Microsoft Word 88 Tran Van Hoi doc Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN 978 604 82 2981 8 528 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ANTEN BÁM VỆ TINH ỨNG DỤNG TRẠM THU DI[.]
Trang 1NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ANTEN BÁM VỆ TINH ỨNG DỤNG
TRẠM THU DI ĐỘNG QUA VỆ TINH
Trần Văn Hội
Trường Đại học Thủy lợi, email: hoitv@tlu.edu.vn
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Thông tin vệ tinh được biết đến như là một phương tiện truyền dẫn cung cấp không chỉ
cho hệ thống thông tin cố định mà còn cung
cấp các dịch vụ thông tin di động và các dịch
vụ băng rộng cho mạng thế hệ mới Trong hệ
thống thu di động qua vệ tinh địa tĩnh, trạm
mặt đất được đặt trên các thiết bị di động do
vậy để có thể thu tín hiệu một cách liên tục thì
anten thu phải được điều khiển để liên tục bám
theo vệ tinh Việc nghiên cứu, và chế tạo hệ
thống điều khiển anten cũng như cải tiến thuật
toán bám vệ tinh được thực hiện rộng rãi [1],
[2] Bài báo này sẽ trình bày kết quả nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển
anten bám theo vệ tinh địa tĩnh Bài báo cũng
đề xuất sử dụng kết hợp thuật toán bám từng
bước và thuật toán bám vòng hở để nâng cao
độ chính xác và giảm thời gian bám vệ tinh
2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nhóm tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu: Phân tích và tổng hợp lý thuyết về thiết
kế hệ thống kết hợp sử dụng phương pháp
thực nghiệm khoa học để chế tạo thử nghiệm
3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh
Sơ đồ khối trạm mặt đất thể hiện trên Hình 1 Hệ thống bao gồm các thành phần:
anten thu parabol, bộ đổi tần nhiễu thấp, bộ
thu giải mã, hệ thống điều khiển anten ACU
(Antenna Control Unit) và hệ thống cơ khí
Thông thường hệ thống điều khiển anten ACU thực hiện điều khiển quay góc ngẩng và góc phương vị của anten bám theo vệ tinh để đảm bảo búp hướng chính của anten trạm thu phải hướng đúng búp hướng của anten vệ tinh Thuật toán thường được sử dụng là thuật toán bám từng bước hoặc điểu khiển bám theo chương trình
Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống thu vệ tinh
Để trạm mặt đất có thể thu được tín hiệu từ
vệ tinh thì phải dựa vào vị trí của vệ tinh và của trạm mặt đất Vị trí của trạm mặt đất được xác định bởi kinh độ () và vĩ độ (), còn vị trí của vệ tinh được xác định bởi kinh
độ (S) và độ cao h của vệ tinh so với mặt đất Từ các tham số này có thể tính toán được góc ngẩng (El) và góc phương vị (Az) của anten trạm mặt đất
Khi trạm thu di chuyển thì các tham số kinh độ và vĩ độ thay đổi do đó góc ngẩng và góc phương vị anten trạm mặt đất cũng thay đổi theo Để xác định vị trí của trạm mặt đất khi máy thu di chuyển nhóm tác giả sử dụng
hệ thống thu định vị GPS NEO 6M có độ chính xác cao Để xác định góc phương vị của anten thu nhóm sử dụng cảm biến la bàn
EL AZ
Hệ thống điều khiển ACU
Bộ thu giải mã
Bộ đổi tần nhiễu thấp
Hệ thống
cơ khí
Hiển thị
Trang 2số HMC5883L và để xác định góc ngẩng của
anten thu cần sử dụng cảm biến góc nghiêng
MPU-6050 Sơ đồ hệ thống điều khiển anten
bám vệ tinh thể hiện trên Hình 2 [3]
Hình 2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển anten
Tín hiệu thu được từ vệ tinh được đưa qua
bộ đổi tần nhiễu thấp LNB rồi đưa đến bộ thu
AGC (tín hiệu trung bình) để tách tín hiệu
AGC làm cơ sở cho thuật toán bám từng
bước Tại đây bộ thu AGC sẽ lựa chọn kênh
cần thu theo yêu cầu và tách ra tín hiệu AGC
với điện áp tỉ lệ với mức tín hiệu thu Tín
hiệu AGC được đưa qua bộ chuyển đổi A/D
có độ chính xác cao để đưa vào bộ vi xử lý
cùng với tín hiệu thu được từ các cảm biến
góc ngẩng và góc phương vị
Hình 3 Sơ đồ bố trí hệ thống truyền động
Trung tâm điều khiển sử dụng hệ vi điều khiển 8 bit AVR128 Để thực hiện thuật toán
tìm kiếm và bám vệ tinh, hệ thống sử dụng
các nguồn tín hiệu từ GPS, AGC, và cảm
biến góc được đưa vào hệ vi điều khiển Kết hợp với các thông số của vệ tinh, vi điều khiển sẽ tính toán ra góc ngẩng và góc phương vị của máy thu cần hướng đến, kết hợp với giá trị góc từ cảm biến đưa đến để xác định giá trị điều khiển mô tơ quay anten bám vệ tinh Sơ đồ hệ thống điều khiển thể hiện trên Hình 3, và 4
Hình 4 Hệ thống điều khiển hoàn thiện
3.2 Đề xuất thuật toán điều khiển bám
vệ tinh
Để thực hiện quá trình tìm kiếm vệ tinh khi máy thu di chuyển, nhóm nghiên cứu xây dựng thuật toán tìm kiếm và bám vòng hở, sơ
đồ thuật toán thể hiện trên Hình 5 [4] Thông tin về kinh độ và vĩ độ của trạm thu từ máy thu GPS kết hợp tham số vệ tinh là cơ sở để tính toán góc ngẩng và góc phương vị của trạm thu Thông số này sẽ được so sánh với góc ngẩng và góc phương vị thu được từ hệ thống cảm bến góc đặt trên trục quay của hệ thống anten Tùy theo thông tin sai lệch mà
bộ điều khiển mô tơ sẽ điều khiển góc ngẩng
El lên, xuống và mô tơ góc phương vị Az quay tới vị trí góc tương ứng
Nhược điểm của thuật toán này là độ chính xác phụ thuộc vào độ chính xác của máy thu GPS cũng như các bộ cảm biến góc, cảm biến
la bàn số Vậy đây mới là phương pháp chỉnh thô vị trí anten và cần phải kết hợp với thuật toán bám từng bước để tinh chỉnh vị trí sao cho thu được mức tín hiệu tốt nhất
Thu AGC
Điều khiển
mô tơ
Chuyển đổi A/D
Mô tơ
EL, AZ
Cảm biến góc AZ, EL
LNB
Máy thu GPS
Vi xử lý Hiển thị
Bàn phím
Chuyển đổi A/D
Khuếch đại
Trang 3Hình 5 Sơ đồ thuật toán bám vòng hở
Để tận dụng ưu điểm và khắc phục nhược điểm của phương pháp bám trên, bài báo đề
xuất kết hợp thuật toán bám từng bước và
bám vòng hở, sơ đồ thuật toán thể hiện trên
Hình 6
Hình 6 Sơ đồ thuật toán bám kết hợp
Khi khởi động chương trình, hệ thống sẽ thực hiện chế độ bám vòng hở để tìm kiếm vệ
tinh, sau đó hệ thống chuyển sang chế độ
bám từng bước để tinh chỉnh anten và hệ
thống chuyển sang chế độ ổn định
Khi hệ thống máy thu di chuyển, lúc đó mức tín hiệu AGC sẽ bị giảm, nếu mức tín
hiệu AGC nhỏ hơn mức ngưỡng NG1 (NG1
mức tín hiệu suy giảm dưới 50%) lúc đó hệ
thống sẽ chuyển sang chế độ bám vòng hở,
ngược lại mức AGC lại so sánh với mức
ngưỡng NG2 (NG2 mức tín hiệu suy giảm
30%) Nếu mức AGC lớn hơn mức ngưỡng
NG2 thì hệ thống vẫn ở chế độ ổn định, và khi mức AGC nhỏ hơn NG2 thì thuật toán bám từng bước sẽ hoạt động sau đó sẽ chuyển sang chế độ ổn định, hệ thống cứ tiếp tục hoạt động cho đến khi khởi động lại hoặc hệ thống bị tắt
4 KẾT LUẬN
Trong bài báo này, nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh địa tĩnh ứng dụng cho các trạm thu di động Bài báo cũng
đã xây dựng thuật toán bám vòng hở và đề xuất kết hợp thuật toán bám từng bước với thuật toán bám vòng hở để nâng cao độ ổn định của hệ thống Kết quả thử nghiệm thu tín hiệu từ vệ tinh Vinasat-1 cho thấy hệ thống thu ổn định với máy thu di chuyển tốc
độ chậm 10m/s với thời gian bám nhỏ hơn 0.5s Kết quả thu được tương đương hệ thống
sử dụng thuật toán bám vòng hở, tuy nhiên ở
hệ thống bám vòng hở tín hiệu không ổn định, lúc được, lúc mất do không sử dụng tín hiệu thu để điều khiển
5 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Jinsoo Kim, M Kim, Oh Yang, (2013),
“Parabolic Satellite Tracking System”, The
Control, Communication, Electricity, Electronics, Energy, System, Signal and Simulation, Vol 25, pp 123-126
[2] Jium-Ming Lin, Po-Kuang Chang, (2011),
“Intelligent PD-Type Fuzzy Controller Design for Mobile Satellite Antenna Tracking System with Parameter Variations Effect”, IEEE Symposium on Computational Intelligence in Control and Automation
[3] Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Bach Gia Duong (2015), “Satellite Tracking Control System Using Fuzzy PID Controller”, Journal of Mathematics– Physics, VNU, Vol 31 (1), pp 36-46
[4] Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Bach Gia Duong (2015), “Improvement of step-tracking algorithm used for mobile receiver system via satellite”, International Journal
of Electrical and Computer Engineering, Vol 5 (2), pp 280 – 288
Chế độ bám vòng hở
Chế độ bám từng bước Chế độ ổn định
AGC>NG2
Khởi động
AGC>NG1
Đọc cảm biến góc
và la bàn số, góc Az2, El2 hiện tại
Điều khiển góc Az phải
Đọc máy thu GPS;
Tính góc Az1, El1 của máy thu
Chế độ ổn định
Khởi động
|Az1-Az2|<
Az1>Az2
|El1-El2|<
El1>El2
Điều khiển góc Az trái
Điều khiển góc El lên góc El xuốngĐiều khiển