3.2.1.1 Giới thiệu GPS
Hệ định vị toàn cầu GPS là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 quả vệ tinh được đặt trên quỹ đạo không gian. Các hệ thống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện. Được biết nhiều nhất là các hệ thống có tên gọi LORAN, hoạt động ở giải tần 90-100kHz chủ yếu dùng cho hàng
MapX Giao diện chƣơng trình PM quản lý dữ liệu Mapinfo Hệ quản trị CSDL Access CSDL Hình Học Tệp tọa độ Tệp tôpô CSDL Thuộc Tính Bảng thuộc tính Tệp tôpô Hình 3.1 Mô hình của hệ thống
hải, hay TACAN dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME, dùng cho hàng không dân dụng. Gần như đồng thời với Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONAS. Hiện nay Cộng đồng Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo. Chú ý rằng cả GPS và GLONAS đều được phát triển trước hết cho mục đích quân sự. Nên mặc dù chúng có cho dùng dân sự nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác. Vì thế chúng không thoả mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó. Chỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu GALILEO (đang được xây dựng) ngay từ đầu đã đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự.)
GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 đã được sử dụng dân sự. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất, 24 giờ một ngày. Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS.
3.2.1.2 Cách hoạt động của GPS
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. 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. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Máy thu GPS phải khoá được với tín hiệu của ít nhất ba quả vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (2D, kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Với bốn hay nhiều hơn số quả vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (3D, kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.
3.2.1.3 Chính xác của GPS
Các máy thu GPS hôm nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song của Garmin nhanh chóng khoá vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ này, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Tình
trạng nhất định của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS. Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét.
Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới ba mét. Không cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS vi sai sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ.
Hệ thống vệ tinh GPS gồm 24 quả vệ tinh làm nên vùng không gian GPS trên quỹ đạo 12 nghìn dặm cách bề mặt trái đất. Chúng chuyển động ổn định, hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ. Các vệ tinh này chuyển động với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ.
Các vệ tinh được nuôi bằng năng lượng mặt trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng mặt trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
3.2.1.4 Tín hiệu GPS - Cấu trúc tín hiệu GPS
Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp giải L1 và L2. (Giải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0.39 tới 1.55GHz). GPS dân sự dùng tần số L1 1573.42 MHz trong giải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà. Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch. Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào là phát thông tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào. Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống. Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh, ngày giờ hiện tại. Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí. Các máy nhận tín hiệu GPS phần lớn được thiết kế kết nối với máy tính qua cổng RS232.
Một trong những kỹ thuật đo GPS đã và đang được ứng dụng rộng rãi hiện nay là DGPS. Dữ liệu GPS khi đó sẽ được định dạng theo chuẩn GPGGA, cấu trúc một khung dữ liệu GPS có dạng : $GPGGA, hhmmss.ss, llll.ll, r, yyyyy.yy, r, a, qq, b.b, c.c, M, d.d, M, e.e, xxxx*hh
Đoạn dữ liệu Ý nghĩa
$GPGGA Frame dữ liệu nhận được theo chuẩn GPGGA hhmmss.ss Thời gian xác lập tín hiệu theo giờ GMT llll.ll Xác định vĩ độ
R N - Bắc; S – Nam; W – Tây; E – Đông. Yyyyy.yy Xác định kinh độ
A Xác định chất lượng tín hiệu: -0 = Tín hiệu lỗi
-1 = tín hiệu nhận đựơc theo phép đo GPS thường -2 = Tín hiệu nhận được theo phép đo GPS vi sai qq Số lượng vệ tinh đã khoá tín hiệu
c.c Thông tin về quĩ đạo vệ tinh
M Định đơn vị
d.d Thông tin về vệ tinh e.e Thông tin về tín hiệu xxxx*hh Kiểm tra tín hiệu
Theo cách phân tích dữ liệu chuẩn GPGGA 1 frame dữ liệu được chia thành 15 đoạn dữ liệu khác nhau, mỗi đoạn được xác định và ngăn cách nhau bởi dấu “, “. Ví dụ khi giải mã đoạn tín hiệu :$GPGGA, 011123.80, 2049.5430423, N, 10642.0399564, E, 2, 09, 1.1, -2.34, M, -17.60, M, 6.0, 0647*4B
$GPGGA : chỉ rõ tín hiệu nhận được theo chuẩn $GPGGA.
011123.80 : thời gian tín hiệu được xác lập là 1giờ 11 phút 23 giây 80 giờ GMT khi đổi sang giờ Việt Nam là 8 giờ 11 phút 23 giây 80.
2049.5430423: Vĩ độ của đối tượng được xác định là 20 độ 49 phút 54.30423 giây.
N: Vĩ độ bắc.
10642.0399564: kinh độ của đối tượng được xác định là 106 độ 42 phút 03.99564 giây.
E: Kinh độ đông.
2 : Tín hiệu nhận được theo kĩ thuật đo DGPS (phép đo GPS vi sai)
09 : Tín hiệu nhận được đã được khoá với 9 vệ tinh.
Hình 3.2 Xác định vị trí bằng GPS
3.2.2 Phương pháp đọc tín hiệu GPS từ máy thu GPS
Trong môi trường Windows việc truyền thông trực tiếp qua cổng RS232 được thực hịên qua một ActiveX có sẵn là Microsoft Comm Control. ActiveX này được lưu trữ trong file MSCOMM32.OCX. Để sử dụng Microsoft Comm Control chỉ cần bổ sung ActiveX này vào Basic Project thông qua menu Project > Components như các ActiveX đơn thuần khác. Sau đây là một số thuộc tính của đối tượng Microsoft Comm Control được sử dụng trong chương trình đọc và phân tích tín hiệu nhận được thông qua máy thu GPS.
Thuộc tính Mô tả
CommPort Số thứ tự cổng truyền thông Input Nhận kí tự từ bộ đệm Output Xuất kí tự qua cổng nối tiếp PortOpen Đóng / Mở cổng tuyền thông Settings Xác định các tham số truyền thông
Settings:
Xác định các tham số cho cổng nối tiếp. Cú pháp:
MSComm1.Settings = ParamString
MSComm1: tên đối tượng
BBBB: tốc độ truyền dữ liệu (bps) trong đó các giá trị hợp lệ là:
110 2400 38400
300 9600 (mặc định) 56000
600 14400 188000
1200 19200 256000
P: kiểm tra chẵn lẻ, với các giá trị: Giá trị Mô tả
O Odd (kiểm tra lẻ) E Even (kiểm tra chẵn)
M Mark (luôn bằng 1)
S Space (luôn bằng 0)
N Non (không kiểm tra)
D: số bit dữ liệu (4, 5, 6, 7 hay 8), mặc định là 8 bit.
S: số bit stop (1, 1.5, 2). Ví dụ MSComm1.Settings = "9600, O, 8, 1" sẽ xác định tốc độ truyền 9600bps, kiểm tra parity lẻ với 1 bit stop và 8 bit dữ liệu.
CommPort:
Xác định số thứ tự của cổng truyền thông. Cú pháp:
MSComm1.CommPort = PortNumber
PortNumber là giá trị nằm trong khoảng từ 1 tới 99, mặc định là 1.
Thí dụ MSComm1.CommPort = 1 xác định mở dữ liệu cổng COM1
PortOpen: Ðặt trạng thái hay kiểm tra trạng thái đóng / mở của cổng nối tiếp. Nếu dùng thuộc tính này để mở cổng nối tiếp thì phải sử dụng trước hai thuộc tính Settings và CommPort. Cú pháp MSComm1.PortOpen = True | False. Giá trị xác định true để mở cổng và false để đóng cổng đồng thời xoá toàn bộ nội dung trong bộ đệm truyền và nhận. Thí dụ Mở cổng COM1 với tốc độ truyền 9600 bps
MSComm1.Settings = "9600, N, 8, 1" MSComm1.CommPort = 1
MSComm1.PortOpen = True
Các thuộc tính nhận dữ liệu:
Input: Nhận một chuỗi ký tự từ bộ đệm nhận và xoá khỏi bộ đệm nhận. Cú pháp: InputString = MSComm1.Input . Thuộc tính này kết hợp với InputLen xác định số ký tự đọc vào. Nếu InputLen = 0 thì sẽ đọc toàn bộ dữ liệu có trong bộ đệm.
InBufferCount: Số ký tự có trong bộ đệm nhận. Cú pháp: Count = MSComm1.InBufferCount . Thuộc tính này cũng được dùng để xoá bỏ bộ đệm nhận bằng cách gán giá trị 0. MSComm1.InBufferCount = 0
InBufferSize: Đặt và xác định kích thước bộ đệm nhận (tính bằng byte). Cú pháp: MSComm1.InBufferCount = NumByte . Giá trị mặc định là 1024 byte. Kích thước bộ đệm này phải đủ lớn để tránh tình trạng mất dữ liệu. Thí dụ Ðọc toàn bộ nội dung trong bộ đệm nhận nếu có dữ liệu
MSComm1.InputLen = 0
If MSComm1.InBufferCount <> 0 Then InputString = MSComm1.Input
End If
Các thuộc tính xuất dữ liệu:
Bao gồm các thuộc tính Output, OutBufferCount và OutBufferSize, chức năng của các thuộc tính này giống như các thuộc tính nhập.
CDTimeout: Ðặt và xác định khoảng thời gian lâu nhất (tính bằng ms) từ lúc phát hiện sóng mang cho tới lúc có dữ liệu. Nếu quá khoảng thời gian này mà vẫn chưa có dữ liệu thì sẽ gán thuộc tính CommEvent là CDTO (Carrier Detect Timeout Error) và tạo sự kiện OnComm.Cú pháp: MSComm1.CDTimeout = NumTime DSRTimeout: Xác định thời gian chờ tín hiệu DSR trước khi xảy ra sự kiện OnComm.
CTSTimeout: Ðặt và xác định khoảng thời gian lớn nhất (tính bằng ms) đợi tín hiệu CTS trước khi đặt thuộc tính CommEvent là CTSTO và tạo sự kiện OnComm. Cú pháp: MSComm1.CTSTimeout = NumTime
DSRTimeout: Xác định thời gian chờ tín hiệu DSR trước khi xảy ra sự kiện OnComm.
CTSTimeout: Ðặt và xác định khoảng thời gian lớn nhất (tính bằng ms) đợi tín hiệu CTS trước khi đặt thuộc tính CommEvent là CTSTO và tạo sự kiện OnComm. Cú pháp: MSComm1.CTSTimeout = NumTime
CTSHolding: Xác định đã có tín hiệu CTS hay chưa, tín hiệu này dùng cho quá trình bắt tay bằng phần cứng (cho biết DCE sẵn sàng nhận dữ liệu) trả về giá trị True hay False.
DSRHolding: Xác định trạng thái DSR (báo hiệu sự tồn tại của DCE), trả về giá trị True hay False.
DTREnable: Ðặt hay xoá tín hiệu DTR để báo sự tồn tại của DTE. Cú pháp: MSComm1.DTREnable = True | False
RTSEnable: Ðặt hay xoá tín hiệu RTS yêu cầu truyền dữ liệu đến DTE. Cú pháp: MSComm1.RTSEnable = True | False
NullDiscard: Cho phép nhận các ký tự NULL (rỗng) hay không (= True: cấm). Cú pháp: MSComm1.NullDiscard = True | False
SThreshold: Số byte trong bộ đệm truyền làm phát sinh sự kiện OnComm. Nếu giá trị này bằng 0 thì sẽ không tạo sự kiện OnComm. Cú pháp: MSComm1.SThreshold = NumChar
HandShaking: Chọn giao thức bắt tay khi thực hiện truyền dữ liệu. Cú pháp: MSComm1.HandShaking = Protocol . Các giao thức truyền bao gồm:
Giao thức Giá trị Mô tả
ComNone 0 Không bắt tay (mặc định)
ComXon/Xoff 1 Bắt tay phần mềm
ComRTS 2 Bắt tay phần cứng
ComRTSXon/Xoff 3 Bắt tay phần cứng và phần mềm
CommEvent: Trả về các lỗi truyền thông, các sự kiện xảy ra tại cổng nối tiếp
Lỗi Giá trị Mô tả
ComBreak 1001 Nhận tín hiệu Break ComCTSTO 1002 Carrier Detect Timeout
ComFrame 1004 Lỗi khung
ComOver 1006 Phần cứng không đọc ký tự trước khi gửi ComCDTO 1007 Carrier Detect Timeout
ComRxOver 1008 Tràn bộ đệm nhận ComRxParity 1009 Lỗi parity
3.3 Phân tích và thiết kế chƣơng trình
3.3.1 Biểu đồ phân cấp chức năng
Cấu trúc chương trình gồm 5 khối chức năng cơ bản :
1. Khối hiển thị bản đồ : với chức năng hiển thị bản đồ số theo các yêu cầu khác nhau.
2. Khối cập nhật bản đồ: có chức năng cập nhật dữ liệu không gian và phi không gian.
3. Khối tìm kiếm và hiển thị: có chức năng tìm kiếm và hiển thị thông tin các đối tượng trên bản đồ số.
4. Khối các tiện ích bản đồ : với chức năng cung cấp cho người dùng những tiện ích khi thao tác với bản đồ số.
5. Khối phân quyền : với chức năng phân quyền hạn của người sử dụng chương trình.
Hình 3.3 Biểu đồ phân rã chức năng hệ thống
Trong chế độ phân quyền người dùng được phân thành ba cấp khác nhau. Người dùng cấp I, mặc định là administrator, là người dùng duy nhất có khả năng thêm hoặc xoá một người dùng cấp II. Thông tin về người dùng cấp I, II sẽ được lưu trữ trong kho dữ liệu người dùng và được lấy ra so sánh khi người dùng đăng nhập hệ thống. Để bảo đảm an toàn dữ liệu các thông tin này trước khi được lưu trữ
Hệ Thống thông tin Hiển thị bản đồ Cập nhật bản đồ Tìm kiếm và hiển thị Các tiện ích bản đồ Mở bản đồ Phóng to, thu nhỏ Di chuyển bản đồ Hiện bản đồ theo layer Cập nhật thông tin đối tương
Thêm đối tượng mới
Xoá bỏ đối tượng
Tìm đối tượng theo yêu cầu
Hiển thị thông tin đối tượng
Di chuyển nhanh Đo khoảng cách Đánh dấu toạ độ Phân quyền Thêm người dùng cấp II Xoá người dùng cấp II Thay đổi password Phân tích tín hiệu GPS
trong CSDL người dùng đã được mã hoá bằng hàm băm RSA tự xây dựng. Người dùng cấp I, II có thể thực hiện cả 5 khối chức năng của chương trình. Người dùng cấp III là người dùng không cần đăng nhập hệ thống khi sử dụng chương trình và chỉ có thể sử dụng ba khối chức năng cơ bản : khối chức năng hiển thị bản đồ, khối chức năng tìm kiếm và hiển thị, khối chức năng tiện ích bản đồ.