My thesis presents " searching and Application of ReKalman Filter techniques and local polynomial regression improve the accuracy of the GNSS receiver ".. In fact, Kalman filter is a proc
Trang 1cô giáo và PGS Em xin
Trang 2S,
5 thu
Trang 3by measuring interferences to find out the exactly position Based on the properties
of the Kalman filter, we can change parameters to adapt applications
This thesis inculdes 5 chapters :
CHAPTER 1 : OVERVIEW OF GPS SYSTEM AND GPS SIGNAL STRUCTURE This chap introduces the most general definition of a global terpositioning system GPS, presents the format and characteristics, and how to create
a GPS signal
CHAPTER 2 : OPTIMAL STATE ESTIMATOR This chapter introduces the
optimal state estimator method approad to UTC multichannel GNSS receiver
CHAPTER 3 : ULTRA-TIGHTLY COUPLED GPS AND INERTIAL NAVIGATION SYSTEM FOR AGILE PLATFORMS This chapter introduces
the Ultra-Tightly Couple GPS/INS
CHAPTER 4 : AND IN THE COMBIED INS/GPS SYSTEM This chapter presents the capabilities and
solutions to apply the UTC multichanel GNSS with Kalman filter in the combined INS / GPS system, presents the method increases the precision of the signal by using Kalman filter
CHAPTER 5 : SIMULATION RESULTS This chapter presents the results of
the research that was implemented
Trang 4Nguy n Xuân Ti n
4
L U 1
ABSTRACT 3
DANH M C CÁC HÌNH V TH 6
DANH M C CÁC B NG 8
DANH M C CÁC T VI T T T 9
H TH NG GNSS VÀ C U TRÚC TÍN HI U GPS 12
1.1 Phân h không gian 13
13
1.1.2 13
1.2 Phân h u khi n 14
1.3 Phân h s d ng 15
1.4 Các tín hi u GPS và d u 16 li tín hi u GPS 16
1.6 Mã C/A 19
1.6 19
1.6.2 T 21
1.6.3 26
1.7 D ch t n Doppler 27
1.8 B nh v 28
1.8 28
1.8 30
31
L C T NG THÁI 32
2.1 Lý do cho vi c s ng b d l c Kalman 32
2.2 Mô hình b l c Kalman 34
34
35
2.3 Các thu c tính c a b l c Kalman 39
2.4 B l c Kalman r i r c 41
2.5 B l c Kalman Singer g-h-k 43
2.6 B l c Kalman m r ng 48
48
Trang 5Nguy n Xuân Ti n
5
50
I PHÁP TÍCH H P SIÊU CH T TÍN HI U GPS/INS 53
L C KALMAN NG D NG TRONG H TH NG K T H P CH T INS/GPS 57
4.1 P p c n truy n th ng 58
4.2 chuy i t 61
4.3 B l c Kalman cho INS 62
4.4 S h p nh t d a trên nh ng quy t c c a INS và GPS 66
4.5 H p nh t m c a INS và GPS 69
4.6 P bám tín hi u GPS L1 truy n th ng 74
4.7 K t h p GPS L1 C/A và GPS L1C (d u và kênh hoa tiêu) bám 78 li 4.8 B l c Kalman s d ng bám tín hi 80 u 4.8.1 B ch GP S L1 C/A 81
4.8.2 kênh hoa tiêu) 86
T QU NGHIÊN C U 90
5.1 Các m c tiêu c a lu 90
5.2 Tri n khai b l c trên matlab 90
K T LU N 105
TÀI LI U THAM KH O 106
Trang 6Nguy n Xuân Ti n
6
HÌNH 1.1 CHÙM SAO V TINH 13
TINH NAVSTAR 14
HÌNH 1.3 PHÂN H U KHI N 15
KH I B T O TÍN HI U GPS 17
HÌNH 1.5 C U TRÚC TÍN HI U L1 18
U CH BPSK TRONG TÍN HI U GPS 19
HÌNH 1.7 TH T C C A M T ACF CHO M T CHU I GOLD 20
HÌNH 1.8 B T O MÃ C/A 22
HÌNH 1.9 A CÁC MÃ C/A 26
HÌNH 1 C U TRÚC D 10 LI NH V TRONG GPS 29
HÌNH 1 11 NH D NG C A HAI T TLM VÀ HOW 30
C BÁM TÍN HI U L1 VÀ L5 37
HÌNH 2.2 TÓM T N C A B L C KALMAN 43
C S D NG B I SINGER [24] CHO HÀM M T XÁC SU T GIA T C M C TIÊU 44
HÌNH 2.4 HÌNH V HO NG B L C KALMAN M R NG 52
HÌNH 4.1 H TH NG GHÉP CH T CH GPS / INS 59
HÌNH 4.2 H TH NG GHÉP L NG GPS / INS 59
HÌNH 4.4 C T NGANG C T 61
HÌNH 4.5 KHO NG CÁCH V TRÍ HI N T I VÀ V TRÍ THEO GPS 69
HÌNH 4.6 CH PH N CHO KHO NG CÁCH 70
HÌNH 4.7 'FUZZIFICATION' C A M T GIÁ TR D LI U S C NÉT 70
HÌNH 4.8 CH THÀNH PH U RA CHO GIÁ TR TRNG S V TRÍ 72
Trang 7Nguy n Xuân Ti n
7
HÌNH 4.9 U RA M C A H THNG 72
HÌNH 4.10 TR I DI N U RA S C NÉT C A H THNG 73
VÒNG KHÓA PHA PLL 75
T H P 79
H ÌNH 4.14 MÔ HÌNH HÀM T A L1C (BÊN PH I) VÀ D N XU T C A NÓ (BÊN TRÁI) 88
HÌNH 5.1 B L NG GIÁM SÁT TH C T 91
TI N TRÌNH TH C HI N C A B L C KALMAN 92
HÌNH 5.3 MÔ HÌNH TH NG MÔ PH NG S NG TR NG THÁI TI N TRÌNH NG U NHIÊN C A B L C KALMAN 93
HÌNH 5.4 TI N TRÌNH NG U NHIÊN 93
HÌNH 5.5 C U T O B L C KALMAN 94
HÌNH 5.6 B L C KALMAN M R NG TR NG THÁI A 96
HÌNH 5.7 B L C KALMAN M R NG TR NG THÁI B 97
NG V N T C 97
NG V TRÍ 98
NG PHÁC H A 99
U RA 100
HÌNH 5.12 KT QU NG V TRÍ DÙNG B L C 101
HÌNH 5.13 K T QU NG V N T C DÙNG B L C 102
HÌNH 5.14 BIU DI N TR NG THÁI TH C T VÀ TR C NG 103
HÌNH 5.15 TH HI N V TRÍ TH C T VÀ V NG T T NHT U RA B L C KALMAN 103
Trang 8Nguy n Xuân Ti n
8
B NG 1.1 NH PHA MÃ C/A 24
B NG 1.2 MÃ ID C A CÁC KHUNG CON 31
B NG 2.1 L I ÍCH TH C S C A B L C KALMAN 34
B NG 2.2 C PH C TH C HI N C A B L C 35
B NG 4.1 TÓM T T THÔNG S BÁM TRUY N TH NG 78
B NG 4.2 B NG GIÁ TR MA TR N HI 84
Trang 9Nguy n Xuân Ti n
9
ACF Autocorrelation Function Hàm t
BOC Binary offset carrier Sóng mang d ch nh phân
BPSK Binary Phase-Shift Keying u ch pha nh phân
CBOC Composite BOC Sóng mang d ch nh phân t ng h p
FLL Frequency Lock Loop Vòng khóa tn
GPS Global Positioning System H thnh v toàn c u
HOW Handover Word ng HOW Phiên b n b c t 17
bit c a TOW
ID Identification number S nh n d ng cá nhân
INS Inertial navigation system H ng dth ng quán tính
LFSR Linear Feedback Shift Register Thanh ghi dch h i ti p tuy n tính LSB Bit có tr ng s p nh t th
MCS Master Control Station Tru khi n trung tâm
Trang 10Nguy n Xuân Ti n
10
MSB Most singnificant bit Bít có trng s cao nh t
NASA National aeronautics and space
aministration
C c qu n lý hàng không và không gian qu c gia
NAVSTAR Navigation satellite time and
oscillators
B t ng tinh th u khi n b ng lò cao t n
PPS Precise positioning service Dch v nh v chính xác
PRN Pseudo Random Noise Nhiu gi ng u nhiên
SPS Standard Positioning Service Dch v nh v chu n
SVN Space Vehicle Number S hi u v tinh
TLM Telemetry word c
s d ng b các b n tin
nh v TMBOC Time-multiplexed binary offset
carrier
Sóng mang d ch nh phân i gian
TOW Time of Week Thi gian c a tu n Tu n GPS b t
u t i n a th b y và ch nh t
Trang 11Nguy n Xuân Ti n
11 UHF Ultra High Frequency T n s siêu cao
UTC Universal Time Coordinated Gi Qu c t ph i h p
Trang 12Kin trúc c a h th tinh
u tiên trong h th c phóng thành công và tín hic thu th nghi m v u tiên Mu c a d án xây d ng h th ph c v các mn s c a M , nên B Qu c phòng M tr c ti p ki m soát d i s c ép c a v b n nh m máy bay dân s c a Hàn Quc trong vùng tr i c m bay c a Nga (1978), k ho ch phát tri n h th ng GPS
ph c v các ng d ng dân s c chú tr Quc phòng M tuyên b h thnh và chính th ng
Trang 14
[3]
Trang 15m thu s li u có nhi m v theo dõi các tín hi u v ki m soát và
d o c a chúng M i tr c trang b nh ng máy thu P- thu các tín hiu ca v n v tr u khi n chính
Ba tr m truy n s u có kh li n s u lên v tinh, g m lli
mi, d li u hi u ch ng h , các b n tin, và các l u khi n t xa
Phân h s d ng bao g m các b thu GPS và c i s d ng Các máy thu GPS s chuy i các tín hi u v tinh thành các thông s v trí, v n t c, và th i
tính toán các thông s v trí (X, Y, Z) và th i gian, chúng ta c n ít nh t
b n v tinh B c s d ng cho các d ch v nh v , d ng, phân phát th i gian, và các nghiên c u khác
V i c m c a h th y r ng GPS có rt nhii nhi u l i ích khi ho ng Các ng d ng s d ng d ch
v c m r ng và phát tri n r ng rãi ti p theo, chúng ta s nghiên c u v m, và cách t
Trang 17 c tín hi u L1 D ch v nh v chu n SPS ch c xây d a trên tín hi u
mã C/A
Tín hic phát b i v tinh k có th c mô t [1]
(1.3)
Trang 18Nguy n Xuân Ti n
18
C, PPL1 và PPL2 là các m c công su t c a các tín hi u v i mã C/A ho c P (Y), Ck là dãy mã C/A nh cho s hi u v tinh k, Pk là dãy mã P (Y) nh cho
s hi u v tinh k, D k là chu i d linh v , và f L1 và fL2 là các t n s sóng mang
f(t) là sóng mang và C(t) là chu i mã C/A r i r ỗ ờ ạc Như thấ y ở trên, tín hi u này ệ
l p l i chính nó m i ms D(t) là dòng bit d ặ ạ ỗ ữ liệu đị nh v r i r c M ị ờ ạ ột bit đị nh v ị kéo dài 20 ms ph n c a tín hi Ba ầ ủ ệu L1 được nhân để ạ t o tín hi u cu i cùng ệ ố
Trang 19Nguy n Xuân Ti n
19
Hình 1.6
Tín hi u L1 cu i cùng là s n ph m c a các tín hi u C, D ệ ố ả ẩ ủ ệ và sóng mang Đồ thị bao g ồm 25 chip đầ u tiên c a mã Gold cho PRN 1 ủ
Hình 1.6 mô t mã Gold C, d linh v D, tín hi u c ng module-2 gi a C, D
và sóng mang Tín hi u cu c t o ra bu ch BPSK, tr
c d ch pha ngay t c thì 180 0 thm mi chip Khi chuy n
tip bit d li nh v x y ra (kho ng 1/3 t c nh bên ph i), pha c a tín hi u cu i
d ch 1800
Tóm l i, v i tín hi u GPS, chi u dài mã là 1023 chip, t chip là 1.023 MHz (chu k là 1ms), t d u là 50 Hz (20 chu k mã trên 1 bit d u), ~ 90% li licông sut tín hin ~ 2 MHz
Trang 20Nguy n Xuân Ti n
20
M t mã Gold là t ng c a hai chu i có chi u dài t a tín hi u GPS
s d ng n = 10 Chu i p(t) l p l i theo ms nên chi u dài chip là 1ms/1023 = 977.5
ng v i m t chi u dài 300 m khi truy n d n trong chân không
ho c không khí Hàm t i vi mã C/A này là:
(1.4)
Chu t hi n ng u nhiên, và hoàn toàn xác
nh Chu i Gold có tính gi ng u nhiên ch không ph i ng u nhiên Ngoài ra kho a p(t) là -1/N V i mã C/A, h ng s này là -1/N = -
Trang 21 t o ra m t mã C/A dài 1023 chip, ch c có th t o ra mã có chi u dài ci.
M i khi t i chu k 1023 thì các thanh ghi d th c reset t t c v 1, t o ra
mã b u l i Thanh ghi G1 luôn có c u hình h i ti p v c:
(1.8)
Trang 22c h i ti p v thì thanh
c:
9) (1
t o các mã C/A khác nhau cho các v u ra c hai thanh ghi da ch
c k t h p theo các cách th c bi t Thanh ghi G1 luôn cung c u ra c a
p hai trong các tr ng thái c a nó t i b c ng module- t u ra c a nó Vi c ch n các tr ng thái cho b c ng module-2
g i là ch n pha B ng 1.1 bi u di n s k t h p c a các s chn pha cho m i mã
u tiên c a m i mã trong bi u di n bát phân
Trang 23S chip b làm tr
Biu di n bát phân ca
u tiên
Trang 24ca các thanh ghi dch ph thuc vào cách thc vào ph n t 1
Trang 25c ng và d ch) Các phiên b n tr c a chu c c ng nh phân v u ra ca G1 T o ra mã C/A Các thanh ghi dc thi l p ng thái t tr
t t c b ng b v i th m cc s d ng trong vi c
t o ra mã P Các c i xen k c a các r nhánh t o ra b hoàn h o g m 36 mã C/A nhi u gi ng u nhiên (PRN) duy nh t Chúng g i là các
t th p (g c giao)
Th c t ng nhau M t
t p con g c tinh và
c tái t o khi các v g ng hong và các v tinh m c khng
c dành riêng cho các m d ng khác, bao g m các b phát m t
Vi c t o mã P d i tr vi c b n thanh ghi d ch v i 12 ph n t c s d n c k t h t o ra
mã X1, v i chi u dài 15345000 chip và l p l i m c kt
h t o ra mã X2, v i chi u dài 15345037 chip Các mã X1 và X2 có th c
k t h p v tr t o ra 37 n mã P khác nhau (mi
n 1 tu n) M c gán v i m t v tinh
Trang 26hc tính t :
(1.11)
Hình 1.9
Trang 27Trong GPS chúng ta phi m t v i d ch t n Doppler gây ra b i chuy ng
i c a b phát (v tinh) v i máy thu GPS D ch t n Doppler ng t i
c dò sóng và theo dõi tín hi u GPS V i m t máy thu GPS c nh thì d ch t n Doppler v i t n s L1 trong kho ng ± 5 kHz và v n
t cao thì có th giá tr
D ch t n Doppler trên mã C/A là nh b i vì t chip c a mã C/A th p Mã C/A có m t t chip là 1.023 MHz, thn so vi
t n s n s
ng v i máy thu GPS c nh và di chuy n v i t cao
T n s Doppler trên mã C/A có th gây ra sai l ch gi a các mã nh c và mã
c t o trong máy thu, các t n s ng cho vi c theo dõi
Trang 28bnh v s d ng m nh dn c a m t khung (frame) có chi u dài
c t o t i khung con dài 300 bit (hình 2.7) M i khung con g m 10 t , m i t dài 30 bit; bit có tr ng s cao nh t (MSB)
c a t t c các t c tiên Mc truy n 30s m t l n Ba
u tiên ch a d li u qu ng h : tham s hi u ch ng h
v c g i trong khung con s 1, các d li u qu o v tinh chính xác (l ch
c g i trong các khung con s 2 và 3 Hai khung con cu i, s 4 và s
5, có 25 phiên b n (v i c d lic xem
n 25 Hai khung con s c dùn truyn các trang khác c a d u h ng M t b n v n 25 khung (125 khung con) t o nên b li th tr n
nh v hoàn ch c g i theo chu k 12.5 phút (V i t 50 bps,
vi c truy n m t khung con kéo dài 6s Các khung con s 1, 2 và 3 l p l i m i 30 s trong khi các khung con s 4 và 5 có 25 phiên b c khi l p l t b n
nh v hoàn ch nh kéo dài 12.5 phút) [2]
M i khung con b u v i m t t Telemetry (TLM) và m t t Handover
i p theo sau là 8 t d li u
M i t trong khung ch a các bit ch n l , cho phép ki m tra d u và h n ch vi li c
phi hiu ch nh l i
T i th m k t thúc ho c b u m t tu n l u tiên chúng ta phi th t trang cho các khung con t khung con s n khung con s 5, b u t khung con s ý tc phát cu i cùng; ti p theo, chu k c a 25 trang c a các khung con 4 và 5 s b u l i v i trang s 1 c a m i
ý tc phát cu i cùng Các chuy n ti p trang s x y ra các biên c a khung (t c là nh ng giây thu c module th 30 liên quan t i vi c k t thúc ho c b u m t tu n l u m i trong hai li
Trang 29Nguy n Xuân Ti n
29
khung con s 4 và 5 có th c bu phát v i b t kì trang nào trong s 25 trang
ca các khung con này [2]
có sai s l n Các tham s l c dùng trong thu t toán tính toán v trí
v tinh b t kì th i m nào trong chu k qu c mô t b i b tham s l ch
Niên l ch là tham s d u qu o g li tinh Có 10 tham s
mô t các qu o v tinh trên nh ng chu k l n (có th là hàng tháng) và m t b cho t t c các v c g i b i m i v tinh qua m t chu k 12.5 phút (nh
nh t)
M i b d u v tinh hoàn ch nh có m t mô hình t li c dùng trong
tính toán tr pha khi qua t n li b t kì v trí và th i gian nào
Trang 30Nguy n Xuân Ti n
30
M i v tinh g i m l ch c a th i gian GPS (GPST) so v i th i gian ph i h p toàn c u (UTC), giá tr c dùng hi u ch nh UTC trong ph m vi 100 ns.
Các tham s h ng khác và các c th c g mô t chi ti t v th h ng
v i m c theo sau b i 16 bit dành riêng và 6 bit ch n l
T HOW dài 30 bit và là t th hai trong m i khung con/trang, theo ngay sau TLM M t HOW xu t hi n v i chu kì 6 trong khung d t s lic
c tiên HOW bu v i 17 bit MSB trong TOW-Count M t TOW-Count
g m 19 bit LSB trong Z- ng v i TOW-Count th m 1.5s - là thm bu c a khung con theo ngay sau Theo sau là hai c cung ci s d ng v anti-spoofing (AS)
Trang 31Ngoài các t TLM và HOW, m i khung con bao g m 8 t d u li
Khung con 1: D ling h và tình tr ng v u tiên bao
gc h t là t t c ng h tính toán th i gian
mà bnh v c phát t a, khung con 1 bao gm d li v t u tình
trng v tinh khi mà d y li
Khung con 2 và 3: D u lli tinh Các khung con 2 và 3 g m d
li u l tinh D li u này liên quan t i qu o v tinh và c n cho tính