Đề tài Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông

LỜI MỞ ĐẦU Giao thông vận tải là một trong những lĩnh quan trọng, là huyết mạch của nền kinh tế quốc dân. Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu vận tải ngày càng đòi hỏi tăng cả về số lượng và chất lượng. Do vậy phát triển giao thông vận tải là một trong những ưu tiên hàng đầu của các nước trên toàn thế giới. Với Việt Nam, là một trong những nước đang phát triển, vấn đề cơ sở hạ tầng trong đó có giao thông vận tải đã và đang được chú trọng phát triển. Trong giao thông vận tải, ngoài việc cã cơ sở hạ tầng như đường xá, bến bãi hay phương tiện tốt thì việc quản lý, điều hành, giám sát và điều khiển các phương tiện mang mét ý nghĩa quan trọng, góp phần không nhỏ vào sự thành công của giao thông. Với mỗi loại hình giao thông khác nhau thì việc quản lý, giám sát và điều khiển có thể khác nhau, nhưng nguyên lý chung của việc giám sát, quản lý và điều khiển các phương tiện vận tải đều phải định vị được phương tiện. Việc định vị phương tiện có thể qua nhiều phương pháp khác nhau, nhưng với khả năng định chính xác, an toàn, toàn cầu và linh hoạt, DGPS đã và đang trở thành một công cụ định vị hiệu quả và đã được ứng dông để dẫn đường trong giao thông tại nhiều quốc gia trên thế giới. Với ưu điểm diện phủ sóng vệ tinh rộng khắp, đé chính xác cao, giá thành thấp, DGPS là sự lùa chọn hợp lý để giải quyết bài toán dẫn đường trong giao thông vận tải. Với những lý do trên, dưới sự hướng dẫn tận tình của cô Trịnh Thị Hương – Giảng viên Bộ môn Tín hiệu giao thông cùng các thầy, cô trong khoa Điện - Điện tử trường Đại học Giao thông vận tải, em đã mạnh dạn chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS và ứng dụng trong điều khiển giao thông” làm đề tài tốt nghiệp. Qua đây em xin chân thành cảm ơn cô Trịnh Thị Hương – Giảng viên Bộ môn Tín hiệu giao thông và các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử trường Đại học Giao thông vận tải đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như trong quá trình tìm tài liệu tham khảo để hoàn thành đồ án này. Em còng xin chân thành cảm ơn các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ em trong thời gian hoàn thành đồ án. Do thời gian, tài liệu và kiến thức còn hạn chế, đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và tất cả các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2009 Sinh viên thực hiện CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG KHÁI NIỆM DẪN ĐƯỜNG Nh­ chóng ta đã biết mọi sự chuyển động của chóng ta hay của một vật điều luôn hướng tới một đích đến cụ thể nào đó. Để chúng ta có thể đến được đích đó thì luôn cần một sù định hướng rõ ràng. Trong thực tế cuộc sống hàng ngày, sự di chuyển của chúng ta giữa hai điểm thường được chúng ta định trước, do đó sự di chuyển của chúng ta còng theo một hướng nhất định để đến được đích của mình. Để có cái nhìn khái quát hơn về dẫn đường ta có thể đưa ra định nghĩa sau: “Dẫn đường là một môn khoa học nghiên cứu về các phương pháp và các thiết bị thu nhận các thông tin xác định vị trí chuyển động của đối tượng bị điều khiển.” Nh­ vậy, từ định nghĩa ta có thể thấy được hai nghiệm vụ chính mà dẫn đường đặt ra là: Nghiên cứu về các phương pháp dẫn đường. Nghiên cứu về các thiết bị dẫn đường. Sau đây giới thiệu chung về các phương pháp dẫn đường và đi sâu nghiên cứu hệ thống dẫn đường DGPS. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHỮNG PHƯƠNG PHÁP DẪN ĐƯỜNG Người ta phân loại các phương pháp dẫn đường dùa trên việc sử dụng các kỹ thuật (kỹ thuật sử dụng trong các thiết bị dẫn đường) khác nhau. DẪN ĐƯỜNG BẰNG MỤC TIÊU Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu là phương pháp dẫn đường và xác định vị trí của đối tượng bị điều khiển bằng những mục tiêu nhìn thấy. Phương pháp dẫn đường này là phương pháp cổ xưa và đơn giản nhất. Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu này chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện tự nhiên, thời tiết. Phương pháp này có độ chính xác không cao và có tính định tính. DẪN ĐƯỜNG BẰNG DỰ ĐOÁN Phương pháp dẫn đường bằng dự đoán là phương pháp dẫn đường dùa vào vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển và hướng di chuyển để dự đoán vị trí của phương tiện. Dùa vào những thông số đó, người ta có thể tính toán ra được hướng còng nh­ vị trí của mình. Nhưng phương pháp dẫn đường này lại chịu tác động của ngoại cảnh nh­ dòng chảy, gió… cho nên độ chính xác của phương pháp không cao và quan trọng hơn là không ổn định. DẪN ĐƯỜNG THIÊN VĂN HỌC Dẫn đường bằng thiên văn học là dùa vào việc quan sát các thiên thể đã biết trên bầu trời như mặt trời, mặt trăng và các vì sao, sử dụng sextant (kính lục phân) để đo độ cao và góc độ giữa các thiên thể, dùng đồng hồ (thời kế) để đo thời gian và dùng lịch thiên văn để tính toán vị trí của tàu. Phương pháp dẫn đường thiên văn học là phương pháp dẫn đường có độ chính xác tương đối cao và được sử khá rộng rãi trong ngành hàng hải, nhưng bị hạn chế là không thể sử dụng được trong những điều kiện thời tiết xấu hay vào ban ngày khi mà không thể quan sát được mặt trăng hay bất kỳ một ngôi sao nào. DẪN ĐƯỜNG QUÁN TÍNH Phương pháp dẫn đường quán tính dựa trên hiểu biết vị trí, vận tốc và động thái ban đầu của phương tiện, từ đã đo tốc độ động thái và gia tốc rồi dùng phương pháp tích phân để tính toán ra vị trí của phương tiện. Đây là phương pháp dẫn đường duy nhất không dựa vào nguồn tham khảo bên ngoài. Nếu phương pháp dẫn đường vô tuyến chịu ảnh hưởng của sóng vô tuyến điện và không sử dụng được trong những khu vực không có sóng thì phương pháp dẫn đường quán tính có thể khắc phục được. Phương pháp này có độ chÝnh xác tương đối cao, nhưng nó lại chịu sai sè chu trình. DẪN ĐƯỜNG VÔ TUYẾN ĐIỆN (RADIO NAVIGATION) Dẫn đường vô tuyến điện là phương pháp sử dụng sóng vô tuyến từ một trạm phát sóng cố định có vị trí đã biết, tại điểm thu sãng máy thu sẽ tính toán thời gian, khoảng cách và kết quả thu được vị trí máy thu sóng vô tuyến điện. Một số hệ thống dẫn đường vô tuyến trên mặt đất vẫn còn đến ngày nay. Một hạn chế của phương pháp sử dụng sóng vô tuyến điện được phát trên mặt đất là chỉ có hai lựa chọn: 1) hệ thống rất chính xác nhưng không bao phủ được phạm vi rộng lớn; 2) hệ thống bao phủ được một phạm vi rộng lớn nhưng lại không chính xác. Sóng vô tuyến tần số cao có thể cung cấp vị trí chính xác nhưng chỉ cã thể bao phủ vùng nhỏ hẹp. Sóng vô tuyến tần số thấp (như sãng đài FM, frequency modulation, sãng điều tần) có thể bao phủ được vùng rộng lớn hơn nhưng lại không cho chóng ta vị trí chính xác. Chính vì vậy, các nhà khoa học đã nghĩ rằng cách duy nhất bao phủ sóng trên toàn bé thế giới là đặt những trạm phát sóng vô tuyến điện cao tần trong không gian và phát sóng xuống trái đất. Một trạm phát sóng vô tuyến điện nằm ở phía trên không gian của trái đất có thể phát sóng vô tuyến điện cao tần bằng tín hiệu được mã hóa đặc biệt có thể bao phủ được khu vực rộng lớn mà vẫn tới được trái đất với một mức năng lượng hữu Ých cho phÐp tái tạo lại thông tin thì sẽ có thể xác định được vị trí. Đây là ý tưởng ban đầu của GPS, ý tưởng này đã đúc kết lại 2000 năm sự tiến bộ trong khoa học dẫn đường bằng cách tạo ra “những hải đăng trong vũ trụ” (space-based lighthouse). GPS có thể cho chóng ta biết vị trí ở bất kỳ nơi nào trên bề mặt trái đất, trong mọi điều kiện thời tiết và liên tục 24 giờ trong ngày. HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS GPS là tên tiếng Anh viết tắt của từ “Global Positioning System” có nghĩa là “Hệ thống định vị toàn cầu”. Hệ thống định vị toàn cầu GPS sử dụng thông tin vệ tinh, nó có khả năng xác định vị trí tại mọi nơi trên bề mặt Trái đất với độ ổn định, độ chính xác tương đối cao và ngày nay với công nghệ ngày càng hiện đại, hệ thống GPS ngày càng trở nên chính xác đặc biệt là giá thành sử dụng đã hạ đáng kể. Phương pháp dẫn đường sử dụng GPS cũng được coi là phương pháp dẫn đường vô tuyến điện, các vệ tinh hệ thống định vị toàn cầu được coi là các trạm phát vô tuyến điện, hay nói chính xác hơn là “những trạm phát vô tuyến điện ở trong vũ trụ” (space-based radio wave transmitters), các trạm thu và máy thu dưới mặt đất thu các tín hiệu từ vệ tinh. Ngoài ra, dưới mặt đất còn có các trạm thu phát tín hiệu nhằm điều khiển hoạt động của hệ thống. Ngày nay, trên Thế giới việc sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã trở nên rất phổ biến và mang lại nhiều thành quả nhất định. Hệ thống GPS được ứng dụng để phục vụ cho giao thông vận tải và hiện nay nó đã đóng một vai trò quan trọng trong việc dẫn đường của hàng không, đường thuỷ, đường bộ và cả đường sắt. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS Cho đến ngày nay, vẫn còn tồn tại những bàn luận xung quanh vấn đề về độ chính xác của hệ thống GPS có thể đem lại. Hầu hết người sử dụng luôn có cái nhìn và đánh giá tốt về hệ thống, đặc biệt khi nó được sư dụng trong những điều kiện mà những hệ thống khác không hoặc khó có thể làm được. Có thể nói đây là một trong những ưu điểm nổi trội của GPS. Tuy nhiên, đây không phải là yếu tố duy nhất khiến ngày nay GPS lại trở nên phổ biến nh­ vậy, một trong những yếu tố còn lại là độ chính xác của hệ thống GPS. Trong mỗi lĩnh vực khác nhau, việc yêu cầu vệ độ chính xác là khác nhau. Do vậy, việc đặt ra một yêu cầu cụ thể về độ chính xác cho mỗi lĩnh vực luôn là điều cần thiết. Do đó, cũng tùy vào mỗi lĩnh vực mà người ta lại lùa chọn một “mức độ” khác nhau về độ chính xác của GPS. Từ những lĩnh vực không cần đến độ chính xác quá cao mà vẫn đáp ứng được đầy đủ những yêu cầu của người sử dông như lĩnh vực quản lý động vật hoang dã (theo dõi sự di cư, cư trú, tuổi thọ hay khả năng sinh sản…), khí tượng thuỷ văn (theo dõi và xác định sự di chuyển của các khối không khí, áp thấp nhiệt đới, các cơn bão…), quản lý tài nguyên môi trường… đến những lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao hơn như dẫn đường trong giao thông vận tải, địa chất, thiết lập bản đồ… hệ thống GPS vẫn có thể đáp ứng tốt những yêu cầu của công việc đề ra. Trên thực tế, chóng ta có thể hình dung rằng ngày nay trên thế giới khó có mét máy bay, mét con tàu hay một phương tiện thám hiểm nào lại không lắp đặt thiết bị thu GPS. Thậm chí ngay cả những chiếc xe hơi hay đơn giản hơn là những thiết bị cầm tay nh­ điện thoại di động, PDA,… điều có thể được trang bị một máy thu GPS. Từ đó ta có một cái nhìn tổng quan về hệ thống GPS, đó là một cộng nghệ có khả năng ứng dụng tốt trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống. Đó là trên thế giới, còn ở Việt Nam liệu hệ thống GPS đã được ứng dụng chưa? Vẫn phải khẳng định đây là một vấn đề vẫn còn nhiều tranh luận nhưng thực sự GPS đã “xâm nhập” vào Việt Nam. Tính cho đến ngày nay, trên toàn lãnh thổ Việt Nam đã có một số trạm GPS đã và đang hoạt động, gần đây nhất là trạm GPS ven biển Bình Dương với công suất có khả năng hoạt động trong phạm vi 1000 km, cùng với 2 trạm ven biển khác là trạm tại Đồ Sơn (phạm vi khoảng 450 km) và trạm tại Vũng Tàu 1000 km) đã được xây dựng, nó có tác dụng hỗ trợ rất lớn trong việc điều tra cơ bản tài nguyên biển, đảm bảo hàng hải, dẫn đường, cứu hộ cứu nạn trên biển, nghiên cứu khoa học và bảo vệ tài nguyên trên biển. Không chỉ có những ứng dụng trên biển mà ngay cả trên đất liền chúng cũng có nhiều ứng dông nh­ điều tra cơ bản đất đai, đo đạc và thiết lập bản đồ, quản lý tài nguyên rừng… Sắp tới đây Bộ Tài nguyên và Môi trường sẽ xây dựng thêm một trạm GPS tại Quảng Nam đảm bảo hoàn thành việc phủ sóng toàn bộ ven biển Việt Nam. Ngoài ra, một số trạm GPS được lắp đặt tại một số nơi như Hà Giang (phô vô cho an ninh quốc phòng biên giới và cắm mốc biên giới Việt Nam – Trung Quốc, trạm tại Cao Bằng (phục vụ cho công điều tra phân giới cắm mốc biên giới Việt Nam – Trung Quốc, công tác thăm dò tình hình biên giới phía Bắc và các vùng lân cận, đo đạc thiết lập bản đồ địa chính, thăm dò tài nguyên địa chất, thuỷ văn…). Trong ngành giao thông vận tải nói chung, việc sử dụng GPS để biết được chính xác phương tiện đang ở đâu sẽ giúp Ých rất nhiều trong quá trình định vị, giám sát, điều khiển và quản lý phương tiện vận tải. Vì vậy, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng GPS để ứng dụng trong ngành giao thông vận tải. CHƯƠNG II: HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS VÀ NGUYÊN LÝ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, SAI SÈ CỦA HỆ THỐNG VÀ CÁCH KHẮC PHỤC CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS. GIỚI THIỆU CHUNG. Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) của Mỹ – có tên gọi đầy đủ lúc đầu là Navstar GPS (Navigation signal with time and ranging Global positioning system – Hệ thống định vị toàn cầu sử dụng tín hiệu dẫn đường bằng thời gian và khoảng cách), mét hệ thống định vị được sử dụng trong giao thông, sử dụng nguyên lý đo thời gian và khoảng cách truyền sóng để xác định một mục tiêu nào đó. Năm 1978, nhằm phục vụ mục đích thu thập các thông tin về toạ độ (kinh độ và vĩ độ), độ cao và tốc độ cao của các cuộc hành quân hải lục và không quân, hưỡng dẫn máy bay, pháo binh và các hạm đội. Bộ quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất các vệ tinh nhằm cung cấp các thông tin về định vị toàn cầu. Hệ thống bao gồm 24 vệ tinh tính đền năm 1994 và đã được bổ sung thành 28 vệ tinh (vào năm 2000), chuyển động ở 6 mặt phẳng quỹ đạo khác nhau (các mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất, độ cao trung bình của các vệ tinh so với trái đất vào khoảng 20.200 km. Hình 1: Độ nghiêng của Mặt phẳng vệ tinh so với Mặt phẳng quỹ đạo Cấu trúc của hệ thống GPS gồm có 3 phân đoạn (nh­ hình 2) Phần không gian – Space segement. Phần điều khiển – Control segement. Phần người sử dông – User segement. Hình 2: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu. PHẦN KHÔNG GIAN. Phần không gian hay còn gọi là phần vệ tinh (Satellite segement) chính thức vận hành vào năm 1995, gồm 24 vệ tinh bay ở 6 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi mặt phẳng quỹ đạo bao gồm 4 vê tinh. Trong sè 24 vệ tinh có 21 vệ tinh thực sự hoạt động cung cấp thông tin định vị, còn 3 vệ tinh khác được sử dụng cho việc dự phòng có thể thay thế, hình 4 mô tả quỹ đạo và vị trí tương đối của 24 vệ tinh so với nhau theo toạ độ kinh độ và vĩ độ. Hiện nay vệ tinh được sản xuất bởi Rockwell International và có giá trị mỗi vệ tinh khoảng 40 triệu USD, nhưng để vệ tinh vận hành được cần phải mất thêm khoảng 100 triệu USD hoăc hơn nữa để phóng thành công một vệ tinh, mỗi vệ tinh được xây dựng để hoạt động trong khoảng 10 năm. Ngày nay, mét hệ thống vệ tinh hoàn thành tiêu tốn mất hàng trục tỷ USD. Mỗi vệ tinh nặng khoảng 900 kg và dài khoảng 5 mét, có bảng nhận năng lượng mặt trời trải rộng. Nã chạy bằng năng lượng mặt trời, tuy nhiên vệ tinh GPS cũng được trang bị pin mặt trời để hoạt động ở những khu vực không có ánh sáng mặt trời. Kể từ khi phóng vệ tinh đầu tiên vào năm 1978, đến nay đã cã bốn thế hệ vệ tinh khác nhau được phóng lên quỹ đạo. Đã có 11 vệ tinh thuộc thế hệ đầu tiên “Block I” được phóng lên và 10 trong số đó thành công. Cho tới ngày nay, chỉ còn 1 vệ tinh thuộc khối này hoạt động. Thế hệ tiếp theo là “Block II”, thế hệ thứ 3 là “Block IIA” và thế hệ mới nhất là “Block IIR”, các vệ tinh cuối thuộc “Block IIR” được gọi là IIR-M. Những vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cây cao hơn và thời gian hoạt động lâu hơn. Vệ tinh thế hệ mới nhất IIR-M (hình 3) có khối lượng khoảng 1132,75 kg. Nó có giá trị khoảng 75 triệu USD và được phóng thành công vào 3h36 phót sáng ngày 26/09/2005. Hình 3: Vệ tinh GPS IIR-M Các vệ tinh GPS không phải là vệ tinh địa tĩnh. Quỹ đạo là hình tròn nghiêng, các vệ tinh bay quanh trái đất hết khoảng 12 giê. Nh­ vậy vị trí của chúng là gần giống với một ngày thiên văn (trong thực tế nó sớm hơn 4 phót cho mỗi ngày). (a) (b) Hình 4: (a) Mô tả các vệ tinh của hệ thống GPS trên quỹ đạo (b) Vị trí tương đối của các vệ tinh Các vệ tinh được bố trí sắp xếp sao cho tại bất kỳ thời điểm nào ở bất kỳ đâu trên trái đất và khoảng không gian trên đó cũng sẽ có Ýt nhất bốn vệ tinh của GPS được nhìn thấy hay nói một cách khác nếu một máy thu tín hiệu GPS dù ở đâu trên trái đất và khoảng không gian đó, ở mọi thời điểm luôn thu được Ýt nhất 4 tín hiệu của 4 vệ tinh khác nhau. Ba trong sè 4 tín hiệu của 4 vệ tinh đó vệ tinh đó được sử dụng để xác định toạ độ trong không gian hai chiều và với một tín hiệu từ vệ tinh thứ tư có thể xác định được vị trí của mục tiêu trong không gian ba chiều. Tất cả các vệ tinh đều có ba số nhận dạng (identifying number): số thứ nhất là của trung tâm điều hành để nhận dạng trang bị và chức năng vệ tinh trong hệ thống; số thứ hai là số nhận dạng vệ tinh trong không gian (SV – Space vehicle) được gán khi phóng vệ tinh và số thứ ba là một mã giả tạp âm ngẫu nhiên (PRN – PseudoRandom Noise-code number). Số này được sử dụng để mã hoá tín hiệu vệ tinh. Mét sè máy thu GPS liên lạc với vệ tinh thông qua số nhận dạng SV còn một số khác theo số nhận dạng PRN. Tất cả các vệ tinh GPS phát trên hai băng tần sóng mang: L1 = 1575.42 MHz và L2 = 1227.6 MHz. Tín hiệu sóng mang L1 được sử dụng trong các đoạn tin đạo hàng và dịch vụ định vị chuẩn SPS (Standard postioning system). Tín hiệu sóng mang L2 được sử dông cho dịch vụ định vị chính xác PPS (Precise Positionning Service) được mã hoá. Các vệ tinh GPS sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ (CDMA – spread spectrum) để cho phép cả 24 vệ tinh có thể đồng thời phát trên cả hai sóng mang mà không gây can nhiễu lẫn nhau (phương thức đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ CDMA sẽ giới thiệu sau). PHẦN ĐIỀU KHIỂN. Phân đoạn điều khiển (Control segment) còn được gọi là hệ thống vận hành OCS (Operational control system) bao gồm tất cả 05 trạm giám thực hiện các mục đích sau: Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh GPS một cách liêm tục. Quy định thời gian hệ thống GPS. Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh. Cập nhật định kỳ cho thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể. Hình 5: Vị trí của các trạm điều khiển trên bề mặt trái đất Phần điều khiển bao gồm một trạm điều khiển chủ (Master control station) được đặt tại Falcon Air Force Base bang Colorado Hoa Kỳ và 4 trạm giám sát thô động được đặt: mét tại Hawai, một tại đảo nhỏ Ascention bờ biển phía Tây châu Phi, một tại Deigo Garcia miền Nam Ên Độ, và trạm thứ tư tại Kwajalein thuộc quần đảo Marshell Tây Thái Bình Dương. Trong trường hợp xảy ra thiên tai, sẽ có hai trạm chủ dự phòng được đặt ở Sunnyvale bang California và một trạm khác ở Rockville bang Maryland. Tất cả các trạm giám sát thụ động giám sát theo dõi tất cả các tín hiệu vệ tinh mà chúng có thể nhìn thấy tại bất cứ thời điểm nào, thu thập các tín hiệu dữ liệu (khoảng cách) từ mỗi vệ tinh. Những thông tin này sau đó được chuyển đến trạm chủ tại bang Colorado theo đường DSCS bảo mật (Defense satellite communication system - Hệ thống phòng thủ truyền thông vệ tinh) nơi vị trí các vệ tinh (“ephemeris”) và dữ liệu đồng hồ thời gian được đánh giá và dự đoán. Trạm chủ theo định kỳ sẽ gửi các dữ liệu về vị trí và đồng hồ thời gian đã được hiệu chỉnh tới các trạm ăng-ten mặt đất chuyên dụng nơi mà sau đó các dữ liệu này được tải lên mỗi vệ tinh. Cuối cùng, vệ tinh sử dụng các thông tin đã hiệu chỉnh của chính nó truyền xuống cho người sử dụng cuối cùng. Mét chuỗi các sự kiện này xảy ra một vài giê một lần cho mỗi vệ tinh để giúp đảm bảo rằng bất kỳ một lỗi nào có thể về vị trí vệ tinh hay đồng hồ của chúng đều được giảm xuống nhỏ nhất. Hình 6: Cấu trúc cơ bản và dòng dữ liệu của phần điều khiển PHẦN NGƯỜI SỬ DỤNG. Phần người sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS và cộng đồng người sử dụng. Các máy thu GPS thu nhận các tín hiệu từ vệ tinh và chuyển đổi các tín hiệu đó thành các tham số về toạ độ, vị trí, tốc độ và thời gian của chúng. Trong một máy thu GPS tín hiệu vệ tinh được thu theo vùng phân cực của ăng-ten được tạo ra bởi hình bán cầu sóng của nó. Máy thu GPS có thể giám sát một hoặc cả hai loại mã GPS. Hầu hết các máy thu đều có nhiều kênh truy nhập, mỗi một kênh giám sát đường truyền từ một vệ tinh. Một sơ đồ khối đơn giản của một máy thu đa kênh được thể hiện nh­ hình 7. Hình 7: Sơ đồ khối của một máy thu GPS thông thường Tín hiệu mà máy thu được đưa vào bộ lọc để loại bít nhiễu, khuyếch đại sau đó chuyển đổi xuống tần số trung và được số hoá. Tín hiệu sau đó được địa chỉ hoá đến xử lý tín hiệu trung tâm (DSP), cái mà bao gồm N kênh song song để giám sát đồng thời các sóng mang và mã từ N vệ tinh. Mỗi kênh bao gồm mã và một mạch giám sát sóng mang để thực hiện tÝnh toán mã và pha sóng mang và giải điều chế dữ liệu tin tức dẫn đường. Rất nhiều dữ liệu từ các vệ tinh có thể được thực hiện tính toán cùng một lóc và được chuyển tiếp cùng với thông tin dẫn đường đã giải điều chế đến bộ xử lý dẫn đường máy thu. Sau cùng, nó sẽ so sánh hai tín hiệu: một là tín hiệu thu được hai là tín hiệu mẫu để được ra kết quả. Mét giao diện đầu vào đầu ra (I/O) của GPS được thiết lập cho người sử dụng. Trong nhiều ứng dụng thiết bị I/O là mét giao diện điều khiển, cái mà cho phép dữ liệu đi vào, và hiển thị thông trạng thái thái dẫn đường (vị trí, tốc độ và thời gian) và truy nhập để thực hiện nhiều chức năng dẫn đường. Mét số ví dụ trong hình 8 a,b thể hiện thiết bị gọn nhẹ có khả năng cầm tay hoặc trang bị trên các phương tiện. (b) Hình 8: (a) - Thiết bị máy thu GPS cầm tay (b) - Máy thu GPS được trạng bị trên tàu thuỷ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG GPS. 2.2.1 NGUYÊN LÝ CHUNG ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ. Làm thế nào để hệ thống GPS có thể hoạt động được, theo lý thuyết điều này rất đơn giản. Hệ thống GPS xác định vị trí của người sử dụng thông qua việc xác định khoảng cách từ máy thu của họ đến các vệ tinh (Ýt nhất 3 vệ tinh nếu trong không gian 2 chiều và 4 vệ tinh trong không gian 3 chiều). Để xác định được khoảng cách này, một nguyên tắc cơ bản là dùa trên việc đo đạc thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh (cái mà chúng ta có thể biết được chính xác vị trí của nó tại bất kỳ thời điểm nào) đến máy thu. Nếu nh­ máy thu có thể xác định được chính xác thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu thì có thể xác định được khoảng cách đó bằng biểu thức đơn giản sau đây: D=v*t Trong đó:+ D là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu. + D lµ kho¶ng c¸ch gi÷a vÖ tinh vµ m¸y thu. + v là tốc độc truyến sóng điện từ trong không gian (gần bằng tốc độ áng sáng = 300.000.000 m/s) + t là thời gian truyền sóng. Nh­ vậy, việc mấu chốt bây giê là xác định được chính xác thời gian truyền sóng. Để làm được điều này máy phát của vệ tinh và máy thu GPS sử dụng một loại mã giả ngẫu nhiên (Pseudo-random code) đồng nhất, loại mã này là duy nhất đối với từng vệ tinh (hình 8). Hình 9 Mã định thời gian ngẫu nhiên của hệ thống GPS Bây giê, chúng ta giả sử một máy thu trên trái đất thu tín hiệu vệ tinh GPS. Máy thu này thu được một tín hiệu của một vệ tinh (A) và xác định được khoảng cách tới vệ tinh này là 20.000 km. Do đó, ta có thể xác được máy thu đang ở đâu đó trong không gian thuộc bề mặt của khối cầu bán kÝnh 20.000 km và tâm là vệ tinh A đó (hình 10). Nh­ vậy, ta chưa thể xác định được vị trí chính xác của máy thu. Hình 10: Không gian chứa vị trí máy thu khi máy thu thu được một tín hiệu vệ tinh Giả sử, cùng lúc đó máy thu còng thu được một tín hiệu từ vệ tinh thứ hai (B) và xác định được khoảng cách này là 22.000 km, tương tự như trên có thể xác định được máy thu này cũng thuộc mặt cầu thứ hai có bán kính là 22.000 km và tâm là vệ tinh B, máy thu lúc này cùng thuộc hai mặt cầu khác nhau trong không gian. Nh­ vậy, không gian xác định vị trí của máy thu lúc này được thu nhỏ lại từ bề mặt của một mặt cầu thành giao của hai mặt cầu. Do đó, vị trí của máy thu lúc này thuộc đường tròn giao nhau giữa hai mặt cầu (hình 10). Hình 11: Không gian chứa vị trí máy thu khi máy thu được hai tín hiệu từ hai vệ tinh Nếu cũng tại thời điểm đó, máy thu thu thêm được tín hiệu của một vệ tinh thứ ba (C) với khoảng cách xác định được là 21.000 km, chóng ta có thể xác định được vị trí. Bây giê trong không gian, cùng một thời điểm, vị trí của máy thu cùng thuộc ba mặt cầu bán kính lần lượt 20.000 km, 22.00 km, 21.000 km và tâm là ba vệ tinh A,B,C. Như vậy, ta có thể chắc chắn rằng vị trí của máy thu là một trong hai điểm mà cả ba mặt cầu đều đi qua (hai điểm giao nhau của ba mặt cầu). Bây giê vị trí của chúng ta (máy thu) đã được thu hẹp đáng kể trong không gian. Chóng ta có thể biết rằng một trong hai vị trí là vị trí của chúng ta, nhưng nh­ vậy vẫn còn rất mơ hồ. Trong thực tế, một trong hai điểm luôn ở một nơi nào đó không có khả năng (vô nghĩa) bởi vì nó cách xa hàng nghìn km trong không gian. Máy thu đủ biết để nhận ra rằng một trong hai vị trí là sai lầm và xác định vị trí còn lại là vị trí của chúng ta. Để đảm bảo sự lùa chọn trên là chính xác, hầu hết các máy thu yêu cầu khi chế tạo chúng thường được cài đặt để có thể giới hạn trong khoảng cách định vị nhất định để đảm bảo loại bỏ một trong hai điểm. Nh­ vậy, với việc xác định được khoảng cách tới ba vệ tinh chóng ta có thể xác định được chính xác vị trí của chúng ta (hình 11). Trên thực tế, nó luôn cần đến 4 vệ tinh để xác định chính xác một vị trí khi máy thu không thuộc bề mặt trái đất (không gian ba chiều). Hình 12: Xác định vị trí máy thu khi thu được tín hiệu từ ba vệ tinh Để chính xác hơn cần thu tín hiệu từ bốn vệ tinh Tại sao, khi ba vệ tinh có thể xác định được vị trí của chúng ta chính xác đến nh­ vậy, chúng ta lại cần đến vệ tinh thứ tư? Nên nhí rằng những gì chúng ta đo đạc được là thời gian tín hiệu vô tuyến truyền từ vệ tinh đến máy thu. Để thu được một vị trí chính xác, chúng ta cần đo được thời gian rất chính xác. Với một tín hiệu vô tuyến truyền với vận tốc 300.000 km/s, chỉ cần tín hiệu truyền sai lệch 1/1.000.000 s (một phần một triệu giây) thì vị trí của chúng ta sẽ sai lệch 300m. Tuy nhiên, một cách để giải quyết vấn đề này là bắt nguồn chính từ vệ tinh. Để giữ thời gian được chính xác, mỗi vệ tinh được trang bị một đồng hồ nguyên tử. Những đồng hồ nguyên tử này rất chính xác, nó chỉ sai số một phần một tỷ giây trong vòng một tháng. Điều này là chắc chắn đủ để cho mục đích sử dông của chóng ta, nhưng nó thật sự không thích hợp cho các máy thu dưới mặt đất bởi vì ngoài việc mỗi cái đồng hồ có trọng luợng hàng trăm kg nó còn cã giá trị khá lớn, khoảng 200.000 USD. Với mức chi phí nh­ vậy, thật khó để chúng ta có thể trang bị cho mục đích dân sự của chúng ta. Trên thực tế, mỗi mét máy thu, loại cầm tay, chỉ được gắn mét đồng hồ rẻ tiền với độ chính xác thấp hơn nhiều so với đồng hồ nguyên tử. Tuy nhiên, nó là bộ phận rất cần thiết mà cả hai máy thu và vệ tinh bắt đầu “đÕm thời gian” tại cùng một thời điểm chính xác. Nó tạo ra cái mà chúng ta có thể đảm bảo điều này bằng việc thêm một vệ tinh thứ tư cái mà hoạt động như thời gian “xác nhận”. Do vậy, chúng ta cần thu được Ýt nhất bốn tín hiệu từ bốn vệ tinh khác nhau để vị trí thu được với sai số thấp nhất. Trên thực tế, với cách bố trí vệ tinh bay trên cách quỹ đạo khác nhau và lệch nhau, tại mỗi vị trí trên trái đất luôn thu được Ýt nhất tín hiệu từ bốn vệ tinh, tại những nơi có độ thoáng lớn số tín hiệu thu được có thể lớn hơn 4 và tất nhiên rằng khi số tín vệ tinh thu được càng lớn thì việc định vị sẽ càng chính xác. TÍN HIỆU GPS. CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS. Như phần trên đã giới thiệu, mỗi vệ tinh truyền tín hiệu trên hai tần số sóng mang: Sóng mang L1 có tần số: 1575,42 MHz và sóng mang L2 có tần số 1226,7 MHz (giải L là giải tần số cực ngắn của phổ điện trải rộng từ 0,39 đến 1,55 GHz) được nhận từ việc nhân hệ số với một tần số chung f0=10,23 MHz. fL1 = 154 x f0 =1575,42 MHz. fL1 = 120 x f0 =1227,60 MHz. Các tín hiệu này có thể xuyên qua mây, thủy tinh và nhùa nhưng không thể truyền qua phần lớn các đối tượng cứng nh­ các toà nhà, các dãy núi… Hình 13: Sơ đồ khối máy phát tín hiệu GPS tại vệ tinh Nh­ hình 13 biểu diễn, tín hiệu GPS được điều chế trên hai sóng mang L1 và L2. Sóng mang L1 chứa hai mã C/A (Coarse Acquisition), mã P (Precise) và thông tin dẫn đường (NAV/SYSTEM DATA) còn sóng mang L2 chứa mã P và thông tin dẫn đường. Cho đến ngày nay, hệ thống GPS được bổ xung thêm hai tín hiệu dân sự mới đó là L2C – L2 Civil (hay L2) và L5 và một mã sử dụng trong quân đội Hoa kỳ là M, mã này được truyền trên sóng mang L1. Tín hiệu L2C được truyền trên sóng mang L2, tín hiệu L2C đang được truyền bởi 6 vệ tinh của khối Block IIR-M. Tín hiệu L5 có tần sè fL5 = 115 x f0 = 1176,45 MHz , tín hiệu L5 chỉ được sử dụng trong mục địch dân sự. Tín hiệu L1 bao gồm mã C/A, mã P, thông tin dẫn đường. (hình 14). (a) (b) Hình 14: (a)-Cấu trúc các thành phần của tín hiệu L1 (mã C/A) (b)-Cấu trúc các thành phần của tín hiệu L1 (mã P) Tín hiệu L2 bao gồm mã P và thông tin dẫn đường. Tín hiệu L2C bao gồm mã CM, mã CL và thông tin dẫn đường. Tín hiệu L5 bao gồm mã máy phát trải phổ và thông tin dẫn đường. Mã P được điều chế trên cả hai sóng mang L1 và L2, nó có tần số 10,23 MHz. Tương tù như mã C/A nhưng thay vì chuỗi gồm 1023 chip là một chuỗi rất dài, nó gồm 6,19 x 1012 chips (tương đương với 7 ngày). Mã CM (Civil-moderate) là một mã tạp âm giả ngẫu nhiên gồm 10.023 chip và được lặp đi lặp lại trong vòng 20 mini giây, nó có tố độ chip là 511,5 kilochips/giây. Mã CL (Civil-long) cũng là một mã tạp âm giả ngẫu nhiên gồm 767.250 chip và được lặp đi lặp lại trong 1,5 giây, nh­ vậy mã CL cũng có cùng tốc độ chip với mã CM. Do đó có 75 bản sao chính xác của mã CM cho mỗi chu kỳ của mã CL. Mã CM và CL được phối hợp “chip – by – chip” trong một bộ đa công (thiết bị sử dụng để truyền thông tốc độ thấp vào một kênh tốc độ cao) để tất cả tốc độ chip giống như tốc độ chip của mã C/A (1,023 megachips/giây). Độ rộng của chip khoảng 0,9775 micro giây cũng giống nh­ tốc độ chip của mã C/A và do đó độ chính xác về khoảng cách của chúng là ®é chÝnh x¸c vÒ kho¶ng c¸ch cña chóng lµ nh­ nhau. Không giống nh­ mã C/A, mã CM và CL không phải là mã các Gold. Trên thực tế, chúng còn có một số đặc tính tốt hơn mã C/A. Mã CM và CL được cân đối hoàn toàn, có nghĩa là chúng có sè sè 0 và sè sè 1 là nh­ nhau. Nhưng quan trọng hơn, bởi vì chúng là mã dài, chúng có sự tương quan tự động tốt hơn và đặc tính “tương quan chéo” là tốt hơn mã C/A. Cũng giống nh­ mã C/A, mỗi vệ tinh được chỉ định một mã CM và CL duy nhất. Thông tin dẫn đường thường được kết hợp với mã CM trong khi đó mã CL không chứa dữ liệu, có nghĩa là nó không được kết hợp với dữ liệu bit. Do có sự tương đối giống nhau trong cấu trúc mã, cho nên nội dung báo cáo trong đề tài này chỉ tập chung vào mã C/A (mã sử dụng trong tín hiệu dân sự). Mã C/A là một mã tạp âm giả ngẫu nhiên có tần số 1,023 MHz, ngoài ra mã C/A còn được gọi là mã Vàng hay một cách đơn giản là chuỗi PRN. Mỗi vệ tinh có một mã C/A khác nhau và duy nhất do đó nó được dùng để nhận dạng vệ tinh. Mã C/A được sử dụng trong tín hiệu GPS dân sù. Mã C/A sử dụng phương pháp điều chế theo phương pháp BPSK – Binary Phase Shift Keying (khoá dịch pha nhị phân). Hình dưới cho thấy tác động của điều chế BPSK lên sóng mang L1 với mã C/A và dữ liệu dẫn đường cho một vệ tinh. Hình 15: Tác động của điều chế BPSK lên sóng mang L1 Toàn bộ mỗi mã này là một chuỗi gồm 1023 “chip” (chip một phần tử nhị phân của chuỗi) và nó được lặp lại một nghìn lần mỗi giây, trong đó có 512 phần tử “1” và 511 phần tử “0” và những phần tử này xuất hiện một cách phân tán ngẫu nhiên. Thông tin dẫn đường (NAV/SYSTEM DATA) cũng là một chuỗi nhị phân có tần số 50 Hz. Thông tin dẫn đường chứa đựng thông tin mô tả quỹ đạo của vệ tinh, hiệu chỉnh đồng hồ và các thông số hệ thống khác. CẤU TRÓC DỮ LIỆU GPS. Dữ liệu GPS là những thông tin chứa đựng trong tín hiệu GPS, chóng bao gồm mã C/A, mã P với mục đích xác định thời gian truyền tín hiệu và thông tin dẫn đường (các thông số của vệ tinh). Dữ liệu GPS này nhằm mục đích xác định các thông số dẫn đường của máy thu như vị trí, vận tốc, độ cao… và dẫn đường cho mục tiêu. Thông tin dẫn đường GPS bao gồm thời gian dẫn được gắn thẻ bit (cờ) đánh dấu thời điểm bắt đầu truyền của mỗi khung tín hiệu từ vệ tinh. Mét khung tín hiệu bao gồm 1500 bit được chia thành 5 khung con, mỗi khung con gồm 300 bit. Mét khung dữ liệu được truyền trong vòng 30 giây mỗi lần. Khung con thứ nhất - Satellite Clock and Health Data: Chứa dữ liệu về tình trạng sức khoẻ và dữ liệu về đồng hồ của vệ tinh. Thời gian được cài đặt trong vệ tinh được gọi chung là SV time (Space vehicle time), thời gian sau khi được hiệu chỉnh được gọi là thời gian GPS. Do đó, mặc dù mỗi vệ tinh riêng biệt không thể có sự đồng bộ hoàn hảo về thời gian vệ tinh, chúng làm việc chia sẻ một thời gian GPS chung. Ngoài ra thông tin trong khung phụ thứ nhất còn bao gồm các số t0c, TGD và IODC. Thời gian tham chiếu t0c được sử dụng giống như một thời gian gốc để tÝnh toán lỗi của đồng hồ vệ tinh, thời gian trễ TGD do tầng điện ly gây nên được sử dụng để hiệu chỉnh lỗi do trễ này gây ra và IODC (tạo ra ngày, giê) cho biết số của dữ liệu đồng hồ thiết lập được tạo ra để cảnh báo cho người sử dụng biết sù thay đổi trong thông số đồng hồ. Tất cả những thông số trên là cần thiết cho việc tính toán thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh. Khung con thứ hai và ba – Satellite ephemeris data: Bao gồm dữ liệu lịch thiên văn của vệ tinh, các dữ liệu này là thông tin về quỹ đạo của vệ tinh và nó cần cho việc tính toán, xác đinh vị trí chính xác của vệ tinh. Không giống nh­ dữ liệu lịch niêm giám, dữ liệu này là rất chính xác, có giá trị trong một khoảng thời gian ngắn (khoảng vài giê) và chỉ được thêm vào vệ tinh nào truyền nó. Sự tính toán vị trí của vệ tính toán vị trí của vệ tinh thông thường sử dụng công cụ Matlab. Khung con thứ tư và thứ năm – Support data: Mỗi khung con này gồm 25 trang chứa dữ liệu lịch niêm giám cho vệ tinh, còng như thông tin đặc biệt, giới hạn hiệu chỉnh tầng điện ly và hệ số chuyển đổi thời gian GPS sang thời gian UTC, nó cũng có từ dự trữ cho những ứng dụng khác có thể. Các thành phần của dữ liệu lịch niêm giám là rất đơn giản nh­ dữ liệu lịch thiên văn và việc tính toán vị trí của vệ tinh về cơ bản cũng giống nh­ vậy. Dữ liệu lịch niêm giám là dữ liệu lịch thiên văn và dữ liệu đồng hồ vệ tinh với độ chính xác giảm bớt. Ngoài ra, mỗi vệ tinh truyền dữ liệu lịch niêm giám cho tất cả các vệ tinh trong khi đó chỉ truyền dữ liệu lịch thiên văn cho chính nó. Toàn bé 25 khung tín hiệu (125 khung con) tạo thành thông tin dẫn đường hoàn chỉnh cái mà được gửi theo chu kỳ 12,5 phót. Hình 16: Cấu trúc dữ liệu dẫn đường GPS Các khung dữ liệu (1500 bit) được gửi 30 giây mỗi lần. Các bit cấu trúc phô dữ liệu (300 bit được gửi trong khoảng 6 giây) bao gồm các bit chẵn lẻ cái mà cho phép kiểm tra dữ liệu và hạn chế lỗi. Các khung con luôn được bắt đầu bằng hai từ đặc biệt là Telemetry (TLM) và Handover (HOW). TLM là từ bắt đầu của mỗi khung con cho nên nó lặp lại 6 giây mỗi lần. Nã bao gồm 8 bit đầu và sau đó là 16 bit dành riêng. Các bit đầu này sẽ được sử dụng để đồng bộ khung dữ liệu. HOW bao gồm 17 bit bản được cắt bớt của thời gian tuần (time of week – TOW). Ba bit tiếp theo cho biết ID của khung con để xác định được vị trí hay thứ tự của năm khung con trong khung dữ liệu. Các thông số dữ liệu đồng hồ (clock data parameters) mô tả đồng hồ vệ tinh và mối quan hệ với thời gian GPS. Mỗi vệ tinh gửi một giá trị thời gian thực để cái mà thời gian GPS được bù lại từ giê quốc tế. Sự hiệu chỉnh này có thể được thực hiện bởi máy thu để thiết lập giê quốc tế chính xác trong khoảng 100 ns (nano giây). Các thông số lịch niêm giám (hay dữ liệu lịch – Almanac data parameters) là thông số dữ liệu quỹ đạo gần chính xác cho tất cả các vệ tinh. Các thông số này được máy thu thu lại và lưu trữ trong nã. Trong quá trình xác định vị trí của mình, máy thu luôn sử dụng đến các thông số này của vệ tinh (thực chất là sử dụng các thông số được lưu trong máy thu). Do vệ tinh thường bị lệch chút Ýt ra khỏi quỹ đạo chính xác của chúng trong quá trình bay cho nên chúng cần được theo dõi và được điều chỉnh trở về quỹ đạo chính xác của chúng. Công việc này được thực hiện bởi các trạm giám sát và trạm chủ dưới mặt đất. Sau khi theo dõi và phân tích quỹ đạo của chúng, trạm chủ đưa ra các thông số đã được hiệu chỉnh về quỹ đạo chính xác cho từng vệ tinh, các thông số được hiệu chỉnh này được gửi lên vệ tinh để vệ tinh truyền xuống cho các máy thu. Các thông số được hiệu chỉnh này gọi là các thông số dữ liệu lịch thiên văn (ephemeris data parameters) mô tả từng phần ngắn quỹ đạo của quỹ đạo của vệ tinh. Thông thường một máy thu nhận được dữ liệu lịch thiên văn mỗi giê, nhưng chúng cũng có thể sử dụng những dữ liệu lịch thiên văn của bốn giê trước đó với sai số lớn hơn. Các thông số lịch thiên văn được sử dụng mét thuật toán mà nã có thể tính toán vị trí của vệ tinh tại bất kỳ khoảng thời gian nào trong chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh. Ví dụ về dữ liệu lịch thiên văn và dữ liệu đồng hồ vệ tinh. Giả mã từ khung con 1,2 và 3 của cấu trúc bit dữ liệu của máy thu GPS Austron 2201A tại Austin, Texas, ta thu được các thông tin sau. Thời điểm 21:36:00 ngày 18/04/1995 Lịch thiên văn cho vệ tinh 2: Số mã giả ngẫu nhiên (PRN) cho dữ liệu là …………2 Dữ liệu lịch thiên văn phát ra …………………….224 Độ dài trục dài của quỹ đạo hình elip (mét)…………..2.65603E+07 Các chuyển động khác (rad/giây)………………..5.04521E-09 Độ lệch tâm (không có thứ nguyên)……………..0.0139305 Vận tốc góc (rad/giây)…………………………….4.11089E-10 Góc nghiêng so với trục…………………………0.950462 Giá trị trung bình của sự chuyển động chính xác……..0.0000145854 ……………………………… Mỗi dữ liệu vệ tinh hoàn chỉnh bao gồm cả dữ liệu của thành phần tầng điện ly cái mà được sử dụng trong máy thu để bù lại trễ do tầng điện ly gây nên tại bất kỳ vị trí và thời gian nào. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CHÍNH XÁC MỤC TIÊU TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MÁY THU Với vị trí của vệ tinh đã biết và dùa vào những thông số thu được sau đây ta sẽ tính toán để xác định vị trí của mục tiêu khi không có lỗi. = khoảng cách ngẫu nhiên (đã biết). x, y, z= = tọa độ vị trí của vệ tinh trong vũ trụ (đã biết). X, Y, Z= = tọa độ vị trí của mục tiêu (chưa biết). x, y, x và X, Y, Z lần lượt là toạ độ của vệ tinh và mục tiêu của hệ trục toạ độ có tâm là trái đất. Ta có: = (1) Bình phương hai về ta được: = = + x2 + y2 +z2 – 2Xx – 2Yy – 2Zz (2) - (x2 + y2 +z2) – r2 = Crr – 2Xx – 2Yy – 2Zz(3) (3) Trong đó,r r : bán kính trái đất, Crr : độ hiệu chỉnh đồng hồ. Có bốn biến chưa biết là (X, Y, Z, Crr) còn vị trí (toạ độ) của vệ tinh (x, y, z) đã biết qua dữ liệu lịch thiên văn. Với bốn vệ tinh, ta có được bốn phương trình khác nhau về toạ độ: - - (4) - - Chóng ta có thể viết lại dưới dạng ma trận nh­ sau: = hay Trong đó: R = là ma trận đã biết, M = là ma trận đã biết = là ma trận chưa biết. Nhân cả hai vế với ma trận nghịch đảo của ma trận M là M-1 ta được: M-1.R = M-1.M.U = U = Nh­ vậy khi không có lỗi ta có thể tính toán một cách đơn giản vị trí của máy thu. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VẬN TỐC MÁY THU Phương trình chi phối trong trường hợp này là: Trong đó: : tốc độ biến đổi (đã biết) : khoảng cách giả ngẫu nhiên (đã biết) (x,y,z) : tọa độ vị trí vệ tinh (đã biết) (X,Y,Z) : tọa độ vị trí máy thu (được biết từ việc tính toán vị trí) (): : vận tốc người sử dông ( chưa biết) Cho ba vệ tinh: = , Nh­ vậy với các thông số đã biết, giải phương trình ma trận trên ta sẽ thu được vận tốc người sử dụng. CÁC SAI SỐ (LỖI) THƯỜNG GẶP CỦA HỆ THỐNG SAI SÈ DO RÀO CẢN “SA” (SELECTIVE AVAILABILITY ERRORS) Lỗi do rào cản hay thường gọi là lỗi SA sinh ra do bộ quốc phòng Hoa kỳ điều khiển. Trước ngày 01 tháng 05 năm 2000, SA là một kỹ thuật được mặc định bởi Bộ quốc Mỹ DoD để điều khiển độ chính xác trong việc dẫn đường bằng các máy thu GPS dân sự. Lỗi SA là lý thuyết để làm giảm độ chính xác dẫn đường tới 100m theo chiều ngang và 156m theo chiều cao. Hình 17: Thay đổi trong sai sè khi loại bỏ SA Trong một thông cáo ngày 01/05/2000, Tổng thống Mỹ đã thông báo quyết định về việc đình chỉ sự ảnh hưởng có chủ ý của Bộ quốc phòng tới tín hiệu GPS có thể tác động tới cộng đồng. Theo đó quyết định đình chỉ sự ảnh hưởng của lỗi SA về mức 0 cùng với những nỗ lực tiếp tục nâng cao sự chính xác và tin cậy của hệ thống GPS đã đem lại nhiều thuận lợi cho người dân, các tổ chức, những thương nhân cũng như nhiều ngành khoa học khác trên toàn thế giới. Sự loại bỏ SA được thực hiện từ trung tâm điều khiển GPS tại Colorado (Mỹ) được biểu diễn minh họa nh­ hình 17. Hình minh hoạ chỉ ra lỗi phương ngang và thẳng đứng với SA đã được cài đặt về mức 0. Do đó, lỗi này về cơ bản đã được loại bỏ. Trên thực tế, nhiều nước trên thế giới hiện nay đã và đang nghiên cứu các đặc tính của tín hiệu GPS khi mà lỗi SA chưa bị loại bỏ và khi đã được loại bỏ để từ đó có thể đưa ra được sự khắc phục sai số tương đương với việc loại bỏ SA. SAI SỐ TRUYỀN TRONG TẦNG ĐIỆN LY (IONOSPHERIC PROPAGATION ERRORS). Tầng điện ly là líp khí quyển có độ dày khoảng 50 tới 1000 km lên trên từ bề mặt Trái đất, bao gồm các khí bị ion hoá bởi phóng xạ mặt trời (như hình 18 thể hiện). Sù ion hoá gây ra những đám mây điện tử tự do đóng vai trò nh­ mét môi trường trung gian cho tín hiệu GPS trong đó tốc độ truyền là một hàm của tần số. Mỗi vị trí riêng biệt trong phạm vi của tầng điện ly lần lượt được chiếu sáng bởi mặt trời và thay đổi trong một ngày theo chu kỳ hàng ngày (ban ngày được chiếu sáng, ban đêm không). Bởi vậy những đặc tính của tầng điện ly là luôn thay đổi và có tính chu kỳ theo sù ion hoá của tầng điện ly, tức cũng có chu kỳ ngày đêm. Sự thay đổi này được biểu diễn là một hàm dao động hàng ngày mà trong đó ion hoá luôn luôn đạt tối đa vào giữa chiều muộn và tối thiểu vài giê sau nửa đêm. Ảnh hưởng chủ yếu của tầng điện ly trong tín hiệu GPS là làm thay đổi tốc độ truyền tín hiệu khi so sánh với tốc độ của nó trong chân không. Một thực tế kỳ lạ là tín hiệu điều biến (dòng mã và tín hiệu) bị trễ trong khi đó pha của sóng mang lại tăng lên với một lượng tương đương.Vì vậy mã khoảng cách ngẫu nhiên đo được rộng hơn so với giá trị thực của nó, trong khi pha sóng mang lại nhỏ hơn. Độ lớn của sai số tỷ lệ trực tiếp với số lượng các điện tử trong mét m2 không khí (TEC – Total Electron Content). TEC thay đổi theo không gian, phụ thuộc vào tính không đồng nhất về không gian của tầng điện ly. Sù thay đổi thời gian bị gây ra không phải chỉ bởi động lực học trong tầng điện ly mà còn bởi sự thay đổi nhanh chóng trong đường truyền phụ thuộc vào sự vận động vệ tinh. Trễ đường truyền cho một vệ tinh trong sự biến động theo thời gian là từ khoảng 1m vào lúc nửa đêm và khoảng 5-15m trong suốt chiều muộn. Hình 18: Ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu đối với việc truyền tín hiệu Tại những góc nâng thấp, đường truyền xuyên qua tần điện ly dài hơn, vì vậy trễ đường có thể gia tăng tới vài mét vào buổi tối và khoảng 50m trong suốt cả ngày. Bởi vì sai số tầng điện ly luôn lơn hơn tại những góc nâng thấp, ảnh hưởng của những lỗi này có thể giảm xuống bằng việc không sử dụng đền những phép đo từ các vệ tinh dưới một góc nâng thấp hơn một giá trị cho phép, giá trị này còn gọi là góc mặt lạ (Mask angle – thể hiện như hình 19). Tuy nhiên, trong những điều kiện khó khăn khi mà người sử dụng bị bao vây bởi các chướng ngại vật (núi, các toà nhà cao tầng…) thì người sử dụng bắt buộc phải sử dụng các phép đo từ những vệ tinh có góc nâng thấp. Trong những trường hợp nh­ vậy người sử dụng phải chấp nhậnh sai số lơn hơn khi di chuyển tại những khu vực không hoặc Ýt bị che chắn bởi các đối tượng khác. Hình 19: Góc nâng của vệ tinh SAI SÈ DO TẦNG ĐỐI LƯU (TROPOSPHERIC PROPAGATION ERRORS) Phần thấp hơn của tầng điện ly là tầng đối lưu, nó có độ dày khoảng 50 km và bao quanh trái đất bao gồm các khí khô và hơi nước làm kéo dài đường truyền do sự khúc xạ (nh­ 18). Mức độ trễ tín hiệu phụ thuộc vào hệ và thông thường biến thiên trong khoảng 2,5 m lúc cực tiểu và từ 10-15 m tại những vị trí vệ tinh có góc nâng thấp. Tầng đối lưu không bị phân tán tại tần số của tín hiệu GPS, do đó những trễ đó không phụ thuộc vào tần số. Đối chiếu với tầng điện ly, trễ đường truyền tầng đối lưu tương tự cho mã và các thành phần tín hiệu sóng mang. Do đó, trễ còng không thể đo được bởi việc dùng đo cả hai sãng mang L1 và L2. Sai số này cũng được khắc phục bằng cách sử dụng GPS vi phân hay DGPS (sẽ giới thiệu sau). Hệ sè khúc xạ của tầng đối lưu gây ra bởi thành phần khí khô và thành phần hơi nước, chúng lần lượt tạo ra khoảng 90% và 10% trong tổng sai sè do tầng đối lưu gây lên. Biết được nhiệt độ, áp suất và độ Èm dọc theo đường truyền có thể xác định được tính chất khóc xạ, nhưng những phép đo hiếm khi có giá trị với người sử dụng. Tuy nhiên việc sử dụng mô hình khí quyển tiêu chuẩn cho trễ của khí khô cho phép việc xác định trễ cùc điểm trong khoảng 0.5 m và mét sai số tại các góc nâng khác xấp xỉ bằng lỗi cực điểm nhân với cosec của góc nâng. Những mô hình khí quyển tiêu chuẩn này được dùa trên những quy định của quan điểm về khí và thừa nhận rằng tính khúc xạ của líp khí quyển hình cầu là bất biến ngay cả khi mật độ điện tử trong tầng này biến thiên theo thời gian. Sù ước lượng của trễ khí khô có thể được cải thiện đáng kể nếu ta đo được áp lực bề mặt và nhiệt độ trung bình của líp khí này, điều đó dẫn đến việc giảm lỗi xuống còn khoảng 2-5% trong tổng lỗi tầng này gây lên. Thành phần trễ tầng đối lưu do hơi nước (độ cao so với mặt biển khoảng 12 km), điều khó khăn hơn là bởi vì có một líp không khí đáng kể và sự biến đổi theo thời gian của hơi nước trong khí quyển. Rất may, trễ này chỉ chiếm khoảng 10% trong tổng số trễ do tầng đối lưu gây ra, với giá trị sai sè 5-30 cm Nếu không tính đến sự biến thiên của nó có thể giảm xuống 2-5 cm. Trong thực tiễn, một mô hình của khí quyển chuẩn tại vị trí ăng ten có thể được sử dụng để ước lượng trễ cực điểm kết hợp cho cả thành phần độ Èm và khô. Trễ được được làm mẫu nh­ trễ cực điểm bị tăng lên do một nhân tố mà nó là một hàm số của góc nâng của vệ tinh. Tại cực điểm, nhân tố này là đồng nhất, và nó tăng cùng với sự giảm của góc nâng khi mà độ dài của đường truyền qua tầng đối lưu tăng lên. Giá trị đặc trưng của nhân tố nhân là 2m ở góc nâng 300, bằng 4m ở 150, 6m ở 100 và bằng 10 ở 50. Độ chính xác của việc làm giảm sai sè theo mô hình hoá tại những góc nâng thấp, sai số cực điểm chỉ còn 1m tại góc nâng 10o. Ngày nay, nhiều nghiên cứu đi vào sự phát triển và kiểm tra những mô hình tầng đối lưu khác nhau. Mặc dù một máy thu GPS không thể đo lỗi bằng mã giả khoảng cách ngẫu nhiên do tầng đối lưu gây lên, nhưng việc ứng dụng GPS vi phân (DGPS) có thể luôn làm giảm lỗi tới giá trị nhỏ nhất bằng việc tận dụng thuận lợi của tương quan của tầng đối lưu trên bề mặt trái đất ở hai điểm trong vòng khoảng 100 – 200 km. SAI SÈ DO SỰ ĐA ĐƯỜNG TRUYỀN (MULTI PATH ERRORS) Đa đường truyền đơn giản là máy thu GPS tiếp nhận tín hiệu phản xạ của vệ tinh nh­ hình dưới đây thể hiện. Hình 20: Tín hiệu đa đường truyền Sự đa đường truyền gây ra bởi sự phản xạ tín hiệu từ do tín hiệu phản xạ từ các toà nhà cao tầng, các ngọn núi… Sù đa đường truyền là một nguồn có ảnh hưởng lớn đến lỗi trong GPS. Các vật thể lân cận máy thu có thể phản xạ tín hiệu GPS, kết quả là tạo ra mét hay nhiều hơn các tín hiệu phản xạ đến máy thu (còn gọi là đường truyền thứ yếu). Các đường truyền thứ yếu này chồng lên tín hiệu trực thị, nó luôn có thời gian truyền lớn hơn và có thể làm biến đổi đáng kể biên độ và pha của tín hiệu trực thị. Những sai sè do sự đã đường truyền có thể không thể khắc phục được bằng việc sử dụng DGPS, bởi vì chúng phụ thuộc vào địa hình lân cận máy thu không có sự phòng vệ đã đường dẫn, những lỗi khoảng cách mã C/A thường vào khoảng 10m. Đa đường dẫn có thể không chỉ gây ra lỗi khoảng cách lớn mà còn làm nhiễu loạn pha của sóng mang trong những ứng dụng trắc địa chính xác. Đa đường dẫn được chia thành 2 loại là: tĩnh và động. Đối với những máy thu ở trạng thái tĩnh sù thay đổi đường truyền hình học là chậm vì các vệ tinh chuyển động ngang qua bầu trời, tạo ra các thông số đa đường dẫn về cơ bản là không đổi trong vài phót. Tuy nhiên, trong các ứng dụng di động có thể có sự biến động nhanh trong một phần nhỏ của giây. Do đó, những kỹ thuật làm giảm nhẹ ảnh hưởng của đa đường truyền khác nhau thường được áp dông cho hai loại đa đường truyền nói trên. Có một vài cách để giải quyết vấn đề này. Hầu hết các máy thu đều có một vài cách “nhìn nhận” và so sánh tín hiệu đến chính xác và tín hiệu không chính xác. Khi mà sự phản xạ tín hiệu đa đường truyền di chuyển theo một đường truyền dài, nó sẽ đến trễ sau một phần nhỏ của giây, và làm cho tín hiệu đó yÕu hơn so với tín hiệu trực thị. Bằng việc nhận ra rằng có hai tín hiệu, mét đến trước, một trễ hơn và yếu hơn tín hiệu kia, máy thu có thể loại bỏ tín hiệu trễ hơn. Điều này có được là do khả năng nhận biết đa đường dẫn của máy thu. Máy thu loại tốt cũng sử dông angten có tính “định hướng chung” để giảm mức độ ảnh hưởng của đa đường truyền. Tính định hướng chung của angten được thiết kế để loại bỏ bất kỳ tín hiệu nào đền máy thu có phương gần trùng với phương tiếp tuyến với trái đất (các tín hiệu phản xạ hay thứ yếu thường có phương gần trùng với phương tiết tuyến với trái đất tại vị trí của máy thu), nghĩa là chúng ưu tiên các tín hiệu trực thị lên hàng đầu. SAI SÈ DO DỮ LIỆU LỊCH THIÊN VĂN (EPHEMERIS DATA ERROS) Những lỗi nhỏ trong truyền dữ liệu lịch thiên văn bởi mỗi vệ tinh, gây ra những lỗi tương ứng trong việc tính toán vị trí của vệ tinh (ở đây chúng ta loại trừ thành phần lỗi thiên văn của SA, được xem như một nguồn lỗi riêng biệt). Vệ tinh thiên văn được xác định bởi trạm chủ điều khiển của thành phần GPS mặt đất dùa trên sự kiểm tra tín hiệu riêng biệt bởi bốn trạm kiểm tra. Bởi vì vị trí của những trạm này được nhận biết chính xác, một quy trình định vị “đảo” có thể tính thông số quỹ đạo của vệ tinh như thể chúng là những người sử dụng. Quy trình này được giúp đỡ bởi những đồng hồ chính xác ở những trạm kiểm tra và bằng việc kiểm tra trên mét chu kỳ dài của thời gian cùng với quy trình lọc tối ưu nhất. Dùa trên những tính toán tham số quỹ đạo đạt được, trạm điều khiển tải dữ liệu lịch thiên văn lên mỗi vệ tinh, sau đó truyền dữ liệu tới người sử dông qua thông tin dữ liệu dẫn đường. Những lỗi trong định vị vệ tinh khi tính toán từ dữ liệu thiên văn điển hình xảy ra trong lỗi dải băng Ýt hơn 1m. Những cải tiến trong việc kiểm tra vệ tinh sẽ chắc chắn còn giảm lỗi này hơn nữa. SAI SÈ DO ĐỒNG HỒ MÁY THU (RECEIVER CLOCK ERROS) Vì giải pháp dẫn đường bao gồm một giải pháp cho lỗi đồng hồ máy thu, yêu cầu độ chính xác cho đồng hồ máy thu Ýt chặt chẽ hơn nhiều đồng hồ vệ tinh GPS nhưng để có phép định vị chính xác chúng ta phải nâng cao độ chính xác của đồng hồ máy thu đến mức tối ưu nhất đồng thời có biện pháp khắc phục sai số của đồng hồ máy thu. Thực tế, đồng hồ máy thu ổn định trong thời gian ngắn, trong thời gian đo mã khoảng cách giả ngẫu nhiên thường quan trọng hơn tần số chính xác hoàn toàn. Trong hầu hết các trường hợp đồng hồ là những máy tạo dao động của tinh thể thạch anh với độ chính xác trong khoảng 1 – 10 ppm (parts per million – một phần một triệu giây). Khi được thiết kế thích hợp, máy tạo dao động điển hình có trạng thái ổn định các đồng hồ máy thu có sai sè 0,01-0,05 ppm trên một chu kỳ của một vài giây. Những máy thu có kết hợp việc sửa lỗi đồng hồ máy thu cần một mô hình toán học thích hợp với lỗi dao động của tinh thể thạch anh. Việc nghiên cứu kỹ mô hình toán học để áp dụng sao cho có khả năng xác định lỗi là chính xác nhất có vai trò rất quan trọng đến độ chính xác của đồng hồ. Mét mô hình toán học điển hình được thể hiện như hình 21 dưới đây. Trong mô hình này lỗi đồng hồ bao gồm một thành phần thế hiệu dịch (Bias) (tần số) và một thành phần độ lệch (thời gian). Thành phần lỗi tần số được mô hình hoá khi một đường đi ngẫu nhiên được tạo ra bởi sự kết hợp với tạp âm trong (white noise). Thành phần lỗi thời gian được mô hình hoá khi kết hợp lỗi tần số sau khi thêm vào tạp âm trong (thống kê độc lập từ các nguyên nhân gây ra lỗi tần số) đã được thêm vào sau đó. Trong mô hình các thông số quan trọng cần được chỉ rõ là mật độ năng lượng quang phổ của hai nguồn tạp âm, cái mà phụ thuộc vào đặc tính riêng của dao động được sử dụng. Mô hình liên tục có dạng: Hình 21: Mô hình toàn học xác định sai số đồng hồ máy thu Kết luận. Trên đây ta đa xem xét một số lỗi mà hệ thống GPS hay gặp phải, sù tổng kết mức độ bù lỗi khoảng cách tương ứng với các lỗi được thể hiện rõ hơn trong hình 22 dưới đây. Mục đích của việc phân tích ảnh hưởng của những lỗi đã thảo luận ở trên là để thuận tiện chuyển đổi mỗi lỗi thành mét lỗi khoảng cách bù tương đương cho người sử dụng, cái mà được gọi là lỗi khoảng cách người sử dụng tương đương (user equivalent range error – UERE). Thông thường, những lỗi từ những nguồn khác nhau sẽ có đặc tính thống kê khác nhau. Ví dô, lỗi đồng hồ vệ tinh và những lỗi lịch thiên văn làm biến đổi chậm thời gian và xuất hiện khi thế hiệu dịch qua những khoảng thời gian dài ở mức độ vừa phải, khoảng hàng giê. Trong mỗi dạng lỗi nh­ vậy thường có những cách khắc phục khác nhau sao cho giảm đến mức tối thiểu ảnh hưởng của các lỗi đó gây ra sai số của hệ thống. Tuy nhiên, phần lớn các lỗi của hệ thống GPS có thể khắc phục hiệu quả hoặc giảm bớt sự ảnh hưởng bằng việc sử dụng hệ thống DGPS (Diffirential GPS), cái mà ta sẽ tìm hiểu trong phần sau. Hình 22: Mức độ bù khoảng cách người sử dụng tương ứng với các dạng lỗi HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG DGPS DGPS LÀ GÌ? Trong phần các phần trên, ta đã tìm hiểu về hệ thống GPS, với khả năng xác định vị trí mục tiêu. Nhưng với sai số của dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS (Standart position service) sai số vẫn là tương đối lớn. Với độ chính xác nh­ vậy, việc áp dụng công nghệ GPS thực sự chưa thể đem lại những sự đảm bảo an toàn nhất định đối với mục đích dẫn đường trong các ngành giao thông hiện nay. Nó có thể gây lên những nguy hiểm do sự tương đối của dịch vụ và tất nhiên điều này là hoàn toàn không được phép trong một hệ thống giao thông công cộng nơi mà có quá nhiều người kể cả hàng hoá tham gia. Bạn có thể tưởng tượng, nếu nh­ ta sử dụng dịch vô SPS của hệ thống GPS trong lĩnh vực giao thông đường bộ để điều khiển giao thông trong đô thị. Hệ thống này trợ giúp cho nhân viên điều độ trong việc định vị các phương tiện tham gia giao thông và có thể xác định được các loại phương tiện khác nhau, nhằm mục đích phân luồng cho các nót giao thông tránh bị ùn tắc. Với những đặc tính sai số của hệ thống, nếu sai số của hệ thống GPS mà chúng ta đang sử dụng lên tới hàng chục mét, nã hoàn toàn có thể xác định nhầm loại phương tiện, và số các phương tiện đang tham gia giao thông trên các luồng khác nhau. Do vây, vô hình chung việc điều khiển trở nên cản trở hệ thống giao thông bởi hoàn toàn nó có thể điều khiển nhầm do những thông số mà hệ thống thu nhận được không trùng khớp với thực tế. Nh­ vậy hệ thống không những mang lại những lợi Ých mà ngược lại nã đã gây nên những vấn đề trầm trọng hơn trong hệ thống giao thông của bạn. Nhưng nếu nh­ vậy thì chưa hẳn đã gây nên nguy hiểm, trong một trường hợp khác, nếu ta giả sử hệ thống dẫn đường GPS ta đang sử dụng ở trên được đem áp dụng trong ngành đường sắt. Hệ thống giúp chúng xác định vị trí và tốc độ của đoàn tàu còng nh­ những thông số khác về đường chạy, tín hiệu… để đưa ra được mệnh lệnh điều khiển các đoàn tàu trong hệ thống vận tải sao cho phù hợp và tối ưu nhất. Với sai sè nh­ trên, việc xác định vị trí không thực sự chính đoàn tàu hoàn toàn có đưa đến những lệnh điều khiển chạy tàu vô cùng nguy hiểm, ví dụ nh­ cho đoàn tàu chạy vào khu gian đang bị chiếm dụng. Điều đó là nguy hiểm và hoàn toàn không được phép. Với những hạn chế về sự chính xác nh­ nêu trên, tưởng nh­ hệ thống GPS không thể thực sù đem lại những lợi Ých thiết thực nh­ mong muốn của chúng ta. Nhưng không hẳn nh­ vậy, một hệ thống có tên DGPS (Differential GPS) hay GPS vi phân được tạo ra dùa hoàn toàn trên những gì mà GPS đã có. Nó giúp giảm bớt sai số của hệ thống và đem lại sự chính xác hơn rất nhiều hệ thống GPS đã miêu tả phần trên mà hầu nh­ không quá phức tạp so với cấu trúc của GPS. Ta có thể hiểu rõ hơn về DGPS qua một định nghĩa đơn giản sau: “Differential GPS (DGPS) là một kỹ thuật làm giảm tối thiểu lỗi trong GPS bằng cách sử dụng một dữ liệu được thêm vào từ mét máy thu GPS tham chiếu tại một vị trí đã biết. Dạng phổ biến nhất của DGPS bao gồm việc xác định các ảnh hưởng liên quan đến tin tức lịch thiên văn dẫn đường, lỗi đồng hồ vệ tinh (bao gồm cả ảnh hưởng của SA) tại một trạm tham chiếu và việc hiệu chỉnh sự truyền mã giả ngẫu nhiên trong thời gian thực tại máy thu của người sử dông cái mà được cung cấp những hiệu chỉnh trong qui trình xác định vị trí của nó”. Sau đây ta sẽ tham khảo kỹ hơn về hệ thống DGPS. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG DGPS Về cơ bản hệ thống DGPS dùa hoàn toàn vào nền tảng của hệ thống GPS và được cấu hình thêm một sè trạm thu với vị trí đã được biết chính xác có tên là trạm tham chiếu. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động của GPS, tín hiệu GPS, các lỗi của hệ thống … đã được đề cập trong phần 2 nên trong phần này xin phép không đề cập đến. CẤU TRÓC CỦA HỆ THỐNG DGPS. Như đã nói ở trên, hệ thống DGPS dùa hoàn toàn vào nền tảng của GPS cho nên DGPS có cấu trúc bao gồm: Toàn bộ hệ thống GPS. Các trạm tham chiếu hay trạm DGPS. Trung tâm điều khiển DGPS (điều khiển chung cho các trạm tham chiếu). được thể hiện nh­ hình dưới đây. Hình 23: Sơ đồ tổng thể hệ thống DGPS Trạm DGPS Các trạm DGPS có cấu tạo giống nh­ mét máy thu GPS để thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS nhằm xác định vị trí của nó do vệ tinh định vị được. Sau đó nó so sánh kết quả định vị với vị trí thực chính xác của nó (vị trí đặt trạm thu). Thông thường kết quả của việc so sánh là một sai sè, sai số đó chính là các thông số sai số của hệ thống GPS mà chúng ta cần hiệu chỉnh. Qua trạm điều khiển DGPS sẽ đưa ra lệnh đến máy phát sóng vô tuyến phát đến máy thu GPS để hiệu chỉnh lỗi vị trí, vận tốc và định thời của máy thu. PHÂN LOẠI DGPS. DGPS được phân làm hai loại: DGPS cục bộ (LADGPS – Local-Area Diffirential GPS) và DGPS diện rộng (WADGPS – Wide-Area Diffirential GPS). DGPS cục bộ LADGPS là một dạng của DGPS trong đó các máy thu GPS của người sử dông thu mã giả ngẫu nhiên trong thời gian thực và tín hiệu được hiệu chỉnh từ một máy thu tham chiếu thông thường được đặt tại một vị trí đã biết gần vị trí của máy thu. Các tín hiệu chỉnh bao gồm những tác động của thông tin lịch thiên văn, lỗi đồng hồ vệ tinh (bao gồm cả ảnh hưởng của SA), trễ do tầng khí quyển. Với giả thiết rằng những lỗi này cũng giống những lỗi đo được tại máy thu của người sử dụng. DGPS diện rộng là mét dạng của DGPS trong đó máy thu của người sử dụng thu những thông tin được hiệu chỉnh từ một mạng của các trạm tham chiếu phân tán trên một khu vực địa lý rộng. Những lỗi khác nhau được xác định một cách riêng rẽ như lỗi đồng hồ vệ tinh, trễ do tầng điện ly, lỗi quỹ và lịch thiên văn. Thông tin hiệu chỉnh được cung cấp cho máy thu của người sử dông để tính toán lỗi tọa độ của máy thu, các thông tin hiệu chỉnh được cung cấp trong thời gian thực bởi truyền thông qua mạng vệ tinh địa tĩnh hoặc qua một mạng truyền thông dưới mặt đất. Thông tin hiệu chỉnh cũng có thể được cung cấp trễ hơn phục vụ cho mục đích không thời gian thực. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DGPS Để có thể hiểu một cách rõ ràng hơn sau đây ta sẽ miêu tả nguyên lý hoạt động của DGPS theo một sơ đồ tổng quát đơn giản nh­ hình 24. Trạm tham chiếu bao gồm một máy thu GPS để thu tín hiệu GPS từ các vệ tinh. Sau đó dùa vào tín hiệu thu được từ các vệ tinh, máy thu GPS xác định được vị trí của nó (tức vị trí trạm tham chiếu). Thông tin về vị trí mà máy thu GPS định vị được sẽ được chuyển đến khối xử lý, tại khối xử lý vị trí mà máy thu GPS định vị được sẽ được so sánh với vị trí thực tế (vị trí đặt trạm tham chiếu đã biết trước) để đưa ra sai số về vị trí của phép định vị. Sai số này chính là thông tin mà cần phải hiệu chỉnh đÓ định vị được chính xác vị trí. Thông tin hiệu cần hiệu chỉnh được gọi là dữ liệu hiệu chỉnh. Trung tâm điều khiển DGPS có chức năng thu nhận thông tin định vị từ nhiều trạm tham chiếu khác nhau để so sánh, đối chiếu và quyết định có hay không việc cho phép trạm tham chiếu nào đó có được phát dữ liệu hiệu chỉnh đến máy thu người sử dụng trong phạm vi hiệu chỉnh của nó hay không. Trong sơ đồ này chỉ thể hiện một trạm tham chiếu, trên thực tế có thể có nhiếu trạm tham chiếu được kết nối với Trung tâm điều khiển DGPS. V Hình 24: Sơ đồ khối hệ thống DGPS Nếu trung tâm điều khiển cho phép trạm tham chiếu phát tín hiệu hiệu chỉnh thì bộ xử lý của trạm tham chiếu sẽ điều khiển máy phát vô tuyến phát quảng bá tín hiệu chỉnh đó. Tại máy thu người sử dụng hay còn gọi là máy thu DGPS, sẽ có hai việc thu tín hiệu độc lập nhau, một là tín hiệu GPS từ các vệ tinh để thực hiện phép định vị nh­ mét máy thu GPS thông thường, còn tín hiệu thu thứ hai là tín hiệu hiệu chỉnh được phát từ trạm tham chiếu. Máy thu DGPS sẽ sử dụng tín hiệu chỉnh đó để hiệu chỉnh lại vị trí của nó nhằm thu được vị trí với sai số tối thiểu. CẤU TRÚC DỮ LIỆU DGPS Cấu trúc dữ liệu DGPS bao gồm cấu trúc dữ liệu của tín hiệu vệ tinh GPS (tín hiệu từ trạm điều khiển đến các vệ tinh, tín hiệu từ vệ tinh tới các máy thu) và tín hiệu hiệu chỉnh lỗi được phát từ trạm cố định đến người sử dụng. Phần trước đã đề cập đền cấu trúc dữ liệu GPS cho nên trong phần ta chỉ đề cập tới cấu trúc tín hiệu chiệu chỉnh, ta tạm gọi dữ liệu hiệu chỉnh này là dữ liệu hiệu chỉnh DGPS. Chức năng của tín hiệu Như đã giới thiệu, tín hiệu hiệu chỉnh được gửi đi từ trạm cố định (trạm tham chiếu) tới các máy thu có tác dụng hiệu chỉnh lại thông tin mà máy thu thu được từ các vệ tinh GPS để tối thiểu hoá sai sè trong phép định vị. Cấu trúc dữ liệu và cách thức hiệu chỉnh dữ liệu Dữ liệu hiệu chỉnh DGPS bao gồm hai khối dữ liệu trong tín hiệu đa thành phần (272 khối dữ liệu) cho mét khung và được gửi đi trong xấp xỉ 5 giây. Một khối dữ liệu bao gồm một khối mã nhận dạng, một gói dữ liệu và mét bit chẵn lẻ. Mét gãi dữ liệu bao gồm một tiền tố, một gói, và một chu kỳ kiểm tra phần dư (CRC). Gãi dữ liệu hiệu chỉnh thực của DGPS được nén lại trong mét gãi 144 bit với hai gói là 288 bit dữ liệu. Theo nghĩa khác, dữ liệu hiệu chỉnh DGPS được gửi đi trong mét khung chứa 288 bit. Cấu trúc của 288 bit dữ liệu DGPS này được trình bày trong hình 25. Như được trình bày trong hình minh hoạ, ba bit đầu tiên (bit 1 đến bit 3) của thông tin hiệu chỉnh cho hai gói là dữ liệu ID. Dữ liệu ID được thiết lập từ một trong sáu tổ hợp từ “000” tới “101”. Do đó, thông tin hiệu chỉnh không trùng khớp với nhau trong hai gói được đặt trong cùng một gói dữ liệu có số ID liên tiếp nhau. Sù tiếp nhận thông tin hiệu chỉnh hoàn thành khi trạm di động thu được sáu khung dữ liệu (30 giây). Thời gian hiệu chỉnh T là vị trí bit 4. Giá trị này được xác định từ thời điểm khi thu được thông tin hiệu chỉnh. Trong những trường hợp cụ thể, nó bằng “0” nếu thời điểm khi mà thông tin hiệu chỉnh nhận được là chẵn và bằng “1” nếu thời điểm đó là lẻ. Máy thu DGPS dùa trên thời gian hiệu chỉnh bit T, điều chỉnh sự khác nhau giữa thời gian máy thu với thời gian trạm cố định, cái được tạo ra bởi thông tin hiệu chỉnh. Tiếp theo đó, những vị trí bit từ 5 tới 276 thể hiện dữ liệu hiệu chỉnh, và dữ liệu hiệu chỉnh từ mỗi một vệ tinh trong tám vệ tinh GPS được cho trong 34 bit. Nói cách khác, những vị trí bit 5 tới 38 được chỉ định tới vệ tinh đầu tiên (tức là bộ số thiết lập dữ liệu hiệu chỉnh), những vị trí bit 39 tới 72 được chỉ định tới vệ tinh thứ hai, những vị trí 73 tới 106 được chỉ định tới vệ tinh thứ ba, và cứ thế cho vệ tinh thứ tư đến thứ tám có thể. Vị trí bit 277 tới 288 là những bit cho dữ liệu truyền thông, và thông tin về trạng thái làm việc của tất cả các vệ tinh GPS được chỉ định cho vùng dữ liệu này. Hình 25: Cấu trúc dữ liệu hiệu chỉnh DGPS Hình trên cho ta thấy ra các thành phần nội dung của dữ liệu hiệu chỉnh từ mỗi vệ tinh. Dữ liệu hiệu chỉnh bao gồm một thành nhân tố SF (1bit), mét thông sè hiệu chỉnh lỗi khoảng cách vi phân người sử dụng UDRE (2 bit), mét sè ID của vệ tinh St.ID (chỉ cho ta biết đó là vệ tinh nào), mét thông sè hiệu chỉnh khoảng cách giả ngẫu nhiên PRC (11 bit), một thông số hiệu chỉnh tốc độ và mét sự phát dữ liệu IODE ( tức 8 bit). SF cho biết thứ tù của PRC và RRC, UDRE thể hiện độ chính xác khi sử dụng dữ liệu hiệu chỉnh và St. ID là số của một vệ tinh. PRC là một giá trị hiệu chỉnh của khoảng cách giả ngẫu nhiên với mỗi vệ tinh GPS, nó chính là sự khác nhau của khoảng cách thực tế của trạm tham chiếu và vị trí mà trạm tham chiếu này xác định được nhờ phép định vị vệ tinh GPS. Trong trường hợp này, lỗi của khoảng cách giả ngẫu nhiên với mỗi vệ tinh GPS được truyền nh­ dữ liệu hiệu chỉnh. RRC là tốc độ của giá trị hiệu chỉnh. Giá trị hiệu chỉnh tại mỗi thời điểm bất kỳ được nội suy tại máy thu DGPS 20 dùa trên PRC và RRC này. IODE là một mã mà mỗi vệ tinh GPS gắn vào để thể hiện dữ liệu quỹ đạo của nó, do đó máy thu DGPS 20 thu được những dữ liệu quỹ đạo trùng khớp với mã này cho phép nó có thể thực hiện sự hiệu chỉnh dùa trên dữ liệu quỹ đạo chính xác với với quỹ đạo mà trạm tham chiếu sử dụng. Do đó, trong cấu hình này, dữ liệu hiệu chỉnh cho 8 vệ tinh được truyền trong 288 bit trong vòng 5 giây cho mét khung, vì vậy sự tiếp nhận tất cả những dữ liệu hiệu chỉnh lỗi trong 30 giây cho 6 khung. Hình 26: Thành phần dữ liệu hiệu chỉnh Hơn thế nữa, trong cấu hình này, một sự điều chỉnh được thực hiện cái thêm vào một lỗi điều chỉnh định trước cho sự hiệu chỉnh khoảng cách giả ngẫu nhiên PRC. Do đó, sự chính xác không tăng lên đáng kể nếu sự hiệu chỉnh khoảng cách giả ngẫu nhiên PRC đạt được từ dữ liệu đa thành phần FM được sử dụng trực tiếp. Mặt khác, lỗi điều chỉnh này được xác định bằng một phương pháp định trước. Độ chính xác của sự hiệu chỉnh khoảng cách giả ngẫu nhiên PRC có thể được tăng lên bằng việc thực hiện điều chỉnh cho lỗi hiệu chỉnh. Nói cách khác, sù hiệu chỉnh khoảng cách giả ngẫu nhiên PRC có thể được sửa chữa lại tới một giá trị thích hợp bằng việc thêm vào lỗi hiệu chỉnh và giá trị hiệu chỉnh theo hướng ngược lại. Sù điều chỉnh có thể được thực hiện bằng tốc độ giá trị hiệu chỉnh RRC thay thế cho hiệu chỉnh khoảng cách giả ngẫu nhiên PRC. Hoặc những sự hiệu chỉnh này có thể được kết hợp với nhau. CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG DGPS TRONG ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG Hiện nay, với công nghệ GIS (mét công cụ máy tính được nghiên cứu để thực hiện thiết lập bản đồ) đã và đang phát triển rất mạnh, việc thiết lập một bản đồ số đối với giao thông vận tải không còn là quá khó khăn. Thực tế, nước ta hiện nay đã xây dựng hoàn thành bản đồ số của ngành đường bộ và đang được ứng dụng bước đầu. Với khả năng định vị của DGPS nh­ đã giới thiệu ở trên và kết hợp với tiện Ých của bản đồ số đã tạo nên cho DGPS khả năng ứng dụng tốt hơn trong giao thông vận tải. Sau đây, ta sẽ phân tích một số ứng dụng của DGPS trong việc điều khiển giao thông. ỨNG DÔNG DGPS TRONG NGÀNH ĐƯỜNG SẮT 3.1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ TÍN HIỆU ĐƯỜNG SẮT Tín hiệu đường sắt (gọi tắt là lín hiệu) đóng một vai trò rất quan trọng không thể thiếu trong ngành đường sắt. Nó có nhiệm vụ đảm bảo an toàn và nâng cao năng lực thông qua cũng như có khả năng cải thiện điều kiện làm việc của nhân viên. Xét về khía cạnh an toàn, tín hiệu được coi là “mệnh lệnh chạy tàu” hay nói cách khác nó là mệnh lệnh có thể cấm hay không cấm người điều khiển đoàn tàu được điều khiển đoàn tàu đi hay không được đi vào khu đoạn nào đó mà tín hiệu đó phòng vệ. Về khía cạnh nâng cao năng lực thông qua và cải thiện môi trường (hay điều kiện) làm việc của nhân viên thì hệ thống tín hiệu thể hiện rằng với mỗi hệ thống tín hiệu khác nhau thì năng lực thông qua là khác nhau, mỗi hệ thống tín hiệu yêu cầu những nghiệp vụ, thao tác của nhân viên là khác nhau để thực hiện một nghiệm vô chung là điều khiển chạy tàu. Do vậy, với mỗi hệ thống tín hiệu cũng đặt ra những công việc cụ thể, hay nói cách khác nó cũng quyết định đến năng lực thông qua và điều kiện làm việc của nhân viên. Thông thường, các hệ thống tín hiệu ngày càng hiện đại hơn và theo đó nó cũng có mức độ an toàn cao hơn hệ thống cũ, bên cạnh đó việc nâng cao năng lực thông qua cũng là yếu tố được đặt ra sao cho đạt được hiệu quả cao nhất và điều kiện làm việc của nhân viên cũng được cải thiện. Khi xem xét hệ thống tín hiệu đường sắt, người ta chia ra thành các hệ thống tín hiệu riêng biệt nhưng lại được móc nối với nhau theo một trình tự liên khoá nhất định tuỳ thuộc vào đặc điểm của loại hình thiết bị của hệ thống nhằm đảm bảo yếu tố an toàn, nâng cao hiệu quả cũng như cải thiện điều kiện làm việc của nhân viện. Các hệ thống tín hiệu riêng biệt chủ yếu tập trung vào hai hệ thống con là: hệ thống tín hiệu trong ga, hệ thống tín hiệu khu gian. Ngoài ra, nó còn có thể xét thêm tín hiệu đường ngang (thực chất thuộc tín hiệu khu gian), tín hiệu dốc gù (thực chất thuộc tín hiệu trong ga). Tín hiệu trong ga đảm bảo cho việc điều khiển chạy tàu trong ga (thực chất nó cũng tham gia điều khiển chạy tàu cả các phân khu tới gần). Việc điều khiển chạy tàu trong ga đóng một vai trò hết sức quan trọng trong tiến trình chạy tàu, liên quan trực tiếp đến an toàn và năng lực của tuyến. Tín hiệu ga, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, Để có thể điều khiển chạy tàu, hệ thống tín hiệu ga sử dụng một bảng liên khoá tín hiệu. Liên khoá tín hiệu là sự liên kết và khoá lại với nhau giữa ghi, tín hiệu và đường chạy. Do đó, để xây dựng lên liên khoá tín hiệu cần phải có đầy đủ các thông tin về: Ghi: cần phải biết ghi đang ở trạng thái làm việc hay không làm việc, ghi ở định vị hay phản vị, có bị chẻ hay không và khi bị kẹt cần phải có thông tin phản hồi. Thậm chí, với những hệ thống tiên tiến hơn đòi hỏi nhiều thông tin hơn nh­ những thông số về điện áp, dòng điện của động cơ quay ghi… Tín hiệu: nh­ trên đã nói, tín hiệu là mệnh lệnh chạy tàu cho nên nó cần phải được giám sát, theo dõi và điều khiển một cách liên tục và chặt chẽ nhất. Do đó, để đảm bảo an toàn tín hiệu được móc nối với các các điều kiện về đường chạy và ghi. Ví dụ như, khi tín hiệu mở được thì có nghĩa rằng khi đó những điều kiện đảm bảo an toàn có liên quan đến tín hiệu đó phải được đảm bảo như: ghi đã được quay đúng ý đồ của trực ban và phải được khoá lại, đường chạy phải thanh thoát,… Đường chạy: là đoạn đường mà đoàn tàu có thể chạy qua, mỗi đường chạy thông thường được bảo vệ (hoặc phòng vệ) bởi một tín hiệu. Đường chạy là một trong những yếu tố quyết định để mở tín hiệu. Để mở được tín hiệu thì đường chạy đó phải thanh thoát, các ghi liên quan đã khai thông đường chạy và đã được khoá lại và các thanh ray phải toàn vẹn… Với những phân tích tổng quát về tín hiệu trong ga nh­ trên ta có thể thấy rằng các yếu tố để điều khiển chạy tàu trong ga hầu hết nằm trong cùng một phạm vi và phạm vị này không lớn. Hơn nữa, tốc độ chạy tàu trong ga thông thường lại nhỏ, cho nên ta thấy rằng việc định vị của hệ thống DGPS trong trường hợp này sẽ khôn mang lại nhiều hiệu quả và chính xác tôt nhất. Với tín hiệu khu gian thì lại khác, nh­ ta đã biết khu gian là khoảng đường sắt nằm giữa hai ga kề nhau, khoảng cách này thông thường từ 10 đến 15 km. Do vậy việc biết chính xác vị trí và tốc độ của mỗi đoàn tàu là yếu tố rất quan trọng trong việc điều khiển chạy tàu trong khu gian. Thực chất của việc điều khiển chạy tàu trong khu gian là việc điều khiển giãn cách chạy tàu sao cho đảm bảo an toàn và nâng cao được năng lực thông qua. Năng lực thông qua tăng lên đồng nghĩa với việc giãn cách chạy tàu là nhỏ và tốc độ chạy tàu khu gian là lớn. Với lý do này hệ thống định vị toàn cầu GPS hoàn toàn có thể được sử dụng để định vị (xác định vị trí và vận tốc) đoàn tàu tại bất kỳ thời điểm nào. 3.1.2 ỨNG DỤNG DGPS TRONG GIAO THÔNG ĐƯỜNG SẮT Nguyên lý cơ bản của việc định vị đoàn tàu sử dụng DGPS được thể hiện nh­ hình dưới đây. Trong hình trên máy thu DGPS của đoàn tàu và trạm tham chiếu đều thu tín hiệu GPS từ các vệ tinh, trạm tham chiếu sẽ phát tín hiệu hiệu chỉnh để hiệu chỉnh. Máy thu trên tàu sẽ thu và hiệu chỉnh vận tốc và vị trí một cách chính xác nhất. Sau đó thông tin về vị trí và tốc độ xác định được nhờ phép định vị DGPS được gửi về trung tầm điều khiển để trung tâm thực hiện giám sát hay điều khiển. Hình 27: Nguyên lý định vị của DGPS trong đường sắt Như ta đã biết, đặc điểm của đường sắt là trải dài trền nhiều km cho nên việc áp dụng công nghệ DGPS mang lại một hiệu quả nhất định. Theo công bố ngày 10/12/2004 của Bộ Tài nguyên và môi trường thì cả nước đã có 3 trạm DGPS quốc gia đặt tại Đồ Sơn, Điện Biên Phủ, Vũng Tàu và hai trạm địa phương tại đặt tại Hà Giang và Cao Bằng và đến nay đã có thêm trạm đặt tại Bình Dương và Quảng Nam. Các trạm DGPS này có độ chính xác thiết kế là từ 1 đến 3m công suất phát lớn đảm bảo phủ sang toàn bộ vùng lãnh thổ và lãnh hải Việt Nam. Nhưng độ chính xác này còn phụ thuộc nhiều vào độ thông thoáng của địa điểm định vị và khoảng cách tới trạm phát DGPS. Để nâng cao độ chính xác và ổn định của phép định vị DGPS trong ngành đường sắt thông thường dọc theo tuyến đường sắt được lắp đặt một hệ thống các trạm tham chiếu với công suất phát nhỏ hơn. Để tiện cho việc duy tu bảo dưỡng cũng như sửa chữa, thay thế các trạm tham chiếu này nên được đặt kết hợp với các ga. Do khả năng ứng dụng của công nghệ DGPS vào trong đường sắt là tương đối rộng nên trong đề tài chỉ nêu nên nguyên lý ứng dụng và phân tích qua một số ứng dụng cụ thể của DGPS. 3.1.2.1 ỨNG DỤNG DGPS TRONG VIỆC TỰ ĐỘNG CẢNH BÁO TỐC ĐỘ ĐOÀN TÀU Nh­ chóng ta đã biết, một trong những nguyên nhân đáng kể gây lên tai nạn đường sắt là việc chạy tàu vượt tốc. Khi đoàn tàu chạy quá tốc độ ho phép, nó có thể xảy ra mất an toàn bất cứ khi nào với các tai nạn như: trật bánh tàu, tàu chui cột hiệu (tàu chạy qua tín hiệu cấm),… đây là những sự cố rất nguy hiểm có thể dẫn đến những tai nạn lớn trong đường sắt. Đặc biệt hơn, với hệ thống đường sắt với cơ sở hạ tầng còn kém như Việt Nam chóng ta (như nền đường ray không thực sự chắc chắn, thiết bị hãm của đoàn tàu còn kém,…) thì vấn đề vượt tốc có thể đem lại những hậu quả khôn lường hơn. Vì vậy, việc cảnh báo tốc độ đoàn tàu là một biện pháp hết sức quan trọng nhằm đảm bảo an toàn trong quá trình chạy tàu. Với thông tin định vị mà đoàn tàu có thể thu được khi lắp đặt máy thu DGPS ta có thể xây dựng lên một hệ thống cảnh báo dùa trên ứng dụng này. Sau đây ta sẽ xem xét hệ thống tự động cảnh báo tốc độ đoàn tàu ứng dụng DGPS. Hệ thống được thể hiện bởi sơ đồ khối hình 28. Thành phần của hệ thống bao gồm: Máy thu DGPS có chức năng định vị đoàn tàu. Khối điều khiển: là bộ phận trung tâm của hệ thống có chức năng thu nhận các dữ liệu đầu vào, xử lý và đưa ra lệnh điều khiển. Khối cảnh báo có chức năng cảnh báo cho tài xế biết tình trạng của đoàn tàu, việc cảnh báo có thể bằng âm thanh, ánh sáng hoặc kết hợp cả hai,… Khối hãm khẩn cấp có chức năng hãm khẩn cấp đoàn tàu khi cần thiết. Khối cơ sở dữ liệu bao gồm thông tin về các tuyến đường, tốc độ cho phép tàu chạy trên mỗi khu đoạn. Khối này cũng có thể là một bản đồ số hay chỉ chứa thông tin nh­ phần trên đã nói, ở đây xin phép không được nhắc lại. Khối ghi sự kiện có chức năng ghi lại thông tin khi xảy ra sự cố. Ngoài ra còn có bộ phận tiếp nhận tác động của tài xế. Hình 28: Sơ đồ khối hệ thống tự động cảnh báo tàu vượt tốc Chức năng hệ thống: Tự động cảnh báo đoàn tàu khi đoàn tàu chạy vượt tốc. Tự động điều chỉnh tốc độ đoàn tàu khi tài xế không điều chỉnh tốc độ chạy tàu xuống dưới tốc độ chạy tàu cho phép sau một thời gian nào đó. Tự động dừng tàu khẩn cấp khi cần thiết. Trong lưu đồ trên: TĐTT là tốc độ thực tế của đoàn tàu, TĐCP là tốc độ cho phép của đoàn tàu. Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của hệ thống được miêu tả qua lưu đồ thuật toán nh­ hình 29. Hình 29: Lưu đồ thuật toán hệ thống tự động cảnh báo đoàn tàu Khi bắt đầu bật máy thu, máy thu DGPS thu tín hiệu để xác định vị trí và vận tốc của đoàn tàu một cách liên tục. Dùa vào thông tin về vị trí của đoàn tàu, khối điều khiển sẽ xác định được tốc độ lớn nhất cho phép đoàn tàu chạy trên khu đoạn đó (thông tin về tốc này có chứa trong khối cơ sở dữ liệu, chỉ cần máy thu xác định được vị trí đoàn tàu, khối này ngay lập tức có thể đáp ứng ra tốc độ cho phép của khu đoạn nơi đoàn tàu đang chạy), sau đó nó sẽ so sánh tốc độ thực tế của đoàn tàu với tốc độ cho phép. Nếu tốc độ thực tế của đoàn tàu nhỏ hơn tốc độ cho phép hệ thống sẽ tiếp tục xác định vị trí mới và tốc độ mới để so sánh tiêp. Nếu tốc độ đoàn tàu vượt quá tốc độ cho phép, khối điều khiển sẽ kích hoạt khối cảnh báo cho tài xế biết tình trạng của đoàn tàu. Hệ thống sẽ trễ một thời gian để chờ tài xế điều chỉnh tốc độ của đoàn tàu (ở đây ví dụ lấy trễ là 30 giây). Sau khi kết thúc 30 giây trễ nó sẽ kiểm tra tác động của tài xế (tài xế nhấn nót chú ý để ngắt cảnh báo, chứng tỏ rằng mình đã biết được trạng thái của đoàn tàu). Nếu tài xế không có tác động, hệ thống sẽ cập nhật tốc độ hiện tại của đoàn tàu, sau đó lại so sánh tốc độ này với tốc độ cho phép của khu đoạn. Nếu tốc độ này nhỏ hơn tốc độ cho phép của đoàn tàu, hệ thống sẽ đưa ra lệnh ngắt cảnh báo và sau đó trở về bước xác định vị trí và vận tốc ban đầu. Nếu tốc độ của đoàn tàu vẫn lớn hơn hoặc bằng tốc độ cho phép, hệ thống sẽ kích hoạt khối hãm khẩn cấp để tự động dừng đoàn tàu. Nếu tài xế có tác động hệ thống lại cập nhật tốc độ mới của đoàn tàu để so sánh với tốc độ cho phép, và cứ nh­ thế chu trình trong khung kẻ gạch sẽ được lặp lại. Khi đoàn tàu chạy vượt tốc mà tài xế liên tục nhấn nót chú ý thì hệ thống sẽ không khởi động hệ thống hãm khẩn cấp. Ngoài ra hệ thống còn có thêm khối ghi sự kiện, khối này có chức năng giống như một hộp đen trên máy bay, nó sẽ ghi lại tất cả những trường hợp, sự cố mà đoàn tàu chạy vượt tốc bao gồm thông tin như: tốc độ thực tế khi vượt tốc, vị trí mà đoàn tàu vượt tốc (thuộc km sè bao nhiêu, khu đoạn nào,…), tốc độ thực tế cho phép, các tác động của tài xế, ngày giê khi tàu chạy vượt tốc, … Các thông tin này sẽ là một thông tin quan trọng để sau đó có thể phân tích các sự cố đã xảy ra. Như trên ta đã xem xét hai hệ thống cảnh báo tự động đoàn tàu cho hai chức năng cảnh báo khác nhau, nhưng cùng chung một mục đích đó là nâng cao an toàn cho chạy tàu. Có thể thấy, với việc áp dụng công nghệ DGPS thì các thiết bị tương đối đơn giản. Hai hệ thống trên hoàn toàn có thể kết hợp lại và lắp đặt trên đoàn tàu (ở đây xin phép không được giới thiệu). Với sự kết hợp nh­ vậy hệ thống sẽ mang lại hiệu quả ứng dụng cao hơn. 3.1.2.2 ỨNG DÔNG TRONG VIỆC TỰ ĐỘNG CẢNH BÁO TỚI GẦN ĐƯỜNG NGANG Theo thống kê của ngành đường sắt Việt Nam, tại nạn đường sắt chủ yếu xảy ra tại đường ngang. Tính trung bình mỗi năm cả nước có tới hàng nghìn vụ tai nạn đường ngang làm chết và bị thương hàng nghìn người. Nguyên nhân chủ yếu dẫn tới tai nạn đường ngang là do đường ngang quá gần khu dân sinh, người tham gia giao thông đường bộ không có ý thức và một nguyên nhân đáng kể là hệ thống cảnh báo vẫn còn hạn chế, đặc biệt là đường ngang không có rào chắn. Ngày này, việc cảnh báo tự động đoàn tàu đã và đang được chú trọng phát triển và ngày càng trở nên quan trọng với mỗi đoàn tàu. Tại những nước nơi mà việc tự động hoá trong ngành đường sắt chưa thực sự phát triển, yêu cầu về cảnh báo lại càng chở nên quan trọng, nó giúp cảnh báo cho tài xế trong những tình huống sự cố, cần sự chú ý, vượt tốc, hay bất kỳ một tình huống nào có thể gây mất an toàn chạy tàu. Vì vậy, việc xây dựng một hệ thống cảnh báo là cần thiết. Dưới đấy ta sẽ xem xét hệ thống tự động cảnh báo đoàn tàu khi nó chuẩn bị tới đường ngang. Hình 30: Sơ đồ khối hệ thống tự động cảnh báo đoàn tàu Hệ thống cảnh báo tự động có sơ đồ nh­ trên được lắp đặt trên mỗi đoàn tàu, nó có chức năng: Cảnh báo cho tài xế biết rằng đoàn tàu đang chuẩn bị tới đường ngang để người tài xế chú ý hơn trong việc điều khiển chạy tàu. Cảnh báo cho phía đường bộ biết có đoàn tàu sắp tới gần đường ngang. Truyền thông tin đến đài điều khiển đường ngang để điều khiển các thiết bị phòng vệ đường ngang. Hệ thống bao gồm: Một máy thu DGPS có nhiệm vụ thu tín hiệu để định vị. Khối điều khiển có thể là một vi xử lý hoặc một máy tính có chức năng tiếp nhận các đầu vào từ đó tính toán và đưa ra các lệnh cảnh báo khi cần thiết. Khối cảnh báo có chức năng cảnh báo cho tài xế và cho các phươnng tiện phía đường bộ. Khối thu phát vô tuyến có chức năng truyền thông tin có mặt của đoàn tàu đến trạm điều khiển đường ngang. Khối cơ sở dữ liệu có thể là một khối bao gồm thông tin về vị trí của tất cả các đường ngang trong toàn hệ thống đường sắt hoặc cũng có thể chỉ trong phạm vi mà đoàn tàu hoạt động và thông số về chiều dài, thời gian thông báo tới gần của mỗi đường ngang tương ứng hoặc cũng có thể là một bản đồ số. Với công nghệ GIS (GIS là hệ thống thông tin địa lý, là một công cụ máy tính để thiết lập bản đồ) hiện nay việc thành lập một bản đồ số cho riêng ngành đường sắt là rất đơn giản. Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động của hệ thống được miêu tả cụ thể trong lưu đồ thuật toán hình 31. Khi bắt đầu bật máy thu, máy thu DGPS xác định vị trí và vận tốc của đoàn tàu mét cách liên tục, thông tin này sẽ được truyền tới khối điều khiển. Khối điều khiển nhờ vào thông tin vị trí máy thu DGPS xác định được liên lục so sánh với dữ liệu chứa trong khối cơ sở dữ liệu để xác định được đường ngang tiếp theo mà đoàn tàu sẽ đi qua (Nhờ việc xác định được đường ngang tiếp theo khối điều khiển sẽ biết được thông tin về chiều dài và thời gian thông báo tới gần của đường ngang đó), khối điều khiển liên tục so sánh vị trí của đoàn tàu xem nó có xuất hiện trong phạm vi chiều dài thông báo tới gần không. Hình 31: Lưu đồ thuật toán nguyên lý hoạt động của hệ thống cảnh báo tự động đoàn tàu khi tới gần đường ngang Nếu đoàn tàu chưa chiếm dụng phân khu tới gần, hệ thống sẽ tiếp tục tìm kiếm cho đến khi tìm thấy đoàn tàu chiếm dụng phân khu tới gần. Khi xuất hiện đoàn tàu, dùa trên thông tin vị trí và vận tốc đoàn tàu, khối điều khiển tính toán được thời gian mà đoàn tàu đi tới đường ngang, thời gian này sau đó được so sánh với thời gian thông báo tới gần của đường ngang đó cho đến khi thời gian này nhỏ hơn hoặc bằng thời gian thông báo tới gần của đường ngang đó cộng thêm 5 giây (việc cộng thêm 5 giây sẽ được giải thích dưới đây), khối điều khiển sẽ kích hoạt khối cảnh báo cảnh báo cho tài xế biết, kích hoạt thiết bị cảnh báo cho các phương tiện phía đường bộ và điều khiển khối thu phát vô tuyến truyền thông tin về đài điều khiển ngang đó để điều khiển các thiết bị phòng đường ngang như cần chắn, chuông và đèn báo hiệu,… Việc cảnh báo cho tài xế có thể bằng nhiều hình thức khác nhau như âm thanh, ánh sáng,… còn cảnh báo cho các phương tiện đường bộ thông thường sử dụng luôn hệ thống còi của đoàn tàu. Với việc nhận được thông tin cảnh báo từ hệ thống cảnh báo tài xế sẽ chú trọng hơn đối với việc điều khiển đoàn tàu khi chạy qua đường ngang. Để ngắt việc cảnh báo đối với mình, tài xế có thể tác động vào nót “huỷ bỏ” để ngắt việc cảnh báo, chức năng này đảm bảo cho tài xế tránh phải nghe cảnh báo trong suốt quá trình cảnh báo. Cảnh báo được thực hiện trong suốt quá trình đoàn tàu chạy trong khu đoạn tới gần cho đến khi đoàn tàu đi qua đường ngang. Khi đoàn tàu đi qua đường ngang, việc truyền thông tin về đài điều khiển đường ngang cũng kết thúc, khi đó hệ thống cảnh báo đường ngang cũng có thể được điều khiển để về trạng thái cho phép các phương tiện đường bộ tiếp tục lưu hành (tín hiệu chuyển sang xanh, cần chắn nâng, chuông ngừng kêu,…). Khi tàu chạy qua đường ngang nó sẽ quay về tiếp tục một chu trình mới. Trong lưu đồ thuật toán trên, hệ thống tiến hành kiểm tra cả hai điều kiện: Điều kiện thứ nhất là kiểm tra điều kiện đoàn tàu chiếm dụng phân khu tới gần để xác định thời điểm cảnh báo. Điều kiện thứ 2 là kiểm tra điều kiện thời gian thông báo tới gần để đảm bảo rằng khi đoàn tàu đã chiếm dụng phân khu tới gần nhưng khi đó đoàn tàu có tốc độ thấp, nếu không có điều kiện thứ 2, khi đó thiết bị cảnh báo sẽ hoạt động sớm hơn thời điểm cần thiết cảnh báo và đặc biệt là khi đó các thiết bị phòng vệ đường ngang sẽ hoạt động sớm sẽ ảnh hưởng rất lớn đến giao thông phía đường bộ như: tắc đường do các phương tiện phải chờ quá lâu, gây lãng phí, ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến tâm lý người tham gia giao thông đường bộ,… Việc kiểm tra điều kiện thứ hai này còn được cộng thêm một thời gian 5 giây là để khi đó thông tin truyền về đài điều khiển đường ngang đảm bảo cho các thiết bị đường ngang xử lý kịp thời (thời gian này để bù cho thời gian trễ của việc điều khiển và thời gian đáp ứng của các thiết bị điều khiển). Trong trường hợp này 5 giấy chỉ là một ví dụ, trong những bài toán cụ thể, việc tính toán thời gian trễ cần thiết sẽ đưa ra được con số chính xác hơn cho thời gian trễ này. Trong quá trình vận hành, có thể có sự thay đổi về vị trí của các đường ngang như việc thêm hoặc bớt một số đường ngang hay dịch chuyển vị trí đường ngang,… vấn đề này hoàn toàn được giải quyết bằng việc ta có thể thay đổi dữ liệu trong khối cơ sở dữ liệu một cách rất đơn giản. Như vậy, với việc ứng dụng DGPS ta có thể thiết lập lên một hệ thống cảnh báo hiệu quả với độ tin cậy và chính xác cao, đồng thời có thể điều khiển một cách mềm dẻo thời gian cảnh báo cho đoàn tàu cũng như thiết bị phòng vệ đường ngang, thậm chí viêch thay đổi cầu hình hệ thống cũng đơn giản (thay đổi thông tin của khối cơ sở dữ liệu). Với sai số của máy thu DGPS chỉ cần nhỏ hơn hoặc bằng 1m ta thấy một hệ thống nh­ trên là hoàn toàn khả thi. Ngoài ra việc cảnh báo này hoàn toàn có thể được áp dụng không chỉ ở đường ngang mà còn tại một số vị trí mà cần đến việc cảnh báo cho tài xế như đoạn đường sắp tới ga hay khu vực thường xuyên xảy ra tai nạn… 3.1.2.3 ỨNG DỤNG DGPS TRONG VIỆC XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN ĐOÀN TÀU Trong hệ thống đóng đường bán tự động (hệ thống đóng đường đang được sử dụng phổ biến nhất ở nước ta hiện nay), mét trong những yêu cầu đặt ra khi vận hành là trực ban ga đón phải xác nhận rằng đoàn tàu đã đến ga với đầy đủ thành phần. Thông tin này sẽ được trực ban ga đón xác nhận để khôi phục hệ thống. Như vây, thông tin về đoàn tàu đến ga với đầy đủ thành phần liên quan trực tiếp đến an toàn chạy tàu. Để đảm bảo an toàn ta cần xác định một cách chính xác là đoàn tàu đã đến ga với đầy đủ thành phần. Với việc sử dụng DGPS vấn đề trên có thể được giải quyết. Hệ thống bao gồm hai bộ phận: Một máy thu DGPS được lắp đặt ở cuối đoàn tàu, máy thu này có nhiệm vụ xác định vị trí đuôi đoàn tàu và truyền thông tin về vị trí đuôi đoàn tàu lên bộ phận được lắp đặt ở đầu đoàn tàu (sơ đồ khối như hình…) Bộ phận đầu đoàn tàu được lắp đặt tại đầu máy, nó có nhiệm vụ xác định vị trí đầu đoàn tàu, thu thông tin vị trí đuôi đoàn tàu, tính toán chiều dài đoàn tàu và đưa ra cảnh báo khi cần thiết (sơ đồ khối như hình 32). Hình 32: Sơ đồ khối hệ thống phát hiện đoàn tàu Nguyên lý hoạt động: Máy thu DGPS đầu và cuối đoàn tàu luôn thu tín hiệu từ vệ tinh GPS và thông tin hiệu chỉnh từ trạm tham chiếu để xác định vị trí của đầu và đuôi đoàn tàu. Thông tin định vị được tại cuối đoàn tàu được truyền lên đầu đoàn tàu theo đường truyền vo tuyến. Khối điều khiển sử dụng thông tin này cùng với thông tin định vị tại máy thu đầu đoàn tàu để tính toán chiều dài đoàn tàu. Khi xảy ra sự tách rời một hay một số toa xe khi đoàn tàu đang chạy trong khu gian, khi đó chiều dài đoàn tàu mà khối điều khiển tính toán được sẽ lớn hơn rất nhiều so với chiều dài thực của đoàn tàu. Khối điều khiển xác định được sự sai lệch này và hoạt khối cảnh báo cảnh báo cho tài xế biết tình trạng của đoàn tàu. Nhờ vào thông tin về vị chứa trong khối cơ sở dữ liệu (khối này chứa thông tin về vị trí của tất cả các ga trong hệ thống đường sắt hoặc cũng có thể chỉ trong phạm vị hoạt động của đoàn tàu), khối điều khiển xác định được khi nào đoàn tàu đến ga, khi đó nó sẽ điều khiển khối thu phát vô tuyến truyền thông tin về trạng thái của đoàn tàu đến phòng trực ban. Trực ban nhờ thông tin này sẽ xác định được đoàn tàu đã đến ga với đầy đủ thành phần hay chưa. Trong trường hợp trên, việc áp dụng công nghệ DGPS cho phát hiện đoàn tàu còn gặp nhiều hạn chế và gây ra nhiều bất cập do: Thứ nhất: Không phải lúc nào toa xe cuối cùng của đoàn tàu cũng cố định (nó có thể thay đổi khi một số toa xe bị cắt lại tại một số ga hay việc sắp sếp các toa xe cần phảit hay đổi để phù hợp với lé trình của nó) do đó, việc bố trí máy thu DGPS ở đuôi đoàn tàu là vô cùng khó khăn hoặc nếu có thể thì nó cũng không được tối ưu như một số phương pháp khác. Thứ hai: Nếu nh­ chỉ áp dụng riêng một ứng dụng này thì việc áp dụng DGPS trong ngành đường sắt sẽ gây nên lãng phí, hiệu quả không cao. Do vậy, việc ứng dụng DGPS trên đây chỉ mang tính khả năng. Nếu ta có thể kết hợp thêm một số ứng dụng khác của DGPS trong đường sắt thì việc ứng dụng trên sẽ có tính khả thi hơn. 3.1.2.4 ỨNG DÔNG DGPS TRONG VIỆC TẬP TRUNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐOÀN TÀU Trên đây ta đã phân tích một số ứng dụng của DGPS trong đường sắt, nhưng các ứng dụng đó chỉ ứng dụng cảnh báo cho chính đoàn tàu đó. Nếu các thông tin về vị trí và tốc độ của tất cả các đoàn tàu được truyền về một trung tâm, gọ tắt là trung tâm điều khiển, như vậy trung tâm sẽ có đầy đủ thông tin về vị trí và vận tốc của đoàn tàu, khi đó việc thực hiện giám sát và điều khiển chạy tàu có thể được thực hiện từ trung tâm đó. Khi đó, để thực hiện truyền thông giữa trung tâm điều khiển và các đoàn tàu có thể thực hiện qua đường truyền vô tuyến thông qua mạng di động toàn cầu GSM. Ngày nay, mạng GSM đã xây dựng được cơ sở hạ tầng rộng khắp đảm bảo phủ sóng toàn bộ lãnh thổ nước ta. Khi mà ngành đường sắt chưa có một mạng vô tuyến riêng cho ngành thì đây có thể là một giải pháp tối ưu cho vấn đề này bởi nó giải quyết được 2 vấn đề là truyền thông liên tục, rộng khắp và tính kinh tế cao. Tại trung tâm điều khiển, sẽ thực hiện giám sát và ra lệnh điều khiển thông qua mét giao diện là một màn hình hiển thị lớn. Hình 33: Mô tả sự truyền tin của hệ thống Hình 34: Sơ đồ khối hệ thống giám sát và điều khiển đoàn tàu Nguyên lý hoạt động: Hệ thống trên có thể coi là được kết hợp của một số hệ thống đã nêu như hệ thống xác định thành phần đoàn tàu, hệ thống cảnh báo tốc độ đoàn tàu, cảnh báo đoàn tàu khi tới đường ngang và một số chức năng khác. Các thành phần và chức năng của các khối cũng tương tù nh­ các khối ở các hệ thống trên nên ở đây xin phép không nhắc lại. Nguyên lý hoạt động của hệ thống được mô tả đơn giản nh­ hình 33. Đoàn tàu được trang bị hai máy thu DGPS một ở đầu máy và một ở cuối đoàn tàu. Thông tin định vị đoàn tàu thu được từ hai máy thu này sẽ được: Thứ nhất: Môđun điều khiển sẽ tính toán, so sánh để đưa ra các cảnh báo nh­ tàu vượt tốc, tàu sắp đền đường ngang, khi toa xe bị đứt hay cũng có thể đưa ra lệnh điều khiển hệ thống hãm khẩn cấp,… Thứ hai: Được khối truyền thông truyền về trung tâm qua đường truyền GSM. Tại trung tâm, toàn bộ thông tin về vị trí và tốc độ của tất cả các đoàn tàu trong hệ thống được hiển thị trên một màn hình lớn để thực hiện giám sát, đồng thời trung tâm sẽ truyền thông tin về vị trí và tốc độ của đoàn tàu phía trước nó đến đoàn tàu phía sau. Thông tin về vị trí và tốc độ của đoàn tàu và đoàn tàu phía trước nó sẽ được hiển thị tại khối hiển thị. Thông tin này sẽ được tài xế tiếp nhận để điều khiển đoàn tàu một cách hiệu quả và an toàn nhất. Nếu trong hệ thống điều khiển tự động tại trung tâm sẽ tính toán và truyền lệnh tốc độ đến để điều khiển. 3.1.2.5 ỨNG DÔNG DGPS TRONG HỆ THỐNG OCC Với hơn 3000 km đường sắt trải dài trên khắp đất nước, mặc dù số km đường sắt ở Việt Nam vẫn còn hạn chế tuy nhiên hàng năm giao thông đường sắt vẫn đóng góp một phần không nhỏ trong việc vận chuyển hành khách và hàng hoá của cả nước đem lại một phần lợi Ých không nhá cho nền kinh tế quốc dân. Mặc dù vậy, nhu cầu về vận tải đường sắt ngày một tăng lên. Để đáp ứng được nhu cầu vận tải ngày một tăng đòi hỏi ngành đường sắt luôn phải cải tiến trang thiết bị, tăng cường và nâng cao hệ thống giám sát điều khiển, thông tin liên lạc để tổ chức vận tải theo một biểu đồ chạy tàu tối ưu nhất. Bên cạnh việc đổi mới, nâng cao các hệ thống điều khiển chạy tàu trong ga và khu gian, đường sắt nước ta đã và đang tiến hành triển khai dự án “Hiện đại hoá Trung tâm điều hành vận tải đường sắt Việt Nam”. Dự án này nhằm mục đích kiểm soát và điều khiển sự hoạt động của đoàn tàu cũng như tối ưu hoá việc sử dụng đoàn xe (đầu máy, toa xe khách, toa xe hàng) để phục vụ vận tải hành khách và hàng hoá. Với việc theo dõi, giám sát được toàn bộ các đoàn tàu, đầu máy, toa xe trong toàn bộ mạng lưới đường sắt, nhân viên của trung tâm điều hành vận tải đường sắt (gọi tắt là OCC) có cái nhìn trực quan và tổng thể về mạng lưới đường sắt từ đó có thể xây dựng lên được một biểu đồ chạy tàu hợp lý, nhanh chóng đưa ra được lệnh điều hành hợp lý nhất trong mọi trường hợp. Nh­ vậy, việc xác định được vị trí, tốc độ chạy tàu là yếu tố chính quyết định đến hoạt động của hệ thống. Để có thể định vị được đoàn tàu, người ta có thể dùa trên mạch điện đường ray thanh thoát hay không để xác định có đoàn tàu trên đó hay không. Nhưng phương pháp này không những không đem lại sự chính xác cần thiết (bởi trong mỗi mạch ray có thể dài trên 2km chỉ có thể xác định được có hay không đoàn tàu trên đó chứ không biết được chính xác nó đang ở vị trí nào) mà còn khó thực hiện do khi đó phải sử dụng một số lượng mạch điện đường ray rất lớn để xác định. Phương pháp này là không khả thi và không hiệu quả khi mà đường sắt Việt Nam các mạch điện đường ray vẫn còn rất hạn chế. Với việc sử dụng DGPS để định vị đoàn tàu kết hợp với mạng thông tin di động toàn cầu GSM để truyền thông tin định vị về trung tâm thì đây là một giải pháp tối ưu bởi lẽ: Thứ nhất, DGPS có thể định vị định vị một cách liên tục tại mọi thời điểm, với độ chính xác đủ đáp ứng yêu cầu của hệ thống. Thứ hai, với cơ sở hạ tầng sẵn có và vùng phủ sóng trên toàn lãnh thổ Việt Nam của hệ thống GSM, ta có thể dùa vào hệ thống này để thực hiện thông tin liên lạc giữa trung tâm với các đoàn tàu, giữa trung với các ga hay có thể là giữa các ga với các đoàn tàu một cách thuận tiện và chi phí thấp. Hệ thống bao gồm hai thành phần: Thành phần Trung tâm giám sát, điều khiển OCC (thể hiện nh­ hình 36), Thành phần di động là tất cả các thiết bị định vị và truyền thông được lắp đặt trên các đoàn tàu. Hình 35: Trung tâm giám sát, điều khiển OCC Hình 36: Liên lạc bằng sóng vô tuyến giữa trung tâm và đoàn tàu Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Máy thu DGPS được lắp đặt trên đầu máy đoàn tàu thu tín hiệu GPS từ các vệ tinh GPS và tín hiệu hiệu chỉnh từ trạm tham chiếu để xác định vị trí và vận tốc của mình. Thông tin về vị trí và tốc độ của đoàn tàu được truyền về trung tâm OCC theo đường truyền GSM. Tại trung tâm OCC thông tin về tất cả các đoàn tàu được thu lại và hiển thị trên một màn hình lớn, nhân viên điều độ OCC sẽ thực hiện giám sát lé trình đoàn tàu và đưa ra lệnh điều khiển khi cần thiết. Hình 37: Mô hình hoàn chỉnh định vị đoàn tàu qua GPS và truyền thông GSM Kết luận: Trên đây ta đã xem xét khả năng ứng dụng của DGPS trong lĩnh vực điều khiển tín hiệu đường sắt. Có thể nói, với khả năng định vị của DGPS sẽ là một công cụ tốt giúp chúng ta nó hoàn toàn có thể giúp chúng ta ứng dụng vào điều khiển đường sắt. Thực tế, trên thế giới hiện nay đã có một số quốc gia nghiên cứu và ứng dụng công nghệ GPS như Hoa Kỳ, Thụy Sỹ,… Để có thể ứng dụng một cách sâu và rộng hơn thì cần đòi hỏi đi sâu nghiên cứu để khắc phục những hạn chế của GPS. Ngoài những ưu điểm nổi trội nh­ đã giới thiệu phần đầu, DGPS vẫn tồn tại những nhược điểm mà tự nó lại chưa thể khắc phục được, đó là: Thứ nhất: GPS là một hệ thống ngoài, nó thuộc quyền sở hữu của quốc gia đó (hiện có 3 hệ thống định vị toàn cầu một của Mỹ, một của Nga và một của Châu Âu). Mặc dù việc sử dụng GPS là hoàn toàn miễn phí nhưng với nhiều lý do khác nhau cho nên việc sử dụng GPS vào những ứng dụng thời gian thực vẫn còn là một điều chưa hoàn toàn yên tâm với nhiều quốc gia. Thứ hai: ứng dụng GPS trong đường sắt mang lại nhiều hiệu quả to lớn và dÔ dàng nhưng một nhược điểm lớn của hệ thống này là chưa thể xác định được sự toàn vẹn của các thanh ray. Đây là một vấn đề gây nên hạn chế của GPS. 3.2 ỨNG DỤNG DGPS TRONG GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ Như chóng ta đã biết, giao thông đường bộ đóng một vai trò quan trọng và không thể thiếu được với bất cứ một quốc gia nào. Nó là loại hình giao thông phổ biến nhất ở mỗi quốc gia, đóng vai trò quan trọng trong việc xây dung kinh tế, nó là cầu nối cho các loại hình giao thông khác như đường thuỷ, hàng không hay đường sắt. Với ý nghĩa to lớn nh­ vậy, việc đảm bảo giao thông đường bộ một cách an toàn, thông suốt và thuận tiện cũng có một vai trò hết sức quan trọng. Do đó, cần xây dung một hệ thống điều khiển giao thông đường bộ hợp lý và đủ khả năng điều khiển giao thông ngay cả trong những giê cao điểm. Hiện nay, việc điều khiển giao thông đường bộ hầu hết dùa vào hệ thống báo hiệu giao thông. Hệ thống báo hiệu giao thông đường bộ bao gồm: hệ thống đèn tín hiệu đường bộ, hệ thống các biển báo, hệ thống cọc tiêu, hàng rào, vạch kẻ đường và cả sự điều khiển của cảnh sát giao thông. Trong đó hệ thống đèn tín hiệu giao thông có vai trò quan trọng chủ chốt trong việc điều khiển giao thông. Để điều khiển chu kỳ đèn tín hiệu cần phải thu thập những dữ liệu đầu vào nh­: lưu lượng, các loại phương tiện tham gia giao thông, đặc điểm về mặt bằng nót giao thông, tốc độ tối đa cho phép,… Nh­ vậy nếu các phương tiện tham gia đường bộ đều được gắn máy thu GPS và có khả năng truyền dữ liệu về trung tâm thì việc xác định các thông số đầu vào của điều khiển đèn hiệu đã được giả quyết. Nhưng điều đó là không khả thi bởi lẽ để làm được điều này là rất khó vì không phải phương tiện nào cũng đủ chi phí để lắp thiết bị đó và hơn nữa việc xác định những thông số đó có khả năng thực hiện được một cách đơn gian hơn với những công nghệ mới ngày nay như công nghệ xử lý ảnh để đếm và phân loại, xác định tốc độ các phương tiện tham gia giao thông hay việc sử dụng các cảm biến đếm xe … Vậy GPS có thể ứng dụng vào đâu? ta hướng tới những hệ thống giao thông công cộng nh­ việc quản lý xe buýt, quản lý tacxi, quản lý các xe vận chuyển, giao nhận hàng hoá, … Sau đây ta sẽ xem xét kỹ hơn. Nh­ ta đã biết, hệ thống giao thông công cộng bằng xe buýt phát triển sẽ giảm được ô nhiễm môi trường, giảm tắc nghẽn giao thông và giảm chi phí đi lại cho người dân. Do vậy, phát triển giao thông bằng xe buýt hiện nay là một đòi hỏi bức thiết của các thành phố với mục đích cải thiện tình trạng ùn tắc giao đang được đặt lên hàng đầu. Để nâng cao hiệu quả và chất lượng phục vụ hành khách cần chú trọng đến công tác quản lý vận hành xe buýt. Mét trong những việc quản lý vận hành các tuyến xe buýt là quản lý, theo dõi lé trình xe buýt. Thực tế ở nước ta hiện nay cho thấy, việc quản lý vận hành xe buýt đang gặp nhiều bất cập do tài xế bỏ bến không đón trả khách, phóng nhanh vượt Èu dừng đỗ không đúng nơi qui định, chạy sai lé trình,… đang gây ra nhiều bức xúc cho hành khách. Theo thống kê, hiện nay Hà Nội đang quản lý khoảng 60 tuyến xe buýt thực hiện vận hành khoảng 12.000 chuyến xe mỗi ngày, con số này với thành phố HCM là 89 tuyến và 15.000 chuyến. Để thực việc giám sát, trung tâm (Hà Nội) phải bố trí khoảng 150 nhân viên điều hành tại 80 vị trí đầu cuối bến. Nhưng đây chỉ là giải pháp tạm thời và không hiệu quả do vẫn không thể giám sát được việc chạy và đón khách của tài xế. Dùa trên công nghệ GPS, xây dựng hệ thống giám sát, điều hành xe buýt sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và chất lượng phục vụ đáng kể. Hệ thống bao gồm hai thành phần: Thành phần di động: thành phần này được lắp đặt trên mỗi phương tiện. Nó có chức năng xác định vị trí, tốc độ của phương tiện, gửi các thông tin về tốc độ và vị trí này về trung tầm điều khiển, đưa ra cảnh báo và chỉ dẫn khi cần thiết. Trung tâm điều khiển: Chức năng cơ bản của trung tâm này là thu dữ liệu từ các phương tiện gửi về, giám sát và xác nhận sự vận hành của các tuyến xe buýt, đưa ra chỉ dẫn hoặc cảnh báo khi cần thiết. Sơ đồ khối của hệ thống được thể hiện nh­ hình 38 dưới đây. Hình 38: Sơ đồ khối thiết hệ thống quản lý và điều khiển xe buýt Hệ thống trên có nguyên tắc hoạt động tương tù nh­ các việc ứng dụng trong đường sắt. Máy thu DGPS được lắp đặt trên phương tiện sẽ thu tín hiệu từ vệ tinh DGP