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
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
“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
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 CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS.
2.1.1 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
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 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
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
một trong hai điểm mà cả ba mặt cầu đều đi qua (hai điểm giao nhau của ba mặt
cầu). Bây giê vị trí của chúng ta (máy thu) đã được thu hẹp đáng kể trong không
gian. Chóng ta có thể biết rằng một trong hai vị trí là vị trí của chúng ta, nhưng
nh vậy vẫn còn rất mơ hồ.
Trong thực tế, một trong hai điểm luôn ở một nơi nào đó không có khả
năng (vô nghĩa) bởi vì nó cách xa hàng nghìn km trong không gian. Máy thu đủ
biết để nhận ra rằng một trong hai vị trí là sai lầm và xác định vị trí còn lại là vị
trí của chúng ta. Để đảm bảo sự lùa chọn trên là chính xác, hầu hết các máy thu
yêu cầu khi chế tạo chúng thường được cài đặt để có thể giới hạn trong khoảng
cách định vị nhất định để đảm bảo loại bỏ một trong hai điểm. Nh vậy, với việc
xác định được khoảng cách tới ba vệ tinh chóng ta có thể xác định được chính
xác vị trí của chúng ta (hình 11). Trên thực tế, nó luôn cần đến 4 vệ tinh để xác
định chính xác một vị trí khi máy thu không thuộc bề mặt trái đất (không gian ba
chiều).
Líp: Tín hiệu giao thông K45
21
Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông
Hình 12: Xác định vị trí máy thu khi thu được tín hiệu từ ba vệ tinh
Để chính xác hơn cần thu tín hiệu từ bốn vệ tinh
Tại sao, khi ba vệ tinh có thể xác định được vị trí của chúng ta chính xác
đến nh vậy, chúng ta lại cần đến vệ tinh thứ tư? Nên nhí rằng những gì chúng ta
đo đạc được là thời gian tín hiệu vô tuyến truyền từ vệ tinh đến máy thu. Để thu
được một vị trí chính xác, chúng ta cần đo được thời gian rất chính xác. Với một
tín hiệu vô tuyến truyền với vận tốc 300.000 km/s, chỉ cần tín hiệu truyền sai
lệch 1/1.000.000 s (một phần một triệu giây) thì vị trí của chúng ta sẽ sai lệch
300m. Tuy nhiên, một cách để giải quyết vấn đề này là bắt nguồn chính từ vệ
tinh. Để giữ thời gian được chính xác, mỗi vệ tinh được trang bị một đồng hồ
nguyên tử. Những đồng hồ nguyên tử này rất chính xác, nó chỉ sai số một phần
một tỷ giây trong vòng một tháng. Điều này là chắc chắn đủ để cho mục đích sử
dông của chóng ta, nhưng nó thật sự không thích hợp cho các máy thu dưới mặt
f
L1
= 120 x f
0
=1227,60 MHz.
Các tín hiệu này có thể xuyên qua mây, thủy tinh và nhùa nhưng không
thể truyền qua phần lớn các đối tượng cứng nh các toà nhà, các dãy núi…
Líp: Tín hiệu giao thông K45
23
Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông
X 120
X 154
Bé giíi h¹n
§iÒu chÕ
BPSK
- 6 dB
- 3 dB
90
+ 10
M¸y ph¸t
m· P(Y)
+ 20
M¸y ph¸t
d÷ liÖu
o
M¸y ph¸t
m· C/A
th«ng tin d÷ liÖu
d÷ liÖu tÇn sè 50 Hz
§iÒu chÕ
0
= 1176,45 MHz ,
tín hiệu L5 chỉ được sử dụng trong mục địch dân sự.
Tín hiệu L1 bao gồm mã C/A, mã P, thông tin dẫn đường. (hình 14).
Líp: Tín hiệu giao thông K45
24
Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông
(a)
(b)
Hình 14: (a)-Cấu trúc các thành phần của tín hiệu L1 (mã C/A)
Líp: Tín hiệu giao thông K45
25
Copyright: Tài liệu đại học ©