Xử lý tín hiệu trong hệ thống Galileo

Ngay từ những kỷ nguyên đầu tiên của nền văn mình loài người. Từ những kiến thức kinh nghiệm lẫn khoa học được tích góp qua quá trình lao động, quan sát thiên nhiên vũ trụ, con người đã không ngừng sáng tạo ra các phương pháp sử dụng trong việc định vị và dẫn đường đặc biệt là trong ngành hàng hải, vận tải, giao thông.Thế kỷ 20, với việc phát triển không ngừng của khoa học và kỹ thuật, đã cho ra đời những phương tiện hiện đại hơn như máy bay, tàu vũ trụ. Mở ra cho con người kỷ nguyên mới, chinh phục vũ trụ bao la.Điều này đòi hỏi cần có những hệ thống dẫn đường mới, tiên tiến hơn, hiện đại hơn giúp con người định vị chính xác, dẫn đường cho các máy bay, tàu vũ trụ…Đáp ứng những yêu cầu đó, các hệ thống dẫn dường tiên tiến dựa trên vệ tinh đã được phát triển thành công và đưa vào sử dụng như GPS, GLONASS… Mặc dù hiện tại các hệ thống này đã phủ sóng toàn cầu, cho phép mọi người được sử dụng các dịch vụ định vị, dẫn dường từ những hệ thống này. Tuy nhiên, vì một số lý do nên việc sử dụng những hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào tình hình của các nước chủ quản.Nhận thấy tầm quan trọng của 1 hệ thống dẫn đường tiên tiến, hoạt động ổn định và liên tục là rất cần thiết cho việc phát triển kinh tế, ổn định an ninh, xã hội. Liên minh Châu Âu đã lên chương trình cho việc xây dụng hệ thống GALILEO, với những công nghệ tiên tiến được áp dụng. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, phát triển các thiết bị sử dụng tín hiệu vệ tinh từ GALILEO có vai trò quan trọng, cho phép phát triển các thiết bị định vị đa hệ thống, giảm sự phụ thuộc tăng cao độ tin cậy và chính xác. Phục vụ tốt hơn cho các ứng dụng dân sự, an ninh và quốc phòng.

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Quang Hiếu Học viên Ngô Quang Đạt MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.45 Sơ đồ điều chế tín hiệu E5 Hình 2.46. Giản đồ sóng tín hiệu E5 Hình 2.47 Sơ đồ điều chế tín hiệu E6. Hình 2.48. Sơ đồ điều chế tín hiệu E1 Hình 2.49. Thành phần tín hiệu L1-B Hình 2.50 Thành phần Tín hiệu L1-C Hình 2.51 Phổ tần số các tín hiệu vệ tinh GALILEO Hình 2.52. Đồ hình các chùm IQ Hình 3.1. Mô hình tổng quát thực hiện bộ thu tín hiệu E1 Hình 3.2. Sự thay đổi khi thay đổi tốc độ lấy mẫu Hình 3.3. Thông số GLRT sử dụng thuật toán Parallel Code Phase Search (PCPS) với fIN = 4Msps Hình 3.4. Sự thay đổi của các thông số VE, E, P, L va VL Hình 3.5. Sơ đồ khối Tracking Hình 3.6. Biểu đồ phân tán, hiển thị các bit tín hiệu của tín hiệu E1B DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thông số cơ bản của hệ thống GPS Bảng 1.2 Thông số cơ bản hệ thống GLONASS Bảng 1.3 Thông số cơ bản hệ thống GALILEO Bảng 2.1 Nội dung các sub-frame trong thông điệp F/NAV Bảng 2.2 Liệt kê các thông số lịch thiên văn Bảng 2.3 Thuật toán dùng để xác định lịch thiên văn trên máy thu Bảng 2.4 Thông số GST Bảng 2.5 Bảng thông số hiệu chinh đồng hồ Bảng 2.6 Dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ GALILEO. Bảng 2.7 Mã BGD Bảng 2.8 Đặc tính thông số truyền. Bảng 2.9 Bảng tham số chuyển đổi GST-UTC Bảng 2.10 Thông tin dữ liệu GGTO Bảng 2.11 Cấu trúc thông số dịch vụ Bảng 2.12 Định nghĩa bit chỉ ra tính hợp lệ của dữ liệu. Bảng 2.13 Định nghĩa trạng thái tín hiệu Bảng 2.14 Thông số dữ liệu dương lịch Bảng 3.15 Tần số sóng mang tín hiệu GALILEO Bảng 3.16 Băng thông tín hiệu nhận DANH SÁCH VIẾT TẮT GNSS Global Navigation Setellite System Hệ thống dẫn đường vệ tinh GPS Global Posistion System Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ GLONASS Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema Hệ thống định vị toàn cầu của Nga CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã FDAM Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số GST Galileo System Time Thời gian của hệ thống Galileo BDG Broadcast Group Delay Trễ nhóm phát PLL Phrase Lock loop Vòng khóa pha số UTC Giờ phối hợp quốc tế SAR Search and rescue Dịch vị tìm kiếm cứu nạn GGTO Galileo to GPS Time Offset ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra lỗi DLL Delay Lock loop Vòng khóa trễ MỞ ĐẦU Ngay từ những kỷ nguyên đầu tiên của nền văn mình loài người. Từ những kiến thức kinh nghiệm lẫn khoa học được tích góp qua quá trình lao động, quan sát thiên nhiên vũ trụ, con người đã không ngừng sáng tạo ra các phương pháp sử dụng trong việc định vị và dẫn đường đặc biệt là trong ngành hàng hải, vận tải, giao thông. Thế kỷ 20, với việc phát triển không ngừng của khoa học và kỹ thuật, đã cho ra đời những phương tiện hiện đại hơn như máy bay, tàu vũ trụ. Mở ra cho con người kỷ nguyên mới, chinh phục vũ trụ bao la. Điều này đòi hỏi cần có những hệ thống dẫn đường mới, tiên tiến hơn, hiện đại hơn giúp con người định vị chính xác, dẫn đường cho các máy bay, tàu vũ trụ… Đáp ứng những yêu cầu đó, các hệ thống dẫn dường tiên tiến dựa trên vệ tinh đã được phát triển thành công và đưa vào sử dụng như GPS, GLONASS… Mặc dù hiện tại các hệ thống này đã phủ sóng toàn cầu, cho phép mọi người được sử dụng các dịch vụ định vị, dẫn dường từ những hệ thống này. Tuy nhiên, vì một số lý do nên việc sử dụng những hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào tình hình của các nước chủ quản. Nhận thấy tầm quan trọng của 1 hệ thống dẫn đường tiên tiến, hoạt động ổn định và liên tục là rất cần thiết cho việc phát triển kinh tế, ổn định an ninh, xã hội. Liên minh Châu Âu đã lên chương trình cho việc xây dụng hệ thống GALILEO, với những công nghệ tiên tiến được áp dụng. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu, phát triển các thiết bị sử dụng tín hiệu vệ tinh từ GALILEO có vai trò quan trọng, cho phép phát triển các thiết bị định vị đa hệ thống, giảm sự phụ thuộc tăng cao độ tin cậy và chính xác. Phục vụ tốt hơn cho các ứng dụng dân sự, an ninh và quốc phòng. Luận văn này cung cấp cái nhìn khái quát về các hệ thống định vị toàn cầu trên thế giới, về cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Đặc biệt, tập trung vào việc tìm hiểu, phân tích hệ thống định vị toàn cầu Galileo. 6 Nội dung trình bày được chia thành 3 chương có nội dung được mô tả như dưới đây. Chương 1 – Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh GNSS. Chương này sẽ giới thiệu về các hệ thống định vị toàn cầu hiện có trên thế giới. Lịch sử nghiên cứu và phát triển. Đặc biệt là chương trình GALILEO được Liên minh Châu Âu xây dựng và phát triển. Chương 2–Tín hiệu của hệ thống GALILEO . Chương này tập trung vào cấu trúc các khung tin dẫn đường tương ứng với các dịch vụ được cung cấp bởi hệ thống GALILEO. Ngoài ra, trong chương này cũng sẽ đưa ra sơ đồ khối cho các bộ thu phát tín hiệu GALILEO. Chương 3 – Thực hiện bộ thu tín hiệu GALILEO E1 – sử dụng trong dân sự. Trình bày những thiết lập và cấu hình trên lý thuyết cần thiết cho phép thực hiện 1 bộ thu tín hiệu GALILEO trên Matlab Simulink. Từ đó đưa ra những đánh giá và kết luận. Kết luận . Đánh giá quá trình thực hiện đề tài, và đề ra những phương án tiếp theo để phát triển đề tài tiếp theo. 7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU SỬ DỤNG VỆ TINH GNSS Từ những tiến bộ kỹ thuật trong khoa học vũ trụ, hàng hải đã đưa đến những yêu cầu về một hệ thống định vị dẫn đường tiên tiến hơn. Mỹ là nước đầu tiên trên thế giới xây dựng và phát triển hệ thống định vị vệ tinh - GPS. Nó đã chứng minh được những ưu điểm của mình trong kinh tế, dân sự, an ninh quốc phòng. Sau Mỹ, đã có những hệ thống định vị tiếp theo được ra đời bởi nhiều quốc gia trên thế giới. Chương này sẽ cung cấp những định nghĩa về 1 hệ thống GNSS, giới thiệu những hệ thống GNSS hiện có trên thế giới. Cũng như những thông tin về lịch sử hình thành và phát triển cả hệ thống định vị toàn cầu 1.1 Tổng quan Global Navigation Setellite System (GNSS) là tên được sử dụng để chỉ các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh. Một hệ thống GNSS bao gồm một tổ hợp các vệ tinh xoay quanh trái đất. Các vệ tinh này liên tục gửi các thông tin về vị trí hiện tại của nó tới các thiết bị thu trên mặt đất. Từ việc tính toán các giá trị từ các thông tin này có thể cho biết được vị trí hiện tại của 1 thiết bị thu trên mặt đất. Ngày nay, GNSS được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực quân sự, kinh tế, dân sự… bởi những tiện lợi thiết thực từ các hệ thống này mang lại. Hiện tại, trên thế giới có các hệ thống GNSS được sử dụng như : - Global Position System – GPS của Mỹ. - GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema – GLONASS của Nga. - GALILEO–Châu Âu. - COMPASS/BeiDou –Trung Quốc. - IRNSS - Ấn Độ. - QZSS – Nhật Bản. Trong đó, GALILEO là một hệ thống định vị toàn cầu được xây dựng và phát triển bởi liên minh Châu Âu, nó được đặt theo tên nhà thiên văn người Ý Galileo 8 Galilei. Khác với các hệ thống GPS hay GLONASS ,GALILEO được điều hành và quản lý bởi các tổ chức dân dụng và phi quân sự. Ở Việt Nam, trước đây chúng ta thường sử dụng hệ thống GPS trong các ứng dụng định vị. Vừa qua với việc nhóm nghiên cứu tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội thành công trong việc xác định vị trí thông qua dịch vụ mở của hệ thống định vị toàn cầu GALILEO, đã đặt nền tảng bước đầu trong việc xây dựng và phát triển các giải pháp định vị đa hệ thống, giúp nâng cao độ chính xác, độ tin cậy, và giảm sự phụ thuộc vào các hệ thống định vị riêng lẻ. 1.2 Lịch sử hình thành và phát triển Từ xa xưa, các phương pháp định vị và dẫn đường được phát triển gắn liền với sự phát triển của ngành hàng hải. Tuy nhiên, với sự xuất hiện của máy bay, các con tàu khổng lồ với động cơ hơi nước, tàu vũ trụ… đòi hỏi hệ thống định vị và dẫn đường cần phải chính xác, liên tục. Vì vậy, vào những năm 1920, trên thế giới bắt đầu hình thành các hệ thống dẫn đường vô tuyến tạo tiền đề cho các hệ thống định vị toàn cầu. Các hệ thống đó bao gồm các thiết bị có tầm hoạt động ngắn như radar,máy tìm phương, radar beacons, đến các hệ thống có tầm hoạt động xa hơn như OMEGA, DECCA, LORAN-C. Năm 1957 Nga phóng thành công vệ tinh Sputnik . Đại học MIT cho rằng tín hiệu vô tuyến điện của vệ tinh có thể tăng lên khi nó tiếp cận Trái đất, giảm đi khi rời khỏi Trái đất cho nên có thể truy theo vị trí trên mặt đất. Năm 1959 Hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh - TRANSIT của Mỹ được đưa vào hoạt động. Năm 1960 Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ, độ cao) được đưa vào nghiên cứu. Năm 1963 Công ty Areospace Corporation thực hiện nghiên cứu về hệ thống không gian làm cơ sở cho hệ thống dẫn đường. Trong thí nghiệm này, khái niệm liên quan tới việc đo thời gian tới của sóng tín hiệu được phát đi từ 1 vệ tinh có vị trí chính xác đã biết,việc làm này cho phép xác định vị trí của người sử dụng. Đây là bước khởi đầu quan trọng cho hệ thống định vị toàn cầu. 9 Đây là những bước khởi đầu quan trọng cho việc xây dựng các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh sau này. Dựa trên những nghiên cứu đó, Mỹ là nước đầu tiên xây dựng hệ thống định vị GPS của mình. Tháng 22/2/1978 vệ tinh đầu tiên của hệ thống GPS được phóng lên quỹ đạo. Hệ thống định vị GPS bắt đầu đưa vào hoạt động từ những năm 1980. Ngày 12/10/1982 vệ tinh đầu tiên của hệ thống GLONASS được phóng lên quỹ đạo. Đến ngày 24/9/1993 hệ thống GLONASS chính thức đi vào hoạt động. Tuy nhiên, cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho các mục đích quân sự. Đối với người dùng dân sự, sai số có thể sẽ rất lớn nếu như các cơ quan điều hành của GPS hay GLONASS kích hoạt các bộ gây sai số chủ định, ví dụ như SA của GPS. Do vậy, nhằm tránh sự lệ thuộc vào Nga và Mỹ trong trường hợp xảy ra chiến tranh, liên minh Châu Âu đã lên kế hoạch thiết kế và xây dựng 1 hệ thống định vị vệ tinh mới cho các mục đích dân sự, lấy tên là GALILEO. Năm 1999, bắt đầu triển khai dự án nghiên cứu thiết kế hệ thống GALILEO với 4 nước tham gia bao gồm Pháp, Đức, Italia, Anh. Năm 2003, bắt đầu giai đoạn 1 của chương trình nghiên cứu. Năm 2005, vệ tinh GIOVE- A được đưa vào hệ thống. Ngày 30/11/2007, bộ trưởng giao thông vận tải của 27 quốc gia thuộc liên mình Châu Âu thống nhất đưa hệ thống GALILEO vào hoạt động vào năm 2013, tuy nhiên sau đó đã phải dời lại năm 2014. Năm 2008, vệ tinh GIOVE – B được đưa vào hệ thống. Tháng 10/2009 do sự khó khăn trong vấn đề tài chính cho dự án, Ủy ban Châu Âu quyết định cắt giảm số lượng vệ tinh phóng tiếp theo từ 28 xuống còn 22 vệ tinh. Tháng 11/2009 khánh thành trạm mặt đất đầu tiên tại Kourou. Tháng 12/2010 Prague thuộc cộng hòa Séc được chọn làm trụ sở cho dự án GALILEO. 21/10/2011 Hai vệ tinh IOV được đưa lên hệ thống bằng tên lửa Soyuz. Và 2 vệ tinh còn lại sẽ được đưa lên vào ngày 12/10/2012. 10 [...]... Nga - Hệ thống GALILEO – Châu Âu Những vấn đề đươc phân tích ở đây bao gồm : - Cấu trúc của hệ thống - Thông số hệ thống - Nguyên lý hoạt động : Nguyên lý hoạt động của các hệ thống định vị vệ tinh về cơ bản là giống nhau cho nên ở đây ta chỉ làm rõ về nguyên lý của hệ thống GPS, các hệ thống khác hoàn toàn tương tự - Tín hiệu định vị, dẫn đường từ hệ thống - Phân tích ưu và nhược điểm mỗi hệ thống. .. lượng trung bình của tín hiệu thu được [3] Thành công này của nhóm nghiên cứu đã cho thấy khả năng của nền công nghệ Việt Nam trong việc làm chủ và phát triển các giải pháp định vị đa hệ thống Giúp nâng cao độ chính xác, độ tin cây, giảm sự phụ thuộc vào một hệ thống riêng lẻ 32 CHƯƠNG 2 TÍN HIỆU HỆ THỐNG GALILEO Trong chương này sẽ tập trung làm rõ các vấn đề về tín hiệu của hệ thống GALILEO bao gồm :... tín hiệu GALILEO, các khung thông tin hệ thống và khung tin dẫn đường của vệ tinh Ngoài ra, còn đề cập tới vấn đề điều chế tín hiệu trong các khung tin GALILEO 2.1 Bộ thu phát tín hiệu 2.1.1 Bộ thu GALILEO Hệ thống định vị toàn cầu GALILEO được cung cấp những phương pháp và công nghệ mới nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy Hiện tại, đã có những thiết bị máy thu GALILEO được phát triển với nhiều tính... Việt Nam đối với hệ thống GALILEO 1.3.1 Hệ thống GPS – Mỹ 1.3.1.1 Giới thiệu hệ thống GPS GPS là hệ thống định vị vệ tinh được phát triển và điều hành bởi bộ quốc phòng Mỹ Hệ thống GPS bắt đầu được xây dựng vào tháng 2/1978 với việc phóng vệ tinh đầu tiên - Block I - lên quỹ đạo Năm 1983, tổng thống Mỹ Reagan cho phép sử dụng miễn phí tín hiệu vệ tinh GPS trong các ứng dụng dân sự Hệ thống GPS được hoàn... được vị trí trên mặt đất dựa vào các bản tin từ các vệ tinh trong hệ thống GALILEO gửi về Hệ thống GALILEO khi hoàn thành sẽ có tất cả 30 vệ tinh (27 vệ tinh hoạt động thường xuyên và 3 vệ tinh dự phòng) 1.3.3.2 Thông số hệ thống GALILEO Sau đây bảng liệt kê một số thông tin quan trọng của hệ thống GALILEO: Bảng 1.3 Thông số cơ bản hệ thống GALILEO Hạng mục Thông số Số vệ tinh Số mặt phẳng quỹ đạo Độ...Dự tính tới năm 2014 bắt đầu đưa các vệ tinh FOC còn lại lên hệ thống 1.3 Những hệ thống định vị toàn cầu trên thế giới Như đã giới thiệu ở trên, nhận thấy vai trò quan trọng của hệ thống định vị vệ tinh nên nhiều quộc gia trên thế giới đã xây dựng những hệ thống định vị cho mình Tuy nhiên, ở đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu và phân tích 3 hệ thống lớn bao gồm : - Hệ thống GPS – Mỹ - Hệ thống GLONASS-... bộ mới trong công nghệ và để đáp ứng nhu cầu hiện đại, chính phủ Mỹ đã đề ra các mục tiêu nhằm hiện đại hóa hệ thống GPS tiến tới xây dựng và phát triển hệ thống GPS III, năm 2000 Quốc hội Mỹ cho phép phát triển hệ thống GPS III 11 Hình 1.1.Logo chính thức của hệ thống GPS [1] 1.3.1.2 Thông số hệ thống GPS Bảng sau liệt kê những thông số cơ bản của hệ thống GPS Bảng 1.1 Thông số cơ bản của hệ thống. .. năng xử lý của hệ thống, độ bao phủ của tín hiệu, và dịch vụ cung cấp Sau đây là sơ đồ khối của 1 máy thu GALILEO: Hình 2.1 Sơ đồ khối của máy thu GALILEO [4] Xử lý tương tự: Khối này làm nhiệm vụ thu các thông tin được gửi xuống từ vệ tinh của hệ thống Nó có thể bao gồm các phần sau : - Bộ khuếch đại nhiễu thấp - LNA - Mạch giải điều chế các tín hiệu từ vệ tinh - Bộ lọc thông dải - Bộ ADC để đưa tín hiệu. .. phát triển các máy thu tiên tiến dựa trên tín hiệu hệ thống GALILEO vẫn được tiếp tục nghiên cứu và phát triển Một máy thu GALILEO có nhiệm vụ cung cấp các giải pháp định vị và điều hướng dựa trên việc phân tích, xử lý tín hiệu nhận đươc từ các vệ tinh của hệ thống GALILEO Hoạt động của thiết bị theo quy trình như sau : Sau khi thu thập và theo dõi các tín hiệu từ các vệ tinh mà thiết bị có thể nhìn... Máy tính ( cá phần mềm xử lý số liệu): Sau khi thu thập số liệu ở thực địa, 15 các thông tin vị trí và thuộc tính sẽ được chuyển lên PC và sử dụng phần mềm để nâng cao độ chính xác (sử dụng kỹ thuật sai phân ) Hình 1.5 Sơ đồ về mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống GPS [1] 1.3.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS Hệ thống GPS là một mạng lưới bao gồm 27 vệ tinh quay xung quanh trái đất Trong . sóng tín hiệu E5 Hình 2.47 Sơ đồ điều chế tín hiệu E6. Hình 2.48. Sơ đồ điều chế tín hiệu E1 Hình 2.49. Thành phần tín hiệu L1-B Hình 2.50 Thành phần Tín hiệu L1-C Hình 2.51 Phổ tần số các tín. thị các bit tín hiệu của tín hiệu E1B DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thông số cơ bản của hệ thống GPS Bảng 1.2 Thông số cơ bản hệ thống GLONASS Bảng 1.3 Thông số cơ bản hệ thống GALILEO Bảng. tín hiệu GALILEO. Chương 3 – Thực hiện bộ thu tín hiệu GALILEO E1 – sử dụng trong dân sự. Trình bày những thiết lập và cấu hình trên lý thuyết cần thiết cho phép thực hiện 1 bộ thu tín hiệu GALILEO