Tài liệu Một số kỹ thuật định vị vô tuyến và ứng dụng trong dẫn đường theo ngữ cảnh

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ THỊ MAI DUYÊN MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN VÀ ỨNG DỤNG TRONG DẪN ĐƯỜNG THEO NGỮ CẢNH Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60480101 Luận văn Thạc sỹ Khoa học máy tính Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Việt Bình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận văn: “Một số kỹ thuật định vị vô tuyến và ứng dụng trong dẫn đường theo ngữ cảnh” là công trình nghiên cứu của riêng em, không sao chép từ bất kỳ một công trình nào khác. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn được sử dụng là trung thực, đã được kiểm chứng và chưa được công bố trong bất kỳ công trình của tác giả nào khác. Nếu sai em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 7 năm 2016 Học viên Vũ Thị Mai Duyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Phạm Việt Bình –Nguyên Hiệu trưởng Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông – Đại học Thái Nguyên là người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và hết lòng giúp đỡ em trong suốt thời gian làm luận văn này. Xin trân trọng cảm ơn tới Ban lãnh đạo, các thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên đã chia sẻ và động viên giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành tốt công việc nghiên cứu của mình. Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và những người đã luôn ủng hộ, quan tâm, giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất và là chỗ dựa vững chắc giúp em có thể hoàn thành luận văn. Cuối cùng em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công tới tất cả quý thầy cô và gia đình cùng toàn thể các bạn. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 7 năm 2016 Học viên Vũ Thị Mai Duyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN 3 1.1. Giới thiệu 3 1.2. Các thành phần của hệ thống GPS [1] 3 1.2.1. Trạm không gian 4 1.2.2. Trung tâm điều khiển 4 1.2.3. Máy thu GPS 5 1.2.4. Quỹ đạo vệ tinh GPS 5 1.3. Nguyên tắc hoạt động của GPS 6 1.4. Độ chính xác của hệ thống GPS 7 1.5. Đặc điểm tín hiệu GPS 8 1.6. Một số hệ thống định vị khác 13 1.6.1. Hệ thống định vị toàn cầu Glonass 13 1.6.2. Galileo của Châu Âu 15 1.6.3. Hệ thống định vị Beidou 16 1.6.4. IRNSS 18 1.7. Định vị vô tuyến dựa vào cường độ tín hiệuRFID[7] 19 1.8. Một số phương pháp định vị vô tuyến trong nhà 21 1.9. Ứng dụng của hệ thống định vị 22 1.9.1. Ứng dụng định vị trong quản lý giao thông 22 1.9.2. Ứng dụng định vị trong trợ giúp người thân 22 1.9.3. Ứng dụng định vị quản lý kho hàng và hỗ trợ mua sắm 22 1.9.4. Ứng dụng định vị quản lý động vật hoang dã 22 CHƯƠNG 2:MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v 2.1. Giới thiệu 24 2.2. Kỹ thuật định vị vô tuyến dựa vào tín hiệu GPS 24 2.2.1. Phân tích bản tin định vị NMEA 0183 24 2.2.2. Nguyên tắc định vị của hệ thống định vị GPS 30 2.3. Kỹ thuật định vị vô tuyến sử dụng tín hiệu Wi-Fi 35 2.3.1. Một số khái niệm 35 2.3.2. Kỹ thuật định vị dựa vào khoảng cách 36 2.3.3. Kỹ thuật định vị K-Nearest Neighbor 41 2.3.4. Kỹ thuật định vị SVM (Support Vector Machine) [9] 43 2.3.5. Kỹ thuật định vị sử dụng mạng neural 44 2.3.6. Thách thức của hệ thống định vị không dây 45 2.3.6.1. Thách thức của kỹ thuật định vị bằng GPS. 45 2.3.6.2. Thách thức của kỹ thuật định vị vô tuyến trong nhà. 45 CHƯƠNG 3:ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ GPS XÂY DỰNG HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG THEO NGỮ CẢNH 47 3.1. Đặt vấn đề 47 3.2. Cài đặt hệ thống 48 3.2.1. Mô hình hệ thống 48 Hình 3.1: Mô hình hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh 48 3.2.2. Lập bản đồ 2D của trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông. 49 3.2.3. Cài đặt thuật toán phần mềm trên smartphone 52 3.3. Kết quả cài đặt 58 3.4. Đánh giá kết quả cài đặt 61 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa tiếng việt GPS Global Posintioning System Hệ thống định vị toàn cầu WAAS Wide Area Augmentation System Hệ thống bổ sung diện rộng IRNSS Indian Regional Navigational Satellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường khu vực Ấn Độ RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng tần số vô tuyến điện NMEA National Marine Electronics Association Hiệp hội Hàng hải điện tử quốc gia TOA Time of Arrival Thời gian đến TDOA Time Difference of Arrival Sai khác thời gian đến RSS Received Signal Strength Cường độ tín hiệu thu được SVM Support Vector Machine Máy vector hỗ trợ SRM Structural Risk Minimization Cấu hình giảm thiểu rủi ro Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mô hình quỹ đạo hệ thống định vị GPS[1] 4 Hình 1.2: Phân bố các trạm điều khiển mặt đất. [1] 5 Hình 1.3: Mô hình hoạt động GPS. [1] 7 Hình 1.4: Phổ tín hiệu GPS. [1] 8 Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của hệ thống. [1] 9 Hình 1.6: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu GPS. [1] 11 Hình 1.7: Sơ đồ giải điều chế tín hiệu GPS.[1] 12 Hình 1.8: Phương pháp tạo mã C/A. 13 Hình 1.9: Các nhóm phương pháp định vị vô tuyến trong nhà[3] 21 Hình 2.1. Cấu trúc dữ liệu GPS. [1] 28 Hình 2.2: Vị trí các vật thể được xác định qua 4 phép đo.[1] 30 Hình 2.3: Định vị điểm bằng vệ tinh. [1] 31 Hình 2.4: Kỹ thuật định vị TOA với 2 thiết bị phát sóng [8] 37 Hình 2.5: Kỹ thuật định vị TOA với 3 thiết bị phát sóng [8] 38 Hình 2.6: Minh họa định vị bằng kỹ thuật TDOA[3] 40 Hình 2.7: Phương pháp Neural Network với hàm xử lý phi tuyến tính.[9] 45 Hình 3.1: Mô hình hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh 48 Hình 3.2: Mô hình hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh 50 Hình 3.3: Bản đồ xác định điểm GPS 52 Hình 3.4: Thuật toán đọc vị trí hiện tại của thiết bị 53 Hình 3.5: Thuật toán đọc vị trí đối tượng tiếp cận 55 Hình 3.6: Thuật toán xác định thông tin ngữ cảnh 57 Hình 3.7: Thuật toán dấn đường 58 Hình 3.8: Kết quả định vị khi ở giảng đường C5 59 Hình 3.9: Kết quả định vị khi ở giảng đường C1 60 Hình 3.10: Kết quả định vị khi ở giảng đường C3 61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ điện tử và công nghệ thông tin đã tạo động lực thúc đẩy sản xuất, nghiên cứu và ứng dụng trên thiết bị di động trở lên ngày càng phổ biến trên thế giới, cũng như ở Việt Nam. Bởi vậy, hàng loạt các hướng nghiên cứu trên thiết bị di động đang được triển khai, trong đó có hướng nghiên cứu phát triển kỹ thuật định vị vô tuyến cho thiết bị đi động ở môi trường khác nhau (ngoài trời, trong nhà, hầm lò,…). Bài toán định vị hay xác định vị trí thiết bị di động được xem là bài toán rất quan trọng trong hệ thống truyền thông di động. Thông qua kết quả định vị sẽ cho phép chúng ta có thể xác định vị trí, tính khoảng cách để thực hiện các ứng dụng và phát triển dịch vụ mới như xác định vị trí sản phẩm trong kho hàng, phát hiện vị trí nhân viên y tế, bệnh nhân trong bệnh viện, phát hiện vị trí đối tượng thất lạc, hay dựa theo vị trí đáp ứng ngữ cảnh phù hợp, hay ứng dụng dò đường, cứu nạn,... Nhờ đó, chúng ta tiết kiệm thời gian và chi phí trong cuộc sống hiện đại khi mà nhu cầu định vị ngày càng gia tăng cùng với sự phát triển của thế giới. Bởi thế, trong nhiều năm qua, hệ thống định vị được phát triển và độ chính xác ngày càng cao thông qua việc phát triển hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global Postioning System) hay hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS - Global Navigation Satellite System). Trong nhiều năm qua, hệ thống định vị vô tuyến được phát triển rất đa dạng và việc nghiên cứu nâng cao độ chính xác trong kỹ thuật định vị luôn được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Tuy nhiên, khi ở phạm vi nhỏ hay đối tượng cụ thể (tòa nhà, địa điểm lịch sử) thì độ chính xác vị trí của thiết bị di động so với đối tượng nhỏ này sẽ không xác định được hoặc thiếu chính xác. Đặc biệt là khi ở môi trường trong nhà thì tín hiệu của hệ thống GPS gần như mất do bị che khuất. Do đó, việc xác định vị trí Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 2 hay định vị thiết bị di động trong phạm vi hẹp hay ở môi trường trong nhà đang là bài toán cần thiết được nghiên cứu nhằm nâng cao độ chính xác cho việc định vị thiết bị di động trong nhà với môi trườngvô tuyến. Chính vì vậy, việc nghiên cứu một số kỹ thuật định vị vô tuyến như định vị dựa hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global Postioning System), định vị dựa vào hệ thống wifi và ứng dụng trong hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh là vấn đề nghiên cứu có tính khoa học và ý nghĩa thực tiễn. Do đó, em lựa chọn đề tài của luận văn là “Một số kỹ thuật định vị vô tuyến và ứng dụng trong dẫn đường theo ngữ cảnh”. Đề tài tập trung nghiên cứu về một số kỹ thuật định tuyến vô tuyến và từ đó làm nền tảng cơ sở cho việc cài đặt thử nghiệm hệ thống định vị ứng dụng cho dẫn đường theo ngữ cảnh. Luận văn gồm có 3 chương: Chương 1. Tổng quan về định vị vô tuyến. Chương này tìm hiểu tổng quan về khái niệm, kiến trúc, đặc điểm, những vấn đề và ứng dụng của hệ thống định vị vô tuyến. Chương 2. Một số kỹ thuật định vị vô tuyến. Chương này trình bày một số kỹ thuật định vị vô tuyến, phân tích, đánh giá các kỹ thuật đó. Trên cơ sở đó lựa chọn một kỹ thuật để cài đặt ở chương 3. Chương 3. Ứng dụng kỹ thuật định vị xây dựng hệ thống dẫn đường theo ngữ cảnh. Chương này trình bày về quá trình cài đặt thuật toán định vị bằng GPS, kết quả thử nghiệm và đánh giá. Cuối cùng là phần kết luận về kết quả thực hiện và hướng phát triển của luận văn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 3 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN 1.1. Giới thiệu Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi 1 kỹ thuật mà các hệ thống cũ không thể đáp ứng được đó là định vị trong không gian 3 chiều, đứng trước sự đòi hỏi đó chính phủ Mỹ đã tài trợ 1 chương trình nghiên cứu hệ thống định vị và dẫn đường trong vũ trụ. Với Bộ quốc phòng Mỹ là cơ quan thiết kế và điều khiển hệ thống định vị toàn cầu. Trong nhóm tham gia điều hành dự án GPS cần phải kể đến Phd. Ivan Getting và Bradford Parkinson đã góp phần đáng kể trong dự án. GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thông tin toàn cầu và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất. Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Hệ GPS là hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh do Hoa Kỳ kiểm soát và duy trì hoạt động, ngoài ra Nga và Trung Quốc cũng phát triển mở rộng có hệ thống định vị riêng cho mình. 1.2. Các thành phần của hệ thống GPS [1] Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần: Trạm không gian (Space Segment), trung tâm điều khiển (Control Segment), và máy thu tín hiệu GPS (User Segment). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 4 Hình 1.1: Mô hình quỹ đạo hệ thống định vị GPS[1] 1.2.1. Trạm không gian Trạm không gian bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo liên tục phát tín hiệu quảng bá khắp toàn cầu và được ví như trái tim của toàn hệ thống. Các vệ tinh được cấp nguồn hoạt động bởi các tấm pin mặt trời và được thiết kế để hoạt động trong vòng gần 8 năm. Nếu các tấm pin mặt trời bị hỏng thì vệ tinh sẽ hoạt động nhờ các ắc quy dự phòng được gắn sẵn trên vệ tinh. Ngoài ra trên vệ tinh còn có một hệ thống tên lửa nhỏ để hiệu chỉnh quỹ đạo bay của vệ tinh. Mỹ đã phóng vệ tinh GPS đầu tiên vào những năm 1978 và tiếp tục hoàn thiện việc phóng 24 vệ tinh lên quỹ đạo vào năm 1994. 1.2.2. Trung tâm điều khiển Gồm có 4 trạm thu tín hiệu phát đi từ vệ tinh (Monitor Station) và một trạm chủ (Master Control) để phát tín hiệu lên vệ tinh. Bốn trạm thu được đặt ở các địa điểm khác nhau trên khắp thế giới: Một được đặt tại đảo Hawaii, một trên đảo Kwajalein (Thái Bình Dương); một được đặt trên đảo Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và một trạm được đặt ở đảo Ascension (Đại Tây Dương). Trạm chủ được đặt tại trại Falcon của Không Lực Hoa Kỳ tại Bang Colorado. Bốn trạm thu tín hiệu có nhiệm vụ thu tín hiệu chứa thông tin về quỹ đạo và thời gian từ vệ tinh gửi về sau đó gửi nhưng thông tin này cho trạm chủ. Trạm chủ sẽ hiệu chỉnh những thông tin nhận được và gửi lại những thông tin đã được hiệu chỉnh lên vệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 5 tinh để điều chỉnh quỹ đạo bay và đồng bộ thời gian cho các vệ tinh cùng với thông tin về sự suy hao đường truyền. Hệ thống điều khiển mặt đất bao gồm các trạm trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con. Các trạm con vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào. Hình 1.2: Phân bố các trạm điều khiển mặt đất. [1] 1.2.3. Máy thu GPS Đây là thành phần cuối cùng trong hệ thống GPS. Vì tín hiệu từ vệ tinh GPS được phát quảng bá trên toàn bộ trái đất nên số lượng máy thu GPS là không giới hạn. Máy thu GPS sẽ thu các tín hiệu mang thông tin về cự ly, thời gian, trễ truyền sóng được phát xuống từ 4 vệ tinh để xác định vị trí cũng như tốc độ của mình. 1.2.4. Quỹ đạo vệ tinh GPS Hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh địa tĩnh, trong đó có 03 vệ tinh dành cho dự phòng, trong tương lai Mỹ sẽ tiếp tục phóng thêm 04 vệ tinh GPS nữa lên quỹ đạo để bảo đảm dự phòng 1:3 cho toàn bộ hệ thống. Vệ tinh GPS bay theo sáu quỹ đạo, mỗi quỹ đạo có 04 vệ tinh, mặt phẳng quỹ đạo bay nghiêng 550 so với Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 6 mặt phẳng xích đạo trái đất và các góc xuân phân của quỹ đạo lệch nhau số lần nguyên của 600. Vệ tinh GPS bay quanh trái đất với quỹ đạo tròn, có tâm trùng với tâm của trái đất với bán kính 26.500km (các bề mặt trái đất khoảng 20.200 km) và quay hết một vòng quanh trái đất trong nửa ngày thiên văn (tương đương 11,96 giờ). 1.3. Nguyên tắc hoạt động của GPS Trong một ngày, các vệ tinh GPS di chuyển 2 vòng trái đất với quỹ đạo đã được lập sẵn và liên tục quảng bá tín hiệu vô tuyến (các thông tin đã được mã hóa) tới các máy thu GPS bao gồm thông tin thiên văn, mã giả ngẫu nhiên… Thông tin này có giá trị trong vài giờ cung cấp thông tin quỹ đạo của vệ tinh. Với các thông tin trên máy thu GPS tính toán vị trí của vệ tinh tại mọi thời điểm. Mỗi một vệ tinh có mã giả ngẫu nhiên riêng biệt, mã này kết hợp với thông tin được mã hóa. Cả vệ tinh lẫn máy thu đều tạo ra cùng một mã tại cùng thời điểm, và sử dung nó để tái cấu trúc dữ liệu. Tuy nhiên do sự trễ truyền tín hiệu nên tin hiệu vệ tinh sẽ chậm sau tín hiệu máy thu khi nó tới trái đất.Thời gian này gọi là thời gian truyền. Do đó, khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu có thể được tính theo công thức như sau: - Distance = speed x (Travel time ). - Speed = speed of light (3 x 108 (m/s)). Máy thu GPS là thành phần thứ 3 của hệ thống GPS. Nó có thể được bổ sung các phần mềm như máy tính cá nhân mà không cần cấu tạo lại phần cứng. Khái niệm SDR không mới thể hiện khả năng có thể thực hiện nhiều quá trình của thiết bị điện tử số. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 7 Hình 1.3: Mô hình hoạt động GPS. [1] 1.4. Độ chính xác của hệ thống GPS Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Trạng thái của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS. Các máy thu GPS trong các ứng dụng dân sự như điện thoại di động có độ chính xác trung bình khoảng 15 mét. Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS vi sai (DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục phòng vệ bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống GPS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 8 - Khi các vệ tinh ở quá gần nhau, chúng sẽ khiến việc xác định vị trí chính xác trở nên khó khăn hơn. - Vì tín hiệu radio đi từ vệ tinh xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu, tốc độ cần thiết để tín hiệu truyền tới thiết bị nhận sẽ bị chậm đi. - Chướng ngại vật lớn như các dãy núi hay các tòa nhà cao tầng cũng làm cho thông tin sai lệch. Dưới các tầng hầm hoặc đường hầm, tín hiệu nhận được sẽ rất yếu hoặc thậm chí không thu được tín hiệu từ vệ tinh. - Giữa thiết bị thu tín hiệu GPS của người dùng với vệ tinh có thể không hoàn toàn trùng khớp về mặt thời gian, và các vệ tinh đôi khi chạy lệch khỏi quỹ đạo. 1.5. Đặc điểm tín hiệu GPS Tín hiệu GPS được truyền ở 2 tần số trên băng UHF từ tần số cơ bản f0=10,23 MHz. Hai tần số truyền tín hiệu của GPS là L1=154f0=1575,42 MHz và L2=120f0=1227.60 MHz, với các bước sóng tương ứng lần lượt là ~19 cm và ~24.4 cm. Tất cả những vệ tinh GPS đều phát cùng một cặp tần số sóng mang L1 và L2. Tuy nhiên, điều chế mã thì khác nhau đối với từng vệ tinh, do đó tối thiểu hóa một cách đáng kể can nhiễu vệ tinh. Hình 1.4: Phổ tín hiệu GPS. [1] Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần số thấp khác nhau, được gọi là L1, L2. Những thiết bị nhận tín hiệu GPS bắt sóng L1, ở dải tần số UHF 1575,42Mhz, bắt sóng L2 ở tần số 1227.6 Mhz. Một đài phát thanh FM thường cần có công suất chừng 100.000 watt để phát sóng, nhưng một vệ tinh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 9 định vị toàn cầu chỉ đòi hỏi 20-50 watt để đưa tín hiệu đi xa 20.200 km.Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp giải L1 và L2.(Giải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz). GPS dân sự dùng tần số L1 575,42 MHz trong giải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà.Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch: - Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào là phát thông tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào. - Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống. - Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (lành mạnh hay không), ngày giờ hiện tại. Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí. Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của hệ thống. [1] Nguyên lý hoạt động thể hiện qua hình 1.6 .Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người dùng và được đo theo phép tam giác Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 10 đạc. Để thực hiện phép tam giác đạc, GPS đo khoảng cách thông qua thời gian hành trình của bản tin vô tuyến từ vệ tinh tới một máy thu mặt đất. Để đo thời gian hành trình, GPS sử dụng các đồng hồ rất chính xác trên các vệ tinh. Một khi khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì việc biết trước về vị trí vệ tinh trong không gian sẽ được sử dụng để hoàn thành tính toán. Các máy thu GPS trên mặt đất có một “cuốn niên giám” được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi nào trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào. Các máy thu GPS sẽ tính toán các thời gian trễ qua tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tục làm chính xác hơn phép đo vị trí. Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốn đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây. Nhằm tiết kiệm chi phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới đất được làm ít chính xác hơn đôi chút. Bù lại, một phép đo tầm hoạt động vệ tinh được trang bị thêm. Phép đo lượng giác chỉ ra rằng, nếu ba số đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong không gian ba chiều thì một phép đo thứ tư có thể loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào đó. Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng bộ hoá không hoàn hảo của máy thu. Khối mặt đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng. Ngay như tại tốc độ như vậy tín hiệu cũng phải mất một lượng thời gian đáng kể mới tới được máy thu. Sự chênh lệch giữa thời điểm tín hiệu được gửi đi và thời điểm tín hiệu được thu nhận với tốc độ ánh sáng cho phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 11 Hình 1.6: Sơ đồ khối điều chế tín hiệu GPS. [1] Các mã được điều biến trên song mang theo phương thức điều chế BPSK: - Với Tần số sóng mang L1 : 1.575,42 Mhz ( băng L ). - Mức công suất tối thiểu : - 160 dBw tại bề mặt trái đất. - Mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN C/A có tần số 1.203 Mhz, chu kỳ 1ms. - Sóng mang L1 được điều biến bằng cả hai mã ( mã C/A và P hoặc Y ). - Sóng mang L2 được điều biến bằng mã P hoặc mã Y. - Các mã được điều biến trên sóng mang theo phương thức điều chế BPSK. Thông điệp vệ tinh dưới dạng dữ liệu số tốc độ 50b/s được cộng mô-đun 2 với mã C/A để điều chế trên sóng mang L1. Thông điệp vệ tinh sẽ được các máy thu giải mã và dùng để xác định vị trí theo thời gian thực. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 12 Hình 1.7: Sơ đồ giải điều chế tín hiệu GPS.[1] Tín hiệu sóng mang GPS đi đến 2 bộ nhân, 2 bộ nhân để thực hiện giải điều chế. Lọc vòng: lọc điện áp từ ngỏ của bộ nhân để đưa vào điều chỉnh tần số và pha của bộ dao dộng VCO. Bộ nhân thứ 3 mục đích để tìm kiếm sai pha giữa sóng mang 2 BPSK và sóng mang khôi phục. Kết quả sai pha sẽ thể hiện bằng điện áp lỗi. Tốc độ đồng hồ (Clock rate): Mọi thành phần của tín hiệu GPS đều dựa trên tốc độ cơ bản của đồng hồ là 10.23 Mhz. Trên thực tế, tốc độ đồng hồ vệ tinh được cố ý đặt thấp hơn 4.45  10-10 so với giá trị danh nghĩa nói trên ( tức là 10.299.999,99545 Hz) để bù trừ các hiệu ứng tương quan trung bình bao gồm chênh lệch trung bình thế trọng trường giữa vệ tinh và người sử dụng. - Tần số Chip mã C/A là 1,023 Mhz. - Các chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên ( PRN ) của mã C/A đều được tạo bởi bộ ghi dịch hồi tiếp 10 bit ( Feedback Shift Register ). Xung đồng hồ được đưa vào bộ ghi dịch ở bit thứ nhất và nội dung của mã C/A được lấy ra ở bit thứ 10. Đặc tính riêng của bộ ghi dịch hồi tiếp phụ thuộc vào cách thức nhận thống tin vào tại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 13 bit 1. Vệ tinh GPS sử dụng bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap (Tapped Feedback Shift Register). Hình 1.8: Phương pháp tạo mã C/A.[1] - Hoạt động của bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap mô tả như sau : Mã C/A được tạo bằng hai bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap 10 bit, bộ G1 có đa thức 1 + x3 + x10 và G2 có đa thức 1 + x2 + x3 + x6 + x8 + x9 + x10. Phương pháp lấy dữ liệu ra được thể hiện trong hình 2-3 là tạo mã C/A cho vệ tinh có mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN1. Thực chất phương pháp này là làm trễ mã PRN bằng cách chọn các cặp đầu ra (Tap) khác nhau. Các quan hệ thời gian liên quan đến mã C/A được mô tả trên hình 2-4. Nhiều cặp trị số Tap khác nhau được dùng để tạo ra một bộ đầy đủ gồm 32 mã nhiễu giả ngẫu nhiên. 1.6. Một số hệ thống định vị khác 1.6.1. Hệ thống định vị toàn cầu Glonass GLONASS là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Liên bang Nga, tương tự như GPS (NAVSTAR) của Hoa Kỳ hay Galileo của Liên minh châu Âu.Nền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn