CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trình bày các kiến thức về phầm mềm Arduino IDE, lý thuyết về Arduino UNO R3, lý thuyết về SIM808 được áp dụng trong đề tài. Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế Trình bày sơ đồ khối của hệ thống, tính toán thiết kế cho từng khối. Chương 4: Thi Công Hệ Thống Thi công mạch theo thiết kế. Lập trình điều khiển cho vi xử lý chính.
Kiểm tra, chạy thử nghiệm và tinh chỉnh lỗi. Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trình bày kết quả đã đạt được và đưa ra những bàn luận về sản phẩm. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Kết luận chung về đề tài và hướng phát triển của nó. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG GPS 2.1 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Hệ thống định vị toàn cầu GPS (the global positioning system) hay còn gọi là NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging) là hệ thống xác định tọa độ dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo.
Hệ thống GPS có thể xác định vị trí sai số từ vài trăm mét đến vài trăm centimet. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí bất kỳ trên trái đất nếu xác định được khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh thì ta có thể tính được tọa độ của vị trí đó. 4 Hoàn cảnh ra đời: Năm 1978, nhằm thu thập các thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), độ cao và tốc độ của các cuộc hành quân. Bộ quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất 24 vệ tinh.
Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên quỹ đạo trái đất ở độ cao 19.200 km, với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu vô tuyến tần số thấp tới các thiết bị thu nhận.1: vệ tinh quay quanh trái đất1 Trong số 24 vệ tinh của bộ quốc phòng Mỹ nói trên, chỉ có 21 vệ tinh thực sự hoạt động, 3 vệ tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ. Tín hiệu vô tuyến truyền đi thường không đủ mạnh để thâm nhập vào các tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm hay tới các địa điểm dưới nước. Ngoài ra nó còn đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh để đưa ra được thông tin chính xác về vị trí (bao gồm cả độ cao) và tốc độ của một vật. Vì hoạt động trên quỹ 1 Nguyễn Quốc Vương, “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô”, Luận văn Thạc sĩ, Trường DHSPKT, Tp.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT đạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất kỳ điểm nào trên trái đất. Vào năm 1983, Liên Xô bắn rơi một máy bay hành khách của Hàn Quốc vì đã vi phạm không 2 phận. Sau tai nạn này, nhu cầu định vị và dẫn đường cho các ứng dụng hàng không và dân dụng trở nên cấp thiết. Tổng thống Reagan đã ra lệnh cho quân đội Mỹ phải mở cửa một phần GPS cho các ứng dụng dân sự.
Người Mỹ để tránh gây nguy hiểm đến quyền lợi của Mỹ đã phát minh ra SA (dùng để tăng sai số) và bắt đầu đưa ứng dụng vào năm 1990. Vào tháng 5 năm 2000, kỹ thuật quân sự Mỹ đã tiến khá xa, lúc này tổng thống Clinton mới tự tin ra lệnh tắt SA. Sau đó, nhu cầu máy thu GPS cá nhân và dân dụng mới thực sự bùng nổ.2 Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm có 3 bộ phận chính cấu thành đó là phần người sử dụng (User Segment), phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment).2: Các thành phần cấu tạo của hệ thống GPS1 1 Nguyễn Quốc Vương, “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô”, Luận văn Thạc sĩ, Trường DHSPKT, Tp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chúng ta sẽ tìm hiểu 3 bộ phận chính của GPS và chức năng của chúng: Hình 2.3: Mô hình ba mảng của hệ thống định vị toàn cầu.
Phần sử dụng1 Bộ phận người dùng là thiết bị thu tín hiệu GPS và người sử dụng những thiết bị này. 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 tín hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau.
1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tính chất và giá cả của thiết bị thu tín hiệu GPS nói chung lệ thuộc vào chức năng mà bộ phận thu nhận có ý định. Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải và hàng 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 khả năng chính xác rất cao và có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận dữ liệu nhanh chóng.4: Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng:1 - Phần cứng. - Phần triển khai công nghệ.
Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử, các bộ dao động tần số vô tuyến RF, các ăng ten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác. 1 Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý số liệu cụ thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS.
Những chương trình BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT này được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS, có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác. 1 Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hóa hiệu ứng của anten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị. Phần điều khiển Phần điều khiển là để kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác.
Có 8 trạm kiểm soát rải rác trên mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi đặt ở Hawaii, Kwajalein, đảo Ascension, Diego Garcia, Colorado Springs, Colorado và Cape Canaveral, 1 trạm điều khiển trung tâm và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu. Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau đó tính toán các số liệu được gởi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gởi tiếp tới các vệ tinh.5: Trạm mặt đất được sử dụng từ 1984-2007.1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT c.
Phần không gian Phần không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26. Chúng chuyển động ổn định vá quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 3 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.
Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575. Cả 2 sóng mang đều mang thông báo vệ tinh cần phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp(50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực. 1 Các vệ tinh được cung cấp 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.6: Các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống GPS.3 Phương trình chuyển hướng Bộ thu sử dụng tín hiệu nhận được từ các vệ tinh để xác định các vị trí của vệ tinh và thời gian được truyền từ vệ tinh tới bộ thu. Trong đó, x, y, z là các thành phần vị trí vệ tinh và thời gian truyền từ vệ tinh tới bộ thu được chỉ định là [xi, yi, zi, ti], i = 1, 2, 3…., n là biểu thị cho số vệ tinh (n ≥ 3). 1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi thời gian nhận tín hiệu được chỉ định bởi đồng hồ trên mạch điện, kí hiệu là tr, thời gian nhận thực sự là: (tr + b), trong đó b là độ trễ đồng hồ của bộ thu.
Thời gian truyền tín hiệu là: (tr + b – ti). Giả sử tín hiệu được truyền đi với tốc độ ánh sáng (kí hiệu: c) thì quãng đường được truyền là: (tr + b – ti).c biết được khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh và vị trí của vệ tinh, điều đó có nghĩa là bộ thu nằm trên bề mặt của mặt cầu có tâm đặt tại vị trí của vệ tinh với bán kính bằng chính khoảng cách từ vệ tinh tới bộ thu. Vì vậy, bộ thu sẽ là giao điểm các mặt cầu nếu nó nhận tín hiệu từ nhiều vệ tinh. Trong trường hợp lý tưởng không có lỗi, bộ thu là giao điểm của các mặt cầu.
Bộ thu có bốn ẩn số, ba thành phần của vị trí máy thu GPS và độ trễ đồng hồ [x, y, z, b].
