Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng bộ lọc thông dải và mô đun trộn tần cho máy thu đa hệ GPSGALILEO

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................3
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................4
DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................5
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ..................................................................................9
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT....................................................................10
MỞ ĐẦU ..............................................................................................................11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GNSS ........................................13
1.1 Hệ thống GNSS ...........................................................................................13
1.2 Hệ thống GPS ..............................................................................................16
1.3 Hệ thống GALILEO.....................................................................................21
1.4 Mối liên hệ giữa tín hiệu GPS và GALILEO................................................23
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ THU ĐỊNH VỊ.........................................25
2.1 Các thành phần cơ bản của một bộ thu định vị .............................................25
2.2 Các loại bộ thu .............................................................................................28
2.2.1 Máy thu đổi tần (super heterodyne receiver) ..........................................28
2.2.2 Bộ thu biến đổi trực tiếp (direct conversion receiver).............................29
2.2.3 Bộ thu trung tần thấp (Low-IF receiver) ................................................30
2.2.4 Bộ thu đa chuẩn trung tần không/ trung tần thấp (Zero-IF/ Low-IF Multistandard receivers)..........................................................................................30
2.2.5 Bộ thu biến đổi kép trung tần băng rộng (Wideband IF double conversion
receivers)........................................................................................................31
2.2.6 Bộ thu số-trung tần (Digital-IF receivers) ..............................................32

1


2.2.7 Bộ thu biến đổi số trực tiếp (Direct digitization receivers) .....................33
2.3 Cấu trúc bộ thu GNSS thực tế xây dựng.......................................................33
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU VỀ BỘ LỌC TƯƠNG TỰ VÀ BỘ TRỘN TẦN......35
3.1 Các loại bộ lọc tương tự ...............................................................................35

3.1.1 Các định nghĩa.......................................................................................35
3.1.2 Phương pháp tổng hợp bộ lọc tương tự ..................................................40
3.2 Cấu trúc bộ trộn tần.....................................................................................41
3.2.1 Các khái niệm........................................................................................41
3.2.2 Bộ trộn cân bằng đơn (single balanced mixer) .......................................43
3.2.3 Bộ trộn cân bằng kép .............................................................................44
3.2.4 Bộ biến đổi cân bằng 180 độ..................................................................46
3.2.5 Các tham số đánh giá bộ trộn tần ...........................................................47
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC THÔNG DẢI VÀ BỘ
TRỘN TẦN..........................................................................................................54
4.1 Công nghệ dùng trong thiết kế .....................................................................54
4.1.1 Công nghệ vi dải (microstrip) ................................................................54
4.1.2 Tổng quan về phần mềm mô phỏng ADS 2011......................................57
4.2 Thiết kế và mô phỏng...................................................................................64
4.2.1 Thiết kế bộ lọc thông dải .......................................................................64
4.2.2 Thiết kế bộ trộn tần................................................................................72
KẾT LUẬN..........................................................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................91

2


LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Đỗ Huy Thao, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà nội, ngày 19 tháng 02 năm 2014
(Tác giả)

Đỗ Huy Thao

3


LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật được nghiên cứu và hoàn thành tại Viện đào tạo
sau đại học thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. HÀ DUYÊN TRUNG đã trực tiếp hướng
dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện
báo cáo luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong viện đào tạo sau đại học và các
thầy cô Viện Điện Viện Điện tử Viễn thông - Đại học Bách khoa Hà Nội đã trực
tiếp giảng dạy giúp tôi có được nền tảng kiến thức để hoàn thành luận văn.
Cuối cùng tôi cũng xin cảm ơn gia đình bạn bè, và đồng nghiệp đã giúp đỡ
động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp
này.

Hà nội, ngày 10 tháng 3 năm 2014
Học viên: Đỗ Huy Thao

4


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Xác định vị trí vật thể qua 4 phép đo......................................................14
Hình 1.2: Cách xác định vị trí bằng vệ tinh............................................................15
Hình 1.3: Miêu tả cách xác định vị trí bằng ba vệ tinh ...........................................16

Hình 1.4: Các phân hệ của GPS.............................................................................17
Hình 1.5: Phổ tín hiệu GPS....................................................................................19
Hình 1.6: Sơ đồ phát tín hiệu GPS ........................................................................20
Hình 1.7: Cấu trúc hệ thống định vị GALILEO .....................................................21
Hình 1.8: Phổ tín hiệu GALILEO ..........................................................................23
Hình 1.9: Mối liên hệ giữa tín hiệu GPS và Galileo ...............................................24
Hình 2.1: Bộ lọc thông dải lý tưởng và thực tế.......................................................26
Hình 2.2: Bộ thu Super heterodyne........................................................................29
Hình 2.3: Bộ thu Direct conversion .......................................................................29
Hình 2.4: Bộ thu Low-IF .......................................................................................30
Hình 2.5: Bộ thu Zero-IF/ Low-IF Multi-standard .................................................31
Hình 2.6: Bộ thu Wideband IF double conversion .................................................32
Hình 2.7: Bộ thu Digital-IF....................................................................................32
Hình 2.8: Bộ thu Direct digitization.......................................................................33
Hình 2.9: Bộ thu GNSS Front-end một băng tần....................................................34
Hình 3.1: Bộ lọc Butterworth.................................................................................36
Hình 3.2 : Điểm cực bộ lọc Butterworth với n = 5 .................................................37
Hình 3.3: Đáp ứng bộ lọc Chebyshev ....................................................................37
Hình 3.4: Điểm cực của bộ lọc Chebyshev ............................................................38
Hình 3.5: Đáp ứng của bộ lọc Elliptic....................................................................39
Hình 3.6: Đáp ứng của bộ lọc Gaussian .................................................................40
Hình 3.7: Bộ lọc nguyên mẫu thông thấp n-cực .....................................................40
Hình 3.8: Bảng giá trị các phần tử của bộ lọc nguyên mẫu thông thấp Butterworth
(g0 = 1, Ωc = 1, LAr = 3,01 dB ở Ωc).......................................................................41

5


Hình 3.9: Bảng giá trị các phần tử của bộ lọc nguyên mẫu thông thấp Chebyshev
(độ gợn dải thông LAr = 0,1 dB).............................................................................41

Hình 3.10: Bảng giá trị các phần tử của bộ lọc nguyên mẫu thông thấp Gaussian (g0
= gn + 1 = 1,0, Ωs = 1) ..........................................................................................41
Hình 3.11: Nguyên lí bộ trộn tần ...........................................................................42
Hình 3.12: Bộ trộn cân bằng đơn ...........................................................................44
Hình 3.13: Bộ trộn vòng sử dụng diode .................................................................45
Hình 3.14: Nguyên lý bộ trộn ................................................................................46
Hình 3.15: Bộ biến đổi cân bằng vòng hỗn hợp .....................................................46
Hình 3.16: Độ khử ghép ........................................................................................48
Hình 3.17: Sơ đồ điểm nén 1dB.............................................................................50
Hình 3.18: Điểm chặn bậc ba.................................................................................53
Hình 4.1: Công nghệ microstrip.............................................................................55
Hình 4.2 a) Đường truyền vi dải và b) mạch điện tương đương .............................55
Hình 4.3: Cuộn cảm xoắn nhiều vòng....................................................................56
Hình 4.4: Tụ điện kiểu xen kẽ................................................................................56
Hình 4.5: Giao diện chính của phần mềm ADS .....................................................58
Hình 4.6: Giao diện thiết kế của ADS....................................................................59
Hình 4.7: Giao diện vẽ đồ thị của phần mềm ADS.................................................59
Hình 4.8: Giao diện của công cụ tính toán Linecal.................................................60
Hình 4.9: Đường dẫn thẳng ...................................................................................60
Hình 4.10: Mối nối chữ T ......................................................................................61
Hình 4.11: Đường uốn...........................................................................................61
Hình 4.12: Bước nhảy và mạch điện tương đương .................................................61
Hình 4.13: Khớp nối hở .........................................................................................62
Hình 4.14: Dạng hình côn......................................................................................62
Hình 4.15: Ống nối chéo........................................................................................62
Hình 4.16: Đường cong .........................................................................................63
Hình 4.17: Bộ ghép nối trực tiếp............................................................................63

6

Hình 4.18: Bộ lọc thông thấp trở kháng thấp/cao (low-z/high-z lowpass) ..............64
Hình 4.19: Bộ lọc thông thấp sử dụng các nhánh song song (lowpass using shunt
stubs).....................................................................................................................64
Hình 4.20: Bộ lọc thông dải ghép song song (parallel-coupled passband) ..............64
Hình 4.21: Bộ lọc thông dải ghép nối tiếp (end-coupled passband)........................64
Hình 4.22: Bộ lọc thông dải rẽ nhánh (branch-line passband) ................................64
Hình 4.23: Đặc tính suy hao đối với bộ lọc Chebyshev có độ gợn 0,1 dB ..............66
Hình 4.24: Giá trị các thành phần của bộ lọc nguyên mẫu thông thấp bộ lọc
Chebyshev (độ gợn dải thông LAr = 0,1 dB) .........................................................66
Hình 4.25: Tính toán tham số MLIN bằng Linecal.................................................68
Hình 4.26: Kết quả tính toán MCLIN bằng Linecal ...............................................69
Hình 4.27: Bộ lọc thông dải thiết kế trong phần mềm ADS ...................................70
Hình 4.28: Đồ thị S21 của bộ lọc thông dải tần số trung tâm 1575,42 MHz...........71
Hình 4.29: Đồ thị S11 bộ lọc thông dải..................................................................71
Hình 4.30: Tính toán các tham số MCURVE cho bộ biến đổi cân bằng .................73
Hình 4.31: Tính toán MLIN...................................................................................74
Hình 4.32: Sơ đồ mạch bộ biến đổi cân bằng cho tín hiệu RF ................................75
Hình 4.33: Tối ưu bán kính bằng công cụ Tuning ..................................................76
Hình 4.34: Kết quả lí tương bộ lọc cần bằng..........................................................77
Hình 4.35: Đồ thị cho việc mô phỏng bộ biến đổi cân bằng tín hiệu RF.................77
Hình 4.36: Đồ thị mạch mô phỏng bộ biến đổi cân bằng cho tín hiệu LO ..............79
Hình 4.37: Mạch bộ lọc thông thấp........................................................................80
Hình 4.38: Đồ thị mạch lọc thông thấp ..................................................................80
Hình 4.39: Mạch mô phỏng bộ trộn vòng sử dụng diode........................................81
Hình 4.40: Template tính toán mô phỏng các tham số suy hao chuyển đổi, độ khử
ghép ......................................................................................................................82
Hình 4.41: Tổng hợp đầu vào mô phỏng................................................................84
Hình 4.42: Đồ thị đầu ra IF....................................................................................84
Hình 4.43: Kết quả độ khử ghép ............................................................................84

7


Hình 4.44 : Kết quả tính toán độ suy hao chuyển đổi .............................................85
Hình 4.45: Kết quả hệ số sóng đứng trên các cổng.................................................85
Hình 4.46: Thành phần DA_SSMatch ...................................................................86
Hình 4.47: Kết quả tính toán dây chêm..................................................................87
Hình 4.48: Kết quả sóng đứng sau khi có dây chêm...............................................87
Hình 4.49: Kết quả suy hao chuyển đổi sau khi phối hợp trở kháng.......................88
Hình 4.50:Template để mô phỏng điểm nén ..........................................................89
Hình 4.51: Kết quả tính toán điểm nén ..................................................................89

8


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Các thông số kỹ thuật của bộ lọc thiết kế...............................................65
Bảng 4.2: Tính toán giá trị ZoJn , Zoe và Zoo ...........................................................67
Bảng 4.3: Kết quả tính toán các tham số của Microstrip Lines (MLIN) .................68
Bảng 4.4: Kết quả tính toán tham số MCLIN.........................................................69
Bảng 4.5: Các thông số kỹ thuật của bộ trộn tần ....................................................72
Bảng 4.6: Kết quả tính toán cho MCURVE của bộ biến đổi cân bằng cho tín hiệu
RF .........................................................................................................................74
Bảng 4.7: Kết quả tính toán MLIN của bộ biến đổi cân bằng cho tín hiệu RF........74
Bảng 4.8: Các thông số của MTEE của bộ biến đổi cân bằng cho tín hiệu RF .......75
Bảng 4.9: Kết quả tính toán MCURVE bộ biến đổi cân bằng vòng hỗn hợp cho tín
hiệu LO .................................................................................................................78
Bảng 4.10: Kết quả tính toán MLIN bộ biến đổi cân bằng vòng hỗn hợp cho tín hiệu
LO.........................................................................................................................78

9


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Thuật ngữ

Từ gốc

Ý nghĩa

ADC

Analog-to-Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự - số

ADS

Advanced Design System

Hệ thống thiết kế cấp cao

AEL

Application Extension Language

Ngôn ngữ ứng dụng mở rộng

BPF

Band Pass Filter

Bộ lọc thông dải

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu số

DSSS

Direct-Sequence Spread

Trải phổ chuỗi trực tiếp

Spectrum
ESA

European Space Agency

Cơ quan vũ trụ châu Âu

FHSS

Frequency-Hopping Spread

Trải phổ nhảy tần

Spectrum
GNSS

Global Navigation Satellite

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu

System
GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

HPF

High Pass Filter

Bộ lọc thông cao

IF

Intermediate Frequency

Trung tần

LNA

Low Noise Amplifer

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

LO

Local Oscillator

Bộ tạo dao động nội

LPF

Low Pass Filter

Bộ lọc thông thấp

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

TCXO

Temperature Compensated

Bộ dao động tinh thể có bù nhiệt

Crystal Oscillators
PLL

Phase locked loop

Vòng khóa pha

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

Hệ số sóng đứng điện áp

VGA

Variable Gain Amplifier

Bộ khuếch đại thay đổi độ lợi

10


MỞ ĐẦU

Nhu cầu về định vị dẫn đường có từ thời xa xưa và ngày càng phát triển và đòi
hỏi trong thế giới hiện đại từ các lĩnh vực an ninh quốc phòng đến các lĩnh vực dân
sự, không những trong các ngành sản xuất ra của cải vật chất mà còn cả nhu cầu của
các cá nhân hàng ngày. Phương pháp định vị thì có nhiều tương ứng cũng có nhiều
loại hệ thống định vị khác nhau. Nổi tiếng nhất và thông dụng nhất là hệ thống định
vị dẫn đường GPS của Mỹ. Đã có thời kì hệ thống GNSS được đồng nghĩa với hệ
thống GPS. Tuy nhiên ngày nay không chỉ có Mỹ mà có rất nhiều nước tự xây dựng
và phát triển hệ thống định vị toàn cầu của riêng mình như hệ thống Glonass của
Nga, hệ thống Galileo của Châu âu, và hệ thống Beidu của Trung Quốc. Vì nhiều lí

do cả về kĩ thuật lẫn kinh tế, chính trị mà hệ thống Galileo có tiềm năng trở thành hệ
thống đối thủ lớn nhất của GPS.
Các nước đang phát triển như Việt Nam không có khả năng tự mình phát triển
hệ thống định vị riêng nhưng trước xu thế đó chúng ta cũng phải tìm cách tiếp cận
riêng để bắt kịp với thời đại. Do đó chúng ta cần nghĩ đến phân hệ người dùng . Đó
là muốn sử dụng được các ứng dụng định vị dẫn đường này thì đầu tiên chúng ta
cần một bộ thu định vị. Một bộ thu định vị sẽ là xương sống cho bất kì ứng dụng
dựa trên định vị nào. Tuy nhiên bộ thu định vị cổ điển chỉ làm việc với hệ thống
GPS nhưng với các yêu cầu hiện đại thì máy thu định vị đa hệ là một tiêu chuẩn bắt
buộc trong tương lai gần. Hệ thống Galieo đang được nghiên cứu và phát triển
nhằm khắc phục các yếu điểm của GPS. Hơn nữa Galileo được phát triển bởi châu
Âu nơi mà tiềm lực khoa học kĩ thuật và kinh tế vượt trội so với hứa hẹn sẽ là một
hệ thống sớm được phổ biến. Vì vậy máy thu đa hệ GPS và Galileo được chọn để
nghiên cứu.
Mục tiêu của luận văn là thiết kế và mô phỏng hai thành phần quan trọng của
một bộ thu đa hệ là hai khối BPF và MIXER. Do hạn chế về mặt thời gian nên
phạm vi nghiên cứu trong luận văn dừng ở mức thiết kế và mô phỏng các thành

11


phần này và cũng chỉ dừng ở hướng tiếp cận một tần số. Phương pháp nghiên cứu
sử dụng lí thuyết và các phần mềm mô phỏng để thực nghiệm
Một lần nữa tôi xin hết sức cảm ơn thày hướng dẫn, TS. Hà Duyên Trung đã
gợi ý về hướng nghiên cứu đề tài cũng như đã nhiệt tình hướng dẫn để tôi hoàn
thành luận văn này.

Hà Nội, tháng 3 năm 2014
Học viên
Đỗ Huy Thao

12


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GNSS
Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống GNSS cách thức tính toán định vị
khi sử dụng hệ thống GNSS. Hai hệ thống GNSS điển hình được miêu tả là hệ
thống GPS và hệ thống Galieo. Qua đó mối liên hệ về mặt tín hiệu giữa hai hệ thống
này được đưa ra để làm cơ sở cho yêu cầu về tín hiệu RF đầu vào của máy thu định
vị đa hệ, là xuất phát điểm quan trọng để chế tạo một bộ thu đa hệ. Tài liệu. [6],
[10] và [11], [14] được sử dụng để làm tham khảo cho chương này. Người đọc cũng
có thể tham khảo sâu hơn về kiến trúc các bản tin trong tài liệu [10], [11].
1.1 Hệ thống GNSS
Từ xa xưa con người đã biết vận dụng nhiều phương pháp như:
- Định vị cổ điển như quan sát theo dõi các ngọn núi, tòa nhà cao...
- Định vị quan sát các chòm sao và hành tinh trên vũ trụ: như sao Bắc đẩu để
xác định vị trí của mình tuy là không chính xác lắm.
Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và các phương pháp định
vị hiện đại như:
- Định vị quán tính
- Định vị vô tuyến mặt đất
- Định vị vô tuyến không gian người ta đã tính toán và đo được các thông số
của quá trình chuyển động (vị trí, vận tốc, thời gian,…) chính xác hơn.
Hệ thống định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) là tên
gọi chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh để định vị một điểm
trên mặt đất. Trên thế giới hiện có các hệ thống GNSS, đó là: GPS (Mỹ),
GALILIEO (Liên minh châu âu), GLONASS (Liên bang Nga), Bắc Đẩu (Trung
quốc).
Ngày nay rất nhiều ứng dụng dựa vào các hệ thống GNSS được xây dựng và
tạo ra. Ứng dụng cho GNSS không chỉ dừng lại ở quân sự mà cả các ứng dụng dân

sự như: dẫn đường cho tàu thủy, máy bay cũng như các phương tiện giao thông trên

13


mặt đất, xây dựng, đặc biệt lắp đặt các thiết bị trên biển phục vụ cho công tác khai
thác dầu mỏ, thủy hải sản ….đến cả các nhu cầu của cá nhân như theo dõi con cái,
giám sát mất trộm. Nó mang lại nhiều hiệu quả hết sức thiết thực.
Hệ thống GNSS phải sử dụng tối thiểu 3 vệ tinh để xác định vị trí. Để xác định
vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử dụng vệ tinh làm các
điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thể đến các vệ tinh
này.
Ở đây ta đã biết trước vị trí rj của vệ tinh thứ j (phát ra tín hiệu) và muốn xác
định vị trí Ri của anten thứ i (thiết bị thu tín hiệu vệ tinh) do đó ta cần phải đo vector
cự ly eijρIj giữa 2 vị trí nói trên (eij là vector đơn vị).
Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có thể có những kỹ thuật
định vị vệ tinh khác nhau và xác định được vị trí của anten thứ i theo công thức Ri =
rj - eijρij.

Hình 1.1: Xác định vị trí vật thể qua 4 phép đo
Do vị trí của vệ tinh thay đổi theo thời gian nên việc dự đoán một cách chính
xác vị trí của vệ tinh rj(t) tại một thời điểm nào đó là rất khó khăn. Nhiệm vụ dự
đoán quỹ đạo hay lịch thiên văn (ephemeris) của vệ tinh đòi hỏi phải có kiến thức
đặc biệt về động lực học vệ tinh mà người vận hành hệ thống cần phải quan tâm.

14


Hình 1.2: Cách xác định vị trí bằng vệ tinh
Giả sử ta bỏ qua sai số đồng hồ máy thu trên vật thể i và đo được cự ly từ vật

thể i đến vệ tinh 1 là ρi1, nghĩa là vật thể i đang nằm trên một mặt cầu (S1) có tâm là
vệ tinh 1 (C1) và bán kính là ρi1. Tiếp theo ta thực hiện phép đo cự ly từ vật thể i
đến vệ tinh 2 và nhận được kết quả là ρi2, điều này cho chúng ta biết rằng vật thể i
không chỉ nằm trên mặt cầu (S1) mà còn nằm trên mặt cầu (S2) cách vệ tinh 2 (C2)
một khoảng cách là ρi2. Nói cách khác, vật thể i sẽ nằm trên đường tròn (O) do 2
mặt cầu (S1), (S2) cắt nhau tạo ra. Nếu chúng ta tiếp tục đo được cự ly từ vật thể i
đến vệ tinh 3 là ρi3 thì vị trí chính xác của nó là một trong hai giao điểm P1, P2 của
mặt cầu (S3) với đường tròn (O).
Như vậy, bằng các phép đo cự ly từ vật thể i đến 3 vệ tinh, ta có thể xác định
được 2 vị trí có thể có của nó trong không gian. Để xác định vị trí nào là vị trí thật
ta có thể thực hiện 1 phép đo bổ sung, tuy nhiên 1 trong 2 vị trí tính được từ phép
đo này sẽ cho một kết quả không phù hợp (hoặc là ở rất xa trái đất, hoặc là chuyển
động với vận tốc vô cùng lớn) và do đó có thể bỏ qua mà không cần phải thực hiện
phép đo này. Ba phép đo cự ly ở trên cho ta 3 phương trình độc lập với nhau cần
thiết để xác định 3 ẩn số. 3 ẩn số này là tọa độ (x, y, z) của vật thể i trong không
gian 3 chiều. Khi kể đến sai số đồng hồ máy thu, tất cả các phép đo cự ly đồng thời
đều bị lệch bởi giá trị sai số này. Do đó, trong bất kỳ một tập hợp các phép đo cự ly
đồng thời nào, chúng ta cũng cần phải xác định đầy đủ 4 ẩn số (3 ẩn số vị trí, 1 ẩn
số thời gian), nghĩa là cần 4 phương trình hay 4 phép đo cự ly đến vệ tinh để xác

15


định vị trí duy nhất của vật thể.

Hình 1.3: Miêu tả cách xác định vị trí bằng ba vệ tinh
Cách xác định khoảng cách trong GNSS:
d=c*t
d: khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu.
c: vận tốc ánh sáng = 3x108 m/s.

t: trễ lan truyền.
Ta phải giải bài toán phi tuyến với 4 ẩn số:
=

(

−

) + (

−

) + (

−

) + .

=

(

−

) + (

−

) + (

−

) + .

=
=

(
(

−
−

Phương pháp giải:

) + (
) + (

−
−

) + (
) + (

−
−

) + .
) + .

-

Tuyến tính hóa bằng khai triển Taylor

-

Sử dụng thuật toán Least Mean Square để giải phương trình tuyến tính

1.2 Hệ thống GPS
Một hệ thống GNSS nổi tiếng nhất và xuất hiện lâu nhất là hệ thống GPS. Vào
những thập niên 60 và 70, Bộ quốc phòng Mỹ đã đầu tư và nghiên cứu, xây dựng hệ
thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System). Vệ tinh GPS đầu tiên
được phóng vào tháng 2 năm 1978 và đầu những năm 1990 GPS bắt đầu được sử

16


dụng trong dân sự. Chính phủ Mỹ dành riêng mức định vị cao nhất cho quân sự, tuy
nhiên họ đã phát triễn mã thu thô C/A cho mục đích dân sự. Điểu này giúp cho bất
kỳ ai cũng có thể sử dụng GPS ở bất cứ nơi nào và bất cứ nơi đâu để xác định vị trí
của mình. Hệ thống GPS có thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài
centimet.
Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần:
-Phân hệ không gian (Space Segment).
- Phân hệ điều khiển (Control Segment).
- Phân hệ máy thu tín hiệu GPS (User Segment).

Hình 1.4: Các phân hệ của GPS
Trạm không gian:
Trạm không gian bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo họat động liên tục trên 6 quỹ

đạo tròn cao 20200km so với mặt đất với góc nghiêng là 550, chu kì 12 giờ (11 giờ
58 phút). Các vệ tinh được bố trí trên quỹ đạo sao cho ở bất cứ thời điểm nào cũng
có ít nhất 4 đến 10 vệ tính có thể được nhìn thấy bởi sử dụng ở bất cứ đâu trên thế
giới nếu xét góc ngẩng là 100. Mỗi vệ tinh có tới bốn đồng hồ nguyên tử cực kì
chính xác và một vi xử lí để tự điều khiển và xử lí data trong giới hạn. Các vệ tinh
được trang bị nhiều tên lửa nhỏ để phục vụ cho việc duy trì hay thay đổi quỹ đạo
của chúng.
17


Phân hệ điều khiển:
Gồm có 4 trạm thu tín hiệu phát đi từ vệ tinh (Monitor Station) và một trạm
chủ (Master Control) để phát tín hiệu lên vệ tinh. Bốn trạm thu được đặt ở các địa
điểm khác nhau trên khắp thế giới. Các trạm giám sát bám tất cả các vệ tinh GPS
trong tầm nhìn để điều khiển và dự đoán quỹ đạo của chúng. Chúng có nhiệm vụ
thu tín hiệu chứa thông tin về quỹ đạo và thời gian từ vệ tinh gửi về sau đó gửi
nhưng thông tin này cho trạm chủ. Trạm chủ sẽ hiệu chỉnh những thông tin nhận
được và gửi lại những thông tin đã được hiệu chỉnh lên vệ tinh để điều chỉnh quỹ
đạo bay và đồng bộ thời gian cho các vệ tinh cùng với thông tin về sự suy hao
đường truyền.
Máy thu GPS:
Phân hệ người sử dụng bao gồm tất cả máy thu GPS trên mặt đất cho phép
ngừoi dùng nhận tín hiệu quảng bá từ vệ tinh và tính toán thời gian, vận tốc, tọa độ
của họ một cách chính xác. Máy thu của người dùng đo thời gian trễ để tính hiệu đi
tới máy thu. Đây là cách đo trực tiếp khoảng cách biểu kiến tới vệ tinh. Các kết quả
đo thu thập đồng thời từ bốn vệ tính được xử lí để tính toán tốc độ vận tốc và thời
gian. GPS cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ định vị tiêu chuẩn SPS và dich vụ định
vụ chính xác (PPS).
Quỹ đạo vệ tinh GPS:
Hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh địa tĩnh, trong đó có 03 vệ tinh dành cho dự

phòng, trong tương lai Mỹ sẽ tiếp tục phóng thêm 04 vệ tinh GPS nữa lên quỹ đạo
để bảo đảm dự phòng 1:3 cho toàn bộ hệ thống. Vệ tinh GPS bay theo sáu quỹ đạo,
mỗi quỹ đạo có 04 vệ tinh, mặt phẳng quỹ đạo bay nghiêng 55o so với mặt phẳng
xích đạo trái đất và các góc xuân phân của quỹ đạo lệch nhau số lần nguyên của
60o. Các thông số chính của vệ tinh thế hệ hiện tại như sau:
- Khối lượng trên quỹ đạo: 930Kg.
- Đường kính: 5,1m.
- Tốc độ bay: 4km/s.

18


- Tần số sóng mang “đường xuống” băng L1: 1575,42MHz; băng L2:
1227,6MHz.
- Tần số sóng mang “đường lên” 1783,74MHz.
- Đồng hồ: 02 đồng hồ nguyên tử Cesium; 02 đồng hồ nguyên tử Rubidium.
- Thời gian hoạt động trên quỹ đạo: 7÷8 năm.
Về lý thuyết một máy thu GPS tại bất cứ một địa điểm nào trên trái đất và
trong mọi điều kiện thời tiết đều có thể “nhìn thấy” ít nhất 3 vệ tinh GPS và khi phát
hiện được vệ tinh thứ tư là hoàn toàn có thể xác định được vị trí của mình nhờ các
phép đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu.
Tín hiệu GPS
Tín hiệu GPS được truyền ở 2 tần số từ tần số cơ bản fo=10,23 MHz. Hai tần
số truyền tín hiệu của GPS là L1=154fo=1575,42 MHz và L2=120fo=1227.60
MHz. Việc sử dụng hai tần số sóng mang cho phép sửa một nghiêm trọng của GPS
là trễ tầng điện ly.

Hình 1.5: Phổ tín hiệu GPS

19

Hình 1.6: Sơ đồ phát tín hiệu GPS
Tín hiệu GPS gồm 3 thành phần là: dữ liệu định vị, sóng mang và mã trải phổ:
-Dữ liệu định vị: chứa các thông tin về vệ tinh, thông tin này được chuyển tới
các vệ tinh khác nhờ trạm điều khiển ở mặt đất.
-Mã trải phổ: trải rộng phổ của tín hiệu gửi đi có tác dụng bảo mật và chống
nhiễu. Mỗi vệ tinh có 2 mã trải phổ khác nhau: C/A code và P code. C/A code là 1
chuỗi gồm 1023 bit hay chip, với tốc độ 1,023 MHz. P code xấp xỉ 2,35 ×
10 chip, với tốc độ gấp 10 lần C/A code. C/A code chỉ được điều chế trên tín hiệu

L1 còn P code được điều chế trên cả L1 và L2.

-Sóng mang: sử dụng tần số L1 và L2 điều chế dữ liệu định vị (sau khi nhân
với mã trải phổ) và truyền đi.
Quy trình tạo tín hiệu:
-Bộ giới hạn (limiter): ổn định tín hiệu trước khi nhân với mã P(Y) và C/A.
-Bộ tạo dữ liệu (Data generator): tạo dữ liệu định vị.
-Các bộ tạo mã (Code generators): tạo các mã P(Y) và C/A.
Tín hiệu C/A code xor data và P(Y) code xor data được đưa vào 2 bộ điều chế
pha nhị phân, sử dụng tần số L1 nhưng lệch pha 90o. Sau khi thành phần tín hiệu

20


chứa mã P(Y) được giảm biên độ đi 3dB, 2 thành phần tín hiệu sau điều chế được
cộng với nhau để thu được tín hiệu L1.
Mã C/A được sử dụng phải thỏa mãn 2 tính chất quan trọng:
-Gần như không tương quan chéo với mã C/A của các vệ tinh khác.
-Gần như không tự tương quan (trừ trường hợp độ trễ bằng 0).

1.3 Hệ thống GALILEO
Vào năm 1998, cơ quan vũ trụ Châu âu European Space Agency (ESA) và liên
hiệp châu âu European Commission đã quyết định nghiên cứu một hệ thống định vị
vệ tinh riêng cho khu vực châu âu.
GALILEO cũng gồm 3 thành phần chính là:
-Phân hệ trạm không gian (Space Segment).
- Phân hệ trung tâm điều khiển (Control Segment).
- Phân hệ máy thu (User Reciever).
Trạm không gian bao gồm 30 vệ tinh với 27 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh
đảm bảo khi có sự cố. Các vệ tinh sẽ di chuyển với quỹ đạo tròn có góc nghiêng
56o. Thời gian đi hết 1 quỹ đạo của 1 vệ tinh là 14 giờ.
Cấu trúc hệ thống GALILEO là:

Hình 1.7: Cấu trúc hệ thống định vị GALILEO

21


Hệ thống bao gồm:
-GCS: Galileo Control System.
-GMS: Galileo Mission System.
-GCC: Galileo Control Center.
-TT&C: Telemetry, Tracking and Command Station.
-GSS: Galileo Sensor Station.
-ULS: Uplink Station.
Các dịch vụ cung cấp bởi GALILEO:
-Open Service (OS): miễn phí, có một lượng lớn các ứng dụng, phương pháp
định vị đơn giản.
-Safely of Life (SoL): dành cho các ứng dụng mang tính chất nghiên cứu, với
tín hiệu nguyên viện và xác thực.

-Commercial Service (CS): phục vụ cho các ứng dụng hàng hải, hàng không,
giao thông mặt đất với chất lượng đảm bảo, có độ chính xác và được mã hóa.
-Public Regulated Service (PRS): tín hiệu đã được hiệu chỉnh lại cho chất
lượng tốt hơn, tính sẵn sàng sử dụng cao thường được dùng cho các dịch vụ của
chính phủ.
-Support to Search and Rescue service (SAR): nhằm sử dụng cho các dịch vụ
mạng tính chất nhân đạo, gần với thời gian thực, chính xác và có thể phản hồi.
Tín hiệu GALILEO
Tín hiệu Galileo được thiết kế để khắc phục một số nhược điểm của tín hiệu
GPS, đáp ứng yêu cầu thu tín hiệu trong những điều kiện mà GPS không thu được
(trong rừng, trong nhà, …). Tín hiệu L1 OS của Galileo được truyền với tần số
1575.42 MHz, gồm 3 kênh A (kênh hạn chế, dữ liệu được mã hóa), B (kênh dữ liệu
public) và C (kênh pilot).

22


Hình 1.8: Phổ tín hiệu GALILEO
Mã trải phổ cho L1 OS dài 4092 chip, tốc độ 1,023 MHz, chu kỳ 4 ms. Kênh
pilot sử dụng thêm mã trải phổ thứ cấp dài 25 chip, do đó chu kỳ toàn mã là 100ms,
Kênh A và B chỉ sử dụng mã trải phổ sơ cấp.
Với L1 OS của Galileo ta có độ rộng băng tần là 40*1,023 = 40,92 MHz.
Năng lượng tối thiểu để có thể nhận được tín hiệu L1 OS là -157 dBW. Ranging
code rate của các kênh trong Galileo L1 OS signal:
RC,L1-A = 2,5 * 1,023 Mchip/s
RC,L1-B = RC,L1-C = 1,023 Mchip/s
Từ đó ta có độ dài 1 chip của ranging code:
TC,L1-b = TC,L1-C = 1/1,023 Mchip/s = 977,5 ns
Chip rate lớn mang lại độ phân dải tốt hơn và giảm lượng tương quan chéo
giữa tín hiệu của các vệ tinh và giữa tín hiệu của 1 vệ tinh trong các thời điểm tuy

nhiên việc tăng độ dài chip cũng làm tăng thời gian xử lý dữ liệu.

1.4 Mối liên hệ giữa tín hiệu GPS và GALILEO
Qua hai phần vừa trình bày ở trên, ta thấy được sự tương thích của hai tín hiệu
GPS và GALILEO.

23


Hình 1.9: Mối liên hệ giữa tín hiệu GPS và Galileo
Qua hình trên ta thấy có tần số trung tâm của băng tần L1 ở GPS và E1 ở
GALILEO cũng như L5 ở GPS và E5a ở GALILEO là giống nhau. Để xây dựng bộ
thu kép của cả Galieo và GPS, bộ thu cần làm việc với hai tần số trung tâm là L1,
E1 có fc = 1575,42 MHz và L5, E5a có fc = 1176,45 MHz. Để đơn giản thì luận văn
này sẽ chỉ theo hướng 1 tần số L1, E1 có cùng fc =1575,42 MHz. Tần số này đều sử
dụng cho mục đích dân sự của GPS và GALILEO.

24


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ THU ĐỊNH VỊ

Chương 2 trước tiên giới thiệu tổng quan về các thành phần một bộ thu định
vị. Các thông tin phần này chủ yếu được tham khảo từ tài liệu [11] và phần nào từ
tài liệu [10]. Tiếp đó, chương 2 cũng giới thiệu sơ qua về các mô hình bộ thu phổ
biến hiện nay, đưa ra phân tích ưu khuyết điểm với các tham khảo từ tài liệu [12].
Cuối chương 2 luận văn đưa ra mô hình bộ thu chi tiết với các tham số kĩ thuật cho
từng thành phần trong bộ thu được tham khảo từ tài liệu [11]
2.1 Các thành phần cơ bản của một bộ thu định vị
GNSS Antenna: Là thành phần đầu tiên trong đường tín hiệu. Antenna được

thiết kế để đưa ra được một hiệu điện thế từ việc truyền sóng vô tuyến của các hệ
thống GNSS. Có nhiều các thông số liên quan đến antenna để mô tả khả năng hoạt
động của nó. Ba thông số cơ bản thường được sử dụng là: tần số/băng thông, độ
phân cực và mô hình khuếch đại. Tuy nhiên để thiết kế có thể phù hợp với băng
thông thích hợp của tín hiệu mong muốn nên ta thường sử dụng thêm hai thông số
là hệ số sóng đứng điện áp (VSWR) và trở kháng. Trong thực tế các GNSS Frontend thường sử dụng trở kháng 50Ω và thường là phổ biến cho hầu hết các thiết kế
về tần số vô tuyến. VSWR là hệ số nhằm đánh giá sự không phối hợp trở do đó
VSWR là một hàm của tần số. VSWR thông thường là 2,0:1 có nghĩa là sẽ có 90%
năng lượng được hấp thụ trên băng thông của tần số mong muốn. Độ phân cực đưa
ra hướng của điện trường trong truyền dẫn tần số vô tuyến. Mẫu (pattern) của
antena miêu tả đinh hướng của antena. Ý tưởng cơ bản nhất cho mẫu antena là nhận
được tín hiệu bằng nhau trên cách hướng, đó là isotropic antena. Tuy nhiên không
nên sử dụng antena đồng đẳng vì tín hiệu nguồn là ở trên đầu. Vì vậy antena nên có
hình bán cầu để nhận tín hiệu từ góc ngẩng dương từ tất cả các hướng phương vị.
Cuối cùng cũng nên xem xét sử dụng antena thụ động hay chủ động.
Bộ lọc: Bộ lọc là một thành phần lựa chọn tần số chỉ cho các tần số mong
muốn đi qua còn các tần số không mong muốn sẽ bị làm suy giảm. Bộ lọc có ba loại

25