Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tầng điện ly đến định vị chính xác gnss

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự-số Mạch tích hợp ứng dụng Bộ lọc băng thông Khóa dịch pha nhị phân Mã trải phổ CA Đa truy cập theo mã Biến đổi Fourier rời rạc Lặp k

Trang 1

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS HOÀNG VĂN HIỆP

Trang 2

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Minh

Đề tài luận văn: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tầng điện ly đến định vị chính xác

• Bổ sung danh mục từ viết tắt

• Thống nhất trình bầy các thuật ngữ, tên Tiếng Anh, tài liệu tham khảo

• Căn chỉnh lại trang bìa luận văn

Ngày tháng năm 2018

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, cô Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các cán bộ Trung tâm NAVIS đã trang bị những kiến thức bổ ích, cần thiết, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình học tập và nghiên cứu của tôi Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Hoàng Văn Hiệp, thầy đã tận tình định hướng, hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này là do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết

ra dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn; các tài liệu tham khảo, trích dẫn có ghi rõ nguồn gốc

Ngày tháng năm 2018

Tác giả luận văn

Nguyễn Minh

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1.1 Sơ lược lịch sử xác định vị trí 3

1.2 Một số hệ thống định vị vệ tinh hiện nay 3

1.3 Nguồn gây lỗi trong các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 4

1.4 Mục tiêu của luận văn 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Các phương pháp dẫn đường 8

2.2 Tổng quan về GPS 8

2.2.1 Các thành phần của GPS 8

2.2.2 Tín hiệu GPS 9

2.2.3 Độ dịch tần số Doppler 11

2.2.4 Nguyên lý định vị GPS 12

2.2.4.1 Phương pháp xác định khoảng cách dựa trên mã trải phổ 14

2.2.4.2 Phương pháp xác định giả khoảng cách dựa trên pha sóng mang 15

2.2.4.3 Phương pháp định vị sử dụng trạm tham chiếu 16

2.2.5 Kiến trúc bộ thu GPS 16

2.2.5.1 Front-End 16

2.2.5.2 Khối đồng bộ tín hiệu 17

2.2.5.3 Khối giải mã bản tin định vị 28

2.2.5.4 Khối tính toán định vị 28

2.3 Công nghệ bộ thu mềm-SDR 29

2.3.1 Tổng quan về bộ thu mềm 29

2.3.2 Kiến trúc của một bộ thu SDR cơ bản 31

CHƯƠNG 3 CÁC THAM SỐ GIÁM SÁT TẦNG ĐIỆN LY 33

3.1 Tầng điện ly 33

Trang 5

3.1.1 Tổng quan về tầng điện ly 33

3.1.2 Nhấp nháy tầng điện ly 34

3.1.3 Tác động của hiện tượng nhấp nháy tầng điện ly 34

3.1.4 Nguyên nhân nhấp nháy tầng điện ly 36

3.1.5 Đặc điểm nhấp nháy điện ly toàn cầu 36

3.1.6 Đặc trưng xuất hiện theo thời gian của nhấp nháy điện ly Việt Nam 36

3.2 Chỉ số nhấp nháy điện ly S4 38

3.3 Chỉ số nhấp nháy điện ly σ φ 41

3.4 Thử nghiệm và so sánh kết quả 42

CHƯƠNG 4 ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐIỆN LY ĐẾN ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC 52

4.1 Các chế độ định vị 52

4.1.1 Định vị điểm 52

4.1.2 Định vị tương đối 52

4.1.2.1 GNSS sai phân 53

4.1.2.2 Hệ thống tăng cường dựa trên vệ tinh 53

4.1.2.3 Định vị điểm chính xác 54

4.1.2.4 Phương pháp RTK 55

4.1.3 Tuyến liên kết thông tin 57

4.1.4 Xử lý dữ liệu sau 57

4.2 Công cụ RTKLIB 58

4.3 Ảnh hưởng của tầng điện ly đến định vị chính xác RTK 58

4.3.1 Trường hợp không có nhấp nháy tầng điện ly 60

4.3.2 Trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly 62

KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

Trang 6

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự-số

Mạch tích hợp ứng dụng

Bộ lọc băng thông

Khóa dịch pha nhị phân

Mã trải phổ CA

Đa truy cập theo mã

Biến đổi Fourier rời rạc

Lặp khóa trễ

Bộ lọc Kalman mở rộng

Biến đổi Fourier nhanh

Lặp khóa tần số

Mạch tích hợp dùng cấu trúc mảng có thể lập trình được

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

Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

Hệ thống định vị toàn cầu

Tần số trung gian

Hệ thống vệ tinh dẫn đường khu vực Ấn Độ

Bộ giám sát nhấp nháy tầng điện ly

Bộ dao động điều khiển số

Lặp khóa pha

Trang 7

Đo động thời gian thực

Nhiễu chọn lọc SA

Hệ thống tăng cường dựa trên vệ tinh

Công nghệ vô tuyến xác định bằng phần mềm

Bộ dao động tinh thể bù nhiệt độ (“XO” là từ viết tắt cũ cho “Crystal Oscillator”)

Hàm lượng điện tử tổng cộng

Thời gian trong tuần (theo giây)

Trang 8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phổ tín hiệu của các hệ thống vệ tinh định vị 4

Hình 1.2 Nguồn gây lỗi trong quá trình truyền tín hiệu 5

Hình 2.1 Kiến trúc hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 9

Hình 2.2 Tạo tín hiệu vệ tinh GPS 10

Hình 2.3 Phương pháp tính toán định vị 13

Hình 2.4 Thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới bộ thu dựa trên mã trải phổ 14

Hình 2.5 Xác định khoảng cách dựa trên pha sóng mang 15

Hình 2.6 Kiến trúc tổng quan bộ thu định vị vệ tinh 16

Hình 2.7 Front-End 17

Hình 2.8 Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm tuần tự 19

Hình 2.9 Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm không gian tần số song song 20

Hình 2.10 Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm độ trễ mã trải phổ song song 21

Hình 2.11 Sơ đồ khối vòng lặp khóa pha 23

Hình 2.12 Sơ đồ khối vòng lặp Costas 24

Hình 2.13 Sơ đồ khối bám mã trải phổ 26

Hình 2.14 Mối quan hệ giữa các giá trị tương quan của 3 bản mã trải phổ 27

Hình 2.15 Sơ đồ khối kết hợp vòng lặp bám DLL và PLL 27

Hình 2.16 Sơ đồ khối bám tín hiệu hoàn chỉnh trên bộ thu GPS 29

Hình 2.17 Kiến trúc bộ thu cứng-bộ thu mềm 30

Hình 2.18 Sơ đồ khối bộ thu SDR nói chung 32

Hình 3.1 Cấu tạo tầng điện ly theo ngày và đêm 33

Hình 3.2 Nhấp nháy tầng điện ly 35

Hình 3.3 Tần suất hoạt động của Mặt Trời-vết đen Mặt Trời năm 2009-2012 37

Hình 3.4 Đặc trưng xuất hiện theo mùa và theo mức độ hoạt động Mặt Trời 37

Hình 3.5 Đặc trưng xuất hiện theo vĩ độ của nhấp nháy điện ly 38

Hình 3.6 Bộ thu nhấp nháy tại Việt Nam 42

Hình 3.7 Những vệ tinh nhìn thấy được 43

Hình 3.8 SI của vệ tinh 1 (SDR) 44

Hình 3.9 SItrend của vệ tinh 1 (SDR) 44

Hình 3.10 Phi của vệ tinh 1 (SDR) 45

Hình 3.11 Phidetrend của vệ tinh 1 (SDR) 45

Hình 3.12 Chỉ số S4 của vệ tinh 1 tính bởi JRC và SDR 46

Hình 3.13 Chỉ số S4 của vệ tinh 1 tính bởi Septentrio và SDR 46

Hình 3.14 Chỉ số Phi60 của vệ tinh 1 tính bởi JRC và SDR 47

Hình 3.15 Chỉ số Phi60 của vệ tinh 1 tính bởi Septentrio và SDR 47

Trang 9

Hình 4.1 Nguyên tắc định vị điểm 52

Hình 4.2 Nguyên tắc định vị tương đối 53

Hình 4.3 Hệ thống tăng cường dựa trên vệ tinh 54

Hình 4.4 Hệ thống định vị điểm chính xác 55

Hình 4.5 Hệ thống RTK 56

Hình 4.6 Sử dụng những bộ lặp tăng độ bao phủ tín hiệu vô tuyến 57

Hình 4.7 Các vệ tinh nhìn thấy (trường hợp không có nhấp nháy tầng điện ly) 59

Hình 4.8 Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp không có nhấp nháy tầng điện ly) 60

Hình 4.9 Khoảng cách 3 chiều đến anten 1 (trường hợp không có nhấp nháy tầng điện ly) 61

Hình 4.10 Vận tốc 3 chiều (trường hợp không có nhấp nháy tầng điện ly) 61

Hình 4.11 Các vệ tinh nhìn thấy (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly) 62

Hình 4.12 Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 10o) 63

Hình 4.13 Khoảng cách 3 chiều đến anten 1 (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 10o) 63

Hình 4.14 Vận tốc 3 chiều (trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngẩng vệ tinh > 10o) 64

Trang 10

MỞ ĐẦU

Từ thời tiền sử, con người đã tìm cách để xác định xem mình đang ở đâu và đi đến một đích nào đó và trở về bằng cách nào Ngày nay, các hệ thống dẫn đường toàn cầu sử dụng vệ tinh – Global Navigation Satellite System – GNSS) được phát triển mạnh mẽ Ban đầu công nghệ định vị sử dụng vệ tinh chỉ phục vụ mục đích quốc phòng nhưng nay đã được ứng dụng trong các lĩnh vực lâm nghiệp, thủy lợi, giao thông vận tải,…, đóng vai trò ngày càng quan trọng trong đời sống kinh tế xã hội Tuy nhiên, công nghệ này mang tính tích hợp hệ thống, phụ thuộc vào các điều kiện địa vật lý của từng khu vực áp dụng nên cần có những điều chỉnh hợp lý để đạt được

độ chính xác và độ ổn định cao

Trong nhiều nghiên cứu đã chỉ ra, do tính chất sóng của tín hiệu vệ tinh, một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến độ tin cậy của dữ liệu định vị từ hệ thống GNSS là tầng điện ly Tín hiệu truyền từ vệ tinh qua tầng điện ly bị thay đổi về biên

độ và pha, từ đó làm sai khác đi tính chất của tín hiệu Hiện tượng này còn được gọi

là nhấp nháy tầng điện ly (Ionospheric Scintillation)

Việt Nam nằm trải dài theo phương kinh tuyến, từ vĩ độ khoảng 8˚30’N tới 23˚30’N vỹ độ địa lý (0˚30’N tới 15˚30’N vĩ độ từ), là khu vực tầng điện ly hoạt động mạnh và có nhiều hiện tượng bất thường (nhấp nháy tầng điện ly)

Trước đây, để nghiên cứu về tầng điện ly người ta phải sử dụng các thiết bị đặc biệt phát tín hiệu Ionosonde để nghiên cứu về tầng điện ly, tuy nhiên, khi GPS ra đời,

ta có thể sử dụng tín hiệu GPS cho mục đích này một cách rất hiệu quả Từ đó dẫn tới nhu cầu phát triển các bộ thu phát hiện nhấp nháy tầng điện ly ISMR (Ionospheric Scintillation Monitoring Receivers)

Hiện nay ở Việt Nam, chưa có nhiều nghiên cứu về bộ thu mềm GPS và ảnh

của tầng điện ly Vì thế tôi chọn tên đề tài là “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tầng điện ly đến định vị chính xác GNSS” Thông qua việc nghiên cứu hệ thống định vị

vệ tinh GPS, công nghệ bộ thu mềm và ảnh hưởng của nhấp nháy tầng điện ly đến phương pháp định vị chính xác, luận văn tập trung vào việc sử dụng bộ thu mềm để

Trang 11

phát hiện nhấp nháy tầng điện ly bằng cách tính các tham số đánh giá hiện tượng nhấp

phương pháp RTK trong hai kịch bản khác nhau: không có nhấp nháy và có nhấp nháy tầng điện ly Tôi tin rằng luận văn sẽ đóng góp nhiều thông tin có ích cho các nghiên cứu về định vị vệ tinh tại Việt Nam

Nội dung luận văn chia làm 4 chương:

• Chương 1 - Đặt vấn đề: trình bầy về lịch sử, công nghệ, nguồn gây lỗi định vị

vệ tinh và mục tiêu của luận văn

• Chương 2 - Cơ sở lý thuyết: trình bầy về hệ thống định vị GPS: tín hiệu GPS,các thành phần của GPS, nguyên lý định vị GPS, kiến trúc bộ thu GPS và công nghệ bộ thu mềm SDR

• Chương 3 - Các tham số giám sát tầng điện ly: trình bầy về tầng điện ly, nhấp nháy tầng điện ly, ảnh hưởng của hiện tượng nhấp nháy tầng điện ly, một vài đặc

điểm nhấp nháy tầng điện ly; tính các chỉ số nhấp nháy tầng điên ly S4, σ φ; thử nghiệm tính toán và so sánh kết quả tính toán các chỉ số nhấp nháy tầng điện ly

• Chương 4 - Ảnh hưởng của tầng điện ly đến định vị chính xác: trình bầy về các chế độ định vị; công cụ RTKLIB; và đánh giá ảnh hưởng của tầng điện ly đến định vị chính xác RTK

• Kết luận

Trang 12

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Sơ lược lịch sử xác định vị trí

Lịch sử dẫn đường và xác định vị trí gắn liền với lịch sử dẫn thuyền thám hiểm trên biển trong nhiều thập kỉ trước khi các phương tiện bay trên không như máy bay

và vũ trụ ra đời Những hiểu biết về vị trí thường mang tính sống còn và có sức mạnh kinh tế trong xã hội

Đầu thế kỉ 20, người ta đã phát minh ra một số hệ thống dẫn đường vô tuyến điện và sử dụng rộng rãi trong Chiến tranh thế giới thứ 2 Một số hệ thống dẫn đường

vô tuyến trên mặt đất vẫn còn đến ngày nay Một hạn chế của phương pháp sử dụng sóng vô tuyến điện được phát trên mặt đất là chỉ có hai lựa chọn: 1) hệ thống rất chính xác nhưng không bao phủ được vùng rộng lớn: Sóng vô tuyến tần số cao (sóng TV,

vệ tinh…); 2) hệ thống bao phủ được một vùng rộng lớn nhưng lại không chính xác: Sóng vô tuyến tần số thấp (sóng đài phát thanh…) Cách duy nhất bao phủ sóng chính xác trên toàn thế giới là đặt những trạm phát sóng vô tuyến điện cao tần trong không gian và phát sóng xuống Trái Đất Đây là ý tưởng ban đầu của hệ thống định vị toàn cầu

1.2 Một số hệ thống định vị vệ tinh hiện nay

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, có nhiều sản phẩm kỹ thuật cao ứng dụng trong thực tế Một trong những sản phẩm đó là máy định vị Các hệ thống dẫn đường toàn cầu sử dụng vệ tinh (GNSS) được phát triển mạnh mẽ Cùng với sự thành công của hệ thống GPS (Global Positioning System) của Mỹ, quốc gia đi đầu trong nghiên cứu hệ thống định vị, đã và đang thúc đẩy sự ra đời của các hệ thống tương tự

ở quy mô toàn cầu Nhiều hệ thống định vị mới đã và đang được xây dựng có thể kể đến:

• GPS [5]: hệ thống định vị vệ tinh của Hoa Kỳ, thành phần không gian gồm 30

vệ tinh (24 vệ tinh hoat đông, 6 vệ tinh dự phòng) Vệ tinh đầu tiên được phóng vào năm 1978, hệ thống hoàn chỉnh với vệ tinh số 24 được phóng vào năm 1994 GPS đã trải qua nhiều thế hệ vệ tinh

Trang 13

• Galileo [2]: hệ thống định vị vệ tinh của liên minh Châu Âu-EU, hệ thống Galileo đang được xây dựng và theo dự kiến sẽ hoàn thành vào năm 2020 với 30 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 6 vệ tinh dự phòng)

• GLONASS: hệ thống định vị vệ tinh của Nga, bắt đầu xây dựng năm 1976 Với việc khởi động lại chương trình không gian của Nga, hệ thống tiếp tục được phát triển và nâng cấp Kết thúc quá trình phục hồi và nâng cấp, tháng 2, 2016 hệ thống GLONASS với 24 vệ tinh có khả năng bao phủ toàn cầu

• Beidu (Bắc Đẩu): hệ thống định vị vệ tinh của Trung Quốc Theo kế hoạch hệ thống sẽ hoàn thành vào năm 2020, sau khi sở hữu 35 vệ tinh

Hình 1.1 Phổ tín hiệu của các hệ thống vệ tinh định vị

Bên cạnh đó còn có nhiều hệ thống vệ tinh định vị cấp vùng (QZSS của Nhật, IRNSS của Ấn Độ,…) cung cấp dịch vụ cục bộ cũng như hỗ trợ các hệ thống lớn

1.3 Nguồn gây lỗi trong các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh

• Sai số quĩ đạo vệ tinh

Vị trí của các vệ tinh coi như đã được xác định chính xác từ trước, và được tính làm mốc để xác định vị trí vật thể dưới mặt đất Tuy nhiên trong thực tế, khi vận hành

sẽ có sự sai lệch giữa tọa độ vệ tinh tính toán theo lịch thiên văn - Ephemeris và tọa

Trang 14

độ thực tế của nó Đây là nguyên nhân trực tiếp và cũng có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả định vị

• Sai số đồng hồ vệ tinh

Đồng hồ được sử dụng trong các vệ tinh là đồng hồ nguyên tử Tuy nhiên, nó vẫn bị ảnh hưởng từ nhiễu và lỗi trượt thời gian Sóng điện từ truyền đi trong không gian xấp xỉ vận tốc ánh sáng nên chỉ cần một sai số cỡ ns sẽ gây ra sai số cm trên khoảng cách Để giải quyết vấn đề này các đồng hồ vệ tinh sẽ được theo dõi liên tục

từ các trạm mặt đất và được so sánh với đồng hồ trung tâm điều khiển Sai số và độ trôi đồng hồ vệ tinh được kèm vào bản tin định vị do vệ tinh phát

• Sai số đồng hồ bộ thu

Ảnh hưởng của đồng hồ bộ thu cũng tương tự như đồng hồ vệ tinh Tuy nhiên,

bộ thu không thể trang bị đồng hồ nguyên tử do khối lượng lớn và giá thành rất cao

và chịu ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ

Hình 1.2 Nguồn gây lỗi trong quá trình truyền tín hiệu

Trang 15

• Sai số trong quá trình truyền tín hiệu

Với các hệ thống truyền thông khác, nguồn gây sai số phổ biến là nhiễu, thường rất nhỏ so với tín hiệu hữu ích, nên việc xử lý không đặt ra phức tạp như trong hệ thống định vị vệ tinh Việc các vệ tinh ở quá xa mặt đất ( lên đến 36.000 km) và tín hiệu phải vượt qua rất nhiều môi trường khác nhau, làm cho năng lượng và chất lượng

tín hiệu truyền về bị suy hao đi rất nhiều

• Sai số tầng đối lưu

Lớp thấp hơn của khí quyển chứa phần lớn hơi nước được gọi là tầng đối lưu gây ra trễ trên cả tín hiệu mã trải phổ lẫn tín hiệu sóng mang Các chất trong khí quyển hấp thụ năng lượng sóng điện từ có tần số xấp xỉ bằng tần số dao động của chúng khi sóng điện từ truyền qua nó, chính sự hấp thụ này làm cho sóng điện từ bị suy yếu và sinh ra nhiễu Điều kiện thời tiết cũng là nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Trong điều kiện có mưa, sóng điện từ không chỉ bị suy hao mà còn cộng thêm nhiễu sinh ra do các bức xa siêu cao của mưa, thêm vào đó nhiệt độ nước mưa cũng là nguồn gây nhiễu nhiệt

• Sai số tầng điện ly

Lớp trên cùng của tầng khí quyển là tầng điện ly bao gồm các hạt mang điện gây ra hiện tượng chậm tín hiệu mã trải phổ và tín hiệu sóng mang Tác động của tầng điện ly đối với tín hiệu điện tử phụ thuộc vào tần số của nó Tần số càng cao thì ảnh hưởng càng ít Do đó ta có thể sử dụng hai tần số sóng mang khác nhau thu đồng thời

để đo độ sai lệch giữa hai tín hiệu và từ đó có thể loại bỏ được ảnh hưởng của tầng điện ly Bộ thu GPS hai tần có độ chính xác cao sử dụng cả hai tín hiệu L1 và L2 để loại bỏ ảnh hưởng của tần điện ly

• Hiện tượng đa đường-Multipath

Trong điều kiện lí tưởng, tín hiệu được truyền thẳng từ vệ tinh tới bộ thu Tuy nhiên trong thực tế, ngoài tín hiệu chính là tín hiệu truyền thẳng, anten bộ thu còn nhận được nhiều tín hiệu phản xạ của tín hiệu chính qua mặt đất và các bề mặt các

Trang 16

vật thể xung quanh anten như như xe cộ, nhà cửa,… gây ra các hiện tượng như phản

xạ, nhiễu xạ hay tán xạ Hiện tượng đa đường dẫn tới suy giảm cường độ tín hiệu

• Sự giảm tín hiệu vệ tinh một cách cố ý – Selective Availability (SA)

Là một sự suy giảm tín hiệu có chủ ý đã từng được áp đặt bởi Bộ Quốc phòng

Mỹ SA dự định ngăn chặn kẻ thù quân sự từ việc sử dụng tín hiệu GPS có độ chính xác cao Chính phủ Mỹ đã dừng SA vào tháng 5 năm 2000, cải thiện đáng kể tính chính xác của các máy thu GPS dân sự

1.4 Mục tiêu của luận văn

Ngày nay, định vị chính xác đóng vai trò ngày càng quan trọng trong đời sống kinh tế xã hội trên toàn thế giới trong đó có Việt Nam

Như trình bầy ở trên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả định vị vệ tinh Một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến độ tin cậy của dữ liệu định vị vệ tinh

là tầng điện ly Đối với các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác định vị cao như trắc địa bản

đồ, việc loại bỏ được các nhiễu do tầng điện ly gây ra là hết sức quan trọng Việt Nam nằm ở khu vực vĩ độ thấp, cận xích đạo, là khu vực tầng điện ly hoạt động mạnh Việc nghiên cứu về ảnh hưởng tầng điện ly đến định vị vệ tinh phải dùng các bộ thu chuyên dụng, rất tốn kém Hiện Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của tầng điện ly đến định vị chính xác

Với công nghệ bộ thu mềm và sức mạnh tính toán ngày càng tăng, với giá thành ngày càng giảm của các bộ xử lý là tiền đề thuận lợi cho việc ứng dụng bộ thu mềm vào sử dụng vào các bài toán định vị từ đó dễ dàng nghiên cứu về ảnh hưởng của tầng điện ly

Mục tiêu của luận văn là sử dụng công nghệ bộ thu mềm tính các tham số nhấp nháy tầng điện ly Trên cơ sở phát hiện có nhấp nháy tầng điện ly trong dữ liệu định

vị, tiến hành các thử nghiệm kết quả định vị chính xác RTK khi có nhấp nháy tầng điện ly và so sánh kết quả với trường hợp không có nhấp nháy tầng điện ly

Trang 17

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các phương pháp dẫn đường

• Phương pháp dẫn đường bằng mục tiêu: dẫn đường và xác định vị trí bằng những mục tiêu nhìn thấy (đỉnh ngọn núi, hải đăng, cọc tiêu v.v…)

• Phương pháp dẫn đường dự đoán: dựa vào vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển và hướng di chuyển để dự đoán vị trí của phương tiện

• Phương pháp dẫn đường thiên văn học: dựa vào việc quan sát các thiên thể đã biết trên bầu trời như Mặt Trời, Mặt Trăng và các vì sao, sử dụng sextant để đo độ cao và góc độ giữa các thiên thể, dùng đồng hồ (thời kế) để đo thời gian và dùng lịch thiên văn để tính toán vị trí

• Phương pháp dẫn đường vô tuyến điện: sử dụng thiết bị phát sóng vô tuyến điện từ một trạm phát cố định có vị trí đã biết, tại điểm thu sóng máy thu sẽ tính toán thời gian, khoảng cách và kết quả thu được vị trí máy thu sóng vô tuyến điện Phương pháp sử dụng GPS/GNSS cũng được coi là phương pháp vô tuyến điện, các vệ tinh

hệ thống định vị toàn cầu được coi là các trạm phát vô tuyến điện

• Phương pháp dẫn đường quán tính: dựa trên vị trí, vận tốc và động thái ban đầu, từ đó đo tốc độ động thái và gia tốc rồi dùng phương pháp tích phân để tính toán

ra vị trí

2.2 Tổng quan về GPS

2.2.1 Các thành phần của GPS

Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh thường gồm các thành phần như sau [4]:

• Phân đoạn không gian - Hệ thống các vệ tinh trên quỹ đạo (Space segment): nhiệm vụ phát tín hiệu định vị cho người dùng toàn cầu Các vệ tinh này quay hết một vòng Trái Đất trên mặt phẳng quỹ đạo trong khoảng 12 tiếng (4 vệ tinh nằm trong một mặt phẳng) Có 6 mặt phẳng quỹ đạo với góc nghiêng tương đối so với đường xích đạo Trái Đất là 55 độ Cấu trúc như vậy là để đảm bảo rằng đối tượng được định

vị ở bất kì đâu trên Trái Đất cũng có tầm nhìn thẳng trực tiếp đến ít nhất 4 vệ tinh ở bất kì thời điểm nào

Trang 18

Hình 2.1 Kiến trúc hệ thống định vị sử dụng vệ tinh

• Phân đoạn điều khiển - Hệ thống các trạm mặt đất (Control segment): có chức năng giám sát, điều khiển vệ tinh, và đảm bảo các vệ tinh hoạt động chính xác, ổn định Phân đoạn điều khiển bao gồm hệ thống các trạm điều chỉnh đặt khắp nơi trên thế giới, 6 trạm giám sát, 4 trạm anten và một trung tâm điều khiển Trạm giám sát nhận các dữ liệu từ vệ tinh và gửi chúng về trạm chủ, tại đây thông tin quỹ đạo, đồng

hồ của vệ tinh (thông tin thiên văn) sẽ được hiệu chỉnh gửi tới vệ tinh thông qua trạm anten Nó tránh cho vệ tinh không bị trôi dạt và quỹ đạo được giới hạn

• Phân đoạn người dùng - Các bộ thu của người dùng cuối (User segment); bao gồm các anten và vi xử lý để thu và giải mã các tín hiệu vệ tinh, từ đó tính toán nhằm

đưa ra các thông số vị trí, vận tốc và độ chính xác về thời gian

Trang 19

Sóng mang: sóng mang có tần số fL1 hoặc fL2

Dữ liệu dẫn đường: dữ liệu dẫn đường chứa các thông tin về quỹ đạo của vệ

tinh Thông tin này được tải lên tất cả các vệ tinh từ trạm mặt đất Các dữ liệu dẫn đường có tốc độ bit là 50bps, một bit dẫn đường là 20ms

Mã truyền đi: Mỗi vệ tinh có hai mã truyền tải (code) đặc trưng là mã P(Y) và

mã C/A Mã C/A là một chuỗi 1023 chip (một chip tương ứng với 1 bit, nó thường được gọi là chip để nhấn mạnh rằng nó không chứa bất kỳ thông tin nào) Mã này được lặp đi lặp lại mỗi ms với tốc độ 1.023MHz Mã P dài hơn (≈2.35*104 chip) với tốc độ chip là 10.23MHz Nó tự lặp lại mỗi tuần theo tuần của GPS bắt đầu vào thứ bảy/nửa đêm chủ nhật Mã C/A được điều biến trên sóng mang L1 trong khi mã P được điều biến trên cả hai sóng mang L1 và L2

Việc tạo ra tín hiệu GPS được mô tả ở Hình 2.2 Mã C/A và mã P(Y) được kết hợp với dữ liệu dẫn đường thông qua bộ cộng 2 (phép XOR) Dịch vụ định vị tiêu chuẩn chỉ dựa trên tín hiệu mã C/A

Hình 2.2 Tạo tín hiệu vệ tinh GPS

Tín hiệu truyền từ vệ tinh k có thể viết bằng công thức sau:

𝒔𝒌(𝒕) = √𝟐𝑷𝑪 [C k (t) ⊕ D k (t)] cos(2πfL1t) + √𝟐𝑷𝑷𝑳𝟏 [P k (t) ⊕ D k (t)]

Trong đó :

Trang 20

PC, PPL1, và PPL2 là công suất của tín hiệu với mã C/A và mã P

C k là chuỗi mã C/A đặt cho vệ tinh thứ k

P k là chuỗi mã P(Y) đặt cho vệ tinh thứ k

D k là chuỗi dữ liệu dẫn đường

fL1 và fL2 là tần số sóng mang của băng L1 và băng L2

Hai thuộc tính tương quan quan trọng của các mã C/A là:

• Gần như không có sự tương quan chéo: Tất cả các mã C/A gần như không tương quan với nhau Tức là, đối với hai mã C i và C k cho vệ tinh i và k, tương quan

chéo có thể được viết như:

𝑟𝑖𝑘(𝑚) = ∑ 𝐶𝑖(𝑙)𝐶𝑘(𝑙 + 𝑚)

1022

𝑙=0

• Tất cả C/A gần như không có mối tương quan ngoại trừ độ trễ bằng không

Thuộc tính này giúp dễ dàng tìm ra khi hai mã tương tự được căn chỉnh hoàn toàn

Thuộc tính tự tương quan cho vệ tinh k có thể được viết là:

số nhận được giảm dần

Để dò và bám tín hiệu, một bản sao của sóng mang được tạo ra bởi bộ thu GPS

Sự sai khác của về tần số của tín hiệu nhận được với tần số của bản sao sóng mang

do bộ thu sinh ra chính là độ dịch tần số Doppler

Trang 21

𝑓𝑑 = 𝑓𝑟 − 𝑓𝑠 (2.4) Trong đó: 𝑓𝑟 là tần số của tín hiệu đến bộ thu, 𝑓𝑠 là tần số sinh ra bởi bộ tạo dao động cục bộ của bộ thu

Độ dịch tần số Doppler gây ra bởi chuyển động tương đối của vệ tinh đối với

bộ thu GPS Đối với bộ thu GPS đứng yên, tần số Doppler tối đa cho tần số L1 khoảng

±5 Hz, đối với bộ thu GPS di chuyển với vận tốc cao thì tần số Doppler tối đa là ±10

từ dữ liệu sau khi giải điều chế Thông tin từ bộ đồng bộ tín hiệu và bản tin định vị được sử dụng để xác định khoảng cách từ bộ thu đến vệ tinh, cũng như vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo; từ đó bộ thu tính toán xác định vị trí Về mặt ý tưởng, vị trí của bộ thu được xác định là giao điểm của các đường tròn với tâm là các vệ tinh, bán kính là khoảng cách từ các vệ tinh đến bộ thu (Hình 2.3)

Khoảng cách được xác định bằng thời gian truyền tín hiệu:

Trong đó:

• ρ (m): khoảng cách giữa vệ tinh và bộ thu;

• τ (s): thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh tới bộ thu;

Trang 22

Hình 2.3 Phương pháp tính toán định vị

này có độ chính xác và độ ổn định không cao Chính vì vậy sai số (dt) hai đồng hồ là không thể tránh khỏi kéo theo sự xuất hiện của ẩn số thứ tư dt, bên cạnh (x,y,z) Do

đó, trong Hình 2.3 xuất hiện vệ tinh thứ tư (bổ sung thêm 1 phương trình cần thiết để xác định giá trị của ẩn số thứ tư)

Việc đo khoảng cách, hay nói cách khác, đo thời gian lan truyền tín hiệu  được thực hiện theo hai kỹ thuật: dựa trên mã trải phổ và pha của sóng mang

Bên cạnh việc xác định vị trí, ta còn có thể xác định được các thông tin về thời gian, vận tốc và hướng chuyển động của bộ thu thông qua việc giải mã bản tin định

• : là giả khoảng cách; P: là khoảng cách thật;

• dP: là sai số quỹ đạo của vệ tinh;

Trang 23

• c: tốc độ truyền ánh sáng;

• dt: sai số đồng hồ vệ tinh; dT: sai số đồng hồ máy thu;

• 𝑑𝑖𝑜𝑛: trễ do tầng điện ly;

• 𝑑𝑡𝑟𝑜𝑝: trễ do tầng đối lưu;

2.2.4.1 Phương pháp xác định khoảng cách dựa trên mã trải phổ

Khi bộ thu nhận được mã trải phổ (mã cự ly) phát ra từ vệ tinh, so sánh với tín hiệu tương tự mà bộ thu tự sinh ra nhằm xác định được thời gian lan truyền tín hiệu

từ vệ tinh tới bộ thu theo công thức sau:

Hình 2.4 Thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới bộ thu dựa trên mã trải phổ

Sau khi tính được được thời gian lan truyền tín hiệu, khoảng cách từ bộ thu tới

vệ tinh được tính theo công thức:

Trang 24

Phương pháp xác định khoảng cách dựa trên mã trải phổ sẽ cho ta trực tiếp kết

không cao

2.2.4.2 Phương pháp xác định giả khoảng cách dựa trên pha sóng mang

Sóng mang được vệ tinh phát ra liên tục và có tần số cao (GPS L1 là 1572.42

bộ thu sinh ra một tín hiệu có cùng tần số với tần số của pha sống mang, sau đó tính được độ lệch pha giữa pha tín hiệu của bộ thu tự sinh và pha của sóng mang mà bộ thu nhận được

Khoảng cách giữa vệ tinh và bộ thu được xác định theo công thức:

• 𝜆𝑓𝑐: là bước sóng của sóng mang

Hình 2.5 Xác định khoảng cách dựa trên pha sóng mang

Trang 25

Bộ thu chỉ xác định được phần lẻ , trong khi, số nguyên N không thể xác định

trực tiếp mà phải có phương pháp ước lượng

đương của một chip mã trải phổ = 293 (m), nên khoảng cách đo được bởi pha sóng mang sẽ có độ chính xác cao hơn nhiều so với sử dụng mã trải phổ

Để giải quyết bài toán xác định N có rất nhiều phương pháp khác nhau, trong

đó, phương pháp hiệu chỉnh giải tương quan đa trị bình phương tối thiểu Squares AMBiguity Decorrelation Adjustment – LAMBDA [18]) được ứng dụng rộng rãi trên thực tế Phương pháp dựa trên lý thuyết về ước lượng bình phương tối thiểu số nguyên Tham số được ước lượng theo phương pháp này được thực hiện theo

(Least-3 bước: Bước 1: Giải trôi (float solution); Bước 2: Ước lượng số nguyên N; và Bước

3: Giải cố định (fixed solution)

2.2.4.3 Phương pháp định vị sử dụng trạm tham chiếu

Là giải pháp nhằm triệt tiêu các sai số chung giữa trạm tham chiếu và bộ thu cần định vị, từ đó nâng cao độ chính xác của phép định vị Để thực hiện được phương pháp định vị sử dụng trạm tham chiếu, khoảng cách từ trạm tham chiếu đến bộ thu phải đủ ngắn (<15 km); tại một thời điểm bộ thu và trạm tham chiếu phải cùng nhìn thấy một vài vệ tinh Khi đó, một số sai số tích lũy có thể khử hoặc ít nhất cũng giảm

đi một cách đáng kể nhờ cách tính các sai phân [8]

2.2.5 Kiến trúc bộ thu GPS

Quy trình xử lý tín hiệu trong bộ thu được mô tả trên Hình 2.6

Hình 2.6 Kiến trúc tổng quan bộ thu định vị vệ tinh 2.2.5.1 Front-End

Trang 26

Có nhiệm vụ thu tín hiệu tương tự từ anten, chuyển tần số tín hiệu từ tần số L1

về tần số trung gian (IF) và biến đổi tương tự-số

Hình 2.7 Front-End

Các thành phần Front-End bao gồm: anten (thu tín hiệu), các bộ lọc băng thông (BPF-bandpass filter), bộ khuếch đại, bộ trộn (chức năng cơ bản của bộ trộn/ bộ dao động cục bộ là chuyển đầu vào tần số cao sang tần số trung gian-IF thấp hơn và bảo toàn cấu trúc tín hiệu điều chế) và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC)

Tín hiệu GPS L1 C/A ở đầu ra của Front-End có dạng:

Trong đó:

C(n) là mã C/A đặc trưng cho mỗi vệ tinh, D(n) là dữ liệu dẫn đường, n theo

đơn vị 1/f s (s), f s là tần số lấy mẫu (Hz), d: Doppler, 𝑒(𝑛) là nhiễu

2.2.5.2 Khối đồng bộ tín hiệu

Tín hiệu số từ Front-End được xử lý qua khối đồng bộ tín hiệu (Signal synchronization), nhằm giải điều chế và giải mã bản tin định vị của từng vệ tinh thu được Khối đồng bộ tín hiệu gồm 2 qúa trình: dò tín hiệu (Acquisition) và bám tín hiệu (Tracking)

Trang 27

➢ Dò tín hiệu [1]

Hiện tại, hầu hết các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh đều sử dụng phương pháp

đa truy cập theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA) Do đó, tín hiệu bộ thu thu được sẽ là tổng hợp của tín hiệu từ nhiều vệ tinh Mục đích của dò tín hiệu là xác định tất cả các vệ tinh nhìn thấy Nếu một vệ tinh có thể nhìn thấy, phải xác định giá trị thô hai thuộc tính sau của tín hiệu:

- Tần số của tín hiệu từ một vệ tinh cụ thể (có thể khác với giá trị danh định của nó) Ở đầu ra Front-End tín hiệu GPS trên L1 tương ứng với IF Tuy nhiên, các tín hiệu bị ảnh hưởng bởi chuyển động tương đối của vệ tinh, gây ra bởi hiệu ứng Doppler, dẫn đến tần số cao hơn hoặc thấp hơn, tần số có thể lệch đến ±10kHz

- Độ trễ mã trải phổ biểu thị điểm trong khối dữ liệu hiện tại mà mã C/A bắt đầu Nếu một khối dữ liệu của 1 ms được kiểm tra, dữ liệu bao gồm toàn bộ mã C/A

Các tín hiệu nhận được là sự kết hợp của các tín hiệu từ tất cả n vệ tinh có thể

Sau khi nhân với mã được tạo cục bộ, tín hiệu phải được trộn với sóng mang được tạo cục bộ, để loại bỏ sóng mang của tín hiệu nhận được Để loại bỏ sóng mang khỏi tín hiệu, tần số của tín hiệu được tạo cục bộ phải gần với tần số sóng mang tín hiệu Như đã đề cập ở trên, tần số có thể thay đổi lên đến ± 10 kHz từ tần số danh định, do đó các tần số khác nhau trong khu vực này phải được kiểm tra Để xác định

có hay không một vệ tinh có thể nhìn thấy, tìm kiếm tần số trong các bước dịch 500

Hz là đủ [19]

Trang 28

Sau khi trộn với sóng mang được tạo cục bộ, tất cả các thành phần tín hiệu được bình phương và tổng hợp cung cấp một giá trị số

Phương pháp dò tín hiệu hoạt động như một phương pháp tìm kiếm Đối với mỗi tần số khác nhau, 1023 độ trễ mã trải phổ khác nhau được thử Khi tất cả các khả năng cho độ trễ mã trải phổ và tần số được thử, thực hiện tìm giá trị tối đa Nếu giá trị lớn nhất vượt quá ngưỡng xác định, sẽ thu được vệ tinh với tần số và dịch pha tương ứng Nói cách khác, quá trình tìm kiếm được thực hiện trên không gian tìm kiếm 3 chiều, mỗi điểm trong không gian tìm kiếm ứng với một tín hiệu thử Các tín hiệu thử này được so sánh với tín hiệu thu được thông qua việc tính hàm tương quan chéo giữa 2 tín hiệu Tại vị trí có bộ 3 tham số trên gần với tín hiệu thu được nhất hàm tương quan sẽ đạt đỉnh Sau đó bộ 3 tham số này sẽ được đưa vào làm đầu vào cho bước bám tín hiệu tiếp theo

Có 3 phương pháp thực hiện dò tín hiệu [1]:

- Tìm kiếm tuần tự: đơn giản nhất nhưng cũng có chi phí tính toán cao, chỉ phù hợp với các bộ thu ASIC

- Tìm kiếm trên không gian tần số song song

- Tìm kiếm độ trễ mã trải phổ song song

• Dò tín hiệu tìm kiếm tuần tự

Hình 2.8 Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm tuần tự

Trang 29

Bộ tạo PRN tạo ra một mã PRN tương ứng với một vệ tinh cụ thể Mã được tạo

ra có một đoạn mã trải phổ, từ 0 đến 1022 chip Tín hiệu đến ban đầu được nhân với

mã PRN được tạo Sau khi nhân với mã PRN, tín hiệu được nhân với tín hiệu sóng

của tín hiệu sóng mang cho ra tín hiệu vuông pha Q I và Q được tích hợp trên 1ms,

tương ứng với độ dài của một mã C/A Lý tưởng nhất, công suất tín hiệu tập trung

vào phần I của tín hiệu Đầu ra là giá trị tương quan giữa tín hiệu đến và tín hiệu được

tạo cục bộ ở máy thu Nếu vượt quá một ngưỡng được xác định trước, các tham số tần số và mã trải phổ là chính xác

Thuật toán tìm kiếm tuần tự quyét tất cả tần số sóng mang có thể của IF±10kHz với bước dịch 500Hz và quyét tất cả 1023 độ trễ mã trải phổ khác nhau, tạo ra một số lượng rất lớn các kết hợp:

• Dò tín hiệu tìm kiếm không gian tần số song song

Hình 2.9 Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm không gian tần số song song

Tín hiệu đến được nhân với một mã PRN được tạo cục bộ, tương ứng với một

vệ tinh cụ thể, và một độ trễ mã trải phổ giữa 0 và 1022 chip Tín hiệu kết quả được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi Fourier, trở thành một tín hiệu phức Với mã PRN được căn chỉnh đúng, đầu ra của biến đổi Fourier sẽ có một đỉnh tại tần số IF cộng với độ dịch Doppler Tìm kiếm không gian tần số song song chỉ qua 1023 trễ mã trải phổ khác nhau

• Dò tín hiệu tìm kiếm độ trễ mã trải phổ song song

Trang 30

Hình 2.10 Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm độ trễ mã trải phổ song song

Để thuận lợi, tạo mối tương quan chéo vòng giữa đầu vào và mã PRN không dịch độ trễ mã trải phổ Các biến đổi Fourier rời rạc của các chuỗi độ dài hữu hạn

x(n) và y(n) với độ dài N được tính như sau:

Trong phần sau ta sẽ bỏ qua hệ số nhân 1/N

Biến đổi Fourier N-điểm rời rạc của z(n) có thể được biểu diễn bằng:

Trang 31

Tín hiệu đến được nhân với tín hiệu sóng mang cosin và sine tạo cục bộ, tương

ứng, tạo thành một thành phần tín hiệu I và Q Các tín hiệu I và Q được kết hợp để tạo thành tín hiệu đầu vào phức x(n)=I(n)+jQ(n) cho biến đổi Fourier (DFT) Kết quả

của phép biến đổi Fourier được nhân với kết quả của nhánh dưới của sơ đồ khối trong Hình 2.10 Tạo tín hiệu này như sau: Bộ tạo PRN tạo ra một mã không có độ trễ mã trải phổ Tiếp theo thực hiện một biến đổi Fourier của mã PRN Mã PRN được tạo ra được chuyển đổi thành miền tần số và kết quả là một liên hợp phức

Biến đổi Fourier của đầu vào được nhân với biến đổi Fourier của mã PRN Kết quả của phép nhân được chuyển đổi thành miền thời gian bằng phép biến đổi Fourier ngược Giá trị tuyệt đối của đầu ra của biến đổi Fourier ngược biểu thị mối tương quan giữa đầu vào và mã PRN Nếu có một đỉnh tức là có sự tương quan, chỉ số của đỉnh này đánh dấu độ trễ mà trải phổ PRN của tín hiệu đến

Thời gian thực hiện được đo bằng các hàm tic và toc trong MATLAB, trên một máy tính trung bình (Pentium 4, 2.8 GHz), tất cả các phép đo được thực hiện 10 lần, lấy giá trị trung bình [1]

Dò tín hiệu chỉ đưa ra các ước lượng “thô”, nên các tham số đặc trưng cho tín hiệu (độ trễ mã trải phổ và tần số) được xác định trong bước dò tín hiệu có độ chính xác chưa cao, không thể dùng để giải điều chế tín hiệu thu được Mặt khác, các tham số này có giá trị thay đổi theo thời gian Do vậy, cần thực hiện bám tín hiệu để ước lượng các tham số tín hiệu với độ chính xác cao, đồng thời bám theo

sự thay đổi theo thời gian của các tham số này

Trang 32

Bám tín hiệu gồm hai phần, bám mã trải phổ và bám tần số/pha sóng mang:

Bám mã trải phổ thường được thực hiện dưới dạng vòng lặp khóa trễ (DLL),

trong đó ba (bản sao) mã cục bộ lệch nhau 1/2 chip được tạo ra và tương quan với tín hiệu đến Ba bản sao này được gọi là bản sao sớm, đúng và trễ

Bám tần số/pha sóng mang có thể được thực hiện theo hai cách: bằng cách bám

pha tín hiệu hoặc bằng cách bám tần số

Quá trình bám tín hiệu được chạy liên tục theo sự thay đổi tần số dưới dạng hàm thời gian Nếu bộ thu mất dấu một vệ tinh, một quá trình dò mới phải được thực hiện cho vệ tinh cụ thể đó

sơ đồ khối cơ bản cho một vòng lặp khóa pha [1]

Hình 2.11 Sơ đồ khối vòng lặp khóa pha

Hai phép nhân đầu tiên khử sóng mang và mã PRN của tín hiệu đầu vào Để xóa

sóng mang (Carrier loop discriminator) được sử dụng để tìm pha lỗi trên bản sao sóng sóng mang cục bộ Đầu ra của bộ phân tích, là pha lỗi (hoặc một hàm của pha lỗi), sau đó được lọc và sử dụng để phản hồi cho bộ dao động điều khiển số (NCO),

Trang 33

điều chỉnh tần số sóng mang cục bộ Bằng cách này, sóng mang cục bộ có thể là một bản sao gần như chính xác của sóng mang tín hiệu đầu vào

Vấn đề với việc sử dụng một PLL thông thường là nó nhạy cảm với sự thay đổi

Hình 2.12 là một vòng lặp Costas Một đặc điểm của vòng lặp này là nó không

mang này trong bộ thu GPS Mục tiêu của vòng lặp Costas là cố gắng giữ tất cả năng

lượng trong nhánh I (đồng pha) Để giữ năng lượng trong I, cần phản hồi tới bộ dao

động

Hình 2.12 Sơ đồ khối vòng lặp Costas

Giả sử bản sao mã trong Hình 2.12 được căn chỉnh hoàn toàn, phép nhân ở kênh

Với φ là sai khác pha giữa pha tín hiệu đầu vào và bản sao pha sóng mang cục bộ

Phép nhân thành phần vuông pha là:

Trang 34

• Bám mã trải phổ

Mục tiêu của vòng lặp bám mã trải phổ là bám theo độ trễ mã trải phổ của một

mã cụ thể trong tín hiệu Đầu ra của vòng lặp bám mã trải phổ là bản sao hoàn chỉnh của mã Vòng lặp bám mã trải phổ trong bộ thu GPS là một vòng lặp khóa trễ (DLL) được gọi là vòng lặp bám sớm-trễ Ý tưởng đằng sau DLL là tương quan tín hiệu đầu vào với ba bản sao của mã trong Hình 2.13

Quá trình bám mã trải phổ tạo ra thành phần mã trải phổ giống với thành phần

mã trải phổ của tín hiệu thu được Mã trải phổ C/A của tín hiệu GPS L1 có tính tự tương quan: giá trị tự tương quan lớn nhất khi độ trễ bằng 0, xấp xỉ bằng 0 khi độ trễ

Trang 35

lớn hơn 1 chip Dựa vào tính chất này, quá trình bám mã trải phổ sẽ xác định ra một

mã trải phổ tương tự mã trải phổ của tín hiệu thu được Mã trải phổ này được thực hiện bằng cách tính và so sánh tương quan của 3 mã trải phổ lệch nhau 1/2 chip Mạch vòng khóa trễ DLL sẽ tính và so sánh các giá trị tương quan này, và điều khiển cho

bộ sinh mã trải phổ thay đổi tốc độ tạo mã cho phù hợp Các mã trải phổ này được gọi là mã sớm, mã trễ và mã đúng, trong đó mã “đúng” là giá trị mà bộ thu xác định được trên cơ sở hiệu chỉnh sao cho tương quan ứng với mã sớm và mã trễ bằng nhau

Sơ đồ thuật toán bám mã trải phổ được thể hiện trong Hình 2.13

Đầu tiên nhân tín hiệu đến với bản sao sóng mang cục bộ được căn chỉnh hoàn hảo Sau đó tín hiệu được nhân với ba bản sao mã được tạo với khoảng cách ± 1/2 chip Sau phép nhân thứ hai này, ba kết quả đầu ra được tích hợp và kết xuất Ba đầu

ra tương quan E, P và L sau đó được so sánh để xem cái nào mang lại mối tương quan

Trang 36

a) Mã trải phổ bị trễ b) Mã trải phổ đúng

Hình 2.14 Mối quan hệ giữa các giá trị tương quan của 3 bản mã trải phổ

Hình 2.15 Sơ đồ khối kết hợp vòng lặp bám DLL và PLL

Trang 37

Nếu thực hiện vòng lặp bám mã trải phổ phải độc lập với thực hiện của vòng lặp khóa pha, vòng lặp bám phải sử dụng cả kênh đồng pha và vuông pha để bám mã DLL cần một phản hồi cho các trình tạo mã PRN nếu độ trễ mã trải phổ phải được điều chỉnh Bộ phân tích vòng lặp bám được bổ sung là công suất sớm - trễ được chuẩn hóa:

𝐷𝑖𝑠 = (𝐼𝐸2+ 𝑄𝐸2) − (𝐼𝐿2 + 𝑄𝐿2)

trong đó I E , Q E , I L và Q L là đầu ra từ bốn trong số sáu bộ tương quan

Hình 2.15 là sự kết hợp của vòng lặp bám mã trải phổ và vòng lặp bám sóng mang để giảm thiểu tính toán Hình 2.16 là một phiên bản được tối ưu hóa của kết

hợp các vòng lặp Ở đây, đầu vào I và Q cho bộ phân tích pha là I P và Q P từ vòng lặp bám mã trải phổ

Sau bước bám tín hiệu, tín hiệu được giải điều chế khỏi mã trải phổ và thành phần sóng mang về dạng xung vuông (mã BPSK của bit dữ liệu) Kết quả này sau đó được chuyển thành dữ liệu nhị phân (nhờ đồng bộ bit) với tốc độ 50 bps (theo định nghĩa tốc độ dữ liệu của GPS L1)

2.2.5.3 Khối giải mã bản tin định vị

Chuỗi bit dữ liệu thu được sau khi đồng bộ bit được giải mã thành bản tin định

vị Bản tin định vị thu được gồm các tham số quỹ đạo, tham số hiệu chỉnh đồng hồ (bản tin Ephemeris) cho bản thân vệ tinh đó và cho tất cả các vệ tinh trong hệ thống (bản tin Almanac) Các tham số này được sử dụng để xác định vị trí vệ tinh và hiệu chỉnh đồng hồ bộ thu trong bước tính toán kết quả định vị

2.2.5.4 Khối tính toán định vị

Từ các bản tin định vị của các vệ tinh thu được sau quá trình đồng bộ bit và giải

mã, khối tính toán PVT sẽ sử dụng để xác định vị trí vệ tinh và hiệu chỉnh đồng hồ

bộ thu, thực hiện tính toán để xác định vị trí (Position), vận tốc (Velocity) và thời gian (Time) Các kết quả tính toán sau đó được lưu trữ, hiển thị hoặc dùng cho các ứng dụng khác

Trang 38

Hình 2.16 Sơ đồ khối bám tín hiệu hoàn chỉnh trên bộ thu GPS

Trong tất cả các khối trên Hình 2.6, khối đồng bộ tín hiệu yêu cầu tính toán tốc

độ cao, thời gian thực do phải liên tục xử lý dữ liệu đưa vào từ Front-End Do đó, đây cũng là khối đóng vai trò quan trọng nhất, quyết định đến sự thành công của quá trình định vị sử dụng vệ tinh

Trang 39

Số lượng hệ thống vệ tinh định vị trên thế giới đang ngày một tăng, do đó đặt ra yêu cầu về các bộ thu đa hệ thống – có thể hoạt động được với tín hiệu của nhiều hệ thống vệ tinh định vị khác nhau Đối với bộ thu cứng do chi phí cập nhật, nâng cấp

hệ thống cao, như vậy để đáp ứng được yêu cầu này là một thách thức không dễ dàng

Bộ thu mềm [3] là một hướng nghiên cứu mới để giải quyết vấn đề này

SDR, Software Defined Radio (ngắn gọn là Software Radio) là công nghệ vô tuyến xác định bằng phần mềm, hay có thể hiểu đơn giản là thiết bị vô tuyến có cấu trúc mềm Công nghệ SDR là một kiến trúc phần cứng kết hợp phần mềm để thực hiện xử lý các tín hiệu vô tuyến Thay vì sử dụng các cấu trúc ASIC như bộ thu cứng,

bộ thu mềm thực hiện đồng bộ tín hiệu bằng phần mềm trên các vi xử lý lập trình được như CPU, GPU, DSP, FPGA, PC-Based… … thông qua các kỹ thuật lập trình (thu tín hiệu và số hoá vẫn được thực hiện bằng phần cứng)

Hình 2.17 Kiến trúc bộ thu cứng-bộ thu mềm

Ưu điểm của bộ thu mềm:

Bộ thu mềm có nhiều ưu điểm hơn so với bộ thu cứng truyền thống: [3][23]

• Chi phí thấp, vì các tài nguyên hệ thống như sức mạnh tính toán và bộ nhớ hệ thống có thể được chia sẻ

Trang 40

• Cấu trúc xử lý linh hoạt, mềm dẻo, do đó dễ dàng thực hiện việc nâng cấp, thay đổi, cập nhật đáp ứng nhu cầu sử dụng; giảm thời gian sản xuất đưa ra thị trường Việc thay đổi cơ chế hoạt động thực chất là việc thay đổi các dòng lệnh phần mềm, đơn giản hơn so với thiết kế lại và sản xuất lại bảng mạch cho bộ thu cứng Tính linh hoạt của bộ thu mềm cho phép đáp ứng mọi nhu cầu thay đổi: đa hệ thống, áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu phức tạp, tối ưu hoá hệ thống, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tối ưu hóa các quá trình xử lý trong bộ thu, dễ dàng áp dụng các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến

• Sử dụng nhiều hệ thống định vị cho tính sẵn sàng cao hơn, nhiều lựa chọn dịch

vụ, khai thác tính năng của các tín hiệu mới và giảm sự phụ thuộc vào một hệ thống riêng lẻ Ngày nay bên cạnh tín hiệu GPS L1, còn có thêm nhiều tín hiệu mới như Galileo E1, E5; GPS L1C, L2C, L5… hướng tới ứng dụng dân dụng, cho phép định

vị chính xác cao ngay cả cho người dùng dân dụng

• Phần cứng được giảm xuống mức tối thiểu, các thiết bị di động hiện tại nhỏ gọn bao gồm nhiều tính năng mạnh hơn, thích hợp cho việc trang bị tính năng định

vị dẫn đường cho các thiết bị không dây hiện đại

Nhược điểm của bộ thu mềm:

Bên cạnh những ưu điểm nêu trên, bộ thu mềm có nhược điểm là tốc độ xử lý

chậm hơn bộ thu cứng

Trong xử lý tín hiệu số, quy trình tính toán thời gian thực là quy trình xử lý mà trong đó tín hiệu vào liên tục, kết quả xử lý ra liên tục, và thời gian xử lý phải nhỏ hơn độ dài của đoạn tín hiệu đầu vào Để có thể xây dựng bộ thu mềm thời gian thực cần thực hiện cải tiến thuật toán xử lý, kỹ thuật lập trình để tăng tốc độ cho các khối đồng bộ tín hiệu và tổ chức dữ liệu cũng như có các cơ chế điều khiển hợp lý cho các khối giải mã bản tin định vị và tính toán PVT

2.3.2 Kiến trúc của một bộ thu SDR cơ bản

Bộ thu SDR gồm phần tương tự và phần xử lý số của hệ thống Phần tương tự giải quyết các công việc không thể số hóa được: anten, bộ chuyển đổi ADC (Analog

Định dạng
Số trang	81
Dung lượng	2,79 MB