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