Tài liệu Nghiên cứu phát triển phần mềm tích hợp gps và cảm biến trên điện thoại cho các phương tiện đường thuỷ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠ TR Ọ Ệ ---------- VŨ QUA TẠO NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM TÍCH HỢP GPS VÀ CẢM BIẾ TRÊ Đ ỆN THOẠ O Á P Ơ TIỆ Đ NG THỦY U V T Ạ S NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THU T Đ ỆN TỬ - VIỄN THÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Ộ – 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠ TR Ọ Ệ ---------- VŨ QUA TẠO NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM TÍCH HỢP GPS VÀ CẢM BIẾ TRÊ Đ ỆN THOẠ O Á P Ơ TIỆ Đ NG THỦY U V T Ạ S NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THU T Đ ỆN TỬ - VIỄN THÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Ộ – 2019 ĐẦU Hiện nay, để xác định vị trí tàu/thuyền thì thiết bị chủ yếu là định vị vệ tinh ( Phổ biến nhất là GPS). Sai số của phương pháp định vị GPS chủ yếu là do 6 nguyên nhân dưới đây (không kể sai số nhân tạo SA đã được ra lệnh tắt): 1) Dữ liệu Ephemeris; 2) Đồng hồ vệ tinh; 3) Trễ ở tầng điện ly; 4) Trễ ở tầng đối lưu; 5) Nhiễu đa đường; 6) Máy thu (bao gồm cả phần mềm, tâm pha anten). Có thể thấy rõ trong những điều kiện thời tiết xấu thì tín hiệu GPS thường yếu thậm chí mất tín hiệu GPS làm cho quá trình định vị bị gián đoạn. Thông thường, để hỗ trợ cho GPS thì một trong những giải pháp đó là sử dụng hệ thống dẫn đường quán tính (INS). INS có 2 ưu điểm nổi bật khi so sánh với các hệ thống dẫn đường khác là khả năng hoạt động tự trị và độ chính xác cao trong những khoảng thời gian ngắn. Sự kết hợp GPS và INS là lý tưởng nhất vì INS sẽ hỗ trợ cho GPS rất hiệu quả. Trái tim của hệ thống tích hợp này chính là bộ lọc tối ưu bộ lọc bù. Smartphone hay nói cách khác là điện thoại thông minh, đang trở nên rất phổ biến trong những năm trở lại đây. Ban đầu điện thoại thông minh bao gồm các tính năng của điện thoại di động thông thường kết hợp với các thiết bị phổ biến khác như hệ thống định vị toàn cầu GPS, cảm biến la bàn từ, cảm biến quán tính (dùng để xây dựng hệ INS từ cảm biến này) đã được tích hợp sẵn trong máy. Thay vì phải trang bị các thiết bị đơn lẻ là la bàn điện tù, thiết bị giám sát hành trình dung thì học viên đề xuất sử dụng điện thoại thông minh như là một thiết bị tích hợp thông tin định vị, xác định vận tốc , hướng lái cho các phương tiện đường thủy. Trong luận văn này, mục tiêu là bước đầu xây dựng một ứng dụng phục vụ cho giao thông đường thủy nội địa nên luận văn chủ yếu hướng tới việc nghiên cứu thuật toán, cách sử dụng các công cụ bộ lọc, xử lý tín hiệu.Hơn nữa, do hạn chế về thời gian và cơ sở vật chất, các thí nghiệm kiểm thử và kết quả tạm thời được thực hiện trên đường bộ. 1 Ả Ơ Xuất phát từ những ý nghĩa thực tế hỗ trợ các phương tiện giao thông đường thủy, luận văn là kết quả của quá trình nghiên cứu lý luận và thực tiễn của cá nhân tác giả dựa trên sự chỉ bảo, hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Trần Đức Tân. Thầy đã không quản khó khăn, thời gian, công sức để giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Đức Tân. Được thầy hướng dẫn là một vinh hạnh lớn của cá nhân tác giả, bởi lẽ thầy là một nhà giáo trẻ, mẫu mực, say mê nghiên cứu khoa học, là người có phương pháp nghiên cứu, có nhiều đóng góp cho sự nghiệp nghiên cứu khoa học . Tôi c ng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo và bạn b trong lớp K23 chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Khoa Điện Tử – Viễn Thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã có những nhận x t, góp ý cho luận văn này của tôi. Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ một phần của đề tài khoa học mã số DT194031 trong quá trình tôi thực hiện luận văn này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tôi, cơ quan tôi đang công tác, những người đã tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu. Gia đình là động lực cho tôi vượt qua những thử thách, luôn luôn ủng hộ và động viên tôi hoàn thành luận văn này. 2 A ĐOA Tôi xin cam đoan luận văn này là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu của cá nhân dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo của các thầy hướng dẫn, thầy cô trong bộ môn, trong khoa và các bạn b . Tôi không sao ch p các tài liệu hay các công trình nghiên cứu của người khác để làm luận văn này. Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm. Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2019 HỌC VIÊN Vũ Quang Tạo 3 MỤC LỤC LỜI N I Đ U ........................................................................................................ 1 LỜI CẢM N ......................................................................................................... 2 LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................... 3 DANH MỤC C C K HI U V CHỮ VI T TẮT ............................................. 6 DANH MỤC H NH ẢNH ...................................................................................... 7 DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... 9 CHƯ NG I. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUY T .................................................... 10 T M QUAN TRỌNG CỦA ĐỊNH VỊ TRÊN GIAO THÔNG ĐƯỜNG THỦY ....... 10 TỔNG QUAN VỀ H THỐNG ĐỊNH VỊ TO N C U GPS ............................. 11 1.1.1 Lịch sử phát triển ...................................................................... 11 1.1.2 Cấu trúc hệ thống GPS .............................................................. 12 1.3. NGUYÊN L ĐỊNH VỊ GPS .................................................................... 15 1.3.1. Nguyên lý định vị tuyệt đối ........................................................ 15 1.3.2. Nguyên lý Định vị tương đối ..................................................... 16 1.3.3. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS ................................... 17 1.1. 1.1. CHƯ NG II. C C TH NH PH N ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG ỨNG DỤNG 21 TH NH PH N PH N CỨNG .................................................................... 21 2.1.1 Cảm biến gia tốc (Accelerometer) trên điện thoại .................... 21 2.1.2. Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope) trên điện thoại.... 23 2.1.3. Cảm biến la bàn (Compass): ..................................................... 24 2.2. TH NH PH N PH N MỀM ...................................................................... 25 2.2.1. Hệ điều hành Android ............................................................... 25 2.2.2 Google APIs - Giao diện lập trình ứng dụng ............................ 26 2.2.3 Google Location Service API – Lấy vị trí trên thiết bị Android 26 2.3 C C THUẬT TO N ................................................................................ 27 2.3.1. Bộ lọc bù .................................................................................... 27 2.3.2. Xác định va chạm ...................................................................... 30 2.3.3 Lưu lại các hành trình đã đi ...................................................... 32 2.4. C C TÍNH NĂNG CỦA H THỐNG ........................................................... 33 2.4.1. Định vị vị trí phương tiện .......................................................... 33 2.4.2. Lưu lại hành trình trong khoảng thời gian nhất định ............... 34 2.4.3. Lưu lại lịch sử đường đi ............................................................ 35 2.1. 4 2.4.4. Cảnh báo va chạm ..................................................................... 36 CHƯ NG III. K T QUẢ VÀ NHẬN XÉT ......................................................... 37 3.1. 3.3. KHẢO S T THỰC NGHI M BỘ LỌC BÙ ................................................... 37 C C TÍNH NĂNG CỦA PH N MỀM ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC ................................... 45 K T LUẬN ........................................................................................................... 51 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................................ 52 TÀI LI U THAM KHẢO ..................................................................................... 53 5 A Ụ Á ỆU V Ữ V ẾT T T nghĩa Tiếng Anh nghĩa Tiếng Việt GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu TND Inland Waterway Thủy nội địa Ký hiệu NAVSTAR Navigation Satellite Điều hướng về tinh thời gian Timing and Ranging và định vị - Hệ tọa độ chuẩn địa tâm ECEF Earth-Centered, Earth Fixed DOP Dilution of precision IIR Infinite Impulse Response Đáp ứng xung API Application Programming Giao diện lập trình ứng dụng Interface RMS Root Mean Square Suy giảm độ chính xác Căn bậc hai của tổng bình phương 6 A Ụ ẢNH Hình 1. 1: Giao thông đường thủy Việt Nam phức tạp ....................................... 10 Hình 1. 2: Ứng dụng công nghệ GPS vào phương tiện đường thủy ................... 11 Hình 1. 3: Các thành phần cơ bản của GPS ........................................................ 13 Hình 1. 4: Vệ tinh xung quanh trái đất ............................................................... 13 Hình 1. 5: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS ........................ 14 Hình 1. 6: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS ....................... 15 Hình 1. 7: Phương pháp định vị tương đối.......................................................... 17 Hình 1. 8: Hiện tượng đa truyền ........................................................................ 19 Hình 2. 1: Mô hình cảm biến gia tốc của SmartPhone ..................................... 21 Hình 2. 2: Khối lượng vật thể chuyển động sinh ra dòng điện .......................... 22 Hình 2. 3: Ba trục cảm biến gia tốc .................................................................... 23 Hình 2. 4: Ba hướng góc của cảm biến con quay hồi chuyển ........................... 24 Hình 2. 5: Cảm biến la bàn trên Android ........................................................... 25 Hình 2. 6: Thị phần các hệ điều hành điện thoại trên thế giới vào năm 2017 .... 26 Hình 2. 7: Dịch vụ vị trí của Google “Google Location Serivices API” ............ 27 Hình 2. 8: Mô hình bộ lọc bù .............................................................................. 29 Hình 2. 9: Lưu đồ hoạt động của bộ lọc bù......................................................... 30 Hình 2. 10: Lưu đồ thuật toán xác định va chạm ................................................ 32 Hình 2. 11: Lưu đồ thuật toán lưu hành trình đã đi ............................................ 33 Hình 2. 12: Xác định vị trí người dùng ............................................................... 34 Hình 2. 13: Bắt đầu và dừng lại ghi hành trình ................................................... 34 Hình 2. 14: Vẽ lại hành trình đã đi ...................................................................... 35 Hình 2. 15: Lưu lại lịch sử các hành trình........................................................... 36 Hình 2. 16: Tính năng cảnh báo va chạm ........................................................... 36 Hình 3. 1: Góc hướng của thiết bị sau khi qua bộ lọc trong trường hợp đứng yên, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ..................................................... 37 Hình 3. 2: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di chuyển trên đường thằng, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ........... 38 7 Hình 3. 3: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di chuyển trên đường tròn, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28).............. 39 Hình 3. 4: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp quay quanh tâm của thiết bị, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ....... 39 Hình 3. 5: Góc hướng của thiết bị sau khi đi qua bộ lọc bù trong trường hợp di chuyển trên hình chữ nhật quay 3 lần, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ........................................................................................................................ 40 Hình 3. 6: Tín hiệu ba trục Ax, Ay, Az thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại trước khi tiền xử lý. Trạng thái lấy mẫu là điện thoại để yên trên mặt bàn, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ..................................................... 41 Hình 3. 7: Tín hiệu ba trục Ax, Ay thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại trước khi tiền xử lý. Trạng thái lấy mẫu là điện thoại để yên trên mặt bàn, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ................................................................ 41 Hình 3. 8: Tín hiệu ba trục Ax, Ay, Az thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại sau khi đi qua bước tiền xử lý. Ba đường màu xanh, đỏ cam lần lượt là tín hiệu Ax, Ay, Az, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ......................... 43 Hình 3. 9: Tín hiệu Ax, Ay thu được từ cảm biến gia tốc trong điện thoại sau khi đi qua bước tiền xử lý, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ................ 43 Hình 3. 10: Sự thay đổi của gia tốc theo 3 trục Ax, Ay, Az khi xảy ra va chạm, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) ..................................................... 44 Hình 3. 11: Sự thay đổi của RMS khi xảy ra va chạm, tần số lấy mẫu fs = 50Hz (Nokia x6, API 28) .............................................................................................. 45 Hình 3. 12: Một số quyền mà BoatSafe cần được cung cấp ............................... 46 Hình 3. 13: So sánh độ chính xác BoatSafe với Google Map ............................ 46 Hình 3. 14: Lấy các dữ liệu cần thiết .................................................................. 47 Hình 3. 15: Lưu lại và vẽ lại các hành trình đã đi ............................................... 47 Hình 3. 16: Đoạn đường mất kết nối với GPS được thể hiện bằng đường thẳng n t đứt .................................................................................................................. 48 Hình 3. 17: Chọn số điện thoại có sẵn trong danh bạ làm số gọi khẩn cấp ........ 49 Hình 3. 18: Người dùng bật chế độ cảnh báo va chạm nếu cần.......................... 49 Hình 3. 19: Khi gặp va chạm, thiết bị sẽ xuất hiện dialog xem người dùng có đang thật sự bị tan nạn hay không. ...................................................................... 50 8 A Ụ ẢNG Bảng 1: Thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục ..................... 20 9 Ơ . TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 1.1. Tầm quan trọng của định vị trên giao thông đường thủy Hiện nay, Việt Nam có khoảng 2.360 con sông và kênh đào với tổng chiều dài là 220.000 km. Trong đó, có 19% (41.900 km) là lưu thông được và 7% (15.436 km) được quản lý và vận hành. Nhà nước Việt Nam quản lý 65 tuyến đường thủy ở khu vực phía Bắc, trong khi đó ở miền Trung là 21 tuyến đường thủy và ở miền Nam là 101 tuyến đường thủy. Giao thông vận tải đường thủy nội địa đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành nền kinh tế Việt Nam với 2 đồng bằng châu thổ rộng lớn là đồng bằng châu thổ sông Hồng và đồng bằng châu thổ sông Cửu Long [1]. Thực tế giao thông đường thủy tại Việt Nam là giao thông hỗn hợp, có cả hàng hải, thủy nội địa, nhiều loại phương tiện cùng lưu thông trên sông, đặc biệt là các khu vực có các cảng lớn như Hải Phòng, Quảng Ninh, đồng bằng sông Cửu Long. Trong khi các loại tàu biển trong nước và nước ngoài luôn được trang bị đầy đủ hệ thống hỗ trợ theo quy dịnh của Bộ luật hàng hải Việt Nam và tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO)….thì hầu hết các phương tiện thủy nội địa ở nước ta chưa được trang bị một cách đầu đủ. Do vậy, rất khó quản lý một cách tuyệt đối các phương tiện thủy nội địa. Hơn nữa, các phương tiện thủy nội địa khi di chuyển chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người dân, theo phương pháp truyền thống. Hơn nữa, dưới tác động của thời tiết, các phương tiện thủy nội địa khi hoạt động sẽ vẫn gặp nguy cơ tai nạn rất cao khi không được trang bị các hệ thống hỗ trợ. Do vậy, phương án đưa công nghệ định vị GPS vào giao thông đường thủy được đề xuất. Hình 1. 1: Giao thông đường thủy Việt Nam phức tạp1 1 https://maydinhvigps.vn/tim-hieu-ve-he-thong-dinh-vi-gps-tau-thuy-tau-bien-cano-thuyen-danh-ca- 3107.html 10 Hệ thống dịch vụ GPS phục vụ cho công tác quản lý thông qua các giải pháp tối ưu cho: các đội tàu đánh cá truyền thống trên cả nước, các đội tàu kiểm ngư hỗ trợ cho ngư dân trong công tác quốc phòng [2], giúp các phương tiện thủy nội địa lưu thông một cách dễ dàng và an toàn. Việc tích hợp hệ thống định vị GPS dựa vào các cảm biển ngà càng trở nên phổ biến khiến việc giám sát tàu thuyền trở nên đơn giản, tức thì và nhanh chóng. Hình 1. 2: Ứng dụng công nghệ GPS vào phương tiện đường thủy2 Trong bài luận văn này, một phần mềm ứng dụng chạy trên nền tảng Android sử dụng GPS và các thuật toán để người đi các phương tiện đường thủy có thể di chuyển một cách hiệu quả và chính xác nhất . 1.2. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS 1.2.1. Lịch sử phát triển Hệ thống định vị toàn cầu GPS (NAVSTAR GPS - Navigation Satellite) Timing and Ranging Global Poritioning System) là một hệ thống dẫn đường vô tuyến điện toàn cầu được thành lập bởi bộ quốc phòng Hoa Kỳ, có chức năng điều hướng, xác định vị trí, thông tin thời gian phục vụ cho các hoạt động quân sự [6]. Sau này, hệ thống GPS được cho phép sử dụng cho cả mục đích dân sự, và hiện nay, hệ thống đang được truy nhập bởi cả hai lĩnh vực quân sự và dân sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chay đua để đạt những hiệu quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS. Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo 2 http://climatechangegis.blogspot.com/2012/04/gps-thanh-phan-nguyen-ly-va-cac-ung_2196.html 11 các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau. GPS đã từng bao gồm một mạng lưới 24 vệ tinh hoạt động. Mạng lưới này chính thức hoàn thành vào ngày 8-12-1993. Để đảm bảo vùng phủ sóng liên tục trên toàn thế giới, các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho 4 vệ tinh sẽ nằm cùng nhau trên 1 trong 6 mặt phẳng quỹ đạo. Với cách sắp xếp này sẽ có 4 đến 10 vệ tinh được nhìn thấy tại bất kỳ điểm nào trên trái đất với góc ngẩng là 100 độ nhưng thực tế chỉ cần 4 vệ tinh là có thể cung cấp đầy đủ các thông tin về vị trí. Các quỹ đạo vệ tinh GPS là những đường vòng, có dạng elip với độ lệch tâm cực đại là 0.01, nghiêng khoảng 550 so với đường xích đạo. Độ cao của các vệ tinh so với bề mặt trái đất là khoảng 20.200 km, chu kỳ quỹ đạo các vệ tinh GPS khoảng 12 giờ (11 giờ 58 phút). Hệ thống GPS được chính thức tuyên bố có khả năng đi vào hoạt động vào ngày 17 -7-1995 với việc đảm bảo có tối thiểu 24 vệ tinh hoạt động. Trong thực tế, để GPS có khả năng hoạt động tốt, số lượng vệ tinh trong mạng lưới GPS phải luôn luôn nhiều hơn 24 vệ tinh [3]. 1.2.2. Cấu trúc hệ thống GPS GPS gồm 3 phân vùng:  Phần không gian (space segment): bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín hiệu cần thiết cho hệ thống hoạt động.  Phần điều khiển (control segment): Các tiện ích trên mắt đất thực hiện nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, tính toán quĩ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng không gian.  Phần người sử dụng (user segment): toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật tính toán để cung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí. Mô hình ba phần của GPS như hình: 12 Hình 1. 3: Các thành phần cơ bản của GPS 2 1.2.2.1. Phần không gian (space segment) Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm:  Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển.  Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ tinh.  Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số Hình 1. 4: Vệ tinh xung quanh trái đất 3 Các thế hệ vệ tinh GPS được đánh số Block I, II, IIA, IIR, IIF. Thế hệ vệ tinh đầ tiên là Block I được xây dựng bởi Rockwell International Corporation, Block II và IIA c ng do công ty này xây dựng nhưng 3 https://tinhte.vn/threads/cac-he-thong-ve-tinh-dinh-vi-toan-cau-tren-the-gioi-hien-nay.2773511/ 13 nặng đến 900 kg. Tuổi thọ của chúng khoảng 7.5 năm. Sự thay thế các vệ tinh Block II/IIA bằng Block IIR bắt đầu từ năm 1996. Những vệ tinh này công ty General Electric xây dựng. Block IIF vẫn đang trong giai đoạn thiết kế và dự định phóng lên quĩ đạo từ năm 2005. 1.2.2.2. Phần điểu khiển (control segment) Phần điều khiển là để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS c ng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS. Phần điều khiển có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:     Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên 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 thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể. Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado Springs bang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm ăng ten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS. Bản đồ trong Hình 1.4 - cho biết vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS. Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang Florida, Mỹ) và một mạng quân sự phụ (NIMA) được sử dụng để đánh giá đặc tính và dữ liệu thời gian thực. Hình 1. 5: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 3 1.2.2.3. Phần người dùng (user segment) Thiết bị của người sử dụng GPS là các máy thu bao gồm:  Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách).  Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng).  Các quá trình điều hành. 14 1.3. guyên lý định vị GPS Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo. Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể của việc xác định toạ độ người ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản: Định vị tuyệt đối và định vị tương đối. 1.3.1. Nguyên lý định vị tuyệt đối Nguyên lý định vị tuyệt đối của GPS là lấy tâm trái đất làm gốc tọa độ, xác định vị trí ăng ten của máy tiếp nhận ở trong hệ tọa độ WGS-84 [7]. Do trong quá trình định vị chỉ cần dùng đến một máy tiếp nhận, nên được gọi là cách khác là định vị đơn điểm. Nguyên lý cơ bản của phương pháp định vị tuyệt đối là lấy khoảng cách đo được giữa vệ tinh và ăng ten của máy tiếp nhận làm chuẩn, dựa vào tọa độ đã biết của vệ tinh ở ngay thời điểm đấy để xác định vị trí của máy thu ở trên mặt đất. Phương pháp định vị tuyệt đối của GPS thực chất là phương pháp không gian giao hội nghịch [8]. Do đó ở mỗi máy thu, chỉ cần lấy được ba khoảng cách từ máy thu đến ba vệ tinh khác nhau là được. Nói cách khác, máy thu sẽ giao của ba đường tròn có tâm là các vệ tinh và bán kính là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Hình 1. 6: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát hệ thống GPS 4 Để xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh, ta sử dụng công thức sau d = V. ∆ t trong đó : 4 http://www.physics.org/article-questions.asp?id=55 15 (1) V: Vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng ∆t: Là thời gian sngs điện từ di từ vệ tinh đến máy thu. Tuy nhiên GPS được áp dụng nguyên tắc tính khoảng cách một chiều, vì thế có sự sai số giữa đồ hồ đo của máy thu và vệ tinh. Hơn nữa, khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu tương đối xa, dẫn đến sự sai lệch về thời gian gọi là khoảng cách giả (Pseudo range) [9]. Sai số của đồng hồ vệ tinh có thể được điều chỉnh bởi những bức điện dẫn đường (chứa các thông tin định vị như thông tin hành trình của vệ tinh, trạng thái hoạt động, thời gian đã sửa, khoảng cách bị chậm ở tầng điện li đã sửa, sự khúc xạ ở tầng khí quyển đã sửa vv..)”, tuy nhiên đối với đồng hồ của máy tiếp nhận rất khó để có thể dự báo trước và sửa thông số. Vì thế, coi thông số thời gian này như một tham số cùng với các tham số tọa độ của máy tiếp nhận là các ẩn phải tìm. Do đó ở bất kì một máy tiếp nhận tín hiệu GPS nào trên mặt đất nếu muốn xác định tọa độ của máy đó thì lúc nào c ng phải giải hệ phương trình bốn ẩn (ba ẩn là ba hệ tọa độ của máy và một ẩn là sai số thời gian), tức là ít nhất phải xác định bốn khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy tiếp nhận. Điều này có nghĩa là ở một điểm bất kì phải ít nhất có bốn vệ tinh cùng theo dõi 1.3.2. Nguyên lý Định vị tương đối Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt tại hai điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian ( ∆X, ∆Y, ∆Z ) hay hiệu tọa độ mặt cầu ( ∆B, ∆L, ∆H ) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS – 84. Nguyên lý đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha của sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm x t người ta đã tạo và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha tải nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: Sai số đồng hồ vệ tinh c ng như trên máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, sai số nguyên đa trị… 16 Hình 1. 7: Phương pháp định vị tương đối Số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thường nhiều hơn 4, có khi lên tới 10 vệ tinh. Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo. Không những thế khi đo tương đối các vệ tinh lại được quan sát trong một khoảng thời gian tương đối dài, thường từ nửa giờ đến vài ba giờ. Do vậy trên thực tế số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm quan sát sẽ là rất lớn và khi đó số liệu đo sẽ được xử lý theo nguyên tắc bình phương nhỏ nhất. Độ chính xác tương đối đạt cỡ cm, và chủ yếu áp dụng trong trắc địa. 1.3.3. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS C ng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thống GPS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau. - Sai số đo đồng hồ Đồng hồ của vệ tinh, đồng hồ máy thu luôn có sự sai số, thêm vào đó, có là do khoảng cách quá xa giữ máy thu và vệ tinh dẫn đến sự không đồng bộ của chúng. Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó nếu phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chính cho máy thu GPS biết để xử lý [10]. Để làm giảm ảnh hưởng của sai số đồng hồ của cả vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh c ng như giữa các trạm quan sát. - Sai số quỹ đạo vệ tinh Tọa độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh. Người ta sử dụng phải dựa vào lịch thông báo tọa độ vệ tinh mà theo lịch tọa độ vệ tinh có thể bị sai số. 17 Do vậy nếu sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị tốt hơn. Có hai phương án nhằm hoàn thiện thông tin quỹ đạo vệ tinh: + Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm những điểm chuẩn để tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh dành cho công tác đo đạc đặc biệt. + Thu nhận lịch vệ tinh chính xác từ Dịch vụ địa học GPS Quốc tế (The International GPS Service for Geodynamics – IGS) [11]. - Ảnh hưởng của tầng ion Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 – 500 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó. Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng ion [11]. Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion, trị đo giải trừ do đó việc định vị có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài. - Ảnh hưởng của tầng đối lưu Tầng đối lưu có độ cao đến 8km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi. Do vậy số cải chính mô hình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số, chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt và khô, ảnh hưởng của chiết suất khô được tạo thành mô hình loại trừ nhưng ảnh hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại bỏ trong trị đo GPS [10]. - Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải thu được tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh tức là phải có tầm nhìn thông tới các vệ tinh đó. Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây mù, song không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật cản che chắn. Do vậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác đo GPS. Khi sử dụng trị đo pha cần phải đảm bảo thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu. Tuy nhiên có trường hợp ngay cả khi vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu, trường hợp đó có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu vẫn không đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định vị. Do đó cần phải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu 18