2.2. Bộ thu trong hệ thống địnhvị sử dụng vệ tinh
2.2.1.Sơ đồ khối tổng quát củabộ thu GNSS
Các chức năng của một bộ thu GNSS điển hình sẽ đƣợc phân tích chi tiết. Quá trình xử lý tín hiệu trong bộ thu GNSS bắt đầu từ quá trình thu nhận tín hiệu
định vị từ vệ tinh của khối đầu cuối cao tần RF đến quá trình tính toán của khối xử
31
lý bản tin dẫn đƣờng. Hình 1.1 minh họa sơ đồ khối của một bộ thu GNSS điển
hình. Trong đó, khối đồng bộ tín hiệu bao gồm: khối bắt đồng bộ tín hiệu và khối
bám đồng bộ tín hiệu (sau đây gọi tắt là khối bắt tín hiệu và khối bám tín hiệu).
Hình 2.6. Cấu trúc của bộ thu GNSS tiêu biểu
a) Đầu cuối RF
Khối đầu cuối cao tần thực hiện xử lý tín hiệu cao tần thu nhận đƣợc từ anten
qua các quá trình biến đổi để đƣợc tín hiệu số trung tần đƣa đến khâu xử lý tín hiệu trung tần. Ngay sau khi tín hiệu đi qua anten, tín hiệu định vị cao tần đi qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) để thực hiện khuếch đại cũng nhƣ lọc tín hiệu nằm trong dải thông cho phép. Sau đó, tín hiệu cao tần đƣợc lọc này đƣợc thực hiện hạ tần xuống tần số trung tần (IF). Tín hiệu trung tần ngay sau đó đƣợc số hóa nhờ bộ ADC và đƣa đến khâu xử lý trung tần thực hiện quá trình đồng bộ tín hiệu để giải điều chế nhằm thu đƣợc bản tin dẫn đƣờng.
b) Khối bắt tín hiệu
Quá trình bắt tín hiệu thực hiện việc tìm kiếm và ƣớc lƣợng sơ bộ các thông số của các tín hiệu định vị đƣợc phát từ các vệ tinh. Nói cách khác, quá trình bắt tín hiệu xác định những vệ tinh nào đƣợc “nhìn thấy” bởi bộ thu GNSS. Các thông số cần phải ƣớc lƣợng bao gồm: tần số sóng mang và độ dịch của mã PRN. Tần số sóng mang của tín hiệu vệ tinh tới khối bắt tín hiệu là trung tần. Tuy nhiên, do sự chuyển động của vệ tinh, tần số này bị dịch chuyển theo hiệu ứng Doppler. Trong các hệ
thống GNSS, độ dịch tần Doppler tối đa là 10kHz hay tần số sóng mang của tín hiệu định vị bị dịch tần tối đa ± 10kHz quanh tần số danh định. Bộ thu GNSS xác định tần số sóng mang nhờ việc thử các tần số khác nhau quanh tần số danh định với mỗi bƣớc thử là 500Hz (nhƣ vậy có 41 tần số khác nhau). Sau khi trộn tần
32
để loại bỏ thành phần sóng mang trong tín hiệu thu đƣợc, quá trình bắt đồng bộ tín hiệu tiếp tục với việc tìm ra độ dịch của mã PRN trong tín hiệu định vị thu đƣợc. Với mỗi tần số sóng mang, bộ thu thực hiện xử lý với 1023 độ trễ mã PRN khác nhau. Sau khi tất cả các giá trị của tần số sóng mang và trễ mã PRN đã đƣợc tính toán, bộ thu tìm giá trị cực đại tƣơng quan giữa mã PRN ở tín hiệu thu đƣợc và mã PRN tái tạo ở bộ thu. Vệ tinh đƣợc gọi là “nhìn thấy” nếu giá trị tƣơng quan này cao hơn một mức ngƣỡng đã đƣợc thiết lập trƣớc. Khi đó các thông số ƣớc lƣợng sơ bộ của vệ tinh là tần số và mã PRN tƣơng ứng.
Kỹ thuật phổ biến và đơn giản nhất để thực hiện việc bắt tín hiệu là dựa trên biến đổi Fourier (FFT). Tuy nhiên, khi triển khai trong thực tế, việc áp dụng FFT có thể đƣợc thực hiện theo ba cách khác nhau: tìm kiếm nối tiếp, tìm kiếm song song theo miền tần số và tìm kiếm song song theo miền trễ mã PRN. Với giải pháp tìm kiếm nối tiếp, bộ thu thực hiện tìm kiếm với mỗi cặp tần số sóng mang và độ trễ mã PRN. Với số lƣợng trễ mã PRN có thể có là 1023 và độ dịch tần ±10kHz với bƣớc dịch tần 500kHz, tổng số khả năng thực hiện tìm kiếm là [15]:
Nhƣ vậy có thể thấy tuy việc tính toán đơn giản nhƣng số lƣợng tính toán là
tƣơng đối lớn nên làm chậm quá trình tìm kiếm đồng bộ. Đây chính là nhƣợc điểm của giải pháp tìm kiếm kiểu nối tiếp. Để khắc phục nhƣợc điểm này, hai giải pháp tìm kiếm song song theo miền tần số và song song theo miền trễ mã PRN đƣợc thực hiện. Giải pháp tìm kiếm song song miền tần số chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số nhờ FFT. Nhờ vậy, trong giải pháp này không gian tìm kiếm chỉ gồm 1023 bƣớc tìm kiếm trễ mã PRN. Khác với giải pháp tìm kiếm song song miền tần số, giải pháp tìm kiếm song song miền trễ mã PRN chỉ thực hiện tối đa 41 bƣớc tìm kiếm ứng với 41 khả năng về tần số sóng mang. Do đó, giải pháp này giúp cho việc tìm kiếm nhanh hơn nhiều so với 2 giải pháp trƣớc đó.
33
Hình 2.7. Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm song song theo pha mã
c) Khối bám tín hiệu
Sau quá trình bắt tín hiệu định vị, các tín hiệu định vị từ các vệ tinh trong tầm “nhìn thấy” của bộ thu GNSS đã đƣợc ƣớc lƣợng với các thông số sơ bộ ban
đầu, các thông số này có độ chính xác chƣa cao. Bƣớc tiếp theo, bộ thu GNSS bắt
đầu khởi tạo quá trình bám tín hiệu. Nhiệm vụ của quá trình bám này nhằm ƣớc
lƣợng tốt hơn các thông số của tín hiệu định vị đồng thời theo sát sự thay đổi theo thời gian của các thông số này. Một nhiệm vụ nữa của khối này là khi đã bám sát sự thay đổi của các thông số giúp cho bộ thu GNSS có thể tách đƣợc luồng bit dữ
liệu ra khỏi tín hiệu tín hiệu trải phổ. Quá trình đó đƣợc gọi là giải trải phổ hoặc giải
điều chế dữ liệu định vị. Để thực hiện nhiệm vụ bám đồng bộ tín hiệu, các mạch
vòng khóa đồng bộ đƣợc sử dụng trong bộ thu GNSS. Các mạch vòng khóa đồng bộ có nhiệm vụ khóa giữ các thông số của tín hiệu định vị thông qua việc liên tục thay đổi các thông số của bộ tạo tín hiệu cục bộ trong bộ thu GNSS để đạt đƣợc trạngthái cân bằng. Trong các bộ thu GNSS, vòng khóa trễ (DLL) thực hiện bám trễ thời gian của mã PRN (gọi tắt là bám mã PRN), vòng khóa pha (PLL) thực hiện bám pha sóng mang (gọi tắt là bám sóng mang).
d) Khối giải điều chế dữ liệu
34
Dữ liệu sau khối bám đồng bộ tín hiệu là dữ liệu của bản tin dẫn đƣờng. Các tín hiệu định vị thƣờng có năng lƣợng thấp và bị tác động nhiều của nhiễu. Vì vậy, để tăng năng lƣợng của bit dữ liệu bản tin dẫn đƣờng, các bit dạng NRZ trong một khoảng thời gian đƣợc cộng lại với nhau để tạo ra một bit dữ liệu bản tin dẫn đƣờng cũng có dạng NRZ. Bản tin dẫn đƣờng này có tốc độ là 50bps (tƣơng ứng với 1 bittrong bản tin dẫn đƣờng có độ rộng là 20ms). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
e) Khối tính toán PVT
Khối tính toán PVT có nhiệm vụ tính toán vị trí, vận tốc và thời gian dựa trên bản tin dẫn đƣờng trên cơ sở giả khoảng cách (pseudo range) giữa vệ tinh và bộ thu
GNSS. Đối với tín hiệu của hệ thống GPS, việc xác định giả khoảng cách này tuân thủ theo ICD-GPS-200G cho dải tần số L1 và L2, ICD-GPS-705C cho các tín hiệu
định vị ở dải tần L5. Đối với tín hiệu hệ thống Galileo, việc tính toán giả khoảngcách theo bản tin dẫn đƣờng dựa vào Galileo OS SIS ICD của Liên minh châu Âu.
Bộ thu GNSS dựa trên bản tin dẫn đƣờng để xác định các thông số về quỹ đạo của vệ tinh để từ đó tính toán đƣợc các sai lệch về định thời cũng nhƣ sai lệch về quỹ đạo thực tế của vệ tinh. Những thông tin này giúp bộ thu GNSS có thể xác định ra đƣợc vị trí của nó. Thời gian cần thiết để bộ thu xác định đƣợc vị trí lần đầu của nó đƣợc gọi là TTFF, tham số này phụ thuộc rất nhiều vào cách triển khai đồng bộ tín hiệu định vị cũng nhƣ phƣơng thức xác định vị trí đƣợc áp dụng cho bộ thu.
Việc xác định giả khoảng cách đƣợc tính toán theo nguyên tắc xác định khoảng thời gian truyền sóng của tia truyền thẳng từ vệ tinh tới bộ thu. Với mỗi vệ tinh, bộ thu xác định đƣợc một giả khoảng cách giữa nó và vệ tinh đó theo biểu thức:
với là giả khoảng cách giữa vệ tinh thứ s và bộ thu u ; c là tốc độ ánh sáng;
là độ sai lệch đồng hồ bộ thu; là sai lệch đồng hồ vệ tinh; là trễ do tầng
đối lƣu; là trễ do tầng điện ly; là các sai số do nguyên nhân khác nhƣ tạp âm,
đa đƣờng,…
35
Trong biểu thức trên, các ẩn số cần phải xác định đó là vị trí của bộ thu ( ) và sai lệch đồng hồ bộ thu. Do đó, cần phải có ít nhất 04 giả khoảng
cách ứng với 04 vệ tinh đƣợc bộ thu “nhìn thấy”. 2.2.2. Bộ thu mềm GNSS
Trong các bộ thu cứng truyền thống của hệ thống GNSS, hầu hết các quá trình xử lý tín hiệu cao tần, trung tần và giải điều chế đều đƣợc thực hiện trên các modul phần cứng nhƣ chip ASIC. Những bộ thu nhƣ vậy có ƣu điểm đó là quá trình
xử lý tín hiệu nhanh hơn. Tuy nhiên, những nhƣợc điểm cũng xuất hiện khi các hệ
thống GNSS đƣợc triển khai mới hoặc hiện đại hóa. Do đƣợc đóng gói cứng vào trong các chip ASIC nên việc cấu hình lại, cập nhật hoặc nâng cấp các quá trình xử lý tín hiệu cho phù hợp với các tín hiệu định vị mới trong các hệ thống GNSS sẽ khó triển khai . Bên cạnh đó, việc nghiên cứu, đánh giá các công nghệ xử lý tín hiệu mới cũng khó thực hiện đƣợc trên các bộ thu này. Gần đây, đi cùng với xu thế
sử dụng công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SDR), các bộ thu mềm GNSS cũng ngày càng phát triển theo xu hƣớng thực hiện số hóa tín hiệu ngày càng tiến gần tới anten của bộ thu . Điều đó tạo ra các bộ thu GNSS làm việc với tần số ngày càng cao và băng thông ngày càng rộng.
Hình 2.8. Cấu trúc tổng quát của bộ thu cứng, bộ thu mềm SDR và bộ thu mềm lý tƣởng
36
Hình trên minh họa cấu trúc tổng quát của bộ thu mềm trên cơ sở so sánh với cấu trúc bộ thu cứng truyền thống. Nhƣ minh họa ở hình vẽ, trong khi ở bộ thu cứng, hầu hết các quá trình xử lý tín hiệu nhƣ xử lý tín hiệu cao tần, đồng bộ tín hiệu và giải điều chế tín hiệu đều đƣợc thực hiện trên phần cứng. Ngƣợc lại, ở các bộ thu mềm, các quá trình xử lý tín hiệu này (trừ chức năng xử lý tín hiệu cao tần vẫn đƣợc thực hiện trên khối đầu cuối cao tần), đƣợc thực hiện dựa trên phần mềm. Điều này giúp cho các bộ thu mềm GNSS dễ dàng đƣợc cấu hình lại, cập nhật vànâng cấp để thích
ứng với các dạng thức khác nhau của tín hiệu định vị cũng nhƣ vẫn xử lý đƣợc tín hiệu định vị truyền thống (tín hiệu GPS C/A). Các bộ thu mềm GNSS có thể đƣợc thực hiện dựa trên nền tảng FPGA, nền tảng hệ thống nhúng hoặc nền tảng PC. Trong đó, các bộ thu mềm dựa trên nền tảng PC và hệ thống nhúng có khả năng xử lý tín hiệu thời gian thực. Đặc biệt, hiện nay hầu hết các PC đều có cấu hình rất cao, bộ
thu GNSS dựa trên PC dễ dàng thực hiện các quá trìnhxử lý tín hiệu với khối lƣợng tính toán lớn và phức tạp. Điều này mang đến những thuận lợi vô cùng lớn cho việc nghiên cứu, triển khai vàđánh giá các thuật toán xử lý tín hiệu mới nhằm nâng cao chất lƣợng, hiệu năng của bộ thu GNSS.
Bảng 2.1. Ƣu nhƣợc điểm của bộ thu mềm GNSS:
Ƣu điểm
- Kiến trúc linh hoạt, mềm dẻo.
- Khả năng thích ứng nhanh với nhu cầu thay đổi, nâng cấp hệ thống.
- Giảm thời gian sản xuất, đƣa ra thị trƣờng
- Tạo điều kiện thuận lợi cho việc tối ƣu hóa các quá trình xử lý trong bộ thu. - Thích hợp cho việc trang bị tính năng,
định vị dẫn đƣờng cho các thiết bị không dây hiện tại nhƣ: điện thoại di động, máy nghe nhạc, máy ảnh,…
Nhƣợc điểm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Tốc độ xử lý không nhanh bằng bộ thi cứng ASIC
37
2.3. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng lên máy thu GNSS.
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