Bài giảng Thiết kế bộ thu mềm cho các hệ thống dẫn đường sử dụng vệ tinh tiên tiến - Tạ Hải Tùng

Nội dung text: Bài giảng Thiết kế bộ thu mềm cho các hệ thống dẫn đường sử dụng vệ tinh tiên tiến - Tạ Hải Tùng

1. THIẾT KẾ BỘ THU MỀM CHO CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐƯỜNG SỬ DỤNG VỆ TINH TIÊN TIẾN (Software Receiver Design for Modern Global Navigation Satellite Systems) TẠ HẢI TÙNG Bộ môn Truyền thông và Mạng máy tính Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông
2. Nội dung trình bày • Tổng quan về công nghệ GNSS • Các hệ thống GNSS tiên tiến • Bộ thu mềm GNSS • Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến • Các kết quả ban đầu trong việc phát triển bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo • Một số gợi ý về hướng nghiên cứu trong lĩnh vực GNSS 2
3. Tổng quan về công nghệ GNSS Where am I? How do I get to my destination? These questions are as old as the history of mankind. Thời đồ đá Thời định vị theo thiên văn LORAN GNSS 3 Thời định vị theo sóng radio
4. Tổng quan về công nghệ GNSS (x,y,z) • Sử dụng vệ tinh để truyền sóng radio định vị • Số vệ tinh tối thiểu: 3 4
5. Tổng quan về công nghệ GNSS Cách xác định khoảng cách d = c × τ d: khoảng cách c: vận tốc ánh sáng τ : trễ truyền lan S Truyền xung A, tại thời điểm tA u X/đ thời điểm xung A đến Rx tA S u τ = tA − tA Ẩn số thứ 4 => Cần thêm 1 vệ tinh 5
6. Tổng quan về công nghệ GNSS Xung định vị • Mã trải phổ, giả ngẫu nhiên: – Tính chất: Hàm tự tương quan ~ 1, tương quan chéo ~ 0 – Họ mã: M-sequence, Gold code, and Kasami code, Memory code – Mỗi mã được gán duy nhất với 1 vệ tinh – Ví du: GPS L1 C/A • Chu kỳ mã: 1 ms; Độ dài mã: 1023 chip; Tốc độ truyền mã: 1.023Mcps; Độ phân giải: ~ 1 µs (293m) • Sóng mang – Tính chất: tần số dao động rất lớn (L1:1.575 GHz) => độ phân giải nhỏ (0.6ns hoặc 1.9m)=> độ chính xác rất cao (mm, cm, dm ) – Đòi hỏi thuật toán xác định số nguyên chu kỳ phức tạp (integer ambiguity) 6
7. Tổng quan về công nghệ GNSS Tính toán PVT • Giải hệ phương trình phi tuyến 4 ẩn số (x,y,z,δtu) • Phương pháp giải: – Tuyến tính hóa bằng khai triển Taylor – Sử dụng thuật toán Least Mean Square để giải phương trình tuyến tính 7
8. Tổng quan về công nghệ GNSS Các nguồn gây lỗi (1/2) • Geometric Dilution Of Precision (GDOP): ảnh hưởng bởi yếu tố hình học đến chất lượng định vị: 8
9. Tổng quan về công nghệ GNSS Các nguồn gây lỗi (2/2) 9
10. Tổng quan về công nghệ GNSS Các ứng dụng của GNSS • Thông dụng: – Dẫn đường cho phương tiện giao thông – Giám sát hành trình – Lưu vết đối tượng – Dịch vụ hướng vị trí (Location Based Services - LBS) • Chuyên sâu: – Trắc địa, bản đồ – Giám sát môi trường – Nghiên cứu về tầng khí quyển – Phương tiện tự hành – Đồng bộ thời gian trong các hệ thống viễn thông, giao dịch điện tử 10
11. Nội dung trình bày • Tổng quan về công nghệ GNSS • Các hệ thống GNSS tiên tiến • Bộ thu mềm GNSS • Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến • Các kết quả ban đầu trong việc phát triển bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo • Một số gợi ý về hướng nghiên cứu trong lĩnh vực GNSS 11
12. Các hệ thống GNSS tiên tiến Kiến trúc chung (1/2) Các thành phần: Chức năng: 12
13. Các hệ thống GNSS tiên tiến Kiến trúc chung (2/2) 13
14. Hệ thống GPS (1/2) • Mốc thời gian: – 1978: Vệ tinh đầu tiên được phóng lên quỹ đạo – 1983: Hệ thống phục vụ dân dụng – 2000: Nhiễu SA bị loại bỏ – 2000: GPS-III được công bố • Phần không gian: – 2008: 31 vệ tinh tại độ cao 20.200km trên 3 mặt phẳng quỹ đạo – 8 vệ tinh xuất hiện đồng thời tại mọi thời điểm • Phần điều khiển: – 1 trạm điều khiển trung tâm (+ 1 dự phòng) – 4 trạm ăng-ten mặt đất – 4 trạm giám sát 14
15. Hệ thống GPS (2/2) • Tín hiệu: – Tín hiệu “legacy”: • Dân dụng: L1 C/A • Quốc phòng: L2 P(Y) – Tín hiệu mới: • Dân dụng: L1C, L2C, L5 (Safety of Life) • Quốc phòng: M code 15
16. Hệ thống Galileo (1/2) • Mốc thời gian: – 2003: Chương trình Galileo được EU thông qua, dự kiến hệ thống hoạt động 2010 – 2004: Kết thúc đàm phán cấu trúc tín hiệu với Mỹ – 2004: Phóng 2 vệ tinh thử nghiệm GioveA & B – 2009: Quyết định giảm số vệ tinh từ xuống 22. Giá thành: 22 tỷ EUR so với dự kiến 7.7 ban đầu. Hệ thống dự kiến hoạt động 2014(???) • Đặc điểm so sánh với GPS: – Phát thông tin về độ tin cậy – Hệ thống dân dụng (???) 16
17. Hệ thống Galileo (2/2) • Không gian: – 30 vệ tinh trên 3 mặt phẳng quỹ đạo tại độ cao 23.222 km • Dịch vụ: – Open Service: miễn phí, độ chính xác 1m – Commercial: độ chính xác cm – Safety of life: dịch vụ được bảo đảm – Public Regulated Navigation (Encrypted): phục vụ cho cơ quan chính phủ, quân đội – Search And Rescue: truyền thông 2 chiều phục vụ tìm kiếm, cứu hộ • Tín hiệu: – E1, E5(E5a/E5B), E6 17
18. Hệ thống GLONASS (1/2) • Mốc thời gian: – 1976: Hệ thống được phát triển – 1995: Hệ thống hoàn thiện, nhưng không có đủ kinh phí duy trì hoạt động – 2001: Chương trình khôi phục GLONASS bắt đầu – 2007: gỡ bỏ các ràng buộc với người sử dụng dân dụng. – 12/2010: lần phóng 3 vệ tinh cuối cùng thất bại => lùi thời hạn hoàn thành đến 2011 18
19. Hệ thống GLONASS (2/2) • Đặc điểm: – 24 vệ tinh trên 3 quỹ đạo ở độ cao 19,100km – Tín hiệu “legacy”: • Sử dụng công nghệ FDMA • L1: cho dịch vụ dân dụng • L2: cho dịch vụ quốc phòng – Tín hiệu mới: • Sử dụng công nghệ CDMA • Bổ sung thêm tín hiệu dân dụng tại các tần số L1, L2, L3, L5 19
20. Hệ thống Beidou (1/2) • Mốc thời gian: – 2000 - 2003: Hệ thống thử nghiệm với 3 vệ tinh – 2012: Hệ thống Beidou khu vực bao phủ lãnh thổ Trung Quốc – 2020: Hệ thống toàn cầu Beidou đi vào sử dụng • Đặc điểm: – Độ chính xác: vị trí: 10 m; thời gian: 0.2 ns; và vận tốc: 0.2 meter/second. – Hệ thống hoàn thiện sẽ bao gồm 35 vệ tinh 20
21. Hệ thống Beidou (2/2) 21
22. Các tín hiệu GNSS 22
23. Nội dung trình bày • Tổng quan về công nghệ GNSS • Các hệ thống GNSS tiên tiến • Bộ thu mềm GNSS • Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến • Các kết quả ban đầu trong việc phát triển bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo • Một số gợi ý về hướng nghiên cứu trong lĩnh vực GNSS 23
24. Bộ thu mềm GNSS Kiến trúc bộ thu Bộ thu truyền cứng ASIC Analog Hardware Digital Hardware Software Bộ thu mềm Analog Hardware Software Software 24
25. Bộ thu mềm GNSS • Phần front-end 25
26. Bộ thu mềm GNSS • Phần xử lý tín hiệu số được thực hiện thông qua các mô-đun phần mềm triển khai trên các vi xử lý có thể lập trình được: – DSP, FPGA, Embedded System, PC-based 26
27. Ví dụ: bộ thu phần mềm N-Gene 27
28. Nội dung trình bày • Tổng quan về công nghệ GNSS • Các hệ thống GNSS tiên tiến • Bộ thu mềm GNSS • Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến • Các kết quả ban đầu trong việc phát triển bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo • Một số gợi ý về hướng nghiên cứu trong lĩnh vực GNSS 28
29. Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến • Các phương pháp phối hợp sau bộ tương quan • Các phương pháp phối hợp đa kênh trên một tần số • Các phương pháp phối hợp đa kênh trên nhiều tần số • Hiện tượng tương quan chéo trong bộ tương quan sử dụng bộ lọc đối sánh 29
30. Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến Các p2 phối hợp sau bộ tương quan (1/4) • Đặt vấn đề: Bộ tương quan (Correlator) x[n] + nW [n] s[k] + w[k] x[n] N N N ∑ (x[n] + nW [n])x[n] = ∑ x[n]x[n] + ∑ nW [n]x[n] n=(k −1)N n=(k −1)N n=(k −1)N T/p tín hiệu: s[k] T/p nhiễu: w[k] Do tính chất của kỹ thuật trải phổ x[n] ≡ x[n] ⇒ s[k] = N Giá trị của N ảnh hưởng rất lớn đến nhận biết tín hiệu x[n] ≠ x[n] ⇒ s[k] ≈ 0 w[k] 30
31. Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến Các p2 phối hợp sau bộ tương quan (2/4) 1 2 3 Phối hợp cố kết (coherent) • Hiệu quả kết hợp tối ưu • Độ phức tạp cao, do tăng 1 + 2 + 3 độ phân giải Doppler • Bị ảnh hưởng bởi sự đổi chiều bit Phối hợp không cố kết (non-coherent) • Không bị ảnh hưởng bởi sự đổi 1 + 2 + 3 chiều bit • Bị tổn thất do hiện tượng Squaring loss “squaring loss” • Độ phức tạp thấp Phối hợp vi sai (differential) • Giải pháp trung hòa: Hiệu quả 1 2 2 3 kết hợp và độ phức tạp x + x 31
32. Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến Các p2 phối hợp sau bộ tương quan (3/4) RM RM-1 R M-2 RM-3 RM-4 R2 R1 • Phương pháp đề xuất: Phối hợp vi sai tổng quát (Generalized Differential Integration) 32
33. Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến Các p2 phối hợp sau bộ tương quan (3/4) Độ nhạy Độ phức tạp: MAT • Phương pháp đề xuất cải thiện 2-dB 33
34. Các p2 phối hợp đa kênh trên một tần số Đặt vấn đề • Tín hiệu GNSS thường bao gồm 2 kênh: Kênh có dữ liệu (data) và Kênh không có dữ liệu (kênh định vị -pilot). Vd: tín hiệu Galileo E1 OS Data channel (B) Acquision Nav. data PRN code Each shares 50% of total transmied power Combinaon Pilot channel (C) Waste of 50 % of the real capacity PRN code 34
35. Các p2 phối hợp đa kênh trên một tần số 3. (B-C) Acquisition Strategy c 1. Dual Channel (DC) Strategy 5. (B-C) & (B+C) Summed Combination 3. (B×C) Acquisition Strategy 7. (B-C) & (B+C) Maximum Likelihood Combination 35
36. Các p2 phối hợp đa kênh trên một tần số Phân tích lý thuyết 36
37. Các p2 phối hợp đa kênh trên một tần số Đánh giá hiệu năng Đánh giá về độ nhạy Đánh giá về độ phức tạp 2.8 dB 37
38. • Các đóng góp: – Đề xuất các phương pháp phối hợp đa kênh cho tín hiệu Galileo E1 OS – Cung cấp các phân tích lý thuyết được kiểm nghiệm qua mô phỏng Monte Carlo – Đánh giá, so sánh hiệu năng và đề xuất các phương pháp phối hợp hiệu quả cho các kịch bản ứng dụng khác nhau 38
39. Phối hợp đa kênh trên nhiều tần số Bộ thu 2 tín hiệu GPS L1/L2C • Đặt vấn đề: – GPS thế hệ III cung cấp cho người sử dụng một tín hiệu dân dụng mới trên tần số L2 (L2C) – Bộ thu 2 tần số L1/L2C đem lại độ chính xác cao hơn bộ thu 1 tần số hiện tại, do khả năng loại bỏ lỗi gây ra bởi tầng điện ly (ionospheric error), và nâng cao độ nhạy cho mô-đun khai phá của bộ thu – Phương pháp kết hợp vi sai đã được chứng minh như một giải pháp trung hòa giữa độ nhạy và độ phức tạp Giải pháp kết hợp vi sai trong phối hợp đa kênh GPS L1/L2C 39
40. Kiến trúc “feed-forward” SMF L1 C/A Correlator MGDC WL1 s H1 >V + < Code W L2 H0 ~ Gen. Freq. Estimation SMF L2C (CM) Correlator MGDC s 20 CA codes Incoming 1 ms 1 ms 1 ms 1 ms 1 ms 1 ms signalL1 Local code 1st 2nd 3rd 4th CA 5th 20thC CA CA CA CA A Incoming 1 ms 1 ms 1 ms 1 ms 1 ms 1 ms signal L2 1st part 2nd part 3rd part 4th part 5th part 20th part Local code of CM of CM of CM of CM of CM of CM 40 A full CM code = 20 ms
41. Kiến trúc “Feedback” SMF L1 C/A Correlator MGDC s WL1 H1 >V Code + < H Gen. WL2 0 Freq. ~ Estimation SMF L2C (CM) Correlator MGDC s Đặc điểm: - Tận dụng các thành phần sẵn có của xử lý tín hiệu vi sai - Phối hợp thông tin từ 2 kênh để nâng cao độ chính xác ước lượng 41
42. Phối hợp đa kênh trên nhiều tần số Phân tích hiệu năng bộ thu (1/3) So sánh độ nhạy với các kiến So sánh độ nhạy với các trúc trong bộ thu hiện tại kiến trúc phối hợp đã có 42
43. Phối hợp đa kênh trên nhiều tần số Phân tích hiệu năng bộ thu (2/3) Độ chính xác ước lượng tần Đồng bộ bit dữ liệu số dư 43
44. Phối hợp đa kênh trên nhiều tần số Phân tích hiệu năng bộ thu (3/3) Bám tín hiệu L1 Bám tín hiệu L2 44
45. Nội dung trình bày • Tổng quan về công nghệ GNSS • Các hệ thống GNSS tiên tiến • Bộ thu mềm GNSS • Các công nghệ xử lý tín hiệu tiên tiến • Các kết quả ban đầu trong việc phát triển bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo • Một số gợi ý về hướng nghiên cứu trong lĩnh vực GNSS 45
46. Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Đặt vấn đề: • Nhu cầu xây dựng bộ thu mềm GPS/Galileo hoàn chỉnh để: – Kiểm nghiệm các kỹ thuật xử lý tín hiệu đã phát triển – Đón đầu hệ thống Galileo (dự kiến 2015) – Phát triển giải pháp định vị phối hợp đa hệ thống – Làm chủ công nghệ chế tạo bộ thu GNSS • Nền tảng phát triển bộ thu: PC hệ nhúng, DSP, FPGA 46
47. Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Tín hiệu sử dụng: • Tín hiệu miễn phí, cùng tần số: – GPS: L1 C/A – Galileo: E1 Open Service (OS) • Tín hiệu “thực” Galileo phát từ Hệ thống GATE (GALILEO Test and Development Environment) đặt tại Munich, Đức: 2 – 8 giả vệ tinh đặt trong khu vực 65 km – Phát các tín hiệu Galileo E1, E5, E6 – Có khả năng mô phỏng kênh truyền tương tự như từ vệ tinh 47
48. Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Kiến trúc bộ thu: Các mô-đun phát triển: • Prototype cho bộ front-end • Phần xử lý tín hiệu chạy trên máy PC 48
49. Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Kết quả GPS (1/2): • 8 vệ tinh GPS được phát hiện: SVN [9,15,12,17,22,27,25,30] 49
50. Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Kết quả GPS (2/2): Kết quả từ bộ Kết quả từ bộ thu mềm thu thương mại 50
51. Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Kết quả Galileo (2/2): Main & side peaks • 6 vệ tinh Galileo được phát hiện: SVN [1,2,11,21,22,23] 51
52. Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Kết quả Galileo (2/2): Kết quả từ bộ thu mềm tín hiệu Galileo Kết quả từ bộ thu Kết quả từ bộ mềm tín hiệu GPS thu thương mại 52
53. Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Định vị phối hợp 2 hệ thống (1/2): • Hiện tượng “urban canyon” vô hiệu hóa GPS • Kết hợp chùm vệ tinh GPS + Galileo giúp phép định vị • Cần tối thiểu 5 vệ tinh cho 5 ẩn số (x,y,x; sai số đồng hồ máy thu và hệ thống GPS; sai số giữa đồng hồ của 2 hệ thống GPS, Galileo) 53
54. Bộ thu mềm đa hệ thống GPS/Galileo Định vị phối hợp 2 hệ thống (1/2): Kết quả từ bộ thu mềm tín hiệu Galileo Kết quả từ bộ thu Kết quả từ bộ mềm tín hiệu GPS thu thương mại Kết quả từ bộ thu mềm tín hiệu Galileo Sai số lớn do sự khác nhau giữa Hai hệ tọa độ GPS và Galileo 54
55. Book Chapter: [1] T. H. Ta, F. Dovis, “Chapter: High Sensitivity Acquisition Techniques for GNSS signals”, Global Navigation Satellite System, InTech Publisher, 10, 2011. Journals [2] T. H. Ta, M. Pini, L. L. Presti, “Combined Acquisition Architectures for GPS Dual-Frequency L1C/A-L2C Receivers”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems (under review) [3] T. H. Ta, F. Dovis, D. Margaria, and L. L. Presti, “Comparative Study on Joint Data/Pilot Strategies for High Sensitivity Galileo E1 Open Service Signal Acquisition,” IET (previously IEE) Radar, Sonar and Navigation, vol. 4, Issue 6, pp. 764–779, December 2010. [4] T. H . Ta , N. Shivaramaiah, A. Dempster, L. L. Presti, “Significance of Cell Correlations in GNSS Matched Filter Acquisition Engines,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems (accepted 2010). [5] T. H . Ta , S. Qaisar, A. Dempster, F. Dovis, “Partial Differential Post Correlation Processing for GPS L2C Signal Acquisition,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems (accepted 2010). In conference proceedings: [6] T. H. Ta, S. H. Ngo: “A Novel Signal Acquisition Method for GPS Dual-Frequency L1 C/A and L2C Receivers“. IEEE ATC 2011, Danang, Vietnam, August 2011 (under review). [7] T. H. Ta, F. Dovis, R. Lesca, D. Margaria, “Comparison of Joint Data/Pilot High-Sensitivity Acquisition Strategies for Indoor Galileo E1 Signal,” European Navigation Conference ENC-GNSS 08, Toulouse, France, 23-25 April, 2008. [8] T. H. Ta, L. Lo Presti, F. Dovis, D. Margaria, R. Lesca, “Differential Data/Pilot Joint Acquisition Strategies for Indoor Galileo E1 Signal,” ION GNSS 2008, Savannah, Georgia, USA, 16-19 September, 2008. [9] T. H. Ta, F. Dovis, L. L. Presti, “A Differential Joint Data/Pilot Strategy for High Sensitivity Galileo E1 Signal Acquisition,” in 2008 International Conference on Advanced Technologies for Communications, Hanoi, Vietnam, 6-9 October, 2008. [10] T. H. Ta, N. Shivaramaiah, A. Dempster, “Significance of Cell Correlations in Matched Filter GPS Acquisition Engines,” IGNSS Symposium, Surfer Paradise, Gold Coast, Queensland, Australia, 1-3 December, 2009. [11] S. Qaisar, T. H. Ta, A. Dempster, F. Dovis, “Post Detection Integration Strategies for GPS L2C Signal Acquisition,” IGNSS Symposium, Surfer Paradise, Gold Coast, Queensland, Australia, 1-3 December, 2009. 55