Local Positional System

Công nghệ LPS

Phương tiện truyền thông + điều hành cục bộ

 Định vị có khá nhiều phương án. Mỗi phương án có một tầm đáp ứng riêng và có thể nói là … vô tận tuỳ thuộc vào qui mô của không gian định vị.

Ví dụ dùng GPS thì chỉ xác định được vị trí mang tính thông tin tổng quát mà không thể đi vào điều khiển chi tiết hay can thiệp cơ học vào thành phần của đối tượng quan sát. Một số ý tưởng ô tô điều khiển từ xa đã từng muốn đưa GPS vào để điều khiển ô – tự động.

Và GPS lái ô tô … lao vào đường xe lửa … (!).

Đó là tất yếu, vì cự ly ~26.600 Km của vệ tinh GPS cho sai số nhiều mét trong điều kiện tồt và cấp độ cao (với độ phân giải hiện nay).

LPS (Local Positioning System) : Một hệ thống định vị bằng máy phát mặt đất, dùng phương thức trải phổ trực tiếp (DS) để định vị đối tượng, có thể thoả mãn những nhu cầu định vị “khó tính” như điều kiện của các nhóm nghiên cứu địa chất, du lịch v.v…hoặc cụ thể hơn là định vị ô tô – xe máy và cả bộ hành (binh sĩ kỹ thuật cao, điệp viên, người tàn tật, nạn nhân hoả hoạn hay động đất v.v…).

Trong LPS, do máy phát ở gần (chỉ trong khoảng 100 Km) + tối thiểu 2 máy phát cho một giao hội định vị –> góc phương vị với mục tiêu rất lớn so với GPS (500 đến 1000 lần) –> phân giải tự nhiên (*) lớn hơn nhiều nghìn lần so với GPS. Điều này cho phép LPS định vị chính xác đến hàng chục Cm hay hơn nữa, có khả năng chỉ báo chi tiết cả động thái trực quan của cụm quan sát như qui mô (mở rộng diện tích – vết dầu loang chẳng hạn), động thái (một bộ phận di chuyển quanh / dọc theo / xuyên qua cụm quan sát), lộ trình (chuyển động, dừng lại, tiến lùi v.v…) thậm chí ra lệnh điều khiển các bộ phận đó nếu có connect.

(*) Phân giải tự nhiên : xin phân biệt phân giải tự nhiên (hay phân giải vật lý) với phân giải kỹ thuật.

– Phân giải tự nhiên do khoảng cách giữa đối tượng quan sát (hay tham chiếu) với máy quan sát quyết định. Tỷ số giữa số lượng máy quan sát / khoảng cách thời gian qui định góc phương vị, do đó quy định độ phân giải tự nhiên.

– Phân giải kỹ thuật là sử dụng các biện pháp kỹ thuật tác động vào quá trình quan sát để làm tăng độ phân giải ảo.

GPS dùng phân giải kỹ thuật, còn LPS dùng phân giải tự nhiên.

Loại trừ các tham số môi trường, công suất máy phát tham chiếu giả định đạt yêu cầu, trong dải tần số sóng truyền thẳng thì phân giải tự nhiên là 1/4 triệu độ ly giác.


Sai số của vệ tinh GPS với khoảng cách 26.600 Km = 26.600.000 mét ứng với ly giác đó là:

d(l) = 26.600.000 : 4.000.000 = 6,65 mét.

Nếu giao hội hai vệ tinh thì sai số tự nhiên đó là ~ 3,5m, và đó là sai số của định vị GPS hiện nay (sai số với C/A code là 6.7m tại 1.023 triệu chips /s ( CDMA) và
khoảng 30cm với 10.23 triệu chips /s P (Y) code).

Độ chính xác cao nhất của GPS sử dụng cho dân sự chỉ đạt 5m (80%) – 20m (20%) nếu có DGPS thì đạt 1-3m.

Hệ thống GPS sử dụng 7 vệ tinh trong quân sự Mỹ đạt độ chính xác cao nhất 0,5m nhưng đã bị lock bởi lầu năm góc. Đó là GPS Code P, dân chuyên nghiệp Mỹ vẫn dùng nhưng có thể bị lock bất cứ lúc nào.

Sai số của trạm quan trắc mặt đất 100 Km = 100.000 mét là :

d(ll) = 100.000 : 4.000.000 = 0,025 m = 2,5 Cm.

Do thuận lợi về môi trường làm việc (trên mặt đất nên tiêu chuẩn thiết bị thấp, điều kiện di chuyển & lắp đặt dễ dàng hơn trên khoảng không vũ trụ) nên LPS hoàn toàn có khả năng sử dụng rất nhiều trạm quan trắc mặt đất và sử dụng trong phạm vi nhỏ hơn để đạt độ phân giải kỹ thuật rất cao với sai số tính ở hàng Cm (chỉ là dự đoán, vì chỉ mới có điều kiện thực hiện giao hội 2 trạm quan trắc mặt đất mà thôi).

Các chi tiết định vị thể hiện trên cơ sở bản đồ GIS.

Nguyên lý : Hệ máy LPS gồm

Các máy phát “con” (LPS user / LPSU) phát dữ liệu định thời gian (liên tục phát đi mã định vị theo khe thời gian) + kèm máy thu để nhận dữ liệu định vị và điều khiển (nếu có). Mọi thu thập tính toán và điều khiển (nếu có) đều diễn ra ở trạm quan trắc. Nguyên lý này ngược với GPS là dữ liệu định vị GPS thu thập ở đối tượng định vị PO (Positional Object).

Trạm quan trắc (Positioning Unit – PU) nhận tín hiệu từ máy (các máy) LPSU, dùng trải phổ trực tiếp để xác định cự ly giữa hai antenna (giũa trạm quan trắc và LPSU). Từ đó xác lập một cung tròn trên GIS với trạm quan trắc PU đó là tâm điểm.

Cuối cùng ta có hai (ba) cung định vị có hai (ba) tâm là các PU đến LPSU. Do sẽ có hai điểm giao hội giữa hai cung tròn nên phải kết hợp với phương vị địa lý để loại điểm “ảo”. Phần còn lại là giao hội trên GIS (bản đồ số địa lý) –> định vị mục tiêu trên lưới kinh – vĩ và thể hiện trên bản đố GIS. Chỉ báo định vị đến LPSU (hay, và tín hiệu điều khiển) sẽ thực hiện trong khe thời gian – address (khi có nhiều LPSU cùng trên cung định vị).

Hệ làm việc trong thời gian thực.

Phân biệt cơ sở định vị của GPS với LPS :

Cơ sở của định vị GPS là xác định khoảng cách giữa vệ tinh (2,3 vệ tinh …) và máy thu (user) trên máy thu. LPS thì ngược lại : (2,3 … ) trạm xử lý PU xác định máy user LPSU cách nó bao xa) rồi tổng hợp các số liệu đó để cho ra toạ độ hình học của máy user ở trạm quan trắc (LPSU trên PU) rồi thể hiện thành toạ độ địa lý (vị trí LPSU thể hiện trên GIS). Muốn GPS thể hiện trên GIS (tức là tích hợp GPS-GIS) phải có những phương pháp đặc hiệu riêng như phương pháp tích hợp nền dữ liệu mà một nhóm của ĐHKT TP HCM đang nghiên cứu (Nguồn tin: Tạp chí Phát triển KHCN,2004; xem :

www.moc.gov.vn/site/vcms/down…achmentId=7069 ).

Như vậy có thể thấy rõ LPS khác hẳn GPS. Ở GPS thì máy user xác định toạ độ địa lý của mình bằng việc xác định khoảng cách đến các vệ tinh (trạm phát) còn ở LPS thì trạm trung tâm xác định vị trí địa lý của các máy user –> thể hiện trên GIS.

Xác định khoảng cách giữa máy phát và máy thu dựa vào phân tích phổ (trải phổ). Trên cơ sở nếu ta xác lượng được ma trận tương quan đầu vào và biết các véctơ dõi theo a(φ), thi ta có thể xác đinh công suất đầu ra theo hàm của góc sóng tới (là giá trị góc ϕ ứng với giá trị đỉnh của hàm phổ công suất.

– Thuật toán Music xác định theo ly giác và ma trận phương sai –> giao hội ly giác được sử dụng trong nhiều phương thức định vị.

– LPS dùng trải phổ trực tiếp (Direct Spectrum) với ứng dụng cosmetic space xác định khoảng cách với mã Golomb (Solomon W. Golomb). Trải phổ trực tiếp là phương pháp định vị hiệu quả, độ chính xác cao, tuy nhiên máy móc cồng kềnh hơn các phương thưc định vị khác (nên phải đặt tại máy trạm, không tích hợp trong máy user – cầm tay được).
(xin xem thêm các tài liệu định vị JPL-Golomb coding)

Về phần cứng thu phát radio định vị thì có các phương thức antenna tĩnh (đơn lập hay đa hợp) và antenna quay. Antenna tĩnh thì thuận tiện, gọn gàng và dễ quản lý, không cần cấu trúc quay và connect phưc tạp nên càng ngày càng được dùng nhiều hơn. Tuy nhiên độ chính xác cũng kém hơn antenna quay, nhất là trong phép đo sử dụng phương sai.

Các phương thức định vị đều có thể xác lập độ cao trên cơ sở giao hội với phương vị địa lý. Trình thức kỹ thuật là, ứng với 3 điểm định vị song hành, tính được khoảng cách đến điểm CC tương ứng với ly giác trên mặt phẳng tạo bởi 3 điểm đó. So sánh (hiệu số) số đo thực tế với số đo đến điểm CC sẽ có khoảng cách Hh qui định độ cao địa hình. Muốn có độ cao so với mực nước biển H phải giao hội tham số địa hình h với tham số mực nước biển cho trước.

Khe space-time khoảng 150 nano giây trong chu kỳ đồng bộ của các máy thu LPS cho phép một sự điều chỉnh độ chính xác rất cao. Khoảng cách địa lý nhỏ của các trạm PU cho phép thực hiện bằng nhiều cách kết nối để đảm bào mức độ đồng bộ đạt yêu cầu kỹ thuật, kể cả internet.

Trạm phát dùng máy thu có độ nhạy cao, noise reduction hiệu quả để “bắt” các tín hiệu từ máy user rồi xử lý. Rất nhiều hệ thống dùng cách này, trong đó có DF của Đức và nhóm nghiên cứu ứng dụng thuật toán Music định vị ở Việt Nam (Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại Học Công nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội).

Muốn định vị thì tất yếu phải thoả mãn các điều kiện kỹ thuật, chưa kể các điều kiện “biên” như khi vào khu vực thung lũng thì phải tìm mô hay gò cao để đặt antenna sóng chạy thì mới định vị được.

Nguyên tắc riêng của LPS là các máy user phát không liên tục theo thời gian mặc định (mỗi 10 giây phát mã định vị một lần, trong 1/4 giây) và nhận xung đồng bộ thời gian (cuối chu trình phát trước, nghĩa là trước khi nó phát xung định vị đi. Xung đồng bộ thời gian cũng là lệnh phát xung định vị). Nghĩa là trạm dùng xung đồng bộ thời gian để điểu khiển máy user cần phát xung định vị hay không. Khi mất xung đồng bộ thời gian thì máy user cũng ngùng phát và báo ngưng (mất định vị). Vì vậy máy phát user LPSU có biên độ xung tức thời (do dó –> công suất tức thời) rất lớn và tiết kiệm năng lượng. Tính công suất trung bình là 2,5 W nhưng công súât tức thời đo được là trên 30W.
Khi di chuyển, máy user kết nối với NVIS antenna loại ghép (0,6 x 6) mét, tương đương chiều cao 5,5 mét so với mặt địa hình. Khi dừng lâu tại thực địa thì “giăng” antenna sóng chạy (progressive-wave antenna, travelling wave antenna) độ cao 2m (*). Cả hai trường hợp thực nghiệm, chúng đều dễ dàng vượt cự ly 50Km –> 100 Km với địa hình cao hay thông thoáng (rừng núi, hải đảo v.v…. ghe đánh cá giữa biển thông tín định vị trên 300 Km)

(*) Đây cũng là phương pháp phát sóng của máy PRC-10, dùng cho bộ binh Mỹ.

Phương thức định vị khác : Cũng có phương thức định vị PSD (Positioning by Satable Doopler) tiện dụng không thua kém LPS nhưng rẻ tiền hơn nhiều lần. Phạm vi hiệu dụng của PSD chỉ trong khoảng 10 Km –> 35 Km.
Điều bất tiện là PSD chỉ khá hơn cái vệ tinh GPS (ở xa lắc xa lơ) một chút ít. Sai biệt theo ly giác cỡ 1,5m

Độ chính xác của mỗi phương thức định vị khác nhau thì có mức cao thấp khác nhau, cần ở mức độ nào thì dùng ở mức độ ấy. Thậm chí người làm ra máy định vị cũng không hiểu hết nhu cầu của người dùng, vì vậy mà cần có nhiều phương án lựa chọn.

Tóm lại :  LPS có những thuận lợi rất lớn về định vị mặt đất và định vị cục bộ so với các phương thức định vị khác là do :

  • Tất cả diễn ra trên mặt đất (tiêu chuẩn dân dụng) nên chi phí đầu tư không lớn so với lợi ích mà nó mang lại.
  • LPS là tài sản và đầu tư riêng, sở hữu và thông tin cục bộ nên tính chủ động và bảo mật rất cao, không phải dùng công cụ “chùa” hoặc mang đồ free bán lấy tiền. Do đó cũng không phải nơm nớp lo đến ngày mất tất cả các ứng dụng đã được xây dựng như dùng GPS khi Mỹ đổi hệ, đổi mã, thậm chí hạ cấp độ “free” như đã từng xảy ra.
  • LPS cho phép trung tâm điều hành định vị và nắm bắt vị trí địa lý của đối tượng định vị ngoài ý chí của đối tượng. Thông tin vị trí của đối tượng định vị chỉ được cấp phát và kiểm soát tại trung tâm.
  • LPS có thể được dùng kèm chức năng đàm thoại + thông tin điều hành từ PU với LPSU và ngược lại (tất nhiên) mà không phải đầu tư thêm quá lớn. Đây là thuận lợi không thể có được với GPS.
  • Sự kết hợp LPS trên nền GIS cho phép vạch nên lộ trình địa lý của LPSU trong thời gian cài đặt trước làm cơ sở hành chính – pháp lý trong điều hành + điều khiển và động viên phương tiện vào quá trình sản xuất kinh doanh.

TTC 2010

Trả lời

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Biểu thức bảo mật *