thiết kế bộ thu mềm cho các hệ thống dẫn đường sử dụng vệ tinh tiên tiến

THIẾT KẾ BỘ THU MỀM
CHO CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG
SỬ DỤNG VỆ TINH TIÊN TIẾN
TẠ HẢI TÙNG
Bộ môn Truyền thông và Mạng máy tính
Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông
(Software Receiver Design for
Modern Global Navigation Satellite Systems)
Nội dung trình bày
•  Tổng quan về công nghệ GNSS
•  Các hệ thống GNSS tiên tiến
•  Bộ thu mềm GNSS
•  Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến
•  Các kết quả ban đầu trong việc phát triển
bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo
•  Một số gợi ý về hướng nghiên cứu trong
lĩnh vực GNSS
2
Tổng quan về công nghệ GNSS
3
Where am I? How do I get to my destination? These questions are as old
as the history of mankind.
Thời đồ đá
Thời định vị theo thiên văn
LORAN
GNSS
Thời định vị theo sóng radio
Tổng quan về công nghệ GNSS
4
(x,y,z)
•  Sử dụng vệ tinh để truyền sóng radio định vị

•  Số vệ tinh tối thiểu: 3
Tổng quan về công nghệ GNSS
Cách xác định khoảng cách
5
d = c ×
τ
d: khoảng cách
c: vận tốc ánh sáng : trễ truyền lan
τ
τ
= t
A
S
− t
A
u
Truyền xung A, tại thời điểm
t
A
S
X/đ thời điểm xung A đến Rx
t
A
u
Ẩn số thứ 4 => Cần thêm 1
vệ tinh
Tổng quan về công nghệ GNSS
Xung định vị
•  Mã trải phổ, giả ngẫu nhiên:
–  Tính chất: Hàm tự tương quan ~ 1, tương quan chéo ~ 0

–  Họ mã: M-sequence, Gold code, and Kasami code, Memory
code…
–  Mỗi mã được gán duy nhất với 1 vệ tinh
–  Ví du: GPS L1 C/A
•  Chu kỳ mã: 1 ms; Độ dài mã: 1023 chip; Tốc độ truyền mã:
1.023Mcps; Độ phân giải: ~ 1 µs (293m)
•  Sóng mang
–  Tính chất: tần số dao động rất lớn (L1:1.575 GHz) => độ
phân giải nhỏ (0.6ns hoặc 1.9m)=> độ chính xác rất cao
(mm, cm, dm…)
–  Đòi hỏi thuật toán xác định số nguyên chu kỳ phức tạp
(integer ambiguity)
6
Tổng quan về công nghệ GNSS
Tính toán PVT
•  Giải hệ phương trình phi tuyến 4 ẩn số
(x,y,z,δt
u
)
•  Phương pháp giải:
–  Tuyến tính hóa bằng khai triển Taylor
–  Sử dụng thuật toán Least Mean Square để
giải phương trình tuyến tính
7
Tổng quan về công nghệ GNSS
Các nguồn gây lỗi (1/2)
•  Geometric Dilution Of Precision (GDOP):
ảnh hưởng bởi yếu tố hình học đến chất
lượng định vị:
8

Tổng quan về công nghệ GNSS
Các nguồn gây lỗi (2/2)
9
Tổng quan về công nghệ GNSS
Các ứng dụng của GNSS
•  Thông dụng:
–  Dẫn đường cho phương tiện giao thông
–  Giám sát hành trình
–  Lưu vết đối tượng
–  Dịch vụ hướng vị trí (Location Based Services - LBS)
•  Chuyên sâu:
–  Trắc địa, bản đồ
–  Giám sát môi trường
–  Nghiên cứu về tầng khí quyển
–  Phương tiện tự hành
–  Đồng bộ thời gian trong các hệ thống viễn thông, giao
dịch điện tử
10
Nội dung trình bày
•  Tổng quan về công nghệ GNSS
•  Các hệ thống GNSS tiên tiến
•  Bộ thu mềm GNSS
•  Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến
•  Các kết quả ban đầu trong việc phát triển
bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo
•  Một số gợi ý về hướng nghiên cứu trong
lĩnh vực GNSS
11
Các hệ thống GNSS tiên tiến
Kiến trúc chung (1/2)

Các thành phần: Chức năng:
12
Các hệ thống GNSS tiên tiến
Kiến trúc chung (2/2)
13
Hệ thống GPS (1/2)
•  Mốc thời gian:
–  1978: Vệ tinh đầu tiên được phóng lên quỹ đạo
–  1983: Hệ thống phục vụ dân dụng
–  2000: Nhiễu SA bị loại bỏ
–  2000: GPS-III được công bố
•  Phần không gian:
–  2008: 31 vệ tinh tại độ cao 20.200km trên 3 mặt phẳng
quỹ đạo
–  8 vệ tinh xuất hiện đồng thời tại mọi thời điểm
•  Phần điều khiển:
–  1 trạm điều khiển trung tâm (+ 1 dự phòng)
–  4 trạm ăng-ten mặt đất
–  4 trạm giám sát
14
Hệ thống GPS (2/2)
•  Tín hiệu:
–  Tín hiệu “legacy”:
•  Dân dụng: L1 C/A
•  Quốc phòng: L2 P(Y)
–  Tín hiệu mới:
•  Dân dụng: L1C, L2C, L5 (Safety of Life)
•  Quốc phòng: M code
15
Hệ thống Galileo (1/2)

•  Mốc thời gian:
–  2003: Chương trình Galileo được EU thông qua, dự
kiến hệ thống hoạt động 2010
–  2004: Kết thúc đàm phán cấu trúc tín hiệu với Mỹ
–  2004: Phóng 2 vệ tinh thử nghiệm GioveA & B
–  2009: Quyết định giảm số vệ tinh từ xuống 22. Giá
thành: 22 tỷ EUR so với dự kiến 7.7 ban đầu. Hệ
thống dự kiến hoạt động 2014(???)
•  Đặc điểm so sánh với GPS:
–  Phát thông tin về độ tin cậy
–  Hệ thống dân dụng (???)
16
Hệ thống Galileo (2/2)
•  Không gian:
–  30 vệ tinh trên 3 mặt phẳng quỹ đạo tại độ cao
23.222 km
•  Dịch vụ:
–  Open Service: miễn phí, độ chính xác 1m
–  Commercial: độ chính xác cm
–  Safety of life: dịch vụ được bảo đảm
–  Public Regulated Navigation (Encrypted): phục vụ
cho cơ quan chính phủ, quân đội
–  Search And Rescue: truyền thông 2 chiều phục vụ
tìm kiếm, cứu hộ
•  Tín hiệu:
–  E1, E5(E5a/E5B), E6
17
Hệ thống GLONASS (1/2)
•  Mốc thời gian:
–  1976: Hệ thống được phát triển

–  1995: Hệ thống hoàn thiện, nhưng không có đủ
kinh phí duy trì hoạt động
–  2001: Chương trình khôi phục GLONASS bắt
đầu
–  2007: gỡ bỏ các ràng buộc với người sử dụng
dân dụng.
–  12/2010: lần phóng 3 vệ tinh cuối cùng thất bại
=> lùi thời hạn hoàn thành đến 2011
18
Hệ thống GLONASS (2/2)
•  Đặc điểm:
–  24 vệ tinh trên 3 quỹ đạo ở độ cao 19,100km
–  Tín hiệu “legacy”:
•  Sử dụng công nghệ FDMA
•  L1: cho dịch vụ dân dụng
•  L2: cho dịch vụ quốc phòng
–  Tín hiệu mới:
•  Sử dụng công nghệ CDMA
•  Bổ sung thêm tín hiệu dân dụng tại các tần số L1,
L2, L3, L5
19
Hệ thống Beidou (1/2)
•  Mốc thời gian:
–  2000 - 2003: Hệ thống thử nghiệm với 3 vệ tinh
–  2012: Hệ thống Beidou khu vực bao phủ lãnh thổ
Trung Quốc
–  2020: Hệ thống toàn cầu Beidou đi vào sử dụng
•  Đặc điểm:
–  Độ chính xác: vị trí: 10 m; thời gian: 0.2 ns; và
vận tốc: 0.2 meter/second.

–  Hệ thống hoàn thiện sẽ bao gồm 35 vệ tinh
20
Hệ thống Beidou (2/2)
21
Các tín hiệu GNSS
22
Nội dung trình bày
•  Tổng quan về công nghệ GNSS
•  Các hệ thống GNSS tiên tiến
•  Bộ thu mềm GNSS
•  Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến
•  Các kết quả ban đầu trong việc phát triển
bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo
•  Một số gợi ý về hướng nghiên cứu trong
lĩnh vực GNSS
23
Bộ thu mềm GNSS
Kiến trúc bộ thu
24
Analog Hardware
Digital Hardware Software
Bộ thu truyền cứng ASIC
Analog Hardware
Software Software
Bộ thu mềm
Bộ thu mềm GNSS
•  Phần front-end
25