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 TẮT AC Alternating Current Dòng xoay chiều ACU Antenna Control Unit Bộ điều khiển anten ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số AD

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 tác giả 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

1.7.1 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

AC Alternating Current Dòng xoay chiều

ACU Antenna Control Unit Bộ điều khiển anten

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

AM Amplutude Modulation Điều chế biên độ

BPF BandPass Filter Bộ lọc thông dải

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

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

điện

EIRP Effective Isotropic Radiated Power Công suất bức xạ đẳng hướng

hiệu dụng FCC Frequency Control Code Mã điều khiển tần số

FM Frequency Modulation Điều chế 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 thấp

LNB Low Noise Block Down-converter Bộ đổi tần tạp âm thấp

LO Local Oscillator Bộ dao động tại chỗ

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 PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

SA Spectrum Analyzer Bộ phân tích phổ

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

điện áp VNA 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 và đang trở thành một phương tiện thông tin rất phổ biến và đa dạng Trong bối cảnh cạnh tranh khốc liệt giữa các loại hình dịch vụ, các phương thức truyền dẫn khác nhau, 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 các vùng xa xôi, biên giới, hải đảo nơi mà mạng thông tin cố định không thể với tới được Không những thế nó còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như viễn thông, viễn thám, địa chất, định vị dẫn đường cho máy bay, tên lửa, ôtô, tàu thuyền

Năm 2006, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt "Chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020" phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của đất nước Chiến lược xác định mục tiêu cơ bản là: Từng bước làm chủ công nghệ chế tạo các trạm mặt đất, tự chế tạo các trạm mặt đất có giá cạnh tranh; Làm chủ công nghệ vệ tinh nhỏ, tự thiết kế và chế tạo vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất; Làm chủ được công nghệ và kỹ thuật tên lửa; Chế tạo và phóngmột số vệ tinh nhỏ quan sát trái đất, thay thế một phần ảnh vệ tinh của nước ngoài; Ðào tạo được đội ngũ cán 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 cũng như đời sống nói chung và đặc biệt ngành viễn thông Việt Nam nói riêng Cùng với sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật, công nghệ vệ tinh viễn thông hiện nay cũng có những bước phát triển mới theo hướng kéo dài tuổi thọ vệ tinh, nâng cao khả năng xử lý trên vệ tinh, liên kết giữa các vệ tinh, dùng anten công nghệ mới, tăng công suất, mở rộng khả năng hoạt động ở các băng tần cao hơn… Về phần mặt đất, các trạm ngày càng nhỏ hơn về kích thước, giảm về giá thành, đa dạng 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 khả năng 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 thống thu vệ tinh di động ứng dụng trên các phương tiện tàu biển, tàu hoả, ôtô… đã được nhiều 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 chế tạo thử nghiệm hệ thống thu phát vệ tinh cố định cũng như hệ thống thu phát vệ tinh di động được thực hiện [1]-[2], [4]-[5], [7]-[10] Trong đó đề tài nghiên cứu KC.01 cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tự động kiểm soát và bám sát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh trên cơ sở tích hợp và chế tạo sensor từ trường yếu dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện” của Trường Đại học Công 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 chưa đáp ứng được yêu cầu

Để nâng cao hiệu quả thu của các trạm thu vệ tinh, tích hợp tính năng tự động 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 vệ tinh 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 Việt Nam 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 khả năng tự động phát hiện và bám vệ tinh, giảm thời gian bám vệ tinh và đạt độ chính xác 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 tinh băng 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 hệ thống điều khiển anten, thuật toán điều khiển bám vệ tinh hiện đang sử dụng Từ

đó nghiên cứu đề xuất thuật toán tự động tìm kiếm bám vệ tinh đảm bảo giảm thời gian tìm kiếm 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 và giải 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 thống thu vệ tinh băng C bao gồm mạch đổi tần nhiễu thấp băng C (LNB) và máy thu vệ tinh băng L để sử dụng cho hệ thống điều khiển bám và thu dữ liệu Máy thu sử dụng các giải pháp thiết kế để đảm bảo yêu cầu độ nhạy cao, dải động và dải thông rộng, hệ số khuếch 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 mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng như Matlab, ADS và phương pháp thực nghiệm

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 điều khiển bám vệ tinh, phương pháp thiết kế mạch điện siêu cao tần, thiết kế hệ thống điều khiển Tận dụng ưu điểm, khắc phục các nhược điểm của các thiết kế để đưa

ra giải pháp nâng cao chất lượng của mạch, cải tiến thuật toán, kết hợp thiết kế hệ thống 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 kết quả mô phỏng cũng được đánh giá với kết quả thực nghiệm để có những chỉnh sửa thiết 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 sẽ được so sánh đối chứng các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật với các kết quả mô phỏng để khẳng 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 điều khiển bám vệ tinh, ứng dụng các giải pháp kỹ thuật mới để xây dựng hệ thống điều khiển 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 bị thu 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 Công nghệ Vũ trụ năm 2013 - 2015: “Thiết kế và chế tạo trạm thu di động thông tin vệ tinh dựa trên sensor từ trường độ nhạy cao ứng dụng trên tàu biển”do GS.TS Nguyễn Hữu Đức - Trường Đại Học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội chủ trì Với nội dung trong phần thiết kế chế tạo thiết bị thu băng tần C và băng L Việc thiết kế, chế tạo thành 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 dung các 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 điều khiển bám vệ tinh ở trong nước và trên thế giới, từ đó có các đánh giá để đề xuất các 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 điều khiển bám vệ tinh để minh chứng cho thuật toán trên, đồng thời sử dụng kỹ thuật điều khiển PID mờ để thiết kế giải thuật điều khiển động cơ nhằm giảm thời gian lên 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 đại cũng 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 các mạch lọc, bộ tạo dao động nội có độ ổn định cao Kết quả thiết kế, chế tạo hệ thống thu đổi tần nhiễu thấp băng C và máy thu băng L với độ nhạy cao, dải thông rộng, dải động lớn đáp ứng được yêu cầu về hệ thống thu cũng như hệ thống điều khiển bám vệ tinh

Phần kết luận chung tổng kết lại các kết quả, thảo luận và nêu lên những đóng góp mới của các kết quả này so với những nghiên cứu hiện có trong và ngoài nước Đặc biệt nhấn mạnh tính hiện đại hóa và làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị siêu 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 GS (Ground Segment) [19]

Hình 1.1 Cấu trúc chung hệ thống thông tin vệ tinh

Đường xuống

fDOWN

Trạm điều khiển TT&C

phân hệ đo, bám và điều khiển TT&C (Telemetry, Tracking and Control) Phân hệ anten trên vệ tinh bao gồm các anten thu phát thực hiện phủ sóng vùng rộng, phủ sóng 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 từ trạm 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 đó được 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 Power Amplifier) 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 vệ tinh báo cáo về trạm điều khiển dưới mặt đất để nhận được các lệnh điều khiển tương 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 điều khiển 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 tinh được gọi là đường lên Uplink Vệ tinh sẽ phát các tín hiệu thu được từ các trạm mặt đất phát xuống các trạm mặt đất thu, tuyến thông tin này được gọi là đường xuống Downlink

1.1.2 Phần mặt đất GS

Phần mặt đất bao gồm các trạm điều khiển và giám sát vệ tinh, trạm mặt đất thu phát thông tin Các trạm bám (Tracking Station), trạm đo xa (Telemetry Station), 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 bị đầu 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 có anten đường kính có thể nhỏ đến 45cm, bởi vì các trạm này chỉ thu tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh Các trạm mặt đất có thể là trạm thu/phát hoặc các trạm chỉ thu Các trạm mặt đất chỉ thu được sử dụng trong các hệ thống truyền hình trực tiếp hoặc hệ thống 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 đạo tròn với mặt phẳng của nó trùng với mặt phẳng xích đạo của trái đất, quay cùng chiều 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 quỹ đạo 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 còn chịu 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 vị trí xác định của nó theo các chiều Bắc-Nam và Đông-Tây Do vậy cần phải có hệ thống 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 các trạm 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 quay anten bám theo vệ tinh (Antenna Tracking) Trong thực tế người ta hay sử dụng các 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 tinh thu được sẽ là cơ sở để thực hiện tính toán điều khiển vị trí của góc ngẩng và góc phương vị Anten sử dụng trong hệ thống bám xung đơn có 4 bộ tiếp sóng (horn feed) 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 khiển hướng anten thu vệ tinh [19]

Trong thời gian phát triển ban đầu của hệ thống liên lạc vệ tinh, hệ thống xung đơn được sử dụng rộng rãi, nhưng từ giữa những năm 70 của thế kỷ trước cho đến nay, người ta đã chuyển sang sử dụng hệ thống bám theo từng bước và hệ thống 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 âm thấp 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 hiệu một chiều để cung cấp điện áp một chiều DC (Direct Current) tỷ lệ thuận với cường độ tín hiệu, đưa tới đầu vào khối điều khiển anten ACU (Antenna Control Unit) Tín hiệu này sẽ dùng để so sánh với mức tín hiệu trước đó, nếu mức tín hiệu thu được tăng lên thì anten tiếp tục dịch chuyển từng nấc theo hướng đó, ngược lại nếu mức tín hiệu thu giảm đi thì anten sẽ dịch chuyển theo hướng ngược lại Bằng cách dịch từng bước, anten thu có thế bám theo vệ tinh để thu tín hiệu với mức cao nhất

Hình 1.4 Sơ đồ thuật toán bám từng bước

Chế độ quét Khởi động

Chế độ bám

Chế độ ổn định

Thuật toán bám từng bước có thể được chia thành 3 giai đoạn thể hiện trên Hình 1.4 Khi khởi động hệ thống, vị trí của anten thu được điều chỉnh theo vị trí góc ngẩng và góc phương vị đã tính trước để thu được tín hiệu dẫn đường ban đầu sau đó hệ thống bắt đầu thực hiện quét vệ tinh Ở chế độ này dải góc quét của anten được thiết lập dọc theo hướng mặt phẳng phương vị và xác định mức ngưỡng tạm thời Chế độ quét kết thúc và chuyển sang chế độ bám sau khi mức tín hiệu thu được vượt qua mức ngưỡng Và mức ngưỡng thu được sẽ được sử dụng như 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 khi chuyển động, chiều chuyển động tiếp theo có thể được quyết định Nếu như mức tín hiệu được tăng lên, anten tiếp tục được chuyển động theo cùng chiều và nếu như mức tín hiệu bị giảm xuống, chiều chuyển động của anten sẽ theo hướng ngược lại Quá trình này sẽ được tiếp diễn và luân chuyển giữa hai trục vuông góc của anten Khi anten thu được mức tín hiệu tốt thì chuyển sang chế độ ổn định Ở trạng thái ổn định, nếu mức tín hiệu thu dưới ngưỡng cho phép do sự di chuyển của máy thu thì quá trình hoạt động lại chuyển 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 và chi phí thấp do thuật toán này chỉ sử dụng thông tin phản hồi về mức tín hiệu thu được 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 cũng đơn giản, thuận tiện hơn

Tuy nhiên thuật toán cũng có nhược điểm đó là: Việc xác định một búp sóng cực đại đúng vào vệ tinh khó chính xác Bám theo vệ tinh có thể bị kém đi do dao động biên độ của mức tín hiệu nhận được (hiện tượng fading), ví dụ khi có sự biến đổi áp suất khí quyển Điều này cũng sẽ có tác động, ảnh hưởng nhất định đến tín 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 kết hợp với một số phương pháp khác nhau

1.2 Hệ thống thông tin vệ tinh VINASAT-1

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 hành khai thác vệ tinh (NOC) và các trạm teleport hoàn chỉnh, hiện đại Vệ tinh VINASAT-1 được phóng lên quỹ đạo địa tĩnh tại vị trí 1320 Đông có vùng phủ sóng 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 điều khiển chính được đặt ở phía Bắc tại Hà Nội và trạm dự phòng đặt ở phía Nam tại tỉnh Bình Dương Hai trạm này được thiết kế cho phép dễ dàng mở rộng để điều khiển thêm các vệ tinh khác của Việt Nam sau này

Trung tâm điều hành mạng NOC là một phần không thể thiếu trong hệ thống thông tin vệ tinh Quy mô trạm NOC được thiết kế tối ưu cho dung lượng vệ tinh khai thác và các loại hình dịch vụ cung cấp cho khách hàng cũng như khả năng 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

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

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

 Số bộ pháp đáp: 12

 Đường lên (Uplink)

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

- Phân cực: Tuyến tính V

 Đường xuống (Downlink)

- Dải tần: 10.950 – 11.200 MHz (250 MHz); và 11.450 – 11.700 MHz

(250 MHz)

- Phân cực: Tuyến tính H

 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 đến 6dB/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

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

Bộ thu giải mã

Bộ đổi tần nhiễu thấp LNB

Hệ thống truyền động

TB Đầu cuối

góc được tạo bởi búp sóng chính của anten tới vệ tinh và đường chân trời (mặt phẳng 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 tính theo 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 cho anten 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 góc ngẩng 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 tránh khỏi của các linh kiện và các thành phần trong mạch Bởi vì tạp âm có tính ngẫu nhiên 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 hiệu trong 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]

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 bình phương điện áp), nên ta có thể biểu diễn hệ số tạp F (Noise Figure) theo decibel như sau:

|

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

Trong đó: Fi và Gi là hệ số tạp và hệ số khuếch đại của tầng i (với i = 1–n)

Từ công 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 chấp nhận được mà một máy thu có thể phân biệt được tín hiệu thu Ta định nghĩa tiêu chuẩn chấp nhận được là tỉ số tín/tạp vừa đủ, phụ thuộc vào dạng điều chế và độ biến dạng xung có thể chấp nhận được trong hệ Độ nhạy là công suất tín hiệu lối vào 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 kháng nguồn 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 (1.6) Trong đó tổng 3 số hạng đầu chính là tổng tạp âm của hệ còn gọi là “nền tạp âm”

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 và công 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 hay nhỏ Thông thường trong máy thu sẽ chia ra nhiều tầng khuếch đại, mỗi tầng giải quyết 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 số khuếch đại phù hợp với mức tín hiệu nhận được trong một dải xác định Để xác định dải điều chỉnh hệ số khuếch đại máy thu cho phù hợp, ta phải xem xét cả hai yếu tố độ nhạy và vùng nén tín hiệu của bộ khuếch đại Khó khăn chủ yếu ở đây là làm thế nào để đạt được dải giá trị hệ số khuếch đại này trong khi vẫn phải duy trì được 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 thấp nhất đến tần số cao nhất ở điểm mà hệ số khuếch đại giảm còn 1/2 Thông số này còn 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 máy thu là khuếch đại tín hiệu vào mà không làm méo dạng tín hiệu Nếu tín hiệu thu được ở mức lớn sẽ làm cho hệ thống chuyển sang chế độ bão hòa, sẽ làm thay đổi phổ của tín hiệu Nếu tín hiệu ở mức bé dưới mức tạp âm thì máy thu không thể thu được tín hiệu Về nguyên tắc, dải động máy thu phải lớn hơn dải cường độ tín hiệu từ mức tạp đến tín hiệu nhiễu lớn nhất Do vậy dải động máy thu phụ thuộc

rất nhiều vào hệ số khuếch đại của mạch và khả năng điều chỉnh hệ số khuếch đại

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước

Cùng với sự nghiên cứu phát triển trên toàn thế giới, các nhà nghiên cứu ở Việt 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 Viện Khoa 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 vệ tinh, 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 thu phát 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 và ứng dụng sensor đo từ trường trái đất để xác định góc tầm, hướng trong điều khiển anten 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 hệ thống thu vệ tinh băng C Tuy nhiên hệ thống điều khiển cần phải xác định góc chuẩn hướng khi thực hiện điều khiển bắt bám vệ tinh, và hệ thống thu băng C mới chỉ thực hiện ở phần đổi tần nhiễu thấp LNB

Công trình nghiên cứu số [7] tác giả nghiên cứu, thiết kế các mạch siêu cao tần thụ động như mạch lọc, mạch chuyển mạch, mạch hạn chế, mạch cộng, chia công suất, mạch khuếch đại tạp thấp, mạch trộn tần sử dụng trong đài rada dải tần 2,7 – 3,1 GHz

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

Công trình nghiên cứu số [9] tác giả nghiên cứu khả năng chế tạo thử nghiệm một số phần tử, thiết bị trạm đầu cuối VSAT dùng trong hệ thống thông tin vệ tinh Trong đó có nội dung thiết kế chế tạo hệ thống anten parabol, kết quả bước 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 dụng chủ yếu cho hệ thống Rada Các thiết kế mới chỉ đưa ra quy trình thực hiện thiết

kế các mạch rời rạc trong hệ thống đồng thời cũng không đi sâu vào các giải pháp nâng 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 thống điều 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 thống điều khiển bám, xây dựng các thuật toán điều khiển và thuật toán bám vệ tinh xuất hiện nhiều trên các tạp chí khoa học và kỹ thuật và các hội nghị chuyên ngành trên thế 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 từng bước hoặc theo chương trình Điển hình là các công trình [67] sử dụng bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) điều khiển 2 mô tơ thực hiện quay góc ngẩng và góc phương vị của anten Hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán bám từng bước và điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển vi tích phân 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 tốt nhất

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 góc ngẩng 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 từng bước 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 tìm được giá trị tín hiệu AS (Average signal) lớn nhất Đây chính là vị trí của góc phương 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 trị ngưỡng thì điều chỉnh góc ngẩng trong phạm vi 30 và tiếp tục quay cho đến khi đạt giá trị AS lớn nhất Thời gian bám vệ tinh đạt giá trị 0,6s với góc 0, khi máy thu

di chuyển ra ngoài góc 0thì 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 góc phương 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 toán thể hiện trên Hình 1.13 Với trường hợp khi máy thu cố định thì AS lớn hơn giá trị ngưỡng (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 ngược lại 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 di chuyển của hệ thống Tuy nhiên thuật toán này chỉ áp dụng trong trường hợp máy thu chuyển hướng chậm, nếu máy thu chuyển hướng nhanh thì thuật toán này đạt đạt 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 điều khiển PID kinh điển Một trong những lý do bộ điều khiển PID trở nên phổ biến như vậy là vì tính đơn giản, dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năng tính toán hạn chế Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điều khiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ thống trong công nghiệp như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động 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 thống thu radar xung, kết quả hệ thống thu sử dụng bộ điều khiển mờ tốt hơn so với bộ điều 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

Thuật toán bám từng bước

Từ Bảng 1.1 cho thấy các công trình đã công bố về hệ thống điều khiển vẫn còn hạn chế về thời gian bám vệ tinh khi thực hiện thu di động 0,6s trong điều kiện máy 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 C tập 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 nhiều công trình nghiên cứu thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp với mục tiêu làm giảm tạp âm, tăng hệ số khuếch đại và băng thông làm việc của mạch điển hình như các công trình sau [24]-[27], [40]-[51], [68].

Công trình số [49] của nhóm tác giả Othman A.R sử dụng mạch khuếch đại mắc kiểu cascode kết hợp mạng phối hợp trở kháng T để tăng hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại tạp âm thấp Kết quả công trình thiết kế ở tần số 5,8GHz với Gain =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 tầng khuếch 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 dụng kiến 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 dao động nội sử dụng bộ ghép cộng hưởng điện môi bằng bộ chuyển đổi trở kháng cao Kết quả đạt nhiễu pha –116,2 dBc/Hz ở tần số 9,781124 GHz với độ lệch 100kHz

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

Công trình [35] nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tuyến thu siêu cao 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 để tăng dải động của máy thu

Trong máy thu vệ tinh thực tế [71] do được sử dụng mục đích thu cố định nên thông số độ nhạy có giá trị thấp và dải động hẹp Máy thu này ứng dụng cho mục 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

việc 1,26GHz-1,268GHz 4 - 8GHz 950MHz - 2150MHz 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 động hẹp chủ yếu ứng dụng cho hệ thống thu cố định Đối với hệ thống thu di động, tín hiệu thu có thể bị fading hoặc khi anten lệch hướng thu thì tín hiệu sẽ bị suy giảm rất lớn Vậy để đáp ứng được yêu cầu cho quá trình điều khiển bám thì máy thu vệ tinh phải có độ nhạy cao, dải động rộng, hệ số khuếch đại lớn và dải thông phù hợp

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 để

khắc 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 vậy vấn 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 vào nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy thu băng C cụ thể là mạch đổi tần nhiễu thấp băng 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 thống thu 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, mạch khuếch đại trung tần, mạch lọc thông dải Vấn đề đặt ra đối với việc thiết kế mạch khuếch đại là phải đưa ra các giải pháp thiết kế để làm giảm hệ số tạp âm, tăng hệ