Báo cáo khoa học: "Cấu trúc tín hiệu DVB-T và khả năng ứng dụng trong kỹ thuật định vị"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

85
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Mục đích của bài báo là đề xuất một ph-ơng pháp định vị mới bổ sung cho hệ thống định vị GPS truyền thống. Ph-ơng pháp này có thể áp dụng với các thiết bị truyền phát không dây nh- điện thoại di động, máy tính xách tay, các thiết bị giám sát, tìm kiếm, cứu hộ... hoạt động trong môi tr-ờng di động hoặc cố định nh-ng không đủ điều kiện thu tín hiệu từ vệ tính GPS, đặc biệt là môi tr-ờng trong nhà hoặc bị che khuất ở các đô thị, thành phố lớn... ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "Cấu trúc tín hiệu DVB-T và khả năng ứng dụng trong kỹ thuật định vị"

CÊu tróc tÝn hiÖu DVB-T vµ kh¶ n¨ng øng dông trong kü thuËt ®Þnh vÞ nguyÔn Quang TuÊn NCS chuyªn ngμnh Th«ng tin - §iÒu khiÓn giao th«ng §¹i häc Giao th«ng T©y Nam Trung quèc Tãm t¾t: Môc ®Ých cña bμi b¸o lμ ®Ò xuÊt mét ph−¬ng ph¸p ®Þnh vÞ míi bæ sung cho hÖ thèng ®Þnh vÞ GPS truyÒn thèng. Ph−¬ng ph¸p nμy cã thÓ ¸p dông víi c¸c thiÕt bÞ truyÒn ph¸t kh«ng d©y nh− ®iÖn tho¹i di ®éng, m¸y tÝnh x¸ch tay, c¸c thiÕt bÞ gi¸m s¸t, t×m kiÕm, cøu hé... ho¹t ®éng trong m«i tr−êng di ®éng hoÆc cè ®Þnh nh−ng kh«ng ®ñ ®iÒu kiÖn thu tÝn hiÖu tõ vÖ tÝnh GPS, ®Æc biÖt lμ m«i tr−êng trong nhμ hoÆc bÞ che khuÊt ë c¸c ®« thÞ, thμnh phè lín... Trong khi ®ã t¹i nh÷ng m«i tr−êng nμy l¹i cã thÓ thu ®−îc tÝn hiÖu cña c¸c hÖ thèng truyÒn h×nh víi c−êng ®é m¹nh vμ sè l−îng kªnh dÞch vô phong phó. Bμi b¸o ®i s©u vμo giíi thiÖu nguyªn lý c¬ b¶n cña hÖ thèng GPS vμ ph©n tÝch nguyªn lý cÊu tróc tÝn hiÖu truyÒn h×nh sè DVB-T tõ ®ã ®−a ra kh¶ n¨ng øng dông cña tÝn hiÖu DVB-T trong tÝnh to¸n ®Þnh vÞ mμ vÉn ®¶m b¶o c¸c tham sè nh− ®é chÝnh x¸c vμ tÝnh linh ho¹t. Trªn c¬ së ®ã kÕt hîp víi hÖ thèng GPS thμnh mét hÖ thèng hoμn chØnh h¬n, ho¹t ®éng ®−îc trong mäi ®iÒu kiÖn m«i tr−êng. Summary: The aim of the article is to propose a new positioning (radiolocating) method besides the GPS traditrional positioning system. The method can be applied to wireless brocasting devices such as cellphones, laptops, seaching, life-guarding ones... working in CT 2 mobile or fix environments in which they can not pick up signal from GPS satellite especialy indoor environment or shadowed ones in urban areas, big cities, whereares, in those environment picking up the signal of televising system with high intensity and various sevice channel. The article goes in to details to introduce basic principle of GPS system and analyse the principle of DVB-T digital televising signal structure, from which it raises the applicapility of DVB-T signal in positioning amputation and remains guarantecing parameters like accuracy and flexibility. On that basic, in cooperation with GPS system, it makes a more integrated system which can work in all the environments. I. Giíi thiÖu chung Tr−íc nhu cÇu dÞch vô ®Þnh vÞ ngµy mét gia t¨ng vµ ®−îc øng dông hiÖu qu¶ trong nÒn kinh tÕ quèc d©n. Cô thÓ nh− c¸c hÖ qu¶n lý giao th«ng th«ng minh, du lÞch, dÉn ®−êng, gi¸m s¸t, c¸c dÞch vô c¸ nh©n... Kh¸i niÖm hÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu trë nªn quen thuéc vµ phæ cËp ë kh¾p n¬i trªn thÕ giíi, gi¸ thµnh c¸c thiÕt bÞ c¸c nh©n ngµy cµng gi¶m khiÕn bÊt kú ai cã nhu cÇu còng cã thÓ sö dông, hiÖn nay lo¹i m¸y thu 12 kªnh ®¬n gi¶n chØ cã gi¸ cì (50-100) USD. Thªm vµo ®ã c¸c hÖ thèng ®Þnh vÞ GPS còng ngµy cµng hoµn thiÖn h¬n c¶ vÒ cÊu tróc l−íi vÖ tinh, tuæi thä, cÊu tróc b¶n tin... HiÖn nay trªn thÕ giíi cã mét sè hÖ thèng GPS chÝnh lµ LORAN- C (dïng ë ch©u ¢u); GLONASS (cña Nga) vµ GPS cña Mü. Nh−ng m¹nh vµ phæ th«ng h¬n c¶ lµ hÖ thèng GPS cña Mü víi hÖ thèng ®ang dïng ®−îc gäi lµ GPS II (thÕ hÖ thø 2). §ång thêi chÝnh phñ Mü ®· vµ ®ang ®Æt hµng h·ng LOCKHEET nghiªn cøu vµ ®−a vµo sö dông GPS III
víi mét cuéc c¸ch m¹ng trong cÊu tróc vµ tæ chøc th«ng tin, qua ®ã kh¾c phôc mét sè nh−îc ®iÓm cßn tån t¹i cña c¸c hÖ thèng GPS ®· cã trong nh÷ng n¨m qua, ®ã lµ nhiÒu khi m¸y thu chØ “nh×n thÊy” mét hoÆc h¬n mét vÖ tinh trong khi tèi thiÓu ph¶i thÊy bèn vÖ tinh th× sè liÖu tÝnh to¸n míi ®ñ ®é tin cËy. Víi GPS III th× chØ cÇn “nh×n thÊy“ mét vÖ tinh GPS lµ ®ñ (®©y chÝnh lµ môc tiªu x©y dùng GPS III). Nh−ng trong thùc tÕ vµ trong thêi gian dµi tíi vÉn ch−a cã mét hÖ GPS nµo cã thÓ cho sè liÖu ®Þnh vÞ chÝnh x¸c khi ®èi t−îng ®Þnh vÞ hoµn toµn bÞ che khuÊt vµ kh«ng “nh×n thÊy” bÊt kú mét vÖ tinh GPS nµo theo c¶ nghÜa ®en vµ nghÜa bãng. Nh− vËy cÇn ph¶i cã mét hÖ thèng n÷a ®Ó kh¾c phôc vÊn ®Ò nµy. §©y kh«ng ph¶i lµ vÊn ®Ò míi, ®· tõ l©u c¸c nhµ khoa häc trªn thÕ giíi ®· nghiªn cøu vµ ®−a ra nhiÒu gi¶i ph¸p c«ng nghÖ nh− kÕt hîp hÖ thèng ®¹o hµng vµ GPS (GPS vµ INS); hÖ thèng GPS vµ m¹ng ®iÖn tho¹i di ®éng (GPS vµ GMS hay GPS vµ WCDMA); hÖ thèng GPS vµ m¹ng th«ng tin riªng... Nh−ng tÊt c¶ c¸c ph−¬ng ¸n nµy ®Òu cã c¸c nh−îc ®iÓm riªng hoÆc cã kÕt cÊu m¹ng phøc t¹p, hoÆc cã gi¸ thµnh cao, hoÆc yªu cÇu cÊp b¨ng tÇn riªng... Trong khi ®ã hiÖn nay mét hÖ thèng truyÒn h×nh míi ®· vµ ®ang ®−îc ®−a vµo khai th¸c vµ ngµy mét ph¸t triÓn m¹nh, ®Æc biÖt lµ ë c¸c n−íc cã tr×nh ®é c«ng nghÖ cao, ®ã lµ hÖ thèng truyÒn h×nh kü thuËt sè (DTV – Digital Television). T¹i B¾c Mü chÝnh thøc ®−a vµo qu¶ng b¸ n¨m 1998 víi hÖ DTV theo tiªu chuÈn ATSC..., ®iÒu chÕ tÝn hiÖu theo ph−¬ng ph¸p “vÕt 8 møc” 8 – VSB; ch©u ¢u víi DVB – T... tÝn hiÖu ®−îc ®iÒu chÕ theo ph−¬ng ph¸p chia tÇn trùc giao OFDM; NhËt b¶n còng cã hÖ thèng riªng ISDB – T. Tuy nguyªn lý ®iÒu chÕ tÝn hiÖu truyÒn h×nh sè cña c¸c hÖ cã kh¸c nhau vµ cã c¸c −u thÕ nhÊt ®Þnh nh−ng ®Òu cã ®Æc tr−ng chung lµ chóng ®Òu ®−îc cµi c¸c m· ®ång bé trong qu¸ tr×nh ®iÒu chÕ nh»m môc ®Ých ®ång bé ph¸t – thu, lo¹i trõ hiÖu øng ®a ®−êng, chèng giao thoa ®ång kªnh... VËy cßn cã thÓ sö dông tÝn hiÖu m· xung ®ång bé cña DTV vµo môc ®Ých ®Þnh vÞ hay kh«ng? VÒ lý thuyÕt cã thÓ tr¶ lêi ngay lµ ®−îc. §©y còng chÝnh lµ môc ®Ých cña bµi b¸o vµ ®Ó ®¬n gi¶n ho¸ vÊn ®Ò chóng ta cÇn ®Ò cËp tíi m· ®ång bé cña DTB-T. CT 2 II. Nguyªn lý vμ ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n cña hÖ ®Þnh vÞ toμn cÇu GPS Ngay tõ nh÷ng n¨m 50 cña thÕ kû 20, t¹i phßng thÝ nghiÖm vËt lý øng dông cña tr−êng ®¹i häc John Hopkins ®· ph¸t hiÖn ra kh¶ n¨ng sö dông vÖ tinh ®Ó ®Þnh vÞ c¸c vËt ®ang chuyÓn ®éng (vµ ®¹o hµng). Vµo n¨m 1964 hÖ thèng vÖ tinh nh©n t¹o cã quü ®¹o theo kinh tuyÕn tr¸i ®Êt ®· thùc hiÖn thµnh c«ng viÖc t¹o ra hÖ thèng ®Þnh vÞ vµ ®¹o hµng cho tµu bÌ trªn biÓn (gäi lµ hÖ thèng Transit) vµ tõ ®ã më ra c¸c dÞch vô ®Þnh vÞ d©n dông, nh−ng hÖ thèng nµy vÉn cßn nhiÒu thiÕu sãt. TiÕp b−íc hÖ thèng nµy cã nhiÒu hÖ thèng t−¬ng tù kh¸c cña ch©u ¢u vµ ®Æc biÖt lµ n−íc Nga x« viÕt víi hÖ thèng Tsiscada còng ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c t−¬ng tù. Vµo th¸ng 12 n¨m 1973 mét hÖ thèng ®Þnh vÞ vÖ tinh míi ®−îc thùc hiÖn, ®ã lµ hÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu vÖ tinh ®¹o hµng theo cù ly vµ thêi gian (Navigation Satellite with Timing and Ranging Global Positing System) gäi t¾t lµ NAVSTAR/GPS, hiÖn nay vÉn gäi lµ GPS. Tr¶i qua h¬n 20 n¨m nç lùc nghiªn cøu ph¸t triÓn víi chi phÝ kho¶ng 20 tû USD, tíi n¨m 1994 hÖ thèng nµy ®· chÝnh thøc ®−îc ®−a vµo sö dông. Víi kh¶ n¨ng cung cÊp c¸c th«ng tin ®Þnh vÞ bÊt cø lóc nµo ë bÊt kú ®©u trªn tr¸i ®Êt víi ®é chÝnh x¸c cao, chèng can nhiÔu tèt trªn c¬ së to¹ ®é ba chiÒu víi thêi gian thùc vµ c¸c th«ng tin thêi gian kh¸c... Song song víi GPS còng cã c¸c hÖ thèng ®Þnh vÞ t−¬ng tù nh− hÖ thèng Galileo ë ch©u ¢u, GLONASS ë Nga (Global Navigation Satellite System) víi nguyªn lý t−¬ng tù, chØ kh¸c nhau bëi c¸c th«ng sè hÖ thèng nh− vÞ trÝ, sè l−îng chïm vÖ tinh... Trong ph¹m vi bµi b¸o chóng ta chØ ®Ò cËp tíi kÕt cÊu vµ ho¹t ®éng cña mét hÖ thèng ®¹i diÖn ®ã lµ hÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu GPS.
1. KÕt cÊu c¬ b¶n hÖ thèng GPS GPS thùc chÊt lµ lîi dông vÖ tinh nh− lµ ®µi ph¸t ®¹o hµng cña hÖ thèng ®Þnh vÞ v« tuyÕn ®iÖn. HÖ thèng nµy do ba bé phËn c¬ b¶n hîp thµnh (h×nh 1): bé phËn kh«ng gian (chïm vÖ tinh), bé phËn khèng chÕ mÆt ®Êt (c¸c tr¹m gi¸m s¸t, hiÖu chØnh quü ®¹o, thêi gian t¹i mÆt ®Êt), thiÕt bÞ thu ®Þnh vÞ (m¸y thu). Bé phËn ®iÒu khiÓn mÆt ®Êt gåm 5 tr¹m ph©n bè trªn ba ®¹i d−¬ng, trong ®ã tr¹m chñ dùa trªn nÒn hÖ thèng ®iÒu khiÓn kh«ng gian Falcol cña kh«ng qu©n Mü ®Æt t¹i Colorado Springs (bang Colorado). Môc ®Ých cña bé phËn ®iÒu khiÓn lµ hiÓn thÞ ho¹t ®éng cña c¸c vÖ tinh, x¸c ®Þnh quü ®¹o cña chóng, xö lý c¸c ®ång hå nguyªn tö, truyÒn c¸c th«ng ®iÖp cÇn phæ biÕn lªn c¸c vÖ tinh. C¸c tr¹m gi¸m s¸t lµ c¸c tr¹m thu tÝn hiÖu v« tuyÕn kh«ng ng−êi cã nhiÖm vô liªn tôc b¸m s¸t c¸c vÖ tinh, thu c¸c tÇn sè 2200 – 2300 MHz, thu thËp c¸c th«ng tin khÝ t−îng vµ tÇng ®iÖn ly, sau mçi gi·n c¸ch 15 phót l¹i cung cÊp cho tr¹m chñ mét b¶n tin d÷ liÖu gi¸m tr¾c hoµn chØnh. Tr¹m ®iÒu khiÓn chÝnh lµ trung t©m xö lý mäi d÷ liÖu, trªn c¬ së toµn bé d÷ liÖu cña tr¹m gi¸m tr¾c tù ®éng sÏ tÝnh ra lÞch h»ng tinh cña mçi vÖ tinh, sè trÞ sè cÇn hiÖu chØnh ®ång hå, d÷ liÖu tr¹ng th¸i vµ c¸c d÷ liÖu khÝ quyÓn, Ên ®Þnh ph−¬ng thøc biªn tËp cho ®iÖn v¨n ®¹o hµng vÖ tinh, sau ®ã ph¸t ®Õn c¸c tr¹m hiÖu chØnh mÆt ®Êt sau mçi kho¶ng c¸ch 8 giê, 3 tr¹m nµy sÏ ph¸t tíi c¸c vÖ tinh mét ®iÖn v¨n ®¹o hµng, tÇn sè kªnh ph¸t lªn lµ 1750 – 1850 MHz. Bé phËn khèng chÕ mÆt ®Êt cã s¬ ®å khèi nh− h×nh 1. VÖ tinh GPS VÖ tinh GPS CT 2 Xö lý d÷ liÖu Bé K§ §iÒu chÕ, c«ng suÊt gi¶i ®iÒu chÕ Quan tr¾c lÞch h»ng §iÒu chÕ, Biªn tËp ®iÖn M¸y thu Xö lý d÷ liÖu tinh vµ thêi gian gi¶i ®iÒu chÕ v¨n ®¹o hµng ThiÕt bÞ ph¸t lÖnh §ång hå TÝnh to¸n ThiÕt bÞ c¶m øng chuÈn sai sè khÝ t−îng Kho d÷ liÖu, bé l−u tr÷ vµ thiÕt bÞ ngo¹i vi H×nh 1. S¬ ®å khèi hÖ thèng GPS Chïm vÖ tinh GPS gåm 21 chiÕc c«ng t¸c vµ 3 c¸i dù bÞ t¹o thµnh 24 vÖ tinh ph©n bè ®Òu trong mét kh«ng gian nghiªng (tÝnh gãc nghiªng so víi xÝch ®¹o) 550 vµ chia lµm 6 mÆt ph¼ng quü ®¹o, do ®ã xÝch kinh cña c¸c mÆt ph¼ng quü ®¹o c¸ch nhau 600, mçi mÆt ph¼ng quü ®¹o sÏ ph©n bè 4 vÖ tinh. C¸c quü ®¹o cã thÓ coi lµ h×nh trßn, gãc lÖch t©m coi b»ng 0, b¸n kÝnh lín cña quü ®¹o kho¶ng 26609 km, ®é cao b×nh qu©n víi mÆt ®Þa cÇu kho¶ng 20200 km. H×nh 4 m« t¶ c¸c vÖ tinh vµ quü ®¹o bè trÝ quanh ®Þa cÇu. C¸ch bè trÝ nh− vËy cã thÓ ®¹t ®é quan s¸t cùc ®¹i ë mäi vÞ trÝ trªn ®Þa cÇu, t¹i mäi thêi ®iÓm trong ngµy (cã gãc lÊp kho¶ng 50) ®Òu cã thÓ quan s¸t ®−îc 4-9 vÖ tinh.
Mçi vÖ tinh cã träng l−îng 845 kg, thiÕt kÕ tuæi thä 15 n¨m. N¨ng l−îng cÊp cho vÖ tinh lµ n¨ng l−îng pin mÆt trêi víi ®iÖn ¸p 28 V, c«ng suÊt 400-500 W, chu kú mét vßng quanh tr¸i ®Êt lµ 718 phót (t−¬ng ®−¬ng 12 giê h»ng tinh), nh− vËy kh«ng trïng vËn tèc quay cña ®Þa cÇu, t¹i vÖ tinh trang bÞ bé æn ®Þnh tÇn sè cã ®é chÝnh x¸c 10-13, víi 2 ®ång hå rubi vµ 2 ®ång hå cesium, dïng bé dao ®éng nguyªn tö t¹o ra tÇn sè f0 = 10.23 MHz tiªu chuÈn. TÝn hiÖu GPS ®−îc t¹o ra tõ béi tÇn hoÆc ph©n tÇn tÇn sè tiªu chuÈn. Ph©n bè c¸c chßm vÖ tinh nh− h×nh 2. H×nh 2. Ph©n bè c¸c chßm vÖ tinh GPS 2. TÝn hiÖu GPS Thµnh phÇn tÝn hiÖu GPS bao gåm t¶i tÇn, m· ®o kho¶ng c¸ch vµ ®iÖn v¨n ®¹o hµng (m· d÷ liÖu). VÖ tinh dïng b¨ng 2 víi 2 tÇn sè: a. T¶i tÇn L1: fL1 = f0 * 154 = 1575.42 MHz; b−íc sãng (= 19.03 cm); b. T¶i tÇn L2: fL2 = f0 * 120 = 1227.6 MHz; b−íc sãng (= 24.42 cm); Hai tÇn sè ph¸t xuèng tõ vÖ tinh xuyªn qua tÇng ®iÖn ly sÏ ph¸t sinh trÔ thêi gian. §©y lµ CT 2 vÊn ®Ò cÇn gi¶i quyÕt trong hÖ thèng GPS. M· ®o xa cña vÖ tinh còng bao gåm 2 m·, ®ã lµ m· P vµ m· C/A, ®iÖn v¨n ®¹o hµng th× ®−îc ®iÒu chÕ theo ph−¬ng ph¸p PSK ë t¶i tÇn. Sö dông tÝn hiÖu GPS c«ng suÊt yÕu mµ cã thÓ thu ®−îc ®é tin cËy cao, ®ång thêi m¸y thu cã thÓ nhËn biÕt vµ b¸m s¸t ®−îc 24 vÖ tinh. M· C/A vµ m· P lµ 2 lo¹i m· gi¶ ngÉu nhiªn ®−îc t¹o ra t¹i vÖ tinh, cã kh¶ n¨ng chèng nhiÔu vµ b¶o mËt cao. c. M· ®o xa C/A (Coarse/Aquistion code) cã tÇn sè b»ng 1/10 tÇn sè c¬ b¶n (1.023 MHz), chu kú m· lµ 1 ms, mçi vÖ tinh ph¸t m· C/A lµ kh«ng gièng nhau, do vËy cã thÓ cïng lóc m¸y thu cã thÓ nhËn ®−îc c¸c m· C/A kh«ng gièng nhau, ®é chÝnh x¸c cña m· C/A t−¬ng ®èi thÊp (®é chÝnh x¸c d©n dông vµ chØ ®−îc ®iÒu chÕ trªn tÇn sè L1). d. M· ®o xa P (Precise code) cã tÇn sè chÝnh lµ tÇn sè c¬ b¶n 10.23 MHz, m· P cã ®é chÝnh x¸c cao, mËt m· vµ kÕt cÊu kh«ng c«ng khai, chØ cung cÊp cho c¸c thiÕt bÞ qu©n sù sö dông, nã ®ång thêi ®−îc ®iÒu chÕ ë c¶ tÇn sè L1 vµ L2, t¹o thµnh tÝn hiÖu m· L1P vµ L2P. §é chÝnh x¸c cì 10m, sau khi xö lý cã thÓ ®¹t ®é chÝnh x¸c 1 m, ®é chÝnh x¸c ®o tèc ®é cì 0.1 m/s; sai sè thêi gian cì 100 ms. e. §iÖn v¨n ®¹o hµng: bao gåm lÞch h»ng tinh, thêi gian GPS, tham sè ®Æc tÝnh vÖ tinh vµ tr¹ng th¸i hÖ thèng... §iÖn v¨n cã hai c¸ch ®iÒu chÕ, tÇn sè m· cì 50 bps ®iÒu chÕ trªn c¶ L1, L2. Qu¸ tr×nh hîp thµnh cña tÝn hiÖu GPS nh− d¹ng sãng, tÇn sè tæ hîp nh− h×nh 3.
M· P TÇn sè c¬ b¶n f0 (10.23MHz) M· C/A L1 M· C/A M· P 1575.42 MHz 10.23 MHz M· ®¹o hµng 1.023 MHz M· P L2 D¶i tÇn L 10.23 MHz 1227.6 MHz 50bps M· d÷ liÖu (®iÖn v¨n ®¹o hµng hoÆc m· P) H×nh 3. Qu¸ tr×nh hîp thμnh tÝn hiÖu GPS Tõ vÖ tinh ph¸t xuèng mÆt ®Êt tÝn hiÖu GPS hoµn chØnh bao gåm L1C/A, L1P, L2P gåm 3 tÝn hiÖu, dÜ nhiªn ®iÖn v¨n ®¹o hµng còng ®ång thêi ®−îc ph¸t theo, vËy vÖ tinh lµ thiÕt bÞ chñ ®éng vµ c¸c m¸y thu lµ bÞ ®éng, do ®ã hÖ GPS cã thÓ øng dông víi l−îng m¸y thu coi nh− kh«ng h¹n chÕ. 3. Ph−¬ng tr×nh ®Þnh vÞ: M¸y thu thu ®−îc tÝn hiÖu vÖ tinh th«ng qua xö lý, cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc lÞch h»ng tinh, tõ ®ã biÕt chÝnh x¸c vÞ trÝ kh«ng gian cña vÖ tinh ph¸t (xi, yi, zi), b¶n th©n trong m¸y thu còng trang bÞ ®ång hå dïng dao ®éng th¹ch anh (gäi t¾t lµ ®ång hå thu), thêi gian tÝn hiÖu tíi gäi lµ T, ®ång hå vÖ tinh vµ ®ång hå thu lµ c¸c ®ång hå ®éc lËp nªn kh«ng ®ång bé víi nhau, sù sai kh¸c gi÷a hai ®ång hå ký hiÖu lµ ΔT, cã thÓ thÊy thêi gian t−¬ng øng lµ: T = τ + ΔT, trong ®ã τ lµ kho¶ng thêi gian tÝn hiÖu ®i tõ vÖ tinh tíi m¸y thu, víi tèc ®é cña sãng ®iÖn tõ CT 2 tr−êng trong kh«ng gian t−¬ng ®−¬ng vËn tèc truyÒn ¸nh s¸ng C, tõ ®ã cã thÓ x¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch gi÷a vÖ tinh vµ m¸y thu. R = C.T = C.τ + C.Δt = R'+C.Δt (1) trong ®ã: R’ - kho¶ng c¸ch gi÷a m¸y thu vµ vÖ tinh; R - cù ly cã céng thªm sai sè thêi gian nªn gäi lµ cù ly dµi. Víi to¹ ®é kh«ng gian 3 chiÒu, chØ cÇn biÕt vÞ trÝ cña 3 vÖ tinh trong kh«ng gian vò trô (xi, yi, zi) lµ cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc kho¶ng c¸ch gi¶ Ri (i = 1, 2, 3) tõ ®ã tÝnh ra to¹ ®é cña m¸y thu x, y, z (kinh ®é, vÜ ®é, cao ®é). Nh−ng vÉn cßn ph¶i lo¹i trõ sai sè kh«ng ®ång bé ®ång hå gi÷a c¸c vÖ tinh vµ m¸y thu, ®iÒu nµy rÊt ¶nh h−ëng tíi ®é chÝnh x¸c cña ®Þnh vÞ, do ®ã viÖc x¸c ®Þnh gi¸ trÞ sai sè ΔT lµ viÖc cÇn thiÕt, nÕu mét m¸y thu t¹i bÊt kú thêi ®iÓm nµo còng thu ®−îc tÝn hiÖu tõ 4 vÖ tinh th× cã thÓ gi¶i quyÕt ®−îc vÊn ®Ò nµy v× chóng ta thÊy râ trong hÖ ph−¬ng tr×nh x¸c ®Þnh to¹ ®é m¸y thu cã 4 Èn sè, lóc nµy hÖ ph−¬ng tr×nh sÏ cã d¹ng: (x − x1 )2 + (y − y1 )2 + (z − z1 )2 R1 = + C.Δt (x − x 2 )2 + (y − y 2 )2 + (z − z 2 )2 R2 = + C.Δt (2) (x − x 3 )2 + (y − y 3 )2 + (z − z 3 )2 R3 = + C.Δt (x − x 4 )2 + (y − y 4 )2 + (z − z 4 )2 R4 = + C.Δt
trong ®ã xi, yi, zi lµ to¹ ®é cña c¸c vÖ tinh (i = 1..4) §Ó gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh nµy th«ng th−êng dïng ph−¬ng ph¸p b×nh ph−¬ng tèi thiÓu hoÆc dïng läc Kalman ®ã gi¶i. Tõ gi¸ trÞ x, y, z t×m ®−îc cã thÓ x¸c ®Þnh to¹ ®é tøc thêi cña m¸y thu ⎛ Δx Δy Δz ⎞ th«ng qua phÐp vi ph©n vÞ trÝ ⎜ , , ⎟. ⎝ Δt Δt Δt ⎠ IV. CÊu tróc tÝn hiÖu DVB-T Trªn c¬ së nguyªn t¾c cã thÓ nãi, tÝn hiÖu ph¸t DVB-T dùa trªn tÝn hiÖu gèc lµ tÝn hiÖu ®· ®−îc xö lý theo chuÈn MPEG-2, th«ng qua c¸c kh©u xö lÝ bæ sung nh−: dån kªnh chuyÓn t¶i thÝch nghi, m· hãa ®Çu ra, chÌn m· xo¾n,m· hãa l©n cËn, ®iÒu chÕ vµ ¸nh x¹, ph¸t sãng dån kªnh chia tÇn trùc giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM, ®é réng b¨ng tÇn thay ®æi trong kho¶ng 6, 7 hoÆc 8 MHz, tÝn hiÖu nµy cã thÓ ph¸t trªn kªnh VHF hoÆc UHF. §Æc biÖt CT 2 trong qu¸ tr×nh ph¸t tÝn hiÖu DVB-T cã thÓ chän 2 kiÓu ®iÒu chÕ ®ã lµ chÕ ®é 2K dïng cho kªnh ph¸t ®¬n vµ m¹ng SFN (Single Frequency Network) d¹ng nhá cã giíi h¹n kho¶ng c¸ch, chÕ ®é 8K th× cã thÓ dïng cho m¹ng SFN H×nh 4. CÊu tróc tÝn hiÖu DVB-T d¹ng nhá hay lín kh«ng giíi h¹n kho¶ng c¸ch. Nh− vËy gãi tÝn hiÖu c¬ b¶n, qu¸ tr×nh m· hãa vµ chÌn m· b¶o vÖ (Reed-Solomon) cã thÓ biÓu diÔn theo h×nh 4. Chóng ta cã thÓ thÊy cø mçi gãi tÝn hiÖu MPEG-2 c¬ b¶n gåm 187 byte d÷ liÖu vµ 1 byte tÝn hiÖu ®ång bé. §©y lµ ®iÒu kiÖn c¬ b¶n ®Ó lîi dông tÝn hiÖu DVB-T khi dïng trong môc ®Ých ®Þnh vÞ. Sau khi gia c«ng tÝn hiÖu ph¸t ®−îc tæ chøc thµnh c¸c trang OFDM. Thêi gian tån t¹i mçi trang gäi lµ TF vµ bao gåm 68 biÓu t−îng OFDM. Bèn trang hîp l¹i thµnh mét siªu trang (super-
frame). Mçi biÓu t−îng ®−îc t¹o thµnh bëi mét tËp K = 6817 sãng mang trong 8K vµ K = 1705 sãng mang trong 2K vµ ®−îc ph¸t ra trong kho¶ng thêi gian T gi©y. Nã bao gåm hai phÇn: PhÇn sö dông chiÕm thêi gian Tu vµ gi·n c¸ch b¶o vÖ víi thêi gian Δ . Gi·n c¸ch b¶o vÖ bao gåm mét chu k× liªn tôc cña phÇn sö dông vµ ®−îc gµi tr−íc ®ã. C¸c biÓu t−îng trong mét trang OFDM ®−îc ®¸nh sè tõ 0 tíi 67.Toµn bé biÓu t−îng gåm cã d÷ liÖu vµ th«ng tin tham chiÕu. Khi tÝn hiÖu OFDM bao gåm nhiÒu sãng mang - ®iÒu chÕ t¸ch biÖt, mçi biÓu t−îng sÏ cÇn tÝnh tíi viÖc bÞ nh©n trong «, t−¬ng øng víi viÖc mang ®iÒu chÕ trªn mét sãng mang trong mét biÓu t−îng. ViÖc céng d÷ liÖu ph¸t mét trang OFDM bao gåm: - C¸c « chñ sãng ph©n t¸n; - C¸c sãng mang chñ liªn tôc; - C¸c sãng mang TPS. C¸c sãng chñ cã thÓ sö dông cho viÖc ®ång bé trang, ®ång bé tÇn sè, ®ång bé thêi gian, ®¸nh gi¸ kªnh, nhËn d¹ng chÕ ®é ph¸t vµ còng cã thÓ dïng theo dâi nhiÔu pha. C¸c sãng mang ®−îc danh môc ho¸ bëi k ∈ [Kmin; Kmax] vµ t¸ch ra víi Kmin = 0; Kmax = 1704 trong chÕ ®é 2K, Kmax = 6816 trong chÕ ®é 8K. Kh«ng gian gi÷a c¸c sãng mang kÕ cËn lµ 1/Tu, trong khi kh«ng gian gi÷a c¸c sãng mang Kmin vµ Kmax ®−îc t¸ch ra bëi (K-1)/Tu. Sè l−îng gi¸ trÞ cña c¸c tham sè trong OFDM víi tr−êng hîp 2K vµ 8K ®−îc tr×nh bµy trong b¶ng 4 vµ 5 cho kªnh 8 MHz. Gi¸ trÞ cña c¸c tham sè liªn quan ®Õn thêi gian ®−îc cÊp theo béi sè cña chu k× c¬ b¶n T vµ tÝnh b»ng microgi©y. Chu k× c¬ b¶n T lµ 7/64 μs víi kªnh 8 MHz.1/8 μs víi kªnh 7 MHz CT 2 vµ 7/48 μs víi kªnh 6 MHz. Ph−¬ng tr×nh tÝn hiÖu ph¸t sau khi ®iÒu chÕ cã d¹ng: ⎧ ⎫ ∞ 67 Kmax ⎪ ⎪ s(t) = Re⎨e j2 πfc t ∑ ∑ ∑ c m,l,k × ψ m,l,k (t)⎬ (3) ⎪ ⎪ m = 0 l = 0 k = Kmin ⎩ ⎭ trong ®ã: ⎧ j2 π k' (t − Δ − l.T − 68.m.T ) ⎪ s s ψm,l,k(t) = ⎨e Tu (l + 68.m).Ts ≤ t ≤ (l + 68.m + l).Ts ⎪0 ⎩ trong ®ã: k - sè sãng mang; l - sè biÓu t−îng OFDM; m - sè trang ph¸t; K - sè c¸c sãng mang ®−îc ph¸t; Ts - thêi gian tån t¹i biÓu t−îng;
Tu - nghÞch ®¶o cña kh«ng gian sãng mang; Δ - thêi gian tån t¹i cña gi·n c¸ch b¶o vÖ; fc - tÇn sè ph¸t trung t©m cña tÝn hiÖu RF; k’- danh môc sãng mang liªn quan tíi tÇn sè ph¸t trung t©m, k’ = k - (Kmin + Kmax)/2; cm, o, k - biÓu t−îng phøc cho sãng mang k cña biÓu t−îng d÷ liÖu sè 1 trong sè trang m; c, m, l, k - biÓu t−îng phøc cho sãng mang k cña biÓu t−îng d÷ liÖu sè 2 trong sè trang m; c, m, 67, k - biÓu t−îng phøc cho sãng mang k cña biÓu t−îng d÷ liÖu sè 68 trong sè trang m. §Ó thùc hiÖn tÝnh to¸n ®Þnh vÞ c¸c thiÕt bÞ thu sÏ thu tÝn hiÖu ph¸t vµ tiÕn hµnh gi¶i ®iÒu chÕ, nhËn d¹ng c¸c ®Ønh xung ®ång bé liªn quan,khai triÓn thêi gian... c¸c vÊn ®Ò cô thÓ nµy sÏ ®−îc tr×nh bµy trong c¸c bµi viÕt kh¸c. Trong ph¹m vi bµi viÕt nµy chóng ta chØ tËp trung giíi thiÖu vÒ mÆt nguyªn lý chung x©y dùng hÖ thèng. V. Nguyªn lý ®Þnh vÞ cña hÖ thèng ®Þnh vÞ sö dông tÝn hiÖu ®ång bé DVB-T Dùa trªn c¸c xung ®ång bé gãi cña gãi tÝn hiÖu c¬ së, vÒ lý thuyÕt th× m¸y thu cã thÓ x¸c ®Þnh thêi ®iÓm c¸c ®Ønh xung ®ång bé tíi th«ng qua khai triÓn thêi gian. §ång thêi theo hÖ ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n cña phÐp ®Þnh vÞ toµn cÇu, chØ cÇn m¸y thu thu ®−îc tÝn hiÖu cña Ýt nhÊt 3 CT 2 ®µi ph¸t lµ cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc to¹ ®é b¶n th©n, c¸c tÝn hiÖu cña ®µi ph¸t truyÒn h×nh cã −u ®iÓm lµ c−êng ®é m¹nh, kh«ng chÞu ¶nh h−ëng cña hiÖu øng Doppler, kh«ng bÞ trÔ do xuyªn qua tÇng ®iÖn ly vµ b¨ng th«ng hÑp (®èi víi hÖ thèng DVB-T th«ng th−êng n»m trong kho¶ng 6,7 hoÆc 8 MHz).Do ®ã trong c¸c ®iÒu kiÖn bÞ che khuÊt nh− trong nhµ hoÆc gi÷a c¸c khu nhµ cao tÇng th× vÉn cã thÓ nhËn ®−îc tÝn hiÖu tõ c¸c ®µi ph¸t truyÒn h×nh víi møc ®é chÊp nhËn ®−îc. Tuy nhiªn do b¶n th©n ®ång hå cña ®µi ph¸t lÉn ®ång hå cña thiÕt bÞ thu còng kh«ng thËt chÝnh x¸c do ®ã cÇn bæ sung cho hÖ thèng mét tr¹m hiÖu chØnh cã thiÕt bÞ chuÈn thêi gian chÝnh x¸c, sai sè cña hÖ thèng phô thuéc rÊt nhiÒu vµo ®é chÝnh x¸c cña ®ång hå tr¹m hiÖu chØnh (yªu cÇu tr¹m hiÖu chØnh trang bÞ ®ång hå ®ång bé Cesium víi sai sè 10-13). Tr¹m hiÖu chØnh cã nhiÖm vô thu c¸c tÝn hiÖu tõ ®µi ph¸t truyÒn h×nh, ®−a ra gi¸ trÞ hiÖu chuÈn thêi gian, sau ®ã ph¸t tíi c¸c m¸y thu, c¨n cø vµo th«ng tin hiÖu chØnh, c¸c m¸y thu cã thÓ trùc tiÕp tÝnh to¸n vÞ trÝ to¹ ®é cña m×nh, hoÆc göi tÝn hiÖu tíi tr¹m hiÖu chØnh, t¹i ®©y sÏ tiÕn hµnh tÝnh to¸n x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña m¸y thu. Ph−¬ng ph¸p nµy cßn cã −u ®iÓm lµ vÞ trÝ c¸c ®µi ph¸t truyÒn h×nh lµ cè ®Þnh, cã thÓ l−u trong bé nhí cña c¸c m¸y thu, ®¬n gi¶n ho¸ qu¸ tr×nh tÝnh to¸n cho c¸c thiÕt bi tÝnh. VÒ lý thuyÕt lóc nµy hÖ ph−¬ng tr×nh x¸c ®Þnh to¹ ®é cã d¹ng: R1 = ( x − k1 ) 2 + ( y − v1 ) 2 + (z − c1 ) 2 + C.Δt1 R 2 = ( x − k 2 ) 2 + (y − v 2 ) 2 + (z − c 2 ) 2 + C.Δt 2 (4) R 3 = ( x − k 3 ) 2 + (y − v 3 ) 2 + (z − c 3 ) 2 + C.Δt 3
trong ®ã: R1, R2, R3 - kho¶ng c¸ch tõ m¸y thu (MT) tíi ®µi ph¸t cã sai sè do kh«ng ®ång bé ®ång hå, ®−îc x¸c ®Þnh b»ng kho¶ng thêi gian xung truyÒn tõ ®µi ph¸t tíi MT vµ phÐp ®o gi¶ cù ly; x, y, z - to¹ ®é MT; k, v, c lµ kinh ®é, vÜ ®é, cao ®é cña c¸c ®µi ph¸t (®· ®−îc biÕt tr−íc); (ti víi i = 1, 2, 3 - sai sè ®ång bé ®ång hå cña MT víi c¸c ®µi ph¸t, ®−îc x¸c ®Þnh th«ng qua tÝn hiÖu chuÈn tõ tr¹m hiÖu chØnh. Lóc nµy cã thÓ dïng c¸c ph−¬ng ph¸p gi¶i ph−¬ng tr×nh nh− c¸c m¸y ®Þnh vÞ th«ng th−êng ®Ó tiÕn hµnh tÝnh to¸n vÞ trÝ cña MT. M« h×nh hÖ thèng ®−îc biÓu diÔn nh− h×nh 5. §µi ph¸t TH sè §µi ph¸t TH sè CT 2 M¸y thu Tr¹m hiÖu chuÈn §µi ph¸t TH sè H×nh 5. M« t¶ hÖ thèng ®Þnh vÞ dïng tÝn hiÖu truyÒn h×nh sè §Ó thùc hiÖn tÝnh to¸n ®Þnh vÞ chÝnh x¸c trªn thùc tÕ cßn cÇn gi¶i quyÕt mét sè vÊn ®Ò kü thuËt kh¸c nh− chèng hiÖu øng ®a ®−êng (th«ng qua cÊu tróc tÝn hiÖu DVB-T), lùa chän ®Ønh xung lín nhÊt (cÊu tróc thiÕt bÞ thu), x¸c ®Þnh sai sè trong c¸c ®iÒu kiÖn m«i tr−êng kh¸c nhau (vÝ
dô sai sè ngang HDOP), cÊu tróc vµ ph−¬ng ph¸p xö lÝ cña tr¹m hiÖu chuÈn hÖ thèng còng nh− m¸y thu... Trong ph¹m vi cña bµi b¸o chØ h¹n chÕ x©y dùng ph−¬ng ¸n lÝ thuyÕt cho hÖ thèng, c¸c vÊn ®Ò cô thÓ h¬n sÏ ®−îc ®Ò cËp trong c¸c bµi sau. Vi. KÕt luËn Nh− trªn ®· ph©n tÝch, chóng ta cã thÓ lîi dông c¸c hÖ thèng th«ng tin kh¸c nhau dïng trong viÖc thiÕt lËp mét hÖ thèng ®Þnh vÞ, víi ®iÒu kiÖn ph¶i bæ sung thªm kh¶ n¨ng ®ång bé thêi gian hoÆc x¸c ®Þnh ®é lÖch thêi gian gi÷a c¸c thiÕt bÞ ph¸t vµ thu. ë ®©y chóng ta lùa chän hÖ thèng truyÒn h×nh sè DVB-T v× ®©y lµ hÖ thèng qu¶ng b¸ cã c«ng suÊt ph¸t m¹nh cã ®é réng b¨ng tÇn hîp lý (víi DVB-T n»m trong kho¶ng 6 ~ 8 MHz), trong t−¬ng lai c¸c ®µi ph¸t sè sÏ dÇn thay thÕ c¸c ®µi ph¸t t−¬ng tù do cã nhiÒu −u ®iÓm næi tréi. ChÝnh nhê c¸c −u ®iÓm cña truyÒn h×nh sè mµ cã thÓ cho tÝn hiÖu cã ®é trung thùc cho phÐp ë nh÷ng n¬i cã ®Þa h×nh che khuÊt nh− ®iÒu kiÖn ®« thÞ cã nhiÒu nhµ cao tÇng, ®−êng phè hÑp cã c¸c hµng c©y cao hai bªn hoÆc trong nhµ... nh−ng vÉn cã thÓ thùc hiÖn ®Þnh vÞ c¸c m¸y thu. Tµi liÖu tham kh¶o [1] "ATSC Digital Television Standard With Ammendment no.1" ATSC. ATSC Document A/53, Sep.1995. [2] "Digital Video Broadcasting(DVB), Framing Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Terrestrial Television" European Broadcasting Union, ETSI EN 300 744 v1.3.1, Jan.2001. CT 2 [3] J. G. Proakis, "Digital Communications", 3rd ed, McGraw-Hill,1995. [4] A. J. Van Dierendonk, "GPS Receivers" Global Positioning System: Theory and Applications,1995 [5] T. G. Manickam,R. J. Vaccaro and D. W. Tufts,"A least-squares algorithm for multipath time-delay estimation", IEEE Trans. Signal Processing, vol 42, Nov.1994. [6] L. Q. Yu "GPS weixing daohang dingwei yuanli yu fangfa" kexue chu ban she.2003. [7] G.Yan "Jiaotong kongzhi gongcheng gaiyao" xinan jiaotong daxue. 2003. [8] Dr. Frank van Diggelen. Global Inc "Indoor GPS theory & Implementation" IEEE Position, Location &Navigation Symposium, 2002 [9] Matthew Rabinovitz, Jame. J. Spilker "A New Positioning System Using TV Synchronization Signals" IEEE Transactions on broadcasting, Vol.51, No.1, March 2005. [10] Ollie Luba, Larry Boyd and Art Gower, Lockheed-Martin Corporation "GPSIII System Operation Cocepts" IEEE 2004. [11] Kris Maine, Paul Anderson and Frank Bayuk, Tha Aerospace Corporation "Communication Architecture for GPSIII" Aerospace Conference Proceeding, IEEE 2004. [12] Michael Wright, Dion Stallings and Dr. Derrek Dunn, Electronic and Computer Technology, North Carolina Agricultural and Technical State University "The Effectiveness of Global Positioning System Electronic Navigation" Proceeding IEEE Southeast Con 2003