Giải pháp đồng bộ tín hiệu định vị trong bộ thu GPS dựa trên công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm

Bài viết này sẽ phân tích bộ thu GPS dựa trên công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SDR). Với ưu điểm có thể cấu hình lại dễ dàng, cấu trúc này cho phép việc phát triển và đánh giá các bộ thu định vị được thuận lợi, giảm đáng kể chi phí. Bộ thu GPS này được triển khai trên nền tảng Matlab, có khả năng xử lý với cả tín hiệu GPS thật và tín hiệu GPS giả lập.

CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 xác, nhanh chóng, tiết kiệm thời gian công sức, đồng thời tránh sai sót nhầm lẫn q trình tính tốn Kết luận Bài báo giải vấn đề sau: - Xây dựng chương trình tính tốn truyền động đai hình thang phần mềm Delphi - Chương trình cho phép thực tính tốn tra bảng, nội suy số liệu tính tốn cách tự động Kết thu xác, nhanh chóng, giảm thời gian cơng sức tính tốn, tránh sai sót, nhầm lẫn, hiệu tính tốn cao nhiều so với phương pháp thủ cơng truyền thống - Các số liệu tính tốn nhập vào chương trình theo trình tự tính tốn, người dùng hiểu nội dung tính tốn Vì vậy, chương trình sử dụng khơng thực tiễn tính tốn truyền động đai hình thang, mà sử dụng hiệu công tác giảng dạy học tập TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Ngọc Biên (2008), Thiết kế mơn học Chi tiết máy, Nhà xuất Hải Phòng, Hải Phòng [2] Trịnh Chất - Lê Văn Uyển (2006), Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, tập 1, NXB Giáo dục, Hà Nội [3] Nguyễn Trọng Hiệp (2006), Chi tiết máy, tập 2, NXB Giáo dục, Hà Nội [4] Lê Phương Lan, Hoàng Đức Hải (2002), Giáo trình lý thuyết tập Borland Delphi, NXB Lao động - Xã hội, Hà Nội [5] Nguyễn Hữu Lộc (2004), Cơ sở thiết kế máy, NXB ĐH Quốc gia TP Hồ Chí Minh, TP HCM [6] Иванов М Н., Финогенов В А (2008), Детали машин, Изд “Высшая школа”, Москва [7] Ряховский О А (2007), Детали машин, МГТУ имени Н Э Баумана, Москва Ngày nhận bài: Ngày phản biện: Ngày chỉnh sửa: Ngày duyệt đăng: 25/10/2016 07/11/2016 20/12/2016 24/12/2016 GIẢI PHÁP ĐỒNG BỘ TÍN HIỆU ĐỊNH VỊ TRONG BỘ THU GPS DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHẦN MỀM AN EFFICIENT METHOD OF SIGNAL SYNCHRONIZATION IN GPS RECEIVERS BASED ON SOFTWARE DEFINED RADIO PHẠM VIỆT HƯNG Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt Các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (GNSS) q trình đại hóa triển khai Các thu định vị cần thiết kế có bổ sung thêm kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến Bài báo phân tích thu GPS dựa cơng nghệ vô tuyến điều khiển phần mềm (SDR) Với ưu điểm cấu hình lại dễ dàng, cấu trúc cho phép việc phát triển đánh giá thu định vị thuận lợi, giảm đáng kể chi phí Bộ thu GPS triển khai tảng Matlab, có khả xử lý với tín hiệu GPS thật tín hiệu GPS giả lập Từ khóa: Bộ thu mềm, SDR, GNSS, đồng tín hiệu định vị, GPS Abstract Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are in the progress of moderization or installation For more efficient performance, it is necessary to introduce new signal processing methods to GNSS receiver In this paper, the structure of GPS receiver, based on Software Defined Radio (SDR) is anlysized Due to the advantage of easily reconfigurable, the software receiver is suitable to develop and assesment a novel receiver structure, including reducing the cost The proposed GPS receiver is implemented in Matlab and is capable of performing on both real navigation signal as well as simulated one Keywords: Software receiver, SDR, GNSS, navigation signal synchronization, GPS Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 22 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 Mở đầu Các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (GNSS: Global Navigation Satellite System) GPS Mỹ, Galileo Liên minh Châu Âu, Bắc Đẩu Trung Quốc không ngừng cải tiến nâng cấp Việc đại hóa hệ thống GNSS bổ sung nhiều tín hiệu định vị bên cạnh tín hiệu định vị (GPS L1 C/A) Các tín hiệu định vị nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp tới thu GNSS với ưu điểm: ổn định, liên tục, xác Tuy nhiên, để hoạt động hiệu với tín hiệu định vị mới, thu GNSS phải sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến, bên cạnh cấu hình thu thay đổi phức tạp Tuy nhiên, firmware thu GNSS nâng cấp để thích ứng với tín hiệu định vị mới, ràng buộc, giới hạn phần cứng thu GNSS làm hạn chế hiệu hoạt động thu Do đó, giải pháp sử dụng cấu trúc phần mềm thay cho phần cứng nghiên cứu triển khai tương đối rộng rãi [1, 2] Công nghệ vô tuyến điều khiển phần mềm (SDR Software Defined Radio) triển khai thay cấu trúc phần cứng thiết bị vô tuyến cấu trúc phần mềm chạy xử lý số Giải pháp SDR cho phép triển khai cấu trúc cấu hình lại cần thiết, đặc biệt thích hợp trình thiết kế, phát triển hệ thống [3] Bài báo trình bày giải pháp thực thu GNSS có khả thu tín hiệu GPS tín hiệu Galileo, tập trung vào q trình đồng tín hiệu định vị, bao gồm khai phá (signal acquisition) bám (signal tracking) tín hiệu định vị Cấu trúc báo: sau phần mở đầu; phần phân tích cấu trúc thu GNSS dựa công nghệ SDR (gọi tắt thu mềm GNSS); phần giới thiệu cấu trúc khối khai phá bám tín hiệu thu mềm GNSS; phần mơ phân tích kết nhận khối khai phá bám tín hiệu hoạt động với tín hiệu GPS L1 C/A thu lưu trữ; cuối cùng, số kết luận nêu lên đề xuất hướng phát triển tương lai Bộ thu mềm GNSS 2.1 Cấu trúc thu GNSS Hiện nay, thu GNSS dân chủ yếu thu tín hiệu GPS L1 C/A hệ thống GPS tín hiệu phát quảng bá, miễn phí vùng phủ lớn Cấu trúc phổ biến thu GPS minh họa hình [4] Như minh họa hình 1, tín hiệu định vị cao tần (L1=1575,42MHz) sau q trình xử lý cao tần hạ tần xuống tần số trung tần (tần số IF) Q trình số hóa tín hiệu IF thực ADC để chuyển tín hiệu số đến chip ASIC thực xử lý số tốc độ cao q trình khai phá tín hiệu nhằm xác định vệ tinh tầm “nhìn thấy” thu Tiếp đến, sau xác định thông số sơ vệ tinh GPS, thu tiếp tục thực q trình bám tín hiệu giải điều chế tín hiệu Q trình thực băng gốc Tồn q trình xử lý tín hiệu thực chip ASIC hay thực phần cứng Dữ liệu sau giải điều chế chuyển đến vi xử lý thực q trình tính tốn PVT (Position, Velociy, Time) nhằm xác định thông số tin định vị liên quan đến thu Như trình tính tốn PVT thực tảng phần mềm Rõ ràng, cấu trúc thu GPS truyền thống này, cấu trúc xử lý tín hiệu tín hiệu định vị sau ADC đến trước khối giải điều chế thay đổi dễ dàng Do đó, hoạt động thu bị giới hạn tín hiệu định vị cung cấp khó khăn việc triển khai giải pháp xử lý tín hiệu định vị cho thu số ứng dụng Anten Xử lý RF Hạ tần IF Xử lý IF Bám tín hiệu OS ADC Khai phá tín hiệu Giải điều chế Hardware Tính tốn PVT Dữ liệu định vị Software Software Hình Cấu trúc thu GPS truyền thống sử dụng chip ASIC 2.2 Giải pháp thu mềm GNSS Để giải hạn chế thu GPS truyền thống, đồng thời tạo linh hoạt cho thu, đặc biệt trình nghiên cứu phát triển cấu trúc thu GPS tiên tiến, giải pháp thu mềm GPS mềm hóa hầu hết trình xử lý tín hiệu vốn cố định trước minh họa hình [5] Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 23 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 Anten Xử lý RF Hạ tần IF Xử lý IF Bám tín hiệu OS ADC Khai phá tín hiệu Giải điều chế Hardware Tính tốn PVT Dữ liệu định vị Software Software Hình Cấu trúc thu mềm GPS Trong cấu trúc thu GPS mềm, tồn q trình xử lý tín hiệu sau ADC thực tảng phần mềm FPGA (Field Programable Gate Array), DSP (Digital Signal Processing) vi xử lý (microprocessor) Cấu trúc mềm triển khai máy tính cá nhân (PC) thực xử lý tín hiệu thời gian thực (real - time) tín hiệu đưa từ khối ADC phần cứng So với cấu trúc dựa phần cứng,trong thu mềm GPS, khối xử lý tín hiệu có khác biệt LPF I s(t ) FFT LPF  IFFT Output   Q Complex Inversion  Decision Logic 900 FFT Bộ dao động (.)2 s(t ) Output (.)2 Decision Logic 900 Control Logic PRN Generator PRN Generator Bộ dao động Control Logic Hình Cấu trúc khối khai phá tín hiệu thu mềm (trái) thu truyền thống (phải) Q trình khai phá tín hiệu ước lượng sơ thơng số tín hiệu định vị thu nhằm xác định vệ tinh nằm tầm “nhìn thấy” thu, thông số bao gồm độ trễ mã giả ngẫu nhiên (PRN: Preudo-Random Noise) độ dịch tần Doppler Về mặt lực tính tốn, rõ ràng thu cứng sử dụng chip ASIC thực chức chuyên biệt với tốc độ xử lý nhanh nhiều so với cấu trúc phần mềm Tuy nhiên, với thuật toán phức tạp, việc thực phần cứng trở nên khó khăn đắt đỏ Khi đó, giải pháp thực cấu trúc mềm dễ dàng hiệu Vì vậy, thu mềm GPS, q trình khai phá tín hiệu sử dụng kỹ thuật FFT (Fast Fourier Transform) để xử lý tín hiệu miền tần số (tìm kiếm song song) thay cho miền thời gian (tìm kiếm nối tiếp) minh họa hình Giải pháp sử dụng FFT có cấu trúc phức tạp điều khơng trở ngại phát triển dựa phần mềm Bù lại, số lượng phép toán cần xử lý giải pháp FFT giảm đáng kể rút ngắn thời gian xử lý tốc độ xử lý phần mềm nhiều so với phần cứng chuyên biệt ASIC Cấu trúc triển khai thu mềm GPS tảng Matlab Để thực xử lý tín hiệu cho thu GPS, tín hiệu GPS thu nhận xử lý khối đầu cuối RF (RF Frontend) Tín hiệu sau ADC lối RF Frontend có thơng số quan trọng: - Tần số lấy mẫu: 38,192MHz; - Tần số trung tần IF: 9,548MHz Sơ đồ thuật tốn thực q trình xử lý tín hiệu thu mơ tả hình Trong trường hợp này, để thuận tiện cho trình nghiên cứu, khối RF Frontend cho thu nhận tín hiệu định vị khoảng thời gian khoảng 1s, sau tín hiệu lối từ khối ADC RF Frontend đưa qua cổng USB máy tính để lưu giữ lại dạng file Trong q trình hoạt động sau đó, thu mềm GPS đọc file liệu để thực trình xử lý tín hiệu Bắt đầu Đọc file liệu Xác định vệ tinh “nhìn thấy” Bám vệ tinh Giải mã tin định vị Kết thúc Hình Lưu đồ thực xử lý thu mềm GPS Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 24 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 3.1 Khối khai phá tín hiệu Lưu đồ thuật tốn q trình khai phá tín hiệu minh họa hình Khối khai phá tín hiệu sử dụng giải pháp FFT để xác định vệ tinh nằm tầm “nhìn thấy” thu (tín hiệu có giá trị cơng suất hàm tương quan với tín hiệu tạo thu lớn ngưỡng thiết lập) Bắt đầu Xác định pha mã C/ A, tần số biên độ đỉnh tương quan Cấp phát nhớ Hiệu chỉnh ước lượng lưu trữ Next PRN Bắt đầu PLL Cấp phát nhớ Chuyển mã C/A sang miền tần số Sai Tạo tín hiệu OS tần số 50Hz Nhân tín hiệu băng gốc mã C/A Tính IDFT lưu trữ kết Next carrier wave Next carrier wave Sai Sai Tất mã PRN xử lý Đọc khung liệu tiếp Kết thúc Tính lệch tần (pullin mode) Toàn tần số kiểm tra Toàn liệu Sai Đúng Cập nhật tần số OS Quá ngưỡng Sai Kết thúc Đúng Hạ tần băng gốc Tính cơng suất tín hiệu lưu trữ Dịch E,L,P Tìm E, L, P Tồn tần số lưu trữ Đúng Tính số mẫu lưu So pha mã Sai Sai Đúng Trung bình so pha 20ms Tạo E, L, P Tạo sóng mang Tạo tín hiệu OS 100Hz Tất tín hiệu Đúng Tính lệch tần (tracking mode) Đúng Tách mã C/A Chuyển sang miền tần số Từng nhóm Sai 20ms liệu Sai Đúng “Nhìn thấy” Đúng Hạ tần băng gốc Xong 30ms liệu DLL Đúng Hình Lưu đồ bám tín hiệu GPS Hình Lưu đồ khai phá tín hiệu GPS 3.2 Khối bám tín hiệu Sau thu GPS xác định sơ thơng số tín hiệu định vị (pha sóng mang, đỗ trễ mã PRN) xác định vệ tinh nằm tầm “nhìn thấy” thu, thông số tiếp tục tinh chỉnh ước lượng xác nhờ q trình bám tín hiệu Lưu đồ thuật tốn bám tín hiệu minh họa hình Q trình bám tín hiệu thực nhờ mạch vòng PLL (Phase Lock Loop) cho bám pha sóng mang, DLL (Delay Lock Loop) cho bám độ trễ mã PRN Trong cấu trúc thu mềm GPS, mạch vòng Costas sử dụng để bám pha sóng mang nhằm loại bỏ ảnh hưởng đảo pha xảy chuyển trạng thái bit liệu tin định vị Đối với DLL, cấu trúc truyền thống thu GPS, ba (03) mã PRN gọi Sớm (Early), Trễ (Late) Đúng (Prompt) tạo thu, với độ lệch Sớm Muộn 0,1chip Bên cạnh đó, đầu so sánh định sai lệch loại EMLP (Early Minus Late Power) xác định: DDLL   I E2  QE2    I L2  QL2  (1) Trong đó: IE , Q E , IL , Q L tương ứng Sớm (early), Muộn (late) kênh đồng pha (Inphase) vuông pha (Quadrature) Kết mơ phân tích Q trình khai phá bám tín hiệu định vị thu mềm GPS triển khai tảng Matlab Tín hiệu định vị sau xử lý khối RF Frontend để chuyển đổi tín hiệu số nhờ ADC đưa đến cổng USB PC 4.1 Mơ khai phá tín hiệu Kết q trình khai phá tín hiệu định vị minh họa hình 7, vệ tinh nằm tầm “nhìn thấy” thu có giá trị tương quan lớn ngưỡng thiết lập khối khai phá tín hiệu Từ hình 7, có 06 vệ tinh nằm tầm “nhìn thấy” thu, vệ tinh có PRN 2, 6, 7, 10, 24 30 4.2 Mơ bám tín hiệu Sau q trình khai phá tín hiệu, thơng số tín hiệu định vị vệ tinh ước lượng sơ (q trình gọi bắt đồng tín hiệu) Tiếp theo, thơng số pha sóng mang, độ trễ mã PRN tín hiệu định vị ước lượng xác thu bám sát thay đổi thông số (gọi bám đồng tín hiệu) Bộ thu mềm GPS triển khai với kênh xử lý song song, kênh xử lý với tín hiệu định vị Q trình bám số tín hiệu định vị minh họa hình Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 25 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2017 Hình Kết khai phá tín hiệu thu mềm GPS Hình Q trình bám tín hiệu định vị PRN#2 (trái) PRN#10 (phải) Sau trình bám đồng bộ, tham số tín hiệu định vị xác định minh họa hình Do thu dùng kênh xử lý song song có 06 vệ tinh tầm “nhìn thấy” nên có 02 kênh khơng xử lý với tín hiệu định vị Với tín hiệu định vị đồng bộ, sau q trình bám tín hiệu, thơng số tín hiệu thu xác định giá trị đầu so pha sóng mang (trong PLL), so trễ mã (trong DLL), giá trị đầu tương quan E, L, P kênh I Q Đồng thời, hình cho thấy, biểu đồ tín hiệu GPS L1 C/A sử dụng điều chế BPSK Hình Các thơng số sau bám tín hiệu với vệ tinh PRN#2 (trên,trái), PRN#10 (trên,phải), PRN#6 (dưới, trái) tín hiệu định vị (kênh thu - dưới, phải) Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 49 - 01/2017 26 ... bày giải pháp thực thu GNSS có khả thu tín hiệu GPS tín hiệu Galileo, tập trung vào q trình đồng tín hiệu định vị, bao gồm khai phá (signal acquisition) bám (signal tracking) tín hiệu định vị. .. lý tín hiệu tín hiệu định vị sau ADC đến trước khối giải điều chế thay đổi dễ dàng Do đó, hoạt động thu bị giới hạn tín hiệu định vị cung cấp khó khăn việc triển khai giải pháp xử lý tín hiệu định. .. kênh khơng xử lý với tín hiệu định vị Với tín hiệu định vị đồng bộ, sau q trình bám tín hiệu, thơng số tín hiệu thu xác định giá trị đầu so pha sóng mang (trong PLL), so trễ mã (trong DLL), giá trị