LỜI NÓI ĐẦU
Qua năm năm học tập và rèn luyện tại đại học Bách Khoa Hà Nội, với đồ án tốt nghiệp, chúng em thực sự muốn vận dụng những kiến thức mình được học để giải quyết một bài toán thực tế. Với sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn, chúng em chọn đề tài quản lý phương tiện giao thông là trọng tâm. Trong quá trình hoàn thành đồ án, không những vận dụng kiến thức mình được học vào thực tế, chúng em đã học được thêm nhiều kỹ năng cần thiết trong công việc và cuộc sống. Khả năng làm việc theo nhóm, học hỏi để giải quyết các bài toán cụ thể là những điều chúng em được rèn luyện rất nhiều. Thêm vào đó là tư duy của một nhà kỹ thuật, tư duy thực nghiệm là điều chúng em tự hào khi học được từ các thầy, các anh chị và bạn bè.
Để hoàn thành được đồ án này, chúng em đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của rất nhiều người. Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy giáo hướng dẫn là thầy giáo Vũ Văn Yêm và thầy giáo Nguyễn Xuân Quyền, các thầy đã chỉ dẫn cho chúng em rất nhiều về mặt kiến thức, kỹ thuật đồng thời đưa ra cho chúng em nhiều định hướng, ý tưởng và tạo mọi điều kiện tốt nhất về mặt thiết bị, địa điểm giúp em làm việc. Thêm vào đó là các anh chị có nhiều kinh nghiệm trong các lĩnh vực có liên quan: anh Bùi Huy Tuấn, anh Vương Hải Tú, anh Nguyễn Minh Hải, anh Đào Việt Hùng. Các bạn cùng khóa cũng giúp đỡ chúng em rất nhiều như bạn Trần Đức Khoa, Nguyễn Đức Việt.
Hà Nội, tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hoài Linh Nguyễn Trung Kiên
BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC
Nguyễn Hoài Linh Nguyễn Trung Kiên Thiết kế và chế tạo phần cứng. Thiết kế và xây dựng phần mềm quản lý trung tâm.
Lập trình vi điều khiển. Lập trình vi điều khiển. Xây dựng và thử nghiệm thuật
toán đa truy nhập.
Nghiên cứu về hệ thông tin địa lý GIS và phần mềm mã nguồn mở MapServer. Nghiên cứu phương pháp điều
chế số GMSK.
Xây dựng và thử nghiệm thuật toán đa truy nhập
Xây dựng hệ thống
Nghiên cứu về hệ thống định vị toàn cầu GPS, module GPS.
Nghiên cứu phương pháp điều chế GMSK.
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án tập trung đưa ra giải pháp, xây dựng hệ thống phục vụ bài toán quản lý, dẫn đường cho phương tiện giao thông như quản lý taxi, quản lý tầu cá cỡ nhỏ…bằng việc nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý GIS, công nghệ định vị toàn cầu GPS và kỹ thuật điều chế số GMSK. Hệ thống đảm bảo liên lạc hai chiều giữa trung tâm và phương tiện nhờ bộ đàm làm việc ở băng tần VHF. Các thông tin của phương tiện được thu nhận nhờ module GPS, các cảm biến... và được đóng gói vào một bản tin, truyền về trung tâm. Tại đây, thông tin của phương tiện được xử lý bởi phần mềm bản đồ số viết bằng ngôn ngữ C# trên hệ điều hành MS Windows. Thông qua giao diện trực quan và dễ sử dụng, trung tâm có thể gửi các thông tin quản lý trở lại cho phương tiện. Hệ thống được thử nghiệm với bài toán cụ thể là quản lý xe taxi trong địa bàn thành phố Hà Nội. Qua đó, bước đầu đã đưa ra được thuật toán chia sẻ kênh truyền, tiến hành thử nghiệm với 3 user, đánh giá được tỷ lệ lỗi bit khi truyền ở khoảng cách xa.
ABSTRACT
This thesis concentrates to give the solution and build a system for management and navigation problem for vehicle as well as taxi management, small ship management... by studying of Geographic Information System, Global Positioning System and GMSK modulation technique. The system insures mutual communicating information between supervising centre and mobile vehicles by walkie-talkie which operates on VHF band. The information of vehicle is received by GPS module, sensors... then packaged into a message and transmitted forward to the centre. Here the information of vehicle is processed by digital map software which written by C# programming in MS Windows OS. Through friendly interface, easy to use, centre operator can send the management information backward to vehicles. System was implemented with taxi management problem in Ha Noi City. Through it, we also presented the channel sharing algorithm, performed implementing three users, and valuated bit error ratio when transmitting at long distance.
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ... 1
BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC... 2 TÓM TẮT ĐỒ ÁN ... 3 MỤC LỤC ... 4 DANH SÁCH HÌNH VẼ... 7 DANH SÁCH BẢNG BIỂU... 10 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT... 11 PHẦN MỞ ĐẦU ... 12 Ý tưởng về đề tài... 12 Xác định phạm vi ứng dụng của đề tài ... 13
Mục tiêu của đề tài... 13
Cấu trúc đề tài ... 14
CHƯƠNG I. HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ HỆ THỐNG VỆ TINH ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GNSS... 15
1.1 Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System)... 15
1.1.1 Lịch sử phát triển ... 15 1.1.2 Phần mềm GIS ... 17 1.1.3 Nền tảng... 17 1.1.4 Xây dựng dữ liệu ... 18 1.1.5 Thu thập dữ liệu... 18 1.1.6 Dữ liệu địa lý ... 19
1.1.7 Dữ liệu phi không gian ... 19
1.1.8 Biểu diễn dữ liệu... 19
1.1.9 Biên dịch Raster sang Vector... 22
1.1.10 Chiếu bản đồ và các hệ tọa độ ... 23
1.1.11 Mã hóa địa lý các địa chỉ ... 24
1.1.12 Thống kê ... 24
1.1.13 Bộ đọc GIS... 25
1.1.14 Web API ... 25
1.1.15 Phần mềm GIS mã nguồn mở và miễn phí ... 25
1.1.16 Các thành phần của GIS... 26
1.2 Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS... 27
1.2.1 Phân hệ không gian... 29
1.2.2 Phân hệ Người sử dụng... 29
1.2.3 Phân hệ Điều khiển ... 30
1.2.4 Cấu trúc tín hiệu GPS ... 31
1.2.5 Các hệ thời gian ... 33
1.2.6.1 Lỗi lịch thiên văn ... 35
1.2.6.2 Khả năng chọn lọc ... 35
1.2.6.3 Lỗi đồng hồ vệ tinh và máy thu ... 37
1.2.6.4 Lỗi đa đường... 38
1.2.6.5 Biến đổi tâm pha anten ... 40
1.2.6.6 Nhiễu đo lường máy thu ... 40
1.2.6.7 Trễ tầng điện ly ... 41
1.2.6.8 Trễ tầng đối lưu... 43
1.2.6.9 Sai số khoảng cách tương đương ... 44
1.2.7 Khối thu GPS ... 45
1.2.7.1 Sơ lược về NMEA 0183 ... 45
1.2.7.2 Định dạng chung của bản tin ... 46
1.2.7.3 IC thu tín hiệu GPS GPM1315 ... 48
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ... 51
2.1 Sơ đồ hệ thống tổng quát ... 51
2.2 Cấu trúc và chức năng hệ thống... 52
2.3 Thuật toán điều khiển ... 54
2.3.1 Giải thuật chia sẻ kênh truyền... 54
2.3.2 Hoạt động... 55
2.3.2 Lưu đồ thuật toán... 56
2.3.3 Thuật toán truyền đồng bộ ... 57
CHƯƠNG III. THIẾT KẾ CÁC MODULE ĐẦU CUỐI ... 61
3.1 Thiết kế trạm di động MS (Mobile Station) ... 61
3.1.1 Vi điều khiển... 62
3.1.1.1 Lựa chọn vi điều khiển ... 62
3.1.1.2 Giới thiệu Vi điều khiển AVR Atmega128 ... 62
3.1.1.3 Giao tiếp USART... 64
3.1.2 Khối điều chế và giải điều chế GMSK ... 71
3.1.2.1 Phương pháp điều chế số khoá dịch pha tối thiểu GMSK ... 71
3.1.1.2 Bộ phát GMSK ... 75
3.1.2.3 IC điều chế và giải điều chế GMSK ... 77
3.1.3 Khối khuếch đại RF ... 81
3.1.4 Thiết bị thu phát FM ... 83 3.1.5 Các khối phụ khác... 88 3.1.5.1 Khối hiển thị ... 88 3.1.5.2 Khối đọc thẻ từ ... 90 3.1.5.3 Khối cảm biến... 91 3.1.6 Nguồn nuôi hệ thống... 91
3.2 Thiết kế trạm trung tâm BS (Base Station)... 92
3.3 Chế tạo các module phần cứng ... 95
3.4 Phần mềm vi điều khiển... 96
3.4 Tổng kết ... 99
CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ PHẦN MỀM QUẢN LÝ TRUNG TÂM ... 100
4.1 Xử lý, hiển thị dữ liệu bản đồ ... 100
4.1.2 Phần mềm GIS ... 102
4.1.3 MapServer... 103
4.1.4 Thực hiện giải pháp ... 105
4.2. Biểu diễn vị trí không gian trên bản đồ ... 107
4.2.1 Xác định vị trí các phương tiện... 107
4.2.2 Biểu diễn vị trí và thông tin chi tiết của phương tiện ... 108
4.3. Xây dựng cơ sở dữ liệu... 109
4.3.1 Thiết kế cơ sở dữ liệu và sơ đồ quan hệ ... 109
4.3.2 Thủ tục quản lý các phương tiện và lái xe ... 111
4.4 Quản lý kết nối truyền thông nối tiếp (COM) ... 111
4.4.1 Cài đặt và điều khiển kết nối ... 111
4.4.2 Truyền và nhận dữ liệu ... 112
4.5. Cập nhật thông tin định vị... 112
4.6 Chức năng tìm kiếm... 113
4.7 Chức năng gửi thông tin đến xe... 113
CHƯƠNG V. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI ... 114
5.1 Ảnh hưởng nguồn nhiễu từ anten ... 114
5.2 Xây dựng và thử nghiệm hệ thống... 115
5.2.1 Thử nghiệm hệ thống... 115
5.2.3 Thử nghiệm hệ thống truy cập nhiều user ... 121
5.3 Hướng phát triển đề tài ... 121
KẾT LUẬN... 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 126
PHỤ LỤC 1. SƠ ĐỒ MẠCH THIẾT KẾ... 127
PHỤ LỤC 2. HÌNH ẢNH SẢN PHẨM PHẦN CỨNG... 132
PHỤ LỤC 3. QUYẾT ĐỊNH SỐ 05/2007/QĐ-BTNMT NGÀY 27 THÁNG 2 NĂM 2007 – SỬ DỤNG HỆ THỐNG THAM SỐ TÍNH CHUYỂN GIỮA HỆ TỌA ĐỘ QUỐC TẾ WGS-84 VÀ HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA VN-2000... 134
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Biểu diễn dữ liệu trong GIS... 20
Hình 1.2 Các thành phần của một hệ thống thông tin địa lý GIS ... 26
Hình 1.3 Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS... 27
Hình 1.4 Các thành phần của GPS... 28
Hình 1.5 Phân hệ không gian... 29
Hình 1.6 Phân hệ người sử dụng ... 30
Hình 1.7 Phân hệ điều khiển... 31
Hình 1.8 Nguồn gây lỗi và sai lệch vị trí GPS... 34
Hình 1.9 Sự thay đổi vị trí của máy thu GPS đứng yên khi có SA... 36
Hình 1.10 Sự thay đổi vị trí của máy thu GPS đứng yên sau khi chấm dứt SA ... 37
Hình 1.11 Ảnh hưởng của phân tập đa đường... 39
Hình 1.12 IC thu GPS GPM1315 ... 48
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống tổng quát ... 51
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống (trạm MS)... 52
Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống (trạm BS)... 53
Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán trạm MS ... 56
Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán trạm BS ... 57
Hình 2.6 Giao tiếp giữa vi điều khiển và GMSK modem... 58
Hình 2.7 Biểu đồ thời gian đồng bộ... 58
Hình 2.8 Test lỗi đường truyền... 59
Hình 2.9 Khung dữ liệu tổng quát... 60
Hình 3.1 Sơ đồ khối trạm MS ... 61
Hình 3.2 Vi điều khiển Atmega128... 63
Hình 3.3 Sơ đồ khối bộ USART... 65
Hình 3.4 Thanh ghi dữ liệu vào/ra UDR... 66
Hình 3.5 Thanh ghi UCSRnA ... 67
Hình 3.6 Thanh ghi UCSRnB ... 68
Hình 3.7 Thanh ghi UCSRnC ... 69
Hình 3.9 Đáp ứng xung bộ lọc Gaussian với BT=0.3 và BT=0.5 ... 72
Hình 3.10 Mật độ phổ của MSK và GMSK... 73
Hình 3.11 Mật độ phổ công suất của tín hiệu GMSK... 74
Hình 3.12 Bộ điều chế GMSK sử dụng trực tiếp máy phát FM ... 75
Hình 3.13 Sơ đồ khối điều chế hai điểm... 76
Hình 3.14 Sơ đồ khối của điều chế I và Q... 77
Hình 3.15 Sơ đồ chân và mạch ngoại vi cho CMX589A... 78
Hình 3.16 IC khuếch đại thuật toán LM358 ... 81
Hình 3.17 Mạch khuếch đại thuận và lặp điện áp (khuếch đại đệm)... 81
Hình 3.18 Mạch cộng điện áp ... 82
Hình 3.19 Bộ đàm KENWOOD TM271A ... 84
Hình 3.20 Mặt trong bộ đàm KENWOOD TM271A ... 86
Hình 3.21 Màn hình LCD 16x2... 88
Hình 3.22 Mạch ghép LCD với vi điều khiển... 89
Hình 3.23 Module quét thẻ từ chuẩn giao tiếp USB ... 90
Hình 3.24 Một số cảm biến hồng ngoại thông dụng ... 91
Hình 3.25 Sơ đồ khối trạm BS ... 92
Hình 3.26 Vi điều khiển Atmega16... 93
Hình 3.27 Mạch đầu cuối tại phương tiện MS đang đọc dữ liệu GPS ... 95
Hình 3.28 Mạch đầu cuối tại phương tiện MS nhận dữ liệu GPS thành công... 95
Hình 3.29 Mạch trung tâm BS... 96
Hình 3.30 Tín hiệu sau module điều chế GMSK... 96
Hình 4.1 Biểu diễn toạ độ trên bản đồ ... 107
Hình 4.2 Cập nhật xe lên bản đồ ... 109
Hình 4.3 Cơ sở dữ liệu ... 110
Hình 4.4 Giao diện quản lý nhân viên... 111
Hình 4.5 Giao diện thiết lập cổng COM ... 112
Hình 4.6 Chức năng tìm kiếm và gửi thông tin... 113
Hình 5.1 Tần số thử nghiệm... 114
Hình 5.2 Tín hiệu điều chế GMSK bị nhiễu do tần số cao ... 114
Hình 5.4. Các thiết bị tại trạm MS ... 116
Hình 5.5 Thiết bị trung tâm đang xử lí dữ liệu và chuyển đi... 116
Hình 5.6 Tín hiệu GMSK điều chế trước khi được đưa vào bộ đàm ... 117
Hình 5.7 Bộ đàm đàm ở chế độ hoạt động... 117
Hình 5.8 Vị trí đặt khối trung tâm BS ... 118
Hình 5.9 Tín hiệu thu về tại khối xử lý trung tâm ... 118
Hình 5.10 Các thiết bị ở khối quản lý trung tâm ... 119
Hình 5.11 Module xử lý các dữ liệu ở trung tâm trước khi đưa lên máy tính ... 119
Hình 5.12 Cập nhật vị trí xe lên bản đồ ... 120
Hình 5.13 Gửi lệnh điều khiển đến phương tiện... 120
Hình 5.14 Ứng dụng của bản đồ số Google Earth ... 122
Hình 5.15 Module GMSK được tách riêng khỏi bo mạch ... 122
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Cấu trúc bản tin NMEA0183 ... 47
Bảng 1.2 Thông số các chân GPM1315... 49
Bảng 1.3 Các thông số kỹ thuật ... 50
Bảng 3.1 Thông số hoạt động của CMX589A ... 78
Bảng 3.2 Tín hiệu điều khiển mạch thu phát sóng của CMX589A ... 80
Bảng 3.3 Một số thông số kỹ thuật của TM271A... 84
Bảng 3.4 Các cổng thông tin của TM271A ... 855
Bảng 3.5 Mức vào/ra của đầu cuối dữ liệu ... 87
Bảng 3.6 Mô tả các chân LCD ... 89
Bảng 3.7 Các thông số trong bản tin RMC... 97
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ Từ gốc Ý nghĩa
API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng
BS Base Station Trạm trung tâm
DGPS Differential GPS GPS vi sai
FSK Frequency Shift Keying Điều chế khóa dịch tần GIS Geography International System Hệ thông tin địa lý quốc tế GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Điều chế khóa dịch pha tối thiểu Gauss
GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu IDE Integrated Development Environment Môi trường phát triển tích hợp ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên ký hiệu
ITU International Telecommunication Union Hiệp hội viễn thông quốc tế LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng
MS Mobile Station Trạm di động
MSK Minimum Shift Keying Điều chế khóa dịch pha tối thiểu
NASA National Aeronautics and Space Administration Cục Quản trị Hàng không và Không gian Quốc gia
NMEA National Marine Electronics Association Liên minh điện tử hàng hải quốc gia
NRZ Non-Return-To-Zero Một loại mã đường dây
SA Selective availability Khả năng lựa chọn
SARSAT Search And Rescue Satellite Aided Tracking Giám sát được trợ giúp bởi vệ tinh tìm kiếm và cứu hộ
TTL Transistor-Transistor Logic Logic transistor-transistor UERE User Equivalent Range Error Sai số khoảng cách tương đương
USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter Bộ thu/ phát đồng bộ/ không đồng bộ UTC Coordinated Universal Time Thời gian chuẩn phối hợp
VHF Very high frequency Siêu cao tần
PHẦN MỞ ĐẦU
Ý tưởng về đề tài
Hiện nay, trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến công nghệ định vị vệ tinh phục vụ quản lý các trang thiết bị, phương tiện thường xuyên di chuyển. Ví dụ các hệ thống quản lý taxi, quản lý tàu cá loại nhỏ, các đội xe vận tải, xe vận chuyển bưu chính... Các ứng dụng nói trên dựa trên cơ sở các thiết bị định vị vệ tinh (GPS), các công nghệ cảm biến( như cảm biến gia tốc, cảm biến rung động…) để đọc thông tin và xử lý tại chỗ. Khi cần xử lý tập trung, thông tin được truyền về một trung tâm xử lý để tổ chức quản lý, điều hành (hệ thống quản lý taxi, xe bưu chính), việc truyền nhận thông tin chủ yếu được thực hiện thông qua hệ thống thông tin di động toàn quốc, điều này này giới hạn phạm vi hoạt động cũng như tăng chi phí vận hành của hệ thống. Tại trung tâm, các phần mềm ứng dụng hệ thông tin địa lý cùng với việc số hóa dữ liệu địa lý chưa thực sự được ứng dụng sâu sắc và hiệu quả. Rất nhiều ứng dụng được phát triển trên các dịch vụ miễn phí rất phổ biến và tiện lợi như Google Earth. Tuy nhiên, chính vì thế, việc chủ động cho các thông tin địa lý mang tính đặc thù như các vùng biển, vùng núi, các địa phương cụ thể là không nhiều vì phụ thuộc vào nhà cung cấp.
Đề tài tập trung đưa ra và thử nghiệm 1 giải pháp thông tin cho hệ thống quản lý phương tiện. Thứ nhất, ở mức vật lý, các dữ liệu được thu thập từ các cảm biến, từ module GPS được đóng vào 1 khung bản tin 60 bytes, được điều chế theo phương pháp điều chế số GMSK. Tín hiệu này được đưa vào bộ đàm, điều tần để phát đi. Ở nơi nhận, dữ liệu được giải điều chế, đưa vào vi điều khiển để xử lý.
Thứ 2, ở mức liên kết dữ liệu, xây dựng thuật toán chia sẻ kênh truyền cho nhiều user hoạt động cùng lúc, đánh giá được hiệu quả sử dụng thuật toán.
Thứ 3, xây dựng phần mềm quản lý phương tiện tại trung tâm đảm bảo các chức năng hiển thị và điều khiển phương tiện, quản lý dữ liệu.
Xác định phạm vi ứng dụng của đề tài
Với những phân tích về tình hình nghiên cứu như trên, việc xác định phạm vi ứng dụng của đề tài là rất quan trọng đối với tính khả thi của giải pháp đưa ra. Đề tài hướng đến các ứng dụng trong các vùng địa lý có đặc thù riêng biệt như vùng núi, vùng biển, các khu vực mà mạng thông tin di động chưa thực sự phát triển. Tại đó, các dữ liệu bản đồ Google Earth không hỗ trợ nhiều. Ví dụ như, ở vùng biển, có các thông tin về đảo, vùng cá, tâm bão, vùng danh giới quốc gia, danh giới thềm lục địa… Các dữ liệu này, chắc chắn cần được xây dựng 1 cách quy mô và chuyên biệt.
Mặt khác, ứng dụng mà đề tài hướng đến sẽ là những ứng dụng cần có sự chuyên biệt rõ ràng, như hoạt động của nhà nước, của quân đội hay các công ty. Trong đó, các ứng dụng này không có tính an toàn và chủ động cao với các công cụ miễn phí như Google Earth.
Bên cạnh đó, mảng dịch vụ rộng rãi như ứng dụng Web, Google Earth cũng khó có thể bỏ qua, vì vậy, hướng phát triển của đề tài là chạy song song cùng với các hệ thống tích hợp trên mạng di động và các ứng dụng miễn phí để tăng thêm ý nghĩa thực tiễn cho đề tài.
Mục tiêu của đề tài
 Đảm bảo thông tin ở mức vật lý:
Hoàn thiện các thiết bị phần cứng.
Thu thập được thông tin về vị trí, tốc độ của phương tiện thông qua Module GPS.
Hoàn thiện module điều chế số GMSK. Tín hiệu điều chế ổn định và điều khiển linh hoạt.
Điều khiển bộ đàm ở chế độ truyền dữ liệu bán song công. Lựa chọn tần số hoạt động hiệu quả.
 Đảm bảo thông tin ở mức liên kết dữ liệu.
Đưa ra và thử nghiệm giải pháp thông tin nhiều user.
 Xây dựng phần mềm với giao diện thân thiện, ứng dụng các kiến thức của hệ thông tin địa lý GIS, đảm bảo hoạt động quản lý phương tiện.
 Các chức năng khác: Các cổng giao tiếp với các thiết bị khác như máy tính, đầu đọc thẻ, thiết bị nhận dạng…
Cấu trúc đề tài
Chương 1: Trình bày tổng quan về hệ thông tin địa lý GIS và hệ thống định vị toàn cầu GPS là cơ sở cho những ứng dụng của đồ án.
Chương 2: Trình bày tổng quan về thiết kế hệ thống cũng như các thuật toán sử dụng trong hệ thống.
Chương 3: Trình bày về những thiết kế về đầu cuối phần cứng. Chương 4: Trình bày về những thiết kế phần mềm tại trung tâm.
Chương 5: Trình bày về các kết quả đạt được về sản phẩm và kết quả thử nghiệm, qua đó đưa ra đánh giá và định hướng phát triền trong tương lai
CHƯƠNG I. HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ
HỆ THỐNG VỆ TINH ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GNSS
Chương I đưa ra cái nhìn tổng quan về hệ thống thông tin địa lý và hệ thống thông tin vệ tinh định vị toàn cầu, cũng như các ứng dụng hết sức đa dạng của hai hệ thống này trong thực tiễn. Từ đó thành lập ý tưởng thiết kế hệ thống quản lý phương tiện giao thông.
1.1 Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System)
Công nghệ GIS được ứng dụng trong các điều tra nghiên cứu khoa học, quản lý tài nguyên, đất đai, đánh giá các tác động của môi trường, quy hoạch đô thị, lịch sử địa lý, khoa học bản đồ, marketing, vận tải …ví dụ như GIS có thể được ứng dụng để quản lý các vùng đất đai và nước bị ô nhiễm, hỗ trợ các nhà hoạch định, chuyên gia ra quyết định kịp thời và đúng đắn trên vùng bị ô nhiễm. GIS cũng có thể dùng để thống kê, phân tích, lập bản đồ phân bố khách hàng, các vị trí kinh doanh hay hệ thống bán hàng để hỗ trợ việc ra các quyết định kinh doanh.
1.1.1 Lịch sử phát triển
Người ta đã phát hiện trên các bức tường của hang động gần Lascaux – Pháp, cách đây khoảng 15.500 năm, những người thợ săn Cro-Magnon đã vẽ những hình ảnh của các con vật mà họ săn được, liên kết các hình vẽ và gắn nhãn cho chúng để mô tả đường di chuyển của các con vật. So sánh với hệ thống GIS hiện đại ngày nay, chúng ta thấy rằng cách làm đơn giản này đã chứa đựng một cấu trúc hình ảnh – thông tin, liên kết hình ảnh, vị trí với các thuộc tính thông tin, đó là một điểm cốt lõi trong GIS.
Năm 1954, John Snow đã mô tả một ổ dịch bệnh tả ở Luân-đôn bằng cách sử dụng các điểm đại diện cho vị trí của một số người bệnh, lần đầu tiên sử dụng phương pháp địa lý. Ông nghiên cứu sự phân bố của dịch bệnh tả để tìm ra nguồn gốc lây lan
của nó và ngăn chặn bệnh dịch. Bản đồ bệnh dịch của John Snow không chỉ mô tả mà còn phân tích các hiện tượng phụ thuộc liên kết với vị trí địa lý.
Năm 1962 đánh dấu sự phát triển đầu tiên của thế giới về ứng dụng của GIS tại Ottawa, Ontario, Canada do Cục Lâm nghiệp và phát triển nông thôn liên bang tiến hành. Là công trình được phát triển của Tiến sĩ Roger Tomlinson, nó được gọi tên là Hệ thống thông tin địa lý Canada (viết tắt là CGIS) và đã được sử dụng để lưu trữ, phân tích và vận dụng các dữ liệu thu thập được cho Trung tâm quản lý đất Cananda (CLI), một sáng kiến để xác định khả năng đất đai sử dụng cho nông nghiệp bằng cách lập bản đồ thông tin về đất, nông nghiệp, động vật nuôi, động vật hoang dã, tài nguyên nước, rừng và bản đồ sử dụng đất với tỷ lệ 1:50.000. Một yếu tố được đánh giá, phân loại được thêm vào cho phép thực hiện phân tích trên bản đồ.
CGIS là “hệ thống” đầu tiên trên thế giới và được cải tiến hơn các ứng dụng bản đồ là nó có khả năng che phủ, đo đạc, số hóa/quét. Nó hỗ trợ một hệ thống tọa độ quốc gia liên kết các châu lục và lưu các thông tin vị trí và thuộc tính trong các tệp dữ liệu riêng biệt. Với kết quả này, Tomlinson được biết đến như cha đẻ của GIS, đặc biệt là việc sử dụng phép che phủ của ông trong việc xúc tiến việc phân tích không gian trên dữ liệu địa lý hội tụ. CGIS tồn tại đến những năm 1990 và xây dựng được cơ sở dữ liệu số hóa tài nguyên đất lớn nhất của Canada. Nó đã được phát triển như một khung hệ thống cơ sở trong việc hỗ trợ chính phủ liên bang và các tỉnh quản lý và hoạch định tài nguyên. Sức mạnh của nó là sự phân tích các dữ liệu phức tạp toàn châu lục. CGIS không bao giờ xuất hiện dưới một hình thức thương mại.
Năm 1964, các Howard T Fisher thành lập phòng thí nghiệm cho Đồ họa máy tính và Phân tích không gian tại trường đại học thiết kế Harvard, nơi mà một số khái niệm lý thuyết quan trọng về xử lý dữ liệu không gian, và vào những năm 1970 đã phân phối mã phần mềm cơ sở và các hệ thống như “SYMAP”, “GRID” và “ODYSSEY”, từng là nguồn cảm hứng cho sự phát triển các ứng dụng thương mại, tới các trường đại học, trung tâm nghiên cứu và các tập đoàn toàn cầu.
Đầu những năm 1980, công ty điện toán M&S (M&S computing, sau này là Intergraph), viện nghiên cứu hệ thống môi trường (ESRI – Environmental Systems
Research Institute) và CARIS (hệ thống tài nguyên thông tin trợ giúp bằng máy tính) nổi lên như các nhà cung cấp thương mại các phần mềm GIS, hợp nhất thành công nhiều tính năng của CGIS, kết hợp cách tiếp cận sơ khai là phân tách thông tin thuộc tính và tọa độ không gian với cách tiếp cận mới là tổ chức các dữ liệu thuộc tính bằng cấu trúc dữ liệu. Cuối những năm 1890 và 1990, sự tăng trưởng của công nghiệp được thúc đẩy bởi ứng dụng rộng rãi GIS trên các máy trạm Unix và máy tính cá nhân. Cuối thế kỷ 20, sự phát triển nhanh chóng trong các hệ thống khác nhau được thống nhất và chuẩn hóa trên nền tảng tương đối hẹp và người sử dụng bắt đầu có khái niệm xem dữ liệu GIS trên Internet, yêu cầu các tiêu chuẩn về chuyển đổi và định dạng dữ liệu. Gần đây, có một sự gia tăng số lượng các gói phần mềm GIS mã nguồn mở hoặc miễn phí, chạy trên nhiều hệ điều hành khác nhau và có thể tùy biến cho phù hợp với từng nhiệm vụ cụ thể.
1.1.2 Phần mềm GIS
Thông tin địa lý có thể được truy xuất, truyền tải, chuyển đổi, và hiển thị bằng nhiều ứng dụng phần mềm. Trong công nghiệp, các sản phẩm thương mại từ các công ty như SmallWorld, Manifold System, ESRI, Intergraph, Mapinfo và AutoDesk giữ ưu thế với các bộ công cụ toàn diện. Chính phủ và các cơ quan an ninh, quân đội thường sử dụng các phần mềm riêng, các sản phẩm mã nguồn mở như GRASS và nhiều sản phẩm riêng biệt khác đáp ứng tốt các nhu cầu cụ thể. Các công cụ miễn phí để xem tập dữ liệu GIS, truy cập công cộng các thông tin địa lý được thống trị bởi các nguồn tài nguyên trực tuyến như Google Earth và bản đồ web tương tác.
1.1.3 Nền tảng
Từ khi ra đời cho tới cuối những 1990, khi dữ liệu GIS hầu hết dựa trên các máy tính lớn và sử dụng để bảo trì các bản ghi bên trong, phần mềm là các sản phẩm độc lập. Tuy nhiên với truy cập gia tăng vào mạng và internet, và nhu cầu phân phối các dữ liệu địa lý tăng, phần mềm GIS dần dần thay đổi toàn bộ giao diện của nó để cho phép
chia sẻ dữ liệu qua mạng. Phần mềm GIS hiện nay thường được giới thiệu như sự kết hợp của các ứng dụng tương tác và các API (giao diện lập trình ứng dụng).
1.1.4 Xây dựng dữ liệu
Các công nghệ GIS hiện đại sử dụng các thông tin số, với nhiều phương pháp được sử dụng để tạo ra các dữ liệu số hóa khác nhau. Phương pháp chính để xây dựng dữ liệu là số hóa, ở đó một bản đồ giấy hay một bản vẽ trắc địa được chuyển đổi về dạng số trung gian bằng các sử dụng một chương trình thiết kế hỗ trợ bởi máy tính (CAD) và khả năng tham chiếu địa lý.
1.1.5 Thu thập dữ liệu
Thu thập dữ liệu là việc đưa thông tin vào hệ thống, tiêu tốn khá nhiều thời gian của những người thực hiện. Có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để để đưa thông tin vào một hệ thống thông tin địa lý, mà ở đó nó được lưu giữ dưới dạng số.
Các dữ liệu bản đồ đã được in trên giấy hay phim, có thể được số hóa hay quét để tạo ra dữ liệu số. Một công cụ số hóa tạo ra dữ liệu vector như một hoạt động vẽ các điểm, đường, đa đường, đường bao từ một bản đồ. Quét một bản đồ cho kết quả là dữ liệu raster và có thể tiếp tục xử lý để có được dữ liệu vector.
Các dữ liệu điều tra có thể được đưa trực tiếp vào GIS từ các hệ thống thu thập dữ liệu số trên các thiết bị thu thập sử dụng một kỹ thuật gọi là Hình học tọa độ (COGO). Các vị trí từ Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hay một công cụ thu thập khác cũng có thể được đưa trực tiếp vào GIS
Các cảm biến dữ liệu từ xa cũng giữ vai trò quan trọng trong thu thập giữ liệu, bao gồm các cảm biến (như máy quay phim, máy quét số…) gắn trên các máy bay, vệ tinh hay tàu vũ trụ.
Sau khi đưa dữ liệu vào GIS, dữ liệu thường yêu cầu được chỉnh sửa, loại bỏ lỗi và thực hiện các phép xử lý sâu hơn.
1.1.6 Dữ liệu địa lý
Một dữ liệu địa lý là một cơ sở dữ liệu với các phần mở rộng cho việc lưu trữ, đánh chỉ mục, truy vấn và thao tác trên thông tin địa lý và dữ liệu không gian. Trong khi một vài cơ sở dữ liệu địa lý có những chức năng được thiết kế cho phép thực hiện việc xử lý địa lý thì lợi ích chính của một cơ sở dữ liệu địa lý nằm ở khả năng "kiểu cơ sở dữ liệu" mà nó có thể đưa đến cho các dữ liệu không gian. Một vài trong số các khả năng này bao gồm dễ truy cập, sử dụng các trình điều khiển cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn như ODBC, khả năng liên kết và tập hợp các bảng dữ liệu, cũng như khả năng đánh chỉ mục, nhóm các tập dữ liệu không gian độc lập với nền tảng của phần mềm.
1.1.7 Dữ liệu phi không gian
Dữ liệu phi không gian bổ sung cũng có thể được lưu trữ cùng với các dữ liệu không gian được biểu diễn với tọa độ của một vector hình học hay vị trí của một ô raster. Trong dữ liệu raster, một ô có thể chứa các thông tin thuộc tính, nhưng nõ cũng có thể được sử dụng như một ký hiệu nhận dạng mà có thể liên kết tới các bản ghi trong một bảng khác.
Cũng có những phần mềm được phát triển để hỗ trợ cả việc ra quyết định không gian và phi không gian. Trong phần mềm này, các giải pháp của các vấn đề không gian được tích hợp với các giải pháp của các vấn đề phi không gian.
1.1.8 Biểu diễn dữ liệu
Phần mềm xử lý GIS được dùng cho các nhiệm vụ chuẩn bị dữ liệu để sử dụng cho GIS. Sự chuyển đổi các dữ liệu địa lý thô sang định dạng tương thích với các sản phẩm GIS.
Dữ liệu GIS biểu diễn các đối tượng của thế giới thực (đường, sử dụng đất, độ cao) với dữ liệu số. Các đối tượng này có thể được chia làm hai khái niệm trừu tượng: các vật thể rời rạc (nhà) và các trường liên tục (lượng mưa hay độ cao). Có hai phương pháp được sử dụng rộng rãi để lưu trữ dữ liệu GIS, cho cả hai đối tượng trên là: Raster và Vector.
Hình 1.1 Biểu diễn dữ liệu trong GIS
• Raster: một dạng dữ liệu Raster về cơ bản là bất kỳ dạng ảnh số nào biểu diễn dưới dạng lưới. Bất kỳ người nào đã quen thuộc với ảnh số sẽ nhận ra rằng pixel là đơn vị nhỏ nhất của một bức ảnh. Sự kết hợp của nhiều pixel tạo thành ảnh, khác biệt với các dạng đồ họa vector có tỷ lệ thường được sử dụng dựa trên nền tảng là mô hình vector. Trong khi một bức ảnh số đề cập tới đầu ra như là sự miêu tả thế giới thực, thì một bức ảnh hay bản vẽ được gửi tới máy tính sẽ phản ảnh một trừu tượng hóa của thế giới thực. Các bức ảnh chụp từ trên không thường là các định dạng được sử dụng chính của dữ liệu Raster, với chỉ một mục đích, là hiển thị một bức ảnh chi tiết trên bản đồ hay cho mục đích số hóa.
Dạng dữ liệu Raster có chứa các hàng và cột của các ô, với mỗi ô chứa một giá trị đơn. Dữ liệu Raster có thể là các bức ảnh (ảnh raster), với mỗi pixel (hay ô) có chứa một giá trị màu. Các giá trị khác được ghi cho mỗi ô có thể là một giá trị rời rạc như tình trạng sử dụng đất, hay một giá trị liên tục như nhiệt độ, hay giá trị rỗng (null) nếu không có dữ liệu. Trong khi một ô raster lưu trữ một giá trị đơn, nó có thể được mở rộng bằng cách sử dụng các dải raster để biểu diễn các màu RGB
hay các bảng thuộc tính mở rộng với một hàng cho mỗi giá trị duy nhất của ô. Độ phân giải của tập dữ liệu raster là kích thước các ô của nó.
Dữ liệu Raster được lưu trữ bằng các định dạng khác nhau, từ một cấu trúc dựa trên các tệp dữ liệu chuẩn như TIF, JPEG… tới dữ liệu đối tượng nhị phân lớn (BLOB) được lưu trữ trực tiếp trong hệ thống quả trị cơ sở dữ liệu quan hệ (RDBMS). Không gian lưu trữ cơ sở dữ liệu, khi được đánh chỉ mục sẽ cho phép tìm kiếm và truy xuất nhanh hơn tuy nhiên nó đòi hỏi một không gian lưu trữ đáng kể với hàng triệu bản ghi.
• Vector: trong GIS, các đối tượng địa lý thường được biểu diễn dưới dạng vector, xem xét các đối tượng này như các đường hình học. Các đối tượng khác nhau được biểu diễn bởi các dạng đường hình học khác nhau:
Điểm:
Các điểm có kích thước bằng 0, được sử dụng cho các đối tượng địa lý mà có thể diễn tả bởi một điểm đơn, hay nói cách khác là vị trí đơn. Ví dụ các điểm có độ cao lớn nhất, độ cao nhỏ nhất, các đối tượng quan tâm trên bản đồi. Các điểm truyền đạt hàm lượng thông tin tối thiểu của dạng dữ liệu này. Các điểm cũng có thể được sử dụng để biểu diễn các vùng khi hiển thị ở tỷ lệ nhỏ. Không có phép đo nào có thể thực hiện đối với các đối tượng điểm.
Đường hay đa đường:
Đường hay đa đường một chiều được sử dụng cho các đối tượng tuyến tính như song, đường, đường xe lửa và các đường địa hình. Cũng như các đối tượng điểm, các đối tượng tuyến tính được thể hiện như các đường hơn là các đa giác. Các đối tượng đường có thể đo khoảng cách.
Đa giác:
Các đa đường hai hướng được sử dụng cho các đối tượng địa lý mà bao phủ một vùng bề mặt trái đất riêng biệt. Nhưng đối tượng này như hồ, đường bao công viên, toàn nhà, đường bao thành phố. Các đa giác truyền đạt hàm lượng thông tin lớn nhất của kiểu dữ liệu này. Các đối tượng đa giác có thể tính toán chu vi và diện tích.
Mỗi một đường hình học này liên kết với một hàng trong cơ sở dữ liệu để mô tả các thuộc tính của chúng. Ví dụ, một cơ sở dữ liệu mô tả các hồ nước có thể chứa thông tin về độ sâu, chất lượng nước, mức độ ô nhiễm. Thông tin này có thể được sử dụng để tạo bản đồ cho phép mô tả các thuôc tính riêng của tập dữ liệu. Ví dụ một hồ nước có thể được tô màu phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm của nó. Các đường hình học khác nhau cũng có thể được so sánh. GIS có thể được sử dụng để nhận ra tất cả các điểm hình học trong phạm vi bán kính 1Km của một hồ nước có độ ô nhiễm cao nhất.
Dữ liệu vector cũng có thể được sử dụng để biểu diễn các hiện tượng liên tục khác nhau. Các đường đồng mức và các lưới tam giác bất chính quy (TIN) được sử dụng để diễn tả độ cao hay các giá trị thay đổi liên tục khác. Các lưới tam giác ghi các giá trị tại một vị trí mà được kết nối với nhau thành một đường tạo thành một lưới tam giác bất chính quy. Bề mặt của tam giác biểu diễn bề mặt địa hình.
Ưu điểm và nhược điểm:
Có các ưu điểm và nhược điểm khác nhau khi sử dụng các dạng mô hình dữ liệu raster và vector để biểu diễn thế giới thực. Các tạp dữ liệu Raster lưu các giá trị cho tất cả các điểm trong một vùng được bao phủ, và đòi hỏi không gian lưu trữ lớn hơn so với biểu diễn dữ liệu dạng vector (chỉ lưu dữ liệu tại nơi cần thiết). Dữ liệu raster cũng dễ dàng cho phép thực hiện các lớp che phủ, điều mà khó hơn đối với dữ liệu vector. Dữ liệu vector có thể được hiển thị như các đồ họa vector sử dụng trong các bản đồ truyền thống, ở đó các dữ liệu raster xuất hiện như một bức ảnh. Dữ liệu vector dễ dàng kết hợp các lớp vector từ nhiều nguồn khác nhau, tương thích hơn với các môi trường cơ sở dữ liệu quan hệ. Dữ liệu vector có thể được cập nhật và bảo trì, trong khi dữ liệu raster phải xây dựng lại từ đầu. Hơn nữa, dữ liệu vector cho phép nhiều khả năng phân tích, đặc biệt cho các mạng lưới, như các đường, đường sắt, lưới điện, hệ thống viễn thông…
1.1.9 Biên dịch Raster sang Vector
Xây dựng lại dữ liệu có thể được thực hiện bởi GIS để chuyển đổi dữ liệu sang các định dạng khác nhau. GIS có thể sử dụng để chuyển đổi một bức ảnh vệ tinh sang
một cấu trúc vector bằng cách vẽ các đường xung quanh các cell trong cùng một phân loại, trong khi quyết định mối quan hệ không gian giữa các ô, như sự liền kề hay bao hàm. Ngoài ra các phép xử lý dữ liệu tiên tiến có thể thực hiện với xử lý ảnh – một công nghệ được phát triển vào cuối những năm 1960 bởi NASA.
1.1.10 Chiếu bản đồ và các hệ tọa độ
Trái đất có thể được biểu diễn dưới nhiều mô hình khác nhau, mỗi một cách cũng cấp một tập tọa độ khác nhau (như kinh độ, vĩ độ, độ cao) cho bất kỳ điểm nào trên bề mặt trái đất. Mô hình đơn giản nhất là giả sử trái đất là một hình cầu hoàn hảo. Càng nhiều phép đo của trái đất được tích lũy thì các mô hình của trái đất càng trở nên phức tạp và chính xác hơn.
Chiếu bản đồ là một phần cơ bản của việc xây dựng bản đồ. Một phép chiếu bản đồ là một phương tiện toán học chuyển đổi thông tin từ một mô hình của trái đất, biểu diễn một bề mặt cong trong hệ tọa độ 3 chiều sang hệ tọa độ hai chiều trên giấy hay màn hình máy tính. Các phép chiếu bản đồ khác nhau được sử dụng cho các loại bản đồ khác nhau.
Hầu hết thông tin trong GIS được lấy từ các bản đồ đã có, GIS sử dụng các công cụ xử lý của máy tính để chuyển đổi thông tin số, thu thập từ các nguồn dữ liệu bản đồ với các phép chiếu bản đồ khác nhau hay các hệ tọa độ khác nhau, về một phép chiếu và hệ tọa độ chung.
Ở mỗi quốc gia đều xây dựng một hệ quy chiếu tọa độ - độ cao (gọi tắt là hệ quy chiếu) phù hợp riêng, cho từng vùng miền. Hiện nay có 3 dạng hệ quy chiếu phổ biến được sử dụng:
¾ Hệ quy chiếu vuông góc không gian: gồm điểm gốc tọa độ và 3 trục tọa độ x,y,z trong không gian Euclide 3 chiều.
¾ Hệ quy chiếu mặt Ellipsoid: gồm điểm tâm ellipsoid, 2 bán trục ellipsoid, tọa độ 3 chiều là vĩ tuyến B, kinh tuyến L và độ cao H. Hệ quy chiếu này được coi mô hình toán học của bề mặt trái đất.
¾ Hệ quy chiếu mặt bằng: được xác định nhờ một phép biến đổi nào đó từ hệ quy chiếu mặt ellipsoid về mặt phẳng, nhằm biểu diễn bề mặt trái đất lên mặt phẳng, được sử dụng để xây dựng các loại bản đồ. Hệ quy chiếu mặt bằng gồm gốc tọa độ và hai trục tung & trục hoành.
1.1.11 Mã hóa địa lý các địa chỉ
Mã hóa các địa lý là quá trình tìm các tạo độ địa lý (thường được diễn tả bằng kinh độ và vĩ độ) từ các dữ liệu địa lý khác, như địa chỉ đường phố hay mã bưu điện. Mỗi đoạn đường được gắn thuộc tính với một dải địa chỉ. Mã hóa địa chỉ sẽ lấy địa chỉ và tìm kiếm đoạn đường có chứa địa chỉ đó, sau đó nội suy vị trí của địa chỉ nằm trong dải địa chỉ của tuyến đường.
Mã hóa ngược địa chỉ địa lý
Mã hóa ngược địa chỉ địa lý là quá trình trả về một địa chỉ địa lý ướng lượng tại một tọa độ cho trước. Địa chỉ này cũng được nội suy từ dải địa chỉ gắn với đoạn đường. Mã hóa ngược địa chỉ địa lý không trả về địa chỉ thực tế, mà chỉ ước lượng địa chỉ ở gần đó nhất dựa trên dải xác định trước.
1.1.12 Thống kê
Phần mềm thống kế GIS sử dụng các truy vấn cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn để đọc và phân tích dữ liệu cho việc hỗ trợ ra quyết định. Ví dụ, nếu chúng ta có dữ liệu địa lý bao gồm các thông tin nhân khẩu, chúng ta có thể quyết định xem có bao nhiêu nhân khẩu trong một độ tuổi nhất định, thu nhập và sắc tộc sinh sống trong một khu phố. Dữ liệu thường được tham chiếu với mã bưu điện hay địa chỉ đường phố hơn là với dữ liệu đo đạc. Phần mềm có thể được sử dụng bởi các nhà khoa học máy tính hay các nhà thống kê với các kỹ năng về khoa học máy tính, với mục tiêu của việc mô tả một vùng để hỗ trợ cho việc ra quyết định trong marketing, các dịch vụ xã hội, quy hoạch khẩn cấp,…Các hệ quản trị cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn có thể được sử dụng hay thiết kế cho phần mềm thống kê GIS. Chúng thường được đặt trên các máy chủ và truy vấn qua các trình duyệt web, ví dụ như MySQL hay ArcSDE.
1.1.13 Bộ đọc GIS
Các bộ đọc GIS là các ứng dụng máy tính được thiết kế cho phép người sử dụng dễ dàng xem các bản đồ số cũng như truy vấn các dữ liệu quản trị bởi GIS. Chúng thường cho phép rất ít sự chỉnh sửa bản đồ hay dữ liệu bản đồ. Các bộ đọc có thể là các ứng dụng độc lập, được cài đặt trên các máy tính cá nhân, cho dù chúng thường được thiết kế để kết nối với máy chủ dữ liệu qua internet để truy cập các thông tin cần thiết. Các bộ đọc cũng có thể được bao gồm như một ứng dụng nhúng trong một trang web.
1.1.14 Web API
Đây là sự cách mạng của các Script được sử dụng chính trong hầu hết các hệ thống GIS trước đây. Một giao diện lập trình ứng dụng (API) là một tập của các chương trình con (được tổ chức như lập trình hướng đối tượng) được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. GIS APIs được thiết kế để quản lý dữ liệu GIS cho phép phân phối tới các trình duyệt web trên máy khách từ một máy chủ GIS. Chúng thường được truy cập sử dụng các ngôn ngữ kịch bản (script) như VBA hay JavaScript, và dùng để xây dựng một hệ thống máy chủ cho phép phân phối GIS trên mạng nội bộ intranet hay phân phối rộng rãi trên internet.
1.1.15 Phần mềm GIS mã nguồn mở và miễn phí
Rất nhiều các tác nhiệm GIS có thể được thực hiện với phần mềm mã nguồn mở và miễn phí. Với việc sử dụng rộng rãi các định dạng dữ liệu mở và không độc quyền như định dạng Shape File cho dữ liệu vector và Geotiff cho dữ liệu raster, cũng như sự chấp nhận của các tiêu chuẩn OGC cho các máy chủ mạng, sự phát triển của phần mềm mã nguồn mở tiếp tục mở rộng, đặc biết cho các ứng dụng web và hướng dịch vụ web. Các phần mềm mã nguồn mở thường được biết đến bao gồm GRASS GIS, Quantum GIS, Mapserver, uDig, OpenJump, gvGIS và nhiều phần mềm khác.
Sự phát triển GIS trên mã nguồn mở tập trung vào việc tạo ra các thư viện cung cấp hàm chức năng cho các ứng dụng của bên thứ 3. Các thư viện này được sử dụng
như nhau bởi cả các phần mềm mã nguồn mở và các phần mềm thương mại cung cấp các chức năng cơ bản
1.1.16 Các thành phần của GIS
Hình 1.2 Các thành phần của một hệ thống thông tin địa lý GIS Hệ thống thông tin địa lý GIS được hình thành bởi 5 thành phần:
¾ Con người: là thành phần quan trọng trong GIS giữ vai trò thực hiện các thao tác, quản lý hoạt động của GIS.
¾ Dữ liệu: bao gồm dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính (phi không gian) đã được thu thập và tổ chức trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu.
¾ Phần cứng: là cá máy tính điện tử, máy vi tính, các thiết bị mạng hay các thiết bị biên tập dữ liệu vào/ra như máy số hóa, máy vẽ, máy quét…
¾ Phần mềm: là công cụ cho phép phân tích dữ liệu và hiển thị thông tin địa lý, tương tác với người sử dụng thông qua các giao diện đồ họa (GUI).
1.2 Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh để định vị vị trí một điểm trên mặt đất. Trên thế giới hiện có 3 hệ thống thuộc GNSS, đó là: GPS (Hoa Kỳ), GALILEO (Liên minh châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga).
Hình 1.3 Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS
Vào những thập niên 60 và 70, Bộ quốc phòng Mỹ đã đầu tư nghiên cứu và xây dựng hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System). Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào tháng 2 năm 1978 và từ đầu những năm 1990, GPS bắt đầu được sử dụng trong dân sự. Chính phủ Mỹ dành riêng mức định vị chính xác cao nhất cho quân đội, tuy nhiên họ cũng đã phát triển mã thu thô C/A cho mục đích dân dụng. Điều này giúp bất cứ ai cũng có thể sử dụng GPS ở bất cứ đâu và bất cứ khi nào. Ở Nga, với kỹ thuật phóng vệ tinh khá tốt, Nga cũng đã xây dựng thành công hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu, viết tắt GLONASS (Global Orbital Navigation Satellite System) vào năm 1995. Hai hệ thống này ban đầu phục vụ cho mục đích quân sự là chính, và hiện nay đã được đưa vào sử dụng cho các mục đích dân sự. Liên hiệp
Âu Châu cũng đã khởi công cho dự án hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu với tên gọi GALILEO (đặt tên của nhà thiên văn học và vật lý học vĩ đại Galileo Galilei). Hệ thống GALILEO dự kiến đưa vào sử dụng trong khoảng năm 2009-2010. Trong tương lai ba hệ thống GPS , GLONASS và GALILEO sẽ được tiếp tục củng cố hoàn thiện và tích hợp cho độ chính xác cao. Chúng ta thấy ngày càng nhiều ứng dụng GPS/GNSS trong đời sống hàng ngày. Các máy điện thoại cầm tay GPS đã được tung ra trong thị trường từ năm 2002 và ngày càng nhiều máy dẫn đường vệ tinh cho xe ô tô (tích hợp xác định vị trí và bản đồ điện tử cho các thành phố) đang ngày càng nhiều trên thị trường. Ứng dụng củaGPS/GNSS không chỉ dừng lại cho mục đích quân sự mà còn cho các mục đích dân sự như dẫn tàu thủy, dẫn máy bay, vũ trụ, dẫn các phương tiện giao thông trên mặt đất, xây dựng, đặc biệt lắp đặt các thiết bị trên biển phục vụ ngành khai thác dầu khí và thủy hải sải, cảm biến từ xa... mang lại hiệu quả thiết thực.
Trong phạm vi đề tài, thiết kế của đồ án sử dụng công nghệ định vị GPS. Sau đây ta xét kỹ hơn về hệ thống này. Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần chính: ¾ Phân hệ Không gian. ¾ Phân hệ Người sử dụng. ¾ Phân hệ Điều khiển. Hình 1.4 Các thành phần của GPS
1.2.1 Phân hệ không gian
Phân hệ không gian bao gồm 24 quả vệ tinh hoạt động trên sáu quỹ đạo tròn cao 20200 km so với mặt đất với góc nghiêng là 55°, chu kì 12 giờ (11 giờ 58 phút). Các vệ tinh được bố trí trên quỹ đạo sao cho ở bất cứ thời điểm nào cũng có ít nhất bốn đến mười vệ tinh có thể được nhìn thấy bởi người sử dụng ở bất cứ đâu trên thế giới, nếu xét góc ngẩng là 100.
Hình 1.5 Phân hệ không gian
Mỗi vệ tinh có tới bốn đồng hồ nguyên tử cực kì chính xác (chuẩn Rubidi và Xesi) và một vi xử lý để tự điều khiển và xử lý data trong giới hạn. Các vệ tinh được trang bị nhiều tên lửa nhỏ phục vụ cho việc duy trì hay thay đổi quỹ đạo của chúng.
1.2.2 Phân hệ Người sử dụng
Phân hệ người sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS trên mặt đất cho phép người dùng nhận tín hiệu phát quảng bá từ vệ tinh và tính toán thời gian, vận tốc, tọa độ của họ một cách chính xác. Máy thu của người dùng đo thời gian trễ để tín hiệu đi tới máy thu; đây là cách đo trực tiếp khoảng cách biểu kiến tới vệ tinh. Các kết quả đo thu thập đồng thời từ bốn vệ tinh được xử lý để tính toán tọa độ, vận tốc và thời gian. GPS cung cấp hai cấp dịch vụ là Dịch vụ Định vị tiêu chuẩn (SPS) và Dịch vụ Định vị chính xác (PPS).
Hình 1.6 Phân hệ người sử dụng
PPS là dịch vụ định vị, đo vận tốc và định thời chính xác độc lập. Nó sử dụng một trong các mã GPS được truyền dẫn, gọi là mã P(Y), chỉ những người sử dụng được phép mới truy cập được mã này. Những người dùng này bao gồm các lực lượng quân sự Mỹ. Độ chính xác định vị của PPS là 16m theo phương ngang và 23m theo phương thẳng đứng (với xác suất 95%).
SPS có độ chính xác thấp hơn PPS. Nó sử dụng mã GPS thứ hai, gọi là mã C/A, mã này được sử dụng bởi tất cả người dùng, kể cả người dùng được phép và không được phép. Ban đầu, SPS cung cấp độ chính xác khoảng 100m theo phương ngang và 156m theo phương thẳng đứng (xác suất 95%). Độ chính xác này là do ảnh hưởng của khả năng chọn lọc. Với quyết định gần đây của tổng thống Mỹ về việc chấm dứt SA, độ chính xác của SPS hiện nay có thể so sánh được với PPS.
1.2.3 Phân hệ Điều khiển
Phân hệ điều khiển gồm một trạm điều khiển chủ ở Colorado Springs, Colorado cùng năm trạm giám sát (ở Colorado Springs, đảo Ascension, đảo Diego Garcia, Hawaii và đảo Kwajalein) và ba anten mặt đất đặt rải rác trên thế giới. Ba trạm ở Ascension, Diego Garcia và Kwajalein dùng để triển khai tuyến lên, truyền thông tin từ mặt đất lên vệ tinh, bao gồm các dữ liệu lịch thiên văn mới, hiệu chỉnh đồng hồ và các bản tin quảng bá khác. Chỉ có Bộ quốc phòng Mỹ mới có trách nhiệm với phân hệ điều khiển; bao gồm việc xây dựng, triển khai, duy trì bảo dưỡng và giám sát hoạt động liên tục của các vệ tinh GPS.
Hình 1.7 Phân hệ điều khiển
Các trạm giám sát bám sát tất cả các vệ tinh GPS trong tầm nhìn để điều khiển và dự đoán quỹ đạo của chúng. Trạm giám sát gửi thông tin mà họ thu thập được từ mỗi vệ tinh về trạm điều khiển trung tâm MCS. MCS tính toán quỹ đạo vệ tinh một cách cực kỳ chính xác rồi đưa thông tin vào các bản tin dẫn đường cập nhật cho mỗi vệ tinh. Thông tin cập nhật được truyền tới mỗi vệ tinh thông qua các anten mặt đất; các anten này đồng thời cũng thu và phát cả các tín hiệu điều khiển giám sát vệ tinh.
1.2.4 Cấu trúc tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh GPS phát một tín hiệu radio cao tần gồm hai tần số sóng mang được điều chế bởi hai mã số và một bản tin dẫn đường. Hai tần số sóng mang này được phát ở tần số 1575.42 MHz (gọi là sóng mang L1) và 1227.60 MHz (gọi là sóng mang L2). Theo đó, bước sóng tương ứng là 19 cm và 24.4 cm; kết quả này được rút ra từ quan hệ giữa tần số sóng mang và vận tốc ánh sáng trong không gian. Việc sử dụng hai tần số trên cho phép sửa một lỗi nghiêm trọng của GPS là trễ tầng điện ly. Tất cả các vệ tinh GPS đều phát cùng tần số sóng mang L1 và L2. Tuy nhiên, mã điều chế là khác nhau cho các vệ tinh, việc này làm giảm thiểu sự can nhiễu tín hiệu.
Hai mã GPS gọi là mã thu thô (mã C/A) và mã thu chính xác (mã P). Mỗi mã chứa một luồng số nhị phân 0 và 1 gọi là các bít hay các chip. Các mã này được gọi chung là mã PRN vì chúng giống như tín hiệu ngẫu nhiên. Nhưng thực tế, các mã này
được phát nhờ sử dụng một thuật toán. Mã C/A chỉ được điều chế vào sóng mang L1, trong khi đó, mã P được điều chế vào cả sóng mang L1 và L2. Sự điều chế này gọi là điều chế lưỡng pha, do pha của sóng mang được dịch đi 180o khi giá trị của mã thay đổi từ 0 đến 1 hoặc từ 1 đến 0 .
Mã C/A là một luồng 1023 số nhị phân (1023 số 1 và 0) tự lặp lại mỗi giây. Điều này có nghĩa là tốc độ chip của mã C/A là 1023 Mb/s. Nói cách khác, khoảng thời gian của mỗi bít xấp xỉ 1ms, tương đương với quãng đường 300m. Mỗi vệ tinh được gán cho một mã C/A duy nhất, mã này cho phép máy thu GPS nhận dạng vệ tinh nào đang truyền một mã cụ thể. Khoảng cách đo được bằng mã C/A kém chính xác hơn so với mã P. Tuy nhiên, mã C/A ít phức tạp hơn và được sử dụng cho mọi người dùng.
Mã P là một chuỗi nhị phân rất dài, được lặp lại sau 266 ngày .Nó cũng nhanh hơn mã C/A 10 lần (tốc độ bít của nó là 10.23 Mb/s). Nhân thời gian với số lần lặp lại, 266 ngày nhân tốc độ bit 10.23 Mb/s được luồng mã P dài khoảng 2.35x1014 chip! Mã dài 266 ngày được chia thành 38 đoạn, mỗi đoạn dài 1 tuần. Trong đó, có 32 đoạn được gán cho các vệ tinh khác nhau. Mỗi vệ tinh truyền một đoạn một tuần duy nhất của mã P, đoạn này được khởi tạo vào 0 giờ ngày chủ nhật hàng tuần. Sáu đoạn còn lại để dự trữ cho các mục đích khác. Như vậy, mỗi vệ tinh GPS thường được xác định bởi một đoạn 1 tuần duy nhất của mã P. Ví dụ, một vệ tinh GPS với số nhận dạng là PRN 20 tức là vệ tinh này được gán đoạn của tuần thứ 20 của mã PRN P. Mã P ban đầu được thiết kế chủ yếu cho mục đích quân sự là chính. Sau đó, nó được sử dụng cho tất cả người dùng vào ngày 31/1/1994. Vào thời điểm đó, mã P được mật mã hóa bằng cách thêm vào nó một mã W không xác định. Mã đã được mật mã hóa gọi là mã Y, mã này có tốc độ chip bằng với mã P. Việc mật mã hóa này gọi là việc chống làm giả (AS).
Bản tin dẫn đường GPS là một luồng dữ liệu được thêm vào cả sóng mang L1 và L2 khi điều chế lưỡng pha nhị phân ở tốc độ thấp 50 kbps. Nó chứa 25 khung, mỗi khung 1500 bít, tổng số có 37500 bít. Nghĩa là để truyền dẫn bản tin dẫn đường hoàn hỉnh phải mất 750 giây, hay 12.5 phút. Bản tin dẫn đường cùng với các thông tin khác chứa tọa độ của vệ tinh GPS theo thời gian, tình trạng vệ tinh, tín hiệu hiệu chỉnh đồng
hồ, niên lịch vệ tinh và dữ liệu khí quyển. Mỗi vệ tinh truyền một bản tin dẫn đường của riêng nó với các vệ tinh khác, như vị trí gần đúng và tình trạng hoạt động.
1.2.5 Các hệ thời gian
Thời gian đóng vai trò rất quan trọng trong định vị bằng GPS. Tín hiệu GPS được điều khiển bởi các thiết bị định thời chính xác, đó là các đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh. Việc đo khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh dựa trên đồng hồ của cả máy thu lẫn vệ tinh. GPS cũng là một hệ định thời, nó có thể được sử dụng để đồng bộ hóa thời gian.
Một số hệ thời gian được sử dụng rộng rãi cho các mục đích khác nhau. Trong đó, hệ thời gian tọa độ (Coordinated Universal Time - UTC) và thời gian GPS là quan trọng nhất đối với người sử dụng GPS. UTC là hệ thời gian nguyên tử dựa trên thời gian nguyên tử quốc tế (International Atomic Time - IAT). IAT là một hệ thời gian duy nhất được tính toán dựa trên thang thời gian độc lập của các đồng hồ nguyên tử đặt ở các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới. Tuy nhiên, để đo vẽ và dẫn đường người ta mong muốn một hệ thời gian có mối liên hệ với vòng quay của trái đất chứ không phải là thời gian nguyên tử. Việc này đạt được nhờ thỉnh thoảng điều chỉnh thời gian UTC bằng cách tăng lên 1 giây, gọi là các giây nhảy, để giữ nó nằm trong 0.9 giây của một thang thời gian khác gọi là thời gian vũ trụ 1 (UT1) ,với UT1 là thời gian vũ trụ dùng để đo vòng quay của trái đất. Các giây nhảy được thực hiện định kỳ, vào ngày 30 tháng 6 hoặc ngày 31 tháng 12. Tháng 7 năm 2001, giây nhảy sau cùng được thực hiện vào ngày 1/1/1999 làm cho IAT và UTC sai khác nhau 32 giây (IAT nhanh hơn UTC).
Thời gian GPS là thang thời gian dùng để tham chiếu tín hiệu GPS. Nó được tính toán dựa trên thang thời gian tạo ra bởi các đồng hồ nguyên tử trên các trạm giám sát và trên vệ tinh GPS. Không có giây nhảy trong thời gian GPS, điều đó có nghĩa là thời gian GPS là thang thời gian liên tục. Thời gian GPS được đặt ngang bằng với thời gian UTC vào ngày 6/1/1980. Tuy nhiên, do các giây nhảy trong thang thời gian UTC, thời gian GPS đã nhanh hơn UTC 13 giây vào ngày 1/1/1999. Sự khác biệt giữa thời gian GPS và UTC được cho trong bản tin dẫn đường GPS. Điều này cho thấy rằng, đồng hồ
của cả vệ tinh và máy thu đều lệch so với thời gian GPS, gây ra lỗi đồng hồ ở vệ tinh và máy thu.
1.2.6 Các nguồn gây lỗi và sai lệch vị trí trong GPS
Đo khoảng cách giả và pha sóng mang bị ảnh hưởng bởi nhiều loại nhiễu ngẫu nhiên và sai lệch (lỗi hệ thống). Những lỗi này có thể được phân loại thành lỗi bắt nguồn từ vệ tinh, lỗi bắt nguồn từ máy thu, lỗi do truyền sóng (khúc xạ tầng khí quyển). Hình 2.8 cho thấy các lỗi và sai lệch.
Hình 1.8 Nguồn gây lỗi và sai lệch vị trí GPS
Các lỗi bắt nguồn từ vệ tinh bao gồm lịch thiên văn, hay lỗi quỹ đạo, lỗi đồng hồ vệ tinh và ảnh hưởng của khả năng chọn lọc. Lỗi chọn lọc được thực hiện do chủ ý của bộ quốc phòng Mỹ để làm giảm độ chính xác GPS độc lập vì lý do an ninh. Tuy nhiên, việc này đã chấm dứt vào ngày 1/5/2000. Lỗi bắt nguồn từ máy thu bao gồm lỗi đồng hồ máy thu, lỗi đa đường, nhiễu máy thu và sự biến thiên tâm pha của anten. Lỗi truyền tín hiệu bao gồm trễ của tín hiệu GPS khi nó truyền qua tầng điện ly và tầng đối lưu của bầu khí quyển. Trên thực tế, chỉ trong môi trường chân không (không gian tự do) tín hiệu GPS mới truyền với tốc độ ánh sáng.
Cộng với ảnh hưởng của nhiễu, vị trí GPS tính toán được còn bị ảnh hưởng bởi vị trí hình học của các vệ tinh GPS được quan sát bởi máy thu. Các vệ tinh càng tỏa rộng trên bầu trời thì độ chính xác đạt được càng cao.
Một số lỗi và sai lệch có thể được giới hạn hoặc giảm bớt thông qua sự kết hợp các quan sát GPS một cách thích hợp. Ví dụ, kết hợp quan sát L1 và L2 với độ chính xác cao có thể loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly.
1.2.6.1 Lỗi lịch thiên văn
Vị trí vệ tinh là hàm của thời gian, vị trí này chứa trong bản tin dẫn đường quảng bá của vệ tinh, được dự đoán từ các quan sát GPS trước đó tại các trạm điều khiển mặt đất. Việc mô hình hóa các lực tác động vào vệ tinh thường sẽ không chính xác hoàn toàn, điều này gây nên các lỗi dự đoán vị trí của vệ tinh, gọi là lỗi lịch thiên văn. Bình thường, lỗi lịch thiên văn thường nằm trong khoảng từ 2m đến 5m, và có thể lên đến 50m khi sử dụng khả năng chọn lọc. Lỗi khoảng cách do sự kết hợp của lỗi lịch thiên văn và lỗi đồng hồ vệ tinh nằm ở mức 2.3m.
Một lỗi lịch thiên văn cho một vệ tinh cụ thể nào đó được nhận biết bởi tất cả người dùng trên thế giới. Tuy nhiên, những người dùng khác nhau quan sát cùng một vệ tinh ở những góc khác nhau, do đó khoảng và vị trí đo được chịu những ảnh hưởng khác nhau của lỗi lịch thiên văn. Điều này có nghĩa là việc kết hợp đo đạc của hai máy thu đồng thời cùng bám một vệ tinh không thể loại bỏ hoàn toàn lỗi lịch thiên văn. Nhưng với những người sử dụng gần nhau có thể nhận biết được hầu hết lỗi khoảng cách do lỗi lịch thiên văn bằng cách lấy sai khác của các kết quả quan sát này. Trong định vị tương đối, người ta sử dụng quy tắc ngón tay cái để đánh giá thô ảnh hưởng của lỗi lịch thiên văn đối với độ phân giải đường ranh giới: lỗi đường ranh giới / độ dài đường ranh giới = lỗi vị trí vệ tinh / phạm vi vệ tinh. Điều này có nghĩa là nếu lỗi vị trí vệ tinh là 5m và chiều dài đường ranh giới là 10 km, thì lỗi đường ranh giới do lỗi lịch thiên văn xấp xỉ khoảng 2.5mm.
1.2.6.2 Khả năng chọn lọc
GPS ban đầu được thiết kế để định vị độc lập thời gian thực và dẫn đường bằng máy thu mã C/A dùng cho dân sự với độ chính xác thấp hơn máy thu mã P dùng cho
quân sự. Nhưng thật đáng ngạc nhiên là độ chính xác của cả hai loại máy thu trên gần như là giống nhau. Để đảm bảo an ninh quốc gia, bộ quốc phòng Mỹ đã thực hiện khả năng lựa chọn trên các vệ tinh GPS Block II để ngăn chặn định vị độc lập thời gian thực đối với những người dùng không được phép. SA chính thức hoạt động vào ngày 25/3/1990.
SA đưa ra hai loại lỗi. Lỗi đầu tiên gọi là lỗi delta, là kết quả của việc làm biến động đồng hồ vệ tinh, đây là lỗi chung cho mọi người dùng. Lỗi thứ hai là lỗi epsilon, đây là lỗi quỹ đạo biến đổi chậm được thêm vào. Khi SA được bật lên, các lỗi phương ngang và phương thẳng đứng thông thường có thể lên đến 100m và 156m tương ứng, với xác suất 95%. Hình 2.9 cho thấy vị trí theo phương ngang của một trạm máy thu GPS theo thời gian, chủ yếu do ảnh hưởng của SA. Giống như lỗi khoảng cách do lỗi lịch thiên văn, lỗi khoảng cách do lỗi epsilon hầu như có thể nhận ra giữa hai người dùng ở gần nhau. Vì vậy, sử dụng GPS vi sai (DGPS) sẽ loại bỏ ảnh hưởng của lỗi epsilon. Trên thực tế, DGPS cung cấp độ chính xác cao hơn máy thu mã P đứng độc lập do sự loại bỏ hoặc giảm bớt các lỗi chung, bao gồm cả SA .
