Tín hiệu vệ tinh GPS

Tín hiệu vệ tinh GPS

Tín hiệu vệ tinh GPS

1. Tần số và điều chế

2. Mức công suất

3. Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất

4. Hàm tương quan chéo & hiệu năng CDMA

5. Định dạng bản tin GPS

Tổng quan về tín hiệu GPS

 Để bám tín hiệu của một vệ tinh cùng trong tầm nhìn với nhiều vệ tinh khác, bộ thu GPS phải phát lặp lại bản sao của:

 Dãy PRN của vệ tinh đó

 Tín hiệu sóng mang với Doppler

 Máy thu 2 tần số cho phép đo trễ tầng điện ly bởi trễ này

có quan hệ với hệ số vi sai giữa 2 tần số sóng mang của tín hiệu đo TOA

 Trong khi đó, máy thu 1 tần số phải ước lượng trễ tầng điện ly bằng các tham số mô hình được phát quảng bá trong bản tin định vị

1 Tần số và điều chế

mã hóa với mã P => mã P(Y)

 Bản tin định vị có tốc độ 50 bps, được cộng modulo 2 với

mã trải phổ trước khi điều chế

 Điều chế BPSK được sử dụng

 Pha sóng mang được dịch 90o trước khi điều chế với mã C/A và data

điều chế với sóng mang L1 pha 0 o

(f) C/A XOR data

điều chế với sóng mang L1 pha 90 o

(g) Tín hiệu L1

tổng hợp

1 Tần số và điều chế

Bộ tạo mã GPS

Bộ tạo mã C/A

Bộ tạo mã P

 Mã P của GPS là dãy

PRN tạo bởi 4 thanh

ghi dịch 12-bit X1A,

1 Tần số và điều chế

 Các đa thức sinh của bộ tạo mã GPS

1 Tần số và điều chế

 Chu kỳ tự nhiên của cả 2 thanh ghi bị cắt ngắn

 Chu kỳ tự nhiên: 4095 chips

 Chu kỳ X1A và X2A: 4092 chips

 Chu kỳ X1B và X2B: 4093 chips

 Các thanh ghi sẽ reset khi sau 4092 hay 4093 chips

 Thiết kế như vậy nhằm đảm bảo pha vượt trước của

thanh ghi X1A với X1B, tương tự với X2A và X2B

 Cũng có pha vượt trước giữa cặp thanh ghi X2A/X2B

so với X1A/X1B Sử dụng bộ đếm chia 37 làm cho pha vượt trước là 37 chips cho mỗi chu kỳ giữa X1 và X2 và như vậy chu kỳ X2 dài hơn X1 là 37 chips

1 Tần số và điều chế

Chi tiết pha vượt trước như sau:

 Chu kỳ X1 được định nghĩa là 3750 chu kỳ X1A, tương

đương 3750 x 4092 = 15.345.000 chips, ~1,5 giây

 Sau 3749 chu kỳ của X1B, mỗi chu kỳ 4093 chips,

tương đương 3749 x 4093 = 15.344.657 chips

 Để đồng bộ với X1A, X1B phải dừng và chờ 343 chips

(cho đến hết chu kỳ 1,5s)

 Như vậy, X1 có chu kỳ là 15.345.000 chips

 Tương tự với X2A và X2B, chỉ khác khi kết thúc

15.345.000 chips, cả 2 thanh ghi cùng dừng và chờ 37 chips tới khi bắt đầu của tuần

 Như vậy, các thanh ghi X2 có chu kỳ 15.345.037 chips,

hơn 37 chips so với X1

1 Tần số và điều chế

• Lưu ý rằng, nếu trong trường hợp không thực hiện

reset vào cuối mỗi tuần, dãy P = XOR(X1, X2) sẽ có độ dài là 15.345.000 x 15.345.037 = 2,3547 x 1014 chips Tốc độ chip là 10.23 x 106, dãy sẽ có chu kỳ là 266,41 ngày hay 38,058 tuần

• Tuy nhiên do cắt ngắn tại cuối tuần, mỗi vệ tinh chỉ sử

dụng đoạn mã của 1 tuần nên có 38 đoạn riêng biệt sử dụng cho mỗi vệ tinh

• Vậy độ dài của mã P đã cắt ngắn 7-ngày là 6,1871 x

2 Mức công suất

• Mức công suất tín hiệu thu tối thiểu của 3 tín hiệu GPS, tính

theo dBW, như sau:

• Sử dụng ăng-ten RHCP, phân cực tuyến tính, tăng ích 3-dB

2 Mức công suất

Ví dụ:

• Tín hiệu L1 C/A, công suất yêu cầu là:

-158.5 – 3.0 + 184 + 0.5 + 3.4 = 26.8 dbW

• Nếu Ăng-ten vệ tinh L1 có tăng ích tối thiểu là 13.4dB trong

trường hợp góc nhìn 14.3 o thì công suất máy phát tối thiểu cho mã C/A là

• Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, công suất tối thiểu đưa tới

ăng-ten phát của vệ tinh phải đạt:

• L1: 32.9W

• L2: 6.6W

1 10

log −  26.8 13.4 /10−  = 21.9W

3 Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất

 Tính tự tương quan của các mã PRN trong GPS là cơ

sở của quá trình giải điều chế

 Mật độ phổ công suất của mã PRN xác định băng

thông yêu cầu để truyền và nhận các tín hiệu trải phổ

 Các mã PRN có hàm tương quan dạng tam giác lặp lại

theo chu kỳ, dạng phổ gần giống dãy giả ngẫu nhiên độ dài cực đại (Maximum Length sequences)

 Mã PRN không thực sự là dãy giả ngẫu nhiên độ dài

cực đại bởi vì:

• Tính tương quan chéo của dãy ML không tốt đối với GPS

• Khoảng thời gian xử lý trong máy thu GPS rất ngắn (1- 5ms)

nên làm tăng xác suất tìm kiếm sai đỉnh hàm tương quan.

3 Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất

 Hàm tự tương quan của tín hiệu GPS C/A như sau

3 Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất

 Hàm tự tương quan của mã C/A 1023 chips hay 1ms có

dạng tam giác như sau:

 Có những thay đổi nhỏ ở khoảng giữa hai đỉnh tương

quan so với mức 1/1023 của dãy ML 10-bit

 Chính sự thay đổi này gây ra sự thay đổi trên đường

bao phổ dạng sinc2(x)

3 Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất

 Đường bao phổ của dãy ML chính là đường sinc2(x) chỉ

trừ thành phần tần số 0 như với mã C/A thì có thay đổi nhỏ

3 Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất

 Hàm tự tương quan của tín hiệu GPS mã P như sau

3 Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất

 Mã P cũng không phải dãy ML.

 Tuy nhiên, do chu kỳ mã dài, tốc độ chip cao nên hàm tự tương

quan trông lý tưởng hơn.

3 Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất

 Khi mã GPS kết hợp với số liệu 50bps có ảnh hưởng

không đáng kể tới hàm tự tương quan và phổ công

suất

 Giả thiết dãy PRN được điều chế BPSK với sóng mang,

phổ công suất như sau:

3 Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất

Phổ công suất của mã L1 P(Y) và C/A từ bộ phát tín hiệu GPS

3 Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất

Phổ công suất của mã L2 P(Y) từ bộ phát tín hiệu GPS

3 Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất

Phổ công suất của mã L1 C/A từ bộ phát tín hiệu GPS

4 Hàm tương quan chéo và hiệu năng CDMA

 Kỹ thuật CDMA: điều chế và giải điều chế trong GPS

dựa trên việc sử dụng PRN khác nhau nhưng cùng tốc

độ chip và tần số sóng mang trên mỗi vệ tinh

 Đối với máy thu GPS, để bám vệ tinh, bản sao mã

PRN phải được dịch pha để tương quan với PRN phát bởi vệ tinh

 Mỗi mã PRN phải tương quan chéo cực tiểu với PRN

của vệ tinh khác với bất kỳ pha hay dịch Doppler nào trong 1 chu kỳ mã

4 Hàm tương quan chéo và hiệu năng CDMA

 Hàm tương quan chéo lý tưởng của mã GPS được

định nghĩa như sau:

 Phương trình trên cho thấy dạng sóng PRN của vệ tinh

i không tương quan với bất kỳ PRN của vệ tinh khác

với dịch pha τ bất kỳ

 Thực tế, điều này là không thể bởi không thể có một vệ

tinh đạt được tự tương quan zero ngoài khoảng thời gian tương quan của nó

4 Hàm tương quan chéo và hiệu năng CDMA

 Kỹ thuật CDMA chỉ khả thi khi tương quan chéo giữa

Nên mức tương quan chéo chỉ khoảng -24dB so với đỉnh

tương quan khi Doppler = 0 giữa 2 mã bất kỳ, trường hợp xấu nhất có thể là -21.1dB

4 Hàm tương quan chéo và hiệu năng CDMA

5 Định dạng bản tin định vị

 Cả mã P(Y) và mã C/A đều được điều chế với dòng số

liệu 50bps

 Số liệu này cung cấp cho NSD thông tin cần thiết để

tính toán chính xác vị trí của mỗi vệ tinh trong tầm nhìn

và thời gian truyền của mỗi tín hiệu định vị

 Bản tin định vị được truyền trong 5 khung con, mỗi

khung con 300 bits bao gồm 10 từ mã 30-bit

 6 bit cuối của mỗi từ mã dùng cho kiểm tra chẵn lẻ

(parity check với mã Hamming) để máy thu NSD có thể phát hiện lỗi bit khi giải điều chế

5 Định dạng bản tin định vị

 Mỗi 5 khung con được truyền bắt đầu từ khung 1

 Khung con 4 và 5 bao gồm 25 trang (page)

 Bit 1-60 của mỗi khung con là số liệu telemetry (TLM)

và HOW (Handover word)

 TLM = 10001011 (8-bit) => fixed preamble để máy thu

NSD xác định đầu khung con

 TLM cũng bao gồm 14 bits số liệu dùng cho NSD được

ủy quyền

5 Định dạng bản tin định vị

 HOW : cho phép máy thu NSD chuyển giao từ bám mã

C/A sang bám mã P(Y), cung cấp GPS time-of-week (TOW) dưới dạng modulo 6 giây tương ứng với ranh giới của khung tiếp theo

 HOW cũng cung cấp 2 bit cờ

o 1 chỉ thị kích hoạt antispoofing

o 1 dùng cho cảnh báo (chất lượng tín hiệu rất tồi)

5 Định dạng bản tin định vị

 Khung con 1 cung cấp số tuần GPS, là số của tuần

modulo 1024, tính từ January 5, 1980, lần chuyển đầu tiên là August 22, 1999, lần chuyển tiếp theo là April

2019

 Khung con 1 chứa thông tin hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh:

a f0 , a f1 , a f2 và thời gian của đồng hồ t oc Các tham số

này quan trọng trong đo chính xác khoảng cách bởi nó cho phép đồng bộ thời gian giữa tín hiệu truyền từ vệ tinh và thời gian hệ thống

 Khung con 2 và 3 cung cấp thông tin về quỹ đạo vệ

tinh (các thành phần Keplerian), cho phép xác định

chính xác vị trí của vệ tinh Các thông tin này cập nhật mỗi 4 giờ

5 Định dạng bản tin định vị

 Trang 2-5 và 7-10 của khung con 4, trang 1-24 của khung

con 5 chứa thông tin almanac cho phép máy thu NSD xác định tương đối vị trí vệ tinh Các thông tin này hỗ trợ nhận biết tín hiệu

 Trang 13 của khung con 4 chứa các tham số hiệu chỉnh đo

khoảng cách

 Trang 18 của khung con 4 chứa thông tin hiệu chỉnh lỗi

tầng điện ly cho máy thu đơn tần và thông số về quan hệ thời gian UTC và thời gian GPS

 Trang 25 của khung con 4 và 5 cung cấp thông tin về cấu

hình và trạng thái (sức khỏe) của các vệ tinh từ 1-32

 Có một số trang của khung con 4-5 để dự phòng

 Tuy nhiên L2C có nhiều điểm khác biệt.

 L2C sử dụng 2 PRN cho mỗi vệ tinh;

 Mã PRN thứ nhất gọi là CM (civil moderate) có chu kỳ

10230 chips;

 Mã PRN thứ 2 gọi là CL (civil long) dài hơn nhiều CM với chu kỳ 767250 chips

Các tín hiệu GPS mới

Tạo tín hiệu L2C băng cơ sở

 Ghép kênh mã CM và CL:

2 x 511.5 k-chip/s = 1.023 Mchip/sTạo ra tín hiệu có phổ giống mã C/A nhưng có độ dài mã lớn hơn nên khả năng “chống” nhiễu tốt hơn

 Mã PRN tốc độ 10,023MHz được sử dụng cả cho I5 và Q5, dẫn đến chu kỳ mã là 1ms;

Tạo tín hiệu L5

 Cứ mỗi 1ms, bit của mã NH được cộng

modulo-2 với chip của mã PRN

Tạo mã PRN I5 và Q5

 Được thiết kế dùng riêng cho quân sự, nhằm thay thế mã P(Y) Trong quá trình chuyển đổi, máy thu quân sự có thể dùng kết hợp mã P(Y),

mã M và mã C/A Thiết bị thu như vậy gọi là

YMCA.

 M Code tăng cường bảo mật và có phổ

tách biệt hẳn khỏi tín hiệu dân dụng để

tránh bị nhiễu, tăng khả năng chống nhiễu.

tín hiệu và giải điều chế số liệu so với mã C/A và mã P(Y).

(Binary Offset Carrier) để phân tách phổ.

Các tín hiệu GPS mới

 Tín hiệu M Code dùng BOCs(10,5):

 10 x 1,023MHz: tần số sóng mang phụ

 5 x 1,023Mhz: tốc độ chip của bộ phát mã M Code

Các tín hiệu GPS mới