Nghiên cứu thiết kế máy thu định vị vệ tinh toàn cầu galileo dùng công nghệ vô tuyết điều khiển bằng phần mềm

Các tín hi ệu vệ tinh của hệ thống GPS Tín hiệu GPS được cấu thành từ 3 thành phần: Sóng mang: thành phần sóng mang chính là fL1 và fL2.. NỘI DUNG ĐIỆN VĂN GPS Điện văn GPS được chia th

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

Hán Tr ọng Thanh

NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ TINH

KHI ỂN BẰNG PHẦN MỀM

LU ẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Điện tử viễn thông

Hà N ội, 2010

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

Hán Tr ọng Thanh

NGHIÊN C ỨU THIẾT KẾ MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN

B ẰNG PHẦN MỀM

Chuyên ngành: Điện tử viễn thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Vũ Văn Yêm

Hà N ội, 2010

LỜI CAM ĐOAN

Ngoài sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của PGS.TS Vũ Văn Yêm, cuốn luận văn này

là sản phẩm của quá trình tìm tòi, nghiên cứu và trình bày của tác giả về đề tài trong luận văn Mọi số liệu quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận của các tài liệu và các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng qui định Vì vậy, tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Tác giả

Hán Trọng Thanh

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghệ định vị vệ tinh toàn cầu là một công nghệ đã phổ biến trên toàn thế giới với hai hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu được biết đến nhiều nhất đó là hệ thống GPS của Mỹ và hệ thống GALIEO đang được xây dựng của châu Âu Các ứng dụng của nó thể hiện vai trò vô cùng quan trọng trong lĩnh vực quân sự cũng như đem lại những lợi ích to lớn về mặt kinh tế xã hội Do vậy, việc thiết kế máy thu định vị vệ tinh toàn cầu

có khả năng tương thích đối với cả hai hệ thống này là một yêu cầu rất thiết thực Để thực hiện điều đó, các công nghệ thiết kế máy thu truyền thống tỏ ra không linh hoạt và gặp phải những khó khăn rất lớn do sự giới hạn về phần cứng, hiện tượng di pha, suy hao v.v Để vượt qua những trở ngại này, hiện nay trên thế giới người ta đã và đang nghiên cứu một kỹ thuật mới với tên gọi “Vô tuyến điều khiển bằng phần mềm – Software Defined Radio”

Kỹ thuật vô tuyến điều khiển bằng phần mềm – SDR là giải pháp tiến hành thực thi các khối xử lý tín hiệu bằng phần mềm dựa trên nền tảng công nghệ của các vi mạch khả trình Chúng ta có thể dễ dàng nâng cấp thay đổi thông số của các khối đó bằng cách sửa mã nguồn phần mềm một cách dễ dàng cho phù hợp với yêu cầu do đó tiết kiệm được chi phí thay đổi thiết bị phần cứng cũng như thời gian triển khai thiết bị mới Với ưu điểm như vậy, trong cuốn luận văn này tôi tập trung nghiên cứu mô phỏng máy thu định vị vệ tinh GPS/GALILEO dựa trên công nghệ SDR nhằm xây dựng nên một máy thu có khả năng tương thích với cả hai hệ thống định vị vệ tinh là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS (của Hoa Kỳ) và GALILEO (của châu Âu)

Qua đây, tôi xin gửi lời cám ơn tới gia đình, bạn bè và các thầy cô trong khoa Điện

tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã ủng hộ và giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn Đặc biệt, tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn là PGS

TS Vũ Văn Yêm đã nhiệt tình chỉ bảo để tôi hoàn thành cuốn luận văn này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI MỞ ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 8

CHƯƠNGI–HỆTHỐNGĐỊNHVỊVỆTINHTOÀNCẦUGPS 10

1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG GPS 10

1.2 CHỨC NĂNG VÀ QUỸ ĐẠO VỆ TINH 12

1.3 CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS 13

1.4 ĐẶC TÍNH CỦA TÍN HIỆU GPS 13

1.5 PHƯƠNG PHÁP TẠO MÃ C/A 15

1.6 NỘI DUNG ĐIỆN VĂN GPS 17

1.7 DỊCH TẦN DOPPLER 21

1.8 KẾT LUẬN 21

CHƯƠNGII–HỆTHỐNGĐỊNHVỊVỆTINHTOÀNCẦUGALILEO 22

2.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG 22

2.1.1 Khái quát chung 22

2.1.2 Các dịch vụ cho người sử dụng 23

2.2 TÍN HIỆU GALILEO 24

2.3 PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ BOC ([2][3][8]) 27

2.4 CẤU TRÚC BẢN TIN GALILEO 30

2.5 KẾT LUẬN 31

CHƯƠNGIII–MÁYTHUDÙNGCÔNGNGHỆ VÔTUYẾNĐIỀUKHIỂN BẲNGPHẦNMỀM–SDR 32

3.1 SƠ LƯỢC VỀ MÁY THU VỆ TINH 32

3.1.1 Thiết kế máy thu theo phương pháp truyền thống 32

3.1.2 Thiết kế máy thu theo phương pháp mới 33

3.2 CẤU TRÚC MÁY THU 34

3.2.1 Sơ đồ khối 35

3.3 PHẦN CAO TẦN 37

3.3.1 Cơ sở lý thuyết 37

3.3.2 Các Modun cao tần 39

3.4 PHẦN XỬ LÝ TÍN HIỆU BĂNG CƠ SỞ 46

3.4.1 Kênh tín hiệu 46

3.4.2 Thu thập dữ liệu 46

3.4.3 Bám pha và bám mã 57

3.4.4 Xử lý tín hiệu xác định vị trí 74

3.5 KẾT LUẬN 91

CHƯƠNGIV–CHƯƠNGTRÌNHMÔPHỎNG 92

4.1 TỔNG QUAN 92

4.2 THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ 95

4.3 TẠO TÍN HIỆU GPS/GALILEO 96

4.3.1 Cách sử dụng N-FUELS 96

4.4 HÀM THU THẬP DỮ LIỆU – Acquisition.m 97

4.5 HÀM BÁM SÁT – tracking.m 100

4.6 HÀM postNavigation.m 101

KẾTLUẬN 103

TÀILIỆUTHAMKHẢO 104

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Từ mã HOW 20

Bảng 3-1 Các dạng hệ số phân biệt khác nhau của vòng lặp Costas 66

Bảng 3-2 Mô tả các hệ số của vòng lặp khóa trễ 72

Bảng 3-3 Các thông số quĩ đạo vệ tinh Kepler 78

Bảng 3-4 Các thông số của lịch thiên văn 84

Bảng 3-5 Kết quả tính toán giá trị giả khoảng cách 87

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Vị trí các trạm điều khiển mặt đất 11

Hình 1-2 Các tín hiệu vệ tinh của hệ thống GPS 14

Hình 1-3 Sơ đồ cấu trúc bộ phận phát tín hiệu GPS từ vệ tinh [1] 15

Hình 1-4 Phương pháp tạo mã C/A 16

Hình 1-5 Cấu trúc từ TLM 18

Hình 1-6 Cấu trúc từ HOW 19

Hình 2-1 Băng tần tín hiệu GALILEO [5] 24

Hình 2-2 Phổ tần số tín hiệu Galileo [5] 27

Hình 2-3 Tín hiệu điều chế theo phương thức BOC 28

Hình 2-4 Phổ công suất của hai tín hiệu BOC 29

Hình 2-5 Mật độ phổ công suất của tín hiệu Galileo 29

Hình 2-6 Cấu trúc bản tin Galileo 30

Hình 2-7 Nguyên lý sắp xếp dữ liệu GALILEO 31

Hình 3-1 Máy thu dựa theo công nghệ SDR - [4][6] 34

Hình 3-2 Sơ đồ khối chức năng của một máy thu GNSS - [6][7] 35

Hình 3-3 Hệ thống tìm kiếm thu thập song song [1] 36

Hình 3-4 Vòng lặp bám sóng mang [1] 37

Hình 3-5 Miền tần số của tín hiệu GPS và công suất nhiễu nhiệt 37

Hình 3-6 Khối xử lý cao tần của máy thu GNSS băng L1 [1] 39

Hình 3-7 So sánh giữa các bộ lọc 42

Hình 3-8 Máy thu một kênh 46

Hình 3-9 Sơ đồ khối Sơ đồ khối xử lý tín hiệu theo giải thuật thu thập thông tin liên tiếp 48

Hình 3-10 Đầu ra của thuật toán thu thập liên tiếp với 2 mã PRN 19 và 21 50

Hình 3-11 Sơ đồ khối xử lý tín hiệu theo phương pháp tìm kiếm song song trong không gian tần số 51

Hình 3-12 Giải điều chế mã PRN 52

Hình 3-13 Hàm mật độ phổ công suất (tần số trung tần IF = 9.548 MHz) 53

Hình 3-14 Sơ đồ khối xử lý tín hiệu theo phương pháp tìm kiếm song song theo pha mã 56

Hình 3-15 Mô hình giải điều chế cơ bản 57

Hình 3-16 Mô hình vòng khóa pha tuyến tính 61

Hình 3-17 Bộ lọc vòng khóa pha 61

Hình 3-18 Sơ đồ khối cơ bản của vòng lặp bám sát trong máy thu GPS 63

Hình 3-19 Vòng khóa pha Costas (dùng để bám sóng mang) 64

Hình 3-20 Các đáp ứng của vòng lặp Costas 67

Hình 3-21 Giản đồ pha biểu thị sự sai pha giữa tín hiệu sóng mang tới và tín hiệu sóng mang bản sao 68

Hình 3-22 Sơ đồ khối của vòng lặp bám mã 69

Hình 3-23 Bám mã 69

Hình 3-24 Sơ đồ khối của bộ DLL với 6 bộ tương quan 70

Hình 3-25 Tín hiệu ra từ 6 bộ tương quan, với tần số lệch là 20 Hz và băng thông nhiễu của PLL là 15 Hz 70

Hình 3-26 Tín hiệu ra từ 6 bộ tương quan khi tín hiệu sóng mang bản sao trùng pha với tín hiệu tới 71

Hình 3-27 Các đáp ứng của vòng khóa trễ 73

Hình 3-28 Tín hiệu nhận được từ khối bám sát 75

Hình 3-29 Tương quan giữa 33s dữ liệu với 8 bit mào đầu đoạn 76

Hình 3-30 Các thành phần quĩ đạo Kepler 79

Hình 3-31 Qũi đạo Elip 80

Hình 3-32 Giá trị hàm tương quan giữa 12s dữ liệu với giá trị mào đầu 86

Hình 3-33 Thời điểm khởi đầu của các khung con trong 4 kênh 86

Hình 4-1 Giải thuật triển khai trong máy thu 93

Hình 4-2 Kết quả xử lý tín hiệu vệ tinh số 21 94

Hình 4-3 Kết quả xử lý tín hiệu vệ tinh số 22 94

Hình 4-4 Giao diện người dùng 96

Hình 4-5 Tín hiệu GPS 97

Hình 4-6 Giải thuật thu thập song song theo pha mã 98

Hình 4-7 Kết quả của quá trình bám sát 99

Hình 4-8 Giải thuật bám sát 100

Hình 4-9 Giải thuật hàm postnavigation 102

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ASIC Application-Specific Integrated Circuit

BPSK Binary Phase-Shift Keying

ECEF Earth Centered, Earth Fixed

EGNOS European Geostationary Navigation Overlay System

GIOVE-A Galileo In-Orbit Validation Element A

IERS International Earth Rotation and Reference Systems Service

LFSR Linear Feedback Shift Register

LO Local Oscillator

RNSS Radio Navigation Satellite Service

SBAS Satellite-Based Augmentation System

SPS Standard Positioning Service Position computations based on C/A

code signals TLM Telemetry word Eight-bit preamble used to synchronize the

navigation messages TOW Time of Week The GPS week starts midnight Saturday/Sunday

1 CHƯƠNG I – HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU GPS

1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG GPS

GPS là hệ thống dẫn đường bằng sóng vô tuyến đặt trên không gian (Space – Based Radionavigation System) thành công nhất cho tới nay Khoảng cách từ một vệ tinh tới máy thu được đo bởi thời gian tới của tín hiệu vệ tinh Tọa độ 3 chiều, vận tốc và thời gian cũng đo được nhờ GPS Hệ thống này có thể sử dụng được trong mọi điều kiện thời tiết, trên toàn cầu và vào mọi thời điểm

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) bao gồm ba bộ phận là Chùm vệ tinh, Hệ thống điều khiển mặt đất và Bộ phận người sử dụng

Chùm vệ tinh : Chùm vệ tinh của hệ GPS hiện có tất cả là 28 vệ tinh làm việc và

dự phòng Các vệ tinh này được sắp xếp trên sáu mặt phẳng quĩ đạo nghiêng 55° so với mặt phẳng xích đạo Quĩ đạo chùm vệ tinh của hệ GPS gần tròn với cao độ là 20.200

Km ( 11.900 NM ).Chu kỳ quỹ đạo là một nửa ngày thiên văn hay 11 tiếng 58 phút Mỗi vệ tinh phát ra hai tần số vô tuyến phục vụ mục đích định vị, L1 trên tần số 1.575.42MHz phục vụ cho dân sự và L2 trên tần số 1227.6 MHz phục vụ cho quân sự Các tần số sóng mang được điều chế bởi các tín hiệu giả ngẫu nhiên C/A, P và điện văn dẫn đường Các tần số sóng mang và tín hiệu điều chế được điều khiển bởi những đồng

hồ nguyên tử đặt trên vệ tinh

Phân đoạn điều khiển vận hành: Phân hệ này có nhiệm vụ duy trì các vệ tinh và

sự hoạt động chính xác của chúng : bao gồm bốn trạm giám sát đặt ở Diego Garreia, Đảo Ascension, Đảo Kwajalein và Đảo Hawail; và một trạm điều khiển chính tại trung tâm điều hành không gian Colorado – Hoa Kỳ, các địa điểm nay được chọn để tối đa hóa vùng bao phủ của các vệ tinh Mục đích của hệ thống điều khiển là điều khiển sự

hoạt động của các vệ tinh, xác định quĩ đạo, xử lý các đồng hồ nguyên tử, truyền các điện văn cần thông báo lên các vệ tinh Hoạt động của các trạm giám sát này như sau: chúng theo dõi và thu thập các mã C/A và mã P, Y từ các vệ tinh và truyền dữ liệu này tới trạm điều khiển trung tâm MCS, các trạm giám sát liên tục theo dõi các vệ tinh và đường đi của chúng, lưu trữ các dữ liệu về chúng, thông tin này được xử lý ở trạm điều khiển chính để xác định quỹ đạo của các vệ tinh và cập nhật thông tin dẫn đường cho mỗi vệ tinh như quỹ đạo chính xác, lịch thiên văn, sửa lỗi đồng hồ…thông tin này được truyền lên các vệ tinh cung cấp phương tiện để ra lệnh và điều khiển các vệ tinh, tải lên các thông tin dẫn đường và các dữ liệu khác

Hình 1-1 V ị trí các trạm điều khiển mặt đất

B ộ phận người sử dụng: Bao gồm tất cả các đối tượng sử dụng cho mục đích dân

sự và quân sự Các máy thu riêng biệt theo dõi các mã hoặc pha của các sóng mang (hoặc cả hai) và đều thu nhận các điện văn thông báo Bằng cách so hàng tín hiệu đến

từ vệ tinh với bản sao của mã phát được lưu giữ trong máy thu, ta có thể xác định được

cự ly đến vệ tinh Nếu các cự ly tới bốn vệ tinh được liên kết với các thông số quĩ đạo

vệ tinh thì máy thu có thể xác định ba giá trị toạ độ địa tâm của vị trí mình

Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng năm 1978 10 vệ tinh đầu tiên là các vệ tinh triển khai, được gọi là Block I Từ năm 1989 đến 1993, 23 vệ tinh sản xuất, được gọi là Block II được phóng Việc phóng vệ tinh thứ 24 năm 1994 đã hoàn thiện hệ thống Bộ Quốc phòng Mỹ dự trữ 4 vệ tinh để thay thế bất kỳ vệ tinh nào bị hủy hoại hoặc không hoạt động Ngày 27/04/1995, FOC (Full Operational Capability – Khả năng hoạt động đầy đủ) được tuyên bố Hiện nay, các vệ tinh đang được sử dụng thuộc các Block II/IIA/IIR

1.2 CHỨC NĂNG VÀ QUỸ ĐẠO VỆ TINH

Mười một vệ tinh ( SV ) thuộc Block I được chế tạo và phóng trong khoảng từ năm

1978 đến 1985 với mục đích thử nghiệm và cung cấp dịch vụ dẫn đường hai chiều (2D) Các vệ tinh thuộc Block I không có đặc điểm giáng cấp độ chính xác định vị tương đối với mã C/A được gọi là SA (Selective Available)

Chòm 24 vệ tinh thuộc Block II ( II-1 đến II-24 ) được đưa vào hoạt động từ năm

1989 đến 1994, và cung cấp các tính năng hoạt động đầy đủ vào năm 1995 mở đầu kỷ nguyên hoạt động của hệ thống định vị GPS Các vệ tinh thuộc Block II được thiết kế

để làm việc trong vòng 7.5 năm Ban đầu các vệ tinh này sử dụng SA, cho đến ngày 01/05/2000, chức năng này đã bị hủy bỏ hoàn toàn

Các vệ tinh Block IIR được phóng từ năm 1996 để thay thế các vệ tinh Block II Các vệ tinh thay thế này sẽ có khả năng tự động tạo ra các điện văn dẫn đường Từ năm

2001, Boeing phát triển các vệ tinh thuộc Block IIF bao gồm 33 vệ tinh sẽ được phóng lên để duy trì hoạt động của hệ thống GPS cho giai đoạn tiếp sau

Các chức năng của chùm vệ tinh:

- Ghi nhận và lưu trữ các thông tin được truyền đi từ các bộ phận kiểm soát

- Thực hiện các phép xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh

- Duy trì khả năng chính xác cao của các đồng hồ thời gian

- Thông báo điện văn dẫn đường đến người sử dụng bằng những tín hiệu khác nhau

Thay đổi quỹ đạo bay nhờ những tên lửa đẩy được điều khiển bởi hệ thống điều khiển trên mặt đất

1.3 CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS

Do yêu cầu của tín hiệu GPS là định vị theo thời gian thực, được chia sẻ cho nhiều người sử dụng, việc nhận biết tín hiệu của vệ tinh nào phải được quy định bằng cách mỗi vệ tinh phải có một mã duy nhất gọi là mã giả ngẫu nhiên Các tín hiệu này được điều chế bằng các mã trải phổ và được truyền đi với độ chính xác cao cả về tốc độ và vị trí

GPS cung cấp hai mức dịch vụ là dịch vụ định vị chuẩn SPS và dịch vụ định vị chính xác PPS

- SPS là dịch vụ đo thời gian và định vị dùng trên toàn cầu không mất phí trực tiếp, được cung cấp trên tần số L1 mang mã C/A và thông báo dẫn đường

PPS là dịch vụ định vị, đo tốc độ, thời gian cho quân đội với độ chính xác cao Sử dụng mã P(Y), dữ liệu được truyền trên cả hai tần số L1 và L2, chỉ có máy thu đặc biệt với thiết bị mã khóa và giải mã kèm theo mới sử dụng được hệ thống PPS

1.4 ĐẶC TÍNH CỦA TÍN HIỆU GPS

Tín hiệu GPS được truyền trên 2 băng tần số nằm trong dải UHF Dải tần UHF nằm trong khoảng từ 500MHz đến 3GHz 2 bằng tần số đó là băng L1 = 154f0 = 1575.42MHz và l2 = 120f0 = 1227.60MHz Trong đó tần số f0 = 10.23MHz Tín hiệu này được mô tả trên hình 1.2

Hình 1-2 Các tín hi ệu vệ tinh của hệ thống GPS

Tín hiệu GPS được cấu thành từ 3 thành phần:

Sóng mang: thành phần sóng mang chính là fL1 và fL2

Dữ liệu dẫn đường: Dữ liệu dẫn đường bao gồm:

- Thời gian phát của vệ tinh

- Vị trí của vệ tinh

- Trạng thái hoạt động của vệ tinh

- Thông tin để hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh

- Ảnh hưởng của trị số trễ do truyền sóng

- Chuyển đổi thời gian GPS, UTC

- Trạng thái chòm vệ tinh

Thông tin này được upload lên tất cả các vệ tinh từ các trạm điều khiển mặt đất Dữ

liệu dẫn đường có tốc độ bit là 50bps

Hình 1-3 Sơ đồ cấu trúc bộ phận phát tín hiệu GPS từ vệ tinh [1]

Chuỗi mã trải phổ: Mỗi một vệ tinh có 2 chuỗi mã trải duy nhất đó là mã C/A

(coarse acquisition code) và mã thứ 2 là loại mã được mã hóa chính xác (P(Y)) Mã C/A là một chuỗi gồm 1023 chips (1 chip tương ứng với 1 bit Nhưng nó được gọi là chip để nhấn mạnh rằng bit đó không mang thông tin) Mã này được lặp lại mỗi 1 ms

do đó tốc độ chip sẽ là 1.023 MHz Mã P là một mã rất dài (≈ 2.35.104 chips) với tốc

độ chip là 10.23MHz và được lặp lại sau mỗi tuần (bắt đầu vào 12h đêm thứ 7) Mã C/A được điều chế trên băng L1 trong khi đó mã P(Y) được điều chế trên cả 2 bằng L1

và L2

1.5 PHƯƠNG PHÁP TẠO MÃ C/A

Tốc độ đồng hồ (Clock rate ): Tốc độ cơ bản của đồng hồ là 10.23 MHz Trên thực

tế, tốc độ đồng hồ vệ tinh được cố ý đặt thấp hơn 4.45 × 10-10 so với giá trị danh nghĩa

nói trên để bù trừ các hiệu ứng tương quan trung bình bao gồm chênh lệch trung bình thế trọng trường giữa vệ tinh và người sử dụng

Tần số Chip mã C/A là 1,023 MHz

Các chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRN) của mã C/A đều được tạo bởi bộ ghi dịch hồi tiếp 10 bit (Feedback Shift Register) Xung đồng hồ được đưa vào bộ ghi dịch ở bit thứ nhất và nội dung của mã C/A được lấy ra ở bit thứ 10 Đặc tính riêng của bộ ghi dịch hồi tiếp phụ thuộc vào cách thức nhận thông tin vào tại bit 1 Vệ tinh GPS sử dụng

bộ ghi dịch hồi tiếp loại Tap (Tapped Feedback Shift Register)

Hình 1-4 Phương pháp tạo mã C/A

Hoạt động của bộ ghi dịch hồi tiếp loại TAP: Mã C/a được tạo bằng hai bộ ghi dịch hồi tiếp loại TAP10-bit, bộ G1 có đa thức 1 + x3 + x10 và G2 có đa thức 1 + x2 + x3 + x6

+ x8 + x9 + x10 Phương pháp lấy dữ liệu ra được thể hiện trong hình 1.4 là tạo mã C/A cho vệ tinh có mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN1 Thực chất phương pháp này là làm trễ

mã PRN bằng cách chọn các cặp đầu ra ( Tap ) khác nhau Nhiều cặp trị số Tap khác nhau được dùng để tạo ra một bộ đầy đủ gồm 32 mã nhiễu giả ngẫu nhiên C/A có tên gọi là các mã Gold ( Gold code )

1.6 NỘI DUNG ĐIỆN VĂN GPS

Điện văn GPS được chia thành các khung con, mỗi khung con chứa một thông tin riêng

- Khung con thứ nhất: Bao gồm các hệ số dùng để hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, các loại cờ khác nhau và niên hạn của dữ liệu

- Khung con thứ hai và ba: Chứa các tham số lịch thiên văn phát tín (các tham số của quĩ đạo)

- Khung con thứ tư: Mới chỉ có những thông tin cảm biến trên 10 trong số 25 trang hiện có Nội dung của các trang này bao gồm một mô hình tầng điện ly, số liệu giờ thế giới UTC, cờ để nhận biết những vệ tinh khác nhau Nếu trên quĩ đạo có nhiều hơn 24 vệ tinh và hệ thống chống lừa gạt được chuyển mạch (khi

mã Y hoặc phiên bản bí mật của mã P thay thế mã P), thì số lượng dữ liệu lịch thư và thông báo tình trạng hoạt động của vệ tinh vượt quá con số 24

- Khung con thứ năm: Bao gồm các dữ liệu lịch và tình trạng hoạt động của 24 vệ tinh đầu tiên trên quĩ đạo Dữ liệu lịch thư là một kiểu diễn giải sơ bộ

về quĩ đạo vệ tinh, được dùng để xác định từng vệ tinh nằm ở vị trí nào trong chòm vệ tinh, thu nhận các tín hiệu từ vệ tinh nằm trên đường chân trời của người quan sát nhưng chưa được theo dõi Nhờ đó, khi theo dõi được một vệ tinh, thì việc thu tín hiệu của các vệ tinh khác sẽ tương đối dễ dàng hơn

Tín hiệu bắt đầu/kết thúc của tuần: Tại thời điểm bắt đầu/kết thúc của tuần

- Việc đánh số trang tuần hoàn của các khung con từ một đến năm phải được khởi động lại từ khung con thứ nhất mà không cần biết là khung con nào được truyền

đi lần cuối cùng trước khi kết thúc hoặc bắt đầu của tuần

- Sự tuần hoàn của 25 trang của các khung con bốn và năm phải được khởi động lại từ trang đầu tiên của mỗi khung con mà không cần biết là trang nào được truyền đi lần cuối cùng trước khi kết thúc hoặc bắt đầu của tuần Tất cả việc tải điện văn và cắt bỏ trang chỉ diễn ra tại các giới hạn của khung (Module 30s)

- Kiểm tra chẳn lẽ dữ liệu: Các từ 1 đến 10 của các khung con từ 1 đến 5 phải chứa 6 bits kiểm tra chẳn lẽ tại các vị trí LSB của nó Thêm vào đó hai bits không mang thông tin phải được cung cấp tại hai bits 23 và 24 của từ thứ hai và

từ thứ mười để cho mục đích tính toán tính chẵn lẻ

- Tại mỗi đầu khung con chiều dài 6s là hai từ đặc biệt gọi là từ Telemetry (TLM)

và từ Hand-over (HOW) Từ HOW bao gồm "số đếm Z" và cứ mỗi 6s thay đổi một lần Từ TLM chỉ thay đổi khi chịu tải hoặc liên lạc với các hoạt động của vệ tinh khác

- Từ Telemetry (TLM): Mỗi từ TLM dài 30 bit, xuất hiện mỗi 6s trong khung dữ liệu và là từ đầu tiên của mỗi khung Dạng thức TLM được trình bày theo hình 1.5 Mỗi từ TLM sẽ bắt đầu bởi một từ mào đầu là mẫu đồng bộ cố định 8 bit theo sau bởi 16 bit dành riêng và 6 bit chẵn lẻ Các bit dành riêng khi thích hợp

có thể chứa các nội dung sau:

+ Tình trạng tải dữ liệu lên vệ tinh

+ Các điện văn chuẩn đoán

Các điện văn tương tự như trị số Z của bộ đếm thời gian

Z 29 bits, 17 bits này tương ứng với bộ đếm TOW tại thời điểm 1,5s sẽ xuất hiện khi bắt đầu của khung tiếp theo Từ HOW khi nhân 4, sẽ cho trị số Z của khung con 6s tiếp theo cung cấp chức năng đồng bộ thời gian để chuyển từ mã C/A sang mã P Ngoài ra, từ HOW còn bao gồm các chỉ số của khung con (1 đến 5) và một cờ (Flag) cảnh báo cho biết khi nào khung con không so hàng chính xác với chuỗi X1 của mã P

Số nhận dạng ( ID )

Của khung con Parity

MBS LBS

Số đếm TOW ( phiên bản rút gọn )

1 2 3 4 5 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Hình 1-6 C ấu trúc từ HOW

- Bit thứ 18: Trên các vệ tinh được thiết kế bởi mã có cấu hình 001, bit thứ 18 sẽ

là cờ báo "Báo động" Khi cờ này được thiết lập ( bit thứ 18 ở mức "1" ), nó báo cho người sử dụng biết rằng độ chính xác về cự ly của người sử dụng vệ tinh ( URA ) có thể kém hơn mức được chỉ thị trong khung con thứ 1 và việc sử dụng

vệ tinh có thể gây rủi ro cho người sử dụng

- Bit thứ 19: được dành riêng

- Bit thứ 20, 21, 22 của từ HOW: cung cấp sự nhận dạng của khung con, trong đó

từ HOW đặc trưng là từ thứ hai

Mã nhận dạng được định nghĩa như sau:

- Đếm thời gian của tuần: Một số nhị phân bao gồm 19 bits LSB của số đếm Z được coi như là số đếm thời gian của tuần và được định nghĩa bằng số lượng các thời khoảng 1,5s đã xuất hiện khi bắt đầu phát từ tuần trước đó Số đếm có chu kỳ ngắn trong phạm vi từ 0 đến 403.199 thời khoảng 1,5s (bằng một tuần) và nó được đặt lại về

0 tại cuối của mỗi tuần Trạng thái 0 của số đếm TOW sẽ là thời khoảng 1,5s trùng khớp với thời điểm bắt đầu của tuần hiện tại Một phiên bản rút gọn của số đếm TOW bao gồm 17 bits MBS chứa trong từ HOW của chuỗi dữ liệu được phát từ vệ tinh trên sóng mang L1 Quan hệ giữa số đếm TOW thực tế và phiên bản rút gọn HOW được chỉ

ra ở hình 1.6 Thời điểm bắt đầu/kết thúc tuần xuất hiện tại nửa đêm thứ bảy rạng sáng chủ nhật, nửa đêm được định nghĩa là 0 giờ trong thang thời gian UTC được tham chiếu đến kinh tuyến gốc Greenwich

Số đếm tuần: 10 bits MBS của số đếm Z là một số nhị phân được ấn định cho tuần GPS hiện tại (Modulo 1024), giới hạn của số đếm này là từ 0 đến 1023 Trạng thái 0 của số đếm tuần là thời khoảng 1,5s của tuần đầu tại thời điểm 0 giờ UTC Khi số tuần

GPS đạt đến 1023, nó sẽ được tự động đặt lại về 0 1024 tuần trước đó được chuyển đổi từ thời gian GPS sang lịch thời gian được tính toán bởi người sử dụng

1.7 DỊCH TẦN DOPPLER

Trong GPS, chúng ta gặp hiện tượng dịch tần Doppler do sự chuyển động tương đối của vệ tinh đối với máy thu Tần số dịch chuyển Doppler ảnh hưởng tới cả 2 quá trình thu thập dữ liệu và bám sát Với một máy thu GPS đứng yên thì tần số Doppler cực đại vào khoảng ± 5 KHz và với một máy thu chuyển động ở vận tốc cao thì theo giá trị kinh nghiệm tần số Doppler rơi vào khoảng ± 10 KHz Tần số Doppler của mã C/A là

nhỏ bởi vì tốc độ chip của mã C/A là chậm chỉ bằng 1/1540 lần so với tín hiệu sóng mang (băng L1 với f = 1575.42 MHz) Do đó, tần số Doppler của máy thu đứng yên là 3.2 Hz và 6.4 Hz với máy thu chuyển động nhanh

Dịch tần Doppler có thể làm cho mã C/A nhận được bị mất đồng bộ với mã được tạo ra trong máy thu và giá trị của dịch tần Doppler rất quan trọng trong quá trình bám sát

1.8 KẾT LUẬN

Như vậy, chương này đã cho chúng ta biết khái quát về toàn thể hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS của Hoa Kỳ cũng như các về thông số tín hiệu và các đặc điểm quan trọng nhất về bản tin dẫn đường được sử dụng trong hệ thống GPS Dựa vào những yếu

tố đó, chúng ta có thể sử dụng chúng theo các ứng dụng cụ thể và đạt được những kết quả mong muốn Đó cũng chính là mục đích xuyên suốt của chương này

2 CHƯƠNG II – HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU GALILEO

2.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG

2.1.1 Khái quát chung

Hiện nay châu âu đang phát triển một hệ thống định vị dẫn đường vệ tinh của riêng mình đó là hệ thống Galileo Người ta dự kiến đây sẽ là hệ thống dẫn đường vệ tinh lớn nhất trên thế giới Hệ thống này đồng thời phối hợp với các hệ thống trợ giúp dẫn đường cũng như các hệ thống định vị khác để cung cấp các dịch vụ có chất lượng vượt trội so với các hệ thống định vị vệ tinh hiện tại như GPS và GLONASS Tại thời điểm hiện này, hệ thống Galileo đang trong quá trình triển khai do đó nó được đưa vào sử dụng từng phần và tương thích với hệ thống GPS Nhưng hoàn toàn khác với các hệ

thống GPS và GLONASS, Galileo sẽ được sử dụng vì mục đích dân sự, và được điều hành bởi ủy ban liên minh Châu Âu Vì vậy, hệ thống này được mong chờ sẽ cải thiện

và khắc phục được các nhược điểm của các hệ thống hiện tại như tăng độ chính xác và tính phổ biến dùng cho thương mại

Cấu trúc cơ bản của hệ thống Galileo bao gồm 4 phần chính: thành phần toàn cầu, thành phần địa phương, thành phần khu vực và thành phần người sử dụng Thành phần đầu tiên bao gồm 2 phân hệ quan trọng nhất của hệ thống đó là: phân hệ không gian bao gồm 30 quả vệ tinh (27 quả hoạt động thường xuyên và 3 quả dự phòng) Các vệ tinh này được bố trí ở 3 mặt phẳng quĩ đạo tầm trung, có bán kính trung bình ở trục chính là vào khoảng 29601.297 km, và nghiêng một góc 56o so với mặt phẳng xích đạo

Thành phần khu vực bao gồm các trạm điều khiển cục bộ nhằm xác lập tính toàn vẹn của dữ liệu lan truyền trong hệ thống

Thành phần địa phương bao gồm tất cả các thiết bị nhằm mục đích cải thiện chất lượng dịch vụ của hệ thống

Cuối cùng, thành phần người sử dụng chính là các máy thu tín hiệu Galileo

Theo dự kiến, hệ thống Galileo sẽ sử dung các loại tín hiệu dẫn đường đó là các tín hiệu nằm trong dải tần từ 1164 – 1215 MHz (E5a và E5b), 1260 – 1300 MHz (E6),

1559 – 1592 MHz (E2-L1-E1) Thêm vào đó 1 tín hiệu SAR (tìm kiếm cứu nạn) ở băng L (1544-1545 MHz)

Với việc sử dụng các loại tín hiệu như vậy, hệ thống Galileo có thể dễ dàng cung cấp kiểm soát các dịch vụ mà nó cung cấp Có tất cả 6 loại tín hiệu được sử dụng cho mọi mục đích (nằm trong dải E5a/b và E2-L1-E1) Chúng cung cấp những dữ liệu cần thiết cho dịch vụ OS (open services) và dịch vụ Safety of Life services; 2 tín hiệu trên băng E6 được mã hóa dành cho dịch vụ thương mại; và cuối cùng, 2 tín hiệu còn lại nằm trên các băng E2-L1-E1 và E6 thì được sử dụng cho dịch vụ hiệu chỉnh, loại này chỉ được sử dụng bởi nhà cung cấp

- Dịch vụ đảm bảo an toàn (GALILEO Safety of life – SoL – sevice): dịch vụ này đáp ứng các yêu cầu về việc đảm bảo an toàn cho các hệ thống giao thông quan trọng, ví dụ như các dịch vụ về hàng không, hàng hải… Dịch vụ này cung cấp các tiện ích có hiệu quả cao khi nó cung cấp các chức năng tích hợp như cảnh

báo hệ thống nguy hiểm cho người sử dụng Hiện nay, dịch vụ này đang được xem xét bởi tổ chức hàng không dân dụng quốc tế (ICAO)

- Dịch vụ thương mại (GALILEO Commercial service): Dịch vụ này cho phép truy nhập trên cả hai tín hiệu bổ sung nhằm cho phép đạt tốc độ dữ liệu cao và

có thể cải thiện đáng kể mức chính xác cho người sử dụng Các tín hiệu dùng cho dịch vụ này được mã hóa, muốn sử dụng được phải trả phí

- Dịch vụ cung cấp theo yêu cầu (GALILEO Public Regulated Service - PRS): Đây là dịch vụ liên tục cung cấp thông tin về vị trí và thời gian cho từng khách hàng cụ thể và sự truy cập dịch vụ là bị kiểm soát

2.2 TÍN HIỆU GALILEO

Mỗi quả vệ tinh GALILEO phát đi các tín hiệu dẫn đường trên 4 băng tần E1, E6, E5a và E5b Các dải tần này được đánh dấu bởi màu xanh như minh họa trong hình 2.1

Hình 2-1 Băng tần tín hiệu GALILEO [5]

Tín hiệu được truyền đi trên dải E5 bao gồm hai tín hiệu E5a và E5b (và các tín hiệu điều chế) và tín hiệu đó được truyền đi trên dải tần 1164 -1215 MHz Dải tần này thường được sử dụng cho các hệ thống dẫn đường vô tuyến sử dụng vệ tinh (RNSS – Radio Navigation Satellite System) rộng rãi trên toàn thế giới Ngoài ra băng tần này còn được sử dụng cho các dịch vụ dẫn đường vô tuyến trong hàng không (ARNS – Aeronotical Radionavigation Service)

Tín hiệu E5a là thành phần vốn có của tín hiệu E5 bao gồm một kênh dữ liệu với tốc độ dữ liệu là 25 bps chỉ truyền đi thành phần đồng pha (in-phase) và một kênh hoa tiêu chỉ truyền thành phần cầu phương Tín hiệu E5a cung cấp bản tin F/NAV cho dịch

vụ mở của Galileo và phổ của nó bao trùm lên thành phần tín hiệu L5 của GPS Các mã khoảng cách và dữ liệu dẫn đường truyền trên tín hiệu E5a đều không bị mã hóa, mọi người đều có thể truy cập chúng

Tín hiệu E5b cũng là thành phần không thể tách rời của tín hiệu E5 Nó cũng bao gồm 1 kênh dữ liệu có tốc độ cỡ 125bps và chỉ truyền thành phần cùng pha và một kênh hoa tiêu truyền thành phần cầu phương Tín hiệu E5b cung cấp bản tin I/NAV và

hỗ trợ cho cả dịch vụ SoL của Galileo lẫn dịch vụ mở

Tín hiệu E6 bao gồm 2 thành phần E6-B và E6-C và được truyền trên dải tần 1215 – 1300 MHz với tốc độ dữ liệu vào khoảng 500bps Tín hiệu này thường được dùng cho các hệ thống viễn thông cơ bản (ITU – R Radio Regulation) đồng thời được dùng cho các hệ thống Radar Các thành phần tín hiệu E6-B và E6-C tương ứng là các kênh

dữ liệu và kênh hoa tiêu Tín hiệu E6 cung cấp bản tin C/NAV và hỗ trợ cho dịch vụ thương mại

Tín hiệu E1: tín hiệu Galileo E1 bao gồm các thành phần tín hiệu E1-B và E1-C được phát đi trên dải tần số 1559 – 1610 MHz với tốc độ dữ liệu là 125 bps, cấp phát cho dịch vụ dẫn đường vô tuyến sử dụng vệ tinh và dịch vụ dẫn đường vô tuyến cho hàng không dân dụng Hai tín hiệu E1-B và E1-C tương ứng là các kênh dữ liệu và

kênh hoa tiêu Tín hiệu E1 chứa đựng các bản tín I/NAV và được dùng trong dịch vụ đảm bảo an toàn và các hệ thống tích hợp của Galileo

Dữ liệu dẫn đường: là các chuỗi bit mang thông tin dữ liệu dẫn đường theo các khung (frames) qui định theo giao diện truyền phát

Bản tin F/NAV: là bản tin dẫn đường được truy cập miễn phí phát đi bởi tín hiệu E5a dành cho dịch vụ mở

Bản tin I/NAV: là dạng bản tin dẫn đường toàn vẹn dữ liệu phát đi bởi tín hiệu E5b

và E1-B được dùng cho dịch vụ đảm bảo an toàn (SoL) và cung cấp các thông tin mở rộng đảm bảo tính toàn vẹn hệ thống

C/NAV: bản tin dẫn đường thương mại truyền đi bởi tín hiệu E6-B và chỉ dành cho dịch vụ trả tiền

Kênh dữ liệu (Data channel): khi chúng ta điều chế mã khoảng cách, sóng mang con (nếu có) và mã mở rộng (secondary code) cùng với dòng dữ liệu dẫn đường thì chúng ta có 1 kênh dữ liệu

Kênh hoa tiêu (Pilot channel): một kênh hoa tiêu được tạo nên bởi mã khoảng cách, sóng mang con (nếu có) và mã mở rộng (secondary code) mà không được điều chế bởi dòng dữ liệu dẫn đường

Băng thông tham chiếu ở máy thu (Receiver reference bandwidth): băng tần của máy thu giả thuyết với các đầu vào bộ lọc là lý tưởng (đáp ứng xung tần số)

Mã BOC (fsub,fchip): điều chế BOC với tần số fsub tần số sóng mang con và fchip tốc

độ chip Các tần số này đều là bội số của 1.023MHz Ví dụ, tín hiệu BOC(10,5) có nghĩa là tần số sóng mang con là 10x1.023 MHz = 10.230 MHz và tốc độ chip là 5x1.023 MHz = 5.115 MHz Trong một số trường hợp, hàm số của sóng mang con của các chip mà là hàm dấu sign[sin(2*pi*fsub *t)], với tần số sóng mang con là fsub và mã chip khởi đầu tại thời điểm t = 0

BOCc(fsub,fchip): điều chế BOC cho hàm Cosin, định nghĩa như đã trình bày ở trên chỉ khác ở hàm dấu của nó là Sign[cos(2*pi*fsub *t)]

Hình 2-2 Ph ổ tần số tín hiệu Galileo [5]

2.3 PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHẾ BOC ([2][3][8])

Tín hiệu điều chế theo phương thức BOC là tích của hai tín hiệu khác nhau Tín hiệu thứ nhất chính là chuỗi mà giả ngẫu nhiên thông thường với tốc độ chip là Rc với hai giá trị lần lượt là +1 và -1 Tín hiệu thứ hai chính là tín hiệu sóng mang con (sub-carrier), đó có thể là tín hiệu xung vuông cũng có thể là tín hiệu sine với tần số Rsc

bằng hoạc cao hơn Rc

Hình 2-3 Tín hi ệu điều chế theo phương thức BOC

Một tín hiệu BOC(m,n) như tên gọi trong hệ thông Galileo được đặc trưng bởi các thành phần n = Rsc/Rca và m = Rc/Rca, với Rca là tần số của tín hiệu hiện để tính toán băng thông Ví dụ, Rca trong tín hiệu GPS có mã C/A chính bằng tốc độ chip của mã C/A = 1.023 Mcps

Lợi ích của việc sử dụng sóng mang con hình vuông là làm cho búp chính phổ công suất của tín hiệu bị chia làm hai búp tập trung ở hai điểm ±Rsc so với tần số trung tâm Hơn nữa, khi tăng tỉ lệ fs/fc (tương ứng là tỉ số n/m) tăng khoảng cách giữa hai búp ở hai bên Hai trường hợp khác nhau được minh họa ở hình dưới

Hình 2-4 Ph ổ công suất của hai tín hiệu BOC

Như có thể thấy trong hình trên, phương thức điều chế BOC có thể được sử dụng

mà tránh được hiện tương can nhiễu từ phương thức điều chế mã có phổ công suất tập trung ở tần số trung tâm Như vậy với cách này thì tín hiệu Galileo không can nhiễu lên tín hiệu GPS và ngược lại

Hình 2-5 M ật độ phổ công suất của tín hiệu Galileo

2.4 CẤU TRÚC BẢN TIN GALILEO

Bản tin Galileo được tạo nên bởi các khung (frame) như có thể thấy trong hình 2.6 Mỗi một khung có cấu tạo gồm nhiều khung con (subframe) và mỗi khung con lại được cấu thành nên từ nhiều trang (page) Mỗi một trang là một cấu trúc cơ bản cho bản tin dẫn đường bao gồm các trường sau:

- Từ mã đồng bộ ( synchronization SW)

- Trường dữ liệu (data field)

- Mã sửa sai CRC

- Mã hóa dữ liệu sửa sai FEC

Hình 2-6 C ấu trúc bản tin Galileo

Mã CRC và dữ liệu mã hóa được sử dụng để tạo ra một tín hiệu tốt hơn với tính bảo toàn dữ liệu Đối với tín hiệu L1 – OS từ mã đồng bộ là một chuỗi bao gồm 10 bits Tất cả các dữ liệu được mã hóa sử dụng sự sắp xếp các bit và byte như sau:

- Đối với dữ liệu số: các bit/byte có trọng số cao nhất (MSB) đều được đánh số là bit/byte 0

- Với các bit/byte được sắp xếp như vậy thì chúng được truyền đi trước tiên Như minh họa trong hình 2.7 các bit có trọng số cao nhất được bố trí bên phía trái

và các bít có trọng số thấp nhất được bố trí bên phía phải, các thành phần có trọng số cao được xếp ở trên và các thành phần có trọng số thấp được xếp ở dưới

Hình 2-7 Nguyên lý s ắp xếp dữ liệu GALILEO 2.5 KẾT LUẬN

Cũng với mục đích như chương I, nội dung chương II bám sát vào việc mô tả tổng quan về hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GALILEO sắp được đưa vào sử dụng của Châu Âu Chương này cho chúng ta biết các thông số của tín hiệu, cách thức cấu trúc các bản tin dẫn đường sẽ được sử dụng trong hệ thống GALILEO Mặc dù, chưa đi vào

sử dụng nhưng hệ thống GALILEO của Châu Âu hứa hẹn sẽ đem lại những lợi ích to lớn và phục vụ tốt hơn hệ thông GPS trong một số lĩnh vực cụ thể

3 CHƯƠNG III – MÁY THU DÙNG CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN ĐIỀU KHIỂN BẲNG PHẦN MỀM – SDR

3.1 SƠ LƯỢC VỀ MÁY THU VỆ TINH

Vấn đề đầu tiên cần phải đề cập đến trong việc thiết kế máy thu vệ tinh đó chính là việc lựa chọn vấn đề kỹ thuật phù hợp nhất cho việc triển khai các thuật toán Điều đó phải đảm bảo các yêu cầu rất khắt khe về khả năng hoạt động của máy thu như hiệu suất, tốc độ, khả năng và công suất tính toán, công suất tiêu thụ và cuối cùng là giá thành Những yêu cầu này sẽ quyết định xem cấu trúc của máy thu, cụ thể là phần cứng như thế nào Có 2 khả năng thiết kế máy thu đó là:

3.1.1 Thiết kế máy thu theo phương pháp truyền thống

Một phương pháp phổ biến nhất đã được phát triển qua nhiều năm đó chính là phương pháp mang tên ASIC Dĩ nhiên, các chức năng cơ bản nhất được thực hiện bằng phần cứng Tính năng ưu việt của phương pháp này đó là hiệu suất cực lớn và giảm thiểu được công suất tiêu thụ Một con chip ASIC có thể thay thế rất nhiều các mạch điện tử tích hợp khác nhau đồng nghĩa với việc giảm thiểu được diện tích bo mạch Do đó phương pháp này làm giảm đáng kể giá thành sản phẩm Các thành phần của ASIC luôn có tốc độ nhanh, linh hoạt và có thể thích ứng được hầu hết các yêu cầu về mặt tính toán Tuy vậy, về mặt cấu trúc thì ASIC là vô cùng phức tạp, số lượng các cổng logic lên đến hàng trăm triệu và một con chip có thể có nhiều bộ vi xử lý 32 bit, cùng với các hệ nhớ tiên tiến Nói một cách khác, quá trình thiết kế mà dựa trên việc thiết kế ASIC thì thời gian sẽ rất dài

Trong việc thiết kế máy thu vệ tinh, chúng ta hoàn toàn có thể khẳng định rằng công nghệ ASIC có những tính năng và sức mạnh của hầu hết các loại chipset và các thiết bị khác hiện có Chính vì lý do này mà ta có thể nói rằng đây là phương pháp

kinh điển Tuy nhiên quan điểm đó có thể bị thay đổi trong tương lai gần bởi một nhược điểm khá lớn đó chính là tính linh động

Tính linh động ở đây có nghĩa là khả năng cấu hình lại của thiết bị Ví dụ như là việc nâng cấp phần mềm; thêm vào hệ thống một dịch vụ mới; thay đổi cấu trúc thiết bị

để có thể triển khai các ứng dụng mới Trong các thiết bị dựa trên công nghệ ASIC, để làm được những điều đó chúng ta chỉ có một cách duy nhất đó là thay đổi phần cứng

Rõ ràng việc thay đổi phần cứng là không hề mong muốn và thuận tiện đối với hầu hết người sử dụng Nói một cách khác, yêu cầu nâng cao tính linh động của thiết bị ngày càng được đòi hỏi nhiều hơn Mặt khác các hệ thống hiện tại thay đổi rất nhanh kéo theo đó là sự thay đổi về mặt công nghệ và thuật giải Chính vì vậy, người ta mong muốn các thiết bị điện tử giờ đây có thể cho phép ứng dụng và phát triển các công nghệ mới theo các cách đơn giản và thuận tiện hơn với việc thay đổi cấu trúc phần cứng của

nó

3.1.2 Thiết kế máy thu theo phương pháp mới

Để đáp ứng được yêu cầu về tính linh hoạt, khả năng tương thích phần cứng, một công nghệ mới ra đời đã đáp ứng được điều đó Công nghệ đó chính là công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm – Software Defined Radio (SDR) Ý tưởng mấu chốt

ở đây là việc phân tách thiết bị làm hai phần đó là phần xử lý tín hiệu tương tự và phần

xử lý tín hiệu số Và như vậy toàn bộ phần hoạt động của phần tín hiệu số có thể được nâng cấp sửa đổi một cách dễ dàng

Thông thường, các thiết bị được thiết kế dựa trên công nghệ SDR sẽ bao gồm 1 anten kết nối với một bộ ADC và 1 bộ vi xử lý Tuy nhiên, các vi xử lý hiện tại có tốc

độ xử lý quá chậm không thể làm việc trực tiếp với sóng cao tần Do đó chúng ta phải

hạ tần để làm giảm tốc độ xử lý tính toán và như vậy sẽ có thêm một bộ hạ tần ở giữa anten và bộ ADC

Như vậy, một máy thu dựa trên công nghệ SDR sẽ có cấu trúc như hình 3.1

Hình 3-1 Máy thu d ựa theo công nghệ SDR - [4][6]

Như có thể thấy trong hình 3.1, các khối xử lý tương tự và xử lý số được tách biệt với nhau Trở ngại chính của cấu trúc này đó là công suất tiêu thụ của nó thường có công suất tiêu thụ lớn trong khi lại bị giới hạn về tốc độ và khả năng tính toán do sử dụng ASIC Cụ thể, tốc độ xử lý của DSP là quá chậm so với một số yêu cầu cụ thể về giải thuật mà khi đó chúng ta nên dùng các bộ FPGA

3.2 CẤU TRÚC MÁY THU

Giả sử rằng chúng ta đang thiết kế máy thu vệ tinh cho các ứng dụng hàng hải Máy thu bao gồm 2 hệ thống trong 1 (tích hợp cả GPS và Galileo) và hoạt động ở băng tần L1 (1575MHz) Nó nhận tín hiệu GPS là tính hiệu C/A (BPSK1) cũng như là tín hiệu Galileo BOC(1,1) Do đó máy thu này có tên là máy thu GNSS

3.2.1 Sơ đồ khối

Tín hiệu vô tuyến thu được trước tiên sẽ được xử lý ở bộ phận được gọi là phần cao tần (front – end) Bộ phận này bao gồm bộ lọc, bộ khuyếch đại, và bộ hạ tần tín hiệu

Bộ lọc là hết sức cần thiết bởi chúng ta cần phải loại bỏ các tín hiệu tạp âm, các bộ lọc

ở đây thường là các bộ lọc sóng âm bề mặt (SAW filter) Các bộ hạ tần được sử dụng thường là các mạch 2 hoặc 3 trạng thái Và chức năng cuối cùng của phần cao tần là việc biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

Hình 3-2 Sơ đồ khối chức năng của một máy thu GNSS - [6][7]

Quá trình thu thập tín hiệu có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau Phương thức đầu tiên và dễ dàng nhất đó đơn giản là dò tìm toàn bộ mọi kết nối có thể:

so sánh dịch pha – dịch mã và xét tính tương quan của tín hiệu nhận được với các bản sao đến khi nào giá trị tương quan vượt qua một ngưỡng định trước Phương pháp này

có tên là quá trình thu thập lần lượt (liên tiếp) Việc thực thi phương pháp này khá đơn giản nhưng số lượng các phép tính thì vô cùng lớn Chính vì lý do này mà chúng ta phải nghiên cứu tìm ra phương thức dò tìm thu thập thông tin khác, ví dụ như là tìm kiếm song song sẽ giảm thiểu đáng kể khối lượng phép tính trong quá trình dò tìm mã

Giải thuật đó bao gồm phép biến đổi FFT và IFFT Sơ đồ máy thu theo giải thuật này được mô tả ở hình 3.3

Một trong những phần quan trọng nhất của bất kỳ một máy thu GNSS nào đó là bộ phận bám pha và bám mã

Trong suốt quá trình bám pha, máy thu sẽ dò tìm và nhận dạng các tín hiệu đến từ các vệ tinh trong tầm nhìn thấy của nó Khi đã tìm thấy, thì ngay lập tức máy thu sẽ tính toán sơ bộ dịch tần Doppler của sóng mang và sự dịch pha của mã khoảng cách Như ta đã biết, trong các máy thu, các bộ dao động nội sẽ tạo ra các bản sao của cả tín hiệu sóng mang và các mã khoảng cách, chúng phải được đồng bộ chính xác với mã và tín hiệu sóng mang nhận được Để làm điều đó cần sử dụng 2 vòng lặp: vòng lặp bám

mã và vòng lặp bám pha

Hình 3-3 H ệ thống tìm kiếm thu thập song song [1]

Ngay sau bộ biến đổi ADC, dòng số sẽ được nhân với các tín hiệu phần thực và phần ảo nhằm tạo ra 2 kênh I và Q Quá trình bám pha chịu trách nhiệm cho việc điều khiển tĩnh và biến đổi các bộ phát tín hiệu sóng mang để loại bỏ tần số Doppler Trong thực tế, người ta thường hay sử dụng vòng khóa pha như trong hình 3.4

Hình 3-4 Vòng l ặp bám sóng mang [1]

3.3 PHẦN CAO TẦN

3.3.1 Cơ sở lý thuyết

Hình 3-5 Mi ền tần số của tín hiệu GPS và công suất nhiễu nhiệt

Mặc dù đề tài tập trung vào việc nghiên cứu thuật giải cho quá trình xử lý tín hiệu GNSS dựa trên công nghệ SDR nhưng chúng ta không thể không nhắc tới bộ phận phần cứng Đó chính là nguồn cung cấp luồng dữ liệu cần được xử lý Do đó chương

này tập trung mô tả quá trình nhận tín hiệu vệ tinh truyền về tương ứng với nó là cấu trúc phần cứng để thu nhận và chuyển đổi sang tín hiệu số để xử lý ở khâu tiếp theo Tiến trình bắt đầu với việc thu nhận tín hiệu GNSS ở khối anten Tín hiệu nhận được sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện với mức điện áp cực kỳ thấp đạt mức công suất chỉ vào khoảng -160 dBW với tín hiệu GPS nhận được ở băng tần sóng mang là L1 – 1575,42 MHz Cho rằng dải thông tín hiệu là 2MHz thì công suất tín hiệu GPS nhận được thường thấp hơn ngưỡng nhiễu nhiệt như minh họa ở hình 3.5

Với hằng số Boltzman là k = 1.38x10-23J/K, nhiệt độ T được tính trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối thì công suất nhiễu với băng tần B là:

Với tín hiệu mã C/A mức công suất nhiễu nhiệt có thể được tính xấp xỉ bằng 1.38 x

là việc thu nhận và xử lý trực tiếp tín hiệu dẫn đường trên băng L1 Ở đây cũng cần phải chú ý rằng tín hiệu GNSS băng L1 được qui định bởi cơ quan quản lý dịch vụ dẫn đường không gian bằng sóng vô tuyến (Aeronautical Radio Navigation Service) và không có tín hiệu nào khác trong dải tần này

Tín hiệu điện áp tương tự được hình thành khi thu được tín hiệu GPS và nhiễu nhiệt

là rất yếu và có tần số rất cao đối với hầu hết các bộ chuyển đổi tương tự số (Anolog to Digital converters - ADCs) Đây chính là một trở ngại của việc thiết kế máy thu và để giải quyết điều đó thì phần cao tần sẽ phải sử dụng kết hợp các bộ khuếch đại, trộn tần, lọc và các bộ tạo dao động nội nhằm biến đổi tín hiệu điện nhận được từ anten để có thể xử lý được và chuyển sang tín hiệu số

PThermal Noise = k.T.B (3.1)