Nghiên cứu giải pháp phầm mềm cho bộ thu GPS

Trong đó giải pháp tiếp cận xử lý tín hiệu GNSS bằng phần mềm cho phép dễ dàng tìm hiểu các phương pháp xử lý tín hiệu trước khi triển khai đại trà trên các bộ thu thông dụng, hay thiết

Trang 1

-

PHẠM VĂN QUYỀN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHẦN MỀM CHO BỘ THU GPS

Chuyên ngành: XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGÔ HỒNG SƠN

Hà Nội – 2010

Trang 2

Phạm Văn Quyền Xử lý thông tin & Truyền thông 2008-2010

1 CÁC TỪ VIẾT TẮT……….………2

DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU.………4

MỞ ĐẦU……… ……….6

CHƯƠNG 1- HỆ THỐNG GNSS………….………………… 9

1.1 Giới thiệu……… 9

1.2 Các hệ thống GNSS……… 9

1.2.1 Hệ thống thông tin định vị toàn cầu GPS………9

1.2.2 Hệ thống Galileo……… 10

1.2.3 Glonass……….……….11

1.2.4 Compass (Beidou-2)……….……….13

1.2.5 Hệ thống QZSS của Nhật….……….14

1.2.6 Hệ thống định vị vệ tinh của Ấn Độ IRNSS……….15

CHƯƠNG 2- NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA GPS.………… ……….16

2.1 Hệ thống GPS………16

2.1.1 Các thành phần của hệ thống……….………………16

2.1.2 Thành phần không gian……….………16

2.1.3 Thành phần điều khiển……….……….18

2.1.4 Thành phần người dùng………….…………19

2.2 Cấu trúc tín hiệu……….20

2.3 Mã CA………22

2.3.1 Chức năng của mã C/A……….………22

2.3.2 Hàm tự tương quan……….……… 23

2.3.3 Cách tạo mã C/A……….……….25

2.4 Hiệu ứng Doppler……… ……….27

Trang 3

2 2.5 Bản tin dẫn đường……… ………………….29

2.6 Tính PVT (Position, Velocity, Time)… …………………31

2.6.1 Lý thuyết về tính toán vị trí của máy thu GPS……… 31

2.6.2 Tính thời gian và vận tốc máy thu………………….36

CHƯƠNG 3- NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ THU GPS……….38

3.1 Nguyên tắc hoạt động của bộ thu GPS……… 38

3.2 Lý thuyết chung của quá trình giải mã bản tin dẫn đường………… 39

3.3 Acquisition……….……….41

3.3.1 Phương pháp tìm kiếm tuần tự……… 43

3.3.2 Phương pháp tìm kiếm không gian tần số song song………44

3.3.3 Phương pháp tìm kiếm pha mã song song……….46

3.3.4 Tối ưu tần số sóng mang……… 48

3.4 Tracking……… 49

3.4.1 Vòng khóa pha……… 50

3.4.2 Áp dụng vòng khóa pha vào bám mã và pha sóng mang……… 54

3.4.3 Bám pha sóng mang……… 56

3.4.4 Bám mã……….58

3.4.5 Khối bám tín hiệu hoàn thiện………60

CHƯƠNG 4- GIẢI PHÁP PHẦN MỀM CHO BỘ THU GPS……… 63

4.1 Lựa chọn độ dài dữ liệu phân tích ……….……… ………….63

4.2 Lựa chọn bước tần số sóng mang trong acquisition …… … …65

4.3 Thuật toán Acquisition……… …….…….……… 65

4.4 Thuật toán Tracking……… ………67

4.5 Kết quả thực hiện chương trình……….…….……… 69

KẾT LUẬN………74

1 Kết quả đạt được……… ………74

2 Thảo luận……… …………………74

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………75

Trang 4

3

a Hàm số hóa mã C/A……….………… 77

2 Hàm Acquisition… ………………… 78

3 Hàm Tracking………82

Trang 5

4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của luận văn có được từ quá trình nghiên cứu,

tham khảo tài liệu và hướng dẫn của TS Ngô Hồng Sơn Không sao chép

Tác giả luận văn

Phạm Văn Quyền

Trang 6

5

Hệ thống định vị toàn cầu vi sai

2 GNSS Global Navigation Satellite System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

3 GPS Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ

4 GLONASS Global Orbiting Navigation Setellite System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu của Nga

5 IRNSS Indian Regional Navigation Satellite System

Hệ thống vệ tinh dẫn đường khu vực Ấn Độ

6 QZSS Quasi-Zenith Setellite System

Nhiễu giả ngẫu nhiên

10 PLL Phase Lock Loop

Vòng khóa pha

11 DLL Delay Lock Loop

Vòng khóa trễ

12 BPSK Binary Phase Shift Key

Khóa dịch pha nhị phân

Trang 7

6

13 FFT Fast Fourier Tranform

Biến đổi Fourier nhanh

18 Acquisition Tìm kiếm vệ tinh và thu nhận, xử lý, lấy các thông số thô về

tần số sóng mang, mã, pha C/A ban đầu của từng vệ tinh

19 Tracking Bám mã, pha của mã C/A, tần số sóng mang, giải mã ra tín

hiệu dẫn đường

Trang 8

7 Hình 1.3 Vệ tinh Michibiki đầu tiên của Nhật………14

Hình 1.4 Hình minh họa hệ thống vệ tinh tương lai của Ấn Độ……….….15

Hình 2.1 Các thành phần của hệ thống GPS……… 16

Hình 2.2 Quỹ đạo vệ tinh GPS……….…….17

Hình 2.3 Các thành phần chức năng của vệ tinh GPS……….…….18

Hình 2.4 Chức năng của thành phần điều khiển trong hệ thống GPS………….… 19

Hình 2.5 Sơ đồ khối chức năng thiết bị thu nhận tín hiệu GPS……….… 20

Hình 2.6 Sơ đồ tạo tín hiệu GPS ……… 21

Hình 2.7 Tạo tín hiệu GPS ……….……21

Hình 2.8 Tự tương quan và tương quan chéo của mã C/A ……….…….24

Hình 2.9 Tạo mã C/A……….… 25

Bảng 2.10 Quy tắc tính modulo2 ……….……25

Hình 2.11 Bảng đăng ký pha mã C/A ……….….26

Hình 2.12 Tần số doppler gây ra bởi chuyển động của vệ tinh……… ….27

Hình 2.13 Quan hệ giữa vận tốc doppler và góc θ………28

Hình 2.14 Cấu trúc của một khung bản tin dẫn đường……….…30

Hình 2.15 Phương pháp định vị trong không gian……….… 32,33 Hình 1.16 Hệ tọa độ Oxyz……… ……… … …….34

Hình 2.17 Xác định khoảng cách do sai số……….……35

Hình 2.18 Ước lượng vị trí người dùng……….……… … 35

Hinh 3.1 Cấu trúc chung của bộ thu GPS……….…… 38

Hình 3.2 sơ đồ khối thuật toán phương pháp acquisition tuần tự……… ……43

Hình 3.3 Tách mã C/A……….….…… 44

Hình 3.4 Sơ đồ khối phương pháp acquisition tần số song song……… 45

Hình 3.5 Sơ đồ khối phương pháp acquisition pha, mã song song………… ….….47

Hình 3.6 Sơ đồ giải mã bản tin dẫn đường…… ……… …… …….….50

Trang 9

8 Hình 3.7 Sơ đồ vòng khóa pha cơ bản……….….…51

Hình 3.8 Bộ lọc bậc hai trong vòng lặp……… … … …… …….54

Hình 3.9 Sơ đồ khối bám pha và mã……….… …… 55

Hình 3.10 Vòng khóa pha sóng mang……….…….……56

Hình 3.11 Vòng Costas bám sóng mang……….…….…57

Hình 3.12 Sơ đồ khối vòng bám mã cơ bản……….….… 58

Hình 3.13 Mô tả kết quả tương quan mã E, P, L ……… ……59

Hình 3.14 Sơ đồ khối vòng bám mã với sáu bộ tương quan ……… …….60

Hình 3.15 Sơ đồ khối tổng hợp vòng bám mã, pha sóng mang……… ….61

Hình 3.16 Sơ đồ khối của một kênh tracking GPS hoàn thiện……… … 62

Hình 4.1 Quy trình xử lý phần mềm tín hiệu GPS đã số hóa trên một kênh……….63

Hình 4.2 Sơ đồ khối phương pháp acquisition pha, mã song song…… ……… …….66

Hình 4.3 Sơ đồ khối của một kênh tracking GPS hoàn thiện……… …… … …67

Hình 4.4 Kết quả acquisition ……… 70

Hình 4.5 Kết quả quá trình tracking với vệ tinh số 2……… …… … 71

Hình 4.6 Kết quả quá trình tracking với vệ tinh số 2 với β=50Hz……….72

Hình 4.6 Kết quả quá trình tracking với vệ tinh số 2 với β=5Hz……….…… 72

Trang 10

9

Global Positioning System) và Nga (Liên Xô cũ) (với hệ thống Glonass - Global Orbiting Navigation Setellite System) Kể từ khi dịch vụ này được mở rộng cho các hoạt động dân sự thì nó đã phát triển mạnh mẽ và len lỏi vào mọi lĩnh vực và đã trở nên phổ biến trên toàn thế giới, đặc biệt là hệ thống GPS của Mỹ, do có lợi thế là liên tục được nâng cấp và hoạt động đầy đủ bao phủ trên phạm vi toàn cầu Với nhiều tác dụng và có phạm vi ứng dụng rộng lớn nên nhiều nước và khu vực đã tiến hành triển khai cho riêng mình các hệ thống độc lập, hiện đại như Trung Quốc với Beidou, Châu Âu với Galileo, Nhật với QZSS, Ấn Độ với IRNSS Đặc biệt là hệ thống Galileo của Châu Âu sắp tới đi vào hoạt động đầy đủ (2013) sẽ mang lại nhiều tiềm năng ứng dụng lớn (bởi vì đây là hệ thống hoạt động phi chính trị, có nhiều loại hình dịch vụ, cung cấp độ chính xác cao) Ngay ở nước ta vừa qua cũng

đã thành lập trung tâm nghiên cứu về GNSS với sự tài trợ của liên minh Châu Âu,

đã có các chính sách đầu tư và phát triển công nghệ liên quan đến lĩnh vực này

Lý do chọn đề tài: Với sự đa dạng về các hệ thống GNSS, việc nghiên cứu các

phương pháp xử lý tín hiệu GNSS đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng công nghệ này Trong đó giải pháp tiếp cận xử lý tín hiệu GNSS bằng phần mềm cho phép dễ dàng tìm hiểu các phương pháp xử lý tín hiệu trước khi triển khai đại trà trên các bộ thu thông dụng, hay thiết kế các trạm như DGPS để tăng cường độ chính xác,…Với xu hướng đó cùng với nhu cầu của cơ quan công tác, tôi

đã chọn hướng nghiên cứu về vấn đề này với đề tài “Nghiên cứu giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS” nhằm mục đích nắm bắt được công nghệ xử lý tín hiệu GPS

để có được các thông tin dẫn đường Lý do chọn tín hiệu GPS ở đây là do đây là tín hiệu của một hệ thống đang hoạt động đầy đủ, hoàn thiện và được xử dụng rộng rãi Các hệ thống khác cũng có nguyên lý hoạt động tương tự nên khi nắm được cách thức xử lý tín hiệu của hệ thống này ta dễ dàng tiếp cận và xử lý đối với các hệ thống khác trong tương lai

Trang 11

10

Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài: Do đây là một vấn đề khó và lớn, có

nhiều công đoạn, lĩnh vực phối hợp, cần phải có nhiều thời gian và nhiều người cùng phối hợp mới giải quyết trọn vẹn được Do vậy trong khuôn khổ luận văn này tôi mới chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm ban đầu về một

số thuật toán xử lý tín hiệu GPS, trong đó tập trung cụ thể vào hai pha quan trọng trong phần mềm bộ thu GPS là acquisition (pha này nhằm mục đích tìm kiếm vệ tinh và thu nhận, xử lý, lấy các thông số thô về tần số sóng mang, mã, pha C/A ban đầu của từng vệ tinh) và tracking (Pha này nhằm mục đích bám mã, pha của mã C/A, tần số sóng mang, giải mã ra tín hiệu dẫn đường)

Về kết quả của luận văn: Với mục đích và phạm vi nghiên cứu của luận văn kết

quả cuối cùng luận văn về cơ bản đã giải quyết được các vấn đề liên quan đến lý thuyết nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS, bộ thu GPS, các thuật toán cụ thể liên quan đến quá trình acquisition và tracking Về mặt thử nghiệm các thuật toán trên phần mềm Matlab đã bước đầu giải mã được tín hiệu GPS tuy là chưa xem xét nhiều về mặt hiệu năng của thuật toán

Cụ thể luận văn gồm các phần như sau:

Chương 1: Hệ thống GNSS Giới thiệu một cách khái quát về tình hình phát

triển của các hệ thống GNSS trên thế giới, xu hướng phát triển và tiềm năng ứng dụng của các hệ thống này Cập nhật những thông tin mới nhất về các hệ thống GNSS trên thế giới

Chương 2: Nguyên lý cơ bản của GPS Mô tả về nguyên tắc hoạt động của hệ

thống GPS, lý thuyết về cấu trúc tín hiệu GPS, mã trải phổ C/A, tác động của hiệu ứng Doppler lên tín hiệu, bản tin dẫn đường, cách tính PVT

Chương 3: Nguyên tắc hoạt động của bộ thu GPS Trong chương này đã tập

trung cụ thể vào bộ thu GPS Khái quát hoạt động của bộ thu phần cứng, nguyên tắc hoạt động, lý thuyết về quá trình giải quyết hai phần quan trọng của bộ thu GPS là acquisition và tracking

Chương 4: Giải pháp phần mềm cho bộ thu GPS Trình bày về các vấn đề

liên quan để giải quyết cụ thể hai bài toán acquisition và tracking, cài đặt và thử

Trang 12

vấn đề của thầy giáo TS Ngô Hồng Sơn Tôi cũng xin cảm ơn sự tạo điều kiện,

giúp đỡ của các lãnh đạo: Bộ môn Toán Tin, Khoa Cơ Bản, Trường Sỹ quan Không quân, gia đình và bạn bè đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Trang 13

đồ, cứu hộ… cho đến lĩnh vực nông nghiệp, bảo vệ môi trường Với khả năng cung cấp tọa độ, vị trí chính xác ngày càng cao, thời gian cỡ nano giây và vận tốc đo được lớn nhất khoảng 500m/s (trên tốc độ siêu âm) Với máy chuyên dụng sử dụng đầy đủ công nghệ thì còn chính xác hơn rất nhiều, và không ngừng được cải tiến nâng cấp, mang lại các thông tin cần thiết mọi lúc Với ý nghĩa và tác dụng to lớn như vậy hiện nay ngoài Mỹ (GPS) và Nga (Glonass) nhiều nước và khu vực đã tiến hành triển khai cho riêng mình các hệ thống độc lập như Trung Quốc với Beidou, Châu Âu với Galileo, Nhật với QZSS, Ấn Độ với IRNSS

1.2 Các hệ thống GNSS

1.2.1 Hệ thống thông tin định vị toàn cầu GPS

GPS (Global Positioning System) là một hệ thống GNSS phát triển bởi Bộ quốc phòng Mỹ và là hệ thống định vị phổ biến nhất hiện nay GPS có thể hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết cũng như các khu vực khác nhau trên toàn thế giới Ban đầu GPS được phát triển cho mục đích quân sự, nhưng từ năm 1980 đã được mở rộng phạm vi sử dụng sang các lĩnh vực dân sự GPS hiện đang được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới ở mọi lĩnh vực Ở Việt Nam hiện nay cũng có rất nhiều ứng dụng như về quản lý hệ thống vận tải, giám sát phương tiện, hành trình, giám sát tội phạm và đo đạc bản đồ, nghiên cứu địa chất… Về nguyên lý hoạt động của hệ thống này ta sẽ tập trung kỹ ở phần sau Hiện nay hệ thống GPS ngày càng được chú trọng và hoàn thiện để cạnh tranh với các hệ thống mới nổi của Châu Âu,

Trang 14

13

1.2.2 Hệ thống Galileo

Đây là hệ thống đang được phát triển bởi liên minh Châu Âu Về mặt nguyên tắc hoạt động cũng gần giống như hệ thống GPS của Mỹ Các thiết bị thu tín hiệu của Galileo cũng có thể thu được tín hiệu GPS do vậy khi hệ thống này đi vào hoạt động sẽ có rất nhiều ích lợi cho người sử dụng do có thể thu được nhiều tín hiệu từ các vệ tinh của cả hai hệ thống để tăng cường độ chính xác, ổn định Mặt khác hệ thống Galileo là hệ thống độc lập về mặt chính trị, cung cấp nhiều giải pháp ứng dụng và có nhiều giải pháp hiện đại hơn hệ thống GPS Nên về tương lai (dự kiến sẽ chính thức đi vào hoạt động vào năm 2013) khi hệ thống này đi vào hoạt động sẽ mang lại nhiều lợi ích cho nhiều nước trên thế giới cũng như Việt Nam Trong thời gian vừa qua cũng đã có nhiều hoạt động xúc tiến, hội thảo về chương trình Galileo

ở Việt Nam Gần đây nhất là việc thành lập trung tâm nghiên cứu về Galileo ở khu vực Đông Nam Á mà trụ sở đặt tại Đại học Bách Khoa Hà Nội (thành lập vào ngày 01/10/2010 tại tầng 6 thư viện Tạ Quang Bửu nằm trong dự án SEAGAL)

Hệ thống Galileo có 24 vệ tinh (có 3 vệ tinh dự phòng) nằm rải trên 6 quỹ đạo, mục đích cung cấp đa dạng dịch vụ phù hợp với nhiều đối tượng sử dụng bao gồm:

Dịch vụ mở OS(Open Service): Dịch vụ miễn phí có sẵn cho thị trường các

ứng dụng đòi hỏi định vị đơn giản và không cần sự đảm bảo

Dịch vụ Thương mại CS (Commercial Service): Dịch vụ này đòi hỏi được sử

dụng chuyên nghiệp, có độ chính xác cao hơn và cung cấp dịch vụ bảo đảm có thu phí

Dịch vụ An toàn của cuộc sống (Safety of Life Service): Đây là một dịch vụ

cho các ứng dụng đảm bảo an toàn quan trọng cho cuộc sống như hàng hải, hàng không, đường sắt, phương thức vận chuyển mà ứng dụng hoặc hoạt động yêu cầu thực hiện nghiêm ngặt về mức độ an toàn

Trang 15

14

Dịch vụ Điều hành công vụ (Public Regulated Service): Chỉ dành cho đối

tượng được chính phủ cho phép sử dụng

Dịch vụ tìm kiếm và cứu nạn (Search and Rescue Service): Nó cho phép phát

hiện nguy hiểm và phát đi cảnh báo theo thời gian thực Nó tương thích với COSPAS-SARSAT Đảm bảo thông tin tương tác 2 chiều

1.2.3 Glonass

Glonass (Global Orbiting Navigation Setellite System) là hệ thống GNSS của Nga được phát triển từ thời Liên Xô để đối chọi với Mỹ với tính năng tương tự Tuy nhiên sau khi Liên Xô sụp đổ thì hệ thống này không được duy tu và phát triển nên bị suy yếu nhiều năm Gần đây hệ thống này đang được khởi động mới lại với việc cải tiến công nghệ, phóng thêm các vệ tinh mới để thay thế và để đảm bảo có thể bao phủ toàn cầu, cung cấp cho cả dân sự và quân sự Gần đây nhất tên lửa Proton-M đã phóng thành công mang theo ba vệ tinh Glonass M lên quỹ đạo vào ngày 02/09/2010 Và dự kiến tháng 12/2010 sẽ phóng tiếp ba vệ tinh Glonass K là các vệ tinh mới hiện đại có khả năng hoạt động lâu dài hơn, chính xác hơn Dự kiến đến năm 2011 hệ thống Glonass sẽ hoạt động đầy đủ chức năng trên toàn cầu Thời điểm hiện tại này Glonass có 26 vệ tinh trên quỹ đạo với 21 đang hoạt động bình thường, 3 vệ tinh đang được bảo trì và 2 vệ tinh dự phòng (bao phủ toàn bộ Nga và 98% thế giới)

Hệ thống Glonass đầy đủ sẽ gồm 24 vệ tinh hoạt động và chia làm ba quỹ đạo, mỗi quỹ đạo có 8 vệ tinh Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo một góc 64,80 và góc xuân phân giữa hai quỹ đạo sai khác nhau 1200 Quỹ đạo cách

bề mặt trái đất 19.100 km

Trang 16

15

Hình 1.1 Hệ thống vệ tinh Glonass

Không giống như hệ thống GPS truyền thông tin dẫn đường qua định dạng CDMA , Glonass sử dụng định dạng FDMA Mỗi vệ tinh GPS truyền một cặp mã C/A và P duy nhất trên cùng tần số thì mỗi vệ tinh Glonass truyền cùng cặp mã PRN trên các tần số khác nhau Điều này tuy mang lại nhiều khả năng về dung lượng cho Glonass nhưng các thiết bị thu của Glonass sẽ đắt hơn do yêu cầu thêm thiết bị đầu cuối để xử lý nhiều tần số Mỗi vệ tinh Glonass truyền ở hai băng tần L1

(f1=(1,602+9k/16) GHz ) và L2 (f2=(1,246+7k/16) GHz) với k=0-24 là chỉ số vệ

tinh Băng L1 được điều chế bởi mã C/A và mã P, băng L2 chỉ sử dụng mã P Glonass cũng truyền thông tin dẫn đường với dữ liệu 50bit/s

Trang 17

16

Hình 1.2 Sơ đồ tạo tín hiệu Glonass

Tần số sóng mang f có công thức chung như sau:

vụ riêng cung cấp cho Trung Quốc có độ chính xác cao Với các vệ tinh đang có phục vụ trên lãnh thổ của mình Trung Quốc thông báo là đã có độ chính xác vị trí là 10m, thời gian chính xác cỡ 10ns, và vận tốc là 0,2m/s

Trang 18

17

riêng mình hệ thống GNSS và đó là lý do sự ra đời của QZSS (Quasi-Zenith Setellite System) Dự kiến đến năm 2013 sẽ chính thức hoạt động và có khả năng bao phủ vùng Nhật và châu Úc Ngày 11/09/2010 Nhật đã phóng thành công vệ tinh đầu tiên của mình.Vệ tinh "Michibiki" được đưa vào quỹ đạo không gian bằng tên lửa H-IIA của Nhật từ trung tâm không gian Tanegashima, vào lúc 20h17 (giờ địa phương) là vệ tinh đầu tiên nằm trong kế hoạch 3 vệ tinh của Nhật, dự kiến sẽ cung cấp tín hiệu trên toàn quần đảo Nhật Bản Nhật đã thiết kế quỹ đạo sao cho 1 trong

3 vệ tinh Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) luôn bay phía trên nước Nhật Vệ tinh có thể phủ sóng ở mọi khu vực, thành phố của nước này, nhưng ở một số vị trí

có thể không có sóng do sự cản trở của các nhà cao tầng, đỉnh núi.Vệ tinh cũng có khả năng phát quảng bá tín hiệu sửa lỗi trong dữ liệu để dịch vụ định vị chính xác hơn

Hình 1.3 Vệ tinh Michibiki đầu tiên của Nhật

Tín hiệu từ vệ tinh QZSS tương thích với hệ thống GPS hiện tại nên đảm bảo cho các thiết bị định vị hiện tại hoạt động tốt mà không phải thay đổi, chỉnh sửa gì

Trang 19

18

Hệ thống vệ tinh QZSS của Nhật là một trong số kế hoạch phát triển mạng lưới vệ tinh nhằm giảm sự lệ thuộc vào mạng GPS của Mỹ

1.2.6 Hệ thống định vị vệ tinh của Ấn Độ IRNSS

IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) sẽ được triển khai và đưa vào hoạt động vào năm 2014 Đây là thông tin mà Chính phủ nước này đưa ra trước Quốc hội Ấn Độ hôm 10/08/2010 Được phát triển bởi Cơ quan Nghiên cứu

Vũ trụ Ấn Độ (ISRO) và với sự giúp đỡ của Mỹ, IRNSS bao gồm 7 vệ tinh liên kết với các cơ sở hạ tầng dưới mặt đất

Hình 1.4 Hình minh họa hệ thống vệ tinh tương lai của Ấn Độ

Dự án IRNSS được thông qua năm 2006 với ngân sách dự kiến 14 tỷ Rupi (khoảng 231 triệu euro) Các quan chức Ấn Độ cho rằng việc phát triển hệ thống IRNSS là cần thiết để đảm bảo tính tự chủ về công nghệ của nước này, tránh sự lệ thuộc vào các hệ thống của nước ngoài (hiện nay sử dụng Hệ thống GPS của Mỹ), nhất là khi các hệ thống này gặp sự cố

Theo G Madhavan Nair, cựu Giám đốc ISRO, IRNSS sẽ có 3 vệ tinh được đặt ở quỹ đạo địa tĩnh và 4 vệ tinh khác được đặt gần quỹ đạo này, điều này cho phép đảm bảo tính hoạt động liên tục của hệ thống

Trang 20

19

hiệu GPS, mã C/A, tác động của hiệu ứng Doppler đối với tín hiệu GPS, cách tính toán các giá trị PVT (Position – vị trí, Velocity – vận tốc, Time – thời gian) Đây chính là các cơ sở lý thuyết quan trọng phục vụ cho các chương sau

2.1 Hệ thống GPS

2.1.1 Các thành phần của hệ thống

Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần (segment) chính: thành phần không gian (Space Segment), thành phần điều khiển (Control Segment) và thành phần người dùng (User Segment) Các thành phần của hệ thống GPS được minh họa trong hình dưới đây:

Hình 2.1 Các thành phần của hệ thống GPS

2.1.2 Thành phần không gian

Thành phần không gian của GPS là một hệ thống bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo trái đất Các vệ tinh này có khả năng phủ sóng toàn bộ bề mặt trái đất với cấu hình như sau:

- 24 vệ tinh hoạt động

Trang 21

20

- 6 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao 20.200km Thời gian bay hết quỹ đạo là 11h58’ và độ nghiêng 530

- 4 vệ tinh bay trên một mặt phẳng

Hình 2.2 Quỹ đạo vệ tinh GPS

Quỹ đạo của vệ tinh được xác định là quỹ đạo trái đất trung bình (Medium Earth Orbit – MEO) khác với quỹ đạo địa lý tĩnh (Geostationary Earch Orbit – GEO) ở độ cao 36.000km Các vệ tinh được cài đặt sao cho độ che phủ bề mặt trái đất là tối đa, nghĩa là tối thiểu tại một điểm bất kì phải thu nhận được tín hiệu từ 4 vệ tinh Đây là

số vệ tinh tối thiểu mà thiết bị thu nhận phải phát hiện được để tính toán vị trí chính

xác

Mỗi vệ tinh có chứa 4 đồng hồ nguyên tử để có thể cung cấp dịch vụ thời gian chính xác Chỉ một trong bốn đồng hồ được hoạt động tại một thời điểm Số còn lại được để dành

Mỗi vệ tinh lại có các thành phần sau:

Trang 22

21

Hình 2.3 Các thành phần chức năng của vệ tinh GPS

- Atomic Frequency Standard (AFS) tạo tín hiệu đổng hồ chuẩn 10.23MHz

- Frequency Synthesizer and Distribution Unit (FSDU) nhận tín hiệu đồng hồ

chuẩn để tổng hợp loại tần số khác cho các hệ con

- Navigation Data Unit (NDU) nhận các dữ liệu định vị Navigation (NAV data) từ thành phần điều khiển Control Segment (CS) thông qua các hệ thống con Telemery, Track, Command (TT&C)

- Navigation Baseband sinh ra nhiễu giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Noise) PRN (C/A-code, P(Y)-code) và điều chế với thông tin dữ liệu định vị

- L-Band Subsystem điều chế các chuỗi dữ liệu nhị phân vào các sóng mang

tần số L1 (1575.42MHz) và L2 (1227.6MHz) Tín hiệu được phát xuống thông qua các ăng-ten

2.1.3 Thành phần điều khiển

Thành phần điều khiển của GPS là một mạng lưới các trạm thu phát tín hiệu được lắp đặt rải rác trên thế giới Nó bao gồm một Master Control Station (MCS), tại Falcon Air Force Base (AFB) ở Colorado Springs, USA, và các trạm điều khiển (Monitor Station – MS) cùng các ăng-ten mặt đất (Ground Antena – GA)

Các trạm này có nhiệm vụ giám sát và quản lý mạng lưới vệ tinh Chúng cập nhật các thông tin mới, dữ liệu sửa lỗi (nếu có) lên mỗi vệ tinh Dữ liệu sửa lỗi bao gồm dữ liệu về vị trí và thời gian của vệ tinh đó cũng như các vệ tinh khác trên quỹ đạo

Trang 23

22

Hình 2.4 Chức năng của thành phần điều khiển trong hệ thống GPS

- TT&C Link: tín hiệu điều khiển Telemery, Track, Command để cập nhật thông tin, sửa sai dữ liệu, điều khiển vệ tinh

- GPS SIS - GPS Signal-In-Space: tín hiệu cập nhật thông tin định vị cho vệ tinh

2.1.4 Thành phần người dùng

Thành phần người dùng trong hệ thống chính là các loại thiết bị thu nhận tín hiệu vệ tinh Chúng sẽ phân tích tín hiệu và tính toán dữ liệu để tìm ra vị trí hiện tại

và thời gian chính xác tại thời điểm đó

Một thiết bị thu nhận tín hiệu GPS có các phần chính sau đây:

Trang 24

23

Hình 2.5 Sơ đồ khối chức năng thiết bị thu nhận tín hiệu GPS

Các thành phần này có nhiệm vụ sau đây:

- Radio Frequency Chain: thành phần khuyếch đại biên độ và trộn tần số (cho

ra tần số mong muốn)

- ADC: bộ chuyển đổi tương tự - số

- Acquisition (thu nhận tín hiệu): thu nhận các thông tin ban đầu về vệ tinh, pha mã C/A, sóng mang với giá trị thô

- Tracking (bám tín hiệu): Bám pha, mã, giải mã bản tin dẫn đường

- Dữ liệu nhận được được phân tích (tách frame dữ liệu)

- Ephemeris & pseudorange: Tính toán dữ liệu thiên văn và giả khoảng cách

tả cách thức tạo ra tín hiệu GPS trên các vệ tinh

Trang 25

24

Hình 2.6 Sơ đồ tạo tín hiệu GPS

Tín hiệu gồm có sóng mang L1, L2, dữ liệu bản tin dẫn đường, mã trải phổ

CA, P(Y) Ta có thể hình dung cách phối hợp của chúng như hình sau:

Hình 2.7 Tạo tín hiệu GPS

Phương trình tín hiệu:

Trang 26

25

Trong đó k là chỉ số vệ tinh, D(t) dữ liệu dẫn đường, C(t) mã trải phổ C/A, P(t) mã trải phổ quân sự, Pc, P PL1 , P PL2 là năng lượng tín hiệu

Dòng dữ liệu dẫn đường được phát đi với tần số 50bit/s trong khi mã C/A có

tần số chip 1,023MHz và lặp lại theo chu kỳ T=1ms, tức là trong một mã C/A có

1023 chip và 1023 chip này liên tục lặp lại sau mỗi 1ms

2.3 Mã CA

2.3.1 Chức năng của mã C/A

Mã C/A có các chức năng cơ bản như sau:

* Tăng độ chính xác phép đo cự ly và chống lỗi thu tín hiệu nhiều tia: Để xác định vị trí máy thu GPS với độ chính xác 10m, người ta sử dụng phương pháp đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu nhờ vào thời gian truyền tín hiệu GPS Nhằm đạt được độ chính xác này, người ta phải sử dụng tín hiệu băng thông rộng được điều chế theo mã C/A Ngoài ra, nhờ sử dụng mã C/A, máy thu GPS còn xử lý tương quan tín hiệu thu được làm triệt tiêu sai lỗi do tạp nhiệt Do mã C/A tạo ra tín hiệu có băng thông rất lớn so với dòng dữ liệu tốc độ 50 b/s nên người ta gọi tín hiệu GPS là tín hiệu trải phổ Sử dụng mã C/A còn làm giảm lỗi trên tín hiệu do lỗi nhiều tia (Lỗi nhiều tia xuất hiện do máy thu ngoài việc thu được tín hiệu đi thẳng, còn thu được tín hiệu do sự phản xạ ở các vật thể tạo ra trễ truyền sóng) bởi vì tín hiệu băng thông rộng sẽ làm cho việc tách tín hiệu truyền thẳng và tín hiệu phản xạ trở nên rất dễ dàng

* Cho phép máy thu đo khoảng cách tới các vệ tinh khác nhau: Mỗi vệ tinh GPS sử dụng một mã C/A khác nhau nên mặc dù chúng dùng chung tần số nhưng không gây nhiễu sang tín hiệu của vệ tinh khác Việc tách các tín hiệu này sử dụng nguyên lý tương quan tín hiệu thu được với từng bản sao mã C/A của chúng được lưu trong máy thu GPS Sau khi tương quan, các tín hiệu có mã C/A khác sẽ bị biến

Trang 27

lớn hơn công suất tín hiệu GPS từ 20 đến 30 dB [10]

2.3.2 Hàm tự tương quan

Mỗi vệ tinh có một mã C/A độc lập, một mã C/A là một chuỗi 1023 chip (tần

só chip là 1,023 MHz), mã C/A có chu kỳ 1 ms Các chip có thể có cực tính dương hoặc âm nhưng đều có cùng biên độ Sự phân bố cực tính của 1023 chip là giả ngẫu nhiên bới “sự ngẫu nhiên” của chúng được cách thanh ghi dịch quy định

Hàm tự tương quan của mã C/A có ý nghĩa cực kỳ quan trọng trong quá trình thu tín hiệu GPS bởi nó chính là cơ sở của quy trình bám mã và phép đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu

Một đặc tính quan trọng của mã C/A là thuộc tính tương quan của các mã này Giá trị tương quan chéo của hai mã C/A bất kì gần như bằng không và tương quan của cùng một mã C/A cũng gần như bằng không nếu chúng lệch nhau từ một chíp trở lên Hai thuộc tính này của mã C/A được dùng để xác định vệ tinh và xác

định điểm bắt đầu của mã C/A trong quá trình acquisition và tracking [1, 4]

Trang 28

27

Hình 2.8 Tự tương quan và tương quan chéo của mã C/A

Trang 29

Hình 2.10 Quy tắc tính modulo2

Và mã C/A là kết quả của phép cộng modulo 2 của G1(10) và hai bit của

thanh G2 Lưu ý là hai bit này thay đổi với từng vệ tinh (hình 2.9 là của vệ tinh 1)

và được quy định ở cột thứ 3 như hình dưới

Trang 30

29

Hình 2.11 Bảng đăng ký pha mã C/A

2.4 Hiệu ứng Doppler

Trang 31

30

Trong phần này ta xem tác động của hiệu ứng doppler lên tần số sóng mang

và mã C/A, đây là các thông tin quan trọng phục vụ cho quá trình acquisition và

tracking tín hiệu GPS Sau đây ta sẽ thừa nhận các công thức liên quan như sau: [4]

Với là vận tốc góc

v s là vận tốc vệ tinh

r s là bán kính trung bình của quỹ đạo vệ tinh

Hình 2.12 Tần số doppler gây ra bởi chuyển động của vệ tinh

Mối quan hệ giữa tốc độ vệ tinh và góc θ:

Trang 32

31

học như hình dưới đây

Hình 2.13 Quan hệ giữa vận tốc doppler và góc θ Góc θ biểu diễn như hình (2.12) với A là vị trí máy thu, S là vị trí vệ tinh Khi θ=π/2 thì vận tốc Doppler bằng 0 (vệ tinh ở vị trí thiên đỉnh), khi θ=0.242 rad

(vệ tinh nằm ở vị trí ngang với máy thu) thì vận tốc Doppler lớn nhất và có giá trị là:

Ta có thể tính được độ dịch tần số Doppler f dr lớn nhất tác động lên sóng

mang L1 (f r = 1575,42MHz) theo công thức:

Trang 33

32

Với mã C/A có tần số chip f c = 1,023MHz thì độ dịch tần số Doppler f dc lớn nhất là :

Trên đây ta tính toán với các thiết bị thu có vị trí cố định Với các thiết bị di chuyển với tốc độ cao như các máy bay thì ta cần phải xem xét đến vận tốc để tính toán độ dịch tần số Như vậy để quét hết các thành phần tần số với các thiết bị di chuyển với tốc độ cao ta phải quét sóng mang trong khoảng ±10KHz, mã C/A trong khoảng 6,4Hz

2.5 Bản tin dẫn đường

Bản tin dẫn đường (Navigation Message) chính là dữ liệu được tách ra từ tín

hiệu GPS thu được, nó được truyền với tốc độ 50bit/s Bản tin dẫn đường gồm các thành phần cơ bản sau:

Dữ liệu niên lịch vệ tinh (Satellite Almanac Data): Dữ liệu này chứa thông

tin về quỹ đạo tương đối của tất cả 24 vệ tinh Máy thu GPS sẽ thu và lưu lại tín hiệu này và sẽ mang ra sử dụng để dò tìm vệ tinh khi bắt đầu bật máy thu bởi nó có thể cho ta biết khu vực vệ tinh đang bay

Dữ liệu lịch thiên văn vệ tinh (Satellite Ephemeris Data): Đây là dữ liệu

chính xác về vị trí vệ tinh mà nhờ đó mày thu có thể đo chính xác hơn khoảng cách

từ máy thu đến vệ tinh nhằm phục vụ cho mục đích dẫn đường Mỗi vệ tinh chỉ truyền lịch thiên văn của chính nó

Dữ liệu thời gian tín hiệu (Signal Timing Data): Dữ liệu này được sử dụng

để tính toán và xác định thời điểm truyền của tín hiệu GPS Ngoài ra, nó còn được

sử dụng cho phép đo giả khoảng cách bằng phép nhân giữa thời gian truyền với tốc

độ lan truyền sóng

Dữ liệu trễ tầng điện ly (Ionospheric Delay Data): Dữ liệu này mang thông

tin được tính toán ước lệ về trễ truyền tín hiệu từ vệ tinh đi qua tầng điện ly Đây là tầng khí quyển có trễ truyền sóng cao nhất

Trang 34

33

tất cả các thông tin phát xuống từ vệ tinh này

Cấu trúc bản tin dẫn đường như sau: Mỗi bản tin dẫn đường gồm có 25 khung (frame), mỗi khung bao gồm 1500 bit Cấu trúc chung của khung tin GPS được biểu thị trong hình dưới đây

Hình 2.14 Cấu trúc của một khung bản tin dẫn đường

Chúng ta có thể thấy rằng mỗi khung tin có 5 khung con (sub-frame) 300 bit

và mỗi khung con có 10 từ (word) 30 bit Như vậy, với tốc độ truyền 50 b/s thì để truyền một khung con mất 6 giây, truyền một khung tin mất 30 giây và truyền một bản tin sẽ mất 750 giây hay 12,5 phút

Mỗi khung con có một phần đầu (header) riêng vì một thiết bị có thể bắt đầu quá trình thu ở bất kì thời điểm nào, và không cần phải chờ 30s cho một vòng lặp mới Như vậy, một frame dữ liệu đầy đủ có thể được thu sau tối đa 36s

Ngoài cấu trúc header giống nhau, mỗi khung con lại mang một gói dữ liệu khác nhau:

Trang 35

34

- Sub-frame 1 chứa thời gian chính xác thu thập được từ 4 đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh

- Sub-frame 2 và 3 cùng chứa các dữ liệu thiên văn của vệ tinh

- Sub-frame 4 và 5 cũng được nhóm lại, và chia thành 25 trang riêng biệt (cần 12,5’ để thu thập đủ) Dữ liệu này hầu như chỉ dành cho các trạm điều khiển Như vậy thiết bị thu nhận chỉ dùng dữ liệu của 3 khung con đầu để tính toán vị trí tương đối với một vệ tinh xác định vì nó biết được thời gian cần thiết để truyền

dữ liệu và vị trí vệ tinh ở thời điểm tín hiệu được truyền

Các khung con số 1, 2, 3 trong các khung khác nhau thường là giống nhau và được lặp lại với chu kỳ 30 giây trừ trường hợp cập nhật Các khung con số 4, 5 của các khung khác nhau thì khác nhau và các khung con này mang thêm cả chỉ số khung Nếu không qua thời điểm cập nhật thì cứ sau mỗi bản tin chúng lại lặp lại

nghĩa chúng có chu kỳ 12,5 phút [1, 3, 4]

2.6 Tính PVT (Position, Velocity, Time) [3]

2.6.1 Lý thuyết về tính toán vị trí của máy thu GPS

Hệ thống GPS sử dụng phương pháp tính toán khoảng cách TOA (Time Of

Arrival) Thời gian tín hiệu bắt đầu được truyền đi t si sẽ được nhúng vào trong dữ

liệu truyền Thiết bị nhận sẽ xác nhận thời gian bắt được tín hiệu t u, và tính toán khoảng thời gian chênh lệch để tìm được thời gian truyền Giá trị này nhân với vận

tốc truyền (vận tốc ánh sáng c) sẽ cho ra khoảng cách từ vệ tinh tới thiết bị thu nhận

là ρ theo công thức:

ρ = c(t u – t si ) (2.8)

Với mỗi khoảng cách ta xác định được một mặt cầu có tâm là vị trí của vệ tinh Nếu thiết bị thu nhận được tín hiệu từ 3 vệ tinh trở lên, ta sẽ có vị trí chính xác của

thiết bị như hình minh họa dưới Ta có thể thấy trong Hình 2.15d có 2 vị trí được

xác định là tọa độ thiết bị Tuy nhiên có thể loại bỏ 1 điểm, vì ta biết chắc nếu thiết

bị ở trên bề mặt trái đất thì điểm thấp hơn sẽ được chấp nhận Trong trường hợp một vật thể bay (máy bay) thì cần có thêm các thông tin khác để xác định chính xác tọa độ (như dựa vào dữ liệu từ vệ tinh thứ 4)

Trang 36

35

Hình 2.15 Phương pháp định vị trong không gian (a) Vị trí người dùng ở trên bề mặt cầu (b) Vị trí người dùng nằm trên vành

tròn màu xám

Trang 37

36

Hình 2.15 (tiếp) (c) Mặt phẳng giao nhau cắt ngang (d) Vị trí người dùng

thuộc một trong hai điểm đánh dấu (e) Mặt cắt ngang

Bây giờ ta xem xét vấn đề dưới góc nhìn các phương trình toán học cụ thể Giả

sử trong trường hợp này các khoảng cách tính toán được là chính xác và vị trí các

vệ tinh là biết được Ta gọi 3 điểm này là r1 (x1, y1, z1), r2 (x2, y2, z2) và r3 (x3, y3, z3) Gọi điểm xác định vị trí thiết bị thu là r u (x u , y u , z u ) Khoảng cách giữa r1, r2

và r3 tới điểm chưa biết r u là đo được với các giá trị ρ 1 , ρ 2 và ρ 3 thì phương trình biểu diễn sẽ là:

Ta có hệ 3 phương trình và 3 ẩn, do đó có thể giải được hệ phương trình này Nhưng do các phương trình này không phải dạng phương trình tuyến tính nên khó

có thể giải trực tiếp mà phải sử dụng các kỹ thuật tuyến tính hóa và lặp để giải

Trang 38

37

Hình 2.16 Hệ tọa độ Oxyz

Trên đây là ta xét về mặt lý thuyết, khoảng cách được tính bằng cách lấy thời gian nhân với vận tốc Tuy nhiên, thực tế thời gian truyền tín hiệu trong không gian không phải là thời gian chênh lệch giữa hai đồng hồ đo (thời gian nhận của thiết bị thu nhận và thời gian phát của vệ tinh) Nguyên nhân là do tín hiệu không phải bao giờ cùng truyền theo đường thẳng, và vận tốc không phải là hằng số, ví dụ như độ trễ truyền do ảnh hưởng của tầng khí quyển, sự sai lệch của đồng hồ đo, hiệu ứng giao thoa, hiện tượng ‘đa đường’… Do vậy, thời gian thực tế để tín hiệu truyền từ

vệ tinh tới thiết bị thu nhận bao giờ cũng lớn hơn tính toán lý thuyết

Ta có thể thấy trên Hình 2.17, khoảng cách tính toán được từ vệ tinh tới thiết bị

bị ảnh hưởng bởi một hằng số ε đặc trưng cho các sai số có thể có Đường đứt nét thể hiện khoảng cách tính toán được, còn đường liền nét thể hiện khoảng cách thật

sự Sai số dẫn tới không thể tìm ra một tọa độ chính xác cho thiết bị mà chỉ xác định được vùng không gian có thể chứa tọa độ đó

Trang 39

38

Hình 2.17 Xác định khoảng cách do sai số

Hình 2.18 Ước lượng vị trí người dùng

Để biểu diễn toán học cho vấn đề này, ta gọi thời điểm vệ tinh bắt đầu gửi tín

hiệu là t si Thiết bị thu sẽ nhận được tín hiệu tại thời điểm t u Như vậy khoảng cách giữa thiết bị thu và vệ tinh thứ i đưọc tính bởi quan hệ sau:

ρ iT = c(t u -t si ) (2.10)

Với c là vận tốc ánh sáng, ρ iT là giá trị chính xác khoảng cách giữa vệ tinh i và

thiết bị thu

Trang 40

39

Với ∆b i là lỗi đồng hồ vệ tinh, b ut là lỗi đồng hồ của thiết bị thu Ngoài sai lệch

do đồng hồ, còn nhiều yếu tố khác ảnh hưởng tới phương trình này, bao gồm trễ do tầng khí quyển, nhiễu, … Như vậy, hệ phương trình xác định tọa độ phải được viết lại như sau:

Với b u là sai lệch trong tính toán khoảng cách do nhiều yếu tố gây nên Hệ phương trình có 4 ẩn, do đó cần 4 phương trình để giải các giá trị cần thiết Do đó, thiết bị thu cần bắt được tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh để có thể tính toán vị trí chính xác Để giải bài toán này thì có nhiều phương pháp như dùng thuật giải lặp, dùng bộ lọc Kalman để tối ưu…

2.6.2 Tính thời gian và vận tốc máy thu

Để tính vận tốc máy thu tức thời trong khoảng thời gian (t2 - t1) ta có thể dùng công thức sau:

Với u(t 2 ) và u( t 1 ) lần lượt là vị trí tại thời điểm t 2 , t 1 tương ứng

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	2,39 MB