Tiến Sĩ Một số kỹ thuật giảm nhiễu đa đường và hạn chế sai lệch đồng bộ cho tín hiệu định vị điều chế dạng B

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỞ ĐẦU
1. Hệ thống định vị sử dụng vệ tinh và ảnh hưởng nhiễu đa đường
Trong những năm gần đây, các ứng dụng liên quan đến các hệ thống định vị sử dụng vệ
tinh (GNSS) ngày càng phát triển rộng rãi. Các ứng dụng này liên quan đến rất nhiều lĩnh vực
trong cuộc sống dân sự cũng như lĩnh vực quân sự như: dẫn đường hàng hải, dẫn đường hàng
không, dẫn đường trên bộ, trắc địa bản đồ, giám sát môi trường, cảnh báo thiên tai, [15,
62]. Tuy nhiên, hầu hết các ứng dụng này đều đang sử dụng một tín hiệu định vị dân sự duy
nhất là tín hiệu định vị dân sự GPS C/A của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) của Hoa Kỳ.
Điều này đặt ra những thách thức cả về mặt kỹ thuật cũng như mặt chính trị liên quan đến sự
lệ thuộc vào duy nhất một tín hiệu định vị do một tổ chức của một quốc gia cung cấp. Trước
thách thức đó cũng như trước nhu cầu không ngừng tăng lên đối với các hệ thống GNSS, các
chiến lược phát triển hệ thống GNSS đã được đặt ra và triển khai. Thứ nhất, các hệ thống định
vị toàn cầu hoặc hệ thống định vị khu vực sử dụng vệ tinh được các quốc gia trên thế giới xây
dựng và phát triển như: Hệ thống Galileo của EU [41], hệ thống Bắc đẩu (Beidou) của Trung
Quốc, hệ thống IRNSS của Ấn Độ, hệ thống QZSS của Nhật Bản. Thứ hai, hệ thống GPS
hiện tại (GPS thế hệ I) cũng được hiện đại hóa lên thế hệ II và III (GPS II và GPS III) [98] và
Liên bang Nga cũng khởi động lại chương trình GLONASS để thúc đẩy việc triển khai hệ
thống GNSS của riêng mình [79, 90]. Tiến trình triển khai mới và hiện đại hóa các hệ thống
GNSS này được thực hiện ở tất cả các phân hệ thành phần của hệ thống GNSS như: phân hệ
không gian, phân hệ điều khiển và phân hệ người dùng. Trong tiến trình đó, các vệ tinh của hệ
thống GNSS sẽ truyền phát nhiều tín hiệu định vị cùng một lúc. Việc cung cấp thêm các tín
hiệu định vị mới sẽ nâng cao tính ổn định, tính chính xác và tính bền vững cũng như khắc
phục những hạn chế của tín hiệu định vị dân sự duy nhất hiện nay.
Tuy nhiên, trong quá trình tín hiệu định vị lan truyền từ vệ tinh tới bộ thu GNSS, các tín
hiệu định vị phải chịu tác động của các tác nhân gây sai số như: sai số do tầng điện ly, sai số
do tầng đối lưu, sai số do hiện tượng truyền dẫn đa đường (gọi tắt là nhiễu đa đường). Những
sai số này đã tác động đáng kể đến hiệu năng hoạt động của bộ thu định vị [62]. Vì vậy, đã và
đang có nhiều giải pháp được nghiên cứu, đề xuất và áp dụng trong bộ thu định vị nhằm hạn
chế, loại bỏ các nguyên nhân gây sai số trên. Đối với sai số do tầng điện ly và sai số do tầng
đối lưu, các bộ thu định vị sẽ áp dụng kỹ thuật vi sai trong đó bộ thu định vị sẽ hiệu chỉnh vị
trí thông qua so sánh vị trí tính được của bộ thu với một vị trí chuẩn của trạm tham chiếu [75,
78, 104] hoặc sử dụng các bộ thu hai tần số [23, 82, 83, 91]. Nhưng với sai số nhiễu đa
đường, kỹ thuật vi sai không đem lại hiệu quả do tác động mang tính ngẫu nhiên, riêng biệt
tới từng bộ thu định vị của nhiễu đa đường. Với những lí do trên, sai số nhiễu đa đường tiếp
tục trở thành một loại sai số chính trong bộ thu và rất khó khắc phục một cách triệt để. Sai số
do nhiễu đa đường chỉ có thể giảm thiểu mà không thể triệt tiêu hoàn toàn trong các bộ thu
GNSS. Các nghiên cứu để tìm ra các giải pháp kỹ thuật xử lý tín hiệu tại bộ thu đối với sai số
do truyền dẫn đa đường được thực hiện theo nhiều hướng khác nhau. Về cơ bản, các giải pháp
đó có thể được chia thành ba hướng chủ yếu. Thứ nhất, các giải pháp được thực hiện ở phía
trước bộ thu, tại vùng cao tần của tín hiệu định vị. Các giải pháp này bao gồm việc thiết kế
anten của bộ thu định vị như anten Choke ring, hệ anten hay anten mảng. Thứ hai, các giải
pháp được thực hiện tại các khối xử lý tín hiệu trong bộ thu. Các giải pháp này bao gồm các
giải pháp dựa trên thay đổi cấu trúc vòng khóa pha (PLL), vòng khóa trễ (DLL); các giải pháp
sử dụng tín hiệu tái tạo ở bộ thu khác dạng với tín hiệu thu được để thực hiện quá trình đồng
bộ tín hiệu; các giải pháp sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến. Thứ ba, các giải pháp
được thực hiện sau quá trình xử lý tín hiệu – kỹ thuật hậu xử lý [77]. Trong các giải pháp trên,
các giải pháp theo xu hướng thứ hai, thực hiện tại khối xử lý tín hiệu của bộ thu, có nhiều ưu
điểm hơn so với hai xu hướng còn lại như: hiệu quả, dễ thực hiện và khối lượng tính toán
không lớn. Do đó, các giải pháp này đã và đang được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới tập
trung nghiên cứu.
Ban đầu, các giải pháp giảm nhiễu đa đường

tập trung áp dụng chủ yếu cho tín hiệu định
vị GPS C/A [17, 28, 29, 42, 43, 67, 74, 85, 92, 94, 99]. Do khi đó, các tín hiệu định vị mới
chưa được xây dựng, phát triển, nghiên cứu cũng như chưa chính thức được triển khai trong
các hệ thống GNSS. Các tín hiệu định vị mới xuất hiện cũng là lúc nảy sinh nhiều vấn đề về
kỹ thuật cần phải được giải quyết. Theo quy định phân bổ tần số, các hệ thống GNSS truyền
phát các tín hiệu định vị trên các tần số sóng mang ; ;
. Để tránh sự can nhiễu giữa các tín hiệu định vị mới với tín hiệu định vị



truyền thống (GPS C/A), sử dụng phương thức điều chế khóa dịch pha nhị phân (BPSK) hoặc
giữa các tín hiệu định vị mới sử dụng chung tần số sóng mang, phương thức điều chế mới,
điều chế sóng mang dịch nhị phân (BOC) được đề xuất áp dụng cho các tín hiệu định vị mới
[6, 8]. Các giải pháp giảm nhiễu đa đường ban đầu áp dụng cho tín hiệu định vị GPS C/A vẫn
có thể được áp dụng cho các tín hiệu định vị mới. Tuy nhiên, hiệu quả của các giải pháp này
có thể hơn hoặc kém so với áp dụng cho tín hiệu GPS C/A [54]. Ngoài ra, nhiều giải pháp
giảm nhiễu đa đường mới chỉ dành riêng cho các tín hiệu định vị mới cũng đã được đề xuất,
nghiên cứu, đánh giá và áp dụng. Bên cạnh những ưu điểm mà tín hiệu định vị mới có được
nhờ điều chế BOC, một nhược điểm mới cũng xuất hiện. Nếu ở tín hiệu định vị truyền thống,
hàm tự tương quan (ACF) lý tưởng của nó chỉ là dạng tam giác với một đỉnh tương quan thì
hàm ACF của các tín hiệu định vị mới lại xuất hiện nhiều đỉnh tương quan (gọi là đỉnh tương
quan phụ) bên cạnh đỉnh tương quan chính. Điều này dẫn đến nguy cơ đồng bộ nhầm vào các
đỉnh tương quan phụ. Việc đồng bộ nhầm này gây ra sai số trong quá trình đồng bộ dẫn đến
sai số trong quá trình định vị của bộ thu. Vì vậy, các giải pháp loại bỏ hoặc giảm thiểu nguy
cơ đồng bộ nhầm đã được nghiên cứu, triển khai và áp dụng cho các bộ thu định vị mới. Các
giải pháp này được thực hiện theo một số xu hướng chủ yếu:  Thay đổi cấu trúc của khối đồng bộ tín hiệu trong bộ thu định vị để nhận được một
hàm tương quan (CF) mới thay thế cho hàm ACF của tín hiệu BOC [18, 20, 32, 51,
58, 86, 106, 108, 109]. Hàm CF mới có đặc điểm không có các đỉnh phụ, chỉ còn lại
duy nhất một đỉnh chính. Việc tổng hợp để tạo ra hàm CF tổng hợp mới có thể được
thực hiện theo cách kết hợp tuyến tính hoặc phi tuyến giữa tín hiệu BOC thu được và
các tín hiệu phụ trợ được tạo ra ở bộ thu.
 Sử dụng bộ lọc để tách tín hiệu BOC thu được thành hai tín hiệu BPSK với hàm ACF
chỉ có một đỉnh chính [40, 73]. Khi đó bộ thu định vị thực hiện quá trình xử lý tín hiệu
một cách riêng biệt với mỗi thành phần tín hiệu, dạng giống BPSK, của tín hiệu BOC
thu được.