Giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha cho máy thu định vị bằng vệ tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
***************

NGÔ XUÂN MAI

GIẢI PHÁP SỬA LỖI KHÔNG ĐỒNG
NHẤT GIỮA CÁC KÊNH TRÊN ANTEN
MẠNG PHA CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ
TINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
***************

NGÔ XUÂN MAI

GIẢI PHÁP SỬA LỖI KHÔNG ĐỒNG
NHẤT GIỮA CÁC KÊNH TRÊN ANTEN
MẠNG PHA CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ

TINH

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số : 9520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS Nguyễn Huy Hoàng
2. TS Hoàng Thế Khanh

Hà Nội – 2020


i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các
nội dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung
thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các
dữ liệu tham khảo đều đã được trích đầy đủ theo đúng quy định.

Hà Nội, ngày 16 tháng 3 năm 2020
TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Ngô Xuân Mai


ii
LỜI CẢM ƠN

Luận án được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ
quân sự - Bộ Quốc Phòng.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Huy
Hoàng và TS Hoàng Thế Khanh, các thầy đã trực tiếp hướng dẫn, tận
tình giúp đỡ, trang bị phương pháp nghiên cứu, kiến thức khoa học
và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành được luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô, các Nhà khoa học, đồng nghiệp
và bạn bè thuộc Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện Khoa học và Công nghệ quân
sự, Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Công nghệ bưu chính viễn thông, Đại
học Quốc gia Hà Nội đã cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Công nghệ quân
sự/BQP, Phòng Đào tạo, Viện Điện tử là cơ sở đào tạo và đơn vị quản
lý, Thủ trưởng Binh chủng Thông tin liên lạc/BQP, Thủ trưởng Trung
tâm kỹ thuật thông tin Công nghệ cao là nơi công tác đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi, hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.

Cuối cùng, tôi xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến gia đình,
bạn bè, các đồng nghiệp đã luôn đồng hành, động viên, chia sẻ
và giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án.
Tác giả


iii
MỤC LỤC
Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................ VI
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................... IX

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ........................................................................... X
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GNSS VÀ CÁC GIẢI PHÁP

CHỐNG NHIỄU CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ TINH...........7

CHƯƠNG 2: NGHIÊNCỨU,ĐÁNHGIÁHIỆUQUẢCHỐNGNHIỄUCỦA
TIÊUCHUẨNTỐIƯUMPE ĐỐIVỚIMÁYTHUGNSS......... 35


iv


v

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP SỬA LỖI BẤT ĐỒNG NHẤT GIỮA CÁC KÊNH
TRÊNANTENMẠNGPHA CHOMÁYTHUĐỊNHVỊVỆTINH.. 82

KẾT LUẬN.................................................................................................................................. 110
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ............112
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................... 113


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Véc-tơ mạng của anten mạng pha
Tốc độ truyền sóng trong khí quyển, [m/s]
Khoảng cách giữa các phần tử anten, [m]

A

c
d
ij

d (t )

Tín hiệu tham chiếu

D

Đặc trưng hướng của anten
mạng pha Khẩu độ của anten

D
D

A
i

E
F( , )

f0

Khoảng cách từ máy thu đến vệ
tinh thứ i Kỳ vọng toán học
Hàm đặc trưng hướng anten
Tần số bộ dao động tham chiếu hệ thống GPS, f0=10.23 [MHz]

T
J
L1
L2
L3

Mức độ chống nhiễu của anten mạng pha
Hàm đích của các tiêu chuẩn thích nghi

Kênh sóng L1 của hệ thống GPS, L1=1575.42 [MHz]
Kênh sóng L2 của hệ thống GPS, L2=1227.60 [MHz]
Kênh sóng L3 của hệ thống GPS, L3=1381.05 [MHz]

L4
L5
n (t )
R A

R1
s( t )

W
X i ,Yi , Zi
X m ,Ym , Zm

y (t )

(sử dụng cho phát hiện hạt nhân NUDET)

Kênh sóng L4 của hệ thống GPS, L4=1379.913
[MHz] Kênh sóng L5 của hệ thống GPS,
L=1176.45 [MHz] (sử dụng cho dịch vụ định vị
trong ngành hàng không) Tập âm
Ma trận tương quan của tín hiệu tham
chiếu Ma trận tương quan đầu vào

Tín hiệu có ích
Véc-tơ trọng số
Tọa độ của vệ tinh thứ i .
Tọa độ máy thu
Tín hiệu ra của anten mạng pha


vii
Độ dài bước sóng, [m]
Tham số hội tụ thuật toán không gian thời gian
2

(t )
T

Sai số trung bình bình phương
Ma trận chuyển vị
Liên hợp phức

H

2

AGD
AGDV
APCO
ARNS
ARS
Beidou
BĐN
CDMA
CNC
C/A
DFT
DARS
ĐN
FDMA
GNSS
GPS

Chuyển vị liên hợp phức
Phương sai
Gradient của một hàm
Trễ nhóm trung bình
Độ lệch pha trung tâm trung bình
Sự biến thiên pha trung tâm trung bình
Dịch vụ điều hướng vô tuyến hàng không (Aviation Radio
navigation service)
Tìm kiếm ngẫu nhiên nhanh (Accelerated Random Search)
Hệ thống định vị vệ tinh của Trung Quốc.
Bất đồng nhất
Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple
Access)

Công nghệ cao
Mã C/A (Coarse/Acquisite-code)
Biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform)
Tìm kiếm ngẫu nhiên nhanh có định hướng (Directed
Accelerated Random Search)
Đồng nhất
Đa truy cập phân chia theo tần số (Frequency Division
Multiple Access)
Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation
Satellite System)
Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)


viii

GALILEO
GD

Hệ thống định vị vệ tinh của liên minh Châu Âu.
Độ trễ nhóm (Group Delay)

GLONASS

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Liên bang Nga (ГЛОбальная

НАвигационнаяСпутниковаяСистема –ГЛОНАСС)

ITU

Liên minh viễn thông quốc tế (International Telecommunication

Union)
IDFT

Biến đổi Fourier rời rạc ngược (Inverse Discrete Fourier

Transform)
INS
LRS
LMS
ML
МMSE

Hệ thống dẫn đường quán tính (Inertial Navigation System)

Tìm kiếm ngẫu nhiên tuyến tính (Linear Random Search)
Bình phương trung bình nhỏ nhất (Least mean squares)

Hợp lẽ cực đại (Maximum likelihood)
Sai số trung bình bình phương cực tiểu. (Minimum mean

square errors)
MSE
MPE
PVT
QZSS

Sai số trung bình bình phương (Mean square errors)

Tối thiểu hóa công suất MPE (Minimum power

eigencanceler)
Vị trí/vận tốc/thời gian (Position/Velocity/Time)
Hệ thống vệ tinh định vị của Nhật bản (Quasi-Zenith

Satellite System)
RLS
RNSS
SAP
SBAS
S/N (J/S)
SINR
STAP

Đệ qui bình phương nhỏ nhất (Recursive least squares)
Dịch vụ vệ tinh định vị vô tuyến (Radio navigation satellite service)

Xử lý thích nghi không gian (Space adaptive processing)
Hệ thống vệ tinh tăng cường (Satellite-based augmentation systems)

Tỉ số tín hiệu/tạp âm (Signal/noise)
Tỉ số tín hiệu/(nhiễu + tạp) (Signal Interference Noise Ratio)

Xử lý thích nghi không gian – thời gian (Space-time

adaptive processing).
SVD

Phân hoạch giá trị riêng, véc-tơ riêng (Singular Value

Decomposition)

UAV

Máy bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle)


ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 1.1. Chỉ tiêu về chất lượng chống nhiễu............................................ 22
Bảng 2.1. Bảng các tham số mô phỏng............................................................. 58
Bảng 2.2. Đánh giá chất lượng chống nhiễu máy thu khi kênh đồng nhất
................................................................................................................................................................ 59

Bảng 2.3. Bảng so sánh kết quả mô phỏng khi BĐN về pha ...........74
Bảng 2.4. Bảng so sánh kết quả mô phỏng khi BĐN về biên độ . 75
Bảng 2.5. So sánh vùng không làm việc của máy thu định vị vệ tinh.
................................................................................................................................................................ 78

Bảng 3.1. Các đặc tính chống nhiễu của anten mạng pha 9 phần tử
................................................................................................................................................................ 97

Bảng 3.2. So sánh vùng không làm việc của máy thu định vị vệ tinh.
.............................................................................................................................................................. 108


x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang

Hình 1.1. Mô hình các thành phần của hệ thống GNSS .......................... 8
Hình 1.2. Sơ đồ khối bộ phát tín hiệu GPS trên băng tần L1 và L2
................................................................................................................................................................... 9

Hình 1.3. Cấu trúc bộ tạo mã từ các thanh ghi dịch trong hệ thống GPS
................................................................................................................................................................ 10

Hình 1.4. Cấu trúc thanh ghi tạo mã trong hệ thống GLONASS . .11
Hình 1.5. Các dạng nhiễu trong hệ thống GNSS........................................ 12
Hình 1.6. Giản đồ hướng anten mạng pha thích nghi........................... 15
Hình 1.7. Cấu trúc máy thu GNSS xử lý trước tương quan .............16
Hình 1.8. Nguyên tắc định vị vệ tinh...................................................................... 17
Hình 1.9. Hệ thống xử lý không gian hai kênh............................................. 18
Hình 1.10. Cấu trúc bộ tự bù trừ hai kênh........................................................ 19
Hình 1.11. Mô hình của bộ sửa lỗi không đồng nhất[45]....................19
Hình 1.12. Cấu trúc của bộ bù trừ nhiễu với sự hiệu chỉnh một tham số .
20

Hình 1.13. Cấu trúc bộ lọc không gian - thời gian.................................... 27
Hình 2.1. Sự hình thành mặt phẳng tín hiệu có ích [45] ......................36
Hình 2.2. Cấu trúc anten mạng pha tam giác................................................ 40
Hình 2.3. Xác định hiệu đường truyền giữa tia........................................... 41
Hình 2.4. Mô hình quá trình thêm độ trễ truyền sử dụng cặp biến đổi Fourier [45] ..

43

Hình 2.5. Cấu trúc anten mạng pha 9 phần tử.............................................. 47
Hình 2.6. Cấu trúc anten mạng pha 4 phần tử.............................................. 47
Hình 2.7. Cấu trúc anten mạng pha 7 phần tử.............................................. 47
Hình 2.8. Mô hình tạo độ trễ nhóm [7]................................................................. 48

Hình 2.9. Dạng tín hiệu của GD.................................................................................. 49
Hình 2.10. Mô hình kênh thu trên anten mạng pha khi bất đồng nhất [45]
................................................................................................................................................................ 51

Hình 2.11. So sánh hệ số nén công suất nhiễu với d................................. / 2
60

Hình 2.12. So sánh tỷ số SINR đầu ra với d.................................................... /
2
60


Hình 2.13. So sánh hệ số nén công suất nhiễu với d 2 / 3.56......................60

Hình 2.14. So sánh tỷ số SINR đầu ra với d 2 / 3.56....................................... 60

Hình 2.15. Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 3 phần tử - 1 nhiễu ....61
Hình 2.16. Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 1 nhiễu .

61


xi
Hình 2.17. Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 3 phần tử - 2 nhiễu ....62
Hình 2.18. Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 2 nhiễu .

62

Hình 2.19. Sự phụ thuộc của vùng không làm việc vào hệ số bảo vệ
................................................................................................................................................................ 63

Hình 2.20. Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 9 phần tử - 1 nhiễu ....64
Hình 2.21. Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 1 nhiễu .

64

Hình 2.22. Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 9 phần tử - 2 nhiễu ....64
Hình 2.23. Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 2 nhiễu .

65

Hình 2.24. Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 9 phần tử - 6 nhiễu ....65
Hình 2.25. Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 6 nhiễu .

66

Hình 2.26. Bề mặt tỷ số SINR đầu ra anten 9 phần tử - 8 nhiễu ....66
Hình 2.27. Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 8 nhiễu .

66

Hình 2.28. Sự phụ thuộc của vùng không làm việc vào hệ số bảo vệ
................................................................................................................................................................ 67

Hình 2.29. Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB – 8 nhiễu .. 68

Hình 2.30. Sự phụ thuộc của vùng không làm việc vào hệ số bảo vệ
................................................................................................................................................................ 68

Hình 2.31. Sự phụ thuộc của vùng không làm việc vào hệ số bảo vệ khi thay

đổi công suất tín hiệu vào..................................................................................... 69
Hình 2.32. Vùng không làm việc của máy thu khi thay đổi số phần tử anten
................................................................................................................................................................ 70
Hình 2.33. So sánh vùng không làm việc của máy thu khi số phần tử anten là 3 và 9 70

Hình 2.34. So sánh hệ số nén nhiễu khi BĐN về pha............................. 73
Hình 2.35. So sánh tỷ số SINR khi BĐN về pha........................................... 73
Hình 2.36. So sánh hệ số nén nhiễu khi BĐN biên độ 0.1 ..................74
Hình 2.37. Tỷ số SINR đầu ra khi BĐN biên độ 0.1................................... 74
Hình 2.38. So sánh hệ số nén nhiễu khi BĐN biên độ 0.5 ..................75
Hình 2.39. Tỷ số SINR đầu ra khi BĐN biên độ 0.5................................... 75
Hình 2.40. Bề mặt tỷ số SINR trên đầu ra anten 9 phần tử có BĐN
................................................................................................................................................................ 76

Hình 2.41. So sánh vùng làm việc máy thu GNSS khi BĐN về pha


................................................................................................................................................................ 76

Hình 2.42. So sánh vùng làm việc máy thu GNSS – có méo biên độ
................................................................................................................................................................ 77

Hình 2.43. So sánh vùng không làm việc máy thu khi kênh ĐN và BĐN
78
Hình 2.44. Giản đồ hướng anten theo số bước thích nghi thuật toán MPE 79

Hình 3.1. Cấu trúc bộ sửa lỗi kênh BĐN hai giai đoạn MPE ............83
Hình 3.2. Lưu đồ thuật toán sửa lỗi kênh hai giai đoạn MPE trên cơ sở tự hiệu chỉnh

90

Hình 3.3. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 1.........................91


xii
Hình 3.4. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 2......................... 92
Hình 3.5. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 3.........................93
Hình 3.6. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 4.........................94
Hình 3.7. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 5.........................95
Hình 3.8. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 6.........................96
Hình 3.9. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 7......................... 96
Hình 3.10. Cấu trúc bộ sửa lỗi kênh không đồng nhất MPE trên cơ sở tự bù trừ
.............................................................................................................................................................. 100

Hình 3.11. Lưu đồ thuật toán sửa lỗi kênh trên cơ sở tự bù trừ
.............................................................................................................................................................. 102

Hình 3.12. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 1...................104
Hình 3.13. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 2...................105
Hình 3.14. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 3...................106
Hình 3.15. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 4...................106
Hình 3.16. Vùng không làm việc của máy thu khi kênh có sửa lỗi
.............................................................................................................................................................. 107


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Trong những năm gần đây, máy thu định vị vệ tinh đã trở thành một

thành phần cốt yếu trong rất nhiều ứng dụng, đóng vai trò quan trọng trong hầu
hết các lĩnh vực đời sống xã hội, cả dân dụng, công nghiệp và an ninh quốc
phòng. Trong quân đội ta hiện nay, máy thu GNSS được ứng dụng rất nhiều
trong các trang thiết bị, khí tài quân sự. Đặc biệt là các trang thiết bị, khí tài
công nghệ cao (CNC) như: Máy bay không người lái (UAV); UAV trinh sát/gây
nhiễu; UAV mang bom và tên lửa đối đất; UAV cảm tử; tên lửa hành trình bắn từ
cự ly xa; tầu chiến; tầu ngầm; các ứng dụng trong ngành hàng hải; các phép đo
với độ chính xác cao và các ứng dụng liên quan đến xác định thời gian và vị trí.
Tuy nhiên, tín hiệu có ích được phát từ các vệ tinh ở quỹ đạo tầm trung
(cách trái đất khoảng 20.000km) [4] được lan truyền qua không gian đến đầu vào
máy thu bị suy giảm rất lớn (khoảng 1.024 lần tương đương 26dB) [5] bởi rất nhiều
yếu tố khách quan (thời tiết khắc nghiệt, bị che chắn bởi vật cản, nhiễu tần số vô
tuyến) cũng như chủ quan (can nhiễu, nhiễu giả lập tín hiệu, các nguồn gây nhiễu
do đối phương tạo ra trong tác chiến điện tử) [6] dẫn đến chất lượng tín hiệu của
máy thu GNSS không được đảm bảo. Do vậy, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng
tín hiệu máy thu GNSS để đảm bảo cho khả năng định vị và dẫn đường được chính
xác là một nhu cầu cấp thiết đã, đang và tiếp tục thu hút được sự quan tâm của
nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước. Đã có rất nhiều công trình khoa học đề
xuất các thuật toán xử lý tín hiệu được thực hiện trên cả phần cứng cũng như trên
phần mềm [5]. Tuy nhiên, các dạng nhiễu ảnh hưởng máy thu định vị vệ tinh chủ
yếu là nhiễu dải rộng [28], giải pháp duy nhất để có thể chống được các dạng nhiễu
dải rộng hiện nay là dùng anten mạng pha [29]. Anten mạng pha được cho là một
giải pháp chống nhiễu phổ biến trong các máy thu định vị vệ tinh hiện nay bởi
những ưu điểm của nó là có khả năng điều


2
chỉnh được giản đồ hướng và cải thiện chất lượng tỷ số SINR của tín hiệu thu
được. Việc xử lý tín hiệu định vị và dẫn đường bằng vệ tinh trên anten mạng
pha mặc dù mang lại rất nhiều lợi ích nhưng nó cũng làm phát sinh một số vấn

đề kỹ thuật cần phải giải quyết. Một trong các vấn đề đó là tính không đồng nhất
(về pha, biên độ hoặc cả pha và biên độ) giữa các kênh của anten mạng pha, sự
bất đồng nhất này thường được biểu diễn thông qua độ trễ nhóm (Group Delay)
[7] (Độ trễ nhóm được định nghĩa là đạo hàm âm hoặc độ dốc của đáp ứng pha
so với tần số). Nó là thước đo độ trễ tương đối ở các tần số khác nhau từ đầu
vào đến đầu ra trong một hệ thống. Đây là vấn đề không thể tránh khỏi bởi thực
tế không thể chế tạo được các kênh thu lý tưởng hoặc hoàn toàn đồng nhất với
nhau. Các công trình nghiên cứu [5], [7-10] mới được công bố gần đây chủ yếu
mới chỉ đánh giá sự khác biệt giữa pha sóng mang trung tâm và độ trễ nhóm
trung tâm, đánh giá pha trung tâm và trễ nhóm trung bình (AGD) cũng như sự
biến thiên trễ nhóm trung bình (AGDV) dựa trên độ lệch pha trung tâm trung
bình (APCO) và sự biến thiên pha trung tâm trung bình. Các công trình nghiên
cứu trên vẫn chưa đề cập đến việc khắc phục sự ảnh hưởng của tính bất đồng
nhất giữa các kênh trên anten mạng pha tới chất lượng máy thu, đặc biệt là khi
thu tín hiệu trong điều kiện có sự tác động của nhiễu dải rộng. Trong công trình
[45] đã đề xuất hai giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten
mạng pha trên cơ sở tự bù trừ và hiệu chỉnh hai giai đoạn với tiêu chuẩn MMSE.
Tuy nhiên công trình trên vẫn còn một số hạn chế đó là: mặc dù có chất lượng
chống nhiễu khá tốt nhưng độ phức tạp tính toán lớn vì vậy đòi hỏi về các thiết
bị tính toán trên khoang tăng lên. Điều này khiến thuật toán khó áp dụng cho
các thiết bị bay có kích thước nhỏ, tốc độ cao (ví dụ: UAV, tên lửa hành trình,
đạn pháo có định vị và dẫn đường GPS). Công trình trên cũng chưa khảo sát sự
ảnh hưởng của số lượng phần tử anten thu đến các đặc trưng chống nhiễu và
chưa tính toán vùng không làm việc của máy thu GNSS khi kênh bất đồng nhất.


3
Xuất phát từ những lý do trên, NCS đề xuất sử dụng tiêu chuẩn MPE

[32] theo phương pháp phân hoạch SVD thay cho tiêu chuẩn MMSE được

sử dụng ở [45] để giải quyết bài toán sửa lỗi bất đồng nhất trên kênh
anten mảng pha nhằm giảm độ phức tạp của thuật toán và tăng tốc độ
hội tụ của thuật toán. Nhờ giảm độ phức tạp khi thực hiện thuật toán nên
nghiên cứu sinh đã đề xuất tăng số phần tử anten mạng pha lên 9 phần
tử nhằm tăng khả năng chống nhiễu dải rộng cho máy thu định vị vệ tinh
mà yêu cầu đối với hệ thống tính toán trên khoang vẫn giữ nguyên.

2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu đề xuất giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên
anten mạng pha trên cơ sở tự bù trừ và hiệu chỉnh hai giai đoạn sử dụng tiêu
chuẩn tối ưu MPE [32] thay thế cho tiêu chuẩn MMSE đã được đề xuất trong

[45] nhằm khắc phục tính không đồng nhất giữa các kênh thu, cải
thiện chất lượng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SINR), nâng cao độ tin
cậy cho máy thu định vị vệ tinh.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Từ những phân tích ở trên, nghiên cứu sinh xác định đối
tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án đó là: Máy thu định vị
vệ tinh GNSS; anten mạng pha 3, 4, 7 và 9 phần tử. Trong khuôn
khổ luận án, NCS tập trung nghiên cứu giải pháp sửa lỗi không
đồng nhất giữa các kênh thu trên anten mạng pha 3 và 9 phần tử.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu mô hình tín hiệu, nhiễu của hệ thống GNSS và mô hình
kênh thu của anten mạng pha 3 và 9 phần tử. Biểu diễn tín hiệu, nhiễu vệ
tinh của máy thu định vị vệ tinh trên các phần tử của anten mạng pha 3 và 9
phần tử dưới tác động của các loại nhiễu dải rộng và dải hẹp.

- Xây dựng mô hình toán học các kênh thu đồng nhất và
không đồng nhất cho anten mạng pha 3 và 9 phần tử.

4
- Mô phỏng quá trình xử lý tín hiệu trên anten mạng pha 3 và
9 phần tử trong trường hợp kênh đồng nhất và không đồng nhất
nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của tính không đồng nhất tới chất
lượng chống nhiễu trong quá trình xử lý tín hiệu.
- Nghiên cứu vùng không làm việc và sự phụ thuộc của vùng không làm

việc vào độ nhạy của máy thu đối với anten mạng pha 3 phần tử và 9 phần
tử với khoảng cách giữa các phần tử là d 2 / 3.56 và d / 2 khi kênh đồng

nhất và không đồng nhất.
- Đề xuất áp dụng tiêu chuẩn tối ưu MPE thay thế tiêu chuẩn MMSE
cho các giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten
mạng pha dựa trên thuật toán sửa lỗi hai giai đoạn trên cơ sở tự bù trừ
và thuật toán tự động hiệu chỉnh cho máy thu định vị vệ tinh GNSS.

- Thực hiện kiểm nghiệm trên máy tính bằng phương pháp mô
phỏng sử dụng phần mềm Matlab, đánh giá các kết quả nghiên cứu
và các đề xuất mới của luận án so sánh với các kết quả trước đó, từ
đó đưa ra một số các khuyến nghị với mô hình hệ thống GNSS.

5. Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết các nội dung đã nêu ở trên, NCS tiến hành nghiên cứu lý
thuyết về xác suất và thống kê toán học đối với kỹ thuật vô tuyến, lý thuyết về
xử lý số tín hiệu, đại số tuyến tính. Dựa trên các lý thuyết cơ bản, NCS xây
dựng mô hình toán học của quá trình xử lý tín hiệu GNSS trên anten mạng pha,
từ đó đề xuất các giải pháp sửa lỗi kênh không đồng nhất giữa các kênh thu
trên anten mạng pha. Để kiểm chứng và đưa ra kết quả trực quan của phương
pháp đề xuất, NCS tiến hành tính toán bằng phần mềm Matlab và được hiển thị

dưới dạng biểu đồ với các thông số hệ thống khác nhau.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Các kết quả nghiên cứu của luận án có tính mới, tính

khoa học, đóng góp thêm cơ sở cho việc tính toán, xây dựng, thiết kế hệ thống
định vị vệ tinh trên khoang. Các giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các


5
kênh thu trên anten mạng pha được đề xuất có tính khả thi, là cơ
sở ban đầu cho việc nghiên cứu phát triển các hệ thống định vị
vệ tinh, đặc biệt là các hệ thống định vi vệ tinh trên khoang như
UAV, tên lửa hành trình, thiết bị bay ở Việt Nam.
- Ý nghĩa thực tiễn: Giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên
anten mạng pha kết hợp với các phương pháp xử lý không gian - thời gian tín
hiệu nhằm mục đích chống nhiễu, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cho việc
thu tín hiệu định vị bằng vệ tinh trên các trang thiết bị, khí tài công nghệ cao
(CNC) có sử dụng hệ thống định vị và dẫn đường vệ tinh như: UAV, tên lửa
hành trình... Vì vậy, luận án: “Giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh
trên anten mạng pha cho máy thu định vị vệ tinh” có ý nghĩa thực tiễn cao.

7. Bố cục của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình đã công bố
của tác giả, tài liệu tham khảo, nội dung của luận án gồm ba chương:

Chương 1: Tổng quan hệ thống GNSS và các giải pháp
chống nhiễu cho máy thu định vi vệ tinh
Nghiên cứu tổng quan về hệ thống định vị và dẫn đường toàn cầu bằng
vệ tinh GNSS, các dạng nhiễu, tín hiệu trong hệ thống và các phương pháp xử

lý không gian thời gian cho tín hiệu hệ thống GNSS nhằm nâng cao tính chống
nhiễu, đảm bảo độ tin cậy cho các thiết bị đầu cuối. Biểu diễn toán học các
phương pháp chống nhiễu dựa trên xử lý số không gian thời gian tín hiệu, các
thuật toán chống nhiễu hiệu quả trong hệ thống định vị và dẫn đường vô tuyến
bằng vệ tinh trên cơ sở xử lý không gian tín hiệu. Tổng quan tình hình nghiên
cứu trong và ngoài nước về vấn đề nghiên cứu có liên quan.

Chương 2: Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả chống nhiễu của
tiêu chuẩn tối ưu MPE đối với máy thu GNSS
Chương 2 trình bày về mô hình tín hiệu, nhiễu và kênh thu của anten
mạng pha, biểu diễn nhiễu và tín hiệu vệ tinh GNSS trên các phần tử của anten


6
mạng pha 3 và 9 phần tử. Mô phỏng quá trình chống nhiễu dải rộng, nhiễu dải
hẹp đối với anten mạng pha 3 phần tử, 9 phần tử khi áp dụng các thuật toán
không gian - thời gian tín hiệu theo tiêu chuẩn MPE và MMSE. Nghiên cứu vùng
không làm việc và sự phụ thuộc của vùng không làm việc vào độ nhạy của máy
thu với anten mạng pha (Nội dung này được công bố trên bài báo số 2 và 3).
Qua đó làm cơ sở để đánh giá và đề xuất giải pháp sửa lỗi không đồng nhất
giữa các kênh trên anten mạng pha cho các máy thu GNSS.

Chương 3: Giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các
kênh trên anten mạng pha cho máy thu định vị vệ tinh
Chương 3 NCS đề xuất hai giải pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa
các kênh trên anten mạng pha cho máy thu định vị vệ tinh đó là: Giải
pháp sửa lỗi không đồng nhất hai giai MPE đoạn trên cơ sở tự hiệu chỉnh
và giải pháp sửa lỗi kênh không đồng nhất MPE trên cơ sở tự bù trừ,
đồng thời thực nghiệm mô phỏng, thống kê và đánh giá các kết quả
nghiên cứu (Các nội dung này được công bố trong bài báo số 5).

7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GNSS VÀ CÁC GIẢI
PHÁP CHỐNG NHIỄU CHO MÁY THU ĐỊNH VỊ VỆ TINH
Chương này trình bày tổng quan về hệ thống GNSS, các giải pháp
chống nhiễu cho máy thu định vị vệ tinh. Cụ thể, phân tích cấu trúc hệ thống
định vị và dẫn đường vệ tinh GNSS, cấu trúc tín hiệu và các loại nhiễu trong
các hệ thống GNSS, các giải pháp chống nhiễu hiệu quả cũng như các giải
pháp hiện có để giải quyết vấn đề sửa lỗi không đồng nhất bằng phương
pháp xử lý không gian - thời gian nhằm nâng cao khả năng chống nhiễu cho
máy thu định vị vệ tinh. Trong Chương này cũng đưa ra các chỉ tiêu đánh gia
chất lượng chống nhiễu của máy thu, các tiêu chuẩn thích nghi phổ biến
dựa trên xử lý số không gian thời gian tín hiệu làm cơ sở cho việc nghiên
cứu các nội dung trong các chương tiếp theo của luận án.

Hệ thống định vị và dẫn đường vệ tinh GNSS, các dạng nhiễu,
tín hiệu trong hệ thống
Cấu trúc hệ thống định vị và dẫn đường toàn cầu bằng vệ tinh
Hệ thống định vị và dẫn đường vệ tinh toàn cầu (GNSS) là thuật ngữ
được sử dụng để mô tả các hệ thống định vị bằng vệ tinh hiện có. Bao gồm
GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Bắc Đẩu (BeiDou - Trung Quốc) và GALILEO (Liên
minh Châu Âu). Hiện nay, tổng số vệ tinh của các hệ thống GNSS có 154 vệ tinh
(36 GPS, 27 GLONASS, 30 Galileo, 35 BeiDou, 19 SBAS và 7 QZSS)

[8]. Đến năm 2020, GNSS dự kiến có hơn 160 vệ tinh phát triển
chủ yếu là các vệ tinh toàn cầu của GALILEO và Bắc Đẩu.
Hệ thống GNSS có cấu trúc như Hình 1.1 gồm ba phần [4]: phần không
gian là các vệ tinh định vị; phần điều khiển là các trạm mặt đất (trạm dữ liệu,
trạm điều khiển, trạm gốc); phần người dùng là các máy thu định vị vệ tinh hoặc

các thiết bị có sử dụng chức năng định vị và dẫn đường GNSS. Phần không
gian đóng vai trò trạm trung gian, chuyển tiếp tín hiệu giữa phần điều


8
khiển và phần người dùng thông qua đường lên (Uplink) và đường
xuống (Downlink). Đường lên là đường truyền tín hiệu từ các trạm
mặt đất lên vệ tinh, đường xuống là đường truyền tín hiệu từ các vệ
tinh đến các trạm mặt đất hoặc các thiết bị đầu cuối.
Phần không gian

Đường lên

Đường xuống

(Uplink)

(Downlink)

Phần người dùng
Trạm
dữ liệu

Trạm

Trạm gốc

điều khiển

Phần điều khiển

Hình 1.1. Mô hình các thành phần của hệ
thống GNSS

Cấu trúc tín hiệu hệ thống GNSS

Hiện nay, hai hệ thống định vị và dẫn đường bằng vệ tinh được sử
dụng rộng rãi nhất đó là: hệ thống GLONASS của Nga và hệ thống GPS của
Mỹ. Trong phạm vi của luận án NCS tập trung vào việc nghiên cứu các giải
pháp sửa lỗi không đồng nhất giữa các kênh trên anten mạng pha cho máy
thu định vị vệ tinh của hai hệ thống trên. Do vậy, phần này NCS chỉ tập trung
vào nghiên cứu cấu trúc tín hiệu của hệ thống GLONASS và hệ thống GPS.


9
1.1.2.1. Cấu trúc tín hiệu GPS
Hệ thống GPS (NAVSTAR GPS - Navigation Satellite Timing and Ranging
Global Positioning System) là một hệ thống định vị và dẫn đường vô tuyến đầu
tiên có khả năng xác định vị trí với độ chính xác khá cao được phát triển bởi Bộ
Quốc phòng Hoa Kỳ trong khoảng cuối những 1970 và đầu những năm 1980,
bao gồm 24 vệ tinh, chính thức hoàn thành vào ngày 8/12/1993 [4].
Băng L2
-6dB

Chuyển mạch
120 f0

154 f0

A B

C

Đồng bộ tần số

-3dB

90

A
f0

B

Bộ phát mã
f0 /10

Máy phát tạo
xung đồng bộ
f0 /(1023 x200)
f0

Băng L1

0

P(Y)

C

Bộ phát mã
C/A
Thanh ghi
dữ liệu

Bộ tạo dao động

Dữ liệu dẫn đường

tham chiếu

Hình 1.2. Sơ đồ khối bộ phát tín hiệu GPS trên băng tần L1 và L2
Như trên Hình 1.2 cho thấy, chuỗi giả ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được
biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các
chữ số “+1” và “-1” được phát đi ở tần số f0/10 [4]. Chuỗi giả ngẫu nhiên (PRN)
thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các
chữ số “+1” và “-1” khác, được phát đi ở tần số f 0 [ 4]. Mã Y (Y-code) là mã