Nghiên cứu phát triển vi mạch định vị toàn cầu GNSS thiết kế khối giải mã tính toán vị trí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -oOo - HOÀNG VIỆT HUY NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VI MẠCH ĐỊNH VỊ TỒN CẦU GNSS: THIẾT KẾ KHỐI GIẢI MÃ TÍNH TỐN VỊ TRÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN ĐỨC MINH Hà Nội, 2015 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 : Hoàng Việt Huy Đề tài luận văn: Nghiên cứu phát triển vi mạch định vị toàn cầu GNSS: Thiết kế khối giải mã tính tốn vị trị Chun ngành: Kĩ thuật điện tử Mã số SV: CB120623 Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… .………… với nội dung sau: ……………………………………………………………………………………… …………… ………………………………………………………………………… ………………………… …………………………………………………………… ……………………………………… ……………………………………………… Ngày tháng năm 2015 Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, đƣợc thực sở nghiên cứu lý thuyết, thực tế dƣới hƣớng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Đức Minh Các số liệu, kết luận luận án trung thực, dựa nghiên cứu thân, chƣa đƣợc công bố dƣới bất ký hình thức trƣớc trình, bảo vệ trƣớc “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ kỹ thuật” Các số liệu, kết quả, kết luận đƣợc tham khảo đƣợc trích dẫn nguồn đẩy đủ Một lần xin khẳng định trung thực lời cam kết Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả luận văn Hoàng Việt Huy LỜI CẢM ƠN Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể thầy, cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình giúp đỡ tơi suốt thời gian học tập nghiên cứu trƣờng Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy giáo TS Nguyễn Đức Minh, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tơi tận tình thời gian nghiên cứu hoàn thiện luận văn Một lần xin trân trọng cảm ơn tất thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ ủng hộ thời gian qua Xin kính chúc thầy giáo, anh chị bạn mạnh khoẻ, hạnh phúc thành công Tác giả luận văn Hoàng Việt Huy MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iv DANH SÁCH HÌNH VẼ vi DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ GNSS - GPS .3 1.1 Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS 1.2 Cấu trúc hệ thống 1.3 Tín hiệu GPS 1.3.1 Tín hiệu liệu .8 1.3.2 Mã C/A 11 1.3.3 Các hiệu ứng ảnh hƣởng đến tín hiệu GPS 17 1.4 Cấu trúc máy thu GPS 18 1.4.1 Acquisition – Dò kênh .19 1.4.2 Tracking – Bám kênh 20 1.4.3 Navigation Data Extraction & PseudoRange Calculation – Tách liệu định vị tính toán khoảng giả định 21 CHƢƠNG KHỐI GIẢI MÃ TÍNH TỐN VỊ TRÍ 22 2.1 Cơ sở lý thuyết giải mã tính tốn vị trí 22 2.1.1 Sự xác định vị trí hệ tọa độ hai chiều .22 2.1.2 Lệch đồng hồ bù lệch 24 2.1.3 Nguyên lý xác định vị trí thơng qua tín hiệu khoảng cách phát từ vệ tinh 25 2.1.4 Các hệ tọa độ tham chiếu 27 2.2 Giải điều chế liệu ƣớc lƣợng khoảng cách .35 2.2.1 Khôi phục liệu định vị 35 2.2.2 Giải mã tín hiệu định vị .36 2.2.3 Ƣớc lƣợng khoảng cách .42 2.3 Tính tốn vị trí vệ tinh 48 2.4 Tính tốn vị trí máy thu 53 2.4.1 Hiệu chỉnh thời gian 53 2.4.2 Phƣơng trình quan sát phƣơng pháp giải gần phƣơng trình quan sát 55 2.4.3 Tính tốn tọa độ máy thu phƣơng pháp bình phƣơng bé 57 2.5 Độ xác phép tính tốn vị trí 59 CHƢƠNG TRIỂN KHAI KHỐI GIẢI MÃ TÍNH TỐN VỊ TRÍ 62 3.1 Thuật toán 62 3.1.1 Đồng bít liệu 62 3.1.2 Giải mã liệu định vị 65 3.1.3 Tính tốn vị trí vệ tinh .68 3.1.4 Tính tốn vị trí máy thu .71 3.1.5 Tính tốn độ xác chuyển đổi tọa độ 73 3.2 Thiết kế - triển khai 74 3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 74 3.2.2 Khối đồng bít liệu .76 3.2.3 Khối giải mã liệu định vị 77 3.2.4 Khối tính tốn vị trí vệ tinh .78 3.2.5 Khối tính tốn vị trí máy thu .81 3.2.6 Khối tính tốn độ xác chuyển đổi tọa độ 82 CHƢƠNG MÔ PHỎNG – ĐÁNH GIÁ .85 4.1 Mô 85 4.1.1 Dữ liệu đầu vào 85 4.1.2 Kế hoạch mô 87 4.1.3 Kết mô 87 4.2 Nhận xét – Đánh giá 89 KẾT LUẬN .90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1-1 Hệ thống GPS Hình 1-2 Hệ thống vệ tinh GPS .7 Hình 1-3 Quá trình tạo tín hiệu GPS vệ tinh Hình 1-4 Các thành phần tín hiệu vệ tinh GPS 11 Hình 1-5 Bộ sinh mã C/A 12 Hình 1-6 Kết tự tƣơng quan mã C/A 19 .15 Hình 1-7 Kết tƣơng quan chéo mã C/A 19 31 16 Hình 1-8 Kết tƣơng quan mã C/A 19 với phiên trễ chip 16 Hình 1-9 Các khối xử lý tính tốn máy thu GPS .19 Hình 2-1 Tập giá trị đƣờng trịn bán kính R1 22 Hình 2-2 Hai kết hai phép đo đƣơc thực 23 Hình 2-3 Bài tốn cho kết ba phép đo đƣợc tiến hành 23 Hình 2-4 Tác động việc thời gian tham chiếu bị dịch lên kết tính tốn 24 Hình 2-5 Tác động phép đo độc lập 25 Hình 2-6 Xác định vị trí hệ tọa độ quán tính địa tâm 28 Hình 2-7 Mơ hình elip trái đất (mặt cắt vng góc với mặt phẳng quỹ đạo)[1] 30 Hình 2-8 Quan hệ dạng hình học thực (topology), thể địa cầu mơ hình elip tham chiếu 34 Hình 2-9 Minh họa giá trị đầu từ khối tracking .36 Hình 2-10 Ví dụ: Kết tƣơng quan 33 giây chuỗi liệu định vị chuỗi mở đầu có độ dài bít .37 Hình 2-11 Hai từ khung liệu Những từ đƣợc gọi từ telemetry (TLM) từ Hand over word (HOW) 38 Hình 2-12 Mối quan hệ mặt thời gian hệ thống GPS, biến đêm Zcount biến đếm Z-count rút gọn 40 Hình 2-13 Vị trí ngƣời dùng giản đồ vector .43 Hình 2-14 Sử dụng mã để xác định thời gian truyền .44 Hình 2-15 Đo khoảng cách quan hệ thời gian 45 Hình 2-16 Thời gian truyền điểm bắt đầu cảu khung cho kênh 47 Hình 2-17 Vệ tinh hệ tọa độ địa tâm địa tĩnh .49 Hình 2-18 Quỹ đạo elip với hệ tọa độ (𝝃, 𝜼) .49 Hình 3-1 Sơ đồ thuật tốn đồng bít liệu 63 Hình 3-2 Sơ đồ thuật tốn kiểm tra parity đồng bít liệu 64 Hình 3-3 Sở đồ thuật tốn giải mã liệu định vị 66 Hình 3-4 Sơ đồ thuật tốn giải mã liệu thiên văn giải mã liệu định vị 67 Hình 3-5 Sơ đồ thuật tốn giải mã từ 30 bít khung liệu giãi mã liệu định vị 68 Hình 3-6 Sơ đồ thuật tốn tính tốn khoảng cách giả định vệ tinh 69 Hình 3-7 Sơ đồ thuật tốn tính tốn vị trí vệ tinh độ lệch đồng hồ máy thu 70 Hình 3-8 Sơ đồ thuật tốn tính độ lệch đồng hồ máy thu từ liệu thiên văn 71 Hình 3-9 Sơ đồ thuật tốn tính tốn vị trí máy thu 72 Hình 3-10 Sơ đồ thuật tốn độ xác phép tính toán chuyển đổi hệ trục tọa độ 73 Hình 3-11: Sơ đồ khối tồn khối giải mã, tính tốn liệu vị trí 75 Hình 3-12 Sơ đồ hệ thống đƣợc triển khai phần mềm Simulink 84 Hình 4-1 Các kênh sóng đƣợc dị thành cơng từ liệu dùng để mơ 86 Hình 4-2 Giá trị firstSubFrame kênh khả dụng mô .87 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Bảng chân lý phép Cộng Module với Dữ liệu nhị phân .9 Bảng 1-2 Lựa chọn pha mã C/A 13 Bảng 2-1 Xác định cao độ vĩ độ từ tọa độ thuộc hệ địa tâm địa tĩnh .32 Bảng 2-2 Phƣơng trinh mã hóa chuỗi bít parity 39 Bảng 2-3 Bảng giải mã thông số thiên văn GPS liệu định vị 40 Bảng 2-4 Bảng liệt kê thông số thiên văn .41 Bảng 2-5 Các thành phần quỹ đạo Kepler để xác định vị trí vệ tinh hệ tọa độ quy chiếu 49 Bảng 3-1 Các tham số triển khai khối giải mã tính tốn vị trí 75 Bảng 4-1 Giá trị tham số tiến hành mô 86 Bảng 4-2 Vị trí máy thu đƣợc tính toán với liệu vệ tinh .88 Bảng 4-3 Vị trí máy thu đƣợc tính tốn với liệu vệ tinh .88 Bảng 4-4 Vị trí máy thu đƣợc tính tốn với liệu vệ tinh .88 Bảng 4-5 Độ xác phép giải mã tính tốn vị trí .88 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ viết đầy đủ Ý nghĩa C/A Coarse/Acquisition Mã C/A dùng để dò kênh DSP Digital signal processing Xử lý số tín hiệu ECEF earth centered earth fixed Địa tâm địa tĩnh ECI earth center inertial Địa tâm quán tính ED European Datum Dữ liệu trắc địa châu Âu FPGA field-programmable gate array Mảng cổng logic lập trình đƣợc GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HOW Hande over word Từ HOW tin GPS ICD Interface Control Document Tài liệu kỹ thuật giao diện hệ thống IODC Issue of Data, Clock Đồng hồ tham khảo liệu thiên văn IODE Issue of Data, Ephemeris Dữ liệu thiên văn tham khảo LSB Least significant bít Bít giá trị nhỏ MLS Maximum length sequence Chuỗi độ dài tối đa MSB most significant bít Bít có giá trị lớn NAD North American Datum Dữ liệu trắc địa Bắc Mỹ OS SIS Open Service Signal In Space Dịch vụ định vị vệ tinh tiêu chuẩn hệ thống Galileo PRN Pseudorandom noise Mã giả nhiễu SDR Software Defined Radio Kỹ thuật xử lý tín hiệu vơ tuyến phần mềm TLM Telemetry Từ TLM tin GPS USNO United States Naval Observatory Đài thiên văn hàng hải Hoa Kỳ UTC Coordinated Universal Time Múi chuẩn (GMT+0) WGS World Geodetic System Hệ thống trắc địa giới XOR Exclusive-OR Toán tử XOR Chƣơng Triển khai khối giải mã tính tốn vị trí Đầu ra: gồm 28 đầu là: TOW, weekNumber, accuracy, health, T_GD, IODC, t_oc, a_f2, a_f1, a_f0, IODE_sf2, C_rs, deltan, M_0, e, C_us, sqrtA, t_oe, C_ic, omega_0, C_is, i_0, C_rc, omega, omegaDot, IODE_sf3, iDot  TOW: số TOW Có dạng liệu đơn Kiểu liệu thực, double  weekNumber, accuracy, health, T_GD, IODC, t_oc, a_f2, a_f1, a_f0, IODE_sf2, C_rs, deltan, M_0, e, C_us, sqrtA, t_oe, C_ic, omega_0, C_is, i_0, C_rc, omega, omegaDot, IODE_sf3, iDot: đầu đƣợc đánh số từ đến 28, 27 liệu thiên văn đƣợc giải mã cho kênh Tất có dạng mảng liệu [1 32] với phần tử liệu thiên văn kênh có PRN từ đến 32 Kiểu liệu thực, double Hệ thống sử dụng tham số đầu vào bao gồm: PROC_TIME CHAN_NUM Mô tả: Khối giải mã liệu định vị thực sơ đồ thuật tốn đƣợc trình bày mục 3.1.2 Khối có tham khảo sử dụng hàm checkPhase.m twosComp2dec.m phần mềm mã nguồn mở SoftGNSSv3.0 3.2.4 Khối tính tốn vị trí vệ tinh Khối tính tốn vị trí vệ tinh đƣợc tách thành khối nhỏ để đảm bảo tính rõ rảng việc thực thuật toán hỗ trợ khả debug a) Khối ƣớc lƣợng khoảng cách giả định: Đầu vào: đầu vào absoluteSample, firstSubFrame channelNr  absoluteSample: mẫu tín hiệu kênh Có dạng mảng liệu kích thƣớc [1 37000] (thống với khối bám kênh, thay đổi) Kiểu liệu thực, double Đƣợc nối với đầu khối bám kênh đƣợc nối với đầu khối đồng bít liệu (trong trƣờng hợp hệ thống chạy độc lập)  firstSubFrame: giá trị thời điểm bắt đầu khung liệu kênh khả dụng đƣợc xếp lại thành mảng chiều Có dạng mảng liệu kích 78 Chƣơng Triển khai khối giải mã tính tốn vị trí thƣớc [1 CHAN_NUM] Kiểu liệu thực, double Đƣợc nối với đầu firstSubFrame khối đồng bít liệu  channelNr: biến số hỗ trợ cho việc chạy vòng lặp cho xử lý kênh Có dạng liệu đơn Kiểu liệu thực, double  currMeasNr:biến số hỗ trợ cho việc chạy đồng khối tính tốn vị trí vệ tinh, khối tính tốn vị rtis máy thu khối tính tốn vị trí độ xác chuyển đổi tọa độ Có dạng liệu đơn Kiểu liệu thực, double Đầu ra: có đầu pseudoranges  pseudoranges: khoảng cách giả định đƣợc tính tốn từ mẫu kênh Có dạng mảng liệu chiều [1 CHAN_NUM] Kiểu liệu thực, double Hệ thống sử dụng tham số đầu vào bao gồm: INPUT_VAR, PROC_TIME, CHAN_NUM, SAMP_FREQ, CODE_FREQ, CODE_LEN, ACT_CHLIST, START_OFF, LIGHT_SPEED Mô tả: Khối ƣớc lƣợng khoảng cách giả định thực sơ đồ thuật tốn đƣợc trình bày mục 3.1.3 b) Khối tính tốn vị trí vệ tinh Đầu vào: có 25 đầu vào : TOW, PRN, channelNr, T_GD, t_oc, a_f2, a_f1, a_f0, C_rs, deltan, M_0, e, C_us, sqrtA, t_oe, C_ic, omega_0, C_is, i_0, C_rc, omega, omegaDot, iDot currMsrNr  TOW: số TOW Có dạng liệu đơn Kiểu liệu thực, double Đƣợc nối với đầu khối giải mã liệu thiên văn  PRN: mã định danh kênh khả dụng cho giải mã tính tốn Có dạng mảng liệu kích thƣớc [1 CHAN_NUM], (mảng liệu gồm phần tử mã định danh kênh, kích thƣớc thay đổi theo tham số) Kiểu liệu thực, double Đƣợc nối với đầu PRN khối bám kênh, đầu PRN khối đồng bít liệu (trong trƣờng hợp chạy độc lập) 79 Chƣơng Triển khai khối giải mã tính tốn vị trí  channelNr: biến số hỗ trợ cho việc chạy vòng lặp cho xử lý kênh Có dạng liệu đơn Kiểu liệu thực, double  T_GD, t_oc, a_f2, a_f1, a_f0, C_rs, deltan, M_0, e, C_us, sqrtA, t_oe, C_ic, omega_0, C_is, i_0, C_rc, omega, omegaDot, iDot: liệu thiên văn đƣợc khối giải mã liệu định vị giải mã Tất có dạng mảng liệu [1 32] với phần tử liệu thiên văn kênh có PRN từ đến 32 Kiểu liệu thực, double Đƣợc nối với đầu khối giải mã liệu định vị  currMeasNr:biến số hỗ trợ cho việc chạy đồng khối tính tốn vị trí vệ tinh, khối tính tốn vị rtis máy thu khối tính tốn vị trí độ xác chuyển đổi tọa độ Có dạng liệu đơn Kiểu liệu thực, double Đầu ra: có đầu bao gồm: satPos_all, satClkCorr satPos_sorted, satClkCorr_sorted  satPos_all: liệu vị trí vệ tinh hệ tọa độ Đề-các địa tâm địa tĩnh Có dạng mảng liệu [3 32], cột tƣơng ứng với số liệu vị trí vệ tinh có số PRN số cột; hàng tọa độ x, hàng tọa độ y hàng tọa độ z Kiểu liệu thực, double  satClkCorr: liệu hiệu chỉnh độ lệch đồng hồ vệ tinh so với đồng hồ máy thu Có dạng mảng liệu [1 32] với phần tử hiệu chỉnh độ lệch đồng hồ vệ tinh có PRN từ đến 32 Kiểu liệu thực, double  satPos_sorted: tƣơng tự nhƣ đầu satPos_all nhƣng đƣợc xếp lại để thuận lợi cho việc xử lý bƣớc sau Có dạng mảng liệu [3 CHAN_NUM] với phần tử liệu vị trí vệ tinh Kiểu liệu thực, double  satClkCorr_sorted: tƣơng tự nhƣ đầu satClkCorr nhƣng đƣợc xếp lại để thuận lợi cho việc xử lý bƣớc sau Có dạng mảng liệu [1 CHAN_NUM] với phần tử hiệu chỉnh độ lệch đồng hồ Kiểu liệu thực, double 80 Chƣơng Triển khai khối giải mã tính tốn vị trí Hệ thống sử dụng tham số đầu vào bao gồm: CHAN_NUM Mô tả: Khối tính tốn vị trí vệ tinh thực sơ đồ thuật tốn đƣợc trình bày mục 3.1.3 Khối có tham khảo sử dụng hàm e_r_corr.m ephemeris.m phần mềm mã nguồn mở SoftGNSSv3.0 3.2.5 Khối tính tốn vị trí máy thu Đầu vào: có đầu vào là: satPositions, satClkCorr, pseudoranges currMeasNr  satPositions: liệu vị trí vệ tinh hệ tọa độ Đề-các địa tâm địa tĩnh Có dạng mảng liệu [3 CHAN_NUM] với phần tử liệu vị trí vệ tinh Kiểu liệu thực, double Đƣợc nối với đầu satPos_sorted khối tính tốn vị trí vệ tinh  satClkCorr: liệu hiệu chỉnh độ lệch đồng hồ vệ tinh so với đồng hồ máy thu Có dạng mảng liệu [1 CHAN_NUM] với phần tử hiệu chỉnh độ lệch đồng hồ Kiểu liệu thực, double Đƣợc nối với đầu satClkCorr_sorted khối tính tốn vị trí vệ tinh  pseudoranges: khoảng cách giả định đƣợc tính tốn từ mẫu tín hiệu kênh Có dạng mảng liệu chiều [1 CHAN_NUM] Kiểu liệu thực, double Đƣợc nối với đầu pseudoranges khối ƣớc lƣợng khoảng cách giả định  currMeasNr:biến số hỗ trợ cho việc chạy đồng khối tính tốn vị trí vệ tinh, khối tính tốn vị rtis máy thu khối tính tốn vị trí độ xác chuyển đổi tọa độ Có dạng liệu đơn Kiểu liệu thực, double Đầu ra: có đầu là: Pos, el, az DOP  Pos: vị trí máy thu đƣợc tính tốn hệ tọa độ Đề-các địa tâm địa tĩnh Có dạng mảng liệu chiều [1 4] phần tử lần lƣợt tọa độ 81 Chƣơng Triển khai khối giải mã tính tốn vị trí x, tọa độ y, tọa độ z hiệu chỉnh độ lệch đồng hồ máy thu so với đồng hồ hệ thống GNSS Kiểu liệu thực, double  el: số elevation hệ tọa độ quan sát ngang vệ tinh Có dạng mảng liệu chiều [1 CHAN_NUM] Mỗi phần tử lần lƣợt số elevation vệ tinh khả dụng Kiểu liệu thực, double  az: số azimuth hệ tọa độ quan sát ngang vệ tinh Có dạng mảng liệu chiều [1 CHAN_NUM] Mỗi phần tử lần lƣợt số azimuth vệ tinh khả dụng Kiểu liệu thực, double  DOP: sai số phép tính tốn vị trí mày thu Có dạng mảng liệu kích thƣớc [1 5] Năm phần tử mảng lần lƣợt GDOP, PDOP, HDOP, VDOP TDOP (ý nghĩa thông số đƣợc trình bày phần 2.5) Kiểu liệu thực, double Hệ thống sử dụng tham số đầu vào bao gồm: LIGHT_SPEED, TROP_CORR CHAN_NUM Mô tả: Khối tính tốn vị trí máy thu thực sơ đồ thuật tốn đƣợc trình bày mục 3.1.4 Khối có tham khảo sử dụng hàm e_r_corr.m phần mềm mã nguồn mở SoftGNSSv3.0 3.2.6 Khối tính tốn độ xác chuyển đổi tọa độ Đầu vào: có đầu vào là: receiverPos, rawP, satClkCorr currMeasNr  receiverPos: vị trí máy thu đƣợc tính tốn hệ tọa độ Đề-các địa tâm địa tĩnh Có dạng mảng liệu chiều [1 4] phần tử lần lƣợt tọa độ x, tọa độ y, tọa độ z hiệu chỉnh độ lệch đồng hồ máy thu so với đồng hồ hệ thống GNSS Kiểu liệu thực, double Đƣợc nối với đầu Pos khối tính tốn vị trí máy thu  rawP: khoảng cách giả định đƣợc tính tốn từ mẫu tín hiệu kênh Có dạng mảng liệu chiều [1 CHAN_NUM] Kiểu liệu thực, 82 Chƣơng Triển khai khối giải mã tính tốn vị trí double Đƣợc nối với đầu pseudoranges khối ƣớc lƣợng khoảng cách giả định  satClkCorr: liệu hiệu chỉnh độ lệch đồng hồ vệ tinh so với đồng hồ máy thu Có dạng mảng liệu [1 CHAN_NUM] với phần tử hiệu chỉnh độ lệch đồng hồ Kiểu liệu thực, double Đƣợc nối với đầu satClkCorr_sorted khối tính tốn vị trí vệ tinh  currMeasNr:biến số hỗ trợ cho việc chạy đồng khối tính tốn vị trí vệ tinh, khối tính tốn vị rtis máy thu khối tính tốn vị trí độ xác chuyển đổi tọa độ Có dạng liệu đơn Kiểu liệu thực, double Đầu ra: có đầu là: geoPos, ENUPos corrP  geoPos: tọa độ máy thu hệ tọa độ Đề-các trắc địa Có dạng mảng liệu [1 3] với phần tử lần lƣợt vĩ độ, kinh độ cao độ Kiểu liệu thực, double  utmPos: tọa độ máy thu hệ tọa độ UTM Có dạng mảng liệu kích thƣớc [1 3] Ba phần tử mảng lần lƣợt E (easting), N (northing) U (Uping) Kiểu liệu thực, double  corrP: khoảng cách giả định đƣợc hiệu chỉnh từ độ lệch đồng hồ máy thu hệ thống Có dạng mảng liệu chiều [1 CHAN_NUM] Kiểu liệu thực, double Hệ thống sử dụng tham số đầu vào bao gồm: LIGHT_SPEED CHAN_NUM Mơ tả: Khối tính tốn độ xác chuyển đổi tọa độ thực sơ đồ thuật tốn đƣợc trình bày mục 3.1.5 Khối có tham khảo sử dụng hàm cart2geo.m, cart2utm.m, clksin.m, clsin.m, findUtmZone.m, togeod.m, topocent.m, tropo.m phần mềm mã nguồn mở SoftGNSSv3.0 83 Chƣơng Triển khai khối giải mã tính tốn vị trí Hình 3-12 Sơ đồ hệ thống đƣợc triển khai phần mềm Simulink 84 Chƣơng 4: Mơ – đánh giá CHƢƠNG MƠ PHỎNG – ĐÁNH GIÁ 4.1 Mô 4.1.1 Dữ liệu đầu vào Khối giải mã tính tốn vị trí phần mềm Simulink Mơ hình hệ thống Simulink đƣợc trình bày hình 3.12 Bộ liệu đầu vào đƣợc sử dụng đƣợc sƣu tầm từ tài liệu tham khảo [10], có thơng tin nhƣ sau:  Tên file: Multipath.bin  Kích thƣớc: 624 Megabytes  Mơ tả: ghi liệu từ khối mày thu GPS front-end Bản ghi có độ dài 37000 ms, tần số lấy mẫu 16367600 Hz tần số trung tần 4130400 Hz (cả hai thông số tần số giá trị trung bình) Mỗi mẫu tín hiệu đƣợc lƣu lại dƣới dạng kí tự có dấu, có bít liệu kí tự có dấu đƣợc sử dụng (do chế độ lấy mẫu hai bít từ khối front-end) File liệu nói chƣa đƣợc xử lý dị kênh bám kênh, ta sử dụng phần mềm softGNSSv3.0 để xử lý thay phần khối dò kênh khối bám kênh Kết đầu khối bám kênh đƣợc lƣu lại thành file trackResults.mat Trong file chứa thông tin ta cần cho việc mơ bao gồm: lƣợng kênh I_P, mẫu tín hiệu absoluteSample, danh sách kênh PRN File trackResults.mat đƣợc đặt vào thƣ mục với khối giải mã tính tốn vị trí Từ thơng tin liệu đầu vào trên, ta thiết lập tham số đầu vào mơ cho khối giải mã tính tốn vị trí nhƣ Bảng 4-1 Do khơng đƣợc nối với khối bám kênh trƣớc lấy liệu đầu khối bám kênh từ file liệu, nên khối chạy chế độ độc lập 85 Chƣơng 4: Mô – đánh giá Bảng 4-1 Giá trị tham số tiến hành mô Tên Đơn vị Giá trị PROC_TIME 37000 ms CHAN_NUM 12 không đơn vị SAMP_FREQ 16.3676e6 Hz CODE_FREQ 1.023e6 Hz CODE_LEN 1023 không đơn vị NAV_PERIOD 500 ms ELE_MASK độ TROP_CORR không đơn vị LIGHT_SPEED 299792458 m/s START_OFF 68.802 ms INPUT_VAR trackResults.mat không đơn vị Sau sử dụng phần mềm softGNSSv3.0 xử lý phần dị kênh bám kênh ta có đƣợc kênh vệ tinh khả dụng để giải mã tính tốn vị trí.Trong đó, cần ý hai kênh có mức tín hiệu yếu (xem Hình 4-1) Hình 4-1 Các kênh sóng đƣợc dị thành công từ liệu dùng để mô 86 Chƣơng 4: Mô – đánh giá 4.1.2 Kế hoạch mơ Với liệu có sẵn tín hiệu vệ tinh khả dụng, lý thuyết ta thực mơ với tối thiểu vệ tinh, từ liệu đầu vào kể lập kế hoạch mơ nhƣ sau:  Mô hệ thống với vệ tinh  Mô hệ thống với vệ tinh  Mô hệ thống với vệ tinh Kết cần thu đƣợc sau lần mô vị trí máy thu (kinh độ, vĩ độ, cao độ) độ xác phép giải mã, tính tốn vị trí máy thu Kết thu đƣợc từ lần mô đƣợc so sánh với để đánh giá mức độ thay đổi tăng số lƣợng vệ tinh khả dụng 4.1.3 Kết mơ Hình 4-2 Giá trị firstSubFrame kênh khả dụng mô Theo kết mô phỏng, khung liệu bắt đầu xuất thời điểm 256ms (kể từ bắt đầu ghi liệu) vệ tinh có PRN = Tƣơng tự ta có 250ms với vệ tinh có PRN = 10, 247ms với vệ tinh có PRN = 24, 249 ms với vệ tinh có PRN = 30 , 241 ms với vệ tinh có PRN = 6, 241 ms với vệ tinh có PRN = Các kết mơ theo kế hoạch mô đƣợc liệt kê Bảng 4-2 Vị trí máy thu đƣợc tính tốn với liệu vệ tinh, Bảng 4-3 Vị trí máy thu đƣợc tính 87 Chƣơng 4: Mơ – đánh giá toán với liệu vệ tinh, Bảng 4-4 Vị trí máy thu đƣợc tính tốn với liệu vệ tinh, Bảng 4-5 Độ xác phép giải mã tính tốn vị trí Bảng 4-2 Vị trí máy thu đƣợc tính tốn với liệu vệ tinh Đo với vệ tinh Vĩ độ (độ) Kinh độ (độ) Cao độ (m) Kết thời điểm 10s 57° 1' 20.7765" 10° 52' 38.9706" 1697,1845 Kết thời điểm 20s 57° 1' 31.2199" 11° 33' 21.0055" 3333,6339 Kết thời điểm 30s 57° 1' 28.0901” 11° 13' 59.7281" 5300,4263 Kết trung bình 37s 57° 1' 22.7836” 11° 19' 2.5554" 2863,9265 Bảng 4-3 Vị trí máy thu đƣợc tính toán với liệu vệ tinh Đo với vệ tinh Vĩ độ (độ) Kinh độ (độ) Cao độ (m) Kết thời điểm 10s 57° 2' 38.0737” 10° 24' 22.8815" 1466,5671 Kết thời điểm 20s 57° 3' 59.3313” 10° 43' 28.5373" 2599,7888 Kết thời điểm 30s 57° 5' 16.9479” 11° 2' 35.8119" 3744,1581 Kết trung bình 37s 57° 3' 29.5673” 10° 36' 46.8612" 2204,6805 Bảng 4-4 Vị trí máy thu đƣợc tính tốn với liệu vệ tinh Đo với vệ tinh Vĩ độ (độ) Kinh độ (độ) Cao độ (m) Kết thời điểm 10s 57° 2' 47.6467” 10° 15' 37.3968" 1523,8170 Kết thời điểm 20s 57° 4' 18.2305” Kết thời điểm 30s 57° 5' 46.8486” 11° 40' 28.1331" 3880,3736 10° 28' 0.5752" Kết trung bình 37s 57° 3' 45.8061” 10° 23' 40.1475" 2697,9451 2287,564 Bảng 4-5 Độ xác phép giải mã tính tốn vị trí Đo với vệ tinh Đo với vệ tinh Đo với vệ tinh GDOP trnng bình PDOP trnng bình HDOP trnng bình VDOP trnng bình TDOP trnng bình 8.8059 7.6449 6.9665 3.1484 4.3702 5.9801 4.8964 4.3809 2.1871 3.4331 5.2394 4.2510 3.6495 2.1800 3.0626 88 Chƣơng 4: Mô – đánh giá 4.2 Nhận xét – Đánh giá Các mơ triển khai khối giải mã tính tốn đƣợc thực thành cơng thực theo thuật toán đƣợc thiết kế Dựa kết mơ trình bày phần trên, ta rút số kết luận nhƣ sau: Xét PDOP kết mô cho thấy kết mơ với tín hiệu vệ tinh cho giá trị PDOP nhỏ Nhƣ trƣờng hợp mơ với tín hiệu vệ tinh có phƣơng trình quan sát vệ tinh tốt nhất, cho độ xác vị trí cao hai phép mơ cịn lại Nhƣ hệ đánh giá trên, kết vị trí (kinh độ, vĩ độ, cao độ) tính tốn đƣợc mơ với vệ tinh có khả xác cao Ta dễ thấy mơ với vệ tinh có PDOP < theo nhƣ [8] kết tính tốn chấp nhận đƣợc Tuy nhiên so sánh kết giải mã tính tốn vị trí với số lƣợng vệ tinh khả dụng khác (5 6) cho kết có độ lệch đáng kể Ở vĩ độ 57°, 1’ kinh độ có giá trị khoảng 1024 mét, 1’ vĩ độ có giá trị khoảng 1108 mét, độ lệch giá trị phép đo có giá trị khoảng vài chục hàng trăm mét Một yếu tố khác đóng góp vào nhận định chƣa thể kết luận đƣợc phép đo với nhiều vệ tinh khả dụng cho kết xác (gần với vị trí thực máy thu) trƣờng hợp tín hiệu từ vệ tinh thứ (PRN 6) vệ tinh thứ (PRN 7) file liệu có cƣờng độ yếu, có nhiều khả bị lỗi tín hiệu vệ tinh cịn lại Về giá trị độ xác phép tính tốn vị trí (DOP), dễ dàng quan sát đƣợc với phép đo dùng nhiều vệ tinh cho giá trị nhỏ Điều đƣợc hiểu có nhiều tín hiệu vệ tinh phép tính tốn vị trí tính tốn có xác suất nằm gần với vị trí thực máy thu Mặc dù kết mô triển khai khối giải mã, tính tốn vị trí có khả mang sai số cao mong muốn, nhiên đặc điểm thƣờng gặp máy thu định vị toàn cầu GNSS đơn tần số băng tần L1 sai số đƣợc hiệu chỉnh cách phát triển thêm giải thuật tính tốn 89 Kết luận KẾT LUẬN Luận văn trình bày đầy đủ sở lý thuyết nêu rõ bƣớc thiết kế thành phần vi mạch định vị toàn cầu GNSS khối giải mã tính tốn vị trí Khối đƣợc thiết kế để giải mã tín hiệu vệ tinh sử dụng mã CA băng tần L1 đƣợc thử nghiệm mô thành công phần mềm Simulink với nguồn liệu phù hợp Kết vị trí thơng số tính tốn đƣợc, đƣợc nhận xét có khả mang sai số cao mong muốn, nhiên đặc điểm thƣờng gặp máy thu định vị toàn cầu GNSS đơn tần số băng tần L1 Để cải thiện độ xác khối giải mã tính tốn vị trí vi mạch định vị tồn cầu GNSS, tiếp tục phát triển thêm thuật toán sửa lỗi trễ tín hiệu gây truyền qua tầng điện ly, áp dụng loại bỏ cập nhật tín hiệu vệ tinh dựa giá trị elevation trình tính tốn Một hƣớng khác phát triển thêm khả xử lý tín hiệu vệ tinh GNSS-Galileo, mà khác biệt cấu trúc tin hai hệ thống GPS Galileo không đáng kể 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh [1] Kai Borre, Dennis M Akos, Nicolaj Bertelsen, Peter Rinder, Søren Holdt Jensen (2007) A Software-Defined GPS and Galileo Receiver, Birkhauser Boston Inc [2] Filipe Jorge Coelho, (2011) Software Defined GPS/Galileo Receiver, Universidade Técnica de Lisboa [3] Strang, G & K Borre (1997): Linear Algebra, Geodesy and GPS, Wellesley-Cambridge Press [4] ICD-GPS-200 (1991) Interface control document ICD-GPS-200, Arinc Research Corporation, 11 770 Warner Ave., Suite 210, Fountain Valley, CA [5] Kaplan, Elliott D & Hegarty, Christopher J., editors (2006) Understanding GPS, Principles and Applications Artech House, 2nd edition, Boston, MA [6] James Bao-Yen Tsui (2005), Fundamentals Of Global Positioning System Receivers, USA, John Wiley & Sons [7] Galileo OS SIS ICD Issue Rev.1 (2010), Galileo Open Service Signal In Space Interface Control Document, European Commission, DG Enterprise and Industry, BREY 07/173 B-1049 Brussels [8] DoD, U S (2001) Global positioning system standard positioning service performance standard Assistant secretary of defense for command, control, communications, and intelligence Tiếng Việt [9] Nguyễn Ngọc Thủy, Phạm Hùng Cƣờng, Trƣơng Quang Quý, Nguyễn Đình Nhất (2011), Thiết kế, chế tạo, thử nghiệm máy thu định vị vệ tinh dùng công nghệ – SDR, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa Hà Nội Dữ liệu định vị tham khảo 91 [10] http://kom.aau.dk/project/softgps/data.php Truy cập lần cuối ngày 09-32015 Mã nguồn chƣơng trình softGNSSv3.0 [11] http://gfix.dk/matlab-gnss-sdr-book Truy cập lần cuối ngày 25-02-2015 92 ... thống GNSS- GPS Nghiên cứu sở lý thuyết khối giải mã tính tốn vị trí vi mạch định vị toàn cầu GNSS Nghiên cứu triển khai khối giải mã tính tốn vị trí vi mạch định vị tồn cầu GNSS Mơ khối giải mã tính. .. thách thú vị Những lý sở để tác giả chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu phát triển vi mạch định vị tồn cầu GNSS: Thiết kế khối giải mã tính tốn vị trí? ?? Lịch sử nghiên cứu Ở Vi? ?t Nam có lịch sử nghiên cứu hệ... SDR, DSP FPGA Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: nghiên cứu khối giải mã tính tốn vị trí vi mạch định vị toàn cầu GNSS, triển khai sở lý thuyết vào