Đồ án Nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý GIS, công nghệ định vị toàn cầu GPS và kỹ thuật điều chế số GMSK

Trung Kiên 41 chính xác giá thành cao, việc đánh giá hệ thống có thể rất quan trọng cho người sử dụng. Có hai loại kiểm tra được thực hiện để đánh giá máy thu GPS (hệ thống GPS): kiểm tra đường ranh giới 0 và kiểm tra đường ranh giới ngắn . Kiểm tra đường ranh giới 0 được sử dụng để đánh giá hoạt động của máy thu. Kiểm tra này liên quan đến việc sử dụng một anten/ bộ tiền khuếch đại nối với một bộ chia để cung cấp tín hiệu cho hai hay nhiều máy thu GPS. Nhiều vấn đề của máy thu như sai lệch liên kênh và trượt chu kỳ có thể phát hiện qua cách kiểm tra này. Khi sử dụng một anten, độ phân giải đường ranh giới bằng 0. Nói cách khác, các giá trị khác 0 được gán cho nhiễu máy thu. Mặc dù kiểm tra đường ranh giới 0 cung cấp các thông tin hữu ích cho máy thu, nhưng nó không cung cấp thông tin về nhiễu anten/bộ tiền khuếch đại. Ảnh hưởng của nhiễu máy thu đến sai số khoảng cách phụ thuộc vào chất lượng của máy thu GPS. Giá trị trung bình của sai số khoảng cách gây ra bởi nhiễu máy thu vào khoảng 0.6 m. Để đánh giá chính xác hiệu suất của hệ thống GPS, cần phải tính toán cả thành phần nhiễu của anten/ bộ tiền khuếch đại . Việc này có thể thực hiện bằng cách sử dụng các đường ranh giới ngắn ở khoảng cách vài mét, quan sát hai ngày liên tục. Trong trường hợp này, hai lần phần dư sai khác của một ngày sẽ chứa nhiễu hệ thống và ảnh hưởng của phân tập đa đường. Những sai số khác có thể bỏ qua. Vì dấu hiệu của phân tập đa đường lặp lại hằng ngày nên lấy hiệu hai lần phần dư sai khác giữa hai ngày liên tiếp sẽ loại bỏ được ảnh hưởng của phân tập đa đường và chỉ còn lại nhiễu của hệ thống. 1.2.6.7 Trễ tầng điện ly Ở tầng cao nhất của khí quyển, bức xạ tia cự tím và tia X từ mặt trời tương tác với các phân tử và nguyên tử khí. Sự tương tác này gây ra quá trình ion hóa không khí: một lượng lớn electron mang điện âm và các nguyên tử, phân tử mang điện dương. Vùng không khí chứa các khí đã bị ion gọi là tầng điện ly. Tầng điện ly ở độ cao từ 50 km đến khoảng 1000 km hoặc hơn nữa. Thực tế, giới hạn trên của tầng điện ly không được định nghĩa rõ ràng . Chương I. Các hệ thống thông tin GIS và GNSS Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 42 Mật độ electron trong tầng điện ly không phải là hằng số; nó thay đổi theo độ cao. Như vậy, tầng điện ly được chia thành nhiều tầng con, tùy theo mật độ electron. Những tầng này có tên là tầng D (50-90 km), E (90-140 km), F1 (140-210km), và F2 (210 – 1000 km), trong đó tầng con F2 là tầng có mật độ electron cao nhất. Độ cao và chiều dày của các tầng này thay đổi theo thời gian, do sự thay đổi của bức xạ mặt trời và từ trường trái đất. Ví dụ, tầng F1 biến mất vào buổi tối và tồn tại lâu hơn vào mùa hè so với mùa đông . Tầng điện ly là một môi trường phân tán, nó làm cong tín hiệu vô tuyến GPS và thay đổi vận tốc của tín hiệu khi nó truyền qua các tầng điện ly khác nhau để đến máy thu GPS. Uốn cong đường đi của tín hiệu GPS gây ra sai số có thể bỏ qua, đặc biệt nếu góc ngẩng của vệ tinh lớn hơn 50. Sự thay đổi vận tốc truyền tín hiệu gây nên các sai số nghiêm trọng, và vì vậy cần phải được tính toán đầy đủ. Tầng điện ly làm tốc độ của pha sóng mang vượt quá tốc độ của ánh sáng, trong khi đó nó làm chậm mã PRN (và bản tin dẫn đường) một lượng tương tự. Do đó, khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh sẽ quá ngắn so với khoảng cách thực nếu đo bằng pha sóng mang và quá dài nếu đo bằng mã. Trễ tầng điện ly tỷ lệ với số điện tử tự do trên đường truyền GPS, số điện tử này gọi là lượng electron tổng (TEC). TEC phụ thuộc vào một số yếu tố: (1) thời gian trong ngày (mật độ electron đạt cực đại vào đầu buổi chiều và nhỏ nhất vào nửa đêm giờ địa phương); (2) thời gian trong năm ( mật độ electron vào mùa hè cao hơn vào mùa đông); (3) chu kỳ 11 năm của mặt trời (mật độ electron đạt cực đại sau khoảng 11 năm, cực đại này chính là cực đại nóng sáng của mặt trời gọi là cực đại chu kỳ mặt trời – năm 2001 là cực đại của chu kỳ mặt trời thứ 23); và (4) là vị trí địa lý (mật độ electron nhỏ nhất ở vùng vĩ độ trung bình và không đồng đều ở các vùng cực, và vùng xích đạo). Vì tầng điện ly là một môi trường phân tán, nó gây ra trễ phụ thuộc vào tần số. Tần số càng thấp thì trễ càng lớn: trễ tầng điện ly của L2 lớn hơn L1. Thông thường, trễ tầng điện ly khoảng từ 5m đến 15m, nhưng có thể vượt quá 150m vào những lúc hoạt động mạnh của mặt trời, giữa trưa, và gần đường chân trời. Như vậy, mật độ electron trong tầng điện ly thay đổi theo thời gian và vị trí. Tuy nhiên, chúng có tương quan lớn ở khoảng cách gần, và vì vậy lấy hiệu của kết quả quan Chương I. Các hệ thống thông tin GIS và GNSS Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 43 sát giữa những người dùng ở khoảng cách nhỏ có thể loại bỏ được phần lớn trễ tầng điện ly. Nắm bắt được những đặc điểm bản chất phân tán của tầng điện ly, trễ tầng điện ly có thể xác định với độ chính xác cao bằng cách kết hợp các phép đo khoảng cách giả mã P trên cả L1 và L2. Tuy nhiên, mã P chỉ được truy cập bởi những người sử dụng được phép. Với sự có mặt của mã C/A thứ hai trên L2 trong chương trình hiện đại hóa, giới hạn này sẽ được loại bỏ. Các phép đo pha sóng mang L1 và L2 có thể kết hợp theo một kiểu chung để xác định sự thay đổi của trễ tầng điện ly. Những người sử dụng máy thu hai tần số có thể kết hợp phép đo pha sóng mang L1 và L2 để tạo ra sự kết hợp tuyến tính tầng điện ly tự do để loại bỏ trễ tầng điện ly. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp kết hợp tuyến tính tầng điện ly tự do là: nhiễu quan sát tương đối cao, và nó không giữ cho các tham số chưa xác định ở giá trị nguyên. Do vậy người ta khuyến cáo không nên sử dụng phương pháp kết hợp tuyến tính tầng điện ly tự do cho các đường ranh giới ngắn. Những người sử dụng đơn tần không thể tận dụng những ưu điểm của tính chất phân tán của tầng điện ly. Tuy nhiên, sử dụng một trong các mô hình tầng điện ly thực nghiệm có thể sửa được đến 60% trễ . Mô hình được sử dụng rộng rãi nhất là mô hình Klobuchar, các hệ số của mô hình này được truyền đi trong bản tin dẫn đường. Một giải pháp khác cho những người sử dụng máy thu GPS đơn tần là sử dụng sự sửa sai của mạng địa phương. Các tín hiệu sửa sai có thể thu về theo thời gian thực thông qua các liên kết thông tin. 1.2.6.8 Trễ tầng đối lưu Tầng đối lưu là vùng không khí trung hòa về điện tính từ bề mặt trái đất lên đến độ cao 50 km. Tầng đối lưu là môi trường không phân tán đối với các tần số vô tuyến dưới 15 GHz. Tầng đối lưu gây trễ như nhau đối với các sóng mang GPS và các mã. Khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu đo được sẽ lớn hơn khoảng cách hình học thực tế, điều đó có nghĩa là khoảng cách đo được giữa hai máy thu sẽ lớn hơn khoảng cách thực tế. Không giống như trễ tầng điện ly, trễ tầng đối lưu không thể loại bỏ bằng cách kết hợp quan sát L1 và L2. Điều này chủ yếu là do trễ tầng đối lưu không phụ thuộc vào tần số. Chương I. Các hệ thống thông tin GIS và GNSS Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 44 Trễ tầng đối lưu phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, và độ ẩm trên đường truyền trong tầng đối lưu. Tín hiệu từ các vệ tinh có góc ngẩng nhỏ đi qua quãng đường dài hơn trong tầng đối lưu so với các vệ tinh có góc ngẩng lớn hơn. Vì vậy, trễ tầng đối lưu nhỏ nhất khi vệ tinh ở trên đỉnh đầu người sử dụng và lớn nhất khi vệ tinh ở đường chân trời. Trễ tầng đối lưu gây ra sai số khoảng 2.3 m ở đỉnh đầu, khoảng 9.3 m ở góc ngẩng 15°, và khoảng 20 – 28 m ở góc ngẩng 5°. Trễ tầng điện ly có thể chia thành hai phần, khô và ướt. Thành phần khô xuất chiếm 90% của trễ và có thể phát hiện được với độ chính xác cao sử dụng các mô hình toán học. Thành phần ướt của trễ tầng điện ly phụ thuộc vào lượng hơi nước trên đường truyền tín hiệu GPS. Không giống như thành phần khô, thành phần ướt không dễ dự đoán. Nhiều mô hình toán học sử dụng các phép đo khí tượng bề mặt (áp suất khí quyển, nhiệt độ, áp suất hơi nước) để tính toán thành phần ẩm. Tuy nhiên, thành phần ẩm ít tương quan với các dữ liệu khí tượng bề mặt, làm giới hạn độ chính xác dự đoán. Người ta thấy rằng việc sử dụng dữ liệu khí tượng mặc định (áp suất 1010 mb, nhiệt độ 200C, độ ẩm tương đối 50%) cho kết quả thỏa mãn hầu hết các trường hợp. 1.2.6.9 Sai số khoảng cách tương đương Ta thấy rằng độ chính xác định vị GPS được đo bằng cách kết hợp ảnh hưởng của các sai số phép đo không được mô hình và hình học vệ tinh. Sai số phép đo không mô hình rất khó đo đạc từ vệ tinh này đến vệ tinh kia, chủ yếu là do các góc nhìn khác nhau. Hơn nữa, sai số khoảng cách đối với các vệ tinh khác nhau sẽ có một mức độ giống nhau nào đó (tương quan). Để xác định cặn kẽ độ chính xác định vị GPS mong muốn, chúng ta có thể áp dụng các kỹ thuật ước lượng như phương pháp bình phương nhỏ nhất. Ước lượng bình phương nhỏ nhất của vị trí người dùng cũng như ma trận hiệp biến của nó. Ma trận hiệp biến cho ta biết cách thức xác định vị trí người sử dụng. Thực tế, ma trận hiệp biến phản ánh sự kết hợp ảnh hưởng của sai số đo đạc và hình học vệ tinh. Một cách đơn giản hơn để kiểm tra độ chính xác định vị có thể đạt được thông qua việc đưa vào sai số khoảng cách tương đương (UERE). Giả sử rằng sai số phép đo đối với tất cả vệ tinh đều được xác định và độc lập với nhau thì UERE có thể được định Chương I. Các hệ thống thông tin GIS và GNSS Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 45 nghĩa là căn bậc hai của tổng các sai số và lệch vị trí như đã được đề cập ở các phần trước. Nhân UERE với giá trị DOP thích hợp sẽ được độ chính xác định vị GPS ở mức 1-σ . Để đạt được độ chính xác ở mức 2-σ , đôi khi gọi là 95% thời gian, chúng ta nhân kết quả này với hệ số hai. Ví dụ, giả sử UERE = 8m đối với máy thu GPS độc lập, và giá trị HDOP = 1.5, thì độ chính xác vị trí 95% = 8 x 1.5 x 2 = 24m. 1.2.7 Khối thu GPS Có hai loại máy thu GPS chính: máy thu đa kênh và máy thu kênh song song. Các thuật ngữ này đề cập tới cách mà một máy thu giám sát và xử lý thông tin từ vệ tinh. Các máy thu đa kênh thiết lập liên kết với một vệ tinh chỉ trong khoảng thời gian vừa đủ để lấy mẫu dữ liệu của nó, và sau đó chúng sẽ tìm kiếm một vệ tinh khác để lấy mẫu và thu dữ liệu, tiếp theo sẽ là vệ tinh thứ ba hoặc thậm chí là thứ tư; quá trình này sẽ tốn ít nhất là vài giây. Để cập nhật mỗi giây một lần, hầu hết các máy thu đa kênh thường bắt bản tin cập nhật từ một cặp vệ tinh và dự đoán vị trí tiếp theo một cách tốt nhất có thể. Các máy thu kênh song song (chẳng hạn như ITrax02) hoạt động theo một cách khác. Chúng duy trì việc khóa một vài vệ tinh cùng lúc tại một thời điểm, loại trừ đi được sự không chính xác khi chuyển kênh của máy thu đa kênh. Một máy thu kênh song song giữ tất cả các thông tin dẫn đường mà một người cần ở mức đáng tin cậy và cập nhật, chính xác nhất có thể. Các khối GPS thương mại hiện tại sử dụng ít nhất một máy thu năm kênh song song. Ba trong số các kênh khóa tới các vệ tinh để thực hiện phép đạc tam giác tính tọa độ. Vì máy thu thương mại sử dụng dao động thạch anh độ chính xác thấp, xung đồng hồ trong máy thu không đủ chính xác nên cần tới phép đo vệ tinh thứ tư để cung cấp thông tin hiệu chỉnh đồng hồ trong máy thu và đồng bộ với giờ GPS tốt hơn với độ chính xác dưới 100ns. 1.2.7.1 Sơ lược về NMEA 0183 Chuẩn NMEA 0183 dành cho giao diện các thiết bị điện tử hàng hải là một chuẩn công nghiệp tự nguyện, được đưa ra lần đầu tiên vào tháng tư năm 1983. Chuẩn NMEA 0183 định nghĩa cơ bản các yêu cầu về tín hiệu điện, giao thức truyền dữ liệu, Chương I. Các hệ thống thông tin GIS và GNSS Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 46 định thời và tốc độ bus dữ liệu nối tiếp. NMEA đã trở thành giao thức chuẩn cho giao diện các thiết bị định vị, chẳng hạn như máy thu GPS, dựa trên giao diện RS232. Các thiết lập của NMEA cho RS232 như sau: Tốc độ baud 4800 bps Bit dữ liệu 8 Stop bit 1 hoặc 2 bit Bit chẵn lẻ không Handshake không 1.2.7.2 Định dạng chung của bản tin Theo chuẩn NMEA-0183, tất cả các bản tin và lệnh đều bao gồm các ký tự ASCII (từ HEX 20 tới HEX 7E) cộng với ký hiệu CR-LF (xuống dòng, lùi về đầu dòng). NMEA được sử dụng theo cách gửi dữ liệu trên một dòng tại một thời điểm. Một dòng dữ liệu (được gọi là Sentences) hoàn toàn độc lập với các dòng khác. Có hai loại NMEA Sentences : ¾ Standard Sentences dành cho các thiết bị thông thường. ¾ Proprietary Sentences dành cho các thiết bị riêng và các hãng sản xuất khác nhau. Đối với các GPS thu, tất các các standard sentences đều có hai tiền tố xác định là: GP. Các Proprietary sentences sử dụng tiền tố P ở đầu và 3 từ tiếp theo dành cho tên viết tắt của hãng cung cấp. Ví dụ: hãng Garmin là: “PGRM”, Magellan là “PMGN”. ♦ Cú pháp bản tin Bản tin NMEA bao gồm các trường sau: $ID,,,,,…* Mỗi bản tin bắt đầu với ký tự $ mã ASCII, hai chữ ID, ba chữ cái đại diện cho message ID. Các trường dữ liệu được phân cách bởi dấu phẩy, và cuối bản tin là trường checksum cùng ký tự điều khiển . Dấu ‘*’ báo trước trường checksum theo sau. Nếu dữ liệu cho một trường không hợp lệ thì nó sẽ bị bỏ qua nhưng các dấu phẩy để ngăn cách vẫn được gửi đi, giữa chúng không có khoảng trống. Chương I. Các hệ thống thông tin GIS và GNSS Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 47 Một câu NMEA có thể chứa tới 82 ký tự bao gồm cả dấu $ và CR/LF. Vì một số trường có độ rộng thay dổi hoặc bị bỏ trống, máy thu sẽ xác định dữ liệu mong muốn bằng cách đếm số dấu phẩy, đúng hơn là vị trí của ký tự trong câu. Trường tùy chọn checksum là hai chữ số hệ 16 kết quả của phép OR tất cả các ký tự với nhau, không kể dấu $ và *. Checksum chỉ cần thiết trong một vài bản tin. Một bản tin GPS điển hình như sau: $GPGLL,xxmm.dddd,,yyymm.dddd,,hhmmss.dd,S,M*hh Bảng 1.1 Cấu trúc bản tin NMEA0183 GP Talker ID Máy thu GPS xxmm.dddd Vĩ độ xx= độ mm= phút dddd= phần thập phân của phút Bắc hoặc Nam yyymm.dddd Kinh độ yyy= độ mm= phút dddd= phần thập phân của phút Đông hoặc Tây hhmmss.dd Giờ UTC hh= giờ mm= phút ss= giây dd= phần thập phân của giây S Chỉ thị trạng thái A= hợp lệ V= không hợp lệ M Chỉ thị chế độ A= tự động N= dữ liệu không hợp lệ ♦ Cú pháp lệnh Chuẩn NMEA cho phép các nhà sản xuất độc lập định dạng các bản tin riêng. Lệnh NMEA bao gồm các trường như sau: $P,,,,.., Chương I. Các hệ thống thông tin GIS và GNSS Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 48 Dóng lệnh luôn bắt đấu với $P, sau đó là ba chữ cái ID của nhà sản xuất, theo sau là bất cứ dữ liệu gì mà nhà sản xuất mong muốn theo định dạng chung của bản tin chuẩn. Một lệnh điển hình của máy thu GPS GB10 như sau: FIXRATE – Set Fixrate Định nghĩa tần số (theo giây) mà máy thu nên tập trung thu bản tin dẫn đường và gửi bản tin NMEA. $PFST, FIXRATE, Trong đó fixrate là số giây phải đợi giữa các lần phát hiện bản tin dẫn đường. 1.2.7.3 IC thu tín hiệu GPS GPM1315 Hình 1.12 IC thu GPS GPM1315 Sơ đồ mạch khối thu GPS: Chương I. Các hệ thống thông tin GIS và GNSS Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 49 Bảng 1.2 Thông số các chân GPM1315 Số thứ tự Chân tín hiệu Mô tả 1 ANT Đầu vào anten GPS trở kháng 50ohm, 2.85 V ra 2 AGND Đất tương tự 3 AGND Đất tương tự 4 AGND Đất tương tự 5 VDD_RTC Nguồn backup cho pin 1.8V - 4.2 V 6 GND Đất 7 B/S Chân dùng để nạp chương trình, thường để mở 8 AGND Đất tương tự 9 AGND Đất tương tự 10 AGND Đất tương tự 11 VDD Nguồn 3 - 3.3V 12 AGND Đất tương tự 13 RESET System reset, low when active 14 AGND Đất tương tự 15 GND Đất 16 ECLK Chân xung clock ngoài 17 AGND Đất tương tự 18 GPIO Chân GPIO cố định vị trí 19 AGND Đất tương tự 20 1 PPS 1 xung/giây 21 AGND Đất tương tự 22 AGND Đất tương tự 23 AGND Đất tương tự 24 GND Đất 25 TIMESYNC Chân tín hiệu hiệu chỉnh thời gian đồng bộ. Để mở nếu không sử dụng. 26 AGND Đất tương tự 27 WAKE_UP Đầu vào chế độ đánh thức. Thường để mở cho chế độ hoạt động bình thường. 28 AGND Đất tương tự 29 AGND Đất tương tự 30 TX0 Đầu ra UART0 không đồng bộ 31 RX0 Đầu vào UART0 không đồng bộ 32 RX1 Đầu vào không đồng bộ UART1(dùng cho chế độ debug) 33 GND Đất 34 TX1 Đầu ra không đồng bộ UART1(dùng cho chế độ debug) 35 AGND Đất tương tự 36 AGND Đất tương tự Chương I. Các hệ thống thông tin GIS và GNSS Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 50 Bảng 1.3 Các thông số kỹ thuật Chip SiRF StarIII GSC3F/LP-7979 Tần số GPS L1 1575.42MHz, mã C/A Số kênh 20 Tốc độ cập nhật 1Hz Điện áp phân cực anten +2.85V Hệ số khuếch đại LNA +15dB Nhạy thu -143 dBm Độ nhạy định vị -158dBm Độ nhạy dò -158dBm Khởi động nóng <2sec Khởi động ấm 32sec(typical) Sai số vị trí <10m(2D RMS) Nguồn cấp 3 đến 5.0V, điển hình +3.3V Nguồn dự trữ 1.8 đến 4.2V Giao thức dữ liệu NMEA0183 hoặc nhị phân Cấu hình cổng nối tiếp (mặc định) port 0: truyền dữ liệu; port 1: debug Khung dữ liệu (mặc định) 8 bits, không kiểm tra chẵn lẻ, 1 bit stop Tốc độ truyền dữ liệu (mặc định) 9600 bps Mức tín hiệu vào/ra 2.85 V CMOS Nhiệt độ hoạt động -30ºC đến +80ºC Nhiệt độ tối đa 235ºC, 10 sec. Chương III. Thiết kế hệ thống Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 51 CHƯƠNG II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG Mục đích của chương là đưa ra thiết kế cơ bản mô hình hệ thống, từ đó có được cái nhìn tổng quan cũng như chức năng và hoạt động của hệ thống. 2.1 Sơ đồ hệ thống tổng quát Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống tổng quát Chương III. Thiết kế hệ thống Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 52 Hệ thống được thiết kế bao gồm: ¾ Hệ thống phần cứng: là các thiết bị đầu cuối tích hợp gọi là trạm di động gắn trên phương tiện (Mobile Station) và trạm trung tâm (Base Station). ¾ Hệ thống phần mềm: là phần mềm bản đồ số thành phố Hà Nội phát triển trên nền .net với ngôn ngữ lập trình Csharp, chạy trên nền Hệ điều hành Microsoft Windows. 2.2 Cấu trúc và chức năng hệ thống Hệ thống quản lý, giám sát và điểu khiển phương tiện giao thông sử dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS và công nghệ VHF gồm 1 trung tâm dữ liệu, điều khiển và các thiết bị đầu cuối gắn trên các phương tiện giao thông. Hình 2.2 và 2.3 mô tả cấu trúc của hệ thống bao gồm trạm trung tâm điều khiển và trạm di động gắn trên phương tiện. LCD Điều chế GMSKVi điểu khiển Khuếch đại RF Khối thu tín hiệu GPS Giải điều chế GMSK Bộ đàm Cảm biến, Đọc thẻ từ... Trạm đầu cuối di động anten Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống (trạm MS) Chương III. Thiết kế hệ thống Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 53 LCD Điều chế GMSK MAX232 Khuếch đại RF PC Giải điều chế GMSK Bộ đàmCảm biến Vi điều khiển Trạm trung tâm anten Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống (trạm BS) Trạm MS là một đầu cuối tích hợp, vừa có chức năng của một máy thu GPS, đồng thời vừa có chức năng thu và phát tín hiệu điều chế số GMSK. Khối vi điều khiển có vai trò điều khiển việc truyền dữ liệu hai chiều thông qua hoạt động như sau: Vi điều khiển này xử lý thông tin tọa độ từ khối thu GPS, đóng gói thành bản tin, sau đó gửi tới khối điều chế GMSK. Khối GMSK chuyển dữ liệu số rời rạc thành dạng sóng pha liên tục phù hợp với kênh truyền. Tín hiệu sau điều chế được đưa vào tầng khuếch đại trước khi vào máy bộ đàm đóng vai trò cung cấp sóng mang. Môi trường truyền dẫn ở đây là môi trường không gian tự do trong dải tần VHF được cho phép đối với các thiết bị bộ đàm. Việc chuyển chế độ của bộ đàm (giữa thoại và dữ liệu) tất nhiên được điều khiển hoàn toàn tự động nhờ vi điều khiển. Khi này trạm MS đóng vai trò như một máy phát. Ngược lại, khi có dữ liệu từ trung tâm truyền tới, trạm MS trở thành máy thu. Lúc này tín hiệu sau khi đi qua bộ đàm được đưa đến khối giải điều chế GMSK để khôi phục tín hiệu gốc, sau khi đồng bộ qua vi điều khiển ta thu được tín hiệu do trung tâm gửi tới. Tuỳ thuộc nội dung bản tin thu được, các chế độ cảnh báo được vi điều khiển đưa ra bằng chỉ thị tương ứng (LCD, còi, led...). Trạm BS hoạt động hoàn toàn tương tự như trạm MS trong vai trò máy phát, khác MS ở chỗ dữ liệu gửi đi là thông tin cảnh báo được thao tác trên phần mềm bản đồ số Chương III. Thiết kế hệ thống Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 54 quản lý phương tiện giao thông, chạy trên hệ điều hành MS Windows của máy vi tính. Giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển được thực hiện thông qua chuẩn truyền thông nối tiếp RS232. Như vậy trạm BS không bao gồm khối thu GPS. Khi đóng vai trò máy thu, sau khi thu được bản tin, vi điều khiển gửi bản tin này lên máy tính để xử lý. Hệ thống hoạt động trên cơ sở truyền nhận thông tin hai chiều và đồng bộ giữa trạm BS và các trạm MS. Qua thông tin thu được, ta có được dữ liệu về toạ độ, thời gian, tốc độ phương tiện..., từ đó thông tin được xử lý và cập nhật, mục đích theo dõi, giám sát và quản lý các phương tiện giao thông. Chi tiết hơn về hoạt động của hệ thống sẽ được trình bày trong các phần sau. Phần sau đây mô tả thiết kế chi tiết cho từng trạm MS và BS. 2.3 Thuật toán điều khiển 2.3.1 Giải thuật chia sẻ kênh truyền ♦ Khối điều khiển trung tâm: ¾ Trong 1 khoảng thời gian, nó phát đi bản tin Broacast có chứa ID của các user đươc phát gọi là bản tin SRM (Sending Request Message). ¾ Phân tách tần số với dữ liệu thoại, sử dụng một tần số chuyên biệt để truyền dữ liệu. ♦ Khối đầu cuối ở phương tiện: ¾ Nhận và đọc bản tin SRM xem được phép truyền hay không. ¾ Truyền trong khe thời gian được quy định. ¾ Thử nghiệm và tính toán trễ tối ưu. ¾ Đồng bộ bằng thời gian GPS. Chương III. Thiết kế hệ thống Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 55 2.3.2 Hoạt động Hệ thống hoạt động trên cơ sở truyền nhận thông tin hai chiều và đồng bộ giữa BS và các MS. Chi tiết như sau: Â Ban đầu chưa có dữ liệu được gửi hay nhận, BS và MS chưa truyền nhận dữ liệu. MS thu tín hiệu GPS và đóng gói, lưu giữ bản tin. Â BS gửi bản tin yêu cầu gửi (Sending Request Message) tới các MS (đưa chân PKS xuống 0) và đợi dữ liệu gửi về. Việc gửi này được thực hiện một cách tự động theo chu kỳ khoảng 10s. Chi tiết bản tin SRM được đề cập ở phần sau. Â MS nhận và đọc bản tin SRM, nếu ID phù hợp sẽ thực hiện truyền gói tin (đã đóng gói trước đó) về trung tâm. Sau khi truyền xong, trở về trạng thái ban đầu. Â BS nhận gói tin truyền về, thực hiện truyền lên máy tính để xử lý. Â Phần mềm bản đồ số trên máy tính tín hiệu cập nhật dữ liệu thu được vào cơ sở dữ liệu. Tại đây, trung tâm điều khiển có thể thực hiện truyền tín hiệu cảnh báo tới các MS khi có sự cố (tốc độ cao, trường hợp khẩn cấp...). Chu kỳ hoạt động được lặp lại theo chu kỳ và thực hiện liên tục. Chi tiết lưu đồ thuật toán được trình bày ở trang bên. Chương III. Thiết kế hệ thống Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 56 2.3.2 Lưu đồ thuật toán Để đơn giản, trong sơ đồ có lược bỏ các khoảng thời gian thiết lập độ trễ. Trạm MS: Bắt đầu Đọc, tách dữ liệu GPS Có bản tin SRM Gửi gói tin số hiệu ID_packet ID_packet ==10? Cảnh báo ID_packet = ID_packet+1 Đóng gói bản tin Data[60] Hiển thị toạ độ trên LCD Khởi tạo ID_packet=1 ID trùng khớp? Có tín hiệu cảnh báo ID_packet =1 Có dữ liệu GPS? Thông báo Đọc lỗi Đ S S Đ Đ S S Đ S Đ Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán trạm MS Chương III. Thiết kế hệ thống Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 57 Trạm BS: Bắt đầu Gửi bản tin SRM Gửi tín hiệu cảnh báo Hiển thị LCD Đọc & truyền dữ liệu lên máy tính Khởi tạo Có dữ liệu gửi về Đ S S ĐCó tín hiệu cảnh báo Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán trạm BS 2.3.3 Thuật toán truyền đồng bộ Để hệ thống có thể hoạt động một cách hiệu quả và chính xác, cần hết sức lưu ý đến thuật toán truyền nhận dữ liệu. Qua thực nghiệm cho thấy phương pháp truyền đồng bộ tỏ ra hiệu quả hơn so với truyền không đồng bộ, tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Ratio) nhỏ hơn, không xảy ra hiện tượng trượt dữ liệu. Các vi điều khiển sử dụng trong đề tài đều có bộ USART hỗ trợ cả 2 chế độ truyền dữ liệu: đồng bộ (Synchronous) và bất đồng bộ (Asynchronous). Tuy nhiên, nếu dùng phương pháp truyền đồng bộ sử dụng USART bình thường, ta gặp phải các vấn đề như sau: Tại bên phát, bộ USART của vi điều khiển được sử dụng để đưa dữ liệu vào khối điều chế số. Hoạt động này được thực hiện một cách đồng bộ, nghĩa là 1 byte dữ liệu được đưa vào CMX589A sau mỗi xung đồng bộ của nó đánh ra. Với cách này, ta chưa làm chủ được thời gian cấp dữ liệu cho khối điều chế số do phụ thuộc vào khối Chương III. Thiết kế hệ thống Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung Kiên 58 USART. Tại bên thu ta cũng sử dụng bộ USART để nhận dữ liệu được giải điều chế. Giao tiếp giữa khối điều chế GMSK và vi điều khiển như sau: Hình 2.6 Giao tiếp giữa vi điều khiển và GMSK modem Theo hình, tại bên phát và bên thu CMX589A đều đóng vai trò master trong việc đồng bộ. Hình 2.7 sẽ cho thấy biểu đồ thời gian giữa xung đồng bộ bên phát và đồng bộ bên thu với dữ liệu. Hình 2.7 Biểu đồ thời gian đồng bộ Chương III. Thiết kế hệ thống Nguyễn Hoài Linh – Nguyễn Trung K