Nhƣ trình bày trong hình. 4, AsPeCT hoàn toàn loại bỏ các đỉnh phụ của ACF sine BOC(n, n). Đối với các tác động của bộ lọc, nếu giá trị của β là 1 đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp bộ lọc có băng thông 6MHz, có những đỉnh phụ rất nhỏ xung quanh ± 0,6 chip. Những đỉnh phụ phải đƣợc loại bỏ nếu giá trị β là 1,4 đƣợc sử dụng. Nó có nghĩa là trong bƣớc mã theo dõi của bộ thu GNSS, AsPeCTloại bỏ
những điểm có khả năng khóa sai.
Để giảm thiểu ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng, đƣờng bao lỗi đa đƣờng (MME) là một cách phổ biến. Hình 3.5 minh họa cho MEE với theo dõi truyền
55
thống sin BOC(n,n) cũng nhƣ cho các AsPeCT cho tín hiệu-to-muItipath tỷ lệ (SMR) là 0,5 và khoảng cách giữa các con chip Sớm-Muộnδ = 0.l (chips). Nhƣ đã thấy trong hình 3.5, có sự khác biệt rất nhỏ giữa hai kỹ thuật theo dõi.
Hình 3.5. Mã theo dõi MEE cho truyền thống tín hiệu sin BOC(n, n) và AsPeCT
Tuy nhiên, AsPeCT là chỉ áp dụng cho tín hiệu sin BOC(n, n). Khi áp dụng phƣơng pháp này cho tín hiệu cosin BOC(n, n), đỉnh phụ gần nhƣ không đƣợc hủybỏ. Vì vậy trong đồ án này, một phƣơng pháp mới đƣợc đề xuất để có đƣợc hiệu suất tốt trong việc giảm thiểu đa đƣờng cũng nhƣ hủy bỏ đỉnh phụ cho tín hiệu sin BOC(n, n) và cosin BOC(n, n).
3.2. Phƣơng pháp TK-AsPeCT
3.2.1. Toán tử Teager- Kaiser
Toán tử Teager - Kaiser (TK) là một trong những toán tử phi tuyến đƣợc sử
dụng để đo lƣờng năng lƣợng vật lý tức thời của một hệ thống. Có một số ƣu điểm của việc sử dụng toán tử phi tuyến này nhƣ hiệu quả, đơn giản và khả năng xác định
56
năng lƣợng tức thời. Do đó, một số ứng dụng đƣợc dùng cho xử lý tín hiệu, xử lý âm thanh,.. . Trong bộ thu GNSS, đồng bộ hóa mã TK dựa trên dựa trên nguyên tắc việc khai thác năng lƣợng tín hiệu bằng cách sử dụng toán tử TK. Đầu ra của khối thực hiện toán tử TK có thể thể hiện trễ của tất cả các đƣờng kênh (đƣờng truyền thẳng và các thành phần đa đƣờng). Định nghĩa của khối thực hiện toán tử TK trong trƣờng hợp liên tục nhƣ:
Trong đó x(t) là thực, ẋ, ẍtƣơng ứng là đạo hàm bậc nhất và bậc hai của x(t). Trong trƣờng hợp rời rạc, đầu ra của khối thực hiện toán tử TK trong một tín hiệu rời rạc thực x (n) đƣợc cho bởi công thức:
Đáp ứng đầu ra của khối TK thể hiện vị trí của các đỉnh tƣơng quan của hàm ACF. Việc xem xét, đánh giá các đỉnh tƣơng quan dựa trên đầu ra của toán tử TK dễ dàng hơn việc xem xét trực tiếp hàm ACF.Trong trƣờng hợp có sự tham gia của thành phần tín hiệu đa đƣờng, đáp ứng đầu ra củabộ TK thể hiện đƣợc thời gian đến của các thành phần tín hiệu LOS cũng nhƣ thành phần đađƣờng. Trong đó, thành phần LOS ứng với đỉnh lớn nhất của đáp ứng TK, đỉnh nhỏ hơn ứngvới thành phần đa đƣờng. Do đó, giải pháp sử dụng toán tử TK xác định khá rõ ràng các đỉnhcủa hàm tƣơng quan trong cả trƣờng hợp không có hay có thành phần tín hiệu đa đƣờng.
3.2.2. TK-AsPeCT
Theophƣơng pháp TK-AsPeCT, các AsPeCT kết hợp với khối thực hiện toán tửTK để có đƣợc một hàm tƣơng quan tổng hợp mới. Trong bài báo này, khối thực hiện toán tử TK quy ƣớc đƣợc cải tiến với
Với k ≠ 0 là một hệ số tỷ lệ . Nếu k= 1 ta có toán tử TK theo cách truyền thống.
57
Khi áp dụng toán tử TK cho các hàm tƣơng quan dạng không kết hợp, hàm tƣơng quan tổng hợp mới có độ rộng của đỉnh chính hẹp hơn khá nhiều. Khi đó, các hàm tƣơng quan TK-AsPeCT đƣợc biến đổi thành:
Trong trƣờng hợp rời rạc, công thức trên trở thành:
3.3. Kết quả mô phỏng
3.3.1. Các đặc tính của kết quả mô phỏng của bộ so pha Giả sử bộ lọc có băng thông là vô hạn.
Hiệu năng hoạt động của giải pháp đƣợc đề xuất đƣợc so sánh với các giải pháp khác nhƣgiải pháp truyền thống sử dụng hàm ACF, giải pháp AsPECT và giải phápTK- AsPeCT.
Hình dạng của hàm tƣơng quan của TK-AsPeCT cùng với AsPeCT và hàm ACF của tín hiệu sin BOC(n, n)đƣợc minh họa trong hình 3.6. Trong các mô phỏng, k = 1.4 và β = 1. Từ hình này, ta có thể đƣợc quan sát thấy rằng đỉnh chính của TK-AsPeCT hẹp hơn so với AsPeCT và và hàm ACF của tín hiệu sine BOC(n, n). Tƣơng tự nhƣ hàm tƣơng quanAsPeCT, không có đỉnh phụ không mong muốn trong hàm tƣơng quan TK-AsPeCT.
58
Hình 3.6. Hàm tƣơng quan ACF của tín hiệu sin BOC(n.n); AsPeCT và TK- AsPeCT không có bộ lọc
Đối với các tín hiệu cosin BOC(n, n), với giả định tƣơng tự cho các mô phỏng, 03 hàm tƣơng quan đƣợc thể hiện trong hình 3.7.
Nhƣ đã minh hoạ trong hình này, các đỉnh chính của TK-AsPeCT vẫn là hẹp hơn so với AsPeCT và cosine BOC(n, n) ACF. Tƣơng tự nhƣ AsPeCT, cùng và đỉnh chính, có 02 đỉnh phụ, và do đó sự nhầm lẫn không thể loại bỏ hoàn toàn. Tuy nhiên, số lƣợng các đỉnh phụ của TK-AsPeCT vẫn còn ít hơn so với hàm ACF của tín hiệu cosine BOC(n, n). Đặc biệt, so với các AsPeCT, tỷ số giữa công suất của đỉnh phụ và đỉnh chính là nhỏ hơn nhiều . Do đó, nguy cơ lựa chọn cao điểm sai là nhỏ hơn.
59
Hình 3.7. Hàm tƣơng quan ACF của tín hiệu cosinBOC (n.n); AsPeCT và TK- AsPeCT không có bộ lọc.
Trong bộ thu GNSS truyền thống, các vòng lặp mã theo dõi là một Mạch vòng khóa trễ DLL, nơi mà bộ so sánh trễ mã (bộ so pha mã) có vai trò rất quan trọng và quyết định đến chất lƣợng của DLL . Khi sử dụng một bộ so pha dạng hiệu bình phƣơng 2 tƣơng quan EMLP theo dõi vòng lặp, đầu ra của bộ so pha mã đƣợccho bởi công thức:
Với τlà đại diện cho các pha mã (trễ) sự khác biệt giữa bộ thu và nơi tạo ra tín hiệu BOC và δ là khoảng cách Sớm- Muộn trong chip.
60
Vùng ổn định là miền xung quanh điểm lệch 0 của bộ so pha sao cho trong miền đó khi sai số đầu vào bộ so pha không đổi dấu thì đáp ứng của bộ so pha
cũngkhông đổi dấu. Điều này đồng nghĩa bộ so pha có đáp ứng phù hợp với sai số đầu vào và hộitụ về điểm lệch 0. Vùng tuyến tính là vùng xung quanh điểm lệch 0 sao cho đáp ứngcủa bộ so pha tỉ lệ thuận với sai số về pha ở đầu vào. Điều này đồng nghĩa bộ so pha có đápứng hoàn hảo với sai số đầu vào và không tạo ra hiện tƣợng dịch chuyển sai số. Đây là mộttham số quyết định đến hiệu năng hoạt động của bộ so pha. Vùng tuyến tính càng rộng đồngnghĩa với bộ so pha có đáp ứng chính xác với sai số
lớn ở đầu vào và nhƣ vậy DLL càng cóhiệu năng hoạt động tốt hơn.
Hình 3.8 mô tả các hình dạng của lối ra các bộ so pha ứng với phƣơng pháp
truyền thống sin BOC(n,n); AsPeCT và TK-AsPeCT. Và hình dạng của lối ra các bộ
so pha ứng với phƣơng pháp truyền thống cosin BOC(n,n); AsPeCT và TK-AsPeCT
đƣợc thể hiện ở hình 3.9. Trong cả hai mô phỏng, các cấu trúc bộ tƣơng quan trong DLL là tƣơng quan hẹp với khoảng cách Sớm-Muộn δ= 0,1 chips và bộ lọc có băng thông vô hạn. Rõ ràng, so với các phƣơng pháp truyền thống, phƣơng pháp TKAsPeCT không có điểm khóa sai đối với sine BOC(n, n) .Công suất xuất hiện của điểm khóa sai đối với cosineBOC (n, n) đƣợc giảm đáng kể. Hơn nữa, thú vị là lƣu ý rằng vùng tuyến tính bộ so pha là nhƣ nhau cho 03 phƣơng pháp. Tuy nhiên, vùng ổn định của bộ so pha với phƣơng pháp TK-AsPeCT là giảm nhẹ.
61
Hình 3.8. TK-AsPeCT S-curve cho sine BOC(n.n)
62
Hình 3.9. TK-AsPeCT S-curve cho cosin BOC(n.n)
3.3.2. Ảnh hƣởng của hiệu ứng đa đƣờng.
Đƣờng bao lỗi đa đƣờng (MEE) là một trong những phƣơng pháp đơn giản nhất để đánh giá ảnh hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng đối với quá trình bám mã PRN của bộ thu GNSS. Phƣơng pháp MEE xem xét trƣờng hợp bộ thu GNSS đƣợc đặt trong môi trƣờng chỉ có một thành phần tín hiệu đa đƣờng bên cạnh thành phần tín hiệu LOS. Để đơn giản hơn nữa, biên độ tƣơng đối của thành phần đa đƣờng so với thành phần LOS duy trì không đổi trong suốt quá trình đánh giá tác động của hiện tƣợng đa đƣờng. Hơn nữa, giá trị biên độ này là nhƣ nhau với tất cả các độ trễ khác nhau của thành phần đa đƣờng, đồng thời độ lệch pha của tín hiệu đa đƣờng ở tất cả các độ trễ khác nhau đều giống nhau: hoặc đồng pha với thành phần LOS hoặc ngƣợc pha với thành phần LOS. Việc tính toán đƣờng bao lỗi trung bình tƣơng
63
đƣơng với việc tìm ra điểm cắt 0 của đáp ứng bộ so pha vì đây là điểm khóa ổn định của DLL. Do tác động của thành phần đa đƣờng, điểm cắt 0 này không còn nằm ở điểm lệch nữa. Sự sai khác giữa điểm cắt 0 và điểm lệch tạo ra sai số do đa đƣờng trong bám mã.MEE trình bày tác động của hiện tƣợng đa đƣờng thông qua biên độ tƣơng đối không đổi hoặc hằng số SMR (thƣờng là SMR= 0.5 hoặc -6 dB) cho tất cả các đƣờng trễ (tín hiệu đa đƣờng đƣợc xem xét thay đổi từ 0 đến 1.2 chipsso với các tín hiệu LOS). Các đƣờng bao lỗi đƣợc tính toán bằng cách xác định vùng giao nhau của các bộ so pha DLL.
Các kết quả đƣợc minh họa trong hình 3.10 và 3.11 cho sin BOC (n, n) và cosin BOC (n, n), tƣơng ứng với TK-AsPeCT, AsPeCT và phƣơng pháp truyềnthống.
Hình 3.10. MEE cho các tín hiệu truyền thống sin BOC(n,n), AsPeCT và TK- AsPeCT
64
Hình 3.11. MEE cho các tín hiệu truyền thống cosin BOC(n,n), AsPeCT và TK-AsPeCT
Từ quan sát hình vẽ, có thể nhận thấy, hiệu năng giảm nhiễu đa đƣờng của giải pháp đề xuất tốt hơn so với hai giải pháp còn lại khi xét với cả hai dạng điều
chế tín hiệu. Do đặc tính của hàm tƣơng quan tổng hợp có biên độ rất nhỏ khi độ trễ mã lớn nên khi tín hiệu đa đƣờng có trễ lớn, sự tác động làm biến dạng đỉnh chính hàm tƣơng quan và thay đổi giá trị đầu ra các bộ tƣơng quan không xảy ra. Điều nàygiảm ảnh hƣởng của tín hiệu đa đƣờng đến độ chính xác bám mã.
Bên cạnh đó, đƣờng bao RAE cũng đƣợc sử dụng để so sánh, đánh giá hiệu
năng giảm nhiễu đa đƣờng của các giải pháp. Trong phƣơng pháp RAE, chỉ những giá trị tuyệt đối của đƣờng bao mới đƣợc xem xét và tổng tích lũy của chúng đƣợc sử dụng để tính lỗi trung bình. Phƣơng pháp RAE tính giá trị trung bình của MEE khi pha của tín hiệu đa đƣờng đồng pha và ngƣợc pha với tín hiệu LOS. Các giải
65
pháp hoặc dạng tín hiệu đƣợc gọi là có khả năng giảm nhiễu đa đƣờng tốt nếu có RAE tiến tới 0 nhanh theo chiều độ trễ mã PRN tăng lên. Trong số các giải pháp
đƣợc xem xét, giải pháp đề xuất có đƣờng bao RAE tốt nhất với các đặc điểm: giá trị sai số cực đại nhỏ và tiến về 0 nhanh nhất. Những đặc điểm này có thấy giải pháp đề xuất về tổng thể có hiệu năng giảm nhiễu đa đƣờng tốt nhất. Hình. 12 và Hình.13 hiển thị các RAE tƣơng ứng với sineBOC (n, n) và cosin BOC(n, n) với tín hiệu TK-AsPeCT, AsPeCT, và phƣơng pháp truyền thống.
Hình 3.12. RAE tƣơng ứng với sine BOC (n, n) với tín hiệu TK- AsPeCT, AsPeCT, và phƣơng pháp truyền thống.
66
Hình 3.13. RAE tƣơng ứng với cosin BOC(n, n) với tín hiệu TK-AsPeCT, AsPeCT, và phƣơng pháp truyền thống.
Những kết quả trên đây một lần nữa khẳng định hiệu quả của giải pháp đề xuất trong việc nâng cao hiệu năng bám mã cho bộ thu GNSS dƣới tác động của hiện tƣợng đa đƣờng.
3.4. Kết luận chƣơng 3
Một giải pháp tránh bám mã nhầm áp dụng cho tín hiệu điều chế cosin BOC(n,n) đã đƣợc nghiên cứu, đề xuất và đánh giá. Giải pháp này dựa trên kết hợp giữa hàm ACF của tín hiệu cosin BOC (n,n) và hàm tƣơng quan BOC – PRN (tƣơng quan giữa tín hiệu BOC và mã giả ngẫu nhiên PRN). Hàm tƣơng quan tổnghợp đạt đƣợc đã loại bỏ đƣợc 04 đỉnh phụ của hàm ACF. Đồng thời, độ rộng đỉnh chính của hàm ACF tín hiệu cosin BOC (n,n) vẫn đƣợc duy trì.
67
Toán tử phân tích năng lƣợng Teager – Kaiser (TK) cũng đã đƣợc lựa chọn để nghiên cứu và xây dựng một giải pháp để nâng cao độ chính xác cho quá trình bám mã trong các bộ thu GNSS. Việc kết hợp toán tử TK với giải pháp loại bỏ đỉnh phụ hàm ACF giúp tạo ra một giải pháp tránh bám nhầm mới có thể đƣợc áp dụng cho tín hiệu điều chế sin BOC (n,n) cũng nhƣ cosin BOC (n,n). Giải pháp này cũng đạt đƣợc tiêu chí về khắc phục khả năng bám nhầm của mạch vòng và duy trì đƣợcnhững ƣu điểm của dạng tín hiệu điều chế BOC. Mặc dù hiệu suất của phƣơng pháp này đƣợc kiến nghị là nhạy cảm với đa đƣờng ngắn trễ, nó vẫn nhanh hơn so với phƣơng pháp truyền thống.
68
KẾT LUẬN
Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh GNSS ngày càng có rất nhiều ứng dụng
trong các lĩnh vực trong cuộc sống.Nhằm đáp ứng ngày càng tốt hơn nữa về chất
lƣợng dịch vụ mà hệ thống cung cấp tới ngƣời sử dụng cũng nhƣ tận dụng sự phát triển của các công nghệ, kỹ thuật viễn thông hiện đại, các hệ thống định vị đã không
ngừng phát triển thông qua sự hiện đại hóa của hệ thống hiện tại là GPS và sự triển khai cung cấp dịch vụ của các hệ thống mới nhƣ Galileo và GLONASS.Trong đó, các tín hiệu của hệ thống GPS và Galileo sử dụng phƣơng thức đa truy cập CDMA, các tín hiệu của hệ thống GLONASS sử dụng phƣơng thức đa truy cập FDMA. Trong tƣơng lai không xa, nhằm triển khai sự kết hợp liên hệ thống giữa các hệ thống GNSS, GLONASS sẽ triển khai phƣơng thức CDMA cho các tín hiệu định vị mới. Hầu hết các hệ thống GNSS triển khai sử dụng phƣơng thức điều chế BOC cho các tín hiệu định vị mới trong giai đoạn phát triển và hiện đại hóa. Trên khía cạnh kết hợp giữa các hệ thống GNSS, các hệ thống GNSS chia sẻ các tần số sóng mang để
truyền phát các tín hiệu định vị. Nội dung của đồ án đã tập trung giải quyếtnhững tác nhân gây sai số nhằm cải thiện chất lƣợng, nâng cao độ chính xác của các bộ thu GNSS, đặc biệt khi các hệ thống GNSSđang trong giai đoạn phát triển và hiện đại hóa với việc bổ sung thêm nhiều tín hiệu định vịmới.Hai vấn đề đƣợc tập trung nghiên cứu là nhiễu đa đƣờng và hiện tƣợng sai lệch đồng bộkhi bộ thu GNSS hoạt động với các tín hiệu định vị dạng điều chế BOC.
Bài nghiên cứu đã trình bày các nội dung bao gồm:
Chƣơng 1 giới thiệu tổng quát về khái niệm, đặc điểm, tác hại của hiện tƣợng đa đƣờng và tín hiệu phi tuyến.
Hiện tƣợng đa đƣờng (Multipath) là hiện tƣợng khi mà tín hiệu đƣợc phát đi bị
phản xạ trên các bề mặt vật thể tạo ra nhiều đƣờng tín hiệu giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối sử dụng. Kết quả là tín hiệu đến các thiết bị đầu cuối sử dụng là tổng hợp của tín hiệu gốc và tín hiệu phản xạ. Dẫn đến ở máy thu, ta thu đƣợc rất nhiều
69
phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống thông tin vô tuyến.
Hiện tƣợng phi tuyến là hiện tƣợng tín hiệu bị méo do các tác nhân phi tuyến gây ra. Hiện tƣợng phi tuyến trong viễn thông có thể xảy ra tại hai quá trình: quá trình truyền thông tin và quá trình nhận thông tin. Hệ thống phi tuyến có thể tạo ra các hành vi có tính phức tạp trong đó có điểm rẽ nhánh, sự hỗn loạn, sóng hài và sóng hài phụ mà không thể sản xuất hoặc phân tích đƣợc bằng phƣơng pháp tuyến tính.Xử lý tín hiệu phi tuyến liên quan đến việc phân tích và xử lý tín hiệu đƣợc sản xuất từ các hệ thống phi tuyến và có thể nằm trong miền thời gian, tần số, hoặc các miền không-thời gian.
Trong chƣơng 2 hệ thống định vị vệ tinh GNSS đƣợc giới thiệu và các ảnh
hƣởng của hiện tƣợng đa đƣờng đối với khả năng định vị.Hiện nay, nhiều hệ thống
GNSS đã và đang tồn tại và phát triển. Tuy nhiên, xét về phạm vị toàn cầu và khả năng phổ biến tín hiệu định vị trên toàn cầu, ba hệ thống định vị đƣợc xem xét chủ
yếu là GPS, Galileo và GLONASS. Nhiễuđa đƣờng gây ảnh hƣởng mạnh đến quá trình bám mã và gây ra sai số về khoảng cách khá lớn.Môi trƣờngxung quanh bộ
thu GNSS càng phức tạp nhƣ khu vực thành thị, đặc biệt những khu vực cómật độ
nhiều nhà cao tầng thì số lƣợng tia đa đƣờng càng nhiều, cƣờng độ tia đa đƣờng cànglớn và ảnh hƣởng nhiễu đa đƣờng đến độ chính xác của bộ thu GNSS càng tăng