Đề tài Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất

t kế như: - Khả năng đáp ứng được tất cả các lớp nền: như phù hợp bất kì một máy móc nào, tàu thủy, đất liền, và ở không trung. - Có thể sử dụng cho một số lượng lớn các loại máy móc, động cơ khác nhau. - Khả năng xác định rõ vị trí, vận tốc và thời điểm hiện tại, và chúng phải phù hợp với nhau, tức là vị trí và vận tốc phải ở cùng một thời điểm, không để xảy ra tình trạng vận tốc ở thời điểm này lại được cho là vận tốc ở thời điểm khác gây ra nhầm lẫn. - Độ chính xác cao nhất của hệ thống chắc chắn bị hạn chế với một lớp người nào đấy. - Có khả năng giải quyết các lỗi, sự cố xảy ra trong việc tính toán, vận hành hệ thống – có thể do chủ quan hay khách quan đem lại. - Hệ thống hoàn toàn bị động trong việc truyên dữ liệu từ người dùng đến vệ tinh, mà chỉ có chiều ngược lại. - Có thể cung cấp dịch vụ đến số lượng người dùng không giới hạn. Việc thiết kế xây dựng hệ thống GPS nói chung là dựa trên các tiêu chí sau: - Một hệ thống dải một chiều, trong đó các vệ tinh truyền tín hiệu đi mà không biết ai sẽ là người nhận tín hiệu. - Sử dụng các kỹ thuật và công nghệ hiện đại như đồng hồ nguyên tử, truyền sóng radio ngắn. - Các tín hiệu vệ tinh sẽ không bị ảnh hưởng của điều kiện thời tiết. - Hệ thống GPS gồm các vệ tinh thay nhau làm việc nhưng phải luôn đảm bảo là vào bất kì thời điểm nào cũng có đủ số vệ tinh cần thiết cùng hoạt động, để từ đó mới đảm bảo tính chính xác và liên tục của hệ thống. Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 34 - Sự thiếu chính xác về vị trí là trong khoảng chấp nhận được. Đề cập đến tính chính xác của GPS, cũng phải nói thêm là ngày nay hệ thống GPS ngày càng hoàn thiện hơn, đặc biệt là về độ chính xác ngày càng cao đến hàng milimet. Chính vì độ chính xác cao như vậy nên GPS ngày càng được áp dụng vào nhiều ứng dụng của con người, và thật khó có thể hình dung được là cuộc sống của chúng ta lại thiếu GPS. Các công nghệ, kỹ thuật được áp dụng trong việc xây dụng hệ thống GPS như: - Độ tin cậy của hệ thống không gian: Năm 1973, chương trình không gian của Mỹ đã cho thấy độ tin tưởng của phần cứng không gian. Trong thực tế các hệ thống truyền tín hiệu là rất quan trọng. Các vệ tinh truyền tín hiệu ban đầu được thiết kế hoạt động được 2 đến 3 năm trên quĩ đạo, nhưng có một số vệ tinh đã vượt ra cả dự đoán ban đầu, chúng có thể chạy trên 25 năm trên quĩ đạo. - Công nghệ đồng hồ nguyên tử: Với việc ra đời và phát triển của đồng hồ nguyên tử, thì một kỉ nguyên mới trong việc đảm bảo tính chính xác của thời gian đã mở ra... Tuy nhiên, trước khi các chương trình của GPS được đưa vào triển khai thì sự chính xác của các đồng hồ nguyên tử đã được kiểm tra trên vũ trụ. Các đồng hồ nguyên tử hiện tại cũng cực kỳ chính xác. Chúng chậm chưa tới một giây sau khi chạy hơn 15 triệu năm. Chúng đếm thời gian dựa trên cách thức các nguyên tử xeri (caesium) nhảy lên xuống giữa các mức năng lượng khác nhau. Những bước nhảy hay "những tiếng tích tắc" rất đều này xảy ra ở những tần số sóng cực ngắn và được sử dụng để định giây - chính xác là 9.192.631.770 tiếng tích tắc/giây. Tuy nhiên, vào năm ngoái, các nhà nghiên cứu thuộc Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia (Nist) ở Washington DC Mỹ tiến thêm một bước bằng việc chế tạo một loại đồng hồ dựa trên tần số quang học của một ion thuỷ ngân đơn nhất được làm mát (1 nguyên tử thuỷ ngân có 1 electron bị loại bỏ). Trong thiết bị này, họ cần một thiết bị laser siêu nhanh để đếm những bước nhảy nhanh hơn nhiều của ion thuỷ ngân khi nó di chuyển giữa các mức năng lượng - tạo ra khoảng 1.065.000.0004 tiếng tích tắc/giây. Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 35 Scott Diddams, một nhà nghiên cứu tại Nist, phát biểu tại Hội nghị: ''Chúng tôi biết loại đồng hồ thế hệ mới rất ổn định. Vì vậy, nghiên cứu của chúng tôi hiện tập trung vào việc kiểm tra nó hoạt động chính xác như thế nào. Các thí nghiệm cho thấy chúng có thể chỉ chậm một khoảng giây trong 100 triệu năm". - Máy tạo dao động tinh thể thạch anh: Nhằm mục tiêu giảm giá trị của các thiết bị thì máy tạo dao động tinh thể thạch anh đã được đưa ra. Máy tạo dao động này hơn là việc sử dụng đồng hồ nguyên tử trong các vệ tinh GPS. Hơn nữa giá của chúng lại thấp hơn và có sự ổn định rất cao trong thời gian ngắn. - Theo rõi tính chính xác của các vệ tinh và xác định rõ quĩ đạo của chúng: Trong quá trình hoạt động của mình, các vệ tinh không thể tránh khỏi các sai xót, bay lệch quĩ đạo của mình( dù là rất nhỏ)… chính vì thế chúng luôn phải được quản lý, theo dõi... khi thấy sai xót là phải sửa lại ngay - điều này được thực hiện bởi trạm điều hành ở dưới mặt đất. - Công nghệ mạch tích hợp cao: Một mức độ về sự tinh vi của công nghệ trong việc chế tạo các chip bán dẫn, có khả năng tương đương hơn 100. 000 - và có thể đến 1 triệu - transistor được đặt trong một chip. Nhờ vào công nghệ này mà giá sẽ thấp và kích thước của các thiết người dùng nhỏ hơn... sự thành công các chương trình GPS phụ thuộc rất lớn vào mạch tích hợp cao, và sức mạnh của hệ thống GPS cũng được xây dụng từ chúng. 4.2.2 Các thành phần hệ thống GPS Hệ thống GPS gồm có 3 thành phần chính: - Phần vũ trụ Gồm các vệ tinh và sự truyền phát tín hiệu. - Phần điều khiển Là các trạm trên mặt đất có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các vệ tinh, từ đố kiểm tra các vệ tinh, tính toán quĩ đạo chuyển động, và đưa ra các điều chỉnh cần thiết để các vệ tinh luôn hoạt động chính xác. - Phần người dùng Gồm người dùng và thiết bị thu GPS Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 36 Hình 4-1 Các thành phần của hệ thống GPS Sau đây chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các thành phần này: 4.2.2.1 Phần vũ trụ Hình 4-2 Các vệ tinh GPS bay trên quĩ đạo Phần vũ trụ bao gồm các vệ tinh GPS bay trên quĩ đạo. Như ta đã biết ở phần trên thì vào năm 1978, Mỹ đã phóng các vệ tinh GPS lên trên quĩ đạo cách trái đất khoảng 19.200 km, với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận. Trong số 28 vệ tinh của Bộ quốc phòng Mỹ nói trên, chỉ có 24 thực sự hoạt động, 3 vệ tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ, và 1 vệ tinh mới phóng thêm vào ngày 26 tháng 9 năm 2005. Tín hiệu radio được truyền đi thường không đủ mạnh để thâm nhập vào các Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 37 tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm và hay tới các địa điểm dưới nước. Ngoài ra nó còn đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh để đưa ra được thông tin chính xác về vị trí (bao gồm cả độ cao) và tốc độ của một vật. Vì hoạt động trên quỹ đạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất kỳ điểm nào trên trái đất. Phần Vũ trụ gồm các vệ tinh trên, chúng hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo. Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD. Theo tin tức của báo Vietnamnet thì Mỹ vừa phóng vệ tinh định vị hiện đại nhất, thuộc một nhóm vệ tinh định vị toàn cầu mới (GPS) nhằm giúp người sử dụng thương mại và quân đội Mỹ xác định được vị trí và mục tiêu chính xác hơn. Hình 4-3 Vệ tinh GPS thế hệ mới Trị giá 75 triệu đôla, vệ tinh được phóng bằng tên lửa Boeing Delta 2 vào ngày 26/9/2005. Trong thời gian tiếp theo, nó sẽ triển khai các tấm pin mặt trời, anten và khai hoả một tên lửa nhỏ trên boong để đạt tới quỹ đạo cuối cùng, chừng 18.00km bên trên Trái đất. Vệ tinh này nhập vào một mạng lưới gồm 28 vệ tinh GPS hiện nay. Hệ thống 28 vệ tinh GPS giúp người sử dụng xác định vị trí của họ. Tuy nhiên, vệ tinh mới - vệ tinh đầu tiên trong 8 vệ tinh GPS IIR do Lookheed Martin chế tạo, có nhiệm vụ cải thiện độ chính xác của toàn hệ thống GPS hiện có. Vệ tinh mới mang theo một tấm anten, cung cấp tín hiệu mạnh hơn cho người sử dụng mặt đất, cũng như ba tín hiệu hoàn toàn mới. Hai trong số đó sẽ giúp quân đội Mỹ Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 38 khắc phục tình trạng tắc nghẽn tín hiệu GPS trên các phương tiện di chuyển mặt đất, máy bay và tàu thuỷ. Ngoài ra, chúng còn cải thiện độ chính xác của các loại vũ khí thông minh định hướng bằng GPS. Tín hiệu thứ ba sẽ là một tần số dành cho người sử dụng dân sự, giảm thiểu lỗi định vị do lớp hạt tích điện ở thượng tầng khí quyển gây ra. Quân đội Mỹ dự định phóng tiếp ba vệ tinh GPS IIR vào năm 2006. Sau đó, vệ tinh đầu tiên trong số 12 vệ tinh còn hiện đại hơn sẽ được phóng vào năm 2007. Những vệ tinh này, GPS IIF, do Boeing chế tạo và cung cấp tín hiệu dân sự thứ ba cho các máy bay. Có 5 loại vệ tinh được sử dụng trong hệ thống GPS: Block I, Block II, Block-IIA, Block IIR và Block IIF - Block I Vệ tinh Block I đầu tiên do tập đoàn Rockwell xây dựng và đưa vào hoạt động vào ngày 22 tháng 2 năm 1978. Các vệ tinh Block I đã hoạt động từ 1978 đến 1985 với tổng số 11 vệ tinh. Các vệ tinh Block I được dùng để kiểm tra và xác nhận độ khả thi của hệ thống định vị. Block I bay trên cùng quĩ đạo với “Block II” nhưng nghiêng một góc là 630, và đương nhiên là sử dụng năng lượng mặt trời. Hình 4-4 Vệ tinh Block I Sau đây là các đặc tính kỹ thuật của các vệ tinh trong “Block I”: Bảng 4-1 Thông số kỹ thuật vệ tinh Block I Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 39 Block I Tần số 1572.42 MHz and 1227.6 MHz (L-Band) 2227.5 MHz (S-Band) Nhà cung cấp Tập đoàn Rockwell International Khối lượng 759 kg Tuổi thọ 5 năm Điện năng tiêu thụ 0.410 kw Pin 3 - 15 cell Ah NiCd - Block II Các vệ tinh Block II có trọng lượng khoảng 1660 kg nặng gần gấp 2 lần Block I. Vệ tinh đầu tiên được đưa vào hoạt động đầu tiên vào năm 1989, với sải cánh dài 5.1m và có thời gian phục vụ khoảng 7,5 năm. Có tổng số 9 vệ tinh Block II( từ 12 đến 21), và 18 vệ tinh Block IIA hoạt động đến tháng 9 năm 1996. Các vệ tinh Block II được thiết kế để cho phép 14 ngày hoạt động không cần sự điều khiển của phần điều khiển. Bảng 4-2 Thông số kỹ thuật vệ tinh Block II Tần số 1572.42 MHz and 1227.6 MHz (dải L) 2227.5 MHz (dải S) Nhà cung cấp Tập đoàn Rockwell International Khối lượng 1660 kg Tuổi thọ 7,5 năm Điện năng tiêu thụ 0,710 kw Pin 3 - 35 cell Ah NiCd - Block III Quá trình nghiên cứu cấu trúc của Block III gồm 3 giai đoạn, giai đoạn 1 kết thúc vào năm 2001. Boeing và Lockheed Martin để ra 16 triệu USD cho giai đoạn 1. Một nhà thầu đã trúng thầu để xây dựng và phát triển các vệ tinh Block III, theo dự kiến thì vệ tinh Block III sẽ đưa vào hoạt động vào năm 2009, và đưa toàn bộ các vệ tinh vào năm 2030. Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 40 Lực lượng không quân Mỹ( U.S. Air Force) muốn các vệ tinh Block III phải tăng cường tính bảo mật bằng cách cung cấp 2 kênh cho tín hiệu military-code (M-code) đó là L1 và L2 mà chúng phục vụ cho quân sự. Ngoài ra còn có một số các vệ tinh loại khác như Block IIA, Block IIF... xin xem thêm phần phụ lục. 4.2.2.2 Phần điều khiển Hình 4-5 Vị trí các trạm điều khiển vệ tinh GPS Phần điều khiển là các trạm điều khiển các vệ tinh đặt trên trái đất. Phần điều khiển gồm:1 trạm điều khiển chính, 5 trạm thu số liệu,3 trạm truyền số liệu. - Trạm điều khiển chính Đặt tại Colorade Springs (Mỹ) có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu theo dõi vệ tinh từ các trạm thu số liệu để xử lý Công nghệ xử lý gồm : Tính lịch thiên văn, tính và hiệu chỉnh đồng hồ, hiệu chỉnh quỹ Đạo điều khiển, thay thế các vệ tinh ngừng họat động bằng các vệ tinh dự phòng. - 5 trạm thu số liệu Được đặt tại Hawai , Colorade Springs , Ascension (Nam Đại Tây Dương) , Diago Garia (Ấn Độ Dương) , Kwayalein (Nam Thái Bình Dương). Có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và dự đoán quỹ đạo của chúng. Mỗi trạm Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 41 được trang bị những máy thu P-code để thu các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính. - 3 trạm truyền số liệu Đặt tại Ascension , Diago Garia , Kwayalein có khả năng chuyển số liệu lên vệ tinh gồm lịch thiên văn mới, hiệu chỉnh đồng hồ, các thông điệp cần phát, các lệnh điều khiển từ xa. 4.2.2.3 Phần sử dụng Phần này gồm các thành phần: - Những máy thu tín hiệu GPS có anten riêng ( máy định vị ). - Các thiết bị tự ghi ( bộ ghi số liệu ). - Máy tính ( phần mềm xử lý số liệu ). - Máy định vị Máy thu GPS tính tóan đơn vị với tần suất mỗi giây một vị trí và cho độ chính xác từ dưới 1m – 5m. Khi ta di chuyển hay dừng tại chỗ , máy thu GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh rồi tính toán định vị. Kết quả tính được là tọa độ hiển thị trên màn hình bộ ghi số liệu. - Bộ ghi số liệu Bộ ghi số liệu là máy cầm tay, có phần mềm thu thập số liệu. Bộ ghi số liệu có thể ghi vị trí hoặc gắn thông tin thuộc tính với vị trí. - Máy tính, phần mềm xử lý số liệu Máy tính, phần mềm xử lý số liệu : Hệ thống GPS có kèm theo phần mềm xử lý số liệu. Sau khi thu thập số liệu ở thực địa, phần mềm chuyển số liệu vị trí và thông tin thuộc tính sang máy tính (PC), sau đó phần mềm sẽ nâng cao độ chính xác (bằng kỹ thuật phân sai). Phần mềm xử lý số liệu GPS còn có chức năng biên tập hoặc vẽ. Phần mềm này cũng hỗ trợ thu thập các yếu tố địa lý và thông tin thuộc tính cho GPS hoặc các cơ sở dữ liệu khác. Một số máy định vị được sử dụng: Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 42 Bảng 4-3 Một số máy định vị GPS 4.3 Hoạt động của hệ thống GPS 4.3.1 Sóng của vệ tinh GPS Một vệ tinh có thể truyền tín hiệu radio ở nhiều mức tần số thấp khác nhau, được gọi là L1, L2... Những thiết bị nhận tín hiệu GPS thông thường bắt sóng L1, ở dải tần số UHF 575,42 Mhz. Một đài phát thanh FM thường cần có công suất chừng 100.000 watt để phát sóng, nhưng một vệ tinh định vị toàn cầu chỉ đòi hỏi 20-50 watt để đưa tín hiệu đi xa 19.200 km. Hình 4-6 Thiết bị nhận GPS cài đặt sẵn trên xe Honda Accord Tần số L1 chứa đựng 2 tín hiệu số mã hoá bằng kỹ thuật số), được gọi là P-code và C/A-code. Mã P nhằm bảo vệ thông tin khỏi những sự truy nhập trái phép. Tuy nhiên, mục đích chính của các tín hiệu mã hóa là nhằm tính toán thời gian cần thiết để thông tin Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 43 truyền từ vệ tinh tới một thiết bị thu nhận trên mặt đất. Sau đó, khoảng cách giữa 2 bên được tính bằng cách nhân thời gian cần thiết để tín hiệu đến nơi với tốc độ của ánh sáng là 300.000 km/giây (khoảng cách = vận tốc x thời gian). Tuy nhiên, tín hiệu có thể bị sai đôi chút khi đi qua bầu khí quyển. Vì vậy, kèm theo thông điệp gửi tới các thiết bị nhận, các vệ tinh thường gửi kèm luôn thông tin về quỹ đạo và thời gian. Việc sử dụng đồng hồ nguyên tử sẽ đảm bảo chính xác về sự thống nhất thời gian giữa các thiết bị thu và phát. Để biết vị trí chính xác của các vệ tinh, thiết bị nhận GPS còn nhận thêm 2 loại tín hiệu mã hóa. - Loại thứ nhất (được gọi là Almanac data) được cập nhật định kỳ và cho biết vị trí gần đúng của các vệ tinh trên quỹ đạo. Nó truyền đi liên tục và được lưu trữ trong bộ nhớ của thiết bị thu nhận khi các vệ tinh di chuyển quanh quỹ đạo. - Tuy nhiên, phần lớn các vệ tinh có thể hơi di chuyển ra khỏi quỹ đạo chính của chúng. Sự thay đổi này được ghi nhận bởi các trạm kiểm soát mặt đất. Việc sửa chữa những sai số này là rất quan trọng và được đảm nhiệm bởi trạm chủ trên mặt đất, trước khi thông báo lại cho các vệ tinh biết vị trí mới của chúng. Thông tin được sửa chữa này được gọi là Ephemeris data. Kết hợp Almanac data và Ephemeris data, các thiết bị nhận GPS biết chính xác vị trí của mỗi vệ tinh. Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người dùng và được đo theo phép tam giác đạc. Để thực hiện phép tam giác đạc, GPS đo khoảng cách thông qua thời gian hành trình của bản tin vô tuyến từ vệ tinh tới một máy thu mặt đất. Để đo thời gian hành trình, GPS sử dụng các đồng hồ rất chính xác trên các vệ tinh – sử dụng đồng hồ nguyên tử. Một khi khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì việc biết trước về vị trí vệ tinh trong không gian sẽ được sử dụng để hoàn thành tính toán. Các máy thu GPS trên mặt đất có một “cuốn niên giám” được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi nào trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào. Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốn đồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây. Nhằm tiết kiệm chi phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới đất được làm ít chính xác hơn đôi chút. Bù Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 44 lại, một phép đo tầm hoạt động vệ tinh được trang bị thêm. Phép đo lượng giác chỉ ra rằng, nếu ba số đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong không gian ba chiều thì một phép đo thứ tư có thể loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào đó. Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng bộ hoá không hoàn hảo của máy thu. GPS sử dụng một hệ tọa độ gọi là Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984 (WGS-84 - Worldwide Geodetic System 1984). Hệ thống này tương tự như các đường kẻ kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộc thường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn. Hệ thống WGS - 84 cung cấp một khung tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ hãng sản xuất nào cũng cung cấp đúng cùng một thông tin định vị. Hiện nay, nhờ có bản đồ số, nhiều thiết bị nhận GPS sẽ hiển thị rõ ràng vị trí của bạn qua một màn hình, điều đó giúp cho việc định hướng trở nên cực kỳ thuận lợi. Nhưng nếu tắt thiết bị nhận tín hiệu trong khoảng thời gian chừng 5 giờ đồng hồ, nó sẽ mất đi các Almanac data (hay không còn nhận biết chính xác các vệ tinh trên quỹ đạo trái đất). Khi hoạt động trở lại, thiết bị sẽ cần khoảng thời gian chừng 30 giây để nạp lại thông tin về vị trí của vệ tinh, trước khi cho biết hiện thời bạn đang ở đâu. 4.3.2 Vị trí trên mặt đất được xác định như thế nào qua hệ thống GPS? Chúng ta biết, phần sử dụng trong hệ thống GPS bao gồm các thiết bị thu tín hiệu từ vệ tinh. Để sau đó chúng qua quá trình xử lí kỹ thuật sẽ đưa ra vị trí đúng của chúng. Mỗi vệ tinh quay quanh trái đất 2 vòng một ngày đêm. Quỹ đạo của các vệ tinh được tính toán sao cho ở bất kỳ nơi nào trên trái đất, vào bất kỳ thời điểm nào, cũng có thể “nhìn thấy” tối thiểu 4 vệ tinh.Công việc của một máy thu GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa, tính toán khoảng cách từ các vệ tinh và sử dụng các thông tin đó để xác định vị trí của chính nó. Vì phải dựa vào ít nhất là tín hiệu của 4 vệ tinh thì thông tin về vị trí mới chính xác cao. Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 45 Hình 4-7 Thu tín hiệu vệ tinh GPS Các thiết bị thu GPS xác định quãng đường (S) từ vệ tinh đến nó, bằng cách: lấy thời gian(T) nhân với vận tốc của ánh sang (V = 3.108m/s). Quá trình xác định vị trí dựa trên một nguyên lý toán học đơn giản. Giả sử bạn đang ở một nơi nào đó ở Vietnam, và bạn hoàn toàn không biết minh ở đâu, vì một lý do nào đó. Bạn gặp một người dân địa phương và hỏi một cách thân thiện: “làm ơn cho tôi biết tôi đang ở đâu ?” Anh ta trả lời: “bạn đang cách Vũng tàu 45 km”. Đây là một sự thật thú vị, nhưng chưa thật sự có ích. bạn có thể ở bất kỳ đâu trên vòng tròn có tâm là Vũng tàu, bán kính 45 km. Bạn hỏi một người khác và cô ta cho biết bạn đang cách Biên Hoà 40 km. Bây giờ bạn đã khá hơn. Nếu bạn tổng hợp hai thông tin, bạn sẽ có hai vòng tròn giao nhau. Vị trí của bạn là một trong hai giao điểm của hai đường tròn. Người thứ ba cho bạn biết vị trí của bạn cách Sài gòn 30 km. Bây giờ thì bạn đã biết mình đang ở đâu. Áp dụng nguyên lý nay vào không gian ba chiều, ta cũng có ba mặt cầu thay vì ba đường tròn, giao nhau tại một điểm. Về mặt nguyên lý thì không khác nhau nhiều lắm, nhưng khó tưởng tượng hoặc mô tả bằng hình vẽ hơn. Thay vì các đường tròn, bạn sẽ có các mặt cầu. S = V.T Khí quyển Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 46 Hình 4-8 Vệ tinh GPS truyền tín hiệu về trái đất Hình 4-9 3 hình cầu giao nhau tai 2 điểm vị trí sẽ xác định được chính xác Nếu bạn biết rằng mình đang ở cách vệ tinh A 20 km, bạn có thể ở bất kỳ nơi nào trên một mặt cầu khổng lồ có bán kính 20 km. Nếu bạn biết thêm rằng bạn đang ở cách vệ tinh B 30 km, giao tuyến của hai mặt cầu này là một đường tròn V. Và nếu bạn biết thêm một khoảng cách nữa đến vệ tinh C, bạn sẽ có thêm một mặt cầu, mặt cầu này giao với đường tròn V tại hai điểm. Trái đất chính là mặt cầu thứ tư, một trong hai giao điểm sẽ nằm trên mặt đất, điểm thứ hai nằm lơ lửng đâu đó trong không gian và dễ dàng bị loại. Với việc giả sử trái đất là một mặt cầu, ta đã bỏ qua cao độ của bạn rồi. Do vậy để có cả tung độ, hoành độ và cao độ, bạn cần thêm một vệ tinh thứ tư nữa. 2 vị trí có thể cần được xác định Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 47 Như vậy, với việc thu tín hiệu của ít nhất của 4 vệ tinh cùng tại một thời điểm thì ta thu được vị trí( toạ độ) có độ chính xác cao. Vì vậy mà GPS ngày càng được ứng dụng rộng dãi trong các lĩnh vực đời sống … 4.4 Ứng dụng của hệ thống GPS Thực sự với nhiệm vụ của mình là xác định chính xác toạ độ, vận tốc tại một thời điểm bất kì của một vị trí nào đó, hệ thống định vị toàn cầu đã khẳng định cần thiết của mình trong các lĩnh vực đời sống. Chúng ta liệt kê ra dưới đây một vài ứng dụng của hệ thống GPS. • Quân sự Với mục tiêu ban đầu khi ra đời - hệ thống GPS để phục vụ cho Quân đội của Mỹ. Chính vì vậy, GPS đã trở thành công cụ không thể thiếu trong nền Quân sự của Mỹ nói riêng, và các nước trên thế giới nói chung. Nhờ hệ thống GPS mà các mục tiêu quân sự được xác định có độ chính xác rất cao( sai số có khỉ chỉ tính vài mét). Các hệ thống tên lửa hành trình, các máy bay không người lái… được dẫn đường bởi hệ thống định vị toàn cầu sẽ trở nên vô cùng lợi hại. Trong các cuộc chiến tranh của Mỹ gây ra thì Mỹ đã áp dụng triệt để lợi thế có được từ hệ thống định vị GPS, từ đó khả năng đánh chính xác mục tiêu rất lớn. • Khí tượng, thời tiết GPS được các nhà khoa học áp dụng vào để cảnh báo trước các thảm họa thời tiết sẽ xảy ra cho con người như: động đất, sóng thần… Các nhà khoa học đang đề nghị NASA phóng một vệ tinh có trang bị InSAR và họ hy vọng trong vòng 20 năm tới sẽ có thêm nhiều vệ tinh tương tự như vậy trong quỹ đạo Trái đất. Mặc dù một vệ tinh đơn nhất, được trang bị InSAR, sẽ rất hữu ích song một hệ thống các vệ tinh như vậy sẽ cung cấp vô số dữ liệu cho các nhà khoa học dự báo động đất. Trong khi các nhà khoa học đợi chờ mạng vệ tinh InSAR trở thành hiện thực, hệ thống định vị toàn cầu GPS đang được sử dụng để giám sát vỏ Trái đất. Thông tin do GPS cung cấp hiện giúp các nhà khoa học tạo ra những mô hình biến dạng phức tạp của vỏ Trái đất. Các nhà khí tượng học Mỹ đưa ra một thiết bị dự báo sét. Nó có thể phân tích các tín hiệu thu được từ hệ thống định vị toàn cầu (GPS) để đoán biết nơi gặp gỡ của các đám mây lớn, thời điểm phóng sét và cường độ của sét. • Tìm đường Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 48 Đây cũng là ứng dụng mà chúng ta sẽ tìm hiểu kĩ ở phần sau. Với sự trợ giúp của GPS thì việc tìm đường đi từ điểm này đến điểm kia hoàn toàn có thể, kết hợp với một cái bản đồ số và thiết bị hiện thị( như các máy thu GPS, điện thoại di động…) một đường đi trực quan sẽ được vẽ ra… • Các ứng dụng khác… GPS ngày càng len lỏi sâu và rộng các ứng dụng đời sống con người. Khi đời sống ngày càng hiện đại thì các nhu cầu dù có thể là nhỏ bé của con người cũng được GPS “chăm sóc”. Các con vật đáng yêu của bạn có thể không sợ mất khi bị lạc, các ông chồng hay ghen sẽ yên tâm hơn với một chiếc quần lót của bà vợ có gắn thiết bị thu GPS... Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất 49 CHƯƠNG 5 TÍCH HỢP BẢN ĐỒ SỐ, HỆ THỐNG GPS TRÊN ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG VÀ BÀI TOÁN TÌM ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT 5.1 Tích hợp bản đồ số với GPS trên điện thoại di động 5.1.1 Giới thiệu chung 5.1.2 Một số dịch vụ dựa trên vị trí 5.1.2.1 Dịch vụ thông tin dựa trên vị trí 5.1.2.2 Tính cước theo vị trí địa lý 5.1.2.3 Dịch vụ khẩn cấp 5.1.2.4 Dịch vụ dò tìm 5.1.3 Các kỹ thuật định vị t