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

 Ưu điểm của trình mô phỏng trong nghiên cứu tín hiệu định vị vệ tinh và ki ểm thử thiết bị GNSS.. Hướng tiếp cận dựa trên phần cứng: Trình mô phỏng tín hiệu định vị vệ tinh GPS/GNSS

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

Nhi ■ u event thú v ■ , event ki ■ m ti ■ n thi ■ t th ■ c 123doc luôn luôn t ■ o c ■ i gia t ■ ng thu nh ■ p online cho t ■ t c ■ các thành viên c ■ a website.

123doc s ■ u m ■ t kho th ■ vi ■ n kh ■ ng l ■ i h ■ n 2.000.000 tài li ■ t c ■ nh v ■ c: tài chính tín d ■ ng, công ngh ■ thông tin, ngo ■ i ng ■ , Khách hàng có th ■ dàng tra c ■ u tài li ■ u m ■ t cách chính xác, nhanh chóng.

Mang l ■ i tr ■ nghi ■ m m ■ i m ■ cho ng ■■ i dùng, công ngh ■ hi ■ n th ■ hi ■ ■■ ■ n online không khác gì so v ■ i b ■ n g ■ c B ■ n có th ■ phóng to, thu nh ■ tùy ý.

Luôn h ■■ ng t ■ i là website d ■ ■■ u chia s ■ và mua bán tài li ■ u hàng ■■ u Vi ■ t Nam Tác phong chuyên nghi ■ p, hoàn h ■ o, cao tính trách nhi ■ m ■ ng ng ■■ i dùng M ■ c tiêu hàng ■■ ■ a 123doc.net tr ■ thành th ■ vi ■ n tài li ■ u online l ■ n nh ■ t Vi ■ t Nam, cung c ■ p nh ■ ng tài li ■■■ c không th ■ tìm th ■ y trên th ■ ■■ ng ngo ■ i tr ■ 123doc.net

123doc cam k ■ t s ■ mang l ■ i nh ■ ng quy ■ n l ■ t nh ■ t cho ng ■■ i dùng Khi khách hàng tr ■ thành thành viên c ■ a 123doc và n ■ p ti ■ n vào tài kho ■ n c ■ a 123doc, b ■ n s ■ ■■■ c h ng nh ■ ng quy ■ n l ■ i sau n ■ p ti ■ n trên website thay vì m ■ i m ■ t cá nhân kinh doanh t ■ th ■ c hi ■ n ngh ■ a v ■ a mình thì s ■ p t ■ i, ngh ■ a v ■ a c ■ a hàng tri ■ u nhà bán hàng l ■ i chuy ■ n giao sang ■■ ■ qu ■ n lýChào m ■ ng b ■■■ ■ i 123doc.

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

L ỜI CẢM ƠN

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

Ngày tháng năm 2022

Ph ạm Quang Hiếu

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

DANH M ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

Đa truy cập theo mã

iv

Hàm lượng điện tử tổng cộng

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

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

L ỜI MỞ 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

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

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

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

2

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ, PHƯƠNG HƯỚNG VÀ NHIỆM VỤ

1.1 Đặt vấn đề

Đẩu) của Trung Quốc, hệ thống QZSS của Nhật Bản và đặc biệt là hệ thống

tinh nhưng nhờ vào vị trí địa lý của mình, Việt Nam lại là một trong những khu

đặc biệt là lĩnh vực quản lý giao thông Trong những năm gần đây, khi Mạng lưới

GNSS đủ chất lượng, phục vụ cho tính pháp lý của công tác đo đạc, xây dựng

độ và thời gian do người sử dụng đưa vào Các tín hiệu này được các bộ thu

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

động của máy bay Vì vậy, các bài toán kiểm định hoàn toàn có thể được thực

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

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

định vị Điều này đòi hỏi kiến trúc của các bộ thu phát cũng phải được cập nhật

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

• Kiểm thử bằng phương pháp thu và phát lại

Phương pháp kiểm thử hiện trường (live-sky) là phương pháp đơn giản với

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

4

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

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

chí cùng độ lệch pha tương đối giữa các tín hiệu vệ tinh khác nhau Bằng cách

định vị vệ tinh GPS/GNSS

hướng phát triển của công nghệ chế tạo các bộ thu phát Hiện nay, công nghệ chế

hướng tiếp cận phần cứng là hướng tiếp cận truyền thống, các thành phần xử lý

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

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

Trong khi đó, với hướng tiếp cận bằng phần mềm (software defined radio

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

tăng tốc xử lý)

Căn cứ trên tình hình thực tiễn về nhu cầu và khả năng làm chủ công

• Làm chủ công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm

GPS/GNSS

• 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

1.3 Phương pháp nghiên cứu

(SDR)

1.4 T ổng quan các bước tiến hành

GPS

tinh GPS

GNSS-SDR

8

Hình 3 T ổng quan các bước thực hiện bài toán

được sử dụng làm đầu vào của bộ thu mềm SDR Bộ thu mềm

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

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

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

ngày càng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và xã hội Về dân

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

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

10

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

ổn định, chính xác

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

đầu cuối

giao điểm của các mặt cầu với tâm là các vệ tinh, bán kính là khoảng cách từ vệ

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

hướng chuyển động của bộ thu Ngoài ra hệ thống vệ tinh còn có một ứng dụng

Trong luận văn thực hiện nghiên cứu và mô phỏng tín hiệu của hệ thống vệ tinh

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

GPS)

2.2.1 Gi ới thiệu chung

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

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

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

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

Trái Đất Phần điều khiển gồm 5 trạm kiểm soát: 4 trạm kiểm soát hoạt động một

ăng-ten khác để gửi lại thông tin cho các vệ tinh Ngoài ra, hệ thống còn có một trạm

12

L2=1227.60 MHz Sóng này được phát ra dựa trên cơ sở dãy số ngẫu nhiên bao

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

• Phần mềm: những chương trình máy tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể,

• Phần triển khai công nghệ: cải tiến thiết kế bộ thu, phân tích và mô hình

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

L1 và L2 Băng tần UHF bao gồm các dải tần từ 500 MHz đến 3 GHz Các tần số

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

• Mã truyền đi: mỗi vệ tinh có hai mã truyền tải (code) đặc trưng là mã

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

L2

a Định dạng gói tin

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

lưới Gói tin được mã hóa và truyền trên 2 định dạng: dân dụng (C/A – thô) và

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

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

b Mã hóa b ản tin

Thông tin định vị sử dụng trong dân dụng được mã hóa C/A

(Coarse/Acquisition) có độ chính xác không quá cao Mã C/A là một chuỗi nhiễu

14

– Direct Sequence Spread Spectrum)

Hình 6 Tín hi ệu GPS và mã hóa

2.2.3 Tính toán xác định vị trí vệ tinh

a Đo lường

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

đồng hồ bên thu và bên phát, nhiễu trên đường truyền GPS là truyền thông vệ

Trong đó:

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

dP: là sai số quỹ đạo của vệ tinh;

Trong đó: 𝜌𝜌̇ – độ Doppler; 𝑃𝑃̇ – độ lệch khoảng cách thật giữa vệ tinh GPS

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

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

trong 2 điểm giao đã xác định ở trên Sai số 1 dẫn đến sai số không gian là 300m

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

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

2.3 Các h ệ quy chiếu

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

• Tâm gắn với tâm Trái Đất

• Trục z cố định theo hướng cực Bắc, trục x cố định hướng tới điểm xuân

Hình 8 H ệ quy chiếu quán tính i-frame

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

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

• 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

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

2.4.1 Frontend

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

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

22

2.4.2 Kh ối đồng bộ tín hiệu

phân kênh Trước khi chỉ định một kênh cho một vệ tinh, bộ thu phải biết được

ứng Doppler Vệ tinh di chuyển về phía bộ thu sẽ có tần số cao hơn trong khi

được dùng để ước tính thô tần số sóng mang và độ dịch mã trải phổ

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

xung quanh

lượng các tham số tín hiệu với độ chính xác cao và bám theo sự thay đổi của các

• Bám sóng mang (Carrier tracking): mục đích là tạo ra thành phần sóng

vòng bám sóng mang xác định độ tương quan giữa thành phần sóng mang cục bộ

a M ạch vòng bám sóng mang

bám sóng mang được thực hiện bởi mạch vòng khóa pha (PLL) hoặc mạch vòng

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

24

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

𝜑𝜑𝐴𝐴𝑐𝑐𝑡𝑡𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 = 𝜑𝜑𝐶𝐶𝑜𝑜𝐶𝐶𝑡𝑡𝐴𝐴𝑡𝑡𝐶𝐶𝐶𝐶 + 𝜋𝜋

toán

Để hiệu chỉnh cho sự không rõ ràng về độ sai pha này, các thuật toán PLL

tương tự như hình d, trong đó thành phần trong pha của tất cả các bit là giống

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

Hình 14 Sơ đồ khối vòng lặp Costas

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:

𝑃𝑃� Trong đó:

b M ạch vòng bám mã trải phổ

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

26

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

Hình 16 Sơ đồ khối code tracking

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

2.4.3 Kh ối giải mã bản tin định vị

trường trong bản tin định vị được gửi đi Bên cạnh đó, sau khi xác định được vị

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

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

Hình 17 Định dạng từ mã TLM

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

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”

28

bit trên cũng hoàn toàn có thể xuất hiện trong phần dữ liệu của các subframe nên

được thực hiện qua việc tính tương quan giữa dòng bit đầu vào và 8 bit preamble

 Gi ải mã bản tin định vị

được chia ra thành 5 subframe có nội dung như sau (trừ 2 từ mã TLM và

• 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,

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

đổi sang hệ thập phân để thu được giá trị của tham số tương ứng

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

2.4.4 Kh ối tính toán vị trí

định vị, khối tính toán PVT sẽ thực hiện tính toán để xác định vị trí (Position),

sau:

• Từ các tham số của lịch thiên văn (ephemeris) trong bản tin định vị, ta

tính được vị trí vệ tinh

• Từ độ trễ mã trải phổ xác định được từ quá trình tracking, tính toán

được giả khoảng cách (pseudorange) giữa các vệ tinh và bộ thu

• Từ vị trí vệ tinh, pseudorange và tần số Doppler (tính được từ quá trình

định Quỹ đạo và vị trí vệ tinh trên quỹ đạo có thể được xác định dựa trên 6 tham

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

Trong đó,

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

• S: vị trí hiện tại của vệ tinh