Đề tài Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global Positioning System ) trên ô tô phục vụ giảng dạy và học tập (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global Positioning System ) trên ô tô phục vụ giảng dạy và học tập (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị tồn cầu ( GPS - Global Positioning System ) trên ơ tơ phục vụ giảng dạy và học tập MÃ SỐ: T2010 - 63 ChỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: Th.S NGUYỄN VĂN TRẠNG S K C 0 0 2 9 7 3 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 8/2010
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH ___ oo0oo ___ KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Thuyết minh đề tài NCKH cấp trường NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS – GLOBAL POSITIONING SYSTEM) TRÊN Ô TÔ PHỤC VỤ CÔNG TÁC GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP MÃ SỐ: T 2010-63 CHỦ TRÌ: Th.S NGUYỄN VĂN TRẠNG Tháng 08 - 2010 Tháng 12/2005
3. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự tiến bộ của khoa học và cơng nghệ, các thiết bị điện tử đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng như đời sống xã hội. Cĩ thể nĩi hầu hết ơ tơ tại các nước trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay đều ứng dụng những cơng nghệ mới để tăng tính tiện nghi cho ơ tơ. Cơng nghệ định vị tồn cầu GPS (Global Positioning Systems) là một ví dụ điển hình. Trước đây, GPS chỉ được sử dụng trong lĩnh vực quân sự do Bộ quốc phịng Mỹ phát triển và được Khơng lực Mỹ quản lý. Từ năm 1993 trở lại đây GPS được sử dụng cho mục đích cơng cộng như lập bản đồ, khảo sát vùng đất và nghiên cứu khoa học. Khả năng tham chiếu chính xác thời gian của GPS cũng được sử dụng để nghiên cứu các vụ động đất. Ngày nay, GPS cịn kết hợp với nhiều mạng di động tại nhiều quốc gia để phục vụ vào đời sống của con người. Một ứng dụng phổ biến, quan trọng nhất là dùng trong lĩnh vực giao thơng, với hệ thống GPS nĩ sẽ cho biết chính xác vị trí xe của bạn ở đâu, chỗ nào cĩ tắc nghẽn giao thơng để bạn tránh khơng đi qua. Vì những lý do trên mà cơng nghệ GPS ngày càng được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới nĩi chung trong đĩ cĩ Việt Nam nĩi riêng. Đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị tồn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ơ tơ phục vụ cơng tác giảng dạy và học tập” phân tích những nội dung cơ bản về cơng nghệ định vị tồn cầu GPS, khả năng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực bằng cách hiển thị thơng tin thu thập được từ GPS lên bản đồ số Google Map. Đề tài này sẽ là một nguồn tài liệu tham khảo cĩ giá trị cho những đối tượng đang học tập, làm việc và nghiên cứu trong lĩnh lực ơ tơ nĩi chung và cho sinh viên ngành Cơ khí Động lực tại trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh nĩi riêng. TP. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2010 Chủ nhiệm đề tài ThS. Nguyễn Văn Trạng Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 1
4. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập MỤC LỤC Trang LỜI NĨI ĐẦU 1 PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 3 I. Đối tượng nghiên cứu 3 II. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước 3 III. Những vấn đề cịn tồn tại 4 PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 6 I. Mục đích của đề tài 6 II. Phương pháp nghiên cứu 6 III. Nội dung 7 III.1. Tổng quan về GPS (Global Positioning System) 7 III.2. Những phân đoạn GPS 7 III.3. Cấu trúc và nguyên tắc định vị của GPS 9 III.4. Tín hiệu GPS và các phương pháp đo tín hiệu GPS 16 III.5. Ứng dụng cơng nghệ GPS trong quản lý và giám sát ơ tơ tại Việt Nam 19 III.6. Thiết kế hệ thống định vị tồn cầu GPS cơ bản xác định tọa độ 24 IV. Kết quả nghiên cứu 30 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 31 I. Kết luận 31 II. Hướng phát triển của đề tài 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 2
5. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ I. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh của cơng nghệ và khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử và viễn thơng. Cơng nghệ định vị tồn cầu GPS (Global Positioning Systems) là một lĩnh vực khá mới với điều kiện tại Việt Nam. Trên thế giới nhiều quốc gia đã và đang ứng dụng cơng nghệ GPS này vào lĩnh vực dân sự để phục vụ nhu cầu của người dân. Ở Việt Nam, cơng nghệ GPS vẫn chưa phổ biến đối với đại đa số người dân bởi chi phí sử dụng khá cao, cơng nghệ khá mới mẽ. Đối tượng nghiên cứu của đề tài gồm các nội dung: giới thiệu về cơng nghệ GPS, cấu trúc hệ thống GPS, nguyên lí hoạt động của GPS, ứng dụng GPS trong quản lí và giám sát xe, những hạn chế khi sử dụng GPS. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu cơng nghệ GPS trong quản lý xe và thiết kế hệ thống ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp với bản đồ số Google Map Kết quả của đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị tồn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ơ tơ phục vụ cơng tác giảng dạy và học tập” cĩ thể giúp mọi người cĩ cái nhìn tổng quan về cơng nghệ GPS, giảm chi phí cho những người đam mê nĩ để họ phát triển theo những hướng riêng của mình. II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC Tuy GPS khá phổ biến tại các nước cĩ ngành cơng nghiệp ơ tơ phát triển nhưng khái niện này cịn khá xa lạ tại Việt Nam. Những năm gần đây, tại Việt Nam cĩ một số cơng ty chuyên cung cấp thiết bị định vị cầm tay tích hợp sẵn cơng nghệ GPS nhưng những sản phẩm này địi hỏi chi phí khá cao cho việc lựa chọn mua thiết bị cũng như phí dịch vụ hàng năm phải trả cho cơng ty từ phía khách hàng. Hiện nay trên nhiều diễn đàn điện tử, cĩ nhiều bài thảo luận rất sơi nổi về cơng nghệ GPS. Thơng qua các diễn đàn này người thực hiện đề tài nhận thấy cĩ rất nhiều thành viên đã thiết kế được nhiều hệ thống ứng dụng cơng nghệ GPS. Với những cơ sở dữ liệu và kiến thức tích luỹ được người thực hiện đề tài tìm hiểu nghiên cứu và phát triển hệ thống nhằm hiện thực hố khả năng ứng dụng của cơng nghệ GPS trên ơ tơ với điều kiện tại Việt Nam. Đề tài bao gồm nhiều phần nghiên cứu từ lý thuyết đến thực hành, từ dễ đến khĩ sẽ dẫn dắt người đọc tìm hiểu về cơng nghệ, khả năng ứng dụng của GPS và thiết kế hệ thống dễ dàng hơn với những linh kiện điện tử cơ bản trên thị trường. Vì vậy với kết quả đạt được, hy vọng đề tài này sẽ là nguồn tài liệu tham khảo lý thuyết và thực hành trong việc tìm hiểu về cơng nghệ GPS ứng dụng trên ơ tơ. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 3
6. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập III. NHỮNG VẤN ĐỀ CỊN TỒN TẠI III.1. Hiểm họa từ thiết bị gây nhiễu GPS Chỉ cần 50 USD, người ta cĩ thể sở hữu một thiết bị làm nhiễu hệ thống định vị tồn cầu (GPS) vừa nhỏ gọn, vừa dễ sử dụng. Với “bảo bối” này, những kẻ khủng bố cĩ thể “hạ” máy bay thương mại chở hàng trăm hành khách. Đây là cảnh báo của hãng tin Fox News trong một phĩng sự điều tra cơng bố ngày 19/3/2010 về hiểm hoạ của thiết bị đang được rao bán đầy rẫy trên mạng này. Theo các nhà điều tra, thiết bị làm nhiễu GPS truyền một tín hiệu điện thế thấp, tạo độ ồn tín hiệu và cĩ thể đánh lừa đầu thu GPS rằng các vệ tinh khơng sẵn sàng. Chúng cũng cĩ thể được sử dụng để gây rối cảnh sát và trốn tránh sự truy đuổi. Trên thực tế, những kẻ trộm ơ tơ ở Anh đã sử dụng thiết bị này để chạy trốn. Thậm chí một số trường hợp sử dụng thiết bị gây nhiễu này để “chọc tức” người dùng iPhone. Nhưng hiểm hoạ thực sự mà thiết bị này gây ra thì chưa thể tính tốn được hết. Thiết bị gây nhiễu GPS cĩ thể gây ra nhiều hiểm hoạ to lớn. Một số chuyên gia lo ngại rằng, khủng bố cĩ thể sử dụng nĩ để làm gián đoạn đầu thu GPS trên máy bay, mặc dù theo một số chuyên gia khác, nguy cơ này khơng cao bởi máy bay sử dụng hệ thống ra-đa mặt đất dẫn đường và cịn cĩ sự hỗ trợ của hệ thống khơng lưu khơng phụ thuộc vào vệ tinh. Nhận thức được hiểm hoạ này, chính quyền Mỹ thời Tổng thống George Bush vào năm 2008 từng đề ra dự án lập hệ thống cao thế trên mặt đất cĩ tên gọi Enhanced Loran (eLoran) để “gỡ” nhiễu. Tuy nhiên, hiện Washington chưa tỏ bất cứ ý định gì tiếp theo với eLoran. Thiết bị gây nhiễu GPS vẫn bị coi là bất hợp pháp tại Mỹ và Uỷ ban Liên lạc Liên bang của Mỹ (FCC) tuyên bố sẽ truy tố bất cứ trường hợp nào bị phát hiện nhập khẩu hay sở hữu, sử dụng thiết bị này. Tuy nhiên, phĩng sự điều tra của Fox News cho biết các thiết bị làm nhiễu GPS rất rẻ tiền và cĩ thể mua được dễ dàng qua mạng. Chính phĩng viên Fox News đã mua được thiết bị này với giá vẻn vẹn 50 USD từ nhiều nguồn trên mạng khác nhau, từ Thụy Điển đến Hồng Kơng. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 4
7. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập III.2. GPS dẫn đƣờng sai gây tai nạn Nghiên cứu của cơng ty DirectLine (Anh) cho thấy các thiết bị định vị vệ tinh GPS đã khiến một nửa lượng người sử dụng nĩ đi nhầm đường và va chạm như húc gầm cầu, kẹt trong đường hẹp, rẽ vào đường tàu hỏa Một xe chở khách đã xảy ra tai nạn do GPS dẫn đường sai. GPS cĩ thể dẫn đường sai do sai số lớn hoặc do xe chạy ở những vùng gây nhiễu như địa hình hiểm trở hoặc một số nguyên nhân gây nhiễu khác làm nhiễu tín hiệu truyền từ vệ tinh. Theo thống kê hàng năm cĩ khoảng 300.000 vụ tai nạn giao thơng do GPS dẫn đường sai. Cứ 10 tài xế thì cĩ 1 người rẽ sai luật vì nghe theo hướng chỉ của máy GPS, 2 người khơng chú ý được tới xe cộ khác khi nhìn lên màn hình thiết bị, 4 người đi sai đường. Hiện cĩ hơn 1,5 triệu lái xe phàn nàn đã đi khơng chuẩn khi "nghe lời" GPS. III.3. GPS gây mất tập trung cho ngƣời lái xe Hệ thống định vị vệ tinh GPS là thiết bị dẫn đường cho các tài xế thế nhưng chính nĩ lại khiến cho người dùng bị sao lãng hơn cả khi dùng điện thoại di động. Điều này rất nguy hiểm, dễ dẫn đến tai nạn giao thơng. GS Mark Stevenson, thuộc trường ĐH Sydney (Australia), cho biết rất nhiều bằng chứng cho thấy các thiết bị GPS cĩ thể gây va chạm, gây hậu quả nghiêm trọng. Theo GS Mark Stevenson, thuộc trường ĐH Sydney (Australia) người đi đường nên xác định điểm đến của mình trước khi xuất hành, khơng nên vừa đi đường vừa tìm đường đi bằng hệ thống GPS. GPS rất hữu ích với người đi đường nhưng chúng ta nên cẩn thận để khơng bị sao lãng, làm giảm khả năng phản xạ người lái. “Tập trung là điều rất quan trọng với các tay lái, việc điều chỉnh hay thiết lập cho GPS cĩ thể sẽ dẫn đến các vụ va chạm gây chết người”, Stevenson nhấn mạnh. Brian Fildes, một GS về an tồn giao thơng thuộc Trung tâm nghiên cứu tai nạn của trường ĐH Monash, cho rằng, sử dụng hệ thống GPS sẽ an tồn hơn là dùng bản đồ giấy khi “ Sử dụng một cách thơng minh, lập trình sẵn đường đi của mình trước khi xuất hành thì GPS sẽ mang lại nhiều lợi ích tuyệt vời cho người sử dụng”. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 5
8. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị tồn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ơ tơ phục vụ cơng tác giảng dạy và học tập” được thực hiện với mục đích sau: - Giới thiệu tổng quan về GPS, giúp học đọc cĩ thể tiếp cận với một lĩnh vực cịn khá mởi với điệu kiện tại Việt Nam. - Tìm hiểu cơng nghệ GPS, từ đĩ cĩ thể tiếp cận và ứng dụng vào các mục đích riêng theo yêu cầu (định vị tọa độ, xác định chính xác vị trí hay hành trình đi được của xe, ). - Thực hiện giao tiếp bằng USB giữa hệ thống với máy tính. - Sử dụng các tiện ích để thiết kế và lập trình hệ thống: “quản lý và giám sát xe ” II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Do đây là một đề tài khá mới mẽ nên trong quá trình thực hiện đã gặp rất nhiều khĩ khăn về nguồn tài liệu. Người thực hiện đề tài sử dụng hai phương pháp chủ yếu: - Phương pháp tham khảo tài liệu: Nguồn tài liệu chủ yếu bằng tiếng anh được tìm kiếm trên mạng Internet. - Phương pháp thực hành: ngồi việc đọc tài liệu cịn phải thực hành trên mơ hình dưới sự giúp đỡ của các bạn trên diễn đàn để dễ dàng nắm bắt được lý thuyết. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 6
9. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập III. NỘI DUNG III.1. Tởng quan về GPS (Global Postioning System) Thơng thường GPS bao gờm mơṭ chòm sao 24 vê ̣tinh. Chịm sao này được hồn thành vào tháng 7/1993, đươc̣ xem như là năng lưc̣ hoaṭ đơṇ g ban đầu (initial operational capability_IOC). Tuy nhiên, nĩ được cơng bớ chính thứ c vào ngày 8 tháng 12 năm1993. Để đảm bảo hê ̣thớng vê ̣tinh này bao phủ khắp tồn bộ trái đất một cách liên tuc̣ , những vê ̣tinh này đươc̣ sắp xếp sao cho mỡi 4 vê ̣tinh đươc̣ đăṭ trong mỡi 6 măṭ phẳng quỹ đaọ . Với sư ̣ bớ trí này, khoảng từ 4 đến 10 vê ̣tinh se ̃ luơn hiêṇ hữu taị bất cứ nơi nào trên thế giới, nếu góc ngẩng (elevation angle) là 100 độ. Ta chỉ cần duy nhất 4 vê ̣ tinh để cung cấp sư ̣ điṇ h vi.̣ Quỹ đạo vệ tinh GPS gần như là hình trịn (mơṭ hình elipse với tâm sai cưc̣ đaị khoảng 0.01), với đơ ̣ nghiêng khoảng 500 độ so với xích đaọ . Nữa truc̣ lớn của quỹ đaọ GPS là khoảng 26.560 km (đơ ̣cao vê ̣tinh khoảng 20.200 km bên trên bề măṭ trái đất ). Chu kỳ quỹ đaọ vê ̣tinh tương ứ ng khoảng 12 giờ thiên văn (sidereal hour : 23:56‟:4.1”). Hê ̣thớng GPS đươc̣ tuyên bớ chính thứ c đaṭ đươc̣ khả năng hoaṭ đơṇ g đầy đủ (full operational capability _FOC) vào ngày 17 tháng 7 năm 1995 đảm bảo khả năng hoạt động thực tế của tới thiểu 24 vê ̣tinh GPS, khơng dùng vào thí nghiệm. Thưc̣ tế, khi GPS đaṭ đươc̣ FOC của nó, chịm sao vệ tinh thường lớn hơn 24 vê ̣tinh. Chịm sao GPS. S-band (10cm-radar short-band): 1.55 -5.2 Ghz. L-band (20cm-radar long-band): 950Mhz – 1450 Mhz III.2. Nhƣ̃ng phân đoaṇ GPS GPS bao gờm 3 phân đoaṇ : Phân đoaṇ khơng gian , phân đoaṇ điều khiển , phân đoaṇ người sử duṇ g . Phân đoaṇ khơng gian chính là chòm sao 24 vê ̣tinh. Mỡi vê ̣tinh GPS phát đi tín hiêụ , bao gồm những th ành phần sau : hai sóng sin (thành phần só ng mang), hai chuỗi dữ liệu số, và một thơng điệp điều hướng. Dữ liệu số và thơng điêp̣ điều hướng kết hợp với sóng mang bằng cách điều chế nhi ̣phân biphase . Sĩng mang và chuỗi dữ liệu số chủ yếu đươc̣ sử duṇ g để xác điṇ h khoảng cách từ máy thu của nguời sử duṇ g đến những vê ̣tinh GPS . Thơng điêp̣ điều hướng bao gờm toạ đơ ̣của vê ̣tinh , tọa độ này biểu diễn dưới dạng hàm biến đổi theo thời gian và một số thơng tin cần thiết khác . Tín hiêụ phát đươc̣ điều khiển bởi n hững đờng hờ nguyên tử (atomic clocks) cĩ độ chính xác cao onboard trên những vê ̣tinh. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 7
10. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập Những phân đoạn GPS. Mã hĩa tín hiệu dùng phương pháp biphase Phân đoaṇ điều khiển của hê ̣thớng GPS bao gờm mơṭ maṇ g lưới rơṇ g khắp những trạm theo dõi (tracking station ), với mơṭ traṃ điều khiển chính (MCS-master control station) điṇ h vi ̣ở Colorado Springs , Colorado, the United States. Nhiêṃ vu ̣ban đầu của phân đoaṇ điều khiển là theo dõi dấu vết của những vê ̣tinh GPS đ ể định vị và tiên đốn vị trí vệ tinh , tình trạng hệ thống , hoạt động của đờng hờ nguyên tử , dữ liêụ khí quyển , niên giám vê ̣tinh (the satellite almanac), tín hiệu này chứa những thơng tin về vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo và được lưu vào bộ nhớ của máy thu, khi vệ tinh di chuyển thì các thơng tin này cũng liên tục được cập nhật vào máy thu cùng với qua các tín hiệu mà nĩ gửi đi, và một số sự quan tâm khác. Thơng tin sau đó đươc̣ đóng gói và upload lên những vê ̣tinh GPS thơng qua đường link S-band. Phân đoaṇ người sử duṇ g bao gờm dân thường và quân đơị . Với mơṭ bơ ̣thu GPS kết nới với mơṭ antenna GPS , người sử duṇ g có thể thu được tín hiêụ GPS , tín hiệu này sau đĩ đươc̣ sử duṇ g để xác đinh vi ̣trí của anh ấy hoăc̣ cơ ấy dù đang sống ở bất cứ nơi nào trên thế giới . Hiêṇ taị , GPS sẵn dùng với tất cả người sử duṇ g ở khắp nơi trên thế giới với mứ c chi phí khơng trưc̣ tiếp (no direct charge). Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 8
11. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập III.3. Cấu trúc và nguyên tắc định vị của GPS a) Các thành phần của hệ thống Các thành phần hệ thống. Hệ thống GPS bao gồm 3 bộ phận chính: - Bộ phận khơng gian (Space segment). - Bộ phận điều khiển (Control segment). - Bộ phận sử dụng (User segment). Bộ phận khơng gian Bộ phận khơng gian bao gồm ít nhất 24 vệ tinh (thơng thường là 32 vệ tinh) làm việc và dự phịng được đặt lên quĩ đạo sao cho ở bất kì vị trí nào trên mặt đất cũng cĩ thể “nhìn” thấy được 4 vệ tinh. Các vệ tinh này được sắp xếp trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 550 so với mặt xích đạo. Mỗi quỹ đạo là một vịng trịn với cao độ khoảng 12.000 dặm (20.183 km). Các vệ tinh bay với vận tốc 11.200 km/h, như vậy khoảng thời gian cần thiết để các vệ tinh quay quanh trái đất là 12h, bằng nửa thời gian quay của trái đất. Chúng được cung cấp năng lượng bởi nguồn năng lượng mặt trời và cĩ tuổi thọ khoảng 10 năm. Nếu như nguồn năng lượng mặt trời yếu đi (như bị che khuất, ) thì chúng sẽ được hỗ trợ để vẫn tiếp tục hoạt động bởi nguồn năng lượng dự trữ trên tàu. Chúng cũng được gắn những tên lửa nhỏ để cĩ thể bay đúng quĩ đạo. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 9
12. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập Các quỹ đạo và vệ tinh của hệ thống GPS. Trên mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử Cesium và Rubidium với độ -12 chính xác cao (khoảng 10 ). Đồng hồ sản sinh tần số cơ sở f0 = 10.23 MHz. Các sĩng mang L1 và L2 được điều biến bởi 2 mã C/A và mã P. - Mã thơ C/A (Coarse/Acquisition) cĩ tần số 1.023 MHz = f0/10 và cĩ chiều dài là 1 msec, mã C/A dành cho mục đích dân sự. - Mã bảo vệ P (Protected) cĩ tần số 10.23 MHz = fo và cĩ chiều dài là 266,4 ngày. Mã P được giữ bí mật và chỉ được dùng cho mục đích quân sự. Ngồi ra, khi bị phá nhiễu (do Bộ Quốc Phịng Mỹ bật chế độ phá nhiễu A/S: Anti- Spoofing) thì mã P biến thành mã Y, mã Y là mã bí mật và chỉ cĩ những máy thu của Bộ Quốc Phịng Mỹ mới cĩ khả năng giải được mã này. Cả 2 sĩng mang L1 và L2 cịn được điều biến bằng các thơng tin bao gồm: Ephemeride của vệ tinh (lịch toạ độ vệ tinh), thời gian, số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh, tình trạng của hệ thống vệ tinh Mỗi vệ tinh cĩ trọng lượng 930 kg và cĩ tuổi thọ khoảng 10 năm. Khi cĩ vệ tinh nào khơng hoạt động lập tức đều được thay thế ngay để đảm bảo tính chặt chẽ của cấu trúc hệ thống. Các nhiệm vụ chủ yếu của vệ tinh GPS - Nhận và lưu trữ lịch toạ độ vệ tinh mới được gửi lên từ trạm điều khiển. - Thực hiện các phép xử lí cĩ chọn lọc trên vệ tinh bằng các bộ vi xử lí đặt trên vệ tinh. - Duy trì khả năng chính xác cao của thời gian bằng hai đồng hồ nguyên tử Cesium và 2 đồng hồ Rubidium. - Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển của trạm mặt đất. - Truyền thơng tin và tín hiệu trên hai tần số L1 và L2 rất ổn định và nhất quán. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 10
13. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập Bộ phận điều khiển Sơ đồ vị trí các trạm điều khiển. Cĩ 5 trạm trên mặt đất được bố trí đều trên vành đai xích đạo: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Island, Diego Garcia and Kwajalein. Tất cả đều thuộc sở hữu và được xây dựng bởi bộ Quốc phịng Mỹ và cĩ những nhiệm vụ sau: - 4 trạm giám sát Hawaii, Ascension Island, Diego Garcia và Kwajalein đều được trang bị các thiết bị nhận GPS để theo dõi các vệ tinh. Dữ liệu kết quả sẽ được gửi cho trạm điều khiển trung tâm Colorado Springs. - Trạm điều khiển trung tâm MCS (Master Control Station) dựa vào các dữ liệu nhận được từ trạm giám sát để tính tốn lịch vệ tinh và chỉnh sửa đồng hồ vệ tinh. Đây là nơi điều khiển cho mọi hoạt động của phần khơng gian: điều khiển các vệ tinh, mã hố dữ liệu, duy trì đồng hồ vệ tinh Ngồi ra, trạm điều khiển trung tâm cịn cĩ nhiệm vụ “diễn tập” cho các vệ tinh dự phịng để cĩ thể thay thế cho một vệ tinh khơng cịn khả năng hoạt động được nữa tại bất kỳ thời điểm nào. - 3 antenna cĩ nhiệm vụ nhận và truyền tín hiệu điều khiển vệ tinh được đặt tại 3 trạm Ascension Island, Diego Garcia and Kwajalein, những trạm này cịn cĩ thể được gọi là trạm tiếp vận. Dữ liệu từ antenna chuyển lên vệ tinh gồm thơng tin đồng hồ và quĩ đạo vệ tinh đã được trạm điều khiển trung tâm chỉnh sửa và được truyền đi như thơng điệp định hướng. Việc hiệu chỉnh được tiến hành 3 lần mỗi ngày. Do đĩ, các thơng tin định hướng nếu cần cĩ thể được truyền đi đến các vệ tinh 8 tiếng / 1 lần. Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 11
14. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường: Nghiên cứu, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) trên ô tô phục vụ công tác giảng dạy và học tập Quy trình truyền tín hiệu bộ phận điều khiển. Vệ tinh GPS bay với vận tốc rất cao (11.200 km/h). Sau khi vệ tinh được phĩng lên, nĩ bắt đầu quay quanh trái đất, quỹ đạo của nĩ được xác định dựa vào vị trí, vận tốc ban đầu và rất nhiều ảnh hưởng khác. Sở dĩ cần đến bộ phận điều khiển là vì quỹ đạo của vệ tinh khơng tuân thủ theo đúng định luật của Kepler do trái đất cĩ kích thước xác định, khơng phải chất điểm, lại cĩ mật độ phân bố vật chất khơng đồng đều, chịu áp lực của mặt trời, kết quả là quỹ đạo chuyển động của vệ tinh khơng phải là hình elipse, do đĩ khơng thể dùng cơng thức giải tích để tính trước toạ độ của vệ tinh. Chính bộ phận điều khiển cĩ nhiệm vụ xác định vị trí chính xác tức thời của vệ tinh. Các lực cĩ ảnh hưởng lớn đến sự chuyển động của các vệ tinh bao gồm - Lực hút của trái đất. - Sức hút của mặt trăng, mặt trời và các hành tinh khác (sự ảnh hưởng của yếu tố thứ 3). - Sức ép từ sự bức xạ của mặt trời. - Sự thay đổi về trường hấp dẫn của trái đất phát sinh từ hình thể rắn của trái đất và thuỷ triều biển. Bộ phận sử dụng Gồm người sử dụng và thiết bị thu GPS. Các thiết bị thu GPS chuyển đổi các tín hiệu từ vệ tinh thành vị trí, vận tốc và thời gian tương đối. Các thiết bị này dùng để định hướng, xác định vị trí, thời gian và các nghiên cứu khác (đo lường thành phần khí quyển). Chủ trì : ThS Nguyễn Văn Trạng Trang 12