Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật beamforming thiết kế bộ thu gnss

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BEAMFORMING THIẾT KẾ BỘ THU GNSS NGUYỄN THANH TÙNG Ngành: KĨ THUẬT TRUYỀN THÔNG Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN THÚY ANH Viện: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI, 2016 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thúy Anh, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi tận tình trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này. Tôi cũng xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới tập thể các thầy, cô giáo của Viện Điện tử - Viễn thông, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng. Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn tất cả các thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ và ủng hộ tôi trong thời gian qua. Xin kính chúc các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn mạnh khoẻ, hạnh phúc và thành công. Hà Nội, ngày 12 tháng 09 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Thanh Tùng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, đƣợc thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS Nguyễn Thúy Anh, Viện Điện tử - Viễn Thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các số liệu, kết luận của luận án là trung thực, dựa trên sự nghiên cứu, của bản thân, chƣa từng đƣợc công bố dƣới bất ký hình thức nào trƣớc khi trình, bảo vệ trƣớc “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật”. Các số liệu, kết quả, kết luận đƣợc tôi tham khảo đã đƣợc trích dẫn nguồn đẩy đủ. Một lần nữa tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên. Hà Nội, ngày 12 tháng09 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Thanh Tùng PHỤ LỤC CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GNSS ................................................................ 1 1.1. Giới thiệu về GNSS..................................................................................... 1 1.2. Thành phần GNSS....................................................................................... 2 1.2.1 Hệ thống GPS........................................................................................ 2 1.2.2 GLONASS ............................................................................................ 7 1.2.3. GALILEO ............................................................................................ 8 1.3. Tín hiệu GNSS .......................................................................................... 12 1.4. Xử lý tín hiệu và thiết kế bên nhận ........................................................... 13 1.5. Hệ thống tham chiếu ................................................................................. 15 1.5.1. Hệ thống phối hợp .............................................................................. 15 1.5.2. Khung tham chiếu thời gian ............................................................... 18 1.6. Kỹ thuật quan sát ....................................................................................... 18 1.6.1 Mã giả cự ly đo ................................................................................... 19 1.6.2 Pha giả cự ly đo ................................................................................... 20 1.6.3 Lỗi quan sát GNSS .............................................................................. 20 1.6.4 Kỹ thuật vị trí GNSS ........................................................................... 22 1.7. Hệ thống wireless và ứng dụng GNSS...................................................... 26 1.7.1 Thời gian và đồng bộ .......................................................................... 26 1.7.2 GNSS và mạng wireless ...................................................................... 26 1.7.3 Mạng RTK .......................................................................................... 27 1.7.4. Dịch vụ xác định vị trí........................................................................ 28 1.8. Kết luận ..................................................................................................... 30 CHƢƠNG 2: CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING........................................... 31 2.1 Giới Thiệu .................................................................................................. 31 2.2 Kỹ thuật MSNR Beamforming .................................................................. 31 2.2.1 Cực đaị tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSNR) ........................................... 31 2.2.2 Phƣơng thức cải tiến SE cho Beamforming ....................................... 34 2.2.3 Pha tín hiệu trong Eigen-Beamforming .............................................. 35 2.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming ................................................................ 36 2.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR) ............................................ 37 2.3.2 Xác định giá trị cực đại của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR) ......... 39 2.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming .................................................................. 40 CHƢƠNG 3 KỸ THUẬT BEAMFORMING CHO BỘ LỌC KHÔNG GIAN . 43 3.1. Thuật ngữ và khái niệm đơn giản ............................................................. 43 3.1.1.Beamforming và bộ lọc không gian .................................................... 43 3.1.2. Thống kê yêu cầu thứ 2 ...................................................................... 49 3.1.3 Phân loại Beamformer......................................................................... 51 3.2. Beamforming dữ liệu đọc lập.................................................................... 52 3.2.1. Beamforming cổ điển ......................................................................... 52 3.2.2. Thiết kế đáp ứng độc lập dữ liệu chung ............................................. 53 3.3. Beamforming tối ƣu thống kê ................................................................... 57 3.3.1. Loại bỏ đa sidelobe ............................................................................ 57 3.3.2. Sử dụng một tín hiệu tham chiếu ....................................................... 58 3.3.3. Sự lớn nhất của tỷ số tín hiệu trên tạp âm .......................................... 59 3.3.4.Beamforming phƣơng sai nhỏ rằng buộc tuyến tính .......................... 59 3.3.5. Loại bỏ tín hiệu trong thống kê beamforming tối ƣu ......................... 63 3.4. Các thuật toán đáp ứng cho beamforming ................................................ 64 3.5. Loại bỏ nhiễu và beamforming thích ứng một phần ................................. 68 3.6. Kết luận ..................................................................................................... 70 CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ BÊN THU GNSS ĐA KÊNH ĐA BEAMFORMING GIẢM NHIỄU ...................................................................................................... 70 4.1. Lý thuyết thiết kế ...................................................................................... 70 4.2. Các mô hình .............................................................................................. 71 4.2.1. Mô hình tín hiệu GNSS ...................................................................... 71 4.3. Đƣa ra sơ đồ toán học cho bên thu GNSS ................................................ 72 4.3.1. Mô hình hệ thống ............................................................................... 72 4.3.2. triển khai beamforming ...................................................................... 73 4.3.3. Phƣơng sai nhỏ ràng buộc tuyến tính beamforming (LCMV) ........... 75 4.3.4. Mô hình hoạt động ............................................................................. 76 4.4. Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 77 4.5. Kết luận ..................................................................................................... 81 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1. chòm sao GPS 3 Hình 1.3. Những phân đoạn GPS 4 Hình 1.4. Điều chế hai pha sóng mang 5 Hình1.5. Các tín hiệu GPS 7 Hình 1.6. Kiến trúc hệ thống GALILEO 11 Hình 1.7. Hệ thống vệ tinh định vị vô tuyến (RNSS) định nghĩa phổ tần số cho các tín hiệu GNSS 13 Hình 1.8. Khái niệm bên nhận hai Galileo/GPS 15 Hình 1.9. Hệ thống kết hợp ECEF và trục toạ độ 17 Hình 1.10. Khái niệm cơ bản của dải đo 19 Hình 1.11. Sự điều chỉnh khác nhau 25 Hình 1.12. Mạng RTK 28 Hình 1.13. Thành phần của hệ thống AVL 29 Hình 3.1. Mô hình beamformer kết hợp tuyến tính của đầu ra sensor 44 Hình 3.2. Một mảng gắn với đƣờng trễ cung cấp một lấy mẫu không gian/ thời gian của đƣờng truyền 47 Hình 3.3. Sự tƣơng tự giữa một mảng đƣờng hẹp nhiều hƣớng khoảng cách bằng nhau và một bộ lọc FIR một kênh 48 Hình 3.4. Mô tả sự truyền dữ liệu ở mỗi một sensor trong miền tần số 51 Hình 3.5. Beamformer đến từ trong hai mảng dữ liệu độc lập và thống kê giá trị tối ƣu 55 Hình 3.6. MSC bao gồm một kênh chính và một vài kênh phụ 58 Hình 3.7 GSC thực hiện beamformer LCMV trong đó thích ứng trọng số là không giới hạn 63 Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống 73 Hình 4.2. Tín hiệu băng thông 77 Hình 4.3. Cƣờng độ tín hiệu hai kênh đầu tiên 78 Hình 4.4. Tín hiệu đầu ra của dịch pha Beamformer 78 Hình 4.5. Đồ thị cực yếu tố mảng dịch pha Beamformer 79 Hình 4.6. Tín hiệu đầu ra của dịch pha beamformer với sự có mặt của nhiễu 79 Hình 4.7. Tín hiệu đầu ra của MVDR beamformer với sự có mặt của nhiễu 80 Hình 4.8. Đồ thị cực yếu tố mảng dịch pha Beamformer và MVDR beamformer 80 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 ............................................................................................................... 55 Bảng 3.2 ............................................................................................................... 66 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AOA Angle ofArrival Gócđến tín hiệu AWGN Additive White Gaussian Noise Cộng nhiễu trắng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha PSK 2 mức CG Coding Gain Mã hoá cổng dB Decibel DMI Diercted Matric Invesion Ma trậnđảo trực tiếp DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh điều khiển dữ liệu EGC Equal Gain Combine Tổ hợp cùngđộ lợi ISI Inter Symbol Interfere Nhiễu xuyên ký tự GE Generalized Eigenvalue Nhóm các giá trị riêng ML Maximum Likelihood Cựcđại tốiƣu MLSE Maximum Likelihood Sequence Đánh giáchuổi cựcđại tốiƣu Estimation MMSE Minimum Mean Square Error Tối thiểu bình phƣơng sai lệnh MRC Maximum Ratio Combine Bộ tổ hợptỷ số tối đa OFDM Orthogonal Frequency Division Điều chế tần số trực giao Multiplexing PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PSK Phase Shift Keying Điều chế pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế QAM QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế RF Radio Frequence Sóng radio SC Selected Combine Bộ tổ hợp chọn lọc SE Simple Eigen Giá trị riêng đơn giản SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự SINR Signal to Interference plus-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu/ nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt SISO Single Input Single Output Vàođơn ra đơn SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu TCM Trellis Code Modulation Mã hoá lƣới TCM WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, thế giới thông tin ngày càng phát triển một các đa dạng và phong phú. Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống càng tăng cả về chất lƣợng và số lƣợng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành viễn thông cần mở rộng. Trong những năm gần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bƣớc tiến vƣợt bặc đáp ứng nhu cầu đời sống, đƣa con ngƣời nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa học kỹ thuật. Sự ra đời của nhiều loại phƣơng tiện tiên tiến nhƣ máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi một kỹ thuật mà các hệ thống cũ không đáp ứng đƣợc hay đáp ứng nhƣng vẫn chƣa phù hợp với nhu cầu cuộc sống hiện nay, ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GNSS ra đời. Việc ứng dụng công nghệ GNSS trong các bài toàn quản lý phƣơng tiện giao thông, do thám, định vị đã trở nên phổ biến trên thế giới. Với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, GNSS ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả, mang lại giá trị gia tăng cao dựa trên nền tảng các dịch vụ viễn thông. Ở Việt Nam, các ứng dụng GPS đã bắt đầu đƣợc ứng dụng trong hàng không, quân sự, giao thông… tuy nhiên các ứng dụng GNSS còn có nhiều hạn chế về việc tích hợp hệ thống và xử lý nhiễu, phục vụ các nhu cầu đặc thù xã hội chƣa hiệu quả cao. Với mục đích nghiên cứu kỹ thuật Beamforming để làm giảm nhiễu nâng cao chất lƣợng của hệ thống định vị GNSS. Luận văn này của em có tên là: “Ứng dụng kỹ thuật beamforming thiết kế bộ thu GNSS”. Trong phạm vi luậnvăn này em xin trình bày hiểu biết của mình về hệ thống GNSS và nghiên cứu một ứng dụng kỹ thuật beamforming thiết kế bộ thu GNSS. Tín hiệu thu của hệ thống GNSS chịu ảnh hƣởng rất lớn của nhiễu, lý thuyết và phƣơng pháp luận ứng dụng kỹ thuật để làm sao lấy mẫu và khôi phục lại đƣợc tín hiệubị nhiễu khi truyền trong không gian.v.v... Do đề tài là một lĩnh vực mới, bản thân kiến thức còn nhiều hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi nhiều thiếu sót, em mong nhận đƣợc sự góp ý và chỉ bảo của thầy cô và các bạn sinh viên để nội dung đề tài đƣợc hoàn thiện và phong phú hơn. Khi thực hiện đề tài này, em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn và Viện Điện tử-Viễn thông, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội,đặc biệt là côNguyễn Thúy Anh đã nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình xác định,tìm hiểu và thực hiện đề tài.Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Hữu Trung đã cung cấp thêm cho em kiến thức và giúp em giải đáp những thắc mắc,đƣa ra lời khuyên góp ý cho đề tài của em. Em xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT LUẬN VĂN Mục đích trong luận văn là nghiên cứu phƣơng pháp giảm thiểu nhiễu trong hệ thống GNSS. Đƣa ra những lý thuyết về beamforming nhƣ cách tiếp cận của luận văn để thiết kế bên nhận cho phép theo hoạt động định vị phƣơng tiện. Đặc biệt chú ý đến kiểm soát beam. Đƣa ra lý thuyết đa beam đƣợc sử dụng để theo dõi các vệ tinh cho sự vững mạnh của hệ thống trong mỗi trƣờng nhiễu. Các đặc điểm của mô hình hệ thống đề xuất đƣợc thể hiện bằng mô phỏng Matlab. Nội dung gồm 4 chƣơng chính Chƣơng 1: Tổng quan về GNSS Chƣơng 2: Các kỹ thuật beamforming Chƣơng 3: Kỹ thuật beamforming cho bộ lọc không gian Chƣơng 4: Thiết kế bên thu GNSS đa kênh đa beamforming giảm nhiễu ABTRACT The main purpose of this project is to study the problem of interference mitigation in GNSS navigation. We introduce the novel concept of multi-beamforming as our approach to multi-channel receiver design in order to enable dynamic tracking of statellite vehicles within the field of view. Special attention is given to beamwith control. Multiple-beam scheme is used to track satellites for the robustness of the system under interference envirionment. The characteristics of propose system model is demonstrated using Matlab simulations This project includes four chaptes, is summarized: Chapter 1. Introduction GNSS Chapter 2. Beamformingtechniques Chapter 3. Beamforming techniques for Spatial Filtering Chapter 4. Multi-beamforming Multi – channel GNSS receiver design for interference mitigation CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GNSS 1.1. Giới thiệu về GNSS Kể từ ngày đầu khai thác đến nay, công nghệ định vị vệ tinh đã sử dụng tại Việt Nam gần 20 năm. Hầu hết ngƣời sử dụng Việt Nam đều đã quen với cụm từ Hệ thống định vị vệ tinh GPS. Trên thực thế đến thời điểm này thế giới của công nghệ định vị vệ tinh đã và đang có xu hƣớng thay đổi to lớn. Thuật ngữ hệ thống đãn đƣờng vệ tinh toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System) đang dần thay thế cho thuật ngữ Hệ thống định vị vệ tinh GPS khi các chuyên gia đề cập hay thảo luận về công nghệ dẫn đƣờng vệ tinh. Hội nghị GPS thƣờng niên do Viện Đạo Hàng ION (Institute Of Navigation), nay đƣợc biết đến với tên gọi mới Hội nghị thƣờng niên ION GNSS. Tổ chức dịch vụ GPS quốc tế (the Internation GPS Service) bây giờ đƣợc gọi bằng tên mới tổ chức các dịch vụ GNSS. Trong suốt thời gian dài vừa qua, GPS vẫn là lựa chọn chính cho tất cả mọi ứng dụng. Mặc dù vậy, với chƣơng trình nâng cấp và đổi mới hệ thống GLONASS (Global Navigation Satellite System) và chƣơng trình xây dựng hệ thống Galileo của cộng đòng Châu Âu hay hệ thống vệ tinh định vị đầy tham vọng COMPASS của Trung Quốc chắc chắn sẽ tạo ra những thay đổi lớn trong bức tranh toàn cảnh vệ tƣơng lai của công nghệ định vị vệ tinh. Thêm vào đó, bản thân GPS cũng đang có các chƣơng trình nâng cấp ấn tƣợng trong thập kỷ tới nhằm cải thiện và nâng cao khả năng tích hợp cũng nhƣ độ chính xác của số liệu mà hệ thống này đang cung cấp. Ví dụ nhƣ sự kêt hợp của GPS và Galileo, khi hai hệ thống đi vào hoạt động sẽ cung cấp số lƣợng vệ tinh gấp đôi số lƣợng vệ tinh hiện có của GPS, nâng cao độ chính xác tín hiệu và khả năng quan sát vệ tinh của GNSS. Những đổi thay mang tính chiến lƣợc này có ảnh hƣởng tới các ứng dụng trong lĩnh vực đo đạc và bản đồ. Dự án nâng cấp hệ thống đã có cùng với dự án xây dựng mới hệ thống Galileo làm nảy sinh rất nhiều câu hỏi của ngƣời sử dụng liên quan tới Nguyễn Thanh Tùng Trang 1 các vấn đề nhƣ độ chính xác, khả năng dò tìm vệ tinh, chi phí khai thác sử dụng, khả năng nâng cấp thiết bị và rất nhiều các vấn đề khác 1.2. Thành phần GNSS Một GNSS bao gồm ba công nghệ vệ tinh : GPS, Glonass và Galoleo. Mỗi một công nghệ vệ tinh lại bao gồm ba phân đoạn chính: phân đoạn không gian, phân đoạn điều khiển và phân đoạn ngƣời dùng. Ba phân đoạn này thƣơng tƣơng tự nhƣ nhau trong ba công nghệ vệ tinh, ba công nghệ vệ tinh đó gọi là GNSS. Nhƣ ngày nay, công nghệ vệ tinh hoàn thiện đó là công nghệ GPS và hầu hết đang ứng dụng trên toàn thế giới là GPS. Công nghệ GNSS sẽ trở nên dễ hiểu hơn sau khi hoạt động của Galileo và tái cấu trúc của Glonas trong các năm tới đây 1.2.1 Hệ thống GPS Bộ quốc phòng mỹ đã phát triển vệ tinh Navstar GPS, mọi thời tiết, không gian dựa trên hệ thống định vị vệ tinh để đáp ƣng nhu cầu quân sự của mỹ và xác định chính xác vị trí, vận tốc và thời gan hệ thống tham chiếu, bất cứ nơi đâu trên hoặc gần trái đất GPS đã có một tác động đáng kể trên hầu nhƣ tất cả vị trí, dẫn đƣờng, thời gian và ứng dụng giám sát. Nó cung cấp mã tín hiệu vệ tinh cái mà có thể xử lý trong bộ thu GPS, cho phép bên nhận ƣớc tính vị trí, vận tốc và thời gian. Ở đây là bốn tín hiệu vệ tinh GPS cái đó đang đƣợc sử dụng tính toán vị trí không gian ba chiều và thời gian bù đắp cho đồng hồ thu, GPS bao gồm ba thành phần chính: - Phân đoạn không gian: Một phân đoạn không gian của hệ thống của vệ tinh GNSS xem hình 1.1. Những phƣơng tiện không gian gửi tín hiệu radio đến không gian xem hình 1.2 - Phân đoạn điều khiển : Một phân đoạn điều khiển bao gồm một hệ thống các trạm theo dõi ở khắp thế giới. Nguyễn Thanh Tùng Trang 2 -Phân đoạn ngƣời dùng : một phân đoạn ngƣời dùng bao gồm máy thu GPS và cộng đồng ngƣời sử dụng. Máy thu GPS chuyển phƣơng tiện không gian tín hiệu vào trong vị trí, vận tốc và ƣớc tính thời gian. Hình 1.1. chòm sao GPS Hình 1.2. Tín hiệu vệ tinh GPS Nguyễn Thanh Tùng Trang 3 Vệ tinh đƣợc phân tán trong sáu vệ tinh nhỏ trên quỹ đạo gần nhƣ tròn với khoảng cách tới bề mặt trái đất khoảng 20,200Km, nghiêng 55 độ so với xích đạo và với chu kỳ quỹ đạo xấp xỉ 11 giờ 58 phút Hạng là khối I, khối II, khối IIR và khối IIA. Hình 1.3 thể hiện phân doạn chính GPS Hình 1.3. Những phân đoạn GPS a) Tín hiệu GPS Các tín hiệu đƣợc tạo ra trên khoảng vệ tinh dựa vào hoặc có nguồn gốc của tần số cơ bản f0 =10.23MHz. Tín hiệu điều khiển bằng đồng hồ nguyên tử và có độ ổn định trong dải 10-13 trong một ngày. Hai tín hiệu sóng mang L-bnad, ký hiệu L1 và L2, đƣợc tạo bởi phép nhân số nguyên của f. Hai sóng mang L1 và L2 là điều chế cùng pha bằng mã cung cấp đồng hồ vệ tinh để bên nhận và truyền tín hiệu nhƣ phần tử quỹ đạo. Mã bao gồm một chuỗi +1 và -1, tƣơng ứng nhƣ giá trị nhị phân 0 hoặc 1. Điều chế cùng pha thể hiện là một khoảng 1800 trong pha sóng mang trong bất cứ khi nào thay đổi trạng thái mã xảy ra (Hình 1.4). Mã C/A (clear/access) và mã chính xác P (P-code) Nguyễn Thanh Tùng Trang 4