Nội dung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ TÙNG LINH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT DỰ BÁO THỜI TIẾT TẠI MỘT KHU VỰC CÓ PHẠM VI NHỎ DỰA TRÊN CƢỜNG ĐỘ TÍN HIỆU GPS QUA CÁC THIẾT BỊ THU THÔNG MINH Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Đình Việt Hà Nội – 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trình bày trong luận văn này là do tôi tự nghiên cứu, tìm hiểu dựa trên các tài liệu và tôi trình bày theo ý hiểu của bản thân dƣới sự hƣớng dẫn trực tiếp của Thầy Nguyễn Đình Việt. Các nội dung nghiên cứu, tìm hiểu và kết quả thực nghiệm là hoàn toàn trung thực. Luận văn này của tôi chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào. Trong quá trình thực hiện luận văn này tôi đã tham khảo đến các tài liệu của một số tác giả, tôi đã ghi rõ tên tài liệu, nguồn gốc tài liệu, tên tác giả và tôi đã liệt kê trong mục ―DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO‖ ở cuối luận văn. Học viên Vũ Tùng Linh ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trƣớc hết tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo đã tận tình hƣớng dẫn, giảng dạy tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại Khoa Công Nghệ Thông Tin – Trƣờng Đại học Công Nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Đình Việt đã hƣớng dẫn tận tình, chu đáo giúp tôi hoàn thành luận văn này. Mặc dù có nhiều cố gắng để thực hiện song với kiến thức, kinh nghiệm bản thân, chắc chắn không thể tránh khỏi còn có thiếu sót mà tôi chƣa thấy đƣợc. Tôi rất mong nhận đƣợc đóng góp của các thầy, cô, ta bè, đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Hà Nội, tháng 11 năm 2017 Học viên Vũ Tùng Linh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ ix MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG ..............................................................................2 1.1 Sơ lƣợc về bài toán dự báo thời tiết ...................................................................2 1.1.1 Các thành phần thời tiết cần dự báo ............................................................3 1.1.2 Các phƣơng pháp dự báo thời tiết ...............................................................6 1.2 Khả năng ứng dụng các thiết bị thu GPS vào việc dự báo thời tiết ...................9 1.2.1 Nguyên tắc đo thời gian truyền tín hiệu GPS .............................................9 1.2.2 Xác định vị trí trong không gian trong điều kiện lý tƣởng .......................11 1.2.3 Ảnh hƣởng của thời gian không chính xác và phƣơng pháp hiệu chỉnh...13 1.2.4 Ảnh hƣởng của môi trƣờng tới khả năng định vị trong không gian 3 chiều 14 1.3 Đề xuất việc kết nối các thiết bị có chức năng thu tín hiệu GPS để hỗ trợ cho việc dự báo thời tiết ...................................................................................................16 1.3.1 Ứng dụng GPS vào dự báo thời tiết trên thế giới......................................16 1.3.2 Đề xuất mô hình kết nối các thiết bị thu GPS hỗ trợ dự báo thời tiết .......18 1.4 Kết luận chƣơng ...............................................................................................19 CHƢƠNG 2. HỆ THỐNG GPS VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ KHÁC ..................20 2.1 Các hệ thống định vị toàn cầu khác (ngoài GPS) dựa trên vệ tinh ..................21 2.1.1 Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu của Nga (GLONASS) .........................21 2.1.2 Hệ thống định vị vệ tinh Bắc Đẩu của Trung Quốc ..................................21 2.1.3 Chƣơng trình QZSS Nhật Bản ..................................................................22 2.1.4 Hệ thống định vị GALILEO của Châu Âu ...............................................22 2.2 Hệ thống GPS ..................................................................................................23 2.3 Tính toán vị trí ngƣời sử dụng .........................................................................24 iv 2.3.1 Đánh giá phạm vi giả ................................................................................24 2.3.2 Phƣơng trình tuyến tính.............................................................................26 2.3.3 Đo lƣờng độ chính xác: .............................................................................29 2.3.4 Xem xét sai số và tín hiệu vệ tinh .............................................................31 2.4 Kết luận chƣơng ...............................................................................................33 CHƢƠNG 3. PHÂN TÍCH CÁC NGUYÊN NHÂN SAI SỐ VÀ SNR.......................34 3.1 Sai số đo lƣờng: ...............................................................................................34 Sai số đồng hồ vệ tinh ....................................................................................36 3.3 Sai số quỹ đạo vệ tinh ......................................................................................38 3.4 Hiệu ứng tƣơng đối ..........................................................................................39 3.5 Hiệu ứng khí quyển ..........................................................................................41 Hiệu ứng tầng điện ly: ..................................................................................43 3.7 Độ trễ tầng đối lƣu ...........................................................................................46 3.8 Sai số dạng hình học ........................................................................................48 3.9 SNR của tín hiệu GPS và các yếu tố ảnh hƣởng đến SNR ..............................53 3.9.1 Nhiễu tần số radio .....................................................................................53 3.9.2 Yếu tố đa đƣờng ........................................................................................55 3.9.3 Sự nhấp nhánh tầng điện ly .......................................................................56 3.9.4 Sự ảnh hƣởng của tầng đối lƣu .................................................................57 3.9.5 Yếu tố hình học của vệ tinh.......................................................................57 Kết luận chƣơng ...........................................................................................58 3.10 CHƢƠNG 4. ĐÁNH GIÁ CƢỜNG ĐỘ TÍN HIỆU GPS BẰNG SMARTPHONE CHẠY ANDROID ........................................................................................................59 4.1 Giới thiệu về ANDROID .................................................................................59 4.2 Đặt vấn đề ........................................................................................................60 4.3 Mô hình và kịch bản ........................................................................................61 4.4 Phần mềm.........................................................................................................61 4.4.1 Phân tích yêu cầu ......................................................................................61 4.4.2 Biểu đồ chức năng .....................................................................................61 4.4.3 Thiết kế giao diện ......................................................................................62 4.5 Kết quả thực nghiệm và phân tích ...................................................................65 v 4.6 Kết luận chƣơng ...............................................................................................71 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................72 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................73 PHỤ LỤC ......................................................................................................................76 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các vệ tinh quay quanh trái đất trên 6 mặt phẳng quỹ đạo khác nhau .........10 Hình 1.2 Xác định thời gian truyền tín hiệu ..................................................................11 Hình 1.3 Người sử dụng được định vị trên bề mặt quả cầu ..........................................12 Hình 1.4 Người sử dụng được định vị trong vòng tròn bóng mờ ..................................12 Hình 1.5 Mặt phẳng giao 2 hình cầu .............................................................................13 Hình 1.6 Ngưởi sử dụng được định vị tại một trong 2 điểm của hình tròn ...................13 Hình 1.7 Người sử dụng được định vị tại một trong 2 điểm trên vòng tròn bóng mờ ..13 Hình 1.8 Bốn vệ tinh cần thiết để xác định một vị trí trong không gian 3 chiều ..........16 Hình 2.1 Ba phân đoạn GPS .........................................................................................23 Hình 2.2 Bốn tín hiệu vệ tinh mà người dùng phải nhận được .....................................25 Hình 2.3 Hệ tọa độ 3 chiều ............................................................................................25 Hình 2.4 Chuyển đổi chuỗi Taylor ................................................................................27 Hình 3.1 Phạm vi mối quan hệ thời gian đo lường .......................................................36 Hình 3.2 Sai số thiên văn ...............................................................................................38 Hình 3.3 Hiệu ứng sagnac .............................................................................................40 Hình 3.4 Mô hình hình học tầng điện ly ........................................................................46 Hình 3.5 Hình học tương đối và mất độ chính xác: (a) hình học với DOP thấp, và (b) hình học với DOP cao ...........................................................................................49 Hình 3.6 Trường hợp đa đường ngoài trời. ..................................................................56 Hình 4.1 Biểu đồ chức năng của Ứng dụng/Phần mềm tự phát triển ...........................62 Hình 4.2 Giao diện đầu tiên của ứng dụng ...................................................................63 Hình 4.3 Các chức năng con .........................................................................................63 Hình 4.4 Giao diện chức năng Open .............................................................................64 Hình 4.5 Giao diện chức năng Start ..............................................................................65 Hình 4.6 Biểu đồ SNR ngày 22/11 trong khoảng 20h-20h10, trời hiện tại lạnh và có gió ..66 Hình 4.7 Biểu đồ SNR ngày 21/11 trong khoảng 20h-20h10, trời mưa và rất lạnh ...........66 Hình 4.8 Biểu đồ SNR ngày 20/11 trong khoảng 20h-20h10, trời gió và lạnh ..................67 Hình 4.9 Biểu đồ SNR ngày 14/11 trong khoảng 20h-20h10, trời hơi gió .........................67 Hình 4.10 Biểu đồ SNR ngày 13/11 trong khoảng 20h-20h10, trời bình thường ...............68 Hình 4.11 Biểu đồ SNR ngày 12/11 trong khoảng 20h-20h10, trời bình thường ...............68 Hình 4.12 Biểu đồ SNR ngày 10/11 trong khoảng 20h-20h10, trời bình thường ...............69 Hình 4.13 Biểu đồ SNR ngày 17/10 trong khoảng 20h-20h10, trời hiện tại hơi lạnh và có gió ..........................................................................................................................69 Hình 4.14 Biểu đồ SNR ngày 12/10 lúc 20h-20h10 lúc này trời bình thường (lặng gió, không mưa, nhiệt độ trên 25 độ C) ........................................................................70 Hình 4.15 Biểu đồ SNR ngày 11/10 lúc 20h-20h10 lúc ngày trời đang mưa ................70 Hình 4.16 Biểu đồ SNR ngày 9/10 lúc 20h -20h10 lúc này trời đang mưa ...................71 vii Viết tắt GPS DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tiếng Anh Global Positioning System VT NAVSTARGPS Tiếng Việt Hệ thống định vị toàn cầu Vệ tinh Navigation System with Timing And Ranging Global Positioning System Hệ thống định vị bằng hệ thống định vị khoảng cách và thời gian toàn cầu SV Space vehicle Tàu không gian PRN Pseudo Random Noise Code Mã nhiễu giả ngẫu nhiên TT&C The tracking, telemetry, and control links Các kết nối theo dõi, đo đạc từ xa và điều khiển AFS Atomic frequency standard Tiêu chuẩn tần số nguyên tử NDU The navigation data unit Đơn vị dữ liệu định vị CS Control Segment Phân đoạn điều khiển NUDET The Nuclear Detonation Detection System Hệ thống phát hiện vụ nổ hạt nhân BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân MCS The Master Control Station Trạm điều khiển chính UTC (USNO) Coordinated Universal Time Giờ quốc tế hợp nhất đƣợc duy trì bởi Đài quan sát Hải Quân Hoa Kỳ as maintained at the United States Naval Observatory L-AII Legacy Accuracy Improvement Initiative Sáng kiến cải thiện độ chính xác kế thừa AEP Architecture Evolution Plan Kế hoạch phát triển kiến trúc IS-GPS-200 Interface SpecificationGlobal Positioning System 200 Bản đặc tả giao diện của hệ thống định vị toàn cầu 200 viii AOA Allen Osbourne Associates Tên riêng DSSS Direct sequence spread spectrum Phƣơng pháp điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp DGPS Diffirental Global Positioning System Hệ thống Định vị Toàn cầu vi sai GDOP Geometric Dilution Of Precision Độ mất chính xác hình học VDOP Vertical Geometric Dilution Of Precision Độ mất chính xác hình học theo phƣơng dọc HDOP Horizontal Geometric Dilution Of Precision Độ mất chính xác hình học theo phƣơng ngang UERE The user-equivalent range error Sai số miền (dải) tƣơng đƣơng của ngƣời sử dụng DOD Department Of Defense Bộ quốc phòng Mỹ ZAOD Zero Age Of Data Dữ liệu không tuổi của vệ tinh AOD Age Of Data Dữ liệu tuổi thọ của vệ tinh LOS The satellite-to-user vector Vec-tơ hƣớng từ vệ tinh đến ngƣời dùng SR Special Relativity Thuyết tƣơng đối hẹp GR General Relativity Thuyết tƣơng đối rộng ECI Earth-centered inertial cordinate system Hệ tọa độ Đề-các trung tâm trái đất ECEF Earth-centered, earth-fixed or Earthcentered rotational cordinate system Hệ tọa độ quay lấy tâm trái đất (R, ) SNR Singal-to-noise ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Navigation Định hƣớng/ Dẫn đƣờng PSR Pseudorange Phạm vi giả PVT Position Velocity Time Vị trí/Vận tốc/Thời gian ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Độ chính xác của dịch vụ dân sự tiêu chuẩn…………………………….. 24 Bảng 2.2 Bảng chuyên đổi cho các phân phối xác suất 1 chiều……………………. 30 Bảng 2.3 Bảng chuyển đổi cho các phân phối xác suất 2 chiều……………………. 31 Bảng 2.4 Nguyên nhân sai số………………………………………………………..32 Bảng 4.1 Bảng tƣơng màu đồ thị và mã PNR………………………………………. 65