Giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha cho máy thu định vị bằng vệ tinh

Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đề xuất giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha trên cơ sở tự bù trừ và hiệu chỉnh hai giai đoạn sử dụng tiêu chuẩn tối ưu MPE

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

***************

NGÔ XUÂN MAI

GIẢI PHÁP SỬA LỖI KHÔNG ĐỒNG NHẤT GIỮA CÁC KÊNH TRÊN ANTEN MẠNG PHA

CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ TINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2020

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

***************

NGÔ XUÂN MAI

GIẢI PHÁP SỬA LỖI KHÔNG ĐỒNG NHẤT GIỮA CÁC KÊNH TRÊN ANTEN MẠNG PHA

CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ TINH

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Mã số : 9520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Huy Hoàng

2 TS Hoàng Thế Khanh

Hà Nội – 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các nội

dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và

chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây Các dữ liệu tham

khảo đều đã được trích đầy đủ theo đúng quy định

Hà Nội, ngày 16 tháng 3 năm 2020

TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Ngô Xuân Mai

LỜI CẢM ƠN

Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc Phòng

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Huy Hoàng và

TS Hoàng Thế Khanh, các thầy đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ, trang

bị phương pháp nghiên cứu, kiến thức khoa học và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành được luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô, các Nhà khoa học, đồng nghiệp

và bạn bè thuộc Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Công nghệ bưu chính viễn thông, Đại học Quốc gia Hà Nội đã cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu

Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Công nghệ quân sự/BQP, Phòng Đào tạo, Viện Điện tử là cơ sở đào tạo và đơn vị quản lý, Thủ trưởng Binh chủng Thông tin liên lạc/BQP, Thủ trưởng Trung tâm kỹ thuật thông tin Công nghệ cao là nơi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, hỗ trợ và giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, tôi xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã luôn đồng hành, động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án

Tác giả

MỤC LỤC

Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT VIDANH MỤC CÁC BẢNG IXDANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ X

MỞ ĐẦU 1CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GNSS VÀ CÁC GIẢI PHÁP

CHỐNG NHIỄU CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ TINH 7

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CHỐNG NHIỄU CỦA

TIÊU CHUẨN TỐI ƯU MPE ĐỐI VỚI MÁY THU GNSS 35

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP SỬA LỖI BẤT ĐỒNG NHẤT GIỮA CÁC KÊNH

TRÊN ANTEN MẠNG PHA CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ TINH 82

KẾT LUẬN 110DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 112TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A Véc-tơ mạng của anten mạng pha

c Tốc độ truyền sóng trong khí quyển, [m/s]

ij

d Khoảng cách giữa các phần tử anten, [m]

( )

d t Tín hiệu tham chiếu

D Đặc trưng hướng của anten mạng pha

f Tần số bộ dao động tham chiếu hệ thống GPS, f0=10.23 [MHz]

T Mức độ chống nhiễu của anten mạng pha

J Hàm đích của các tiêu chuẩn thích nghi

AGDV Độ lệch pha trung tâm trung bình

APCO Sự biến thiên pha trung tâm trung bình

ARNS Dịch vụ điều hướng vô tuyến hàng không (Aviation Radio

navigation service) ARS Tìm kiếm ngẫu nhiên nhanh (Accelerated Random Search) Beidou Hệ thống định vị vệ tinh của Trung Quốc

BĐN Bất đồng nhất

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

Access)

C/A Mã C/A (Coarse/Acquisite-code)

DFT Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform) DARS Tìm kiếm ngẫu nhiên nhanh có định hướng (Directed

Accelerated Random Search)

FDMA Đa truy cập phân chia theo tần số (Frequency Division

Multiple Access) GNSS Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation

Satellite System) GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)

GALILEO Hệ thống định vị vệ tinh của liên minh Châu Âu

GD Độ trễ nhóm (Group Delay)

GLONASS Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Liên bang Nga (ГЛОбальная

НАвигационная Спутниковая Система – ГЛОНАСС) ITU Liên minh viễn thông quốc tế (International Telecommunication

Union) IDFT Biến đổi Fourier rời rạc ngược (Inverse Discrete Fourier

Transform) INS Hệ thống dẫn đường quán tính (Inertial Navigation System) LRS Tìm kiếm ngẫu nhiên tuyến tính (Linear Random Search) LMS Bình phương trung bình nhỏ nhất (Least mean squares)

ML Hợp lẽ cực đại (Maximum likelihood)

МMSE Sai số trung bình bình phương cực tiểu (Minimum mean

square errors) MSE Sai số trung bình bình phương (Mean square errors) MPE Tối thiểu hóa công suất MPE (Minimum power

eigencanceler) PVT Vị trí/vận tốc/thời gian (Position/Velocity/Time)

QZSS Hệ thống vệ tinh định vị của Nhật bản (Quasi-Zenith

Satellite System) RLS Đệ qui bình phương nhỏ nhất (Recursive least squares) RNSS Dịch vụ vệ tinh định vị vô tuyến (Radio navigation satellite service) SAP Xử lý thích nghi không gian (Space adaptive processing) SBAS Hệ thống vệ tinh tăng cường (Satellite-based augmentation systems) S/N (J/S) Tỉ số tín hiệu/tạp âm (Signal/noise)

SINR Tỉ số tín hiệu/(nhiễu + tạp) (Signal Interference Noise Ratio) STAP Xử lý thích nghi không gian – thời gian (Space-time

adaptive processing)

SVD Phân hoạch giá trị riêng, véc-tơ riêng (Singular Value

Decomposition) UAV Máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Chỉ tiêu về chất lượng chống nhiễu 22

Bảng 2.1 Bảng các tham số mô phỏng 58

Bảng 2.2 Đánh giá chất lượng chống nhiễu máy thu khi kênh đồng nhất 59

Bảng 2.3 Bảng so sánh kết quả mô phỏng khi BĐN về pha 74

Bảng 2.4 Bảng so sánh kết quả mô phỏng khi BĐN về biên độ 75

Bảng 2.5 So sánh vùng không làm việc của máy thu định vị vệ tinh 78

Bảng 3.1 Các đặc tính chống nhiễu của anten mạng pha 9 phần tử 97

Bảng 3.2 So sánh vùng không làm việc của máy thu định vị vệ tinh 108

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Mô hình các thành phần của hệ thống GNSS 8

Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ phát tín hiệu GPS trên băng tần L1 và L2 9

Hình 1.3 Cấu trúc bộ tạo mã từ các thanh ghi dịch trong hệ thống GPS 10

Hình 1.4 Cấu trúc thanh ghi tạo mã trong hệ thống GLONASS 11

Hình 1.5 Các dạng nhiễu trong hệ thống GNSS 12

Hình 1.6 Giản đồ hướng anten mạng pha thích nghi 15

Hình 1.7 Cấu trúc máy thu GNSS xử lý trước tương quan 16

Hình 1.8 Nguyên tắc định vị vệ tinh 17

Hình 1.9 Hệ thống xử lý không gian hai kênh 18

Hình 1.10 Cấu trúc bộ tự bù trừ hai kênh 19

Hình 1.11 Mô hình của bộ sửa lỗi không đồng nhất[45] 19

Hình 1.12 Cấu trúc của bộ bù trừ nhiễu với sự hiệu chỉnh một tham số 20 Hình 1.13 Cấu trúc bộ lọc không gian - thời gian 27

Hình 2.1 Sự hình thành mặt phẳng tín hiệu có ích [45] 36

Hình 2.2 Cấu trúc anten mạng pha tam giác 40

Hình 2.3 Xác định hiệu đường truyền giữa tia 41

Hình 2.4 Mô hình quá trình thêm độ trễ truyền sử dụng cặp biến đổi Fourier [45] 43

Hình 2.5 Cấu trúc anten mạng pha 9 phần tử 47

Hình 2.6 Cấu trúc anten mạng pha 4 phần tử 47

Hình 2.7 Cấu trúc anten mạng pha 7 phần tử 47

Hình 2.8 Mô hình tạo độ trễ nhóm [7] 48

Hình 2.9 Dạng tín hiệu của GD 49

Hình 2.10 Mô hình kênh thu trên anten mạng pha khi bất đồng nhất [45] 51

Hình 2.11 So sánh hệ số nén công suất nhiễu với d  / 2 60

Hình 2.12 So sánh tỷ số SINR đầu ra với d  / 2 60

Hình 2.13 So sánh hệ số nén công suất nhiễu với d  2 / 3.56 60

Hình 2.14 So sánh tỷ số SINR đầu ra với d  2 / 3.56 60

Hình 2.15 Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 3 phần tử - 1 nhiễu 61 Hình 2.16 Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 1 nhiễu 61

Hình 2.17 Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 3 phần tử - 2 nhiễu 62

Hình 2.18 Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 2 nhiễu 62 Hình 2.19 Sự phụ thuộc của vùng không làm việc vào hệ số bảo vệ 63

Hình 2.20 Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 9 phần tử - 1 nhiễu 64

Hình 2.21 Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 1 nhiễu 64 Hình 2.22 Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 9 phần tử - 2 nhiễu 64

Hình 2.23 Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 2 nhiễu 65 Hình 2.24 Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 9 phần tử - 6 nhiễu 65

Hình 2.25 Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 6 nhiễu 66 Hình 2.26 Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 9 phần tử - 8 nhiễu 66

Hình 2.27 Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 8 nhiễu 66 Hình 2.28 Sự phụ thuộc của vùng không làm việc vào hệ số bảo vệ 67

Hình 2.29 Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB – 8 nhiễu 68

Hình 2.30 Sự phụ thuộc của vùng không làm việc vào hệ số bảo vệ 68

Hình 2.31 Sự phụ thuộc của vùng không làm việc vào hệ số bảo vệ khi thay đổi công suất tín hiệu vào 69

Hình 2.32 Vùng không làm việc của máy thu khi thay đổi số phần tử anten 70

Hình 2.33 So sánh vùng không làm việc của máy thu khi số phần tử anten là 3 và 9 70 Hình 2.34 So sánh hệ số nén nhiễu khi BĐN về pha 73

Hình 2.35 So sánh tỷ số SINR khi BĐN về pha 73

Hình 2.36 So sánh hệ số nén nhiễu khi BĐN biên độ 0.1 74

Hình 2.37 Tỷ số SINR đầu ra khi BĐN biên độ 0.1 74

Hình 2.38 So sánh hệ số nén nhiễu khi BĐN biên độ 0.5 75

Hình 2.39 Tỷ số SINR đầu ra khi BĐN biên độ 0.5 75

Hình 2.40 Bề mặt tỷ số SINR trên đầu ra anten 9 phần tử có BĐN 76

Hình 2.41 So sánh vùng làm việc máy thu GNSS khi BĐN về pha 76

Hình 2.42 So sánh vùng làm việc máy thu GNSS – có méo biên độ 77

Hình 2.43 So sánh vùng không làm việc máy thu khi kênh ĐN và BĐN 78 Hình 2.44 Giản đồ hướng anten theo số bước thích nghi thuật toán MPE 79 Hình 3.1 Cấu trúc bộ sửa lỗi kênh BĐN hai giai đoạn MPE 83

Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán sửa lỗi kênh hai giai đoạn MPE trên cơ sở tự hiệu chỉnh 90 Hình 3.3 Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 1 91

Hình 3.4 Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 2 92

Hình 3.5 Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 3 93

Hình 3.6 Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 4 94

Hình 3.7 Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 5 95

Hình 3.8 Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 6 96

Hình 3.9 Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 7 96

Hình 3.10 Cấu trúc bộ sửa lỗi kênh không đồng nhất MPE trên cơ sở tự bù trừ 100

Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán sửa lỗi kênh trên cơ sở tự bù trừ 102

Hình 3.12 Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 1 104

Hình 3.13 Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 2 105

Hình 3.14 Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 3 106

Hình 3.15 Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 4 106

Hình 3.16 Vùng không làm việc của máy thu khi kênh có sửa lỗi 107

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Trong những năm gần đây, máy thu định vị vệ tinh đã trở thành một thành phần cốt yếu trong rất nhiều ứng dụng, đóng vai trò quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực đời sống xã hội, cả dân dụng, công nghiệp và an ninh quốc phòng Trong quân đội ta hiện nay, máy thu GNSS được ứng dụng rất nhiều trong các trang thiết bị, khí tài quân sự Đặc biệt là các trang thiết bị, khí tài công nghệ cao (CNC) như: Máy bay không người lái (UAV); UAV trinh sát/gây nhiễu; UAV mang bom và tên lửa đối đất; UAV cảm tử; tên lửa hành trình bắn

từ cự ly xa; tầu chiến; tầu ngầm; các ứng dụng trong ngành hàng hải; các phép

đo với độ chính xác cao và các ứng dụng liên quan đến xác định thời gian và vị trí

Tuy nhiên, tín hiệu có ích được phát từ các vệ tinh ở quỹ đạo tầm trung (cách trái đất khoảng 20.000km) [4] được lan truyền qua không gian đến đầu vào máy thu bị suy giảm rất lớn (khoảng 1.024 lần tương đương 26dB) [5] bởi rất nhiều yếu tố khách quan (thời tiết khắc nghiệt, bị che chắn bởi vật cản, nhiễu tần số vô tuyến) cũng như chủ quan (can nhiễu, nhiễu giả lập tín hiệu, các nguồn gây nhiễu do đối phương tạo ra trong tác chiến điện tử) [6] dẫn đến chất lượng tín hiệu của máy thu GNSS không được đảm bảo Do vậy, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng tín hiệu máy thu GNSS để đảm bảo cho khả năng định vị và dẫn đường được chính xác là một nhu cầu cấp thiết đã, đang và tiếp tục thu hút được

sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước Đã có rất nhiều công trình khoa học đề xuất các thuật toán xử lý tín hiệu được thực hiện trên cả phần cứng cũng như trên phần mềm [5] Tuy nhiên, các dạng nhiễu ảnh hưởng máy thu định vị vệ tinh chủ yếu là nhiễu dải rộng [28], giải pháp duy nhất để có thể chống được các dạng nhiễu dải rộng hiện nay là dùng anten mạng pha [29] Anten mạng pha được cho là một giải pháp chống nhiễu phổ biến trong các máy thu định vị vệ tinh hiện nay bởi những ưu điểm của nó là có khả năng điều

chỉnh được giản đồ hướng và cải thiện chất lượng tỷ số SINR của tín hiệu thu được Việc xử lý tín hiệu định vị và dẫn đường bằng vệ tinh trên anten mạng pha mặc dù mang lại rất nhiều lợi ích nhưng nó cũng làm phát sinh một số vấn

đề kỹ thuật cần phải giải quyết Một trong các vấn đề đó là tính không đồng nhất (về pha, biên độ hoặc cả pha và biên độ) giữa các kênh của anten mạng pha, sự bất đồng nhất này thường được biểu diễn thông qua độ trễ nhóm (Group Delay) [7] (Độ trễ nhóm được định nghĩa là đạo hàm âm hoặc độ dốc của đáp ứng pha so với tần số) Nó là thước đo độ trễ tương đối ở các tần số khác nhau

từ đầu vào đến đầu ra trong một hệ thống Đây là vấn đề không thể tránh khỏi bởi thực tế không thể chế tạo được các kênh thu lý tưởng hoặc hoàn toàn đồng nhất với nhau Các công trình nghiên cứu [5], [7-10] mới được công bố gần đây chủ yếu mới chỉ đánh giá sự khác biệt giữa pha sóng mang trung tâm và độ trễ nhóm trung tâm, đánh giá pha trung tâm và trễ nhóm trung bình (AGD) cũng như sự biến thiên trễ nhóm trung bình (AGDV) dựa trên độ lệch pha trung tâm trung bình (APCO) và sự biến thiên pha trung tâm trung bình Các công trình nghiên cứu trên vẫn chưa đề cập đến việc khắc phục sự ảnh hưởng của tính bất đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha tới chất lượng máy thu, đặc biệt

là khi thu tín hiệu trong điều kiện có sự tác động của nhiễu dải rộng Trong công trình [45] đã đề xuất hai giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha trên cơ sở tự bù trừ và hiệu chỉnh hai giai đoạn với tiêu chuẩn MMSE Tuy nhiên công trình trên vẫn còn một số hạn chế đó là: mặc dù

có chất lượng chống nhiễu khá tốt nhưng độ phức tạp tính toán lớn vì vậy đòi hỏi về các thiết bị tính toán trên khoang tăng lên Điều này khiến thuật toán khó

áp dụng cho các thiết bị bay có kích thước nhỏ, tốc độ cao (ví dụ: UAV, tên lửa hành trình, đạn pháo có định vị và dẫn đường GPS) Công trình trên cũng chưa khảo sát sự ảnh hưởng của số lượng phần tử anten thu đến các đặc trưng chống nhiễu và chưa tính toán vùng không làm việc của máy thu GNSS khi kênh bất đồng nhất

Xuất phát từ những lý do trên, NCS đề xuất sử dụng tiêu chuẩn MPE [32] theo phương pháp phân hoạch SVD thay cho tiêu chuẩn MMSE được sử dụng ở [45] để giải quyết bài toán sửa lỗi bất đồng nhất trên kênh anten mảng pha nhằm giảm độ phức tạp của thuật toán và tăng tốc độ hội tụ của thuật toán Nhờ giảm độ phức tạp khi thực hiện thuật toán nên nghiên cứu sinh đã đề xuất tăng số phần tử anten mạng pha lên 9 phần tử nhằm tăng khả năng chống nhiễu dải rộng cho máy thu định vị vệ tinh mà yêu cầu đối với hệ thống tính toán trên khoang vẫn giữ nguyên

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu đề xuất giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha trên cơ sở tự bù trừ và hiệu chỉnh hai giai đoạn sử dụng tiêu chuẩn tối ưu MPE [32] thay thế cho tiêu chuẩn MMSE đã được đề xuất trong [45] nhằm khắc phục tính không đồng nhất giữa các kênh thu, cải thiện chất lượng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SINR), nâng cao độ tin cậy cho máy thu định

vị vệ tinh

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Từ những phân tích ở trên, nghiên cứu sinh xác định đối tượng và phạm

vi nghiên cứu của luận án đó là: Máy thu định vị vệ tinh GNSS; anten mạng pha 3, 4, 7 và 9 phần tử Trong khuôn khổ luận án, NCS tập trung nghiên cứu giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh thu trên anten mạng pha 3 và

9 phần tử

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu mô hình tín hiệu, nhiễu của hệ thống GNSS và mô hình kênh thu của anten mạng pha 3 và 9 phần tử Biểu diễn tín hiệu, nhiễu vệ tinh của máy thu định vị vệ tinh trên các phần tử của anten mạng pha 3 và 9 phần

tử dưới tác động của các loại nhiễu dải rộng và dải hẹp

- Xây dựng mô hình toán học các kênh thu đồng nhất và không đồng nhất cho anten mạng pha 3 và 9 phần tử

- Mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trên anten mạng pha 3 và 9 phần tử trong trường hợp kênh đồng nhất và không đồng nhất nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của tính không đồng nhất tới chất lượng chống nhiễu trong quá trình xử

lý tín hiệu

- Nghiên cứu vùng không làm việc và sự phụ thuộc của vùng không làm việc vào độ nhạy của máy thu đối với anten mạng pha 3 phần tử và 9 phần tử với khoảng cách giữa các phần tử là d  2 / 3.56 và d  / 2 khi kênh đồng nhất và không đồng nhất

- Đề xuất áp dụng tiêu chuẩn tối ưu MPE thay thế tiêu chuẩn MMSE cho các giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha dựa trên thuật toán sửa lỗi hai giai đoạn trên cơ sở tự bù trừ và thuật toán tự động hiệu chỉnh cho máy thu định vị vệ tinh GNSS

- Thực hiện kiểm nghiệm trên máy tính bằng phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab, đánh giá các kết quả nghiên cứu và các đề xuất mới của luận án so sánh với các kết quả trước đó, từ đó đưa ra một số các khuyến nghị với mô hình hệ thống GNSS

5 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các nội dung đã nêu ở trên, NCS tiến hành nghiên cứu lý thuyết về xác suất và thống kê toán học đối với kỹ thuật vô tuyến, lý thuyết về

xử lý số tín hiệu, đại số tuyến tính Dựa trên các lý thuyết cơ bản, NCS xây dựng mô hình toán học của quá trình xử lý tín hiệu GNSS trên anten mạng pha,

từ đó đề xuất các giải pháp sửa lỗi kênh không đồng nhất giữa các kênh thu trên anten mạng pha Để kiểm chứng và đưa ra kết quả trực quan của phương pháp

đề xuất, NCS tiến hành tính toán bằng phần mềm Matlab và được hiển thị dưới dạng biểu đồ với các thông số hệ thống khác nhau

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Các kết quả nghiên cứu của luận án có tính mới, tính khoa học, đóng góp thêm cơ sở cho việc tính toán, xây dựng, thiết kế hệ thống định vị vệ tinh trên khoang Các giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các

kênh thu trên anten mạng pha được đề xuất có tính khả thi, là cơ sở ban đầu cho việc nghiên cứu phát triển các hệ thống định vị vệ tinh, đặc biệt là các hệ thống định vi vệ tinh trên khoang như UAV, tên lửa hành trình, thiết bị bay ở Việt Nam

- Ý nghĩa thực tiễn: Giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha kết hợp với các phương pháp xử lý không gian - thời gian tín hiệu nhằm mục đích chống nhiễu, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cho việc thu tín hiệu định vị bằng vệ tinh trên các trang thiết bị, khí tài công nghệ cao (CNC) có sử dụng hệ thống định vị và dẫn đường vệ tinh như: UAV, tên lửa hành trình Vì vậy, luận án: “Giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha cho máy thu định vị vệ tinh” có ý nghĩa thực tiễn cao

Nghiên cứu tổng quan về hệ thống định vị và dẫn đường toàn cầu bằng

vệ tinh GNSS, các dạng nhiễu, tín hiệu trong hệ thống và các phương pháp xử

lý không gian thời gian cho tín hiệu hệ thống GNSS nhằm nâng cao tính chống nhiễu, đảm bảo độ tin cậy cho các thiết bị đầu cuối Biểu diễn toán học các phương pháp chống nhiễu dựa trên xử lý số không gian thời gian tín hiệu, các thuật toán chống nhiễu hiệu quả trong hệ thống định vị và dẫn đường vô tuyến bằng vệ tinh trên cơ sở xử lý không gian tín hiệu Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề nghiên cứu có liên quan

Chương 2: Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả chống nhiễu của tiêu chuẩn tối ưu MPE đối với máy thu GNSS

Chương 2 trình bày về mô hình tín hiệu, nhiễu và kênh thu của anten mạng pha, biểu diễn nhiễu và tín hiệu vệ tinh GNSS trên các phần tử của anten

mạng pha 3 và 9 phần tử Mô phỏng quá trình chống nhiễu dải rộng, nhiễu dải hẹp đối với anten mạng pha 3 phần tử, 9 phần tử khi áp dụng các thuật toán không gian - thời gian tín hiệu theo tiêu chuẩn MPE và MMSE Nghiên cứu vùng không làm việc và sự phụ thuộc của vùng không làm việc vào độ nhạy của máy thu với anten mạng pha (Nội dung này được công bố trên bài báo số

2 và 3) Qua đó làm cơ sở để đánh giá và đề xuất giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha cho các máy thu GNSS

Chương 3: Giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha cho máy thu định vị vệ tinh

Chương 3 NCS đề xuất hai giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha cho máy thu định vị vệ tinh đó là: Giải pháp sửa lỗi không đồng nhất hai giai MPE đoạn trên cơ sở tự hiệu chỉnh và giải pháp sửa lỗi kênh không đồng nhất MPE trên cơ sở tự bù trừ, đồng thời thực nghiệm mô phỏng, thống kê và đánh giá các kết quả nghiên cứu (Các nội dung này được công bố trong bài báo số 5)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GNSS VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG NHIỄU CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ TINH

Chương này trình bày tổng quan về hệ thống GNSS, các giải pháp chống nhiễu cho máy thu định vị vệ tinh Cụ thể, phân tích cấu trúc hệ thống định vị

và dẫn đường vệ tinh GNSS, cấu trúc tín hiệu và các loại nhiễu trong các hệ thống GNSS, các giải pháp chống nhiễu hiệu quả cũng như các giải pháp hiện

có để giải quyết vấn đề sửa lỗi không đồng nhất bằng phương pháp xử lý không gian - thời gian nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu cho máy thu định vị vệ tinh Trong Chương này cũng đưa ra các chỉ tiêu đánh gia chất lượng chống nhiễu của máy thu, các tiêu chuẩn thích nghi phổ biến dựa trên xử lý số không gian thời gian tín hiệu làm cơ sở cho việc nghiên cứu các nội dung trong các chương tiếp theo của luận án

Hệ thống định vị và dẫn đường vệ tinh GNSS, các dạng nhiễu, tín hiệu trong hệ thống

Cấu trúc hệ thống định vị và dẫn đường toàn cầu bằng vệ tinh

Hệ thống định vị và dẫn đường vệ tinh toàn cầu (GNSS) là thuật ngữ được sử dụng để mô tả các hệ thống định vị bằng vệ tinh hiện có Bao gồm GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Bắc Đẩu (BeiDou - Trung Quốc) và GALILEO (Liên minh Châu Âu) Hiện nay, tổng số vệ tinh của các hệ thống GNSS có 154 vệ tinh (36 GPS, 27 GLONASS, 30 Galileo, 35 BeiDou, 19 SBAS và 7 QZSS) [8] Đến năm 2020, GNSS dự kiến có hơn 160 vệ tinh phát triển chủ yếu là các

vệ tinh toàn cầu của GALILEO và Bắc Đẩu

Hệ thống GNSS có cấu trúc như Hình 1.1 gồm ba phần [4]: phần không gian là các vệ tinh định vị; phần điều khiển là các trạm mặt đất (trạm dữ liệu, trạm điều khiển, trạm gốc); phần người dùng là các máy thu định vị vệ tinh hoặc các thiết bị có sử dụng chức năng định vị và dẫn đường GNSS Phần không gian đóng vai trò trạm trung gian, chuyển tiếp tín hiệu giữa phần điều

khiển và phần người dùng thông qua đường lên (Uplink) và đường xuống (Downlink) Đường lên là đường truyền tín hiệu từ các trạm mặt đất lên vệ tinh, đường xuống là đường truyền tín hiệu từ các vệ tinh đến các trạm mặt đất hoặc các thiết bị đầu cuối

Trạm gốc Trạm

điều khiển

Trạm

dữ liệu

Hình 1.1 Mô hình các thành phần của hệ thống GNSS Cấu trúc tín hiệu hệ thống GNSS

Hiện nay, hai hệ thống định vị và dẫn đường bằng vệ tinh được sử dụng rộng rãi nhất đó là: hệ thống GLONASS của Nga và hệ thống GPS của Mỹ Trong phạm vi của luận án NCS tập trung vào việc nghiên cứu các giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha cho máy thu định

vị vệ tinh của hai hệ thống trên Do vậy, phần này NCS chỉ tập trung vào nghiên cứu cấu trúc tín hiệu của hệ thống GLONASS và hệ thống GPS

1.1.2.1 Cấu trúc tín hiệu GPS

Hệ thống GPS (NAVSTAR GPS - Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) là một hệ thống định vị và dẫn đường vô tuyến đầu tiên có khả năng xác định vị trí với độ chính xác khá cao được phát triển bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ trong khoảng cuối những 1970 và đầu những năm 1980, bao gồm 24 vệ tinh, chính thức hoàn thành vào ngày 8/12/1993 [4]

Bộ tạo dao động

tham chiếu

Đồng bộ tần số

Máy phát tạo xung đồng bộ

Bộ phát mã P(Y)

Bộ phát mã C/A

Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ phát tín hiệu GPS trên băng tần L1 và L2

Như trên Hình 1.2 cho thấy, chuỗi giả ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các chữ số “+1” và “-1” được phát đi ở tần số f0/10 [4] Chuỗi giả ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các chữ số “+1” và “-1” khác, được phát đi ở tần số f0 [ 4] Mã Y (Y-code) là mã

PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có giấy phép như những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ thì sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y)

Trong sơ đồ Hình 1.3 là cấu trúc bộ tạo mã từ các thanh ghi dịch trong

hệ thống GPS, ký hiệu  là phép cộng modun 2 Các chữ số của thanh ghi dịch phía trên tham gia vào việc hình thành tín hiệu thu được Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã (mã-C/A và mã-P hoặc mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một mã-P hoặc mã Y (Hình 1.2) Các mã được điều chế trên sóng mang f0 được tạo ra từ bộ dao động tham chiếu (Hình 1.2) Nếu mã có trị số “-1” thì pha sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số “+1” thì pha sóng mang giữ nguyên không thay đổi

1.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GLONASS

GLONASS là một hệ thống vệ tinh định vị của Liên Xô (nay là Nga) phát triển vào năm 1976 và cũng tương tự như hệ thống GPS của Mỹ GLONASS bao gồm 24 vệ tinh, phân bố đều trong 3 quỹ đạo cách nhau 1200

trong mặt phẳng xích đạo, cách trái đất khoảng 19.100 km với độ nghiêng 64,80

Vào thời điểm hiện nay GLONASS gồm 27 vệ tinh trong đó có 21 vệ tinh hoạt động, 3 vệ tinh chuẩn bị đưa vào hoạt động và 3 vệ tinh dùng để dự phòng thay thế Số lượng này chưa đủ để bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất (cần tối thiểu 24 vệ tinh hoạt động cùng một lúc) Các thiết kế của hệ thống vệ tinh GLONASS đã trải qua một số nâng cấp, với phiên bản mới nhất là GLONASS-K2, dự kiến sẽ đi vào hoạt động vào năm 2019

GLONASS truyền mã CT trên L1, mã P trên L1 và L2 Các thiết thu GLONASS (mã và pha) tương tự như GPS Hầu hết các thiết bị đầu cuối trong

hệ thống định vị và dẫn đường bằng vệ tinh hiện nay đều tích hợp khả năng thu đồng thời tín hiệu từ cả hai hệ thống này Sự khác biệt chính giữa GPS và GLONASS là hệ thống GLONASS sử dụng công nghệ FDMA để điều chế tín hiệu của các vệ tinh khác nhau, còn hệ thống GPS sử dụng công nghệ CDMA

để điều chế Tất cả các vệ tinh GLONASS truyền cùng mã CT và BT, nhưng mỗi vệ tinh đều có tần số sóng mang khác nhau

CX(m)

Hình 1.4 Cấu trúc thanh ghi tạo mã trong hệ thống GLONASS

Sơ đồ hình thành tín hiệu mã của hệ thống GLONASS đơn giản hơn Nó chỉ sử dụng một thanh ghi 9 bit [33] như Hình 1.4

Nhận thấy, chuỗi mã CX(m) của hệ thống GLONASS được hình thành trên đầu ra số 7 của bộ ghi dịch 9 bit, vòng ghi dịch này bao gồm các vòng phản hồi sao cho trạng thái ban đầu của thanh ghi là tổng Mô-đun 2 của trạng thái trước đó trong các ô nhớ số 5 và ô nhớ số 9 Chuỗi nhận được là một chuỗi tuần hoàn (có độ dài 511 chu kỳ) của các số 0 và số 1 Để tạo thành mặt phẳng tín hiệu người ta sử dụng chuỗi này để biến thành chuỗi với các giá trị “+1” và “-1”, trong đó các mức “+1” tương ứng số 1 của chuỗi ban đầu, còn các mức “-1” tương ứng với các số 0

Các ảnh hưởng của

hệ thống GNSS Tín hiệu giả mạo

Tấn công mạng Hiệu ứng đa đường

Nhiễu khí quyển Sai số vệ tinh

Can nhiễu

Hình 1.5 Các dạng nhiễu trong hệ thống GNSS

Đối với một hệ thống vô tuyến thì nhiễu có thể tự sinh ra bên trong bản thân hệ thống gọi là tạp âm nhiệt của hệ thống Đối với loại can nhiễu không phụ thuộc vào nguyên tắc hoạt động của hệ thống gọi là sự can nhiễu không phụ thuộc hệ thống

Một cách khác để phân loại nhiễu đó là phân loại theo băng thông tín hiệu Để thuận tiện cho quá trình nghiên cứu, NCS gọi nhiễu dải hẹp là loại nhiễu vô tuyến có độ rộng phổ nhỏ hơn rất nhiều so với độ rộng băng thông của máy thu tín hiệu còn nhiễu dải rộng là loại nhiễu vô tuyến có độ rộng phổ tương đương với độ rộng của băng thông máy thu

Nhiễu giả tín hiệu (tín hiệu giả mạo) là loại nhiễu vô tuyến được lặp lại tín hiệu có ích của hệ thống định vị vệ tinh với một độ suy yếu nhất định, không xác định về thời gian và mất điều hướng về tần số hoặc pha Nhiễu giả tín hiệu tại điểm thu thường có công suất tương đương với công suất của tín hiệu có ích Loại nhiễu này thường xuất hiện do con người tạo ra trong tác chiến điện

tử Việc chế áp hoặc khử các loại nhiễu như vậy đòi hỏi phải có các kĩ thuật chuyên dụng và thu đối ứng Thiết bị chống nhiễu giả tín hiệu không thể hoạt động một cách tự động mà cần phải có sự can thiệp của người sử dụng thiết bị

Các dạng nhiễu trên đều gây ảnh hưởng xấu đến tín hiệu có ích của máy thu GNSS Ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống được thể hiện theo các cách khác nhau: Nó có thể làm thay đổi hình dạng tín hiệu có ích và xuất hiện các lỗi hệ thống trong việc đo các thông số thu được và có thể dẫn đến suy giảm chất lượng tỷ số SINR Trong thực tế, cả hai tác động này có thể xảy ra đồng thời với các mức độ khác nhau, ảnh hưởng của nhiễu có thể dẫn đến xác suất phát hiện tín hiệu có ích bị suy giảm về hướng “0”, nghĩa là hệ thống hoàn toàn không thu được Mục đích chống nhiễu chính là việc điều chỉnh các trọng số của anten mạng pha thông qua các các thuật toán thích nghi để thiết lập giản đồ hướng của anten mạng sao cho hướng tới của tín hiệu có ích về búp sóng chính

và hướng của nhiễu về phía búp sóng phụ nhằm nâng cao độ ổn định và tăng

tính chống nhiễu cho máy thu

Độ ổn định của máy thu là một tham số đánh giá khả năng làm việc tin cậy của máy thu trong điều kiện tác động của các loại nhiễu từ bên ngoài với các giá trị tham số xác định mà không cần sử dụng bất kì một thiết bị bảo vệ nào và không thay đổi về nguyên lý hoạt động hoặc nguyên lý cấu tạo của máy thu [5]

Tính chống nhiễu là khả năng làm suy yếu tác động của nhiễu điện từ nhờ các kỹ thuật chống nhiễu mà không ảnh hưởng tới nguyên lý hoạt động hoặc nguyên lý cấu tạo của máy thu [5]

Luận án này tập trung vào nghiên cứu khả năng chống các loại nhiễu có công suất lớn hơn hẳn công suất tín hiệu có ích đó là hai loại nhiễu đầu tiên được đề cập

Các giải pháp chống nhiễu hiệu quả cho máy thu định vị vệ tinh

Hiện nay có rất nhiều giải pháp chống nhiễu hiệu quả cho máy thu định

vị vệ tinh được thực hiện trên cả phần cứng và phần mềm đó là: Các kỹ thuật

xử lý tín hiệu không gian - thời gian trên anten mạng pha; các kỹ thuật dựa trên

xử lý tín hiệu số; các kỹ thuật xử lý tín hiệu trên bộ tương quan và theo dõi và khối định vị PVT của máy thu GNSS; các giải pháp kết hợp với hệ thống dẫn đường quán tính INS Tuy nhiên, phương pháp hiệu quả nhất để nâng cao độ

ổn định cho máy thu GNSS dưới tác động của các dạng nhiễu khác nhau đó là

kỹ thuật xử lý không gian - thời gian tín hiệu (STAP) Phương pháp này sử dụng tính chọn lọc theo không gian-tần số của các tín hiệu, đảm bảo khả năng chống nhiễu bổ sung ở 20dB [11, 12] hoặc hơn cho các tính năng riêng của máy thu Phương pháp STAP có những ưu điểm sau [13]:

Thiết lập, điều chỉnh giản đồ hướng anten: Đó chính là việc điều chỉnh các điểm cực tiểu của giản đồ hướng anten về phía các hướng gây nhiễu, các điểm cực đại (búp sóng chính) của giản đồ hướng anten về phía tín hiệu có ích trong các thiết bị định vị vô tuyến như Hình 1.6

Tín hiệu mong muốn

Tín hiệu không mong muốn

Hình 1.6 Giản đồ hướng anten mạng pha thích nghi

Tự cân bằng: Sự không đồng nhất về biên độ, pha của các kênh thu tín hiệu trong anten mạng pha sẽ làm hạn chế đáng kể khả năng chống nhiễu của

hệ thống [7, 33, 14] Một trong những điểm mạnh của STAP là việc sử dụng các bộ lọc có thể điều chỉnh được về thời gian (hoặc tần số) trong các kênh của anten mạng pha thích nghi sẽ hạn chế sự không đồng nhất giữa các kênh của anten mạng pha và nâng cao chất lượng chống nhiễu một cách rõ rệt nếu nhìn theo góc độ “Độ trả giá/tính hiệu quả” Đây cũng chính là mục tiêu của luận án: “Giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha cho máy thu định vị vệ tinh” Trên cơ sở kết hợp giữa anten mạng pha thích nghi với các thuật toán xử lý không gian thời gian ở giai đoạn tiền xử lý (trước tương quan) như Hình 1.7 để điều chỉnh các trọng số trên các kênh thu nhằm khắc phục sự bất đồng nhất trên các kênh thu của anten mạng pha

Việc phân tập không gian tín hiệu bằng cách sử dụng nhiều phần tử anten

và các kỹ thuật xử lý anten mạng pha chính là đặc điểm chính của bài toán chống nhiễu

Tiền xử lý

Ʃ

1

A/D Tiền xử lý

2

A/D Tiền xử lý

Tiêu chuẩn thích nghi

w x(t)

Hình 1.7 Cấu trúc máy thu GNSS xử lý trước tương quan

Những đặc điểm chính của bài toán chống nhiễu bằng cách xử lý không gian thời gian tín hiệu để bảo vệ máy thu GNSS được thể hiện ở những điểm sau đây:

Khác với các bài toán định vị vô tuyến thông thường, đối với các thiết bị thu và định vị bằng vệ tinh thì cần phải thu được tín hiệu từ ít nhất 3 vệ tinh để giải bài toán định vị (Hình 1.8)

Một điểm đặc biệt khác nữa, đó là tín hiệu từ vệ tinh nhận được có công suất ở mức thấp hơn nhiều so với tạp âm riêng của máy thu

Đặc điểm thứ ba đó là độ ổn định với nhiễu của máy thu GNSS chỉ bị ảnh hưởng khi có tác động của các nhiễu có công suất lớn hơn công suất tạp

âm riêng của máy thu

Đối với máy thu GNSS thì tỷ số SINR đầu vào anten ở mức thấp nên việc chống nhiễu có ý nghĩa quan trọng hơn hẳn so với việc khuếch đại tín hiệu Trong khi đó, việc xử lý tín hiệu theo không gian thời gian có thể đạt được hiệu quả cao với một số lượng không lớn các anten mạng pha Tuy nhiên, cần phải

tuân thủ điều kiện là nguồn nhiễu dải rộng nhỏ hơn số phần tử của anten mạng pha

Các phương pháp hiện có để giải quyết vấn đề sửa lỗi không đồng nhất Phương pháp hiệu chỉnh hai kênh

Ý tưởng về việc hiệu chỉnh đặc tính biên độ - tần số được thể hiện rõ trong hệ thống xử lý không gian hai kênh như trên Hình 1.9 [10]

Hình 1.9 Hệ thống xử lý không gian hai kênh

Bộ lọc K1, K2, Ktqcó chức năng hiệu chỉnh đảm bảo sự thống nhất về đặc tính biên độ - tần số của các kênh thu, khi đó:

Phương pháp tự bù trừ hai kênh

Phương pháp tự động bù trừ các bức xạ gây nhiễu với bộ lọc không gian trong kênh bù [10] được sử dụng rộng rãi nhất Các bộ bù đó cho phép thích nghi với cả sự không đồng nhất của các đặc tính tần số của các kênh thu và độ trễ truyền của các tín hiệu theo độ mở

Sơ đồ của bộ tự bù trừ hai kênh được mô tả như Hình 1.10, bao gồm hai

kênh, một kênh chính và một kênh phụ

1 2

L 

Đầu ra

Hình 1.10 Cấu trúc bộ tự bù trừ hai kênh

Bộ bù tự động sẽ thực hiện việc hiệu chỉnh các véc-tơ trọng số giống như thực hiện với bộ xử lý không gian hai kênh Khi đó chất lượng của sự hiệu chỉnh phụ thuộc vào các yếu tố:

- Mức độ không đồng nhất giữa các kênh thu;

- Các giá trị độ trễ giữa các nhánh;

- Số lượng các đầu ra

Hiệu quả của việc sửa lỗi không đồng nhất đã được thử nghiệm trên mô hình anten mạng pha như Hình 1.11

Hình 1.11 Mô hình của bộ sửa lỗi không đồng nhất[45]

Bộ bù trừ nhiễu với sự hiệu chỉnh một tham số

Trong phương pháp này, sử dụng một cặp bộ cân bằng để điều chỉnh theo từng cặp đặc tính biên độ - tần số của các kênh thu bù trừ theo đặc tính biên độ

- tần số của kênh chính Sự tinh chỉnh được thực hiện trong chế độ huấn luyện (theo tín hiệu hoa tiêu) bằng các bộ cân bằng trên Hình 1.11 Số lượng các bộ

cân bằng này ít hơn một đơn vị so với số lượng các phần tử anten Sau khi hiệu chỉnh các véc-tơ trọng số của bộ cân bằng T [ 1 2 ]

L



số này được ghi nhớ lại và lúc này bộ cân bằng được chuyển đổi thành bộ lọc

số thông thường (không thích nghi) còn bộ bù trừ đã sẵn sàng hoạt động

Hình 1.12 Cấu trúc của bộ bù trừ nhiễu với sự hiệu chỉnh một tham số

Các đặc tính của bộ hiệu chỉnh như vậy về cơ bản phụ thuộc vào tính đồng nhất đường truyền thực tế của sự không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha thích nghi trong mô hình tự động lựa chọn bậc cho bộ lọc chuyển đổi Công trình [45] chỉ ra rằng đối với các kênh thu của máy thu định

vị vệ tinh thì bậc của bộ lọc trong sơ đồ Hình 1.10 phải lớn (> 100), do đó tính khả dụng của phương pháp bị hạn chế

Khi thực hiện một bộ bù có tổng ở tần số cao, có thể sử dụng bộ hiệu chỉnh một tham số cho các đặc tính tần số [8, 10]

Cấu trúc của bộ bù trừ nhiễu với sự hiệu chỉnh một tham số của các đặc tính tần số được thể hiện trong Hình 1.12 Các trọng số tối ưu của bộ bù nói trên được chỉ định và công suất tối thiểu tương ứng của phần bù còn lại được xác định bởi các biểu thức đã biết [22]

Các đặc trưng của phương pháp hiệu chỉnh này hoàn toàn phụ thuộc vào

việc lựa chọn đúng hệ số của bộ lọc hiệu chỉnh K j  với các giá trị cụ thể

 

0

K j và K j1  Vì vậy, khả năng áp dụng của phương pháp bị hạn chế

Qua các phân tích trên và các kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây, cho thấy khả năng áp dụng của các phương pháp trên còn có nhiều hạn chế Trong công trình [45] đã đề xuất hai phương pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên cơ sở tự bù trừ và tự hiệu chỉnh hai giai đoạn, các phương pháp này đều sử dụng tiêu chuẩn tối ưu MMSE Hai phương pháp trên tuy đã đạt được những hiệu quả nhất định, nhưng vẫn còn một số hạn chế đó là: Độ phức tạp tính toán khá lớn; tốc độ hội tụ của thuật lớn; khả năng áp dụng còn hạn chế Xuất phát từ những lý do trên, NCS đề xuất sử dụng tiêu chuẩn MPE [32] theo phương pháp phân hoạch SVD thay cho tiêu chuẩn MMSE được sử dụng ở [45] để giải quyết bài toán sửa lỗi bất đồng nhất trên các kênh thu của anten mạng pha nhằm giảm độ phức tạp của thuật toán và tăng tốc độ hội tụ của thuật toán

Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng chống nhiễu

Tính hiệu quả của máy thu định vị vệ tinh được đánh giá thông qua các chỉ tiêu chất lượng chống nhiễu của máy thu Chỉ tiêu cơ bản để đánh giá khả năng chống nhiễu của máy thu định vị vệ tinh chính là ngưỡng của công suất nhiễu I so với công suất tín hiệu S tại đầu vào máy thu khi máy thu ở trạng thái làm việc Trong một số tài liệu nước ngoài thì chỉ tiêu này thường được kí hiệu bởi J/S (jammer to signal) là tỷ số giữa tạp âm trên tín hiệu Để thống nhất, sau đây NCS sử dụng đại lượng nghịch đảo của J/S [dB] gọi là hệ số bảo vệ của máy thu GNSS và được kí hiệu là (S/N)nguong, với N: là công suất nhiễu tại đầu vào máy thu Ngoài hệ số bảo vệ của máy thu thì chất lượng chống nhiễu của máy thu còn được đánh giá thông qua tỷ số tín hiệu/(nhiễu+tạp âm) đầu ra (SINR); hệ số nén công suất nhiễu trên đầu ra và vùng làm việc của máy thu định vị vệ tinh được trình bày chi tiết ở Bảng 1.1 Do tính định hướng của anten

mạng pha, máy thu GNSS thu được tín hiệu từ các hướng tới khác nhau với chất lượng khác nhau Trong đó, có các vùng mà máy thu GNSS không thu được tín hiệu với mức chất lượng tối thiểu, vùng đó được gọi là vùng không làm việc (vùng không nhìn thấy) Các chỉ tiêu về chất lượng chống nhiễu của máy thu GNSS được dùng cho những nội dung tiếp theo của luận án

Bảng 1.1 Chỉ tiêu về chất lượng chống nhiễu Tên gọi Biểu thức toán học Đơn vị

Tỉ số tín hiệu/(nhiễu +tạp

âm) (SINR) đầu ra SINR S  ( /(  I N  ))ra dB

Hệ số nén công suất nhiễu

trên đầu ra (  I ) /(vao  I )ra dB Vùng không làm việc của

máy thu định vị vệ tinh

Vùng không gian thỏa mãn bất đẳng thức:

bộ lọc bằng các phương pháp khác nhau nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu trên đầu ra của máy thu Quá trình tối ưu trọng số bộ lọc liên quan trực tiếp tới tiêu chuẩn thích nghi Do đó, trước tiên NCS tiến hành xét các tiêu chuẩn thích nghi

Tiêu chuẩn thích nghi của anten mạng pha chính là cực trị của một hàm đích nào đó Các chỉ số chất lượng chính là tỉ số SINR ở đầu ra của anten mạng pha thích nghi Có rất nhiều các tiêu chuẩn thích nghi khác nhau, tuy nhiên các giá trị véc-tơ trọng số W được tối ưu theo một số tiêu chuẩn là như nhau Sau

đây, luận án xét một số tiêu chuẩn thích nghi phổ biến được ứng dụng rộng rãi nhất trong thực tế

Các tiêu chuẩn thích nghi không gian – thời gian

1.6.1.1 Cực tiểu hóa sai số trung bình bình phương MMSE

Tiêu chuẩn này thực hiện tối thiểu hóa trung bình bình phương sai số giữa tín hiệu đầu ra y t( ) và tín hiệu tham chiếu d t( ), được viết dưới dạng [23]:

2 2

1 min 1 min ( ) min ( ) ( )

O  W J  W  t  W d t y t  (1.2) Hàm 2( )t có dạng bậc hai và đạt cực tiểu khi véc-tơ trọng số

1 A

Tiêu chuẩn này được dùng khi áp đặt các giới hạn lên mức của giản đồ hướng theo một hướng    nào đó Thường thì hướng này tương ứng với ,hướng đến của tín hiệu có ích Trong trường hợp đó, tiêu chuẩn này được mô

Véc-tơ trọng số tối ưu tương ứng với cực tiểu J2 khi đó Wopt được xác định bởi biểu thức:

1.6.1.3 Cực đại hóa tỉ số tín hiệu/(nhiễu+tạp âm) MSE

Tiêu chuẩn cực đại tỉ số SINR đầu ra có thể được viết dưới dạng [19]:

1.6.1.4 Cực tiểu công suất tín hiệu ra của anten mạng pha thích nghi khi có giới hạn

Tiêu chuẩn cực tiểu công suất ra của anten mạng pha thích nghi khi có

giới hạn F    , W CT 1 được mô tả bởi biểu thức [19]:

Ở đây, véc-tơ C được đặc trưng cho hướng đến của tín hiệu có ích Do

đó, véc-tơ trọng số tối ưu được viết ở dạng sau:

  1

Với  là một hằng số; C W  0

1.6.1.5 Tiêu chuẩn tối ưu công suất MPE

Véc-tơ trọng số MPE được tối ưu như sau [32]:

Các thuật toán chống nhiễu hiệu quả trong máy thu GNSS

1.6.2.1 Thuật toán không gian-thời gian theo cực tiểu công suất có giới hạn

Cấu trúc bộ lọc không gian thời gian được biểu diễn trên Hình 1.13 Đầu

ra của bộ lọc được cho bởi biểu thức [17]: