GPS (Global Positioning System) 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 trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh thì sẽ tính được được tọa độ của vị trí đó.
GPS là hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ dựa trên một mạng lưới 24 quả vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian.
Hình 1.19. Vệ tinh GPS
Các vệ tinh bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo chính xác và phát tín hiệu thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận được thông tin từ các vệ tinh và bằng phép tính lượng giác tính được vị trí của máy thu. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa.Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí của người dùng đã được tính thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác như tốc độ, hướng chuyển động, hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian…..
Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2. (dải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz). GPS dân sự dùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thủy tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà.
Về độ chính xác của hệ thống GPS, các máy thu GPS ngày nay có thể định vị vị trí chính xác nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song. Nhờ các kênh song song này cho phép máy thu duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hay thành phố với các tòa nhà cao tầng. Trạng thái của khí quyển và các nguồn gây sai số có thể
ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS. Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình 15 mét.
1.4.2. Chuẩn giao tiếp NMEA
Cấu trúc dữ liệu này tuân theo chuẩn truyền dữ liệu NMEA0183. NMEA (hay NMEA 0183) là sự một chuẩn giao thức cho truyền thông giữa các thiết bị điện tử dùng cho tàu thủy như các thiết bị đo tốc độ gió, la bàn, máy lái tự động, thiết bị thu GPS và rất nhiều các thiết bị khác được định nghĩa và phát triển bởi Hiệp hội điện tử tàu thủy quốc gia Hoa Kỳ (NMEA).
Chuẩn NMEA 0183 sử dụng các ký tự ASCII, giao thức truyền thông nối tiếp quy định cách một “thiết bị gửi” truyền một câu dữ liệu tới “thiết bị nhận” tại một thời điểm. Ở tầng ứng dụng, chuẩn NMEA quy định nội dung các kiểu câu dữ liệu cho phép thiết bị nhận có khả năng phân tích dữ liệu một cách chính xác. Các câu dữ liệu đều bắt đầu bằng ký tự “$” và kết thúc bằng <CR><LF>
Đối với các các thiết bị GPS, tất cả các câu dữ liệu đều bắt đầu bằng “$GPxxx” trong đó xxx là loại bản tin. Một số loại câu dữ liệu thường sử dụng :
GGA : Global positioning system fixed data
GLL : Geographic position-latitude/longitude
GSA : GNSS DOP and active satellites
GSV : GNSS satellites in view
RMC : Recommended minimum specific GNSS data
VTG : Course over ground and ground speed.
1.4.3. Dữ liệu đầu ra
Dữ liệu đầu ra của SIM548C theo giao thức NMEA có nhiều định dạng :
Dạng dữ liệu đầu
ra Mô tả
GGA Thời gian và vị trí…
GGL Kinh độ và vĩ độ
GSA Chế độ hoạt động của bộ nhận GPS, các vệ tinh nhận được, và giá trị DOP.
GSV Số vệ tinh nhận được tín hiệu, độ cao so với mực nước biển, góc phương vị và giá trị SNR.
RMC Thời gian, ngày, vị trí, tốc độ dữ liệu và hướng.
VTG Hướng và tốc độ truyền thông tin so với mặt đất.
Bảng 1.6. Chuẩn đầu ra
$GPRMC,024122.000,A,1059.2193,N,10650.0318,E,0.00,,071112,,,A*7D $GPGGA,024123.000,1059.2193,N,10650.0318,E,1,05,1.7,27.0,M,-
20.7,M,,0000*48
$GPGSA,A,3,30,26,14,31,16,,,,,,,,3.3,1.7,2.8*39
$GPGSV,3,1,11,31,51,343,30,14,47,070,29,16,46,201,18,32,33,314,*78 $GPGSV,3,2,11,22,33,162,22,30,16,039,29,26,15,103,21,29,14,088,*77 $GPGSV,3,3,11,20,11,318,,06,02,189,,18,02,151,*4B
RMC—Recommended Minimum Specific GNSS Data
Định dạng này cho biết đầy đủ và chi tiết về thời gian, ngày, vị trí, tốc độ dữ liệu, hướng.
Ví dụ :
$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598, ,*10
Bảng 1.7. Giao thức RM
Ý nghĩa Ví dụ Đơn
vị Mô tả
ID $GPRMC Chuỗi đầu của giao
thức RMC
Thời gian 161229.487 Hhmmss.sss
Trạng thái A
A=có tín hiệu hay V=không có tín
hiệu.
Vĩ độ 3723.2475 ddmm.mmmm
N/S N N=Cực bắc hay
S=Cực nam
Kinh độ 12158.3416 Dddmm.mmmm
E/W W E=Phía đông hay
W=Phía tây.
Tốc độ 0.13 knots
Hướng 309.62 Độ
Ngày 120598 Ddmmyy
Sự thay đổi của độ lệch (magnetic)
Độ E=Phía đông hay W=Phía tây
E/W E E=Phía đông
Byte kiểm
tra lỗi *10
<CR><LF> Kết thúc.