Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến để nâng cao độ chính xác của máy thu GNSS khi bị ảnh hưởng của hiện tượng đa đường

Các giải pháp giảm ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường cũng liên tục được nghiên cứu, đề xuất và triển khai.Vì vậy em chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến để

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn các thầy

cô giáo giảng viên tại trường về sự dạy bảo của thầy cô trong quá trình em học tại trường

Em xin đặc biệt cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Khang người đã hướng dẫn trực tiếp, chỉ bảo tận tình cho em Luận văn này sẽ khó có thể hoàn thành nếu thiếu sự giúp đỡ, khuyến khích và những ý kiến đóng góp quý báu của thầy

Luận văn được thực hiện trong thời gian ngắn, mặc dù cố gắng tìm hiểu nhưng do kiến thức có hạn nên chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu sót Rất mong thầy cô góp ý để luận văn được hoàn hiện hơn

Cuối cùng, em xin kính chúc các thầy, cô và gia đình luôn luôn mạnh khỏe

và thành công hơn nữa trong sự nghiệp cao quý

Hà Nội , ngày 20 tháng 03 năm 2016

Học viên

Vũ Đình Thành

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 2

TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ TỰ 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

PHẦN MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: Tổng quan lý thuyết hiện tượng đa đường và kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến 12

1.1 Hiện tượng đa đường 12

1.2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến 17

1.3 Kết luận chương 1 20

CHƯƠNG 2: Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của máy thu GNSS khi bị ảnh hưởng của hiện tượng đa đường 22

2.1 Tổng quan về hệ thống định vị vệ tinh GNSS 22

2.1.1 Khái niệm về GNSS 22

2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của GNSS 22

2.1.3 Các ứng dụng của GNSS 23

2.1.4 Hệ thống định vị toàn cầu GPS 25

2.1.5 Hệ thống GLONASS 27

2.1.6 Hệ thống GALILEO 29

2.1.7 Hệ thống định vị Bắc Đẩu 30

2.2 Bộ thu trong hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 31

2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu GNSS 31

2.2.2 Bộ thu mềm GNSS 36

2.3 Ảnh hưởng của hiện tượng đa đường lên máy thu GNSS 38

2.4 Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của máy thu GNSS khi bị ảnh hưởng của hiện tượng đa đường 43

2.5 Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3: Ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến trên máy thu GNSS 48

3.1 Điều chế BOC và giải pháp AsPeCT 48

3.1.1 Các đặc điểm của điều chế BOC 48

3.1.2 Giới thiệu về AsPeCT 54

3.2 Phương pháp TK-AsPeCT 56

3.2.1 Toán tử Teager- Kaiser 56

3.2.2 TK-AsPeCT 57

3.3 Kết quả mô phỏng 58

3.3.1 Các đặc tính của kết quả mô phỏng của bộ so pha 58

3.3.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường 63

3.4 Kết luận chương 3 67

KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ TỰ

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

ADC Analog -Digital Converter Bộ chuyển đổi Tương tự - số ASIC ApplicationSpecificIntergratedCircuit Vi mạch tích hợp chuyên

dụng Binary Phase Shift Keying Tốc độ không đổi

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mã

DGPS Differential Global Positioning

System

Hệ thống định vị toàn cầu vi sai

FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

GLONASS Global Orbiting Navigation

Satellite System

Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh củaNga

GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống định vị vệ tinh toàn

cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HRC High Resolution Correlator Bộ tương quan phân giải cao

LOS Line Of Sight Tín hiệu truyền thẳng

phức hợp

MEE Multipath Error Envelope Đường bao lỗi đa đường

MET Multipath Elimination Technique Kỹ thuật loại trừ đa đường

MMT Multipath Mitigation Technology Công nghệ giảm ảnh hưởng

đa đường

PAC Pulse Aperture Correlator Bộ tương quan PAC

PSNR Peak Signal - to - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu cực đại trên

nhiễu PVT Position, Velocity, Time Vị trí, tốc độ, thời gian

SBME Slope-Based Multipath Estimator Bộ ước lượng đa đường dựa

trên độ dốc SDR Software Defined Radio Vô tuyến điều khiển bằng

phần mềm

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Truyền sóng vô tuyến 12

Hình 1.2 Hiện tượng đa đường 14

Hình 1.3 Các ảnh hưởng phạm vi hẹp trong kênh vô tuyến 15

Hình 2.1 Cấu trúc chung của hệ thống định vị vệ tinh 23

Hình 2.2 Cấu trúc GPS 26

Hình 2.3 Vệ tinh GPS 27

Hình 2.4 Cấu trúc GLONASS 28

Hình 2.5 Vệ tinh GLONASS 29

Hình 2.6 Cấu trúc của bộ thu GNSS tiêu biểu 32

Hình 2.7 Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm song song theo pha mã 34

Hình 2.8 Cấu trúc tổng quát của bộ thu cứng, bộ thu mềm SDR và bộ thu mềm lý tưởng 36

Hình 2.9 Truyền sóng từ vệ tinh GNSS tới bộ thu GNSS trong môi trường đa đường 40

Hình 3.1 Dạng sóng của sineBOC (n, n) (Trên) và cosin BOC (n, n) (Dưới) 50

Hình 3.2 Mật độ phổ công suất của của tín hiệu BPSK, sinBOC (n, n) và cosin BOC (n, n) 51

Hình 3.3 Hàm ACF của các tín hiệu điều chế với các giá trị khác nhau của băng thông bộ lọc 54

Hình 3.4 Hàm tương quan AsPeCT với hai băng thông khác nhau của bộ lọc 55

Hình 3.5 Mã theo dõi MEE cho truyền thống tín hiệu sin BOC(n, n) và AsPeCT 56 Hình 3.6 Hàm tương quan ACF của tín hiệu sin BOC(n.n); AsPeCT và TK-AsPeCT không có bộ lọc 59

Hình 3.7 Hàm tương quan ACF của tín hiệu cosinBOC (n.n); AsPeCT và TK-AsPeCT không có bộ lọc 60

Hình 3.8 TK-AsPeCT S-curve cho sine BOC(n.n) 62

Hình 3.9 TK-AsPeCT S-curve cho cosin BOC(n.n) 63

Hình 3.10 MEE cho các tín hiệu truyền thống sin BOC(n,n), AsPeCT và

TK-AsPeCT 64 Hình 3.11 MEE cho các tín hiệu truyền thống cosin BOC(n,n), AsPeCT và TK-AsPeCT 65 Hình 3.12 RAE tương ứng với sine BOC (n, n) với tín hiệu TK-AsPeCT, AsPeCT,

và phương pháp truyền thống 66 Hình 3.13 RAE tương ứng với cosin BOC(n, n) với tín hiệu TK-AsPeCT,

AsPeCT, và phương pháp truyền thống 67

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, các ứng dụng liên quan đến các hệ thống định vị

sử dụng vệ tinh (GNSS) ngày càng phát triển rộng rãi Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao đó, các hệ thống GNSS đã được hiện đại hóa hoặc triển khai mới với việc

bổ sung thêm nhiều tính hiệu định vị mới Do các ứng dụng sử dụng các dịch vụ được cung cấp bởi các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh ngày càng phát triển và đòi hỏi về chất lượng dịch vụ ngày càng cao nên những yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho các

hệ thống định vị sử dụng vệ tinh cũng không ngừng tăng lên Các giải pháp giảm ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường cũng liên tục được nghiên cứu, đề xuất và triển

khai.Vì vậy em chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến để nâng cao độ chính xác của máy thu GNSS khi bị ảnh hưởng của hiện tượng đa đường”

2 Lịch sử nghiên cứu

Trong quá trình tín hiệu định vị lan truyền từ vệ tinh tới bộ thu GNSS, các tín hiệu định vị phải chịu tác động của các tác nhân gây sai số như: sai số do tầng điện

ly, sai số do tầng đối lưu, sai số do hiện tượng truyền dẫn đa đường (gọi tắt là nhiễu

đa đường) Những sai số này đã tác động đáng kể đến hiệu năng hoạt động của bộ thu định vị.Đối với sai số do tầng điện ly và sai số do tầngđối lưu, các bộ thu định vị

sẽ áp dụng kỹ thuật vi sai trong đó bộ thu định vị sẽ hiệu chỉnh vịtrí thông qua so sánh vị trí tính được của bộ thu với một vị trí chuẩn của trạm tham chiếu hoặc sử dụng các bộ thu hai tần số.Nhưng với sai số nhiễu đađường, kỹ thuật vi sai không đem lại hiệu quả do tác động mang tính ngẫu nhiên, riêng biệttới từng bộ thu định vị của nhiễu đa đường Với những lí do trên, sai số nhiễu đa đường tiếptục trở thành một loại sai số chính trong bộ thu và rất khó khắc phục một cách triệt để.Bài toán lớn đặt ra cho các nhà nghiên cứu là: Phải loại bỏ được nhiễu đa đường để nâng cao hiệu quả định vị cho bộ thu GNSS Để giải quyết bài toán đó, đã có nhiều công trình nghiên cứu được công bố

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

 Mục đích nghiên cứu:

Trên cơ sở nhìn nhận tầm quan trọng của việc nâng cao hiệu năng, chất lượng của máy thu GNSS đồ án này đã được xây dựng với mục đích góp phần vào nhóm giải pháp kỹ thuật để cải thiện độ chính xác cho các bộ thu GNSS.Các nội dung đề xuất đều hướng tới một mục tiêu chung là khắc phục ảnh hưởngnhiễu đa đường đối với hoạt động của bộ thu GNSS khi hoạt động đơn điểm

 Đối tượng nghiên cứu

Bộ thu GNSS và các giải pháp giảm ảnh hưởng của nhiễu đa đường lên bộ thu Cùng với sự phát triển của các hệ thống GNSS, các tín hiệu định vịmới đã được triển khai và các tín hiệu này đã sử dụng một phương thức điều chế mới, điềuchế BOC Đây là những dạng điều chế tín hiệu được các hệ thống GPS và Galileo sử dụng cho các tín hiệu định vị mới Hầu hết các hệ thống GNSS triển khai sử dụng phương thức điều chế BOC cho các tín hiệu định vị mới trong giai đoạn phát triển

và hiện đại hóa.Đồ án tập trung vào các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOC như BOC(n,n) pha sin hoặc pha cosin vì những ưu điểm của tín hiệu này trong quá trình đồng bộ tín hiệu cũng như khả năng giảm nhiễu đa đường của chính bản thân tín hiệu đó

 Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu đặc tính của các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOCnhư: hàm tự tương quan của tín hiệu, hàm tương quan của tín hiệu BOC với mã giảngẫu nhiên PRN

4 Các luận điểm cơ bản

Đồ án gồm có ba chương, chứa những nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan lý thuyết hiện tượng đa đường và kỹ thuật xử lý

tín hiệu phi tuyến

Chương 2: Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của máy thu

GNSS khi bị ảnh hưởng của hiện tượng đa đường.Chương này giới thiệusơ lược

về hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (gọi tắt là GNSS) và phân tích cấu trúc của bộ

thuGNSS.Phần tiếp theo của chương phân tích sơ lược nhữngảnh hưởng của hiện tượng đa đường đến hiệu năng hoạt động của bộ thu GNSS Từ đó đề ra các giải pháp giảm ảnh hưởng của hiện tượng đa đường

Chương 3: Ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến trên máy thu

GNSS.Chương 3 đề cập đến việc đề xuất một số giải pháp nhằm tránh nguy cơ bám

nhầm đỉnh tương quan khi thực hiện đồng bộ tín hiệu định vị dạng điều chế BOC Phần đầu củachương nghiên cứu, phân tích đề từ đó đề xuất giải pháp chống bám nhầm áp dụng cho tínhiệu định vị dạng BOC(n,n) pha sin và pha cosin

5 Phương pháp nghiên cứu:

Do còn những hạn chế về thời gian và hiểu biết của bản thân nên đồ án tập trung vào phân tích, nghiên cứu các kết quả đạt được của các giải pháp đề xuất mới

ở dạng mô phỏng, chứ chưa triển khai, thực thi được các mô phỏng hay kiểm nghiệm trên các bộ thu thật Vì vậy, em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô

và các bạn để phục vụ thêm cho công tác học tập và nghiên cứu của mình trong tương lai

CHƯƠNG 1: Tổng quan lý thuyết hiện tượng đa đường và kỹ

thuật xử lý tín hiệu phi tuyến

1.1 Hiện tượng đa đường

Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến Mạng thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống hiện đại

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi

mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Các kênh vô tuyến là các kênh mang tính ngẫu nhiên, nó có thể thay đổi từ các đường truyền thẳng đến các đường bị che chắn nghiêm trọng đối với các vị trí khác nhau Trong thông tin vô tuyến, sóng vô tuyến được truyền qua môi trường vật lý có nhiều cầu trúc và vật thể như tòa nhà, đồi núi, cây cối xe cộ chuyển động… Nói chung quá trình truyền sóng trong thông tin vô tuyến rất phức tạp Quá trình này có thể chỉ có một đường truyền thẳng (LOS: line of sight), hay đa đường mà không có LOS hoặc cả hai

Máy phát

Máy thu

Hình 1.1 Truyền sóng vô tuyến

Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ….Phản xạ xảy ra khi sóng vô tuyến đập vào các vật cản có kích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng Nói chung phản

xạ gây ra do bề mặt của quả đất, núi và tường của tòa nhà Nhiễu xạ xảy ra do sóng điện từ gặp phải các bề mặt sắc cạnh và các thành gờ của các cấu trúc Tán xạ xảy

ra khi kích thước của các vật thể trong môi trường truyền sóng nhỏ hơn bước sóng Tán xạ thường xảy ra khi sóng vô tuyến gặp phải các ký hiệu giao thông, cột đèn

Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Do đó việc nắm vững những đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số tối ưu của hệ thống

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi

là sự lan truyền sóng đa đường

Hiện tượng đa đường (Multipath) là hiện tượng khi mà tín hiệu được phát đi

bị phản xạ trên các bề mặt vật thể tạo ra nhiều đường tín hiệu giữa trạm gốc và thiết

bị đầu cuối sử dụng Kết quả là tín hiệu đến các thiết bị đầu cuối sử dụng là tổng hợp của tín hiệu gốc và tín hiệu phản xạ

Hình 1.2 Hiện tượng đa đường

Hai loại đa đường tồn tại: đa đường phản chiếu phát sinh từ những rời rạc, phản xạ kết hợp từ các bề mặt nhẵn như nguồn nước đứng, và đa đường khuếch tán phát sinh từ tán xạ khuếch tán và các nguồn nhiễu xạ (Các tia sáng có thể nhìn thấy ánh sáng mặt trời ra khỏi một biển sóng vỗ bập bềnh là một ví dụ về đa đường khuếch tán)

Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc

bị hư hỏng hoàn toàn Tác hại của hiện tượng đa đường đó là các tín hiệu sóng tới

từ các hướng khác nhau khi tới bộ thu sẽ có sự trễ pha và vì vậy khi bộ thu tổng hợp các sóng này tới sẽ không có sự phối hợp về pha Điều này sẽ ảnh hưởng tới biên độ tín hiệu Biên độ tín hiệu sẽ tăng khi các tín hiệu sóng tới cùng pha và sẽ giảm khi các tín hiệu này ngược pha Trường hợp đặc biệt nếu hai tín hiệu này ngược pha

180o thì tín hiệu sẽ bị triệt tiêu

Truyền sóng đa đường đã gây ra các hiệu ứng phạm vi hẹp trong thông tin vô tuyến di động như: trải trễ, trải góc và trải Doppler Trải trễ là số đo trễ truyền sóng tương đối giữa các đường truyền sóng không trực tiếp gây ra di các vật phản xạ như đồi núi và các tòa nhà Trải góc là số đo về dịch góc của các đường truyền không trực tiếp so với đường truyền trực tiếp Trải Doppler là số đo về tốc độ thay đổi kênh gây ra do sự chuyển động của máy phát hoặc (và) máy thu so với các vật thể tán xạ trong môi trường truyền sóng đa đường

Hình 1.3 Các ảnh hưởng phạm vi hẹp trong kênh vô tuyến

Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tương này gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường là tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng Một trong những tác động tiêu cực của hiện tượng này là fading đa đường Một hệ quả nữa của hiện tượng đa đường là “trải trễ” tức là khi bị phản xạ

thành nhiều tín hiệu khác nhau thì các tín hiệu sẽ đến bộ thu ở những thời điểm khác nhau gây ra hiện tượng giao thoa liên ký tự(intersymbol interference) Khi xảy

ra hiện tượng này thì tốc độ bit sẽ tăng lên làm giảm đáng kể chất lượng của hệ thống

Trong các kỹ thuật Fax, phát sóng truyền hình, hiện tượng đa đường gây ra hiện tượng chập chờn, ảo ảnh Hiện tượng ảo ảnh gây ra là do tín hiệu đi theo một đường khác dài hơn đường truyền trực tiếp và gây ra trễ tín hiệu, tín hiệu đến sau do trễ đè lên tín hiệu trước và tạo ra hiện tượng bóng mờ

Trong truyền thông kỹ thuật số, đa đường gây ra lỗi và ảnh hưởng tới chất lượng truyền tin Nhiễu xuyên ký tự là một ví dụ Hiện tượng đa đường còn có thể xảy ra cả trong truyền thông hữu tuyến, đặc biệt là những chỗ có trở kháng không đối xứng, gây ra sự phản xạ lại tín hiệu, ví dụ như trong đường dây tải điện Trong các hệ thống thông tin tốc độ cao, người ta thường sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang để khắc phục nhiễu xuyên ký tự gây ra bởi hiện tượng đa đường

Hiện tượng đa đường chỉ có "lợi" khi chúng ta có thể "ước lượng" và "tổng hợp" được tín hiệu đa đường Điều này chỉ có thể thực hiện bằng kỹ thuật trải phổ spreading và máy thu Rake(như trong mạng CDMA và W-CDMA)

Không nên lầm lẫn giữa truyền đa đường với fading đa đường mặc dù hai cái này cái trước kéo theo cái sau Truyền đa đường thì cho phép mở rộng thêm cự ly liên lạc (trong nhiều trường hợp thì chỉ là tí chút) song lại kéo theo fading đa đường buộc người ta phải áp dụng hàng loạt các biện pháp mạnh khác để duy trì chất

lượng liên lạc ổn định trong một tỷ lệ lớn thời gian, say là 98% với các hệ thống di

động tế bào hay 99.99% với các hệ thống microwave chẳng hạn Do tổng của rất nhiều đường truyền không trực tiếp trong truyền sóng đa đường dẫn đến thăng giáng biên độ tín hiệu thu vì thế gây ra phading và méo tín hiệu Trong khi lập mô kênh, ta tập trung lên ảnh hưởng truyền sóng đa đường ( các ảnh hưởng phạm vi hẹp) đối với các máy thu và (hoặc) máy phát sử dụng nhiều anten

Một trong số khác biệt quan trọng giữa kênh hữu tuyến và kênh vô tuyến là các kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian, nghĩa là chúng chịu ảnh hưởng của

phading chọn lọc theo thời gian Ta có thể mô hình hóa kênh vô tuyến di động như

là một bộ lọc tuyến tính có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian Mô hình kênh truyền thống sử dụng mô hình đáp ứng xung kim, đây là một mô hình trong miền thời gian Ta có thể liên hệ quá trình thay đổi tín hiệu vô tuyến phạm vi hẹp trực tiếp với đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến di động Nếu x(t) biểu diễn tín hiệu phát, y(t) biểu diễn tín hiệu thu và h(t, τ) biểu diễn đáp ứng xung kim của kênh vô tuyến đa đường thay đổi theo thời gian, thì ta có thể biểu diễn tín hiệu thu như là tích chập của tín hiệu phát với đáp ứng xung kim của kênh như sau:

y(t)= ∫ ( ) ( ) = x(t) h(t,τ)

trong đó t là biến thời gian, τ là trễ đa đường của kênh đối với một giá trị t cố định

1.2 Kỹ thuật xử lý tín hiệu phi tuyến

Tín hiệu là đại lượng vật lý biến thiên theo thời gian, không gian, theo một hoặc nhiều biến độc lập khác, chứa đựng thông tin hay dữ liệu và có thể truyền đi được Nói cách khác tín hiệu là dạng vật lý của thông tin Tín hiệu là một dạng vật chất có một đại lượng vật lý được biến đổi theo qui luật của tin tức Về phương diện toán học, các tín hiệu được biểu diễn như những hàm số của một hay nhiều biến độc lập Chẳng hạn, tín hiệu tiếng nói được biểu thị như một hàm số của thời gian còn tín hiệu hình ảnh thì lại được biểu diễn như một hàm số độ sáng của hai biến số không gian Mỗi loại tín hiệu khác nhau có các tham số đặc trưng riêng, tuy nhiên tất cả các loại tín hiệu đều có các tham số cơ bản là độ lớn (giá trị), năng lượng và công suất, chính các tham số đó nói lên bản chất vật chất của tín hiệu

Tín hiệu được biểu diễn dưới dạng hàm của biên thời gian x(t), hoặc hàm của biến tần số X(f) hay X(ω )

Dựa vào sự liên tục hay rời rạc của thời gian và biên độ, có 4 loại tín hiệu như sau:

Nguồn tin Kênh tin Nhận tin

- Tín hiệu tương tự (Analog signal): thời gian liên tục và biên độ cũng liên tục

- Tín hiệu rời rạc (Discrete signal): thời gian rời rạc và biên độ liên tục Ta có thể thu được một tín hiệu rời rạc bằng cách lấy mẫu một tín hiệu liên tục Vì vậy tín hiệu rời rạc còn được gọi là tín hiệu lấy mẫu (sampled signal)

- Tín hiệu lượng tử hóa (Quantified signal): thời gian liên tục và biên độ rời rạc Đây là tín hiệu tương tự có biên độ đã được rời rạc hóa

- Tín hiệu số (Digital signal): thời gian rời rạc và biên độ cũng rời rạc Đây là tín hiệu rời rạc có biên độ được lượng tử hóa

Xử lý tín hiệu là một hướng nghiên cứu có liên quan đến vấn đề rút trích, thao tác và lưu trữ thông tin có trong các tín hiệu phức tạp Các ứng dụng về xử lý

dữ liệu bao gồm xử lý âm thanh, giọng nói,hình ảnh và video; tín hiệu vi sinh và y sinh; thị giác máy tính; tín hiệu tổng hợp; tín hiệu thiên văn

Một hệ thống được gọi là tuyến tính nếu nó thỏa mãn nguyên lý chồng chất (Principle of superposition) Gọi y1(n) và y2(n) lần lượt là đáp ứng của hệ thống tương ứng với các tác động x1(n) và x2(n), hệ thống là tuyến tính nếu và chỉ nếu:

T{ax1(n)+bx2(n)}=aT{ax1(n)}+bT{bx2(n)}=ay1(n)+by2(n)

với a, b là 2 hằng số bất kỳ và với mọi n

Ta thấy, đối với một hệ thống tuyến tính, thì đáp ứng của một tổng các tác động bằng tổng đáp ứng của hệ ứng với từng tác động riêng lẻ

Một hệ thống không thỏa mãn định nghĩa trên được gọi là hệ thống phi tuyến (Nonliear systems).Cách kiểm tra tính chất tuyến tính:

- Thực hiện theo hai sơ đồ sau:

 So sánh hai ngõ ra, nếu bằng nhau thì là hệ tuyến tính và ngược lại là

hệ phi tuyến

Quá trình biến đổi tín hiệu trong thực tế thường gặp một số sự phi tuyến: mất

mã (một số mã nhị phân không thể xuất hiện), phi tuyến sai phân (chuyển tiếp

lượng tử hóa có thể là một hàm phi tuyến của tín hiệu vào, thường được biểu diễn

theo LSB), sai số độ lợi (sự thay đổi của độ dốc hàm truyền), sai số offset (toàn bộ

mã bị dịch lên hay xuống cùng một lượng) Tính phi tuyến là một thuộc tính quan

trọng, nhất là khi các cơ chế vật lý sinh ra các tín hiệu đầu vào (ví dụ tín hiệu tiếng

nói) vốn là phi tuyến

Hiện tượng phi tuyến là hiện tượng tín hiệu bị méo do các tác nhân phi tuyến

gây ra Hiện tượng phi tuyến trong viễn thông có thể xảy ra tại hai quá trình: quá

trình truyền thông tin và quá trình nhận thông tin Hiện tượng phi tuyến xảy ra ở

quá trình thu là hiện tượng tín hiệu đầu ra máy thu không tỷ lệ tuyến tính với tín

hiệu đầu vào máy thu (hiện tượng méo phi tuyến) Hiện tượng này do ảnh hưởng

của của độ nhạy thu và dải động của máy thu

Hành vi phi tuyến được quan sát thấy ở gần như tất cả các hệ thống truyền

thông kỹ thuật số trong đó có vệ tinh, các kênh điện thoại, truyền thông di động điện

thoại di động, các thiết bị mạng LAN không dây, phát thanh, đài truyền hình, các hệ

thống kỹ thuật số có từ tính … Hệ thống phi tuyến đã được nghiên cứu một cách hệ

thống trong quá khứ, nhưng chúng đã không được sử dụng rộng rãi trong giao tiếp

do tính phức tạp của chúng Tính phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó có:

kích thước của vector tham số không rõ, đặc điểm thưa thớt của các vector tham số,

mức độ phi tuyến, số đo có sẵn, và xác suất hàm mật độ của các đầu vào.Bộ lọc

tuyến tính ngày nay được thừa hưởng một nền lý thuyết phong phú dựa trên đóng

góp đầu tiên và quan trọng của Gauss (1795) trên Least Squares, Wiener (1949) trên

bộ lọc tối ưu, và Widrow (1970) về thích ứng lọc Thuyết Bộ lọc tuyến tính đã liên tục cung cấp nền tảng cho bộ lọc tuyến tính được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tế như chi tiết trong phương pháp điều trị cổ điển

Xử lý tín hiệu phi tuyến là phương pháp thống kê tập trung vào việc thống nhất các nghiên cứu về một lớp rộng và quan trọng của các thuật toán xử lý tín hiệu phi tuyến trong đó nổi lên từ các nguyên tắc ước lượng thống kê, và nơi mà các tín hiệu cơ bản là nhiễu phi Gaussian, chứ không phải Gaussian Xử lý tín hiệu phi tuyến liên quan đến việc phân tích và xử lý tín hiệu được sản xuất từ các hệ thống phi tuyến và có thể nằm trong miền thời gian, tần số, hoặc các miền không-thời gian Hệ thống phi tuyến có thể tạo ra các hành vi có tính phức tạp trong đó có điểm

rẽ nhánh, sự hỗn loạn, sóng hài và sóng hài phụ mà không thể sản xuất hoặc phân tích được bằng phương pháp tuyến tính

Ứng dụng xử lý tín hiệu đối với tín hiệu phi tuyến như các ứng dụng khuếch đại nhiễu nhiều lần, các bộ lọc tuyến tính hoạt động không được tốt Những trường hợp này nên đưa bộ lọc phi tuyến vào Xử lý tín hiệu phi tuyến, ngược lại, có những

ưu điểm đáng kể so với xử lý tín hiệu tuyến tính truyền thống trong các ứng dụng trong đó các quá trình ngẫu nhiên cơ bản có bản chất là nhiễu phi Gaussian, hoặc khi hệ thống hoạt động trên các tín hiệu quan tâm vốn dĩ là phi tuyến Nó giúp giảm sai số trung bình bình phương của tín hiệu đầu ra Thực tế đã chỉ ra rằng các hệ thống phi tuyến và các quá trình nhiễu phi Gaussian xuất hiện trong một loạt các ứng dụng bao gồm cả hình ảnh, teletraffic, truyền thông, thuỷ văn, địa chất, và kinh

tế Phương pháp xử lý tín hiệu phi tuyến trong tất cả các ứng dụng nhằm mục đích khai thác tính phi tuyến của hệ thống hoặc các đặc tính thống kê của tín hiệu cơ bản

để khắc phục được nhiều hạn chế của các phương pháp truyền thống được sử dụng trong xử lý tín hiệu

1.3 Kết luận chương 1

Đa đường là hiện tượng truyền sóng mà tín hiệu tới bộ thu bao gồm nhiều tia sóng thànhphần khác nhau Bên cạnh thành phần tia truyền thẳng (LOS), các tia sóng khác cũng có thểtới được anten của bộ thu như tia khúc xạ, tia phản xạ, tia

nhiễu xạ,…Hiện tượng truyền sóngđa đường xảy ra khi môi trường xung quanh bộ thu có nhiều vật cản, chướng ngại vật như nhàcao tầng, cột đèn, cây cối,… Như

vậy, nếu bộ thu ở những khuvực như đô thị, khu đông dân cư thì hiện tượng truyền sóng đa đường xảy ra phổ biến Ở chương thứ hai của đồ án, ta sẽ xét các ảnh

hưởng của hiện tượng đa đường lên bộ thu định vị vệ tinh

CHƯƠNG 2: Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của máy thu GNSS khi bị ảnh hưởng của hiện tượng đa đường

Chương này giới thiệu tổng quát về các hệ thống định vị GNSS, kiến trúc và các nguyên tắc cơ bản trong xử lý tín hiệu của bộ thu hệ thống GNSS nói chung và đặc điểm của bộ thu mềm GNSS nói riêng Phần tiếp theo của chương phân tích sơ lược những ảnh hưởng của hiện tượngđa đường đến hiệu năng hoạt động của bộ thu GNSS, từ đó nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của máy thu GNSS khi bị ảnh hưởng của hiện tượng đa đường

2.1 Tổng quan về hệ thống định vị vệ tinh GNSS

2.1.1 Khái niệm về GNSS

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (Tiếng Anh: Global Navigation Satellite System - GNSS) là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như GPS (Global Positioning System) do Mỹ chế tạo và hoạt động từ năm 1994; Hệ thống định vị Galileo mang tên nhà thiên văn học GALILEO do Liên minh châu Âu (EU) chế tạo; GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và hoạt động từ năm 1995; Hệ thống định vị Bắc Đẩu (Trung Quốc) GNSS được cấu thành như một chòm sao (một nhóm hay một hệ thống) của quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó

2.1.2 Nguyên tắc hoạt động của GNSS

Nguyên tắc hoạt động của GNSS dựa trên việc đo khoảng cách giữa người sử dụng và các vệ tinh quỹ đạo tầm trung (MEO) có vị trí đã biết Trên cơ sở các khoảng cách từ bộ thu GNSS đến ít nhất ba vệ tinh, bộ thu xác định được vị trí của

nó dựa trên nguyên lý tam giác GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày.Theo quy định phân bổ tần số, các hệ thống GNSS truyền phát các tín hiệu định vị trên các tần số sóng mang L1= 1575,42MHz

;L2= 1227,60 MHz ;L5= 1176,45 MHz

Hình 2.1 Cấu trúc chung của hệ thống định vị vệ tinh

Bộ thu GNSS dựa trên bản tin dẫn đường để xác định các thông số về quỹ đạo của vệ tinh để từ đó tính toán được các sai lệch về định thời cũng như sai lệch

về quỹ đạo thực tế của vệ tinh Những thông tin này giúp bộ thu GNSS có thể xác định ra được vị trí của nó

Từ khi GNSS được cho phép sử dụng dân sự, các nhà khoa học ở các nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng này Hai hướng chủ đạo được nhắm tới

là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để sử dụng tín hiệu cho các mục đích khác nhau

2.1.3 Các ứng dụng của GNSS

 GNSS được sử dụng cho vô số các ứng dụng khác nhau Ngày nay rất dễ dàng nhận thấy sự hiện diện của GNSS trong mọi mặt của đời sống Kết hợp giữa công nghệ thông tin, hệ thống bản đồ số và thiết bị định vị vệ tinh đã tạo

thành một hệ thống dẫn đường lý tưởng Trong lĩnh vực hàng không, 100% các máy bay thương mại và quân sự sử dụng hệ thống dẫn đường tự động bằng GNSS

 Trong giao thông, hệ thống giám sát dẫn đường và điều khiển giao thông cũng đã khai thác tuyệt đối thế mạnh của GNSS đã trở thành một hợp phần không thể thiếu trong công nghiệp ô tô, chẳng hạn như hệ thống định vị dẫn đường trong các thương hiệu xe hơi nổi tiếng như Mercedes, BMW, Porsche, Maybach, Cadillac, Audi, Roll Royce…

 Trong ngành đo đạc bản đồ, sự xuất hiện của GNSS đã thay đổi hoàn toàn phương pháp đo đạc truyền thống, không phụ thuộc vào thời tiết, không bị giới hạn bởi khoảng cách, giảm tối đa yêu cầu về nhân lực lao động

 Với công nghệ GNSS, người sử dụng có được thông tin vị trí hiện tại, hướng

di chuyển, độ cao hiện thời Cá nhân cũng dễ dàng mang theo loại máy thu GNSS nhỏ cũng có thể lắp ghép cùng điện thoại di động để biết được vị trí mình đang đứng hay có thể theo dõi cả độ cao khi leo núi

 Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lý tưởng và công tác tìm kiếm, cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ có hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi

 Ứng dụng chủ yếu của GNSS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa

 Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên bộ Ngoài ra, các vệ tinh của GNSS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân

 Một ứng dụng nữa của GNSS chính là việc quản lý thú hoang dã bằng cách gắn lên chúng những con chip đã tích hợp GNSS Tất cả hoạt động của chúng sẽ được kiểm soát chặt chẽ Việt Nam cũng đang tiến hành thử nghiệm

để áp dụng vào việc quản lý đàn sếu đầu đỏ ở miền Tây…

 Tại Việt Nam, GNSS từ lâu đã được ứng dụng cho các công việc kiểm lâm, cứu nạn Tuy nhiên các hệ thống mới chỉ dừng ở mức độ thu nhận thông tin

về kinh độ, vĩ độ và cao độ, chưa triển khai ứng dụng trong lĩnh vực thiết bị dẫn đường vì chưa được tích hợp bản đồ số Việt Nam Thời gian gần đây, việc tạo lập bản đồ số đã có kết quả và trên thị trường xuất hiện một số thiết

bị dẫn đường dành cho ôtô trong giai đoạn vừa thăm dò vừa hoàn thiện sản phẩm

2.1.4 Hệ thống định vị toàn cầu GPS

GPS (Global Positioning System) hay còn được gọi là NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) là hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thời gian cho các máy thu GPS ở khắp mọi nơi trên trái đất Hệ thống GPS có thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài centimet

GPS bao gồm 3 phần chính: phần không gian, phần kiểm soát và phần sử dụng Không quân Hoa Kỳ phát triển, bảo trì và vận hành các phần không gian và kiểm soát

 Phần không gian bao gồm 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo tròn xoay quanh trái đất ở khoảng cách 20.000

km Bán kính quỹ đạo vào khoảng 26.600 km Chúng chuyển động ổn định

và quay 2 vòng quanh quỹ đạo trong một ngày (chính xác là 11 giờ 58 phút) với vận tốc 7000 dặm trên một giờ 24 vệ tinh này được chia làm 6 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi mặt phẳng quỹ đạo gồm 4 vệ tinh được sắp xếp đều nhau Mỗi mặt phẳng quỹ đạo này có góc nghiêng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo

 Phần kiểm soát bao gồm một trạm kiểm soát chính (MSC), một trạm kiểm soát luân phiên, 4 anten mặt đất riêng biệt, 6 trạm giám sát riêng biệt

 Phần người sử dụng đáp ứng nhu cầu sử dụng cho các mục đích quân sự và dân sự, thương mại và nghiên cứu khoa học Về cơ bản thiết bị thu GPS bao

gồm một anten, điều chỉnh tới tần số phát của vệ tinh, bộ vi xử lý tín hiệu thu, và đồng hồ với độ ổn định cao

Hình 2.2 Cấu trúc GPS

Các vệ tinh GPS phát tín hiệu vô tuyến công xuất thấp trên nhiều tần số L1

và L2 là hai tần số sóng mang cơ sở, chứa tín hiệu dẫn đường Tần số L1 là 1575.42 MHz trong dải UHF, trong khi tần số L2 là 1227.6 MHz Các tín hiệu truyền theo tầm nhìn thẳng Tín hiệu L1 chứa 2 loại mã giả ngẫu: mã P và mã C/A

Một thiết bị thu có thể nhận dạng tín hiệu bởi mỗi vệ tinh GPS phát một đoạn

mã riêng biệt Mã P có thể được xáo trộn để tránh trường hợp truy cập trái phép (anti spoofing), nó còn được gọi là mã P(Y) hay mã Y Một tín hiệu GPS chứa một đoạn mã giả ngẫu (pseudorandom code), dữ liệu thiên văn (ephemeris data) và dữ

liệu niên lịch (almanac data) Đoạn mã đầu tiên sẽ giúp xác định được vệ tinh đang truyền thông tin.Dữ liệu thiên văn chứa thông tin về tình trạng của vệ tinh, dữ liệu hiện thời và thời gian Dữ liệu niên lịch sẽ thông báo cho thiết bị thu vị trí của mỗi

vệ tinh GPS tại bất kỳ thời điểm nào trong ngày

Ba vệ tinh được sử dụng để xác định vị trí của đối tượng, và vệ tinh thứ tư (trong tầm nhìn thẳng) được dùng để tính toán thời gian Càng nhiều vệ tinh quan sát thì việc xác định vị trí càng chính xác.GPS tuy tính toán vị trí rất chính xác nhưng vẫn luôn luôn có sai số Sai số này có thể và vài mét, hoặc vài trăm mét Sai

số hiển thị trên màn hình thiết bị chỉ là sai số có thể có dựa trên phân tích tín hiệu thu nhận đc, còn thực tế thì ko ai biết đc chính xác Bởi các vệ tinh, trái đất, và cả chúng ta đều di chuyển liên tục đồng thời trong thời gian thực

Hình 2.3 Vệ tinh GPS

2.1.5 Hệ thống GLONASS

GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Liên bang Nga Nó cung cấp thông tin về vị trí, dẫn đường, thời gian chính xác cho người sử dụng Thiết bị thu GLONASS tính toán vị trí của chúng trong hệ tham chiếu GLONASS, sử dụng công nghệ vệ tinh trên cơ sở nguyên lý tam giác (triangulation principles) Nó là một sự luân phiên, bổ xung cho

các hệ thống dẫn đường vệ tinh khác, ví dụ như GPS của Hoa Kì, BeiDou của

Trung Quốc, hay Galileo của Liên minh Châu Âu

Hình 2.4 Cấu trúc GLONASS

GLONASS là sự kết hợp của 3 phần: phần không gian (SS), phần mặt đất

(CS) và phần người sử dụng (US)

 Phần không gian của GLONASS bao gồm 24 vệ tinh, chuyển động trên bề

mặt Quả Đất theo 3 mặt phẳng quỹ đạo với góc nghiêng 64,8°, và độ cao

19100 km, mỗi vệ tinh thực hiện một vòng quỹ đạo hết 11 giờ 15 phút Vị trí

của các vệ tinh như vậy cho phép phủ sóng liên tục bề mặt trái đất và cả

vùng không gian gần trái đất

 Phần mặt đất của GLONASS bao gồm trung tâm kiểm soát hệ thống và

mạng chi huy và trạm theo dõi, chúng được đặt trên khắp lãnh thổ nước Nga

Phần điều khiển cung cấp màn hình trạng thái các chòm vệ tinh GLONASS,

điều chỉnh các thông số của quỹ đạo và cập nhật dữ liệu dẫn đường

 Cuối cùng là phần người sử dụng, nó bao gồm thiết bị thu, giúp tính toán tọa

độ, tốc độ và tời gian của tín hiệu dẫn đường GLONASS

Hình 2.5 Vệ tinh GLONASS

Vệ tinh đầu tiên của GLONASS được Liên Xô đưa lên quỹ đạo ngày 12 tháng 10 năm 1982, vào ngày 24 tháng 9 năm 1993 hệ chính thức được đưa vào sử dụng

Các vệ tinh của hệ GLONASS liên tục phóng ra các tín hiệu định vị theo 2

dạng: tín hiệu định vị chính xác chuẩn (Ch) ở tần số L1 (1,6 GHz) và tín hiệu định

vị chính xác cao (C) ở tần số L1 và L2 (1,2 GHz) Thông tin, cung cấp bởi tín hiệu

định vị Сh, mở cho tất cả người dùng trên nền toàn cầu và liên tục và đảm bảo khi

dùng máy thu GLONASS, khả năng xác định:

+ Các tọa độ ngang với độ chính xác 50-70 m (độ tin cậy 99,7%);

+ Các tọa độ đứng với độ chính xác 70 m (độ tin cậy 99,7%);

+ Các véc-tơ thành phần của vận tốc với độ chính xác 15 cm/s (độ tin cậy 99,7%)

+ Thời gian chính xác với độ chính xác 0,7 mcs (độ tin cậy 99,7%)

Để xác định các tọa độ không gian và thời gian chính xác cần nhận và xử lý các tín hiệu định vị từ không ít hơn 4 vệ tinh GLONASS Khi nhận các tín hiệu sóng định vị GLONASS máy thu, dùng các phương pháp kỹ thuật sóng đã biết, đo các độ dài đến các vệ tinh nhìn thấy và đo các vận tốc chuyển động của chúng 2.1.6 Hệ thống GALILEO

Hệ thống định vị Galileo là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) được xây dựng bởi Liên minh châu Âu Galileo khác với GPS của Hoa Kz và GLONASS của Liên bang Nga ở chỗ nó là một hệ thống định vị được điều hành và

quản lý bởi các tổ chức dân dụng, phi quân sự Galileo theo kế hoạch sẽ chính thức hoạt động vào năm 2011-12, muộn 3-4 năm so với kế hoạch ban đầu

- Thông số của hệ thống:

+ 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động chính và 3 vệ tinh dự phòng);

+ Độ cao quỹ đạo: 23.222 km (quỹ đạo tầm trung);

+ Phân bố trên 3 mặt chính, góc nghiêng 56 độ;

+ Tuổi thọ thiết kế của vệ tinh: > 12 năm;

+ Dịch vụ trả tiền (commercial service): dành cho các đối tượng cần có độ chính xác < 1 m với một khoản phí nhất định

+ Dịch vụ cứu hộ (safety of life service): dành riêng cho cứu hộ, độ bảo mật cao, chống gây nhiễu sóng

+ Dịch vụ công cộng (public regulated service): dành riêng cho chính phủ và quân đội của các nước Liên minh châu Âu Đặc biệt bảo mật, độ tin cậy cao 2.1.7 Hệ thống định vị Bắc Đẩu

Hệ thống định vị Bắc Đẩu là là một dự án của Trung Quốc phát triển một hệ thống vệ tinh định vị độc lập Tên gọi này có thể đề cập một hoặc cả hai thế hế hệ thống định vị của Trung Quốc Hệ thống Bắc Đẩu đầu tiên, chính thức được gọi là

"Hệ thống thử nghiệm định vị vệ tinh Bắc Đẩu", hay được gọi là "Bắc Đẩu 1", bao gồm 3 vệ tinh và có giới hạn bao trả và các ứng dụng Nó đã được cung cấp dịch vụ chuyển hướng chủ yếu cho các khách hàng ở Trung Quốc và từ các vùng lân cận từ năm 2000

Thế hệ thứ hai của hệ thống, được gọi là Compass hay Bắc Đẩu 2, sẽ là một

hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu bao gồm 35 vệ tinh, vẫn còn đang được tạo dựng

Nó đã hoạt động với phạm vi toàn Trung Quốc trong tháng 12 năm 2011 Bắt đầu từ tháng 12/2012, Bắc Đẩu cung cấp dịch vụ định vị cho người sử dụng tại khu vực châu Á Thái Bình Dương, trong đó có Việt Nam Dự kiến, đến năm 2020, Bắc Đẩu

sẽ hoàn thành với 35 vệ tinh cung cấp dịch vụ trên toàn thế giới

Các nhà thiết kế chính của hệ thống định vị Bắc Đẩu là Tôn Gia Đống Bắc Đẩu tương thích với hệ thống định vị GPS của Mỹ, hệ thống Galileo của châu Âu

và hệ thống GLONASS của Nga Nó cho phép người sử dụng định vị chính xác trong phạm vi 10 m, đo tốc độ từ 200 cm/giây trở lên và cung cấp thông tin về thời gian với sai số chỉ là 2 phần trăm triệu giây

Một báo cáo do giới chức Trung Quốc công bố cho thấy dịch vụ của Bắc Đẩu đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực giao thông, đánh bắt hải sản trên biển, dự báo thời tiết, giám sát các công trình thủy điện, giảm nhẹ thiên tai Nhóm thiết kế Bắc Đẩu dự đoán nó sẽ tạo ra một thị trường dịch vụ định vị có trị giá tới 63

tỷ USD trong khoảng thời gian từ nay tới năm 2020

Về nguyên lý, Bắc Đẩu hoạt động giống các hệ thống vệ tinh định vị khác (GPS, GLONASS, Galileo…) dựa trên sóng vô tuyến được phát quảng bá một chiều (từ vệ tinh đến bộ thu) để bộ thu tự xác định vị trí của mình Tại bất cứ thời điểm nào, để xác định được vị trí của mình, bộ thu cần phải nhận được tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh định vị và qua phép giao các mặt cầu với tâm là các vệ tinh để tìm ra

vị trí của ăng-ten Ở đây cần nhấn mạnh, tín hiệu từ vệ tinh được phát quảng bá hướng đến Trái Đất, và bộ thu (kể cả các chipset tích hợp trong điện thoại di động) chỉ tiếp nhận tín hiệu một chiều từ vệ tinh

2.2 Bộ thu trong hệ thống định vị sử dụng vệ tinh

2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu GNSS

Các chức năng của một bộ thu GNSS điển hình sẽ được phân tích chi tiết Quá trình xử lý tín hiệu trong bộ thu GNSS bắt đầu từ quá trình thu nhận tín hiệu định vị từ vệ tinh của khối đầu cuối cao tần RF đến quá trình tính toán của khối xử

lý bản tin dẫn đường Hình 1.1 minh họa sơ đồ khối của một bộ thu GNSS điển

hình Trong đó, khối đồng bộ tín hiệu bao gồm: khối bắt đồng bộ tín hiệu và khối

bám đồng bộ tín hiệu (sau đây gọi tắt là khối bắt tín hiệu và khối bám tín hiệu)

Hình 2.6 Cấu trúc của bộ thu GNSS tiêu biểu

a) Đầu cuối RF

Khối đầu cuối cao tần thực hiện xử lý tín hiệu cao tần thu nhận được từ anten qua các quá trình biến đổi để được tín hiệu số trung tần đưa đến khâu xử lý tín hiệu trung tần Ngay sau khi tín hiệu đi qua anten, tín hiệu định vị cao tần đi qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) để thực hiện khuếch đại cũng như lọc tín hiệu nằm trong dải thông cho phép Sau đó, tín hiệu cao tần được lọc này được thực hiện hạ tần xuống tần số trung tần (IF) Tín hiệu trung tần ngay sau đó được số hóa nhờ bộ ADC và đưa đến khâu xử lý trung tần thực hiện quá trình đồng bộ tín hiệu để giải điều chế nhằm thu được bản tin dẫn đường

b) Khối bắt tín hiệu

Quá trình bắt tín hiệu thực hiện việc tìm kiếm và ước lượng sơ bộ các thông

số của các tín hiệu định vị được phát từ các vệ tinh Nói cách khác, quá trình bắt tín hiệu xác định những vệ tinh nào được “nhìn thấy” bởi bộ thu GNSS Các thông số cần phải ước lượng bao gồm: tần số sóng mang và độ dịch của mã PRN Tần số sóng mang của tín hiệu vệ tinh tới khối bắt tín hiệu là trung tần Tuy nhiên, do sự chuyển động của vệ tinh, tần số này bị dịch chuyển theo hiệu ứng Doppler Trong các hệ thống GNSS, độ dịch tần Doppler tối đa là 10kHz hay tần số sóng mang của tín hiệu định vị bị dịch tần tối đa ± 10kHz quanh tần số danh định Bộ thu GNSS xác định tần số sóng mang nhờ việc thử các tần số khác nhau quanh tần số danh định với mỗi bước thử là 500Hz (như vậy có 41 tần số khác nhau) Sau khi trộn tần

để loại bỏ thành phần sóng mang trong tín hiệu thu được, quá trình bắt đồng bộ tín hiệu tiếp tục với việc tìm ra độ dịch của mã PRN trong tín hiệu định vị thu được Với mỗi tần số sóng mang, bộ thu thực hiện xử lý với 1023 độ trễ mã PRN khác nhau Sau khi tất cả các giá trị của tần số sóng mang và trễ mã PRN đã được tính toán, bộ thu tìm giá trị cực đại tương quan giữa mã PRN ở tín hiệu thu được và mã PRN tái tạo ở bộ thu Vệ tinh được gọi là “nhìn thấy” nếu giá trị tương quan này cao hơn một mức ngưỡng đã được thiết lập trước Khi đó các thông số ước lượng sơ bộ của vệ tinh là tần số và mã PRN tương ứng

Kỹ thuật phổ biến và đơn giản nhất để thực hiện việc bắt tín hiệu là dựa trên biến đổi Fourier (FFT) Tuy nhiên, khi triển khai trong thực tế, việc áp dụng FFT có thể được thực hiện theo ba cách khác nhau: tìm kiếm nối tiếp, tìm kiếm song song theo miền tần số và tìm kiếm song song theo miền trễ mã PRN Với giải pháp tìm kiếm nối tiếp, bộ thu thực hiện tìm kiếm với mỗi cặp tần số sóng mang và độ trễ mã PRN Với số lượng trễ mã PRN có thể có là 1023 và độ dịch tần ±10kHz với bước dịch tần 500kHz, tổng số khả năng thực hiện tìm kiếm là [15]:

Như vậy có thể thấy tuy việc tính toán đơn giản nhưng số lượng tính toán là tương đối lớn nên làm chậm quá trình tìm kiếm đồng bộ Đây chính là nhược điểm của giải pháp tìm kiếm kiểu nối tiếp Để khắc phục nhược điểm này, hai giải pháp tìm kiếm song song theo miền tần số và song song theo miền trễ mã PRN được thực hiện Giải pháp tìm kiếm song song miền tần số chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số nhờ FFT Nhờ vậy, trong giải pháp này không gian tìm kiếm chỉ gồm 1023 bước tìm kiếm trễ mã PRN Khác với giải pháp tìm kiếm song song miền tần số, giải pháp tìm kiếm song song miền trễ mã PRN chỉ thực hiện tối đa 41 bước tìm kiếm ứng với 41 khả năng về tần số sóng mang Do đó, giải pháp này giúp cho việc tìm kiếm nhanh hơn nhiều so với 2 giải pháp trước đó

Hình 2.7 Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm song song theo pha mã

c) Khối bám tín hiệu

Sau quá trình bắt tín hiệu định vị, các tín hiệu định vị từ các vệ tinh trong tầm “nhìn thấy” của bộ thu GNSS đã được ước lượng với các thông số sơ bộ ban đầu, các thông số này có độ chính xác chưa cao Bước tiếp theo, bộ thu GNSS bắt đầu khởi tạo quá trình bám tín hiệu Nhiệm vụ của quá trình bám này nhằm ước lượng tốt hơn các thông số của tín hiệu định vị đồng thời theo sát sự thay đổi theo thời gian của các thông số này Một nhiệm vụ nữa của khối này là khi đã bám sát sự thay đổi của các thông số giúp cho bộ thu GNSS có thể tách được luồng bit dữ liệu

ra khỏi tín hiệu tín hiệu trải phổ Quá trình đó được gọi là giải trải phổ hoặc giải điều chế dữ liệu định vị Để thực hiện nhiệm vụ bám đồng bộ tín hiệu, các mạch vòng khóa đồng bộ được sử dụng trong bộ thu GNSS Các mạch vòng khóa đồng bộ

có nhiệm vụ khóa giữ các thông số của tín hiệu định vị thông qua việc liên tục thay đổi các thông số của bộ tạo tín hiệu cục bộ trong bộ thu GNSS để đạt được trạng thái cân bằng Trong các bộ thu GNSS, vòng khóa trễ (DLL) thực hiện bám trễ thời gian của mã PRN (gọi tắt là bám mã PRN), vòng khóa pha (PLL) thực hiện bám pha sóng mang (gọi tắt là bám sóng mang)

d) Khối giải điều chế dữ liệu

Dữ liệu sau khối bám đồng bộ tín hiệu là dữ liệu của bản tin dẫn đường Các tín hiệu định vị thường có năng lượng thấp và bị tác động nhiều của nhiễu Vì vậy,

để tăng năng lượng của bit dữ liệu bản tin dẫn đường, các bit dạng NRZ trong một khoảng thời gian được cộng lại với nhau để tạo ra một bit dữ liệu bản tin dẫn đường cũng có dạng NRZ Bản tin dẫn đường này có tốc độ là 50bps (tương ứng với 1 bit trong bản tin dẫn đường có độ rộng là 20ms)

e) Khối tính toán PVT

Khối tính toán PVT có nhiệm vụ tính toán vị trí, vận tốc và thời gian dựa trên bản tin dẫn đường trên cơ sở giả khoảng cách (pseudo range) giữa vệ tinh và bộ thu GNSS Đối với tín hiệu của hệ thống GPS, việc xác định giả khoảng cách này tuân thủ theo ICD-GPS-200G cho dải tần số L1 và L2, ICD-GPS-705C cho các tín hiệu định vị ở dải tần L5 Đối với tín hiệu hệ thống Galileo, việc tính toán giả khoảng cách theo bản tin dẫn đường dựa vào Galileo OS SIS ICD của Liên minh châu Âu

Bộ thu GNSS dựa trên bản tin dẫn đường để xác định các thông số về quỹ đạo của vệ tinh để từ đó tính toán được các sai lệch về định thời cũng như sai lệch

về quỹ đạo thực tế của vệ tinh Những thông tin này giúp bộ thu GNSS có thể xác định ra được vị trí của nó Thời gian cần thiết để bộ thu xác định được vị trí lần đầu của nó được gọi là TTFF, tham số này phụ thuộc rất nhiều vào cách triển khai đồng

bộ tín hiệu định vị cũng như phương thức xác định vị trí được áp dụng cho bộ thu

Việc xác định giả khoảng cách được tính toán theo nguyên tắc xác định khoảng thời gian truyền sóng của tia truyền thẳng từ vệ tinh tới bộ thu Với mỗi vệ tinh, bộ thu xác định được một giả khoảng cách giữa nó và vệ tinh đó theo biểu thức:

với là giả khoảng cách giữa vệ tinh thứ s và bộ thu u ; c là tốc độ ánh sáng;

là độ sai lệch đồng hồ bộ thu; là sai lệch đồng hồ vệ tinh; là trễ do tầng đối lưu; là trễ do tầng điện ly; là các sai số do nguyên nhân khác như tạp âm,

đa đường,…

Trong biểu thức trên, các ẩn số cần phải xác định đó là vị trí của bộ thu ( ) và sai lệch đồng hồ bộ thu Do đó, cần phải có ít nhất 04 giả khoảng cách ứng với 04 vệ tinh được bộ thu “nhìn thấy”

2.2.2 Bộ thu mềm GNSS

Trong các bộ thu cứng truyền thống của hệ thống GNSS, hầu hết các quá trình xử lý tín hiệu cao tần, trung tần và giải điều chế đều được thực hiện trên các modul phần cứng như chip ASIC Những bộ thu như vậy có ưu điểm đó là quá trình

xử lý tín hiệu nhanh hơn Tuy nhiên, những nhược điểm cũng xuất hiện khi các hệ thống GNSS được triển khai mới hoặc hiện đại hóa Do được đóng gói cứng vào trong các chip ASIC nên việc cấu hình lại, cập nhật hoặc nâng cấp các quá trình xử

lý tín hiệu cho phù hợp với các tín hiệu định vị mới trong các hệ thống GNSS sẽ khó triển khai Bên cạnh đó, việc nghiên cứu, đánh giá các công nghệ xử lý tín hiệu mới cũng khó thực hiện được trên các bộ thu này Gần đây, đi cùng với xu thế sử dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SDR), các bộ thu mềm GNSS cũng ngày càng phát triển theo xu hướng thực hiện số hóa tín hiệu ngày càng tiến gần tới anten của bộ thu Điều đó tạo ra các bộ thu GNSS làm việc với tần số ngày càng cao và băng thông ngày càng rộng

Hình 2.8 Cấu trúc tổng quát của bộ thu cứng, bộ thu mềm SDR và bộ thu mềm lý

tưởng