Tài liệu Nghiên cứu giao thức trong mạng voip

Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông LỜI MỞ ĐẦU Giao thông vận tải là một trong những lĩnh quan trọng, là huyết mạch của nền kinh tế quốc dân. Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu vận tải ngày càng đòi hỏi tăng cả về số lượng và chất lượng. Do vậy phát triển giao thông vận tải là một trong những ưu tiên hàng đầu của các nước trên toàn thế giới. Với Việt Nam, là một trong những nước đang phát triển, vấn đề cơ sở hạ tầng trong đó có giao thông vận tải đã và đang được chú trọng phát triển. Trong giao thông vận tải, ngoài việc cã cơ sở hạ tầng như đường xá, bến bãi hay phương tiện tốt thì việc quản lý, điều hành, giám sát và điều khiển các phương tiện mang mét ý nghĩa quan trọng, góp phần không nhỏ vào sự thành công của giao thông. Với mỗi loại hình giao thông khác nhau thì việc quản lý, giám sát và điều khiển có thể khác nhau, nhưng nguyên lý chung của việc giám sát, quản lý và điều khiển các phương tiện vận tải đều phải định vị được phương tiện. Việc định vị phương tiện có thể qua nhiều phương pháp khác nhau, nhưng với khả năng định chính xác, an toàn, toàn cầu và linh hoạt, DGPS đã và đang trở thành một công cụ định vị hiệu quả và đã được ứng dông để dẫn đường trong giao thông tại nhiều quốc gia trên thế giới. Với ưu điểm diện phủ sóng vệ tinh rộng khắp, đé chính xác cao, giá thành thấp, DGPS là sự lùa chọn hợp lý để giải quyết bài toán dẫn đường trong giao thông vận tải. Với những lý do trên, dưới sự hướng dẫn tận tình của cô Trịnh Thị Hương – Giảng viên Bộ môn Tín hiệu giao thông cùng các thầy, cô trong khoa Điện Điện tử trường Đại học Giao thông vận tải, em đã mạnh dạn chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông” làm đề tài tốt nghiệp. Qua đây em xin chân thành cảm ơn cô Trịnh Thị Hương – Giảng viên Bộ môn Tín hiệu giao thông và các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử trường Đại Líp: Tín hiệu giao thông K45 1 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông học Giao thông vận tải đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như trong quá trình tìm tài liệu tham khảo để hoàn thành đồ án này. Em còng xin chân thành cảm ơn các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ em trong thời gian hoàn thành đồ án. Do thời gian, tài liệu và kiến thức còn hạn chế, đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và tất cả các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2009 Sinh viên thực hiện Líp: Tín hiệu giao thông K45 2 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG. 1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG 1.1.1 KHÁI NIỆM DẪN ĐƯỜNG Nh chóng ta đã biết mọi sự chuyển động của chóng ta hay của một vật điều luôn hướng tới một đích đến cụ thể nào đó. Để chúng ta có thể đến được đích đó thì luôn cần một sù định hướng rõ ràng. Trong thực tế cuộc sống hàng ngày, sự di chuyển của chúng ta giữa hai điểm thường được chúng ta định trước, do đó sự di chuyển của chúng ta còng theo một hướng nhất định để đến được đích của mình. Để có cái nhìn khái quát hơn về dẫn đường ta có thể đưa ra định nghĩa sau: “Dẫn đường là một môn khoa học nghiên cứu về các phương pháp và các thiết bị thu nhận các thông tin xác định vị trí chuyển động của đối tượng bị điều khiển.” Nh vậy, từ định nghĩa ta có thể thấy được hai nghiệm vụ chính mà dẫn đường đặt ra là: • Nghiên cứu về các phương pháp dẫn đường. • Nghiên cứu về các thiết bị dẫn đường. Sau đây giới thiệu chung về các phương pháp dẫn đường và đi sâu nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS. 1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHỮNG PHƯƠNG PHÁP DẪN ĐƯỜNG Người ta phân loại các phương pháp dẫn đường dùa trên việc sử dụng các kỹ thuật (kỹ thuật sử dụng trong các thiết bị dẫn đường) khác nhau. 1.2.1 DẪN ĐƯỜNG BẰNG MỤC TIÊU Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là phương pháp dẫn đường và xác định vị trí của đối tượng bị điều khiển bằng những mục tiêu nhìn thấy. Phương pháp dẫn đường này là phương pháp cổ xưa và đơn giản nhất. Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu này chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện tự nhiên, thời tiết. Phương pháp này có độ chính xác không cao và có tính định tính. Líp: Tín hiệu giao thông K45 3 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông 1.2.2 DẪN ĐƯỜNG BẰNG DỰ ĐOÁN Phương pháp dẫn đường bằng dự đoán là phương pháp dẫn đường dùa vào vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển và hướng di chuyển để dự đoán vị trí của phương tiện. Dùa vào những thông số đó, người ta có thể tính toán ra được hướng còng nh vị trí của mình. Nhưng phương pháp dẫn đường này lại chịu tác động của ngoại cảnh nh dòng chảy, gió… cho nên độ chính xác của phương pháp không cao và quan trọng hơn là không ổn định. 1.2.3 DẪN ĐƯỜNG THIÊN VĂN HỌC Dẫn đường bằng thiên văn học là dùa vào việc quan sát các thiên thể đã biết trên bầu trời như mặt trời, mặt trăng và các vì sao, sử dụng sextant (kính lục phân) để đo độ cao và góc độ giữa các thiên thể, dùng đồng hồ (thời kế) để đo thời gian và dùng lịch thiên văn để tính toán vị trí của tàu. Phương pháp dẫn đường thiên văn học là phương pháp dẫn đường có độ chính xác tương đối cao và được sử khá rộng rãi trong ngành hàng hải, nhưng bị hạn chế là không thể sử dụng được trong những điều kiện thời tiết xấu hay vào ban ngày khi mà không thể quan sát được mặt trăng hay bất kỳ một ngôi sao nào. 1.2.4 DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH Phương pháp dẫn đường quán tính dựa trên hiểu biết vị trí, vận tốc và động thái ban đầu của phương tiện, từ đã đo tốc độ động thái và gia tốc rồi dùng phương pháp tích phân để tính toán ra vị trí của phương tiện. Đây là phương pháp dẫn đường duy nhất không dựa vào nguồn tham khảo bên ngoài. Nếu phương pháp dẫn đường vô tuyến chịu ảnh hưởng của sóng vô tuyến điện và không sử dụng được trong những khu vực không có sóng thì phương pháp dẫn đường quán tính có thể khắc phục được. Phương pháp này có độ chÝnh xác tương đối cao, nhưng nó lại chịu sai sè chu trình. Líp: Tín hiệu giao thông K45 4 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông 1.2.5 DẪN ĐƯỜNG VÔ TUYẾN ĐIỆN (RADIO NAVIGATION) Dẫn đường vô tuyến điện là phương pháp sử dụng sóng vô tuyến từ một trạm phát sóng cố định có vị trí đã biết, tại điểm thu sãng máy thu sẽ tính toán thời gian, khoảng cách và kết quả thu được vị trí máy thu sóng vô tuyến điện. Một số hệ thống dẫn đường vô tuyến trên mặt đất vẫn còn đến ngày nay. Một hạn chế của phương pháp sử dụng sóng vô tuyến điện được phát trên mặt đất là chỉ có hai lựa chọn: 1) hệ thống rất chính xác nhưng không bao phủ được phạm vi rộng lớn; 2) hệ thống bao phủ được một phạm vi rộng lớn nhưng lại không chính xác. Sóng vô tuyến tần số cao có thể cung cấp vị trí chính xác nhưng chỉ cã thể bao phủ vùng nhỏ hẹp. Sóng vô tuyến tần số thấp (như sãng đài FM, frequency modulation, sãng điều tần) có thể bao phủ được vùng rộng lớn hơn nhưng lại không cho chóng ta vị trí chính xác. Chính vì vậy, các nhà khoa học đã nghĩ rằng cách duy nhất bao phủ sóng trên toàn bé thế giới là đặt những trạm phát sóng vô tuyến điện cao tần trong không gian và phát sóng xuống trái đất. Một trạm phát sóng vô tuyến điện nằm ở phía trên không gian của trái đất có thể phát sóng vô tuyến điện cao tần bằng tín hiệu được mã hóa đặc biệt có thể bao phủ được khu vực rộng lớn mà vẫn tới được trái đất với một mức năng lượng hữu Ých cho phÐp tái tạo lại thông tin thì sẽ có thể xác định được vị trí. Đây là ý tưởng ban đầu của GPS, ý tưởng này đã đúc kết lại 2000 năm sự tiến bộ trong khoa học dẫn đường bằng cách tạo ra “những hải đăng trong vũ trụ” (space-based lighthouse). GPS có thể cho chóng ta biết vị trí ở bất kỳ nơi nào trên bề mặt trái đất, trong mọi điều kiện thời tiết và liên tục 24 giờ trong ngày. Líp: Tín hiệu giao thông K45 5 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông 1.2.6 HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS GPS là tên tiếng Anh viết tắt của từ “Global Positioning System” có nghĩa là “Hệ thống định vị toàn cầu”. Hệ thống định vị toàn cầu GPS sử dụng thông tin vệ tinh, nó có khả năng xác định vị trí tại mọi nơi trên bề mặt Trái đất với độ ổn định, độ chính xác tương đối cao và ngày nay với công nghệ ngày càng hiện đại, hệ thống GPS ngày càng trở nên chính xác đặc biệt là giá thành sử dụng đã hạ đáng kể. Phương pháp dẫn đường sử dụng GPS cũng được coi là phương pháp dẫn đường vô tuyến điện, các vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu được coi là các trạm phát vô tuyến điện, hay nói chính xác hơn là “những trạm phát vô tuyến điện ở trong vũ trụ” (space-based radio wave transmitters), các trạm thu và máy thu dưới mặt đất thu các tín hiệu từ vệ tinh. Ngoài ra, dưới mặt đất còn có các trạm thu phát tín hiệu nhằm điều khiển hoạt động của hệ thống. Ngày nay, trên Thế giới việc sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã trở nên rất phổ biến và mang lại nhiều thành quả nhất định. Hệ thống GPS được ứng dụng để phục vụ cho giao thông vận tải và hiện nay nó đã đóng một vai trò quan trọng trong việc dẫn đường của hàng không, đường thuỷ, đường bộ và cả đường sắt. 1.3 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS Cho đến ngày nay, vẫn còn tồn tại những bàn luận xung quanh vấn đề về độ chính xác của hệ thống GPS có thể đem lại. Hầu hết người sử dụng luôn có cái nhìn và đánh giá tốt về hệ thống, đặc biệt khi nó được sư dụng trong những điều kiện mà những hệ thống khác không hoặc khó có thể làm được. Có thể nói đây là một trong những ưu điểm nổi trội của GPS. Tuy nhiên, đây không phải là yếu tố duy nhất khiến ngày nay GPS lại trở nên phổ biến nh vậy, một trong những yếu tố còn lại là độ chính xác của hệ thống GPS. Líp: Tín hiệu giao thông K45 6 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông Trong mỗi lĩnh vực khác nhau, việc yêu cầu vệ độ chính xác là khác nhau. Do vậy, việc đặt ra một yêu cầu cụ thể về độ chính xác cho mỗi lĩnh vực luôn là điều cần thiết. Do đó, cũng tùy vào mỗi lĩnh vực mà người ta lại lùa chọn một “mức độ” khác nhau về độ chính xác của GPS. Từ những lĩnh vực không cần đến độ chính xác quá cao mà vẫn đáp ứng được đầy đủ những yêu cầu của người sử dông như lĩnh vực quản lý động vật hoang dã (theo dõi sự di cư, cư trú, tuổi thọ hay khả năng sinh sản…), khí tượng thuỷ văn (theo dõi và xác định sự di chuyển của các khối không khí, áp thấp nhiệt đới, các cơn bão…), quản lý tài nguyên môi trường… đến những lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao hơn như dẫn đường trong giao thông vận tải, địa chất, thiết lập bản đồ… hệ thống GPS vẫn có thể đáp ứng tốt những yêu cầu của công việc đề ra. Trên thực tế, chóng ta có thể hình dung rằng ngày nay trên thế giới khó có mét máy bay, mét con tàu hay một phương tiện thám hiểm nào lại không lắp đặt thiết bị thu GPS. Thậm chí ngay cả những chiếc xe hơi hay đơn giản hơn là những thiết bị cầm tay nh điện thoại di động, PDA,… điều có thể được trang bị một máy thu GPS. Từ đó ta có một cái nhìn tổng quan về hệ thống GPS, đó là một cộng nghệ có khả năng ứng dụng tốt trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống. Đó là trên thế giới, còn ở Việt Nam liệu hệ thống GPS đã được ứng dụng chưa? Vẫn phải khẳng định đây là một vấn đề vẫn còn nhiều tranh luận nhưng thực sự GPS đã “xâm nhập” vào Việt Nam. Tính cho đến ngày nay, trên toàn lãnh thổ Việt Nam đã có một số trạm GPS đã và đang hoạt động, gần đây nhất là trạm GPS ven biển Bình Dương với công suất có khả năng hoạt động trong phạm vi 1000 km, cùng với 2 trạm ven biển khác là trạm tại Đồ Sơn (phạm vi khoảng 450 km) và trạm tại Vũng Tàu 1000 km) đã được xây dựng, nó có tác dụng hỗ trợ rất lớn trong việc điều tra cơ bản tài nguyên biển, đảm bảo hàng hải, dẫn đường, cứu hộ cứu nạn trên biển, nghiên cứu khoa học và bảo vệ tài nguyên trên biển. Không chỉ có những ứng dụng trên biển mà ngay cả trên đất liền chúng Líp: Tín hiệu giao thông K45 7 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông cũng có nhiều ứng dông nh điều tra cơ bản đất đai, đo đạc và thiết lập bản đồ, quản lý tài nguyên rừng… Sắp tới đây Bộ Tài nguyên và Môi trường sẽ xây dựng thêm một trạm GPS tại Quảng Nam đảm bảo hoàn thành việc phủ sóng toàn bộ ven biển Việt Nam. Ngoài ra, một số trạm GPS được lắp đặt tại một số nơi như Hà Giang (phô vô cho an ninh quốc phòng biên giới và cắm mốc biên giới Việt Nam – Trung Quốc, trạm tại Cao Bằng (phục vụ cho công điều tra phân giới cắm mốc biên giới Việt Nam – Trung Quốc, công tác thăm dò tình hình biên giới phía Bắc và các vùng lân cận, đo đạc thiết lập bản đồ địa chính, thăm dò tài nguyên địa chất, thuỷ văn…). Trong ngành giao thông vận tải nói chung, việc sử dụng GPS để biết được chính xác phương tiện đang ở đâu sẽ giúp Ých rất nhiều trong quá trình định vị, giám sát, điều khiển và quản lý phương tiện vận tải. Vì vậy, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng GPS để ứng dụng trong ngành giao thông vận tải. Líp: Tín hiệu giao thông K45 8 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông CHƯƠNG II: HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS VÀ NGUYÊN LÝ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, SAI SÈ CỦA HỆ THỐNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC 2.1 2.1.1 CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS. GIỚI THIỆU CHUNG. Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) của Mỹ – có tên gọi đầy đủ lúc đầu là Navstar GPS (Navigation signal with time and ranging Global positioning system – Hệ thống định vị toàn cầu sử dụng tín hiệu dẫn đường bằng thời gian và khoảng cách), mét hệ thống định vị được sử dụng trong giao thông, sử dụng nguyên lý đo thời gian và khoảng cách truyền sóng để xác định một mục tiêu nào đó. Năm 1978, nhằm phục vụ mục đích thu thập các thông tin về toạ độ (kinh độ và vĩ độ), độ cao và tốc độ cao của các cuộc hành quân hải lục và không quân, hưỡng dẫn máy bay, pháo binh và các hạm đội. Bộ quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất các vệ tinh nhằm cung cấp các thông tin về định vị toàn cầu. Hệ thống bao gồm 24 vệ tinh tính đền năm 1994 và đã được bổ sung thành 28 vệ tinh (vào năm 2000), chuyển động ở 6 mặt phẳng quỹ đạo khác nhau (các mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất, độ cao trung bình của các vệ tinh so với trái đất vào khoảng 20.200 km. Líp: Tín hiệu giao thông K45 9 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông Hình 1: Độ nghiêng của Mặt phẳng vệ tinh so với Mặt phẳng quỹ đạo Cấu trúc của hệ thống GPS gồm có 3 phân đoạn (nh hình 2) 1. Phần không gian – Space segement. 2. Phần điều khiển – Control segement. 3. Phần người sử dông – User segement. Líp: Tín hiệu giao thông K45 10 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông Hình 2: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu. 2.1.2 PHẦN KHÔNG GIAN. Phần không gian hay còn gọi là phần vệ tinh (Satellite segement) chính thức vận hành vào năm 1995, gồm 24 vệ tinh bay ở 6 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi mặt phẳng quỹ đạo bao gồm 4 vê tinh. Trong sè 24 vệ tinh có 21 vệ tinh thực sự hoạt động cung cấp thông tin định vị, còn 3 vệ tinh khác được sử dụng cho việc dự phòng có thể thay thế, hình 4 mô tả quỹ đạo và vị trí tương đối của 24 vệ tinh so với nhau theo toạ độ kinh độ và vĩ độ. Hiện nay vệ tinh được sản xuất bởi Rockwell International và có giá trị mỗi vệ tinh khoảng 40 triệu USD, nhưng để vệ tinh vận hành được cần phải mất thêm khoảng 100 triệu USD hoăc hơn nữa để phóng thành công một vệ tinh, mỗi vệ tinh được xây dựng để hoạt động trong khoảng 10 năm. Ngày nay, mét hệ thống vệ tinh hoàn thành tiêu tốn mất hàng trục tỷ USD. Mỗi vệ tinh nặng khoảng 900 kg và dài khoảng 5 mét, có bảng nhận năng lượng mặt trời trải rộng. Nã chạy bằng năng lượng mặt trời, tuy nhiên vệ tinh GPS cũng được trang bị pin mặt trời để hoạt động ở những khu vực không có ánh sáng mặt trời. Kể từ khi phóng vệ tinh đầu tiên vào năm 1978, đến nay đã cã bốn thế hệ vệ tinh khác nhau được phóng lên quỹ đạo. Đã có 11 vệ tinh thuộc thế hệ đầu tiên “Block I” được phóng lên và 10 trong số đó thành công. Cho tới ngày nay, chỉ còn 1 vệ tinh thuộc khối này hoạt động. Thế hệ tiếp theo là “Block II”, thế hệ thứ 3 là “Block IIA” và thế hệ mới nhất là “Block IIR”, các vệ tinh cuối thuộc “Block IIR” được gọi là IIR-M. Những vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cây cao hơn và thời gian hoạt động lâu hơn. Vệ tinh thế hệ mới nhất IIR-M (hình 3) có khối lượng khoảng 1132,75 kg. Nó có giá trị khoảng 75 triệu USD và được phóng thành công vào 3h36 phót sáng ngày 26/09/2005. Líp: Tín hiệu giao thông K45 11 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông Hình 3: Vệ tinh GPS IIR-M Các vệ tinh GPS không phải là vệ tinh địa tĩnh. Quỹ đạo là hình tròn nghiêng, các vệ tinh bay quanh trái đất hết khoảng 12 giê. Nh vậy vị trí của chúng là gần giống với một ngày thiên văn (trong thực tế nó sớm hơn 4 phót cho mỗi ngày). (a) Líp: Tín hiệu giao thông K45 12 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông (b) Hình 4: (a) Mô tả các vệ tinh của hệ thống GPS trên quỹ đạo (b) Vị trí tương đối của các vệ tinh Các vệ tinh được bố trí sắp xếp sao cho tại bất kỳ thời điểm nào ở bất kỳ đâu trên trái đất và khoảng không gian trên đó cũng sẽ có Ýt nhất bốn vệ tinh của GPS được nhìn thấy hay nói một cách khác nếu một máy thu tín hiệu GPS dù ở đâu trên trái đất và khoảng không gian đó, ở mọi thời điểm luôn thu được Ýt nhất 4 tín hiệu của 4 vệ tinh khác nhau. Ba trong sè 4 tín hiệu của 4 vệ tinh đó vệ tinh đó được sử dụng để xác định toạ độ trong không gian hai chiều và với một tín hiệu từ vệ tinh thứ tư có thể xác định được vị trí của mục tiêu trong không gian ba chiều. Tất cả các vệ tinh đều có ba số nhận dạng (identifying number): số thứ nhất là của trung tâm điều hành để nhận dạng trang bị và chức năng vệ tinh trong hệ thống; số thứ hai là số nhận dạng vệ tinh trong không gian (SV – Space vehicle) được gán khi phóng vệ tinh và số thứ ba là một mã giả tạp âm ngẫu nhiên (PRN – PseudoRandom Noise-code number). Số này được sử dụng để mã hoá tín hiệu vệ tinh. Mét sè máy thu GPS liên lạc với vệ tinh thông qua số nhận dạng SV còn một số khác theo số nhận dạng PRN. Líp: Tín hiệu giao thông K45 13 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông Tất cả các vệ tinh GPS phát trên hai băng tần sóng mang: L1 = 1575.42 MHz và L2 = 1227.6 MHz. Tín hiệu sóng mang L1 được sử dụng trong các đoạn tin đạo hàng và dịch vụ định vị chuẩn SPS (Standard postioning system). Tín hiệu sóng mang L2 được sử dông cho dịch vụ định vị chính xác PPS (Precise Positionning Service) được mã hoá. Các vệ tinh GPS sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ (CDMA – spread spectrum) để cho phép cả 24 vệ tinh có thể đồng thời phát trên cả hai sóng mang mà không gây can nhiễu lẫn nhau (phương thức đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ CDMA sẽ giới thiệu sau). 2.1.3 PHẦN ĐIỀU KHIỂN. Phân đoạn điều khiển (Control segment) còn được gọi là hệ thống vận hành OCS (Operational control system) bao gồm tất cả 05 trạm giám thực hiện các mục đích sau: • Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh GPS một cách liêm tục. • Quy định thời gian hệ thống GPS. • Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh. • Cập nhật định kỳ cho thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể. Líp: Tín hiệu giao thông K45 14 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông Hình 5: Vị trí của các trạm điều khiển trên bề mặt trái đất Phần điều khiển bao gồm một trạm điều khiển chủ (Master control station) được đặt tại Falcon Air Force Base bang Colorado Hoa Kỳ và 4 trạm giám sát thô động được đặt: mét tại Hawai, một tại đảo nhỏ Ascention bờ biển phía Tây châu Phi, một tại Deigo Garcia miền Nam Ên Độ, và trạm thứ tư tại Kwajalein thuộc quần đảo Marshell Tây Thái Bình Dương. Trong trường hợp xảy ra thiên tai, sẽ có hai trạm chủ dự phòng được đặt ở Sunnyvale bang California và một trạm khác ở Rockville bang Maryland. Tất cả các trạm giám sát thụ động giám sát theo dõi tất cả các tín hiệu vệ tinh mà chúng có thể nhìn thấy tại bất cứ thời điểm nào, thu thập các tín hiệu dữ liệu (khoảng cách) từ mỗi vệ tinh. Những thông tin này sau đó được chuyển đến trạm chủ tại bang Colorado theo đường DSCS bảo mật (Defense satellite communication system - Hệ thống phòng thủ truyền thông vệ tinh) nơi vị trí các vệ tinh (“ephemeris”) và dữ liệu đồng hồ thời gian được đánh giá và dự đoán. Trạm chủ theo định kỳ sẽ gửi các dữ liệu về vị trí và đồng hồ thời gian đã được hiệu chỉnh tới các trạm ăng-ten mặt đất chuyên Líp: Tín hiệu giao thông K45 15 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông dụng nơi mà sau đó các dữ liệu này được tải lên mỗi vệ tinh. Cuối cùng, vệ tinh sử dụng các thông tin đã hiệu chỉnh của chính nó truyền xuống cho người sử dụng cuối cùng. Mét chuỗi các sự kiện này xảy ra một vài giê một lần cho mỗi vệ tinh để giúp đảm bảo rằng bất kỳ một lỗi nào có thể về vị trí vệ tinh hay đồng hồ của chúng đều được giảm xuống nhỏ nhất. Hình 6: Cấu trúc cơ bản và dòng dữ liệu của phần điều khiển 2.1.4 PHẦN NGƯỜI SỬ DỤNG. Phần người sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS và cộng đồng người sử dụng. Các máy thu GPS thu nhận các tín hiệu từ vệ tinh và chuyển đổi các tín hiệu đó thành các tham số về toạ độ, vị trí, tốc độ và thời gian của chúng. Trong một máy thu GPS tín hiệu vệ tinh được thu theo vùng phân cực của ăng-ten được tạo ra bởi hình bán cầu sóng của nó. Máy thu GPS có thể giám sát một hoặc cả hai loại mã GPS. Hầu hết các máy thu đều có nhiều kênh truy nhập, mỗi một kênh giám sát đường truyền từ một vệ tinh. Một sơ đồ khối đơn giản của một máy thu đa kênh được thể hiện nh hình 7. Líp: Tín hiệu giao thông K45 16 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông Hình 7: Sơ đồ khối của một máy thu GPS thông thường Tín hiệu mà máy thu được đưa vào bộ lọc để loại bít nhiễu, khuyếch đại sau đó chuyển đổi xuống tần số trung và được số hoá. Tín hiệu sau đó được địa chỉ hoá đến xử lý tín hiệu trung tâm (DSP), cái mà bao gồm N kênh song song để giám sát đồng thời các sóng mang và mã từ N vệ tinh. Mỗi kênh bao gồm mã và một mạch giám sát sóng mang để thực hiện tÝnh toán mã và pha sóng mang và giải điều chế dữ liệu tin tức dẫn đường. Rất nhiều dữ liệu từ các vệ tinh có thể được thực hiện tính toán cùng một lóc và được chuyển tiếp cùng với thông tin dẫn đường đã giải điều chế đến bộ xử lý dẫn đường máy thu. Sau cùng, nó sẽ so sánh hai tín hiệu: một là tín hiệu thu được hai là tín hiệu mẫu để được ra kết quả. Mét giao diện đầu vào đầu ra (I/O) của GPS được thiết lập cho người sử dụng. Trong nhiều ứng dụng thiết bị I/O là mét giao diện điều khiển, cái mà cho phép dữ liệu đi vào, và hiển thị thông trạng thái thái dẫn đường (vị trí, tốc độ và thời gian) và truy nhập để thực hiện nhiều chức năng dẫn đường. Mét số ví dụ trong hình 8 a,b thể hiện thiết bị gọn nhẹ có khả năng cầm tay hoặc trang bị trên các phương tiện. Líp: Tín hiệu giao thông K45 17 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông (a) (b) Hình 8: (a) - Thiết bị máy thu GPS cầm tay (b) - Máy thu GPS được trạng bị trên tàu thuỷ 2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS. 2.2.1 NGUYÊN LÝ CHUNG ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ. Làm thế nào để hệ thống GPS có thể hoạt động được, theo lý thuyết điều này rất đơn giản. Hệ thống GPS xác định vị trí của người sử dụng thông qua việc xác định khoảng cách từ máy thu của họ đến các vệ tinh (Ýt nhất 3 vệ tinh nếu trong không gian 2 chiều và 4 vệ tinh trong không gian 3 chiều). Để xác định được khoảng cách này, một nguyên tắc cơ bản là dùa trên việc đo đạc thời gian Líp: Tín hiệu giao thông K45 18 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông truyền tín hiệu từ vệ tinh (cái mà chúng ta có thể biết được chính xác vị trí của nó tại bất kỳ thời điểm nào) đến máy thu. Nếu nh máy thu có thể xác định được chính xác thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu thì có thể xác định được khoảng cách đó bằng biểu thức đơn giản sau đây: D=v*t Trong đó:+ D là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu. + D lµ kho¶ng c¸ch gi÷a vÖ tinh vµ m¸y thu. + v là tốc độc truyến sóng điện từ trong không gian (gần bằng tốc độ áng sáng = 300.000.000 m/s) + t là thời gian truyền sóng. Nh vậy, việc mấu chốt bây giê là xác định được chính xác thời gian truyền sóng. Để làm được điều này máy phát của vệ tinh và máy thu GPS sử dụng một loại mã giả ngẫu nhiên (Pseudo-random code) đồng nhất, loại mã này là duy nhất đối với từng vệ tinh (hình 8). Hình 9 Mã định thời gian ngẫu nhiên của hệ thống GPS Bây giê, chúng ta giả sử một máy thu trên trái đất thu tín hiệu vệ tinh GPS. Máy thu này thu được một tín hiệu của một vệ tinh (A) và xác định được khoảng cách tới vệ tinh này là 20.000 km. Do đó, ta có thể xác được máy thu đang ở đâu đó trong không gian thuộc bề mặt của khối cầu bán kÝnh 20.000 km và tâm là vệ tinh A đó (hình 10). Nh vậy, ta chưa thể xác định được vị trí chính xác của máy thu. Líp: Tín hiệu giao thông K45 19 Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông Hình 10: Không gian chứa vị trí máy thu khi máy thu thu được một tín hiệu vệ tinh Giả sử, cùng lúc đó máy thu còng thu được một tín hiệu từ vệ tinh thứ hai (B) và xác định được khoảng cách này là 22.000 km, tương tự như trên có thể xác định được máy thu này cũng thuộc mặt cầu thứ hai có bán kính là 22.000 km và tâm là vệ tinh B, máy thu lúc này cùng thuộc hai mặt cầu khác nhau trong không gian. Nh vậy, không gian xác định vị trí của máy thu lúc này được thu nhỏ lại từ bề mặt của một mặt cầu thành giao của hai mặt cầu. Do đó, vị trí của máy thu lúc này thuộc đường tròn giao nhau giữa hai mặt cầu (hình 10). Hình 11: Không gian chứa vị trí máy thu khi máy thu được hai tín hiệu từ hai vệ tinh Líp: Tín hiệu giao thông K45 20