intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Báo cáo tốt nghiệp: Công nghệ định vị toàn cầu GPS

Chia sẻ: Abcdef_6 Abcdef_6 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST
Báo xấu
797
lượt xem 313
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện tại,công nghệ định vị toàn cầu (GPS) được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như : Hệ thống dẫn đường trên ô tô, điện thoại, các thiết bị hỗ trợ cá nhân cầm tay....Sự xuất hiện của công nghệ này được xem là một cuộc cách mạng với nền khoa học kỹ thuật thế giới. Dù được ứng dụng khá rộng rãi nhưng không phải người dùng nào cũng hiểu về công nghệ này....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo tốt nghiệp: Công nghệ định vị toàn cầu GPS

  1. TRƯỜNG ………………… KHOA……………………… ----- ----- BÁO CÁO TỐT NGHIỆP Đề tài: Công nghệ định vị toàn cầu GPS
  2. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp Lời cảm ơn Lời đầu tiên em xin g ửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy, cô giáo trường Đại học Công Nghệ, những ng ười đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt bốn năm học vừa qua tại nhà trường. Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thăng Long, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại khoa học điện tử viễn thông – Đại Học Công nghệ, Người đã truyền cho em cách tư duy có hệ thống, phương pháp nghiên cứu, tiếp cận thực tế - những điều rất quý báu với em khi ra trường làm việc thực tế. Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể cán bộ bộ môn Vi cơ điện tử - vi hệ thống những người đã dẫn dắt và định hướng nghiên cứu cho em trong suốt những năm qua. Em xin tỏ lòng biết ơn chân thành tới cha mẹ, gia đình em những người đã sinh thành, nuôi nấng, tin tưởng động viên em. Xin g ửi lời cảm ơn tới tất cả bạn b è, đặc biệt là tập thể lớp K49ĐB, những người đã cổ vũ, động viên, chia sẻ với em trong suốt những năm qua. Sinh viên thực hiện Mạc Đ ăng Huy Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 1
  3. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU ........................................................................................................ 4 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS................................................ 5 Chương 1: 1.1 Giới thiệu về hệ thống GPS ........................................................................ 5 1.2 Thành phần cơ bản của hệ thông GPS ...................................................... 5 1 .2.1 Bộ phận người dùng. .............................................................................. 5 1 .2.2 Bộ phận không gian. ............................................................................... 6 1 .2.3 Bộ phận điều khiển. ................................ ................................................ 7 1.3 Thành phần tín hiệu GPS ................................ .......................................... 8 1 .3.1 Tín hiệu GPS........................................................................................... 9 1.3.1.1 Thông điệp từ chuỗi dữ liệu 50bps .............................................. 11 1.3.1.2 Cấu trúc một thông diệp tín hiệu ................................................. 12 1.4 Cách thức làm việc của hệ thống GPS................................ ..................... 13 1 .4.1 Hoạt động của GPS ................................ .............................................. 13 1 .4.2 Ý tưởng định vị của hệ thống GPS ...................................................... 14 1 .4.3 Độ chính xác của hệ thống GPS ................................ ........................... 15 1 .4.4 Những nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS ................................ ... 15 1.5 Chuẩn NMEA ................................ ................................ ........................... 17 1 .5.1 Giới thiệu về chuẩn NMEA................................ ................................ .. 17 1 .5.2 Ghép nối phần Cứng theo chuẩn NMEA ............................................ 18 1 .5.3 Các đoạn mã theo chuẩn NMEA ......................................................... 20 1 .5.4 Một số đoạn mã theo chuẩn NMEA để xác định vị trí ....................... 24 1.5.4.1 Giải mã một số đoạn mã xác định vị trí ....................................... 25 Chương 2: Tổng quan về hệ thống GIS và kỹ thuật xây dựng bản đồ số.............. 28 2.1 Tổng quan về hệ thống GIS ..................................................................... 28 2 .1.1 Giới thiệu về hệ thống GIS ................................................................ ... 28 2 .1.2 Cấu trúc dữ liệu trong GIS ................................ ................................ .. 29 2.1.2.1 Dữ liệu kiểu không gian ................................................................ ... 29 2.1.2.2 Dữ liệu kiểu phi không gian ............................................................. 30 2 .1.3 Mô hình dữ liệu trong GIS ................................................................ ... 31 2.1.3.1 Mô hình dữ liệu kiểu RASTER .................................................... 31 2.1.3.2 Mô hình dữ liệu kiểu VECTOR ................................................... 32 2.2 Kỹ thuật xây dựng bản đồ số trên phần mềm Mapinfo.......................... 33 2 .2.1 Cách đăng ký một bản đồ trên Mapinfo. ................................ ............... 33 2.2.1.1 Xác định các điểm khống chế. .......................................................... 33 2.2.1.2 Thiết lập hệ tọa độ ............................................................................ 33 2 .2.2 Cách số hóa bản đồ trên Mapinfo........................................................ 34 Chương 3: Ngôn ngữ lập trình C# .......................................................................... 35 3.1 Ngôn ngữ C# ............................................................................................. 35 3 .1.1 Tổng quan về ngôn ngữ C# ................................ ................................ .. 35 3 .1.2 Mã chương trình................................................................................... 36 Kết luận ................................................................................................................ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO: ...................................................................................... 46 Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 2
  4. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT TRONG KHÓA LUẬN ................................................. 47 Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 3
  5. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp LỜI GIỚI THIỆU Như chúng ta đã biết, hiện nay, công nghệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System ) là công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Công nghệ GPS bắt đầu được giới thiệu và ứng dụng vào Việt Nam từ giữa những năm 1990 nhưng chủ yếu để phục vụ cho việc thu thập số liệu tọa độ chính xác của các điểm trắc địa gốc để làm cơ sở phát triển các lưới trắc địa cấp thấp hơn. Trong những năm gần đây, với việc xuất hiện các thiết bị đo GPS cầm tay đơn giản và giá rẻ, việc ứng dụng công nghệ GPS vào công tác thu thập thông tin vị trí càng trở nên phổ biến. đặc biệt là khi nó được kết hợp với các công nghệ khác như công nghệ GIS và hệ thống viễn thông thì th ực sự đã mang lại một cuộc cách mạng trong cuộc sống hiện nay. Dưới đây là một ứng dụng của công nghệ GPS, GIS và công nghệ viễn thông để tạo nên một hệ thống giám sát các thiết bị di động có gắn thiết bị đo GPS như quản lý ô tô, taxi, xe bus hay các máy di động … giúp cho nhà quản lý có thể điều hành và giám sát được công việc của mình một cách hiệu quả. Theo các nhà dự báo, trong thời gian tới, các thiết bị GPS sẽ ngày càng nhỏ gọn, chính xác tạo điều khiện cho sự bùng nổ trong việc ứng dụng công nghệ. Với mục đích nghiên cứu làm chủ công nghệ, trong luận văn này, em tập trung vào tìm hiểu công nghệ GPS cũng như th ử nghiệm xây dựng một hệ thống thu thập thông tin từ thiết bị GPS và hiển thị lên bản đồ số. Đây là tiền đề cho việc xây dựng một hệ thống quản lý phương tiện giao thông cũng như hệ thống dẫn đường phương tiện đường bộ sử dụng công nghệ GPS. Luận văn được chia làm 3 chương:  Chương I : Tổng quan về hệ thống GPS  Chương II: Tổng quan về hệ thống GIS và kỹ thuât xây dựng bản đồ số  Chương III: Ngôn ngữ lập trình C# Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 4
  6. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS Chương 1: 1.1 Giới thiệu về hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS 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 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. GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nh ưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch. Hệ thống GPS 1.2 Thành phần cơ bản của hệ thông GPS Hệ thống định vị GPS bao gồm 3 bộ phận: bộ phận người dùng, bộ phận không gian và bộ phận điều khiển. Hình 1.1: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu 1.2.1 Bộ phận người dùng. Bộ phận người dùng là thiết bị thu tin hiệu GPS và người sử dụng những thiết bị này. Thiết bị thu tin hiệu GPS là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc biệt. Nó Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 5
  7. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp 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 tin hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau. Tính chất và giá cả của các Thiết bị thu tin 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. 1.2.2 Bộ phận không gian. Bộ phận không gian gồm các vệ tinh GPS mà nó truyền tin hiệu về thời gian và vị trí tới bộ phận người dùng. Tập hợp tất cả các vệ tinh này được gọi là “chòm sao”. Chúng ta có thể xem qua bộ phận không gian của hệ thống GPS: Hệ thống NAVSTAR của Mỹ gồm 24 vệ tinh với 6 quỹ đạo bay. Các vệ tinh này hoạt động ở quỹ đạo có độ cao 20.200 km (10,900 nm) ở góc nghiêng 55 độ và với thời gian 12 giờ/quỹ đạo. Quỹ đạo bay không gian của các vệ tinh được sắp xếp để tối thiểu 5 vệ tinh sẽ được bộ phận người dùng nhìn thấy và bao phủ toàn cầu, với vị trí chính xác hoàn toàn (position dilution of precision PDOP) của 6 vệ tinh hoặc ít hơn. Hình 1.2: Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 6
  8. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp Mỗi vệ tinh truyền trên 2 dải tần số L, L1 có tần số 1575.42 MHz và L2 có tần số 1227.6 MHz. Mỗi vệ tinh truyền trên cùng tần số xác định. tuy nhiên, tín hiệu mỗi vệ tinh thì thay đổi theo thời gian đến người sử dụng. L1 mang mã P (precise code) và mã C/A (coarse/acquisition (C/A) code). L2 chỉ mang mã P (P code). Thông tin dữ liệu hàng hải được thêm các mã này. Thông tin dữ liệu hàng hải giống nhau được mang cả 2 dải tần số. Mã P thì thường được mã hoá vì thế chỉ mã C/A thì có sẵn đến người sử dụng bình th ường; tuy nhiên, một vài thông tin có thể nhận được từ mã P. Khi mã hoá, mã P được hiểu như mã Y. Mỗi vệ tinh có 2 số nhận dạng. Đầu tiên là số NAVSTAR với nhận dạng trên thiết bị vệ tinh đặc biệt. Thứ hai là số sv (the space vehicle (sv) number). Số này được ấn định để ra lệch phóng vệ tinh. Thứ ba là số mã ồn giả ngẫu nhiên (the pseudo-random noise-PRN). Đây chỉ là số nguyên mà nó được sử dụng để mã tín hiệu từ các vệ tinh đó. Một vài máy ghi nhận nhận biết vệ tinh mà chúng đang ghi nhận từ mã SV, hoặc mã khác từ mã PRN. 1.2.3 Bộ phận điều khiển. Bộ phận điều khiển gồm toàn bộ thiết bị trên mặt đất được sử dụng để giám sát và điều khiển các vệ tinh. Bộ phận này thường người sử dụng không nhìn thấy, nhưng đây là bộ phận quan trọng của hệ thống GPS. Bộ phận điều khiển NAVSTAR, được gọi là hệ thống điều khiển hoạt động (operational control system (OCS)) gồm các trạm giám sát, một trạm điều khiển chính (master control station (MCS)) và anten quay. Các trạm giám thụ động không nhiều hơn GPS nhận mà đường bay của các vệ tinh được nhìn thấy và do đó phạm vi tích luỹ dữ liệu từ tín hiệu vệ tinh. Có 5 trạm giám sát thụ động, toạ lạc ở Colorado Springs, Hawaii, đảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein. Các trạm giám sát gởi dữ liệu thô về trạm MSC để xử lý. Trạm MCS được toạ lạc ở Falcon Air Force Base, cách 12 dặm về phía đông của Colorado Springs, Colorado và được Mỹ quản lý. Trạm MCS nhận dữ liệu từ trạm giám sát trong thời gian 24 giờ/ngày và sử dụng thông tin này để xác định nếu các vệ tinh đang khoá hoặc lịch thiên văn thay đổi và để phát hiện thiết bi trục trặc. Thông tin về tàu thuỷ di chuyển và lịch thiên văn được tính toán từ tín hiệu giám sát và chuyển đến vệ tinh một lần hoặc hai lần/ngày. Thông tin tính toán bởi trạm MCS, cùng với các mệnh lệnh duy trì thường xuyên được truyền bởi anten xoay trên mặt đất. Anten này toạ lạc tại đảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein. Anten có đủ phương tiện để truyền đến vệ tinh theo đường liên kết sóng vô tuyến dải tần S. Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 7
  9. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp Thêm vào đó chức năng chính của trạm MCS duy trì 24 giờ hệ thống bản tin điện tử với tình trạng và tin tức hệ thống sau cùng. Công dân liên lạc cho vấn đề này với The United States Coast Guard's (USCG) Navigation Center (NAVCEN). 1.3 Thành phần tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần số rất cao, bao gồm 2 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 với tần số 1,575.42MHz (sóng mang băng tần L1) và 1,227.60MHz( song mang băng tần L2). Tức là bước sóng xấp xỉ 19cm và 24.4cm.Việc sử dụng 2 loại sóng mang này cho phép sửa lỗi chính trong hệ thống GPS đó là sự trễ trong tầng khí quyền, điều này được giải thích rõ ràng hơn trong phần sửa lỗi hệ thống. Tất cả các vệ tinh GPS phát chung tần số sóng mang L1 và L2, Tuy nhiên mã điều chế thì khác nhau cho mỗi vệ tinh khác nhau. Hai loại mã được dùng là mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P-code (precision code). Mỗi mã bao gồm một nhóm số 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 là như vậy vì chúng được tao 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 được điều chế ở cả 2 băng tần L1 và L2. Việc điều chế này gọi là điều chế lưỡng pha vì pha của chúng dịch 180độ khi giá trị mã thay đổi từ 0 ->1 hay từ 1->0. Mã C/A là 1 luồng bít 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 1.023Mbps. Hay theo cách khác,chu kỳ của một bit xấp xỉ 1ms hay tương đương với 300m. 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 1 một chuỗi dài các số nhị phân ,nó lặp lại bản thân nó sau 266 ngày. Nó cũng nhanh hơn 10 lần so với mã C/A( tốc độ là 10.23MBps). Nhân với thời gian lặp lại bản thân nó sau 266 ngày để cho ra tốc độ 10.23Mbps suy ra mã P-code là một luồng gồm 2.35x1014chip mã dài 266 ngày được chia ra 38 đoạn;mỗi đoạn là 1 tuần.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 nửa đêm nằm giữa thứ 7 và chủ nhật hàng tuần. 6 đoạn còn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác. Mã P-code được thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích quân sự. Nó được cung cấp cho người sử dụng vào ngày Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 8
  10. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp 31/1/1994. Ở thời điểm đó mã P-code được mã hóa bằng việc thêm vào nó 1 lo ại mã W-code. Và kết quả của việc thêm vào loại mã code này là mã Y-Code và nó có tốc độ chíp giống với mã P-code. Hình 1.3 Mô hình tín hiệu GPS khí truyền 1.3.1 Tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh GPS truyền đồng thời 2 dải tần số là L1 và L2 (L1 là 1575,42MHz , L2 là 1227,60MHz ) Sóng mang của tin hiệu L1 gồm 1 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 1 chuỗi 1023 chip nối tiếp có chu ky là 1ms và 1 tốc độ xung nhip 1.023MHz. Thành phần vuông pha cũng là hai pha được điều chế bởi 1 luồng dữ liệu 50bps nhưng có một sự khác nhau đó là thành phần vuông pha dùng mã giả ngẫu nhiên được gọi là P-Code, nó có xung nhịp là 10.23MHz và chu kỳ là 1 tuần. Biểu thức toán học của sóng L1 là: Trong đó Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 9
  11. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp P1 là công suất của thành phần sóng mang cùng pha PQ là công suất của thành phần sóng mang vuông pha d(t) là sự điều chế dữ liệu 50bps c(t) và p(t) tương ứng là những sóng mã C/A và mã giả ngẫu nhiên L1 là tần số sóng mang 0 là độ dịch pha Công suất sóng mang vuông pha PQ it hơn xấp xỉ 3db so với P1 Trái ngược với tín hiệu L1, tín hiệu L2 được điều chế với duy nhất dữ liệu 50bps và mã p-code Biểu thức toán học của tín hiệu L2 Hình 1.4 cấu trúc thành phần cùng pha của L1 Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang rồi sau đó được mã hóa theo mã C/A và được truyền đi. Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 10
  12. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp H ình 1.5 Cấu trúc thành phần vuông pha của tín hiệu L1 Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang rồi sau đó được mã hóa theo mã P-code và được truyền đi. Hình 1.4 và hình 1.5 tương ứng trình bày cấu trúc của thành phần cùng pha và thành phần vuông của tín hiệu L1 1.3.1.1 Thông điệp từ chuỗi dữ liệu 50bps Chuỗi dữ liệu 50bps chuyên trở thông điệp dẫn đường, nó bao gồ m nhiều thông tin và không giới hạn. nó bao gồm những thông tin sau. o Dữ liệu vệ tinh Niêm giám. Mỗi vệ tinh truyền dữ liệu trong không gian được gọi là niêm giám. Nó cho phép người sử dụng tính toán vị trí của mọi vệ tinh trong chòm sao GPS tại bất ký thời điểm nào. Dữ liệu Niêm giám không đủ chính xác để xách dịnh vị trí nhưng có thể được cất giữa trong một thiết bi thu ở đâu đó, nó lưu lại trong vài tháng. Nó chủ yếu được dung để xác định vệ tinh rõ rang tại 1 vị trí bất kỳ Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 11
  13. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp o Dữ liệu vệ tinh thiên văn. Dữ liệu thiên văn c ũng tương tự như dữ liệu Niêm giác nhưng nó cho phép xác định vị tri với độ chính xác cao hơn, để cần dược chuyển đổi sự trễ lan truyền trong việc ước lượng vị trí của người dùng. o Dữ liệu về thời gian. Chuỗi dữ liệu 50bps bao gồm sự đánh dẫu thời gian, được sử dụng để thiết lập thời gian truyền dẫn của những điểm trên tin hiệu GPS. Thông tin này cần xác định được độ chễ về thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh tới người sử dụng o Dữ liệu trễ do tầng điện ly. o Thông điệp về tình trạng của GPS 1.3.1.2 Cấu trúc một thông diệp tín hiệu Thông tin trong thông điệp dẫn hướng có các cấu trúc khung cơ bản. Hình 1.6 Khung dữ liệu của tín hiệu GPS Một thông điệp đầy đủ gồm có 25 khung (frame), mỗi khung chứa 1500bit, mỗi 1 khung dữ liệu lại được chia làm các khung con 300bit. Mỗi khung con bao gồm 10 từ Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 12
  14. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp và mỗi từ là 30 bit. Như vậy với tốc độ truyền 50bps nó phải mất 6s để truyền 1 khung dư liệu con (subframe) và 30s để hoàn thành một khung dữ liệu (frame). Để truyền hoàn thành 25 khung thông điệp thì yêu cầu cần tới 750s . Cách thức làm việc của hệ thống GPS 1.4 1.4.1 Hoạt động của GPS Cơ bản, GPS sử dụng nguyên tắc hướng thẳng tương đối của hình học và lượng giác học. Mỗi vệ tinh liên tục phát và truyền dữ liệu trong quỹ đạo bay của nó cho tất cả các chòm sao vệ tinh cộng thêm dữ liệu đến kịp thời và thông tin khác. Do đó, mỗi thiết bị GPS nhận sẽ liên tục truy cập dữ liệu quỹ đạo chính xác từ vị trí của tất cả vệ tinh có thể tính toán bằng các vi mạch có trên tất cả các GPS nhận. Từ đó tín hiệu hoặc sóng vô tuyến di chuyển ở vận tốc hằng số (thường bằng vận tốc ánh sáng – C ), các thiết bị GPS thu có thể tính toán khoảng cách liên quan từ GPS đến các vệ tinh khác bằng cách máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian mà thiết bị GPS thu nhận được tín hiệu do các vệ tinh pháp. Độ sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách xa vệ tinh bao nhiêu bằng cách lấy khoảng thời gian sai lệch nhân với tốc độ của sống vô tuyến. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh khác nhau các thiết bị GPS thu tín hiệu có thể tính được vị trí của thiết bị GPS. H ình 1.7 Tính khoảng cách từ thiết bị GPS đến các vệ tinh Tất cả máy thu GPS bắt buộc phải khoá được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để có thể tính được vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Nếu Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 13
  15. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp thiết bị thu tín hiệu GPS có thể khóa được tín hiệu của bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy GPS có thể tính được vị trí theo 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 1.8 : Thông tin dữ liệu 1.4.2 Ý tưởng định vị của hệ thống GPS Hình 1.9 Ý tưởng định vị của hệ thống GPS Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 14
  16. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp Theo nguyên tắc thông thường thì để xác định vị trí của 1 vật nào đó ta cần xác định được khoảng cách của chúng tới các vật chuẩn khác, ví dụ như khi ta lạc đường , một người chỉ cho ta biết rằng anh đang cách Hà Nội 15Km, ta chỉ biết được là đang nằm đâu đó trong trên đường tròn bán kính 50Km quanh Hà nội, nếu 1 người khác bảo là ta cách Hải Phòng 50Km thì ta xác định được 2 vị trí bằng cách cho 2 đường tròn cắt nhau, và nếu 1 người khác lại cho ta biết rằng vị trí đó cách Bắc Ninh 10 Km thì ta sẽ xác định được chính xác vị trí của mình. GPS cũng sử dụng nguyên tắc đó để xác định vị trí, tuy nhiên trong không gian,3 mặt cầu cắt nhau cho ra 2 điểm, nếu sử dụng trái đất là mặt cầu thứ tư thì sẽ xác định được vị trí của mình. Tuy nhiên việc sử dụng như vậy sẽ bỏ qua cao độ vì vậy mà cần 4 vệ tinh để xác định được vị trí chính xác của bạn. 4 vệ tinh đó sẽ cho bạn biết khoảng cách của bạn đến nó bằng công thức quãng đường bằng thời gian sóng điện từ truyền nhân với vận tốc sóng truyền, mà vận tốc sóng truyền tính bằng vận tốc ánh sáng và thời gian truyền thì được mã hóa rồi gửi đến máy thu. 1.4.3 Độ chính xác của hệ thống GPS Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khoá vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ này, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Tình trạng nhất định của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS. Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét. Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Hệ Tăng Vùng Rộng, Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Không cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ. 1.4.4 Những nguồn lỗi ảnh hưởng đến tín hiệu GPS Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 15
  17. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp Hệ thống GPS đã được thiết kế để ngày càng chính xác, tuy nhiên trên thực tế vẫn còn có những lỗi. Những lỗi này có thể gây ra một sự lệch từ 50 -> 100m từ vị trí máy thu GPS trên thực tế. sau đây có một vài nguồn lỗi được bàn tới: a) Điều kiện khí quyển Cả tầng điện ly lẫn tầng đối lưu đều khúc xạ những tín hiệu GPS. Nó gây ra sự thay đổi về tốc độ của tín hiệu trong tầng điện ly và tầng đối lưu khác so với tốc độ tín hiệu GPS trong không gian. Bởi vì vậy, khoảng cách tính toán bằng “tốc độ x thời gian” sẽ khác nhau. b) Lỗi do sự giao thoa tín hiệu GPS Do sự phản xạ từ các vật cản làm cho tin hiệu GPS giao thoa với nhau làm cho các thiết bị thu GPS sẽ thu được tín hiệu lỗi. Hình 1.10 Lỗi do giao thoa tin hiệu GPS c) Lỗi do sự di chuyển của thiết bị GPS. Do trong qua trình thu tín hiệu GPS các thiết bị GPS di chuyển sẽ xảy ra sai số cỡ khoảng 5 -> 15m. là do có độ trễ xảy ra trong qua trình truyền giữa vệ tinh và thiết Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 16
  18. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp bị GPS do vậy tuy theo tốc độ di chuyển của máy thu GPS mà sai số giữa vị trí nhận được và vị trí thực tế của máy thu GPS là bao nhiêu nhưng cỡ khoảng 5 -. 15 m. 1.5 Chuẩn NMEA 1.5.1 Giới thiệu về chuẩn NMEA Hiệp hội điện tử biển quốc gia Mỹ (NMEA – The National Marine Electronics Association) đã xây dựng lên một chuẩn để định nghĩa chuẩn giao tiếp giữa các bộ phận khác nhau của thiết bị điện tử biển. Chuẩn này cho phép các thiết bị điện tử biển gửi thông tin về máy vi tinh, và tới một thiết bị biển khác. Thiết bị truyền thông thu GPS cũng được định nghĩa theo chuẩn này. Hầu hết các chương trình máy vi tính được cung cấp để hiểu được thông tin vị trí hiện tại và nhận dữ liệu dưới dạng chuẩn NMEA. Dữ liệu này bao gồm toàn bộ PTV (vị trí, tốc độ và thời gian) bởi thiết bị thu GPS tính toán được. Ý tưởng của NMEA là sẽ gửi một gói dữ liệu gọi là một đoạn mã. Đoạn mã này hoàn toàn độc lập và riêng rẽ so với các đoạn mã khác. Có những đoạn mã chu ẩn cho mỗi một thiết bị và cũng có khả năng định nghĩa những đoạn mã cho người dùng bởi các công ty riêng lẻ. Tất cả những đoạn mã chuẩn này phải có hai chữ cái thêm vào đầu để định nghĩa kiểu đoạn mã sử dụng, ví dụ thiết bị thu GPS thêm vào đâu là GP. Tiếp theo là ba chữ cái nối tiếp để định nghĩa nội dung đoạn mã. Thêm vào đó chuẩn NMEA cho phép những nhà sản xuất tự định nghĩa những đoạn mã sở hữu riêng cho mình nhằm bất kỳ mục đích nào mà thấy chúng thích hợp. Tất cả các đoạn mã được sở hữu đều bắt đầu với chữ cái P và tiếp theo là ba chữ cái để nhận biết nhà sản xuất tạo ra đoạn mã đó. Ví dụ một đoạn mã của Garmin sẽ bắt đầu với PGRM và Magellan sẽ bắt đầu với PMGN. Mỗi đoạn mã bắt đầu với một ký tự ‘$’ và kết thúc với một ký tự ‘$’ trên một hàng nối tiếp và không thể lớn hơn 80 ký tự. Dữ liệu được chứa đựng bên trên một hàng với những kiểu khác nhau được phân biệt bởi dấu phẩy. Dữ liệu của nó chỉ là dạng mã ASCII và có thể mở rộng qua nhiều đoạn mã khác nhau trong những thể hiện riêng nhưng bình thường thì hoàn toàn được chứa trong độ dài đoạn mã. Dữ liệu có thể thay đổi trong số lượng của thông báo chính xác chứa đựng bên trong, ví dụ: thời gian có thể tăng lên đến nhưng phần 10 của 1 giây hoặc vị trí có thể chỉ ra với 3 hoặc 4 số sau số thập phân. Những ch ương trình đọc dữ liệu sẽ sử dụng những dấu phẩy để xác định những ranh giới các lĩnh vực và không phụ thuộc vào vị trí cột. Có một sự chuẩn bị để kiểm tra tổng thể vào lúc cuối ở mỗi đoạn lệnh, mà cũng có thể hoặc có thể không được kiểm tra bởi tùy vào cách đọc dữ liệu. Tổng kiểm tra bao gồm một ký tự ‘*’ và hai số Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 17
  19. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp hex đại diện 1 phép OR 8 bit của tất cả những ký tự giữa, nhưng không bao gồm, ký tự ‘$’ và ‘*’. Kiểm tra được yêu cầu trên một vài đoạn mã. So với những chuẩn cũ, chuẩn hiện nay đã có nhiều thay đổi. Nhưng với GPS mức thay đổi chỉ là 1,5 và 2.0 hoặc 2,3. Những thay đổi này chỉ chỉ ra một vài mô hình đoạn mã khác nhau nhưng vẫn khớp với những thiết bị mà nó đang tương tác. Một số GPS có thể cung cấp khả năng định dạng cấu hình một Nhiều thiết bị thu GPS đơn giản chỉ xuất một chuỗi đoạn mã cố định. Người sử dụng không thể thay đổi những mẫu đoạn mã này. Phiên bản hiện nay là tiêu chuẩn 3.0.1. 1.5.2 Ghép nối phần Cứng theo chuẩn NMEA Giao diện phần cứng (hardware interface) của các GPS đ ược thiết kế nhằm đáp ứng yêu cầu theo chuẩn NMEA. Chúng cũng tương thích với hầu hết cổng nối tiếp của máy tính, sử dụng giao thức RS232, tuy nhiên nghiêm túc mà nói, tiêu chuẩn NMEA không phải là RS232. Chúng chỉ giống EIA-422. Tốc độ kết nối có thể điều chỉnh theo một số mẫu nhưng theo tiêu chuẩn NMEA là 4800 bit/giây với 8 bít dữ liệu, không bít chẵn lẻ và có 1 bít dừng (bit stop). Tất cả các đơn vị hỗ trợ NMEA thì cũng sẽ hỗ trợ tộc độ kết nối này. Nên nhớ rằng, với tốc độ 4800 bit/giây, bạn có thể dễ dàng gửi đủ dữ liệu trước khi hết 2 giây. Chính vì lý do này, một số đơn vị chỉ gửi thông tin cập nhập trong 2 giây một lần hoặc chuyển dữ liệu mỗi giây một lần trong khi vẫn bảo đảm dữ liệu khác cũng sẽ được gửi đi trong thời gian đó. Thêm vào đó, một số đơn vị có thể gửi dữ liệu trong vài giây khi những đơn vị khác gửi dữ liệu đã thu thập chính trong giây phút nó được gửi. Nói chung thời gian truyền đi trong từng trường chỉ trong vài giây, do vậy khá dễ dàng để chỉ ra GPS nào đang hoạt động. Một số đoạn mã có thể được gửi đi chỉ trong một khoảng thời gian đặc biệt của thiết bị thu như vậy trong khi một đường truyền mà các thiết bị gửi khác luôn gửi các đoạn mã và chỉ vô hiệu hóa ở ngo ài những giá trị. Sự khác nhau sẽ được chú ý trong phần miêu tả kiểu dữ liệu riêng biệt được định nghĩa ở phần sau. Với tốc độ 4800 bit/ giây, bạn có thể gửi 480 ký tự trong một giây. Khi một đoạn mã NMEA bao gồm 82 ký tự, có thể rút thành 6 đoạn mã khác nhau. Trong thực tế hạn chế này tuỳ thuộc vào từng đoạn mã cụ thể. Tuy nhiên để từ đó thấy được rằng dễ dàng có thể vượt quá con số trên nếu bạn muốn đoạn mã trả lời nhanh. NMEA được thiết kế để hoạt động như một quá trình trong vai trò tạo các đoạn mã nền lối ra, và giữ đoạn mã lại khi cần thiết bằng chương trình. Một số chương trình không thể làm như Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 18
  20. Mạc Đăng Huy K hóa luận tốt nghiệp vậy, tuy nhiên nhưng chúng sẽ lấy một dòng dữ liệu làm mẫu, sau đó sử dụng dữ liệu này để hiển thị trên màn hình và sau đó lại lấy mẫu dữ liệu Tuỳ vào từng lượng thời gian cụ thể, có thể là 4 giây để chuyển dữ liệu. đối với một số ứng dụng, điều này có thể chấp nhận đ ược, nhưng với nhiều ứng dụng khác lại không. Ví dụ một chiếc xe hơi di chuyển trong 1h thì một giây nó đi được quãng đường 88 feet. Chậm vài giây có thể khiến cho toàn bộ hệ thống không hoạt động và mất lượt. Tiêu chuẩn NMEA đã được ứng dụng trong nhiều năm, từ năm 1983 và đã qua nhiều lần chỉnh sửa. Giao thức đã thay đổi và số lượng cũng nh ư các loại đoạn mã có thể khác nhau tuỳ thuộc vào từng phiên bản chỉnh sửa. Hầu hết thiết bị thu GPS đều theo tiêu chuẩn 0138 phiên bản 2 với tốc độ truyền tải là 4800 bit/ giây. Một số thiết bị thu khác cũng theo những thông số của các phiên bản cũ hơn. Phiên bản lâu đời nhất là 0180, tiếp đó là 0182 với tốc độ truyền tải là 1200 bit/giây. Tiếp đó là 0183 gọi là phiên bản 1.5. Một số đơn vị Garmin và các loại khác có thể cài đặt lên tới 9600 hoặc thậm chí cao hơn cho thiết bị đầu ra của NMEA. Nhưng đó chỉ là tham khảo nếu bạn chắc chắn 4800 hoạt động tốt, bạn có thể thử c ài với tốc độ nhanh hơn. Việc cài đặt để đạt tốc độ nhanh như mong muốn, đòi hỏi phải nâng cấp khả năng đáp ứng của chương trình. Để sử dụng giao diện phần cứng, bạn cần một dây cáp. Thông th ường dây cáp này khác so với mô hình phần cứng vì vậy bạn sẽ cần một dây cáp riêng biệt cho các sản phẩm và khối mô hình bạn sử dụng. Một số máy tính mới nhất không sản xuất kèm theo cổng tiếp nối ngoại trừ một cổng USB. Hầu hết những thiết bị thu GPS sẽ làm việc với cổng nối tiếp từ bộ chuyển đổi USB và cổng nối tiếp được gắn thông qua PC- Card chuyển đổi. Thí dụ NMEA thông thường sử dụng với một thiết bị thu nhận GPS bạn sẽ chỉ cần 2 dây trong cáp truyền, dữ liệu ra từ GPS và đất. Dây thứ 3, đầu vào d ữ liệu, sẽ phải dùng đến nếu muốn thiết bị thu cho phép dữ liệu đi vào dây cáp đó để tải một điểm hoặc gửi dữ liệu DGPS tới thiết bị thu. Thiết bị thu GPS có thể sử dụng để giao tiêp với thiết bị theo chuẩn NMEA khác như máy lái tự động hoặc những thết bị thu GPS khác. Chúng có thể cảm nhận những thiết bị nhận tín hiệu riêng biệt, những thiết bị này có khả năng gửi dữ liệu sử dụng tiêu chuẩn RTCM SC-104. Dữ liệu này phù hợp với những yêu cầu phần cứng theo yêu cầu của dữ liệu lối vào theo chuẩn NMEA. Không có đường bắt tay giành riêng định nghĩa cho chuẩn NMEA. Khoa điện tử viễn thông – Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Trang 19
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2431 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2