M c l cụ ụ

Mục lục.......................................................................................................................1

Mục Lục Hình Vẽ......................................................................................................2

Tóm tắt đồ án............................................................................................................7

Chương 1: Hệ thống vệ tinh định vị........................................................................8

1.1 Khái niêm về vệ tinh định vị...........................................................................8

1.2 Lịch sử phát triển định vị................................................................................8

1.3 Lịch sử và nguyên lý định vị vệ tinh............................................................11

1.4 Hệ thống vệ tinh GPS trong định vị.............................................................12

1.4.1 Sơ lược hệ thống GPS.............................................................................12

1.4.2 Các thành phần của hệ thống GPS........................................................14

1.4.3 Nguyên tắc hoạt động của GPS..............................................................16

1.4.4 Các khái niệm và định luật sử dụng trong công nghe GPS.................18

1.5 Tổng quan vệ tín hiệu GPS...........................................................................20

1.5.1 Tần số GPS...............................................................................................20

1.5.2 Cấu tạo của tín hiệu GPS........................................................................21

1.5.3 Cấu trúc của dữ liệu định vị GPS..........................................................21

1.5.4 Quá trình tạo tín hiệu GPS.....................................................................22

1.6 Các mô phỏng trong hệ thống GPS..............................................................23

1.6.1 Phần mềm MATLAB/SIMULINK........................................................23

1.6.2 Mô hình hệ thống phát tín hiệu GPS trên vệ tinh................................26

1.6.3 Các thành phần máy thu tín hiêu GPS..................................................31

1.7 Các kết quả mô phỏng của hệ thống phát GPS..........................................33

1.7.1 Kết quả tạo mã C/A cho máy phát........................................................33

1.7.2 Kết quả mô phỏng dữ liệu định vị cho máy phát.................................36

1.7.3 Kết quả mô phỏng mã P(Y) cho máy phát............................................38

1.7.4 Kết quả mô phỏng sóng mang cho máy phát........................................39

1

1.7.5 Kết quả kết hợp các thành phần của tín hiệu.......................................40

1.8 Mô phỏng máy thu GPS................................................................................42

1.8.1 Các khối mô phỏng..................................................................................42

1.8.2 Kết quả mô phỏng máy thu....................................................................45

Chương 2:Hệ thống W-CDMA..............................................................................47

2.1 Giới thiệu chung về W-CDMA.....................................................................47

2.2 Các phương pháp định vị trong W-CDMA.................................................49

Chương 3: Thuật toán định vị...............................................................................55

3.1 Thuật toán TDOA..........................................................................................55

3.2 Thuật toán định vị vệ tinh.............................................................................58

3.3 Phương pháp định vị kết hợp.......................................................................60

3.4 Đánh giá phương pháp mới..........................................................................61

Kết Luận..................................................................................................................63

2

Mục Lục Hình Vẽ

Hình 1. 1: Quỹ đạo của 5 vệ tinh tong hệ thống Transit....................................11Hình 1. 2: Mô hình định vị vệ tinh........................................................................12Hình 1. 3: Các thành phần của GPS....................................................................13Hình 1. 4: Mô hình hệ thống định vị vệ tinh GPS...............................................14Hình 1. 5: Thành phần điều khiển.........................................................................15Hình 1. 6: Hoạt động máy thu GPS với đồng thời 4 vệ tinh...............................16Hình 1. 7: Mô hình hoạt động GPS.......................................................................17Hình 1. 8: Định vị với 1 vệ tinh..............................................................................18Hình 1. 9: Định vị với 2 vệ tinh..............................................................................18Hình 1. 10: Định vị với 3 vệ tinh............................................................................19Hình 1. 11:Đặc tính của tín hiệu vệ tinh GPS.......................................................20Hình 1. 12:Dữ liệu định vị......................................................................................21Hình 1. 13: Tạo tín hiệu vệ tinh GPS....................................................................21Hình 1. 14:Tạo tín hiệu GPS tại vệ tinh................................................................25Hình 1. 15: Tạo tín hiệu băng L1...........................................................................26Hình 1. 16:Sơ đồ nguyên lý của bộ tạo mã C/A....................................................27Hình 1. 17:Sự kết hợp các thành phần máy phát.................................................29Hình 1. 18:Sơ đồ khối của máy thu GPS..............................................................30Hình 1. 19: Sơ đồ các khối chức năng máy thu....................................................30Hình 1. 20: Khối tạo mã C/A sử dụng scope để theo dõi kết quả.......................32Hình 1. 21: Bộ đếm mã C/A...................................................................................33Hình 1. 22: Bộ đếm mã C/A trong khoảng thời gian 1m/s..................................33Hình 1. 23:Bộ đếm mã C/A khi phóng to..............................................................34Hình 1. 24:Bộ đếm reset khi tới 1022....................................................................34Hình 1. 25: Sử dụng máy đo để lấy kết quả dữ liệu.............................................35Hình 1. 26:Bộ đếm định vị......................................................................................36Hình 1. 27:Bộ đếm chu kỳ định vị reset sau 20 bước...........................................36Hình 1. 28:Bộ đếm định vị phóng to......................................................................37Hình 1. 29:Mã P(Y) ở 10.23 MHz..........................................................................37Hình 1. 30:Sơ đồ khối tạo sóng mang....................................................................38Hình 1. 31:Sóng mang tại tần số 9.548MHz.........................................................38Hình 1. 32: Mô hình máy thu sau khi kết hợp các khối......................................39Hình 1. 33:Sóng mang tại tần số 9.548Mhz..........................................................40Hình 1. 34:Tín hiệu máy thu của 5 bit dữ liệu định vị đầu.................................40Hình 1. 35:Bộ tạo mã PRN.....................................................................................41Hình 1. 36:Bên trong của bộ tạo mã PRN............................................................41Hình 1. 37:FFT tại tín hiệu I và Q.........................................................................42

3

Hình 1. 38:Mô hình tìm kiếm mã pha song song.................................................43Hình 1. 39:Mô hình theo dõi sóng mang...............................................................43Hình 1. 40:Đỉnh của PRN 01 khi code pha là 0....................................................44Hình 1. 41:Kết quả khi sóng mang đã bị tách......................................................44Hình 1. 42:Tín hiệu sau khi sóng mang đã bị tách...............................................45

Hình 2. 1:Các phương pháp định vị dựa trên cell...............................................49Hình 2. 2: Phương pháp đo OTDoA- IPDL..........................................................50Hình 2. 3: Cơ sở hạ tầng A-GPS............................................................................51

Hình 3. 1:Nguyên tắc hình học của thuật toán.....................................................55Hình 3. 2: Mô phỏng việc xác định vị trí bằng TDOA.........................................56Hình 3. 3:Trong không gian 3 chiều......................................................................57Hình 3. 4:GDOP của GPS khi không có thông tin hỗ trợ...................................61Hình 3. 5:GDOP của hệ thống lai giữa GPS và W-CDMA.................................61

4

Bảng các chữ viết tắt trong đồ ánGPS Global Positioning system Hệ thống định vị toàn cầu

W-CDMA Wide-code division

multiple access

Đa truy nhập theo mã

băng rộng

T-DoA Time-Difference of

Arrival.

Sai khác thời gian tới

SV Space vehicle Vệ tinh

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha cầu

phương

DSSS Direct-sequence spread spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

ADC Analog digital converter Chuyển đổi tương tự số

IF intermediate frequency Trung tần

VCO Voltage-controled

oscillator

Bộ tạo giao động điều

khiển điện áp

PRN Pseudo-range Giả khoảng cách

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier

IFFT Inverse Fast Fourier

Transform

Biến đổi Fourier ngược

GSM Global System Mobile Hệ thống di động.

AoA Angel of Arrival Góc sóng tới

BTS Base Transmission Station Trạm phát gốc

SMLC Serving Mobile Location

Center

Trung tân dịch vụ định vị

thuê bao di động

LMU Location Measurement

Unit

Khối đo đạc vị trí

SDR Software-Defined receiver Máy thu định nghĩa bằng

phần mềm

5

TDMA Time division multiple

access

Đa truy nhập theo thời

gian

LBS Location-Based Service Dịch vụ định vị

6

Lời nói đầu

Cùng với quá trình phát triển của công nghệ, vệ tinh ngày càng được tối ưu và

phức tạp hơn. Vệ tinh nói chung và GPS nói riêng là một trong những hệ thống thiết

bị định vị rất hiệu quả. Tuy nhiên, một vấn đề chủ yếu thường gặp phải là khi ở

những khu vực đô thị hay trong những tòa nhà,sử dụng vệ tinh sẽ không cho chúng

ta những kết quả thực sự chính xác. Trong những năm qua,rất nhiều các nghiên cứu

đã được đưa ra để cải thiện nhược điểm này. Ngược lại, hiện nay ở các thành phố,

hệ thống BTS của các mạng thông tin di động rất dày đặc, và khả năng định vị của

BTS trong khu vực đông dân cư cũng như trong các tòa nhà chính xác hơn so với vệ

tinh. Nhược điểm của BTS là tại những nơi ít thuê bao, số lượng BTS ko đủ để có

thể định vị một cách chính xác nhưng vệ tinh lại có thể giải quyết được điều này. Từ

những ưu nhược điểm của từng hệ thống như vậy, một hệ thống định vị có sự kết

hợp giữa vệ tinh GPS và hệ thống thông tin di động tế bào W-CDMA sẽ giải quyết

được vấn đề. Khả năng định vị sẽ được nâng cao, tận dụng được hệ thống có sẵn

(W-CDMA) nên chi phí ứng dụng sẽ không lớn. Tuy nhiên, một vấn đề được đặt ra

là đi kèm với một hệ thống mới này, chúng ta cần có một thuật toán để tính toán vị

trí tương ứng với phần cứng của hệ thống.Trong đồ án này, em xin trình bày về

thuật toán áp dụng cho hệ thống định vị lai cũng như các mô phỏng về hệ thống vệ

tinh GPS và W-CDMA.

Trong quá trình làm đề tài “Nghiên cứu thuật toán cho hệ thống định vị lai” em

đã được sự hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong viện

điện tử viễn thông đặc biệt là phó giáo sư, tiến sĩ Đào Ngọc Chiến.

Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn phó giáo sư tiến sĩ

Đào Ngọc Chiến, bộ môn hệ thống viễn thông, viện điện tử viễn thông,Trường đại

học bách khoa Hà Nội, và các thầy cô giáo trong khoa điện tử viễn thông đại học

bách khoa Hà Nội đã có những giúp đỡ kịp thời cũng như những ý kiến quý báu

giúp em hoàn thành đồ án.

Ngày 20 tháng 5 năm 2011

7

Tóm t t đ ánắ ồ

Trong những thập kỉ gần đây, vệ tinh được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị

truyền thông cho mục đích thương mại cũng như quân sự, đặc biêt là trong lĩnh vực

định vị dẫn đường. Trong nhiều năm, những nỗ lực để cải thiện độ chính xác định

vị đã được thực hiện. Một trong những phương pháp phổ biến nhất là kết hợp giữa

nhiều hệ thống định vị với nhau như Wifi-GPS….Trong khi nghiên cứu tại trung

tâm navis, em có đọc được một bài báo về cải thiện độ chính xác trong định vị của

vệ tinh thông qua hệ thống thông tin di động. Trong đồ án này, em xin được trình

bày các nghiên cứu cũng như mô phỏng về thuật toán của hệ thống định vị lai sử

dụng phần mềm mô phỏng MATLAB/SIMULINK . Đồ án bao gồm 3 chương, Hệ

thống GPS và các kết quả mô phỏng sẽ được đưa ra ở chương 1, Ở chương 2 hệ

thống W-CDMA và các phương pháp định vị trong mạng tế bào được giới

thiệu.Các thuật toán TDOA và định vị cho vệ tinh được giới thiêu ở chương 3 và

các kết quả mô phỏng.

Abstract

In recent decades, satellite has been widely utilised by many communication

devices for commercial and military purposes, especially in navigation area.In

many years, a lots of efforts have been done to improve the accuracy for

location.One of the most popular method is the combination of many navigation

systems such as Wifi-GPS…When researching in NAVIS centre, I read an article

about the advance the precise in GPS system using cellular radio networks.In this

thesis, I have shown the researching and simulating result of algorithm for hybrid

positioning system. My thesis include 3 chapter, in the first chapter GPS system and

results of modulation are shown.W-CDMA system and positioning methods in

cellular network are mentioned.TDOA and positioning algorithm in GPS and some

graph are given out.

8

Ch ng 1: H th ng v tinh đ nh vươ ệ ố ệ ị ị

1.1 Khái niêm v v tinh đ nh về ệ ị ị

Định vị được hiểu là một môn khoa học để xác định vị trí bao gồm kinh

độ, vĩ độ, độ cao của một đối tượng thông qua việc thu thập dữ liệu bằng các

phương tiện. Những phương tiện này không có sự tiếp xúc trực tiếp với đối

tượng. Nói cách khác, định vị vệ tinh là thu thập các thông tin từ xa sau đó

tính toán đưa ra các thông số định vị. Do đặc thù thuật toán xác định vị trí

của vệ tinh nên các vệ tinh định vị thường được bố trí thành một hệ thống

GNSS như:

GPS Mỹ.

GLONASS Nga.

GALILEO Liên minh Châu Âu .

B c Đ u Trung Qu c.ắ ẩ ố

1.2 L ch s phát tri n đ nh vị ử ể ị ị

Lịch sử dẫn đường và xác định vị trí gắn liền với lịch sử dẫn thuyền thám hiểm

trên biển trong nhiều thập kỉ trước khi các phương tiện bay trên không như máy bay

và vũ trụ ra đời.

Từ thời tiền sử, con người đã tìm cách để xác định xem mình đang ở đâu và đi

đến một đích nào đó và trở về bằng cách nào. Những hiểu biết về vị trí thường

mang tính sống còn và có sức mạnh kinh tế trong xã hội. Con người thời săn bắn

kiếm thức ăn thường đánh dấu lối đi của mình để có thể trở về hang động nơi ở của

mình. Sau đó họ làm ra bản đồ, và phát triển thành hệ thống mạng vĩ tuyến (vị trí

trên trái đất đo từ đường xích đạo về phía cực bắc và phía cực nam) và kinh tuyến

(vị trí trên trái đất đo từ đường kinh tuyến gốc sang phía đông hoặc sang phía tây).

Đường kinh tuyến gốc sử dụng trên thế giới là đường kinh tuyến đi qua Đài quan sát

Hoàng gia (Royal Observatory) ở Greenwich, Anh Quốc.

9

Khi con người di chuyển từ vùng này đến vùng khác bằng thuyền chạy trên

biển, những người đi biển thuở ban đầu đi dọc theo bờ biển để tránh bị lạc. Sau đó

họ biết cách ghi hướng đi của họ theo các vì sao trên trời họ sẽ đi ra biển xa hơn.

Những người Phoenicians cổ đại đã sử dụng Sao Bắc Cực (North Polar) dẫn đường

để thực hiện chuyến đi từ Egypt và Crete. Theo Homer, nữ thần Athena đã nói với

Odysseus khi điều khiển con tàu Navis trong chuyến đi từ Đảo Calypso rằng “hãy

để chòm sao Đại Hùng phía bên trái mạn thuyền”. Thật không may, những vì sao

chỉ có thể nhìn được vào ban đêm và khi có thời tiết đẹp trời trong sáng. Con người

cũng đã biết dùng những ngọn đèn biển - những ngọn hải đăng (lighthouses) – lấy

ánh sáng để dẫn đường, giúp những người đi biển vào ban đêm và cảnh báo nguy

hiểm.

Tiếp theo, trong lịch sử ngành hàng hải (marine navigation) người ta sử dụng la

bàn từ (magnetic compass) và sextant. Kim la bàn luôn chỉ hướng cực bắc, và cho

chúng ta biết “hướng mũi tàu” (heading) chúng ta đang đi. Bản đồ của người đi biển

thời kì thám hiểm thường vẽ hướng đi giữa các cảng chính và những nhà hàng hải

giữ khư khư những bản đồ đó cho riêng mình.

Sextant sử dụng những chiếc gương có thể điều chỉnh được đo góc độ chính

xác của các vì sao, mặt trăng và mặt trời trên đường chân trời. Từ những góc đo này

và sử dụng cuốn sách Lịch thiên văn hàng hải (The Nautical Almanac) chứa đựng

các thông tin vị trí của mặt trời, mặt trăng và các ngôi sao người ta có thể xác định

được vĩ độ trong thời tiết đẹp, vào cả ban ngày lẫn ban đêm. Tuy nhiên những người

đi biển không thể xác định được kinh độ. Ngày nay nếu nhìn vào những tấm hải đồ

rất cũ, chúng ta đôi khi có thể thấy vĩ độ của bờ biển rất chính xác nhưng kinh độ có

khi sai lệch đến hàng trăm hải lý. Đây là một vấn đề rất nghiêm trọng trong thế kỷ

thứ 17 mà chính phủ Anh Quốc đã phải thành lập lên một Ban đặc biệt xác định

kinh độ. Ban này đã tập hợp nhiều nhà khoa học nổi tiếng để tìm cách tính kinh độ.

Ban này đưa ra phần thưởng 20.000 bảng Anh, tương đương với số tiến ngày nay

khoảng 32.000 đô la Mỹ, nhưng thời đó món tiền này có lẽ có giá trị hơn rất nhiều,

cho những người nào có thể tìm được cách xác định kinh độ với sai số trong vòng

30 hải lý.

10

Phần thưởng đã mang lại thành công. Câu trả lời là phải biết được chính xác

thời gian khi đo độ cao bằng sextant. Ví dụ, theo Lịch thiên văn Greenwich dự đoán

rằng mặt trời lên cao nhất (vào thiên đỉnh người quan sát) vào lúc chính ngọ (buổi

trưa), tức là 12 giờ trưa. Nếu có một đồng hồ trên tàu, khi rời cảng (nước Anh), làm

đồng bộ thời gian của đồng hồ này với thời gian Greenwich. Tàu chạy về phía tây.

Ví dụ, lúc 2 giờ chiều trong ngày, khi sử dụng sextant đo độ cao của mặt trời thì lúc

đó vị trí mặt trời sẽ tương đương với thời gian 2 giờ phía tây của Greenwich. Như

chúng ta đã biết, ngày nay lấy kinh tuyến gốc là Greenwich, kinh độ được tính 180

độ theo phía đông, và 180 độ theo phía tây tương ứng với 12 múi giờ phía đông và

12 múi giờ phía tây. Biết được giờ đo chúng ta sẽ tính được kinh độ.v ào năm 1761,

một người thợ đồ gỗ mỹ thuật tên là John Harrison (1639-1776) đã phát minh một

đồng hồ dùng trên tàu có tên gọi là Thời kế có sai số 1 giây trong một ngày. Vào

thời gian đó một Thời kế đo thời gian có độ chính xác như thế là một điều không

thể ngờ được! Trong hai thế kỉ tiếp theo, sextants và thời kế đã được sử dụng kết

hợp với nhau để xác định vị trí của tàu biển (vĩ độ và kinh độ).

Đầu thế kỉ 20, người ta đã phát minh ra một số hệ thống dẫn đường vô tuyến

điện và sử dụng rộng rãi trong Chiến tranh thế giới thứ 2. Các tàu chiến và máy bay

quân sự của quân đồng minh và phát xít đã sử dụng những hệ thống dẫn đường vô

tuyến điện trên mặt đất, những công nghệ tiên tiến nhất thời đó.

Một số hệ thống dẫn đường vô tuyến trên mặt đất vẫn còn đến ngày nay. Một

hạn chế của phương pháp sử dụng sóng vô tuyến điện được phát trên mặt đất là chỉ

có hai lựa chọn: 1) hệ thống rất chính xác nhưng không bao phủ được vùng rộng

lớn, 2) hệ thống bao phủ được một vùng rộng lớn nhưng lại không chính xác. Sóng

vô tuyến tần số cao (như sóng TV vệ tinh) có thể cung cấp vị trí chính xác nhưng

chỉ có thể bao phủ vùng nhỏ hẹp. Sóng vô tuyến tần số thấp (như sóng đài FM,

frequency modulation, sóng chính xác.

11

1.3 L ch s và nguyên lý đ nh v v tinhị ử ị ị ệ

Những hệ thống tiền than dựa chủ yếu trên các hệ thống như DECCA, LORAN

và định vị sóng OMEGA những hệ thống sử dụng máy phát sóng vô tuyến thay cho

vệ tinh. Những hệ thống định vị này phát gửi quảng bá xung vô tuyến từ một trạm

gốc đã xác định,được truyền lan bằng các xung lặp từ một số các trạm con. Thời

gian trễ giữa khi nhận và khi gửi tín hiệu ở trạm con được kiểm soát cẩn thận, cho

phép máy thu so sánh trễ lúc nhận và trễ lúc gửi. Từ đó,khoảng cách của mỗi trạm

con sẽ được xác định và đưa ra một vị trí. Hệ thống định vị vệ tinh đầu tiên là

Transit, một hệ thống được triển khai bởi quân đội Mỹ ở những thập niên 60. Hoạt

động của Transit dựa trên hiệu ứng Doppler: Các vệ tinh di chuyển theo các đường

đặc biệt và gửi quảng bá tín hiệu của chúng trên các tần số phổ biến. Tần số thu

được sẽ có một chút khác biệt so với tần số quảng bá do sự di chuyển của vệ tinh

đối với máy thu. Bằng cách xác định sự thay đổi tần số trong một khoảng thời gian

ngắn, máy thu có thể ác định được vị trí của nó đối với một hoặc nhiều vệ tinh, sự

kết hợp của một vài phép tính toán như vậy cùng với quỹ đạo của vệ tinh đã được

xác định sẽ cho ta một vị trí cụ thể trên mặt đất. Một phần của bản tin quảng bá vệ

tinh bao gồm dữ liệu chính xác về quỹ đạo. Để đảm bảo độ chính xác, USNO liên

tục theo dõi sự chính xác trong quỹ đạo của vệ tinh. Khi quỹ đạo của một vệ tinh

chệch hướng, USNO sẽ gửi thông tin điều chỉnh cho vệ tinh. Thông tin quảng bá

sau cùng từ một vệ tinh đã chỉnh sửa sẽ bao gồm thông tin chính xác nhất về quỹ

đạo mà nó mới cập nhật. Những hệ thống hiện đai thì trực tiếp hơn. Vệ tinh gửi

quảng bá một tín hiệu bao gồm dữ liệu quỹ đạo (từ đó có thể tính ra vị trí của vệ

tinh) và thời gian chính xác tín hiệu được truyền đi. Thông tin quỹ đạo được truyền

đi cùng bản tin dữ liệu được chèn đè lên một mã đáp ứng như nhiễu thời gian. Các

vệ tinh sử dụng một đồng hồ nguyên tử để duy trì sự đồng bộ của tất cả các vệ tinh

trong hệ thống.Máy thu sẽ so sánh thời gian của bản tin quảng bá được mã hóa

trong máy phát với thời gian thu được xác định bởi đồng hồ đặt trong máy thu, do

đó ta tính được thời gian truyền tới vệ tinh. Các phép đo như vậy có thể thực hiện

đòng thời với các vệ tinh khác nhau,cho phép xác định vị trí trong thời gian thực

phù hợp với phép đo ba cạnh tam giác. Mỗi một phép đo khoảng cách, không quan

12

tâm đến hệ thống đang được sử dụng những nơi mà máy thu nằm trên một mặt cầu

ở khoảng cách đã đo từ vệ tinh. Bằng cách sử dụng một vài phép đo như vậy và tìm

một điểm nơi chúng giao nhau, một vị trí sẽ được xác định. Tuy nhiên,trong trường

hợp máy thu di chuyển nhanh, vị trí của tín hiệu di chuyển khi tín hiệu được nhận từ

vài vệ tinh. Hơn nữa,tín hiệu vô tuyến sẽ chậm đi một chút khi đi qua tầng điện ly,

sự trễ này thay đổi theo góc của vệ tinh đối với máy thu do sự thay đổi khoảng cách

của tầng điện ly. Những sự tính toán cơ bản này cố gắng tìm ra đường tiếp tuyến

trực tiếp ngắn nhất tới bốn mặt cầu có tâm là 4 vệ tinh. Máy thu định vị vệ tinh

giảm lỗi bằng cách sử dụng kết hợp tín hiệu từ nhiều vệ tinh và sử dụng các công

nghệ tiên tiến như lọc Kalman để giảm nhiễu và không làm thay đổi dữ liệu trong

đánh giá vị trí, thời gian, và vận tốc.

Hình 1. 1: Quỹ đạo của 5 vệ tinh tong hệ thống Transit

1.4 H th ng v tinh GPS trong đ nh vệ ố ệ ị ị

1.4.1 S l c h th ng GPSơ ượ ệ ố

Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế hệ thống định vị sử dụng sóng vô tuyến với tên gọi

NAVSTAR GPS được phòng lên từ năm 1978. Hệ thống được điều hành bởi lực

13

lượng không quân Hoa Kỳ cung cấp thông tin định vị với độ chính xác cao. Mục

tiêu ban đầu của hệ thống là cho phép lực lượng bộ binh, cơ giới, máy bay và tàu

chiến xác định vị trí chính xác của họ ở những nơi không xác định trên toàn thế

giới. Tuy nhiên, GPS có thể sử dụng cho rất nhiều ứng dụng, trong những năm 80,

Mỹ đã ứng dụng GPS và mục đích khoa học và thương mại. GPS sử dụng nguyên lý

phép đo ba cạnh tam giác, trong đó nhiều phép đo khoảng cách sẽ được thực hiện

cho phép máy thu tính toán được một vị trí.

Hình 1. 2: Mô hình định vị vệ tinh

Hệ thống định vị toàn cầu GPS sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh trong không gian

để xác định vị chí của vật thể trên trái đất. GPS là một trùm 24 vệ tinh quỹ đạo quay

xung quanh trái đất ở độ cao khoảng 20,000km, trong một ngày sẽ thực hiện 2 vòng

quay quang trái đất. Vị trí hiện tại,thời gian và vận tốc có thể được xác định bởi các

máy thu GPS xử lý tín hiệu được phát từ vệ tinh. Một máy thu GPS sẽ được sử dụng

để xử lý các tín hiệu vô tuyến.

Máy thu sẽ chuyển tín hiệu nhận được từ vệ tinh thành các thông tin như :

Vĩ độ

kinh độ

14

tốc độ

độ cao

1.4.2 Các thành ph n c a h th ng GPSầ ủ ệ ố

Hệ thống GPS hiện tại bao gồm 3 thành phần chính.Những thành phần này là

phần không gian (SS), phần điều khiển (CS), phần người dùng (US).

Hình 1. 3: Các thành phần của GPS

Thành phần không gian gồm có những vệ tinh GPS hay là các phương tiện

không gian (SV) theo như các nói trong GPS. Chúng được cung cấp năng lượng từ

những tấm pin mặt trời, những tấm pin mặt trời này luôn được điều chỉnh hướng về

phía mặt trời và anten của vệ tinh hướng về phía trái đất. Các vệ tinh này quay hết

một vòng trái đất trên mặt phẳng quỹ đạo trong khoảng 12 tiếng (4 vệ tinh nằm

trong một mặt phẳng).Có 6 mặt phẳng quỹ đạo với góc nghiêng tương đối so với

đường xích đạo trái đất là 55 độ. Cấu trúc như vậy là để đảm bảo rằng đối tượng

15

được định vị ở bất kì đâu trên trái đất cũng có tầm nhìn thẳng trực tiếp đến ít nhất 4

vệ tinh ở bất kì thời điểm nào.

Khi quỹ đạo của các vệ tinh thay đổi, quan hệ hinh học giữa chúng cũng thay

đổi để đảm bảo cấu trúc ban đầu của quỹ đạo. Vệ tinh phát ra tín hiệu vô tuyến được

mã hóa cho máy thu GPS giải mã để xác định các thông số quan trọng của hệ thống.

Hình 1. 4: Mô hình hệ thống định vị vệ tinh GPS.

Thành ph n đi u khi nầ ề ể có nhiệm vụ giám sát khả năng hoạt động và tình

trạng của thành phần không gian. Phần điều khiển bao gồm hệ thống các trạm điều

chỉnh đặt khắp nơi trên thế giới, 6 trám giám sát, 4 trạm anten và một trung tâm

điều khiển. Trạm giám sát tính toán tín hiệu mà các vệ tinh gửi vệ trạm chủ. Trạm

giám sat nhận các dữ liệu từ vệ tinh và gửi chúng về trạm chủ, tại đây thông tin quỹ

đạo, đòng hồ của vệ tinh (thông tin thiên văn) sẽ được hiệu chỉnh gửi tới vệ tinh

thông qua trạm anten. Nó cũng tránh cho vệ tinh không bị trôi dạt và quỹ đạo được

giới hạn. Nhưng dữ liệu này sẽ được vệ tinh quảng bá cho phần người sử dụng.

16

Hình 1. 5: Thành phần điều khiển

Thành ph n ng i dùngầ ườ bao gồm các anten và vi xử lý thu để thu và giải mã

các tín hiệu vệ tinh nhằm đưa ra các thông số vị trí, vận tốc và độ chính xác về thời

gian. Từ đó tính toán ra tọa độ và thời gian. GPS có thể cung cấp dịch vụ không giới

han cho người dùng. Phần lớn các máy thu GPS hiện nay đều được thiết kế nhiều

kênh song song, có từ 5 đến 12 mạch thu.

1.4.3 Nguyên t c ho t đ ng c a GPSắ ạ ộ ủ

Trong một ngày, các vệ tinh GPS di chuyển 2 vòng trái đất với quỹ đạo đã được lập

sẵn và lien tục quảng bá tín hiệu vô tuyến (các thông tin đã được mã hóa) tới các

máy thu GPS bao gồm thông tin thiên văn, mã giả ngẫu nhiên…Thông tin này có

giá trị trong vài giờ cung cấp thông tin quỹ đạo của vệ tinh. Với các thông tin trên

máy thu GPS tính toán vị trí của vệ tinh tại mọi thời điểm.

17

Hình 1. 6: Hoạt động máy thu GPS với đồng thời 4 vệ tinh.

Mỗi môt vệ tinh có mã giả ngẫu nhiên riêng biệt, mã này kết hợp với thông tin

được mã hóa. Cả vệ tinh lẫn máy thu đều tạo ra cùng một mã tại cùng thời điểm, và

sử dung nó để tái cấu trúc dữ liệu. Tuy nhiên do sự trễ truyền tín hiệu nên tin hiệu

vệ tinh sẽ chậm sau tín hiệu máy thu khi nó tới trái đất.Thời gian này gọi là thời

gian truyền. Do đó, khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu có thể được tính theo công

thức như sau:

Distance = speed x (Travel time ) ; speed = speed of light (3 x 108 (m/s)).

Máy thu GPS là thành phần thứ 3 của hệ thống GPS. Nó có thể được bổ xung các

phần mềm như máy tính cá nhân mà không cần cấu tại lại phần cứng. Khái niệm

SDR không mới thể hiện khả năng có thê thực hiện nhiều quá trinh của thiết bị điện

tử số.

18

Hình 1. 7: Mô hình hoạt động GPS

1.4.4 Các khái ni m và đ nh lu t s d ng trong công nghe GPSệ ị ậ ử ụ

Phép đo ba c nh tam giácạ là phương pháp xác định vị trí tương đối của vật thể sử

dụng nguyên tắc hình học của tam giác. Vị trí được xác định dựa trên phép đạc tam

giác :

Biết vị trí của mỗi vệ tinh.

Biết sự khác nhau về khoảng cách của các vệ tinh.

Đồng hồ chính xác tại máy thu.

Thêm khả năng sửa lỗi.

Các phép đo khoảng cách cần tối thiểu 3 vệ tinh để đưa ra một vị trí chính xác.

Máy thu GPS thường sử dụng 4 vệ tinh hoặc nhiều hơn để tăng cường độ chính xác

19

và cung cấp thêm thông tin giống như độ cao của vật thể. Giả sử nếu khoảng cách

của vật thể và vệ tinh A là 100 km thì vật thể có thể nằm trên một mặt cầu ảo có

bán kính là 100km và tâm là A.

Hình 1. 8: Định vị với 1 vệ tinh

Thiết bị GPS nằm trong tầm phủ của vệ tinh B với bán kính là 150 km. Hai mặt

cầu ảo tâm là A và B cắt nhau tạo thành một đường tròn.

Hình 1. 9: Định vị với 2 vệ tinh.

Nếu khoảng cách của vệ tinh thứ 3 với thiết bị là 200 Km, điều đó sẽ thu hẹp

phạm vi định vị chỉ còn lại 2 điểm. Mặt cầu thứ 3 sẽ cắt đường trón là giao của 2

mặt cầu A và B.

20

Hình 1. 10: Định vị với 3 vệ tinh.

Hi u ng thay đ i dofflerệ ứ ổ ứng dụng trong GPS để xác định vận tốc của máy thu.

Một cặp vệ tinh và máy thu GPS đều nằm trong trường lực hấp dẫn của trái đất và

tín hiệu GPS truyền đi với tốc độ ánh sáng. Sự chuyển động tương đối của vệ tinh

và máy thu là yếu tố chính gây ra hiệu ứng doppler.Vận tốc quỹ đạo của các vệ tinh

GPS vào khoảng 3.8 km/s, sóng điện từ được truyền đi với vận tốc ánh sáng.Như

vậy sẽ có sự thay đổi tần số tín hiệu khi tới máy thu. Nếu khoảng cách giữa máy thu

và vệ tinh càng tăng thì độ dịch tần càng giảm. Ngược lại, nếu như khoảng cách này

giảm thì độ dịch tần này càng tăng.

1.5 T ng quan v tín hi u GPSổ ệ ệ

1.5.1 T n s GPSầ ố

Tín hiệu GPS được truyền trên băng UHF. Băng UHF có giải từ 500 MHz đến

3 GHz.Tất cả các thành phần của tín hiệu đều được chuyển hóa từ đầu ra của đồng

21

hồ nguyên tử có độ ổn định cao. Đồng hồ tạo ra các xung hình sin với tần số

f0=10.23MHz. Tần số được taọ ra từ đồng hồ được xem như tần số cơ bản. Để

truyền các mã khoảng cách và bản tin định vị từ vệ tinh xuống máy thu, chúng phải

được điều chế trên tần số sóng mang, f0.Tín hiệu GPS có 2 băng, tần số của băng

L1 là 1575.42 MHz và băng L2 là 1227.60 MHz.Mã C/A, mã P(Y) và thông tin

định vị được truyền trên băng L1. Băng L2 chỉ truyền dữ liệu định vị và mã P(Y).

1.5.2 C u t o c a tín hi u GPSấ ạ ủ ệ

Hình 1. 11:Đặc tính của tín hiệu vệ tinh GPS

Mã C/A là một chuỗi các bit 0 và 1, mỗi một vệ tinh có một mã C/A duy nhất.

Được tạo ra dựa trên các mã Gold. Mã P(Y) cũng được tạo ra từ Gold code, các

chuỗi 0 1 được mã hóa và có tần số là 10.23MHz. Dữ liệu đinh vị cũng ở dưới dạng

số với tốc độ bit là 50bit/s. Dữ liệu định vị đặt trong giao diện điều khiển của

GPS(ICD). Mã C/A cũng như dữ liệu định vị đều được điều chế bằng phương pháp

BPSK và DSSS. DSSS là một dạng của CDMA vì tất cả các vệ tinh sử dụng cùng

tần số sóng mang nhưng khác mã.

1.5.3 C u trúc c a d li u đ nh v GPSấ ủ ữ ệ ị ị

Với tốc độ bit là 50bps và chu kỳ 30s, thông tin định vị bao gồm 1500 bit. Bản

tin định vị có 25 khung dữ liệu. Mỗi khung này lại được chia thành 5 khung nhỏ

gồm 300 bit với chu kỳ 6s.Như vậy, sẽ mất khoảng 30s để nhận một khung dư liệu

và 12.5 phut để nhận toàn bộ tín hiệu.

22

Hình 1. 12:Dữ liệu định vị

1.5.4 Quá trình t o tín hi u GPSạ ệ

Việc tạo ra tín hiệu GPS được đưa ra ở hình dưới. Mã C/A và mã P(Y) được kết

hợp với thông tin định vị thông qua bộ cộng 2. Nguyên lý hoạt động XOR được

trình bày ở bảng dưới.

Hình 1. 13: Tạo tín hiệu vệ tinh GPS

23

Mã C/A điều chế cùng dữ liệu được đáp ứng cho hai bộ điều chế cho tần số

băng L1. Ở đây, các tín hiệu được điều chế trên tin hiệu sóng mang theo phương

pháp BPSK.Hai mã được điều pha và vuông góc với nhau tức là mỗi mã lệch pha

nhau 90 độ. Hai tín hiệu L1 này được cộng thêm vào để đưa ra tín hiệu hoàn chỉnh.

Dịch vụ định vị tiêu chuẩn chỉ dựa trên tín hiệu mã C/A.

Tín hiệu truyền từ vệ tinh k có thể viết bằng công thức sau:

sk (t )=√2 Pc [Ck(t) + Dk(t)] cos(2 fπ L1t) + √2Ppl 1 [Pk(t) + Dk(t)] sin(2 fπ L1t)+

√2Ppl 2 [Pk(t) + Dk(t)] sin(2 fπ L2t).

Trong đó :

Pc, Ppl1, và Ppl2 là năng lượng của tín hiệu với mã C/A và mã P.

Ck là chuỗi mã C/A đặt cho vệ tinh thứ k.

Pk là chuỗi mã P(Y) đặt cho vệ tinh thứ k.

Dk là chuỗi dữ liệu định vị.

fL1 và fL2 là tần số sóng mang của băng 1 và băng 2.

1.6 Các mô ph ng trong h th ng GPSỏ ệ ố

1.6.1 Ph n m m MATLAB/SIMULINKầ ề

MATLAB là một ngôn ngữ lập trình hiệu năng cao cho công nghệ tính toán. Nó

kết hợp việc tính toán, mô phỏng và lập trình trong môi trường dễ dàng sử dụng mà

ở đó các vấn đề và giải pháp được nói rõ trong các chú thích toán học tương

tự.Matlab thường ứng dụng trong:

• Toán và tính toán.

• Mô hình, mô phỏng, và thiết kế nguyên mẫu.

• Phân tích dữ liệu, khảo sát.

• Đưa ra các độ thị khoa học và kỹ thuật.

24

• Phát triển các ứng dụng.

MATLAB là một hệ thống tương tác, các phần tử dữ liệu là một mảng không

yêu cầu kích thước.Điều này cho phép ta giải quyết nhiều vấn đề tính toán, đặc biệt

là với ma trận và hệ thống các vecto, tốn it thời gian để viết một chương trình bằng

các ngôn ngữ không tương tác như C hay Fortran.Tên MATLAB là viết tắt cho

MATrix LABoratory.Ban đầu, matlab được đưa ra để đơn giản hóa việc sử lý các

ma trận theo dự án của LINPACK và EISPACK.

MATLAB được phát triển trong nhiều năm để đáp ứng nhu cầu của người

dùng.Trong các trường đại học, đó là các công cụ tiêu chuẩn để giới thiệu và các

cách giải quyết tiên tiến trong toán học, khoa học và kỹ thuật. Trong công nghiệp,

MATLAB có những công cụ nghiên cứu hiệu suất cao, phát triển và phân tích.

Trong MATLAB, các giải pháp ứng dụng cụ thể được gọi là toolbox.Toolbox

rất quan trọng với phần lớn người dùng, nó cho phép bạn học và ứng dụng các công

nghệ cụ thể.Toolbox là một tập hợp toàn diện các hàm trong matlab(M-files) dùng

mở rộng môi trường trong matlab để giải quyết hệ thống các vấn đề cụ thể. Toolbox

bao gồm các lĩnh vực như xử lý tín hiệu, hệ thống điều khiển, mạng, fuzzy logic,

sóng, mô phỏng và nhiều phần khác.

Hệ thống MATLAB bao gồm 5 phần chính :

Ngôn ngữ matlab.Đây là ngôn ngữ ma trận mảng bậc cao với luồng điều khiển,

các hàm, cấu trúc dữ liệu, đầu vào đầu ra, các đặc điểm lập trình hướng đối tượng.

Môi trường làm việc MATLAB.Đây là một bộ các công cụ và các tiện ích mà

người dùng tương tác với MATLAB.Nó bao gồm các tiện ích để thiết kế các biến

trong workspace và các dữ liệu nhập xuất.Ngoài ra còn có các công cụ để phát triển,

quản lý, kiểm tra lỗi, và sơ lược về M-files, các ứng dụng MATLAB.

Xử lý độ thị. Đây là hệ thống đồ thị của matlab.Nó bao gồm các lệnh bậc cao

cho mô phỏng dữ liệu 2 chiều và 3 chiều, xử lý ảnh, các đồ thị minh họa và trình

bày.Trong đó cũng có các lệnh bậc thấp cho phép chỉnh sửa độ thị theo ý muốn.

25

Thư viện hàm toán học MATLAB. Đây là một tập hợp khổng lồ các thuật toán

từ những hàm đơn giản như cộng tổng, sin, cos, cho tới các hàm phức tạp hơn như

nghịch đảo ma trận, lấy trị riêng ma trận, hàm Bessel, và biến đổi Fourier.

Giao diện ứng dụng lập trình MATLAB. Đây là một thư viện cho phép bạn viết

chương trình bằng C và Fortran để tương tác với MATLAB. Nó bao gồm các tiện

ích để gọi thủ tục từ MATLAB.

SIMULINK một chương trình đi kèm với MATLAB, một hệ thống tương tác

để mô phỏng các hệ thống tuyến tính và phi tuyến tinh. Đây là chương trình đồ họa

sử dụng chuột cho phép người sử dụng mô hình hệ thống bằng cách vẽ các khối trên

màn hình và kéo thả động. Nó làm việc các hệ thống tuyến tính, phi tuyến, lien tục

theo thời gian, gián đoạn theo thời gian, đa biến.

Để mô hình hóa, Simulink cung cấp một giao diện đồ họa người dùng (GUI) để xây

dựng các mô hình như khối biểu đồ, sử dụng các thao tác kéo thả. Với giao diện

này, bạn có thể vẽ các mô hình giống như bạn sử dụng but chì và giấy.Đây là một

tiến bộ rất lớn so với các phần mềm mô phỏng trước, nó yêu cầu bạn đưa vào các

công thức và các công thức khác nhau theo ngôn ngữ hoặc chương trình.Simulink

bao gồm một thư viện hoàn chỉnh, các tài nguyên, linh kiện tuyến tinh, phi tuyến

tính, và các thiết bị nối. Phần mềm sẽ giúp người dùng có thể chỉnh sửa và tạo ra

các khối mới. Vệ thông tin các khối mà bạn tạo, xem hướng dẫn.

Các mô hình có tính kế thừa, vì thế bạn có thể xây dựng các mô hình sử dụng các

tiếp cận từ dưới lên hoặc từ trên xuống. Có thể xem xét hệ thống ở mức cao, các

tiếp cận này cung cấp sự hiểu biết làm thế này mà các khối được tổ chức và tương

tác với nhau.

Sau khi tìm được ra các mô hình, bạn có thể mô phỏng chúng, lựa chọn phương

pháp kết hợp, cả sử dụng bảng lựa chon trong simulink và nhập lệnh vào

MATLAB.Các lựa chọn thuận tiện cho công việc tương tác, trong khi ứng dụng

dòng lệnh rất hữu ích trong việc chạy mô phỏng khối. Sử dụng các khối máy đo và

hiển thị, bạn có thể quan sát được kết quả mô phỏng trong khi mô phỏng đang

chạy.Hơn nữa, bạn có thể thay đổi các thông số và nhìn xem điều gì sẽ xảy ra. Kết

quả mô phỏng có thể được đưa và MATLAB.

26

Công cụ phân tích mô hình bao gồm công cụ tuyến tính hóa và sắp xếp, có thể

được truy cập từ các dòng lệnh MATLAB, cộng thêm rất nhiều các công cụ trong

MATLAB và các ứng dụng trong toolbox. Do Matlab và simulink được tích hợp,

bạn có thể mô phỏng, phân tích, và sửa lại mô hình trong cả hai môi trường.

1.6.2 Mô hình h th ng phát tín hi u GPS trên v tinhệ ố ệ ệ

Dưới đây là mô hình tạo tín hiệu trên vệ tinh GPS. Các khối được mô phỏng sử

dụng SIMULINK bao gồm :

-Khối tạo tần số 1227.6 MHz và 1575.42 MHz.

-Khối điều chế BPSK.

-Bộ suy hao 3dB và 6dB.

-Khối lệch pha 90 độ.

-Khối tạo Mã C/A.

-Khối tạo mã P(Y).

-Khối tạo dữ liệu định vị.

-Khối chuyển mạch.

-Bộ giới hạn và bộ cộng tín hiệu.

-Bộ chia tần số 10 và 20.

Tất cả các thuộc tính của GPS đều có thể mô phỏng trong Simulink. Trong phần

này, tín hiệu trên băng L1 được xét tới. Do mã C/A không được điều chế trên sóng

mang L2, nên tín hiệu băng L2 không cần thực hiển trên mô hình máy phát này.

Cấu trúc của mã P(Y) phức tạp hơn và được bảo mất hơn đối với ứng dụng dân sự

hơn nữa mã P(Y) không liên quan đến các thuật toán tìm kiếm và theo dõi vì vậy

trong mô phỏng này, mã P(Y) được đơn giản hóa. Mã số, được sử dụng cho các

dịch vụ định vị chính xác, được mã hóa để ngăn ngừa sự giả mạo.Điều này có thể

cho độ chính xác của một vài mét. Mỗi vệ tinh C / A code là khác nhau (sinh thông

qua một máy phát điện Pseudo Random Number) để các vệ tinh có thể được xác

định duy nhất và các thông tin của nó phân biệt với phần còn lại.

27

Hình 1. 14:Tạo tín hiệu GPS tại vệ tinh

Hình 1. 15: Tạo tín hiệu băng L1.

28

Tín hi u v tinh th c t g m có 4 y u t :ệ ệ ự ế ồ ế ố

- Mã C/A.

- Mã P(Y).

- D li u đ nh v .ữ ệ ị ị

- Nhi u.ễ

B t o mã C/Aộ ạ

B t o mã C/A có th mô ph ng d a trên mô hình bên d i: ộ ạ ể ỏ ự ướ Sơ đồ nguyên lý

bộ tạo mã C/A dựa trên nguyên lý của mã Gold gồm có 2 thanh ghi dịch G1 và G2.

Những thanh ghi dich này có kích thước 10 bit tạo ra một chuỗi dài 1023.

Hình 1. 16:Sơ đồ nguyên lý của bộ tạo mã C/A

Hai kết quả của 2 thanh ghi dịch sẽ được kết hợp với nhau thông qua bộ cộng 2

để tạo ra mã C/A có độ dài 1023.Bộ tạo mã chỉ làm việc nếu đa thức có thể tạo ra

mã có độ dài tối đa.Sau mỗi một chu kỳ 1023, các thanh ghi đặt lại từ đầu, bắt đầu

tạo mã lại từ đầu. Thanh ghi G1 luôn có cấu hình hồi tiếp với đa thức 𝑓(x)=1+ x3+

x10, nghĩa là trang thái 3 và 10 được hồi tiếp lại đầu vào.Tương tự như vậy, thanh

ghi G2 có đa thức 𝑓(x)=1+ x2+ x3+ x6+ x8+ x9+ x10.

Để tạo ra sự khác biệt giữa các mã C/A cho từng vệ tinh, đầu ra của hai thanh

ghi dịch được kết hợp bằng các cách rất đặc biệt. Thanh ghi G1 luôn cung cấp đầu

29

ra của nó cho bộ cộng nhưng thanh G2 đưa 2 trạng thái của nó tới bộ cộng để tạo

đầu ra.Cách chọn các trạng thái cho bộ cộng 2 gọi là sự chọn pha.

T o d li u đ nh vạ ữ ệ ị ị

Trong đồ án này, dữ liệu định vị trong thực tế không được sử dụng trong mô

phỏng, tín hiệu dữ liệu định vị mặc định được mô phỏng như là các tín hiêu số xen

kẽ các giá trị 1 và -1.Dữ liệu định vị được truyền trên tần số sóng mang L1 với tốc

độ bit là 50bps và được kết hợp cùng với mã C/A và mã P(Y).

Dữ liệu định vị cũng được tính toán trước và được lưu lại vào một file dùng cho

khởi tạo. File tính toán trước có thể được sử dụng để đưa vào bảng tra cứu.Dữ liệu

được thiết kế là giả ngẫu nhiên cho đặc tính của hệ thống.

S t o mã P(Y)ự ạ

Tương tự như dữ liệu định vị, Mã P(Y) cũng được mô phỏng như là các tín hiệu

số xen kẽ các giá trị 1 và -1 với tần số là 10.23 Mhz.

Sự tạo mã P(Y) có cùng nguyên tắc như mã C/A nhưng tạo mã P(Y) người ta

dùng 4 thanh ghi dịch 12 bit. Tuy nhiên trong cấu trúc hệ thống, nên lưu ý rằng mã

P(Y) có thể được thực thi như xung vuông.

Đi u chề ế

Băng L1 của GPS được truyền tại tần số 1575 MHz và bằng một thiết bị đầu

cuối cao tần, Tần số thường được chuyển đổi từ cao tần xuống tần số thấp hơn để

xử lý. Điều này là để đưa tần số xuống dải tần phù hợp cho việc chuyển đổi tín hiệu

từ dạng tương tự sang dạng số(ADC). Tần số thấp hơn gọi là trung tần(IF).Ở mức

độ mạch xử lý, các linh kiện chủ động như transistor trở nên thiếu ổn định khi độ

tăng ích lớn. Để giảm tối thiểu nhược điểm xử lý tín hiệu ở tần số cao, việc chuyển

đổi tần số trở nên cần thiết. Lý do chính để xử dụng trung tần là để cải thiện sự lựa

chọn tần số.Việc lọc tần số cần thiết và nhiễu luôn là một nhiệm vụ hết sức khó

khăn. Bộ lọc có sự lựa chọn tốt hơn tại tần số thấp hơn khi băng thông trở nên hẹp

hơn. Tại tần số thấp thì việc lấy tần số cần thiết là dễ dàng hơn.Ta có thể sử dụng

máy tạo dao động để đưa tần số xuống.

S k t h p tín hi u trong máy phát GPSự ế ợ ệ

Các thành phần tín hiệu GPS được kết hợp :

30

- Mã C/A được kết hợp với dữ liệu định vị (Part 1).

- Mã P(Y) được kết hợp với dữ liệu định vị (part 2).

- Phần 1 được điều chế lên sóng mang sử dụng phương pháp BPSK.

- Phần 2 được điều chế sóng mang quay pha 90 độ cũng sử dụng phương pháp

BPSK.

- Phần 1

- Mã C/A được nhân với dữ liệu định vị. Ở phần trước trên cả hai tín hiệu,

chúng được tạo ra trong chuỗi dữ liệu nhị phân bao gồm các giá trị 1 và -1.

Sau quá trình nhân, tín hiệu được điều chế lên sóng mang được tạo ra bởi

sóng cos trong bộ tạo dao động điều khiển điện áp(VCO).

-

Hình 1. 17:Sự kết hợp các thành phần máy phát.

Phần 2

Tương tự như trên, dữ liệu định vị cũng được nhân với mã P(Y). Tín hiệu đã

được nhân sẽ được điều chế lên sóng mang hình sin trong máy tạo dao động điều

khiển điện áp thứ 2(VCO).

31

1.6.3 Các thành ph n máy thu tín hiêu GPSầ

Các khối cơ bản của máy thu GPS bao gồm:

- Khối cao tần.

- Khối biến đổi trung tần.

- Khối giải điều chế

Sẽ được đưa ra trong mô hình dưới đây.

Hình 1. 18:Sơ đồ khối của máy thu GPS

Các tác v c a máy thu GPS đ c đ a ra trong mô hình d i đây:ụ ủ ượ ư ướ

Hình 1. 19: Sơ đồ các khối chức năng máy thu

Về cơ bản, Máy thu phải có khả năng thu được các tín hiệu từ máy phát.Việc

xác định được vệ tinh có thể nhìn thấy được thực hiện ở phần thu nhận. Phần điều

chỉnh được chia thành hai phần bao gồm phần điều chỉnh mã và phần điều chỉnh

sóng mang.Hai thành phần hiệu chỉnh này có khả năng giải điều chế của tín hiệu

phát.

32

Quá trình đánh giá ban đầu về pha code và tần số dopplẻ được gọi là sự thu

nhận tín hiệu. Cơ bản, mã C/A và sóng mang được tạo ra cho vệ tinh. Máy thu tạo

ra tín hiệu tương ứng với các tín hiệu thu và các giá trị tương ứng được được đánh

giá để đưa ra quyết định vệ tinh nào có thể nhìn thấy. Có ba loại thu nhận dữ liệu:

i) Tìm kiếm nối tiếp.

ii) Tìm kiếm tần số song song trong không gian.

iii) Tìm kiếm code pha song song.

Một trong ba phương pháp trên sẽ được lựa chọn để thiết kế thu nhận.

Sự lựa chọn cách cách tìm kiếm thu nhận dữ liệu phụ thuộc vào các tiêu chuẩn

sau:

- Ảnh hưởng của quá trình chuyển hóa bit dữ liệu.

- Khả năng thu nhận thành công.

- Nhu cầu tính toán.

Ba yếu tố trên sẽ xác nhận tốc độ và độ chính xác của việc thu nhận. Với yêu

cầu trong việc xử lý nhanh , tìm kiếm code pha song song sẽ được lựa chọn.

Mục tiêu của tìm kiếm pha code song song là đưa ra mối quan hệ tương quan

giữa tín hiệu đầu vào và mã giả khoảng cách. Thay vì nhân dữ liệu đầu vào với một

mã giả khoảng cách như đã thực hiện ở phương pháp tìm kiếm nối tiếp, sẽ thuận

tiện hơn nếu đưa ra mối tương quan tuần hoàn giữa đầu và mã giả khoảng cách mà

không thay đổi code pha.Tìm kiếm code pha song song sử dụng ưu điểm nhanh hơn

của xử lý song song để tìm kiếm. Khi miền tần số tương quan tuần hoàn được tìm

thấy, miền thời gian cũng có thể được tìm ra nhờ biến đổi IFT. Tín hiệu đầu vào

được nhân với các tín hiêu sóng mang được tạo ra tại máy thu. Khi nhân với sóng

mang sẽ được tín hiêu I và khi nhân với sóng mang lệch pha 90 độ sẽ thu được tín

hiêu Q. Tín hiệu I và Q được kết hợp với nhau để tạo ra một tín hiệu đầu vào phức

tạp hơn.

X(n)= I(n) + j Q(n).

33

Mã giả khoảng cách được tạo ra được chuyển đổi vào miền tần số và kết quả là

số phức liên hợp.

1.7 Các k t qu mô ph ng c a h th ng phát GPSế ả ỏ ủ ệ ố

1.7.1 K t qu t o mã C/A cho máy phátế ả ạ

Khi các giá trị tiền khởi tạo được thực hiện ở quá trình tạo mã C/A và dữ liệu

định vị, hai khối này có thể đưa vào trong mô hình máy thu. Mã C/A cần xung đồng

hồ 1.023MHz để khởi động quá trình. Một chu kỳ C/A là một chu trình đếm 1023

trước khi bộ đếm được cài đặt lại từ đầu

Hình 1. 20: Khối tạo mã C/A sử dụng scope để theo dõi kết quả

34

Hình 1. 21: Bộ đếm mã C/A

Hình 1. 22: Bộ đếm mã C/A trong khoảng thời gian 1m/s

35

Hình 1. 23:Bộ đếm mã C/A khi phóng to.

Hình 1. 24:Bộ đếm reset khi tới 1022.

36

1.7.2 K t qu mô ph ng d li u đ nh v cho máy phátế ả ỏ ữ ệ ị ị

Bộ đếm định vị phụ thuộc vào bộ đếm mã C/A để giới hạn thời gian cho dữ liệu

định vị.Bộ đếm đầu tiên cho chu kỳ định vị dựa trên 20 trước khi reset tức là sau

20ms với đáp ứng là 50Hz. Bộ đếm thứ 2 làm việc như bộ đếm của mã C/A. Điều

đó có nghĩa giá trị đầu ra sẽ tăng sau mỗi lần giá trị đầu vào đi từ đỉnh xuống đáy,

đòng hồ sẽ về trạng thái ban đầu sau mỗi một chu kỳ. Trong trường hợp này, chu kỳ

được đặt theo độ lớn của một khung dữ liệu định vị là 1500 bit.

Hình 1. 25: Sử dụng máy đo để lấy kết quả dữ liệu

37

Hình 1. 26:Bộ đếm định vị.

Hình 1. 27:Bộ đếm chu kỳ định vị reset sau 20 bước.

38

Hình 1. 28:Bộ đếm định vị phóng to.

1.7.3 K t qu mô ph ng mã P(Y) cho máy phátế ả ỏ

Mã P(Y) trong máy thu không lien quan đến thuật thu nhận và theo dõi vì vậy

kết quả mô phỏng là các xung vuông xen kẽ các giá trị 1 và -1.

Hình 1. 29:Mã P(Y) ở 10.23 MHz.

39

1.7.4 K t qu mô ph ng sóng mang cho máy phátế ả ỏ

Tạo sóng mang sử dụng bộ tạo dao động điều khiển điện áp rời rạc theo thời

gian với đầu vào là xung dốc. Đầu vào này cần được rời rạc nên ở trước bộ tạo dao

động sẽ đặt một bộ giữ mức 0. Tấn số thụ động của VCO sử dụng là trung tần

9.548MHz. Trong phần tạo mã C/A, VCO sẽ lệch pha 90 độ so với VCO cho mã

P(Y). Độ lệch pha 90 độ của VCO tạo ra sóng cos.

Hình 1. 30:Sơ đồ khối tạo sóng mang.

40

Hình 1. 31:Sóng mang tại tần số 9.548MHz.

1.7.5 K t qu k t h p các thành ph n c a tín hi uế ả ế ợ ầ ủ ệ

Tất cả các thành phần sẽ kết hợp với nhau để đưa ra mô hình máy thu.

- C/A code

- Navigation data

- P(Y) code

- Carrier

41

Hình 1. 32: Mô hình máy thu sau khi kết hợp các khối.

42

Hình 1. 33:Sóng mang tại tần số 9.548Mhz.

Hình 1. 34:Tín hiệu máy thu của 5 bit dữ liệu định vị đầu

43

1.8 Mô ph ng máy thu GPS.ỏ

1.8.1 Các kh i mô ph ngố ỏ

Trong phần thu nhận của máy thu, ta cần tạo ra hai điều kiện cho mối tương quan

với tín hiệu tới. Điều kiện đầu tiên là tạo ra mã PRN tại máy thu. Bộ tạo mã PRN

này được sao chép trực tiếp từ mô hình máy phát.

Hình 1. 35:Bộ tạo mã PRN.

44

Hình 1. 36:Bên trong của bộ tạo mã PRN.

Điều kiện thứ hai là để tạo ra bộ tạo dao động sóng mang tại máy thu là bản sao y

hệt ở máy phát.

Phương trình tạo sóng mang :

SI(t) = a(t) cos(φ(t)).

Sq(t) = a(t) sin( (t)).φ

Trong đó φ = 2 fπ c và a là biên đ .ộ

Các tín hi u I và Q đ c t ng h p v i nhau đ t o thành đ u vào ph c t p choệ ượ ổ ợ ớ ể ạ ầ ứ ạ

Hàm DFT : X(n)= I(n) + j Q(n).

45

Hình 1. 37:FFT tại tín hiệu I và Q.

Hàm FFT đ c xây d ng trong Matlab.ượ ự

Ở bộ tạo mã PRN, mã C/A không có mã pha là biến đổi fourier và kết quả là liên

hợp phức. Sau liên hợp phức, kết quả được nhân với rời rạc của tín hiệu I và Q. Sau

đó, đầu ra của phép nhân này được sử dụng là đầu vào cho hàm fourier ngược

(IFFT).

46

Hình 1. 38:Mô hình tìm kiếm mã pha song song.

Hình 1. 39:Mô hình theo dõi sóng mang.

47

1.8.2 K t qu mô ph ng máy thu.ế ả ỏ

Hình 1. 40:Đỉnh của PRN 01 khi code pha là 0.

Hình 1. 41:Kết quả khi sóng mang đã bị tách.

48

Hình 1. 42:Tín hiệu sau khi sóng mang đã bị tách.

49

Ch ng 2:H th ng W-CDMA.ươ ệ ố

2.1 Gi i thi u chung v W-CDMA.ớ ệ ề

Nh ng b c phát tri n v m t tiêu chu n truy n thông không dây th hữ ướ ể ề ộ ẩ ề ế ệ

th 3(3G) b t đ y Nh t B n vào năm 1997.Do kh năng c a các m ng lúc đóứ ắ ầ ở ậ ả ả ủ ạ

đã g n c n ki t, nhu c u v m t h th ng m i ngày càng c p thi t. NTTầ ạ ệ ầ ề ộ ệ ố ớ ấ ế

DoCoMo đã phát tri n m t h th ng h th ng W-CDMA c b n cho nh ngể ộ ệ ố ệ ố ơ ả ữ

cu c ki m tra linh v c m ng. Chính h th ng c b n này là c s đ cho ra đ iộ ể ự ạ ệ ố ơ ả ơ ở ể ờ

tiêu chu n ARIB c a Nh t b n vào năm 1998. NTT và tiêu ARIB d a trên c uẩ ủ ậ ả ự ấ

trúc truy n song công phân chia theo t n s (FDD) và 4.096Mcps. Châu Âu ,ề ầ ố Ở

ETSI cũng đ ng th i phát tri n tiêu chu n t c đ chip 4.096Mcps . Mỹ, cáchồ ờ ể ẩ ố ộ Ở

ti p c n khác đ c s d ng. D a trên tiêu chu n IS-95 đã đ c đ ua ra, hế ậ ượ ử ụ ự ẩ ượ ư ệ

th ng CDMA 2000 đ c phát tri n. CDMA 2000 có nh ng ch đ ho t đ ngố ượ ể ữ ế ộ ạ ộ

khác nhau, có th s d ng đa sóng mang cùng m t lúc. ể ử ụ ộ

Mạng 3G (Third-generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ

điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ

liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh...). 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển

mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio

hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay. Điểm mạnh của công nghệ này so với

công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh

chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ

khác nhau. Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng

các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng

và truyền hình số; Các dịch vụ định vị toàn cầu (GPS); E-mail;video streaming;

High-ends games;...

Quốc gia đầu tiên đưa mạng 3G vào sử dụng rộng rãi là Nhật Bản. Vào năm

2001, NTT Docomo là công ty đầu tiên ra mắt phiên bản thương mại của mạng W-

50

CDMA. Năm 2003 dịch vụ 3G bắt đầu có mặt tại châu Âu. Tại châu Phi, mạng 3G

được giới thiệu đầu tiên ở Maroc vào cuối tháng 3 năm 2007 bởi Công ty Wana.

Để hiểu thế nào là công nghệ 3G, hãy xét qua đôi nét về lịch sử phát triển của

các hệ thống điện thoại di động. Mặc dù các hệ thống thông tin di động thử nghiệm

đầu tiên được sử dụng vào những năm 1930 - 1940 trong trong các sở cảnh sát Hoa

Kỳ nhưng các hệ thống điện thoại di động thương mại thực sự chỉ ra đời vào

khoảng cuối những năm 1970 đầu những năm 1980. Các hệ thống điện thoại thế hệ

đầu sử dụng công nghệ tương tự và người ta gọi các hệ thống điện thoại kể trên là

các hệ thống 1G.

Khi số lượng các thuê bao trong mạng tăng lên, người ta thấy cần phải có biện

pháp nâng cao dung lượng của mạng, chất lượng các cuộc đàm thoại cũng như cung

cấp thêm một số dịch vụ bổ sung cho mạng. Để giải quyết vấn đề này người ta đã

nghĩ đến việc số hoá các hệ thống điện thoại di động, và điều này dẫn tới sự ra đời

của các hệ thống điện thoại di động thế hệ 2.

Ở châu Âu, vào năm 1982 tổ chức các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông châu

Âu (CEPT – Conférence Européene de Postes et Telécommunications) đã thống

nhất thành lập một nhóm nghiên cứu đặc biệt gọi là Groupe Spéciale Mobile (GSM)

có nhiệm vụ xây dựng bộ các chỉ tiêu kỹ thuật cho mạng điện thoại di động toàn

châu Âu hoạt động ở dải tần 900 MHz. Nhóm nghiên cứu đã xem xét nhiều giải

pháp khác nhau và cuối cùng đi đến thống nhất sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân

chia theo mã băng hẹp (Narrow Band TDMA). Năm 1988 phiên bản dự thảo đầu

tiên của GSM đã được hoàn thành và hệ thống GSM đầu tiên được triển khai vào

khoảng năm 1991. Kể từ khi ra đời, các hệ thống thông tin di động GSM đã phát

triển với một tốc độ hết sức nhanh chóng, có mặt ở 140 quốc gia và có số thuê bao

lên tới gần 1 tỷ. Lúc này thuật ngữ GSM có một ý nghĩa mới đó là Hệ thống thông

tin di động toàn cầu (Global System Mobile).

Cũng trong thời gian kể trên, ở Mỹ các hệ thống điện thoại tương tự thế hệ thứ

nhất AMPS được phát triển thành các hệ thống điện thoại di động số thế hệ 2 tuân

51

thủ tiêu chuẩn của hiệp hội viễn thông Mỹ IS-136. Khi công nghệ CDMA (Code

Division Multiple Access – IS-95) ra đời, các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di

động ở Mỹ cung cấp dịch vụ mode song song, cho phép thuê bao có thể truy cập

vào cả hai mạng IS-136 và IS-95.

2.2 Các ph ng pháp đ nh v trong W-CDMA.ươ ị ị

Nếu phương pháp định vị GPS đang là phương pháp định vị có những ưu điểm vượt

trội, được triển khai trong các mạng di động thế hệ 2G thì nay trong thế hệ 3G có

thêm nhiều tùy chọn hỗ trợ cho các dịch vụ định vị với những ưu điểm như giảm độ

trễ, đơn giản hóa hệ thống, giảm giá thành và tăng độ chính xác… Các phương pháp

định vị trong thế hệ 3G:

- Các phương pháp dựa trên tế bào (cell). Theo một cách đơn giản nhất, vị trí của

mục tiêu tương ứng với tọa độ của một trạm gốc gần đó. Nếu được yêu cầu, dữ liệu

định vị được tinh chỉnh bằng cách thực hiện tính toán khoảng cách giữa đầu cuối và

trạm gốc, có thể được lấy từ tham số độ lệch thời gian khứ hồi góc tín hiệu đến từ

đầu cuối tại trạm gốc, hoặc cả hai.

- Chênh lệch thời gian quan sát được của tín hiệu đến với chu kỳ rỗi đường xuống

(OTDoA-IPD). Về cơ bản, phương pháp này dựa trên UTRAN, và là phương pháp

đo khoảng cách dựa trên đầu cuối.

- Hỗ trợ từ GPS. Các đầu cuối phải được trang bị một bộ thu GPS và được cung cấp

các dữ liệu hỗ trợ từ mạng, cho phép giảm thời gian bắt và tăng độ chính xác của vị

trí được xác định.

CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN TẾ BÀO

Tương tự như phương pháp nhận dạng tế bào (Cell-ID) trong GSM, phương pháp

này đưa ra vị trí của một đầu cuối từ tọa độ của trạm gốc đang phục vụ. Vị trí được

ánh xạ số định danh cell sang các tọa độ của trạm gốc đang phục vụ. Tuy nhiên, nếu

52

chỉ dựa vào cell ID thì sai số trong định vị là rất lớn (200-300m) chình vì vậy người

ta không chỉ dựa vào một tram BTS mà kết hợp nhiều trạm một lúc.

Hình 1 minh họa tổng quan các lựa chọn khác nhau cho phương pháp định vị dựa

trên cell.

Hình 2. 1:Các phương pháp định vị dựa trên cell.

Như Hình 1, đầu cuối có thể có nhiều nhánh tín hiệu tới một vài sector của một trạm

gốc hoặc tới một vài trạm gốc đồng thời. Kết quả là, cần lựa chọn một trạm gốc

tham chiếu phù hợp nhất với vị trí hiện tại của đầu cuối. Các tiêu chuẩn lựa chọn:

- Các tham số mô tả chất lượng tín hiệu nhận được tại trạm gốc, ví dụ như, cường

độ tín hiệu, tốc độ lỗi, …

- Trạm gốc đã được sử dụng trong quá trình thiết lập kết nối với đầu cuối, trạm gốc

mà đầu cuối được kết hợp tại thời điểm gần nhất, trạm gốc với khoảng cách ngắn

nhất tới đầu cuối, và trạm gốc mà đầu cuối có một kết nối tại thời điểm yêu cầu định

vị tới RNC phục vụ (SRNC).

53

CHÊNH LỆC THỜI GIAN QUAN SÁT ĐƯỢC CỦA TÍN HIỆU ĐẾN VỚI CHU

KỲ RỖI CỦA TÍN HIỆU ĐẾN VỚI CHU KỲ RỖI ĐƯỜNG XUỐNG (OTDOA-

IPDL)

OTDoA-IPDL là một trong số các phương pháp định vị dựa trên kỹ thuật sử dụng

sự chênh lệch thời gian đường xuống. Đối với kỹ thuật này, các đầu cuối quan sát

chênh lệch thời gian của tín hiệu từ một vài trạm gốc. Các tín hiệu này thường là

các tín hiệu kênh điều khiển và vì vậy, các đầu cuối có thể thực hiện các đo đạc ở

chế độ rỗi cũng như ở các chế độ dành riêng. Các chênh lệch đồng hồ của các trạm

gốc có thể được giải quyết thông qua một bộ thu tham chiếu được đặt tại vị trí xác

định, liên tục đo các chênh lệch thời gian quan sát được. Điều này thực hiện đơn

giản và kinh tế hơn so với việc đồng bộ truyền dẫn các trạm gốc.

Hình 2. 2: Phương pháp đo OTDoA- IPDL.

Độ chính xác của các kỹ thuật dựa trên chênh lệch thời gian phụ thuộc vào một số

nhân tố. Độ chính xác của đo chênh lệch thời gian riêng biệt phụ thuộc băng thông

tín hiệu và kênh đa đường.

A-GPS

Với khả năng định vị chính xác cao và phủ sóng toàn cầu, GPS là lựa chọn tốt nhất

so với các phương pháp định vị di động. Tuy nhiên, GPS cũng có một số hạn chế

như tiêu tốn nhiều năng lượng của bộ thu GPS, thời gian thực hiện định vị hay thời

54

gian tới vị trí đầu tiên cần định vị lớn, và khả năng phục vụ trong nhà kém. Hơn

nữa, GPS là một hệ thống định vị độc lập và không cung cấp bất kỳ tính năng

truyền thông nào, vì vậy việc sử dụng nó ngày nay hầu hết bị giới hạn tới các ứng

dụng được cài đặt cục bộ tại bộ thu GPS. Để giải quyết các vấn đề này, cần tích hợp

GPS vào mạng di động. Vì vậy, định vị GPS hỗ trợ các trạm tham chiếu, bổ sung

như một phần trọn vẹn của hạ tầng mạng di động và bởi các thủ tục báo hiệu bổ

sung giữa mạng và đầu cuối. Kết quả là, có phương pháp định vị được hỗ trợ từ

GPS gọi là A-GPS và được sử dụng cho hầu hết các hệ thống di động. So với

phương pháp GPS, A-GPS cung cấp các cải thiện độ chính xác, giảm thời gian bắt

vị trí, tiêu tốn năng lượng ít hơn bộ thu, và tăng độ nhạy của bộ thu.

Để sử dụng được A-GPS, đầu cuối phải được trang bị module GPS để thu các

tín hiệu hoa tiêu và dữ liệu hỗ trợ từ vệ tinh. Module này được hỗ trợ thông tin điều

khiển và dữ liệu hỗ trợ bổ sung từ mạng di động. Bên cạnh đó phải có các trạm

tham chiếu bên trong hạ tầng mạng di động, cho việc tính toán dữ liệu và dịch dữ

liệu thô thành dữ liệu hỗ trợ. Trạm tham chiếu được kết nối tới một trung tâm phục

vụ định vị thuê bao di động độc lập hoặc kết hợp với một BSC/RNC. Hình 3 mô tả

khái quát kiến trúc A-GPS và báo hiệu giữa các thành phần.

Như Hình2.3, báo hiệu bổ sung được yêu cầu giữa trạm tham chiếu với SMLC, và

giữa SMLC với đầu cuối mục tiêu.

Bảng 1 đưa ra một cách tổng quan về độ chính xác, tính nhất quán và tính phổ dụng

của các phương pháp định vị hiện tại.

Hình 2. 3: Cơ sở hạ tầng A-GPS

55

Như Hình2.3, báo hiệu bổ sung được yêu cầu giữa trạm tham chiếu với SMLC, và

giữa SMLC với đầu cuối mục tiêu.

Bảng 1 đưa ra một cách tổng quan về độ chính xác, tính nhất quán và tính phổ dụng

của các phương pháp định vị hiện tại.

Bảng 1: Các đặc tính hiệu năng của các phương pháp định vị di động [4]

Độ chính xác Tính nhất

quán

Tính phổ

dụngNông

thôn

Ngoại ô Nội thị

Cell-ID >10 km 2-10

km

50-1000

m

Kém Tốt

OTDo

A

50-120

m

50-250

m

50-300 m Trung bình Trung

bình

A-GPS 10-40 m 20-100

m

30-150 m Tốt Tốt

Bảng 2 đưa ra một số đặc tính khác của các phương pháp định vị mạng di động như

TTFF, tác động đến đầu cuối, lượng mào đầu và các chi phí cần thiết.

Bảng 2: Một số đặc tính khác của các phương pháp định vị di động [4]

TTFF Đầu cuối Mào đầu Các chi phí

Cell-ID ~ 1 s Không thay đổi Rất nhỏ Rất thấp

OTDo

A

5-10 s Thay đổi phần

mềm

Trung

bình/Lớn

Cao

A-GPS 5-10 s Thay đổi cả phần

mềm và phần

cứng

Trung

bình/Lớn

Thấp tới

trung bình

KẾT LUẬN

56

Với tính đơn giản và chi phí thấp, Cell-ID sẽ là sự lựa chọn tốt nhất để bắt đầu đưa

dịch vụ định vị vào mạng mặc dù độ chính xác vị trí và tính ổn định không cao và

chỉ hỗ trợ số lượng dịch vụ rất hạn chế. Khi số lượng thuê bao sử dụng dịch vụ tăng,

đồng thời yêu cầu cung cấp nhiều dịch vụ hơn thì các kỹ thuật định vị có độ chính

xác cao sẽ được xem xét (OTDoA hoặc A-GPS). OTDoA cần một khoản chi phí

đầu tư ban đầu rất lớn vào khối đo đạc vị trí, thậm chí sau khi đầu tư lớn như vậy

vẫn cần triển khai bổ sung A-GPS ở những nơi mà chất lượng của OTDoA kém để

hỗ trợ cho các dịch vụ tiên tiến hơn. Với A-GPS thì nhà khai thác cần ít chi phí hơn

cũng như việc triển khai cũng đơn giản hơn so với OTDoA. Ngoài ra, A-GPS cho

các chỉ tiêu tốt hơn với chi phí thấp hơn so với triển khai diện rộng OTDoA.

Ch ng 3: Thu t toán đ nh vươ ậ ị ị

57

Trong phương pháp định vị vệ tinh, cần thu được tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh để

định vị được đối tượng Ở bên ngoài các tòa nhà thì phương pháp này mang lại sự

chính xác rất cao do nhận được đủ tín hiệu. Nhưng khi ở trong nhà ,các khu vực nhà

cao tầng dày đặc hoặc ở những khu vực mà tín hiêu vệ tinh rất yếu, sựu chính xác

trong định vị trở nên không ổn định hoặc là không thể định vị được.

Phương pháp TDOA là đo sự sai khác trong khoảng thời gian truyền tín hiệu từ

thiết bị đầu cuối di động đến các tram gốc (BTS) để tính toán vị trí của thiết bị.

Phương pháp này yêu cầu tối thiểu phải có 3 trạm gốc và thời gian của hệ thống

phải được đồng bộ với thời gian nhận tín hiệu của thiết bị.

Tuy nhiên, tình trạng của hệ thống cũng như môi trường truyền sóng ảnh hưởng

rất lớn đến độ chính xác định vị và tốc độ định vị. Vì vậy một công nghệ định vị

mới kế thừa được các ưu điểm của các hệ thống cũ và khắc phục được các nhược

điểm về độ chính xác, độ nhạy, sự tiện lợi là những giới hạn cho phát triển và ứng

dụng dịch vụ định vị. Trong chương này, em xin giới thiệu về thuật toán định vị kết

hợp giữa cả hai hệ thống.

3.1 Thu t toán TDOAậ

Công nghệ TDOA được dựa trên sự đánh giá sự sai khác về thời gian tới nơi

của tín hiệu từ nguồn tới đa máy thu. Việc này thường được thực hiện bằn cách lấy

phần nhỏ của tín hiệu tại khoảng thời gian đồng bộ của các máy thu. Sự tương quan

chéo giữa hai tín hiệu tại 2 tram gốc sẽ được thực hiện và đỉnh đầu ra của tương

quan chéo này cho chúng ta sự sai khác về thời gian của tín hiệu đến tại 2 trạm gốc

đó. Một giá trị cụ thể của sự sai khác về thời gian có thể cho chúng ta một hyperbol

mà thiết bị đầu cuối có thể xuất hiện trên đó.Nếu quá trình đó lại được thực hiện với

các máy thu khác và kết hợp với những máy thu đã sử dụng trước đó một hình

hyperbol khác sẽ được đưa ra. Giao điểm của hai hình hyperbol dẫn tới kết quả định

vị. Phương pháp này còn gọi là phương pháp định vị hyperbol.

58

Hình 3. 1:Nguyên tắc hình học của thuật toán.

Ta có một tập hợp N BTS :

Sbts = { BTS1, BTS2, … BTSN }.

Các BTS này được chia làm 2 nhóm, nhóm thứ nhất để xác định khoảng cách trực

tiếp từ BTS đó tới đối tượng.

SBTS,AD = { BTS1 }

Các BTS còn lại để xác định khoảng cách gián tiếp của vật thể.

SBTS,RD = { BTS2….BTSN }

Phép đo khoảng cách trực tiếp xác định một mặt cầu tâm là BTS1 với bán kính là d1.

d1= √(xc ,1−x i)2+( yc ,1− y i)

2+(zc ,1−zi)2+cδti. (1)

Để đơn giản cho tính toán người ta không xét tới thời gian đồng bộ giữa BTS và

thiết bị phát nên phương trình (1) còn lại là :

d1= √(xc ,1−x i)2+( yc ,1− y i)

2+(zc ,1−zi)2 (2)

Phép đo khoảng cách gián tiếp sẽ xác định trong không gian một hình hyperbol tròn

xoay với tiêu điểm là BTS1 và BTSk:

r1,k=√ ( xc ,1−x i )2+( yc ,1− yi )

2+( zc , 1−zi )2 (3)

−√(xc , k−x i)2+( yc, k− y i)

2+(zc ,k−z i)2

59

Tương tự phép đo gián tiếp cho BTS khác ta có thêm các phương trình biến đổi

taylor cho các phương trình ta có :

∆d1 = bx1∆Xi + by1∆Yi + bz1∆Zi (4)

r1,k = (bx1 – bxk ) ∆Xi + ¿by1 – byk )∆Yi + (bz1 – bzk )∆Zi

⋮ (5)

r1,n = (bx1 – bxn ) ∆Xi + ¿by1 – byn )∆Yi + (bz1 – bzn )∆Zi

Hình 3. 2: Mô phỏng việc xác định vị trí bằng TDOA.

Để tăng độ chính xác các BTS sử dụng cho việc tính sai số phải được đồng bộ

một cách chính xác qua sử dụng một thiết bị được gọi là Local Measurement

Units(Thiết bị đo đạc cục bộ). Phương pháp thực hiện đồng bộ này gọi là Enhanced

Obseverd Time Difference(EOTD) nhằm tăng khả năng quan sát độ sai lệch về thời

gian, do đó cụm từ EOTD có thể được xem như là thuật ngữ viết tắt TDOA. Phương

pháp có thể được thực hiện dựa trên

60

Hình 3. 3:Trong không gian 3 chiều

3.2 Thu t toán đ nh v v tinhậ ị ị ệ

Nguyên lý cơ bản trong xác định vị trí sử dụng hệ thống GPS là đo khoảng cách mặt

cầu của người dùng từ 4 vệ tinh.

Mỗi một vệ tinh xác định một phương trình, từ hệ phương trình này ta giải ra thông

số cần thiết.

Mã giả khoảng cách ở một thời điểm t có thể viết như sau:

Rij(t) = ρj

i(t) + c∆δji(t) (1).

Ở đây, Rij(t) là mã giả khoảng cách giữa khu vực quan sát i và vệ tinh j, ρj

i(t) là

khoảng cách địa lý giữa vệ tinh và điểm định vị, c là tốc độ ánh sáng. Cuối cùng,

∆δji(t) là khoảng thời gian để đồng bộ giữa vệ tinh và máy thu.

Khoảng cách địa lý của vệ tinh và điểm định vị cũng có thể viết dưới dạng :

ρji(t) = √( X j(t )−X i)

2+(Y j(t)−Y i)2+(Z j(t )−Z i)

2 (6)

Trong đó Xj, Yj, Zj, là các tọa độ của vệ tinh j tại thời điểm t. Xi, Yi, Zi là các tọa độ

chưa biết của điểm định vị.

Sử dụng các giá trị ước lượng, các nghiệm Xi, Yi, Zi có thể được khai triển thành.

61

Xi = Xi0 + ∆Xi

Yi = Yi0+ ∆Yi

Zi = Zi0 +∆Zi

Phương trình mới thành :

ρji0(t) = √( X j(t )−X i 0)

2+(Y j(t)−Y i 0)2+(Z j(t)−Z i 0)

2 + c∆δji(t) (7)

Do vậy, ∆Xi, ∆Yi, ∆Zi trở thành các nghiệm mới, nghiệm ban đầu sẽ được phân

chia thành 2 phần bao gồm phần đã biết Xi0,Yi0,Zi0 và phần chưa biết ∆Xi, ∆Yi, ∆Zi .

Khai triển taylor cho phương trình (2) ta được :

∆ρ = axj∆Xi + ayj∆Yi + azj∆Zi - c∆δti (8)

Trong đó: axj=X j−X i 0

r

ayj=Y j−Y i 0

r

axj=Z j−Z i 0

r

r= √( X j−X i 0)2+(Y j−Y i 0)

2+(Z j−Z i 0)2 (9)

Sử dụng khai triển taylor cho tất cả các phương trình ta có thể viết được hệ phương

trình dưới dạng sau :

∆ρ1 = ax1∆Xi + ay1∆Yi + az1∆Zi - c∆δti

∆ρ2 = ax2∆Xi + ay2∆Yi + az2∆Zi - c∆δti (10)

……………………………………....

∆ρj = axj∆Xi + ayj∆Yi + azj∆Zi - c∆δti

Hay:

[∆ ρ1

⋮⋮

∆ ρ j]=[ax1

ax2

a y1

ay 2

az 1

az 2

11

⋮axj

⋮a yj

⋮azj

⋮1] [ ∆ x i

∆ y i

∆ zi

−c . ∆ δt i] (11)

Phương trình trên có thể sắp xếp lại theo quy ước như sau:

∆ ρ=H ∆ I

62

∆ ρ=[∆ ρ1

⋮⋮

∆ ρ j]

H= [ax1

ax2

a y1

ay 2

az 1

az 2

11

⋮axj

⋮a yj

⋮azj

⋮1] Ma trận H là ma trận hệ số định vị.

∆ I=[ ∆ x i

∆ y i

∆ zi

−c .∆ δt i]

Nghiệm của hệ phương trình định vị sẽ được giải theo phương pháp bình phương

tối thiểu (LS):

∆ Ĩ ls = (Ht H)-1Ht ∆ ρ (12)

Bình phương tối thiểu là phương pháp được áp dụng cho các hệ phương trình mà

trong đó số phương trình nhiều hơn số ẩn.Do trong điều kiện tốt, từ một điểm có thể

“nhìn” được nhiều hơn 4 vệ tinh (5, 6 vệ tinh) nên ta có thể thu được số phương

trình định vị nhiều hơn 4.

3.3 Ph ng pháp đ nh v k t h pươ ị ị ế ợ

Ph ng pháp này k t h p các phép tính toán v trí c a c v tinh và t bào. ươ ế ợ ị ủ ả ệ ế

K t h p ph ng trình (4), h ph ng trình (5), (10) ta có h :ế ợ ươ ệ ươ ệ

∆d1 = bx1∆Xi + by1∆Yi + bz1∆Zi

r1,k = (bx1 – bxk ) ∆Xi + ¿by1 – byk )∆Yi + (bz1 – bzk )∆Zi

………… ………………………………………… ……………… ..

r1,n = (bx1 – bxn ) ∆Xi + ¿by1 – byn )∆Yi + (bz1 – bzn )∆Zi (13)

∆ρ1 = ax1∆Xi + ay1∆Yi + az1∆Zi - c∆δti

∆ρ2 = ax2∆Xi + ay2∆Yi + az2∆Zi - c∆δti

………… ………………………… .............................. .

∆ρj = axj∆Xi + ayj∆Yi + azj∆Zi - c∆δti

63

H đ c vi t l i thành :ệ ượ ế ạ

[∆ d1

∆ r1 , k

⋮∆ r1 , n

∆ ρ1

⋮∆ ρ j

] = [bx1

bx1

⋮

−bxk

b y 1

b y 1−b yk

⋮bx1−bxn b y 1−b yn

bz 1

bz 1−bzk

⋮

00⋮

bz 1−bzn 0ax1 ay 1

⋮axj

⋮axj

az 1 1⋮

axj

⋮1

] [−c ∆ δt i

∆ x i

∆ y i

∆ zi] (14)

Ta có th vi t l i thành :ể ế ạ

∆M = H∆U.

Trong đó :∆M= [∆ d1

∆ r1 , k

⋮∆ r1 , n

∆ ρ1

⋮∆ ρ j

] H=[bx1

bx1

⋮

−bxk

b y 1

b y 1−b yk

⋮bx1−bxn b y 1−b yn

bz 1

bz 1−bzk

⋮

00⋮

bz 1−bzn 0ax1 ay 1

⋮axj

⋮axj

az 1 1⋮

axj

⋮1

] và ∆U=[−c ∆ δt i

∆ x i

∆ y i

∆ zi]

T ng t nh v tinh ta cũng gi i h ph ng trình này b ng ph ng phápươ ự ư ệ ả ệ ươ ằ ươ

bình ph ng t i thi u.ươ ố ể

∆ Ũ ls = (Ht H)-1Ht ∆ M .

3.4 Đánh giá ph ng pháp m iươ ớ

Tín hiệu từ vệ tinh GPS có độ chính xác nhất định. Do vị trí tương đối của máy thu

đối với các vệ tinh, độ chính xác trong khoảng giả của vệ tinh sẽ ảnh hưởng trực

tiếp đến các yếu tố đánh giá vị trí của máy thu như (X, Y, Z và t). Sự xuất hiện rõ

ràng của các vệ tinh trong tầm nhìn của máy thu kết hợp các vị trí tương đối của vệ

tinh để xác định độ chính xác trong tính toán của máy thu. Khi các ở vệ tinh quá gần

nhau, các vị trí như vậy được coi là yếu và độ suy giảm cao. Khi ở xa nhau, vị trí

được coi là mạnh và độ suy giảm thấp.Thông số để đánh giá yếu tố này là

GDOP.Công thức tính :

GDOP=2√Tr [(H t H )−1¿]¿

64

Hình 3. 4:GDOP của GPS khi không có thông tin hỗ trợ

Hình 3. 5:GDOP của hệ thống lai giữa GPS và W-CDMA

65

K t Lu nế ậ

Trong những năm gần đây, công nghệ viễn thông, đặc biệt là công nghệ mạng

di động tế bào đang mở rộng một cách nhanh chóng. Điều này làm cho việc xác

định vị trí thiết bị đầu cuối di động bằng cách sử dụng mạng tế bào trở nên cấp thiết.

Phương thức định vị truyền thống là sử dụng vệ tinh trong không gian và định vị

mạng tế bào ở dưới mặt đất.Việc phát triển các hệ thống máy thu lai sẽ nâng cao

khả năng định vị và dẫn đường với tính chính xác cao.Hướng nghiên cứu mới sẽ

làm giảm tốc độ tính toán của máy thu, giảm thời gian trễ hệ thống để nâng cao độ

chính xác.

66

Các tài liệu tham khảo

[1] Wang Huinan, Principle and Application of GPS Navigation, Publishing House

of Science, China, 2003

[2] Elliott D.Kaplan, Principle and Applicationof GPS, Publishing House of

Electronics Industry, China, 2002.

[3] Liu Dajie, Shi Yimin, Guo Jinjun, Principle and Data Process of GPS,

Publishing House of Tongji University, 1996.

[4] G .Heinrichs, F. Dovis, P.Mulassano, Hybrid Navigation and Communication

Positioning in Cellular Radio Networks with a Common RAKE Receiver

Architecture, IEEE ISSSTA.

[5] Wikipedia (2010), „Global Positioning System‟

http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System

[6] Peter H. Dana, Department of Geography, University of Texas (1994), „Global

Positioning System Overiew‟

http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps.html

[7] GPS Primer (2007), „GPS Element‟

http://www.aero.org/education/primers/gps/elements.html

[8] Peter H. Dana, Department of Geography, University of Texas (1994), „Global

Positioning System Overiew‟

http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gif/orbits.gif

[9] GPS Prime (2007), „How GPS Works‟

http://www.aero.org/education/primers/gps/howgpsworks.html

[10]- P. Massatt and K. Rudnick, “Geometric formulas for dilution of precision

calculations”, J.Inst. Navigation, vol. 37, pp. 379391, Winter 1991.

[11]- Gunter Heinrichs, Paolo Mulassano, and Fabio Dovis, “A Hybrid Positioning

Algorithm ForCellular Radio Networks By Using a Common Rake Receiver

Architecture”

67