Thiết kế, chế tạo thử nghiệm máy thu cho hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPSGalileo

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 2 ADC Bộ biến đổi tương tự - số Analog Digital Converter 3 AGC Điều khiển khuếch đại tự động 5 AWGN Nhiễu Gaussian trắng cộng 7 BPSK Khóa dịch pha nhị

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS TS Vũ Văn Yêm – người thầy đã luôn động viên và tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học tập và hướng dẫn tôi làm luận văn này

Tác giả cũng xin cảm ơn các thầy cô của Viện Điện tử - Viễn thông– Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn ở bên, động viên và tạo mọi điều kiện giúp

đỡ tôi để tôi hoàn thành luận văn

  Tác giả

Trần Thị Thu Hường

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ………4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

LỜI MỞ ĐẦU………10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GNSS 12

I Vài nét về GNSS 12

II Hệ thống GPS 14

III Hệ thống GALILEO 15

IV Khảo sát một số kiến trúc máy thu GPS 17

1 Yêu cầu kỹ thuật máy thu GPS 17

2 Một số kiến trúc máy thu GPS 18

V Ứng dụng của các hệ thống GNSS: 20

Chương 2 MÁY THU GPS/GALILEO ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SDR 23

I Kiến trúc hệ thống máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR 23

II Anten và khối cao tần trong máy thu GNSS 24

III Xử lý tín hiệu GNSS 37

1 Khái niệm kênh máy thu và xử lý tín hiệu 37

2 Đặc điểm của xử lý tính hiệu và dữ liệu 43

IV Nghiên cứu kit phát triển chip MAX2769 57

1 Giới thiệu chip MAX2769 và Evkit Max2769 57

2 Xây dựng hệ thống nghiên cứu chip MAX2769 60

Chương 3 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ANTEN CHO HỆ THỐNG GNSS 64

I Thiết kế anten mạch dải sử dụng trong hệ thống GNSS 64

1 Yêu cầu kỹ thuật anten GALILEO 64

2 Lý thuyết về anten mạch dải 2 tần số 64

II Phân tích, thiết kế và chế tạo thử nghiệm anten mạch dải GALILEO 66

1 Phân tích, thiết kế và chế tạo thử nghiệm anten mạch dải 2 tần số với cấu trúc dạng đĩa tròn 66

2 Phân tích, thiết kế anten mạch dải tần số sử dụng mạch tiếp điện hốc cộng hưởng có khe ghép trên mặt tiếp đất hình cánh cung 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81  

LỜI CAM ĐOAN

Tôi chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã được trích dẫn trong danh mục, ngoài

ra không sử dụng bất kỳ tài liệu tham khảo nào khác

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

2 ADC Bộ biến đổi tương tự - số (Analog Digital Converter)

3 AGC Điều khiển khuếch đại tự động

5 AWGN Nhiễu Gaussian trắng cộng

7 BPSK Khóa dịch pha nhị phân

8 CASM Coherent Adaptive Subcarrrier Modulation

9 CDMA Đa truy cập phân chia theo mã

10 CRC Phát hiện lỗi CRC (cyclic redundant check)

11 DFT Biến đổi Fourier rời rạc

20 IF Trung tần (Intermediate Frequency)

21 IF_BPF Bộ lọc thông dải trung tần

22 IF_PA Bộ khuếch đại công suất trung tần

23 L1 Tần số GPS và GALILEO (fL1 = 1575.42 MHz)

24 LHCP Phân cực tròn xoáy trái (Left Hand Circular Polarization)

25 LNA Bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low- Noise Amplifier)

26 LO Bộ dao động nội (Local Oscillator)

27 NCO Bộ dao động được điều khiển số

29 PRN Tạp âm giả ngẫu nhiên

32 RHCP Phân cực tròn xoáy phải (Right Hand Circular Polarization)

33 RNSS Dịch vụ định vị vệ tinh vô tuyến

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-2: Đặc điểm các hệ thống GNSS 12

Bảng 2-1: Thời gian thực hiện mỗi loại thuật toán 55

Bảng 2-2: Các tham số được kiểm tra 62

Bảng 3-1: Các dạng cơ bản của anten mạch dải hai tần số [4] 66

Bảng 3-2: Bốn nghiệm đầu tiên của hàm Bessel 68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Phổ tín hiệu GPS/GALILEO[1] 17

Hình 1-2: Sơ đồ máy thu Hyterodyne [2] 18

Hình 1-3: Sơ đồ máy thu Superhyterodyne [2] 19

Hình 1-4: Sơ đồ máy thu Homodyne [2] 20

Hình 2-1: Hệ thống máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR [3] 23

Hình 2-2: Kiến trúc hệ thống máy thu GNSS SDR [3] 24

Hình 2-3: Công suất tạp âm nhiệt và tín hiệu GPS trong miền tần số 25

Hình 2-4: Sơ đồ khối Front end GNSS L1[3] 26

Hình 2-5: So sánh các bộ lọc thông dải [3] 30

Hình 2-6: Biểu diễn 1000 mẫu trong miền thời gian [3] 34

Hình 2-7: Biểu đồ của 1,048,576 mẫu dữ liệu[3] 35

Hình 2-8: Biểu diễn 1,048,576 mẫu dự liệu GPS L1 trong miền tần số[3] 35

Hình 2-9: Miêu tả miền tần số đã được cải thiện Tần số trung tâm 1575.42 MHz[3] 37

Hình 2-10: Một kênh máy thu 38

Hình 2-11: Đồ thị dữ liệu thu thập cho PRN 21 41

Hình 2-12: Biểu diễn đồ thị thu nhận phổ biến, thực hiện cho 1 vệ tinh mà nó không quan sát thấy tại máy thu GPS Trong đồ thị này, tất cả các giá tị gần như đồng nhất, chỉ ra độ tương quan thấp [3] 41

Hình 2-13: Nguyên tắc cơ bản của định vị GNSS 43

Hình 2-14: Sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm nối tiếp 44

Hình 2-15: Các sóng cosine (a) và sine (b) được tạo ra trong máy thu [3] 47

Hình 2-16: Đầu ra từ kỹ thuật thu thập tìm kiếm nói tiếp 48

Hình 2-17: Sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm pha tần số song song 49

Hình 2-18: Giải điều chế mã PRN 50

Hình 2-19: Đồ thị PSD của tín hiệu tới được nhân bởi mã PRN 51

Hình 2-21: Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm pha mã song song 53

Hình 2-22: Đầu ra của phương pháp tìm kiêm pha mã song song 55

Hình 2-23: Sơ đồ chi tiết máy thu MAX2769 57

Hình 2-24: Sơ đồ khối thiết kế sử dụng MAX2769 60

Hình 2-25: Sơ đồ mạch EVKit 63

Hình 3-1: Anten mạch dải dạng đĩa tròn[5] 68

Hình 3-2: Cấu trúc bổ dọc của anten mạch dải hai tần số[6] 69

Hình 3-3: Anten mạch dải 2 tần số 71

Hình 3-4: Đồ thị phối hợp trở kháng S11[dB] 71

Hình 3-5: Đồ thị phương hướng anten 72

Hình 3-6: Hình dạng anten đã chế tạo thử nghiệm 73

Hình 3-7: Cấu trúc đa lớp (nhìn ngang) và layout tiếp điện thắt hình cung và cấu trúc vành khuyên (nhìn từ trên xuống) của anten phân cực tuyến tính 76

Hình 3-8: Mạng tiếp điện để tạo ra anten phân cực tròn xoáy phải 77

Hình 3-9: Mô hình anten trong mô phỏng bằng phần mềm CST 78

Hình 3-10: Sơ đồ nguyên lý bộ chia công suất kiểu cầu Wilkinson 78

Hình 3-11: Sơ đồ thiết kế bộ chia công suất cầu Wikilson bằng module Design – CST 79

Hình 3-12: Đồ thị phối hợp trở kháng S11[dB] 79

Hình 3-13: Layout của bộ chia công suất 80

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (như GPS của Mỹ, GNONASS của Nga) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, hàng hải, giao thông, hệ thống thông tin di động, trắc địa Nhưng do các hệ thống này ra đời chủ yếu phục vụ trong lĩnh vực quân sự nên độ chính xác của các dịch vụ phục vụ dân sự còn hạn chế Ngày nay, hệ thống GALILEO đang được Châu Âu nghiên cứu, chế tạo nhằm phục vụ cho các mục đích thương mại với

độ chính xác cao hơn so với hệ thống GPS Hơn nữa, công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (Software Defined Radio – SDR) là một xu hướng mới đang được phát triển trong các hệ thống thu phát viễn thông Tuy nhiên, những nghiên cứu lý thuyết và chế tạo máy thu và anten của Việt Nam còn rất nhiều hạn chế do thiếu điều kiện kỹ thuật, cơ sở vật chất Việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu GALILEO điều khiển bằng phần mềm sẽ góp phần vào lĩnh vực thiết kế, chế tạo hệ thống thu tín hiệu GNSS ở Việt Nam

Đã có rất nhiều những nghiên cứu trên thế giới về hệ thống máy thu GALILEO và

đã đạt được những thành quả nhất định Hiện tại đã có 2 vệ tinh được phóng thử nghiệm lên quỹ đạo thành công Dự án xây dựng hệ thống định toàn cầu GALILEO vẫn đang được gấp rút tiến hành và nghiên cứu

Mục đích của đề tài là nghiên cứu hệ thống máy thu GALILEO sử dụng công nghệ SDR, đi sâu vào nghiên cứu, thiết kế cấu trúc anten 2 băng tần, dải rộng và phân cực tròn xoáy để thu tín hiệu GALILEO (hai băng L1 và E5) Các lý thuyết về anten mạch dải hai băng tần dải rộng, cách tiếp điện đồng pha và công cụ thiết kế, mô phỏng sẽ được sử dụng làm công cụ nghiên cứu trong luận văn Đầu tiên thực hiện thiết kế cấu trúc anten 2 băng tần đơn giản, sau đó áp dụng nguyên lý tiếp điện anten theo kiểu ghép khe để đạt được anten dải rộng, trong đó mạng tiếp điện có dùng cấu trúc của các bộ chia công suất, bộ dịch pha 900 Kết quả thu được là cấu trúc anten hoạt động tại hai băng tần và phối hợp

Nội dung luận văn gồm ba chương:

- Chương thứ nhất: Trình bày tổng quan đặc điểm các hệ thống định vị toàn cầu GNSS, khảo sát một số kiến trúc máy thu và ứng dụng của chúng trong thực tế ngày nay

- Chương thứ hai: Trình bày về hệ thống máy thu tín hiệu GPS/ GALILEO sử dụng công nghệ SDR, nghiên cứu sâu về chip MAX2769 được sử dụng trong hệ thống máy thu GPS

- Chương thứ ba: Nghiên cứu về phương pháp thiết kế anten mạch dải hai tần

số, thiết kế và chế tạo anten mạch dải thu tín hiệu GALILEO

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

GNSS

I Vài nét về GNSS

Hiện tại trên thế giới có 4 hệ thống GNSS chính được phát triển ở nhiều quốc gia

khác nhau: Hệ thống thông tin định vị toàn cầu GPS của Mỹ, GLONASS của Nga,

GALILEO của liên minh Châu Âu và COMPASS của Trung Quốc Hệ thống GLONASS

được khôi phục và đưa vào sử dụng trong năm 2010 Hệ thống định vị GALILEO của liên

minh Châu Âu là một hệ thống đang được xây dựng, hệ thống gồm 2 pha: Pha In Orbit

Validation (IOV) đã được hoàn thành vào năm 2010, pha Full Orbit Constellation (FOC)

sẽ hoàn thành vào khoảng năm 2015 Trung Quốc đang xây dựng hệ thống định vị toàn

cầu COMPASS còn được gọi là Beidou-2 Beidou-1 là hệ thống phạm vi quốc gia Đặc

điểm chính của các hệ thống GNSS được tóm tắt trong bảng 1.1

Diện tích panel mặt trời 14 m2 23 m2 13 km2

Chỉ số 21 + 3 có nghĩa là trong chòm sao hệ thống có ít nhất 21 vệ tinh hoạt động chính và 3 vệ tinh dự phòng Do đó có tổng 24 vệ tinh trong quỹ đạo GALILEO bao gồm

ít nhất là 27 vệ tinh hoạt động chính và 3 vệ tinh dự phòng Như vậy, trên 1 mặt phẳng quỹ đạo sẽ có 10 vệ tinh Một trong số các vệ tinh này là tích cực trong 1 mặt phẳng quỹ đạo Số lượng vệ tinh của hệ thống GALILEO cao hơn so với GPS và GLONASS là do các vệ tinh GALILEO bay cao hơn

Chu kỳ quỹ đạo vệ tinh

Các vệ tinh GNSS phải bảo toàn vị trí chuyển động tương đối của chúng Các mặt phẳng vệ tinh phải đảm bảo giữ nguyên khoảng cách giữa các vệ tinh Trong hệ thống GPS, vấn đề này được giải quyết bằng cách chòm sao có chu kỳ lặp lại hàng ngày Điều

đó có nghĩa là tất cả các ngày thiên văn, vệ tinh nằm trên cùng một vị trí so với Trái đất Các vệ tinh phải cộng hưởng sâu với trường trọng lực Trái đất Một số vệ tinh trong chòm GPS trong thực tế có những nhiễu loạn đáng kể Những vệ tinh này phải được điều chỉnh

để giữ chúng gần nhất với vị trí quỹ đạo chuẩn

Trong hệ thống GLONASS, các vệ tinh lặp lại bằng cách tiếp nhận vị trí khác nhau Trong 1 mặt phẳng quỹ đạo, các vệ tinh được phân chia cách nhau 15 phút Cùng với chu kỳ quỹ đạo chuyển động là 11:15 h, điều này có nghĩa là sau mỗi ngày, vệ tinh trong mặt phẳng quỹ đạo chuyển động trên cùng một vết với vệ tinh trước đó trong cùng một mặt phẳng quỹ đạo Nó đảm bảo rằng chòm sao duy trì cố định nhưng tránh các ảnh hưởng của tính chất cộng hưởng Một vòng lặp lại của các vệ tinh GLONASS là 8 ngày

Trong hệ thống GALILEO, tiêu chuẩn thiết kế chủ yếu đó là mỗi vệ tinh cần tự điều chỉnh để giữ nó ở gần vị trí chuẩn của nó trong mặt phẳng quỹ đạo Bởi vậy, hoàn toàn tránh được hiện tượng cộng hưởng sâu như các vệ tinh GPS Chòm sao quỹ đạo trong hệ thống GALILEO sau 10 ngày lặp lại một lần Sự lựa chọn quỹ dạo GALILEO đảm bảo rằng chòm sao GALILEO tự duy trì một cách hoàn hảo hình dạng trong suốt chu

kỳ sống với khả năng tự điều chỉnh trên mỗi vệ tinh GALILEO

Các hệ thống có GNSS phụ trợ

Bên cạch những hệ thống GNSS hoàn chỉnh, cũng có những hệ thống GNSS phụ

trợ Hầu hết chúng được sử dụng với mục đích cải thiện hiệu suất cho GPS ngoại trừ hệ

thống bổ trợ cho GLONASS, Ở Mỹ, hệ thống phụ trợ cho GPS là WAAS (Wide Area

Augmentation System) Ở châu Âu, hệ thống tương tự được gọi là EGNOS (European

Geostationary Navigation Overlay System) Hệ thống của Nhật được gọi là MSAS

(MTSAT Satellite Augmentation System) Ở Ấn Độ, cũng phát triển hệ thống GAGAN

(GPS Aided Geo Augmented Navigation)

II Hệ thống GPS

Khái quát tín hiệu GPS:

Các tín hiệu GPS được phát đi trên 2 tần số vô tuyến băng UHF (500 MHz – 3

GHz) Hai tần số này được gọi là L1 và L2 là bội của tần số chuẩn f0 = 10.23 MHz

fL1 = 154.f0 = 1575.42 MHz (1.1)

fL2 = 120.f0 = 1227.60 MHz (1.2) GPS dân sự dùng tần số L1 1575,42 MHz trong dải UHF Tín hiệu truyền trực thị,

có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối

tượng cứng như núi và nhà

Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau - mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên

văn và dữ liệu lịch Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được vệ

tinh nào là phát thông tin nào Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết vệ tinh ở đâu trên

quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày Mỗi vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin

quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống Dữ liệu lịch được phát đều

đặn bởi mỗi vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (hoạt động tốt hay

Những nguồn lỗi của tín hiệu GPS:

 Những điều có thể làm giảm chất lượng tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới độ chính xác bao gồm: 

- Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion - Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển

- Tín hiệu đa đường - Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu

- Lỗi đồng hồ máy thu - Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS

- Lỗi quỹ đạo - Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo vị trí không chính xác

- Số lượng vệ tinh nhìn thấy - Càng nhiều vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì càng chính xác Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí tán lá dày có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được Nói chung, máy thu GPS không làm việc được trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất

- Hình học che khuất - Điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểm bất kì Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các vệ tinh ở vị trí góc rộng với nhau Phân bố xấu xảy ra khi các vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc co cụm thành nhóm

- Sự giảm có chủ tâm tín hiệu vệ tinh - Là sự làm giảm tín hiệu cố ý do sự áp đặt của

Bộ Quốc phòng Mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ quân sự dùng tín hiệu GPS chính xác cao Chính phủ Mỹ đã ngừng việc này từ tháng 5 năm 2000, làm tăng đáng kể

độ chính xác của máy thu GPS dân sự

III Hệ thống GALILEO

Cấu trúc của hệ thống GALILEO gồm 4 phần chính: Phân hệ toàn cầu, phân hệ cục bộ, phân hệ miền và phân hệ người sử dụng

- Phân hệ toàn cầu gồm các phân hệ quan trọng nhất của hệ thống: Phân hệ không gian (30 vệ tinh được đặt trên 3 mặt phẳng quỹ đạo), phân hệ mặt đất (gồm các trạm điều khiển, quản lý và bảo dưỡng hệ thống)

- Phân hệ miền gồm các trạm điều khiển để đảm bảo tính toàn vẹn của các bản tin được gửi đi trong hệ thống

- Phân hệ cục bộ gồm tất cả các thiết bị dùng để cải thiện chất lượng của các dịch vụ mong muốn tại các vùng cụ thể

- Phân hệ người sử dụng bao gồm tất các máy thu tín hiệu GALILEO

Tín hiệu GALILEO

Tín hiệu GALILEO được phát trên các dải tần 1164 – 1215 MHz (E5a và E5b),

1215 – 1300 MHz (E6) và 1559 – 1592 MHz (E2 – L1 – E1) Có phổ được biểu diễn trong hình 1-1

Mỗi vệ tinh GALILEO phát quảng bá 10 tín hiệu định vị khác nhau, tùy từng loại dịch vụ mà thu được các tín hiệu khác nhau Có 4 loại dịch vụ gồm: Dịch vụ mở (open service), dịch vụ an toàn cuộc sống (Safety – of – life), dịch vụ thương mại (commercial service) và các dịch vụ công cộng (public regulated service)

ấy Công suấ

EO

LASS điều chế riêng biệ

Tín h liệu Tín

và d Tín h

dữ liệu hiệu truy cập bị hạ iệu

m (0.1fW) dBm

ười sử dụng được p

g phần iều khiển thông qu

ạn chế thông qua s

phép truy cập, dữ

ua sự mã hóa mã

sự mã hóa mã và

™ Độ khuếch đại của máy thu phải lớn

- -130dBm tương ứng với biên độ RMS là 70nV tại anten

- Điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi ADC yêu cầu từ 1- 2V

2 Một số kiến trúc máy thu GPS

Các máy thu tín hiệu GPS có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau Dưới đây là hai kiểu máy thu phổ biến

™ Máy thu tạo phách hay máy thu Superhyterodyne

Sơ đồ khối máy thu Hyterodyne cơ bản:

Hình 1-2: Sơ đồ máy thu Hyterodyne [2]

Tín hiệu thu từ anten thu qua bộ lọc thông dải để loại bỏ tín hiệu không mong muốn

và khuếch đại tạp âm thấp LNA được chuyển xuống tần số trung tần để lọc sau đó tiếp tục được hạ xuống tần số băng cơ bản và tách thành tín hiệu trực giao I/Q Yêu cầu bộ lọc BPF1 phải có suy hao thấp để tăng độ nhạy máy thu Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA

bộ trộn) BPF2 là bộ lọc loại bỏ tần số ảnh, có độ nhạy lớn hơn độ nhạy của BPF1, suy hao cho phép lớn hơn suy hao của BPF1

Vấn đề khó: Lựa chọn tần số IF như thế nào cho phù hợp Nếu tần số IF cao, dễ dàng loại bỏ được tần số ảnh do khoảng cách tần số phổ chính và phổ ảnh xa nhau, yêu cầu khắt khe hơn về bộ lọc IF gây chi phí cao hơn Nếu tần số IF thấp, lọc và khuếch đại sau trộn tần dễ dàng hơn nhưng yêu cầu khắt khe hơn về bộ lọc loại bỏ tần số ảnh,

Giải pháp là: Xây dựng hệ thống máy thu có hai tầng biến đổi trung tần (hình 1.3)

Hình 1-3: Sơ đồ máy thu Superhyterodyne [2]

Tần số trung tần đầu tiên cao để dễ dàng đạt yêu cầu về bộ lọc loại bỏ tần số ảnh Tần số trung tần thứ 2 thấp để khuếch đại tín hiệu rẻ hơn Nhưng hệ thống này phải trả giá

về công suất tiêu thụ cao hơn, phức tạp hơn

Ưu điểm của cấu trúc này là dải động cao, tạp âm hệ thống thấp Tuy nhiên hệ thống này yêu cầu cao về phẩm chất bộ lọc đặc biệt là bộ lọc RF Thông thường phải sử dụng bộ lọc sóng âm bề mặt có kích thước lớn giá thành cao và khó tích hợp Ngoài ra các hệ thống này không có cùng trở kháng với LNA nên cần thêm các thành phần thụ động để phối hợp trở kháng Tính mềm dẻo của hệ thống không cao, rất khó sử dụng lại các thành phần cho các hệ thống khác

™ Máy thu giải điều chế tín hiệu trực tiếp hay máy thu Homodyne

Tín hiệu cao tần được đưa qua bộ lọc thông dải và bộ khuếch đại tạp âm thấp, sau đó được đưa đến bộ giải điều chế cầu phương cho phép khôi phục tín hiệu I/Q Tần số của bộ dao động nội chính bằng tần số của tín hiệu thu fLO = fRF

Hình 1-4: Sơ đồ máy thu Homodyne [2]

Hệ thống này loại bỏ được vấn đề tần số ảnh hoàn toàn, mềm dẻo, có thể sử dụng lại các thành phần trong hệ thống khác, dễ dàng chế tạo IC, tiêu thụ năng lượng ít hơn Máy thu phù hợp với hệ thống SDR

Tuy nhiên, hệ thống thu Homodyne gặp vấn đề về thành phần một chiều ở đầu ra bộ giải điều chế cầu phương, do sự cách ly không tốt giữa bộ dao động nội, bộ trộn và LNA; vấn đề về méo hài bậc chẵn và mất cân bằng giữa hai nhánh I/Q

Máy thu tạo phách có hiệu suất cao, dải động lớn nhưng lại cần bộ lọc có phẩm chất cao và không mềm dẻo, không thích hợp cho các mạch tích hợp Máy thu đổi tần trực tiếp không gặp vấn đề phải loại bỏ tần số ảnh nên phẩm chất bộ lọc có thể thấp hơn, mềm dẻo hơn trong các ứng dụng vào mạch tích hợp Tuy nhiên, máy thu này lại gặp các vấn đề về nhiễu dò, ít bộ khuếch đại

V Ứng dụng của các hệ thống GNSS:

Hệ thống định vị toàn cầu cung cấp những thông tin đáng tin cậy về định vị, dẫn đường và các dịch vụ thời gian cho người sử dụng dựa trên hoạt động liên tục trên toàn

và thời gian của thiết bị trong bất kỳ hoàn cảnh nào về thời tiết, ngày và đêm, bất kỳ nơi nào trên thế giới Xuất phát từ các tác dụng trên của hệ thống, các hệ thống định vị toàn cầu GNSS được ứng dụng trong các lĩnh vực thông dụng sau: Dẫn đường cho các phương tiện giao thông (như tích hợp trong các thiết bị di động, oto, máy bay, tàu biển), giám sát hành trình, lưu vết đối tượng, dịch vụ hướng vị trí (thông tin về vị trí địa lý của thiết bị di động thông minh) Ngoài ra chúng còn được ứng dụng trong lĩnh vực khoa học như trắc địa, bản đồ, giám sát môi trường, nghiên cứu về tầng khí quyển, phương tiện tự hành, đồng bộ thời gian trong các hệ thống viễn thông

Cụ thể ứng dụng trong khối dân sự phổ biến ở Việt Nam cho các việc quản lý và điều hành xe với các tính năng như:

- Giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc,

hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe…

- Xác định vị trí xe chính xác ở từng góc đường ( vị trí xe được thể hiện

nháp nháy trên bản đồ), xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang chạy, biết được lộ trình hiện tại xe đang đi (real time)

- Lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một

màn hình

- Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc tùy chọn

- Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm

- Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng)

- Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn

cố định kênh Để tăng tính mềm dẻo cho các ứng dụng trong thực tế, một trong những xu hướng công nghệ mới là đưa công nghệ máy thu có phần mềm điều khiển (SDR) Chương dưới đây sẽ trình bày các nghiên cứu về máy thu GNSS ứng dụng công nghệ SDR

Chương 2 MÁY THU GPS/GALILEO ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SDR

I Kiến trúc hệ thống máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR

Máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR là một hệ thống máy thu hai trong một (nghĩa là gồm 2 hệ thống máy thu GPS và GALILEO cùng hoạt động) và sẽ hoạt động tại band 1575MHz khi ứng dụng trong lĩnh vực hàng hải Hệ thống sẽ thu và giải điều chế tín hiệu GPS C/A (BPSK(1)) cùng với tín hiệu GALILEO BOC(1,1)

Hình 2-1Hệ thống máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR [3]

Hệ thống gồm anten để thu tín hiệu siêu cao tần từ Vệ tinh, khối Analog ASIC khuếch đại, lọc, đổi tần và chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tính hiệu số, khối xử lý tín hiệu số gồm nhiều kênh máy thu số để khôi phục dữ liệu dẫn đường, tính toán vị trí/vận tốc/ thời gian, và giao diện người sử dụng

Sau khi qua khối cao tần (Cao tần), tín hiệu dưới dạng tín hiệu số được đưa qua pha thu thập (Acquisition) Trong pha này, máy thu sẽ tìm kiếm các tín hiệu được phát đi bởi các vệ tinh quan sát được Khi tín hiệu của vệ tinh được tìm thấy, máy thu sẽ thực hiện ước lượng dịch tần Doppler của tần số sóng mang và dịch pha của mã Dịch tần và dịch pha có thể thực hiện song song hoặc nối tiếp Khi sự tương quan đạt được đến 1 ngưỡng

cần thiết thì giá trị đạt được tại đầu ra của bộ tương quan chính là giá trị cần tìm Sau khi giải điều chế và tách mã, tín hiệu số được đi qua các tầng tiếp theo của máy thu, ở đó dữ liệu dẫn đường được giải mã và dựa trên giá trị khoảng cách máy thu – vệ tinh đã biết, ta

sẽ tính toán được thời gian/ tốc độ/ vị trí của người sử dụng Kiến trúc của hệ thống máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR này được trình bày trong hình 2-2

Hình 2-2Kiến trúc hệ thống máy thu GNSS SDR [3]

II Anten và khối cao tần trong máy thu GNSS

Mục đích của phần này là để nêu một số quan niệm làm thế nào để tín hiệu vệ tinh được truyền trong không gian và kết quả thu được một luồng dữ liệu số Việc này được thực hiện thông qua khối anten/cao tần của hệ thống thu GNSS Làm rõ các khối chức năng của GNSS, thảo luận về mối liên quan giữa các khối khác nhau, và cách xử lý nguồn

dữ liệu số Tập trung vào các tín hiệu GNSS L1 băng hẹp, trước hết là mã C/A của hệ thống GPS và mã GALILEO BOC(1,1) Cuối cùng là giới thiệu khối cao tần GNSS nhiều băng

Tín hiệu GNSS, truyền sóng qua không gian, được thu bởi anten GNSS của người

sử dụng Nó gây ra một điện áp bên trong thành phần mạch máy thu Điện áp đó quá nhỏ, công suất tín hiệu thu được đảm bảo là -160 dBW trong hệ thông GPS, và tần số sóng mang là 1575.42 MHz Xem độ rộng băng tần là 2MHz, công suất tín hiệu GPS thu được thực tế thấp hơn tạp âm nhiệt, như phương trình 2.1 và được biểu diễn trong hình 2-3 Công suất tạp âm nhiệt tín hiệu mã C/A của hệ thống GPS có thể được tính xấp xỉ bằng 1.38.10-23 x 290 x 2.106 = 8.004.10-15 > -110.97 dBm

Ví dụ, nếu ta kết nối 1 anten GPS đến máy phân tích phổ và tìm kiếm tín hiệu GPS thì đặc tính của tín hiệu sẽ bị ẩn đi do bị lấn át bởi tạp âm nhiệt Đặc điểm là tín hiệu trải phổ đa truy cập phân chia theo mã Vì vậy, thiết kế khối cao tần phải dựa trên mức tạp âm nhiệt mạnh hơn bao nhiêu so với tín hiệu thu được tại băng tần L1 Biết rằng, băng L1 GNSS là băng tần được chỉ định cho dịch vụ dẫn đường vô tuyến hàng không, không có tín hiệu nào khác trong khoảng tần số này

Hình 2-3: Công suất tạp âm nhiệt và tín hiệu GPS trong miền tần số

Tần số trung tâm là 1575.42 MHz, 30 dBm = 1 dBW[3]

Điện áp tương tự sinh ra từ tín hiệu GPS tới và tạp âm nhiệt được lưu trữ có giá trị rất nhỏ và tại tần số cao đối với hầu hết các bộ biến đổi ADC Do đó, khối cao tần sẽ kết hợp các bộ khuếch đại, bộ trộn, bộ lọc và bộ dao động nội để biến đổi điện áp tới trên anten cho phù hợp trước khi lấy mẫu

Chức năng đầy đủ của front end trong hệ thống GNSS tại băng tần L1 được minh họa trong hình 2-4

Hình 2-4: Sơ đồ khối Front end GNSS L1[3]

Các thành phần của khối cao tần hệ thống GNSS băng L1

Khối cao tần có hầu hết các thành phần liên quan đến tín hiệu tương tự, bao quát một bộ ba tham số cơ bản liên quan đến hiệu suất anten được phân tích ở đây là tần số/độ rộng băng tần, sự phân cực, và đồ thị tăng ích

Anten sẽ được thiết kế để cảm ứng điện áp từ sóng vô tuyến được truyền đi tại tần

số L1 hay 1575.42 MHz Trong thực tế, tất cả các thành phần của khối cao tần GNSS đều

sử dụng trở kháng 50 Ohm Tín hiệu GNSS thu được là sóng vô tuyến phân cực tròn xoáy phải, và anten phải được thiết kế phân cực tròn xoáy phải Một trong những nguồn lỗi khó khăn nhất cho hệ thống GNSS đó là vấn đề đa đường Khi tín hiệu GNSS bị phản xạ từ các đối tượng trong không gian, tình huống không mong muốn cho hệ thống xảy ra trong việc đo thời gian truyền sóng, sự phân cực của sóng biến đổi thành phân cực tròn xoáy trái (LHCP) Một anten RHCP có tác dụng triệt tiêu tín hiệu LHCP và tối thiểu hóa nguồn lỗi Dĩ nhiên, sự phản xạ thứ 2 được thiết lập lại có sự phân cực tròn xoáy phải, nhưng công suất tín hiệu cũng bị giảm đi, đó là do xảy ra nhiều quá trình phản xạ Bởi vậy, sự phân cực của anten GNSS sẽ có tác dụng triệt tiêu đáng kể các lỗi phản xạ do đa đường

Từ nguồn tín hiệu phát đi của các vệ tinh GNSS là phần khởi đầu cho hầu hết các ứng dụng đồ thị phương hướng anten là hình bán cầu để thu tín hiệu chỉ từ các góc ngẩng dương từ tất cả các góc phương vị Các tia đa đường đến từ góc ngẩng thấp, đồ thị phương hướng anten nên được thiết kế để thu các tín hiệu có góc ngẩng 100 đến 200 Nhiều nghiên cứu được khuyến khích đó là anten GNSS kiểu dàn, hoặc kết hợp các thành phần anten riêng lẻ theo cách tổng hợp búp sóng anten

Phổ biến nhất là thực hiện anten L1 GNSS có hình dạng miếng chữ nhật hoặc dạng xoắn, ngoài ra cũng có nhiều hình dạng khác

Anten gồm 2 loại: Loại chủ động và bị động Anten thường được tích hợp với các thành phần cao tần khác để cải thiện hiệu suất làm việc và liên quan đến điều kiện môi trường mà ở đó anten hoạt động

Tham số quan trọng trong khối cao tần đó là hệ số tạp âm hệ thống Fn Tham số này đặc trưng cho mức tạp âm thêm vào tín hiệu tương tự khi đi qua hệ thống Dĩ nhiên, tạp

âm thêm vào hay tín hiệu trên tạp âm giảm là điều không mong muốn và cần được tối thiểu hóa

Hệ số tạp âm tổng cộng của hệ thống là Fsystem, hệ số tạp âm Fn của thành phần thứ

n trong hệ thống, và hệ số khuếch đại của thành phần thứ n trong nối tầng là Gn thì phương trình cho hệ số tạp âm là

sẽ có tác động nhỏ đối với hệ số tạp âm tổng cộng

Ví dụ, xem xét hoạt động của máy thu GNSS trong môi trường phòng thí nghiệm

Vị trí anten GNSS sẽ là trên cùng Trong hầu hết các trường hợp, sẽ cần 1 đoạn cáp chạy

từ máy thu đến anten và trở thành thành phần đầu tiên của khối cao tần Do tất cả các cáp

RF đều làm suy giảm tín hiệu, hay có hệ số tạp âm > 1 và không khuếch đại, hệ số tạp âm

hệ thống sẽ rất lớn Điều này có thể được cải thiện nếu bộ khuếch đại đặt ngay đằng sau anten Phương pháp này được thực hiện trong rất nhiều anten GNSS, thiết kế này được gọi là anten chủ động và nó được đặc trưng bởi hệ số tăng ích của bộ khuếch đại

Anten tích cực đạt được bằng cách phức hợp những thành phần anten thụ động và thành phần khuếch đại, yêu cầu phải cấp nguồn cho bộ khuếch đại nội Anten thường được phân tích bằng mô hình phân cực hình chữ T Thành phần phân cực T bao gồm có 3 cổng: RF, RF + DC và DC Thành phần này đưa công suất DC trên cáp anten từ cao tần

Anten thụ động là một thành phần trong những thiết kế này mà nó có anten được đặt rất gần với các mạch tương tự khác, và trong thực tế thì nó thường được đặt rất gần với bộ khuếch đại LNA

số mong muốn và không mong muốn Hơn nữa, thậm chí các tín hiệu tại các tần số trong băng còn ở những mức suy hao khác nhau

Thông thường, anten có khả năng lựa chọn tần số khá kém Khi đó, liên quan đến các mức công suất tín hiệu thu được (và cần thiết phải khuếch đại tín hiệu), điều quan trọng là phải khử thành phần tín hiệu ngoài băng và có công suất cao Vì lý do này mà bộ lọc thông dải thường là thành phần đầu tiên theo ngay sau anten Các bộ lọc có thể được đặc trưng bởi tham số suy hao truyền qua, hoặc độ suy hao của thành phần tần số mong muốn Điều kiện lý tưởng, bộ lọc không suy hao, nhưng trong thực tế không chế tạo được

bộ lọc như vậy, và độ suy hao càng thấp phẩm chất bộ lọc càng tốt Chú ý rằng, suy hao

do truyền qua của bộ lọc này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số tạp âm hệ thống khi nó được đứng trước bộ khuếch đại đầu tiên Còn thường xảy ra nhiều trường hợp triệt tiêu tín hiệu băng tần liền kề làm cho băng tần mà anten đã chọn bị giới hạn Nếu máy thu hoat động trong môi trường mà không có các máy phát băng tần liền kề công sất cao trong khoảng cách gần, thì bộ lọc này không cần thiết và vị trí của bộ khuếch đại đầu tiên và bộ lọc có thể được thay thế cho nhau Tác động đến hệ số tạp âm có thể được tối thiểu bằng cách lựa chọn bộ lọc có độ suy truyền qua thấp

Tham số thứ 2 của bộ lọc là độ rộng băng tần là khoảng tần số mà tại đó công suất suy giảm 3dB Tuy nhiên, hai tham số này không miêu tả bộ lọc đầy đủ nhất mà chỉ là một vài đặc điểm của nó, như biểu diễn trong hình 2-5

  Hình 2-5: So sánh các bộ lọc thông dải [3]

Mục đích trong việc thiết kế bộ lọc là tạo ra đường quá độ sắc cạnh giữa các tần số băng tần mong muốn và không mong muốn mà vẫn duy trì sự suy hao truyền qua tối thiểu Phụ thuộc vào sự thực hiện bộ lọc trong thực tế (có thể là hốc cộng hưởng, sóng âm

bề mặt SAW, gốm, hoặc các phần tử mạch tập trung (điện trở, tụ điện và các bộ lọc), nó

có thể được thực hiện bằng cách tăng số lượng các thành phần trong quá trình thiết kế

Bộ khuếch đại:

Khuếch đại là 1 quá trình làm tăng biên độ tín hiệu Không giống hầu hết các bộ lọc, bộ khuếch đại là thành phần tích cực và cần có nguồn để thực hiện chức năng của nó Chú ý rằng, bộ khuếch đại lý tưởng sẽ chỉ làm tăng biên độ tín hiệu Tuy nhiên, trên thực

tế, bất cứ bộ khuếch đại nào cũng không chỉ tăng biên độ mà nó còn tăng tạp âm Dĩ nhiên, mục tiêu thiết kế là có 1 thành phần khuếch đại mà khuếch đại được tín hiệu và có

f  

Các tham số chính đặc trưng cho bộ khuếch đại là:

- Hệ số khuếch đại, thường được biểu thị bằng dB, và thường được giả sử là không đổi trong dải tần số xác định

Cũng vậy, sự khuếch đại được biểu diễn trong hình 2-4 biểu diễn bộ khuếch đại

có hệ số G là 50 dB Trong thực tế, ít có bộ khuếch đại đơn nào đạt được hệ số khuếch đại như vậy mà phải được nối tầng nhiều bộ khuếch đại với nhau

Mục đích của nó trong mạch là làm tăng biên độ tín hiệu tới rất yêu lên mức có thể chấp nhận được cho bộ chuyển đổi tương tự - số Bởi vậy, khuếch đại lên bao nhiêu phụ thuộc vào đặc điểm của bộ ADC

Bộ dao động nội và bộ trộn:

Chức năng chính của sự kết hợp bộ dao động nội/ bộ trộn là để chuyển đổi sóng RF đầu vào (tại tần số 1575.42 MHz) thành tần số trung gian thấp hơn và vẫn giữa cấu trúc tín hiệu đã được điều chế

Thiết kế trong hình 2-4 sử dụng 1 tầng chuyển đổi tần số tương tự Tuy nhiên, nó

có thể thực hiện nhiều tầng đổi tần tương tự trong 1 khối thiết kế cao tần Lựa chọn cấu trúc dựa trên các thành phần sử dụng và các đặc điểm riêng của chúng Phần này tập trung vào xem xét chức năng của 1 tầng đơn

Bộ dao động nội cho các thiết kế cao tần GNSS thường là sự kết hợp của nhiều thành phần Hầu hết các bộ dao động nội thạch anh, hoặc đứng riêng hoặc được bù nhiệt

để tăng khả năng làm việc, không có khả năng tạo ra tần số dao động nội mong muốn cho tín hiệu L1 GNSS Bởi vậy, phải sử dụng PLL kết hợp với bộ dao động thạch anh để đạt được tần số của bộ dao động nội cao hơn Thêm vào đó, bộ dao động nội được qua bộ chia tần để giảm tần số, phục vụ cho đồng hồ lấy mẫu (trong hình I-5) Nguồn tần số đơn đóng vai trò quan trọng vì nó liên quan đến lỗi trôi tần số

Bộ trộn hoạt động thông qua tính đồng nhất lượng giác được biểu thị như sau:

Trên thực tế, để đơn giản hóa loại bỏ thành phần tần số cao, ta cần sử dụng 1 bộ lọc thông thấp Tuy nhiên trong các phương trình trên thể hiện mô hình đơn giản hóa của

bộ lọc, trong thực tế thì nó còn phức tạp hơn khá nhiều Các tham số hệ số suy hao, cách

ly, dải động và tự điều chế của bộ trộn cần phải được xem xét đến Trong trường hợp này,

phát sinh từ bộ trộn Với việc kết hợp bộ trộn/ bộ dao động nội, thiết bị sẽ có khả năng chuyển đổi tần số sóng mang RF thành trung tần

Mục đích của hệ thống này là để phát triển các máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm cho các tín hiệu L1 dải hẹp, với định nghĩa dải hẹp là dải có độ rộng 2 – 8 MHz

Gọi hệ số phẩm chất của bộ lọc là Q, tần số trung tâm của bộ lọc (1575.42 MHz) là fcenter, và độ rộng băng tần là BW Thì hệ số phẩm chất của bộ lọc là:

W

center f Q B

=

(2.4)Nếu chúng ta giả sử một độ rộng băng tần 3dB và một bộ lọc bắt búp sóng chính của phổ GPS (độ rộng 2.046 MHz), hệ số phẩm chất của bộ lọc là 770 – giá trị quá cao

Với bộ lọc tại tần số IF 47.74 MHz như thiết kế trong hình 2-4, hệ số Q là 47.74/2.04 = 23.33, là một bộ lọc có tính thực tế hơn nhiều Bỏi vậy, sự đổi tần xuống IF cho phép bộ lọc có tính chất chọn tần cao hơn với thành phần ít phức tạp hơn và chi phí thấp hơn nhiều

Hệ số thứ hai thúc đẩy dẫn đến phải đổi tần đó là hệ số hồi tiếp Tín hiệu RF được khuyếch đại lên một số lần rất lớn; hệ số khuyếch đại khoảng trên 100 dB Nếu điều này được thực hiện tại chỉ một tần số, thì hiện tượng hồi tiếp sẽ trở thành một vấn đề lớn trừ khi có che chắn, cách ly kỹ càng giữa các thành phần RF Mặt khác, nếu hệ số khuyếch đại 100 dB được đưa vào tất cả các thành phần trong băng 1575.42 MHz kể cả các đoạn cáp nối RF giữa các thành phần mạch Thực hiện ghép nối nhiều tầng trong thiết kế khối cao tần cho phép hệ số khuếch đại được phân bố qua tần số Ví dụ, trong bộ đổi tần đơn tầng biểu diễn trong hình 2-4, hệ số khuyếch đại trong dãy RF được chia cho khuyếch đại

RF và IF Bởi vậy mức độ che chắn và cách ly phải đảm bảo để tránh hồi tiếp giảm từ đầu

4 bit

ên cung cấp-6, 2-7 và 2

rong miền

ầu vào của c

động của ctrong miền

ồ của 1,048

mẫu dự liệ

không phâiểu đồ, rõ rđây giống

,576 mẫu d

ệu GPS L1

ân biệt rõ đràng là ADvới hàm ph

dữ liệu[3]

1 trong miề

được mặc d

DC 4 bit tạohân bố xác

]

an sát ở

ức tạo ra

ến ngẫu

nhiên Gauss, được dùng để biểu diễn cho nhiễu trắng ở hình 2-3 Theo đó, tạp âm nhiệt sẽ lấn át các mẫu tín hiệu thu được

Đầu tiên, mức tạp âm không phải là trắng, hoặc phẳng và đồng nhất như một hàm của tần số, nhưng có một vài cấu trúc xác định Nó là kết quả của bộ lọc thông dải cuối cùng Bộ lọc thông dải độ rộng 6 MHz này cho phổ của tín hiệu tương tự được lấy mẫu Bởi vậy, đặc trưng của bộ lọc này được thêm vào hình 2-8

Thứ 2, điểm lồi trong trung tâm của dải thông là tần số IF thu được của tín hiệu sau khi đổi tần Nó xuất hiện trở thành búp chính 2.046 MHz của phổ hình sin của bản thân tín hiệu Với mức công suất tín hiệu đặc trưng thu được thấp hơn rất nhiều so với tạp âm nhiệt Để phân tách tín hiệu vệ tinh từ tất cả các tín hiệu đầu vào tại anten, cần:

- Công suất tín hiệu vệ tinh thu được đơn lẻ hiện tại cao hơn so với một mức đặc trưng nhỏ nhất

- Theo tính chất đa truy nhập phân chia theo mã CDMA của hệ thống GPS: có sự che phủ tất cả công suất tín hiệu vệ tinh tại trung tần; bởi vậy, phổ biểu diễn sẽ là tổng cộng của tất cả công suất tín hiệu vệ tinh quan sát được

  Hình 2-9: Miêu tả miền tần số đã được cải thiện [3] (tần số trung tâm 1575.42 MHz)

Hai yếu tố này dẫn đến một vài cấu trúc từ phổ tín hiệu vệ tinh trong miền tần số của dữ liệu thu thập được

Trong hầu hết các phần, dữ liệu giống với tạp âm nhiệt, và yêu cầu phải có tất cả các quá trình xử lý tín hiệu GNSS, tự hiệu chỉnh và sử dụng sự truyền sóng dẫn đường

III Xử lý tín hiệu GNSS

1 Khái niệm kênh máy thu và xử lý tín hiệu

Các kênh máy thu

Trong hình 2-10 trình bày một cách tổng quan về kênh Trước khi chỉ định 1 kênh cho 1 vệ tinh, máy thu phải biết những vệ tinh nào đang quan sát được Có 2 cách chung cho việc tìm kiếm các vệ tinh quan sát được Một cách gọi là “khởi động nóng” và cách còn lại gọi là “khởi động nguội”

Khởi động nóng: Là quá trình khởi động mà máy thu sẽ kết hợp thông tin dữ liệu niên lịch đã được lưu trữ và vị trí cuối cùng tính toán được từ máy thu Dữ liệu niên lịch được sử dụng để tính toán vị trí thô của tất cả các vệ tinh tại thời điểm thực tế Sau đó, những vị trí này được kết hợp với vị trí máy thu trong thuật toán tính toán có kết hợp với

vị trí của các vệ tinh quan sát được Khởi động nóng có ít nhất 2 khuyết điểm Nếu máy thu đã di chuyển 1 quãng đường xa so với vị trí nó vừa tắt trước đó, vị trí máy thu không thể đúng và các vệ tinh đã tìm được không phù hợp với các vệ tinh quan sát thực tế Nhược điểm khác là dữ liệu niên lịch có thể đã quá hạn, nên chúng không cung cấp các vị trí vệ tinh tốt Trong trường hợp đó, máy thu phải khởi động nguội

Khởi động nguội: Là quá trình khởi động mà máy thu không dựa trên bất cứ một thông tin đã lưu trữ nào Thay vào đó, nó bắt đầu tìm kiếm vết cho các vệ tinh Phương thức tìm kiếm này được coi là phương thức thu thập và nó được miêu tả trong phần dưới đây

Hình 2-10: Một kênh máy thu

Sự thu thập tạo ra các ước lượng thô các tham số tín hiệu Các tham số này được định nghĩa lại bởi 2 khối tự hiệu chỉnh Sau tự hiệu chỉnh, có thể thu được dữ liệu dẫn đường và giả khoảng cách Một quá trình tính toán thu thập dữ liệu thông qua tất cả các

vệ tinh có thể quan sát được mất khá nhiều thời gian Trong thực tế, đây là lý do vì sao khởi động nóng được ưu tiên trước nhất

Quá trình thu thập dữ liệu:

Mục đích của sự thu thập là để nhận ra tất cả các vệ tinh có khả năng quan sát Nếu

vệ tinh quan sát được, sự thu thập phải xác định 2 thuộc tính sau của tín hiệu:

Tần số: Tần số của tín hiệu từ một vệ tinh nào đó có thể khác so với giá trị chuẩn của nó Trong trường hợp đổi tần, tần số tiêu chuẩn của tín hiệu GPS trên băng L1 tương ứng với tần số trung tần Tuy nhiên, các tín hiệu bị tác động bới sự chuyển động tương đối của vệ tinh, gây ra hiệu ứng Doppler Độ dịch tần Doppler có thể - trong trường hợp vận tốc lớn nhất của vệ tinh và vận tốc người sử dụng rất cao – đạt tới 10 kHz; xem Tsui (2000), trang 39 Nếu máy thu đứng yên trên mặt đất, độ dịch tần Doppler không bao giờ lớn hơn 5 kHz

Pha mã: Pha mã biểu thị điểm trong khối dữ liệu mà ở đó mã C/A bắt đầu Nếu khối dữ liệu có độ dài 1ms được kiểm tra, dữ liệu gồm mã C/A đầy đủ và bởi vậy, có 1 điểm bắt đầu của mã C/A

Có nhiều phương thức đã được sử dụng nhưng chúng đều dựa trên thuộc tính tín hiệu GPS Các thuộc tính tương quan mã C/A đóng vai trò đặc biệt

Tín hiệu thu được s là tổng của các tín hiệu đến từ n vệ tinh quan sát thấy

s(t) = s1(t) + s2(t) + + sn(t) (2.5) Khi đang thu tín hiệu vệ tinh k, tín hiệu đến s được nhân với mã C/A tạo ra tương ứng với vệ tinh k Sự tương quan chéo giữa các mã C/A cho các vệ tinh khác nhau hiểu rằng các tín hiệu từ các vệ tinh khác nhau gần như bị loại bỏ bởi thủ tục này Để tránh việc loại bỏ thành phần tín hiệu mong muốn, bộ tạo mã C/A tạo ra phải được đồng chỉnh đúng lúc, đó là, có pha mã đúng

Sau khi nhân với mã tạo ra, tín hiệu phải được trộn với sóng mang tạo ra trong máy thu Nó được thực hiện để loại bỏ thành phần sóng mang ra khỏi tín hiệu thu được Để loại sóng mang từ tín hiệu, tần số của tín hiệu được tạo ra phải rất gần với tần số sóng

mang của tín hiệu Như đã đề cập, tần số có thể thay đổi trong khoảng 10 KHz so với tần

số chuẩn, nên các tần số nằm ngoài khoảng tần số này phải được kiểm tra Để nhận ra có hay không vệ tinh được quan sát, khoảng tần số đủ để tìm kiếm tần số với bước 500 Hz để phát hiện ra 40 tần số khác nhau trong trường hợp máy thu di chuyển nhanh và 21 trong trường hợp máy thu đứng yên; xem Akos (1997) Sau khi trộn với tần số sóng mang tự tạo ra trong máy thu, tất cả các thành phần tín hiệu được bình phương là công tổng để tạo

ra một giá trị số

Việc thu dữ liệu làm việc giống như thủ tục tìm kiếm Cho mỗi tần số khác nhau có

1023 mã khác nhau Khi đã thử tất cả các khả năng cho pha mã và tần số, sự tìm kiếm giá trị lớn nhất được thực hiện Nếu giá trị lớn nhất vượt trội so với ngưỡng được xác định, vệ tinh được tính toán với độ dịch tần và dịch pha tương ứng Hình 2-11 biểu diễn đồ thị tín hiệu thu được từ một vệ tinh quan sát được Đồ thị thể hiện đỉnh cao đáng kể, chỉ ra rằng

độ tương quan cao

Hình 2-12 biểu diễn đồ thị thu nhận phổ biến, thực hiện cho 1 vệ tinh mà nó không quan sát thấy tại máy thu GPS Trong đồ thị này, tất cả các giá trị gần như đồng nhất, chỉ ra độ tương quan thấp

và tự hiệu chỉnh tần/pha sóng mang

Tự hiệu chỉnh mã: Được thực hiện phổ biến nhất là lặp khóa trễ, ở đó có 3 mã nội được tạo ra và tương quan với tín hiệu đến 3 thành phần này được gọi là sớm, tức thời và trễ 3 mã này thường cách nhau ½ chiều dài chip