Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "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" được tác giả Trần Văn Hội thực hiện năm 2018 tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bạch Gia Dương, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử (mã số 62 52 02 03).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Thông tin vệ tinh giữ vai trò thiết yếu trong việc thiết lập kết nối liên lạc tại các khu vực xa xôi, biên giới, hải đảo – nơi mạng viễn thông mặt đất cố định không thể tiếp cận. Năm 2006, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt "Chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020", xác định mục tiêu làm chủ công nghệ và tự chế tạo các trạm mặt đất có giá thành cạnh tranh. Sau khi Việt Nam phóng thành công vệ tinh viễn thông VINASAT-1 vào năm 2008, nhu cầu khai thác hiệu quả tài nguyên vệ tinh trên các phương tiện di động như tàu biển, ô tô, tàu hỏa ngày càng gia tăng.

Tuy nhiên, các trạm thu di động đối mặt với thách thức lớn: khi phương tiện di chuyển hoặc đổi hướng, búp sóng chính của anten bị lệch khỏi vị trí vệ tinh địa tĩnh, dẫn đến suy giảm hoặc mất hoàn toàn tín hiệu do hiện tượng fading và dịch chuyển cơ học. Các nghiên cứu và thiết bị trạm thu mặt đất trước đó tại Việt Nam (như các đề tài thuộc chương trình KC.01) chủ yếu tập trung vào hệ thống cố định hoặc trạm radar, thời gian bám còn chậm, khả năng bắt bám còn hạn chế và hệ thống thu băng C mới chỉ dừng lại ở khối đổi tần nhiễu thấp LNB rời rạc. Trên thế giới, các hệ thống bám tự động cho trạm di động thường có thời gian xác lập bám trên 0,6 giây khi góc lệch nhỏ, độ ổn định chưa cao khi phương tiện đổi hướng đột ngột, đồng thời máy thu thương mại có độ nhạy thấp (từ -65 dBm đến -83 dBm) và dải động hẹp (khoảng 40 dB). Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần một giải pháp kết hợp thuật toán bám nhanh, ổn định cùng hệ thống phần cứng máy thu có độ nhạy cao và dải động rộng, chế tạo trên nền tảng công nghệ sẵn có tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu cụ thể:

  1. Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển bám vệ tinh nhằm nâng cao khả năng tự động phát hiện và bám vệ tinh, rút ngắn thời gian bám và đạt độ chính xác cao; đồng thời nghiên cứu giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh nhằm minh chứng hiệu quả của thuật toán đề xuất.
  2. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh băng C với độ nhạy cao, dải động lớn, dải thông rộng và hệ số khuếch đại cao, sử dụng cho hệ thống điều khiển 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 phục vụ trạm thu di động.
    • Tuyến thu vệ tinh băng C và băng L chế tạo bằng công nghệ mạch dải trên vật liệu nền điện môi FR4.
    • Hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh VINASAT-1 (vị trí quỹ đạo 132° Đông).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về cơ điện: Hệ thống điều khiển bám 2 trục độc lập gồm góc ngẩng (Elevation - EL từ 0° đến 90°) và góc phương vị (Azimuth - Az quay vòng 360°), độ phân giải điều khiển 0,1°/bước.
    • Về tần số vô tuyến: Băng C mở rộng tuyến xuống từ 3,4 GHz đến 4,2 GHz và băng trung tần L từ 950 MHz đến 2150 MHz phục vụ thu tín hiệu vệ tinh VINASAT-1.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong nước

Tác giả đã điểm lại các công trình nghiên cứu tiêu biểu tại các cơ sở đào tạo và viện nghiên cứu lớn như Đại học Công nghệ, Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Rađa:

  • Công trình [2] tập trung nghiên cứu, thiết kế hệ thống thu phát và xử lý tín hiệu dải rộng nhận biết chủ quyền quốc gia hoạt động ở băng L.
  • Công trình [4] nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng cảm biến đo từ trường Trái Đất nhằm xác định góc tầm, hướng trong điều khiển anten thu vệ tinh băng C, thuộc đề tài KC.01 cấp nhà nước của Trường Đại học Công nghệ. Tuy nhiên, hệ thống này vẫn đòi hỏi phải xác định góc chuẩn hướng ban đầu thủ công và khối thu mới chỉ giới hạn ở bộ đổi tần LNB.
  • Các công trình [7] và [8] nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo các linh kiện siêu cao tần thụ động và tích cực (bộ lọc, chuyển mạch, bộ trộn, bộ khuếch đại tạp âm thấp) hoạt động ở dải tần 2,7 GHz – 3,1 GHz ứng dụng cho đài radar.
  • Công trình [9] nghiên cứu chế tạo thử nghiệm một số phần tử, thiết bị trạm đầu cuối VSAT dùng cho thông tin vệ tinh, bước đầu chế tạo anten parabol cố định.

Nhận xét của tác giả: Các nghiên cứu trong nước chủ yếu phục vụ hệ thống radar băng S/L hoặc trạm VSAT cố định, chỉ dừng lại ở việc thiết kế các khối mạch rời rạc, chưa tối ưu hóa đồng thời các chỉ tiêu tạp âm thấp, dải thông rộng và độ ổn định dao động nội, đồng thời chưa giải quyết bài toán bám búp sóng liên tục cho trạm di động.

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Về hệ thống điều khiển bám anten:

  • Công trình [67] sử dụng bộ điều khiển logic lập trình PLC điều khiển 2 động cơ quay theo thuật toán bám từng bước (step tracking) kết hợp bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID kinh điển, áp dụng cho trạm cố định.
  • Công trình [29] sử dụng động cơ một chiều không chổi than (BLDC) kết hợp thuật toán bám vòng tròn quét 360° để tìm tín hiệu trung bình (AS) cực đại, sau đó bám từng bước với bộ điều khiển PI; thời gian bám đạt 0,6 s với góc lệch 5°, nhưng khi góc lệch lớn hơn thì hệ thống mất ổn định.
  • Công trình [38] áp dụng thuật toán vi phân bám búp sóng DBS di động dựa trên độ chênh lệch mức tín hiệu AS; thời gian bám nhỏ hơn 0,6 s nhưng chỉ vận hành ổn định khi trạm di chuyển với vận tốc góc thấp.
  • Các công trình [19], [23], [31], [32], [36], [60]–[62] nghiên cứu áp dụng kỹ thuật điều khiển thích nghi, bộ điều khiển H-infinity, bộ điều khiển mờ (Fuzzy PI, Fuzzy PD) để giảm thời gian quá độ và sai số xác lập cho hệ thống bám rada và anten.

Về hệ thống thu siêu cao tần:

  • Công trình [49] của Othman A.R. sử dụng mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) cấu trúc cascode kết hợp mạng phối hợp trở kháng hình chữ T ở tần số 5,8 GHz (đạt Gain = 18,5 dB, NF = 1,3 dB, BW = 1,4 GHz).
  • Công trình [37] của Kamil P. áp dụng hồi tiếp âm ở tầng khuếch đại đầu và ghép cascode nhiều tầng để dung hòa tạp âm và hệ số khuếch đại.
  • Công trình [24] thiết kế LNA băng rộng cấu trúc cân bằng đạt Gain = 17,5 – 18,5 dB, NF = 1,02 dB trên dải thông 800 MHz.
  • Công trình [40] và [69] nghiên cứu bộ dao động cộng hưởng điện môi (DRO) và mạch vòng khóa pha (PLL) để giảm nhiễu pha (đạt -116,2 dBc/Hz tại độ lệch 100 kHz).
  • Công trình [35] chế tạo tuyến thu băng L (950 – 2150 MHz) có Gain = 37 dB, NF < 0,5 dB, nhiễu pha -103,3 dBc/Hz ở độ lệch 50 kHz.
  • Công trình [64] của V. Saatchi dùng bộ suy giảm số để mở rộng dải động máy thu lên 40 dB. Thiết bị thu thương mại thực tế [71] có độ nhạy -65 dBm, dải động hẹp.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án định vị trọng tâm giải quyết hai vấn đề cốt lõi:

  1. Về giải thuật điều khiển: Khắc phục nhược điểm mất bám và thời gian tìm kiếm kéo dài của thuật toán bám từng bước truyền thống bằng cách đề xuất thuật toán bám kết hợp 2 giai đoạn (chỉnh thô vòng hở qua cảm biến và GPS, chỉnh tinh vòng kín từng bước qua mức tín hiệu); đồng thời ứng dụng bộ điều khiển mờ PID cho hệ cơ điện anten nhằm giảm thời gian xác lập dưới 0,6 s khi có sai lệch góc 5°.
  2. Về phần cứng cao tần: Thiết kế và tích hợp hoàn chỉnh tuyến thu gồm khối đổi tần LNB băng C và máy thu trung tần băng L trên nền vật liệu FR4, đạt độ nhạy cao (< -100 dBm), dải động lớn (> 60 dB) và dải thông rộng 1,2 GHz, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật của hệ thống VINASAT-1.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh: Vệ tinh địa tĩnh chuyển động trên mặt phẳng xích đạo ở độ cao danh định $h = 35.786\text{ km}$, bán kính Trái Đất $R = 6.378\text{ km}$, khoảng cách từ tâm Trái Đất tới vệ tinh là $42.164\text{ km}$. Góc nhìn giới hạn trên cung quỹ đạo địa tĩnh được xác định theo hệ thức: $$b_{\max} = \arccos\left(\frac{R}{R+h}\right) = \arccos\left(\frac{6378}{42164}\right) \approx 81,3^\circ$$ Để tránh ảnh hưởng của tạp âm bức xạ nhiệt từ mặt đất, góc ngẩng hoạt động của anten trạm thu luôn phải thỏa mãn điều kiện thực tế $\text{EL} \ge 5^\circ$.
  • Lý thuyết tính toán tọa độ anten trạm mặt đất: Dựa trên lượng giác cầu thiết lập mối quan hệ hình học giữa vị trí trạm mặt đất (kinh độ $K_E$, vĩ độ $V_E$) và điểm chiếu của vệ tinh ($K_S$):
    • Tính góc ngẩng $\text{EL}$ dựa trên bán kính Trái Đất $R$, độ cao $h$ và khoảng cách cung góc $b$.
    • Tính góc phương vị $\text{Az}$ phân theo 4 góc phần tư tương ứng với vị trí tương đối giữa trạm thu và vệ tinh (phía Đông/Tây, Bắc/Nam bán cầu).
  • Lý thuyết tạp âm và máy thu siêu cao tần:
    • Hệ số tạp âm toàn phần của chuỗi tầng khuếch đại ghép nối tiếp theo công thức Friis: $$F = F_1 + \frac{F_2 - 1}{G_1} + \frac{F_3 - 1}{G_1 G_2} + \dots + \frac{F_n - 1}{\prod_{k=1}^{n-1} G_k}$$ Công thức khẳng định hệ số tạp âm của toàn hệ thống thu bị chi phối quyết định bởi tầng khuếch đại đầu tiên ($F_1$).
    • Độ nhạy máy thu ($P_{\min}$) biểu diễn qua nền tạp âm nhiệt chuẩn: $$P_{\min} = -174\text{ dBm/Hz} + \text{NF} + 10\log_{10}(B) + (S/N){\min}$$ Trong đó $\text{NF}$ là hệ số tạp âm (Noise Figure), $B$ là độ rộng băng thông (Hz), và $(S/N){\min}$ là tỷ số tín hiệu trên tạp âm tối thiểu tại ngõ ra.
    • Các tham số phi tuyến: Điểm nén công suất 1 dB ($P_{1\text{dB}}$) và điểm chặn giao cắt bậc ba ngõ vào ($\text{IIP}_3$) để xác định dải động tuyến tính của máy thu.
  • Lý thuyết điều khiển tự động: Khung điều khiển vị trí góc quay 2 trục dùng mạch cầu H điều chế độ rộng xung (PWM) kết hợp thuật toán PID kinh điển và thuật toán mờ PID thích nghi (Fuzzy PID) nhằm xử lý độ phi tuyến cơ khí và triệt tiêu dao động quá độ.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Tác giả kết hợp ba phương pháp nghiên cứu chính:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích giải tích các mô hình hình học viễn thông vệ tinh; tính toán ma trận tán xạ (tham số S), phối hợp trở kháng vi dải, và thiết kế các hàm thuộc mờ cho khối điều khiển động cơ.
  2. Phương pháp mô phỏng số:
    • Sử dụng phần mềm chuyên dụng ADS (Advanced Design System) để mô phỏng tham số tán xạ ($S_{11}, S_{21}, S_{12}, S_{22}$), hệ số tạp âm NF, độ ổn định $\mu$, và điểm nén công suất của các mạch khuếch đại LNA, mạch lọc dải và mạch dao động.
    • Sử dụng môi trường MATLAB/Simulink để mô phỏng đáp ứng quá độ, thời gian tăng, độ vọt lố của hệ thống điều khiển động cơ với thuật toán PID và mờ PID.
  3. Phương pháp thực nghiệm:
    • Gia công chế tạo mạch in cao tần trên vật liệu FR4; lắp ráp các linh kiện siêu cao tần rời rạc (transistor SPF3043, IC PLL, mạch vi dải).
    • Đo đạc kiểm chuẩn các thông số kỹ thuật thực tế bằng thiết bị đo chuyên dụng: Máy phân tích mạng véctơ (Vector Network Analyzer - VNA) và Máy phân tích phổ (Spectrum Analyzer - SA).

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu tham số kỹ thuật quỹ đạo, giản đồ bức xạ vùng phủ sóng, bảng tham số EIRP và G/T của vệ tinh VINASAT-1 do các trung tâm viễn thông cung cấp.
  • Bộ tham số S thực nghiệm của linh kiện bán dẫn cao tần GaAs pHEMT SPF3043 trong dải tần số từ 1,5 GHz đến 4,2 GHz.
  • Tín hiệu tọa độ vệ tinh và định vị thời gian thực từ module GPS NEO-6M, cảm biến gia tốc/góc nghiêng MPU-6050 và cảm biến từ trường 3 trục HMC5883L.

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 cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin vệ tinh gồm phân hệ không gian (SS) và phân hệ mặt đất (GS). Tác giả phân tích cụ thể các thông số kỹ thuật của vệ tinh viễn thông địa tĩnh VINASAT-1 (quỹ đạo 132° Đông) trên hai băng tần hoạt động:

  • Băng C mở rộng: Gồm 8 bộ phát đáp; tuyến lên 6.725 MHz (băng thông 300 MHz), tuyến xuống 3.700 MHz (băng thông 300 MHz); phân cực tuyến tính đứng (V) và ngang (H). Công suất EIRP bộ phát đáp đạt 40 dBm; vùng phủ sóng EIRP đạt 40 dBW (Đông Nam Á) và 42 dBW (phần lãnh thổ Việt Nam); hệ số $G/T$ dao động từ -8,3 dB/K đến -2 dB/K (vùng phủ Việt Nam đạt 0 dB/K); mật độ thông lượng bão hòa $\text{SFD} = -85\text{ dBW/m}^2$; độ lùi công suất $\text{IBO} = -3\text{ dB}$, $\text{OBO} = -3\text{ dB}$.
  • Băng Ku: Gồm 12 bộ phát đáp; tuyến lên 13.495 MHz (240 MHz), tuyến xuống 10.700 MHz (250 MHz); phân cực tuyến tính; EIRP vùng phủ sóng đạt 54 dBW; hệ số $G/T$ từ +2,0 dB/K đến 7,0 dB/K; $\text{SFD} = -90\text{ dBW/m}^2$.

Tác giả đi sâu phân tích nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của hai phương pháp bám vệ tinh cơ bản:

  1. Thuật toán bám xung đơn (monopulse): Sử dụng cụm 4 bộ tiếp sóng (feed horn) tạo giản đồ tổng và hiệu. Cung cấp độ chính xác cao nhưng hệ thống phần cứng cơ khí và ống dẫn sóng rất phức tạp, giá thành cao, khó áp dụng cho trạm thu dân dụng cỡ nhỏ.
  2. Thuật toán bám từng bước (step tracking): Anten dịch chuyển từng bước nhỏ trên từng trục để đo điện áp DC chỉ thị mức tín hiệu thu, so sánh mức tín hiệu trước và sau khi dịch chuyển để quyết định hướng quay tiếp theo qua 3 chế độ: quét, bám và ổn định. Phương pháp này có cấu hình đơn giản nhưng tốc độ đáp ứng chậm và dễ bị mất hướng khi xảy ra fading khí quyển hoặc phương tiện đổi hướng nhanh.

Chương 1 cũng tổng hợp các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống thu: hệ số tạp âm thấp, dải động rộng, độ nhạy cao và dải thông rộng. Đồng thời, tác giả xây dựng 2 bảng tổng hợp so sánh các công bố trước đó:

Bảng 1.1: So sánh các công trình nghiên cứu hệ thống điều khiển bám vệ tinh

Tham số so sánh Trích dẫn [19] Trích dẫn [29] Trích dẫn [38]
Hệ thống điều khiển Điều khiển $H_\infty$ Bộ điều khiển PI Bộ điều khiển PI
Thuật toán bám Bám từng bước Bám vòng tròn kết hợp từng bước Bám từng bước (vi phân)
Thời gian bám 0,7 s 0,6 s 0,6 s

Bảng 1.2: So sánh tham số các công trình chế tạo máy thu vệ tinh

Tham số kỹ thuật Trích dẫn [35] Trích dẫn [64] Máy thu thực tế [71]
Dải tần làm việc 950 MHz – 2150 MHz 1,26 GHz – 1,268 GHz 4 GHz – 8 GHz
Tín hiệu ngõ ra IF – 247 MHz IF – 1,2 GHz Audio, TV Video
Độ nhạy máy thu -83 dBm Chưa công bố -65 dBm
Hệ số khuếch đại (Gain) 37 dB Chưa công bố Chưa công bố
Dải động máy thu 91 dB 40 dB Hẹp
Nhiễu pha bộ dao động -103,3 dBc/Hz @ 50 kHz Chưa công bố Chưa công bố

Từ các hạn chế được chỉ ra, tác giả xác định mục tiêu thiết kế hệ thống điều khiển bám có thời gian bám dưới 0,6 s với góc lệch 5° và máy thu băng C/L có độ nhạy dưới -100 dBm, dải động trên 60 dB.

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

Chương 2 trình bày chi tiết giải pháp thiết kế thuật toán bám và hệ thống điều khiển cơ điện 2 trục cho anten parabol:

  • Phương pháp toán học xác định tọa độ bám: Xây dựng công thức giải tích tính góc ngẩng ($\text{EL}$) và góc phương vị ($\text{Az}$) từ vị trí trạm mặt đất ($K_E, V_E$) và vệ tinh ($K_S$). Phân tích tường minh 4 trường hợp tính $\text{Az}$ phụ thuộc dấu của vĩ độ $V_E$ và hiệu kinh độ $B = K_E - K_{SS}$.
  • Đề xuất thuật toán bám:
    • Thuật toán bám vòng hở: Không dựa vào tín hiệu vô tuyến thu được mà sử dụng dữ liệu kinh/vĩ độ từ GPS NEO-6M, góc nghiêng từ cảm biến gia tốc MPU-6050 và hướng bắc từ cảm biến từ trường HMC5883L để tính góc đặt lý thuyết ($\text{Az}_1, \text{EL}_1$), so sánh với góc thực tế ($\text{Az}_2, \text{EL}_2$) để điều khiển động cơ quay trực tiếp đến tọa độ mục tiêu. Thuật toán hoạt động ổn định khi trạm di chuyển đổi hướng nhưng phụ thuộc sai số cảm biến (chỉnh thô).
    • Thuật toán bám kết hợp 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 kích hoạt chế độ vòng hở để đưa anten hướng nhanh về phía vệ tinh đến khi mức tín hiệu trung bình AS vượt ngưỡng phát hiện $\text{NG}_1$. Giai đoạn 2 chuyển sang chế độ bám vòng kín từng bước (step tracking) để tinh chỉnh vị trí đạt cực đại mức tín hiệu thu vượt ngưỡng tối ưu $\text{NG}_2$, sau đó chuyển sang chế độ ổn định.
+---------------+
|   Khởi động   |
+-------+-------+
        |
        v
+-------------------------------+
|  Chế độ bám vòng hở (GPS/Sens)|
+---------------+---------------+
        |
   AS > NG1 ? --(Sai)--> [Tiếp tục quét hở]
        | (Đúng)
        v
+-------------------------------+
|  Chế độ bám từng bước (tinh)  |
+---------------+---------------+
        |
   AS > NG2 ? --(Sai)--> [Dịch chuyển bước]
        | (Đúng)
        v
+-------------------------------+
|       Chế độ ổn định          |
+-------------------------------+
  • Thiết kế phần cứng và giải thuật điều khiển động cơ:
    • Thiết kế mạch công suất cầu H sử dụng transistor BJT điều khiển động cơ một chiều (DC Motor).
    • Ứng dụng giải thuật điều khiển mờ PID (Fuzzy PID): Khối mờ gồm 2 ngõ vào là sai số vị trí góc $e$ và đạo hàm sai số $de/dt$, ngõ ra là các giá trị hiệu chỉnh thông số điều khiển. Kết quả mô phỏng trên MATLAB chứng minh bộ điều khiển mờ PID giúp giảm đáng kể thời gian tăng (rise time), triệt tiêu độ vọt lố và rút ngắn thời gian quá độ so với bộ điều khiển PID kinh điển.
    • Chế tạo khối xử lý trung tâm vi điều khiển, tích hợp các khối thu GPS NEO-6M, cảm biến MPU-6050, cảm biến HMC5883L, mạch nguồn và cơ cấu truyền động cơ khí 2 trục.
    • Phần mềm máy tính hiển thị trạng thái và cho phép nhập xuất thông số vệ tinh.
  • Kết quả thực nghiệm: Thử nghiệm bám góc lệch 5° cho thấy thuật toán bám kết hợp đạt thời gian xác lập dưới 0,6 s, mức tín hiệu ổn định hơn hẳn so với thuật toán bám từng bước đơn lẻ.

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

Chương 3 tập trung vào thiết kế, mô phỏng và chế tạo toàn bộ tuyến thu cao tần gồm khối LNB băng C và máy thu trung tần băng L:

  • Thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp (LNA) băng C (3,4 – 4,2 GHz):
    • Sử dụng transistor GaAs pHEMT SPF3043.
    • Thiết kế cấu trúc khuếch đại 2 tầng nối tiếp với mạng phối hợp trở kháng đầu vào/đầu ra dạng chữ T chế tạo bằng công nghệ đường truyền vi dải.
    • Áp dụng cấu hình hồi tiếp âm nguồn (source degeneration) nhằm tối ưu đồng thời hệ số tạp âm cực tiểu ($NF_{\min}$) và phối hợp trở kháng ngõ vào, đảm bảo điều kiện ổn định tuyệt đối ($\mu > 1$).
    • Kết quả mô phỏng và đo đạc thực tế mạch LNA băng C: Đạt hệ số khuếch đại $S_{21}$ cao, hệ số suy hao phản xạ ngõ vào $S_{11} < -10\text{ dB}$, hệ số phản xạ ngõ ra $S_{22} < -10\text{ dB}$, hệ số khuếch đại ngược $S_{12}$ rất nhỏ, kiểm chứng điểm nén $P_{1\text{dB}}$ và điểm chặn bậc ba $\text{IIP}_3$.
  • Thiết kế mạch khuếch đại trung tần (IF) băng L (950 – 2150 MHz): Thiết kế mạch khuếch đại dải rộng trên đường truyền vi dải, kiểm soát tốt hệ số tạp âm và đảm bảo độ lợi phẳng trên toàn bộ băng thông 1,2 GHz.
  • Thiết kế mạch lọc thông dải (BPF):
    • Cấu trúc mạch lọc vi dải cộng hưởng nửa bước sóng ghép song song (parallel-coupled half-wavelength resonator filter).
    • Tính toán các giá trị trở kháng chế độ chẵn ($Z_{0e}$) và chế độ lẻ ($Z_{0o}$), xác định kích thước hình học (chiều dài, bề rộng đường vi dải và khoảng cách khe hở giữa các bộ cộng hưởng) trên nền điện môi FR4.
    • Kết quả đo đạc kiểm chứng độ suy hao trong băng thấp và độ triệt suy hao ngoài băng cao.
  • Thiết kế bộ tổng hợp tần số và dao động nội (LO):
    • Ứng dụng kỹ thuật mạch vòng khóa pha PLL kết hợp bộ chia tần số, bộ tách pha-tần số (PFD) và bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO).
    • Mạch tổng hợp tần số PLL tạo ra tín hiệu dao động nội có độ ổn định cao, kiểm soát dải tần phát từ 1000 MHz đến 2000 MHz, đo kiểm độ sạch phổ và độ nhiễu pha (Phase Noise) thấp.
  • Chế tạo và thực nghiệm toàn diện máy thu băng L:
    • Chế tạo khối nguồn nuôi ổn áp DC hoàn chỉnh.
    • Đấu nối toàn bộ hệ thống thu băng L và đo đạc thực nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật tại các tần số kiểm chuẩn: 1431 MHz, 1644 MHz và 1915 MHz với tỷ số tín/tạp $S/N = 1,5$ và $S/N = 1,1$.
    • Kết quả đo kiểm thực tế chứng minh máy thu đạt độ nhạy vượt chỉ tiêu đề ra (< -100 dBm), dải động lớn (> 60 dB) và dải thông rộng 1,2 GHz.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về lý luận và học thuật

  1. Đề xuất thuật toán bám vệ tinh kết hợp 2 giai đoạn: kết hợp giữa phương pháp bám vòng hở (dựa trên tính toán tọa độ giải tích từ dữ liệu GPS và các cảm biến góc nghiêng, la bàn số) và phương pháp bám vòng kín từng bước (dựa trên mức điện áp chỉ thị cường độ tín hiệu vô tuyến thu được). Giải thuật này khắc phục được sự phụ thuộc hoàn toàn vào tín hiệu vô tuyến của thuật toán bám truyền thống, loại bỏ hiện tượng mất bám khi phương tiện chuyển hướng nhanh hoặc khi tín hiệu bị fading sâu.
  2. Ứng dụng thành công lý thuyết điều khiển mờ PID vào bài toán điều khiển cơ điện anten parabol 2 trục, giúp tối ưu hóa thời gian quá độ, giảm thời gian xác lập hướng bám xuống dưới 0,6 s khi có sai lệch góc 5°, nâng cao độ ổn định động học cho hệ thống bám trên phương tiện di động.

Đóng góp về kỹ thuật và thực tiễn

  1. Thiết kế, chế tạo thành công hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh 2 trục (quay phương vị 360°, góc ngẩng 0° – 90°, bước bước điều khiển 0,1°/bước) tích hợp phần cứng vi điều khiển, module GPS NEO-6M, cảm biến MPU-6050, cảm biến HMC5883L và giao diện phần mềm giám sát máy tính.
  2. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh tuyến thu siêu cao tần gồm khối đổi tần LNB băng C mở rộng (3,4 – 4,2 GHz) và máy thu trung tần băng L (950 – 2150 MHz) trên nền vật liệu điện môi FR4 sẵn có trong nước. Hệ thống đạt các chỉ tiêu kỹ thuật cao:
    • Dải thông làm việc rộng: 1,2 GHz;
    • Độ nhạy máy thu cao: nhỏ hơn -100 dBm;
    • Dải động máy thu rộng: lớn hơn 60 dB;
    • Hệ số khuếch đại lớn và nhiễu pha thấp.
  3. Kết quả của luận án đóng góp trực tiếp vào việc thực hiện thành công đề tài mã số VT/CN 03/13-15 ("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") thuộc Chương trình Khoa học Công nghệ Vũ trụ giai đoạn 2013 – 2015, góp phần khẳng định năng lực làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo thiết bị siêu cao tần và cơ điện tử bám vệ tinh VINASAT tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của công trình

  • Độ chính xác của giai đoạn bám vòng hở vẫn phụ thuộc vào độ chính xác nội tại của module GPS NEO-6M thương mại và độ nhạy của cảm biến la bàn số HMC5883L, đặc biệt dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ trường cục bộ của kết cấu kim loại trên phương tiện.
  • Hệ thống cơ điện mới chỉ thực hiện điều khiển trên 2 trục độc lập (phương vị và góc ngẩng), chưa tích hợp cơ chế tự động điều chỉnh góc phân cực (polarization angle) của bộ tiếp sóng khi phương tiện lắc ngang/dọc với biên độ lớn.
  • Mạch siêu cao tần chế tạo trên nền vật liệu FR4 có hệ số suy hao điện môi ($\tan\delta$) tương đối lớn ở dải tần số cao so với các vật liệu chuyên dụng cao tần (như Rogers hay Teflon).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu thuật toán lọc kết hợp (như bộ lọc Kalman mở rộng) để dung hợp dữ liệu cảm biến quán tính và GPS, bù trừ sai số do rung lắc và gia tốc chuyển động của tàu biển trong điều kiện sóng gió cấp cao.
  • Thiết kế tích hợp thêm trục tự động điều khiển góc phân cực của anten nhằm tối ưu hóa công suất thu đối với các phân cực tuyến tính đứng và ngang của vệ tinh VINASAT-1.
  • Chuyển giao công nghệ, tối ưu hóa thiết kế mạch trên các vật liệu cao tần chuyên dụng có tổn hao thấp nhằm nâng cao hơn nữa hệ số phẩm chất của hệ thống thu phục vụ sản xuất thử nghiệm hàng loạt.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa có thể sử dụng luận án làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về thiết kế mạch tích hợp siêu cao tần và giải thuật điều khiển cơ điện tử bám vệ tinh.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng viễn thông: Tham khảo quy trình thiết kế, mô phỏng trên phần mềm ADS và kỹ thuật gia công mạch dải vi dải cho các khối khuếch đại tạp âm thấp LNA, mạch lọc thông dải BPF và mạch dao động nội PLL.
  • Các đơn vị công nghiệp quốc phòng và hàng hải: Tham khảo giải pháp chế tạo các trạm thu vệ tinh di động lắp đặt trên tàu thuyền, phương tiện cơ động phục vụ thông tin liên lạc và giám sát chủ quyền biển đảo.

Các nội dung đáng tham khảo

  • Phương pháp phối hợp trở kháng và kỹ thuật hồi tiếp âm nguồn để tối ưu hệ số tạp âm của transistor siêu cao tần SPF3043 trình bày tại Chương 3.
  • Quy trình tính toán hình học mạch lọc thông dải cộng hưởng ghép song song nửa bước sóng trên đường truyền vi dải.
  • Thuật toán phối hợp 2 giai đoạn vòng hở - vòng kín và cấu trúc bộ điều khiển mờ PID cho động cơ DC trình bày chi tiết tại Chương 2.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đề xuất giải thuật gì để khắc phục hiện tượng mất tín hiệu khi phương tiện đổi hướng đột ngột?
Luận án đề xuất thuật toán bám kết hợp 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 sử dụng cơ chế bám vòng hở, trích xuất dữ liệu tọa độ từ khối GPS NEO-6M, cảm biến góc nghiêng MPU-6050 và cảm biến từ trường HMC5883L để tính toán giải tích góc ngẩng và góc phương vị, điều khiển anten hướng nhanh về phía vệ tinh đến khi mức tín hiệu thu AS vượt ngưỡng $\text{NG}_1$. Giai đoạn 2 kích hoạt thuật toán bám từng bước (vòng kín) để tinh chỉnh búp sóng đạt công suất cực đại vượt ngưỡng $\text{NG}_2$. Khi phương tiện đổi hướng đột ngột làm suy giảm tín hiệu dưới ngưỡng, hệ thống lập tức quay lại chế độ vòng hở để tái định vị búp sóng mà không bị mất dấu.

2. Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của máy thu trung tần băng L do luận án chế tạo đạt được những thông số nào?
Máy thu băng L do tác giả thiết kế và chế tạo làm việc trong dải tần số 950 MHz – 2150 MHz (băng thông 1,2 GHz), đạt độ nhạy cao dưới -100 dBm, dải động lớn hơn 60 dB, hệ số khuếch đại cao, sử dụng mạch tạo dao động nội tổng hợp tần số PLL trong dải 1000 MHz – 2000 MHz có độ ổn định và nhiễu pha thấp, được kiểm chuẩn thực nghiệm tại các tần số 1431 MHz, 1644 MHz và 1915 MHz.

3. Tại sao tác giả áp dụng bộ điều khiển mờ PID thay thế cho bộ điều khiển PID kinh điển trong hệ thống quay anten?
Hệ thống truyền động cơ điện anten parabol chịu ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyến cơ khí, ma sát và quán tính khi phương tiện chuyển động. Kết quả phân tích và mô phỏng trên MATLAB ở Chương 2 cho thấy bộ điều khiển PID kinh điển có thời gian quá độ dài và dễ phát sinh vọt lố. Bộ điều khiển mờ PID (Fuzzy PID) tự động điều chỉnh các hệ số tỉ lệ, tích phân và vi phân theo sai số vị trí $e$ và đạo hàm sai số $de/dt$, giúp giảm thời gian tăng, triệt tiêu độ vọt lố và đưa thời gian bám góc lệch 5° xuống dưới 0,6 s.

4. Khối khuếch đại tạp âm thấp LNA băng C trong luận án sử dụng linh kiện bán dẫn nào và áp dụng giải pháp thiết kế gì để giảm hệ số tạp âm?
Khối LNA băng C (3,4 – 4,2 GHz) sử dụng linh kiện bán dẫn GaAs pHEMT SPF3043. Tác giả áp dụng giải pháp thiết kế mạch khuếch đại 2 tầng nối tiếp, kết hợp mạng phối hợp trở kháng ngõ vào/ngõ ra dạng chữ T và kỹ thuật hồi tiếp âm nguồn (source degeneration) bằng đường truyền vi dải. Giải pháp này giúp dịch chuyển điểm phối hợp trở kháng tạp âm tối ưu gần trùng với điểm phối hợp công suất tối ưu, vừa giảm hệ số tạp âm NF của mạch, vừa nâng cao hệ số khuếch đại $S_{21}$ và bảo đảm mạch làm việc ở trạng thái ổn định tuyệt đối ($\mu > 1$).

5. Luận án đã tham gia giải quyết nhiệm vụ trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu cấp nhà nước nào?
Nội dung nghiên cứu của luận án nằm trong khuôn khổ thực hiện đề tài mã số VT/CN 03/13-15 thuộc Chương trình Khoa học Công nghệ Vũ trụ giai đoạn 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. Nguyễn Hữu Đức tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội chủ trì, trong đó tác giả trực tiếp đảm nhiệm phần thiết kế, chế tạo thiết bị thu băng tần C và băng L.

Kết luận

Luận án của tác giả Trần Văn Hội đã hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu đề ra trong việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh hệ thống thu mặt đất tự động phát hiện và bám vệ tinh VINASAT-1 cho trạm di động. Bằng việc kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết viễn thông vệ tinh, mô phỏng mạch siêu cao tần trên phần mềm ADS, mô phỏng điều khiển mờ PID trên MATLAB và chế tạo thực nghiệm trên vật liệu FR4, công trình đã đề xuất thành công thuật toán bám kết hợp 2 giai đoạn đạt thời gian bám dưới 0,6 s cùng hệ thống máy thu băng C/L có độ nhạy dưới -100 dBm và dải động trên 60 dB. Kết quả nghiên cứu không chỉ giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật đặt ra trong đề tài Khoa học Công nghệ Vũ trụ cấp nhà nước mà còn cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn tin cậy cho việc tự chủ công nghệ chế tạo thiết bị thông tin vệ tinh mặt đất tại Việt Nam.