THIẾT KẾ BỘ THU MỀM CHO CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG SỬ DỤNG VỆ TINH TIÊN TIẾN

THIẾT KẾ BỘ THU MỀM CHO CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG SỬ DỤNG VỆ TINH TIÊN TIẾN (Software Receiver Design for Modern Global Navigation Satellite Systems) TẠ HẢI TÙNG Bộ mơn Truyền thơng Mạng máy tính Viện Cơng nghệ thơng tin Truyền thơng Nội dung trình bày •  •  •  •  •  Tổng quan công nghệ GNSS Các hệ thống GNSS tiên tiến Bộ thu mềm GNSS Các cơng nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến Các kết ban đầu việc phát triển thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo •  Một số gợi ý hướng nghiên cứu lĩnh vực GNSS Tổng quan công nghệ GNSS Where am I? How I get to my destination? These questions are as old as the history of mankind Thời đồ đá Thời định vị theo thiên văn LORAN GNSS Thời định vị theo sóng radio Tổng quan cơng nghệ GNSS (x,y,z) •  Sử dụng vệ tinh để truyền sóng radio định vị •  Số vệ tinh tối thiểu: Tổng quan công nghệ GNSS Cách xác định khoảng cách d = c×τ d: khoảng cách c: vận tốc ánh sáng τ : trễ truyền lan S Truyền xung A, thời điểm A t τ =t −t S A u X/đ thời điểm xung A đến Rx A t u A Ẩn số thứ => Cần thêm vệ tinh Tổng quan công nghệ GNSS Xung định vị •  Mã trải phổ, giả ngẫu nhiên: –  Tính chất: Hàm tự tương quan ~ 1, tương quan chéo ~ –  Họ mã: M-sequence, Gold code, and Kasami code, Memory code… –  Mỗi mã gán với vệ tinh –  Ví du: GPS L1 C/A •  Chu kỳ mã: ms; Độ dài mã: 1023 chip; Tốc độ truyền mã: 1.023Mcps; Độ phân giải: ~ às (293m) ã Súng mang Tớnh cht: tần số dao động lớn (L1:1.575 GHz) => độ phân giải nhỏ (0.6ns 1.9m)=> độ xác cao (mm, cm, dm…) –  Địi hỏi thuật tốn xác định số nguyên chu kỳ phức tạp (integer ambiguity) Tổng quan cơng nghệ GNSS Tính tốn PVT •  Giải hệ phương trình phi tuyến ẩn số (x,y,z,δtu) •  Phương pháp giải: –  Tuyến tính hóa khai triển Taylor –  Sử dụng thuật toán Least Mean Square để giải phương trình tuyến tính Tổng quan cơng nghệ GNSS Các nguồn gây lỗi (1/2) •  Geometric Dilution Of Precision (GDOP): ảnh hưởng yếu tố hình học đến chất lượng định vị: Tổng quan công nghệ GNSS Các nguồn gây lỗi (2/2) Tổng quan công nghệ GNSS Các ứng dụng GNSS •  Thông dụng: –  Dẫn đường cho phương tiện giao thơng –  Giám sát hành trình –  Lưu vết đối tượng –  Dịch vụ hướng vị trí (Location Based Services - LBS) •  Chuyên sâu: –  Trắc địa, đồ –  Giám sát môi trường –  Nghiên cứu tầng khí –  Phương tiện tự hành –  Đồng thời gian hệ thống viễn thông, giao dịch điện tử 10 Kiến trúc “Feedback” SMF Correlator s L1 C/A Code Gen ~ L2C (CM) SMF Correlator s MGDC WL1 + Freq Estimation WL2 H1 V > < H0 MGDC Đặc điểm: - Tận dụng thành phần sẵn có xử lý tín hiệu vi sai -  Phối hợp thơng tin từ kênh để nâng cao độ xác ước lượng 41 Phối hợp đa kênh nhiều tần số Phân tích hiệu thu (1/3) So sánh độ nhạy với kiến trúc thu So sánh độ nhạy với kiến trúc phối hợp có 42 Phối hợp đa kênh nhiều tần số Phân tích hiệu thu (2/3) Đồng bit liệu Độ xác ước lượng tần số dư 43 Phối hợp đa kênh nhiều tần số Phân tích hiệu thu (3/3) Bám tín hiệu L1 Bám tín hiệu L2 44 Nội dung trình bày •  •  •  •  •  Tổng quan công nghệ GNSS Các hệ thống GNSS tiên tiến Bộ thu mềm GNSS Các cơng nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến Các kết ban đầu việc phát triển thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo •  Một số gợi ý hướng nghiên cứu lĩnh vực GNSS 45 Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Đặt vấn đề: •  Nhu cầu xây dựng thu mềm GPS/Galileo hoàn chỉnh để: –  Kiểm nghiệm kỹ thuật xử lý tín hiệu phát triển –  Đón đầu hệ thống Galileo (dự kiến 2015) –  Phát triển giải pháp định vị phối hợp đa hệ thống –  Làm chủ cơng nghệ chế tạo thu GNSS •  Nền tảng phát triển thu: PC  hệ nhúng, DSP, FPGA 46 Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Tín hiệu sử dụng: •  Tín hiệu miễn phí, tần số: –  GPS: L1 C/A –  Galileo: E1 Open Service (OS) •  Tín hiệu “thực” Galileo phát từ Hệ thống GATE (GALILEO Test and Development Environment) đặt Munich, Đức: –  giả vệ tinh đặt khu vực 65 km2 –  Phát tín hiệu Galileo E1, E5, E6 –  Có khả mơ kênh truyền tương tự từ vệ tinh 47 Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Kiến trúc thu: Các mô-đun phát triển: •  Prototype cho front-end •  Phần xử lý tín hiệu chạy máy PC 48 Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Kết GPS (1/2): •  vệ tinh GPS phát hiện: SVN [9,15,12,17,22,27,25,30] 49 Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Kết GPS (2/2): Kết từ thu mềm Kết từ thu thương mại 50 Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Kết Galileo (2/2): Main & side peaks •  vệ tinh Galileo phát hiện: SVN [1,2,11,21,22,23] 51 Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Kết Galileo (2/2): Kết từ thu mềm tín hiệu Galileo Kết từ thu mềm tín hiệu GPS Kết từ thu thương mại 52 Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Định vị phối hợp hệ thống (1/2): •  Hiện tượng “urban canyon”  vơ hiệu hóa GPS •  Kết hợp chùm vệ tinh GPS + Galileo  giúp phép định vị •  Cần tối thiểu vệ tinh cho ẩn số (x,y,x; sai số đồng hồ máy thu hệ thống GPS; sai số đồng hồ hệ thống GPS, Galileo) 53 Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Định vị phối hợp hệ thống (1/2): Kết từ thu mềm tín hiệu Galileo Kết từ thu mềm tín hiệu GPS Kết từ thu thương mại Kết từ thu mềm tín hiệu Galileo Sai số lớn khác Hai hệ tọa độ GPS Galileo 54 Book Chapter: [1] T H Ta, F Dovis, “Chapter: High Sensitivity Acquisition Techniques for GNSS signals”, Global Navigation Satellite System, InTech Publisher, 10, 2011 Journals [2] T H Ta, M Pini, L L Presti, “Combined Acquisition Architectures for GPS Dual-Frequency L1C/A-L2C Receivers”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems (under review) [3] T H Ta, F Dovis, D Margaria, and L L Presti, “Comparative Study on Joint Data/Pilot Strategies for High Sensitivity Galileo E1 Open Service Signal Acquisition,” IET (previously IEE) Radar, Sonar and Navigation, vol 4, Issue 6, pp 764–779, December 2010 [4] T H Ta, N Shivaramaiah, A Dempster, L L Presti, “Significance of Cell Correlations in GNSS Matched Filter Acquisition Engines,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems (accepted 2010) [5] T H Ta, S Qaisar, A Dempster, F Dovis, “Partial Differential Post Correlation Processing for GPS L2C Signal Acquisition,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems (accepted 2010) In conference proceedings: [6] T H Ta, S H Ngo: “A Novel Signal Acquisition Method for GPS Dual-Frequency L1 C/A and L2C Receivers“ IEEE ATC 2011, Danang, Vietnam, August 2011 (under review) [7] T H Ta, F Dovis, R Lesca, D Margaria, “Comparison of Joint Data/Pilot High-Sensitivity Acquisition Strategies for Indoor Galileo E1 Signal,” European Navigation Conference ENC-GNSS 08, Toulouse, France, 23-25 April, 2008 [8] T H Ta, L Lo Presti, F Dovis, D Margaria, R Lesca, “Differential Data/Pilot Joint Acquisition Strategies for Indoor Galileo E1 Signal,” ION GNSS 2008, Savannah, Georgia, USA, 16-19 September, 2008 [9] T H Ta, F Dovis, L L Presti, “A Differential Joint Data/Pilot Strategy for High Sensitivity Galileo E1 Signal Acquisition,” in 2008 International Conference on Advanced Technologies for Communications, Hanoi, Vietnam, 6-9 October, 2008 [10] T H Ta, N Shivaramaiah, A Dempster, “Significance of Cell Correlations in Matched Filter GPS Acquisition Engines,” IGNSS Symposium, Surfer Paradise, Gold Coast, Queensland, Australia, 1-3 December, 2009 [11] S Qaisar, T H Ta, A Dempster, F Dovis, “Post Detection Integration Strategies for GPS L2C Signal Acquisition,” IGNSS Symposium, Surfer Paradise, Gold Coast, Queensland, Australia, 1-3 December, 2009 55