Luận văn Thạc sỹ: Nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp GPS/INS

Chia sẻ: Đinh Hải Nam | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

177
lượt xem 26
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Với kết cấu nội dung gồm 4 chương, luận văn "Nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp GPS/INS" giới thiệu đến các bạn những nội dung tổng quan về định vị điểm chính xác PPP GPS và hệ thống định vị quán tính INS, sự tích hợp giữa GPS và INS, sự tích hợp giữa định vị điểm chính xác GPS và INS,...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sỹ: Nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp GPS/INS

LỜI NÓI ĐẦU Trong cuộc sống hiện đại, song song với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ là nhu cầu ngày càng tăng của con người. Nhu cầu về định vị dẫn đường là một nhu cầu quan trọng trong đời sống. Sự ra đời của hệ thống định vị toàn cầu GNSS(Global Navigation Satellite System là tên dùng chung cho các hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh như GPS (Hoa Kỳ), hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu) và GLONASS (Liên bang Nga)) đã đáp ứng được nhu cầu đó. Với hệ thống này, con người có thể dễ dàng xác định được vị trí, hướng đi, vận tốc, xây dựng bản đồ…phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Tuy nhiên, nhiều ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Vì vậy, yêu cầu mới được đặt ra là là sao để tăng được độ chính xác của hệ thống định vị. Hiện nay, các hoạt động của con người đòi hỏi về định vị, dẫn đường và điều khiển cho các vật thể chuyển động như máy bay, tên lửa, ôtô, tàu thuyền, v.v. đã trở thành một nhu cầu hết sức cấp thiết trong nhiều lĩnh vực đời sống và an ninh quốc phòng. Một trong những hệ thống dẫn đường hiện tại đang được ứng dụng nhiều là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GPS). Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm như độ chính xác tương đối cao và ổn định theo thời gian, hệ thống GPS bộ lộ những nhược điểm như tín hiệu có thể bị gián đoạn trong thời gian không xác định do ảnh hưởng của địa hình hoặc do sai số có chủ đích của nhà cung cấp. Bên cạnh hệ thống GPS, hệ thống dẫn đường quán tính (INS) cũng được sử dụng nhiều nhằm xác định tọa độ và các thông tin của vật thể chuyển động dựa trên các thông số đo đạc tính toán từ các cảm biến gắn trên vật thể như cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, la bàn từ, v.v. Việc tích hợp INS và GPS cho phép tạo nên một hệ thống dẫn đường có tính hoàn thiện cao được ứng dụng trong các ngành như điều khiển dẫn đường các phương tiện đường bộ, đường không và vũ trụ.
Hệ thống được thiết kế sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số hiện đại, đặc biệt là lọc bộ lọc Kalman, và cảm biến gia tốc MEMS mới, để đáp ứng được các yêu cầu như tính chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh. TÓM TẮT Luận văn của em tập trung tìm hiểu về“nghiên cứu thiết kế bộ thu định vị chính xác tích hợp GPS/INS”. Đây là phương pháp định vị đem lại độ chính xác cao, ổn định, ít chịu ảnh hưởng của điều kiện thời tiết. Chi phí thấp hơn nhiều so với các hệ thống định vị khác có cùng độ chính xác. Theo đó, trong luận văn em xin trình bày các nội dung như sau: CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU Giới thiệu những nét khái quát nhất về phương pháp định vị điểm chính xác, cảm biến quán tính MEMS IMU và hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU. CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC PPP GPS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS Trình bày về hệ thống GPS, phương pháp định vị điểm chính xác PPP và hệ thống định vị quán tính INS. CHƯƠNG 3. SỰ TÍCH HỢP GIỮA GPS VÀ INS Mô tả về các phương pháp tích hợp giữa hai hệ thống GPS và INS đồng thời trình bày lý thuyết về bộ lọc Kalman. CHƯƠNG 4. SỰ TÍCH HỢP GIỮA ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC GPS VÀ INS
Trình bày cụ thể về phương pháp tích hợp giữa định vị điểm chính xác PPP GPS và INS. CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Là những kết quả thu được dựa trên mô phỏng matlab so sánh sai số vị trí giữa các hệ thống rời rạc và hệ thống tích hợp. Cùng với đó, phần kết luận sẽ đưa ra những đánh giá và đề xuất một vài hướng nghiên cứu tiếp theo. ABSTRACT My project focuses on studying about “Integration of Precise Point Positioning GPS and INS”.This is a positioning method provides highly accurate, stable, less affected by weather conditions. This has lower cost than other systems with the same positioning accuracy.Accordingly, the project would like to present the contents as follows: Chapter 1 introduces The most general definitions ofPrecise Point Positioning (PPP), low Cost mems IMU and intergration of PPP GPS and mems IMU Chapter 2 presents Global Positioning System (GPS), Precise Point Positioning and Inertial Navigation System (INS) Presentation on GPS systems, positioning method and PPP exact inertial navigation system INS.
Chapter 3 describes the method to integrate GPS and INS, theory of Kalman filter A description of the method of integration between GPS and INS systems and presents a Kalman filter theory. Chapter 4 presents in detail method of integration of Precise Point Positioning and INS Presents particular methodological integration between precise point positioning GPS and INS PPP. Chapter 5 Result of framework The result based on the simulation using matlabfor estimating error between separate systems and integration system. And the conclusion will evaluate and make a few suggestions towards further researches. MỤC LỤC ẢNH
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU Ngày nay, sự kết hợp giữa GPS và INS cùng với sự ra đời của hệ thông vi cơ điện tử (MEMS) đã làm cho sự kết hợp này trở nên ngày càng phổ biến hơn. Việc tích hợp hai hệ thống này lại với nhau có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman theo 2 mô hình, đó là mô hình liên kết chặt và mô hình liên kết lỏng. Lỗi nghiêm trọng nhất của hệ thống dẫn đường quán tính INS là do các cảm biến quán tính gây ra. Lỗi này được khắc phục nhờ hệ thống GPS. Đồ án này nghiên cứu hệ thống tích hợp GPS/INS dựa trên bộ thu GPS lưỡng tần số. Để tăng thêm độ chính xác, em sử dụng công nghệ định vị điểm chính xác (PPP). 1.1. Sơ lược về các hệ thống định vị điểm chính xác GPS và cảm biến quán tính Hiện nay, hầu hết các hệ thống tích hợp GPS/INS đêu dựa trên công nghệ GPS vi sai (DGPS). Một hệ thống như thế đòi hỏi 2 bộ thu GPS, một bộ thu ở trạm tham chiếu và một bộ thu lắp trên các phương tiện cần theo dõi. Việc lắp đặt thêm một trạm tham chiếu không những tốn kém về chi phí, tăng độ phức tạp, mà phương pháp này còn gặp phải hạn chế về phạm vi hoạt động. Sự ra đời của phương pháp định vị điểm chính xác (PPP) đã cho phép nâng cao độ chính xác tới cm mà không cần trạm tham chiếu. Nó mở ra cơ hội để phát triển hệ thống tích hợp GPS/INS với độ chính xác cao mà chỉ cần duy nhất một bộ thu GPS. Đối với hệ thống INS, cùng với sự ra đời của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) thì MEMS IMU là một sự lựa chọn tốt khi tính đến chi phí và hiệu năng chấp nhận được. Một khó khăn gặp phải hiện nay khi sử dụng MEMS IMU là lỗi của cảm biến quán tính, lỗi này nếu không được khắc phục thì sai số càng ngày càng tăng do sự tích lũy theo thời gian. Trong hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU, lỗi này được ước tính bởi hệ thống PPP GPS. Sự tích lũy lỗi cũng được hạn chế. Mặt khác, Cảm biến quán tính MEMS IMU có thể hoạt 7
động khi tín hiệu PPP GPS bị gián đoạn, đảm bảo cho hệ thống hoạt động liên tục. Tóm lại, việc tích hợp hai hệ thống này lại với nhau giúp hạn chế những nhược điểm đồng thời phát huy ưu điểm của từng hệ thống. Với những ưu điểm như vậy, hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU thích hợp cho nhiều ứng dụng. Sau đây là một số ứng dụng sử dụng hệ thống này: Hệ thống giám sát phương tiện bay không người lái (Unmanned Aerial VehicleUAV) Trong những năm gần đây, UAV được sử dụng ngày càng nhiều trong các ứng dụng dân sự, chẳng hạn như: đánh giá thiên tai, tìm kiếm cứu nạn, theo dõi thời tiết, thăm dò khoáng sản…UAV muốn hoạt động được cần phải có thông tin chính xác về vị trí, tốc độ, phương hướng. Độ chính xác của những thông số này phụ thuộc vào sứ mệnh mà UAV thực hiện. Hiện nay, một số hệ thống dẫn đường thương mại cho UAV được phát triển dựa trên hệ thống tích hợp GPS/MEMS IMU, độ chính xác của những hệ thống này là 2 đến 10 mét. Vì vậy , những hệ thống này không thể đáp ứng được những ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Một số hệ thống dẫn đường khác được phát triển dựa trên DGPS để đảm bảo hiệu năng dẫn đường. phương pháp này không khả thi trong một số trường hợp thiên tai, khẩn cấp bởi vì việc lắp đặt trạm tĩnh đòi hỏi thời gian, phạm vi hoạt động cũng bị hạn chế, tăng chi phí mà độ phức tạp. Hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU có thể được sử dụng cho hệ thống đẫn đường UAV, đặc biết là trong trường hợp trạm tĩnh khó lắp đặt. Tự động hóa máy móc và phương tiện Hệ thống đẫn đường dựa trên MEMS IMU tích hợp với GPS được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng máy móc và phương tiện tự động, chẳng hạn như: máy khoan, máy ủi, máy xúc…Hầu hết các hệ thống này được phát triển dựa trên DGPS. Phương pháp này không những tốn kém mà còn bị giới hạn về 8
phạm vi hoạt động. Vấn đề khác nữa đó là sự trượt chu kì xảy ra do tín hiệu định vị bị che khuất. điều này dẫn đến sự xuống cấp về chất lượng của hệ thống. Hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU có thể hướng dẫn cho các máy móc tự động không cần tới trạm tham chiếu mà vẫn đảm bảo độ chính xác và ổn định cho dù tín hiệu GPS bị đứt quãng. 1.1.1.Định vị điểm chính xác GPS PPP sử dụng các phương pháp ko vi sai từ một bộ thu lưỡng tần số chẳng hạn như giả khoảng cách, đo pha sóng mang kết hợp với dữ liệu quỹ đạo và đồng hồ chính xác .Kĩ thuật này không phải chịu những hạn chế của kỹ thuật GPS truyền thống và có thế đưa ra độ chính xác tương tự độ chính xác của kỹ thuật DGPS mà không cần trạm tham chiếu. Một số tổ chức như International GPS Service (IGS) và Jet Propulsion Laboratory (JPL) cung cấp quỹ đạo vệ tinh và đồng hồ chính xác. IGS là một tổ chức dân sự, hoạt đông với mạng lưới các trạm GPS lưỡng tần số chất lượng cao trên toàn cầu, cung cấp các thông số về quỹ đạo, đồng hồ, chuyển động quay của trái đất, trễ tầng đối lưu và tầng điện ly. JPL sử dụng mạng lưới các trạm GPS trên toàn cầu, tính toán sai số của quỹ đạo vệ tinh và sai số đồng hồ. Những thông số này được truyền tới người sử dụng thông qua internet. Bộ tài nguyên thiên nhiên Canada cũng sử dụng một mạng lưới các trạm GPS để tạo ra thông số hiệu chỉnh về đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh. Những thông số này cũng được phát qua internet và vệ tinh MSAT của Canada. Công nghệ định vị điểm chính xác được đưa ra bởi Zumberge et al. (1997) [1] cũng như bởi Kouba and Heroux (2000) [2] đề xuất phương pháp tính toán dữ liệu quỹ đạo và đồng hồ sử dụng một phần của mạng IGS. Bằng cách sử dụng dữ liệu chính xác với chu kì 30 giây đối với đồng hồ và 1phút đối với quỹ đạo của vệ tinh. Kỹ thuật này đã thu được những kết quả triển vọng. Kouba and Heroux (2000) lần đầu tiên đã đưa ra kỹ thuật sử dụng phương pháp đo mã và 9
quan sát pha sóng mang từ bộ thu lưỡng tần số. Họ nhấn mạnh sự giảm lỗi, đặc biết là lỗi liên quan đến phương pháp đo mã và quan sát pha sóng mang. Kết quả thu được tương đương với kết quả của Zumberge’s (1997). Công trình nghiên cứu của Zumberge et al. (1997) cũng như Kouba and Heroux (2000)[2] tập trung sử dụng phương pháp đo giả khoảng cách và quan sát pha sóng mang. Các thông số chưa biết bao gồm số nguyên lần bước sóng, độ lệch đồng hồ bộ thu,và các thông số về tầng đối lưu. Gao and Shen (2001) đã giới thiệu một mô hình quan sát mới sử dụng mức trung bình của đo mã và quan sát pha sóng mang trên cả hai tần số L1 và L2 để hiệu chỉnh sự sai pha sóng mang do tầng đối lưu gây ra. Mô hình mới này cho phép ước tính số nguyên lần bước sóng trên cả hai tần sốL1 và L2 đối với mỗi vệ tinh cùng với thông số về vị trí, sai số đồng hồ bộ thu và trễ tầng đối lưu. Sự thành công của hệ thống định vị điển chính xác đã cải thiện một cách đáng kể tính linh hoạt và giảm giá thành của hệ thống, nó cũng làm gia răng các ứng dụng sử dụng công nghệ GPS, chẳng hạn như: thăm dò địa hình , điều khiển máy móc, theo dõi thời tiết. 1.1.2.Low cost MEMS IMU Vấn đề then chốt của việc lựu chọn MEMS IMU sử dụng cho hệ th ống INS thương mại là mức chi phí hợp lý. Với kích thướng nhỏ hơn, giá cả thấp hơn, sự lựa chọn này đang được sử dụng cho nhiều ứng dụng hiện nay, những ứng dụng này trước đây là không khả thi do sự ràng buộc về kích thước và chi phí. MEMS IMU được xếp vào loại cảm biến tự động dựa trên hiệu năng và mục đích ứng dụng. Xét về lỗi cảm biến của MEMS IMU, một số cách tiếp cận truyền thống sử dụng IMU cao cấp là không phù hợp với MEMS IMU, chẳng hạn như phương pháp hiệu chỉnh thô không thể thực hiện với MEMS IMU. Vì vậy, các biện pháp và cách tiếp cận phi truyền thống được sử dụng 10
1.2.Sơ lược về hệ thống tích hợp PPP GPS/MEMS IMU 1.2.1.Sự kết hợp giữa GPS và INS sử dụng bộ lọc Kalman Trong những năm gần đây, một số công trình nghiên cứu được tiến hành để nghiên cứu sự hệ thống tích hợp GPS/INS sử dụng bộ lọc Kalman, Salychev et al (2000)[3] and Nayak (2000) áp dụng mô hình liên kết lỏng để tích hợp MotionPakTM MEMS IMU với DGPS sử dụng phép đo giả khoảng cách và quan sát pha sóng mang. Hide (2003)nghiên cứu hệ thống tích hợp DGPS/INS sử dụng mô hình kết hợp chặt chẽ cho các ứng dụng hàng hải dựa trên Crossbow AHRS DMUHDX IMU và đo pha sóng mang. Shin and ElSheimy (2004) sử dụng bộ lọc unscented Kalman và extended Kalman để tích hợp DGPS và low cost MEMS IMU. Li et al (2006) phát triên hệ thống tích hợp GPS/MEMS IMU liên kết lỏng nhờ sự hộ trợ của hệ thống logic mờ. các hệ thống trên chủ yếu nghiên cứu hiệu năng trong điều kiện môi trường thuận lợi. Một vài công trình nghiên cứu được tiến hành để nghiên cứu hiệu năng của hệ thống trong môi trường thực tế, chẳng hạn như ở các hẻm khuất ở khi vực đô thị. Hide and Moore (2005)[4] nghiên cứu hiệu năng định vị của hệ thống tích hợp DGPS và low cost INS ở khu vực đô thị. Nghiên cứu này cho thấy rằng hệ thống liên kết chặt cho hiệu năng tốt hơn hệ thống liên kết lỏng. Hệ thống tích hợp chặt giữa Crossbow AHRS400 MEMS IMU và DGPS tại thành phố Nottingham(Mỹ) có độ chính xác là khoảng 20m theo phương ngang. Godha (2006)[5] cũng nghiên cứu hiệu năng của hệ thống tích hợp DGPS/MEMS IMU và thu được độ chính xác ít hơn 10m theo phương ngang bằng cách sử dụng mô hình liên kết chặt chẽ giữa DGPS và Crista MEMS IMU mà không áp dụng bất cứ sự ràng buộc chuyển động nào ở thị trấn Calgary ở Canada. Tuy nhiên, việc sử dụng DGPS sẽ làm gia răng chi phí hệ thống và giới hạn phạm vi hoạt động. 1.2.2.Mô hình cảm biến quán tính Một vài nghiên cứu đã được tiến hành để mô tả các lỗi ngẫu nhiên của cảm biến quán tính, nhưng chủ yếu vẫn là tập trung vào nhiễu cảm biến. Nói 11
chung, nhiễu cảm biến bao gồm các thành phần tần số cao( có tính chất của nhiễu trắng) và thành phần tần số thấp (nhiễu này được xem như sự trôi và có tính chất của nhiễu tương quan ) . CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC PPP GPS VÀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ QUÁN TÍNH INS Chương này xem xét các đặc tính của hai hệ thống. Trình bày các phương pháp đo trong hệ thống GPS và các nguồn nhiễu ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ thống GPS. Sau đó trình bày công nghệ định vị điểm chính xác với các biện pháp cụ thể để loại trừ các nguồn lỗi ảnh hưởng tới hệ thống. Cuối cùng là trình bày nguyên lý của hệ thống định vị quán tính INS bao gồm: các hệ tọa độ, bộ xử lý INS, và thủ tục thiết lập các thông số ban đầu. 2.1. Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS GPS là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Mỹ, cung cấp các dịch vụ định vị, dẫn đường, và các dịch vụ thời gian cho người sử dụng trên toàn thế giới một cách liên tụctại mọi lúc, mọi nơi, trong mọi điều kiện thời tiết. 2.1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS Phân hệ không gian Phân hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử và phát ra tín hiệu cao tần chứa mã giả ngẫu nhiên, và phát lại bản tin định vị từ các tín hiệu thu được (từ phân hệ điều khiển). 12
Phân hệ không gian bao gồm các thành phần sau: Chùm sao vệ tinh Chùm sao vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ, được phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn, kí hiệu từ A đến F, với đường kính khoảng 20.138km và nghiêng 55° so với mặt phẳng Xích đạo. Mỗi quỹ đạo co 4 ́ vệ tinh chính được kí hiệu từ 1 đến 4 và được phân bố đều. Chu kỳ của các vệ tinh là 12 giờ. Cấu trúc quỹ đạo vệ tinh này cho phép người sử dụng hệ thống GPS trên mặt đất có thể “nhìn thấy” tối thiểu là 4 vệ tinh và trung bình từ 6 đến 8 vệ tinh nếu không bị cản trở bởi các cấu trúc hạ tầng dưới mặt đất. Hình 2.1 Chòm sao vệ tinh Vệ tinh GPS Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc với phân hệ điều khiển, và phát tín hiệu tới máy thu. 13
̀ 2.2. Vệ tinh NAVSTAR. Hinh Các vệ tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: Chúng có thể được nhận biết bởi vị trí của chúng trên quỹ đạo (mỗi vệ tinh có một vị trí (1,2,3,…) trên 6 quỹ đạo: A,B,C,D,E,F) hay bởi số chứng nhận NASA, hoặc có thể được xác định bởi ID quốc tế, hoặc có thể bởi mã giả ngẫu nhiên PRN hay bởi số hiệu SVN. Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một đồng hồ với độ chính xác rất cao. Các đồng hồ đó hoạt động ở một tần số cơ bản 10.23 MHz, chúng được dùng để phát tín hiệu xung, các tín hiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh. Phân hệ điều khiển Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ hệ thống, bao gồm một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station – MCS) đặt tại căn cứ không quân Schriever, Colorado Spring ở bang Colorado Mỹ; năm trạm thu số liệu được đặt quanh trái đất dọc theo đường Xích đạo, cụ thể là ở Nam Đại Tây Dương(Ascension), Ấn Độ Dương(Diego Garcia), Nam Thái Bình Dương(Kwajalein), Hawaii và Colorado Spring; và ba trạm truyền số liệu đặt tại Nam Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương, Nam Thái Bình Dương.[3] 14
Hình 2.3. Phân hệ điều khiển. MCS làm nhiệm vụ theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản lý quỹ đạo vệ tinh và duy trì thời gian GPS. Từ đó dự đoán các thông số quỹ đạo và đưa ra giá trị thời gian GPS đồng bộ giữa các vệ tinh, nhằm cập nhật dữ liệu định vị của các vệ tinh. Năm trạm thu số liệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và dự đoán quỹ đạo của chúng. Mỗi trạm được trang bị những máy thu P code để thu các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính. Ba trạm truyền số liệu có khả năng chuyển số liệu lên vệ tinh, gồm lịch thiên văn mới, dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ, các bản tin, và các lệnh điều khiển từ xa. Phân hệ sử dụng Phân hệ sử dụng bao gồm các bộ thu GPS và cộng đồng người sử dụng. Các máy thu GPS sẽ chuyển đổi các tín hiệu vệ tinh thành các thông số vị trí, vận tốc, và thời gian. Để tính toán các thông số vị trí (X, Y, Z) và thời gian, chúng ta cần ít nhất bốn vệ tinh. Bộ thu GPS được sử dụng cho các dịch vụ định vị, dẫn đường, phân phát thời gian, và các nghiên cứu khác. Với cấu trúc và đặc điểm của hệ thống GPS như trên, ta thấy rằng GPS có rất nhiều ưu điểm và đem lại nhiều lợi ích khi hoạt động. Các ứng dụng sử 15
dụng dịch vụ GPS ngày càng được mở rộng và phát triển rộng rãi. Trong chương tiếp theo, chúng ta sẽ nghiên cứu về câu truc, đ ́ ́ ặc điểm, và cách tạo tin hiêu GPS. ́ ̣ 2.1.2. Cấu trúc tín hiệu GPS Các tín hiệu và dữ liệu Các tín hiệu GPS được phát trên hai tần số vô tuyến trên băng UHF (500 MHz – 3 GHz). Các tần số này được đặt là L1 và L2 và được nhận từ một tần số chung f 0 = 10.23 MHz: FL1 = 154f0 = 1575.42 MHz (2.1) FL2 = 120f0 = 1227.60 MHz (2.2) Các tín hiệu được cấu thành từ 3 thành phần sau: Sóng mang: tần số fL1 và fL2. Dữ liệu định vị: bao gồm thông tin liên quan tới các quỹ đạo vệ tinh, có tốc độ bit là 50 bps. Dãy trải phổ: mỗi vệ tinh có hai dãy hoặc mã trải phổ. Đó là mã C/A (coarse acquisition) và một loại mã chính xác được mã hóa là mã P (Y). Lược đồ tín hiệu GPS Sơ đồ khối của bộ tạo tín hiệu GPS được trình bày trong hình 2.1 Đọc sơ đồ từ trái qua phải. Ngoài cùng bên trái là tín hiệu đồng hồ chính được cấp cho các khối còn lại. Tín hiệu đồng hồ có tần số 10.23 MHz. Thực tế tần số chính xác là 10.22999999543 MHz để hiệu chỉnh các ảnh hưởng tương đối với tần số 10.23 MHz từ người sử dụng trên trái đất. Khi được nhân với 154 và 120, nó tạo ra các tín hiệu sóng mang L1 và L2. Ở góc bên trái dưới cùng, một bộ hạn chế được dùng để ổn định tín hiệu đồng hồ trước khi cấp cho các bộ tạo mã C/A và mã P (Y). Ở phía dưới là bộ tạo dữ liệu có nhiệm vụ tạo ra dữ liệu định vị. 16
Các bộ tạo mã và bộ tạo dữ liệu được đồng bộ qua tín hiệu X1 được cấp bởi bộ tạo mã P (Y). Sau khi tạo mã, các mã được kết hợp với dữ liệu định vị qua các bộ cộng module2. Phép XOR được dùng trên các dãy bit“0” và “1”, còn dạng phân cực 1 và 1 thì phép XOR được thay thế bằng phép nhân thông thường. Hình 2.4. Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu GPS. Các tín hiệu là mã C/A (hoặc mã P(Y)) cộng module2 với dữ liệu được cấp cho hai bộ điều chế tần số L1. Ở đây các tín hiệu được điều chế trên tín hiệu sóng mang sử dụng phương thức điều chế pha nhị phân BPSK. Chú ý rằng,hai mã được điều chế theo pha và vuông pha với mỗi mã trên L1. Tức là có một độ dịch pha 900 giữa hai mã. Sau khi phần P(Y) bị suy giảm 3 dB, hai tín hiệu L1 này được cộng với nhau để được tín hiệu L1. Dịch vụ định vị chuẩn SPS chỉ được xây dựa trên tín hiệu mã C/A. Tín hiệu được phát bởi vệ tinh k có thể được mô tả như sau: 17
(2.3) Ở đây PC, PPL1 và PPL2 là các mức công suất của các tín hiệu với mã C/A hoặc P(Y), Ck là dãy mã C/A ấn định cho số hiệu vệ tinh k, P k là dãy mã P(Y) ấn định cho số hiệu vệ tinh k, Dk là chuỗi dữ liệu định vị, và fL1 và fL2 là các tần số sóng mang của L1 và L2. Hình 2.5 mô tả ba phần hình thành nên tín hiệu trên tần số L1. Mã C/A lặp lại chính nó mỗi ms, và một bit định vị kéo dài 20 ms. Do đó với mỗi bit định vị, tín hiệu bao gồm 20 mã C/A đầy đủ. Hình 2.5. Cấu trúc tín hiệu L1. f(t) là sóng mang và C(t) là chuỗi mã C/A rời rạc. Như thấy ở trên, tín hiệu này lặp lại chính nó mỗi ms. D(t) là dòng bit dữ liệu định vị rời rạc. Một bit định vị kéo dài 20 ms. Ba phần của tín hiệu L1 được nhân để tạo tín hiệu cuối cùng. 18
Hình 2.6. Điều chế BPSK trong tín hiệu GPS. Tín hiệu L1 cuối cùng là sản phẩm của các tín hiệu C, D và sóng mang. Đồ thị bao gồm 25 chip đầu tiên của mã Gold cho PRN 1. Hình 2.6 mô tả mã Gold C, dữ liệu định vị D, tín hiệu cộng module2 giữa C, D và sóng mang. Tín hiệu cuối cùng được tạo ra bằng điều chế BPSK, trong đó sóng mang được dịch pha ngay tức thì 1800 ở thời điểm một thay đổi chip. Khi chuyển tiếp bit dữ liệu định vị xảy ra (khoảng 1/3 từ cạnh bên phải), pha của tín hiệu cuối cùng cũng bị dịch 1800. Tóm lại, với tín hiệu GPS, chiều dài mã là 1023 chip, tốc độ chip là 1.023 MHz (chu kỳ là 1ms), tốc độ dữ liệu là 50 Hz (20 chu kỳ mã trên 1 bit dữ liệu), ~ 90% công suất tín hiệu trong băng tần ~ 2 MHz. Mã C/A Chúng ta chỉ xem xét tín hiệu GPS theo mã C/A. Các mã C/A là các mã Gold và có tính chất của mã giả ngẫu nhiên PRN. Chuỗi Gold 19
Các mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN được phát bởi các vệ tinh GPS là các chuỗi xác định với các đặc tính giống nhiễu. Mỗi mã C/A được tạo ra bằng cách sử dụng một thanh ghi dịch có hồi tiếp tuyến tính (LFSR) có phân nhánh. Nó tạo ra một chuỗi có chiều dài tối đa N = (2n – 1) phần tử. Một mã Gold là tổng của hai chuỗi có chiều dài tối đa. Mã C/A của tín hiệu GPS sử dụng n = 10. Chuỗi p(t) lặp lại theo ms nên chiều dài chip là 1ms/1023 = 977.5 ns ≈ 1 µs, tương ứng với một chiều dài 300 m khi truyền dẫn trong chân không hoặc không khí. Hàm tự tương quan (ACF) đối với mã C/A này là: (2.4) Chuỗi này có 512 bit “1” và 511 bit “0” xuất hiện ngẫu nhiên, và hoàn toàn xác định. Chuỗi Gold có tính giả ngẫu nhiên chứ không phải ngẫu nhiên. Ngoài ra khoảng tương quan ACF của p(t) là 1/N. Với mã C/A, hằng số này là 1/N = 1/1023, như hình 2.4.[1] ACF được biểu diễn như tổng của hằng số này và một chuỗi vô hạn của hàm tam giác rX(τ): (2.5) 20