Bộ thu GPS

Bo thu GPSx

Bộ thu GPS

Bộ thu GPS

 Bộ thu GPS phải phát bản sao mã PRN, rồi dịch pha của bản sao mã cho tới khi

tương quan với mã PRN của vệ tinh;

 Nhờ tính chất tương quan, máy thu tìm và nhận biết đỉnh tương quan;

 Điều này có nghĩa máy thu nhận biết và bám tín hiệu vệ tinh theo pha mã;

Bộ thu GPS

 Bộ thu GPS cũng phải xác định pha sóng mang bằng cách phát bản sao tần số sóng mang có kèm Doppler (sử dụng khóa pha sóng mang tín hiệu vệ tinh);

 Vậy nhận biết và bám tín hiệu vệ tinh là

quá trình phát bản sao tín hiệu ở cả hai

thành phần mã và tần số.

Sơ đồ khối tổng quát bộ thu GPS

 Ăng-ten: thường sử dụng ăng-ten RHCP, tăng ích

tuyến tính gần cầu;

 Preamp (LNA): tiền khuếch đại tín hiệu RF, có thể có

1 BPF ở giữa ăng-ten và LNA để hạn chế nhiễu RF ngoại băng;

 Down-converter: chuyển đổi tần số xuống trung tần

IF, sử dụng các bộ dao động nội (LO), mỗi tầng sẽ sử dụng 1 LO;

 ADC: Bộ biến đổi số tương tự, số hóa tín hiệu IF;

Sơ đồ khối tổng quát bộ thu GPS

 Với máy thu số N kênh, mỗi kênh trung tần số được xử lý riêng mà không cần sử dụng bộ giải điều chế, mà chỉ cần ADC có thêm AGC;

 Các bộ thu số như vậy còn goi là bộ thu SDR (Software Defined Radio), thường sử dụng các mạch tích hợp khả trình như ASIC, hoặc FPGA hoặc DSP để xử lý tín hiệu GPS.

Sơ đồ khối tổng quát bộ thu GPS

 Khối Receiver Processing thường là 1 vi xử lý

tốc độ cao thực hiện các chức năng:

 Xử lý băng cơ sở như bộ lặp tách sóng và

lọc, giải điều chế số liệu, đo SRN, chỉ thị khóa pha…

 Ra quyết định liên quan đến điều khiển các chức năng xử lý tín hiệu cho mỗi kênh.

 Tính toán vị trí, dẫn đường.

Sơ đồ khối 1 kênh tín hiệu

 Sơ đồ trên chỉ thể hiện chức năng liên quan đến vòng lặp bám mã và pha;

 Tín hiệu IF số là đầu vào Khối Digital Receiver

Channel, được trộn với bản sao sóng mang để

được các mẫu số liệu I (in-phase) và Q

(quadraphase).

 Bản sao sóng mang được trộn với tín hiệu của mọi tín hiệu vệ tinh trong tầm nhìn kể cả nhiễu.

giá trị hàm SIN và COS rời rạc.

Sơ đồ khối 1 kênh tín hiệu

 Với việc tạo ra thành phần I và Q khác pha nhau

90 độ, biên độ tín hiệu ra được tính toán từ tổng của 2 véc-tơ thành phần I và Q, và pha so với

trục I được tính bằng arctang của Q/I.

mang được điều khiển bởi vòng bám sóng mang

(carrier tracking loop) trong receiver processor.

phase lock loop), mục đích của vòng lặp bám

sóng mang là giữ sai pha bằng không giữa bản sao sóng mang và sóng mang tín hiệu đến từ vệ tinh

Sơ đồ khối 1 kênh tín hiệu

 Khi xảy ra mất đồng pha giữa bản sao sóng

mang và sóng mang tín hiệu đến từ vệ tinh, pha véc-tơ I và biên độ véc-tơ Q khác không, do đó biến đổi và độ lớn và góc được phát hiện và sửa bởi vòng bám sóng mang.

 Khi PLL ở trạng thái khóa pha, tín hiệu I đạt max (cả tín hiệu và nhiễu) và Q đạt min (chỉ có

nhiễu).

 Tín hiệu I và Q sau đó được cho cho tương

quan với bản sao mã Sớm (Early),Đúng

(Prompt) và Muộn (Late).

Sơ đồ khối 1 kênh tín hiệu

Muộn (Late) được tạo ra bởi bộ tạo mã , thanh ghi dịch 2 bit và NCO mã

khiển bởi vòng bám mã trong receiver

processor.

 NCO mã tạo ra nhịp đồng hồ gấp 2 lần tốc độ

mã 2fco cung cấp cho thanh ghi dịch, và nhịp

đồng hồ bằng tốc độ mã fco cho bộ tạo mã.

nhiều fco.

Sơ đồ khối 1 kênh tín hiệu

 Bản sao mã Sớm (Early),Đúng (Prompt) và Muộn

(Late) được tạo ra với khác pha 1 chip và tín hiệu P

ở giữa

 Bản sao P được coi là đồng pha với tín hiệu đến từ

vệ tinh tạo ra giá trị tương quan tối đa Trong trường hợp này, bản sao E và L sẽ là sớm và muộn pha so với pha mã tín hiệu đến, dẫn đến giá trị tương quan tương ứng sẽ vào khoảng một nửa giá trị tương

quan tối đa

 Nếu xảy ra mất đồng pha giữa bản sao mã và tín

hiệu đến từ vệ tinh thì xuất hiện thay đổi giá trị đầu

ra bộ tương quan (sớm và muộn), do đó thay đổi pha được phát hiện và sửa bởi vòng bám mã

Sơ đồ khối 1 kênh tín hiệu Predetection integration

Sơ đồ khối 1 kênh tín hiệu

số được hạ tần xuống băng gốc bằng quá trình tách sóng mang và mã.

giải mã hóa chỉ từ 1 đến 3 bit cũng tạo ra số số hạng rất lớn khi thực hiện phép tính tích lũy.

thành phần {IE IP IL} và {QE QP QL} bằng cách tích phân

và hạ tần các tín hiệu vào I và Q, thực hiện ở tốc độ lấy mẫu IF => vào khoảng 50MHz.

ngắn tùy thuộc điều kiện tín hiệu và ứng dụng.

Xử lý tín hiệu băng gốc

Sơ đồ khối bộ xử lý băng gốc các vòng lặp mã và sóng mang

Xử lý tín hiệu băng gốc

pha chính là sự kết hợp của các chức năng xử

lý tín hiệu băng gốc, tách mã và sóng mang tín

hiệu số (carrier and code wipeoff) và chức năng

predetection integration.

 Thời gian predetection integration là tổng thời

gian mà bộ thu và VXL thực hiện chức năng tích phân và hạ tần Thông thường, thời gian này

không quá 20ms – là khoảng thời gian của 1 bit

số liệu của bản tin định vị.

Xử lý tín hiệu băng gốc

 Về nguyên tắc, thời điểm bắt đầu và kết thúc

của quá trình tích phân và hạ tần không nên

bước qua thời điểm chuyển bit số liệu bởi vì khi bit số liệu đổi dấu dẫn đến làm đổi dấu một phần

số liệu I và Q đã tích phân Điều này làm cho kết quả tích phân và hạ tần bị hỏng.

 Trường hợp xấu nhất là nếu chuyển bit xảy ra

đúng giữa thời gian predetection integration thì

kết quả là tín hiệu bị triệt tiêu trong khoảng thời gian đó.

Xử lý tín hiệu băng gốc

 Thông thường, trong khi khởi tạo tìm kiếm tín

hiệu mã C/A, nhận biết, và đóng vòng lặp, máy thu không hề biết điểm chuyển bit ở đâu Vì vậy, trong thời gian này, phải chấp nhận việc thu tín hiệu có thể bị hỏng do chuyển bit cho tới khi quá trình đồng bộ định vị được thời điểm chuyển bit.

 Trong trường hợp này nên dùng thời gian

predetection integration ngắn nhất có thể để

trong phần lớn số lần thực hiện tích phân và hạ tần không chứa điểm chuyển bit.

Đồng pha của các khoảng thời gian tích phân và hạ tần với

điểm chuyển bit số liệu

Xử lý tín hiệu băng gốc

hiệu đến từ vệ tinh.

sẽ nhanh chóng được xác định trong quá trình đồng bộ bit khi mà máy thu chưa biết vị trí của nó và đồng bộ với thời gian GPS.

tinh mặc dù số liệu được truyền đồng pha từ các vệ tinh.

vệ tinh ở thẳng đỉnh đầu (zenith) tới chân trời (horizon).

thời gian predetection integration tối ưu.

tất khi NCO tràn (overflow).

lệch (bias) nhất định Độ lệch này chỉnh tần số NCO về tần số danh định (bằng tốc độ chip của

mã trải phổ hay tần số của IF).

Tổng hợp tần số số

(Digital Frequency Synthesys)

Sơ đồ khối bộ tổng hợp tần số

với độ phân giải 200x106/232= 0,046566Hz

biên độ của đầu ra bậc thang của NCO thành

hàm lượng giác phù hợp.

Tổng hợp tần số số

(Digital Frequency Synthesys)

Dạng sóng bộ tổng hợp tần số

Trạng thái pha NCO

Đầu ra COS map

Đầu ra SIN map

Tổng hợp tần số số

(Digital Frequency Synthesys)

Thiết kế bộ tổng hợp tần số

Sóng mang trợ giúp vòng mã

(Carrier aiding of code loop)

 Đầu ra bộ lọc vòng sóng mang nhân với hệ số tỷ

lệ rồi cộng với đầu ra bộ lọc vòng mã gọi là trợ

giúp vòng mã => carrier-aided code loop.

 Phải sử dụng Hệ số tỷ lệ bởi Doppler ảnh

hưởng tỷ lệ nghịch với bước sóng tín hiệu,

nghĩa là Doppler trên tốc độ chip của mã trải phổ nhỏ hơn nhiều so với trên băng L.

độ lệch NCO sóng mang đặt tương ứng với IF thì ảnh hưởng Doppler vẫn là ở Băng L.

Sơ đồ khối bộ xử lý băng gốc các vòng lặp mã và sóng mang

Sóng mang trợ giúp vòng mã

(Carrier aiding of code loop)

Sóng mang trợ giúp vòng mã

(Carrier aiding of code loop)

Sóng mang trợ giúp vòng mã

(Carrier aiding of code loop)

Sóng mang trợ giúp vòng mã

(Carrier aiding of code loop)

 Sự trợ giúp của vòng sóng mang đối với vòng

mã là cần thiết bởi lệch vòng sóng mang gây ít nhiễu hơn vòng mã do vậy chính xác hơn.

 Sự trợ giúp vòng sóng mang loại bỏ hầu hết dải động LOS từ vòng mã, làm giảm bậc của bộ lọc vòng mã, giảm tốc độ cập nhật và làm hẹp băng thông hơn so với không có trợ giúp do vậy làm giảm nhiễu trong các phép đo vòng mã.

Vòng bám sóng mang

(Carrier tracking loop)

Sơ đồ khối vòng bám sóng mang

Vòng bám sóng mang

(Carrier tracking loop)

hiệu năng của bộ thu không có trợ giúp

Vòng bám sóng mang

(Carrier tracking loop)

Vòng bám mã (Code tracking loop)

Sơ đồ khối vòng bám mã

Vòng bám mã (Code tracking loop)

mã cũng đặc trưng bởi 3 thành phần:

 Hai đặc tính chất lượng:

trong bộ thu GPS

Vòng bám mã (Code tracking loop)

Vòng bám mã (Code tracking loop)

 Thuật toán:

 Tính chất:

 Tách sóng Noncoherent, đường bao mẫu sớm trừ mẫu muộn, chuẩn hóa bởi E+L để loại bỏ tính nhạy cảm với biên độ;

Vòng bám mã (Code tracking loop)

 Thuật toán:

 Tính chất:

 Tách sóng Noncoherent, công suất mẫu sớm trừ mẫu muộn;

 Tính toán vừa phải;

 Với độ rộng tương quan 1-chip E-L, kết quả tương tự đường bao 0,5(E – L) trong khoảng ± 0,5 chip của lỗi đầu vào (không nhiễu);

 Với ± 1,5 chip của lỗi đầu vào, DLL trở nên thiếu ổn định nhưng vẫn trong ngưỡng bám dù có nhiễu.

 Có thể được chuẩn hóa với E2 + L2;

Vòng bám mã (Code tracking loop)

Vòng bám mã (Code tracking loop)

Vòng bám mã (Code tracking loop)

ra mất công suất trong coherent DLL.

 Với quasi-coherent DLL có thể hoạt động với bộ phát hiện khóa pha nhạy cảm và chuyển trạng thái nhanh.

 Chuẩn hóa nhằm loại bỏ thành phần biên độ nhạy cảm, tăng hiệu năng trong điều kiện SNR biến đổi nhanh.

Vòng bám mã (Code tracking loop)

Quá trình tương quan mã cho 3 bản sao mã pha khác nhau

Vòng bám mã (Code tracking loop)

tương quan mã với pha khác nhau

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

cách hay delta giả khoảng cách.

sao sóng mang (nếu bộ thu ở trạng thái khóa pha với tín hiệu sóng mang từ vệ tinh) hay bản sao của tần số

Doppler (nếu bộ thu ở trạng thái khóa tần số với tín hiệu sóng mang từ vệ tinh).

truyền tín hiệu và tính toán giả khoảng cách.

thành delta giả khoảng cách.

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

Giả khoảng cách (pseudorange)

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

của tuần GPS Mỗi chip của PRNi được truyền quan hệ tuyến tính với thời gian đồng hồ vệ tinh SVi.

vệ tinh SVi với mã PRN tương ứng, bản sao mã được lặp lại ở thời điểm n ở máy thu.

thời gian thu lại là thời điểm n trong máy thu.

thời gian tuần GPS

thành công thì bù pha của bản sao mã tới đầu tuần GPS

được coi là thời gian truyền của SVi.

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

 Tại sao khối đo trong máy thu không gửi thời gian truyền tới khối định vị để tính vị trí mà lại gửi giả khoảng cách?

 Bởi vì thời gian truyền đã bị mất sau quá trình tính toán

Điều này khiến cho khối định vị mất nhiều thời gian để tính toán lại thời gian truyền.

 Các máy thu hiện đại có thể dùng cách thức bám vector

(vector tracking) thay cho bám vô hướng (scalar tracking), nghĩa là đầu ra bộ tách sóng (đo thô thành phần I và Q)

được gửi tới khối định vị và ở đây sử dụng lọc Kalman để

xử lý Bằng cách này sẽ tối ưu hóa xử lý nhiễu băng của các vòng lặp bám.

 Bộ thu GPS xử lý đồng thời một số phép đo và đồng hồ thu thì có lệch với thời gian GPS Lệch thời gian được xác định khi giải phương trình định vị.

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

từ vòng bám mã, đó chính là đo đạc giả khoảng cách.

xác định bù pha mã so với bắt đầu của tuần GPS Giữa pha mã của bản sao mã và thời gian GPS luôn có mối

quan hệ 1-1, nghĩa là pha mã của mã PRN vượt trước bắt đầu của tuần bao nhiêu (tính theo phần lẻ và phần

nguyên của chip) thì vượt trước thời gian GPS bấy nhiêu.

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

 Phần vượt trước tính theo phần lẻ và phần

nguyên của chip như vậy được gọi là trạng thái

mã (code state).

 Đồng hồ trong máy thu duy trì thời gian, lưu thời gian GPS tương ứng với trạng thái mã như trên gọi là bộ tích lũy mã (code accumulator).

chuẩn nhất của thời gian SV truyền Quá trình

xử lý băng gốc biết trạng thái mã bởi nó được đặt là trạng thái khởi tạo của quá trình tìm kiếm

và duy trì bám trạng thái mã.

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

 Quá trình của vòng bám mã duy trì bám thời

gian truyền tương ứng với trạng thái pha của NCO mã và trạng thái bộ tạo bản sao mã sau mỗi lần cập nhật NCO.

 Kể từ lần cập nhật cuối cùng của NCO, sự tăng của pha mã được xác định bằng tích phân rời rạc trong từng khoảng thời gian và bộ tích lũy cộng giá trị này mỗi lần cập nhật.

 Trạng thái mã của bản sao mã là kết hợp trạng thái mã của bộ tạo mã (phần nguyên) và trạng thái của NCO (phần lẻ)

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

 Trạng thái pha mã của bộ tạo mã PRN là giả ngẫu nhiên, sẽ là không thực tế để đọc trạng thái pha mã của bộ tạo PRN rồi chuyển đổi trạng thái mã không tuyến tính về trạng thái tuyến tính của thời gian GPS

sử dụng bảng giá trị (lookup table)

 Có quá nhiều trạng thái mã, đặc biệt là đối với mã P

 Giải quyết vấn đề này trên thực tế: nhằm duy trì thời gian GPS trong bộ thu GPS, sử dụng một bộ tích lũy

mã riêng tại khối xử lý băng gốc và đồng bộ bộ tích lũy này với trạng thái pha của bộ tạo bản sao PRN

Quan hệ giữa bộ tạo mã PRN và bộ tích lũy mã

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

 Bộ thu GPS thông thường có tốc độ cập nhật vị trí là

1 giây Khung thời gian cơ sở FTF cho các phép đo

là 20ms tương ứng với tốc độ số liệu 50bps

 Khối xử lý băng gốc cập nhật NCO mã và NCO sóng mang sau một số phần nguyên lần FTF thường là

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

 Giả thiết tốc độ của bộ thu GPS là 1 vị trí/giây, các kết quả đo lấy ra từ các vòng bám mã và sóng mang

cứ sau 50 FTF Khi khối xử lý băng gốc lấy kết quả

đo từ vòng bám mã và sóng mang, nó gắn thẻ thời gian với bộ đếm FTF

 Khối xử lý định vị gán và duy trì thời gian GPS theo

bộ đếm FTF

 Thời gian nhận khởi tạo có thể là thời gian truyền

của vệ tinh đầu tiên cộng với khoảng thời gian lan truyền danh định khoảng 76ms nếu khối định vị

không biết chính xác thời gian GPS Vậy thời gian khởi tạo được thiết lập với độ chính xác 20ms

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

 Khi phép đo giả khoảng cách được thực hiện vào

thời gian FTF(n), vòng bám mã băng gốc của bộ thu

lấy thời gian truyền SVi từ bộ tích lũy mã và đưa thời

gian này tới FTF(n) Nếu N là số bit của bộ cộng

NCO mã thì thời gian truyền được đo với độ phân

giải là 2-N của chip mã

phân giải của phép đo nhỏ hơn ¼ nanochip, như vậy

có thể loại trừ nhiễu lượng tử của phép đo mã.

 Khối xử lý băng gốc có thể tính toán phép đo giả

khoảng cách từ thời gian truyền SVi và thẻ thời gian

FTF(n) trước khi truyền kết quả tới khối định vị.

Sự hình thành giả khoảng cách

(pseudorange, delta pseudorange and integrated Doppler)

 Tuy nhiên, khối xử lý định vị cần thời gian chính xác

mà SVi truyền tín hiệu để tính toán vị trí vệ tinh Do

vậy, phép đo tốt nhất cần đưa sang khối xử lý định vị

là thời gian truyền của vệ tinh cùng với thẻ thời gian TFT

 Khối xử lý định vị áp dụng hiệu chỉnh đồng hồ, sử

dụng thời gian truyền đã hiệu chỉnh để tính vị trí vệ tinh, sau đó tính giả khoảng cách và các hiệu chỉnh khác trước khi tính toán vị trí