Đặt vấn đề LEO (Low earth orbit) là từ được viết tắt cho vùng quỹ đạo tương đối gần bề mặt Trái Đất. Khoảng cách từ bề mặt Trái Đất đến vùng quỹ đạo này sẽ nằm trong phạm vi dưới 1000 km. Hiện nay các doanh nghiệp hàng không vũ trụ đang hướng tới sự phát triển cho các vệ tỉnh nhỏ với chỉ phí tương đối thấp. Đặc biệt những vệ tỉnh nhỏ này được định hướng hoạt động trong vùng quỹ đạo gần với bề mặt Trái Dat (LEO).
Những vệ tinh nhỏ hoạt động trong vùng quỹ đạo thấp (vệ tinh LEO) đã cung cấp nhiều ứng dụng mới như quan sát Trái Dat, phòng chống thiên tai và kết nối với các thiết bị sử dụng những công nghệ truyền thông dữ liệu trong mạng lưới vạn vật kết nối (loT — Internet of Things) [1]. Tuy nhiên, đi cùng với sự bùng nd nghiên cứu và hiện thực các vệ tỉnh LEO, chính là phải thiết kế và phát triển các tram mặt đất có thé giao tiếp với các vệ tinh này. Một trong những đặc điểm cần thiết của các thiết bị IoT là năng lượng tiêu thụ thấp và khoảng cách giao tiếp xa. Do vậy, công nghệ LoRa là một trong những giải pháp thực tiễn ứng dụng trong mạng lưới IoT.
Tuy nhiên chuẩn giao tiếp không dây LoRaWAN của công nghệ LoRa không thể cung cấp phạm vi phủ sóng khắp nơi, đặc biệt là những vùng hẻo lánh. Dé giải quyết van dé này, những vệ tỉnh LEO có thể đảm nhận vai trò phủ sóng việc truyền nhận các gói tin LoRa trên toàn thế giới [1], [2]. Vậy nên, việc xây dựng các tram mặt đất phục vụ cho các vệ tinh LEO có sử dụng công nghệ LoRa là một ứng dụng thực tế trong lĩnh vực IoT. Nhìn chung việc xây dựng trạm mặt dat giao tiếp với vệ tinh LEO đã có một số nghiên cứu trên thế giới.
Trong bài báo [3] tác giả đã chế tạo một tram thu phát tín hiệu với vệ tinh LEO có sử dụng các thiết bị như: một máy Icom IC-9100 để thu phát sóng ở băng tần 433MHz, một bộ điều khiển rotor EA4TX ARS-USB đề điều khiển xoay trục của antenna, một máy tính dùng hệ điều hành Linux có cài đặt phần mềm Gpredict để dự đoán quỹ đạo vệ tỉnh, một máy tính dùng hệ điều hành Windows có cai đặt phan mềm WispDDE để kết nối với bộ điều khiển rotor và một Yagi Uda antenna. Những thiết bị sử dụng có thể điều khiển tự động với độ chính xác tương đối cao. Nhưng chi phí lắp đặt trạm cao và cần nhiều thiết bị có kích thước lớn kết nối với nhau. Yaesu G-5500 (Analog) ICOM IC-9100 EA4TX ARS-USB| (Digital) báo [4] đã xây dựng một trạm mặt đất dé giao tiếp với chúng.
Tram mặt đất được chế tạo với các phần cứng như: một bo mạch TTGO sử dụng vi điều khiển ESP32 có tích hợp thêm module LoRa sử dụng chip SX1278 và một dipole antenna để nhận tín hiệu từ vệ tinh, một module giảm nhiễu tín hiệu LNA (low-noise amplifier), một module lọc nhiễu theo băng tần (band pass filter). Các phần mềm được sử dụng như: SatOrbit dùng để dự đoán quỹ đạo vệ tinh được thực thi trên điện thoại, mã nguồn mở tinyGS được phát triển từ cộng đồng tinyGS (cộng đồng phát triển dự án thiết kế trạm mặt đất nhận tín hiệu từ vệ tinh LEO có sử dụng công nghệ LoRa). Tuy nhiên việc theo dấu các vệ tinh dé điều khiển hướng của antenna vẫn còn chưa hiện thực tự động được. Các module sử dụng rời rạc và dùng nguôn có vi trí cô định nên còn bat tiện cho việc tìm vi trí đặt tram.
Tram mat dat duoc str dụng trong bai báo [4] Tóm lại, việc thiết kế trạm mặt đất đề thu phát tín hiệu với vệ tinh LEO đã được nghiên cứu trên thế giới. Tuy nhiên các bài nghiên cứu phần lớn tập trung vào việc xây dựng một hệ thống có độ chính xác cao với một chi phí xây dựng rất đắt và nhiều thiết bị hỗ trợ. Vẫn có một số bài nghiên cứu thiết kế trạm mặt đất nhỏ gọn đơn giản chị phí thấp nhưng lại chưa phát triển tốt về phần tối ưu hóa giao tiếp vệ tinh cách tự động [5]. Một trạm mặt đất nhỏ gọn, chi phí thấp, có thé hoạt động tự động, có thé tối ưu hóa đường truyền tín hiệu giữa vệ tinh và trạm mặt dất sẽ là một đề xuất hữu ích trong việc phát triển mô hình trạm mặt đất dành cho vệ tinh LEO.
Tông quan dé tài của nhóm nghiên cứu so với một sô đề tài khác Bang 1. So sánh ưu nhược điêm của đê tài và các bài báo nghiên cứu Ưu điểm Nhược điểm Trạm có thê tự động điêu Chi phí xây dựng cao. Sử khiên antenna với tín hiệu dụng nhiều thiết bị rời rạc Bài báo [3] nhận được tốt. với kích thước lớn.
Còn phụ thuộc nhiều vào vị trí nguôn điện. Chí phí xây dựng trạm Chưa tự động điều khiến thấp. Mô hình trạm nhỏ vị tri antenna. Còn phụ Bài báo [4] gọn.
thuộc nhiều vào vị trí nguôn điện. Chi phí xây dung trạm Chưa tự động điều khiến tương đối thấp. vị trí antenna. Còn phụ Bai báo [5] thuộc nhiều vào vị trí nguôn điện.
Chi phí thấp, mô hình nhỏ Trạm hoạt động tại một gọn, tự động điều chỉnh vài băng tần nhất định. antenna dựa trên việc dự Còn phụ thuộc vào vi trí Đê tài hiện tại đoán quỹ đạo và thời gian WiFi. xuất hiện của vệ tỉnh tại vị trí đặt trạm Dé tài sẽ hướng đên viéc thiết kế và chế tạo trạm mặt đất nhỏ gọn, chi phí thấp, tối ưu hóa đường truyền giao tiếp giữa vệ tinh LEO có sử dụng công nghệ LoRa với trạm mặt đất. Trạm sẽ bao gồm hai phần.
Phần đầu tiên là hệ thống dự đoán quỹ đạo và thời gian các vệ tinh bay qua vi trí đặt trạm dé điều khiển hướng giao tiếp của antenna thông qua hai động cơ bước. Phần thứ hai là hệ thống nhận tín hiệu từ vệ tinh. Hệ thống này sẽ sử dụng một module LoRa và một antenna đăng hướng dé nhận tín hiệu. Bên cạnh đó những gói tin trạm mặt đất nhận được sẽ được hiển thị trực quan thông qua nền tảng Grafana.
Mục tiêu đề tài Thiết kế và chế tạo trạm mặt đất nhỏ gọn với kích thước tối đa 60x60x60 (cm) có thé nhận gói tin từ vệ tinh. Hệ thống sử dụng một bo mạch phần cứng do nhóm tự thiết kế và có thé thực hiện các chức năng chính sau: e Hệ thống có khả năng dự đoán quỹ đạo bay của vệ tinh. e Hệ thống có khả năng nhận gói tin từ vệ tinh. e Hệ thống có khả năng lưu trữ các gói tin và biểu diễn trực quan dữ liệu đã nhận được.
e Hệ thống có khả năng điều hướng antenna theo quỹ đạo bay của vệ tinh. Phương pháp thực hiện Tìm hiểu lý thuyết cách thức xây dựng hệ thong trạm mặt dat dùng cho nhận tín hiệu vệ tinh LEO. Nghiên cứu mô hình SGP4 dé dự đoán quỹ đạo bay của vệ tinh. Nghiên cứu và thiết kế phần cứng sử dụng cho hệ thống.
Nghiên cứu và hiện thực khả năng nhận tín hiệu từ vệ tinh cho hệ thống. Nghiên cứu và hiện thực khả năng điều hướng antenna cho hệ thống. Xây dựng phương pháp triển khai và đánh giá kết quả của hệ thống. TÌM HIỂU TONG QUAN 2.
Quỹ đạo của vệ tỉnh LEO Quỹ đạo là một đường đi đều đặn, lặp đi lặp lại mà một vật thể trong không gian đi quanh một vật thé khác. Đối với loại vệ tinh tam thấp như vệ tinh LEO, quỹ đạo tròn là loại quỹ đạo dành cho các vệ tinh LEO. Vì vậy, vệ tinh LEO được ước tính mat khoảng 90 phút dé bay hết 1 vòng Trái Dat. Day là chu ky bay nhỏ nhất trong sô các loại vệ tinh hiện tại.
Đặc điểm khác nhau giữa các quỹ đạo vệ tinh LEO MEO HEO (Low Earth (Medium Earth (Geostationary orbit) orbit) Earth orbit) D6 cao 500 — 1200 km 5000 — 20000 km > 36000 km ~12 tiéng (quy dao Elip) ; Chu ky bay ~90 phút „ ~24 tiêng ~6 tiêng (quỹ đạo tròn) Ứng dụng Quan trắc Trái Đắt, Theo dõi các hiện Tuy Định vị (GPS) ; thường gap thoi tiét tượng tự nhiên 2. Phương pháp xác định vị trí tương đối của vệ tỉnh LEO Trước hết, ở đề tài nghiên cứu này sẽ quan tâm cụ thể đến vị trí tương đối của vệ tinh LEO đối với một vi trí đã xác định trên mặt dat. Ngoài ra, quỹ đạo của vệ tinh sẽ được sử dụng trong đề tai này là một phần quỹ đạo khi vệ tinh bay qua vị trí đặt hệ thống. Để xác định vị trí tương đối của một vật thể bay ngoài không gian nói chung cần đến hai góc đặc trưng: góc phương vị (azimuth) và góc cao độ (elevation).
e Góc phương vi (azimuth): là một khái niệm trong hệ thống tọa độ địa lý và hệ thống tọa độ trong hướng dẫn định vị. Nó được sử dụng để xác định hướng của một vật thể trong mặt phăng ngang so với một hướng tham chiếu cụ thé. Góc phương vi thường được do băng đơn vi độ và được tính từ hướng 0° Bắc theo chiều kim đồng hồ. e Góc cao độ (elevation): là một khái niệm trong hệ thong tọa độ dia lý và hệ thống tọa độ trong hướng dẫn định vị.
Nó được sử dụng để xác định độ cao của một vật thé so với mặt phăng ngang. Góc cao độ thường được đo bang đơn vị độ và được tính bằng góc hợp bởi đường thang từ một vị trí cụ thé đến vệ tinh và mặt đất. Góc phương vi và góc cao độ cua vệ tinh Ở đề tài này, nhóm nghiên cứu cần xác định hai góc trên theo các khoảng thời gian khác nhau trong một lần bay qua của vệ tinh dé điều hướng antenna theo hướng bay đó. Phương pháp hiện thực khả năng dự đoán quỹ đạo bay của vệ tỉnh Trên thế giới đã xuất hiện nhiều giải pháp dự đoán quỹ đạo của các vệ tỉnh từ phần cứng đến phần mềm.
Những giải pháp này thường không công khai mã nguồn cũng như chi phí sử dụng tương đối cao. Những giải pháp đó chưa phù hợp với mục tiêu đề tài đưa ra. Tuy nhiên có một giải pháp khác không cần chi phí dé sử dụng và có thé sử dụng dé tích hợp vào các giải thuật nhúng. Đó chính là mô hình toán học dự đoán quỹ đạo vệ tinh SGP4.
Mô hình SGP4 (Simplified General Perturbations 4) là một mô hình tính toán ban đầu được sử dụng đề dự đoán vị trí và tọa độ quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo theo thời gian. Được phát triển bởi Ken Cranford và T.