Một số kỹ thuật giảm nhiễu đa đường và hạn chế sai lệch đồng bộ cho tín hiệu định vị điều chế dạng BOC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.41 MB, 131 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM VIỆT HƢNG
MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU ĐA ĐƢỜNG
VÀ HẠN CHẾ SAI LỆCH ĐỒNG BỘ CHO TÍN HIỆU ĐỊNH VỊ
ĐIỀU CHẾ DẠNG BOC
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Hà Nội – 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
PHẠM VIỆT HƢNG
MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU ĐA ĐƢỜNG
VÀ HẠN CHẾ SAI LỆCH ĐỒNG BỘ CHO TÍN HIỆU ĐỊNH VỊ
ĐIỀU CHẾ DẠNG BOC
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 62520208
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. NGUYỄN VĂN KHANG
Hà Nội – 2015
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành
quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất
hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.
Tác giả luận án
Phạm Việt Hưng
Giáo viên hướng dẫn khoa học
PGS.TS. Nguyễn Văn Khang
ii
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn kính trọng và sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Văn
Khang đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu sinh. Thầy đã
dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án. Tôi cũng
xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS. TS. Đào Ngọc Chiến, người đã theo sát, chỉ
bảo và hỗ trợ rất nhiều cho tôi trong suốt những năm tháng học tập, nghiên cứu.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào
tạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông và Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật máy tính đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân
thành cảm ơn các Giảng viên và cán bộ Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật máy tính, Viện Điện tử
Viễn thông đã hỗ trợ, tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn ban Giám đốc trung tâm NAVIS đã hỗ trợ, tạo điều kiện tối
đa về cơ sở vật chất và chuyên môn trong thời gian làm luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Ban Chủ
nhiệm khoa Điện – Điện tử, bộ môn Điện tử Viễn thông đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất
cho tác giả được tập trung nghiên cứu tại Hà Nội trong suốt thời gian qua. Xin chân thành
cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp, nhóm NCS – Viện Điện tử
Viễn thông.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, vợ và các con đã luôn động viên,
giúp đỡ và hy sinh rất nhiều trong thời gian vừa qua. Đây chính là động lực to lớn để tôi vượt
qua khó khăn và hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án
Phạm Việt Hưng
iii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU viii
DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv
MỞ ĐẦU 1
1. Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh và ảnh hưởng nhiễu đa đường 1
2. Những vấn đề còn tồn tại 3
3. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 4
4. Cấu trúc nội dung của luận án 5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH 6
1.1. Giới thiệu chương 6
1.2. Hệ thống GNSS 6
1.3. Bộ thu trong hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 7
1.3.1. Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu GNSS 7
1.3.2. Khái niệm về bộ thu mềm GNSS 10
1.4. Tín hiệu định vị vệ tinh 11
1.4.1. Sơ lược về tín hiệu GPS C/A 11
1.4.2. Điều chế BOC 12
1.4.3. Kế hoạch triển khai tín hiệu định vị trong các hệ thống GNSS 18
1.5. Các nguồn gây lỗi trong hệ thống GNSS 20
1.5.1. Sai số do vệ tinh GNSS 20
1.5.2. Sai số trong quá trình truyền sóng tín hiệu 21
1.5.3. Sai số do bộ thu GNSS 22
iv
1.5.4. Sai số do đa đường 22
1.6. Kết luận chương 23
CHƯƠNG 2 ĐỒNG BỘ MÃ TRONG BỘ THU GNSS 24
2.1. Giới thiệu chương 24
2.2. Cấu trúc của DLL 24
2.2.1. Cấu trúc tổng quát của DLL 24
2.2.2. Bộ so pha mã trong DLL 26
2.3. Những tác động gây sai số trong DLL 31
2.3.1. Điều kiện biên dưới Cramer – Rao của độ chính xác bám mã 31
2.3.2. Sai số do tạp âm nhiệt 33
2.3.3. Sai số do tín hiệu đa đường 36
2.3.4. Hiện tượng nhầm lẫn trong bám mã tín hiệu điều chế BOC 39
2.4. Kết luận chương 41
CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC ĐA TƯƠNG QUAN VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU
NĂNG BÁM MÃ 43
3.1 Giới thiệu chương 43
3.2 Các giải pháp giảm nhiễu đa đường và tiêu chí đánh giá 43
3.2.1. Các giải pháp giảm nhiễu đa đường 43
3.2.2. Các tiêu chí đánh giá tác động của hiện tượng đa đường 46
3.3 Cấu trúc bộ tương quan kép (DDC) 50
3.4 Điều chỉnh đáp ứng bộ so pha của cấu trúc DDC 53
3.4.1. Tín hiệu đa đường đồng pha 53
3.4.2. Tín hiệu đa đường ngược pha 55
3.4.3. Cơ chế xác định pha của tín hiệu đa đường 58
3.4.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng giảm nhiễu đa đường 58
3.5 Cấu trúc có nhiều bộ tương quan (MGD) 59
3.5.1. Cấu trúc MGD và những vấn đề tồn tại 59
3.5.2. Cấu trúc MGD với 7 bộ tương quan 60
3.6 Kết luận chương 70
v
CHƯƠNG 4 CẢI THIỆN HIỆU NĂNG BÁM MÃ VỚI TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ BOC
CHO MẠCH VÒNG KHÓA TRỄ 71
4.1. Giới thiệu chương 71
4.2. Các giải pháp bám mã chính xác cho tín hiệu BOC 71
4.3. Giải pháp cho tín hiệu ở dạng điều chế BOCc(n,n) 73
4.3.1. Đề xuất giải pháp 73
4.3.2. Ảnh hưởng của băng thông bộ lọc RF 77
4.3.3. Đáp ứng bộ so pha 79
4.3.4. Ảnh hưởng của tín hiệu đa đường 82
4.4. Giải pháp cho tín hiệu dạng điều chế BOCs(n,n) và BOCc(n,n). 85
4.4.1. Toán tử Teager – Kaiser và ứng dụng trong xử lý tín hiệu GNSS 85
4.4.2. Thiết lập hàm tương quan tổng hợp 87
4.4.3. Mô phỏng, đánh giá hiệu năng giảm ảnh hưởng đa đường 91
4.4.4. Mở rộng cấu trúc để nâng cao hiệu quả giảm nhiễu đa đường 92
4.5. Giải pháp dựa trên thay đổi kết hợp các hàm tương quan phụ 96
4.5.1. Đặc điểm của tín hiệu BOCs(2n,n) 96
4.5.2. Đề xuất giải pháp 97
4.5.3. Cấu trúc triển khai giải pháp 99
4.5.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá 101
4.6. Kết luận chương 104
KẾT LUẬN 106
Đóng góp khoa học của luận án 106
Hướng phát triển của luận án 106
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO 108
vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACF
Auto-correlation Function
Hàm tự tương quan
ADC
Analog -Digital Converter
Bộ chuyển đổi Tương tự - số
AltBOC
Alternative BOC
BOC luân phiên
APME
A Posteriori Multipath Estimation
Ước lượng đa đường hậu nghiệm
ASIC
Application Specific Intergrated
Circuit
Vi mạch tích hợp chuyên dụng
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Tạp âm cộng trắng chuẩn
BER
Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bit
BOC
Binary Offset Carrier
Sóng mang dịch nhị phân
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
C/A
Coarse/Acquisition
Mã C/A
CBOC
Composite BOC
Sóng mang dịch nhị phân tổ hợp
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CF
Correlation Function
Hàm tương quan
CRLB
Cramer – Rao Lower Bound
Điều kiện biên dưới Cramer - Rao
DDC
Double Delta Correlator
Bộ tương quan kép
DGPS
Differential Global Positioning
System
Hệ thống định vị toàn cầu vi sai
DLL
Delay Lock Loop
Mạch vòng khóa trễ
DP
Dot Product
Bộ so pha dạng tích
EML
Early Minus Late
Bộ so pha dạng hiệu 2 tương quan
EMLP
Early Minus Late Power
Bộ so pha dạng hiệu bình phương 2
tương quan
FDMA
Frequency Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo tần số
FFT
Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier nhanh
FLL
Frequency Lock Loop
Mạch vòng khóa tần số
GLONASS
Global Orbiting Navigation
Satellite System
Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh của
Nga
GNSS
Global Navigation Satellite System
Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu
GPS
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
HRC
High Resolution Correlator
Bộ tương quan phân giải cao
IF
Intermediate Frequency
Trung tần
vii
IRNSS
Indian Regional Navigation
Satellite System
Hệ thống vệ tinh định vị khu vực Ấn
Độ
ITU
International Telecommunication
Union
Hiệp hội viễn thông quốc tế
LNA
Low Noise Amplifier
Bộ khuếch đại tạp âm thấp
LOS
Line Of Sight
Tín hiệu truyền thẳng
MBOC
Multiplex BOC
Sóng mang dịch nhị phân phức hợp
MEDLL
Multipath Estimating Delay Lock
Loop
Vòng khóa trễ ước lượng đa đường
MEE
Multipath Error Envelope
Đường bao lỗi đa đường
MEO
Medium Earth Orbit
Quỹ đạo tầm trung
MET
Multipath Elimination Technique
Kỹ thuật loại trừ đa đường
MGD
Multi-Gate Delay
Trễ đa tầng (đa tương quan)
ML
Maximum Likelihood
Hợp lý cực đại
MMT
Multipath Mitigation Technology
Công nghệ giảm ảnh hưởng đa đường
MP
Multipath
Tín hiệu đa đường
NC
Narrow Correlator
Bộ tương quan hẹp
NCO
Numerical Controlled Osillator
Bộ dao động điều khiển bằng số
NRZ
Non Return Zero
Không quay trở về không
PAC
Pulse Aperture Correlator
Bộ tương quan PAC
PLL
Phase Lock Loop
Vòng khóa pha
PRN
Pseudo Random Noise
Tạp âm giả ngẫu nhiên
PSD
Power Spectral Density
Mật độ phổ công suất
PVT
Position, Velocity, Time
Vị trí, tốc độ, thời gian
QZSS
Quasi-Zenith Satellite System
Hệ thống vệ tinh định vị của Nhật Bản
RAE
Running Average Error
Lỗi trung bình chạy
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RMS
Root Mean Square
Căn quân phương
SBME
Slope-Based Multipath Estimator
Bộ ước lượng đa đường dựa trên độ dốc
SDR
Software Defined Radio
Vô tuyến điều khiển bằng phần mềm
TEC
Total Electron Content
Tổng lượng điện tử
TK
Teager – Kaiser
Toán tử Teager - Kaiser
TMBOC
Time multiplex BOC
BOC phức hợp theo thời gian
TTFF
Time To First Fix
Thời gian để xác định vị trí lần đầu
VC
Vision Correlator
Bộ tương quan Vision
viii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
Tần số sóng mang
Tần số sóng mang
Tần số sóng mang
Hàm tự tương quan
R
Hàm tương quan giữa tín hiệu tạo ra ở bộ thu và đầu ra bộ lọc RF của tín hiệu
thu được
c
f
Tốc độ mã giả ngẫu nhiên PRN
c
T
Chu kỳ của mã giả ngẫu nhiên
sc
f
Tần số sóng mang con
ref
f
Tần số tham chiếu
1.023
ref
f MHz
0
f
Tần số cơ bản
0
10.23f MHz
Độ lệch giữa mã PRN tạo ra ở bộ thu và mã PRN trong tín hiệu thu được
B
N
Bậc của tín hiệu điều chế
m
Tỉ số giữa tần số sóng mang con và tần số tham chiếu
n
Tỉ số giữa tốc độ mã PRN và tần số tham chiếu
()ct
Mã PRN dạng NRZ
()dt
Dữ liệu dạng NRZ của bản tin dẫn đường
D
f
Độ dịch tần Doppler
I
Giá trị tương quan kênh đồng pha
Q
Giá trị tương quan kênh vuông pha
()nt
Tạp âm nhiệt ở đầu vào anten bộ thu (được giả sử là dạng AWGN)
0
N
PSD của tạp âm nhiệt
I
n
Tạp âm tương quan đồng pha
Q
n
Tạp âm tương quan vuông pha
()ht
Đáp ứng xung của bộ lọc
()Hf
Đáp ứng tần số của bộ lọc
ix
RMS
Băng thông RMS
()Gf
Mật độ phổ công suất
()Sf
Phổ biên độ của tín hiệu
()st
Tín hiệu phát từ vệ tinh định vị
()rt
Tín hiệu nhận được ở bộ thu
I
T
Thời gian tính tương quan (integation time)
ssc
Hệ số phân tách phổ giữa 2 tín hiệu định vị
B
Băng thông một phía của bộ lọc RF
L
B
Băng thông một phía của bộ lọc mạch vòng
LB
Độ lệch chuẩn của biên dưới Cramer – Rao của độ chính xác bám tín hiệu
( / )tri x y
Hàm tam giác có độ rộng
2 y
, đỉnh tại
0x
và biên độ bằng 1
Độ dốc của đỉnh chính hàm tự tương quan của mã PRN
P
Công suất của tín hiệu định vị thu được
w
Độ rộng một phía của đỉnh chính hàm tự tương quan
Khoảng lệch sớm – muộn giữa tương quan Sớm và bộ tương quan Muộn trong
DLL
0
/CN
Tỉ số PSD sóng mang trên tạp âm
DLL
h
Đáp ứng xung của bộ lọc DLL
DLL
H
Hàm truyền của bộ lọc DLL
()E
Đầu ra sớm của bộ tương quan
()L
Đầu ra trễ của bộ tương quan
()D
Đáp ứng của bộ so pha
()P
Đầu ra đúng của bộ tương quan
Hàm ra của toán tử Teager - Kaiser
x
DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Cu trúc ca b thu GNSS tiêu biu. 7
Hình 1.2. khi thut toán tìm kim song song theo pha mã [15] 8
Hình 1.3. Cu trúc tng quát ca b thu cng, b thu mm SDR và b thu mm lý
ng 10
Hình 1.4. Hàm ACF ca tín hiu GPS C/A (trái) và phóng to trong khong
(phi)[15] 12
Hình 1.5. Dng sóng ca sóng mang con ca tín hiu BOC pha sin (trái) và BOC
pha cosin (phi) ng vi N
B
=2 (trên) và N
B
=4 i). 13
Hình 1.6. M ph công sut ca tín hiu BPSK, và 14
Hình 1.7. a hàm ACF (phi) ca các tín hiu
nh v u ch dng BPSK, , và khi
b ln 16
Hình 1.8. Hàm ACF ca các tín hi nh v u ch dng BPSK (trái) và
(phi) vi các giá tr khác nhau c lc RF. 16
Hình 1.9. a tín hiu BPSK, và 18
Hình 1.10. Phân b tn s và tín hiu ca các h thng GPS và Galileo 19
Hình 2.1. ca khi bám tín hiu trong b thu GNSS [15]. 25
Hình 2.2. ng ca các dng b so pha khác nhau vi tín hiu GPS C/A
(BPSK)(trái) vi và tín hiu (phi) vi
27
Hình 2.3. ng ca b so pha dng EMLP vi các khong lch sm mun
khác nhau vi tín hiu BPSK (trái) và tín hiu (phi). 28
Hình 2.4. ng ca b so pha dng DP vi các khong lch sm mun khác
nhau vi tín hiu BPSK (trái) và tín hiu (phi). 28
Hình 2.5. ng ca b so pha dng EMLP(trái) và dng DP (phi) có
vi tín hiu và tín hiu BPSK 30
Hình 2.6. ng ca các dng b so pha EMLP v lc RF
khác nhau vi tín hiu BPSK (trái) và tín hiu (phi) vi
30
Hình 2.7. u kin CRLB cho các tín hiu BPSK, và vi các
giá tr khác nhau c lc RF. 33
Hình 2.8. Li bám mã do tp âm nhit vi các dng khác nhau ca b so pha cho
tín hiu BPSK, và tín hiu vi (Trái)
và
(phi). 35
xi
Hình 2.9. Truyn sóng t v tinh GNSS ti b
ng 36
Hình 2.10. Hàm ACF ca tín hiu khi có s tham gia cng
c pha (ph
1
tr
1
=0.3chip 38
Hình 2.11. a tín hiu BPSK vi (trái) và
(phi ca các hàm ACF 40
Hình 2.12. ng ca b so pha dng EMLP có
cùng ln ca b lc RF vi (Trái) và (phi) và
m khóa ph. 41
Hình 3.1. MEE cho tín hiu (trái) và tín hiu BPSK (phi) vi b so pha
EMLP có v lc RF khác nhau 47
Hình 3.2. MEE cho tín hiu BOCs(1,1) (trái) và tín hiu BPSK (phi) vi b so pha
EMLP có v lc RF khác nhau 48
Hình 3.3. MEE cho tín hiu vi b so pha EML có
(trái) và
(phi) v lc RF khác nhau 48
Hình 3.4. RAE vi cu trúc EMLP NC có
(trái) và
(phi)
cho tín hiu 49
Hình 3.5. Cu trúc DLL gic vi gii pháp DDC khi hong vi tín hiu
50
Hình 3.6. ng b so pha DDC dng EML cho tín hiu vi
và các giá tr khác nhau c lc RF 51
Hình 3.7. ng b so pha DDC dng EML cho tín hiu v
thông vô hn ca b lc RF và các giá tr khác nhau ca 51
Hình 3.8. ng bao MEE vi gii pháp DDC và NC có
cho tín hiu
BPSK (phi) và (trái) vi các giá tr lc RF
khác nhau. 52
Hình 3.9. u ra b so pha cu trúc DDC (=0.2chip,
1
=0.5,
1
=02chip) cho tín
hiu khi có thành phc
i) vi tín hiu LOS. 53
Hình 3.10. Dng hình hc ca các hàm CF khi thành phng pha vi thành
phn tín hiu LOS 54
Hình 3.11. Dng hình hc ca các hàm CF khi thành phc pha vi thành
phn tín hiu LOS 56
Hình 3.12. th MEE cho tín hiu vi cu trúc EML DDC và EML DDC
u chnh vi
1
=0.2chip (trái) và
1
=0.3chip (phi) 59
Hình 3.13. khi c xut 61
xii
Hình 3.14. ng b so pha EMLP cu trúc NC, DDC và MGD vi
1
=0.2chip 63
Hình 3.15. ng ca 3 b so pha dng NC EMLP ng vi 3 c
quan trong cu trúc MGD vi
1
=0.1chip (trái) và
1
=0.2chip (phi) 64
Hình 3.16. Hàm ACF và v m ng vi giá tr u ra ca 3 c
trong cu trúc MGD vi
1
=0.1chip (trái) và
1
=0.2chip (phi) 64
Hình 3.17. ng b so pha ca cu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1 2 3
0.2 ; , 0.5; 0.6
chip a a
(trái) và
1 2 3
0.25 ; , 0.7; 0.8
chip a a
(phi) 66
Hình 3.18. ng b so pha ca cu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1 2 3
0.3 ; , 0.5; 0.6
chip a a
(trái) và
1 2 3
0.35 ; , 0.3; 0.6
chip a a
(phi) 66
Hình 3.19. ng b so pha ca cu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1 2 3
0.4 ; , 0.9; 0.1
chip a a
(trái) và
1 2 3
0.45 ; , 0.7; 0.3
chip a a
(phi) 66
Hình 3.20. Minh ha min bao ph ca li bám mã vi cu trúc MGD có
1 2 3
0.2 ; , 0.5; 0.6
chip a a
67
Hình 3.21. MEE ca cu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1 2 3
0.2 ; , 0.5; 0.6
chip a a
(trái) và
1 2 3
0.25 ; , 0.5;0.4chip a a
(phi) 69
Hình 3.22. MEE ca cu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1 2 3
0.3 ; , 0.4;1
chip a a
(trái) và
1 2 3
0.35 ; , 0.2;0.7
chip a a
(phi) 69
Hình 3.23. MEE ca cu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1 2 3
0.4 ; , 0.1; 0.8
chip a a
(trái) và
1 2 3
0.45 ; , 0; 0.3
chip a a
(phi) 70
Hình 4.1. i) ca tín hiu BPSK và
tín hiu 74
Hình 4.2. PRN ca tín hiu và tín
hiu . 75
Hình 4.3. PRN và hàm ACF ca tín hiu và
hiu c 76
Hình 4.4. PRN và hàm ACF ca tín hiu BOCc(n,n) và hàm
ng h xut. 76
Hình 4.5. xut và các hàm ACF, AsPECT và SCPC vi tín hiu
khi b qua ng b lc RF. 77
Hình 4.6. PRN cho tín hiu vi
các giá tr khác nhau c lc RF. 77
Hình 4.7. ng hc phóng to (phi) vi các giá tr
khác nhau c lc RF. 78
Hình 4.8. ng hp vi (trái) và (phi)
vi các giá tr c phóng to theo chi i) 79
xiii
Hình 4.9. ng b so pha có vi (trên) và
i) ca cu trúc EMLP NC và c xut có 80
Hình 4.10. m khóa ph c phóng to (phi) c
ng b so pha ca c xut vi các giá tr khác nhau và vi
. 81
Hình 4.11. Cu trúc DLL theo gi xut 81
Hình 4.12. ng bao MEE (trái) và RAE (phi) ca c xut, EMLP NC,
AsPECT, SCPC và b so pha có (trên) và i)
cho tín hiu . 82
Hình 4.13. ng bao MEE ca c xut và cu trúc EMLP NC có
cho tín hiu và tín hiu BPSK vi các giá tr
và vi 83
Hình 4.14. ng bao RAE ca c xut và cu trúc EMLP NC có
cho tín hiu và tín hiu BPSK vi các giá tr
và vi 84
Hình 4.15. u ra b TK vi các tín hiu (trái) và
(phi) vn ca b lc RF và không có
thành phng. 86
Hình 4.16. u ra b TK vi các tín hiu (trái) và
(phi) vn ca b lc RF khi có tín hiu
ng vi tr 86
Hình 4.17. i) ca tín hiu BPSK và
tín hiu 87
Hình 4.18. --PRN (phi)
ca tín hiu và tín hiu . 87
Hình 4.19.
s1
-PRN CF vi
các tín hiu (trái) và (phi) v
hn ca b lc RF 88
Hình 4.20. gic khi thc hin xây dng hp
R
s2
() 89
Hình 4.21.
s2
()
vi các giá tr khác nhau và hàm ACF vi các
tín hiu (trái) và (phi) vn
ca b lc RF 90
Hình 4.22. ng b so pha EMLP có cho R
s2
() vi , cho ACF
và AsPECT vi các tín hiu (trái) và (phi) vi
n ca b lc RF 90
xiv
Hình 4.23. MEE có cho R
s2
() vi , cho ACF vi các tín hiu
(trái) và (phi) vn ca b lc
RF 91
Hình 4.24. RAE có cho R
s2
() vi , cho ACF vi các tín hiu
) (trái) và (phi) vn ca b lc
RF 91
Hình 4.25.
s3
() vi các giá tr khác nhau và hàm ACF, AsPECT
vi các tín hiu (trái) và (phi) v
vô hn ca b lc RF 92
Hình 4.26.
s3
() vi các giá tr khác nhau và hàm ACF vi các
tín hiu (trái) và (phi) v
nhau 93
Hình 4.27. ng b so pha EMLP vi NC, AsPECT và R
s3
() cho các tín hiu
(trái) và (phi) vi b lc RF có 93
Hình 4.28. ng b so pha EMLP vi NC, AsPECT và R
s3
() cho các tín hiu
(trái) và (phi) vi b lc RF có . 94
Hình 4.29. Cu trúc mch vòng DLL thc hin vi hàm R
s3
() 94
Hình 4.30. MEE vi b so pha EMLP có cho R
s3
() vi và cho ACF vi
các tín hiu (trái) và (phi). 95
Hình 4.31. Dng sóng ca sóng mang con ca tín hiu . 96
Hình 4.32. i) ca các tín hiu BPSK,
và 97
Hình 4.33. ng b so pha EMLP NC có vi tín hiu 97
Hình 4.34. gia bn sóng mang con và tín hiu
98
Hình 4.35. Các hàm kt hp
()
j
sub
R
gia 4 sóng mang con và tín hiu 99
Hình 4.36. Cc gi t xut. 100
Hình 4.37. xut và các hàm ACF , SCPC và AsPECT
cho tín hiu khi b qua ng ca b lc RF. 101
Hình 4.38. ng b m khóa
i) vi
(trên), (gia ) và
i) vi tín hiu ca các gii pháp hàm
ACF, AsPECT, SCPC và gi xut 102
Hình 4.39. MEE (trái) và RAE (phi) ca các gii pháp:hàm ACF, AsPECT, SCPC và
xut cho tín hiu vi b so pha dng EMLP có
(trên),
(gia) và
i). 104
xv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bng 1.1 n ca tín hinh v trong h thng GPS 19
Bng 1.2 n ca các tín hiu trong h thng Galileo 20
Bng 2.1. Các dng thc khác nhau ca b so pha mã trong DLL[15] 26
Bng 3.1. Phân loi các gii pháp gim nhing theo s ng b
quan s dng trong b so pha ca mch vòng DLL 46
Bng 3.2. Các thông s thc hin mô phng 59
Bng 3.3. S ng t hp giá tr h s c t n th nht ca cu
trúc MGD 64
Bng 3.4. Các h s (a
2
, a
3
) ng vi
1
=0.2chip ca cu trúc MGD 65
Bng 3.5. Min bao ph [chip] cu trúc MGD có
1
=0.2chip và các h s c ti
tránh bám nhm 68
Bng 3.6. Giá tr t s ca cu trúc MGD và giá tr min bao ph [chip]
ng ca cu trúc MGD, DDC và NC 68
1
MỞ ĐẦU
1. Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh và ảnh hƣởng nhiễu đa đƣờng
Trong những năm gần đây, các ứng dụng liên quan đến các hệ thống định vị sử dụng vệ
tinh (GNSS) ngày càng phát triển rộng rãi. Các ứng dụng này liên quan đến rất nhiều lĩnh vực
trong cuộc sống dân sự cũng như lĩnh vực quân sự như: dẫn đường hàng hải, dẫn đường hàng
không, dẫn đường trên bộ, trắc địa bản đồ, giám sát môi trường, cảnh báo thiên tai,… [15,
62]. Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng này đều đang sử dụng một tín hiệu định vị dân sự duy
nhất là tín hiệu định vị dân sự GPS C/A của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) của Hoa Kỳ.
Điều này đặt ra những thách thức cả về mặt kỹ thuật cũng như mặt chính trị liên quan đến sự
lệ thuộc vào duy nhất một tín hiệu định vị do một tổ chức của một quốc gia cung cấp. Trước
thách thức đó cũng như trước nhu cầu không ngừng tăng lên đối với các hệ thống GNSS, các
chiến lược phát triển hệ thống GNSS đã được đặt ra và triển khai. Thứ nhất, các hệ thống định
vị toàn cầu hoặc hệ thống định vị khu vực sử dụng vệ tinh được các quốc gia trên thế giới xây
dựng và phát triển như: Hệ thống Galileo của EU [41], hệ thống Bắc đẩu (Beidou) của Trung
Quốc, hệ thống IRNSS của Ấn Độ, hệ thống QZSS của Nhật Bản. Thứ hai, hệ thống GPS
hiện tại (GPS thế hệ I) cũng được hiện đại hóa lên thế hệ II và III (GPS II và GPS III) [98] và
Liên bang Nga cũng khởi động lại chương trình GLONASS để thúc đẩy việc triển khai hệ
thống GNSS của riêng mình [79, 90]. Tiến trình triển khai mới và hiện đại hóa các hệ thống
GNSS này được thực hiện ở tất cả các phân hệ thành phần của hệ thống GNSS như: phân hệ
không gian, phân hệ điều khiển và phân hệ người dùng. Trong tiến trình đó, các vệ tinh của hệ
thống GNSS sẽ truyền phát nhiều tín hiệu định vị cùng một lúc. Việc cung cấp thêm các tín
hiệu định vị mới sẽ nâng cao tính ổn định, tính chính xác và tính bền vững cũng như khắc
phục những hạn chế của tín hiệu định vị dân sự duy nhất hiện nay.
Tuy nhiên, trong quá trình tín hiệu định vị lan truyền từ vệ tinh tới bộ thu GNSS, các tín
hiệu định vị phải chịu tác động của các tác nhân gây sai số như: sai số do tầng điện ly, sai số
do tầng đối lưu, sai số do hiện tượng truyền dẫn đa đường (gọi tắt là nhiễu đa đường). Những
sai số này đã tác động đáng kể đến hiệu năng hoạt động của bộ thu định vị [62]. Vì vậy, đã và
đang có nhiều giải pháp được nghiên cứu, đề xuất và áp dụng trong bộ thu định vị nhằm hạn
chế, loại bỏ các nguyên nhân gây sai số trên. Đối với sai số do tầng điện ly và sai số do tầng
đối lưu, các bộ thu định vị sẽ áp dụng kỹ thuật vi sai trong đó bộ thu định vị sẽ hiệu chỉnh vị
trí thông qua so sánh vị trí tính được của bộ thu với một vị trí chuẩn của trạm tham chiếu [75,
78, 104] hoặc sử dụng các bộ thu hai tần số [23, 82, 83, 91]. Nhưng với sai số nhiễu đa
đường, kỹ thuật vi sai không đem lại hiệu quả do tác động mang tính ngẫu nhiên, riêng biệt
tới từng bộ thu định vị của nhiễu đa đường. Với những lí do trên, sai số nhiễu đa đường tiếp
tục trở thành một loại sai số chính trong bộ thu và rất khó khắc phục một cách triệt để. Sai số
2
do nhiễu đa đường chỉ có thể giảm thiểu mà không thể triệt tiêu hoàn toàn trong các bộ thu
GNSS. Các nghiên cứu để tìm ra các giải pháp kỹ thuật xử lý tín hiệu tại bộ thu đối với sai số
do truyền dẫn đa đường được thực hiện theo nhiều hướng khác nhau. Về cơ bản, các giải pháp
đó có thể được chia thành ba hướng chủ yếu. Thứ nhất, các giải pháp được thực hiện ở phía
trước bộ thu, tại vùng cao tần của tín hiệu định vị. Các giải pháp này bao gồm việc thiết kế
anten của bộ thu định vị như anten Choke ring, hệ anten hay anten mảng. Thứ hai, các giải
pháp được thực hiện tại các khối xử lý tín hiệu trong bộ thu. Các giải pháp này bao gồm các
giải pháp dựa trên thay đổi cấu trúc vòng khóa pha (PLL), vòng khóa trễ (DLL); các giải pháp
sử dụng tín hiệu tái tạo ở bộ thu khác dạng với tín hiệu thu được để thực hiện quá trình đồng
bộ tín hiệu; các giải pháp sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến. Thứ ba, các giải pháp
được thực hiện sau quá trình xử lý tín hiệu – kỹ thuật hậu xử lý [77]. Trong các giải pháp trên,
các giải pháp theo xu hướng thứ hai, thực hiện tại khối xử lý tín hiệu của bộ thu, có nhiều ưu
điểm hơn so với hai xu hướng còn lại như: hiệu quả, dễ thực hiện và khối lượng tính toán
không lớn. Do đó, các giải pháp này đã và đang được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới tập
trung nghiên cứu.
Ban đầu, các giải pháp giảm nhiễu đa đường
tập trung áp dụng chủ yếu cho tín hiệu định
vị GPS C/A [17, 28, 29, 42, 43, 67, 74, 85, 92, 94, 99]. Do khi đó, các tín hiệu định vị mới
chưa được xây dựng, phát triển, nghiên cứu cũng như chưa chính thức được triển khai trong
các hệ thống GNSS. Các tín hiệu định vị mới xuất hiện cũng là lúc nảy sinh nhiều vấn đề về
kỹ thuật cần phải được giải quyết. Theo quy định phân bổ tần số, các hệ thống GNSS truyền
phát các tín hiệu định vị trên các tần số sóng mang ; ;
. Để tránh sự can nhiễu giữa các tín hiệu định vị mới với tín hiệu định vị
truyền thống (GPS C/A), sử dụng phương thức điều chế khóa dịch pha nhị phân (BPSK) hoặc
giữa các tín hiệu định vị mới sử dụng chung tần số sóng mang, phương thức điều chế mới,
điều chế sóng mang dịch nhị phân (BOC) được đề xuất áp dụng cho các tín hiệu định vị mới
[6, 8]. Các giải pháp giảm nhiễu đa đường ban đầu áp dụng cho tín hiệu định vị GPS C/A vẫn
có thể được áp dụng cho các tín hiệu định vị mới. Tuy nhiên, hiệu quả của các giải pháp này
có thể hơn hoặc kém so với áp dụng cho tín hiệu GPS C/A [54]. Ngoài ra, nhiều giải pháp
giảm nhiễu đa đường mới chỉ dành riêng cho các tín hiệu định vị mới cũng đã được đề xuất,
nghiên cứu, đánh giá và áp dụng. Bên cạnh những ưu điểm mà tín hiệu định vị mới có được
nhờ điều chế BOC, một nhược điểm mới cũng xuất hiện. Nếu ở tín hiệu định vị truyền thống,
hàm tự tương quan (ACF) lý tưởng của nó chỉ là dạng tam giác với một đỉnh tương quan thì
hàm ACF của các tín hiệu định vị mới lại xuất hiện nhiều đỉnh tương quan (gọi là đỉnh tương
quan phụ) bên cạnh đỉnh tương quan chính. Điều này dẫn đến nguy cơ đồng bộ nhầm vào các
đỉnh tương quan phụ. Việc đồng bộ nhầm này gây ra sai số trong quá trình đồng bộ dẫn đến
sai số trong quá trình định vị của bộ thu. Vì vậy, các giải pháp loại bỏ hoặc giảm thiểu nguy
cơ đồng bộ nhầm đã được nghiên cứu, triển khai và áp dụng cho các bộ thu định vị mới. Các
giải pháp này được thực hiện theo một số xu hướng chủ yếu:
3
Thay đổi cấu trúc của khối đồng bộ tín hiệu trong bộ thu định vị để nhận được một
hàm tương quan (CF) mới thay thế cho hàm ACF của tín hiệu BOC [18, 20, 32, 51,
58, 86, 106, 108, 109]. Hàm CF mới có đặc điểm không có các đỉnh phụ, chỉ còn lại
duy nhất một đỉnh chính. Việc tổng hợp để tạo ra hàm CF tổng hợp mới có thể được
thực hiện theo cách kết hợp tuyến tính hoặc phi tuyến giữa tín hiệu BOC thu được và
các tín hiệu phụ trợ được tạo ra ở bộ thu.
Sử dụng bộ lọc để tách tín hiệu BOC thu được thành hai tín hiệu BPSK với hàm ACF
chỉ có một đỉnh chính [40, 73]. Khi đó bộ thu định vị thực hiện quá trình xử lý tín hiệu
một cách riêng biệt với mỗi thành phần tín hiệu, dạng giống BPSK, của tín hiệu BOC
thu được.
2. Những vấn đề còn tồn tại
Do các ứng dụng sử dụng các dịch vụ được cung cấp bởi các hệ thống GNSS ngày càng
phát triển và đòi hỏi về chất lượng dịch vụ ngày càng cao nên những yêu cầu kỹ thuật đặt ra
cho các hệ thống GNSS cũng không ngừng tăng lên. Những giải pháp giảm nhiễu đa đường
ban đầu đưa ra dựa trên việc thu hẹp độ lệch giữa hai bộ tương quan Sớm và Muộn trong DLL
gọi là giải pháp bộ tương qua hẹp (NC) [29]. So với cấu trúc ban đầu, cấu trúc mới này đã thu
hẹp độ lệch giữa hai bộ tương quan sớm và muộn giảm bằng 1/10. Bên cạnh đó, một giải pháp
khác cũng được đề cập dựa trên việc thay đổi cấu trúc DLL đó là giải pháp bộ tương quan kép
(DDC) [54, 74]. Trong khi giải pháp truyền thống và giải pháp NC, khối DLL chỉ sử dụng ba
bộ tương quan (Sớm, Muộn và Đúng) thì trong giải pháp DDC, khối DLL sử dụng đến 05 bộ
tương quan, thêm một bộ tương quan Sớm và một bộ tương quan Muộn. Việc lựa chọn độ
lệch giữa các bộ tương quan ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng của cả khối DLL. Tuy nhiên,
dù giải pháp DDC là một trong những giải pháp tối ưu về giảm nhiễu đa đường thì hiệu quả
của giải pháp này đối với các tín hiệu đa đường có trễ ngắn (độ trễ nhỏ hơn tương
đương ) khi so sánh với tín hiệu truyền thẳng vẫn còn rất hạn chế, chưa được cải thiện
nhiều so với các giải pháp trước đó [54]. Bên cạnh đó, một giải pháp thay đổi cấu trúc DLL sử
dụng nhiều hơn 05 bộ tương quan cũng đã được đề xuất trong [26]. Tuy nhiên, do việc lựa
chọn các hệ số chưa được tối ưu nên hiệu quả giảm nhiễu đa đường của giải pháp này còn rất
hạn chế. Do đó, việc triển khai thực hiện giải pháp đa bộ tương quan để tăng hiệu quả giảm
nhiễu đa đường và tăng cường hiệu quả giảm nhiễu đa đường có trễ ngắn vẫn luôn là một đề
tài được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm.
Trong các giải pháp về tránh đồng bộ nhầm khi thực hiện thu các tín hiệu định vị mới
sử dụng phương thức điều chế BOC, xu hướng được thực hiện chủ yếu đó là thay thế các hàm
CF của tín hiệu BOC thu được và tín hiệu BOC tạo ra ở bộ thu bằng một hàm CF tổng hợp
mới [18, 19, 40, 59, 70, 73, 96]. Trong đó, các hàm CF tổng hợp mới có đặc điểm không còn
các đỉnh phụ hoặc công suất các đỉnh phụ bị suy giảm đáng kể. Tuy nhiên, các phương pháp
này tồn tại một số nhược điểm. Một là, tuy đạt được việc tránh đồng bộ nhầm vào các đỉnh
4
phụ nhưng lại làm cho độ rộng đỉnh chính của hàm CF tổng hợp tương đương với hàm ACF
của tín hiệu BPSK, tức là làm mất đi các đặc tính nhờ bề rộng đỉnh chính hẹp của tín hiệu
BOC như các giải pháp ở [40, 73]. Hai là, các giải pháp được đề xuất chỉ áp dụng tốt với một
dạng tín hiệu BOC như pha sin, khi áp dụng với các tín hiệu khác thì hiệu quả về
tránh đồng bộ nhầm không còn [59]. Ba là, giải pháp tránh đồng bộ nhầm cho các dạng điều
chế BOC khác vẫn chưa được đề xuất. Vì vậy, hướng nghiên cứu tìm ra các giải pháp tránh
đồng bộ nhầm và duy trì các ưu điểm của tín hiệu định vị dạng điều chế BOC cần được quan
tâm và phát triển.
3. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu cải tiến cấu trúc bộ tương quan kép (DDC) của khối bám đồng bộ tín hiệu
trong bộ thu định vị nhằm cải thiện hiệu năng giảm nhiễu đa đường của bộ DDC đối
với các tín hiệu đa đường có trễ ngắn. Đồng thời, đề xuất một cấu trúc bộ đa tương
quan (MGD) trong đó có tính toán tối ưu việc lựa chọn các hệ số nhằm cải thiện hiệu
năng giảm nhiễu đa đường.
Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp tránh đồng bộ nhầm khi thực hiện thu tín hiệu
định vị dạng điều chế BOC. Các giải pháp được đề xuất có hàm CF loại bỏ hoặc giảm
thiểu công suất của các đỉnh phụ, đồng thời duy trì được các ưu điểm của tín hiệu
điều chế BOC.
Các nội dung đề xuất nêu trên đều hướng tới một mục tiêu chung là khắc phục ảnh hưởng
nhiễu đa đường đối với hoạt động của bộ thu GNSS khi hoạt động đơn điểm.
Đối tượng nghiên cứu:
Cấu trúc và các đặc điểm của DLL trong bộ thu GNSS. Hiệu năng hoạt động của
DLL có ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của cả bộ thu GNSS.
Tập trung vào các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOC như
pha sin hoặc pha cosin và pha sin vì những ưu điểm của tín
hiệu này trong quá trình đồng bộ tín hiệu cũng như khả năng giảm nhiễu đa đường
của chính bản thân tín hiệu đó. Đây là những dạng điều chế tín hiệu được các hệ
thống GPS và Galileo sử dụng cho các tín hiệu định vị mới.
Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu đặc tính của các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOC
như: hàm tự tương quan của tín hiệu, hàm tương quan của tín hiệu BOC với mã giả
ngẫu nhiên PRN.
5
Phương pháp nghiên cứu:
Sử dụng công cụ mô phỏng Matlab/Simulink để xem xét ảnh hưởng của một tín hiệu
đa đường đến hiệu năng hoạt động của mạch vòng DLL. Việc đánh giá sai số do tín
hiệu đa đường gây ra được thực hiện thông qua tiêu chí đường bao lỗi đa đường và
sai số đó (gọi là sai số khoảng cách) được xem xét tại khối bám đồng bộ tín hiệu và
áp dụng cho tín hiệu định vị xuất phát từ mỗi vệ tinh riêng rẽ (link level).
4. Cấu trúc nội dung của luận án
Cấu trúc của luận án gồm có 04 chương. Phần giới thiệu về bộ thu của hệ thống định vị
sử dụng vệ tinh GNSS trình bày ở Chương 1. Chương 2 đi phân tích chi tiết về mạch vòng
DLL trong bộ thu GNSS. Toàn bộ đóng góp khoa học của luận án được trình bày ở các
Chương 3 và Chương 4. Cụ thể như sau:
Chương 1. Tổng quan hệ thống định vị sử dụng vệ tinh GNSS: Chương này giới thiệu
sơ lược về hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (gọi tắt là GNSS) và phân tích cấu trúc của bộ thu
GNSS. Các tín hiệu định vị, tập trung chủ yếu vào tín hiệu điều chế BOC, trong hệ thống
GNSS cũng là đối tượng được trình bày ở chương này. Cuối cùng các nguồn gây sai số đến hệ
thống GNSS được phân tích.
Chương 2. Đồng bộ mã trong bộ thu GNSS: Cấu trúc, nguyên lý làm việc vòng bám
mã DLL trong bộ thu GNSS được phân tích kỹ lưỡng ở chương này. Bên cạnh đó, các tác
nhân gây sai số cho hoạt động của DLL cũng được nghiên cứu như tạp âm nhiệt, nhiễu đa
đường và hiện tượng đồng bộ nhầm khi hoạt động với tín hiệu điều chế BOC.
Chương 3. Cấu trúc đa tương quan và giải pháp nâng cao hiệu năng bám mã: Hai
giải pháp giảm nhiễu đa đường dựa trên cấu trúc bộ đa tương quan áp dụng cho tín hiệu định
vị sử dụng điều chế được đề xuất, phân tích và đánh giá một cách chi tiết.
Chương 4. Cải thiện hiệu năng bám mã với tín hiệu điều chế BOC cho mạch vòng
khóa trễ: Chương 4 đề cập đến việc đề xuất một số giải pháp nhằm tránh nguy cơ bám nhầm
đỉnh tương quan khi thực hiện đồng bộ tín hiệu định vị dạng điều chế BOC. Phần đầu của
chương nghiên cứu, phân tích đề từ đó đề xuất giải pháp chống bám nhầm áp dụng cho tín
hiệu định vị dạng pha cosin. Phần sau của Chương 4 nghiên cứu đặc điểm của tín
hiệu định vị dạng pha sin để đề xuất một giải pháp chống bám nhầm.
6
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH
1.1. Giới thiệu chƣơng
Chương này giới thiệu tổng quát kiến trúc và các nguyên tắc cơ bản trong xử lý tín hiệu
của bộ thu hệ thống GNSS nói chung và đặc điểm của bộ thu mềm GNSS nói riêng. Tiếp
theo, đặc tính của các tín hiệu định vị trong hệ thống GNSS, tín hiệu định vị sử dụng phương
thức điều chế BOC phân tích chi tiết và là cơ sở để nghiên cứu và đưa ra các đề xuất sau này
của luận án. Các đặc tính được phân tích bao gồm: cấu trúc tín hiệu, đặc điểm của mật độ phổ
công suất, đặc tính hàm ACF của tín hiệu. Phần tiếp theo của chương phân tích sơ lược những
ảnh hưởng của các nguồn gây sai số khác nhau đến hiệu năng hoạt động của bộ thu GNSS.
1.2. Hệ thống GNSS
Hệ thống GNSS cung cấp thông tin về vị trí cho người sử dụng trên toàn cầu vào bất kỳ
thời điểm nào, bất kỳ ở vị trí nào trong mọi hoàn cảnh điều kiện thời tiết và cung cấp thông
tin vị trí đó một cách liên tục. Nguyên tắc hoạt động của GNSS dựa trên việc đo khoảng cách
giữa người sử dụng và các vệ tinh quỹ đạo tầm trung (MEO) có vị trí đã biết. Việc tính toán
khoảng cách này được thực hiện thông qua việc ước tính khoảng thời gian truyền sóng của tín
hiệu từ vệ tinh đến bộ thu GNSS. Trên cơ sở các khoảng cách từ bộ thu GNSS đến ít nhất 04
vệ tinh, bộ thu xác định được vị trí của nó dựa trên nguyên lý tam giác. Hệ thống GNSS phổ
biến nhất hiện nay là hệ thống định vị toàn cầu (GPS) được Bộ Quốc phòng Mỹ đưa vào sử
dụng từ năm 1973 với mục đích đầu tiên để phục vụ cho lĩnh vực quân sự. Bên cạnh đó, hệ
thống GLONASS của Liên bang Nga cũng đã được đưa vào sử dụng. Tuy nhiên, do những
khó khăn về kinh tế, việc triển khai hệ thống GLONASS đã bị tạm dừng một thời gian khá dài
và hiện nay đang được Chính phủ Nga tái khởi động. Ở châu Á, hệ thống GNSS của Trung
Quốc với tên gọi Bắc đẩu (Beidou) cũng đã bắt đầu cung cấp dịch vụ cho khu vực châu Á
Thái Bình Dương và đang có kế hoạch triển khai cung cấp dịch vụ toàn cầu vào năm 2020.
Tại châu Âu, hệ thống Galileo cũng đã và đang được triển khai. Hệ thống Galileo sẽ cung cấp
các dịch vụ dành cho dân sự trên phạm vi toàn cầu với độ chính xác được kỳ vọng sẽ rất cao,
không có sự hạn chế giống như hệ thống GPS. Đồng thời, Galileo cũng sẽ kết hợp với GPS và
GLONASS để cung cấp các dịch vụ đa hệ thống GNSS nhằm đảm bảo, tăng cường hơn nữa
chất lượng dịch vụ tới người sử dụng. Tuy nhiên, do những khó khăn vướng mắc về kinh tế,
hệ thống Galieo đã không được triển khai theo đúng kế hoạch. Hiện nay, hệ thống Galileo
mới chỉ có 04 vệ tinh ở trên quỹ đạo và đang ở trong giai đoạn thử nghiệm, kiểm tra quỹ đạo
[22].
7
1.3. Bộ thu trong hệ thống định vị sử dụng vệ tinh
1.3.1. Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu GNSS
Các chức năng của một bộ thu GNSS điển hình sẽ được phân tích chi tiết. Quá trình xử lý
tín hiệu trong bộ thu GNSS bắt đầu từ quá trình thu nhận tín hiệu định vị từ vệ tinh của khối
đầu cuối cao tần RF đến quá trình tính toán của khối xử lý bản tin dẫn đường. Hình 1.1 minh
họa sơ đồ khối của một bộ thu GNSS điển hình. Trong đó, khối đồng bộ tín hiệu bao gồm:
khối bắt đồng bộ tín hiệu và khối bám đồng bộ tín hiệu (sau đây gọi tắt là khối bắt tín hiệu và
khối bám tín hiệu) đóng vai trò rất quan trọng và là mục tiêu nghiên cứu chính trong luận án.
Đầu cuối
RF
Bắt tín
hiệu
Bám
mã PRN
Bám
sóng mang
Giải điều
chế dữ liệu
Tính toán
PVT
Anten
Xử lý tín
hiệu cao tần
Xử lý tín hiệu
trung tần
ADC
Số
liệu
định
vị
Xử lý tín bản tin
dẫn đƣờng
Hình 1.1. Cấu trúc của bộ thu GNSS tiêu biểu.
1.3.1.1. Đầu cuối RF
Khối đầu cuối cao tần thực hiện xử lý tín hiệu cao tần thu nhận được từ anten qua các quá
trình biến đổi để được tín hiệu số trung tần đưa đến khâu xử lý tín hiệu trung tần. Ngay sau
khi tín hiệu đi qua anten, tín hiệu định vị cao tần đi qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) để
thực hiện khuếch đại cũng như lọc tín hiệu nằm trong dải thông cho phép. Sau đó, tín hiệu cao
tần được lọc này được thực hiện hạ tần xuống tần số trung tần (IF). Tín hiệu trung tần ngay
sau đó được số hóa nhờ bộ ADC và đưa đến khâu xử lý trung tần thực hiện quá trình đồng bộ
tín hiệu để giải điều chế nhằm thu được bản tin dẫn đường.
1.3.1.2. Khối bắt tín hiệu
Quá trình bắt tín hiệu thực hiện việc tìm kiếm và ước lượng sơ bộ các thông số của các
tín hiệu định vị được phát từ các vệ tinh. Nói cách khác, quá trình bắt tín hiệu xác định những
vệ tinh nào được “nhìn thấy” bởi bộ thu GNSS. Các thông số cần phải ước lượng bao gồm:
tần số sóng mang và độ dịch của mã PRN. Tần số sóng mang của tín hiệu vệ tinh tới khối bắt
tín hiệu là trung tần. Tuy nhiên, do sự chuyển động của vệ tinh, tần số này bị dịch chuyển theo
hiệu ứng Doppler. Trong các hệ thống GNSS, độ dịch tần Doppler tối đa là
[97] hay
tần số sóng mang của tín hiệu định vị bị dịch tần tối đa quanh tần số danh định. Bộ
thu GNSS xác định tần số sóng mang nhờ việc thử các tần số khác nhau quanh tần số danh
định với mỗi bước thử là (như vậy có 41 tần số khác nhau). Sau khi trộn tần để loại bỏ
thành phần sóng mang trong tín hiệu thu được, quá trình bắt đồng bộ tín hiệu tiếp tục với việc
tìm ra độ dịch của mã PRN trong tín hiệu định vị thu được. Với mỗi tần số sóng mang, bộ thu
thực hiện xử lý với 1023 độ trễ mã PRN khác nhau. Sau khi tất cả các giá trị của tần số sóng
mang và trễ mã PRN đã được tính toán, bộ thu tìm giá trị cực đại tương quan giữa mã PRN ở
8
tín hiệu thu được và mã PRN tái tạo ở bộ thu. Vệ tinh được gọi là “nhìn thấy” nếu giá trị
tương quan này cao hơn một mức ngưỡng đã được thiết lập trước. Khi đó các thông số ước
lượng sơ bộ của vệ tinh là tần số và mã PRN tương ứng [62].
Kỹ thuật phổ biến và đơn giản nhất để thực hiện việc bắt tín hiệu là dựa trên biến đổi
Fourier (FFT) [97]. Tuy nhiên, khi triển khai trong thực tế, việc áp dụng FFT có thể được thực
hiện theo ba cách khác nhau: tìm kiếm nối tiếp, tìm kiếm song song theo miền tần số và tìm
kiếm song song theo miền trễ mã PRN. Với giải pháp tìm kiếm nối tiếp, bộ thu thực hiện tìm
kiếm với mỗi cặp tần số sóng mang và độ trễ mã PRN. Với số lượng trễ mã PRN có thể có là
1023 và độ dịch tần
với bước dịch tần , tổng số khả năng thực hiện tìm kiếm
là [15]:
10000
1023 2 1 1023 41 41943
500
Equation Chapter 1 Section 1(1.1)
Như vậy có thể thấy tuy việc tính toán đơn giản nhưng số lượng tính toán là tương đối lớn
nên làm chậm quá trình tìm kiếm đồng bộ. Đây chính là nhược điểm của giải pháp tìm kiếm
kiểu nối tiếp. Để khắc phục nhược điểm này, hai giải pháp tìm kiếm song song theo miền tần
số và song song theo miền trễ mã PRN được thực hiện. Giải pháp tìm kiếm song song miền
tần số chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số nhờ FFT. Nhờ vậy, trong giải pháp
này không gian tìm kiếm chỉ gồm bước tìm kiếm trễ mã PRN. Khác với giải pháp tìm
kiếm song song miền tần số, giải pháp tìm kiếm song song miền trễ mã PRN chỉ thực hiện tối
đa 41 bước tìm kiếm ứng với 41 khả năng về tần số sóng mang. Do đó, giải pháp này giúp cho
việc tìm kiếm nhanh hơn nhiều so với 2 giải pháp trước đó. Giải pháp tìm kiếm song song
theo pha mã đã được nghiên cứu trong [15] được minh họa ở Hình 1.2.
Hình 1.2. Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm song song theo pha mã [15]
1.3.1.3. Khối bám tín hiệu
Sau quá trình bắt tín hiệu định vị, các tín hiệu định vị từ các vệ tinh trong tầm “nhìn thấy”
của bộ thu GNSS đã được ước lượng với các thông số sơ bộ ban đầu, các thông số này có độ
chính xác chưa cao. Bước tiếp theo, bộ thu GNSS bắt đầu khởi tạo quá trình bám tín hiệu.
Nhiệm vụ của quá trình bám này nhằm ước lượng tốt hơn các thông số của tín hiệu định vị
