Quan sát thích nghi trong điều kiện thu tín hiệu yếu thăng giáng cho hệ bám thời gian giữ chậm tín hiệu GPS sử dụng bộ lọc hạt

Về bản chất các hệ bám tham số tín hiệu GPS khi này phải làm việc trong điều kiện thu tín hiệu yếu thăng giáng trên nền nhiễu tạp. Trong điều kiện như vậy, các hệ bám thời gian giữ chậm và dịch tần Doppler trong thiết bị định vị GPS bị ảnh hưởng nghiêm trọng và có thể mất bám. Nội dung bài báo trình bày giải pháp sử dụng bộ lọc hạt để thực hiện các hệ bám tham số tín hiệu GPS làm việc thích nghi với điều kiện như vậy.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Quan sát thích nghi trong điều kiện thu tín hiệu yếu thăng giáng cho hệ bám thời gian giữ chậm tín hiệu GPS sử dụng bộ lọc hạtNghiên cứu khoa học công nghệQUAN SÁT THÍCH NGHI TRONG ĐIỀU KIỆN THU TÍN HIỆU YẾUTHĂNG GIÁNG CHO HỆ BÁM THỜI GIAN GIỮ CHẬM TÍN HIỆU GPS SỬ DỤNG BỘ LỌC HẠT Dương Mạnh Hùng*, Nguyễn Xuân Căn Tóm tắt: Thiết bị định vị vệ tinh GPS trong nhiều ứng dụng mà đặc biệt trong dẫn đường thiết bị bay đòi hỏi phải duy trì liên tục phép đo ngay cả trong điều kiện công suất tín hiệu bị suy giảm yếu và thăng giáng do nhiều nguyên nhân. Về bản chất các hệ bám tham số tín hiệu GPS khi này phải làm việc trong điều kiện thu tín hiệu yếu thăng giáng trên nền nhiễu tạp. Trong điều kiện như vậy, các hệ bám thời gian giữ chậm và dịch tần Doppler trong thiết bị định vị GPS bị ảnh hưởng nghiêm trọng và có thể mất bám. Nội dung bài báo trình bày giải pháp sử dụng bộ lọc hạt để thực hiện các hệ bám tham số tín hiệu GPS làm việc thích nghi với điều kiện như vậy.Từ khóa: Thiết bị định vị GPS, Bộ lọc hạt, hệ bám tham số tín hiệu GPS. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các phương pháp xây dựng hệ bám tham số tín hiệu GPS dựa trên các bộ lọcKalman đều gặp phải vấn đề tuyến tính hóa([1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8]), hơn nữatrong thuật toán lọc Kalman không có cấu trúc thay đổi thời gian tích lũy (chu kỳquan sát) của bộ tích lũy tương quan thích nghi với điều kiện hoạt động. Về bảnchất, trong điều kiện tín hiệu yếu và thăng giáng trên nền nhiễu tạp cần phải tăngthời gian tích lũy của bộ tích lũy tương quan để đảm bảo đặc trưng của bộ phânbiệt và ngược lại, nhưng tăng/giảm như thế nào thì cần phải có bộ ước lượng nhiễuhoặc tỷ số tín/tạp để thay đổi thời gian tích lũy một cách phù hợp. Bộ lọc hạt là phương pháp xử lý thống kê cho phép ước lượng trạng thái tốt nhấtđối với các mô hình hoàn toàn phi tuyến mà bộ lọc Kalman thường rất khó có thểthực hiện được. Bộ lọc hạt có nhiều cái tên khác nhau như: bộ lọc Boostrap, kỹthuật ngưng tụ, bộ lọc Monte Carlo, giải thuật chọn lọc tự nhiên ... Tính chọn lọctự nhiên thể hiện trong cấu trúc của thuật toán lọc hạt thông qua việc tích lũy xácsuất liên tục qua các mẫu quan sát, thời gian tích lũy không phụ thuộc vào các yếutố bên ngoài mà chỉ phụ thuộc vào ngưỡng hợp lý của giả thuyết khởi tạo lại bộ lọchạt ([9]). Do vậy bộ lọc hạt là một giải pháp hoàn hảo cho hai vấn đề trên của hệbám tham số tín hiệu GPS: vấn đề tuyến tính hóa và làm việc trong điều kiện thutín hiệu thăng giáng trên nền nhiễu tạp mà không cần đến bất cứ sự hỗ trợ của cácgiải thuật nào khác. Hướng nghiên cứu ứng dụng bộ lọc hạt thực hiện hệ bám thamsố tín hiệu GPS cũng được quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây. Cácnghiên cứu điển hình ([10],[11],[12],[13],[14],[15],[16],[17]) tập trung ứng dụngbộ lọc hạt trong việc nâng cao độ chính xác bám và hạn chế nhiễu đa đường màchưa quan tâm đến việc đảm bảo hệ bám làm việc thích nghi trong điều kiện phứctạp. Trong bài báo này, tác giả đề cập trọng tâm đến việc sử dụng thuật toán lọc hạtđể đảm bảo hệ bám thời gian giữ chậm tín hiệu GPS (hệ bám theo mã C/A-Code)hoạt động thích nghi trong điều kiện thu tín hiệu yếu thăng giáng trên nền nhiễutạp cũng như trong điều kiện bình thường. Kiểm chứng giải pháp qua việc môphỏng khảo sát trên phần mềm Matlab-Simulink.Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 47 Cơ học & Điều khiển thiết bị bay 2. QUAN SÁT THÍCH NGHI CHO HỆ BÁM THỜI GIAN GIỮ CHẬM TÍN HIỆU GPS SỬ DỤNG BỘ LỌC HẠT2.1. Mô hình toán học của tín hiệu GPS Tín hiệu GPS được thu trên nền tạp âm nội bộ của máy thu với tần số sóngmang được biến đổi về tần số trung gian tg , mô hình ở đầu vào bộ biến đổi ADC([18]Ch6-2010) có dạng như sau: t y t   Ac t    cos(tg t  2  f dl v dv   t   0 )  n t  (1) 0trong đó: A - biên độ; c  t  - mã cự ly (C/A-code);   t  - mã điều chế BPSK (dịchpha nhị phân) dữ liệu dẫn đường; n  t  - tạp trắng Gauss với KVTH (kỳ vọng toánhọc) bằng không và mật độ phổ hai phía N 0 2 . Đầu ra bộ biến đổi ADC là tín hiệusố với chu kỳ lấy mẫu Td ; y ti  - mẫu quan sát tại thời điểm ti  iTd ;  i , fdl i là cáctham số thông tin ở thời điểm ti , có dạng: y ti   Ac ti  i  cos(tg ti  2  j1 fdl  jTd   ti   0 )  n ti  i (2)với, n ti  là tạp trắng Gauss rời rạc với KVTH bằng không và hiệp phương sai: 1 ti ti N N d  M  ni 2   2   M  n  ...