Đề tài Tìm hiểu GPS và ứng dụng

GIÁO TRÌNH GIẢNG DẠY SCADA Đề Tài GVHD: ThS. TRẦN HẬU VƯƠNG 1.MAI THỊ LAN 2.LÊ THỊ HỒNG 3.PHAN THỊ THU HIỀN 4.NGUYỄN THỊ TUYẾT HUỆ 5.PHAN THỊ THANH HƯƠNG 6.NGUYỄN TẤN HÙNG 7.NGUYỄN VĂN HÒA 8.PHẠM QUANG HƯNG 9.HỒ THỊ LÀI 10.PHAN THI THÙY LINH 11.ĐỖ DIỆU HY I.LỜI MỞ ĐẦU Từ thời xa xưa, con người đã sử dụng thiên văn, la bàn và bản đồ để xác định vị trí và tìm đường trong các chuyến thám hiểm khai phá các miền đất lạ. Tuy nhiên phải đến năm 1995, khi các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS của Mỹ và GLONASS của Nga chính thức đi vào hoạt động, nhu cầu định vị dẫn đường mới được giải quyết một cách cơ bản. Ngoài mục tiêu quân sự như ý tưởng thiết kế ban đầu, các hệ thống vệ tinh định vị đã được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực dân sự. Ngày nay, công nghệ định vị toàn cầu đã trở thành một ngành công nghiệp có doanh số hàng chục tỷ USD/năm và đang được phát triển mạnh mẽ. II.TỔNG QUAN VỀ GPS II.1 GPS LÀ GÌ ? GPS (Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu) là hệ thống dựa vào các vệ tinh toàn cầu để xác định vị trí trên trái đất. Vị trí cần được xác định được ghi nhận bởi thiết bị có tích hợp chip định vị GPS bất kì. Thiết bị này liên tục truyền nhận thông tin với hệ thống vệ tinh quanh trái đất và từ đó tính toán ra vị trí tại thời điểm ghi nhận thông tin. Vị trí chính xác trên thực tế được tính toán bởi một phép đo tam giác, dựa vào khoảng cách từ điểm cần xác định đến 3 vệ tinh khác nhau chứ không phải chỉ 1 vệ tinh riêng lẻ. Hình 1 : Hình ảnh trái đất nhìn từ vệ tinh. Nó có nhiều ưu điểm sau: · Độ chính xác định vị cao, từ decamet đến milimet · Có sẵn cho người sử dụng bất cứ đâu trên trái đất · Hoạt động liên tục 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết GPS trước tiên là một hệ thống hàng hải phục vụ cho mục đích quân sự. Nó được thiết kế, hỗ trợ tài chính, khai thác và điều khiển bởi Bộ quốc phòng Mỹ. Tuy nhiên GPS được cung cấp miễn phí cho người sử dụng dân sự ở một mức độ giới hạn . Việc xây dựng thành công GPS là nhờ vào những thành tựu khoa học và kỹ thuật sau: · Độ tin cậy cao của hệ thống không gian · Công nghệ đồng hồ nguyên tử độ chính xác cao · Khả năng xác định và theo dõi vệ tinh một cách chính xác GPS là một hệ thống gồm 27 vệ tinh (kể cả 3 cái sơ cua) chuyển động trên các quĩ đạo chung quanh trái đất. Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn, sử dụng năng lượng mặt trời, chuyển động cách mặt đất khoảng 19300km. 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. Quá trình này dựa trên một nguyên lý toán học đơn giản.  Để thực hiện tính toán này, máy thu GPS phải biết hai thứ tối thiểu: • Vị trí của ít nhất ba vệ tinh bên trên nó • Khoảng cách giữa máy thu GPS đến từng vệ tinh nói trên Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số cao, công suất cực thấp từ các vệ tinh, máy thu GPS tính toán ra được hai thứ trên. Sóng radio chuyển động với vận tốc ánh sáng, tức là 300 ngàn km/giây trong chân không. Máy thu có thể tính toán được khoảng cách dựa vào thời gian cần thiết để tín hiệu đến được máy thu. II.3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA GPS Hệ thống GPS được chia làm 3 mảng: · Mảng không gian: bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín hiệu cần thiết cho hệ tống hoạt động · Mảng điều khiển: Các tiện ích trên mặt đất thực hiện nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, tính toán quĩ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng không gian · Mảng người sử dụng: toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật tính toán để cung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí Hình 3. Vệ tinh GPS Hình 4. Cấu trúc tín hiệu GPS II.4 GPS CÓ THỂ ĐO NHỮNG GÌ Các máy thu GPS cung cấp các trị đo là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Tuy nhiên các trị đo này bao gồm hai loại sau: Giả cự ly (pseudo-range): là trị đo dựa trên nguyên tắc đo xung với xung là mã P hay mã C/A. Đặc điểm của trị đo này là độ chính xác thấp (0.3 m cho mã P và 3m cho C/A) nhưng nó thể hiện trực tiếp khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh. Vì mã đo khoảng cách P được truyền trên hai tần số L1 và L2 nên tương ứng cho hai trị đo P1 và P2. Trong khi đó mã C/A chỉ hiện diện trên L1 nên chỉ có trị đo duy nhất C1. CÁC KIỂU ĐỊNH VỊ GPS Độ chính xác định vị GPS không những chỉ phụ thuộc vào loại trị đo dùng trong xử lý mà còn phụ thuộc đáng kể vào kiểu định vị 1.ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI 2.ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI 3.ĐỊNH VỊ ĐỘNG 4.ĐỊNH CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ GPS Nguồn lỗi của tín hiệu GPS Những yếu tố có thể làm giảm tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới chính xác bao gồm: Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion– Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển. Tín hiệu đi nhiều đường – Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu. Lỗi đồng hồ máy thu – Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS. Lỗi quỹ đạo – Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo vị trí không chính xác. ỨNG DỤNG CỦA GPS TRONG CÁC LĨNH VỰC Mục đích sử dụng ban đầu của GPS dùng trong lĩnh vực quân sự (chế tạo ra các loại tên lửa thông minh), nhưng ngày nay GPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Sau đây là một số ứng dụng tiêu biểu: 1.Ứng dụng GPS trong lĩnh vực Giáo dục Chương trình thiết bị Bản đồ & GIS Giáo dục (Mapping & GIS Educator) giới thiệu những giải pháp đơn giản và đa dạng, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho các tổ chức giáo dục, thực hiện việc giảng dạy về công nghệ GPS và GIS cho học viên dựa trên những công nghệ mới nhất của Trimble. Ứng dụng GPS trong lĩnh vực Dầu & Khí đốt Ngày nay, các công ty dầu và khí luôn bị đặt dưới áp lực lớn nhất, tuân thủ và phù hợp với những yêu cầu và quy định quốc tế các công ty luôn phải duy trì số liệu cụ thể về hệ thống hạ tầng ống dẫn vô cùng phức tạp của họ.Hơn bao giờ hết, các công ty dầu và khí đốt luôn là các công ty đi đầu trong việc ứng dụng công nghệ GPS và GIS trong việc thành lập các bản đồ, thu thập giám sát và phân tích số liệu thực địa. Ứng dụng GPS trong Cơ quan chính phủ Ngay từ những ngày đầu tiên phát triển công nghệ GPS, chính phủ vẫn luôn dẫn đầu trong việc khai thác và sử dụng. Từ cấp trung ương đến địa phương, từ đô thị tới nông thôn, GPS và GIS tạo điều kiện thực sự thuận lợi giúp các cơ quan công quyền hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao ỨNG DỤNG GPS TRONG LĨNH VỰC MÔI TRƯỜNG Nếu từ trước đến giờ cơ quan quản lý không nắm được các xe bồn chở bao nhiêu mét khối bùn thải, trên đường đi xe dừng lại ở đâu, bao nhiêu phút, có đổ trộm bùn thải hay không thì sau này việc đó sẽ không còn. Mỗi chủ nguồn thải đều được quản lý bằng chứng từ điện tử, các chủ vận chuyển sẽ biết được xe của mình ở đâu, làm gì thông qua thẻ điện tử và hệ thống định vị toàn cầu. Ứng dụng GPS trong lĩnh vực Tài nguyên thiên nhiên Thế giới chúng ta đang sống không ngừng thay đổi. Bảo vệ môi trường và giữ gìn những nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày nay đang trở thành vấn đề quan trọng hơn bao giờ hết. Đây cũng chính là lý do tại sao rất nhiều các cơ quan tổ chức và cá nhân trên toàn thế giới lựa chọn sử dụng các công nghệ GPS và GIS tiên tiến của Trimble hàng ngày, để quản lý một cách có hiệu quả hơn nguồn tài nguyên thiên nhiên hiện có. III. KẾT LUẬN Do tính chính xác của mình, GPS đã nhanh chóng trở thành phương pháp lựa chọn để thu thập số liệu tại chỗ cho rất nhiều các ứng dụng thương mại, chính quyền và quân sự. GPS chắc chắn trở thành một phương pháp quan trọng và có hiệu quả kinh tế cho việc định vị vô số các mục tiêu trên mặt đất và trên biển. Mặc dù được Bộ Quốc phòng Mỹ cấp kinh phí ban đầu, song việc truy nhập mạng GPS là miễn phí đối với mọi người dùng. Điều này góp phần khuyến khích việc phát triển các ứng dụng và tạo ra một thị trường khách hàng hoàn toàn mới, đặc biệt là trong lĩnh vực định vị các phương tiện giao thông và điều hành xa lộ.