NA UY – Xe tự lái cần biết chính xác vị trí của chúng trên đường tại mọi thời điểm. Một phát minh mới có thể tạo ra cuộc cách mạng trong việc phát triển các loại xe không người lái, đồng thời mang lại hệ thống định vị toàn cầu GPS (global positioning system) (*) chính xác hơn cho điện thoại di động và đồng hồ theo dõi sức khỏe. (*) Hệ thống định vị toàn cầu: là một hệ thống sử dụng vệ tinh để xác định vị trí chính xác của người hoặc vật thể ở bất kỳ nơi nào trên trái đất.
Nhiều người vẫn tin rằng vị trí hiển thị trên hệ thống GPS là chính xác.
Tuy nhiên, khi một du khách đến một thành phố xa lạ và sử dụng ứng dụng bản đồ trên điện thoại để tìm đường về khách sạn, không ít lần họ tự thấy mình như đang “nhảy” từ điểm này sang điểm khác (khi xem trên ứng dụng bản đồ), dù trên thực tế vẫn đi bộ bình thường trên cùng một vỉa hè.
Ông Ardeshir Mohamadi, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại đại học khoa học và công nghệ Na Uy (NTNU – Norwegian university of science and technology), chia sẻ: “Các thành phố là môi trường khắc nghiệt đối với hệ thống định vị toàn cầu.”
Ông Mohamadi đang nghiên cứu cách làm cho các bộ thu GPS có giá thành hợp lý (như trong điện thoại di động hay đồng hồ thể thao) trở nên chính xác hơn, mà không cần đến các dịch vụ bổ sung với giá thành cao. Hệ thống GPS chính xác đặc biệt quan trọng đối với những xe được thiết kế để vận hành không người lái, còn được gọi là xe tự lái (self-driving vehicles).
“Các khe núi trong đô thị” Ông Mohamadi và các đồng nghiệp tại đại hoạc NTNU đã phát triển một hệ thống giúp xe tự động có thể di chuyển an toàn trong môi trường đô thị.
Ông Mohamadi giải thích: “Trong thành phố, kính và bê tông làm cho tín hiệu vệ tinh bị phản xạ liên tục. Các tòa nhà cao tầng che khuất tầm nhìn, và những hệ thống GPS hoạt động hoàn hảo trên đường cao tốc thông thoáng lại không còn hiệu quả khi bước vào khu dân cư có mật độ xây dựng dày đặc.”
Vấn đề đưa ra chính là tín hiệu bị phản xạ giữa các tòa nhà và mất nhiều thời gian hơn để đến được bộ thu. Hệ quả là việc tính toán khoảng cách tới vệ tinh bị sai lệch, khiến vị trí xác định không còn chính xác. (*) Hệ thống GPS: xác định vị trí của vật thể bằng cách đo khoảng cách từ vật thể đến các vệ tinh. Mỗi vệ tinh liên tục phát ra tín hiệu (đi kèm với thời gian phát) rất chính xác. Bộ thu GPS (của vật thể) sẽ so sánh thời gian tín hiệu được phát ra và thời gian tín hiệu nhận được, từ đó tính toán được khoảng cách giữa vật thể và vệ tinh. Khi biết được khoảng cách từ vật thể đến ít nhất 4 vệ tinh, hệ thông GPS có thể xác định được vị trí của vật thể. Do vậy, khi việc tính toán khoảng cách bị sai lệch, vị trí được hiển thị sẽ không còn chính xác.
Những khu vực đô thị phức tạp như vậy thường được gọi là “urban canyons” (tạm dịch là ‘các khe núi trong đô thị’). Giống như một người đang đứng dưới đáy một khe núi sâu. Các tín hiệu GPS đến được vị trí của người đó (hoặc xe tự động) có thể đã bị phản xạ nhiều lần trên đường truyền xuống “khe núi” đó.
Ông Mohamadi nói thêm: “Đối với xe tự động, điều này tạo ra sự khác biệt giữa khả năng vận hành chính xác, an toàn và việc lái xe do dự, kém tin cậy. Chính vì vậy chúng tôi đã phát triển SmartNav, một công nghệ định vị được thiết kế riêng cho khu vực đô thị”.
Các nhà nghiên cứu tại đại học NTNU đã phát triển SmartNav, một công nghệ định vị cung cấp GPS có độ chính xác rất cao trong các khu vực đô thị, nơi các hệ thống định vị truyền thống thường gặp trục trặc. Nhờ các thuật toán tiên tiến, công nghệ SmartNav có thể giúp những bộ thu thông thường đạt độ chính xác gần bằng các thiết bị cao cấp.
Chính xác đến từng centimet Không chỉ các tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn giữa những tòa nhà cao tầng, mà ngay cả những tín hiệu “đúng” cũng chưa đủ độ chính xác.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã kết hợp nhiều công nghệ khác nhau nhằm hiệu chỉnh tín hiệu. Kết quả là một chương trình máy tính có thể tích hợp trực tiếp vào hệ thống dẫn đường của xe tự động.
Các nhà khoa học đã nhận được sự hỗ trợ từ một dịch vụ mới của công ty Google.
Hệ thống GPS bao gồm nhiều vệ tinh nhỏ quay quanh trái đất. Các vệ tinh này phát tín hiệu bằng sóng vô tuyến, được bộ thu GPS tiếp nhận. Khi bộ thu nhận tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh, nó có thể tính toán được vị trí.
Tín hiệu bao gồm một thông điệp chứa mã xác định vị trí của vệ tinh và thời điểm chính xác tín hiệu được phát đi, tương tự như một tin nhắn văn bản được gửi từ vệ tinh.
Thay thế mã bằng sóng Chính đoạn mã này thường trở nên không chính xác khi tín hiệu bị dội qua lại giữa các tòa nhà trong thành phố. Vì vậy, giải pháp đầu tiên mà các nhà nghiên cứu tại đại học NTNU xem xét là loại bỏ hoàn toàn phần mã. Thay vào đó, họ sử dụng thông tin trực tiếp từ sóng vô tuyến.
Sóng đang truyền theo hướng lên hay xuống khi đến bộ thu? Đặc tính này được gọi là pha sóng mang (carrier phase).
Ông Mohamadi chia sẻ: “Việc chỉ sử dụng pha sóng mang có thể mang lại độ chính xác rất cao, nhưng lại mất thời gian, điều này không thực tế khi bộ thu đang di chuyển”.
Vấn đề là thiết bị phải đứng yên cho đến khi phép tính đạt độ tin cậy, không chỉ trong vài phần triệu giây, mà có thể kéo dài tới vài phút.
Tuy nhiên, vẫn còn những cách khác để cải thiện tín hiệu GPS. Khách hàng có thể sử dụng dịch vụ hiệu chỉnh tín hiệu thông qua các trạm gốc, được gọi là công nghệ định vị RTK (real-time kinematic) (*). (*) RTK: là công nghệ định vị có độ chính xác cao, hoạt động bằng cách sử dụng đồng thời hai nguồn dữ liệu: tín hiệu GPS từ vệ tinh và tín hiệu hiệu chỉnh từ một trạm gốc có vị trí cố định trên mặt đất. Trạm gốc biết chính xác vị trí trên mặt đất, nên có thể tính được sai số trong tín hiệu vệ tinh tại thời điểm đó và gửi thông tin hiệu chỉnh này đến thiết bị trên vật thể. Khi kết hợp tín hiệu từ vệ tinh và tín hiệu hiệu chỉnh trong thời gian thực, hệ thống có thể loại bỏ phần lớn sai số, giúp định vị chính xác hơn so với GPS thông thường.
Các trạm RTK hoạt động hiệu quả khi khách hàng ở gần một trong các trạm này. Tuy nhiên, giải pháp này chi phí khá cao và chủ yếu dành cho các khách hàng sử dụng chuyên nghiệp.
Một hướng tiếp cận khác là công nghệ định vị PPP-RTK (precise point positioning – real-time kinematic) (*), kết hợp các hiệu chỉnh chính xác với tín hiệu vệ tinh. Hiện nay, hệ thống vệ tinh Galileo của châu Âu đã hỗ trợ công nghệ này bằng cách phát các dữ liệu hiệu chỉnh miễn phí. (*) PPP-RTK: là một kỹ thuật định vị vệ tinh thế hệ mới. Thay vì phụ thuộc vào một trạm gốc địa phương như RTK, phương pháp này sử dụng dữ liệu rất chính xác về quỹ đạo vệ tinh và đồng hồ vệ tinh từ một mạng trạm đo toàn cầu. Trên nền dữ liệu này, hệ thống bổ sung các hiệu chỉnh nhanh để xử lý sai số của môi trường và tính toán các thông số của sóng. Sự kết hợp này mang lại khả năng định vị chính xác và phạm vi hoạt động rộng.
Và vẫn còn nhiều hỗ trợ hơn thế nữa.
Google và vấn đề “đi sai bên đường” Trong khi các nhà nghiên cứu tại thành phố Trondheim (Na Uy) đang tìm kiếm những giải pháp tối ưu hơn, công ty Google đã giới thiệu một dịch vụ mới dành cho người dùng hệ điều hành Android.
Hãy hình dung một du khách đang lên kế hoạch cho một kỳ nghỉ tại London. Họ mở ứng dụng Google maps trên máy tính bảng, nhập địa chỉ khách sạn và ngay lập tức có thể phóng to để quan sát không gian đường phố, mặt tiền khách sạn cũng như chiều cao của các tòa nhà xung quanh.
Hiện nay, công ty Google đã xây dựng các mô hình 3D của các tòa nhà tại gần 4.000 thành phố trên khắp thế giới. Công ty này đã sử dụng những mô hình này để dự đoán cách các tín hiệu vệ tinh bị phản xạ giữa các tòa nhà. Đây chính là cách công ty Google giải quyết hiện tượng khách hàng trông như đang đi ở “sai bên đường” khi sử dụng ứng dụng bản đồ, chẳng hạn lúc tìm đường quay về khách sạn.
Ông Mohamadi nói rằng: “Họ kết hợp dữ liệu từ các cảm biến, wi-fi, mạng di động và mô hình tòa nhà 3D để tạo ra các ước tính vị trí một cách ổn định, có khả năng chống sai số do hiện tượng phản xạ gây ra.”
Độ chính xác cao Các nhà nghiên cứu đã kết hợp tất cả những hệ thống hiệu chỉnh nói trên với các thuật toán do chính họ phát triển. Khi thử nghiệm trên các tuyến phố ở thành phố Trondheim, họ đạt được độ chính xác tốt hơn 10 cm trong 90% thời gian.
Kết quả lái thử nghiệm bằng xe tự động tại thành phố Trondheim, các nhà nghiên cứu của đại học NTNU đã sử dụng giải pháp có sự hỗ trợ của công nghệ định vị PPP-RTK. Các chấm màu xanh biểu thị các phép đo vị trí có độ chính xác tốt hơn 10 cm
Theo các nhà nghiên cứu, mức độ chính xác này đủ tin cậy để sử dụng trong môi trường đô thị.
Việc áp dụng công nghệ định vị PPP-RTK cũng giúp công nghệ này trở nên dễ tiếp cận hơn với công chúng, bởi đây là một dịch vụ có chi phí phù hợp.
Ông Mohamadi chia sẻ: “Công nghệ định vị PPP-RTK giúp giảm nhu cầu xây dựng mạng lưới dày đặc các trạm gốc địa phương và các gói thuê bao chi phí cao, từ đó cho phép triển khai quy mô lớn với chi phí thấp trên các bộ thu dành cho thị trường đại chúng”.
Để xem các tin bài khác về “GPS”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
