Nghiên cứu giải pháp nâng cao khả năng chống nhiễu cho các bộ thu định vị GNSS tiên tiến =201

Mặc dù đã có một s nghiên c u trong kố ứ ỹ thuật xử lý tín hiệu cho anten mảng cho các bộ thu GNSS [9] [10], có m t sộ ố vấn đề hiện tại liên quan đến việc triển khai kỹ thuật này trong

1

M Ở ĐẦUHiện nay bên cạnh việc hiện đại hóa các hệ ống đị th nh v ịhiện có như GPS của Mỹ hay Glonass của Nga các qu, ốc gia khác cũng đã xây dựng các hệ thống định v c a riêng mình theo các công nghị ủ ệ mới (hệ thống Galileo của Châu Âu và h ệthống BEIDOU của Trung Quốc) Vì lý do đó nên độ chính xác định vị của các hệ thống định v toàn cị ầu gọi tắt là GNSS

đã được cải thiện đáng kể Các dịch v này không chụ ỉ cung cấp thông tin

về vị trí, vận tốc mà còn cung cấp thông tin về thời gian với độ chính xác rất cao để thực hiện việc đồng bộ hóa các h ệthống như các hệ thống điện

đó có thể vô hi u hóa hoệ ạt động củ ộa b thu Ngoài ra, do hệ thống GNSS thường thuộc quyền quản lý của các tổ ứ ch c quân s [2] [3] [4], các dự ịch

vụ m (ví dở ụ: GPS L1 C/A, Beidou B1, GLONASS L1OF) được cung cấp cho người dùng mà không có bất kỳ sự bảo đảm nào v ề độ tin cậy của dịch v ụ

Vì những lý do đó nên việc đảm bảo độ tin cậy cho các thông tin vị trí và

là rất c n thiầ ết trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ các ng dứ ụng v n tậ ải

đến các ng dứ ụng khẩn cấp cần độ tin c y caoậ Để đảm bảo điều đó các

bộ thu hiệ ạn đ i phải có khả năng phát hiện được can nhiễu t ừ đó đánh giá được mức độ tin c y cậ ủa tín hiệu định v Ngoài ra, các b thu này còn ị ộphải đảm b cung cảo ấp được các thông tin về vị trí và thời gian ngay cả khi tín hi u GNSS không liên tệ ục do các tác động của can nhiễu

2

Một phương pháp phổ biến để nâng cao hiệu năng c a b thu GNSS trong ủ ộtrường hợp b thu b can nhiộ ị ễu là sử d ng nhiụ ều phần tử anten vật lý được gọi là anten mảng Kỹ thuật này đã được nghiên cứu từ những năm 1940 với việc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng radar và viễn thông [5] [6] [7] [8] Nó được coi là một phương pháp hứa hẹn trong các bộ thu GNSS, nơi việc giả mạo, phá sóng đang nổi lên như là các mối đe dọa tiềm tàng Mặc dù đã có một s nghiên c u trong kố ứ ỹ thuật xử lý tín hiệu cho anten mảng cho các bộ thu GNSS [9] [10], có m t sộ ố vấn đề hiện tại liên quan

đến việc triển khai kỹ thuật này trong các bộ thu GNSS Thứ nhất, các giải pháp này đều sử dụng 2 bit trong bộ ADC Về mặt lý thuyết thì mặc

dù số lượng bit này là đủ cho các bộ thu định vị nhưng nó làm cho các bộ thu GNSS không còn hoạt động hiệu quả khi bị can nhiễu Th hai, sứ ố lượng các phần tử anten cũng bị giớ ạn do i h giớ ạ ề băng thông giao i h n vtiếp giữa mô đun xử lý tín hiệu và mô đun Về cơ bản, kỹ thu t hiậ ện thời

sẽ nhận dữ liệu tại m t thộ ời điểm và đóng gói lại thành một gói để truyền

về PC thông qua các giao tiếp với gi i hớ ạn băng thông hiện có như USB hay Ethernet

Sử dụng anten mảng được chứng minh là hiệu quả trong trường hợp b ộthu vẫn bám được tín hiệu Tuy nhiên trong trường hợp can nhi u mễ ạnh,

bộ thu có thể sẽ không thể bám theo tín hiệu định vị n a Các can nhiữ ễu này thường s không liên t c ẽ ụ do đó một phương pháp khác để c i thiả ện hiệu năng bộ thu GNSS là sử dụng kỹ thuật Snapshot Nó được coi là phương pháp hiệu quả có thể được áp d ng cho khu v c mà viụ ự ệc bám theo tín u GNSS liên thiệ ục không được đảm b o do các can nhiả ễu [11] [12] Nhược điểm của bộ thu Snapshot là độ chính xác không cao như các

bộ thu truyền thống Vấn đề này đã được các nghiên cứu và có các cải tiến trên các bộ thu GPS L1 [13] [14] [15] Tuy nhiên việc sử dụng nhiều

hệ thống và tích h p vào hợ ệ thống định vị quản tính INS trong b thu ộSnapshot chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ trong các công trình trước đây

Từ các phân tích trên, luận án này trình bày các k thuỹ ật xử lý tín hiệu nâng cao cho các b thu GNSS hiộ ện đại Luận án này cho thấy vấn đề

đồng bộ hóa trong mảng anten chi phí thấp có thể được giải quyết để mở rộng không giới hạn số phần tử về mặt lý thuyết Kỹ thuật này cũng được kiểm thử với cả ữ d u mô phliệ ỏng và dữ u thliệ ực Ngoài ra, luận án còn

Kết quả luận án này đã được công b 6 hố ội nghị và 5 t p chí nạ hư được liệt

kê trong phần đính kèm Các tác phẩm đã được thực hiện tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Vi t Nam và Politecnico di Torino (Ý) ệ

Đề cương luận án

Luận án được tổ ứ ch c thành 4 chương như sau:

Chương 1 – Lý thuyết cơ sở: Trong chương này, ậlu n án thống kê lại các

ki n ế thức n n tề ảng liên quan đến các kiến trúc bộ thu GNSS bao gồm: thích nghi tín hiệu; dò , bám, và giải điều chế dữ liệu tính toán v; ị trí Chương 2 – ộ B mô phỏng tín hiệu GNSS điều khiển b ng phằ ần mềm: Trong chương này, việc thiết kế, thực hiện một mô phỏng GNSS dựa trên phần mềm được trình bày chi tiết Là một trong những thông số quan trọng nhất liên quan đến tốc độ phát tín hiệu, ảnh hưởng c a t n sủ ầ ố lấy mẫu cũng được khái quát hóa về mặt lý thuyết ở b mô phộ ỏng và bộ thu Chương 3 – Phương pháp xử lý tín hi u mệ ảng anten trong bộ thu GNSS: Chương này tập trung vào giải pháp cho phép mở rộng số lượng các

ph n tầ ử và số bit lượng tử hóa Giải pháp này được áp dụng trong một mảng anten chi phí thấ ểp đ phát hiện tín hiệu nhi u và giễ ả mạo

Chương 4 – Phương pháp xử lý tín hiệu trong bộ thu Snapshot GNSS: Chương này cho thấy b thu GNSS đa hệ thống có thể ộ được triển khai hiệu quả như thế nào Ngoài ra, để cải thi n hi u suệ ệ ất định vị, tích hợp giữa bộ thu Snapshot GNSS / INS cũng được đề xuất

trí c a b thu và v trí củ ộ ị ủa v tinh i Kho ng cách Euclide t b thu tệ ả ừ ộ ới

v ệ tinh được xác định là Véc tơ u có thể được xác định

n u chúng ta bi t v trí x và kho ng cách r ế ế ị ả

Trong các b thu GNSS, kho ng cách không th ộ ả ể đo trực tiếp nhưng nó

s d ng th i gian truy n t v tinh n b thu Thử ụ ờ ề ừ ệ đế ộ ật không may, đồng

h ồ thu không được đồng b v i các nguyên t trên v tinh GNSS Kộ ớ ử ệ ết

qu là, chúng tôi có m t biả ộ ến không xác định bên c nh 3 yạ ế ốu t không xác định c a ủ

(1) trong đó là công su t nhấ ận được c a tín hi u GPS L1 C(t) và D(t) ủ ệ

bi u th mã và d u c a v ể ị ữ liệ ủ ệ tinh được xem xét

Sau khi thực hi n việ ệc đồng b tín hi u nhộ ệ ận được và tín hi u t o ra ệ ạ

t b thu, tín hi u nhừ ộ ệ ận được được tách thành thành ph n I và Q ầ

Không m t tính t ng quát, lu n án s s d ng d ng phấ ổ ậ ẽ ử ụ ạ ức để ể bi u di n ễtín hi u trên kênh I và Q ệ

5

Dò tín hi u ệ

Giai đoạn dò tín hiệu nhằm mục đích ước tính gần đúng pha mã và tần số Doppler c a các v tinh GNSS có thủ ệ ể nhìn th y Trong th c t pha này ấ ự ế,

sẽ thực hiện tính tương quan với mọi t n sầ ố Doppler và các giá trị pha mã

có thể trong không gian tìm kiếm Vệ tinh được coi là xuất hiện nếu tồn tại m t ô trong không gian tìm kiộ ếm có giá trị cao hơn ngưỡng được chỉ

định Pha mã và t n s ầ ố tương ứng sẽ là đầu ra của pha dò tín hiệu Ngưỡng được chọn phải được xem xét cẩn thận vì nó có liên quan đến s ố lượng vệ tinh đang sử dụng tỷ lệ thuận với độ chính xác của gi i pháp sả ử dụng Bám và th c hi n gi i mã d u ự ệ ả ữ liệ

Sau pha dò tín hiệu b thu s , ộ ẽ ước lượng thô kho ng pha ả mã và tần số Doppler của các vệ tinh nhìn y Tuy nhiên, các tham sthấ ố đó sẽ thay đổi theo thời gian do s ự thay đổi vị trí tương đối gi a vữ ệ tinh và b thu Các ộgiai đoạn bám tín hiệu nhằm mục đích giữ cho bản sao mã và sóng mang

và tín hiệu nhận được thông qua việc s dử ụng vòng l p khóa trặ ễ (DLL) và vòng l p khóa pha (PLL) ặ

Tính toán v trí ị

Với giả định rằng tín hiệu nhận được được dò và bám thành công tối thiểu

4 vệ tinh Trước khi th c hiự ện tính toán PVT, thời gian truyền phải được

ước tính

6

2 Xây d ng và tri n khai b mô ph ng tín hi u GNSS ự ể ộ ỏ ệ

Xuất phát từ sự c n thiầ ế ủt c a m t mô phộ ỏng linh hoạt có khả năng mô phỏng các mối đe dọa đang nổi lên đáng tin cậy trong lĩnh vực GNSS (ví dụ: gây nhiễu, giả m o và phá sóng) bên cạ ạnh các đặc tính của m t bộ ộ mô phỏng thông thường, chương này trình bày thiết kế và thực hiện mô phỏng dựa trên phần mềm Ngoài ra, chương này cũng sẽ phần tích tổng quát ảnh hưởng của t n s lầ ố ấy mẫu đến hiệu suất của bộ thu để t ừ đó để đề xuất tần số lấy mẫu phù hợp cho mô phỏng

Phương pháp mô hình hóa của mô phỏng phát triển s ẽ được trình bày trong chương này Ngoài ra một s ố thử nghiệm được thực hi n trên các ệ

bộ thu điều khiển b ng phần mềm và bộ thu thương mại (ví dụ: Ublox, ằSeptentrio) sẽ được trình bày trong báo cáo Các k t quế ả đạt được được báo cáo trong chương này cho thấy rằng mô phỏng phát triển có thể được coi là m t giộ ải pháp chi phí thấp để mô phỏng không chỉ tín hiệu anten đơn mà còn tín hiệu mảng anten

Trình mô phỏng đã được s dử ụng để giả mạo và can thiệp mô phỏng đáng tin cậy (ví dụ: multipath) [18]

2.1 Lý thuy t mô hình hóa ế

2.2 T ng quan v mô hình hóa tín hiổ ề ệu anten m ng trong ả

các b thu GNSS ộ

2.2.1 Mô hình t ng quan v tín hi u nhổ ề ệ ận được trong các b thu ộ

định v ị

7

Hình 2.1 Mô hình tín hi u nh: ệ ận được cho 1 anten

Tín hi u nhệ ận được ở ph n t ầ ử thứ m có th ể được coi là s k t h p cự ế ợ ủa tín hi u ệ trực ti p t v tinh (LOS), nhiế ừ ệ ễu đa đường, nhi u n n và can ễ ềnhi u (c ý ho c không ch ý) (Hình 2.1) Nó có th ễ ố ặ ủ ể được ểbi u di n ễnhư sau:

hiệu, đa kênh và nhiễu Đầu ra c a b mô ph ng là tín hi u s hoá ủ ộ ỏ ệ ố ở

m i ph n t c a m ng antenỗ ầ ử ủ ả Sơ đồ hoạt động c a mô phủ ỏng được th ể

hi n trong Hình 2.3.ệ

8

Hình 2.3: Sơ đồ ộ b mô phỏngNhư được minh h a trong Hình 2.3, b mô ph ng có ba kh i x lý ọ ộ ỏ ố ửchính, đó là: tính toán trễ truy n, mã hóa bản tin định v và t o tín hiề ị ạ ệu

s hóa Khố ối đầu tiên tính toán độ trễ lan truy n gi a các v tinh có th ề ữ ệ ểnhìn th y và b thu, và ấ ộ độ gây tr c a t ng ionospheric và tropospheric ễ ủ ầKhối th hai mã hóa các bứ ản tin định v Kh i cu i cùng t ng h p d ị ố ố ổ ợ ữliệu thông tin đã cho và tạo ra tín hi u LOS và NLOS, nhi u và nhi u ệ ễ ễ2.2.2 Can nhi u ễ

2.2.3 Nhiễu đa đường

2.2.4 Nhi u n n ễ ề

Mặc dù nhiễu có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, nhiễu này chủyếu phụ thuộc vào mạch đồng b Nhi u này ộ ễ thường được mô hình hóa như nhiễu trắng Trong trường hợp ảng angten các frontend s gây ra m , ẽcác nhiễu trắng độc lập nhau

9

2.3 Ảnh hưởng c a t n s l y m u lên hiủ ầ ố ấ ẫ ệu năng của b ộ

mô ph ng và b thu ỏ ộ

2.4 Đánh giá hiệu năng b mô ph ng ộ ỏ

2.4.1 Đánh giá tín hiệu mô ph ng v i antenna mỏ ớ ảng

Hiệu suất của bộ mô phỏng đã được kiểm tra bằng cách áp dụng tín hiệu được t o ra cho mạ ột m ng anten vả ới bốn phần tử, như trong Hình 2.4 Để

dễ dàng cho phép kiểm thử, các toạ độ XYZ được chọn trùng với các tọa

độ ENU Gốc của hệ tọa độ tham chiếu nằm ở tâm của phần tử đầu tiên,

và vị trí của bốn phần tử được chỉ ra trong Bảng 2.1

kh i bám tín hi u ố ệ do De Lorenzo đề xuất trong [20] để ử x lý tín hi u ệ

m ng, có th tính ả ể đượ ực s khác bi t v pha sóng mang gi a các tín ệ ề ữ

hiệu Trong giai đoạn tính toán PVT, nh s d ng thu t toán RTK, v ờ ử ụ ậ ịtrí c a các ph n t m ng có th b ủ ầ ử ả ể ị xác định mở ức độ cm

10

Hình 2.4 C u hình các ph n t c a m: ấ ầ ử ủ ảngTrong k ch b n này, sáu v ị ả ệ tinh đã được mô ph ng ỏ

Tín hi u mô phệ ỏng được phát l i vào b thu GNSS và d u u ra ạ ộ ữ liệ đầ

c a b thu ủ ộ được tính toán d a trên ự RTKLIB để tính toán PVT K t qu ế ảthu được của k ch b n ki m th ị ả ể ử được bi u di n trong Hình 2.5 và Hình ể ễ2.6

Hình 2.5 V : ị trí ước lượng được c a các thành ph n ủ ầ

Rõ ràng, độ chính xác c a các k t qu ủ ế ả đạt được d a trên thu t toán ự ậRTK là đủ để xác đị nh b n v trí ph n t K t qu t ố ị ầ ử ế ả đạ được xác nh n ậcông su t c a b mô phấ ủ ộ ỏng để ạ t o ra các tín hi u m ng anten ệ ả

11

Hình 2.6 V : ị trí ước lượng được c a các thành ph n ủ ầ

2.4.2 Mô phỏng đồ hình b c x cứ ạ ủa anten

Trong điều kiện lý tưởng, mô hình b c x anten ứ ạ được gi ả định đẳng hướng Trong b mô ph ng này chúng ta có th ộ ỏ ể xác định m t khu vộ ực nơi có sự suy giảm độ ợ l i c a anten Xét v m t hình h c c a vùng suy ủ ề ặ ọ ủgiả được đưa ra theo góc phương vị và độm cao, và s suy giự ảm được

bi u diể ễn như ựs giảm bớt cường độ tín hi u nhệ ận được Ví d , tình ụ

12

Hình 2.7 T s tín hi u trên nhi u c a v tinh PRN01 : ỉ ố ệ ễ ủ ệ

2.4.3 Đánh giá nhiễu đa đường c a b mô phủ ộ ỏng

2.5 K t lu n ế ậ

Chương này trình bày phương pháp mô hình hóa để mô phỏng tín hiệu mảng anten Ngoài ra, một số thí nghiệm đã được tiến hành để xác nhận khả năng của bộ mô phỏng để tạo ra các tín hiệu thích hợp cho các thuật toán khác nhau của xử lý tín hiệu mảng

Giới hạn chủ yếu của mô phỏng hiện tại là tốc độ ấp trong việc tạo th

ra các tín hiệu Trong tương lai, khía cạnh này sẽ được cải thiện bằng cách sử dụng GPU Bên cạnh đó, trình mô phỏng đang đượ cải ến để ti

có thể mô phỏng các hệ ống định vị khác.th

mở rộng phầ ửn t anten mảng không phụ thuộc của băng thông của giao tiếp Do đó, thiết k mế ảng anten số này s ẽ có các ưu điểm như nhiều bit lượng tử, độ nhỏ gọn và khả năng mở rộng

Trong các nghiên cứu gần đây, có một số nỗ lực để đồng bộ hóa phầ ửn t tách biệt trong mảng anten như [22] Tuy nhiên, kỹ thuật này không thể được áp dụng trong b thu GNSS do các thuộ ộc tính duy nhất của các tín hiệu GNSS

Dựa trên giải pháp được đề xuất, chương này sẽ trình bày thiết k anten ếmảng chi phí thấp cho ứng d ng GNSS Kụ ỹ thuật này sẽ được áp dụng để

đồng bộ hóa các bộ thu RTL2832 để trở thành t o ra mạ ột anten mảng Dải tần số hoạt động của các bộ thu này có thể thay đổi từ 25 MHz đến 1750 MHz bao gồm toàn bộ dải tín hiệu GNSS Hơn nữa, các bit lượng tử của ADC có thể mở rộng đến 16 bit Do đó, thiết bị được đề xuất hoàn phù hợp cho các ứng dụng GNSS

Để kiểm thử tính tin c y c a hậ ủ ệ thống, luận án cũng trình bày ầph n mềm

xử lý cũng được phát tri n cho anten mể ảng này Ngoài c thu tín hiviệ ệu,

ph n ầ mềm này sẽ thực hiện đồng bộ hóa các tín hiệu nhận được giữa các thành phầ và ướn c tính sự khác biệt tần số giữa các phần tử Vì mỗi phần

tử của giao diện người dùng này là m thiột ết b thu hoàn chị ỉnh với giao tiếp riêng nên các tín hiệu t các phừ ần tử khi gửi v tính x lý sề ử ẽ không được nhận cùng một lúc Hơn nữa, bất kể việ ử dụng đồng hồ chung c scho tất cả các phần t , tử ần s ố điều chỉnh c a Local Oscillator (LO) là khác ủnhau ở mỗi phần tử Do đó, những vấn đề này phải được gi i quyả ết trước khi s dử ụng lối vào này M t giộ ải thích đầy đủ v thuề ật toán được s d ng ử ụtrong phần m m của luận án sẽ được đưa ra trong các phần tiếp theo ề

14

3.2 Đề xu t gi i pháp cho viấ ả ệc đồng b d u nh n cộ ữ liệ ậ ủa

các ph n t m ng tách r i ầ ử ả ờ

(A) Kiến trúc truyền thống (B) Kiến trúc đề xuất

Hình 3.1: Kiến trúc b thu GNSS nhiộ ều anten

Không m t tính tấ ổng quát, chúng ta xem xét một mảng anten với 2 phần

tử Chúng ta có thể giả đị nh rằng tín hiệu nhận đượ ởc ph n t u tiên ầ ử đầnhư sau:

(3) trong đó

15

ΔΦ là chênh lệch thời gian do v trí anten ị gây ra Để mô hình tín hiệu mảng anten, luận án giả định rằng một tín hiệ ừu t bộ phát đặt xa anten theo hướng được biểu di n bễ ằng góc phương vị và góc cao (ϕ, θ)

3.2.1 Tính toán độ sai l ch th i gian gi a các ph n t ệ ờ ữ ầ ử

3.2.2 Tín toán độ sai l ch t n s ệ ầ ố giữa các ph n t ầ ử

3.3 Tri n khai anten m ng chi phí th p ể ả ấ

Theo [23] [24], s kự ết h p giợ ữa chipset RTL2832U và b ộ biến R802T2

đã được ch ng minh có thứ ể đáp ứng các yêu cầu ở thành phần thu của hệ thống GNSS Các thiết bị này s ẽ được kết hợp để t o ra mạ ột m ng anten ảchi phí thấp Chìa khóa của việc thiế ết k anten mảng là việc s dử ụng b ộtạo dao động chung Do đó, để điều chỉnh các thi t b này thành ế ị ứng dụng mảng anten các b, ộ tạo dao động mặc định được trang b trên tị ất cả các thiết bị sẽ được tháo ra Sau đó, một TCXO sẽ được kết nối với t t cấ ả các thiết bị

Trước khi sử dụng m ng anten, ả luận án áp d ng giụ ải pháp đề xuất để giải quyết hai vấn đề: (A) cách đồng b hóa d ộ ữ liệu ấ ừl y t thiết được nhận bằng cách s dử ụng nhiều giao tiếp USB, (B) cách xác định l ch pha độ ệ

đồng h cồ ủa giữa các thiết bị

3.4 Đánh giá anten m ng ả

Phần này trình bày các thí nghiệm với bộ mô phỏng đã được đề cập đểxác minh: (A) ước lượng sự chênh lệch pha mã giữa các thành phần (B) cải thiện 4,4 dB sử d ng thuụ ật toán beamforming (3 phần tử)

3.4.1 S khác nhau v pha gi a các ph n t ự ề ữ ầ ử

Để xác minh độ tin cậy của anten mảng, thử nghiệm sau được ti n hành ếThứ nhất, 3 phần tử của giao diện người dùng được kết nối với bộ chia tín hiệu như được hiển thị trong hình Sau đó tín hiệu mô phỏng được truyển tới anten mảng Tín hiệu mô phỏng được t o ra bạ ằng cách s ửdụng trình mô ph ng ỏ ở chương 2[3] Vi c sệ ử dụng trình mô phỏng giúp kiểm soát các yếu tố bên ngoài (ví dụ: đa đường, nhiễu) có thể làm hỏng tín hiệu nhận được