Gi ớ i thi ệ u
H ệ th ống đị nh v ị GPS (Global Positioning System)
Chương trình GPS được tán thành vào năm 1973, chương trình được phát triển bởi bộ quốc phòng của Mỹ (DoD) Vệ tinh đầu tiên được phóng vào năm
Hệ thống GPS, ra mắt vào tháng 8 năm 1993 với 24 vệ tinh trong quỹ đạo, đã phát triển thành 29 vệ tinh hiện nay, cung cấp năng lực hoạt động mạnh mẽ Mặc dù ban đầu được thiết kế cho mục đích quân sự, GPS hiện nay đã được ứng dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày, bao gồm các lĩnh vực như định vị 3D, tính toán thời gian, biên độ và tốc độ Các ứng dụng của GPS rất đa dạng, từ khảo sát và bản đồ đến định vị hàng không, dưới đại dương và viễn thông Bài viết này sẽ thảo luận chi tiết về hệ thống GPS.
1.1.1.1 Lý thuy ết cơ bản về máy thu GPS Để hiểu được làm thế nào mà máy thu GPS có thể xác định được vị trí của nó, chúng ta sẽ xem ví dụdưới đây: Đầu tiên, chúng ta sẽ bắt đầu với một ví dụđơn giản, một người có vị trí trên trục X và được định nghĩa là U Nếu như vị trí của vệ tinh là S1 và khoảng của nó so với vệ tinh là x1 về cả hai phía thì vị trí của người này có thể ở bên trái hay bên phải của S1 Do đó, đểxác định được vị trí của người này ta cần phải xác định được x2 là khoảng cách của người này với vệtinh khác được yêu cầu
Hình 1.1 V ị trí của người sử dụng trong không gian một chiều
Để xác định vị trí của một người trong không gian hai chiều, cần có ít nhất ba vệ tinh và ba khoảng cách được đo.
Hình 1.2 V ị trí của người sử dụng trong không gian hai chiều
Hình 1.2 mô tả vị trí của người trong không gian hai chiều, với hai vệ tinh S1 và S2 cùng hai khoảng cách x1 và x2 tạo ra hai đáp án do hai vòng tròn giao nhau tại hai điểm Để xác định chính xác vị trí, vệ tinh thứ ba S3 kết hợp với khoảng cách x3 sẽ cung cấp thông tin cần thiết Hình 1.2.b thể hiện vị trí chính xác của người đó.
Để xác định vị trí trong không gian ba chiều, cần có ít nhất 4 vệ tinh cùng với 4 khoảng cách tương ứng Khi đó, vị trí sẽ được biểu diễn dưới dạng một quả cầu trong không gian Hai quả cầu sẽ giao nhau tạo thành một đường tròn, và hình tròn này sẽ giao với quả cầu khác tại hai điểm, tương tự như trong không gian hai chiều Để xác định chính xác vị trí, cần thêm một vệ tinh nữa Vì vậy, GPS yêu cầu tối thiểu 4 vệ tinh để xác định vị trí của một người trong không gian ba chiều.
1.1.1.2 S ự phân khu vực trong hệ thống GPS
Hệ thống GPS gồm 3 phần: Phần không gian (Space Segments), phần điều khiển (Control Segments), phần người sử dụng (User Segments)
Hình 1.3 Sơ đồ quan hệ giữa ba phần trong hệ thống GPS
Space Segments: Có chức năng là mang xung đồng hồ và tín hiệu tần số L1
(1575.42 MHz) bao gồm mã C/A (Coarse Acquisition) và mã P(Y) Các vệ tinh cũng mang tín hiệu tần số L2 (1227.60 MHz) chứa mã P(Y)
Hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo, được gọi là satellite vehicle (SV), hoạt động từ năm 1995 Các vệ tinh này di chuyển theo quỹ đạo tròn xung quanh trái đất, phân bố trên 6 mặt phẳng quỹ đạo Đặc biệt, các mặt phẳng quỹ đạo của vệ tinh GPS nghiêng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo, như được minh họa trong Hình 4.
Kể từ khi vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đã có bốn thế hệ vệ tinh GPS được phát triển, bao gồm Block I, Block II, Block IIA và Block IIR, với thế hệ cuối cùng là Block IIR-M Các vệ tinh thế hệ mới được trang bị công nghệ hiện đại hơn, mang lại độ tin cậy cao hơn và thời gian hoạt động lâu hơn Vệ tinh đầu tiên của thế hệ Block IIR-M, được phóng vào tháng 12 năm 2005, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong công nghệ vệ tinh GPS.
Hình 1.4 GPS IIR được phóng vào tháng 9 năm 2005
Control Segments: Gồm có 4 trạm thu tín hiệu phát đi từ vệ tinh (Monitor
Hệ thống phát sóng bao gồm một trạm phát tín hiệu (Station) và một trạm điều khiển chủ (Master Control) để truyền tín hiệu lên vệ tinh Bốn trạm thu tín hiệu được phân bố tại các vị trí chiến lược trên toàn cầu: một trạm ở đảo Hawaii, một trạm tại đảo Kwajalein ở Thái Bình Dương, một trạm trên đảo Diego Garcia ở Ấn Độ Dương, và một trạm ở đảo Ascension thuộc Đại Tây Dương.
Trạm chủ được đặt tại trại Falcon của Không Lực Hoa Kỳ ở Colorado, chịu trách nhiệm nhận và hiệu chỉnh thông tin quỹ đạo và thời gian từ bốn trạm thu tín hiệu Các trạm này thu thập dữ liệu từ vệ tinh và gửi về trạm chủ, nơi thông tin được hiệu chỉnh trước khi gửi lại lên vệ tinh để điều chỉnh quỹ đạo bay và đồng bộ thời gian, đồng thời cung cấp thông tin về sự suy hao đường truyền.
User Segments là thành phần quan trọng trong hệ thống GPS, cho phép người dùng nhận tín hiệu từ các vệ tinh GPS phát ra trên toàn cầu Số lượng máy thu GPS là không giới hạn, và chúng thu thập thông tin về cự ly, thời gian, cũng như độ trễ truyền sóng từ ít nhất 4 vệ tinh Qua đó, người dùng có thể xác định vị trí và tốc độ của mình một cách chính xác.
1.1.1.3 H ệ thống GPS hiện đại Để phục vụ sự tăng lên của nhu cầu người sử dụng trong hai thập niên gần đây cùng với sự phát triển của các hệ thống định vị vệ tinh khác đặc biệt là GALILEO, chính quyền Mỹ đã tạo ra một sự cải thiện công suất làm việc của hệ thống GPS Hệ thống GPS hiện đại bao gồm tín hiệu thường, L5 (1176.45 MHz) với mục đích là an toàn cuộc sống cho các thiết bị đời sống hằng ngày Có thêm hai tín hiệu trong hệ thống GPS hiện đại là L3 (1381.05 MHz) được sử dụng để phòng chống sự bùng nồ hạt nhân và tín hiệu L4 (1379.45 MHz) dùng để hiệu chỉnh thuộc về tầng điện ly.
H ệ th ống đị nh v ị GALILEO
Vào năm 1998, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Liên hiệp Châu Âu đã quyết định nghiên cứu một hệ thống định vị vệ tinh riêng cho khu vực Châu Âu Giống như các hệ thống GNSS khác, GALILEO cũng bao gồm ba thành phần chính.
-Trạm không gian (Space Segment)
-Trung tâm điều khiển (Control Segment)
Trạm không gian hiện có 30 vệ tinh, trong đó 27 vệ tinh đang hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng để đảm bảo hoạt động liên tục khi có sự cố Các vệ tinh này di chuyển theo quỹ đạo tròn với một góc nghiêng nhất định.
56 o Thời gian đi hết 1 quỹđạo của 1 vệ tinh là 14 giờ
Hình 1.5 H ệ thống định vị toàn cầu Galileo
Hình 1.6 V ệ tinh trong hệ thống định vị Galileo
Chúng ta sẽ tập trung vào tín hiệu L1 OS, một loại tín hiệu dành cho thiết bị mở Tín hiệu L1 OS được kỳ vọng đạt độ chính xác theo chiều ngang hơn 15m và chiều thẳng đứng là 35m, với độ chính xác về vận tốc tốt hơn 50cm/s và độ chính xác về thời gian dưới 100ns Đối với máy thu tần số kép, các thông số độ chính xác tương ứng là 7m cho chiều ngang, 15m cho chiều thẳng đứng, 20cm/s cho vận tốc và 100ns cho thời gian.
Tất cả các vệ tinh Galileo hoạt động trên các dải tần số khác nhau và áp dụng công nghệ CDMA Tín hiệu trải phổ được phát đi với các mã sắp xếp riêng biệt cho từng tín hiệu, tần số và vệ tinh Tín hiệu được truyền đi với sự phân cực tròn bên phải.
Tín hiệu L1 OS được phát ở tần số 175.42 MHz và bao gồm ba kênh A, B và C Kênh L1-A tương tự như L1 PRS, phục vụ cho các thiết bị điều hòa công cộng với tính năng truy cập giới hạn Các mã định vị và thông tin dẫn đường được mã hóa, trong khi tín hiệu dữ liệu L1-B và tín hiệu dữ liệu tự do L1-C cung cấp thông tin bổ sung.
Tín hiệu dữ liệu tự do, hay còn gọi là tín hiệu hoa tiêu, được tạo ra bởi mã ranging và không bị điều chế bởi dòng dữ liệu dẫn đường.
Tín hiệu L1 OS có chiều dài mã là 4092 với một tốc độ chip là 1.023 MHz, đưa ra một tốc độ lặp lại là 4ms
1.1.2.1 C ấu trúc của hệ thống Galileo
Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống Galileo
Các dịch vụ cung cấp bởi GALILEO:
Open Service (OS): miễn phí, có một lượng lớn các ứng dụng, phương pháp định vịđơn giản
Safely of Life (SoL): dành cho các ứng dụng mang tính chất nghiên cứu, với tín hiệu nguyên viện và xác thực
Commercial Service (CS): phục vụ cho các ứng dụng hàng hải, hàng không, giao thông mặt đất với chất lượng đảm bảo, có độchính xác và được mã hóa
Dịch vụ Công Chính Quy (PRS) là tín hiệu được cải thiện chất lượng và có độ sẵn sàng sử dụng cao, thường được áp dụng cho các dịch vụ của chính phủ.
Hỗ trợ dịch vụ Tìm kiếm và Cứu nạn (SAR) nhằm cung cấp các dịch vụ mạng nhân đạo, đảm bảo tính kịp thời, chính xác và khả năng phản hồi nhanh chóng.
1.1.2.2 Tín hiệu Galileo đối với thiết bị
Mỗi vệ tinh GALILEO liên tục phát tín hiệu vi ba dẫn đường băng L, được chia thành 4 băng tần: E1 (1575.75 MHz), E6 (1278.75 MHz), E5a (1176.45 MHz), E5b (1207.14 MHz) và E5 (1191.795 MHz).
Tần số trung tâm trong mỗi băng tần là tần số được đề cập Tín hiệu Galileo cung cấp độ phủ sóng cho các thiết bị ở vùng nội thành lên đến 95%, trong khi tín hiệu GPS chỉ đạt 55% Dưới đây là danh sách các ứng dụng của tín hiệu Galileo.
B ảng 1.1 Ứng dụng của tín hiệu Galileo
Tên tín hiệu Ứng dụng của tín hiệu
E1 Các thiết bịthương mại, thiết bị mở và thiết bị an toàn trong đời sống E6 Các thiết bịthương mại E5a Các thiết bị mở
E5b Các thiết bịthương mại, thiết bị mở và thiết bị an toàn trong đời sống
Hệ thống Galileo mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với GPS, nhưng sự kết hợp của các vệ tinh độc lập từ cả hai hệ thống này là rất quan trọng cho an ninh Vì vậy, việc thiết kế máy thu tích hợp GPS và Galileo là ưu tiên hàng đầu trong hệ thống GNSS, nhằm tạo ra thiết bị có khả năng định vị nhanh chóng và chính xác hơn.
Tín hi ệ u GPS và GALILEO
Tín hiệu GPS được phát sóng trên hai tần số trong băng tần UHF, bắt đầu từ tần số cơ bản 23 MHz Hai tần số chính của tín hiệu GPS là L1 ở 1575,42 MHz và L2 ở 1227,60 MHz.
Hình 1.8 Ph ổ tín hiệu GPS
Tín hiệu GPS gồm 3 thành phần là: dữ liệu định vị, sóng mang và mã trải phổ:
• Dữ liệu định vị: chứa các thông tin về vệ tinh, thông tin này được chuyển tới các vệ tinh khác nhờ trạm điều khiển ở mặt đất
Mã trải phổ là phương pháp mở rộng phổ tín hiệu gửi đi, giúp tín hiệu trở nên giống như nhiễu, từ đó tăng cường bảo mật và khả năng chống nhiễu Trong hệ thống GPS, mỗi vệ tinh sử dụng hai loại mã trải phổ: C/A code và P code C/A code là chuỗi 1023 chip với tốc độ 1,023 MHz, trong khi P code dài hơn và có tốc độ gấp 10 lần so với C/A code C/A code chỉ được điều chế trên tín hiệu L1, trong khi P code được điều chế trên cả hai tín hiệu L1 và L2.
• Sóng mang: sử dụng tần sốL1 và L2 điều chế dữ liệu định vị (sau khi nhân với mã trải phổ) và truyền đi.
Quy trình tạo tín hiệu:
• Bộ giới hạn (limiter): ổn định tín hiệu trước khi nhân với mã P(Y) và C/A
• Bộ tạo dữ liệu (Data generator): tạo dữ liệu định vị
• Các bộ tạo mã (Code generators): tạo các mã P(Y) và C/A
Dữ liệu định vị (data) được cộng module với 2 mã P(Y) và C/A
Tín hiệu C/A code xor data và P(Y) code xor data được đưa vào hai bộ điều chế pha nhị phân với tần số L1, lệch pha 90 độ Sau khi giảm biên độ thành phần tín hiệu chứa mã P(Y) đi 3dB, hai thành phần tín hiệu sau điều chế được cộng lại để tạo ra tín hiệu L1.
Mã C/A được sử dụng phải thỏa mãn 2 tính chất quan trọng:
• Gần như không tương quan chéo với mã C/A của các vệ tinh khác
• Gần như không tựtương quan (trừtrường hợp độ trễ bằng 0)
Các chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRN) của mã C/A được tạo ra bởi bộ ghi dịch hồi tiếp 10 bit (Feedback Shift Register), trong đó xung đồng hồ được đưa vào ở bit thứ nhất và mã C/A được lấy ra từ bit thứ 10 Đặc tính của bộ ghi dịch hồi tiếp phụ thuộc vào cách nhận thông tin tại bit 1, và vệ tinh GPS sử dụng loại bộ ghi dịch hồi tiếp Tap (Tapped Feedback Shift Register).
Bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap 10 bit được sử dụng để tạo mã C/A cho vệ tinh, với bộ G1 có đa thức 1+ + và G2 có đa thức 1+ + + + Phương pháp lấy dữ liệu được minh họa trong hình 2.1, cho phép tạo mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN1 bằng cách làm trễ mã PRN thông qua việc lựa chọn các cặp đầu ra (Tap) khác nhau Nhiều cặp trị số Tap khác nhau được áp dụng để tạo ra một bộ đầy đủ gồm 32 mã nhiễu giả ngẫu nhiên.
Hình 1.9 Sơ đồ tạo mã C/A
Tín hiệu Galileo được thiết kếđể khắc phục một số nhược điểm của tín hiệu
GPS, đáp ứng yêu cầu thu tín hiệu trong những điều kiện mà GPS không thu được
(trong rừng, trong nhà, …) Tín hiệu L1 OS của Galileo được truyền với tần số
1575.42 MHz, gồm 3 kênh A (kênh hạn chế, dữ liệu được mã hóa), B (kênh dữ liệu public) và C (kênh pilot)
Phổ tín hiệu Galileo có băng thông truyền là 40 x 1.023 MHz @ 0.92 MHz, với công suất thu nhỏ nhất đối với tín hiệu L1 OS đạt -157 dBW Chiều dài chip của mã định vị (ranging code) cũng là một yếu tố quan trọng trong hệ thống này.
Những chips hiện tại đối với những vệ tinh riêng biệt sinh ra từ code Gold bị cắt bỏ Tốc độchip càng cao thì độ chính xác càng lớn
Các tốc độranging code tương ứng là:
Và tốc độ sóng mang con:
Kênh C sử dụng cả primary và secondary code với chiều dài tương ứng là
Chip 4092 và chip 25 sử dụng mã chính là chuỗi Gold, nhưng khi số chip đạt 4092, thanh ghi sẽ được reset về trạng thái ban đầu Chuỗi Gold được tạo ra bằng cách thêm modulo-2 vào đầu ra từ hai thanh ghi dịch Trong trạng thái ban đầu, thanh ghi đầu tiên chỉ chứa một, trong khi thanh ghi thứ hai phụ thuộc vào sóng mang con và vệ tinh.
Phần tử tín hiệu giành cho kênh B là kết quả của việc thêm vào modulo-2 của dòng dữ liệu dẫn đường , chuỗi PRN code và sóng mang con B
Phần tử cuối gọi là Tương tự với kênh C, phần tử tín hiệu là kết quả của việc thêm vào modulo-2 của chuỗi PRN code và sóng mang con C
Phần tử cuối được gọi là Tín hiệu nhị phân được thể hiện qua các phương trình cụ thể Để tạo tín hiệu Galileo, tín hiệu L1 OS của Galileo được phân chia thành hai thành phần I và Q, tương tự như GPS Tín hiệu này được tạo ra để truyền đi ở baseband với một dạng nhất định.
Sau khi xử lý và thêm vào sóng mang của L1 OS ta có tín hiệu được truyền đi từ vệ tinh:
1.1.3.3 Sựtương thích giữa tín hiệu GPS và GALILEO
Có ba băng tần giành cho tín hiệu GPS truyền đi, đó là L5,L2 và L1 Có 4 băng tần giành cho tín hiệu Galileo truyền là E5 (E5a + E5b), E6 và E1
Hình 1.11 Băng tần GPS/GALILEO
Bài viết chỉ ra rằng băng tần L1 của GPS và E1 của GALILEO, cũng như L5 của GPS và E5a của GALILEO, có sự chung tần số trung tâm, điều này làm cho các bộ thu định vị trở nên phức tạp hơn Các bộ thu cần phải thu nhận và phân tách hai loại tín hiệu trên cùng một kênh truyền Để giải quyết vấn đề này, chúng ta có thể xây dựng bộ thu định vị cho cặp băng tần L1, E1 với tần số trung tâm fc = 1575,42 MHz và L5, E5a với fc = 1176,45 MHz Đồ án này sẽ tập trung vào việc phát triển bộ thu xử lý cặp băng tần L1, E1, phục vụ cho các dịch vụ dân sự của GPS và GALILEO.
Bảng 2 tổng kết chuẩn GPS và Galileo như sau:
Máy thu GPS/GNSS
C ấ u trúc c ủ a máy thu GPS/GNSS
Máy thu GPS có nhiều loại với các nhiệm vụ khác nhau, nhưng nhìn chung, chúng đều có cấu tạo chung Các máy GPS thường có sơ đồ khối tương tự nhau, như minh họa trong hình 1.12.
Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý máy thu GPS
L ọ c và khu ếch đạ i tín hi ệ u cao t ầ n
Tầng đầu tiên của máy thu GPS là tầng cao tần, có nhiệm vụ lọc và khuếch đại tín hiệu GPS từ vệ tinh Do tín hiệu vào máy thu rất yếu và dễ bị nhiễu, cần khuếch đại tín hiệu cao tần từ 35 đến 55dB để xử lý hiệu quả Tầng cao tần còn bao gồm bộ lọc thông dải (BPF) để loại bỏ nhiễu mà không ảnh hưởng đến tín hiệu GPS Băng thông danh định của tín hiệu GPS là 20MHz, và mặc dù mong muốn sử dụng bộ lọc thông dải 20MHz để loại bỏ hoàn toàn nhiễu, thực tế cho thấy khó khăn trong việc xây dựng bộ lọc có tỷ lệ băng thông trên tần số sóng mang thấp Do đó, nhiều bộ lọc băng rộng được sử dụng để giảm nhiễu cao tần, trong khi bộ lọc băng hẹp (SCF) sẽ được áp dụng khi tín hiệu đã được đưa xuống tần số trung tần.
Đổ i t ầ n và khu ếch đạ i trung t ầ n
Sau khi tín hiệu GPS được khuếch đại ở tần số cao, nó sẽ được chuyển xuống tần số trung tần để tiếp tục quá trình lọc và khuếch đại Quá trình này, gọi là đổi tần, giúp tối ưu hóa tín hiệu GPS cho các ứng dụng tiếp theo.
Để nâng hệ số khuếch đại tổng hợp vượt ngưỡng khuếch đại ở tầng cao tần, cần chú ý không để hệ số này quá cao nhằm tránh dao động ký sinh gây khó khăn trong điều khiển Bộ lọc băng hẹp SCF không hoạt động hiệu quả ở tần số cao tần, do đó, nếu hệ số khuếch đại cao tần quá lớn, trung tần cuối sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi nhiễu cận băng Để khắc phục vấn đề này, thiết kế nhiều bộ khuếch đại ở các tầng trung tần là giải pháp hiệu quả, giúp nâng cao hệ số khuếch đại tổng mà không làm ảnh hưởng xấu đến tín hiệu GPS.
Sau khi đổi tần, tỉ lệ băng thông tín hiệu tại tần số trung tâm tăng lên, cho phép xây dựng các bộ lọc băng hẹp SCF Những bộ lọc này thường được sử dụng trước các bộ khuếch đại trung tần để ngăn chặn nhiễu từ các tín hiệu ngoại băng Các bộ lọc thường gặp ở đây là bộ lọc sóng mặt SAW (Surface Acoustic Wave).
- Đổi tần sẽ đưa tín hiệu GPS xuống tần số thấp hơn làm cho việc lấy mẫu tín hiệu trở lên đơn giản.
Quá trình đổi tần diễn ra khi tín hiệu GPS được nhân với tín hiệu sin từ bộ dao động nội (LO) trong bộ trộn (Mixer) Tần số của tín hiệu tại bộ dao động có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn tần số của tín hiệu GPS.
Sau bộ trộn, tín hiệu trung tần bao gồm cả tín hiệu tổng hai tần số, nhưng thành phần này bị chặn bởi bộ lọc thông dải Có hai tín hiệu trung tần được tạo ra: một tín hiệu từ tần số bộ dao động nội trừ đi tần số sóng mang, và tín hiệu còn lại gọi là “tín hiệu ảnh” Mặc dù tín hiệu ảnh có thể được lọc, việc này gặp khó khăn do khoảng cách giữa hai tín hiệu chỉ là hai tần số trung tần Vì vậy, cần thực hiện việc đổi tần nhiều lần để loại bỏ tín hiệu ảnh không mong muốn một cách hiệu quả.
Thông thường, tín hiệu GPS được chuyển đổi hai lần xuống trung tần từ 4 đến 20MHz để lấy mẫu với tốc độ hợp lý Tuy nhiên, với máy thu đặc chủng, trung tần được giữ ở mức cao từ 30 đến 100MHz chỉ với một lần đổi tần, nhờ vào công nghệ hiện đại cho phép lấy mẫu và số hóa tín hiệu ở tần số này.
S ố hóa tín hi ệ u GPS
Trong các máy thu GPS hiện đại, tín hiệu số đóng vai trò quan trọng trong việc bám tín hiệu vệ tinh, đo cự ly, tần số Dopler và giải điều chế dữ liệu với tốc độ 50Kbit/s Để tận dụng ưu điểm của tín hiệu số, tín hiệu GPS cần được lấy mẫu và số hóa thông qua bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) Quá trình lấy mẫu thường diễn ra ở trung tần cuối, nhưng trong một số trường hợp, tín hiệu có thể được đổi tần xuống băng cơ sở trước khi lấy mẫu Tốc độ lấy mẫu phải tuân theo quy luật Nyquist, nghĩa là phải lớn hơn ít nhất hai lần tần số tín hiệu trung tần.
Hầu hết các máy thu hiện nay sử dụng phương thức lượng tử hóa 1 bit để lấy mẫu, vì đây là phương pháp đơn giản và ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi điện áp Điều này giúp máy thu không cần bộ tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (AGC) Mặc dù lượng tử hóa 1 bit có thể nắn méo tín hiệu, nhưng khi có tạp trắng với năng lượng cao hơn tín hiệu chính, việc lấy mẫu trở nên khó khăn Hơn nữa, lượng tử hóa 1 bit cũng làm giảm tỉ lệ tín hiệu trên tạp, một thông số quan trọng trong việc đánh giá chất lượng tín hiệu.
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) khoảng 2 dB và hiện tượng “hiệu ứng giữ chỗ” đối với nhiễu năng lượng cao khiến tín hiệu dễ bị ảnh hưởng Các máy thu đặc chủng thường sử dụng phép lượng tử hóa từ 1,5 bit (3 mức) đến 3 bit (8 mức), trong đó lượng tử hóa 3 bit có khả năng chống nhiễu tốt hơn nhiều so với lượng tử hóa 1 bit Để tối ưu hóa quá trình lượng tử hóa đa bit, mức tín hiệu tối đa đưa vào bộ chuyển đổi ADC cần phải đúng bằng khoảng cho phép của bộ chuyển đổi Vì vậy, máy thu GPS cần có bộ tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (AGC) để giữ mức tín hiệu đầu vào ADC không vượt quá ngưỡng cho phép.
X ử lý tín hi ệu băng cơ sở
Xử lý tín hiệu băng cơ sở là quá trình thực hiện các thuật toán thời gian thực trên phần cứng và phần mềm của máy thu để truy cập và bám tín hiệu GPS Quá trình này bao gồm giải mã bản tin dẫn đường, đo đạc cự ly theo mã hoặc theo pha sóng mang, và tính toán tần số Doppler Xử lý tín hiệu băng cơ sở được chia thành hai phần chính.
- Bám tần số và pha sóng mang
- Bám mã và giải trải phổ tín hiệu.
Các ứ ng d ụng GPS/GNSS
GPS đố i v ớ i an ninh qu ố c phòng
Hệ thống định vị GALILEO được phát triển nhằm phục vụ cho mục đích dân sự, trong khi GPS và GLONASS ban đầu được thiết kế cho quốc phòng của Mỹ và Nga Khả năng xác định vị trí chính xác của cả mình và đối phương đóng vai trò quan trọng trong quân sự Ứng dụng của GPS và GLONASS đã mở rộng mạnh mẽ, cho phép định vị chính xác máy bay chiến đấu, máy bay dân dụng, nhảy dù, tàu chiến, cũng như hỗ trợ trong việc điều khiển tên lửa và ngắm bắn mục tiêu Ngoài ra, các thiết bị thăm dò, theo dõi và tấn công không người lái cũng dựa vào khả năng định vị này.
Xác định chính xác vị trí mục tiêu mang lại lợi thế lớn trong đánh giá và tấn công Với công nghệ quân sự hiện đại của Mỹ, tên lửa có khả năng tấn công mục tiêu từ khoảng cách xa với độ chính xác cao.
Trong chiến tranh Vùng Vịnh (1991) và chiến tranh Irắc (2003), quân đội Mỹ đã sử dụng 16 trong tổng số 24 vệ tinh của hệ thống GPS để định vị và dẫn đường cho binh lính và vũ khí, mang lại hiệu quả cao trên chiến trường Hầu hết tên lửa và bom trong hai cuộc chiến này đều được trang bị hệ thống định vị GPS, nổi bật là tên lửa hành trình Tomahawk và bom JDAM.
Tên lửa hành trình Tomahawk là một loại tên lửa thông minh phổ biến, nổi bật với khả năng bay thấp dưới tầm quét của radar Với tầm bắn xa, Tomahawk có khả năng chính xác cao trong việc tấn công các mục tiêu.
Trong cuộc chiến tranh Iraq năm 2003, các cuộc tấn công chính xác từ xa đã cho phép lực lượng Mỹ nhắm vào các tòa nhà chính phủ và vị trí trọng yếu mà không gây thương vong lớn cho dân thường Đặc biệt, thương vong của quân đội Mỹ trong giai đoạn đầu được hạn chế tối đa khi họ thực hiện các cuộc tấn công bằng tên lửa từ ngoài khơi, giúp gây thiệt hại lớn cho Iraq mà không cần tham chiến trực tiếp.
Bom JDAM hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết nhờ vào hệ thống định vị GPS Được trang bị bộ công cụ đuôi bao gồm thăng bằng đuôi điều chỉnh, máy tính điều khiển, hệ điều khiển quán tính và máy thu tín hiệu GPS, bom này có độ chính xác cao, thường rơi trúng vị trí đã được định vị Trước khi thả bom, máy bay sử dụng máy thu tín hiệu GPS để xác định vị trí của mình và mục tiêu dưới mặt đất Khi sắp thả bom, máy bay truyền tọa độ của cả máy bay và mục tiêu cho bom Trong quá trình rơi, bom liên tục cập nhật tọa độ từ hệ thống GPS, cho phép hệ điều khiển ở đuôi bom dẫn hướng chính xác đến mục tiêu với sai số dưới 13m.
Mặc dù hệ thống dẫn đường GPS được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị quân sự, nhưng không phải lúc nào chúng cũng hoạt động hiệu quả Có những trường hợp tên lửa và bom không đến đúng mục tiêu, dẫn đến hậu quả nghiêm trọng và thương vong cho dân thường.
GPS đố i v ớ i n ề n công nghi ệ p
Bản đồ chính xác và được cập nhật đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các công ty điện tử, dầu khí và thủy lợi trong việc lập kế hoạch và duy trì tài sản Hệ thống GPS/GIS cung cấp công cụ hiệu quả và chính xác để tạo ra bản đồ thực tế, giúp xác định vị trí các đường dẫn ga cùng với các đặc điểm và điều kiện của chúng Thông tin thu thập được từ hệ thống GIS sẽ được sử dụng để cập nhật bản đồ, đảm bảo tính chính xác và kịp thời.
Trong môi trường có tín hiệu GPS kém, như ở những ngóc ngách trong thành phố, việc sử dụng hệ thống tích hợp GPS và LRF trở nên rất hữu ích Hệ thống này là công cụ hiệu quả để tạo ra bản đồ, với máy thu GPS duy trì tín hiệu tốt nhất trong khi LRF cung cấp thêm thông tin về độ rộng và góc phương vị Phần mềm tích hợp có khả năng kết hợp thông tin từ cả GPS và LRF, nâng cao độ chính xác trong việc định vị và lập bản đồ.
Việc sử dụng GPS để xác định vị trí các phần bị chôn như cáp điện và ống nước mang lại hiệu quả cao Công nghệ này cho phép xác định chính xác thông tin vị trí và độ sâu của các phần bị chôn mà không cần đánh dấu trên mặt đất, đồng thời cung cấp một giải pháp tiết kiệm chi phí.
Hình 1.13 GPS v ới nền công nghiệp thực tiễn
GPS đố i v ớ i khai thác m ỏ
Gần đây, các nghiên cứu về mỏ đã chỉ ra rằng phương pháp khoan cần được cải thiện để đảm bảo độ chính xác trong việc xác định độ sâu và kiểm tra hiệu suất của máy khoan trong các lớp địa lý khác nhau Việc chôn hoặc thay thế cọc cũng phụ thuộc vào kết quả môi trường của mỏ Tuy nhiên, sự phát triển của hệ thống định vị hiện đại như GPS RTK đã mang lại bước tiến lớn trong việc điều khiển khai thác mỏ Cụ thể, RTK GPS cung cấp độ chính xác tới cm, hỗ trợ hiệu quả cho các hoạt động như khoan, xúc, giao thông vận tải và trắc địa, nhờ vào việc kết hợp với các hệ thống định vị khác, chủ yếu là vệ tinh nhân tạo.
Hình 1.14 GPS đối với việc khai thác mỏ
Chu trình khai thác mỏ bao gồm nhiều giai đoạn, trong đó khai thác quặng là giai đoạn quan trọng nhất Quá trình này bắt đầu bằng việc khoan mẫu theo kích thước đã được xác định trước, sau đó tiến hành cho nổ Mô hình nổ được thiết kế dựa trên kích thước cần làm vỡ đá để đảm bảo hiệu quả khai thác.
Việc xác định vị trí khoan là rất quan trọng, và một phương pháp hiệu quả là tích hợp GPS với hệ thống định vị và kiểm tra trên máy tính cùng phần mềm khoan lỗ Một số hệ thống sử dụng hai máy thu GPS đặt trên cột anten để xác định chính xác vị trí và hướng khoan Các thiết kế máy khoan được truyền đến bản mạch qua sóng vô tuyến, giúp hệ thống tích hợp điều khiển khoan một cách chính xác.
Hệ thống khoan hoàn toàn tự động không cần khoanh cọc, hiển thị thông tin quan trọng như vị trí và độ sâu của giếng khoan Người điều khiển có thể theo dõi độ sâu mục tiêu cần đạt được Thông tin về độ cứng của đá và sản xuất mỏ được tích lũy và gửi đến phòng điều hành qua đường vô tuyến trong thời gian ngắn Dữ liệu này không chỉ giúp kiểm tra quá trình khoan mà còn hỗ trợ trong việc nghiên cứu các loại đá, phục vụ cho kế hoạch tương lai.
GPS cũng được sử dụng điều khiển chính xác tới cm cho việc ủi (hình 1.15)
Máy ủi được sử dụng trong việc chở quặng, sau đó chuyển nó và dỡ nó khỏi kho.
Hệ thống tích hợp GPS cùng với hướng dẫn sử dụng và kiểm tra giúp người điều khiển thực hiện các thao tác chính xác Thiết bị hoạt động tự động, không cần sự can thiệp của các phương pháp điều khiển truyền thống.
Tương tự như khoan, hoạt động này được gửi tới phòng điều hành trong thời gian gần nhất thông qua vô tuyến để kiểm tra và phân tích.
Hình 1.15 GPS v ới khai thác địa chất
Trong việc chuyển quặng, việc sử dụng xe chuyên chở cần thay đổi tuyến đường và các đoạn dốc để đảm bảo hiệu quả Các vấn đề về lưu lượng và an toàn sẽ được xem xét nếu các tuyến đường không tối ưu, dẫn đến thời gian vận chuyển kéo dài Công nghệ GPS, thông tin vô tuyến và hệ thống máy tính trên xe giúp giải quyết các vấn đề này một cách hiệu quả Nhờ vào hệ thống máy tính, xe kéo có thể được hướng dẫn tới những tuyến đường tốt nhất Hơn nữa, trung tâm thông điệp thu thập thông tin về trạng thái của từng xe, bao gồm điều kiện giao thông Việc phân tích tuyến giao thông là rất quan trọng để thiết kế lộ trình một cách tối ưu.
GPS được áp dụng trong các giai đoạn thác của quá trình khai thác mỏ, chẳng hạn như kiểm tra các điểm giao nhau và đo lường âm lượng.
GPS-RTK và GPS không tích hợp RTK đều được sử dụng trong các trường hợp trên
GPS đố i v ới đo đạc đị a ch ấ t
Các vụ nổ và dầu yêu cầu bản vẽ địa chất lớp dưới bề mặt thông qua đo trắc địa, trong đó năng lượng âm tần số thấp được truyền xuống lớp đá dưới mặt đất Các nguồn năng lượng âm được chọn làm vật tạo rung động, với bản kim loại được nén xuống đất để tạo ra năng lượng sóng âm Dynamit thường được sử dụng trong các vùng nhám Khi năng lượng âm xuyên qua các lớp đá khác nhau, nó bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi vật lý của các loại đá, dẫn đến một phần tín hiệu bị phản xạ trở lại Năng lượng phản xạ này được tách bởi thiết bị đặc biệt gọi là máy dò âm thanh dưới đất, được đặt ở khoảng cách từ nguồn năng lượng Tín hiệu thông tin do máy dò cung cấp tương ứng với năng lượng phản xạ và được ghi lại trên băng từ để phân tích và làm sáng tỏ.
Hình 1.16 GPS đối với việc đo đạc địa chất
Để đảm bảo dữ liệu mặt đất có giá trị, việc xác định chính xác vị trí của các nguồn năng lượng và máy dò âm thanh dưới mặt đất là rất quan trọng Hệ thống GPS được áp dụng để cung cấp thông tin định vị, trong khi việc tích hợp GPS/GLONASS và hệ thống đo khí áp số GPS đã chứng minh hiệu quả ngay cả trong điều kiện tín hiệu thu được yếu.
Cùng với GPS, việc giảm ảnh hưởng của môi trường(như chặt cây) cũng như giá cả của đo trắcđịa là rất quan trọng.
GPS đố i v ớ i v ẽ b ản đồ đáy biể n
Để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong nghề hàng hải, việc nắm rõ độ sâu mực nước và đáy biển là vô cùng quan trọng Sự chính xác trong việc đo độ sâu không chỉ giúp tối ưu hóa khả năng chở hàng mà còn là yếu tố sống còn trong các khu vực có độ nông sâu khác nhau Phương pháp truyền thống để đo độ sâu là sử dụng dòng tín hiệu từ dụng cụ đo độ sâu gắn trên thuyền, kết hợp với sóng âm để xác định độ sâu thông qua thời gian phản hồi của sóng Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là tốn thời gian và không cung cấp thông tin đầy đủ về đáy biển, trong khi độ chính xác và độ tin cậy cần được kiểm tra lại bằng dây dò sâu và dây ngang qua.
Trong những năm gần đây, sự phát triển của kỹ thuật vẽ đáy biển đã được cải tiến nhờ vào sự kết hợp giữa máy phát tín hiệu âm thanh đa dòng, GPS và INS Thiết bị này sử dụng sóng âm thanh đa dòng ở các góc khác nhau để thu thập thông tin toàn diện về đáy biển, mang lại độ chính xác cao hơn so với máy phát dòng đơn Kỹ thuật phát đa dòng cho phép thiết kế các tuyến đường dựa trên quang học, với khoảng cách giữa các tuyến được xác định bởi độ sâu nước, bước sóng ánh sáng và độ nghiêng của đáy biển Đồng thời, định vị GPS đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo rằng các tàu thuyền di chuyển theo tuyến đường đã được thiết kế.
Để đảm bảo độ chính xác trong định vị và trạng thái của các tàu, máy phát đa dòng yêu cầu một góc cắt rộng Điều này đặc biệt quan trọng đối với các tàu ở xa Hệ thống tích hợp GPS/INS được sử dụng để đáp ứng yêu cầu này, với một số nhà sản xuất phát triển hệ thống trang bị hai máy thu GPS và anten Hệ thống này không chỉ cung cấp vị trí chính xác mà còn ước lượng hướng đi của tàu một cách hiệu quả, bất chấp các yếu tố động lực học và vị trí của tàu.
Một kỹ thuật phổ biến trong thủy văn học là hệ thống đo độ sâu của biển bằng máy bay (LBS) LBS hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm biến laser phát ra dòng laser, sau đó dòng laser này bị phản xạ từ bề mặt biển và đáy biển Khoảng cách được tính dựa trên độ chênh lệch thời gian giữa hai lần phản xạ, cho phép tạo ra bản đồ 3-D chính xác.
Hình 1.17 GPS đối với việc vẽ bản đồ đáy biển
Phương pháp nhận thông tin về độ sâu, vị trí và hướng của laser dựa trên GPS và quán tính INS mang lại hiệu quả cao, đặc biệt trong việc vẽ bản đồ ở những khu vực khó khăn như hành lang chật hẹp Tuy nhiên, phương pháp này có giới hạn ở các khu vực nước sâu, tối đa chỉ 50m, và còn phụ thuộc vào độ trong của nước.
GPS đố i v ớ i d ẫn đườ ng
Khi di chuyển trong những khu vực lạ, người điều khiển phương tiện thường sử dụng bản đồ để xác định hướng đi, nhưng việc sử dụng bản đồ giấy có thể không an toàn, đặc biệt trong khu vực đông người Để khắc phục khó khăn này, một kỹ thuật mới đã được phát triển, kết hợp giữa GPS, bản đồ số và hệ thống máy tính, giúp định tuyến điện tử một cách hiệu quả và an toàn hơn.
GPS đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí liên tục của xe, đặc biệt trong các khu vực bị che khuất như hẻm núi hay ngầm Để khắc phục tình trạng mất tín hiệu GPS, hệ thống DR được bổ sung, sử dụng đồng hồ đo lường, dụng cụ đo gia tốc, la bàn và con quay để xác định hướng đi và khoảng cách di chuyển của xe Hệ thống này đảm bảo độ chính xác cao khi được xác định trong khoảng thời gian ngắn.
Hệ thống GPS tích hợp vào bản đồ điện tử giúp xác định vị trí xe cộ và duy trì cơ sở dữ liệu thông tin như tên phố, danh sách doanh nghiệp và sân bay Khi người lái xe nhập đích đến, máy tính sẽ tìm ra tuyến đường tối ưu, xem xét các yếu tố như quãng đường ngắn nhất, thời gian di chuyển, đường một chiều và các hạn chế trong giờ cao điểm Một số hệ thống cho phép người lái xe cài đặt các yếu tố để tránh tai nạn Người lái xe nhận hướng dẫn qua âm thanh hoặc hình ảnh để đến đích Nếu lỡ quên đường, hệ thống sẽ cảnh báo và tìm tuyến đường tốt nhất dựa trên vị trí hiện tại Ngoài ra, một số công ty cung cấp hệ thống di động để cập nhật thời tiết, thông tin giao thông và vị trí xe trong trường hợp khẩn cấp, đồng thời cho phép lái xe truy cập Internet từ xe.
Hình 1.18 GPS v ới dẫn đường
Dẫn đường GPS đã trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống hàng ngày, đặc biệt là tại Việt Nam, nơi mà các phương tiện dẫn đường cho xe cộ ngày càng phổ biến Sự phát triển của công nghệ GPS/GPRS đã giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc định vị và dẫn đường, mang lại trải nghiệm thuận tiện cho người sử dụng.
D ị ch v ụ cung c ấ p thông tin v ề v ị trí đị nh v ị
Dịch vụ cung cấp thông tin dựa trên vị trí của khách hàng LBS
Dịch vụ dựa trên vị trí (Location-Based Service) cung cấp thông tin cần thiết theo yêu cầu của khách hàng, dựa trên một thư viện dữ liệu về cơ sở hạ tầng của thành phố và khả năng tự định vị của người sử dụng thông qua điện thoại di động hoặc PDA (Personal Digital Assistant).
Dịch vụ LBS cung cấp thông tin chính xác và cụ thể cho khách hàng dựa trên vị trí của họ, mang lại sự thuận tiện và tiết kiệm thời gian Loại hình dịch vụ này hứa hẹn hiệu quả cao và đã thu hút sự quan tâm từ nhiều lĩnh vực, bao gồm công nghệ thông tin, thiết bị điện tử, ngành giải trí, tìm kiếm cứu hộ và nghiên cứu xã hội.
Ngành dịch vụ này yêu cầu sự hợp tác phát triển từ nhiều lĩnh vực kỹ thuật như công nghệ vi tính, vi điện tử, công nghệ thông tin liên lạc vô tuyến và hệ thống thông tin địa lý Các công nghệ này kết hợp tạo thành một mạng lưới liên lạc vô tuyến, cho phép trao đổi dữ liệu và thông tin giữa người sử dụng và trung tâm cung cấp dịch vụ Hệ thống được mô tả trong hình 1.19, trong đó yêu cầu của khách hàng được ký hiệu bằng dấu hỏi và thường được lập trình bằng WML (Wireless Mobile Language), sau đó được truyền qua mạng Internet vô tuyến.
Dịch vụ LBS đóng một vai trò rất quan trọng trong các trường hợp khẩn cấp
Khi bạn lái xe trên đường cao tốc và xe bị hỏng, dịch vụ LBS giúp bạn nhanh chóng yêu cầu sửa chữa mà không cần phải mô tả vị trí, vì hệ thống sẽ tự động xác định địa điểm của bạn Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo bạn nhận được sự giúp đỡ kịp thời Tương tự, trong trường hợp khẩn cấp như đau tim, người bệnh chỉ cần ấn nút gọi cấp cứu, và hệ thống sẽ nhanh chóng liên lạc với dịch vụ y tế, cung cấp thông tin vị trí chính xác để hỗ trợ kịp thời.
Dịch vụ LBS cung cấp thông tin về vị trí và chỉ đường đến các địa điểm gần nhất dựa trên vị trí hiện tại của khách hàng, như bệnh viện, nhà hàng, rạp chiếu phim, nơi đỗ xe và máy rút tiền tự động Khách hàng có thể nhanh chóng nhận được thông tin về địa điểm cần tìm và chỉ dẫn cụ thể nếu cần Dịch vụ này đã được phát triển tại nhiều thành phố lớn thu hút du lịch ở Nhật Bản, châu Âu, Mỹ và Úc.
Hình 1.19 H ệ thống dịch vụ LBS
Dịch vụ LBS có thể hỗ trợ hiệu quả cho người khiếm thị trong việc di chuyển dễ dàng trong thành phố, tương tự như việc cung cấp chỉ đường cụ thể dựa trên vị trí của họ.
Hạn chế lớn nhất trong việc áp dụng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu cho dịch vụ LBS là khả năng thu nhận tín hiệu yếu từ vệ tinh, đặc biệt ở khu đô thị đông đúc, nơi nhu cầu cao Tín hiệu vệ tinh thường bị mất hoặc yếu khi người dùng vào trong nhà hoặc dưới cây cối dày đặc Hiện tượng đa đường truyền trong khu đô thị cũng ảnh hưởng đến chất lượng định vị Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để tìm giải pháp cho vấn đề này, bao gồm phát triển máy thu GPS nhạy và các phương pháp xử lý số liệu tinh vi, mang lại kết quả khả quan Tuy nhiên, yêu cầu từ các nhà cung cấp dịch vụ LBS đối với công nghệ định vị ngày càng tăng cao.
Các nhà cung cấp dịch vụ định vị kỳ vọng vào khả năng phối hợp giữa hệ thống Galileo và GPS, với độ chính xác đạt 10 mét ở bất kỳ địa điểm nào và vào bất kỳ thời điểm nào.
GPS v ớ i vi ệc đo đị a ch ấ n bi ể n
Nguyên tắc đo địa chấn biển tương tự như đo địa chấn trên đất liền, trong đó năng lượng tần thấp được truyền vào các lớp đá và năng lượng phản xạ trở lại bề mặt để thu thập thông tin về thành phần của đá.
Sự khác biệt trong các phương pháp nghiên cứu biển phụ thuộc vào độ sâu của mặt nước Độ sâu này được đo bằng dây cáp, hay còn gọi là cờ dải, kết hợp với các thiết bị như ống nghe dưới nước để tách năng lượng phản xạ Tín hiệu từ cáp được chia thành 4 đến 8 phần song song, mỗi phần có độ dài vài km Năng lượng tần số thấp được phát ra bằng súng bắn dưới nước ở độ sâu khoảng 6m Trong vùng nước nông, cả hai phương pháp này đều được áp dụng.
Hình 1.20 GPS v ới việc đo đạc địa chấn biển
Việc đặt cáp ở giữa đại dương (OBC) là một kỹ thuật mới cho vùng nước sâu trên 200m, kết hợp ống nghe và máy dò âm thanh dưới nước trong máy thu tín hiệu để giảm tiếng vang Để đạt được kết quả chính xác, vị trí của nguồn năng lượng và ống nghe cần được xác định chính xác, điều này được thực hiện dễ dàng và tiết kiệm chi phí nhờ vào công nghệ GPS Ngoài ra, GPS cũng cho phép kiểm tra lại các điểm một cách chính xác.
Việc kiểm tra quá trình hoạt động của đo địa chấn biển dưới nước là cực kỳ quan trọng, do đó, chất lượng kiểm soát (QC) cũng cần được chú trọng để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong các nghiên cứu địa chấn.
QC, công nghiệp địa chất đã đề xuất việc sử dụng 2 hệ thống định vị độc lập, với GPS là chính.
Ứ ng d ụ ng c ủ a GPS t ạ i vi ệ t nam
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu đang ngày càng được chú trọng tại Việt Nam, phản ánh vai trò quan trọng của công nghệ này trong xu hướng phát triển toàn cầu Nhiều chương trình liên quan đã được đưa vào giảng dạy tại một số trường đại học trong nước, góp phần nâng cao nhận thức và ứng dụng công nghệ trong các lĩnh vực khác nhau.
Trong những năm gần đây, công nghệ định vị đã được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam, đặc biệt trong lĩnh vực đo đạc trắc địa bản đồ Hệ thống GPS chất lượng cao đã được sử dụng để xây dựng mạng lưới các điểm chuẩn mốc và tạo bản đồ Ngoài ra, công nghệ GPS còn hỗ trợ đánh giá chấn động của mặt đất và các cơ sở hạ tầng quan trọng như đập thủy điện Hòa Bình Một số trạm thu tín hiệu GPS đã được lắp đặt để cung cấp dịch vụ DGPS cho các khu vực địa phương, hướng tới việc mở rộng ra toàn quốc Công nghệ định vị vệ tinh cũng được áp dụng để giám sát biên giới Việt Nam, đặc biệt là với Trung Quốc, nhờ vào độ chính xác cao của nó.
Hiện nay, tại Việt Nam, nhiều cá nhân và tổ chức đã quen thuộc với máy thu GPS cầm tay có độ chính xác từ 10 đến 30m, tùy thuộc vào điều kiện sử dụng Các thiết bị định vị này đóng vai trò quan trọng trong các chuyến đi thực địa trong ngành Viễn thám và được sử dụng rộng rãi để xây dựng hệ thống thông tin địa lý (GIS) với độ chính xác thấp cho thành phố Hồ Chí Minh.
Dịch vụ LBS (Location-Based Services) đang được triển khai mạnh mẽ tại các công ty viễn thông hàng đầu ở Việt Nam, bao gồm dịch vụ định vị cho điện thoại di động và taxi Ứng dụng GPS đã thành công trong việc kiểm soát tốc độ tàu tốc hành, nhưng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu vẫn gặp khó khăn trong thị trường Việt Nam do thông tin vị trí đơn lẻ chưa mang lại giá trị cao Để phát huy giá trị của thông tin vị trí, cần xây dựng hệ thống thông tin địa lý (GIS) với dữ liệu phong phú về giao thông và cơ sở hạ tầng, tuy nhiên, việc số hóa bản đồ hiện tại gặp nhiều hạn chế về độ chính xác Các dịch vụ LBS tại đô thị cần sự hỗ trợ từ hệ thống GIS hoàn chỉnh và dữ liệu chính xác để đảm bảo thông tin đáng tin cậy cho người dùng Ngoài ra, nguồn vốn và nhân lực chuyên môn cũng còn thiếu để phát triển dịch vụ này Tuy nhiên, với sự phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật, thị trường GPS tại Việt Nam hứa hẹn sẽ trở nên hấp dẫn trong tương lai gần, khi nhiều điện thoại và ô tô mới đã được trang bị thiết bị thu GPS kết hợp với GPRS.
M ộ t s ố lo ại máy thu GPS đang đượ c s ử d ụ ng
Máy thu GPS có rất nhiều loại với những độ chính xác khác nhau từ 1 trăm cho tới hàng chục ngàn USD
Sau đây là hình ảnh về một số loại máy thu GPS:
Hình 1.21 M ột số loại máy thu GPS
Ngày nay với ứng dụng của tích hợp IC nên máy thu GPS nhỏ, và rất tiện sử dụng lại có giá thành rẻ hơn ngày trước rất nhiều.
Tùy vào ứng dụng của GPS mà có những loại máy thu khác nhau:
B ảng 1.3 Các loại máy thu GPS
Loại máy thu, chức năng Giá thành (USD) loại nhỏ cầm tay, dùng trong giải trí, thể thao (leo núi, dã ngoại, chèo thuyền…)
Loại lắp đặt trong xe hơi, bao gồm cả bản đồ đường giao thông và chỉ dẫn
Loại dùng trong hàng hải, có màn hình cỡ lớn và hệ thống liên lạc điện tử 400-3000
Loại dùng trong hàng không, có bản đồ 3000-15000
Loại dùng trong trắc địa bản đồ; dùng DGPS cho độ chính xác từ1m đến vài centimét
CÁC PHƯƠNG PHÁP HỖ TR Ợ ĐỊ NH V Ị
Phương pháp Time of Arrival (TOA)
Phương pháp định vị này sử dụng thiết bị di động để đo tín hiệu từ ít nhất 3 trạm BTS, cho phép xác định vị trí thông qua trilateration hoặc multilateration Lợi thế của phương pháp này là không cần khối LMUs trong mạng, tuy nhiên, nhược điểm là thiết bị di động cần có cơ sở dữ liệu vị trí địa lý lớn hoặc một đơn vị đo chính xác để tính toán quá trình truyền sóng tín hiệu.
Hình 2.1 S ử dụng 3 trạm BTS (Base Transceiver Station)
Phương pháp xác đị nh v ị trí d ự a vào m ạ ng
Phương pháp này có ưu điểm là thiết bị di động không cần sử dụng phần cứng để xác định vị trí Tuy nhiên, nhược điểm là phương pháp này yêu cầu các thiết bị phần cứng rất đắt Các phương pháp thường được áp dụng bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau.
2.2.1 Cell-id, Cell Of Origin (COO) Đây là một phương pháp đơn giản của mạng GSM, dựa vào trạm BTS nào đang phục phụ thiết bị di động Mối trạm sẽ bao phủ một diện tích nhất định và có một ID riêng, nên vị trí của thiết bị di động sẽ là vị trí của cell quản lý nó Như vậy độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào kích thước của cell
Cell Of Origin (COO) là giải pháp định vị dựa trên vị trí của các trạm cơ sở, sử dụng tọa độ vĩ độ và kinh độ để xác định vị trí người dùng di động COO có thời gian đáp ứng nhanh và đã trở thành phương pháp định vị phổ biến nhất vào năm 2001, tuy nhiên, độ chính xác của nó phụ thuộc vào kích thước của các tế bào mạng Các mạng di động thường sử dụng máy phát đa hướng, tạo ra hình tròn, nhưng để cải thiện độ chính xác, các kiến trúc sư mạng đã tối ưu hóa thành hình lục giác COO còn được gọi là CGI và nhiều nhà cung cấp thương mại như Cellpoint, Ericsson và Nokia cung cấp sản phẩm hỗ trợ phương pháp này Các sản phẩm hỗ trợ COO thường tích hợp thêm các phương pháp định vị chính xác hơn để nâng cao hiệu quả sử dụng.
COO là phương pháp định vị đơn giản nhất, cho phép xác định vị trí trong khu vực rộng lớn tương ứng với vùng tế bào (Cell) Ở các thành phố, vùng định vị thường có kích thước dưới 250m2, trong khi ở nông thôn, vùng tế bào lớn hơn một vài km2, dẫn đến độ chính xác giảm.
Phương pháp định vị theo hình quạt được áp dụng trong các vùng định vị tế bào, có thể kết hợp với phương pháp xác định khoảng cách theo Timing Advance (TA) Để quét toàn vùng, chỉ cần bố trí 3 anten trên mỗi trạm BTS định vị theo các hướng xen kẽ nhau 120 độ Để tăng độ chính xác, người ta sử dụng sector-ID hoặc kết hợp với kỹ thuật TA và dựa vào độ mạnh của tín hiệu Kỹ thuật TA sử dụng thông tin về sai lệch thời gian để tính ra khoảng cách từ MS tới BTS, nhưng chỉ cho biết MS trong vùng địa lý của BTS đang phục vụ nó Ngoài ra, việc đo độ mạnh của tín hiệu từ một số BTS cũng giúp tính ra vị trí MS với độ chính xác cao hơn TA.
Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp cell-ID bị hạn chế bởi nhiều yếu tố như địa hình và suy hao trong môi trường trong nhà, bao gồm vật liệu xây dựng và hình dạng, kích thước của tòa nhà Mặc dù cell-ID và các kỹ thuật hỗ trợ có ưu điểm như ít thay đổi phần cứng và chi phí thấp, nhưng độ chính xác kém và sự phụ thuộc vào mật độ cell khiến phương pháp này chỉ có khả năng hỗ trợ cho một số ít dịch vụ.
Các bước thực hiện xác định vị trí sử dụng Cell-ID có thể nêu vắn tắt như sau:
’ Bước 1: Người dùng nhập ID/name của họ và Password
’ Bước 2: Secure App Server kiểm tra các thông tin người dùng đến Cell-ID Server
Bước 3: Dựa vào cơ sở dữ liệu Cell-ID, máy chủ Cell-ID xác minh danh tính người sử dụng bằng cách gửi một tin nhắn SMS chứa mã ngẫu nhiên Mã này cũng được truyền đến máy chủ ứng dụng qua các kênh mã hóa an toàn.
Khi người dùng nhận được tin nhắn SMS chứa mã xác thực, họ cần nhập mã này vào máy chủ Nếu mã nhập đúng, người dùng sẽ được cấp quyền truy cập vào các dịch vụ an toàn.
Hình 2.4 Quá trình th ực hiện định vị sử dụng Cell-ID
2.2.2 Phương pháp Time Difference Of Arrival (TDOA)
Phương pháp đo thời gian sai khác giữa các trạm BTS trong việc nhận tín hiệu từ thiết bị di động sử dụng hệ thống LORAN-C, bao gồm một trạm chính (Master) và nhiều trạm thứ cấp (Secondary) Khi tín hiệu từ trạm chính được nhận, hệ thống bắt đầu đếm giây, và khi tín hiệu từ trạm thứ cấp được nhận, quá trình đếm sẽ dừng lại để ghi nhận một TD (Time Difference) Thời gian sai khác giữa trạm chính và các trạm phụ sẽ được tính toán, với mỗi giá trị TD đo được có độ chính xác khoảng 100 ns, tương đương với khoảng cách 30m.
Hình 2.5 Minh h ọa phương pháp TDOA
2.2.3 Phương pháp AOA (Angle Of Arrival)
Phương pháp xác định vị trí di động dựa trên góc tín hiệu nhận được từ trạm BTS, yêu cầu tối thiểu hai trạm BTS khác nhau để tính toán chính xác Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là mỗi trạm BTS cần được trang bị một mảng anten để đo góc tín hiệu và một "Trung tâm Tính toán và Kiểm soát Vị trí" để xử lý thông tin và xác định vị trí thiết bị di động.
Hình 2.6 Minh h ọa phương pháp AOA
Xác đị nh v ị trí d ự a vào s ự k ế t h ợp 2 phương pháp trên
Cả mạng và thiết bị di động sẽ cùng nhau xác định vị trí Ta có những phương pháp sau:
2.3.1 Timing Advance (TA) kết hợp Cell-ID
Thời gian cần thiết (TA) là khoảng thời gian mà tín hiệu di chuyển từ thiết bị di động (MS) đến trạm gốc (BTS) Thông tin về sai lệch thời gian được gửi từ BTS giúp điều chỉnh thời gian phát của thiết bị di động, đảm bảo tín hiệu đến BTS đúng với khe thời gian dành cho MS Qua đó, TA được sử dụng để tính toán khoảng cách từ thiết bị di động đến trạm BTS.
Hình 2.7 Minh h ọa phương pháp TA
Bảng các giá trị của TA được cho như sau:
B ảng 2.1 Bảng các giá trị của TA
Trong mạng thông tin di động, thiết bị di động (MS) thường đo độ mạnh tín hiệu từ nhiều trạm phát sóng (BTS) và gửi thông tin này đến BTS đang phục vụ Dựa vào độ mạnh tín hiệu, có thể xác định vị trí của MS với độ chính xác cao hơn so với phương pháp Time of Arrival (TA) Tuy nhiên, hiệu quả của phương pháp này bị hạn chế bởi nhiều yếu tố như địa hình và suy hao tín hiệu trong môi trường nội thất, bao gồm các vật liệu xây dựng, hình dạng và kích thước của tòa nhà.
Hình 2.8 TA k ết hợp với độ mạnh của tín hiệu (signal strength)
A-GPS có thể sử dụng trong các mạng GSM, GPRS và WCDMA A-GPS sử dụng các vệ tinh làm các điểm tham chiếu để xác định vị trí Bằng cách đo chính xác khoảng cách tới 3 vệ tinh từ đó máy thu xác định được vị trí của nó ở mọi nơi trên quả đất Máythu đo khoảng cách bằng cách đo thời gian mà tín hiệu đi từ vệ tinh tới máy thu, vì vậy yêu cầu chính xác thông tin về thời gian Thời gian chính xác có thể nhận được từ các tín hiệu vệ tinh tuy nhiên quá trình để nhận được thông tin này khá lâu và khó khăn khi tín hiệu từ vệ tinh quá yếu Để giải quyết vấn đề này người ta sử dụng một server (A-GPS Location server) cung cấp các thông tin liên quan đến vệ tinh cho các máy thu Những thông tin hỗ trợ từ server này giúp máy thu giảm được thời gian xác định vị trí và cho phép các máy thu A-GPS hoạt động trong các môi trường khác nhau
Hình 2.9 Ki ến trúc 1 hệ thống A-GPS
Máy thu A-GPS hoạt động chủ yếu theo hai hình thức: Dựa trên MS (MS-Based) và Hỗ trợ từ MS (MS-assisted) Trong hình thức Hỗ trợ từ MS, máy thu A-GPS nhận thông tin từ server A-GPS LS để tính khoảng cách đến các vệ tinh, sau đó gửi thông tin này về server để xác định vị trí Ngược lại, trong hình thức Dựa trên MS, vị trí của MS được xác định trực tiếp nhờ thông tin hỗ trợ từ server A-GPS cung cấp độ chính xác cao hơn so với Cell-ID và E-OTD, và có khả năng hoạt động hiệu quả trong cả mạng đồng bộ và không đồng bộ mà không cần lắp đặt thêm các thiết bị LMU.
Việc triển khai A-GPS không gây ảnh hưởng đáng kể đến hạ tầng mạng và hỗ trợ hiệu quả cho dịch vụ roaming Tuy nhiên, các thiết bị di động cần được trang bị thêm mạch A-GPS để hoạt động tối ưu.
So sánh các phương pháp hỗ tr ợ đị nh v ị
Độ chính xác của các phương pháp được đánh giá dựa trên môi trường tín hiệu trong nhà và ngoài trời, được trình bày qua bảng và biểu đồ.
B ảng 2.2 Độ chính xác các phương pháp hỗ trợ địh vị
Timing Advance (TA) 100 Angle of Arrival (AOA) 50m- Uplink Time Of Arrival 50m- Assisted-GPS (A-GPS) 3m-1
Hình 2.10 Độ chính xác của các phương pháp hỗ trợ định vị
Phương pháp sử d ụ ng sóng WiFi
Công nghệ Wi-Fi, hay còn gọi là mạng 802.11, là một hệ thống mạng Internet không dây sử dụng sóng vô tuyến với tần số 2.5 GHz hoặc 5 GHz Sóng Wi-Fi tương tự như sóng điện thoại di động, sóng truyền hình và sóng radio, cho phép người dùng kết nối Internet một cách thuận tiện và linh hoạt.
Công nghệ Wi-Fi đang ngày càng phát triển và trở nên phổ biến rộng rãi, đặc biệt là tại thành phố Hải Dương và các trung tâm huyện lỵ.
Từ các văn phòng của cơ quan nhà nước, đơn vị sự nghiệp như trường học, bệnh viện, đến doanh nghiệp và hộ gia đình, nhiều thiết bị thu phát sóng Wi-Fi đã được lắp đặt Các thiết bị này bao gồm máy tính xách tay, máy tính để bàn sử dụng mạng không dây, chuông điện không dây, giàn âm thanh không dây, và các thiết bị sạc pin không dây, góp phần vào sự phát triển của Internet không dây trong cuộc sống hàng ngày.
So với các phương pháp định vị như mạng viễn thông di động, bluetooth, RFID và GPS, định vị dựa trên sóng wifi tận dụng hạ tầng mạng không dây phổ biến, giúp cung cấp truy cập Intranet hiệu quả hơn.
Kỹ thuật định vị trong nhà không cần đầu tư vào thiết bị chuyên dụng, mang lại sự tiện lợi cho người dùng Phương pháp này đặc biệt phù hợp với các bài toán yêu cầu độ chính xác cao, giúp cải thiện trải nghiệm sử dụng Internet.
Chúng tôi nghiên cứu và thử nghiệm kỹ thuật định vị dựa trên cường độ sóng Wi-Fi, sau đó áp dụng kỹ thuật này vào bài toán định vị trong các tòa nhà có sóng Wi-Fi Hai phương pháp định vị sẽ được tiến hành dựa vào mạng không dây.
Hình 2.11 Các phương pháp định vị sử dụng sóng wifi :
(a) Cell-ID (b) AOA (c) TOA (d) TDOA Định vị Cell (Cell-ID) là một hệ thống định vị cơ bản không dây giải pháp
Nó phù hợp với vị trí của mục tiêu với kết nối của nó đến một Access Point (AP)
Nó không yêu cầu các hoạt động phức tạp như đồng bộ hóa thời gian, nhưng độ chính xác vị trí của nó lại là một thách thức Giờ Đến (TOA) đo khoảng cách dựa trên thời gian tín hiệu vô tuyến từ máy phát đến người nhận, nhưng cần đồng bộ hóa thời gian giữa máy phát và người nhận, điều này khó thực hiện trong các phạm vi gần Để giải quyết vấn đề này, phương pháp Thời gian Khác nhau của Arrival (TDOA) được phát triển, chỉ yêu cầu đồng bộ hóa giữa các máy thu Bên cạnh đó, Góc Đến (AOA) xác định vị trí của máy thu bằng cách đo góc từ máy phát, yêu cầu sử dụng anten thông minh và khả năng gắn chúng trong điều kiện tĩnh.
Hình 2.12 Cường độ tín hiệu nhận được (RSSI) của sóng wifi
Chỉ định cường độ tín hiệu (RSSI) được sử dụng để đo khoảng cách từ cảm biến đến máy phát thông qua sức mạnh tín hiệu từ xa Một trong những hệ thống dựa trên RSSI là phương pháp dấu vân tay, xây dựng mô hình thống kê dựa trên vị trí kỹ thuật và thông tin môi trường để theo dõi vị trí Phương pháp này gồm hai giai đoạn: giai đoạn đào tạo và giai đoạn theo dõi Trong giai đoạn đào tạo, tín hiệu nhận được được lọc, nội suy và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu dưới dạng các điểm lấy mẫu Giai đoạn theo dõi xác định vị trí bằng cách so sánh tín hiệu nhận được với các điểm mẫu đã lưu trữ Độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào không gian lấy mẫu, phương pháp ước lượng và cấu trúc của cơ sở dữ liệu.
