Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Cơ sở lý thuyết linh kiện điện tử Chương 4: Thiết kế, thi công và thử nghiệm hệ thống Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Hệ thống định vị toàn cầu GPS 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.1 Thành phần của GPS GPS gồm 3 phân vùng: - Phần không gian (space segment): Bao gồm 24 vệ tinh thường trực (và 3 vệ tinh dự phòng) bay vòng quanh trái đất trên 6 quỹ đạo ở độ cao 20200 km. Mỗi vệ tinh này được trang bị bốn đồng hồ nguyên tử cực kỳ chính xác (0,000000001s), mỗi vệ tinh sẽ phát ra 2 tần số sóng vô tuyến phục vụ cho mục đích định vị đó là: Sóng L1 có tần số 157,42 MHz và sóng L2 có tần số 1227,6 MHz. [9] Với sự bố trí 24 vệ tinh trên 6 quỹ đạo, nó cho phép máy thu tín hiệu GPS dù ở bất cứ đâu trên trái đất, ngày cũng như đêm, đều có thể được “nhìn thấy” tối thiểu 4 đến 8 vệ tinh.
Điều này đủ điều kiện để máy thu tín hiệu được tọa độ điểm đo và độ lệch thời gian giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu. [9] - Phần điều khiển (control segment): Bao gồm 5 trạm kiểm soát và thu dữ liệu, 1 trạm điều khiển trung tâm, 3 trạm truyền số liệu. Trạm kiểm soát: Trạm kiểm soát và thu dữ liệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát sự hoạt động và tính toán quỹ đạo của chúng. [9] Mỗi trạm được trang bị các máy thu tín hiệu mã P, liên tục theo dõi khoảng cách đến tất cả các vệ tinh quan sát được.
Sau đó, kết quả hiệu chỉnh của năm trạm này được gửi về trạm điều khiển trung tâm. Trạm điều kiên trung tâm: có nhiệm vụ nhận dữ liệu của năm trạm kiểm soát để xử lý, tính ra lịch tọa độ vệ tinh chính xác và tính 3 các số hiệu chỉnh đồng hồ của từng vệ tinh. Ngoài ra, trạm này còn điều khiển các số hiệu chỉnh quỹ đạo của từng vệ tinh và điều khiển việc thay thế các vệ tinh đã ngừng hoạt động bằng các vệ tinh dự phòng. Trạm truyền số liệu: có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ trạm điều khiển trung tâm gửi lên các vệ tinh, đồng thời ra các lệnh điều khiển vệ tinh đi đúng quỹ đạo định trước.2 Vị trí các trạm giám sát GPS - Phần người sử dụng (user segment) Bao gồm các thiết bị sử dụng hệ thống GPS như máy bay, tàu thuyền, ô tô, máy thu tín hiệu trên mặt đất,.
Máy thu tín hiệu có 2 loại: -Loại 1 tần số chỉ thu được mã phát của sóng L1 (xác định được vị trí tương đối giữa các trạm với độ chính xác 1-5cm nếu khoảng cách đo <50km). -Loại 2 tần số có thể đo được khoảng cách hàng ngàn km.3 Cách thức hoạt động của GPS 2. Giao thức NMEA: NMEA (National Marine Electronics Association) là chuẩn Hàng hải do tổ chức điện tử Hàng hải của Mỹ phát triển và có liên kết chặt chẽ với ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IEC. Chuẩn này ra đời để truyền dữ liệu giữa các thiết bị Hàng hải giúp chúng có thể trao đổi thông tin dễ dàng với nhau.
Từ khi ra đời chuẩn NMEA luôn được sửa đổi và hoàn chỉnh, đến nay được biết đến với nhiều phiên bản khác nhau như NMEA 0180, NMEA 0182, NMEA 0183 và NMEA 2000®. Hiện nay trên một số các tàu cũ chuẩn NMEA 0180 và NMEA 0182 vẫn DEC còn được sử dụng nhưng phổ biến và tất cả các trang thiết bị Hàng hải đều tương 2022 thích là chuẩn truyền thông NMEA 0183. Chuẩn truyền thông NMEA 0183 được phát hành vào tháng 3 - 1983 và đã phát triển qua nhiều phiên bản khác nhau và mới nhất hiện nay là NMEA 0183 V4. [2] Chuẩn NMEA 0183 là chuẩn truyền thông nối tiếp định nghĩa giao diện giữa các phần khác nhau của các trang thiết bị điện Hàng hải với các máy tính Hàng hải, cho phép chúng có thể bắt tay và chia sẻ những thông tin quan trọng với nhau.
Có thể hiểu rằng, NMEA 0183 là một tiêu chuẩn kỹ thuật kết hợp điện và dữ liệu cho việc truyền thông giữa các trang thiết bị điện Hàng hải như máy đo sâu, máy đo gió, la bàn, lái tự động, máy thu định vị vệ tinh GPS và nhiều loại thiết bị khác. Do đó chuẩn NMEA 0183 dần trở thành chuẩn truyền thông phổ biến mà các trang thiết bị điện tử Hàng hải có thể sử dụng để kết nối với nhau. Ngoài ra, chuẩn này còn quy định cụ thể cả 5 các kết nối điện tạo nên một hệ thống NMEA, phương pháp truyền thông truyền tải dữ liệu và định dạng những câu lệnh dữ liệu mang thông tin NMEA. [2] Đặc điểm truyền thông của chuẩn NMEA 0183.
Các đặc điểm kỹ thuật truyền dữ liệu của chuẩn NMEA 0183 phiên bản 1, 2 và 3 về cơ bản là giống như chuẩn kết nối RS 232 ở việc cài đặt: tốc độ 4800 baud, 1 bit Start, 1 bit Stop và 0 bit kiểm tra Parity. [2] Ngoài ra, chuẩn NMEA phiên bản 3 còn có thêm một tốc độ mới là 38400 baud làm cho nó còn được gọi là NMEA 0183-HS. Điều này cho phép thiết bị ARPA mới nhất và thiết bị nhận dạng AIS yêu cầu tốc độ liên kết cao hơn để gửi số lượng các thông tin lớn hơn. [2] Dữ liệu gửi đi tất cả ở dạng mã ASCII (dữ liệu bit 7 luôn là bit 0), do đó có thể xem trực tiếp trên một chương trình máy tính “đầu cuối” mặc dù những gì được nhìn thấy có thể không có ý nghĩa nhiều.
[2] Giao diện của NMEA 0183. NMEA 0183 là một chuẩn truyền thông được thiết kế để truyền dữ liệu nối tiếp một chiều từ đài phát (Talker) đến một hay nhiều đài thu (Listener). [2] Dữ liệu ở dạng mã ASCII chứa các thông tin về vị trí, tốc độ, hướng hành trình, độ sâu,. và độ dài một gói tin có thể từ 20-70 kí tự.
Các thiết bị Talker và Listener được định nghĩa như sau: - Talker: là thiết bị có thể gửi dữ liệu đến các thiết bị khác như máy thu GPS, máy đo sâu,. và nó được nhận dạng bởi 2 kí tự nhớ. [2] - Listener: là thiết bị thu nhận dữ liệu từ các thiết bị khác như hải đồ điện tử, radar,. [2] Các thiết bị này sử dụng giao diện truyền nối tiếp không đồng bộ với các tham số như sau: - Tốc độ baund: 4800.
- Số bit dữ liệu: 8 (bit 7 là 0). - Bit Stop: 1 - Bit Parity: None 6 Hình 2.4 Cấu trúc khung dữ liệu của chuẩn NMEA 0183 Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn NMEA 0183 các phiên bản 1, 2 và 3 đều đáp ứng được yêu cầu của chuẩn kết nối máy tính RS-422. Chúng sử dụng tín hiệu điện áp +5/0 Volt, đó là điện áp thấp và dễ dàng để kết nối với máy tính. [2] Tuy nhiên, mức điện áp hiện nay trên đường truyền lớn hơn và có thể lên đến +/15 Volt, nhất là nơi mà thiết bị cũ được sử dụng theo các tiêu chuẩn của phiên bản 1, điện áp tín hiệu là +/-12 Volt đến 15 Volt.
Do đó các đầu vào NMEA 0183 phù hợp với phiên bản 2 hoặc cao hơn đều có khả năng thu nhận tín hiệu sai khác +/-15 Volt mà không phí hao tổn. [2] Với các đặc điểm kỹ thuật đó, NMEA 0183 yêu cầu các thiết bị thu phải được cách li quang. Điều này làm giảm sự can thiệp của nhiễu và loại bỏ được vấn đề hiệu ứng vòng đất. Và tất cả các kết nối phải được thực hiện bằng việc sử dụng Cable xoắn đôi với một dây chống nhiễu.
Để ngăn chặn hiệu ứng vòng đất, dây chống nhiễu chỉ nên kết nối với một đầu cuối. [2] Định dạng câu lệnh của NMEA 0183. Khái quát: Tất cả dữ liệu của chuẩn NMEA 0183 được truyền đi dưới dạng câu lệnh. Số lượng kí tự tối đa trong một câu lệnh là 82, bao gồm tối đa là 79 kí tự bắt đầu từ kí tự “$” và kết thúc tại <CR><LF>.[2] Số lượng tối thiểu các trường trong một câu lệnh là 1.
Trường đầu tiên là trường chứa địa chỉ danh tính của đài phát Talker và các định dạng xác định số trường dữ liệu trong câu, các loại dữ liệu mà nó chứa và thứ tự các lĩnh vực dữ liệu được truyền đi. Phần còn lại của câu lệnh có thể chứa số 0 hoặc nhiều trường dữ liệu. 7 Số lượng tối đa của các trường được cho phép trong một câu lệnh bị giới hạn bởi chiều dài của câu lệnh tối đa là 82 kí tự. Các trường Null có thể được có mặt trong câu và sẽ luôn luôn được sử dụng nếu dữ liệu cho trường đó là không có.
[2] Tất cả các câu lệnh đều được bắt đầu bằng kí tự “$” và kết thúc bằng dấu phân cách chấm dứt câu lệnh <CR><LF>.[2] Câu lệnh được phê duyệt là những phác thảo để sử dụng chung và chi tiết trong tiêu chuẩn NMEA 0183. Một câu lệnh được phê duyệt bao gồm các yếu tố sau: Bảng 2.1 Mô tả câu lệnh được phê duyệt $ Mã nhận dạng Talker và định dạng câu lệnh <address field> 0 hoặc nhiều trường dữ liệu “,” <data field>. “,” <data field> “*” <checksum field> Trường kiểm tra tổng HEX 0D 0A – Kết thúc câu lệnh <CR><LF> Định dạng của một câu lệnh được phê duyệt như sau: $--aaccc,c--c*hh<CR><LF> Trong đó: + $: kí tự bắt đầu của một câu lệnh. + aa: là nhận dạng của thiết bị Talker (Ví dụ: thiết bị GPS là GP,.) + ccc: kiểu dữ liệu của câu (Ví dụ: GGA – Global Positioning System Fix Data) + “,”: dấu phân cách, bắt đầu mỗi trường ngoại trừ trường địa chỉ và trường checksum.
Nếu nó theo sau một trường null nó ám chỉ không có dữ liệu trong một trường. 8 + c--c: nội dung dữ liệu của câu lệnh và có thể thay đổi phụ thuộc vào kiểu dữ liệu đang được truyền. + “*”: dấu phân cách trường kiểm tra tổng theo sau trường dữ liệu cuối cùng của câu. Nó chỉ ra rằng hai kí tự chữ số sau nó là các giá trị HEX của trường kiểm tra tổng.
+ hh: là hai kí tự chữ số kiểm tra tổng (checksum). Hai chữ số này là hai số HEX và được tính bằng tất cả các kí tự ở giữa kí tự “$” và “*”. + <CR><LF>: kết thúc một câu.