Nghiên cứu phát triển giải pháp định vị vệ tinh GPS phối hợp với các

11 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Giải thích cụm từ viết tắt Giải thích nghĩa ti ếng Việt ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số A-GPS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÂM HOÀNG HẢI

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS

PHỐI HỢP VỚI CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG

NGÀNH KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TẠ HẢI TÙNG

Hà Nội – 2015

2

QUYẾT ĐỊNH GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

1 Thông tin về học viên

Họ và tên học viên: LÂM HOÀNG HẢI MSHV: CB130031

Nghành: Kỹ thuật Máy tính và Truyền thông

Điện thoại liên lạc: +84 983677098

Email: lamhoanghai1976@gmail.com

Luận văn được thực hiện tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Thời gian làm Luận văn: Từ ngày 29/4/2014 đến 31/3/2015

2 Mục đích nội dung của Luận văn

Mục đích chính của Luận văn là nghiên cứu một qui trình phối hợp giữa bộ thu GPS với mạng truyền thông để cải thiện chất lượng định vị khi bộ thu hoạt động trong môi trường bất lợi, tín hiệu GPS yếu hoặc bị che khuất

Luận văn trình bày các vấn đề liên quan đến các phương pháp hỗ trợ cho định vị A-GPS theo chuẩn SUPL Đây là một chuẩn mới dùng để phát triển các hệ thống hỗ trợ định vị A-GPS trên hạ tầng mạng IP (Internet Protocol)

Từ đó phân tích để đưa ra mô hình hỗ trợ định vị trong điều kiện máy thu không nhìn thấy các vệ tinh GPS

3 Các nhiệm vụ cụ thể của Luận văn

Để đạt được mục đích trên, Luận văn tập trung vào thực hiện các nhiệm vụ

- Thử nghiệm, đánh giá các kết quả đạt được

- Đề xuất hướng phát triển của luận văn

3

4 Lời cam đoan của học viên

Tôi –Lâm Hoàng Hải– cam kết Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Tạ Hải Tùng

Các kết quả nêu trong Luận văn là trung thực, không phải là bản sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác Nội dung trích dẫn là trung thực

Hà Nội, ngày tháng 5 năm 2015

Tác giả Luận văn

Lâm Hoàng Hải

5 Xác nhận của giáo viên hướng dẫn về mức độ hoàn thành của LVTN và cho phép bảo vệ

4

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Nội dung luận văn tốt nghiệp bao gồm 03 chương được trình bày như sau: CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Vấn đề của môi trường định vị hiện nay

2.3.3 Giao thức Radio Resource LCS (Location Service) Protocol

CHƯƠNG 3 TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM

3.1 Tìm hiểu phần mềm mã nguồn mở Tajuma

3.1.1 Tổng quan về Tajuma

3.1.2 Supl-client

3.1.3 Supl-proxy

3.2 Cài đặt và triển khai hệ thống

3.2.1 Cài đặt khai hệ thống hỗ trợ định vị Tajuma

3.2.2 Triển khai supl-client

3.2.3 Triển khai supl-proxy

5

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tác giả Luận văn xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS

Tạ Hải Tùng đã quan tâm định hướng và tạo mọi điều kiện giúp đỡ học viên hoàn

thành Luận văn này

Tác giả Luận văn xin gửi lời cảm ơn Ban lãnh đạo Trung tâm NAVIS, các

cán bộ của Trung tâm NAVIS, Trường Đại học BKHN và các thầy cô trong Viện

Công nghệ Thông tin và Truyền thông đã trang bị kiến thức nền tảng trong suốt quá

trình rèn luyện và học tập của học viên

Tác giả Luận văn xin gửi lời cảm ơn Th.S Nguyễn Thị Thanh Tú cán bộ

Trung Tâm NAVIS, các tác giả nghiên cứu đi trước đã cung cấp cho tác giả Luận

văn những tài liệu tham khảo có giá trị

Cuối cùng, tác giả Luận văn xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn

bè và người thân đã hỗ trợ và động viên tác giả trong quá trình thực hiện Luận văn

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Lâm Hoàng Hải

6

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP .2

LỜI CẢM ƠN 5

MỤC LỤC 6

DANH MỤC HÌNH 8

DANH MỤC CÁC BẢNG 10

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 11

LỜI MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 14

1.1 Vấn đề của môi trường định vị hiện nay 14

1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống định vị GPS 14

1.1.2 Môi trường định vị ngày nay 15

1.2 Các giải pháp 15

1.2.1 Các giải pháp hỗ trợ định vị GPS 15

1.2.2 Giải pháp A-GPS 18

1.3 Tổng kết 19

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20

2.1 Tổng quan các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 20

2.1.1 Cấu trúc hệ thống GPS 21

2.1.2 Ứng dụng của hệ thống GPS 23

2.2 Kiến trúc bộ thu GNSS 25

2.2.1 Tổng quan Kiến trúc bộ thu GNSS 25

2.2.2 Dò tín hiệu (Acquisition) 25

2.3 Giới thiệu A-GPS và chuẩn SUPL 34

2.3.1 Assited GPS 34

2.3.2 Chuẩn SUPL hỗ trợ định vị vệ tinh 40

2.3.3 Giao thức Radio Resource LCS (Location Service) Protocol 47

2.4 Tổng kết 49

CHƯƠNG 3 TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM 50

3.1 Phần mềm mã nguồn mở Tajuma 50

3.1.1 Tổng quan 50

3.1.2 Supl-client 51

3.1.3 Supl-proxy 52

7

3.2 Cài đặt và triển khai hệ thống 53

3.2.1 Cài đặt khai hệ thống hỗ trợ định vị Tajuma 53

3.2.2 Triển khai supl-client 53

3.2.3 Triển khai supl-proxy 57

3.3 Kịch bản thử nghiệm 58

3.3.1 Kịch bản 1: Thu tín hiệu vệ tinh GPS khu vực không bị che khuất 58

3.3.2 Kịch bản 2: Thu tín hiệu vệ tinh GPS khu vực bị che khuất 64

3.3.3 Kịch bản 3: Bộ thu đƣợc cung cấp thông tin số hiệu vệ tinh 71

3.4 Tổng kết 74

KẾT LUẬN 75

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

8

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình bộ thu đa kênh thu nhiều tín hiệu từ các vệ tinh GNSS 15

Hình 1.2: Sơ đồ thực hiện dịch vụ hỗ trợ Multi-GNSS 16

Hình 1.3: Mô hình hoạt động của giải pháp GBAS 17

Hình 1.4: Mô hình thực hiện dịch vụ hỗ trợ WAAS 17

Hình 2.1: Mô tả hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS [2] 21

Hình 2.2: Các thành phần của hệ thống GPS [2] 21

Hình 2.3: Hệ thống vệ tinh GPS 22

Hình 2.4: Mạng lưới trạm giám sát và điều khiển trung tâm của hệ thống GPS 23

Hình 2.5: Kiến trúc một bộ thu GNSS thông thường [1] 25

Hình 2.6: Kiến trúc quá trình khai phá tín hiệu [1] 26

Hình 2.7: Không gian tìm kiếm quá trình khai phá tín hiệu với mỗi vệ tinh [1] 27

Hình 2.8: Đồ thị 3 chiều hàm CAF khi tìm thấy vệ tinh 28

Hình 2.9: Sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm tuần tự [5] 29

Hình 2.10: Đầu ra từ thuật toán tìm kiếm tuần tự 30

Hình 2.11: Sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm song song trên miền tần số [5] 30

Hình 2.12: Giải điều chế mã PRN [5] 31

Hình 2.13: Sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm code phase song song [5] 32

Hình 2.14: Một số phương pháp phối hợp sau bộ tương quan [1] 33

Hình 2.15: Hệ thống A-GPS cơ bản 36

Hình 2.16: Mô hình Server tham chiếu 37

Hình 2.17: Kiến trúc hệ thống SUPL [10] 42

Hình 2.18 : Cơ chế hoạt động proxy-mode [10] 43

Hình 2.19: Cơ chế hoạt động non-proxy mode [10] 44

Hình 2.20: Kịch bản SET khởi tạo và SLP hoạt động ở chế độ proxy [10] 46

Hình 3.1: Mô hình kiến trúc hệ thống Server hỗ trợ A-GPS 51

Hình 3.2: Kết quả Server google trả về supl-client 54

Hình 3.3: Các thông số Almanac Server trả về supl-client 55

Hình 3.4: Kết quả trả về số hiệu vệ tinh khi kết nối tới Server A-GPS 56

9

Hình 3.5: Kết quả các vệ tinh khi kiểm tra bằng phần mềm Orbitron 3.71 56

Hình 3.6: Mô hình triển khai Kịch bản 1 59

Hình 3.7: Địa điểm triển khai thu bộ dữ liệu cho Kịch bản 1 59

Hình 3.8: Các vệ tinh GPS thu được trong bộ dữ liệu khi chưa tăng độ nhạy 60

Hình 3.9: Các vệ tinh GPS thu được trong bộ dữ liệu khi đã tăng độ nhạy 61

Hình 3.10: Biểu đồ số lượng vệ tinh thu được khi chưa tăng độ nhạy 63

Hình 3.11: Biểu đồ số lượng vệ tinh thu được khi đã tăng độ nhạy 63

Hình 3.12: Thời gian thực hiện dò dữ liệu trong bộ dữ liệu không bị che khuất 64

Hình 3.13: Mô hình triển khai Kịch bản 2 65

Hình 3.14: Địa điểm triển khai thu bộ dữ liệu cho Kịch bản 2 65

Hình 3.15: Các vệ tinh GPS thu được trong bộ dữ liệu khi chưa tăng độ nhạy 66

Hình 3.16: Các vệ tinh GPS thu được trong bộ dữ liệu khi đã tăng độ nhạy 68

Hình 3.17: Biểu đồ số lượng các vệ tinh thu được khi chưa tăng độ nhạy 70

Hình 3.18: Biểu đồ số lượng các vệ tinh thu được khi tăng độ nhạy 70

Hình 3.19: Thời gian thực hiện dò dữ liệu trong bộ dữ liệu bị che khuất 71

Hình 3.20: Mô hình triển khai Kịch bản 3 71

Hình 3.21: Biểu đồ số lượng vệ tinh thu được khi chưa có thông tin A-GPS 73

Hình 3.22: Biểu đồ số lượng vệ tinh thu được khi đã có thông tin từ A-GPS 73

Hình 3.23: So sánh thời gian thực hiện dò dữ liệu trong 2 trường hợp khác nhau 74

10

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2-1: Mô tả bản tin thuộc nhóm Lup Location Service Management [10] 45

Bảng 2-2: Mô tả các bản tin thuộc nhóm Lup Positionng Determination [10] 45

Bảng 2-3: Các trường dữ liệu trong GPS Assisted Data [10] 48

Bảng 3-1: Bảng thông số Almanac do Server cung cấp 55

Bảng 3-2: Bảng so sánh số lượng PRN tìm thấy khi kết nối với Server A-GPS 57

11

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Giải thích cụm từ viết tắt Giải thích nghĩa ti ếng Việt

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương

tự sang tín hiệu số A-GPS Assisted Global Positioning

System

Hệ thống hỗ trợ định vị toàn cầu

ASIC Application Specific Integrated

ASN.1 Abstract Syntax Notation One Cú pháp trừu tượng số 1

BTS Base Transmistion Station Trạm truyền cơ sở

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

Galileo GBAS Ground Based Augmentation

GLONASS Global Orbital Navigation

Satellite System

Hệ thống vệ tinh định vị quĩ đạo toàn cầu

GNSS Global Navigation Satellite

System

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ truyền vô tuyến đóng gói bản tin chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống truyền thông di động toàn cầu

HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao

IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nghịch đảo

LBS Location Base Service Dịch vụ vị trí cơ sở

LORAN Long Range Navigation Hệ thống định vị LORAN

12

MCS Master Control Station Trạm điều khiển chính

MSA Mobile Station Assisted Hỗ trợ mạng di động

PDF Probability Distribution Function Hàm phân bố xác suất

PER Packed Encoding Rules Qui tắc mã hoá đóng gói POTAP Push Over-The-Air Protocol Giao thức Push Over-The-Air

PPS Precise Positioning Service Dịch vụ định vị chính xác

PVT Position Velocity Time Tính thời gian vận tốc vị trí QZSS Quasi-Zenith Satellite System Hệ thống vệ tinh Quasi-Zenith RINEX The Receiver Independent

SET SUPL Enabled Terminal Thiết bị đầu cuối chuẩn SUPL

SLP SUPL Location Plaform Phần nền định vị chuẩn SUPL

SUPL Secure User Plane for Location Chuẩn hỗ trợ định vị SUPL TLS Transport Layer Security Bảo mật lớp truyền

UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

UTC Universal Time Coordinated Giờ quốc tế hợp chuẩn

WAAS Wide Area Augmentation System Hệ thống hỗ trợ diện rộng WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng mạng

không dây XML eXtensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng

SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn ngắn

SPS Standard Positioning Service Dịch vụ định vị chuẩn

13

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay công nghệ định vị toàn cầu có tên gọi tắt là (GPS), tên chính thức

của hệ thống được sử dụng trong Bộ quốc phòng Mỹ là NAVSTAR GPS viết tắt

tiếng Anh của cụm từ (Navigational Signal Tuning And Ranging Global Positioning

System) được ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như: Hệ

thống dẫn đường trên ô tô, điện thoại, các thiết bị hỗ trợ cá nhân cầm tay Sự xuất

hiện của công nghệ này được xem là một cuộc cách mạng với nền khoa học kỹ thuật

thế giới Hệ thống định vị toàn cầu càng ngày càng được hoàn thiện và độ chính xác

trong định vị ngày càng được cải thiện nhờ các công nghệ và giải pháp mới

Hệ thống định vị vệ tinh GPS hoạt động ngoài trời (khi không bị che khuất)

cho kết quả định vị rất tốt Ngược lại khi ở những vùng che khuất, hạn chế về tầm

nhìn thấy vệ tinh GPS (như ở trong nhà, đường hầm, ) thì GPS không hoạt động

được Hiện nay các mạng viễn thông cũng cung cấp các giải pháp định vị có thể

hoạt động trong các điều kiện trên, vì vậy việc định vị mục tiêu cần quan tâm được

đảm bảo thông suốt, bảo đảm tính liên tục của giải pháp dịch vụ Trong Luận văn

này tác giả đã tập trung vào tìm hiểu một phương pháp định vị sử dụng vệ tinh GPS

và phối hợp với các mạng truyền thông nhằn tạo giải pháp cung cấp khả năng định

vị khi thiết bị thu GPS của người sử dụng nằm trong vùng che khuất do không nhìn

thấy hệ thống vệ tinh GPS

Mục đích chính của Luận văn là nghiên cứu, phát triển một thủ tục phối hợp

với các mạng truyền thông để cung cấp giải pháp định vị cho GPS khi mà bộ thu

nằm trong vùng không nhìn thấy vệ tinh GPS

Luận văn thực hiện tìm hiểu và đánh giá phương pháp hỗ trợ cho định vị vệ

tinh GPS đó là phương pháp hỗ trợ định vị A-GPS theo chuẩn SUPL

14

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Vấn đề của môi trường định vị hiện nay

Đến khoảng đầu thế kỷ 20, khi khoa học kỹ thuật bắt đầu phát triển, con người đã phát minh ra các phương pháp định hướng bằng vô tuyến, ban đầu các nguyên tắc định vị này đều dựa trên phương pháp định hướng biên độ, trong thế chiến thứ hai Mỹ đã phát triển được các hệ thống định vị LORAN (LOng RAnge Navigation) trong định vị dẫn đường hàng hải Đến năm 1924 các hệ thống định hướng Watson-Watt được đưa vào sử dụng và các hệ thống định hướng Doppler ra đời vào khoảng những năm 1940 Các hệ thống định hướng giao thoa được nghiên cứu và phát triển trong khoảng vài chục năm gần đây [2]

Hệ thống định vị toàn cầu GPS do Bộ quốc phòng Mỹ phát triển với mục đích ban đầu là để xác định vị trí, dùng trong quân đội của nước này GPS là tên gọi tắt, tên chính thức của hệ thống được sử dụng trong Bộ quốc phòng Mỹ là NAVSTAR GPS (Navigational Signal Tuning And Ranging Global Positioning System)

Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần phân đoạn chính là Không gian (Space), Điều khiển (Control) và Người dùng (User) Các vệ tinh của hệ thống GPS

đã trải qua bốn thế hệ (gọi là các Block) là Block I, II/IIA, IIR và IIF Hiện tại phân đoạn Không gian có 32 vệ tinh (kể cả các vệ tinh dự phòng) Ngày 26 tháng 9 năm

2005 vệ tinh Block IIR-M được phóng lên quĩ đạo cung cấp M-Signal cho các ứng dụng quân sự và L2C cho các ứng dụng dân sự Hiện nay GPS vẫn đang tiếp tục được phát triển, mới đây nhất GPS đưa thêm tín hiệu GPS L5 vào hoạt động

Về mặt lịch sử, các vệ tinh Block I được sử dụng để thử nghiệm các nguyên tắc hoạt động của hệ thống này Các vệ tinh Block II/IIA tạo thành bộ phận chính của phân đoạn Không gian, các vệ tinh thế hệ thứ ba IIR đang được triển khai vì các

vệ tinh thế hệ thứ hai đã hết thời gian hoạt động

15

1.1.2 Môi trường định vị ngày nay

Trong môi trường không có các vật cản che khuất, thì GPS cho kết quả định

vị rất tốt Ngược lại trong môi trường bị che khuất như ở trong nhà, hầm ngầm, thành phố nhiều nhà cao ốc, dưới tán cây, khu vực bị can nhiễu, thì kết quả định

vị cho kết quả kém hoặc không định vị được Do đó, rất cần một phương pháp hỗ trợ cho định vị GNSS (Global Navigation Satellite System) khi mà bộ thu ở trong các khu vực môi truờng nêu trên

1.2 Các giải pháp

1.2.1 Các giải pháp hỗ trợ định vị GPS

Ngày nay công nghệ GPS ngày càng phát triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống, song song với đó là các giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác của quá trình định vị; trong đó nổi nên các giải pháp hỗ trợ tích cực cho định vị GPS như sau:

 Giải pháp Multi-GNSS:

Multi-GNSS Receiver

Hình 1.1: Mô hình bộ thu đa kênh thu nhiều tín hiệu từ các vệ tinh GNSS

- Chế tạo bộ thu đa kênh GNSS để có thể thu được cùng lúc nhiều loại tín hiệu của các vệ tinh định vị (GPS_Mỹ, Glonass_Nga, Galileo_Liên minh Châu Âu,

16

QZSS_Nhật Bản, Beidou_Trung Quốc, IRNSS_Ấn Độ) Sau đó giải mã tín hiệu để lấy các bản tin thông tin định vị và phối hợp chúng với nhau

- Phương pháp này rất phức tạp vì cơ bản các bộ thu GNSS đa phần có thiết

kế nhỏ gọn, tích hợp ít các bộ vi xử lý để có thể cùng lúc để thu và xử lý nhiều loại tín hiệu từ các vệ tinh định vị khác nhau

 Giải pháp Multi-GNSS khác: Xây dựng các trạm thu mặt đất để thu tất cả các loại tín hiệu của các vệ tinh định vị GNSS trong tầm nhìn thấy Sau đó trạm thu này sẽ gửi các bản tin định vị về Trung tâm dữ liệu (qua Internet hoặc gửi qua vệ tinh thông tin liên lạc) Trung tâm dữ liệu sẽ gửi tất cả các bản tin định vị nhận được sang Trung tâm phân tích dữ liệu, sau khi phân tích xử lý các bản định vị này sẽ được gửi cho người sử dụng

Compass Galileo GLONASS GPS

Ground tracking network

Satellite communication

Satellite communication

Internet

Data Center

Analyzing Center Users

Internet

Hình 1.2: Sơ đồ thực hiện dịch vụ hỗ trợ Multi-GNSS

 Giải pháp GBAS (Ground Based Augmentation Systems):

- Giải pháp này cơ bản được phát triển sử dụng cho các sân bay hàng không dân dụng để hỗ trợ cho việc cất hạ cánh của các chuyến bay thương mại

- Nguyên lý hoạt động: một trạm mặt đất bao gồm các ăng ten thu tín hiệu của các vệ tinh GNSS, các tín hiệu này được xử lý và được truyền cho các phương tiện bay thông qua hệ thống thông tin liên lạc VHF

Hình 1.3: Mô hình hoạt động của giải pháp GBAS

 Giải pháp WAAS (Wide Area Augmentation System):

Hình 1.4: Mô hình thực hiện dịch vụ hỗ trợ WAAS

- Giải pháp Hệ thống hỗ trợ diện rộng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét Không cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS Người dùng cũng có thể có độ chính

18

xác tốt hơn với GPS vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có

độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch

vụ sửa lỗi này Hệ thống gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăng ten để dùng với máy thu GPS của họ

- Giải pháp này phát triển để sử dụng cho mục đích hàng không dân dụng Sử dụng phối hợp với các trạm tham chiếu WMS (Wide-area Master Station) khu vực Bắc Mỹ và Hawaii

 Giải pháp A-GPS (Assited-GPS):

- Giải pháp A-GPS hỗ trợ hệ thống định vị GNSS theo chuẩn SUPL Giải pháp A-GPS phát triển dựa trên các tài nguyên của mạng di động sẵn có

- Ưu điểm của A-GPS là hỗ trợ việc xác định vị trí của bộ thu ngay cả trong điều kiện bộ thu bị che khuất như trong các toà nhà, khu đô thị nơi tín hiệu bị che khuất hoặc trong môi trường bị can nhiễu

- Trong khuân khổ Luận văn này tác giả xin phép được trình bày chi tiết giải pháp hỗ trợ định vị A-GPS

1.2.2 Giải pháp A-GPS

Giải pháp A-GPS hoạt động theo chuẩn SUPL là một hệ thống hỗ trợ giúp tăng hiệu năng của quá trình định vị Hệ thống này được áp dụng rộng rãi cho các điện thoại tích hợp chức năng định vị sử dụng vệ tinh GPS Hệ thống hoạt động dựa trên các Server A-GPS kết hợp với các trạm BTS, bộ thu và hệ thống vệ tinh định

vị Hệ thống A-GPS có thể gồm nhiều Server tham chiếu đặt khắp nơi tạo thành một

hệ thống mạng lưới rộng lớn Mỗi khi bộ thu yêu cầu dữ liệu hỗ trợ, Server sẽ thu thập dữ liệu từ các Server tham chiếu để cung cấp cho bộ thu dữ liệu đầy đủ nhất Mỗi khi yêu cầu dữ liệu hỗ trợ, bộ thu kết nối với Server A-GPS thông qua trạm BTS (Base Transmistion Station) Do đó, Server sẽ biết được vị trí tương đối của bộ thu, từ đó cung cấp cho bộ thu dữ liệu của các vệ tinh trong khu vực gần bộ thu

Server tham chiếu kết nối đến các trạm thu dữ liệu được đắt khắp nơi trên trái đất Các trạm thu này thu dữ liệu từ các vệ tinh nó nhìn thấy và lưu dữ liệu thu được dưới định dạng RINEX (Receiver Independent Exchange format ) [14] Các trạm thu này kết nối đến Server tham chiếu sử dụng các kết nối thời gian thực, đảm bảo luôn cung cấp các dữ liệu mới nhất tới cho Server tham chiếu

19

Điều kiện đảm bảo truyền dữ liệu từ Server tới các bộ thu thông qua dịch vụ mạng có kết nối internet như GPRS (General Packet Radio Service), wi-fi, mạng truyền dữ liệu 3G, 4G,

 Ưu điểm của hệ thống A-GPS hoạt động theo chuẩn SUPL:

- Hệ thống hỗ trợ định vị A-GPS theo chuẩn SUPL hỗ trợ các máy thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS trong điều kiện máy thu bị che khuất không thu được đủ số lượng vệ tinh GPS (điều kiện định vị được khi máy thu phải thu được từ 04 vệ tinh GPS trở lên)

- Hệ thống hỗ trợ định vị A-GPS cung cấp các thông tin hỗ trợ (như thông tin hiệu chỉnh lỗi, almanac, ) để bộ thu tính toán ra vị trí của bộ thu Khi đã có thông tin hỗ trợ như mã PRN thì bộ thu sẽ tính toán ra vị trí nhanh hơn mà không cần phải duyệt qua 32 vệ tinh định vị GPS theo thông thường

- Hoạt động dựa trên tài nguyên mạng IP sẵn có, không phải thay đổi hạ tầng mạng viễn thông

 Nhược điểm:

- Hệ thống chỉ hoạt động trong điều kiện có kết nối internet (wi-fi, G3, 4G, GPRS) điều này gây khó khăn trong trường hợp hoạt động ở vùng sâu, xa không có kết nối internet

- Không định vị được trong điều kiện bộ thu không nhìn thấy bất kỳ một vệ tinh GPS nào (mất hoàn toàn sóng từ các vệ tinh GPS)

1.3 Tổng kết

Trong Chương 1, tác giả Luận văn đã trình bày tóm tắt các nội dung chính sau: Lịch sử phát triển hệ thống định vị vệ tinh GPS; môi trường định vị; các giải pháp hỗ trợ định vị vệ tinh GPS

Chương sau, tác giả Luận văn sẽ trình bày chi tiết hơn về hệ thống định vị vệ tinh GPS và các ứng dụng của hệ thống; tìm hiểu một số giải pháp hỗ trợ định vị vệ tinh GNSS, đi sâu vào giải pháp hỗ trợ định vị vệ tinh A-GPS; trình bày kiến trúc một bộ thu GNSS thông thường và quá trình khai phá tín hiệu (các phương pháp dò tín hiệu trong bộ tương quan); tìm hiểu về hệ thống hỗ trợ định vị vệ tinh theo chuẩn SUPL

đó là: GPS (Hoa Kỳ), GALILEO (Liên minh Châu Âu), GLONASS (Liên bang Nga), Bắc Đẩu (Trung Quốc), QZSS (Quasi-Zenith System, (Nhật Bản)) và gần đây

Ấn Độ cũng đang phát triển hệ thống vệ tinh định vị (IRNSS) của họ

Vào những thập niên 70 của thế kỷ trước, Bộ quốc phòng Mỹ đã đầu tư nghiên cứu và xây dựng hệ thống định vị vệ tinh GPS toàn cầu (Global Positioning System) Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào tháng 02 năm 1978 và từ đầu những năm 1990, hệ thống định vị vệ tinh GPS bắt đầu được sử dụng trong dân sự Chính phủ Mỹ dành riêng mức định vị chính xác cao nhất cho Quân đội, tuy nhiên họ cũng

đã phát triển mã C/A cho mục đích dân dụng Điều này giúp bất cứ ai cũng có thể

sử dụng GPS ở bất cứ đâu và bất cứ khi nào Ở Nga, với kỹ thuật phóng vệ tinh khá tốt, Nga cũng đã xây dựng thành công hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu, viết tắt GLONASS (Global Orbital Navigation Satellite System) vào năm 1995 Hai

hệ thống này ban đầu phục vụ cho mục đích quân sự là chính, và hiện nay đã được đưa vào sử dụng cho các mục đích dân sự Liên minh Châu Âu cũng đã khởi công cho dự án hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu với tên gọi GALILEO (đặt tên của nhà thiên văn học và vật lý học vĩ đại Galileo Galilei) hiện vẫn chưa hoàn thiện Trong tương lai ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO sẽ được tiếp tục củng

cố hoàn thiện và tích hợp cho độ chính xác cao Ngày nay có nhiều ứng dụng GPS/GNSS trong đời sống hàng ngày, GPS/GNSS không chỉ dừng lại cho mục đích quân sự mà còn cho các mục đích dân sự như dẫn đường tàu thủy, dẫn đường máy bay, vũ trụ, dẫn đường các phương tiện giao thông trên mặt đất, xây dựng, đặc biệt lắp đặt các thiết bị trên biển phục vụ ngành khai thác dầu khí và thủy hải sải, cảm biến từ xa mang lại hiệu quả thiết thực Các máy điện thoại cầm tay tích hợp GPS

đã được tung ra trong thị trường từ năm 2002 và ngày càng nhiều máy dẫn đường

vệ tinh cho xe ô tô (tích hợp xác định vị trí và bản đồ điện tử số hóa cho các thành phố) đang ngày càng nhiều trên thị trường

21

Hình 2.1: Mô tả hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS [2]

Hệ thống GPS đã hoạt động ổn định từ lâu Do đó, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng Sau đây Luận văn xét kỹ hơn về hệ thống này

2.1.1 Cấu trúc hệ thống GPS

Hệ thống định vị vệ tinh GPS bao gồm ba thành phần chính:

- Phân hệ Không gian (Space segment)

- Phân hệ Người sử dụng (User segment)

- Phân hệ Điều khiển (Control segment)

Spase Segment

Users Segment Control Segment

na l

SV 1… 32

Hình 2.2: Các thành phần của hệ thống GPS [2]

ở bất cứ điểm nào trên trái đất, nếu xét góc ngẩng là Mỗi vệ tinh có tới bốn đồng hồ nguyên tử cực kì chính xác (chuẩn Rubidium và Cesium) và một vi xử lý

để tự điều khiển và xử lý dữ liệu trong giới hạn

2.1.1.2 Phân hệ người sử dụng

Phân hệ người sử dụng bao gồm tất cả các bộ thu GPS trên mặt đất cho phép người sử dụng thu nhận tín hiệu phát quảng bá từ vệ tinh và tính toán thời gian, vận tốc, tọa độ cho bộ thu của họ một cách chính xác Bộ thu của người dùng đo thời gian trễ tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu; đây là cách đo trực tiếp khoảng cách biểu kiến tới vệ tinh Các kết quả đo thu thập đồng thời từ bốn vệ tinh được xử lý để tính toán tọa độ, vận tốc và thời gian GPS cung cấp hai cấp dịch vụ là Dịch vụ Định vị tiêu chuẩn (SPS) và Dịch vụ Định vị chính xác (PPS)

2.1.1.3 Phân hệ Điều khiển

Phân hệ điều khiển gồm một trạm điều khiển chủ ở Colorado Springs, Colorado cùng năm trạm giám sát (ở Colorado Springs, đảo Ascension, đảo Diego Garcia, đảo Hawaii và đảo Kwajalein) và 03 ăng ten mặt đất đặt ở Ascension, Diego

23

Garcia và Kwajalein dùng để triển khai tuyến lên, truyền thông tin từ mặt đất lên vệ tinh, bao gồm các dữ liệu lịch thiên văn mới, hiệu chỉnh đồng hồ và các bản tin quảng bá khác Chỉ có Bộ quốc phòng Mỹ mới có trách nhiệm với phân hệ điều khiển; bao gồm việc xây dựng, triển khai, duy trì bảo dưỡng và giám sát hoạt động liên tục của các vệ tinh GPS

Hình 2.4: Mạng lưới trạm giám sát và điều khiển trung tâm của hệ thống GPS

Các trạm giám sát liên tục bám sát tất cả các vệ tinh GPS trong tầm nhìn để điều khiển và dự đoán quỹ đạo của chúng Trạm giám sát gửi thông tin mà họ thu thập được từ mỗi vệ tinh về trạm điều khiển trung tâm MCS (Master Control Station) MCS tính toán quỹ đạo vệ tinh một cách cực kỳ chính xác rồi đưa thông tin vào các bản tin dẫn đường cập nhật cho mỗi vệ tinh Thông tin cập nhật được truyền tới mỗi vệ tinh thông qua các ăng ten của trạm giám sát mặt đất MS (Monitor Station); các ăng ten này đồng thời có chức năng thu và phát cả các tín hiệu điều khiển giám sát vệ tinh

2.1.2 Ứng dụng của hệ thống GPS

- Ứng dụng trong quân sự: Bao gồm dẫn đường cho các phương tiện bay, tàu của các lực lượng quân đội Mỹ; dẫn đường cho các loại vũ khí có thông minh có độ chính xác cao; các ứng dụng thời gian thực… Ngoài ra, các vệ tinh GPS còn mang theo các bộ thu phát để phát hiện các vụ nổ hạt nhân [2]

- Ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất: Ngày nay, việc phổ biến rộng rãi công nghệ định vị sử dụng vệ tinh GPS trong giao thông dân dụng kết hợp với bản đồ số để xác định, theo dõi lịch hành trình của các phương tiện trên mặt

- Ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển: Hỗ trợ đo vẽ bản đồ, tính toán

vị trí các đảo, bãi ngầm và đo vẽ các cầu tàu, bến cảng; thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ đo địa chấn) cũng như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có thể được đáp ứng bằng GPS Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất ) đều có thể dùng GPS làm công cụ định vị

- Ứng dụng trong giao thông hàng không: Ngày nay, Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế đã qui định sử dụng hệ thống định vị vệ tinh GPS trong dẫn đường

và cất, hạ cánh cho các máy bay dân dụng

- Ứng dụng trong thương mại: Với ưu điểm là hệ thống thời gian thực, hệ thống GPS được ứng dụng rộng rãi trong việc sử dụng tham chiếu thời gian thực giữa các điểm giao dịch trên thị trường tài chính, thương mại như ngân hàng, chứng khoán…

- Ứng dụng trong giải trí: Hiện nay, công nghệ định vị sử dụng vệ tinh GPS đã tích hợp nhiều vào các thiết bị có kích thước, trọng lượng rất nhỏ (như điện thoại, đồng hồ đeo tay…) với chi phí khá rẻ, nên thực tế đã có nhiều ứng dụng xác định vị trí được sử dụng, cung cấp cho thị trường giải trí rộng lớn những máy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ dễ sử dụng Một số hoạt động giải trí và tập luyện thể thao sẽ trở nên thú vị hơn nếu người chơi có thể xác định được vị trí của mình, và có thể theo dõi sự chuyển động Ví dụ trong việc chơi kinh khí cầu, khi vận hành, các thông tin

về vị trí, độ cao, và tốc độ của kinh khí cầu cũng có thể giúp cho người điều khiển

có thể điều chỉnh một cách hợp lý

Navigation processing Tracking demodulationData

Hình 2.5: Kiến trúc một bộ thu GNSS thông thường [1]

Xem hình 2.5 bộ thu GNSS có bốn khối chức năng chính sau:

- RF front-end: Tín hiệu thu bởi ăng ten được xử lý ban đầu bởi Khối này bao gồm bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) và bộ chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC (Analog Digital Converter)

- Acquisition: Sau khi tín hiệu được chuyển đổi tương tự số, tín hiệu số này được cung cấp cho khối Acquisition Tại khối này sẽ xác định được các vệ tinh GNSS trong tầm nhìn thông qua các dãy PRN và tính toán tham số Code delay và Doppler shift bằng cách thực hiện hàm tương quan giữa tín hiệu tạo cục bộ tại bộ thu và tín hiệu thu được

- Tracking and data demodulation: Do khối Acquisition chỉ thực hiện ước lượng thô các tham số Code delay và Doppler shift, các giá trị này thay đổi theo thời gian, do đó khối tracking làm nhiệm vụ bám theo sự thay đổi đó Từ đó, có thể giải điều chế và giải mã cho ra bản tin dữ liệu định vị

- Navigation processing: Khi đã có kết quả dữ liệu sau giải điều chế, dữ liệu này được chuyển tiếp đến khối xử lý định vị, khối này sẽ tính toán ra thời gian, vận tốc và vị trí của bộ thu (PVT – Position Velocity Time) Sau đó dữ liệu định vị sẽ được lưu trữ và hiển thị theo yêu cầu người dùng

2.2.2 Dò tín hiệu (Acquisition)

2.2.2.1 Tổng quan về dò tín hiệu

Khai phá tín hiệu là bước đầu tiên của quá trình đồng bộ dữ liệu ở bộ thu

Tín hiệu GPS tổng quát sau khi rời rạc hóa với chu kì lấy mẫu T s sẽ có dạng:

26

[ ] [ ] [ ] ( ( ) ) (2.1)

Với:

- Dữ liệu d[n]: Chứa các bit nhị phân của bản tin định vị

- Mã trải phổ c[n]: Là duy nhất với mỗi vệ tinh và được dùng để phân biệt

các vệ tinh với nhau Tín hiệu thu được có thể sớm so với thời điểm bắt đầu của chu

kì mã trải phổ một lượng là mẫu, giá trị này được gọi là độ trễ mã trải phổ (code delay)

- Sóng mang (sine hoặc cosine) tần số f

Một tham số khác cần quan tâm trong công thức trên là Tham số này là kết quả của hiệu ứng Doppler xảy ra khi có sự di chuyển tương đối của vệ tinh so với bộ thu Độ chênh lệch giữa tần số phát ra của tín hiệu với tần số thu được ở

bộ thu được gọi là tần số dịch Doppler

Bộ tương quan Bộ phối hợp sautương quanTín hiệu đến r[n]

Hình 2.6: Kiến trúc quá trình khai phá tín hiệu [1]

Mục tiêu của bước khai phá tín hiệu là xác định 03 tham số: Số hiệu vệ tinh (PRN), tần số dịch Doppler và độ trễ mã trải phổ Quá trình khai phá tín hiệu trong

bộ thu được thực hiện theo trình tự như sơ đồ ở Hình 2.6 Các phương pháp dò tín hiệu trong Bộ tương quan được giải thích cụ thể dưới đây

2.2.2.2 Bộ tương quan

Khối này đánh giá sự tương quan giữa tín hiệu thu được với tín hiệu sinh ra ở phía bộ thu bằng cách sử dụng hàm tương quan được định nghĩa như sau:

Trong đó, i là số hiệu vệ tinh, ̅ và ̅ lần lượt là các giá trị thử của tần số

dịch Dopper và độ trễ mã trải phổ L là số mẫu trên đoạn tín hiệu tính tương quan

Mỗi số hiệu vệ tinh i sẽ tạo ra một không gian tìm kiếm rời rạc (Hình 2.7) với mỗi điểm giao thể hiện một tín hiệu thử Sau đây sẽ tạm thời bỏ qua tham số i

Mỗi “cell” ( ̅, ̅ ) trên không gian tìm kiếm giúp bộ thu tạo ra một tín hiệu cục bộ Hàm tương quan ( ̅ ̅ ) sẽ so sánh tương quan giữa tín hiệu cục bộ này với tín hiệu thu được Nói cách khác, bước khai phá tín hiệu thực hiện ước lượng các giá trị ̅ và ̅ bằng cách tìm ra điểm giao trên không gian tìm kiếm gần với điểm biểu diễn tín hiệu thực thu được

Estimated Signal ( .ƒ D)

0.5 chip

∆ƒd

Hình 2.7: Không gian tìm kiếm quá trình khai phá tín hiệu với mỗi vệ tinh [1]

Do 2 đặc điểm rất quan trọng của mã trải phổ là:

- Không tương quan chéo giữa các mã trải phổ khác nhau

- Không tự tương quan với chính nó, trừ trường hợp độ trễ bằng 0

Nên: Tại ̅ và ̅ :

Doppler shift (Hz) Delay (samples)

Hình 2.8: Đồ thị 3 chiều hàm CAF khi tìm thấy vệ tinh

Để loại bỏ sự tác động của giá trị bit dữ liệu cũng như các phần dư sóng mang, hàm | | , hay còn gọi là Cross Ambiguity Function (CAF), được sử dụng thay thế cho hàm tương quan trong so sánh ngưỡng Đồ thị 3 chiều của hàm

S trong trường hợp tìm thấy vệ tinh được dò tín hiệu từ chương trình Matlab thể

hiện trên Hình 2.8 Dễ dàng nhận ra trên đồ thị xuất hiện đỉnh bất thường, tọa độ của đỉnh này chính là ( ̅ ̅ )

Việc tính tương quan để tìm kiếm, xác định thô các tham số tín hiệu có thể được triển khai bởi một số phương pháp khác nhau:

29

a Tìm kiếm tuần tự (Serial Search Acquisition)

Tìm kiếm tuần tự là một phương pháp thường được sử dụng để dò tín hiệu trong các hệ thống đa truy cập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access) Phương pháp này khá đơn giản và bám sát với công thức lý thuyết của hàm tương quan Hình 2.9 là sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm tuần tự





 1

0

) (

0

90

Output

Hình 2.9: Sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm tuần tự [5]

Phương pháp này dựa vào tích chập của các dãy mã PRN tạo cục bộ và các tín hiệu tạo sóng mang cục bộ Bộ tạo mã PRN tạo một dãy PRN tương ứng với mỗi

vệ tinh riêng Tín hiệu đến ban đầu được nhân với dãy PRN cục bộ này Sau khi nhân với dãy PRN, tín hiệu tiếp tục được nhân một tín hiệu sóng mang tạo cục bộ

Phép nhân cùng với tín hiệu sóng mang tạo ra cục bộ sẽ tạo ra tín hiệu cùng pha I,

và phép nhân cùng với một phiên bản dịch pha 900

của tín hiệu sóng mang được tạo

cục bộ sẽ tạo ra tín hiệu vuông pha Q

Các tín hiệu I và Q được tích hợp trên 1ms, tương ứng với độ dài của một

chu kỳ mã C/A, và cuối cùng lấy bình phương và cộng Trong trường hợp lý tưởng,

năng lượng tín hiệu tập trung trong phần I của tín hiệu vì mã C/A chỉ được điều chế

trên đó Tuy nhiên, do không biết pha của tín hiệu thu được, cần tính toán cả hai tín

hiệu I và Q

Tìm kiếm tuần tự thực hiện tìm kiếm với hai thành phần khác nhau là tần số

và độ lệch mã trải phổ Tần số được duyệt trong phạm vi IF ±10 kHz với bước nhảy

là 500Hz Code phase được duyệt trên toàn bộ một chu kỳ mã (1023 chip)

Như vậy, tổng số phép toán cần thực hiện là:

r sh

mple s) Dela y (sa

mple s)

Hình 2.10: Đầu ra từ thuật toán tìm kiếm tuần tự

(a) PRN 19 trong tầm không nhìn thấy cho nên không xuất hiện đỉnh

(b) PRN 21 trong tầm nhìn thấy cho nên xuất hiện đỉnh đáng kể Đỉnh xuất hiện tại code phase C/A= 359 chip và tần số= 9.5475MHz

b Tìm kiếm song song trên miền tần số (Parallel Frequency Space Search Acquisition)

Phương pháp tìm kiếm song song trên miền tần số tận dụng phép biến đổi Fourier để thực hiện tính tương quan Hình 2.11 là sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm song song trên miền tần số

Hình 2.11: Sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm song song trên miền tần số [5]

mã PRN cục bộ trùng khớp với mã PRN trong tín hiệu, đầu ra của phép biến đổi Fourier sẽ xuất hiện một đỉnh phân biệt Đỉnh này sẽ cho phép xác định tần số sóng mang của tín hiệu vệ tinh tương ứng

Hình 2.12: Giải điều chế mã PRN [5]

Độ chính xác của tần số đã xác định phụ thuộc vào độ dài của DFT Nếu xử

lý 1 ms dữ liệu, số mẫu được đưa vào biến đổi DFT là 1/1000 tần số lấy mẫu, nếu

tần số lấy mẫu là f s = 10MHz, thì số mẫu là N= 10,000

Với độ dài DFT là 10,000 mẫu đầu ra biểu diễn tần số từ 0 đến Hz Do đó,

độ phân giải tần số của đầu ra là:

32

Trong trường hợp này, độ chính xác của tần số sóng mang được ước lượng là

1 kHz so với độ chính xác 500Hz trong việc tìm kiếm tuần tự

c Tìm kiếm độ trễ mã trải phổ song song (Parallel Code Phase Search Acquisition)

Hình 2.13: Sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm code phase song song [5]

Thuật toán thực hiện như sau: Tích chập của tín hiệu đến và tín hiệu cục bộ

tạo ra tín hiệu I; tích chập của tín hiệu đến và biến thể tín hiệu cục bộ đã dịch pha

900 tạo ra tín hiệu Q Tín hiệu I và Q được phối hợp làm đầu vào cho phép biến đổi

Fourier Đầu ra của phép biến đổi Fourier được nhân với mã PRN cục bộ (mã PRN cục bộ được biến đổi Fourier thành liên hợp phức) Tích chập này được biến đổi Fourier nghịch đảo sau đó kết quả được lấy bình phương trị tuyệt đối, kết quả này

mô tả tương quan giữa tín hiệu đầu vào và mã PRN

2.2.2.3 Bộ phối hợp sau tương quan

Từ (2.4) ta thấy: Chiều dài đoạn tín hiệu tính tương quan sẽ ảnh hưởng rất lớn đến việc nhận biết tín hiệu Dựa vào nhận xét đó, một số phương án phối hợp sau bộ tương quan dưới đây [1] có thể được áp dụng để cải thiện độ chính xác của quá trình khai phá tín hiệu (Hình 2.14)

33

Coherent

Non-coherent

Differential

Hình 2.14: Một số phương pháp phối hợp sau bộ tương quan [1]

- Phối hợp cố kết (Coherent): Phương án này có hàm CAF được định nghĩa như sau:

- Phối hợp không cố kết (Non-coherent): Hàm CAF trong phương án này được định nghĩa:

2.2.2.4 Bộ quyết định

Khối này làm nhiệm vụ so sánh giá trị của hàm CAF với một ngưỡng V xác định trước để quyết định xem có hay không có tín hiệu của vệ tinh Nói cách khác,

bộ quyết định thực hiện quá trình kiểm định giả thiết với:

- H0 giả thiết không có tín hiệu vệ tinh

- H1 giả thiết có tín hiệu vệ tinh

Nếu tồn tại một giá trị ( ) , thì kết luận H1 là đúng, ngược lại, H0 đúng

2.3 Giới thiệu A-GPS và chuẩn SUPL

2.3.1 Assited GPS

2.3.1.1 Lý do hệ thống A-GPS ra đời

Để xác định được vị trí bộ thu GPS, thì bộ thu cần thu được tối thiểu tín hiệu

từ 04 vệ tinh GPS trên bầu trời Để tính toán xử lý đưa ra vị trí đúng của bộ thu GPS, bộ thu cần biết được đang thu vệ tinh GPS nào, vị trí của vệ tinh GPS trên quĩ đạo và khoảng cách từ bộ thu đến vệ tinh GPS Do đó, bộ thu GPS cần biết tối thiểu hai tham số sau:

- Vị trí của các vệ tinh mà nó thu được dữ liệu

- Khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh

 [ ]: Là các bản tin mà vệ tinh truyền đi

 [ ]: Là code phase hay PRN code đặc trưng cho từng vệ tinh

tinh GPS

2.3.1.2 Ý tưởng của A-GPS

 Xây dựng hệ thống A-GPS để hỗ trợ cho các bộ thu nhằm mục tiêu [6]:

- Cung cấp cho bộ thu thông tin vị trí các vệ tinh trong vùng; thông tin về vị trí của các trạm thu-phát quanh khu vực đang phục vụ yêu cầu của các thiết bị hỗ trợ cá nhân cầm tay

- Tăng nhanh khả năng tính toán cho ra kết quả vị trí, cải thiện độ chính xác

và giải tải khối lượng tính toán cho các thiết bị thu

- Cho kết quả định vị nhanh hơn, chính xác hơn

 Thực hiện mục tiêu trên:

37

Cellular Network Reference Server

Conection to server

Hình 2.16: Mô hình Server tham chiếu

Cơ chế hoạt động giữa Server và bộ thu Quá trình Server có thể cung cấp dữ liệu hỗ trợ bộ thu:

Thứ nhất, xác định các vệ tinh GPS mà bộ thu có thể nhìn thấy Như ta đã

biết quỹ đạo của các vệ tinh trong chùm vệ tinh GPS là hoàn toàn được xác định từ trước nhờ thông tin Almanac Do đó, hệ thống Server A-GPS sẽ cung cấp cho bộ thu danh sách các vệ tinh mà nó có thể thấy được theo 2 cách:

- Cung cấp cho các bộ thu một bộ đầy đủ dữ liệu Almanac, các bộ thu sử dụng dữ liệu Almanac để xác định các vệ tinh có thể nhìn thấy và tiến hành thu dữ liệu từ các vệ tinh trên

- Thông thường các bộ thu là các thiết bị di động cầm tay, các yêu cầu mà bộ thu gửi đi sẽ đi qua một trạm BTS trước khi tới Server Dựa vào vị trí của trạm gốc này, Server A-GPS sẽ tính toán ra các vệ tinh có thể nhìn thấy được và gửi về danh sách các vệ tinh cho bộ thu

Thứ hai, việc giải mã dữ liệu truyền xuống từ các vệ tinh GPS, bộ thu cần

phải tiến hành tính toán ra tần số Doppler và độ trễ code phase Đây chính là giai đoạn dò tín hiệu (Mục 2.2.2) trong quá trình tính toán ra vị trí của bộ thu Thông thường tần số Doppler với tín hiệu GPS sẽ dao động trong khoảng từ -5kHz tới +5kHz và code phase của GPS có 1023 chip Tuy đã có các phương pháp tính toán nhanh, nhưng khối lượng tính toán vẫn là lớn do miền tìm kiếm khá rộng Do đó, Server A-GPS sẽ cung cấp cho bộ thu dữ liệu về Doppler và độ trễ code phase Vì

toán cho bộ thu khá nhiều

Các mode của A-GPS

Các thông tin trợ giúp và hỗ trợ tính toán cho các bộ thu GPS được tiến hành theo hai mode (MSA và MSB):

 MSA (Mobile Station Assisted)

Khi có yêu cầu hỗ trợ từ bộ thu, Server A-GPS sẽ cung cấp cho bộ thu một lượng thông tin nhỏ Thường sẽ chỉ là Almanac, ước lượng tần số Doppler Sau khi nhận các thông tin này các bộ thu sẽ tiến hành thu dữ liệu từ vệ tinh Sau đó tính toán khoảng cách, các kết quả tính toán này sẽ được gửi về cho Server Từ đó Server A-GPS sẽ tính toán ra vị trí, vận tốc, thời gian và gửi lại kết quả về cho bộ thu Như vậy với MSA, các bộ thu hầu như chỉ phải tiến hành thu dữ liệu và thực hiện các tính toán đơn giản Nhờ vậy các bộ thu có thể được chế tạo rất đơn giản và không cần có nhiều năng lượng cũng như khả năng tính toán

Nhược điểm của phương pháp này là Server biết được vị trí chính xác của bộ thu, các thông tin về vị trí này được gửi qua mạng do đó nảy sinh rất nhiều vấn đề

về tính riêng tư cũng như bảo mật

 MSB (Mobile Station Based)

Khi Server nhận được yêu cầu hỗ trợ, Server A-GPS sẽ gửi cho các bộ thu đầy đủ các thông tin như danh sách các vệ tinh có thể thấy được, Ephemeris, tần số Doppler, các thông tin về thời gian… Sau khi nhận được các thông tin này, bộ thu

sẽ tiến hành toàn bộ quá trình tính toán còn lại từ việc thu dữ liệu, tính toán khoảng cách, tính toán PVT Đôi khi nếu cần bộ thu sẽ gửi các kết quả tính toán ra được cho Server A-GPS Như vậy với MSB, các bộ thu cần được thiết kế phức tạp hơn, cần năng lực tính toán cao và đòi hỏi có nhiều năng lượng Tuy nhiên việc đảm bảo tính bảo mật cũng như tính riêng tư lại tốt hơn