(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS

(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu ứng dụng Anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Hữu Tài

Đề tài “ Ứng dụng anten thông minh tại phía thu tín hiệu GPS ” đã được hoàn thành với sự hướng dẫn và giúp đỡ rất tận tình của Cô PGS.TS Phạm Hồng Liên Xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến cô

Xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các Thầy Cô Giáo giảng dạy chương trình Cao học ngành Kỹ Thuật Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh đã cung cấp nhiều kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học

Cuối cùng xin được gửi đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp lời cảm ơn chân thành nhất vì đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ trong quá trình học tập và thực hiện luận văn

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014

NGUYỄN HỮU TÀI

TÓM TẮT

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) bao gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ được phân bố đều trên 6 quỹ đạo gần tròn Các vệ tinh này phát tín hiệu có thông tin định vị xuống trái đất Các máy thu GPS nhận thông tin này, tính khoảng cách đến các vệ tinh và dựa vào hình học để tính vị trí của mình Khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh GPS thường bị sai do hàng loạt nguồn sai số dẫn đến sai số vị trí của máy thu Nhiệm vụ luận văn là tìm giải pháp

để đảm bảo việc truyền sóng, truyền dẫn tối ưu và hạn chế ảnh hưởng của sai số Luận văn này tìm hiểu kỹ thuật DGPS (Differential GPS) và đưa ra giải pháp anten thông minh để giảm các sai số do truyền dẫn đa đường, can nhiễu và bảo đảm truyền dẫn tối ưu trong hệ thống GPS và DGPS Giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp được đặt tại trạm tham khảo của hệ thống DGPS (hoặc có thể được đặt tại bộ thu của người sử dụng) nhằm thu nhận tín hiệu từ các vệ tinh GPS; giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo được đặt tại trạm tham khảo (hoặc tại bộ thu của người sử dụng) nhằm bảo đảm truyền dẫn tối ưu giữa trạm tham khảo và các bộ thu của người sử dụng; Giải thuật Sparse Array nhằm giảm số phần tử Anten theo một quy luật nào đó nhưng vẫn đảm bảo búp sóng hẹp

Luận văn thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab các giải thuật Multiple LCMV Beamforming cho dãy anten ULA (Uniform Linear Array) và URA (Uniform Rectangular Array) trong 2D và 3D; Unconstrained LMS Beamforming cho dãy anten ULA trong 2D; Giải thuật Sparse Array cho dãy Anten 12 phần tử Các kết quả mô phỏng đã chứng minh được rằng giải pháp mà luận văn đưa ra là đảm bảo việc truyền dẫn tối ưu và hạn chế ảnh hưởng của hàng loạt các sai số

MỤC LỤC

Tóm tắt vi

Mục lục vii

Danh mục hình ix

Danh mục bảng xii

Danh mục từ viết tắt xiii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề và tình hình nghiên cứu hiện nay 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

1.3 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS 4

2.1.1 Giới thiệu hệ thống GPS 4

2.1.2 Các mảng của hệ thống GPS 5

2.1.3 Cấu trúc tín hiệu GPS 6

2.1.4 Các sai số trong hệ thống GPS 11

2.1.4.1 Sai số do vệ tinh 11

2.1.4.1.1 Sai số chủ định SA (selective availability) 11

2.1.4.1.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh (ephemeris error) 12

2.1.4.1.3 Sai số đồng hồ của vệ tinh (satellite clock error) 12

2.1.4.2 Sai số khi truyền tín hiệu 12

2.1.4.2.1 Sai số do truyền dẫn đa đường (multipath error) 12

2.1.4.2.2 Sai số do tầng điện ly (ionospheric error) 13

2.1.4.2.3 Sai số do tầng đối lưu (tropospheric error) 14

2.1.4.3 Sai số do bộ thu của người sử dụng 15

2.1.5 Cách tính tọa độ bộ thu dựa theo hình học 17

2.1.6 Giới thiệu về bộ thu tín hiệu GPS 20

2.2 Giới thiệu về kỹ thuật DGPS 23

2.3 Giới thiệu về anten thông minh 26

2.3.1 Lý thuyết về dãy anten 27

2.3.2 Phân loại các hệ thống anten thông minh 34

2.3.2.1 Các hệ thống tạo búp chuyển đổi 34

2.3.2.2 Bộ tạo búp thích nghi dùng giải thuật LMS 35

2.3.2.3 Bộ tạo búp sử dụng hướng đến dùng giải thuật LCMV 39

2.3.3 Giải pháp Sparse Array cho dãy Anten thông minh 44

2.3.4 Những lợi ích của hệ thống anten thông minh 45

Chương 3 ỨNG DỤNG ANTEN THÔNG MINH TRONG HỆ THỐNG GPS VÀ DGPS 3.1 Ứng dụng anten thông minh trong hệ thống GPS và DGPS 47

3.1.1 Ứng dụng giải thuật LCMV băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến của anten thông minh đặt tại trạm tham khảo 49

3.1.1.1 Ứng dụng giải thuật Multiple LCMV beamforming băng hẹp cho dãy anten ULA (Uniform Linear Array) trong không gian 2D 51

3.1.1.2 Ứng dụng giải thuật Multiple LCMV beamforming băng hẹp cho dãy anten chữ nhật URA (Uniform Rectangular Array) trong không gian 3D 56

3.1.2 Ứng dụng giải thuật thích nghi Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten ULA trong không gian 2D 60

3.1.3 Ứng dụng giải thuật Sparse Array cho dãy Anten 70

Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 74

4.1 Kết quả mô phỏng giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp 74

4.1.1 Kết quả mô phỏng giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến cho dãy anten ULA có N phần tử trong không gian 2D 74

4.1.2 Kết quả mô phỏng giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến cho dãy anten URA trong không gian 3D 76

4.2 Kết quả mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp

4.2.1 Kết quả mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten ULA trong không gian 2D 81

4.2.2 Kết quả mô phỏng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp để chọn số phần tử N của dãy anten ULA tối ưu sao cho thời gian hội tụ nhỏ nhất trong số 200 cặp giá trị (N, ) 86

4.2 Kết quả mô phỏng giải thuật Sparse Array 93

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 94

5.1 Kết luận 94

5.2 Hướng phát triển của đề tài 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

PHỤ LỤC 98

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Chòm sao vệ tinh GPS 4

Hình 2.2 Các mảng của hệ thống GPS 5

Hình 2.3 Minh họa (a) Sóng sin ; (b) mã số 6

Hình 2.4 Minh họa cấu trúc mã C/A trên sóng mang L1 8

Hình 2.5 Minh họa cấu trúc mã P trên sóng mang L1 9

Hình 2.6 Minh họa cấu trúc bản tin định vị 10

Hình 2.7 Sai số vị trí của bộ thu GPS khi có SA 11

Hình 2.8 Sai số vị trí của bộ thu GPS sau khi bỏ SA 12

Hình 2.9 Minh họa ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường 13

Hình 2.10 Minh họa các sai số của hệ thống GPS 16

Hình 2.11 Minh họa vị trí bộ thu của người sử dụng và vệ tinh 17

Hình 2.12 Sơ đồ tổng quát của bộ thu tín hiệu GPS 20

Hình 2.13 Sơ đồ khối của bộ thu tín hiệu GPS 22

Hình 2.14 Minh họa mô hình GPS sai phân 24

Hình 2.15 Minh họa mô hình DGPS cục bộ 25

Hình 2.16 Minh họa mô hình DGPS mở rộng 26

Hình 2.17 Vùng bức xạ của Anten thường và Anten thông minh 27

Hình 2.18 Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh 27

Hình 2.19 Minh họa dãy anten có các phần tử bất kỳ 28

Hình 2.20 Các dãy anten (a) ULA (b) UCA (c) URA (d) Dãy anten 3 chiều 29

Hình 2.21 Dãy anten ULA phân bố đều trên trục x 30

Hình 2.22 Mô hình dãy anten ULA định hướng theo trục x, thu nhận sóng mặt theo hướng (θ, ф) 30

Hình 2.23 Mạng tạo búp chuyển đổi tạo M búp từ M phần tử dãy 35

Hình 2.24 Cấu trúc dãy anten thích nghi 36

Hình 2.25 Bộ lọc tuyến tính 40

Hình 2.26 Sóng tới phẳng trên dãy anten tuyến tính 41

Hình 3.1 Mô hình đặt anten thông minh kết hợp với kỹ thuật DGPS 47

Hình 3.2 Mô hình dãy anten ULA định hướng theo trục x, thu nhận sóng mặt theo hướng (θ, ф) 52

Hình 3.3 Minh họa dãy anten URA gồm M*N phần tử phân bố đều 57

Hình 3.4 Mô hình tổng quát của hệ thống anten thông minh dùng tín hiệu tham khảo 61

Hình 3.5 Minh họa các ngõ vào và ngõ ra của một hệ thống 68

Hình 3.6 Minh họa Lưu đồ thuật toán giải thuật cập nhập trọng số LMS 69

Hình 3.7 Minh họa Dãy Anten phân bố đều với 12 phần tử 67

Hình 3.8 Minh họa Dãy Anten 12 phần tử khi dùng MRLA 71

Hình 3.9 Minh họa Cấu trúc cây của chuỗi dãy phần tử Anten 72

Hình 3.10 Minh họa Dãy Anten ULA 12 phần tử khi dùng MRLA 72

Hình 4.1 Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming sử

dụng hướng đến dùng cho dãy anten ULA có N=8 phần tử trong không

gian 2D 74

Hình 4.2 Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming sử dụng hướng đến dùng cho dãy anten ULA có N=15 phần tử trong không gian 2D 75

Hình 4.3 Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming sử dụng hướng đến dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử trong không gian 2D 75

Hình 4.4 Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming sử dụng hướng đến dùng cho dãy anten chữ nhật URA trong không gian 3D trong trường hợp hướng tín hiệu mong đợi là (θ, ф) = (450 , 1250) 77

Hình 4.5 Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming dùng cho dãy anten chữ nhật URA trong không gian 3D 77

Hình 4.6 Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=6, N=6 79

Hình 4.7 Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=12, N=12 79

Hình 4.8 Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=20, N=20 79

Hình 4.9 Độ rộng búp 4 hướng đến của tín hiệu mong đợi khi M=50, N=50 80

Hình 4.10 Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Multiple LCMV Beamforming dùng cho dãy anten chữ nhật URA trong không gian 3D khi M=50, N=50 80

Hình 4.11 Sai số MSE giữa tín hiệu mẫu với ngõ ra của hệ thống trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=8 phần tử 81

Hình 4.12 Sai số MSE giữa tín hiệu mẫu với ngõ ra của hệ thống trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=15 phần tử 82

Hình 4.13 Sai số MSE giữa tín hiệu mẫu với ngõ ra của hệ thống trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử 82

Hình 4.14 Đồ thị hướng tính của bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo 4 hướng đến SOI(1,2,3,4) = -600; -200; 200; 600 83

Hình 4.15 Đồ thị hướng tính (tính bằng dB) của bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo 4 hướng đến SOI(1,2,3,4)= -600; -200; 200; 600 83

Hình 4.16 Sự hội tụ của trọng số W theo số mẫu tham khảo (1000 mẫu) trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo hướng đến SOI(1) = - 600 84

Hình 4.17 Sự hội tụ của trọng số W theo số mẫu tham khảo (1000 mẫu) trong bộ

tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo hướng đến SOI(2) = - 200 84 Hình 4.18 Sự hội tụ của trọng số W theo số mẫu tham khảo (1000 mẫu) trong bộ

tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo hướng đến SOI(3) = 200 85 Hình 4.19 Sự hội tụ của trọng số W theo số mẫu tham khảo (1000 mẫu) trong bộ

tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA có N=20 phần tử theo hướng đến SOI(4) = 600

85 Hình 4.20 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu

rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N,) theo hướng đến SOI(1) = -600 86 Hình 4.21 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu

rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N,) theo hướng đến SOI(2) = -200 87 Hình 4.22 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu

rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N,) theo hướng đến SOI(3) = 200 87 Hình 4.23 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu

rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N,) theo hướng đến SOI(4) = 600 88 Hình 4.24 Minh họa thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu

rời rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N,) theo hướng đến SOI(4) = -200 88 Hình 4.25 Minh họa độ lợi (dB) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu rời rạc trong bộ

tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N,) theo hướng đến SOI(2) = -200 89 Hình 4.26 Đồ thị hướng tính của Sparse Array dãy Anten 12 phần tử 93

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1 Số liệu thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu rời

rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N,) theo hướng đến SOI(1) = -600 90 Bảng 4.2 Số liệu thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu rời

rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N,) theo hướng đến SOI(2) = -200 90 Bảng 4.3 Số liệu thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu rời

rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N,) theo hướng đến SOI(3) =

200 91 Bảng 4.4 Số liệu thời gian hội tụ (mẫu thứ n) khi mô phỏng 1000 mẫu tín hiệu rời

rạc trong bộ tạo búp Unconstrained LMS Beamforming dùng cho dãy anten ULA tương ứng với 200 cặp giá trị (N,) theo hướng đến SOI(4) =

600 92

ADC Analog to Digital Converter

GAGAN GPS And GEO Augmented Navigation

GPS Global Position System

LCMV Linearly Constrained Minimum Variance

MSAS Multifunctional Transportation Satellite-based Augmentation

SIR Signal to Interference Ratio

SPS Standard Positioning Service TDMA Time Division Multiple Access

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề và tình hình nghiên cứu hiện nay:

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống xác định vị trí dựa vào các vệ tinh nhân tạo gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ được phân bố quanh trái đất trên 6 quỹ đạo gần tròn với đường kính 20138 km và

có góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Để đảm bảo bao phủ khắp mọi nơi trên trái đất, các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho mỗi quỹ đạo có ít nhất 4 vệ tinh phân bố đều Về mặt hình học, bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng thấy được từ 4 đến

10 vệ tinh trong chòm sao vệ tinh GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày (mỗi chu kỳ quỹ đạo mất khoảng 11 giờ 58 phút) theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được vị trí máy thu của người dùng

Do xung clock tại nơi phát (vệ tinh) và nơi thu (máy thu của người dùng) không đồng bộ nên có sai số thời gian trễ, dẫn đến sai số khoảng cách từ máy thu của người dùng đến vệ tinh, do đó vị trí máy thu của người dùng cũng sai theo Ngoài ra còn có nhiều nguồn sai số khác như sai số chủ định SA (Selective Availability) nhằm ngăn ngừa việc tự định vị chính xác ở thời gian thực của các thuê bao trái phép, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số do truyền dẫn đa đường, sai số trễ khi tín hiệu truyền qua tầng điện ly và tầng đối lưu, sai số do máy thu Bên cạnh các nguồn sai

số trên, vấn đề truyền dẫn trong môi trường mật độ người sử dụng cao rất dễ dẫn đến hiện tượng fading và can nhiễu tại bộ thu của người dùng

Vấn đề đặt ra là tìm những giải pháp để hạn chế nguồn can nhiễu, fading và hàng loạt các nguồn sai số khác Ta không thể can thiệp vào vệ tinh để giảm nguồn sai số tại đó được Nguồn sai số do có kích hoạt SA, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ

vệ tinh sẽ được loại bỏ hoàn toàn bằng kỹ thuật DGPS (Differential GPS) Nguồn sai số trễ khi tín hiệu truyền qua tầng điện ly và tầng đối lưu cũng được hạn chế bằng kỹ thuật DGPS Nguồn sai số do hiện tượng fading và can nhiễu tại bộ thu có thể được giảm bởi các bộ lọc Nguồn sai số do truyền dẫn đa đường, can nhiễu và vấn đề truyền dẫn tối ưu cũng được hạn chế bởi anten thông minh Trong [10] đã trình bày lý thuyết bộ lọc thích nghi dùng giải thuật LCMV(Linearly Constrained Minimum Variance) cho dãy Anten, trong [8] và [11] cũng trình bày những nguyên

lý và ứng dụng giải thuật LMS(Least Mean Square) và MMSE cho dãy Anten thích nghi, tại [12] trình bày ứng dụng Anten thông minh cho mạng thông tin di động với việc tính toán, mô phỏng thành công các giải thuật thích nghi LCMV, LMS, Đồng thời trong [14] có trình bày ứng dụng anten thông minh cho hệ thống GPS….Trong luận văn này tác giả ứng dụng các giải thuật LCMV,LMS kết hợp kỹ thuật DGPS cục bộ cho dãy Anten thích nghi để thu tín hiệu GPS đồng thời các nghiên cứu về giải thuật Sparse Array với mục tiêu giảm số lượng phần tử Anten nhưng vẫn đảm bảo được búp sóng hẹp

1.2 Mục tiêu của đề tài :

- Cải thiện chất lượng tín hiệu GPS, Đảm bảo việc truyền sóng, truyền dẫn tối ưu

- Hạn chế ảnh hưởng do truyền dẫn đa đường, can nhiễu

1.3 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu:

Nhiệm vụ phần Luận văn này phải thực hiện:

- Tìm hiểu về hệ thống định vị GPS, Tìm hiểu về kỹ thuật DGPS

- Tìm hiểu Anten thông minh

- Thực hiện giải thuật Multiple LCMV Beamforming băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến được đặt tại trạm tham khảo của hệ thống DGPS (hoặc có thể được đặt tại bộ thu của người sử dụng) nhằm thu nhận tín hiệu từ các vệ tinh GPS

- Thực hiện giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp trong bộ tạo búp

sử dụng tín hiệu tham khảo được đặt tại trạm tham khảo (hoặc tại bộ thu của người

sử dụng) nhằm bảo đảm truyền dẫn tối ưu giữa trạm tham khảo và các bộ thu của người sử dụng

- Thực hiện giải thuật Sparse Array cho dãy Anten ULA có 12 phần tử

Trong phạm vi luận văn tốt nghiệp sẽ nghiên cứu và trình bày về ứng dụng của anten thông minh trong hệ thống GPS Anten thông minh được dùng ở đây là dãy anten thích nghi, dùng giải thuật thích nghi LCMV (Linearly Constrained Minimum Variance) băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến và giải thuật thích nghi LMS (Least Mean Square) băng hẹp trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn đã sử dụng các tài liệu, bài báo, công trình nghiên cứu đã được công bố của các tác giả trong và ngoài nước để từ đó đưa ra hướng nghiên cứu cho

đề tài

Luận văn sử dụng Matlab để mô phỏng giải thuật LCMV trong bộ tạo búp sử dụng hướng đến nhằm minh họa trên đồ thị hướng tính khả năng triệt can nhiễu bằng cách hướng búp sóng chính (main beam) về hướng tín hiệu mong đợi và cực tiểu công suất từ các hướng khác (hướng của can nhiễu và nhiễu), mô phỏng giải thuật LMS trong bộ tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo nhằm minh họa khả năng triệt can nhiễu bằng cách hướng búp sóng chính về hướng tín hiệu (sau khi tối ưu dùng chuỗi tham khảo) và lái những null của đồ thị hướng tính về hướng can nhiễu Đồng thời mô phỏng giải thuật Sparse Array trong việc giảm số phần tử Anten nhưng vẫn đảm bảo được yêu cầu truyền dẫn tối ưu

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS:

2.1.1 Giới thiệu hệ thống GPS: ([5])

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống xác định vị trí dựa vào các vệ tinh nhân tạo Được thiết kế và quản lý từ đầu những năm 1970 bởi Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ, ban đầu GPS chỉ dành cho các mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 chính phủ Hoa Kỳ cho phép phục vụ cho cả mục đích quân sự lẫn dân sự Hệ thống GPS hoạt động từ năm 1993 cung cấp thông tin định vị liên tục 24 giờ một ngày ở mọi nơi trên thế giới dưới bất kỳ điều kiện thời tiết nào Các

vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày (mỗi chu kỳ quỹ đạo mất khoảng 11 giờ 58 phút) theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất Các bộ thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của mình

Hình 2.1: Chòm sao vệ tinh GPS ([5])

Hệ thống GPS gồm một chòm sao 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ được phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn với đường kính 20138km và có góc nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo Để đảm bảo bao phủ khắp mọi nơi trên trái đất, các vệ tinh GPS được sắp xếp sao cho mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh phân bố đều Về mặt hình học,

bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng thấy được từ 4 đến 10 vệ tinh trong chòm sao vệ tinh GPS

Các vệ tinh được nuôi bằng năng lượng mặt trời và có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Các tên lửa nhỏ gắn

ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định

2.1.2 Các mảng của hệ thống GPS: : ([5])

Hệ thống GPS được chia thành 3 mảng chính: mảng không gian (space segment), mảng điều khiển (control segment) và mảng người sử dụng (user segment) như ở hình 2.2

Hình 2.2: Các mảng của hệ thống GPS ([5])

Mảng không gian là chòm sao 24 vệ tinh, mỗi vệ tinh phát tín hiệu gồm 2 sóng sin

(được gọi là các tần số sóng mang), 2 mã số và bản tin định vị Dùng các sóng mang

và mã để xác định khoảng cách từ bộ thu GPS của người sử dụng đến các vệ tinh GPS Bản tin định vị chứa tọa độ của các vệ tinh là hàm thời gian Các tín hiệu phát

từ vệ tinh được điều khiển bởi đồng hồ điện tử có độ chính xác cao trên vệ tinh

Mảng điều khiển gồm một trạm điều khiển chủ MCS (Master Control Station), 5

bộ hệ thống GPS 5 trạm monitor được trang bị bằng các bộ thu GPS chất lượng cao

và bộ tạo dao động cesium nhằm mục đích theo vết (tracking) liên tục tất cả các vệ tinh GPS, đồng thời được trang bị bằng các anten mặt đất để tải thông tin lên các vệ tinh GPS Tất cả các trạm monitor và trạm điều khiển mặt đất được điều khiển từ xa bởi MCS Nhiệm vụ chính của mảng điều khiển là xác định và dự báo các dữ liệu định vị vệ tinh Các trạm monitor theo vết liên tục các vệ tinh GPS và phát các giám sát đã thu thập được đến MCS để xử lý Kết quả xử lý gồm các vị trí vệ tinh là hàm thời gian, tình trạng hệ thống, các thông số đồng hồ vệ tinh, dữ liệu áp suất, niên lịch vệ tinh, Dữ liệu định vị tươi này được MCS gửi đến 1 trong các trạm điều khiển mặt đất để trạm điều khiển mặt đất tải lên các vệ tinh GPS qua dải băng tần S

Mảng người sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS quân sự và dân sự Khi bộ

thu GPS được kết nối với anten GPS, các máy thu GPS sẽ tính toán và biết được vị trí của mình trong không gian 3 chiều

2.1.3 Cấu trúc tín hiệu GPS: ([7])

Mỗi vệ tinh GPS phát một tín hiệu sóng vi ba gồm 2 tần số sóng mang (hoặc sóng sin) được điều chế bằng 2 mã (C/A và P) và bản tin định vị Hai tần số sóng mang được phát ở tần số 1575.42 Mhz (sóng mang L1) và 1227.6 Mhz (sóng mang L2) Các bước sóng của sóng mang tương ứng là 19cm và 24.4cm Tính tiện ích của 2 tần số sóng mang cho phép hiệu chỉnh sai số GPS chính yếu là sự trễ do tầng điện

ly Tất cả các vệ tinh GPS đều cùng phát các tần số sóng mang L1 và L2 Tuy nhiên, mỗi vệ tinh có sự điều chế mã số khác nhau nhằm giảm tối đa can nhiễu của tín hiệu

Hình 2.3: Minh họa (a) Sóng sin ; (b) mã số ([5])

Có 2 loại mã khác nhau được sử dụng trong hệ thống GPS là mã C/A (Coarse/Acquisition) và mã P (Precision) Mỗi mã là một chuỗi các số nhị phân gồm các bit 0 hoặc 1, mỗi giá trị 0 hoặc 1 được gọi là một bit hay một chip Nói cách khác mỗi vệ tinh có một chuỗi mã riêng biệt không trùng lắp với bất kỳ vệ tinh nào khác Các mã này được xem là các mã PRN (pseudorandom noise) vì chúng giống như các tín hiệu ngẫu nhiên Trên thực tế, các mã này được phát bằng cách sử dụng thuật toán toán học Mã C/A chỉ được điều chế lên sóng mang L1, còn mã P được điều chế lên cả sóng mang L1 lẫn L2 Sự điều chế này được gọi là sự điều chế biphase vì pha sóng mang bị dịch 180o khi thay đổi giá trị của mã từ 0 sang 1 hoặc 1 sang 0

+ Mã C/A:

Mã C/A được sử dụng trong các ứng dụng dân sự và chỉ được truyền đi trên dãy băng tần L1 Chuỗi mã C/A lặp lại theo chu kỳ 1ms của 1 đoạn gồm 1023 chip, xuất hiện với tần số 1.023MHz Bước sóng của mã C/A khoảng 300m Mỗi vệ tinh được gán 1 mã C/A riêng biệt và duy nhất nhằm cho phép các bộ thu của người dùng nhận biết tín hiệu thu nhận được là của vệ tinh nào Hình 2.4 minh họa cấu trúc mã C/A trên sóng mang L1 Dữ liệu định vị 50 bit mỗi giây, mỗi bit (20 ms) gồm 20 chu kỳ mã C/A (còn gọi là 20 epoch mã C/A ), mỗi chu kỳ mã C/A (1ms) là 1 chuỗi

1023 chips, mỗi chip (0.9775µs) gồm 1540 chu kỳ sóng mang L1 có tần số 1575.42Mhz Trong đó epoch của mã C/A chính là cạnh lên của chip đầu tiên trong mỗi đoạn 1023 chips

+ Mã P:

Mã P được sử dụng trong các ứng dụng quân sự và được truyền đi trên cả 2 băng tần L1 và L2 Chuỗi mã P lặp lại theo chu kỳ 1 tuần của 1 đoạn gồm 6.19x1012 chip, xuất hiện với tần số 10.23MHz Bước sóng của mã P khoảng 30m Hình 2.5 minh họa cấu trúc mã P trên sóng mang L1 Dữ liệu định vị 50 bit mỗi giây, mỗi bit (20

ms) là 1 đoạn gồm 204600 chips, mỗi chip gồm 154 chu kỳ sóng mang L1 có tần số 1575.42Mhz

Hình 2.4: Minh họa cấu trúc mã C/A trên sóng mang L1 ([7])

Hình 2.5: Minh họa cấu trúc mã P trên sóng mang L1 ([7])

+ Cấu trúc của bản tin định vị:

Thông tin trong bản tin định vị có cấu trúc khung (frame) như minh họa ở hình 2.6 Bản tin hoàn hảo chứa 25 khung, mỗi khung chứa 1500 bits Mỗi khung được chia

nhỏ thành 5 khung con Mỗi khung con chứa 300 bits gồm 10 từ (word), mỗi từ chứa 30 bits và bit có trọng số lớn nhất được phát đầu tiên Vì vậy, ở tốc độ 50 bit/s thì cần 6 giây để phát 1 khung con 300 bits và cần 30 giây để phát 1 khung 1500 bits ở hình 2.7 Để phát toàn bộ bản tin định vị 25 khung thì cần 750 giây hay 12.5 phút Mỗi khung con khởi đầu bằng 30 bits TLM (telemetry word), trong đó 8 bits đầu tiên là các bit preamble để bộ thu xác định khung con, 22 bit còn lại chứa các bit parity và bản tin telemetry mà nó chỉ có giá trị đối với thuê bao có đăng ký Từ thứ 2 của mỗi khung là HOW (hand-over word) gồm 29 bit Z-count có nhiệm vụ đếm các epoch được sinh ra bởi thanh ghi X1 (cứ 1.5s xuất hiện 1 lần) của bộ phát

mã P trong vệ tinh 19 bit có trọng số thấp nhất của Z-count được gọi là TOW (time-of-week) cho biết số epoch X1 xuất hiện khi bắt đầu tuần hiện tại Sự bắt đầu tuần hiện tại xuất hiện ở epoch X1 vào lúc nửa đêm của tối thứ bảy hoặc sáng chủ nhật Con số của TOW tăng từ zero lúc đầu tuần đến 403199 và sau đó quay lại zero

ở đầu tuần tiếp theo Sự đếm zero của TOW luôn xảy ra ở đầu khung con 1 của khung đầu tiên Vì bộ thu có thể dùng các bit preamble của TLM để xác định chính xác thời điểm bắt đầu của mỗi khung con và đây chính là phương pháp để xác định thời điểm phát của bất kỳ bộ phận nào trong tín hiệu GPS 10 bit có trọng số lớn nhất của Z-count được gọi là WN (week number) chứa số tuần GPS WN không là

bộ phận của HOW nhưng xuất hiện thay vào 10 bit đầu tiên của từ thứ 3 trong khung con 1 3 bit của HOW được dùng để nhận dạng khung con nào trong số 5 khung con đang được phát Con số của TOW được tính từ HOW trong khung con 5 dùng để nhận dạng khung nào trong số 25 khung đang được phát

8 từ còn lại của các khung con từ 1 đến 5 chứa các thông tin sau:

+ Khung con 1 chứa dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ GPS đối với vệ tinh dạng các hệ số

đa thức định nghĩa sự thay dổi hiệu chỉnh theo thời gian Thời gian được định nghĩa bởi các đồng hồ trong vệ tinh được gọi là SV time (space vehicle time), còn thời gian sau khi hiệu chỉnh đã được ứng dụng được gọi là GPS time Thời gian tham khảo t được dùng làm mốc thời gian để tính sai số đồng hồ vệ tinh Thời gian trễ

trong tầng điện ly TGD được dùng để hiệu chỉnh các sai số trễ khi truyền qua tầng điện ly Thông tin IODC (issue of date, clock) cho biết số tập hợp dữ liệu đồng hồ

đã phát để cảnh báo cho người dùng thay đổi các thông số đồng hồ

Hình 2.6: Minh họa cấu trúc bản tin định vị ([7])

+ Khung con 2 và 3 chứa dữ liệu quỹ đạo để xác định vị trí và vận tốc chính xác

của vệ tinh Không giống như dữ liệu niên lịch, dữ liệu này rất chính xác Thông tin IODE (issue of date, ephemeris) được báo đến người dùng khi các thông số quỹ đạo thay đổi Mỗi lần các thông số mới được mảng điều khiển của hệ thống GPS tải lên

vệ tinh GPS thì con số IODE thay đổi theo

+ Khung con 4 của cả 25 khung đều chứa niên lịch của các vệ tinh với mã PRN

(pseudorandom) đánh số 25 và cao hơn, được biết đến như các bản tin đặc biệt, các

số hạng hiệu chỉnh trong tầng điện ly, các hệ số để chuyển đổi từ GPS time sang UTC time

+ Khung con 5 của cả 25 khung đều chứa niên lịch của các vệ tinh với mã PRN

đánh số từ 1 đến 24 Lưu ý mỗi vệ tinh đều phát 25 khung, dữ liệu niên lịch của tất

cả các vệ tinh đều được từng vệ tinh phát đi Không giống như dữ liệu quỹ đạo, dữ

liệu niên lịch có giá trị cho các chu kỳ dài lâu (nhiều tháng) nhưng ít bị sai số nhiều Ngoài ra dữ liệu chứa trong bản tin định vị là sai số khoảng cách người dùng URE (user range error), nó ước tính sai số khoảng cách do các sai số quỹ đạo vệ tinh, các sai số định giờ, sai số chủ định SA (selective availability) và các cờ để cho biết trạng thái hoạt động của các vệ tinh

2.1.4 Các sai số trong hệ thống GPS:

Các sai số trong hệ thống GPS được chia thành 3 nguồn sai số chính là sai số do vệ tinh, sai số khi truyền tín hiệu và sai số do bộ thu của người sử dụng

2.1.4.1 Sai số do vệ tinh:

2.1.4.1.1 Sai số chủ định SA (selective availability): ([5])

Sai số chủ định SA do Bộ Quốc Phòng Mỹ tạo ra và đưa vào tín hiệu GPS ở dịch vụ SPS để làm giảm độ chính xác khi định vị trong các ứng dụng ngoài lĩnh vực quân

sự của Mỹ và được dùng chính thức từ 25/03/1990 Khi kích hoạt SA thì sai số theo phương ngang và đứng có thể lên tới 100m và 156m Hình 2.7 cho biết sai số vị trí của máy thu người dùng thay đổi liên tục theo phương ngang do ảnh hưởng của SA

Hình 2.7: Sai số vị trí của bộ thu GPS khi có SA ([5])

Trong các nghiên cứu mở rộng tiếp theo, chính phủ Mỹ đã bỏ không dùng SA từ 01/05/2000, độ chính xác theo phương ngang và đứng còn 22m và 33m Hình 2.8 cho biết sai số của bộ thu GPS sau khi ngưng kích hoạt SA

Hình 2.8: Sai số vị trí của bộ thu GPS sau khi bỏ SA ([5])

2.1.4.1.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh (ephemeris error): ([5])

Sai số quĩ đạo vệ tinh là sai số giữa quỹ đạo dự đoán và quỹ đạo thực của vệ tinh (thường khoảng 2m đến 5m, và có thể lên đến 50m nếu có kích hoạt SA)

2.1.4.1.3 Sai số đồng hồ của vệ tinh (satellite clock error): ([5])

Mỗi vệ tinh GPS (Block II và Block IIA) chứa 4 đồng hồ nguyên tử gồm 2 cesium

và 2 rubidium Các vệ tinh thế hệ mới hơn (Block IIR) chỉ chứa các đồng hồ rubidium Đồng hồ cesium được chọn để tổng hợp tần số và định thời cho tín hiệu GPS Các đồng hồ vệ tinh GPS tuy có độ chính xác cao nhưng vẫn bị sai số 8.64ns 17.28ns mỗi ngày tương ứng 2.59m 5.18m (sai số 1ns tương ứng tầm sai

số 30cm)

2.1.4.2 Sai số khi truyền tín hiệu:

2.1.4.2.1 Sai số do truyền dẫn đa đường (multipath error): ([5])

Sai số do truyền dẫn đa đường xuất hiện khi tín hiệu GPS đến anten thu bằng nhiều đường khác nhau Các đường này có thể là các đường tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh thẳng đến bộ thu và các tín hiệu từ vệ tinh đến các vật xung quanh rồi phản xạ đến anten thu Hiện tượng truyền dẫn đa đường làm méo tín hiệu gốc do can nhiễu của

các tín hiệu phản xạ ở anten thu Tín hiệu GPS đến anten của máy thu bằng nhiều đường khác nhau gây sai số khi đo pha sóng mang và cả đo khoảng cách Khi dùng

mã C/A để đo khoảng cách thì sai số do truyền dẫn đa đường có thể vài chục mét Với cải tiến về kỹ thuật trong bộ thu như bộ tương quan Strobe (Ashtech, Inc) và MEDLL (NovAtel, Inc) thì sai số do truyền dẫn đa đường giảm còn vài mét Để giảm ảnh hưởng của hiện tượng truyền dẫn đa đường, ta phải chọn vị trí đặt anten của bộ thu sao cho xung quanh không có vật phản xạ Vì yêu cầu này khó thực hiện trong thực tế nên ta thiết kế một đĩa kim loại tròn đặt bên dưới anten để ngăn cản các tín hiệu phản xạ đến từ bên dưới anten Để hiệu quả hơn ta dùng loại anten chống rung được bọc bên ngoài bằng 4 hay 5 vòng tròn đồng tâm bằng kim loại để ngăn cản các tín hiệu phản xạ

Hình 2.9: Minh họa ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường ([5])

2.1.4.2.2 Sai số do tầng điện ly (ionospheric error): ([5])

Tầng điện ly có độ cao từ 50km 1000km so với mặt đất là nơi xảy ra sự ion hóa chất khí (do sự tác động của các tia bức xạ mặt trời như tia cực tím và tia X) và có mật độ điện tử thay đổi theo độ cao Tầng điện ly được chia thành nhiều lớp con tùy theo mật độ điện tử như sau: lớp D (50km 90km); lớp E (90km 140km); lớp F1 (140km 210km); lớp F2 (210km 1000km) Trong đó lớp F2 có mật độ điện tử

cao nhất Độ cao và độ dày các lớp thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng thay đổi bức xạ mặt trời và từ trường trái đất (ví dụ như lớp F1 biến mất vào ban đêm) Tầng điện ly là một môi trường phân tán (dispersive medium) nên nó làm gấp khúc (đổi hướng) hay thay đổi tốc độ của tín hiệu GPS Sai số do làm gấp khúc tín hiệu khi truyền tín hiệu qua 1 lớp con sẽ không đáng kể nếu góc ngẩng (elevation angle) của bộ thu lớn hơn 50, nhưng sai số do tốc độ tín hiệu bị thay đổi luôn là một sai số đáng kể Tầng điện ly làm tăng tốc độ truyền pha sóng mang nhưng làm giảm tốc độ

mã PRN và dữ liệu định vị với cùng một biên độ Nói cách khác, tầng điện ly làm kéo dài thời gian truyền mã và dữ liệu định vị đồng thời rút ngắn thời gian truyền pha sóng mang Điều này có nghĩa là khoảng cách từ vệ tinh đến bộ thu của người

sử dụng trong phép đo pha của sóng mang sẽ ngắn hơn so với khoảng cách thực tế, còn khoảng cách từ vệ tinh đến bộ thu qua phép đo mã sẽ dài hơn so với khoảng cách thực tế

Tác động của tầng điện ly đến tín hiệu GPS còn phụ thuộc vào tần số tín hiệu Ta đã biết là tầng điện ly tạo ra 1 khoảng delay khi tín hiệu truyền qua nó Tần số càng thấp thì trễ càng nhiều (sóng mang L2 trễ nhiều hơn sóng mang L1 do tần số sóng mang L2 thấp hơn tần số sóng mang L1) Trễ trong tầng điện ly từ 5m 15m và có thể đến 150m dưới phóng xạ mặt trời dữ dội vào giữa trưa Ngoài việc làm thay đổi vận tốc truyền sóng, tầng điện li còn làm suy hao cường độ tín hiệu (giảm đi khoảng 0.2dB)

Nhiều phương pháp và thuật toán đã được nghiên cứu và áp dụng nhằm xác định và loại bỏ sai số gây ra do tầng điện ly, góp phần cải thiện chất lượng của bài toán định

vị Trong số đó, phương pháp đạt hiệu quả cao nhất là phương pháp kết hợp 2 tần số (dual frequency) dùng trong kỹ thuật DGPS (Differential GPS)

2.1.4.2.3 Sai số do tầng đối lưu (tropospheric error): ([5])

Tầng đối lưu là tầng khí quyển trung tính (không có sự tồn tại của các electron tự do) nằm từ mặt đất lên đến độ cao 50km Tầng đối lưu là 1 môi trường không phân

tán do có tần số sóng vô tuyến dưới 15GHz Tầng đối lưu làm gấp khúc tín hiệu GPS khi nó truyền qua và làm kéo dài thời gian truyền tín hiệu, do đó khoảng cách thu được qua tín hiệu sẽ dài hơn so với khoảng cách thực giữa vệ tinh và bộ thu Đây là tác động chính của tầng đối lưu lên tín hiệu GPS

Khác với tầng điện ly, khoảng thời gian trễ mà tầng đối lưu tạo ra không phụ thuộc vào tần số tín hiệu Do đó, không thể dùng phương pháp kết hợp 2 tần số trong kỹ thuật DGPS để loại trừ sai số gây ra bởi tầng đối lưu

Ngoài ra, khoảng thời gian trễ cũng phụ thuộc vào góc ngẩng bộ thu của người sử dụng khi hướng về vệ tinh Tín hiệu đi từ vệ tinh có góc ngẩng thấp khi đi qua tầng đối lưu sẽ có góc ngẩng cao hơn, góc ngẩng càng lớn thì khoảng thời gian trễ càng nhỏ Người ta ước tính sai số khoảng cách trong tầm khoảng 2m khi vệ tinh ở vùng thiên đỉnh (zenith) của bộ thu, khoảng 9m khi vệ tinh ở vùng góc ngẩng 150 và khoảng 25m ở vùng góc ngẩng 50

Đồng thời, khoảng thời gian trễ này cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của không khí dọc đường truyền tín hiệu khi truyền qua tầng đối lưu

2.1.4.3 Sai số do bộ thu của người sử dụng:

Là sai số gây ra do nhiễu xuất hiện tại bộ thu của người sử dụng từ các nguồn nhiễu như : anten, các bộ khuếch đại tín hiệu trong bộ thu, các dây dẫn hoặc do mạch điện

tử bên trong bộ thu và cả những nguồn thu phát tín hiệu khác xung quanh vị trí đặt

bộ thu Mức độ sai số gây ra do nhiễu bộ thu tùy thuộc cường độ của nhiễu so với cường độ tín hiệu GPS thu được tại bộ thu của người sử dụng và thường được biểu diễn bằng tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (signal to noise ratio)

Sai số bộ thu trong phép đo mã vào khoảng 0.25m đến 0.5m, còn trong phép đo pha thì bé hơn, vào khoảng vài mm

Người sử dụng bộ thu không có cách nào loại bỏ sai số này, nhưng họ có thể kiểm tra chất lượng của bộ thu trước khi sử dụng chúng, đặc biệt trong các ứng dụng đòi

kiểm tra không khoảng cách (zero baseline) và kiểm tra khoảng cách ngắn (short baseline)

Phương pháp zero baseline là phương pháp kiểm tra trong đó người ta dùng 1 anten

để thu tín hiệu GPS rồi cho tín hiệu này qua bộ chia để cùng đến 2 hay nhiều bộ thu GPS đặt ngay cạnh nhau Vì cùng 1 anten thu và ở cùng 1 vị trí nên các giá trị khoảng cách từ vệ tinh đến các bộ thu phải là như nhau, còn nếu có sự khác biệt nhau thì sự khác biệt đó chính là sai số gây ra do bộ thu của người sử dụng

Phương pháp short baseline thì dùng 2 hệ thống (mỗi hệ thống gồm 1 anten và 1 bộ thu) đặt cách nhau khoảng 2m để thu tín hiệu GPS và theo dõi liên tục trong 2 ngày Với cách bố trí này thì sự khác biệt giữa 2 kết quả đo đạt khoảng cách từ vệ tinh đến

2 bộ thu chính là sai số của hệ thống thu (sai số của bộ thu và cả anten thu) cộng với sai số do truyền dẫn đa đường Nhưng do sai số truyền dẫn đa đường là như nhau trong mỗi ngày nên khi trừ kết quả theo dõi mỗi ngày cho nhau thì ta sẽ loại bỏ được sai số truyền dẫn đa đường và do đó chỉ còn lại sai số của hệ thống thu

Các sai số trên được minh họa ở hình 2.10 trong trường hợp định vị mã C/A và mã P

Hình 2.10: Minh họa các sai số của hệ thống GPS ([7])

2.1.5 Cách tính tọa độ bộ thu dựa theo hình học: ([6])

Vị trí của 1 điểm bất kỳ trong không gian có thể biết được bằng cách đo khoảng cách từ điểm đó đến một vài điểm đã biết trong không gian

+ Đưa công thức tính vị trí bộ thu của người sử dụng dựa vào 3 vệ tinh (hình 2.11): Giả sử ta biết trước tọa độ của 3 vệ tinh là S1(x1, y1, z1), S2(x2, y2, z2), S3(x3, y3, z3)

và ta đã đo được khoảng cách từ S1, S2, S3 đến user là 1, 2, 3 Ta cần xác định

vị trí bộ thu của người sử dụng là U(xu, yu, zu)

z

x

y U(x u ,y u ,z u )

+ Đo các khoảng cách 1, 2, 3 từ bộ thu của người sử dụng đến 3 vệ tinh:

Giả sử vệ tinh thứ i phát tín hiệu ở thời điểm tSi, bộ thu của người sử dụng nhận được tín hiệu ở thời điểm trễ hơn là tu, thì thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh thứ i đến

bộ thu của người sử dụng là : tSi - tu Vì tín hiệu truyền với vận tốc bằng vận tốc của ánh sáng là c=2.99792458*108 m/s, nên khoảng cách từ bộ thu của người sử dụng đến vệ tinh thứ i là:

iT = c(tu - tSi ) (2.2)

Ở đây iT là khoảng cách từ bộ thu của người sử dụng đến vệ tinh thứ i (được đo bởi bộ pseudorange) Trên thực tế, xung clock tại nơi phát ở vệ tinh và xung clock tại bộ thu của người sử dụng là không đồng bộ

Thời điểm đúng để vệ tinh thứ i phát tín hiệu đến bộ thu của người sử dụng là:

t’Si = tSi + bi (2.3) Thời điểm đúng để bộ thu của người sử dụng nhận được tín hiệu của vệ tinh thứ i là:

i từ bộ thu của người sử dụng đến vệ tinh thứ i được viết lại như sau:

i = iT - c(bi - but) + Di + c(Ti + Ii + νi +νi ) (2.6) Một trong các sai số trên có thể được hiệu chỉnh Ví dụ sai số trễ trong tầng đối lưu

có thể được lập mô hình, sai số trễ trong tầng điện ly có thể được hiệu chỉnh trong

bộ thu dùng 2 tần số Các sai số trên sẽ gây ra sự mất chính xác khi xác định vị trí

bộ thu của người sử dụng Tuy nhiên, sai số đồng hồ trên bộ thu của người sử dụng

không thể được hiệu chỉnh qua thông tin thu nhận được Sai số này vẫn còn là ẩn số

Vì vậy, ta phải cộng vào vế phải các phương trình ở (2.1) cho hệ số sai số đồng hồ

bộ thu của người sử dụng là bu Hệ phương trình (2.1) trở thành hệ 3 phương trình

có 4 ẩn số xu, yu, zu, bu Do đó ta cần có thêm vệ tinh thứ tư để được hệ (2.7) gồm 4 phương trình có 4 ẩn số như sau:

1 = ( x1 xu)2( y1 yu)2( z1 zu)2 + bu

2 = ( x2 xu)2( y2 yu)2( z2 zu)2 + bu

3 = ( x3 xu)2( y3 yu)2( z3 zu)2 + bu (2.7)

4 = ( x4 xu)2( y4 yu)2( z4 zu)2 + bu Một cách tổng quát, ta có công thức để tính khoảng cách từ vệ tinh thứ i đến bộ thu của người sử dụng là:

i = ( xi xu)2( yi yu)2( zi zu)2 + bu (2.8)

Tóm lại:

+ Ta cần 4 vệ tinh để tính tọa độ bộ thu của người sử dụng nhằm giảm sai số đồng

hồ của vệ tinh và sai số đồng hồ trên bộ thu của người sử dụng

+ Các nguồn sai số trong hệ thống GPS gồm có 3 nguồn sai số chính là sai số do vệ tinh, sai số khi truyền tín hiệu và bộ thu của người sử dụng Sai số do vệ tinh gồm

có sai số chủ định SA, sai số quỹ đạo vệ tinh và sai số đồng hồ vệ tinh Sai số khi truyền tín hiệu gồm có sai số truyền dẫn đa đường, sai số do tầng điện ly và sai số

do tầng đối lưu Tại bộ thu của người sử dụng có các sai số do đồng hồ bộ thu, nhiễu xuất hiện tại bộ thu của người sử dụng từ các nguồn nhiễu như anten, các bộ khuếch đại tín hiệu trong bộ thu, các nguồn thu phát tín hiệu khác xung quanh vị trí

+ Định vị GPS dùng một bộ thu chỉ dùng trong trường hợp cần độ chính xác thấp + Để loại trừ hoặc giảm các sai số phổ biến khi dùng SA, sai số quỹ đạo và đồng hồ

vệ tinh, ta dùng kỹ thuật DGPS vì nó cho độ chính xác cao hơn so với dùng 1 bộ thu

có mã P

+ Vấn đề truyền dẫn trong môi trường mật độ người sử dụng cao dễ bị hiện tượng fading và can nhiễu Có thể giảm hiện tượng fading và can nhiễu tại bộ thu của người sử dụng bằng cách dùng các bộ lọc

+ Sai số truyền dẫn đa đường và vấn đề truyền dẫn tối ưu tại bộ thu của người sử dụng cũng được hạn chế bởi antenna thông minh

2.1.6 Giới thiệu về bộ thu tín hiệu GPS: ([7] và [6])

Bộ thu tín hiệu GPS theo công nghệ số (Digital) có sơ đồ tổng quát như sau:

Hình 2.12: Sơ đồ tổng quát của bộ thu tín hiệu GPS ([7])

Bộ thu tín hiệu GPS có chức năng thu nhận tín hiệu từ các vệ tinh GPS và phân biệt tín hiệu nào thuộc vệ tinh nào rồi giải mã tín hiệu vệ tinh để xác định vị trí, tốc độ

và thời điểm truyền tín hiệu của các vệ tinh

Tầng trên trong sơ đồ ở hình 2.12 là phần cứng hoàn toàn gồm anten thu, các bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) để giảm can nhiễu nằm ngoài dải băng tần mà không làm suy giảm tín hiệu GPS, các bộ khuếch đại Amp (Amplification), các bộ trộn (Mixer) và bộ chuyển đổi ADC (Analog to Digital Converter) Để thuận lợi cho việc xử lý tín hiệu số ở tầng dưới, độ lợi khuyếch đại của tầng RF (Radio Frequency) trong tầng trên của bộ thu GPS khoảng 35dB‚55dB Tầng trên có chức năng thu nhận sóng vệ tinh, chuyển đổi thành tín hiệu trung tần IF (Intermediate Frequency) rồi số hóa

Tầng dưới xử lý dữ liệu đã được số hóa bằng phần mềm gồm 2 giai đoạn Giai đoạn

1 thực hiện tách mã và sóng mang, xác định vị trí, tốc độ và thời gian truyền tín hiệu của các vệ tinh; đồng thời cũng xác định giá trị phép đo mã, phép đo pha và độ dịch chuyển Doppler của từng vệ tinh Giai đoạn 2 dựa vào các thuật toán để thực hiện tính toán và ước tính vị trí, tốc độ, thời gian của bộ thu

Phương pháp đo mã chính là phương pháp đo khoảng cách giả sử dụng mã C/A hoặc P dựa vào thời điểm phát tín hiệu (tại vệ tinh), thời điểm thu tín hiệu (tại bộ thu) và vận tốc truyền sóng (chính là vận tốc ánh sáng)

Phương pháp đo pha chính là phương pháp đo khoảng cách giữa vệ tinh và bộ thu dựa vào việc đo pha của sóng mang tín hiệu GPS (L1 và L2) Phương pháp này được thể hiện qua công thức:

Với λ là bước sóng (λL1 = 19.04cm và λL2 = 24.44cm), N là số nguyên lần chu kỳ sóng mang giữa vệ tinh và bộ thu (phần chẵn), φ/T là phần lẻ của 1 chu kỳ sóng mang

Hoạt động của bộ thu GPS:

Hình 2.14 minh họa hệ thống hơn về hoạt động của bộ thu tín hiệu GPS

RF chain ADC

User

position

Satellite positions

Ephemeris &

pseudorange

Subframe identify Tracking AcquisitionAntenna

Software Hardware

Hình 2.13: Sơ đồ khối của bộ thu tín hiệu GPS ([6])

Tín hiệu GPS được thu vào dãy anten sẽ qua dãy RF để khuếch đại lên biên độ đúng

và tần số được chuyển thành tần số ngõ ra mong muốn Sau đó tín hiệu được chuyển từ tương tự sang số nhờ bộ chuyển đổi ADC

Sau khi được số hóa sẽ, tín hiệu sẽ được xử lý tiếp bằng phần mềm Chương trình nhận biết và thu thập dữ liệu vệ tinh (Acquisition) được thực hiện Chương trình

‘Tracking’ được dùng để tìm sự dịch pha của dữ liệu định vị Các khung con (Subframes) và dữ liệu định vị có thể có được từ sự dịch pha của dữ liệu định vị Dữ liệu quỹ đạo và các khoảng cách giả (Ephemeris & pseudorange) có thể có được từ

dữ liệu định vị Dữ liệu quỹ đạo được dùng để có được các vị trí vệ tinh (Satellite positions) Cuối cùng, vị trí của người sử dụng (User position) có thể được tính dựa vào các vị trí của vệ tinh và các khoảng cách giả

Để nhận biết 1 vệ tinh i, bộ thu phải tự tạo ra những mã giống hệt với mã của vệ tinh i (mã replica) rồi dịch chuyển chúng theo thời gian để so sánh chúng với dãy

mã của tín hiệu vệ tinh đang thu nhận được Nếu 2 dãy mã trùng khít nhau thì vệ tinh phát tín hiệu này chính là vệ tinh i Việc so trùng dãy mã này không mất nhiều thời gian đối với mã C/A nhưng mất nhiều thời gian đối với mã P khi xác định được vệ tinh i nào đang nằm trong tầm quan sát của mình, bộ thu sẽ tiến hành thu nhận dữ liệu từ vệ tinh này, tách bỏ nhiễu và tiếp tục lặp lại quá trình nhận biết và thu thập này

Trong các bộ thu truyền thống, 2 khối ‘Acquisition’ và ‘Tracking’ được thực hiện bằng phần cứng

2.2 Giới thiệu về kỹ thuật DGPS: ([7] và [5])

DGPS (Differential GPS) là kỹ thuật để giảm sai số các vị trí trong hệ thống GPS bằng cách dùng dữ liệu phụ từ bộ thu của trạm tham chiếu tại vị trí đã biết Dạng phổ biến nhất của kỹ thuật DGPS là xác định các ảnh hưởng gộp chung của các sai

số quỹ đạo và sai số đồng hồ vệ tinh trong bản tin định vị (bao gồm các ảnh hưởng của SA) tại trạm tham chiếu và phát các sai số khoảng cách (pseudorange corrections) đến bộ thu của người dùng ở thời gian thực (real time) Bộ thu dùng các sai số này để xác định vị trí của nó Kết quả:

+ Các nguồn sai số bị loại bỏ hoàn toàn là sai số SA, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh

+ Các nguồn sai số do trễ trong tầng điện ly và tầng đối lưu có thể được hạn chế nhưng các sai số này tăng theo khoảng cách

+ Các nguồn sai số hoàn toàn không bị loại bỏ là các sai số truyền dẫn đa đường và các sai số do máy thu

Kỹ thuật DGPS được dùng khi yêu cầu mức chính xác vài mét Một bộ thu đặt tại trạm tham chiếu cố định có tọa độ đã biết, bộ thu còn lại của người dùng chưa biết tọa độ có thể đứng yên hoặc di chuyển mà ta cần tính tọa độ như minh họa ở hình 2.14

Phương pháp này dựa trên thực tế là sai số khoảng cách đo từ vệ tinh đến 2 bộ thu bằng nhau khi hai bộ thu không cách nhau quá vài trăm km Phần mềm đã được lập trình trong bộ thu tham chiếu sẽ dựa vào tọa độ của bộ thu tham chiếu đã biết và tọa

độ nhận được từ bản tin định vị của các vệ tinh để tính khoảng cách từ bộ thu tham chiếu đến các vệ tinh, rồi đưa ra chênh lệch giữa khoảng cách đã tính và khoảng cách mà mã đã đo i để có được các sai số khoảng cách  i (hay các hiệu chỉnh

DGPS) Các sai số này được phát đến bộ thu của người sử dụng Sau đó bộ thu của người sử dụng sẽ dùng các sai số  i này để hiệu chỉnh các khoảng cách đã đo tại

đó Sau cùng, các khoảng cách đã hiệu chỉnh được dùng để tính tọa độ tại bộ thu của người sử dụng

Định vị GPS sai phân cải thiện được độ chính xác cao từ vài centimeter đến vài metre, trong khi định vị GPS dùng 1 bộ thu có độ chính xác theo phương ngang của các bộ thu dân dụng có mã C/A là 100m (có kích hoạt SA) và 22m (không kích hoạt SA) ([5]) Định vị GPS dùng 1 bộ thu chỉ được dùng trong trường hợp cần độ chính xác thấp, còn định vị GPS sai phân được dùng cho các ứng dụng có độ chính xác cao như khảo sát và vẽ bản đồ, GIS (Geographical Information Systems)

Hình 2.14: Minh họa mô hình GPS sai phân ([7])

Có 2 mô hình DGPS là DGPS cục bộ (LADGPS – Local Area DGPS) và DGPS diện rộng (Wide Area DGPS)

+ DGPS cục bộ (LADGPS): là mô hình DGPS sử dụng 1 bộ thu mốc (base

receiver) đặt tại 1 trạm tham khảo (reference station) duy nhất Bộ thu mốc này nhận tín hiệu từ các vệ tin GPS và dựa vào tọa độ đã biết trước của nó để đưa ra các sai số khoảng cách nhằm hiệu chỉnh cho các bộ thu của người sử dụng cách trạm tham khảo không quá vài trăm km Việc truyền dữ liệu hiệu chỉnh từ bộ thu mốc đến các bộ thu của người sử dụng được thực hiện trên sóng vô tuyến dựa trên chuẩn

RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) Mô hình DGPS cục

bộ cho độ chính xác vài m (phép đo mã) và vài cm (phép đo pha) trong bài toán định vị Khoảng cách từ các bộ thu của người sử dụng đến bộ thu mốc càng ngắn thì

độ chính xác càng cao Hiệu quả của hệ thống còn phụ thuộc vào công suất phát tín hiệu tại trạm tham khảo, khả năng nhận tín hiệu tại bộ thu của người sử dụng, đặc tính đường truyền (mức độ nhiễu, vật cản, …) Mô hình DGPS cục bộ được minh họa ở hình 2.15

Hình 2.15: Minh họa mô hình DGPS cục bộ ([5])

+ DGPS diện rộng (WADGPS): là mô hình DGPS sử dụng nhiều trạm tham khảo

nhằm hiệu chỉnh các sai số khoảng cách cho các bộ thu của người sử dụng vượt quá khoảng cách cho phép của mô hình DGPS cục bộ Trước tiên các sai số hiệu chỉnh

từ các trạm tham khảo được gửi đến 1 trạm trung tâm (master station) qua các đường truyền mặt đất như hệ thống cáp quang Trạm trung tâm sẽ phân tích và kết hợp dữ liệu thu được để xác định các sai số hiệu chỉnh cho từng vệ tinh GPS Các sai số hiệu chỉnh này được truyền lên vệ tinh địa tĩnh GEO (geostationary satellite)

và sau đó được phát ngược xuống các bộ thu của người sử dụng để hiệu chỉnh Mỗi

bộ thu của người sử dụng sẽ nhận duy nhất 1 bộ hiệu chỉnh DGPS tương ứng với vị trí của nó Mô hình DGPS mở rộng được minh họa ở hình 2.16

Hình 2.16: Minh họa mô hình DGPS mở rộng ([5]) Tóm lại:

+ Kỹ thuật DGPS cải thiện được độ chính xác cao (sai số vài cm đến vài m), loại trừ hoàn toàn các nguồn sai số do SA, sai số quỹ đạo, sai số đồng hồ vệ tinh Hạn chế các sự giảm khoảng cách do các nguồn sai số trễ trong tầng điện ly và tầng đối lưu + Kỹ thuật DGPS không loại trừ được các nguồn sai số do hiện tượng fading, can nhiễu, sai số truyền dẫn đa đường và vấn đề truyền dẫn tối ưu tại bộ thu Cho nên luận văn đưa ra giải pháp antenna thông minh nhằm khắc phục sai số do truyền dẫn

đa đường và cải thiện vấn đề truyền dẫn tối ưu tại bộ thu

2.3 Giới thiệu về anten thông minh:

Anten thông minh (Smart Antennas) bao gồm nhiều phần tử anten Tín hiệu

đến các phần tử này được tính toán và xử lý giúp anten xác định được hướng của nguồn tín hiệu, tập trung bức xạ theo hướng mong muốn và tự điều chỉnh theo sự thay đổi của môi trường tín hiệu Công việc tính toán này đòi hỏi thực hiện theo thời gian thực (realtime) để Anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi

nó chuyển động

Hình 2.17: Vùng bức xạ của Anten thường và Anten thông minh [12]

Trong hệ thống Anten thông minh, bản thân các phần tử Anten không thông minh, mà sự thông minh được tạo ra do quá trình xử lý số tín hiệu các tín hiệu đến các phần tử Anten Quá trình kết hợp tín hiệu và sau đó tập trung bức xạ theo một hướng đặc biệt được gọi là Beamforming

Hình 2.18: Sơ đồ tổng quát của Anten thông minh [12]

2.3.1 Lý thuyết về dãy anten: ([8])

Anten mảng được sử dụng rộng rãi nhờ những yếu tố mềm dẻo của nó Ta có thể cải thiện độ lợi của Anten mảng theo hướng mong muốn bằng cách thay đổi điện áp kích thích, thay đổi độ định hướng bằng cách thay đổi số phần tử anten Anten

mảng kết hợp với các giải thuật tạo búp thích nghi sẽ tạo ra một hệ thống anten có khả năng tương thích với các điều kiện truyền khác nhau Sự kết hợp đó tạo nên một hệ thống anten thông minh Dãy anten có các phần tử bất kỳ có dạng ở hình 2.19

Hình 2.19: Minh họa dãy anten có các phần tử bất kỳ ([8])

Ở đây ф là góc phương vị (-π <ф<π) và θ là góc ngẩng của sóng phẳng truyền đến dãy anten (-π/2<θ<π/2) Trục nằm ngang có θ = π/2 Để đơn giản khi phân tích dãy anten, ta giả định như sau:

+ Khoảng cách giữa các phần tử của dãy anten đủ nhỏ để không có sự sai khác về biên độ tín hiệu giữa các thành phần anten đối với cùng một tín hiệu đến

+ Không có ghép tương hỗ giữa các phần tử anten

+ Tất cả các trường đến có thể được tách ra riêng biệt thành các sóng mặt rời rạc Tức số lượng tín hiệu là hữu hạn

+ Băng thông của tín hiệu đến dãy các phần tử anten là nhỏ so với tần số sóng mang

+ Đối với sóng mặt đến dãy anten theo hướng (θ, ф), độ sai pha giữa các tín hiệu đến phần tử m và phần tử tham khảo tại gốc tọa độ là:

Δψm = βΔdm = β(xm cosфsinθ + ym sinфsinθ + zm cosθ) (2.10)