Nghiên Cứu Công Nghệ GPS và Kỹ Thuật Bản Đồ Số Ứng Dụng Trong Định Vị Dẫn Đường

• Tác giả: Bồ Xuân Doanh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đào Ngọc Chiến
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Công Nghệ GPS và Kỹ Thuật Bản Đồ Số Ứng Dụng Trong Định Vị Dẫn Đường
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• 1. Chương 1: Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS
• 1.1. Lịch sử phát triển
• 1.2. Cấu trúc hệ thống GPS
• 1.2.1. Phần không gian (space segment)
• 1.2.2. Phần điều khiển (control segment)
• 1.2.3. Phần người sử dụng (user segment)
• 1.3. Các thế hệ vệ tinh và mạng lưới vệ tinh GPS hiện tại
• 1.3.1. Các thế hệ vệ tinh
• 1.3.2. Mạng lưới vệ tinh GPS hiện tại
• 1.4. Cấu trúc tín hiệu GPS
• 1.4.1. Tần số cơ bản
• 1.4.2. Các thông tin điều biến
• 1.4.3. Các loại sóng tải của hệ thống GPS
• 1.5. Các thông báo vệ tinh
• 1.5.1. Vệ tinh khoẻ hoặc không khoẻ (Healthy or Unhealthy)
• 1.5.2. Vệ tinh hoạt động hoặc không hoạt động
• 1.5.3. Độ chính xác dự báo đo khoảng cách (URE)
• 2. Chương 2: Nguyên lý định vị GPS
• 2.1. Định vị tuyệt đối
• 2.1.1. Biểu thức cơ bản để tính khoảng cách
• 2.1.2. Tính khoảng cách
• 2.2. Định vị tương đối
• 2.3. Sai phân bậc một
• 2.4. Sai phân bậc hai
• 2.5. Sai phân bậc ba
• 2.6. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS
• 2.6.1. Sai số do đồng hồ
• 2.6.2. Sai số quỹ đạo vệ tinh
• 2.6.3. Ảnh hưởng của tầng Ion
• 2.6.4. Ảnh hưởng của tầng đối lưu
• 2.6.5. Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ
• 2.6.6. Hiện tượng đa tuyến
• 2.6.7. Sự suy giảm độ chính xác (DOPs) do đồ hình các vệ tinh
• 2.6.8. Tâm pha của anten
• 2.7. Nguyên lý đo GPS động

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Công Nghệ GPS và Bản Đồ Số Tại Bách Khoa

Công nghệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) đang được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới, đặc biệt tại Việt Nam. Bắt đầu từ giữa những năm 1990, GPS chủ yếu phục vụ thu thập dữ liệu tọa độ chính xác cho trắc địa gốc. Ngày nay, với thiết bị GPS cầm tay giá rẻ, việc ứng dụng thông tin định vị ngày càng phổ biến. Sự kết hợp với GIS (Geographic Information System) và viễn thông đã tạo ra cuộc cách mạng trong cuộc sống hiện đại. Ứng dụng GPS, GIS và viễn thông tạo hệ thống giám sát thiết bị di động, quản lý phương tiện hiệu quả. Trong tương lai, thiết bị GPS sẽ nhỏ gọn và chính xác hơn, tạo điều kiện cho sự bùng nổ ứng dụng công nghệ. Luận văn này tập trung vào tìm hiểu công nghệ GPS, ứng dụng trong định vị dẫn đường và xây dựng hệ thống thu thập, hiển thị thông số định vị. Đây là tiền đề xây dựng hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu hạ tầng viễn thông ứng dụng GPS và GIS.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống Định Vị GPS Toàn Cầu

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (NAVSTAR GPS) là hệ thống các vệ tinh có khả năng xác định vị trí trên toàn cầu với độ chính xác cao, được phát triển bởi Bộ quốc phòng Hoa Kỳ từ đầu những năm 1970. Ban đầu, GPS được xây dựng để phục vụ mục đích quân sự, sau này cho phép sử dụng cả trong lĩnh vực dân sự. Hiện nay, hệ thống này được truy nhập bởi cả hai lĩnh vực quân sự và dân sự. Mạng lưới này chính thức hoàn thành vào ngày 8-12-1993. Để đảm bảo vùng phủ sóng liên tục trên toàn thế giới, các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho 4 vệ tinh sẽ nằm cùng nhau trên 1 trong 6 mặt phẳng quỹ đạo.

1.2. Cấu Trúc Cơ Bản Của Hệ Thống GPS Ba Phân Vùng Chính

Cấu trúc hệ thống GPS gồm 3 phân vùng: phần không gian (space segment), phần điều khiển (control segment) và phần người sử dụng (user segment). Phần không gian của GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo. Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh nhân tạo quanh trái đất là quỹ đạo tròn, 24 vệ tinh chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo. Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo một góc 55 độ. Quĩ đạo của vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 20.200 km, chu kỳ 718 phút, thời hạn sử dụng 7,5 năm.

1.3. Các Thế Hệ Vệ Tinh GPS và Mạng Lưới Hiện Tại

Việc hình thành mạng lưới vệ tinh GPS bắt đầu với loạt 11 vệ tinh Block I. Vệ tinh đầu tiên được phóng vào ngày 22-2-1978, vệ tinh cuối cùng vào ngày 9-10-1985. Vệ tinh Block I chủ yếu dùng để thử nghiệm. Góc nghiêng các mặt phẳng quỹ đạo là 63 độ. Mặc dù thời gian tồn tại thiết kế là 4,5 năm, một số vệ tinh tồn tại hơn 10 năm. Vệ tinh Block I cuối cùng ngừng hoạt động vào ngày 18-11-1995. Thế hệ thứ hai là Block II/IIA, với Block IIA là phiên bản nâng cấp tăng cường khả năng lưu trữ dữ liệu. Có tổng cộng 28 vệ tinh Block II/IIA được phóng từ tháng 2-1989 đến tháng 11-1997.

II. Kỹ Thuật Bản Đồ Số Ứng Dụng và Nghiên Cứu Tại Bách Khoa

Kỹ thuật bản đồ số là quá trình thu thập, xử lý, lưu trữ và hiển thị dữ liệu không gian địa lý dưới dạng số. Tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, nghiên cứu về bản đồ số tập trung vào phát triển các phương pháp tạo lập, cập nhật và ứng dụng dữ liệu bản đồ số trong nhiều lĩnh vực. Các nghiên cứu này bao gồm việc sử dụng GIS để phân tích không gian, xây dựng mô hình 3D và phát triển các ứng dụng bản đồ số cho quản lý đô thị, giao thông và tài nguyên thiên nhiên. Bản đồ số đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ ra quyết định và quản lý hiệu quả các hoạt động kinh tế - xã hội.

2.1. Các Phương Pháp Tạo Lập Dữ Liệu Bản Đồ Số Hiện Đại

Việc tạo lập dữ liệu bản đồ số hiện đại sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm đo đạc trực tiếp bằng thiết bị GPS, viễn thám bằng ảnh vệ tinh và máy bay không người lái, và số hóa từ bản đồ giấy. Mỗi phương pháp có ưu điểm và hạn chế riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác, chi phí và thời gian. Các phương pháp viễn thám ngày càng trở nên phổ biến do khả năng thu thập dữ liệu trên diện rộng một cách nhanh chóng và hiệu quả.

2.2. Xử Lý và Phân Tích Dữ Liệu Bản Đồ Số Với GIS

GIS (Geographic Information System) là công cụ mạnh mẽ để xử lý và phân tích dữ liệu bản đồ số. GIS cho phép người dùng thực hiện các thao tác như chồng lớp bản đồ, truy vấn thông tin, phân tích không gian và tạo ra các bản đồ chuyên đề. Các kết quả phân tích GIS có thể được sử dụng để hỗ trợ ra quyết định trong nhiều lĩnh vực, từ quản lý đô thị đến quản lý tài nguyên thiên nhiên. GIS cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tích hợp dữ liệu bản đồ số với các nguồn dữ liệu khác, như dữ liệu kinh tế và xã hội.

2.3. Ứng Dụng Bản Đồ Số Trong Quản Lý Đô Thị và Giao Thông

Bản đồ số có nhiều ứng dụng quan trọng trong quản lý đô thị và giao thông. Trong quản lý đô thị, bản đồ số được sử dụng để quản lý quy hoạch, theo dõi xây dựng, quản lý hạ tầng kỹ thuật và cung cấp thông tin cho người dân. Trong giao thông, bản đồ số được sử dụng để dẫn đường, quản lý luồng giao thông, theo dõi phương tiện và cung cấp thông tin giao thông thời gian thực. Các ứng dụng bản đồ số giúp cải thiện hiệu quả quản lý và nâng cao chất lượng cuộc sống đô thị.

III. Nghiên Cứu GPS Tại Bách Khoa Giải Pháp Định Vị Chính Xác

Nghiên cứu GPS tại Đại học Bách Khoa Hà Nội tập trung vào nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống định vị. Các nghiên cứu này bao gồm việc phát triển các thuật toán định vị mới, giảm thiểu sai số GPS và tích hợp GPS với các hệ thống định vị khác. Mục tiêu là tạo ra các giải pháp định vị chính xác và tin cậy, đáp ứng nhu cầu của nhiều lĩnh vực, từ giao thông đến nông nghiệp và quản lý tài nguyên. Các kết quả nghiên cứu này đóng góp vào sự phát triển của công nghệ định vị tại Việt Nam.

3.1. Phát Triển Thuật Toán Định Vị Mới Cho GPS

Việc phát triển thuật toán định vị mới cho GPS là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng tại Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các thuật toán này tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống định vị, đặc biệt trong môi trường đô thị và các khu vực có tín hiệu GPS yếu. Các thuật toán mới sử dụng các kỹ thuật lọc Kalman, thuật toán di truyền và mạng nơ-ron để giảm thiểu sai số và cải thiện hiệu suất định vị.

3.2. Giảm Thiểu Sai Số GPS Các Phương Pháp Hiệu Quả

Giảm thiểu sai số GPS là một thách thức lớn trong nghiên cứu GPS. Các nguồn sai số GPS bao gồm sai số do đồng hồ vệ tinh, sai số quỹ đạo vệ tinh, ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu, và hiện tượng đa đường truyền. Các phương pháp giảm thiểu sai số GPS bao gồm sử dụng GPS vi phân (DGPS), sử dụng các mô hình hiệu chỉnh tầng điện ly và tầng đối lưu, và sử dụng các kỹ thuật lọc tín hiệu để loại bỏ nhiễu.

3.3. Tích Hợp GPS Với Các Hệ Thống Định Vị Khác

Tích hợp GPS với các hệ thống định vị khác, như hệ thống định vị quán tính (INS) và hệ thống định vị dựa trên Wi-Fi, là một hướng nghiên cứu tiềm năng để cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống định vị. Việc tích hợp này cho phép tận dụng ưu điểm của từng hệ thống và bù đắp cho những hạn chế của nhau. Ví dụ, INS có thể cung cấp thông tin định vị trong thời gian ngắn khi tín hiệu GPS bị mất, và Wi-Fi có thể cung cấp thông tin định vị trong nhà.

IV. Ứng Dụng Thực Tế GPS và Bản Đồ Số Kết Quả Nghiên Cứu

Các kết quả nghiên cứu về công nghệ GPS và kỹ thuật bản đồ số tại Đại học Bách Khoa Hà Nội đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực thực tế. Các ứng dụng này bao gồm quản lý giao thông, quản lý tài nguyên thiên nhiên, quản lý đô thị và dịch vụ khẩn cấp. Việc ứng dụng GPS và bản đồ số giúp cải thiện hiệu quả quản lý, nâng cao chất lượng dịch vụ và hỗ trợ ra quyết định trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các ứng dụng này đóng góp vào sự phát triển kinh tế - xã hội của Việt Nam.

4.1. Ứng Dụng GPS Trong Quản Lý Giao Thông Vận Tải

GPS được ứng dụng rộng rãi trong quản lý giao thông vận tải, bao gồm theo dõi phương tiện, quản lý luồng giao thông, dẫn đường và cung cấp thông tin giao thông thời gian thực. Các ứng dụng GPS giúp cải thiện hiệu quả quản lý giao thông, giảm thiểu ùn tắc và tai nạn giao thông, và nâng cao chất lượng dịch vụ vận tải. Các hệ thống quản lý giao thông thông minh (ITS) sử dụng GPS để thu thập và phân tích dữ liệu giao thông, từ đó đưa ra các quyết định điều khiển giao thông tối ưu.

4.2. Ứng Dụng Bản Đồ Số Trong Quản Lý Tài Nguyên Thiên Nhiên

Bản đồ số được sử dụng để quản lý tài nguyên thiên nhiên, bao gồm quản lý rừng, quản lý đất đai, quản lý nguồn nước và quản lý đa dạng sinh học. Các ứng dụng bản đồ số giúp cải thiện hiệu quả quản lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. GIS được sử dụng để phân tích không gian, đánh giá tác động môi trường và lập kế hoạch quản lý tài nguyên.

4.3. GPS và Bản Đồ Số Hỗ Trợ Dịch Vụ Khẩn Cấp

GPS và bản đồ số đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ dịch vụ khẩn cấp, bao gồm cứu hỏa, cứu hộ và y tế khẩn cấp. GPS giúp xác định vị trí của người cần giúp đỡ và điều phối lực lượng cứu hộ một cách nhanh chóng và hiệu quả. Bản đồ số cung cấp thông tin về địa hình, đường đi và các cơ sở hạ tầng quan trọng, giúp lực lượng cứu hộ tiếp cận hiện trường một cách an toàn và nhanh chóng.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Công Nghệ GPS Tại Bách Khoa

Nghiên cứu về công nghệ GPS và kỹ thuật bản đồ số tại Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng, đóng góp vào sự phát triển của công nghệ định vị tại Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực thực tế, mang lại lợi ích kinh tế - xã hội. Trong tương lai, nghiên cứu sẽ tập trung vào nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống định vị, phát triển các ứng dụng mới và tích hợp GPS với các công nghệ khác.

5.1. Nâng Cao Độ Chính Xác GPS Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Nâng cao độ chính xác của GPS là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai. Các nghiên cứu sẽ tập trung vào phát triển các thuật toán định vị mới, giảm thiểu sai số GPS và tích hợp GPS với các hệ thống định vị khác. Mục tiêu là tạo ra các giải pháp định vị chính xác và tin cậy, đáp ứng nhu cầu của nhiều lĩnh vực, từ giao thông đến nông nghiệp và quản lý tài nguyên.

5.2. Phát Triển Ứng Dụng Mới Của GPS và Bản Đồ Số

Phát triển các ứng dụng mới của GPS và bản đồ số là một hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai. Các ứng dụng mới có thể bao gồm quản lý đô thị thông minh, nông nghiệp chính xác, dịch vụ khẩn cấp thông minh và du lịch thông minh. Việc phát triển các ứng dụng mới đòi hỏi sự kết hợp giữa công nghệ GPS, kỹ thuật bản đồ số và các công nghệ khác, như trí tuệ nhân tạo (AI) và Internet of Things (IoT).

5.3. Hợp Tác Nghiên Cứu và Phát Triển GPS Với Doanh Nghiệp

Hợp tác nghiên cứu và phát triển GPS với doanh nghiệp là một yếu tố quan trọng để thúc đẩy ứng dụng công nghệ GPS trong thực tế. Việc hợp tác này cho phép các nhà nghiên cứu tiếp cận với các vấn đề thực tế và các doanh nghiệp tiếp cận với các kết quả nghiên cứu mới nhất. Hợp tác nghiên cứu có thể bao gồm các dự án nghiên cứu chung, chuyển giao công nghệ và đào tạo nhân lực.