Luận văn Thạc sỹ: Nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp GPS/INS

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.16 MB, 90 trang )

LỜI NÓI ĐẦU
Trong cuộc sống hiện đại, song song với sự phát triển không ngừng của
khoa học công nghệ là nhu cầu ngày càng tăng của con người. Nhu cầu về định
vị dẫn đường là một nhu cầu quan trọng trong đời sống. Sự ra đời của hệ thống
định vị toàn cầu GNSS(Global Navigation Satellite System 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)) đã đáp ứng được
nhu cầu đó. Với hệ thống này, con người có thể dễ dàng xác định được vị trí,
hướng đi, vận tốc, xây dựng bản đồ…phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.
Tuy nhiên, nhiều ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Vì vậy, yêu cầu mới được
đặt ra là là sao để tăng được độ chính xác của hệ thống định vị.
Hiện nay, các hoạt động của con người đòi hỏi về định vị, dẫn đường và
điều khiển cho các vật thể chuyển động như máy bay, tên lửa, ôtô, tàu thuyền,
v.v. đã trở thành một nhu cầu hết sức cấp thiết trong nhiều lĩnh vực đời sống và
an ninh quốc phòng. Một trong những hệ thống dẫn đường hiện tại đang được
ứng dụng nhiều là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GPS). Tuy nhiên, bên cạnh
những ưu điểm như độ chính xác tương đối cao và ổn định theo thời gian, hệ
thống GPS bộ lộ những nhược điểm như tín hiệu có thể bị gián đoạn trong thời
gian không xác định do ảnh hưởng của địa hình hoặc do sai số có chủ đích của
nhà cung cấp. Bên cạnh hệ thống GPS, hệ thống dẫn đường quán tính (INS) cũng
được sử dụng nhiều nhằm xác định tọa độ và các thông tin của vật thể chuyển
động dựa trên các thông số đo đạc tính toán từ các cảm biến gắn trên vật thể như
cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, la bàn từ, v.v. Việc tích hợp INS và GPS
cho phép tạo nên một hệ thống dẫn đường có tính hoàn thiện cao được ứng dụng
trong các ngành như điều khiển dẫn đường các phương tiện đường bộ, đường
không và vũ trụ.

Hệ thống được thiết kế sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số hiện đại,
đặc biệt là lọc bộ lọc Kalman, và cảm biến gia tốc MEMS mới, để đáp ứng
được các yêu cầu như tính chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh.

TÓM TẮT
Luận văn của em tập trung tìm hiểu về“nghiên cứu thiết kế bộ thu định
vị chính xác tích hợp GPS/INS”. Đây là phương pháp định vị đem lại độ chính
xác cao, ổn định, ít chịu ảnh hưởng của điều kiện thời tiết. Chi phí thấp hơn
nhiều so với các hệ thống định vị khác có cùng độ chính xác. Theo đó, trong luận
văn em xin trình bày các nội dung như sau:
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
Giới thiệu những nét khái quát nhất về phương pháp định vị điểm chính xác,
cảm biến quán tính MEMS IMU và hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU.
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC PPP GPS VÀ
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS
Trình bày về hệ thống GPS, phương pháp định vị điểm chính xác PPP và hệ
thống định vị quán tính INS.
CHƯƠNG 3. SỰ TÍCH HỢP GIỮA GPS VÀ INS
Mô tả về các phương pháp tích hợp giữa hai hệ thống GPS và INS đồng thời
trình bày lý thuyết về bộ lọc Kalman.
CHƯƠNG 4. SỰ TÍCH HỢP GIỮA ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC GPS VÀ
INS

Trình bày cụ thể về phương pháp tích hợp giữa định vị điểm chính xác PPP GPS
và INS.
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Là những kết quả thu được dựa trên mô phỏng matlab so sánh sai số vị trí giữa
các hệ thống rời rạc và hệ thống tích hợp.
Cùng với đó, phần kết luận sẽ đưa ra những đánh giá và đề xuất một vài hướng
nghiên cứu tiếp theo.

ABSTRACT

My project focuses on studying about “Integration of Precise Point
Positioning GPS and INS”.This is a positioning method provides highly accurate,
stable, less affected by weather conditions. This has lower cost than other systems
with the same positioning accuracy.Accordingly, the project would like to present
the contents as follows:
Chapter 1 introduces
The most general definitions ofPrecise Point Positioning (PPP), low Cost mems
IMU and intergration of PPP GPS and mems IMU
Chapter 2 presents Global Positioning System (GPS), Precise Point
Positioning and Inertial Navigation System (INS)
Presentation on GPS systems, positioning method and PPP exact inertial navigation
system INS.

Chapter 3 describes the method to integrate GPS and INS, theory of
Kalman filter
A description of the method of integration between GPS and INS systems and
presents a Kalman filter theory.
Chapter 4 presents in detail method of integration of Precise Point
Positioning and INS
Presents particular methodological integration between precise point positioning
GPS and INS PPP.
Chapter 5 Result of framework
The result based on the simulation using matlabfor estimating error between
separate systems and integration system.
And the conclusion will evaluate and make a few suggestions towards further
researches.

MỤC LỤC

ẢNH

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

CHƯƠNG 1.                 GIỚI THIỆU

Ngày nay, sự kết hợp giữa GPS và  INS cùng với sự ra đời của hệ thông vi
cơ điện tử (MEMS) đã làm cho sự kết hợp này trở nên ngày càng phổ biến hơn.
Việc tích hợp hai hệ thống này lại với nhau có thể được thực hiện bằng cách sử
dụng bộ lọc Kalman theo 2 mô hình, đó là mô hình liên kết chặt và mô hình liên
kết lỏng. Lỗi nghiêm trọng nhất của hệ thống dẫn đường quán tính INS là do các
cảm biến quán tính gây ra. Lỗi này được khắc phục nhờ hệ thống GPS. Đồ án
này nghiên cứu hệ thống tích hợp GPS/INS dựa trên bộ thu GPS lưỡng tần số.
Để tăng thêm độ chính xác, em sử dụng công nghệ định vị điểm chính xác (PPP).

1.1. Sơ lược về các hệ thống định vị điểm chính xác GPS và cảm biến
quán tính
Hiện nay, hầu hết các hệ thống tích hợp GPS/INS đêu dựa trên công nghệ
GPS vi sai (DGPS). Một hệ thống như thế đòi hỏi 2 bộ thu GPS, một bộ thu ở
trạm tham chiếu và một bộ thu lắp trên các phương tiện cần theo dõi. Việc lắp
đặt thêm một trạm tham chiếu  không những tốn kém về chi phí, tăng độ phức
tạp, mà phương pháp này còn gặp phải hạn chế về phạm vi hoạt động. Sự ra đời
của phương pháp định vị điểm chính xác (PPP) đã cho phép nâng cao độ chính xác
tới cm mà không cần trạm tham chiếu. Nó mở ra cơ hội để phát triển hệ thống
tích hợp GPS/INS với độ chính xác cao mà chỉ cần duy nhất một bộ thu GPS.
Đối với hệ thống INS, cùng với sự ra đời của công nghệ vi cơ điện tử
(MEMS) thì MEMS IMU là một sự lựa chọn tốt khi tính đến chi phí và hiệu năng

chấp nhận được. Một khó khăn gặp phải hiện nay khi sử dụng MEMS IMU là
lỗi của cảm biến quán tính, lỗi này nếu không được khắc phục thì sai số càng
ngày càng tăng do sự tích lũy theo thời gian. Trong hệ thống tích hợp PPP
GPS/MEMS IMU, lỗi này được ước tính bởi hệ thống PPP GPS. Sự tích lũy lỗi
cũng được hạn chế. Mặt khác, Cảm biến quán tính MEMS IMU có thể hoạt
7

động khi tín hiệu PPP GPS bị gián đoạn, đảm bảo cho hệ thống hoạt động liên
tục. Tóm lại, việc tích hợp hai hệ thống này lại với nhau giúp hạn chế những
nhược điểm đồng thời phát huy ưu điểm của từng hệ thống.
Với những ưu điểm như vậy, hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU
thích hợp cho nhiều ứng dụng. Sau đây là một số ứng dụng sử dụng hệ thống
này:
Hệ thống giám sát phương tiện bay không người lái (Unmanned Aerial
VehicleUAV)
Trong những năm gần đây, UAV được sử dụng ngày càng nhiều trong các
ứng dụng dân sự, chẳng hạn như: đánh giá thiên tai, tìm kiếm cứu nạn, theo dõi
thời tiết, thăm dò khoáng sản…UAV muốn hoạt động được cần phải có thông tin
chính xác về vị trí, tốc độ, phương hướng. Độ chính xác của những thông số này
phụ thuộc vào sứ mệnh mà UAV thực hiện. Hiện nay, một số hệ thống dẫn
đường thương mại cho UAV được phát triển dựa trên hệ thống tích hợp
GPS/MEMS IMU, độ chính xác của những hệ thống này là 2 đến 10 mét. Vì vậy ,
những hệ thống này không thể đáp ứng được những ứng dụng yêu cầu độ chính
xác cao. Một số hệ thống dẫn đường khác được phát triển dựa trên DGPS để
đảm bảo hiệu năng dẫn đường. phương pháp này không khả thi trong một số
trường hợp thiên tai, khẩn cấp bởi vì việc lắp đặt trạm tĩnh đòi hỏi thời gian,
phạm vi hoạt động cũng bị hạn chế, tăng chi phí mà độ phức tạp.
Hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU có thể được sử dụng cho hệ
thống đẫn đường UAV, đặc biết là trong trường hợp trạm tĩnh khó lắp đặt.

Tự động hóa máy móc và phương tiện
Hệ thống đẫn đường dựa trên MEMS IMU tích hợp với GPS được sử
dụng rộng rãi trong các ứng dụng máy móc và phương tiện tự động, chẳng hạn
như: máy khoan, máy ủi, máy xúc…Hầu hết các hệ thống này được phát triển
dựa trên DGPS. Phương pháp này không những tốn kém mà còn bị giới hạn về
8

phạm vi hoạt động. Vấn đề khác nữa đó là sự trượt chu kì xảy ra do tín hiệu
định vị bị che khuất. điều này dẫn đến sự xuống cấp về chất lượng của hệ
thống.
Hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU có thể hướng dẫn cho các máy
móc tự động không cần tới trạm tham chiếu mà vẫn đảm bảo độ chính xác và ổn
định cho dù tín hiệu GPS bị đứt quãng.

1.1.1.Định vị điểm chính xác GPS
PPP sử dụng các phương pháp ko vi sai từ một bộ thu lưỡng tần số chẳng
hạn như giả khoảng cách, đo pha sóng mang kết hợp với dữ liệu quỹ đạo và
đồng hồ chính xác .Kĩ thuật này không phải chịu những hạn chế của kỹ thuật
GPS truyền thống và có thế đưa ra độ chính xác tương tự độ chính xác của kỹ
thuật DGPS mà không cần trạm tham chiếu. Một số tổ chức như International
GPS Service (IGS) và Jet Propulsion Laboratory (JPL) cung cấp quỹ đạo vệ tinh
và đồng hồ chính xác. IGS là một tổ chức dân sự, hoạt đông với mạng lưới các
trạm GPS lưỡng tần số chất lượng cao trên toàn cầu, cung cấp các thông số về
quỹ đạo, đồng hồ, chuyển động quay của trái đất, trễ tầng đối lưu và tầng điện
ly. JPL sử dụng mạng lưới các trạm GPS trên toàn cầu, tính toán sai số của quỹ
đạo vệ tinh và sai số đồng hồ. Những thông số này được truyền tới người sử
dụng thông qua internet. Bộ tài nguyên thiên nhiên Canada cũng sử dụng một
mạng lưới các trạm GPS để tạo ra thông số hiệu chỉnh về đồng hồ và quỹ đạo
vệ tinh. Những thông số này cũng được phát qua internet và vệ tinh MSAT của

Canada.
Công nghệ định vị điểm chính xác được đưa ra bởi Zumberge et al. (1997)
[1] cũng như bởi Kouba and Heroux (2000) [2] đề xuất phương pháp tính toán dữ
liệu quỹ đạo và đồng hồ sử dụng một phần của mạng IGS. Bằng cách sử dụng
dữ liệu chính xác với chu kì 30 giây đối với đồng hồ và 1phút đối với quỹ đạo
của vệ tinh. Kỹ thuật này đã thu được những kết quả triển vọng. Kouba and
Heroux (2000) lần đầu tiên đã đưa ra kỹ thuật sử dụng phương pháp đo mã và
9

quan sát pha sóng mang từ bộ thu lưỡng tần số. Họ nhấn mạnh sự giảm lỗi, đặc
biết là lỗi liên quan đến phương pháp đo mã và quan sát pha sóng mang. Kết quả
thu được tương đương với kết quả của Zumberge’s (1997).
Công trình nghiên cứu của Zumberge et al. (1997) cũng như Kouba and
Heroux (2000)[2] tập trung sử dụng phương pháp đo giả khoảng cách và quan sát
pha sóng mang. Các thông số chưa biết bao gồm số nguyên lần bước sóng, độ
lệch đồng hồ bộ thu,và các thông số về tầng đối lưu. Gao and Shen (2001) đã
giới thiệu một mô hình quan sát mới sử dụng mức trung bình của đo mã và quan
sát pha sóng mang trên cả hai tần số L1 và L2 để hiệu chỉnh sự sai pha sóng mang
do tầng đối lưu gây ra. Mô hình mới này cho phép ước tính số nguyên lần bước
sóng trên cả hai tần sốL1 và L2 đối với mỗi vệ tinh cùng với thông số về vị trí,
sai số đồng hồ bộ thu và trễ tầng đối lưu.
Sự thành công của hệ thống định vị điển chính xác đã cải thiện một cách
đáng kể tính linh hoạt và giảm giá thành của hệ thống, nó cũng làm gia răng các
ứng dụng sử dụng công nghệ GPS, chẳng hạn như: thăm dò địa hình , điều khiển
máy móc, theo dõi thời tiết.

1.1.2.Low cost MEMS IMU
Vấn đề then chốt của việc lựu chọn MEMS IMU sử dụng cho hệ th ống
INS thương mại là mức chi phí hợp lý. Với kích thướng nhỏ hơn, giá cả thấp

hơn, sự lựa chọn này đang được sử dụng cho nhiều ứng dụng hiện nay, những
ứng dụng này trước đây là không khả thi do sự ràng buộc về kích thước và chi
phí. MEMS IMU được xếp vào loại cảm biến tự động dựa trên hiệu năng và
mục đích ứng dụng.
Xét về lỗi cảm biến của MEMS IMU, một số cách tiếp cận truyền thống
sử dụng IMU cao cấp là không phù hợp với MEMS IMU, chẳng hạn như phương
pháp hiệu chỉnh thô không thể thực hiện với MEMS IMU. Vì vậy, các biện pháp
và cách tiếp cận phi truyền thống được sử dụng
10

1.2.Sơ lược về hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU
1.2.1.Sự kết hợp giữa GPS và INS sử dụng bộ lọc Kalman
Trong những năm gần đây, một số công trình nghiên cứu được tiến hành
để nghiên cứu sự hệ thống tích hợp GPS/INS sử dụng bộ lọc Kalman, Salychev
et al (2000)[3] and Nayak (2000) áp dụng mô hình liên kết lỏng để tích hợp
MotionPakTM MEMS IMU với DGPS sử dụng phép đo giả khoảng cách và quan
sát pha sóng mang. Hide (2003)nghiên cứu hệ thống tích hợp DGPS/INS sử dụng
mô hình kết hợp chặt chẽ cho các ứng dụng hàng hải dựa trên Crossbow AHRS
DMUHDX IMU và đo pha sóng mang. Shin and ElSheimy (2004) sử dụng bộ
lọc unscented Kalman và extended Kalman để tích hợp DGPS và low cost MEMS
IMU. Li et al (2006) phát triên hệ thống tích hợp GPS/MEMS IMU liên kết lỏng
nhờ sự hộ trợ của hệ thống logic mờ. các hệ thống trên chủ yếu nghiên cứu hiệu
năng trong điều kiện môi trường thuận lợi.
Một vài công trình nghiên cứu được tiến hành để nghiên cứu hiệu năng
của hệ thống trong môi trường thực tế, chẳng hạn như ở các hẻm khuất ở khi
vực đô thị. Hide and Moore (2005)[4] nghiên cứu hiệu năng định vị của hệ thống
tích hợp DGPS và low cost INS ở khu vực đô thị. Nghiên cứu này cho thấy rằng
hệ thống liên kết chặt cho hiệu năng tốt hơn hệ thống liên kết lỏng. Hệ thống
tích hợp chặt giữa Crossbow AHRS400 MEMS IMU và DGPS tại thành phố

Nottingham(Mỹ) có độ chính xác là khoảng 20m theo phương ngang. Godha
(2006)[5] cũng nghiên cứu hiệu năng của hệ thống tích hợp DGPS/MEMS IMU
và thu được độ chính xác ít hơn 10m theo phương ngang bằng cách sử dụng mô
hình liên kết chặt chẽ giữa DGPS và Crista MEMS IMU mà không áp dụng bất
cứ sự ràng buộc chuyển động nào ở thị trấn Calgary ở Canada. Tuy nhiên, việc
sử dụng DGPS sẽ làm gia răng chi phí hệ thống và giới hạn phạm vi hoạt động.

1.2.2.Mô hình cảm biến quán tính
Một vài nghiên cứu đã được tiến hành để mô tả các lỗi ngẫu nhiên của
cảm biến quán tính, nhưng chủ yếu vẫn là tập trung vào nhiễu cảm biến. Nói
11

chung, nhiễu cảm biến bao gồm các thành phần tần số cao( có tính chất của
nhiễu trắng) và thành phần tần số thấp (nhiễu này được xem như sự trôi và có
tính chất của nhiễu tương quan ) .

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC
PPP GPS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS

Chương này xem xét các đặc tính của hai hệ thống. Trình bày các phương
pháp đo trong hệ thống GPS và các nguồn nhiễu ảnh hưởng tới độ chính xác của
hệ thống GPS. Sau đó trình bày công nghệ định vị điểm chính xác với các biện
pháp cụ thể để loại trừ các nguồn lỗi ảnh hưởng tới hệ thống. Cuối cùng là trình
bày nguyên lý của hệ thống định vị quán tính INS bao gồm: các hệ tọa độ, bộ xử
lý INS, và thủ tục thiết lập các thông số ban đầu.

2.1. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu 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 tụctại mọi lúc, mọi nơi, trong mọi điều kiện thời tiết.

2.1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS
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).
12

Phân hệ không gian bao gồm các thành phần sau:
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 tròn, kí hiệu từ A đến F, với đường kính
khoảng 20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo. Mỗi quỹ đạo co 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.

Hình 2.1 Chòm sao vệ tinh
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.

13

Hinh
̀ 2.2. Vệ tinh NAVSTAR.
Các vệ tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: Chúng có thể được
nhận biết bởi vị trí của chúng trên quỹ đạo (mỗi 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.
Mỗi 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.
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]

14

Hình 2.3. Phân hệ 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. Mỗi 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.
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
15

dụng dịch vụ GPS ngày càng được mở rộng và phát triển rộng rãi. Trong chương
tiếp theo, chúng ta sẽ nghiên cứu về câu truc, đ
́
́ ặc điểm, và cách tạo tin hiêu GPS.
́
̣

2.1.2. Cấu trúc tín hiệu GPS
Các tín hiệu và dữ liệu
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 f 0
= 10.23 MHz:
FL1 = 154f0 = 1575.42 MHz (2.1)
FL2 = 120f0 = 1227.60 MHz (2.2)
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: mỗi 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).
Lược đồ tín hiệu GPS
Sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu GPS được trình bày trong hình 2.1
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.
16

Các bộ tạo mã và bộ tạo dữ liệu được đồng bộ qua tín hiệu X1 được cấp bởi bộ
tạo mã P (Y).
Sau khi tạo mã, các mã được kết hợp với dữ liệu định vị qua các bộ cộng
module2. Phép XOR được dùng trên các dãy bit“0” và “1”, còn dạng phân cực 1
và 1 thì phép XOR được thay thế bằng phép nhân thông thường.

Hình 2.4. Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS.
Các tín hiệu là mã C/A (hoặc mã P(Y)) cộng module2 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 mỗi 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:

17

(2.3)

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, P k là dãy mã P(Y) ấn định
cho số hiệu vệ tinh k, Dk là chuỗi dữ liệu định vị, và fL1 và fL2 là các tần số sóng
mang của L1 và L2.
Hình 2.5 mô tả ba phần hình thành nên tín hiệu trên tần số L1. Mã C/A lặp
lại chính nó mỗi ms, và một bit định vị kéo dài 20 ms. Do đó với mỗi bit định vị,
tín hiệu bao gồm 20 mã C/A đầy đủ.

Hình 2.5. Cấu trúc tín hiệu L1.
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.

18

Hình 2.6. Điều chế BPSK trong tín hiệu 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 2.6 mô tả mã Gold C, dữ liệu định vị D, tín hiệu cộng module2 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.
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.
Chuỗi Gold

19

Các mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN được phát bởi các vệ tinh GPS là các
chuỗi xác định với các đặc tính giống nhiễu. Mỗi 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 chuỗi có chiều dài tối đa N = (2n – 1) phần tử.
Một mã Gold là tổng của hai chuỗi có chiều dài tối đa. Mã C/A của tín
hiệu GPS sử dụng n = 10. Chuỗi 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:

(2.4)

Chuỗi này có 512 bit “1” và 511 bit “0” xuất hiện ngẫu nhiên, và hoàn toàn
xác định. Chuỗi 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 2.4.[1]
ACF được biểu diễn như tổng của hằng số này và một chuỗi vô hạn của hàm

tam giác rX(τ):

(2.5)

20

Hình 2.7. Đồ thị cột của một ACF cho một chuỗi Gold.
Cột bên trái có giá trị tương quan r p(0) = 1; tất cả các giá trị tương quan khác là
63/1023, 1/1023 hoặc 65/1023.
Chuỗi vô hạn này nhận được bằng cách tích chập r X(τ) với một chuỗi vô hạn các
hàm xung được dịch pha bởi mNTc.
      (2.6)
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:
                       (2.7)
với m = ±1, ±2, ±3,...
Tạo chuỗi Gold
Việc tạo ra các mã Gold được trình bày tóm tắt trong hình 2.5. Bộ tạo mã
C/A bao gồm hai thanh ghi dịch G1 và G2. Mỗi 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
module2 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.
21

Mỗi 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:
              (2.8)

Hình 2.8. Bộ tạo mã C/A
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:
(2.9)
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
22

ra của nó, nhưng thanh ghi G2 cung cấp hai trong các trạng thái của nó tới bộ
cộng module2 để tạo ra đầu ra của nó. Việc chọn các trạng thái cho bộ cộng
module2 gọi là chọn pha. Bảng 2.1 biểu diễn sự kết hợp của các sự chọn pha
cho mỗi mã C/A. Nó cũng trình bày 10 chip đầu tiên của mỗi mã trong biểu diễn
bát phân.
Bảng 2.1: Ấn định pha mã C/A

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