Thứ Năm, 21 tháng 5, 2020

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU VÀ ỨNG DỤNG


NVC & DPT

1. Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu

Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý, cho phép mọi người trên thế giới sử dụng một số chức năng miễn phí, bất kể quốc tịch nào. Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh. [1]
Các nước trong liên minh châu Âu đang xây dựng hệ thống định vị Galileo, có tính năng giống như GPS của Hoa Kỳ, dự tính sẽ bắt đầu hoạt động năm 2014. Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh. [1]
Dẫn đường (navigator) là một ứng dụng của GPS được nhiều người biết đến nhất hiện hay khi sử dụng điện thoại thông minh để tìm đường đi khi di chuyển. Hệ thống dẫn đường vệ tinh Galileo đặt mục tiêu đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của dẫn đường và định vị dân sự.
Hình 1. Vệ tinh GPS
Sự hoạt động của GPS [2]:
GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất, 24 giờ một ngày. Không mất phí thuê bao hoặc mất tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS nhưng phải chi phí cho thiết bị thu tín hiệu và phần mềm nhúng hỗ trợ.
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác, tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Với nhiều khoảng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất bốn vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, hành trình, khoảng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.
Vị trí của một điểm trên mặt đất, sẽ là tham chiếu so với vị trí của các vệ tinh và trung tâm tín hiệu trung gian mặt đất. Khi nhận được tín hiệu từ vệ tinh, thiết bị sẽ tự tính toán ra khoảng cách giữa thiết bị và vệ tinh.
Theo lý thuyết, chỉ cần có ba vệ tinh là có thể tính toán được vị trí (tính ra tọa độ x, y, z trong không gian), tuy nhiên do có sai số nhất định nên hệ thống cần thêm một tham chiếu nữa, tức là thêm một vệ tinh nữa là bốn vệ tinh để có thể tính toán được chính xác. Dĩ nhiên nếu có nhiều hơn bốn vệ tinh thì nó cũng sẽ nhận hết và xử lý hết tín hiệu.  
GPS tuy tính toán vị trí rất chính xác nhưng vẫn luôn luôn có sai số. Sai số này có thể và vài mét, hoặc vài trăm mét. Sai số hiển thị trên màn hình thiết bị chỉ là sai số có thể có dựa trên phân tích tín hiệu thu nhận được, còn thực tế thì khó biết được chính xác. Bởi các vệ tinh, trái đất, và cả chúng ta đều di chuyển liên tục đồng thời trong thời gian thực.
GPS hiện tại gồm ba phân hệ chính: phân hệ không gian, kiểm soát và sử dụng (Hình 2). Không quân Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và kiểm soát. Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, và các máy thu GPS sử dụng các tín hiệu này để tính toán vị trí trong không gian ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) và thời gian hiện tại.

Hình 2. Các thành phần cơ bản của GPS
Phân hệ không gian bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín hiệu cần thiết cho hệ thống hoạt động. Phân hệ không gian gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km. Chúng chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.
Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng mặt trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng mặt trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm: Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ phân hệ điều khiển; Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ tinh; Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số.
Phân hệ điều khiển là các tiện ích trên mặt đất thực hiện nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, tính toán quĩ đạo cần thiết cho sự quản lý phân hệ không gian. Mục đích phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác. Có năm trạm kiểm soát đặt rải rác trên trái đất. Bốn trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm. Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm. Tại trạm kiểm soát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với hai an-ten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh. Ngoài ra, còn một trạm kiểm soát trung tâm dự phòng và sáu trạm quan sát chuyên biệt.
Phân hệ điều khiển bao gồm các tiện ích cần cho việc kiểm tra độ bền (tuổi thọ), theo dõi, điều khiển, tính toán bản lịch vệ tinh và nạp dữ liệu lên vệ tinh.
Năm trạm điều khiển trên mặt đất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein. Chức năng của chúng như sau: Tất cả năm trạm đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến trạm điều khiển chính; Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC). Tại đó dữ liệu theo dõi được xử lý nhằm tính toạ độ và hiệu chỉnh thông số đồng hồ vệ tinh;

Hình 3. Các trạm điều khiển GPS trên thế giới
Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu lên vệ tinh. Dữ liệu bao gồm các bản lịch và thông tin số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải.
Phân hệ này gồm: Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách); Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng); Các quá trình điều hành. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy thu khác nhau về chủng loại, độ chính xác và giá tiền. Theo cấu tạo có thể chia thành hai loại: Máy thu một tần số và máy thu hai tần số. Theo độ chính xác thì có thể chia làm ba loại: Độ chính xác cao, trung bình và thấp. Độ chính xác cao đối với các loại máy thu hai tần số đắt tiền nhất hiện nay được dùng trong trắc địa. Thiết bị phần cứng phức tạp nên việc sử dụng khó khăn. Độ chính xác trung bình đối với các loại máy thu một tần số, có cấu tạo đơn giản dễ mang vác và dễ sử dụng cho thu thập dữ liệu phục vụ bản đồ và GIS. Độ chính xác thấp đối với các loại máy thu một tần số nhưng có cấu tạo gọn nhẹ (máy thu cầm tay) và giá thành thấp thường được dùng cho các mục đích định vị hàng hải, du lịch,…  

2. Một số lĩnh vực ứng dụng của GPS

Ưu điểm của công nghệ GPS là không đòi hỏi tính thông hướng giữa các trạm đo. Các vệ tinh có thể được quan sát trên một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia, lục địa. GPS cho phép định vị độ chính xác cao và đang ngày càng được cải thiện. Ứng dụng thực tế của GPS ở thời điểm hiện tại là rất đa dạng, được chia thành các nhóm lĩnh vực như định vị, dẫn đường, tìm kiếm,...[3].


Hình 4. Định vị qua vệ tinh
Đây có lẽ là tính năng cơ bản nhất của một thiết bị có tích hợp GPS. Tính năng này từ trước đến nay vẫn chỉ được hiểu đơn giản rằng người sử dụng có thể dễ dàng xác định được ngay vị trí của mình dù đang ở bất kỳ đâu thông qua GPS. Tuy nhiên, ứng dụng thực tế của tính năng này ở thời điểm hiện tại là khá đa dạng. Chẳng hạn dựa trên tọa độ mà GPS định vị, những ứng dụng trợ lý giọng nói như Google Voice, S Voice… cung cấp cho người dùng hàng loạt những thông tin hữu ích về thời tiết, nhiệt độ, hoặc vị trí nhà hàng, khách sạn, bệnh viện ở gần đó. Một số ứng dụng còn cho phép người dùng chia sẻ vị trí của mình thông qua tin nhắn SMS. Khi tin nhắn được gửi đi, thiết bị sẽ gửi kèm theo đó một tọa độ để người nhận có thể xác định được người gửi đang ở đâu, rất tiện lợi.
Lĩnh vực dẫn đường:
Dẫn đường là một tính năng mà hầu hết những người sử dụng đều muốn có khi cầm trong tay một thiết bị có GPS. Dựa trên vị trí tọa độ của thiết bị cộng thêm dữ liệu của ứng dụng bản đồ, thiết bị GPS sẽ vạch cho người sử dụng một lộ trình từ điểm đầu đến điểm cuối sao cho ngắn nhất và thuận tiện nhất. Hơn nữa, một số ứng dụng còn có tính năng dẫn đường bằng giọng nói, giúp người dùng dễ dàng di chuyển mà không cần phải nhìn liên tục vào màn hình thiết bị.
Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng không phải ứng dụng nào cũng có thể đáp ứng hoàn hảo cho nhu cầu dẫn đường. Chẳng hạn trên một số dòng thiết bị, ứng dụng Google Maps tuy có thể dẫn đường với độ chính xác khá cao nhưng nó lại không được trang bị bản đồ ngoại tuyến, bắt buộc người sử dụng phải kết nối internet mới có thể sử dụng được. Việc này về cơ bản có thể giải quyết bằng sóng 3G nhưng nhược điểm là không phải lúc nào thiết bị cũng bắt được sóng khi đang di chuyển.
Đối với những hãng vận tải thì GPS là một ứng dụng không thể thiếu trong việc điều hành và quản lý phương tiện. Trước tiên, nó cho phép giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe… Dựa vào đó, thiết bị có thể lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn hình. Ngoài ra, một số thiết bị GPS còn có tác dụng cảnh báo mỗi khi xe vượt quá tốc độ cho phép hoặc thay thế vai trò của một máy chống trộm hết sức hiệu quả.

Hình 5. Dẫn đường qua vệ tinh
Hầu hết các nhà sản xuất smartphone hiện nay đều cố gắng trang bị cho thiết bị những ứng dụng giúp người dùng có thể xác định được vị trí của chúng phòng khi thất lạc. Khi bật tính năng này, người dùng có thể theo dõi được vị trí của thiết bị dù ở bất kỳ đâu, miễn sao chúng vẫn có thể kết nối internet thông qua 3G hoặc wifi. Hơn thế nữa, ứng dụng này còn cho phép chủ nhân của thiết bị có thể gửi tin nhắn, bật âm báo hiệu, khóa hoặc xóa toàn bộ dữ liệu từ xa. Trên thực tế, ứng dụng này hữu ích trong việc tìm lại điện thoại bị thất lạc hơn là tìm lại điện thoại bị mất cắp, bởi chúng cũng có thể bị vô hiệu hóa chỉ với vài thao tác.
Đối với các bậc cha mẹ thì tính năng này còn đặc biệt hữu ích trong việc tìm, và quản lý con cái, người thân. Mặc dù vậy, đôi khi chúng ta sẽ cảm thấy khó chịu vì vô hình trung tính năng này lại khiến người sử dụng đánh mất quyền riêng tư.
Ngày nay, nhiều ứng dụng trong giao thông thông minh phát huy hiệu quả rất lớn, như: Giám sát quản lý vận tải, theo dõi vị trí, tốc độ, hướng di chuyển; Giám sát mại vụ, giám sát vận tải hành khách; Chống trộm cho ứng dụng thuê xe tự lái, theo dõi lộ trình của đoàn xe; Liên lạc, theo dõi định vị cho các ứng dụng giao hàng GPS có nhiều ứng dụng mạnh mẽ trong quản lý xe ô tô. Với nhiều tính năng như: Giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc, hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe…; Xác định vị trí xe chính xác ở từng góc đường, xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang chạy, biết được lộ trình hiện tại xe đang đi; Lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một màn hình; Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc tùy chọn; Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm; Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng); Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn; Chức năng chống trộm.
Về quản lý giao thông, tại Việt Nam có một số quy định pháp lý về GPS như: Nghị định 91/2009/NĐ-CP về thiết bị giám sát hành trình xe; Thông tư 14/2010/TT-BGTGT về dùng GPS giám sát hoạt động vận tải.
Trong quân sự, quốc phòng và an ninh:
Trong lĩnh vực quân sự, quốc phòng và an ninh, trên thế giới GPS cũng có nhiều ứng dụng: Vũ khí hạt nhân; Bom thông minh JDAM; Tên lửa không đối đất; Tên lửa tấn công đất liền; Tên lửa hành trình; Tên lửa đất đối đất; Máy bay huấn luyện Mikoyan MiG-AT của Nga;
Các hệ thống định vị vệ tinh khác được sử dụng ở một số nơi bao gồm: Galileo – hệ thống toàn cầu do EU và các quốc gia đối tác khác phát triển, đưa vào sử dụng năm 2014; Beidou (Bắc Đẩu) – là hệ thống riêng của Trung quốc phát triển, phủ ở châu Á và tây Thái Bình Dương; COMPASS – Hệ thống toàn cầu của Trung quốc, dự kiến đưa vào sử dụng năm 2020; GLONASS – Hệ thống địa vị toàn cầu của Nga; IRNSS – Hệ thống định vị khu vực của Ấn Độ, đưa vào sử dụng năm 2012, phủ Ấn Độ và bắc Ấn Độ Dương; QZSS – Hệ thống định vị khu vực của Nhật Bản, phủ châu Á và châu Đại Dương.

3. Ứng dụng GPS hay dành cho điện thoại thông minh

Hiện nay có một số ứng dụng dành cho hệ điều hành Android, iOS, BlackBerry và Windows Phone [4]. Không phải dễ dàng lựa chọn ứng dụng tốt nhất, trừ khi xem xét chúng theo các tiêu chí như chất lượng của giao diện, tính chính xác của các bản đồ hoặc khả năng thực hiện theo lộ trình mà không cần kết nối điện thoại di động.
Waze, ứng dụng thông tin giao thông. Bắt nguồn từ Israel, ứng dụng miễn phí này được Google mua lại rất hữu ích trong việc cảnh báo cho người sử dụng những điểm ùn tắc giao thông, những vụ tai nạn và những tuyến đường thắt nút, chỉ dẫn cho họ các tuyến đường đi nhanh nhất.
Google Maps, ứng dụng bản đồ mặc định trên các phiên bản điện thoại thông minh chạy Android, Google Maps là một lựa chọn tốt thay thế ứng dụng bản đồ Maps trên iPhone. Với việc sử dụng đơn giản, ứng dụng này không chỉ hướng dẫn cho những tài xế xe ô tô, mà còn để chỉ đường cho xe đạp, người đi bộ hoặc người sử dụng các phương tiện giao thông công cộng.
Nokia Here, là sản phẩm được phát triển bởi Nokia cho các thiết bị chạy Windows Phone, ứng dụng định hướng này có sẵn cho một số sản phẩm của Samsung và sẽ được tích hợp trong mùa đông này trong một phiên bản dành cho Android và iPhone. Nhưng trong khi Here Maps cho Windows Phone thiết kế cho người dùng một tuyến đường đi bộ, đi xe ô tô hoặc giao thông công cộng, phiên bản dành cho Android chỉ giới hạn trong điều hướng xe ô tô. Tuy nhiên, nó rất dễ chịu để sử dụng vì thiết kế, chế độ offline và các thông tin giao thông.

Hình 6. Ứng dụng thông tin giao thông
Apple Plans là sản phẩm của Apple giành riêng cho hệ điều hành iOS. Phiên bản này của Apple Plans đã chứng tỏ khả năng hiển thị các tòa nhà bằng 3D, được xếp vào danh sách một trong những ứng dụng định vị GPS thực tế nhất, mặc dù nó đòi hỏi phải kết nối Internet.

4. Một số nghiên cứu ứng dụng GPS tại Việt Nam

Nhóm nghiên cứu phát triển bộ thu định vị đa hệ thống SDR Navisoft của Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Định vị sử dụng vệ tinh (NAVIS), thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (ĐHBK), tháng 12/2012 đã tiếp nhận và giải mã thành công tín hiệu định vị của các vệ tinh đầu tiên thuộc Hệ thống Galileo châu Âu (EU). Lần đầu tiên 4 vệ tinh Galileo cùng xuất hiện và phát tín hiệu định vị miễn phí Galieo E1OS trên bầu trời Hà Nội. NAVIS đã tiến hành thử nghiệm việc sử dụng dịch vụ định vị Galileo. Kết quả cho thấy bộ thu Navisoft đã thành công trong việc tiếp nhận và giải mã đầy đủ tín hiệu từ vệ tinh Galileo. TS Lã Thế Vinh (ĐHBK), cho biết: "Việc tiếp nhận và giải mã thành công tín hiệu Galileo có ý nghĩa quan trọng trong việc sẵn sàng làm chủ và phát triển các giải pháp định vị đa hệ thống; giúp nâng cao độ chính xác, độ tin cậy của dịch vụ định vị và đặc biệt giảm sự phụ thuộc vào một hệ thống định vị riêng lẻ". Theo kế hoạch của EU, hệ thống Galileo sẽ bắt đầu cung cấp dịch vụ định vị vào năm 2015, và hoàn thành vào năm 2020. [5].
Bắc Đẩu là hệ thống vệ tinh định vị của Trung quốc phát triển, có chức năng tương tự như hệ thống GPS của Mỹ, GLONASS của Nga và Galileo của Châu Âu. Bắc Đẩu cung cấp dịch vụ định vị dân dụng miễn phí với độ chính xác trong phạm vi 10m, và dịch vụ cho quân sự với độ chính xác lên trong phạm vi 10cm. Sự ra đời của hệ thống định vị Bắc Đẩu cung cấp thêm các lựa chọn dịch vụ định vị cho người sử dụng trên toàn cầu. Với mục đích tự nghiên cứu, phát triển và làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống bộ thu hoạt động với đa hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (multi-GNSS), nhóm NAVIS (ĐHBK) đã thực hiện phát triển bộ thu Bắc Đẩu ngay khi hệ thống bắt đầu cung cấp dịch vụ vào tháng 12/2012. Bộ thu Bắc Đẩu do NAVIS phát triển đang hoạt động ổn định. Theo NAVIS cho biết, hiện ngoài Trung Quốc, trên thế giới chưa phổ biến các bộ thu thương mại Bắc Đẩu. Vì vậy, việc tự phát triển thành công bộ thu Bắc Đẩu là thành quả quan trọng trong lĩnh vực định vị sử dụng vệ tinh tại Việt Nam.

Tóm tại, hệ thống GPS là một hệ thống công nghệ tích hợp trong lĩnh vực viễn thông. Việc cập nhật thông tin về cấu trúc, thành phần và ứng dụng của nó sẽ mang lại lợi ích thiết thực cho người dùng. Để tiếp cận chi tiết về công nghệ cần có những nghiên cứu sâu hơn về sóng điện từ, sóng ánh sáng và các thuật toán tính toán chuyên sâu về sóng mang, độ trễ, nhiễu,… trong lĩnh vực viễn thông. Qua bài viết này cũng đặt ra cho các nhà nghiên cứu là tiếp tục phát triển các thuật toán định vị để nâng cao độ chính xác trong công nghệ định vị, đặc biệt là xây dựng các ứng dụng hỗ trợ công tác đảm bảo An ninh.

Tài liệu tham khảo
[1]     http://vi.wikipedia.org/wiki/He_thong_Dinh_Vi_Toan_Cau.
[2]     Hofmann-Wellenhof, B., H. Lichtenegger, and J. Collins, GPS Theory and Practice, Springer-Verlag, 1993.
[3]     http://www.tinmoi.vn/ung-dung-thuc-tien-cua-gps-011065057.html.
[4]     http://vnmedia.vn/VN/cong-nghe/hoi--dap/sau-ung-dung-gps-hay-danh-cho-de-thong-minh-33-3211617.html.
[5]     http://vnexpress.net/tin-tuc/khoa-hoc/viet-nam-su-dung-thanh-cong-tin-hieu-dinh-vi-galileo-2653548.html.


Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét