Hệ thống định vị toàn cầu GPS, kỹ thuật DGPS, thuật toán LMS và anten thông minh

Hệ thống định vị toàn cầu GPS, kỹ thuật DGPS, thuật toán LMS và anten thông minh

1 Chương 1:ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 - Đặt vấn đề tình hình nghiên cứu nay: Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) hệ thống xác định vị trí dựa vào vệ tinh nhân tạo gồm 24 vệ tinh chủ đạo vài vệ tinh dự trữ phân bố quanh trái đất quỹ đạo gần tròn với đường kính 20138 km có góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Để đảm bảo bao phủ khắp nơi trái đất, vệ tinh GPS xếp cho quỹ đạo có vệ tinh phân bố đều.Về mặt hình học, điểm trái đất thấy từ đến 10 vệ tinh chòm vệ tinh GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần ngày (mỗi chu kỳ quỹ đạo khoảng 11 58 phút) theo quỹ đạo xác phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất Các máy thu GPS nhận thông tin phép tính lượng giác tính vị trí máy thu người dùng Tín hiệu mà vệ tinh GPS phát xuống máy thu người dùng gồm sóng sin (còn gọi tần số sóng mang), mã CA (Coarse Acquisition) P (Precision) [mỗi vệ tinh phát mã khác nhau] tin định vị Tọa độ vệ tinh GPS nằm tin định vị Khoảng cách từ máy thu người dùng đến vệ tinh GPS xác định dựa vào tần số sóng mang mã CA hay P tương ứng vệ tinh (xác định khoảng thời gian từ lúc phát tín hiệu vệ tinh đến lúc nhận tín hiệu GPS máy thu người dùng, dựa vào vận tốc ánh sáng ta tính quãng đường từ máy thu người dùng đến vệ tinh phát mã CA hay P tương ứng) Khi biết tọa độ vệ tinh khoảng cách từ máy thu người dùng đến vệ tinh đó, dựa vào hình học ta cần vệ tinh xác định tọa độ máy thu người dùng Do xung clock nơi phát (vệ tinh) nơi thu (máy thu người dùng) không đồng nên có sai số thời gian trễ, dẫn đến sai số khoảng cách từ máy thu người dùng đến vệ tinh, vị trí máy thu người dùng sai theo Vì GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt mà hệ số sai số đồng hồ đưa lý phải cần đến vệ tinh thứ Ngoài có nhiều nguồn sai số khác sai số chủ định SA (Selective Availability) nhằm ngăn ngừa việc tự định vị xác thời gian thực thuê bao trái phép, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số truyền dẫn đa đường, sai số trễ tín hiệu truyền qua tầng điện ly tầng đối lưu, sai số máy thu Bên cạnh nguồn sai số trên, vấn đề truyền dẫn môi trường mật độ người sử dụng cao dễ dẫn đến tượng fading can nhiễu thu người dùng Vấn đề đặt tìm giải pháp để hạn chế nguồn can nhiễu, fading hàng loạt nguồn sai số khác Ta can thiệp vào vệ tinh để giảm nguồn sai số Nguồn sai số có kích hoạt SA, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh loại bỏ hoàn toàn kỹ thuật DGPS (Differential GPS) Nguồn sai số trễ tín hiệu truyền qua tầng điện ly tầng đối lưu hạn chế kỹ thuật DGPS Nguồn sai số truyền dẫn đa đường, can nhiễu vấn đề truyền dẫn tối ưu hạn chế anten thông minh Nhiệm vụ Đồ án môn học nghiên cứu tìm hiểu hệ thống GPS; đồng thời tìm giải pháp để đảm bảo việc truyền sóng, truyền dẫn tối ưu hạn chế ảnh hưởng sai số Đồ án môn học tìm hiểu giải pháp kỹ thuật DGPS,giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo đặt trạm tham khảo (hoặc thu người sử dụng) nhằm bảo đảm truyền dẫn tối ưu trạm tham khảo thu người sử dụng 1.2 - Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu: Trong phạm vi Đồ án môn học cố gắng tìm hiểu hệ thống định vị toàn cầu GPS, kỹ thuật DGPS, thuật toán LMS anten thông minh 1.3 - Bố cục đề tài: Đồ án môn học chia làm chương bao gồm: Chương 1: Đặt vấn đề GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt • Đặt vấn đề nêu mục đích ý nghĩa đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết • Hệ thống định vị toàn cầu GPS • Kỹ thuật DGPS • Thuật toán LMS • Anten thông minh - Bộ tạo búp thích nghi LMS băng hẹp - Lợi ích anten thông minh Chương 3:Ứng dụng anten thông minh hệ thống GPS DGPS Chương 4: Kết mô • Kết mô giải thuật LMS - Kết mô giải thuật LMS không gian 2D • Kết mô giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp - Kết mô giải thuật Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten ULA có N=20 phần tử không gian 2D Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài • Chương đưa số kết luận hướng phát triển đồ án 1.4 - Ý nghĩa đề tài: Đề tài tìm hiểu nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS, kỹ thuật DGPS, thuật toán LMS anten thông minh GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt Chương 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 - Tổng quan hệ thống định vị toàn cầu GPS: 1.1- Giới thiệu hệ thống GPS: Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) hệ thống xác định vị trí dựa vào vệ tinh nhân tạo Được thiết kế quản lý từ đầu năm 1970 Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ, ban đầu GPS dành cho mục đích quân sự, từ năm 1980 phủ Hoa Kỳ cho phép phục vụ cho mục đích quân lẫn dân Hệ thống GPS hoạt động từ năm 1993 cung cấp thông tin định vị liên tục 24 ngày nơi giới điều kiện thời tiết Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần ngày (mỗi chu kỳ quỹ đạo khoảng 11 58 phút) theo quỹ đạo xác phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất Các thu GPS nhận thông tin phép tính lượng giác tính xác vị trí Hình 2.1:Chòm vệ tinh GPS Hệ thống GPS gồm chòm 24 vệ tinh chủ đạo vài vệ tinh dự trữ phân bố quỹ đạo gần tròn với đường kính 20138km có góc nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo Để đảm bảo bao phủ khắp nơi trái đất, vệ tinh GPS xếp cho quỹ đạo có vệ tinh phân bố Về mặt hình học, điểm trái đất thấy từ đến 10 vệ tinh chòm vệ tinh GPS GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt Các vệ tinh nuôi lượng mặt trời có nguồn pin dự phòng để trì hoạt động chạy khuất vào vùng ánh sáng Các tên lửa nhỏ gắn vệ tinh giữ chúng bay quỹ đạo định .1.2 - Các mảng hệ thống GPS: Hệ thống GPS chia thành mảng chính: mảng không gian (space segment), mảng điều khiển (control segment) mảng người sử dụng (user segment) Hình 2.2: Các mảng hệ thống GPS Mảng không gian chòm 24 vệ tinh, vệ tinh phát tín hiệu gồm sóng sin (được gọi tần số sóng mang), mã số tin định vị Dùng sóng mang mã để xác định khoảng cách từ thu GPS người sử dụng đến vệ tinh GPS Bản tin định vị chứa tọa độ vệ tinh hàm thời gian Các tín hiệu phát từ vệ tinh điều khiển đồng hồ điện tử có độ xác cao vệ tinh GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt Mảng điều khiển gồm trạm điều khiển chủ MCS (Master Control Station), trạm monitor trạm điều khiển mặt đất Trạm MCS đặt gần Colorado Springs (Colorado, Mỹ) có nhiệm vụ giám sát toàn hệ thống GPS trạm monitor Colorado Springs, Hawaii, Kwajalein, Diego Garcia Ascension Island trang bị thu GPS chất lượng cao tạo dao động cesium nhằm mục đích theo vết (tracking) liên tục tất vệ tinh GPS Riêng trạm monitor Kwajalein, Diego Garcia Ascension Island trang bị antenna mặt đất để tải thông tin lên vệ tinh GPS Tất trạm monitor trạm điều khiển mặt đất điều khiển từ xa MCS.Nhiệm vụ mảng điều khiển xác định dự báo liệu định vị vệ tinh Các trạm monitor theo vết liên tục vệ tinh GPS phát giám sát thu thập đến MCS để xử lý Kết xử lý gồm vị trí vệ tinh hàm thời gian, tình trạng hệ thống, thông số đồng hồ vệ tinh, liệu áp suất, niên lịch vệ tinh, Dữ liệu định vị tươi MCS gửi đến trạm điều khiển mặt đất để trạm điều khiển mặt đất tải lên vệ tinh GPS qua dải băng tần S Mảng người sử dụng bao gồm tất máy thu GPS quân dân Khi thu GPS kết nối với antenna GPS, máy thu GPS tính toán biết vị trí không gian chiều Có loại dịch vụ mà Bộ Quốc Phòng Mỹ đưa vào ứng dụng dân dịch vụ định vị SPS (Standard Positioning Service) dịch vụ định vị xác PPS (Precise Positioning Service) Trong dịch vụ SPS có độ xác tối thiểu khoảng 100m cho chiều ngang 156m cho chiều cao, dịch vụ PPS có độ xác khoảng 10m cho chiều ngang 15m cho chiều cao Dịch vụ SPS có độ xác thấp dịch vụ PPS tín hiệu GPS sử dụng dịch vụ SPS có trộn thêm số sai số gọi sai số SA (Selective Available) Sau ngày 1/5/2000, Bộ Quốc Phòng Mỹ định không sử dụng sai số SA độ xác dịch SPS PPS không cách xa GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 1.3 - Các hệ vệ tinh hệ thống GPS: *Thế hệ vệ tinh thứ nhất: gồm 11 vệ tinh Block I phóng lần vào ngày 22/12/1978 lần cuối vào ngày 9/10/1985 với mục đích thực nghiệm Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh nghiên 63 o so với mặt phẳng xích đạo.Dù tuổi thọ vệ tinh thiết kế 4.5 năm, số vệ tinh hoạt động 10 năm Vệ tinh Block I cuối rút khỏi quỹ đạo vào ngày 18/11/1995 *Thế hệ vệ tinh thứ hai: gồm 28 vệ tinh Block II hay Block IIA phóng vào quỹ đạo từ tháng 2/1989 đến tháng 11/1997 (Block IIA version cải tiến từ Block II) Đến năm 2002 23 vệ tinh quỹ đạo.Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo.Tuổi thọ thiết kế vệ tinh 7.5 năm hầu hết hoạt động vượt thời hạn *Thế hệ vệ tinh mới: gồm vệ tinh BLOCK IIR phóng vào quỹ đạo vào tháng 7/2001 Các vệ tinh Block IIR thiết kế tương thích với vệ tinh Block II/IIA có tuổi thọ thiết kế 10 năm.Ngoài độ xác cao mong đợi, vệ tinh Block IIR có khả tự hoạt động 180 ngày mà không cần hiệu chỉnh mặt đất hay không bị giảm độ xác.Sự tự định vị hệ vệ tinh có nhờ vào khả xếp vệ tinh với Ngoài ra, lịch thiên văn dự báo trước liệu clock chu kỳ 210 ngày tải lên vệ tinh mảng điều khiển nằm mặt đất để hổ trợ cho việc tự định vị.Năm 2003 đưa vào quỹ đạo thêm 12 vệ tinh Block IIR thông qua chương trình đổi GPS * Thế hệ vệ tinh Block IIR Block IIF gồm 33 vệ tinh Tuổi thọ Block IIF thiết kế 15 năm.Các vệ tinh có khả qua chương trình đổi GPS nhằm cải thiện độ xác tự định vị GPS.Vệ tinh Block IIF phóng vào năm 2005 Chòm vệ tinh GPS vào tháng 7/2001 có tổng cộng 29 vệ tinh gồm vệ tinh Block II, 18 vệ tinh Block IIA vệ tinh Block IIR (vượt vệ tinh so với GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt chòm vệ tinh thông thường 24) Có đồng hồ điện tử trang bị vệ tinh Block II/IIA: đồng hồ điện tử loại cesium(Cs) đồng hồ điện tử loại rubidium(Rb) Đồng hồ cesium nguồn định để điều khiển tín hiệu GPS.Các vệ tinh Block IIR dùng đồng hồ loại rubidium.Các hệ vệ tinh GPS minh họa hình 2.3 Hình 2.3: Các hệ vệ tinh GPS Hiện giới có ba hệ thống vệ tinh dẫn đường GPS GLONASS hoạt động, GALILEO hoàn thành vào năm 2008 Cả ba thống định vị toàn cầu ngày gọi tên chung Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS, Global Navigation Satellite System) Phần tóm lược số thông tin ba hệ thống vệ tinh nhân tạo: GPS, GLONASS GALILEO 2.1.1.1 - GPS: Tên gọi GPS (Global Positioning System) dùng để hệ thống định vị toàn cầu Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế điều hành Bộ Quốc phòng Mỹ thường gọi GPS NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) Mọi người sử dụng GPS miễn phí Vệ tinh GPS phóng vào tháng năm 1978, vệ tinh gần vệ tinh GPS IIR-M1 phóng vào tháng 12 năm 2005 (Wikipedia, 2006) GPS bao gồm 24 vệ tinh (tính đến năm 1994), bổ sung thành 28 vệ tinh (vào năm 2000), chuyển động mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 26.560 km (Yasuda, 2001).Hay nói cách khác độ cao GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt trung bình vệ tinh GPS so với mặt đất vào khoảng 20.200 km (Wikipedia, 2006) .1.1.2 - GLONASS: Hệ thống GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System, Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu, tiếng Nga ГЛОНАСС: ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система; Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) Liên bang Sô viết (cũ) thiết kế điều hành Vệ tinh GLONASS Liên Xô đưa lên quỹ đạo ngày 12 tháng 10 năm 1982, vào ngày 24 tháng năm 1993 hệ thức đưa vào sử dụng Ngày hệ thống GLONASS Cộng hoà Nga tiếp tục trì hoạt động Hệ thống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động ba mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 64.8 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 25.510 km (Yasuda, 2001) .1.1.3 - GALILEO: Cả hai hệ thống GPS GLONASS sử dụng cho mục đích quân sự.Đối với người sử dụng dân có sai số lớn nều quan điều hành GPS GLONASS kích hoạt phận gây sai số chủ định, ví dụ SA GPS Do Liên hợp Âu Châu (EU) lên kế hoạch thiết kế điều hành hệ thống định vị vệ tinh mang tên GALILEO, mang tên nhà thiên văn học GALILEO, với mục đích sử dụng dân Việc nghiên cứu dự án hệ thống GALILEO bắt đầu triển khai thực từ năm 1999 quốc gia Châu Âu Pháp, Đức, Italia Anh Quốc Giai đoạn đầu triển khai chương trình GALILEO bắt đầu năm 2003 hoàn thành đưa vào sử dụng năm 2010 (chậm so với thời gian dự định ban đầu năm) (Wikipedia, 2006).GALILEO thiết kế gồm 30 vệ tinh chuyển động mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 56 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 29.980 km (Yasuda, 2001) GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 10 Hình 2.4 - Nhà thiên văn học Galileo Galilei (1564-1642) Hạng mục Số vệ tinh Số mặt phẳng quỹ đạo Độ nghiêng MPQĐ Bán kính quỹ đạo Chu kỳ Tần số mang sóng GPS 28 (tính đến 2000) 6MEO GLONASS 30 3MEO GALILEO 30 3MEO 55o 64.8o 56o 26.560 km 25.510 km 29.980 km 11 58 phút giây 11 15 phút 40 giây 14 21 phút 36 giây L1: 1575.42 MHz E1: 1589.742 MHz L2: 1227.60 MHz L5: 1176.45 MHz Phương trình Dạng mã số Độ dài mã số G1:1602+Kx0.5625 MHz G2:1246 + E2: 1561.098 MHz Kx0.5625 E5: 1202.025 MHz MHz K = –7~24 E6: 1278.75 MHz CDMA G2 = G1x7/9 FDMA Chuỗi M C1: 5019.86 MHz CDMA 1023 bit 511 bit GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt N/A 61 số tối ưu Theo mục 3.2.3 chương [6], người ta chứng minh giải thuật LMS ổn định vector trọng số hội tụ giá trị tối ưu µ thỏa mãn điều kiện sau: µ < < 1/ Hoặc: λ (2.65) max µ < < 1/Tr(R) Trong λ max (2.66) trị riêng lớn ma trận tương quan R ngõ vào hệ thống, Tr(R) tổng phần tử đường chéo ma trận R Giải thuật hội tụ nhanh λ max chậm λ + g(W(n)) ước tính gradient MSE(W(n)) tính theo công thức (3.2.7) mục 3.2.1 chương [6] sau: g(W(n)) = -2U(n+1)e*(W(n)) (2.67) Với e*(W(n)) liên hợp phức e(W(n)) e(W(n)) sai số ngõ dãy anten tín hiệu tham khảo (reference signal) Để thuận tiện cho việc mô ta gọi R_traing vector chứa mẫu tín hiệu rời rạc (tín hiệu tham khảo) hay gọi chuỗi huấn luyện e(W(n)) tính dựa vào công thức (3.2.6) mục 3.2.1 chương [6] sau: e(W(n)) = R_traing(n+1)-WH(n)*U(n+1) (2.68) Ở R_traing(n+1) tín hiệu tham khảo hay chuỗi huấn luyện bước lặp thứ n+1 + Từ (2.64) (2.67) ta suy công thức để cập nhật vector trọng số bước lặp thứ n+1 theo vector trọng số có bước lặp thứ n là: µ W(n+1) = W(n)+2 U(n+1)e*(W(n)) GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt (2.69) 62 + Sai số trung bình bình phương MSE (Mean Squared Error) tín hiệu tham khảo với ngõ hệ thống tính theo công thức (2.5.1) mục 2.5 chương [6] sau: MSE = E[e(W(n))e*(W(n))] (2.70) Với e(W(n)) sai số ngõ dãy anten tín hiệu tham khảo e *(W(n)) liên hợp phức e(W(n)) E ký hiệu kỳ vọng toán học .4.3 Những lợi ích hệ thống anten thông minh: + Giảm nhiễu đồng kênh: Hệ thống anten thông minh với đặc tính lọc theo không gian tập trung lượng xạ dạng chùm hẹp hướng theo hướng tín hiệu di động mong muốn Ngoài chúng tạo điểm không (null) đồ thị xạ chúng hướng di động khác khoảng lân cận xung quanh Do đó, xem nhiễu đồng kênh không đáng kể hệ thống anten thông minh + Cải thiện tầm phủ sóng: Hệ thống anten thông minh gồm tập hợp phần tử đơn lẻ xếp tạo thành dãy anten, làm tăng độ lợi chùm phủ sóng so sánh với loại anten thông thường có công suất Việc tăng độ lợi dẫn đến mở rộng vùng hoạt động tầm phủ sóng hệ thống + Tăng dung lượng hệ thống: Hệ thống anten thông minh giảm nhiễu đồng kênh, từ làm tăng đặc tính tái sử dụng tần số Nghĩa hệ thống anten thông minh cho phép nhiều thuê bao dùng chung phổ tần số thời điểm, làm tăng hiệu suất sử dụng phổ tăng dung lượng hệ thống + Giảm công suất phát: GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 63 Các anten thông thường xạ lượng tất hướng dẫn đến làm lãng phí lượng lớn công suất Trong đó, hệ thống anten thông minh xạ theo hướng mong muốn Do cần lượng công suất dùng để xạ trạm Giảm công suất phát xem giảm can nhiễu với thuê bao khác + Giảm nhu cầu chuyển vùng (hand-off): Để cải thiện dung lượng hệ thống thông tin tế bào lớn, tế bào bị tắt nghẽn trước thường phân thành tế bào nhỏ để làm tăng đặc tính tái sử dụng tần số, tạo chuyển vùng Sử dụng hệ thống anten thông minh trạm nền, không cần phải phân chia tế bào dung lượng tăng lên sử dụng chùm sóng độc lập Do đó, tượng chuyển vùng xảy ra, mà hai chùm tần số đụng độ + Giảm ảnh hưởng truyền dẫn đa đường: Hệ thống anten thông minh loại bỏ thành phần truyền dẫn đa đường dạng can nhiễu, làm giảm bớt ảnh hưởng tượng truyền dẫn đa đường, sử dụng thành phần truyền dẫn đa đường thêm chúng vào để cải thiện hoạt động hệ thống + Tương thích cao: Kỹ thuật anten thông minh ứng dụng nhiều kỹ thuật đa truy cập khác TDMA, FDMA, CDMA Nó tương thích với hầu hết phương thức điều chế, băng thông hay dải tần Chương ỨNG DỤNG ANTEN THÔNG MINH TRONG HỆ THỐNG GPS VÀ DGPS Luận văn đưa mô hình đặt anten thông minh kết hợp với kỹ thuật DGPS hình 3.3 (giả sử mô hình DGPS cục bộ) Anten thu có tạo búp sử dụng hướng đến dùng giải thuật LCMV đặt trạm tham khảo cố định để thu tín hiệu GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 64 GPS từ hướng đến (θi,Φi) vệ tinh GPS Anten phát có tạo búp thích nghi LMS sử dụng tín hiệu tham khảo đặt trạm tham khảo cố định để phát sai số khoảng cách ∆ρ i từ trạm tham khảo đến thu người sử dụng Anten thu anten thường anten thông minh có tạo búp thích nghi LMS sử dụng tín hiệu tham khảo đặt thu người sử dụng nhằm thu tín hiệu có chứa sai số khoảng cách ∆ρ i Anten thu anten thường anten thông minh có tạo búp sử dụng hướng đến dùng giải thuật LCMV đặt thu người sử dụng tùy theo loại thu dùng cho ứng dụng cụ thể (bộ thu người sử dụng dùng cho thiết bị xách tay, xe, tàu, máy bay, …) Hình 3.1:Mô hình đặt anten thông minh kết hợp với kỹ thuật DGPS Mô tả hoạt động mô hình trên: GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 65 Giả sử thời điểm t1i vệ tinh Si phát tín hiệu GPS thu đặt trạm tham khảo nhận tín hiệu thời điểm t2i Như khoảng thời gian để tín hiệu GPS truyền từ vệ tinh Si thu đặt trạm tham khảo Δti = t2i – t1i Vì vận tốc truyền tín hiệu với tốc độ ánh sáng c = 3.10 m/s nên quãng đường từ vệ tinh Si đến thu đặt trạm tham khảo ρ i = c.Δti ρ i gọi khoảng cách giả - khoảng cách bao gồm sai số, mà có hàng loạt sai số phân tích phần 2.1.5 chương 2, cụ thể trễ tầng điện ly tầng đối lưu hay nhiều sai số khác sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh đồng hồ thu người sử dụng Mặt khác, ta biết tọa độ vệ tinh S i(xi, yi, zi) qua tin định vị thu từ tín hiệu GPS vệ tinh GPS ta biết tọa độ R(x r, yr, zr) thu đặt trạm tham khảo Từ công thức (2.8) mục 2.1.6 chương ta tính sai số khoảng cách ∆ρ i từ thu đặt trạm tham khảo đến vệ tinh Si(xi, yi, zi) sau: ( xi − x r) + ( y i − y r) + ( z i − z r) ∆ρ i = ρ Các sai số khoảng cách i ∆ρ i 2 (3.31) phát từ trạm tham khảo đến thu người sử dụng Các khoảng cách giả ρ i ’ từ vệ tinh Si đến thu người sử dụng tính tương tự khoảng cách giả từ vệ tinh S i đến thu trạm tham khảo thông qua tin định vị từ tín hiệu GPS Vì sai số khoảng cách từ vệ tinh S i đến hai thu hai thu không cách vài trăm kilometers (mục 2.2 chương 2), nên ∆ρ i sai số từ vệ tinh Si đến trạm tham khảo sai số từ vệ tinh S i đến thu người sử dụng GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 66 ∆ρ Sau cùng, thu người sử dụng dùng sai số khoảng cách giả ρ i ’ (tức lấy hiệu ρ i ’ -‫׀‬ ∆ρ i i để hiệu chỉnh ‫ )׀‬và dùng khoảng cách hiệu chỉnh để tính tọa độ U(xu, yu, zu) mình, tức dựa vào hệ phương trình công thức (2.1) mục 2.1.6 chương để tính xu, yu, zu sau: ρ ρ ρ ρ ∆ ’ -‫׀‬3 ρ ∆ ’ -‫׀‬1 ( x1 − xu) + ( y1 − y u) + ( z1 − z u) ‫=׀‬ ρ ∆ ’ - =‫ ׀‬2 ( x − x u) + ( y − y u) + ( z − z u) 2 ‫׀‬ 3.32)) ( x − x u) + ( y − y u) + ( z − z u) ‫=׀‬ 2 2 - Ứng dụng giải thuật thích nghi Unconstrained LMS Beamforming băng hẹp tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo cho dãy anten ULA không gian 2D: Giải thuật thích nghi LMS (Least Mean Square) trình bày mục 2.4.2.2 chương Đây giải thuật tìm vector trọng số tối ưu hệ thống anten phương pháp lặp Giá trị vector trọng số cập nhật sau lần lặp việc ước lượng độ dốc (gradient) giảm trọng số lượng nhỏ độ dốc – lượng nhỏ độ dốc gọi step-size ký hiệu µ Với µ đủ nhỏ, sau số lần lặp vector trọng số đạt đến giá trị tối ưu mong muốn Ở bước lặp, vector trọng số cập nhật điều kiện thỏa mãn ràng buộc độ lợi định hướng hệ thống [g=1 công thức (3.36)] giải thuật LMS gọi Constrained LMS Ngược lại, vector trọng số cập nhật điều kiện không thỏa mãn ràng buộc độ lợi định hướng hệ thống giải thuật LMS gọi Unconstrained LMS GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 67 Do thu người sử dụng có vị trí không cố định khoảng cách từ thu người sử dụng đến trạm tham khảo không lớn nên hướng đến DOA thay đổi liên tục Vì luận văn dùng giải thuật Unconstrained LMS Beamforming tạo búp sử dụng tín hiệu tham khảo anten thông minh để nâng cao chất lượng truyền dẫn thu người sử dụng trạm tham khảo hệ thống DGPS Mô hình tổng quát hệ thống anten thông minh dùng tín hiệu tham khảo có dạng hình 2.25 chương Từ (2.64) (2.67) ta suy công thức để cập nhật vector trọng số bước lặp thứ n+1 theo vector trọng số có bước lặp thứ n là: µ W(n+1) = W(n)+2 U(n+1)e*(W(n)) (3.52) + Chọn dãy anten ULA có N phần tử phân bố trục x, phần tử cách khoảng d trục z vuông góc với mặt phẳng (x,y) hình 3.4 + Chọn hướng 00 trùng với trục x Để đơn giản ta giả sử góc ngẩng θ = π/2 nên sin(θ) = Vì dãy anten ULA phân bố N phần tử trục x nên N phần tử có tọa độ xm khác không tọa độ ym zm Cách tính vector lái [Sm(θ, ф)], tọa độ phần tử dãy anten ULA [xm] hệ số truyền pha [β] dựa theo công thức (3.39), (3.40), (3.41) Giả sử fR tần số phát từ trạm tham khảo đến thu người sử dụng (fR nằm dãy băng tần dùng cho định vị) Bước sóng tương ứng tần số fR là: λ R = c/fR (3.53) Trong c = 3*108 m/s vận tốc ánh sáng + Chọn khoảng cách phần tử anten giống công thức (3.43) d = λR/2 hay: d/λR = 0.5 (3.54) Ta chọn khoảng cách phần tử anten d=9.5 [cm] GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 68 Vector lái hướng tính dựa theo công thức (3.45) sau: Sm(θ, ф) = exp[-j(2π/λR)(kd))sin(ф)] = exp[-j2π(d/λR)ksin(ф)] (3.55) Từ công thức (3.55), ta thấy vector lái hướng S m phần tử anten thứ m không phụ thuộc vào góc ngẫng θ mà phụ thuộc vào góc phương vị ф Do trường hợp đặc biệt này, góc phương vị ф đại diện cho hướng đến (θ, ф) Các chọn lựa ban đầu sau: + Chọn hướng đến DOA và hướng đến SOI giống cách chọn dãy anten ULA giải thuật Multiple LCMV beamforming không gian 2D + Chọn công suất phát tín hiệu mong đợi SOI 0dBw công suất nhiễu can nhiễu -20 dBw Vậy công suất tín hiệu mong đợi SOI tính watt là: 10-0/10 [w] = 1w công suất tín hiệu nhiễu can nhiễu tính watt là: 10-20/10 [w] = 0.01w + Chọn số mẫu tín hiệu tham khảo 1000 mẫu cách tính ma trận độ lợi 9x1000 giống cách tính giải thuật Multiple LCMV beamforming không gian 2D + Vector lái hướng S ma trận Nx9 tương ứng với N phần tử anten hướng đến DOA Ta dùng vòng lặp tính cho hướng đến DOA, ứng với hướng đến ta dùng công thức (3.55) để tính hệ số S m tương ứng với N phần ≤ ≤ tử anten (0 m N) + Tạo ma trận tín hiệu tham khảo Rs (9x1000) có hàng hướng đến DOA 1000 cột 1000 mẫu tín hiệu tham khảo giống giải thuật Multiple LCMV beamforming không gian 2D Rs chuỗi huấn luyện theo hướng mong đợi GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 69 + Tính ma trận U theo công thức (3.46) U ma trận Nx1000 chứa mẫu tín hiệu rời rạc liệu thu ngõ dãy anten (N hàng đặc trưng cho N phần tử dãy anten URA, 1000 cột 1000 mẫu tín hiệu rời rạc) + Trong công thức (3.46): S vector lái hướng Nx9 có N hàng đặc trưng cho N phần tử anten cột hướng đến DOA, R S ma trận tín hiệu tham khảo 9x1000 NOISE vector nhiễu ngẫu nhiên Nx1000 tạo từ hàm randn có N hàng đặc trưng cho N phần tử anten 1000 cột nhiễu 1000 mẫu tín hiệu rời rạc liệu nhân với bậc công suất tín hiệu nhiễu + Ma trận tương quan R tính theo công thức (3.47) R vector NxN định nghĩa theo trung bình thống kê + Hệ số hội tụ µ (Cách chọn µ µ chọn từ công thức (2.66) là: = 0.5*[1/Tr(R)] (3.56) số phần tử dãy anten đề cập phần tiếp theo) + Ta dùng vòng lặp cho hướng tín hiệu mong đợi cập nhật trọng số lần lặp thứ n+1 theo trọng số lần lặp thứ n 1000 mẫu tín hiệu rời rạc dựa vào công thức (2.69) với e(W(n)) sai số ngõ dãy anten tín hiệu tham khảo tính theo công thức (2.68) + Dựa vào công thức (2.70) ta tính sai số trung bình bình phương MSE (Mean Squared Error) tín hiệu tham khảo với ngõ hệ thống sau: MSE = e(W(n))e*(W(n)) (3.57) Ở sai số ngõ dãy anten tín hiệu tham khảo e(W(n)) phụ thuộc vào trọng số W(n) theo công thức (2.68), mà W(n) số phức nên e(W(n)) số phức Giả sử e(W(n)) số phức a+jb e *(W(n)) số phức a-jb MSE là: MSE = e(W(n))e*(W(n)) GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 70 = (a+jb)(a-jb) = (a)2 – (jb)2 = a2 + b2 = ( a +b Từ công thức (3.58) ta thấy giá trị ( a +b )2 = ‫׀‬a+jb‫׀‬ 3.58)) )2 nói lên ý nghĩa sai số trung bình bình phương MSE Trong giải thuật Unconstrained LMS Beamforming, tương ứng với hướng đến tín hiệu mong đợi SOI, sau cập nhật vector trọng số theo công thức (2.69) 1000 mẫu tín hiệu rời rạc ta có vector trọng số tối ưu W có N trọng số tối ưu W0, W1, …, WN tương ứng với N phần tử dãy anten phần tử 0, phần tử 1, …, phần tử N Như tương ứng với hướng đến tín hiệu mong đợi SOI, dựa vào công thức (2.69) ta tính vector trọng số tối ưu W, vector Nx1 + Tính tọa độ N phần tử anten: Chọn góc tọa độ đặt phần tử anten thứ nhất, tọa độ phần tử dãy anten tính theo công thức: xm = m*d ≤ (3.59) ≤ Ở m N d = 9.5cm khoảng cách phần tử anten liên tiếp dãy + Với vector trọng số tối ưu tương ứng hướng đến tín hiệu mong đợi SOI, dựa vào công thức (3.38) ta dùng vòng lặp để tính hệ số dãy anten ULA theo hướng đến tín hiệu mong đợi SOI (4 hướng đến tín hiệu mong đợi) Trong chương trình mô thuật toán Unconstrained LMS Beamforming không gian 2D, ta chia độ phân giải góc phương vị ф 0.50 tầm [900:900].Nói cách khác có [900-(-900)]/0.50 + = 361 góc ф tầm [-90 0:900] góc cách 0.50, góc -900 góc cuối 900 Ta dùng vòng lặp để tính hệ số dãy anten cho hướng đến hướng tín hiệu mong đợi SOI Trên hướng ta dùng vòng lặp để tính hệ số dãy anten cho góc ф i GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 71 số 361 góc (i=1:361) Tại góc ф i ta dùng công thức (3.55) để tính vector lái tương ứng với N phần tử dãy anten (phần tử thứ m dãy anten có tọa độ xm) Với vector lái vừa tính từ góc ф i vector trọng số tối ưu W hướng tín hiệu mong đợi SOI, dựa vào công thức (3.38) ta tính hệ số dãy anten tương ứng góc фi Như hướng tín hiệu mong đợi SOI, ta tính 361 hệ số dãy anten ứng với 361 góc ф i.Nói cách khác, hệ số dãy anten ứng với hướng đến tín hiệu mong đợi SOI vector có 361 hàng cột + Cuối vẽ đồ thị hướng tính dãy anten ULA dựa vào hệ số dãy anten theo hướng đến tín hiệu mong đợi SOI tính (giả sử N=20 phần tử) + Tính thời gian hội tụ giải thuật LMS: Thời gian hội tụ vetor trọng số trung bình đạt giá trị trọng số tối ưu phụ thuộc vào trị riêng λi ma trận tương quan dãy anten tốc độ hội tụ µ sau: µ ti = -1/[ln(1-2 λi)] (3.60) µ Nếu λi 10-3 mẫu thứ n-1 ta xem giải thuật hội tụ mẫu thứ n Ta phải tính trung bình trọng số 200 lần lặp trước tính thời gian hội tụ trọng số + Tính tỷ số tín hiệu nhiễu SIR: Tỷ số tín hiệu nhiễu SIR (Signal to Interference Ratio) tính theo công thức: SIR = PS / PI (3.64) GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 73 Với PS công suất tín hiệu mong đợi (Signal) P I công suất tín hiệu không mong đợi hay gọi can nhiễu (Interference) + Tính độ lợi G: Giả sử ngõ vào hệ thống có công suất tín hiệu mong đợi P S(in) [w] công suất can nhiễu P I(in) [w], ngõ hệ thống thu công suất tín hiệu mong đợi PS(out) [w] công suất can nhiễu PI(out) [w] hình 3.7 sau: Hình 3.7: Minh họa ngõ vào ngõ hệ thống Tỷ số tín hiệu nhiễu SIR ngõ vào ngõ hệ thống là: SIRin = PS(in)/PI(in) (3.65) SIRout = PS(out)/PI(out) (3.66) Độ lợi G (Gain) hệ thống tính theo công thức: G = SIRout /SIRin (3.67) Độ lợi G công thức (3.67) thứ nguyên (tức số lần) Từ (3.67) ta có công thức tính độ lợi theo dB là: G(dB) = 10log10G = 10log10(SIRout /SIRin ) = 10log10(SIRout)-10log10(SIRin ) = SIRout(dB)-SIRin(dB) +Chọn lựa số phần tử cho dãy anten ULA hệ số hội tụ GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt (3.68) µ : 74 Để chọn hệ số hội tụ µ µ số phần tử dãy anten ULA, luận văn chia 10 giá trị tầm từ đến µ max với µ max = 1/[Tr(R)] R ma trận tương quan ≤ ≤ dãy anten Chọn số phần tử N dãy anten chạy từ đến 20 (1 N 20) Như vậy, ứng với giá trị N ta có 10 trường hợp tương ứng với 10 giá trị µ Nói cách khác ứng với 20 giá trị N 10 giá trị µ µ , ta có 200 cặp giá µ trị (N, ) Lần lượt cặp (N, ) cho ta biết giải thuật LMS hội tụ mẫu thứ µ mấy.Như ta chọn cặp (N, ) tối ưu số 200 cặp cho thời gian hội tụ giải thuật LMS nhỏ GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 75 GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt [...]... của dữ liệu định vị Các khung con (Subframes) và dữ liệu định vị có thể có được từ sự dịch pha của dữ liệu định vị Dữ liệu quỹ đạo và các khoảng cách giả (Ephemeris & pseudorange) có thể có được từ dữ liệu định vị Dữ liệu quỹ đạo được dùng để có được các vị trí vệ tinh (Satellite positions) Cuối cùng, vị trí của người sử dụng (User position) có thể được tính dựa vào các vị trí của vệ tinh và các khoảng... sai số truyền dẫn đa đường và do đó chỉ còn lại sai số của hệ thống thu • Tóm lại: Các sai số trên được minh họa ở hình 2.11 trong trường hợp định vị mã C/A và mã P Hình 2.13: Minh họa các sai số của hệ thống GPS Do có sự bảo mật cao và được dùng trong quân sự, bí mật quốc gia cho nên định vị mã P sẽ gây ít sai số hơn mã C/A GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt 29 1.6 - Biến đổi tâm pha anten : Máy thu GPS thu tín... hiện tách mã và sóng mang, xác định vị trí, tốc độ và thời gian truyền tín hiệu của các vệ tinh; đồng thời cũng xác định giá trị phép đo mã, phép đo pha và độ dịch chuyển Doppler của từng vệ tinh Giai đoạn 2 dựa vào các thuật toán để thực hiện tính toán và ước tính vị trí, tốc độ, thời gian của bộ thu Phương pháp đo mã chính là phương pháp đo khoảng cách giả sử dụng mã C/A hoặc P dựa vào thời điểm... nhiễu và tiếp tục lặp lại quá trình nhận biết và thu thập này Trong các bộ thu truyền thống, 2 khối ‘Acquisition’ và ‘Tracking’ được thực hiện bằng phần cứng • Tóm lại: Đồ án sẽ ứng dụng thuật toán LMS ở giai đoạn 2 của phần mềm xử lý dữ liệu nằm trong tầng dưới sơ đồ tổng quát của bộ thu tín hiệu GPS hình 2.13 2.2 - Giới thiệu về kỹ thuật DGPS: DGPS (Differential GPS) là kỹ thuật để giảm sai số các vị. .. tầng điện ly Thông tin IODC (issue of date, clock) cho biết số tập hợp dữ liệu đồng hồ đã phát để cảnh báo cho người dùng thay đổi các thông số đồng hồ + Khung con 2 và 3 chứa dữ liệu quỹ đạo để xác định vị trí và vận tốc chính xác của vệ tinh Không giống như dữ liệu niên lịch, dữ liệu này rất chính xác.Các thành phần của dữ liệu quỹ đạo và thuật toán tính vị trí vệ tinh tham khảo ở bảng 3.1 và bảng 3.2... bản tin định vị là sai số khoảng cách người dùng URE (user range error), nó ước tính sai số khoảng cách do các sai số quỹ đạo vệ tinh, các sai số định giờ, sai số chủ định SA (selective availability) và các cờ để cho biết trạng thái hoạt động của các vệ tinh .1.5 - Các sai số trong hệ thống GPS: Đo khoảng cách giả và pha sóng mang bị ảnh hưởng bởi nhiều loại nhiễu ngẫu nhiên và sai lệch (lỗi hệ thống) ... đoán và quỹ đạo thực của vệ tinh (thường khoảng 2m đến 5m, và có thể lên đến 50m nếu có kích hoạt SA) Thông tin về quĩ đạo dự đoán của vệ tinh được mã hóa và đưa vào dữ liệu định vị để truyền cho các bộ thu của người sử dụng Dựa vào thông tin này, bộ thu của người sử dụng sẽ dự đoán vị trí của vệ tinh Với mạng lưới thu thập dữ liệu GPS trên toàn cầu, các hãng dịch vụ GPS như IGS – International GPS Service,... trong tầng điện ly từ 5m 15m và có thể đến 150m dưới phóng xạ mặt trời dữ dội vào giữa trưa.Ngoài việc làm thay đổi vận tốc truyền sóng, tầng điện li còn làm suy hao cường độ tín hiệu (giảm đi khoảng 0.2dB) Nhiều phương pháp và thuật toán đã được nghiên cứu và áp dụng nhằm xác định và loại bỏ sai số gây ra do tầng điện ly, góp phần cải thiện chất lượng của bài toán định vị Trong số đó, phương pháp đạt... (Differential GPS) là kỹ thuật để giảm sai số các vị trí trong hệ thống GPS bằng cách dùng dữ liệu phụ từ bộ thu của trạm tham chiếu tại vị trí đã biết Dạng phổ biến nhất của kỹ thuật DGPS là xác định các ảnh hưởng gộp chung của các sai số quỹ đạo và sai số đồng hồ vệ tinh trong bản tin định vị (bao gồm các ảnh hưởng của SA) tại trạm tham chiếu và phát các sai số khoảng cách (pseudorange corrections) đến... cho các phương tiện giao thông) Mặc dù loại bỏ SA sẽ gây ra ảnh hưởng nhỏ đến DGPS, nhưng nó sẽ làm giảm chi phí cài đặt và vận hành hệ thống DGPS Điều này chủ yếu do giảm tốc độ truyền dẫn yêu cầu Hình 2.9: Sự thay đổi vị trí của máy thu GPS đứng yên sau khi chấm dứt SA 1.5.3 - Sai số quỹ đạo vệ tinh (ephemeris error): Sai số quĩ đạo vệ tinh là sai số giữa quỹ đạo dự đoán và quỹ đạo thực của vệ tinh ... thuyết • Hệ thống định vị toàn cầu GPS • Kỹ thuật DGPS • Thuật toán LMS • Anten thông minh - Bộ tạo búp thích nghi LMS băng hẹp - Lợi ích anten thông minh Chương 3:Ứng dụng anten thông minh hệ thống. .. định vị toàn cầu GPS, kỹ thuật DGPS, thuật toán LMS anten thông minh GVHD:Ths Nguyễn Tuấn Kiệt Chương 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 - Tổng quan hệ thống định vị toàn cầu GPS: 1.1- Giới thiệu hệ thống. .. vi nghiên cứu: Trong phạm vi Đồ án môn học cố gắng tìm hiểu hệ thống định vị toàn cầu GPS, kỹ thuật DGPS, thuật toán LMS anten thông minh 1.3 - Bố cục đề tài: Đồ án môn học chia làm chương bao