NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN ĐỘ CHÍNH XÁC CHO CÁC BỘ THU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH KHI HOẠT ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG PHỨC TẠP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN ĐỘ CHÍNH XÁC CHO CÁC BỘ THU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH KHI HOẠT ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG PHỨC TẠP Chủ nhiệm đề tài:ThS NGUYỄN PHƯƠNG LÂM Thành viên tham gia:TS PHẠM VIỆT HƯNG Hải Phòng, tháng 4/2016 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH VẼ iii MỞ ĐẦU CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH VÀ CẤU TRÚC BỘ THU ĐỊNH VỊ 1.1 Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh 1.2 Cấu trúc thu định vị GNSS 1.2.1 Đầu cuối RF 1.2.2 Khối bắt đồng tín hiệu 1.2.3 Khối bám tín hiệu 1.2.4 Khối giải điều chế liệu 1.2.5 Khối xử lý tin dẫn đường CHƯƠNG QUÁ TRÌNH BẮT ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU TRONG BỘ THU ĐỊNH VỊ 2.1 Tín hiệu định vị GNSS 2.1.1 Tín hiệu GPS L1C/A 2.2 Quá trình bắt đồng tín hiệu GNSS 2.2.1 Không gian tìm kiếm 2.2.2 Phân tích thống kê 11 2.2.3 Đánh giá hiệu hoạt động 13 CHƯƠNG GIẢI PHÁP PHÂN TẬP CHO ANTEN BỘ THU GNSS 16 3.1 Khái niệm mô hình kênh đa đường 16 3.1.1 Mô hình kênh đa đường 16 3.1.2 Mô hình kênh Rician 17 3.1.3 Mô hình kênh Rayleigh 18 3.1.4 Hiệu bắt đồng môi trường kênh Rayleigh 18 3.2 Giải pháp phân tập anten 19 3.2.1 Phân tập không gian 19 3.2.2 Phân tập phân cực 19 i 3.3 Các phương pháp kết hợp phân tập 20 3.4 Giải pháp phân tập anten EGC cho bắt đồng tín hiệu GNSS 20 3.5 Kết mô 21 Kết luận 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc thu GNSS tiêu biểu Hình 2.1 Hàm ACF tín hiệu GPS C/A (trái) phóng to khoảng 15chip (phải)[2] Hình 2.2 Hàm PSD tín hiệu GPS C/A Hình 2.3 Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm song song theo pha mã 11 Hình 2.4 Đường cong ROC phạm vi tế bào 15 Hình 3.1 Truyền sóng từ vệ tinh GNSS tới thu GNSS môi trường đa đường 16 Hình 3.2 ROC mức tế bào 22 Hình 3.3 ROC mức tế bào, kênh không tương quan 23 Hình 3.4 ROC mức hệ thống có tín hiệu 24 Hình 3.5 Cảnh báo sai có tín hiệu 24 Hình 3.6 Cải thiện hiệu bắt đồng mức tế bào có EGC 25 Hình 3.7 Cải thiện hiệu bắt đồng có EGC mức hệ thống 25 iii MỞ ĐẦU Các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (GNSS – Global Navigation Satellite Systems) ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống quân dẫn đường, cảnh báo thiên tai, quan trắc môi trường, giám sát phương tiện,… Quá trình đồng tín hiệu định vị bao gồm hai giai đoạn: bắt đồng tín hiệu bám đồng tín hiệu Trong đó, trình bắt đồng xác định máy thu thu nhận tín hiệu từ vệ tinh định vị cung cấp thông số đồng sơ tín hiệu định vị từ vệ tinh độ dịch tần Doppler độ trễ mã giả ngẫu nhiên (PRN – Rseudo Random Noise) Tuy nhiên điều kiện fading đa đường, hiệu trình bắt đồng bị ảnh hưởng nghiêm trọng Vì vậy, việc nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu trình bắt đồng vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa thực tiễn Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu trình bắt đồng tín hiệu GNSS dựa phân tập anten thu Nội dung nghiên cứu: - Cấu trúc thu GNSS - Quá trình bắt đồng tín hiệu GNSS thu GNSS - Đề xuất giải pháp phân tập anten cho trình bắt đồng Đánh giá hiệu giải pháp đề xuất Phương pháp nghiên cứu: nghiên cứu đặc điểm trình bắt đồng tín hiệu GNSS thông qua mô hình toán học Trên sở phân tích đánh giá hiệu trình, đề xuất giải pháp Xem xét đánh giá hiệu giải pháp đề xuất thông qua mô hình toán học kết hợp mô Matlab CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ SỬ DỤNG VỆ TINH VÀ CẤU TRÚC BỘ THU ĐỊNH VỊ 1.1 Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh Hệ thống GNSS cung cấp thông tin vị trí cho người sử dụng toàn cầu vào thời điểm nào, vị trí hoàn cảnh điều kiện thời tiết cung cấp thông tin vị trí cách liên tục Nguyên tắc hoạt động GNSS dựa việc đo khoảng cách người sử dụng vệ tinh quỹ đạo tầm trung MEO có vị trí biết Việc tính toán khoảng cách thực thông qua việc ước tính khoảng thời gian truyền sóng tín hiệu từ vệ tinh đến thu GNSS Trên sở khoảng cách từ thu GNSS đến 03 vệ tinh, thu xác định vị trí dựa nguyên lý tam giác Hệ thống GNSS phổ biến hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Bộ Quốc phòng Mỹ đưa vào sử dụng từ năm 1973 với mục đích để phục vụ cho lĩnh vực quân Bên cạnh đó, hệ thống GLONASS Liên bang Nga đưa vào sử dụng Tuy nhiên, khó khăn kinh tế, việc triển khai hệ thống GLONASS bị tạm dừng thời gian dài Chính phủ Nga tái khởi động Ở châu Á, hệ thống GNSS Trung Quốc với tên gọi Beidou bắt đầu cung cấp dịch vụ cho khu vực châu Á Thái Bình Dương có kế hoạch triển khai cung cấp dịch vụ toàn cầu vào năm 2020 Tại châu Âu, hệ thống Galileo triển khai Hệ thống Galileo cung cấp dịch vụ dành cho dân phạm vi toàn cầu với độ xác kỳ vọng cao, hạn chế giống hệ thống GPS Đồng thời, Galileo kết hợp với GPS GLONASS để cung cấp dịch vụ đa hệ thống GNSS nhằm đảm bảo, tăng cường chất lượng dịch vụ tới người sử dụng Tuy nhiên, khó khăn vướng mắc kinh tế, hệ thống Galieo không triển khai theo kế hoạch Hiện nay, hệ thống Galileo có 04 vệ tinh Quỹ đạo giai đoạn thử nghiệm [38] 1.2 Cấu trúc thu định vị GNSS Các chức thu GNSS điển hình phân tích chi tiết Quá trình xử lý tín hiệu thu GNSS trình thu nhận tín hiệu định vị từ vệ tinh khối đầu cuối cao tần RF đến trình tính toán khối xử lý tin dẫn đường Hình 1.1 minh họa sơ đồ khối thu GNSS điển hình Bộ thu cứng Anten Đầu cuối RF ADC Đồng tín hiệu Giải điều chế liệu Tính toán PVT Số liệu định vị Tính toán PVT Số liệu định vị Phần cứng Anten Bộ thu mềm SDR Đầu cuối RF Đồng tín hiệu ADC Giải điều chế liệu Phần mềm Anten Bộ thu mềm lý tưởng Hình 1.1 1.2.1 Đồng tín hiệu ADC Giải điều chế liệu Tính toán PVT Số liệu định vị Cấu trúc thu GNSS tiêu biểu Đầu cuối RF Khối đầu cuối cao tần thực xử lý tín hiệu cao tần thu nhận từ anten qua trình biến đổi để tín hiệu số trung tần đưa đến khâu xử lý tín hiệu trung tần Ngay sau tín hiệu qua anten, tín hiệu định vị cao tần qua khuếch đại tạp âm thấp LNA để thực khuếch đại lọc tín hiệu nằm dải thông cho phép Sau đó, tín hiệu cao tần lọc thực hạ tần xuống tần số trung tần IF Tín hiệu trung tần sau số hóa nhờ ADC đưa đến khâu xử lý trung tần thực trình đồng tín hiệu để giải điều chế nhằm thu tin dẫn đường 1.2.2 Khối bắt đồng tín hiệu Quá trình bắt đồng tín hiệu thực việc tìm kiếm ước lượng sơ thông số tín hiệu định vị phát từ vệ tinh Nói cách khác, trình bắt đồng tín hiệu đồng xác định vệ tinh “nhìn thấy” thu GNSS Các thông số cần phải ước lượng bao gồm: tần số sóng mang độ dịch mã PRN 1.2.3 Khối bám tín hiệu Sau trình bắt đồng tín hiệu định vị, tín hiệu định vị từ vệ tinh tầm “nhìn thấy” thu GNSS ước lượng với thông số sơ ban đầu, thông số có độ xác chưa cao Bước tiếp theo, thu GNSS bắt đầu khởi tạo trình bám đồng tín hiệu Nhiệm vụ trình bám nhằm ước lượng tốt thông số tín hiệu định vị đồng thời theo sát thay đổi theo thời gian thông số Một nhiệm vụ khối bám sát thay đổi thông số giúp cho thu GNSS tách luồng bit liệu khỏi tín hiệu tín hiệu trải phổ Quá trình gọi giải trải phổ giải điều chế liệu định vị Để thực nhiệm vụ bám đồng tín hiệu, mạch vòng khóa đồng sử dụng thu GNSS Các mạch vòng khóa đồng có nhiệm vụ khóa giữ thông số tín hiệu định vị thông qua việc liên tục thay đổi thông số tạo tín hiệu cục thu GNSS để đạt trạng thái cân Trong thu GNSS, mạch vòng khóa trễ DLL thực bám trễ thời gian mã PRN, mạch vòng khóa pha PLL thực bám pha sóng mang 1.2.4 Khối giải điều chế liệu Dữ liệu sau khối bám đồng tín hiệu liệu tin dẫn đường Các tín hiệu định vị thường có lượng thấp bị tác động nhiều nhiễu Vì vậy, để tăng lượng bit liệu tin dẫn đường, bit dạng NRZ khoảng thời gian 20ms cộng lại với để tạo bit liệu tin dẫn đường có dạng NRZ Bản tin dẫn đường có tốc độ 50bps (tương ứng với bit tin dẫn đường có độ rộng 20ms) 1.2.5 Khối xử lý tin dẫn đường Khối xử lý tin dẫn đường có nhiệm vụ tính toán, xác định khoảng cách giả định vệ tinh thu GNSS Đối với tín hiệu hệ thống GPS, việc xác định khoảng cách giả định tuân thủ theo ICD-GPS-200G [44] cho dải tần số L1 L2, ICD-GPS-705C [45] cho tín hiệu định vị dải tần L5 Đối với tín hiệu hệ thống Galileo, việc tính toán khoảng cách giả định theo tin dẫn đường dựa vào Galileo OS SIS ICD [46] Liên minh châu Âu Bộ thu GNSS dựa tin dẫn đường để xác định thông số quỹ đạo vệ tinh để từ tính toán sai lệch định thời sai lệch quỹ đạo thực tế vệ tinh Những thông tin giúp thu GNSS xác định vị trí Thời gian cần thiết để thu xác định vị trí lần đầu gọi TTFF, tham số phụ thuộc nhiều vào cách triển khai đồng tín hiệu định vị phương thức xác định vị trí áp dụng cho thu Việc xác định khoảng cách giả định (khoảng giả) tính toán theo nguyên tắc xác định khoảng thời gian truyền sóng tia truyền thẳng từ vệ tinh tới thu Với vệ tinh, thu xác định khoảng giả vệ tinh theo biểu thức [2]: Pus  X s  Xu   Y s  Yu   Z s  Zu     c dtu  dt s  Tus  I us  eus (1.1) với Pus khoảng giả vệ tinh thứ s thu u ; c tốc độ ánh sáng; dtu độ sai lệch đồng hồ thu; dt s sai lệch đồng hồ vệ tinh; Tus trễ tầng đối lưu; Ius trễ tầng điện ly; eus sai số nguyên nhân khác tạp âm, đa đường,… Trong biểu thức trên, ẩn số cần phải xác định vị trí thu  X u , Yu , Z u  sai lệch đồng hồ thu dtu Do đó, cần phải có 04 khoảng giả ứng với 04 vệ tinh thu nhìn thấy CHƯƠNG QUÁ TRÌNH BẮT ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU TRONG BỘ THU ĐỊNH VỊ Tín hiệu định vị GNSS 2.1 Để phân biệt tín hiệu truyền tới thu từ vệ tinh khác nhau, hầu hết hệ thống GNSS sử dụng phương thức đa truy cập phân chia theo mã CDMA Như vậy, thành phần tín hiệu định vị gồm có phần: thành phần mã giả ngẫu nhiên giả ngẫu nhiên PRN thành phần liệu tin dẫn đường Bản tin dẫn đường mang thông tin cần thiết như: quỹ đạo vệ tinh, thông tin định thời,…để thu thực tính toán nhằm xác định vị trí thu Tín hiệu GNSS đầu máy phát vệ tinh phát xuống biểu diễn: s (t )  Pd (t )c(t )e j (2 f L1  ) (2.1) với: P công suất tín hiệu định vị vệ tinh phát đi; d (t ) liệu tin dẫn đường; c(t ) mã giả ngẫu nhiên PRN; f L1 tần số sóng mang  pha ban đầu sóng mang truyền Ví dụ: với tín hiệu dân hệ thống GPS hệ I (GPS I), d (t ) có tốc độ 50bps , c(t ) có tần số chip 1,023MHz tần số sóng mang L1 f L1  1575,42MHz 2.1.1 Tín hiệu GPS L1C/A Tín hiệu GPS L1 C/A tín hiệu dân dụng hệ thống GPS truyền phát phổ biến, rộng rãi hầu khắp điểm trái đất Có thể coi tín hiệu định vị phổ dụng Tín hiệu GPS L1 C/A sử dụng phương thức điều chế BPSK, tức sóng mang L1 điều chế mã giả ngẫu nhiên PRN dạng NRZ Mã giả ngẫu nhiên PRN sử dụng để trải phổ tin dẫn đường, tin mang thông tin xác vị trí thời gian vệ tinh So với tin dẫn đường có tốc độ 50bps , mã PRN có tốc độ cao nhiều lần (tốc độ mã PRN 1.023MHz ) Các mã PRN tạo chuỗi bit có chiều dài xác định Việc xem xét trình bắt đồng phạm vi vùng không xác định không gian tìm kiếm cho thấy đầy đủ hiệu trình Tương tự phạm vi tế bào, chế độ có xác suất xác suất phát (𝑃𝐷 ), xác suất cảnh báo sai (𝑃𝐹𝐴 ) xác suất phát nhầm (𝑃𝑀𝐷 ) Trong thu GNSS, trình bắt đồng thực theo ba hướng nối tiếp, lai tìm kiếm cực đại, hướng thứ ba có hiệu phát tốt Theo hướng tìm kiếm tương quan cực đại, giá trị tương quan tế bào tính toán Khi đó, giá trị cực đại tương quan lớn giá trị ngưỡng cho kết ước lượng sơ độ trễ mã PRN tần số Doppler Vì điều kiện môi trường phức tạp, tín hiệu định vị GNSS bị suy yếu, thu GNSS buộc phải tìm kiếm đồng tất khả có độ trễ mã PRN tần số Doppler Đồng thời, xác suất cảnh báo sai có hai trường hợp, có tín hiệu, gọi PFAp tín hiệu, gọi PFAa Nếu tín hiệu GNSS, cảnh báo sai xảy biên độ tạp âm tế bào lớn giá trị ngưỡng Nếu có tín hiệu GNSS, để xuất cảnh báo sai, biên độ tạp âm phải lớn giá trị ngưỡng mà phải lớn biên độ giá trị tín hiệu mong muốn Giá trị PFAa phụ thuộc vào ngưỡng bắt đồng công suất tạp âm Khi có tín hiệu, giá trị PFAp phụ thuộc vào ngưỡng bắt đồng 𝑃𝐷 Do đó, xác suất cảnh báo sai biểu diễn [6]: PFA   (1  Pfa ( )) a M PFA   PD  PMD p PMD  (1  Pfa ( )) M 1  (1  Pd (  )) (1.9) (1.10) (1.11) 2.2.3.2 Đường cong ROC (Receiver Operation Characteristic) Đường cong ROC biểu diễn mối quan hệ xác suất bắt đồng xác suất cảnh báo sai, tương ứng với phạm vi tế bào phạm vi toàn không gian tìm kiếm Hình mô tả ROC phạm vi tế bào cho trường hợp tính tương 14 quan coherent tương quan non-coherent, thời gian tính tương quan 2ms, tỉ số C / N0  22dB  Hz Từ hình vẽ ta thấy, ứng với xác suất cảnh báo sai 𝑃𝑓𝑎 cho trước, hiệu bắt đồng giải pháp tương quan coherent tốt so với noncoherent, giải pháp non-coherent co mức công suất tạp âm cao Tuy nhiên, giải pháp coherent bị giới hạn thời gian tính tương quan gặp phải điểm chuyển trạng thái bit liệu Vì vậy, thực tế, giải pháp non-coherent thường sử dụng nhiều Hình 2.4 Đường cong ROC phạm vi tế bào 15 CHƯƠNG GIẢI PHÁP PHÂN TẬP CHO ANTEN BỘ THU GNSS 3.1 Khái niệm mô hình kênh đa đường Đa đường tượng truyền sóng mà tín hiệu tới thu bao gồm nhiều tia sóng thành phần khác Bên cạnh thành phần tia truyền thẳng (LOS), tia sóng khác tới anten thu tia khúc xạ, tia phản xạ, tia nhiễu xạ,… Hiện tượng truyền sóng đa đường xảy môi trường xung quanh thu có nhiều vật cản, chướng ngại vật nhà cao tầng, cột đèn, cối,… minh họa Hình 3.1 Như vậy, thu khu vực đô thị, khu đông dân cư tượng truyền sóng đa đường xảy phổ biến SV(i) MP SV(j) LOS MP Anten GNSS Hình 3.1 3.1.1 Truyền sóng từ vệ tinh GNSS tới thu GNSS môi trường đa đường Mô hình kênh đa đường Tín hiệu định vị có dạng công thức (1.1) truyền qua kênh fading kênh đa đường tĩnh Do đó, trước đến thu GNSS, tín hiệu định vị bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ Điều dẫn đến bên cạnh thành phần LOS, thành phần đa đường khác tín hiệu định vị với độ trễ, pha sóng mang tần số sóng mang khác tới anten thu GNSS Khi tín hiệu tới khâu xử lý xử lý cao tần, xử lý trung tần bao gồm đồng tín hiệu, tổng hợp 16 tất tín hiệu thành phần Do đó, tín hiệu định vị thu sau hạ tần tần số trung tần có dạng sau L 1 r (t )    i s (t   i )e j (2 ( f IF  f D ) t i )  n(t ) (3.1) i 0 với r (t ) tín hiệu thu được; f IF tần số trung tần IF L số lượng tia tín hiệu định vị tới anten thu (01 tia LOS L  tia đa đường);  i biên độ tia tín hiệu thứ i ;  i pha tia tín hiệu thứ i ;  i trễ gây tia tín hiệu thứ i ; f D độ dịch tần số Doppler tạo kênh truyền; n(t ) tạp âm AWGN Trong đó, i  ứng thành phần LOS đặt   3.1.2 Mô hình kênh Rician Trong môi trường truyền dẫn đa đường, có thành phần LOS bên cạnh thành phần tín hiệu đa đường, mô hình kênh Rician Khi đó, biên độ tín hiệu nhận biểu diễn: pr ( x)  x  e  ( x  A2 ) 2 I0 ( xA 2 ); x  (3.2) Trong đó:  phương sai thành phần đồng pha vuông góc tín hiệu; A công suất thành phần LOS; I hàm Bessel sửa đổi loại bậc xác định: I ( y)  2 2 e  y cos d (3.3) Một tham số quan trọng sử dụng để mô tả phân bố Rician tỉ số Rician Tham số định nghĩa tỉ số công suất thành phần LOS tổng công suất thành phần đa đường k power _ of _ LOS total _ power _ of _ multipath 17 (3.4) 3.1.3 Mô hình kênh Rayleigh Khi thành phần LOS, mô hình kênh trở thành Rayleigh Khi đó, tín hiệu nhận tổng thành phần đa đường với biên độ góc pha khác Biên độ tín hiệu thu biểu diễn: pr ( x )  x  e 2  x / ( 2 ) ,A0 (3.5) Lưu ý rằng, fading Rayleigh trường hợp đặc biệt fading Rician, hệ số Rician k  Nếu k   , tương ứng với thành phần đa đường, kênh truyền trở dạng kênh Gaussian bị ảnh hưởng tạp âm 3.1.4 Hiệu bắt đồng môi trường kênh Rayleigh Trong môi trường phức tạp thành thị, nhiễu đa đường, tín hiệu định vị GNSS tới thu chồng lấn nhiễu thành phần tín hiệu với pha biên độ khác Khi đó, phân bố thành phần đồng pha (inphase) thành phần vuông pha (quadrature) tín hiệu tạp âm (𝑋) phân bố Gaussian trung bình Do đó, tín hiệu coi tín hiệu phức phân bố Gaussian trung bình Khi đó, tín hiệu 𝑋 phân bố theo:  X | H CN (0,  N2 )   X | H CN (0,  SN ) (3.6) Trong CN phân bố Gaussian phức; 𝜎𝑆𝑁 = 𝜎𝑆2 + 𝜎𝑁2 ; 𝜎𝑆2 𝜎𝑁2 tương ứng phương sai tín hiệu tạp âm Trong điều kiện chịu ảnh hưởng nhiễu đa đường, tín hiệu GNSS bị suy yếu, giải pháp sử dụng tương quan kết hợp (coherent) bị giới hạn điểm chuyển trạng thái bit tin định vị Vì vậy, tương quan không kết hợp (noncoherent) sử dụng Sau áp dụng tính tương quan không kết hợp (noncoherent) K lần, biến định trở thành [7]  Y | H  22K (0,  N2 )  2 Y | H1  K (0,  SN ) 18 (3.7) Trong đó: 𝜒2𝐾 phân bố chi-bình phương với 2𝐾 bậc tự Khi đó, xác suất phát xác suất cảnh báo sai xác định:     K 1    Pfa  exp       2 N  i 0 i !  2 N  i     K 1    Pd  exp       2 SN  i 0 i !  2 SN  (3.8) i (3.9) 3.2 Giải pháp phân tập anten Trong truyền dẫn vô tuyến, giải pháp sử dụng nhiều anten phía thu để cải thiện chất lượng tuyến truyền dẫn nhờ tăng cường giá trị SNR gọi phân tập anten phía thu Đặc biệt, điều kiện môi trường fading đa đường, giải pháp phân tập anten thường xuyên sử dụng Các giải pháp phân tập anten bao gồm: phân tập không gian phân tập phân cực 3.2.1 Phân tập không gian Trong giải pháp phân tập anten theo không gian, anten xếp, phân tách mặt không gian phía thu phía phát Do anten khác bắt, thu thành phần tín hiệu khác điều kiện kênh truyền khác nên mang đến độ lợi cao Nếu anten bắt tín hiệu, anten khác bắt tín hiệu Như vậy, anten có tỉ số SNR khác thời điểm 3.2.2 Phân tập phân cực Sự phân cực tín hiệu bị thay đổi ảnh hưởng nhiễu đa đường Thông thường, anten thiết kế, chế tạo với dạng phân cực cụ thể Vì vậy, anten thu nhận tín hiệu chế độ phân cực khác với anten xảy không tương thích làm suy hao công suất thu Cả hai giải pháp phân tập anten áp dụng cho việc thu tín hiệu GNSS 19 3.3 Các phương pháp kết hợp phân tập Để nâng cao độ tin cậy tín hiệu, tăng khả giảm ảnh hưởng nhiễu đa đường, với việc phân tập anten, phương pháp kết hợp phân tập sử dụng như: Kết hợp độ lợi (EGC- Equal Gain Combining), kết hợp lựa chọn (SC – Selection Combining) kết hợp tỉ số tối đa (MRC – Maximum Ratio Combining) 3.4 Giải pháp phân tập anten EGC cho bắt đồng tín hiệu GNSS Trong mô hình kênh fading Rayleigh, giải pháp phân tập anten tạo mẫu độc lập hỗ trợ cho trình bắt đồng tín hiệu định vị Để đạt điều này, anten bố trí không gian cho khoảng cách chúng tương ứng với bước sóng (với tần số tín hiệu định vị 𝐿1 = 1575.42𝑀𝐻𝑧, bước sóng khoảng 19𝑐𝑚), anten coi nằm mô hình kênh độc lập, đó, tín hiệu bị ảnh hưởng fading khác Nói cách khác, tín hiệu nhánh bị suy hao fading không bị suy hao nhánh khác Trong báo này, phân tập không gian thực với hai anten Sau trình giải trải phổ, tín hiệu lối kết hợp lại với phương pháp kết hợp độ lợi tương đồng (EGC – Equal Gain Combining) Biến định sau EGC trở thành  N1 YEG  Y1  YEG | H N2 (3.10) Y2  K (0,  N ) 2 (3.11) 2 Trong đó: 𝜎𝑁1 𝜎𝑁2 công suất tạp âm nhánh kênh khác Giả sử tín hiệu nhánh kênh có tỉ số 𝑆𝑁𝑅 = 𝜎𝑆𝑁 /𝜎𝑁2 , ta có YEG | H1  K (0,  SN ) 2 (3.12) Xác suất phát tín hiệu cảnh báo sai điều kiện có EGC trở thành [7] 20     K 1     2   2 N  i 0 i !  2 N  i Pfa  exp  EG     K 1    Pd  exp       2 SN  i 0 i !  2 SN  (3.13) i EG (3.14) Xác suất phát theo hướng tìm kiếm cực đại trở thành [8]:  PD (  )   1  P ( y ) M 1 fa fY | H ( y ) dy (3.15)  3.5 Kết mô Để đánh giá hiệu bắt đồng thu GNSS, đường cong đặc tính hoạt động thu (ROC – Receiver Operating Characterisitc) thường sử dụng Các kết mô nhận dựa độ dài thời gian tính tương quan 10𝑚𝑠, 𝐾 = không sử dụng liệu hỗ trợ cho trình bắt đồng Độ dài mã PRN tín hiệu GPS L1 C/A 1023 Giá trị tần số Doppler từ −5𝐾𝐻𝑧 đến 5𝐾𝐻𝑧 [6], không gian tìm kiếm đồng có 𝑁𝐶 = 2046 𝑁𝐷 = 151 Bên cạnh đó, kênh truyền có mô hình kênh fading Rayleigh, tỉ số SNR=12dB cho hai kênh phân tập Không gian tìm kiếm đồng có M=308946 tế bào Đường cong ROC mức độ tế bào cho kênh cho thu phân tập EGC minh họa hình Rõ ràng, từ hình vẽ, kênh có hiệu hoạt động tương đồng tỉ số SNR giống Đồng thời, hiệu hoạt động kênh so với kênh phân tập EGC 21 Hình 3.2 ROC mức tế bào Hình hình biểu diễn ROC mức tế bào mức hệ thống với giả sử kênh không tương quan Như minh họa hình 2, xác suất bắt tín hiệu cải thiện đáng kể sau thực EGC Giả sử mục tiêu xác suất cần đạt (𝑃𝑓𝑎 = 10−6 , 𝑃𝑑 = 0.7), tức khả cảnh báo sai nhỏ xác suất bắt không cao đặt ngưỡng độ lợi phân tập tương đối cao Theo hình 3, với (𝑃𝐹𝐴 = 0.1, 𝑃𝐷 = 0.7), độ lợi phân tập khoảng 4dB Sự cải thiện tốt so sánh với việc tăng thời gian tính tích phân, phải tăng lên khoảng 2.5 lần để đạt độ lợi tương đương Cũng từ hình 3, ưu điểm EGC phân tích Nhờ có EGC, tín hiệu xác suất cảnh báo sai cực đại giảm xuống Như hình 3, giá trị 0.57 cho kênh 0.27 cho kênh EGC Thực tế, giải pháp EGC tăng khả chống lại xác suất cảnh báo sai lên 30% ngưỡng xác suất bắt nằm biên độ tạp âm Mặc dù, đặt giá trị ngưỡng thu mức thấp dẫn đến tăng xác suất cảnh báo sai làm tăng xác suất thu Nói cách khác, việc bắt tín hiệu quan trọng việc chấp nhận cảnh báo 22 sai, lựa chọn ngưỡng thu thấp dẫn đến giá trị cực đại xác suất cảnh báo sai Như vậy, giải pháp EGC có khả chống lại cảnh báo sai tốt kênh đơn lẻ Hình 3.3 ROC mức tế bào, kênh không tương quan Hình minh họa xác suất cảnh báo sai trường hợp có tín hiệu với giá trị khác tỉ số SNR Rõ ràng, xác suất cảnh báo sai giảm xuống tín hiệu mạnh Hơn nữa, với mức ngưỡng bắt thấp làm cho xác suất cảnh báo sai tăng lên, công suất tín hiệu có ảnh hưởng lớn đến việc giảm xác suất cảnh báo sai 23 Hình 3.4 Hình 3.5 ROC mức hệ thống có tín hiệu Cảnh báo sai có tín hiệu 24 Hình 3.6 Hình 3.7 Cải thiện hiệu bắt đồng mức tế bào có EGC Cải thiện hiệu bắt đồng có EGC mức hệ thống 25 Kết luận Quá trình bắt đồng tín hiệu định vị GNSS điều kiện kênh truyền fading đa đường sử dụng giải pháp phân tập anten không gian nghiên cứu, xem xét báo So với giải pháp sử dụng anten đơn, hiệu phát tín hiệu cải thiện đáng kể sử dụng anten theo kiểu EGC Điều có nghĩa hiệu phát tín hiệu tốt với xác suất cảnh báo sai cho trước xác xuất cảnh báo sai với xác suất phát cho trước Mặt khác, việc sử dụng phân tập anten theo không gian làm giảm trình tính toán thời gian tính tương quan giảm xuống 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] E D Kaplan, and C J Hegarty, Understanding GPS: Principles and Applications: Artech House, 2005 F D Nunes, F M G Sousa, and J M N Leitao, “Gating Functions for Multipath Mitigation in GNSS BOC Signals,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol 43, no 3, pp 951-964, 2007 M Z H Bhuiyan, and E S Lohan, “Advanced Multipath Mitigation Techniques for Satellite – Based Positioning Applications,” International Journal of Navigation and Observation, Hindawi Publishing Corporation, vol 2010, pp 1-15, 2010 A J V Dierendonck, P Fenton, and T Ford, “Theory and Performance of Narrow Correlator Spacing in a GNSS Receiver,” Journal of the Institute of Navigation, vol Vol 39, Fall, 1992 J W Betz, and K R Kolodziejski, “Extended theory of early-late code tracking for a bandlimited GPS receiver,” Navigation, vol 47, no 3, pp 211226, 2000 M Irsigler, and B Eissfeller, “Comparison of multipath mitigation techniques with consideration of future signal structures,” Proceedings of the 16th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS '03), pp 2584–2592, September,, 2003 G A McGraw, and M S Braasch, "GNSS Multipath Mitigation Using Gated and High Resolution Correlator Concepts." pp 333 - 342 L Garin, F v Diggelen, and J.-M Rousseau, “Strobe & Edge Correlator Multipath Mitigation for Code,” Proceedings of the 9th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GPS 1996), pp 657 - 664, September 17 - 20, 1996 J J P Fenton, and B Smith, "Theory and Performance of the Pulse Aperture Correlator," Technical Report, 2004 P A Bello, and R L Fante, "Code tracking performance for novel unambiguous M-code time discriminators." pp 293 - 298 E S Lohan, A Lakhzouri, and M Renfors, “Binary-offset-carrier modulation techniques with applications in satellite navigation systems,” Wireless Communications and Mobile Computing, vol 7, no 6, pp 767-779, 2007 J W Betz, “Binary Offset Carrier Modulations for Radio Navigation,” NAVIGATION: Journal of The Institute of Navigation, vol 48, no 4, pp 227 - 246, 2001 J W Betz, “The Offset Carrier Modulation for GPS Modernization ” Proceedings of the 1999 National Technical Meeting of The Institute of 27 [14] [15] [16] [17] Navigation January 25 - 27, pp 639 - 648 1999 [14] J.-C Juang, and T.-L Kao, “Noncoherent BOC Signal Tracking Based on a Five-Correlator Architecture,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol 48, no 3, pp 1961-1974, 2012 K Borre, D M Akos, N Bertelsen, P Rinder, and S H Jensen, A SoftwareDefined GPS and Galileo Receiver - A Single-Frequency Approach, Berlin: Birkhäuser, 2007 R Fante, "Unambiguous tracker for GPS binary-offset-carrier signals." H Hurskainen, E Simona Lohan, X Hu, J Raasakka, and J Nurmi, “Multiple gate delay tracking structures for GNSS signals and their evaluation with simulink, systemC, and VHDL,” International Journal of Navigation and Observation, pp 17, 2008 28