Nghiên cứu kỹ thuật cân bằng không gian thời gian cho các bộ thu gns

Trong các máy thu GNSS, việc sử dụng kỹ thuật cân bằng không gian – thời gian với hệ thống dẫn đường GALILEO nâng cao hiệu suất cũng như khả năng định vị nhanh chóng, chính xác tọa độ củ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn Thiên Tài

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT CÂN BẰNG KHÔNG GIAN – THỜI GIAN

CHO CÁC BỘ THU GNSS

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Kỹ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thúy Anh

Hà Nội – Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn của tôi đã giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện; tất cả số liệu, kết quả trong luận văn không phải là bản sao chép hoàn toàn từ bất kì bài báo, công trình nghiên cứu nào trước đó

Tôi xin chịu mọi trách nhiệm nội dung khoa học của công trình này

Hà Nội, tháng 9 năm 2014

LỜI MỞ ĐẦUGNSS – Global Navigation Satellite System, là tên gọi của các hệ thống

định vị dẫn đường sử dụng vệ tinh gồm có GPS – Global Positioning System, GLONASS – Global Orbiting Navigation Satellite System và hệ thống GALILEO mang tên nhà thiên văn học Galileo được chế tạo bởi liên minh châu Âu Ngoài ra

Ấn Độ và Trung Quốc cũng đang nghiên cứu và xây dựng hệt thống GNSS cho riêng mình

Trong các máy thu GNSS, việc sử dụng kỹ thuật cân bằng không gian – thời gian với hệ thống dẫn đường GALILEO nâng cao hiệu suất cũng như khả năng định

vị nhanh chóng, chính xác tọa độ của đối tượng

Dưới sự hướng dẫn nhiêt tình của thầy PGS.TS.Nguyễn Hữu Trung và côPGS.TS.Nguyễn Thúy Anh, em đã có điều kiện tìm hiểu được nhiều điều trong vấn

đề xử lý tín hiệu sóng mang nhị phân BOC (Binary Offset Carrier) sử được dụng trong hệ thống định vị GNSS Do khuôn khổ của bài viết cũng như những hạn chế

về kiến thức nên không tránh khỏi những nhầm lẫn và thiếu sót Vì vậy, em mong muốn sẽ nhận được những đóng góp thêm để hoàn thiện hơn kiến thức của mình.Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy và cô đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này!

Hà Nội, tháng 9 năm 2014

Nguyễn Thiên Tài

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI MỞ ĐẦU 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8

Chương I: TỔNG QUAN XỬ LÝ TÍN HIỆU KHÔNG GIAN - THỜI GIAN TRONG CÁC HỆ THỐNG GNSS 10

1 Tổng quan GNSS 10

2 Xử lý không gian – thời gian các tín hiệu GNSS 12

3 Mục tiêu của luận văn 14

3.1 Xử lý tín hiệu miền thời gian 14

3.2 Xử lý miền không gian 15

3.3 Xử lý kết hợp không gian – thời gian 16

4 Kết luận 17

Chương II: TÍN HIỆU BOC VÀ PHƯƠNG PHÁP BÁM 18

1 Tín hiệu và mô hình hệ thống 18

2 Bám tín hiệu GNSS 19

2.1 PLL/FLL 21

2.2 DLL 22

2.3 Xử lý tương quan 23

3 Tín hiệu BOC 23

3.1 Cấu trúc tín hiệu 23

3.2 Đặc điểm tín hiệu 24

3.3 Tín hiệu Galileo 25

4 Bám tín hiệu BOC 29

4.1 Biểu diễn tích chập 29

4.2 Biểu diễn phép nhân 30

4.3 BJ 34

4.4 Ước lượng kép 36

4.5 Kỹ thuật tiền lọc 37

5 Kỹ thuật phân tích vòng lặp theo dõi 38

6 Kết luận 40

Chương III: XỬ LÝ TÍN HIỆU GNSS MIỀN THỜI GIAN 41

1 Xử lý tín hiệu BOC miền thời gian 41

2 Bộ lọc sơ cấp 43

3 MMSE và ZF 47

4 Xử lý tín hiệu miền thời gian 51

5 Theo dõi độc lập trễ và pha 53

6 Phân tích đặc tính 54

6.1 Cơ sở lý thuyết 54

6.2 Phân tích tính toán 55

7 Kết luận 56

Chương IV: XỬ LÝ TÍN HIỆU GNSS MIỀN KHÔNG GIAN 56

1 Giới thiệu về anten 57

2 Mảng anten 60

3 Hiệu chuẩn mảng anten 65

4 Mô hình tín hiệu 66

4.1 Mô hình tương hỗ 68

4.2 Xử lý tương quan 69

5 Phép chiếu dựa trên phương pháp hiệu chuẩn 72

6 Kết luận 75

Chương V: XỬ LÝ KHÔNG GIAN – THỜI GIAN 76

1 Xử lý không gian - thời gian 76

2 Kỹ thuật STAP 77

2.1 MSE 78

2.2 Maximmum SNR 81

2.3 ML 81

2.4 MV 82

3 STAP cho tín hiệu GNSS 84

4 STAP cho tín hiệu BOC 86

5 Kết luận 89

Chương VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

1 Xử lý miền thời gian 90

2 Xử lý miền không gian 91

3 Xử lý kết hợp không gian – thời gian 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2 1: Cấu trúc vòng lặp bám tín hiệu GNSS cơ bản 20

Hình 2 2: Sơ đồ khối của vòng lặp mã và theo dõi sóng mang 21

Hình 2 3: Cấu trúc tín hiệu BOC và các thành phần của nó 24

Hình 2 4:Hàm tự tương quan và phổ năng lượng của tín hiệu BPSK, BOC 25 Hình 2 5: Phân bố tần số Galileo và GPS được đưa ra vào năm 2008 27

Hình 2 6:Tín hiệu ACFs và PSDs của Galileo E1, E6 29

Hình 2 7: Dạng của mã đo khoảng cách, c(t) 30

Hình 2 8: Biểu diễn nhân của mã đo khoảng cách, c(t) 32

Hình 2 9: S-curve của tín hiệu điều chế BPSK và BOC (1, 1) cho bộ tách sóng với ds= 0.2 chips 33

Hình 2 10: Cấu trúc theo dõi BJ 34

Hình 2 11: Sự sắp xếp của đầu ra bộ tương quan VE và VL trong tín hiệu BOCs(1,1) cho giải quyết logic BJ 35

Hình 2 12: Cấu trúc theo dõi ước lượng kép 36

Hình 2 13: Cấu trúc của mã và trễ sóng mang con BOC(1, 1) ACF 37

Hình 2 14: Cấu trúc theo dõi tiền lọc 38

Hình 2 15: Mô hình bán phân tích của vòng lặp theo dõi mã GNSS 40

Hình 3 1: Kỹ thuật DE khai thác dạng tích của tín hiệu, kỹ thuật lọc sơ cấp lại khai thác dạng tích chập của tín hiệu 42

Hình 3 2: Sơ đồ khối bộ lọc sơ cấp, bộ lọc U(f) dùng để lọc tín hiệu tới và V(f) để lọc tín hiệu trong mạch 44

Hình 3 3: ACF sau khi sử dụng bộ lọc pha đối xứng ứng với các giá trị C/N0 khác nhau 46

Hình 3 4: ACF khi sử dụng MMSES và khi không sử dụng MMSES của tín hiệu BOC(1, 1) 49

Hình 3 5: ACF của tín hiệu BOCc(10, 5) và BOCc(15, 2.5) trước và sau khi sử

dụng MMSES với cùng một tín hiệu vào và C/N0= 40dB-Hz 50

Hình 3 6: Ảnh hưởng của bộ lọc sơ cấp lên tín hiệu và phổ tín hiệu 52

Hình 3 7: Cấu trúc bắt bám độc lập mã và sóng mang 53

Hình 3 8: Ước lượng tỉ số C/N0thu được qua lọc và không lọc 54

Hình 4 1: Mô hình bức xạ anten với các thông số chính của nó 57

Hình 4 2: Phân loại anten dựa trên mô hình bức xạ 59

Hình 4 3: Các dạng khác nhau của cấu trúc mảng anten 60

Hình 4 4: Mô hình mô tả mảng anten nhận tín hiệu đơn từ nguồn tại góc nâng và mặt phẳng phương vị 61

Hình 4 5: Sơ đồ khối biểu diễn hoạt động cơ bản khi tạo chùm tia 62

Hình 4 6: Sự so sánh của mô hình mảng với các số lượng M các phần tử mảng anten khác nhau 63

Hình 4 7: So sánh của mô hình mảng với không gian anten khác nhau cho cấu trúc mảng tuyến tính, M = 8 64

Hình 4 8: Mô hình chùm tia của mảng anten so sánh với anten đơn với sự có mặt của nhiễu 65

Hình 4 9: Mảng anten 2 thành phần với hệ số liên kết tương hỗ 68

Hình 4 10: Cấu trúc theo dõi tín hiệu GNSS cho xử lý đa anten 72

Hình 5 1: Sơ đồ các khối của xử lý không gian – thời gian 77

Hình 5 2: Biểu diễn các kỹ thuật xử lý không gian – thời gian khác nhau 78

Hình 5 3: Đồ thị hệ số của mảng với hàm của việc lưu nhanh sử dụng trong xử lý mảng thích nghi cho giảm thiểu nhiễu sử dụng mảng tuyến tính 6 phần tử 80

Hình 5 4: Xử lý mảng thích nghi giảm thiểu sự xuất hiện của hai tín hiệu gây nhiễu từ các hướng khác nhau sử dụng thuật toán LMS 80

Hình 5 5: Hiệu suất của việc tạo chùm tia MVDR khi có và không có nhiễu (mảng 9 phần tử) 83

Hình 5 6:Hệ số của mảng sau khi ứng dụng tạo chùm tia trong nguồn gây nhiễu tại DOA 800, -600và -400và DOA mong muốn tại 200(mảng 9 phần tử) 83

Hình 5 7: STAP Pre và Post-correlation được sử dụng trong các tín hiệu GNSS 85Hình 5 8: Cấu trúc xử lý thích nghi không gian – thời gian cho theo dõi tín hiệu BOC 87Hình 5 9: Mô hình mảng anten với 4 phần tử được tính toán sử dụng việc tạo chùm tia MVDR trong điều kiện không có nhiễu 89Hình 5 10: Mô hình chùm tia cho mảng 4 phần tử tuyến tính được tính toán sửdụng việc tạo chùm tia MVDR với nguồn nhiễu đơn và đôi 89

DE : Thuật toán ước lượng kép

DOA : Hướng của tia tới

FLL : Vòng lặp khóa tần số

FT : Biến đổi Fourier

GNSS : Hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầuGPS : Hệ thống định vị toàn cầu

IF : Tần số trung gian

IFT : Biến đổi Fourier ngược

ISI : Inter Symbol Interference

LNA : Bộ khuếch đại tạp âm thấp

PRN : Nhiễu giả ngẫu nhiên

PRS : Chuỗi giả ngẫu nhiên

PSD : Mật độ phổ năng lượng

RF : Tần số vô tuyến

SLL : Vòng lặp khóa sóng mang phụ

SNR : Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

STAP : Xử lý tương thích không gian – thời gian

SV : Satellite Vehicle

VE : Very Early

VL : Very Late

ZFS : Zero-Force Shaping

Chương I: TỔNG QUAN XỬ LÝ TÍN HIỆU KHÔNG GIAN

-THỜI GIAN TRONG CÁC HỆ THỐNG GNSS

1 Tổng quan GNSS

GNSS được cấu thành như một chòm sao của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí

đó GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờmột ngày Mỹ là nước đầu tiên phóng lên và đưa vào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đường này Mỹ đặt tên cho hệ thống này là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), ban đầu là để dùng riêng cho quân sự, về sau mởrộng ra sử dụng cho dân sự trên phạm vi toàn cầu, bất kể quốc tịch và miễn phí.Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho 3 hệ thống định vị dẫn dường sửdụng vệ tinh là GPS (Global Positioning System) do Mỹ chế tạo và hoạt động từnăm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chếtạo và hoạt động từ năm 1995, và hệ thống GALILEO mang tên nhà thiên văn học GALILEO do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo và dự kiến được đưa vào sử dụng trong năm 2010 Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản là giống nhau Trung Quốc cho biết cũng đang thực hiện để có

hệ GNSS của Trung Quốc Ấn Độ cũng công bố xây dựng hệ GNSS của mình có tên là IRNSS

- Phần điều khiển: để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng nhưhiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh Có các trạm quan sát trên mặt đất,

chia thành trạm trung tâm và trạm con Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thểđảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào.

- Phần người sử dụng và thiết bị thu vệ tinh: là khu vực có phủ sóng màngười sử dụng cần có ăng ten và máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển Để có thể thu được vị trí, ởphần người sử dụng cần có ăng ten và máy thu GNSS

Cơ chế hoạt động của hệ thống GNSS:

Các vệ tinh GNSS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất Các máy thu GNSS nhận thông tin này và bằng các phép tính lượng giác, có thể tính được vị trícủa người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử Máy thu GNSS phải bắt được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Với bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu cóthể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đãtính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn và nhiều thông tin khác nữa

Một số ứng dụng của GNSS

GNSS được sử dụng cho vô số các ứng dụng khác nhau Ngày nay rất dễdàng nhận thấy sự hiện diện của GNSS trong mọi mặt của đời sống Kết hợp giữa công nghệ thông tin, hệ thống bản đồ số và thiết bị định vị vệ tinh đã tạo thành một

hệ thống dẫn đường lý tưởng

- Trong lĩnh vực hàng không, 100% các máy bay thương mại và quân sự sử dụng

hệ thống dẫn đường tự động bằng GNSS

- Trong giao thông, hệ thống giám sát dẫn đường và điều khiển giao thông cũng

đã khai thác tuyệt đối thế mạnh của GNSS, lấy ví dụ các hệ thống định vị dẫn được thương mại hóa như Vietmap, Sygic,

- Trong ngành đo đạc bản đồ, sự xuất hiện của GNSS đã thay đổi hoàn toàn phương pháp đo đạc truyền thống, không phụ thuộc vào thời tiết, không bị giới hạn bởi khoảng cách, giảm tối đa yêu cầu về nhân lực lao động

- Với công nghệ GNSS, người sử dụng có được thông tin vị trí hiện tại, hướng di chuyển, độ cao hiện thời

- Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lý tưởng và công tác tìm kiếm, cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ có hiệu quảhơn nhờ độ chính xác cao trong việc dẫn đường

- Ứng dụng chủ yếu của GNSS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị

và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa

- Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên

bộ

- Một ứng dụng nữa của GNSS chính là việc quản lý bảo tồn thú hoang dã bằng cách gắn lên chúng những con chip đã tích hợp GNSS Tất cả hoạt động của chúng sẽ được kiểm soát chặt chẽ Việt Nam cũng đang tiến hành thử nghiệm để

áp dụng vào việc quản lý đàn sếu đầu đỏ ở miền Tây…

2 Xử lý không gian – thời gian các tín hiệu GNSS

Các hệ thống GNSS hiện đại như GPS, GLONASS, GALIEO hay COMPASS quảng bá tín hiệu được tăng cường thuộc tính tương quan so với các tín hiệu GPS ở thế hệ đầu tiên Các tín hiệu này cung cấp thông tin về vị trí chính xác

và tin cậy hơn so với tín hiệu GPS truyền thống nhờ mô hình điều chế mới Tín hiệu GNSS mới này cung cải thiện độ phân giải thời gian, kết quả đo chính xác hơn nhờlợi thế xử lý linh hoạt hiệu ứng đa đường và hiện tượng giao thoa tần số Một trong các loại điều chế đó là Binary-Offset-Carrier (BOC) được đưa ra bởi Galileo năm 1999

Việc theo dõi các tín hiệu GNSS mới có thể bị sai lệch do sự xuất hiện củanhiều đỉnh tương quan, và các thuật toán khác nhau đã được phát triển nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của đỉnh thứ cấp có thể gây ra các kết quả không rõ ràng Tuy nhiên, các thuật toán theo dõi này đã hạn chế một số dạng tín hiệu GNSS mới đã biết Do đó, cần phát triển các thuật toán áp dụng đối với các tín hiệu điều chế BOC Mỗi kỹ thuật đều có ưu điểm và nhược điểm riêng của nó Phương pháp được đềxuất trong Fine & Wilson 1999 phù hợp với tín hiệu C/N0cao/trung bình và có xu hướng làm giảm hiệu suất C/N0 Trong khi đó, kỹ thuật được đề xuất trong Hodgart

et al 2008 luôn luôn đảm bảo theo dõi đỉnh chính, nó bị hạn chế trong việc giảm tác động đa đường Kỹ thuật lọc như trong đề xuất Yang wt al 2006 có thể dẫn đến khuếch đại nhiễu Cụ thể hơn, để cân bằng phổ tín hiệu BOC cần phải bù vào các điểm không của nó, đây là các điểm kì dị trong chức năng chuyển đổi bộ lọc Những điểm kì dị này là nguyên nhân chính trong việc tạo ra sự khuếch đại nhiễu Các kỹ thuật tiền lọc được đề xuất trong luận văn có thể coi là phần mở rộng của thuật toán Bộ lọc Mis-Match (MMF) hoạt động dựa trên thời gian của tín hiệu đầu vào trong khi thuật toán làm sạch làm việc chủ yếu dựa vào tần số nhằm thu được chuỗi hoặc phổ mong muốn Trong kỹ thuật này, một cấu trúc tín hiệu khác đã được xem xét và phổ của tín hiệu thu được đã được định hình cho việc loại bỏ ISI Ta sẽkhông xem xét vấn đề của các đỉnh tương quan thứ cấp Vấn đề khuếch đại nhiễu của các kỹ thuật tiền lọc và những sự giới hạn của MMF và các thuật toán làm sạch

sẽ giúp thúc đẩy nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật tiền lọc mới

Việc sử dụng nhiều anten (Balanis & Ioannides 2007) đã được chứng minh

có thể cải tiến các bộ thu thông tin Các kỹ thuật định hình chùm tia cho các tín hiệu GNSS được nhắc đến ở phần trước đã được phát triển dựa trên việc mô phỏng các ý tưởng; pha và việc gia tăng những sự điều chỉnh không phù hợp giữa các anten khác nhau đã được bỏ qua cùng với các khớp nối chung hay các ảnh hưởng do những chênh lệch đã được bù bằng việc sử dụng các anten chuẩn hoặc các tín hiệu

bổ sung chuẩn Để tận dụng tối đa lợi thế của hệ thống mảng anten, kỹ thuật điều chỉnh cần thực hiện bù trừ các hiện tượng nêu trên Các thuật toán điều chỉnh trước

đó đòi hỏi thông tin về mảng hoặc một anten chuẩn đã biết hệ số tăng ích và kiểu pha mà không có sẵn trong thực tế.

3 Mục tiêu của luận văn

Mục tiêu chính của luận văn bao gồm 3 phần: xử lý thời gian, xử lý không gian và xử lý không gian – thời gian Với xử lý thời gian, mục tiêu chính là việc nghiên cứu các kỹ thuật tiền lọc mới nhằm cung cấp khả năng định vị rõ ràng, làm giảm vấn đề về sự khuếch đại của nhiễu ảnh hưởng đến các thuật toán lọc hiện có Thêm vào đó, luận văn hướng đến mục tiêu hoàn thành các kỹ thuật theo dõi BOC Với xử lý không gian, sự phát triển của kỹ thuật điều chỉnh khép kín được xem là quan trọng hàng đầu vì nó cần thiết cho sự hoạt động của bất kỳ bộ xử lý không gian nào Sự giới hạn của các kỹ thuật điều chỉnh trước được phân tích và khắc phục bằng cách khai thác các tính chất của tín hiệu GNSS

Và cuối cùng, là việc nghiên cứu các thuật toán không gian – thời gian cho tín hiệu BOC góp phần quan trọng đặc biệt trong việc khai thác tối đa tiềm năng của

xử lý mảng

3.1 Xử lý tín hiệu miền thời gian

Hiệu quả của các kênh truyền thông thường được bù đắp bằng việc áp dụng các kỹ thuật cân bằng Những kỹ thuật lọc các tín hiệu đầu vào giúp tín hiệu đầu ra

có được các đặc tính mong muốn Tất cả các kỹ thuật lọc dựa trên việc thay đổi quang phổ của một tín hiệu Đối với tín hiệu BOC, ảnh hưởng của sóng mang phụ

có thể hiểu như là một kênh truyền có chọn lọc, làm biến dạng các tín hiệu có ích Như vậy, đầu vào của tín hiệu BOC có thể được lọc để tái sản xuất một phổ BPSK giống với hàm tự tương quan để làm giảm thiểu tác động của sóng mang phụ Ngoài

ra, việc lọc cũng được áp dụng nhằm cải thiện hiệu suất của các vòng mã nhằm giảm thiểu các tác động đa đường

Bộ cân bằng ZF và MMSE được phát triển và kiểm nghiệm cho khả năng làm cân bằng sóng mang và giảm thiểu tác động đa đường Các bộ cân bằng định hướng tín hiệu BOC ACF nhằm cung cấp một ACF rõ ràng và do đó được gọi là ZFS và

MMSES MMSES được đề xuất thiết kế dựa trên việc ước tính giá trị C/N0được sửdụng để có được các thông số bộ lọc Giảm thiểu tác động đa đường cũng được thực hiện bằng việc tăng độ rộng hàm tương quan của bộ lọc tín hiệu.

Liên kết không ổn định trong bất kỳ một vòng lặp theo dõi nào được biết đến như một vòng lặp chặn pha/tần số của sóng Bộ lọc tín hiệu khu vực/tín hiệu đến làm ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của vòng lặp chặn sóng mang, điều này khiến

nó trở nên cần thiết để giúp giảm thiểu các ảnh hưởng đến hiệu suất vòng lặp sóng mang trong các bộ lọc Do đó, cấu trúc một vòng lặp theo dõi sửa đổi được xem xét tại vị trí đầu ra của bộ tương quan không lọc được sử dụng Các thế hệ mã của bộtương quan không lọc được phát triển bởi sự đánh giá trễ bằng kỹ thuật tiền lọc Kỹthuật này đảm bảo sự đánh giá không sai lệch giá trị C/N0

Các bộ cân bằng được đề xuất đầu tiên trong miền tần số dẫn đến một khối lượng tính toán cao Việc thực hiện trên miền thời gian cho phép sử dụng các kỹthuật lọc theo thời gian trong các ứng dụng thời gian thật đã được thử sau đó

Các thuật toán đã đề xuất được xem xét kỹ lưỡng và so sánh với các kỹ thuật theo dõi BOC hiện đang sử dụng kỹ thuật bán phân tích để tiếp cận Cách tiếp cận này được hiểu là việc phân tích hiệu suất vòng theo dõi trong bộ lọc theo dõi, mức theo dõi, MTLL (Mean Time to Lose Lock), tập hợp các phân tích và MEE (Multipath Error Envelope)

3.2 Xử lý miền không gian

Tín hiệu GNSS được đánh giá cao trong các môi trường khắc nghiệt như các hẻm núi, trong đô thị, trong nhà hay dưới tán cây Sự xuất hiện của một số tác động

đa đường gây khó khăn cho việc xử lý những tín hiệu yếu này Điều này cũng đúng đối với trường hợp của tín hiệu GNSS mới Trong môi trường như vậy, chỉ một anten duy nhất với một hướng bức xạ cố định trở nên không thích hợp cho việc xử

lý các tín hiệu yếu Việc tạo ra chùm tia là một phương pháp lọc không gian hiệu quả và linh hoạt với nhiều anten khác nhau để nâng cao chất lượng tín hiệu cũng như làm giảm tác động của tia đa đường

Tạo ra chùm tia là một quá trình mà dữ liệu đầu vào từ nhiều anten được kết hợp để sản xuất một chùm tia đơn tương đương và lái về phía góc tín hiệu đến Tín hiệu từ nhiều anten có thể được kết hợp để điều khiển các chùm tia bằng điện tử, điều này được cố định cho hầu hết các anten GNSS Nó có xu hướng làm khuếch đại tín hiệu tại những hướng tới đã xác định Quá trình này tạo ra sự suy yếu đa đường và các tín hiệu can thiệp Mô hình chùm tia của một mảng anten có thể được điều khiển bằng điện tử để duy trì mức biên độ lớn nhất với góc tới mong muốn bằng cách kết hợp các tín hiệu từ nhiều anten.

Một thuật toán điều chỉnh khép kín được phát triển, kỹ thuật này dựa trên việc tín hiệu GNSS phát ra vị trí của nguồn tin Điều này giúp phát triển một thuật toán điều chỉnh mới, không cần thêm các tín hiệu tham khảo

Việc tạo chùm tia được thực hiện trước và sau điều chỉnh để cho ra kết quảcủa thuật toán điều chỉnh đã được phát triển

Kỹ thuật điều chỉnh được kiểm tra với các cấu trúc của các anten khác nhau bao gồm các mảng tuyến tính và phẳng

3.3 Xử lý kết hợp không gian – thời gian

Kỹ thuật xử lý không gian – thời gian kết hợp các lợi ích của việc xử lý không gian và thời gian để nâng cao hiệu suất của hệ thống Như đã đề cập trước

đó, xử lý thời gian có thể được sử dụng để giảm thiểu những ảnh hưởng của kênh truyền thông là nguyên nhân gây méo tín hiệu thông qua việc hiệu chỉnh Trong xử

lý không gian, lọc không gian có thể được sử dụng để giảm thiểu các tác động của các thành phần đa đường và các thành phần nhiễu can thiệp cùng với việc làm tăng tối đa các tín hiệu có ích Do đó trong luận văn này, hai kỹ thuật trên được kết hợp

và thuật toán không gian – thời gian có khả năng cung cấp một tín hiệu sóng mang phụ không bị biến dạng, hạn chế tác động đa đường và nhiễu cùng với việc tăng cường SNR

Thuật toán xử lý không gian – thời gian đã được sử dụng rộng rãi trong truyền thông di động, đặc biệt là tại các trạm cơ sở và đã được chứng minh là mang lại lợi ích về cải tiến chất lượng tín hiệu và cải tiến trong các môi trường fading đa

đường Chính vì vậy, kỹ thuật này đã được đưa vào áp dụng để xử lý tín hiệu GNSS Ở đây, thuật toán lọc STAP (Space – Time Adaptive Processing) đã được sửdụng để tối ưu hóa SNR trong khi đồng thời đo đạc các hệ thống để vô hiệu hóa những ảnh hưởng bị gây ra bởi sai số của anten Với các tín hiệu GNSS mới, đã có nhiều nghiên cứu để sử dụng mảng anten để xử lý tín hiệu BOC Một dãy hệ thống

xử lý GNSS nguyên bản đã được phát triển nhằm xử lý tín hiệu Galileo để tăng khảnăng thu tín hiệu và giảm thiểu nhiễu Kết quả ban đầu của việc tạo ra chùm tia và cải thiện khả năng thu tín hiệu được làm rõ khi sử dụng các tín hiệu GPS Phương pháp mảng anten sử dụng cách tiếp cận hợp lý giúp đồng bộ hóa các mảng anten nhằm xử lý tín hiệu BOC

4 Kết luận

Kỹ thuật không gian – thời gian bằng việc kết hợp của xử lý trong miền không gian và thời gian để cho ra được chất lượng tín hiệu tốt hơn so với chỉ một anten và một bộ xử lý thời gian duy nhất Những hạn chế trong việc nghiên cứu xử

lý không gian – thời gian cho các tín hiệu GNSS mới mở ra cơ hội để tiếp tục tìm hiểu những lợi ích của việc xử lý không gian – thời gian để điều chế các tín hiệu theo dõi BOC Kỹ thuật xử lý kết hợp không gian – thời gian dựa trên MMSES trong miền thời gian và định dạng chùm tia trong miền không gian dựa trên tiêu chí sai số tối thiểu được đề xuất

Lợi thế của kết hợp không gian – thời gian là việc kết hợp nghiên cứu và kỹ thuật tổng hợp không gian – thời gian được thiết kế với hiệu suất cao hơn kể cả trong điều kiện tín hiệu xấu

Chương II: TÍN HIỆU BOC VÀ PHƯƠNG PHÁP BÁM

BOC là một kỹ thuật điều chế sử dụng có chu kỳ một loại sóng vuông nhằm thay đổi thuộc tính quang phổ của một tín hiệu GNSS Cụ thể hơn, mỗi chip của một chuỗi GNSS PRN được nhân với một sóng vuông có tốc độ lặp lại khác với tốc

độ mã Ở đây, chip được sử dụng để chỉ khoảng thời gian cơ bản mà tại đó chuỗi PRN giả định một giá trị không đổi {±1} Sự lặp lại định kỳ của sóng vuông thường được ký hiệu là sóng mang và nó là một trong những tính năng chính giúp phân biệt BOC từ các tín hiệu BPSK Sóng vuông BOC thu được là tín hiệu hình sin và đã được xử dụng trong tín hiệu Galileo của châu Âu Trong chương này, tín hiệu và mô hình hệ thống được nghiên cứu cùng với việc bám tín hiệu GNSS tiêu chuẩn Tiếp theo là mô tả ngắn gọn việc bám tín hiệu BOC và phân tích hiệu suất dựa trên sốliệu thu được

1 Tín hiệu và mô hình hệ thống

y(t) = x(t) + η(t)

= Ad(t – τ 0 )c(t – τ 0 )exp{jθ 0 (t)} + η(t)

(2.1) Trong đó :

 A là biên độ của tín hiệu thu được,

 d(.) là bản tin định vị,

 c(.) là chuỗi đo khoảng cách, được sử dụng để truyền dữ liệu đi,

 τ 0 là mô hình trễ được tạo ra bởi kênh truyền trong khi θ 0 (t) = 2πf D t +  0 (t)

là pha biến đổi theo thời gian để giải thích cho tần số còn lại, f D, và pha,

0 (t), không được phục hồi trước máy thu Ở đây, θ 0 (t) là sự biến đổi về pha

do tác động tương đối giữa máy thu và vệ tinh,

 η(t) là một quá trình ngẫu nhiên Gaussian có đặc tính quang phổ phụ thuộc

vào bộ lọc và trình tự biến đổi xuống được áp dụng tại mức front-end

Trong công thức (2.1), giả thiết rằng xuất hiện một tín hiệu đơn hữu ích Mặc dù

có một số tín hiệu từ các vệ tinh khác đưa vào anten, máy thu GNSS vẫn có thể xử

lý độc lập mỗi tín hiệu nhận được Mã đo khoảng cách, c(t) được tạo ra bởi các thành phần bao gồm chuỗi lan truyền thứ cấp, một mã vệ tinh hoặc mã bao phủ vàsóng mang Sự kết hợp của chuỗi thứ cấp và mã bao phủ được kỹ hiệu là p(t) vàđược gọi là chuỗi giả ngẫu nhiên (PRS) Mã đo khoảng cách được biểu diễn bởi công thức

Trong đó : s b (.) là sóng mang với khoảng thời gian T c

Công thức (2.2) có thể giải thích theo nhiều cách khác nhau dẫn đến sự biểu diễn

các tín hiệu khác nhau Xét trường hợp các tín hiệu BPSK còn lại, s b(.) là một

xung hình chữ nhật với chiều rộng T c Sóng mang cho tín hiệu BOC có dạng khác nhau phụ thuộc vào sóng vuông

2 Bám tín hiệu GNSS

Thu các tín hiệu GNSS trong nhiễu cần thực hiện một số phương pháp để có thể

lấy được các thông số của tín hiệu gồm delay code (τ 0), pha sóng (0) và tần số

(f D) Việc dò sóng là bước đầu tiên và là bước đòi hỏi khắt khe nhất được thực hiện bởi một máy thu GNSS để phát hiện ra một sóng hữu ích và ước lượng giá trị

của τ 0 và f D Theo dõi đề cập đến quá trình tính toán chính xác các thông số tín hiệu theo thời gian và theo dõi các biến đổi của tín hiệu Một cấu trúc cấp cao của vòng lặp theo dõi GNSS chuẩn được thể hiện trong hình 2-1 Đầu vào của cấu trúc theo dõi là tín hiệu IF thu được từ phần đầu của máy thu

Hình 2 1: Cấu trúc vòng lặp bám tín hiệu GNSS cơ bản

Đầu tiên, tín hiệu IF được đưa về dải tần cơ bản sử dụng một hàm sinh của sóng Mã trải phổ được làm sạch bởi hàm sinh của mã cục bộ Tín hiệu thu được

sau khi chuyển và việc loại bỏ mã được tích phân trên T igiây và một đầu ra tương quan duy nhất được tạo ra Một số bộ tương quan cho những độ trễ khác nhau đối với các mã nội bộ cũng có thể được tính toán cho ra tín hiệu lỗi được sử dụng đểđiều khiển mã và các vòng lặp sóng để liên tục theo dõi các biến đổi của tín hiệu đến Hàm sinh của sóng mang được truyền bởi sự ước lượng pha sóng mang từvòng lặp theo dõi sóng mang trong khi hàm sinh của mã đo khoảng cách được truyền bởi sự ước lượng độ trễ của mã từ vòng lặp theo dõi mã Sơ đồ khối chi tiết của cấu trúc theo dõi chuẩn gồm có hai vòng lặp theo dõi hoạt động đồng bộ đểtheo dõi độ trễ của mã tín hiệu đến và pha sóng mang, được thể hiện trên hình 2.1 Các vòng theo dõi được xác định bởi số lượng đang theo dõi, độ trễ của vòng lặp

mã theo dõi được gọi là DLL, pha của vòng sóng mang theo dõi còn lại được gọi

là PLL và tần số Doppler của vòng theo dõi được gọi là FLL Cả DLL và FLL/PLL hoạt động chung cho mục đích theo dõi tín hiệu GNSS Trong phần sau đây sẽ mô tả hoạt động của DLL và PLL/FLL trong việc theo dõi tín hiệu GNSS

2.1 PLL/FLL

Sóng mang theo dõi chuẩn bao gồm FLL hoặc PLL hoặc FLL có mặt PLL FLL/PLL luôn được cố gắng làm giảm tối thiểu tần số thừa/pha của tín hiệu được theo dõi Các hoạt động tuần tự được thực hiện bởi FLL/PLL được thể hiện như sau:

- Sóng mang NCO sinh ra hai dạng của sóng mang nội bộ với góc pha được quay 900để tạo ra các thành phần pha (I) và pha cầu phương (Q) được biểu diễn trong hình 2-2

Hình 2 2: Sơ đồ khối của vòng lặp mã và theo dõi sóng mang

- Tín hiệu đến được nhân với mã Prompt (p1, bản dịch nội bộ của đoạn

mã đến) để làm sạch đoạn mã và được làm tương quan với các thành phần I và

Q của sóng mang nội bộ và được lấy tích phân trên yêu cầu thời gian lấy tích phân để giả bớt ảnh hưởng của nhiễu và nâng cao chất lượng tín hiệu Từ một

đầu ra tương quan duy nhất được sản xuất, mỗi T i giây, bộ phận lấy tích phân

thường được gọi là I&D (Integrate & Dump) Đầu ra từ khối I&D là giá trị hàm

tương quan phức tạp được gọi là bộ tương quan Prompt, P = P I + jP Q

- Đầu ra I&D được chuyển tới một bộ tách sóng mang mà ước tính sai

số tần số sóng mang/pha sử dụng đầu ra từ bộ tương quan Prompt Các bộ tách sóng khác nhau được sử dụng để cung cấp cho một ánh xạ từ đầu ra của bộtương quan đến sai số tần số/pha

- Sai số tần số/pha được coi như là đầu vào cho các bộ lọc vòng đểcung cấp các đánh giá có chất lượng tốt hơn cho tỷ lệ tần số/pha và được chuyển đến sóng mang NCO cho các thế hệ sóng mang nội bộ Đối với FLL, NCO bao gồm khối bổ sung để lấy tích phân đánh giá tần số từ bộ lọc để cung cấp cho giá trị tỷ số pha

2.2 DLL

Trong DLL, các hoạt động tương tự như FLL/PLL được biểu diễn với sựkhác nhau cơ bản trong bộ tách sóng Các bước tiếp theo trong DLL như sau:

- Mã NCO tạo ra ba dạng của mã nội bộ

 Mã Early (e1) được tăng lên với việc chú trọng vào thời điểm hiện tại bởi

d s /2 chip với d slà early-minus-late chip spacing

 Mã Prompt (p1) được tạo ra với việc chú trọng vào current time instant

 Mã Late (l1) được làm trễ đi với việc chú trọng vào chú trọng vào thời điểm

hiện hành bởi d s /2 chip được thể hiện trong hình 2.2.

- Tín hiệu tới được nhân với 2 thành phần I và Q của sóng mang nội bộ đểlàm sạch và được làm tương quan với e1, p1, l1; lấy tích phân trên khoảng thời gian mong muốn để làm giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu và làm tăng chất lượng tín hiệu

các đầu ra từ I&D là các giá trị của bộ tương quan được gọi là Early, E = E 1 + jE Q,

Prompt, P = P 1 + jP Q , và Late, L = L 1 + jL Q Với các kỹ thuật theo dõi tiên tiến (Fine & Wilson 1999, McGraw & Braasch 1999), số các đầu ra của bộ tương quan cần thiết có thể lớn hơn ba

- Các kết quả đầu ra của I&D được đưa vào bộ tách sóng để đánh giá sai số

do trễ của mã, sử dụng các đầu ra của bộ tương quan E, P và L Các bộ tách sóng

khác nhau (Kaplan & Hegarty 2006) được ứng dụng nhằm cung cấp khả năng ánh

xạ từ đầu ra của bộ tương quan đến sai số do trễ của mã

- Sai số do trễ của mã được truyền qua một bộ lọc để thu được chất lượng tốt hơn, điều này được đánh giá bởi tỷ lệ mã và được đưa vào mã NCO để tạo ra mã nội bộ

2.3 Xử lý tương quan

Mô hình tín hiệu nội bộ thu được bằng cách tạo ra một sóng mang phức tạp, sóng mang này được sử dụng để bù lại ảnh hưởng của pha tín hiệu, 0 t , và một

mã đo khoảng cách nội bộ c l (t) = c(t) được sử dụng cho việc bù lại ảnh hưởng của

trễ, τ, được làm tương quan với tín hiệu đến, y(t) Đầu ra của bộ tương quan tại bước

xử lý k th , q k , cho một sự chậm trễ cho mã, τ, và pha sóng mang, θ, có thể được biểu

được mô tả bởi hai tham số BOC(m,n) với m là tần số sóng mang con, f s = mf 0 , và n

là tần số PRS, f c = nf 0 (nghịch đảo của f c xác định một khoảng thời gian một chip

của chuỗi lan rộng) f 0 là tần số tham chiếu, f 0 = 1.023 MHz Sự tạo thành sóng

mang con hình vuông, s b (t), có thể được biễu diễn như sau

Trong hình 2.3, cấu trúc tín hiệu BOCs và BOCc được làm rõ hơn Trong

trường hợp này, tín hiệu BOC (1, 1) được xem xét tại f s = f c

Hình 2 3: Cấu trúc tín hiệu BOC và các thành phần của nó

3.2 Đặc điểm tín hiệu

Sự có mặt của sóng mang con cung cấp cho các tín hiệu BOC đặc điểm duy nhất, ví dụ như một hàm tự tương quan (ACF) đa đỉnh, và chia năng lượng đó trên các búp đối xứng xa tần số trung tâm của tín hiệu ACF và PSD của các tín hiệu BPSK và BOCs (1, 1) được thể hiện trong hình 2.4 Xét các tín hiệu BOC, độ dốc của ACF là dốc hơn so với BPSK ACF, cho ta khả năng phục hồi lớn hơn đểchống lại tác động đa đường và cải thiện hiệu năng của mã theo dõi Tuy nhiên, ACF của các tín hiệu BOC có nhiều đỉnh, bao gồm một đỉnh chính và một số đỉnh

thứ cấp, điều này dẫn đến tín hiệu theo dõi không rõ ràng Số đỉnh thứ cấp, N sp, trong điều chế BOC có thể thu được như sau

và BOC với sự can thiệp tối thiểu của hệ thống.

Hình 2 4:Hàm tự tương quan và phổ năng lượng của tín hiệu BPSK, BOC

3.3 Tín hiệu Galileo

GNSS của châu Âu có tên gọi Galileo được hy vọng sẽ cung cấp dịch vụđịnh vị toàn cầu có độ chính xác cao và đáng tin cậy cho các ứng dụng dân sự Hệthống này sẽ tương thích vói GPS và GLONASS để cung cấp hiệu năng tối đa cho người dùng dân sự Các tín hiệu Galileo sẽ được cung cấp hiệu suất được cải thiện

so với các tín hiệu GPS hiện tại do được ứng dụng điều chế BOC Một trong những

lý do chính cho việc áp dụng điều chế BOC là sự can thiệp tối thiểu của nó với các tín hiệu GPS nhờ việc phân chia phổ đối xứng và sự hiện diện của đỉnh thứ cấp

ACF hẹp Trong nghiên cứu này, các tín hiệu Galileo được sử dụng rộng rãi cho nhiều phân tích khác nhau, nên chúng ta sẽ có một giới thiệu ngắn gọn về các tín hiệu Galileo và cấu trúc của chúng trong phần dưới đây.

a Tần số cung cấp

Các vệ tinh Galileo được thiết kế nhằm cung cấp cho người sử dụng dịch vụ

mở (OS), dịch vụ thương mại (CS), dịch vụ cứu hộ (SOL) cùng với các dịch vụcông cộng Để hoàn thành các dịch vụ đó, các vệ tinh Galileo sẽ chuyển những tín hiệu trên ba dải tần số có tên:

- E1 (1575.42 MHz) dành cho OS, CS, SOL và các dịch vụ công cộng

- E5 (1191.975 MHz), được chia thành E5a (1176.45 Mhz) và E5b (1207.14 MHz) dành cho OS, CS và SOL

- E6 (1278.75 MHz) dànhc ho CS và các dịch vụ công cộng

Tần số được cung cấp dành cho các tín hiệu Galileo cùng với các tín hiệu GPS được thể hiện trên hình 2.5 Hiện nay, cả hai vệ tinh thử nghiệm đều hoạt động; GIOVE - A đã phóng lên vào ngày 28 tháng 12 năm 2005 và GIOVE – B được phóng lên vào ngày 27 tháng 4 năm 2008, tương thích với người sử dụng đểphân tích hiệu suất của các biện pháp điều chế mới được đề xuất Cả hai vệ tinh GIOVE – A và GIOVE – B đều chuyển những tín hiệu thuộc hai trong số ba tín hiệu cho phép (E1, E5 và E6) trong đó kết hợp hoặc E1 – E5 hoặc E1 – E6 Trạng thái của việc truyền tín hiệu trên hai vệ tinh GIOVE – A và GIOVE – B cùng với các kiến trúc của hệ thống có thể được lấy từ GIOVE 2010

Hình 2 5: Phân bố tần số Galileo và GPS được đưa ra vào năm 2008

b Các dạng của tín hiệu Galileo

Các dạng của tín hiệu Galielo được xét trong nghiên cứu với dải tần số E1 và E6 Các tín hiệu Galileo trong dải tần E1 có thể phân chia thành ba kênh có tên A, B

và C Kênh B và C được sử dụng cho OS và truyền tín hiệu điều chế BOCs (1, 1) Kênh B là kênh dữ liệu giống như việc nó truyền dòng bit chứa thông tin dẫn đường trong khi kênh C là kênh pilot được sử dụng để truyền PRS để hỗ trợ kênh dữ liệu Các tín hiệu tại kênh B và kênh C được công bố phù hợp để sử dụng cho mục đích dẫn đường Tín hiệu được đề xuất cuối cùng trên kênh B và C là BOC tổng hợp (CBOC(1, 6, 1, 1/10)) phục vụ cho việc kiểm tra Kênh A trên dải tần E1 được sửdụng cho các dịch vụ công cộng và truyền các tín hiệu điều chế BOCc (15, 2.5) với quyền truy nhập bị hạn chế Trương tự như vậy, các tín hiệu trong dải tần E6 có thểphân chia thành ba kênh Kênh B (dữ liệu) và kênh C (pilot) truyền tín hiệu điều chếBPSK (5), điều này không được xem xét trong luận văn này Kênh A truyền tín hiệu điều chế BOCc (10, 5) được sử dụng cho các dịch vụ công cộng Bảng 2.1 cung cấp các thông tin về mã lan rộng của GIOVE – A và GIOVE – B và các thông số tín hiệu dẫn đường

Các mô hình ACFs và PSDs của tín hiệu E1 – A, E1 – B và E6 – A được biểu diễn trên hình 2.6 Rõ ràng với các tín hiệu BOC ở mức cao, có nhiều đỉnh thứcấp hơn Số đỉnh thức cấp cho BOCs (1, 1) là 2 trong khi BOCc (10, 5) và BOCc (10, 2.5) là 24.

Bảng 2.1 Mã lan rộng và thông số tín hiệu định vị của GIOVE

Vệ tinh Tín

hiệu Kiểu điều chế

Tốc độ

ký tự[Hz]

Độ dài mã[ms]

Mã gốc[chips]

Mã thứcấp[chips]

40 MHz cho các tín hiệu BOCc(15, 2.5) và BOCc(10, 5) Phần tiếp theo sẽ giải thích sự hoạt động chính được thực hiện trong một bộ thu tín hiệu theo dõi BOC cùng với các kỹ thuật theo dõi BOC khác được tích hợp trong tín hiệu Galileo

Hình 2 6:Tín hiệu ACFs và PSDs của Galileo E1, E6

Trong đó: p t  là xung Dirac được điều chế bằng PRS

Trong công thức (2.6), cần lưu ý rằng s t b  hoạt động như một bộ lọc có hình dạng quang phổ và cấu trúc hàm tự tương quan của tín hiệu đầy đủ Trong

hình 2.7, ta thấy rõ hơn sự biểu diễn tích chập của mã đo khoảng cách, c(t) Cụ thể

hơn, mã đo khoảng cách cuối cùng thu được bởi việc lọc điều chế PRS xung Dirac với sóng mang con Cũng theo đó, ta minh họa trường hợp của BOCs(1, 1) Vì vậy sóng mang con có thể được thể hiện như sau

Đối với theo dõi tín hiệu BPSK chuẩn, s b (t) là một cửa sổ hình chữ nhật với

khoảng thời gian được tính bằng T c

Hình 2 7: Dạng của mã đo khoảng cách, c(t)

4.2 Biểu diễn phép nhân

Một dạng biểu diễn khác của mã khoảng cách, c(t), có thể được cung cấp để

sử dụng việc nhân lên nhiều lần dựa trên

Trong đó: s BPSK (t) là sóng mang con BPSK và bằng cửa sổ hình chữ nhật với

khoảng thời gian T c,

Công thức (2.8) được căn cứ vào bản chất lưỡng cực của tất cả các thành

phần của mã khoảng cách, c(t), và được minh họa rõ hơn trong hình 2.8.

Ở đây, điều chế BPSK PRS là việc nhân nhiều lần theo một chu kỳ sóng mang con Cần lưu ý rằng tín hiệu cuối cùng thu được trong hình 2.7 bằng trong hình 2.8 Việc biểu diễn nhân được ứng dụng để hiểu hơn về kỹ thuật DE và biểu diễn tích chập là nền tảng cho sự phát triển của các thuật toán tiền lọc đã được đề xuất

Công việc chính của các vòng lặp theo dõi là điều khiển sai số giữa tín hiệu đến và tín hiệu nội bộ về không DLL cố gắng đưa sai số do trễ mã về không trong khi FLL/PLL luôn cố gắng đưa sai số tần số/pha về không Điều này có được bằng cách duy trì các vòng lặp theo dõi đến khi giá trị của các thông số đánh giá gần nhất với các thông số tín hiệu đến có thể Các yếu tố khác nhau như động lực của tín hiệu, động lực của người sử dụng và độ trôi đồng hồ của máy thu ảnh hướng đến việc theo dõi tín hiệu Với tín hiệu BOC, một yếu tố khác được đưa ra là tín hiệu ACF Biểu diễn các đỉnh BOC ACF khiến sự theo dõi không rõ ràng

Hình 2 8: Biểu diễn nhân của mã đo khoảng cách, c(t)

Với sự hoạt động của FLL/PLL, ta chỉ cần đầu ra của bộ tương quan Prompt, điều này không bị ảnh hưởng bởi các loại tín hiệu Cấu trúc FLL/PLL là không đổi, không phụ thuộc vào việc điều chế dữ liệu Kể từ đây, cấu trúc FLL/PLL chuẩn được sử dụng trong theo dõi sóng mang tín hiệu BOC Các tín hiệu BOC chứa ACFs có đặc điểm khác biệt với các tín hiệu BPSK hiện nay Do đó hiệu suất DLL được phân tích chi tiết trong nghiên cứu này cho kết quả theo dõi tín hiệu BOC Sựhoạt động chính của bộ tách sóng có thể được giải thích bằng việc sử dụng S-curve S-curve cung cấp một ánh xạ giữa thông số đầu vào và đánh giá đầu ra của bộ tách sóng và xác định tính chất của các vòng lặp cho các điều kiện khóa ổn định

Một sự kết hợp giữa các giá trị của bộ tương quan E, P và L là các đầu vào cho bộ tách sóng trong khi tín hiệu điều khiển tỷ lệ với sai số do trễ mã ở đầu ra của

nó Để hoạt động một cách chính xác, một vòng lặp theo dõi được sử dụng để duy

trì sai số do trễ mã trong khoảng ổn định của S-curve Trong khoảng ổn định, đầu ra của bộ tách sóng tỷ lệ với sai số trễ đầu vào Thêm vào đó, sai số do trễ có được trong khu vực tuyến tính nằm xung quanh điểm ổn định chính của S-curve Một điểm của S-curve được cho là ổn định nếu nó tạo ra tín hiệu đầu ra bằng không và khi đó vòng lặp sẽ hoạt động tại điểm đó Điểm ổn định cung cấp một đầu ra bằng không cho sai số do trễ mã rỗng Cho một vòng lặp theo dõi để duy trì khóa liên tục trên đỉnh thứ cấp, chỉ cần một điểm ổn định duy nhất ±1 chip S-curve cho BPSK và tín hiệu BOCs(1, 1) (trong trường hợp không có nhiễu) dành cho bộ tách sóng được biễu diễn trong hình 2.9.

Cho các tín hiệu điều chế BPSK, chỉ có một điểm ổn định trong ±1 chip Nhưng cho một tín hiệu điều chế BOCs(1, 1), sẽ có nhiều điểm ổn định, điều này dẫn đến việc theo dõi không được rõ ràng Nếu vòng lặp theo dõi một điểm ổn định thứ cấp, các phép đo mã được cung cấp bởi DLL sẽ bị lệch Một vài kỹ thuật theo dõi BOC đã được giới thiệu để làm giảm thiểu các điều kiện khóa đỉnh thứ cấp Đối với việc tính toán hiệu năng và so sánh với các kỹ thuật đã đưa ra trong luận vănnày, BJ và DE được xem xét cho xấp xỉ để gần đúng với bộ lọc BJ và DE cùng với một phần giới thiệu ngắn gọn về các kỹ thuật tiền lọc được trình bày trong các phần sau

Hình 2 9: S-curve của tín hiệu điều chế BPSK và BOC (1, 1) cho bộ tách

sóng với d s = 0.2 chips

4.3 BJ

BJ là các kỹ thuật chấp nhận một dạng post-correlation của quá trình xử lý đểphát hiện nếu máy thu đang theo dõi đỉnh chính và tiến hành các bước cần thiết đểkhắc phục trễ mã nếu máy thu đang trong điều kiện khóa sai trên đỉnh thứ cấp Điều này bao gồm việc thực hiện các máy tương quan bổ sung và giải quyết logic để đảm bảo theo dõi được đỉnh chính Giải quyết logic xác định nếu đỉnh chính đang được theo dõi.Sự giải quyết này là nền tảng cho hai máy tương quan bổ sung, very early (VE) và very late (VL) Nếu đỉnh thứ cấp được phát hiện, giải quyết logic cung cấp hàm tương quan để ước lượng độ trễ mã thu được từ DLL Trong thuật toán này, độtrễ mã theo dõi sử dụng vòng lặp theo dõi cơ bản được biểu diễn trên hình 2.10 và một giải quyết logic bổ sung được sử dụng để xác định khóa chính xác trên đỉnh tương quan thứ cấp

Hình 2 10: Cấu trúc theo dõi BJ

Giải quyết logic trong kỹ thuật BJ bao gồm các bước sau:

 Bước 1: Đưa hai bộ đếm, VE và VL, về không,

 Bước 2: Với mọi giai đoạn theo dõi, so sánh các giá trị của VE/VL dựa

vào đầu ra của bộ tương quan P,

 Bước 3: Nếu VE hoặc VL vượt quá P, tăng từng bộ đếm và giảm bộ đếm

khác nếu không giảm ở cả hai bộ đếm Cần chú ý đưa các bộ đếm về không khi bị âm,

 Bước 4: Nếu VE hoặc VL đạt đến một ngưỡng xác định trước đó, cung

cấp một tham số của hàm tương quan tương ứng cho việc tính toán độ trễ mã

và reset cả hai bộ đếm về không,

 Bước 5: Lặp lại các bước 2 – 4 cho các giai đoạn theo dõi tiếp theo.

Khi tần số sóng mang con cao hơn, nó tạo ra nhiều hơn đỉnh thứ cấp trên hàm tự tương quan làm giảm khả năng tách song của giải quyết logic Khi tần số sóng mang con tăng lên, số lượng các bộ tương quan VE và VL cũng tăng khiến việc tính toán trở nên phức tạp hơn Một đồ thị mẫu mô tả công việc của các bộ tương quan VE/VL với tín hiệu điều chế BOC(1, 1) được biểu diễn trên hình 2.11

Hình 2 11: Sự sắp xếp của đầu ra bộ tương quan VE và VL trong tín hiệu

BOCs(1,1) cho giải quyết logic BJ

Cần lưu ý rằng, để tăng tỷ lệ sóng mang, độ lớn của đỉnh thứ cấp phải có giá trị gần bằng độ lớn của đỉnh chính Khi máy thu có thể sửa một chip phụ tại một thời điểm nhất định, độ nhạy theo dõi và ngưỡng trở nên cân bằng Nếu máy thu được khóa ở mức trên của đỉnh thứ cấp và ngưỡng được giữ ở mức cao thì thời gian phục hồi sẽ lâu hơn nhưng có độ nhạy theo dõi tốt hơn; mặt khác, nếu ngưỡng được

giữ ở mức thấp thì thời gian phục hồi là chậm hơn cùng với đó độ nhạy theo dõi bịgiảm đi Trong thuật toán này, giải quyết logic có hiệu suất cao đối với các tín hiệu mạnh nhưng nếu tín hiệu yếu, thuật toán có thể bị lỗi khi điều chỉnh và nhảy đến đỉnh khác.

4.4.Ước lượng kép

Trong kỹ thuật DE, sóng mang con và PRS được theo dõi độc lập và bắt buộc có vòng lặp theo dõi thêm vào dành cho sóng mang con Điều này bao gồm sự bổ sung của vòng lặp theo dõi thứ ba cho sóng mang con, được gọi là SLL cùng với DLL và FLL/PLL được biểu diễn trong hình 2.12 Ở đây, sóng mang con và đoạn mã của tín hiệu đến được theo dõi độc lập bởi SLL và DLL

Kỹ thuật ánh xạ DE tương quan không xác định của tín hiệu BOC trên một hàm hai chiều được minh họa trên hình 2.13 Theo đó, nó là một ACF có chu kỳ thu được trong miền trễ của sóng mang con Điều này là do trong thực tế trễ của sóng mang con có thể được ước lượng bởi chu kỳ của sóng mang con Một ACF rõ ràng được thu thay thế trong phạm vi đoạn mã

Hình 2 12: Cấu trúc theo dõi ước lượng kép

Vì vậy, các kỹ thuật DE biểu diễn sự theo dõi hai chiều trên sóng mang con và không phục thuộc vào độ trễ của mã DLL hoạt động trên ACF trong khi SLL hoạt động trên ACF có tính chu kỳ

Đánh giá trễ của đoạn mã cuối cùng, ˆ k , có được sử dụng sự kết hợp của trễ mã,

 

ˆc k

 , và trễ sóng mang con, ˆs k

Hình 2 13: Cấu trúc của mã và trễ sóng mang con BOC(1, 1) ACF

4.5 Kỹ thuật tiền lọc

Tất cả các kỹ thuật tiền lọc dựa trên thực tế là phổ của tín hiệu có thể được thay đổi nhờ lọc Trong nghiên cứu này, các tín hiệu BOC đầu vào được lọc để cho ra một phổ giống như BPSK và hàm tự tương quan tại đầu ra của khối I&D như biểudiễn trên hình 2.14

Bộ lọc h(t) được áp dụng cho các tín hiệu đầu vào y(t) trước khi đưa vào vòng

lặp theo dõi Tín hiệu sau khi lọc được theo dõi bằng cách sử dụng cấu trúc theo dõi

GNSS tiêu chuẩn Thiết kế của h(t) thường được làm trên miền tần số để dễ thực

hiện

Sử dụng biến đổi Fourier, đầu ra của bộ tương quan sau khi lọc có thể được biểu diễn như sau:

Hình 2 14: Cấu trúc theo dõi tiền lọc

Trong các loại kỹ thuật, các hàm tương quan tín hiệu được thay đổi thông qua việc lọc Kỹ thuật tiền lọc có thể kiểm soát việc khuếch đại nhiễu Cụ thể hơn, đểcân bằng phổ BOC, cần phải bù cho số điểm không của nó mà dẫn đến những điểm

kỳ dị trong chức năng chuyển giao bộ lọc Các điểm kỳ dị này là nguyên nhân chính dẫn đến khuếch đại nhiễu Trong nghiên cứu này, kỹ thuật tiền lọc được phát triển

để làm giảm sự khuếch đại nhiễu và định hình BOC ACF để có thể theo dõi một cách rõ ràng

5 Kỹ thuật phân tích vòng lặp theo dõi

Mấu chốt của các vòng lặp theo dõi GNSS chính là các khối tuyến tính và phi tuyến tính Để phân tích hiệu suất của các dạng này của hệ thống, các mô hình phân tích và mô phỏng Monte Carlo chính là một giải pháp khả thi Mô hình phân tích là phù hợp nhất cho các hệ thống tuyến tính, nơi mà các phép đạo hàm toán học đơn giản và có thể tính toán gần đúng Đối với các vòng theo dõi GNSS, sự có mặt của các khối phi tuyến tạo ra khiến phép lấy đạo hàm của mô hình phân tích chính xác không thể thực hiện được, dẫn đến việc áp dụng hạn chế các kỹ thuật phân tích

Mặt khác, mô phỏng Monte Carlo rất linh hoạt và có thể áp dụng cho một loạt các trường hợp Nhưng sự có mặt của khối I&D, vốn được sử dụng cho giải trải phổ các tín hiệu GNSS đến, sẽ được tính toán khắt khe dẫn đến gánh nặng phải tính toán cao hơn và thời gian mô phỏng dài khi sử dụng kỹ thuật Monte Carlo Các khối I&D dựa vào sự hoạt động đơn giản có thể mô hình hóa sự phân tích trong khi các khối phi tuyến có thể được phân tích sử dụng mô phỏng Monte Carlo Vì lý do này, các

mô hình bán phân tích khai thác sự hiểu biết của các khối I&D và mô phỏng chỉ các phần phi tuyến của hệ thống Điều này dẫn đến một công cụ phân tích hiệu quả đòi hỏi giảm thời gian xử lý với ứng dụng mô phỏng Monte Carlo

Các vòng theo dõi được mô tả trong hình 2.2 bao gồm: các khối tuyến tính (làm sạch sóng mang/mã, I&D, bộ lọc, NCO) và các khối phi tuyến tính (bộ tách sóng) Các tín hiệu IF đưa vào vòng theo dõi đến khi tốc độ tín hiệu đạt đến MHz, cần phải có thời gian mô phỏng lâu và bị giới hạn với việc lấy xấp xỉ cho bậc cao hơn, khối phi tuyến Đại diện trung gian của mô hình bán phân tích dần chuyển trọng tâm từ các tín hiệu đầu vào đến số lượng được theo dõi (trễ mã) Nhiễu và các thành phần của tín hiệu được truyền một cách độc lập đến cổng tuyến tính của vòng lặp và cho ta sự biểu diễn tương đương của cả hai thành phần Kỹ thuật bán phân tích đã được sử dụng cho việc mô phỏng các kỹ thuật theo dõi BOC Một mô hình bán phân tích cho việc mô tả DLL GNSS cơ bản được biểu diễn trên hình 2.15

Trong trường hợp này, ta giả định giai đoạn hoàn thiện và phục hồi tần số

Trong hình 2.15, độ trễ của tín hiệu đến, τ[k], và sự ước lượng trễ cung cấp bởi vòng

lặp, ˆ k , được sử dụng cho việc tính toán sai số do trễ,  k Hàm tương quan

R(.) sau đó được sử dụng để chuyển đổi sai số do trễ vào các thành phần tín hiệu

của ba bộ tương quan Các thành phần của nhiễu, E n , P n và L n, được đưa vào tín

hiệu để có được đầu ra của bộ tương quan E, P và L.

Cổng phi tuyến của vòng lặp được mô phỏng đầy đủ và một đầu ra mới của

bộ tách sóng được xử lý bởi bộ lọc vòng lặp và sự đánh giá trễ mới, ˆk 1, đạt