6. Bố cục luận văn
3.1.1. Kỹ thuật xử lý tín hiệu trên ăng-ten mảng
Đây là một phương pháp phổ biến để đạt được hiệu suất cao cho máy thu GNSS bao gồm sử dụng nhiều phần tử ăng-ten vật lý tạo thành ăng-ten mảng. Kỹ thuật này đã được nghiên cứu từ những năm 1940 và đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng radar và viễn thông.
Với thiết lập phân tập không gian bởi nhiều phần tử, kỹ thuật xử lý tín hiệu trên ăng-ten mảng được coi là một công cụ hiệu quả để giảm nhiễu trong các ứng dụng GNSS. Từ quan điểm ứng dụng, các kỹ thuật xử lý tín hiệu trên ăng-ten mảng có thể được sử dụng để triệt nhiễu hoặc khoanh vùng nguồn gây nhiễu.
Về giảm nhiễu, mặc dù hiện thực các kỹ thuật khác nhau, các phương pháp hiện có trong nhóm này có thể được phân loại dựa trên tiêu chí tối ưu hóa để tính trọng số tối ưu.
Tiêu chí cực tiểu hoá sai số bình phương trung bình MMSE: Tiêu chí này thực
hiện tối thiểu hóa sai số bình phương trung bình giữa tín hiệu đầu ra của mảng x( )t và tín hiệu tham chiếu d t( )
Vấn đề: ( ) ( ) { } min T w E éd t - t ù ê ú ë w x û (3.1) Giải pháp: 1 MMSE xx xd w = R r- (3.2)
Trong đó: w là vectơ trọng số, x( )t là vectơ của tín hiệu nhận được.
Trong quá trình thực hiện, tín hiệu tham chiếu là mã nội bộ và các bit điều hướng trong giai đoạn theo dõi. Tuy nhiên, các bit điều hướng không có sẵn dưới nhiễu mạnh. Do đó, kỹ thuật này phù hợp với môi trường nhiễu yếu.
Tiêu chí tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng tạp tâm SINR:
46 * * * max T ss T T w ii + ii w R w w R w w R w (3.3) Giải pháp: 1 * ( ) SINR ii nn s - = + w R R a (3.4)
Tiêu chí đảo ngược công suất: Với giả thiết tín hiệu nhận được yếu hơn so với
nhiễu, kỹ thuật này được đề xuất để làm vô hiệu tín hiệu mạnh hơn. Vấn đề: ( ) { }khi min T T 1 w E é t ù = ê ú ëw x û w f (3.5) Giải pháp: 1 PI = m xx- f w R (3.6)
Tiêu chí điều khiển mảng: kỹ thuật này đơn giản là tối đa hoá độ lợi của ăng-
ten mảng theo hướng các tín hiệu quan tâm Vấn đề: K = T s w a (3.7) Giải pháp: * BS = s w a (3.8)
Tiêu chí điều khiển null: Điều khiển null sẽ giảm độ lợi hướng giao thoa. Kỹ
thuật này có thể được sử dụng để triệt tiêu nhiễu GNSS một cách hiệu quả. Tiêu chí tối ưu và vectơ trọng số được đưa ra như sau:
Vấn đề: 1 = T i w a (3.9) Giải pháp: * NS = i *b w a (3.10)
Trong đó: ai là vector hướng nhiễu với các phần tử 1, exp( )1i , , exp( Φi )T
K j j é ù ê ú ê ¼ ë F ûú
Mặc dù tác dụng của kỹ thuật này là không thể phủ nhận, nhưng thách thức lớn nhất trong quá trình thực hiện là giao diện người dùng của ăng-ten mảng. Gần
47
đây, nhờ tính khả dụng về mặt thương mại của các chipset cho ứng dụng GNSS chuyên biệt mà đã có nhiều bước tiến trong triển khai ăng-ten mảng với chi phí thấp cho tín hiệu GNSS.
Về nguyên tắc, việc triển khai các giao diện người dùng dựa trên cấu trúc điển hình ăng-ten mảng kỹ thuật số được biểu diễn trong Hình 3.3.
Hình 3.3. Kiến trúc điển hình của ăng-ten mảng chi phí thấp trong ứng dụng GNSS
Trong quá trình thực hiện, các mẫu được đóng gói vào một gói và chuyển đến chuỗi xử lý tín hiệu. Rõ ràng, mẫu lấy từ các phần tử được đồng bộ hóa và chỉ cần hiệu chỉnh một chút để thiết bị hoạt động bình thường. Tuy nhiên, do giới hạn về băng thông, cả số lượng phần tử và bit lượng tử hóa đều bị hạn chế. Ví dụ, một gói gửi đến chuỗi xử lý tín hiệu và được có cấu trúc như biễn diễn trong sơ đồ bên phải của Hình 3.3, tần số lấy mẫu là 16.368MSps và sử dụng USB 2.0 với băng thông 60 MB/s. Do đó, giao diện người dùng sẽ bị giới hạn tối đa 15 phần tử. Ngoài ra, yêu cầu phải triển khai máy tính có cấu hình mạnh để lấy mẫu từ giao diện người dùng. Do đó, giải pháp không thích hợp cho các máy thu di động.
Một cách tiếp cận khác là sử dụng các giao diện người dùng riêng biệt với bộ tạo dao động chung. Trong cách tiếp cận này, quá trình đồng bộ hóa được chuyển đến các chuỗi xử lý tín hiệu và tận dụng sự hiệu quả của xử lý dữ liệu phân tán. Nói cách khác, giải pháp làm giảm sự phụ thuộc của các thuộc tính phần tử (tần số lấy mẫu, các bit lượng tử hóa) vào giao diện. Do đó, nó cho phép mở rộng số phần tử thành vô hạn về mặt lý thuyết. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất trong triển khai giải pháp này là làm thế nào để đồng bộ các phần tử một cách hiệu quả. Trong viễn thông, một một giải pháp hiệu quả có thể kể đến đó là kỹ thuật tương quan. Mối tương quan trong
48
miền thời gian được sử dụng để phân tích độ trễ. Hàm mô tả sự giống nhau giữa các tín hiệu cho mọi độ trễ được biểu diễn như sau.
1 1 2 0 [ ] N n R m s n s n m - = é ù= é ù + ê ú ê ú ë û å ë û (3.11)
Đỉnh cao nhất của hàm tương quan trong công thức (3.11) thể hiện độ trễ giữa hai tín hiệu.
( )
estimated rgmax
m = a R mé ùê ú ë û
Tuy nhiên, do đặc tính riêng của tín hiệu GNSS (tức là sử dụng mã trải rộng, công suất thu yếu), kỹ thuật này không thể áp dụng với các tín hiệu đó. Hình 3.4 cho thấy mối tương quan của tín hiệu nhận được giữa hai phần tử. Mặc dù độ trễ được đặt thành 0 trong thử nghiệm này, nhưng không có đỉnh nào được hiển thị ứng với giá trị độ trễ bằng 0.
Hình 3.4. Mối tương quan giữa 2 tín hiệu GPS được thu nhận bởi ăng-ten mảng
Do đó, trọng tâm chính của luận văn này là đề xuất một kỹ thuật hiệu quả để tự đồng bộ hóa các phần tử mà không cần sử dụng bất kỳ nguồn bên ngoài nào.
49
3.1.2. Kỹ thuật dựa trên xử lý tín hiệu số và giao diện người dùng
Kỹ thuật dựa trên giao diện người dùng sử dụng các đặc điểm bất thường của
nhiễu như công suất cao, hình dạng phổ, phân bố mẫu để phát hiện nhiễu. Một một số nghiên cứu đã khai thác thông tin điều chỉnh độ lợi tự động (AGC) để phát hiện các tấn công gây nhiễu và giả mạo đơn giản.
Hình 3.5. Phổ và biểu đồ của tín hiệu GNSS khi không có nhiễu
Tuy nhiên, những thông tin như vậy không phải lúc nào cũng có sẵn trong giao diện người dùng thương mại. Do đó, một số công trình đã đề xuất việc sử dụng phổ và biểu đồ của các mẫu thô để phát hiện nhiễu. Trong điều kiện không có nhiễu, phổ tín hiệu GPS được định hình bởi bộ lọc đầu cuối và hình dạng đồ thị giống như phân bố Gaussian (Hình 3.5). Hình dạng của đồ thị liên quan đến thực tế là tín hiệu nhận được bị chi phối bởi tạp âm trắng xung quanh.
Trong khi kỹ thuật dựa trên giao diện người dùng chỉ để phát hiện nhiễu, các kỹ thuật dựa trên xử lý tín hiệu số có hiệu quả trong việc giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu. Trong số các kỹ thuật của nhóm này, bộ lọc xung và bộ lọc chặn đã chỉ ra rằng chúng có thể cải thiện vài dB sau khi giảm thiểu nhiễu. Tuy nhiên, kỹ thuật này không hiệu quả trong việc giảm nhiễu giả mạo vì tín hiệu giả rất giống với tín hiệu chuẩn.
50
3.1.3. Kỹ thuật xử lý tín hiệu trên bộ tương quan / giám sát và khối định vị PVT
Tương tự các kỹ thuật trên, kỹ thuật dựa trên bộ tương quan (ví dụ: giám sát C/N0) cũng dựa trên các đặc tính bất thường của tín hiệu nhận được. Tuy nhiên, nó sử dụng thông tin tỷ lệ sóng mang trên nhiễu thay vì công suất tín hiệu nhận được tuyệt đối trên nhiễu.
Trong các kỹ thuật dựa trên khối định vị PVT, giám sát toàn vẹn tự động của máy thu (RAIM) được chứng minh là có hiệu quả để phát hiện các lỗi trong phép đo giả hành (khoảng cách giả giữa vệ tinh và máy thu vệ tinh điều hướng đối với máy thu GNSS). Tuy nhiên, phép đo chỉ khả dụng nếu giai đoạn theo dõi không bị mất khóa. Yêu cầu không thể được đảm bảo khi tấn công gây nhiễu nhằm mục đích làm mất khóa máy thu. Do đó, các nghiên cứu gần đây đã nghiên cứu để áp dụng định vị thời gian thô cho môi trường nhiễu. Trong đó có kỹ thuật định vị ảnh chụp nhanh.
Hình 3.6. Kiến trúc định vị ảnh chụp nhanh
Trong kỹ thuật này, người dùng được trang bị một bộ lấy dữ liệu GNSS, bộ thu thập tín hiệu GNSS tại chỗ. Tập dữ liệu sau đó được truyền đến máy chủ (Hình 3.6). Ở phía máy chủ, dữ liệu GPS có sẵn (được cung cấp bởi một máy thu GPS khác) và tập dữ liệu đã nhận được sử dụng đồng thời để tính toán vị trí của người dùng. Trong kỹ thuật này, tác vụ khó nhất - đồng bộ hóa tín hiệu và tính toán vị trí được thực hiện ở phía máy chủ, trong khi ở phía người dùng, chỉ cần một bộ lấy dữ liệu GPS đơn giản và một modem giao tiếp. Bằng cách này, yêu cầu tính toán ở phía người dùng được giảm bớt và do đó mức tiêu thụ năng lượng được giảm đáng kể. Bộ thu
51
ảnh chụp nhanh lần đầu tiên được đề xuất bởi NASA vào năm 1997 và những năm gần đây đã được nghiên cứu rộng rãi do nhu cầu ngày càng tăng về định vị tiêu thụ năng lượng thấp cho các thiết bị di động, đặc biệt là cho đồng hồ thông minh và thiết bị theo dõi đối tượng.
Sử dụng kỹ thuật này yêu cầu cần biết một vị trí gần đúng (được gọi là nghiệm trước) nhỏ hơn 150 km, tương đương với độ dài nửa đoạn mã, tính từ vị trí thực. Tuy nhiên, thông tin đó không phải lúc nào cũng có trên thực tế. Để khắc phục hạn chế về khoảng cách đó, các nghiên cứu gần đây đã đề xuất thiết kế máy thu ảnh chụp nhanh cho điện toán di động sử dụng vị trí các trạm gốc di động như một giải pháp ưu tiên. Tuy nhiên, do chính sách của các công ty viễn thông, thông tin của các trạm gốc không phải lúc nào cũng được cung cấp. Vì vậy, phương pháp định vị Doppler được sử dụng để cung cấp nghiệm trước cho việc định vị ảnh chụp nhanh. Mặc dù định vị Doppler không quá chính xác, tuy nhiên cũng đáp ứng được yêu cầu 150 km. Do quá trình theo dõi là bắt buộc, điều này dẫn đến tiêu thụ năng lượng do các phép tính toán tương quan.
Bên cạnh phần xử lý tín hiệu vốn đã được giảm bớt bởi kỹ thuật chụp ảnh nhanh, phần giao tiếp cũng cần kiểm soát mức tiêu thụ năng lượng. Do đó, kích thước của tập dữ liệu cần được giảm càng nhiều càng tốt để đáp ứng yêu cầu đó.
3.2. Kỹ thuật sử dụng ăng-ten mảng cho máy thu GNSS
Luận văn tập trung chủ yếu vào giải pháp xử lý tín hiệu trên ăng-ten mảng và như đã đề cập, việc xử lý tín hiệu định vị và dẫn đường vệ tinh sử dụng ăng-ten mảng mặc dù mang lại nhiều lợi ích nhưng cũng phát sinh một số vấn đề kỹ thuật cần phải giải quyết. Một trong các vấn đề đó là tính không đồng nhất (về pha, biên độ hoặc cả pha và biên độ) giữa các kênh của ăng-ten mảng. Do vậy, phần này của luận văn sẽ trình bày một giải pháp đồng bộ hóa để mở rộng số lượng phần tử thiết bị đầu cuối ăng-ten mảng cho máy thu GNSS. Trong giải pháp này, tín hiệu từ các phần tử không cần thiết phải đồng bộ ngay sau ADC mà chúng được thực hiện bằng kỹ thuật xử lý phía sau. Nhờ đó, phần tử trong ăng-ten mảng giảm bớt sự phụ thuộc vào giao diện
52
băng thông. Do đó, giao diện người dùng của ăng-ten mảng có ưu điểm như: nhiều bit lượng tử hóa, tính nhỏ gọn và khả năng mở rộng.
Dựa trên giải pháp đề xuất, phần này trình bày xây dựng giao diện người dùng ăng-ten mảng chi phí thấp cho ứng dụng GNSS. Trện thực tế, đây chính là kỹ thuật đồng bộ hoá các dongle RTL2832. Dải tần hoạt động của các dongle thay đổi từ 25 MHz đến 1750 MHz bao phủ toàn bộ dải tần GNSS. Hơn nữa, các bit lượng tử hóa của ADC được nhúng trong giao diện người dùng có thể mở rộng đến 16 bit. Do đó, giao diện người dùng được đề xuất phù hợp với các ứng dụng GNSS.
Do mỗi phần tử của giao diện người dùng là một dongle hoàn chỉnh với giao diện riêng, tự kết nối với máy chủ, các tín hiệu từ các phần tử không nhận cùng một lúc. Hơn nữa, dù sử dụng xung nhịp chung cho các phần tử thì tần số điều chỉnh của bộ tạo dao động nội (LO) vẫn khác nhau ở mỗi phần tử. Do đó, các vấn đề này cần được giải quyết trước khi sử dụng giao diện người dùng ăng-ten mảng đề xuất. Phần tiếp theo sẽ giải thích về thuật toán sử dụng để giải quyết vấn đề này.
3.2.1. Giải pháp đề xuất để đồng bộ hóa các phần tử riêng biệt của ăng-ten mảng
a) Cấu trúc truyền thống b) Cấu trúc đề xuất
Hình 3.7. Kiến trúc của máy thu GNSS dựa trên ăng-ten mảng
Không mất tính tổng quát, ta giả sử một ăng-ten mảng có 2 phần tử, tín hiệu nhận được ở phần tử đầu tiên như sau:
( ) ( ) ( )exp Φ
0 s 2 s s 0 s 0 ( 2 d s 0)
s nT = P C nT - t D nT - t j pf nT + (3.12) Trong đó: Ps là công suất của tín hiệu nhận được.
53
() .
D là dữ liệu của tín hiệu GPS.
0
t là độ trễ mã
d
f là tần số sau khi chuyển đổi xuống băng tần cơ sở. Φ0 là pha sóng mang của tín hiệu nhận được
Tín hiệu tương ứng trên phần tử thứ hai:
( ) ( ) ( ) exp Φ Φ 1 0 0 0 2 ( 2 ( )( ) ) s s s s s s d s s s nT P C nT mT D nT mT j f f nT mT t t p = - - - - ´ + D - + + D (3.13)
Trong đó: mTs là chênh lệch thời gian giữa 2 phần tử trong quá trình thu
Φ
D là chênh lệch thời gian do các vị trí ăng-ten gây ra.
Để mô hình hóa tín hiệu ăng-ten mảng, ta giả thiết rằng tín hiệu cản trở ăng- ten theo hướng được biểu thị bằng góc phương vị và góc nâng (f q, ). Do đó, vectơ đơn vị của tín hiệu đến có thể được viết là:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) sin cos sin sin cos
s é q f q f q ù
= êë úû
a (3.14)
Chúng ta cũng giả sử rằng phần tử đầu tiên của mảng là gốc của hệ tọa độ. Do đó, độ trễ giữa phần tử thứ m và phần tử đầu tiên có thể được biểu thị bằng độ trễ lan truyền theo hướng của tín hiệu đến từ điểm gốc đến mặt sóng đi qua phần tử thứ m. Độ trễ tính bằng mét: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Δ . ,
sin cos sin sin cos
m m s m m m X Y Z r q f q f q f q = = + + p a (3.15) Trong đó: pm = (Xm,Y m,Zm) là vị trí của phần tử thứ 𝑚.
Tóm lại, để đồng bộ 2 phần tử ta cần xác định những điều sau: (1) số lượng mẫu khác biệt mTs , (2) độ dịch pha xung nhịp Df , (3) độ lệch pha xung nhịpDF .
54
3.2.1.1. Xác định các mẫu khác biệt
Phần này trình bày một giải pháp được đề xuất để xác định số lượng mẫu khác biệt giữa các phần tử bằng cách sử dụng tín hiệu trực tiếp GNSS. Không mất tính tổng quát, ta coi GPS L1CA là tín hiệu nhận được.
Hình 3.8. Chênh lệch thời gian giữa 2 phần tử
Vấn đề đầu tiên được nêu ra đó là, do sử dụng các giao diện khác nhau cho các phần tử nên mỗi giao diện được xử lý bởi một tác vụ cụ thể trong OS. Kết quả là, tín