Một số giải pháp hoàn thiện công tác quản lý chất lượng xăng dầu tại trung tâm hóa nghiệm xăng dầu quân đội

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

HOÀNG TIẾN ĐẠT

LẤY MẪU VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU THÔNG DẢI TRONG MÁY THU ĐỊNH
VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU GALILEO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử tin học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS VŨ VĂN YÊM

Hà Nội – 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn này là kết quả thực hiện của tôi,
không sao chép và công bố ở bất kì tài liệu nào khác.

1


MỤC LỤC
Danh mục các kí hiệu, các từ viết tắt ..........................................................................4 
Danh mục các thuật ngữ khoa học sử dụng ................................................................6 
Danh mục các hình vẽ .................................................................................................7 
Lời mở đầu ..................................................................................................................9 

Phần mở đầu ..............................................................................................................11 
Lý do chọn đề tài ...................................................................................................11 
Ý nghĩa khoa học của đề tài ...................................................................................12 
Mục đích nghiên cứu .............................................................................................12 
Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài .......................................................................12 
Giới hạn đề tài........................................................................................................18 
Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................18 
Phương tiện nghiên cứu .........................................................................................18 
Chương 1: TỔNG QUAN GNSS ..............................................................................19 
1.1 Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu ...........................................................19 
1.2 Các hệ thống định vị toàn cầu..........................................................................22 
1.2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS ......................................................22 
1.2.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS .................................................................23 
1.2.3 Hệ thống định vị toàn cầu Galileo.............................................................29 
Chương 2: CÔNG NGHỆ SDR VỚI GNSS .............................................................40 
2.1 Công nghệ SDR ...............................................................................................40 
2.2 Kiến trúc máy thu GNSS .................................................................................43 
2.2.1 Giới thiệu chung ........................................................................................43 
2.2.2 GNSS anten ...............................................................................................47 
2.2.3 Bộ lọc ........................................................................................................49 
2.2.4 Khuếch đại.................................................................................................50 
2.2.5 Trộn tần/tổ hợp tần số ...............................................................................50 
2.2.6 ADC...........................................................................................................52 

2


2.2.7 Khối tiền xử lý GNSS ASIC .....................................................................53 
Chương 3: THIẾT KẾ MÁY THU GNSS ................................................................55 
3.1 Sơ đồ khối hệ thống .........................................................................................55 

3.2 Khối tiền xử lý .................................................................................................56 
3.2.1 Khối tiền xử lý trên MAX2769 .................................................................56 
3.2.2 Khối tiền xử lý trên SE4110L ...................................................................61 
3.3 Phần xử lý tìm ra dữ liệu định vị .....................................................................65 
3.3.1 Truyền và ghi dữ liệu ................................................................................65 
3.3.2 Kết quả định vị với MAX2769EVKIT+ ...................................................68 
3.3.3 Kết quả định vị với SE4110L ....................................................................82 
Kết luận và kiến nghị ................................................................................................84 
Tài liệu tham khảo.....................................................................................................85 

3


Danh mục các kí hiệu, các từ viết tắt
Kí hiệu, từ viết tắt

Miêu tả, viết đầy đủ

GPS

Global Positioning System

DGPS

Differential Global Positioning System

GNSS

Global Navigation Satellite System

FPGA

Field Programmable Gate Array

SDR

Software Defined Radio

SoC

System on a Chip

CDMA

Code Division Multiple Access

FDMA

Frequency Division Multiple Access

UTC

Coordinated Universal Time

WASS

Wide Area Augmentation System

ESA

European Space Agency

ADC

Analog-to-Digital Converter

DAC

Digital -to-Analog Converter

DDC

Digital Down Converter

DUC

Digital Up Converter

LNA

Low-Noise Amplifier

PA

Power Amplifier

BPF

Band Pass Filter

RF

Radio Frequency

IF

Intermediate Frequency

LO

Local Oscillator

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

RHCP

Right-Hand Circular Polarization

SNR

Signal-to-Noise Ratio

BW

Band Width

ASIC

Application-Specific Integrated Circuit
4


PGA

Power Gain Control

PLL

Phase Lock Loop

AGC

Auto Gain Control

MSB

Most Significant Bit

C/A

Coarse/Acquisition

IC

Integrated Circuit

5

Danh mục các thuật ngữ khoa học sử dụng
Thuật ngữ

Nghĩa tiếng Việt

Acquisition

Dò tìm vệ tinh người sử dụng có thể thu được tín hiệu

Tracking

Bám theo tần số và mã pha các vệ tinh.

Google map

Bản đồ số của hãng Google

Carrier

Sóng mang

Code

Từ mã

Navigation

Định vị

Pseudorange

Khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu

Fourier transform

Biến đổi Fourier

Channel

Kênh truyền

6


Danh mục các hình vẽ
Hình 0.1: Mô hình máy thu định vị toàn SDR của ĐH Aalborg ..............................13 
Hình 0.2: Kết quả acquisition vệ tinh GIOVE-A ......................................................13 
Hình 0.3: Dữ liệu định vị từ vệ tinh GIOVE-A ........................................................14 
Hình 0.4: Các chế độ ghi dữ liệu của GN3S Sampler...............................................15 
Hình 0.5: GN3S Sampler ver 3.0 của ĐH Colorado .................................................15 
Hình 0.6 Kết quả acquisition với vệ tinh FM2..........................................................17 
Hình 0.7 Kết quả tracking vệ tinh FM2 trên phần mềm Orbitron của NavSAS .......17 
Hình 1.1 Quỹ đạo các hệ thống định vị toàn cầu ......................................................19 
Hình 1.2: Các vệ tinh GPS ........................................................................................20 
Hình 1.3 Các tần số sử dụng trong định vị toàn cầu .................................................21 
Hình 1.4 Vệ tinh GLONASS-M ...............................................................................22 
Hình 1.5 Cấu trúc hệ thống GPS ...............................................................................25 
Hình 1.6: Máy thu GPS chuyên dụng và tích hợp trên điện thoại thông minh .........26 
Hình 1.7 Biểu tượng của hệ thống Gallieo ...............................................................29 

Hình 1.8: Mô hình điều chế tín hiệu Galileo.............................................................33 
Hình 1.9: Mã trải phổ, sóng mang con, sóng mang và tín hiệu là kết quả của điều
chế BOC. Hình vẽ trên không mô tả dữ liệu định vị. ...............................................36 
Hình 1.10: GPS C/A và Galileo BOC(1,1) cùng chia sẻ phổ L1 – 1575.42 Mhz ....37 
Hình 2.1 Hệ thống SDR ............................................................................................42 
Hình 2.2: Sơ đồ khối DDC thực hiện trên DSP hoặc FPGA ....................................43 
Hình 2.3 Sơ đồ máy thu trực tiếp ..............................................................................44 
Hình 2.4 Máy thu lấy mẫu ở trung tần ......................................................................45 
Hình 2.5 Sơ đồ máy thu GNSS của Kai Borre..........................................................46 
Hình 2.6 Một số loại anten GNSS.............................................................................47 
Hình 2.7 Đặc tuyến của bộ lọc thông dải ..................................................................49 
Hình 2.8 Giản đồ các mẫu tín hiệu sau chuyển đổi tương tự - số .............................52 
Hình 2.9 Sơ đồ khối của SE4110L............................................................................53 
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................55 

7


Hình 3.2 Sơ đồ khối MAX2769 ................................................................................56 
Hình 3.3 Đặc tuyến bộ lọc thông dải ở băng tần cơ sở .............................................57 
Hình 3.4 Định dạng dữ liệu đầu ra ADC ..................................................................58 
Hình 3.5 Giản đồ thời gian giao tiếp nối tiếp............................................................58 
Hình 3.6 Các trạng thái cấu hình trước của MAX2769 ............................................59 
Hình 3.7 Mạch nguyên lý máy thu GNSS với MAX2769 ........................................59 
Hình 3.8 MAX2769EVKIT+ ....................................................................................60 
Hình 3.9 Sơ đồ khối tiền xử lý trong máy thu GNSS trên MAX2769......................61 
Hình 3.10 Sơ đồ khối SE4110L ................................................................................62 
Hình 3.11 Sơ đồ khối tiền xử lý trong máy thu GNSS trên SE4110L ......................62 
Hình 3.14 Tín hiệu MAG quan sát trên Oxilo ..........................................................64 
Hình 3.15 Tín hiệu SIGN trên Oxilo.........................................................................64 

Hình 3.16 Hoạt động của ALVCH16373..................................................................65 
Hình 3.17 Mạch đệm dữ liệu.....................................................................................65 
Hình 3.18 KIT ML507 của Xilinx ............................................................................67 
Hình 3.19 Sơ đồ khối truyền dữ liệu qua FPGA .......................................................67 
Hình 3.20 Phần mềm ghi dữ liệu trên máy tính ........................................................68 
Hình 3.21 Cấu hình hệ thống trong thực tế ...............................................................69 
Hình 3.22 Sơ đồ xử lý dữ liệu trên máy tính.............................................................69 
Hình 3.23 Dữ liệu GPS thô .......................................................................................70 
Hình 3.25 Các vệ tinh được tìm thấy trong quá trình Acquisition............................72 
Hình 3.26 Tần số Doppler .........................................................................................72 
Hình 3.27 Lưu đồ thuật toán tracking .......................................................................73 
Hình 3.28 Kết quả tracking .......................................................................................74 
Hình 3.29 Từ Telematry( TLM)................................................................................75 
Hình 3.32 Thời điểm bắt đầu khung dữ liệu 4 kênh .................................................79 
Hình 3.33 Kết quả định vị trên MATLAB ................................................................81 
Hình 3.34 Kết quả định vị trên Google Earth ...........................................................82 
Hình 3.36 Kết quả acquisition SE4110L ..................................................................83 

8


Lời mở đầu
Thời xa xưa con người đã sử dụng thiên văn, la bàn và bản đồ để xác định vị trí và
tìm đường trong các chuyến thám hiểm khám phá các miền đất lạ. Tuy nhiên phải
đến năm 1995, khi các hệ thống định vị toàn cầu GPS của Mỹ và GLONASS của
Nga chính thức đi vào hoạt động, nhu cầu định vị và dẫn đường mới được giải
quyết một cách cơ bản. Ngoài mục tiêu quân sự như thiết kế ban đầu, các hệ thống
định vị đã được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực dân sự. Ngày
nay công nghệ định vị và dẫn đường đã trở thành một nền công nghiệp mang lại
doanh thu hàng tỷ USD hàng năm và đang được phát triển mạnh mẽ. Trước những

lợi ích to lớn của hệ thống định vị toàn cầu, liên minh châu Âu đã tự xây dựng một
hệ thống định vị cho riêng mình. Hệ thống có tên gọi Galileo, đang được triển khai
và sẽ có dịch vụ trong tương lai gần.
SDR – Software Defined Radio là hệ thống vô tuyến điều khiển bằng phần mềm, sử
dụng một nền tảng phần cứng thống nhất để cung cấp các tiêu chuẩn thông tin, thay
đổi kiểu điều chế và tần số thông qua các module phần mềm. Một cách cụ thể, SDR
là tập hợp phần cứng và phần mềm, trong đó một vài hoặc toàn bộ các chức năng
phần vô tuyến được thực hiện điều khiển, thay đổi thông qua phần mềm hoặc
firmware. Các thiết bị này có thể là FPGA (Field Programmable Gate Arrays), các
bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor), hệ thống trên chip lập trình
được SoC (System on Chip) hoặc các bộ xử lý có thể lập trình theo ứng dụng cụ thể
khác. Việc thiết kế các hệ thống SDR đã mở ra một khía cạnh mới trong lĩnh vực
thông tin liên lạc, trực tiếp hoặc gián tiếp góp mặt trong rất nhiều ứng dụng thiết
thực của lĩnh vực thông tin, trong quân sự cũng như dân sự.
Máy thu định vị toàn cầu rất phổ biến, có thể dễ dàng mua được với giá từ vài chục
USD, tuy nhiên có nhược điểm chỉ tương thích với 1 hệ thống định vị nào đó và các
thành phần đã được thiết kế cứng, không thể thay đổi. Sự phát triển của công nghệ
và có mặt của ngày càng nhiều hệ thống định vị đặt ra yêu cầu cấp thiết về máy thu
định vị toàn cầu điều khiển bằng phần mềm. Với máy thu điều khiển bằng phần
mềm, người dùng có thể dễ dàng chọn lựa hệ thống định vị mà mình muốn sử dụng,

9


do các hệ thống định vị được thiết kế tốt hơn ở các vị trí địa lý khác nhau: GPS thì
không tốt ở các vùng cực còn Galileo cho chất lượng tốt. Ngoài ra, người dùng có
thể thay đổi các thông số của máy thu để có thể thu được tín hiệu tốt nhất, hoặc tiến
tới một hệ thống tự động thay đổi cấu hình tương thích với các điều kiện ngoại
cảnh.
Luận văn tập trung vào việc “ Lấy mẫu và xử lý tín hiệu thông dải trong máy thu

định vị vệ tinh toàn cầu Galileo”. Qua việc tìm hiểu về hệ thống định vị, luận văn
đưa ra mô hình của 1 máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm và mô phỏng máy
thu trong thực tế.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS. TS. Vũ Văn Yêm đã hướng dẫn em tận
tình trong thời gian qua, cũng như chân thành cảm ơn các đồng nghiệp công ty
Công nghệ chính xác đã hỗ trợ, tạo điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị đo, thời gian…
để hoàn thiện đề tài.

10


Phần mở đầu
Lý do chọn đề tài
Hiện nay có hai hệ thống định vị toàn cầu đang hoạt động là GPS của Mỹ và
GLONASS của liên bang Nga. Hai hệ thống đang được xây dựng là Galileo của liên
minh châu Âu và COMPASS/Beidou của Trung Quốc. Việc ngày càng có nhiều hệ
thống định vị dẫn đến yêu cầu một thiết bị có thể sử dụng đồng thời tín hiệu từ các
hệ thống khác nhau, hình thành nên nhu cầu của một máy thu định vị toàn cầu
GNSS. Như ta đã biết, do đặc tính thiết kế, tín hiệu GPS không tốt ở các vùng địa
cực, còn Galileo thì rất tốt. Bên cạnh đó, tín hiệu Galileo có những đặc tính tốt giúp
máy thu có thể giải mã tín hiệu ngay cả trong những điều kiện bị che khuất như
trong nhà hay trong rừng. Với máy thu định vị toàn cầu, còn người có thể dễ dàng
lựa chọn hệ thống định vị mà mình muốn sử dụng: khi đi đến vùng địa cực hay vào
vùng che khuất, chuyển chế độ sang dùng hệ định vị Galileo, khi vào lãnh thổ liên
bang Nga, chuyển sang dùng GLONASS… Do đặc tính tín hiệu khác nhau nên các
máy thu định vị toàn cầu hiện nay hầu hết chỉ thu được tín hiệu từ một hệ thống
định vị. Vậy để máy thu có thể chuyển giữa các hệ thống định vị dễ dàng, ta cần
một khối tiền xử lý linh hoạt và công nghệ máy thu điều khiển bằng phần mềm –
SDR. Cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ SDR đã có những bước tiến
đáng kinh ngạc.

Xuất phát từ ý tưởng về một máy thu GNSS, linh hoạt trong việc thay đổi cấu hình
để có thể sử dụng các hệ thống định vị khác nhau, em đã chọn đề tài” Lấy mẫu và
xử lý tín hiệu thông dải trong máy thu định vị vệ tinh toàn cầu Galileo”.
Luận văn bao gồm 3 phần chính. Phần đầu giới thiệu về các hệ thống định vị toàn
cầu hiện đang được sử dụng: GPS, GLONASS và Galileo. Phần này cung cấp cho
người đọc thông tin về tác dụng, dịch vụ đang có, phạm vi và độ chính xác, ưu
nhược điểm của từng hệ thống. Phần tiếp theo trình bày về công nghệ SDR, sự cần
thiết của công nghệ và những ưu nhược điểm của công nghệ. Tiếp đó là các kiến
trúc của máy thu GNSS: máy thu thẳng và máy thu qua trung tần. Từ những hiểu
biết về máy thu, đồ án xây dựng một máy thu GNSS hoàn thiện với anten, các bộ

11


lọc, khuếch đại, xử lý số… Phần cuối cùng của luận văn là thiết kế và chế tạo một
máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm và những kết quả thu được trong thực tế.
Ý nghĩa khoa học của đề tài
Với một máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm, người dùng có thể linh hoạt sử
dụng 3 đến 4 hệ thống định vị toàn cầu hiện có thay vì mua 3 đến 4 máy thu định vị
toàn cầu. Ngoài ra, mỗi khi thay đổi công nghệ, người phát triển hệ thống không
cần thay đổi cả phần cứng phức tạp mà chỉ cần thay đổi lại firmware, hoặc các phần
mềm điều khiển, giảm thời gian phát triển và giá thành sản phẩm. Trong tương lai,
người thiết kế hướng tới thiết bị định vị vệ tinh toàn cầu tự thay đổi cấu hình theo
điều kiện ngoại cảnh: máy thu tự chọn ra hệ thống định vị tốt nhất để thu tín hiệu và
đưa ra kết quả định vị.
Mục đích nghiên cứu
Hệ thống định vị toàn cầu mà tâm điểm là hệ thống Galileo, việc lấy mẫu và xử lý
tín hiệu Galileo. Kết quả cuối cùng của đề tài là đưa ra được một mô hình máy thu
GNSS điều khiển bằng phần mềm. Máy thu này có thể thay đổi các thông số như hệ
số khuếch đại, bề rộng bộ lọc trung tần, tần số trung tần, tần số chuyển đổi tương

tự-số, kiểu dữ liệu đầu ra… để tương thích với các hệ thống định vị toàn cầu khác
nhau. Phần xử lý tín hiệu trên DSP, trước hết chưa xử lý thời gian thực được thì
truyền tín hiệu lên máy tính và ghi thành file, sau đó xử lý file đó trên MATLAB và
tìm ra tọa độ máy thu.
Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Nhóm đại học Aalborg, Đan Mạch: Dự án được thực hiện bởi trung tâm nghiên
cứu GPS của trường đại học Aalborg – một đại học lớn của Đan Mạch. Dự án đã
thực hiện trên 5 năm và đã xây dựng được một khối tiền xử lý với kích thước rất
nhỏ. Khối tiền xử lý này có thể thu tín hiệu GPS và truyền qua giao tiếp USB, ghi
thành file trên máy tính. Dữ liệu ghi lại được xử lý trên MATLAB và đưa ra kết quả
định vị. Khối tiền xử lý được xây dựng trên chip thu GPS SE4110L của SiGe.

12


Hình 0.1 Mô hình máy thu định vị toàn cầu SDR của ĐH Aalborg
Cùng với việc phát triển khối tiền xử lý, dự án trên cũng cung cấp nhiều tài liệu về
GPS và dữ liệu thô ghi được từ khối tiền xử lý. Người sử dụng có thể kiểm chứng
kết quả bằng cách tải dữ liệu về và giải mã trên máy tính.
Với hệ thống Galileo, nhóm đã thu được những kết quả về tín hiệu của vệ tinh thử
GIOVE-A. Hình vẽ dưới đây biểu thị kết quả việc acquisition vệ tinh GIOVE-A
thực hiện ngày 21/3/2006.

Hình 0.2 Kết quả acquisition vệ tinh GIOVE-A

13


Nhóm cũng đã ghi lại dữ liệu truyền từ vệ tinh GIOVE-A với chiều dài dữ liệu 300
giây, màu đen biểu thị bit 0, màu trắng là bit 1.

Hình 0.3 Dữ liệu định vị từ vệ tinh GIOVE-A
Nhóm đại học Colorado, Mỹ
Phòng nghiên cứu không gian của đại học Colorado đã kết hợp với công ty SiGe và
cho ra đời sản phẩm GN3S Sampler. Tương tự như khối tiền xử lý của đại học
Aalborg, GN3S Sampler cũng có thể thu tín hiệu thô GPS và ghi thành file trên máy
tính thông qua giao tiếp USB. Tuy nhiên, GN3S Sampler cung cấp nhiều chế độ cho
người dùng có thể sử dụng hơn: có đến 8 chế độ được cung cấp:

14


Hình 0.4 Các chế độ ghi dữ liệu của GN3S Sampler
GN3S Sampler đã trải qua 3 phiên bản, hai phiên bản đầu với SE4110L và phiên
bản thứ 3 với SE4120L của SiGe. Cùng với sự phát triển của khối tiền xử lý, các
driver cho các hệ điều hành khác nhau cũng được hoàn thiện. GN3S Sampler đã có
thể chạy tốt trên WinXP, Win7 và Linux. GN3S Sampler hiện được phân phối bởi
công ty SparkFun, rất nhỏ gọn và có giá khoảng 450 USD.

Hình 0.5 GN3S Sampler ver 3.0 của ĐH Colorado
Như vậy, máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm là một xu hướng nghiên cứu
trong thời gian gần đây, các đơn vị nghiên cứu đã thiết kế chế tạo thành công máy
thu GPS. Tuy nhiên, các đề tài đều tập trung việc xây dựng khối tiền xử lý, truyền
dữ liệu lên và xử lý trên máy tính, chưa có đề tài nào thực hiện ở thời gian thực
hoặc thực hiện trên các DSP.
15


Viện nghiên cứu cao cấp Mario Boella, Italy
Istituto Superiore Mario Boella (ISMB) là trung tâm nghiên cứu và phát triển trong

lĩnh vực thông tin và kết nối, được thành lập năm 2000, hiện nay có trên 150 nhân
viên, hoạt động liên kết với nhiều công ty và tổ chức khoa học. Viện đã nghiên cứu
về định vị vệ tinh toàn cầu từ lâu và đã thu được nhiều kết quả. Trung tâm NavSAS
là trung tâm nghiên cứu không gian của viện, hiện đang nghiên cứu 1 số dự án về
định vị toàn cầu:
-

G-TRAIN: tăng cường việc giáo
dục, nghiên cứu về lĩnh vực định vị vệ tinh toàn cầu ở châu Âu.

-

GR-Poster: thiết kế vi chip thế hệ
với và các thiết bị đầu cuối để có thể đưa ra thị trường với yêu cầu giảm tối
đa giá thành sản xuất.

-

RGAL: Phát triển máy thu
GPS/Galileo bằng phần mềm ở thời gian thực và triển khai trên các phần
cứng cấu hình lại được.

-

LOGAM: Hệ thống định vị và đo
độ cao giá thành rẻ dựa trên công nghệ MEMS.

-

SWAN: Phát triển các máy thu

điều khiển bằng phần mềm thế hệ mới có thể hoạt động với cả tín hiệu GPS
và Galileo.

Ngày 17/1/2012, tín hiệu E1 từ vệ tinh FM2( GSAT0102) của hệ thống Galileo đã
được ISMB thu được lần đầu tiên. Tín hiệu được thu tại Torino, Italy với 1 anten
GNSS vô hướng, khối tiền xử lý E1 RF thương mại băng hẹp, máy thu N-GENE và
phần mềm được phát triển bởi trung tâm NavSAS. Vệ tinh GSAT0102 phát tín hiệu
E1 và sử dụng mã số 12 trong bảng mã của hệ thống Galileo, là vệ tinh số 2 trong
số các vệ tinh đã vào đúng quĩ đạo được phóng ngày 21/10/2011. Tín hiệu từ vệ tinh
số 1 đã được trung tâm NavSAS thu được vào ngày 12/12/2011. Ngày 17/1/2012,
trung tâm đã thu và giải mã được tín hiệu từ cả 2 vệ tinh Galileo. Tại thời điểm này,
dữ liệu thu được từ 2 vệ tinh chỉ gồm 2 trang: trang đặt trước với các từ mang giá trị

16


63 và trang kiểu 0( dự phòng). Trang kiểu 0 chứa các dữ liệu về số tuần và thời gian
của tuần tương ứng với thiết kế hệ thống Galileo.

Hình 0.6 Kết quả acquisition với vệ tinh FM2
Tín hiệu thu được có mức thu xấp xỉ 46.4 dBHz và tần số lệch -2595 Hz.

Hình 0.7 Kết quả tracking vệ tinh FM2 trên phần mềm Orbitron của NavSAS

17


Giới hạn đề tài
Để thực thi một máy thu định vị toàn cầu điều khiển bằng phần mềm, sử dụng được
nhiều hệ thống định vị toàn cầu như nói trên là rất phức tạp, quy mô và tốn kém.

Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này thực hiện chỉ thực thi một
phần của hệ thống hoàn chỉnh đó. Đó là:
-

Máy thu có khả năng thu và giải mã tín hiệu GPS: do hiện nay chỉ có 2 hệ
thống định vị toàn cầu đang hoạt động là GLONASS và GPS. Hệ thống
GLONASS gần đây mới được liên bang Nga quan tâm và đầu tư. Hệ
thống GPS đã hoạt động ổn định từ lâu, nhiều tài liệu và có thể kiểm
chứng được kết quả thực hiện.

-

Hệ thống chưa thực hiện thời gian thực, dừng lại ở việc truyền dữ liệu
qua DSP và ghi thành file trên máy tính. Máy tính sẽ xử lý dữ liệu và đưa
ra kết quả định vị cuối cùng. Việc xử lý thời gian thực và đưa ra kết quả
định vị trên DSP rất phức tạp và cần nhiều thời gian nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu
Trong đề tài này người thực hiện đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:
• Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp
chí về điện tử và truy cập từ mạng internet.
• Phương pháp quan sát: khảo sát một số mô hình thực tế đang có trên thị
trường và tham khảo thêm một số mô hình từ internet.
• Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức vốn có của
mình kết hợp với sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn, người thực
hiện đã thiết kế, vận hành thử nghiệm nhiều dạng mô hình khác nhau để
từ đó chọn lọc những phương án tối ưu.
Phương tiện nghiên cứu
Với đề tài này, người thực hiện dựa vào sự trợ giúp của máy tính và những thông
tin sách báo, internet. Ngoài ra, còn có những thiết bị trợ giúp trong quá trình thiết

18


kế mạch do người thực hiện tự trang bị như oxilocope, đồng hồ đo điện đa năng,
máy phát chuẩn, máy phân tích phổ…
Chương 1: TỔNG QUAN GNSS
1.1 Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu
Hiện nay trên thế giới có 3 hệ thống định vị toàn cầu là hệ thống NAVSTAR(
Navigation Signal Timing and Ranging) của Mỹ, thường biết đến với tên ngắn gọn
hơn là GPS, hệ thống GLONASS của liên bang Nga và hệ thống Galileo của liên
minh châu Âu, trong đó 2 hệ thống đầu được chính thức đưa vào sử dụng từ năm
1995, còn hệ thống thứ 3 đang được xây dựng. Mặc dù được xây dựng độc lập và có
một số khác biệt về mặt kĩ thuật, cả 3 hệ thống này đều có mục đích xác định vị trí,
vận tốc và thời gian của máy thu tín hiệu vệ tinh định vị. Trong tương lai, sử dụng
song song 3 hệ thống định vị toàn cầu trên cho ta được hệ định vị toàn cầu duy nhất
GNSS( Global Navigation Satellites System).

Hình 1.1 Quỹ đạo các hệ thống định vị toàn cầu
Các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu đều hoạt động trên nguyên tắc sử dụng phép
đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu dựa trên sự đồng bộ hóa về thời gian giữa vệ
tinh và máy thu. Các vệ tinh định vị toàn cầu liên tục phát đi các tín hiệu chứa các
mã riêng biệt của vệ tinh, thông tin về vị trí và vận tốc của vệ tinh tại thời điểm
truyền tín hiệu. Để xác định được vị trí của mình, máy thu cần phải nhận được các
tín hiệu từ vệ tinh, từ đó tính được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh và quỹ đạo

19


chuyển động của vệ tinh. Việc thu nhận các tín hiệu vệ tinh dân sự là miễn phí và

liên tục, ít chịu ảnh hưởng của thời tiết.

Hình 1.2 Các vệ tinh GPS
Cụ thể hơn, giả thiết rằng, đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu được đồng bộ hóa,
máy thu có thể tính toán chính xác thời gian truyền tín hiệu dựa trên thông tin về
thời gian bắt đầu phát tín hiệu trong dữ liệu định vị được phát xuống cho máy thu
và thời điểm thu nhận được tín hiệu ở máy thu. Từ đó khoảng cách từ vệ tinh đến
máy thu được tính toán chính xác bằng cách nhân thời gian truyền với tốc độ ánh
sáng đã biết. Để xác định được vị trí của mình, tức là tìm ra 3 thông số: kinh độ, vĩ
độ và cao độ, máy thu cần thu được tín hiệu của ít nhất 3 vệ tinh. Vị trí của máy thu
là giao điểm duy nhất của 3 quả cầu có tâm là 3 vệ tinh, bán kính là khoảng cách từ
vệ tinh đến máy thu. Tuy nhiên cần lưu ý đến vấn đề: đồng hồ máy thu và đồng hồ
trên vệ tinh cần được đồng bộ hóa. Điều này không dễ thực hiện trong thực tế, do
các vệ tinh có thể sử dụng đồng hồ thạch anh với độ chính xác cao( đến ns), tuy
nhiên nếu sử dụng đồng hồ thạch anh ở máy thu thì giá thành máy thu sẽ rất cao. Vì
vậy có thể coi sự sai khác về thời gian này là ẩn số, và ta cần vệ tinh thứ 4 để tính

20


được thông số này. Như vậy, thông thường máy thu cần xác định được vị trí ít nhất
4 vệ tinh để có thể tìm ra vị trí của nó.
Tín hiệu phát ra từ vệ tinh đã được trải phổ theo mã( CDMA – GPS, Galileo) hoặc
trải phổ theo tần số( GLONASS). Với hệ thống GPS, tín hiệu L1 được trải phổ
trong 2 Mhz ở tần số 1575.42 Mhz. Kĩ thuật trải phổ giúp hệ thống chống lại được
các nhiễu cố ý hay vô ý, giảm ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường, bảo mật tốt hơn.
Tuy nhiên, việc trải phổ làm tín hiệu trở nên phức tạp hơn, máy thu cần có thuật
toán phức tạp để giải mã ra thông tin từ dữ liệu trải phổ thu được. Tín hiệu GNSS
trong không gian với mức rất thấp, khoảng -160 dBW, dùng máy đo bình thường
không phát hiện được, vì vậy yêu cầu máy thu GNSS có bộ khuếch đại và lọc tốt.

Hệ thống định vị toàn cầu sử dụng tần số trong băng tần L, từ tần số 1164 Mhz đến
1610 Mhz, được mô tả như hình vẽ dưới đây. Các máy thu định vị toàn cầu hiện
nay hầu hết là máy thu một tần số. Máy thu này được chế tạo từ anten và các thành
phần để thu tín hiệu ở tần số L1 1575.42 Mhz. Với máy thu một tần số, độ chính
xác có thể đến vài chục mét. Ngoài ra còn có máy thu hai tần số, máy thu này có
phần tiền xử lý, đồng thời xử lý tín hiệu ở 2 tần số L1 và L2, qua đó so sánh các
thông tin định vị thu được, loại bỏ các sai số nên độ chính xác cao hơn, có thể đến
vài mét. Tuy nhiên giá thành những máy thu hai tần số thường rất cao.

Hình 1.3 Các tần số sử dụng trong định vị toàn cầu

21


1.2 Các hệ thống định vị toàn cầu
1.2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS
GLONASS là hệ thống định vị toàn cầu của Liên bang Nga bao gồm 24 vệ tinh
quay quanh trái đất với góc nghiêng 64.8 độ, độ cao 19100 km. Chùm vệ tinh
GLONASS theo thiết kế gồm 21 vệ tinh chính thức và 3 vệ tinh dự trữ, được phóng
lên 3 mặt phẳng. Trên mỗi mặt phẳng, 8 vệ tinh được phân bố cách đều nhau 45 độ.
Các vệ tinh GLONASS có chu kì quay quanh trái đất là 11h 15 phút. Trung tâm
điều khiển đặt tại MOSCOW, các trạm theo dõi và đo xa đặt ở Saint Peterburg,
Ternopol, Eniseisk và Komsomolskna-Amure.

Hình 1.4 Vệ tinh GLONASS-M
GLONASS cung cấp 2 loại dịch vụ: chính xác tiêu chuẩn ở tần số L1( 1602 Mhz)
và chính xác cao ở tần số L2(1246 Mhz). Hệ thống GLONASS được thiết kế với độ
chính xác 65 m nhưng trong thực tế đạt độ chính xác 20m với các tín hiệu dân sự và
10 m với tín hiệu quân sự. Thế hệ vệ tinh đầu tiên cao 7.8m, rộng 7.2m và nặng
khoảng 1260 kg.

GLONASS sử dụng đa truy nhập theo tần số( FDMA). Các tín hiệu của hệ thống
GLONASS cũng có thành phần C/A và P như tín hiệu GPS nhưng có kiến trúc hoàn
toàn khác. Cấu trúc tín hiệu GLONASS không được phổ biến rộng rãi. Hệ thống

22


GLONASS được chuẩn hóa theo thời gian UTC. Hệ thống tọa độ được dùng bởi
GLONASS là PZ-90 chứ không phải là WGS84 như GPS.
Ngày 3/10/2011, vệ tinh GLONASS-M đã được tên lửa đẩy Soyuz-2-1B đưa lên
quỹ đạo trái đất từ sân bay vũ trụ Plesetsk. Theo hãng thông tấn xã RIA, vệ tinh đã
tiếp nhận tín hiệu điều khiển và đã được kết nối với toàn hệ thống. Các chuyên gia
đánh giá việc phóng GLONASS-M thành công mang tính bước ngoặt đối với toàn
hệ thống định vị toàn cầu GLONASS, cho phép hệ thống này có thể phủ tín trên
toàn bộ bề mặt địa cầu. Khi hệ thống còn chưa đủ số lượng vệ tinh cần thiết, có thể
xảy ra khoảng trống ngắt quãng trong chu trình tiếp nhận tín hiệu được nhìn thấy
bằng những đốm trắng, khả năng xác định vị trí của hệ thống chỉ đạt độ chính xác
trong phạm vi 50m. Lý do là vì một số khu vực đã không được phủ sóng hoàn toàn.
Vệ tinh Glonass-M có trọng lượng 1450 kg và thời hạn hoạt động trong 7 năm,
được thiết kế để bổ sung cho vị trí còn thiếu của hệ thống định vị toàn cầu
GLONASS, giúp đảm bảo tín hiệu nhanh chóng và chính xác. GLONASS sẽ được
sử dụng rộng rãi cho cả mục đích quân sự và dân sự.
Theo Đài Tiếng nói Nga , nhiều nước đang quan tâm đến việc sử dụng GLONASS
như đối trọng thay thế cho GPS, bởi không chấp nhận sự lệ thuộc tuyệt đối vào hệ
thống của Mỹ. Trong khi đó, các chuyên gia cho rằng GLONASS tuy có nhiều ưu
điểm hơn GPS nhưng không phải đối thủ cạnh tranh, mà là bổ sung cho nhau. Hiệp
định về việc sử dụng GLONASS đã được ký kết với Belarus, Ấn Độ, Kazakhstan,
Canada. Ngoài ra các dự thảo thỏa thuận sử dụng với liên minh châu Âu cũng đang
được bàn đến. Các nước Mỹ Latinh và khu vực Arab cũng thể hiện sự quan tâm đặc
biệt đối với hệ thống của Nga. Trong thời gian tới, người sử dụng sẽ có thể định

hướng tại tất cả các vị trí với sự giúp đỡ của cả hệ thống định vị của Nga và Mỹ.
1.2.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS
Thiết kế của hệ thống GPS được thông qua vào năm 1973. Năm 1978, vệ tinh đầu
tiên trong hệ thống GPS đã được phóng thành công và tín hiệu GPS đã được thu và
thử nghiệm với các máy thu đầu tiên. Mục đích ban đầu của xây dựng hệ thống GPS
là trợ giúp các mục đích quân sự của Mỹ, nên bộ quốc phòng Mỹ trực tiếp quản lý

23


dự án. Đến năm 1995, hệ thống GPS được chính thức đưa vào hoạt động. Ngoài 1
phần tín hiệu được phát miễn phí cho các ứng dụng dân sự, hệ thống GPS còn phát
các tín hiệu dành riêng cho mục đích quân sự. Ngoài ra, bộ quốc phòng Mỹ được
toàn quyền kiểm soát và thay đổi chế độ hoạt động của 1 số vệ tinh nhằm hạn chế
tín hiệu GPS trên một vùng nào đó hoặc điều chỉnh mức độ chính xác của định vị vệ
tinh bằng cách thêm các sai số thời gian trong các đồng hồ vệ tinh hoặc các sai số
về quĩ đạo vệ tinh. Bước sang thế kỉ 21, với sự phát triển mạnh mẽ và lợi nhuận đến
từ GPS dân sự, bộ quốc phòng Mỹ đã tuyên bố khóa chức năng điều chỉnh độ chính
xác này. Nhằm nâng cấp, hiện đại hóa hệ thống GPS, chính phủ Mỹ đã phê duyệt
dự án GPS II và GPS III với nhiều ứng dụng kĩ thuật và thiết kế mới trong vệ tinh
cũng như tăng cường thêm tín hiệu GPS ở các dải sóng khác để hỗ trợ hơn nữa các
ứng dụng GPS trong dân sự.
Cấu trúc hệ thống GPS
Hệ thống GPS được chia làm 3 phần chính: phần vũ trụ, phần điều khiển và phần
người sử dụng.

24