Thiết kế, chế tạo thử nghiệm máy thu cho hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPSGalileo

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS. TS Vũ Văn Yêm – người thầy đã luôn
động viên và tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học tập và hướng dẫn tôi làm luận
văn này.
Tác giả cũng xin cảm ơn các thầy cô của Viện Điện tử - Viễn thông– Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội.
Xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn ở bên, động viên và tạo mọi điều kiện giúp
đỡ tôi để tôi hoàn thành luận văn.
 
Tác giả

Trần Thị Thu Hường





1 
 


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ……………………………………………………………………………………4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ................................................................................. 8
LỜI MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………………10
Chương 1
I.

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GNSS ....... 12

Vài nét về GNSS ...................................................................................................... 12

II. Hệ thống GPS ........................................................................................................... 14
III.

Hệ thống GALILEO ............................................................................................. 15

IV.

Khảo sát một số kiến trúc máy thu GPS ............................................................... 17

1. Yêu cầu kỹ thuật máy thu GPS ............................................................................. 17
2. Một số kiến trúc máy thu GPS .............................................................................. 18
V. Ứng dụng của các hệ thống GNSS: .......................................................................... 20
Chương 2
I.

MÁY THU GPS/GALILEO ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SDR ............... 23

Kiến trúc hệ thống máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR................................... 23

II. Anten và khối cao tần trong máy thu GNSS ............................................................ 24
III.

Xử lý tín hiệu GNSS ............................................................................................. 37

1. Khái niệm kênh máy thu và xử lý tín hiệu ............................................................ 37
2. Đặc điểm của xử lý tính hiệu và dữ liệu ............................................................... 43

IV.

Nghiên cứu kit phát triển chip MAX2769 ............................................................ 57

1. Giới thiệu chip MAX2769 và Evkit Max2769 ..................................................... 57

2 
 


2. Xây dựng hệ thống nghiên cứu chip MAX2769 ................................................... 60
Chương 3
I.

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ANTEN CHO HỆ THỐNG GNSS ............... 64

Thiết kế anten mạch dải sử dụng trong hệ thống GNSS .......................................... 64
1. Yêu cầu kỹ thuật anten GALILEO ....................................................................... 64
2. Lý thuyết về anten mạch dải 2 tần số .................................................................... 64

II. Phân tích, thiết kế và chế tạo thử nghiệm anten mạch dải GALILEO ..................... 66
1. Phân tích, thiết kế và chế tạo thử nghiệm anten mạch dải 2 tần số với cấu trúc
dạng đĩa tròn ................................................................................................................ 66
2. Phân tích, thiết kế anten mạch dải tần số sử dụng mạch tiếp điện hốc cộng hưởng
có khe ghép trên mặt tiếp đất hình cánh cung ............................................................. 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 81 

3 
 

LỜI CAM ĐOAN
 
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của thầy
Vũ Văn Yêm.
Các số liệu thực nghiệm và các kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và
chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã được trích dẫn trong danh mục, ngoài
ra không sử dụng bất kỳ tài liệu tham khảo nào khác.
 
 

Tác giả

Trần Thị Thu Hường

 

4 
 


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
STT
1
2
3
4
5
6

7
8
9
10
11
12
13
14
15

Chữ viết tắt
ACF
ADC
AGC
ASIC
AWGN
BOC
BPSK
CASM
CDMA
CRC
DFT
DLL
FFT
FLL
GIOVE-A

16
17
18

19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33

GNSS
GPS
GPST
GST
IF
IF_BPF
IF_PA
L1
LHCP
LNA
LO
NCO
OS
PRN

PSD
RF
RHCP
RNSS

Ý nghĩa
Hàm tự tương quan
Bộ biến đổi tương tự - số (Analog Digital Converter)
Điều khiển khuếch đại tự động
Mạch tích hợp
Nhiễu Gaussian trắng cộng
Binay Offset Carrier
Khóa dịch pha nhị phân
Coherent Adaptive Subcarrrier Modulation
Đa truy cập phân chia theo mã
Phát hiện lỗi CRC (cyclic redundant check)
Biến đổi Fourier rời rạc
Lặp khóa trễ
Biến đổi Fourier nhanh
Lặp khóa tần
Chuẩn quỹ đạo GALILEO A
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (Global Navigation Satellite
System)
Hệ thống định vị toàn cầu
Giờ GPS
Giờ hệ thống GALILEO
Trung tần (Intermediate Frequency)
Bộ lọc thông dải trung tần
Bộ khuếch đại công suất trung tần
Tần số GPS và GALILEO (fL1 = 1575.42 MHz)

Phân cực tròn xoáy trái (Left Hand Circular Polarization)
Bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low- Noise Amplifier)
Bộ dao động nội (Local Oscillator)
Bộ dao động được điều khiển số
Dịch vụ mở
Tạp âm giả ngẫu nhiên
Mập độ phổ công suất
Tần số cao tần
Phân cực tròn xoáy phải (Right Hand Circular Polarization)
Dịch vụ định vị vệ tinh vô tuyến
5 

 


34

SAW

35
36
37
38

SDR
SNR
VCO
VSWR

Sóng âm bề mặt

Công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (Software
Defined Radio)
Tỉ lệ tín hiệu/ tạp âm
Bộ dao động được điều khiển bằng điện áp
Tỉ lệ sóng đứng

 
 

 

6 
 


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-2: Đặc điểm các hệ thống GNSS ........................................................................... 12
Bảng 2-1: Thời gian thực hiện mỗi loại thuật toán............................................................. 55
Bảng 2-2: Các tham số được kiểm tra ................................................................................ 62
Bảng 3-1: Các dạng cơ bản của anten mạch dải hai tần số [4] ........................................... 66
Bảng 3-2: Bốn nghiệm đầu tiên của hàm Bessel ................................................................ 68

 

7 
 


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1: Phổ tín hiệu GPS/GALILEO[1] ......................................................................... 17

Hình 1-2: Sơ đồ máy thu Hyterodyne [2] ........................................................................... 18
Hình 1-3: Sơ đồ máy thu Superhyterodyne [2] .................................................................. 19
Hình 1-4: Sơ đồ máy thu Homodyne [2] ............................................................................ 20
Hình 2-1: Hệ thống máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR [3] ...................................... 23
Hình 2-2: Kiến trúc hệ thống máy thu GNSS SDR [3] ...................................................... 24
Hình 2-3: Công suất tạp âm nhiệt và tín hiệu GPS trong miền tần số. .............................. 25
Hình 2-4: Sơ đồ khối Front end GNSS L1[3] .................................................................... 26
Hình 2-5: So sánh các bộ lọc thông dải [3] ........................................................................ 30
Hình 2-6: Biểu diễn 1000 mẫu trong miền thời gian [3] .................................................... 34
Hình 2-7: Biểu đồ của 1,048,576 mẫu dữ liệu[3] ............................................................... 35
Hình 2-8: Biểu diễn 1,048,576 mẫu dự liệu GPS L1 trong miền tần số[3]........................ 35
Hình 2-9: Miêu tả miền tần số đã được cải thiện. Tần số trung tâm 1575.42 MHz[3] ...... 37
Hình 2-10: Một kênh máy thu. ........................................................................................... 38
Hình 2-11: Đồ thị dữ liệu thu thập cho PRN 21 ................................................................. 41
Hình 2-12: Biểu diễn đồ thị thu nhận phổ biến, thực hiện cho 1 vệ tinh mà nó không quan
sát thấy tại máy thu GPS. Trong đồ thị này, tất cả các giá tị gần như đồng nhất, chỉ ra độ
tương quan thấp [3]. ........................................................................................................... 41
Hình 2-13: Nguyên tắc cơ bản của định vị GNSS.............................................................. 43
Hình 2-14: Sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm nối tiếp .................................................... 44
Hình 2-15: Các sóng cosine (a) và sine (b) được tạo ra trong máy thu [3] ........................ 47
Hình 2-16: Đầu ra từ kỹ thuật thu thập tìm kiếm nói tiếp .................................................. 48
Hình 2-17: Sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm pha tần số song song ............................... 49
Hình 2-18: Giải điều chế mã PRN ...................................................................................... 50
Hình 2-19: Đồ thị PSD của tín hiệu tới được nhân bởi mã PRN. ...................................... 51
Hình 2-20: Đầu ra từ tìm kiếm không tín hiệu song song .................................................. 52

8 
 

Hình 2-21: Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm pha mã song song .......................................... 53
Hình 2-22: Đầu ra của phương pháp tìm kiêm pha mã song song. .................................... 55
Hình 2-23: Sơ đồ chi tiết máy thu MAX2769 .................................................................... 57
Hình 2-24: Sơ đồ khối thiết kế sử dụng MAX2769 ........................................................... 60
Hình 2-25: Sơ đồ mạch EVKit ........................................................................................... 63
Hình 3-1: Anten mạch dải dạng đĩa tròn[5]........................................................................ 68
Hình 3-2: Cấu trúc bổ dọc của anten mạch dải hai tần số[6] ............................................. 69
Hình 3-3: Anten mạch dải 2 tần số ..................................................................................... 71
Hình 3-4: Đồ thị phối hợp trở kháng S11[dB] ................................................................... 71
Hình 3-5: Đồ thị phương hướng anten ............................................................................... 72
Hình 3-6: Hình dạng anten đã chế tạo thử nghiệm............................................................. 73
Hình 3-7: Cấu trúc đa lớp (nhìn ngang) và layout tiếp điện thắt hình cung và cấu trúc vành
khuyên (nhìn từ trên xuống) của anten phân cực tuyến tính .............................................. 76
Hình 3-8: Mạng tiếp điện để tạo ra anten phân cực tròn xoáy phải ................................... 77
Hình 3-9: Mô hình anten trong mô phỏng bằng phần mềm CST ....................................... 78
Hình 3-10: Sơ đồ nguyên lý bộ chia công suất kiểu cầu Wilkinson .................................. 78
Hình 3-11: Sơ đồ thiết kế bộ chia công suất cầu Wikilson bằng module Design – CST... 79
Hình 3-12: Đồ thị phối hợp trở kháng S11[dB] ................................................................. 79
Hình 3-13: Layout của bộ chia công suất. .......................................................................... 80

 

9 
 


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngày nay các hệ thống định vị vệ
tinh toàn cầu (như GPS của Mỹ, GNONASS của Nga) ngày càng được ứng dụng rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực như quân sự, hàng hải, giao thông, hệ thống thông tin di động, trắc

địa. Nhưng do các hệ thống này ra đời chủ yếu phục vụ trong lĩnh vực quân sự nên độ
chính xác của các dịch vụ phục vụ dân sự còn hạn chế. Ngày nay, hệ thống GALILEO
đang được Châu Âu nghiên cứu, chế tạo nhằm phục vụ cho các mục đích thương mại với
độ chính xác cao hơn so với hệ thống GPS. Hơn nữa, công nghệ vô tuyến điều khiển bằng
phần mềm (Software Defined Radio – SDR) là một xu hướng mới đang được phát triển
trong các hệ thống thu phát viễn thông. Tuy nhiên, những nghiên cứu lý thuyết và chế tạo
máy thu và anten của Việt Nam còn rất nhiều hạn chế do thiếu điều kiện kỹ thuật, cơ sở
vật chất. Việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu GALILEO điều khiển bằng phần mềm sẽ
góp phần vào lĩnh vực thiết kế, chế tạo hệ thống thu tín hiệu GNSS ở Việt Nam.
Đã có rất nhiều những nghiên cứu trên thế giới về hệ thống máy thu GALILEO và
đã đạt được những thành quả nhất định. Hiện tại đã có 2 vệ tinh được phóng thử nghiệm
lên quỹ đạo thành công. Dự án xây dựng hệ thống định toàn cầu GALILEO vẫn đang
được gấp rút tiến hành và nghiên cứu.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu hệ thống máy thu GALILEO sử dụng công nghệ
SDR, đi sâu vào nghiên cứu, thiết kế cấu trúc anten 2 băng tần, dải rộng và phân cực tròn
xoáy để thu tín hiệu GALILEO (hai băng L1 và E5). Các lý thuyết về anten mạch dải hai
băng tần dải rộng, cách tiếp điện đồng pha và công cụ thiết kế, mô phỏng sẽ được sử dụng
làm công cụ nghiên cứu trong luận văn. Đầu tiên thực hiện thiết kế cấu trúc anten 2 băng
tần đơn giản, sau đó áp dụng nguyên lý tiếp điện anten theo kiểu ghép khe để đạt được
anten dải rộng, trong đó mạng tiếp điện có dùng cấu trúc của các bộ chia công suất, bộ
dịch pha 900. Kết quả thu được là cấu trúc anten hoạt động tại hai băng tần và phối hợp
trở kháng tại hai tần số trung tâm băng L1. E5.

10 
 


Nội dung luận văn gồm ba chương:
-

Chương thứ nhất: Trình bày tổng quan đặc điểm các hệ thống định vị toàn
cầu GNSS, khảo sát một số kiến trúc máy thu và ứng dụng của chúng trong
thực tế ngày nay.

-

Chương thứ hai: Trình bày về hệ thống máy thu tín hiệu GPS/ GALILEO sử
dụng công nghệ SDR, nghiên cứu sâu về chip MAX2769 được sử dụng
trong hệ thống máy thu GPS.

-

Chương thứ ba: Nghiên cứu về phương pháp thiết kế anten mạch dải hai tần
số, thiết kế và chế tạo anten mạch dải thu tín hiệu GALILEO.

11 
 


Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
GNSS
I.

Vài nét về GNSS
Hiện tại trên thế giới có 4 hệ thống GNSS chính được phát triển ở nhiều quốc gia

khác nhau: Hệ thống thông tin định vị toàn cầu GPS của Mỹ, GLONASS của Nga,
GALILEO của liên minh Châu Âu và COMPASS của Trung Quốc. Hệ thống GLONASS
được khôi phục và đưa vào sử dụng trong năm 2010. Hệ thống định vị GALILEO của liên
minh Châu Âu là một hệ thống đang được xây dựng, hệ thống gồm 2 pha: Pha In Orbit

Validation (IOV) đã được hoàn thành vào năm 2010, pha Full Orbit Constellation (FOC)
sẽ hoàn thành vào khoảng năm 2015. Trung Quốc đang xây dựng hệ thống định vị toàn
cầu COMPASS còn được gọi là Beidou-2. Beidou-1 là hệ thống phạm vi quốc gia. Đặc
điểm chính của các hệ thống GNSS được tóm tắt trong bảng 1.1.
Hệ thống

GPS

GLONASS

GALILEO

COMPASS

Số vệ tinh

21+3

21+3

27+3

30+5 GEO

Số mặt phẳng quỹ đạo

6

3

3

Bán trục lớn

26600 km

25440 km

29600 km

21500 km

Chu kỳ chuyển động

11:58h

11:15h

14:07h

12:35h

Góc nghiêng

550

640

560

550

Khối lượng vệ tinh

1100 kg

1400 kg

700 kg

2200 kg

Diện tích panel mặt trời

14 m2

23 m2

13 km2

Bảng 1-1: Đặc điểm các hệ thống GNSS

12 
 


Chỉ số 21 + 3 có nghĩa là trong chòm sao hệ thống có ít nhất 21 vệ tinh hoạt động
chính và 3 vệ tinh dự phòng. Do đó có tổng 24 vệ tinh trong quỹ đạo GALILEO bao gồm
ít nhất là 27 vệ tinh hoạt động chính và 3 vệ tinh dự phòng. Như vậy, trên 1 mặt phẳng
quỹ đạo sẽ có 10 vệ tinh. Một trong số các vệ tinh này là tích cực trong 1 mặt phẳng quỹ

đạo. Số lượng vệ tinh của hệ thống GALILEO cao hơn so với GPS và GLONASS là do
các vệ tinh GALILEO bay cao hơn.
Chu kỳ quỹ đạo vệ tinh
Các vệ tinh GNSS phải bảo toàn vị trí chuyển động tương đối của chúng. Các mặt
phẳng vệ tinh phải đảm bảo giữ nguyên khoảng cách giữa các vệ tinh. Trong hệ thống
GPS, vấn đề này được giải quyết bằng cách chòm sao có chu kỳ lặp lại hàng ngày. Điều
đó có nghĩa là tất cả các ngày thiên văn, vệ tinh nằm trên cùng một vị trí so với Trái đất.
Các vệ tinh phải cộng hưởng sâu với trường trọng lực Trái đất. Một số vệ tinh trong chòm
GPS trong thực tế có những nhiễu loạn đáng kể. Những vệ tinh này phải được điều chỉnh
để giữ chúng gần nhất với vị trí quỹ đạo chuẩn.
Trong hệ thống GLONASS, các vệ tinh lặp lại bằng cách tiếp nhận vị trí khác
nhau. Trong 1 mặt phẳng quỹ đạo, các vệ tinh được phân chia cách nhau 15 phút. Cùng
với chu kỳ quỹ đạo chuyển động là 11:15 h, điều này có nghĩa là sau mỗi ngày, vệ tinh
trong mặt phẳng quỹ đạo chuyển động trên cùng một vết với vệ tinh trước đó trong cùng
một mặt phẳng quỹ đạo. Nó đảm bảo rằng chòm sao duy trì cố định nhưng tránh các ảnh
hưởng của tính chất cộng hưởng. Một vòng lặp lại của các vệ tinh GLONASS là 8 ngày.
Trong hệ thống GALILEO, tiêu chuẩn thiết kế chủ yếu đó là mỗi vệ tinh cần tự
điều chỉnh để giữ nó ở gần vị trí chuẩn của nó trong mặt phẳng quỹ đạo. Bởi vậy, hoàn
toàn tránh được hiện tượng cộng hưởng sâu như các vệ tinh GPS. Chòm sao quỹ đạo
trong hệ thống GALILEO sau 10 ngày lặp lại một lần. Sự lựa chọn quỹ dạo GALILEO
đảm bảo rằng chòm sao GALILEO tự duy trì một cách hoàn hảo hình dạng trong suốt chu
kỳ sống với khả năng tự điều chỉnh trên mỗi vệ tinh GALILEO.

13 
 


Các hệ thống có GNSS phụ trợ
Bên cạch những hệ thống GNSS hoàn chỉnh, cũng có những hệ thống GNSS phụ
trợ. Hầu hết chúng được sử dụng với mục đích cải thiện hiệu suất cho GPS ngoại trừ hệ

thống bổ trợ cho GLONASS, Ở Mỹ, hệ thống phụ trợ cho GPS là WAAS (Wide Area
Augmentation System). Ở châu Âu, hệ thống tương tự được gọi là EGNOS (European
Geostationary Navigation Overlay System). Hệ thống của Nhật được gọi là MSAS
(MTSAT Satellite Augmentation System). Ở Ấn Độ, cũng phát triển hệ thống GAGAN
(GPS Aided Geo Augmented Navigation).
II.

Hệ thống GPS
Khái quát tín hiệu GPS:
Các tín hiệu GPS được phát đi trên 2 tần số vô tuyến băng UHF (500 MHz – 3

GHz). Hai tần số này được gọi là L1 và L2 là bội của tần số chuẩn f0 = 10.23 MHz
fL1 = 154.f0 = 1575.42 MHz

(1.1)

fL2 = 120.f0 = 1227.60 MHz

(1.2)

GPS dân sự dùng tần số L1 1575,42 MHz trong dải UHF. Tín hiệu truyền trực thị,
có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối
tượng cứng như núi và nhà.
Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau - mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên
văn và dữ liệu lịch. Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được vệ
tinh nào là phát thông tin nào. Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết vệ tinh ở đâu trên
quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày. Mỗi vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin
quỹ đạo cho vệ tinh đó và mỗi vệ tinh khác trong hệ thống. Dữ liệu lịch được phát đều
đặn bởi mỗi vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (hoạt động tốt hay
không), ngày giờ hiện tại. Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí.

14 
 


Những nguồn lỗi của tín hiệu GPS:
 Những điều có thể làm giảm chất lượng tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới độ

chính xác bao gồm: 
-

Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion - Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua
tầng khí quyển.

-

Tín hiệu đa đường - Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng
khác trước khi tới máy thu.

-

Lỗi đồng hồ máy thu - Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng hồ
nguyên tử trên các vệ tinh GPS.

-

Lỗi quỹ đạo - Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo vị trí không
chính xác.

-

Số lượng vệ tinh nhìn thấy - Càng nhiều vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì
càng chính xác. Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí
tán lá dày có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được.
Nói chung, máy thu GPS không làm việc được trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất.

-

Hình học che khuất - Điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời
điểm bất kì. Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các vệ tinh ở vị trí góc rộng với nhau.
Phân bố xấu xảy ra khi các vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc co cụm thành
nhóm.

-

Sự giảm có chủ tâm tín hiệu vệ tinh - Là sự làm giảm tín hiệu cố ý do sự áp đặt của
Bộ Quốc phòng Mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ quân sự dùng tín hiệu GPS chính
xác cao. Chính phủ Mỹ đã ngừng việc này từ tháng 5 năm 2000, làm tăng đáng kể
độ chính xác của máy thu GPS dân sự.

III.

Hệ thống GALILEO
Cấu trúc của hệ thống GALILEO gồm 4 phần chính: Phân hệ toàn cầu, phân hệ

cục bộ, phân hệ miền và phân hệ người sử dụng.
15 
 

-

Phân hệ toàn cầu gồm các phân hệ quan trọng nhất của hệ thống: Phân hệ không
gian (30 vệ tinh được đặt trên 3 mặt phẳng quỹ đạo), phân hệ mặt đất (gồm các
trạm điều khiển, quản lý và bảo dưỡng hệ thống)

-

Phân hệ miền gồm các trạm điều khiển để đảm bảo tính toàn vẹn của các bản tin
được gửi đi trong hệ thống

-

Phân hệ cục bộ gồm tất cả các thiết bị dùng để cải thiện chất lượng của các dịch vụ
mong muốn tại các vùng cụ thể

-

Phân hệ người sử dụng bao gồm tất các máy thu tín hiệu GALILEO.
Tín hiệu GALILEO
Tín hiệu GALILEO được phát trên các dải tần 1164 – 1215 MHz (E5a và E5b),

1215 – 1300 MHz (E6) và 1559 – 1592 MHz (E2 – L1 – E1). Có phổ được biểu diễn
trong hình 1-1.
Mỗi vệ tinh GALILEO phát quảng bá 10 tín hiệu định vị khác nhau, tùy từng loại
dịch vụ mà thu được các tín hiệu khác nhau. Có 4 loại dịch vụ gồm: Dịch vụ mở (open
service), dịch vụ an toàn cuộc sống (Safety – of – life), dịch vụ thương mại (commercial
service) và các dịch vụ công cộng (public regulated service).

16 

 


Tần số GALILE
EO

Đườ
ờng xuống SAR

Băng L5 GPS
Băng L1 GPS

Tần số sóng mang

Tín hhiệu mà tất cả ngư
ười sử dụng được pphép truy cập, dữ
liệu được mã hóa từngg phần
Tín hiệu truy cập bị điiều khiển thông quua sự mã hóa mã
và ddữ liệu
Tín hhiệu truy cập bị hạạn chế thông qua ssự mã hóa mã và
dữ liiệu

Băng L3 GNOL
LASS
Trong
T
trường hợp điều chế riêng biệệt tín hiệu E5a và E5b
E

Hình

h 1-1: Phổ tín
t hiệu GP
PS/GALIL
LEO[1]
IV.

Khảo sát một số kiến
n trúc máy thu GPS

k thuật máy
m thu GPS
1. Yêu cầu kỹ
v
™ Tín hiệu vào:
-

Công suất
s tín hiệu
u thu tại đầu
u vào máy tthu yêu cầuu ~-130dBm
m (0.1fW)

-

Băng thông
t
tín hiiệu thích hợ
ợp: 2MHz. C
Cửa sổ tạp ââm = -110ddBm
Ta thấấy Công suấất tín hiệu < Công suất tạp âm.

17 
 


™ Độ khuếch đại của máy thu phải lớn
-

-130dBm tương ứng với biên độ RMS là 70nV tại anten.

-

Điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi ADC yêu cầu từ 1- 2V

-

Chênh lệch điện áp: 137dB

-

Cửa sổ tạp âm cao hơn mức tín hiệu là 20 dB Æ độ khuếch đại điện áp cần là
117dB

-

Độ tăng ích điện áp cho máy thu GPS thương từ 106 – 107dB

™ Độ lợi xử lý: 43 dB
2. Một số kiến trúc máy thu GPS
Các máy thu tín hiệu GPS có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Dưới đây là

hai kiểu máy thu phổ biến.
™ Máy thu tạo phách hay máy thu Superhyterodyne
Sơ đồ khối máy thu Hyterodyne cơ bản:
Xử lý băng cơ bản
Xử lý RF

Xử lý IF

I
IF_PA

0
90o

f_if

90
BPF1

LNA

IF_BPF

BPF2

Q

LO

Hình 1-2: Sơ đồ máy thu Hyterodyne [2]

Tín hiệu thu từ anten thu qua bộ lọc thông dải để loại bỏ tín hiệu không mong muốn
và khuếch đại tạp âm thấp LNA được chuyển xuống tần số trung tần để lọc sau đó tiếp tục
được hạ xuống tần số băng cơ bản và tách thành tín hiệu trực giao I/Q. Yêu cầu bộ lọc
BPF1 phải có suy hao thấp để tăng độ nhạy máy thu. Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA
khuếch đại tín hiệu lên cao hơn cửa sổ tạp âm của các thành phần mạch khác (đặc biệt là

18 
 


bộ trộn). BPF2 là bộ lọc loại bỏ tần số ảnh, có độ nhạy lớn hơn độ nhạy của BPF1, suy
hao cho phép lớn hơn suy hao của BPF1.
Vấn đề khó: Lựa chọn tần số IF như thế nào cho phù hợp. Nếu tần số IF cao, dễ
dàng loại bỏ được tần số ảnh do khoảng cách tần số phổ chính và phổ ảnh xa nhau, yêu
cầu khắt khe hơn về bộ lọc IF gây chi phí cao hơn. Nếu tần số IF thấp, lọc và khuếch đại
sau trộn tần dễ dàng hơn nhưng yêu cầu khắt khe hơn về bộ lọc loại bỏ tần số ảnh,
Giải pháp là: Xây dựng hệ thống máy thu có hai tầng biến đổi trung tần (hình 1.3).

Hình 1-3: Sơ đồ máy thu Superhyterodyne [2]
Tần số trung tần đầu tiên cao để dễ dàng đạt yêu cầu về bộ lọc loại bỏ tần số ảnh.
Tần số trung tần thứ 2 thấp để khuếch đại tín hiệu rẻ hơn. Nhưng hệ thống này phải trả giá
về công suất tiêu thụ cao hơn, phức tạp hơn.
Ưu điểm của cấu trúc này là dải động cao, tạp âm hệ thống thấp. Tuy nhiên hệ thống
này yêu cầu cao về phẩm chất bộ lọc đặc biệt là bộ lọc RF. Thông thường phải sử dụng bộ
lọc sóng âm bề mặt có kích thước lớn giá thành cao và khó tích hợp. Ngoài ra các hệ
thống này không có cùng trở kháng với LNA nên cần thêm các thành phần thụ động để
phối hợp trở kháng. Tính mềm dẻo của hệ thống không cao, rất khó sử dụng lại các thành
phần cho các hệ thống khác.
™ Máy thu giải điều chế tín hiệu trực tiếp hay máy thu Homodyne

19 
 


Tín hiệu cao tần được đưa qua bộ lọc thông dải và bộ khuếch đại tạp âm thấp, sau đó
được đưa đến bộ giải điều chế cầu phương cho phép khôi phục tín hiệu I/Q. Tần số của bộ
dao động nội chính bằng tần số của tín hiệu thu fLO = fRF.

Hình 1-4: Sơ đồ máy thu Homodyne [2]
Hệ thống này loại bỏ được vấn đề tần số ảnh hoàn toàn, mềm dẻo, có thể sử dụng lại
các thành phần trong hệ thống khác, dễ dàng chế tạo IC, tiêu thụ năng lượng ít hơn. Máy
thu phù hợp với hệ thống SDR.
Tuy nhiên, hệ thống thu Homodyne gặp vấn đề về thành phần một chiều ở đầu ra bộ
giải điều chế cầu phương, do sự cách ly không tốt giữa bộ dao động nội, bộ trộn và LNA;
vấn đề về méo hài bậc chẵn và mất cân bằng giữa hai nhánh I/Q.
Máy thu tạo phách có hiệu suất cao, dải động lớn nhưng lại cần bộ lọc có phẩm chất
cao và không mềm dẻo, không thích hợp cho các mạch tích hợp. Máy thu đổi tần trực tiếp
không gặp vấn đề phải loại bỏ tần số ảnh nên phẩm chất bộ lọc có thể thấp hơn, mềm dẻo
hơn trong các ứng dụng vào mạch tích hợp. Tuy nhiên, máy thu này lại gặp các vấn đề về
nhiễu dò, ít bộ khuếch đại.
V.

Ứng dụng của các hệ thống GNSS:
Hệ thống định vị toàn cầu cung cấp những thông tin đáng tin cậy về định vị, dẫn

đường và các dịch vụ thời gian cho người sử dụng dựa trên hoạt động liên tục trên toàn
thế giới. Đối với người sử dụng hệ thống sẽ cung cấp một vị trí chính xác về không gian
20 
 

và thời gian của thiết bị trong bất kỳ hoàn cảnh nào về thời tiết, ngày và đêm, bất kỳ nơi
nào trên thế giới. Xuất phát từ các tác dụng trên của hệ thống, các hệ thống định vị toàn
cầu GNSS được ứng dụng trong các lĩnh vực thông dụng sau: Dẫn đường cho các phương
tiện giao thông (như tích hợp trong các thiết bị di động, oto, máy bay, tàu biển), giám sát
hành trình, lưu vết đối tượng, dịch vụ hướng vị trí (thông tin về vị trí địa lý của thiết bị di
động thông minh). Ngoài ra chúng còn được ứng dụng trong lĩnh vực khoa học như trắc
địa, bản đồ, giám sát môi trường, nghiên cứu về tầng khí quyển, phương tiện tự hành,
đồng bộ thời gian trong các hệ thống viễn thông.
Cụ thể ứng dụng trong khối dân sự phổ biến ở Việt Nam cho các việc quản lý và
điều hành xe với các tính năng như:
-

Giám sát lộ trình đường đi của phương tiện theo thời gian thực: vận tốc,
hướng di chuyển và trạng thái tắt/mở máy, quá tốc độ của xe….

-

Xác định vị trí xe chính xác ở từng góc đường ( vị trí xe được thể hiện
nháp nháy trên bản đồ), xác định vận tốc và thời gian xe dừng hay đang
chạy, biết được lộ trình hiện tại xe đang đi (real time)

-

Lưu trữ lộ trình từng xe và hiển thị lại lộ trình của từng xe trên cùng một
màn hình

-

Xem lại lộ trình xe theo thời gian và vận tốc tùy chọn

-

Quản lý theo dõi một hay nhiều xe tại mỗi thời điểm

-

Báo cáo cước phí và tổng số km của từng xe (ngày/tháng)

-

Cảnh báo khi xe vượt quá tốc độ, vượt ra khỏi vùng giới hạn

-

Chức năng chống trộm

Chính vì những tiện ích đó mà việc ứng dụng GPS vào cuộc sống ngày nay càng
phổ biến. Với sự chuẩn bị ra đời của hệ thống định vị vệ toàn cầu GALILEO, có những
ưu việt hơn hẳn GPS sẽ hứa hẹn việc ứng dụng rộng rãi hệ thống này trong dân dụng. Tuy
nhiên, các hệ thống máy thu cổ điển chỉ thu được tín hiệu GPS hoặc GALILEO đã được
21 
 


cố định kênh. Để tăng tính mềm dẻo cho các ứng dụng trong thực tế, một trong những xu
hướng công nghệ mới là đưa công nghệ máy thu có phần mềm điều khiển (SDR). Chương
dưới đây sẽ trình bày các nghiên cứu về máy thu GNSS ứng dụng công nghệ SDR

22 

 


Chương 2 MÁY THU GPS/GALILEO ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SDR
I.

Kiến trúc hệ thống máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR
Máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR là một hệ thống máy thu hai trong một

(nghĩa là gồm 2 hệ thống máy thu GPS và GALILEO cùng hoạt động) và sẽ hoạt động tại
band 1575MHz khi ứng dụng trong lĩnh vực hàng hải. Hệ thống sẽ thu và giải điều chế tín
hiệu GPS C/A (BPSK(1)) cùng với tín hiệu GALILEO BOC(1,1).

Hình 2-1Hệ thống máy thu GNSS sử dụng công nghệ SDR [3]
Hệ thống gồm anten để thu tín hiệu siêu cao tần từ Vệ tinh, khối Analog ASIC
khuếch đại, lọc, đổi tần và chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tính hiệu số, khối xử lý tín
hiệu số gồm nhiều kênh máy thu số để khôi phục dữ liệu dẫn đường, tính toán vị trí/vận
tốc/ thời gian, và giao diện người sử dụng.
Sau khi qua khối cao tần (Cao tần), tín hiệu dưới dạng tín hiệu số được đưa qua pha
thu thập (Acquisition). Trong pha này, máy thu sẽ tìm kiếm các tín hiệu được phát đi bởi
các vệ tinh quan sát được. Khi tín hiệu của vệ tinh được tìm thấy, máy thu sẽ thực hiện
ước lượng dịch tần Doppler của tần số sóng mang và dịch pha của mã. Dịch tần và dịch
pha có thể thực hiện song song hoặc nối tiếp. Khi sự tương quan đạt được đến 1 ngưỡng

23 
 


cần thiết thì giá trị đạt được tại đầu ra của bộ tương quan chính là giá trị cần tìm. Sau khi
giải điều chế và tách mã, tín hiệu số được đi qua các tầng tiếp theo của máy thu, ở đó dữ

liệu dẫn đường được giải mã và dựa trên giá trị khoảng cách máy thu – vệ tinh đã biết, ta
sẽ tính toán được thời gian/ tốc độ/ vị trí của người sử dụng. Kiến trúc của hệ thống máy
thu GNSS sử dụng công nghệ SDR này được trình bày trong hình 2-2.

Hình 2-2Kiến trúc hệ thống máy thu GNSS SDR [3]
II.

Anten và khối cao tần trong máy thu GNSS
Mục đích của phần này là để nêu một số quan niệm làm thế nào để tín hiệu vệ tinh

được truyền trong không gian và kết quả thu được một luồng dữ liệu số. Việc này được
thực hiện thông qua khối anten/cao tần của hệ thống thu GNSS. Làm rõ các khối chức
năng của GNSS, thảo luận về mối liên quan giữa các khối khác nhau, và cách xử lý nguồn
dữ liệu số. Tập trung vào các tín hiệu GNSS L1 băng hẹp, trước hết là mã C/A của hệ
thống GPS và mã GALILEO BOC(1,1). Cuối cùng là giới thiệu khối cao tần GNSS nhiều
băng.

24 
 


Tín hiệu GNSS, truyền sóng qua không gian, được thu bởi anten GNSS của người
sử dụng. Nó gây ra một điện áp bên trong thành phần mạch máy thu. Điện áp đó quá nhỏ,
công suất tín hiệu thu được đảm bảo là -160 dBW trong hệ thông GPS, và tần số sóng
mang là 1575.42 MHz. Xem độ rộng băng tần là 2MHz, công suất tín hiệu GPS thu được
thực tế thấp hơn tạp âm nhiệt, như phương trình 2.1 và được biểu diễn trong hình 2-3.
Công suất tạp âm nhiệt tín hiệu mã C/A của hệ thống GPS có thể được tính xấp xỉ bằng
1.38.10-23 x 290 x 2.106 = 8.004.10-15 --> -110.97 dBm.
Ví dụ, nếu ta kết nối 1 anten GPS đến máy phân tích phổ và tìm kiếm tín hiệu GPS
thì đặc tính của tín hiệu sẽ bị ẩn đi do bị lấn át bởi tạp âm nhiệt. Đặc điểm là tín hiệu trải

phổ đa truy cập phân chia theo mã. Vì vậy, thiết kế khối cao tần phải dựa trên mức tạp âm
nhiệt mạnh hơn bao nhiêu so với tín hiệu thu được tại băng tần L1. Biết rằng, băng L1
GNSS là băng tần được chỉ định cho dịch vụ dẫn đường vô tuyến hàng không, không có
tín hiệu nào khác trong khoảng tần số này.

Hình 2-3: Công suất tạp âm nhiệt và tín hiệu GPS trong miền tần số.
Tần số trung tâm là 1575.42 MHz, 30 dBm = 1 dBW[3].

25