Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu kênh và mô hình xử lý tín hiệu GNSS yếu

Nghiên cứu kênh và mô hình xử lý tín hiệu GNSS yếu. Luận văn phân tích nguyên nhân và đề xuất giải pháp, kèm mô phỏng Matlab chi tiết.

• Tác giả: Ngô Quang Thưởng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hữu Trung
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Truyền Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Kênh Và Mô Hình Xử Lý Tín Hiệu GNSS Yếu
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Hệ thống GNSS và Tín hiệu Yếu

Hệ thống GNSS (Global Navigation Satellite System) là công nghệ định vị toàn cầu được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân sự và quân sự. Tuy nhiên, tín hiệu GNSS yếu là một thách thức lớn khi máy thu hoạt động trong môi trường phức tạp. Những nguyên nhân chính gây ra suy giảm tín hiệu GPS bao gồm tín hiệu đa đường truyền, lỗi đồng hồ máy thu, lỗi quỹ đạo vệ tinh và ảnh hưởng từ tầng ion và tầng đối lưu. Nghiên cứu về mô hình xử lý tín hiệu GNSS giúp cải thiện độ chính xác và độ nhạy của hệ thống định vị. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và hoạt động liên tục.

1.1. Khái niệm Hệ thống GNSS

GNSS là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu cho phép xác định vị trí và chính xác tọa độ. Hệ thống bao gồm ba phần chính: vệ tinh, trạm điều khiển mặt đất và máy thu. Công nghệ này được phát triển để khắc phục những hạn chế của các phương pháp định vị cổ điển, cung cấp định vị liên tục với độ chính xác cao cho người dùng toàn cầu.

1.2. Nguyên nhân làm Suy giảm Tín hiệu GNSS

Tín hiệu GNSS yếu phát sinh từ nhiều nguồn: đa đường truyền, lỗi đồng hộ, quỹ đạo vệ tinh không chính xác, tầng ion và tầng đối lưu. Các yếu tố này làm giảm tỷ lệ Carrier-to-Noise (C/NO), ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng theo dõi và định vị của hệ thống. Hiểu rõ các nguyên nhân này là cơ sở cho việc phát triển các giải pháp xử lý tín hiệu hiệu quả.

II. Các Phương pháp Xử lý Tín hiệu GNSS Yếu

Để xử lý tín hiệu GNSS yếu, các kỹ sư đã phát triển nhiều phương pháp xử lý tiên tiến. Mô hình xử lý tín hiệu GNSS bao gồm các kỹ thuật lọc tối ưu, phát hiện và theo dõi tín hiệu với kiến trúc bộ thu được thiết kế đặc biệt. Những phương pháp này giúp tăng khả năng phát hiện tín hiệu ngay cả khi tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) rất thấp. Các thuật toán hiện đại như tương quan tối ưu, lọc Kalman và các kỹ thuật xử lý tín hiệu số được áp dụng để cải thiện hiệu suất. Mục đích chính là đạt được độ chính xác định vị cao trong điều kiện tín hiệu yếu.

2.1. Kiến trúc Bộ Thu và Xử lý Tín hiệu

Kiến trúc bộ thu GNSS yếu được thiết kế để xử lý tín hiệu có C/NO thấp. Hệ thống sử dụng sơ đồ khối xử lý bao gồm các bộ tương quan, bộ phát hiện và bộ theo dõi tín hiệu. Các thành phần này hoạt động phối hợp để trích xuất thông tin định vị chính xác từ tín hiệu yếu, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu.

2.2. Các Thuật toán Theo dõi Tín hiệu

Thuật toán theo dõi như Delay Lock Loop (DLL) và Frequency Lock Loop (FLL) là những công cụ quan trọng. Chúng được tối ưu hóa để theo dõi tín hiệu GNSS yếu với sai số Doppler nhỏ. Mô hình theo dõi sử dụng các biến có giá trị được cập nhật liên tục để duy trì sự đồng bộ với tín hiệu, đặc biệt khi tỷ lệ C/NO biến động.

III. Mô Phỏng và Phân Tích Hiệu Suất

Mô phỏng MATLAB là công cụ quan trọng để phân tích hiệu suất xử lý tín hiệu GNSS yếu. Qua mô phỏng, các nhà nghiên cứu có thể tái tạo quá trình xử lý tín hiệu trong các điều kiện khác nhau và đánh giá hiệu suất của các thuật toán. Mô phỏng phần mềm cho phép kiểm tra các tham số khác nhau như giá trị K, C/NO, Doppler shift để tối ưu hóa hiệu suất bộ thu. Ngoài ra, mô phỏng phần cứng giúp xác thực kết quả trên các nền tảng thực tế. Kết quả từ mô phỏng cho thấy độ chính xác theo dõi cải thiện đáng kể với các tham số tối ưu.

3.1. Phương pháp Mô phỏng bằng MATLAB

MATLAB simulation cung cấp môi trường lập trình mạnh mẽ để mô phỏng quá trình xử lý. Các bước bao gồm tạo tín hiệu GNSS tổng hợp, thêm nhiễu và suy giảm, sau đó chạy các thuật toán xử lý để đánh giá hiệu suất. Đặc tính của tín hiệu như biên độ, tần số và pha được kiểm soát chính xác để kiểm tra độ mạnh của thuật toán.

3.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng

Kết quả mô phỏng được biểu diễn qua đường cong ROC (Receiver Operating Characteristic) và giá trị ước tính Doppler. Phân tích kết quả cho thấy mối quan hệ giữa tham số xử lý và độ chính xác định vị. Dữ liệu C/NO được mô phỏng theo thời gian giúp đánh giá khả năng thích ứng của bộ thu với các điều kiện tín hiệu biến động.

IV. Ứng dụng Thực tiễn và Hướng Phát triển

Xử lý tín hiệu GNSS yếu có ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như định vị trong môi trường ngoài trời khó khăn, định vị động và các ứng dụng quân sự. Các kỹ thuật được phát triển từ nghiên cứu mô hình xử lý giúp cải thiện hiệu suất bộ thu GPS trong các kịch bản phức tạp. Độ chính xác tọa độ được nâng cao đáng kể khi áp dụng các phương pháp xử lý tiên tiến. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp công nghệ GNSS với các hệ thống khác như IMU, cải thiện thuật toán theo dõi và phát triển bộ thu đa tần số để đạt hiệu suất tốt hơn.

4.1. Ứng Dụng Thực Tiễn của Kỹ Thuật GNSS Yếu

Ứng dụng GNSS yếu bao gồm định vị trong đô thị cao tầng, rừng dặc và các môi trường có tín hiệu suy giảm. Định vị động tương đối sử dụng kỹ thuật xử lý tiên tiến để đạt độ chính xác centimeter. Các ngành công nghiệp như giao thông vận tải, nông nghiệp chính xác và khoa học trái đất đều hưởng lợi từ những cải tiến này.

4.2. Hướng Phát triển Tương lai

Tương lai của công nghệ GNSS hướng tới hệ thống đa hệ thống kết hợp GPS, GLONASS, Galileo và BeiDou. Cải thiện thuật toán xử lý và tích hợp với công nghệ khác như 5G sẽ nâng cao độ tin cậy định vị. Nghiên cứu về xử lý tín hiệu yếu tiếp tục là ưu tiên để đáp ứng nhu cầu định vị chính xác trong môi trường ngày càng phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU MỤC LỤC. TH HH re sune sunee sen th DANH MỤC HỈÌNH VẼ. LẠ Họ Họ HH nà HH.VÍ DANH MỤC BẰNG BIỂU.sccsnn2 n0, 0n HghHHH HH HH HH HH ggHh HH1 gHhogg viii CHUGONG1 TONG QUAT VE HE THONG VE TINH DAN BUGNG TOAN CAU 1, Lich sit2 phat triển về hệ thông định vị toàn cẳu. Đối tượng, phân tầng hoạt động và dịch vụ của GNSS mi 1 1.Đối tượng của GNSS.Phân đoạn hoạt động của GNSS.Tâng không gian.

Phan điều khiến.3 Phan ngudi sir dung.Dich vu cung cấp và chất lượng. LẠ HHn Họng HH. HH HH HH” HH he ưe 2 1.GALILEO 3 CHUONG2 CAC HE THONG VE TINH DAN DUONG TOAN CAU GNSS 4 2.Hệ thông định vị toàn cầu GPS.Câutrúc hệ thông GP§.Phan khéng gian (space segment) 5 2.2 Phan diéu khien (control segment) .3 Phan ngudi str dung (user segment) ụ 7 2. Các thể hệ vệ tỉnh và mạng lưới vệ tỉnh GPS hiện.Các thể hệ vệ tỉnh.Mạng lưới vệ tình GPS hiện tại.,ÔỎ Ð,1:3:CẬU trú6 titHiệU GPÑ Lo sasennssaoatnnEiisgdaintdinHnigidluiiHH.Các thông tin điều biển 9 51.32 Øke bại sàng tối du bệ tên GPS ¬.

Các thông báo vệ tỉnh. c0 0100210011101 rước 10 GVHD: PGS.TS NGUYEN HUU TRUNG Page iti Sinh viên : Ngô Quang Thưởng DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.Sơ đồ liên quan giữa ba phần của GNSS (GPS).Chuyên động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất 6 Hình 2.Vị trí các trạm điều khiên và giám sát hệ thông GP§.Cac the hé vé tinh.Mé ta truyén tin hiéu .Mô hình điều chẻ tin hiệu. Xác định vị trí máy thu.sc2cccsccsee Hình 2.Sơ đỏ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS Hình 2.Phương pháp định vị tương đổi. tit1200083ảsïg Hinh 2.Sai s6 do qui dao vé tinh Hinh 2.11,Sai sé do tang d6i hm va dién lun.Sai số do hiện tượng đa đường truyền Hinh 2.13 Khoang cach tir vé tinh dén may thu GPS Hung Hình 2.Định vị động tương đối.Xác định hệ qui chiều WGS-84 % es l j BT Hinh 2.15,Cac thanh phan ciia hé thong GPS Tracking .Cae phuong thtc hoat déng cia hé thong GPS Tracking - „43 Hình 2.Câu trúc máy thu GPS.

Nhiệm vụ của bộ tân số và vi xử lý.Mô hình hệ thông —.Cơ chế hoạt động.Modul gắn trên xe.M6 hinh hé thong .Sơ đồ khói của mạch vi xử lý trên xe. TH ng se Hình 2. Thiết bị đặt trên xe. eats 3628336034858 S4ki84t821/58E004681 d8 ni Hình 225 Xác định toa độ xe qua tín nhắn = Hình 2.Giảm sát hành trình của xe .27 Chương trình quản lý dữ liệu xe 55 Hình 2.Câu trúc bản tin dân đường của hệ thông vệ tỉnh GLONASS .Câu trúc kiêu hàng thứ 20 trong tin hiệu GLONASS mở L3OC với câu trúc phân chía theo mã.

Se ° sen 8 GVHD: PGS.TS NGUYEN HUU TRUNG Page vi Sinh viên : Ngô Quang Thưởng -Theo dõi xử lý khói kiến trúc NC.72 Kết quả vả phân tích .Kết quả mô phỏng phân mềm .Kết quả mỏ phỏng phẩn cứng. 0002220000 seo 74 CHUONG 4 MO PHONG QUA TRINH XU’ LY TIN HIEU GNSS YEU BANG MATLAB m.1 Nguyên nhân làm giảm tín hiệu GPS.Mô phỏng Matlab x 18 THUAT NGU TU VIET TAT TAI LIEU THAM KHAO GVHD: PGS.TS NGUYEN HUU TRUNG Page v Sinh viên : Ngô Quang Thưởng Hình 3.So sánh các đường cong ROC cho hai gia trị khác nhau của K cho một tin hiệu đến với C/NO = 18đB-Hz.Sơ đồ khối của tần số tin hiệu yêu GNSS theo dõi kiến trúc dưới sự điều biên dữ liệu.Sự khác biệt giữa giá trịDoppler hing dựd kiến và đúng đối với các giả trị khác nhau của K cho IF mỏ phỏng dữ liệu (b) giá trị Simulated C/NO là một chức năng, của thời gian. (a) Gia triDoppler ước tính cho các giả trị khác nhau của K cho môtô phông phân cửng dữ liệu, PRN1S5. (b) C/N0 giá trị thu được xử lý RR.

reese „T5 GVHD: PGS.TS NGUYEN HUU TRUNG Page vii Sinh viên : Ngô Quang Thưởng 2.4 Về tỉnh khỏe hoặc không khỏe. Vệ tỉnh hoạt đông hoặc không hoạt động.Độ chính xác dự bảo đo khoảng cách (URE).Các giá trị đo GPS.4 Nguyên lý định vị. Địh vị tuyết đối.Đinhvị tương đối. st eo Hig2höiG08080gi030036 16 2.Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS 17 3.Nguyên lý do GPS động.1 Nguyên lý chung về đo GPS dong .Giai phapky thuat trong do GPS động 2098, 2.3:Các phương pháp đo GPS động.Tọa độ vả hệ quy chiếu.Xác định tọa độ máy thu.Công nghệ định vị và giám sát phương tiện giao thông GPS tracking.

Các thánh phản của hệ thông.Các chức năng chính .Các phương thức hoạt động của hệ thông GPS tracking. May thu dinh vi vé tinh GPS.Hệ thống GPS tracking kết hợp kỹ thuật mm. song radio VHF/UHF ".Hệ thống GPS tracking kết hợp thông tin di động. Hệ thông định vị toàn cầu GLONASS.Hé thong dinhvi toan cau GALILEO.

TH nh HH0 ng re grưe „64 2.Thông số của hệ thống.Các giai đoạn của dự án : 65 3.Hoản thành và đưa vào hoạt động. x s s 66 CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU GNSS YÊU. Thu nhan tin higu GNSS yeu o .Máy dò bình phương.Phân tích kết quả thực hiện. diện § quế Sun 70 3.Theo dõi tin hiệu GNSS yéu _ .TS NGUYEN HUU TRUNG Page iv Sinh viên : Ngô Quang Thưởng -Theo dõi xử lý khói kiến trúc NC.72 Kết quả vả phân tích .Kết quả mô phỏng phân mềm .Kết quả mỏ phỏng phẩn cứng.

0002220000 seo 74 CHUONG 4 MO PHONG QUA TRINH XU’ LY TIN HIEU GNSS YEU BANG MATLAB m.1 Nguyên nhân làm giảm tín hiệu GPS.Mô phỏng Matlab x 18 THUAT NGU TU VIET TAT TAI LIEU THAM KHAO GVHD: PGS.TS NGUYEN HUU TRUNG Page v Sinh viên : Ngô Quang Thưởng DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.Sơ đồ liên quan giữa ba phần của GNSS (GPS).Chuyên động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất 6 Hình 2.Vị trí các trạm điều khiên và giám sát hệ thông GP§.Cac the hé vé tinh.Mé ta truyén tin hiéu .Mô hình điều chẻ tin hiệu. Xác định vị trí máy thu.sc2cccsccsee Hình 2.Sơ đỏ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS Hình 2.Phương pháp định vị tương đổi. tit1200083ảsïg Hinh 2.Sai s6 do qui dao vé tinh Hinh 2.11,Sai sé do tang d6i hm va dién lun.Sai số do hiện tượng đa đường truyền Hinh 2.13 Khoang cach tir vé tinh dén may thu GPS Hung Hình 2.Định vị động tương đối.Xác định hệ qui chiều WGS-84 % es l j BT Hinh 2.15,Cac thanh phan ciia hé thong GPS Tracking .Cae phuong thtc hoat déng cia hé thong GPS Tracking - „43 Hình 2.Câu trúc máy thu GPS. Nhiệm vụ của bộ tân số và vi xử lý.Mô hình hệ thông —.Cơ chế hoạt động.Modul gắn trên xe.M6 hinh hé thong .Sơ đồ khói của mạch vi xử lý trên xe.

TH ng se Hình 2. Thiết bị đặt trên xe. eats 3628336034858 S4ki84t821/58E004681 d8 ni Hình 225 Xác định toa độ xe qua tín nhắn = Hình 2.Giảm sát hành trình của xe .27 Chương trình quản lý dữ liệu xe 55 Hình 2.Câu trúc bản tin dân đường của hệ thông vệ tỉnh GLONASS .Câu trúc kiêu hàng thứ 20 trong tin hiệu GLONASS mở L3OC với câu trúc phân chía theo mã. Se ° sen 8 GVHD: PGS.TS NGUYEN HUU TRUNG Page vi Sinh viên : Ngô Quang Thưởng CHUONG 1 TONG QUAT VE HE THONG VE TINH DAN DUONG TOAN CAU GNSS 1.

Lịch sử phát triển về hệ thống định vị toàn cầu Từ xa xưa con người đã biết sử dụng những kiến thức về thiên văn học đề áp dụng vào việc tim ra phương hướng. Để xác định con đường phải đi người cô xưa phải xem xét vào rất nhiêu các yêu tô như hưởng mặt trời (vào lúc sảng) hay dựa vào vị trí của các chủm sao (vào lúc tối) đề có thể định hướng được cho mình. Qua thời gian những vật dụng đẻ xác định phương hưởng ra đời như la bản, tiếp đến với sự tiếp nói của khoa học kỹ thuật cho đến ngay nay đã có thành tựu cực kỷ to lớn nhờ sự phát triển của hệ thông định vị toàn cầu. Nhờ vào hè thông định vị toàn câu nảy mả việc xác định phương hướng hay vạch ra một lộ trình cho hảnh trình một cách dễ dàng.

Trên quỹ đạo có những hệ thông vệ tỉnh nhân tạo với nhiệm vụ là xác định vị trí của những đổi tượng trên mặt đất. Bắt cứ ai, vật gì trên toản cầu, khi mang theo một máy thu đặc biệt thì nhờ hệ thống vé tinh nảy có thể biết được khả chính xác hiện tại mình đang ở vị trí nào trên trái đất. Người ta gọi đây là Hệ thông vệ tính dân đường toan cau GNSS (Global Navigation Satellite System — GNSS) GNSS được câu thành như một chòm sao (một nhỏm hay một hệ thông) của quỹ dao vé tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đên ba vệ tĩnh (tôi thiểu) thi sé tinh được tọa độ của vi tri đó.

GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trải đất vả 24 giờ một ngày. Mỹ là nước đầu tiên phỏng lên và đưa vào sử dụng hệ vệ tỉnh dẫn đường này. Mỹ đặt tên cho hệ thông này lả hệ thông vệ tình định vị toàn cầu GPS (Global Positiomng System), ban đầu là đẻ dùng riêng cho quan su, vé sau mở rộng ra sử dụng cho dân sur trén pham vi toan cau, bat ké quốc tịch và miễn phí. Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho 3 hệ thông định vị dân đường sử dụng vệ tinh là GPS (Global Positioning System) do My ché tao va hoat déng tir nim 1994, GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System) do Nga che tao va hoat động từ năm 1995, và hệ thông GALILEO mang tén nha thién vin hoc GALILEO do Liên mình châu Âu (EU) chế tạo va dự kiên được đưa vào sử dụng trong năm 2010.

Nguyên lý hoạt động chung của ba hệ thông GPS, GLONASS và GALILEO co ban la giéng nhau. Trung Quốc cho biết cũng đang thực hiện đề có hệ GNSS của Trung Quốc. Ấn Độ cũng công bồ xây dựng hệ GNSS của mình có tên là IRNSS và sẽ đi vào hoạt động năm 2012 1. Đối tượng ,phân tầng hoạt động và dịch vụ của GNSS 1.

Đối tượng của GNSS Cũng giỏng với các loại hình dịch vụ khác dịch vụ GNS8 cũng có các đối tượng là Khách hàng, Nhà cung cap dịch vụ và Nhà cung cấp mạng. Trong chương nay chúng ta sẽ tim hieu ve các đôi tượng nảy và môi liên hệ giữa chủng. Đâu tiên lả nhả GVHD: PGS.TS NGUYEN HUU TRUNG Page 1 Sinh viên : Ngô Quang Thưởng CHUONG 1 TONG QUAT VE HE THONG VE TINH DAN DUONG TOAN CAU GNSS 1. Lịch sử phát triển về hệ thống định vị toàn cầu Từ xa xưa con người đã biết sử dụng những kiến thức về thiên văn học đề áp dụng vào việc tim ra phương hướng.