4.2.1 Tín hiệu SBAS
Tín hiệu SBAS được phát quảng bá từ các vệ tinh SBAS chuyển động trên quỹ đạo địa tĩnh. Nó chứa các thông tin về Geo Ranging, Wide Area Differential (WAD), GNSS/Ground Integrity Channel (GIC) trong đó:
Geo Ranging: được truyền trên băng tần L1 giống như hệ thống GPS. Mục đích là làm tăng số lượng vệ tinh mà máy thu có thể nhìn thấy (Navipedia)
Wide Area Differential (WAD): chứa các thông tin hiệu chỉnh cho các hệ thống định vị đang tồn tại (GPS và GLONASS). Các thông tin này bao gồm quỹ đạo vệ tinh, thời gian, và trễ tầng điện ly (Navipedia)
GNSS/Ground Integrity Channel (GIC): thông tin về các hệ thống định vị như GPS, GLONASS (Navipedia)
Tín hiệu SBAS được truyền trên băng tần L1, sử dụng mã CA để điều chế. Để chống lại sai số trong quá trình truyền sóng, tín hiệu SBAS sử dụng mã chập để mã hóa các tín hiệu của mình. Hình 4.4 mô tả một số đặc điểm của tín hiệu SBAS, hình 4.5 mô tả các tham số của mã chập được sử dụng để mã hóa tín hiệu SBAS.
Hình 4.4 Đặc điểm của tín hiệu SBAS (Navipedia)
43
Hình 4.5 Tham số của mã chập sử dụng trong tín hiệu SBAS (Navipedia)
Các tín hiệu SBAS cung cấp cho máy thu các thông tin hiệu chỉnh và các dữ liệu chính xác như thông tin về thời gian thực, các tham số suy hao, trễ tầng điện ly.. thông qua quá trình giải mã tín hiệu SBAS (Navipedia).
4.2.2 Mã sửa sai (mã chập)
Ngay cả khi không có sự can thiệp có hại từ bên ngoài thì cũng rất khó để đảm bảo các dữ liệu truyền đi không xảy ra lỗi bởi vì trong quá trình truyền sóng luôn tồn tại nhiễu, nó chỉ khác nhau ở mức độ nhiều hay ít chính điều này gây ra lỗi bit thông tin khi truyền sóng. Các nhà khoa học đã đưa ra phép sửa lỗi mà không cần truyền lại thông tin để giải quyết vấn đề trên. Kênh mã hóa sẽ bảo vệ dữ liệu khỏi lỗi bằng cách bổ sung thêm các bit thông tin cho dòng dữ liệu để bộ giải mã có thể giảm bớt hoặc sửa lỗi ở phía đầu máy thu [5]. Như đã trình bày ở phần trên, tín hiệu SBAS sử dụng mã chập để sửa lỗi trong quá trình truyền thông tin từ các vệ tinh SBAS tới các máy thu. Tiếp theo, tác giả sẽ giới thiệu về mã chập trong tín hiệu SBAS.
Mã chập là một phương pháp bổ sung dự phòng cho một luồng dữ liệu một cách có kiểm soát để cung cấp cho phía thu khả năng sửa lỗi mà không cần phải hỏi lại phía phát. Mã chập được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1995 bởi nhà khoa học
44
Elias, đến nay nó là một trong các loại mã sửa sai được sử dụng nhiều nhất trong công nghệ truyền dẫn không dây và công nghệ vệ tinh [17].
Các bộ mã chập sẽ tiến hành ánh xạ chuỗi m bit thông tin ở đầu vào thành chuỗi n bit thông tin ở đầu ra của bộ mã hóa (n>m). Nó giống như là một cái máy chứa thông tin của các trạng thái đầu vào và các thông tin của các trạng thái khác trạng thái khác như mô tả trong hình 4.6. Mã chập được đặc trưng bởi 3 tham số là m, n, k. Trong đó:
m là số bit ở đầu vào của bộ mã xoắn
n là số bit ở đầu ra của bộ mã xoắn
k là số lượng thanh ghi nhớ của bộ mã xoắn
tỷ số m
n là tỉ lệ mã hóa
L=m(k-1) là chiều dài hạn chế của mã (constraigh length) Hàm truyền đạt của mã chập có dạng:
2 1
1 2
( ) o ... L L
G x g g xg x g x (4.1)
Như mô tả trong hình 4.5 các tham số của mã chập được sử dụng trong tín hiệu SBAS: tỷ lệ mã hóa 1
2, chiều dài hạn chế của mã là 7, hàm truyền đạt G1=171 (OCT), hàm truyền đạt G2=133(OCT) ta có m=1, n=2, L=7.
Hàm truyền đạt G1: 0 1 2 3 6 1 1 1111001 171( ) G x x x x x G oct Hàm truyền đạt G2: 0 2 3 5 6 2 2 1011011 133( ) G x x x x x G oct
45
Hình 4.6 Bộ mã chập
4.2.3 Đánh giá độ chính xác của định vị khi sử dụng mã sửa sai trong tín hiệu SBAS
Để đánh giá khả năng sửa sai của mã sửa sai, tác giả tiến hành đánh giá độ chính xác của module GPS trong trường hợp có sử dụng mã sửa sai và trong trường hợp không sử dụng mã sửa sai. Từ đó, tác giả đưa ra các đánh giá, nhận xét về hiệu quả của mã sửa sai. Để giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường, tác giả chỉ đánh giá độ chính xác của module GPS ở trong điều kiện máy thu được đặt ở vị trí thuận lợi cho việc thu các tín hiệu GPS, không bị che khuất bởi các tòa nhà cao tầng hay vật cản xung quanh. Do đó tác giả lựa chọn sân vận động Mỹ Đình là nơi thực hiện đánh giá độ chính xác của module GPS, nơi mà chúng ta thường xuyên nhìn thấy từ 6-10 vệ tinh GPS trong đó có từ 6-8 vệ tinh có tỷ số C/NO từ 27~35dBm. Hình 4.7 thể hiện số vệ tinh GPS mà module GPS nhìn thấy và số vệ tinh GPS mà module GPS dùng để định vị cùng với tỷ số C/NO cho từng vệ tinh GPS ở khu vực sân vận động Mỹ Đình tại thời điểm thực hiện đánh giá. Module GPS nhìn thấy 8 vệ tinh GPS SV 18, 20, 21, 15, 13, 29, 24, 2 và sử dụng 8 vệ tinh này để xác định vị trí. Trong đó vệ tinh SV 29 có tỷ số C/NO nhỏ nhất 26 dBm, vệ tinh SV 15 và SV 21 có tỷ số C/NO lớn nhất 34 dBm.
46
Hình 4.7 Mức tín hiệu của các vệ tinh GPS mà máy thu thu được
Với trường hợp sử dụng mã sửa sai, tác giả thấy rằng sai số của module GPS nhỏ hơn 2m như mô tả trong hình 4.8. Trong đó tỷ lệ các phần trăm các điểm cho sai số nhỏ hơn 0.5m là 41.43%, từ 0.5-1m là 39.27%, từ 1-1.5m là 10.48%, từ 1.5- 2m là 5.32%, lớn hơn 2m là 3.5% như thể hiện trong hình 4.9.
47
Hình 4.9 Tỷ lệ các mức sai số của module GPS khi sử dụng mã sửa sai
Với trường hợp không sử dụng mã sửa sai, tác giả thấy rằng sai số của module GPS từ 1-5m như mô tả trong hình 4.10. Trong đó tỷ lệ các phần trăm các điểm cho sai số nhỏ hơn 0.5m là 0%, từ 0.5-1m là 4.82%, từ 1-1.5m là 16.31%, từ 1.5-2m là 9.15%, từ 2-2.5m là 15.81%, từ 2.5-3.5m là 36.44%, từ 3.5-4.5m là 11.98 % và lớn hơn 4.5m là 5.49% như thể hiện trong hình 4.11.
Hình 4.10 Độ chính xác của module GPS khi không sử dụng mã sửa sai
41,43%
39,27% 10,48%
5,32% 3,50%
Tỷ Lệ Các Mức Sai Số Của Module GPS
Khi Sử Dụng Mã Sửa Sai
Accuracy nho hon 0.5m Accuracy 0.5 – 1m Accuracy 1 – 1.5m Accuracy 1.5 – 2m Accuracy lon hon 2m
48
Hình 4.11 Tỷ lệ các mức sai số của module GPS khi không sử dụng mã sửa sai
Trong trường hợp sử dụng mã sửa sai, module GPS đạt độ chính xác rất cao. Tỷ lệ số lần module GPS đưa là độ chính xác dưới 1m là 80.7%, độ chính xác từ 1- 2m là 15.8% và chỉ 3.5% đưa ra độ chính xác trên 2m. Còn với trường hợp khi không sử dụng mã sửa sai, module GPS đạt độ chính xác dao động từ 1-5m. Trong đó tỷ lệ số lần module GPS đạt độ chính xác từ 2-5m là khoảng 70% và không lần nào module GPS đạt được độ chính xác dưới 0.5m.
So sánh giữa trường hợp sử dụng mã sửa sai và trường hợp không sử dụng mã sửa sai tác giả thấy rằng với trường hợp sử dụng mã sủa sai module GPS cho độ chính xác tốt hơn hẳn với xác suất đạt độ chính xác dưới 1m là 80% và xác suất đạt độ chính xác dưới 2.5m là 100% như thể hiện trên hình 4.12.
0,00% 4,82% 16,31% 9,15% 15,81% 36,44% 11,98% 5,49%
Tỷ Lệ Các Mức Sai Số Của Module GPS
Khi Không Sử Dụng Mã Sửa Sai
Accuracy nho hon 0.5m Accuracy 0.5 – 1m Accuracy 1 – 1.5m Accuracy 1.5 – 2m Accuracy 2 – 2.5m Accuracy 2.5 – 3.5m Accuracy 3.5 – 4.5m Accuracy lon hon 4.5m
49
Hình 4.12 So sánh độ chính xác của module GPS trong trường hợp sử dụng mã sửa sai và trong trường hợp không sử dụng mã sửa sai
4.3 Giải mã các thông tin module GPS thu được
Sau khi module GPS thu và xử lý các tín hiệu GPS, các thông tin này sẽ được truyền tới máy tính thông qua kết nối USB. Tác giả sử dụng phầm mềm U- Center để đọc các thông tin mà module GPS gửi tới máy tính, từ đó lấy ra các tham số cần thiết cho việc tính toán ước lượng trễ tầng điện ly như các hằng số Klobuchar, vị trí của module GPS, thời gian thu tín hiệu GPS, ngóc ngẩng và góc phương vị của máy thu đối với từng vệ tinh GPS.
4.3.1 Giới thiệu về phần mềm U-Center
U-Center là phần mềm rất hữu ích cho việc đánh giá, kiểm thử, cấu hình cho các máy thu GNSS mà Ublox phát triển. Nó cho phép người dùng có thể truy nhập lấy các thông tin mà GNSS chipset thu được. Ngoài ra, U-Center còn cung cấp các chức năng phân tích, đánh giá hiệu năng của các sản phẩm GNSS chipset do Ublox phát triển. Các đặc điểm của U-Center:
U-Center có thể giao tiếp với các máy thu GPS thông qua cả 2 giao thức là UBX và NMEA.
50
U-Center có thể hiển thị, tổng hợp toàn bộ thông tin mà máy thu GPS thu được trong quá trình hoạt động như vị trí, vận tốc, thời gian, số vệ tinh theo dõi… U-Center còn cung cấp chức năng phân tích các thông tin trên để phục vụ cho mục đích đánh giá hiệu năng của module GPS.
U-Center hỗ trợ việc lưu trữ dữ liệu để có thể mở lại khi cần thiết.
U-Center hỗ trợ việc xuất các files theo định dạng Google Earth hay Google Map.
U-Center hỗ trợ việc theo dõi theo thời gian thực các thông tin liên qua tới vệ tinh.
U-Center cung cấp chức năng cập nhật firmware cho các GNSS chipset.
U-Center hỗ trợ multiple GNSS
Hình 4.13 Giao diện của phần mềm U-Center (Ublox 2016)
51
4.3.2 Thu thập các thông tin của module GPS
Để tính toán ước lượng ra trễ của tầng điện ly, cần phải biết được vị trí của máy thu, các hằng số Klobuchar tại thời điểm thu tín hiệu GPS, thời điểm thu tín hiệu GPS, góc ngẩng và góc phương vị của máy thu đối với từng vệ tinh GPS. Tác giả sử dụng phần mềm U-Center để đọc các thông tin trên từ module GPS. Để lấy thông tin về các hằng số Klobuchar mà module GPS thu được tại thời điểm thu tín hiệu GPS, tác giả truy nhập vào bản tin AID-HUI trong giao thức UBX của phần mềm U-Center. Đây là bản tin chứa các thông tin về tình trạng của các vệ tinh GPS, các thông tin về tầng điện ly – các tham số Klobuchar – và thông tin về thời gian. Hình 4.14 mô tả các thông tin liên quan tới tầng điện ly, trạng thái của các vệ tinh GPS mà module GPS thu được sau khi được phần mềm U-Center tổng hợp, giải mã và được lưu trữ trong bản tin AID-HUI. Để lấy thông tin về góc ngẩng, góc phương vị của máy thu đối với từng vệ tinh GPS tại thời điểm thu tín hiệu GPS, tác giả truy nhập tới bản tin NAV-SVINFO trong giao thức UBX của phần mềm U-Center. Đây là bản tin chứa các thông tin liên quan tới từng vệ tinh GPS như ID của vệ tinh, cường độ tín hiệu của vệ tinh, số hiệu kênh phát tín hiệu của vệ tinh, trạng thái của vệ tinh, góc ngẩng và góc phương vị của vệ tinh. Hình 4.15 mô tả thông tin của từng vệ tinh mà module GPS đang theo dõi sau khi được phần mềm U-Center tổng hợp, giải mã và được lưu lại trong bản tin NAV-SVINFO. Để biết chính xác vị trí của máy thu và thời điểm thu tín hiệu GPS, tác giả đọc từ bảng data và bảng watch trên giao diện của phần mềm U-Center. Sau khi kết nối với module GPS, phần mềm U-Center sẽ cập nhật theo thời gian thực vị trí của máy thu và thời gian lên bảng data và bảng watch. Để hiển thị bảng data và bảng watch lên giao diện của phần mềm U-Center, tác giả thực hiện cấu hình trên phần mềm thông qua đường dẫn View >> Docking Windown >> Data và View >> Docking Windown >> Watch.
52
Hình 4.14 Các tham số Klobuchar
Hình 4.15 Thông tin về các vệ tinh GPS
4.4 Phần mềm ước lượng trễ tầng điện ly bằng mô hình Klobuchar
Từ các thông tin của module GPS mà phần mềm U-Center tổng hợp và giải mã, tác giả tiến hành phát triển phần mềm tính toán ước lượng trễ của tầng điện ly. Tác giả đã sử dụng mô hình thực nghiệm Klobuchar – đã nêu ở chương 3 – để tính toán ước lượng trễ của tầng điện ly. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản dễ áp dụng, nhược điểm của phương pháp này là cho độ chính xác chưa cao khoảng 70-80%. Để tính toán trễ tầng điện ly, cần phải biết được vị trí của máy thu, hằng số
53
Klobuchar, góc ngẩng và góc phương vị của máy thu. Tác giả đã sử dụng phần mềm U-Center để giải mã và lấy các thông tin đó từ module GPS – đã nêu ở phần 4.2. Hình 4.16 mô tả giao diện của phần mềm tính toán trễ tầng điện ly do tác giả phát triển. Trong đó, latitude và longitude là kinh độ và vĩ độ của máy thu. E, A lần lượt là góc ngẩng và góc phương vị của máy thu đối với từng vệ tinh GPS. SVID là ID của từng vệ tinh. Alpha0,1,2,3, và Beta0,1,2,3 là các tham số Klobuchar. T-GPS là điểm tính toán trễ tầng điện ly, T-GPS lấy theo giờ UTC. Các tham số trên sẽ được lấy từ module GPS thông qua phần mềm U-Center. Từ các tham số đầu vào trên, phần mềm sẽ tính toán ước lượng ra trễ của tầng điện ly và hiển thị ở textbox Ionosphere delay.
Hình 4.16 Phần mềm tính toán ước lượng trễ tầng điện ly
Trong tương lai, tác giả dự định sẽ phát triển phần mềm thêm chức năng tự động tổng hợp và giải mã các thông tin gửi về từ module GPS để từ đó có thể tính toán, cập nhật các tham số về vị trí của máy thu, tham số Klobuchar, góc ngẩng, góc phương vị, thời điểm tính toán một cách tự động thay vì việc cập nhật bằng tay như hiện nay. Từ đó tác giả có thể tính toán được trễ của tầng điện ly đối với từng vệ tinh theo thời gian thực.
54
4.5 Tính toán ước lượng trễ tầng điện ly
Từ các thông tin của các vệ tinh GPS như góc ngẩng, góc phương vị và thông tin về các tham số Klobuchar mà module GPS gửi tới máy tính thông qua cổng com sau đó được phần mềm U-Center tổng hợp và giải mã . Tác giả đã sử dụng phần mềm do mình thiết kế để tính toán ra được trễ tầng điện ly của máy thu đối với từng vệ tinh GPS mà máy thu nhìn thấy. Các kết quả dưới đây được tính toán từ kết quả đo lúc 19h45 phút ngày 27/8/2016 tại sân vận động Mỹ Đình của module GPS. Khi đó module GPS sử dụng 9 vệ tinh cho quá trình định vị là SV 5, 13, 15, 18, 20, 21, 24, 29, 32. Tác giả đã sử dụng phần mềm U-Center để phân tích tổng hợp các thông tin mà module GPS gửi về qua cổng com để lấy ra được các thông tin về hằng số Klobuchar như thể hiện trên hình 4.17, các thông tin về góc ngẩng và góc phương vị của máy thu đối với từng vệ tinh như thể hiện trên hình