Báo cáo Nghiên cứu, thực hiện mô hình hệ thống định vị ô tô (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu, thực hiện mô hình hệ thống định vị ô tô (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU, THỰC HIỆN MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ Ô - TÔ Mã số: T2015 - 59 Chủ nhiệm đề tài: THS. GV. NGUYỄN VĂN THÌNH SKC005607 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. Mẫu 1T. Trang bìa của báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Trường BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU, THỰC HIÊN MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ Ô-TÔ Mã số: T2015-59/KHCN-GV Chủ nhiệm đề tài: ThS. GVC NGUYỄN VĂN THÌNH Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2015
3. Mẫu 2. Trang bìa phụ của báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Trường TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ: Khoa Cơ Khí Động Lực BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU, THỰC HIÊN MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ Ô-TÔ Mã số: T2015-59/KHCN-GV Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN VĂN THÌNH Thành viên đề tài: PHẠM HUY HOÀNG TRẦN VĂN THÀ Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2015
4. Mẫu 2T. Trang bìa phụ của báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Trường TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ: KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU, THỰC HIÊN MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ Ô-TÔ Mã số: T2015-59/KHCN-GV Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN VĂN THÌNH Thành viên đề tài: - PHẠM HUY HOÀNG - TRẦN VĂN THÀ Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2015 1
5. DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH 1/ Thành viên tham gia: Đề tài đƣợc thực hiện bởi NGUYỄN VĂN THÌNH là chủ nhiệm đề tài, các thành viên tham gia: - PHẠM HUY HOÀNG : - Công ty CP ĐT&PTCN HUY HOÀNG - TRẦN VĂN THÀ - Công ty Toyota Đông Sài Gòn 2/ Đơn vị phối hợp chính: - Công ty định vị và bản đồ VIETMAP: các thiết bị định vị, tài liệu nghiên cứu -TRUNG TÂM ĐIỆN TỬ - LÝ THƯỜNG KIỆT Nghiên cứ lý thuyết , các linh kiện bán dẫn thực hiện mô hình - Công ty Toyota Đông Sài Gòn: Thiết kế mô hình Hệ thống Định vị toàn cầu - Xƣởng Sửa chữa ô - tô Động Lực: Chế tạo mô hình Hệ thống Chiếu Sáng dùng đèn Xenon 2
6. MỤC LỤC DANH MUC̣ TRANG DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2 VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Mục Lục 3 - 4 DANH MỤC BẢNG BIỂU- HÌNH ẢNH 5 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 7 - 8 INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 9 Phần I: MỞ ĐẦU 10 I.1. TỔ NG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 10 I.2. TÍNH CẤP THIẾT 11 I.3. MỤC TIÊU 11 I.4. CÁCH TIẾP CẬN 11 I.5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11 I.6. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 11 PHẦN II: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TOÀN CẦU GSM 17 DỊCH VỤ SỐ LIỆU CẢI TIẾN GPRS - GENERAL PACKET RADIO 17 SERVICE CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 23 BỘ ĐIỀU KHIỂN VECTOR NGẮT LỒNG NHAU (Nested Vector Interrupt 24 Controller) MODULE SIM 908 27 2ẶC ĐIỂM CHÍNH SIM908 27 SƠ ĐỒ KẾT NỐI MẠCH SIM 908 30 LCD 16x2 31 CHƢƠNG 2: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 34 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG SERVER HIỂN THỊ VỊ TRÍ ĐỐI TƢỢNG 38 CHƢƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH 42 HÌNH ẢNH MÔ HÌNH 45 BÀI TẬP ỨNG DỤNG CHO BỘ KIT 49 CÁC BƢỚC THỰC HIỆN: 53 BÀI TẬP 2 56 BÀI TẬP 3 54 BÀI TẬP 4 56 HƢỚNG DẪN THỰC HIỆN 57 PHẦN III: KẾT LUẬN 59 PHẦN IV:TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 3
7. DANH MỤC BẢNG BIỂU- HÌNH ẢNH Hình 1 Hình 1: Sơ đồ chức năng của SIM908 Hình 2 Sơ đồ kết nối chân của SIM908 Hình 3 Hình ảnh thực tế Module Sim908 Hình 4 LCD 16x2 Hình 5 Bộ nguồn LM2596 Step Down Tổng quan tập lệnh AT Lƣu đồ chƣơng trình hiển thị vị trí trên bản đồ Hình 6 online Hình 7 Giao diêṇ của chƣơng trình Hình 8 Hình ảnh thực tế của KIT Hình 9 Khối nguồn Hình 10 Sơ đồ chân nút nhấn button và LED Hình 11 Sơ đồ chân vi điều khiển STM32F103RCT6 Hình 12 Khối LCD hiển thị Hình 13 Khối I/O giao tiếp Hình 14 Khối Buzzer Hình 15 Khối truyền thông nối tiếp (cổng COM). Hình 16 Bố trí trên mô hình Hình 17 Mô hình KIT lúc chƣa cấp nguồn Hinh 18 Mô hình lúc hoạt động Hình 19 Khởi tạo GSM - GPS Hình 20 Thu đƣợc tín hiệu GPS (hiển thị kinh độ và vĩ Hình 21 Kiểm tra dữ liệu nhận đƣợc trên google map Hình 22 Các trạng thái hoạt động của server Hình 23 Trạng thái kết nối thành công Hình 24 Sơ đồ cấu trúc thƣ mục Hình 25 Hộp thoại Options for Target Hình 26 Setup Define Hình 27 Sơ đồ đấu chân các Led của KIT Hình 28 Sơ đồ nối led và nút nhấn BẢNG 1 Đặc điểm chính của SIM908 BẢNG 2 Chức năng chân LCD BẢNG 3 Đặc điểm các chân SIM908 4
8. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT RS Chân chọn thanh ghi(Register Seclect). R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Chân cho phép (Enable). Khi các tín hiệu đƣợc đặt lên Bus E DB0-DB7. GNSS Global Navigation Satellite System GPS Global Positioning System GLONASS Global Orbital Navigation Satellite System GGA Global positioning system fixed data GLL Geographic position-latitude/longitude GSA GNSS DOP and active satellites BSC Base Station Controller) và PCU Packet Control Unit BSC Base Station Controller BTS Base Transceiver Station TE terminal equipment GSM Global System for Mobile GPRS General Packet Radio Service VTG Course over ground and ground speed RMC Recommended minimum specific GNSS data GSV GNSS satellites in view BTS Base Transceiver Station C Intelligent High- Beam Control Oled Organic Light-Emitting Diode Mosfet Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor SAE Society of Automotive Engineers OEM HID original equipment manufacturer HID HID High Intensity Discharge LCS Light Control Switch PDLC Polymer - Dispersed Liquid Crystal Laser Light Amplification by Stimulated 5
9. PF POWER FUSE MG MAGNETIC SWITCHES WM WATT METER AM AMPERE METER VM VOLT METER FM FREQUENCY METER VS VOLTAGE SWITCH AS AMPERE SWITCH REC RECTIFIER UNIT AVR AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR BZ Buzzer alarm LV LOW VOLTAGE MV MEDIUM VOLTAGE OC Over Current UC Under Current LED Negative, Positive, Negative PNP Positive, Negative, Positive OSC OSCilloscope R Resistance, or ohms, or AC Alternating Current 6
10. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA CƠ KHÍ ĐÔṆ G LƢC̣ Tp. HCM, Ngày 12 tháng 10 năm 2015 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THỰC HIÊN MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ Ô-TÔ Mã số: T2015-59/KHCN-GV - Chủ nhiệm và thanh viên: NGUYỄN VĂN THÌNH - Cơ quan chủ trì : Đaị hoc̣ Sƣ phaṃ Kỹ thuâṭ Thành phố Hồ Chí Minh . - Thời gian thực hiện: Tƣ̀ tháng 01 năm 2015 đến tháng 11 năm 2015. 2. Mục tiêu: NGHIÊN CỨU, THỰC HIÊN MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ Ô-TÔ 3. Tính mới và sáng tạo: - Tính mới : Mô hinh thƣc̣ hiêṇ đƣơc̣ chƣ́ c năng thử nghiệm , đấu dây, thực hành các bài tập Hệ thống HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ trên ô tô . - Sáng tạo : Trên một mô hình có thể thực hiện các bài tập, thí nghiệm đấu dây, kiểm tra, sửa chữa HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ Ô-TÔ trên ô tô 4. Kết quả nghiên cứu: - Nghiên cƣ́ u lý thuyết và tính toán thiết kế mô hình thực tập hoàn chỉnh . 5. Sản phẩm: - Mô hình giảng dạy Hệ thống HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ Ô-TÔ trên ô tô 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Hiêụ quả : Cung cấp thiết bi ̣phuc̣ vu ̣giảng daỵ và học tập. - Phƣơng thƣ́ c chuyển giao kết quả nghiên cƣ́ u và khả năng áp duṇ g : Thuyết minh đề tài và thiết bị chế tạo thử nghiệm đã đƣợc sử dụng tốt cho công tác giảng dạy tại bộ môn Điện tƣ̉ ô tô, khoa Cơ khí Đôṇ g lƣc̣ trƣờ ng Đaị hoc̣ Sƣ phaṃ Kỹ thuâṭ Thành phố Hồ Chí Minh . Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) NGUYỄN VĂN THÌNH 7
11. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Research and implementation of teaching models GLOBAL POSITION SYSTEM (GPS) Code number: T2015-59/KHCN-GV Coordinator: Senior Lecturer – Master Van Thinh Nguyen Implementing institution: University of Technical Education Ho Chi Minh City Duration: from 01/2015 to 11/2015 2. Objective(s): Research, manufacturing teaching models of GLOBAL POSITION SYSTEM in service training 3. Creativeness and innovativeness: Implementation model function testing, wiring, practice exercises processor, the exercise of GLOBAL POSITION SYSTEM 4. Research results: Theoretical research and design calculations collective consciousness complete model 5. Products: The model of teaching GLOBAL POSITION SYSTEM on a car. 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: Effective: Provide equipment for teaching and learning Method of transferring research results and the ability to apply: illustrate topic and use for teaching effectively of The Automobile Regulator Tester at Department of electronic automotive at Mechanical Engineering & Dynamitic Department at University of Technical Education Ho Chi Minh City. 8
12. Phần 1: MỞ ĐẦU I.1. TỔ NG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC: Việc nghiên cứu – chế tạo thiết bị kiểm tra phục vụ giảng dạy và học tập trong nhà trƣờng Đại học đã phổ biến trên thế giới,, nhƣng còn khá hạn chế trong các trƣờng ở Việt Nam nói chung và ngành cơ khí động lực ở trƣờng ta nói riêng trong giai đoạn hiện nay. Do đó, việc chế tạo thiết bị , mô hình học cụ sao cho hiệu quả, tiện ích , phù hợp trong giảng dạy thực hành cho khoa Cơ khí Động lực trở nên rất cần thiết. Nó vừa mang tính khoa học, vừa tiết kiệm thời gian đồng thời giúp ngƣời học dễ hiểu, dễ thao tác. Qua đó, ngƣời học rút ra đƣợc nhiều kiến thức thực tế, thao tác chuẩn, tăng hiệu quả quá trình đào tạo. I.2. TÍNH CẤP THIẾT: Công nghệ định vị toàn cầu GPS và các ứng dụng GPS ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong cuộc sống. Sự phát triển của công nghệ này đã tạo nên một ngành dịch vụ mới – Dịch vụ khai thác thông tin vị trí (Location- Based Services), ngành dịch vụ khai thác thông tin vị trí tạo thêm tiện ích cho ngƣời dùng. Thị trƣờng giải pháp ứng dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS Việt Nam đã phát triển từ khá lâu, trên 5 năm nhƣng năm 2011 mới thực sự phát triển. Việc sử dụng hệ thống định vị GPS đang ngày càng đƣợc đơn giản hóa. Thị trƣờng xuất hiện nhiều nhà cung cấp, nhà sản xuất mặt hàng này. Tính đến năm 2012, thị trƣờng thiết bị định vị đã bùng nổ dữ dội. Có nhiều sản phẩm định vị với nhiều tính năng, giá thành khác nhau, đáp ứng nhu cầu đa dạng của ngƣời dùng. Các giải pháp ứng dụng công nghệ định vị GPS đƣợc đƣa ra trong nhiều lĩnh vực về địa chất, bản đồ, thủy văn, viễn thông đã góp phần đem lại hiệu quả to lớn trong việc tiết kiệm thời gian, tiền bạc, công sức cho con ngƣời, đặc biệt là các chủ doanh nghiệp và nhà nƣớc. Thiết bị định vị GPS cho xe taxi, xe bus, xe vận tải hàng hóa, xe công trình giúp các chủ doanh nghiệp quản lí, giám sát hệ thống xe, quá trình hoạt động của xe, tình trạng xe, tuyến đƣờng đi, đảm bảo xe chạy an toàn và đúng lộ trình đƣợc giao. Hay nhƣ công nghệ định vị GPS đƣợc tích hợp trên điện thoại di động giúp các bậc phụ huynh có thể bảo vệ con hiệu quả, an toàn hoặc giúp các công ty kinh doanh hàng tiêu dùng bán lẻ có thể quản lý nhân viên của mình một cách chặt chẽ. Đặc biệt, công nghệ GPS còn đƣợc sử dụng 9
13. trong khai thác dầu mỏ và khí đốt giúp quản lý tài nguyên dầu mỏ hợp lí và tiết kiệm, có thể định vị vị trí chính xác để khai thác dầu mỏ . Với những lợi ích thiết thực nêu trên, GPS đang dần trở thành ngƣời bạn đồng hành với cá nhân và nhiều doanh nghiệp trong tƣơng lai. Tuy nhiên, cũng phải thừa nhận rằng dịch vụ GPS hiện nay chƣa phục vụ chuyên sâu. Mặc dù tiềm năng của thị trƣờng GPS đƣợc đánh giá là rất lớn nhƣng còn một số lúng túng của các doanh nghiêp phát triển dịch vụ này vì đầu tƣ chƣa mạnh mẽ, mới chỉ phát triển những dịch vụ cơ bản. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các công nghệ mới tiên tiến nhất đƣợc áp dụng để nâng cao đời sống, tăng tính tiện ích cho con ngƣời. Ngành công nghệ ô tô cũng không nằm ngoài xu thế đó . Các nhà sản xuất xe hơi luôn muốn đƣa vào ôtô nhƣ̃ng hê ̣ thống thông minh , tiêṇ ích . Mà điều này đƣợc thực hiện trên các điều khiển điện tử , điều khiển lâp̣ trình Đề tài thƣc̣ hiêṇ các mô hình nhằm g iúp sinh viên đƣợc thực tập trên mô hình để hiều sâu hơn về cách hoaṭ đôṇ g Hệ thống ĐỊNH VỊ trên ô tô . Giúp sinh viên hiểu rõ cũng nhƣ thực hiện thực tế trên mô hình giảng dạy Hệ thống ĐỊNH VỊ trên ô tô . Đây là một nghiên cứu ứng dụng tạo ra mô hình dùng để giảng dạy tại các trƣờng Đại học và ứng dụng giảng dạy Hệ thống ĐỊNH VỊ trên ô tô Việc chế tạo thành công mô hình sẽ rất hữu ích, giúp sinh viên có những sáng tạo hiệu quả trong học tập cũng nhƣ khi công tác sau này. Đặc biệt, các trƣờng đào tạo nghề CKĐL hiện đang rất cần các mô hình đào tạo về HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ trên ô tô . I.3. MỤC TIÊU: - Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các vấn đề liên quan đến công nghệ GPS, cấu trúc vi điều khiển. - Lập trình cho vi điều khiển thu nhận dữ liệu GPS và gửi dữ liệu về máy tính. - Xây dựng bản đồ online hiển thị vị trí của đối tƣợng đƣợc định vị. - Hoàn thiện đề tài với khả năng ứng dụng cao, mạch hoạt động ổn định và chính xác. - Nghiên cứu, tính toán lý thuyết làm cơ sở chế tạo thƣ̉ nghiêṃ mô hình học cụ phục vụ công tác đào tạo. 10
14. - Nắm vững cơ sở lý thuyết, của Hệ thống ĐỊNH VỊ trên ô tô để làm nền tảng cho quá trình thiết kế mô hình. - Chế tạo thành công mô hình giảng dạy Hệ thống ĐỊNH VỊ trên ô tô Sử dụng làm tài liệu giảng dạy Nghiên cứu , về mô hình giảng dạy Hệ thống ĐỊNH VỊ trên ô tô I.4. CÁCH TIẾP CẬN: Qua nghiên cứu lý thuyết , đồng thời tiếp cận các cơ sở sản xuất , sữa chữa ô tô để ttừ đó tìm phƣơng án thiết kế và chế taọ thƣ̉ nghiêṃ thiết bị đ áp ứng đƣợc mục tiêu đã đặt ra. I.5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:  Tham khảo tài liệu, thu thập các thông tin có liên quan.  Nghiên cứu các tài liệu và mô hình có liên quan.  Để hoàn thành đƣợc đề tài, đã kết hợp nhiều phƣơng pháp nghiên cứu. Trong đó đặc biệt là đọc nhiều tài liệu về linh kiện bán dẫn, linh kiện vi xử lý, các hệ thống chiếu sáng trên ô tô đời mới các sơ đồ mạch điện điều khiển. Các tài liệu về kỹ thuật điện tử, vi mạch . I.6. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: - Đối tƣợng nghiên cứu: Hệ thống ĐỊNH VỊ trên ô tô để làm nền tảng cho quá trình thiết kế mô hình. I.7. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Phạm vi nghiên cứu : Lý thuyết , tính toán thiết kế và chế taọ thƣ̉ nghiêṃ . 11
15. Phần 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 TỔNG QUAN VỀ GPS 1.1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG GPS Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh để định vị vị trí một điểm trên mặt đất. Trên thế giới hiện có 3 hệ thống thuộc GNSS, đó là: GPS (Hoa Kỳ), GALILEO (Liên minh châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga). Hình 1.1: Hệ thống định vị toàn cầu GNSS Vào những thập niên 60 và 70, Bộ quốc phòng Mỹ đã đầu tƣ nghiên cứu và xây dựng hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System). Vệ tinh GPS đầu tiên đƣợc phóng vào tháng 2 năm 1978 và từ đầu những năm 1990, GPS bắt đầu đƣợc sử dụng trong dân sự. Chính phủ Mỹ dành riêng mức định vị chính xác cao nhất cho quân đội, tuy nhiên họ cũng đã phát triển mã thu thô C/A cho mục đích dân dụng. Điều này giúp bất cứ ai cũng có thể sử dụng GPS ở bất cứ đâu và bất cứ khi nào. Ở Nga, với kỹ thuật phóng vệ tinh khá tốt, Nga cũng đã xây dựng thành công hệ thống vệ tinh dẫn đƣờng quỹ đạo toàn cầu, viết tắt GLONASS (Global Orbital Navigation Satellite System) vào năm 1995. 1.1.2 ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG GPS - Có độ chính xác định vị cao: độ chính xác theo phƣơng đứng, ngang và thời gian. - Phủ sóng toàn cầu 24/24: có thể thu đƣợc tín hiệu GPS tại mọi vị trí trên trái đất do các vệ tinh liên tục phát thông tin quảng bá về vị trí và thời gian 12
16. - Là hệ thống thụ động - Vận hành trong mọi điều kiện thời tiết. 1.1.3 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GPS Hệ thống vệ tinh GPS chia làm 3 phần: - Phần không gian (space segment): Các vệ tinh. - Phần điều khiển (control segment ): Trạm mặt đất. - Phần ngƣời sử dụng (user segment): Bộ thu tín hiệu Hình 1.2: Sơ đồ liên quan ba phần của hệ thống định vị toàn cầu 1.1.3.1 Phần không gian Bao gồm các vệ tinh có nhiệm vụ: - Truyền thông tin và tín hiệu đến ngƣời sử dụng trên một hay hai tần số. - Duy trì thời gian tham chiếu với độ chính xác cao (sai số từ 10-12 sec). - Nhận và lƣu trữ các thông tin từ trạm điều khiển mặt đất. - Thực hiện hiệu chỉnh quỹ đạo vệ tinh và sai số đồng hồ. Tính đến năm 2003, trên quỹ đạo có 26 vệ tinh Block IIA và IIR. Cấu hình quỹ đạo nhƣ sau: - Có 6 mặt phẳng quỹ đạo gần tròn - Trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo có 4 đến 5 vệ tinh - Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với xích đạo khoảng 55 - Độ cao bay trên mặt đất xấp xỉ 20.200km 13
17. Hình 1.3: Phân hệ không gian Mỗi vệ tinh có tới bốn đồng hồ nguyên tử cực kì chính xác (chuẩn Rubidi và Xesi) và một vi xử lý để tự điều khiển và xử lý data trong giới hạn. Các vệ tinh đƣợc trang bị nhiều tên lửa nhỏ phục vụ cho việc duy trì hay thay đổi quỹ đạo của chúng. 1.1.3.2 Phần điều khiển Phân hệ điều khiển gồm một trạm điều khiển chủ ở Colorado Springs, Colorado cùng năm trạm giám sát (ở Colorado Springs, đảo Ascension, đảo Diego Garcia, Hawaii và đảo Kwajalein) và ba anten mặt đất đặt rải rác trên thế giới. Ba trạm ở Ascension, Diego Garcia và Kwajalein dùng để triển khai tuyến lên, truyền thông tin từ mặt đất lên vệ tinh, bao gồm các dữ liệu lịch thiên văn mới, hiệu chỉnh đồng hồ và các bản tin quảng bá khác. Hình 1.4: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát GPS 1.1.3.3 Phần ngƣời sử dụng 14
18. Phân hệ ngƣời sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS trên mặt đất cho phép ngƣời dùng nhận tín hiệu phát quảng bá từ vệ tinh và tính toán thời gian, vận tốc, tọa độ của họ một cách chính xác. Máy thu của ngƣời dùng đo thời gian trễ để tín hiệu đi tới máy thu; đây là cách đo trực tiếp khoảng cách biểu kiến tới vệ tinh. Hình 1.5: Phần ngƣời sử dụng 1.1.4 CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS Mỗi vệ tinh GPS phát một tín hiệu radio cao tần gồm hai tần số sóng mang đƣợc điều chế bởi hai mã số và một bản tin dẫn đƣờng. Hai tần số sóng mang này đƣợc phát ở tần số 1575.42 MHz (gọi là sóng mang L1) và 1227.60 MHz (gọi là sóng mang L2). Theo đó, bƣớc sóng tƣơng ứng là 19cm và 24.4cm, kết quả này đƣợc rút ra từ quan hệ giữa tần số sóng mang và vận tốc ánh sáng trong không gian. Việc sử dụng hai tần số trên cho phép sửa một lỗi nghiêm trọng của GPS là trễ tầng điện ly. Tất cả các vệ tinh GPS đều phát cùng tần số sóng mang L1 và L2. Tuy nhiên, mã điều chế là khác nhau cho các vệ tinh, việc này làm giảm thiểu sự can nhiễu tín hiệu. Mã P là một chuỗi nhị phân rất dài, đƣợc lặp lại sau 266 ngày .Nó cũng nhanh hơn mã C/A 10 lần (tốc độ bít của nó là 10.23 Mb/s). Nhân thời gian với số lần lặp lại, 266 ngày nhân tốc độ bit 10.23 Mb/s đƣợc luồng mã P dài khoảng 2.35x1014chip. Mã dài 266 ngày đƣợc chia thành 38 đoạn, mỗi đoạn dài 1 tuần. Trong đó, có 32 đoạn đƣợc gán cho các vệ tinh khác nhau. Mỗi vệ tinh truyền một đoạn một tuần duy nhất của mã P, đoạn này đƣợc khởi tạo vào 0 giờ ngày chủ nhật hàng tuần. Sáu đoạn còn lại để dự trữ cho các mục đích khác. 1.1.5 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS Cơ bản, GPS sử dụng nguyên tắc hƣớng thẳng tƣơng đối của hình học và lƣợng 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. Các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của ngƣời dùng và đƣợc đo theo phép tam giác đạc. 15
19. 1.1.7 CÁCH XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA BỘ THU GPS Trƣờng hợp không có lỗi, bộ thu GPS sẽ có vị trí tại một điểm giao của bốn bề mặt hình cầu. Nếu bề mặt của hai mặt cầu giao nhau tại nhiều hơn một điểm, giao tuyến của chúng sẽ là một hình tròn. Giao tuyến này và mặt cầu thứ ba trong hầu hết các trƣờng hợp sẽ giao nhau tại hai điểm (mặc dù chúng có thể chỉ giao nhau tại một điểm hoặc không giao nhau). Vị trí chính xác của bộ thu GPS là một trong hai giao điểm mà gần với bề mặt trái đất nhất đối với các bộ thu của các phƣơng tiện di chuyển trên hay gần bề mặt trái đất. Giao điểm còn lại có thể là vị trí chính xác của một thiết bị khác trong không gian. Hình 1.6: Hệ trục tọa độ máy thu - vệ tinh Để xác định đƣợc tọa độ thì tại vị trí đó cần “nhìn” thấy ít nhất bốn vệ tinh (nhƣ hình vẽ). Ta có khoảng cách giữa vị trí cần đo và vệ tinh là ρ = c * t, trong đó c là vận tốc ánh sáng và t là khoảng thời gian sóng truyền từ vệ tinh tới vật. Gọi tọa độ vị trí là (X, Y, Z), tại một thời điểm ta có 4 phƣơng trình nhƣ sau: (1.1) (1.2) (1.3) (1.4) Trong đó: Δt là thông số để đồng bộ thời gian giữa phía phát và phía thu. Giải 4 phƣơng trình 4 ẩn ta thu đƣợc tạo độ cần xác định. 16
20. 1.1.8 CÁC NGUỒN LỖI ẢNH HƢỞNG ĐẾN TÍN HIỆU GPS Hệ thống GPS đã đƣợc thiết kế để ngày càng chính xác, tuy nhiên trên thực tế vẫn còn có khá nhiều nguồn có thể gây nhiễu hoặc suy giảm tín hiệu siêu cao tần phát từ vệ tinh tới các bộ thu. Khi đó bộ thu có thể không thực hiện đƣợc các phép tính toán vị trí hay cho kết quả sai lệch. Một số nguồn lỗi ảnh hƣởng đến tín hiệu GPS: - Điều kiện khí quyển. Cả tầng điện ly lẫn tầng đối lƣu 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 lƣu so với tốc độ tín hiệu GPS trong không gian, làm cho tín hiệu bị chậm đi khi xuyên qua các tầng này. Bởi vì vậy, khoảng cách tính toán bằng “tốc độ x thời gian” sẽ khác nhau. - Hiệu ứng nhiều đƣờng. Xảy ra khi tín hiệu GPS bị phản xạ từ các tòa nhà, các bề mặt lớn trƣớc khi tới đƣợc bộ thu. Nguyên nhân này sẽ làm tăng thời gian truyền dẫn tín hiệu GPS. - Lỗi do sự di chuyển của thiết bị GPS. Do trong quá trình thu tín hiệu GPS, các thiết bị GPS di chuyển sẽ xảy ra sai số cỡ khoảng 5m - 15m, là do có độ trễ xảy ra trong qua trình truyền giữa vệ tinh và thiết bị GPS. Do vậy tùy theo tốc độ di chuyển của máy thu GPS mà sai số giữa vị trí nhận đƣợc và vị trí thực tế của máy thu GPS là bao nhiêu nhƣng cỡ khoảng 5-15m. - Sai lệch đồng hồ máy thu. Đồng hồ trên máy thu có thể sai lệch so với các đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh, gây ra các phép tính sai về khoảng cách. Tuy nhiên trên thực tế các sai lệch về đồng hồ rất nhỏ. - Lỗi quỹ đạo. Cũng đƣợc biết đến là các lỗi thiên văn, do các vệ tinh thông báo vị trí không chính xác. - Số lƣợng vệ tinh nhìn thấy tại vị trí bộ thu. Càng nhiều số lƣ ợng vệ tinh nhìn thấy đƣợc thì các phép tính của bộ thu càng chính xác. Bất kỳ một vật cản nào cũng có thể làm che khuất các vệ tinh khỏi tầm nhìn của bộ thu GPS. Các bộ thu GPS thƣờng không làm việc trong nhà, dƣới nƣớc hay dƣới lòng đất. - Che khuất về hình học Phụ thuộc vào vị trí tƣơng đối của các vệ tinh ở thời điểm bất kỳ. Khi các vệ tinh nằm trên một đƣờng thẳng hoặc tạo thành nhóm sẽ gây ra sự che khuất đối với bộ thu GPS. - Sự suy giảm của tín hiệu vệ tinh có chủ ý. Là hành động có mục đích của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ nhằm ngăn chặn các đối thủ quân sự thu đƣợc chính xác tín hiệu định vị. Tuy việc này đã đƣợc ngừng từ năm 2000, 17
21. tuy nhiên không có một sự đảm bảo chắc chắn về tính ổn định và chính xác của các bộ thu GPS. 1.2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG TOÀN CẦU GSM Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications, viết tắt: GSM) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động. Dịch vụ GSM đƣợc sử dụng bởi hơn hai tỷ ngƣời trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng đƣợc nhiều nơi trên thế giới. GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động trên thế giới. Khả năng phủ sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lƣợng cuộc gọi. Nó đƣợc xem nhƣ là một hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ hai (second generation, 2G). Lợi thế chính của GSM là chất lƣợng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn. Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều ngƣời cung ứng. GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế ngƣời sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới. Các tiêu chuẩn mới sau này ra đời, nhƣ General Packet Radio Service – GPRS (năm 1997) và Enhanced Data Rates for GSM Evolution – EDGE (năm 1999), mang lại các dịch vụ giá trị gia tăng phong phú và các mức cƣớc phí hấp dẫn. 1.3. DỊCH VỤ SỐ LIỆU CẢI TIẾN GPRS - GENERAL PACKET RADIO SERVICE 1.3.1 SƠ LƢỢC GPRS (General Packet Radio Service) là công nghệ chuyển mạch gói đƣợc phát triển trên nền tảng công nghệ thông tin di động toàn cầu (GSM : Global System for Mobile) sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access). GPRS là một bƣớc để phát triển lên hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G). GPRS có thể đƣợc dùng cho những dịch vụ nhƣ truy cập giao thức ứng dụng không dây (WAP), dịch vụ tin nhắn ngắn (SMS), dịch vụ nhắn tin đa phƣơng tiện (MMS), và với các dịch vụ liên lạc Internet nhƣ email và truy cập World Wide Web. 1.3.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG GPRS Trong khi hệ thống GSM sử dụng chuyển mạch kênh để truyền thoại, thì hệ thống GPRS sử dụng chuyển mạch gói, nhƣng đều theo chuẩn GSM. Khi một bản tin đƣợc truyền đi, nó đƣợc chia thành nhiều gói. Khi những gói này đến chỗ thu nó đƣợc tập hợp lại cho ra bản tin ban đầu. Tất cả các gói này đều đƣợc lƣu trong bộ đệm dữ liệu. - Chuyển mạch kênh 18