Một số giải pháp hoàn thiện công tác quản lý chất lượng xăng dầu tại trung tâm hóa nghiệm xăng dầu quân đội

Với máy thu định vị toàn cầu, còn người có thể dễ dàng lựa chọn hệ thống định vị mà mình muốn sử dụng: khi đi đến vùng địa cực hay vào vùng che khuất, chuyển chế độ sang dùng hệ định vị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

HOÀNG TIẾN ĐẠT

LẤY MẪU VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU THÔNG DẢI TRONG MÁY THU ĐỊNH

VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU GALILEO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử tin học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS VŨ VĂN YÊM

Hà Nội – 2012

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả trong luận văn này là kết quả thực hiện của tôi, không sao chép và công bố ở bất kì tài liệu nào khác

2

MỤC LỤC

Danh mục các kí hiệu, các từ viết tắt 4 

Danh mục các thuật ngữ khoa học sử dụng 6 

Danh mục các hình vẽ 7 

Lời mở đầu 9 

Phần mở đầu 11 

Lý do chọn đề tài 11 

Ý nghĩa khoa học của đề tài 12 

Mục đích nghiên cứu 12 

Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 12 

Giới hạn đề tài 18 

Phương pháp nghiên cứu 18 

Phương tiện nghiên cứu 18 

Chương 1: TỔNG QUAN GNSS 19 

1.1 Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu 19 

1.2 Các hệ thống định vị toàn cầu 22 

1.2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS 22 

1.2.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS 23 

1.2.3 Hệ thống định vị toàn cầu Galileo 29 

Chương 2: CÔNG NGHỆ SDR VỚI GNSS 40 

2.1 Công nghệ SDR 40 

2.2 Kiến trúc máy thu GNSS 43 

2.2.1 Giới thiệu chung 43 

2.2.2 GNSS anten 47 

2.2.3 Bộ lọc 49 

2.2.4 Khuếch đại 50 

2.2.5 Trộn tần/tổ hợp tần số 50 

2.2.6 ADC 52 

3

2.2.7 Khối tiền xử lý GNSS ASIC 53 

Chương 3: THIẾT KẾ MÁY THU GNSS 55 

3.1 Sơ đồ khối hệ thống 55 

3.2 Khối tiền xử lý 56 

3.2.1 Khối tiền xử lý trên MAX2769 56 

3.2.2 Khối tiền xử lý trên SE4110L 61 

3.3 Phần xử lý tìm ra dữ liệu định vị 65 

3.3.1 Truyền và ghi dữ liệu 65 

3.3.2 Kết quả định vị với MAX2769EVKIT+ 68 

3.3.3 Kết quả định vị với SE4110L 82 

Kết luận và kiến nghị 84 

Tài liệu tham khảo 85 

4

Danh mục các kí hiệu, các từ viết tắt

Kí hiệu, từ viết tắt Miêu tả, viết đầy đủ

5

6

Danh mục các thuật ngữ khoa học sử dụng

Thuật ngữ Nghĩa tiếng Việt

Code Từ mã

Pseudorange Khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu

7

Danh mục các hình vẽ

Hình 0.1: Mô hình máy thu định vị toàn SDR của ĐH Aalborg 13 

Hình 0.2: Kết quả acquisition vệ tinh GIOVE-A 13 

Hình 0.3: Dữ liệu định vị từ vệ tinh GIOVE-A 14 

Hình 0.4: Các chế độ ghi dữ liệu của GN3S Sampler 15 

Hình 0.5: GN3S Sampler ver 3.0 của ĐH Colorado 15 

Hình 0.6 Kết quả acquisition với vệ tinh FM2 17 

Hình 0.7 Kết quả tracking vệ tinh FM2 trên phần mềm Orbitron của NavSAS 17 

Hình 1.1 Quỹ đạo các hệ thống định vị toàn cầu 19 

Hình 1.2: Các vệ tinh GPS 20 

Hình 1.3 Các tần số sử dụng trong định vị toàn cầu 21 

Hình 1.4 Vệ tinh GLONASS-M 22 

Hình 1.5 Cấu trúc hệ thống GPS 25 

Hình 1.6: Máy thu GPS chuyên dụng và tích hợp trên điện thoại thông minh 26 

Hình 1.7 Biểu tượng của hệ thống Gallieo 29 

Hình 1.8: Mô hình điều chế tín hiệu Galileo 33 

Hình 1.9: Mã trải phổ, sóng mang con, sóng mang và tín hiệu là kết quả của điều chế BOC Hình vẽ trên không mô tả dữ liệu định vị 36 

Hình 1.10: GPS C/A và Galileo BOC(1,1) cùng chia sẻ phổ L1 – 1575.42 Mhz 37 

Hình 2.1 Hệ thống SDR 42 

Hình 2.2: Sơ đồ khối DDC thực hiện trên DSP hoặc FPGA 43 

Hình 2.3 Sơ đồ máy thu trực tiếp 44 

Hình 2.4 Máy thu lấy mẫu ở trung tần 45 

Hình 2.5 Sơ đồ máy thu GNSS của Kai Borre 46 

Hình 2.6 Một số loại anten GNSS 47 

Hình 2.7 Đặc tuyến của bộ lọc thông dải 49 

Hình 2.8 Giản đồ các mẫu tín hiệu sau chuyển đổi tương tự - số 52 

Hình 2.9 Sơ đồ khối của SE4110L 53 

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 55 

8

Hình 3.2 Sơ đồ khối MAX2769 56 

Hình 3.3 Đặc tuyến bộ lọc thông dải ở băng tần cơ sở 57 

Hình 3.4 Định dạng dữ liệu đầu ra ADC 58 

Hình 3.5 Giản đồ thời gian giao tiếp nối tiếp 58 

Hình 3.6 Các trạng thái cấu hình trước của MAX2769 59 

Hình 3.7 Mạch nguyên lý máy thu GNSS với MAX2769 59 

Hình 3.8 MAX2769EVKIT+ 60 

Hình 3.9 Sơ đồ khối tiền xử lý trong máy thu GNSS trên MAX2769 61 

Hình 3.10 Sơ đồ khối SE4110L 62 

Hình 3.11 Sơ đồ khối tiền xử lý trong máy thu GNSS trên SE4110L 62 

Hình 3.14 Tín hiệu MAG quan sát trên Oxilo 64 

Hình 3.15 Tín hiệu SIGN trên Oxilo 64 

Hình 3.16 Hoạt động của ALVCH16373 65 

Hình 3.17 Mạch đệm dữ liệu 65 

Hình 3.18 KIT ML507 của Xilinx 67 

Hình 3.19 Sơ đồ khối truyền dữ liệu qua FPGA 67 

Hình 3.20 Phần mềm ghi dữ liệu trên máy tính 68 

Hình 3.21 Cấu hình hệ thống trong thực tế 69 

Hình 3.22 Sơ đồ xử lý dữ liệu trên máy tính 69 

Hình 3.23 Dữ liệu GPS thô 70 

Hình 3.25 Các vệ tinh được tìm thấy trong quá trình Acquisition 72 

Hình 3.26 Tần số Doppler 72 

Hình 3.27 Lưu đồ thuật toán tracking 73 

Hình 3.28 Kết quả tracking 74 

Hình 3.29 Từ Telematry( TLM) 75 

Hình 3.32 Thời điểm bắt đầu khung dữ liệu 4 kênh 79 

Hình 3.33 Kết quả định vị trên MATLAB 81 

Hình 3.34 Kết quả định vị trên Google Earth 82 

Hình 3.36 Kết quả acquisition SE4110L 83 

9

Lời mở đầu

Thời xa xưa con người đã sử dụng thiên văn, la bàn và bản đồ để xác định vị trí và tìm đường trong các chuyến thám hiểm khám phá các miền đất lạ Tuy nhiên phải đến năm 1995, khi các hệ thống định vị toàn cầu GPS của Mỹ và GLONASS của Nga chính thức đi vào hoạt động, nhu cầu định vị và dẫn đường mới được giải quyết một cách cơ bản Ngoài mục tiêu quân sự như thiết kế ban đầu, các hệ thống định vị đã được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực dân sự Ngày nay công nghệ định vị và dẫn đường đã trở thành một nền công nghiệp mang lại doanh thu hàng tỷ USD hàng năm và đang được phát triển mạnh mẽ Trước những lợi ích to lớn của hệ thống định vị toàn cầu, liên minh châu Âu đã tự xây dựng một

hệ thống định vị cho riêng mình Hệ thống có tên gọi Galileo, đang được triển khai

và sẽ có dịch vụ trong tương lai gần

SDR – Software Defined Radio là hệ thống vô tuyến điều khiển bằng phần mềm, sử dụng một nền tảng phần cứng thống nhất để cung cấp các tiêu chuẩn thông tin, thay đổi kiểu điều chế và tần số thông qua các module phần mềm Một cách cụ thể, SDR

là tập hợp phần cứng và phần mềm, trong đó một vài hoặc toàn bộ các chức năng phần vô tuyến được thực hiện điều khiển, thay đổi thông qua phần mềm hoặc firmware Các thiết bị này có thể là FPGA (Field Programmable Gate Arrays), các

bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor), hệ thống trên chip lập trình được SoC (System on Chip) hoặc các bộ xử lý có thể lập trình theo ứng dụng cụ thể khác Việc thiết kế các hệ thống SDR đã mở ra một khía cạnh mới trong lĩnh vực thông tin liên lạc, trực tiếp hoặc gián tiếp góp mặt trong rất nhiều ứng dụng thiết thực của lĩnh vực thông tin, trong quân sự cũng như dân sự

Máy thu định vị toàn cầu rất phổ biến, có thể dễ dàng mua được với giá từ vài chục USD, tuy nhiên có nhược điểm chỉ tương thích với 1 hệ thống định vị nào đó và các thành phần đã được thiết kế cứng, không thể thay đổi Sự phát triển của công nghệ

và có mặt của ngày càng nhiều hệ thống định vị đặt ra yêu cầu cấp thiết về máy thu định vị toàn cầu điều khiển bằng phần mềm Với máy thu điều khiển bằng phần mềm, người dùng có thể dễ dàng chọn lựa hệ thống định vị mà mình muốn sử dụng,

10

do các hệ thống định vị được thiết kế tốt hơn ở các vị trí địa lý khác nhau: GPS thì không tốt ở các vùng cực còn Galileo cho chất lượng tốt Ngoài ra, người dùng có thể thay đổi các thông số của máy thu để có thể thu được tín hiệu tốt nhất, hoặc tiến tới một hệ thống tự động thay đổi cấu hình tương thích với các điều kiện ngoại cảnh

Luận văn tập trung vào việc “ Lấy mẫu và xử lý tín hiệu thông dải trong máy thu định vị vệ tinh toàn cầu Galileo” Qua việc tìm hiểu về hệ thống định vị, luận văn đưa ra mô hình của 1 máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm và mô phỏng máy thu trong thực tế

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS TS Vũ Văn Yêm đã hướng dẫn em tận tình trong thời gian qua, cũng như chân thành cảm ơn các đồng nghiệp công ty Công nghệ chính xác đã hỗ trợ, tạo điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị đo, thời gian…

để hoàn thiện đề tài

hệ thống khác nhau, hình thành nên nhu cầu của một máy thu định vị toàn cầu GNSS Như ta đã biết, do đặc tính thiết kế, tín hiệu GPS không tốt ở các vùng địa cực, còn Galileo thì rất tốt Bên cạnh đó, tín hiệu Galileo có những đặc tính tốt giúp máy thu có thể giải mã tín hiệu ngay cả trong những điều kiện bị che khuất như trong nhà hay trong rừng Với máy thu định vị toàn cầu, còn người có thể dễ dàng lựa chọn hệ thống định vị mà mình muốn sử dụng: khi đi đến vùng địa cực hay vào vùng che khuất, chuyển chế độ sang dùng hệ định vị Galileo, khi vào lãnh thổ liên bang Nga, chuyển sang dùng GLONASS… Do đặc tính tín hiệu khác nhau nên các máy thu định vị toàn cầu hiện nay hầu hết chỉ thu được tín hiệu từ một hệ thống định vị Vậy để máy thu có thể chuyển giữa các hệ thống định vị dễ dàng, ta cần một khối tiền xử lý linh hoạt và công nghệ máy thu điều khiển bằng phần mềm – SDR Cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ SDR đã có những bước tiến đáng kinh ngạc

Xuất phát từ ý tưởng về một máy thu GNSS, linh hoạt trong việc thay đổi cấu hình

để có thể sử dụng các hệ thống định vị khác nhau, em đã chọn đề tài” Lấy mẫu và

xử lý tín hiệu thông dải trong máy thu định vị vệ tinh toàn cầu Galileo”

Luận văn bao gồm 3 phần chính Phần đầu giới thiệu về các hệ thống định vị toàn cầu hiện đang được sử dụng: GPS, GLONASS và Galileo Phần này cung cấp cho người đọc thông tin về tác dụng, dịch vụ đang có, phạm vi và độ chính xác, ưu nhược điểm của từng hệ thống Phần tiếp theo trình bày về công nghệ SDR, sự cần thiết của công nghệ và những ưu nhược điểm của công nghệ Tiếp đó là các kiến trúc của máy thu GNSS: máy thu thẳng và máy thu qua trung tần Từ những hiểu biết về máy thu, đồ án xây dựng một máy thu GNSS hoàn thiện với anten, các bộ

12

lọc, khuếch đại, xử lý số… Phần cuối cùng của luận văn là thiết kế và chế tạo một máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm và những kết quả thu được trong thực tế

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Với một máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm, người dùng có thể linh hoạt sử dụng 3 đến 4 hệ thống định vị toàn cầu hiện có thay vì mua 3 đến 4 máy thu định vị toàn cầu Ngoài ra, mỗi khi thay đổi công nghệ, người phát triển hệ thống không cần thay đổi cả phần cứng phức tạp mà chỉ cần thay đổi lại firmware, hoặc các phần mềm điều khiển, giảm thời gian phát triển và giá thành sản phẩm Trong tương lai, người thiết kế hướng tới thiết bị định vị vệ tinh toàn cầu tự thay đổi cấu hình theo điều kiện ngoại cảnh: máy thu tự chọn ra hệ thống định vị tốt nhất để thu tín hiệu và đưa ra kết quả định vị

Mục đích nghiên cứu

Hệ thống định vị toàn cầu mà tâm điểm là hệ thống Galileo, việc lấy mẫu và xử lý tín hiệu Galileo Kết quả cuối cùng của đề tài là đưa ra được một mô hình máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm Máy thu này có thể thay đổi các thông số như hệ

số khuếch đại, bề rộng bộ lọc trung tần, tần số trung tần, tần số chuyển đổi tương tự-số, kiểu dữ liệu đầu ra… để tương thích với các hệ thống định vị toàn cầu khác nhau Phần xử lý tín hiệu trên DSP, trước hết chưa xử lý thời gian thực được thì truyền tín hiệu lên máy tính và ghi thành file, sau đó xử lý file đó trên MATLAB và tìm ra tọa độ máy thu

Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Nhóm đại học Aalborg, Đan Mạch: Dự án được thực hiện bởi trung tâm nghiên

cứu GPS của trường đại học Aalborg – một đại học lớn của Đan Mạch Dự án đã thực hiện trên 5 năm và đã xây dựng được một khối tiền xử lý với kích thước rất nhỏ Khối tiền xử lý này có thể thu tín hiệu GPS và truyền qua giao tiếp USB, ghi thành file trên máy tính Dữ liệu ghi lại được xử lý trên MATLAB và đưa ra kết quả định vị Khối tiền xử lý được xây dựng trên chip thu GPS SE4110L của SiGe

13

Hình 0.1 Mô hình máy thu định vị toàn cầu SDR của ĐH Aalborg

Cùng với việc phát triển khối tiền xử lý, dự án trên cũng cung cấp nhiều tài liệu về GPS và dữ liệu thô ghi được từ khối tiền xử lý Người sử dụng có thể kiểm chứng kết quả bằng cách tải dữ liệu về và giải mã trên máy tính

Với hệ thống Galileo, nhóm đã thu được những kết quả về tín hiệu của vệ tinh thử GIOVE-A Hình vẽ dưới đây biểu thị kết quả việc acquisition vệ tinh GIOVE-A thực hiện ngày 21/3/2006

Hình 0.2 Kết quả acquisition vệ tinh GIOVE-A

15

Hình 0.4 Các chế độ ghi dữ liệu của GN3S Sampler GN3S Sampler đã trải qua 3 phiên bản, hai phiên bản đầu với SE4110L và phiên bản thứ 3 với SE4120L của SiGe Cùng với sự phát triển của khối tiền xử lý, các driver cho các hệ điều hành khác nhau cũng được hoàn thiện GN3S Sampler đã có thể chạy tốt trên WinXP, Win7 và Linux GN3S Sampler hiện được phân phối bởi công ty SparkFun, rất nhỏ gọn và có giá khoảng 450 USD

Hình 0.5 GN3S Sampler ver 3.0 của ĐH Colorado Như vậy, máy thu GNSS điều khiển bằng phần mềm là một xu hướng nghiên cứu trong thời gian gần đây, các đơn vị nghiên cứu đã thiết kế chế tạo thành công máy thu GPS Tuy nhiên, các đề tài đều tập trung việc xây dựng khối tiền xử lý, truyền

dữ liệu lên và xử lý trên máy tính, chưa có đề tài nào thực hiện ở thời gian thực hoặc thực hiện trên các DSP

16

Viện nghiên cứu cao cấp Mario Boella, Italy

Istituto Superiore Mario Boella (ISMB) là trung tâm nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực thông tin và kết nối, được thành lập năm 2000, hiện nay có trên 150 nhân viên, hoạt động liên kết với nhiều công ty và tổ chức khoa học Viện đã nghiên cứu

về định vị vệ tinh toàn cầu từ lâu và đã thu được nhiều kết quả Trung tâm NavSAS

là trung tâm nghiên cứu không gian của viện, hiện đang nghiên cứu 1 số dự án về định vị toàn cầu:

dục, nghiên cứu về lĩnh vực định vị vệ tinh toàn cầu ở châu Âu

với và các thiết bị đầu cuối để có thể đưa ra thị trường với yêu cầu giảm tối

đa giá thành sản xuất

GPS/Galileo bằng phần mềm ở thời gian thực và triển khai trên các phần cứng cấu hình lại được

độ cao giá thành rẻ dựa trên công nghệ MEMS

điều khiển bằng phần mềm thế hệ mới có thể hoạt động với cả tín hiệu GPS

và Galileo

Ngày 17/1/2012, tín hiệu E1 từ vệ tinh FM2( GSAT0102) của hệ thống Galileo đã được ISMB thu được lần đầu tiên Tín hiệu được thu tại Torino, Italy với 1 anten GNSS vô hướng, khối tiền xử lý E1 RF thương mại băng hẹp, máy thu N-GENE và phần mềm được phát triển bởi trung tâm NavSAS Vệ tinh GSAT0102 phát tín hiệu E1 và sử dụng mã số 12 trong bảng mã của hệ thống Galileo, là vệ tinh số 2 trong

số các vệ tinh đã vào đúng quĩ đạo được phóng ngày 21/10/2011 Tín hiệu từ vệ tinh

số 1 đã được trung tâm NavSAS thu được vào ngày 12/12/2011 Ngày 17/1/2012, trung tâm đã thu và giải mã được tín hiệu từ cả 2 vệ tinh Galileo Tại thời điểm này,

dữ liệu thu được từ 2 vệ tinh chỉ gồm 2 trang: trang đặt trước với các từ mang giá trị

18

Giới hạn đề tài

Để thực thi một máy thu định vị toàn cầu điều khiển bằng phần mềm, sử dụng được nhiều hệ thống định vị toàn cầu như nói trên là rất phức tạp, quy mô và tốn kém Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này thực hiện chỉ thực thi một phần của hệ thống hoàn chỉnh đó Đó là:

- Máy thu có khả năng thu và giải mã tín hiệu GPS: do hiện nay chỉ có 2 hệ thống định vị toàn cầu đang hoạt động là GLONASS và GPS Hệ thống GLONASS gần đây mới được liên bang Nga quan tâm và đầu tư Hệ thống GPS đã hoạt động ổn định từ lâu, nhiều tài liệu và có thể kiểm chứng được kết quả thực hiện

- Hệ thống chưa thực hiện thời gian thực, dừng lại ở việc truyền dữ liệu qua DSP và ghi thành file trên máy tính Máy tính sẽ xử lý dữ liệu và đưa

ra kết quả định vị cuối cùng Việc xử lý thời gian thực và đưa ra kết quả định vị trên DSP rất phức tạp và cần nhiều thời gian nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu

Trong đề tài này người thực hiện đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

• Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí về điện tử và truy cập từ mạng internet

• Phương pháp quan sát: khảo sát một số mô hình thực tế đang có trên thị trường và tham khảo thêm một số mô hình từ internet

• Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức vốn có của mình kết hợp với sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn, người thực hiện đã thiết kế, vận hành thử nghiệm nhiều dạng mô hình khác nhau để

từ đó chọn lọc những phương án tối ưu

Phương tiện nghiên cứu

Với đề tài này, người thực hiện dựa vào sự trợ giúp của máy tính và những thông tin sách báo, internet Ngoài ra, còn có những thiết bị trợ giúp trong quá trình thiết

19

kế mạch do người thực hiện tự trang bị như oxilocope, đồng hồ đo điện đa năng, máy phát chuẩn, máy phân tích phổ…

Chương 1: TỔNG QUAN GNSS

1.1 Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu

Hiện nay trên thế giới có 3 hệ thống định vị toàn cầu là hệ thống NAVSTAR( Navigation Signal Timing and Ranging) của Mỹ, thường biết đến với tên ngắn gọn hơn là GPS, hệ thống GLONASS của liên bang Nga và hệ thống Galileo của liên minh châu Âu, trong đó 2 hệ thống đầu được chính thức đưa vào sử dụng từ năm

1995, còn hệ thống thứ 3 đang được xây dựng Mặc dù được xây dựng độc lập và có một số khác biệt về mặt kĩ thuật, cả 3 hệ thống này đều có mục đích xác định vị trí, vận tốc và thời gian của máy thu tín hiệu vệ tinh định vị Trong tương lai, sử dụng song song 3 hệ thống định vị toàn cầu trên cho ta được hệ định vị toàn cầu duy nhất GNSS( Global Navigation Satellites System)

Hình 1.1 Quỹ đạo các hệ thống định vị toàn cầu Các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu đều hoạt động trên nguyên tắc sử dụng phép

đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu dựa trên sự đồng bộ hóa về thời gian giữa vệ tinh và máy thu Các vệ tinh định vị toàn cầu liên tục phát đi các tín hiệu chứa các

mã riêng biệt của vệ tinh, thông tin về vị trí và vận tốc của vệ tinh tại thời điểm truyền tín hiệu Để xác định được vị trí của mình, máy thu cần phải nhận được các tín hiệu từ vệ tinh, từ đó tính được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh và quỹ đạo

và thời điểm thu nhận được tín hiệu ở máy thu Từ đó khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được tính toán chính xác bằng cách nhân thời gian truyền với tốc độ ánh sáng đã biết Để xác định được vị trí của mình, tức là tìm ra 3 thông số: kinh độ, vĩ

độ và cao độ, máy thu cần thu được tín hiệu của ít nhất 3 vệ tinh Vị trí của máy thu

là giao điểm duy nhất của 3 quả cầu có tâm là 3 vệ tinh, bán kính là khoảng cách từ

vệ tinh đến máy thu Tuy nhiên cần lưu ý đến vấn đề: đồng hồ máy thu và đồng hồ trên vệ tinh cần được đồng bộ hóa Điều này không dễ thực hiện trong thực tế, do các vệ tinh có thể sử dụng đồng hồ thạch anh với độ chính xác cao( đến ns), tuy nhiên nếu sử dụng đồng hồ thạch anh ở máy thu thì giá thành máy thu sẽ rất cao Vì vậy có thể coi sự sai khác về thời gian này là ẩn số, và ta cần vệ tinh thứ 4 để tính

Hệ thống định vị toàn cầu sử dụng tần số trong băng tần L, từ tần số 1164 Mhz đến

1610 Mhz, được mô tả như hình vẽ dưới đây Các máy thu định vị toàn cầu hiện nay hầu hết là máy thu một tần số Máy thu này được chế tạo từ anten và các thành phần để thu tín hiệu ở tần số L1 1575.42 Mhz Với máy thu một tần số, độ chính xác có thể đến vài chục mét Ngoài ra còn có máy thu hai tần số, máy thu này có phần tiền xử lý, đồng thời xử lý tín hiệu ở 2 tần số L1 và L2, qua đó so sánh các thông tin định vị thu được, loại bỏ các sai số nên độ chính xác cao hơn, có thể đến vài mét Tuy nhiên giá thành những máy thu hai tần số thường rất cao

Hình 1.3 Các tần số sử dụng trong định vị toàn cầu

22

1.2 Các hệ thống định vị toàn cầu

1.2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS

GLONASS là hệ thống định vị toàn cầu của Liên bang Nga bao gồm 24 vệ tinh quay quanh trái đất với góc nghiêng 64.8 độ, độ cao 19100 km Chùm vệ tinh GLONASS theo thiết kế gồm 21 vệ tinh chính thức và 3 vệ tinh dự trữ, được phóng lên 3 mặt phẳng Trên mỗi mặt phẳng, 8 vệ tinh được phân bố cách đều nhau 45 độ Các vệ tinh GLONASS có chu kì quay quanh trái đất là 11h 15 phút Trung tâm điều khiển đặt tại MOSCOW, các trạm theo dõi và đo xa đặt ở Saint Peterburg, Ternopol, Eniseisk và Komsomolskna-Amure

Hình 1.4 Vệ tinh GLONASS-M GLONASS cung cấp 2 loại dịch vụ: chính xác tiêu chuẩn ở tần số L1( 1602 Mhz)

và chính xác cao ở tần số L2(1246 Mhz) Hệ thống GLONASS được thiết kế với độ chính xác 65 m nhưng trong thực tế đạt độ chính xác 20m với các tín hiệu dân sự và

10 m với tín hiệu quân sự Thế hệ vệ tinh đầu tiên cao 7.8m, rộng 7.2m và nặng khoảng 1260 kg

GLONASS sử dụng đa truy nhập theo tần số( FDMA) Các tín hiệu của hệ thống GLONASS cũng có thành phần C/A và P như tín hiệu GPS nhưng có kiến trúc hoàn toàn khác Cấu trúc tín hiệu GLONASS không được phổ biến rộng rãi Hệ thống

hệ thống định vị toàn cầu GLONASS, cho phép hệ thống này có thể phủ tín trên toàn bộ bề mặt địa cầu Khi hệ thống còn chưa đủ số lượng vệ tinh cần thiết, có thể xảy ra khoảng trống ngắt quãng trong chu trình tiếp nhận tín hiệu được nhìn thấy bằng những đốm trắng, khả năng xác định vị trí của hệ thống chỉ đạt độ chính xác trong phạm vi 50m Lý do là vì một số khu vực đã không được phủ sóng hoàn toàn

Vệ tinh Glonass-M có trọng lượng 1450 kg và thời hạn hoạt động trong 7 năm, được thiết kế để bổ sung cho vị trí còn thiếu của hệ thống định vị toàn cầu GLONASS, giúp đảm bảo tín hiệu nhanh chóng và chính xác GLONASS sẽ được

sử dụng rộng rãi cho cả mục đích quân sự và dân sự

Theo Đài Tiếng nói Nga , nhiều nước đang quan tâm đến việc sử dụng GLONASS như đối trọng thay thế cho GPS, bởi không chấp nhận sự lệ thuộc tuyệt đối vào hệ thống của Mỹ Trong khi đó, các chuyên gia cho rằng GLONASS tuy có nhiều ưu điểm hơn GPS nhưng không phải đối thủ cạnh tranh, mà là bổ sung cho nhau Hiệp định về việc sử dụng GLONASS đã được ký kết với Belarus, Ấn Độ, Kazakhstan, Canada Ngoài ra các dự thảo thỏa thuận sử dụng với liên minh châu Âu cũng đang được bàn đến Các nước Mỹ Latinh và khu vực Arab cũng thể hiện sự quan tâm đặc biệt đối với hệ thống của Nga Trong thời gian tới, người sử dụng sẽ có thể định hướng tại tất cả các vị trí với sự giúp đỡ của cả hệ thống định vị của Nga và Mỹ

1.2.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Thiết kế của hệ thống GPS được thông qua vào năm 1973 Năm 1978, vệ tinh đầu tiên trong hệ thống GPS đã được phóng thành công và tín hiệu GPS đã được thu và thử nghiệm với các máy thu đầu tiên Mục đích ban đầu của xây dựng hệ thống GPS

là trợ giúp các mục đích quân sự của Mỹ, nên bộ quốc phòng Mỹ trực tiếp quản lý

24

dự án Đến năm 1995, hệ thống GPS được chính thức đưa vào hoạt động Ngoài 1 phần tín hiệu được phát miễn phí cho các ứng dụng dân sự, hệ thống GPS còn phát các tín hiệu dành riêng cho mục đích quân sự Ngoài ra, bộ quốc phòng Mỹ được toàn quyền kiểm soát và thay đổi chế độ hoạt động của 1 số vệ tinh nhằm hạn chế tín hiệu GPS trên một vùng nào đó hoặc điều chỉnh mức độ chính xác của định vị vệ tinh bằng cách thêm các sai số thời gian trong các đồng hồ vệ tinh hoặc các sai số

về quĩ đạo vệ tinh Bước sang thế kỉ 21, với sự phát triển mạnh mẽ và lợi nhuận đến

từ GPS dân sự, bộ quốc phòng Mỹ đã tuyên bố khóa chức năng điều chỉnh độ chính xác này Nhằm nâng cấp, hiện đại hóa hệ thống GPS, chính phủ Mỹ đã phê duyệt

dự án GPS II và GPS III với nhiều ứng dụng kĩ thuật và thiết kế mới trong vệ tinh cũng như tăng cường thêm tín hiệu GPS ở các dải sóng khác để hỗ trợ hơn nữa các ứng dụng GPS trong dân sự

Cấu trúc hệ thống GPS

Hệ thống GPS được chia làm 3 phần chính: phần vũ trụ, phần điều khiển và phần người sử dụng

25

Hình 1.5 Cấu trúc hệ thống GPS

- Phần vũ trụ( Space segment): Chùm vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủ đạo và

một vài vệ tinh dự trữ, được phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn, kí hiệu từ A đến F, với đường kính bằng 20138 km và nghiêng 55 độ với mặt phẳng xích đạo Trên mỗi quỹ đạo, 4 vệ tinh được đánh số từ 1 đến 4 và phân bố đều Chu kì của các vệ tinh là 12 h Cấu trúc quỹ đạo vệ tinh này cho phép người

sử dụng trên mặt đất tại bất kì thời điểm nào, ở bất cứ đâu cũng có thể nhìn thấy tối thiểu là 4 vệ tinh, trung bình là từ 6 đến 8 vệ tinh nếu không bị cản trở bởi cấu trúc hạ tầng mặt đất

- Phần điều khiển( Ground segment): bao gồm các trạm điều khiển mặt đất

Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ hệ thống, bao gồm 1 trạm điều khiển trung tâm MCS đặt tại căn cứ không quân Schriever ở bang Colorado và 5 trạm điều khiển đặt quanh trái đất theo đường xích đạo Trạm điều khiển trung tâm làm nhiệm vụ theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản

26

lý quỹ đạo vệ tinh và duy trì thời gian GPS để từ đó dự đoán được các thông

số quỹ đạo và đưa ra giá trị thời gian GPS đồng bộ giữa các vệ tinh nhằm cập nhật dữ liệu định vị các vệ tinh GPS Để làm được nhiệm vụ này, trạm điều khiển trung tâm cần sự giúp đỡ của các trạm điều khiển khác nằm rải rác toàn cầu Các trạm này được trang bị các máy thu GPS chất lượng cao, các thiết bị đo khí tượng và các thiết bị liên lạc với trạm điều khiển trung tâm

Dữ liệu GPS thu được từ các máy thu chất lượng cao được dùng để hỗ trợ việc tính toán quỹ đạo chính xác của các vệ tinh và sai số thời gian trên các

vệ tinh Sai số thời gian của các đồng hồ vệ tinh được mã hóa trong bảng thông số định vị và được truyền đi cùng tín hiệu vệ tinh Việc liên lạc giữa trạm điều khiển trung tâm và các vệ tinh được thực hiện bằng các trạm anten mặt đất

- Phần người sử dụng( User segment): công nghệ mạch tích hợp IC đã tạo

nên cuộc cách mạng lớn trong công nghệ điện tử nói chung và công nghệ máy thu GPS nói riêng, tạo ra những máy thu có kích cỡ nhỏ, giá thành thấp Ngày nay 1 máy thu có nhiều chức năng và gọn nhẹ, giá cả phụ thuộc vào ứng dụng và độ chính xác định vị mà chúng cho phép Công nghệ GPS ngày nay đang được kết hợp trong nhiều ngành công nghệ khác và đang trở thành

1 phần quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của con người

Hình 1.6: Máy thu GPS chuyên dụng và tích hợp trên điện thoại thông minh

Dịch vụ: đối với các máy thu dân dụng phổ biến, hệ thống GPS cung cấp 2 dịch vụ

cơ bản: dịch vụ định vị cơ bản( SPS) và dịch vụ định vị chính xác( PPS).Ngoài 2 dịch vụ này, các máy thu chất lượng cao dùng phép đo pha có độ chính xác cao để

- Sóng mang: Các vệ tinh GPS truyền các tín hiệu liên tục dùng 2 tần số trong

dải băng L bao gồm L1( 1575.42 Mhz) dành cho các ứng dụng dân sự và L2( 1227.6 Mhz) dành cho các ứng dụng quân sự Với f0 = 10.23 Mhz thì:

f L1 = 154 x f 0 = 1575.42 Mhz (1.1)

f L2 = 120 x f 0 = 1227.6 Mhz (1.2)

- Mã trải phổ: Mỗi vệ tinh có 2 chuỗi mã trải phổ đơn nhất: chuỗi C/A và

chuỗi mã hóa chính xác P(Y) Mã C/A là 1 chuỗi gồm 1023 chip, 1 chip tương ứng với 1 bit nhưng không mang dữ liệu, được lặp lại mỗi 1 ms Mã P thì dài hơn(~ 2.35x104 chip) với tốc độ chip là 10.23 Mhz, được lặp lại mỗi tuần vào thời điểm bắt đầu của thời gian GPS( nửa đêm thứ 7/chủ nhật hàng tuần) Mã C/A chỉ có trên tần số L1 trong khi đó mã P có cả ở tần số L1 và L2

- Dữ liệu định vị: Dữ liệu định vị là chuỗi dữ liệu có tốc độ 50 bps, chứa

những thông tin về quỹ đạo chuyển động của vệ tinh, được tải lên tất cả các

vệ tinh từ các trạm mặt đất

Độ chính xác của GPS

Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng Trạng thái của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét

Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét Không cần thêm thiết bị hay mất

28

phí để có được lợi điểm của WAAS Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu

đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải

có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ

Nguồn lỗi của tín hiệu GPS

‐ Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion: tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển

‐ Tín hiệu đi nhiều đường: điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu

hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS

‐ Lỗi quỹ đạo: cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo vị trí không chính xác

thấy thì càng chính xác Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí tán lá dầy có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới nước hoặc dưới đất

‐ Che khuất về hình học : điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh

ở thời điểm bất kì Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các quả vệ tinh ở vị trí tạo các góc rộng với nhau Phân bố xấu xảy ra khi các quả vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc cụm thành nhóm

‐ Sự giảm có chủ tâm tín hiệu vệ tinh: là sự làm giảm tín hiệu cố ý do sự áp đặt của Bộ Quốc phòng Mỹ, nhằm chống lại việc đối thủ quân sự dùng tín hiệu GPS chính xác cao Chính phủ Mỹ đã ngừng việc này từ tháng 5 năm 2000, làm tăng đáng kể độ chính xác của máy thu GPS dân sự

Các hạn chế trong ứng dụng dân dụng

1.2.3 Hệ thống định vị toàn cầu Galileo

Ý tưởng xây dựng hệ thống định vị toàn cầu mang tên Galileo được thành lập từ những năm đầu của thập kỉ 90 Trên cơ sở sử dụng hệ thống GPS của Mỹ và GLONASS của Nga, liên minh châu Âu mong muốn có 1 hệ thống định vị toàn cầu độc lập định hướng cho các ứng dụng dân sự Thành 5/1999, cơ quan vũ trụ châu

Âu đã phê duyệt chương trình Galileo và đến tháng 5/2003, ủy ban châu Âu và cơ quan vũ trụ châu Âu đã thống nhất các điều kiện để các nước thành viên tham gia chương trình Galileo Chương trình Galileo xây dựng hệ thống gồm 30 vệ tinh được phóng lên quĩ đạo trung bình với tổng kinh phí ước tính 3.2 tỷ Euro

Hình 1.7 Biểu tượng của hệ thống Gallieo Ngày 21/10/2011, hai vệ tinh đầu tiên của hệ thống vệ tinh định vị dẫn đường Châu

Âu Galileo đã được phóng lên quỹ đạo từ Trung tâm Vũ trụ Châu Âu tại French Guiana, sử dụng tàu phóng Soyuz của Liên bang Nga Theo Cơ quan Hàng không

Vũ trụ Châu Âu ESA, toàn bộ các giai đoạn hoạt động của tàu Soyuz đều đã hoàn

30

thành nhiệm vụ một cách hoàn hảo, vào bước cuối cùng Fregat-MT cũng đã tách thành công hai vệ tinh Galileo và đặt các vệ tinh này vào đúng quỹ đạo thiết kế ở độ cao 23.222 Km, đúng 3 giờ 49 phút kể từ sau khi rời bệ phóng

Việc phóng và đưa vệ tinh vào giai đoạn quỹ đạo sớm (LEOP), sẽ được giám sát bởi

sự phối hợp giữa ESA và Cơ quan Hàng không Vũ trụ Pháp CNES đặt tại Toulouse

- Pháp, toàn bộ quá trình sẽ kết thúc vào ngày 2/12/2011 Quy trình điều khiển các

vệ tinh sau đó sẽ được bàn giao cho SpaceOpal, là liên minh giữa Trung tâm Không gian Đức DLR và Telespazio của Ý, quy trình kiểm tra sẽ được thực hiện trong 90 ngày liên tục trước khi tích hợp hệ thống và chuyển sang giai đoạn chính thức hoạt động trên quỹ đạo (IOV), theo đó hợp phần không gian của hệ thống Galileo, hợp phần điều khiển mặt đất và hợp phần người sử dụng sẽ được kiểm tra thử nghiệm toàn diện Hai vệ tinh Galileo tiếp theo, hoàn chỉnh giai đoạn IOV, và đã được lập

kế hoạch phóng vào mùa hè năm 2012

Các dịch vụ dân sự của hệ thống Galileo

Ủy ban châu Âu và cơ quan vũ trụ châu Âu đã chính thức tuyên bố hệ thống Gallileo sẽ tập trung vào đảm bảo nhu cầu định vị toàn cầu cho các ứng dụng dân

sự, nhằm cung cấp 5 loại dịch vụ sau:

‐ Dịch vụ mở( open service - OS): đây là dịch vụ định vị miễn phí, cung cấp

khả năng xác định vị trí, tốc độ và thời gian cho các ứng dụng miễn phí trên thị trường Bất cứ người sử dụng nào đều có thể thu tín hiệu vệ tinh Galileo nếu có máy thu và anten thu tín hiệu Galileo Tuy nhiên, dịch vụ này không đảm bảo độ chính xác cao và bị giới hạn trong việc cung cấp các dữ liệu về

độ tin cậy kết quả định vị Độ chính xác có thể đạt được đối với dịch vụ là 15m chiều ngang và 35 m chiều cao khi sử dụng 1 tần số và 4 m chiều ngang, 8 m chiều cao khi sử dụng 2 tần số

‐ Dịch vụ bảo hiểm nhân mạng( Safety Life Service - SLS) cung cấp mức độ

chính xác giống như dịch vụ mở trên nhưng độ chính xác này được đảm bảo

và được tiếp cận với nhiều dữ liệu độ tin cậy cao hơn so với dịch vụ OS Thị

31

trường chủ yếu của loại hình dịch vụ này sẽ là các dịch vụ bảo hiểm người và các tài sản có liên quan Độ chính xác định vị có thể đạt được với dịch vụ này sử dụng 3 tần số là 4 m chiều ngang và 8 m chiều cao trong trường hợp nguy cấp Trong các trường hợp không quá nguy cấp, dịch vụ này đảm bỏa

độ chính xác thấp hơn( 220 m chiều ngang và 556 m chiều cao)

‐ Dịch vụ thương mại( Commercial Service - CS): nhằm thỏa mãn nhu cầu

thị trường ứng dụng công nghệ định vị cho thương mại, đòi hỏi độ chính xác cao hơn Với 1 khoản cước phí, các nhà đầu tư phát triển dịch vụ này có thể

có các dịch vụ tăng cường của Galileo, thu thêm tín hiệu ở 2 tần số khác nhau, khả năng xác định thời gian chính xác, các thông số về mức độ sai số của tín hiệu cũng như là giá trị hiệu chỉnh sai số cho các ứng dụng cần độ chính xác rất cao

‐ Dịch vụ an ninh công cộng( public regulated service - PRS): dịch vụ này

dùng riêng để phục vụ ngành an ninh và các tổ chức chính phủ với mức độ

ưu tiên hàng đầu Việc ước lượng vị trí các đối tượng sử dụng tín hiệu của 2 tần số Độ chính xác trong định vị có thể đạt được đối với dịch vụ này là 6.5

m theo chiều ngang và 12 m chiều cao

‐ Dịch vụ tìm kiếm cứu hộ( Search and rescue service) đây không phải là

dịch vụ định vị thuần túy mà được xây dựng nhằm hỗ trợ thêm cho các dịch

vụ tìm kiếm và cứu hộ có sẵn, bằng cách định vị nguồn phát tín hiệu cấp cứu thông qua một hệ thống 4 vệ tinh ở quĩ đạp thấp và 3 vệ tinh địa tĩnh với cá

vệ tinh Gallileo

Cấu trúc hệ thống

Phần vũ trụ của hệ thống Gallileo bao gồm 30 vệ tinh được phóng lên 3 mặt phẳng quĩ đạo nghiêng 56 độ so với mặt phẳng xích đạo ở độ cao 23.222 km so với mặt đất Mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 10 vệ tinh, trong đó có 1 vệ tinh dự trữ Chu kì quay của vệ tinh là 14 giờ Do các mặt phẳng quĩ đạo nghiêng cao nên tín hiệu có thể phủ tại các vùng có vĩ độ cao, điều này hệ thống GPS không làm được Trạm điều khiển

32

của hệ thống Gallileo gồm 2 trạm trung tâm được bố trí xây dựng trên lãnh thổ châu

Âu và 20 trạm sensor để nhận dữ liệu

Các vệ tinh Gallileo truyền ở 3 dải tần số khác nhau: E5a-E5b( 1164-1215 MHz), E6( 1260 – 1300 Mhz) và E2-L1-E1( 1559 – 1591 Mhz)

Tín hiệu Gallieo

Tín hiệu Galileo rất khác với khi tín hiệu GPS được thiết kế trước đây, được tính toán sao cho có thể hoạt động với những điều kiện khắc nghiệt Bộ thu có thể sử dụng được cả trong rừng và trong nhà, những nơi tín hiệu bị suy yếu do che khuất Yêu cầu này đặt ra những thông số mới trong việc thiết kế tín hiệu Galileo, và với

kỹ thuật xử lý số ngày này, việc đáp ứng yêu cầu trên trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết Tín hiệu L1 miễn phí có chiều dài mã là 4092, tốc độ chip 1,023 MHz, tần số lặp lại 4 ms Tín hiệu pilot có thêm một mã sơ cấp với chiều dài 25 chip, lặp lại sau

100 ms Trong một vài trường hợp, có thể gặp khó khăn trong việc tách những tín hiệu mong muốn từ các tín hiệu không mong muốn, và tín hiệu không mong muốn thường tương quan thẳng với tín hiệu từ các vệ tinh khác do sự cách ly về mã trong CDMA chỉ khoảng 21 dB Vấn đề tương quan thẳng được giải quyết bằng sử dụng

mã rất dài, tuy nhiên điều này làm tăng thêm thời gian xử lý Trong hầu hết các trường hợp, khối xử lý chỉ cần tìm với khoảng cách nửa chip, tức là có khoảng 8184 khả năng có thể cho mã L1 OS Việc xử lý các mã rất dài là không thực tế, vì vậy

mã được thiết kế thành nhiều lớp Khi tín hiệu lớn, khối xử lý sẽ thực hiện ở lớp đơn giản, thời gian xử lý ít hơn và chỉ chuyển sang mã đầy đủ khi được yêu cầu

Tín hiệu Galileo L1 OS

Băng tần truyền của tín hiệu là 40 x 1.023 MHz = 40.92 MHz Công suất nhận được nhỏ nhất cho tín hiệu L1 OS là -157 dBW với góc ngẩng giữa 10 và 90 độ Độ dài của chip của mã ranging là:

T c,L1-B = T c,L1-C = 1/1.023 Mchips/s = 977.5 ns (1.3)

Tốc độ chip thực tế cho các vệ tinh độc lập được tạo ra tương tự như việc giản lược

mã Gold Tốc độ chip càng cao thì độ chính xác càng cao Mã dài hơn sẽ giảm tương quan thẳng tới mức độ chấp nhận được, dù thời gian xử lý lâu hơn

Mã thứ cấp mã hóa 25 trạng thái của mã sơ cấp Với mỗi sóng mang con, tất cả các

vệ tinh truyền cũng mã sơ cấp, đó là chuỗi bát phân: 34 012 662 Chiều dài mã trở thành 4092x25, được gọi là mã tiered

Giả sử khối tạo mã sơ cấp có tốc độ chip RP, khối tạo mã sơ cấp có tốc độ chip là RS

= RP/NP, với NP là chiều dài chip của mã sơ cấp Trong tất cả các kiểu điều chế, mức logic 1 và 0 được định nghĩa tương ứng là -1 và 1( mã không trả về 0)

Hình 1.8: Mô hình điều chế tín hiệu Galileo

Chúng ta sẽ xem xét thành phần tín hiệu nhị phân cho kênh B và C, do kênh A coi như không tồn tại( yêu cầu quyền truy nhập, không miễn phí) Thành phần tín hiệu trên kênh B, gọi là eB, là kết quả của phép cộng module 2 của dòng dữ liệu định vị

34

eC trên kênh C là kết quả từ việc cộng module 2 của chuỗi mã giả ngẫu nhiên cL1-Bvới sóng mang con scL1-C của kênh C Thành phần tín hiệu nhị phân này được thể hiện như sau:

‐ Tạo tín hiệu Tín hiệu truyền đi đặc trưng bởi công suất đường bao phức

chuẩn hóa s(t) của băng tần thông dải tín hiệu đã điều chế S(t), bao gồm

thành phần đồng pha I và vuông pha Q, được mô tả bằng phương trình:

có công suất đường bao là hằng số: tổng công suất truyền không đổi theo thời gian Vì thế, ta không cần quan tâm nhiều đến biên độ tín hiệu truyền đi

Dữ liệu L1 OS và tín hiệu pilot được điều chế trên thành phần sóng mang đồng pha trong khi tín hiệu L1 PRS được điều chế trên thành phần vuông pha Tín hiệu tổng hợp là:

( ) 11.113

36

Điều này có nghĩa là 88.88% của tổng công suất truyền là hiệu quả, công suất dành cho L1 Int bị lãng phí, sự lãng phí này là cái giá mà chúng ta phải trả cho việc đảm bảo công suất đường bao là hằng số cho tín hiệu S(t)

Mô hình điều chế của L1 được thiết kế cho phép xử lý độc lập của tín hiệu L1 OS và tín hiệu L1 PRS trong máy thu Galileo Chỉ thành phần vuông pha mới cần quan tâm khi tín hiệu PRS nhận được Thành phần đồng pha không chứa thông tin về tín hiệu PRS Vì vậy tín hiệu điều chế truyền trên thành phần vuông pha không mang theo thông tin, chỉ các thành phần đồng pha mới có ích trong việc thu thập tín hiệu L1 OS

‐ Điều chế sóng mang nhị phân: Tín hiệu Galileo có những đặc tính nâng cấp

so với tín hiệu GPS đang sử dụng, một trong số đó là điều chế sóng mang nhị

phân( BOC) Điều chế BOC yêu cầu 2 thông số được thiết kế độc lập:

‐ Tần số sóng mang fs theo MHz

‐ Tốc độ mã trải phổ fc theo Mchip/s

Hình 1.9: Mã trải phổ, sóng mang con, sóng mang và tín hiệu là kết quả của điều

chế BOC Hình vẽ trên không mô tả dữ liệu định vị

Hầu hết các tín hiệu Galileo đều tồn tại thành từng cặp: tín hiệu có dữ liệu và tín hiệu không có dữ liệu Chúng được sắp xếp đồng pha và có cùng tần số Doppler Một tín hiệu BOC(m,n) được tạo bởi điều chế một sóng mang sin với tích của mã trải phổ PRN và sóng mang con dạng xung vuông có giá trị nhị phân +-1 Toán tử m đại diện cho tỉ số tần số sóng mang con và tần số

37

tham chiếu f0 = 1.023 MHz và n đại diện cho tỉ số giữa tốc độ mã và tần số

độ mã là 5.115 MHZ

Kết quả của điều chế sóng mang con là chia phổ BPSK thành 2 thành phần đối xứng nhau, không còn phần công suất trên tần số sóng mang Kết quả là phổ được chia với 2 búp sóng dịch từ tần số sóng mang 1 khoảng bằng tần số sóng mang con BOC(m,n) = BOC(1,1) tương tự như sử dụng bởi tín hiệu L1 truyền bằng Galileo

Hình 1.10: GPS C/A và Galileo BOC(1,1) cùng chia sẻ phổ L1 – 1575.42 Mhz

Cấu trúc gói tin

Khung và trang Gói tin được tạo bên bởi các khung, những khung này được tạo

nên bởi 1 vài khung nhỏ và mỗi khung nhỏ lại được tạo nên từ các trang Trang là

cấu trúc cơ bản cho dữ liệu định vị và chứa các thông tin sau:

‐ Từ đồng bộ SW

‐ Trường dữ liệu

‐ Mã kiểm tra vòng( CRC) để dò lỗi

‐ Các bit cho sửa lỗi tiến( FEC) chưa đựng toàn 0

CRC và mã hóa tín hiệu được sử dụng để tăng mức tín hiệu và tích hợp dữ liệu Với L1 OS, từ đồng bộ là chuỗi 10 bit cố định Tất cả dữ liệu được mã hóa sử dụng các bit và byte theo thứ tự:

‐ Được đánh số, các bit có trọng số được đánh số là 0

‐ Với các bit/byte có thứ tự, bit có trọng số lớn nhất truyền đi trước

38

‐ Mã vòng kiểm tra( CRC): Thuật toán CRC bao gồm một khung dữ liệu nhị phân,

tương ứng với đa thức M và mã kiểm tra r bit, tương ứng với đa thức C Khung dữ liệu nhị phân và mã kiểm tra tương ứng với đa thức T = Mxr + C, xr là chuỗi đầu vào dịch r bit sang trái Thuật toán lựa chọn mã kiểm tra C cũng như là T được chia thành đa thức biết trước P có bậc r, được gọi là đa thức sinh Thuật toán chia Mxrcho P và đặt mã kiểm tra bằng vector nhị phân theo phần còn lại, như vậy Mxr = QP + R, với R là đa thức có bậc nhỏ hơn r, khi đó C = R và mã kiểm là là vector nhị

phân tương ứng với R

- Sửa lỗi thuận và xếp chồng khối: Điểm bắt đầu là một nguồn thông tin số( bộ

phát) gửi các luồng dữ liệu nén k bit vào bộ mã hóa Mã sửa lỗi thuận, khối mã hóa thêm vào các bit dự phòng, vì vậy chuỗi đầu ra dài hơn n bit, được gọi là từ mã Tại

đầu nhận, từ mã được sử dụng như bộ giải mã để tách chuỗi tín hiệu gốc Nhìn

chung, mã được thiết kế với bộ số (n,k) theo số của n bit mã đầu ra và k bít mã đầu vào Tỉ số k/n được gọi là tốc độ mã và được đo bằng tỉ lệ thông tin chứa trong 1 bit

Hình 1.11 Mã hóa Viterbi Hình vẽ mô tả mã tích chập Vitebi sử dụng cho Galileo Mã tích chập Vitebi của tất

cả các kênh tín hiệu có đặc trưng: tốc độ mã = ½, chiều dài 7, đa thức sinh = 171(

hệ bát phân), G2 = 133( hệ bát phân) và chuỗi mã hóa G1 sau đó là G2 Điều đó có nghĩa là có khối gồm 7 điểm theo các thanh ghi dịch mã hóa, và nó tạo ra 2 kênh mã

001011011 trong hệ nhị phân Chúng ta xem rằng G1 có các hệ số 1, 4, 5, 6, 7, đánh

số từ bên phải sang trái và được kết nối vào bộ cộng module 2 với G2 có hệ số 1, 2,

Thông thường xếp chồng khối sử dụng mảng 2 chiều Dữ liệu đi vào mảng theo từng hàng và sau đó đọc theo từng cột Kết qủa của tiến trình xếp chồng lý tưởng nếu lỗi trong kênh thống tin sau khi giải xếp chồng thành các kí tự riêng lẻ, dễ dàng

để sửa lỗi

Dữ liệu định vị

Dữ liệu L1 OS chứa tất cả các toán cử cần thiết cho việc tính toán vị trí của vệ tinh Galileo, các toán tử thời gian, toán tử cho việc chuyển đổi giờ thời gian hệ thống Galileo sang UTC và thời gian GPS Từ các dữ liệu này, máy thu sẽ tính toán quỹ đạo chuyển động của vệ tinh, khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu qua thời gian truyền và cuối cùng là tìm ra tọa độ của máy thu