4. Cấu trúc nội dung của luận án
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 lại sai số do ảnh hưởng của tín hiệu đa đường. Tuy nhiên, như kết quả chỉ ra trong [54], hiệu năng của giải pháp ELS kém hơn so với giải pháp DDC khi áp dụng cho tín hiệu BPSK cũng như tín hiệu ( .
Cùng chung xu hướng giải pháp giảm nhiễu đa đường dựa trên độ dốc hàm ACF là giải pháp bộ ước lượng đa đường theo độ dốc (SBME) được đề xuất trong [13]. Giải pháp SBME ước lượng thông số đa đường thông qua sử dụng hình dạng của hàm tương quan lý tưởng được chuẩn hóa. Các thông số đó được sử dụng để bù lại sai lệch do đa đường cho DLL của cấu trúc NC. Để thực hiện được điều đó, SBME sử dụng thêm một bộ tương quan Muộn để kết hợp với DLL của cấu trúc NC. Do đó, giải pháp SBME có hiệu năng giảm nhiễu đa đường tốt hơn so với giải pháp NC.
Bảng 3.1 liệt kê các giải pháp giảm nhiễu đa đường dựa trên cấu trúc bộ so pha trong DLL phân chia theo số lượng bộ tương quan được sử dụng. So sánh các giải pháp đã chỉ ra ở trên, theo [54], giải pháp DDC có hiệu năng giảm nhiễu đa đường tốt nhất. Ngược lại, giải pháp E1/E2 chịu tác động nhiều nhất của tín hiệu đa đường (đặc biệt với các đa đường có trễ ngắn và trung bình).
Bảng 3.1. Phân loại các giải pháp giảm nhiễu đa đường theo số lượng bộ tương quan sử
dụng trong bộ so pha của mạch vòng DLL
Số lượng bộ so pha Giải pháp giảm nhiễu đa đường
3 bộ tương quan NC, wEML, E1/E2
4 bộ tương quan SBME
5 bộ tương quan DDC (HRC, SC, PAC), ELS
7 bộ tương quan MGD
Bên cạnh các giải pháp giảm nhiễu đa đường dựa trên cấu trúc DLL, còn một nhóm giải pháp giảm nhiễu đa đường khác cũng đã được đề xuất dựa trên việc ước lượng khả năng giống nhất (ML). Đó là các giải pháp mạch vòng khóa trễ ước lượng đa đường (MEDLL) [93, 99], kỹ thuật ước lượng đa đường (MMT) [101], giải thuật FIMLA [89], thuật toán khả năng giống nhất với không gian tìm kiếm được giảm nhỏ (RSSML) [12]. Những giải pháp này thường có đặc điểm việc tính toán rất phức tạp và rất khó triển khai trên các bộ thu GNSS do đòi hỏi số lượng bộ tương quan lớn và xử lý với các đầu ra tương quan dạng phức với không gian tìm kiếm rộng để xác định đỉnh tương quan.
Vì vậy, các giải pháp giảm nhiễu đa đường được nghiên cứu, đề xuất, triển khai trong luận án thực hiện tại khối bám mã PRN cùng với việc thay đổi cấu trúc của khối này do việc thực hiện ở khối này có hiệu quả khá cao trong việc giảm nhiễu đa đường.