Báo cáo khoa học: "Cấu trúc tín hiệu DVB-T và khả năng ứng dụng trong kỹ thuật định vị" ppsx

Bμi báo đi sâu vμo giới thiệu nguyên lý cơ bản của hệ thống GPS vμ phân tích nguyên lý cấu trúc tín hiệu truyền hình số DVB-T từ đó đưa ra khả năng ứng dụng của tín hiệu DVB-T trong tí

Cấu trúc tín hiệu DVB-T

và khả năng ứng dụng trong kỹ thuật định vị

nguyễn Quang Tuấn

NCS chuyên ngμnh Thông tin - Điều khiển giao thông

Đại học Giao thông Tây Nam Trung quốc

Tóm tắt: Mục đích của bμi báo lμ đề xuất một phương pháp định vị mới bổ sung cho hệ

thống định vị GPS truyền thống Phương pháp nμy có thể áp dụng với các thiết bị truyền phát

không dây như điện thoại di động, máy tính xách tay, các thiết bị giám sát, tìm kiếm, cứu hộ

hoạt động trong môi trường di động hoặc cố định nhưng không đủ điều kiện thu tín hiệu từ vệ

tính GPS, đặc biệt lμ môi trường trong nhμ hoặc bị che khuất ở các đô thị, thμnh phố lớn

Trong khi đó tại những môi trường nμy lại có thể thu được tín hiệu của các hệ thống truyền hình

với cường độ mạnh vμ số lượng kênh dịch vụ phong phú Bμi báo đi sâu vμo giới thiệu nguyên

lý cơ bản của hệ thống GPS vμ phân tích nguyên lý cấu trúc tín hiệu truyền hình số DVB-T từ

đó đưa ra khả năng ứng dụng của tín hiệu DVB-T trong tính toán định vị mμ vẫn đảm bảo các

tham số như độ chính xác vμ tính linh hoạt Trên cơ sở đó kết hợp với hệ thống GPS thμnh một

hệ thống hoμn chỉnh hơn, hoạt động được trong mọi điều kiện môi trường

Summary: The aim of the article is to propose a new positioning (radiolocating) method

besides the GPS traditrional positioning system The method can be applied to wireless

brocasting devices such as cellphones, laptops, seaching, life-guarding ones working in

mobile or fix environments in which they can not pick up signal from GPS satellite especialy

indoor environment or shadowed ones in urban areas, big cities, whereares, in those

environment picking up the signal of televising system with high intensity and various sevice

channel The article goes in to details to introduce basic principle of GPS system and analyse

the principle of DVB-T digital televising signal structure, from which it raises the applicapility of

DVB-T signal in positioning amputation and remains guarantecing parameters like accuracy

and flexibility On that basic, in cooperation with GPS system, it makes a more integrated

system which can work in all the environments

CT 2

I Giới thiệu chung

Trước nhu cầu dịch vụ định vị ngày một gia tăng và được ứng dụng hiệu quả trong nền kinh

tế quốc dân Cụ thể như các hệ quản lý giao thông thông minh, du lịch, dẫn đường, giám sát,

các dịch vụ cá nhân Khái niệm hệ thống định vị toàn cầu trở nên quen thuộc và phổ cập ở

khắp nơi trên thế giới, giá thành các thiết bị các nhân ngày càng giảm khiến bất kỳ ai có nhu

cầu cũng có thể sử dụng, hiện nay loại máy thu 12 kênh đơn giản chỉ có giá cỡ (50-100) USD

Thêm vào đó các hệ thống định vị GPS cũng ngày càng hoàn thiện hơn cả về cấu trúc lưới vệ

tinh, tuổi thọ, cấu trúc bản tin Hiện nay trên thế giới có một số hệ thống GPS chính là

LORAN-C (dùng ở châu Âu); GLONASS (của Nga) và GPS của Mỹ Nhưng mạnh và phổ thông hơn cả

là hệ thống GPS của Mỹ với hệ thống đang dùng được gọi là GPS II (thế hệ thứ 2) Đồng thời

chính phủ Mỹ đã và đang đặt hàng hãng LOCKHEET nghiên cứu và đưa vào sử dụng GPS III

với một cuộc cách mạng trong cấu trúc và tổ chức thông tin, qua đó khắc phục một số nhược

điểm còn tồn tại của các hệ thống GPS đã có trong những năm qua, đó là nhiều khi máy thu chỉ

“nhìn thấy” một hoặc hơn một vệ tinh trong khi tối thiểu phải thấy bốn vệ tinh thì số liệu tính toán mới đủ độ tin cậy Với GPS III thì chỉ cần “nhìn thấy“ một vệ tinh GPS là đủ (đây chính là mục tiêu xây dựng GPS III) Nhưng trong thực tế và trong thời gian dài tới vẫn chưa có một hệ GPS nào có thể cho số liệu định vị chính xác khi đối tượng định vị hoàn toàn bị che khuất và không

“nhìn thấy” bất kỳ một vệ tinh GPS nào theo cả nghĩa đen và nghĩa bóng Như vậy cần phải có một hệ thống nữa để khắc phục vấn đề này Đây không phải là vấn đề mới, đã từ lâu các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu và đưa ra nhiều giải pháp công nghệ như kết hợp hệ thống

đạo hàng và GPS (GPS và INS); hệ thống GPS và mạng điện thoại di động (GPS và GMS hay GPS và WCDMA); hệ thống GPS và mạng thông tin riêng Nhưng tất cả các phương án này

đều có các nhược điểm riêng hoặc có kết cấu mạng phức tạp, hoặc có giá thành cao, hoặc yêu cầu cấp băng tần riêng Trong khi đó hiện nay một hệ thống truyền hình mới đã và đang được

đưa vào khai thác và ngày một phát triển mạnh, đặc biệt là ở các nước có trình độ công nghệ cao, đó là hệ thống truyền hình kỹ thuật số (DTV – Digital Television) Tại Bắc Mỹ chính thức

đưa vào quảng bá năm 1998 với hệ DTV theo tiêu chuẩn ATSC , điều chế tín hiệu theo phương pháp “vết 8 mức” 8 – VSB; châu Âu với DVB – T tín hiệu được điều chế theo phương pháp chia tần trực giao OFDM; Nhật bản cũng có hệ thống riêng ISDB – T Tuy nguyên lý điều chế tín hiệu truyền hình số của các hệ có khác nhau và có các ưu thế nhất định nhưng đều có

đặc trưng chung là chúng đều được cài các mã đồng bộ trong quá trình điều chế nhằm mục đích

đồng bộ phát – thu, loại trừ hiệu ứng đa đường, chống giao thoa đồng kênh Vậy còn có thể sử dụng tín hiệu mã xung đồng bộ của DTV vào mục đích định vị hay không? Về lý thuyết có thể trả lời ngay là được Đây cũng chính là mục đích của bài báo và để đơn giản hoá vấn đề chúng

ta cần đề cập tới mã đồng bộ của DTB-T

CT 2

II Nguyên lý vμ phương trình cơ bản của hệ định vị toμn cầu GPS

Ngay từ những năm 50 của thế kỷ 20, tại phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng của trường đại học John Hopkins đã phát hiện ra khả năng sử dụng vệ tinh để định vị các vật đang chuyển

động (và đạo hàng) Vào năm 1964 hệ thống vệ tinh nhân tạo có quỹ đạo theo kinh tuyến trái

đất đã thực hiện thành công việc tạo ra hệ thống định vị và đạo hàng cho tàu bè trên biển (gọi là

hệ thống Transit) và từ đó mở ra các dịch vụ định vị dân dụng, nhưng hệ thống này vẫn còn nhiều thiếu sót Tiếp bước hệ thống này có nhiều hệ thống tương tự khác của châu Âu và đặc biệt là nước Nga xô viết với hệ thống Tsiscada cũng hoạt động theo nguyên tắc tương tự Vào tháng 12 năm 1973 một hệ thống định vị vệ tinh mới được thực hiện, đó là hệ thống định vị toàn cầu vệ tinh đạo hàng theo cự ly và thời gian (Navigation Satellite with Timing and Ranging Global Positing System) gọi tắt là NAVSTAR/GPS, hiện nay vẫn gọi là GPS Trải qua hơn 20 năm nỗ lực nghiên cứu phát triển với chi phí khoảng 20 tỷ USD, tới năm 1994 hệ thống này đã chính thức được đưa vào sử dụng Với khả năng cung cấp các thông tin định vị bất cứ lúc nào ở bất kỳ đâu trên trái đất với độ chính xác cao, chống can nhiễu tốt trên cơ sở toạ độ ba chiều với thời gian thực và các thông tin thời gian khác Song song với GPS cũng có các hệ thống định

vị tương tự như hệ thống Galileo ở châu Âu, GLONASS ở Nga (Global Navigation Satellite System) với nguyên lý tương tự, chỉ khác nhau bởi các thông số hệ thống như vị trí, số lượng chùm vệ tinh Trong phạm vi bài báo chúng ta chỉ đề cập tới kết cấu và hoạt động của một hệ thống đại diện đó là hệ thống định vị toàn cầu GPS

1 Kết cấu cơ bản hệ thống GPS

GPS thực chất là lợi dụng vệ tinh như là đài phát đạo hàng của hệ thống định vị vô tuyến

điện Hệ thống này do ba bộ phận cơ bản hợp thành (hình 1): bộ phận không gian (chùm vệ

tinh), bộ phận khống chế mặt đất (các trạm giám sát, hiệu chỉnh quỹ đạo, thời gian tại mặt đất),

thiết bị thu định vị (máy thu)

Bộ phận điều khiển mặt đất gồm 5 trạm phân bố trên ba đại dương, trong đó trạm chủ dựa

trên nền hệ thống điều khiển không gian Falcol của không quân Mỹ đặt tại Colorado Springs

(bang Colorado) Mục đích của bộ phận điều khiển là hiển thị hoạt động của các vệ tinh, xác

định quỹ đạo của chúng, xử lý các đồng hồ nguyên tử, truyền các thông điệp cần phổ biến lên

các vệ tinh Các trạm giám sát là các trạm thu tín hiệu vô tuyến không người có nhiệm vụ liên

tục bám sát các vệ tinh, thu các tần số 2200 – 2300 MHz, thu thập các thông tin khí tượng và

tầng điện ly, sau mỗi giãn cách 15 phút lại cung cấp cho trạm chủ một bản tin dữ liệu giám trắc

hoàn chỉnh Trạm điều khiển chính là trung tâm xử lý mọi dữ liệu, trên cơ sở toàn bộ dữ liệu của

trạm giám trắc tự động sẽ tính ra lịch hằng tinh của mỗi vệ tinh, số trị số cần hiệu chỉnh đồng hồ,

dữ liệu trạng thái và các dữ liệu khí quyển, ấn định phương thức biên tập cho điện văn đạo hàng

vệ tinh, sau đó phát đến các trạm hiệu chỉnh mặt đất sau mỗi khoảng cách 8 giờ, 3 trạm này sẽ

phát tới các vệ tinh một điện văn đạo hàng, tần số kênh phát lên là 1750 – 1850 MHz Bộ phận

khống chế mặt đất có sơ đồ khối như hình 1

CT 2

Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống GPS

Chùm vệ tinh GPS gồm 21 chiếc công tác và 3 cái dự bị tạo thành 24 vệ tinh phân bố đều

trong một không gian nghiêng (tính góc nghiêng so với xích đạo) 550 và chia làm 6 mặt phẳng

quỹ đạo, do đó xích kinh của các mặt phẳng quỹ đạo cách nhau 600, mỗi mặt phẳng quỹ đạo sẽ

phân bố 4 vệ tinh Các quỹ đạo có thể coi là hình tròn, góc lệch tâm coi bằng 0, bán kính lớn

của quỹ đạo khoảng 26609 km, độ cao bình quân với mặt địa cầu khoảng 20200 km Hình 4 mô

tả các vệ tinh và quỹ đạo bố trí quanh địa cầu Cách bố trí như vậy có thể đạt độ quan sát cực

đại ở mọi vị trí trên địa cầu, tại mọi thời điểm trong ngày (có góc lấp khoảng 50) đều có thể quan

sát được 4-9 vệ tinh

Xử lý dữ liệu

giải điều chế

Đồng hồ

chuẩn

Thiết bị cảm ứng

khí tượng

Quan trắc lịch hằng tinh và thời gian văn đạoBiên tập điện hàng

Tính toán sai số

Bộ KĐ

công suất

Thiết bị phát lệnh

Kho dữ liệu, bộ lưu trữ

và thiết bị ngoại vi

Điều chế, giải điều chế

Xử lý dữ liệu

Mỗi vệ tinh có trọng lượng 845 kg, thiết kế tuổi thọ 15 năm Năng lượng cấp cho vệ tinh là năng lượng pin mặt trời với điện áp 28 V, công suất 400-500 W, chu kỳ một vòng quanh trái đất

là 718 phút (tương đương 12 giờ hằng tinh), như vậy không trùng vận tốc quay của địa cầu, tại

vệ tinh trang bị bộ ổn định tần số có độ chính xác 10-13, với 2 đồng hồ rubi và 2 đồng hồ cesium, dùng bộ dao động nguyên tử tạo ra tần số f0 = 10.23 MHz tiêu chuẩn Tín hiệu GPS được tạo ra

từ bội tần hoặc phân tần tần số tiêu chuẩn Phân bố các chòm vệ tinh như hình 2

Hình 2 Phân bố các chòm vệ tinh GPS

2 Tín hiệu GPS

Thành phần tín hiệu GPS bao gồm tải tần, mã đo khoảng cách và điện văn đạo hàng (mã dữ liệu) Vệ tinh dùng băng 2 với 2 tần số:

a Tải tần L1: fL1 = f0 * 154 = 1575.42 MHz; bước sóng (= 19.03 cm);

b Tải tần L2: fL2 = f0 * 120 = 1227.6 MHz; bước sóng (= 24.42 cm);

Hai tần số phát xuống từ vệ tinh xuyên qua tầng điện ly sẽ phát sinh trễ thời gian Đây là vấn đề cần giải quyết trong hệ thống GPS

CT 2

Mã đo xa của vệ tinh cũng bao gồm 2 mã, đó là mã P và mã C/A, điện văn đạo hàng thì

được điều chế theo phương pháp PSK ở tải tần Sử dụng tín hiệu GPS công suất yếu mà có thể thu được độ tin cậy cao, đồng thời máy thu có thể nhận biết và bám sát được 24 vệ tinh Mã C/A

và mã P là 2 loại mã giả ngẫu nhiên được tạo ra tại vệ tinh, có khả năng chống nhiễu và bảo mật cao

c Mã đo xa C/A (Coarse/Aquistion code) có tần số bằng 1/10 tần số cơ bản (1.023 MHz), chu kỳ mã là 1 ms, mỗi vệ tinh phát mã C/A là không giống nhau, do vậy có thể cùng lúc máy thu có thể nhận được các mã C/A không giống nhau, độ chính xác của mã C/A tương đối thấp (độ chính xác dân dụng và chỉ được điều chế trên tần số L1)

d Mã đo xa P (Precise code) có tần số chính là tần số cơ bản 10.23 MHz, mã P có độ chính xác cao, mật mã và kết cấu không công khai, chỉ cung cấp cho các thiết bị quân sự sử dụng, nó đồng thời được điều chế ở cả tần số L1 và L2, tạo thành tín hiệu mã L1P và L2P Độ chính xác cỡ 10m, sau khi xử lý có thể đạt độ chính xác 1 m, độ chính xác đo tốc độ cỡ 0.1 m/s; sai số thời gian cỡ 100 ms

e Điện văn đạo hàng: bao gồm lịch hằng tinh, thời gian GPS, tham số đặc tính vệ tinh và trạng thái hệ thống Điện văn có hai cách điều chế, tần số mã cỡ 50 bps điều chế trên cả L1, L2 Quá trình hợp thành của tín hiệu GPS như dạng sóng, tần số tổ hợp như hình 3

Mã P

Mã C/A

Mã đạo hàng

Dải tần L

Tần số cơ bản

f0 (10.23MHz)

L1 1575.42 MHz

L2 1227.6 MHz

Mã C/A 1.023 MHz

Mã P 10.23 MHz

Mã P 10.23 MHz

Hình 3 Quá trình hợp thμnh tín hiệu GPS

Từ vệ tinh phát xuống mặt đất tín hiệu GPS hoàn chỉnh bao gồm L1C/A, L1P, L2P gồm 3

tín hiệu, dĩ nhiên điện văn đạo hàng cũng đồng thời được phát theo, vậy vệ tinh là thiết bị chủ

động và các máy thu là bị động, do đó hệ GPS có thể ứng dụng với lượng máy thu coi như

không hạn chế

3 Phương trình định vị: Máy thu thu được tín hiệu vệ tinh thông qua xử lý, có thể xác định

được lịch hằng tinh, từ đó biết chính xác vị trí không gian của vệ tinh phát (xi, yi, zi), bản thân

trong máy thu cũng trang bị đồng hồ dùng dao động thạch anh (gọi tắt là đồng hồ thu), thời gian

tín hiệu tới gọi là T, đồng hồ vệ tinh và đồng hồ thu là các đồng hồ độc lập nên không đồng bộ

với nhau, sự sai khác giữa hai đồng hồ ký hiệu là ΔT, có thể thấy thời gian tương ứng là: T = τ +

ΔT, trong đó τ là khoảng thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh tới máy thu, với tốc độ của sóng điện từ

trường trong không gian tương đương vận tốc truyền ánh sáng C, từ đó có thể xác định khoảng

cách giữa vệ tinh và máy thu

CT 2

t C ' R t C C T C

R= = τ+ Δ = + Δ (1) trong đó: R’ - khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh; R - cự ly có cộng thêm sai số thời gian nên

gọi là cự ly dài

Với toạ độ không gian 3 chiều, chỉ cần biết vị trí của 3 vệ tinh trong không gian vũ trụ (xi, yi,

zi) là có thể xác định được khoảng cách giả Ri (i = 1, 2, 3) từ đó tính ra toạ độ của máy thu x, y, z

(kinh độ, vĩ độ, cao độ) Nhưng vẫn còn phải loại trừ sai số không đồng bộ đồng hồ giữa các vệ

tinh và máy thu, điều này rất ảnh hưởng tới độ chính xác của định vị, do đó việc xác định giá trị

sai số ΔT là việc cần thiết, nếu một máy thu tại bất kỳ thời điểm nào cũng thu được tín hiệu từ 4

vệ tinh thì có thể giải quyết được vấn đề này vì chúng ta thấy rõ trong hệ phương trình xác định

toạ độ máy thu có 4 ẩn số, lúc này hệ phương trình sẽ có dạng:

(x x ) (y y ) (z z ) C t

(x x ) (y y ) (z z ) C t

(x x ) (y y ) (z z ) C t

(x x ) (y y ) (z z ) C t

trong đó xi, yi, zi là toạ độ của các vệ tinh (i = 1 4)

Để giải hệ phương trình này thông thường dùng phương pháp bình phương tối thiểu hoặc dùng lọc Kalman đó giải Từ giá trị x, y, z tìm được có thể xác định toạ độ tức thời của máy thu thông qua phép vi phân vị trí ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Δ

Δ Δ

Δ Δ

Δ

t

z , t

y , t

x

IV Cấu trúc tín hiệu DVB-T

Hình 4 Cấu trúc tín hiệu DVB-T

Trên cơ sở nguyên tắc có thể nói, tín hiệu phát DVB-T dựa trên tín hiệu gốc là tín hiệu đã

được xử lý theo chuẩn MPEG-2, thông qua các khâu xử lí bổ sung như: dồn kênh chuyển tải thích nghi, mã hóa đầu

ra, chèn mã xoắn,mã

hóa lân cận, điều chế

và ánh xạ, phát sóng

dồn kênh chia tần trực

giao (Orthogonal

Frequency Division

Multiplexing) OFDM, độ

rộng băng tần thay đổi

trong khoảng 6, 7 hoặc

8 MHz, tín hiệu này có

thể phát trên kênh VHF

hoặc UHF Đặc biệt

trong quá trình phát tín

hiệu DVB-T có thể chọn

2 kiểu điều chế đó là

chế độ 2K dùng cho

kênh phát đơn và mạng

SFN (Single Frequency

Network) dạng nhỏ có

giới hạn khoảng cách,

chế độ 8K thì có thể

dùng cho mạng SFN

dạng nhỏ hay lớn không

giới hạn khoảng cách

CT 2

Như vậy gói tín hiệu cơ bản, quá trình mã hóa và chèn mã bảo vệ (Reed-Solomon) có thể biểu diễn theo hình 4

Chúng ta có thể thấy cứ mỗi gói tín hiệu MPEG-2 cơ bản gồm 187 byte dữ liệu và 1 byte tín hiệu đồng bộ Đây là điều kiện cơ bản để lợi dụng tín hiệu DVB-T khi dùng trong mục đích định

vị

Sau khi gia công tín hiệu phát được tổ chức thành các trang OFDM Thời gian tồn tại mỗi trang gọi là TF và bao gồm 68 biểu tượng OFDM Bốn trang hợp lại thành một siêu trang

(super-frame) Mỗi biểu tượng được tạo thành bởi một tập K = 6817 sóng mang trong 8K và K = 1705

sóng mang trong 2K và được phát ra trong khoảng thời gian T giây Nó bao gồm hai phần: Phần

sử dụng chiếm thời gian Tu và giãn cách bảo vệ với thời gianΔ Giãn cách bảo vệ bao gồm một

chu kì liên tục của phần sử dụng và được gài trước đó

Các biểu tượng trong một trang OFDM được đánh số từ 0 tới 67.Toàn bộ biểu tượng gồm

có dữ liệu và thông tin tham chiếu Khi tín hiệu OFDM bao gồm nhiều sóng mang - điều chế

tách biệt, mỗi biểu tượng sẽ cần tính tới việc bị nhân trong ô, tương ứng với việc mang điều chế

trên một sóng mang trong một biểu tượng

Việc cộng dữ liệu phát một trang OFDM bao gồm:

- Các ô chủ sóng phân tán;

- Các sóng mang chủ liên tục;

- Các sóng mang TPS

Các sóng chủ có thể sử dụng cho việc đồng bộ trang, đồng bộ tần số, đồng bộ thời gian,

đánh giá kênh, nhận dạng chế độ phát và cũng có thể dùng theo dõi nhiễu pha

Các sóng mang được danh mục hoá bởi k ∈ [Kmin; Kmax] và tách ra với Kmin = 0; Kmax = 1704

trong chế độ 2K, Kmax = 6816 trong chế độ 8K Không gian giữa các sóng mang kế cận là 1/Tu,

trong khi không gian giữa các sóng mang Kmin và Kmax được tách ra bởi (K-1)/Tu Số lượng giá trị

của các tham số trong OFDM với trường hợp 2K và 8K được trình bày trong bảng 4 và 5 cho

kênh 8 MHz Giá trị của các tham số liên quan đến thời gian được cấp theo bội số của chu kì cơ

bản T và tính bằng microgiây Chu kì cơ bản T là 7/64 μs với kênh 8 MHz.1/8 μs với kênh 7 MHz

và 7/48 μs với kênh 6 MHz

CT 2

Phương trình tín hiệu phát sau khi điều chế có dạng:

⎪⎭

⎪

⎬

⎫

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

ψ

ì

π 0 m

67 0 l

max K

min K k

k ,l m k ,l m t

c f 2 j

) t ( c

e Re ) t (

trong đó:

s s

s T m 68 s T l t Tu ' k 2 j

T l m 68 l ( t T m 68 l ( 0

⎪⎩

⎪

⎨

⎧ π ư ư ư

trong đó:

k - số sóng mang;

l - số biểu tượng OFDM;

m - số trang phát;

K - số các sóng mang được phát;

Ts - thời gian tồn tại biểu tượng;

Tu - nghịch đảo của không gian sóng mang;

Δ- thời gian tồn tại của giãn cách bảo vệ;

fc - tần số phát trung tâm của tín hiệu RF;

k’- danh mục sóng mang liên quan tới tần số phát trung tâm, k’ = k - (Kmin + Kmax)/2;

cm, o, k - biểu tượng phức cho sóng mang k của biểu tượng dữ liệu số 1 trong số trang m;

c, m, l, k - biểu tượng phức cho sóng mang k của biểu tượng dữ liệu số 2 trong số trang m;

c, m, 67, k - biểu tượng phức cho sóng mang k của biểu tượng dữ liệu số 68 trong số trang m

Để thực hiện tính toán định vị các thiết bị thu sẽ thu tín hiệu phát và tiến hành giải điều chế, nhận dạng các đỉnh xung đồng bộ liên quan,khai triển thời gian các vấn đề cụ thể này sẽ được trình bày trong các bài viết khác Trong phạm vi bài viết này chúng ta chỉ tập trung giới thiệu về mặt nguyên lý chung xây dựng hệ thống

V Nguyên lý định vị của hệ thống định vị sử dụng tín hiệu đồng bộ DVB-T

Dựa trên các xung đồng bộ gói của gói tín hiệu cơ sở, về lý thuyết thì máy thu có thể xác

định thời điểm các đỉnh xung đồng bộ tới thông qua khai triển thời gian Đồng thời theo hệ phương trình cơ bản của phép định vị toàn cầu, chỉ cần máy thu thu được tín hiệu của ít nhất 3

đài phát là có thể xác định được toạ độ bản thân, các tín hiệu của đài phát truyền hình có ưu

điểm là cường độ mạnh, không chịu ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, không bị trễ do xuyên qua tầng điện ly và băng thông hẹp (đối với hệ thống DVB-T thông thường nằm trong khoảng 6,7 hoặc 8 MHz).Do đó trong các điều kiện bị che khuất như trong nhà hoặc giữa các khu nhà cao tầng thì vẫn có thể nhận được tín hiệu từ các đài phát truyền hình với mức độ chấp nhận

được Tuy nhiên do bản thân đồng hồ của đài phát lẫn đồng hồ của thiết bị thu cũng không thật chính xác do đó cần bổ sung cho hệ thống một trạm hiệu chỉnh có thiết bị chuẩn thời gian chính xác, sai số của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của đồng hồ trạm hiệu chỉnh (yêu cầu trạm hiệu chỉnh trang bị đồng hồ đồng bộ Cesium với sai số 10-13) Trạm hiệu chỉnh có nhiệm vụ thu các tín hiệu từ đài phát truyền hình, đưa ra giá trị hiệu chuẩn thời gian, sau đó phát tới các máy thu, căn cứ vào thông tin hiệu chỉnh, các máy thu có thể trực tiếp tính toán vị trí toạ

độ của mình, hoặc gửi tín hiệu tới trạm hiệu chỉnh, tại đây sẽ tiến hành tính toán xác định vị trí của máy thu Phương pháp này còn có ưu điểm là vị trí các đài phát truyền hình là cố định, có thể lưu trong bộ nhớ của các máy thu, đơn giản hoá quá trình tính toán cho các thiết bi tính Về

lý thuyết lúc này hệ phương trình xác định toạ độ có dạng:

CT 2

1 2 1 2 1 2 1

1 ( x k ) ( y v ) ( z c ) C t

2 2 2 2 2 2 2

2 ( x k ) ( y v ) ( z c ) C t

3 2 3 2 3 2 3

3 ( x k ) ( y v ) ( z c ) C t

trong đó:

R1, R2, R3 - khoảng cách từ máy thu (MT) tới đài phát có sai số do không đồng bộ đồng hồ,

được xác định bằng khoảng thời gian xung truyền từ đài phát tới MT và phép đo giả cự

ly;

x, y, z - toạ độ MT;

k, v, c là kinh độ, vĩ độ, cao độ của các đài phát (đã được biết trước);

(ti với i = 1, 2, 3 - sai số đồng bộ đồng hồ của MT với các đài phát, được xác định thông qua

tín hiệu chuẩn từ trạm hiệu chỉnh Lúc này có thể dùng các phương pháp giải phương

trình như các máy định vị thông thường để tiến hành tính toán vị trí của MT

Mô hình hệ thống được biểu diễn như hình 5

Đài phát TH số

Máy thu

Trạm hiệu chuẩn

CT 2

Hình 5 Mô tả hệ thống định vị dùng tín hiệu truyền hình số

Để thực hiện tính toán định vị chính xác trên thực tế còn cần giải quyết một số vấn đề kỹ

thuật khác như chống hiệu ứng đa đường (thông qua cấu trúc tín hiệu DVB-T), lựa chọn đỉnh

xung lớn nhất (cấu trúc thiết bị thu), xác định sai số trong các điều kiện môi trường khác nhau (ví

dụ sai số ngang HDOP), cấu trúc và phương pháp xử lí của trạm hiệu chuẩn hệ thống cũng như máy thu Trong phạm vi của bài báo chỉ hạn chế xây dựng phương án lí thuyết cho hệ thống, các vấn đề cụ thể hơn sẽ được đề cập trong các bài sau

Vi Kết luận

Như trên đã phân tích, chúng ta có thể lợi dụng các hệ thống thông tin khác nhau dùng trong việc thiết lập một hệ thống định vị, với điều kiện phải bổ sung thêm khả năng đồng bộ thời gian hoặc xác định độ lệch thời gian giữa các thiết bị phát và thu ở đây chúng ta lựa chọn hệ thống truyền hình số DVB-T vì đây là hệ thống quảng bá có công suất phát mạnh có độ rộng băng tần hợp lý (với DVB-T nằm trong khoảng 6 ~ 8 MHz), trong tương lai các đài phát số sẽ dần thay thế các đài phát tương tự do có nhiều ưu điểm nổi trội Chính nhờ các ưu điểm của truyền hình số mà có thể cho tín hiệu có độ trung thực cho phép ở những nơi có địa hình che khuất như điều kiện đô thị có nhiều nhà cao tầng, đường phố hẹp có các hàng cây cao hai bên hoặc trong nhà nhưng vẫn có thể thực hiện định vị các máy thu

Tài liệu tham khảo

[1] "ATSC Digital Television Standard With Ammendment no.1" ATSC ATSC Document A/53, Sep.1995 [2] "Digital Video Broadcasting(DVB), Framing Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial Television" European Broadcasting Union, ETSI EN 300 744 v1.3.1, Jan.2001

CT 2

[3] J G Proakis, "Digital Communications", 3rd ed, McGraw-Hill,1995

[4] A J Van Dierendonk, "GPS Receivers" Global Positioning System: Theory and Applications,1995 [5] T G Manickam,R J Vaccaro and D W Tufts,"A least-squares algorithm for multipath time-delay estimation", IEEE Trans Signal Processing, vol 42, Nov.1994

[6] L Q Yu "GPS weixing daohang dingwei yuanli yu fangfa" kexue chu ban she.2003

[7] G.Yan "Jiaotong kongzhi gongcheng gaiyao" xinan jiaotong daxue 2003

[8] Dr Frank van Diggelen Global Inc "Indoor GPS theory & Implementation" IEEE Position, Location

&Navigation Symposium, 2002 [9] Matthew Rabinovitz, Jame J Spilker "A New Positioning System Using TV Synchronization Signals" IEEE Transactions on broadcasting, Vol.51, No.1, March 2005

[10] Ollie Luba, Larry Boyd and Art Gower, Lockheed-Martin Corporation "GPSIII System Operation Cocepts" IEEE 2004

[11] Kris Maine, Paul Anderson and Frank Bayuk, Tha Aerospace Corporation "Communication Architecture for GPSIII" Aerospace Conference Proceeding, IEEE 2004

[12] Michael Wright, Dion Stallings and Dr Derrek Dunn, Electronic and Computer Technology, North Carolina Agricultural and Technical State University "The Effectiveness of Global Positioning System Electronic Navigation" Proceeding IEEE Southeast Con 2003Ă