Thiết kế, chế tạo thử nghiệm máy thu cho hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu - GPS/Galileo

- Xử lý tín hiệu GNSS.
- Khái niệm kênh máy thu và xử lý tín hiệu.
- Lý thuyết về anten mạch dải 2 tần số.
- 68  8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1: Phổ tín hiệu GPS/GALILEO[1.
- 24 Hình 2-3: Công suất tạp âm nhiệt và tín hiệu GPS trong miền tần số.
- Tần số trung tâm 1575.42 MHz[3.
- 50 Hình 2-19: Đồ thị PSD của tín hiệu tới được nhân bởi mã PRN.
- 51 Hình 2-20: Đầu ra từ tìm kiếm không tín hiệu song song.
- 69 Hình 3-3: Anten mạch dải 2 tần số.
- Việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu GALILEO điều khiển bằng phần mềm sẽ góp phần vào lĩnh vực thiết kế, chế tạo hệ thống thu tín hiệu GNSS ở Việt Nam.
- Mục đích của đề tài là nghiên cứu hệ thống máy thu GALILEO sử dụng công nghệ SDR, đi sâu vào nghiên cứu, thiết kế cấu trúc anten 2 băng tần, dải rộng và phân cực tròn xoáy để thu tín hiệu GALILEO (hai băng L1 và E5).
- Chương thứ hai: Trình bày về hệ thống máy thu tín hiệu GPS/ GALILEO sử dụng công nghệ SDR, nghiên cứu sâu về chip MAX2769 được sử dụng trong hệ thống máy thu GPS.
- Chương thứ ba: Nghiên cứu về phương pháp thiết kế anten mạch dải hai tần số, thiết kế và chế tạo anten mạch dải thu tín hiệu GALILEO.
- Hệ thống GPS Khái quát tín hiệu GPS: Các tín hiệu GPS được phát đi trên 2 tần số vô tuyến băng UHF (500 MHz – 3 GHz).
- Tín hiệu GPS chứa ba mẩu thông tin khác nhau - mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch.
- Phần này của tín hiệu là cốt lõi để phát hiện ra vị trí.
- Giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion - Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển.
- Mỗi vệ tinh GALILEO phát quảng bá 10 tín hiệu định vị khác nhau, tùy từng loại dịch vụ mà thu được các tín hiệu khác nhau.
- Đặc điểm là tín hiệu trải phổ đa truy cập phân chia theo mã.
- Vì vậy, thiết kế khối cao tần phải dựa trên mức tạp âm nhiệt mạnh hơn bao nhiêu so với tín hiệu thu được tại băng tần L1.
- Biết rằng, băng L1 GNSS là băng tần được chỉ định cho dịch vụ dẫn đường vô tuyến hàng không, không có tín hiệu nào khác trong khoảng tần số này.
- Hình 2-3: Công suất tạp âm nhiệt và tín hiệu GPS trong miền tần số.
- 26Điện áp tương tự sinh ra từ tín hiệu GPS tới và tạp âm nhiệt được lưu trữ có giá trị rất nhỏ và tại tần số cao đối với hầu hết các bộ biến đổi ADC.
- Tín hiệu GNSS thu được là sóng vô tuyến phân cực tròn xoáy phải, và anten phải được thiết kế phân cực tròn xoáy phải.
- Tham số này đặc trưng cho mức tạp âm thêm vào tín hiệu tương tự khi đi qua hệ thống.
- Bộ lọc Thành phần đầu tiên của đường truyền tín hiệu RF là bộ lọc.
- Hơn nữa, thậm chí các tín hiệu tại các tần số trong băng còn ở những mức suy hao khác nhau.
- Bộ khuếch đại: Khuếch đại là 1 quá trình làm tăng biên độ tín hiệu.
- Chú ý rằng, bộ khuếch đại lý tưởng sẽ chỉ làm tăng biên độ tín hiệu.
- Dĩ nhiên, mục tiêu thiết kế là có 1 thành phần khuếch đại mà khuếch đại được tín hiệu và có mức tạp âm thấp nhất.
- Hầu hết các bộ dao động nội thạch anh, hoặc đứng riêng hoặc được bù nhiệt để tăng khả năng làm việc, không có khả năng tạo ra tần số dao động nội mong muốn cho tín hiệu L1 GNSS.
- Tín hiệu RF được khuyếch đại lên một số lần rất lớn.
- Hình 2-ền tần số.
- Theo đó, tạp âm nhiệt sẽ lấn át các mẫu tín hiệu thu được.
- Bộ lọc thông dải độ rộng 6 MHz này cho phổ của tín hiệu tương tự được lấy mẫu.
- Thứ 2, điểm lồi trong trung tâm của dải thông là tần số IF thu được của tín hiệu sau khi đổi tần.
- Với mức công suất tín hiệu đặc trưng thu được thấp hơn rất nhiều so với tạp âm nhiệt.
- Để phân tách tín hiệu vệ tinh từ tất cả các tín hiệu đầu vào tại anten, cần.
- bởi vậy, phổ biểu diễn sẽ là tổng cộng của tất cả công suất tín hiệu vệ tinh quan sát được.
- 37Hình 2-9: Miêu tả miền tần số đã được cải thiện [3] (tần số trung tâm 1575.42 MHz) Hai yếu tố này dẫn đến một vài cấu trúc từ phổ tín hiệu vệ tinh trong miền tần số của dữ liệu thu thập được.
- Trong hầu hết các phần, dữ liệu giống với tạp âm nhiệt, và yêu cầu phải có tất cả các quá trình xử lý tín hiệu GNSS, tự hiệu chỉnh và sử dụng sự truyền sóng dẫn đường.
- Xử lý tín hiệu GNSS 1.
- Khái niệm kênh máy thu và xử lý tín hiệu Các kênh máy thu Trong hình 2-10 trình bày một cách tổng quan về kênh.
- Hình 2-10: Một kênh máy thu Sự thu thập tạo ra các ước lượng thô các tham số tín hiệu.
- Nếu vệ tinh quan sát được, sự thu thập phải xác định 2 thuộc tính sau của tín hiệu: Tần số: Tần số của tín hiệu từ một vệ tinh nào đó có thể khác so với giá trị chuẩn của nó.
- Trong trường hợp đổi tần, tần số tiêu chuẩn của tín hiệu GPS trên băng L1 tương ứng với tần số trung tần.
- Có nhiều phương thức đã được sử dụng nhưng chúng đều dựa trên thuộc tính tín hiệu GPS.
- Tín hiệu thu được s là tổng của các tín hiệu đến từ n vệ tinh quan sát thấy s(t.
- sn(t) (2.5) Khi đang thu tín hiệu vệ tinh k, tín hiệu đến s được nhân với mã C/A tạo ra tương ứng với vệ tinh k.
- Để tránh việc loại bỏ thành phần tín hiệu mong muốn, bộ tạo mã C/A tạo ra phải được đồng chỉnh đúng lúc, đó là, có pha mã đúng.
- Sau khi nhân với mã tạo ra, tín hiệu phải được trộn với sóng mang tạo ra trong máy thu.
- Nó được thực hiện để loại bỏ thành phần sóng mang ra khỏi tín hiệu thu được.
- Để loại sóng mang từ tín hiệu, tần số của tín hiệu được tạo ra phải rất gần với tần số sóng 40mang của tín hiệu.
- Sau khi trộn với tần số sóng mang tự tạo ra trong máy thu, tất cả các thành phần tín hiệu được bình phương là công tổng để tạo ra một giá trị số.
- Hình 2-11 biểu diễn đồ thị tín hiệu thu được từ một vệ tinh quan sát được.
- Tự hiệu chỉnh: Mục đích chính của tự hiệu chỉnh là để làm chính xác các giá trị của pha mã và tần số và tự hiệu chỉnh các thuộc tính tín hiệu thay đổi theo thời gian.
- Tự hiệu chỉnh mã: Được thực hiện phổ biến nhất là lặp khóa trễ, ở đó có 3 mã nội được tạo ra và tương quan với tín hiệu đến.
- Tín hiệu gốc từ PRN 21 được thể hiện trong tín hiệu thu được.
- Vị trí đỉnh phụ thuộc vào pha mã C/A và tần số của tín hiệu [3].
- Pha mã[chip]Tần số[MHz]Cường độ tín hiệuHình 2-12: Biểu diễn đồ thị thu nhận phổ biến, thực hiện cho 1 vệ tinh mà nó không quan sát thấy tại máy thu GPS.
- Việc này có thể được thực hiện theo 2 cách: Hoặc tự hiệu chỉnh pha của tín hiệu hoặc bằng cách tự hiệu chỉnh tần số.
- Sau đó, nó được sử dụng để tính toán vị trí của vệ tinh tại thời điểm phát tín hiệu.
- Giả khoảng cách được tính toán dựa trên thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh và thời gian đến tại máy thu.
- Với vị trí đã biết của 4 vệ tinh SVNi và tín hiệu đi được khoảng cách ρi, từ đó tính toán vị trí của người sử dụng [3].
- Nó đóng vai trò quan trọng để biết tần số của tín hiệu để tạo ra tín hiệu sóng mang trong máy thu.
- Tín hiệu này được sử dụng để loại bỏ sóng mang tới.
- Thuật toán dựa trên phép nhân các chuỗi mã PRN và các tín hiệu sóng mang tạo ra trong máy thu.
- Tín hiệu đến ban đầu được nhân với chuỗi PRN tạo ra này.
- Sau khi nhân với chuỗi PRN, tín hiệu được nhân bởi tín hiệu sóng mang.
- Trong trường hợp lý tưởng, công suất tín hiệu sẽ được đặt trong thành phần I của tín hiệu, vì mã C/A chỉ được điều chế trên đó.
- Tuy nhiên, tín hiệu I tạo ra tại vệ tinh không đáp ứng cần thiết để giải điều chế I.
- Đó là bởi vì pha của tín hiệu thu được là chưa biết.
- Đầu ra là một giá trị tương quan giữa tín hiệu đến và tín hiệu được tạo ra trong máy thu.
- Sự tạo chuỗi PRN Hình 2-14 cho thấy rằng nhiệm vụ đầu tiên trong phương pháp thu thập tìm kiếm nối tiếp là nhân tín hiệu sóng tới với chuỗi PRN được tạo ra trong máy thu.
- Để thực hiện phép nhân giữa một mã PRN được tạo ra và tín hiệu đến, mã phải được lấy mẫu với tần số lấy mẫu 38.192 MHz giống như tín hiệu thu được.
- Bộ tạo sóng mang phải tạo ra 2 tín hiệu sóng mang vuông pha nhau, tương ứng với sóng cos và sin.
- Tín hiệu phức dược tạo ra sử dụng hàm mũ cơ số e: 2jfeπ.
- Bình phương Lần (Số mẫu)Lần (Số mẫu)Biên độ Biên độ (b)(a) 48được đưa ra để thu được công suất tín hiệu.
- Nếu mã được tạo ra đồng nhất tốt với mã của tín hiệu tới, và tần số của sóng mang tạo ra phối hợp tốt với tần số của tín hiệu tới thì đầu ra sẽ có mức cao đáng kể.
- Hình 2-17: Sơ đồ khối của thuật toán tìm kiếm pha tần số song song Tín hiệu đến được nhân với chuỗi PRN đã tạo ra, với mã tương ứng với vệ tinh đặc trưng nào đó và pha mã nằm trong khoảng 0 và 1022 chip.
- Tín hiệu thu được được chuyển đổi thanh miền tần số bằng biến đổi Fourier.
- Hình 2-18 biểu diễn kết quả của phép nhân tín hiệu tới và chuỗi mã PRN được tạo ra và đồng nhất hoàn toàn.
- Kết quả là 1 tín hiệu sóng liên tục.
- Dĩ nhiên, điều này chỉ xảy ra khi mã PRN tạo ra là đồng nhất hoàn toàn với mã của tín hiệu tới.
- ng, tín hiệu ng chỉnh horõ ràng.
- Đó là, mã PRN sau khi được tạo ra phải được nhân với tín hiệu tới.
- Sau khi nhân mã, tín hiệu được chuyển đổi sang miền tần số bằng phép biến đổi Fourier.
- Sau khi chuyển đổi tín hiệu trog miền tần số bằng thuật toán FFT, nó trở thành tín hiệu phức.
- Nếu mã được tạo ra là đồng chỉnh tốt với mã của tín hiệu tới, đầu ra FFT sẽ có 1 đỉnh tại IF cộng với tần số lệch Doppler.
- Hình 2-20: Đầu ra từ tìm kiếm không tín hiệu song song.
- Tìm kiếm pha mã song song: 53Hình 2-21: Sơ đồ khối thuật toán tìm kiếm pha mã song song Tín hiệu đến được nhân với tín hiệu sóng mang dao động nội.
- Phép nhân của tín hiệu tạo ra tín hiệu I, và nhân với sóng mang dịch pha 90o tạo ra tính hiệu Q.
- Tín hiệu I và Q được kết hợp để tạo ra tín hiệu phức x(n.
- Bước đầu tiên là thực hiện nhân tín hiệu đến với sóng mang sin, cos, tương ứng với thành phần I, Q của tín hiệu.
- Tín hiệu này sẽ được tạo ra như sau: Bộ tạo mã PRN tạo 1 mã không có pha mã.
- Ở chip MAX2769, tín hiệu RF được tạo ra có thể truy cập giữa đầu ra tầng LNA đầu tiên và đầu vào bộ mixer (tương ứng giữa chân 2 và chân 5).
- Nguồn nuôi chip là tín hiệu 1 chiều, điện áp 3V là đầu ra của bộ LDO.
- Một thiết kế anten dạng đĩa tròn cho hệ thống thu tín hiệu GPS tại tần số 1 Anten mạch dải 2 tần số Hình dạng anten được biểu diễn trong hình 3-2.
- Dựa trên những nghiên cứu về hệ thống máy thu sử dụng công nghệ SDR và đặc điểm quá trình xử lý tín hiệu GPS/GALILEO.
- Cần tiếp tục hoàn thiện hệ thống thu tín hiệu GPS/Galileo sử dụng vi xử lý để xử lý tín hiệu băng cơ bản và điều khiển khối xử lý cao tần

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt