Luận án Tiến sĩ: 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

Bộ phân tích mạng véctơ

Vector Network Analyzer

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
lênfUP

Đường xuống
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


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

21

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

22


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

23


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.
Khởi động

Chế độ quét

Chế độ bám

Chế độ ổn định

Hình 1.4 Sơ đồ thuật toán bám từng bước

24


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

25