Hệ thống định vị dựa trên thời gian trễ và ƣớc lƣợng tần số dịch chuyển của các tín hiệu đầu vào ở phía ngƣời nhận, để tính toán vị trí của ngƣời dùng.
Tín hiệu định vị đƣợc truyền từ các vệ tinh MEO xuống các bộ thu GNSS
ở dƣới mặt đất. Trong quá trình truyền sóng từ vệ tinh xuống bộ thu, các tín hiệu địnhvị đi qua các tầng khí quyển nhƣ tầng điện ly, tầng lối lƣu. Đặc điểm vật lý của các tầng khí quyển này gây ra các ảnh hƣởng khác nhau đến các tham số của tín hiệu định vị. Khi tín hiệu định vị đƣợc phát đi từ vệ tinh, nội dung của bản tin dẫn đƣờngmang các thông tin về quỹ đạo và các tham số đƣợc dự đoán, tính toán về
vệ tinh để giúp cho bộ thu GNSS có thể dựa vào đó tính toán ra giả khoảng cách giữa vệ tinh và bộ thu. Tuy nhiên các thông tin này có thể khác so với các tham số thực tế lúc đó của vệ tinh. Do đó đây là một nguyên nhân gây sai số và đƣợc gọi là nguồn gây sai số của bản thân vệ tinh. Tƣơng tự, khi tín hiệu định vị đến bộ
thu, các nguyên nhân gây sai số khác cũng xuất hiện nhƣ: xung nhịp đồng hồ của bộ thu, anten của bộ thu và các trễ trong quá trình xử lý tín hiệu trong bộ thu.
Trong các nguồn gây lỗi trên, lỗi do hiện tƣợng đa đƣờng là một trong những lỗi chủ yếu ảnh hƣởng đến độ chính xác của bộ thu GNSS. Các nguồn sai số nhƣ trễ tầng điện ly, trễ tầng đối lƣu, sai lệch vị trí quỹ đạo vệ tinh đã và đang có nhiều giải pháp khắc phục rất hiệu quả và ảnh hƣởng rất ít đến sai số trong hệ thống GNSS. Với trễ tầng điện ly, trễ tầng đối lƣu, các mô hình toán học mô hình hóa đặc điểm của trễ này ngày càng chính xác. Đồng thời, do sự phụ thuộc của trễ vào tần số tín hiệu định vị, việc sử dụng các bộ thu hai tần số sóng mang đã giải quyết rất tốt tác động của trễ này đến hiệu năng hoạt động của bộ thu GNSS. Ngoài ra với việc áp dụng công nghệ định vị vi sai, ví dụ nhƣ DGPS, các bộ thu GNSS có thể hiệu chỉnh đƣợc sự sai lệch vị trí của mình dựa theo vị trí của các trạm tham chiếu trong hệ thống DGPS.
Tuy nhiên, sai số do đa đƣờng mang những đặc điểm khác biệt hoàn toàn. Hiện tƣợng đa đƣờng hoàn toàn mang tính cá thể, với các bộ thu GNSS khác nhau,
ở các vị trí khác nhau không xa, sự tác động của hiện tƣợng đa đƣờng là khác nhau.
38
Chính vì vậy, việc áp dụng các giải pháp nhƣ sử dụng công nghệ định vị vi sai hoặc xây dựng các mô hình truyền sóng chung để từ đó loại bỏ tác động của hiện tƣợng đa đƣờng đến hoạt động của bộ thu GNSS không khả thi. Do đó, hiện tƣợng truyền dẫn đa đƣờng trở thành nguồn sai số chủ yếu trong các hệ thống GNSS. Đây cũng là lý do để có thể gọi tắt hiện tƣợng truyền dẫn đa đƣờng là nhiễu đa đƣờng. Sai số do nhiễu đa đƣờng chỉ có thể giảm thiểu mà không thể triệt tiêu hoàn toàn trong các bộ thu GNSS.
Hiện tƣợng đa đƣờng là do tín hiệu vệ tinh đến máy thu qua nhiều đƣờng khác nhau do phản xạ tín hiệu. Nếu tín hiệu phản xạ đủ mạnh, máy thu ghi nhận cả tín hiệu truyền thẳng từ vệ tinh đến máy thu và cả tín hiệu phản xạ khi va đập vào các vật (nhà cửa, hàng rào, cột điện…) trên đƣờng đi.Nhiễu tín hiệu nhìn chung đƣợc xem không mong muốn trong lĩnh vực GNSS vì chúng phá hủy hình dạng hàm tƣơng quan đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng thời gian trễ, nhƣng có thể hữu ích trong một số trƣờng hợp (ví dụ, để dò sóng).Hiện tƣợng đa đƣờng gây phiền phức khác trong khuôn khổ của GNSS, từ bên thu có thể gây ra sự biến dạng đáng kể đến hình dạng của các hàm tƣơng quan đƣợc sử dụng trong việc ƣớc tính thời gian chậm trễ của một Mạch vòng khóa trễ (DLL) của một máy thu định vị, dẫn đến sai sót trong ƣớc tính vị trí của máy thu.Việc sử dụng đa đƣờng đặc biệt giới hạn ăng-tencó thể phải trả chi phí thêm phần cứng, và các kỹ thuật hậu xử lí không thể đƣợc sử dụng trong định vị thời gian thực. Đặc biệt trong môi trƣờng đô thị, hiện tƣợng đa đƣờng có thể gây ra một sự xuống cấp nặng, kể từ khi tầm nhìn thẳng LOS của con đƣờng có thể bị ảnh hƣởng cùng lúc bởi sự tắc nghẽn và shadowing (hiệu ứng bóngrâm), làm tăng tác động của đa đƣờng đáng kể.
Nhiều kỹ thuật đƣợc áp dụng để nâng cao hiệu năng định vị của máy thu GNSS khi bị ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng. Các cuộc nghiên cứu đa đƣờng trong các tài liệu thƣờng đƣợc dựa trên những giả định lạc quan, ví dụ, giả sử hai
đƣờng tĩnh một kênh hoặc một kênh fading với một phân bố Rayleigh hoặc mộtphân bố Nakagami. Nhƣng, trong thực tế, có rất nhiều vấn đề mô hình kênh, ví dụ, truyền hình vệ tinh để sử dụng hình học, số lƣợng biến đƣờng dẫn, trễ đƣờng dẫn
39
biến và lợi ích, tình trạng đƣờng Nn Line-Of-Sight (NLOS), tình trạng máy thu, … đƣợc đem ra xem xét khi phân tích việc thực hiện những kĩ thuật này. Với sự gia
tăng sức mạnh máy tính, các nhà thiết kế máy thu bây giờ có thể sử dụng các thuật toán phức tạp và tính toán các giải pháp mạnh để giảm tác động xấu của đa đƣờng - tín hiệu phản xạ - trên thiết bị GNSS.Những tiến bộ trong việc phát triển các kỹ thuật xử lý tín hiệu để giảm thiểu đa đƣờng đã dẫn đến một cải tiến liên tục hiệu suất, trong khi về cơ bản hai cách tiếp cận chính có thể đƣợc phân biệt: các lớp về kỹ thuật mà thực sự giảm thiểu ảnh hƣởng của multipath bởi những biến đổi của mô hình anten (hoặc bằng phƣơng tiện thiết kế phần cứng hoặc với các kỹ
thuật xử lý tín hiệu) hoặc bằng cách sắp xếp các chi tiết, linh kiện ít thu truyền thống (ví dụ nhƣ các bộ tƣơng quan sớm / trễ) và các lớp của các kỹ thuật ƣớc lƣợng đa đƣờng, mà các giải pháp với đa đƣờng (đặc biệt là trễ của các đƣờng dẫn) nhƣ một cái gì đó đƣợc ƣớc lƣợng từ các tín hiệu nhận đƣợc, do đó ảnh hƣởng của nó có thể dễ dàngloại bỏ ở giai đoạn xử lý sau này. Hầu hết các kỹ thuật giảm nhẹ thông thƣờng là trong một số cách sắp xếp các máy dò lỗi phân biệt / thời gian (TED) của DLL để các tín hiệu nhận đƣợc trong môi trƣờng đa đƣờng.
Hình 2.9. Truyền sóng từ vệ tinh GNSS tới bộ thu GNSS trong môi trƣờng đa đƣờng
40
Các đặc điểm của tín hiệu đa đƣờng nhƣ số lƣợng tia đa đƣờng, cƣờng độ, độ trễ
và pha của tia đa đƣờng so với tia LOS cũng có những ảnh hƣởng trực tiếp đến khả năng đồng bộ tín hiệu của bộ thu GNSS. Những thông số này phụ thuộc vào môi trƣờng xung quanh bộ thu nhƣ khu vực nông thôn, khu vực ngoại ô, khu vực thành thị,…. Nhìn chung, môi trƣờng xung quanh bộ thu GNSS càng phức tạp nhƣ
khu vực thành thị, đặc biệt những khu vực có mật độ nhiều nhà cao tầng thì số lƣợng tia đa đƣờng càng nhiều, cƣờng độ tia đa đƣờng càng lớn và ảnh hƣởng nhiễu đa đƣờng đến độ chính xác của bộ thu GNSS càng tăng lên. Đặc biệt, tại những khuvực này một số trƣờng hợp xảy ra tín hiệu LOS bị che chắn hoàn toàn, chỉ còn các thành phần đa đƣờng nên khi đó sai số càng trở nên trầm trọng.
Các bộ thu GNSS chỉ xử lý với các tín hiệu truyền thẳng từ vệ tinh GNSS đến bộ thu để có thể xác định trực tiếp thời gian truyền sóng của tín hiệu định vị. Do đó, các thành phần tín hiệu không phải tia truyền thẳng đều làm tác động gây ranhững sai số trong quá trình xử lý tín hiệu định vị của bộ thu GNSS. Hệ thống GNSS luôn đánh giá chất lƣợng hoạt động qua tiêu chí sai số vị trí hay là sai số trong việc ƣớc lƣợng thời gian truyền sóng của thành phần tín hiệu LOS. Điều này khác với các hệ thống thông tin khác mà ở đó tiêu chí đƣợc sử dụng để đánh giá chất lƣợng hệ thống là tỉ lệ
lỗi bit BER. Các thành phần tín hiệu đa đƣờng gây ra những sai số trong quá trình đồng bộ pha sóng mang và đồng bộ độ trễ của mã PRN. Những sai số này dẫn đến sai số về vị trí của bộ thu GNSS. Vì lý do này các tín hiệu đa đƣờng có thể đƣợc gọi là nhiễu đa đƣờng. Quá trình đồng bộ pha sóng mang phụ thuộc vào tần số sóng mang. Tuy nhiên, do tần số của sóng mang tín hiệu định vị cỡ GHz nên sai số về khoảng cách do đồng bộ sóng mang gây ra cỡ độ dài
bƣớc sóng và giá trị này là khá nhỏ (λ= c/ = 3x 108/1575,42 x106≈ 19(cm)).
Ngƣợc lại, độ trễ của mã PRN đƣợc sử dụng để tính toán giả khoảng cách giữa bộ thu GNSS và từng vệ tinh GNSS. Nếu độ sai lệch của độ trễ mã là 1 chipthì với tốc độ
của mã PRN là 1,023x106(chip/s) ( dẫn đến sai số về khoảng cách là ε=c/fc= 3x108 / 1,023x106≈ 293(m). Nhƣ vậy, sai số do sai lệch đồng bộ trễ mã PRN lớn hơn rất nhiều so với sai số do sai lệch đồng bộ pha sóng mang. Nói theo cách khác, tác
41
động của nhiễu đa đƣờng đối với quá trình ƣớc lƣợng pha sóng mang ít hơn rất nhiều so với quá trình ƣớc lƣợng độ trễ của mã PRN.
Ảnh hƣởng của nhiễu đa đƣờng trong các hệ thống GNSS là nguồn gây sai số không thể tránh khỏi. Bên cạnh vấn đề sai số do nhiễu đa đƣờng mang tính cá thể riêng rẽ với từng vị trí của bộ thu GNSS, ảnh hƣởng của nhiễu đa đƣờng cũng phụ thuộc khá nhiều vào các yếu tố nhƣ đặc điểm của tín hiệu và đặc điểm, cấu trúc của bộ thu GNSS. Các nhân tố của tín hiệu và bộ thu tác động đến ảnh hƣởng nhiễu đađƣờng bao gồm:
Phƣơng thức điều chế đƣợc sử dụng cho tín hiệu định vị Băng thông của bộ lọc ở khối đầu cuối RF (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khoảng lệch sớm-muộn của các bộ tƣơng quan trong mạch vòng bám mã
Cấu trúc của bộ so sánh ở trong mạch vòng bám mã Tốc độ mã PRN
Số lƣợng tia đa đƣờng
Cƣờng độ, độ trễ và độ lệch pha giữa các tín hiệu đa đƣờng với tín hiệu LOS
Bản thân các bộ thu GNSS cũng là một trong những nguyên nhân gây ra sai số đối với quá trình xử lý tín hiệu định vị để xác định vị trí của nó. Các bộ thu không thể bám sát một cách hoàn hảo, ngay tức thì sự thay đổi của tín hiệu do các lỗi của anten, lỗi do tạp âm nhiệt, nhiễu, tạp âm lƣợng tử và lỗi do bám tín hiệu. Lỗi do tạp âm của bộ thu thƣờng thay đổi theo cƣờng độ của tín hiệu định vị, cƣờng độ này lại phụ thuộc vào cao độ của vệ tinh GNSS. Ngoài ra, hoạt động bám tín hiệu địnhvị của bộ thu GNSS còn chịu ảnh hƣởng của các nguồn nhiễu có phổ tần chồng lấn với phổ tần của tín hiệu GNSS do các thành phần nhiễu này vẫn lọt qua bộ lọc cao tần.
42
2.4. Nghiên cứu các giải pháp nâng cao độ chính xác của máy thu GNSS khi bị ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng.