TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS
Hệ thống GPS
Hệ thống GPS, hay hệ thống định vị toàn cầu, xác định vị trí dựa trên tín hiệu từ các vệ tinh Khi có thể xác định khoảng cách đến ít nhất ba vệ tinh cùng một thời điểm, chúng ta có thể tính toán tọa độ chính xác của vị trí trên trái đất.
Hệ thống GPS, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế và quản lý, được phép sử dụng miễn phí cho mọi người trên toàn thế giới.
Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS
Hệ thống GPS gồm 3 mảng chính: mảng người dùng, mảng không gian và mảng điều khiển.
Hình 1.1: Sơ đồ về sự liên quan mật thiết của 3 mảng trong hệ thống
Bộ phận này là thiết bị thu tín hiệu GPS, cho phép người dùng nhận tín hiệu từ vệ tinh Thiết bị này hoạt động như một máy thu sóng vô tuyến chuyên dụng, giúp định vị chính xác vị trí.
Thiết bị GPS được thiết kế để thu tín hiệu sóng vô tuyến từ vệ tinh và xác định vị trí dựa trên thông tin đó Các thiết bị này có nhiều kích cỡ, hình dáng và mức giá khác nhau.
Tính chất và giá cả của thiết bị thu tín hiệu GPS phụ thuộc vào chức năng mà bộ phận thu nhận hướng đến Thiết bị dùng trong ngành hàng hải và hàng không thường tích hợp giao diện với thẻ nhớ chứa bản đồ đi biển Đồng thời, bộ phận thu nhận với khả năng chính xác cao cũng được trang bị giao diện người dùng, giúp ghi nhận dữ liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Hệ thống GPS bao gồm một tập hợp các vệ tinh truyền tín hiệu về thời gian và vị trí đến thiết bị người dùng, được gọi là "chòm sao" Chúng ta có thể tìm hiểu về bộ phận không gian của hệ thống GPS này.
Hệ thống NAVSTAR của Mỹ gồm 24 vệ tinh với 6 quỹ đạo bay Các vệ tinh này hoạt động ở quỹ đạo có độ cao 20.200 km (10,900 nm) ở góc nghiêng
Các vệ tinh bay ở độ cao 55 độ với thời gian quỹ đạo 12 giờ, được sắp xếp để đảm bảo ít nhất 4 vệ tinh luôn có thể nhìn thấy từ bộ phận người dùng, cung cấp độ phủ toàn cầu Điều này giúp tối ưu hóa vị trí chính xác hoàn toàn (position dilution of precision - PDOP) với 6 vệ tinh hoặc ít hơn.
Hình 1.2: Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất
Mỗi vệ tinh truyền tải trên hai dải tần L1 (1575.42 MHz) và L2 (1227.6 MHz), với tín hiệu của mỗi vệ tinh thay đổi theo thời gian đến người sử dụng Tần số L1 mang mã P (mã chính xác) và mã C/A (mã thô/nhận dạng), trong khi tần số L2 chỉ mang mã P.
Dữ liệu hàng hải được tích hợp vào các mã tín hiệu, với thông tin giống nhau được truyền qua cả hai dải tần Mã P được mã hóa, trong khi mã C/A có sẵn cho người sử dụng Mặc dù mã P có thể cung cấp một số thông tin, nhưng khi mã hóa, nó được hiểu như mã Y Mỗi vệ tinh đều mang những mã này.
Có ba số nhận dạng quan trọng trong hệ thống vệ tinh Đầu tiên là số NAVSTAR, dùng để nhận diện các thiết bị vệ tinh đặc biệt Thứ hai là số sv (số nhận dạng phương tiện không gian), được gán cho mỗi vệ tinh khi phóng Cuối cùng là số mã ồn giả ngẫu nhiên (PRN), là số nguyên dùng để mã hóa tín hiệu từ các vệ tinh Một số máy ghi nhận có khả năng nhận diện vệ tinh dựa trên mã SV hoặc mã PRN.
Mảng điều khiển là bộ phận quan trọng trong việc giám sát và điều khiển các vệ tinh, mặc dù thường không được người sử dụng nhìn thấy Hệ thống điều khiển NAVSTAR, hay còn gọi là hệ thống điều khiển hoạt động (OCS), bao gồm nhiều trạm giám sát, một trạm điều khiển chính (MCS) và anten quay Có năm trạm giám sát không chủ động tại Colorado Springs, Hawaii, đảo Ascencion, Diego Garcia và Kwajalein, gửi dữ liệu thô về trạm MCS để xử lý Trạm MCS, nằm ở Falcon Air Force Base cách Colorado Springs 12 dặm, hoạt động 24/24 để theo dõi tình trạng của các vệ tinh và phát hiện sự cố Thông tin về tàu thuỷ và lịch thiên văn được tính toán từ tín hiệu giám sát và được truyền đến vệ tinh một hoặc hai lần mỗi ngày thông qua anten xoay tại các địa điểm khác nhau, sử dụng liên kết sóng vô tuyến dải tần S.
Chức năng chính của trạm MCS là duy trì hệ thống bản tin điện tử 24 giờ, đảm bảo cập nhật tình trạng và tin tức hệ thống mới nhất.
Thành phần tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần số cao, bao gồm hai tần số sóng mang L1 (1,575.42MHz) và L2 (1,227.60MHz), được điều chế bởi hai loại mã là mã C/A và mã P-code Bước sóng tương ứng gần bằng 19cm và 24.4cm Việc sử dụng hai loại sóng mang này giúp khắc phục lỗi chính trong hệ thống GPS, đó là sự trễ trong tầng khí quyển Tất cả các vệ tinh GPS phát chung tần số sóng mang L1 và L2, nhưng mỗi vệ tinh sẽ có mã điều chế riêng biệt.
Hai loại mã chính được sử dụng trong hệ thống định vị là mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P code (precision code) Mỗi mã bao gồm một chuỗi các bit nhị phân 0 và 1 Mã PRN (Pseudo Random Noise) được tạo ra ngẫu nhiên, giống như tín hiệu ồn, nhưng thực chất là sản phẩm của các thuật toán toán học Hiện tại, mã C/A chỉ được điều chế ở băng tần L1, trong khi mã P code được điều chế ở cả hai băng tần L1 và L2 Quá trình điều chế này được gọi là điều chế lưỡng pha, trong đó pha của tín hiệu thay đổi 180 độ khi giá trị mã chuyển từ 0 sang 1 hoặc ngược lại.
Mã C/A là một chuỗi bit nhị phân gồm 1023 số nhị phân, lặp lại mỗi giây với tốc độ 1.023 Mbps Chu kỳ của một bit khoảng 1ms, tương đương với 300m Mặc dù việc đo đạc bằng mã C/A kém chính xác hơn so với mã P code, nhưng mã này ít phức tạp và được cung cấp cho tất cả người sử dụng.
Mã P code là 1 một chuỗi dài các số nhị phân, nó lặp lại bản thân nó sau
266 ngày Nó cũng nhanh hơn 10 lần so với mã C/A( tốc độ là 10.23MBps) Nhân với thời gian lặp lại bản thân nó sau 266 ngày để cho ra tốc độ
10.23Mbps suy ra mã P code là một luồng gồm 2.35x10 14 chip mã dài 266 ngày được chia ra 38 đoạn; 32 đoạn được phân chia tới các vệ tinh khác nhau Mỗi vệ tinh phát ra đoạn 1 tuần của mã P code,chúng được khởi tạo vào nửa đêm nằm giữa thứ 7 và chủ nhật hàng tuần 6 đoạn còn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác Mã P code được thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích quân sự Nó được cho người ngoài quân sự sử dụng vào ngày 31/1/1994 Ở thời điểm đó mã P code được mã hóa bằng việc thêm vào nó 1 loại mã W CODE Và kết quả của việc thêm vào loại mã code này là mã Y CODE và nó có tốc độ chíp giống với mã P code
Hình 1.3 Mô hình tín hiệu GPS khí truyền 1.3.1 Tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu trên hai dải tần L1 (1575,42MHz) và L2 (1227,60MHz) Tín hiệu L1 bao gồm hai thành phần: một thành phần cùng pha và một thành phần vuông pha Thành phần cùng pha được điều chế bởi một luồng dữ liệu 50bps và một mã giả ngẫu nhiên, gọi là mã C/A, với chuỗi 1023 chip nối tiếp có chu kỳ 1ms và tốc độ xung nhịp 1.024MHz.
Thành phần vuông pha là hai pha được tạo ra từ một luồng dữ liệu 50bps, nhưng khác với thành phần vuông pha thông thường, nó sử dụng mã giả ngẫu nhiên được gọi là P Code Thành phần này hoạt động với tần số xung nhịp 10.24MHz và có chu kỳ đặc trưng riêng.
Biểu thức toán học của sóng L1 là:
P1: công suất của thành phần sóng mang cùng pha
PQ: công suất của thành phần sóng mang vuông pha d(t): sự điều chế dữ liệu 50bps
c(t) và p(t) tương ứng là những sóng mã C/A và mã giả ngẫu nhiên
Công suất sóng mang vuông pha P Q it hơn xấp xỉ 3db so với P 1
Ngược lại với tín hiệu L1, tín hiệu L2 được điều chế với duy nhất dữ liệu 50bps và mã P code
Biểu thức toán học của tín hiệu L2:
Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang qua bộ điều chế rồi sau đó được mã hóa theo mã C/A rồi được truyền đi.
Hình 1.5 Cấu trúc thành phần vuông pha của L1
Hình 1.4 và 1.5 là trình bày cấu trúc của thành phần cùng pha và thành phần vuông của tín hiệu L1.
1.3.1.1 Thông điệp từ chuỗi dữ liệu 50bps.
Chuỗi dữ liệu 50bps chuyên về thông điệp chỉ đường, nó bao gồm nhiều thông tin và không giới hạn gồm những thứ sau:
Dữ liệu niêm giám là thông tin mà mỗi vệ tinh truyền trong không gian, cho phép người dùng tính toán vị trí của tất cả các vệ tinh trong chòm sao GPS tại bất kỳ thời điểm nào Mặc dù dữ liệu niêm giám không đủ chính xác để xác định vị trí cụ thể, nhưng nó có thể được lưu trữ trong một thiết bị thu trong vài tháng Chức năng chính của dữ liệu niêm giám là giúp xác định rõ ràng vị trí của vệ tinh tại một điểm bất kỳ.
Dữ liệu vệ tinh thiên văn cung cấp thông tin với độ chính xác cao, giúp xác định vị trí người dùng hiệu quả Nó tương tự như dữ liệu Niêm giác, nhưng có khả năng chuyển đổi sự trễ lan truyền, từ đó cải thiện độ chính xác trong việc ước lượng vị trí.
Dữ liệu thời gian trong chuỗi 50bps chứa thông tin đánh dấu thời gian, giúp thiết lập thời gian truyền dẫn cho các điểm trên tín hiệu GPS Thông tin này cần thiết để xác định độ trễ trong quá trình lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến người sử dụng.
1.3.1.2 Cấu trúc một thông diệp tín hiệu.
Hình 1.6 Khung dữ liệu của GPS
Một thông điệp đầy đủ là 25 khung hình (frame), mỗi khung hình chứa
Mỗi khung dữ liệu có kích thước 1500 bit, được chia thành các khung con 300 bit, với mỗi khung con bao gồm 10 từ, mỗi từ có 30 bit Với tốc độ truyền 50 bps, thời gian cần thiết để truyền một khung dữ liệu con là 6 giây và để hoàn thành một khung dữ liệu là 30 giây Để truyền 25 khung thông điệp, tổng thời gian yêu cầu là 750 giây.
Hệ thống GPS hoạt động như thế nào?
GPS hoạt động dựa trên nguyên tắc hình học và lượng giác, với mỗi vệ tinh liên tục phát và truyền dữ liệu quỹ đạo cho tất cả các chòm sao vệ tinh Thiết bị GPS nhận dữ liệu quỹ đạo chính xác từ vị trí của các vệ tinh, cho phép tính toán khoảng cách giữa GPS và các vệ tinh khác Tín hiệu vô tuyến di chuyển với tốc độ cố định, và máy thu GPS so sánh thời gian phát tín hiệu từ vệ tinh với thời gian nhận tín hiệu để xác định khoảng cách Độ sai lệch thời gian cho biết vị trí của máy thu GPS so với vệ tinh, và từ nhiều khoảng cách đo được, thiết bị GPS có thể xác định vị trí chính xác của mình.
Hình 1.7 Tính khoảng cách từ thiết bị GPS đến các vệ tinh
Máy thu GPS cần khóa tín hiệu từ ít nhất ba vệ tinh để xác định vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) Khi có thể kết nối với bốn vệ tinh trở lên, thiết bị sẽ tính được vị trí ba chiều, bao gồm kinh độ, vĩ độ và độ cao Sau khi xác định vị trí, máy thu GPS có khả năng tính toán thêm nhiều thông tin khác như tốc độ, hướng di chuyển, quãng đường, khoảng cách đến điểm đến, và thời gian mặt trời mọc, lặn.
Hình 1.8: Thông tin của dữ liệu
1.4.2 Ý tưởng về hệ thống định vị GPS
Để xác định vị trí của một vật, ta cần biết khoảng cách của nó đến các vật chuẩn khác Chẳng hạn, khi lạc đường, nếu ai đó cho biết bạn cách A 15Km, bạn chỉ có thể xác định vị trí trong một đường tròn bán kính 15Km Nếu có thêm thông tin rằng bạn cách B 20Km, bạn có thể xác định vị trí chính xác hơn bằng cách tìm điểm giao nhau của hai đường tròn Thông tin từ một người khác về khoảng cách đến C sẽ giúp bạn xác định vị trí một cách rõ ràng hơn.
Để xác định chính xác vị trí của mình, cần ít nhất 10 km và GPS hoạt động dựa trên nguyên tắc này Trong không gian, ba mặt cầu cắt nhau tạo ra hai điểm; nếu thêm trái đất làm mặt cầu thứ tư, ta có thể xác định vị trí Tuy nhiên, để tính toán cao độ, cần có vệ tinh thứ tư Bốn vệ tinh sẽ cung cấp khoảng cách đến từng vệ tinh thông qua công thức tính quãng đường, dựa trên thời gian sóng điện từ truyền đi và vận tốc ánh sáng, với thời gian được mã hóa và gửi đến máy thu.
1.4.3 Độ chính xác của hệ thống GPS
Các máy thu GPS hiện đại có độ chính xác cao nhờ thiết kế nhiều kênh hoạt động song song, với 12 kênh cho phép nhanh chóng kết nối với vệ tinh ngay khi khởi động Chúng duy trì liên lạc ổn định ngay cả trong môi trường khó khăn như tán lá dày hoặc khu vực đô thị với nhiều tòa nhà cao Tuy nhiên, tình trạng khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng đến độ chính xác, với độ chính xác trung bình của máy thu GPS khoảng 15 mét.
Các máy thu GPS mới với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể đạt độ chính xác dưới 3 mét mà không cần thiết bị bổ sung hay chi phí thêm Ngoài ra, người dùng cũng có thể cải thiện độ chính xác với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS), cho phép sửa lỗi tín hiệu GPS với độ chính xác từ 3 đến 5 mét Dịch vụ này được vận hành bởi Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ, sử dụng một mạng lưới các đài thu GPS để phát tín hiệu đã được sửa lỗi Để nhận tín hiệu sửa lỗi, người dùng cần có máy thu tín hiệu vi sai và ăng-ten tương thích với máy thu GPS của mình.
1.4.4 Những lỗi có thể ảnh hưởng đến tín hiệu GPS
Hệ thống GPS đã được cải tiến để đạt độ chính xác cao, nhưng trong thực tế vẫn tồn tại một số lỗi, có thể gây ra sai lệch từ 50 đến 100m so với vị trí thực tế của thiết bị Một trong những nguyên nhân gây ra những lỗi này là điều kiện khí quyển.
Cả tầng điện ly và tầng đối lưu đều ảnh hưởng đến tín hiệu GPS, dẫn đến sự thay đổi về tốc độ tín hiệu so với tốc độ trong không gian Điều này làm cho khoảng cách tính toán bằng công thức “tốc độ x thời gian” trở nên không chính xác Ngoài ra, lỗi cũng có thể phát sinh do sự giao thoa tín hiệu GPS.
Sự phản xạ từ các vật cản có thể gây ra hiện tượng giao thoa tín hiệu GPS, dẫn đến việc các thiết bị thu GPS nhận tín hiệu không chính xác.
Hình 1.10 Lỗi giao thoa c Lỗi do sự di chuyển của thiết bị GPS.
Trong quá trình thu tín hiệu GPS, các thiết bị GPS di chuyển thường gặp sai số khoảng 5 đến 15m Sai số này chủ yếu do độ trễ trong quá trình truyền tín hiệu giữa vệ tinh và thiết bị GPS Mức độ sai số giữa vị trí nhận được và vị trí thực tế của máy thu GPS phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của thiết bị, nhưng thường dao động trong khoảng 5 đến 15m.
Chuẩn NMEA
1.5.1 Giới thiệu về chuẩn NMEA
Hiệp hội Điện tử Biển Quốc gia Mỹ (NMEA) đã phát triển một tiêu chuẩn giao tiếp nhằm kết nối các bộ phận khác nhau của thiết bị điện tử biển Tiêu chuẩn này cho phép các thiết bị điện tử biển truyền tải thông tin đến máy vi tính và các thiết bị biển khác.
Thiết bị truyền thông thu GPS tuân theo chuẩn NMEA, cho phép các chương trình máy vi tính hiểu thông tin vị trí hiện tại và nhận dữ liệu dưới dạng chuẩn NMEA Dữ liệu này bao gồm vị trí, tốc độ và thời gian (PTV) do thiết bị thu GPS tính toán NMEA gửi dữ liệu dưới dạng đoạn mã độc lập, với mỗi đoạn mã có tiêu chuẩn riêng và có thể được định nghĩa bởi các công ty khác nhau Các đoạn mã chuẩn bắt đầu bằng hai chữ cái để xác định loại mã, ví dụ như GP cho thiết bị thu GPS, tiếp theo là ba chữ cái mô tả nội dung Ngoài ra, chuẩn NMEA cũng cho phép nhà sản xuất tự định nghĩa đoạn mã riêng, bắt đầu bằng chữ P và ba chữ cái để nhận diện nhà sản xuất, như PGRM cho Garmin và PMAG cho Magellan.
PMGN là một định dạng mã mà mỗi đoạn bắt đầu và kết thúc bằng ký tự ‘$’, không vượt quá 80 ký tự trên một dòng Dữ liệu được phân tách bằng dấu phẩy và chỉ sử dụng mã ASCII, có thể mở rộng qua nhiều đoạn mã khác nhau Thông thường, dữ liệu được chứa trong độ dài của đoạn mã, nhưng số lượng thông báo bên trong có thể thay đổi, ví dụ như thời gian có thể tăng lên.
Trong lĩnh vực đọc dữ liệu GPS, các chương trình sử dụng dấu phẩy để xác định ranh giới các lĩnh vực mà không phụ thuộc vào vị trí cột Tổng kiểm tra bao gồm ký tự ‘*’ và hai số hex đại diện cho phép OR 8 bit của tất cả các ký tự giữa, không tính ký tự ‘$’ và ‘*’ So với các chuẩn cũ, chuẩn hiện tại đã có nhiều thay đổi, với mức thay đổi GPS chỉ là 1,5 và 2.0 hoặc 2,3, cho thấy một vài mô hình đoạn mã khác nhau nhưng vẫn tương thích với các thiết bị tương tác Một số thiết bị thu GPS chỉ xuất chuỗi đoạn mã cố định mà người dùng không thể thay đổi, và phiên bản hiện tại là tiêu chuẩn 3.0.1.
1.5.2 Ghép nối phần Cứng theo chuẩn NMEA
Giao diện phần cứng của các thiết bị GPS được thiết kế để đáp ứng tiêu chuẩn NMEA và tương thích với hầu hết các cổng nối tiếp máy tính sử dụng giao thức RS232 Tuy nhiên, tiêu chuẩn NMEA không hoàn toàn giống RS232 mà thực tế tương tự như EIA-422 Tốc độ kết nối có thể được điều chỉnh trên một số mẫu, nhưng theo tiêu chuẩn NMEA, tốc độ này có quy định riêng.
Tốc độ truyền dữ liệu 4800 bit/giây với 8 bít dữ liệu, không có bít chẵn lẻ và bao gồm 1 bít dừng được hỗ trợ bởi tất cả các đơn vị NMEA Với tốc độ này, bạn có thể gửi đủ dữ liệu trong vòng chưa đầy 2 giây.
Một số đơn vị chỉ gửi thông tin cập nhật mỗi 2 giây hoặc mỗi giây một lần, trong khi vẫn đảm bảo rằng dữ liệu khác được truyền đi trong thời gian đó Một số đơn vị có thể gửi dữ liệu trong vài giây, trong khi những đơn vị khác gửi dữ liệu ngay khi nó được thu thập Thời gian truyền dữ liệu thường chỉ trong vài giây, giúp dễ dàng xác định GPS đang hoạt động Một số đoạn mã có thể được gửi trong khoảng thời gian đặc biệt của thiết bị thu, trong khi các thiết bị khác luôn gửi mã và chỉ vô hiệu hóa ở những giá trị ngoài Sự khác biệt này sẽ được làm rõ trong phần mô tả kiểu dữ liệu ở phần sau.
Với tốc độ 4800 bit/giây, bạn có thể truyền tải 480 ký tự mỗi giây, cho phép tạo ra 6 đoạn mã NMEA từ một đoạn mã 82 ký tự Mặc dù hạn chế này phụ thuộc vào từng đoạn mã cụ thể, nhưng có thể dễ dàng vượt quá con số này nếu cần phản hồi nhanh NMEA được thiết kế để hoạt động như một quá trình tạo mã nền và giữ mã lại khi cần thiết Một số chương trình không thể thực hiện điều này, nhưng chúng vẫn lấy một dòng dữ liệu mẫu để hiển thị trên màn hình và tiếp tục lấy mẫu dữ liệu.
Thời gian chuyển dữ liệu có thể chỉ mất 4 giây, điều này có thể chấp nhận được với một số ứng dụng nhưng lại không đủ nhanh cho nhiều ứng dụng khác Chẳng hạn, một chiếc xe hơi di chuyển trong 1 giờ sẽ đi được 88 feet trong 1 giây; vì vậy, việc chậm trễ vài giây có thể làm gián đoạn toàn bộ hệ thống và dẫn đến mất lượt.
Tiêu chuẩn NMEA đã được áp dụng từ năm 1983 và trải qua nhiều chỉnh sửa, với giao thức và loại đoạn mã thay đổi theo từng phiên bản Hầu hết các thiết bị thu GPS hiện nay tuân theo tiêu chuẩn NMEA 0183 phiên bản 2, với tốc độ truyền tải 4800 bit/giây, trong khi một số thiết bị cũ hơn sử dụng các phiên bản như 0180 và 0182 với tốc độ 1200 bit/giây Một số thiết bị như Garmin có thể cài đặt tốc độ lên tới 9600 bit/giây Để sử dụng giao diện phần cứng, bạn cần một dây cáp riêng biệt cho từng sản phẩm, vì một số máy tính mới không có cổng nối tiếp mà chỉ có cổng USB Hầu hết các thiết bị thu GPS có thể hoạt động với cổng nối tiếp thông qua bộ chuyển đổi USB, chỉ cần 2 dây trong cáp truyền: dữ liệu ra từ GPS và đất.
Để tải một điểm hoặc gửi dữ liệu DGPS tới thiết bị thu, cần sử dụng dây thứ 3 cho đầu vào dữ liệu, cho phép dữ liệu đi vào dây cáp.
Thiết bị thu GPS có khả năng giao tiếp với các thiết bị theo chuẩn NMEA như máy lái tự động và các thiết bị thu GPS khác Chúng có thể nhận diện các thiết bị tín hiệu riêng biệt và gửi dữ liệu theo tiêu chuẩn RTCM SC-104 Dữ liệu này đáp ứng các yêu cầu phần cứng cần thiết cho đầu vào theo chuẩn NMEA, tuy nhiên không có định nghĩa cụ thể nào cho chuẩn NMEA.
1.5.3 Các đoạn mã theo chuẩn NMEA
NMEA bao gồm nhiều đoạn mã, trong đó loại dữ liệu đầu tiên định hướng cách hiểu toàn bộ đoạn mã Mỗi loại dữ liệu có cách hiểu riêng theo tiêu chuẩn NMEA, ví dụ như đoạn mã GGA cung cấp dữ liệu cố định cần thiết Các đoạn mã khác có thể lặp lại thông tin mẫu nhưng cũng cung cấp dữ liệu mới Thiết bị hoặc chương trình đọc dữ liệu có thể tìm kiếm đoạn mã cần thiết và bỏ qua những đoạn mã không quan tâm Theo chuẩn NMEA, không có lệnh nào quy định chức năng cụ thể cho GPS; thay vào đó, thiết bị thu gửi toàn bộ dữ liệu, nhiều dữ liệu trong số đó có thể bị bỏ qua Một số thiết bị thu có thể chọn lựa một lượng nhỏ đoạn mã để gửi đi Không có cách nào xác định liệu đoạn mã có được đọc đúng hay không, và đơn vị chỉ kiểm tra tổng dữ liệu được gửi đi; nếu có sai lệch, dữ liệu sẽ được gửi lại lần sau.
Nhiều đoạn mã tiêu chuẩn NMEA có thể áp dụng cho các thiết bị sử dụng trong môi trường hải quân, trong đó có những mã dành riêng cho thiết bị thu tín hiệu GPS, như được liệt kê trong bảng dưới đây.
Almanac data: dữ liệu niên lịch: ALM
Waypoint Arrival Alarm: cảnh báo những điểm mốc AAM
Auto Pilot A sentence: Tự động thí điểm đoạn A APA
Auto Pilot B sentence: Đoạn mã B thí điểm tự động APB
Bearing Origin to Destination BOD
Bearing using Great Circle route BWC
GPS Range Residuals GRS dãy số dư GPS
Overall Satellite data GSA dữ liệu vệ tinh tổng quát
GPS Pseudorange Noise Statistics GST thống kê tiếng ồn
Detailed Satellite data GSV dữ liệu vệ tinh chi tiết
Send control for a beacon receiver MSK
Beacon receiver status information MSS
Recommended navigation data for GPS RMB
Recommended minimum data for GPS RMC
XTE measured cross track error
ZTG Zulu time and time to go
ZDA Data and Time o Một vài thiết vị nhận GPS với chức năng đặc biệt sẽ đưa ra những thông báo biệt sau đây:
PSLIB Remote Control for a DGPS receiver.
Một số thiết bị nhận GPS có khả năng bắt chước thiết bị Loran-C bằng cách sử dụng tiền tố LC trong thông điệp, cho phép tích hợp với các thiết bị chấp nhận tiền tố này thay vì tiền tố GP Phiên bản NMEA 2.3 đã bổ sung một chỉ báo cho các đoạn mã xác định loại fix mà thiết bị nhận đang sử dụng, với các giá trị như A (tự trị), D (vi phân), E (dự tính), N (không hiệu quả), S (simulator) và đôi khi có giá trị null Chỉ có giá trị A và D là phù hợp với mã reliable và Active Người dùng có thể bổ sung các ký tự mode vào RMC, RMB, VTG và GLL, cùng với các câu BWC, XTE nếu đang ghép nối GPS với thiết bị khác Để đảm bảo quá trình ghép nối diễn ra thành công, thiết bị nhận cần nhận đủ các đoạn mã cần thiết, nếu không, việc ghép nối sẽ không thực hiện được Các đoạn mã này được gửi từ thiết bị thu đặc biệt.
Tổng quan về hệ thống GIS và kỹ thuật xây dựng bản đồ số
Tổng quan về hệ thống GIS
2.1.1 Giới thiệu về hệ thống GIS
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin, được hình thành từ những năm 1960 và phát triển mạnh mẽ trong thập kỷ qua GIS giúp các cơ quan chính phủ, nhà quản lý, doanh nghiệp và cá nhân đánh giá hiện trạng của các thực thể tự nhiên và kinh tế - xã hội thông qua việc thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp thông tin gắn với bản đồ dựa trên tọa độ dữ liệu đầu vào Một hệ thống GIS bao gồm các thành phần như con người, phần cứng, phần mềm và cơ sở dữ liệu, với mục tiêu số hóa các bản đồ giấy thành bản đồ số có thể lưu trữ trên máy tính Trong bài viết này, tôi sử dụng phần mềm Mapinfo 8.0 để thực hiện việc số hóa bản đồ.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) được hình thành từ sự kết hợp của các lĩnh vực khoa học như Địa lý, Bản đồ, Tin học và Toán học Nguồn gốc của GIS bắt đầu từ việc tạo ra các bản đồ chuyên đề, với việc các nhà quy hoạch áp dụng phương pháp chồng lắp bản đồ để xác định vị trí thích hợp cho các công trình Việc sử dụng máy tính trong việc vẽ bản đồ đã khởi đầu vào cuối thập niên 50 và đầu 60, đánh dấu sự ra đời của khái niệm GIS Tuy nhiên, chỉ đến những năm 80, GIS mới thực sự phát huy hết tiềm năng của mình nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng.
Bắt đầu từ thập niên 80, Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) đã trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực như thương mại, khoa học và quản lý GIS có thể được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau, phản ánh sự đa dạng và ứng dụng rộng rãi của nó trong việc phân tích và quản lý dữ liệu không gian.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm máy tính cùng với dữ liệu địa lý Nó được thiết kế để thu thập, lưu trữ, cập nhật, thao tác, phân tích và thể hiện các loại thông tin có tính không gian một cách hiệu quả.
Cơ sở dữ liệu GIS là một hệ thống tổng hợp có cấu trúc, bao gồm dữ liệu số hóa không gian và phi không gian về các đối tượng bản đồ Nó thể hiện mối liên hệ giữa các đối tượng không gian và các thuộc tính của một khu vực cụ thể GIS được viết tắt từ ba thành phần chính: G (Geographic) đại diện cho dữ liệu không gian thể hiện vị trí và hình dạng (điểm, đường, vùng); I (Information) liên quan đến thông tin về thuộc tính mà không thể hiện vị trí; và S (System) thể hiện sự liên kết bên trong giữa các thành phần khác nhau như phần cứng và phần mềm.
2.1.2 Cấu trúc dữ liệu trong GIS
Dữ liệu của một hệ thống thông tin địa lý có thể chia thành hai dạng:
Phi hình ảnh (thuộc tính)
2.1.2.1 Dữ liệu kiểu không gian
Dữ liệu hình ảnh, hay còn gọi là dữ liệu không gian, là cách mô tả kỹ thuật số các yếu tố trên bản đồ Hệ thống thông tin địa lý (GIS) sử dụng loại dữ liệu này để hiển thị bản đồ trên màn hình hoặc in ra giấy.
Trong máy tính, dữ liệu không gian thường được thể hiện dưới các dạng sau:
Hình 2.1 Mô hình dữ liệu không gian được biểu diễn trong máy tính
Trong cơ sở dữ liệu GIS, các thành phần đồ họa được tổ chức thành nhiều lớp (layer), với mỗi lớp bao gồm một nhóm đối tượng đồng nhất Mỗi đối tượng trong lớp được xác định vị trí theo hệ tọa độ chung của tất cả các lớp, đảm bảo tính chính xác và nhất quán trong việc quản lý dữ liệu không gian.
2.1.2.2 Dữ liệu kiểu phi không gian
Số liệu thuộc tính thể hiện các đặc điểm và mối quan hệ của các phần tử bản đồ cũng như vị trí địa lý, được lưu trữ dưới dạng số hoặc ký tự Dữ liệu thường được quản lý dưới dạng bảng, bao gồm các cột (trường) và hàng (mẩu tin) Mỗi trường cần có tên trường và kiểu dữ liệu, có thể là kiểu ký tự, số nguyên, số thực hoặc kiểu logic.
Hình 2.2: Mô hình dữ liệu phi không gian 2.1.3 Mô hình dữ liệu trong GIS
2.1.3.1 Mô hình dữ liệu kiểu RASTER Đây là hình thức đơn giản nhất để thể hiện dữ liệu không gian, mô hình Raster bao gồm một hệ thống ô vuông hoặc ô chữ nhật được gọi là pixel Vị trí của mỗi pixel được xác định bởi số hang và số cột Giá trị được gán vào pixel tượng trưng cho một thuộc tính mà nó thể hiện Ví dụ một căn nhà được thể hiện bằng 1 pixel có giá trị là H, con sông được thể hiện bằng nhiều pixel có cùng giá trị là R, tương tự khu rừng cũng được thể hiện bằng một nhóm pixel có cùng giá trị là D.
Kích thước pixel nhỏ hơn giúp hình ảnh sắc nét hơn, với độ sắc nét được thể hiện qua độ tương phản Ảnh có độ tương phản cao sẽ có độ sắc nét lớn và kích thước pixel nhỏ Tuy nhiên, trong trường hợp hai ảnh Raster có cùng kích thước, ảnh có độ tương phản cao sẽ có file dữ liệu lớn hơn Ví dụ, nếu một pixel đại diện cho diện tích 250m x 250m, để thể hiện 1km cần 4 pixel, và để thể hiện 1km x 1km cần 16 pixel Khi giảm kích thước pixel xuống 100m x 100m, ta cần 10 pixel để thể hiện 1km và 100 pixel cho 1km x 1km Do đó, kích thước file dữ liệu tăng lên đáng kể khi độ tương phản của ảnh Raster được nâng cao.
Hình 2.3 Mô hình dữ liệu kiểu RASTER
2.1.3.2 Mô hình dữ liệu kiểu VECTOR
Mô hình dữ liệu vector cho phép thể hiện vị trí chính xác của các vật thể và hiện tượng trong không gian, với giả định rằng hệ thống tọa độ là chính xác Mặc dù mức độ chính xác bị giới hạn bởi số chữ số trong máy tính, nhưng mô hình này vẫn đạt độ chính xác cao hơn so với mô hình dữ liệu Raster.
Trên bản đồ, các vật thể trên trái đất được thể hiện thông qua hệ tọa độ hai chiều x,y, với các dạng biểu diễn như điểm, đường hoặc vùng Mô hình dữ liệu vector cũng tương tự, trong đó một vật thể dạng điểm được lưu trữ dưới dạng cặp tọa độ (x, y).
Một vật thể dạng đường được biểu diễn bằng một chuỗi các cặp tọa độ (x,y), trong khi một vật thể dạng vùng được thể hiện dưới dạng một chuỗi các cặp tọa độ (x,y) với cặp tọa độ đầu và cuối giống nhau, còn được gọi là đa giác.
Hình 2.4 Mô hình dữ liệu kiểu VECTOR
2.2 Kỹ thuật xây dựng bản đồ số trên phần mềm Mapinfo.
2.2.1 Cách đăng ký một bản đồ trên Mapinfo
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS 2
1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS 2
1.3 Thành phần tín hiệu GPS 5
1.4 Hệ thống GPS hoạt động như thế nào? 11
Chương 2: Tổng quan về hệ thống GIS và kỹ thuật xây dựng bản đồ số 27
2.1 Tổng quan về hệ thống GIS 27
2.2 Kỹ thuật xây dựng bản đồ số trên phần mềm Mapinfo 32 Để đăng ký một bản đồ giấy vào Mapinof, trước hết bản đồ đó phải được chuyển thành ảnh trên máy tính Nếu chỉ sử dụng ảnh quét để đăng ký nhằm mục đích số hóa trên Mapinfo thì ta có thể lưu ảnh ở dịnh dạng JPEG.
2.2.1.1 Xác định các điểm khống chế.
Muốn hiểm thị được ảnh quét đúng tọa độ trong Mapinfo, thì cần ít nhất
Để định vị trên bản đồ, cần xác định 3 điểm và nạp tọa độ của chúng Trong Mapinfo, để đăng ký bản đồ, vào menu file và chọn Open, sau đó trong hộp thoại Open table, chọn loại file là Raster Image và tìm ảnh cần sử dụng Khi hộp thoại thông báo xuất hiện, chọn Register để tiến hành đăng ký ảnh.
2.2.1.2 Thiết lập hệ tọa độ một hệ quy chiếu cho nó Để chọn hệ quy chiếu trong Mapinfo ta vào
