4. Cấu trúc nội dung của luận án
4.5.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá
Hiệu năng hoạt động của giải pháp được đề xuất được so sánh với các giải pháp khác như giải pháp truyền thống sử dụng hàm ACF, giải pháp AsPECT và giải pháp SCPC được đề xuất ở trong [48]. Các tiêu chí được thực hiện so sánh gồm có: đặc tính hàm tương quan được sử dụng, đáp ứng bộ so pha, hiệu năng giảm nhiễu đa đường thông qua MEE và xem xét các ảnh hưởng khác đến hiệu năng hoạt động bám mã.
Hình 4.37. Hàm tương quan đề xuất và các hàm ACF ( , SCPC và AsPECT cho tín hiệu
( khi bỏ qua ảnh hưởng của bộ lọc RF.
Đầu tiên, hàm tương quan của các giải pháp được minh họa ở Hình 4.37 trong đó bỏ qua ảnh hưởng của bộ lọc RF. Quan sát hình vẽ, trong khi các giải pháp khác không thích hợp với tín hiệu ( trên khía cạnh loại bỏ ảnh hưởng của đỉnh phụ. Thông thường, hàm ACF của tín hiệu ( có 06 đỉnh phụ bên cạnh đỉnh chính có độ rộng hẹp. Giải pháp AsPECT do chỉ được thiết kế cho tín hiệu ( nên khi triển khai với tín hiệu
( chỉ thực hiện loại bỏ được đỉnh phụ thứ ba, các đỉnh phụ thứ nhất và thứ hai vẫn còn tồn tại với công suất khá lớn. Giải pháp SCPC tuy có thể tạo ra hàm tương quan không còn các đỉnh phụ, tuy nhiên, độ rộng của đỉnh chính trong giải pháp SCPC rộng tương đương với đỉnh hàm ACF tín hiệu BPSK. Do đó, giải pháp này triệt tiêu hết các ưu điểm của tín hiệu
( trên khía cạnh nâng cao độ chính xác bám mã khi đỉnh chính có độ rộng hẹp. Ngược lại với các giải pháp còn lại, giải pháp đề xuất đã tạo ra một hàm tương quan tổng hợp vẫn duy trì được các ưu điểm của tín hiệu ( . Đó là, độ rộng của đỉnh chính trong hàm tương quan tổng hợp khá hẹp. Ngoài ra, như mục tiêu đề ra ban đầu, hàm tương quan tổng hợp đã không còn các đỉnh phụ.
Hình 4.38.Đáp ứng bộ so pha EMLP (trái) và được phóng to quanh điểm khóa đúng (phải) với
(trên), (giữa ) và (dưới) với tín hiệu ( của các giải pháp hàm ACF, AsPECT, SCPC và giải pháp đề xuất
Tiếp theo, đặc tính của đáp ứng bộ so pha dạng EMLP được xem xét ứng với các giải pháp nêu ở trên. Từ quan sát Hình 4.37, hàm tương quan tổng hợp của giải pháp đề xuất có nửa độ rộng đỉnh chính hẹp ( ). Do đó, để bộ so pha hoạt động ổn định, khoảng lệch sớm muộn được lựa chọn phải có . Vì vậy, các đáp ứng bộ so pha dạng EMLP được xem xét có . Hình dạng của đáp ứng bộ so pha với các giá trị khác nhau của
và bỏ qua ảnh hưởng của bộ lọc RF được minh họa ở Hình 4.38. Từ kết quả hình vẽ, ta nhận thấy, trong khi các giải pháp khác có nhiều điểm khóa nhầm thì giải pháp đề xuất chỉ có một điểm khóa đúng trùng với điểm lệch 0. Do đó, hiện tượng bám nhầm đã được loại bỏ. Tuy nhiên, quan sát các đồ thị ta cũng có thể thấy, có sự khác biệt về miền ổn định giữa các giải pháp. Giải pháp SCPC có miền ổn định nhỏ nhất, tiếp đến là giải pháp đề xuất. Hai giải pháp còn lại có miền ổn định tương đương nhau và lớn nhất. Vì vậy, việc loại bỏ đỉnh phụ bị trả giá về mặt ổn định của bộ so pha, các sai số lớn làm cho bộ so pha của giải pháp đề xuất dễ rơi vào trạng thái mất ổn định. Ngoài ra, miền tuyến tính, một tham số rất quan trọng của bộ so pha cũng có sự khác biệt giữa các giải pháp. Miền tuyến tính của giải pháp đề xuất khá nhỏ so với giải pháp truyền thống dùng hàm ACF. Điều này được giải thích bởi đỉnh của hàm tương quan đề xuất hẹp hơn so với các giải pháp còn lại. Vì vậy, bộ so pha với giải pháp đề xuất chỉ có đáp ứng chính xác khi sai lệch mã nhỏ. Khoảng lệch sớm – muộn càng giảm thì miền tuyến tính của tất cả các giải pháp đều giảm. Khi đó, miền tuyến tính của giải pháp đề xuất tiệm cận tương ứng với miền tuyến tính của giải pháp dùng hàm ACF. Điều đó khẳng định, giải pháp đề xuất hoạt động hiệu quả hơn khi có giá trị nhỏ. Nhưng như vậy, việc lựa chọn giá trị của cho giải pháp đề xuất khắt khe hơn. Do giá trị của còn phụ thuộc vào tốc độ chip và băng thông của bộ lọc RF.
Cuối cùng, ảnh hưởng của tín hiệu đa đường đến hiệu năng hoạt động của giải pháp đề xuất được xem xét. Đường bao MEE được sử dụng để thực hiện đánh giá này. Kết quả được minh họa ở Hình 4.39. Trong điều kiện đánh giá thông qua MEE, tín hiệu đến bộ thu bao gồm một tín hiệu LOS và một tín hiệu MP, trong đó, tín hiệu MP có biên độ bằng ½ biên độ tín hiệu LOS. Trễ đa đường được xem xét thay đổi từ 0 đến (tương ứng từ 0 đến ). Từ những kết quả ở trên hình vẽ, giải pháp đề xuất có hiệu năng giảm nhiễu đa đường tốt hơn so với các giải pháp khác. Trong khi giải pháp truyền thống dùng hàm ACF có sai số đa đường suy giảm về mức không đáng kể khi trễ đa đường vào khoảng thì giải pháp đề xuất cho kết quả tương tự chỉ với các trễ đa đường lớn hơn . Như vậy, giải pháp này chỉ chịu tác động của các tín hiệu đa đường có trễ ngắn. Với các thành phần đa đường có trễ dài và trung bình, hiệu năng của giải pháp đề xuất khá tốt. Kết quả này có được dựa trên đặc tính của hàm tương quan tổng hợp. Đỉnh của hàm tương quan tổng hợp nhọn và có độ rộng hẹp. Bên cạnh đó, hàm tương quan tổng hợp không có các đỉnh phụ, chỉ có duy nhất một đỉnh chính. Do đó, chỉ các thành phần đa đường có trễ ngắn làm biến dạng hàm tương quan tổng hợp và gây ra sai số đa đường. Các thành phần đa đường dài và trung bình không làm biến dạng hàm tương quan tổng hợp nên không gây ra sai số đa đường. Những kết quả trên đây một lần nữa khẳng định hiệu quả của giải pháp đề xuất trong việc nâng cao hiệu năng bám mã cho bộ thu GNSS dưới tác động của hiện tượng đa đường.
Bên cạnh đó, đường bao RAE cũng được sử dụng để so sánh, đánh giá hiệu năng giảm nhiễu đa đường của các giải pháp như minh họa ở Hình 4.39. Trong số các giải pháp được xem xét, giải pháp đề xuất có đường bao RAE tốt nhất với các đặc điểm: giá trị sai số cực đại
nhỏ và tiến về nhanh nhất. Những đặc điểm này có thấy giải pháp đề xuất về tổng thể có hiệu năng giảm nhiễu đa đường tốt nhất.
Hình 4.39. MEE (trái) và RAE (phải) của các giải pháp:hàm ACF, AsPECT, SCPC và hàm đề xuất cho tín hiệu ( với bộ so pha dạng EMLP có (trên), (giữa)
và (dưới).
4.6. Kết luận chƣơng
Dựa trên việc kết hợp giữa các hàm tương quan khác nhau, chương này đã đề xuất được các giải pháp cải thiện hiệu năng bám mã cho mạch vòng DLL với tín hiệu định vị dạng điều
chế BOC. Khả năng cải thiện này đạt được thông qua việc loại bỏ hoặc giảm thiểu công suất của các đỉnh phụ trong hàm ACF để tránh đồng bộ nhầm vào các đỉnh đó. Nội dung của chương có thể được tóm tắt như sau:
Một giải pháp tránh bám mã nhầm áp dụng cho tín hiệu điều chế ( đã được nghiên cứu, đề xuất và đánh giá. Giải pháp này dựa trên kết hợp giữa hàm ACF của tín hiệu ( và hàm tương quan BOC – PRN (tương quan giữa tín hiệu BOC và mã giả ngẫu nhiên PRN). Hàm tương quan tổng hợp đạt được đã loại bỏ được 04 đỉnh phụ của hàm ACF. Đồng thời, độ rộng đỉnh chính của hàm ACF tín hiệu
( vẫn được duy trì.
Toán tử phân tích năng lượng Teager – Kaiser (TK) cũng đã được lựa chọn để nghiên cứu và xây dựng một giải pháp để nâng cao độ chính xác cho quá trình bám mã trong các bộ thu GNSS. Việc kết hợp toán tử TK với giải pháp loại bỏ đỉnh phụ hàm ACF giúp tạo ra một giải pháp tránh bám nhầm mới có thể được áp dụng cho tín hiệu điều chế ( cũng như ( . Giải pháp này cũng đạt được tiêu chí về khắc phục khả năng bám nhầm của mạch vòng và duy trì được những ưu điểm của dạng tín hiệu điều chế BOC.
Đề xuất một giải pháp nhằm nâng cao hiệu năng bám mã cho DLL trong bộ thu GNSS. Giải pháp này dựa trên việc bố trí lại kết hợp các hàm tương quan phụ (các thành phần tương quan của hàm ACF) và áp dụng hiệu quả cho tín hiệu định vị điều chế ( .
KẾT LUẬN Đóng góp khoa học của luận án
Nội dung của luận án đã tập trung giải quyết những tác nhân gây sai số nhằm cải thiện chất lượng, nâng cao độ chính xác của các bộ thu GNSS, đặc biệt khi các hệ thống GNSS đang trong giai đoạn phát triển và hiện đại hóa với việc bổ sung thêm nhiều tín hiệu định vị mới. Hai vấn đề được tập trung nghiên cứu là nhiễu đa đường và hiện tượng sai lệch đồng bộ khi bộ thu GNSS hoạt động với các tín hiệu định vị dạng điều chế BOC. Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu mới có thể được tóm lược lại như sau:
Đề xuất, cải tiến và tối ưu các cấu trúc DLL sử dụng đa bộ tương quan nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động cho các cấu trúc này. Đầu tiên, cấu trúc sử dụng 5 bộ tương quan (cấu trúc DDC) được cải tiến nhằm nâng cao hiệu năng giảm nhiễu đa đường với các tín hiệu đa đường ngắn. Tiếp đó, đề xuất và tối ưu cấu trúc MGD 3 tầng nhằm loại trừ khả năng bám nhầm và duy trì hiệu năng giảm nhiễu đa đường. Ngoài ra, khả năng triển khai cấu trúc này trên các bộ thu mềm GNSS cũng rất dễ dàng.
Đề xuất và thực hiện một số giải pháp cải thiện độ chính xác trong quá trình bám mã cho DLL khi triển khai với một số dạng điều chế tín hiệu BOC. Nhóm giải pháp này bao gồm giải pháp kết hợp giữa hàm ACF của tín hiệu BOC và hàm tương quan BOC – PRN để đat được hàm tương quan tổng hợp mới không còn đỉnh phụ và áp dụng cho tín hiệu ( . Với tín hiệu ( , dựa trên sự kết hợp đó đồng thời bổ sung thêm toán tử phi tuyến TK, một giải pháp mới được đề xuất. Cuối cùng, một giải pháp thực hiện theo hướng kết hợp mới giữa các hàm tương quan phụ trong hàm ACF của tín hiệu ( được đề xuất để loại bỏ các đỉnh phụ.
Các kết quả nghiên cứu đã đạt được này của luận án sẽ góp phần vào nhóm giải pháp kỹ thuật để cải thiện độ chính xác cho các bộ thu GNSS. Điều này có thể mở ra nhiều ứng dụng hơn nữa của công nghệ định vị sử dụng vệ tinh trong quản lý giao thông, quan trắc môi trường, cảnh báo thiên tai,…
Hƣớng phát triển của luận án
Hiện nay, kết quả đạt được của các giải pháp đề xuất mới ở dạng mô phỏng. Trong thời gian tới, các giải pháp này sẽ được triển khai, thực thi và kiểm nghiệm trên các bộ thu mềm GNSS. Bên cạnh đó, khi các tín hiệu định vị mới của các hệ thống GNSS phủ sóng đều đặn và ổn định trên lãnh thổ Việt Nam, việc kiểm nghiệm, đánh giá các giải pháp đó trên cơ sở so sánh các kết quả đo đạc thực tế và các kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng sẽ giúp ta có được một sự đánh giá khách quan, chính xác hơn về các nội dung khoa học đã đề xuất và tính khả thi của việc áp dụng trong các bộ thu GNSS.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
[1].Hung Pham Viet, Chien Dao Ngoc, and Khang Nguyen Van, "A Novel Multipath Mitigation Technique for GNSS Software Receiver" in 2012 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC) (ISSN: 2162-1020), 2012, pp. 37-40. DOI: 10.1109/ATC.2012.6404224
[2].Hung Pham Viet, Chien Dao Ngoc, and Khang Nguyen Van, "An Improved Double Delta Correlator for BOC Tracking in GNSS Receivers" Multimedia and Ubiquitous Engineering, Lecture Notes in Electrical Engineering (ISSN: 1876-1100) J. J. Park, J. K.-Y. Ng, H. Y. Jeong and B. Waluyo, eds., pp. 1169-1179: Springer Netherlands, 2013 (ISI Proceedings). DOI: 10.1007/978-94-007-6738-6_144
[3].Hung Pham Viet, Chien Dao Ngoc, and Khang Nguyen Van, “An Unambiguous Binary Offset Carrier Modulated Signal Tracking Technique" in Journal of Science Technology Technical Universities, No. 97-2013 (ISSN: 0868-3980.), pp.28-35. [4].Hung Pham Viet, Chien Dao Ngoc, and Khang Nguyen Van, “A new Method of
Side-peak Cancellation for new GNSS Signals " in Journal of Science Technology Technical Universities, No. 101, Vol. C, 2014 (ISSN: 0868-3980.), pp. 100 -106. [5].Hung Pham Viet, Chien Dao Ngoc, and Khang Nguyen Van, “A Nonlinear Method
of Multipath Mitigation for new GNSS signals" in The Fifth International Conference on Communications and Electrocnics (ICCE2014) (ISBN: 978-1-4799-5050-8), 2014, pp. 99- 104 (Conference Proceeding Citation Index (CPCI) of Thomson Reuters). DOI: 10.1109/CCE.2014.6916687.
[6].Phạm Việt Hưng, Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Văn Khang, “Giải pháp giảm ảnh hưởng hiệu ứng đa đường dựa trên cấu trúc đa tương quan cho tín hiệu định vị mới”, Hội thảo Quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT 2014) (ISBN: 978-604-67-0349-5), 2014, pp. 201 – 208.
[7].Hung Pham Viet, Chien Dao Ngoc, and Khang Nguyen Van, “A Method of Side- peak Mitigation applied to Binary Offset Carrier Modulated GNSS Signals Tracking” in ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences (ISSN: 1819-6608), Vol. 9, No.12, December 2014, pp 2585 – 2595 (published online).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Allain D. J. and Mitchell C. N., "Ionospheric delay corrections for single-frequency GPS receivers over Europe using tomographic mapping," GPS Solutions, vol. 13, pp. 141-151, 2009.
[2] Aloi D. N. and Van Graas F., "Ground-multi path mitigation via polarization steering of GPS signal," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 40, pp. 536-552, 2004.
[3] Avila-Rodriguez J.-A., Hein G. W., et al., "The MBOC modulation: the final touch to the Galileo frequency and signal plan," Navigation, vol. 55, p. 15, 2008.
[4] Avila-Rodriguez J.-A., Wallner S., et al., "CBOC-An implementation of MBOC," in
First CNES Workshop on Galileo signals and signal processing, 2006, pp. 12-13. [5] Bello P. A. and Fante R. L., "Code tracking performance for novel unambiguous M-
code time discriminators," in Proceedings of the 2005 National Technical Meeting of The Institute of Navigation, San Diego, CA 2005, pp. 293 - 298.
[6] Betz J. W., "Binary Offset Carrier Modulations for Radio Navigation," NAVIGATION: Journal of The Institute of Navigation, vol. 48, pp. 227 - 246, 2001.
[7] Betz J. W., "Design and Performance of Code Tracking for the GPS M Code Signal "
Proceedings of the 13th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GPS 2000), pp. 2140 - 2150, 2000.
[8] Betz J. W., "The Offset Carrier Modulation for GPS Modernization " Proceedings of the 1999 National Technical Meeting of The Institute of Navigation January 25 - 27,
pp. 639 - 648 1999.
[9] Betz J. W. and Kolodziejski K. R., "Extended theory of early-late code tracking for a bandlimited GPS receiver," Navigation, vol. 47, pp. 211-226, 2000.
[10] Betz J. W. and Kolodziejski K. R., "Generalized Theory of Code Tracking with an Early-Late Discriminator Part I: Lower Bound and Coherent Processing," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 45, pp. 1538-1556, 2009. [11] Betz J. W. and Kolodziejski K. R., "Generalized Theory of Code Tracking with an
Early-Late Discriminator Part II: Noncoherent Processing and Numerical Results,"
IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 45, pp. 1557-1564, 2009.
[12] Bhuiyan M. Z. H. and Lohan E. S., "Advanced Multipath Mitigation Techniques for Satellite – Based Positioning Applications," International Journal of Navigation and Observation, Hindawi Publishing Corporation, vol. 2010, pp. 1-15, 2010.
[13] Bhuiyan M. Z. H., Lohan E. S., and Renfors M., "A slope-based multipath estimation technique for mitigating short-delay multipath in GNSS receivers," in Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2010, pp. 3573-3576.
[14] Borio D., Anantharamu P. B., and Lachapelle G., "Semi-Analytic Simulations: An Extension to Unambiguous BOC Tracking," in Proceedings of ION International Technical Meeting (ITM), San Diego, 2010, pp. 1-14.
[15] Borre K., Akos D. M., et al., A Software-Defined GPS and Galileo Receiver - A Single-Frequency Approach. Berlin: Birkhäuser, 2007.
[16] Braasch M. S., "Performance comparison of multipath mitigating receiver architectures," in IEEE Proceedings of Aerospace Conference, 2001, pp. 1309-1315