Xây dựng hệ thống tự động phát hiện nhiễu loạn tầng điện ly dựa trên tín hiệu từ vệ tinh định vị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - DƯƠNG HOÀ NG VINH XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN NHIỄU LOẠN TẦNG ĐIỆN LY DỰA TRÊN TÍ N HIỆU TỪ VỆ TINH ĐINH VI ̣ ̣ Chuyên ngành: Truyề n thông và ma ̣ng máy tính LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG VÀ MẠNG MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÃ THẾ VINH Hà Nội – 2016 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Dương Hoàng Vinh Đề tài luận văn: Xây dựng ̣ thố ng tự đô ̣ng phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly dựa tín hiê ̣u từ vê ̣ tinh đinh ̣ vi ̣ Chuyên ngành: Truyề n thông và ma ̣ng máy tiń h Mã số SV: CA140219 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 23/04/2016 với nội dung sau:  Bổ sung phầ n kiế n thức còn thiế u về tầ ng điê ̣n ly  Căn chỉnh la ̣i phầ n đánh số công thức  Chỉnh sửa mô ̣t số lỗi dich ̣ thuâ ̣t  Sửa các lỗi chính tả Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Lời cam đoan Tôi xin cam đoan là công trình nghiên cứu của riêng và dưới sự hướng dẫn khoa ho ̣c của TS Lã Thế Vinh Các nô ̣i dung nghiên cứu, kế t quả luâ ̣n văn này là trung thực và chưa đươ ̣c công bố dưới bấ t kỳ hình thức nào trước Hà Nô ̣i, ngày tháng năm Tác giả Dương Hoàng Vinh I II Lời cảm ơn Tác giả luâ ̣n văn xin đươ ̣c bày tỏ lòng biế t ơn sâu sắ c nhấ t tới những người đã hỗ trơ ̣ cho tác giả suố t quá triǹ h ho ̣c tâ ̣p, nghiên cứu và hoàn thiê ̣n luâ ̣n văn Tha ̣c si.̃ Nế u không nhờ có những sự hỗ trơ ̣, đô ̣ng viên và hướng dẫn tâ ̣n tình này thì rấ t có thể luâ ̣n văn này đã không thể hoàn thành TS Lã Thế Vinh là người hướng dẫn và đinh ̣ hướng cho đề tài luâ ̣n văn này, thầ y là mô ̣t giảng viên giỏi, vui tiń h và là mô ̣t người thầ y khiế n sinh viên của miǹ h nhâ ̣n đươ ̣c nguồ n cảm hứng ho ̣c tâ ̣p và nghiên cứu Thầ y đã rấ t nhiê ̣t tình hướng dẫn và cho tác giả những lời khuyên hế t sức bổ ić h suố t quá triǹ h hoàn thành luâ ̣n văn Hơn nữa thầ y đã hỗ trơ ̣ cho tác giả luâ ̣n văn có hô ̣i đươ ̣c làm viê ̣c với những thiế t bi ̣và môi trường làm viê ̣c hiê ̣n đa ̣i và chuyên nghiê ̣p giúp cho các kế t quả của luâ ̣n văn đa ̣t đươ ̣c là tố t nhấ t có thể ThS Nguyễn Điǹ h Thuâ ̣n, là giảng viên ta ̣i bô ̣ môn Kỹ thuâ ̣t máy tiń h, Viê ̣n Công nghê ̣ thông tin & Truyề n thông, trường Đa ̣i ho ̣c Bách khoa Hà Nô ̣i Anh là mô ̣t người rấ t vui tiń h, đô ̣ng và là mô ̣t giảng viên rấ t giỏi kiế n thức chuyên môn Nhờ sự kiên nhẫn và nhiê ̣t tin ̀ h của anh mà đã giúp tác giả luâ ̣n văn giải đáp đươ ̣c những thắ c mắ c cũng đa ̣t đươ ̣c những kiế n thức cầ n thiế t để hoàn thành luâ ̣n văn Tác giả luâ ̣n văn xin gửi lời cám ơn tới các thầ y cô của Viê ̣n Công nghê ̣ thông tin, trường đa ̣i ho ̣c Bách khoa Hà Nô ̣i đã giúp cho tác giả luâ ̣n văn có đươ ̣c các kiế n thức bổ ić h suố t quá triǹ h ho ̣c tâ ̣p và làm viê ̣c ta ̣i Cuố i cùng, sự khić h lê ̣, đô ̣ng viên và hỗ trơ ̣ từ gia điǹ h và ba ̣n bè là vô cùng quan tro ̣ng đã giúp cho tác giả vươ ̣t qua đươ ̣c những giai đoa ̣n khó khăn của mình III IV Mu ̣c lu ̣c Lời cảm ơn III Danh mu ̣c hin VII ̃ ̀ h ve Danh mu ̣c từ viế t tắ t X Lời mở đầ u Chương Tín hiêụ GPS 1.1 Tiń hiê ̣u và dữ liê ̣u 1.2 GPS Signal Scheme 1.3 C/A Code 1.4 Doppler Frequency Shift 10 1.5 Code Tracking 11 1.6 Navigation Data 13 1.6.1 Telemetry and Handover Words 14 1.6.2 Data in Navigation Message 15 Chương GNSS Antennas và Front Ends 16 2.1 Tổ ng quan 17 2.2 Các thành phầ n của bô ̣ thu GNSS L1 19 2.2.1 GNSS Antenna 19 2.2.2 Filter 22 2.2.3 Amplifier 23 V 2.2.4 Mixer/Local Oscillator 24 2.2.5 Analog-to-Digital Converter 27 2.3 Resulting Sampled Data 28 Chương 3.1 Tổ ng quan cách thức hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ thu GNSS 33 Receiver Channels 34 3.1.1 Acquisition 35 3.1.2 Tracking 38 3.1.3 Trić h xuấ t dữ liê ̣u đinh 38 ̣ vi ̣ 3.2 Tiń h toán vi tri ̣ ́ 39 Chương Thiế t bi số ̣ hóa tín hiêụ vê ̣ tinh (Front-end) 40 4.1 Các thành phầ n của bô ̣ front-end 41 4.2 Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng 43 Chương Phát triể n và thử nghiêm ̣ ̣ thố ng phát hiêṇ nhiễu loa ̣n tầ ng điêṇ ly 46 5.1 Tầ ng điê ̣n ly 47 5.2 Cơ sở lý thuyế t 49 5.3 Cài đă ̣t giải thuâ ̣t tiń h chỉ số S4 49 5.4 Mô hiǹ h ̣ thố ng 53 5.5 Đánh giá ̣ thố ng 54 Kế t luâ ̣n 61 Tài liêụ tham khảo 63 VI Danh mu ̣c hin ̀ h ve ̃ Hin ̀ h 1.1 Quá triǹ h sinh tiń hiê ̣u GPS của vê ̣ tinh Hin ̀ h 1.2 Cấ u trúc tiń hiê ̣u L1: f(t) là sóng mang và C(t) là chuỗi rời ̣c của mã C/A Nhiǹ vào hình vẽ thì tín hiê ̣u đươ ̣c lă ̣p la ̣i mỗi ms D(t) là dòng bit dữ liê ̣u rời ̣c Mô ̣t bit dữ liê ̣u đinh ̣ vi ke ̣ ́ o dài 20 ms Ba thành phầ n của tiń hiê ̣u L1 đươ ̣c nhân với để ta ̣o thành tiń hiê ̣u kế t quả Hin ̀ h 1.3 Kế t quả của quá triǹ h điề u chế BPSK của sóng mang L1 với mã C/A và tiń hiê ̣u đinh ̣ vi ̣đố i với mô ̣t vê ̣ tinh Tín hiê ̣u kế t quả L1 đươ ̣c sinh từ G, N, và tiń hiê ̣u sóng mang Hin ̀ h 1.4 Đồ thi ̣ thân của ACF đố i với mô ̣t chuỗi ACF Thân bên trái có giá tri ̣ tương quan rp0 = 1; các giá tri ̣tương quan khác là 631023, -11023, hay -651023 Hình vẽ chỉ cho thấ y 50 giá tri đầ ̣ u tiên 1023 giá tri.̣ Hình 1.5 Hai tam giác biể u thi ̣ACF của early và late Trong hiǹ h bên trái hai tam giác cách mô ̣t khoảng d = chip (tương quan rô ̣ng – wide correlator), và hiǹ h bên phải cho thấ y khoảng cách d = 0.5 chip (tương quan he ̣p – narrow correlator) Cả hai sự phân tách này có đô ̣ nghiêng giố ng và gầ n với tín hiê ̣u gố c 12 Hin ̀ h 1.6 Các hàm phân tách đồ ng bô ̣ (đườn nét liề n) và bấ t đồ ng bô ̣ (đường nét đứt) 13 Hin ̣ vi cu ̣ ̉ a tiń hiê ̣u GPS Mỗi subframe chứa 300 bits kéo dài ̀ h 1.7 Cấ u trúc dữ liê ̣u đinh 6s Subframes 1, và đươ ̣c lă ̣p la ̣i sau 30s đó subframe và VII có 25 phiên bản trước đươ ̣c lă ̣p la ̣i Như vâ ̣y, mô ̣t thông điê ̣p đinh ̣ vi hoa ̣ ̀n chỉnh đươ ̣c lă ̣p la ̣i sau 12.5 phút 14 Hin ̀ h 2.1 Mô tả miề n tầ n số của tiń hiê ̣u GPS và công suấ t của nhiễu nề n 30 dBm = dBW Tầ n số trung tâm là 1575.42 MHz 17 Hình 2.2 Bô ̣ thu GNSS L1 19 Hình 2.3 Sự so sánh của các bô ̣ lo ̣c thông giải 23 Hin ̀ h 2.4 Thể hiê ̣n 1000 mẫu tiń hiê ̣u miề n thời gian 29 Hin ̀ h 2.5 Histogram của 1,048,576 mẫu dữ liê ̣u 29 Hin ̀ h 2.6 Miề n tầ n số Thể hiê ̣n của 1,048,576 mẫu tiń hiê ̣u của dữ liê ̣u GPS L1 30 Hin ̀ h 2.7 Mô tả miề n tầ n số đã đươ ̣c cải thiê ̣n Tầ n số trung tâm 1575.42 MHz 31 Hin ̀ h 3.1 Mô ̣t kênh của bô ̣ thu Khố i Acquisition đưa các tham số của tiń hiê ̣u ở da ̣ng ước lươ ̣ng thô Các tham số này sẽ đươ ̣c đánh giá la ̣i bởi hai khố i tracking Sau khố i tracking, dữ liê ̣u đinh ̣ vi ̣ có thể đươ ̣c trích xuấ t và các giả cự ly (pseudorange) có thể đươ ̣c tiń h toán 34 Hin đổ i với PRN 21.Tiń hiê ̣u gố c từ PRN 21 đươ ̣c thể hiê ̣n ̣ ̀ h 3.2 Đồ thi Acquisition tín hiê ̣u thu đươ ̣c 37 Hin ̀ h 3.3 Đồ thi ̣Acquisition đố i với PRN 19 Tiń hiê ̣u gố c từ PRN 19 rõ ràng là không đươ ̣c thể hiê ̣n tín hiê ̣u thu đươ ̣c, không xuấ t hiê ̣n đỉnh tín hiê ̣u đồ thi.̣ 37 Hin ̣ vi ̣ GNSS Với vi ̣ trí đã đươ ̣c biế t trước của vê ̣ ̀ h 3.4 Nguyên tắ c bản của đinh tinh SVNi và khoảng cách truyề n tiń hiê ̣u ρi, vi tri ̣ ́ của người dùng có thể đươ ̣c xác đinh ̣ 39 Hình 4.1 Cấ u ta ̣o của front-end 41 VIII – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly 5.2 Cơ sở lý thuyế t Viê ̣c đánh giá sự biế n thiên biên đô ̣ của tín hiê ̣u bi ạ ̉ nh hưởng bởi sự nhiễu loa ̣n tầ ng tầ ng điê ̣n ly có thể đươ ̣c xác đinh ̣ bởi chỉ số S4 (amplitude scintillation index) [5] Chỉ số S4 đươ ̣c xác đinh ̣ dựa viê ̣c tiń h toán chỉ số cường đô ̣ tiń hiê ̣u SI và đươ ̣c tiń h theo công thức sau: 〈𝑆𝐼 〉 − 〈𝑆𝐼〉2 〈𝑆𝐼〉2 𝑆4 = √ (5.1) 〈 〉 là giá tri ̣trung bình đươ ̣c tính 60 giây và SI đươ ̣c xem là sự sai khác giữa NBP (Narrow Band Power) và WBP (Wide Band Power) đươ ̣c đo 20 ms NBP và WBP đươ ̣c tính sau: 𝑀 𝑀 𝑁𝐵𝑃 = (∑ 𝐼𝑖 ) + (∑ 𝑄𝑖 ) 𝑖=1 (5.2) 𝑖=1 𝑀 𝑊𝐵𝑃 = ∑(𝐼𝑖2 + 𝑄𝑖2 ) (5.3) 𝑖=1 I và Q là các mẫu tín hiê ̣u đươ ̣c tích lũy tương quan prompt và chu kỳ M với M thường là 20 Để loa ̣i bỏ các lỗi xuấ t phát từ các tác đô ̣ng của tầ ng điê ̣n ly, các tác đô ̣ng của tầ ng đố i lưu và sai số của vê ̣ tinh và sai số đồ ng hồ của người sử du ̣ng Vì những lý này, các giá tri ̣SI sẽ đươ ̣c lo ̣c bởi bô ̣ lo ̣c thông thấ p Butterworth bâ ̣c với tầ n số cắ t là 0.1 Hz Cường đô ̣ tiń hiê ̣u SI đươ ̣c xác đinh ̣ bằ ng cách chia cường đô ̣ tiń hiê ̣u thô cho tín hiê ̣u đầ u của bô ̣ lo ̣c: 𝑆𝐼 = 𝑁𝐵𝑃 − 𝑊𝐵𝑃 (𝑁𝐵𝑃 − 𝑊𝐵𝑃)𝑏𝑝𝑓 (5.4) 5.3 Cài đă ̣t giải thuâ ̣t tính chỉ số S4 Với sở lý thuyế t đã đề câ ̣p ở phầ n trên, viê ̣c tiń h toán để đưa đươ ̣c các giá tri ̣ của chỉ số S4 sẽ đươ ̣c miêu tả chi tiế t lưu đồ thuâ ̣t toán sau: 49 – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly I, Q data nS4 = nSI = 1; meanSI = 0; wbp = 0; nbp = 0; tmpI = 0; tmpQ = 0; for i = to 20 wbp += I[i]2 + Q[i]2 tmpI += I[i]; tmpQ += Q[i] nbp += tmpI2 + tmpQ2 meanSI += nbp – wbp SI[nSI++] = nbp – wbp No nSI = 3000 Yes meanSI /= nSI mean2SI = 0; meanSI2 = for j = to 3000 SI[j] /= meanSI meanSI2 += SI[j]2 mean2SI += SI[j] meanSI2 /= nSI mean2SI = (mean2SI / nSI)2 S4[nS4++] = sqrt((meanSI2 – mean2SI)/mean2SI) Hình 5.2 Lưu đồ thuâ ̣t toán tính các giá tri cu ̣ ̉ a chỉ số S4 50 – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly Sau cài đă ̣t và cha ̣y thử giải thuâ ̣t bằ ng MATLAB với nguồ n dữ liê ̣u đầ u vào I/Q đã đươ ̣c lưu trữ sau quá trình acquisition và tracking thì kế t quả thu đươ ̣c sau: Hình 5.3 Dữ liê ̣u I/Q và chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN Hiǹ h 5.4 Dữ liê ̣u I/Q và chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN 17 51 – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly Hình 5.5 Dữ liê ̣u I/Q và chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN 28 Hin ̣ đươ ̣c tiń h toán khoảng thời gian tiế ng ̀ h 5.3, 5.4 và 5.5 thể hiê ̣n các giá tri S4 và tương ứng với các vê ̣ tinh PRN 6, PRN 17 và PRN 28 Có thể nhâ ̣n thấ y rằ ng tín hiê ̣u nhâ ̣n đươ ̣c từ PRN và PRN 17 khoảng 30 phút đầ u tiên các giá tri ̣của S4 có dao đô ̣ng mô ̣t chút vẫn ở mức thấ p có thể kế t luâ ̣n rằ ng tiń hiê ̣u thu đươ ̣c từ hai vê ̣ tinh này không bi ạ ̉ nh hưởng bởi nhiễu tầ ng điê ̣n ly Trong đó, đố i với tín hiê ̣u thu đươ ̣c từ PRN 28 từ các chỉ số S4 tính toán đươ ̣c, có thể nhiǹ thấ y mô ̣t cách rõ ràng hai giai đoa ̣n của tiń hiê ̣u: mô ̣t giai đoa ̣n bi ̣ ảnh hưởng bởi nhiễu của tầ ng điê ̣n ly và mô ̣t giai đoa ̣n thì không Giai đoa ̣n thứ nhấ t cho thấ y mô ̣t sự dao đô ̣ng lớn của các giá tri ̣ S4 khoảng 45 phút đầ u tiên (có thời điể m S4 đa ̣t tới 0.55), giai đoa ̣n sau các chỉ số S4 rấ t ổ n đinh ̣ và giữ ở mức thấ p Như vâ ̣y có thể kế t luâ ̣n rằ ng tiń hiê ̣u thu đươ ̣c từ PRN 28 có bi ̣ ảnh hưởng bởi nhiễu từ tầ ng điê ̣n ly 45 phút đầ u tiên 52 – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly 5.4 Mô hin ̀ h ̣ thố ng Với sự kế t hơ ̣p của bô ̣ front-end và giải thuâ ̣t tính các giá tri ̣S4, thì hoàn toàn khả thi để có thể xây dựng đươ ̣c mô ̣t ̣ thố ng tự đô ̣ng ghi la ̣i dữ liê ̣u phu ̣c vu ̣ cho công viê ̣c giám sát sự nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly từ tiń hiê ̣u của vê ̣ tinh đinh ̣ vi.̣ Mô hiǹ h ̣ thố ng đươ ̣c mô tả sau: Antenna Software receiver Front-end Real-time S4 output Data logger Satellite emphemeris from the Internet Visible Satellite Identification Hình 5.6 Hê ̣ thố ng tự đô ̣ng ghi dữ liê ̣u phu ̣c vu ̣ giám sát sự nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly Trong ̣ thố ng trên, các vê ̣ tinh mà quan sát đươ ̣c (visible satellite) đươ ̣c nhâ ̣n biế t dựa vào dữ liê ̣u thiên văn đươ ̣c lấ y từ Internet, đó bô ̣ thu mề m có thể tránh đươ ̣c quá trình dò (acquiring) các vê ̣ tinh mà không quan sát đươ ̣c (invisible satellite), điề u này sẽ làm giảm hiê ̣u của bô ̣ thu Thêm vào đó, nế u sự nhiễu loa ̣n quá ma ̣nh khiế n bô ̣ thu không thể bám (track) các vê ̣tinh, lúc này bô ̣ thu sẽ kích hoa ̣t bô ̣ ghi dữ liê ̣u (data logger) nế u vê ̣ tinh đó là vê ̣ tinh quan sát đươ ̣c Vì vâ ̣y, dữ liê ̣u thiên văn có thể giúp tránh đươ ̣c viê ̣c mấ t dữ liê ̣u sự nhiễu loa ̣n của tầ ng điê ̣n ly gây 53 – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly 5.5 Đánh giá ̣ thố ng Kế t quả thu đươ ̣c từ ̣ thố ng giám sự nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly sẽ đươ ̣c đưa so sánh với kế t quả của các bô ̣ thu thương ma ̣i Lươ ̣c đồ sau sẽ mô tả quá trình và cách thức ̣thố ng xử lý dữ liê ̣u và so sánh kế t quả với các bô ̣ thu thương ma ̣i: Collected Raw Database with Scintillation Events S4/Phi60 MATLAB Offline Acquisition and Tracking Module KHz I/Q samples MATLAB Offline S4/Phi60 Calculation Module Compare and Visualization Correcsponding ISMR from Septentrio Receiver Hình 5.7 Đánh giá giải thuâ ̣t tính toán chỉ số nhiễu loa ̣n (S4) Thuâ ̣t toán đươ ̣c thực hiê ̣n bô ̣ thu mề m thời gian thực, dữ liê ̣u của bô ̣ thu này sẽ đươ ̣c đánh giá với các giá tri tiề ̣ n xử lý Các hình dưới miêu tả kế t quả đánh giá của bô ̣ dữ liê ̣u đươ ̣c thu thâ ̣p ta ̣i trung tâm NAVIS Hà Nô ̣i vào ngày 18 tháng năm 2010 54 – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly Hiǹ h 5.8 Tỉ số C/N0 của các vê ̣ tinh đươ ̣c cho ̣n để đánh giá các giá tri S ̣ Như có thể nhiǹ thấ y hiǹ h 5.8, ba vê ̣ tinh đươ ̣c cho ̣n thì vê ̣ tinh số không bi ̣ảnh hưởng bởi nhiễu, vê ̣ tinh số 11 bi ̣ảnh hưởng gầ n mo ̣i lúc và vê ̣ tinh số 19 bi ̣ ảnh hưởng mô ̣t nửa thời gian đầ u Hiǹ h 5.9 Các giá tri S ̣ của PRN 55 – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly Hiǹ h 5.10 Các giá tri ̣S4 của PRN 11 Hình 5.11 Các giá tri ̣S4 của PRN 19 Hin ̀ h 5.9, 5.10 và 5.11, thể hiê ̣n các giá tri ̣ S4 đươ ̣c tiń h toán bởi thuâ ̣t toán tiề n xử lý, bô ̣ thu mề m và bô ̣ thu thương ma ̣i, mă ̣c dù các giá tri ̣không giố ng mô ̣t cách tuyê ̣t 56 – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly đố i nó cũng phản ánh đươ ̣c những xu hướng tương tự Thuâ ̣t toán Matlab cho kế t quả cao kế t quả có đươ ̣c từ thuâ ̣t toán mean-valued-detrending, bởi vì thuâ ̣t toán này không thể bắ t đươ ̣c các sự thay đổ i nhanh của cường đô ̣ tín hiê ̣u mà có nhiễu xảy Để vươ ̣t qua ̣n chế này, bô ̣ thu mề m cài đă ̣t mô ̣t bô ̣ lo ̣c thông thấ p với đô ̣ dich ̣ pha bằ ng ta ̣i tầ n số cắ t 0.1 Hz Đó là lý vì các giá tri ̣từ bô ̣ thu mề m và bô ̣ thu chuyên du ̣ng gầ n giố ng Sử du ̣ng mô ̣t công cu ̣ trực quan đươ ̣c phát triể n bởi TS Lã Thế Vinh để phân tiń h các đă ̣c tiń h nhiễu loa ̣n từ bô ̣ dữ liê ̣u đã thu Các hiǹ h dưới miêu tả các đă ̣c tiń h của nhiễu từ bô ̣ dữ liê ̣u đươ ̣c thu thâ ̣p ở Hà Nô ̣i vào tháng năm 2013 Hình 5.12 Tổ ng số lầ n xảy nhiễu đươ ̣c thu thâ ̣p mô ̣t tháng 57 – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly Trong hiǹ h 5.12, tru ̣c Z chỉ số lầ n bi nhiễ u (với S4 > 0.3), tru ̣c X là số hiê ̣u của các vê ̣ ̣ tinh, và tru ̣c Y là các giá tri ̣S4 đươ ̣c nhân với 10 Nhìn vào đồ thi ̣có thể nhâ ̣n biế t đươ ̣c những vê ̣ tinh nào bi ̣ảnh hưởng bởi nhiễu và những thời điể m cu ̣ thể nào Cu ̣ thể trường hơ ̣p này, PRN 1, 3, 4, 7, 8, 11, 13, 17, 19, 20, 23 và 31 là các vê ̣ tinh bi ạ ̉ nh hưởng bởi nhiễu tầ ng điê ̣n ly Hình 5.13 Vế t của vê ̣ tinh bi nhiễ u, với giá tri S ̣ ̣ đươ ̣c thể hiê ̣n bằ ng màu Từ hiǹ h 5.12 chúng ta có thể biế t đươ ̣c những vê ̣tinh nào bi ta ̣ ́ c đô ̣ng bởi nhiễu tầ ng điê ̣n ly, sau đó chúng ta có thể cho ̣n mô ̣t vê ̣ tinh bấ t kỳ để thấ y đươ ̣c chi tiế t về vế t mà vê ̣ 58 – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly tinh đó di chuyể n bầ u trời hiǹ h 5.13 Thêm vào đó, từ đồ thi na ̣ ̀ y chúng ta cũng có thể nhâ ̣n biế t đươ ̣c vùng nào thường xuyên xảy nhiễu Hình 5.14 Tổ ng số lầ n xảy nhiễu đươ ̣c thu thâ ̣p tấ t cả các vê ̣ tinh Tương tự hiǹ h 5.12, hiǹ h 5.14 thể hiê ̣n số lầ n xảy nhiễu tầ ng điê ̣n ly đươ ̣c thu thâ ̣p tấ t cả các vê ̣ tinh Từ đồ thi chu ̣ ́ ng ta có thể thấ y rằ ng vào mô ̣t vài ngày xác đinh ̣ thì có xảy nhiễu tầ ng điê ̣n ly Trong trường hơ ̣p này thì ngày 26 tháng là ngày mà xảy hiê ̣n tươ ̣ng nhiễu tầ ng điê ̣n ly mô ̣t cách nghiêm tro ̣ng nhấ t 59 – Phát triể n và thử nghiê ̣m ̣ thố ng phát hiê ̣n nhiễu loạn tầ ng điê ̣n ly Hiǹ h 5.15 Skyplot thể hiê ̣n các vùng bi ạ ̉ nh hưởng bởi nhiễu Từ hiǹ h 5.15, có thể dễ dàng nhiǹ thấ y đươ ̣c những vùng bầ u trời mà thường xuyên xảy tiǹ h tra ̣ng nhiễu ở tầ ng điê ̣n ly 60 Kế t luâ ̣n Nô ̣i dung chiń h của luâ ̣n văn này là tâ ̣p trung nghiên cứu và sử du ̣ng kỹ thuâ ̣t đinh ̣ vi ̣ mề m để phát triể n thành ̣ thố ng tự đô ̣ng phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly Hê ̣ thố ng sẽ tin ́ h toán các thông số cầ n thiế t để đưa đánh giá sự nhiễu loa ̣n của tầ ng điê ̣n ly, có xảy hiê ̣n tươ ̣ng nhiễu tầ ng điê ̣n ly ̣ thố ng sẽ tự đô ̣ng kích hoa ̣t bô ̣ ghi dữ liê ̣u Để có thể phát triể n đươ ̣c ̣ thố ng này thì các lý thuyế t và miêu tả về mă ̣t toán ho ̣c liên quan đế n tiń hiê ̣u và xử lý tiń hiê ̣u GPS là hế t sức quan tro ̣ng, sau là sự tóm lươ ̣c những nô ̣i dung và kế t quả đã đươ ̣c trình bày luâ ̣n văn này: Tín hiêụ GPS Tín hiê ̣u GPS đươ ̣c hiǹ h thành nên từ ba thành phầ n: sóng mang, dữ liê ̣u đinh ̣ vi ̣ và chuỗi truyề n lan Để thu nhâ ̣n đươ ̣c tiń hiê ̣u GPS từ vê ̣ tinh đinh ̣ vi ̣ cầ n phải hiể u đươ ̣c bản chấ t và đă ̣c tiń h của các thành phầ n này Đây chiń h là nô ̣i dung đươ ̣c đề câ ̣p chương này GNSS Antennas and Font Ends Khi đã hiể u đươ ̣c tính chấ t của tín hiê ̣u GPS thì sẽ có thể xây dựng đươ ̣c mô ̣t thiế t bi co ̣ ́ khả thu nhâ ̣n và xử lý tiń hiê ̣u GPS Cu ̣ thể ở là GNSS Antenna và bô ̣ Front-end GNSS Antenna là thành phầ n thu nhâ ̣n tiń hiê ̣u GPS từ vê ̣ tinh đinh ̣ vi ̣và đưa vào bô ̣ front-end Từ tín hiê ̣u hiê ̣u sẽ đươ ̣c xử lý bởi các thành phầ n cấ u ta ̣o nên bô ̣ front-end amplifier, filter, mixer và bô ̣ ADC để chuyể n đổ i thành da ̣ng tín hiê ̣u số Chương này miêu tả các tính chấ t của antenna, các ̣n chế và cách khắ c phu ̣c của nó; cũng mô tả cấ u trúc của mô ̣t bô ̣ front-end và ảnh hưởng của cách thành phầ n đó với tiń hiê ̣u GPS Tổ ng quan cách thức hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ thu GNSS Tiń hiê ̣u GPS sau đươ ̣c rời ̣c hóa trở thành tín hiê ̣u số , để tách đươ ̣c thông tin về dữ liê ̣u của vê ̣tinh đinh ̣ vi cu ̣ ̃ ng 61 Kế t luận tiń h toán đươ ̣c pseudorange phu ̣c vu ̣ cho viê ̣c đinh ̣ vi ̣vi ̣trí bô ̣ thu thì phải trải qua hai quá trình xử lý là acquisition và tracking Phầ n này giới thiê ̣u mô ̣t cách tổ ng quan về cách hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ thu GNSS Thiế t bi số ̣ hóa tín hiêụ vê ̣tinh (Front-end) Sau đã nắ m và hiể u rõ cách thức hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ front-end thì công viê ̣c tiế p theo là sử du ̣ng và xem xét, đánh giá tiń hiê ̣u GPS thu đươ ̣c mô ̣t bô ̣ front-end cu ̣ thể Chương này tâ ̣p trung mô tả qui trình hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ front-end và quan sát tiń hiê ̣u GPS quá triǹ h xử lý Phát triể n và thử nghiêm ̣ ̣thố ng phát hiêṇ nhiễu loa ̣n tầ ng điêṇ ly Viê ̣c đánh giá sự nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly dựa sự dao đô ̣ng biên đô ̣ của tiń hiê ̣u vê ̣ tinh đinh ̣ vi ̣sau bi ạ ̉ nh hưởng từ tầ ng điê ̣n ly, điề u này đươ ̣c đánh giá thông qua chỉ số S4 – amplitute scintillation index Chỉ số này đươ ̣c theo dõi liên tu ̣c, nế u nó vươ ̣t ngưỡng 0.3 thì ta ̣i thời điể m đó có xảy hiê ̣n tươ ̣ng nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly Dựa vào các chỉ số S4 đươ ̣c tiń h toán có thể tích hơ ̣p vào bô ̣ đinh ̣ vi mề ̣ m để tự đô ̣ng ghi dữ liê ̣u mỗi xảy nhiễu tầ ng điê ̣n ly, từ đó phát triể n lên thành mô ̣t ̣ thố ng tự đô ̣ng phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly Cuố i cùng so sánh ̣ thố ng với các bô ̣ thu thương ma ̣i khác để thấ y đươ ̣c tính đúng đắ n và tin câ ̣y của ̣ thố ng 62 Tài liêụ tham khảo [1] A.J Van Dierendonck, John Klobuchar, Quyen Hua (1993) Ionospheric Scintillation Monitoring Using Commercial Single Frequency C/A Code Receivers, Proceedings of the 6th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GPS 1993) [2] Kai Borre, Dennis M Akos, Nicolaj Bertelsen, Peter Rinder, Søren Holdt Jensen (2006), A Software-Defined GPS and Galileo Receiver: A Single-Frequency Approach, Birkh¨auser, Boston-Basel-Berlin [3] Lei Zhang; Morton, Yu.; Van Graas, F.; Beach, T., "Characterization of GNSS signal parameters under ionosphere scintillation conditions using software-based tracking algorithms," Position Location and Navigation Symposium (PLANS), 2010 IEEE/ION , vol., no., pp.264,275, 4-6 May 2010 [4] Marco Pini (2007), Constraints Analysis of Radio Frequency Front end Components: Impact on the GNSS Signal Processing, PhD Dissertation, Poli tecnico Di Torino [5] Marko Vuckovic and Samo Stanic (2014), Computation of Dcintillation Indices for the Galileo E1 Signals Using a Software Receiveer, Center for Atmospheric Research, Uniersity of Nova Gorica, Slovenia [6] Mikko Valkama, Complex-Valued Signal and Systems, Dept of Communications Engineering, Tampere University of Technology 63 ... – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Dương Hoàng Vinh Đề tài luận văn: Xây dựng ̣ thố ng tự đô ̣ng phát hiê ̣n nhiễu loa ̣n tầ ng điê ̣n ly. .. n và thử nghiêm ̣ ̣ thố ng phát hiêṇ nhiễu loa ̣n tầ ng điêṇ ly 46 5.1 Tầ ng điê ̣n ly 47 5.2 Cơ sở ly thuyế t 49 5.3 Cài đă ̣t giải thuâ ̣t tiń h chỉ... chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN 51 Hin ̀ h 5.4 Dữ liê ̣u I/Q và chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN 17 51 Hin ̀ h 5.5 Dữ liê ̣u I/Q và chỉ số S4 của vê ̣ tinh PRN 28 52