Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng tín hiệu định vị vệ tinh hiệu năng cao

iii DANH M ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số Bộ lọc băng thông Khóa dịch pha nhị phân Mã trải phổ C/A CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng tín hiệu

định vị vệ tinh hiệu năng cao

PHẠM QUANG HIẾU Ngành: Kỹ thuật máy tính

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Đình Thuận

HÀ NỘI, 4/2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng tín hiệu

định vị vệ tinh hiệu năng cao

PHẠM QUANG HIẾU Ngành: Kỹ thuật máy tính

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguy ễn Đình Thuận

Trường: Công ngh ệ Thông tin và Truyền thông

HÀ N ỘI, 4/2022

L ỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Đình Thuận, Khoa Kỹ thuật máy tính Cảm ơn thầy đã tận tình chỉ bảo, trang bị những kiến thức chuyên môn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô của Trường Công nghệ Thông tin và Truyền thông cũng như các thầy cô của Đại học Bách Khoa Hà Nội đã định hướng và hỗ trợ cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu suốt 2 năm qua Và tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ ở trung tâm NAVIS, những người đã giúp đỡ và tao điều kiện tốt nhất cho tôi trong các nghiên cứu và thực nghiệm chuyên môn để hoàn thành luận văn này

Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này là do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và

thực hiện dưới sự định hướng của giảng viên hướng dẫn; các tài liệu tham khảo, trích dẫn có ghi rõ nguồn gốc

Ngày tháng năm 2022

Ph ạm Quang Hiếu

i

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ, PHƯƠNG HƯỚNG VÀ NHIỆM VỤ 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Phương hướng nghiên cứu và mục tiêu của luận văn 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu 7

1.4 Tổng quan các bước tiến hành 7

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Giới thiệu hệ thống định vị sử dụng vệ tinh GNSS 9

2.2 Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) 11

2.2.1 Giới thiệu chung 11

2.2.2 Cấu trúc của tín hiệu GPS và định dạng bản tin 12

2.2.3 Tính toán xác định vị trí vệ tinh 14

2.3 Các hệ quy chiếu 18

2.3.1 Hệ quy chiếu quán tính (i-frame) 18

2.3.2 Hệ quy chiếu Trái Đất (e-frame) 19

2.3.3 Hệ trắc địa địa phương (n-frame) 19

2.3.4 Hệ vật thể 20

2.4 Quá trình xử lý tín hiệu ở bộ thu 20

2.4.1 Frontend 21

2.4.2 Khối đồng bộ tín hiệu 22

2.4.3 Khối giải mã bản tin định vị 27

2.4.4 Khối tính toán vị trí 29

PHÁT TRIỂN BỘ MÔ PHỎNG GNSS 37

3.1 Mô hình mô phỏng tín hiệu GNSS 37

ii

3.2 Thiết kế và xây dựng trình mô phỏng 38

3.3 Dữ liệu đầu vào trình mô phỏng 41

3.3.1 Các vệ tinh có thể nhìn thấy 41

3.3.2 Mô hình biên độ 43

3.3.3 Mô hình mã C/A 43

3.3.4 Bản tin định vị 44

3.3.5 Thời gian lan truyền tín hiệu và hiệu ứng Doppler 49

3.3.6 Mô hình nhiễu đồng hồ vệ tinh 51

3.3.7 Mô hình nhiễu tầng điện ly 52

3.3.8 Mô hình nhiễu tầng đối lưu 54

3.3.9 Các loại nhiễu không mô hình được 54

3.3.10 Bộ lọc 55

3.3.11 Lượng tử hóa 56

KỊCH BẢN THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 61

4.1 Mô hình thử nghiệm 61

4.2 Kết quả khai phá tín hiệu 62

4.3 Kết quả bám tín hiệu 63

4.4 Kết quả bước tính tọa độ 75

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

iii

DANH M ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số

Bộ lọc băng thông

Khóa dịch pha nhị phân

Mã trải phổ C/A

CDMA Code Division Multiple Access

Đa truy cập theo mã

Biến đổi Fourier rời rạc

GLONASS Global Orbiting Navigation Satellite System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu của Nga

GNSS Global Navigation Satellite System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ

Tần số trung gian

Mã giả ngẫu nhiên – Mã trải phổ cho mỗi vệ tinh

Vị trí – Vận tốc – Thời gian

QZSS Quasi-Zenith Satellite System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường của Nhật Bản

Tần số sóng vô tuyến

iv

Công nghệ vô tuyến xác định bằng phần mềm

Hàm lượng điện tử tổng cộng

Thời gian trong tuần (theo giây)

v

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Ki ểm thử thiết bị/bộ thu GPS ngoài hiện trường (live-sky) 3

Hình 2 Hướng tiếp cận dựa trên phần cứng: Trình mô phỏng tín hiệu 5

Hình 3 T ổng quan các bước thực hiện bài toán 8

Hình 4 Ki ến trúc hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 9

Hình 5 Xác định vị trí bộ thu từ 4 vệ tinh 10

Hình 6 Tín hi ệu GPS và mã hóa 14

Hình 7 Các m ặt cầu xác định vị trí bộ thu 16

Hình 8 H ệ quy chiếu quán tính i-frame 19

Hình 9 H ệ e-frame và n-frame 20

Hình 10 H ệ gắn với vật thể b-frame 20

Hình 11 Ki ến trúc tổng quan của bộ thu định vị vệ tinh 21

Hình 12 Sơ đồ khối các thành phần của front-end 21

Hình 13 S ự không rõ ràng đối với việc dịch pha 180 0 24

Hình 14 Sơ đồ khối vòng lặp Costas 25

Hình 15 M ối quan hệ giữa các giá trị tương quan của 3 bản sao mã trải phổ 26

Hình 16 Sơ đồ khối code tracking 26

Hình 17 Định dạng từ mã TLM 27

Hình 18 Các tham s ố Keppler và quỹ đạo vệ tinh 29

Hình 19 V ị trí vệ tinh trên mặt phẳng quỹ đạo 30

Hình 20 Sai l ệch giữa thời gian hệ thống và thời gian của vệ tinh và bộ thu 32

Hình 21 Th ời gian truyền tín hiệu của các vệ tinh 33

Hình 22 Quá trình truy ền và xử lý tín hiệu ở front-end 37

Hình 23 T ổng quan mô hình mô phỏng tín hiệu GPS IF số hóa 38

Hình 24 Lưu đồ trình mô phỏng tín hiệu GPS IF bằng phần mềm 38

Hình 25 Lưu đồ khối mã hóa bản tin định vị 39

Hình 26 Lưu đồ khối tính toán nhiễu loạn môi trường và độ trễ lan truyền 41

Hình 27 Lưu đồ khối sinh tín hiệu số 41

Hình 28 D ữ liệu ephemeris 42

Hình 29 Mô hình sinh mã C/A 44

Hình 30 Định dạng dữ liệu định vị GPS 45

vi

Hình 31 C ấu trúc của một khung phụ 45

Hình 32 Định dạng từ mã TLM và HOW 46

Hình 33 Giá tr ị Z-count trong từ mã HOW 48

Hình 34 Ảnh hưởng của vòng quay Trái Đất đến việc truyền tín hiệu 49

Hình 35 V ị trí vệ tinh và bộ thu trong hệ ECEF 50

Hình 36 Mô hình SPHA mô ph ỏng tầng điện ly 53

Hình 37 Độ lớn của bộ lọc băng thông và đáp ứng pha 55

Hình 38 Tín hi ệu GPS IF trước và sau khi lọc 56

Hình 39 Tín hi ệu GPS IF lượng tử hóa 1 bit trong miền thời gian và tần số 57

Hình 40 Chi ến lược lượng tử hóa 2 bit 58

Hình 41 Độ lợi chuyển đổi A/D trong nhiễu Gaussian 59

Hình 42 Tín hi ệu GPS IF lượng tử hóa 2 bit trong các miền thời gian và tần số60 Hình 43 Các v ệ tinh bộ thu mềm phát hiện được từ dữ liệu mô phỏng 62

Hình 44 V ị trí của các vệ tinh đối với bộ thu mềm 63

Hình 45 K ết quả bám tín hiệu vệ tinh PRN 3 64

Hình 46 Tương quan giữa các thành phần mã “đúng”, mã “sớm” 64

Hình 47 K ết quả bám tín hiệu vệ tinh PRN 5 65

Hình 48 K ết quả bám tín hiệu vệ tinh PRN 6 66

Hình 49 K ết quả bám tín hiệu vệ tinh PRN 10 66

Hình 50 K ết quả bám tín hiệu vệ tinh PRN 20 67

Hình 51 K ết quả bám tín hiệu vệ tinh PRN 24 67

Hình 52 𝐶𝐶𝐶𝐶0 mô phỏng và 𝐶𝐶𝐶𝐶0 bộ thu tính được của vệ tinh PRN 3 68

Hình 53 𝐶𝐶𝐶𝐶0 mô phỏng và 𝐶𝐶𝐶𝐶0 bộ thu tính được của vệ tinh PRN 5 68

Hình 54 𝐶𝐶𝐶𝐶0 mô phỏng và 𝐶𝐶𝐶𝐶0 bộ thu tính được của vệ tinh PRN 6 69

Hình 55 𝐶𝐶𝐶𝐶0 mô phỏng và 𝐶𝐶𝐶𝐶0 bộ thu tính được của vệ tinh PRN 10 69

Hình 56 𝐶𝐶𝐶𝐶0 mô phỏng và 𝐶𝐶𝐶𝐶0 bộ thu tính được của vệ tinh PRN 20 69

Hình 57 𝐶𝐶𝐶𝐶0 mô phỏng và 𝐶𝐶𝐶𝐶0 bộ thu tính được của vệ tinh PRN 24 70

Hình 58 S ự khác biệt giữa giả khoảng cách bộ thu tính được và giả khoảng cách trong bước sinh tín hiệu (chuẩn hóa theo vệ tinh PRN 20) 71

Hình 59 K ết quả giải điều chế của vệ tinh PRN 3 72

Hình 60 K ết quả giải điều chế của vệ tinh PRN 5 72

vii

Hình 61 K ết quả giải điều chế của vệ tinh PRN 6 73

Hình 62 K ết quả giải điều chế của vệ tinh PRN 10 73

Hình 63 K ết quả giải điều chế của vệ tinh PRN 20 74

Hình 64 K ết quả giải điều chế của vệ tinh PRN 24 74

Hình 65 V ị trí bộ thu tính được với tín hiệu mô phỏng 75

Hình 66 Kho ảng cách giữa vị trí trong dữ liệu mô phỏng so với vị trí bộ thu tính được 76

viii

DANH M ỤC CÁC BẢNG

B ảng 1 So sánh cách tiếp cận hướng phần cứng và cách tiếp cận hướng phần

m ềm trong việc xây dựng trình mô phỏng tín hiệu định vị GPS/GNSS 6

B ảng 2 Các phân khung của tín hiệu vệ tinh GPS 13

B ảng 3 Các tham số Keppler 30

B ảng 4 Phương trình mã hóa chẵn lẻ 47

B ảng 5 Các trường dữ liệu ephemeris 48

B ảng 6.Các tham số đầu vào trình mô phỏng 61

1

L ỜI MỞ ĐẦU

Các công nghệ định vị sử dụng hệ thống vệ tinh dẫn đường GNSS bắt đầu

đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau như: điều

hướng, hàng không, hậu cần, vận tải, cho cả mục đích dân sự và quân sự Điều đó

tạo ra nhu cầu kiểm thử tính chính xác cũng như hiệu năng của các bộ thu định vị

sử dụng vệ tinh trong các điều kiện nhất định

Các thử nghiệm thông thường sử dụng tín hiệu thu trực tiếp gặp nhiều khó

khăn trong quá trình thực hiện Các thử nghiệm này chỉ có thể cung cấp các

thông tin hạn chế vì tín hiệu thu trực tiếp rất dễ bị thay đổi và không thể tái hiện

môi trường thu tín hiệu thống nhất giữa các thử nghiệm Những hạn chế này có

thể giải quyết với một trình mô phỏng tín hiệu dựa trên công nghệ vô tuyến điều

khiển bằng phần mềm (Software-Defined Radio – SDR) Trình mô phỏng tín

hiệu GPS tạo ra các tín hiệu tương tự như các tín hiệu được truyền bởi các vệ tinh

GPS, vì vậy bộ thu xử lý chúng theo cùng một cách như tín hiệu thật Ưu điểm

của cách tiếp cận này là tập hợp tín hiệu cụ thể có thể được cung cấp cho bộ thu

không giới hạn số lần Bên cạnh đó, việc thiết lập, cấu hình lại các tham số môi

trường có thể thực hiện một cách dễ dàng mà không cần can thiệp quá nhiều tới

phần cứng, dẫn tới giảm thiểu chi phí cũng như thời gian triển khai

Kết quả của luận văn đã đạt được những yêu cầu đề ra Cụ thể: tạo được

các thành phần tín hiệu, điều chế tín hiệu từ các thành phần trên, tính toán và so

sánh các kết quả trung gian của các bước mô phỏng với quá trình xử lý dữ liệu ở

bộ thu Tuy nhiên, sai số của kết quả mô phỏng vẫn còn lớn, mặc dù vẫn nằm

trong phạm vi chấp nhận được; tốc độ tính toán vẫn còn chậm

vực được hưởng lợi nhiều nhất từ các hệ thống định vị của các nước trên thế giới Bên cạnh các nhân khách quan, Chính phủ và các cơ quan Bộ/Ban/Ngành, trung tâm nghiên cứu ở Việt Nam cũng quan tâm và đầu tư để biến công nghệ định vị

sử dụng vệ tinh thành công nghệ hữu ích phục vụ trực tiếp cho đời sống xã hội

Về mặt thực tiễn, công nghệ định vị sử dụng vệ tinh đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó điển hình là lĩnh vực xây dựng, trắc địa, đo đạc và đặc biệt là lĩnh vực quản lý giao thông Trong những năm gần đây, khi Mạng lưới các trạm cải chính GNSS hoạt động liên tục (CORS network) – do Cục Đo đạc

và Bản đồ Việt Nam đưa vào hoạt động, thì nhu cầu về việc kiểm định các bộ thu GNSS đủ chất lượng, phục vụ cho tính pháp lý của công tác đo đạc, xây dựng

bản đồ sử dụng GNSS còn cấp thiết hơn nữa Vì vậy, việc nắm bắt, làm chủ công nghệ và chế tạo các bộ sinh tín hiệu GNSS mô phỏng có ý nghĩa đặc biệt trong

việc kiểm định, và chứng nhận chất lượng của các thiết bị thu GNSS

Với trình mô phỏng, các tín hiệu giả lập được sinh ra với các tham số khác nhau và có thể tùy chỉnh Qua đó, dễ dàng tạo ra các tín hiệu giả lập với vị trí, tốc

độ và thời gian do người sử dụng đưa vào Các tín hiệu này được các bộ thu GNSS tiếp nhận và xử lý không khác gì với tín hiệu thiết bị thu trực tiếp từ hiện trường Trong nhiều trường hợp, các điều kiện thử nghiệm rất khó tạo lại trong điều kiện môi trường thực Giả sử chúng ta muốn kiểm thử các hiệu năng của các

bộ thu GPS đặt trên máy bay ở tốc độ cao Sẽ không hiệu quả về mặt chi phí nếu cách duy nhất mà chúng ta có thể thực hiện thử nghiệm là sử dụng trên máy bay

thật Thay vào đó, chúng ta có thể có được các điều kiện kiểm tra tương tự đối

với tín hiệu GPS bằng cách sử dụng trình mô phỏng với các thông số chuyển động của máy bay Vì vậy, các bài toán kiểm định hoàn toàn có thể được thực

hiện tại chỗ, đảm bảo nâng cao hiệu suất công việc, vừa nâng cao chất lượng của

việc kiểm định, và đặc biệt, phương pháp này phù hợp với việc triển khai hàng

3

loạt và định kỳ (tại đơn vị kiểm định, và tại chính đơn vị sản xuất/phân phối thiết

bị GNSS)

1.2 P hương hướng nghiên cứu và mục tiêu của luận văn

Do tầm quan trọng của các hệ thống GNSS nên kiến trúc tín hiệu của các

hệ thống này liên tục được cập nhật và cải tiến để tăng cường an toàn và an ninh định vị Điều này đòi hỏi kiến trúc của các bộ thu phát cũng phải được cập nhật

và bổ sung nhanh chóng Vì vây, việc xây dựng bộ mô phỏng tín hiệu định vị vệ tinh dựa trên công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SDR) sẽ khắc phục được những hạn chế của kiến trúc phần cứng

 Ưu điểm của trình mô phỏng trong nghiên cứu tín hiệu định vị vệ tinh và ki ểm thử thiết bị GNSS

Để thực hiện kiểm định các thiết bị sử dụng công nghệ định vị GNSS, trên

thế giới sử dụng 3 phương pháp sau:

kết nối vào ăng-ten để thu tín hiệu và quan sát kết quả như Hình 1

Hình 1 Ki ểm thử thiết bị/bộ thu GPS ngoài hiện trường (live-sky)

4

Tuy nhiên, trong kiểm thử này, có rất ít tham số mà người dùng có thể

kiểm soát được Mặc dù có thể chọn vị trí vật lý của ăng-ten thử nghiệm, chúng

ta không thể hiệu chỉnh được thời gian, các can nhiễu đến bộ thu hay điều chỉnh tín hiệu vệ tinh, lỗi, dữ liệu định vị, quỹ đạo bộ thu,… Do đó, việc thiết kế các

kịch bản thử nghiệm là rất khó khăn, vì không thể lặp lại hay thiết lập các thông

số môi trường theo ý muốn

Phương pháp thứ hai là kiểm thử bằng thu và phát lại tín hiệu vệ tinh Ưu điểm của phương pháp này là chúng ta có thể lặp lại điều kiện thử nghiệm Tuy nhiên, các nhược điểm tương tự phương pháp kiểm thử hiện trường vẫn còn do

vẫn phụ thuộc vào môi trường thu tín hiệu Hơn nữa, một số bộ thu có sự đồng

bộ về thời gian sẽ không thể thực hiện kiểm thử bằng phương pháp này

Phương pháp sử dụng trình mô phỏng sẽ khắc phục được những nhược điểm của hai phương pháp trên Với khả năng mô phỏng chùm vệ tinh quan sát được, mỗi kịch bản thử nghiệm có thể được chạy với các tín hiệu giống hệt nhau

Kịch bản sẽ bắt đầu với cùng một thời điểm, vị trí vệ tinh giống hệt nhau – thậm chí cùng độ lệch pha tương đối giữa các tín hiệu vệ tinh khác nhau Bằng cách này, chúng ta có thể đảm bảo rằng bộ thu đang thu tín hiệu chính xác như nhau trong mỗi lần chạy thử Ngoài ra, sử dụng bộ mô phỏng cho phép kiểm thử một

số lượng lớn các thiết bị cùng lúc, cũng như giả lập lại được vị trí và môi trường truyền sóng

 Tình hình nghiên c ứu và ứng dụng các trình mô phỏng tín hiệu định vị vệ tinh GPS/GNSS

Công nghệ chế tạo trình mô phỏng tín hiệu định vị nằm trong cùng xu hướng phát triển của công nghệ chế tạo các bộ thu phát Hiện nay, công nghệ chế

tạo các hệ thống này có hai hướng tiếp cận: phần cứng và phần mềm Trong đó, hướng tiếp cận phần cứng là hướng tiếp cận truyền thống, các thành phần xử lý tín hiệu sẽ được thực hiện hoàn toàn bằng phần cứng Một số trung tâm nghiên

cứu và công ty lớn trên thế giới đã thương mại hóa các trình mô phỏng tín hiệu

dựa trên hướng tiếp cận phần cứng như Spirent, iFen, Skydel,…

5

i Fen NCS TITAN ≈$50k Spirent GSS9000 $42k Xidus-648 $40k Hình 2 Hướng tiếp cận dựa trên phần cứng: Trình mô phỏng tín hiệu

định vị vệ tinh GPS/GNSS thương mại

Hình 2 là một số trình mô phỏng dựa trên hướng tiếp cận phần cứng được thương mại hóa Các thiết bị phần cứng thương mại trên có ưu điểm là hiệu năng cao, được thiết kế chuyên dụng xử lý đa kênh, đa tần số Tuy nhiên, giá thành của các thiết bị này tương đối cao từ vài chục cho đến vài trăm nghìn đô (khoảng 1-2

tỉ đồng), phụ thuộc vào cấu hình của nhà sản xuất khi muốn mở rộng thử nghiệm, thiết kế các kịch bản nghiên cứu mới

Trong khi đó, với hướng tiếp cận bằng phần mềm (software defined radio – SDR) đã trở thành mục tiêu phát triển của các ngành công nghiệp sử dụng sóng

vô tuyến trong những năm gần đây Nguồn gốc cho sự phát triển của SDR là kết

quả của một thời gian dài cải tiến các công nghệ lạc hậu ban đầu để phù hợp cho

việc ứng dụng sức mạnh của các chip xử lý ngày nay Công nghệ SDR là một

phần kiến trúc phần cứng kết hợp phần mềm để thực hiện xử lý các tín hiệu vô tuyến thu được trong không gian chính sự kết hợp này đã cho phép người dùng tùy biến phần cứng thu/phát sóng vô tuyến thành những thiết bị đa dạng

6

B ảng 1 So sánh cách tiếp cận hướng phần cứng và cách tiếp cận hướng phần

m ềm trong việc xây dựng trình mô phỏng tín hiệu định vị GPS/GNSS

Hướng phần cứng Hướng phần mềm

Cách tiếp cận truyền thống dựa trên

phần cứng trong phát triển trình mô

phỏng

Cách tiếp cận mới, sử dụng công nghệ SDR

Hệ thống đầy đủ, tinh vi, với các kịch

bản mô phỏng phức tạp

Hiệu năng phụ thuộc vào năng lực tính toán của vi xử lý (có thể dùng GPU để tăng tốc xử lý)

Số kênh tín hiệu mô phỏng lớn (ví dụ:

160 kênh của Spirent)

Số kênh tín hiệu nhỏ hơn

Phát tín hiệu theo thời gian thực hoặc

thu phát lại

Phát tín hiệu thời gian thực là thách

thức (GPU là giải pháp) Thách thức trong cập nhật các tín hiệu,

các kịch bản mô phỏng mới

Dễ dàng trong cập nhật các tín hiệu, các kịch bản mô phỏng mới

Các hãng tiêu biểu: Spirent, iFen,

ELTA…

Các hãng tiêu biểu: Skydel, iFen,…

Từ Bảng 1 có thể thấy, những nhược điểm của công nghệ SDR đã được

khắc phục bằng việc tận dụng năng lực xử lý của CPU và GPU thế hệ mới Bên

cạnh đó, tính linh hoạt trong việc cập nhật kiến trúc xử lý tín hiệu mà không cần thay thế thiết bị đã giúp giảm đáng kể chi phí cũng như đảm bảo tính linh hoạt trong phát triển hệ thống Do đó, việc lựa chọn phát triển trình mô phỏng dựa trên công nghệ SDR đang là xu hướng chung của các hãng sản xuất trình mô

phỏng trên thế giới

Căn cứ trên tình hình thực tiễn về nhu cầu và khả năng làm chủ công nghệ, tôi đề xuất phát triển bộ mô phỏng tín hiệu định vị vệ tinh sử dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm phục vụ việc kiểm định và đánh giá các thiết bị định vị vệ tinh với mục tiêu sau:

7

• Làm chủ công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm Defined Radio – SDR) trong phát triển các trình mô phỏng tín hiệu GPS/GNSS

(Software-• Nghiên cứu, xây dựng và thử nghiệm trình mô phỏng tín hiệu định vị vệ tinh GPS/GNSS

Để mô phỏng được tín hiệu định vị sử dụng vệ tinh GNSS nói chung, đặc

biệt là tín hiệu GPS nói riêng, ta cần hiểu được quá trình thu và xử lý tín hiệu ở

bộ thu định vị Việc này là cơ sở để nghiên cứu và thiết kế các bước của quá trình

mô phỏng, đảm bảo bộ thu thu và xử lý tín hiệu mô phỏng tương tự như đối với tín hiệu thật

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SDR)

- Nghiên cứu lý thuyết xử lý tín hiệu định vị vệ tinh ở bộ thu GPS/GNSS

- Đề xuất và xây dựng mô hình mô phỏng tín hiệu định vị vệ tinh GPS

- Thử nghiệm và so sánh các kết quả mô phỏng với các kết quả tính được từ

bộ thu GPS để đánh giá chất lượng trình mô phỏng

1.4 T ổng quan các bước tiến hành

Quá trình thực hiện gồm 2 giai đoạn chính (Hình 3):

 Giai đoạn 1: Nghiên cứu và xây dựng trình sinh tín hiệu mô phỏng GPS IF

từ các tham số đầu vào:

- Cấu hình: các thông số của tín hiệu vô tuyến và frontend của bộ thu GPS

- Vị trí người dùng: tọa độ của người dùng (bộ thu GPS)

- Tệp tin Ephemeris/Almanac: các thông tin về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh GPS

 Giai đoạn 2: Kiểm tra, đánh giá tín hiệu mô phỏng được bằng bộ thu mềm GNSS-SDR

8

Hình 3 T ổng quan các bước thực hiện bài toán

Trình mô phỏng tín hiệu được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình

MATLAB và một số thư viện toán học có sẵn Từ Hình 3, đầu ra của trình mô

phỏng là tín hiệu mô phỏng GPS IF dạng số hóa sẽ được lưu xuống đĩa cứng và được sử dụng làm đầu vào của bộ thu mềm GNSS-SDR Bộ thu mềm GNSS-

SDR sử dụng trong luận văn là mã nguồn mở đính kèm sách: Kai Borre, Dennis

M Akos, Nicolaj Bertelsen, Perter Rinder, “A Software-defined GPS and Galileo Receiver A Single-Frequency Approach”, ISBN: 978-0-8176-4390-4, 2006 Các

dữ liệu trích xuất được từ bộ thu mềm so sánh với các tham số đầu vào của trình

mô phỏng để đánh giá chất lượng tín hiệu, hiệu năng và độ chính xác của trình

mô phỏng

9

C Ơ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Gi ới thiệu hệ thống định vị sử dụng vệ tinh GNSS

Từ xa xưa, con người đã biết được tầm quan trọng của định vị dẫn đường

Vì thế nhiều phương pháp định vị đã ra đời, từ nhưng phương pháp đơn giản như định vị dựa vào những cột mốc có sẵn cho đến những phương pháp khoa học và chính xác hơn như quan sát biến động của các dòng hải lưu, thiên văn, sử dụng la bàn và các công cụ đo lường khác Tuy nhiên các phương pháp này có nhiều hạn

chế như độ phức tạp tính toán cao, thiếu chính xác và độ tin cậy thấp Cùng với

sự phát triển của khoa học và công nghệ, phương pháp định vị vệ tinh ra đời, ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và xã hội Về dân

sự, định vị vệ tinh được sử dụng cho việc xác định vị trí, dẫn đường, tìm đường hay phục vụ cho các ứng dụng bản đồ số trên điện thoại thông minh Đối với quân sự, định vị vệ tinh làm nhiệm vụ dẫn đường cho các thiết bị không người lái hay cho quân đội tác chiến ở nhưng nơi không thể sử dụng trạm mặt đất như đường biển Từ thực tế đó, các hệ thống định vị vệ tinh đang hoạt động như GPS

và GLONASS đang dần được nâng cấp và cải tiến để phục vụ nhu cầu hiện nay Bên cạnh đó, các nước châu Âu và Trung Quốc cũng xây dựng những hệ thống

của riêng mình như Galileo và Beidou

Hình 4 Ki ến trúc hệ thống định vị sử dụng vệ tinh

10

Một hệ thống định vị sử dụng vệ tinh toàn cầu (GNSS) thông thường gồm

có các thành phần (Hình 4):

• Thành phần không gian (Space segment): là hệ thống các vệ tinh trên

quỹ đạo làm nhiệm vụ quảng bá tín hiệu định vị cho người dùng toàn cầu

• Thành phần điều khiển (Control segment): là hệ thống các trạm mặt đất

có chức năng giám sát, điều khiển các vệ tinh và đảm bảo các vệ tinh hoạt động

ổn định, chính xác

• Thành phần người dùng (User segment): là các bộ thu của người dùng đầu cuối

Hệ thống GNSS hoạt động như sau: các bộ thu định vị nhận dữ liệu phát

từ vệ tinh, sau đó tiến hành giải điều chế, giải mã ra các bản tin định vị Từ dữ

liệu giải mã được, bộ thu tính toán ra vị trí của vệ tinh và khoảng cách từ vệ tinh

với bộ thu dựa trên thời gian truyền tín hiệu Vị trí của bộ thu được xác định là giao điểm của các mặt cầu với tâm là các vệ tinh, bán kính là khoảng cách từ vệ tinh tới bộ thu như Hình 5 Để có thể xác định được vị trí của bộ thu trong không gian 3 chiều, cần phải thu được tín hiệu từ ít nhất 3 vệ tinh Tuy nhiên, thực tế

cần đến tối thiểu 4 vệ tinh do độ lệch giữa đồng hồ bộ thu và đồng hồ vệ tinh

Hình 5 Xác định vị trí bộ thu từ 4 vệ tinh

Bên cạnh việc xác định vị trí, ta có thể xác định được vận tốc cũng như hướng chuyển động của bộ thu Ngoài ra hệ thống vệ tinh còn có một ứng dụng quan trọng khác là cung cấp thời gian chuẩn cho toàn thế giới dựa trên các đồng

hồ nguyên tử với độ chính xác rất cao được đặt trên các vệ tinh

11

Trong luận văn thực hiện nghiên cứu và mô phỏng tín hiệu của hệ thống vệ tinh GPS Tổng quan về hệ thống cũng như cấu trúc bản tin định vị của GPS được trình bày trong các phần dưới đây

2.2 T ổng quan về hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS)

2.2.1 Gi ới thiệu chung

GPS (Global Positioning System) là hệ thống định vị vị trí dựa trên hệ

thống các vệ tinh được phát triển bởi bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ Từ khi mới đưa vào thử nghiệm cho đến nay đã trải qua nhiều thế hệ vệ tinh Mỗi thế hệ vệ tinh

lại có những cải tiến nhất định để tăng khả năng hoạt động liên tục, ổn định của

hệ thống GPS sử dụng một nhóm từ 24 đến 32 vệ tinh bay ở quỹ đạo Medium Earth Orbit (MEO 2000 km đến 35 768 km) quay quanh Trái Đất và phát tín hiệu đến bộ thu nhằm xác định vị trí, vận tốc và thời gian của chúng Việc truy cập tới tín hiệu GPS là miễn phí đối với mọi người dùng, kể cả người dùng từ các quốc gia khác và được dùng cho cả mục đích dân sự và quân sự Các số liệu định vị và định thời gian được sử dụng cho vô số những ứng dụng khác nhau, bao gồm: hàng không, đất liền và hàng hải, theo dõi các phương tiện giao thông trên bộ, tàu

biển, điều tra khảo sát và vẽ bản đồ, quản lý tài sản và tài nguyên thiên nhiên

Như các hệ thống GNSS khác, hệ thống GPS gồm 3 thành phần chính:

Phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment) và phần người dùng (User Segment) Mục đích của phần điều khiển là kiểm soát hoạt động của các vệ tinh đảm bảo các vệ tinh đi đúng theo quỹ đạo và thông tin thời gian chính xác bởi các trạm kiểm soát Các trạm kiểm soát được đặt rải rác trên Trái Đất Phần điều khiển gồm 5 trạm kiểm soát: 4 trạm kiểm soát hoạt động một cách tự động (Monitor Station) và một trạm kiểm soát trung tâm (Master Control Station) Bốn trạm kiểm soát tự động giám sát các tín hiệu nhận được từ các vệ tinh và gửi thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm Tại trạm kiểm soát trung tâm, trạm tiến hành sửa những thông tin không chính xác và kết hợp với hai ăng-ten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh Ngoài ra, hệ thống còn có một trạm

kiểm soát trung tâm dự phòng và 6 trạm quan sát chuyên biệt

12

Phần không gian GPS bao gồm 24 vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo chung quanh Trái Đất mỗi 12h ở độ cao 12.000 dặm với vận tốc 7000 dặm/h phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55𝑜𝑜 Với độ cao này cho phép tín hiệu bao phủ

một diện tích lớn Các vệ tinh được bố trí theo một quỹ đạo nhất định để một bộ thu GPS bất kì trên mặt đất có thể nhận được tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh tại bất kì

thời điểm nào

Mỗi vệ tinh phát hai tần số sóng mang với tần số L1=1575.42 MHz và L2=1227.60 MHz Sóng này được phát ra dựa trên cơ sở dãy số ngẫu nhiên bao

gồm các số 0 và 1 Mã này được gọi là mã P (Precise) Bên cạnh đó sóng mang

tần số L1 còn mang thêm sóng mã C/A (Coarse/Acquisition) Mã C/A được phát

đi ở hai tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz Ngoài hai mã trên vệ tinh còn phát mã

phụ có tần số 50 Hz chứa thông tin về lịch hoạt động và sức khỏe của các vệ tinh

Phần người dùng bao gồm các bộ thu tín hiệu GPS từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và tàu thủy Các bộ thu này phân làm 2 loại: bộ thu 1 tần số và bộ thu 2

tần số Bộ thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1 Bộ thu 2

tần số nhận được các mã phát đi với cả 2 sóng mang L1 và L2

Phần người dùng GPS bao gồm 3 thành phần chính:

• Phần cứng: bao gồm các bộ thu mạch điện tử, các bộ dao động tần số

vô tuyến các ăng-ten và các thiết bị ngoại vi cần thiết cho hoạt động của bộ thu

• Phần mềm: những chương trình máy tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành thông tin định vị hoặc dẫn đường

• Phần triển khai công nghệ: cải tiến thiết kế bộ thu, phân tích và mô hình hóa hiệu ứng của các ăng-ten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp

của chúng trong phần mềm xử lý

2.2.2 C ấu trúc của tín hiệu GPS và định dạng bản tin

Tín hiệu GPS được truyền đi trên hai tần số vô tuyến trên băng tần UHF là L1 và L2 Băng tần UHF bao gồm các dải tần từ 500 MHz đến 3 GHz Các tần số L1 và L2 có nguồn gốc từ một tần số chung là 𝑓𝑓0 = 10.23 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀

𝑓𝑓𝐿𝐿1 = 154𝑓𝑓0 = 1575.42 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀

𝑓𝑓𝐿𝐿2 = 120𝑓𝑓0 = 1227.60 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀

13

Các tín hiệu được tạo thành từ 3 thành phần sau:

• Sóng mang: sóng mang có tần số 𝑓𝑓𝐿𝐿1 hoặc 𝑓𝑓𝐿𝐿2

• Dữ liệu dẫn đường: dữ liệu dẫn đường chứa các thông tin về quỹ đạo

của vệ tinh Thông tin này được tải lên tất cả các vệ tinh từ trạm mặt đất Các dữ

liệu định vị có tốc độ bit là 50bps

• Mã truyền đi: mỗi vệ tinh có hai mã truyền tải (code) đặc trưng là mã P(Y) và mã C/A Mã C/A là một chuỗi 1023 chip (1 chip tương ứng với 1 bit Nó thường được gọi là chip để nhấn mạnh rằng nó không chứa bất kì thông tin nào)

Mã này được lặp đi lặp lại mỗi ms với tốc độ 1.023 MHz Mã P dài hơn (≈2.35 ∗ 1024 𝑐𝑐ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖) với tốc độ chip là 10.23 MHz Nó tự lặp lại mỗi tuần theo

tuần của GPS bắt đầu vào thứ bảy/nửa đêm chủ nhật Mã C/A được điều biến trên sóng mang L1 trong khi mã P được điều biến trên cả hai sóng mang L1 và L2

a Định dạng gói tin

Gói tin được gửi đi từ các vệ tinh đến điểm nhận tin (bộ thu GPS) bao

gồm các thông tin: tọa độ, trạng thái của đồng hồ, tình trạng sức khỏe của mạng lưới Gói tin được mã hóa và truyền trên 2 định dạng: dân dụng (C/A – thô) và quân dụng (P(Y) – chính xác)

Kích thước: 1 gói tin gồm 25 khung, mỗi khung chia làm 5 khung phụ,

mỗi khung phụ có 10 từ mã dài 30 bit: 1500 bit/khung Dẫn đến ta có 37500 bit/tin Với tốc độ truyền là 50 bit/s nên cần 750s để truyền tải toàn bộ gói tin

B ảng 2 Các phân khung của tín hiệu vệ tinh GPS

1 Đồng hồ vệ tinh Cho biết tình trạng của vệ tinh

2,3 Lịch thiên văn Quỹ đạo chính xác của vệ tinh

14

giả ngẫu nhiên (PRN) dài 1023 bit, tốc độ truyền: 1.023 Mbit/s, lặp lại sau 1ms

Mã này còn gọi là mã Gold Mỗi vệ tinh có một mã Gold riêng, phân biệt với các

vệ tinh khác Vì vậy, nó dùng để ghép kênh theo mã (CDMA)

Tín hiệu GPS được điều chế theo phase nhị phân BPSK Trải phổ trực tiếp (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum)

Hình 6 Tín hi ệu GPS và mã hóa

Sóng mang có 2 loại L1 (10.23 MHz × 154) dùng trong dân sự, và L2 (10.23 MHz × 120) kết hợp với L1 dùng trong quân sự Ở đây ta chỉ xét loại L1 dùng mã C/A dân dụng Tín hiệu dữ liệu và mã Gold là xung có 2 mức +1 và -1 Ghép kênh trải phổ trực tiếp (DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum) nhân

mã hóa tín hiệu mang dữ liệu cần truyền với mã Gold tạo thành tín hiệu trước khi điều chế Thời gian của một xung trong mã PRN được gọi là 1 chip (𝑇𝑇𝑐𝑐) Điều

chế phase nhị phân (BPSK – Binary Phase Shift Keying) thực hiện nhân sóng mang với tín hiệu trước điều chế, tức là dịch phase sóng mang nửa chu kỳ khi

Giả thiết tín hiệu truyền với vận tốc ánh sáng c, thời gian gửi tin đo trên vệ tinh i

là 𝑡𝑡𝑖𝑖, thời gian nhận tin đo tại điểm nhận tin là 𝑡𝑡𝑟𝑟 (giả sử các giá trị này là chính

15

xác) thì ta tính được khoảng cách từ vệ tinh đến điểm nhận tin, gọi là khoảng cách giả (pseudorange):

𝜌𝜌𝑖𝑖 = (𝑡𝑡𝑟𝑟 − 𝑡𝑡𝑖𝑖)𝑐𝑐

Thực tế, thời gian gửi tin với thời gian nhận tin đo được có sai số:

𝑇𝑇𝑖𝑖 = 𝑡𝑡𝑖𝑖 + 𝑏𝑏𝑖𝑖: thời điểm gửi tin thực tế

𝑇𝑇𝑟𝑟 = 𝑡𝑡𝑟𝑟 + 𝑏𝑏𝑟𝑟: thời điểm nhận tin thực tế

𝑏𝑏𝑖𝑖, 𝑏𝑏𝑖𝑖: độ sai lệch của điểm nhận tin và của vệ tinh so với thời gian của hệ

thống nên khoảng cách thực phải là:

𝑅𝑅𝑖𝑖 = (𝑇𝑇𝑟𝑟 − 𝑇𝑇𝑖𝑖)𝑐𝑐 Trên thực tế, các phép đo luôn tồn tại sai số do sự không đồng bộ giữa đồng hồ bên thu và bên phát, nhiễu trên đường truyền GPS là truyền thông vệ tinh qua các tầng khí quyển nên tồn tại độ trễ do tầng đối lưu và tầng điện ly gây

ra Nên giả khoảng cách tính theo công thức sau:

𝜌𝜌 = 𝑃𝑃 + 𝑑𝑑𝑃𝑃 + 𝑐𝑐(𝑑𝑑𝑡𝑡 − 𝑑𝑑𝑇𝑇) + 𝑑𝑑𝑖𝑖𝑜𝑜𝑖𝑖 + 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑟𝑟𝑜𝑜𝑡𝑡+ 𝜀𝜀𝜌𝜌

Trong đó:

𝜌𝜌: là giả khoảng cách; P: là khoảng cách thật

dP: là sai số quỹ đạo của vệ tinh;

và bộ thu (m/s); 𝑑𝑑𝑃𝑃̇ – trôi dạt quỹ đạo vệ tinh; 𝑑𝑑𝑡𝑡̇ – trôi dạt đồng hồ vệ tinh; 𝑑𝑑𝑇𝑇̇ – trôi dạt đồng hồ bộ thu; 𝑑𝑑𝚤𝚤𝑜𝑜𝑖𝑖̇ – độ trễ do tầng điện ly; 𝑑𝑑𝑡𝑡𝑟𝑟𝑜𝑜𝑡𝑡̇ – độ trễ do tầng đối lưu; 𝜀𝜀𝜌𝜌̇ – nhiễu đo lường và tốc độ thay đổi của nhiễu đa đường

16

b Tính toán xác định vị trí bộ thu

Để xác định được vị trí của một điểm trong không gian 3 chiều, ta dựng 4

mặt cầu giao nhau Vì vậy, ta cần 4 vệ tinh để xác định được vị trí của bộ thu:

Hình 7 Các m ặt cầu xác định vị trí bộ thu

Mặt cầu thứ 4 sẽ xác định được vị trí bộ thu cần tìm trong 2 điểm giao của

3 mặt cầu kia Nhưng trên thực tế do sai số, khoảng cách giả được tính toán khác

với khoảng cách thực nên mặt cầu thứ 4 có khả năng không đi qua điểm nào trong 2 điểm giao đã xác định ở trên Sai số 1 dẫn đến sai số không gian là 300m

Dựa vào bản tin mà vệ tinh i gửi, bộ thu sẽ biết được các tham số tọa độ

của vệ tinh i (𝑥𝑥𝑖𝑖, 𝑦𝑦𝑡𝑡, 𝑀𝑀𝑖𝑖) và thời điểm bộ thu nhận được bản tin là 𝑡𝑡𝑟𝑟 Gọi chung cho độ lệch đồng hồ giữa bên nhận và bên phát (𝑑𝑑𝑡𝑡 − 𝑑𝑑𝑇𝑇) là 𝑑𝑑𝑡𝑡, và 𝑑𝑑𝑖𝑖𝑜𝑜𝑖𝑖 +

𝑑𝑑𝑡𝑡𝑟𝑟𝑜𝑜𝑡𝑡+ 𝜀𝜀𝜌𝜌 là UERE Các ẩn số là tọa độ bộ thu và độ lệch thời gian giữa điểm

nhận tin và hệ thống 𝑑𝑑𝑡𝑡

Ta cần giải hệ 4 phương trình:

(𝑥𝑥𝑖𝑖− 𝑥𝑥)2+ (𝑦𝑦𝑖𝑖 − 𝑦𝑦)2+ (𝑀𝑀𝑖𝑖− 𝑀𝑀)2 = 𝑅𝑅𝑖𝑖2, 𝑖𝑖 = 1 … 4 Tương đương:

𝜌𝜌𝑖𝑖 = �(𝑥𝑥𝑖𝑖− 𝑥𝑥)2+ (𝑦𝑦𝑖𝑖 − 𝑦𝑦)2+ (𝑀𝑀𝑖𝑖− 𝑀𝑀)2− 𝑐𝑐𝑑𝑑𝑡𝑡 + 𝑈𝑈𝑈𝑈𝑅𝑅𝑈𝑈𝑖𝑖

(2.1) Tuyến tính hóa phương trình (1.6), ước lượng vị trí bộ thu và sai số đồng

hồ bộ thu 𝑑𝑑𝑡𝑡, ta tính được giả khoảng cách gần đúng:

Áp dụng khai triển Taylor cho (2.1), ta được:

𝜌𝜌𝑖𝑖 = 𝜌𝜌�𝑖𝑖+𝛿𝛿𝜌𝜌�𝛿𝛿𝑥𝑥�𝑖𝑖∆𝑥𝑥 +𝛿𝛿𝜌𝜌�𝛿𝛿𝑦𝑦�𝑖𝑖∆𝑦𝑦 +𝛿𝛿𝜌𝜌�𝛿𝛿𝑀𝑀̂𝑖𝑖∆𝑀𝑀 + 𝛿𝛿𝜌𝜌�𝑖𝑖

𝛿𝛿(𝑑𝑑𝑡𝑡̂)∆𝑡𝑡+ ⋯ (2.4)

Với:

𝛿𝛿𝜌𝜌�𝑖𝑖𝛿𝛿𝑥𝑥� ∆𝑥𝑥

�(𝑥𝑥𝑖𝑖− 𝑥𝑥�)2+ (𝑦𝑦𝑖𝑖− 𝑦𝑦�)2+ (𝑀𝑀𝑖𝑖 − 𝑀𝑀̂)2 (2.5) 𝛿𝛿𝜌𝜌�𝑖𝑖

𝛿𝛿𝑦𝑦� ∆𝑦𝑦

�(𝑥𝑥𝑖𝑖− 𝑥𝑥�)2+ (𝑦𝑦𝑖𝑖− 𝑦𝑦�)2+ (𝑀𝑀𝑖𝑖 − 𝑀𝑀̂)2 (2.6) 𝛿𝛿𝜌𝜌�𝑖𝑖

𝛿𝛿𝑀𝑀̂ ∆𝑀𝑀

�(𝑥𝑥𝑖𝑖− 𝑥𝑥�)2+ (𝑦𝑦𝑖𝑖 − 𝑦𝑦�)2+ (𝑀𝑀𝑖𝑖− 𝑀𝑀̂)2 (2.7) 𝛿𝛿𝜌𝜌�𝑖𝑖

𝛿𝛿(𝑑𝑑𝑡𝑡̂)= −𝑐𝑐 (2.9) Thay thế từ (2.5) đến (2.9) vào (2.3) và xem xét với số n, ta có:

∆𝜌𝜌 = 𝑀𝑀∆𝑥𝑥 (2.10)

Dạng ma trận:

𝛿𝛿𝜌𝜌�𝑖𝑖𝛿𝛿𝑥𝑥�

𝛿𝛿𝜌𝜌�𝑖𝑖𝛿𝛿𝑥𝑥�

𝛿𝛿𝜌𝜌�𝑖𝑖𝛿𝛿𝑥𝑥� −1𝛿𝛿𝜌𝜌�𝑖𝑖𝛿𝛿𝑥𝑥� −1

Từ đó sẽ tính được tọa độ x, y, z và độ sai lệch thời gian của bộ thu, nghĩ

là xác định được vị trí vật thể mang bộ thu GPS (x, y, z, dt)

2.3 Các h ệ quy chiếu

Các hệ thống định vị có thể sử dụng các hệ quy chiếu khác nhau Các hệ quy chiếu sau thường được sử dụng:

2.3.1 H ệ quy chiếu quán tính (i-frame)

i-frame: Hệ địa tâm nhật hướng (ECI – Earth-centered Inertial) là hệ quy chiếu

gắn với tâm Trái Đất, không quay theo quỹ đạo tự quay của Trái Đất

• Tâm gắn với tâm Trái Đất

• Trục z cố định theo hướng cực Bắc, trục x cố định hướng tới điểm xuân phân Trục y xác định trực giao

19

Hình 8 H ệ quy chiếu quán tính i-frame

2.3.2 H ệ quy chiếu Trái Đất (e-frame)

e-frame: Hệ địa tâm mặt đất (ECEF – Earth-centered Earth-fixed) là hệ quy chiếu gắn toàn bộ với mặt đất, giống i-frame nhưng quay quanh theo quỹ đạo

tự quay của Trái Đất:

• Tâm gắn với tâm Trái Đất

• Trục z cố định theo hướng cực Bắc, trục x cố định hướng tới kinh tuyến

gốc ở Greenwich

• Trục y xác định trực giao

2.3.3 H ệ trắc địa địa phương (n-frame)

n-frame: Hệ tiếp diện cục bộ (LTP – Local Tangent Plane) là hệ quy chiếu

gắn cục bộ với mặt đất:

• Tâm là một điểm quy ước trên mặt đất

• Trục x theo chiều tăng vĩ độ (hướng Bắc), trục y theo chiều tăng kinh

độ (hướng Đông)

• Trục z xác định trực giao

2.4 Quá trình x ử lý tín hiệu ở bộ thu

Quy trình xử lý tín hiệu trong các bộ thu định vị được mô tả tổng quát trên

Hình 11 Trong đó cụ thể các thành phần như sau

21

Hình 11 Ki ến trúc tổng quan của bộ thu định vị vệ tinh

2.4.1 Frontend

Front-end là phần cứng chịu trách nhiệm thu, xử lý và chuyển đổi tín hiệu

GPS tần số L1 (1.57542 GHz) sang tần số trung gian IF (Intermediate Frequency) Các thành phần của front-end bao gồm: anten, các bộ lọc băng thông

(BPF), bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA), bộ trộn và bộ chuyển đổi tương tự sang

số (ADC)

Hình 12 Sơ đồ khối các thành phần của front-end

Ăng-ten GPS dùng để thu tín hiệu Bộ lọc băng thông có tần số trung tâm

bằng tần số L1 (1575,42 MHz) cho phép chọn các tần số cần thiết Bộ khuếch đại

nhiễu thấp giúp khuếch đại công suất tín hiệu

Tín hiệu GPS L1 C/A ở đầu ra của fron-end có dạng:

𝑟𝑟[𝑛𝑛] = √2𝐶𝐶𝑑𝑑[𝑛𝑛]𝑐𝑐[𝑛𝑛 + 𝜏𝜏] cos(2𝜋𝜋(𝑓𝑓𝐼𝐼𝐼𝐼+ 𝑓𝑓𝐷𝐷)𝑛𝑛𝑇𝑇𝑠𝑠+ 𝜑𝜑) + 𝑛𝑛𝑊𝑊[𝑛𝑛]

Trong đó, C là công suất sóng mang (W), d[n] là dữ liệu định vị, c[n] là

mã trải phổ PRN – đặc trưng cho mỗi vệ tinh, 𝑓𝑓𝐼𝐼𝐼𝐼 và 𝑓𝑓𝐷𝐷 lần lượt là tần số trung

gian và tần số Doppler gây ra do chuyển động tương đối của vệ tinh và bộ thu,

𝑇𝑇𝑠𝑠 = 1 𝐹𝐹⁄ là chu kỳ lấy mẫu (s), 𝜑𝜑 là pha ban đầu của sóng mang (rad), 𝜏𝜏 là độ 𝑠𝑠

lệch ban đầu của mã trải phổ, và 𝑛𝑛𝑊𝑊 là nhiễu trắng

những vệ tinh di chuyển ra xa bộ thu sẽ có tần số thấp hơn Mỗi vệ tinh GPS có

một mã trải phổ PRN (hay còn gọi là mã C/A) xác định và phân biệt Mã PRN được dùng để ước tính thô tần số sóng mang và độ dịch mã trải phổ

Tín hiệu vệ tinh truyền đi được xác định bởi bộ 3 tham số: mã trải phổ (c) đặc trưng cho từng vệ tinh, tần số Doppler (𝑓𝑓𝐷𝐷) và độ trễ mã trải phổ (𝜏𝜏) Việc xác định tín hiệu được thực hiện trên không gian tìm kiếm ba chiều với kích thước bằng miền giá trị của 3 tham số nêu trên Một cách khái quát, việc ước lượng các giá trị 𝑓𝑓𝐷𝐷 và 𝜏𝜏 trong bước dò tín hiệu là tìm điểm giao trên không gian tìm kiếm gần với điểm biểu diễn tín hiệu thu được Nếu có thu được tín hiệu của

vệ tinh, giá trị tương quan tại điểm gần đúng sẽ cao hơn hẳn so với các điểm ở xung quanh

23

• Bám sóng mang (Carrier tracking): mục đích là tạo ra thành phần sóng mang cục bộ có tần số và pha giống hệt như thành phần tín hiệu thu được Mạch vòng bám sóng mang xác định độ tương quan giữa thành phần sóng mang cục bộ

và thành phần sóng mang của tín hiệu để điều khiển bộ tạo dao động hình sin cục

bộ hiệu chỉnh tần số cho đúng

• Bám mã trải phổ (Code tracking): ước lượng giá trị của code phase (độ

trễ mã trải phổ) Quá trình này tạo ra một mã trải phổ cục bộ tương tự mã trải phổ

của tín hiệu vệ tinh đã biết ở bước dò tín hiệu Độ trễ mã trải phổ được xác định

bằng cách so tương quan của 3 mã trải phổ cục bộ lệch nhau 0.5 chip Sau đó, các giá trị tương quan được dùng cho bộ sinh mã trải phổ cục bộ thay đổi tốc độ tạo

mã cho phù hợp

a M ạch vòng bám sóng mang

Mục đích của quá trình bám sóng mang là bám theo tín hiệu thu được và

tạo ra bản sao sóng mang có tần số và pha giống với tín hiệu thu được Quá trình bám sóng mang được thực hiện bởi mạch vòng khóa pha (PLL) hoặc mạch vòng khóa tần số (FLL)

Việc tái tạo lại sóng mang yêu cầu sử dụng một vòng lặp khóa pha (PLL)

Một vòng lặp PLL hoạt động để giảm thiểu sự sai khác về pha giữa bản sao sóng mang với thành phần sóng mang của tín hiệu thu được Như hình a cho thấy sơ

đồ BPSK (Binary Phase Shift Keying) có vòng xoay ngược chiều kim đồng hồ Các vòng tròn màu xanh và đỏ biểu thị cho các giá trị bit tương ứng là 1 và -1

Và các kí hiệu ‘X’ màu xanh và đỏ cho biết góc pha tương ứng với các giá trị bit

thực tế Các mũi tên chỉ hướng thay đổi của pha Bộ phân tích sẽ tạo ra độ sai pha, 𝜑𝜑, tương ứng với độ sai bit nhận được như hình b Như vậy tương ứng với

một giá trị độ sai pha 𝜑𝜑, ta xác định được hai vị trí tương ứng giá trị độ sai bit

24

Hình 13 S ự không rõ ràng đối với việc dịch pha 180 0

Giả sử giá trị bit thay đổi từ 1 sang -1, khi đó ‘X’ quay 1800, như thể hiện

trong hình c, bộ phân tích PLL tính độ sai pha hiện tại được phụ thêm 𝜋𝜋:

𝜑𝜑𝐴𝐴𝑐𝑐𝑡𝑡𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 = 𝜑𝜑𝐶𝐶𝑜𝑜𝐶𝐶𝑡𝑡𝐴𝐴𝑡𝑡𝐶𝐶𝐶𝐶 + 𝜋𝜋 Trong đó: 𝜑𝜑𝐴𝐴𝑐𝑐𝑡𝑡𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴: độ sai pha thực tế, 𝜑𝜑𝐶𝐶𝑜𝑜𝐶𝐶𝑡𝑡𝐴𝐴𝑡𝑡𝐶𝐶𝐶𝐶: độ sai pha theo tính toán

Để hiệu chỉnh cho sự không rõ ràng về độ sai pha này, các thuật toán PLL truyền thống đòi hỏi một số bước bổ sung được gọi là khử dữ liệu (data wipe-off) Quá trình khử dữ liệu sử dụng các dữ liệu đã biết hoặc một số phép ước tính trung bình các bit dữ liệu, để loại bỏ dữ liệu khỏi tín hiệu chỉ để lại sóng mang

Bất kể bit dữ liệu, tín hiệu được truyền đến bộ phân tích PLL sẽ có một sơ đồ tương tự như hình d, trong đó thành phần trong pha của tất cả các bit là giống nhau Một thuật toán discriminator cho PLL truyền thống là hàm arctan 4 góc

phần tư với độ sai pha 𝜑𝜑𝐸𝐸được xác định bởi phương trình:

𝜑𝜑𝐸𝐸 = 𝐴𝐴𝑇𝑇𝐴𝐴𝐶𝐶2(𝑄𝑄𝑃𝑃, 𝐼𝐼𝑃𝑃) Trong đó: 𝐼𝐼𝑃𝑃 là thành phần tương quan đồng pha, 𝑄𝑄𝑃𝑃 là thành phần tương quan vuông pha Nếu không có bước khử dữ liệu, bộ phân tích sẽ nhạy cảm với

sự thay đổi pha 1800 (bit transition) bởi vì các giá trị đầu ra 𝜑𝜑𝐸𝐸 ∈ [−𝜋𝜋, 𝜋𝜋]

25

Bộ phân tích PLL thông thường rất nhạy cảm với sự dịch pha 1800 Do

việc các bit định vị đổi dấu từ -1 sang 1 hoặc ngược lại Trong khi đó, mạch PLL trong bộ thu GPS phải không nhạy cảm với sự dịch pha 1800 Bất kì vòng lặp nào không nhạy cảm với sự dịch pha 1800 đều được gọi là vòng lặp Costas

Hình 14 Sơ đồ khối vòng lặp Costas

Mạch này nhân tín hiệu đầu vào với lần lượt tín hiệu cos và sin do bộ thu

tạo ra (tương ứng được hai kênh I và Q) Mục đích của vòng lặp Costas là tập trung năng lượng vào kênh I Với mã trải phổ đã xác định đúng, ta có thể tính được độ sai pha giữa tín hiệu thực và tín hiệu bản sao do bộ thu sinh ra:

𝜑𝜑𝐸𝐸 = tan−1�𝑄𝑄𝐼𝐼𝑃𝑃

𝑃𝑃� Trong đó:

Ba mã trải phổ lệch nhau 0.5 chip được gọi lần lượt là mã sớm, mã trễ, và mã

“đúng” Trong đó mã “đúng” là giá trị mà bộ thu xác định được trên cơ sở hiệu

chỉnh sao cho tương quan ứng với mã sớm và mã trễ bằng nhau

26

Hình 15 M ối quan hệ giữa các giá trị tương quan của 3 bản sao mã trải phổ

Hình 15, ở phía bên trái là trường hợp mã trải phổ bị chậm so với mã trải

phổ của tín hiệu thu được (giá trị tương quan của mã trễ lớn hơn hai mã còn lại),

vì vậy cần tăng tốc độ mã trải phổ Còn ở phía bên phải thể hiện mã trải phổ đúng

tốc độ, do giá trị tương quan của 2 mã sớm và mã trễ bằng nhau

Hình 16 Sơ đồ khối code tracking

27

Trong đó: 𝐼𝐼𝐸𝐸, 𝐼𝐼𝑃𝑃, 𝐼𝐼𝐿𝐿 là những mẫu của kênh 𝐼𝐼, và 𝑄𝑄𝐸𝐸, 𝑄𝑄𝑃𝑃, 𝑄𝑄𝐿𝐿 là những mẫu

của kênh 𝑄𝑄

2.4.3 Kh ối giải mã bản tin định vị

Kết quả của quá trình đồng bộ tín hiệu là dòng bit với tốc độ 50 bit/s Mục tiêu của khối giải mã bản tin định vị là từ dòng bit này giải mã ra các bản tin định

vị được gửi đi từ vệ tinh Bản tin định vị (với GPS L1) được chia thành các khung (frame), mỗi khung gồm các khung con (subframe) Do đó, để có thể giải

mã ra bản tin định vị đầu tiên cần phải xác định điểm bắt đầu của các subframe – còn gọi là đồng bộ frame Sau khi đã xác định được điểm bắt đầu của các subframe, dựa vào cấu trúc của các subframe, sẽ xác định được giá trị của các trường trong bản tin định vị được gửi đi Bên cạnh đó, sau khi xác định được vị trí của các subframe, bộ thu cũng cần kiểm tra mã chẵn lẻ (parity check) cho từng subframe để đảm bảo dữ liệu thu được là chính xác

 Đồng bộ frame

Bước đầu tiên của quá trình giải mã bản tin định vị là đồng bộ frame hay xác định điểm bắt đầu của một subframe Các subframe của bản tin định vị (xét

với GPS L1) có độ dài 300 bit được chia ra thành 10 từ mã (word), mỗi từ mã có

độ dài 30 bit Tất cả các subframe đều bắt đầu bằng từ mã Telemetry (TLM) có

cấu trúc như Hình 17

Hình 17 Định dạng từ mã TLM

Như thấy trên Hình 17, từ mã TLM bắt đầu bằng 8 bit preamble có giá trị

cố định là “1 0 0 0 1 0 1 1” tuy nhiên do cơ chế mã hóa, dữ liệu 8 bit này có thể

bị đảo dấu trở thành “0 1 1 1 0 1 0 0” Như vậy, tất cả các subframe của bản tin định vị GPS sẽ đều bắt đầu bằng 8 bit “1 0 0 0 1 0 1 1” hoặc “0 1 1 1 0 1 0 0”

Dựa vào tính chất này, điểm bắt đầu của subframe sẽ được xác định bằng cách

28

tìm ra các vị trí trong dòng bit đầu vào có giá trị 8 bit liên tiếp giống với giá trị

của 2 bộ 8 bit trên Tuy nhiên, do giá trị các bit là ngẫu nhiên nên 2 bộ giá trị 8 bit trên cũng hoàn toàn có thể xuất hiện trong phần dữ liệu của các subframe nên

nếu ta chỉ tìm các vị trí có giá trị các bit phù hợp thì rất có thể sẽ xác định sai vị trí bắt đầu subframe Mặt khác, các subframe có độ dài 6s (300 bit) Như vậy, sau 6s kể từ thời điểm bắt đầu một subframe, một subframe mới sẽ được truyền đi và

ta sẽ lại thu được một preamble mới cách vị trí cũ 300 bit

Việc tìm kiếm các vị trí có giá trị 8 bit liên tiếp giống với preamble sẽ được thực hiện qua việc tính tương quan giữa dòng bit đầu vào và 8 bit preamble Các bit 0 sẽ được thay thế bằng -1 Các vị trí có giá trị tương quan đạt đỉnh (bằng

8 hoặc -8), sẽ là các vị trí cần tìm Nếu có 2 vị trí cách nhau 300 bit, 2 vị trí này

sẽ là điểm bắt đầu subframe Như vậy, do việc cần phải sử dụng preamble của 2 subframe liên tiếp, để chắc chắn xác định được điểm bắt đầu của subframe, cần

phải có ít nhất 600 bit dữ liệu

 Gi ải mã bản tin định vị

Bản tin định vị của GPS được chia thành các frame, các frame này lại được chia ra thành 5 subframe có nội dung như sau (trừ 2 từ mã TLM và Handover Word – HOW ở đầu mỗi subframe):

• Subframe 1: Tình trạng vệ tinh, độ chính xác, các tham số hiệu chỉnh đồng hồ

• Subframe 2, 3: Các tham số của lịch thiên văn (ephemeris) Subframe 1,

2 và 3 lặp lại qua mỗi frame

• Subframe 4: Các tham số của niên lịch (almanac), mô hình tầng điện ly

• Subframe 5: Các tham số của niên lịch Subframe 4 và 5 có 25 phiên

bản với cùng cấu trúc nhưng dữ liệu khác nhau

Từ đó, sau khi kiểm tra mã chẵn lẻ cho các từ mã của subframe, bộ thu sẽ

lấy ra các bit tương ứng với từng trường trong subframe Các bit này sau đó được đổi sang hệ thập phân để thu được giá trị của tham số tương ứng

Các tham số từ subframe 1 sẽ được sử dụng để tính sai số đồng hồ của vệ tinh, sai số này sau đó được sử dụng để hiệu chỉnh giả khoảng cách (pseudorange) cho các vệ tinh Các tham số từ subframe 2 và 3 sẽ được sử dụng

để tính vị trí vệ tinh Các tham số từ subframe 4 và 5 sẽ cho biết quỹ đạo vệ tinh

và được sử dụng để xác định các vệ tinh có thể thấy được trong các lần tính toán sau

số Keppler như trên Hình 18

Hình 18 Các tham s ố Keppler và quỹ đạo vệ tinh

Trong đó,

• C: là tâm Trái Đất

• P: Cận điểm (điểm gần Trái Đất nhất trên quỹ đạo vệ tinh)

• S: vị trí hiện tại của vệ tinh