Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ định vị vệ tinh GNSS (Global Navigation Satellite System) đã trở thành nền tảng quan trọng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, giao thông, trắc địa và quản lý tài nguyên. Việt Nam, với vị trí địa lý thuận lợi, hưởng lợi lớn từ các hệ thống vệ tinh như GPS, GLONASS, Beidou, Galileo và QZSS. Tuy nhiên, việc kiểm định và đánh giá chất lượng các bộ thu GNSS vẫn còn nhiều thách thức do tín hiệu vệ tinh thu trực tiếp dễ bị biến đổi và khó tái hiện môi trường thử nghiệm đồng nhất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển một trình mô phỏng tín hiệu định vị vệ tinh hiệu năng cao dựa trên công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (Software-Defined Radio – SDR). Trình mô phỏng này nhằm tạo ra tín hiệu giả lập tương tự tín hiệu thật, cho phép kiểm thử và đánh giá các bộ thu GNSS trong điều kiện mô phỏng đa dạng, tiết kiệm chi phí và thời gian. Nghiên cứu tập trung vào tín hiệu GPS, với phạm vi thời gian mô phỏng 60 giây tại vị trí thực nghiệm ở Hà Nội, Việt Nam.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua khả năng cung cấp tín hiệu mô phỏng có thể tùy chỉnh tham số môi trường, vị trí, vận tốc và thời gian, giúp nâng cao hiệu quả kiểm định thiết bị GNSS, phục vụ cho các ứng dụng dân sự và quân sự. Kết quả mô phỏng được đánh giá thông qua so sánh với bộ thu mềm GNSS-SDR, đảm bảo tính chính xác và hiệu năng phù hợp với yêu cầu thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hệ thống định vị vệ tinh GNSS: Bao gồm ba thành phần chính là không gian (vệ tinh), điều khiển (trạm mặt đất) và người dùng (bộ thu). Hệ thống GPS sử dụng 24 vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo MEO, phát tín hiệu ở tần số L1 (1575.42 MHz) với mã C/A và P(Y).

  • Xử lý tín hiệu bộ thu GNSS: Quá trình gồm khai phá tín hiệu (dò tìm vệ tinh và ước lượng tần số Doppler, độ trễ mã), bám tín hiệu (đồng bộ sóng mang và mã trải phổ), giải mã bản tin định vị và tính toán vị trí, vận tốc, thời gian (PVT). Các thuật toán bám tín hiệu sử dụng vòng lặp khóa pha (PLL) và vòng lặp Costas để xử lý tín hiệu BPSK.

  • Mô hình toán học xác định vị trí: Dựa trên giả khoảng cách (pseudorange) từ vệ tinh đến bộ thu, giải hệ phương trình phi tuyến tính bằng phương pháp bình phương tối thiểu để ước lượng tọa độ bộ thu trong hệ tọa độ ECEF. Các sai số do đồng hồ, tầng điện ly, tầng đối lưu và đa đường được mô hình hóa và hiệu chỉnh.

  • Mô hình môi trường truyền sóng: Bao gồm mô hình nhiễu đồng hồ vệ tinh, mô hình tầng điện ly (SPHA - sóng hài hình cầu), mô hình tầng đối lưu và các loại nhiễu không mô hình được (nhiễu trắng băng thông giới hạn).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng dữ liệu ephemeris và almanac từ dịch vụ GPS quốc tế (IGS), dữ liệu thời gian GPS, và các tham số môi trường chuẩn.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng trình mô phỏng tín hiệu GPS IF số hóa bằng MATLAB, mô phỏng toàn bộ quá trình phát tín hiệu từ vệ tinh, truyền qua môi trường, xử lý front-end và lượng tử hóa. Tín hiệu mô phỏng được đưa vào bộ thu mềm GNSS-SDR để khai phá, bám tín hiệu và tính toán PVT.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng tín hiệu trong 60 giây tại vị trí Hà Nội với 6 vệ tinh có góc ngẩng trên 30 độ. Thời gian nghiên cứu từ đầu năm 2021 đến tháng 4/2022.

  • Đánh giá chất lượng: So sánh các tham số đầu vào mô phỏng với kết quả thu được từ bộ thu mềm như tỉ số tín hiệu trên nhiễu (C/N0), giả khoảng cách, dữ liệu giải mã và vị trí bộ thu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khai phá tín hiệu thành công: Bộ thu mềm phát hiện chính xác 6 vệ tinh mô phỏng (PRN 3, 5, 6, 10, 20, 24) với góc ngẩng trên 30 độ, phù hợp với tham số đầu vào.

  2. Bám tín hiệu ổn định: Quá trình bám tín hiệu cho thấy các tham số tần số Doppler và độ trễ mã được ước lượng chính xác, với tương quan mã “đúng” cao hơn mã “sớm” và “muộn” ±0.5 chip, chứng tỏ trình mô phỏng tín hiệu đạt chất lượng tốt.

  3. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (C/N0): Giá trị C/N0 mô phỏng và bộ thu tính được có xu hướng biến đổi phù hợp với chuyển động tương đối vệ tinh và bộ thu. Sai số dao động trong khoảng ±1 dBHz, nằm trong giới hạn chấp nhận được.

  4. Giả khoảng cách (pseudorange): Sai số giữa giả khoảng cách bộ thu tính được và giá trị mô phỏng chuẩn hóa theo vệ tinh gần nhất (PRN 20) dưới 20 m, phù hợp với độ chính xác thực tế của hệ thống GPS.

  5. Tính toán vị trí bộ thu: Vị trí bộ thu tính toán từ tín hiệu mô phỏng lệch so với tọa độ mô phỏng thực tế khoảng 3.82 m, thấp hơn ngưỡng sai số chấp nhận được của GPS (15 m). Sai số độ cao khoảng 6 m, phù hợp với điều kiện thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thử nghiệm cho thấy trình mô phỏng tín hiệu GPS IF số hóa dựa trên công nghệ SDR đã tái tạo thành công các đặc tính tín hiệu vệ tinh thật, bao gồm cấu trúc mã C/A, dữ liệu định vị, hiệu ứng Doppler và nhiễu môi trường. Việc sử dụng bộ thu mềm GNSS-SDR làm công cụ đánh giá giúp kiểm chứng tính chính xác và hiệu năng của mô hình mô phỏng.

Sai số trong giả khoảng cách và vị trí bộ thu chủ yếu do giới hạn tần số lấy mẫu của bộ thu mềm và các mô hình môi trường truyền sóng còn đơn giản, chưa mô phỏng đầy đủ các hiện tượng như nhấp nháy tầng điện ly, đa đường và can nhiễu. So với các nghiên cứu tương tự trên thế giới, kết quả đạt mức độ chính xác và hiệu năng phù hợp với mục tiêu nghiên cứu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ tương quan mã, đồ thị C/N0 theo thời gian, biểu đồ sai số giả khoảng cách và bản đồ vị trí bộ thu so với tọa độ mô phỏng, giúp trực quan hóa hiệu quả mô phỏng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường mô hình môi trường truyền sóng: Nghiên cứu và tích hợp các mô hình nhấp nháy tầng điện ly, đa đường và can nhiễu để nâng cao độ chính xác mô phỏng tín hiệu trong các điều kiện thực tế phức tạp. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu; Thời gian: 12 tháng.

  2. Phát triển mô-đun mô phỏng các hệ thống GNSS khác: Mở rộng trình mô phỏng sang các hệ thống như Galileo, Beidou để đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao tính linh hoạt. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu; Thời gian: 18 tháng.

  3. Tối ưu hóa hiệu năng tính toán: Áp dụng các kỹ thuật tăng tốc xử lý như GPU computing để giảm thời gian mô phỏng, đáp ứng yêu cầu thực tế về thời gian và quy mô thử nghiệm. Chủ thể thực hiện: nhóm phát triển phần mềm; Thời gian: 6 tháng.

  4. Xây dựng bộ công cụ kiểm định thiết bị GNSS: Phát triển giao diện người dùng và bộ công cụ hỗ trợ kiểm định, đánh giá chất lượng bộ thu GNSS dựa trên tín hiệu mô phỏng, phục vụ các đơn vị kiểm định và sản xuất. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và đối tác công nghiệp; Thời gian: 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật máy tính, Viễn thông, Hàng không vũ trụ: Nghiên cứu về xử lý tín hiệu GNSS, phát triển phần mềm mô phỏng và ứng dụng SDR.

  2. Các kỹ sư phát triển thiết bị GNSS và bộ thu định vị: Áp dụng mô hình mô phỏng để kiểm thử, đánh giá hiệu năng thiết bị trong môi trường giả lập.

  3. Các đơn vị kiểm định và chứng nhận thiết bị định vị vệ tinh: Sử dụng trình mô phỏng để xây dựng kịch bản kiểm định chuẩn, giảm chi phí và thời gian thử nghiệm hiện trường.

  4. Các tổ chức quản lý giao thông, xây dựng và trắc địa: Hiểu rõ công nghệ định vị vệ tinh, nâng cao hiệu quả ứng dụng trong quản lý và vận hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần mô phỏng tín hiệu định vị vệ tinh thay vì thu trực tiếp?
Mô phỏng cho phép tái hiện các điều kiện thử nghiệm đồng nhất, kiểm soát tham số môi trường, vị trí và thời gian, giúp kiểm định thiết bị chính xác và tiết kiệm chi phí so với thu tín hiệu trực tiếp dễ bị biến đổi và không thể tái lập.

2. Công nghệ SDR có ưu điểm gì trong mô phỏng tín hiệu GNSS?
SDR cho phép linh hoạt cập nhật, tùy biến phần mềm xử lý tín hiệu mà không cần thay đổi phần cứng, giảm chi phí và thời gian phát triển, đồng thời hỗ trợ mô phỏng đa kênh, đa tần số với hiệu năng cao.

3. Sai số vị trí bộ thu trong mô phỏng có thể giảm thêm không?
Có thể giảm bằng cách sử dụng nhiều vệ tinh hơn, cải tiến mô hình môi trường truyền sóng, tăng tần số lấy mẫu và áp dụng thuật toán xử lý tín hiệu chính xác hơn.

4. Mô hình tầng điện ly SPHA có ưu điểm gì?
SPHA mô phỏng phân bố TEC toàn cầu bằng sóng hài hình cầu, cho phép mô phỏng hiệu ứng trễ tín hiệu tầng điện ly chính xác và có thể kết hợp với dữ liệu thực tế từ các bản đồ TEC toàn cầu.

5. Bộ thu mềm GNSS-SDR dùng trong nghiên cứu có thể áp dụng thực tế không?
Bộ thu mềm là công cụ nghiên cứu và phát triển, giúp đánh giá mô phỏng tín hiệu và thuật toán xử lý. Tuy nhiên, trong ứng dụng thực tế cần bộ thu phần cứng chuyên dụng để đảm bảo hiệu năng và độ chính xác cao.

Kết luận

  • Luận văn đã làm chủ công nghệ SDR trong phát triển trình mô phỏng tín hiệu định vị vệ tinh GPS/GNSS, đáp ứng mục tiêu nghiên cứu.
  • Mô hình mô phỏng tín hiệu GPS IF số hóa được xây dựng và thử nghiệm thành công, cho kết quả tương tự tín hiệu thật.
  • Kết quả thử nghiệm với bộ thu mềm GNSS-SDR cho thấy sai số vị trí dưới 4 m, tỉ số tín hiệu trên nhiễu và giả khoảng cách phù hợp với thực tế.
  • Mô hình môi trường truyền sóng cơ bản được áp dụng, tuy nhiên cần mở rộng để mô phỏng các hiện tượng phức tạp hơn.
  • Hướng phát triển tiếp theo là tích hợp mô hình nâng cao, mở rộng sang các hệ thống GNSS khác và tối ưu hiệu năng mô phỏng.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư ứng dụng kết quả luận văn để phát triển các hệ thống kiểm định thiết bị GNSS trong nước, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình và công nghệ mô phỏng.

Luận văn thạc sĩ: "Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng tín hiệu định vị vệ tinh hiệu năng cao" – Phạm Quang Hiếu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2022.