Luận án Tiến sĩ kỹ thuật: 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: NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CHỐNG NHIỄU CỦA
TIÊU CHUẨN TỐI ƯU MPE ĐỐI VỚI MÁY THU GNSS......... 35


iv


v

CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP SỬA LỖI BẤT ĐỒNG NHẤT GIỮA CÁC KÊNH
TRÊNANTEN MẠNG PHACHO MÁYTHU ĐỊNH VỊ VỆ TINH.. 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

dij

d (t )

D
DA
Di

E

 
 

Tín hiệu tham chiếu
Đặc trưng hướng của anten mạng pha
Khẩu độ của anten
Khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ i
Kỳ vọng toán học

F ( ,  )

Hàm đặc trưng hướng anten

f0

Tần số bộ dao động tham chiếu hệ thống GPS, f0=10.23 [MHz]

T

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]
(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

J
L1
L2
L3
L4
L5
n (t )

RA

R1

s (t )

Ma trận tương quan đầu vào

W

Tín hiệu có ích
Véc-tơ trọng số
Tọa độ của vệ tinh thứ i .

Xm ,Ym , Zm

Tọa độ máy thu

y (t )

Tín hiệu ra của anten mạng pha

X i ,Yi , Z i


vii



 2 (t )



T





Độ dài bước sóng, [m]
Tham số hội tụ thuật toán không gian thời gian
Sai số trung bình bình phương
Ma trận chuyển vị

Liên hợp phức



Chuyển vị liên hợp phức

2

Phương sai

H



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

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
GLONASS
ITU

IDFT
INS
LRS
LMS
ML
МMSE
MSE
MPE
PVT
QZSS
RLS
RNSS
SAP
SBAS
S/N (J/S)
SINR
STAP
SVD
UAV

Hệ thống định vị vệ tinh của liên minh Châu Âu.
Độ trễ nhóm (Group Delay)
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Liên bang Nga (ГЛОбальная
НАвигационная Спутниковая Система – ГЛОНАСС)
Liên minh viễn thông quốc tế (International Telecommunication
Union)
Biến đổi Fourier rời rạc ngược (Inverse Discrete Fourier
Transform)
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)
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)
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).
Phân hoạch giá trị riêng, véc-tơ riêng (Singular Value
Decomposition)
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 ...........................
Hình 1.2. Sơ đồ khối bộ phát tín hiệu GPS trên băng tần L1 và L2 .........
Hình 1.3. Cấu trúc bộ tạo mã từ các thanh ghi dịch trong hệ thống GPS .........
Hình 1.4. Cấu trúc thanh ghi tạo mã trong hệ thống GLONASS .............
Hình 1.5. Các dạng nhiễu trong hệ thống GNSS ......................................
Hình 1.6. Giản đồ hướng anten mạng pha thích nghi ...............................
Hình 1.7. Cấu trúc máy thu GNSS xử lý trước tương quan......................
Hình 1.8. Nguyên tắc định vị vệ tinh ........................................................
Hình 1.9. Hệ thống xử lý không gian hai kênh .........................................
Hình 1.10. Cấu trúc bộ tự bù trừ hai kênh ................................................
Hình 1.11. Mô hình của bộ sửa lỗi không đồng nhất[45] .........................
Hình 1.12. Cấu trúc của bộ bù trừ nhiễu với sự hiệu chỉnh một tham số .
Hình 1.13. Cấu trúc bộ lọc không gian - thời gian....................................
Hình 2.1. Sự hình thành mặt phẳng tín hiệu có ích [45] ...........................
Hình 2.2. Cấu trúc anten mạng pha tam giác ............................................
Hình 2.3. Xác định hiệu đường truyền giữa tia.........................................
Hình 2.4. Mô hình quá trình thêm độ trễ truyền sử dụng cặp biến đổi Fourier [45] ..
Hình 2.5. Cấu trúc anten mạng pha 9 phần tử...........................................
Hình 2.6. Cấu trúc anten mạng pha 4 phần tử...........................................
Hình 2.7. Cấu trúc anten mạng pha 7 phần tử...........................................
Hình 2.8. Mô hình tạo độ trễ nhóm [7] .....................................................

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

8
9
10
11
12
15
16
17
18
19
19
20
27
36
40
41
43
47
47
47
48
49
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 ...............................
Hình 2.13. So sánh hệ số nén công suất nhiễu với d  2 / 3.56 ...........

60
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 ..............
Hình 2.16. Vùng không làm việc ở hệ số bảo vệ máy thu là -30dB và -40dB – 1 nhiễu .

61
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 ............................
Hình 3.5. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 3 ............................
Hình 3.6. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 4 ............................
Hình 3.7. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 5 ............................
Hình 3.8. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 6 ............................
Hình 3.9. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 7 ............................

Hình 3.10. Cấu trúc bộ sửa lỗi kênh không đồng nhất MPE trên cơ sở tự bù trừ .......
Hình 3.11. Lưu đồ thuật toán sửa lỗi kênh trên cơ sở tự bù trừ ................
Hình 3.12. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 1 ..........................
Hình 3.13. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 2 ..........................
Hình 3.14. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 3 ..........................
Hình 3.15. Hệ số nén nhiễu và tỷ số SINR tình huống 4 ..........................
Hình 3.16. Vùng không làm việc của máy thu khi kênh có sửa lỗi ..........

92
93
94
95
96
96
100
102
104
105
106
106
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
(Uplink)

Đường xuống
(Downlink)

Phần người dùng

Trạm
dữ liệu

Trạm
điều khiển

Trạm gốc

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
Đồng bộ tần số

154 f0

A

B

C
-3dB

Băng L1

900
A

f0
f0 /10
Máy phát tạo
xung đồng bộ

f0 /(1023 x200)

f0
Bộ tạo dao động
tham chiếu

Bộ phát mã

P(Y)

B

C

Bộ phát mã
C/A
Thanh ghi
dữ liệu

Dữ liệu dẫn đường

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 f0 [ 4]. Mã Y (Y-code) là mã


10
PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương trình
tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương
trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những
người sử dụng GPS không có giấy phép như những người không thuộc quân
đội Mỹ và đồng minh của họ thì sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y).
Trong sơ đồ Hình 1.3 là cấu trúc bộ tạo mã từ các thanh ghi dịch trong
hệ thống GPS, ký hiệu  là phép cộng modun 2. Các chữ số của thanh ghi dịch
phía trên tham gia vào việc hình thành tín hiệu thu được. Sóng mang L1 được

điều chế bằng cả 2 mã (mã-C/A và mã-P hoặc mã Y), trong khi sóng mang L2
chỉ bao gồm một mã-P hoặc mã Y (Hình 1.2). Các mã được điều chế trên sóng
mang f0 được tạo ra từ bộ dao động tham chiếu (Hình 1.2). Nếu mã có trị số “-1”
thì pha sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số “+1” thì pha sóng mang
giữ nguyên không thay đổi.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

CX(m)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

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


11
1.1.2.2. Cấu trúc tín hiệu GLONASS
GLONASS là một hệ thống vệ tinh định vị của Liên Xô (nay là Nga)
phát triển vào năm 1976 và cũng tương tự như hệ thống GPS của Mỹ.
GLONASS bao gồm 24 vệ tinh, phân bố đều trong 3 quỹ đạo cách nhau 1200
trong mặt phẳng xích đạo, cách trái đất khoảng 19.100 km với độ nghiêng 64,80.
Vào thời điểm hiện nay GLONASS gồm 27 vệ tinh trong đó có 21 vệ
tinh hoạt động, 3 vệ tinh chuẩn bị đưa vào hoạt động và 3 vệ tinh dùng để dự
phòng thay thế. Số lượng này chưa đủ để bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất (cần

tối thiểu 24 vệ tinh hoạt động cùng một lúc). Các thiết kế của hệ thống vệ tinh
GLONASS đã trải qua một số nâng cấp, với phiên bản mới nhất là GLONASSK2, dự kiến sẽ đi vào hoạt động vào năm 2019.
GLONASS truyền mã CT trên L1, mã P trên L1 và L2. Các thiết thu
GLONASS (mã và pha) tương tự như GPS. Hầu hết các thiết bị đầu cuối trong
hệ thống định vị và dẫn đường bằng vệ tinh hiện nay đều tích hợp khả năng thu
đồng thời tín hiệu từ cả hai hệ thống này. Sự khác biệt chính giữa GPS và
GLONASS là hệ thống GLONASS sử dụng công nghệ FDMA để điều chế tín
hiệu của các vệ tinh khác nhau, còn hệ thống GPS sử dụng công nghệ CDMA
để điều chế. Tất cả các vệ tinh GLONASS truyền cùng mã CT và BT, nhưng
mỗi vệ tinh đều có tần số sóng mang khác nhau.

1

2

3

4

5

6

7

8

9
CX(m)

Hình 1.4. Cấu trúc thanh ghi tạo mã trong hệ thống GLONASS
Sơ đồ hình thành tín hiệu mã của hệ thống GLONASS đơn giản hơn. Nó
chỉ sử dụng một thanh ghi 9 bit [33] như Hình 1.4.