Nghiên cứu các giải pháp chống nhiễu cho máy thu định vị vệ tinh

  MỞ ĐẦU  Ngày nay, hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS Global Navigation Satellite System) trở thành thành phần quan trọng nhiều ứng dụng đời sống xã hội, giúp mang lại nhiều tiện ích cho người như: ứng dụng vận tải, ứng dụng khẩn cấp, dịch vụ định vị giám sát môi trường Bên cạnh khả cung cấp thơng tin vị trí cho nhiều ứng dụng, dịch vụ GNSS cịn có khả lập lịch thời gian với độ xác cao cho hệ thống có tính đồng  bộ hệ thống viễn thơng mạng Chất lượng tín hiệu GNSS ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động dịch vụ, có bon tham số phẩm chất GNSS đưa bao gồm: xác, tỉnh khả dụng, tính liên tục tinh tồn vẹn thơng tin [17] Tuy nhiên, dịch vụ GNSS bị đe dọa nghiêm trọng xuất mối đe dọa gây nhiều giá mục, nguy can thiệp đến dịch vụ định vị đồng thời gian vệ tinh gia tăng Do thu tín hiệu GNSS hệ tan phải trang bị kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến để đảm bao tỉnh tin cậy cho dịch vụ Các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh toàn cầu nhiều nước tiên tiên giới quan tâm nghiên cứu phát triển Bên cạnh hệ thống định vị toàn cầu (GPS Global Positioning System) lâu đời phổ biến cá Mỹ năm gần đây, nhiều cường quốc phát triển hệ thống định vị vệ tinh Nga (GLONAss), Trung Quốc (Beidou), Nhật Việc ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh ngày trở nên phổ biến ngành kinh tế, xã hội Song song với phát triển mạnh mẽ tiềm tàng nhiều yếu tố gây ảnh hưởng chí sai lệch kết định vi, ví dụ như: can nhiễu từ hệ thống viễn thông, truyền hình, Vì vậy, việc nghiên cứu đề xuất phương pháp nhằm phát hiện, phòng tránh yếu tố sai lệch nêu có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao chất lượng dịch vụ sử dụng vị trí cung cấp hệ thống định vị sử dụng vệ tinh Vì tín hiệu GNSS thu máy thu có phổ cơng suất thấp bị  bao phủ nhiễu, nên tín hiệu dịch vụ hệ thống GNSS nhạy cảm với tác động loại nhiễu nhiễu tần số vô tuyến gây suy giam chất lượng dịch vụ người dùng Về mặt kỹ thuật, tin hiệu GNSS truyền từ vệ tinh cách xa Trái đất (khoảng 20.000 km) nên đến máy thu, công suất tín hiệu nhỏ nhiều khoảng 1024 lần (26dB) [10] Bất kỳ nguồn nhiễu (thiết bị gây nhiễu, hệ thống thông tin liên lạc kỹ thuật số mặt đất hay tầng điện ly) nguyên nhân gây giam chất lượng tín hiệu nhận từ vệ tinh, làm vơ hiệu hoa hoạt động máy thu Ngoài ra, hệ thống GNSS thường nằm quản lý tổ chức quân dịch vụ mở (ví dụ GPS LIC A Bedou   Bị GLONASS LIOF) cung cấp cho người dùng mà khơng có đảm bảo độ tin cậy tỉnh liên tục chung Về mặt khách quan, tín hiệu nhiều xuất phát từ nhiều nguồn với đặc tính khác nên việc xử lý để loại bỏ hoàn toàn nhiều gần khơng Vì vậy, việc nghiên cứu, đề xuất phương pháp phát hiện, chống nhiều cho may thu định vị vệ tinh có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp hệ thống định vị vệ tinh, có ý nghĩa thực cao Chính lí do, học viên chọn nội dùng “Nghiên cứu giải pháp chống nhiễu cho máy thu định vị vệ tinh" làm để ta nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp thạc sỹ   TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 1.1 Giới thiệu Trong xã hội nay, ứng dụng thông tin vệ tinh bao phủ hầu hết mặt đời sống xã hội Ví dụ, điện thoại sử dụng thơng tin vệ tinh xác định xác tọa độ người dùng Tọa độ xác định nhờ  hệ thống hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS: Global Navigation Satellite System) GNSS tên dùng chung cho hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh GPS (Hoa Kỳ), hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu) GLONASS (Liên bang Nga) hệ thống định vị Bắc Đầu (Trung Quốc) [15) 1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống định vị vệ tinh   Hệ thống hoạt động thông qua kỹ thuật mang tên Trilateration Khi thu thập tín hiệu từ vệ tinh tính tốn vị trí, độ cao, vận tốc đồng để mang đến kết xác  Những vệ tinh quay xung quanh Trái Đất đọc tín hiệu, giải mã đến thiết bị nằm gần nằm bề mặt Trái Đất Và muốn cho thiết bị GPS tính tốn vị trí xác cần nhận tín hiệu từ tối thiểu vệ tinh Mỗi vệ tinh mạng lưới phải quay xung quanh Trái Đất lần/ngày vệ tinh gửi tín hiệu thông số quỹ đạo, thời gian đến cho thiết bị Ở thời điểm thiết bị đọc tín hiệu từ 06 vệ tinh trở lên Một vệ tinh phát sóng để thiết bị nhận diện, tính tốn khoảng cách từ thiết  bị đến với vệ tính Do có thơng số khoảng cách nên dùng vệ tính bạn khơng xác định vị trí thiết bị mặt Trái Đất Khi vệ tính bắt đầu gửi tín hiệu tạo vịng trịn bán kính với khoảng cách từ thiết bị đến vệ tinh Lúc thêm vệ tinh thứ hai vịng trịn tạo ra, vị trí thiết bị thu hẹp nằm hai điểm giao hai vịng trịn Lúc có tham gia từ vệ tinh thứ vị trí thiết bị xác định xác nằm giao điểm vòng tròn Tuy nhiên sống giới chiều nên vệ tinh tạo thường hình cầu khơng phải hình trịn giao điểm hình cầu gần với Trái Đất chọn theo hình minh họa đây:   Đến thiết bị xe tơ chạy, máy bay cất cánh, xe đạp, chạy bộ,… khoảng cách vệ tinh thiết bị thay đổi Việc dẫn đến việc bán kính hình cầu thay đổi, vệ tinh tạo hình cầu để xác định theo vị trí Sau sử dụng liệu kết hợp thời gian từ vệ tinh để dễ dàng xác định khoảng cách, vận tốc đến đích thời gian ước tính   1.3 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh 1.4 Các hệ thống định vị vệ tinh 1.4.1 Hệ thống GPS    1.4.2 Hệ thống GLONASS  1.4.3 Hệ thống Galileo 1.4.4 Hệ thống Beidou (Bắc Đẩu) 1.4.5 Hệ thống định vị vệ tinh khu vực 1.4.6 Các hệ thống định vị vệ tinh mở rộng  1.5 Cấu trúc tín hiệu GPS  1.5.1 Cấu trúc tín hiệu GPS  1.5.2 Cấu trúc tín hiệu GLONASS    1.6 Ứng dụng hệ thống định vị vệ tinh 1.7 Kết luận Trên sở nghiên cứu tổng quan cấu trúc hệ thống, nguyên lý hoạt động cấu trúc tín hiệu ứng dụng hệ thống GNSS, từ nhận thấy hệ thống GNSS đóng vai trị quan trọng việc mang lại tiện ích xã hội Hiện nay, có nhiều hệ thống định vị nhiều nước khác tất hệ thống phải đối mặt với nguy cơng, khả can thiệp đón dịch vụ ngày gia tăng Trong đó, cần thiết phải trang bị cho thu tin hieu GNSS hệ mới, kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến để đảm  bao độ tin cậy dịch vụ vấn đề cấp bách dạng đặt Do vậy, việc nghiên cứu nguồn gây nhiều giải pháp chống nhiều cho máy thu định vị vệ tinh nhằm nâng cao hiệu cho máy thu định vị vệ tinh đựng đặc biệt ý, quan tìm hương nghiên cứu mà luận văn hưởng tới Một số ảnh hưởng mơi trường truyền sóng mạng thơng tin vệ tinh định vị   Tầng khí mơi trường truyền sóng có ảnh hưởng trực tiếp đến sóng truyền thơng tin vệ tinh định vị Trong khí tác động rõ nét đến kênh truyền ảnh hưởng tầng đối lưu tầng điện lỵ 2.1 Ảnh hưởng tầng đối lưu Lớp cuối khí tầng đối lưu (troposphere) với độ cao lên đến 8km tới 10km vĩ tuyến gần bắc nam cực, 10km đến 12km vĩ tuyến trung bình 16km đến 18km vĩ tuyến gần xích đạo Các thành phần khí tầng đối lưu (chủ yếu oxy) không biến đổi nhiều theo độ cao ngoại trừ nước phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí tượng thủy văn giảm mạnh theo độ cao Tính chất quan trọng tầng đối lưu giảm nhiệt theo độ cao Tốc độ giảm trung bình vào khoảng 6km Đến tầng bình lưu nhiệt độ ổn định Tầng đối lưu xét góc độ mơi trường truyền sóng hỗn hợp khí gồm oxy nước có đặc tính hấp thụ lượng sóng theo tần số Có hai dạng hấp thụ hấp thụ phân tử hấp thụ hạt nước a) Hấp thụ hạt nước Sự xuất dòng hạt nước mây mù tạo thành vùng không đồng gây tượng tán xạ sóng điện từ khỏi vùng gây giảm trường đến anten thu nên xem tổn hao hạt nước (tổn hao khuếch tán) Bên cạnh với dải tần số siêu cao (sóng em mm), lượng sóng bị mát hình thành dịng điện dịch bên hạt nước gây nên hấp thụ lượng sóng điện từ truyền lan (tổn hao nhiệt) Trong thực tế kỹ thuật, để xác định tổn hao mưa người ta thường thiết lập biểu đồ số liệu thực nghiệm Bằng thực nghiệm, đồ thị biểu diễn hệ số hấp thụ ô theo cường độ mưa thiết lập Giá trị tuyệt đối hệ số hấp thụ đạt 0,25dB/km/(1mm/h)  Như vậy, để có độ tin cậy đường truyền vệ tinh trường hợp có mưa mây mù cần có số liệu thống kê khí tượng thủy văn khu vực nơi kênh truyền thực b) Hấp thụ phân tử  Sóng vơ tuyến có bước sóng nhỏ 1,5cm ( f > 20GH;) sóng cịn bị hấp thụ tác động trường đến phân tử gọi hấp thụ phân tử Hấp thụ phân tử xem xét điều kiện trời quang, không mưa, không mây mù Trong trường hợp lượng sóng truyền lan bị tiêu hao đốt nóng vật thể ion hóa kích thích nguyên tử Khi hấp thụ, nguyên tử, phân tử chuyển tử trạng thái lượng thấp lên trạng thái lượng cao Do mức nặng lượng có tính rời rạc nên q trình hấp thu có tính chọn lọc tần số Hấp thụ    phân tử tầng đối lưu chủ yếu phân tử oxy nước Qua thực nghiệm cho thấy dải sóng siêu cao tần có giá trị hấp thụ mạnh gây tổn hao lớn đột ngột với bước sóng: + Hấp thụ phân tử nước: λ = 0,75cm; 1,35cm; 1,5cm + Hấp thụ đở phân tử oxy: λ = 0,25cm; 0,5cm Hình 1.7 Mơ tả giá trị hệ số hấp thụ theo tần số dại tần từ GHz (λ = 30km) đến 500GHz (λ = 0,6mm) Từ đô thị ta thấy rõ vùng cộng hưởng hấp thụ phân tử với giá trị đặc biệt lớn c, Hấp thụ mưa Mưa gây hấp thụ mạnh lượng sóng vơ tuyến truyền lan qua Lượng mưa trung bình khác biệt theo vùng địa lý Dựa vào đồ dự bảo lượng mưa ngành khí tượng thủy văn, có nhiều mơ hình xác định tổn hao sóng vơ tuyến hấp thụ mưa Các phương pháp tiến hành theo hai bước: Trước hết dự đoán phân bố xác suất lượng mưa sau tính tổn hao sống mưa dựa hệ số hấp thụ xác định 2.2 Ảnh hưởng tầng điện ly   Đối với dải sóng cực ngắn siêu cao tần tầng điện ly xem suốt Ảnh hưởng rõ nét tầng điện ly kênh truyền vệ tinh hiệu ứng Faraday trễ nhóm Các hiệu ứng tầng điện ly có ảnh hưởng lớn đến sóng vơ tuyến có tần số đến khoảng 10GHz, đặc biệt vệ tinh phi địa tĩnh có tần số làm việc 3GHz Các phần tử mang điện (điện tử, ion+) tầng điện ly tác động lên sóng vơ tuyến truyền xun qua tầng điện lỵ gây nên tượng quay sóng mang có phần cực đường thẳng với trễ thời gian đường truyền sóng Hiện tượng quay phân cực tuyến tính gọi quay Faraday cịn trễ trễ nhóm Xem xét góc độ truyền sóng vơ tuyến, tầng điện ly tầng có tham số không ổn định Sự không ổn định thể ở  chiều cao tầng điện lỵ Cùng với độ dày tầng điện lỵ, xuất tầng điện ly theo phân lớp mật độ cấu trúc bên tầng điện lỵ Các tham số phụ thuộc vào vùng địa lý, mùa năm chu kỳ xạ 11 năm mặt trời Các tượng gọi chung biến động khơng bình thường tầng điện lỵ gây khó khăn việc khắc phục ảnh hưởng tầng truyền sóng vệ tinh 2.3 Các lực nhiễu quỹ đạo Các quỹ đạo xét tử trước đến quỹ đạo Kepler có dạng elip cho trường hợp vệ tỉnh nhân tạo quay quanh trái đất Đây quỹ đạo lý tưởng ta coi qua đất khối lượng hình cầu phân bố lực tác dụng lực li tâm gây chuyển động vệ tinh để cân lực hút trái đất Trong thực tế cịn có lực khác lực hút mặt trời, mặt trăng kéo khí Các lực hút mặt trời mặt trăng ảnh hưởng lên vệ tinh quỹ đạo thấp chúng tác động lên quỹ đạo địa tĩnh Lực kéo khí trái lại ảnh hưởng lên vệ tinh địa tĩnh lại ảnh hưởng lên vệ tinh tầm thấp 1000 km 2.3.1 Các ảnh hưởng mặt đất khơng phải hình cầu 2.3.2 Sự kéo khí Đối với vệ tinh gần trái đất, ảnh hưởng kéo khí (Atmospheric Drag) dáng kể Do lực kéo lớn cận điểm kéo làm giảm tốc độ vệ tinh điểm nên vệ tinh không đạt đến độ cao viễn điểm vùng Kết bán trục độ lệch tâm giảm Sự kéo không thay đổi thông số khác quỹ đạo bao gồm độ cao cận điểm 2.4 Ảnh hưởng loại nhiễu   Các giải pháp chống nhiễu hiệu cho máy thu định vị vệ tinh 3.1 Các giải pháp chống nhiễu hiệu cho máy thu định vị vệ tinh   3.1.1 Kỹ thuật xử lý tín hiệu anten mảng    3.1.2 Kỹ thuật dựa xử lý tín hiệu số giao diện người dùng   Tuy nhiên, thông tin lúc có sẵn giao diện người dùng thương mại Do đó, số cơng trình đề xuất việc sử dụng phổ biểu đồ mẫu thô để phát nhiều Trong điều kiện khơng có nhiều, phố tín hiệu GPS định hình lọc dầu cuối hình dạng thị giống phản bố Gaussian (Hình 35) Hình dạng thị liên quan đến thực tế tín hiệu nhận bị chi phối tạp âm trăng xung quanh 3.1.3 Kỹ thuật xử lý tín hiệu tưởng quan / giảm sát khỏi định vị  PVT  3.2 Kỹ thuật sử dụng anten mảng cho máy thu GNSS  3.2.1 Giải pháp đề xuất để đồng hóa phần tử riêng biệt anten mảng    Vấn đề nêu là, sử dụng giao diện khác cho phần tử nên giao diện xử lý tác vụ cụ thể OS Kết là, tín hiệu thu thập phần tử không đồng   Dựa vào vị trí tuyệt đối bit điều dướng, khác biệt mẫu tín hiệu số mà ta mong muốn   Rõ ràng, mã sóng mang kênh chỉnh vịng lặp theo dõi Do đó, pha cịn lại kênh xung quanh pha khác  phải đại diện cho khác chúng pha Điều tín lỵ hiệu thu phần tử thứ phần tử thứ m có tần số Tuy nhiên, thực tế chúng có tồn khác biệt Kết là, tín hiệu đầu theo dõi phần tử thứ m > bị lỗi hồn tồn Vì tất vệ tinh làm việc tương tự nhau, ta chọn tinh PRN09 để hình dung tác động độ lệch tần số   KẾT LUẬN  Nội dung nghiên cứu giải vấn đề chống nhiễu cho máy thu định vị vệ tinh, nâng cao chất lượng tín hiệu thu, bảo đảm độ ổn định độ tin cậy cho máy thu Với mục tiêu, đối tượng, phạm vi, nội dung nghiên cứu đặt giải quyết, rút số kết nghiên cứu sau: - Nghiên cứu hệ thống định vị vệ tinh nguyên lý hoạt động hệ thống định vị vệ tinh tìm hiểu kiến trúc máy thu hệ thống định vị vệ tinh - Nghiên cứu loại nhiều, ảnh hưởng nhiều đến chất lượng máy thu tín hiệu định vị vệ tinh Các chi tiêu đánh guả chất lượng chống nhiều hiệu qua chống nhiều cho máy thu GNSS - Đề xuất giải pháp chống nhiều thích hợp cho máy thu định vị vệ tinh, hoạt động môi trường ảnh hưởng nguồn cần nhiều lớn với gii pháp cụ thể để tăng số lượng thiết bị đầu cuối ăng-ten mang cách đồng hóa  phần tử riêng biệt ăng-ten mảng Trong điều kiện nghiên cứu hạn che, luận văn đưa mơ hình ơng-ten mang đơn gian với chi phí thấp thực khảo sát thực nghiệm  bằng kỹ thuật mỏ phong với gia thiết tinh hưởng tín hiệu nhiều tụ thể Kết qua nghiên cứu luận văn phát triển ứng dụng cho mic thu hệ thống định vị tinh