Phương pháp hạn chế nhiễu đa đường trong kênh bám thời gian giữ chậm tín hiệu GPS dựa trên bộ lọc hạt kết hợp với toán hạng Teager - Kaiser

Bài viết đề xuất phương pháp hạn chế nhiễu đa đường trong kênh bám thời gian giữ chậm tín hiệu GPS dựa trên bộ lọc hạt kết hợp với toán hạng Teager – Kaiser, giải pháp này cho phép xác định nhanh điểm cực trị cần tìm với giải thuật và khối lượng tính toán thấp hơn nhiều so với các nghiên cứu trước đây đã đề cập, hơn nữa số lượng các hạt chỉ cần sử dụng vừa đủ để đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phương pháp hạn chế nhiễu đa đường trong kênh bám thời gian giữ chậm tín hiệu GPS dựa trên bộ lọc hạt kết hợp với toán hạng Teager - Kaiser Nghiên cứu khoa học công nghệ PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU ĐA ĐƯỜNG TRONG KÊNH BÁM THỜI GIAN GIỮ CHẬM TÍN HIỆU GPS DỰA TRÊN BỘ LỌC HẠT KẾT HỢP VỚI TOÁN HẠNG TEAGER-KAISER Dương Mạnh Hùng1*, Nguyễn Xuân Căn1, Phạm Đức Thỏa2 Tóm tắt: Ứng dụng bộ lọc hạt để hạn chế nhiễu đa đường trong kênh bám thời gian giữ chậm tín hiệu GPS được quan tâm nghiên cứu rộng rãi trong thời gian gần đây. Có nhiều giải pháp hạn chế nhiễu đa đường theo cách tiếp cận này đã được đề cập trong các nghiên cứu trước, nhưng cách thực hiện khá phức tạp và đòi hỏi việc tính toán hoặc phải sử dụng số lượng rất lớn các hạt để thực hiện với mục đích cuối cùng là giải bài toán tìm cực trị trong điều kiện đa cực trị của hàm phân bố xác suất hậu nghiệm. Bài báo này, tác giả đề xuất phương pháp hạn chế nhiễu đa đường trong kênh bám thời gian giữ chậm tín hiệu GPS dựa trên bộ lọc hạt kết hợp với toán hạng Teager – Kaiser, giải pháp này cho phép xác định nhanh điểm cực trị cần tìm với giải thuật và khối lượng tính toán thấp hơn nhiều so với các nghiên cứu trước đây đã đề cập, hơn nữa số lượng các hạt chỉ cần sử dụng vừa đủ để đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu. Từ khóa: Bộ lọc hạt, hạn chế nhiễu đa đường, hệ bám tín hiệu GPS. 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU ĐA ĐƯỜNG Mặc dù các kỹ thuật giảm thiểu đa đường và ước lượng thời gian giữ chậm khác nhau đã được phát triển, nhưng các thành phần đa đường có thời gian giữ chậm ngắn vẫn là một vấn đề trong các ứng dụng có yêu cầu độ chính xác cao [1], như dẫn đường và điều khiển thiết bị bay (TBB) đặc biệt là khi hạ cánh. Nhiễu đa đường xảy ra do tín hiệu lan truyền bị phản xạ từ các địa vật cố định, do bản thân môi trường lan truyền sóng điện từ: tầng ion, tầng đối lưu, các đám mây.v.v. Bài báo đề cập đến hệ bám thời gian giữ chậm (DLL) tín hiệu của hệ thống định vị toàn cầu GPS của Mỹ được phát trên băng tần L1– kênh phục vụ dân sự [1] làm đối tượng nghiên cứu. Các thành phần đa đường có cấu trúc tín hiệu giống với tín hiệu trực tiếp mong muốn thu được, điểm khác biệt chủ yếu là các thành phần đa đường có thời gian giữ chậm luôn lớn hơn tín hiệu trực tiếp. Đặc điểm này dẫn đến đa cực trị cục bộ của hàm tương quan và các cực trị do các thành phần đa đường gây ra luôn nằm ở bên phải điểm cực trị của thành phần trực tiếp. Trên bảng 1 khái quát mối liên hệ giữa các phương pháp hạn chế nhiễu đa đường khác nhau và nhược điểm còn tồn tại của các phương pháp áp dụng. Bảng 1. Khái quát các phương pháp hạn chế nhiễu đa đường. Sử dụng các giải pháp Phương pháp ước lượng (1) (2) (3) +) Sửa dạng tín hiệu tham Ước lượng thống kê Ước lượng động học Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Ra đa, 08 - 20116 117  Kỹ thuật siêu cao tần & Ra đa chiếu của DLL chuẩn: +) Phương pháp +) Ước lượng liên NCS[2], ∆∆[3], HRC[4], Maximum likelihood (ML): tục: MGD[5], PAC[6], SC và MEDLL[10], FILMA[11], - Các bộ lọc ESC[7], E1/E2[3].v.v. Nhược VC & MMT[12], MET và Bayesian [13]; điểm: ảnh hưởng nghiêm ELS[3], … - Phương pháp chuỗi trọng đến đặc trưng phân biệt Monte Carlo và giảm tỷ số tin/tạp. Kết hợp, lồng ghép Maximum Likelihood +) Dựa trên đặc tính của Estimation (MLE): TKO([14][15]); Nén tín hiệu; anten: Choke Ring[8]; Vòng lặp bám có hỗ trợ của MLE; Vòng lặp bám Beamforming [9]; .v.v. Nhược MLE; .v.v.; Nhược điểm: phải ước lượng tất cả điểm: Thiết bị cồng kềnh và các thành phần đa đường dẫn đến khối lượng giá thành cao. tính toán lớn và trong điều kiện đa đường thăng giáng biến đổi nhanh thì kém chính xác. Bài báo đề xuất phương pháp hạn chế nhiễu đa đường dựa trên thuật toán lọc hạt kết hợp với Teager-Kaiser Operator (TKO) đặt trên xác suất hậu nghiệm của các hạt, kết hợp với đặc điểm của nhiễu thành phần đa đường để xác định giá trị thời gian giữ chậm của tín hiệu trực tiếp, mà không cần phải xác định tất cả các thành phần đa đường khác có trong tín hiệu thu được. 2. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP HẠN CHẾ NHIỄU ĐA ĐƯỜNG SỬ DỤNG BỘ LỌC HẠT KẾT HỢP TOÁN HẠNG TEAGER-KAISER 2.1. Mô hình tín hiệu và đặc trưng tựa thực của quá trình thông tin Tín hiệu GPS được thu trên nền tạp âm nội bộ của máy thu với tần số sóng mang được biến đổi về tần số trung gian tg , mô hình của tín hiệu sau bộ biến đổi ADC với chu kỳ lấy mẫu Td ; y (ti ) mẫu quan sát tại thời điểm ti  iTd ;  i , f ( dl ) i là các tham số thông tin, có dạng: y (ti )  Ac(ti  i )cos(tg ti  2  ij 1 f ( dl ) jTd  (ti )  0 )  n(ti ) (1) với A là biên độ; c (.) - mã C/A-code;  - mã điều chế Binary Phase Shift Keying (BPSK) dữ liệu dẫn đường; 0 - pha ban đầu; ni  n(ti ) là tạp trắng Gauss rời rạc với kỳ vọng toán học (KVTH) bằng không và hiệp phương sai N d . Tín hiệu yi  y (ti ) đưa đến khối xử lý sơ cấp để giải bài toán sục sạo và phát hiện cho đánh giá sơ bộ ˆ , fˆ sb làm cơ sở cho DLL làm việc trong chế độ bám sát. Lý thuyết ( dl ) sb lọc tối ưu dựa trên mô tả thống kê của tập các mẫu quan sát Y0T  { y (t1 ), y (t2 ),..., y (tn )} và quá trình thông tin i  (ti ) , i  1, n , T là chu kỳ quan sát, n là số mẫu quan sát được trong khoảng thời gian 0,T  . Nhiệm vụ chính là tìm mật độ xác suất hậu nghiệm p(n yn , yn1 ,...)  p(n Y0T ) , yi  y(ti ) của quá 118 D. M. Hùng, N. X. Căn, P. Đ. Thỏa, “Phương ph ...