong định vị mà chỳng cho phộp (bảng 2.3). Cụng nghệ GPS ngày nay đang được kết hợp trong nhiều ngành cụng nghệ khỏc; và đang trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của con người.
Hỡnh 3.4: Một số mỏy thu GPS
Loại mỏy thu, chức năng Giỏ thành (USD)
Loại nhỏ cầm tay; dựng trong giải trớ, thể thao (leo nỳi, dó ngoại, chốo thuyền...)
100 - 300
Loại lắp đặt trong xe hơi, bao gồm cả bản đồ đường giao thụng và chỉ dẫn
400 - 2000
Loại dựng trong hàng hải, cú màn hỡnh cỡ lớn và hệ thống liờn lạc điện tử
400 - 3000
Loại dựng trong hàng khụng, cú bản đồ 3000 - 15000
Loại dựng trong trắc địa và bản đồ; dựng DGPS cho độ chớnh xỏc từ 1 m đến vài centimột
3500 - 30000
Bảng 3.1: Giỏ thành một số mỏy thu GPS [8]
4.Tớm hiệu GPS
Tớn hiệu của hệ thống GPS bao gồm ba thành phần chớnh: súng mang (carrier), mó (code) và dữ liệu định vị (navigation data). Cỏc vệ tinh GPS truyền cỏc tớn hiệu liờn
tục dựng hai tần số trong dải băng L được gọi là L1 (Link 1) dành cho cỏc ứng dụng dõn sự, và L2 (Link 2) dành cho cỏc ứng dụng quõn sự. Tần số trung tõm của súng L1 là 1575,42 MHz và của súng L2 là 1227,60 MHz. Trờn thực tế, hệ thống GPS cũn dựng súng L3 và L4 cho cỏc ứng dụng tuyệt mật của quõn đội Mỹ.
Việc mỗi vệ tinh truyền một mó khỏc nhau cho phộp mỏy thu nhận biết được vệ tinh. Kỹ thuật này được gọi là đa truy nhập theo mó (Code Division Multiple Access - CDMA). Mỗi vệ tinh truyền hai mó khỏc nhau: một được gọi là mó C/A (viết tắt của Clear/Access hoặc Coarse/Acquisition), cũn lại là mó P được mó húa thành mó Y và ký hiệu là P(Y) (chữ viết tắt của Precise (encrypted) hoặc Private (encrypted)). Mó C/A được dành cho cỏc ứng dụng dõn sự và hiện chỉ được truyền đi trờn súng mang L1. Mỗi giỏ trị -1 hoặc 1 của mó được gọi là một chip. Một dóy mó C/A bao gồm 1023 chip và lặp lại sau 1 miligiõy. Bước súng của một mó C/A khoảng 300 m và tần số của cỏc chip là 1,023 MHz; tức là 1,023 MHz trờn 1 giõy. Mó P cũng là một dóy duy nhất cỏc giỏ trị - 1 và 1 nhưng dài hơn nhiều lần so với mó C/A, bao gồm 1014 chip và được truyền đi trờn cả hai súng mang L1 và L2. Tần số của cỏc chip mó P là 10,23 MHz, tức là 10,23 MHz trờn 1 giõy, nhanh hơn 10 lần so với mó C/A. Bước súng của một dóy mó P là 30 m [12]. Do cú bước súng ngắn hơn, việc dựng mó P cú ưu điểm là cho độ chớnh xỏc cao hơn so với mó C/A trong việc ước lượng khoảng cỏch từ vệ tinh tới mỏy thu. Chớnh vỡ khả năng này mà việc dựng mó P(Y) của GPS được giới hạn chỉ cho những mỏy thu cú đăng ký.
Dữ liệu định vị được trộn lẫn với súng mang và truyền đi liờn tục bởi mỗi vệ tinh. Dữ liệu định vị cung cấp những thụng tin về tỡnh trạng hoạt động của vệ tinh, vị trớ và tốc độ của vệ tinh (ephemeris), sai số đồng hồ của vệ tinh (clock parameters). Ngoài ra, cỏc thụng tin về vị trớ và tốc độ của tất cả cỏc vệ tinh khỏc của hệ thống GPS (almanac) cũng được cung cấp trong dữ liệu định vị. Dữ liệu định vị cũng là một dóy cỏc số 1 và mỗi giỏ trị này được gọi là một bit. Dữ liệu định vị được truyền đi với tốc độ 50 bit trờn giõy và mỗi bit dài 20 milli giõy. Một khoảng thời gian khoảng 12,5 phỳt là cần thiết để truyền được toàn bộ bảng dữ liệu [16]. Những thụng tin về vị trớ, tốc độ và sai số đồng hồ của vệ tinh được cập nhật sau mỗi 30 giõy.
thu cú thể thu tớn hiệu tốt mặc dự cụng suất tớn hiệu thu khỏ thấp, thấp hơn cả mức nhiễu. Kỹ thuật CDMA đó khắc phục được nhược điểm cụng suất thấp của tớn hiệu vệ tinh .
Hỡnh 3.5: Tớn hiệu của GPS
4.Nguồn lỗi tớn hiệu vệ tinh
Những điều cú thể làm giảm tớn hiệu GPS và vỡ thế ảnh hưởng tới chớnh xỏc bao gồm [19, 24]:
-Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion– Tớn hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyờn qua tầng khớ quyển.
-Tớn hiệu đi nhiều đường – Điều này xảy ra khi tớn hiệu phản xạ từ nhà hay cỏc đối tượng khỏc trước khi tới mỏy thu.
-Lỗi đồng hồ mỏy thu – Đồng hồ cú trong mỏy thu khụng chớnh xỏc như đồng hồ nguyờn tử trờn cỏc vệ tinh GPS.
-Lỗi quĩ đạo – Cũng được biết như lỗi thiờn văn, do vệ tinh thụng bỏo vị trớ khụng chớnh xỏc.
-Số lượng vệ tinh nhỡn thấy – Càng nhiều quả vệ tinh được mỏy thu GPS nhỡn thấy thỡ càng chớnh xỏc. Nhà cao tầng, địa hỡnh, nhiễu loạn điện tử hoặc đụi khi thậm chớ tỏn lỏ
Hỡnh 3.6: Lỗi do tầng đối lưu và tầng ion [11]
Hỡnh 3.7: Lỗi đa đường, che khuất [11]
dầy cú thể chặn thu nhận tớn hiệu, gõy lỗi định vị hoặc khụng định vị được. Núi chung mỏy thu GPS khụng làm việc trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất.
- Hỡnh học che khuất – Điều này liờn quan tới vị trớ tương đối của cỏc vệ tinh ở thời điểm bất kỡ. Phõn bố vệ tinh lớ tưởng là khi cỏc quả vệ tinh ở vị trớ gúc rộng với nhau. Phõn bố xấu xảy ra khi cỏc quả vệ tinh ở trờn một đường thẳng hoặc cụm thành nhúm.
- Sự giảm cú chủ tõm tớn hiệu vệ tinh : Là sự làm giảm tớn hiệu cố ý do sự ỏp đặt của Bộ quốc phũng mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ quõn sự dựng tớn hiệu GPS chớnh xỏc cao. Chớnh phủ (Mỹ) đó ngừng việc này từ thỏng 5 năm 2000, làm tăng đỏng kể độ chớnh xỏc của mỏy thu GPS dõn sự. (Tuy nhiờn biện phỏp này hoàn toàn cú thể được sử dụng lại trong những điều kiện cụ thể để đảm bảo gậy ụng khụng đập lưng ụng. Chớnh điều này là tiềm ẩn hạn chế an toàn cho dẫn đường và định vị dõn sự.)
Cỏc nguồn sai số SPS (1) (m) PPS (1) (m) Cỏc sai số do vệ tinh Đồng hồ vệ tinh 3,0 3,0
Nhiễu trong kỹ thuật vệ tinh 1,0 1,0
Tớnh sẵn sàng để dựng cú lựa chọn (SA)
32,3 -
Sai số khỏc (nhiệt, phúng xa, v.v.) 0,5 0,5 Cỏc sai số do
trạm điều khiển
Dự đoỏn quỹ đạo 4,2 4,2
Cỏc sai số khỏc 0,9 0,9
Cỏc sai số khi truyền tớn hiệu
Sai số do tầng điện ly 5,0 2,3
Sai số do tầng đối lưu 1,5 2,0
Đa đường truyền 2,5 1,2
Cỏc sai số do mỏy thu
Nhiễu mỏy thu 1,5 1,5
Cỏc sai số khỏc (nhiễu giữa cỏc kờnh truyền v.v.)
0,5 0,5
UERE (User Equipment Range Error) (1) 33,2 8,0
Bảng 3.2: Cỏc nguồn sai số cơ bản của phộp đo tớn hiệu vệ tinh định vị toàn cầu GPS