Xây dựng hệ thống tự động phát hiện nhiễu loạn tầng điện ly dựa trên tín hiệu từ vệ tinh định vị

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

DƯƠNG HOÀ NG VINH

XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN NHIỄU LOẠN
TẦNG ĐIỆN LY DỰA TRÊN TÍ N HIỆU TỪ VỆ TINH ĐINH
VI ̣
̣

Chuyên ngành: Truyề n thông và ma ̣ng máy tính

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TRUYỀN THÔNG VÀ MẠNG MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÃ THẾ VINH

Hà Nội – 2016


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Dương Hoàng Vinh
Đề tài luận văn: Xây dựng hê ̣ thố ng tự đô ̣ng phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly
dựa trên tín hiê ̣u từ vê ̣ tinh đinh
̣ vi ̣
Chuyên ngành: Truyề n thông và ma ̣ng máy tiń h

Mã số SV: CA140219
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 23/04/2016 với
các nội dung sau:


Bổ sung phầ n kiế n thức còn thiế u về tầ ng điê ̣n ly.

 Căn chỉnh la ̣i phầ n đánh số công thức.


Chỉnh sửa mô ̣t số lỗi dich
̣ thuâ ̣t.



Sửa các lỗi chính tả.

Ngày
Giáo viên hướng dẫn

tháng

năm

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và dưới sự hướng dẫn
khoa ho ̣c của TS. Lã Thế Vinh.
Các nô ̣i dung nghiên cứu, kế t quả trong luâ ̣n văn này là trung thực và chưa đươ ̣c công
bố dưới bấ t kỳ hình thức nào trước đây.

Hà Nô ̣i, ngày

tháng

năm

Tác giả

Dương Hoàng Vinh

I


II


Lời cảm ơn
Tác giả luâ ̣n văn xin đươ ̣c bày tỏ lòng biế t ơn sâu sắ c nhấ t tới những người đã hỗ trơ ̣
cho tác giả trong suố t quá triǹ h ho ̣c tâ ̣p, nghiên cứu và hoàn thiê ̣n luâ ̣n văn Tha ̣c si.̃
Nế u không nhờ có những sự hỗ trơ ̣, đô ̣ng viên và hướng dẫn tâ ̣n tình này thì rấ t có
thể luâ ̣n văn này đã không thể hoàn thành.
TS. Lã Thế Vinh là người hướng dẫn và đinh
̣ hướng cho đề tài luâ ̣n văn này, thầ y là

mô ̣t giảng viên giỏi, vui tiń h và là mô ̣t người thầ y luôn khiế n sinh viên của miǹ h nhâ ̣n
đươ ̣c nguồ n cảm hứng trong ho ̣c tâ ̣p và nghiên cứu. Thầ y đã rấ t nhiê ̣t tình hướng dẫn
và cho tác giả những lời khuyên hế t sức bổ ić h trong suố t quá triǹ h hoàn thành luâ ̣n
văn. Hơn nữa thầ y đã hỗ trơ ̣ cho tác giả luâ ̣n văn có cơ hô ̣i đươ ̣c làm viê ̣c với những
thiế t bi ̣và môi trường làm viê ̣c hiê ̣n đa ̣i và chuyên nghiê ̣p giúp cho các kế t quả của
luâ ̣n văn đa ̣t đươ ̣c là tố t nhấ t có thể .
ThS. Nguyễn Điǹ h Thuâ ̣n, đang là giảng viên ta ̣i bô ̣ môn Kỹ thuâ ̣t máy tiń h, Viê ̣n
Công nghê ̣ thông tin & Truyề n thông, trường Đa ̣i ho ̣c Bách khoa Hà Nô ̣i. Anh là mô ̣t
người rấ t vui tiń h, năng đô ̣ng và là mô ̣t giảng viên rấ t giỏi kiế n thức chuyên môn.
Nhờ sự kiên nhẫn và nhiê ̣t tin
̀ h của anh mà đã giúp tác giả luâ ̣n văn giải đáp đươ ̣c
những thắ c mắ c cũng như đa ̣t đươ ̣c những kiế n thức cầ n thiế t để hoàn thành luâ ̣n văn.
Tác giả luâ ̣n văn xin gửi lời cám ơn tới các thầ y cô của Viê ̣n Công nghê ̣ thông tin,
trường đa ̣i ho ̣c Bách khoa Hà Nô ̣i đã giúp cho tác giả luâ ̣n văn có đươ ̣c các kiế n thức
bổ ić h trong suố t quá triǹ h ho ̣c tâ ̣p và làm viê ̣c ta ̣i đây.
Cuố i cùng, sự khić h lê ̣, đô ̣ng viên và hỗ trơ ̣ từ gia điǹ h và ba ̣n bè là vô cùng quan
tro ̣ng đã giúp cho tác giả vươ ̣t qua đươ ̣c trong những giai đoa ̣n khó khăn của mình.

III


IV


Mu ̣c lu ̣c
Lời cảm ơn ....................................................................................................................... III
Danh mu ̣c hin
VII
̃
̀ h ve...........................................................................................................

Danh mu ̣c từ viế t tắ t ......................................................................................................... X
Lời mở đầ u .......................................................................................................................... 1
Chương 1

Tín hiêụ GPS ............................................................................................... 3

1.1

Tiń hiê ̣u và dữ liê ̣u .................................................................................................. 4

1.2

GPS Signal Scheme ................................................................................................ 4

1.3

C/A Code ................................................................................................................ 8

1.4

Doppler Frequency Shift ...................................................................................... 10

1.5

Code Tracking ...................................................................................................... 11

1.6

Navigation Data .................................................................................................... 13

1.6.1

Telemetry and Handover Words .................................................................... 14

1.6.2

Data in Navigation Message .......................................................................... 15

Chương 2

GNSS Antennas và Front Ends ............................................................... 16

2.1

Tổ ng quan ............................................................................................................. 17

2.2

Các thành phầ n của bô ̣ thu GNSS L1 ................................................................... 19

2.2.1

GNSS Antenna ............................................................................................... 19

2.2.2

Filter ............................................................................................................... 22

2.2.3

Amplifier ........................................................................................................ 23
V


2.2.4

Mixer/Local Oscillator ................................................................................... 24

2.2.5

Analog-to-Digital Converter .......................................................................... 27

2.3

Resulting Sampled Data ....................................................................................... 28

Chương 3
3.1

Tổ ng quan cách thức hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ thu GNSS ............................... 33

Receiver Channels ................................................................................................ 34

3.1.1

Acquisition ..................................................................................................... 35

3.1.2

Tracking ......................................................................................................... 38

3.1.3

Trić h xuấ t dữ liê ̣u đinh
38
̣ vi ..............................................................................
̣

3.2

Tiń h toán vi tri
̣ ́ ...................................................................................................... 39

Chương 4

Thiế t bi số
̣ hóa tín hiêụ vê ̣ tinh (Front-end) ........................................... 40

4.1

Các thành phầ n của bô ̣ front-end .......................................................................... 41

4.2

Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng............................................................................................. 43

Chương 5

Phát triể n và thử nghiêm
̣ hê ̣ thố ng phát hiêṇ nhiễu loa ̣n tầ ng điêṇ ly 46

5.1

Tầ ng điê ̣n ly .......................................................................................................... 47

5.2

Cơ sở lý thuyế t ...................................................................................................... 49

5.3

Cài đă ̣t giải thuâ ̣t tiń h chỉ số S4............................................................................. 49

5.4

Mô hiǹ h hê ̣ thố ng .................................................................................................. 53

5.5

Đánh giá hê ̣ thố ng ................................................................................................. 54

Kế t luâ ̣n ............................................................................................................................. 61
Tài liêụ tham khảo ........................................................................................................... 63

VI


Danh mu ̣c hin
̀ h ve ̃
Hin

̀ h 1.1. Quá triǹ h sinh tiń hiê ̣u GPS trong của vê ̣ tinh. ................................................ 5
Hin
̀ h 1.2. Cấ u trúc tiń hiê ̣u L1: f(t) là sóng mang và C(t) là chuỗi rời ra ̣c của mã C/A.
Nhiǹ vào hình vẽ thì tín hiê ̣u đươ ̣c lă ̣p la ̣i mỗi ms. D(t) là dòng bit dữ liê ̣u rời
ra ̣c. Mô ̣t bit dữ liê ̣u đinh
̣ vi ke
̣ ́ o dài trong 20 ms. Ba thành phầ n của tiń hiê ̣u L1
đươ ̣c nhân với nhau để ta ̣o thành tiń hiê ̣u kế t quả. ........................................... 7
Hin
̀ h 1.3. Kế t quả của quá triǹ h điề u chế BPSK của sóng mang L1 với mã C/A và tiń
hiê ̣u đinh
̣ vi ̣đố i với mô ̣t vê ̣ tinh. Tín hiê ̣u kế t quả L1 đươ ̣c sinh ra từ G, N, và
tiń hiê ̣u sóng mang. ........................................................................................... 8
Hin
̀ h 1.4. Đồ thi ̣ thân của ACF đố i với mô ̣t chuỗi ACF. Thân bên trái có giá tri ̣ tương
quan rp0 = 1; các giá tri ̣tương quan khác là 631023, -11023, hay -651023.
Hình vẽ chỉ cho thấ y 50 giá tri đầ
̣ u tiên trong 1023 giá tri.̣ .............................. 9
Hình 1.5. Hai tam giác biể u thi ̣ACF của early và late. Trong hiǹ h bên trái hai tam giác
cách nhau mô ̣t khoảng d = 1 chip (tương quan rô ̣ng – wide correlator), và hiǹ h
bên phải cho thấ y khoảng cách d = 0.5 chip (tương quan he ̣p – narrow
correlator). Cả hai sự phân tách này có đô ̣ nghiêng giố ng nhau và gầ n với tín
hiê ̣u gố c. .......................................................................................................... 12
Hin
̀ h 1.6. Các hàm phân tách đồ ng bô ̣ (đườn nét liề n) và bấ t đồ ng bô ̣ (đường nét đứt).
......................................................................................................................... 13
Hin
̣ vi cu
̣ ̉ a tiń hiê ̣u GPS. Mỗi subframe chứa 300 bits kéo dài
̀ h 1.7. Cấ u trúc dữ liê ̣u đinh

trong 6s. Subframes 1, 2 và 3 đươ ̣c lă ̣p la ̣i sau 30s trong khi đó subframe 4 và

VII


5 có 25 phiên bản trước khi đươ ̣c lă ̣p la ̣i. Như vâ ̣y, mô ̣t thông điê ̣p đinh
̣ vi hoa
̣ ̀n
chỉnh đươ ̣c lă ̣p la ̣i sau 12.5 phút. .................................................................... 14
Hin
̀ h 2.1. Mô tả trên miề n tầ n số của tiń hiê ̣u GPS và công suấ t của nhiễu nề n. 30 dBm
= 1 dBW. Tầ n số trung tâm là 1575.42 MHz. ................................................ 17
Hình 2.2. Bô ̣ thu GNSS L1 ............................................................................................ 19
Hình 2.3. Sự so sánh của các bô ̣ lo ̣c thông giải. ............................................................ 23
Hin
̀ h 2.4. Thể hiê ̣n 1000 mẫu tiń hiê ̣u trên miề n thời gian. ........................................... 29
Hin
̀ h 2.5. Histogram của 1,048,576 mẫu dữ liê ̣u. .......................................................... 29
Hin
̀ h 2.6. Miề n tầ n số . Thể hiê ̣n của 1,048,576 mẫu tiń hiê ̣u của dữ liê ̣u GPS L1. ...... 30
Hin
̀ h 2.7. Mô tả trên miề n tầ n số đã đươ ̣c cải thiê ̣n. Tầ n số trung tâm 1575.42 MHz. . 31
Hin
̀ h 3.1. Mô ̣t kênh của bô ̣ thu. Khố i Acquisition đưa ra các tham số của tiń hiê ̣u ở da ̣ng
ước lươ ̣ng thô. Các tham số này sẽ đươ ̣c đánh giá la ̣i bởi hai khố i tracking. Sau
khố i tracking, dữ liê ̣u đinh
̣ vi ̣ có thể đươ ̣c trích xuấ t và các giả cự ly
(pseudorange) có thể đươ ̣c tiń h toán. .............................................................. 34
Hin
đổ i với PRN 21.Tiń hiê ̣u gố c từ PRN 21 đươ ̣c thể hiê ̣n trong

̣
̀ h 3.2. Đồ thi Acquisition
tín hiê ̣u thu đươ ̣c. ............................................................................................ 37
Hin
̀ h 3.3. Đồ thi ̣Acquisition đố i với PRN 19. Tiń hiê ̣u gố c từ PRN 19 rõ ràng là không
đươ ̣c thể hiê ̣n trong tín hiê ̣u thu đươ ̣c, không xuấ t hiê ̣n đỉnh tín hiê ̣u trong đồ
thi.̣ ................................................................................................................... 37
Hin
̣ vi ̣ GNSS. Với vi ̣ trí đã đươ ̣c biế t trước của 4 vê ̣
̀ h 3.4. Nguyên tắ c cơ bản của đinh
tinh SVNi và khoảng cách truyề n tiń hiê ̣u ρi, vi tri
̣ ́ của người dùng có thể đươ ̣c
xác đinh.
̣ .......................................................................................................... 39
Hình 4.1. Cấ u ta ̣o của front-end. .................................................................................... 41

VIII


Hin
̀ h 4.2 Cách thức hoa ̣t đô ̣ng của front-end. ................................................................ 43
Hin
̀ h 4.3. Phổ của tiń hiê ̣u sau khi qua bô ̣ lo ̣c thông giải L1 Filter. .............................. 44
Hình 4.4. Phổ của tín hiê ̣u sau khi qua bô ̣ lo ̣c thông giải IF Filter 2. ............................ 44
Hình 5.1. Tầ ng điê ̣n ly và các ảnh hưởng tới tín hiê ̣u vê ̣ tinh ........................................ 48
Hình 5.2. Lưu đồ thuâ ̣t toán tính các giá tri cu
̣ ̉ a chỉ số S4.............................................. 50
Hình 5.3. Dữ liê ̣u I/Q và chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN 6 ................................................... 51
Hin
̀ h 5.4. Dữ liê ̣u I/Q và chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN 17 ................................................. 51

Hin
̀ h 5.5. Dữ liê ̣u I/Q và chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN 28 ................................................. 52
Hin
̀ h 5.6. Hê ̣ thố ng tự đô ̣ng ghi dữ liê ̣u phu ̣c vu ̣ giám sát sự nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly... 53
Hin
̀ h 5.7. Đánh giá giải thuâ ̣t tiń h toán chỉ số nhiễu loa ̣n (S4) ...................................... 54
Hin
̣ 4. .................. 55
̀ h 5.8. Tỉ số C/N0 của các vê ̣ tinh đươ ̣c cho ̣n để đánh giá các giá tri S
Hin
̣ 4 của PRN 7 ................................................................................ 55
̀ h 5.9. Các giá tri S
Hình 5.10. Các giá tri ̣S4 của PRN 11 ............................................................................ 56
Hình 5.11. Các giá tri ̣S4 của PRN 19 ............................................................................ 56
Hình 5.12. Tổ ng số lầ n xảy ra nhiễu đươ ̣c thu thâ ̣p trong mô ̣t tháng. ........................... 57
Hình 5.13. Vế t của vê ̣ tinh bi nhiễ
u, với giá tri S
̣
̣ 4 đươ ̣c thể hiê ̣n bằ ng màu.................. 58
Hin
̀ h 5.14. Tổ ng số lầ n xảy ra nhiễu đươ ̣c thu thâ ̣p trên tấ t cả các vê ̣ tinh. ................... 59
Hin
̀ h 5.15. Skyplot thể hiê ̣n các vùng bi ạ ̉ nh hưởng bởi nhiễu. ..................................... 60

IX


Danh mu ̣c từ viế t tắ t

ACF

Autocorrelation Function

ADC

Analog-to-Digital Converter

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CDMA

Code Division Multiple Access

DFS

Doppler Frequency Shift

DLL

Delay Lock Loop

GNSS

Global Navigation Satellite System

GPS

Global Positioning System

HOW

Handover Word

IF

Intermediate Frequency

L1

Tầ n số GPS 𝑓𝐿1 = 1575.42 𝑀𝐻𝑧

LFSR

Linear Feedback Shift Register

LHCP

Left Hand Circular Polarization

NBP

Narrow Band Power

NRZ

Non Return to Zero

PLL

Phase Lock Loop

PRN

Pseudorandom Noise

RF

Ratio Frequency
X


RHCP

Right Hand Circular Polarization

S4

Amplitude Scintillation Index

SI

Signal Intensity

SNR

Signal-to-Noise Ratio

SVN

Space Vehicle Number

TLM

Telemetry

TOW

Time of Week

VSWR

Voltage Standing Wave Ratio

UHF

Ultra High Frequency

UTC

Universal Time Coordinated

WBP

Wide Band Power

XI

Lời mở đầ u
Đinh
̣ vi ̣ sử du ̣ng vê ̣ tinh là mô ̣t liñ h vực quan tro ̣ng và có tiń h ứng du ̣ng cao không chỉ
trong các liñ h vực khác mà còn đươ ̣c sử du ̣ng cả trong đời số ng hàng ngày của chúng ta.
Đây là liñ h vực đang rấ t phát triể n trên toàn thế giới, với các hê ̣ thố ng đinh
̣ vi ̣đươ ̣c biế t
đế n như: GPS của Mỹ, GLONASS của Nga, GALILEO của liên minh Châu Âu, QZSS
của Nhâ ̣t, IRNSS của Ấn Đô ̣ và BEIDOU của Trung Quố c - nô ̣i du ̣ng luâ ̣n văn chỉ đề
câ ̣p tới tiń hiê ̣u vê ̣ tinh đinh
̣ vi ̣ trên hê ̣ thố ng GPS. Nhờ sự bùng nổ và phát triể n ma ̣nh
mẽ của khoa ho ̣c kỹ thuâ ̣t và công nghê ̣ ngày nay mà liñ h vực đinh
̣ vi ̣ sử du ̣ng vê ̣ tinh
đươ ̣c ứng du ̣ng mô ̣t cách rô ̣ng raĩ và phổ biế n hơn bằ ng cách tić h hơ ̣p vào những thiế t bi ̣
chuyên du ̣ng trong các liñ h vực như quân sự, quan trắ c, giao thông,… hay những thiế t
bi ̣ quen thuô ̣c trong đời số ng hàng ngày của chúng ta như những chiế c smart phone,
tablet, smart watch…
Trong các liñ h vực sử du ̣ng thiế t bi đi
̣ nh
̣ vi sư
̣ ̉ du ̣ng vê ̣ tinh (GNSS), luôn tồ n ta ̣i mô ̣t vấ n
đề mà ít người sử du ̣ng ý thức đươ ̣c mức đô ̣ ảnh hưởng của nó tới đô ̣ chính xác cũng như
khả năng hoa ̣t đô ̣ng của thiế t bi ̣ đinh
̣ vi,̣ đó chiń h là các hiê ̣n tươ ̣ng nhiễu loa ̣n (nhấ p
nháy) tầ ng điê ̣n ly. Đây là mô ̣t hiê ̣n tươ ̣ng gây ra bởi các hoa ̣t đô ̣ng từ mă ̣t trời làm thay
đổ i mâ ̣t đô ̣ điê ̣n tích ở tầ ng điê ̣n ly dẫn đế n sự khúc xa ̣ của tín hiê ̣u điê ̣n từ truyề n từ vê ̣
tinh tới thiế t bi đi
mă ̣t đấ t. Sự khúc xa ̣ này làm cho viê ̣c tiń h toán to ̣a đô ̣ có sai
̣ nh
̣ vi trên
̣

số lớn, thâ ̣m chí thiế t bi ̣đinh
̣ vi ̣không thể hoa ̣t đô ̣ng đươ ̣c. Vì vâ ̣y, viê ̣c nghiên cứu và
xây dựng hê ̣ thố ng tự đô ̣ng phát hiê ̣n hiê ̣n tươ ̣ng nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly và lưu trữ dữ
liê ̣u để phân tić h cường đô ̣ nhiễu là thực sự cầ n thiế t cho cả các hoa ̣t đô ̣ng thực tế và
nghiên cứu khoa ho ̣c.

1


Lời mở đầ u
Viê ̣c sử du ̣ng kỹ thuâ ̣t đinh
̣ vi ̣mề m để phát hiê ̣n sự nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly vẫn còn khá
mới mẻ. Hiê ̣n nay ở Viê ̣t Nam chưa có thiế t bi na
̣ ̀ o có khả năng làm đươ ̣c như vâ ̣y. Luâ ̣n
văn này sẽ tâ ̣p trung mô tả viê ̣c phân tích và xử lý tiń hiê ̣u từ vê ̣ tinh đinh
̣ vi ̣đồ ng thời
sử du ̣ng các miêu tả về mă ̣t toán ho ̣c để xây dựng nên mô ̣t hê ̣ thố ng tự đô ̣ng phát hiê ̣n
nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly. Nô ̣i dung của luâ ̣n văn này đươ ̣c chia thành năm chương:
 Chương 1 miêu tả qui triǹ h sinh ra tiń hiê ̣u GPS, thảo luâ ̣n các các tính chấ t, thông
số quan tro ̣ng của tín hiê ̣u GPS cũng như cấ u trúc dữ liê ̣u của nó.
 Chương 2 mô tả mô ̣t cách chi tiế t đă ̣c tiń h của antenna thu nhâ ̣n tiń hiê ̣u GPS và
cấ u ta ̣o của bô ̣ front-end, đồ ng thời miêu tả cách thức hoa ̣t đô ̣ng cũng như ảnh
hưởng của từng thành phầ n trong bô ̣ front-end lên tiń hiê ̣u GPS.
 Chương 3 giới thiê ̣u mô ̣t cách tổ ng quan cách thức xử lý tín hiê ̣u GPS để tính toán
ra dữ liê ̣u đinh
̣ vi.̣
 Chương 4 làm viê ̣c với mô ̣t bô ̣ front-end cu ̣ thể , mô tả chi tiế t các thông số của
từng thành phầ n trong bô ̣ front-end và tiế n hành xem xét tiń hiê ̣u khi nó hoa ̣t đô ̣ng.
 Chương 5 tâ ̣p trung vào thuâ ̣t toán để đánh giá sự nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly, để từ
đó cài đă ̣t và phát triể n lên thành hê ̣ thố ng tự đô ̣ng phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầ ng điêṇ

ly. Cuố i cùng so sánh với các bô ̣ thu thương ma ̣i để đánh giá tính đúng đắ n của
hê ̣ thố ng.

2


Chương 1
Tín hiêụ GPS

Để thiế t kế đươ ̣c mô ̣t bô ̣ thu tầ n số GPS mề m thì viê ̣c hiể u đươ ̣c các đă ̣c tiń h của tiń hiê ̣u
và dữ liê ̣u đươ ̣c truyề n từ vê ̣ tinh và đươ ̣c nhâ ̣n bởi GPS antenna của bô ̣ thu là điề u hế t
sức cầ n thiế t. Chương này sẽ giới thiê ̣u mô ̣t cách tổ ng quan về quá trình sinh ra tín hiê ̣u
GPS và các tiń h chấ t quan tro ̣ng nhấ t của các tiń hiê ̣u và dữ liê ̣u mà sẽ đươ ̣c trin
̀ h bày.

3


1 – Tín hiê ̣u GPS
1.1

Tín hiêụ và dữ liêụ

Tín hiê ̣u GPS đươ ̣c truyề n trên hai tầ n số radio nằ m trong băng tầ n UHF (có tầ n số từ
500 MHz tới 3 GHz). Các tầ n số này go ̣i là L1 và L2 là bô ̣i số của tầ n số 𝑓0 = 10.23
MHz [2]:
𝑓𝐿1 = 154𝑓0 = 1575.42 MHz

(1.1)

𝑓𝐿2 = 120𝑓0 = 1227.60 MHz

(1.2)

Tín hiê ̣u đươ ̣c hình thành từ ba thành phầ n:
Sóng mang: với tầ n số 𝑓𝐿1 hoă ̣c 𝑓𝐿2
Dữ liê ̣u đi ̣nh vi ̣: dữ liê ̣u đinh
̣ vi ̣chứa thông tin liên quan đế n quỹ đa ̣o vê ̣ tinh. Thông tin
này đươ ̣c tải tới tấ t cả các vê ̣ tinh từ tra ̣m phát dưới mă ̣t đấ t ở trong GPS Control
Segment. Dữ liê ̣u đinh
̣ vi co
̣ ́ tố c đô ̣ truyề n bit là 50 bps.
Chuỗi truyề n lan: Mỗi vê ̣tinh có hai mã trải phổ đô ̣c nhấ t là mã coarse acquisition (C/A),
và mã bảo mâ ̣t (encrypted precision) (P(Y)). Mã C/A là mô ̣t chuỗi mã có đô ̣ dài
1023 chip. (mô ̣t chip tương đương với 1 bit. Go ̣i là chip đơn giản chỉ bởi vì muố n
nhấ n ma ̣nh rằ ng nó không giữ bấ t kỳ thông tin nào trong đó). Mã này sẽ đươ ̣c lă ̣p
đi lă ̣p la ̣i sau mỗi ms với xung nhip̣ 1.023 MHz. P code là mô ̣t mã dài hơn (≈ 2.35 ∙
104 chips) với xung nhip̣ 10.23 MHz. Mã này đươ ̣c lă ̣p la ̣i sau mỗi tuầ n của đầ u
tuầ n GPS cu ̣ thể vào nửa đêm thứ bảy/chủ nhâ ̣t. C/A code chỉ đươ ̣c điề u chế trên
sóng mang tầ n số L1 còn P(Y) code đươ ̣c điề u chế trên cả L1 và L2.

1.2 GPS Signal Scheme
Hình 2.1 là sơ đồ khố i miêu tả quá trình sinh ra tín hiê ̣u GPS. Nhìn sơ đồ khố i từ trái
sang phải. Phiá ngoài cùng bên trái là tiń hiê ̣u đồ ng hồ để cung cấ p cho các khố i còn la ̣i

4


1 – Tín hiê ̣u GPS
trong sơ đồ . Tiń hiê ̣u đồ ng hồ có tầ n số là 10.23 MHz. Khi đươ ̣c nhân với 154 và 120,

nó sẽ sinh ra tín hiê ̣u sóng mang tầ n số L1 và L2 tương ứng. Ở góc trái dưới là bô ̣ giới
ha ̣n đươ ̣c dùng để ổ n đinh
̣ tín hiê ̣u đồ ng hồ trước khi cấ p cho bô ̣ sinh mã P(Y) và C/A.
Ở đáy của sơ đồ là bô ̣ sinh dữ liê ̣u để sinh ra dữ liê ̣u đinh
̣ vi.̣ Các bô ̣ sinh mã và bô ̣ sinh
dữ liê ̣u đươ ̣c đồ ng bô ̣ với nhau thông qua tín hiê ̣u 𝑋1 đươ ̣c cấ p bởi bô ̣ sinh mã P(Y).

Hiǹ h 1.1. Quá triǹ h sinh tiń hiê ̣u GPS trong của vê ̣ tinh.

Sau quá trình ma,̃ các mã này sẽ đươ ̣c kế t hơ ̣p với dữ liê ̣u đinh
qua hai bô ̣ cô ̣ng.
̣ vi thông
̣
Phép toán XOR đươ ̣c sử du ̣ng trên các chuỗi nhi phân
đươ ̣c biể u diễn bởi 0 và 1, và các
̣
tính chấ t của nó đươ ̣c thể hiê ̣n trong bảng 1.1.
Nế u các chuỗi nhi ̣ phân đươ ̣c biể u diễn bởi các đa ̣i lươ ̣ng cực có giá tri ̣ khác 0 (nonreturn-to-zero), cu ̣ thể là 1 và -1, do đó có thể sử du ̣ng phép nhân thông thường. Các tính
5


1 – Tín hiê ̣u GPS
chấ t tương đương của phép nhân với hai chuỗi nhi ̣phân NRZ đươ ̣c thể hiê ̣n trong bảng
1.2.
Bảng 1.1.

Bảng 1.2.

Kế t quả của phép toán XOR

Kế t quả của phép nhân

Input
0
0
1
1

Input
0
1
0
1

Output
0
1
1
0

Input
-1
-1
-1
-1

Input
-1
-1
-1

-1

Output
-1
-1
-1
-1

Các tiń hiê ̣u 𝐶/𝐴 𝑐𝑜𝑑𝑒 ⊕ 𝑑𝑎𝑡𝑎 và 𝑃(𝑌)𝑐𝑜𝑑𝑒 ⊕ 𝑑𝑎𝑡𝑎 đươ ̣c cấ p cho hai bô ̣ điề u chế
tầ n số L1. Ta ̣i đây các tín hiê ̣u đươ ̣c điề u chế thành tiń hiê ̣u sóng mang bằ ng phương
pháp Binary Phase Shift Keying (BPSK). Chú ý rằ ng hai mã này đươ ̣c điề u chế sao cho
pha của chúng vuông góc nhau trong L1. Nghiã là có mô ̣t sự dich
̣ pha 90𝑜 giữa hai mã
này. Sau đó thành phầ n P(Y) đươ ̣c làm giảm đi 3dB, hai tín hiê ̣u này đươ ̣c đưa vào để
ta ̣o thành tiń hiê ̣u kế t quả L1.
Tin
́ hiê ̣u đươ ̣c truyề n từ vê ̣ tinh k có thể đươ ̣c miêu tả như sau:
𝑠 𝑘 (𝑡) = √2𝑃𝐶 (𝐶 𝑘 (𝑡) ⊕ 𝐷𝑘 (𝑡)) cos(2𝜋𝑓𝐿1 𝑡)
+ √2𝑃𝑃𝐿1 (𝑃𝑘 (𝑡) ⊕ 𝐷𝑘 (𝑡)) sin(2𝜋𝑓𝐿1 𝑡)

(1.3)

+ √2𝑃𝑃𝐿2 (𝑃𝑘 (𝑡) ⊕ 𝐷𝑘 (𝑡)) sin(2𝜋𝑓𝐿2 𝑡)

Trong đó 𝑃𝐶 , 𝑃𝑃𝐿1 , 𝑃𝑃𝐿2 là công suấ t của các tiń hiê ̣u với mã C/A hoă ̣c mã P, 𝐶 𝑘 là chuỗi
mã C/A đươ ̣c gán với vê ̣ tinh số hiê ̣u k, 𝑃𝑘 là chỗi mã P(Y) đươ ̣c gán với vê ̣ tinh số hiê ̣u
k, 𝐷𝑘 là chuỗi dữ liê ̣u đinh
̣ vi,̣ và 𝑓𝐿1 và 𝑓𝐿2 tương ứng với tầ n số sóng mang của L1 và
L2.

6


1 – Tín hiê ̣u GPS
Hin
̀ h 1.2 cho thấ y ba thành phầ n ta ̣o nên tiń hiê ̣u tầ n số L1. Mã C/A lă ̣p la ̣i sau mỗi ms,
và mô ̣t bit tín hiê ̣u đinh
̣ vi ke
̣ ́ o dài 20 ms. Vì vâ ̣y đố i với mỗi bit tín hiê ̣u đinh
̣ vi,̣ tín hiê ̣u
chứa 20 mã C/A.

Hin
̀ h 1.2. Cấ u trúc tiń hiê ̣u L1: f(t) là sóng mang và C(t) là chuỗi rời ra ̣c của mã C/A.
Nhiǹ vào hình vẽ thì tiń hiê ̣u đươ ̣c lă ̣p la ̣i mỗi ms. D(t) là dòng bit dữ liê ̣u rời ra ̣c. Mô ̣t
bit dữ liê ̣u đinh
̣ vi ̣ kéo dài trong 20 ms. Ba thành phầ n của tiń hiê ̣u L1 đươ ̣c nhân với
nhau để ta ̣o thành tiń hiê ̣u kế t quả.

Hiǹ h 1.3 cho thấ y mã Gold C, dữ liê ̣u đinh
̣ vi D,
̣ mô đun cô ̣ng 2 tiń hiê ̣u 𝐶 ⊕ 𝐷, và
sóng mang. Tín hiê ̣u cuố i cùng đươ ̣c ta ̣o ra bằ ng cách sử su ̣ng BPSK ta ̣i đó sóng mang
đươ ̣c chuyể n pha 180𝑜 ngay lâ ̣p tức ta ̣i thời điể m đổ i chip. Khi mô ̣t bit dữ liê ̣u đinh
̣ vi ̣
xuấ t hiê ̣n, pha của tiń hiê ̣u kế t quả cũng đươ ̣c dich
̣ 180𝑜 .

7

1 – Tín hiê ̣u GPS

Hình 1.3. Kế t quả của quá trình điề u chế BPSK của sóng mang L1 với mã C/A và tín
hiê ̣u đinh
̣ vi đố
̣ i với mô ̣t vê ̣ tinh. Tiń hiê ̣u kế t quả L1 đươ ̣c sinh ra từ G, N, và tiń hiê ̣u
sóng mang.

1.3 C/A Code
Các mã nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN – pseudorandom noise) đươ ̣c truyề n từ các vê ̣ tinh
GPS là các chuỗi xác đinh
̣ với các tiń h chấ t giố ng với nhiễu. Mỗi mã C/A đươ ̣c sinh
bằ ng phương pháp Linear Feedback Shift Register (LFSR). Nó sinh ra mô ̣t chuỗi có đô ̣
dài tố i đa 𝑁 = 2𝑛 − 1 thành phầ n.
Mô ̣t mã Gold là tổ ng của hai chuỗi có đô ̣ dài tố i đa. Mã C/A của GPS sử du ̣ng 𝑛 = 10.
Chuỗi p(t) lă ̣p la ̣i sau mỗi ms. Hàm tương quan của mã C/A là:

8


1 – Tín hiê ̣u GPS
𝑁𝑇𝐶
1
𝑟𝑝 (𝜏) =
∫ 𝑝(𝑡)𝑝(𝑡 + 𝜏)𝑑𝑡
𝑁𝑇𝐶 0

Chuỗi này có 512 giá tri ̣ mức 1 và 511 giá tri ̣ mức 0, và xuấ t hiê ̣n phân tán mô ̣t cách
ngẫu nhiên. Chuỗi này là giả ngẫu nhiên, không phải ngẫu nhiên. Bên ngoài đoa ̣n tương

quan của ACF thì 𝑝(𝑡) bằ ng −1/𝑁. Đố i với mã C/A là mô ̣t hằ ng số −1/𝑁 = −1/1023,
điề u này đươ ̣c thể hiê ̣n trong hiǹ h 1.4.

Hin
̀ h 1.4. Đồ thi ̣ thân của ACF đố i với mô ̣t chuỗi ACF. Thân bên trái có giá tri ̣ tương
quan 𝑟𝑝 (0) = 1; các giá tri tương
quan khác là
̣
50 giá tri đầ
̣ u tiên trong 1023 giá tri.̣

9

63

,

−1

1023 1023

, hay

−65

. Hình vẽ chỉ cho thấ y

1023

1 – Tín hiê ̣u GPS
ACF có thể đươ ̣c thể hiê ̣n như là tổ ng của thành phầ n hằ ng số và chuỗi vô ha ̣n bởi phép
tić h châ ̣p của 𝑟𝑋 (𝜏) với mô ̣t chuỗi vô ha ̣n các hàm xung đơn vi đươ
̣
̣ pha với 𝑚𝑁𝑇𝐶 :
̣c dich
∞

1 𝑁+1
𝑟𝑃 (𝜏) = − +
𝑟 (𝜏) ∗ ∑ 𝛿(𝜏 + 𝑚𝑁𝑇𝐶 )
𝑁
𝑁 𝑋

(1.4)

𝑚=−∞

Trong đó * là phép tić h châ ̣p. Phổ công suấ t của chuỗi tuầ n hoàn PRN đươ ̣c tiń h từ biế n
đổ i Fourier của công thức (1.4):
∞

1
𝑚𝜋
𝑚2𝜋
𝑆𝑃 (𝜔) = 2 (𝛿 (𝜔) + ∑ (𝑁 + 1)𝑠𝑖𝑛𝑐 2 ( ) 𝛿 (𝜔 +
))
𝑁
𝑁
𝑁𝑇

𝐶
𝑚=−∞

(1.5)

𝑚≠0

với 𝑚 = ±1, ±2, ±3, …

1.4 Doppler Frequency Shift
Hê ̣thố ng GPS thường phải đố i mă ̣t với hiê ̣n tươ ̣ng Doppler frequency shift (DFS) bi gây
̣
ra bởi chuyể n đô ̣ng tương đố i giữa bô ̣ truyề n tiń hiê ̣u và bô ̣ thu tiń hiê ̣u GPS. Hiê ̣n tươ ̣ng
doppler frequency shift ảnh hưởng tới cả hai quá trình dò (acquisition) và bám (tracking)
tin
̣ DFS tố i đa đố i với tầ n số L1 vào khoảng ±5
́ hiê ̣u GPS. Đố i với bô ̣ thu GPS cố đinh
kHz và đố i với bô ̣ thu GPS giả đinh
̣ di chuyể n ở tố c đô ̣ cao thì DFS vào khoảng ±10 𝑘𝐻𝑧.
DFS đố i với mã C/A thì nhỏ bởi vì tố c đô ̣ chip của mã C/A thấ p. Mã C/A có tố c đô ̣ chip
là 1.023 Mhz, nó thấ p hơn 1575.42/1.023 = 1540 lầ n so với tầ n số sóng mang L1. Do đó
DFS của mã C/A là 3.2 Hz và 6.4 Hz tương ứng với bô ̣ thu GPS cố đinh
̣ và di đô ̣ng.

10


1 – Tín hiê ̣u GPS
1.5 Code Tracking
Viê ̣c thu tín hiê ̣u GPS gă ̣p phải mô ̣t vấ n đề cổ điể n, cu ̣ thể là vấ n đề code tracking có thể

đươ ̣c giải quyế t bằ ng sơ đồ DLL (delay-locked loop) dựa trên bô ̣ phân tách early-late
(early-late discriminator).
Bô ̣ phát hiê ̣n loop-error (loop-error detector) hay bô ̣ phát hiê ̣n lă ̣p (loop discriminator)
dựa trên cấ u trúc của mô ̣t bô ̣ tương quan hai tham số . Mỗi bô ̣ tương quan đươ ̣c thiế t lâ ̣p
với mô ̣t khoảng thời gian chênh tương đố i để nhâ ̣n đươ ̣c pha thời gian của mã tiń hiê ̣u
mô ̣t cách tức thi,̀ đó là viê ̣c sinh ra tiń hiê ̣u early và tiń hiê ̣u late. Kế t hơ ̣p tiń hiê ̣u early
và tín hiê ̣u late sẽ cho ra ra mô ̣t tín hiê ̣u báo lỗi (error signal), hướng tới viê ̣c loa ̣i bỏ lỗi
delay-tracking.
Bô ̣ lă ̣p code tracking có thể đươ ̣c thiế t kế như là mô ̣t:
 Vòng khóa trễ đồ ng bô ̣ (Coherent delay lock loop - DLL)
 Vòng khóa trễ bấ t đồ ng bô ̣ (Noncoherent DLL)
Coherent DLL yêu cầ u bô ̣ phase lock loop (PLL) phải khóa la ̣i, nó sẽ bám theo pha của
sóng mang và các bit dữ liê ̣u đinh
̣ vi ̣sẽ đươ ̣c loa ̣i ra khỏi tín hiê ̣u. Noncoherent DLL có
thể bám theo mã ta ̣i thời điể m hiê ̣n ta ̣i của bit dữ liê ̣u đinh
̣ vi va
̣ ̀ PLL thì không cầ n phải
khóa.
Tin
́ hiê ̣u vào đươ ̣c tách thành hai đường và tương ứng với hai phiên bản của mã PRN
đươ ̣c sinh nô ̣i bô ̣: mô ̣t là early và mô ̣t là late. Hai phiên bản cách đề u nhau vào khoảng
mô ̣t dấ u nhắ c của mã PRN, thông thường là ±0.5 chip. Sau khi tách ra thì cả hai trở
thành nhánh pha I và nhánh vuông góc Q. Viê ̣c đánh giá của ACF trong cả 6 tiń hiê ̣u
𝐼𝐸 , 𝐼𝐿 , 𝐼𝑃 , 𝑄𝐸 , 𝑄𝐿 , 𝑄𝑃 , trong đó E là early, L là late và P là promptly, dựa vào tổ ng của
1

từng tiń hiê ̣u trong khoảng thời gian T. Thông thường 𝑇 = 𝑠, tương đương với thời
50
gian truyề n mô ̣t bit của các bit dữ liê ̣u đinh
̣ vi.̣ Khoảng thời gian giữa các bit dữ liê ̣u này

luôn cố đinh.
̣
11


1 – Tín hiê ̣u GPS
ACF đố i với các tiń hiê ̣u đươ ̣c nói ở trên có thể đươ ̣c sử du ̣ng để thiế p lâ ̣p cho các bô ̣
phân tách mã tương ứng. Bô ̣ phân tách early-late đươ ̣c nhâ ̣n bằ ng cách lấ y bản sao early
trừ đi bản sao late của hàm tương quan. Khoảng cách tương quan d giữa mã early và mã
late đươ ̣c thiế t lâ ̣p là 0.5 chip; nhiǹ hiǹ h 1.5.

Hin
của early và late. Trong hiǹ h bên trái hai tam giác
̣
̀ h 1.5. Hai tam giác biể u thi ACF
cách nhau mô ̣t khoảng d = 1 chip (tương quan rô ̣ng – wide correlator), và hiǹ h bên
phải cho thấ y khoảng cách d = 0.5 chip (tương quan he ̣p – narrow correlator). Cả hai sự
phân tách này có đô ̣ nghiêng giố ng nhau và gầ n với tín hiê ̣u gố c.

Code tracking loop là mô ̣t thiế t bi du
̣ ̀ ng để đánh giá sự sai khác về mă ̣t thời gian giữa mã
nhâ ̣n đươ ̣c và mã tham chiế u. Nế u hiê ̣u này bằ ng không thì có nghiã là nhâ ̣n đươ ̣c
pseudorang hoă ̣c code phase. Null tracking xảy ra khi trừ tương quan early cho tương
quan late. Kế t quả của hiê ̣u này đươ ̣c go ̣i là discriminator function. Đố i với DLL đồ ng
bô ̣ ta có:
𝑑
𝑑
𝐷(𝑡) = 𝑅 (𝑡 + ) − 𝑅 (𝑡 − )
2
2

12