Nghiên cứu phát triển vi mạch định vị toàn cầu gnss thiết kế khối bám vệ tinh

DANH SÁCH T VI T T T ADC Analog-to-Digital Converter ASIC Application-Specific Integrated Circuit C/A Coarse/Acquisition DLL Delay Lock Loop FLL Frequency Lock Loop FPGA Field-Prog

NG HÒA XÃ H I CH NGH A VI T NAM

c l p – T do – H nh phúc

N XÁC NH N CH NH S A LU N V N TH C S

H và tên tác gi lu n v n: Nguy n Hùng C ng

tài lu n v n: Nghiên c u phát tri n vi m ch nh v toàn c u GNSS:

Thi t k kh i bám v tinh

Chuyên ngành: thu t n t

Mã s SV: CB120615

Tác gi , Ng i h ng d n khoa h c và H i ng ch m lu n v n xác

nh n tác gi ã s a ch a, b sung lu n v n theo biên b n h p H i ng ngày 14/08/2015 v i các n i dung sau:

……… …

……… …………

……… ………

……… ………

………

Ngày tháng n m 2015

Giáo viên h ng d n Tác gi lu n v n

I C M N

Tôi xin g i l i c m n chân thành và sâu s c nh t t i th y giáo TS Nguy n c Minh, ng i ã tr c ti p h ng d n tôi t n tình trong th i gian nghiên c u và hoàn thi n lu n v n này

Tôi c ng xin c g i l i c m n t i t p th các th y, cô giáo c a Vi n n t -

Vi n thông, tr ng i h c Bách Khoa Hà N i ã t n tình giúp tôi trong su t

th i gian h c t p và nghiên c u t i tr ng

t l n n a tôi xin trân tr ng c m n t t c các th y cô giáo, b n bè, ng nghi p ã giúp và ng h tôi trong th i gian qua Xin kính chúc các th y cô giáo, các anh ch và các b n m nh kho , h nh phúc và thành công

Hà N i, ngày 29 tháng 03 n m 2015

Tác gi lu n v n

Nguy n Hùng C ng

I CAM OAN

Tôi xin cam oan: B n lu n v n t t nghi p này là công trình nghiên c u th c s

a các nhân, c th c hi n trên c s nghiên c u lý thuy t, th c t d i s h ng

n c a Ti n s Nguy n c Minh, Vi n n t - Vi n Thông, Tr ng i h c Bách Khoa Hà N i

Các s li u, k t lu n c a lu n án là trung th c, d a trên s nghiên c u, c a b n thân, ch a t ng c công b d i b t ký hình th c nào tr c khi trình, b o v

tr c “H i ng ánh giá lu n v n th c s k thu t” Các s li u, k t qu , k t lu n

c tôi tham kh o ã c trích d n ngu n y

t l n n a tôi xin kh ng nh v s trung th c c a l i cam k t trên

Hà N i, ngày 29 tháng 03 n m 2015

Tác gi lu n v n

Nguy n Hùng C ng

C L C

C L C 1

DANH SÁCH T VI T T T 3

DANH SÁCH HÌNH V 4

DANH SÁCH B NG BI U 6

U 7

CH NG 1 NG QUAN V H TH NG NH V GNSS - GPS 9

1.1 th ng nh v v tinh toàn c u GNSS 9

1.2 u Trúc H Th ng GPS 11

1.3 Tín Hi u GPS 14

1.3.1 Tín Hi u và D Li u 14

1.3.2 Mã C/A 17

1.3.3 Các hi u ng nh h ng n tín hi u GPS 23

1.4 u Trúc Máy Thu GPS 24

1.4.1 Acquisition – Dò kênh 25

1.4.2 Tracking – Bám kênh 26

1.4.3 Navigation Data Extraction & Pseudo Range Calculation – Tính toán gi kho ng cách và trích xu t d li u nh h ng 27

CH NG 2 KH I BÁM V TINH 28

2.1 c ích 28

2.2 Nguyên lý c b n 28

2.3 Vòng khóa pha b c hai (Second-order PLL) 30

2.4 Bám sóng mang (Carrier Tracking) 32

2.5 Bám mã tr i ph (Code Tracking) 35

2.6 Kh i bám kênh hoàn ch nh 41

CH NG 3 TRI N KHAI KH I BÁM V TINH TRÊN SIMULINK 42

3.1 s thu t toán 42

3.2 Tri n khai kh i bám kênh trên MATLAB/Simulink 44

3.2.1 Môi tr ng thi t k , mô ph ng MATLAB/Simulink 44

3.2.2 h th ng 45

3.2.3 tính toán tham s (Data Block Parameters) 50

3.2.4 c d li u u vào (Read Data) 51

3.2.5 l y thông s kênh (Load All Channels) 53

3.2.6 sinh sóng mang (Carrier Generator) 54

3.2.7 sinh mã tr i ph (Code Generator) 56

3.2.8 t ng quan (Correlation) 58

3.2.9 phân tách sóng mang (Carrier Discriminator) 61

3.2.10 phân tách mã (Code Discriminator) 62

3.2.11 l c vòng (Carrier Loop Filter) 63

3.2.12 l u k t qu (Save TrackResults) 64

CH NG 4 MÔ PH NG VÀ K T QU 66

4.1 Th c hi n mô ph ng 66

4.1.1 ch c th m c 66

4.1.2 li u u vào 66

4.1.3 Công c 67

4.1.4 ho ch mô ph ng 67

4.2 t qu mô ph ng và ánh giá 68

T LU N VÀ KI N NGH 71

TÀI LI U THAM KH O 72

DANH SÁCH T VI T T T

ADC Analog-to-Digital Converter

ASIC Application-Specific Integrated Circuit

C/A Coarse/Acquisition

DLL Delay Lock Loop

FLL Frequency Lock Loop

FPGA Field-Programmable Gate Array

GBAS Ground Based Augmentation System

GLONASS GLObal NAvigation Satellite System

GNSS Global Navigation Satellite System

GPS Global Positioning System

LAAS Local Area Augmentation System

MLS Maximum Length Sequence

NCO Numerically Controlled Oscillator

NMEA National Marine Electronics Association

PLL Phase Lock Loop

PRN Pseudo-Random Noise

SATNAV SATellite NAVigation

SBAS Satellite Based Augmentation System

WAAS Wide Area Augmentation System

DANH SÁCH HÌNH V

Hình 1.1: H th ng GPS 12

Hình 1.2: H th ng v tinh GPS 13

Hình 1.3: Quá trình t o tín hi u GPS t i v tinh 15

Hình 1.4: Các thành ph n trong tín hi u v tinh GPS 17

Hình 1.5: B sinh mã C/A 18

Hình 1.6: K t qu t t ng quan mã C/A 19 22

Hình 1.7: K t qu t ng quan chéo mã C/A 19 và 31 22

Hình 1.8: Các kh i x lý tính toán trong máy thu GPS 25

Hình 2.1: Quá trình gi i u ch tín hi u 30

Hình 2.2: Mô hình vòng khóa pha b c 2 (Second-order PLL) 30

Hình 2.3: S b l c vòng 31

Hình 2.4: S b NCO 31

Hình 2.5: S vòng bám sóng mang GPS c b n 33

Hình 2.6: Vòng l p Costas dùng bám sóng mang 33

Hình 2.7: So sánh c tính c a các u ra khác nhau c a b phân tách v i sai pha th c s 35

Hình 2.8: S vòng khóa mã c b n 36

Hình 2.9: Ví d v t ng quan gi a tín hi u vào và ba phiên b n mã tr i ph 37

Hình 2.10: S kh i DLL v i sáu b t ng quan mã tr i ph 37

Hình 2.11: u ra c a sáu k t qu t ng quan khi sóng mang n i sinh cùng pha v i sóng mang trong tín hi u vào 38

Hình 2.12: u ra c a sáu k t qu t ng quan khi sóng mang n i sinh có l ch n là 20 Hz và vòng khóa pha PLL có b ng thông nhi u 15 Hz v i sóng mang trong tín hi u vào 39

Hình 2.13: So sáng c tính các h phân tách (discriminator) c a b DLL 40

Hình 2.14: S kh i hoàn ch nh c a kh i bám kênh 41

Hình 3.1: S thu t toán bám v tinh 43

Hình 3.2: S t ng th c a kh i bám kênh 46

Hình 3.3: Các tham s c a h th ng 49

Hình 3.4: B tính toán tham s 50

Hình 3.5: S kh i c a b tính toán tham s 50

Hình 3.6: B c d li u u vào 51

Hình 3.7: B l y thông s kênh 53

Hình 3.8: S kh i b l y thông s kênh 53

Hình 3.9: B sinh sóng mang 54

Hình 3.10: S kh i b sinh sóng mang 55

Hình 3.11: B sinh mã tr i ph 56

Hình 3.12: S kh i b sinh mã tr i ph 57

Hình 3.13: B t ng quan 58

Hình 3.14: B t ng quan 59

Hình 3.15: B t ng quan sóng mang 59

Hình 3.16: B t ng quan mã tr i ph 60

Hình 3.17: B phân tách sóng mang 61

Hình 3.18: S kh i b phân tách sóng mang 61

Hình 3.19: B phân tách mã 62

Hình 3.20: S kh i b phân tách mã tr i ph 62

Hình 3.21: B l c vòng 63

Hình 3.22: S kh i b l c vòng sóng mang 64

Hình 3.23: B l u k t qu 64

Hình 3.24: S kh i b l u k t qu 65

Hình 4.1: K t qu bám kênh PRN = 2 68

Hình 4.2: l ch t n s sóng mang trong 70 ms u tiên 69

Hình 4.3: K t qu bám kênh PRN = 2, codePhase l ch 0.25 chip so v i ban d u 70

DANH SÁCH B NG BI U

ng 1.1: B ng chân lý phép C ng Module 2 v i D li u nh phân 16

ng 1.2: L a ch n pha mã C/A 19

ng 2.1: Các bi u th c có th s d ng trong b phân tách (discriminator) 40

ng 3.1: Tín hi u vào/ra c a b tính toán tham s 50

ng 3.2: Tín hi u vào/ra c a b c d li u u vào 52

ng 3.3: Tín hi u vào/ra c a b l y thông s kênh 53

ng 3.4: Tín hi u vào/ra c a b sinh sóng mang 55

ng 3.5: Tín hi u vào/ra c a b sinh mã tr i ph 56

ng 3.6: Tín hi u vào/ra b t ng quan 58

ng 3.7: Tín hi u vào ra b phân tách sóng mang 61

ng 3.8: Tín hi u vào ra b phân tách mã 62

ng 3.9: Tín hi u vào ra b l c vòng 63

ng 3.10: Tín hi u vào ra b l u k t qu 65

U

Hi n nay, các h th ng nh v v tinh toàn c u ( c g i chung là GNSS) ang ngày m t c c i ti n và phát tri n Bên c nh h th ng nh v toàn c u GPS c a , GLONASS c a Nga, g n ây h th ng nh v toàn c u GALILEO c a châu

Âu, BeiDou c a Trung Qu c c ng c tri n khai và i vào ho t ng

Vi c ngày càng có nhi u h th ng GNSS c phá tri n, c ng nh các ng d ng

nh v toàn c u ngày càng tr nên ph bi n thôi thúc nhi u nhóm nghiên c u tìm

hi u, phát tri n các lo i vi m ch nh v toàn c u Trong phân h trung t n x lý tín

hi u s c a máy thu có ba kh i x lý chính: kh i dò v tinh, kh i bám v tinh và

kh i gi i mã tính toán v trí Kh i bám v tinh chính là c u n i liên k t gi a hai kh i còn l i Khi kh i dò v tinh cho bi t thông tin nh ng v tinh nào ang trong t m quan sát c a máy thu, kh i bám v tinh có nhi m v bám theo s thay i liên t c

a tín hi u d i nh h ng c a các lo i nhi u, d ch t n Doppler,… Vi c tính toán,

lý v i d li u u vào thay i nh v y òi hòi s tìm hi u, nghiên c u th t sâu quá trình x lý tín hi u có c h i tìm hi u và nghiên c u sâu h n v v n này, tác gi ã ch n tài: “ Nghiên c u phát tri n vi m ch nh v toàn c u GNSS: Thi t k kh i bám v tinh ” làm tài lu n v n t t nghi p c a mình

ch s nghiên c u

Viêt Nam và th gi i ã có m t s tài nghiên c u v n i dung này, a s

ng t i s d ng ph n m m ch không ph i ph n c ng do vi c tính toán g m r t nhi u hàm ph c t p Tuy nhiên v n có m t s nghiên c u theo h ng tri n khai trên FPGA nh [5], [6], [7] r t áng quan tâm Tác gi hy v ng v i nh ng k t qu t

c trong lu n v n này có th là n n t ng xây d ng ki n trúc ph n c ng cho h

th ng nh v v tinh GxNSS

c ích nghiên c u c a lu n v n, i t ng, ph m vi nghiên c u

Lu n v n h ng t i vi c nghiên c u, tìm hi u v h th ng GNSS-GPS Sau khi

m c n n t ng c b n c a h th ng, lu n v n i sâu vào nghiên c u kh i bám tinh và tri n khai kh i bám v tinh d a trên c s thu t toán M c ích cu i cùng

là nh m xây d ng m t mô hình bám v tinh g n v i ki n trúc g n v i ph n c ng, làm ti n cho vi c tri n khai thi t k này trên ASIC

CH NG 3: TRI N KHAI KH I BÁM V TINH TRÊN SIMULINK

a trên c s lý thuy t, tri n khai kh i bám v tinh trên Simulink, a ra mô hình kh i bám v tinh hoàn ch nh

Qua quá trình th c hi n lu n v n này, tác gi ã xây d ng c m t mô hình

kh i bám kênh tr c quan trên Simulink Các kh i c trình bày rõ ràng, c th khi n cho vi c nghiên c u v quá trình bám v tinh tr nên d dàng h n

Mô hình này c ng là ti n tri n khai thi t k trên ASIC, h ng t i phát tri n vi m ch nh v toàn c u GNSS

CH NG 1 NG QUAN V H TH NG NH V

GNSS - GPS 1.1 th ng nh v v tinh toàn c u GNSS

nh v v tinh hay h th ng SATNAV là m t h th ng các v tinh cung c p v trí không gian ph kh p a c u Nó cho phép nh ng máy thu n t nh xác nh

c v trí c a chúng (kinh và v ) v i chính xác cao (trong kho ng vài mét)

d ng tín hi u phát th ng b ng sóng vô tuy n t v tinh Nh ng tín hi u ó c ng cho phép máy thu tính toán th i gian th c v i chính xác cao, t o m t h th ng

ng b th i gian M t h th ng v tinh nh v ph kh p toàn c u còn c g i là

th ng v tinh nh v toàn c u (GNSS - Global Navigation Satellite System)

c bao ph toàn c u c a m t h th ng v tinh th ng là 20 n 30 v tinh

tr i r ng trên m t s m t ph ng qu o H th ng nh v v tinh s d ng cho

nh ng ng d ng nh v trong dân s g m 2 lo i sau:

GNSS-1: ây là h th ng th h u tiên và là s k t h p c a h th ng

nh v v tinh ã có (GPS và GLONASS) v i h th ng SBAS (Satellite Based Augmentation System) ho c GBAS (Ground Based Augmentation System)

GNSS-2: ây là th h th 2 c a GNSS Nó có th cung c p m t h th ng

nh v v tinh dân s c l p nh là h th ng nh v Galieo c a Châu

Âu Nh ng h th ng này cung c p kh n ng ki m soát chính xác và nh t quán c n cho h th ng nh v dùng trong dân s

GLONASS: Liên Xô c và ngày nay là Nga s d ng h th ng nh v GLONASS ây là m t h th ng v tinh nh v có ch c n ng hoàn ch nh vào n m 1995 Sau s s p c a Liên xô, h th ng này h h ng d n t i thi u h t c a vùng ph sóng, ch còn l i m t ph n còn ho t ng Tuy nhiên n n m 2011, Nga ã khôi ph c l i h th ng này

Beidou: Trung Qu c ã lên k ho ch hoàn thi n toàn b phiên b n 2

a h th ng v tinh Beidou hay còn g i là COMPASS, b ng cách m

ng ph m vi d ch v t trong n c thành toàn c u vào n m 2020 H

th ng Beidou-2 xu t s có 30 v tinh trên qu o và 5 v tinh a t nh

t phiên b n trong n c g m 16 v tinh (bao ph khu v c Châu Á và Thái Bình D ng) ã hoàn thi n vào n m 2012

Các h th ng nh v v tinh toàn c u có nhi u ng d ng quan tr ng D i ây

n di chuy n và th ng k t n i t i thi t b lái t ng u ch nh

ng trong khi bay B thu GNSS g n trên bu ng lái và có m t trên các

lo i máy bay, s d ng nh ng công ngh nh WAAS hay LAAS t ng chính xác

nh v hàng h i: Tàu thuy n có th s d ng GNSS nh v t t c sông , bi n và i d ng trên th gi i GNSS cung c p các ch c n ng h u ích dùng trên sông n c, cho phép ngay l p t c có th ánh d u v trí

ng i b n n r i xu ng bi n, giúp n gi n hóa các n l c c u h GNSS

có th k t n i t i thi t b t lái trên tàu th y s d ng NMEA-013

Công nghi p n ng: Ngành công nghi p n ng có th dùng GNSS trong xây d ng, khai thác m và nông nghi p chính xác Các thi t b xây d ng

có th d c u khi n t ng b ng h th ng h ng d n GNSS Máy móc nông nghi p s d ng GNSS ch o t ng ho c nh tr lý hình

nh trên màn hình ng i lái Nó r t h u ích cho giao thông ho c u khi n vi c g t theo hàng ho c phun thu c

c xem l i sau khi ng i lái hoàn hành cu c thi hay ch ng ua, ho c

có th a lên d ch v tr c tuy n xem và so sánh v i các i ua khác Hàng không v tr : Tàu v tr l n u s d ng GNSS nh m t công c

u h ng B sung thêm b thu GNSS giúp tàu v tr xác nh c

qu o chính xác mà không c n theo dõi m t t u này giúp nó t chuy n h ng, thi t l p bay

cho các ng d ng c a quân s , trong khi ó b ng t n L1 c dành cho ng d ng

a dân s H th ng GPS xây d ng trên nguyên lý a truy nh p phân chia theo mã

Mã tr i ph s d ng cho các d ch v quân s và d ch ph th ng m i là mã tr i ph

c cao v i t n s phát là 10.23 MHz trong khi ó mã tr i ph s d ng cho các

ch v dân s có t c phát th p h n v i t n s là 1.023 MHz nên cho c

ng v t a kém chính xác h n

th ng GPS c chia thành ba phân h chính: phân h không gian g m các tinh phát qu ng bá tín hi u ch a thông tin v qu o c a chúng và thông tin i kèm các d ch v s d ng b i h th ng; phân h u khi n d i m t t phát các tín

hi u u khi n v tinh, hi u ch nh qu o hay t c bay c a v tinh, giám sát tình

tr ng c a các v tinh và c p phát các d ch v c ph c v b i h th ng; cu i cùng

là phân h ng i dùng g m t t c các máy thu thu d li u t h th ng nh v v tinh GPS và phân b kh p n i trên trái t Ho t ng c a các phân h c trình bày c th trong [3]

Hình 1.1: H th ng GPS

Phân h không gian g m 32 v tinh trong ó có 24 v tinh th ng tr c và 8 v tinh còn l i c dành s n d tr thay th cho các v tinh th ng tr c n u có s

x y ra 24 v tinh c phân b trên 6 qu o g n tròn v i góc nghiêng so v i

t ph ng xích o x p x b ng 55° và xích kinh c a các n t lên các qu o phân tách nhau 60° Các qu o v tinh c thi t k sao cho b t kì v trí nào trên trái t luôn có ít nh t 6 v tinh n m trong t m nhìn th ng t ó Các v tinh i

t qu o c a chúng trong 12 gi và c 12.5 phút chúng l i phát các b n tin ch a thông tin c n thi t xác nh qu o c a chúng

Hình 1.2: H th ng v tinh GPS

Phân h u khi n c t trên trái t u khi n ho t ng c a toàn b h

th ng Phân h u khi n g m m t tr m u khi n trung tâm t t i c n c không quân Schriever, thu c bang Colorado c a M và tám tr m thu phát t t i các a

m khác nhau d c theo xích o trái t Tr m u khi n trung tâm nh n thông tin v các v tinh t các tr m thu s li u theo dõi tr ng thái c a các v tinh, qu n

lý qu o c a các v tinh và duy trì s n nh c a ng h trên v tinh theo gi GPS t ó d oán các thông s qu o và giá tr hi u ch nh th i gian và qu o, truy n các giá tr này cùng v i các l nh u khi n t i các tr m phát trên xích o

trái t phát tín hi u u khi n t i các v tinh N m tr m thu có nhi m v nh n tín hi u phát t các v tinh, tính toán qu o v tinh và các sai l ch a v tr m

u khi n trung tâm x lý

Phân h ng i dùng bao g m các máy thu tín hi u GPS và c ng ng ng i s

ng d ch v c a h th ng GPS Các máy thu th c hi n tính toán qu o v tinh t tín hi u thu c, sau ó tính toán ra v trí c a máy thu h t a xác nh tính toán c v trí c a máy thu, chúng ta c n ít nh t là thông tin v 4 qu o c a

4 v tinh Các máy thu GPS c s d ng r ng rãi trong các ng d ng nh v d n

ng, tìm ki m c u n n, các m t c m bi n trong m ng giám sát, trong nghiên

t n s f0 = 10.23 MHz Tín hi u c t o nên t 3 thành ph n: Sóng mang, b n tin nh v và mã tr i ph

Sóng mang: Có t n s L1 và L2

n tin nh v : Ch a thông tin qu o c a v tinh Các thông tin này

c t i lên t t c các v tinh t tr m u khi n GPS m t t T c

a b n tin nh v là 50 bps

Mã tr i ph : M i v tinh có 2 mã tr i ph riêng, c tr ng cho v tinh ó

ng t n L2 c dành riêng cho quân s còn b ng t n L1 c s d ng cho các d ch v dân s trong ó có các d ch v th ng m i và các d ch

mi n phí Mã tr i ph dành cho các d ch v th ng m i và s d ng trong quân s là các mã tr i ph có b o m t v i chính xác cao (P code)

và mã tr i ph dành cho d ch v mi n phí là mã tr i ph có chính xác kém h n (C/A code) T n s sinh mã tr i ph dành cho d ch v mi n phí

154 và 120 T n s c s c ng c s d ng a vào h th ng sinh mã tr i ph

ng ng c a các d ch v h tr b i h th ng GPS

Thông tin v v trí v tinh c a vào b sinh d li u sinh ra các bit d li u

i t c 50 bps B sinh d li u và b sinh mã ho t ng ng b v i nhau thông qua tín hi u c t o ra t b sinh mã P

ng 1.1: B ng chân lý phép C ng Module 2 v i D li u nh phân

hi n phép toán XOR) B c ng module 2 làm vi c v i Chu i d li u nh phân c

di n t b i các bit 0 và 1, c tính phép toán c mô t trong B ng 1.1

li u sau khi k t h p v i mã tr i ph c a vào b u ch chuy n ph lên b ng t n t ng ng (L1 và L2) D li u k t h p v i mã C/A ch c chuy n lên b ng t n L1, trong khi ó, d li u k t h p v i mã P c a lên b ng L1 và L2

Tín hi u có chính xác cao c a qua b suy gi m công su t tr c khi c phát qu ng bá vào không gian

Tín hi u dùng cho d ch v mi n phí thì c gi nguyên công su t khi phát

Trên b ng L1, hai tín hi u ch a thông tin v hai d ch v khác nhau c tr n v i hai sóng mang l ch pha nhau 90° (m t tín hi u nhánh ng pha c mang b i sóng cos và m t tín hi u nhánh vuông pha c mang b i sóng sin)

Tín hi u c phát t v tinh th k c cho b i công th c sau:

là s hi u v tinh

là d li u phát t v tinh th

c nhân v i nhau và nhân v i sóng mang nh d ng tín hi u cu i cùng là khóa

ch pha hai m c mà trong ó sóng mang l t pha th i m chip thay i giá tr

ho c th i m mà bit d li u nh h ng thay i giá tr

1.3.2 Mã C/A

Mã C/A còn c g i là mã Gold, c c t b i Robert Gold vào n m 1967

Mã này có ph g n nh ph c a nhi u ng u nhiên nên nó còn c g i là mã gi nhi u ng u nhiên hay nói g n h n là mã gi nhi u

Theo [4], các tín hi u GPS C/A c t o ra t hai chu i 1023-bit PRN G1 và G2 G1 và G2 c t o ra b i thanh ghi d ch tuy n tính 10 t ng và c u khi n

i xung ng h 1.023MHz Nguyên t c ho t ng c b n c a hai thanh ghi này

nh nhau B sinh chu i dài t t a (maximum-length sequence - MLS) có th

c t o thành t m t thanh ghi d ch có h i ti p N u thanh ghi d ch có n bit, dài

a chu i c t o ra là 2n - 1

Hình 1.5 là m t b sinh mã C/A B c ng modulo-2 c s d ng t o ra các

mã C/A, v i u vào là chu i bit sinh ra t G1 và G2 hai b sinh mã G1 và G2

u là 10 bit, do ó, dài chu i là 1023 (210-1) M ch h i ti p c th c hi n thông qua các b c ng modulo-2 V trí c a m ch h i ti p quy t nh chu i u ra

Tín hi u h i ti p c a G1 c t o thành t bit 3 và 10, a th c sinh t ng ng có

th c vi t nh sau G1: 1 + x3 + x10 Tín hi u ph n h i c a G2 c t o thành t các bit 2, 3, 6, 8, 9, 10; a th c sinh t ng ng G2: 1 + x2 + x3 + x6 + x8 + x9 + x10

Hình 1.5: B sinh mã C/A

Bit cu i cùng c a thanh ghi d ch G1 u ra c a MLS) c s d ng làm u ra

a chu i mã th nh t sinh mã G2 không s d ng u ra MLS làm u ra c a chu i mã th hai u ra c a b sinh mã G2 c t o ra t hai bit c g i là mã

ch n pha, thông qua t b c ng modulo-2 u ra c a G2 là m t phiên b n tr c a

u ra MLS Kho ng tr này ph thu c v trí c a hai bit c l a ch n

Giá tr kh i t o ban u c a 2 thanh ghi G1, G2 là 10 bit 1, c sau m i 1023 chu ( ng v i 1023 chip c sinh ra), các thanh ghi c reset v giá tr kh i t o Có

t c 37 mã gi ng u nhiên C/A, trong ó các mã có s hi u t 1 n 32 c s

ng cho nh v toàn c u còn các mã có s hi u t 33 n 37 c s d ng cho các

ng d ng khác Trong 32 mã tr i ph s d ng cho h th ng nh v toàn c u có 24

mã th ng tr c dành cho 24 v tinh nh v , còn l i c d tr phòng khi các v tinh b h ng ph i thay m i B ng 1.2 d i ây li t kê cách l a ch n pha mã ng v i

chips b tr

10 chips u tiên vi t d ng

Xét dãy mã tr i ph ( ) tu n hoàn v i chu kì là 1ms Hàm t t ng quan c a

mã này c cho b i bi u th c sau:

Do dãy ( ) tu n hoàn v i chu kì nên hàm t ng quan c ng là hàm tu n hoàn

i chu kì và ch s c a hàm t ng quan s ch y t 0 t i c tính quan

tr ng nh t c a dãy mã sinh theo lu t Gold là c tính t ng quan c a các mã này Hai mã khác nhau sinh b i lu t Gold có t ng quan r t th p, g n nh tr c giao

i nhau, ngh a là v i hai dãy mã và c s d ng cho các v tinh và v tinh , k t qu t ng quan chéo c a hai dãy này cho b i:

t c các mã sinh b i lu t Gold ch cho m t nh t ng quan c c i khi t

ng quan v i chính nó, các nh t ng quan nh n c khi t ng quan v i các phiên b n tr c a chính mã này ( tr l n h n ho c b ng 1 chip) u r t nh so v i

nh t ng quan c c i, ngh a là mã sinh b i lu t Gold g n nh không t t ng quan tr khi không có tr dãy mã này c tính t t ng quan c a v tinh th

c cho b i công th c sau:

t qu t ng quan các mã tr i ph c minh h a trong Hình 1.6 và Hình 1.7

Hình 1.6: K t qu t t ng quan mã C/A 19

Hình 1.7: K t qu t ng quan chéo mã C/A 19 và 31

Giá tr t ng quan c c i c a hàm t t ng quan cho b i:

1.3.3 Các hi u ng nh h ng n tín hi u GPS

1.3.3.1 Hi u ng Doppler

Hi u ng Doppler là hi n t ng t n s sóng mang máy thu b d ch i so v i

n s sóng mang phía máy phát do có s chuy n ng t ng i gi a máy phát

và máy thu Kho ng d ch t n s sóng mang cho b i công th c sau:

Trong ó:

là t n s sóng mang

là v n t c truy n tín hi u n t

là v n t c t ng i gi a máy phát và máy thu

là góc h p b i ph ng chuy n ng c a máy thu so v i ng th ng

i gi a máy phát và máy thu Trong h th ng GPS, do v tinh liên t c chuy n ng trên qu o nên luôn có chuy n ng t ng i gi a máy phát và máy thu, do ó phía máy thu, t n s sóng mang b d ch chuy n do hi u ng Doppler là không th tránh kh i Theo Kai Borre [8], v i các máy thu ng yên, t n s sóng mang b ng L1 b d ch i m t

ng t i a b ng 5kHz, v i các máy thu chuy n ng nhanh, t n s sóng mang

ng L1 b d ch i m t l ng t i a b ng 10kHz

n s c a mã tr i ph s d ng trong tín hiêu GPS nh h n nhi u t n s sóng mang tín hi u V i t c phát chip tr i ph là 1.023 MHz, nh h ng c a hi u ng Doppler lên t n s c a mã tr i ph nh h n nh h ng c a hi u ng nay lên sóng mang m t l ng b ng / = 1575.42/1.023 = 1540 l n Nh v y, kho ng

ch t n s c c i c a mã tr i ph ch dao ng t 3.2 n 6.4 Hz i v i tr ng

p máy thu ng yên và tr ng h p máy thu chuy n ng Nghiên c u chi ti t h n

hi u ng Doppler lên tín hi u có th tìm th y trong [12]

u s d ch t n gây b i b i hi u ng Doppler không c tính toán chính xác thì s không t o ra c phiên b n sóng mang và mã tr i ph có c tính gi ng v i sóng mang và mã tr i ph ch a trong tín hi u thu c, k t qu là không khôi ph c

c tín hi u thông tin ch a trong tín hi u thu Vì lý do này, máy thu ph i luôn bám sát c các c tính c a sóng mang và mã tr i ph gi i u ch tín hi u thành công c tính t ng quan c a mã tr i ph là c tính c b n mà d a vào ó chúng

ta xây d ng nên các ki n trúc máy thu có th bám sát c các tham s c a sóng mang và c a mã tr i ph trong tín hi u trong b t c u ki n môi tr ng nào

1.3.3.2 Hi u ng a ng

Tín hi u nh v GPS phát qu ng bá trong không gian có th n máy thu theo nhi u ng khác nhau v i các tr khác nhau Các phiên b n tín hi u t i máy thu s

c c ng ch p vào nhau theo nguyên lý x p ch ng Khi ó, tín hi u t ng c ng s

ng c ng ho c suy gi m tùy theo pha c a các tín hi u thành ph n sai l ch nhi u hay ít và tùy theo suy hao c a các thành ph n tín hi u khi t i máy thu l n hay

nh N u tín hi u thu c t ng c ng, ch t l ng tín hi u có th c c i thi n

nh ng ng c l i n u tín hi u thu b suy gi m do a ng, m c công su t tín hi u

có th gi m xu ng quá nh y thu c a máy thu, khi ó máy thu s không có kh

ng khôi ph c c d li u tin t c mong mu n t tín hi u thu Dù th nào i n a,

c ích c a chúng ta c ng là xây d ng máy thu v i nh h ng c a các hi u ng

a ng hay hi u ng di t n lên công su t tín hi u thu càng nh càng t t

Hình 1.8: Các kh i x lý tính toán trong máy thu GPS

1.4.1 Acquisition – Dò kênh

c ích c a dò kênh là xác nh t t c các v tinh kh ki n i v i máy thu

bi t c v tinh là kh ki n hay không, kh i dò kênh ph i xác nh c hai

c tính sau ây c a tín hi u:

n s sóng mang: T n s sóng mang th ng sai khác v i t n s trung

n danh nh xác do nh h ng c a hi u ng Doppler xu t phát t chuy n ng t ng i c a v tinh so v i máy thu c a Hi u ng Doppler làm cho t n s trung t n ch a trong tín hi u lúc này b d ch i v hai phía

so v i t n s trung t n danh nh Theo [8] kho ng d ch t n s Doppler trung t n không v t quá 10kHz

Pha mã tr i ph : Pha c a mã tr i ph là m b t u trong kh i d li u

mà mã tr i ph b t u xu t hi n và m b t u này c n c xác nh chính xác tách mã tr i ph ra kh i tín hi u thu

Nhi u ph ng pháp khác nhau c s d ng xác nh t n s sóng mang và

mã tr i ph , t t c u d a trên các c tính tín hi u GPS, trong ó, tính t ng quan

mã C/A là quan tr ng nh t Tín hi u nh n c s là t h p tín hi u t t t c n v tinh kh ki n:

Tín hi u sau khi nhân v i các mã C.A c c b c tr n v i sóng mang c c b

lo i b sóng mang kh i tín hi u thu c lo i b c sóng mang, sóng mang c c b ph i có t n s b ng v i t n s sóng mang tín hi u Nh ã c p trên, t n s sóng mang có th b d ch i ±10 kHz so v i t n s danh nh V i b c

n s ki m tra là 500 Hz, có 41 giá tr t n s sóng mang c n c ki m tra

Dò kênh óng vai trò nh quá trình tìm ki m i v i m i t n s s khác nhau,

1023 pha mã khác nhau c th Khi t t c các tr ng h p cho pha mã và t n s

ã c th , vi c tìm ki m giá tr l n nh t c ti n hành N u giá tr l n nh t v t qua m t ng ng nh t nh, v tinh c xác nh v i t n s sóng mang và pha mã

ng ng

Th i gian th c hi n dò kênh có th c t ng lên r t nhi u l n b ng vi c x lý song song t i m t s công n [9], [14], [15] a ra m t s gi i pháp s d ng thu t toán bi n i Fourier nhanh x lý song song và t ng hi u su t kh i dò kênh

1.4.2 Tracking – Bám kênh

Kh i bám kênh có nhi m v tinh ch nh l i các giá tr v t n s sóng mang và pha

mã c g i n t kh i dò kênh nh m m c ích bám sát s thay i theo th i gian

a các giá tr này trong tín hi u thu chính xác c a giá tr pha mã cu i cùng có liên h m t thi t v i chính xác c a kho ng cách gi nh c tính sau ó V c

n có th coi kh i bám kênh th c hi n hai nhi m v riêng bi t là bám các c

tr ng c a mã tr i ph (Code Tracking) và bám các c tr ng c a sóng mang (Carrier Tracking) th c hi n nhi m v bám các c tr ng c a mã tr i ph , chúng ta s d ng m t vòng khóa tr (delay lockloop – DLL) trong ó sinh ra ba phiên b n khác nhau c a mã tr i ph t i máy thu (m i phiên b n mã tr i ph này l n

t l ch pha nhau n a chip) và chúng c g i là các phiên b n mã s m pha, mã

ng pha và mã mu n pha t ng ng th c hi n nhi m v bám các c tr ng

a sóng mang, chúng ta có th bám giá tr c a pha sóng mang ho c giá tr t n s sóng mang s d ng các vòng khóa pha hay vòng khóa t n t ng ng Kh i bám kênh ch y liên t c bám sát s thay i c a pha mã và c a t n s sóng mang vì s thay i c a các i l ng này là hàm liên t c theo th i gian Kh i bám kênh

trong tr ng thái bám c tín hi u khi mà t t c các kh i ch c n ng thành ph n c a

nó (bao g m vòng khóa pha hay vòng khóa t n s d ng cho nhi m v bám pha hay

n s c a sóng mang và vòng khóa tr s d ng cho nhi m v bám pha mã) trong

tr ng thái khóa N u nh tr ng thái kh i bám kênh khác tr ng thái khóa, l p t c m t

ho t ng m i c a kh i dò kênh ph i c kh i t o thi t l p các giá tr áng tin

y h n v t n s sóng mang hay pha mã nh m a kh i bám tr l i tr ng thái n

hi n t i c a ng i dùng Ví trí c a ng i ùng c tính toán d a vào các kho ng cách gi nh ã c xác nh b c tr c và các v trí v tinh c tìm thông qua th t c gi i mã b n tin nh h ng mà máy thu thu c tính c v trí máy thu c a ng i dùng chúng ta c n thông tin v v trí c a ít nh t b n v tinh

CH NG 2 KH I BÁM V TINH

Sau quá trình dò v tinh (Acquisition) ta ã bi t c tín hi u máy thu thu c

nh ng v tinh nào Trong ph n này, ta s i sâu tìm hi u quá trình bám tín hi u tinh (Tracking)

2.1 c ích

Quá trình dò v tinh (Acquisition) ch cung c p giá tr c l ng thô v t n s

và pha mã c a tín hi u v tinh Nhi u y u t tác ng lên tín hi u khi n cho các thông s này không c nh mà thay i liên t c theo th i gian Do v y máy thu c n

th c hi n bám tín hi u nh n bi t c s thay i này và u ch nh các tín hi u

i sinh (sóng mang và mã n i sinh) sao cho các tín hi u này trùng kh p v i tín

hi u thu c Ch khi bám c tín hi u m t cách n nh, máy thu m i có th ti n hành gi i u ch tín hi u thu c d li u nh v

2.2 Nguyên lý c b n

hình dung m t cách y v quá trình gi i u ch tín hi u v tinh, u tiên ta xem xét tín hi u GPS thu c t v tinh th k c bi u di n trong ph ng trình 2.1:

Sau khi i qua b x lý cao t n (RF Front-end), tín hi u c chuy n i v

ng s trung t n nh trong ph ng trình 2.2 v i IF t là t n s trung t n

( ) = 2 ( ) ( ) cos( ) + 2 ( ) ( ) sin( ) (2.2)

Tín hi u này sau ó c l y m u v i t n s f s và bi n i thành tín hi u s qua ADC Do chúng ta ch th c hi n x lý ph n tín hi u c u ch v i mã C/A

(dùng cho dân s ), nên thành ph n tín hi u c u ch v i mã P(Y) (dùng cho quân s ) s c coi nh m t d ng nhi u và ph i b lo i b M u tín hi u th n c a tinh th k sau khi qua b ADC có d ng nh trong ph ng trình 2.3

Trong ó e(n) là nhi u, n c tính theo n v 1/f s giây; ch ra r ng tín hi u lúc này là tín hi u r i r c theo th i gian

Ti p ó, tín hi u c chuy n i t trung t n xu ng b n t n c s Vi c lo i b thành ph n trung t n c th c hi n b ng cách nhân tín hi u v i sóng mang n i sinh trùng kh p v i thành ph n sóng mang trong tín hi u thu c Quá trình này

c th hi n qua ph ng trình 2.4

( ) cos( ) = ( ) ( ) cos( ) cos( )

Tín hi u k t qu c a g m hai ph n: ph n th nh t là mã C/A nhân v i b n tin

nh v , và ph n th hai ch a sóng mang v i t n s g p hai l n trung t n Thành

hi u máy thu thu c là t ng h p c a t t c các v tinh nhìn th y c ng thêm nhi u Chi ti t v v n này c trình bày trong [13]

Hình 2.1: Quá trình gi i u ch tín hi u

Quá trình x lý tín hi u c a kh i tracking v c b n g m hai công n nh trong Hình 2.1 Hai tín hi u n i sinh (b n sao c a sóng mang và b n sao c a mã)

c máy thu t o ra và l n l t t ng quan v i tín hi u u vào nh m tách c d

li u nh v a t i u ra Nh ta ã trình bày tr c, t n s sóng mang và mã c a tín hi u t i luôn luôn thay i nên tín hi u n i sinh c ng ph i bám c chính xác thay i này T ó d n n s c n thi t c a vòng bám h i ti p (feed-back loop)

ng v i hai công n ta có vòng bám sóng mang (carrier tracking loop) và vòng bám mã (code tracking loop)

2.3 Vòng khóa pha b c hai (Second-order PLL)

hai vòng bám sóng mang và vòng bám mã u có chung m t mô hình t ng quát có tên vòng khóa pha b c hai (Second-order PLL (Phase Lock Loop))

Hình 2.2: Mô hình vòng khóa pha b c 2 (Second-order PLL)

Nguyên lý ho t ng c a vòng khóa pha nh sau: u tiên tính toán sai s gi a tín hi u u vào và tín hi u n i a ra sai s e(k) Sai s này c khu ch i và

a n b L c Vòng (Loop Filter) t o ra tín hi u u khi n c(k) Tín hi u u khi n này c a vào b t o dao ng n i (NCO - Numerically Controlled Oscillator) t o ra b n sao n i sinh m i c a tín hi u, và c a tr l i so sánh

i u vào thành m t vòng khép kín Qui trình c l p l i sao cho sai s e(k)

ngày càng gi m và h i t v 0 – c ng là lúc vòng khóa pha hoàn toàn bám c tín

hi u t i Chi ti t v mô hình này có th tìm th y trong [8] và [10]

Mô hình c th hi n trên Hình 2.2, trong ó K d là h s khu ch i, F(z) là

hàm truy n t c a b l c vòng, và N(z) là hàm truy n t c a NCO Hai hàm truy n t c mô t trong ph ng trình 2.7 và 2.8:

( )=( 1+ 2) 1 1

K o là h s khu ch i c a b t o dao ng n i NCO

kh i c a b l c vòng và NCO c mô t trong Hình 2.3 và Hình 2.4:

Hình 2.3: S b l c vòng

Hình 2.4: S b NCO

là h s suy gi m dao ng (damping ratio), c tr ng cho kh n ng t n

tr ng thái n nh nhanh hay ch m c a h th ng H s suy gi m càng l n thì h

th ng t tr ng thái n nh càng nhanh, tuy nhiên kh n ng v t quá m n nh mong mu n (còn g i là hi n t ng overshoot) c ng t ng cao Trong tr ng h p này

ta ch n = 0.7 cân b ng gi a hai y u t trên (theo [8])

B L là b ng thông nhi u c a vòng bám H s này u khi n l ng nhi u cho phép trong b l c, và c ng nh h ng n th i gian n nh c a h th ng B L càng cao thì vòng l p càng nhanh bám c tín hi u, nh ng c ng cho phép nhi u nhi u

n N u h s này quá nh thì h th ng th m chí không th bám c tín hi u

d ng cho các ng d ng trên m t t, giá tr c a B L th ng c l y trong kho ng

20 Hz cho vòng bám sóng mang và 2 Hz cho vòng bám mã tr i ph (theo [8])

2.4 Bám sóng mang (Carrier Tracking)

bám c sóng mang c a tín hi u, ta s d ng vòng khóa pha (phase lock loop - PLL) ho c vòng khóa t n s (frequency lock loop - FLL) v i c u trúc chung

nh trình bày ph n 2.3

Hình 2.5 là s kh i c a m t vòng bám sóng mang c b n Hai b nhân có tác

ng lo i b thành ph n sóng mang và mã ra kh i tín hi u Kh i phân tách (discriminator) c dùng xác nh sai s gi a tín hi u u vào và b n sao n i sinh u ra c a b phân tách chính là sai pha ho c m t hàm c a sai pha, s c

c qua b l c vòng (loop filter) và tr thành tín hi u u khi n b t o dao ng n i

(NCO) NCO d a trên tín hi u t b l c vòng u ch nh t n s c a b o sao n i sinh C nh v y sóng n i sinh s có t n s ngày càng g n v i sóng mang

Hình 2.5: S vòng bám sóng mang GPS c b n

n c a m t vòng bám c b n nh th này là nó r t nh y c m i v i s d ch pha 180o Nh c l i là sóng mang ch a trong tín hi u là sóng mang ã c nhân v i

mã tr i ph và d li u Do d li u và mã u c bi u di n d i d ng mã có c c không tr v 0 (polar none-return-to-zero), nên s nh n các giá tr +1 ho c -1 Khi

t h p v i sóng mang s làm cho sóng mang liên t c b o pha S d ch pha 180onày s làm sai l ch k t qu tính toán c a các kh i Do ó, bám c chính xác tín hi u t i, vóng bám sóng mang ph i không b nh h ng b i s d ch pha 180o Thi t k vòng l p Costas c a ra gi i quy t v n này (d a theo [11])

Hình 2.6: Vòng l p Costas dùng bám sóng mang

Hình 2.6 là s vòng l p Costas Tín hi u vào c chia làm hai nhánh, nhánh

th nh t (I) s nhân v i sóng n i sinh, nhánh th hai (Q) c nhân v i phiên b n

ch pha 90o c a sóng n i sinh M c tiêu c a thi t k này là c gi t t c n ng l ng

a tín hi u n m nhánh th nh t Nguyên lý ho t ng c a vòng Costas loop:

n gi n, ta gi s tín hi u ã c lo i b thành ph n mã tr i ph Phép

nhân trên nhánh I s cho k t qu nh ph ng trình 2.12:

( ) cos( ) cos( + ) =

Trong ó là l ch pha gi a sóng mang c a tín hi u vào và sóng mang n i

sinh Phép nhân trên nhánh vuông pha Q cho k t qu nh ph ng trình 2.13:

( )cos( )sin( + )=12 ( )sin( )+12 ( )sin(2 + ) (2.13)

Khi i qua b l c thông th p, các thành ph n t n s cao trong c hai nhánh s b

ph ng trình 2.17, ta th y r ng d ch pha t giá tr bé nh t khi k t qu

ng quan nhánh vuông pha Q nh nh t (b ng 0) và k t qu nhánh cùng pha I

n nh t Vi c s d ng giá tr tan -1 (Q k /I k ) nh trong cho ta k t qu chính xác nh t

(chính là c n tìm), nh ng c ng là ph ng pháp r t ph c t p và t n nhi u th i gian khi tri n khai trên ph n c ng