Các bộ thu hệ thống định vị sử dụng vệ tinh nói chung (GNSS) và bộ thu định vị GPS nói riêng sử dụng kiến trúc véctơ ở mạch vòng bám mã sẽ tích hợp thông tin của tất cả các kênh tín hiệu để ước lượng vị trí, tốc độ và thời gian của bộ thu. Trong chế độ véctơ này, quá trình bám tín hiệu và quá trình giải mã bản tin có sự liên kết chặt chẽ hơn so với cấu trúc thông thường vì thế, các kênh tín hiệu có thể chia sẻ và thông tin với nhau. So với cấu trúc thông thường, cấu trúc véctơ này hoạt động hiệu quả với các tín hiệu yếu có khả năng chống nhiễu cao và khả năng khôi phục tín hiệu nhanh chóng. Bài bào này đánh giá hiệu năng hoạt động của kiến trúc véctơ cho khối bám mã trong bộ thu GPS dựa trên bộ lọc hạt điểm khi hoạt động trong môi trường có nhiễu đa đường. Các kết quả mô phỏng cho thấy kiến trúc này có khả năng chống nhiễu đa đường tốt hơn so với kiến trúc thông thường và do đó làm giảm sai số về vị trí.
Đánh giá hiệu chống nhiễu thu GPS sử dụng kiến trúc lọc hạt điểm Performance assesment in interference supression of GPS receiver based on particle filter Tóm tắt Các thu hệ thống định vị sử dụng vệ tinh nói chung (GNSS) thu định vị GPS nói riêng sử dụng kiến trúc véctơ mạch vịng bám mã tích hợp thơng tin tất kênh tín hiệu để ước lượng vị trí, tốc độ thời gian thu Trong chế độ véctơ này, q trình bám tín hiệu q trình giải mã tin có liên kết chặt chẽ so với cấu trúc thơng thường thế, kênh tín hiệu chia sẻ thông tin với So với cấu trúc thông thường, cấu trúc véctơ hoạt động hiệu với tín hiệu yếu có khả chống nhiễu cao khả khơi phục tín hiệu nhanh chóng Bài bào đánh giá hiệu hoạt động kiến trúc véctơ cho khối bám mã thu GPS dựa lọc hạt điểm hoạt động môi trường có nhiễu đa đường Các kết mơ cho thấy kiến trúc có khả chống nhiễu đa đường tốt so với kiến trúc thông thường làm giảm sai số vị trí Từ khóa: GNSS; vịng bám véctơ; lọc hạt điểm; GPS; nhiễu đa đường Abtract Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers as well as GPS receivers based on vector tracking loop combine all information from all channels in order to estimate position, velocity and time of the receiver In vector mode, signal tracking block and navigation data estimation block are more integrated than the traditional tracking loop, then, all channels share and transmit information to each other In comparison with traditional tracking loop, vector tracking loop improves weak signal tracking, interference supression and rapid signal recovery This paper assesses the performance of vector tracking loop based on particle filter in GPS receiver under multipath Simulation results show that vector tracking loop could reduce multipath interference more than traditional tracking loop, then, reduce position error Keywords: GNSS; vector tracking loop; particle filter; GPS; multipath ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (GNSS-Global Navigation Satellite System) GLONASS Nga, GPS Mỹ, Galileo Liên minh châu Âu hay Bắc Đẩu Trung Quốc có khả cung cấp dịch vụ liên quan đến vị trí, định thời tốc độ đến hầu hết vị trí giới, hệ thống GPS Mỹ có phạm vi ứng dụng rộng rãi lâu Bộ thu định vị GPS bao gồm khối chức như: Khối đầu cuối cao tần RF (RF - Radio Frequency), khối bắt tín hiệu định vị, khối bám tín hiệu định vị, khối giải mã tin định vị cuối khối hiển thị thơng tin liên quan đến vị trí, tốc độ thời gian thu GPS [1] Khối bám tín hiệu định vị có vai trị đặc biệt quan trọng thực việc bám sát theo thay đổi liên tục thơng số tín hiệu định vị để cung cấp thơng tin xác tín hiệu định vị cho khối xử lý Hoạt động khối bám tín hiệu định vị ảnh hưởng nhiều đến hiệu hoạt động độ xác thu định vị GPS Trong thu GPS dựa cấu trúc truyền thống, khối bám tín hiệu định vị gồm có đường xử lý cho kênh tín hiệu, cụ thể: vịng khóa trễ (DLL - delay lock loop) thực ước lượng thông số liên quan đến độ trễ mã giả ngẫu nhiên tín hiệu định vị; vịng khóa pha (PLL - phase lock loop) thực ước lượng thơng số sóng mang pha dịch tần Doppler Thơng tin có sau q trình bám tín hiệu đưa sang khối xử lý tiếp theo, khối giải mã tin định vị để ước lượng, tính tốn thơng số vị trí, tốc độ thời gian (PVT - Position, Velocity, Time) thu định vị Mỗi kênh tín hiệu thực cách riêng rẽ q trình xử lý tín hiệu bắt tín hiệu định vị, bám tín hiệu, đồng bit, đồng khung giải mã tin định vị Vì vậy, kênh tín hiệu hoạt động độc lập, cấu trúc dạng gọi mạch vòng truyền thống (STL Scalar tracking loop) Cấu trúc STL nhìn chung hoạt động hiệu tín hiệu định vị đủ mạnh, mơi trường nhiễu Tuy nhiên, nhiễu mạnh lên, thu có tính di động cao cấu trúc STL trở nên hiệu Đặc biệt, tín hiệu định vị yếu cấu trúc STL khơng thể hồn thành q trình bám tín hiệu định vị, dẫn tới trình giải mã tin định vị bị sai nhiều gây an toàn cho phương tiện sử dụng dịch vụ hệ thống GPS Vì vậy, cấu trúc vịng bám dạng véctơ (VTL - Véctơ tracking loop) đề xuất để cải thiện Hiệu hoạt động khối bám tín hiệu nói riêng [2], đồng thời cải thiện độ xác cho thu định vị GPS nói chung Bài báo đề xuất thực cấu trúc VTL sử dụng lọc hạt điểm để nâng cao khả chống nhiễu đa đường cải thiện hiệu hoạt động thu GPS điều kiện tín hiệu định vị yếu Phần đầu báo mô tả lại cấu trúc VTL sử dụng thu GPS Phần báo đề xuất sử dụng lọc hạt điểm cho khối VTL để cải thiện hiệu hoạt động Trong phần mô phỏng, cấu trúc VTL sử dụng lọc hạt điểm đánh giá điều kiện nhiễu đa đường tín hiệu định vị yếu Cuối số kết luận đưa hoạt động thu GPS có sử dụng VTL dựa lọc hạt điểm CẤU TRÚC KHỐI BÁM TÍN HIỆU CĨ CẤU TRÚC DẠNG VÉCTƠ (VTL) 2.1 Cấu trúc VTL Cấu trúc khối bám tín hiệu định vị sử dụng cấu trúc VTL minh họa Hình Cấu trúc VTL đề xuất lần đầu [3], đó, chức bám tín hiệu chức giải mã tin định vị kết hợp thuật tốn xử lý, điều tạo đồng xử lý tín hiệu tính tốn tin định vị So sánh với cấu trúc truyền thống STL, mạch vịng bám VTL có tương quan, tạo mã, tạo sóng mang, so pha mã Tuy nhiên, khác với STL, lọc vòng kênh loại bỏ, đầu so pha mã đưa thẳng đến lọc giải mã tin Trong cấu trúc VTL, sau thông tin PVT thu ước lượng thơng qua tín hiệu định vị có cường độ mạnh, thông tin PVT phản hồi kênh có tín hiệu định vị có cường độ yếu sử dụng để giải mã tin định vị Do đó, nhiễu đồng thời khử tất kênh Đây coi mạch vòng lớn bao gồm kênh bám tín hiệu khối giải mã tin định vị Kết giải mã tin bắt nguồn từ kết bám tín hiệu tất kênh, vậy, tất kênh bám tín hiệu chức giải mã tin kết hợp với Việc kết hợp giúp cho thu dựa VTL bám tín hiệu vệ tinh bị tín hiệu suy giảm tín hiệu tạm thời kết giải mã tin có từ vệ tinh tầm nhìn thấy So với STL, thông tin PVT thu xác Cấu trúc VTL triển khai theo nhiều cách khác nhau, độ xác đầu lọc VTL phụ thuộc vào cấu trúc lọc Kalman mở rộng (EKF) [4] Tuy nhiên, EKF tạo sai số thực sử dụng chuỗi Taylor để tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến 2.2 Mơ hình hóa vịng bám dạng véctơ Trong cấu trúc VTL, lọc giải mã dựa EKF đóng vai trị thu thập thơng tin từ tất kênh để sửa lỗi trạng thái hệ thống, thông tin sửa sai phản hồi ngược mạch bám tín hiệu tất kênh Thực mạch vịng bám véctơ khơng kết hợp, véctơ trạng thái, véctơ đo đạc đóng vai trị quan trọng mơ hình hố lọc giải mã Các trạng thái lọc EKF bao gồm: Vị trí, tốc độ, gia tốc, sai số đồng hồ sai số vị trí thu Giả sử số vệ tinh n, k số thời gian Khi đó, phương trình trạng thái biểu diễn: 𝑋𝑋! = 𝐹𝐹𝑋𝑋!"# + 𝑊𝑊!"# (1) Trong đó: 𝑋𝑋 = (𝛿𝛿𝛿𝛿, 𝛿𝛿𝛿𝛿, 𝛿𝛿𝛿𝛿, 𝛿𝛿𝑥𝑥̇, 𝛿𝛿𝑦𝑦̇, 𝛿𝛿𝑧𝑧̇, 𝛿𝛿𝛿𝛿, 𝛿𝛿𝑏𝑏̇ )! (2) Trong đó: 𝛿𝛿𝛿𝛿, 𝛿𝛿𝛿𝛿, 𝛿𝛿𝛿𝛿 : Sai số trạng thái vị trí; 𝛿𝛿𝑥𝑥̇, 𝛿𝛿𝑦𝑦̇, 𝛿𝛿𝑧𝑧̇: Sai số tốc độ; 𝛿𝛿𝛿𝛿, 𝛿𝛿𝑏𝑏̇ : Sai số độ lệch đồng hồ độ trôi nhịp đồng hồ; F: Ma trận chuyển đổi trạng thái; W: Véctơ tạp âm, giả sử tạp âm trắng chuẩn Gaussian Ở chế độ VTL, đầu so pha mã sử dụng tham số đo đạc cho EKF Để giảm độ nhạy thay đổi biên độ tín hiệu phụ thuộc vịng khóa sóng mang, tham số đo đạc thường sai mã dựa đầu tương quan Sớm (E- Early) Muộn (L- Late) THUẬT TOÁN VTL SỬ DỤNG BỘ LỌC HẠT ĐIỂM 3.1 Bộ lọc hạt điểm (PF) Bộ lọc hạt điểm [5] thuộc nhóm phương pháp Monte Carlo Trái với phương pháp lọc Kalman, hàm mật độ xác suất (PDF) hệ thống không xác định dựa tham số theo chuẩn Gaussian mà sử dụng mẫu thống kê để xấp xỉ hàm PDF Các mẫu biến đổi sử dụng hàm phi tuyến, nên vượt qua giới hạn mà lọc Kalman gặp phải yêu cầu PDF theo chuẩn Gaussian, chuyển đổi trạng thái tuyến tính, hàm quan sát tuyến tính khơng gian trạng thái liên tục Một lọc hạt điểm (PF) thường thực thông qua chế gọi SIR (Sampling - Importance Resampling), kết hợp trình lấy mẫu quan trọng với trình lấy mẫu lại quan trọng Quá trình thứ cho phép trình ước lượng trạng thái hồi quy cập nhật hàm chuyển đổi trạng thái yêu cầu tương đương trọng số trạng thái trước Tuy nhiên, thuật tốn có đặc điểm trọng số hầu hết mẫu tiến tới nên cịn mẫu có trọng số đủ để tác động đến hàm PDF Do đó, để khắc phục điều này, q trình lấy mẫu lại phát tượng suy giảm trọng số tạo hạt điểm đánh trọng số tương đương với mẫu trọng số Để thực điều đó, mẫu có trọng số nhỏ gần xóa đi, cịn mẫu có trọng số cao nhân lên gấp đôi 3.2 Thực cấu trúc VTL sử dụng lọc hạt điểm (PF) Bộ lọc hạt điểm thay cho lọc Kalman sơ đồ Hình Thuật tốn thực q trình xử lý tín hiệu với lọc hạt điểm triển khai theo chế mô tả Sau lượt đo đạc, trình thường chứa vài quan sát khoảng giả định (pseudorange), thực theo bước sau: - Lọc quan sát khoảng giả định - Thực lấy mẫu lại sai lệch thấp - Dự đoán trạng thái hạt điểm - Cập nhật xác suất hạt điểm Trong bước đầu tiên, tất quan sát không hữu dụng loại bỏ khỏi tập quan sát Trường hợp ứng với quan sát mà vị trí vệ tinh không xác định tập liệu thiên văn nhận không phù hợp vệ tinh có góc ngẩng nhỏ 150 Bước thứ 2, thực ngăn suy giảm trọng số nhằm giữ cho hạt điểm có vai trị đủ lớn hàm mật độ trang thái hệ thống ước lượng Ở bước thứ 3, hàm biến đổi trạng thái áp dụng cho hạt điểm dự đoán trạng thái khoảng đo đạc Bước cuối cùng, trình lấy mẫu quan trọng cập nhật trọng số xác suất hạt điểm Từng trọng số xác suất mẫu nhân với giá trị tương đương trạng thái nó, xác định mẫu Đây kết hợp tương đương, tương đương hợp lệ tương đương không gian Trong đó, tương đương hợp lệ định nghĩa xác suất giả định LOS/NLOS cho mẫu Cịn tương đương khơng gian đánh giá thơng qua sai khác khoảng giả đo khoảng giả dự đốn MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Để đánh giá hiệu hoạt động thu GPS có khối bám tín hiệu sử dụng cấu trúc VTL dựa lọc hạt điểm, báo tiến hành mơ phương tiện có lắp thu GPS di chuyển với tốc độ 10 m/s Tín hiệu cao tần RF sau hạ tần xuống tần xuống băng gốc lấy mẫu với tần số lấy mẫu 10 MHz, thông số mô minh hoạ Bảng Các kết mô thể Hình đến Hình Các kết mô cho thấy giải pháp đề xuất báo trì hiệu hoạt động tốt điều kiện chất lượng tín hiệu định vị bị yếu điều kiện môi trường nhiễu cao làm cho tỉ số tín hiệu tạp âm thấp KẾT LUẬN Mặc dù thu GPS truyền thống hoạt động tốt điều kiện tín hiệu mạnh không bị che khuất, điều kiện tín hiệu yếu tín hiệu bị che khuất, hiệu hoạt động thu GPS giảm xuống nhiều Trong điều kiện vậy, thu GPS có cấu trúc dạng véctơ khối bám tín hiệu cải thiện hiệu hoạt động Hơn nữa, cấu trúc dạng véctơ sử dụng lọc hạt điểm hiệu hoạt động tiếp tục cải thiện so với dạng lọc Kalman điều kiện tín hiệu yếu nhiễu cao Tuy nhiên, lọc hạt điểm đòi hỏi lượng tính tốn lớn nên chưa phù hợp với thu GPS có giá thành thấp, tốc độ xử lý chậm LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số DT20-21.50 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kaplan, Elliott, and Christopher Hegarty (2005), Understanding GPS: principles and applications, Artech house, Electronic books - 723 pages [2] Lashley, Matthew, and David M Bevly (2007), Comparison of traditional tracking loops and vector based tracking loops for weak GPS signals, Proceedings of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation, pp 310 – 316 [3] Model, Fractional Order (2018), An Extended Kalman Filter for Time Delays Inspired by a Fractional Order Model, Non-Integer Order Calculus and its Applications: 9th International Conference on Non-Integer Order Calculus and Its Applications, Lódź, Poland Vol 496, pp 151-163 [4] Lashley, Matthew (2009), Modeling and performance analysis of GPS vector tracking algorithms, Department of Electrical Engineering, Auburn University [5] Orlande, H R B., et al (2011), Kalman and particle filters, METTI VThermal Measurements and Inverse Techniques, Department of Mechanical Engineering