Việc xác định vị trí của ngƣời dùng sử dụng thiết bị thông minh thông qua GPS đƣợc biết đến dƣới một công thức rất đơn giản nhƣ sau:
Việc xác định tọa độ của ngƣời sử dụng thiết bị thu GPS thông qua 4 phƣơng trình với 4 ẩn số x, y, z, tc ở đây x, y, z là tạo độ của ngƣời nhận tc là thời gian chính xác trên đồng hồ của thiết bị nhận GPS. 4 phƣơng trình nhƣ sau:
Hình C2. 11: Cách xác định vị trí ngƣời dùng thông qua GPS
GPS 1 GPS 2 GPS 3 GPS 4 d1 d2 d3 d4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong đó:
- c là tốc độ ánh sáng 3x108m/s
- tt,1, tt,2, tt,3, tt,4là thời gian tƣơng ứng của 4 vệ tinh truyền tín hiệu của nó tới thiết bị nhận, thời gian này đƣợc cung cấp cho ngƣời nhận nhƣ là một phần thông tin mà nó truyền đi.
- t r, 1 , t r, 2 , t r, 3 , t r, 4 lần lƣợt là thời gian mà thiết bị nhận nhận đƣợc tín hiệu lần lƣợt từ 4 vệ tinh, thời gian theo đồng hồ trên thiết bị nhận.
- x1, y1, z1 là tọa độ của vệ tinh GPS 1, x2, y2, z2 là tọa độ của vệ tinh GPS 2,…
Nhƣ vậy ngƣời nhận giải các phƣơng trình đồng thời để xác định x, y, z và tc. Tuy nhiên trong thực tế sẽ có sai số nhất định vì sự sai lệch của đồng hồ trên thiết bị thu GPS và đồng hồ trên vệ tinh. Thông thƣờng đồng hồ trên vệ tinh là đồng hồ nguyên tử nên độ chính xác là tuyệt đối, đồng hồ trên thiết bị thu thì không nhƣ vậy, vì lý do giá thành nên nó chỉ dừng ở dạng đồ hồ rẻ tiền quartz. Do vậy, ta phải xây dựng những thiết bị hỗ trợ nhằm làm cho việc xác định vị trí trở nên chính xác hơn và cải thiện hiệu năng của hệ thống. Một số kỹ thuật đã đƣợc nghĩ tới và các kỹ thuật này đƣợc gọi là DGPS (Differential GPS) hay GPS vi sai.
Kỹ thuật này giải quyết vấn đề sai số do thực tế đem lại nhƣ đã nói ở trên do vậy ngƣời ta đặt thêm những trạm mặt đất để hiệu chỉnh sai số này. Trạm mặt đất cũng giống vệ tinh trên trời, nhƣng vị trí của nó chính xác và sóng phát trong khu vực của nó có thể khỏe hơn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Ở Mỹ đã có những trạm công cộng truyền hệ số hiệu chỉnh miễn phí. Lực lƣợng tuần tra Mỹ và các cơ quan khác của chính phủ Mỹ đã thiết lập các trạm phát ở khắp nơi, đặc biệt là xung quanh các cảng và tuyến giao thông thuỷ.
Các tín hiệu này cũng đƣợc truyền trên dải tần 300kHz là dải tần dẫn đƣờng hàng hải ở Mỹ. Bất kì ai trong vùng phủ sóng cũng có thể tận dụng đƣợc thông tin hiệu chỉnh này cải thiện đƣợc độ chính xác của việc định vì bằng GPS. Hầu hết các tàu thuyền đều đã đƣợc trang bị radio thu tín hiệu dẫn đƣờng rồi nên việc thu thêm tín hiệu DGPS cũng không khó lắm. Máy thu GPS bây giờ thƣờng đƣợc thiết kế để có thể chấp nhận hiệu chỉnh, một số khác đƣợc trang bị cả máy thu tín hiệu hiệu chỉnh.
Hình C2. 13: Bản đồ các trạm phát DGPS và phạm vi phủ sóng ở Mỹ
Hình C2. 14: Bản đồ các trạm phát DGPS và phạm vi phủ sóng ở Nhật Hình C2. 12: Differential GPS
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
WAAS Wide Area Augmentation System
Cơ quan quản trị hàng không Liên bang của Mỹ (Federal Aviation Administration - FAA) cũng có một mạng lƣới DGPS bao trùm toàn bộ lục địa, và cả thế giới nếu có thể. FAA đƣa ra một kế hoạch đầy tham vọng gọi là "Wide Area Augmentation System" hay "WAAS," và nó chính là một hệ DGPS xuyên lục địa.
Hình C2. 15: Hệ thống WAAS
WAAS cho sai số từ 3-5 m và 3-7 m theo chiều cao và ở Việt nam hiện nay chƣa có WAAS.
2.6.2. Các phương pháp định vị trong các thiết bị trong nhà
Các phƣơng pháp định vị trong tính toán khắp nơi về cơ bản có thể đƣợc phân loại thành: phƣơng pháp phân tích cảnh, phƣơng pháp tiệm cận một số phƣơng pháp hình học nhƣ giao giao đƣờng tròn, giao góc, giao hyperbolic… Để đạt đƣợc độ chính xác cao hơn, một số hệ thống định vị thƣờng kết hợp sử dụng các phƣơng pháp trên.
2.6.2.1. Phương pháp định vị tiệm cận (proximity sensing).
Đây là phƣơng pháp đơn giản và đƣợc sử dụng rộng rãi nhất hiện nay để xác định vị trí của một thực thể, phƣơng pháp này dựa vào khoảng giới hạn trong vùng phủ sóng (vô tuyến, hồng ngoại hoặc sóng siêu âm…) của một trạm thu phát cơ sở (Base Station – BTS). Từ đó vị trí của thực thể cần định vị đƣợc xác định qua các toạ độ liên quan của trạm thu phát cơ sở.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp tiệm cận đƣợc mô tả trong hình C2.16. Hình C2.6 (a) là một ví dụ về trƣờng hợp sử dụng phƣơng pháp định vị tiệm cận thông qua ăng ten vô hƣớng, hình C2.16 (b) là ví dụ khác về việc sử dụng phƣơng pháp định vị tiệm cận thông qua ăng ten quạt. Các trạm thu phát cơ sở (đã biết trước vị trí) sẽ gửi hoặc nhận các tín hiệu điều khiển tới các thiết bị đầu cuối, nếu quá trình gửi nhận thành công thì có thể kết luận thiết bị đầu cuối đó đang trong phạm vi phủ sóng của mình.
Hình C2. 16: Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp định vị tiệm cận
2.6.2.2. Phương pháp phân tích cảnh (scene analysis)
Phƣơng pháp phân tích cảnh thực ra chỉ là một trƣờng hợp riêng của phƣơng pháp phân tích mẫu (pattern Matching). Phƣơng pháp phân tích cảnh có thể phân thành hai loại chính đó là phân tích cảnh tĩnh và phân tích cảnh động. Trong phân tích cảnh tĩnh, vị trí của một đối tƣợng có thể đƣợc xác định bằng cách so sánh ảnh chụp của một cảnh tạo ra từ đối tƣợng quan sát với một số ảnh đơn giản đã đƣợc ghi lại từ trƣớc (các ảnh này có thể được chụp từ các vị trí khác nhau và có các tọa độ cần quan tâm đã được xác định), trong đó các đối tƣợng hoặc là chính nó, hoặc là một đối tƣợng nào đó tồn tại trong cảnh.
Trong trƣờng hợp của phân tích các cảnh động, vị trí đối tƣợng cần xác định ở các điểm khác nhau trong các ảnh đƣợc chụp thành công từ một cảnh nào đó. Một ví dụ về việc sử dụng phƣơng pháp phân tích cảnh đƣợc mô tả trong
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
hình C2.17, trong đó hình dạng đƣờng chân trời đƣợc suy ra từ một cảnh cố định có thể đƣợc sử dụng để tra cứu vị trí từ một cơ sở dữ liệu đã xây dựng sẵn hoặc để tính toán sự chuyển động của các phƣơng tiện giao thông trong các camera giám sát.
Hình C2. 17: Một ví dụ về phƣơng pháp phân tích cảnh
2.6.2.3. Phương pháp giao khoảng cách (Lateration)
Với phƣơng pháp giao khoảng cách, các kết quả xác định đƣợc sẽ hoặc là khoảng cách hoặc sự chênh lệch về khoảng cách giữa đối tƣợng cần xác định vị trí tới ít nhất 3 trạm thu phát cơ sở. Cả hai thông tin trên sau đó tạo thành một hệ phƣơng trình gồm n công thức không tuyến tính, giải phƣơng trình này ta xác định đƣợc vị trí của đối tƣợng, trong đó n là số trạm cơ sở. Với n=3, phƣơng pháp giao khoảng cách đƣợc gọi phép đạc tam giác (trilateration).
Nếu định vị dựa trên việc xác định các khoảng cách, vị trí của các đối tƣợng lúc này sẽ đƣợc tính toán bằng phƣơng pháp giao đƣờng tròn (circular lateration), trong khi nếu định vị dựa trên sự chênh lệch khoảng cách thì vị trí của đối tƣợng sẽ xác định thông qua phƣơng pháp giao hyperbol (hyperbolic lateration). Ở đây chúng ta cũng cần phải lƣu ý vấn đề là làm cách nào để xác định các khoảng cách và chênh lệch khoảng cách một cách rõ ràng.
2.6.2.4. Giao đường tròn (Circular lateration)
Trong phƣơng pháp giao đƣờng tròn, trƣớc hết chúng ta giả thiết đã biết trƣớc các khoảng cách ri giữa đối tƣợng và các trạm thu phát cơ sở i (i = 1, . . . , n). Trong không gian hai chiều chúng đƣợc mô tả trong hình C2.18. Nếu chỉ có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
một trạm thu phát cơ sở, vị trí của đối tƣợng sẽ bị giới hạn trên đƣờng tròn có tâm là trạm BTS đó và bán kính chính là khoảng cách từ đối tƣợng đến BTS (xem hình C2.18 (a)). Nếu có thêm một trạm thu phát thứ 2 thì vị trí của đối tƣợng đƣợc giới hạn chỉ còn hai khả năng đó là hai vị trí giao nhau của vòng tròn ban đầu và vòng tròn mới (xem hình C2.18 (b)). Tƣơng tự nhƣ vậy nếu có thêm BTS thứ 3 chúng ta sẽ xác định đƣợc chính xác vị trí của đối tƣợng chính là điểm giao nhau của ba đƣờng tròn tƣơng ứng với tâm là vị trí của ba BTS, có bán kính tƣơng ứng với khoảng cách từ đối tƣợng đến ba BTS đó (xem hình C2.18 (c)).
Hình C2. 18: Phƣơng pháp giao đƣờng tròn trong không gian hai chiều
2.6.2.5. Giao Hyperbolic
Phƣơng pháp giao hyperbol là phƣơng pháp định vị bằng cách tính toán chênh lệch thời gian đến TDOA (Time Difference Of Arrival) của một tín hiệu đƣợc truyền từ đối tƣợng cần định vị tới ba hay nhiều bộ thu. Ở đây chúng ta cần phân biệt phƣơng pháp giao hyperbol với phƣơng pháp giao đƣờng tròn khoảng cách đó là phƣơng pháp giao hyperbol sử dụng các kết quả đo tuyệt đối của thời gian đến từ các vị trí khác nhau. Phƣơng pháp giao hyperbol đƣợc sử dụng phổ biến trong các ứng dụng cho dân dụng và quân sự để định vị máy bay, xe cơ giới hoặc các trạm phát.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nếu một xung đƣợc phát từ một điểm, nó sẽ có thời gian truyền khác nhau đến hai điểm khác nhau trong không gian, thời gian khác nhau này xuất phát từ nguyên nhân do khoảng cách từ các điểm thu đến điểm phát khác nhau. Trên thực tế, nếu biết trƣớc vị trí của hai điểm thu ta có thể xác định đƣợc vô số các điểm phát sao cho kết quả đo thời gian đến TDOA giống nhau. Nếu biết trƣớc vị trí hai bộ thu và TDOA, tập hợp các vị trí phát thoả mãn điều kiện trên sẽ nằm trên một trong hai nửa của hình hyperboloid. (xem hình C2.19)
Hình C2. 19: Tập hợp các điểm có cùng TDoA tới hai trạm thu sẽ nằm trên hai nửa của hình hyperboloid
2.6.2.6. Phương pháp giao góc (angulation)
Phƣơng pháp giao góc là phƣơng pháp định vị đối tƣợng từ các toạ độ đã biết của một số trạm thu phát cơ sở tuy nhiên đối ngƣợc với phƣơng pháp giao khoảng cách trong đó là sử dụng các khoảng cách đo đƣợc để xác định toạ độ, phƣơng pháp giao góc sử dụng các góc giữa đối tƣợng và các trạm BTS làm cơ sở để xác định vị trí.
Để xác định đƣợc các góc này các trạm thu phát cơ sở hoặc các thiết bị đầu cuối cần phải đƣợc trang bị các loại ăng ten mảng (array antena) và tuỳ thuộc vào cấu trúc định vị dựa trên cơ sở mạng hay cấu trúc dựa trên thiết bị. Do vấn đề phức tạp trong thiết kế và để giảm giá thành, trong hầu hết các hệ thống sử
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
dụng phƣơng pháp giao góc hiện nay các ăng ten mảng đƣợc sử dụng chủ yếu phía trạm thu phát cơ sở.
Nguyên tắc cơ bản của phƣơng pháp giao góc đƣợc mô tả trong hình C2.18. Góc tới của tín hiệu điều khiển đƣợc đo tại trạm BTS do đó chúng hạn chế vị trí của đối tƣợng dọc theo một đƣờng thẳng giao nhau giữa đối tƣợng và vị trí BTS. Nếu một góc tới trạm BTS thứ hai đƣợc xác định, đƣờng thẳng khác sẽ đƣợc xác định và giao nhau giữa hai đƣờng thẳng trên chính là vị trí của đối tƣợng. Nhƣ vậy theo lý thuyết để có thể xác định đƣợc vị trí của đối tƣợng ta chỉ cần xác định đƣợc góc tƣơng ứng giữa đối tƣợng đó và hai trạm BTS là đủ.
2.6.2.7. Phương pháp dấu vân tay trong mạng nội bộ không dây (WLAN Fingerprint)
Về bản chất phƣơng pháp Fingerprint đƣợc chia thành hai giai đoạn: giai đoạn off-line là giai đoạn trong đó hệ thống sẽ ghi lại các mẫu thông số thu đƣợc của cƣờng độ tín hiệu từ tập hợp các điểm tham chiếu hữu hạn đã xác định trƣớc sau đó lƣu trữ chúng trong một cơ sở dữ liệu để tiện cho việc ánh xạ và đánh giá sau này. Ví dụ trong một phƣơng pháp đơn giản cơ sở dữ liệu này có thể chứa các bản ghi có dạng (p, RSS1, . . . , RSSn), trong đó p biểu thị điểm tham chiếu và RSSi với i = 1, . . . , n biểu thị giá trị RSS của AP thứ i. Tuy nhiên RSS phụ thuộc rất nhiều vào việc giữa bộ thu và phát có thể nhìn thấy nhau hay không (line-of-sight) và hƣớng của đối tƣợng tại một vị trí, do đó hầu hết các bản ghi RSS trong cơ sở dữ liệu có chứa thêm thông tin về một số hƣớng của đối tƣợng (chẳng hạn như hướng Đông, Tây, Nam, Bắc hoặc biểu thị qua các độ đo 00,900,1800,2700 …) tại mỗi điểm tham chiếu, kết quả là thông tin trong bản
(X1,Y1)
(X2,Y2) α1
α2
Trạm thu phát cơ sở Thiết bị đầu cuối
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ghi cơ sở dữ liệu sẽ có dạng (p, d, RSS1, . . . , RSSn). Bảng 2.1 cho ta một ví dụ về một cơ sở dữ liệu đƣợc tạo ra theo cách này.
Bảng 2.1: Ví dụ về một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin đƣợc xác định trƣớc trong phƣơng pháp fingerprint.
Vị trí Hƣớng RSS[dbm] 00-15-F2-52-42-1D RSS[dbm] 01-36-E4-89-45-1A RSS[dbm] 0A-CA-56-21-40-7C P1 0O -21 -75 -81 90O -23 -76 -83 180O -25 -71 -85 270O -19 -79 -80 P2 0O -33 -66 -78 90O -30 -69 -72 180O -29 -65 -76 270O -35 -64 -79 P3 0O -51 -41 -16 90O -53 -43 -14 180O -56 -46 -18 270O -50 -40 -17
Bảng 1: Dữ liệu thông tin trong phƣơng pháp fingerprint
Các điểm tham chiếu có thể đƣợc xác định theo một nguyên tắc nhất định chẳng hạn nhƣ cách đều nhau trong trong không gian tuỳ theo độ chính xác yêu cầu hoặc cấu trúc của toà nhà. Ví dụ nhƣ trong hình C2.21 các điểm tham chiếu có thể đƣợc xác định theo giá trị trung bình dựa theo toạ độ Đề Các, dựa theo số phòng hoặc một hệ thống tham chiếu nào đó. Giai đoạn off-line còn đƣợc gọi là giai đoạn giai đoạn học (training) hoặc giai đoạn giai đoạn xác định (calibration).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong giai đoạn trực tuyến (on-line) hay còn gọi là giai đoạn thời gian thực, các mẫu RSS tƣơng ứng với vị trí thực thể đƣợc lƣu lại sau đó đƣợc so sánh với các trƣờng RSS của các bản ghi đã đƣợc lƣu trữ trong cơ sở dữ liệu. Vị trí của đối tƣợng sau đó đƣợc xác định bằng cách so sánh giá trị đo đƣợc với giá trị gần nhất trong cơ sở dữ liệu theo các phƣơng pháp và thuật toán khác nhau.
Hình C2. 21: Ví dụ về một môi trƣờng áp dụng phƣơng pháp fingerprint
Phƣơng pháp Fingerprint có thể đƣợc triển khai thông qua ba mô hình: mô hình có sự trợ giúp của thiết bị đầu cuối (terminal assisted), mô hình dựa trên thiết bị đầu cuối (terminal based) và mô hình dựa trên kết nối mạng (network based) (xem hình C2.22). Với mô hình có sự trợ giúp của thiết bị đầu cuối và mô hình dựa trên thiết bị đầu cuối, cơ sở dữ liệu đƣợc xác định từ các phép đo hƣớng về tại các điểm tham chiếu khác nhau trong giai đoạn off-line. Với mục