Nghiên cứu phát triển kiến trúc máy thu đa kênh ứng dụng cho các bộ thu GNSS

Hệ thống Galileo cung cấp 5 dịch vụ độc lập nhau phụ thuộc vào nhu cầu của người sử dụng: • Dịch vụ mở Open Service - OS: hình thành từ việc kết hợp các tín hiệu với nhau, đây là dịch vụ

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

-

ĐỖ THỊ THƠM

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KIẾN TRÚC MÁY

THU ĐA KÊNH ỨNG DỤNG CHO CÁC BỘ THU GNSS

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN HỮU TRUNG

HÀ NỘI – 2014

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu phát triển kiến trúc máy thu đa kênh ứng dụng

cho các bộ thu GNSS” là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Những kết quả tính toán, thiết kế trong luận văn là trung thực

Học viên thực hiện

Đỗ Thị Thơm

2

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Em xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo tham gia giảng dạy lớp cao học chuyên ngành kỹ thuật truyền thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho em những bài học bổ ích trong quá trình học tập và nghiên cứu

Đồng thời em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới viện Điện tử Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, xin trân trọng cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp

đỡ em hoàn thành luận văn

Dù đã rất cố gắng nhưng luận văn cũng không tránh khỏi khiếm khuyết, rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 03 năm 2014

Học viên

Đỗ Thị Thơm

3

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Chùm sao vệ tinh 17

Hì nh 1.2 Vệ tinh NAVSTAR 18

Hình 1.3 Phân hệ điều khiển 19

Hình 1.4 Số vệ tinh tối thiểu để truyền sóng định vị 21

Hình 1.5 Ứng dụng của GNSS trong dẫn đường 22

Hình 1.6 Đặc điểm các tín hiệu GNSS 24

Hình 1.7 Ví dụ về dạng sóng miền thời gian cho SinBOC(1,1) Hình trên: chuỗi mã trải phổ PRN; hình dưới: dạng sóng điều chế SinBOC(1,1) 30

Hình 1.8 Mật độ phổ công suất của tín hiệu điều chế SinBOC(1,1) và GPS 31

Hình 1.9 Mật độ phổ công suất của tín hiệu SinBOC(1,1) và MBOC(6,1,1/11) 32

Hình 1.10 Điều chế CBOC 4 mức từ BOC(1,1) và BOC(6,1) [13] 33

Hình 1.11 Ví dụ về dạng sóng trong miền thời gian của CBOC(‘+’), CBOC(‘-’) và CBOC(‘+/-’) 36

Hình 1.12 Hàm tự tương quan chuẩn hóa của ba dạng điều chế CBOC 36

Hình 1.13 Hàm tự tương quan chuẩn hóa của CBOC(6,1), BOC(1,1) và mã C/A 37

Hình 2.1 Phổ di động sử dụng ở châu Âu ( theo nguồn Jondral, 1999) 40

Hình 2.2 Kiến trúc cơ bản của máy thu tín hiệu định vị toàn cầu theo công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm 41

Hình 2 3 Bộ lọc thông dải [3] 46

Hình 2 4 Đa thức Chebyshev từ T0 đến T4 với tần số chuẩn hóa -1<Ω<1 48

4

Hình 2.5 Giá trị tổn hao chèn theo tần số chuẩn hóa và bậc của đa thức

Chebyshev cho bộ lọc Chebyshev thông thấp 49

Hình 2 6 Đáp ứng tần số của bộ lọc thông thấp Chebyshev loại I với bậc 4 và hệ s ố lượn sóng bằng 1 50

Hình 2 7 Đáp ứng tần số của bộ lọc Chebyshev loại II tại bậc 5 và hệ số lượn sóng 0,01 51

Bảng 3.1 Mối quan hệ giữa tín hiệu (hoặc dữ liệu trong trường hợp mã C/A) và độ dài mã chính của các tín hiệu GNSS khác nhau 58

Hình 3.1 Mối quan hệ giữa bit dữ liệu và mẫu tương quan 58

Hình 3.2 S ơ đồ Trellis cho một bộ quan sát cụ thể (vị trí δ) 60

Hình 3.3 Vị trí bit-edge với mức C/N0 thấp 61

Hình 3.4 Vị trí bit-edge với mức C/N0 cao 62

Hình 3.5 Ước tính một cách chính xác vị trí bít- edge theo 63

hàm chức năng thứ nhất 63

Hình 3.6 Ước tính một cách chính xác vị trí bít- edge theo 63

hàm chức năng thứ hai 63

Hình 3.7 Mạch vòng Costas sử dụng để theo dõi sóng mang 64

Bảng 3 2 Mô tả các bộ phân biệt Costas có thể dùng khác 65

Hình 3.8 Các đáp ứng bộ phân biệt vòng khóa pha Costas thông thường 66

Hình 3.9 Đồ thị sai pha giữa sóng mang đầu vào và bản sao 67

sóng mang cục bộ 67

Hình 3.10 S ơ đồi khối bộ vòng khóa trễ với sáu bộ tương quan 68

Hình 3.11 Đầu ra của sáu bộ tương quan trên hai nhánh I và Q 69

5

của vòng khóa trễ 69

Hình 3.12 Hàm đầu ra bộ so sánh pha mã với khoảng cách 70

vòng khóa trễ là 0,35 chip 70

Hình 3.13 S ơ đồ bộ bám tín hiệu 71

Hình 3.14 Cấu trúc vòng bám tín hiệu đề xuất bao gồm bước khử Jitter 76

Bảng 4.1 Đặc điểm các tín hiệu dân sự GNSS điển hình 78

Hình 4.1 Kiến trúc bộ thu đa kênh cứng Asic 80

Hình 4.2 Kiến trúc bộ thu đa kênh mềm 80

Hình 4.3 B ước logic chính của một máy thu GNSS SDR 81

Hình 4.4: Thiết kế kiến trúc của một máy thu phần mềm GNSS 82

Hình 4.5 Một ví dụ về một lịch trình thời gian của một máy thu phần mềm GNSS 83

Hình 4.6 Ph ương pháp đơn giản hóa của một GNSS front-end 85

Bảng 4.2 Cấu hình một FE 86

Bảng 4.3 Thông số thu được của mỗi tín hiệu 88

Bảng 4.4 Miêu tả ngắn gọn của việc điều chỉnh thông điệp chuyển hướng 89

Bảng 4.5 Vị trí vệ tinh và hệ thống tham chiếu của mỗi tín hiệu GNSS 91

Hình 4.7 Đồng bộ hóa tín hiệu L1-C/A phát sóng bởi PRN 5 92

Hình 4.8 Đồ thị 26 vệ tinh quan sát tử GNSSes 92

6

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Mối quan hệ giữa tín hiệu (hoặc dữ liệu trong trường hợp mã C/A) và độ dài

mã chính của các tín hiệu GNSS khác nhau 58

Bảng 3 2 Mô tả các bộ phân biệt Costas có thể dùng khác 65

Bảng 4.1 Đặc điểm các tín hiệu dân sự GNSS điển hình 78

Bảng 4.2 Cấu hình một FE 86

Bảng 4.3 Thông số thu được của mỗi tín hiệu 88

Bảng 4.4 Miêu tả ngắn gọn của việc điều chỉnh thông điệp chuyển hướng 89

Bảng 4.5 Vị trí vệ tinh và hệ thống tham chiếu của mỗi tín hiệu GNSS 91

7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ASIC Application-Specific Integrated

Circuit

Mạch tích hợp chuyên dụng

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

Time

Thời gian thiên văn Greenwich biểu kiến

IERS International Earth Rotation

and Reference Systems Service

Dịch vụ Quốc tế về sự quay của trái đất

8

LHCP Left Hand Circular Polarization Phân cực tròn về bên trái

Oscillator

Bộ tạo dao động được điều khiển bằng số

Polarization

Phân cực tròn về bên phải

mềm

9

dụng để đồng bộ các bản tin định vị

nửa đêm giữa thứ bẩy và chủ nhật

UTM Universal Transverse Mercator Hệ tọa độ lưới xác định vị trí trên bề mặt

trái đất VCO Voltage Controlled Oscillator Bộ tạo dao động được điều khiển bằng

điện áp

10

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

MỤC LỤC 10

MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GNSS 14

1.1 Giới thiệu chung về GNSS 14

1.2 Cơ cấu của một hệ thống GNSS 16

1.3 Hoạt động của hệ thống GNSS và một số ứng dụng 20

1.4 Các đặc điểm của tín hiệu GNSS 24

1.4.1 Các yếu tố cơ bản 24

1.4.2 Tín hiệu GNSS 24

1.5 Các dạng điều chế 28

1.5.1 Điều chế BOC 28

1.5.2 Điều chế MBOC 31

CHƯƠNG 2 MÁY THU GNSS VÀ CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM SDR 39

2.1 Khái quát về công nghệ SDR 39

2.1.1 Lịch sử phát triển 39

2.1.2 Ưu nhược điểm 39

2.2 Kiến trúc máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm 41

2.3 Phân hệ cao tần (Radio Front-end) 42

2.3.1 Ăngten 42

2.3.2 Bộ lọc 45

2.3.3 Bộ khuếch đại 51

2.3.4 Bộ trộn/Bộ dao động nội 52

2.3.5 Bộ chuyển đổi ADC 54

CHƯƠNG 3 ĐỒNG BỘ VÀ BÁM TÍN HIỆU 57

3.1 Thuật toán đồng bộ bit 57

3.2 Bám sóng mang 63

3.3 Bám mã 67

3.4 Kết hợp bám sóng mang và mã 70

3.5 Đề xuất mô hình khử Jitter trong vòng bám tín hiệu 73

3.5.1 Ước lượng Jitter 74

3.5.2 Khử Jitter 75

CHƯƠNG 4 BỘ THU ĐA KÊNH ỨNG DỤNG CHO GNSS 77

11

4.1 Mục đích 77

4.2 Lưu lượng hoạt động của máy thu đa kênh GNSS 79

4.3 Lớp kiến trúc của một bộ thu GNSS SDR 81

4.3.1 Lớp điều hành (OL): 82

4.3.2 Quản lý lớp (ML): 82

4.3.3 Giao diện người-máy (Man- Machine Interface) 83

4.4 Giai đoạn xử lý tín hiệu 84

4.4.2 Giai đoạn đồng bộ hóa tín hiệu 86

4.4.3 Giai đoan thu lại tín hiệu 87

4.4.4 Quá trình theo dõi tín hiệu 88

4.4.5 Mô-đun giải điều chế dữ liệu 88

4.4.6 PVT khối tính toán 89

4.5 Kết quả 91

Kết luận 93

Tài liệu tham khảo 94

12

MỞ ĐẦU

Trong thời đại khoa học, kĩ thuật và công nghệ phát triển như vũ bão, hàng loạt các công nghệ mới đang được nghiên cứu và triển khai, đem lại những giá trị vô

cùng to lớn Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) từ khi ra đời

đã hỗ trợ con người trong việc xác định vị trí, hướng đi, xây dựng các loại bản đồ và phục vụ nhiều mục đích khác Cùng với GPS của Mỹ thì Galileo đang được liên minh châu Âu triển khai và dự kiến vài năm tới sẽ chính thức cung cấp dịch vụ

Do có chung các đặc điểm kỹ thuật với GPS, Galileo ra đời sẽ cho phép kết hợp cùng GPS để nâng cao chất lượng dịch vụ, cùng với đó là sự xuất hiện các hệ thống định vị khác Tuy nhiên một yêu cầu đặt ra là làm sao để tích hợp các công nghệ GNSS vào trong một máy thu, một chiếc máy thu ưu việt hơn nhiều so với các máy thu GPS thông thường Động lực này thúc đẩy công nghệ mới SDR (Software-defined radio – hệ thống thông tin vô tuyến bằng phần mềm) được triển khai Luận văn bao gồm 4 chương có các nội dung chính sau:

- Chương 1 : “Tổng quan về hệ thống GNSS ” tìm hiểu những nét khái quát nhất về các hệ thống định vị toàn cầu GNSS

- Chương 2: “Máy thu GNSS và công nghệ điều khiển bằng phần mềm ” trình bày các

ưu nhược điểm về công nghệ điều khiển bằng phần mềm, kiến trúc một máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm

- Chương 3 : “Đồng bộ và bám tín hiệu”đưa ra các thuật toán cho đồng bộ bit, bám

sóng mang, bám mã, các mô hình để khử Jitter

14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GNSS 1.1 Giới thiệu

GNSS được cấu thành như một chòm sao (một nhóm hay một hệ thống) của quỹ đạo

vệ tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày Mỹ là nước đầu tiên phóng lên và đưa vào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đường này Mỹ đặt tên cho hệ thống này là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), ban đầu là để dùng riêng cho quân sự, về sau mở rộng ra sử dụng cho dân sự trên phạm vi toàn cầu, bất kể quốc tịch và miễn phí

Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho 3 hệ thống định vị dẫn dường sử dụng vệ tinh là GPS (Global Positioning System), GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System), và hệ thống GALILEO Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thống GPS, GLONASS và GALILEO cơ bản là giống nhau Trung Quốc cho biết cũng đang thực hiện để có hệ GNSS của Trung Quốc Ấn Độ cũng đang xây dựng hệ GNSS của mình

có tên là IRNS

GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị toàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành hoạt động từ năm 1994, thường gọi GPS là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) GPS bao gồm 28 vệ tinh chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo

GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System): là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu, do Liên bang Xô Viết (cũ) thiết kế và điều hành hoạt động từ năm

1995 Ngày nay hệ thống GLONASS vẫn được Cộng hòa liên bang Nga tiếp tục duy trì hoạt động Hệ thống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt

15

phẳng quỹ đạo tại độ cao 23222 km so với mực nước biển, với góc ngẩng 56o.Do đó, trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo sẽ bao gồm 9 vệ tinh hoạt động, và 1 vệ tinh dự phòng cho trường hợp có 1 vệ tinh bị hỏng

Hệ thống GALILEO mang tên nhà thiên văn học GALILEO do Liên minh châu Âu

(EU) chế tạo Hệ thống Galileo bao gồm 30 vệ tinh ( 27 hoạt động và 3 cho dự phòng) quay trên 3 mặt phẳng quỹ đạo tại độ cao 23222 km so với mực nước biển, với góc ngẩng 56o Do đó, trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo sẽ bao gồm 9 vệ tinh hoạt động, và 1 vệ tinh dự phòng cho trường hợp có 1 vệ tinh bị hỏng Hệ thống Galileo sẽ cung cấp các dịch vụ về định vị ổn định, kể cả với vĩ độ lớn hơn 75 độ bắc, tương ứng với mũi bắc hoặc xa hơn Ý tưởng cơ bản là tại bất kỳ thời điểm nào thì cũng sẽ có 4 vệ tinh tại vị trí phía trên đường chân trời tại tất cả các điểm trên trái đất Hệ thống Galileo cung cấp

5 dịch vụ độc lập nhau phụ thuộc vào nhu cầu của người sử dụng:

• Dịch vụ mở (Open Service - OS): hình thành từ việc kết hợp các tín hiệu với nhau, đây là dịch vụ miễn phí cho người sử dụng, cung cấp chức năng định vị và định thời cạnh tranh với các hệ thống định vị toàn cầu khác

• Dịch vụ an toàn (Safety-of-Life-Service - SLS): thiết kế để sử dụng trong các ứng dụng vận chuyển phụ thuộc vào thông tin định vị

• Dịch vụ thương mại (Commercial Service - CS): khi người sử dụng yêu cầu độ chính xác cao hơn so với dịch vụ mở Tín hiệu vệ tinh lúc này có thêm hai tín hiệu thêm vào

• Dịch vụ cho quản lý công cộng (Public Regulated Service - PRS): dùng chocác đối tượng như cảnh sát hay khách hàng đặc biệt Tín hiệu vệ tinh sẽ được bảo mật và hoạt động trong mọi hoàn cảnh

Ngoài ra còn có hệ thống định vị vệ tinh của Nhật Quasi- Zenith (QZSS) và hệ thống

vệ tinh cuar Ấn Độ- IRNSS

1.2 Kết cấu hệ thống GNSS

Hệ thống GNSS được cấu tạo thành ba phần: phần không gian, phần điều khiển và phần người sử dụng Cụ thể, mô tả hệ thống GPS của Mỹ như sau:

Ph ần không gian: gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ

đạo Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD Phân hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử và phát ra tín hiệu cao tần chứa mã giả ngẫu nhiên, và phát lại bản tin định vị từ các tín hiệu thu được (từ phân hệ điều khiển).Phân hệ không gian bao gồm các chùm sao vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ, được phân bố trên 6 quỹ đạo gần

17

tròn, kí hiệu từ A đến F, với đường kính khoảng 20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo Mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh chính được kí hiệu từ 1 đến 4 và được phân

bố đều Chu kỳ của các vệ tinh là 12 giờ Cấu trúc quỹ đạo vệ tinh này cho phép người

sử dụng hệ thống GPS trên mặt đất có thể “nhìn thấy” tối thiểu là 4 vệ tinh và trung bình từ 6 đến 8 vệ tinh nếu không bị cản trở bởi các cấu trúc hạ tầng dưới mặt đất [3]

Hình 1.1 Chùm sao vệ tinh

Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc với phân hệ điều khiển, và phát tín hiệu tới máy thu

• Phần điều khiển: để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như

hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh Có các trạm quan sát trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào

Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ hệ thống, bao gồm một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station – MCS) đặt tại căn cứ không quân Schriever, Colorado Spring ở bang Colorado - Mỹ; năm trạm thu số liệu được đặt quanh trái đất dọc theo đường Xích đạo, cụ thể là ở Nam Đại Tây Dương (Ascension), Ấn Độ Dương (Diego Garcia), Nam Thái Bình Dương (Kwajalein), Hawaii và Colorado Spring; và

ba trạm truyền số liệu đặt tại Nam Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương, Nam Thái Bình Dương [3]

19

Hình 1.3 Phân hệ điều khiển

MCS làm nhiệm vụ theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản lý quỹ đạo vệ tinh và duy trì thời gian GPS Từ đó dự đoán các thông số quỹ đạo và đưa ra giá trị thời gian GPS đồng bộ giữa các vệ tinh, nhằm cập nhật dữ liệu định vị của các vệ tinh

Năm trạm thu số liệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và dự đoán quỹ đạo của chúng Mỗi trạm được trang bị những máy thu P-code để thu các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính Ba trạm truyền số liệu có khả năng chuyển số liệu lên vệ tinh, gồm lịch thiên văn mới, dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ, các bản tin, và các lệnh điều khiển từ xa

• Phần người sử dụng và thiết bị thu vệ tinh: là khu vực có phủ sóng mà

người sử dụng cần có ăng ten và máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần

có ăng ten và máy thu GNSS Đối với máy thu, hệ thống GPS cung cấp hai loại dịch

vụ cơ bản, đó là: dịch vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) và dịch vụ định vị chính xác (PPS) Chính phủ Mỹ, quân đồng minh và những người sử dụng đặc biệt được cấp phép sử dụng PPS Họ sử dụng các thiết bị bảo mật và các máy thu được trang bị đặc biệt Độ chính xác của PPS được dự kiến là 22 m theo chiều ngang, 27.7 m theo chiều dọc và

20

thời gian là 200 ns (UTC) Trong khi đó, những người sử dụng bình dân trên khắp thế giới được sử dụng SPS miễn phí hoặc bị hạn chế sử dụng Hầu hết các máy thu đều có khả năng thu và sử dụng tín hiệu SPS Độ chính xác của SPS bị cố ý làm giảm bằng việc dùng Selective Availability bởi DOD Độ chính xác của SPS được dự kiến là 100

m theo chiều ngang, 156 m theo chiều dọc và thời gian là 340 ns [2] Phân hệ sử dụng bao gồm các bộ thu GPS và cộng đồng người sử dụng Các máy thu GPS sẽ chuyển đổi các tín hiệu vệ tinh thành các thông số vị trí, vận tốc, và thời gian Để tính toán các thông số vị trí (X, Y, Z) và thời gian, chúng ta cần ít nhất bốn vệ tinh Bộ thu GPS được sử dụng cho các dịch vụ định vị, dẫn đường, phân phát thời gian, và các nghiên cứu khác

1.3 Hoạt động của hệ thống GNSS và các ứng dụng

Các vệ tinh của GNSS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất Các máy thu GNSS nhận thông tin này và bằng các phép tính lượng giác, máy thu có thể tính được

vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy tính Máy thu GNSS phải bắt được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ)

và để theo dõi được chuyển động Với bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn,…

21

Hình 1.4 Số vệ tinh tối thiểu để truyền sóng định vị

GNSS được sử dụng cho vô số các ứng dụng khác nhau Ngày nay rất dễ dàng nhận thấy sự hiện diện của GNSS trong mọi mặt của đời sống Kết hợp giữa công nghệ thông tin, hệ thống bản đồ số và thiết bị định vị vệ tinh đã tạo thành một hệ thống dẫn đường lý tưởng Trong lĩnh vực hàng không, 100% các máy bay thương mại và quân

sự sử dụng hệ thống dẫn đường tự động bằng GNSS

Trong giao thông, hệ thống giám sát dẫn đường và điều khiển giao thông cũng

đã khai thác tuyệt đối thế mạnh của GNSS đã trở thành một hợp phần không thể thiếu trong công nghiệp ô tô, chẳng hạn như hệ thống định vị dẫn đường trong các thương hiệu xe hơi nổi tiếng như Mercedes, BMW, Porsche, Maybach, Cadillac, Audi, Roll Royce…

22

Hình 1.5 Ứng dụng của GNSS trong dẫn đường

Trong ngành đo đạc bản đồ, sự xuất hiện của GNSS đã thay đổi hoàn toàn phương pháp đo đạc truyền thống, không phụ thuộc vào thời tiết, không bị giới hạn bởi khoảng cách, giảm tối đa yêu cầu về nhân lực lao động

Với công nghệ GNSS, người sử dụng có được thông tin vị trí hiện tại, hướng

di chuyển, độ cao hiện thời Cá nhân cũng dễ dàng mang theo loại máy thu GNSS nhỏ cũng có thể lắp ghép cùng điện thoại di động để biết được vị trí mình đang đứng hay

có thể theo dõi cả độ cao khi leo núi Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lý tưởng và công tác tìm kiếm, cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ có hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi

23

Ứng dụng chủ yếu của GNSS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định

vị và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa

Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên

bộ Ngoài ra, các vệ tinh của GNSS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân

Một ứng dụng nữa của GNSS chính là việc quản lý thú hoang dã bằng cách gắn lên chúng những con chip đã tích hợp GNSS Tất cả hoạt động của chúng sẽ được kiểm soát chặt chẽ Việt Nam cũng đang tiến hành thử nghiệm để áp dụng vào việc quản lý đàn sếu đầu đỏ ở miền Tây…

Tại Việt Nam, GNSS từ lâu đã được ứng dụng cho các công việc kiểm lâm, cứu nạn Tuy nhiên các hệ thống mới chỉ dừng ở mức độ thu nhận thông tin về kinh

độ, vĩ độ và cao độ, chưa triển khai ứng dụng trong lĩnh vực thiết bị dẫn đường vì chưa được tích hợp bản đồ số Việt Nam Thời gian gần đây, việc tạo lập bản đồ số đã có kết quả và trên thị trường xuất hiện một số thiết bị dẫn đường dành cho ôtô trong giai đoạn vừa thăm dò vừa hoàn thiện sản phẩm

Về tiềm năng thị trường cho các thiết bị thu GNSS, từ khi GNSS được cho phép sử dụng dân sự, các nhà khoa học ở các nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua

để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng này Hai hướng chủ đạo được nhắm tới là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để sử dụng tín hiệu cho các mục đích khác nhau Theo www.gsa.europa.eu, kể từ năm 2005, số lượng thiết bị dẫn đường vệ tinh bán được trên 20 triệu cái và trên 80 triệu điện thoại di động có tính năng GNSS Tuy nhiên các

24

chuyên gia vẫn cho rằng đây mới chỉ là bước khởi đầu, nhu cầu của người tiêu dùng

dự kiến sẽ tăng nhanh chóng và phạm vi ứng dụng cũng sẽ tiếp tục phát triển

1.4 Các đặc điểm của tín hiệu GNSS

1.4.1 Các yếu tố cơ bản

Hệ thống GNSS bao gồm một loạt các mạng khác nhau của các thiết bị và công nghệ có thể cung cấp vị trí chính xác cho người sử dụng kích hoạt mọi lúc mọi nơi trên thế giới [ 9 ] Các hệ thống chẳng hạn như GPS, GLONASS, Galileo, và Compass là những hệ thống độc lập có thể vị mà không cần sự hỗ trợ của bất kỳ thiết

bị bên ngoài khác Ngược lại, hệ thống GNSS tăng thêm là hệ thống vệ tinh hoặc trên mặt đất được thiết kế để cải thiện hiệu suất (chủ yếu là về độ chính xác) của những người sử dụng

Hình 1.6 Đặc điểm các tín hiệu GNSS

i 1.4.2 Tín hiệu GNSS

Các đặc điểm chính của tín hiệu được tóm tắt trong bảng 2

25

Bảng 1.1: Tóm tắt các thông số chính cho GLONASS, GPS, và các tín hiệu SBAS

và băng thông sẽ trở thành một tham số cơ bản để giảm sự can thiệp giữa các kênh Tuy nhiên, sự phát triển tiếp theo của hệ thống GLONASS sẽ thêm dạng điều chế

đi qua tầng điện ly Các tín hiệu yếu sẽ có hiệu năng hoạt động tốt hơn Điểm lợi có tính thực tiễn nhất của L2C đó chính là những nâng cấp rất ấn tượng trong cấu trúc mã (code structure) chuỗi mã dài hơn kết hợp với các phương pháp hiệu chỉnh lỗi được nâng cấp, điều này cho phép tín hiệu trở nên dễ tìm và dễ thu nhận hơn trong điều kiện khó khăn đối với GPS L5 là tần số thứ 3 của GPS (1,176 Mhz) Tần số này được lựa chọn phục vụ cho liên kết trong hàng không dân dụng và nằm trong giải tần dịch vụ dẫn đường hàng hải hàng không (Aeronautical Radio Navigation Services) Thực chất

nó được tách thêm ra từ tần số L1 (1,575 Mhz) và L2 (1,227 Mhz) Trong khi L2C là một phần của Khối vệ tinh IIR-M, thì L5 (và cả L2C) sẽ được sử dụng trên Khối vệ tinh IIF L5 được thiết kế phục vụ cho nhiều ứng dụng nhưng đặc biệt vẫn là các ứng dụng an toàn và tìm kiếm Có những đặc điểm vượt trội mà L5 mang lại như: Tín hiệu L5 được phát truyền mạnh hơn gần gấp bốn lần so với tần số L2C, với tần số dân dụng thứ ba, L5 sẽ hỗ trợ tốt hơn cho việc hiệu chỉnh lỗi tầng điện ly, các mã của tần số L5 dài hơn tần số L1 C/A và mang những thuật toán hiệu chỉnh lỗi giống như L2C Còn với L1C sẽ không thay thế ngay lập tức cho L1 C/A hiện thời Hơn thế, L1C sẽ hoạt động song song với L1 và chắc chắn tín hiệu GPS sẽ tốt hơn L1C sẽ cùng chia sẻ

27

nhiều điểm lợi như những điểm lợi của L2C và L5, tín hiệu có độ nhạy cao hơn khả năng dò tìm và thu tín hiệu vệ tinh tốt hơn, tăng cường khả năng hoạt động cho GPS ở những khu vực khó khăn như khu nhà cao tầng và những nâng cấp cải tiến cho tần số L1 C/A GPS III sẽ cải thiện được tình trạng nghẽn tín hiệu, tăng cường độ mạnh cho tín hiệu L1 và L2 cho các ứng dụng quân sự, đường truyền kết nối cũng được nâng cấp

để tạo hiệu năng tốt hơn cho các lệnh kiểm soát và điều khiển các vệ tinh, GPS III cũng là bước nâng cấp toàn diện của hệ thống GPS hiện thời

Sự ra đời của một thế hệ mới của hệ thống định vị vệ tinh (như Galileo và Compass) đang là sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học Mặc dù các thiết kế của các

hệ thống dựa vào kinh nghiệm GPS nhưng cấu trúc tín hiệu chắc chắn là phức tạp hơn

so với tất cả các hệ thống trước đó Ví dụ, đề cập đến Galileo tín hiệu mở dịch vụ trong không gian (OS-SIS) [9], mỗi vệ tinh mang ba sóng mang, xác định bởi ba tần số vô tuyến khác nhau (RFS), trong khi GPS và GLONASS sử dụng chỉ có hai sóng mang Sau đó, mỗi sóng mang Galileo có thể chứa 3 hoặc 4 kênh, và tất cả các kênh có thể được được điều chế bằng dữ liệu và sóng BOC Xây dựng các tín hiệu Galileo trong không gian (SIS) cải thiện tính chính xác của việc xác định người sử dụng vị trí liên quan đến GPS và GLONASS cung cấp dịch vụ cho dân sự, thương mại, quân sự và các ứng dụng dân sự, thương mại và quân sự

Có rất nhiều điểm giống nhau giữa các tín hiệu đã được Galileo dự kiến sử dụng (L1, E5a, và E5b) và các tín hiệu của hệ thống GPS sau khi hiện đại hoá (L2C, L5, và tương lai là L1C) Khả năng hoạt động của Galileo được hy vọng tối thiểu cũng phải tốt bằng GPS dân sự, và trong một vài khía cạnh khác sẽ vượt trội hơn so với GPS (bao gồm cả các đồng hồ nguyên tử gắn trực tiếp trên bo mạch) Galileo cũng đưa ra nhận định rằng chức năng kiểm tra tính toàn vẹn (Integrity) chắc chắn sẽ hoàn thiện

Điều chế sóng mang dịch nhị phân, hay còn gọi là điều chế BOC, là kỹ thuật điểu chế

sử dụng các sóng mang con dạng xung chữ nhật tuần hoàn Tín hiệu sẽ được nhân với một sóng mang con dạng xung hình chữ nhật tuần hoàn dạng sin với tần số fsc Phổ của tín hiệu điều chế sẽ được chia ra làm hai phần chứ không tập trung vào tần số trung tâm Có hai dạng điều chế BOC cơ bản là dạng sin và dạng cosin, chúng đều được định nghĩa qua hai thông số BOC(m, n) Hai thông số này liên quan đến tần số tham chiếu 1,023 MHz như sau: m = fsc/1,023 và n = fc/1,023, với fc là tốc độ sinh

mã, ở đây cả fsc và fc đều được biểu diễn theo thang MHz Với một số sự kết hợp và

mở rộng thì từ hai dạng điều chế BOC cơ bản nêu trên ta có các phương pháp điều chế BOC sau: SinBOC, CosBOC, AltBOC và MBOC Để đơn giản trong cách biểu diễn, thuật ngữ BOC được sử dụng thay cho cả SinBOC và BOC nói chung

Điều chế BOC dạng sin giống với mã Manchester, do đó trong xử lý tín hiệu số, giá trị

‘+1’ sẽ được mã hóa thành một chuỗi ‘+1 -1’, và giá trị ‘0’ sẽ được mã hóa thành một chuỗi ‘-1 +1’ Nếu chỉ xét điều chế BOC với tín hiệu băng cơ sở thì điều chế BOC có thể được định nghĩa bởi một thông số đó là bậc điều chế BOC

29

Ở đây NBOC là số nguyên dương, do đó m và n được chọn sao cho bậc điều chế BOC là

số nguyên, ví dụ cho SinBOC(1,1) thì bậc điều chế NBOC = 2, tương tự bậc điều chế

NBOC = 12 với SinBOC(6,1) Nếu bậc điều chế NBOC, tốc độ sinh mã và tần số sóng mang được xác định, tín hiệu thông dải có thể dễ dàng được khôi phục Tín hiệu x(t) sau điều chế SinBOC có thể xem như là tích chập giữa dạng sóng SinBOC là SSinBOC(t)

và dạng sóng điều chế d(t), và được biểu diễn như sau:

Với d(t) là chuỗi dữ liệu sau khi nhân với mã trải phổ, bn là ký hiệu dữ liệu dạng phức thứ n (trong trường hợp cho kênh dẫn đường, giá trị bằng 1); Tsym là chu kỳ của ký hiệu; ck,n là chip thứ k, tương ứng với ký hiệu thứ n; Tc = 1/fc là chu kỳ sinh mã hay chu kỳ chip, SF là tham số trải phổ (SF = Tsym/Tc); và là ký hiệu xung Dirac Các tín hiệu sử dụng trong GPS và Galileo là tín hiệu băng rộng Tín hiệu x(t) trong công thức

1.2 là tín hiệu băng rộng và được trải phổ bởi chuỗi mã giả nhiễu PRN Ngoài ra dạng

sóng SinBOC là SSinBOC(t) được định nghĩa như sau:

(1.3)

ở đây sign(.) là hàm dấu, do đó dạng sóng ở trên là một chuỗi +1 và -1, tương đương với:

(1.4)

30

Ở đây là xung hình chữ nhật có biên độ bằng 1, chu kỳ TB1=Tc/NBOC Dạng sóng cho SinBOC(1,1) được biểu diễn trên hình 1.2

Hình 1.7 Ví dụ về dạng sóng miền thời gian cho SinBOC(1,1) Hình trên: chuỗi

mã trải phổ PRN; hình dưới: dạng sóng điều chế SinBOC(1,1)

Điều chế SinBOC(1,1) là một trường hợp riêng của điều chế SinBOC(m,n), ở đây độ dài của chu kỳ sóng mang con bằng với độ dài chip của chuỗi mã giả nhiễu PRN Điều chế SinBOC(m,n) sẽ chia phổ của điều chế BPSK(n) thành hai phần đối xứng nhau qua tần số sóng mang và mỗi phần này có tần số trung tâm trên hình 1.3 Phổ tín hiệu lúc này rộng hơn, và đường bao của mật độ phổ công suất của SinBOC(m,n) được cho bởi :

31

Từ mật độ phổ công suất của SinBOC(1,1) trên hình 1.3 ta thấy ưu điểm đầu tiên của điều chế BOC là nó cho phép phổ của Galileo và GPS dùng chung một tần số sóng mang Điều chế BOC cung cấp một cách đơn giản và hiệu quả khả năng di chuyển

năng lượng của tín hiệu ra khỏi trung tâm của băng tần, chia đôi phổ của tín hiệu, vốn được điều chế theo phương pháp dịch pha thông thường, thành hai phần Các phương pháp điều chế dịch pha này (ví dụ BPSK) có năng lượng tập trung vào trung tâm băng tần Việc chia đôi phổ tín hiệu cho phép dùng chung tần số sóng mang và cung cấp các

ưu điểm khác như dễ thực hiện, tăng hiệu suất sử dụng phổ, độ chính xác cao và tăng

độ phân giải trong đa đường

Hình 1.8 Mật độ phổ công suất của tín hiệu điều chế SinBOC(1,1) và GPS 1.5.2 Điều chế MBOC

Mật độ phổ công suất của tín hiệu MBOC có thể nhận được từ việc kết hợp phổ công

suất của SinBOC(1,1) và SinBOC(6,1) (ví dụ cho kênh chứa dữ liệu và kênh dẫn

Hình 1.9 Mật độ phổ công suất của tín hiệu SinBOC(1,1) và MBOC(6,1,1/11)

Từ định nghĩa điều chế MBOC trong miền tần số, có nhiều cách thực hiện điều chế MBOC trong miền thời gian Hai phương pháp chính được sử dụng là Composite BOC (CBOC) và Time-Multiplexed BOC (TMBOC)

33

• Phương pháp TMBOC

Trong phương pháp TMBOC, toàn bộ tín hiệu được chia ra thành N khối chứa ký hiệu

mã Trong N khối này có M < N khối được điều chế SinBOC(1,1), trong khi N-M khối

sẽ được điều chế SinBOC(6,1) Người ta sẽ sử dụng các mã trải phổ có độ rộng khác nhau cho kênh dữ liệu và dẫn đường, khi đó phổ của tín hiệu tổng sẽ được chia ra giữa thành phần dữ liệu và dẫn đường Có rất nhiều cách để thực hiện phương pháp TMBOC, và TMBOC được sử dụng trong tín hiệu GPS trên băng L1 [10]

• Phương pháp CBOC

Composite BOC(CBOC) sử dụng các ký hiệu được trải dưới nhiều mức, các ký hiệu

trải này được hình thành từ tổng của các ký hiệu trải BOC(1,1) và BOC(6,1) CBOC

có thể

được thực hiện sử dụng ký hiệu trải 4 mức với các ký hiệu mã được điều chế SinBOC(1,1) và SinBOC(6,1) Biểu diễn trong miền thời gian của điều chế CBOC được mô tả trong hình 1.5

Hình 1.10 Điều chế CBOC 4 mức từ BOC(1,1) và BOC(6,1) [13]

Với việc chia công suất 50%/50% giữa kênh chứa dữ liệu và kênh dẫn đường, hai phương pháp điều chế CBOC sau được đề xuất:

34

• Ký hiệu CBOC có thể được dùng trong cả kênh chứa dữ liệu và dẫn đường,

phương pháp được sử dụng trong tín hiệu E1 OS

• Ký hiệu CBOC chỉ được dùng trên thành phần dẫn đường trong khi thành

phần chứa dữ liệu sử dụng điều chế SinBOC(1,1) Trong trường hợp này CBOC gồm

Hình 1.7 biểu diễn hàm tự tương quan của mỗi dạng điều chế CBOC Hàm tự tương quan của 3 dạng điều chế CBOC có thể tính như sau [12]:

SinBOC(6,1) là độ lệch theo chip

Tương tự để so sánh giữa 3 dạng điều chế là BPSK(1) cho GPS, BOC(1,1) và CBOC(6,1) ta biểu diễn hàm tự tương quan của chúng trên hình 1.8

37

Hình 1.13 Hàm tự tương quan chuẩn hóa của CBOC(6,1), BOC(1,1) và mã C/A

Vào năm 2004, để đảm bảo khả năng hoạt động đồng thời của GPS và Galileo, Mỹ và Liên minh Châu Âu đồng ý sử dụng điều chế BOC(1,1) cho tín hiệu L1C của GPS và E1 OS của Galileo Đến tháng 7 năm 2007, Mỹ và Châu Âu quyết định sử dụng điều

chế MBOC cho dịch vụ mở của Galileo và tín hiệu dân sự của GPS

Về cơ bản, trong thông tin vệ tinh nói riêng và thông tin vô tuyến nói chung, các máy thu tín hiệu vệ tinh luôn luôn phải đối mặt với hai vấn đề chính liên quan đến môi trường truyền dẫn là kênh đa đường và nhiễu từ các nguồn lân cận Do đó, điều chế MBOC ra đời với mục đích tăng cường khả năng chống đa đường và nhiễu kênh lân

cận cho máy thu, điều mà BOC(1,1) chưa đáp ứng được Tổ chức nghiên cứu của liên minh châu Âu sử dụng hai thành phần BOC(1,1) và BOC(6,1) kết hợp với nhau trong điều chế MBOC tạo thành điều chế CBOC Cấu trúc tín hiệu điều chế CBOC cho phép máy thu đạt được hiệu năng cao trong việc chống đa đường và bám tín hiệu (tracking)

39

CHƯƠNG 2 MÁY THU GNSS VÀ CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN ĐIỀU KHIỂN

BẰNG PHẦN MỀM SDR 2.1 Khái quát về công nghệ SDR

Công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm ngày nay đang dần trở thành công nghệ được ưa thích trong thiết kế máy thu băng rộng nhờ tính linh hoạt của nó Điểm

mấu chốt trong kiến trúc của công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm là khả năng “đặt” bộ chuyển đổi tương tự -số (ADC) gần với Ăng ten Những khâu xử lý tín

hiệu trước kia được xử lý bằng phần cứng trong máy thu truyền thống sẽ được xử lý

bằng phần mềm Điều này giúp máy thu tăng khả năng linh hoạt trong thay đổi tham

số cấu hình theo ý muốn của người thiết kế Ngoài ra, trong công nghệ điều khiển vô tuyến bằng phần mềm, kỹ thuật lấy mẫu thông dải được giới thiệu, do đó bộ ADC sử

dụng trong phân hệ cao tần sẽ khác với ADC thông thường

2.1.2 Ưu nhược điểm

Đối với những nhà sản xuất thiết bị vô tuyến và những nhà tích hợp hệ thống, SDR cho phép một họ các sản phẩm vô tuyến được triển khai sử dụng một kiến trúc nền chung, cho phép các sản phẩm mới được nhanh chóng giới thiệu ra thị trường Ngoài

ra, phần mềm nhằm tái sử dụng qua các sản phẩm vô tuyến, giảm đáng kể chi phí phát triển.Bên cạnh đó, việc lập trình lại “Over-the-air” (OTA) cho phép sửa lỗi ngay trong