Nghiên cứu ứng dụng biến đổi wavelet vào khối bám tín hiệu trong máy thu gnss để giảm ảnh hưởng của hiện tượng đa đường

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

--------------------

TRƯƠNG VIỆT PHÚC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN ĐỔI WAVELET VÀO KHỐI
BÁM TÍN HIỆU TRONG MÁY THU GNSS ĐỂ GIẢM ẢNH
HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG ĐA ĐƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH KĨ THUẬT TRUYỀN THÔNG

Hà Nội – 2017


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

--------------------

TRƯƠNG VIỆT PHÚC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN ĐỔI WAVELET VÀO KHỐI
BÁM TÍN HIỆU TRONG MÁY THU GNSS ĐỂ GIẢM ẢNH
HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG ĐA ĐƯỜNG

Chuyên ngành: KĨ THUẬT VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH KĨ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN VĂN KHANG

Hà Nội - 2017


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 1
TÓM TẮT ................................................................................................................... 2
ABSTRACT ................................................................................................................ 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................. 4
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................... 7
Chương 1. HỆ THỐNG GNSS VÀ CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS .......................... 11
1.1. Phân hệ khơng gian ........................................................................................ 12
1.1.1. Chùm sao vệ tinh .................................................................................... 12
1.1.2. Vệ tinh GPS ............................................................................................ 12
1.2. Phân hệ điều khiển ......................................................................................... 13
1.3. Phân hệ sử dụng ............................................................................................. 14
1.4. Các tín hiệu GPS và dữ liệu ........................................................................... 14
1.5. Lược đồ tín hiệu GPS .................................................................................... 15
1.6. Mã C/A .......................................................................................................... 17
1.6.1. Chuỗi Gold ............................................................................................. 17
1.6.2. Tạo chuỗi Gold ....................................................................................... 19
1.6.3. Các đặc tính tương quan ......................................................................... 23
1.7. Dịch tần Doppler ............................................................................................ 24
1.8. Bản tin định vị................................................................................................ 25
1.8.1. Định dạng bản tin ................................................................................... 25

1.8.2. Các trường TLM và HOW ..................................................................... 27
1.8.3. Dữ liệu trong bản tin định vị ................................................................. 28
Chương 2. LÝ THUYẾT BIẾN ĐỔI WAVELET .................................................... 29
2.1. Giới thiệu chung về Wavelet ......................................................................... 29
2.2. Biến đổi Fourier và biến đổi Wavelet ............................................................ 32
2.2.1. Biến đổi Fourier...................................................................................... 32


2.2.2. Khái niệm biến đổi Wavelet ................................................................... 35
2.2.3. Sự giống nhau giữa biến đổi Wavelet và biến đổi Fourier ..................... 36
2.2.4. Sự khác biệt giữa biến đổi Wavelet và biến đổi Fourier ........................ 36
2.3. Biến đổi Wavelet liên tục .............................................................................. 38
2.3.1. Định nghĩa .............................................................................................. 38
2.3.2. Đặc điểm của CWT ................................................................................ 39
2.4. Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete wavelet transform)................................. 42
2.4.1. Định nghĩa DWT .................................................................................... 42
2.4.2. Tính chất biến đổi DWT ......................................................................... 43
2.5. Biên đổi Wavelet rời rạc và băng lọc (filter bank) ........................................ 45
2.5.1. Phân tích đa phân giải (Multiresolution Analysis) ................................ 45
2.5.2 Phân tích đa phân giải sử dụng băng lọc ................................................. 47
2.5.3 Biểu diễn ma trận DWT .......................................................................... 51
2.5.4 Phân loại Wavelet .................................................................................... 55
2.6. Phân tích gói Wavelet .................................................................................... 55
2.6.1 Nguyên tử gói (Wavelet Packets Atoms) ................................................ 57
2.6.2.Phân tích đa phân giải và gói Wavelet .................................................... 58
2.6.3 Lựa chọn phân tích tối ưu ........................................................................ 59
2.7. Các họ Wavelet .............................................................................................. 60
2.8. Ứng dụng của Wavelet .................................................................................. 61
CHƯƠNG 3. CẤU TRÚC ĐA TƯƠNG QUAN VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO
HIỆU NĂNG BÁM MÃ ........................................................................................... 63

3.1. Giới thiệu chương .......................................................................................... 63
3.2. Các giải pháp giảm nhiễu đa đường và tiêu chí đánh giá .............................. 63
3.2.1. Các giải pháp giảm nhiễu đa đường ....................................................... 63
3.2.2. Các tiêu chí đánh giá tác động của hiện tượng đa đường....................... 68
3.3. Cấu trúc bộ tương quan kép (DDC)............................................................... 73
3.4. Điều chỉnh đáp ứng bộ so pha của cấu trúc DDC .......................................... 78
3.4.1. Tín hiệu đa đường đồng pha ................................................................... 78


3.4.2. Tín hiệu đa đường ngược pha ................................................................. 81
3.4.3. Cơ chế xác định pha của tín hiệu đa đường ........................................... 84
3.4.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng giảm nhiễu đa đường ........... 85
3.5. Cấu trúc có nhiều bộ tương quan (MGD) ...................................................... 87
3.5.1. Cấu trúc MGD và những vấn đề tồn tại ................................................. 87
3.5.2. Cấu trúc MGD với 7 bộ tương quan....................................................... 88
3.6. Kết luận chương ........................................................................................... 103
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP ......................... 104
4.1. Phép biến đổi wavelet rời rạc và phân tích đa phân giải ............................. 104
4.1. Phép biến đổi wavelet rời rạc hai chiều ....................................................... 106
4.2. Tách trường và lọc nhiễu ............................................................................. 107
4.3. Mơ hình khử nhiễu ....................................................................................... 108
4.3.1. Ngun tắc khử nhiễu ........................................................................... 108
4.3.2. Lưu đồ thuật toán.................................................................................. 108
4.4. Kết quả ......................................................................................................... 111
4.5. Nhận xét kết quả: ........................................................................................ 112
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 116


LỜI NĨI ĐẦU

Khoa học cơng nghệ ln ln phát triển không ngừng. Những công nghệ mới
đã và đang được phát minh, ứng dụng ngày càng nhiều. Ngày nay, con người đã tạo
ra được các vệ tinh nhân tạo dẫn đường. Các vệ tinh này có thể cho bạn biết được
bạn đang ở đâu, gần đâu nhất và bất cứ điều gì về thời tiết. Với sự ra đời của hệ
thống định vị toàn cầu GNSS(Global Navigation Satellite Syste - 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), con người có
thể dễ dàng xác định vị trí, hướng đi, xây dựng bản đồ phục vụ cho nhiều mục đích
khác nhau. Do vậy, yêu cầu mới được đặt ra là làm sao để cải thiện được khả năng
thu tín hiệu GPS và tăng độ chính xác của hệ thống.
Hiện nay wavelet đang là một chủ đề nóng về cả hai lĩnh vực lý thuyết và ứng
dụng. Wavelet là một cây cầu nối liền các lĩnh vực riêng biệt của tốn học, thống
kê, xử lý tín hiệu và các khoa học vật lý khác. Càng ngày người ta càng quan tâm
nghiên cứu về wavelet nhiều hơn. Trong luận văn này, em đề cập tới vấn đề ứng
dụng biến đổi Wavelet vào khối bám tín hiệu để giảm hiện tượng đa đường với đề
tài “Nghiên cứu ứng dụng biến đổi Wavelet vào khối bám tín hiệu trong máy thu
GNSS để giảm ảnh hưởng của hiện tượng đa đường”.
Trong quá trình làm luận văn, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình từ thầy
giáo PGS. TS. Nguyễn Văn Khang. Em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy!
Hà Nội tháng 03 năm 2017.

1


TÓM TẮT
Cùng với sự phát triển của khoa học, ngày càng xuất hiện thêm nhiều cơng cụ
trong xử lý tín hiệu. Một trong những công cụ mới nhất là wavelet mà đi song song
với nó là các dãy lọc và mã hoá băng con. Trong luận văn này em tập trung tìm hiểu
về phép biển đổi wavelet và ứng dụng trong nâng cao hiệu năng bám mã để giảm
hiện tượng đa đường tới chất lượng tín hiệu máy thu GNSS. Cấu trúc của luận văn

như sau:
CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG GNSS VÀ CẤU TRÚC TÍN HIỆU GPS giới
thiệu những nét khái quát nhất về hệ thống định vị toàn cầu GPS, trình bày về định
dạng, đặc điểm, và cách tạo tín hiệu GPS.
CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT BIẾN ĐỔI WAVELET giới thiệu biến đổi
wavelet, so sánh biến đổi Wavelet với biến đổi Fourier, các tính chất và các khía
cạnh kỹ thuật của biến đổi Wavelet, và giới thiệu một số ứng dụng của biến đổi
Wavelet.
CHƯƠNG 3. SAI SỐ DO TÍN HIỆU ĐA ĐƯỜNG VÀ GIẢI PHÁP
NÂNG CAO HIỆU NĂNG BÁM MÃ trình bày các sai số do hiện tượng đa
đường, giải pháp giảm ảnh hưởng của tín hiệu đa đường và các tiêu chí đánh giá.
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP trình bày về
các kết quả nghiên cứu thu được.

2


ABSTRACT
Radio frequency interference detection and mitigation are becoming of
paramount importance due to the increasing number of services and applications
based on the position obtained by means of Global Navigation Satellite Systems. A
way to cope with such threats is the implementation in the receiver of advanced
signal processing algorithm able to raise proper warning or improve the receiver
performance. In this thesis, I propose a method based on the Wavelet Transform
able to split the useful signal from the interfering component in a transformed
domain. The wavelet packet decomposition and proper statistical thresholds allow
the algorithm to show very good performance in case of multiple pulse interference
as well as in the case of narrowband interference, two scenarios in which traditional
countermeasures might not be effective.
There’r 4 chapters :

CHAPTER 1. OVERVIEW OF GPS SYSTEM AND GPS SIGNAL
STRUCTURE. This chapter introduces the most general definition of a global
positioning system GPS, presents the format and characteristics, and how to create a
GPS signal.
CHAPTER 2. WAVELT THEORY. This chapter introduces the wavelet
transform and compare with Fourier transform. Features and aplications of wavelet
transform.
CHAPTER 3. ERROR BY MULTIPATH SIGNAL AND SOLUTIONS
IMPROVE PERFORMANCE hash errors presented by multipath phenomena,
solutions reduce the effects of multipath signals and the evaluation criteria.
CHAPTER 4. APPLICATE WAVELET TRANSFORM TO IMPROVE
PERFORMANCE RESULT. Using Matlab wavelet packet to simulate result
when using wavelet to reduce noise GNSS signal.

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACF

Autocorrelation Function

Hàm tự tương quan

BOC

Binary offset carrier

Sóng mang dịch nhị phân

BPSK

Binary Phase-Shift Keying

Điều chế pha nhị phân

CBOC

Composite BOC

Sóng mang dịch nhị phân tổng hợp

DDC

Double Delta Correlator

Bộ tương quan kép

DLL

Delay Lock Loop

EMLP

Early Minus Late Power

FLL

Frequency Lock Loop

Vịng khóa tần

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GPST

GPS Time

Thời gian GPS

HRC

High Resolution Correlator

Bộ tương quan phân giải cao

ID

Identification number

Số nhận dạng cá nhân

INS

Inertial navigation system

Hệ thống dẫn đường qn tính

LSB

Least Significant Bit

Bit có trọng số thấp nhất

MCS

Master Control Station

Trạm điều khiển trung tâm

LOS

Line Of Sight

Tín hiệu truyền thẳng

MEDLL

Multipath Estimating Delay

Vịng khóa trễ ước lượng đa đường

Vịng khóa trễ
Bộ so pha dạng hiệu bình phương 2
tương quan

Lock Loop
MEE

Multipath Error Envelope

Đường bao lỗi đa đường

MGD

Multi-Gate Delay

Trễ đa tầng (Đa tương quan)

MSB

Most singnificant bit

Bít có trọng số cao nhất

National aeronautics and space

Cục quản lý hàng không và không

aministration

gian quốc gia.

Navigation satellite time and

Hệ thống dẫn đường vệ tinh

NASA

NAVSTAR
NC

ranging.
Bộ tương quan hẹp

Narrow Correlator
4


PLL

Phase Lock Loop

Vịng khóa pha

PPS

Precise positioning service

Dịch vụ định vị chính xác

PRN

Pseudo Random Noise

RAE

Running Average Error

SBME

Slope-Based Multipath

Nhiễu giả ngẫu nhiên
Lỗi trung bình chạy
Bộ ước lượng đa đường dựa trên độ
dốc

Estimator

Vơ tuyến điều khiển bằng phần

SDR

Software Defined Radio

SPS

Standard Positioning Service

Dịch vụ định vị chuẩn

SVN

Space Vehicle Number

Số hiệu vệ tinh

mềm

Trường TLM. Mào đầu 8 bit, được
TLM

sử dụng để đồng bộ các bản tin

Telemetry word

định vị
TMBOC

Time-multiplexed binary offset

Sóng mang dịch nhị phân đa thời

carrier

gian
Thời gian của tuần. Tuần GPS bắt

TOW

đầu tại nửa đêm giữa thứ bẩy và

Time of Week

chủ nhật
UHF

Ultra High Frequency

UTC

Universal Time Coordinated

Tần số siêu cao
Giờ Quốc tế phối hợp

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Hình 1.8: Bộ tạo mã C/A. ......................................................................................... 20
Bảng 1.1: Ấn định pha mã C/A ................................................................................ 21
Bảng 1.2: Mã ID của các khung con. ....................................................................... 28
Bảng 3.1: Phân loại các giải pháp giảm nhiễu đa đường theo số lượng bộ tương
quan sử dụng trong bộ so pha của mạch vịng DLL ................................................. 67
Bảng 3.2: Các thơng số thực hiện mô phỏng............................................................ 86
Bảng 3.3: Số lượng tổ hợp giá trị hệ số được tối ưu ở giai đoạn thứ nhất của cấu
trúc MGD .................................................................................................................. 94
Bảng 3.4: Các hệ số (a2, a3) ứng với 1=0.2chip của cấu trúc MGD ...................... 96
Bảng 3.5: Miền bao phủ [chip] cấu trúc MGD có 1=0.2chip và các hệ số được tối
ưu để tránh bám nhầm ............................................................................................... 99
Bảng 3.6: Giá trị tối ưu các hệ số của cấu trúc MGD và giá trị miền bao phủ [chip]
tương ứng của cấu trúc MGD, DDC và NC. ........................................................... 100

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.2: Vệ tinh NAVSTAR. ................................................................................. 13
Hình 1.4: Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS. ............................................................... 15
Hình 1.5: Cấu trúc tín hiệu L1.................................................................................. 16
Hình 1.6: Điều chế BPSK trong tín hiệu GPS. ........................................................ 17
Hình 1.7: Đồ thị cột của một ACF cho một chuỗi Gold. ......................................... 18
Hình 1.9: Đặc tính tương quan của các mã C/A. ..................................................... 24
Hình 1.10: Cấu trúc dữ liệu định vị trong GPS. ....................................................... 26
Hình 1.11: Định dạng của hai từ TLM và HOW. .................................................... 27
Hình 2.2: Độ phân giải trên mặt phẳng thời gian - tần số. ....................................... 34
Hình 2.1: Cửa sổ Fourier hẹp, rộng & độ phân giải trên mặt phẳng tần số-thời gian ...... 33
Hình 2.3: Biểu diễn CWT theo biểu thức (1.6) ........................................................ 36
Hình 2.4: Các hàm Fourier cơ sở, ơ ngói thời gian - tần số, và sự hội tụ trên mặt
phẳng thời gian - tần số ............................................................................................. 37
Hình 2.5: Các hàm cơ sở Wavelet Daubechies, ơ ngói thời gian - tần số, và sự hội
tụ trên mặt phẳng thời gian - tần số........................................................................... 37
Hình 2.6: Biểu diễn Wavelet Morlet ........................................................................ 41
Hình 2.7: Wavelet Haar ............................................................................................ 45
Hình 2.8: Khơng gian và các khơng gian con trong đa phân giải............................ 46
Hình 2.9: Thuật tốn hình chóp hay thuật tốn mã hố băng con ............................ 49
Hình 2.10: Phân tích wavelet sử dụng ký hiệu tốn tử ............................................ 51
Hình 2.11: Băng lọc hai kênh ................................................................................... 52
Hình 2.12: Phân tích gói wavelet sử dụng các ký hiệu tốn tử ................................ 56
Hình 2.13: So sánh biểu diễn trên mặt phẳng thời gian - tần số của Wavelet và gói
Wavelet...................................................................................................................... 57
Hình 2.14: Các ngun tử gói Wavelet sinh ra từ Wavelet Daubechies 2 ............... 58
Hình 2.15: Các họ Wavelet (a) Haar (b) Daubechies4 (c) Coiflet1 (d) Symlet2 (e)

Meyer (f) Morlet (g) Mexican Hat ............................................................................ 60
7


Hình 3.1: MEE cho tín hiệu
pha EMLP có

(trái) và tín hiệu BPSK (phải) với bộ so

với các băng thông bộ lọc RF khác nhau ..................... 69

Hình 2.16: Ứng dụng xử lý tín hiệu sử dụng biến đổi Wavelet ............................... 61
Hình 3.2: MEE cho tín hiệu BOCs(1,1) (trái) và tín hiệu BPSK (phải) với bộ so pha
với các băng thông bộ lọc RF khác nhau ............................ 70

EMLP có

Hình 3.3: MEE cho tín hiệu

với bộ so pha EML có

(trái)

(phải) với các băng thơng bộ lọc RF khác nhau ............................. 71

và

Hình 3.4: RAE với cấu trúc EMLP NC có
cho tín hiệu

(phải)

(trái) và

............................................................................................ 72

Hình 3.5: Cấu trúc DLL giản lược với giải pháp DDC khi hoạt động với tín hiệu
................................................................................................................ 74
Hình 3.6: Đáp ứng bộ so pha DDC dạng EML cho tín hiệu

với

và các giá trị khác nhau của băng thông bộ lọc RF ............................. 75
Hình 3.7: Đáp ứng bộ so pha DDC dạng EML cho tín hiệu

với băng

thơng vơ hạn của bộ lọc RF và các giá trị khác nhau của ...................................... 75
Hình 3.8: Đường bao MEE với giải pháp DDC và NC có
BPSK (phải) và

cho tín hiệu

(trái) với các giá trị băng thơng bộ lọc RF khác nhau.76

Hình 3.9: Đầu ra bộ so pha cấu trúc DDC (=0.2chip, 1=0.5, 1=02chip) cho tín
hiệu

khi có thành phần đa đường đồng pha (trên) và ngược pha (dưới)

với tín hiệu LOS. ....................................................................................................... 77
8


Hình 3.10: Dạng hình học của các hàm CF khi thành phần MP đồng pha với thành
phần tín hiệu LOS ..................................................................................................... 79
Hình 3.11: Dạng hình học của các hàm CF khi thành phần MP ngược pha với thành
phần tín hiệu LOS ..................................................................................................... 81
Hình 3.12: Đồ thị MEE cho tín hiệu

với cấu trúc EML DDC và EML

DDC điều chỉnh với 1=0.2chip (trái) và 1=0.3chip (phải) .................................. 86
Hình 3.13: ơ đồ khối cấu trúc MGD đề xuất ............................................................ 90
Hình 3.14: Đặc tính đáp ứng bộ so pha EMLP cấu trúc NC, DDC và MGD với
1=0.2chip ................................................................................................................ 92
tương quan trong cấu trúc MGD với 1=0.1chip (trái) và 1=0.2chip (phải)......... 93
Hình 3.15: Đặc tính đáp ứng của 3 bộ so pha dạng NC – EMLP ứng với 3 cặp
trong cấu trúc MGD với 1=0.1chip (trái) và 1=0.2chip (phải) ............................ 93
Hình 3.16: Hàm ACF và vị trí các điểm ứng với giá trị đầu ra của 3 cặp tương quan
có 1  0.2chip;  a2 , a3    0.5; 0.6 (trái) và 1  0.25chip;  a2 , a3   0.7; 0.8 (phải) .................. 96
Hình 3.17: Đáp ứng bộ so pha của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD
Hình 3.18: Đáp ứng bộ so pha của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1  0.3chip;  a2 , a3   0.5; 0.6 (trái) và 1  0.35chip;  a2 , a3   0.3; 0.6 (phải)........................ 97

Hình 3.19: Đáp ứng bộ so pha của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1  0.4chip; a2 , a3   0.9;0.1 (trái) và 1  0.45chip;  a2 , a3   0.7; 0.3 (phải)........................ 97

Hình 3.20: Minh họa miền bao phủ của lỗi bám mã với cấu trúc MGD có
1  0.2chip;  a2 , a3    0.5; 0.6 ........................................................................................ 99

có 1  0.2chip;  a2 , a3    0.5; 0.6 (trái) và 1  0.25chip;a2 , a3   0.5;0.4 (phải) ............. 101
Hình 3.21: MEE của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD........................101
Hình 3.22: MEE của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1  0.3chip;  a2 , a3    0.4;1 (trái) và 1  0.35chip;  a2 , a3    0.2; 0.7  (phải) .................... 102

Hình 3.23: MEE của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có
1  0.4chip; a2 , a3   0.1;0.8 (trái) và 1  0.45chip;  a2 , a3   0; 0.3 (phải)...................... 102

9


Hình 4.1: Phân tích đa phân giải sử dụng biến đổi wavelet rời rạc ....................... 105
Tại mỗi tầng lọc, biểu thức của phép lọc được cho bởi công thức: ........................ 105
Hình 4.2: Phép biến đổi wavelet 2-D ..................................................................... 107
Hình 4.3: Lưu đồ thuật tốn khử nhiễu tín hiệu bằng wavelet packet ................... 110
Hình 4.5: Khử nhiễu tín hiệu với entropy Shanon và nhiễu Gauss ........................ 111
Hình 4.6: Hình 4.6. So sánh hiệu quả xử lý nhiễu giữa DWT và WPT ................. 112
Hình 4.7: So sánh khả năng giữ lại thơng tin trên tín hiệu giữa DWT và WPT .... 112

10


Chương 1.
HỆ THỐNG GNSS VÀ CẤU TRÚC TÍN HIỆU 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 tục, bất kể thời tiết, ngày đêm, dù họ ở bất kì nơi nào trên trái đất.
Kiến trúc của hệ thống GPS được thông qua vào năm 1973. Năm 1978, vệ tinh
đầu tiên trong hệ thống GPS đã được phóng thành cơng và tín hiệu GPS đã được thu

thử nghiệm với các máy thu đầu tiên. Mục đích ban đầu của dự án xây dựng hệ
thống GPS là để phục vụ các mục đích quân sự của Mỹ, nên Bộ Quốc phòng Mỹ
trực tiếp kiểm soát dự án. Dưới sức ép của vụ bắn nhầm máy bay dân sự của Hàn
Quốc trong vùng trời cấm bay của Nga (1978), kế hoạch phát triển hệ thống GPS
phục vụ các ứng dụng dân sự đã được chú trọng hơn. Đến năm 1995, Bộ Quốc
phòng Mỹ tuyên bố hệ thống GPS đã hồn chỉnh và chính thức đi vào hoạt động.
Hệ thống GPS được chia ra thành ba phân hệ chính: phân hệ khơng gian, phân
hệ điều khiển, và phân hệ sử dụng. Bộ Quốc phòng Mỹ đảm nhiệm việc sản xuất và
phóng các vệ tinh, cũng như việc quản lý các trạm điều khiển vệ tinh ở mặt đất.
Phần người sử dụng bao gồm nhiều thành phần, có nhiệm vụ quản lý và phát triển
các ứng dụng GPS, bao gồm cả việc xây dựng các thiết bị sử dụng hệ thống như
anten và máy thu.
Đối với máy thu, hệ thống GPS cung cấp hai loại dịch vụ cơ bản, đó là: dịch
vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) và dịch vụ định vị chính xác (PPS). Chính phủ Mỹ,
quân đồng minh và những người sử dụng đặc biệt được cấp phép sử dụng PPS. Họ
sử dụng các thiết bị bảo mật và các máy thu được trang bị đặc biệt. Độ chính xác
của PPS được dự kiến là 22 m theo chiều ngang, 27.7 m theo chiều dọc và thời gian
là 200 ns (UTC). Trong khi đó, những người sử dụng bình dân trên khắp thế giới
được sử dụng SPS miễn phí hoặc bị hạn chế sử dụng. Hầu hết các máy thu đều có
khả năng thu và sử dụng tín hiệu SPS. Độ chính xác của SPS bị cố ý làm giảm bằng
việc dùng Selective Availability bởi DOD. Độ chính xác của SPS được dự kiến là
100 m theo chiều ngang, 156 m theo chiều dọc và thời gian là 340 ns. [2]
11


1.1. 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).
Phân hệ không gian bao gồm các thành phần sau:

1.1.1. 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 có 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. [3]

Hình 1.1: Chùm sao vệ tinh.
1.1.2. 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.
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.
12


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.

Hình 1.2: Vệ tinh NAVSTAR.
1.2. Phân hệ điều khiển

Hình 1.3: 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]
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 đốn các thông số quỹ đạo và đưa ra giá
13


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 sốt và
dự đốn 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.
1.3. 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 thơng số vị trí, vận tốc, và
thời gian. Để tính tốn các thơng 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 dụng dịch
vụ GPS ngày càng được mở rộng và phát triển rộng rãi. Trong chương tiếp theo,
chúng ta sẽ nghiên cứu về cấu trúc, đặc điểm, và cách tạo tín hiệu GPS.
1.4. Các tín hiệu GPS và dữ liệu
Để thiết kế máy thu GPS đơn tần định nghĩa bởi phần mềm thì cần phải biết
về các đặc tính của tín hiệu và dữ liệu được phát từ vệ tinh GPS cũng như nhận bởi

anten máy thu GPS. Trong phần này, em sẽ giới thiệu về sơ đồ tạo tín hiệu GPS và
các đặc tính quan trọng nhất của các tín hiệu và dữ liệu GPS.
Các tín hiệu GPS được phát trên hai tần số vơ 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 f0
= 10.23 MHz:
FL1 = 154f0 = 1575.42 MHz

(1.1)

FL2 = 120f0 = 1227.60 MHz

(1.2)

Các tín hiệu được cấu thành từ 3 thành phần sau:
 Sóng mang: tần số fL1 và fL2.
14


 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).
1.5. Lược đồ tín hiệu GPS
Sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu GPS được trình bày trong hình 1.4. [1]
Đọc sơ đồ từ trái qua phải. Ngồi cùng bên trái là tín hiệu đồng hồ chính được
cấp cho các khối cịn 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. 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
module-2. 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 thơng thường.

Hình 1.4: Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS.
Các tín hiệu là mã C/A (hoặc mã P (Y)) cộng module-2 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
15


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 mơ tả như sau: [1]
(1.3)
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, Pk 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 1.5 mơ 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 1.5: 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.

16


Hình 1.6: 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 1.6 mơ tả mã Gold C, dữ liệu định vị D, tín hiệu cộng module-2 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% cơng suất tín hiệu trong băng tần ~ 2 MHz.
1.6. 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.
1.6.1. Chuỗi Gold
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

17


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
khơng hoặc khơng khí. Hàm tự tương quan (ACF) đối với mã C/A này là:
(1.4)

Hình 1.7: Đồ thị cột của một ACF cho một chuỗi Gold.
Chuỗi này có 512 bit “1” và 511 bit “0” xuất hiện ngẫu nhiên, và hồn tồn
xác định. Chuỗi Gold có tính giả ngẫu nhiên chứ khơng phải ngẫu nhiên. Ngồi 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 1.7. [1]
ACF được biểu diễn như tổng của hằng số này và một chuỗi vô hạn của hàm
tam giác rX(τ):
(1.5)

18


Cột bên trái có giá trị tương quan rp(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 rX(τ) với một chuỗi vơ hạn
các hàm xung được dịch pha bởi mNTc.
(1.6)
Ở đây, dấu * để chỉ phép tích chập. Phổ cơng suất của dãy PRN tuần hoàn thu
được từ biến đổi Fourier của biểu thức trên:
(1.7)
với m = ±1, ±2, ±3,...
1.6.2. Tạo chuỗi Gold
Việc tạo ra các mã Gold được trình bày tóm tắt trong hình 1.8. 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
module-2 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.

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 ln có cấu hình hồi tiếp với đa thức:
(1.8)
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:
(1.9)
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 ra của
19


nó, nhưng thanh ghi G2 cung cấp hai trong các trạng thái của nó tới bộ cộng
module-2 để tạo ra đầu ra của nó. Việc chọn các trạng thái cho bộ cộng module-2
gọi là chọn pha. Bảng 1.1 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.

Hình 1.8: Bộ tạo mã C/A.
Việc lựa chọn các trạng thái khác nhau cho pha mã tạo ra các mã C/A khác
nhau dùng cho các vệ tinh GPS. [2]
Một thanh ghi dịch là một bộ các phần tử lưu trữ hoặc các phần tử bộ nhớ 1
bit. Khi cấp xung đồng hồ cho thanh ghi, nội dung của mỗi phần tử dịch đi 1 bit
sang bên phải. Nội dung của phần tử cuối cùng được đọc là đầu ra. Các đặc tính đặc
biệt của các thanh ghi dịch phụ thuộc vào cách thức đọc vào ở phần tử 1.
20