4. Cấu trúc nội dung của luận án
2.3.4. Hiện tượng nhầm lẫn trong bám mã tín hiệu điều chế BOC
Dạng điều chế của tín hiệu định vị không chỉ ảnh hưởng đến miền tuyến tính và miền ổn định của bộ so pha mà nó còn tác động đến một vấn đề khác khá nghiêm trọng. Theo [81],
trong lý thuyết lọc phối hợp khi dạng sóng của tín hiệu thu được và tín hiệu tạo ra ở bộ thu giống nhau thì đầu ra của bộ tương quan có tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N đạt giá trị lớn nhất. Do đó, trong các bộ thu GNSS, quá trình bắt đồng bộ và quá trình bám đồng bộ tín hiệu hoạt động dựa vào đặc tính của hàm ACF của mã giả ngẫu nhiên của tín hiệu định vị.
Hình 2.11.Bình phương hàm ACF của tín hiệu BPSK với ( (trái) và ( (phải) và các đỉnh tương quan chính, phụ của các hàm ACF
Hình 2.11 minh họa hàm ACF của tín hiệu BPSK cũng như một số tín hiệu điều chế BOC. Từ hình vẽ ta thấy, đối với tín hiệu điều chế BPSK, hàm tự tương quan chỉ có một đỉnh duy nhất do đó trong quá trình đồng bộ tín hiệu, bộ thu chỉ khóa vào đỉnh tương quan duy nhất đó. Nhưng đối với các tín hiệu điều chế BOC, do sự ảnh hưởng của các symbol điều chế sóng vuông, hàm tự tương quan ACF của các tín hiệu này có dạng răng cưa, tuyến tính từng đoạn. Hơn nữa, bên cạnh đỉnh chính, hàm tự tương quan của các tín hiệu điều chế BOC có thêm nhiều đỉnh phụ. Số lượng đỉnh phụ phụ thuộc vào bậc điều chế. Với tín hiệu điều chế BOC pha sin có bậc điều chế có số lượng đỉnh phụ là ( . Còn đối với tín hiệu điều chế BOC pha cosin có bậc điều chế thì số lượng đỉnh phụ là . Do đó, trong quá trình bắt đồng bộ tín hiệu, do một phần năng lượng tín hiệu đáng kể nằm ở các đỉnh phụ nên dưới tác động của tạp âm, fading, các đỉnh phụ này rất có thể có biên độ vượt qua biên độ của đỉnh chính và quá trình bắt đồng bộ nhầm xảy ra. Tỉ số năng lượng của đỉnh phụ thứ và đỉnh chính trong hàm ACF của tín hiệu điều chế BOC pha sin có bậc điều chế cho bởi biểu thức [56]: 2 B B N i N (2.33)
Với chênh lệch giữa đỉnh chính và đỉnh phụ thứ nhất là . Tuy nhiên, khi
sự chênh lệch này chỉ còn . Như vậy, với càng tăng thì sự chênh lệch năng lượng giữa đỉnh chính và đỉnh phụ thứ nhất của hàm ACF càng giảm. Do vậy, nguy cơ bộ thu định vị GNSS chọn nhầm vào đỉnh phụ trong quá trình bắt đồng bộ tín hiệu càng cao.
Hiện tượng chọn nhầm đỉnh tương quan và bám nhầm theo các đỉnh phụ của hàm tự tương quan được gọi là hiện tượng nhầm lẫn (ambiguity) trong quá trình bắt đồng bộ và bám
tín hiệu định vị sử dụng điều chế BOC. Hiện tượng nhầm lẫn này gây ra sai số trong quá trình định vị của bộ thu GNSS. Rõ ràng hiện tượng này không xảy ra với tín hiệu điều chế BPSK khi hàm ACF của tín hiệu này không có các đỉnh phụ, chỉ có duy nhất một đỉnh chính.
Hình 2.12.Đáp ứng của bộ so pha dạng EMLP có và băng thông vô cùng lớn của bộ lọc RF với ( (Trái) và ( (phải) và điểm khóa chính, các điểm khóa phụ.
Như vậy, nếu quá trình bắt đồng bộ tín hiệu bị sai (xác định nhầm đỉnh chính) thì DLL sẽ khởi tạo quá trình khóa ở điểm ứng với đỉnh phụ. Tương ứng với số lượng đỉnh phụ của hàm ACF, đáp ứng bộ so pha cấu trúc EMLP cũng như DP xuất hiện thêm các điểm khóa 0 không nằm ở vị trí lệch 0 như minh họa ở Hình 2.12. Như vậy, khi DLL ở trạng thái khóa ứng với các điểm cắt 0 của đáp ứng bộ so pha.Tuy nhiên, nếu điểm cắt 0 trùng với điểm lệch 0 (điểm khóa đúng) thì giữa mã PRN tạo ra ở bộ thu và mã PRN trong tín hiệu định vị không có sai lệch nên quá trình bám mã không có sai số. Ngược lại, nếu điểm cắt 0 không ở vị trí lệch 0 (điểm khóa phụ hay điểm khóa nhầm) thì giữa mã PRN tạo ra ở bộ thu và mã PRN trong tín hiệu định vị thu được vẫn tồn tại sai lệch nên dẫn đến sai số trong quá trình bám mã. Số lượng điểm khóa phụ càng nhiều thì nguy cơ DLL rơi vào trạng thái khóa nhầm càng tăng lên. Rõ ràng, với cùng một bậc điều chế , các tín hiệu dạng điều chế pha cosin làm xuất hiện nhiều đỉnh phụ hơn tín hiệu dạng điều chế pha sin. Vì vậy, sự xuất hiện các đỉnh phụ ở hàm ACF của các tín hiệu định vị sử dụng phương thức điều chế BOC là một nguy cơ gây ra sai số trong quá trình xử lý tín hiệu định vị. Việc xây dựng các cơ chế để loại bỏ các đỉnh phụ này hoặc tránh đồng bộ vào các đỉnh phụ của hàm ACF là một xu hướng nghiên cứu thiết thực và quan trọng khi triển khai các bộ thu GNSS với các tín hiệu định vị mới.
2.4. Kết luận chƣơng
Mạch vòng khóa trễ (DLL) đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các bộ thu GNSS. Việc lựa chọn cấu trúc thích hợp cho các thành phần trong mạch vòng DLL như bộ lọc (băng thông và bậc), bộ so pha (dạng thức và cấu trúc) ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng, độ chính xác của quá trình bám mã nói riêng và độ chính xác của bộ thu GNSS nói chung. Trong các thành phần của DLL, bộ so pha chiếm vị trí quyết định đến độ chính xác của quá trình bám mã và các tác động gây sai số đến quá trình bám mã diễn ra chủ yếu ở bộ so pha. Các tham số chính
của đáp ứng bộ so pha bao gồm: miền ổn định, miền tuyến tính và hình dạng của đáp ứng với độ rộng đỉnh chính, số lượng điểm cắt 0. Các tham số này phụ thuộc vào phương thức điều chế của tín hiệu định vị.
Ngoài ảnh hưởng của tạp âm nhiệt, DLL nói chung chịu ảnh hưởng rất lớn của tín hiệu đa đường. Các kết quả phân tích đã chỉ ra, khi công suất tín hiệu đủ lớn, tín hiệu đa đường trở thành nguyên nhân gây sai số chủ yếu cho quá trình bám mã. Tín hiệu đa đường làm biến dạng đỉnh chính của hàm ACF dẫn đến điểm cắt 0 của đáp ứng bộ so pha không còn nằm ở vị trí lệch 0 nữa và gây ra sai số của quá trình bám mã. Nhìn chung, sai số do đa đường phụ thuộc không nhiều vào dạng thức của bộ so pha. Dạng điều chế của tín hiệu định vị ảnh hưởng nhiều đến tác động của tín hiệu đa đường. Tín hiệu điều chế ( có khả năng giảm nhiễu đa đường tốt hơn so với tín hiệu BPSK. Tuy nhiên, đó chỉ là với trường hợp tín hiệu đa đường có trễ dài và trung bình. Còn với đa đường có trễ ngắn, tác động của tín hiệu đa đường với hai tín hiệu này là như nhau.
Ngoài ra, với riêng các tín hiệu dạng điều chế BOC, trong DLL còn xảy ra hiện tượng đồng bộ nhầm vào các đỉnh phụ của hàm tương quan khi điều kiện môi trường không thuận lợi. Đây chính là một trong những nguyên nhân gây ra sai số trong DLL và cần phải được xử lý, tìm kiếm các giải pháp để loại bỏ hiện tượng này trong quá trình bộ thu hoạt động với các tín hiệu định vị mới.
CHƢƠNG 3
CẤU TRÚC ĐA TƢƠNG QUAN VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG BÁM MÃ
3.1 Giới thiệu chƣơng
Phần đầu của chương sẽ phân tích về các giải pháp giảm nhiễu đa đường và các tiêu chí để đánh giá hiệu năng của các giải pháp đó. Tiếp theo, hai giải pháp sử dụng cấu trúc đa tương quan như: Bộ tương quan kép (DDC với 5 bộ tương quan) và Bộ đa tương quan (MGD) được tập trung nghiên cứu kỹ lưỡng ở chương này. Trên cơ sở phân tích ưu, nhược điểm của cấu trúc DDC, luận án đề xuất một số thay đổi ở dạng thức đáp ứng bộ so pha của giải pháp này để tăng cường khả năng giảm nhiễu đa đường với tín hiệu đa đường có trễ ngắn. Giải pháp đề xuất được thực hiện với tín hiệu ( . Đối với giải pháp MGD, một giải pháp dựa trên cấu trúc MGD 3 tầng được đề xuất. Các thông số của giải pháp được điều chỉnh, tối ưu để đạt được kết quả tốt nhất trong hiệu năng hoạt động về mặt giảm nhiễu đa đường và tránh bám nhầm. Các kết quả mô phỏng đã chứng minh được những ưu điểm của các giải pháp đề xuất khi so sánh với các cấu trúc cũ.
3.2 Các giải pháp giảm nhiễu đa đƣờng và tiêu chí đánh giá
3.2.1. Các giải pháp giảm nhiễu đa đường
Như đã phân tích ở Chương 2, sai số do đa đường vẫn là một trong những nguồn lỗi chính trong tất cả các hệ thống GNSS. Các giải pháp về sử dụng công nghệ định vị vi sai, thu nhận tín hiệu định vị ở hai tần số sóng mang đều không giải quyết được ảnh hưởng của tín hiệu đa đường [77]. Nguyên nhân, sai số do đa đường mang tính cá thể, khác biệt với từng bộ thu GNSS khi các bộ thu có vị trí khác nhau. Hiện nay, các giải pháp về giảm ảnh hưởng đa đường cho các bộ thu GNSS được thực hiện theo ba xu hướng chủ yếu[2]:
o Các giải pháp thực hiện ở miền tần số cao tần.
o Các giải pháp thực hiện tại khối xử lý tín hiệu trung tần.
o Các giải pháp thực hiện tại các khối hậu xử lý tín hiệu.
Các giải pháp thực hiện tại trước khi tín hiệu định vị đi vào bộ thu GNSS liên quan đến việc thiết kế anten của bộ thu GNSS để có thể tránh thu phải các thành phần tín hiệu đa đường như sử dụng anten choke ring [65, 95], hệ anten [25, 87, 88], sử dụng hệ anten hoặc sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu cho hệ anten như giải pháp beamforming [31, 36]. Các giải pháp hậu xử lý được thực hiện sau khi bộ thu GNSS đã tính toán được giả khoảng cách. Còn các giải pháp xử lý tại khối trung tần là các giải pháp thực hiện tại các khối đồng bộ mã PRN và đồng bộ sóng mang. Các giải pháp thực hiện theo xu hướng này được triển khai khá phổ biến cả trong các bộ thu GNSS thương mại cũng như là xu hướng nghiên cứu chính của nhiều
nhóm nghiên cứu trên thế giới. Các giải pháp được thực hiện ở khối đồng bộ tín hiệu có nhiều ưu điểm hơn so với hai xu hướng còn lại như: tính linh động cao, hiệu quả cao. Đặc biệt, các giải pháp này dễ dàng áp dụng được trong các bộ thu mềm SDR [15, 64, 102], một xu hướng thiết kế bộ thu GNSS phổ biến hiện nay trên thế giới và có chi phí rẻ hơn so với xu hướng thiết kế bộ thu cứng truyền thống.
Cấu trúc DLL điển hình trong bộ thu GNSS sử dụng 03 bộ tương quan: Sớm, Muộn và Đúng với khoảng lệch sớm – muộn là . Theo [54], cấu trúc DLL này đã không giải quyết được những tác động của hiện tượng đa đường. Để có thể giải quyết được vấn đề này, một cách tiếp cận của các giải pháp giảm nhiễu đa đường đó là thu hẹp khoảng lệch sớm – muộn và đó là cơ sở của bộ tương quan hẹp (NC) được đề xuất trong [29]. Trong cấu trúc NC, khoảng lệch sớm – muộn được thu hẹp từ xuống chỉ còn . Việc triển khai giải pháp này rõ ràng rất đơn giản khi hầu như không thay đổi cấu trúc của DLL. Tuy nhiên, việc lựa chọn khoảng lệch sớm – muộn này phụ thuộc rất nhiều vào băng thông của bộ lọc khối đầu cuối cao tần như đã nêu ở (2.32). Theo [16], các bộ thu GNSS thương mại sử dụng cấu trúc NC có .
Một xu hướng khác trong việc triển khai giải pháp giảm nhiễu đa đường được đề xuất cho các bộ thu GNSS và đã được áp dụng khá rộng rãi trong các bộ thu GNSS thương mại đó là giải pháp DDC. Trong giải pháp DDC, thay vì chỉ sử dụng ba bộ tương quan như trong NC, số lượng bộ tương quan của DLL tăng lên thành 05 bao gồm: hai bộ tương quan Sớm
( , một bộ tương quan Đúng (P và hai bộ tương quan Muộn ( như mô tả ở trong [54]. Thông thường, các bộ tương quan trong cấu trúc DDC được bố trí sao cho khoảng lệch sớm – muộn của cặp tương quan sớm – muộn phía ngoài ( gấp đôi khoảng lệch sớm – muộn của cặp tương quan sớm – muộn phía trong ( . Với cấu trúc này, đầu ra của bộ so pha trong DLL của khối bám tín hiệu có thể được tạo ra theo nhiều cách khác nhau.
Với cách điều chỉnh cấu trúc của khối bám mã như vậy, giải pháp DDC có hiệu năng giảm nhiễu đa đường tốt hơn khá nhiều so với giải pháp NC, đặc biệt với những trễ đa đường trong khoảng từ trung bình đến dài (tín hiệu đa đường có trễ tương đối so với tín hiệu LOS từ
đến ). Trên cơ sở giải pháp DDC, một số trường hợp cụ thể của giải pháp này được đề xuất và triển khai trong các bộ thu GNSS thương mại như giải pháp bộ tương quan phân giải cao (HRC) được đề xuất ở trong [74], giải pháp bộ tương quan Strobe [42], bộ tương quan Pulse Aperture (PAC) [35].
Trên cơ sở của ý tưởng nâng số lượng bộ tương quan, một giải pháp về giảm nhiễu đa đường khác cũng đã được nhóm tác giả trong [7, 34] đề xuất với tên gọi bộ đa tương quan (MGD). Giải pháp MGD sử dụng số lượng cặp tương quan là ( ) để tạo ra hàm so pha trong DLL. Khi đó được gọi là bậc của cấu trúc MGD. Các cặp tương quan trong MGD được kết hợp một cách tuyến tính với nhau với việc sử dụng thích hợp các thông số: trọng số ứng với từng cặp tương quan, khoảng lệch sớm – muộn.
Việc lựa chọn các trọng số và khoảng lệch sớm – muộn ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng và hiệu năng của giải pháp MGD. Ngoài ra số lượng cặp tương quan càng nhiều thì độ phức tạp của cấu trúc MGD càng tăng lên gây khó khăn trong việc thiết kế, chế tạo DLL. Bên cạnh đó, số lượng cặp tương quan càng tăng thì việc lựa chọn tối ưu các thông số cho bộ so pha trở nên khó khăn hơn. Trên đây là ba trong số rất nhiều các giải pháp về giảm nhiễu đa đường đã được đề xuất vê mặt lý thuyết cũng như đã được triển khai trong thực tế trên các bộ thu GNSS thương mại.
Bên cạnh đó, một cấu trúc dạng như DDC cũng đã được đề xuất ở trong [28] với tên gọi bộ bám mã Early1/Early2 (E1/E2). Khác với giải pháp DDC, giải pháp này chỉ sử dụng một cặp tương quan Sớm, thay vì hai cặp tương quan Sớm, Muộn. Mục đích chính của giải pháp này đó là tìm một điểm bám mã ở trên hàm ACF sao cho điểm này không chịu tác động của các tín hiệu đa đường. Do đó, hai bộ tương quan được sử dụng cho bộ so pha trong giải pháp này đều là dạng tương quan Sớm. Lỗi do tín hiệu đa đường được tính toán dựa trên việc so sánh các đầu ra tương quan Sớm khi chịu tác động của tín hiệu đa đường với các đầu ra tương quan Sớm trong trường hợp không chịu tác động của tín hiệu đa đường. Giải pháp này càng hiệu quả khi lựa chọn các bộ tương quan Sớm có khoảng lệch so với bộ tương quan Đúng càng lớn càng tốt. Tuy nhiên, khi lựa chọn như vậy, giá trị đầu ra của các bộ tương quan Sớm chịu tác động càng lớn của tạp âm nhiệt nên hiệu quả bị suy giảm. Theo [54], giải pháp này rất hiệu quả với tín hiệu điều chế dạng BPSK (tín hiệu GPS C/A). Nhưng với tín hiệu điều chế dạng ( , giải pháp này chỉ hiệu quả với tín hiệu đa đường có trễ dài.
Một giải pháp khác cũng có cấu trúc khá giống cấu trúc của giải pháp DDC đó là giải pháp Early/Late Slope (ELS) [94] khi cũng sử dụng hai cặp tương quan Sớm, Muộn giống như DDC. Tuy nhiên, trong khi ở DDC, khoảng lệch sớm – muộn được chọn lựa sao cho
thì ở giải pháp ELS, khoảng lệch sớm – muộn này được chọn tùy ý. Giải pháp này đã được sử dụng trong các bộ thu GPS của hãng NovAtel với tên gọi MET (Multipath Elimination Technology). Giải pháp này dựa trên việc xác định độ dốc giữa hai bộ tương quan Sớm và độ dốc giữa hai bộ tương quan Muộn. Trên cơ sở đó, sẽ tính toán được giá trị cần bù