BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGÔ QUANG THƢỞNG NGHIÊN CỨU KÊNH VÀ MÔ HÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU GNSS YẾU Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Kỹ thuật truyền thông NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Hà Nội – Năm 2015 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng LỜI CAM ĐOAN Trƣớc hết xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội tạo môi trƣờng tốt để học tập nghiên cứu Xin cảm ơn thầy cô khoa đào tạo sau đại học quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho học viên có điều kiện thuận lợi để học tốt Và đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Trung, thầy tận tình bảo, hƣớng dẫn định hƣớng cho nội dung luận văn Tôi xin cam đoan nội dung luận văn hoàn toàn tìm hiểu, nghiên cứu viết Tất đƣợc thực cẩn thận có định hƣớng giáo viên hƣớng dẫn Tôi xin chịu trách nhiệm với nội dung luận án Tác giả Ngô Quang Thƣởng GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page i Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng MỞ ĐẦU a, Lời mở đầu: Từ thời xa xƣa, ngƣời biết sử dụng kiến thức thiên văn học hay dụng cụ thô sơ để tự định hƣớng cho Với phát triển khoa học kỹ thuật công nghệ định vị toàn cầu phát triển không xa lạ với Nhờ có công nghệ mà việc xác định đƣợc vị trí nhƣ xác tọa độ bạn hay đối tƣợng cách đơn giản Theo nghiên cứu, có nhiều nguyên nhân ảnh hƣởng đến độ xác, độ nhanh nhạy tốc độ truyền tải GPS Theo đó, số nguyên nhân làm giảm tín hiệu GPS tín hiệu đƣờng, lỗi đồng hồ máy thu, lỗi quỹ đạo, tầng đối lƣu tầng ion…., em định chọn đề tài: “Nghiên cứu kênh mô hình xử lý tín hiệu GNSS yếu” để làm luận văn tốt nghiệp thạc sỹ b, Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Nắm đƣợc kiến thức hệ thống định vị dẫn đƣờng GNSS , trình suy giảm tín hiệu GNSS c, Nội dung luận văn Ngoài lời mở đầu, mục lục, tài liệu tham khảo, luận văn đƣợc chia làm chƣơng Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quát hệ thống vệ tinh dẫn đƣờng toàn cầu GNSS Chƣơng 2: Các hệ thống vệ tinh dẫn đƣờng toàn cầu GNSS Chƣơng : Mô hình xử lý tín hiệu GNSS yếu Chƣơng 4: Mô trình xử lý tín hiệu matlab Xin chân thành cảm ơn GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page ii Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỞ ĐẦU ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii CHƢƠNG TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƢỜNG TOÀN CẦU GNSS 1.1.Lịch sử phát triển hệ thống định vị toàn cầu 1.2 Đối tƣợng, phân tầng hoạt động dịch vụ GNSS 1.2.1.Đối tƣợng GNSS 1.2.2.Phân đoạn hoạt động GNSS 1.2.2.1.Tầng không gian 1.2.2.2.Phần điều khiển 1.2.2.3.Phần ngƣời sử dụng 1.2.3.Dịch vụ cung cấp chất lƣợng 1.2.3.1.GPS 1.2.3.2.GLONASS 1.2.3.3.GALILEO CHƢƠNG CÁC HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƢỜNG TOÀN CẦU GNSS 2.1.Hệ thống định vị toàn cầu GPS 2.1.1.Cấu trúc hệ thống GPS 2.1.1.1.Phần không gian (space segment) 2.1.1.2.Phần điều khiển (control segment) 2.1.1.3.Phần ngƣời sử dụng (user segment) 2.1.2 Các hệ vệ tinh mạng lƣới vệ tinh GPS 2.1.2.1.Các hệ vệ tinh 2.1.2.2.Mạng lƣới vệ tinh GPS 2.1.3.Cấu trúc tín hiệu GPS 2.1.3.1.Các thông tin điều biến 2.1.3.2.Các loại sóng tải hệ thống GPS 10 2.1.3.3 Các thông báo vệ tinh 10 GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page iii Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng 2.1.3.4.Vệ tinh khỏe không khỏe 11 2.1.3.5.Vệ tinh hoạt động không hoạt động 11 2.1.3.6.Độ xác dự báo đo khoảng cách (URE) 11 2.1.3.7.Các giá trị đo GPS 11 2.1.4.Nguyên lý định vị 14 2.1.4.1 Định vị tuyệt đối 14 2.1.4.2.Định vị tƣơng đối 16 2.1.4.3.Các nguồn sai số kết đo GPS 17 2.1.5.Nguyên lý đo GPS động 22 2.1.5.1.Nguyên lý chung đo GPS động 22 2.1.5.2.Giải pháp kỹ thuật đo GPS động 23 2.1.5.3.Các phƣơng pháp đo GPS động 24 2.1.5.4.Tọa độ hệ quy chiếu 27 2.1.5.5.Xác định tọa độ máy thu 28 2.1.6.Công nghệ định vị giám sát phƣơng tiện giao thông GPS tracking 30 2.1.6.1.Các thành phần hệ thống 30 2.1.6.2.Các chức 42 2.1.6.3.Các phƣơng thức hoạt động hệ thống GPS tracking 42 2.1.6.4.Máy thu định vị vệ tinh GPS 44 2.1.6.5.Hệ thống GPS tracking kết hợp kỹ thuật truyền dẫn sóng radio VHF/UHF 47 2.1.6.6.Hệ thống GPS tracking kết hợp thông tin di động 49 2.2 Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS 56 2.3.Hệ thống định vị toàn cầu GALILEO 64 2.3.1.Giới thiệu 64 2.3.2.Thông số hệ thống 64 2.3.3.Các giai đoạn dự án 65 2.3.4.Hoàn thành đƣa vào hoạt động 66 CHƢƠNG MÔ HÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU GNSS YẾU 67 3.1.Thu nhận tín hiệu GNSS yếu 67 3.1.1.Máy dò bình phƣơng 68 3.1.2.Phân tích kết thực 70 3.2.Theo dõi tín hiệu GNSS yếu 71 GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page iv Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng 3.2.1.Theo dõi xử lý khối kiến trúc NC 72 3.2.2.Kết phân tích 73 3.2.2.1.Kết mô phần mềm 73 3.2.2.2.Kết mô phần cứng 74 CHƢƠNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU GNSS YẾU BẰNG MATLAB 77 4.1.Nguyên nhân làm giảm tín hiệu GPS 77 4.2.Mô Matlab 78 THUẬT NGỮ TỪ VIẾT TẮT TÀI LIỆU THAM KHẢO GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page v Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1.Sơ đồ liên quan ba phần GNSS (GPS) Hình 2.2.Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất Hình 2.3.Vị trí trạm điều khiển giám sát hệ thống GPS Hình 2.4.Các hệ vệ tinh Hình 2.5.Mô tả truyền tín hiệu 13 Hình 2.6.Mô hình điều chế tín hiệu 13 Hình 2.7 Xác định vị trí máy thu 15 Hình 2.8.Sơ đồ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS 16 Hình 2.9.Phƣơng pháp định vị tƣơng đối 17 Hình 2.10.Sai số quĩ đạo vệ tinh 18 Hình 2.11.Sai số tầng đối lƣu điện lƣu 19 Hình 2.12.Sai số tƣợng đa đƣờng truyền 20 Hình 2.13.Khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS 21 Hình 2.13.Định vị động tƣơng đối 23 Hình 2.14.Xác định hệ qui chiếu WGS-84 27 Hình 2.15.Các thành phần hệ thống GPS Tracking 31 Hình 2.16.Các phƣơng thức hoạt động hệ thống GPS Tracking 43 Hình 2.17.Cấu trúc máy thu GPS 45 Hình 2.18 Nhiệm vụ tần số vi xử lý 46 Hình 2.19.Mô hình hệ thống 47 Hình 2.20.Cơ chế hoạt động 48 Hình 2.21.Modul gắn xe 49 Hình 2.22.Mô hình hệ thống 50 Hình 2.23.Sơ đồ khối mạch vi xử lý xe 53 Hình 2.24.Thiết bị đặt xe 53 Hình 2.25.Xác định tọa độ xe qua tin nhắn 54 Hình 2.26.Giám sát hành trình xe 54 Hình 2.27.Chƣơng trình quản lý liệu xe 55 Hình 2.22.Cấu trúc tin dẫn đƣờng hệ thống GLONASS 56 Hình 2.23.Hợp phần dự phòng siêu khung tin dẫn đƣờng hệ thống GPS 57 Hình 2.25.Cấu trúc tin dẫn đƣờng hệ thống vệ tinh GLONASS 58 Hình 2.26.Cấu trúc kiểu hàng thứ 20 tín hiệu GLONASS mở L3OC với cấu trúc phân chia theo mã 63 GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page vi Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng Hình 3.1.So sánh đƣờng cong ROC cho hai giá trị khác K cho tín hiệu đến với C/N0 = 18dB-Hz 71 Hình 3.2.Sơ đồ khối tần số tín hiệu yếu GNSS theo dõi kiến trúc dƣới điều biến liệu 72 Hình 3.3.Sự khác biệt giá trị Doppler hãng dự kiến giá trị khác K cho IF mô liệu (b) giá trị Simulated C/N0 chức thời gian 74 Hình 3.4 (a) Giá trị Doppler ƣớc tính cho giá trị khác K cho mô phần cứng liệu, PRN15 (b) C/N0 giá trị thu đƣợc xử lý RR 75 GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page vii Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1.Các thành phần tín hiệu tần số tƣơng ứng Bảng 1.2.Bảng thống kê nguồn lỗi đo GPS biện pháp khắc phục 22 Bảng 1.3.Tổng hợp phƣơng pháp đo GPS 26 GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page viii Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng CHƢƠNG TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH DẪN ĐƢỜNG TOÀN CẦU GNSS 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống định vị toàn cầu Từ xa xƣa ngƣời biết sử dụng kiến thức thiên văn học để áp dụng vào việc tìm phƣơng hƣớng Để xác định đƣờng phải ngƣời cổ xƣa phải xem xét vào nhiều yếu tố nhƣ hƣớng mặt trời (vào lúc sáng) hay dựa vào vị trí chùm (vào lúc tối) để định hƣớng đƣợc cho Qua thời gian vật dụng để xác định phƣơng hƣớng đời nhƣ la bàn, tiếp đến với tiếp nối khoa học kỹ thuật ngày có thành tựu to lớn nhờ phát triển hệ thống định vị toàn cầu Nhờ vào hệ thống định vị toàn cầu mà việc xác định phƣơng hƣớng hay vạch lộ trình cho hành trình cách dễ dàng Trên quỹ đạo có hệ thống vệ tinh nhân tạo với nhiệm vụ xác định vị trí đối tƣợng mặt đất Bất ai, vật toàn cầu, mang theo máy thu đặc biệt nhờ hệ thống vệ tinh biết đƣợc xác vị trí trái đất Ngƣời ta gọi Hệ thống vệ tinh dẫn đƣờng toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System – GNSS) GNSS đƣợc cấu thành nhƣ chòm (một nhóm hay hệ thống) quỹ đạo vệ tinh kết hợp với thiết bị mặt đất Trong thời điểm, vị trí mặt đất xác định đƣợc khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) tính đƣợc tọa độ vị trí GNSS hoạt động điều kiện thời tiết, nơi trái đất 24 ngày Mỹ nƣớc phóng lên đƣa vào sử dụng hệ vệ tinh dẫn đƣờng Mỹ đặt tên cho hệ thống hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), ban đầu để dùng riêng cho quân sự, sau mở rộng sử dụng cho dân phạm vi toàn cầu, quốc tịch miễn phí Hiện nay, GNSS tên gọi chung cho hệ thống định vị dẫn đƣờng sử dụng vệ tinh GPS (Global Positioning System) Mỹ chế tạo hoạt động từ năm 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) Nga chế tạo hoạt động từ năm 1995, hệ thống GALILEO mang tên nhà thiên văn học GALILEO Liên minh châu Âu (EU) chế tạo dự kiến đƣợc đƣa vào sử dụng năm 2010 Nguyên lý hoạt động chung ba hệ thống GPS, GLONASS GALILEO giống Trung Quốc cho biết thực để có hệ GNSS Trung Quốc Ấn Độ công bố xây dựng hệ GNSS có tên IRNSS vào hoạt động năm 2012 1.2 Đối tƣợng ,phân tầng hoạt động dịch vụ GNSS 1.2.1 Đối tƣợng GNSS Cũng giống với loại hình dịch vụ khác dịch vụ GNSS có đối tƣợng Khách hàng, Nhà cung cấp dịch vụ Nhà cung cấp mạng Trong chƣơng tìm hiều đồi tƣợng mối liên hệ chúng Đầu tiên nhà GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng Đối với mô phỏng, đƣợc giả định ngƣời nhận GPS có kiến thức ranh giới bit liệu (ví dụ kịch lại thu) Trong điều kiện nhƣ vậy, ngƣời nhận tích hợp mạch lạc tín hiệu lên đến 20 ms không mạch lạc xử lý qua nhiều giai đoạn liệu Hình 3-1 so sánh đƣờng cong ROC cho hai giá trị khác K cho tín hiệu đến với C / N0 = 18 dB-Hz Tc = 20ms Đối với máy dò khác biệt, giá trị đƣợc coi nguyên tố chậm trễ.Trong hình 3-1, Pfa trục đƣợc hiển thị thang logarit Pd đƣợc thể quy mô tuyến tính Theo dự kiến, máy dò kết hợp, tính vắng mặt bit liệu, thiết lập ràng buộc cho xác suất phát Hình 3.1 So sánh đường cong ROC cho hai giá trị khác K cho tín hiệu đến với C / N0 = 18 dB-Hz Nó đƣợc quan sát thấy SD có hiệu suất vƣợt trội so với máy dò NC DNC Ở đây, máy dò khác biệt có giá trị Pd thấp so với máy dò khác Điều thực tế với thay đổi 180o giai đoạn giới thiệu bit liệu làm giảm đáng kể sức mạnh tín hiệu tích lũy Tuy nhiên, máy dò khác biệt có hiệu suất diện bit liệu Hiệu suất tốt dự kiến dƣới vắng mặt bit liệu (chẳng hạn nhƣ kênh thí điểm) Các SD có nguồn gốc phần trƣớc cung cấp phát tín hiệu cải thiện thực dƣới diện bit liệu điều chế Trong phần sau đây, theo dõi GPS tín hiệu yếu dựa nguyên tắc bình phƣơng đƣợc xem xét 3.2 Theo dõi tín hiệu GNSS yếu Một giới thiệu ngắn gọn công nghệ theo dõi tín hiệu yếu khác đƣợc cung cấp Trong phần này, cấu trúc theo dõi tần số song mang cho ngƣời nhận độc GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 71 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng lập hoạt động môi trƣờng khắc nghiệt đƣợc mô tả Cụ thể hơn, cấu trúc lai NC theo dõi (Borio & Lachapelle 2009) với việc xử lý khối (Uijt de Haag năm 1999, Graas et al 2005) đƣợc coi công nghệ Trong phƣơng pháp này, đƣợc giả định thông số đồng hóa ban đầu nhƣ giai đoạn tốt, sóng mang Doppler bít đƣợc biết đến ngƣời nhận Điều đạt đƣợc cách khởi tạo máy thu tốt / môi trƣờng trung nhƣ trƣờng hợp ngƣời từ bên vào nhà 3.2.1 Theo dõi xử lý khối kiến trúc NC Sơ đồ khối khối xử lý không kết hợp đƣợc đề xuất (NCBP) :kiến trúc để theo dõi tần số tín hiệu yếu đƣợc thể hình 3-2 Kiến trúc khai thác dự ML giai đoạn theo diện bit liệu điều chế để theo dõi tần số song mang Doppler Trong hình 3-2, mẫu số hóa vào tƣơng quan với địa phƣơng mã vận chuyển mẫu tích hợp khoảng thời gian bit liệu Tc = 20ms Các kết đầu tƣơng quan sau bình phƣơng để loại bỏ hiệu lực bit liệu Ở đây, hoạt động bình phƣơng loại bỏ hiệu ứng điều chế bit liệu nhƣng giữ lại giai đoạn vận chuyển đến ban đầu Các hoạt động bình phƣơng hoạt động phi tuyến làm tăng mức độ tiếng ồn Để tiếp tục làm giảm tiếng ồn hiệu quả, kết đầu tƣơng quan bình phƣơng đƣợc tính trung bình K mẫu để có đƣợc tín hiệu ws Hình 3.2 Sơ đồ khối tần số tín hiệu yếu GNSS theo dõi kiến trúc điều biến liệu Các kết đầu tƣơng quan bình phƣơng trung bình, thu đƣợc theo cách đƣợc lƣu trữ đệm có kích thƣớc M mà M = T / (KTC) T tốc độ cập nhật vòng lặp Đây khối lƣợng đầu tƣơng quan đƣợc sử dụng mã theo dõi GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 72 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng tàu sân bay vòng để trích xuất thông tin giai đoạn mã Doppler hãng Cụ thể hơn, kỹ thuật xử lý khối dựa FFT đƣợc áp dụng kết đầu tƣơng quan lƣu trữ để trích xuất tần số lại Doppler hãng Sai số tần số lại ƣớc tính từ khối FFT đƣợc đƣa qua lọc vòng lặp Cuối cùng, sản lƣợng lọc vòng lặp đƣợc sử dụng để cập nhật tàu sân bay NCO đóng vòng lặp Từ hình 6-2, rõ ràng độ phân giải tần số FFT outpu t đƣợc giới hạn đến / T Hz Ví dụ, giá trị T = 1,2 s, độ xác ƣớc lƣợng lỗi tần số đƣợc giới hạn ± 0,42 Hz Tuy nhiên, độ phân giải tốt so với dự toán lỗi tần số đƣợc thu đƣợc cách đơn giản zero padding vector tín hiệu đầu vào FFT, (John & Manolakis 1996) Ngoài ra, kỹ thuật nội suy đƣợc áp dụng để xác định số tần số tƣơng ứng với giá trị đỉnh đầu FFT (Lyons 2004) Trong công trình nghiên cứu này, kỹ thuật dựa đệm không đƣợc áp dụng để tăng độ phân giải tần số 3.2.2 Kết phân tích Trong phần này, việc thực kiến trúc NCBP đƣợc phân tích ba cách tiếp cận khác Cụ thể hơn, phần mềm mô phỏng, mô phần cứng GPS thực tế liệu động nhà đƣợc sử dụng để đánh giá hiệu hoạt động theo dõi tần số kỹ thuật đƣợc đề xuất Các thông số xử lý mặc định đƣợc thiết lập để Tc = 20ms T = 1,2s Kết phần mềm mô đƣợc trình bày trƣớc tiên 3.2.2.1 Kết mô phần mềm Phần mềm mô cung cấp môi trƣờng lý tƣởng để phân tích đánh giá hiệu suất thuật toán Trong phần này, nhạy cảm NCBP kiến trúc đƣợc định lƣợng cách mô tín hiệu sóng mang suy yếu, cấp IF Tác dụng mã đƣợc bỏ qua để phân tích hiệu hoạt động tàu sân bay theo dõi vòng Các mô tín hiệu IF, y [n], đƣợc cung cấp nhƣ đầu vào cho thuật toán theo dõi đƣợc hiển thị Hình 6-2 Các C / N giá trị mà ƣớc tính tần số sóng mang bắt đầu chệch đáng kể so với giá trị thực đƣợc khai báo độ nhạy theo dõi thuật toán Cụ thể hơn, điều kiện sau đƣợc áp dụng để đạt đƣợc độ nhạy theo dõi: Một biểu đồ mẫu giá trị Doppler ƣớc tính độ nhạy tƣơng ứng đƣợc hiển thị hình 6-3 Ở đây, hãng truyền tín hiệu với tần số Doppler liên tục đƣợc mô với giảm cƣờng độ tín hiệu (0,5 dB / giây) nhƣ thể hình 63 (b) Trong hình 6-3 (a), khác biệt giá trị ƣớc lƣợng Doppler đƣợc hiển thị cho ba giá trị khác K, số lƣợng tích hợp không mạch lạc Theo GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 73 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng dự kiến, nhạy cảm thuật toán cải thiện cho giá trị gia tăng K Nó đƣợc quan sát thấy giá trị K = 1,2 4, mức độ nhạy cảm thuật toán khoảng 14,5 dB-Hz, 13.5 dB-Hz 11,5 dB -Hz, tƣơng ứng Cần lƣu ý rằng, kết mô đƣợc trình bày phần tác dụng mã hoàn toàn bị bỏ qua Vì vậy, để đánh giá xác hiệu suất kiến trúc NCBP theo kịch GPS, cách tiếp cận mô thực tế dựa giả lập phần cứng đƣợc mô tả mục 3.5.5 đƣợc xem xét phần sau Hình 3.3 Sự khác biệt giá trị Doppler hãng dự kiến giá trị khác K cho IF mô liệu (b) giá trị Simulated C / N0 chức thời gian 3.2.2.2 Kết mô phần cứng Nhƣ mô tả, mô phần cứng cung cấp môi trƣờng đƣợc kiểm soát để mô tín hiệu GPS với thông số mong muốn Một thiết lập thử nghiệm phần cứng tƣơng tự nhƣ mô tả đƣợc sử dụng để xác nhận thuật toán theo dõi tín hiệu yếu đƣợc mô tả Trong trƣờng hợp này, kịch GPS tĩnh với nhiều vệ tinh theo quan điểm đƣợc mô Các mức công suất sóng mang giảm từ -154 dBm đến -164 dBm với bƣớc dB hai phút Ban đầu, tín hiệu suy yếu, đƣợc theo dõi cách sử dụng chiến lƣợc xử lý RR để trích xuất ƣớc tính xác C / N0 giá trị Doppler hãng đƣợc sử dụng để khởi tạo chƣơng trình NCBP Sau khởi tạo, tín hiệu suy yếu đƣợc theo dõi cách sử dụng chƣơng trình NCBP Các kết thu đƣợc đƣợc so sánh với tài liệu tham khảo giá trị Doppler sóng mang để xác định độ nhạy thuật toán GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 74 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng Các ƣớc tính giá trị Doppler hãng cách sử dụng kiến trúc NCBP cho hai ID vệ tinh khác nhau, cụ thể PRN15 PRN11, đƣợc thể hình 3-4 Trong hình 3-4 (a), giá trị Doppler hãng ƣớc tính cho ba giá trị khác K đƣợc hiển thị cho PRN15 Theo dự kiến, thời gian theo dõi tƣơng ứng với K = cao so với K = 1.However, giá trị Doppler ƣớc tính tƣơng ứng với K = bắt đầu chệch khỏi quỹ đạo danh nghĩa gần nhƣ Điều thực tế C / N0 tín hiệu đến đƣợc dao động khoảng 12-16 dB-Hz khoảng thời gian cụ thể, tƣơng ứng với khu vực nhạy cảm thuật toán nhƣ hình 33 Hình 3.4 (a) Giá trị Doppler ƣớc tính cho giá trị khác K cho mô phần cứng liệu, PRN15 (b) C / N0 giá trị thu đƣợc từ xử lý RR Độ nhạy thuật toán sử dụng liệu mô phần cứng đƣợc ƣớc tính cách lấy trung bình C / N0 giá trị thu đƣợc từ vệ tinh khác mát khu vực khóa.Nhƣ thể hình 6-4 (b), độ nhạy thuật toán tƣơng ứng với K = 15,7 14,5 dB-Hz tƣơng ứng Theo dự kiến, giá trị độ nhạy cao chút so với kết mô phần mềm đƣợc trình bày phần trƣớc.Điều thực tế rằng, mô phần cứng, ảnh hƣởng chế biến mã, tác động DLL, đƣợc bao gồm Vì đƣợc nhìn thấy hình (a) 6-4, bộc phát vận chuyển ƣớc tính Doppler đƣợc quan sát Tuy nhiên, vòng lặp theo dõi trì phục hồi từ khoảnh khắc khoảng thời gian Điều làm bật vững mạnh kiến trúc NCBP giá trị ngoại lai GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 75 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng thƣờng xuyên dự toán tần số với Điều việc sử dụng DFT cung cấp tần số rộng kéo khu vực Các theo dõi kết tƣơng ứng với PRN11 đƣợc thể hình 6-4 (c) (d) Vì đƣợc nhìn thấy, tỷ lệ Doppler cho PRN11 (khoảng 0,7 Hz / s) tƣơng đối cao so với PRN15 (khoảng 0,04 Hz / s) Các thuật toán NCPB xử lý cách xác tín hiệu PRN11 giá trị độ nhạy theo dõi phù hợp tốt với PRN15 Trong phần sau đây, theo dõi kết thu đƣợc từ liệu GPS thực tế thu thập đƣợc nhà đƣợc mô tả Trong chƣơng này, kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến cho việc thu nhận theo dõi tín hiệu GNSS yếu đƣợc mô tả Hƣớng này, phát thu hồi tín hiệu yếu dƣới diện trình chuyển đổi bit liệu đƣợc nguồn gốc Ngƣời ta thấy hiệu suất máy dò cấp để kỹ thuật phát tồn điều kiện định Một kiến trúc cho tín hiệu yếu GPS theo dõi tần số đƣợc đề xuất Nó rằng, kiến trúc theo dõi tín hiệu với C / N0 14,5 dB-Hz điều kiện tĩnh Nó rằng, kế hoạch theo dõi chịu đƣợc tín hiệu sâu dần dƣới 10 dB-Hz cung cấp phép đo theo dõi liên tục theo kịch nhà động GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 76 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng CHƢƠNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU GNSS YẾU BẰNG MATLAP 3.1 Nguyên nhân làm giảm tín hiệu GPS Theo nhà nghiên cứu, có nhiều nguyên nhân ảnh hƣởng đến độ xác, độ nhanh nhạy tốc độ truyền tải GPS Theo đó, số nguyên nhân làm giảm tín hiệu GPS tín hiệu đƣờng, lỗi đồng hồ máy thu, lỗi quỹ đạo, tầng đối lƣu tầng ion… Các nhà khoa học việc giữ chậm tầng đối lƣu tầng ion ảnh hƣởng lớn đến tín hiệu GPS Nguyên nhân tín hiệu vệ tinh thƣờng bị chậm xuyên qua tầng khí Ngoài ra, tín hiệu nhiều đƣờng ảnh hƣởng không nhỏ đến chất lƣợng tín hiệu GPS Tín hiệu đƣờng làm giảm độ xác hệ thống định vị GPS tín hiệu phản xạ từ nhà hay đối tƣợng khác trƣớc tới máy thu Vì đồng hồ có máy thu không xác nhƣ đồng hồ nguyên tử vệ tinh GPS vài trƣờng hợp, lỗi đồng hồ máy thu làm chậm tín hiệu GPS Bên cạnh đó, lỗi quỹ đạo hay lỗi thiên văn, vệ tinh thông báo vị trí không xác nguyên nhân tình trạng Sau thời gian dài ứng dụng công nghệ GPS vào sống, nhà khoa học chứng minh số lƣợng vệ tinh nhìn thấy nhân tố quan trọng ảnh hƣởng đến chất lƣợng tín hiệu GPS Càng nhiều vệ tinh đƣợc máy thu GPS nhìn thấy xác Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử chí tán dầy chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị không định vị đƣợc Nhìn chung, máy thu GPS phát huy hiệu tối đa địa hình có nhiều bất lợi Đồng thời, che khuất hình học, vấn đề liên quan tới vị trí tƣơng đối vệ tinh thời điểm làm giảm tín hiệu giảm độ xác GPS Một cách phân bố vệ tinh lí tƣởng vệ tinh vị trí tạo góc rộng với Phân bố xấu xảy vệ tinh đƣờng thẳng cụm thành nhóm Cuối cùng, tín hiệu GPS giảm chủ tâm tín hiệu vệ tinh Điều đƣợc giải thích làm giảm tín hiệu cố ý áp đặt Bộ Quốc phòng Mỹ, GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 77 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng nhằm chống lại việc đối thủ quân dùng tín hiệu GPS xác cao Chính phủ Mỹ ngừng việc từ tháng năm 2000, làm tăng đáng kể độ xác máy thu GPS dân (Tuy nhiên biện pháp hoàn toàn đƣợc sử dụng lại điều kiện cụ thể để đảm bảo gậy ông không đập lƣng ông Chính điều tiềm ẩn hạn chế an toàn cho dẫn đƣờng định vị dân 3.2 Mô Matlap Đây sai số theo vùng , em chọn mảng thuộc bán cầu bắc sai số tùy theo vị trí cách sửa đổi cho tín hiệu chuẩn Màu đỏ qua sửa chữa cho tròn tín hiệu Màu đen tín hiệu gốc bao gồm nhiễu GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 78 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng CODE set(0,'DefaultTextFontName','Times'); set(0,'DefaultAxesFontName','Times'); set(0,'DefaultTextFontSize',16); % doc file data load data.mat HAL = 35; VAL1 = 12; VAL2 = 20; GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 79 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng % tính toán thời gian num_epoch = size(recpos_XYZ_GPS,1); epoch_count = sprintf('%.2f hours',num_epoch/3600); rec_pos_UTM = zeros(num_epoch,6); HPL = zeros(num_epoch,1); VPL = zeros(num_epoch,1); sat_nr = zeros(num_epoch,1); % dựa vào liệu GPS Lỗi thời gian thực rec_pos_UTM(:,1) = rec_pos_utm_gps(:,1)-ref_pos_UTM(1); rec_pos_UTM(:,2) = rec_pos_utm_gps(:,2)-ref_pos_UTM(2); rec_pos_UTM(:,3) = rec_pos_utm_gps(:,3)-ref_pos_UTM(3); % xuất giá trị chỉnh sửa với EGNOS rec_pos_UTM(:,4) = rec_pos_utm_egnos(:,1)-ref_pos_UTM(1); rec_pos_UTM(:,5) = rec_pos_utm_egnos(:,2)-ref_pos_UTM(2); rec_pos_UTM(:,6) = rec_pos_utm_egnos(:,3)-ref_pos_UTM(3); HPE(:,1) = (rec_pos_UTM(:,4).^2 + rec_pos_UTM(:,5).^2).^0.5; VPE(:,1) = rec_pos_UTM(:,6); for i=1:num_epoch index = find(mask_EGNOS(i,:)); sat_nr(i,1) = size(index,2); sigmas_all = sigma_EGNOS_flt(i,index) + sigma_EGNOS_iono(i,index) + sigma_EGNOS_tropo(i,index) + sigma_EGNOS_air(i,index); [HPL(i,1) cc VPL(i,1)] = gt1(el_EGNOS(i,index),az_EGNOS(i,index),sigmas_all); end fullscreen = get(0,'ScreenSize'); % - Sửa lỗi vị trí -figure('Name',['1 Sai so theo vung'],'NumberTitle','off','Position',[0 60 fullscreen(3) fullscreen(4)-150]); GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 80 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng % ve GPS màu đen chƣa fix plot(rec_pos_UTM(:,1),rec_pos_UTM(:,2),'k*'); hold on % ve GPS sửa với EGNOS plot(rec_pos_UTM(:,4),rec_pos_UTM(:,5),'r*'); % set axes labels, title and legend xlabel('Sai so Phia Dong [m]') ylabel('Sai so Phia Bac [m]') title(['Sai so vi tri theo vung']) legend('GPS thô','GPS da correct ','Vung','BacDong','Orientation','horizontal') xlim([-6 6]) ylim([-6 6]) set(gca,'DataAspectRatio',[6 6]); grid on set(gca,'XTick',[-6 -4 -2 -0 6]); set(gca,'YTick',[-6 -4 -2 -0 6]); hold off % - Sai số vị trí theo thời gian -figure('Name',['2 Sai so vi tri theo thoi gian'],'NumberTitle','off','Position',[0 60 fullscreen(3) fullscreen(4)-150]) subplot(3,1,1) % Chi GPS plot(1:size(rec_pos_UTM,1),rec_pos_UTM(:,1),'k'); hold on % Da Fix plot(1:size(rec_pos_UTM,1),rec_pos_UTM(:,4),'r'); title(['Sai so vi tri theo thoi gian']) ylabel('Phia Dong (m)') legend('GPS chua qua correct','GPS da corrected','Location','NorthEast','Orientation','horizontal') ylim([-7 7]) xlim([0 num_epoch]) grid on set(gca,'XTick',[0 3600 7200 10800 14400]); set(gca,'XTickLabel',{'0';'1h';'2h';'3h';'4h'}); GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 81 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng set(gca,'YTick',[-5 -2.5 -0 2.5 5]); hold off subplot(3,1,2) plot(1:size(rec_pos_UTM,1),rec_pos_UTM(:,2),'k'); hold on plot(1:size(rec_pos_UTM,1),rec_pos_UTM(:,5),'r'); ylabel('Sai so phia Bac (m)') ylim([-7 7]) xlim([0 num_epoch]) grid on set(gca,'XTick',[0 3600 7200 10800 14400]); set(gca,'XTickLabel',{'0';'1h';'2h';'3h';'4h'}); set(gca,'YTick',[-5 -2.5 2.5 5]); hold off subplot(3,1,3) plot(1:size(rec_pos_UTM,1),rec_pos_UTM(:,3),'k'); hold on plot(1:size(rec_pos_UTM,1),rec_pos_UTM(:,6),'r'); xlabel('Thoi gian (h)') ylabel('Sai so tren (m)') ylim([-5 25]) xlim([0 num_epoch]) grid on set(gca,'XTick',[0 3600 7200 10800 14400]); set(gca,'XTickLabel',{'0';'1h';'2h';'3h';'4h'}); set(gca,'YTick',[0 10 15 20 25]); hold off %ket thuc thuat toan GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 82 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng THUẬT NGỮ TỪ VIẾT TẮT GPS Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu quốc phòng Hoa Kỳ thành lập UTC Coordinated Universal Time – Là chuẩn quốc tế ngày thực phƣơng pháp nguyên tử USNO United States Naval Observatory – Cục hải quân Hoa Kỳ GALILEO Hệ thống định vị toàn cầu liên minh khối EU GLONASS Hệ thống định vị toàn cầu Liên Bang Nga CDMA Code Division Multiple Access - Đa truy nhập theo mã GNSS Global Navigation Satellite System - tên dùng chung cho hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh nhƣ GPS (Hoa Kỳ), Hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu) GLONASS (Liên bang Nga) SPS Standard Positioning Service – Dịch vụ tiêu chuẩn, cung cấp cho quân đội Hoa Kỳ PPS Precise Positioning Service – Dịch vụ định vị xác dành cho ngƣời sử dụng toàn cầu với mục đích dân GIS Geographic information system – Hệ thống thông tin địa lý AS Anti spoofing – Chống giả mạo, chế đánh bại mục đích làm lỗi hay làm nhiễu nhờ vào cách mã hóa quân NUDETG Cục Hạt nhân Hoa Kỳ Deception jamming Là kỹ thuật mà kẻ thù giả mạo nhiều vệ tinh khác với mục đích làm nhiễu (VD: Giả mạo mã, tín hiệu điều hƣớng,dữ liệu,…) Định luật Kepler I: Các hành tinh chuyển động quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, với mặt trời tiêu điểm elip Định luật Kepler II: Diện tích quét vector bán kình hành tinh tỷ lệ thuận với thời gian Hay nói cách khác diện tích bán kính vector quét đƣợc khoảng thời gian nhƣ Định luật Kepler III: Bình phƣơng chu kỳ chuyển động hành tinh tỷ lệ với lập phƣơng bán trục lớn quỹ đạo elip hành tinh GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 83 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng TÀI LIỆU THAM KHẢO Ứng dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS đo đạc đồ.TS Trần Bạch Giang, Phan Ngọc Minh(2007) Cục đo đạc Bản đồ , Bộ tài nguyên môi trƣờng Abdi, A and M Kaveh (1999) "On the utility of gamma PDF in modeling shadow fading (slow fading)," in Proceedings of the IEEE Trasaction on Vehicular Technology, 16-20 May, Houston, TX, pp 2308 Abdi, A., W C Lau, M S Alouini, and M Kaveh (2003) "A New Simple Model for Land Mobile Satellite Channels-First and Second order statistics," in IEEE Transaction on Wireless Communication, Vol 2, Issue 3, pp 519-528 Abdi, A., K Wills, H.A Barger, M.S Alouini, and M Kaveh (2000) "Comparison of the level crossing rate and average fade duration of Rayleigh, Rice and Nakagami fading models with mobile channel data," in Proceedings of the IEEE VTS-Fall VTC 2000 52nd, , pp 1850-1857 Alagha, N S (2001) "Cramer-Rao bounds for SNR estimates for BPSK and QPSK modulated signals," in Commun Lett., Vol 5, Jan, pp 10–12 Aminian, B., V Renaudin, D Borio, and G Lachapelle (2010) "Indoor Doppler Measurements and Velocity Characterization Using a ReferenceRover Software Receiver," in Proceedings of the ION GNSS, , Portland 7.Anyaegbu, E (2006) "A Frequency Domain Quasi-Open Loop Tracking Loop for GNSS Receivers," in Proceedings of the ION GNSS, 26 - 29 Sept, Fort Worth, TX, pp 790 - 798 8.Blunck, H., M.B Kjaergaard, T Godsk, T Toftkjaer, D.L Christensen, and K Grønbaek (2009) "Empirical Analysis and Characterization of Indoor GPS Signal Fading and 9.Multipath Conditions," in Proceedings of the ION-GNSS, , Savannah, GA , pp 2362 -2371Borio, D and G Lachapelle (2009) "A non-coherent architecture for GNSS digital tracking loops," in Annals of Telecommunications, Vol 64, Issue 9-10, pp 601-614 10.Borio, D., S Fazio, and G Lachapelle (2009) "Multirate Signal Processing: a Solution for Wide-band GNSS Signal Recovery," in Proceedings of the European Navigation Conference 2009 (ENC09), 3-6 May, Naples, Italy 11.Borio, D., N Sokolova, and G Lachapelle (2009) "Memory Discriminators for NonCoherent Integration in GNSS Tracking Loops," in Proceedings of the European Navigation Conference, , Naples, Italy GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 84 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng 12.Borio, D (2008) A Statistical Theory for GNSS Signal Acquisition, Doctoral Thesis, Dipartimento di Elettronica, Politecnico di Torino 194 13.Brown, A K and P Olson (2005) "Urban/Indoor Navigation Using Network Assisted GPS," in Proceedings of the Proceedings of the 61st Annual Meeting of The Institute of Navigation, , Cambridge, MA, pp 1131 - 1136 14.Cioni, S., G.E Corazza, and M Bousquet (2005) "An Analytical Characterization of Maximum Likelihood Signal-to-Noise Ratio Estimation," in Proceedings of the International Symposium on Wireless Communication Systems, Sept, Siena , pp 827 -830 15.Corazza, G.E and R Pedone (2007) "Generalized and Average Likelihood Ratio Testing for Post Detection Integration," in IEEE Transactions on Communications, Vol 55, Issue 11, pp 2159 - 2171 16.Corazza, G E and F Vatalaro (1994) "A statistical model for land mobile satellite channels and its application to nongeostationary orbit systems," in IEEE Transaction on Vehicular Technology, Vol 43, pp 738-742 17.Coulson, A.J., A.G Williamson, and R.G Vaughan (1998) "Improved fading distribution GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 85 ... ion…., em định chọn đề tài: Nghiên cứu kênh mô hình xử lý tín hiệu GNSS yếu” để làm luận văn tốt nghiệp thạc sỹ b, Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Nắm đƣợc kiến thức hệ... thống vệ tinh dẫn đƣờng toàn cầu GNSS Chƣơng 2: Các hệ thống vệ tinh dẫn đƣờng toàn cầu GNSS Chƣơng : Mô hình xử lý tín hiệu GNSS yếu Chƣơng 4: Mô trình xử lý tín hiệu matlab Xin chân thành cảm... sóng mang Mô tả truyền tín hiệu miền thời gian: (Hình 2.5) GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Page 12 Sinh viên : Ngô Quang Thƣởng Hình 2.5 .Mô tả truyền tín hiệu Mô hình điều chế tín hiệu: (Hình 2.6)