Tài liệu Giám sát và cảnh báo hoạt động phương tiện vận tải ô tô trang 10 118

MỤC LỤC Trang bìa ........................................................................................................................ i Nhiệm vụ đồ án ............................................................................................................. ii Lịch trình ..................................................................................................................... iv Cam đoan .................................................................................................................... vi Lời cảm ơn .................................................................................................................. vii Mục lục ...................................................................................................................... viii Liệt kê hình vẽ .............................................................................................................. x Liệt kê bảng vẽ ............................................................................................................ xii Tóm tắt ...................................................................................................................... xiii Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................. 1 ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................................. 1 MỤC TIÊU.................................................................................................................. 1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 2 GIỚI HẠN ................................................................................................................... 2 BỐ CỤC ...................................................................................................................... 2 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 4 2.1TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG GPS .......................................................................... 4 2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) ................................................................... 4 2.1.2 Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS ................................................. 5 2.1.3 Phương trình chuyển hướng ........................................................................... 9 2.1.4 Thành phần tín hiệu gps ............................................................................... 11 2.1.5 Cách thức làm việc của hệ thống gps ........................................................... 15 2.2 TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG MẠNG GSM ........................................................ 19 2.2.1 Mạng thông tin di động toàn cầu (GSM) ..................................................... 19 2.2.2 Cấu trúc cơ bản của mạng điện thoại di động .............................................. 20 2.2.3 Các Thành Phần Của Mạng Điện Thoại Di Động ....................................... 22 2.2.4 Một số tập lệnh AT cơ bản sử dụng cho ứng dụng GSM ............................ 24 2.3 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP ................................................................................. 32 2.3.1 Chuẩn giao tiếp I2C ..................................................................................... 32 2.3.2 Chuẩn giao tiếp UART ................................................................................ 34 2.3.3 Chuẩn NMEA0183....................................................................................... 35 2.4 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ............................................................................... 42 viii 2.4.1 Arduino UNO R3 ......................................................................................... 42 2.4.2 Module SIM808 ........................................................................................... 46 2.4.3 Cảm biến ...................................................................................................... 50 Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................................ 52 3.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................... 52 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................ 52 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ........................................................................ 52 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ........................................................................... 55 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ................................................................... 63 Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ....................................................................... 65 4.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................... 65 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................................... 65 4.2.1 Thi công bo mạch ......................................................................................... 65 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ...................................................................................... 67 4.3 ĐÓNG GÓI ......................................................................................................... 68 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................................... 69 4.4.1 Lưu đồ giải thuật .......................................................................................... 69 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển.......................................................... 71 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............................... 77 4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ................................................................... 77 4.5.2 Quy trình thao tác ......................................................................................... 79 Chương 5: KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................................... 80 5.1 KẾT QUẢ QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI. ............................................... 80 5.1.1 Kết quả về cảm biến ..................................................................................... 80 5.1.2 Kết quả về giám sát và cảnh báo .................................................................. 81 5.2 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CHUNG .............................................................. 85 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 87 6.1 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 87 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................................... 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. xiv PHỤ LỤC .......................................................................................................... xv ix LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: vệ tinh quay quanh trái đất ............................................................................ 4 Hình 2.2: Các thành phần cấu tạo của hệ thống GPS ................................................... 5 Hình 2.3: Mô hình ba mảng của hệ thống định vị toàn cầu. ......................................... 6 Hình 2.4: Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS. ......................................................... 7 Hình 2.5: Trạm mặt đất được sử dụng từ 1984-2007.................................................... 8 Hình 2.6: Các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống GPS. .............................................. 9 Hình 2.7: Mô hình tín hiệu GPS khi truyền .................................................................. 13 Hình 2.8: Cấu trúc thành phần cùng pha của L1 ........................................................... 14 Hình 2.9: Cấu trúc thành phần vuông pha của L1. ....................................................... 14 Hình 2.10: Tính khoảng cách từ thiết bị GPS đến vệ tinh. ........................................... 16 Hình 2.11: Thông tin dữ liệu. ........................................................................................ 17 Hình 2.12: Lỗi do giao thoa tín hiệu GPS ..................................................................... 18 Hình 2.13: Mô hình mạng điện thoại di động. .............................................................. 20 Hình 2.14: Băng tần GSM 1800 MHz. ......................................................................... 21 Hình 2.15: Băng tần GSM 900MHz và băng tần GSM 1800MHz. .............................. 21 Hình 2.16: Mạng điện thoại di động GSM.................................................................... 22 Hình 2.17: IMEI: Số nhận dạng thiết bị di động quốc tế. ............................................. 23 Hình 2.18: Ý nghĩa số SIM. .......................................................................................... 23 Hình 2.19: Ý nghĩa số thuê bao IMSI. .......................................................................... 24 Hình 2.20: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) và chế độ nhanh (Fast mode).................................................................................................................... 33 Hình 2.21: Hoạt động ua SDA, SCL khi truyền nhận dữ liệu ...................................... 33 Hình 2.22: Kết nối UART ............................................................................................. 34 Hình 2.23: Khung truyền của giao tiếp UART. ............................................................ 34 Hình 2.24: Hình mặt trước của board Arduino UNO. .................................................. 43 Hình 2.25: Sơ đồ thành phần chính của Arduino UNO R3 .......................................... 44 Hình 2.26: Module SIM808 của hãng mlab .................................................................. 46 Hình 2.27: cảm biến rung .............................................................................................. 50 Hình 2.28: Cảm biến gia tốc MPU-6050 ...................................................................... 51 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................................ 53 Hình 3.2: Khối xử lý trung tâm ..................................................................................... 56 Hình 3.3: Khối SIM808 kết nối với Arduino ................................................................ 57 x Hình 3.4: Khối cảm biến rung kết nối với Arduino ...................................................... 58 Hình 3.5: Khối cảm biến gia tốc kết nối với Arduino ................................................... 59 Hình 3.6: Khối led kết nối với arduino ......................................................................... 60 Hình 3.7: Khối Switch kết nối với Arduino .................................................................. 60 Hình 3.8: Khối chuông báo kết nối với Arduino .......................................................... 61 Hình 3.9: Smartphone ................................................................................................... 61 Hình 3.10: Adapter 12V-2A .......................................................................................... 62 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ........................................................................ 63 Hình: 4.1 Mạch in thiết kế trên Altium Designer ......................................................... 65 Hình 4.2: Sơ đồ bố trí các linh kiện .............................................................................. 66 Hình 4.3: Mạch in sau khi thi công ............................................................................... 67 Hình 4.4: Góc nhìn 3D sơ đồ bố trí linh kiện trên Altium Designer ............................ 67 Hình 4.5: Mạch thực tế sau khi ráp linh kiện ................................................................ 68 Hình 4.6: Mạch sau khi đóng gói .................................................................................. 68 Hình 4.7: Lưu đồ giải thuật hệ thống ............................................................................ 69 Hình 4.8: Chương trình con khi xe bị rung và kiểm tra cuộc gọi đến .......................... 70 Hình: 4.9: giao diện phần mềm arduino IDE ................................................................ 72 Hình 4.10: Lưu đồ miêu tả lại quá trình các bước vận hành thiết bị ............................ 79 Hình 5.1: Kết quả cảm biến rung hoạt động trên monitor. ........................................... 80 Hình 5.2: Kết quả cảm biến gia tốc liên tục đọc giá trị về trên monitor ....................... 81 Hình 5.3: Thiết bị giám sát vị trí qua tin nhắn khi có cuộc gọi đến .............................. 82 Hình 5.4: Vị trí của thiết bị và vị trí của Smartphone trên google map ........................ 83 Hình 5.5: Thiết bị cảnh báo bị rung qua tin nhắn ......................................................... 84 Hình 5.6: Thiết bị ngắt hoạt động xe và sáng đèn xi-nhan khi bị ngã. ......................... 85 xi LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Lệnh AT Command thiết lập và cài đặt cuộc gọi ........................................... 24 Bảng 2.2: Lệnh AT Command thiết lập và cài đặt cho tin nhắn SMS. ........................... 25 Bảng 2.3: Lệnh AT dành cho tin nhắn SMS. .................................................................. 26 Bảng 2.4: Các lệnh AT Command đặc biệt cho SIM808C ............................................. 29 Bảng 2.5: Chi tiết các lệnh AT dành cho SIM808C. ...................................................... 30 Bảng 2.6: Danh sách các dạng dữ liệu đầu ra ................................................................. 36 Bảng 2.7:Giao thức GGA ................................................................................................ 37 Bảng 2.8: Định dạng vị trí ............................................................................................... 38 Bảng 2.9 Giao thức GLL ................................................................................................. 38 Bảng 2.10: Giao thức GSA ............................................................................................. 39 Bảng 2.11: Giao thức GSV ............................................................................................. 40 Bảng 2.12: Giao thức RMC ............................................................................................ 41 Bảng 2.13: Giao thức VTG ............................................................................................. 42 Bảng 2.14: Thông số kỹ thuật của Arduino UNO........................................................... 45 Bảng 2.15: Chức năng các chân SIM808. ....................................................................... 46 Bảng 5.1: Kết quả thống kê thông số kinh độ của thiết bị và phần mềm Google maps . 85 Bảng 5.2: Kết quả thống kê thông số kinh độ của thiết bị và phần mềm Google maps . 86 xii TÓM TẮT Mục đích của đề tài là tạo ra một thiết bị hộp đen cho ô tô cũng như một số phương tiện vận tải khác. Giúp người dùng có thể dễ dàng giám sát xe hay tài sản của mình cũng như cảnh báo cho người dùng về tình trạng của xe. Nhóm nghiên cứu sử dụng hệ thống mạng di động toàn cầu GSM và hệ thống định vị toàn cầu GPS được tích hợp sẵn trong module sim 808 đồng thời kết hợp với một số cảm biến như: cảm biến rung, cảm biến gia tốc…Cùng bộ vi xử lý trung là board Arduino Uno R3 để xác định chính xác vị trí của xe khi đang di chuyển. Hệ thống giúp bảo vệ an toàn cho người dùng khi thiết kệ tự động tắt máy khi xe có sự cố ngã hay va đập mạnh cũng như cảnh báo cho mọi người xung quanh biết tình trạng của xe khi gặp sự cố như còi hú, đèn xi nhan sáng nhấp nháy,…để kịp thời giúp đỡ. Đồng thời cũng giúp người dùng cảnh báo tình trạng của xe thông qua các cảm biến bằng tin nhắn và gọi điện nhờ hệ thống mạng di động toàn cầu GSM. Điểm nổi bật của đề tài là hệ thống dễ dàng sử dụng cho người dùng. Ưu điểm là khi khởi đông hệ thống thì hệ thống hoạt động tự động. Sản phẩm có giá thành vừa phải, có tính ứng dụng cao không chỉ cho xe ô tô mà còn cho tất cả các phương tiện vận tải khác. xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Quá trình phát triển kinh tế, công nghiệp hóa, hiện đại hóa là tiền đề cho quá trình đô thị hóa. Nhu cầu di chuyển (nhu cầu giao thông) luôn tăng theo quá trình phát triển kinh tế - xã hội. Chính vì vậy hiện nay, số lượng phương tiện tham gia giao thông ngày càng nhiều và đa dạng như xe gắn máy, ô tô, xe tải, xe buýt, ... Điều đó đã gây ra nhiều vấn đề như ùn tắc và tai nạn giao thông. Do đó gây khó khăn trong việc cảnh báo những rủi ro có thể xảy ra cho phương tiện và người điều khiển xe. Vì vậy việc quản lý và giám sát tình trạng phương tiện giao thông trở nên rất quan trọng và cần thiết đối với người dùng. Theo thông tin mới nhất được cập nhật, chính phủ đã ra nghị định số 86/2014/NĐCP ban hành ngày 10/9/2014 và thay thế cho nghị định 91/2009/NĐ-CP và nghị định 93/2012/NĐ-CP. Nghị định 86/2014 thay đổi và bổ sung thêm một số điều khoản về việc lắp đặt thiết bị giám sát hành trình bắt buộc đối với xe kinh doanh vận tải, nghị định có hiệu lực thi hành kể từ ngày 01/12/2014 quy định về quản lý phương tiện vận tải, yêu cầu tất cả các phương tiện vận tải phải lắp đặt hộp đen theo đúng tiêu chuẩn Bộ Giao thông vận tải là trước ngày 01 tháng 7 năm 2018 áp dụng cho xe ô tô kinh doanh vận tải hàng hóa có trọng tải thiết kế dưới 3,5 tấn. Nhưng để quản lý hộp đen một cách tiện dụng và dễ dàng thì cần một thiết bị có thể giám sát và cảnh báo kịp thời. Xuất phát từ chính nhu cầu thực tế đó mà nhóm đã đưa ra quyết định chọn đề tài: “Giám sát và cảnh báo hoạt động phương tiện vận tải ô tô” để tiến hành nghiên cứu và thực hiện. Ở đề tài này, nhóm đồ án sẽ thiết kế một thiết bị có gắn bộ định vị GPS và các cảm biến để được lắp đặt trên phương tiện vận tải ô tô nhằm gửi các thông số như: giám sát vị trí, cảnh báo rung xe, cảnh báo ngã xe về smartphone. Khi đó, Smartphone có thể giám sát vị trí thiết bị trên google map và đồng thời thấy được những cảnh báo ngã xe hoặc rung xe qua tin nhắn, cuộc gọi một cách kịp thời. 1.2. MỤC TIÊU Thiết kế và thi công mạch giám sát hoạt động phương tiện vận tải ô tô và cảnh báo cho người dùng. Lập trình Arduino để giám sát thiết bị thông qua Smarphone. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Ứng dụng các tập lệnh của Module SIM808 để gửi các thông tin giám sát và cảnh báo về Smartphone. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Quá trình làm việc của nhóm nghiên cứu được thực hiện qua các bước sau:  Cài đặt phần mềm Altium để vẽ mạch và phần mềm Arduino IDE để lập trình xử lý.  Nghiên cứu về GPS và GSM.  Nghiên cứu về Arduino UNO R3 và module SIM 808.  Thiết kế, thi công mô hình phần cứng.  Lập trình giao tiếp Arduino với SIM808 và GPS.  Lập trình Arduino để giám sát thiết bị và cảnh báo cho người dùng qua Smartphone.  Lắp ráp các khối vào mô hình.  Chạy thử nghiệm hệ thống giám sát và cảnh báo phương tiện vận tải ô tô.  Cân chỉnh hệ thống.  Viết báo cáo đồ án tốt nghiệp.  Báo cáo đề tài tốt nghiệp. 1.4. GIỚI HẠN  Định vị vị trí ô tô trên bản đồ sai lệnh so với thực tế ở mức chấp nhận được.  Tốc độ cập nhật vị trí và các thông số của xe ô tô tùy theo chất lượng sóng của nhà mạng mà Smartphone sử dụng.  Thiết kế và thi công hệ thống giám sát và cảnh báo phương tiện vận tải ô tô bằng cách thi công trên mô hình. 1.5. BỐ CỤC Chương 1: Tổng Quan Đặt vấn đề liên quan đến đề tài, tìm hiểu những lý do và sự cần thiết để thực hiện đề tài, mục tiêu hoàn thành, giới hạn cũng như những bước đi từ cơ bản đến cụ thể mà nhóm sẽ thực hiện trong quá trình nghiên cứu đề tài. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trình bày các kiến thức về phầm mềm Arduino IDE, lý thuyết về Arduino UNO R3, lý thuyết về SIM808 được áp dụng trong đề tài. Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế Trình bày sơ đồ khối của hệ thống, tính toán thiết kế cho từng khối. Chương 4: Thi Công Hệ Thống Thi công mạch theo thiết kế. Lập trình điều khiển cho vi xử lý chính. Kiểm tra, chạy thử nghiệm và tinh chỉnh lỗi. Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trình bày kết quả đã đạt được và đưa ra những bàn luận về sản phẩm. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Kết luận chung về đề tài và hướng phát triển của nó. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG GPS 2.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Hệ thống định vị toàn cầu GPS (the global positioning system) hay còn gọi là NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging) là hệ thống xác định tọa độ dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo. Hệ thống GPS có thể xác định vị trí sai số từ vài trăm mét đến vài trăm centimet. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí bất kỳ trên trái đất nếu xác định được khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh thì ta có thể tính được tọa độ của vị trí đó. 4 Hoàn cảnh ra đời: Năm 1978, nhằm thu thập các thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), độ cao và tốc độ của các cuộc hành quân. Bộ quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất 24 vệ tinh. Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên quỹ đạo trái đất ở độ cao 19.200 km, với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu vô tuyến tần số thấp tới các thiết bị thu nhận. 1 Hình 2.1: vệ tinh quay quanh trái đất1 Trong số 24 vệ tinh của bộ quốc phòng Mỹ nói trên, chỉ có 21 vệ tinh thực sự hoạt động, 3 vệ tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ. Tín hiệu vô tuyến truyền đi thường không đủ mạnh để thâm nhập vào các tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm hay tới các địa điểm dưới nước. Ngoài ra nó còn đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh để đưa ra được thông tin chính xác về vị trí (bao gồm cả độ cao) và tốc độ của một vật. Vì hoạt động trên quỹ Nguyễn Quốc Vương, “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô”, Luận văn Thạc sĩ, Trường DHSPKT, Tp.HCM, 2014. 1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT đạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất kỳ điểm nào trên trái đất. Vào năm 1983, Liên Xô bắn rơi một máy bay hành khách của Hàn Quốc vì đã vi phạm không 2 phận. Sau tai nạn này, nhu cầu định vị và dẫn đường cho các ứng dụng hàng không và dân dụng trở nên cấp thiết. Tổng thống Reagan đã ra lệnh cho quân đội Mỹ phải mở cửa một phần GPS cho các ứng dụng dân sự. Người Mỹ để tránh gây nguy hiểm đến quyền lợi của Mỹ đã phát minh ra SA (dùng để tăng sai số) và bắt đầu đưa ứng dụng vào năm 1990. Vào tháng 5 năm 2000, kỹ thuật quân sự Mỹ đã tiến khá xa, lúc này tổng thống Clinton mới tự tin ra lệnh tắt SA. Sau đó, nhu cầu máy thu GPS cá nhân và dân dụng mới thực sự bùng nổ.1 2.1.2 Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm có 3 bộ phận chính cấu thành đó là phần người sử dụng (User Segment), phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment). Hình 2.2: Các thành phần cấu tạo của hệ thống GPS1 Nguyễn Quốc Vương, “Nghiên cứu, chế tạo hộp đen ô tô”, Luận văn Thạc sĩ, Trường DHSPKT, Tp.HCM, 2014. 1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chúng ta sẽ tìm hiểu 3 bộ phận chính của GPS và chức năng của chúng: Hình 2.3: Mô hình ba mảng của hệ thống định vị toàn cầu.4 a. Phần sử dụng1 Bộ phận người dùng là thiết bị thu tín hiệu GPS và người sử dụng những thiết bị này. Thiết bị thu tín hiệu GPS là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc biệt. Nó được thiết kế để thu tín hiệu sóng vô tuyến được truyền từ các vệ tinh và tính toán vị trí dựa trên thông tin đó. Thiết bị thu tín hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau. 1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tính chất và giá cả của thiết bị thu tín hiệu GPS nói chung lệ thuộc vào chức năng mà bộ phận thu nhận có ý định. Bộ phận thu nhận dùng cho ngành hàng hải và hàng không thường sử dụng cho tính năng giao diện với thẻ nhớ chứa bản đồ đi biển. Bộ phận thu nhận dùng cho bản đồ khả năng chính xác rất cao và có giao diện người sử dụng cho phép ghi nhận dữ liệu nhanh chóng. Hình 2.4: Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng:1 - Phần cứng. - Phần mềm. - Phần triển khai công nghệ. Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử, các bộ dao động tần số vô tuyến RF, các ăng ten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác. 1 Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý số liệu cụ thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS. Những chương trình BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT này được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS, có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác. 1 Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hóa hiệu ứng của anten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị. 1 b. Phần điều khiển Phần điều khiển là để kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác. Có 8 trạm kiểm soát rải rác trên mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi đặt ở Hawaii, Kwajalein, đảo Ascension, Diego Garcia, Colorado Springs, Colorado và Cape Canaveral, 1 trạm điều khiển trung tâm và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu. Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau đó tính toán các số liệu được gởi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gởi tiếp tới các vệ tinh. 1 Hình 2.5: Trạm mặt đất được sử dụng từ 1984-2007.1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT c. Phần không gian Phần 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. Chúng chuyển động ổn định vá quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 3 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào. Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và L2 = 1227.62 MHz. Cả 2 sóng mang đều mang thông báo vệ tinh cần phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp(50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực. 1 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.3 Hình 2.6: Các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống GPS.1 2.1.3 Phương trình chuyển hướng Bộ thu sử dụng tín hiệu nhận được từ các vệ tinh để xác định các vị trí của vệ tinh và thời gian được truyền từ vệ tinh tới bộ thu. Trong đó, x, y, z là các thành phần vị trí vệ tinh và thời gian truyền từ vệ tinh tới bộ thu được chỉ định là [xi, yi, zi, ti], i = 1, 2, 3…., n là biểu thị cho số vệ tinh (n ≥ 3). 1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi thời gian nhận tín hiệu được chỉ định bởi đồng hồ trên mạch điện, kí hiệu là tr, thời gian nhận thực sự là: (tr + b), trong đó b là độ trễ đồng hồ của bộ thu. Thời gian truyền tín hiệu là: (tr + b – ti). Giả sử tín hiệu được truyền đi với tốc độ ánh sáng (kí hiệu: c) thì quãng đường được truyền là: (tr + b – ti).c biết được khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh và vị trí của vệ tinh, điều đó có nghĩa là bộ thu nằm trên bề mặt của mặt cầu có tâm đặt tại vị trí của vệ tinh với bán kính bằng chính khoảng cách từ vệ tinh tới bộ thu. Vì vậy, bộ thu sẽ là giao điểm các mặt cầu nếu nó nhận tín hiệu từ nhiều vệ tinh. Trong trường hợp lý tưởng không có lỗi, bộ thu là giao điểm của các mặt cầu. Bộ thu có bốn ẩn số, ba thành phần của vị trí máy thu GPS và độ trễ đồng hồ [x, y, z, b]. Các phương trình của mặt cầu được xác định bởi: (x-xi)2 + (y-yi)2 + (z-zi)2 = [(tr+b-ti).c]2, với i = 1,2,…, n (2.1) Tọa độ vị trí tại một địa điểm trên mặt đất:1 Để xác định chính xác vị trí tại một địa điểm trên mặt đất thì bộ thu GPS phải nhận được tín hiệu truyền về từ ít nhất ba vệ tinh, mỗi vệ tinh truyền tín hiệu về mặt đất với thời gian khác nhau. Từ phương trình chuyển hướng tổng quát, ta có hệ 3 phương trình như sau: (x-x1)2 + (y-y1)2 + (z-z1)2 = [(tr+b-t1).c]2 (2.2) (x-x2)2 + (y-y2)2 + (z-z2)2 = [(tr+b-t2).c]2 (2.3) (x-x3)2 + (y-y3)2 + (z-z3)2 = [(tr+b-t3).c]2 (2.4) Trong đó, tọa độ vệ tinh thứ nhất, thứ hai và thứ ba và thời gian truyền từ vệ tinh thứ nhất, thứ hai và thứ ba tới bộ thu theo trình tự : x1, y1, z1, t1, x2, y2, z2, t2, x3, y3, z3, t3, tr, b,c là những hằng số. Từ phương trình (2.2), (2.3), (2.4) Với x là: (2.5) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Với y là: (2.6) Với z là: (2.7) Với d1 = [(tr+b-t1)x c]2 ; d2 = [(tr+b-t2)x c]2 ; d3 = [(tr+b-t3)x c]2 (2.8) A1 = 2(x2-x1); B1 = 2(y2-y1); C1 = 2(z2-z1) (2.9) D1 = d1 –d2 –x12 +x22 –y12 + y22 –z12 + z22 (2.10) A2 = 2(x3-x1); B2 = 2(y3-y1); C2 = 2(z3-z1) (2.11) D2 = d1 –d3 –x12 +x32 –y12 + y32 –z12 + z32 (2.12) Với M là: Với N là: (2.13) 2.1.4 Thành phần tín hiệu gps1 Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần số rất cao, bao gồm hai tần số sóng mang được điều chế bởi 2 loại mã (mã C/A và mã P-code) và thông tin định vị. Hai sóng mang được phát ra tần số 1575.42 MHz (sóng mang băng tần L1) và 1227.60 MHz (sóng mang băng tần L2). Tức là bước sóng xấp xỉ 19 cm và 24.4 cm. Việc sử dụng 2 loại sóng mang này cho phép sửa lỗi chính cho hệ thống GPS đó là sự trễ trong tầng khí quyển, điều này được giải thích rõ ràng hơn trong phần sửa lỗi hệ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT thống. Tất cả các vệ tinh GPS phát chung tần số sóng mang L1 và L2. Tuy nhiên, mã điều chế khác nhau cho mỗi vệ tinh khác nhau. 1 Hai loại mã được dùng là mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P-code (Precision code). Mỗi mã bao gồm một số nhóm nhị phân 0 và 1 gọi là các bit. Các mã thông thường được biết đến là mã PRN- Pseudo Random Noise (Mã ồn giả ngẫu nhiên), gọi như vậy là vì chúng được tạo ra một cách ngẫu nhiên và tín hiệu giống như các tín hiệu ồn, nhưng thực tế chúng được phát ra từ các giải thuật toán học. Hiện nay, mã C/A chỉ được điều chế ở băng tần L1 còn mã P-code được điều chế ở 2 băng tần L1 và L2. Việc điều chế này gọi là điều chế lưỡng pha vì pha của chúng dịch 180 độ khi giá trị mã thay đổi từ 0->1 hay từ 1->0. Mã C/A là một luồng bit nhị phân của 1023 số nhị phân và lặp lại bản thân chúng trong mỗi giây. Điều này có nghĩa là tốc độ chip của mã C/A là 1.023 Mbps. Hay theo cách khác, chu kỳ của một bit xấp xỉ 1 ms hay tương đương với 300 m. Việc đo đạc sử dụng mã C/A là kém chính xác so với mã P-code nhưng nó ít phức tạp và được cung cấp cho tất cả người sử dụng. Mã P-code là một chuỗi dài các số nhị phân, nó lập lại bản thân nó sau 266 ngày. Nó cũng nhanh hơn 10 lần so với mã C/A (tốc độ là 10.23 MBps) nhân với thời gian lập lại bản thân nó sau 266 ngày để cho ra tốc độ 10.23 Mbps, suy ra mã P-code là một luồng gồm 2.35 x 1014 chip mã dài 266 ngày và được chia làm 38 đoạn; mỗi tuần là một đoạn. 32 đoạn được phân chia tới các vệ tinh khác nhau. Mỗi vệ tinh phát ra đoạn 1 tuần của mã P-code, chúng được khởi tạo vào giữa thứ 7 và chủ nhật hàng tuần. 6 đoạn còn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác. Mã Pcode được thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích quân sự. Nó được cung cấp cho người sử dụng vào ngày 31/01/1994. Ở thời điểm đó mã P-code được mã hóa bằng việc thêm vào nó 1 loại mã W-code và kết quả của việc thêm vào loại mã code này là Y-code và nó có tốc độ chip giống mã P-code. 3 Mohinder S. Grawer, Lawrence R.Weill, Angus P.Andrews, “Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration”, A John Wiley & Sons, inc. Publication, 2001 3 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7: Mô hình tín hiệu GPS khi truyền4 a. Tín hiệu GPS1 Mỗi vệ tinh GPS truyền đồng thời 2 dải tần số là L1 và L2 (L1 là 1575.42 MHz và L2 là 1227.6 MHz). Sóng mang của tín hiệu L1 gồm một thành phần cùng pha và một thành phần vuông pha. Thành phần cùng pha là hai pha được điều chế bởi 1 luồng dữ liệu 50bps và một mã giả ngẫu nhiên được gọi là mã C/A bao gồm một chuỗi 1023 chip nối tiếp với chu kỳ là 1ms, một tốc độ xung nhịp 1.023 MHz và chu kỳ 1 tuần. Ahmed El-Rabbany, “Introduction to GPS the Global Positioning System”, Artech House, Inc. Publication, 2002 4 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.8: Cấu trúc thành phần cùng pha của L11 Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang rồi sau đó được mã hóa theo mã C/A và được truyền đi. Hình 2.9: Cấu trúc thành phần vuông pha của L1.1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 14