Đánh Giá Các Kỹ Thuật Định Vị Phương Tiện Vận Tải Sử Dụng GPS

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Đánh giá các kỹ thuật định vị phương tiện vận tải sử dụng gps đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Tác giả: Trần Tuấn Dương
• Người hướng dẫn: TS. Võ Trường Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông
• Đề tài: Đánh Giá Kỹ Thuật Định Vị Phương Tiện Vận Tải Sử Dụng GPS
• Loại tài liệu: Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Sinh Viên
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 0.3. Đối tượng nghiên cứu
• 0.4. Phạm vi nghiên cứu
• 0.5. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
• 0.6. Cấu trúc báo cáo nghiên cứu khoa học
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM)
• 1.1. Tổng quan về hệ thống GPS
• 1.2. Vài nét về lịch sử phát triển của hệ thống GPS
• 1.3. Cấu trúc hệ thống GPS
• 1.3.1. Phần không gian (Space Segment)
• 1.3.2. Phần điều khiển (Control Segment)
• 1.3.3. Phần người sử dụng (Use Segment)
• 1.4. Các trị đo của hệ thống GPS
• 1.5. Nguyên lý định vị GPS
• 1.5.1. Định vị tuyệt đối
• 1.5.2. Định vị tương đối
• 1.6. Các ứng dụng của GPS
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG GPS
• 2.1. Cấu trúc tín hiệu GPS
• 2.2. Cấu trúc bản tin GPS
• 2.3. Thông số chuyển đổi giờ vệ tinh (UTC) thành giờ trái đất (GMT)
• 2.4. Tọa độ của các vệ tinh trong không gian
• 2.5. Thời gian vệ tinh phát bản tin
• 2.6. Nhiễu chọn lựa có sẵn (SA)
• 2.7. Các kiểu truyền tín hiệu GPS
• 2.7.1. Phương thức truyền trực tuyến (online)
• 2.7.1.1. Để quản lý phương tiện vận tải theo phương thức trực tuyến chúng ta cần phải có các thiết bị và hệ thống như sau
• 2.7.1.2. Nguyên tắc hoạt động hệ thống
• 2.7.1.3. Trường hợp trung tâm điều khiển mất tín hiệu tạm thời của thiết bị GPS
• 2.7.2. Phương thức truyền không trực tuyến (offline)
• 2.8. Những kỹ thuật đo GPS
• 2.8.1. Đo GPS tuyệt đối
• 2.8.2. Đo GPS tương đối
• 2.8.3. Đo cải chính phân sai DGPS
• 2.8.3.1. Cơ sở lý thuyết đo DGPS
• 2.8.3.2. Các phương pháp đo DGPS
• 2.9. Phương pháp tính toán dự đoán vị trí của máy thu GPS khi tín hiệu GPS không tích cực
• 2.9.1. Tích hợp GPS/INS
• 2.9.1.1. INS (Inertial navigation system) - Hệ thống dẫn đường quán tính
• 2.9.1.2. Hệ thống dẫn đường tích hợp GPS/INS
• 2.9.2. Kết hợp GPS/GSM
• 2.9.3. Kết hợp máy thu GPS với thiết bị thu phát tín hiệu GPS qua mạng Ad-Hoc
• 2.10. Giới thiệu mạng Ad-Hoc (Ad-Hoc Network)
• 2.11. Sự kết hợp giữa thiết bị thu GPS và thiết bị thu phát tín hiệu trong mạng Ad-Hoc
• 2.12. Khả năng máy thu GPS kết hợp định vị giữa 2 hệ thống vệ tinh GLONASS và GPS
• 2.13. Tích hợp GPS/LRF (Laser Ranger Finders)
• 2.14. Tích hợp GPS/Pseudolite (Pseudo Satellite Integration)
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ SUẤT SƠ BỘ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG GPS
• 3.1. ƯU ĐIỂM CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG GPS
• 3.1.1. Cung cấp tín hiệu nhanh chóng, thời gian thực và phạm vi rộng
• 3.1.2. Độ chính xác cao (phạm vi sai số nhỏ) và ngày càng được cải thiện hơn nữa
• 3.1.3. Tăng hiệu quả quản lý phương tiện
• 3.2. NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN TẢI SỬ DỤNG GPS
• 3.2.1. Mất tín hiệu trong GPS
• 3.2.1.1. Nguyên nhân gây mất tín hiệu
• 3.2.1.2. Cách khắc phục
• 3.2.2. Sai số trong phương pháp định vị phương tiện vận tải dùng GPS
• 3.2.2.1. Các nguyên nhân gây sai số và cách khắc phục
• 3.2.2.2. Một số cách khắc phục khác
• 3.3. ĐỀ SUẤT SƠ BỘ CÁC GIẢI PHÁP PHÁP NHẰM NÂNG CAO TÍNH CHÍNH CỦA KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ PHƯƠNG TIỆN VẬN SỬ DỤNG GPS
• 3.3.1. Lập hệ thống nội bộ
• 3.3.2. Phương pháp kết hợp
• DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Kỹ Thuật Định Vị GPS Cho Phương Tiện

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là một hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo. Hệ thống này do Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. GPS cho phép xác định tọa độ của một điểm trên mặt đất bằng cách đo khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh. Dù được quản lý bởi quân đội Hoa Kỳ, GPS cung cấp một số chức năng miễn phí cho người dùng trên toàn thế giới. Ứng dụng quan trọng nhất của GPS là định vị và điều hướng. Ban đầu, GPS được thiết kế cho mục đích quân sự, nhưng hiện nay nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực dân sự như hàng không, đường biển, đường bộ, và robot. GPS cũng hữu ích trong các ứng dụng hàng ngày như tìm đường, dự báo thời tiết, cứu nạn, nghiên cứu và giáo dục.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Hệ Thống Định Vị GPS

Từ những năm 1960, NASA và Quân đội Hoa Kỳ đã nghiên cứu và phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ thống định vị vệ tinh thế hệ đầu tiên là TRANSIT, với 6 vệ tinh hoạt động theo nguyên lý Doppler, được sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Sau TRANSIT, hệ thống NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging – Global Positioning System) ra đời. Hệ thống này ban đầu gồm 24 vệ tinh trên 6 quỹ đạo nghiêng 55° so với mặt phẳng xích đạo, với chu kỳ 11 giờ 57 phút 58 giây ở độ cao xấp xỉ 20.000 km. So với TRANSIT, GPS có độ chính xác cao hơn và thời gian quan trắc ngắn hơn. Hiện nay, có 32 vệ tinh GPS đang hoạt động. Song song với GPS của Mỹ, còn có hệ thống GLONASS của Nga và hệ thống GALILEO của Châu Âu. Ở Việt Nam, định vị bằng vệ tinh đã được ứng dụng từ đầu những năm 1990, đóng vai trò quan trọng trong việc lập hệ quy chiếu quốc gia mới và lưới địa chính cơ sở.

1.2. Cấu Trúc Cơ Bản Của Hệ Thống Định Vị GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm ba phần chính: phần không gian (Space Segment), phần điều khiển (Control Segment) và phần người sử dụng (Use Segment). Phần không gian bao gồm 24 vệ tinh quay quanh Trái Đất trên 6 quỹ đạo bay, ở độ cao 20.200 km và góc nghiêng 55° so với mặt phẳng xích đạo, với chu kỳ quay 11 giờ 57 phút 58 giây. Các vệ tinh được sắp xếp để tối thiểu 4 vệ tinh có thể được nhìn thấy từ bất kỳ điểm nào trên Trái Đất. Mỗi vệ tinh truyền trên hai dải tần số L, với tín hiệu thay đổi theo thời gian đến người sử dụng. Tần số L1 (1575.6 MHz) mang mã P (Precise code) và mã C/A (Coarse/Acquisition code). Mã C/A là một chuỗi 1023 số nhị phân được sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên, có chiều dài 1ms và tần số 1.023 MHz.

II. Các Kỹ Thuật Định Vị Phương Tiện Vận Tải Sử Dụng GPS

Các kỹ thuật định vị phương tiện vận tải sử dụng GPS dựa trên việc thu thập và xử lý tín hiệu từ các vệ tinh GPS để xác định vị trí của phương tiện. Tín hiệu GPS chứa thông tin về thời gian phát tín hiệu và vị trí của vệ tinh. Bằng cách đo thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh đến máy thu GPS trên phương tiện, có thể tính toán khoảng cách từ phương tiện đến vệ tinh. Với thông tin từ ít nhất bốn vệ tinh, máy thu GPS có thể xác định vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ, độ cao) và thời gian hiện tại. Các kỹ thuật này có thể được chia thành hai loại chính: định vị tuyệt đối và định vị tương đối. Định vị tuyệt đối sử dụng tín hiệu từ một máy thu GPS duy nhất để xác định vị trí. Định vị tương đối sử dụng tín hiệu từ hai hoặc nhiều máy thu GPS để cải thiện độ chính xác.

2.1. Cấu Trúc Tín Hiệu GPS Và Bản Tin Định Vị

Tín hiệu GPS được truyền trên hai tần số chính: L1 (1575.42 MHz) và L2 (1227.60 MHz). Tần số L1 mang cả mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P (Precise), trong khi tần số L2 chỉ mang mã P. Mã C/A là một mã giả ngẫu nhiên được sử dụng cho mục đích dân sự và có độ chính xác thấp hơn. Mã P là một mã giả ngẫu nhiên được sử dụng cho mục đích quân sự và có độ chính xác cao hơn. Bản tin GPS chứa thông tin về thời gian, vị trí của vệ tinh, và các thông số hiệu chỉnh. Thông tin này được sử dụng để tính toán vị trí của máy thu GPS. Bản tin GPS được truyền với tốc độ 50 bps và được chia thành các khung, mỗi khung chứa 1500 bit.

2.2. Các Kiểu Truyền Tín Hiệu GPS Trực Tuyến Online Offline

Có hai phương thức truyền tín hiệu GPS chính: trực tuyến (online) và không trực tuyến (offline). Trong phương thức trực tuyến, dữ liệu vị trí được truyền liên tục từ thiết bị GPS về trung tâm điều khiển thông qua mạng di động hoặc các kênh truyền thông khác. Điều này cho phép theo dõi vị trí phương tiện theo thời gian thực. Để quản lý phương tiện vận tải theo phương thức trực tuyến, cần có các thiết bị như thiết bị GPS, SIM card, và hệ thống phần mềm quản lý. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống là thiết bị GPS thu thập dữ liệu vị trí, sau đó truyền dữ liệu này về trung tâm điều khiển thông qua mạng di động. Trong trường hợp trung tâm điều khiển mất tín hiệu tạm thời của thiết bị GPS, dữ liệu sẽ được lưu trữ và truyền lại khi có kết nối. Trong phương thức không trực tuyến, dữ liệu vị trí được lưu trữ trên thiết bị GPS và chỉ được truyền về trung tâm điều khiển khi có yêu cầu hoặc khi thiết bị kết nối với mạng.

III. Phương Pháp Tính Toán Vị Trí Khi Mất Tín Hiệu GPS

Trong thực tế, tín hiệu GPS có thể bị mất do nhiều nguyên nhân, như che khuất bởi các tòa nhà cao tầng, hầm, hoặc rừng cây. Để giải quyết vấn đề này, có nhiều phương pháp tính toán dự đoán vị trí của máy thu GPS khi tín hiệu GPS không tích cực. Một trong những phương pháp phổ biến là tích hợp GPS với các hệ thống dẫn đường quán tính (INS). INS sử dụng các cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển để đo gia tốc và vận tốc góc của phương tiện. Dữ liệu từ INS được sử dụng để tính toán vị trí của phương tiện trong khoảng thời gian ngắn khi tín hiệu GPS bị mất. Một phương pháp khác là kết hợp GPS với GSM (Global System for Mobile Communications). GSM sử dụng thông tin từ các trạm phát sóng di động để ước tính vị trí của phương tiện.

3.1. Tích Hợp GPS INS Hệ Thống Dẫn Đường Quán Tính

INS (Inertial Navigation System) là hệ thống dẫn đường quán tính sử dụng các cảm biến gia tốc và con quay hồi chuyển để đo gia tốc và vận tốc góc của phương tiện. Hệ thống này hoạt động độc lập và không cần tín hiệu bên ngoài. Tuy nhiên, INS có sai số tích lũy theo thời gian. Do đó, việc kết hợp GPS và INS giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống định vị. GPS cung cấp thông tin vị trí chính xác, trong khi INS cung cấp thông tin về vận tốc và hướng di chuyển. Sự kết hợp này giúp giảm thiểu sai số và duy trì khả năng định vị khi tín hiệu GPS bị mất. Thuật toán Kalman thường được sử dụng để kết hợp dữ liệu từ GPS và INS.

3.2. Kết Hợp GPS GSM Để Nâng Cao Độ Chính Xác

Kết hợp GPS với GSM (Global System for Mobile Communications) là một phương pháp khác để cải thiện độ chính xác định vị. GSM sử dụng thông tin từ các trạm phát sóng di động để ước tính vị trí của phương tiện. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong môi trường đô thị, nơi tín hiệu GPS có thể bị che khuất. Có nhiều phương pháp định vị dựa trên GSM, bao gồm Cell ID, Enhanced Observed Time Difference (E-OTD), và Assisted GPS (A-GPS). Cell ID xác định vị trí dựa trên trạm phát sóng di động gần nhất. E-OTD đo thời gian tín hiệu truyền từ các trạm phát sóng di động đến thiết bị di động. A-GPS sử dụng thông tin từ mạng di động để hỗ trợ việc thu thập tín hiệu GPS.

IV. Ưu Điểm Và Nhược Điểm Của Định Vị GPS Hiện Nay

Định vị phương tiện vận tải sử dụng GPS mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Hệ thống cung cấp tín hiệu nhanh chóng, thời gian thực và phạm vi rộng, cho phép theo dõi phương tiện trên toàn cầu. Độ chính xác của GPS ngày càng được cải thiện, giúp xác định vị trí với sai số nhỏ. Điều này tăng hiệu quả quản lý phương tiện, giảm chi phí và nâng cao an toàn. Tuy nhiên, phương pháp này cũng tồn tại một số nhược điểm. Tín hiệu GPS có thể bị mất trong các khu vực che khuất, như hầm, tòa nhà cao tầng, hoặc rừng cây. Ngoài ra, sai số trong GPS có thể do nhiều nguyên nhân, như sự chậm trễ của tín hiệu trong tầng khí quyển, sai số đồng hồ vệ tinh, và nhiễu đa đường.

4.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Phương Pháp Định Vị GPS

Phương pháp định vị GPS mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Thứ nhất, nó cung cấp tín hiệu nhanh chóng và theo thời gian thực, cho phép theo dõi vị trí phương tiện một cách liên tục. Thứ hai, phạm vi phủ sóng rộng của GPS cho phép theo dõi phương tiện trên toàn cầu. Thứ ba, độ chính xác của GPS ngày càng được cải thiện, giúp xác định vị trí với sai số nhỏ. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, như dẫn đường tự động và quản lý đội xe. Cuối cùng, GPS giúp tăng hiệu quả quản lý phương tiện, giảm chi phí và nâng cao an toàn.

4.2. Nhược Điểm Cần Lưu Ý Của Định Vị GPS

Mặc dù có nhiều ưu điểm, định vị GPS cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý. Một trong những nhược điểm lớn nhất là tín hiệu GPS có thể bị mất trong các khu vực che khuất, như hầm, tòa nhà cao tầng, hoặc rừng cây. Điều này có thể gây khó khăn trong việc theo dõi phương tiện trong các khu vực này. Ngoài ra, sai số trong GPS có thể do nhiều nguyên nhân, như sự chậm trễ của tín hiệu trong tầng khí quyển, sai số đồng hồ vệ tinh, và nhiễu đa đường. Các sai số này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của vị trí được xác định.

V. Giải Pháp Nâng Cao Độ Chính Xác Định Vị GPS

Để nâng cao tính chính xác của kỹ thuật định vị phương tiện vận tải sử dụng GPS, có nhiều giải pháp có thể được áp dụng. Một trong những giải pháp hiệu quả là lập hệ thống nội bộ, sử dụng các trạm tham chiếu GPS để hiệu chỉnh sai số. Các trạm tham chiếu này thu thập dữ liệu GPS và so sánh với vị trí đã biết của chúng, sau đó truyền thông tin hiệu chỉnh đến các máy thu GPS trên phương tiện. Một giải pháp khác là sử dụng phương pháp kết hợp, tích hợp GPS với các hệ thống định vị khác, như INS, GSM, hoặc các cảm biến khác. Sự kết hợp này giúp giảm thiểu sai số và duy trì khả năng định vị khi tín hiệu GPS bị mất.

5.1. Lập Hệ Thống Nội Bộ Để Hiệu Chỉnh Sai Số GPS

Lập hệ thống nội bộ là một giải pháp hiệu quả để nâng cao độ chính xác định vị GPS. Hệ thống này bao gồm các trạm tham chiếu GPS được đặt ở các vị trí đã biết. Các trạm tham chiếu này thu thập dữ liệu GPS và so sánh với vị trí đã biết của chúng, sau đó truyền thông tin hiệu chỉnh đến các máy thu GPS trên phương tiện. Thông tin hiệu chỉnh này giúp giảm thiểu sai số do sự chậm trễ của tín hiệu trong tầng khí quyển, sai số đồng hồ vệ tinh, và nhiễu đa đường. Hệ thống nội bộ đặc biệt hữu ích trong các khu vực có mật độ phương tiện cao, như các thành phố lớn.

5.2. Phương Pháp Kết Hợp GPS Với Các Hệ Thống Khác

Phương pháp kết hợp là một giải pháp khác để nâng cao độ chính xác định vị GPS. Phương pháp này tích hợp GPS với các hệ thống định vị khác, như INS, GSM, hoặc các cảm biến khác. Sự kết hợp này giúp giảm thiểu sai số và duy trì khả năng định vị khi tín hiệu GPS bị mất. Ví dụ, kết hợp GPS với INS giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống định vị trong các khu vực có tín hiệu GPS yếu. Kết hợp GPS với GSM giúp ước tính vị trí của phương tiện trong môi trường đô thị, nơi tín hiệu GPS có thể bị che khuất.

VI. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Tương Lai Của GPS Trong Vận Tải

Kỹ thuật định vị phương tiện vận tải sử dụng GPS đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực quản lý đội xe, GPS giúp theo dõi vị trí, tốc độ, và hành trình của các phương tiện, từ đó tối ưu hóa lộ trình và giảm chi phí. Trong lĩnh vực logistics, GPS giúp theo dõi hàng hóa và đảm bảo giao hàng đúng thời gian. Trong lĩnh vực giao thông công cộng, GPS giúp cung cấp thông tin về vị trí xe buýt và thời gian đến trạm cho hành khách. Trong tương lai, GPS sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực vận tải, đặc biệt là trong sự phát triển của xe tự lái và các hệ thống giao thông thông minh.

6.1. Ứng Dụng GPS Trong Quản Lý Và Điều Hành Vận Tải

GPS đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong quản lý và điều hành vận tải. Các công ty vận tải sử dụng GPS để theo dõi vị trí, tốc độ, và hành trình của các phương tiện trong đội xe của họ. Thông tin này giúp họ tối ưu hóa lộ trình, giảm chi phí nhiên liệu, và cải thiện hiệu quả hoạt động. GPS cũng giúp các công ty vận tải theo dõi thời gian làm việc của lái xe và đảm bảo tuân thủ các quy định về an toàn giao thông. Ngoài ra, GPS còn giúp các công ty vận tải quản lý bảo trì phương tiện và giảm thiểu thời gian chết.

6.2. Tương Lai Của GPS Trong Hệ Thống Giao Thông Thông Minh

GPS sẽ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của các hệ thống giao thông thông minh (ITS). ITS sử dụng công nghệ để cải thiện an toàn, hiệu quả, và bền vững của hệ thống giao thông. GPS cung cấp thông tin vị trí chính xác, cho phép các hệ thống ITS theo dõi và điều khiển lưu lượng giao thông, cung cấp thông tin thời gian thực cho người lái xe, và hỗ trợ các ứng dụng như xe tự lái và hệ thống cảnh báo va chạm. Trong tương lai, GPS sẽ được tích hợp với các công nghệ khác, như cảm biến, camera, và mạng truyền thông, để tạo ra các hệ thống giao thông thông minh hơn và an toàn hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) 1.1 Tổng quan về hệ thống GPS: Hình1.1 Vệ tinh GPS bay trên quỹ đạo không gian xung quanh Trái Đất Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất 3 vệ tinh. Tuy được quản lý bởi Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ, sau nàychính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế giới bất kể quốc tịch nào sử dụng một số chức năng của GPS miễn phí. Ứng dụng quan trọng nhất của GPS là định vị và điều hướng.

Ban đầu GPS được thiết kế và xây dựng cho mục đích quân sự nhưng sau vài thập niên phát triển, hiện nay công nghệ GPS trở nên rất phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong cả những lĩnh vực dân sự như: hàng không, đường biển và đường bộ, xác định quỹ đạo vệ tinh ở tầng thấp, định vị robot. Ngoài ra GPS còn hữu ích trong các ứng dụng thường ngày như: tìm đường, dự báo thời thiết, cứu nạn, nghiên cứu và giáo dục… Nhóm SVTH Page 16 Đề tài NCKHSV 1.2 Vài nét về lịch sử phát triển của hệ thống GPS: Từ những năm 60 của thế kỷ XX, cơ quan Hàng Không và Vũ Trụ (NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler, được sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Sau hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging – Global Positioning System) gọi tắt là GPS.

Hệ thống này ban đầu gồm 24 vệ tinh triển khai trên 6 quỹ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ 11giờ 57phút 58giây ở độ cao xấp xỉ 20. So với hệ thống TRANSIT, độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao, thời gian quan trắc vệ tinh được rút ngắn.Cho đến nay đã có 32 vệ tinh của hệ thống GPS đang hoạt động trên quỹ đạo. Song song với phương pháp định vị dẫn đường gần như tương tự với hệ thống GPS của Mỹ, còn có hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hóa rộng rãi) và một hệ thống tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALILEO của Châu Âu. Ở Việt Nam, phương pháp định vị sử dụng vệ tinh đã được ứng dụng từ những năm đầu thập kỷ 90.

Những năm sau đó công nghệ GPS đã đóng vai trò quyết định trong việc lập hệ quy chiếu quốc gia mới cũng như việc lập lưới địa chính cơ sở phủ trùm lãnh thổ và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác.3 Cấu trúc hệ thống GPS: Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm 3 phần:  Phần không gian (Space Segment)  Phần điều khiển (Control Segment)  Phần người sử dụng (Use Segment) Nhóm SVTH Page 17 Đề tài NCKHSV Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống GPS 1.1 Phần không gian (Space Segment): Gồm 24 vệ tinh quay xung quanh trái đất với 6 quỹ đạo bay. Các vệ tinh này hoạt động ở độ cao 20.200 km ở góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xác đạo Trái Đất với chu kỳ quay 11giờ 57phút 58giây. Quỹ đạo bay trong không gian của các vệ tinh được sắp xếp để tối thiểu 4 vệ tinh sẽ được bộ phận người dùng nhìn thấy và bao phủ toàn cầu với vị trí hoàn toàn chính xác của 6 vệ tinh hoặc ít hơn. Nhóm SVTH Page 18 Đề tài NCKHSV Hình 1.3 Quỹ đạo không gian của các vệ tinh GPS Mỗi vệ tinh truyền trên 2 dải tần số L.

Tuy nhiên, tín hiệu mỗi vệ tinh thay đổi theo thời gian đến người sử dụng • L1 có tần số 1575.6 MHz: chỉ mang mã P (Precise code). Mã C/A: Một đoạn mã C/A hoàn chỉnh là một chuỗi bao gồm 1023 số nhị phân (0 và 1), hay 1023 chip, được sắp xếp theo một quy luật tựa ngẫu nhiên, mã có chiều dài 1ms, tương ứng với tần số 1. Mã này được điều biến trên sóng tải L1 và được phát quảng bá tới mọi máy thu GPS. Chức năng chính của mã này là để máy thu dò tìm, phát hiện tín hiệu của các vệ tinh.

Để máy thu có thể phân biệt các vệ tinh, mỗi vệ tinh được gán bởi một mã C/A nhất định và dựa trên cơ sở so sánh với những bản sao của mã C/A được tạo ra trong máy thu. Mã P là mã giả lập nhiễu ngẫu nhiên với xung nhịp đồng hồ 10. Mỗi vệ tinh có một mã P duy nhất và được sử dụng cho mục đích quân sự để không cho phép các người sử dụng khác sử dụng hoàn toàn độ chính xác của tín hiệu GPS. Nhóm SVTH Page 19 Đề tài NCKHSV 1.2 Phần điều khiển (Control Segment): Bộ phận điều khiển gồm toàn bộ thiết bị trên mặt đất được sử dụng để giám sátvà điều khiển các vệ tinh.

Bộ phận này thường người sử dụng không nhìn thấy, nhưngđây là bộ phận quan trọng của hệ thống GPS. Bộ phận điều khiển NAVSTAR, đượcgọi là hệ thống điều khiển hoạt động OCS (Operational Control System) gồm các trạmgiám sát, một trạm điều khiển chính MCS (Master Control Station) và anten quay. Có 5 trạm giám sát thụ động, toạ lạc ở Colorado Springs, Hawaii, đảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein. Các trạm giám sát gởi dữ liệu thô về trạm MSC để xử lý.

Trạm MCS được toạ lạc ở Falcon Air Force Base, cách 12 dặm về phía đông của Springs, Colorado và được Mỹ quản lý. Trạm MCS nhận dữ liệu từ trạm giám sát trong thời gian 24 giờ/ngày và sử dụng thông tin này để xác định nếu các vệ tinh đang khoá hoặc lịch thiên văn thay đổi và để phát hiện thiết bị trục trặc. Thông tin về giám sát di chuyển lịch thiên văn được tính toán từ tín hiệu giám sát và chuyển đến vệ tinh một lần hoặc hai lần/ngày.4 Các trạm điều khiển mặt đất Nhóm SVTH Page 20 Đề tài NCKHSV Thông tin tính toán bởi trạm MCS, cùng với các mệnh lệnh duy trì thường xuyên được truyền bởi anten xoay trên mặt đất. Anten này toạ lạc tại đảo Ascencion, Diego Garciavà Kwajalein.

Anten có đủ phương tiện để truyền đến vệ tinh theo đường liên kết sóngvô tuyến dải tần SHF.3 Phần người sử dụng (Use Segment): Bộ phận người sử dụng thực ra là thiết bị thu tín hiệu GPS. Thiết bị thu tín hiệu GPS là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc biệt. Nó được thiết kế để thu tín hiệu sóng vô tuyến được truyền từ các vệ tinh và tính toán vị trí dựa trên thông tin đó. Thiết bị thu tin hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau.

Tính chất và giá cả của các thiết bị thu tín hiệu GPS nói chung lệ thuộc vào chức năng mà bộ phận thu nhận tín hiệu GPS. Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải vàhàng không thường sử dụng cho tính năng giao diện với thẻ nhớ chứa bản đồ đi biển. Bộ phận thu nhận dùng cho bản đồ số có khả năng chính xác rất cao và có giao diện ngườisử dụng cho phép ghi nhận dữ liệu nhanh chóng.4 Các trị đo của hệ thống GPS: Các máy thu GPS cung cấp các trị đo là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Bao gồm hai loại sau: • Giả cự ly (pseudo-range): là trị đo dựa trên nguyên tắc đo xung với xung là mã P hay mã C/A.

Đặc điểm của trị đo này là độ chính xác thấp (0.3 m cho mã P và 3m cho C/A) nhưng nó thể hiện trực tiếp khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh. Vì mã đo khoảng cách P được truyền trên hai tần số L1 và L2 nên tương ứng cho hai trị đo P1 và P2. Trong khi đó mã C/A chỉ hiện diện trên L1 nên chỉ có trị đo duy nhất C1. • Trị đo pha: bước sóng của các sóng mang rất ngắn – xấp xỉ 19cm cho L1 và 24 cm cho L2.

Giả sử rằng độ phân giải của trị đo khoảng 1-2% bước sóng thì pha sóng mang có thể được đo đến mức độ mm. Không may mắn là trị đo này vẫn còn thiếu số nguyên chu kỳ pha để có thể chuyển thành khoảng cách từ máy thu đến vệ Nhóm SVTH Page 21 Đề tài NCKHSV tinh. Vì vậy để xử lý trị đo này cần có những phần mềm chuyên dụng cho mục đích trắc địa. Các trị đo trên không chỉ chứa sai số đo của máy thu vì khi tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu nó bị ảnh hưởng nặng nề do đồng hồ của vệ tinh và máy thu bị sai, tín hiệu bị trễ ở tầng điện ly, đường lan truyền của tín hiệu trong khí quyển bị bẻ cong do chiết suất của không khí không đều, … Ảnh hưởng tổng hợp của những nguồn sai số này có thể làm cho các trị đo sai đến hàng trăm km.

Vì vậy để đòi hỏi độ chính xác định cỡ vài chục mét, những nguồn sai số phải được khắc phục và loại trừ trong xử lý.5 Một số nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác GPS 1.5 Nguyên lý định vị GPS: Dựa trên cơ sở hình học, nếu ta biết được khoảng cách và toạ độ của ít nhất 4 điểm đến 1 điểm bất kỳ thì vị trí của điểm đó có thể xác định được một cách chính xác. Giả sử rằng khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là d1, điều ấy có nghĩa là máy thu nằm ở đâu đó trên mặt cầu có tâm là vệ tinh thứ nhất và bán kính mặt cầu đó là d1. Tương tự nếu ta biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 2 là d2 thì vị trí máy thu được xác định nằm trên đường tròn giao tiếp của hai mặt cầu đó. Nếu biết được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 3 thì ta có thể xác định được vị trí máy thu là giao của đường tròn trên với mặt cầu thứ 3( được 2 điểm – 1 điểm ở Trái Đất và 1 điểm ở ngoài không gian).

Trong 2 giao điểm đó có một giao điểm được loại bỏ bằng phương pháp nội suy.