Nghiên cứu giải pháp nâng cao khả năng chống nhiễu cho các bộ thu định vị GNSS tiên tiến =201

MỞ ĐẦU Hiện bên cạnh việc đại hóa hệ thống định vị có GPS Mỹ hay Glonass Nga, quốc gia khác xây dựng hệ thống định vị riêng theo cơng nghệ (hệ thống Galileo Châu Âu hệ thống BEIDOU Trung Quốc) Vì lý nên độ xác định vị hệ thống định vị toàn cầu gọi tắt GNSS cải thiện đáng kể Các dịch vụ khơng cung cấp thơng tin vị trí, vận tốc mà cịn cung cấp thơng tin thời gian với độ xác cao để thực việc đồng hóa hệ thống hệ thống điện viễn thơng Mặc dù tín hiệu dịch vụ hệ thống GNSS ứng dụng rộng khắp nhiều lĩnh vực quan trọng chất lượng độ tin cậy thu GNSS lại không đảm bảo cho người dùng lĩnh vực dân Nguyên nhân cơng suất nhận yếu tín hiệu GNSS thu nên ứng dụng trở nên nhạy cảm với nhiễu tần số vô tuyến độc hại (RFI) điển tín hiệu phá sóng tín hiệu giả mạo Cơng suất nhận yếu tín hiệu GNSS truyền từ vệ tinh cách xa Trái đất (khoảng 20.000 km) với cơng suất phát 27W, tín hiệu đến thu, cường độ tín hiệu GNSS nhỏ nhiễu khoảng 1024 lần (26dB) [1] Do nguồn gây nhiễu (can nhiễu, hệ thống truyền thông mặt đất số, tượng quang điện ly) làm giảm chất lượng tín hiệu nhận được, từ vơ hiệu hóa hoạt động thu Ngoài ra, hệ thống GNSS thường thuộc quyền quản lý tổ chức quân [2] [3] [4], dịch vụ mở (ví dụ: GPS L1 C/A, Beidou B1, GLONASS L1OF) cung cấp cho người dùng mà khơng có bảo đảm độ tin cậy dịch vụ Vì lý nên việc đảm bảo độ tin cậy cho thơng tin vị trí cần thiết nhiều ứng dụng khác nhau, từ ứng dụng vận tải đến ứng dụng khẩn cấp cần độ tin cậy cao Để đảm bảo điều thu đại phải có khả phát can nhiễu từ đánh giá mức độ tin cậy tín hiệu định vị Ngồi ra, thu phải đảm bảo cung cấp thơng tin vị trí thời gian tín hiệu GNSS khơng liên tục tác động can nhiễu Một phương pháp phổ biến để nâng cao hiệu thu GNSS trường hợp thu bị can nhiễu sử dụng nhiều phần tử anten vật lý gọi anten mảng Kỹ thuật nghiên cứu từ năm 1940 với việc sử dụng rộng rãi ứng dụng radar viễn thông [5] [6] [7] [8] Nó coi phương pháp hứa hẹn thu GNSS, nơi việc giả mạo, phá sóng lên mối đe dọa tiềm tàng Mặc dù có số nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu cho anten mảng cho thu GNSS [9] [10], có số vấn đề liên quan đến việc triển khai kỹ thuật thu GNSS Thứ nhất, giải pháp sử dụng bit ADC Về mặt lý thuyết số lượng bit đủ cho thu định vị làm cho thu GNSS khơng cịn hoạt động hiệu bị can nhiễu Thứ hai, số lượng phần tử anten bị giới hạn giới hạn băng thông giao tiếp mô đun xử lý tín hiệu mơ đun Về bản, kỹ thuật thời nhận liệu thời điểm đóng gói lại thành gói để truyền PC thơng qua giao tiếp với giới hạn băng thơng có USB hay Ethernet Sử dụng anten mảng chứng minh hiệu trường hợp thu bám tín hiệu Tuy nhiên trường hợp can nhiễu mạnh, thu khơng thể bám theo tín hiệu định vị Các can nhiễu thường không liên tục phương pháp khác để cải thiện hiệu thu GNSS sử dụng kỹ thuật Snapshot Nó coi phương pháp hiệu áp dụng cho khu vực mà việc bám theo tín hiệu GNSS liên tục khơng đảm bảo can nhiễu [11] [12] Nhược điểm thu Snapshot độ xác khơng cao thu truyền thống Vấn đề nghiên cứu có cải tiến thu GPS L1 [13] [14] [15] Tuy nhiên việc sử dụng nhiều hệ thống tích hợp vào hệ thống định vị quản tính INS thu Snapshot chưa nghiên cứu cách đầy đủ cơng trình trước Từ phân tích trên, luận án trình bày kỹ thuật xử lý tín hiệu nâng cao cho thu GNSS đại Luận án cho thấy vấn đề đồng hóa mảng anten chi phí thấp giải để mở rộng không giới hạn số phần tử mặt lý thuyết Kỹ thuật kiểm thử với liệu mô liệu thực Ngồi ra, luận án cịn trình bày giải pháp hoàn chỉnh từ phần cứng đến phần mềm giải pháp kết hợp thu GNSS Snapshot với hệ thống định vị qn tính để đạt hiệu suất tương tự với thu truyền thống sử dụng vài phần nghìn giây liệu Ngồi ra, thơng qua luận án, tất mô thực với việc tạo từ mô GNSS dựa phần mềm Việc thiết kế thực mô giới thiệu luận án Kết luận án cơng bố hội nghị tạp chí liệt kê phần đính kèm Các tác phẩm thực trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Việt Nam Politecnico di Torino (Ý) Đề cương luận án Luận án tổ chức thành chương sau: Chương – Lý thuyết sở: Trong chương này, luận án thống kê lại kiến thức tảng liên quan đến kiến trúc thu GNSS bao gồm: thích nghi tín hiệu; dị, bám, giải điều chế liệu; tính tốn vị trí Chương – Bộ mơ tín hiệu GNSS điều khiển phần mềm: Trong chương này, việc thiết kế, thực mô GNSS dựa phần mềm trình bày chi tiết Là thông số quan trọng liên quan đến tốc độ phát tín hiệu, ảnh hưởng tần số lấy mẫu khái quát hóa mặt lý thuyết mô thu Chương – Phương pháp xử lý tín hiệu mảng anten thu GNSS: Chương tập trung vào giải pháp cho phép mở rộng số lượng phần tử số bit lượng tử hóa Giải pháp áp dụng mảng anten chi phí thấp để phát tín hiệu nhiễu giả mạo Chương – Phương pháp xử lý tín hiệu thu Snapshot GNSS: Chương cho thấy thu GNSS đa hệ thống triển khai hiệu Ngồi ra, để cải thiện hiệu suất định vị, tích hợp thu Snapshot GNSS / INS đề xuất Tổng quan hệ thống định vị 1.1 Nguyên lý định vị Phần giải thích nguyên tắc chung hệ thống định vị vệ tinh GNSS Về bản, hệ thống định vị GNSS dựa kỹ thuật giao mặt cầu Trong kỹ thuật này, người nhận trước hết xác định khoảng cách từ vị trí thu đến điểm biết Sau đó, vị trí người nhận xác định giao điểm hình cầu tương ứng vị Định nghĩa trí thu vị trí vệ tinh i Khoảng cách Euclide từ thu tới vệ tinh xác định Véc tơ u xác định biết vị trí x khoảng cách r Trong thu GNSS, khoảng cách khơng thể đo trực tiếp sử dụng thời gian truyền t vệ tinh đến thu Thật không may, đồng hồ thu không đồng với nguyên tử vệ tinh GNSS Kết bên cạnh yếu t ố là, chúng tơi có bi ến không xác định không xác định 1.2 Lịch sử phát triển GNSS 1.3 Các nguy hệ thống GNSS 1.4 Kiến trúc thu GNSS Thích nghi tín hiệu lấy mẫu Kiến trúc điều hịa tín hiệu lấy mẫu minh họa [1] Trong giai đoạn này, tín hiệu nhận điều kiện để đáp ứng yêu cầu trình lấy mẫu Để đơn giản hóa, xem xét tín hiệu GPS L1 từ vệ tinh: (1) cơng suất nhận tín hiệu GPS L1 C(t) D(t) biểu thị mã liệu vệ tinh xem xét Sau thực việc đồng tín hiệu nhận tín hiệu tạo từ thu, tín hiệu nhận được tách thành thành phần I Q Khơng tính tổng qt, luận án sử dụng dạng phức để biểu diễn tín hiệu kênh I Q Dị tín hiệu Giai đoạn dị tín hiệu nhằm mục đích ước tính gần pha mã tần số Doppler vệ tinh GNSS nhìn thấy Trong thực tế, pha thực tính tương quan với tần số Doppler giá trị pha mã khơng gian tìm kiếm Vệ tinh coi xuất tồn khơng gian tìm kiếm có giá trị cao ngưỡng định Pha mã tần số tương ứng đầu pha dị tín hiệu Ngưỡng chọn phải xem xét cẩn thận có liên quan đến số lượng vệ tinh sử dụng tỷ lệ thuận với độ xác giải pháp sử dụng Bám thực giải mã liệu Sau pha dị tín hiệu, thu ước lượng thơ khoảng pha mã tần số Doppler vệ tinh nhìn thấy Tuy nhiên, tham số thay đổi theo thời gian thay đổi vị trí tương đối vệ tinh thu Các giai đoạn bám tín hiệu nhằm mục đích giữ cho mã sóng mang tín hiệu nhận thơng qua việc sử dụng vịng lặp khóa trễ (DLL) vịng lặp khóa pha (PLL) Tính tốn vị trí Với giả định tín hiệu nhận được dị bám thành công tối thiểu vệ tinh Trước thực tính tốn PVT, thời gian truyền phải ước tính Xây dựng triển khai mơ tín hiệu GNSS Xuất phát từ cần thiết mơ linh hoạt có khả mô mối đe dọa lên đáng tin cậy lĩnh vực GNSS (ví dụ: gây nhiễu, giả mạo phá sóng) bên cạnh đặc tính mơ thơng thường, chương trình bày thiết kế thực mơ dựa phần mềm Ngoài ra, chương phần tích tổng quát ảnh hưởng tần số lấy mẫu đến hiệu suất thu để từ để đề xuất tần số lấy mẫu phù hợp cho mô Phương pháp mơ hình hóa mơ phát triển trình bày chương Ngồi số thử nghiệm thực thu điều khiển phần mềm thu thương mại (ví dụ: Ublox, Septentrio) trình bày báo cáo Các kết đạt được báo cáo chương cho thấy mô phát triển coi giải pháp chi phí thấp để mơ khơng tín hiệu anten đơn mà cịn tín hiệu mảng anten Trình mơ sử dụng để giả mạo can thiệp mô đáng tin cậy (ví dụ: multipath) [18] 2.1 Lý thuyết mơ hình hóa 2.2 Tổng quan mơ hình hóa tín hiệu anten mảng thu GNSS 2.2.1 Mơ hình tổng quan tín hiệu nhận thu định vị Hình 2.1: Mơ hình tín hiệu nhận cho anten Tín hiệu nhận phần tử thứ m coi kết hợp tín hi ệu trực tiếp t vệ tinh (LOS), nhiễu đa đường, nhi ễu can nhiễu (cố ý không chủ ý) (Hình 2.1) Nó biểu di ễn sau: (2) Lưu ý tạo dao động dùng chung phần tử để đồng chúng (Hình 2.2) Hình 2.2: GPS multi-antenna frontend Bộ mơ phát tri ển tạo tín hiệu GNSS với tham số liên quan đến chuỗi đồng tín hiệu (frontend) Do đó, đầu vào mơ gồm có quỹ đạo người dùng, thông tin quỹ đạo vệ tinh, đặc tính lọc cấu hình cơng suất tín hiệu, đa kênh nhiễu Đầu mơ tín hiệu số hố phần tử mảng anten Sơ đồ hoạt động mơ thể Hình 2.3 Hình 2.3: Sơ đồ mô Như minh họa Hình 2.3, mơ có ba khối xử lý chính, là: tính tốn trễ truyền, mã hóa tin định vị tạo tín hiệu số hóa Khối tính tốn độ trễ lan truyền vệ tinh nhìn thấy thu, độ gây trễ tầng ionospheric tropospheric Khối thứ hai mã hóa tin định vị Khối cuối tổng hợp liệu thông tin cho tạo tín hiệu LOS NLOS, nhiễu nhiễu 2.2.2 Can nhiễu 2.2.3 Nhiễu đa đường 2.2.4 Nhiễu Mặc dù nhiễu phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, nhiễu chủ yếu phụ thuộc vào mạch đồng Nhiễu thường mơ hình hóa nhiễu trắng Trong trường hợp mảng angten, frontend gây nhiễu trắng độc lập 2.3 Ảnh hưởng tần số lấy mẫu lên hiệu mô thu 2.4 Đánh giá hiệu mơ 2.4.1 Đánh giá tín hiệu mô với antenna mảng Hiệu suất mô kiểm tra cách áp dụng tín hiệu tạo cho mảng anten với bốn phần tử, Hình 2.4 Để dễ dàng cho phép kiểm thử, toạ độ XYZ chọn trùng với tọa độ ENU Gốc hệ tọa độ tham chiếu nằm tâm phần tử đầu tiên, vị trí bốn phần tử Bảng 2.1 Element X (m) Y (m) Z (m) 0 -0.094 0 -0.094 -0.094 -0.094 Bảng 2.1: Tọa độ phần tử Hai khối thu phân tích, cụ thể là: khối bám tín hiệu mơ-đun tính tốn PVT Trong giai đoạn đầu tiên, cách sử dụng khối bám tín hiệu De Lorenzo đề xuất [20] để xử lý tín hiệu mảng, tính khác biệt pha sóng mang tín hiệu Trong giai đoạn tính tốn PVT, nhờ sử dụng thuật tốn RTK, vị trí phần tử mảng bị xác định mức độ cm Hình 2.4: Cấu hình phần tử mảng Trong kịch này, sáu vệ tinh mơ Tín hi ệu mô phát lại vào thu GNSS liệu đầu thu tính tốn dựa RTKLIB để tính tốn PVT Kết thu kịch kiểm thử biểu diễn Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.5: Vị trí ước lượng thành phần Rõ ràng, độ xác k ết đạt dựa thuật toán RTK đủ để xác định bốn vị trí phần tử Kết đạt xác nhận cơng suất mơ để tạo tín hiệu mảng anten 10 Hình 2.6: Vị trí ước lượng thành phần 2.4.2 Mơ đồ hình xạ anten Trong điều kiện lý tưởng, mô hình xạ anten giả định đẳng hướng Trong mơ xác định khu vực nơi có suy giảm độ lợi anten Xét mặt hình học vùng suy giảm đưa theo góc phương vị độ cao, suy giảm biểu diễn giảm bớt cường độ tín hi ệu nhận Ví dụ, tình cho thấy phần tử 1, 2, bị méo với dB, -4 dB, -6 dB -8 dB, tương ứng khu vực: Trong q trình thử nghiệm mơ phỏng, tín hiệu từ vệ tinh PRN phát tới anten sau phút kể từ bắt đầu mơ Bằng cách quan sát tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) PRN Hình 2.7, thấy SNR giảm theo suy giảm tín hiệu mơ 11 Hình 2.7: Tỉ số tín hiệu nhiễu vệ tinh PRN01 2.4.3 Đánh giá nhiễu đa đường mô 2.5 Kết luận Chương trình bày phương pháp mơ hình hóa để mơ tín hiệu mảng anten Ngồi ra, số thí nghiệm tiến hành để xác nhận khả mô để tạo tín hiệu thích hợp cho thuật tốn khác xử lý tín hiệu mảng Giới hạn chủ yếu mô tốc độ thấp việc tạo tín hiệu Trong tương lai, khía cạnh cải thiện cách sử dụng GPU Bên cạnh đó, trình mơ đượ cải tiến để mơ hệ thống định vị khác 12 Xử lý tín hiệu anten mảng cho thu định vị 3.1 Giới thiệu Chương trình bày giải pháp để mở rộng số lượng phần tử giao diện mảng anten cho thu GNSS Trong giải pháp này, tín hiệu từ phần tử không cần thiết để đồng sau ADC mà chúng thực kỹ thuật xử lý hậu kỳ Với giải pháp này, việc mở rộng phần tử anten mảng không phụ thuộc băng thơng giao tiếp Do đó, thiết kế mảng anten số có ưu điểm nhiều bit lượng tử, độ nhỏ gọn khả mở rộng Trong nghiên cứu gần đây, có số nỗ lực để đồng hóa phần tử tách biệt mảng anten [22] Tuy nhiên, kỹ thuật áp dụng thu GNSS thuộc tính tín hiệu GNSS Dựa giải pháp đề xuất, chương trình bày thiết kế anten mảng chi phí thấp cho ứng dụng GNSS Kỹ thuật áp dụng để đồng hóa thu RTL2832 để trở thành tạo anten mảng Dải tần số hoạt động thu thay đổi từ 25 MHz đến 1750 MHz bao gồm toàn dải tín hiệu GNSS Hơn nữa, bit lượng tử ADC mở rộng đến 16 bit Do đó, thiết bị đề xuất hồn phù hợp cho ứng dụng GNSS Để kiểm thử tính tin cậy hệ thống, luận án trình bày phần mềm xử lý phát triển cho anten mảng Ngồi việc thu tín hiệu, phần mềm thực đồng hóa tín hiệu nhận thành phần ước tính khác biệt tần số phần tử Vì phần tử giao diện người dùng thiết bị thu hồn chỉnh với giao tiếp riêng nên tín hiệu từ phần tử gửi tính xử lý không nhận lúc Hơn nữa, việc sử dụng đồng hồ chung cho tất phần tử, tần số điều chỉnh Local Oscillator (LO) khác phần tử Do đó, vấn đề phải giải trước sử dụng lối vào Một giải thích đầy đủ thuật toán sử dụng phần mềm luận án đưa phần 13 3.2 Đề xuất giải pháp cho việc đồng liệu nhận phần tử mảng tách rời (A) Kiến trúc truyền thống (B) Kiến trúc đề xuất Hình 3.1: Kiến trúc thu GNSS nhiều anten Khơng tính tổng qt, xem xét mảng anten với phần tử Chúng ta giả định tín hiệu nhận phần tử sau: (3) tín hiệu nhận pha mã C/A tín hiệu liệu tín hiệu độ delay tín hiệu thành phần tần số cịn lại sau chuyển tín hiệu xuống baseband thành phần pha sóng mang tín hiệu Tín hiệu tương ứng phần tử thứ biểu diễn sau (4) Trong chênh lệch thời gian phần tử trình nhận, 14 ΔΦ chênh lệch thời gian vị trí anten gây Để mơ hình tín hiệu mảng anten, luận án giả định tín hiệu từ phát đặt xa anten theo hướng biểu diễn góc phương vị góc cao (ϕ, θ) 3.2.1 Tính tốn độ sai lệch thời gian phần tử 3.2.2 Tín tốn độ sai lệch tần số phần tử 3.3 Triển khai anten mảng chi phí thấp Theo [23] [24], kết hợp chipset RTL2832U biến R802T2 chứng minh đáp ứng yêu cầu thành phần thu hệ thống GNSS Các thiết bị kết hợp để tạo mảng anten chi phí thấp Chìa khóa việc thiết kế anten mảng việc sử dụng tạo dao động chung Do đó, để điều chỉnh thiết bị thành ứng dụng mảng anten, tạo dao động mặc định trang bị tất thiết bị tháo Sau đó, TCXO kết nối với tất thiết bị Trước sử dụng mảng anten, luận án áp dụng giải pháp đề xuất để giải hai vấn đề: (A) cách đồng hóa liệu lấy từ thiết nhận cách sử dụng nhiều giao tiếp USB, (B) cách xác định độ lệch pha đồng hồ thiết bị 3.4 Đánh giá anten mảng Phần trình bày thí nghiệm với mơ đề cập để xác minh: (A) ước lượng chênh lệch pha mã thành phần (B) cải thiện 4,4 dB sử dụng thuật toán beamforming (3 phần tử) 3.4.1 Sự khác pha phần tử Để xác minh độ tin cậy anten mảng, thử nghiệm sau tiến hành Thứ nhất, phần tử giao diện người dùng kết nối với chia tín hiệu hiển thị hình Sau tín hiệu mơ truyển tới anten mảng Tín hiệu mơ tạo cách sử dụng trình mơ chương 2[3] Việc sử dụng trình mơ giúp kiểm sốt yếu tố bên ngồi (ví dụ: đa đường, nhiễu) làm hỏng tín hiệu nhận 15 Bởi tín hiệu tất vệ tinh mô truyền từ nguồn Chênh lệch pha phần tử phụ thuộc vào chiều dài cáp kiến trúc bên phần tử Rõ ràng, chậm trễ tất vệ tinh Do đó, khác biệt pha phải so sánh với tất vệ tinh xuất Như mong đợi, Hình 3.2 cho thấy quán pha sóng mang tất vệ tinh Hình 3.2: Tracking output of satellites in view 3.4.2 Cải thiện tỉ số tín hiệu nhiễu Trong điều kiện lý tưởng, lợi ích việc sử dụng anten cho giống Do đó, việc sử dụng phần tử đạt mức tăng 4,77dB.Tuy nhiên, điều kiện thực tế, độ lợi anten cụ thể khác với anten khác Cụ thể chugns ta giả định chúng tương ứng , độ lợi tín hiệu tổng hợp sau: (5) 16 vệ tinh 09 Hình 3.3: Hình 3.3 tỷ số sóng mang nhiễu với tín hiệu nhận phần tử khác khác Tuy nhiên, tỷ lệ tín hiệu tổng hộp cao nhiều so với phần tử 3.5 Kết luận Chương trình bày vấn đề thực tế việc thiết kế mảng anten cho ứng dụng GNSS Kết hiển thị chương hứa hẹn cho ứng dụng GNSS khơng mà cịn lĩnh vực khác Trong tương lai, anten mảng sử sử dụng để xác định hướng tới tín hiệu 17 Xử lý tín hiệu thu Snapshot 4.1 Giới thiệu Ngày nay, thu GPS sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng khác nhau, từ định vị phương tiện đến xe không người lái, từ dịch vụ định vị đến giám sát môi trường… Kiến trúc phần xử lý tín hiệu truyền thống thu GPS gồm giai đoạn: đồng hóa (thực dị bám tín hiệu), giải điều chế liệu tính tốn vận tốc theo thời gian vị trí [13] Trong số giai đoạn này, khó khăn giai đoạn đồng hóa tín hiệu Giai đoạn dựa kết tính tốn tương quan tín hiệu nhận với cục tín hiệu để thực việc dị bám tín hiệu Tuy nhiên, vệ tinh GPS nằm cách trái đất khoảng 20,200 km, tín hiệu nhận yếu môi trường không bị che chắn (giá trị trung bình C/N0 45dB-Hz) Do đó, thời gian tích lũy cho giá trị tương quan phải đủ dài để tín hiệu xuất nhiễu (ví dụ giá trị danh nghĩa 1ms cho thời gian tích hợp) Trong mơi trường bị che chắn (dưới gốc cây, nhà…), thời gian tích hợp cần cao Ngồi ra, tính tốn PVT, thu GPS độc lập phải bật tối thiểu 30 giây để tải xuống toàn liệu ephemeris từ vệ tinh Ngay giải pháp AGPS mà đòi hỏi thời gian ngắn để có vị trí (TTFF), cần giây để giải mã tem thời gian cho tính tốn thời gian vận tốc-thời gian (PVT) [13] Điều dẫn đến thực tế để có vị trí GPS cần phải địi hỏi nguồn tài ngun tính tốn lớn, hay nói cách khác mức tiêu thụ điện lớn Trong năm gần đây, điện thoại thơng minh có thu tín hiệu GPS, nhiên, tính bật, pin điện thoại bị cạn kiệt nhanh Do đó, cần có thêm dung lượng pin cho thiết bị có mối quan tâm lớn kích thước trọng lượng (ví dụ: đồng hồ thơng minh, thiết bị theo dõi trẻ em, theo dõi vật ni ), cần có phương pháp tiêu thụ điện thấp để định vị GPS 18 Hình 4.1: Kiến trúc thu Snapshot [14] giới thiệu kỹ thuật định vị Snapshot Trong kỹ thuật này, người dùng trang bị thu thập liệu GPS, thu tín hiệu GPS từ mơi trường thực tế Tập liệu sau truyền đến máy chủ (xem Hình 4.1) Ở phía máy chủ, liệu lịch thiên văn GPS có sẵn (sử dụng thu khác) liệu nhận sử dụng ể tính tốn vị trí người dùng Trong kỹ thuật này, nhiệm vụ khó khăn - đồng hóa tín hiệu tính tốn vị trí - thực phía máy chủ, phía người dùng, cần thu thập liệu GPS đơn giản với modem giao tiếp Bằng cách này, u cầu tính tốn phía người dùng loại bỏ, cuối cùng, mức tiêu thụ điện giảm đáng kể Mặc dù phương pháp lần NASA đề xuất [14] vào năm 1997, nghiên cứu rộng rãi năm gần nhu cầu ngày thấp định vị tiêu thụ điện thấp cho thiết bị di động, đặc biệt cho đồng hồ thông minh theo dõi đối tượng Trong [14], yêu cầu sử dụng kỹ thuật cần biết vị trí gần (gọi vị trí tiền nghiệm), phải không cách xa khoảng cách thật 150 km, tương đương với nửa chiều dài mã trải phổ tín hiệu Tuy nhiên, thơng tin khơng phải lúc cung cấp thực tế Để khắc phục giới hạn đó, nghiên cứu gần đây, đề xuất giải pháp khả thi khác [25] [26] cách sử dụng vị trí trạm phát mạng di động Tuy nhiên, sách cơng ty viễn thơng, thơng tin trạm gốc lúc cung cấp [3] đề xuất giải pháp sử dụng phương pháp định vị Doppler để cung cấp giải pháp trước cho định vị Snapshot Mặc dù vị trí cách sử dụng phương pháp Doppler khơng đủ xác cho mục đích định vị thơng thường, nhiên, mức độ xác đáp ứng u cầu 150 km Tuy nhiên, kiến trúc [15] yêu cầu phải xác định xác pha mã Do 19 đó, q trình bám tín hiệu bắt buộc, điều dẫn đến tiêu thụ điện tính tốn tương quan Bên cạnh phần xử lý tín hiệu loại bỏ kỹ thuật Snapshto, phần giao tiếp cần phải kiểm soát mức tiêu thụ điện Do đó, kích thước tập liệu phải giảm nhiều tốt để đáp ứng yêu cầu Về lý thuyết, lấy liệu GPS sử dụng bit để lượng tử hóa, với tần số lấy mẫu 2.046 MHz Tần số lấy mẫu có tác động quan trọng đến độ xác vị trí khơng thể giảm tiêu chí Nyquist Trong đó, số bit lượng tử hóa có tác động đến độ nhạy vị trí, bù đắp cách kéo dài thời gian tương quan Ngoài ra, quan điểm thiết kế triển khai phần cứng, luồng liệu bit đơn giản ổn định giao diện bit kể từ giao diện giao tiếp ngoại vi nối tiếp (SPI), giao thức truyền liệu nhanh, sử dụng trực tiếp luồng bit để tạo thuận lợi cho việc truyền liệu giao diện người dùng vi xử lý Chương giới thiệu thiết kế giải pháp định vị GPS tiêu thụ điện thấp dựa phương pháp định vị Snapshot Trong thiết kế này, giải pháp Snapshot hồn chỉnh bao gồm trình thu thập liệu GPS chương trình máy chủ trình bày Việc xử lý Snapshot thúc đẩy lối vào lượng tử bit vị trí Doppler để đạt mục tiêu tiêu thụ điện thấp Giải pháp xác thực tín hiệu GPS thực Các kết xác nhận cho thấy phương pháp giúp giảm 77% điện tiêu thụ so với nhận GPS thương mại điển hình, độ xác khoảng 14 m theo phương ngang, đáp ứng hầu hết ứng dụng di động 4.2 Kiến trúc đề xuất Kiến trúc đề xuất có phần, cụ thể lấy mẫu GPS để thu thập liệu số hóa IF phần mềm máy chủ để xử lý sau để ước tính PVT lấy mẫu GNSS 20 4.2.1 Phần cứng thu thập liệu định vị 4.3 Phần mềm tín thốn 4.4 Tích hợp lỏng Snapshot GNSS/INS 4.5 Kết 4.5.1 Bộ thu định vị Snapshot hoạt động độc lập Thứ nhất, luận án đánh giá hiệu suất định vị với tín hi ệu thực tế thu thập định vị GPS đề xuất Dữ liệu thu thập vào ngày 19 tháng năm 2017 ĐHBKHN Do kết thu tương đương tín hiệu khác nên luận văn sử dụng kết thu tín hiệu: mạnh (PRN20) yếu (PRN12) Như quan sát hình, vệ tinh phát hi ện tín hiệu nhận yếu Kết xác minh giải pháp đề xuất sử dụng mơi trường khắc nghiệt nơi nguồn tín hiệu GPS yếu Với 10 mili giây thời gian tích hợp có vệ tinh xuất Pha mã, tần số Doppler tỷ lệ công suất đỉnh trung bình lượng (PAPR) vệ tinh thu được thể hình Vì tất phép đo cho thấy hành vi tương tự, luận văn thực hi ện phép đo để trực quan hóa cơng việc giải pháp đề xuất Để tính tốn vị trí người dùng, vị trí Doppler thực trước tiên để tạo giải pháp ban đầu Như thể hình, vị trí sản xuất (màu xanh) cách vị trí người dùng khoảng km Điều xác nhận vị trí vị trí Doppler tạo đáp ứng yêu cầu giải pháp tiên tiến cho vị trí chụp nhanh (dưới 150 km so với vị trí người dùng) Sử dụng đầu từ vị trí Doppler, giải pháp thuật toán chụp nhanh hội tụ sau lần lặp (màu đỏ) Độ xác thu thể hình Bảng Rõ ràng, với độ xác 14 mét, giải pháp tiếp cận độ xác thu thương mại Bảng Hiệu định vị giải pháp đề xuất (100 phép đo với anten cố định) (m) (m) (m) 21 (m) 14.12 14.66 40.7 45.58 Rõ ràng, với độ lệch chuẩn 45,58 m, độ xác thiết kế đề xuất tốt so với cơng trình trước (62,81 m) [25] 4.5.2 Tích hợp thu Snapshot với GPS Trong thử nghiệm thứ hai, luận án đánh giá mức tiêu thụ điện giải pháp đề xuất với Ublox - thiết bị thu lượng tiêu thụ thấp thị trường Trong thử nghiệm này, chúng tơi đo mức trung bình cài đặt với khoảng thời gian khác sưu tập tín hiệu Cơng suất ước tính thiết kế đề xuất có tỉ lệ nghịch với thời gian đo lường U-blox khơng thay đổi với 22mA mức trung bình Điều giải thích thu cần thu thập liệu khoảng thời gian 180 mili giây Trong thí nghiệm chúng tôi, cảm biến IMU thu GPS chọn 3DM-GX3 cung cấp MicroTrain LEA-6P Ublox cung cấp tương ứng (Hình 6) Các thí nghiệm tiến hành với hai kịch mô tả belows Trong thử nghiệm chúng tôi, thu GPS IMU gắn vào khung cố định đặt xe Chiếc xe sau di chuyển quanh khn viên HUST sau quỹ đạo minh họa hình Trong chế độ này, vị trí điểm quỹ đạo tham chiếu ước tính kỹ thuật RTK Trạm gốc đặt điểm tham chiếu HUST Chúng tơi xác minh hiệu suất mơ hình đề xuất hai trường hợp DOP DOP thấp Vì vậy, chúng tơi định chọn vệ tinh sau kịch xác định trước sau Trong trường hợp đầu tiên, vệ tinh lựa chọn để tính tốn PVT phải đáp ứng tiêu chí giá trị DOP (Dilution Of Precision) thấp (Hình 8) Thử nghiệm kéo dài 250 giây Trong trường hợp thứ hai, thiết lập giống trường hợp ngoại trừ vệ tinh chọn để tính toán giải pháp PVT Trong trường hợp này, vệ tinh chọn thỏa mãn tiêu chí giá trị DOP cao (Hình 10) 22 Kết luận Trong chương này, lý thuyết liên quan đề xuất thiết kế để định vị mơi trường mà tín hiệu GNSS bị gián đoạn tình bày Kết thử nghiệm chứng minh thiết kế giảm kích thước tập liệu hiệu suất tổng thể cao so với nghiên cứu trước Hơn nữa, giải pháp đề xuất cung cấp cho vị trí mà khơng có cần cung cấp trước vị trí ban đầu Các cơng trình tương lai tập trung vào việc cải thiện độ xác giải pháp kịch khác 23 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nội dung luận án nhằm mục đích nghiên cứu nguy vấn đề tồn thu GNSS đại ảnh hưởng can nhiễu có chủ đích khơng có chủ đích Thơng qua việc nghiên cứu đặc tính thu GNSS đại, số cải thiện hiệu suất trình bày Trong luận án này, nghiên cứu xử lý liệu tiên tiến cho thu GNSS đại đóng góp chính, tóm tắt sau: Xây dựng thực mô GNSS dựa phần mềm (Chương 2): Chương trình bày lý thuyết việc xây dựng hệ thống mơ GNSS có khả mơ tín hiệu mảng anten Sơ đồ khối, phân tích lý thuyết thực tế tất giai đoạn mô cung cấp đặc biệt đánh giá ảnh hưởng tần số lấy mẫu Kết đánh giá hiệu suất chứng minh tín hiệu tạo đáng tin cậy đối tương tự tín hiệu thu trực tiếp từ vệ tinh Trong tương lai, hệ thống tích hợp để mô với nhiều hệ thống khác Đề xuất giải pháp đồng cho anten mảng thu GNSS (Chương 3): Kỹ thuật đề xuất cho phép mở rộng số phần tử anten vô hạn mặt lý thuyết Kỹ thuật chứng minh phù hợp với lối vào mảng anten chi phí thấp Đề xuất giải pháp tích hợp định vị nhanh với định vị quán tính (Chương 4): Bộ thu định vị nhanh Snapshot đa hệ thống đề xuất Bộ thu chứng minh phù hợp với tín hiệu GNSS gián đoạn phá sóng, giả mạo can nhiễu 24 ... đến việc triển khai kỹ thu? ??t thu GNSS Thứ nhất, giải pháp sử dụng bit ADC Về mặt lý thuyết số lượng bit đủ cho thu định vị làm cho thu GNSS khơng cịn hoạt động hiệu bị can nhiễu Thứ hai, số lượng... hệ thống định vị quản tính INS thu Snapshot chưa nghiên cứu cách đầy đủ cơng trình trước Từ phân tích trên, luận án trình bày kỹ thu? ??t xử lý tín hiệu nâng cao cho thu GNSS đại Luận án cho thấy... Tổng quan hệ thống định vị 1.1 Nguyên lý định vị Phần giải thích nguyên tắc chung hệ thống định vị vệ tinh GNSS Về bản, hệ thống định vị GNSS dựa kỹ thu? ??t giao mặt cầu Trong kỹ thu? ??t này, người