Đặt vấn đề: Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội, khát vọng chinh phục công nghệ của con người cũng ngày càng tăng theo thời gian. Chính vì thế ngành Điện tử - Viễn thông đang trên đà phát triển nhanh chóng và ngày càng tạo ra nhiều sản phẩm có tính ứng dụng cao trong cuộc sống, đó là cả một quá trình phấn đấu của các kỹ sư, chuyên gia nghiên cứu trên toàn thế giới. Tiếp nối công nghệ mới là sự ra đời và phát triển của hệ thống định vị toàn cầu bằng GPS. Ở Việt Nam, một đất nước đang phát triển nên phần lớn gia đình đều có các phương tiện đi lại cần thiết như xe gắn máy, ô tô và các tài sản có giá trị khác.
Tuy vậy, do yêu cầu công việc nên con người không thể kiểm soát toàn diện được dẫn đến tình trạng mất cắp tài sản thường xuyên. Xác suất tìm lại tài sản bị mất trộm là rất thấp. Vì vậy, việc quản lí và bảo quản tài sản là một vấn đề lớn đang cần được giải quyết. Với những kiến thức chuyên ngành có được thì đề tài “Định vị và theo dõi phương tiện giao thông” ra đời với mong muốn có thể được ứng dụng vào thực tế ở Việt Nam.
Với khả năng định vị và theo dõi, sản phẩm đề tài có thể giúp chúng ta theo dõi hoạt động, tình trạng của thiết bị từ xa ở bất kì nơi nào trên thế giới thông qua mạng thông tin di động và đặc biệt nhờ hệ thống GPS có thể định vị tương đối chính xác tọa độ. Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/62 1.2 Sự phát triển của công nghệ: Công nghệ GPS (hệ thống định vị toàn cầu) do Mỹ sản xuất và chủ yếu được dùng cho mục đích quân sự và hàng không của Mỹ, Nhật và các nước Châu Âu. Khoảng đầu thế kỷ 21, ứng dụng công nghệ này các công ty lớn trên thế giới (hãng Rockwell International, hãng Martine Marietta) bắt đầu phát minh ra các thiết bị định vị cá nhân dùng cho dân sự. Gần đây, hãng viễn thông Trung Quốc sản xuất hàng loạt các thiết bị này từ các thiết bị cầm tay có màn hình hiển thị bản đồ cho đến các thiết bị giám sát được gắn cố định trên các phương tiện giao thông.
Dịch dụ SMS (tin nhắn ngắn) ngày nay đã được phổ biến rộng rãi. Mục đích sử dụng SMS do chi phí thấp và không gây ồn ào. Tin nhắn SMS cũng có thể gửi được nhạc chuông, hình ảnh…Trong vài năm gần đây SMS còn được ứng dụng vào việc điều khiển các thiết bị trong gia đình, hệ thống báo động qua SMS… 1.3 Phạm vi của đề tài Với thiết kế đề tài có thể ứng dụng xác định và thông báo hành trình trên taxi, xe tải và các phương tiện giao thông khác. Bên cạnh đó, nếu được thiết kế nhỏ gọn có thể sẽ được sử dụng cho máy tính xách tay, gắn trên các thiết bị nhỏ có giá trị.
Đề tài cần giải quyết được các vấn đề sau: - Nhận được bản tin định vị thông qua hệ thống định vị GPS. - Có khả năng gửi, nhận tin nhắn giữa tài xế và nhà quản lí. - Xác định được tọa độ của thiết bị thông qua bản tin GPS nhận được. - Phản hồi lại thông tin định vị theo yêu cầu người quản lí bằng SMS.
- Có khả năng cảnh báo sự cố. Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/62 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VỀ GPS 2.1 Hệ thống định vị toàn cầu. Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu. Trên thế giới hiện có 3 hệ thống thuộc GNSS: GPS (Hoa kỳ), GALILEO (Liên minh Châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga).1: Hệ thống định vị toàn cầu GNSS (Nguồn: vi.org) Hệ thống định vị toàn cầu hoạt động được là nhờ sự truyền nhận tín hiệu của các vệ tinh, sử dụng vệ tinh để xác định vị trí của một điểm nào đó trên mặt đất.
Sau khi được phóng vào vũ trụ các vệ tinh sẽ trở thành trạm thông tin ngoài trái đất. Các trạm thông tin này có nhiệm vụ thu sóng tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất, khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác. Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/62 Vệ tinh bay xung quanh trái đất có 3 dạng quỹ đạo và có 2 quy luật chi phối và quyết định vệ tinh đang bay ở dạng nào là: - Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm trái đất. - Trái đất phải là trung tâm của bất kì quỹ đạo nào của vệ tinh.2: Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh (Nguồn: vi.2 Tổng quan về GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) 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 ba vệ tinh. Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/62 Hình 2.3: Hệ thống vệ tinh GPS (Nguồn: vi.org) Hệ thống GPS được quản lí bởi Bộ quốc Phòng Hoa Kỳ, một vài ứng dụng của GPS được Hoa Kỳ cho phép sử dụng phổ biến trên toàn thế giới. Hệ thống GPS gồm một chòm sao với 24 vệ tinh, được đặt trên quỹ đạo không gian. Hệ thống hoàn thành vào năm 1994.
Để đảm bảo tính toàn cầu thì các vệ tinh này bao phủ toàn bộ trái đất một cách liên tục, các vệ tinh sẽ được sắp xếp trên 6 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi quỹ đạo có từ 4 vệ tinh trở lên. Với sự bố trí này, sẽ có khoảng từ 4 đến 10 vệ tinh luôn hiện hữu bất cứ nơi nào trên Trái Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/62 Đất. Ta chỉ cần 3 vệ tinh để định vị hoặc 4 vệ tinh để cung cấp sự định vị đầy đủ bao gồm cả độ cao.4: Chòm sao vệ tinh GPS (Nguồn: vi.org) Quỹ đạo vệ tinh gần như là một hình tròn (một hình Elip với tâm sai cực đại khoảng 0.01), với độ nghiêng khoảng 55O so với xích đạo. Bán kính của quỹ đạo GPS là khoảng 26560 Km (độ cao của vệ tinh khoảng 20112 Km so với mặt đất).
Chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh là 12 giờ. 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. 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 vật cản cứng như núi và nhà.3 Hoạt động của GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất.
Máy thu nhận thông tin và dùng phép tính lượng giác để tính chính xác vị trí người dùng. Thực Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/62 chất, máy thu GPS đo sự sai lệch về thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh và thời gian nhận được nó để tính khoảng cách đến vệ tinh. Với cách làm như vậy đối với các vệ tinh khác nhau máy thu tìm được vị trí của người dùng. Máy thu phải nhận tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra kinh độ, vĩ độ và theo dõi sự chuyển động.
Nếu máy thu nhận được tín hiệu của ít nhất bốn vệ tinh thì tính được 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, khoảng cách tới điểm đến… Hình 2.5: Định vị từ GPS (Nguồn: vi.4 Độ chính xác của GPS Các máy thu ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Trạng thái 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 thông thường có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét.
Định vị và theo dõi phương tiện giao thông SVTH: Đinh Công Duy ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8/62 Các máy thu mới hơn có khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình dưới 3m nhờ vào GPS vi sai (Differential GPS-DGPS). Hệ thống vi sai bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát các tín hiệu, muốn thu được tín hiệu chính xác người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai và antena GPS.5 Tín hiệu định vị Mỗi vệ tinh GPS liên tục truyền các bản tin định vị với tốc độ 50bit/s bao gồm các thông tin: thời gian trong tuần, số tuần và thông tin trạng thái hoạt động của vệ tinh (tất cả chứa trong phần đầu của bản tin), lịch thiên văn (chứa trong phần thứ 2 của bản tin) và một niên lịch (phần cuối của bản tin). Dữ liệu lịch thiên văn cho biết vệ tinh đang ở vị trí nào trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày. Dữ liệu niên lịch được phát định kỳ chứa thông tin về trạng thái của vệ tinh và ngày giờ hiện tại.
Các bản tin được truyền trong các khung, với thời gian truyền là 30 giây cho 1500 bit, 30 giây truyền của khung bản tin được bắt đầu chính xác tại thời điểm tròn phút hoặc giây thứ 30 theo đồng hồ nguyên tử của vệ tinh. Mỗi khung có chứa 5 khung con với độ dài 6 giây và chứa 300 bit, mỗi khung con có chứa 10 từ, mỗi từ 0,6 giây và 30 bit. Tất cả các vệ tinh phát bản tin định vị tại cùng hai tần số 1575.6 Các thành phần cơ bản của GPS GPS hiện tại gồm 3 phần chính: phần không gian, kiểm soát và sử dụng.1 Phần không gian (Các vệ tinh) Phần không gian gồm 24 vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh Trái Đất.