Nghiên Cứu Thiết Kế Chế T O Thiết Bị Thu Mặt Đất Với Cơ Chế Tự Đ Ng Phát Hi N Và Bám V Tinh Dùng Cho H 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

2

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

3

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.

4

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

5

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

6

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

7

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

8

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

9

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

10

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

11

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

12

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

13

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