Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thu mặt đất với cơ chế tự động phát hiện và bám vệ tinh dùng cho hệ thống thông tin vệ tinh vinasat

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTACU Antenna Control Unit Bộ điều khiển anten ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang sốADS Advanced Design System Hệ thống thiết k

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trần Văn Hội

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU MẶT ĐẤT VỚI CƠ CHẾ TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN VÀ BÁM VỆ TINH DÙNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH VINASAT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 62 52 02 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TS: Bạch Gia Dương

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tácgiả dưới sự hướng dẫn của Cán hộ hướng dẫn Các số liệu, kết quả nêu trong luận

án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nghiên cứu sinh

Trần Văn Hội

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan 2

Lời cảm ơn 3

Mục lục 4

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 7

Danh mục các bảng 9

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 10

Mở đầu 14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁM VỆ TINH 20

1.1 Tổng quan về thông tin vệ tinh 20

1.1.1 Phần không gian SS 20

1.1.2 Phần mặt đất GS 21

1.1.3 Điều khiển anten bám vệ tinh 22

1.2 Hệ thống thông tin vệ tinh VINASAT-1 26

1.2.1 Các thông số kỹ thuật ở băng tần C mở rộng 26

1.2.2 Các thông số kỹ thuật ở băng tần Ku 27

1.3 Hệ thống thu và điều khiển anten bám vệ tinh 28

1.4 Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống thu 31

1.4.1 Hệ số tạp âm 31

1.4.2 Độ nhạy máy thu 32

1.4.3 Hệ số khuếch đại (độ lợi) 32

1.4.4 Băng thông 33

1.4.5 Dải động máy thu 33

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước 33

1.6 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 35

1.7 Xác định nội dung nghiên cứu của luận án 40

1.7.1 Nội dung nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển bám vệ tinh 40

1.7.2 Nội dung nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu vệ tinh 40

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 VÀ HƯỚNG ĐẾN MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 42

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THUẬT TOÁN BÁM VỆ TINH 43

2.1 Phương pháp tìm kiếm vệ tinh 43

2.1.1 Xác định góc phương vị 43

2.1.2 Xác định góc ngẩng của anten 46

2.2 Đề xuất thuật toán bám vệ tinh 48

2.2.1 Đề xuất thuật toán bám vòng hở 48

2.2.2 Đề xuất thuật toán bám kết hợp 50

2.3 Thiết kế hệ thống điều khiển anten 52

2.4 Thiết kế giải thuật điều khiển động cơ 54

2.4.1 Mạch điều khiển động cơ 54

2.4.2 Giải thuật điều khiển PID 55

2.4.3 Giải thuật điều khiển mờ PID 57

2.5 Thiết kế, chế tạo khối xử lý trung tâm 61

2.5.1 Thiết kế mạch xử lý trung tâm 61

2.5.2 Các module cảm biến và Khối định vị GPS 63

2.5.3 Thiết kế hệ thống truyền động 65

2.6 Kết quả đo đạc thử nghiệm 66

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 71

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG THU VỆ TINH BĂNG C VÀ BĂNG L 72

3.1 Thiết kế sơ đồ hệ thống thu 72

3.2 Nghiên cứu các giải pháp thiết kế mạch tạp âm thấp 74

3.2.1 Mạch khuếch đại siêu cao tần 74

3.2.2 Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp 77

3.2.3 Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp âm 90

3.3 Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại trung tần 96

3.4 Giải pháp thiết kế mạch lọc thông dải 102

3.5 Giải pháp thiết kế bộ tạo dao động nội và bộ tổng hợp tần số 107

3.5.1 Kỹ thuật vòng khóa pha PLL 107

3.5.2 Thiết kế mạch dao động nội, bộ tổng hợp tần số 109

3.6 Kết quả chế tạo, thực nghiệm hệ thống thu băng L 113

3.6.1 Nghiên cứu, chế tạo khối nguồn nuôi 113

3.6.2 Xây dựng và thực nghiệm hệ thống 114

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 122

KẾT LUẬN CHUNG 123

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 125

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 126

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ACU Antenna Control Unit Bộ điều khiển anten

ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang sốADS Advanced Design System Hệ thống thiết kế tiên tiến

BLDC Brushless Direct Current Động cơ 1 chiều không chổi thanCPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

DSB Direct Broadcasting Satellite Vệ tinh phát quảng bá trực tiếpDRO Dielectric Resonator Oscillator Bộ dao động cộng hưởng cách

điện

EIRP Effective Isotropic Radiated Power Công suất bức xạ đẳng hướng

hiệu dụngFCC Frequency Control Code Mã điều khiển tần số

FWB Fractional Bandwidth Tỉ số băng thông

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất lớn

IF Intermediate Frequency Tần số trung tần

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấpLNB Low Noise Block Down-converter Bộ đổi tần tạp âm thấp

LPF Low Pass Filter Lọc thông thấp

NOC Network Operation Center Trung tâm điều hành mạng

PI Proportional Integral Bộ tích phân tỉ lệ

PID Proportional Integral Derivative Bộ vi tích phân tỉ lệ

PD Proportional Derivative Bộ vi phân tỉ lệ

PFD Phase Frequency Detector Bộ tách pha tần số

PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển Logic lập trình

được

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

TT&C Telemetry, Tracking and Control Bộ đo bám và điều khiểnVCO Voltage-Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng

điện ápVNA Vector Network Analyzer Bộ phân tích mạng véctơ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Kết quả một số công trình về hệ thống điều khiển bám vệ tinh 38

Bảng 1.2 Kết quả một số công trình thiết kế chế tạo hệ thống thu vệ tinh 39

Bảng 2.1 Góc phương vị của anten theo vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh 45

Bảng 2.2 Bảng luật hợp thành mờ 59

Bảng 2.3 Tham số của động cơ DC 60

Bảng 3.1 So sánh với công trình liên quan 90

Bảng 3.2 Tham số S của transistor SPF3043 trong dải 3,4 – 4,2GHz 91

Bảng 3.4 Tham số S của transistor SPF3043 ở tần số 1,5 GHz 97

Bảng 3.5 Tham số S của mạch mắc Cascode ở tần số 1,5 GHz 97

Bảng 3.5 So sánh với một số công trình liên quan 102

Bảng 3.6 Trở kháng chế độ chẵn và lẻ của mạch lọc 104

Bảng 3.7 Chiều dài, rộng và khoảng cách của các bộ cộng hưởng ghép song song 104 Bảng 3.8 Kết quả kiểm định máy thu băng L 120

Bảng 3.9 Kết quả so sánh với các công trình nghiên cứu khác 121

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu trúc chung hệ thống thông tin vệ tinh 20

Hình 1.2 Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh 22

Hình 1.3 Xử lý tín hiệu thu 23

Hình 1.4 Sơ đồ thuật toán bám từng bước 24

Hình 1.5 Vùng phủ của vệ tinh VINASAT-1 band C 27

Hình 1.6 Vùng phủ của vệ tinh VINASAT-1 band Ku 28

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống thu vệ tinh di động 29

Hình 1.8 Xác định góc ngẩng và góc phương vị 29

Hình 1.9 Điều khiển góc ngẩng và góc phương vị của Anten 30

Hình 1.10 Hệ thống bám vệ tinh Parabol 35

Hình 1.11 Thuật toán bám vòng tròn 36

Hình 1.12 Hệ thống điều khiển anten thu DBS di động 37

Hình 1.13 Thuật toán bám sử dụng phương pháp vi phân 37

Hình 2.1 Quan hệ vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh 44

Hình 2.2 Quan hệ các tham số ở dạng hình cầu và mặt phẳng 44

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa góc phương vị và góc A 46

Hình 2.4 Minh hoạ giới hạn nhìn thấy 47

Hình 2.5 Phân loại hệ thống điều khiển và phương pháp tìm kiếm vệ tinh 48

Hình 2.6 Sơ đồ thuật toán bám vòng hở 49

Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán bám kết hợp 50

Hình 2.8 Mức ngưỡng tín hiệu thu 51

Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển anten 52

Hình 2.10 Đồ thị phương hướng của anten parabol 54

Hình 2.11 Mạch cầu H dùng transistor BJT 55

Hình 2.12 Sơ đồ bộ điều khiển PID 56

Hình 2.13 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ PID 57

Hình 2.14 Mô hình của khối mờ 58

Hình 2.15 Các hàm thuộc của đầu vào e và de/dt . 58

Hình 2.16 Các hàm thuộc của đầu ra . 59

Hình 2.17 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ 59

Hình 2.18 Đáp ứng của bộ điều khiển PID 60

Hình 2.19 Đáp ứng của bộ điều khiển mờ PID 61

Hình 2.20 Sơ đồ mạch vi điều khiển và giao tiếp ngoại vi 61

Hình 2.21 Sơ đồ mạch điều khiển và hiển thị trạng thái 62

Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý mạch cấp nguồn . 62

Hình 2.23 Module GPS NEO 6M 63

Hình 2.24 Module Cảm biến MPU-6050 64

Hình 2.25 Module cảm biến từ trường HMC5883L 64

Hình 2.26 Sơ đồ bố trí hệ thống truyền động 65

Hình 2.27 Mạch điều khiển và hệ thống cơ khí 66

Hình 2.28 Phần mềm điều khiển cài đặt trên máy tính 67

Hình 2.29 Thử nghiệm hệ thống điều khiển anten 68

Hình 2.30 Mức tín hiệu thu sử dụng thuật toán bám từng bước 68

Hình 2.31 Mức tín hiệu thu sử dụng thuật toán bám vòng hở . 69

Hình 2.32 Mức tín hiệu thu sử dụng thuật toán bám kết hợp . 70

Hình 3.1 Bộ thu đổi tần nhiễu thấp băng C 73

Hình 3.2 Hệ thống thu vê tinh băng L 73

Hình 3.3 Sơ đồ cơ bản mạch khuếch đại 74

Hình 3.4 Sơ đồ mạch khuếch đại tạp âm thấp 2 tầng mắc nối tiếp . 78

Hình 3.5 Tính toán tham số mạch dải 79

Hình 3.6 Mạch phối hợp trở kháng đầu vào và kết quả mô phỏng 80

Hình 3.7 Mạch phối hợp trở kháng đầu ra và kết quả mô phỏng 81

Hình 3.8 Sơ đồ mạch khuếch tầng đầu tiên 81

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng tham số S 81

Hình 3.10 Sơ đồ mạch khuếch tầng thứ hai 82

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng tham số S 82

Hình 3.12 Sơ đồ mạch khuếch đại tạp âm thấp 2 tầng 83

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng tham số S 83

Hình 3.14 Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại 84

Hình 3.15 Mạch LNA chế tạo hoàn thiện 84

Hình 3.16 Sơ đồ đo tham số của mạch 85

Hình 3.17 Hệ số khuếch đại (S 21 ) của mạch LNA 85

Hình 3.18 Hệ số khuếch đại ngược S 12 86

Hình 3.19 Hệ số phản xạ đầu vào S 11 87

Hình 3.20 Hệ số phản xạ đầu ra S 22 87

Hình 3.21 Sơ đồ đo hệ số tạp âm của mạch 88

Hình 3.22 Kết quả đo tạp âm của mạch . 88

Hình 3.23 Điểm nén 1dB (P1dB) của mạch khuếch đại LNA 89

Hình 3.24 Điểm nén đầu vào bậc 3 (IIP3) 89

Hình 3.25 Mạch khuếch đại FET sử dụng hồi tiếp âm 90

Hình 3.26 Sơ đồ mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng hồi tiếp âm 92

Hình 3.27 Kết quả mô phỏng tham số S 92

Hình 3.28 Kết quả mô phỏng hệ số tạp âm 93

Hình 3.29 Mạch khuếch đại sử dụng hồi tiếp 93

Hình 3.30 Hệ số khuếch đại (S 21 ) của mạch LNA 94

Hình 3.31 Hệ số khuếch đại ngược của mạch LNA 94

Hình 3.32 Hệ số phản xạ đầu S 11 95

Hình 3.33 Hệ số phản xạ đầu ra S 22 95

Hình 3.34 Kết quả đo hệ số tạp âm của mạch 96

Hình 3.35 Sơ đồ mạch khuếch đại trung tần băng L 97

Hình 3.36 Kết quả mô phỏng tham số S 98

Hình 3.37 Hệ số tạp âm của mạch khuếch đại 98

Hình 3.38 Sơ đồ mạch khuếch đại trung tần sử dụng mạch vi dải 99

Hình 3.39 Hệ số khuếch đại của mạch IF (S 21 ) 99

Hình 3.40 Hệ số khuếch đại ngược của mạch IF (S 12 ) 100

Hình 3.41 Hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra 101

Hình 3.42 Hệ số phản xạ đầu vào và đầu ra 101

Hình 3.43 Kết quả đo tạp âm của mạch 102

Hình 3.44 Mạch lọc cộng hưởng nửa bước sóng ghép song song 103

Hình 3.45 Sơ đồ mạch lọc thông dải ở tần số 3.8 GHz 104

Hình 3.46 Tham số S đối với đường truyền lý tưởng 105

Hình 3.47 Kết quả mô phỏng tham số S sử dụng FR4 105

Hình 3.48 Mạch lọc thông dải hoàn thiện 106

Hình 3.49 Hệ số suy hao trong băng và ngoài băng của mạch lọc 106

Hình 3.50 Kết quả đo hệ số phản xạ S 11 107

Hình 3.51 Sơ đồ chức năng của mạch vòng bám pha 108

Hình 3.52 Sơ đồ chức năng bộ dao động dùng mạch vòng bám pha 109

Hình 3.53 Sơ đồ nguyên lý mạch dao động sử dụng PLL 110

Hình 3.54 Mạch tổng hợp tần số PLL hoàn thiện 111

Hình 3.55 Kết quả bộ tạo dao động nội 111

Hình 3.56 Kết quả đo nhiễu pha 112

Hình 3.57 Một số tần số phát trong dải 1000MHz-2000MHz 113

Hình 3.58 Sơ đồ khối nguồn nuôi 113

Hình 3.59 Hình ảnh khối nguồn nuôi 114

Hình 3.60 Hình ảnh đấu nối hệ thống thu vệ tinh băng L 114

Hình 3.61 Sơ đồ thực hiện đo đạc tham số máy thu 115

Hình 3.62 Kết quả đo tín hiệu giải điều chế tại tần số 1915 MHz 116

Hình 3.63 Độ nhạy máy thu tại tần số 1915 MHz, với S/N=1,5 116

Hình 3.64 Độ nhạy máy thu tại tần số 1915 MHz, với S/N=1,1 117

Hình 3.65 Tín hiệu giải điều chế tại tần số 1431 MHz 118

Hình 3.66 Độ nhạy máy thu tại tần số 1431 MHz, với S/N=1,5 118

Hình 3.67 Độ nhạy máy thutại tần số 1644 MHz, với S/N=1,5 119

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Với lịch sử hình thành phát triển qua hơn 40 năm, thông tin vệ tinh đã vàđang trở thành một phương tiện thông tin rất phổ biến và đa dạng Trong bối cảnhcạnh tranh khốc liệt giữa các loại hình dịch vụ, các phương thức truyền dẫn khácnhau, thông tin vệ tinh vẫn giữ một vai trò quan trọng trong lĩnh vực truyền thông,đây là phương tiện thông tin hữu hiệu nhất để kết nối thông tin liên lạc với cácvùng xa xôi, biên giới, hải đảo nơi mà mạng thông tin cố định không thể với tớiđược Không những thế nó còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhưviễn thông, viễn thám, địa chất, định vị dẫn đường cho máy bay, tên lửa, ôtô, tàuthuyền

Năm 2006, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt "Chiến lược nghiên cứu vàứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020" phục vụ phát triển kinh tế - xã hội củađất nước Chiến lược xác định mục tiêu cơ bản là: Từng bước làm chủ công nghệchế tạo các trạm mặt đất, tự chế tạo các trạm mặt đất có giá cạnh tranh; Làm chủcông nghệ vệ tinh nhỏ, tự thiết kế và chế tạo vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất; Làmchủ được công nghệ và kỹ thuật tên lửa; Chế tạo và phóng một số vệ tinh nhỏ quansát trái đất, thay thế một phần ảnh vệ tinh của nước ngoài; Ðào tạo được đội ngũcán bộ có trình độ cao, đáp ứng nhu cầu ứng dụng và phát triển công nghệ vũ trụ.Năm 2008 Việt Nam đã triển khai thành công dự án phóng vệ tinh VINASAT-1,

nó đã mở ra một thời kỳ mới cho sự phát triển trong mọi lĩnh vực khoa học cũngnhư đời sống nói chung và đặc biệt ngành viễn thông Việt Nam nói riêng Cùngvới sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật, công nghệ vệ tinh viễn thông hiệnnay cũng có những bước phát triển mới theo hướng kéo dài tuổi thọ vệ tinh, nângcao khả năng xử lý trên vệ tinh, liên kết giữa các vệ tinh, dùng anten công nghệmới, tăng công suất, mở rộng khả năng hoạt động ở các băng tần cao hơn… Vềphần mặt đất, các trạm ngày càng nhỏ hơn về kích thước, giảm về giá thành, đadạng hoá các ứng dụng, cơ động và linh hoạt trong vận chuyển lắp đặt Điều này

cho phép các hệ thống vệ tinh ngày nay có nhiều ứng dụng khác nhau với khảnăng cung cấp đa dạng các loại hình dịch vụ.

Các nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh đặc biệt là hệ thốngthu vệ tinh di động ứng dụng trên các phương tiện tàu biển, tàu hoả, ôtô… đã đượcnhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và công bố trên các tạp chí khoa học

kỹ thuật điển hình như các công trình [29]-[32], [35]-[44], [64]-[68] Ở Việt Nam,hàng năm đã có nhiều đề tài nghiên cứu cấp nhà nước về nghiên cứu thiết kế chếtạo thử nghiệm hệ thống thu phát vệ tinh cố định cũng như hệ thống thu phát vệtinh di động được thực hiện [1]-[2], [4]-[5], [7]-[10] Trong đó đề tài nghiên cứuKC.01 cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tự động kiểm soát vàbám sát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh trên cơ sở tích hợp và chếtạo sensor từ trường yếu dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện” của Trường Đại họcCông nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội cũng đã đạt được những kết quả nhất định.Tuy nhiên thời gian bám và khả năng bắt bám còn hạn chế, và hệ thống thu chưađáp ứng được yêu cầu

Để nâng cao hiệu quả thu của các trạm thu vệ tinh, tích hợp tính năng tựđộng phát hiện và điều khiển bám theo vệ tinh, đề tài luận án của nghiên cứu sinh

là rất cấp thiết để có thể nắm bắt và làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống thu vệtinh có khả năng thu di động ứng dụng vào điều kiện thực tế của nước ta hiện nay.Đây là nhiệm vụ rất quan trọng để có thể thu hẹp khoảng cách công nghệ của ViệtNam so với khu vực và trên thế giới, và góp phần vào công cuộc công nghiệp hoá,hiện đại hoá đất nước, phát triển kinh tế xã hội và khai thác hiệu quả vệ tinh

VINASAT

2 Mục tiêu của luận án

- Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển bám vệ tinh để nâng cao khảnăng tự động phát hiện và bám vệ tinh, giảm thời gian bám vệ tinh và đạt độ chínhxác cao Luận án cũng nghiên cứu giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh để minh chứng hiệu quả của thuật toán bám đề xuất

- Nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinhbăng C với độ nhạy cao, dải động và băng tần rộng, hệ số khuếch đại lớn sử dụng cho

hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh VINASAT-1 và cho các mục đích thu dữ liệu

3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận án chỉ giới hạn tập trung nghiên cứu và giải quyết 2 vấn đề:

- Trên cơ sở nghiên cứu về lý thuyết về thông tin vệ tinh, lý thuyết về hệthống điều khiển anten, thuật toán điều khiển bám vệ tinh hiện đang sử dụng Từ đónghiên cứu đề xuất thuật toán tự động tìm kiếm bám vệ tinh đảm bảo giảm thời gian tìmkiếm và bám vệ tinh cũng như đạt độ ổn định cao Nội dung luận án cũng nghiên cứu,ứng dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại để thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển vàgiải thuật điều khiển động cơ nhằm giảm thời gian thiết lập của hệ thống

- Nghiên cứu, đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo mạch trong hệ thốngthu vệ tinh băng C bao gồm mạch đổi tần nhiễu thấp băng C (LNB) và máy thu vệ tinhbăng L để sử dụng cho hệ thống điều khiển bám và thu dữ liệu Máy thu sử dụng cácgiải pháp thiết kế để đảm bảo yêu cầu độ nhạy cao, dải động và dải thông rộng, hệ sốkhuếch đại lớn ứng dụng cho hệ thống điều khiển khiển bám và hệ thu nhận dữ liệu

4 Phương pháp nghiên cứu:

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp môphỏng bằng phần mềm chuyên dụng như Matlab, ADS và phương pháp thựcnghiệm

Phương pháp lý thuyết: Bằng phương pháp phân tích và tổng hợp lý

thuyết, tiếp cận vấn đề trên cơ sở lý thuyết về thông tin vệ tinh, phương pháp điềukhiển bám vệ tinh, phương pháp thiết kế mạch điện siêu cao tần, thiết kế hệ thốngđiều khiển Tận dụng ưu điểm, khắc phục các nhược điểm của các thiết kế để đưa

16

ra giải pháp nâng cao chất lượng của mạch, cải tiến thuật toán, kết hợp thiết kế hệthống điều khiển bám vệ tinh sao cho hiệu quả cao nhất.

Phương pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện phương pháp

mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng (Matlab, ADS ), các kết quả mô phỏng là

cơ sở cho việc đánh giá, chỉnh sửa cũng như hoàn thiện thiết kế Ngoài ra các kếtquả mô phỏng cũng được đánh giá với kết quả thực nghiệm để có những chỉnh sửathiết kế tiếp theo

Phương pháp thực nghiệm: Các thiết kế sau khi mô phỏng đạt chỉ tiêu kỹ

thuật sẽ tiến hành chế tạo thực nghiệm Các kết quả đo trong phòng thí nghiệm sẽđược so sánh đối chứng các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật với các kết quả mô phỏng đểkhẳng định sự đúng đắn của các giải pháp đã đề xuất

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu trong luận án được xác định bao gồm:

- Các hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh kiểu điều khiển cơ điện ứng dụng cho các trạm thu vệ tinh di động

- Các hệ thống thu vệ tinh băng C và băng L dựa trên công nghệ mạch dải, vật liệu điện môi FR4

- Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat 1

 Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các vấn đề sau:

- Các hệ thống điều khiển anten bắt bám vệ tinh theo 2 trục là: Quay tròn theo góc phương vị và quay theo góc gẩng của anten

- Các hệ thống thu vệ tinh băng C mở rộng từ 3,4GHz – 4,2GHz và băng L

từ 950MHz – 2150MHz ứng dụng cho thu vệ tinh Vinasat 1

6 Ý nghĩa khoa học của đề tài:

- Ý nghĩa khoa học: Luận án tập trung nghiên cứu cải tiến thuật toán điềukhiển bám vệ tinh, ứng dụng các giải pháp kỹ thuật mới để xây dựng hệ thống điềukhiển bám vệ tinh Đồng thời luận án cũng ứng dụng các linh kiện siêu cao tần tiên tiến,các giải pháp công nghệ để nâng cao các tham số kỹ thuật của máy thu vệ

tinh Đây là một hướng đi sáng tạo và góp phần khẳng định Việt nam có thể làm

chủ được công nghệ chế tạo thiết bị điện tử siêu cao tần, đặc biệt là chế tạo thiết bịthu vệ tinh với cơ chế tự động phát hiện và bám vệ tinh.

- Đề tài có ý nghĩa ứng dụng thực tiễn bởi vì nội dung nghiên cứu của luận

án nằm trong khuôn khổ đề tài VT/CN 03/13-15 thuộc Chương trình Khoa học Côngnghệ Vũ trụ năm 2013 - 2015: “Thiết kế và chế tạo trạm thu di động thông tin vệ tinhdựa trên sensor từ trường độ nhạy cao ứng dụng trên tàu biển”do GS.TS Nguyễn HữuĐức - Trường Đại Học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội chủ trì Với nội dungtrong phần thiết kế chế tạo thiết bị thu băng tần C và băng L Việc thiết kế, chế tạothành công hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh sẽ là một khẳng định cho nền khoa học

kỹ thuật của Việt Nam

7 Bố cục của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, ba chương và phần kết luận Trong đó nội dungcác chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thu và điều khiển bám vệ tinh

Chương này nghiên cứu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh, tổng quan

về hệ thống thu và điều khiển bám vệ tinh, các yêu cầu kỹ thuật đối với máy thu.Trên cơ sở phân tích tình hình tổng quan về nghiên cứu thiết kế hệ thống thu điềukhiển bám vệ tinh ở trong nước và trên thế giới, từ đó có các đánh giá để đề xuấtcác nội dung nghiên cứu của luận án

Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển và thuật toán bám vệ tinh

Nghiên cứu các thuật toán tìm kiếm và bám vệ tinh hiện đang sử dụng từ đó

đề xuất thuật toán bám vệ tinh để giảm thời giam bám và nâng cao độ chính xác.Chương này cũng trình bày quá trình nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điềukhiển bám vệ tinh để minh chứng cho thuật toán trên, đồng thời sử dụng kỹ thuậtđiều khiển PID mờ để thiết kế giải thuật điều khiển động cơ nhằm giảm thời gianlên và tăng tính ổn định của hệ thống

Chương 3: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh băng C và băng L

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp,khuếch đại trung tần nhằm làm giảm tạp âm của mạch, nâng cao hệ số khuếch đạicũng như băng thông và dải động của hệ thống Ứng dụng các giải pháp thiết kế,các linh kiện siêu cao tần tiên tiến, công nghệ mạch dải trong việc chế tạo cácmạch lọc, bộ tạo dao động nội có độ ổn định cao Kết quả thiết kế, chế tạo hệthống thu đổi tần nhiễu thấp băng C và máy thu băng L với độ nhạy cao, dải thôngrộng, dải động lớn đáp ứng được yêu cầu về hệ thống thu cũng như hệ thống điềukhiển bám vệ tinh

Phần kết luận chung tổng kết lại các kết quả, thảo luận và nêu lên nhữngđóng góp mới của các kết quả này so với những nghiên cứu hiện có trong và ngoàinước Đặc biệt nhấn mạnh tính hiện đại hóa và làm chủ công nghệ chế tạo thiết bịsiêu cao tần băng C và băng L trong điều kiện sử dụng của Việt nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU VÀ ĐIỀU KHIỂN

BÁM VỆ TINH

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 Để đi thiết kế chế tạo

hệ thống thu với cơ chế tự động phát hiện và bám theo vệ tinh trong hệ thống thu

di động, chương này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về hệ thống thu vệ tinh, hệ thống

điều khiển anten bám vệ tinh, các chỉ tiêu kỹ thuật của máy thu vệ tinh, tổng quan

tình hình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh ở Việt

Nam cũng như trên thế giới Từ đó đặt ra các nội dung cần nghiên cứu của luận án

1.1 Tổng quan về thông tin vệ tinh

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin vệ tinh thể hiện trên Hình 1.1

Hệ thống bao gồm 2 phần là phần không gian SS (Space Segment) và phần mặt đất

phân hệ đo, bám và điều khiển TT&C (Telemetry, Tracking and Control) Phân hệanten trên vệ tinh bao gồm các anten thu phát thực hiện phủ sóng vùng rộng, phủsóng vùng hẹp và anten TT&C.

Phân hệ thông tin gồm các máy thu băng rộng, các bộ phân kênh vào, các

bộ khuếch đại và các bộ ghép kênh ra Hệ thống thông tin thực hiện thu tín hiệu từtrạm mặt đất bởi anten thông tin qua bộ phối hợp thu phát để đưa đến máy thu.Máy thu sẽ thực hiện khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) sau đóđược chuyển đổi tần số để biến đổi tần số tuyến lên thành tần số tuyến xuống.Trước khi phát xuống, tín hiệu được khuếch đại công suất lớn HPA (High PowerAmplifier) ở máy phát qua bộ phối hợp thu phát để đưa ra anten phát

Phân hệ đo, bám và điều khiển TT&C cho phép đo từ xa các thông số vệtinh báo cáo về trạm điều khiển dưới mặt đất để nhận được các lệnh điều khiểntương ứng Phân hệ này phát đi tín hiệu hải đăng thông báo về vị trí bị xê dịch của

nó để đảm bảo bám từ trạm mặt đất Ngoài ra, dựa trên tín hiệu này trạm điềukhiển dưới mặt đất cũng phát lệnh điều khiển vị trí vệ tinh

Tuyến thông tin thiết lập giữa trạm mặt đất phát và máy thu của vệ tinhđược gọi là đường lên Uplink Vệ tinh sẽ phát các tín hiệu thu được từ các trạmmặt đất phát xuống các trạm mặt đất thu, tuyến thông tin này được gọi là đườngxuống Downlink

1.1.2 Phần mặt đất GS.

Phần mặt đất bao gồm các trạm điều khiển và giám sát vệ tinh, trạm mặt đấtthu phát thông tin Các trạm bám (Tracking Station), trạm đo xa (TelemetryStation), trạm điều khiển (Control Station) cùng với trung tâm điều khiển vệ tinh

mà tại đó đảm nhiệm tất cả các thao tác liên quan đến công việc duy trì vị trí của

vệ tinh (Station Keeping) và kiểm tra các chức năng quan trọng của vệ tinh

Trạm mặt đất thu phát thông tin thường được nối với các thiết bị của người

sử dụng thông qua các mạng ở mặt đất hoặc cũng có thể nối trực tiếp tới thiết bịđầu cuối của người sử dụng Các trạm mặt đất được phân loại bởi kích thước trạm

và loại tín hiệu được xử lý (thoại, dữ liệu ) Các trạm mặt đất lớn được trang bị

những anten đường kính lớn có thể lên đến 30m trong khi các trạm mặt đất nhỏ cóanten đường kính có thể nhỏ đến 45cm, bởi vì các trạm này chỉ thu tín hiệu trựctiếp từ vệ tinh Các trạm mặt đất có thể là trạm thu/phát hoặc các trạm chỉ thu Cáctrạm mặt đất chỉ thu được sử dụng trong các hệ thống truyền hình trực tiếp hoặc hệthống chuyển tiếp các tín hiệu truyền hình, dữ liệu.

1.1.3 Điều khiển anten bám vệ tinh

Các vệ tinh hoạt động trong quỹ đạo địa tĩnh có đặc điểm là: dạng quỹ đạotròn với mặt phẳng của nó trùng với mặt phẳng xích đạo của trái đất, quay cùngchiều quay với trái đất và chu kỳ quay của nó bằng với chu kỳ quay của trái đất là

24 giờ Độ cao của vệ tinh so với mặt đất là 35.7860 km và đường chiếu từ quỹđạo đến tâm trái đất khoảng 42.000 km Do vậy từ vệ tinh đến người quan sát tại

vị trí bất kỳ trên mặt đất đều nằm trong tầm nhìn vệ tinh và từ trái đất ta luôn thấy

vệ tinh không chuyển động trên không trung [19]

Hình 1.2 Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh

Tuy nhiên, các vệ tinh không hoàn toàn chính xác là địa tĩnh bởi vì nó cònchịu ảnh hưởng của một số lực tác động như trường hấp dẫn của quả đất, lực phát

xạ của mặt trăng và mặt trời Tác động ảnh hưởng này làm trôi dịch vệ tinh khỏi vịtrí xác định của nó theo các chiều Bắc-Nam và Đông-Tây Do vậy cần phải có hệthống điều chỉnh để vệ tinh đi đúng quỹ đạo và đảm bảo chu kỳ quay của vệ tinh.Mặt khác các hệ thống thu cố định mặt đất có đường kính anten lớn búp sóng hẹp

cũng phải sử dụng các hệ thống điều khiển anten để bám theo vệ tinh khi vệ tinh

có sự dịch chuyển

Trong hệ thống thu di động, các trạm thu được đặt trên các thiết bị di động,

do vậy để thu được tín hiệu một cách liên tục thì yêu cầu đặt ra là anten tại cáctrạm mặt đất phải bám theo vệ tinh nhằm giảm thiểu sự suy hao mức tín hiệu do

độ lệch búp sóng chính của anten Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật điều chỉnh quayanten bám theo vệ tinh (Antenna Tracking) Trong thực tế người ta hay sử dụngcác thuật toán sau để điều khiển bám vệ tinh đó là:

Thuật toán xung đơn

Thuật toán bám xung đơn là một trong những thuật toán phát triển sớm nhất

sử dụng hệ thống điều khiển bám tự động Trong thuật toán này, tín hiệu vệ tinhthu được sẽ là cơ sở để thực hiện tính toán điều khiển vị trí của góc ngẩng và gócphương vị Anten sử dụng trong hệ thống bám xung đơn có 4 bộ tiếp sóng (hornfeed) bố trí quanh trục anten tạo thành mô hình anten chồng như Hình 1.3

Hình 1.3 Xử lý tín hiệu thu

Tín hiệu thu được gồm 4 thành phần sau đó được đưa qua bộ so sánh để tạo

ra 2 đặc tính đáp ứng khác nhau đó là thành phần tổng và hiệu Từ đây có thể xác

định tâm búp sóng anten có hướng đúng vào vệ tinh hay không để điều khiểnhướng anten thu vệ tinh [19].

Trong thời gian phát triển ban đầu của hệ thống liên lạc vệ tinh, hệ thốngxung đơn được sử dụng rộng rãi, nhưng từ giữa những năm 70 của thế kỷ trướccho đến nay, người ta đã chuyển sang sử dụng hệ thống bám theo từng bước và hệthống điều khiển theo chương trình

Thuật toán bám từng bước.

Tín hiệu vệ tinh nhận được nhờ anten được đưa đến bộ khuếch đại tạp âmthấp LNA Các tín hiệu vệ tinh được đưa tới bộ hạ tần thành tín hiệu trung tần, sau

đó được đưa tới bộ thu vệ tinh Thiết bị này tách ra tín hiệu hải đăng thành tín hiệumột chiều để cung cấp điện áp một chiều DC (Direct Current) tỷ lệ thuận vớicường độ tín hiệu, đưa tới đầu vào khối điều khiển anten ACU (Antenna ControlUnit) Tín hiệu này sẽ dùng để so sánh với mức tín hiệu trước đó, nếu mức tín hiệuthu được tăng lên thì anten tiếp tục dịch chuyển từng nấc theo hướng đó, ngược lạinếu mức tín hiệu thu giảm đi thì anten sẽ dịch chuyển theo hướng ngược lại Bằngcách dịch từng bước, anten thu có thế bám theo vệ tinh để thu tín hiệu với mức caonhất

Thuật toán bám từng bước có thể được chia thành 3 giai đoạn thể hiện trênHình 1.4 Khi khởi động hệ thống, vị trí của anten thu được điều chỉnh theo vị trígóc ngẩng và góc phương vị đã tính trước để thu được tín hiệu dẫn đường ban đầusau đó hệ thống bắt đầu thực hiện quét vệ tinh Ở chế độ này dải góc quét củaanten được thiết lập dọc theo hướng mặt phẳng phương vị và xác định mứcngưỡng tạm thời Chế độ quét kết thúc và chuyển sang chế độ bám sau khi mức tínhiệu thu được vượt qua mức ngưỡng Và mức ngưỡng thu được sẽ được sử dụngnhư là một tín hiệu đầu vào chuẩn cho chế độ bám tiếp theo.

Ở chế độ bám, bằng việc so sánh mức tín hiệu nhận được trước và sau khichuyển động, chiều chuyển động tiếp theo có thể được quyết định Nếu như mức tínhiệu được tăng lên, anten tiếp tục được chuyển động theo cùng chiều và nếu như mứctín hiệu bị giảm xuống, chiều chuyển động của anten sẽ theo hướng ngược lại Quá trìnhnày sẽ được tiếp diễn và luân chuyển giữa hai trục vuông góc của anten Khi anten thuđược mức tín hiệu tốt thì chuyển sang chế độ ổn định Ở trạng thái ổn định, nếu mức tínhiệu thu dưới ngưỡng cho phép do sự di chuyển của máy thu thì quá trình hoạt động lạichuyển sang chế độ bám để duy trì tín hiệu trên mức ngưỡng

Thuật toán này có ưu điểm là cấu hình phần cứng và phần mềm đơn giản vàchi phí thấp do thuật toán này chỉ sử dụng thông tin phản hồi về mức tín hiệu thuđược để làm cơ sở điều khiển Điều này có ý nghĩa rất lớn về việc giá thành hạ hơn

do hệ thống này không yêu cầu có cấu trúc đặc biệt Việc bảo trì, sửa chữa cũngđơn giản, thuận tiện hơn

Tuy nhiên thuật toán cũng có nhược điểm đó là: Việc xác định một búpsóng cực đại đúng vào vệ tinh khó chính xác Bám theo vệ tinh có thể bị kém đi dodao động biên độ của mức tín hiệu nhận được (hiện tượng fading), ví dụ khi có sựbiến đổi áp suất khí quyển Điều này cũng sẽ có tác động, ảnh hưởng nhất định đếntín hiệu truyền dẫn mà mức công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng EIRP(Effective Isotropic Radiated Power), nó sẽ phải được giữ trong phạm vi danh định

là ± 0,5dB Thuật toán bám từng bước được sử dụng rộng rãi trong việc điều khiển

anten trạm thu cố định, và cũng được áp dụng trong hệ thống thu di động khi kếthợp với một số phương pháp khác nhau.

Vệ tinh VINASAT-1 là vệ tinh viễn thông đầu tiên của Việt Nam cùng với

hệ thống cơ sở hạ tầng mặt đất như Đài điều khiển vệ tinh (TT&C), Đài điều hànhkhai thác vệ tinh (NOC) và các trạm teleport hoàn chỉnh, hiện đại Vệ tinhVINASAT-1 được phóng lên quỹ đạo địa tĩnh tại vị trí 1320 Đông có vùng phủsóng rộng lớn trong khu vực Châu Á, Châu Úc và Hawaii

Hệ thống trạm điều khiển vệ tinh VINASAT-1 gồm có 2 trạm: Trạm điềukhiển chính được đặt ở phía Bắc tại Hà Nội và trạm dự phòng đặt ở phía Nam tạitỉnh Bình Dương Hai trạm này được thiết kế cho phép dễ dàng mở rộng để điềukhiển thêm các vệ tinh khác của Việt Nam sau này

Trung tâm điều hành mạng NOC là một phần không thể thiếu trong hệthống thông tin vệ tinh Quy mô trạm NOC được thiết kế tối ưu cho dung lượng vệtinh khai thác và các loại hình dịch vụ cung cấp cho khách hàng cũng như khảnăng mở rộng khi có thêm các vệ tinh

1.2.1 Các thông số kỹ thuật ở băng tần C mở rộng

 Tham số chung phục vụ tính toán thiết kế đường truyền

- Công suất bức xạ đẳng hướng bộ phát đáp (EIRP): 40dBm

- Độ lùi công suất đầu vào bộ phát đáp (IBO): -3dB

- Độ lùi công suất đầu ra bộ phát đáp (OBO): -3dB

- Mật độ thông lượng bão hoà bộ phát đáp (SFD): -85dBW/m2

- Hệ số khuếch đại trên nhiệt tạp âm bộ phát đáp (G/T):từ -8,3dB/0Kđến -2dB/0K.

 Vùng phủ sóng theo giản đồ:

- Đường đồng mức EIRP: 40dBW (trong vùng Đông Nam Á) và 42dBW (với phần lãnh thổ Việt Nam và lân cận)

- Đường đồng mức G/T: -2dB/0K (trong vùng Đông Nam Á) và 0dB/0K

(với phần lãnh thổ Việt Nam và lân cận)

Hình 1.5 Vùng phủ của vệ tinh VINASAT-1 band C

[9] 1.2.2 Các thông số kỹ thuật ở băng tần Ku

- Dải tần: 13.750 – 13.990 MHz (240 MHz); và 14.255 – 14.495 MHz (240 MHz)

(250 MHz)

 Tham số chung phục vụ tính toán thiết kế đường truyền

- Công suất bức xạ đẳng hướng bộ phát đáp (EIRP): 54dBm

- Độ lùi công suất đầu vào bộ phát đáp (IBO): -3dB

- Độ lùi công suất đầu ra bộ phát đáp (OBO): -3dB

- Mật độ thông lượng bão hoà bộ phát đáp (SFD): -90dBW/m2

- Hệ số khuếch đại trên nhiệt tạp âm bộ phát đáp (G/T):từ +2,0dB/0K

Hình 1.6 Vùng phủ của vệ tinh VINASAT-1 band Ku [9]

1.3 Hệ thống thu và điều khiển anten bám vệ tinh

Sơ đồ khối hệ thống thu kết hợp hệ điều khiển bám vệ tinh thể hiện trên Hình 1.7 Hệ thống bao gồm các thành phần: Anten thu parabol, bộ đổi tần nhiễu

thấp LNB (Low Noise Block Down-converter), bộ thu giải mã (Set-top box), hệ

thống điều khiển anten ACU, hệ thống truyền động thực hiện điều khiển quay góc

ngẩng, góc phương vị anten Hệ thống anten có thể được điều khiển bằng động cơ

xoay chiều hoặc bằng động cơ một chiều, cùng được gắn kết với hệ thống cơ khí

truyền động dễ dàng theo mỗi hướng anten

TB Đầu cuối

Bộ thu giải mãthấp LNB

AZ

Hệ thống truyền Hệ thống điều

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống thu vệ tinh di động

Để điều khiển anten trạm mặt đất bắt được vệ tinh thì cần phải biết được vị

trí của vệ tinh trên quỹ đạo thông qua kinh độ của vệ tinh, và vị trí của trạm thu

mặt đất thông qua kinh độ, vĩ độ

Hình 1.8 Xác định góc ngẩng và góc phương vị.

Từ các thông số này có thể xác định được thông số lắp đặt của anten đó là

góc ngẩng (EL) và góc phương vị (Az) của anten trạm mặt đất Góc ngẩng (EL) là

góc được tạo bởi búp sóng chính của anten tới vệ tinh và đường chân trời (mặtphẳng tiếp tuyến của mặt đất tại điểm đặt anten) Góc phương vị của anten (Az)trạm mặt đất là góc được tạo bởi phương bắc của trái đất và hướng vệ tinh tínhtheo chiều quay kim đồng hồ [19].

Hình 1.9 Điều khiển góc ngẩng và góc phương vị của Anten

Khi vệ tinh bị dịch chuyển trên quỹ đạo hoặc khi máy thu di chuyển, lúc đó

vị trí tương đối của trạm mặt đất so với vệ tinh sẽ thay đổi Điều này sẽ làm choanten thu bị lệch hướng so với anten phát và máy thu không thể thu được tín hiệu

từ vệ tinh Lúc này ta phải thực hiện quá trình điều khiển anten thay đổi giá trị gócngẩng và góc phương vị cho phù hợp để điều chỉnh lại vị trí của anten hướng theo

1.4 Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống thu

1.4.1 Hệ số tạp âm

Tạp âm là những thành phần không mong muốn, nhưng cũng không tránhkhỏi của các linh kiện và các thành phần trong mạch Bởi vì tạp âm có tính ngẫunhiên nên không thể dự đoán được giá trị chính xác của chúng

Có rất nhiều nguồn sinh tạp, nó làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệutrong một máy thu Và để đánh giá tạp âm của máy thu người ta sử dụng hệ số tạp

F, nó được định nghĩa là tỷ số của công suất tín hiệu và công suất tạp âm ở đầu vào

và đầu ra [3]

(1.1)

Trong đó:S i và N i là công suất tín hiệu và công suất tạp âm đầu vào

S o và N o là công suất tín hiệu và công suất tạp âm đầu vào.

Bởi vì tỷ số tín hiệu/tạp âm hai đầu đều có thứ nguyên công suất (hay bìnhphương điện áp), nên ta có thể biểu diễn hệ số tạp F (Noise Figure) theo decibelnhư sau:

|

Hệ số tạp của bộ nối tầng: Trong thực tế số tầng trong một bộ khuếch đại cóthể khá lớn, nên ngoài hệ số tạp của từng tầng, thì hệ số tạp toàn phần được xácđịnh theo công thức sau:

(1.3)Trong đó: Fi và Gi là hệ số tạp và hệ số khuếch đại của tầng i (với i = 1–n) Từcông thức (1.3) ta thấy chính hệ số tạp của máy thu phụ thuộc rất lớn vào hệ số tạp

âm của tầng khuếch đại đầu tiên, các tầng tiếp theo ít ảnh hưởng đến

hệ số tạp

1.4.2 Độ nhạy máy thu

Độ nhạy được định nghĩa là mức tín hiệu đầu vào nhỏ nhất có thể chấpnhận được mà một máy thu có thể phân biệt được tín hiệu thu Ta định nghĩa tiêuchuẩn chấp nhận được là tỉ số tín/tạp vừa đủ, phụ thuộc vào dạng điều chế và độbiến dạng xung có thể chấp nhận được trong hệ Độ nhạy là công suất tín hiệu lốivào nhỏ nhất mà tại đó tỉ số tín/tạp lối ra là xác định [3]

(1.4)Trong đó Psig là công suất tín hiệu lối vào; PRS là công suất tạp âm trở khángnguồn và B là độ rộng băng tần của máy thu

Để biểu diễn các đại lượng theo dB hoặc dBm, ta có:

Trong đó P min là độ nhạy, B là dải thông máy thu có đơn bị là Hz Chú ý

rằng (1.5) không phụ thuộc trực tiếp vào hệ số khuếch đại của hệ Nếu máy thu

được phối hợp trở kháng với ăng ten thì khi đó P RS = kT = -174 dBm/Hz và ta có:

= -174dBm/Hz

Trong đó tổng 3 số hạng đầu chính là tổng tạp âm của hệ còn gọi là “nền tạpâm”

Từ (1.6), ta thấy có 2 phương pháp nâng cao độ nhạy máy thu, đó là:

+ Giảm hệ số tạp bằng cách dùng bộ khuếch đại tạp âm thấp;

+ Thu hẹp dải thông máy thu xác định bởi độ rộng tín hiệu phổ đã thu Tuy nhiên, thu hẹp dải thông không để xuất hiện méo là tương đối khó

1.4.3 Hệ số khuếch đại (độ lợi)

Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại là tỷ số giữa công suất đầu ra vàcông suất đưa vào điều khiển, và thông thường được tính trên thang đo decibel(dB) Tùy theo ứng dụng mà mỗi máy thu sẽ yêu cầu về hệ số khuếch đại lớn haynhỏ Thông thường trong máy thu sẽ chia ra nhiều tầng khuếch đại, mỗi tầng giảiquyết một hoặc hai vấn đề chính để dung hòa giữa các thông số khác nhau như tạp

âm, băng thông, độ tuyến tính

Một yêu cầu đối với máy thu là nó phải có khả năng tự điều chỉnh hệ sốkhuếch đại phù hợp với mức tín hiệu nhận được trong một dải xác định Để xácđịnh dải điều chỉnh hệ số khuếch đại máy thu cho phù hợp, ta phải xem xét cả haiyếu tố độ nhạy và vùng nén tín hiệu của bộ khuếch đại Khó khăn chủ yếu ở đây làlàm thế nào để đạt được dải giá trị hệ số khuếch đại này trong khi vẫn phải duy trìđược hệ số tạp và độ tuyến tính.

1.4.4 Băng thông

Băng thông của một mạch khuếch đại thường được xác định từ tần số thấpnhất đến tần số cao nhất ở điểm mà hệ số khuếch đại giảm còn 1/2 Thông số nàycòn gọi là băng thông −3 dB

1.4.5 Dải động máy thu

Dải động máy thu là khả năng thu và khuếch đại tín hiệu từ mức thấp nhất(độ nhạy) cho đến mức cao nhất mà không gây méo tín hiệu Nhiệm vụ của máythu là khuếch đại tín hiệu vào mà không làm méo dạng tín hiệu Nếu tín hiệu thuđược ở mức lớn sẽ làm cho hệ thống chuyển sang chế độ bão hòa, sẽ làm thay đổiphổ của tín hiệu Nếu tín hiệu ở mức bé dưới mức tạp âm thì máy thu không thểthu được tín hiệu Về nguyên tắc, dải động máy thu phải lớn hơn dải cường độ tínhiệu từ mức tạp đến tín hiệu nhiễu lớn nhất Do vậy dải động máy thu phụ thuộcrất nhiều vào hệ số khuếch đại của mạch và khả năng điều chỉnh hệ số khuếch đại

Cùng với sự nghiên cứu phát triển trên toàn thế giới, các nhà nghiên cứu ởViệt Nam cũng đã có những nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực siêu cao tần và

hệ thống điều khiển anten thu vệ tinh Hiện nay các trường: Đại học Công nghệ,Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện Rađa thuộc ViệnKhoa học và Công nghệ quân sự… đang có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề thiết

kế, chế tạo hệ thống thu phát siêu cao tần ứng dụng trong lĩnh vực thông tin vệtinh, trong rada, điển hình như các công trình [1]-[2], [4]-[5], [7]-[10]

Công trình nghiên cứu số [2] nhóm tác giả nghiên cứu thiết kế hệ thống thuphát và xử lý tín hiệu dải rộng nhận biết chủ quyền quốc gia Hệ thống được thiết

kế với tuyến thu và phát làm việc trên băng L

Công trình nghiên cứu số [4] tác giả tập trung vào nghiên cứu, chế tạo vàứng dụng sensor đo từ trường trái đất để xác định góc tầm, hướng trong điều khiểnanten thu Đề tài đã đạt được một số kết quả nhất định trong việc thiết kế chế tạo

hệ thống tự động kiểm soát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh và hệthống thu vệ tinh băng C Tuy nhiên hệ thống điều khiển cần phải xác định gócchuẩn hướng khi thực hiện điều khiển bắt bám vệ tinh, và hệ thống thu băng C mớichỉ thực hiện ở phần đổi tần nhiễu thấp LNB

Công trình nghiên cứu số [7] tác giả nghiên cứu, thiết kế các mạch siêu caotần thụ động như mạch lọc, mạch chuyển mạch, mạch hạn chế, mạch cộng, chiacông suất, mạch khuếch đại tạp thấp, mạch trộn tần sử dụng trong đài rada dải tần2,7 – 3,1 GHz

Công trình nghiên cứu số [8] tác giả nghiên cứu, xây dựng quy trình côngnghệ chế tạo mạch khuếch đại siêu cao tần tạp thấp ở dải 2,7 – 3,1GHz sử dụngcho đài rada

Công trình nghiên cứu số [9] tác giả nghiên cứu khả năng chế tạo thửnghiệm một số phần tử, thiết bị trạm đầu cuối VSAT dùng trong hệ thống thôngtin vệ tinh Trong đó có nội dung thiết kế chế tạo hệ thống anten parabol, kết quảbước đầu đã được lắp đặt trong các hệ thống VSAT và đạt kết quả khả quan

Tóm lại: Các công trình trên chủ yếu áp dụng kỹ thuật siêu cao tần trong

việc tính toán thiết kế chế tạo các mạch siêu cao tần ở băng tần L và S ứng dụngchủ yếu cho hệ thống Rada Các thiết kế mới chỉ đưa ra quy trình thực hiện thiết kếcác mạch rời rạc trong hệ thống đồng thời cũng không đi sâu vào các giải phápnâng cao chất lượng của mạch như giảm hệ số tạp âm, tăng dải thông của mạch,nâng cao độ ổn định của mạch dao động…Bên cạnh đó các nghiên cứu về hệ thốngđiều khiển anten thu mới ứng dụng cho hệ thống cố định

1.6 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Các nghiên cứu khoa học về thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh, hệ thốngđiều khiển bám, xây dựng các thuật toán điều khiển và thuật toán bám vệ tinh xuấthiện nhiều trên các tạp chí khoa học và kỹ thuật và các hội nghị chuyên ngành trênthế giới điển hình như các công trình [29]-[32], [35], [38], [44], [56], [64]-[68].Đối với các nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển anten thường sử dụng

hệ thống điều khiển bán tự động kết hợp tự động, sử dụng các thuật toán bám từngbước hoặc theo chương trình Điển hình là các công trình [67] sử dụng bộ điềukhiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) điều khiển 2 mô tơ thựchiện quay góc ngẩng và góc phương vị của anten Hệ thống điều khiển sử dụngthuật toán bám từng bước và điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển vi tíchphân tỉ lệ PID (Proportional Intergral Derivative) kinh điển Hệ thống này chủ yếu

sử dụng cho trạm thu cố định, giúp điều khiển anten thu vệ tinh đạt tín hiệu tốtnhất

Công trình số [29] tác giả xây dựng hệ thống điều khiển anten sử dụng động

cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless Direct Current) để điều khiển gócngẩng và góc phương vị, sơ đồ hệ thống thể hiện trên Hình 1.10

Hình 1.10 Hệ thống bám vệ tinh Parabol

Hệ thống sử dụng thuật toán bám vòng tròn kết hợp thuật toán bám từngbước thể hiện trên Hình 1.11

Hình 1.11 Thuật toán bám vòng tròn

Đầu tiên anten thực hiện quay góc phương vị 3600 sau đó so sánh để tìmđược giá trị tín hiệu AS (Average signal) lớn nhất Đây chính là vị trí của gócphương vị anten Khi máy thu di chuyển thì anten tiếp tục quay theo góc phương

vị 1 vòng để xác định giá trị AS lớn nhất trong vòng quay, nếu AS chưa đạt giá trịngưỡng thì điều chỉnh góc ngẩng trong phạm vi 30 và tiếp tục quay cho đến khi đạtgiá trị AS lớn nhất Thời gian bám vệ tinh đạt giá trị 0,6s với góc 0, khi máy thu dichuyển ra ngoài góc 0 thì hệ thống chưa thực sự ổn định Hệ thống sử dụng

bộ điều khiển PI

Công trình số [38] tác giả sử dụng thuật toán bám vi phân để điều khiển gócphương vị của anten, sơ đồ hệ thống thể hiện trên Hình 1.12

Thuật toán sử dụng phương pháp so sánh giá trị AS hiện tại và AS trước đó

để quay góc phương vị của anten tương ứng với độ chênh lệch, sơ đồ thuật toánthể hiện trên Hình 1.13 Với trường hợp khi máy thu cố định thì AS lớn hơn giá trịngưỡng (vị trí A), khi máy thu di chuyển thì tín hiệu AS giảm xuống vị trí B, khi

đó hệ thống sẽ so sánh sự chênh lệch để đưa điện áp điều khiển anten quay ngượclại Với AS ở vị trí C thì giá trị điện áp đưa điều chỉnh anten sẽ phải lớn hơn khi

AS ở vị trí B

Hình 1.12 Hệ thống điều khiển anten thu DBS di động

Kết quả của công trình đưa ra thời gian bám nhỏ hơn 0,6s tùy theo tốc độ dichuyển của hệ thống Tuy nhiên thuật toán này chỉ áp dụng trong trường hợp máythu chuyển hướng chậm, nếu máy thu chuyển hướng nhanh thì thuật toán này đạtđạt độ ổn định thấp

Hình 1.13 Thuật toán bám sử dụng phương pháp vi phân.

Trong các công trình trên thường sử dụng bộ điều khiển động cơ là bộ điềukhiển PID kinh điển Một trong những lý do bộ điều khiển PID trở nên phổ biếnnhư vậy là vì tính đơn giản, dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năngtính toán hạn chế Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điềukhiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệthống trong công nghiệp như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, momentđộng cơ AC và DC… Để giảm thời gian quá độ và thời gian ổn định của hệ thống,

có nhiều công trình đưa ra các giải pháp thiết kế sử dụng bộ điều khiển PID truyền

thống kết hợp với bộ điều mờ Fuzzy, hoặc các bộ điều khiển thích nghi điển hình

là các công trình [19], [23], [31], [32], [36], [60]-[62]

Công trình số [23] tác giả đề xuất sử dụng bộ điều khiển mờ cho hệ thốngthu radar xung, kết quả hệ thống thu sử dụng bộ điều khiển mờ tốt hơn so với bộđiều khiển PID thông thường

Công trình số [31] và công trình số [32] tác giả sử dụng bộ điều khiển PD

mờ và PI mờ cho hệ thống điều khiển bám vệ tinh, kết quả cho thấy thời gian quá

độ và thời gian ổn định tốt hơn so với hệ thống PID

Bảng 1.1: Kết quả một số công trình về hệ thống điều khiển bám vệ tinh

Tham số Trích dẫn [19] Trích dẫn [29] Trích dẫn [38]

Hệ thống điều

khiển

Thuật toán bám Thuật toán bám Bám vòng tròn kết Thuật toán bám

Từ Bảng 1.1 cho thấy các công trình đã công bố về hệ thống điều khiển vẫncòn hạn chế về thời gian bám vệ tinh khi thực hiện thu di động 0,6s trong điều kiệnmáy thu di chuyển chậm và độ ổn định thấp

Đối với các nghiên cứu về thiết kế, chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng Ctập trung vào nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA,mạch dao động nội, mạch trộn tần, mạch lọc, mạch khuếch đại trung tần Có nhiềucông trình nghiên cứu thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp với mục tiêu làm giảmtạp âm, tăng hệ số khuếch đại và băng thông làm việc của mạch điển hình như cáccông trình sau [24]-[27], [40]-[51], [68].

Công trình số [49] của nhóm tác giả Othman A.R sử dụng mạch khuếch đạimắc kiểu cascode kết hợp mạng phối hợp trở kháng T để tăng hệ số khuếch đại củamạch khuếch đại tạp âm thấp Kết quả công trình thiết kế ở tần số 5,8GHz vớiGain =18,5 dB, NF =1,3 dB, BW=1,4GHz

Nhóm tác giả Kamil P có công trình [37] đã sử dụng phương pháp hồi tiếp

âm ở tầng đầu tiên giúp giảm tạp âm của mạch Mạch thiết kế sử dụng nhiều tầngkhuếch đại ghép cascode để tăng hệ số khuếch đại của mạch

Công trình [24] tác giả thiết kế mạch khuếch đại LNA băng rộng sử dụngkiến trúc mạch khuếch đại cân bằng Kết quả cho thấy Gain =17,5-18,5 dB, NF

=1,02 dB, BW=800MHz

Công trình [40] tác giả đã đề xuất phương pháp giảm nhiễu pha của bộ daođộng nội sử dụng bộ ghép cộng hưởng điện môi bằng bộ chuyển đổi trở khángcao Kết quả đạt nhiễu pha –116,2 dBc/Hz ở tần số 9,781124 GHz với độ lệch100kHz

Công trình [69] nhóm tác giả thực hiện thiết kế mạch tổng hợp tần số dùngmạch vòng khóa pha PLL (Phase Locked Loop) để giảm nhiễu pha của bộ daođộng nội

Công trình [35] nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tuyến thu siêucao tần băng L với độ lợi Gain =37 dB, hệ số tạp âm NF < 0,5dB, nhiễu pha PN =103,3 dB/Hz@50KHz

Công trình [64] nhóm tác giả V Saatchi đã sử dụng các bộ suy giảm số đểtăng dải động của máy thu

Trong máy thu vệ tinh thực tế [71] do được sử dụng mục đích thu cố địnhnên thông số độ nhạy có giá trị thấp và dải động hẹp Máy thu này ứng dụng chomục đích thu di động chưa đạt yêu cầu

Bảng 1.2: Kết quả một số công trình thiết kế chế tạo hệ thống thu vệ tinh

Tham số Trích dẫn [35] Trích dẫn [64] Máy thu thực tế [71]Dải tần làm

1,26GHz-1,268GHz 4 - 8GHz 950MHz - 2150MHzviệc

Tín hiệu ra IF - 247MHz IF – 1.2GHz Audio, TV Video

Từ Bảng 1.2 cho thấy các máy thu vệ tinh có độ nhạy còn thấp, dải độnghẹp chủ yếu ứng dụng cho hệ thống thu cố định Đối với hệ thống thu di động, tínhiệu thu có thể bị fading hoặc khi anten lệch hướng thu thì tín hiệu sẽ bị suy giảmrất lớn Vậy để đáp ứng được yêu cầu cho quá trình điều khiển bám thì máy thu vệtinh phải có độ nhạy cao, dải động rộng, hệ số khuếch đại lớn và dải thông phùhợp.

1.7 Xác định nội dung nghiên cứu của luận án

Từ những phân tích trên vấn đề đặt ra đối với luận án là đi nghiên cứu, thiết

kế, chế tạo hệ thống điều khiển bám vệ tinh và hệ thống thu siêu cao tần băng C đểkhắc phục nhược điểm trên

1.7.1 Nội dung nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển bám vệ tinh

Hệ thống điều khiển bám vệ tinh được đặt trên các thiết bị di động do vậyvấn đề đặt ra trong việc thiết kế, chế tạo đó là: Nghiên cứu cải tiến thuật toán bám

và các phương pháp điều khiển để đạt được thời gian bám nhanh <0,6s, nâng cao

1.7.2 Nội dung nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu vệ tinh

Nội dung nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh tập trung vàonghiên cứu, thiết kế chế tạo máy thu băng C cụ thể là mạch đổi tần nhiễu thấpbăng C (LNB) và máy thu băng L với yêu cầu: Độ nhạy cao < - 100dBm, dải động

>60dB và băng thông rộng 1,2GHz, hệ số khuếch đại lớn ứng dụng cho hệ thốngthu điều khiển bám vệ tinh

Để đạt được các mục tiêu trên, nội dung sẽ đi thiết kế các mạch rời rạc như:mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA, mạch dao động cao tần, mạch trộn tần, mạchkhuếch đại trung tần, mạch lọc thông dải Vấn đề đặt ra đối với việc thiết kế mạchkhuếch đại là phải đưa ra các giải pháp thiết kế để làm giảm hệ số tạp âm, tăng hệ