Nghiên Cứu Ứng Dụng Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS và Bản Đồ Số Trực Tuyến

Nghiên cứu thiết kế ứng dụng hệ thống định vị GPS và bản đồ số trực tuyến, khám phá tiềm năng và ứng dụng trong đời sống hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Lâm Hồng Thạch
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Ứng Dụng Của Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS Và Bản Đồ Số Trực Tuyến
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
• 1.1. Khái Quát Hệ Thống GPS
• 1.2. Nguyên Lý Xác Định Vị Trí Của Hệ Thống GPS
• 1.3. Cấu Trúc Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS
• 1.4. Phân đoạn không gian (Space Segment)
• 1.5. Phân đoạn điều khiển (Control Segment)
• 1.6. Phân đoạn người sử dụng (User Segment)
• 1.7. Cấu Trúc Tín Hiệu Vệ Tinh GPS
• 1.8. Các Nguồn Gây Sai Số
• 1.9. Các Dịch Vụ GPS
• 1.9.1. Dân sự - Dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS
• 1.9.2. Quân sự - Dịch vụ định vị chính xác PPS
• 1.9.3. GPS vi sai DGPS
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
• 2.1. Giới Thiệu Về Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS
• 2.2. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý GIS
• 2.3. Xây dựng GIS
• 2.4. Các cách nhìn về GIS
• 2.5. Cơ sở dữ liệu địa lý
• 2.6. Ứng dụng GIS ở Việt Nam
• 2.7. Giới thiệu về bản đồ số Google Maps
• 2.8. Khái Quát Về Các Hệ Thống Thông Tin Di Động
• 2.9. Hệ thống GSM
• 2.10. Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS
• 3. CHƯƠNG 3: KHÁI QUÁT CÁC HỆ THỐNG QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG
• 3.1. Hoạt Động Của Hệ Thống. Các Chức Năng Của Hệ Thống
• 3.2. Giám sát trực tuyến phương tiện giao thông
• 3.3. Hệ thống báo cáo thống kê
• 3.4. Phân Tích Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Hệ Thống Quản Lý Phương Tiện Giao Thông
• 3.5. Nghị Định 91/2009 Về Quy Định Thời Hạn Ôtô Phải Lắp Đặt Hộp Đen
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH THU PHÁT TÍN HIỆU
• 4.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
• 4.2. Giới Thiệu Các Linh Kiện Chính
• 4.3. Giới thiệu vi điều khiển AT Mega 128
• 4.4. Giới thiệu về Module SIM5218A và tập lệnh AT
• 4.5. Giao Thức NMEA0183
• 4.6. Lắp Đặt Mạch Và Lập Trình Cho Vi Điều Khiển
• 4.7. Lập trình cho vi điều khiển AVR
• 4.8. Kiểm Thử Và Nghiên Cứu Hướng Phát Triển Thiết Bị
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHO SERVER
• 5.1. Nguyên Lý Thiết Kế
• 5.2. Lập Trình Cho Web Hiển Thị Google Maps
• 5.3. Lập Trình Giao Tiếp Với Module Qua Giao Thức TCP/IP
• 5.4. Cấu hình mở NAT Port cho Modem
• 5.5. Lập trình nhận dữ liệu qua giao thức TCP/IP
• 5.6. Lập trình tách chuỗi dữ liệu nhận về
• 5.7. Xây Dựng Cơ sở Dữ Liệu Cho Server
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. GPS Là Gì Tổng Quan Về Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là một cuộc cách mạng trong định vị và dẫn đường. Ý tưởng sử dụng vệ tinh nhân tạo để định vị trên mặt đất, ít phụ thuộc vào thời tiết và thời gian, đã được manh nha từ những năm 50-60. Liên Xô và Mỹ là những quốc gia tiên phong. Hệ thống TRANSIT và TSICADA là những ví dụ ban đầu. Sau này, Bộ Quốc phòng Mỹ đã phát triển hệ thống NAVSTAR GPS, hệ thống định vị toàn cầu hoàn chỉnh đầu tiên. Hệ thống này bao gồm 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ, bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao khoảng 20.200km. Nhờ vậy, tại bất kỳ điểm nào trên Trái Đất, người dùng có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh.

1.1. Lịch sử phát triển và các hệ thống định vị tiền thân

Những năm 50-60 chứng kiến sự ra đời của ý tưởng định vị bằng vệ tinh. Liên Xô và Mỹ đã thử nghiệm các hệ thống ban đầu như TRANSIT và TSICADA. Những hệ thống này là tiền đề cho sự phát triển của GPS sau này. Sự ra đời của vệ tinh Sputnik-1 đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vệ tinh vào mục đích định vị và dẫn đường. Những nỗ lực ban đầu này đã đặt nền móng cho sự phát triển vượt bậc của các hệ thống định vị toàn cầu ngày nay.

1.2. Cấu trúc và chức năng cơ bản của hệ thống GPS

Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần chính: phân đoạn không gian (các vệ tinh), phân đoạn điều khiển (các trạm điều khiển trên mặt đất) và phân đoạn người dùng (các thiết bị thu GPS). Các vệ tinh phát tín hiệu xuống Trái Đất, các trạm điều khiển theo dõi và điều chỉnh hoạt động của các vệ tinh, và các thiết bị thu GPS sử dụng tín hiệu này để xác định vị trí của chúng. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc đo khoảng cách từ thiết bị thu đến ít nhất bốn vệ tinh.

II. Thách Thức và Sai Số Trong Hệ Thống Định Vị GPS Hiện Nay

Mặc dù GPS cung cấp độ chính xác cao, vẫn tồn tại những thách thức và nguồn gây sai số. Sai số có thể phát sinh từ nhiều yếu tố, bao gồm sự chậm trễ của tín hiệu khi truyền qua tầng điện ly và tầng đối lưu của khí quyển, độ chính xác của đồng hồ trên vệ tinh, và hình học của các vệ tinh. Các yếu tố khác như nhiễu sóng vô tuyến và đa đường (multipath) cũng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị. Các kỹ thuật như DGPS (GPS vi sai) và WAAS (Wide Area Augmentation System) được sử dụng để giảm thiểu những sai số này và cải thiện độ chính xác.

2.1. Các nguồn sai số tiềm ẩn ảnh hưởng đến độ chính xác

Có nhiều yếu tố có thể gây ra sai số trong hệ thống GPS. Sai số từ tầng điện ly và tầng đối lưu là một trong những nguồn quan trọng nhất. Sự chậm trễ của tín hiệu khi truyền qua các tầng này có thể làm sai lệch phép đo khoảng cách. Ngoài ra, độ chính xác của đồng hồ trên vệ tinh và hình học của các vệ tinh cũng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị. Nhiễu sóng vô tuyến và đa đường (multipath) là những yếu tố khác cần được xem xét.

2.2. Các phương pháp giảm thiểu sai số và tăng độ chính xác

Để giảm thiểu sai số và tăng độ chính xác của GPS, nhiều kỹ thuật đã được phát triển. DGPS (GPS vi sai) sử dụng các trạm tham chiếu để hiệu chỉnh sai số. WAAS (Wide Area Augmentation System) là một hệ thống tương tự nhưng bao phủ một khu vực rộng lớn hơn. Các kỹ thuật này giúp cải thiện đáng kể độ chính xác của định vị trong nhiều ứng dụng khác nhau.

III. Giải Pháp Thiết Kế Mạch Thu Phát Tín Hiệu GPS Hiệu Quả

Để thu và xử lý tín hiệu GPS, cần thiết kế một mạch thu phát tín hiệu hiệu quả. Mạch này bao gồm các thành phần như ăng-ten, bộ lọc, bộ khuếch đại, và bộ xử lý tín hiệu. Một vi điều khiển như ATmega128 có thể được sử dụng để điều khiển hoạt động của mạch và xử lý dữ liệu GPS. Module SIM5218A cung cấp khả năng kết nối mạng di động, cho phép truyền dữ liệu GPS về máy chủ trung tâm. Giao thức NMEA0183 được sử dụng để định dạng dữ liệu GPS.

3.1. Lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch thu phát GPS tối ưu

Việc lựa chọn linh kiện phù hợp là rất quan trọng để thiết kế một mạch thu phát GPS hiệu quả. Ăng-ten phải có khả năng thu tín hiệu GPS mạnh mẽ. Bộ lọc phải loại bỏ nhiễu sóng. Bộ khuếch đại phải tăng cường tín hiệu. Và bộ xử lý tín hiệu phải giải mã dữ liệu GPS. Vi điều khiển ATmega128 là một lựa chọn phổ biến vì nó có đủ bộ nhớ và tốc độ xử lý để thực hiện các tác vụ này.

3.2. Tích hợp module SIM5218A và giao thức NMEA0183

Module SIM5218A cung cấp khả năng kết nối mạng di động cho mạch thu phát GPS. Điều này cho phép truyền dữ liệu GPS về máy chủ trung tâm để xử lý và hiển thị. Giao thức NMEA0183 là một tiêu chuẩn để định dạng dữ liệu GPS. Việc sử dụng giao thức này giúp đảm bảo tính tương thích giữa các thiết bị GPS khác nhau. Việc kết hợp các công nghệ này tạo nên hệ thống định vị và theo dõi mạnh mẽ.

IV. Ứng Dụng Hệ Thống Giám Sát Phương Tiện Giao Thông Trực Tuyến

Một ứng dụng quan trọng của GPS và bản đồ số trực tuyến là hệ thống giám sát phương tiện giao thông trực tuyến. Hệ thống này cho phép theo dõi vị trí, vận tốc và hướng di chuyển của phương tiện theo thời gian thực. Dữ liệu GPS từ thiết bị trên xe được truyền về máy chủ trung tâm thông qua mạng di động. Máy chủ trung tâm xử lý dữ liệu và hiển thị thông tin lên bản đồ số, chẳng hạn như Google Maps. Hệ thống này mang lại nhiều lợi ích cho việc quản lý đội xe, cải thiện hiệu quả hoạt động và đảm bảo an toàn.

4.1. Theo dõi vị trí và thông tin phương tiện theo thời gian thực

Hệ thống giám sát phương tiện giao thông trực tuyến cho phép theo dõi vị trí của phương tiện trên bản đồ số. Vận tốc và hướng di chuyển cũng được hiển thị theo thời gian thực. Thông tin này rất hữu ích cho việc quản lý đội xe, đặc biệt là trong các ngành vận tải, logistics và dịch vụ khẩn cấp. Khả năng giám sát trực tiếp giúp nhà quản lý đưa ra quyết định nhanh chóng và hiệu quả.

4.2. Lợi ích và ứng dụng thực tiễn trong quản lý đội xe

Việc ứng dụng hệ thống giám sát phương tiện giao thông trực tuyến mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Giúp tăng cường an toàn, giảm thiểu rủi ro tai nạn nhờ theo dõi tốc độ và hành vi lái xe. Hỗ trợ tối ưu hóa lộ trình, giảm chi phí nhiên liệu. Cải thiện hiệu quả quản lý và điều phối xe. Việc tuân thủ Nghị định 91/2009 về việc lắp đặt hộp đen trên xe kinh doanh vận tải cũng là một yếu tố thúc đẩy sự phát triển của hệ thống này.

V. Thiết Kế Phần Mềm Cho Server Hiển Thị Bản Đồ Số Google Maps

Phần mềm cho server đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và hiển thị dữ liệu GPS. Server nhận dữ liệu từ các thiết bị GPS thông qua giao thức TCP/IP. Dữ liệu được xử lý để trích xuất thông tin vị trí, vận tốc và các thông số khác. Sau đó, thông tin này được hiển thị trên bản đồ số, sử dụng các API của Google Maps. Cơ sở dữ liệu được sử dụng để lưu trữ thông tin về phương tiện và lịch sử di chuyển. Giao diện người dùng được thiết kế để dễ dàng theo dõi và quản lý.

5.1. Lập trình giao tiếp với module GPS qua giao thức TCP IP

Giao thức TCP/IP là phương thức truyền dữ liệu tin cậy và phổ biến trên mạng Internet. Server sử dụng giao thức này để giao tiếp với các thiết bị GPS. Việc lập trình giao tiếp TCP/IP đòi hỏi kiến thức về socket programming và các kỹ thuật xử lý luồng dữ liệu. Mã hóa dữ liệu cũng nên được xem xét để đảm bảo tính bảo mật.

5.2. Hiển thị thông tin vị trí và theo dõi trên Google Maps API

Google Maps API cung cấp các công cụ để hiển thị bản đồ số và tích hợp các tính năng định vị. Server sử dụng API này để hiển thị vị trí của phương tiện trên bản đồ. Các tính năng như đánh dấu vị trí, vẽ đường đi và hiển thị thông tin bổ sung có thể được tích hợp để nâng cao trải nghiệm người dùng. Việc sử dụng Google Maps API giúp giảm thiểu thời gian phát triển và đảm bảo tính tương thích với các nền tảng khác nhau.

VI. Tương Lai Của Nghiên Cứu GPS Độ Chính Xác Cao và Ứng Dụng Mới

Nghiên cứu về GPS vẫn tiếp tục phát triển với mục tiêu cải thiện độ chính xác và mở rộng phạm vi ứng dụng. Các hệ thống GPS thế hệ mới sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như RTK (Real-Time Kinematic) và các tín hiệu vệ tinh đa tần số để đạt được độ chính xác centimet. Các ứng dụng mới đang nổi lên trong các lĩnh vực như lái xe tự động, nông nghiệp chính xác, và quản lý tài sản. Tương lai của GPS hứa hẹn nhiều đột phá và ứng dụng tiềm năng.

6.1. Các công nghệ mới nâng cao độ chính xác của GPS RTK đa tần

RTK (Real-Time Kinematic) là một kỹ thuật GPS cho phép đạt được độ chính xác centimet trong thời gian thực. Kỹ thuật này sử dụng một trạm tham chiếu để hiệu chỉnh sai số. Các hệ thống GPS đa tần số sử dụng nhiều tín hiệu vệ tinh khác nhau để giảm thiểu ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu. Các công nghệ này đang mở ra những khả năng mới cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao.

6.2. Tiềm năng và ứng dụng trong lái xe tự động và nông nghiệp chính xác

Lái xe tự động và nông nghiệp chính xác là hai lĩnh vực hứa hẹn nhiều ứng dụng tiềm năng của GPS độ chính xác cao. Trong lái xe tự động, GPS được sử dụng để định vị xe và điều hướng trên đường. Trong nông nghiệp chính xác, GPS được sử dụng để điều khiển máy móc nông nghiệp và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên. Các ứng dụng này đang góp phần vào sự phát triển của các ngành công nghiệp mới.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực giao thông vận tải, việc ứng dụng công nghệ định vị toàn cầu (GPS) kết hợp hệ thống thông tin địa lý (GIS) và mạng viễn thông di động đã trở thành tiêu chuẩn quản trị phổ biến tại Bắc Mỹ, Châu Âu và Đông Á nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành và giám sát đội xe. Tại Việt Nam, nhu cầu này được thúc đẩy mạnh mẽ bởi khung pháp lý của Chính phủ thông qua Nghị định số 91/2009/NĐ-CP, quy định thời hạn trước ngày 01/07/2011 toàn bộ xe ô tô kinh doanh vận tải hành khách theo tuyến cố định có cự ly từ 500 km trở lên và xe container bắt buộc phải lắp đặt thiết bị giám sát hành trình (hộp đen).

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS và bản đồ số trực tuyến" do sinh viên Nguyễn Ngọc Hưng thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lâm Hồng Thạch tại Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (tháng 05/2011), tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật từ phần cứng thu phát đến phần mềm máy chủ giám sát phương tiện.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về hệ thống định vị toàn cầu GPS, hệ thống thông tin địa lý GIS, công nghệ bản đồ số Google Maps và mạng thông tin di động GSM/GPRS.
2. Thiết kế và chế tạo mạch phần cứng thu phát tín hiệu tích hợp trên phương tiện (hộp đen) sử dụng vi điều khiển AVR và module truyền thông không dây.
3. Xây dựng phần mềm máy chủ (Server), thiết kế cơ sở dữ liệu và giao diện Web nhúng Google Maps API để tiếp nhận dữ liệu qua giao thức TCP/IP, phân tích chuỗi bản tin tọa độ và hiển thị trạng thái phương tiện theo thời gian thực.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống giám sát và quản lý phương tiện giao thông trực tuyến tích hợp phần cứng và phần mềm. Phạm vi nghiên cứu về không gian áp dụng trên hạ tầng mạng viễn thông di động và bản đồ số tại Việt Nam; phạm vi thời gian và công nghệ tập trung vào giai đoạn hoàn thiện đồ án năm 2011 với các chuẩn công nghệ GSM/GPRS 2G/3G, chuẩn dữ liệu NMEA 0183 và nền tảng Google Maps API.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật được tác giả sử dụng bao gồm:

• Hệ thống định vị toàn cầu NAVSTAR GPS: Cấu trúc gồm 3 phân đoạn chính (Phân đoạn không gian gồm 24 vệ tinh trên 6 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao 20.200 km; Phân đoạn điều khiển gồm các trạm mặt đất; Phân đoạn người sử dụng). Nguyên lý xác định tọa độ dựa trên bài toán giao hội không gian từ tối thiểu 4 vệ tinh để giải hệ 4 phương trình xác định tọa độ $(X, Y, Z)$ và sai số đồng hồ $dT$. Tín hiệu vệ tinh sử dụng điều chế BPSK trên hai sóng mang $L1$ (1575,42 MHz) và $L2$ (1227,60 MHz) mang mã định vị C/A-code và P-code.
• Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và Google Maps: Các mô hình dữ liệu không gian dạng vector, raster, network cùng các phương thức tiếp cận Geodatabase, Geovisualization và Geoprocessing. Công nghệ Web 2.0 và Google Maps API cho phép nhúng bản đồ số trực tuyến vào ứng dụng quản lý.
• Mạng thông tin di động GSM và dịch vụ GPRS: Kiến trúc phân hệ trạm gốc (BSS), phân hệ chuyển mạch (NSS), phân hệ vận hành bảo dưỡng (OMS) và trạm di động (MS). Công nghệ chuyển mạch gói GPRS bổ sung hai nút mạng SGSN (Serving GPRS Support Node) và GGSN (Gateway GPRS Support Node) cho phép truyền các gói tin IP qua giao thức TCP/UDP đến máy chủ trung tâm.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo cứu các tiêu chuẩn kỹ thuật viễn thông, cấu trúc bản tin NMEA 0183 của thiết bị định vị và tập lệnh AT điều khiển module vô tuyến.
• Phương pháp thiết kế và thực nghiệm phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch nguồn, mạch vi điều khiển AVR ATmega128 và mạch kết nối module SIM5218A; chế tạo mạch in, lắp ráp linh kiện và kiểm thử truyền thông nối tiếp UART qua phần mềm HyperTerminal.
• Phương pháp xây dựng phần mềm và tích hợp hệ thống: Lập trình ứng dụng Socket TCP/IP trên máy chủ, cấu hình định tuyến NAT Port cho Modem mạng, xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu quan hệ và lập trình giao diện Web bằng công nghệ AJAX tích hợp bản đồ số Google Maps.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: dữ liệu bản tin định vị NMEA 0183 thu trực tiếp từ module GPS, tập lệnh AT chuẩn của nhà sản xuất SIMCom, cơ sở dữ liệu không gian từ dịch vụ bản đồ số Google Maps, và các văn bản quy chuẩn kỹ thuật theo Nghị định 91/2009/NĐ-CP của Chính phủ.

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Đồ án triển khai hệ thống giám sát toàn diện gồm hai khối chính: Thiết bị đầu cuối gắn trên xe (GPS Tracking Unit) và Máy chủ quản trị trung tâm (Central Server).

1. Kiến trúc phần cứng thiết bị đầu cuối

Thiết bị trên xe có chức năng thu thập dữ liệu tọa độ từ vệ tinh và truyền về máy chủ qua mạng di động, gồm các thành phần linh kiện:

• Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển AVR ATmega128 (hãng Atmel) cấu trúc RISC 8-bit, bộ nhớ Flash 128 KB, chịu trách nhiệm nhận tín hiệu từ module truyền thông, xử lý dữ liệu và điều khiển hoạt động toàn hệ thống.
• Khối thu phát vô tuyến: Module SIM5218A (hãng SIMCom) hỗ trợ công nghệ mạng 3G/GSM/GPRS và tích hợp sẵn khối thu GPS độ nhạy cao. Vi điều khiển giao tiếp với SIM5218A thông qua giao tiếp UART bằng tập lệnh AT.
• Khối nguồn và nguồn dự phòng: Mạch nhận nguồn chính từ ắc quy phương tiện điện áp $+12\text{V}$ hoặc $+24\text{V}$, tích hợp pin dự phòng Lithium cho phép duy trì hoạt động trong 6 giờ khi mất nguồn chính.

2. Thiết kế phần mềm máy chủ và giao diện giám sát

• Cấu hình mạng: Thiết lập mở cổng NAT (Network Address Translation) trên Modem Zyxel để định tuyến các gói tin từ mạng Internet công cộng vào máy chủ nội bộ.
• Phần mềm tiếp nhận và xử lý dữ liệu: Ứng dụng Server lắng nghe kết nối qua giao thức TCP/IP từ module SIM5218A, bóc tách chuỗi dữ liệu GPS (chuẩn NMEA 0183) để trích xuất kinh độ, vĩ độ, vận tốc, hướng di chuyển và thời gian thực.
• Cơ sở dữ liệu: Thiết kế hệ thống bảng dữ liệu quan hệ lưu trữ thông tin xe, danh mục người dùng, nhật ký hành trình và lịch sử cảnh báo.
• Giao diện Web giám sát: Tích hợp Google Maps API cho phép người quản lý theo dõi trực quan vị trí xe theo thời gian thực, tự động bám sát xe di chuyển ở trung tâm màn hình, hỗ trợ đổi màu trạng thái dừng/đỗ/chạy và hiển thị màu đỏ trên lộ trình khi phương tiện chạy quá tốc độ quy định.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Chương này tổng hợp cơ sở lý thuyết và lịch sử hình thành của công nghệ định vị vệ tinh từ vệ tinh Sputnik-1 (1957), đề án TIMATION của Hải quân Mỹ, chương trình 621B của Không quân Mỹ đến hệ thống hoàn chỉnh NAVSTAR GPS gồm 24 vệ tinh phân bố trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng $55^\circ$, chu kỳ 718 phút ở độ cao 20.200 km. Tác giả phân tích chi tiết ba phân đoạn (không gian, điều khiển, người dùng), cấu trúc tín hiệu sóng mang $L1$ ($1575,42\text{ MHz}$) và $L2$ ($1227,60\text{ MHz}$), phương thức điều chế BPSK, cùng các nguồn sai số như sai số đồng hồ, sai số quỹ đạo, khúc xạ tầng điện ly/tầng đối lưu và hiện tượng đa đường dẫn tín hiệu.

Dịch vụ định vị	Mã sử dụng	Tần số	Sai số mặt ngang ($\Delta 1$)	Sai số mặt đứng ($\Delta 2$)	Sai số thời gian ($\Delta 3$)
SPS (Dân sự)	C/A-code (1,023 MHz)	Sóng mang $L1$	$\approx 100\text{ m}$	$\approx 156\text{ m}$	$\approx 340\text{ ns}$
PPS (Quân sự)	P-code (10,23 MHz)	Sóng mang $L1, L2$	$\approx 22\text{ m}$	$\approx 27,7\text{ m}$	$\approx 100\text{ ns}$

Chương cũng giới thiệu kỹ thuật GPS vi sai (DGPS) với trạm tham chiếu giúp hiệu chỉnh sai số theo thời gian thực hoặc sau xử lý để nâng cao độ chính xác.

Chương 2: Giới thiệu hệ thống thông tin địa lý GIS và hệ thống thông tin di động

Tác giả trình bày tổng quan về hệ thống GIS từ thập niên 1960, các cấu trúc dữ liệu không gian (vector, raster, network, 3D), phương pháp phân tích không gian như phân tích liền kề và phân tích chồng xếp. Chương mô tả các ứng dụng GIS tại Việt Nam, phân tích chi tiết dịch vụ bản đồ trực tuyến Google Maps (ra đời tháng 08/2005), Google Maps API (tháng 06/2005) với hơn 350.000 website sử dụng, và ứng dụng Google Maps for Mobile hỗ trợ đa nền tảng (Android, iOS, Windows Mobile, Symbian, BlackBerry).

Về viễn thông di động, chương phân tích cấu trúc mạng GSM 2G gồm phân hệ chuyển mạch NSS (MSC, HLR, VLR, AuC, EIR), phân hệ vô tuyến BSS (TRAU, BSC, BTS) và phân hệ bảo dưỡng OMS. Tác giả đi sâu vào dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS, làm rõ vai trò của nút phục vụ SGSN và nút cổng GGSN trong việc định tuyến các gói tin IP qua hạ tầng GSM, nâng tốc độ truyền dữ liệu lý thuyết từ $9,6\text{ Kbps}$ của chuyển mạch kênh GSM lên trên $115\text{ Kbps}$ của GPRS, tạo nền tảng truyền dữ liệu qua Internet.

Chương 3: Khái quát các hệ thống quản lý phương tiện giao thông

Chương 3 trình bày sơ đồ tổng thể và nguyên lý vận hành của hệ thống quản lý phương tiện giao thông. Tác giả mô tả chi tiết các phân hệ chức năng:

• Giám sát trực tuyến: Hiển thị vị trí xe, vận tốc, hướng đi, trạng thái tắt/nổ máy, điều hòa, đóng/mở cửa trên bản đồ số; hỗ trợ tự động bám chuyển động xe ở trung tâm bản đồ và tra cứu tọa độ tức thời qua tin nhắn SMS.
• Hệ thống cảnh báo an toàn:
  • Cảnh báo nút bấm SOS khẩn cấp (sử dụng khi gặp sự cố tai nạn, mất phanh hoặc cướp xe).
  • Cảnh báo mất nguồn điện chính ắc quy $+12\text{V}/+24\text{V}$.
  • Cảnh báo pin dự phòng Lithium yếu khi dung lượng xuống dưới $30%$ với tần suất thông báo 5 phút/lần.
  • Cảnh báo vi phạm tốc độ quy định (thông thường cài đặt ngưỡng $> 80\text{ km/h}$).
  • Cảnh báo phương tiện ra/vào vùng kiểm soát (được định nghĩa dưới dạng ô hình vuông do người quản trị đánh dấu trên bản đồ).
• Hệ thống báo cáo và tích hợp: Cung cấp báo cáo thống kê hành trình quá khứ, tra cứu lịch trình và hỗ trợ tích hợp mở rộng camera giám sát dạng vòm hỗ trợ định dạng ảnh JPEG độ phân giải $640 \times 480\text{ pixels}$.

Chương 4: Thiết kế mạch thu phát tín hiệu

Chương này tập trung vào thiết kế kỹ thuật phần cứng cho thiết bị đầu cuối gắn trên xe:

• Lựa chọn linh kiện: Sử dụng vi điều khiển AVR ATmega128 kết hợp với module đa phương thức SIM5218A của SIMCom.
• Khối truyền thông và giao thức: Module SIM5218A được cấu hình nhận tín hiệu GPS và gửi dữ liệu về máy chủ. Dữ liệu định vị tuân thủ chuẩn giao thức NMEA 0183 (với các trường dữ liệu thời gian, vĩ độ, kinh độ, chất lượng định vị, số lượng vệ tinh).
• Lập trình vi điều khiển: Viết chương trình điều khiển cổng nối tiếp UART của ATmega128 (thông qua các thanh ghi UCSRA, UCSRB, UCSRC), gửi các tập lệnh AT đến SIM5218A (như lệnh kích hoạt và đọc thông tin định vị AT+CGPSINFO=1).
• Thực nghiệm và kiểm thử: Mạch phần cứng được kiểm tra thực nghiệm kết nối với máy tính thông qua phần mềm HyperTerminal, xác thực khả năng nhận lệnh AT và trích xuất đúng các bản tin NMEA từ vệ tinh.

Chương 5: Thiết kế phần mềm cho Server

Chương cuối cùng hoàn thiện giải pháp máy chủ quản trị trung tâm:

• Cấu hình hạ tầng: Cấu hình mở cổng mạng NAT Port trên Modem Zyxel để kết nối mạng Internet công cộng tới địa chỉ IP của máy chủ nhận tin.
• Lập trình truyền thông Socket: Xây dựng module tiếp nhận luồng dữ liệu TCP/IP từ thiết bị gửi về, xử lý tách chuỗi ký tự nhận được để lấy các tham số tọa độ và trạng thái cảm biến.
• Cơ sở dữ liệu và giao diện người dùng: Xây dựng mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ lưu trữ dữ liệu xe; lập trình trang Web tích hợp Google Maps API cho phép người dùng đăng nhập tài khoản phân quyền, theo dõi vị trí trực tiếp và xem lại lộ trình di chuyển của xe.

---

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã đạt được các kết quả cụ thể:

• Hoàn thiện sơ đồ thiết kế nguyên lý và chế tạo thành công mạch thu phát tín hiệu phần cứng tích hợp vi điều khiển AVR ATmega128 và module SIM5218A.
• Thiết lập thành công luồng truyền thông dữ liệu không dây hai chiều giữa thiết bị đầu cuối và Server trung tâm thông qua mạng di động GPRS và giao thức TCP/IP.
• Phần mềm máy chủ bóc tách chính xác dữ liệu GPS định dạng chuẩn NMEA 0183, cập nhật dữ liệu vào cơ sở dữ liệu và hiển thị vị trí phương tiện trên nền bản đồ số Google Maps.
• Hiện thực hóa các tính năng cảnh báo an toàn cơ bản như cảnh báo nút bấm SOS, cảnh báo mất nguồn chính, cảnh báo pin yếu (dưới $30%$ dung lượng), cảnh báo chạy quá tốc độ quy định ($> 80\text{ km/h}$) và cảnh báo ra/vào vùng kiểm soát hình vuông.

Về mặt kỹ thuật, đề tài đã đề xuất và chứng minh tính khả thi của mô hình tích hợp hệ thống nhúng với nền tảng điện toán đám mây và bản đồ số trực tuyến phục vụ quản lý giao thông vận tải nội địa, bám sát các yêu cầu thực tiễn của Nghị định 91/2009/NĐ-CP tại thời điểm nghiên cứu.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

Dựa trên nội dung đồ án và phạm vi kỹ thuật được tác giả trình bày, nghiên cứu còn một số hạn chế và định hướng phát triển:

• Hạn chế: Hệ thống mới được thử nghiệm trên mô hình mạch chức năng đơn lẻ; băng thông và độ ổn định của đường truyền phụ thuộc hoàn toàn vào chất lượng phủ sóng GPRS của nhà mạng; chưa triển khai thử nghiệm diện rộng trên nhiều phương tiện di chuyển đồng thời ở các điều kiện địa hình phức tạp.
• Hướng phát triển:
  • Tích hợp thêm các cảm biến ngoại vi chuyên dụng như cảm biến đo mức tiêu hao nhiên liệu, cảm biến nhiệt độ thùng xe đông lạnh.
  • Tích hợp module camera dạng vòm chụp ảnh màu định dạng JPEG (độ phân giải $640 \times 480\text{ pixels}$) hỗ trợ chụp ngày/đêm và truyền dữ liệu hình ảnh về máy chủ qua mạng 3G.
  • Nâng cấp phần mềm máy chủ thành hệ thống quản lý đội xe chuyên nghiệp, mở rộng các thuật toán tối ưu hóa lộ trình và tích hợp với hệ thống phần mềm quản trị doanh nghiệp (ERP).

---

Giá trị tham khảo và đối tượng tiếp cận

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

• Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về phương pháp thiết kế mạch vi điều khiển AVR (ATmega128), kỹ thuật giao tiếp tập lệnh AT với module truyền thông vô tuyến 3G/GSM/GPRS, và cách bóc tách xử lý bản tin GPS chuẩn NMEA 0183.
• Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng và IoT (Telematics): Cung cấp khung thiết kế phần cứng hộp đen giám sát hành trình phương tiện cơ giới đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật vận tải.
• Lập trình viên phần mềm và ứng dụng Web/GIS: Tham khảo kiến trúc kết nối Socket TCP/IP, cấu hình định tuyến Modem mạng (NAT Port) và phương thức tích hợp Google Maps API vào giao diện giám sát thời gian thực.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống GPS cần quan sát tối thiểu bao nhiêu vệ tinh để xác định vị trí 3 chiều của đối tượng?
Theo nguyên lý hình học không gian được trình bày trong đồ án, máy thu GPS cần thu tín hiệu từ tối thiểu 4 vệ tinh đồng thời để giải hệ 4 phương trình khoảng cách chứa 4 ẩn số gồm: tọa độ 3 chiều $(X, Y, Z)$ của đối tượng và giá trị hiệu chỉnh sai số đồng hồ máy thu ($dT$).

2. Căn cứ pháp lý nào tại Việt Nam thúc đẩy việc nghiên cứu và chế tạo thiết bị hộp đen trong đồ án?
Căn cứ pháp lý trực tiếp là Nghị định số 91/2009/NĐ-CP của Chính phủ, quy định bắt buộc trước ngày 01/07/2011, các xe ô tô kinh doanh vận tải hành khách theo tuyến cố định có cự ly từ 500 km trở lên và xe container phải lắp đặt thiết bị giám sát hành trình.

3. Phần cứng mạch thu phát trên xe sử dụng các vi mạch và module xử lý chính nào?
Mạch phần cứng sử dụng vi điều khiển 8-bit AVR ATmega128 (hãng Atmel) làm khối xử lý điều khiển trung tâm và module SIM5218A (hãng SIMCom) đảm nhận chức năng thu sóng định vị GPS và truyền nhận dữ liệu qua mạng viễn thông GSM/GPRS.

4. Cơ chế hoạt động của nguồn điện dự phòng trên thiết bị được thiết kế như thế nào?
Thiết bị sử dụng pin Lithium làm nguồn dự phòng, có khả năng cấp điện duy trì hoạt động trong 6 giờ khi mất nguồn ắc quy chính ($+12\text{V}/+24\text{V}$). Khi dung lượng pin dự phòng giảm xuống dưới mức $30%$, thiết bị sẽ tự động gửi cảnh báo pin yếu về trung tâm điều hành với tần suất 5 phút/lần.

5. Lệnh AT nào được sử dụng để kiểm tra việc đọc dữ liệu GPS trực tiếp từ module SIM5218A qua máy tính?
Trong quá trình kiểm thử phần cứng qua phần mềm HyperTerminal, tác giả sử dụng lệnh AT+CGPSINFO=1 để yêu cầu module SIM5218A xuất chuỗi thông tin định vị tọa độ GPS lên màn hình.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Ngọc Hưng đã nghiên cứu và thiết kế thành công hệ thống giám sát phương tiện giao thông trực tuyến dựa trên sự tích hợp giữa công nghệ định vị vệ tinh GPS, mạng truyền dữ liệu di động GPRS và bản đồ số Google Maps. Giải pháp kỹ thuật được xây dựng đồng bộ từ mạch phần cứng thu phát trên xe (sử dụng ATmega128 và SIM5218A) đến máy chủ xử lý dữ liệu qua giao thức TCP/IP và giao diện hiển thị trực quan trên nền Web. Kết quả nghiên cứu đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật và pháp lý đặt ra tại thời điểm năm 2011, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các thiết bị giám sát hành trình thương mại phục vụ ngành giao thông vận tải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS 1. Quân sự - Dịch vụ định vị chính xác PPS (Precise Positioning Service) Sử dụng mã P tại tần số 𝐿1 hoặc 𝐿2 Sai số đo:  Theo phương ngang ∆1 ≈ 22 m  Theo phương đứng ∆2 ≈ 27,7 m  Thời gian ∆3 ≈ 100 ns 1. GPS vi sai DGPS (Differential GPS ) Là kỹ thuật sử dụng trạm thu GPS tham chiếu để cung cấp thông tin hiệu chỉnh sai số cho các máy thu GPS ở một vùng cục bộ xác định. Các máy thu DGPS sẽ có độ chính xác tăng và cao hơn máy thu GPS thông thường.

Hệ thống có độ phức tạp tăng lên và cần có hệ thống truyền số liệu giữa trạm tham chiếu và máy thu DGPS. Có hai chế độ hiệu chỉnh sử dụng trong hệ thống DGPS:  Hiệu chỉnh theo thời gian thực ( real-time )  Hiệu chỉnh không theo thời gian thực ( post processing ) Hình1.8 : Cấu trúc hệ thống DGPS Page 23 Chương 2 : Giới Thiệu Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS Và Hệ Thống Thông Tin Di Động Chương 2 : GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2. Giới Thiệu Về Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS 2. Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - gọi tắt là GIS) được hình thành vào những năm 1960 và phát triển rất rộng rãi trong 10 năm lại đây.

GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân. đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu đầu vào. Một hệ thống GIS về cơ bản là một hệ thống thông tin dựa trên nền tảng là bản đồ số.

Chức năng chính của một hệ thống GIS là:  Thu thập, lưu trữ dữ liệu không gian (thông tin địa lí hay dữ liệu không gian) dưới dạng bản đồ số kèm theo các dữ liệu thuộc tính (phi không gian)  Truy cập vào dữ liệu và trình bày dữ liệu dưới dạng các biểu mẫu và bản đồ  Phân tích và xử lí dữ liệu bằng cách tổng hợp nhiều lớp bản đồ, các thuộc tính không gian và phi không gian. Một trong những đặc trưng quan trọng của GIS là xác định vị trí, tức là nó cho phép truy cập và xác định “cái gì ở đâu”. Vì thế các hệ thống GIS thường được tích hợp với các công nghệ định vị. Ngày nay công nghệ định vị toàn cầu (GPS) trở nên rất tiên tiến và có dịch vụ miễn phí,do đó nhiều hệ thống GIS được tích hợp với công nghệ định vị GPS.

Có thể kể ra một số ứng dụng tiêu biểu đã được thương mại hóa rộng rãi Page 24 Chương 2 : Giới Thiệu Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS Và Hệ Thống Thông Tin Di Động đó là bảng chỉ dẫn đường trên xe hơi; chỉ dẫn đường bay trong hàng không; xác định vị trí lãnh hải và dẫn đường hàng hải… Các hệ thống này về cơ bản là sử dụng bản đồ số và kết nối với thiết bị định vị để thể hiện vị trí hiện tại của một đối tượng đang xét như xe hơi, máy bay hay tàu thủy. Xây dựng GIS Theo cách tiếp cận truyền thống, GIS là một công cụ máy tính để lập bản đồ và phân tích các sự vật, hiện tượng thực trên Trái đất. Công nghệ GIS kết hợp các thao tác cơ sở dữ liệu thông thường (như cấu trúc hỏi đáp) và các phép phân tích thống kê, phân tích không gian. Những khả năng này phân biệt GIS với các hệ thống thông tin khác và khiến cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (phân tích các sự kiện, dự đoán tác động và hoạch định chiến lược).

Việc áp dụng công nghệ thông tin trong lĩnh vực dữ liệu không gian đã tiến những bước dài: từ hỗ trợ lập bản đồ (CAD mapping) sang hệ thống thông tin địa lý (GIS). Cho đến nay cùng với việc tích hợp các khái niệm của công nghệ thông tin như hướng đối tượng, GIS đang có bước chuyển từ cách tiếp cận cơ sở dữ liệu (database approach) sang hướng tri thức (knowledge approach) Hệ thống thông tin địa lý là hệ thống quản lý, phân tích và hiển thị tri thức địa lý, tri thức này được thể hiện qua các tập thông tin:  Các bản đồ: giao diện trực tuyến với dữ liệu địa lý để tra cứu, trình bày kết quả và sử dụng như là một nền thao tác với thế giới thực  Các tập thông tin địa lý: thông tin địa lý dạng file và dạng cơ sở dữ liệu gồm các yếu tố, mạng lưới, topology, địa hình, thuộc tính  Các mô hình xử lý: tập hợp các quy trình xử lý để phân tích tự động Page 25 Chương 2 : Giới Thiệu Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS Và Hệ Thống Thông Tin Di Động  Các mô hình dữ liệu: GIS cung cấp công cụ mạnh hơn là một cơ sở dữ liệu thông thường bao gồm quy tắc và sự toàn vẹn giống như các hệ thông tin khác. Lược đồ, quy tắc và sự toàn vẹn của dữ liệu địa lý đóng vai trò rất quan trọng  Metadata: hay tài liệu miêu tả dữ liệu, cho phép người sử dụng tổ chức, tìm hiểu và truy nhập được tới tri thức địa lý… 2. Các cách nhìn về GIS Khi làm việc với hệ thống GIS có thể tiếp cận dưới các cách nhìn nhận như sau: 1.

Cơ sở dữ liệu địa lý (Geodatabase - theo cách gọi của ESRI): GIS là một cơ sở dữ liệu không gian chuyển tải thông tin địa lý theo quan điểm gốc của mô hình dữ liệu GIS (yếu tố, topology, mạng lưới, raster,. Hình tượng hoá (Geovisualization): GIS là tập các bản đồ thông minh thể hiện các yếu tố và quan hệ giữa các yếu tố trên mặt đất. Dựa trên thông tin địa lý có thể tạo nhiều loại bản đồ và sử dụng chúng như là một cửa sổ vào trong cơ sở dữ liệu để hỗ trợ tra cứu, phân tích và biên tập thông tin. Xử lý (Geoprocessing): GIS là các công cụ xử lý thông tin cho phép tạo ra các thông tin mới từ thông tin đã có.

Các chức năng xử lý thông tin địa lý lấy thông tin từ các tập dữ liệu đã có, áp dụng các chức năng phân tích và ghi kết quả vào một tập mới. Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ độ (bản đồ) để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định cho các nhà quản lý. Do các ứng dụng GIS trong thực tế quản lý nhà nước có tính đa dạng và phức tạp xét cả về khía cạnh tự nhiên, xã hội lẫn khía cạnh quản lý, những năm gần đây GIS thường được hiểu như một hệ thống thông tin đa quy mô và đa tỷ lệ. Tuỳ thuộc vào nhu cầu của các người sử dụng mà hệ thống có thể phải tích hợp thông tin ở nhiều mức khác Page 26 Chương 2 : Giới Thiệu Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS Và Hệ Thống Thông Tin Di Động nhau, nói đúng hơn, là ở các tỷ lệ khác nhau, nói cách khác là tuỳ thuộc vào các định hướng do cơ sở tri thức đưa ra.

Cơ sở dữ liệu địa lý Hệ thống thông tin địa lý (GIS) sử dụng cơ sở dữ liệu địa lý (geodatabase) làm dữ liệu của mình. Các thành phần của cơ sở dữ liệu không gian bao gồm:  Tập hợp các dữ liệu dạng vector (tập các điểm, đường và vùng)  Tập hợp các dữ liệu dạng raster (dạng mô hình DEM hoặc ảnh)  Tập hợp các dữ liệu dạng mạng lưới (ví dụ như đường giao thông, lưới cấp thoát nước, lưới điện .)  Tập hợp các dữ liệu địa hình 3 chiều và bề mặt khác  Dữ liệu đo đạc  Dữ liệu dạng địa chỉ  Các bảng dữ liệu là thành phần quan trọng của cơ sở dữ liệu không gian, được liên kết với các thành phần đồ họa với nhiều kiểu liên kết khác nhau. Về khía cạnh công nghệ, hình thể, vị trí không gian của các đối tượng cần quản lý, được miêu tả bằng các dữ liệu đồ hoạ. Trong khi đó, tính chất các đối tượng này được miêu tả bằng các dữ liệu thuộc tính.

Mô hình cơ sở dữ liệu không gian không những quy định mô hình dữ liệu với các đối tượng đồ hoạ, đối tượng thuộc tính mà còn quy định liên kết giữa chúng thông qua mô hình quan hệ và định nghĩa hướng đối tượng bao gồm các tính chất như thừa kế (inherit), đóng gói (encapsulation) và đa hình (polymorphism) Page 27 Chương 2 : Giới Thiệu Hệ Thống Thông Tin Địa Lý GIS Và Hệ Thống Thông Tin Di Động Ngoài ra, cơ sở dữ liệu không gian hiện đại còn bao gồm các ràng buộc các đối tượng đồ hoạ ngay trong cơ sở dữ liệu, được gọi là topology. Lập bản đồ và phân tích địa lý không phải là kỹ thuật mới, nhưng GIS thực thi các công việc này tốt hơn và nhanh hơn các phương pháp thủ công cũ. Trước công nghệ GIS, chỉ có một số ít người có những kỹ năng cần thiết để sử dụng thông tin địa lý giúp ích cho việc giải quyết vấn đề và đưa ra các quyết định. GIS cung cấp cả khả năng hỏi đáp đơn giản và các công cụ phân tích tinh vi để cung cấp kịp thời thông tin cho những người quản lý và phân tích.

Các hệ GIS hiện đại có nhiều công cụ phân tích hiệu quả, trong đó có hai công cụ quan trọng đặc biệt là phân tích liền kề và phân tích chồng xếp. Nhóm này tạo nên ứng dụng quan trọng đối với nhiều ứng dụng mang tính phân tích. Quá trình chồng xếp sử dụng một số bản đồ để sinh ra thông tin mới và các đối tượng mới. Trong nhiều trường hợp topology mới sẽ được tạo lại.

Phân tích chồng xếp khá tốn thời gian và thuộc vào nhóm các ứng dụng có tính chất sâu, khi hệ thống được khai thác sử dụng ở mức độ cao hơn là được sử dụng cho từng vùng cụ thể hoặc cả nước với tỷ lệ bản đồ phù hợp.Xếp chồng là quá trình tích hợp các lớp thông tin khác nhau.