Tài liệu Thiết kế hệ thống giám sát thông minh dành cho người cao tuổi và trẻ em

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ THÚY HẰNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT THÔNG MINH DÀNH CHO NGƯỜI CAO TUỔI VÀ TRẺ EM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG HÀ NỘI - 2016 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... I DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. II MỤC LỤC BẢNG....................................................................................................... IV MỤC LỤC HÌNH ẢNH................................................................................................ V LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ VII CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 1 1.1. Tổng quan về luận văn ......................................................................................... 1 1.1.1. Tính cấp thiết ................................................................................................ 1 1.1.2. Các vấn đề cần giải quyết của luận văn ........................................................ 1 1.1.3. Giải pháp ....................................................................................................... 1 1.2. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu .............................................................. 2 1.2.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 2 1.2.2. Cấu trúc hệ thống GPS.................................................................................. 3 1.2.3. Cấu trúc tín hiệu GPS ................................................................................... 7 1.2.4. Nguyên lý định vị GPS ............................................................................... 11 1.2.5. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS ...................................................... 15 1.2.6. Các ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS...................................... 18 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG .................................................. 22 2.1. Mô hình hệ thống ............................................................................................... 22 2.1.1. Sơ đồ ngữ cảnh ........................................................................................... 22 2.1.2. Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................... 23 2.2. Phân tích hoạt động của hệ thống ...................................................................... 24 2.3. Xây dựng phần cứng .......................................................................................... 25 2.4. Lựa chọn linh kiện sử dụng ................................................................................ 26 2.4.1. Khối điều khiển ........................................................................................... 26 2.4.2. Khối định vị và kết nối ............................................................................... 27 2.4.3. Khối cảm biến ............................................................................................. 38 2.5. Các giao thức truyền thông giữa các khối .......................................................... 40 2.5.1. Truyền thông nối tiếp không đồng bộ UART ............................................. 40 2.5.2. Giao diện TWI – I2C .................................................................................. 44 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ......... 49 3.1. Tổng quan về các môi trường lập trình .............................................................. 49 3.1.1. Lập trình nhúng với nền tảng Arduino ....................................................... 49 3.1.2. Net framework và ASP .NET ..................................................................... 54 3.1.3. Hệ điều hành Android ................................................................................. 59 3.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán ................................................................................ 64 3.2.1. Lưu đồ thuật toán phần mềm nhúng trên thiết bị định vị ........................... 64 3.2.2. Lưu đồ thuật toán chương trình android ..................................................... 67 3.3. Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 68 3.3.1. Hình ảnh thiết bị giám sát ........................................................................... 68 3.3.2. Hệ thống hoạt động thực tế ......................................................................... 69 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 74 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................................. 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 76 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Vũ Thúy Hằng Sinh ngày 15 tháng 10 năm 1990 Học viên lớp cao học Kỹ thuật Viễn thông 2014B - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội. Xin cam đoan nội dung đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát thông minh dành cho người cao tuổi và trẻ em ” là do tôi tự tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Quốc Trung. Mọi trích dẫn và tài liệu tham khảo mà tôi sử dụng đều có ghi rõ nguồn gốc. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan trên. Hà Nội, tháng 05 năm 2016 Học viên thực hiện Vũ Thúy Hằng I DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp LORAN LOng RAnge Navigation Hệ thống định vị của Mỹ TACAN Tactical Air Navigation Hệ thống định vị của Mỹ VOR/DME Very High Frequency Omnidirectional Hệ thống định vị của Mỹ Range/Distance Measuring Equipment RTK Định vị động thời gian Real Time Kinematic thực PPK Postprocessing Kinematic Định vị động xử lý sau LBS Location Based Services Dịch vụ dựa trên vị trí PDAs Personal Digital Assistances Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung AT Attention Chú ý IMU Inertial Measurement Unit Đơn vị đo lường quán tính MEMS Micro ElectroMechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử USART Universal Synchronous & Truyền thông nối tiếp Asynchronous Serial Reveiver and đồng bộ và không đồng bộ Transmitter LSB Least Significant Bit Bit có trọng số nhỏ nhất MSB Most Significant Bit Bit có trọng số lớn nhất PC Personal Computer Máy tính cá nhân LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng II GUI Giao diện đồ họa người Graphical User Interface dùng MSIL Microsoft Intermediate Language Ngôn ngữ thông dịch trung gian DLL Dynamic Link Library Thư viện liên kết động XML Extensible Markup Language Ngôn ngữ liên kết siêu văn bản URL Đơn vị tài nguyên thống Uniform Resource Locator nhất SQL Structured Query Language Ngôn ngữ truy vấn cấu trúc III MỤC LỤC BẢNG Trang Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của Arduino Fio ....................................................26 Bảng 2.2. Tập lệnh AT dành cho GPS ......................................................................28 Bảng 2.3. AT+CGPSPWR - Điều khiển nguồn Module GPS ..................................29 Bảng 2.4. AT+CGPSRST - Các chế độ khởi động lại GPS......................................29 Bảng 2.5. AT+CGPSINF - Lấy về thông tin tọa độ hiện tại .....................................30 Bảng 2.6. AT+CGPSOUT - Điều khiển chuỗi dữ liệu GPS NMEA ........................31 Bảng 2.7. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPGGA .........................................................33 Bảng 2.8. Định dạng vị trí .........................................................................................34 Bảng 2.9. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPGLL ..........................................................34 Bảng 2.10. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPGSA ........................................................35 Bảng 2.11. Dạng dữ liệuGPS hoạt động ở chế độ 1 .................................................35 Bảng 2.12. Dạng dữ liệu GPS hoạt động ở chế độ 2 ................................................35 Bảng 2.13. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPGSV ........................................................36 Bảng 2.14. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPRMC .......................................................36 Bảng 2.15. Dữ liệu GPS đầu ra dạng $GPVTG ........................................................37 Bảng 2.16. AT+CGPSSTATUS - Trạng thái xác định tọa độ GPS ..........................37 IV MỤC LỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1. Hệ thống vệ tinh quay quanh trái đất ..........................................................3 Hình 1.2. Sơ đồ liên quan giữa ba phần của GPS .......................................................4 Hình 1.3. Quỹ đạo vệ tinh GPS ...................................................................................5 Hình 1.4. Vị trí các trạm điều khiển và giám sát của hệ thống GPS...........................7 Hình 1.5. Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS......................................................................8 Hình 1.6. Cấu trúc dữ liệu vệ tinh GPS.......................................................................8 Hình 1.7. Cấu trúc dữ liệu trong bản lịch vệ tinh......................................................10 Hình 1.8. Các nguồn tác động khác nhau gây ra sai số trong phép đo cự ly ..............16 Hình 2.1. Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống ...........................................................................22 Hình 2.2. Sơ đồ khối phần cứng hệ thống .................................................................23 Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống phần mềm.................................................................24 Hình 2.4. Module Arduino Fio ..................................................................................26 Hình 2.5. Ví dụ sự hoạt động của gia tốc kế .............................................................39 Hình 2.6. Con quay hồi chuyển sử dụng hiệu ứng Coriolis ......................................39 Hình 2.7. Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp ..............................41 Hình 2.8. Khung truyền UART cơ bản .....................................................................43 Hình 2.9. Mạng TWI (I2C) với nhiều thiết bi. ..........................................................45 Hình 2.10. Tương quan giữa xung nhịp SCL với dữ liệu SDA ................................46 Hình 3.1. Board mạch Arduino .................................................................................50 Hình 3.2. Môi trường lập trình Arduino....................................................................50 Hình 3.3. Máy in 3D .................................................................................................51 Hình 3.4. Robot .........................................................................................................52 Hình 3.5. Máy bay không người lái ..........................................................................52 Hình 3.6. Lập trình game tương tác ..........................................................................53 Hình 3.7. Điều khiển hiệu ứng ánh sáng ...................................................................53 Hình 3.8. Quá trình chuyển từ ngôn ngữ lập trình sang MSIL .................................55 Hình 3.9. Quá trình xử lý trang web ASP .NET .......................................................58 V Hình 3.10. Quá trình xử lý tập tin ASPX ..................................................................59 Hình 3.11. Nhân Linux trên Android ........................................................................60 Hình 3.12. Thư viện lâp trình ứng dụng trên Android ..............................................61 Hình 3.13. Khung ứng dụng ......................................................................................63 Hình 3.14. Các ứng dụng trên Android .....................................................................63 Hình 3.15. Lưu đồ thuật toán chương trình nhúng chính ..........................................65 Hình 3.16. Lưu đồ chương trình đọc dữ liệu GPS ....................................................66 Hình 3.17. Lưu đồ thuật toán chương trình Android ................................................67 Hình 3.18. Mặt trong thiết bị giám sát ......................................................................68 Hình 3.19. Thiết bị giám sát sau khi đóng hộp .........................................................69 Hình 3.20. Khung đăng nhập ....................................................................................69 Hình 3.21. Giao diện hiển thị vị tri người dùng quản lý ...........................................70 Hình 3.22. Website hiển thị thông báo người dùng bị ngã .......................................70 Hình 3.23. Trạng thái người dùng và màu chữ hiển thị thay đổi ..............................71 Hình 3.24. Theo dõi lịch sử vị trí của người thân .....................................................71 Hình 3.25. Thời gian cập nhật tại vị trí được nhấp chuột .........................................72 Hình 3.26. Giao diện của phần mềm giám sát trên Android .....................................72 VI LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, thế giới thông tin ngày càng phát triển một cách đa dạng và phong phú. Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành viễn thông cần mở rộng. Trong những năm gần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đưa con người nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa học kỹ thuật. Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi một kỹ thuật mà các hệ thống cũ không thể đáp ứng được đó là định vị trong không gian 3 chiều, và như vậy hệ thống định vị toàn cầu - GPS (Global Positioning System) ra đời. Ở Việt Nam, các ứng dụng của GPS đã bắt đầu được thử nghiệm trong các lĩnh vực lâm nghiệp, thuỷ lợi, giao thông… Tuy nhiên các ứng dụng GPS mang tính tích hợp hệ thống, phục vụ các nhu cầu đặc thù của xã hội vẫn chưa được phổ biến. Một trong số đó chính là việc theo dõi và giám sát con người, đặc biệt là người già và trẻ em. Các sản phẩm giám sát hiện nay chủ yếu là sản phẩm được sản xuất tại Trung Quốc, không thể tùy biến theo nhu cầu người sử dụng, tương thích kém với điều kiện tại Việt Nam. Ngoài ra, một vấn đề đặt ra là các sản phẩm này chưa có sự cam kết đảm bảo về độ bảo mật của thông tin vị trí người sử dụng. Một lý do nữa là các sản phẩm này chưa hoàn toàn hỗ trợ người dùng hiển thị vị trí một cách trực quan, dẫn tới việc theo dõi gặp nhiều khó khăn. Chính vì vậy em lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát thông minh dành cho người cao tuổi và trẻ em” nhằm xây dựng một hệ thống định vị, giám sát phù hợp với điều kiện ở nước ta, giúp mọi người có thể yên tâm khi theo dõi hoạt động của người cao tuổi hoặc trẻ em trong gia đình dựa trên công nghệ GPS cùng các ứng dụng công nghệ thông tin. Nội dung luận văn bao gồm 3 chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết Chương 2: Thiết kế mô hình hệ thống Chương 3: Xây dựng phần mềm và kết quả thực nghiệm. VII Để có thể hoàn thành luận văn này, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Quốc Trung cùng các thầy, cô tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tuy đã cố gắng hết sức, nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi sai sót, em rất mong sự bổ sung, góp ý của các thầy cô! Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 5 năm 2016 VIII CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Tổng quan về luận văn 1.1.1. Tính cấp thiết Hiện nay vấn đề an toàn dành cho người cao tuổi và trẻ em đang rất được xã hội quan tâm. Có nhiều trường hợp người cao tuổi do trí nhớ không minh mẫn, hoặc trẻ em đi một mình dễ bị lạc, dẫn đến gặp nhiều nguy hiểm cũng như gia đình khó khăn trong việc tìm kiếm. Các sản phẩm giám sát hiện nay chủ yếu là sản phẩm nước ngoài, có tính tùy biến thấp, tương thích kém với điều kiện tại Việt Nam. Một lý do nữa là các sản phẩm này chưa hoàn toàn hỗ trợ người dùng hiển thị vị trí một cách trực quan, dẫn tới việc theo dõi gặp nhiều khó khăn. Vì vậy vấn đề cấp thiết đặt ra là xây dựng một hệ thống giám sát và định vị dành cho người cao tuổi cũng như trẻ em phù hợp với điều kiện tại Việt Nam để gia đình có thể theo dõi khi cần thiết. 1.1.2. Các vấn đề cần giải quyết của luận văn Với mục đích thiết kế một hệ thống giám sát thông minh bao gồm một thiết bị được gắn trên người dùng và website cũng như phần mềm Android tích hợp bản đồ GoogleMap dành cho người quản lý thuận tiện trong việc theo dõi vị trí người sử dụng thì các vấn đề cần giải quyết của luận văn bao gồm: - Xây dựng, thiết kế phần cứng thu thập dữ liệu về tọa độ người dùng, đồng thời gửi các thông số đã thu thập được về server. - Xây dựng server quản lý thông tin người già hoặc trẻ em và các dữ liệu tọa độ của người quản lý có sử dụng sản phẩm. - Xây dựng phần mềm nhúng trên hệ điều hành Android hiển thị vị trí người dùng cũng như vị trí của người quản lý. 1.1.3. Giải pháp Để giải quyết các vấn đề đặt ra của luận văn thì giải pháp được lựa chọn là: - Tìm hiểu về GPS và các ứng dụng GPS. 1 - Tìm hiểu nền tảng Arduino, dựa trên nền tảng Arduino xây dựng phần cứng thu thập dữ liệu tọa độ. - Lập trình Arduino ghép nối Module SIM gửi dữ liệu lên server thông qua kết nối GPRS. - Lập trình webserver kết nối hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server lưu trữ thông tin người dùng, thông tin dữ liệu tọa độ đồng thời hiển thị vị trí người dùng trên nền tảng Google maps. - Lập trình ứng dụng trên hệ điều hành Android hiển thị vị trí người dùng cũng như vị trí của người quản lý. 1.2. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu 1.2.1. Giới thiệu GPS (Global Positioning System) - hệ thống định vị toàn cầu, là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được toạ độ của vị trí đó. GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch nào từ năm 1980, GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày. GPS là hệ dẫn đường dựa trên một mạng lưới 24 vệ tinh được đặt trên quỹ đạo không gian, hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện. Được biết nhiều nhất là các hệ thống có tên gọi LORAN (LOng RAnge Navigation) hoạt động ở dải tần 90-100 KHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN (Tactical Air Navigation) dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME (Very High Frequency 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 dẫn đường vệ tinh của mình mang tên Galileo, Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu [4] bao gồm 35 vệ tinh. 2 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 thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông 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 thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Máy thu GPS phải khoá được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Với bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (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, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa. Hình 1.1. Hệ thống vệ tinh quay quanh trái đất 1.2.2. Cấu trúc hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS được cấu thành từ ba mảng: Mảng không gian, kiểm soát và sử dụng [9]. Mảng các vệ tinh trong không gian có nhiệm vụ nhận các thông tin từ trạm điều khiển trên mặt đất và phát đi các tín hiệu vô tuyến định vị có tần số khoảng 1.5 GHz. Tín hiệu này chứa các dữ liệu định vị được trạm điều khiển từ mặt đất truyền đến. Mảng các trạm điều khiển trên mặt đất dùng để quan trắc các vệ tinh, tính toán các thông số quỹ đạo, thông số hiệu chỉnh đồng hồ sau đó phát các 3 thông tin cập nhật và các lệnh điều khiển tới mỗi vệ tinh. Mảng các máy thu có chức năng thu thập dữ liệu từ các vệ tinh để tính ra tọa độ của chúng dựa vào các thông tin mà chúng nhận được từ các tín hiệu mà nó quan trắc được trên mỗi vệ tinh. Hình 1.2. Sơ đồ liên quan giữa ba phần của GPS a. Mảng không gian (space segment) Mảng không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km. Các vệ tinh này được nhóm vào 6 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo nên không có quỹ đạo nào đi trực tiếp qua các cực. Tuy nhiên, tại các cực cũng như tại một vị trí bất kỳ trên trái đất đều có thể nhìn thầy rất nhiều quỹ đạo. Các vệ tinh chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ [2]. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào. 4 Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng mặt trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định. Hình 1.3. Quỹ đạo vệ tinh GPS Trên mỗi quỹ đạo chứa một số vệ tinh nhất định. Tại một thời điểm luôn có 24 vệ tinh hoạt động cho mục đích định vị và con số này có thể lên đến 27 hoặc 28. Mục tiêu của hệ thống là cho phép một vị trí bất kỳ nào trên trái đất cũng có thể nhìn thấy ít nhất bốn vệ tinh tại một thời điểm và trong thực tế, số vệ tinh có thể nhìn thấy được nhiều hơn rất nhiều so với con số này, thỉnh thoảng số vệ tinh nhìn thấy được có thể lên con số là 12 vệ tinh. Mỗi vệ tinh sẽ phát đi các tín hiệu vô tuyến, các tín hiệu này được “làm dấu” bởi những mã nhận dạng đơn nhất. Các đồng hồ nguyên tử với độ chính xác rất cao được gắn trên mỗi vệ tinh sẽ điều khiển việc phát đi những tín hiệu và mã này. Mảng vệ tinh có nhiệm vụ thu nhận và lưu trữ các thông tin từ mảng điều khiển trên mặt đất truyền đến, thực hiện các xử lý dữ liệu có chọn lọc, duy trì thời gian chính xác và phát thông tin xuống cho mảng người sử dụng. b. Mảng điều khiển (control segment) Các tính năng chủ yếu của mảng điều khiển: 5 - Quan sát chuyển động của vệ tinh và tính toán dữ liệu quỹ đạo; - Giám sát đồng hồ vệ tinh và dự đoán thay đổi của nó; - Đồng bộ thời gian của đồng hồ vệ tinh; - Phát đi dữ liệu gần đúng quỹ đạo vệ tinh; - Phát đi các dữ liệu khác như sức khỏe vệ tinh, sai số đồng hồ. Hệ thống GPS được vận hành và điều khiển bởi Bộ Quốc phòng Mỹ (U.S Department Defense) thông qua 5 trạm giám sát đặt trên mặt đất bao gồm một trạm chủ (Master Control Station) ở Colorado Spring bang Colarado và bốn trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm hỗ trợ (Upload station). Các trạm giám sát được đặt tại các vị trí đã biết chính xác và hoạt động liên tục trong suốt 24 giờ. Mạng lưới các trạm này hiện thời đặt tại Ascension, Diego Garcia, Kwajalein, Hawaii và Colorado Spring [14]. Những trạm này thực hiện các chức năng chính sau đây: - Các trạm giám sát thực hiện quan trắc các vệ tinh một cách liên tục và cung cấp dữ liệu quan trắc được về cho trạm chủ. - Trạm chủ sẽ tính các hiệu chỉnh để đồng bộ các đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh và nó cũng duyệt lại các thông tin về quỹ đạo, kiểm tra tình trạng của mỗi vệ tinh. Sau đó trạm chủ sẽ truyền ngược các kết quả này tới các trạm hỗ trợ. - Các trạm hỗ trợ sử dụng các thông tin được cung cấp bởi trạm chủ để cập nhật cho từng vệ tinh riêng lẽ. 6 Hình 1.4. Vị trí các trạm điều khiển và giám sát của hệ thống GPS c. Mảng sử dụng hệ thống GPS Mảng sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử lý tính toán số liệu, máy tính thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa... tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý và quy trình thao tác thu thập số liệu ở thực địa. 1.2.3. Cấu trúc tín hiệu GPS Một thành phần quan trọng của hệ thống GPS là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu. Tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ. Sóng điện từ được dùng cho mục đích đo đạc có những thông số đặc trưng, được nghiên cứu, thử nghiệm đảm bảo các yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác, tính ổn định và yêu cần kỹ thuật khác. Về mặt vật lý, cấu trúc tín hiệu vệ tinh bao gồm: Tần số cơ bản, sóng mang L1 và sóng mang L2, các mã giả khoảng cách P, C/A, và bản lịch vệ tinh (dữ liệu thông điệp phát tín hiệu hàng hải). Các mã giả khoảng cách và dữ liệu bản lịch được điều chế trên các kênh sóng mang để truyền đến máy thu người sử dụng theo sơ đồ nguyên lý sau: 7 Hình 1.5. Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS Hình 1.6. Cấu trúc dữ liệu vệ tinh GPS a. Tần số cơ bản Tần số cơ bản của sóng truyền tín hiệu vệ tinh của hệ thống GPS là f0  10, 23 MHz. b. Các thông tin điều biến Việc sử dụng tín hiệu mã hóa cho phép các vệ tinh GPS cùng hoạt động mà không bị nhiễu, mỗi vệ tinh phát đi một mã giả ngẫu nhiên riêng biệt. Máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu của từng vệ tinh trên nền nhiễu không xác định của không 8 gian bao quanh trạm đó, điều đó cho phép tín hiệu GPS không đòi hỏi công suất lớn và máy thu GPS có thể sử dụng anten nhỏ hơn, kinh tế hơn. Có 3 loại mã điều biến trên sóng tải đó là: C/A. Code, P.Code và Y.Code. - Mã C/A (Coarse Acquisition Code) Mã C/A Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN - Pseudo Random Noise) được phát đi với tần số 1.023 MHz ( f 0 /10 ). Mã này là chuỗi chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật giả ngẫu nhiên lặp lại với tần suất 1 ms. Mỗi vệ tinh được gán một mã C/A riêng biệt. Mã C/A chỉ điều biến trên sóng tải L1. - Mã P (Precise Code) Mã P là mã giả ngẫu nhiên thứ hai, phát đi với tần số cơ bản f0  10, 23 MHz. Mã này tạo bởi nhiều chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật giả ngẫu nhiên. Tín hiệu lặp lại với tần suất 267 ngày. Chu kỳ 267 ngày chia thành 38 đoạn 7 ngày, trong đó 6 đoạn dành riêng cho mục đích vận hành. Mỗi một đoạn 7 ngày còn lại được gán mã phân biệt cho từng vệ tinh. Mã P cũng sử dụng cho mục đích ứng dụng đo đạc quân sự có độ chính xác cao. - Mã Y Mã Y là mã bảo mật của mã P, việc giải mã Y chỉ thuộc về người có thẩm quyển, vì vậy khi kích hoạt mã Y thì người dùng sẽ không có khả năng sử dụng cả mã P và mã C/A. Việc sử dụng mã Y được coi là mã bảo mật của người chủ hệ thống. c. Các loại sóng tải của hệ thống GPS Tín hiệu phục vụ cho việc đo đạc bằng hệ thống GPS được điều biến sóng tải có độ dài buớc sóng khác nhau. Đó là các thông tin về thời gian và vị trí của vệ tinh. Mỗi vệ tinh có mã phát trên 2 tần số tải. - Sóng tải có bước sóng L1 = 19 cm với tần số 154* f 0 = 1575,42 MHz - Sóng tải có bước sóng L2 = 24,4 cm với tần số 120* f 0 = 1227,60 MHz d. Bản lịch vệ tinh Thông báo dẫn đường do vệ tinh phát đi ở tần số thấp 50 Hz, thông báo này chứa dữ liệu về trạng thái của vệ tinh và vị trí của chúng. Máy thu GPS giải mã thông báo để có được vị trí và trạng thái hoạt động của vệ tinh. 9