Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và bối cảnh nghiên cứu

Thông tin vệ tinh là phương tiện truyền dẫn quan trọng trong hệ thống viễn thông toàn cầu, đóng vai trò kết nối thông tin liên lạc tới các vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo – nơi mạng thông tin mặt đất cố định khó tiếp cận. Bên cạnh đó, công nghệ vệ tinh còn phục vụ các lĩnh vực viễn thám, địa chất và dẫn đường cho phương tiện giao thông (máy bay, tàu thuyền, ô tô).

Tại Việt Nam, "Chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020" được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt năm 2006 đặt mục tiêu làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo trạm mặt đất có giá thành cạnh tranh và tự chủ chế tạo vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất. Sự kiện phóng thành công vệ tinh viễn thông VINASAT-1 vào năm 2008 đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển trang thiết bị mặt đất đồng bộ để khai thác hiệu quả tài nguyên không gian.

Trong phân hệ mặt đất, các trạm thu di động lắp đặt trên tàu biển, ô tô đòi hỏi anten phải liên tục bám sát vị trí vệ tinh khi phương tiện chuyển động nhằm tránh suy hao tín hiệu do lệch búp sóng. Mặc dù đề tài cấp nhà nước KC.01 của Trường Đại học Công nghệ (Đại học Quốc gia Hà Nội) đã bước đầu nghiên cứu hệ thống tự động kiểm soát góc tầm và hướng dựa trên cảm biến từ trường yếu (hiệu ứng từ giảo - áp điện), hệ thống vẫn bộc lộ hạn chế về thời gian bám, khả năng bắt bám và chất lượng tuyến thu. Để giải quyết các điểm nghẽn này, luận án tập trung phát triển giải pháp điều khiển bám và chế tạo phần cứng máy thu vệ tinh di động băng C và băng L trong khuôn khổ Đề tài mã số VT/CN 03/13-15 thuộc Chương trình Khoa học Công nghệ Vũ trụ giai đoạn 2013–2015.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển bám vệ tinh nhằm nâng cao khả năng tự động phát hiện, giảm thời gian bám xuống dưới 0,6 giây (với góc lệch $5^\circ$), đạt độ chính xác cao; đồng thời nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển anten cơ điện 2 trục để kiểm chứng thực nghiệm thuật toán.
  2. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh băng C (gồm khối đổi tần tạp âm thấp LNB băng C và máy thu băng L) đạt độ nhạy cao ($< -100\text{ dBm}$), dải động rộng ($> 60\text{ dB}$), băng thông rộng ($1,2\text{ GHz}$) và hệ số khuếch đại lớn để phục vụ bám vệ tinh VINASAT-1 và thu nhận dữ liệu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh kiểu cơ điện ứng dụng cho các trạm thu di động.
    • Hệ thống thu vệ tinh băng C và băng L ứng dụng công nghệ mạch dải trên nền vật liệu điện môi FR4.
    • Hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh VINASAT-1.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Hệ cơ cấu bám 2 bậc tự do: quay góc phương vị ($Az$) từ $0^\circ \text{ đến } 360^\circ$ và quay góc ngẩng ($EL$) từ $0^\circ \text{ đến } 90^\circ$ (bước điều khiển $0,1^\circ/\text{bước}$).
    • Tuyến thu siêu cao tần: băng C mở rộng (tần số tuyến xuống từ $3,4\text{ GHz đến } 4,2\text{ GHz}$) và băng L (tần số trung tần từ $950\text{ MHz đến } 2150\text{ MHz}$).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu về thiết bị siêu cao tần và điều khiển anten tại Việt Nam được triển khai tại các cơ sở đào tạo và nghiên cứu như Đại học Công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Rađa (Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự):

  • Công trình [2] nghiên cứu hệ thống thu phát và xử lý tín hiệu dải rộng nhận biết chủ quyền quốc gia làm việc trên băng L.
  • Công trình [4] nghiên cứu ứng dụng cảm biến đo từ trường Trái đất để xác định góc tầm, hướng cho anten thu vệ tinh băng C, nhưng hệ thống vẫn yêu cầu xác định góc chuẩn hướng ban đầu và mới dừng lại ở phần mạch đổi tần LNB.
  • Công trình [7] và [8] thiết kế, chế tạo các khối siêu cao tần thụ động (bộ lọc, chuyển mạch, chia/ghép công suất) và mạch khuếch đại tạp âm thấp dải tần $2,7 - 3,1\text{ GHz}$ cho đài radar.
  • Công trình [9] chế tạo thử nghiệm phần tử trạm đầu cuối VSAT và anten parabol mặt đất.

Đánh giá tổng quan trong nước: Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào các khối mạch rời rạc băng L và S cho radar cố định, chưa tối ưu hóa đồng thời hệ số tạp âm, dải thông và độ ổn định dao động cho máy thu vệ tinh di động.

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Các công trình quốc tế tập trung vào hai nhánh chính: giải thuật điều khiển cơ cấu bám và kiến trúc mạch siêu cao tần:

  • Về điều khiển bám: Công trình [67] sử dụng PLC và thuật toán bám từng bước với bộ điều khiển PID kinh điển; công trình [29] sử dụng động cơ DC không chổi than (BLDC) kết hợp thuật toán bám vòng tròn và bám từng bước với bộ điều khiển PI, cho thời gian bám $0,6\text{ s}$ nhưng kém ổn định khi góc lệch lớn; công trình [38] dùng phương pháp vi phân mức tín hiệu trung bình (AS) cho thời gian bám $< 0,6\text{ s}$ khi di chuyển chậm; công trình [19] dùng bộ điều khiển $H_\infty$ với thời gian bám $0,7\text{ s}$; các công trình [23], [31], [32] ứng dụng logic mờ (Fuzzy PD, Fuzzy PI) để giảm thời gian quá độ.
  • Về mạch thu siêu cao tần: Công trình [49] (Othman A.R) dùng cấu trúc cascode phối hợp trở kháng chữ T tại $5,8\text{ GHz}$ đạt $\text{Gain} = 18,5\text{ dB}$, $\text{NF} = 1,3\text{ dB}$, $\text{BW} = 1,4\text{ GHz}$; công trình [37] (Kamil P.) dùng hồi tiếp âm tầng đầu kết hợp ghép cascode; công trình [24] thiết kế LNA cân bằng băng rộng ($\text{Gain} = 17,5 - 18,5\text{ dB}$, $\text{NF} = 1,02\text{ dB}$, $\text{BW} = 800\text{ MHz}$); công trình [40] dùng bộ ghép cộng hưởng điện môi đạt nhiễu pha $-116,2\text{ dBc/Hz}$ tại $9,78\text{ GHz}$ (độ lệch $100\text{ kHz}$); công trình [35] thiết kế máy thu băng L ($\text{Gain} = 37\text{ dB}$, $\text{NF} < 0,5\text{ dB}$, nhiễu pha $-103,3\text{ dBc/Hz}$ tại $50\text{ kHz}$); công trình [64] (V. Saatchi) dùng bộ suy giảm số để mở rộng dải động lên $91\text{ dB}$.
Tiêu chí so sánh Công trình [19] Công trình [29] Công trình [38] Luận án
Bộ điều khiển $H_\infty$ PI PID kinh điển Mờ PID (Fuzzy PID)
Thuật toán bám Bám vòng tròn + từng bước Bám vòng tròn + từng bước Bám vi phân mức tín hiệu Kết hợp vòng hở (GPS/cảm biến) và từng bước
Thời gian bám $0,7\text{ s}$ $0,6\text{ s}$ $0,6\text{ s}$ (chỉ khi quay chậm) $< 0,6\text{ s}$ (ổn định khi đổi hướng nhanh)
Tham số máy thu Công trình [35] Công trình [64] Máy thu thực tế [71] Mục tiêu luận án
Dải tần công tác $950 - 2150\text{ MHz}$ $1,26 - 1,268\text{ GHz}$ $4 - 8\text{ GHz}$ Băng C ($3,4 - 4,2\text{ GHz}$) & Băng L ($950 - 2150\text{ MHz}$)
Độ nhạy ($P_{min}$) Chưa công bố $-83\text{ dBm}$ $-65\text{ dBm}$ $< -100\text{ dBm}$
Dải động Chưa công bố $91\text{ dB}$ $40\text{ dB}$ $> 60\text{ dB}$
Độ lợi ($\text{Gain}$) $37\text{ dB}$ Chưa công bố Chưa công bố Lớn (phục vụ bám và thu dữ liệu)

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

  1. Khắc phục độ trễ và sự mất ổn định của thuật toán bám từng bước truyền thống khi trạm di động chuyển hướng đột ngột bằng cách thiết lập thuật toán kết hợp vòng hở (định vị GPS và cảm biến tư thế) với vòng kín (bám mức công suất thu).
  2. Nâng cao chất lượng tuyến thu siêu cao tần (giảm hệ số tạp âm $\text{NF}$, tăng dải động $> 60\text{ dB}$, mở rộng băng thông $1,2\text{ GHz}$, nâng cao độ nhạy $< -100\text{ dBm}$) dựa trên công nghệ mạch dải FR4 giá thành thấp, thay thế các máy thu thương mại vốn chỉ phù hợp cho trạm cố định.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

1. Mô hình hình học cầu tính toán tọa độ bám

Xét vệ tinh địa tĩnh $S$ tại kinh độ $K_S$, độ cao quỹ đạo $h = 35.786\text{ km}$, bán kính Trái đất $R = 6.378\text{ km}$. Vị trí trạm mặt đất $E_S$ được xác định qua kinh độ $K_E$ và vĩ độ $V_E$. Khoảng cách từ trạm mặt đất tới vệ tinh $d$ được xác định qua định lý cosin: $$d = \sqrt{R^2 + (R + h)^2 - 2R(R + h)\cos(b)} = 35.786 \times \sqrt{1 + 0,419999(1 - \cos b)} \quad (\text{km})$$

Góc ở tâm $b$ giữa trạm thu và điểm dưới vệ tinh thỏa mãn: $\cos(b) = \cos(V_E)\cos(K_E - K_S)$. Góc ngẩng ($EL$) của anten: $$EL = \arctan\left(\frac{\cos b - \frac{R}{R + h}}{\sin b}\right) = \arctan\left(\frac{\cos b - 0,1512}{\sin b}\right)$$

Góc giới hạn nhìn thấy vệ tinh cực đại trên cung quỹ đạo địa tĩnh ứng với $EL = 0^\circ$ là: $$b_{MAX} = \arccos\left(\frac{R}{R + h}\right) = \arccos\left(\frac{6378}{42164}\right) \approx 81,3^\circ$$ Trong thực tế, để tránh tạp âm bức xạ nhiệt từ mặt đất, góc ngẩng làm việc được chọn $EL \ge 5^\circ$.

Góc phương vị ($Az$) tính từ hướng Bắc theo chiều kim đồng hồ được xác định thông qua góc phụ $A$: $$\tan A = \frac{\tan |K_E - K_S|}{\sin |V_E|}$$ Giá trị $Az$ phụ thuộc vào vị trí bán cầu của trạm thu:

  • Trạm ở Nam bán cầu ($V_E < 0$), phía Tây vệ tinh ($K_E - K_S < 0$): $Az = A$
  • Trạm ở Nam bán cầu ($V_E < 0$), phía Đông vệ tinh ($K_E - K_S > 0$): $Az = 360^\circ - A$
  • Trạm ở Bắc bán cầu ($V_E > 0$), phía Tây vệ tinh ($K_E - K_S < 0$): $Az = 180^\circ - A$
  • Trạm ở Bắc bán cầu ($V_E > 0$), phía Đông vệ tinh ($K_E - K_S > 0$): $Az = 180^\circ + A$

2. Lý thuyết tuyến thu siêu cao tần

  • Hệ số tạp âm tầng ghép nối tiếp (Công thức Friis): $$F = F_1 + \frac{F_2 - 1}{G_1} + \frac{F_3 - 1}{G_1 G_2} + \dots + \frac{F_n - 1}{\prod_{i=1}^{n-1} G_i}$$ Hệ số tạp âm toàn hệ thống phụ thuộc quyết định vào hệ số tạp âm tầng khuếch đại đầu tiên ($F_1$).
  • Độ nhạy máy thu ($P_{min}$): $$P_{min} = -174\text{ dBm/Hz} + NF + 10\log_{10}(B) + (S/N){min}$$ Trong đó $-174\text{ dBm/Hz}$ là mật độ công suất tạp âm nhiệt tại $T = 290\text{ K}$, $B$ là dải thông tín hiệu (Hz), $NF$ là hệ số tạp âm tính bằng dB, $(S/N){min}$ là tỷ số tín trên tạp nhỏ nhất yêu cầu tại đầu ra.

3. Mô hình điều khiển Mờ PID (Fuzzy PID)

Hàm truyền động cơ DC servo sử dụng trong hệ thống: $$G(s) = \frac{\omega(s)}{U(s)} = \frac{K_t}{(J s + B)(L s + R) + K_t K_b}$$ Bộ điều khiển PID kinh điển có cấu trúc: $$u(t) = K_P e(t) + K_I \int_0^t e(\tau)d\tau + K_D \frac{de(t)}{dt}$$ Để tối ưu hóa các thông số $K_P, K_I, K_D$ theo thời gian thực, mô hình mờ Mamdani nhận 2 tín hiệu ngõ vào là sai lệch $e(t)$ và đạo hàm sai lệch $de(t)/dt$, hiệu chỉnh các hệ số điều chỉnh chuẩn hóa $K'P, K'I, K'D \in [0, 1]$: $$K_P = (K{Pmax} - K{Pmin})K'P + K{Pmin}$$ $$K_I = (K{Imax} - K_{Imin})K'I + K{Imin}$$ $$K_D = (K_{Dmax} - K_{Dmin})K'D + K{Dmin}$$

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích lý thuyết: Nghiên cứu cấu trúc thông tin vệ tinh, hình học cầu tọa độ địa tĩnh, phân tích thông số đường truyền vệ tinh VINASAT-1 và lý thuyết điều khiển tự động.
  • Phương pháp mô phỏng số:
    • Mô phỏng động học cơ cấu chấp hành, thuật toán PID và Fuzzy PID trên phần mềm MATLAB/Simulink.
    • Mô phỏng tham số tán xạ $S$, hệ số khuếch đại, hệ số tạp âm và tính ổn định của các mạch siêu cao tần trên phần mềm ADS (Advanced Design System).
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo phần cứng mạch xử lý trung tâm, mạch công suất cầu H, gia công mạch in siêu cao tần dải microstrip trên nền FR4, đo kiểm các thông số kỹ thuật (độ nhạy, dải động, phổ tín hiệu, thời gian đáp ứng cơ học) trong phòng thí nghiệm.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm

  • Dữ liệu tham số quỹ đạo và bộ phát đáp vệ tinh VINASAT-1 tại vị trí $132^\circ\text{E}$ (băng tần C mở rộng và băng Ku).
  • Dữ liệu định vị thời gian thực chuẩn NMEA (bản tin $GPRMC) từ module GPS NEO-6M.
  • Tín hiệu đo vận tốc góc và gia tốc từ cảm biến 6 bậc tự do MPU-6050 kết hợp la bàn số từ trường.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thu và điều khiển bám vệ tinh

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở kỹ thuật của hệ thống thông tin vệ tinh gồm Phân hệ không gian SS (vệ tinh, anten, bộ phát đáp LNA, HPA, phân hệ đo bám điều khiển TT&C) và Phân hệ mặt đất GS (trạm điều khiển TT&C, trạm NOC, các trạm Teleport, trạm thu phát VSAT và trạm chỉ thu TVRO).

Luận án phân tích chi tiết tham số kỹ thuật của vệ tinh VINASAT-1 được phóng năm 2008 tại vị trí kinh đạo $132^\circ\text{E}$, bao gồm 2 băng tần:

Tham số kỹ thuật bộ phát đáp Băng C mở rộng (Extended C-band) Băng Ku
Số lượng bộ phát đáp 08 bộ 12 bộ
Băng thông tuyến lên (Uplink) $6,725\text{ GHz}$ (dải thông $300\text{ MHz}$) $13,495\text{ GHz}$ (dải thông $240\text{ MHz}$)
Phân cực tuyến lên Tuyến tính Ngang (H) & Dọc (V) Tuyến tính Dọc (V)
Băng thông tuyến xuống (Downlink) $3,700\text{ GHz}$ (dải thông $300\text{ MHz}$) $10,700\text{ GHz}$ (dải thông $250\text{ MHz}$)
Phân cực tuyến xuống Tuyến tính Ngang (H) & Dọc (V) Tuyến tính Ngang (H)
Công suất bức xạ đẳng hướng (EIRP) $40\text{ dBm}$ $54\text{ dBm}$
Độ lùi công suất vào / ra (IBO / OBO) $-3\text{ dB} ;/; -3\text{ dB}$ $-3\text{ dB} ;/; -3\text{ dB}$
Mật độ thông lượng bão hòa (SFD) $-85\text{ dBW/m}^2$ $-90\text{ dBW/m}^2$
Hệ số phẩm chất bộ phát đáp (G/T) $-8,3 \text{ đến } -2,0\text{ dB/K}$ $+2,0 \text{ đến } +6,0\text{ dB/K}$
Đường đồng mức EIRP tại Việt Nam $42\text{ dBW}$ $54\text{ dBW}$
Đường đồng mức G/T tại Việt Nam $0\text{ dB/K}$ $7\text{ dB/K}$

Chương này cũng phân tích các nguyên lý bám vệ tinh: thuật toán xung đơn (monopulse - dùng 4 feed-horn tạo tín hiệu tổng/hiệu), thuật toán bám từng bước (step tracking - dựa vào mức điện áp DC tách sóng từ tín hiệu hải đăng beacon để dò cực đại) và bám theo chương trình. Phân tích chỉ ra nhược điểm của bám từng bước là dễ mất bám khi có hiện tượng fading khí quyển hoặc khi trạm di động quay vòng nhanh.

Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển và thuật toán bám vệ tinh

Chương 2 trình bày hai đóng góp trọng tâm về thuật toán và phần cứng cơ điện:

1. Đề xuất thuật toán bám kết hợp (Hybrid Tracking)

Luận án đề xuất giải pháp kết hợp bám vòng hở và bám từng bước dựa trên cơ chế phân ngưỡng tín hiệu trung bình thu được $AS$ (Average Signal):

  • Giai đoạn chỉnh thô (Vòng hở): Đọc kinh độ/vĩ độ ($K_E, V_E$) từ máy thu GPS NEO-6M, kết hợp kinh độ vệ tinh ($K_S = 132^\circ\text{E}$) để tính toán góc đặt lý thuyết ($Az_1, EL_1$). Vi điều khiển đọc cảm biến góc nghiêng MPU-6050 ($EL_2$) và la bàn số ($Az_2$), điều khiển động cơ quay nhanh về vị trí hướng sóng sao cho $|Az_1 - Az_2| < 1^\circ$ và $|EL_1 - EL_2| < 2^\circ$.
  • Giai đoạn chỉnh tinh (Từng bước): Khi mức tín hiệu $AS$ vượt ngưỡng phát hiện $NG1$, hệ thống chuyển sang thuật toán bám từng bước để dịch chuyển từng nấc nhỏ quanh hai trục vuông góc nhằm tối đa hóa công suất thu.
  • Cơ chế chuyển trạng thái: Khi $AS > NG2$, hệ thống xác lập trạng thái ổn định. Nếu phương tiện di chuyển làm tín hiệu suy giảm nhưng vẫn nằm trong khoảng $NG1 < AS < NG2$, chế độ bám từng bước tiếp tục hiệu chỉnh. Nếu tàu đổi hướng đột ngột làm $AS < NG1$ (mất dấu vệ tinh), hệ thống lập tức kích hoạt lại chế độ vòng hở để tái định hướng nhanh mà không phải quét toàn không gian.
       [ Bắt đầu ]
         [ Đúng ]
         [ Đúng ]
   [ Chế độ ổn định ]

2. Thiết kế cơ điện và giải thuật Fuzzy PID

  • Cơ cấu cơ học và anten: Sử dụng chảo parabol đường kính $60\text{ cm}$, tiêu cự $39,3\text{ cm}$, độ lợi $31,5\text{ dBi}$, dải quay $Az: 0 - 360^\circ$, $EL: 10 - 90^\circ$, khối lượng $2,7\text{ kg}$.
  • Mạch công suất cầu H: Sử dụng transistor công suất BJT NPN 2SC2581 và PNP 2SA1106 (chịu áp tối đa $100\text{ V}$, dòng $10\text{ A}$), cách ly quang bằng IC 4N35, điều khiển tốc độ qua băm xung PWM từ vi điều khiển PIC16.
  • Động cơ chấp hành: Động cơ DC servo $24\text{ V}$, tốc độ định mức $2500\text{ vòng/phút}$.
Tham số động cơ DC Ký hiệu Giá trị vật lý
Điện trở phần ứng $R$ $2,96\ \Omega$
Điện cảm phần ứng $L$ $150\text{ mH}$
Mô men quán tính $J$ $42,3 \times 10^{-6}\text{ kg}\cdot\text{m}^2$
Hệ số ma sát nhớt $B$ $48,6 \times 10^{-6}\text{ Nms}$
Hằng số mô men xoắn $K_t$ $13,5 \times 10^{-3}\text{ Nm/A}$
Hằng số sức phản điện động $K_b$ $13,5 \times 10^{-3}\text{ V}\cdot\text{s/rad}$

Hàm truyền động cơ xác lập từ tham số thực nghiệm: $$G(s) = \frac{13,5 \times 10^{-3}}{(42,3 \times 10^{-6} s + 48,6 \times 10^{-6})(0,15 s + 2,96) + 1,8225 \times 10^{-4}}$$

  • Thiết kế khối mờ Mamdani: Xây dựng 5 biến ngôn ngữ cho sai lệch $e = {\text{NB, NS, ZE, PS, PB}}$ và 5 biến cho đạo hàm sai lệch $de/dt = {\text{DF, DS, MT, IS, IF}}$, đầu ra gồm 5 mức ${\text{NHO, TBN, TB, TBL, LON}}$.
de(t) \ e(t) NB NS ZE PS PB
DF NHO NHO TBN TBN TB
DS NHO TBN TBN TB TBL
MT TBN TBN TB TBL TBL
IS TBN TB TBL TBL LON
IF TB TBL TBL LON LON

Kết quả mô phỏng MATLAB: Bộ điều khiển PID sau khi tinh chỉnh đạt thời gian lên (rise time) $0,191\text{ s}$ và thời gian thiết lập (settling time) $0,656\text{ s}$. Khi tích hợp giải thuật mờ Fuzzy PID, thời gian lên, thời gian xác lập và độ quá điều chỉnh đều được cải thiện vượt trội so với PID truyền thống, đảm bảo thời gian đáp ứng tổng thể của hệ thống bám $< 0,6\text{ s}$ khi lệch góc $5^\circ$.

Chương 3: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh băng C và băng L

Chương 3 trình bày các giải pháp thiết kế mạch siêu cao tần tích hợp cho phân hệ thu:

  • Khối đổi tần nhiễu thấp LNB băng C ($3,4 - 4,2\text{ GHz}$): Nghiên cứu các tầng khuếch đại tạp âm thấp LNA sử dụng linh kiện bán dẫn siêu cao tần chuyên dụng, tối ưu hóa phối hợp trở kháng đầu vào để đạt hệ số tạp âm cực tiểu, khuếch đại tín hiệu thu từ anten parabol và hạ tần xuống dải băng L ($950 - 2150\text{ MHz}$).
  • Máy thu băng L: Thiết kế bộ dao động nội có độ ổn định tần số cao và nhiễu pha thấp, mạch trộn tần dải rộng, các bộ lọc thông dải vi dải trên nền mạch in FR4 và mạch khuếch đại trung tần IF nhiều tầng tích hợp mạch tự động điều chỉnh độ lợi (AGC).
  • Chỉ tiêu kỹ thuật phần cứng đạt được: Dải thông làm việc đạt $1,2\text{ GHz}$, độ nhạy máy thu đạt mức $< -100\text{ dBm}$, dải động làm việc đạt $> 60\text{ dB}$, cung cấp mức tín hiệu một chiều (DC) tỷ lệ tuyến tính với công suất thu đưa về bộ chuyển đổi ADC của vi điều khiển phục vụ bám vệ tinh.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt học thuật và lý luận

  1. Thuật toán bám kết hợp 2 giai đoạn: Xây dựng và hoàn thiện thuật toán bám kết hợp giữa bám vòng hở (sử dụng định vị vệ tinh GPS, cảm biến con quay hồi chuyển/gia tốc MPU-6050 và la bàn số) với bám vòng kín từng bước theo mức ngưỡng tín hiệu $NG1, NG2$. Thuật toán giải quyết triệt để bài toán mất bám và thời gian tái bám kéo dài của các phương pháp truyền thống trên phương tiện di động.
  2. Cấu trúc điều khiển Fuzzy PID cho cơ cấu bám 2 trục: Ứng dụng thành công lý thuyết điều khiển mờ Mamdani 25 luật hợp thành để tự động điều chỉnh tham số $K_P, K_I, K_D$ của động cơ DC servo, giảm thời gian quá độ và triệt tiêu sai số tĩnh khi góc bám thay đổi liên tục.

Đóng góp về mặt kỹ thuật và thực tiễn

  1. Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống điều khiển bám anten: Chế tạo thành công khối điều khiển trung tâm dùng vi điều khiển PIC16, mạch công suất cầu H dùng transistor BJT 2SC2581/2SA1106 cách ly quang 4N35, điều khiển anten parabol $60\text{ cm}$ bám vệ tinh VINASAT-1 với thời gian đáp ứng $< 0,6\text{ s}$ khi độ lệch hướng $5^\circ$, bước điều khiển $0,1^\circ$.
  2. Làm chủ công nghệ chế tạo khối thu siêu cao tần băng C và L: Thiết kế và chế tạo thành công khối đổi tần LNB băng C ($3,4 - 4,2\text{ GHz}$) và máy thu băng L ($950 - 2150\text{ MHz}$) trên vật liệu điện môi thông dụng FR4, đạt độ nhạy $< -100\text{ dBm}$, dải động $> 60\text{ dB}$, dải thông $1,2\text{ GHz}$, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật thu truyền hình và truyền dữ liệu trên tàu biển.
  3. Đóng góp vào đề tài cấp nhà nước: Kết quả nghiên cứu là sản phẩm nòng cốt phục vụ trực tiếp Đề tài mã số VT/CN 03/13-15 thuộc Chương trình Khoa học Công nghệ Vũ trụ giai đoạn 2013–2015 do Đại học Quốc gia Hà Nội chủ trì.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ cơ cấu bám mới tập trung vào điều khiển 2 trục tọa độ (góc phương vị $Az$ và góc ngẩng $EL$), chưa tích hợp cơ cấu tự động điều chỉnh góc phân cực (Polarization tilt) của sóng điện từ khi tàu thuyền lắc ngang/lắc dọc lớn.
  • Vật liệu chế tạo mạch siêu cao tần sử dụng nền FR4 nhằm tối ưu giá thành, hệ số tổn hao điện môi cao hơn so với các vật liệu cao tần chuyên dụng (như Rogers/Duroid), đặt ra giới hạn khi mở rộng lên các băng tần cao hơn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nâng cấp hệ thống điều khiển cơ điện lên 3 trục tự do (bổ sung điều khiển phân cực tự động) và tích hợp thuật toán lọc Kalman mở rộng để kết hợp dữ liệu cảm biến quán tính IMU trong điều kiện sóng biển cấp cao.
  • Mở rộng thiết kế máy thu và hệ thống bám tự động cho các băng tần cao hơn như băng Ku ($10,7 - 12,75\text{ GHz}$) và băng Ka phục vụ các dịch vụ thông tin vệ tinh băng thông rộng thế hệ mới.

Giá trị tham khảo

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Cung cấp tài liệu tham khảo về phương pháp tính toán hình học cầu xác định tọa độ anten trạm mặt đất, phương pháp mô phỏng phối hợp trở kháng cao tần trên ADS và kỹ thuật xây dựng thuật toán Fuzzy PID trên MATLAB/Simulink.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng viễn thông và cơ điện tử: Bản vẽ nguyên lý mạch công suất cầu H dòng lớn, sơ đồ giao tiếp ngoại vi vi điều khiển PIC với cảm biến MPU-6050, GPS qua giao thức NMEA (bản tin RMC), và cấu trúc thiết kế mạch khuếch đại LNA, mạch trộn tần trên nền vi dải.
  • Đơn vị khai thác thông tin vệ tinh và an ninh quốc phòng: Cung cấp giải pháp công nghệ tự chủ chế tạo thiết bị đầu cuối thu vệ tinh di động cho tàu cá, tàu vận tải biển và trạm cơ động ven bờ khai thác vệ tinh VINASAT-1 với chi phí hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao thuật toán bám từng bước truyền thống không đáp ứng tốt yêu cầu cho trạm thu vệ tinh di động?

Thuật toán bám từng bước chỉ dựa vào thông tin phản hồi biên độ công suất thu ($AS$). Khi trạm thu di động chuyển hướng đột ngột hoặc chịu ảnh hưởng của hiện tượng fading khí quyển, mức tín hiệu bị suy giảm nghiêm trọng làm giải thuật mất dấu cực đại và phải quay lại chế độ quét toàn không gian, dẫn đến thời gian tái bám kéo dài và gây gián đoạn liên lạc.

2. Thuật toán bám kết hợp đề xuất trong luận án giải quyết vấn đề mất bám như thế nào?

Hệ thống sử dụng hai mức ngưỡng công suất $NG1$ và $NG2$:

  • Khi $AS > NG2$: Hệ thống ở trạng thái bám ổn định.
  • Khi $NG1 < AS < NG2$: Hệ thống dùng thuật toán bám từng bước để tinh chỉnh.
  • Khi $AS < NG1$ (mất bám do đổi hướng nhanh): Hệ thống lập tức kích hoạt chế độ vòng hở, dùng tọa độ GPS và cảm biến MPU-6050 để tính toán lại vị trí vệ tinh và điều khiển động cơ quay nhanh về hướng búp sóng chính, sau đó mới chuyển lại bám từng bước để chỉnh tinh.

3. Thông số kỹ thuật của bộ phát đáp băng C mở rộng vệ tinh VINASAT-1 được luận án sử dụng là gì?

Vệ tinh VINASAT-1 tại vị trí $132^\circ\text{E}$ có 8 bộ phát đáp băng C mở rộng: tần số Uplink $6,725\text{ GHz}$ (dải thông $300\text{ MHz}$), Downlink $3,700\text{ GHz}$ (dải thông $300\text{ MHz}$), phân cực tuyến tính H và V; công suất bức xạ đẳng hướng EIRP $40\text{ dBm}$ ($42\text{ dBW}$ tại vùng lãnh thổ Việt Nam); hệ số $G/T$ từ $-8,3 \text{ đến } -2\text{ dB/K}$ ($0\text{ dB/K}$ tại Việt Nam).

4. Cơ chế hoạt động của mạch công suất điều khiển động cơ DC trong luận án được thiết kế như thế nào?

Mạch công suất sử dụng cấu hình cầu H gồm transistor BJT NPN 2SC2581 và PNP 2SA1106 có khả năng chịu điện áp $100\text{ V}$, dòng tải $10\text{ A}$. Tín hiệu băm xung PWM từ vi điều khiển PIC16 được cách ly quang qua IC 4N35 để kích mở các nhánh cầu, cho phép điều khiển đảo chiều quay và điều chỉnh tốc độ động cơ servo $24\text{ V}$ quay bệ anten 2 trục.

5. Chỉ tiêu kỹ thuật đạt được của hệ thống thu siêu cao tần và hệ thống cơ cấu bám là gì?

  • Phần cơ điện và điều khiển: Điều khiển góc phương vị $0 - 360^\circ$, góc ngẩng $0 - 90^\circ$, bước chia $0,1^\circ$, thời gian bám $< 0,6\text{ s}$ với góc lệch $5^\circ$.
  • Phần tuyến thu siêu cao tần: Làm việc tại băng C mở rộng ($3,4 - 4,2\text{ GHz}$) và băng L ($950 - 2150\text{ MHz}$), độ nhạy $< -100\text{ dBm}$, dải động $> 60\text{ dB}$, băng thông $1,2\text{ GHz}$.

Kết luận

Luận án đã giải quyết trọn vẹn hai bài toán kỹ thuật cốt lõi trong hệ thống thông tin vệ tinh di động mặt đất: đề xuất thuật toán bám kết hợp vòng hở - vòng kín ứng dụng giải thuật Fuzzy PID giúp rút ngắn thời gian bám dưới 0,6 giây, và làm chủ quy trình thiết kế, chế tạo phần cứng máy thu siêu cao tần băng C/băng L đạt độ nhạy $< -100\text{ dBm}$, dải động $> 60\text{ dB}$. Kết quả nghiên cứu đã được hiện thực hóa thành sản phẩm phần cứng hoàn chỉnh, kiểm chứng thực nghiệm phục vụ trực tiếp Chương trình Khoa học Công nghệ Vũ trụ cấp nhà nước. Công trình là tài liệu khoa học có giá trị ứng dụng thực tiễn cao, đóng góp tích cực vào mục tiêu tự chủ công nghệ chế tạo thiết bị thông tin vệ tinh tại Việt Nam.