NHIÊM VU ĐỒ ÁN
••

Nghiên cứu về GPS và ứng dụng trong bản đồ số dùng phần mềm Mapinfo
Nội dung nghiên cứu gồm 3
chưomg Chương 1: Tổng quan về
GPS Chương 2: Nghiên cứu về GIS
Chương 3: ứng dụng trong bản đồ số và mô phỏng bằng phần mềm Mapinfo

1


LỜI CAM ĐOAN
Trong báo cáo này sử dụng những kết quả nghiên cứu lý thuyết, thành lập
bản đồ do em tham khảo tài liệu và trực tiếp thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.s
Trịnh Thị Diệp. Những kết quả thu được là của riêng em và không sao chép nội
dung của bất kỳ đồ án khác.
Em xin cam đoan những kết luận trên là đúng sự thật, nếu sai lệch em xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm.
tháng 05 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Quốc Hung

2


MUC LUC
••

3


BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khoá dịch pha nhị phân

PRN

Pseudo Random Noise Code

Mã ồn giả ngẫu nhiên

C/A

Coarse/Acquistion Code

Mã giả ngẫu nhiên thô

p

Precision Code

Mã chính xác

WGS-

World Geodetic System

Hệ trắc địa toàn cầu


phát triển các lưới trắc địa cấp thấp hơn.
Các bản đồ số có độ chính xác cao thường rất đắt tiền và hầu như không có
sẵn để dùng cho các ứng dụng trong đời sống hàng ngày như: dẫn đường du lịch,
chỉ dẫn đường đi trên xe hơi, lộ trình và thông báo trạm dừng xe bus....Vì vậy các

6


ứng dụng loại này thường dựa trên bản đồ số được số hóa từ bản đồ giấy có độ
chính xác không cao.
Hiện nay công nghệ GPS được ứng dụng 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 thực sự đã mang lại một cuộc cách
mạng trong cuộc sống hiện nay.
Với mục đích nghiên cứu làm chủ công nghệ, dưới sự hướng dẫn của cô
Trịnh Thị Diệp, em đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu về GPS và ứng
dụng trong bản đồ sổ mô phỏng bang Mapinfo”. 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.
Thái Nguyên, tháng 05, năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Quốc Hưng

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GPS
1.1.

Giới thiệu chung

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống xác

nhất, bên cạnh đó còn có một số hệ thống như GLONASS của Nga, GALILEO của
Liên minh Châu Âu. Trong đó, GPS và GLONASS ra đời và phát triển chủ yếu
phục vụ mục đích quân sự, còn GALILEO phục vụ cho mục đích dân sự.
Thông số

GPS

GLONASS

Số vệ tinh
Sô quỹ đao

24
6

24
3

Bán kính của quỳ đạo

26,540km

25.510km

Chu kỳ quỷ đạo

1 Ỉh58 phủi

1 lh 15 phut


5 trạm giám sát và 3 trạm dẫn động. Ba trạm dẫn động đặt tại 3 căn cứ quân sụ của
Mỹ: đảo Ascension (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ắn Độ Dương), Kwajalein
(Thái Bình Dương). 5 trạm giám sát: một ừạm đặt tại vị trí trạm điều khiển trung
tâm (trạm điều khiển chính), một trạm đặt tại Hawaii và 3 trạm đặt tại vị trí các
trạm dẫn động. Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất và được nối
với nhau bằng đường cáp điện.
Bộ phận điều khiển trên mặt đất mô tả như hình 1.2. Các trạm giám sát
không cần người trông coi, chịu sự kiểm soát của trạm điều khiển trung tâm, có
nhiệm vụ thu thập thông tin từ vệ tinh, liên tục kiểm soát vị trí vệ tỉnh, cập nhật

9


thời gian và cung cấp lịch sao cho vệ tỉnh dùng để đảm bảo sự đồng bộ thời gian
với thời gian chuẩn và vị trí trên ữái đất. Các dữ liệu này được truyền về trạm điều
khiển trung tâm.

Hình 1.2 Cấu trúc bộ phận điều khiển của hệ thống vệ tình GPS

Global Positioning System (GPS) Master Control and Monitor Station Network

Hình 1.3 Vị trí đặt trạm điều khiển GPS trên trái đất Trạm điều
khiển trung tâm có nhiệm vụ tiếp nhận, xử lý các thông tin, sai số dữ liệu .. .từ các
trạm giám sát truyền về và cập nhật, hiên tập các bản tin đạo hàng, cung cấp thời
gian chuẩn, tính toán các thông số vệ tỉnh, đưa ra các lệnh điều khiển ... rồi truyền
chúng đến các trạm dẫn động, định giờ phát đến các vệ tinh GPS. 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 tỉnh theo đường liên kết sống
vô tuyến dải tần s.

lên quỹ đạo, khối lượng vệ tỉnh là 1600kg, và khi đã chuyển động lên quỹ đạo thì
khối lượng chỉ còn một nửa, mỗi vệ tính lại được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử để
thực hiện các phép đo đạc, năng lượng sử dụng là năng lượng mặt trời.


Hình 1.2 Vệ tinh
Các vệ tinh làm nhiệm vụ ghi nhận và lưu trữ các thông tin được truyền đi từ
phần điều khiển, xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh, duy trì độ chính xác cao của
thời gian bằng các đồng đồ nguyên tử, chuyển tiếp thông tin đến người sử dụng,
thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển từ mặt đất.
1.2.3.

Phần sử dụng (User Segment)

Gồm những máy thu tín hiệu GPS được chế tạo khác nhau để phục vụ cho
từng mục đích khác, những máy này có anten riêng (máy đinh vị), các thiết bị tự ghi
(bộ ghi số liệu) và máy tính (phần mềm xử lý số liệu).
Máy thu GPS tính toán đơn vị vói tần suất mỗi giây một vị trí và cho độ
chính xác từ 1-5 mét. Khi ta di chuyển hay dừng tại chỗ, máy thu GPS nhận tín hiệu
từ vệ tỉnh rồi tính toán định vị. Kết quả tính được là tọa độ hiển thị trên màn hình bộ
ghi số liệu.
Bộ ghi số liệu là máy cầm tay có phần mềm thu thập số liệu. Bộ ghi số liệu
có thể ghi vị trí hoặc gắn thông tin thuộc tín với vị trí máy tính, phần mềm xử lý số
liệu: Hệ thống GPS có kèm theo phần mềm thu thập số liệu. Sau khi thu thập số liệu
ở thực địa, phần mềm chuyển sế liệu vị trí và thông tín thuộc tính sang máy tính.
Sau đó phần mềm sẽ nâng cao độ chính xác bằng kỹ thuật phần sai.
Phần mềm xử lý số liệu GPS còn có chức năng biên tập hoặc vẽ. Phần mềm
này cũng hồ trợ thu thập các yếu tố địa lý và thông tin thuộc tính cho GPS hoặc các
cơ sở dữ liệu khác.


Hai loại mã được dùng là mã C/A và mã p. 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 tạo ra
một cách ngẫu nhiên và tín hiệu giống như các tín hiệu ồn, nhưng thực tế chúng
được phát ra từ các giải thuật toán học. Hiện nay mã C/A chỉ được điều chế ở băng
tần LI còn mã p được được điều chế ở cả 2 băng tần LI và L2. Việc điều chế này gọi
là điều chế lưỡng pha vì pha của chúng dịch 180 độ khi giá trị mã thay đổi từ 0
—»1 hay từ 1—»0.
Mã C/A là 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 lms hay tưomg đưomg với 300m.
Việc đo đạc sử dụng mã C/A là kém chính xác so với mã p nhưng nó ít phức tạp và
được cung cấp cho tất cả người sử dụng.
Mã p 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
là một luồng gồm 2.35xl014chip, 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 1
đoạn- tuần của mã p,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 được
thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích quân sự. Nó được cung cấp cho người sử
dụng vào ngày 31/1/1994. Ở thời điểm đó mã p được mã hóa bằng việc thêm vào nó
1 loại mã

w. Và kết quả của việc thêm vào loại mã code này là mã Y và nó có tốc

độ chip giống với mã p.
1.3.1.

Tín hiệu GPS


Thông điệp từ chuỗi dữ liệu 50bps

Chuỗi dữ liệu 50bps chuyên trở thông điệp dẫn đường, nó bao gồm nhiều
thông tin và không giới hạn. nó bao gồm những thông tin sau:
- Dữ liệu vệ tinh niên giám. Mỗi vệ tinh truyền dữ liệu trong không gian
được gọi là niên 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 niên giám không đủ chính
xác để xác định vị trí nhưng có thể được cất giữa trong một thiết bị thu ở đâu đó, nó
lưu lại ừong vài tháng. Nó chủ yếu được dùng để xác định vệ tinh rõ ràng tại 1 vị trí
bất kỳ.


- Dû liêu vê tinh thiên van. Dû lieu thiên van cung tuong tu nhu dû lieu niên
giâm nhirng nô cho phép xâc dinh vi tri vôi dô chinh xâc cao horn, dé cân dupe
chuyén dôi su trê lan truyèn trong viêc uoc lupng vi tri cua nguori dùng.
- Dû liêu vè theri gian. Chuôi dû liêu 50bps bao gôm su danh dâu thèfi
gian, dupe sù dung dé thiét lâp thori gian truyèn din cua nhûng diém trên tin hiêu
GPS. Thông tin này cân xâc dinh dupe dô trê vè thoi gian lan truyèn tin hiêu tir vê
tinh toi nguori sù dung.
- Dû lieu trê do tâng diên ly.
’
'FRAME1
[NO.
|

FRAME = 1500 BITS ©> 50 BPS
= 5 SOD-FRAMES
SUB-FRAME = 300 BITS @ 50 BPS

ELAPSED

.900 930 960 -«----------- --------- ---------•_ Bit Numbers :-------- ------------»r “I

1200
r -«
141 T L M H O W

J

r

n

Messages, Ionosphere, U T C , etc.

1200 1230 1260-•----------------------------Bit
--------------------------------------------------► I S O O

151 T L M H O W

- -

l

r ”i

Numbers

Almanac, Health Status, etc.

TLM = TELEMETRY WORD

khung dữ liệu (frame). Đe fruyen hoàn thành 25 khung thông điệp thì yêu cầu cần
tới 750s .
1.4.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

1.4.1.

Nguyên lý định vị GPS

Dựa trên cơ sở hình học, nếu ta biết được khoảng cách và toạ độ của ít nhất
4 điểm đến 1 điểm bất kỳ thì vị trí của điểm đó có thể xác định được một cách chính
xác. Giả sử rằng khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là dl, điều ấy có nghĩa
là máy thu nằm ở đâu đó trên mặt cầu có tâm là vệ tinh thứ nhất và bán kính mặt
cầu đó là dl. Tương tự nếu ta biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 2 là d2 thì
vị trí máy thu được xác định nằm trên đường tròn giao tiếp của hai mặt cầu. Nếu
biết được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 3 thì ta có thể xác định được vị trí
máy thu là một trong hai giao điểm của của đường tròn trên với mặt cầu thứ 3.
Trong hai giao điểm đó có một giao điểm được loại bỏ bằng phương pháp nội suy.
Tuy nhiên, nếu ta lại biết được khoảng cách từ máy thu đến một vệ tinh thứ 4 thì ta
có thể hoàn toàn xác định chính xác vị trí của máy thu.
Đe xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh ta sử dụng công thức sau:
d=V.At
-

Trong đó:
Y: Là vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng.
Àt: Là thời gian sóng điện từ đi từ máy phát đến máy thu.
Tuy nhiên, qua cách tính trên ta mới xác định được vị trí của máy thu trong


Để thời gian được xác định chính xác giữa hai vị trí thì các đồng hồ phải được đồng
bộ với nhau. Các đồng hồ giữa các vệ tinh được đồng bộ, nên khoảng cách giữa
chúng là khoảng cách thật, nhưng đồng hồ của máy thu không được đồng bộ với
đồng hồ của vệ tinh. Điều này gây ra một sai số và chỉ có thể giải quyết được bằng
các phưomg pháp toán học.
b. Xác định vị tri từ các khoảng cách giả
Giả sử rằng đồng hồ máy thu được đồng bộ với đồng hồ trên vệ tinh và
không có độ trễ tín hiệu ở tầng điện ly, tầng đối lưu và không có sai sót trong đo đạc
thì việc xác định khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh sẽ rất đơn giản. Như vậy chúng
ta có thể xác định được vị trí của máy thu đó là điểm nằm trên mặt cầu có tâm là vệ
tinh và có bán kính là khoảng cách đo được.
Giả sử đồng hồ của máy thu luôn được đồng bộ với các đồng hồ của vệ tinh,
nhưng giả thiết đó không thể xảy ra trong thực tế. Khi máy thu GPS được bật lên thì
đồng hồ của nó đã mất đồng bộ với đồng hồ trên vệ tinh. Hơn nữa các đồng hồ
nguyên tử trên vệ tinh luôn được đồng bộ với nhau theo một hệ thời gian chuẩn gọi
là thời gian GPS. Máy thu thực hiện việc đo khoảng cách sẽ bị chậm vì

20


đồng hồ của máy thu và đồng hồ của vệ tinh có sai số do đó khoảng cách đo được là
giả. Với sai số về thời gian là lms thì sai số khoảng cách đo được là 300km. Điều
này không thể chấp nhận được. Do vậy người khai thác hệ thống phải có nhiệm vụ
đồng bộ các đồng hồ vệ tinh bằng cách thường xuyên chuyển cho chúng các lệnh
hiệu chỉnh từ mặt đất. Máy thu GPS từ mặt đất sử dụng các giá trị hiệu chỉnh này để
hiệu chỉnh lại khoảng cách giả đo được.

MONITOR SlầTIO*

'USCS Delcnu Satel le Communication System

Điều chế và gịải điều
chế GPS 1.5.1. Điều chế tín
hiệu GPS

Các mã được điều biến trên sóng mang theo phương thức điều chế BPSK.
-

Với tần số sóng mang LI : 1.575,42 Mhz (băng L).

-

Mức công suất tối thiểu: -160 dBw tại bề mặt trái đất.

-

Mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN C/A có tần số 1.203 Mhz, chu kỳ lms.

-

Sóng mang LI được điều biến bằng cả hai mã (mã C/A và p hoặc Y).

22


-

Sóng mang L2 được điều biến bằng mã p hoặc mã Y.

-


hoặc động khác nhau nên dãn đến những khác nhau rất lớn.
Nếu anten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác
nhau, việc làm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo
và nhận được độ chính xác cao của vị trí được xác định. Khi anten chuyển động
chúng ta chỉ có thể nhận được những chỉ định (fix) tức thời, (thông thường từ 4 cự
ly được quan trắc đồng thời hoặc gần như đồng thời) không có số đo dư thừa.
Trong trường hop định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một kết
quả theo thời gian thực, trong đó mỗi trị quan trắc mới đều được xử lý sao cho có
thể cải thiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trị quan
trắc có thể được xử lý sau khi kết thúc công tác ngoài trời. Chúng ta gọi là nghiệm
xử lý sau (postprocessed solution).
Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo thời
gian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí (fix) tại một thời điểm. Một
chuỗi các kết quả tại những chỉ định này (lộ trình rời rạc của phưomg tiện lưu
thông) có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong số những thủ thuật tiếp cận
bằng đường cong trơn.
1.6.2.

Phép định vị tương đối

Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương
đối. Trong kiểu đo này, hai anten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu
của cạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời. Sở dĩ có thể đạt được độ chính
xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các cự ly quan trắc
thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu của đường
đáy. Các sai số này có thể được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm một cách đáng kể
khi xác định trị số định vị tương đối.

24


1.6.4.

Phép định vị động tương đối

Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thì các phép
định vị điểm mô tả trước đây có thể không đủ sử dụng. Khi đó, cần phải dùng tới
khái niệm định vị phân sai (differential) tương đối. Ý tưởng chính của phép đo này

25