Nghiên cứu phát triển máy thu định vị toàn cầu GNSS đa kênh dựa trên kỹ thuật đổi tần trực tiếp và hệ thống anten thông minh

Hệ thống định vị toàn cầu (GNSS Global Navigation Satellite System) được định nghĩa là hệ thống định vị vệ tinh có khả năng cung cấp thông tin vị trí (Position), tốc độ (Speed) và thời gian (Time) với khả năng phủ sóng toàn cầu. GNSS­1 là hệ thống định vị toàn cầu thế hệ thứ nhất là sự kết hợp các hệ thống định vị hiện có gồm GPS và GLONASS. GNSS­2 là hệ thống định vị toàn cầu thế hệ hai bao gồm cả hệ thống định vị toàn cầu của Châu Âu Galileo hoạt động độc lập cung cấp các dịch vụ ủy thác và độ chính xác cao cho định vị dân sự. Hệ thống bao gồm L1 và L2 cho dân sự và L5 giám sát ủy thác.

Máy thu (receiver) định vị toàn cầu là thành phần quan trọng trong phân hệ người sử dụng (user subsystem). Tại máy thu, các tín hiệu từ vệ tinh sẽ được biến đổi thành dữ liệu mang các thông tin về vị trí, vận tốc, và thời gian. Máy thu định vị toàn cầu được sử dụng cho rất nhiều mục đích ứng dụng khác nhau như: định vị, dẫn đường, phân phối thời gian, tần số, và phục vụ rất nhiều nghiên cứu khoa học khác nhau.

Trong ứng dụng định vị, hệ thống định vị làm việc với mức tín hiệu GNSS rất bé tại đầu thu nên nhạy cảm với multipath fading. Bên cạnh đó, tín hiệu nhận được từ vệ tinh chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Trong trường hợp này, tín hiệu bị che chắn, ta không thể nhận được tín hiệu và không xác định được vị trí của đối tượng. Ngoài ra, bộ thu còn chịu ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu khác nhau trong đó có cả nhiễu phá chủ động. Ta biết, vệ tinh có quỹ đạo 20200 km (tại góc 90 độ). Công suất phát là 44.8 W ở tần số 1575.43 MHz và độ khuếch đại anten là 12 dBi. Giả thiết anten thu có độ khuếch đại 4dBi thì công suất tín hiệu thu là ­120 dBm dùng mô hình tổn hao không gian tự do. Với giả thuyết suy hao phụ (anten, tầng atmosphe), mức công suất tín hiệu thu là ­125dBm trong khi công suất nhiễu nền trong bang (2.046 MHz) đã là ­110 dBm. Tuy nhiên, tăng ích xử lý tín hiệu trải phổ là 43 dB (10 log 1.023Mbs/50bps ≈ 43 dB), vậy tín hiệu được khôi phục ở mức ­110dBm - 43dB = ­153 dBm. Trong thực tế, mức công suất thu yêu cầu phải lớn hơn vài dB. Ví dụ trong quá trình bắt tín hiệu thì mức thu là ­135 dBm và bám tín hiệu thì mức thu là ­147 dBm.

Như vậy, kỹ thuật thu đa kênh vô tuyến (đa anten) được đề xuất nhằm cải thiện độ nhậy, khả năng chống nhiễu, chống phân tập đa đường. Đề tài do Cơ quan chủ trì Bộ giáo dục và đào tạo cùng phối hợp Chủ nhiệm đề tài PGS. TS. Nguyễn Hữu Trung thực hiện nghiên cứu, tập trung vào nghiên cứu phát triển kiến trúc bộ thu đa kênh vô tuyến với các thuật toán xử lý tín hiệu định hướng búp sóng thích nghi kết hợp anten thông minh.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả sau:

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) có vai trò rất quan trọng trong cuộc sống. Từ khi ra đời nó đã hỗ trợ con người trong việc xác định vị trí, hướng đi, xây dựng các loại bản đồ và phục vụ nhiều mục đích khác. Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển mạnh như hiện nay thiết bị thu GPS cần phải được cải tiến để đáp ứng các chuẩn mới, tích hợp nhiều công nghệ, cho độ chính xác cao và bổ sung nhiều tính năng khác.

Với các mục tiêu đặt ra bao gồm:

1) Làm chủ công nghệ máy thu vô tuyến đa kênh dựa trên kỹ thuật đổi tần trực tiếp và hệ thống anten thông minh.

2) Thiết kế, chế tạo máy thu định vị toàn cầu GNSS đa kênh đổi tần trực tiếp tích hợp hệ thống anten thông minh.

3) Hợp tác quốc tế, đào tạo và phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực liên quan

Nhiệm vụ đã hoàn tất các mục tiêu trên và các nội dung nghiên cứu như đăng ký trong hợp đồng. Nhiệm vụ đã hoàn tất các kết quả nghiên cứu bao gồm: Bài báo, báo cáo khoa học, quy trình công nghệ, đăng ký phát minh sáng chế, kết quả phân tích đo đạc đáp ứng yêu cầu.

Nhiệm vụ đã đóng góp cho sự phát triển công nghệ định vị vệ tinh đa kênh. Đóng góp một kiến trúc mới về công nghệ phát triển các bộ thu GNSS. Đóng góp một phương pháp thu đa kênh dùng anten thông minh trên cơ sở lý thuyết hệ thống. Đối với đội ngũ cán bộ giảng dạy và nghiên cứu khoa học trong nước, nhiệm vụ này cũng là một cơ hội để phát triển kỹ năng nghiên cứu và triển khai các nhiệm vụ mới, công nghệ mới mang tính thời sự cao.

Đồng thời nhiệm vụ cũng là cơ hội để chủ nhiệm nhiệm vụ và các thành viên tham gia nâng cao khả năng tổ chức và triển khai những công việc mang tính hệ thống, yêu cầu sự phối kết hợp chặt chẽ giữa nhiều cá nhân, nhiều bên đối tác.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 15365/2019) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)