Luận án Tiến sĩ Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông: 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

Chia sẻ: Yi Yi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:133

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông: 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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG 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 2
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới thầy giáo hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Nhà khoa học đã cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong cơ sở đào tạo đã tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận án tại trường. Tôi cũng xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện cho tôi có được thời gian thuận lợi làm nghiên cứu sinh của lãnh đạo cơ quan tôi công tác cũng như sự động viên giúp đỡ của các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè trong thời gian thực hiện luận án này. 3
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 CHƢƠNG 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 nƣớc .................................................................33 1.6 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...............................................................35 1.7 Xác định nội dung nghiên cứu của luận án ..................................................40 4
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 CHƢƠNG 1 VÀ HƢỚNG ĐẾN MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN ...42 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THUẬT TOÁN BÁM VỆ TINH ..........................................................................43 2.1 Phƣơng 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 CHƢƠNG 2 ......................................................................................71 CHƢƠNG 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 5
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 CHƢƠNG 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 6
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 AS Average signal Tín hiệu trung bình AM Amplutude Modulation Điều chế biên độ Az Azimuth Angle Góc phương vị 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 DC Direct Current Dòng một chiều DSB Direct Broadcasting Satellite Vệ tinh phát quảng bá trực tiếp DRO Dielectric Resonator Oscillator Bộ dao động cộng hưởng cách điện EL Elevator Angle Góc ngẩng 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 GS Ground Segment. Phân hệ mặt đất 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 7
LPF Low Pass Filter Lọc thông thấp NF Noise Figure Hệ số tạp âm NOC Network Operation Center Trung tâm điều hành mạng NG1 Mức ngưỡng 1 NG2 Mức ngưỡng 2 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 SP Space Segment Phân hệ không gian 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 8
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 9
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 10
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 11
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 (S21) của mạch LNA .................................................. 85 Hình 3.18 Hệ số khuếch đại ngược S12 .................................................................. 86 Hình 3.19 Hệ số phản xạ đầu vào S11 .................................................................... 87 Hình 3.20 Hệ số phản xạ đầu ra S22....................................................................... 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 (S21) của mạch LNA .................................................. 94 Hình 3.31 Hệ số khuếch đại ngược của mạch LNA ............................................... 94 Hình 3.32 Hệ số phản xạ đầu S11 ........................................................................... 95 Hình 3.33 Hệ số phản xạ đầu ra S22....................................................................... 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 (S21) ..................................................... 99 Hình 3.40 Hệ số khuếch đại ngược của mạch IF (S12) ........................................ 100 12
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 S11 .............................................................. 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 13
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 phóng một 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 14
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. 15
- 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. Phƣơng 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. Phƣơng 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 16
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. Phƣơng 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. Phƣơng 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 tƣợng 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 17
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: Chƣơng 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. Chƣơng 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. 18
Chƣơng 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. 19
CHƢƠNG 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]. Vệ tinh Đường Đường xuống lênfUP fDOWN Trạm điều khiển TT&C Trạm mặt đất phát Trạm mặt đất thu Hình 1.1 Cấu trúc chung hệ thống thông tin vệ tinh 1.1.1 Phần không gian SS. Phần không gian bao gồm ba phân hệ: phân hệ anten, phân hệ thông tin và 20