Một số kỹ thuật giảm nhiễu đa đường và hạn chế sai lệch đồng bộ cho tín hiệu định vị điều chế dạng BOC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ACF Auto-correlation Function Hàm tự tương quan ADC Analog -Digital Converter Bộ chuyển đổi Tương tự - số APME A Posteriori Multipath Estimation Ước lượng đa đườ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM VIỆT HƯNG

MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU ĐA ĐƯỜNG

VÀ HẠN CHẾ SAI LỆCH ĐỒNG BỘ CHO TÍN HIỆU ĐỊNH VỊ

ĐIỀU CHẾ DẠNG BOC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM VIỆT HƯNG

MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẢM NHIỄU ĐA ĐƯỜNG

VÀ HẠN CHẾ SAI LỆCH ĐỒNG BỘ CHO TÍN HIỆU ĐỊNH VỊ

ĐIỀU CHẾ DẠNG BOC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 62520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS NGUYỄN VĂN KHANG

Hà Nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

Tác giả luận án

Phạm Việt Hưng

Giáo viên hướng dẫn khoa học

PGS.TS Nguyễn Văn Khang

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn kính trọng và sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Văn Khang đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu sinh Thầy đã dành nhiều thời gian và tâm huyết, hỗ trợ về mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án Tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS TS Đào Ngọc Chiến, người đã theo sát, chỉ bảo và hỗ trợ rất nhiều cho tôi trong suốt những năm tháng học tập, nghiên cứu

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông và Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật máy tính đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Chân thành cảm ơn các Giảng viên và cán bộ Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật máy tính, Viện Điện tử Viễn thông đã hỗ trợ, tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn ban Giám đốc trung tâm NAVIS đã hỗ trợ, tạo điều kiện tối

đa về cơ sở vật chất và chuyên môn trong thời gian làm luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Ban Chủ nhiệm khoa Điện – Điện tử, bộ môn Điện tử Viễn thông đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả được tập trung nghiên cứu tại Hà Nội trong suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và động viên của các đồng nghiệp, nhóm NCS – Viện Điện tử Viễn thông

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, vợ và các con đã luôn động viên, giúp đỡ và hy sinh rất nhiều trong thời gian vừa qua Đây chính là động lực to lớn để tôi vượt qua khó khăn và hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv

MỞ ĐẦU 1

1 Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh và ảnh hưởng nhiễu đa đường 1

2 Những vấn đề còn tồn tại 3

3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 4

4 Cấu trúc nội dung của luận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH 6

1.1 Giới thiệu chương 6

1.2 Hệ thống GNSS 6

1.3 Bộ thu trong hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 7

1.3.1 Sơ đồ khối tổng quát của bộ thu GNSS 7

1.3.2 Khái niệm về bộ thu mềm GNSS 10

1.4 Tín hiệu định vị vệ tinh 11

1.4.1 Sơ lược về tín hiệu GPS C/A 11

1.4.2 Điều chế BOC 12

1.4.3 Kế hoạch triển khai tín hiệu định vị trong các hệ thống GNSS 18

1.5 Các nguồn gây lỗi trong hệ thống GNSS 20

1.5.1 Sai số do vệ tinh GNSS 20

1.5.2 Sai số trong quá trình truyền sóng tín hiệu 21

1.5.3 Sai số do bộ thu GNSS 22

1.5.4 Sai số do đa đường 22

1.6 Kết luận chương 23

CHƯƠNG 2 ĐỒNG BỘ MÃ TRONG BỘ THU GNSS 24

2.1 Giới thiệu chương 24

2.2 Cấu trúc của DLL 24

2.2.1 Cấu trúc tổng quát của DLL 24

2.2.2 Bộ so pha mã trong DLL 26

2.3 Những tác động gây sai số trong DLL 31

2.3.1 Điều kiện biên dưới Cramer – Rao của độ chính xác bám mã 31

2.3.2 Sai số do tạp âm nhiệt 33

2.3.3 Sai số do tín hiệu đa đường 36

2.3.4 Hiện tượng nhầm lẫn trong bám mã tín hiệu điều chế BOC 39

2.4 Kết luận chương 41

CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC ĐA TƯƠNG QUAN VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG BÁM MÃ 43

3.1 Giới thiệu chương 43

3.2 Các giải pháp giảm nhiễu đa đường và tiêu chí đánh giá 43

3.2.1 Các giải pháp giảm nhiễu đa đường 43

3.2.2 Các tiêu chí đánh giá tác động của hiện tượng đa đường 46

3.3 Cấu trúc bộ tương quan kép (DDC) 50

3.4 Điều chỉnh đáp ứng bộ so pha của cấu trúc DDC 53

3.4.1 Tín hiệu đa đường đồng pha 53

3.4.2 Tín hiệu đa đường ngược pha 55

3.4.3 Cơ chế xác định pha của tín hiệu đa đường 58

3.4.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng giảm nhiễu đa đường 58

3.5 Cấu trúc có nhiều bộ tương quan (MGD) 59

3.5.1 Cấu trúc MGD và những vấn đề tồn tại 59

3.5.2 Cấu trúc MGD với 7 bộ tương quan 60

3.6 Kết luận chương 70

CHƯƠNG 4 CẢI THIỆN HIỆU NĂNG BÁM MÃ VỚI TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ BOC

CHO MẠCH VÒNG KHÓA TRỄ 71

4.1 Giới thiệu chương 71

4.2 Các giải pháp bám mã chính xác cho tín hiệu BOC 71

4.3 Giải pháp cho tín hiệu ở dạng điều chế BOCc(n,n) 73

4.3.1 Đề xuất giải pháp 73

4.3.2 Ảnh hưởng của băng thông bộ lọc RF 77

4.3.3 Đáp ứng bộ so pha 79

4.3.4 Ảnh hưởng của tín hiệu đa đường 82

4.4 Giải pháp cho tín hiệu dạng điều chế BOCs(n,n) và BOCc(n,n) 85

4.4.1 Toán tử Teager – Kaiser và ứng dụng trong xử lý tín hiệu GNSS 85

4.4.2 Thiết lập hàm tương quan tổng hợp 87

4.4.3 Mô phỏng, đánh giá hiệu năng giảm ảnh hưởng đa đường 91

4.4.4 Mở rộng cấu trúc để nâng cao hiệu quả giảm nhiễu đa đường 92

4.5 Giải pháp dựa trên thay đổi kết hợp các hàm tương quan phụ 96

4.5.1 Đặc điểm của tín hiệu BOCs(2n,n) 96

4.5.2 Đề xuất giải pháp 97

4.5.3 Cấu trúc triển khai giải pháp 99

4.5.4 Kết quả mô phỏng và đánh giá 101

4.6 Kết luận chương 104

KẾT LUẬN 106

Đóng góp khoa học của luận án 106

Hướng phát triển của luận án 106

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACF Auto-correlation Function Hàm tự tương quan

ADC Analog -Digital Converter Bộ chuyển đổi Tương tự - số

APME A Posteriori Multipath Estimation Ước lượng đa đường hậu nghiệm ASIC Application Specific Intergrated

Circuit

Vi mạch tích hợp chuyên dụng

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm cộng trắng chuẩn

BOC Binary Offset Carrier Sóng mang dịch nhị phân

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CRLB Cramer – Rao Lower Bound Điều kiện biên dưới Cramer - Rao DDC Double Delta Correlator Bộ tương quan kép

DGPS Differential Global Positioning

System

Hệ thống định vị toàn cầu vi sai

EML Early Minus Late Bộ so pha dạng hiệu 2 tương quan EMLP Early Minus Late Power Bộ so pha dạng hiệu bình phương 2

tương quan FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

GLONASS Global Orbiting Navigation

Satellite System

Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh của Nga

GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

HRC High Resolution Correlator Bộ tương quan phân giải cao

IRNSS Indian Regional Navigation

Satellite System

Hệ thống vệ tinh định vị khu vực Ấn

Độ ITU International Telecommunication

Union

Hiệp hội viễn thông quốc tế

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp

MEDLL Multipath Estimating Delay Lock

Loop

Vòng khóa trễ ước lượng đa đường MEE Multipath Error Envelope Đường bao lỗi đa đường

MET Multipath Elimination Technique Kỹ thuật loại trừ đa đường

MMT Multipath Mitigation Technology Công nghệ giảm ảnh hưởng đa đường

NCO Numerical Controlled Osillator Bộ dao động điều khiển bằng số

PAC Pulse Aperture Correlator Bộ tương quan PAC

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

PVT Position, Velocity, Time Vị trí, tốc độ, thời gian

QZSS Quasi-Zenith Satellite System Hệ thống vệ tinh định vị của Nhật Bản RAE Running Average Error Lỗi trung bình chạy

SBME Slope-Based Multipath Estimator Bộ ước lượng đa đường dựa trên độ dốc SDR Software Defined Radio Vô tuyến điều khiển bằng phần mềm TEC Total Electron Content Tổng lượng điện tử

TMBOC Time multiplex BOC BOC phức hợp theo thời gian

TTFF Time To First Fix Thời gian để xác định vị trí lần đầu

N Bậc của tín hiệu điều chế

m Tỉ số giữa tần số sóng mang con và tần số tham chiếu

n Tỉ số giữa tốc độ mã PRN và tần số tham chiếu

I Giá trị tương quan kênh đồng pha

Q Giá trị tương quan kênh vuông pha

 Hệ số phân tách phổ giữa 2 tín hiệu định vị

B Băng thông một phía của bộ lọc RF

tri x y Hàm tam giác có độ rộng 2 y, đỉnh tại x  0 và biên độ bằng 1

 Độ dốc của đỉnh chính hàm tự tương quan của mã PRN

P Công suất của tín hiệu định vị thu được

w Độ rộng một phía của đỉnh chính hàm tự tương quan

 Khoảng lệch sớm – muộn giữa tương quan Sớm và bộ tương quan Muộn trong

P  Đầu ra đúng của bộ tương quan

 Hàm ra của toán tử Teager - Kaiser

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Cấu trúc của bộ thu GNSS tiêu biểu 7

Hình 1.2 Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm song song theo pha mã [15] 8

Hình 1.3 Cấu trúc tổng quát của bộ thu cứng, bộ thu mềm SDR và bộ thu mềm lý tưởng 10

Hình 1.4 Hàm ACF của tín hiệu GPS C/A (trái) và phóng to trong khoảng

(phải)[15] 12

Hình 1.5 Dạng sóng của sóng mang con của tín hiệu BOC pha sin (trái) và BOC pha cosin (phải) ứng với NB=2 (trên) và NB=4 (dưới) 13

Hình 1.6 Mật độ phổ công suất của tín hiệu BPSK, ( và ( 14

Hình 1.7 Hàm ACF (trái và bình phương của hàm ACF (phải) của các tín hiệu định vị điều chế dạng BPSK, ( , ( và ( khi bộ lọc RF có băng thông vô hạn 16

Hình 1.8 Hàm ACF của các tín hiệu định vị điều chế dạng BPSK (trái) và ( (phải) với các giá trị khác nhau của băng thông bộ lọc RF 16

Hình 1.9 Băng thông RMS của tín hiệu BPSK, ( và ( 18

Hình 1.10 Phân bổ tần số và tín hiệu của các hệ thống GPS và Galileo 19

Hình 2.1 Sơ đồ của khối bám tín hiệu trong bộ thu GNSS [15] 25

Hình 2.2 Đáp ứng của các dạng bộ so pha khác nhau với tín hiệu GPS C/A (BPSK)(trái) với và tín hiệu ( (phải) với 27

Hình 2.3 Đáp ứng của bộ so pha dạng EMLP với các khoảng lệch sớm – muộn khác nhau với tín hiệu BPSK (trái) và tín hiệu ( (phải) 28

Hình 2.4 Đáp ứng của bộ so pha dạng DP với các khoảng lệch sớm – muộn khác nhau với tín hiệu BPSK (trái) và tín hiệu ( (phải) 28

Hình 2.5 Đáp ứng của bộ so pha dạng EMLP(trái) và dạng DP (phải) có với tín hiệu ( và tín hiệu BPSK 30

Hình 2.6 Đáp ứng của các dạng bộ so pha EMLP với các băng thông bộ lọc RF khác nhau với tín hiệu BPSK (trái) và tín hiệu ( (phải) với 30

Hình 2.7 Điều kiện CRLB cho các tín hiệu BPSK, ( và ( với các giá trị khác nhau của băng thông bộ lọc RF 33

Hình 2.8 Lỗi bám mã do tạp âm nhiệt với các dạng khác nhau của bộ so pha cho tín hiệu BPSK, ( và tín hiệu ( với (Trái) và (phải) 35

Hình 2.9 Truyền sóng từ vệ tinh GNSS tới bộ thu GNSS trong môi trường đa

đường 36Hình 2.10 Hàm ACF của tín hiệu ( khi có sự tham gia của tia đa đường

đồng pha (trái và ngược pha (phải có biên độ 1 và độ trễ

1=0.3chip 38Hình 2.11 Bình phương hàm ACF của tín hiệu BPSK với ( (trái) và

( (phải và các đỉnh tương quan chính phụ của các hàm ACF 40Hình 2.12 Đáp ứng của bộ so pha dạng EMLP có và băng thông vô

cùng lớn của bộ lọc RF với ( (Trái) và ( (phải) và điểm khóa chính các điểm khóa phụ 41Hình 3.1 MEE cho tín hiệu ( (trái) và tín hiệu BPSK (phải) với bộ so pha

EMLP có với các băng thông bộ lọc RF khác nhau 47Hình 3.2 MEE cho tín hiệu BOCs(1,1) (trái) và tín hiệu BPSK (phải) với bộ so pha

EMLP có với các băng thông bộ lọc RF khác nhau 48Hình 3.3 MEE cho tín hiệu ( với bộ so pha EML có (trái) và

(phải) với các băng thông bộ lọc RF khác nhau 48Hình 3.4 RAE với cấu trúc EMLP NC có (trái) và (phải)

cho tín hiệu ( 49Hình 3.5 Cấu trúc DLL giản lược với giải pháp DDC khi hoạt động với tín hiệu

( 50Hình 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 51Hình 3.7 Đáp ứng bộ so pha DDC dạng EML cho tín hiệu ( với băng

thông vô hạn của bộ lọc RF và các giá trị khác nhau của 51Hình 3.8 Đường bao MEE với giải pháp DDC và NC có cho tín hiệu

BPSK (phải) và ( (trái) với các giá trị băng thông bộ lọc RF khác nhau 52Hình 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 53Hình 3.10 Dạng hình học của các hàm CF khi thành phần MP đồng pha với thành

phần tín hiệu LOS 54Hình 3.11 Dạng hình học của các hàm CF khi thành phần MP ngược pha với thành

phần tín hiệu LOS 56Hình 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) 59Hình 3.13 Sơ đồ khối cấu trúc MGD đề xuất 61

Hình 3.14 Đặc tính đáp ứng bộ so pha EMLP cấu trúc NC, DDC và MGD với

1=0.2chip 63Hình 3.15 Đặc tính đáp ứng của 3 bộ so pha dạng NC – EMLP ứng với 3 cặp tương

quan trong cấu trúc MGD với 1=0.1chip (trái) và 1=0.2chip (phải) 64Hình 3.16 Hàm ACF và vị trí các điểm ứng với giá trị đầu ra của 3 cặp tương quan

trong cấu trúc MGD với 1=0.1chip (trái) và 1=0.2chip (phải) 64Hình 3.17 Đáp ứng bộ so pha của cấu trúc EMLP NC, EMLP DDC, và MGD có

hiệu ( 75Hình 4.3 Hàm tương quan BOC – PRN và hàm ACF của tín hiệu ( và

hiệu của hàm tương quan này 76Hình 4.4 Hàm tương quan BOC – PRN và hàm ACF của tín hiệu BOCc(n,n) và hàm

tương quan tổng hợp đề xuất 76Hình 4.5 Hàm tương quan đề xuất và các hàm ACF, AsPECT và SCPC với tín hiệu

( khi bỏ qua ảnh hưởng bộ lọc RF 77Hình 4.6 Hàm ACF và hàm tương quan BOC – PRN cho tín hiệu ( với

các giá trị khác nhau của băng thông bộ lọc RF 77Hình 4.7 Hàm tương quan tổng hợp (trái và được phóng to (phải) với các giá trị

khác nhau của băng thông bộ lọc RF 78Hình 4.8 Hàm tương quan tổng hợp với (trái) và (phải)

với các giá trị khác nhau và được phóng to theo chiều biên độ (dưới) 79

Hình 4.9 Đáp ứng bộ so pha có với (trên) và

(dưới) của cấu trúc EMLP NC và cấu trúc đề xuất có 80Hình 4.10 Điểm khóa chính (trái và điểm khóa phụ được phóng to (phải) của đáp

ứng bộ so pha của cấu trúc đề xuất với các giá trị khác nhau và với 81Hình 4.11 Cấu trúc DLL theo giải pháp đề xuất 81Hình 4.12 Đường bao MEE (trái) và RAE (phải) của cấu trúc đề xuất, EMLP NC,

AsPECT, SCPC và bộ so pha có (trên) và (dưới) cho tín hiệu ( 82Hình 4.13 Đường bao MEE của cấu trúc đề xuất và cấu trúc EMLP NC có

cho tín hiệu ( và tín hiệu BPSK với các giá trị

và với 83Hình 4.14 Đường bao RAE của cấu trúc đề xuất và cấu trúc EMLP NC có

cho tín hiệu ( và tín hiệu BPSK với các giá trị

và với 84Hình 4.15 Hàm ACF và đầu ra bộ TK với các tín hiệu ( (trái) và

( (phải) với băng thông vô hạn của bộ lọc RF và không có thành phần đa đường 86Hình 4.16 Hàm tương quan và đầu ra bộ TK với các tín hiệu ( (trái) và

( (phải) với băng thông vô hạn của bộ lọc RF khi có tín hiệu

đa đường với trễ và biên độ 86Hình 4.17 Hàm ACF (trái và bình phương hàm ACF (phải) của tín hiệu BPSK và

tín hiệu ( 87Hình 4.18 Hàm tương quan BOC-PRN (trái và bình phương hàm BOC-PRN (phải)

của tín hiệu ( và tín hiệu ( 87Hình 4.19 Hàm tương quan Rs1 ( bình phương các hàm ACF và BOC-PRN CF với

các tín hiệu ( (trái) và ( (phải) với băng thông vô hạn của bộ lọc RF 88Hình 4.20 Sơ đồ giản lược khối thực hiện xây dựng hàm tương quan tổng hợp

Rs2 () 89Hình 4.21 Hàm tương quan Rs2 () với các giá trị khác nhau và hàm ACF với các

tín hiệu ( (trái) và ( (phải) với băng thông vô hạn của bộ lọc RF 90Hình 4.22 Đáp ứng bộ so pha EMLP có cho Rs2 () với , cho ACF

và AsPECT với các tín hiệu ( (trái) và ( (phải) với băng thông vô hạn của bộ lọc RF 90

Hình 4.23 MEE có cho Rs2 () với , cho ACF với các tín hiệu

( (trái) và ( (phải) với băng thông vô hạn của bộ lọc

RF 91Hình 4.24 RAE có cho Rs2 () với , cho ACF với các tín hiệu

( ) (trái) và ( (phải) với băng thông vô hạn của bộ lọc

RF 91Hình 4.25 Hàm tương quan Rs3 () với các giá trị khác nhau và hàm ACF, AsPECT

với các tín hiệu ( (trái) và ( (phải) với băng thông

vô hạn của bộ lọc RF 92Hình 4.26 Hàm tương quan Rs3 () với các giá trị khác nhau và hàm ACF với các

tín hiệu ( (trái) và ( (phải) với các băng thông khác nhau 93Hình 4.27 Đáp ứng bộ so pha EMLP với NC, AsPECT và Rs3 () cho các tín hiệu

( (trái) và ( (phải) với bộ lọc RF có 93Hình 4.28 Đáp ứng bộ so pha EMLP với NC, AsPECT và Rs3 () cho các tín hiệu

( (trái) và ( (phải) với bộ lọc RF có 94Hình 4.29 Cấu trúc mạch vòng DLL thực hiện với hàm Rs3 () 94Hình 4.30 MEE với bộ so pha EMLP có cho Rs3 () với và cho ACF với

các tín hiệu ( (trái) và ( (phải) 95Hình 4.31 Dạng sóng của sóng mang con của tín hiệu ( 96Hình 4.32 Hàm ACF (trái và bình phương hàm ACF (phải) của các tín hiệu BPSK,

( và ( 97Hình 4.33 Đáp ứng bộ so pha EMLP NC có với tín hiệu ( 97Hình 4.34 Các hàm tương quan phụ giữa bốn sóng mang con và tín hiệu

( 98Hình 4.35 Các hàm kết hợp Rsubj ( )  giữa 4 sóng mang con và tín hiệu ( 99Hình 4.36 Cấu trúc DLL lược giản để tạo ra hàm tương quan đề xuất 100Hình 4.37 Hàm tương quan đề xuất và các hàm ACF ( , SCPC và AsPECT

cho tín hiệu ( khi bỏ qua ảnh hưởng của bộ lọc RF 101Hình 4.38 Đáp ứng bộ so pha EMLP (trái và được phóng to quanh điểm khóa

đúng (phải) với (trên), (giữa ) và (dưới) với tín hiệu ( của các giải pháp hàm ACF, AsPECT, SCPC và giải pháp đề xuất 102Hình 4.39 MEE (trái) và RAE (phải) của các giải pháp:hàm ACF, AsPECT, SCPC và

hàm đề xuất cho tín hiệu ( với bộ so pha dạng EMLP có (trên), (giữa) và (dưới) 104

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Các đặc tính cơ bản của tín hiệu định vị trong hệ thống GPS 19Bảng 1.2 Các đặc tính cơ bản của các tín hiệu trong hệ thống Galileo 20Bảng 2.1 Các dạng thức khác nhau của bộ so pha mã trong DLL[15] 26Bảng 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 vòng DLL 46Bảng 3.2 Các thông số thực hiện mô phỏng 59Bảng 3.3 Số lượng tổ hợp giá trị hệ số được tối ưu ở giai đoạn thứ nhất của cấu

trúc MGD 64Bảng 3.4 Các hệ số (a2, a3) ứng với 1=0.2chip của cấu trúc MGD 65Bảng 3.5 Miền bao phủ [chip] cấu trúc MGD có 1=0.2chip và các hệ số được tối

ưu để tránh bám nhầm 68Bảng 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 68

MỞ ĐẦU

1 Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh và ảnh hưởng nhiễu đa đường

Trong những năm gần đây, các ứng dụng liên quan đến các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (GNSS) ngày càng phát triển rộng rãi Các ứng dụng này liên quan đến rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống dân sự cũng như lĩnh vực quân sự như: dẫn đường hàng hải, dẫn đường hàng không, dẫn đường trên bộ, trắc địa bản đồ, giám sát môi trường, cảnh báo thiên tai,… [15, 62] Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng này đều đang sử dụng một tín hiệu định vị dân sự duy nhất là tín hiệu định vị dân sự GPS C/A của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) của Hoa Kỳ Điều này đặt ra những thách thức cả về mặt kỹ thuật cũng như mặt chính trị liên quan đến sự

lệ thuộc vào duy nhất một tín hiệu định vị do một tổ chức của một quốc gia cung cấp Trước thách thức đó cũng như trước nhu cầu không ngừng tăng lên đối với các hệ thống GNSS, các chiến lược phát triển hệ thống GNSS đã được đặt ra và triển khai Thứ nhất, các hệ thống định

vị toàn cầu hoặc hệ thống định vị khu vực sử dụng vệ tinh được các quốc gia trên thế giới xây dựng và phát triển như: Hệ thống Galileo của EU [41], hệ thống Bắc đẩu (Beidou) của Trung Quốc, hệ thống IRNSS của Ấn Độ, hệ thống QZSS của Nhật Bản Thứ hai, hệ thống GPS hiện tại (GPS thế hệ I) cũng được hiện đại hóa lên thế hệ II và III (GPS II và GPS III) [98] và Liên bang Nga cũng khởi động lại chương trình GLONASS để thúc đẩy việc triển khai hệ thống GNSS của riêng mình [79, 90] Tiến trình triển khai mới và hiện đại hóa các hệ thống GNSS này được thực hiện ở tất cả các phân hệ thành phần của hệ thống GNSS như: phân hệ không gian, phân hệ điều khiển và phân hệ người dùng Trong tiến trình đó, các vệ tinh của hệ thống GNSS sẽ truyền phát nhiều tín hiệu định vị cùng một lúc Việc cung cấp thêm các tín hiệu định vị mới sẽ nâng cao tính ổn định, tính chính xác và tính bền vững cũng như khắc phục những hạn chế của tín hiệu định vị dân sự duy nhất hiện nay

Tuy nhiên, trong quá trình tín hiệu định vị lan truyền từ vệ tinh tới bộ thu GNSS, các tín hiệu định vị phải chịu tác động của các tác nhân gây sai số như: sai số do tầng điện ly, sai số

do tầng đối lưu, sai số do hiện tượng truyền dẫn đa đường (gọi tắt là nhiễu đa đường) Những sai số này đã tác động đáng kể đến hiệu năng hoạt động của bộ thu định vị [62] Vì vậy, đã và đang có nhiều giải pháp được nghiên cứu, đề xuất và áp dụng trong bộ thu định vị nhằm hạn chế, loại bỏ các nguyên nhân gây sai số trên Đối với sai số do tầng điện ly và sai số do tầng đối lưu, các bộ thu định vị sẽ áp dụng kỹ thuật vi sai trong đó bộ thu định vị sẽ hiệu chỉnh vị trí thông qua so sánh vị trí tính được của bộ thu với một vị trí chuẩn của trạm tham chiếu [75,

78, 104] hoặc sử dụng các bộ thu hai tần số [23, 82, 83, 91] Nhưng với sai số nhiễu đa đường, kỹ thuật vi sai không đem lại hiệu quả do tác động mang tính ngẫu nhiên, riêng biệt tới từng bộ thu định vị của nhiễu đa đường Với những lí do trên, sai số nhiễu đa đường tiếp tục trở thành một loại sai số chính trong bộ thu và rất khó khắc phục một cách triệt để Sai số

do nhiễu đa đường chỉ có thể giảm thiểu mà không thể triệt tiêu hoàn toàn trong các bộ thu GNSS Các nghiên cứu để tìm ra các giải pháp kỹ thuật xử lý tín hiệu tại bộ thu đối với sai số

do truyền dẫn đa đường được thực hiện theo nhiều hướng khác nhau Về cơ bản, các giải pháp

đó có thể được chia thành ba hướng chủ yếu Thứ nhất, các giải pháp được thực hiện ở phía

trước bộ thu, tại vùng cao tần của tín hiệu định vị Các giải pháp này bao gồm việc thiết kế

anten của bộ thu định vị như anten Choke ring, hệ anten hay anten mảng Thứ hai, các giải

pháp được thực hiện tại các khối xử lý tín hiệu trong bộ thu Các giải pháp này bao gồm các giải pháp dựa trên thay đổi cấu trúc vòng khóa pha (PLL), vòng khóa trễ (DLL); các giải pháp

sử dụng tín hiệu tái tạo ở bộ thu khác dạng với tín hiệu thu được để thực hiện quá trình đồng

bộ tín hiệu; các giải pháp sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến Thứ ba, các giải pháp

được thực hiện sau quá trình xử lý tín hiệu – kỹ thuật hậu xử lý [77] Trong các giải pháp trên, các giải pháp theo xu hướng thứ hai, thực hiện tại khối xử lý tín hiệu của bộ thu, có nhiều ưu điểm hơn so với hai xu hướng còn lại như: hiệu quả, dễ thực hiện và khối lượng tính toán không lớn Do đó, các giải pháp này đã và đang được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới tập trung nghiên cứu

Ban đầu, các giải pháp giảm nhiễu đa đườngtập trung áp dụng chủ yếu cho tín hiệu định

vị GPS C/A [17, 28, 29, 42, 43, 67, 74, 85, 92, 94, 99] Do khi đó, các tín hiệu định vị mới chưa được xây dựng, phát triển, nghiên cứu cũng như chưa chính thức được triển khai trong các hệ thống GNSS Các tín hiệu định vị mới xuất hiện cũng là lúc nảy sinh nhiều vấn đề về

kỹ thuật cần phải được giải quyết Theo quy định phân bổ tần số, các hệ thống GNSS truyền phát các tín hiệu định vị trên các tần số sóng mang ; ; Để tránh sự can nhiễu giữa các tín hiệu định vị mới với tín hiệu định vị truyền thống (GPS C/A), sử dụng phương thức điều chế khóa dịch pha nhị phân (BPSK) hoặc giữa các tín hiệu định vị mới sử dụng chung tần số sóng mang, phương thức điều chế mới, điều chế sóng mang dịch nhị phân (BOC) được đề xuất áp dụng cho các tín hiệu định vị mới [6, 8] Các giải pháp giảm nhiễu đa đường ban đầu áp dụng cho tín hiệu định vị GPS C/A vẫn

có thể được áp dụng cho các tín hiệu định vị mới Tuy nhiên, hiệu quả của các giải pháp này

có thể hơn hoặc kém so với áp dụng cho tín hiệu GPS C/A [54] Ngoài ra, nhiều giải pháp giảm nhiễu đa đường mới chỉ dành riêng cho các tín hiệu định vị mới cũng đã được đề xuất, nghiên cứu, đánh giá và áp dụng Bên cạnh những ưu điểm mà tín hiệu định vị mới có được nhờ điều chế BOC, một nhược điểm mới cũng xuất hiện Nếu ở tín hiệu định vị truyền thống, hàm tự tương quan (ACF) lý tưởng của nó chỉ là dạng tam giác với một đỉnh tương quan thì hàm ACF của các tín hiệu định vị mới lại xuất hiện nhiều đỉnh tương quan (gọi là đỉnh tương quan phụ) bên cạnh đỉnh tương quan chính Điều này dẫn đến nguy cơ đồng bộ nhầm vào các đỉnh tương quan phụ Việc đồng bộ nhầm này gây ra sai số trong quá trình đồng bộ dẫn đến sai số trong quá trình định vị của bộ thu Vì vậy, các giải pháp loại bỏ hoặc giảm thiểu nguy

cơ đồng bộ nhầm đã được nghiên cứu, triển khai và áp dụng cho các bộ thu định vị mới Các giải pháp này được thực hiện theo một số xu hướng chủ yếu:

 Thay đổi cấu trúc của khối đồng bộ tín hiệu trong bộ thu định vị để nhận được một hàm tương quan (CF) mới thay thế cho hàm ACF của tín hiệu BOC [18, 20, 32, 51,

58, 86, 106, 108, 109] Hàm CF mới có đặc điểm không có các đỉnh phụ, chỉ còn lại duy nhất một đỉnh chính Việc tổng hợp để tạo ra hàm CF tổng hợp mới có thể được thực hiện theo cách kết hợp tuyến tính hoặc phi tuyến giữa tín hiệu BOC thu được và các tín hiệu phụ trợ được tạo ra ở bộ thu

 Sử dụng bộ lọc để tách tín hiệu BOC thu được thành hai tín hiệu BPSK với hàm ACF chỉ có một đỉnh chính [40, 73] Khi đó bộ thu định vị thực hiện quá trình xử lý tín hiệu một cách riêng biệt với mỗi thành phần tín hiệu, dạng giống BPSK, của tín hiệu BOC thu được

2 Những vấn đề còn tồn tại

Do các ứng dụng sử dụng các dịch vụ được cung cấp bởi các hệ thống GNSS ngày càng phát triển và đòi hỏi về chất lượng dịch vụ ngày càng cao nên những yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho các hệ thống GNSS cũng không ngừng tăng lên Những giải pháp giảm nhiễu đa đường ban đầu đưa ra dựa trên việc thu hẹp độ lệch giữa hai bộ tương quan Sớm và Muộn trong DLL gọi là giải pháp bộ tương qua hẹp (NC) [29] So với cấu trúc ban đầu, cấu trúc mới này đã thu hẹp độ lệch giữa hai bộ tương quan sớm và muộn giảm bằng 1/10 Bên cạnh đó, một giải pháp khác cũng được đề cập dựa trên việc thay đổi cấu trúc DLL đó là giải pháp bộ tương quan kép (DDC) [54, 74] Trong khi giải pháp truyền thống và giải pháp NC, khối DLL chỉ sử dụng ba

bộ tương quan (Sớm, Muộn và Đúng) thì trong giải pháp DDC, khối DLL sử dụng đến 05 bộ tương quan, thêm một bộ tương quan Sớm và một bộ tương quan Muộn Việc lựa chọn độ lệch giữa các bộ tương quan ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng của cả khối DLL Tuy nhiên,

dù giải pháp DDC là một trong những giải pháp tối ưu về giảm nhiễu đa đường thì hiệu quả của giải pháp này đối với các tín hiệu đa đường có trễ ngắn (độ trễ nhỏ hơn tương đương ) khi so sánh với tín hiệu truyền thẳng vẫn còn rất hạn chế, chưa được cải thiện nhiều so với các giải pháp trước đó [54] Bên cạnh đó, một giải pháp thay đổi cấu trúc DLL sử dụng nhiều hơn 05 bộ tương quan cũng đã được đề xuất trong [26] Tuy nhiên, do việc lựa chọn các hệ số chưa được tối ưu nên hiệu quả giảm nhiễu đa đường của giải pháp này còn rất hạn chế Do đó, việc triển khai thực hiện giải pháp đa bộ tương quan để tăng hiệu quả giảm nhiễu đa đường và tăng cường hiệu quả giảm nhiễu đa đường có trễ ngắn vẫn luôn là một đề tài được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm

Trong các giải pháp về tránh đồng bộ nhầm khi thực hiện thu các tín hiệu định vị mới

sử dụng phương thức điều chế BOC, xu hướng được thực hiện chủ yếu đó là thay thế các hàm

CF của tín hiệu BOC thu được và tín hiệu BOC tạo ra ở bộ thu bằng một hàm CF tổng hợp mới [18, 19, 40, 59, 70, 73, 96] Trong đó, các hàm CF tổng hợp mới có đặc điểm không còn các đỉnh phụ hoặc công suất các đỉnh phụ bị suy giảm đáng kể Tuy nhiên, các phương pháp

này tồn tại một số nhược điểm Một là, tuy đạt được việc tránh đồng bộ nhầm vào các đỉnh

phụ nhưng lại làm cho độ rộng đỉnh chính của hàm CF tổng hợp tương đương với hàm ACF của tín hiệu BPSK, tức là làm mất đi các đặc tính nhờ bề rộng đỉnh chính hẹp của tín hiệu

BOC như các giải pháp ở [40, 73] Hai là, các giải pháp được đề xuất chỉ áp dụng tốt với một

dạng tín hiệu BOC như ( pha sin, khi áp dụng với các tín hiệu khác thì hiệu quả về

tránh đồng bộ nhầm không còn [59] Ba là, giải pháp tránh đồng bộ nhầm cho các dạng điều

chế BOC khác vẫn chưa được đề xuất Vì vậy, hướng nghiên cứu tìm ra các giải pháp tránh đồng bộ nhầm và duy trì các ưu điểm của tín hiệu định vị dạng điều chế BOC cần được quan tâm và phát triển

3 Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu:

 Nghiên cứu cải tiến cấu trúc bộ tương quan kép (DDC) của khối bám đồng bộ tín hiệu trong bộ thu định vị nhằm cải thiện hiệu năng giảm nhiễu đa đường của bộ DDC đối với các tín hiệu đa đường có trễ ngắn Đồng thời, đề xuất một cấu trúc bộ đa tương quan (MGD) trong đó có tính toán tối ưu việc lựa chọn các hệ số nhằm cải thiện hiệu năng giảm nhiễu đa đường

 Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp tránh đồng bộ nhầm khi thực hiện thu tín hiệu định vị dạng điều chế BOC Các giải pháp được đề xuất có hàm CF loại bỏ hoặc giảm thiểu công suất của các đỉnh phụ, đồng thời duy trì được các ưu điểm của tín hiệu điều chế BOC

Các nội dung đề xuất nêu trên đều hướng tới một mục tiêu chung là khắc phục ảnh hưởng nhiễu đa đường đối với hoạt động của bộ thu GNSS khi hoạt động đơn điểm

Đối tượng nghiên cứu:

 Cấu trúc và các đặc điểm của DLL trong bộ thu GNSS Hiệu năng hoạt động của DLL có ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của cả bộ thu GNSS

 Tập trung vào các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOC như ( pha sin hoặc pha cosin và ( pha sin vì những ưu điểm của tín hiệu này trong quá trình đồng bộ tín hiệu cũng như khả năng giảm nhiễu đa đường của chính bản thân tín hiệu đó Đây là những dạng điều chế tín hiệu được các hệ thống GPS và Galileo sử dụng cho các tín hiệu định vị mới

Phạm vi nghiên cứu:

 Nghiên cứu đặc tính của các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOC như: hàm tự tương quan của tín hiệu, hàm tương quan của tín hiệu BOC với mã giả ngẫu nhiên PRN

Phương pháp nghiên cứu:

 Sử dụng công cụ mô phỏng Matlab/Simulink để xem xét ảnh hưởng của một tín hiệu

đa đường đến hiệu năng hoạt động của mạch vòng DLL Việc đánh giá sai số do tín hiệu đa đường gây ra được thực hiện thông qua tiêu chí đường bao lỗi đa đường và sai số đó (gọi là sai số khoảng cách) được xem xét tại khối bám đồng bộ tín hiệu và

áp dụng cho tín hiệu định vị xuất phát từ mỗi vệ tinh riêng rẽ (link level)

4 Cấu trúc nội dung của luận án

Cấu trúc của luận án gồm có 04 chương Phần giới thiệu về bộ thu của hệ thống định vị

sử dụng vệ tinh GNSS trình bày ở Chương 1 Chương 2 đi phân tích chi tiết về mạch vòng DLL trong bộ thu GNSS Toàn bộ đóng góp khoa học của luận án được trình bày ở các Chương 3 và Chương 4 Cụ thể như sau:

Chương 1 Tổng quan hệ thống định vị sử dụng vệ tinh GNSS: Chương này giới thiệu

sơ lược về hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (gọi tắt là GNSS) và phân tích cấu trúc của bộ thu GNSS Các tín hiệu định vị, tập trung chủ yếu vào tín hiệu điều chế BOC, trong hệ thống GNSS cũng là đối tượng được trình bày ở chương này Cuối cùng các nguồn gây sai số đến hệ thống GNSS được phân tích

Chương 2 Đồng bộ mã trong bộ thu GNSS: Cấu trúc, nguyên lý làm việc vòng bám

mã DLL trong bộ thu GNSS được phân tích kỹ lưỡng ở chương này Bên cạnh đó, các tác nhân gây sai số cho hoạt động của DLL cũng được nghiên cứu như tạp âm nhiệt, nhiễu đa đường và hiện tượng đồng bộ nhầm khi hoạt động với tín hiệu điều chế BOC

Chương 3 Cấu trúc đa tương quan và giải pháp nâng cao hiệu năng bám mã: Hai

giải pháp giảm nhiễu đa đường dựa trên cấu trúc bộ đa tương quan áp dụng cho tín hiệu định

vị sử dụng điều chế ( được đề xuất, phân tích và đánh giá một cách chi tiết

Chương 4 Cải thiện hiệu năng bám mã với tín hiệu điều chế BOC cho mạch vòng khóa trễ: Chương 4 đề cập đến việc đề xuất một số giải pháp nhằm tránh nguy cơ bám nhầm

đỉnh tương quan khi thực hiện đồng bộ tín hiệu định vị dạng điều chế BOC Phần đầu của chương nghiên cứu, phân tích đề từ đó đề xuất giải pháp chống bám nhầm áp dụng cho tín hiệu định vị dạng ( pha cosin Phần sau của Chương 4 nghiên cứu đặc điểm của tín hiệu định vị dạng ( pha sin để đề xuất một giải pháp chống bám nhầm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH

1.1 Giới thiệu chương

Chương này giới thiệu tổng quát kiến trúc và các nguyên tắc cơ bản trong xử lý tín hiệu của bộ thu hệ thống GNSS nói chung và đặc điểm của bộ thu mềm GNSS nói riêng Tiếp theo, đặc tính của các tín hiệu định vị trong hệ thống GNSS, tín hiệu định vị sử dụng phương thức điều chế BOC phân tích chi tiết và là cơ sở để nghiên cứu và đưa ra các đề xuất sau này của luận án Các đặc tính được phân tích bao gồm: cấu trúc tín hiệu, đặc điểm của mật độ phổ công suất, đặc tính hàm ACF của tín hiệu Phần tiếp theo của chương phân tích sơ lược những ảnh hưởng của các nguồn gây sai số khác nhau đến hiệu năng hoạt động của bộ thu GNSS

1.2 Hệ thống GNSS

Hệ thống GNSS cung cấp thông tin về vị trí cho người sử dụng trên toàn cầu vào bất kỳ thời điểm nào, bất kỳ ở vị trí nào trong mọi hoàn cảnh điều kiện thời tiết và cung cấp thông tin vị trí đó một cách liên tục Nguyên tắc hoạt động của GNSS dựa trên việc đo khoảng cách giữa người sử dụng và các vệ tinh quỹ đạo tầm trung (MEO) có vị trí đã biết Việc tính toán khoảng cách này được thực hiện thông qua việc ước tính khoảng thời gian truyền sóng của tín hiệu từ vệ tinh đến bộ thu GNSS Trên cơ sở các khoảng cách từ bộ thu GNSS đến ít nhất 04

vệ tinh, bộ thu xác định được vị trí của nó dựa trên nguyên lý tam giác Hệ thống GNSS phổ biến nhất hiện nay là hệ thống định vị toàn cầu (GPS) được Bộ Quốc phòng Mỹ đưa vào sử dụng từ năm 1973 với mục đích đầu tiên để phục vụ cho lĩnh vực quân sự Bên cạnh đó, hệ thống GLONASS của Liên bang Nga cũng đã được đưa vào sử dụng Tuy nhiên, do những khó khăn về kinh tế, việc triển khai hệ thống GLONASS đã bị tạm dừng một thời gian khá dài

và hiện nay đang được Chính phủ Nga tái khởi động Ở châu Á, hệ thống GNSS của Trung Quốc với tên gọi Bắc đẩu (Beidou) cũng đã bắt đầu cung cấp dịch vụ cho khu vực châu Á Thái Bình Dương và đang có kế hoạch triển khai cung cấp dịch vụ toàn cầu vào năm 2020 Tại châu Âu, hệ thống Galileo cũng đã và đang được triển khai Hệ thống Galileo sẽ cung cấp các dịch vụ dành cho dân sự trên phạm vi toàn cầu với độ chính xác được kỳ vọng sẽ rất cao, không có sự hạn chế giống như hệ thống GPS Đồng thời, Galileo cũng sẽ kết hợp với GPS và GLONASS để cung cấp các dịch vụ đa hệ thống GNSS nhằm đảm bảo, tăng cường hơn nữa chất lượng dịch vụ tới người sử dụng Tuy nhiên, do những khó khăn vướng mắc về kinh tế,

hệ thống Galieo đã không được triển khai theo đúng kế hoạch Hiện nay, hệ thống Galileo mới chỉ có 04 vệ tinh ở trên quỹ đạo và đang ở trong giai đoạn thử nghiệm, kiểm tra quỹ đạo [22]

1.3 Bộ thu trong hệ thống định vị sử dụng vệ tinh

Các chức năng của một bộ thu GNSS điển hình sẽ được phân tích chi tiết Quá trình xử lý tín hiệu trong bộ thu GNSS bắt đầu từ quá trình thu nhận tín hiệu định vị từ vệ tinh của khối đầu cuối cao tần RF đến quá trình tính toán của khối xử lý bản tin dẫn đường Hình 1.1 minh họa sơ đồ khối của một bộ thu GNSS điển hình Trong đó, khối đồng bộ tín hiệu bao gồm: khối bắt đồng bộ tín hiệu và khối bám đồng bộ tín hiệu (sau đây gọi tắt là khối bắt tín hiệu và khối bám tín hiệu) đóng vai trò rất quan trọng và là mục tiêu nghiên cứu chính trong luận án

Đầu cuối

RF

Bắt tín hiệu

Bám

mã PRN

Bám sóng mang

Giải điều chế dữ liệu

Tính toán PVT

Xử lý tín bản tin dẫn đường

Hình 1.1 Cấu trúc của bộ thu GNSS tiêu biểu

1.3.1.1 Đầu cuối RF

Khối đầu cuối cao tần thực hiện xử lý tín hiệu cao tần thu nhận được từ anten qua các quá trình biến đổi để được tín hiệu số trung tần đưa đến khâu xử lý tín hiệu trung tần Ngay sau khi tín hiệu đi qua anten, tín hiệu định vị cao tần đi qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) để thực hiện khuếch đại cũng như lọc tín hiệu nằm trong dải thông cho phép Sau đó, tín hiệu cao tần được lọc này được thực hiện hạ tần xuống tần số trung tần (IF) Tín hiệu trung tần ngay sau đó được số hóa nhờ bộ ADC và đưa đến khâu xử lý trung tần thực hiện quá trình đồng bộ tín hiệu để giải điều chế nhằm thu được bản tin dẫn đường

tín hiệu thu được và mã PRN tái tạo ở bộ thu Vệ tinh được gọi là “nhìn thấy” nếu giá trị tương quan này cao hơn một mức ngưỡng đã được thiết lập trước Khi đó các thông số ước lượng sơ bộ của vệ tinh là tần số và mã PRN tương ứng [62]

Kỹ thuật phổ biến và đơn giản nhất để thực hiện việc bắt tín hiệu là dựa trên biến đổi Fourier (FFT) [97] Tuy nhiên, khi triển khai trong thực tế, việc áp dụng FFT có thể được thực hiện theo ba cách khác nhau: tìm kiếm nối tiếp, tìm kiếm song song theo miền tần số và tìm kiếm song song theo miền trễ mã PRN Với giải pháp tìm kiếm nối tiếp, bộ thu thực hiện tìm kiếm với mỗi cặp tần số sóng mang và độ trễ mã PRN Với số lượng trễ mã PRN có thể có là

1023 và độ dịch tần với bước dịch tần , tổng số khả năng thực hiện tìm kiếm

Như vậy có thể thấy tuy việc tính toán đơn giản nhưng số lượng tính toán là tương đối lớn nên làm chậm quá trình tìm kiếm đồng bộ Đây chính là nhược điểm của giải pháp tìm kiếm kiểu nối tiếp Để khắc phục nhược điểm này, hai giải pháp tìm kiếm song song theo miền tần

số và song song theo miền trễ mã PRN được thực hiện Giải pháp tìm kiếm song song miền tần số chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số nhờ FFT Nhờ vậy, trong giải pháp này không gian tìm kiếm chỉ gồm bước tìm kiếm trễ mã PRN Khác với giải pháp tìm kiếm song song miền tần số, giải pháp tìm kiếm song song miền trễ mã PRN chỉ thực hiện tối

đa 41 bước tìm kiếm ứng với 41 khả năng về tần số sóng mang Do đó, giải pháp này giúp cho việc tìm kiếm nhanh hơn nhiều so với 2 giải pháp trước đó Giải pháp tìm kiếm song song theo pha mã đã được nghiên cứu trong [15] được minh họa ở Hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm song song theo pha mã [15]

1.3.1.3 Khối bám tín hiệu

Sau quá trình bắt tín hiệu định vị, các tín hiệu định vị từ các vệ tinh trong tầm “nhìn thấy” của bộ thu GNSS đã được ước lượng với các thông số sơ bộ ban đầu, các thông số này có độ chính xác chưa cao Bước tiếp theo, bộ thu GNSS bắt đầu khởi tạo quá trình bám tín hiệu Nhiệm vụ của quá trình bám này nhằm ước lượng tốt hơn các thông số của tín hiệu định vị

đồng thời theo sát sự thay đổi theo thời gian của các thông số này Một nhiệm vụ nữa của khối này là khi đã bám sát sự thay đổi của các thông số giúp cho bộ thu GNSS có thể tách được luồng bit dữ liệu ra khỏi tín hiệu tín hiệu trải phổ Quá trình đó được gọi là giải trải phổ hoặc giải điều chế dữ liệu định vị Để thực hiện nhiệm vụ bám đồng bộ tín hiệu, các mạch vòng khóa đồng bộ được sử dụng trong bộ thu GNSS Các mạch vòng khóa đồng bộ có nhiệm vụ khóa giữ các thông số của tín hiệu định vị thông qua việc liên tục thay đổi các thông số của bộ tạo tín hiệu cục bộ trong bộ thu GNSS để đạt được trạng thái cân bằng Trong các bộ thu GNSS, vòng khóa trễ (DLL) thực hiện bám trễ thời gian của mã PRN (gọi tắt là bám mã PRN), vòng khóa pha (PLL) thực hiện bám pha sóng mang (gọi tắt là bám sóng mang) Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của khối bám tín hiệu sẽ được phân tích kỹ lưỡng ở Chương 2, trong đó tập trung vào khối bám mã với mạch vòng DLL

1.3.1.4 Khối giải điều chế dữ liệu

Dữ liệu sau khối bám đồng bộ tín hiệu là dữ liệu của bản tin dẫn đường Các tín hiệu định

vị thường có năng lượng thấp và bị tác động nhiều của nhiễu Vì vậy, để tăng năng lượng của bit dữ liệu bản tin dẫn đường, các bit dạng NRZ trong một khoảng thời gian được cộng lại với nhau để tạo ra một bit dữ liệu bản tin dẫn đường cũng có dạng NRZ Bản tin dẫn đường này có tốc độ là (tương ứng với 1 bit trong bản tin dẫn đường có độ rộng là )

1.3.1.5 Khối tính toán PVT

Khối tính toán PVT có nhiệm vụ tính toán vị trí, vận tốc và thời gian dựa trên bản tin dẫn

đường trên cơ sở giả khoảng cách (pseudo range) giữa vệ tinh và bộ thu GNSS Đối với tín

hiệu của hệ thống GPS, việc xác định giả khoảng cách này tuân thủ theo ICD-GPS-200G [76] cho dải tần số L1 và L2, ICD-GPS-705C [55] cho các tín hiệu định vị ở dải tần L5 Đối với tín hiệu hệ thống Galileo, việc tính toán giả khoảng cách theo bản tin dẫn đường dựa vào Galileo OS SIS ICD [33] của Liên minh châu Âu

Bộ thu GNSS dựa trên bản tin dẫn đường để xác định các thông số về quỹ đạo của vệ tinh

để từ đó tính toán được các sai lệch về định thời cũng như sai lệch về quỹ đạo thực tế của vệ tinh Những thông tin này giúp bộ thu GNSS có thể xác định ra được vị trí của nó Thời gian cần thiết để bộ thu xác định được vị trí lần đầu của nó được gọi là TTFF, tham số này phụ thuộc rất nhiều vào cách triển khai đồng bộ tín hiệu định vị cũng như phương thức xác định vị trí được áp dụng cho bộ thu

Việc xác định giả khoảng cách được tính toán theo nguyên tắc xác định khoảng thời gian truyền sóng của tia truyền thẳng từ vệ tinh tới bộ thu Với mỗi vệ tinh, bộ thu xác định được một giả khoảng cách giữa nó và vệ tinh đó theo biểu thức [15]:

với là giả khoảng cách giữa vệ tinh thứ và bộ thu ; là tốc độ ánh sáng; là độ sai lệch đồng hồ bộ thu; là sai lệch đồng hồ vệ tinh; là trễ do tầng đối lưu; là trễ do tầng điện ly; là các sai số do nguyên nhân khác như tạp âm, đa đường,…

Trong biểu thức trên, các ẩn số cần phải xác định đó là vị trí của bộ thu ( ) và sai lệch đồng hồ bộ thu Do đó, cần phải có ít nhất 04 giả khoảng cách ứng với 04 vệ tinh được bộ thu “nhìn thấy”

1.3.2 Khái niệm về bộ thu mềm GNSS

Trong các bộ thu cứng truyền thống của hệ thống GNSS, hầu hết các quá trình xử lý tín hiệu cao tần, trung tần và giải điều chế đều được thực hiện trên các modul phần cứng như chip ASIC Những bộ thu như vậy có ưu điểm đó là quá trình xử lý tín hiệu nhanh hơn Tuy nhiên, những nhược điểm cũng xuất hiện khi các hệ thống GNSS được triển khai mới hoặc hiện đại hóa Do được đóng gói cứng vào trong các chip ASIC nên việc cấu hình lại, cập nhật hoặc nâng cấp các quá trình xử lý tín hiệu cho phù hợp với các tín hiệu định vị mới trong các hệ thống GNSS sẽ khó triển khai [80] Bên cạnh đó, việc nghiên cứu, đánh giá các công nghệ xử

lý tín hiệu mới cũng khó thực hiện được trên các bộ thu này Gần đây, đi cùng với xu thế sử dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SDR), các bộ thu mềm GNSS cũng ngày càng phát triển theo xu hướng thực hiện số hóa tín hiệu ngày càng tiến gần tới anten của

bộ thu [102] Điều đó tạo ra các bộ thu GNSS làm việc với tần số ngày càng cao và băng thông ngày càng rộng

Đầu cuối RF

Đồng bộ tín hiệu

Giải điều chế dữ liệu

Tính toán PVT

Anten

ADC

Đầu cuối RF

Giải điều chế dữ liệu

Tính toán PVT

Anten

ADC

Giải điều chế dữ liệu

Tính toán PVT

Anten

ADC

Số liệu định vị

Số liệu định vị

Số liệu định vị

Đồng bộ tín hiệu

Đồng bộ tín hiệu

Hình 1.3 Cấu trúc tổng quát của bộ thu cứng, bộ thu mềm SDR và bộ thu mềm lý tưởng

Hình 1.3 minh họa cấu trúc tổng quát của bộ thu mềm trên cơ sở so sánh với cấu trúc bộ thu cứng truyền thống Như minh họa ở hình vẽ, trong khi ở bộ thu cứng, hầu hết các quá trình xử lý tín hiệu như xử lý tín hiệu cao tần, đồng bộ tín hiệu và giải điều chế tín hiệu đều được thực hiện trên phần cứng Ngược lại, ở các bộ thu mềm, các quá trình xử lý tín hiệu này (trừ chức năng xử lý tín hiệu cao tần vẫn được thực hiện trên khối đầu cuối cao tần), được thực hiện dựa trên phần mềm Điều này giúp cho các bộ thu mềm GNSS dễ dàng được cấu hình lại, cập nhật và nâng cấp để thích ứng với các dạng thức khác nhau của tín hiệu định vị

cũng như vẫn xử lý được tín hiệu định vị truyền thống (tín hiệu GPS C/A) Các bộ thu mềm GNSS có thể được thực hiện dựa trên nền tảng FPGA, nền tảng hệ thống nhúng hoặc nền tảng

PC Trong đó, các bộ thu mềm dựa trên nền tảng PC và hệ thống nhúng có khả năng xử lý tín hiệu thời gian thực Đặc biệt, hiện nay hầu hết các PC đều có cấu hình rất cao, bộ thu GNSS dựa trên PC dễ dàng thực hiện các quá trình xử lý tín hiệu với khối lượng tính toán lớn và phức tạp Điều này mang đến những thuận lợi vô cùng lớn cho việc nghiên cứu, triển khai và đánh giá các thuật toán xử lý tín hiệu mới nhằm nâng cao chất lượng, hiệu năng của bộ thu GNSS

1.4 Tín hiệu định vị vệ tinh

Tín hiệu GPS C/A là tín hiệu dân dụng phát trên tần số của hệ thống GPS được truyền phát phổ biến, rộng rãi trên hầu khắp các điểm trên trái đất Có thể coi đây là tín hiệu định vị phổ dụng duy nhất hiện nay Tín hiệu GPS C/A sử dụng phương thức điều chế BPSK, tức là sóng mang được điều chế bởi một mã giả ngẫu nhiên (PRN) dạng NRZ Mỗi một vệ tinh trong hệ thống GPS được gán một mã PRN duy nhất Mã PRN này được sử dụng để trải phổ bản tin dẫn đường, bản tin mang các thông tin chính xác về vị trí và thời gian của vệ tinh So với bản tin dẫn đường có tốc độ , mã PRN có tốc độ cao hơn nhiều lần (tốc độ của mã PRN là ) Các mã PRN được tạo ra bởi chuỗi bit có chiều dài xác định (chuỗi mã Gold) Mã PRN có đặc tính ngẫu nhiên giống tạp âm nhưng có tính chu kỳ và được xác định hoàn toàn bởi một bộ thu, điều đó giúp cho bộ thu có thể thực hiện việc đồng bộ tín hiệu định

vị để giải trải phổ và thu được bản tin dẫn đường mà vệ tinh đã truyền phát Tín hiệu GNSS được vệ tinh phát xuống được biểu diễn:

có tốc độ , ( có tần số chip là và tần số sóng mang

Các mã PRN có đặc tính tương quan cao (tương quan chéo giữa hai mã PRN khác nhau

sẽ bằng 0) giúp cho bộ thu tránh được việc đồng bộ mã PRN sai Để thuận tiện trong việc mô hình hóa các tín hiệu định vị, các chip (bit) mã PRN được coi là độc lập nhau Do đó, hàm tự tương quan (ACF) của mã PRN có thể được coi xấp xỉ là hàm ACF của một chip mã PRN Khi đó, hàm ACF được xấp xỉ có dạng hình tam giác và được biểu diễn bởi [15, 62]:

0; 1

BPSK

chip R

Đặc tính của hàm ACF này được minh họa ở Hình 1.4 trong đó mức biên độ cực đại1

của hàm ACF được quy về bằng 1

Hình 1.4 Hàm ACF của tín hiệu GPS C/A (trái) và phóng to trong khoảng (phải)[15]

Để thuận tiện trong ký hiệu tín hiệu, ký hiệu ( tương ứng với tín hiệu điều chế BPSK có tốc độ mã PRN là Lưu ý, các tín hiệu ( (với bất kỳ) có hàm ACF giống nhau, và trong khuôn khổ của luận án chỉ xét trường hợp tín hiệu ( (tương ứng với GPS C/A) Do đó, nhằm đơn giản hơn cách ký hiệu và tránh nhầm lẫn, các phần trình bày ở phần sau luận án khái niệm tín hiệu GPS C/A và tín hiệu BPSK được coi là giống nhau)

Hàm mật độ phổ công suất (PSD) của tín hiệu GPS C/A có đường bao dạng hàm và được xác định bởi công thức:

1

Trong luận án này, để thuận tiện, biên độ cực đại của các hàm ACF tín hiệu BPSK, BOC đều được quy về bằng 1 Tất cả các hàm tương quan khác sẽ có biên độ được quy đổi, tính tỉ lệ theo giá trị này

là tỉ số giữa tần số sóng mang con và tần số tham chiếu ; là tỉ số giữa tốc độ chip mã PRN và tần số tham chiếu Một tham số quan trọng khác cũng được định nghĩa cho các tín hiệu BOC đó là bậc điều chế và được xác định thông qua biểu thức

và là một số nguyên dương [71] Lưu ý, là trường hợp đặc biệt của điều chế BOC và đó chính là điều chế BPSK

Theo định nghĩa trong [6], sóng mang con ( được biểu diễn bởi:

Hình 1.5 Dạng sóng của sóng mang con của tín hiệu BOC pha sin (trái) và BOC pha cosin (phải)

ứng với N B =2 (trên) và N B =4 (dưới)

1.4.2.1 Các đặc điểm của phương thức điều chế BOC

T

N T

N

fT fT fT fT

NB chẵn

NB lẻ

, 2

T

f

Hình 1.6 Mật độ phổ công suất của tín hiệu BPSK, ( và (

Hình 1.6 minh họa hàm PSD chuẩn hóa của các tín hiệu ( , ( và tín hiệu BPSK Phổ của tín hiệu BPSK có năng lượng tập trung chủ yếu ở tần số trung tâm Với tín hiệu BOC, do tác động của sóng mang con, phần năng lượng chính của tín hiệu thành hai phần đối xứng qua tần số trung tâm và dịch chuyển phần năng lượng chính ra khỏi tần số trung tâm Điều này giúp cho các tín hiệu mới này có thể cùng tồn tại trên một tần số trung tâm với các tín hiệu BPSK (như tín hiệu GPS C/A) mà không gây can nhiễu lên nhau (hệ số phân tách phổ cao) Bên cạnh đó, với cùng bậc điều chế, tín hiệu dạng BOC pha cosin có ưu điểm hơn so với tín hiệu dạng BOC pha sin do năng lượng được tách sang hai bên rộng hơn

và xa tần số trung tâm hơn So với tín hiệu BOC pha sin, điều này giúp cho tín hiệu BOC pha cosin ít bị can nhiễu với tín hiệu BPSK hơn

b Hàm tự tương quan (ACF) của tín hiệu BOC

Hàm ACF của tín hiệu điều chế BOC được xác định bởi công thức [81]:

NB chẵn

NB lẻ

        

0

1 T I

BO C BO C I

với là khoảng thời gian tính tương quan

Tín hiệu ( có thể được biểu diễn bởi biến đổi Fourier ngược [81]:





  j2 ft BOC

0

* 2

B B

Lưu ý rằng, khi bỏ qua ảnh hưởng của bộ lọc RF, đặc tính của hàm ACF với tín hiệu ( ( là một số nguyên dương) giống hệt nhau với mọi giá trị của Dựa trên hàm ACF, các đề xuất của luận án được đề xuất nên có thể áp dụng với bất kỳ

Bên cạnh đó, để thuận tiện cho việc xem xét và đánh giá các đặc điểm của bộ thu khi làm việc với các tín hiệu định vị khác nhau, đỉnh chính của hàm ACF của các tín hiệu điều chế khác nhau có thể được xấp xỉ bởi:



 

( ) 1

Trong đó: biểu diễn giá trị tuyệt đối của độ dốc đỉnh chính hàm ACF của mã PRN Khi

đó, với tín hiệu điều chế có , tín hiệu điều chế ( có và tín hiệu điều chế ( có

Hình 1.7 Hàm ACF (trái) và bình phương của hàm ACF (phải) của các tín hiệu định vị điều chế

dạng BPSK, ( , ( và ( khi bộ lọc RF có băng thông vô hạn

Tuy nhiên, như công thức (1.15) đã chỉ ra, hàm ACF này bị thay đổi khi băng thông của

bộ lọc RF thay đổi Hình 1.8 minh họa đặc điểm của các hàm ACF với các phương thức điều chế khác nhau khi băng thông của bộ lọc RF thay đổi Rõ ràng, do ảnh hưởng băng thông bộ lọc này, đỉnh chính của hàm ACF bị uốn và bị suy hao Băng thông bộ lọc càng nhỏ thì đỉnh chính hàm ACF càng bị suy hao nhiều và bị uốn càng nhiều Ảnh hưởng của băng thông bộ lọc đến đỉnh chính hàm ACF tác động rất nhiều đến hiệu năng hoạt động của các cấu trúc ở bên trong bộ thu GNSS Những ảnh hưởng này được phân tích ở Chương 2 của luận án

Hình 1.8 Hàm ACF của các tín hiệu định vị điều chế dạng BPSK (trái) và ( (phải) với các

giá trị khác nhau của băng thông bộ lọc RF

1.4.2.2 Các tham số đặc trưng của tín hiệu BOC

Hiệu năng hoạt động của hệ thống GNSS thường được đánh giá thông qua sai số về khoảng cách hay sai số về độ trễ trong việc ước lượng tín hiệu truyền thẳng LOS Thông số

đánh giá này khác so với thông số đánh giá hiệu năng hoạt động của các hệ thống thông tin

số, thông số tỉ lệ lỗi bit BER Ngoài ra, do tồn tại thêm nhiều tín hiệu định vị mới trên cùng một tần số sóng mang nên việc đánh giá can nhiễu giữa các hệ thống định vị cũng là một vấn

đề quan tâm Vì vậy, một vài thông số đánh giá hiệu năng của hệ thống GNSS liên quan đến quá trình bắt đồng bộ tín hiệu, bám tín hiệu cũng như can nhiễu giữa các tín hiệu

 Hệ số phân giải thời gian và khoảng cách

Theo [71], hệ số này xác định độ phân giải trong quá trình bám một tín hiệu hay là khả năng phân biệt giữa các đường truyền tín hiệu trong môi trường đa đường Hệ số phân giải thời gian ( được định nghĩa là một nửa độ rộng đỉnh chính của hàm tự tương quan Do

đó, với tín hiệu BPSK ( ; tín hiệu điều chế ( có hệ số phân giải thời gian ( còn tín hiệu ( có ( Còn đối với hệ số phân giải khoảng cách được tính theo công thức: ( ( với

là tốc độ ánh sáng Từ hai công thức, ta có thể thấy trong khi hệ số phân giải thời gian không phụ thuộc vào tốc độ chip mà chỉ phụ thuộc vào bậc điều chế và pha của sóng mang con thì hệ số phân giải khoảng cách phụ thuộc vào tốc độ chip Ý nghĩa của ( là: Bộ thu định vị GNSS phân biệt được các đường truyền tín hiệu trong môi trường đa đường mà có khoảng cách về mặt thời gian lớn hơn hệ số phân giải thời gian ( ; hệ số phân giải thời gian càng nhỏ thì đặc tính phân giải càng tốt Như vậy các tín hiệu điều chế BOC có đặc tính phân giải tốt hơn các tín hiệu BPSK Do vậy các tín hiệu điều chế BOC mang đến nhiều ưu điểm tốt hơn cho bộ thu định vị khi hoạt động trong môi trường đa đường

 Hệ số phân tách phổ κ S S C

Hệ số phân tách phổ xác định sự can nhiễu giữa các tín hiệu trên cùng một tần số sóng mang Hệ số phân tách phổ càng thấp thì sự can nhiễu giữa các tín hiệu càng ít Hệ số phân tách phổ được xác định bởi công thức [71]:

1 ( ) 2 ( )

B SSC B

Như đã trình bày, các tín hiệu định vị mới sử dụng phương pháp điều chế BOC và có thể

sử dụng chung tần số sóng mang với tín hiệu định vị đang tồn tại (như tín hiệu GPS C/A) nên

hệ số phân tách phổ thường được xem xét để đánh giá sự can nhiễu giữa các tín hiệu định vị mới và tín hiệu GPS C/A Mặt khác, tín hiệu định vị của các vệ tinh trong cùng một hệ thống GNSS cũng gây can nhiễu lên nhau do sử dụng chung tần số sóng mang Do đó, khi lựa chọn tín hiệu định vị theo tiêu chí hệ số phân tách phổ, bên cạnh hệ số phân tách phổ giữa các tín hiệu định vị, ta cũng phải quan tâm đến hệ số phân tách phổ của chính bản thân mỗi tín hiệu

định vị để giảm sự can nhiễu giữa các tín hiệu định vị được phát bởi các vệ tinh trong cùng một hệ thống định vị

Băng thông RMS được sử dụng để xác định chất lượng của tín hiệu trong quá trình đồng

bộ Băng thông RMS càng lớn thì độ chính xác trong đồng bộ với tín hiệu càng tốt Tham số này được xác định thông qua biểu thức [71]:

Hình 1.9 Băng thông RMS của tín hiệu BPSK, ( và (

Hình 1.9 minh họa băng thông RMS của các tín hiệu điều chế , ( và ( Từ công thức (1.19), băng thông RMS phụ thuộc vào sự phân bố của hàm PSD trong khoảng băng thông Từ mô tả ở hình vẽ, băng thông RMS tăng khi phổ của tín hiệu

bị kéo ra xa khỏi tần số trung tâm dưới tác động của sóng mang con

1.4.3 Kế hoạch triển khai tín hiệu định vị trong các hệ thống GNSS

Hiện nay, nhiều hệ thống GNSS đã và đang tồn tại và phát triển Tuy nhiên, xét về phạm

vị toàn cầu và khả năng phổ biến tín hiệu định vị trên toàn cầu, ba hệ thống định vị được xem xét chủ yếu là GPS, Galileo và GLONASS Trong đó, các tín hiệu của hệ thống GPS và Galileo sử dụng phương thức đa truy cập CDMA, các tín hiệu của hệ thống GLONASS sử dụng phương thức đa truy cập FDMA Trong tương lai không xa, nhằm triển khai sự kết hợp liên hệ thống giữa các hệ thống GNSS, GLONASS sẽ triển khai phương thức CDMA cho các tín hiệu định vị mới Hầu hết các hệ thống GNSS triển khai sử dụng phương thức điều chế BOC cho các tín hiệu định vị mới trong giai đoạn phát triển và hiện đại hóa Trên khía cạnh kết hợp giữa các hệ thống GNSS, các hệ thống GNSS chia sẻ các tần số sóng mang để truyền phát các tín hiệu định vị Hình 1.10 minh họa các tín hiệu định vị hai hệ thống GNSS là GPS

và Galileo

M-code BOCs(10,5)

L2C BPSK(0.511)

L1 M BOC(10,5)

L1C-I BOCs(1,1)

PPS BPSK(10)

E6a BOCc(10,5)

E1a BOCc(15,2.5)

E6bc BPSK(5) CBOC(6,1,1/11)E1bc

L1 SPS BPSK(1)

E5 AltBOC(15,10)

E5b BPSK(10) 1207.14MHz

1575.42MHz

BPSK(10) 1176.45MHz 1227.60MHz

E5a BPSK(10)

1176.45MHz

L1C-Q TMBOC(6,1,4/33)

Hình 1.10 Phân bổ tần số và tín hiệu của các hệ thống GPS và Galileo

 Tín hiệu định vị của hệ thống GPS

Các tín hiệu định vị của hệ thống GPS được truyền trên ba tần số sóng mang trong băng tần L ( ) Bảng 1.1 mô tả các đặc tính cơ bản của các tín hiệu định vị của hệ thống GPS

Bảng 1.1 Các đặc tính cơ bản của tín hiệu định vị trong hệ thống GPS

 Tín hiệu định vị của hệ thống Galileo

Hiện nay hệ thống Galileo vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm kiểm tra quỹ đạo IOV với 04 vệ tinh đã được phóng lên quỹ đạo (GSAT0101, GSAT0102, GSAT0103, GSAT0104) [22] Theo kế hoạch, các vệ tinh của hệ thống Galileo sẽ phát các tín hiệu định vị sử dụng tần

số sóng mang ở băng L giống như hệ thống GPS Hệ thống sẽ sử dụng 05 tần số sóng mang là: E1, E6, E5, E5a và E5b nhưng hiện tại mới chỉ có tín hiệu được phát trên tần số E1 đang được phát thử nghiệm Bảng 1.2 mô tả các đặc tính cơ bản của các tín hiệu định vị đã và đang được triển khai trong hệ thống Galileo của Liên minh châu Âu

Bảng 1.2 Các đặc tính cơ bản của các tín hiệu trong hệ thống Galileo

E1

1.5 Các nguồn gây lỗi trong hệ thống GNSS

Tín hiệu định vị được truyền từ các vệ tinh MEO xuống các bộ thu GNSS ở dưới mặt đất Trong quá trình truyền sóng từ vệ tinh xuống bộ thu, các tín hiệu định vị đi qua các tầng khí quyển như tầng điện ly, tầng lối lưu Đặc điểm vật lý của các tầng khí quyển này gây ra các ảnh hưởng khác nhau đến các tham số của tín hiệu định vị Khi tín hiệu định vị được phát đi

từ vệ tinh, nội dung của bản tin dẫn đường mang các thông tin về quỹ đạo và các tham số được dự đoán, tính toán về vệ tinh để giúp cho bộ thu GNSS có thể dựa vào đó tính toán ra giả khoảng cách giữa vệ tinh và bộ thu Tuy nhiên các thông tin này có thể khác so với các tham số thực tế lúc đó của vệ tinh Do đó đây là một nguyên nhân gây sai số và được gọi là nguồn gây sai số của bản thân vệ tinh Tương tự, khi tín hiệu định vị đến bộ thu, các nguyên nhân gây sai số khác cũng xuất hiện như: xung nhịp đồng hồ của bộ thu, anten của bộ thu và các trễ trong quá trình xử lý tín hiệu trong bộ thu Trong các nguồn gây lỗi trên, lỗi do hiện tượng đa đường là một trong những lỗi chủ yếu ảnh hưởng đến độ chính xác của bộ thu GNSS Trong phần này, luận án sẽ phân tích cụ thể hơn về các nguồn gây sai số trong GNSS

1.5.1 Sai số do vệ tinh GNSS

Sai số do bản thân vệ tinh GNSS bao gồm sai số giữa lịch thiên văn và các thông số thực

tế của vệ tinh và sai số tần số bộ dao động của vệ tinh

Với sai số giữa lịch thiên văn và các thông số quỹ đạo thực tế của vệ tinh, đây là sự sai lệch giữa vị trí thực tế của vệ tinh và vị trí được dự đoán ở trong bản tin dẫn đường cung cấp tới bộ thu GNSS Trong hệ thống GPS, việc dự đoán vị trí này được cập nhật sau một khoảng thời gian là 8 tiếng Như vậy, theo thời gian, việc dự đoán này trở nên thiếu chính xác do sự

tác động từ các yếu tố bên ngoài đến vệ tinh như lực hấp dẫn của Trái Đất, lực hút từ mặt trăng,…

Với sai số tần số bộ dao động vệ tinh, tần số xung nhịp bộ dao động trên vệ tinh không giống hệt với thời gian tham chiếu của hệ thống Sai số này bắt nguồn từ độ lệch của bộ dao động quanh tần số danh định

1.5.2 Sai số trong quá trình truyền sóng tín hiệu

Ngoài sai số do vệ tinh GNSS, các tín hiệu định vị khi truyền sóng qua môi trường từ vệ tinh GNSS đến bộ thu GNSS chịu tác động của các tầng khi quyển này Đầu tiên, tín hiệu gặp tầng điện ly ở độ cao khoảng sau đó đến tầng đối lưu ở độ cao khoảng so với

bề mặt trái đất Những tầng khí quyển này có những tác động khác nhau đến các tham số của tín hiệu định vị do đặc tính vật lý của các tầng này khác nhau Bên cạnh hai nguyên nhân này, trong quá trình truyền sóng từ vệ tinh đến bộ thu, tín hiệu định vị còn chịu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, nhiễu và hiện tượng chồng lấn tín hiệu Tuy nhiên, trong phần này chỉ phân tích về sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu còn hiện tượng đa đường sẽ được phân tích

kỹ lưỡng ở phần sau do đây là đối tượng nghiên cứu chính của luận án

1.5.2.1 Sai số do tầng điện ly

Tầng điện ly nằm cách mặt đất khoảng từ đến , có thành phần chủ yếu là các ion và điện tử tự do Mật độ điện tử tự do gây ra trễ truyền lan của sóng điện từ theo hướng độ trễ truyền lan của sóng điện từ tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do dọc theo hướng truyền lan Mặt khác, mật độ điện tử tự do này lại tỉ lệ nghịch với bình phương tần số sóng điện từ lan truyền Thông số đặc trưng cho mật độ điện tử này được gọi là nội dung điện tử tổng cộng – TEC, được xác định bằng tổng số điện tử trong một ống (có thiết diện mặt cắt ngang ) kéo dài từ vệ tinh đến bộ thu Trễ do tầng điện ly phụ thuộc khá nhiều vào cao độ của vệ tinh Với các vệ tinh có cao độ thấp, quãng đường lan truyền của tín hiệu định vị qua tầng điện ly bị dài ra nên độ trễ tầng điện ly sẽ tăng lên [62] Tầng điện ly có đặc điểm là môi trường phân tán và hệ số khúc xạ phụ thuộc vào tần số của sóng điện từ (trong hệ thống GNSS là tần số của tín hiệu định vị) Vì vậy, để khắc phục sai số do tầng điện ly, các bộ thu GNSS mới thường kết hợp hai tín hiệu định vị tại hai tần số sóng mang là L1 và L2 để khử sai

số này

Thông dụng nhất hiện nay, các bộ thu GNSS đơn tần phổ biến có thể sử dụng các mô hình sửa lỗi tầng điện ly để loại bỏ sai số tầng điện ly Mô hình sửa sai tầng điện ly phổ biến nhất đó là mô hình Klobuchar [62, 63] Nhờ có mô hình Klobuchar và các thuật toán hiệu chỉnh sai số mà trễ tầng điện ly có thể được giảm tối đa đến 50% Bên cạnh mô hình Klobuchar gốc, các mô hình truyền sóng tầng điện ly khác cũng đã được đề xuất để phù hợp hơn với các điều kiện truyền sóng tại các khu vực địa lý khác nhau trên trái đất như các mô hình được đề xuất trong [1, 37, 38, 107]

1.5.2.2 Sai số do tầng đối lưu

Tầng đối lưu là tầng khí quyển thấp hơn tầng điện ly, ở độ cao khoảng so với bề mặt trái đất với thành phần chủ yếu là hơi nước ơ độ cao dưới và khí khô ở độ cao trên Thành phần hơi nước này làm cho tín hiệu định vị GNSS bị khúc xạ Theo [62], khoảng 90% trễ tầng đối lưu phụ thuộc vào thành phần khí khô và có thể dự đoán dễ dàng dựa vào vĩ độ, độ cao của bộ thu GNSS cũng như căn cứ vào thời điểm trong năm Với thành phần hơi nước, do nó thay đổi theo thời tiết từng vùng và thay đổi rất nhanh nên rất khó dự đoán Khác với tầng điện ly, tầng đối lưu là không phân tán Do vậy, nó gây ra trễ giống nhau trên

cả mã giả ngẫu nhiên PRN và sóng mang Mô hình hóa các thành phần khô cũng như ẩm của tầng đối lưu để tính toán sai số trong quá trình truyền tín hiệu định vị qua tầng đối lưu đã được nhóm nghiên cứu trong [24] phát triển và gọi là mô hình UNB3 Mô hình UNB3 cũng

đã được phân tích kỹ lưỡng về độ chính xác của mô hình bởi nhóm tác giả trong [105]

Tuy nhiên do cả trễ tầng điện ly và trễ tầng đối lưu đều thay đổi chậm theo thời gian nên khi xem xét ở trong mạch vòng bám tín hiệu, các trễ này được coi như là một phần của thời gian truyền sóng tín hiệu định vị nên không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch vòng bám đồng bộ tín hiệu

1.5.3 Sai số do bộ thu GNSS

Bản thân các bộ thu GNSS cũng là một trong những nguyên nhân gây ra sai số đối với quá trình xử lý tín hiệu định vị để xác định vị trí của nó Các bộ thu không thể bám sát một cách hoàn hảo, ngay tức thì sự thay đổi của tín hiệu do các lỗi của anten, lỗi do tạp âm nhiệt, nhiễu, tạp âm lượng tử và lỗi do bám tín hiệu Lỗi do tạp âm của bộ thu thường thay đổi theo cường độ của tín hiệu định vị, cường độ này lại phụ thuộc vào cao độ của vệ tinh GNSS Ngoài ra, hoạt động bám tín hiệu địnhvị của bộ thu GNSS còn chịu ảnh hưởng của các nguồn nhiễu có phổ tần chồng lấn với phổ tần của tín hiệu GNSS do các thành phần nhiễu này vẫn lọt qua bộ lọc cao tần Bên cạnh đó, tạp âm nhiệt cũng là một nguồn nhiễu chủ yếu ở trong khối DLL của bộ thu GNSS [62] Những tác động của tạp âm nhiệt đến hiệu năng hoạt động của mạch vòng DLL trong các bộ thu GNSS sẽ được phân tích chi tiết ở Chương 2 Cuối cùng, sai lệch tần số của bộ dao động nội bộ trong bộ thu GNSS cũng gây ra sai số Giống như sai lệch tần số của bộ dao động nội bộ trong vệ tinh GNSS, các bộ dao động trong bộ thu GNSS cũng luôn có một dung sai nhất định quanh tần số danh định và sự không chính xác tuyệt đối giữa xung nhịp của bộ dao động này và thời gian tham chiếu của hệ thống GNSS

1.5.4 Sai số do đa đường

Ngoài các nguồn gây sai số ở trên, đa đường là một trong những sai số chủ yếu trong hệ thống GNSS Các nguồn sai số như trễ tầng điện ly, trễ tầng đối lưu, sai lệch vị trí quỹ đạo vệ tinh đã và đang có nhiều giải pháp khắc phục rất hiệu quả và ảnh hưởng rất ít đến sai số trong

hệ thống GNSS Với trễ tầng điện ly, trễ tầng đối lưu, các mô hình toán học mô hình hóa đặc điểm của trễ này ngày càng chính xác Đồng thời, do sự phụ thuộc của trễ vào tần số tín hiệu định vị, việc sử dụng các bộ thu hai tần số sóng mang đã giải quyết rất tốt tác động của trễ này đến hiệu năng hoạt động của bộ thu GNSS Ngoài ra với việc áp dụng công nghệ định vị vi sai, ví dụ như DGPS, các bộ thu GNSS có thể hiệu chỉnh được sự sai lệch vị trí của mình dựa theo vị trí của các trạm tham chiếu trong hệ thống DGPS Tuy nhiên, sai số do đa đường mang những đặc điểm khác biệt hoàn toàn Hiện tượng đa đường hoàn toàn mang tính cá thể, với các bộ thu GNSS khác nhau, ở các vị trí khác nhau không xa, sự tác động của hiện tượng

đa đường là khác nhau Chính vì vậy, việc áp dụng các giải pháp như sử dụng công nghệ định

vị vi sai hoặc xây dựng các mô hình truyền sóng chung để từ đó loại bỏ tác động của hiện tượng đa đường đến hoạt động của bộ thu GNSS không khả thi Do đó, hiện tượng truyền dẫn

đa đường trở thành nguồn sai số chủ yếu trong các hệ thống GNSS Đây cũng là lý do để có thể gọi tắt hiện tượng truyền dẫn đa đường là nhiễu đa đường

1.6 Kết luận chương

Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh GNSS ngày càng có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực trong cuộc sống Nhằm đáp ứng ngày càng tốt hơn nữa về chất lượng dịch vụ mà hệ thống cung cấp tới người sử dụng cũng như tận dụng sự phát triển của các công nghệ, kỹ thuật viễn thông hiện đại, các hệ thống định vị đã không ngừng phát triển thông qua sự hiện đại hóa của hệ thống hiện tại là GPS và sự triển khai cung cấp dịch vụ của các hệ thống mới như Galileo và GLONASS Cùng với sự phát triển của các hệ thống GNSS, các tín hiệu định vị mới đã được triển khai và các tín hiệu này đã sử dụng một phương thức điều chế mới, điều chế BOC Nhờ đó, các tín hiệu định mới có nhiều ưu điểm so với tín hiệu định vị truyền thống (GPS C/A) như khả năng chống lại các tác động của các nguồn gây sai số cũng như đưa đến khả năng kết hợp giữa các hệ thống GNSS với nhau

Phần cuối của chương đã phân tích các tác nhân gây ra sai số trong hệ thống GNSS Bao gồm: sai số do vệ tinh của hệ thống GNSS, sai số do tầng điện ly và đối lưu, sai số do bản thân bộ thu GNSS Một trong số các nguồn gây sai số trong quá trình truyền sóng đó là việc truyền lan đa đường của sóng điện từ, bên cạnh thành phần truyền thẳng còn có các thành phần tín hiệu phản xạ, tán xạ… (gọi chung là thành phần tín hiệu đa đường) Đặc biệt, nhiễu

đa đường gây ảnh hưởng mạnh đến quá trình bám mã và gây ra sai số về khoảng cách khá lớn Nguồn gây sai số này cho đến nay vẫn là một trong những nguồn sai số chủ yếu ảnh hưởng đến độ chính xác của các bộ thu GNSS