gps thiết kế và phát triển các hệ thống định vị toàn cầu để sử dụng trong các ứng dụng về định vị và định hướng

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.06 MB, 19 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆ – ỆN TỬN ĐI

BÁO CÁO MÔN NHẬP MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nộ 4-i, 2023

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Nội dung chính:

Chương 1: Khái quát chung về hệ thống địn vị toàn cầu (GPS) 2

1.1. Khái niệm và lịch sử hình thành của hệ th ng định vị toàn cầu (GPS)ố 2

1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển 2

1.2. Phân loại hệ thống định vị toàn cầu 3

1.3. Cách thức hoạt động của hệ ống định vị thtàn cầu(GPS) 5

Chương 2: Cấu tạo chung và các tín hiệu trong hệ thống đ nh vịị toàn cầu 6

2.1. Các thành phần của GPS 6

2.1.1. Phần khơng gian (Space): 7

2.1.2. Phần kiểm sốt và điều khiển (Control): 7

2.1.3. Phần sử dụng (User): 9

Chương 3: Giải pháp công nghệ và cơ hội việc làm của hê ống GPSth 10

3.1. Những công nghệ đang được phát triển 10

3.2. Định hướng công việc v cơ hội việc làm trong h thà ệ ống định v toị àn cầu 12

Chương 4: Ứng dụng hệ ống định vị toàn cầu trong thựthc tiễn 13

4.1. Các thành phần của hệ thống đ nh vịị 14

4.1.1. Tính năng bắt buộc theo yêu cầu của Bộ GTVT 14

4.2. Tính năng mở rộng của giải pháp GPS cho xe taxi 15

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

PHẦN MỞ ĐẦU

Trên thế ới khái niệm hệ ống định vị toàn cầu GPS đã tồn tại khá lâu và đã đượgi th c áp dụng trong rất nhiều mặt của đời sống xã hội. Ở ệt Nam nói riêng cơng nghệ ViGPS đượ ứng dụng rộng rãi và phổ ến, đặc biệt khi được kết hợp với các công c binghệ khác nhằm phục vụ cho việc tìm kiếm, định vị định hướng thì thực sự đã mang lại một cuộc cách mạng trong cuộc sống hiện nay. GPS đang ngày càng phát triển hoàn thiện theo chiều hướng chính xác, hiệu quả, đa dạng và thuận tiện. Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ơ tơ có trang bị thiết bị dẫn đường GPS (GPS navigator), chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của xe hiện trên màn hình có bản đồ ện tử trong hệ ống đường xá phức tạp hoặc khi chúng ta bị ất lạc điệđi th th n thoại thì chỉ với vài thao tác cơ bản từ xa mà ta đã có thể định vị chính xác được vị trí cụ ể của chiếc điện thoại, và cịn vơ vàn những ứng dụng nữa đang đượth c ứng dụng và phát triển nhờ có GPS. Với mong muốn được tìm hiểu về cơng nghệ, kỹ thuật của hệ ống định vị GPS đã thúc đẩy cho việc tìm hiểu nghiên cứu của cả thnhóm chọn Đề tài "Hệ ống định vị toàn cầu (GPS): Thiết kế và phát triển cá hệ ththống định vị các hệ ống toàn cầu để sử dụng trong các ứng dụng về định vị và thđịnh hướng" là một nghiên cứu hoàn toàn thiết thực. Cùng với sự phát t ển như vũ ribão của công nghệ thông tin và ứng dụng đa dạng của GPS trong thời đại mới thì đề tài này là một tài liệu cơ sở lý thuyết cho những người muốn đi sâu hơn khi có nhu cầu nghiên cứu thiết ké và phát triển hệ ống hoặc tham gia quản lý khai thác hệ ththống.

Hướng nghiên cứu của đề tài sẽ tập chung đi vào giới thiệu chung về toàn bộ hệ thống GPS, cách thức hoạt động của nó và những tính năng, cơng nghệ cũng như ứng dụng của GPS vào thực tiễn nói chung và cụ thể là thiết kế, phát triển trong ứng dụng định vị ịnh hướng., đ

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

Chương 1: Khái quát chung về hệ ống địn vị toàn cầu (GPS)th1.1. Khái niệm và lịch sử hình thành của hệ thống định vị toàn cầu (GPS)1.1.1. Khái niệm chung

Hệ ống Định vị Toàn cầuth (Global Positioning System – GPS) là hệ ống xác thđịnh 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.

Hình 1.1: Mơ phỏng hệ ống định vị GPS trong không gianth

Bên trên là hình ảnh mơ phỏng hệ ống định vị tồn cầu(GPS) được bắn ra ngồi thkhơng gian. Tuy được quản lý bởi Bộ Quốc phịng Hoa Kỳ, chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế ới sử dụng một số ức năng của GPS miễn phí, bất kể gi chquốc tịch nào.

1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển

Hệ thống GPS được phát triển lần đầu tiên bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ. Ban đầu mục đích khai thác ứng dụng hệ thống này chỉ dành cho các mục đích quân sự của

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

• Vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1500 kg, dài khoảng 5m với các tấm năng lượng Mặt Trời mở rộng 7m²

• Cơng suất phát bằng hoặc dưới 50 Watts

GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày. Khơng mất phí th bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng sóng GPS. Chỉ cần thiết bị định vị tồn cầu GPS của bạn có khả năng thu và sử dụng sóng GPS.

Phân loại hệ thống địn vị toàn cầu

Hệ thống định vị toàn cầu(GPS) của Mỹ là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đặt trên quỹ đạo không gian.Các hệ ống dẫn đường truyền thống hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vơ thtuyến điện. Được biết đến nhiều nhất là các hệ ống sau: LORA – (th N Long Range Navigation) – hoạt động ở ải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay gi

TACAN – (Tactical Air Navigation) – dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME – VHF (Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) – dùng cho hàng không dân dụng.

Gần như đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS. Hiện nay Liên minh Châu Âu đang phát triển hệ

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo. Trung Quốc thì phát triển hệ thống

định vị tồn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh.

Hình 1.2: Các hệ thống GPS trên thế giới

Trên đây là các hệ thống định vị toàn cầu trên thế giới được các nước đưa ra ngoài Ban đầu, GPS và GLONASS đều được phát triển cho mục đích quân sự, nên mặc dù chúng dùng được cho dân sự nhưng không hệ ống nào đưa ra sự thđảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác cao. Vì thế chúng khơng thỏa mãn được những yêu cầu an toàn cho dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải, đặc biệt là tại những vùng và tại những thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó. Chỉ có hệ thống dẫn đường vệ tinh châu Âu Galileo (đang được xây dựng) ngay từ đầu đã đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự.

GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng trong dân sự. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày. Khơng mất phí th bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải tốn tiền khơng rẻ để mua thiết bị thu tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Hệ thống bao gồm các vệ tinh quay xung quanh trái đất và các trạm phát sóng GPS mặt đất. Chúng liên tục phát ra các sóng GPS. Thiết bị định vị sẽ thu sóng của cả vệ tinh và trạm phát sóng GPS mặt đất. Dựa vào các thuật tốn để xử lý, cho ra vị trí tọa độ chính xác nhất trên bản đồ.Dưới đây là cách thức hoạt động cụ thể của GPS:

Hình 1.3: Cách thức hoạt động của hệ thống GPS

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thơng tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thơng tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về ời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh thbao xa. Và với khoảng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ ện tử của máy.đi

Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ). Để có thể theo dõi được chuyển động thì máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh, từ đó máy thu mới tính tốn được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thơng tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, khoảng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn …

Chương 2: Cấu tạo chung và các tín hiệu trong hệ ống định vị toàn cầuth

2.1. Các thành phần của GPS

Hệ ống định vị GPS được cấu tạo nên từ 3 thành phần: Phần không gian (Space), thPhần kiểm soát và điều khiển (Control), Phần sử dụng (User).

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Hình 2.1. Cấu tạo khung của hệ ống GPSth

2.1.1. Phần không gian (Space):

Bao gồm 24 vệ tinh thường trực (và 3 vệ tinh dự phòng) bay vòng quanh trái đất trên 6 quỹ đạ ở độ cao 20200 km.o

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 vơ 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.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 ều kiện để máy thu tín hiệu được tọa độ ểm đo và độ lệch đi đithời gian giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu.

2.1.2. Phần kiểm soát và điều khiển (Control):

Bao gồm 5 trạm kiểm soát và thu dữ liệu, 1 trạm điều khiển trung tâm, 3 trạm truyền số liệu:

• Năm trạm kiểm soát và thu dữ liệu:

Được đặt tại Hawaii, Colorado Springs, Ascension Islands, Diego Garcia và

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Kwajalein. Trạm kiểm sốt và thu dữ ệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ li tinh để ểm sốt sự ạt động và tính tốn quỹ đạo của chúng.ki ho

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 ệu chỉnh của năm trạm này hiđược gửi về trạm điều khiển trung tâm.

Hình 2.2. Mơ phỏng các vệ tinh trong khơng gian

• Một trạm điều khiển trung tâm:

Được đặt tạ căn cứ không quân của Mỹ gần Colorado Springs. Có nhiệm vụ i nhận dữ ệu của năm trạm kiểm soát để xử lý. Tính ra lịch tọa độ vệ tinh chính xác và litính các số ệu chỉnh đồng hồ của từng vệ tinh.hi

Ngồi ra, trạm này cịn điều khiển các số ệu chỉnh quỹ đạo của từng vệ tinh. Và hiđiều khiển việc thay thế các vệ tinh đã ngừng hoạt động bằng các vệ tinh dự phịng.• Ba trạm truyền số liệu:

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Được đặt tại Ascension Islands, Diego Garcia và Kwajalein. Có nhiệm vụ ận dữ nhliệu từ ạm điều khiển trung tâm gửi lên các vệ tinh. Đồng thời ra các lệnh điều trkhiển vệ tinh đi đúng quỹ đạo định trước.

2.1.3. Phần sử dụng (User):

Bao gồm các thiết bị sử dụng hệ ống định vị GPS. Như máy bay, tàu thuyền, ơ tơ, thmáy 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.•

2.2. Tín hiệu GPS

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vơ tuyến cơng suất thấp dải L1 và L2. (dải L là phần sóng cực ngắn của phổ ện từ ải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz). GPS dân sự đi trdùng tần số L1 1575.42 MHz trong dải UHF.

Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu. Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính tốn khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS.

Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ẫu nhiên, dữ ệu thiên ng livăn và dữ ệu lịch. Mã giả ẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác địli ng nh được quả vệ tinh nào là phát thơng tin nào. Có thể nhìn số ệu của các quả vệ tinh hitrên trang vệ tinh của máy thu Garmin để ết nó nhận được tín hiệu của quả nào. biDữ ệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạ ở mỗi thờli o i điểm trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ ống. Dữ ệu lịch được phát đều đặn bởth li i mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh, ngày giờ hiện

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

tại. Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí.

Chương 3: Giải pháp cơng nghệ và cơ hội việc làm của hê ống GPSth

Khoa học quân sự- c hệ ác thống t lừa dò ên đường, t lửa li lục địa ,hệ ên ên thống GPS sử dụng mạng quân đội từ các vệ tinh GPS và một máy thu GPS trên tên lửa để phát hiện vị trí của nó với độ ính xác rất cao.ch

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Hình 3.2: Sử dụng GPS để xác định vị trí máy bay

ví dụ hình ảnh về ệc sử dụng GPS để x định vị vi ác trí m bay và b cho phi côngáy áoQuản lý, giám sát, điều hành vận tải đường bộ- chống trộm cho ứng dụng th xe tự lái, theo dõi lộ trình đồn xe

liên lạc theo d c ứng dụng giao hang GPS c ứng dụng trong quản lý oto, l xe õi ác ác áicơng ình với nhiều tính năng như gitr ám át s lộ ình , định vị xe Giám sát lộ tr trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe….Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm

Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng)Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạnChức năng chống trộm

Công nghệ di độ - ợc tích hợp với c sản phẩm như điện thoại, đồng hồ ng đư ác nhằm xác định vị trí vật chủ của người đeo cũng như thông tin vị trí của thiết bị( Hầu như

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

các thiết bị hiện đại ng nay đều được tích hợp GPS trày ên ác c thiết bị ện tạhi i

- Định hướng công vi ệc- c ứ dụng của GPS trong đời sốác ng ng

Nhanh chóng, dễ dàng định vị vị í của người sử dụng: dễ dàng t ếm người bị tr ìm kinạn, thích hợp cho công việc t ếm của c ành nghề hỗ ìm ki ác ng trợ

Xem bản đồ, tìm kiếm đường thuận tiện và nhanh chóng ở ắp mọi nơi trên thế khgiới: thích hợp để thiết kế bản đồ địa lý, giúp tiếp cận những vùng con người chưa tiếp cận được

Khi chụ ảnh hoặc lộ ình đường đi có thể kèm theo tọa độ địa lý: tp tr ìm hiểu được các địa điểm chụ ảnh là gì p

Xác định vị í thiết bị trong trường hợp bị ất lạc hoặc trộm cướp, Trong trườtr th ng hợp laptop bị mất cắp có thể chụp ảnh người mở máy hoặc khóa máy.: hỗ ợ cơng trtác điều tra của c ban ngành đặc thùác

Tối ưu hóa những kết quả tìm kiếm dựa trên khu vực

Phát triển c hệ ống định vị GPS to cầu để tăng độ ính x cho GPS. kết nốác th àn ch ác i các miền lại với nhau, giảm độ ậm trẽ trong việc x định vị í bằng GPSch ác tr- Cơ hội việc làm

Kỹ sư ph triển phần mềm, lập trát ình viên: c ác phần mềm li quan đ GPS như gg ên ênmap, c ứ dụng kiểm so bằng GPS.ác ng át

Các b ành x dựng: nâng cấp ổ ên ng ây ph biến các trạm ph sát óng ín hi t ệu cho GPSNền công nghiệp Vũ trụ: tạo việc làm cho các nhân viên để phát triển c vệ tinh ácphóng l bầu khí ên quyển tăng thu ph sóng t ệu GPSát ín hi

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

3. Chống trộm cho ứng dụng thuê xe tự lái, theo dõi lộ trình của đồn xe

4. Liên lạc, theo dõi định vị cho các ứng dụng giao hàng GPS. Các ứng dụng trong quản lý xe ô tô như: Xe taxi, xe tải, xe công trình, xe bus, xe khách, xe tự lái. Với nhiều tính năng như:

- Giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe….

- Xác định vị trí xe chính xác ở từng góc đường ( vị trí xe được thể ện nháp hinháy trên bản đồ), xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang chạy, biết được lộ trình hiện tại xe đang đi (real time)

- Lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn hình

- Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc tùy chọn- Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm- Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng)- Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn- Chức năng chống trộm

* Trong quân sự:

- Vũ khí hạt nhân

</div>