Nghiên cứu ứng dụng biến đổi wavelet vào khối bám tín hiệu trong máy thu GNSS để giảm ảnh hưởng của hiện tượng đa đường

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Viện Điện Tử - Viễn Thông
====o0o====

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng biến đổi wavelet vào khối
bám tín hiệu trong máy thu GNSS để giảm ảnh hưởng của
hiện tượng đa đường”
Giáo viên hướng dẫn

: PGS.TS Nguyễn Văn Khang

Học viên thực hiện

: Nguyễn Đình Hoàng

Lớp

: ĐTVT 2014 A

MSHV

: CA140066

Hà Nội - 3/2016


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự bùng nổ và phát triển vƣợt bậc của các ngành
khoa học đã góp phần lớn vào việc nâng cao chất lƣợng cuộc sống cho con ngƣời.
Thông tin luôn luôn đƣợc cập nhật nhờ có sự phát triển của mạng Internet – mạng

thông tin toàn cầu, là nơi mà mọi ngƣời có thể trao đổi dữ liệu và có thể truy nhập một
khối lƣợng dữ liệu khổng lồ tại bất cứ nơi đâu. Chính vì nhu cầu về thông tin ngày
càng đa dạng và phát triển nhanh nhƣ vũ bão nên vấn đề đặt ra là phải làm sao để truy
nhập và trao đổi thông tin với nhau một cách dễ dàng, thuận lợi và hiệu quả về mặt
kinh tế. Những nhu cầu trên đã thúc đẩy các nhà khoa học, các nhà quản lý tìm tòi và
nghiên cứu để đƣa ra một công cụ nhằm đáp ứng các nhu cầu đó, giúp họ có thể khai
thác các tài nguyên dễ dàng nhƣ các thông tin về khoa học, giáo dục, chính trị, kinh tế,
văn hóa …
Nhằm đáp ứng cho các mục đích dẫn đƣờng cũng nhƣ xác định vị trí một cách
chính xác, nhanh chóng và thuận tiện, một số quốc gia và tổ chức quốc tế trên thế giới
đã xây dựng nên các hệ thống định vị dẫn đƣờng có độ chính xác cao để thay thế cho
các phƣơng pháp định vị dẫn đƣờng truyền thống nhƣ: GPS, GLONASS, GALILEO…
Chính vì những yếu tố đó mà tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng biến

đổi wavelet vào khối bám tín hiệu trong máy thu GNSS để giảm ảnh hưởng
của hiện tượng đa đường” làm luận văn tốt nghiệp. Luận văn là một cái nhìn tổng
quan, khái quát về GNSS cũng nhƣ tập trung đi sâu vào nghiên cứu phƣơng pháp biến
đổi sóng con nhằm ƣu việt hóa hệ thống.

1


Nội dung của luận văn bao gồm 3 chƣơng:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết về biến đổi sóng con và hiện tƣợng đa đƣờng
Chương 2: Các giải pháp làm giảm ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng
Chương 3: Ứng dụng biến đổi sóng con trên máy thu GNSS
Với thời gian có hạn cũng nhƣ là hạn chế về tài liệu, vì vậy việc khai thác hệ
thống gặp rất nhiều khó khăn và không thể đề cập đƣợc đầy đủ. Tuy nhiên, bằng nỗ lực
bản thân, tôi đã đáp ứng đƣợc yêu cầu của luận văn đề ra, mặc dù không thể không có
những thiếu sót. Rất mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn để luận

văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều các sự giúp đỡ từ các
thầy cô trong viện Điện tử Viễn Thông, đặc biệt phải kể đến sự tận tâm, nhiệt tình của
PGS.TS Nguyễn Văn Khang, giảng viên trực tiếp chịu trách nhiệm hƣớng dẫn đồ án
tốt nghiệp. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến với thầy và các thầy cô trong viện Điện tử Viễn
Thông. Tôi xin cảm ơn ba mẹ tôi, những ngƣời đã sinh ra tôi và luôn ủng hộ trong mọi
việc làm của tôi.

Hà Nội,ngày ... tháng ... năm 2016
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đình Hoàng

2


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Với yêu cầu ngày càng cao để định vị chính xác trong môi trƣờng tín hiệu yếu,
việc nghiên cứu bộ thu GNSS có độ nhạy cao và tiên tiến đã trở nên rất cần. Kỹ
thuật thu thập tín hiệu GNSS thông thƣờng đƣợc xem là không đủ khi thu đƣợc tín
hiệu là quá yếu. Trong luận văn này, tôi đã tập trung chủ yếu vào thuật toán giảm
nhiễu sóng con áp dụng trong việc thu tín hiệu GNSS yếu. Thông thƣờng các thuật
toán giảm nhiễu sóng con bao gồm phƣơng pháp chuyển đổi quy mô khu vực và
phƣơng pháp ngƣỡng. Phƣơng pháp đầu tiên đòi hỏi ít hạn chế về các loại nhiễu,
nhƣng một trong những công thức sau này chỉ đƣợc áp dụng trong điều kiện nhiễu
Gauss. Bên cạnh đó quá trình giảm nhiễu sóng con đƣợc thực hiện khi tín hiệu
đƣợc độc lập trong trình tự thời gian, do đó công việc của tôi đã đƣợc thực hiện
dựa trên việc thu tƣơng quan truyền thống. Khi không tƣơng quan hoặc tƣơng quan
khác biệt đã đƣợc thực hiện, việc phân bố nhiễu và đặc tính bị cũng thay đổi. Nếu
nhiễu trƣớc điều chế đƣợc phân bố Gauss, nhiễu sau xử lý là không còn nhiễu trắng

Gauss. Trong trƣờng hợp này, tôi sử dụng số liệu thống kê để ƣớc tính nguồn gốc
của nhiễu, và giả sử một nhiễu Gauss mới. Sau đó, quá trình giảm nhiễu sóng con
đƣợc thực hiện. Thuật toán bao gồm ba bƣớc chính. Thứ nhất, sự tƣơng quan và
phƣơng pháp tƣơng quan khác biệt đƣợc sử dụng để có đƣợc những tín hiệu rất
yếu; thứ hai, ƣớc lƣợng và mô hình nhiễu đƣợc thành lập; sau đó quá trình giảm
nhiễu sóng con đƣợc áp dụng. Kết quả cho ra tốt cho các tín hiệu thấp hơn so với
phƣơng pháp thu khác.

3


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN................................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................. 6
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT BIẾN ĐỔI SÓNG CON VÀ HIỆN
TƢỢNG ĐA ĐƢỜNG ................................................................................................. 10
1.1 Máy thu GNSS .................................................................................................... 10
1.1.1 Hệ thống định vị vệ tinh ............................................................................... 10
1.1.2. Tƣơng lai của các máy thu GNSS ................................................................ 18
1.2. Biến đổi sóng con ............................................................................................... 19
1.2.1 Biến đổi thông thƣờng .................................................................................. 20
1.2.2 Biến đổi sóng con ......................................................................................... 20
1.2.3 Nén sóng con ................................................................................................ 23
1.2.4 Các ứng dụng thực tiễn khác......................................................................... 25
1.3. Hiện tƣợng đa đƣờng (Multipath-Fading) .......................................................... 26
1.4. Kết luận:............................................................................................................. 28
CHƢƠNG 2. CÁC GIẢI PHÁP LÀM GIẢM ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆN TƢỢNG ĐA
ĐƢỜNG ....................................................................................................................... 29
2.1.Ảnh hƣởng của tín hiệu và những thông số về lỗi đa đƣờng ............................... 29

2.2. Kỹ thuật giảm nhiễu đa đƣờng tiên tiến ............................................................. 34
2.2.1. Vòng lặp khóa trễ ƣớc lƣợng nhiễu đa đƣờng không kết hợp (Non-coherent
multipath estimating delay lock loop) .................................................................... 35
2.2.2. Bộ tự tƣơng quan phát sinh thứ cấp (Second derivative correlator) ............. 35
2.2.3. Peak tracking ............................................................................................... 36
2.2.4. Bộ điều khiển Teager Kaiser (TK) ............................................................... 36
2.2.5. Bộ ƣớc lƣợng độ trễ RSSML ....................................................................... 38
2.2.6. Bộ ƣớc lƣợng đa đƣờng dựa trên độ dốc ...................................................... 40

4


2.2.7. Bộ theo dõi độ trễ hai tầng dựa vào tỷ lệ C/N0 ............................................ 41
2.2.8. Bộ điều khiển TK kết hợp nEML DLL ........................................................ 42
2.2.9. Giảm nhiễu sóng con ................................................................................... 43
2.3. Kết luận:............................................................................................................. 45
CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG BIẾN ĐỔI SÓNG CON TRÊN MÁY THU GNSS.......... 46
3.1 Phƣơng pháp lựa chọn sóng con.......................................................................... 46
3.2 Lựa chọn phƣơng pháp dò sóng .......................................................................... 47
3.3 Phƣơng pháp giảm nhiễu..................................................................................... 49
3.3.1 So sánh phƣơng pháp NC và DF ................................................................... 50
3.3.2 Ảnh hƣởng giảm nhiễu của tín hiệu NC mạnh .............................................. 54
3.3.3 Ảnh hƣởng giảm nhiễu của tín hiệu DF mạnh ............................................. 55
3.3.4 Tín hiệu DF yếu sau giảm nhiễu .................................................................. 56
3.4. Kết luận .............................................................................................................. 58
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 60

5

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Hình ảnh vệ tinh quay quanh Trái Đất .......................................................... 10
Hình 1. 2 Ví dụ về biến đổi sóng con rời rạc 2D .......................................................... 19
Hình 1. 3 Sự phụ thuộc độ phân giải sóng theo thời gian ............................................. 21
Hình 1. 4 So sánh giữa biến đổi Fourier (trái) với biến đổi wavelet (phải)................... 22
Hình 1. 5 Tần số của biến đổi Fourier và biến đổi Wavelet .......................................... 23
Hình 1. 6 Các hiện tƣợng xảy ra trong quá trình truyền sóng ....................................... 27
Hình 1. 7 Tín hiệu tới phía thu theo L đƣờng ............................................................... 27
Hình 2. 1 Các hàm tự tƣơng quan không kết hợp ......................................................... 30
Hình 2. 2 Các hàm tự tƣơng quan không kết hợp trong kênh hai đƣờng tĩnh ............... 31
Hình 2. 3 Các hàm tự tƣơng quan không kết hợp đối với các tín hiệu điều chế khác
nhau trong kênh tĩnh hai đƣờng .................................................................................... 32
Hình 2. 4 Các hàm tự tƣơng quan cho tín hiệu GPS L1 C/A đƣợc điều chế BPSK trong
các bề rộng băng tần front-end khác nhau .................................................................... 33
Hình 2. 5 Các đỉnh trong kỹ thuật PT(Diff2) ................................................................ 37
Hình 2. 6 Hàm tƣơng quan không kết hợp nhận đƣợc và ƣớc lƣợng trên hai kênh
Rayleigh, trễ đƣờng truyền [0 0.35] chíp, công suất đƣờng truyền [0 -2] dB, C/N0 :
50dB-Hz ....................................................................................................................... 40
Hình 2. 7 Đƣờng cong S không kết hợp cho kênh tĩnh đƣờng đơn đƣợc biến điệu
CBOC(-) Bhuiyan, Zhang & Lohan (2010) .................................................................. 43
Hình 2. 8 Hình ảnh sóng con giảm nhiễu ..................................................................... 45
Hình 3. 1 Ngƣỡng cứng (trái) và ngƣỡng mềm (phải) .................................................. 47
Hình 3. 2 Hàm phân bố xác suất của phƣơng pháp NC (phải) và DF (trái) .................. 49
Hình 3. 3 Chu trình giảm nhiễu sóng con ..................................................................... 49
Hình 3. 4 Phƣơng pháp NC cho tín hiệu mạnh ............................................................. 51
Hình 3. 5 Phƣơng pháp DF cho tín hiệu mạnh ............................................................. 52
Hình 3. 6 Mẫu tín hiệu mạnh ........................................................................................ 52
Hình 3. 7 Phƣơng pháp NC cho tín hiệu yếu ................................................................ 53
Hình 3. 8 Phƣơng pháp DF cho tín hiệu yếu ................................................................ 53

Hình 3. 9 Mẫu tín hiệu yếu ........................................................................................... 53
Hình 3. 10 Tín hiệu NC mạnh trƣớc giảm nhiễu .......................................................... 54
Hình 3. 11 Tín hiệu NC mạnh sau giảm nhiễu ............................................................. 54
Hình 3. 12 Phƣơng pháp giảm nhiễu sóng con cho tín hiệu NC mạnh ......................... 54

6


Hình 3. 13 Tín hiệu DF mạnh trƣớc giảm nhiễu ........................................................... 55
Hình 3. 14 Tín hiệu DF mạnh sau giảm nhiễu .............................................................. 55
Hình 3. 15 Phƣơng pháp giảm nhiễu sóng con cho tín hiệu DF mạnh .......................... 56
Hình 3. 16 Tín hiệu DF yếu trƣớc giảm nhiễu .............................................................. 56
Hình 3. 17 Tín hiệu DF yếu sau giảm nhiễu ................................................................. 57
Hình 3. 18 Phƣơng pháp giảm nhiễu sóng con cho tín hiệu DF yếu ............................. 57

7


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Từ đầy đủ

Nghĩa của từ

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

CBOC

Composite Binary Offset Carrier

Điều chế sóng mang bù nhị phân
tổng hợp

CNSS

Compass

Satellite Hệ thống định vị dẫn đƣờng la

Navigation

System

bàn

DF

Differential correlation

Sự tự tƣơng quan vi phân

DLL

Delay-Locked Loop

Vòng lặp khóa trễ

EGNOS

European

Geostationary Dịch vụ dẫn đƣờng vệ tinh bao

Navigation Overlay Service

phủ toàn Châu Âu

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

GAGAN

GPS

and

Augmented Hệ thống dẫn đƣờng bổ sung cho

GEO

GPS và GEO

Navigation system
GNSS

Global

Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đƣờng toàn

Navigation

System

cầu

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global

System

Mobile Hệ thống thông tin di động toàn

for

Communication

cầu

HRC

High Resolution Correlator

Bộ tự tƣơng quan phân giải cao

IRNSS

Indian

Regional

Navigation Hệ thống vệ tinh định vị của Ấn
Độ

Satellite System
MEDLL

Multipath Estimating Delay Lock Vòng lặp khóa trễ ƣớc lƣợng
kênh đa đƣờng

Loop

8

MGD

Multiple Gate Delay

Trễ đa cổng

MTLL

Mean Time to Lose Lock

Thời gian mất khóa trung bình

MSAS

Multi-functional

NC

Satellite Hệ thống bao phủ vệ tinh đa chức

Augmentation System

năng

Coherent/non-coherent integration

Phép tính tích phân kết hợp

NIGCOMSAT Nigerian communication satellite
PIT

Point In Time

PT

Peak Tracking

Vệ tinh viễn thông Ni-giê-ri-a
Kỹ thuật dò đƣờng theo tín hiệu
đỉnh

QZSS

Quasi-Zenith Satellite System

Hệ thống vệ tinh định vị của Nhật
Quasi-Zenith
Sai số toàn phƣơng trung bình

RMSE

Root Mean Square Error

RSSML

Reduced Space Search Maximum Ƣớc lƣợng khả năng cực đại khi

SBME

Likelihood

giới hạn không gian

Slope-based Multipath Estimator

Bộ ƣớc lƣợng kênh đa đƣờng
theo sƣờn xung

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TK

Teager Kaiser

Bộ điều khiển Teager Kaiser

UWB

Ultra Wide Band

Băng thông siêu rộng

WAAS

Wide Area Augmentation System

Hệ thống bao phủ khu vực diện
rộng

9


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT BIẾN ĐỔI
SÓNG CON VÀ HIỆN TƢỢNG ĐA ĐƢỜNG
1.1 Máy thu GNSS
Các hệ thống định vị vệ tinh và tƣơng lai của các máy thu GNSS

Hình 1.1 Hình ảnh vệ tinh quay quanh Trái Đất
1.1.1 Hệ thống định vị vệ tinh
GNSS là chữ viết tắt của hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (Global navigation
satellite systems). Ngày nay hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS của Mỹ, GLONASS
của Nga là những hệ thống định vị hoạt động đầy đủ. Bên cạnh đó, hệ thống Galileo
của Châu Âu cũng đang phát triển và dự kiến hoạt động vào năm 2014, hệ thống định
vị vệ tinh toàn cầu Compass đƣợc phát triển trên cơ sở hệ thống định vị vệ tinh khu vực
Bắc Đẩu của Trung Quốc cũng đang có những bƣớc tiến quan trọng để trong tƣơng lai
không xa có 4 hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu hoạt động. Thêm vào đó, một số hệ
thống định vị vệ tinh khu vực và hệ thống định vị vệ tinh cơ sở mở rộng đã và đang
đƣợc triển khai nhƣ hệ thống QZSS của Nhật Bản, IRNS của Ấn Độ, MSAS,
GAGAN,...

10


1.1.1.1. Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu
a. Hệ thống GPS (Global Positioning System)
Hệ thống GPS của Mỹ lúc ban đầu đƣợc cấu thành bởi 24 vệ tinh (21 vệ tinh

hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên 6 mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh trung bình
MEO với bán kính trục lớn khoảng 26559,7km, độ nghiêng của mặt phẳng này so với
mặt phẳng xích đạo là 550. Mặc dầu GPS ban đầu chỉ dành cho các mục đích quân sự,
nhƣng từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng dân sự thay đổi hệ thống các tần
số sử dụng nhƣ ngày nay. Do đó, chắc chắn có những tín hiệu chỉ dành riêng cho quân
đội Mỹ và đồng minh. Các dịch vụ cơ bản khác phục vụ cho mục đích dân sự đƣợc
cung cấp miễn phí cho ngƣời sử dụng trên toàn thế giới.
Vệ tinh GPS đầu tiên đƣợc phóng vào năm 1978, các vệ tinh đầu tiên hoạt động
trên quỹ đạo vào năm 1989. Các khả năng hoạt động đầu tiên đạt đƣợc của hệ thống là
vào năm 1993 và đƣợc hoàn thiện vào năm 1995. Vào tháng 11 năm 2006 đã có 30 vệ
tinh hoạt động trên quỹ đạo.
Trƣớc tháng 12 năm 2005 khả năng GPS cơ bản gồm có dịch vụ định vị tiêu
chuẩn cung cấp mã C/A trên tần số L1 và dịch vụ định vị chính xác cung cấp mã P(Y)
trên tần số L1 và L2 (giải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39
GHz tới 1,55 GHz). Mặc dầu các dịch vụ này chất lƣợng tƣơng đối tốt, Mỹ vẫn dự tính
việc hiện đại hoá các tín hiệu để nâng cao chất lƣợng để phục vụ cho cả hai mục đích
sử dụng dân sự và quân sự. Chính vì vậy mục tiêu đó, kế hoạch hiện đại hoá hệ thống
GPS đƣợc phân tách thành:
Các vệ tinh khối IIR-M đã đƣợc phóng lên quỹ đạo vào ngày 16 tháng 12 năm
2005: Thế hệ này đƣa thêm vào tín hiệu dân sự thứ hai L2C. Với mục đích quân sự
việc đổi mới mã M đƣợc đặt vào tần số L1 và tần số L2.

11


Các vệ tinh khối IIF: Tín hiệu dân sự thứ ba L5 đƣợc đƣa vào các vệ tinh khối
IIF.
Các vệ tinh khối III: Các vệ tinh này đƣợc thiết kế phục vụ tƣơng lai phát triển
cả phần mặt đất và không gian. Nó sẽ có các khả năng nhƣ làm giảm các nguồn nhiễu,
tăng độ an toàn, độ chính xác đƣợc nâng cao, bảo đảm việc định vị, độ tƣơng thích hệ

thống cao,... Tín hiệu dân sự thứ tƣ L1C sẽ đƣợc đƣa vào các vệ tinh khối này. Vệ tinh
đầu tiên của khối III sẽ đƣợc phóng lên quỹ đạo vào năm 2013 và nó sẽ phát huy các
khả năng hoạt động đầy đủ vào khoảng năm 2020.
b. Hệ thống GLONASS
Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GLONASS của Nga giống nhƣ hệ thống GPS
của Mỹ hay Galileo của Liên minh Châu Âu. Hệ thống gồm có 24 vệ tinh chuyển động
trên 3 mặt phẳng quỹ đạo với góc nghiêng 64,8° và độ cao 19100 km. Mỗi vệ tinh bay
một vòng quanh quỹ đạo trong khoảng thời gian là 11 giờ 15 phút. Khoảng cách của các
vệ tinh đảm bảo cho việc liên tục thực hiện truyền các thông tin trên toàn cầu của bề
mặt trái đất và gần trái đất.
Tại thời điểm tháng 1 năm 2007 chỉ có 9 vệ tinh của hệ thống GLONASS hoạt
động phát tín hiệu trong không gian. Thêm vào đó, 7 vệ tinh phục vụ cho mục đích giao
thông nằm trên quỹ đạo nhƣng tạm thời không hoạt động, không phát bất kỳ tín hiệu
nào. Vào tháng 12 năm 2007, Nga đã phóng thêm 3 vệ tinh GLONASS-M lên quỹ đạo.
Kế hoạch dự kiến ban đầu năm 2001, hệ thống này sẽ đi hoạt động đầy đủ vào năm
2011.
Để thực hiện kế hoạch tham vọng này một khoản ngân quỹ đã đƣợc dành cho sự
phát triển của hệ thống từ năm 2007 đến năm 2011. Thêm vào đó, để đạt đƣợc sự hoạt
động đầy đủ của hệ thống, năm 2010, Nga mong muốn hoàn tất hệ thống GLONASS

12


nhƣ là hệ thống GPS của Mỹ và Galileo của Châu Âu. Với việc phóng tên lủa đƣa 3 quả
vệ tinh lên quỹ đạo vào ngày 25 tháng 12 năm 2008, hệ thống định vị GLONASS đã
phủ kín toàn bộ lãnh thổ Nga.
Nhƣ là hệ thống GPS, hệ thống GLONASS luôn đƣợc hiện đại hoá. Ngoài các
tín hiệu ở dải sóng L1, Nga đã thiết lập tín hiệu thứ 2 dùng cho mục đích dân sự L2
đƣợc đặt trên vệ tinh GLONASS-M vào năm 2003. Tín hiệu dân sự thứ 3 là L3 trên vệ
tinh GLONASS-K vào năm 2008. Ngoài ra, tín hiệu L5 cũng đã đƣợc nhắc đến trong

một số tài liệu với hệ thống này.
c. Hệ thống Galileo
Galileo là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu của Châu Âu, với thiết kế để cung
cấp độ chính xác cao, bảo đảm dịch vụ định vị toàn cầu phục vụ các mục đích dân sự.
Hệ thống này sẽ tích hợp với hệ thống GPS và hệ thống GLONASS với một mức độ
nhất định - ngoại trừ dịch vụ cung cấp độ chính xác cao thời gian thực của các hệ
thống.
Hệ thống Galileo đƣợc triển khai đầy đủ sẽ có 30 vệ tinh trong đó 27 vệ tinh
hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng, có vị trí trong 3 vòng tròn quỹ đạo trung bình của
Trái đất với bán trục lớn 29601,297 kilomet và nghiêng một góc 560 so với mặt phẳng
xích đạo.
Khi hoạt động đầy đủ, các tín hiệu của hệ thống Galileo sẽ phủ từ 75 độ Bắc đến
75 độ Nam. Hệ thống Galileo cùng với hệ thống COSPAS-SARSAT cung cấp phục vụ
các mục đích nghiên cứu về thảm hoạ của các vùng và dịch vụ tìm kiếm cứu nạn.
Vệ tinh đầu tiên của hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu của Châu Âu là GIOVE-A
đƣợc phóng vào năm 2005. Vệ tinh GIOVE-B đƣợc phóng vào năm 2007. Hai vệ tinh
này là hai vệ tinh thí nghiệm. Giai đoạn ban đầu của hệ thống Galileo bao gồm 4 vệ
13


tinh. Trong khoảng 2 đến 3 năm sau đó, 26 vệ tinh tiếp theo đƣợc phóng lên quỹ đạo.
Hệ thống Galileo đang trong giai đoạn hoàn chỉnh và theo dự kiến hệ thống sẽ hoạt
động đầy đủ vào khoảng năm 2013-2014.
Vào năm 2004 sự hợp tác giữa Mỹ và Liên minh Châu Âu về hệ thống định vị
vệ tinh toàn cầu đã đi đến thoả thuận về các khả năng hoạt động các tín hiệu trong dịch
vụ mở ở dải sóng ở tần số L1C của hệ thống GPS và E1 của hệ thống Galileo. Với sự
hợp tác này, vào dự kiến năm 2014 sẽ có khoảng 80% các máy thu GNSS hoạt động
trên toàn cầu sẽ thu đƣợc tín hiệu của hệ thống Galileo.
d. Hệ thống CNSS (Compass Navigation Satellite System)
CNSS là một hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu của Trung Quốc. Nhƣ là hệ

thống GPS, GLONASS và Galileo, hệ thống sẽ cung cấp hai dịch vụ định vị: một dịch
vụ dành cho khách hàng và một dịch vụ dành cho giao thông và truyền thông. Hệ thống
Compass bao gồm 30 vệ tinh quỹ đạo trung bình và 5 vệ tinh địa tĩnh với vị trí tại
58,750 Đông, 800 Đông, 110,50 Đông, 1400 Đông, 1600 Đông.
Mỗi vệ tinh phát 4 tần số sóng mang cho các tín hiệu định vị. Các tín hiệu định
vị này đƣợc điều chỉnh bao gồm dữ liệu về mã lịch vệ tinh, thời gian và với một độ
rộng dải tần đủ để cung cấp cần thiết việc định vị chính xác mà không cần sự trợ giúp
đến 2 lần truyền hoặc tích hợp với Doppler.
Trung Quốc đã đƣa 3 vệ tinh kiểm tra lên quỹ đạo trong khoảng từ năm 2000
đến 2003. Với việc phóng 2 vệ tinh Bắc Đẩu vào năm 2007, sự hoạt động của hệ thống
đã bao trùm toàn bộ lãnh thổ Trung Quốc và các phần lãnh thổ của các nƣớc láng giềng
vào năm 2008 trƣớc khi hệ thống này trở thành hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu.
Mục đích của Trung Quốc phát triển hệ thống này thành hệ thống định vị vệ tinh
toàn cầu rất rõ ràng nó đƣợc phản ánh trong các chính sách của chính phủ Trung Quốc
14


và cuối năm 2006 là độc lập phát triển các công nghệ ứng dụng và sản phẩm trong việc
cung cấp các dịch vụ về đạo hàng, định vị và thời gian. Trong tờ thời báo của Trung
Quốc ngày 13 tháng 11 năm 2006 đăng thông tin Hệ thống Compass có thể bắt đầu
hoạt động vào năm 2012 nếu chính phủ có sự quan tâm thích đáng.
1.1.1.2. Hệ thống định vị vệ tinh khu vực
a. Hệ thống IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System)
IRNSS là một hệ thống định vị khu vực của Ấn Độ với từ 7 đến 11 vệ tinh-3 vệ
tinh địa tĩnh (GAGAN) và các vệ tinh khác đƣợc đặt ở gần quỹ đạo này. Các vệ tinh
địa tĩnh hoạt động tại kinh độ 340 Đông, 830 Đông và 1320 Đông, trong khi đó các vệ
tinh khác bay ngang qua xích đạo tại kinh độ 550 Đông (2 vệ tinh) và 1110 Đông (2 vệ
tinh).
Hệ thống IRNSS hoạt động sẽ bao phủ hoàn toàn đất nƣớc Ấn Độ và các khu
vực liền kề. Theo dự kiến, hệ thống này sẽ đi vào hoạt động vào khoảng năm 20132014.

b. Hệ thống QZSS (Quasi-Zenith Satellite System )
Hệ thống QZSS là hệ thống định vị và dẫn đƣờng khu vực của Nhật Bản với
mục tiêu là các thiết bị di động, các dịch vụ viễn thông và thông tin định vị. Hệ thống
này là một trong số kế hoạch phát triển mạng lƣới vệ tinh nhằm giảm sự lệ thuộc vào
mạng GPS của Mỹ và làm tăng độ chính xác của GPS trên nƣớc Nhật.
QZSS đƣợc thiết kế gồm có 3 vệ tinh và bảo đảm rằng tại bất kỳ thời điểm nào
cũng có ít nhất 1 trong 3 vệ tinh luôn bay phía trên nƣớc Nhật. Mỗi vệ tinh truyền 4 tần
số sóng mang cho các tín hiệu định vị. Các tín hiệu định vị này tƣơng tự nhƣ hệ thống
CNSS đƣợc điều chỉnh bao gồm dữ liệu về mã lịch vệ tinh, thời gian và với một độ

15


rộng dải tần đủ để cung cấp cần thiết việc định vị chính xác mà không cần sự trợ giúp
đến 2 lần truyền hoặc tích hợp với Doppler. Các yêu cầu tấn số của hệ thống QZSS dựa
trên sự đánh giá về độ chính xác của yêu cầu sử dụng, sự trễ tín hiệu khi truyền từ
không gian về mặt đất, hiện tƣợng đa đƣờng, các cấu hình của thiết bị. 3 tần số ban đầu
đƣợc sử dụng cho các hoạt động của QZSS là 1575,42 MHz (L1), 1227,6 MHz (L2) và
1176,45 MHz (L5). Một tần số sử dụng khác sẽ đƣợc thêm vào đó là 1278,75 MHz
(LEX).
Tƣơng tự nhƣ hệ thống Galileo, sự hợp tác giữa Nhật Bản và Mỹ vào năm 1998
đã bảo đảm rằng hệ thống QZSS sẽ truyền phát tín vài hiệu giống nhƣ tín hiệu của hệ
thống GPS. Thực vậy, vào tháng 9 năm 2010, vệ tinh "Michibiki" đƣợc đƣa vào quỹ
đạo không gian. Đây là vệ tinh đầu tiên đƣợc phóng lên quỹ đạo nằm trong hệ thống 3
vệ tinh của Nhật cung cấp tín hiệu GPS phiên bản hiện đại hoá tín hiệu dân sự L1
(L1C).
1.1.1.3. Các hệ thống định vị vệ tinh mở rộng
EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) là một hệ thống
vệ tinh cơ sở mở rộng đƣợc phát triển bởi tổ chức không gian Châu Âu (ESA), uỷ ban
Châu Âu (EC) và EUROCONTROL. EGNOS bổ sung các hệ thống GPS, GLONASS

và Galileo cho các bản tin đáng tin cậy và độ chính xác của các tín hiệu vệ tinh.
EGNOS bao gồm 3 vệ tinh địa tĩnh (AOR-E, IOR-W và ARTEMIS) và một mạng lƣới
với hơn 40 trạm quan sát mặt đất.
WAAS (Wide Area Augmentation System) là một hệ thống vệ tinh mở rộng khu
vực trên diện rộng làm tăng khả năng hoạt động của hệ thống GPS trên lãnh thổ phía
Bắc Mỹ cung cấp thêm độ chính xác, tính toàn vẹn và các khả năng cần thiết cho phép
ngƣời sử dụng dựa vào hệ thống GPS cho các ứng dụng về an toàn, đặc biệt là trong
lĩnh vực hàng không. Trƣớc hệ thống WAAS, hệ thống không phận quốc gia Mỹ

16


(NAS) không có khả năng cung cấp định vị về mặt phẳng và độ cao cho hàng không
với độ chính xác cho ngƣời sử dụng ở tất cả các vị trí. WAAS đƣợc thiết lập bởi 4 vệ
tinh địa tĩnh và sử dụng một mạng lƣới các trạm cơ sở mặt đất ở Bắc Mỹ và Hawaii.
MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System) là hệ thống vệ tinh cơ
sở mở rộng của Nhật Bản nghĩa là một hệ thống định vị vệ tinh với việc định vị vi phân
thiết kế để bổ sung vào hệ thống GPS làm tăng sự đáng tin cậy về độ chính xác của các
tín hiệu vệ tinh.
Thêm vào việc truyền các tín hiệu hiệu chỉnh và đồng bộ với dữ liệu GPS, vệ
tinh MSAS còn sử dụng việc quan trắc khí tƣợng và các dịch vụ truyền thông để phục
vụ cho các mục đích khác nhau. Sau những lỗi của lần phóng về tinh MTSAT đầu tiên
vào năm 1999, ngƣời ta đã thay thế vào đó vệ tinh MTSAT-1R đƣợc đặt lên quỹ đạo
vào năm 2005 ở 1400 Đông. Vệ tinh MTSAT-2 đã đƣợc phóng và hoạt động vào tháng
3 năm 2006 ở 1450 Đông.
GAGAN (GPS and GEO Augmented Navigation system) là hệ thống định vị vệ
tinh cơ sở mở rộng phục vụ mục đích hàng không dân sự của Ấn Độ ở vùng Nam Châu
Á. Hệ thống này đƣợc thiết lập bởi tổ chức nghiên cứu vũ trụ Ấn Độ ISRO (Indian
Space and Research Organization) và cơ quan hàng không của Ấn Độ.
Thiết bị mang theo định vị vệ tinh địa tĩnh đầu tiên hoạt động trong dải sóng C

và tần số L1 và L5 (dải sóng L) GSAT-4 đã đƣợc phóng lên quỹ đạo tại vị trí 820 Đông
vào tháng 4 năm 2010 tuy nhiên vệ tinh này chƣa tiếp cận đƣợc với quỹ đạo. Hệ thống
GAGAN theo dự kiến sẽ hoạt động vào năm 2014.
NIGCOMSAT (Nigerian communication satellite) là hệ thống vệ tinh truyền
thông của Nigeria có nhiệm vụ là vệ tinh truyền thông điều hành và cung cấp dịch vụ ở

17


châu Phi. Nigeria là nƣớc đầu tiên ở Châu Phi tham gia vào lĩnh vực định vị vệ tinh. Vệ
tinh của hệ thống truyền tín hiệu ở dải tần L là L1 và L5.
Vệ tinh NIGCOMSAT-1 đƣợc đƣa lên quỹ đạo vào tháng 5 năm 2007 tại vị trí
420 Đông bởi tên lửa vận chuyển Long March 3B của Trung Quốc. Tuy nhiên, tháng
11 năm 2008 vệ tinh NIGCOMSAT-1 đã gặp những lỗi kỹ thuật và chệch khỏi quỹ
đạo. Tháng 3 năm 2009, Nigeria công bố về vệ tinh thay thế NIGCOMSAT-1 là
NIGCOMSAT-1R dự kiến sẽ đi vào hoạt động trong năm 2011.
1.1.2. Tương lai của các máy thu GNSS
Ngày nay, hơn 60 vệ tinh đang hoạt động truyền các tín hiệu đa dạng và đa tần
số từ các hệ thống định vị vệ tinh trên toàn cầu. Và nhƣ vậy, theo hƣớng phát triển của
nó, dự kiến vào khoảng năm 2013 đến 2015 số lƣợng các vệ tinh tăng gấp khoảng 3 lần
và tín hiệu các vệ tinh sẽ gấp khoảng từ 4 đến 6 lần so với thời điểm hiện nay. Các nhà
sản xuất máy thu GNSS hƣớng đến việc máy thu đa hệ có nghĩa là máy thu có khả
năng khai thác đƣợc tất cả các tín hiệu của các hệ thống định vị. Nhƣ vậy, những lợi
ích từ việc sử dụng các máy thu tín hiệu vệ tinh trong tƣơng lai mang lại có thể kể đến
là:
- Nâng cao độ chính xác của việc định vị (nhiều vệ tinh đƣợc quan sát trong
cùng một thời điểm, các trị đo thừa nhiều hơn, PDOP thấp hơn,...)
- Những khả năng khác đƣợc cải thiện (các vệ tinh quan sát đƣợc nhiều, máy thu
các tín hiệu vệ tinh 2 tần số hoặc 3 tần số, độ chính xác cao cho phép ngƣời sử dụng
giải quyết đƣợc sự nhập nhằng của tín hiệu một cách nhanh chóng,...)

- Tính toàn vẹn cao hơn (các yếu tố đo đạc thừa cao, tăng chất lƣợng của thuật
toán,...)

18


Bên cạnh những lợi ích mà thành tựu khoa học của công nghệ định vị vệ tinh
mạng lại, ngày nay các vấn đề về tín hiệu của các hệ thống định vị vệ tinh gặp phải đó
là: sự điều biến tín hiệu, các mã tín hiệu, tốc độ truyền dữ liệu, cấu trúc truyền thông
của việc định vị, việc đo đạc, khung tham chiếu thời gian, và thậm chí cấu hình quỹ
đạo vệ tinh của các hệ thống. Tất cả những điều đó có liên quan đến thiết kế và chế tạo
các máy thu sao cho nó có tính bền vững nhất. Đây là một thách thức lớn đối với các
hãng sản xuất và các nhà khoa học trong việc nghiên cứu chế tạo các máy thu. Và nhƣ
vậy, các máy thu đa hệ trong tƣơng lai phải có phần cứng, phần mềm và cấu hình
tƣơng thích, có khả năng sử lý đƣợc các tín hiệu đa dạng của các hệ thống định vị một
cách linh hoạt mới đem lại những lợi ích cao nhất cho cộng đồng ngƣời sử dụng trên
toàn cầu.
1.2. Biến đổi sóng con

Hình 1.2 Ví dụ về biến đổi sóng con rời rạc 2D
Trong toán học, biến đổi sóng con là một đại diện của một hàm khả tích bậc hai
(giá trị thực hoặc phức) bởi một chuỗi trực chuẩn nhất định đƣợc tạo ra bởi một sóng

19


con. Ngày nay, biến đổi sóng con là một trong những đại diện nổi tiếng nhất của biến
đổi thời gian-tần số. Mục này đƣa ra một định nghĩa toán học thông thƣờng của một
sóng con trực giao và các sóng con biến đổi tích phân.
1.2.1 Biến đổi thông thường

Hàm số

đƣợc gọi là một sóng con trực giao nếu nó định nghĩa đƣợc

hàm Hilbert cơ bản (một hệ thống trực giao hoàn toàn) trong không gian
của các hàm tích phân vuông.

Hilbert

Hàm Hilbert cơ sở là một họ các hàm
ngôi và giãn hàm

bằng phƣơng pháp biến đổi hai

,
(1.1)

Trong đó

.

Họ này là một hệ thống trực giao nếu nó là hàm nội trực giao
〈

〉

̅̅̅̅̅̅

∫
〈

Trong đó

trên tập

〉

(1.2)
(1.3)

là delta Kronecker .

Trực giao hoàn toàn nếu với mỗi hàm

có thể đƣợc mở rộng bởi hàm

cơ sở
∑

(1.4)

Với sự hội tụ của các chuỗi là sự hội tụ chuẩn. Một đại diện của một hàm f nhƣ
vậy đƣợc gọi là một chuỗi sóng con.
1.2.2 Biến đổi sóng con
Biến đổi sóng con tích hợp là biến đổi đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

20


[

]

√| |

̅̅̅̅̅̅̅̅̅

∫

(1.5)

Các hệ số sóng con cjk đƣợc cho bởi
[
Ở đây,

]

(1.6)

đƣợc gọi là sự giãn nở nhị phân hoặc giãn nở theo cặp đôi, và
là vị trí nhị phân hoặc theo cặp đôi.
Ý tƣởng cơ bản của biến đổi sóng con là sự biến đổi nên chỉ cho phép thay đổi

trong thời gian mở rộng, nhƣng không có hình. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách
chọn chức năng cơ sở thích hợp cho phép cho việc này. Những thay đổi trong thời gian
mở rộng dự kiến sẽ phù hợp với các tần số tƣơng ứng với phân tích của các hàm cơ sở.
Dựa trên nguyên lý bất định của xử lý tín hiệu,
(1.7)
trong đó t biểu diễn thời gian và tần số góc ω (ω = 2πf, trong đó f là tần số tạm thời).
Các cao độ phân giải yêu cầu trong thời gian này, thấp hơn độ phân giải tần số

phải đƣợc lớn hơn các phần mở rộng của các cửa sổ phân tích đƣợc chọn, giá trị lớn
hơn là giá trị của Δt.

Hình 1. 3 Sự phụ thuộc độ phân giải sóng theo thời gian

21


Khi Δt lớn,
1. Độ phân giải thời gian kém
2. Độ phân giải tần số tốt
3. Tần số thấp, hệ số cân bằng lớn
Khi Δt nhỏ
1. Độ phân giải thời gian tốt
2. Độ phân giải tần số kém
3. Tần số cao, hệ số cân bằng nhỏ
Nói cách khác, các chức năng cơ sở

có thể đƣợc coi nhƣ là một đáp ứng xung

của hệ thống mà các chức năng x(t) đã đƣợc lọc. Các tín hiệu đƣợc biến đổi cung cấp
thông tin về thời gian và tần số. Vì vậy, sự biến đổi sóng con chứa thông tin tƣơng tự
nhƣ biến đổi Fourier theo thời gian ngắn, nhƣng với tính chất đặc biệt bổ sung của các
khuyết điểm sóng, mà hiển thị ở độ phân giải trong thời gian ở tần số phân tích cao hơn
trong những chức năng cơ bản. Sự khác biệt về thời gian giải quyết ở tần số tăng dần
cho các biến đổi Fourier và sóng con biến đổi đƣợc hiển thị dƣới đây.

Hình 1. 4 So sánh giữa biến đổi Fourier (trái) với biến đổi wavelet (phải)
Điều này cho thấy rằng sự biến đổi sóng con là tốt trong thời gian giải quyết các
tần số cao, trong khi đối với các chức năng biến đổi chậm, độ phân giải tần số rất đáng

chú ý.
22


Một ví dụ khác: Các phân tích của ba tín hiệu hình sin
với STFT và biến đổi sóng con.

Hình 1. 5 Tần số của biến đổi Fourier và biến đổi Wavelet
1.2.3 Nén sóng con
Nén sóng con là một dạng dữ liệu nén thích hợp cho các hình ảnh nén (đôi khi
cũng nén video và nén âm thanh). Hiện thực đáng chú ý là JPEG 2000, DjVu và ECW
cho ảnh tĩnh, REDCODE, CineForm, Dirac của BBC, và Ogg Tarkin cho video. Mục
đích là để lƣu trữ dữ liệu hình ảnh trong ít không gian càng tốt trong một tập tin. Nén
sóng con có thể là không tổn hao hoặc tổn hao.
Sử dụng một biến đổi sóng con, các phƣơng pháp nén sóng con là đủ để sử dụng
tín hiệu, chẳng hạn nhƣ bộ gõ âm thanh trong âm thanh, hoặc các thành phần tần số cao
hình ảnh hai chiều, ví dụ một hình ảnh của các ngôi sao trên bầu trời đêm. Điều này có
nghĩa rằng các yếu tố lƣớt qua của một tín hiệu dữ liệu có thể đƣợc đại diện bởi một
lƣợng thông tin ít hơn sẽ là trƣờng hợp riêng cho một số biến đổi khác, chẳng hạn nhƣ
biến đổi cosin rời rạc biến đổi đƣợc sử dụng khá phổ biến.
Theo Diary Of An Developer x264: Các vấn đề với nhƣợc điểm sóng (2010) để
thảo luận về các vấn đề thực tiễn của phƣơng pháp hiện tại bằng cách sử dụng sóng
khuyết cho video nén.
Phương pháp

23


Lần đầu tiên một biến đổi sóng con đƣợc áp dụng. Điều này tạo ra nhiều hệ số là
có những điểm ảnh trong hình ảnh (tức là, không có nén kể từ khi nó bị biến đổi).

Những hệ số này sau đó có thể đƣợc nén dễ dàng hơn bởi vì các thông tin đƣợc tập
trung thống kê chỉ trong một vài hệ số. Nguyên tắc này đƣợc gọi là mã hóa biến đổi.
Sau đó, các hệ số đã đƣợc lƣợng tử hóa và các giá trị lƣợng tử hóa là entropy mã hóa.
Một vài ứng dụng 1D và 2D của nén sóng con sử dụng một kỹ thuật gọi là "dấu
chân sóng con".
Bảng so sánh biến đổi sóng con với biến đổi Fourier và phân tích thời gian-tần
số:

Biến đổi

Biến đổi Fourier

Hàm số

∫

ξ : tần số

T: thời

Hàm phụ thuộc tần

X(t,f)

số - thời gian

Biến đổi sóng con

Output

gian; f:
tần số

√| |

∫

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅

a : tỷ
lệ; b: thời
gian

24