Công nghệ định vị vệ tinh: Ba giải pháp ứng dụng trong giao thông

Với công nghệ xác định chính xác vị trí của đối tượng dựa trên tín hiệu từ nhiều hệ thống vệ tinh, Trung tâm quốc tế nghiên cứu và phát triển công nghệ định vị sử dụng vệ tinh (NAVIS) đã triển khai nhiều giải pháp công nghệ mới để xử lý một loạt bài toán phức tạp trong giao thông đường bộ.

Tránh phụ thuộc vào một nhà cung cấp

Nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội hiện nay như lập bản đồ, quy hoạch, quản lý tài nguyên, tìm kiếm cứu nạn… đến cung cấp các dịch vụ thương mại đều cần đến hệ thống định vị vệ tinh, vốn quy tụ ở bốn tên tuổi lớn của hệ thống điều hướng toàn cầu (GNSS) như GPS (Mỹ), Galileo (châu Âu), GLONASS (Nga), BeiDou (Trung Quốc) và hai hệ thống khu vực là QZSS (Nhật) và IRNSS (Ấn Độ).

Việc lựa chọn lấy một "ông lớn" nào đó cho các giải pháp ở Việt Nam đôi khi cũng tiềm ẩn một vấn đề, đó là sự phụ thuộc vào một nhà cung cấp nhất định. "Nếu xây dựng được một giải pháp định vị phối hợp tín hiệu của tất cả hệ thống này thì chúng ta sẽ không bị phụ thuộc vào một hệ thống nào cả và có thể tạo ra những giải pháp định vị hỗ trợ Việt Nam tốt hơn", PGS. TS. Tạ Hải Tùng, Trung tâm NAVIS, chia sẻ.

Vì lý do đó mà từ năm 2017, các nhà nghiên cứu tại đây đã kết hợp với các đồng nghiệp quốc tế tại trường Đại học Bách khoa Torino và Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng LINKS Foundation (Italy) để phát triển các công nghệ cho phép xác định chính xác vị trí, vận tốc và thời gian của đối tượng dựa trên tín hiệu từ nhiều hệ thống GNSS.


Xử lý và kết hợp tín hiệu từ nhiều hệ thống GNSS khác nhau.

Bằng cách sử dụng nhiều kỹ thuật tính toán và hiệu chỉnh, trong đó có các thuật toán ước tính bình phương trung bình tối thiểu (LMSE), họ đã xây dựng được bộ khung xử lý tín hiệu kết hợp của hai hệ thống GPS/Galieo, sau đó là ba hệ thống GPS/Galileo/GLONASS và dần dần nâng lên tất cả các hệ thống. Kết hợp với kỹ thuật điện-điện tử, các nhà nghiên cứu này đã chế tạo thành công thiết bị có khả năng thu và xử lý tín hiệu của khoảng 40 vệ tinh cùng lúc thuộc nhiều hệ thống GNSS khác nhau.

Vậy ưu điểm của công nghệ này là gì? Trên thực tế, việc nhận được tín hiệu từ nhiều vệ tinh khác hệ thống có thể giúp cho thiết bị không chỉ tăng độ tin cậy về vị trí, thời gian, địa điểm mà còn đảm bảo duy trì hoạt động nếu có một vài vệ tinh hoặc hệ thống GNSS gặp sự cố. Từ nền tảng đó, NAVIS đã phát triển nhiều ứng dụng cho giao thông đường bộ ở Việt Nam.

Hộp đen an toàn hơn cho vận chuyển hàng kim quý

Hiện nay, theo quy định của pháp luật, hàng triệu phương tiện thương mại (xe tải, xe buýt, xe taxi…) phải gắn thiết bị giám sát hành trình, còn gọi là hộp đen, và gửi thông tin về vị trí, vận tốc, thời gian về trung tâm dữ liệu của Tổng cục Đường bộ (Bộ GTVT). Lượng dữ liệu khổng lồ khoảng 2 terabyte mỗi ngày này được sử dụng để theo dõi hành vi của người lái xe và các công ty vận tải, nhằm xác định vi phạm luật giao thông, đặc biệt là các hành vi liên quan đến giới hạn tốc độ.

Những thiết bị giám sát hành trình này về bản chất là một bộ thu tín hiệu từ hệ thống GNSS, chủ yếu là GPS. Tuy nhiên, thay vì tập trung làm các hộp đen theo dõi thông thường đang được thương mại hóa phổ biến, các nhà nghiên cứu của NAVIS tập trung công nghệ của mình để đáp ứng nhu cầu của một nhóm người dùng cụ thể.

Đó là những xe chở tiền của các ngân hàng, vốn đòi hỏi giải pháp phức tạp hơn về an toàn, bảo mật, giám sát và có thể cần những dịch vụ phụ trợ kỹ thuật cao như chống phá sóng, phát hiện tín hiệu giả mạo, tạo kênh liên lạc an toàn, lập tuyến đường hay định vị chính xác đến từng centimet để cảnh báo khi phương tiện có dấu hiệu bất thường so với kế hoạch. Hiện nay, thiết bị này đang được một số bên sử dụng, bao gồm Ngân hàng Nhà nước và một số ngân hàng thương mại như Vietinbank, BIDV và Techcombank.

Ngoài ra, NAVIS biết họ cũng đã thiết kế sản phẩm tương tự mang tên "Safe school" để cung cấp cho các xe đưa đón học sinh của VinSchool. Hiện nay, hầu hết các trường tư thục tiểu học và trung học đều có dịch vụ xe buýt riêng để đưa học sinh đến trường và về nhà. Ngày càng nhiều phụ huynh có mong muốn biết con mình đang ở đâu và chắc chắn rằng chúng sẽ đến nơi an toàn.

Kiểm định các thiết bị giám sát hành trình khác

Đối với những thiết bị giám sát hành trình hiện có trên thị trường, đội ngũ nghiên cứu tại NAVIS cũng đưa ra một công nghệ để giúp các nhà quản lý giải quyết bài toán đau đầu về kiểm soát chất lượng hộp đen.

Theo quy định, các thiết bị giám sát hành trình này phải được Cục Viễn Thông (Bộ TT&TT) chứng nhận phù hợp với các thông số kỹ thuật yêu cầu. Tuy nhiên quá trình kiểm định chức năng – gồm gắn hộp đen lên phương tiện và chạy trên các con đường khác nhau với tốc độ khác nhau để xác minh hoạt động – lại thường tốn kém và mất thời gian, nên các nhân viên kiểm tra chỉ có thể xem xét một vài thiết bị mẫu mỗi ngày do các hãng gửi đến.


Kiểm thử thiết bị giám sát hành trình thu tín hiệu GPS bằng máy mô phỏng tín hiệu GNSS. | Nguồn: NAVIS

Từ kinh nghiệm thu và xử lý tín hiệu GNSS, NAVIS đã chế tạo một thiết bị theo hướng ngược lại, tức mô phỏng các tín hiệu vệ tinh. Hệ thống tái tạo tín hiệu vệ tinh này cho phép những người chịu trách nhiệm kiểm định có thể kiểm tra đồng thời nhiều hộp đen ngay trong phòng thí nghiệm mà không cần phải gắn chúng lên ô tô.

Khi hộp đen nhận được tín hiệu mô phỏng và truyền lại về Trung tâm dữ liệu, họ sẽ so sánh liệu tín hiệu báo cáo đến cơ quan quản lý có trùng khớp với những tín hiệu GNSS phát ra, từ đó khẳng định tính chính xác của hộp đen. Thiết bị mô phỏng này thậm chí có thể tạo ra những kịch bản thử nghiệm độc đáo dựa trên những thách thức có khả năng xảy ra thực tế như can nhiễu, ảnh hưởng của khí tượng Mặt trời, nhấp nháy điện ly hay giả mạo tín hiệu.

"Nó sẽ cho phép chúng ta đi rất sâu khi xem xét các tính năng của hộp đen", các nhà nghiên cứu cho biết. Việc làm chủ các công nghệ mô phỏng tín hiệu cũng khiến giá thành của các thiết bị "có thể ở mức tiếp cận được" nếu triển khai. So với sản phẩm ngoại nhập, đây không chỉ là ưu thế về chi phí mà còn là sự thuận tiện khi tùy chỉnh các tính năng, kịch bản mong muốn của người dùng, bởi một số chức năng điện tử viễn thông của nhà cung cấp nước ngoài có thể bị hạn chế xuất khẩu.

Từ năm 2019 đến nay, hệ thống mô phỏng tín hiệu này đã được NAVIS chuyển giao cho 4 đơn vị thuộc Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng (Bộ KH&CN).

Thiết bị cầm tay phát hiện nhiễu cho cảnh sát

Mặc dù mới chỉ ở dạng nguyên mẫu (prototype), các nhà khoa học tại NAVIS đã chế tạo được một thiết bị phát hiện nhiễu tín hiệu GNSS đơn giản, có khả năng di động cao và chi phí thấp. Họ tin rằng sản phẩm này sẽ thuận tiện cho lực lượng cảnh sát giao thông, cảnh sát điều tra hoặc camera tại hiện trường trong việc nhận biết thiết bị giám sát hành trình có hoạt động đúng như đăng ký.

Trong vài năm gần đây, mặc dù bị cấm sử dụng, số lượng máy gây nhiễu, phá sóng GPS đã phát triển đáng kể ở Việt Nam. Những thiết bị gây nhiễu dễ dàng mua được qua Internet hoặc chợ đen này có thể làm gián đoạn hoạt động của máy GPS trong bán kính hàng chục, thậm chí hàng trăm mét, khiến tài xế tránh được các lỗi vi phạm mà thiết bị GPS ghi nhận, hoặc nguy hiểm hơn, để những kẻ trộm cắp phương tiện có thể tẩu thoát mà không bị định vị.


Nguyên mẫu thiết bị phát hiện can nhiễu cầm tay. Màn hình điện thoại hiển thị biểu đồ có nhiễu trong điều kiện không gian mở (trái) và biểu đồ không nhiễu khi phía Tây bầu trời bị che khuất bởi các tòa nhà gần đó (phải). Nguồn: NAVIS

Thiết bị phát hiện nhiễu của NAVIS gồm ba cấu phần: một anten cấu hình thấp, nối với một smartphone có khả năng tính toán thích hợp, và một phần mềm chạy trên hệ điều hành Android để chuyển đổi tín hiệu analog của anten thành tín hiệu số.

Phần mềm này chứa một bộ thu (gồm các module thu tín hiệu GNSS, xử lý dữ liệu và tính toán vị trí, phát hiện nhiễu và giao tiếp với máy chủ) và một giao diện đồ họa để hiển thị biểu đồ mật độ phổ công suất PSD. Nếu biểu đồ có đường lên xuống bất thường, người dùng sẽ biết có tín hiệu gây nhiễu gần đó.

Hiện nay, các thiết bị thu GNSS chứa đầy đủ module phát hiện nhiễu tần số vô tuyến thường khá phức tạp, do đó tương đối đắt đỏ và tiêu thụ năng lượng cao. Chúng thường chỉ giới hạn cho những thiết bị chuyên dụng hoặc quân sự.

Với việc hợp tác giữa NAVIS và Fondazione LINKS để tạo ra một nguyên mẫu máy dò nhiễu di động, các nhà khoa học Việt đang hé lộ cơ hội mới cho việc phổ biến các ứng dụng GNSS vào đời sống. NAVIS cho biết tất cả những ứng dụng công nghệ hiện nay của họ luôn nhắm vào đặc thù của môi trường Việt Nam và thiết kế riêng theo nhu cầu của khách hàng.


______________

Tài liệu tham khảo:

Van Hoang H., Nguyen T.D., Ta T.H., Povero G., Troglia Gamba M. (2021) GNSS-Based Solutions for Road Applications in Vietnam. In: Anderle M. (eds) Innovations in Land, Water and Energy for Vietnam's Sustainable Development. UNIPA Springer Series. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-51260-6_15
Theo KHPT