Nghiên cứu thiết kế bộ thu UTC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học công nghệ luôn luôn phát triển không ngừng. Những công nghệ mới
đã và đang được phát minh, ứng dụng ngày càng nhiều. Ngày nay, con người đã tạo
ra được các vệ tinh nhân tạo dẫn đường. Các vệ tinh này có thể cho bạn biết được
bạn đang ở đâu, gần đâu nhất và bất cứ điều gì về thời tiết. Với sự ra đời của hệ
thống định vị toàn cầu GNSS(Global Navigation Satellite Syste - là tên dùng chung
cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như GPS (Hoa Kỳ), Hệ thống
định vị Galileo (Liên minh châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga), con người có
thể dễ dàng xác định vị trí, hướng đi, xây dựng bản đồ phục vụ cho nhiều mục đích
khác nhau. Do vậy, yêu cầu mới được đặt ra là làm sao để cải thiện được khả năng
thu tín hiệu GPS và tăng độ chính xác của hệ thống.
Trong luận văn này, em tìm hiểu về đề tài "Nghiên cứu thiết kế bộ thu UTC
GNSS đa kênh dựa trên tiếp cận lọc tối ưu trạng thái". Em hy vọng luận văn này sẽ
có ích cho các nghiên cứu công nghệ bộ lọc tối ưu trạng thái Kalman và phương
pháp tích hợp siêu chặt dựa trên đặc điểm khớp đường cong, đặc biệt ứng dụng trên
các bộ thu GNSS.
Bộ lọc Kalman ứng dụng cho bám tín hiệu dựa vào các tín hiệu thu được trước
để ước lượng trạng thái của tín hiệu sau và kết hợp với tín hiệu thu được để đưa ra
kết quả chính xác hơn. Bộ lọc Kalman ứng dụng cho hệ thống kết hợp INS/GPS
làm tăng độ chính xác các phép đo vị trí, vận tốc, hướng kết hợp bởi hệ thống dẫn
đường quán tính INS và hệ thống định vị toàn cầu GPS. Nhờ vậy, độ chính xác về
vị trí, vận tốc, hướng tăng đáng kể. Hướng nghiên cứu của em là tìm ra và thực
hiện các giải pháp ứng dụng bộ lọc Kalman cho hệ thống định vị toàn cầu GPS.
Trong quá trình làm luận văn, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình từ các thầy
cô giáo PGS. TS. Nguyễn Hữu Trung và PGS. TS. Nguyễn Thúy Anh. Em xin
được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô!
Hà Nội tháng 09 năm 2015
Nguyễn Xuân Tiến
1

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÓM TẮT
Bộ lọc tối ưu trạng thái Kalman có thể ứng dụng rộng rãi trong các loại máy thu
GPS khác nhau, đặc biệt là các máy thu cần độ chính xác cao. Luận văn của em tìm
hiểu về“ Nghiên cứu thiết kế bộ thu UTC GNSS đa kênh dựa trên tiếp cận lọc tối
ưu trạng thái ”. Luận văn này tập trung chính vào lý thuyết về bộ lọc Kalman và
thuật toán tích hợp siêu chặt tín hiệu GPS/INS, cùng với đó là các ứng dụng của bộ
lọc Kalman và tích hợp siêu chặt GPS/INS trong việc bám tín hiệu GPS. Theo đó,
nội dung luận văn bao gồm:
CHƢƠNG 1. HỆ THỐNG GNSS VÀ CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS giới
thiệu những nét khái quát nhất về hệ thống định vị toàn cầu GPS, trình bày về định
dạng, đặc điểm, và cách tạo tín hiệu GPS.
CHƢƠNG 2. BỘ LỌC TỐI ƢU TRẠNG THÁI KALMAN giới thiệu về
phương pháp ước lượng của bộ lọc Kalman và các mô hình bộ lọc Kalman.
CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP TÍCH HỢP SIÊU CHẶT TÍN HIỆU GPS/INS
giới thiệu giải pháp tích hợp siêu chặt tín hiệu GPS/INS dựa trên giải thuật khớp
đường cong
CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP TÍCH HỢP SIÊU CHẶT GPS/INS
VÀ BỘ LỌC TỐI ƢU TRẠNG THÁI TRONG HỆ THỐNG KẾT HỢP
INS/GPS mô tả về khả năng và giải pháp ứng dụng phương pháp tích hợp siêu chặt
trong hệ thống kết hợp INS/GPS, trình bày về phương pháp làm tăng độ chính xác
của tín hiệu bằng việc sử dụng bộ lọc Kalman.
CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC trình bày về các kết quả nghiên cứu thu
được

Nguyễn Xuân Tiến
2

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ABSTRACT
Kalman Filter can be applied widely in many different GPS receiver, especially
which needs high precision. My thesis presents "Researching and Application of
Kalman Filter techniques and local polynomial regression improve the accuracy of
the GNSS receiver ". In fact, Kalman filter is a process of prediction and estimation
by measuring interferences to find out the exactly position. Based on the properties
of the Kalman filter, we can change parameters to adapt applications.
This thesis inculdes 5 chapters :
CHAPTER 1 : OVERVIEW OF GPS SYSTEM AND GPS SIGNAL
STRUCTURE. This chapter introduces the most general definition of a global
positioning system GPS, presents the format and characteristics, and how to create
a GPS signal.
CHAPTER 2 : OPTIMAL STATE ESTIMATOR This chapter introduces the
optimal state estimator method approad to UTC multichannel GNSS receiver
CHAPTER 3 : ULTRA-TIGHTLY COUPLED GPS AND INERTIAL
NAVIGATION SYSTEM FOR AGILE PLATFORMS This chapter introduces
the Ultra-Tightly Couple GPS/INS
CHAPTER 4 : KALMAN FILTER’S APPLICATIONS AND

IN THE

COMBIED INS/GPS SYSTEM. This chapter presents the capabilities and
solutions to apply the UTC multichanel GNSS with Kalman filter in the combined
INS / GPS system, presents the method increases the precision of the signal by
using Kalman filter.
CHAPTER 5 : SIMULATION RESULTS . This chapter presents the results of

the research that was implemented.

Nguyễn Xuân Tiến
3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... 1
ABSTRACT.............................................................................................................. 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... 8
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ 9
CHƢƠNG 1. HỆ THỐNG GNSS VÀ CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS ................ 12
1.1. Phân hệ không gian .................................................................................... 13
1.1.1. Chùm sao vệ tinh ................................................................................. 13
1.1.2. Vệ tinh GPS .......................................................................................... 13
1.2. Phân hệ điều khiển...................................................................................... 14
1.3. Phân hệ sử dụng .......................................................................................... 15
1.4. Các tín hiệu GPS và dữ liệu ....................................................................... 16
1.5. Lƣợc đồ tín hiệu GPS ................................................................................. 16
1.6. Mã C/A ......................................................................................................... 19
1.6.1. Chuỗi Gold ........................................................................................... 19
1.6.2. Tạo chuỗi Gold ..................................................................................... 21
1.6.3. Các đặc tính tƣơng quan ..................................................................... 26
1.7. Dịch tần Doppler ......................................................................................... 27
1.8. Bản tin định vị ............................................................................................. 28
1.8.1. Định dạng bản tin ................................................................................ 28
1.8.2. Các trƣờng TLM và HOW ................................................................. 30

1.8.3. Dữ liệu trong bản tin định vị ............................................................. 31
CHƢƠNG 2. BỘ LỌC TỐI ƢU TRẠNG THÁI ................................................ 32
2.1. Lý do cho việc sử dụng bộ lọc Kalman ..................................................... 32
2.2. Mô hình bộ lọc Kalman .............................................................................. 34
2.2.1. Mô hình trạng thái động ..................................................................... 34
2.2.2. Mô hình trạng thái đo lƣờng .............................................................. 35
2.3. Các thuộc tính của bộ lọc Kalman ............................................................ 39
2.4. Bộ lọc Kalman rời rạc ................................................................................ 41
2.5. Bộ lọc Kalman Singer g-h-k ....................................................................... 43
2.6. Bộ lọc Kalman mở rộng ............................................................................. 48
2.6.1. Tiến trình ƣớc lƣợng ........................................................................... 48
Nguyễn Xuân Tiến
4


LUẬN VĂN THẠC SĨ
2.6.2 Nguồn gốc tính toán của bộ lọc............................................................ 50
CHƢƠNG 3. GIẢI PHÁP TÍCH HỢP SIÊU CHẶT TÍN HIỆU GPS/INS ..... 53
CHƢƠNG 4. BỘ LỌC KALMAN ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG KẾT
HỢP CHẶT INS/GPS............................................................................................ 57
4.1. Phƣơng pháp tiếp cận truyền thống ......................................................... 58
4.2. Đo để chuyển đổi tọa độ ............................................................................. 61
4.3. Bộ lọc Kalman cho INS .............................................................................. 62
4.4. Sự hợp nhất dựa trên những quy tắc của INS và GPS ........................... 66
4.5. Hợp nhất mờ của INS và GPS ................................................................... 69
4.6. Phƣơng pháp bám tín hiệu GPS L1 truyền thống ................................... 74
4.7. Kết hợp GPS L1 C/A và GPS L1C (dữ liệu và kênh hoa tiêu) bám. ..... 78
4.8. Bộ lọc Kalman sử dụng bám tín hiệu. ....................................................... 80
4.8.1. Bộ lọc Kalman truyền thống chỉ bám tín hiệu GPS L1 C/A............ 81
4.8.2. Bộ lọc Kalman đồng thời kết hợp GPS L1 C/A với GPS L1C (dữ

liệu và kênh hoa tiêu)..................................................................................... 86
CHƢƠNG 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................ 90
5.1. Các mục tiêu của luận văn ......................................................................... 90
5.2. Triển khai bộ lọc trên matlab .................................................................... 90
KẾT LUẬN........................................................................................................... 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 106

Nguyễn Xuân Tiến
5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
HÌNH 1.1. CHÙM SAO VỆ TINH. ...................................................................... 13
H NH 1.2. VỆ TINH NAVSTAR. ........................................................................ 14
HÌNH 1.3. PHÂN HỆ ĐIỀU KHIỂN. .................................................................. 15
H NH 1.4. SƠ ĐỒ KHỐI BỘ TẠO TÍN HIỆU GPS. ......................................... 17
HÌNH 1.5. CẤU TRÚC TÍN HIỆU L1................................................................. 18
H NH 1.6. ĐIỀU CHẾ BPSK TRONG TÍN HIỆU GPS................................... 19
HÌNH 1.7. ĐỒ THỊ CỘT CỦA MỘT ACF CHO MỘT CHUỖI GOLD. ........ 20
HÌNH 1.8. BỘ TẠO MÃ C/A................................................................................ 22
HÌNH 1.9. ĐẶC TÍNH TƢƠNG QUAN CỦA CÁC MÃ C/A. .......................... 26
HÌNH 1.10. CẤU TRÚC DỮ LIỆU ĐỊNH VỊ TRONG GPS. ........................... 29
HÌNH 1.11. ĐỊNH DẠNG CỦA HAI TỪ TLM VÀ HOW. ............................... 30
H NH 2.1. CÁC BƢỚC BÁM TÍN HIỆU L1 VÀ L5 ......................................... 37
HÌNH 2.2. TÓM TẮT CƠ BẢN CỦA BỘ LỌC KALMAN. ............................. 43
H NH 2.3. MÔ H NH ĐƢỢC SỬ DỤNG BỞI SINGER [24] CHO HÀM MẬT
ĐỘ XÁC SUẤT GIA TỐC MỤC TIÊU. ............................................................. 44
HÌNH 2.4. HÌNH VẼ ĐẦY ĐỦ HOẠT ĐỘNG BỘ LỌC KALMAN MỞ

RỘNG. .................................................................................................................... 52
HÌNH 4.1. HỆ THỐNG GHÉP CHẶT CHẼ GPS / INS. .................................. 59
HÌNH 4.2. HỆ THỐNG GHÉP LỎNG GPS / INS ............................................. 59
HÌNH 4.4. CẮT NGANG CỦA ELIP TRÁI ĐẤT. ............................................ 61
HÌNH 4.5. KHOẢNG CÁCH VỊ TRÍ HIỆN TẠI VÀ VỊ TRÍ THEO GPS ..... 69
HÌNH 4.6. CHỨC NĂNG THÀNH PHẦN CHO KHOẢNG CÁCH ............... 70
HÌNH 4.7. 'FUZZIFICATION' CỦA MỘT GIÁ TRỊ DỮ LIỆU SẮC NÉT ... 70
HÌNH 4.8. CHỨC NĂNG THÀNH PHẦN ĐẦU RA CHO GIÁ TRỊ TRỌNG
SỐ VỊ TRÍ .............................................................................................................. 72
Nguyễn Xuân Tiến
6


LUẬN VĂN THẠC SĨ
HÌNH 4.9. ĐẦU RA MỜ CỦA HỆ THỐNG ...................................................... 72
HÌNH 4.10. TRỌNG TÂM ĐẠI DIỆN ĐẦU RA SẮC NÉT CỦA HỆ THỐNG
................................................................................................................................. 73
H NH 4.11. SƠ ĐỒ VÒNG KHÓA PHA PLL ................................................... 75
H NH 4.14. SƠ ĐỒ PHƢƠNG PHÁP BÁM KẾT HỢP. ................................... 79
HÌNH 4.14. MÔ HÌNH HÀM TỰ TƢƠNG QUAN CỦA L1C (BÊN PHẢI)
VÀ DẪN XUẤT CỦA NÓ (BÊN TRÁI). ............................................................. 88
HÌNH 5.1. BỘ LỌC KALMAN ƢỚC LƢỢNG GIÁM SÁT THỰC TẾ ......... 91
H NH 5.2 SƠ ĐỒ TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN CỦA BỘ LỌC KALMAN ..... 92
HÌNH 5.3. MÔ HÌNH THÔNG THƢỜNG MÔ PHỎNG SỰ ƢỚC LƢỢNG
TRẠNG THÁI TIẾN TRÌNH NGẪU NHIÊN CỦA BỘ LỌC KALMAN. ..... 93
HÌNH 5.4. TIẾN TRÌNH NGẪU NHIÊN ............................................................ 93
HÌNH 5.5. CẤU TẠO BỘ LỌC KALMAN......................................................... 94
HÌNH 5.6. BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG ƢỚC LƢỢNG TRẠNG THÁI A
................................................................................................................................. 96
HÌNH 5.7. BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG ƢỚC LƢỢNG TRẠNG THÁI B

................................................................................................................................. 97
H NH 5.8. ƢỚC LƢỢNG VẬN TỐC .................................................................. 97
H NH 5.9. ƢỚC LƢỢNG VỊ TRÍ ........................................................................ 98
H NH 5.10. ĐƢỜNG PHÁC HỌA ....................................................................... 99
H NH 5.11. ƢỚC LƢỢNG ĐIỆN ÁP ĐẦU RA................................................ 100
HÌNH 5.12. KẾT QUẢ ƢỚC LƢỢNG VỊ TRÍ DÙNG BỘ LỌC ................... 101
HÌNH 5.13. KẾT QUẢ ƢỚC LƢỢNG VẬN TỐC DÙNG BỘ LỌC ............. 102
HÌNH 5.14. BIỂU DIỄN TRẠNG THÁI THỰC TẾ VÀ TRẠNG THÁI ƢỚC
LƢỢNG ................................................................................................................ 103
HÌNH 5.15. THỂ HIỆN VỊ TRÍ THỰC TẾ VÀ VỊ TRÍ ƢỚC LƢỢNG TỐT
NHẤT Ở ĐẦU RA BỘ LỌC KALMAN ........................................................... 103

Nguyễn Xuân Tiến
7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC BẢNG
BẢNG 1.1. ẤN ĐỊNH PHA MÃ C/A ................................................................... 24
BẢNG 1.2. MÃ ID CỦA CÁC KHUNG CON. ................................................... 31
BẢNG 2.1. LỢI ÍCH THỰC SỰ CỦA BỘ LỌC KALMAN ............................. 34
BẢNG 2.2. HAI BƢỚC PHẢI ĐƢỢC THỰC HIỆN CỦA BỘ LỌC ............... 35
BẢNG 4.1. TÓM TẮT THÔNG SỐ BÁM TRUYỀN THỐNG ........................ 78
BẢNG 4.2. BẢNG GIÁ TRỊ MA TRẬN HIỆP PHƢƠNG SAI ........................ 84

Nguyễn Xuân Tiến
8

LUẬN VĂN THẠC SĨ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACF

Autocorrelation Function

Hàm tự tương quan

BOC

Binary offset carrier

Sóng mang dịch nhị phân

BPSK

Binary Phase-Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

CBOC

Composite BOC

Sóng mang dịch nhị phân tổng hợp

DLL

Delay Lock Loop

Vòng khóa trễ

FLL

Frequency Lock Loop

Vòng khóa tần

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GPST

GPS Time

Thời gian GPS

HOW

Handover Word

Trường HOW. Phiên bản bị cắt 17
bit của TOW

ID

Identification number

Số nhận dạng cá nhân

INS

Inertial navigation system

Hệ thống dẫn đường quán tính

LFSR

Linear Feedback Shift Register

Thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính

LSB

Least Significant Bit

Bit có trọng số thấp nhất

MCS

Master Control Station

Trạm điều khiển trung tâm

Nguyễn Xuân Tiến
9

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MSB

Most singnificant bit

Bít có trọng số cao nhất

NASA

National aeronautics and space Cục quản lý hàng không và không
aministration

gian quốc gia.

NAVSTAR Navigation satellite time and Hệ thống dẫn đường vệ tinh
ranging.
NumericallyControlled

Bộ tạo dao động được điều khiển

Oscillator

bằng số

Oven controled crystal

Bộ tạo dao động tinh thể được điều

oscillators

khiển bằng lò cao tần

PLL

Phase Lock Loop

Vòng khóa pha

PPS

Precise positioning service

Dịch vụ định vị chính xác

PRN

Pseudo Random Noise

Nhiễu giả ngẫu nhiên

SPS

Standard Positioning Service

Dịch vụ định vị chuẩn

SVN

Space Vehicle Number

Số hiệu vệ tinh

TLM

Telemetry word

Trường TLM. Mào đầu 8 bit, được

NCO

OCXO

sử dụng để đồng bộ các bản tin
định vị
TMBOC

TOW

Time-multiplexed binary offset Sóng mang dịch nhị phân đa thời
carrier

gian

Time of Week

Thời gian của tuần. Tuần GPS bắt
đầu tại nửa đêm giữa thứ bẩy và

chủ nhật

Nguyễn Xuân Tiến
10


LUẬN VĂN THẠC SĨ
UHF

Ultra High Frequency

Tần số siêu cao

UTC

Universal Time Coordinated

Giờ Quốc tế phối hợp

Nguyễn Xuân Tiến
11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 1. HỆ THỐNG GNSS VÀ CẤU TRÚC TÍN
HIỆU GPS
GPS là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Mỹ, cung cấp các dịch vụ định
vị, dẫn đường, và các dịch vụ thời gian cho người sử dụng trên toàn thế giới một
cách liên tục, bất kể thời tiết, ngày đêm, dù họ ở bất kì nơi nào trên trái đất.

Kiến trúc 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 thử nghiệm với các máy thu đầu tiên. Mục đích ban đầu của dự án xây dựng hệ
thống GPS là để phục vụ các mục đích quân sự của Mỹ, nên Bộ Quốc phòng Mỹ
trực tiếp kiểm soát dự án. Dưới sức ép của vụ bắn nhầm máy bay dân sự của Hàn
Quốc trong vùng trời cấm bay của Nga (1978), kế hoạch phát triển hệ thống GPS
phục vụ các ứng dụng dân sự đã được chú trọng hơn. Đến năm 1995, Bộ Quốc
phòng Mỹ tuyên bố hệ thống GPS đã hoàn chỉnh và chính thức đi vào hoạt động.
Hệ thống GPS được chia ra thành ba phân hệ chính: phân hệ không gian, phân
hệ điều khiển, và phân hệ sử dụng. Bộ Quốc ph ng Mỹ đảm nhiệm việc sản xuất và
phóng các vệ tinh, cũng như việc quản lý các trạm điều khiển vệ tinh ở mặt đất.
Phần người sử dụng bao gồm nhiều thành phần, có nhiệm vụ quản lý và phát triển
các ứng dụng GPS, bao gồm cả việc xây dựng các thiết bị sử dụng hệ thống như
anten và máy thu.
Đối với máy thu, hệ thống GPS cung cấp hai loại dịch vụ cơ bản, đó là: dịch vụ
định vị tiêu chuẩn (SPS) và dịch vụ định vị chính xác (PPS). Chính phủ Mỹ, quân
đồng minh và những người sử dụng đặc biệt được cấp phép sử dụng PPS. Họ sử
dụng các thiết bị bảo mật và các máy thu được trang bị đặc biệt. Độ chính xác của
PPS được dự kiến là 22 m theo chiều ngang, 27.7 m theo chiều dọc và thời gian là
200 ns (UTC). Trong khi đó, những người sử dụng bình dân trên khắp thế giới
được sử dụng SPS miễn phí hoặc bị hạn chế sử dụng. Hầu hết các máy thu đều có
khả năng thu và sử dụng tín hiệu SPS. Độ chính xác của SPS bị cố ý làm giảm bằng
Nguyễn Xuân Tiến
12


LUẬN VĂN THẠC SĨ
việc dùng Selective Availability bởi DOD. Độ chính xác của SPS được dự kiến là
100 m theo chiều ngang, 156 m theo chiều dọc và thời gian là 340 ns. [2]

1.1. Phân hệ không gian
Phân hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử và phát ra tín hiệu cao tần chứa
mã giả ngẫu nhiên, và phát lại bản tin định vị từ các tín hiệu thu được (từ phân hệ
điều khiển).
Phân hệ không gian bao gồm các thành phần sau:

1.1.1. Chùm sao vệ tinh
Chùm sao vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ, được
phân bố trên 6 quỹ đạo gần tr n, kí hiệu từ A đến F, với đường kính khoảng
20.138km và nghiêng 55 so với mặt ph ng Xích đạo. M i quỹ đạo có 4 vệ tinh
chính được kí hiệu từ 1 đến 4 và được phân bố đều. Chu kỳ của các vệ tinh là 12
giờ. Cấu trúc quỹ đạo vệ tinh này cho phép người sử dụng hệ thống GPS trên mặt
đất có thể “nhìn thấy” tối thiểu là 4 vệ tinh và trung bình từ 6 đến 8 vệ tinh nếu
không bị cản trở bởi các cấu trúc hạ tầng dưới mặt đất. [3]

Hình 1.1. Chùm sao vệ tinh.

1.1.2. Vệ tinh GPS
Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc với phân
hệ điều khiển, và phát tín hiệu tới máy thu.
Nguyễn Xuân Tiến
13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

H nh . . V tinh N VST

.

Các vệ tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: Chúng có thể được nhận biết
bởi vị trí của chúng trên quỹ đạo (m i vệ tinh có một vị trí (1, 2, 3, …) trên 6 quỹ
đạo: A, B, C, D, E, F) hay bởi số chứng nhận NASA, hoặc có thể được xác định bởi
ID quốc tế, hoặc có thể bởi mã giả ngẫu nhiên PRN hay bởi số hiệu SVN.
M i vệ tinh trong hệ thống GPS có một đồng hồ với độ chính xác rất cao. Các
đồng hồ đó hoạt động ở một tần số cơ bản 10.23 MHz, chúng được dùng để phát tín
hiệu xung, các tín hiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh.

1.2. Phân hệ điều khiển
Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ hệ thống, bao gồm một trạm
điều khiển trung tâm (Master Control Station – MCS) đặt tại căn cứ không quân
Schriever, Colorado Spring ở bang Colorado - Mỹ; năm trạm thu số liệu được đặt
quanh trái đất dọc theo đường Xích đạo, cụ thể là ở Nam Đại Tây Dương
(Ascension), Ấn Độ Dương (Diego Garcia), Nam Thái Bình Dương (Kwajalein),
Hawaii và Colorado Spring; và ba trạm truyền số liệu đặt tại Nam Đại Tây Dương,
Ấn Độ Dương, Nam Thái Bình Dương. [3]

Nguyễn Xuân Tiến
14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

H nh .3. Phân h điều khiển.
MCS làm nhiệm vụ theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản lý quỹ đạo vệ tinh
và duy trì thời gian GPS. Từ đó dự đoán các thông số quỹ đạo và đưa ra giá trị thời
gian GPS đồng bộ giữa các vệ tinh, nhằm cập nhật dữ liệu định vị của các vệ tinh.
Năm trạm thu số liệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và
dự đoán quỹ đạo của chúng. M i trạm được trang bị những máy thu P-code để thu
các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính.

Ba trạm truyền số liệu có khả năng chuyển số liệu lên vệ tinh, gồm lịch thiên văn
mới, dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ, các bản tin, và các lệnh điều khiển từ xa.

1.3. Phân hệ sử dụng
Phân hệ sử dụng bao gồm các bộ thu GPS và cộng đồng người sử dụng. Các máy
thu GPS sẽ chuyển đổi các tín hiệu vệ tinh thành các thông số vị trí, vận tốc, và thời
gian. Để tính toán các thông số vị trí (X, Y, Z) và thời gian, chúng ta cần ít nhất
bốn vệ tinh. Bộ thu GPS được sử dụng cho các dịch vụ định vị, dẫn đường, phân
phát thời gian, và các nghiên cứu khác.
Với cấu trúc và đặc điểm của hệ thống GPS như trên, ta thấy rằng GPS có rất
nhiều ưu điểm và đem lại nhiều lợi ích khi hoạt động. Các ứng dụng sử dụng dịch
vụ GPS ngày càng được mở rộng và phát triển rộng rãi. Trong chương tiếp theo,
chúng ta sẽ nghiên cứu về cấu trúc, đặc điểm, và cách tạo tín hiệu GPS.

Nguyễn Xuân Tiến
15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.4. Các tín hiệu GPS và dữ liệu
Để thiết kế máy thu GPS đơn tần định nghĩa bởi phần mềm thì cần phải biết về
các đặc tính của tín hiệu và dữ liệu được phát từ vệ tinh GPS cũng như nhận bởi
anten máy thu GPS. Trong phần này, em sẽ giới thiệu về sơ đồ tạo tín hiệu GPS và
các đặc tính quan trọng nhất của các tín hiệu và dữ liệu GPS.
Các tín hiệu GPS được phát trên hai tần số vô tuyến trên băng UHF (500 MHz –
3 GHz). Các tần số này được đặt là L1 và L2 và được nhận từ một tần số chung f0 =
10.23 MHz:
FL1 = 154f0 = 1575.42 MHz

(1.1)

FL2 = 120f0 = 1227.60 MHz

(1.2)

Các tín hiệu được cấu thành từ 3 thành phần sau:
 Sóng mang: tần số fL1 và fL2.
 Dữ liệu định vị: bao gồm thông tin liên quan tới các quỹ đạo vệ tinh,
có tốc độ bit là 50 bps.
 Dãy trải phổ: m i vệ tinh có hai dãy hoặc mã trải phổ. Đó là mã C/A
(coarse acquisition) và một loại mã chính xác được mã hóa là mã P (Y).

1.5. Lƣợc đồ tín hiệu GPS
Sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu GPS được trình bày trong hình 1.4. [1]
Đọc sơ đồ từ trái qua phải. Ngoài cùng bên trái là tín hiệu đồng hồ chính được
cấp cho các khối còn lại. Tín hiệu đồng hồ có tần số 10.23 MHz. Thực tế tần số
chính xác là 10.22999999543 MHz để hiệu chỉnh các ảnh hưởng tương đối với tần
số 10.23 MHz từ người sử dụng trên trái đất. Khi được nhân với 154 và 120, nó tạo
ra các tín hiệu sóng mang L1 và L2. Ở góc bên trái dưới cùng, một bộ hạn chế được
dùng để ổn định tín hiệu đồng hồ trước khi cấp cho các bộ tạo mã C/A và mã P (Y).
Ở phía dưới là bộ tạo dữ liệu có nhiệm vụ tạo ra dữ liệu định vị. Các bộ tạo mã và
bộ tạo dữ liệu được đồng bộ qua tín hiệu X1 được cấp bởi bộ tạo mã P (Y).

Nguyễn Xuân Tiến
16


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Sau khi tạo mã, các mã được kết hợp với dữ liệu định vị qua các bộ cộng

module-2. Phép XOR được dùng trên các dãy bit “0” và “1”, c n dạng phân cực 1
và -1 thì phép XOR được thay thế bằng phép nhân thông thường.

Hình 1.4. Sơ đồ khối bộ tạo tín hi u GPS.
Các tín hiệu là mã C/A (hoặc mã P (Y)) cộng module-2 với dữ liệu được cấp cho
hai bộ điều chế tần số L1. Ở đây các tín hiệu được điều chế trên tín hiệu sóng mang
sử dụng phương thức điều chế pha nhị phân BPSK. Chú ý rằng, hai mã được điều
chế theo pha và vuông pha với m i mã trên L1. Tức là có một độ dịch pha 900 giữa
hai mã. Sau khi phần P (Y) bị suy giảm 3 dB, hai tín hiệu L1 này được cộng với
nhau để được tín hiệu L1. Dịch vụ định vị chuẩn SPS chỉ được xây dựa trên tín hiệu
mã C/A.
Tín hiệu được phát bởi vệ tinh k có thể được mô tả như sau: [1]

(1.3)

Nguyễn Xuân Tiến
17


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ở đây PC, PPL1 và PPL2 là các mức công suất của các tín hiệu với mã C/A hoặc P
(Y), Ck là dãy mã C/A ấn định cho số hiệu vệ tinh k, Pk là dãy mã P (Y) ấn định cho
số hiệu vệ tinh k, Dk là chu i dữ liệu định vị, và fL1 và fL2 là các tần số sóng mang
của L1 và L2.
Hình 1.5 mô tả ba phần hình thành nên tín hiệu trên tần số L1. Mã C/A lặp lại
chính nó m i ms, và một bit định vị kéo dài 20 ms. Do đó với m i bit định vị, tín
hiệu bao gồm 20 mã C/A đầy đủ.

Hình 1.5. Cấu trúc tín hi u L .
f(t) là sóng mang và C(t) là chuỗi mã C/A rời rạc. Như thấy ở trên, tín hiệu này

lặp lại chính nó mỗi ms. D(t) là dòng bit dữ liệu định vị rời rạc. Một bit định vị kéo
dài 20 ms. Ba phần của tín hiệu L1 được nhân để tạo tín hiệu cuối cùng.

Nguyễn Xuân Tiến
18


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.6. Điều chế BPSK trong tín hi u GPS.
Tín hiệu L1 cuối cùng là sản phẩm của các tín hiệu C, D và sóng mang. Đồ thị
bao gồm 25 chip đầu tiên của mã Gold cho PRN 1.
Hình 1.6 mô tả mã Gold C, dữ liệu định vị D, tín hiệu cộng module-2 giữa C, D
và sóng mang. Tín hiệu cuối cùng được tạo ra bằng điều chế BPSK, trong đó sóng
mang được dịch pha ngay tức thì 1800 ở thời điểm một thay đổi chip. Khi chuyển
tiếp bit dữ liệu định vị xảy ra (khoảng 1/3 từ cạnh bên phải), pha của tín hiệu cuối
cùng cũng bị dịch 1800.
Tóm lại, với tín hiệu GPS, chiều dài mã là 1023 chip, tốc độ chip là 1.023 MHz
(chu kỳ là 1ms), tốc độ dữ liệu là 50 Hz (20 chu kỳ mã trên 1 bit dữ liệu), ~ 90%
công suất tín hiệu trong băng tần ~ 2 MHz.

1.6. Mã C/A
Chúng ta chỉ xem xét tín hiệu GPS theo mã C/A. Các mã C/A là các mã Gold và
có tính chất của mã giả ngẫu nhiên PRN.

1.6.1. Chuỗi Gold
Các mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN được phát bởi các vệ tinh GPS là các chu i
xác định với các đặc tính giống nhiễu. M i mã C/A được tạo ra bằng cách sử dụng
một thanh ghi dịch có hồi tiếp tuyến tính (LFSR) có phân nhánh. Nó tạo ra một
chu i có chiều dài tối đa N = (2n – 1) phần tử.

Nguyễn Xuân Tiến
19


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Một mã Gold là tổng của hai chu i có chiều dài tối đa. Mã C/A của tín hiệu GPS
sử dụng n = 10. Chu i p(t) lặp lại theo ms nên chiều dài chip là 1ms/1023 = 977.5
ns ≈ 1 µs, tương ứng với một chiều dài 300 m khi truyền dẫn trong chân không
hoặc không khí. Hàm tự tương quan (ACF) đối với mã C/A này là:

(1.4)
Chu i này có 512 bit “1” và 511 bit “0” xuất hiện ngẫu nhiên, và hoàn toàn xác
định. Chu i Gold có tính giả ngẫu nhiên chứ không phải ngẫu nhiên. Ngoài ra
khoảng tương quan ACF của p(t) là -1/N. Với mã C/A, hằng số này là -1/N = 1/1023, như hình 1.7. [1]
ACF được biểu diễn như tổng của hằng số này và một chu i vô hạn của hàm tam
giác rX(τ):

(1.5)

Hình 1.7. Đồ thị cột của một CF cho một chuỗi Gold.
Cột bên trái có giá trị tương quan rp(0) = 1; tất cả các giá trị tương quan khác
là 63/1023, -1/1023 hoặc -65/1023.
Nguyễn Xuân Tiến
20


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chu i vô hạn này nhận được bằng cách tích chập rX(τ) với một chu i vô hạn các
hàm xung được dịch pha bởi mNTc.
(1.6)

Ở đây, dấu * để chỉ phép tích chập. Phổ công suất của dãy PRN tuần hoàn thu
được từ biến đổi Fourier của biểu thức trên:

(1.7)

với m = ±1, ±2, ±3,...

1.6.2. Tạo chuỗi Gold
Việc tạo ra các mã Gold được trình bày tóm tắt trong hình 1.7. Bộ tạo mã C/A
bao gồm hai thanh ghi dịch G1 và G2. M i thanh đều có 10 phần tử cho việc tạo
các dãy chiều dài 1023. Hai dãy có chiều dài 1023 chip tạo ra được cộng module-2
để tạo ra một mã C/A dài 1023 chip, chỉ khi mà đa thức có thể tạo ra mã có chiều
dài cực đại.
M i khi tới chu kỳ thứ 1023 thì các thanh ghi dịch được reset tất cả về 1, tạo ra
mã bắt đầu lại. Thanh ghi G1 luôn có cấu hình hồi tiếp với đa thức:
(1.8)

Nguyễn Xuân Tiến
21


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 1.8. Bộ tạo mã C/ .
Bộ tạo mã bao gồm hai thanh ghi dịch là G1 và G2. Đầu ra của G2 phụ thuộc
vào bộ chọn pha. Các cấu hình khác nhau của bộ chọn pha tạo ra các mã C/A khác
nhau.
Nghĩa là trạng thái 3 và 10 được hồi tiếp về đầu vào. Tương tự thì thanh
ghi G2 có đa thức:
(1.9)

Để tạo các mã C/A khác nhau cho các vệ tinh, đầu ra của hai thanh ghi dịch
được kết hợp theo các cách thức đặc biệt. Thanh ghi G1 luôn cung cấp đầu ra của
nó, nhưng thanh ghi G2 cung cấp hai trong các trạng thái của nó tới bộ cộng
module-2 để tạo ra đầu ra của nó. Việc chọn các trạng thái cho bộ cộng module-2
gọi là chọn pha. Bảng 1.1 biểu diễn sự kết hợp của các sự chọn pha cho m i mã
C/A. Nó cũng trình bày 10 chip đầu tiên của m i mã trong biểu diễn bát phân

Nguyễn Xuân Tiến
22


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Biểu diễn
Lựa chọn
Số ID vệ
Số PRN của
Số chip bị bát phân của
pha mã của
tinh
tín hiệu GPS
làm trễ
10 chip đầu
thanh ghi G2
tiên
1

1

2 6

5

1440

2

2

3 7

6

1620

3

3

4 8

7

1710

4

4

5 9

8

1744

5

5

1 9

17

1133

6

6

2 10

18

1455

7

7

1 8

139

1131

8

8

2 9

140

1454

9

9

3 10

141

1626

10

10

2 3

251

1504

11

11

3 4

252

1642

12

12

5 6

254

1750

13

13

6 7

255

1764

14

14

7 8

256

1772

15

15

8 9

257

1775

16

16

9 10

258

1776

17

17

1 4

469

1156

18

18

2 5

470

1467

19

19

3 6

471

1633

20

20

4 7

472

1715

Nguyễn Xuân Tiến
23


LUẬN VĂN THẠC SĨ
21

21

5 8

473

1746

22

22

6 9

474

1763

23

23

1 3

509

1063

24

24

4 6

512

1706

25

25

5 7

513

1743

26

26

6 8

514

1761

27

27

7 9

515

1770

28

28

8 10

516

1774

29

29

1 6

859

1127

30

30

2 7

860

1453

31

31

3 8

861

1625

32

32

4 9

862

1712

-

33

5 10

863

1745

-

34

4 10

950

1713

-

35

1 7

947

1134

-

36

2 8

948

1456

-

37

4 10

950

1713

Bảng . . Ấn định pha mã C/
Việc lựa chọn các trạng thái khác nhau cho pha mã tạo ra các mã C/A khác
nhau dùng cho các vệ tinh GPS. [2]
Một thanh ghi dịch là một bộ các phần tử lưu trữ hoặc các phần tử bộ nhớ 1 bit.
Khi cấp xung đồng hồ cho thanh ghi, nội dung của m i phần tử dịch đi 1 bit sang
bên phải. Nội dung của phần tử cuối cùng được đọc là đầu ra. Các đặc tính đặc biệt
của các thanh ghi dịch phụ thuộc vào cách thức đọc vào ở phần tử 1.
Nguyễn Xuân Tiến
24


LUẬN VĂN THẠC SĨ
Với thanh ghi dịch có hồi tiếp tuyến tính, đầu vào phần tử 1 được xác định bởi
trạng thái của các phần tử còn lại.
Mã C/A được tạo bằng hai thanh ghi dịch có hồi tiếp tuyến tính (LFSR) 10 bit có
chiều dài tối đa là (210 – 1). Một là thanh ghi 1 + x3 + x10 đã mô tả, gọi là G1. Còn
lại là thanh ghi G2 có f(x) = 1 + x2 + x3 + x6 + x8 + x9 + x10. Các phần tử 2, 3, 6, 8,
9 và 10 được rẽ nhánh và cộng nhị phân để tạo ra đầu ra mới vào phần tử 1. Trong
trường hợp này, đầu ra không lấy từ phần tử 10 mà lấy từ một bộ rẽ nhánh thứ 2.
Các cặp thay đổi của các rẽ nhánh thứ 2 được cộng nhị phân. Các cặp khác nhau
sinh ra chu i giống nhau với các độ trễ khác nhau (như được đưa ra bởi đặc tính

cộng và dịch). Các phiên bản trễ của chu i G2 được cộng nhị phân với đầu ra của
G1. Từ đó tạo ra mã C/A. Các thanh ghi dịch G1 và G2 được thiết lập ở trạng thái
tất cả bằng “1” và được đồng bộ với thời điểm của mã X1 được sử dụng trong việc
tạo ra mã P. Các cặp thay đổi xen kẽ của các rẽ nhánh ở G2 được dùng để tạo ra bộ
hoàn hảo gồm 36 mã C/A nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN) duy nhất. Chúng gọi là các
mã Gold. Các mã Gold có tương quan chéo rất thấp (gần như trực giao).
Thực tế có 34 mã PRN C/A nhưng hai trong chúng (34 và 37) giống nhau. Một
tập con gồm 32 mã đầu tiên được ấn định cho (trên danh nghĩa là 24) vệ tinh và
được tái tạo khi các vệ tinh cũ ngừng hoạt động và các vệ tinh mới được khởi động.
Các mã 33 và 37 được dành riêng cho các mục đích sử dụng khác, bao gồm các bộ
phát mặt đất.
Việc tạo mã P dựa trên nguyên lý tương tự như mã C/A, ngoại trừ việc bốn
thanh ghi dịch với 12 phần tử được sử dụng. Hai thanh ghi được kết hợp để tạo ra
mã X1, với chiều dài 15345000 chip và lặp lại m i 1.5 s; và hai thanh ghi được kết
hợp để tạo ra mã X2, với chiều dài 15345037 chip. Các mã X1 và X2 có thể được
kết hợp với 37 độ trễ khác nhau trên mã X2 để tạo ra 37 đoạn mã P khác nhau (m i
đoạn 1 tuần). M i đoạn mã trong 32 đoạn đầu tiên được gán với một vệ tinh.

Nguyễn Xuân Tiến
25