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. 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 Tổng quan về thông tin vệ tinh Cấu trúc cơ bản của một hệ thống thông tin vệ tinh thể hiện trên Hình 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 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.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.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. 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].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 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.