Ứng dụng công nghệ SDR cho bộ thu GPS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI văn NGUYỄN CHUNG NGHĨA ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SDR CHO BỘ THU GPS LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HỮU TRUNG HÀ NỘI - Năm 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận Văn Thạc sỹ Khoa học nghiên cứu thực hướng dẫn TS Nguyễn Hữu Trung TS Nguyễn Thúy Anh Các kết tham khảo từ nguồn tài liệu cơng trình nghiên cứu khoa học khác trích dẫn đầy đủ Nếu có sai phạm quyền (trích dẫn thiếu sai), tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước nhà trường Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Nguyễn Chung Nghĩa LỜI NÓI ĐẦU Tốc độ tiến cực nhanh công nghệ ngày hôm làm cho thiết bị thông tin trở nên lỗi thời sau chúng sản xuất Để theo kịp với tốc độ này, hệ thống thông tin liên lạc phải thiết kế để tối đa hóa, minh bạch với công nghệ giai đoạn vịng đời chúng Khi cơng nghệ chèn vào, thiết bị nâng cấp nên cịn giao tiếp với với hệ thống kế thừa Nhưng sau thiết bị khơng cịn theo kịp với công nghệ Thuật ngữ SDR (software defined radio) đặt vào năm 1990 để khắc phục vấn đề Mục tiêu em nghiên cứu ứng dụng công nghệ SDR cho thu GPS Do khả hiểu biết hạn chế nên q trình nghiên cứu, thiết kế khơng thể tránh khỏi sai sót, yếu Vì vậy, em mong giúp đỡ bảo tận tình thầy bạn bè để em hồn thiện đề tài Trong q trình thực đồ án này, em nhận bảo tận tình, quý báu thầy giáo TS Nguyễn Hữu Trung cô giáo TS Nguyễn Thúy Anh Thầy cô bỏ nhiều thời gian để giúp em hoàn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy cô nhiều Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Học Viên: Nguyễn Chung Nghĩa TĨM TẮT ĐỒ ÁN Nội dung đồ án tập trung sâu nghiên cứu ứng dụng công nghệ SDR cho thu GPS Mô công nghệ SDR cho thu GPS Công nghệ thiết kế mơ có khả hoạt động : • Hoạt động định vị ổn định • Có khả định vị điều khiển thơng qua tập lệnh • Có khả xử lý tín hiệu yếu tích hợp đa cảm biến ABSTRACT Main content of this project is to focus in depth research and application of SDR technology for GPS SDR technology to simulate the GPS receiver The technology is designed simulation is capable of operation: • Activities stable position • Ability to locate and control over the script • Able to handle weak signals and multi-sensor integration MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABSTRACT PHẦN MỞ ĐẦU 16 Chương 1: Giới thiệu chung 19 1.1 Định nghĩa 20 1.2 Mục tiêu 21 Chương : Tổng quan công nghệ SDR 22 2.1 Định nghĩa SDR 22 2.2 Kiến trúc SDR tổng quát 23 2.3 Lịch sử đời 25 2.4 Ưu nhược điểm 25 2.4.1 Ưu điểm vượt trội hệ thống SDR 25 2.4.2 Những hạn chế triển khai giải pháp SDR 26 Chương : Phân tích thu định vị toàn cầu GPS 28 3.1 Tổng quan hệ thống GPS 28 3.1.1 Phân hệ không gian 29 3.1.1.1 Chùm vệ tinh 29 3.1.1.2 Vệ tinh GPS 29 3.1.2 Phân hệ điều khiển 30 3.1.3 Phân hệ sử dụng 31 3.2 Cấu trúc tín hiệu GPS 32 3.2.1 Các tín hiệu liệu 32 3.2.2 Lược đồ tín hiệu GPS 32 3.2.3 Mã C/A 35 3.2.3.1 Chuỗi Gold 35 3.2.3.2 Tạo chuỗi Gold 37 3.2.3.3 Các đặc tính tương quan 44 3.2.4 Dịch tần Doppler 46 3.2.5 Bản tin định vị 46 3.2.5.1 Định dạng tin 46 3.2.5.2 Các trường TLM HOW 49 3.2.5.3 Dữ liệu tin định vị 50 3.3 Kiến trúc chung thu GPS 51 3.3.1 Anten tiếp đầu ngoại vi 52 Chương :57 Ứng dụng công nghệ SDR cho thu GPS 57 4.1 Phần mềm Radio Xác định gì? 57 Phân tích mã nguồn GPS-SDR 58 4.2.1 Cấu trúc chương trình 58 4.2.2 Phân tích mã nguồn 63 4.2.3 Đối tượng luồng 68 4.3 Tính tốn vị trí GPS-SDR 77 4.3.1 Vị trí vệ tinh 77 Chương 5: Mơ tạo tín hiệu GPS 82 5.1 Mơ tạo tín hiệu GPS 82 5.1.1 Bộ tạo mã C/A 82 5.1.1.1 Bộ tạo mã C/A khơng có trễ 82 5.1.1.2 Bộ tạo mã C/A có trễ 83 5.1.1.3 Đặc tính tương quan mã C/A 84 5.1.2 Bộ mô tín hiệu GPS 85 5.1.2.1 Triển khai mức thấp 87 5.1.2.2 Triển khai mức cao 91 5.2 Mơ thuật tốn xử lý liệu tin định vị 91 5.2.1 Các phép toán dùng mô 91 5.2.1.1 Tính tốn vị trí máy thu 92 5.2.1.2 Tính toán sai số 94 5.2.2 Thuật toán hàm mô 97 5.2.2.1 Sơ đồ thuật toán 97 5.2.2.2 Các hàm dùng mô 98 5.2.3 Kết mô 109 Chương : Hướng phát triển tương lai 111 Kết luận 113 Tài liệu tham khảo 114 DANH MUC HÌNH VẼ Hình 2.1 Kiến trúc SDR tổng quát 23 Hình 2.2 Phổ di động sử dụng châu Âu ( theo nguồn Jondral, 1999) 27 Hình 3.1 Chùm vệ tinh .29 Hình 3.2 Vệ tinh NAVSTAR 30 Hình 3.3 Phân hệ điều khiển .31 Hình 3.4 Sơ đồ khối tạo tín hiệu GPS .33 Hình 3.5 Cấu trúc tín hiệu L1 .34 Hình 3.6 Điều chế BPSK tín hiệu GPS .35 Hình 3.7 Đồ thị cột ACF cho chuỗi Gold 37 Hình 3.8 Bộ tạo mã C/A 38 Hình 3.9 Đặc tính tương quan mã C/A 45 Hình 3.10 Cấu trúc liệu định vị GPS .48 Hình 3.11 Định dạng hai từ TLM HOW 49 Hình 3.12 Sơ đồ kiến trúc thu GPS truyền thống thu phần mềm 52 Hình 3.13 Tiếp đầu ngoại vi thu GPS 53 Hình 4.1: GPS-SDR Pipes Schedule .62 Hình 4.2: Cấu trúc thư mục GPS-SDR .63 Hình 4.3: Nội dung thư mục 64 Hình 5.1 Sơ đồ mơ tạo mã C/A khơng có trễ 83 Hình 5.2 Sơ đồ mơ tạo mã C/A có trễ 84 Hình 5.3 Tương quan chéo hai mã C/A thứ thứ hai tự tương quan mã C/A thứ 85 Hình 5.4 Bộ mơ tín hiệu GPS hoàn chỉnh cho vệ tinh 88 Hình 5.5 Bộ mơ tín hiệu GPS triển khai Simulink 91 Hình 5.6 Sơ đồ thuật toán phương pháp lặp định vị GPS 98 Hình 5.7 Vị trí vệ tinh máy thu GPS 110 ω ω ω meters semi-circles/sec IDOT IDOT IDOT semi-circles/sec Bảng 5.2 Các tham số đầu vào mơ hình lịch thiên văn Output1 Output2 Satellit Satellit Satellit Unit e1 e2 en Satellit Satellit Satellit Units Xpos Xpos Xpos meter e1 e2 M M en s Ypos Ypos Ypos meter M s s Zpos Zpos Zpos radian meter s E E E radian s radian s radian 101 s radian s meter s radian s radian s A A A meter s - Bảng 5.3 Các tham số đầu mơ hình lịch thiên văn b) Tính sai số tầng điện li Dựa mơ hình Kbobuchar, hàm Matlab sau tính sai số thời gian trễ tầng điện li Bảng 7.4 7.5 đầu vào đầu hàm Hàm [Output]=Error_Ionospheric_Klobuchar(Inp1,Inp2,Inp3,Inp4,Inp5) 102 Input1 (3 ): Vị trí (X, Y, Z) máy thu (mét – m) Input2 (3 ): Ma trận (X, Y, Z) vị trí vệ tinh GPS (m) Input3 (1 ): Các hệ số phương trình cubic biểu diễn biên độ trễ (Alpha) Input4 (1 ): Các hệ số phương trình cubic biểu diễn chu kỳ mơ hình (Beta) Input5 (1 Output (N ): Thời gian tuần (s) : Trễ thời gian tầng điện li (s) Input2 Input1 Vị trí máy thu Unit Xpos Satellite Satellite Satellite Unit n Xpos Xpos Xpos meters Ypos Ypos Ypos meters Zpos Zpos Zpos meters meters Ypos meters Zpos meters Input3 Input4 Input5 αi βi t α0 β0 103 α1 β1 α2 β2 α3 β3 Bảng 5.4 Các tham số đầu vào mơ hình tầng điện li Output Satellite Satellite Satellite n Unit Tion1 Tion2 Tionn Sec Bảng 5.5 Các tham số đầu mơ hình tầng điện li c) Tính sai số tầng đối lưu Sai số tầng đối lưu tính tốn dựa mơ hình Hopfield, hàm Matlab có tên Error_Tropospheric_Hopfield tính tốn sai số khoảng cách trễ tầng đối lưu Bảng 5.6 5.7 đầu vào đầu mơ hình tầng đối lưu Function [Output]=Error_Tropospheric_Hopfield(Inp1,Inp2,Inp3,Inp4,Inp5) Input1 (1 ): Nhiệt độ anten máy thu (0C) Input2 (1 ): Áp suất anten máy thu (kPa) Input3 (1 ): Áp suất nước anten máy thu (kPa) 104 Input4 (3 ): Vị trí (X, Y, Z) máy thu (m) Input5 (3 ): Ma trận (X, Y, Z) vị trí vệ tinh GPS (m) Output (N : Sai số khoảng cách tầng đối lưu (m) Input1 Input2 Input3 Input4 Tamb Pamb Pvap Vị trí máy thu Unit Xpos meters Ypos meters Zpos meters Input5 Satellite Satellite Satellite n Unit Xpos Xpos Xpos meters Ypos Ypos Ypos meters Zpos Zpos Zpos meters Bảng 5.6 Các tham số đầu vào mơ hình tầng đối lưu 105 Output Satellite Satellite Satellite n Unit dRTro1 dRTro2 dRTron Meter Bảng 5.7 Các tham số đầu mơ hình tầng đối lưu d) Tính sai số đồng hồ vệ tinh Sai số đồng hồ vệ tinh GPS gồm hai loại sai số: Sai số độ lệch sai số tương đối, có hai hàm tạo để mơ hình hóa nguồn sai số này, hai hàm Matlab có tên Error_Satellite_Clock_Offset Error_Satellite_Clock_Relavastic Bảng 5.8 5.9 đầu vào hàm Hàm [Output]= Error_Satellite_Clock_Offset(Inp1,Inp2,Inp3) Input1 (3 ): Ma trận hệ số độ lệch đồng hồ vệ tinh Input2 (1 ): Thời gian truyền (s) Input3 (1 ): Thời gian tham chiếu đồng hồ vệ tinh (s) Output (1 : Sai số độ lệch đồng hồ vệ tinh PRN (s) Input2 Input1 Satellite Satellite Satellite Satellite Satellite Satellite Unit 106 n n Af0 Af0 Af0 Ttr Ttr Ttr Af1 Af1 Af1 Af2 Af2 Af2 Input3 Satellite Satellite Satellite n Unit Toc Toc Toc Sec Bảng 5.8 Các tham số đầu vào mơ hình sai số độ lệch Output Satellite Satellite Satellite n Unit dTclc dTclc dTclc Sec Bảng 5.9 Các tham số đầu mơ hình sai số độ lệch Hàm [Output]=Error_Satellite_Clock_Relavastic(Inp1,Inp2,Inp3,Inp4,Inp5) Input1 (1 ): Hằng số hiệu chỉnh tương đối = 4.4428076633E-10 107 Sec Input2 (1 ): Độ lệch tâm Input3 (1 ): Bán trục lớn quỹ đạo (m) Input4 (1 ): Độ dị thường lệch tâm quỹ đạo Input5 (1 ): Trễ nhóm (s) Output (1 : Sai số tương đối đồng hồ vệ tinh (s) Input2 Input3 Satellite Satellite Ec1 Ec2 Satellite Satellit Satellit Satellit n e1 e2 en Ecn A1 A2 An Unit mete r Input5 Input4 Satellit Satellit Satellit Uni Satellit Satellit Satellit Uni e1 e2 en t e1 e2 en t Ek1 Ek2 Ekn Rad Tgd1 Tgd2 Tgdn Rad Bảng 5.10 Các tham số đầu vào mơ hình sai số tương đối 108 Output Satellite Satellite Satellite n Unit dTrel1 dTrel2 dTreln Sec Bảng 5.11 Các tham số đầu mô hình sai số tương đối e) Hàm vẽ đồ thị kết Hàm plot_orbit vẽ lên vị trí vệ tinh quỹ đạo chúng Đầu vào đầu hàm sau: Hàm: plot_Orbit(Input1,Input2) Input1: %A:(m) => Bán trục lớn quỹ đạo %ec: => Độ lệch tâm %Inc:(Rad) => Góc nghiêng %Omega:(Rad) => Kinh độ nút lên %v:(Rad) => Độ dị thường Input2: %Color:(string) => Bộ màu cho quỹ đạo đồ thị 5.2.3 Kết mơ Thuật tốn lặp có điều kiện hội tụ xét theo biến số ∆ x Điều kiện hội tụ ∆x < 1m Kết chạy mô cho giá trị tọa độ (X, Y, Z) vệ tinh 109 với số gia theo vòng lặp (∆x, ∆y, ∆z) giá trị (x, y, z) vị trí máy thu GPS Theo đó, giá trị DOP sai số tính tốn cụ thể Mục tiêu mô thu tọa độ vệ tinh cuối tọa độ máy thu biểu diễn đồ thị, từ có nhìn trực quan Đồ thị hình 7.7 kết cuối mơ SV-5 SV-3 x 10 RCV Position SV-2 SV-6 K SV-4 -3 -2 -1 -1 -2 SV-1 -3 -3 x 10 -2 x 10 -1 2 3 I J Hình 5.7 Vị trí vệ tinh máy thu GPS Tóm lại, chương nội dung mơ bao gồm mơ tín hiệu GPS với thành phần tín hiệu L1 từ vệ tinh, với mơ thuật toán xử lý liệu định vị để tính vẽ đồ thị vị trí vệ tinh máy thu Q trình làm mơ giúp em hiểu rõ sở lý thuyết tìm hiểu được, đặc biệt tín hiệu vệ tinh GPS thuật toán xử lý tin định vị 110 Chương : Hướng phát triển tương lai Kể từ năm 70 quân đội Mỹ phát minh hệ thống định vị toàn cầu (GPS) nhiều điều tra thực thu GNSS Các bước thu GNSS thực với thu phần cứng, nhờ cải tiến mạnh mẽ máy tính, năm qua, GNSS thu kỹ thuật số phát triển tốt Phần mềm GPS cung cấp cho người dùng công cụ hữu ích mạnh mẽ thêm đặc trưng thú vị, chương trình lập trình lại Trong dự án tất nghiên cứu làm việc với máy thu GPS gọi phần mềm GPS-SDR Như nói phần giới thiệu mục đích chúng tơi nâng cao tính định vị GPS-SDR, khám phá GNSS nhận khả Để đạt mục tiêu chúng tôi, công vấn đề cách để cách: giảm thiểu đa thuật toán định vị cải tiến Bước để giải vấn đề đa Để làm điều chúng tơi thêm vào-GPS SDR kêu gọi đôi Delta tương quan (∆∆DLL) Hiệu ứng đa thực hiện, làm cho tồi tệ hơn, theo dõi vệ tinh, đó, mục đích ∆∆DLL để có vệ tinh theo dõi tốt so với tương quan GPS ban đầu-SDR (DLL) Trước phản ứng tất lý thuyết hai mối tương quan nghiên cứu công cụ MATLAB điều khoản khoảng lỗi Những mơ thực giả định trường hợp lý tưởng, khơng có tiếng ồn Các lỗi gần lý thuyết kết cải tiến khoảng 40 mét ∆∆DLL DLL Bước tính tốn cải tiến tính gần trường hợp thực tế thử nghiệm, với máy thu tín hiệu GPS thực tế Để có kết sử dụng GPS-SDR có kênh giả lập, để tạo kênh đa đường, máy phát tín hiệu GPS, để có tín hiệu 111 GPS để mơ tồn Trong thử nghiệm mơ giả định diện tiếng ồn mà khơng cần ước tính nó, ảnh hưởng đến kết Sự khác biệt lỗi gần hai yếu tố tương quan mơ thí nghiệm kết nâng cao 10 mét cho ∆∆DLL Sự khác biệt lý thuyết mô thí nghiệm sản xuất diện tiếng ồn Một vấn đề đa giải quyết, bước nghiên cứu nâng cao tính định vị Để đạt mục tiêu sử dụng công cụ GPS (GPStk) cung cấp tập lớn thuật toán định vị Để sử dụng GPStk có để thêm vào các-GPS SDR mơ-đun để trích xuất nhận độc lập Exchange Format (RINEX) cho phép kết nối GPS-SDR với GPStk Trong phần dự án LeastMeans Squares (LMS) phương pháp định vị, ban đầu GPS-SDR, so sánh với người khác là: Phương tiện Wheigthed Squares (WMS), lọc Kalman với vị trí bình thường với kỹ thuật vi sai (DGPS) GPS, so sánh với DGPSLMS Sự so sánh thực đồ họa nhờ công cụ Google Earth Các thuật tốn tồn phân tích với tĩnh nhận chế độ động Vì nhìn thấy kết thử nghiệm theWMS có cải tiến nhẹ nhàng so với thuật tốn LMS nhờ WMS cân nhắc kết vệ tinh thỏa thuận với tín hiệu tiếng ồn tỷ lệ (SNR) Các kết định vị tốt đạt với thuật tốn lọc Kalman nhờ thuật tốn với nhớ, có, tính tốn vị trí thực tế tham gia vào tài khoản vị trí trước Ngồi dễ dàng nhìn thấy nghiên cứu chúng tơi kỹ thuật DGPS cung cấp cho điều chỉnh vị trí khoảng trống cho phép chúng tơi nhận cải tiến đáng kể Như vậy, sau thực tất mô nói lọc Kalman cộng với kỹ thuật DGPS cho tính tốn vị trí tốt nhận tĩnh hay động 112 Kết luận Trong khn khổ nội dung đồ án em tìm hiểu ứng dụng công nghệ SDR cho thu định vị toàn cầu GPS Do lực hiểu biết thân cịn có nhiều hạn chế nên báo cáo nghiên cứu nhiều khiếm khuyết, em hy vọng góp ý thầy người để hồn thiện theo hướng : Có khả áp dụng điều kiện đất nước ta Có khả điều khiển cách chủ động áp dụng cơng nghệ với thiết bị dị tìm nghiên cứu đồ án Có tình điều khiển thị cảm ứng để điều khiển trực tiếp vị trí định vị Có khả cảnh báo nháy đèn tín định vị Cuối cùng, lần em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Hữu Trung cô giáo TS Nguyễn Thúy Anh tạo điều kiện, bảo, truyền đạt cho em nhiều kinh nghiệm để hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy cô Hà Nội, Tháng 10 năm 2010 113 Tài liệu tham khảo [1] Alison K Brown, Bruce G Johnson, Yan Lu and Peter Brown “A low power Software Defined Radio Networked Architecture for Digital Camera Image Geotagging (2009) [2] Ashita Rastogi, “Analysis of Anomalous Global Positioning System Receiver Data” Electrical Engineeing and Computer Science (2007) [3] Carles Fernández-Prades, “Advanced Signal Processing Techniques for Global Navigation Satellite Systems Receivers” Signal Processing & Communications (2005) [4]ưEdward D Willink, “Software Defined Radio, chap.13: The Waveform Description Language” [5] Ivan P Seskar and Narayan B Mandayam, “A Software Radio Architecture for Linear Multiuser Detection,” in “IEEE Journal on Selected Areas in Comunications, vol 17, no.5” (5/1999) [6] Jeffery A Wepman and J Randy Hoffman “Implementation and Testing of Software Defined Radio Cellular Base Station Receiver” U.S Department of Commerce (2001) [7] Jong-HoonWon , Thomas Pany, and Gunter W Hein, “GNSS Software Defined Radio: Real Receiver of Just a Tool for Experts?” (2006) [8] Kai Borre and Dennis Akos “A Software-Defined GPS and Galileo Receiver: Single-Frequency Approach” [9] M Solé-Gaset, Javier Arribas-Lázaro, Carles Fernández-Prades and Paul Closas “GNSS Open Sources Software Receiver” 114 [10] Marc Solé Gaset, “Software Defined Radio for GPS” (2009) [11] Naveen Manicka, “GNVRadio Testbed” (2007) [12] Nikolaos Apostolou, “Signal Synthesis with dynamically-changed Power Spectral Density in a Software Defined Radio Transmitter” (2003) [13] Ryan Reed, “Implementation of a BPSK Transceiver for use with the University of Kansas Agile Radio” (2006) [14] Tim Hentschel, Matthias Henker, and Gerhard Fettweis, “The Digital FrontEnd of Software Radio Terminals” IEEE Personal Communications (1999) [15] Vanu G Bose, “Design and Implementation of Software Radios Using a General Purpose Processor” Massachusetts Institute of Technology (1999) [16] Yik-Chung Wu and Tung-Sang Ng “Symbol Timing Recovery for Generalized Minimum Shift Keying Modulations in Software Radio Receiver (2001) [17] http://google.com.vn/, truy nhập cuối ngày 20/10/2010 [18] http://sdrforum.org/, truy nhập cuối ngày 20/10/2010 115 ... vậy, em tìm hiểu nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ SDR cho thu GPS Trong khuôn khổ đồ án em tập trung nghiên cứu công nghệ SDR, thu GPS, ứng dụng công nghệ SDR vào thu GPS cho phù hợp với thực tiễn... Chung Nghĩa TĨM TẮT ĐỒ ÁN Nội dung đồ án tập trung sâu nghiên cứu ứng dụng công nghệ SDR cho thu GPS Mô công nghệ SDR cho thu GPS Công nghệ thiết kế mơ có khả hoạt động : • Hoạt động định vị ổn định... chung thu GPS 51 3.3.1 Anten tiếp đầu ngoại vi 52 Chương :57 Ứng dụng công nghệ SDR cho thu GPS 57 4.1 Phần mềm Radio Xác định gì? 57 Phân tích mã nguồn GPS- SDR