Nghiên cứu phát triển vi mạch định vị toàn cầu GNSS thiết kế khối giải mã tính toán vị trí

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT DSP Digital signal processing Xử lý số tín hiệu ECEF earth centered earth fixed Địa tâm địa tĩnh ECI earth center inertial Địa tâm quán tính FPGA field-programmable

4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-oOo -

HOÀNG VIỆT HUY

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VI MẠCH ĐỊNH

VỊ TOÀN CẦU GNSS: THIẾT KẾ KHỐI GIẢI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn : Hoàng Việt Huy

Đề tài luận văn: Nghiên cứu phát triển vi mạch định vị toàn cầu GNSS: Thiết kế

khối giải mã tính toán vị trị

Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử

Mã số SV: CB120623

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày… ………… với các nội dung sau:

………

……… ………

……… ………

……… ………

Giáo viên hướng dẫn

Ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực

sự của cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Đức Minh

Các số liệu, kết luận của luận án là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu của bản thân, chưa từng được công bố dưới bất ký hình thức nào trước khi trình, bảo vệ trước “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ kỹ thuật” Các số liệu, kết quả, kết luận được tôi tham khảo đã được trích dẫn nguồn đẩy đủ

Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên

Hà Nội, ngày tháng 4 năm 2015

Tác giả luận văn

Hoàng Việt Huy

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể các thầy, cô giáo của Viện Điện

tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo TS Nguyễn Đức Minh, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi tận tình trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này

Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn tất cả các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ và ủng hộ tôi trong thời gian qua Xin kính chúc các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn mạnh khoẻ, hạnh phúc và thành công

Tác giả luận văn

Hoàng Việt Huy

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ vi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GNSS - GPS 3

1.1 Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS 3

1.2 Cấu trúc hệ thống 5

1.3 Tín hiệu GPS 8

1.3.1 Tín hiệu và dữ liệu 8

1.3.2 Mã C/A 11

1.3.3 Các hiệu ứng ảnh hưởng đến tín hiệu GPS 17

1.4 Cấu trúc máy thu GPS 18

1.4.1 Acquisition – Dò kênh 19

1.4.2 Tracking – Bám kênh 20

1.4.3 Navigation Data Extraction & PseudoRange Calculation – Tách dữ liệu định vị và tính toán khoảng giả định 21

CHƯƠNG 2 KHỐI GIẢI MÃ TÍNH TOÁN VỊ TRÍ 22

2.1 Cơ sở lý thuyết của giải mã tính toán vị trí 22

2.1.1 Sự xác định vị trí trong hệ tọa độ hai chiều 22

2.1.2 Lệch đồng hồ và bù lệch 24

2.1.3 Nguyên lý xác định vị trí thông qua các tín hiệu khoảng cách phát từ vệ tinh 25

2.1.4 Các hệ tọa độ tham chiếu 27

2.2 Giải điều chế dữ liệu và ước lượng khoảng cách 35

2.2.1 Khôi phục dữ liệu định vị 35

2.2.2 Giải mã tín hiệu định vị 36

2.2.3 Ước lượng khoảng cách 42

2.3 Tính toán vị trí vệ tinh 48

2.4 Tính toán vị trí máy thu 53

2.4.1 Hiệu chỉnh thời gian 53

2.4.2 Phương trình quan sát và phương pháp giải gần đúng phương trình

quan sát 55

2.4.3 Tính toán tọa độ máy thu bằng phương pháp bình phương bé nhất 57

2.5 Độ chính xác của phép tính toán vị trí 59

CHƯƠNG 3 TRIỂN KHAI KHỐI GIẢI MÃ TÍNH TOÁN VỊ TRÍ 62

3.1 Thuật toán 62

3.1.1 Đồng bộ các bít dữ liệu 62

3.1.2 Giải mã dữ liệu định vị 65

3.1.3 Tính toán vị trí vệ tinh 68

3.1.4 Tính toán vị trí máy thu 71

3.1.5 Tính toán độ chính xác và chuyển đổi tọa độ 73

3.2 Thiết kế - triển khai 74

3.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 74

3.2.2 Khối đồng bộ các bít dữ liệu 76

3.2.3 Khối giải mã dữ liệu định vị 77

3.2.4 Khối tính toán vị trí vệ tinh 78

3.2.5 Khối tính toán vị trí máy thu 81

3.2.6 Khối tính toán độ chính xác và chuyển đổi tọa độ 82

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG – ĐÁNH GIÁ 85

4.1 Mô phỏng 85

4.1.1 Dữ liệu đầu vào 85

4.1.2 Kế hoạch mô phỏng 87

4.1.3 Kết quả mô phỏng 87

4.2 Nhận xét – Đánh giá 89

KẾT LUẬN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1-1 Hệ thống GPS 6

Hình 1-2 Hệ thống vệ tinh GPS 7

Hình 1-3 Quá trình tạo tín hiệu GPS tại vệ tinh 9

Hình 1-4 Các thành phần trong tín hiệu vệ tinh GPS 11

Hình 1-5 Bộ sinh mã C/A 12

Hình 1-6 Kết quả tự tương quan mã C/A 19 15

Hình 1-7 Kết quả tương quan chéo mã C/A 19 và 31 16

Hình 1-8 Kết quả tương quan của mã C/A 19 với phiên bản trễ 1 chip 16

Hình 1-9 Các khối xử lý tính toán trong máy thu GPS 19

Hình 2-1 Tập các giá trị có thể là một đường tròn bán kính R1 22

Hình 2-2 Hai kết quả có thể khi hai phép đo đươc thực hiện 23

Hình 2-3 Bài toán cho kết quả duy nhất khi ba phép đo được tiến hành 23

Hình 2-4 Tác động của việc thời gian tham chiếu bị dịch lên kết quả tính toán 24 Hình 2-5 Tác động của các phép đo độc lập 25

Hình 2-6 Xác định vị trí trong hệ tọa độ quán tính địa tâm 28

Hình 2-7 Mô hình elip của trái đất (mặt cắt vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo)[1] 30

Hình 2-8 Quan hệ giữa dạng hình học thực (topology), thể địa cầu và mô hình elip tham chiếu 34

Hình 2-9 Minh họa giá trị đầu ra từ khối tracking 36

Hình 2-10 Ví dụ: Kết quả tương quan giữa 33 giây của chuỗi dữ liệu định vị và chuỗi mở đầu có độ dài 8 bít 37

Hình 2-11 Hai từ đầu tiên của mỗi khung dữ liệu con Những từ này được gọi là từ telemetry (TLM) và từ Hand over word (HOW) 38

Hình 2-12 Mối quan hệ về mặt thời gian giữa giờ hệ thống GPS, biến đêm Z-count và biến đếm Z-Z-count rút gọn 40

Hình 2-13 Vị trí người dùng trong giản đồ vector 43

Hình 2-14 Sử dụng bản sao mã để xác định thời gian truyền 44

Hình 2-15 Đo khoảng cách bằng các quan hệ thời gian 45

Hình 2-16 Thời gian truyền và điểm bắt đầu cảu khung con cho 4 kênh 47

Hình 2-17 Vệ tinh trong hệ tọa độ địa tâm địa tĩnh 49

Hình 2-18 Quỹ đạo elip với hệ tọa độ (𝝃, 𝜼) 49

Hình 3-1 Sơ đồ thuật toán đồng bộ bít dữ liệu 63

Hình 3-2 Sơ đồ thuật toán kiểm tra parity trong đồng bộ các bít dữ liệu 64

Hình 3-3 Sở đồ thuật toán giải mã dữ liệu định vị 66

Hình 3-4 Sơ đồ thuật toán giải mã dữ liệu thiên văn trong giải mã dữ liệu định vị 67

Hình 3-5 Sơ đồ thuật toán giải mã mỗi từ 30 bít của khung dữ liệu trong giãi mã dữ liệu định vị 68

Hình 3-6 Sơ đồ thuật toán tính toán khoảng cách giả định của các vệ tinh 69

Hình 3-7 Sơ đồ thuật toán tính toán vị trí vệ tinh và độ lệch đồng hồ máy thu 70

Hình 3-8 Sơ đồ thuật toán tính độ lệch đồng hồ máy thu từ dữ liệu thiên văn 71

Hình 3-9 Sơ đồ thuật toán tính toán vị trí máy thu 72

Hình 3-10 Sơ đồ thuật toán độ chính xác phép tính toán và chuyển đổi hệ trục tọa độ 73

Hình 3-11: Sơ đồ khối của toàn bộ khối giải mã, tính toán dữ liệu vị trí 75

Hình 3-12 Sơ đồ hệ thống đƣợc triển khai trên phần mềm Simulink 84

Hình 4-1 Các kênh sóng đƣợc dò thành công từ bộ dữ liệu dùng để mô phỏng 86 Hình 4-2 Giá trị firstSubFrame của 6 kênh khả dụng trong mô phỏng 87

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Bảng chân lý phép Cộng Module 2 với Dữ liệu nhị phân 9

Bảng 1-2 Lựa chọn pha mã C/A 13

Bảng 2-1 Xác định cao độ và vĩ độ từ các tọa độ thuộc hệ địa tâm địa tĩnh 32

Bảng 2-2 Phương trinh mã hóa chuỗi bít parity 39

Bảng 2-3 Bảng giải mã các thông số thiên văn GPS trong dữ liệu định vị 40

Bảng 2-4 Bảng liệt kê các thông số thiên văn 41

Bảng 2-5 Các thành phần quỹ đạo Kepler để xác định vị trí vệ tinh trong hệ tọa độ quy chiếu 49

Bảng 3-1 Các tham số của triển khai khối giải mã và tính toán vị trí 75

Bảng 4-1 Giá trị các tham số tiến hành mô phỏng 86

Bảng 4-2 Vị trí máy thu được tính toán với dữ liệu của 4 vệ tinh 88

Bảng 4-3 Vị trí máy thu được tính toán với dữ liệu của 5 vệ tinh 88

Bảng 4-4 Vị trí máy thu được tính toán với dữ liệu của 6 vệ tinh 88

Bảng 4-5 Độ chính xác của phép giải mã và tính toán vị trí 88

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

DSP Digital signal processing Xử lý số tín hiệu

ECEF earth centered earth fixed Địa tâm địa tĩnh

ECI earth center inertial Địa tâm quán tính

FPGA field-programmable gate array Mảng cổng logic lập trình đƣợc GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

ICD Interface Control Document Tài liệu kỹ thuật giao diện hệ

thống IODC Issue of Data, Clock Đồng hồ tham khảo trong dữ liệu

thiên văn IODE Issue of Data, Ephemeris Dữ liệu thiên văn tham khảo LSB Least significant bít Bít giá trị nhỏ nhất

MLS Maximum length sequence Chuỗi độ dài tối đa

MSB most significant bít Bít có giá trị lớn nhất

NAD North American Datum Dữ liệu trắc địa Bắc Mỹ

OS SIS Open Service Signal In Space Dịch vụ định vị vệ tinh tiêu

chuẩn của hệ thống Galileo

SDR Software Defined Radio Kỹ thuật xử lý tín hiệu vô tuyến

trên phần mềm

USNO United States Naval Observatory Đài thiên văn hàng hải Hoa Kỳ UTC Coordinated Universal Time Múi giờ chuẩn (GMT+0)

WGS World Geodetic System Hệ thống trắc địa thế giới

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nghiên cứu về hệ thống định vị toàn cầu (gọi chung là GNSS) không phải là một chủ để mới Tuy nhiên, trong những năm gần đây, các hệ thống định vị toàn cầu đã có những bước thay đổi và cải tiến mới Có thể kể đến như hệ thống GPS đã trải qua 5 lần điều chỉnh và nâng cấp khả năng kỹ thuật của hệ thống trong 5 năm trở lại đây Hệ thống định vị toàn cầu GALILEO của châu Âu cũng đã được đưa vào vận hành thử nghiệm từ năm 2011, cùng với công bố tài liệu kỹ thuật Galileo

OS SIS ICD Việc các hệ thống này ngày càng được cải tiến và hoàn thiện hứa hẹn

sẽ mang đến cho người sử dụng nhiều lợi ích hơn, khi mà thu được nhiều tín hiệu vệ tinh hơn đồng nghĩa với khả năng định vị vị trí được nâng cao Tuy nhiên, vấn đề mới đặt ra ở đây là phải kết hợp được khả năng giải mã và tính toán các bản tin vệ tinh của các hệ thống khác nhau

Trước những lợi ích to lớn và ứng dụng phổ biến của định vị vệ tinh, việc nghiên cứu và phát triển một vi mạch định vị toàn cầu GNSS của Việt Nam là ý tưởng được nhóm nghiên cứu ấp ủ trong khoảng thời gian học tập tại trường Việc kết hợp được khả năng định vị vệ tinh của nhiều hệ thống trên một vi mạch điện tử

là một hướng nghiên cứu mới và sẽ đem lại những lợi ích đáng kể nếu được phát triển thành công Khối giải mã tính toán vị trí là khối xử lý cuối cùng, đưa ra kết quả định vị tới người dùng, phải vừa đảm bảo tạo ra kết quả chính xác, vừa phải đảm bảo hiệu năng tính toán cao, thực sự là một thử thách thú vị Những lý do trên đây là cơ sở để tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu phát triển vi mạch định vị toàn cầu GNSS: Thiết kế khối giải mã tính toán vị trí”

nghiên cứu nào được công bố

Ở nước ngoài, hướng nghiên cứu phát triển vi mạch điện tử đã có những công bố, tuy nhiên phần lớn không triển khai trên cùng một nền tảng phần cứng mà kết hợp nhiều nền tảng SDR, DSP và FPGA

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu: nghiên cứu về khối giải mã tính toán vị trí của vi mạch định vị toàn cầu GNSS, triển khai các cơ sở lý thuyết cơ bản vào một mô hình hoàn chỉnh và thử nghiệm các kĩ thuật giải mã và tính toán vị trí mới

Phạm vi nghiên cứu: dịch vụ định vị vị trí tiêu chuẩn và cơ sở lý thuyết, ứng dụng của các hệ thống định vị toàn cầu GNSS

4 Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Nghiên cứu tổng quan về hệ thống GNSS-GPS

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết khối giải mã tính toán vị trí trong vi mạch định vị toàn cầu GNSS

Nghiên cứu triển khai khối giải mã tính toán vị trí trong vi mạch định vị toàn cầu GNSS

Mô phỏng khối giải mã tính toán vị trí đã được triển khai, so sánh và đánh giá các kết quả tìm được và đưa ra kết luận

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu nắm vững các kỹ thuật cơ sở áp dụng cho định vị vệ tinh toàn cầu

Áp dụng lý thuyết để xây dựng nên những thuật toán để thực hiện giải mã tinh toán vị trí dựa trên tín hiệu vệ tinh định vị toàn cầu

Triển khai các thuật toán thành mô hình, tiến hành mô phỏng với bộ dữ liệu thích hợp và với kế hoạch mô phỏng định sẵn Đánh giá và nhận xét các kết quả thu được một cách khách quan, dựa vào các tài liệu kĩ thuật và tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GNSS - GPS

1.1 Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS

Định vị vệ tinh hay hệ thống SATNAV là một hệ thống các vệ tinh cung cấp vị trí không gian phủ khắp địa cầu Nó cho phép những máy thu điện tử nhỏ xác định được vị trí của chúng (kinh độ và vĩ độ) với độ chính xác cao (trong khoảng vài mét)

sử dụng tín hiệu phát thẳng bằng sóng vô tuyến từ vệ tinh Những tín hiệu đó cũng cho phép máy thu tính toán thời gian thực với độ chính xác cao, tạo một hệ thống đồng bộ thời gian Một hệ thống vệ định vị vệ tinh phủ khắp toàn cầu còn được gọi

là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS - Global Navigation Satellite System) Mức độ bao phủ toàn cầu của một hệ thống vệ tinh thường là 20 đến 30 vệ tinh trải rộng trên một số mặt phẳng quỹ đạo Hệ thống định vị vệ tinh sử dụng cho những ứng dụng định vị trong dân sự gồm 2 loại sau:

 GNSS-1: Đây là hệ thống thế hệ đầu tiên và là sự kết hợp của hệ thống định vị vệ tinh đã có (GPS và GLONASS) với hệ thống SBAS (Satellite Based Augmentation System) hoặc GBAS (Ground Based Augmentation System)

 GNSS-2: Đây là thế hệ thứ 2 của GNSS Nó có thể cung cấp một hệ thống định vị vệ tinh dân sự độc lập như là hệ thống định vị Galieo của Châu Âu Những hệ thống này cung cấp khả năng kiểm soát chính xác và nhất quán cần cho hệ thống định vị dùng trong dân sự (như hàng không dân dụng)

Một số hệ thống định vị toàn cầu hiện nay có thể nhắc tới:

 GPS: Hệ thống vị trí toàn cầu (GPS) gồm tới 32 vệ tinh quanh trái đất trong 6 mặt phẳng quỹ đạo khác nhau GPS đưa vào hoạt động từ năm

1978 và áp dụng trên toàn cầu từ nằm 1994 Hiện nay nó là hệ thống định

vị toàn cầu phổ biên nhất trên thế giới

 GLONASS: Liên Xô cũ và ngày nay là Nga sử dụng hệ thống định vị GLONASS Đây là một hệ thống vệ tinh định vị có chức năng hoàn chỉnh vào năm 1995 Sau sự sụp đổ của Liên xô, hệ thống này hư hỏng dẫn tới

sự thiếu hụt của vùng phủ song, chỉ còn lại một phần còn hoạt động Tuy nhiên đến năm 2011, Nga đã khôi phục lại hệ thống này

 Beidou: Trung Quốc đã lên kế hoạch để hoàn thiện toàn bộ phiên bản 2 của hệ thống vệ tinh Beidou hay còn gọi là COMPASS, bằng cách mở rộng phạm vi dịch vụ từ trong nước thành toàn cầu vào nằm 2020 Hệ thống Beidou-2 đề xuất sẽ có 30 vệ tinh trên quỹ đạo và 5 vệ tinh địa tĩnh Một phiên bản trong nước gồm 16 vệ tinh (bao phủ khu vực Châu Á và Thái Bình Dương) đã hoàn thiện vào năm 2012

Các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu có nhiều ứng dụng quan trọng Dưới đây

là những ứng dụng nổi bật và phổ biến của hệ thống GNSS trong dân sự

 Định vị trên xe hơi: Ô tô có thể được trang bị bộ thu GNSS trong quá trình sản xuất hoặc đặt hàng thêm Nó thường hiển thị bản đồ hành trình

và thông tin về vị trí, tốc độ, hướng đi, những tuyến đường lân cận và các điểm đến ưa thích

 Định vị hàng không: Hệ thống định vị hàng không có màn hình hiển thị bản đồ di chuyển và thường kết nối tới thiết bị lái tự động đề điều chỉnh hướng trong khi bay Bộ thu GNSS gắn trên buồng lái và có mặt trên các loại máy bay, sử dụng những công nghệ như WAAS hay LAAS để tăng

độ chính xác

 Định vị hàng hải: Tàu thuyền có thể sử dụng GNSS để định vị tất cả sông

hồ, biển và đại dương trên thế giới GNSS cung cấp các chức năng hữu ích dùng trên sông nước, cho phép ngay lập tức có thể đánh dấu vị trí người bị nạn rơi xuống biển, giúp đơn giản hóa các nỗ lực cứu hộ GNSS

có thể kết nối tới thiết bị tự lái trên tàu thủy sử dụng giao diện

NMEA-013

 Công nghiệp nặng: Ngành công nghiệp năng có thẻ dùng GNSS trong xây dựng, khai thác mỏ và nông nghiệp chính xác Các thiết bị xây dựng

có thể dược điều khiển tự động bằng hệ thống hướng dẫn GNSS Máy móc nông nghiệp sử dụng GNSS để chỉ đạo tự động hoặc như trợ lý hình ảnh trên màn hình người lái Nó rất hữu ích cho giao thông hoặc điều khiển việc gặt theo hàng hoặc phun thuốc

 Người đi xe đạp: Người đi xe đạp thường sử dụng GNSS trong các cuộc đua hoặc các chuyến đi xa GNSS cho phép họ vạch trước đường đi và đi theo; điều này cũng giúp họ chọn ra tuyến đường hợp lý hơn mà không cần dừng lại để xem bản đồ Loại GNSS cho người đi xe thường không

có những chức năng tinh vi như lập bản đồ đường phố mà hướng tới ghi chép các thông tin dọc theo tuyến đường họ đi qua Những thông tin này

sẽ được xem lại sau khi người lái hoàn hành cuộc thi hay chặng đua, hoặc

có thể đưa lên dịch vụ trực tuyến để xem và so sánh với các đội đua khác

 Hàng không vũ trụ: Tàu vũ trụ lần đầu sử dụng GNSS như một công cụ điều hướng Bổ sung thêm bộ thu GNSS giúp tàu vũ trụ xác định được quỹ đạo chính xác mà không cần theo dõi mặt đất Điều này giúp nó tự chuyển hướng, thiết lập bay

1.2 Cấu trúc hệ thống

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) là một hệ thống định vị vệ tinh trên không gian cung cấp vị trí và thông tin bất cứ nơi nào trên hoặc gần Trái đất, nơi có tầm nhìn tới ít nhất 4 vệ tinh GPS Hệ thống này có tầm quan trọng trong lĩnh vực quân sự, dân sự và thương mại trên toàn thế giới

Dự án triển khai hệ thống định vị toàn cầu GPS được chính phủ Hoa kì thông qua năm 1973 và vào năm 1978, vệ tinh đầu tiên trong số các vệ tinh của mạng vệ tinh định vị được phóng lên thành công Ban đầu, hệ thống chỉ được xây dựng cho mục đích quân sự của bộ quốc phòng Mỹ Năm 1995, hệ thống GPS chính thức được hoàn thành và đi vào hoạt động ở hai băng tần L1 và L2 với các tần số trung tâm ở hai băng là 1575,42 MHz và 1227,60 MHz Băng tần L2 chỉ dành cho các

ứng dụng của quân sự, trong khi đó băng tần L1 được dành cho ứng dụng của dân

sự Hệ thống GPS xây dựng trên nguyên lý đa truy nhập phân chia theo mã Mã trải phổ sử dụng cho các dịch vụ quân sự và dịch phụ thương mại có phí là mã trải phổ

có tốc độ cao với tần số phát là 10,23 MHz trong khi đó mã trải phổ sử dụng cho các dịch vụ dân sự có tốc độ phát thấp hơn với tần số là 1,023 MHz nên cho độ ước lượng về tọa độ kém chính xác hơn

Hệ thống GPS được chia thành ba phân hệ chính: phân hệ không gian gồm các

vệ tinh phát quảng bá tín hiệu chứa thông tin về quỹ đạo của chúng và thông tin đi kèm các dịch vụ sử dụng bởi hệ thống; phân hệ điều khiển dưới mặt đất phát các tín hiệu điều khiển vệ tinh, hiệu chỉnh quỹ đạo hay tốc độ bay của vệ tinh, giám sát tình trạng của các vệ tinh và cấp phát các dịch vụ được phục vụ bởi hệ thống; và cuối cùng là phân hệ người dùng gồm tất cả các máy thu thu dữ liệu từ hệ thống định vị

vệ tinh GPS và phân bố ở khắp nơi trên trái đất

hết quỹ đạo của chúng trong 12 giờ và cứ 12.5 phút chúng lại phát các bản tin chứa thông tin cần thiết để xác định quỹ đạo của chúng

Hình 1-2 Hệ thống vệ tinh GPS

Phân hệ điều khiển được đặt trên trái đất điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống Phân hệ điều khiển gồm một trạm điều khiển trung tâm đặt tại căn cứ không quân Schriever, thuộc bang Colorado của Mỹ và tám trạm thu phát đặt tại các địa điểm khác nhau dọc theo xích đạo trái đất Trạm điều khiển trung tâm nhận thông tin về các vệ tinh từ các trạm thu số liệu để theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản

lý quỹ đạo của các vệ tinh và duy trì sự ổn định của đồng hồ trên vệ tinh theo giờ GPS từ đó dự đoán các thông số quỹ đạo và giá trị hiệu chỉnh thời gian và quỹ đạo, truyền các giá trị này cùng với các lệnh điều khiển tới các trạm phát trên xích đạo trái đất để phát tín hiệu điều khiển tới các vệ tinh Năm trạm thu có nhiệm vụ nhận tín hiệu phát từ các vệ tinh, tính toán quỹ đạo vệ tinh và các sai lệch để đưa về trạm điều khiển trung tâm xử lý

Phân hệ người dùng bao gồm các máy thu tín hiệu GPS và cộng đồng người sử dụng dịch vụ của hệ thống GPS Các máy thu thực hiện tính toán quỹ đạo vệ tinh từ tín hiệu thu được, sau đó tính toán ra vị trí của máy thu ở hệ tọa độ xác định Để tính toán được vị trí của máy thu, chúng ta cần ít nhất là thông tin về 4 quỹ đạo của

4 vệ tinh Các máy thu GPS được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng định vị dẫn

đường, tìm kiếm cứu nạn, các điểm đặt cảm biến trong mạng giám sát, trong nghiên cứu sinh giới…

1.3 Tín hiệu GPS

1.3.1 Tín hiệu và dữ liệu

Để thiết kế máy thu GPS nói chung, điều cần quan tâm đầu tiên là đặc tính của tín hiệu cũng như dữ liệu được truyền từ vệ tinh GPS và được nhận tại Anten thu GPS Theo [4], tín hiệu GPS được truyền đi trên 2 băng tần L1 và L2 có nguồn gốc

từ tần số f0 = 10.23 MHz Tín hiệu được tạo nên từ 3 thành phần: Sóng mang, bản tin định vị và mã trải phổ

 Mã trải phổ: Mỗi vệ tinh có 2 mã trải phổ riêng, đặc trưng cho vệ tinh đó Băng tần L2 được dành riêng cho quân sự còn băng tần L1 được sử dụng cho các dịch vụ dân sự trong đó có các dịch vụ thương mại và các dịch vụ miễn phí Mã trải phổ dành cho các dịch vụ thương mại và sử dụng trong quân sự

là các mã trải phổ có bảo mật với độ chính xác cao (P code) và mã trải phổ dành cho dịch vụ miễn phí là mã trải phổ có độ chính xác kém hơn (C/A code) Tần số sinh mã trải phổ dành cho dịch vụ miễn phí là 1,023 MHz và tần số sinh mã trải phổ dành cho các dịch vụ thương mại và dành cho quân

sự là 10,23 MHz

[6] mô tả quá trình tạo ra tín hiệu GPS tại vệ tinh Như đã nói ở trên, tần số cơ

sở sử dụng trong hệ thống định vị toàn cầu GPS là f0 = 10,23 MHz Để có được các sóng mang ở băng tần L1 và L2, tần số cơ sở được nhân tần với hệ số lần lượt là

154 và 120 Tần số cơ sở cũng được sử dụng để đưa vào hệ thống sinh mã trải phổ tương ứng của các dịch vụ hỗ trợ bởi hệ thống GPS

× 120

× 154

Limiter

Bộ điều chế BPSK

Bộ điều chế BPSK

Bộ điều chế BPSK

Hình 1-3 Quá trình tạo tín hiệu GPS tại vệ tinh

Thông tin về vị trí vệ tinh đƣợc đƣa vào bộ sinh dữ liệu để sinh ra các bít dữ liệu với tốc độ 50 bps Bộ sinh dữ liệu và bộ sinh mã hoạt động đồng bộ với nhau thông qua tín hiệu đƣợc tạo ra từ bộ sinh mã P

Mã trải phổ kết hợp với dữ liệu truyền tải bằng các bộ cộng module 2 (Thực hiện phép toán XOR) Bộ cộng module 2 làm việc với Chuỗi dữ liệu nhị phân đƣợc diễn tả bởi các bít 0 và 1, đặc tính phép toán đƣợc mô tả trong Bảng 1

Bảng 1-1 Bảng chân lý phép Cộng Module 2 với Dữ liệu nhị phân

Đầu vào 1 Đầu vào 2 Đầu ra

lên băng tần L1, trong khi đó, dữ liệu kết hợp với mã P được đưa lên cả băng L1 và L2

 Tín hiệu có độ chính xác cao được đưa qua bộ suy giảm công suất trước khi được phát quảng bá vào không gian

 Tín hiệu dùng cho dịch vụ miễn phí thì được giữ nguyên công suất khi phát

Trên băng L1, hai tín hiệu mang thông tin về hai dịch vụ khác nhau được mang bởi hai sóng mang lệch pha nhau 90° (một tín hiệu ở nhánh đồng pha được mang bởi sóng cos và một tín hiệu ở nhánh vuông pha được mang bởi sóng sin)

Tín hiệu được phát từ vệ tinh thứ k được cho bởi công thức sau:

( ) √ ( ( ) ( )) ( 𝑓 ) √ ( ( ) ( )) ( 𝑓 ) √ ( ( ) ( )) ( 𝑓 ) Trong đó:

 lần lượt là công suất của các tín hiệu được kết hợp với mã C/A

và mã P ở băng L1 và băng L2

 là số hiệu vệ tinh

 là dữ liệu phát từ vệ tinh thứ

 𝑓 𝑓 lần lượt là các tần số sóng mang ở băng L1 và băng L2

[5] mô tả các thành phần trong tín hiệu GPS Mã trải phổ C và dữ liệu D được nhân với nhau và nhân với sóng mang bằng phép nhân thường để định dạng tín hiệu cuối cùng là khóa dịch pha hai mức mà trong đó sóng mang lật pha ở thời điểm chip thay đổi giá trị hoặc ở thời điểm mà bít dữ liệu định hướng thay đổi giá trị

Mã C/A còn được gọi là mã Gold, được đặc tả bởi Robert Gold vào năm 1967

Mã này có phổ gần như phổ của nhiễu ngẫu nhiên nên nó còn được gọi là mã giả nhiễu ngẫu nhiên hay nói gọn hơn là mã giả nhiễu

Theo [5], các tín hiệu GPS C/A được tạo ra từ hai chuỗi 1023-bít PRN G1 và G2

Cả G1 và G2 được tạo ra bởi thanh ghi dịch tuyến tính 10 tầng và được điều khiển bởi xung đồng hồ 1.023MHz Nguyên tắc hoạt động cơ bản của hai thanh ghi này như nhau Bộ sinh chuỗi độ dài tối đa (maximum-length sequence - MLS) có thể được tạo thành từ một thanh ghi dịch có hồi tiếp Nếu thanh ghi dịch có n bít, độ dài của chuỗi được tạo ra là 2n - 1.

Hình 1-5 là một bộ sinh mã C/A Bộ cộng modulo-2 được sử dụng để tạo ra các

mã C/A, với đầu vào là chuỗi bít sinh ra từ G1 và G2 Cả hai bộ sinh mã G1 và G2 đều là 10 bít, do đó, độ dài chuỗi là 1023 (210

-1) Mạch hồi tiếp được thực hiện thông qua các bộ cộng modulo-2 Vị trí của mạch hồi tiếp quyết định chuỗi đầu ra Tín hiệu hồi tiếp của G1 được tạo thành từ bít 3 và 10, đa thức sinh tương ứng có thể được viết như sau G1: 1 + x3 + x10 Tín hiệu phản hồi của G2 được tạo thành từ các bít 2, 3, 6, 8, 9, 10 và đa thức sinh tương ứng là G2: 1 + x2 + x3 + x6 + x8 + x9 +

x10

Hình 1-5 Bộ sinh mã C/A

Bít cuối cùng của thanh ghi dịch G1 (đầu ra của MLS) được sử dụng làm đầu ra của chuỗi mã thứ nhất Bộ sinh mã G2 không sử dụng đầu ra MLS làm đầu ra của chuỗi mã thứ 2 Đầu ra của bộ sinh mã G2 được tạo ra từ hai bít được gọi là mã chọn pha, thông qua một bộ cộng modulo-2 Đầu ra của G2 là một phiên bản trễ của đầu ra MLS Khoảng trễ này phụ thuộc vị trí của hai bít được lựa chọn

Giá trị khởi tạo ban đầu của 2 thanh ghi G1, G2 là 10 bít 1, cứ sau mỗi 1023 chu

kỳ (ứng với 1023 chip được sinh ra), các thanh ghi được reset về giá trị khởi tạo Có tất cả 37 mã giả ngẫu nhiên C/A, trong đó các mã có số hiệu từ 1 đến 32 được sử dụng cho định vị toàn cầu còn các mã có số hiệu từ 33 đến 37 được sử dụng cho các ứng dụng khác Trong 32 mã trải phổ sử dụng cho hệ thống định vị toàn cầu có 24

mã thường trực dành cho 24 vệ tinh định vị, còn lại được dự trữ để phòng khi các vệ tinh bị hỏng phải thay mới Bảng 1-2 dưới đây liệt kê cách lựa chọn pha mã ứng với từng vệ tinh GPS

Bảng 1-2 Lựa chọn pha mã C/A

Số hiệu vệ

tinh

Số hiệu mã trải phổ

Hàm lựa chọn pha mã ở thanh ghi

Số chips bị trễ

10 chips đầu tiên viết dạng

Ví dụ sau đâysẽ minh họa việc sử dụngnhững thông tinđược liệt kêtrong Bảng 1-2 Để tạo ra mã C/A của vệ tinh19, bít 3 và 6 được lựa chọn làm đầu ra bộ sinh

mã G2 Với cách chọn này, chuỗi đầu ra G2 bị trễ đi 471 chip so với đầu ra MLS

Cột cuối cùnglà1633,hay 1110011011ở dạngnhị phân

Xét dãy mã trải phổ ( ) tuần hoàn với chu kì là 1ms Hàm tự tương quan của

mã này được cho bởi biểu thức sau:

𝑐 Phép toán là phép toán chập để nhận được chuỗi vô hạn các hàm tam giác Hàm tự tương quan của dãy mã trải phổ viết dưới dạng số hóa có dạng:

( ) ∑ ( ) ( )

Do dãy ( ) tuần hoàn với chu kì nên hàm tương quan cũng là hàm tuần hoàn với chu kì và chỉ số của hàm tương quan sẽ chạy từ 0 tới Đặc tính quan trọng nhất của dãy mã sinh theo luật Gold là đặc tính tương quan của các mã này Hai mã khác nhau sinh bởi luật Gold có độ tương quan rất thấp, gần như trực giao nhau, nghĩa là với hai dãy mã và được sử dụng cho các vệ tinh và vệ tinh , kết quả tương quan chéo của hai dãy này cho bởi:

( ) ∑ ( ) ( )

Kết quả tương quan của các mã trải phổ được minh họa trong Hình 1-6 Kết quả

tự tương quan mã C/A 19, Hình 1-7 Kết quả tương quan chéo mã C/A 19 và 31 vàHình 1-8 Kết quả tương quan của mã C/A 19 với phiên bản trễ 1 chip

Hình 1-6 Kết quả tự tương quan mã C/A 19

Hình 1-7 Kết quả tương quan chéo mã C/A 19 và 31

Hình 1-8 Kết quả tương quan của mã C/A 19 với phiên bản trễ 1 chip

Giá trị tương quan cực đại của hàm tự tương quan cho bởi:

Trong đó là chiều dài của thanh ghi dịch Trong trường hợp này, Các giá trị còn lại thỏa mãn bất phương trình sau:

| | Với ta có:

Hàm tương quan chéo cũng thỏa mãn bất phương trình này, như vậy chúng ta có thể dựa vào đặc tính tương quan của mã trải phổ để xác nhận sự có mặt của mã trải phổ ở trong tín hiệu với độ chính xác về pha mã là thời gian của một chip mã trải phổ

1.3.3 Các hiệu ứng ảnh hưởng đến tín hiệu GPS

 𝑓 là tần số sóng mang,

 𝑐 là vận tốc truyền tín hiệu điện từ,

 là vận tốc tương đối giữa máy phát và máy thu

 là góc hợp bởi phương chuyển động của máy thu so với đường thẳng nối giữa máy phát và máy thu

Trong hệ thống GPS, do vệ tinh liên tục chuyển động trên quỹ đạo nên luôn có

sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu, do đó ở phía máy thu, tần số sóng mang bị dịch chuyển do hiệu ứng Doppler là không thể tránh khỏi Theo [1], với các máy thu đứng yên, tần số sóng mang ở băng L1 bị dịch đi một lượng tối đa bằng 5kHz, với các máy thu chuyển động nhanh, tần số sóng mang ở băng L1 bị dịch đi một lượng tối đa bằng 10kHz

Tần số của mã trải phổ sử dụng trong tín hiệu GPS nhỏ hơn nhiều tần số sóng mang tín hiệu Với tốc độ phát chip trải phổ là 1.023 MHz, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler lên tần số của mã trải phổ nhỏ hơn ảnh hưởng của hiệu ứng này lên sóng mang một lượng bằng 𝑓 𝑓 = = lần Như vậy, khoảng

dịch tần số cực đại của mã trải phổ chỉ dao động từ 3.2 đến 6.4 Hz đối với trường hợp máy thu đứng yên và trường hợp máy thu chuyển động

Nếu sự di tần gây bởi bởi hiệu ứng Doppler không được tính toán chính xác thì

sẽ không tạo ra được phiên bản sóng mang và mã trải phổ có đặc tính giống với sóng mang và mã trải phổ chứa trong tín hiệu thu được, kết quả là không khôi phục được tín hiệu thông tin chứa trong tín hiệu thu Vì lý do này, máy thu phải luôn bám sát được các đặc tính của sóng mang và mã trải phổ để giải điều chế tín hiệu thành công Đặc tính tương quan của mã trải phổ là đặc tính cơ bản mà dựa vào đó chúng

ta xây dựng nên các kiến trúc máy thu có thể bám sát được các tham số của sóng mang và của mã trải phổ trong tín hiệu trong bất cứ điều kiện môi trường nào

1.3.3.2 Hiệu ứng đa đường

Tín hiệu định vị GPS phát quảng bá trong không gian có thể đến máy thu theo nhiều đường khác nhau với các trễ khác nhau Các phiên bản tín hiệu tới máy thu sẽ được cộng chập vào nhau theo nguyên lý xếp chồng Khi đó, tín hiệu tổng cộng sẽ tăng cường hoặc suy giảm tùy theo pha của các tín hiệu thành phần sai lệch nhiều hay ít và tùy theo độ suy hao của các thành phần tín hiệu khi tới máy thu lớn hay nhỏ Nếu tín hiệu thu được tăng cường, chất lượng tín hiệu có thể được cải thiện nhưng ngược lại nếu tín hiệu thu bị suy giảm do đa đường, mức công suất tín hiệu

có thể giảm xuống quá độ nhạy thu của máy thu, khi đó máy thu sẽ không có khả năng khôi phục được dữ liệu tin tức mong muốn từ tín hiệu thu Dù thế nào đi nữa, mục đích của chúng ta cũng là xây dựng máy thu với ảnh hưởng của các hiệu ứng

đa đường hay hiệu ứng di tần lên công suất tín hiệu thu càng nhỏ càng tốt

1.4 Cấu trúc máy thu GPS

Hình 1-9 biểu thị khái quát về các khối xử lý tính toán trong máy thu GPS Việc tính toán bao gồm 3 quá trình chính:

 Acquistion – Dò kênh

 Tracking – Bám kênh

 Navigation Data Extraction & PseudoRange Calculation – Tách dữ liệu định vị và tính toán khoảng giả định

Acquisition

Code Tracking

Carrier Tracking

Navigation Data Extraction

PseudoRange Calculation

Hình 1-9 Các khối xử lý tính toán trong máy thu GPS

1.4.1 Acquisition – Dò kênh

Mục đích của dò kênh là để xác định tất cả các vệ tinh khả kiến đối với máy thu

Để biết được vệ tinh là khả kiến hay không, khối dò kênh phải xác định được hai đặc tính sau đây của tín hiệu:

 Tần số sóng mang: Tần số sóng mang thường sai khác với tần số trung tần danh định xác định do ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler xuất phát từ chuyển động tương đối của vệ tinh so với máy thu của Hiệu ứng Doppler làm cho tần số trung tần chứa trong tín hiệu lúc này bị dịch đi về hai phía

so với tần số trung tần danh định Theo [3] khoảng dịch tần số Doppler ở trung tần không vượt quá 10kHz

 Pha mã trải phổ: Pha của mã trải phổ là điểm bắt đầu trong khối dữ liệu

mà mã trải phổ bắt đầu xuất hiện và điểm bắt đầu này cần được xác định chính xác để tách mã trải phổ ra khỏi tín hiệu thu

Nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để xác định tần số sóng mang và

mã trải phổ, tất cả đều dựa trên các đặc tính tín hiệu GPS, trong đó, tính tương quan

mã C/A là quan trọng nhất Tín hiện nhận được s là tổ hợp tín hiệu từ tất cả n vệ tinh khả kiến:

s(t) = s1(t) + s2(t) + · · · + sn(t) Khi xác định được vệ tinh k, tín hiệu s được nhân với mã trải phổ cục bộ (nội sinh) tương ứng với vệ tinh này Tương quan chéo giữa các mã C/A sẽ làm cho

phần tín hiệu của các vệ tinh khác bị triệt tiêu Để tránh loại đi thông tin vệ tinh mong muốn, pha mã trải phổ phải được xác định chính xác

Tín hiệu sau khi nhân với các mã C.A cục bộ được trộn với sóng mang cục bộ để loại bỏ sóng mang khỏi tín hiệu thu được Để loại bỏ được sóng mang, sóng mang cục bộ phải có tần số bằng với tần số sóng mang tín hiệu Như đã đề cập ở trên, tần

số sóng mang có thể bị dịch đi ±10 kHz so với tần số đanh dịnh Với bước tần số kiểm tra là 500 Hz, có 41 giá trị tần số sóng mang cần được kiểm tra

Dò kênh đóng vai trò như quá trình tìm kiếm Đối với mỗi tần số khác nhau,

1023 pha mã khác nhau được thử Khi tất cả các trường hợp cho pha mã và tần số

đã được thử, việc tìm kiếm giá trị lớn nhất được tiến hành Nếu giá trị lớn nhất vượt qua một ngưỡng nhất định, vệ tinh được xác định với tần số sóng mang và pha mã tương ứng

1.4.2 Tracking – Bám kênh

Khối bám kênh có nhiệm vụ tinh chỉnh lại các giá trị về tần số sóng mang và pha

mã được gửi đến từ khối dò kênh nhằm mục đích bám sát sự thay đổi theo thời gian của các giá trị này trong tín hiệu thu Độ chính xác của giá trị pha mã cuối cùng có liên hệ mật thiết với độ chính xác của khoảng cách giả định được tính sau đó Về cơ bản có thể coi khối bám kênh thực hiện hai nhiệm vụ riêng biệt là bám các đặc trưng của mã trải phổ (Code Tracking) và bám các đặc trưng của sóng mang (Carrier Tracking) Để thực hiện nhiệm vụ bám các đặc trưng của mã trải phổ, chúng ta sử dụng một vòng khóa trễ (delay lockloop – DLL) trong đó sinh ra ba phiên bản khác nhau của mã trải phổ tại máy thu (mỗi phiên bản mã trải phổ này lần lượt lệch pha nhau nửa chip) và chúng được gọi là các phiên bản mã sớm pha, mã đồng pha và mã muộn pha tương ứng Để thực hiện nhiệm vụ bám các đặc trưng của sóng mang, chúng ta có thể bám giá trị của pha sóng mang hoặc giá trị tần số sóng mang sử dụng các vòng khóa pha hay vòng khóa tần tương ứng Khối bám kênh chạy liên tục để bám sát sự thay đổi của pha mã và của tần số sóng mang vì sự thay đổi của các đại lượng này là hàm liên tục theo thời gian Khối bám kênh ở trong trạng thái bám được tín hiệu khi mà tất cả các khối chức năng thành phần của

nó (bao gồm vòng khóa pha hay vòng khóa tần sử dụng cho nhiệm vụ bám pha hay

tần số của sóng mang và vòng khóa trễ sử dụng cho nhiệm vụ bám pha mã) ở trong trạng thái khóa Nếu như trạng thái khối bám kênh khác trạng thái khóa, lập tức một hoạt động mới của khối dò kênh phải được khởi tạo để thiết lập các giá trị đáng tin cậy hơn về tần số sóng mang hay pha mã nhằm đưa khối bám trở lại trạng thái ổn định (trạng thái bám)

1.4.3 Navigation Data Extraction & PseudoRange Calculation – Tách dữ liệu

định vị và tính toán khoảng giả định

Khi tín hiệu trên các kênh được bám chính xác, chúng ta có thể loại bỏ sóng mang và mã trải phổ ra khỏi tín hiệu ở các kênh này Khi đó tín hiệu trên các kênh chỉ còn là các bíts dữ liệu định hướng Giá trị của một bít dữ liệu định hướng được xác định bằng cách tích phân trong một chu kì của bít dữ liệu định hướng (một bít

dữ liệu định hướng có chiều dài thời gian là 20ms) Sau khi đã đọc được trọn vẹn 30s dữ liệu, chúng ta xác định thời điểm bắt đầu của một khung con trong dữ liệu định hướng, từ đó xác định ra được thời điểm vệ tinh bắt đầu phát bản tin định hướng Sau khi đã xác định được thời gian phát bản tin định hướng của vệ tinh (thời gian này là chung cho tất cả các vệ tinh tính theo giờ GPS), chúng ta bắt đầu giải mã các thông tin chứa trong dữ liệu định hướng mà vệ tinh gửi xuống để dựa vào đó tính ra được vị trí của các vệ tinh ở thời điểm phát bản tin định hướng Từ các giá trị này chúng ta thực hiện thủ tục tính toán khoảng cách giả định từ vệ tinh tới máy thu Các khoảng cách giả định được tính toán dựa trên thời gian mà tín hiệu được phát ở

vệ tinh và thời gian mà tín hiệu tới máy thu của người dùng Thời gian tín hiệu tới máy thu của người dùng được xác định dựa trên thời điểm bắt đầu của một khung con trong dữ liệu định hướng Nhiệm vụ cuối cùng của máy thu là tính toán ra vị trí hiện tại của người dùng Ví trí của người đùng được tính toán dựa vào các khoảng cách giả định đã được xác định ở bước trước và các vị trí vệ tinh được tìm thông qua thủ tục giải mã bản tin định hướng mà máy thu thu được Để tính được vị trí máy thu của người dùng chúng ta cần thông tin về vị trí của ít nhất bốn vệ tinh

CHƯƠNG 2 KHỐI GIẢI MÃ TÍNH TOÁN VỊ TRÍ

2.1 Cơ sở lý thuyết của giải mã tính toán vị trí

2.1.1 Sự xác định vị trí trong hệ tọa độ hai chiều

Trước khi đi vào giải pháp cho bài toán định vị một vật thể trong không gian chúng ta xem xét giải pháp định vị một vật thể trong một mặt phẳng qua một ví dụ đơn giản Ví dụ này được lấy từ tài liệu tham khảo [1] và được dẫn ra ở đây vì nó cho ta một cái nhìn rất rõ nét về khái niệm xác định vị trí theo thời gian tín hiệu Xét trường hợp một thủy thủ ở biển xác định vị trí tàu của anh ta từ một còi báo hiệu trong sương mù Giả thiết rằng tàu này được trang bị một đồng hồ chính xác và thủy thủ biết gần đúng vị trí của tàu Cũng giả thiết rằng còi báo hiệu trong sương mù phát âm chính xác ở các mốc thời gian đã định trước và đồng hồ của tàu được đồng

bộ với còi báo hiệu Thủy thủ ghi lại thời gian trôi qua từ thời điểm đánh dấu cho đến khi mà còi báo hiệu được nghe thấy Thời gian truyền của còi báo hiệu là thời gian cần để âm báo hiệu rời khỏi còi báo và truyền đến tai của thủy thủ Thời gian truyền này nhân với vận tốc của âm thanh (xấp xỉ khoảng 335 m/s) là khoảng cách

từ còi đến thủy thủ Nếu tín hiệu còi mất 5 giây để đến tai của thủy thủ thì khi đó khoảng cách từ còi báo đến vị trí của thủy thủ là 1675 m Khoảng cách này được kí hiệu là 𝑅1 Do đó chỉ với phép đo này, thủy thủ biết rằng tàu đang nằm trong một đường tròn bán kính 𝑅1 với tâm là còi báo, mà được kí hiệu là còi báo số 1

Hình 2-1 Tập các giá trị có thể là một đường tròn bán kính R1

Giả thiết rằng, nếu thủy thủ đồng thời đo khoảng cách từ còi báo thứ hai cũng theo cách này thì tàu có thể đang ở khoảng cách 𝑅1 so với còi báo 1 và đang ở khoảng cách 𝑅2 so với còi báo 2 Giả thiết rằng các còi báo phát tín hiệu đồng bộ với nhau tại cùng một thời điểm và thủy thủ này có thể biết về cả thời gian truyền của âm báo Do đó vị trí tương đối của tàu so với các còi báo này là một trong số các giao điểm của hai đường tròn Hai giao điểm này là đối xứng với nhau qua đường thẳng nối hai còi báo hiệu Vì người ta giả thiết rằng thủy thủ có biết gần đúng về vị trí của tàu, một nhận định không may có thể bị loại bỏ (nghĩa là thủy thủ

có thể xác định được vị trí của tàu nhờ các còi báo hiệu) Để xác định được chính xác vị trí của tàu, thủy thủ cần thực hiện một phép đo nữa với còi báo thứ ba, khi đó ràng buộc về khoảng cách 𝑅3 giữa tàu và còi báo thứ ba cho phép thủy thủ xác định được chính xác vị trí của tàu đang ở đâu Như vậy trong trường hợp tổng quát để định vị một điểm trong mặt phẳng chúng ta cần thực hiện ba phép đo khoảng cách tới ba điểm tham chiếu phân biệt đã biết tọa độ

Hình 2-2 Hai kết quả có thể khi hai phép đo đươc thực hiện

2.1.2 Lệch đồng hồ và bù lệch

Trong ví dụ trên, chúng ta đã giả thiết rằng đồng hồ của tàu và đồng hồ tham chiếu của còi báo hiệu hoạt động đồng bộ với nhau Tuy nhiên, thông thường điều này không xảy ra trong thực tế và luôn có sai lệch giữa đồng hồ của tàu và đồng hồ tham chiếu của còi báo Chúng ta giả thiết trước rằng đồng hồ của tàu chỉ thị thời gian sớm hơn 1 giây so với đồng hồ của còi báo hiệu Nghĩa là đồng hồ của tàu tin rằng mốc thời gian xảy ra sớm hơn 1 giây Các khoảng thời gian truyền được thủy thủ đo sẽ lớn hơn 1 giây vì có sự lệch mốc này Các khoảng dịch thời gian là giống nhau đối với mỗi phép đo (nghĩa là các khoảng dịch được xác định là bằng nhau đối với ba phép đo này) bởi vì các phép đo cùng sử dụng một cơ sở thời gian không chính xác Khoảng dịch thời gian coi như tương đương với một sai số khoảng cách vào khoảng 335m và được kí hiệu là như trong hình 2.4 Có sự sai khác giữa các giác điểm C, D, E so với vị trí đúng của tàu là A và sự sai khác này là hàm của khoảng dịch đồng hồ Nếu khoảng dịch có thể được loại bỏ hoặc được bù thì các đường tròn khoảng cách có thể giao nhau tại A

Hình 2-4 Tác động của việc thời gian tham chiếu bị dịch lên kết quả tính toán

2.1.2.1 Tác động của các sai số đo độc lập lên độ ổn định vị trí

Giả sử rằng các điều kiện giả thiết phía trên đều được thỏa mãn nghĩa là đồng hồ của tàu chỉ thị chinh xác thời gian hệ thống Tuy vậy, các phép đo thời gian đến vẫn

sẽ không hoàn hảo vì có các sai số do tác động của khí quyển, các khoảng dịch đồng

hồ của còi báo hiệu so với cơ sở thời gian của còi báo, do xuyên nhiễu của sóng âm ảnh hưởng tới kết quả của phép đo Không giống như điều kiện khoảng dịch đồng

hồ của tàu lúc trước, các sai số này nói chung là độc lập và không phải là phổ biến (không giống nhau) đối với tất cả các phép đo Chúng có thể tác động tới mỗi phép

đo theo một cách khác nhau và dẫn đến việc tính toán vị trí không chính xác Hình 2.5 chỉ ra tác động của các sai số đo (nghĩa là ) lên sự xác định vị trí với giả thiết rằng có sự đồng bộ giữa cơ sở thời gian của còi báo hiệu và đồng hồ của tàu Thay vì ba vòng tròn khoảng cách giao nhau ở một điểm, vị trí của tàu ở một điểm nào đó nằm trong vùng không gian xác định bởi tam giác lỗi

2.1.3.1 Định vị trong không gian ba chiều thông qua giao điểm của các mặt cầu

Giả thiết rằng có một vệ tinh truyền một tín hiệu khoảng cách của nó Một đồng

đồng hồ của các vệ tinh khác trên quỹ đạo được đồng bộ một cách chính xác với một lịch thời gian của toàn bộ hệ thống bao gồm các phân hệ: điều khiển và vệ tinh được kí hiệu là thời gian hệ thống GPS (có thể được gọi là thời gian hệ thống) Máy thu của người dùng cũng chứa một đồng hồ mà (ở lúc này) chúng ta giả thiết rằng

nó cũng được đồng bộ với thời gian hệ thống Thông tin về thời gian được nhúng bên trong tín hiệu khoảng cách phát bởi vệ tinh cho phép máy thu tính toán xem tín hiệu rời khỏi vệ tinh ở thời điểm nào dựa trên thời gian cho bởi đồng hồ của vệ tinh Bằng cách ghi lại thời gian khi tín hiệu đến, thời gian truyền lan giữa vệ tinh đến máy thu của người dùng có thể được tính toán Tích của thời gian truyền lan này với tốc độ của ánh sáng cho ta khoảng cách giữa người dùng và vệ tinh Ta kí hiệu khoảng cách này là 𝑅 Kết quả của quá trình đo này là người dùng có thể được định

vị ở một điểm nào đó trên một mặt cầu có tâm là vệ tinh như được chỉ ra trong hình 2.6(a) Nếu một phép đo khác đồng thời được thực hiện sử dụng tín hiệu khoảng cách từ vệ tinh thứ hai, người sử dụng sẽ được định vị ở trên mặt cầu thứ hai mà tâm là vệ tinh thứ hai đó Theo đó người sử dụng sẽ ở một điểm nào đó trên phần giao của hai mặt cầu này có dạng là một đường tròn đậm màu nằm trên mặt phẳng giao diện của hai mặt cầu này trong hình 2.6(b) hoặc là ở một điểm tiếp xúc với cả hai mặt cầu (nghĩa là hai mặt cầu chỉ tiếp xúc với nhau tại một điểm) Trường hợp sau chỉ xảy ra nếu người sử dụng nằm trên đường thẳng nối hai vệ tinh này Mặt phẳng giao diện trực giao với đường nối giữa các vệ tinh như được chỉ ra trong hình 2.6(c)

Lặp lại phép đo khoảng cách này sử dụng vệ tinh thứ ba, lúc này người dùng ở giao điểm của đường tròn và bề mặt của mặt cầu thứ ba này Mặt cầu thứ ba cắt đường tròn màu sẫm ở hai điểm, tuy nhiên, chỉ có một điểm trong số này là vị trí chính xác của người dùng như được chỉ ra trong hình 2.6(d) Một cái nhìn toàn diện

về giao điểm được chỉ ra trong hình 2.6(e) Người ta có thể thấy rằng các vị trí có thể có là ảnh gương của nhau qua mặt phẳng chứa ba vệ tinh Với một người sử dụng trên bề mặt trái đất, rõ ràng là điểm thấp hơn sẽ là vị trí đúng Tuy nhiên, những người dùng mà ở trên bề mặt của trái đất có thể sử dụng các phép đo từ các

vệ tinh ở các góc lên âm Việc này làm cho bái toán xác định vị trí có các lời giải

không rõ ràng này trở nên phức tạp Lời giải xác định vị trí đối với các máy thu ở máy bay hoặc tàu vũ trụ có thể ở trên hoặc dưới mặt phẳng chứa các vệ tinh, và quyết định điểm nào là vị trí thực của mày thu sẽ dễ dàng hơn nếu như người sử dụng có thêm các thông tin để xác định chính xác

2.1.4 Các hệ tọa độ tham chiếu

Để xây dựng ra một mô hình toán học bài toán định vị vị trí qua vệ tinh người ta cần phải chọn ra một hệ thống tọa độ tham chiếu mà biểu diễn được cả trạng thái của vệ tinh và máy thu trong đó Một cách thông dụng và đơn giản là chúng ta sử dụng các vector vị trí và vector vận tốc trong hệ tọa độ Đề-các để mô tả trạng thái của cả vệ tinh lẫn máy thu Hai hệ tọa độ Đề-các thường được sử dụng trong bài toán định vị một vật thể trong không gian là các hệ tọa độ Đề-các quán tính (inertial)

và hệ tọa độ Đề-các quay Trong phần này chúng ta sẽ xem xét các nét chính về các

hệ tọa độ được sử dụng trong hệ thống định vị bằng vệ tinh

2.1.4.1 Hệ tọa độ quán tính địa tâm

Hệ tọa độ quán tính địa tâm (ECI – earth center inertial) là hệ tọa độ có gốc ở khối tâm của trái đất và các trục tọa độ hướng theo các hướng tới các điểm cố định Một vệ tinh GPS tuân theo định luật chuyển động và định luật hấp dẫn Newton trong hệ tọa độ ECI Trong các hệ tọa độ ECI thông dụng, mặt phẳng thường là mặt phẳng quỹ đạo của trái đất, trục dương thường được giữ cố định theo hướng

cố định đối với thiên cầu (hình cầu tưởng tượng mà tâm là trái đất, trên đó có các ngôi sao, các hành tinh và các thiên thể khác), trục vuông góc với mặt phẳng theo hướng trục cực của trái đất và trục được chọn sao cho ba trục định dạng một tam diện thuận Việc xác định và sau đó là tiên đoán quỹ đạo của các vệ tinh GPS được thực hiện trên hệ tọa độ ECI Có sự mập mờ trong định nghĩa của hệ tọa độ ECI phát sinh vì tính bất quy tắc trong chuyển động của trái đất Có thể chỉ ra

là hình dạng của trái đất là hình cầu dẹt và vì lực kéo hấp dẫn lớn của Mặt trời và Mặt trăng lên vùng lồi xích đạo của trái đất làm cho mặt phẳng xích đạo chuyển động đối với thiên cầu Vì trục được định nghĩa liên quan đến thiên cầu và trục được định nghĩa liên quan đến mặt phẳng xích đạo, những tính bất quy tắc trong

lúc trước không thực sự quán tính Một giải pháp để giải quyết vấn đề này là định nghĩa hướng của các trục ở một thời điểm cụ thể theo thời gian, hay là các mốc thời gian (𝑒 𝑜𝑐ℎ) Hệ tọa độ ECI trong GPS sử dụng các hướng của mặt phẳng quỹ đạo

ở 1200 giờ UTC (USNO) vào ngày 1 tháng 1 năm 2000, được kí hiệu là hệ thống J2000 Trục dương có hướng từ khối tâm của trái đất đến điểm xuân phân (điểm đầu tiên của cung Bạch Dương trong hoàng đạo) và trục , trục được định nghĩa như mô tả trước đó, tất cả ở mốc đã đề cập lúc trước

Hình 2-6 Xác định vị trí trong hệ tọa độ quán tính địa tâm [9]

(a) Người dùng được xác định ở trên bề mặt của mặt cầu (b) người dùng được xác định ở trên vòng tròn nằm ở giao tuyến của hai mặt cầu (c) Mặt phẳng giao tuyến (d) người dùng được xác định ở một trong hai điểm thuộc vòng tròn giao tuyến (e) người dùng được xác định ở một trong hai điểm là giao của hai đường tròn

Vì các hướng của các trục được duy trì ổn định, hệ tọa độ ECI được định nghĩa theo cách này có thể coi như là hệ tọa độ quán tính với mục đích định vị toàn cầu

2.1.4.2 Hệ tọa độ địa tâm địa tĩnh

Với mục đích tính toán vị trí máy thu, sẽ tiện lợi hơn khi sử dụng một hệ tọa độ quay cùng với trái đất, được gọi là hệ tọa độ địa tâm địa tĩnh (earth centered earth fixed - ECEF) Với hệ tọa độ như vậy, người ta dễ dàng tính toán các tham số về kinh độ, vĩ độ, và cao độ mà máy thu sẽ hiển thị Cũng như hệ tọa độ quán tính tâm trái đất, hệ tọa độ ECEF được sử dụng cho GPS có mặt phẳng đồng nhất với mặt phẳng xích đạo của trái đất Tuy nhiên, trong hệ tọa độ địa tâm địa tĩnh, chiều dương trục định hướng theo hướng có kinh độ (từ tâm trái đất đến kinh tuyến Greenweek) và trục định hướng theo hướng kinh độ 90° Các trục theo đó

sẽ quay cùng với trái đất và nó không còn giữ các hướng cố định trong không gian quán tính nữa Trong hệ tọa độ ECEF, trục được chọn là pháp tuyến của mặt phẳng quỹ đạo theo hướng bắc cực địa lý (nghĩa là trong đó các đường kinh độ gặp nhau ở bắc bán cầu), sao cho chúng ta có một hệ tọa độ thuận Phần mềm tính toán quỹ đạo GPS tích hợp các phép chuyển đổi giữa hệ tọa độ địa tâm quán tính với hệ tọa độ địa tâm địa tĩnh Các phép chuyển đổi này được hoàn thành bằng cách ứng dụng các ma trận quay vào các vec tơ vận tốc và vec tor vị trí của vệ tinh trong hệ tọa độ địa tâm quán tính như đã được mô tả Các quỹ đạo chính xác từ các trung tâm tính toán lớn cũng biểu diễn vận tốc và vị trí trong hệ tọa độ địa tâm địa tĩnh Kết quả của quá trình tính toán định vị GPS, hệ tọa độ Đề-các ( ) của máy thu của người dùng được tính trong hệ tọa độ địa tâm địa tĩnh, như được mô tả trong mục 2.4.2 Một cách thông dụng để chuyển các tọa độ Đề-các này sang vĩ độ, kinh

độ và cao độ của máy thu Để thực hiện phép chuyển đổi này, cần phải có một mô hình vật lý mô tả trái đất

trong hình 2.7, mô hình này cho phép ước lượng dễ dàng các tham số kinh độ, vĩ độ

và cao độ của một đối tượng trên bề mặt trái đất Trong mô hình này, các mặt cắt của trái đất song song với mặt phẳng xích đạo có hình tròn Mặt cắt xích đạo của trái đất có bán kính 6378,137 km, mà là bán kính trung bình của trái đất Trong mô hình trái đất WGS 84, các mặt cắt vuông góc với mặt phẳng xích đạo có hình dạng elip Trong một mặt cắt elip chứa trục , trục chính của elip trùng khớp với đường kính xích đạo của trái đất, do đó bán trục chính 𝑎 có giá trị là bán kính xích đạo trung bình đã biết Trục phụ của mặt cắt elip được chỉ ra trong hình 2.7 tương ứng với đường kính cực của trái đất và bán trục phụ 𝑏 trong WGS 84 có giá trị là 6.356,7523142 km Do đó, tâm sai của elip trái đất 𝑒 được xác định bởi:

𝑒 √ 𝑏

𝑎WGS 84 đưa ra giá trị 𝑒

Một tham số khác đôi khi được sử dụng để đặc trưng cho elip tham chiếu là độ lệch tâm thứ cấp 𝑒 , mà được định nghĩa như sau: