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: GS.TS: Bạch Gia Dương Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tác giả hướng dẫn Cán hộ hướng dẫn Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Nghiên cứu sinh Trần Văn Hội LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn tận tình bảo tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Nhà khoa học cho ý kiến đóng góp q báu Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô sở đào tạo tạo điều kiện cho tơi q trình học tập thực luận án trường Tôi xin cảm ơn giúp đỡ tận tình tạo điều kiện cho tơi có thời gian thuận lợi làm nghiên cứu sinh lãnh đạo quan công tác động viên giúp đỡ đồng nghiệp, gia đình, bạn bè thời gian thực luận án MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn .3 Mục lục .4 Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị .10 Mở đầu 14 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU VÀ ĐIỀU KHIỂN BÁM VỆ TINH 20 1.1 Tổng quan 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 băng tần C mở rộng 26 1.2.2 Các thông số kỹ thuật băng tần Ku .27 1.3 Hệ thống thu điều khiển anten bám vệ tinh 28 1.4 Yêu cầu kỹ thuật 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 nƣớc 33 1.6 Tình hình nghiên cứu giới .35 1.7 Xác định nội dung nghiên cứu luận án 40 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 VÀ HƢỚNG ĐẾN MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 42 CHƢƠNG 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 anten .46 2.2 Đề xuất thuật toán bám vệ tinh .48 2.2.1 Đề xuất thuật tốn bám vịng 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 54 2.4.1 Mạch điều khiển động .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 Khối định vị GPS 63 2.5.3 Thiết kế hệ thống truyền động .65 2.6 Kết đo đạc thử nghiệm 66 KẾT LUẬN CHƢƠNG 71 CHƢƠNG 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 giải pháp thiết kế mạch tạp âm thấp 74 3.2.1 Mạch khuếch đại siêu cao tần 74 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 tạo dao động nội tổng hợp tần số 107 3.5.1 Kỹ thuật vòng khóa pha PLL 107 3.5.2 Thiết kế mạch dao động nội, tổng hợp tần số 109 3.6 Kết 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 thực nghiệm hệ thống .114 KẾT LUẬN CHƢƠNG 122 KẾT LUẬN CHUNG 123 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 125 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 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 thơng dải BLDC Brushless Direct Current Động chiều không chổi than CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm DC Direct Current Dòng 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 Cơng suất 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 chỗ 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 NG2 Mức ngưỡng 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 PLL Phase Locked Loop Vịng khóa pha PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SA Spectrum Analyzer Bộ phân tích phổ SP Space Segment Phân hệ khơng gian TT&C Telemetry, Tracking and Control Bộ đo bám điều khiển VCO Voltage-Controlled Oscillator Bộ dao động điều khiển điện áp VNA Bộ phân tích mạng véctơ Vector Network Analyzer DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Kết số cơng trình hệ thống điều khiển bám vệ tinh 38 Bảng 1.2 Kết số cơng trình thiết kế chế tạo hệ thống thu vệ tinh 39 Bảng 2.1 Góc phương vị anten theo vị trí trạm mặt đất vệ tinh 45 Bảng 2.2 Bảng luật hợp thành mờ 59 Bảng 2.3 Tham số động DC 60 Bảng 3.1 So sánh với cơng trình liên quan 90 Bảng 3.2 Tham số S transistor SPF3043 dải 3,4 – 4,2GHz 91 Bảng 3.4 Tham số S transistor SPF3043 tần số 1,5 GHz 97 Bảng 3.5 Tham số S mạch mắc Cascode tần số 1,5 GHz 97 Bảng 3.5 So sánh với số cơng trình liên quan 102 Bảng 3.6 Trở kháng chế độ chẵn lẻ mạch lọc 104 Bảng 3.7 Chiều dài, rộng khoảng cách cộng hưởng ghép song song 104 Bảng 3.8 Kết kiểm định máy thu băng L 120 Bảng 3.9 Kết so sánh với cơng trình nghiên cứu khác 121 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc chung hệ thống thơng 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 bước 24 Hình 1.5 Vùng phủ vệ tinh VINASAT-1 band C 27 Hình 1.6 Vùng phủ 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 góc phương vị 29 Hình 1.9 Điều khiển góc ngẩng góc phương vị Anten 30 Hình 1.10 Hệ thống bám vệ tinh Parabol 35 Hình 1.11 Thuật tốn bám vịng trịn 36 Hình 1.12 Hệ thống điều khiển anten thu DBS di động 37 Hình 1.13 Thuật tốn bám sử dụng phương pháp vi phân 37 Hình 2.1 Quan hệ vị trí trạm mặt đất vệ tinh 44 Hình 2.2 Quan hệ tham số dạng hình cầu mặt phẳng 44 Hình 2.3 Mối quan hệ góc phương vị góc A 46 Hình 2.4 Minh hoạ giới hạn nhìn thấy 47 Hình 2.5 Phân loại hệ thống điều khiển phương pháp tìm kiếm vệ tinh 48 Hình 2.6 Sơ đồ thuật tốn bám vòng hở 49 Hình 2.7 Sơ đồ thuật tốn 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 anten parabol 54 Hình 2.11 Mạch cầu H dùng transistor BJT 55 Hình 2.12 Sơ đồ điều khiển PID 56 Hình 2.13 Sơ đồ khối điều khiển mờ PID 57 Hình 2.14 Mơ hình khối mờ 58 10 Kết Hình 3.66 Hình 3.67 thể độ nhạy máy thu tần số 1431MHz 1644MHz Với tần số độ nhạy máy thu đạt giá trị –113dBm -110dBm với tỉ số S/N = 1,5 Hình 3.67 Độ nhạy máy thu tần số 1644 MHz, với S/N=1,5 Hệ thống máy thu băng L băng C viện Rada kiểm định thiết bị chuyên dụng như: Máy phân tích tín hiệu chuẩn E8257D; Phân tích phổ E4407B; Phân tích mạng véc tơ MS2028B; Máy sóng 500MHz DSO 6052A; Bộ Kit hiệu chuẩn HP85054B phụ kiện kèm Các thông số đo kiểm định là: Hệ số khuếch đại mạch LNA, dải tần làm việc, băng thông, dải động, độ nhạy, hệ số khuếch đại trung tần, tần số IF, hệ số chuyển đổi từ băng L xuống trung tần 100MHz Kết kiểm định thông số máy thu thể Bảng 3.8 119 Bảng 3.8: Kết kiểm định máy thu băng L Với mục tiêu nghiên cứu giải pháp để thiết kế hệ thống thu vệ tinh ứng dụng cho hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh, nội dung chương đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống thu đạt tiêu độ rộng băng tần, độ nhạy, hệ số khuếch đại Kết so sánh với số cơng trình nghiên cứu thể Bảng 3.9 Hệ thống máy thu thiết kế có độ nhạy cao ứng dụng cho hệ thống thu tín điều khiển anten bám theo vệ tinh Ngồi hệ thống thu thiết kế theo hướng mở sử dụng cho thu tín hiệu từ vệ tinh sử dụng cho hệ thống thu tín hiệu băng C, băng L yêu cầu độ nhạy cao Hệ thống sử dụng cho thu tín hiệu băng Ku kết nối với đổi tần nhiễu thấp LNB băng Ku 120 Bảng 3.9 Kết so sánh với cơng trình nghiên cứu khác Các tham số Trích dẫn số [64] Kết luận án Tần số đầu vào 950MHz - 2150MHz 950MHz - 2150MHz Tín hiệu đầu Audio, TV Video I/Q(100MHz), AM/FM Độ nhạy -65dBm -113dBm Dải động 40dB 61dB Hệ số khuếch đại Nhiễu Pha dao động 97,4dB - 107,57dBc/Hz at 50KHz Với kết đạt được, hệ thống thu vệ tinh băng C hoàn toàn đáp ứng nhu cầu ứng dụng thu tín hiệu từ vệ tinh dùng cho hệ thống điều khiển anten Kết thử nghiệm cho thấy hiệu bắt bám tốt, thời gian bắt bám đạt trình bày chương 121 KẾT LUẬN CHƢƠNG Như chương luận án trình bày kết nghiên cứu giải pháp thiết kế, chế tạo mạch siêu cao tần hệ thống thu vệ tinh băng C băng L Nội dung nghiên cứu đưa giải pháp thiết kế cụ thể sau: - Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp sử dụng transistor có hệ số tạp âm nhỏ kết hợp giải pháp thiết kế mạch phối hợp trở kháng để đạt tham số tối ưu transistor hệ số tạp âm giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tạp âm sử dụng phương pháp hồi tiếp âm tầng đầu Kết hợp với giải pháp thiết kế mạch khuếch đại tầng với tần số khuếch đại lệch đỉnh để tăng dải thông hệ số khuếch đại mạch Kết công bố cơng trình số [1], [2] - Giải pháp thiết kế mạch khuếch đại trung tần sử dụng mạch khuếch đại kiểu cascode để mở rộng dải thông mạch kết hợp mạch khuếch đại cascade để tăng hệ số khuếch đại mạch Kết công bố cơng trình số [6], [7] - Ứng dụng cơng nghệ mạch dải, linh kiện tích hợp kỹ thuật vịng khóa pha để chế tạo tạo dao động nội tổng hợp tần số với độ ổn định cao, lọc thông dải đáp ứng yêu cầu tuyến thu vệ tinh Kết cơng bố cơng trình số [3], [6] Kết chương nghiên cứu đề xuất giải pháp thiết kế, chế tạo mạch đổi tần nhiễu thấp băng C máy thu băng L Trên sở thực chế tạo mạch đổi tần nhiễu thấp băng C máy thu băng L với tham số kỹ thuật đạt tiêu đề ra: Độ nhạy máy thu băng L -113 dBm, dải thông 1,2GHz, dải động 61dB đáp ứng tốt yêu cầu máy thu hệ điều khiển bám vệ tinh Máy thu ứng dụng hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh, hệ thống thu băng L cịn thiết kế theo mơ hình mở ứng dụng cho mục đích khác dùng để thu tín hiệu vệ tinh, tín hiệu vũ trụ hệ thống thơng tin siêu cao tần yêu cầu độ nhạy cao [2], [6], [7] 122 KẾT LUẬN CHUNG Qua phân tích thuật toán bám vệ tinh, hệ thống thu hệ thống điều khiển bám vệ tinh chương 1, thấy rằng: thời gian khả bám vệ tinh phụ thuộc vào thuật toán bám, khả xây dựng hệ thống điều khiển bám kỹ thuật yêu cầu máy thu độ nhạy, băng thông, dải động Trên sở nghiên cứu kỹ thuật siêu cao tần, mạch tích hợp cao VLSI, vi điều khiển, kỹ thuật điều khiển kết hợp với phương pháp mô phỏng, chế tạo thực nghiệm, kết luận án trình bày chương chương bám sát mục tiêu đề Các đóng góp luận án bao gồm: Đề xuất thuật tốn tìm kiếm bám vịng hở, cho phép xác định xác thơng số góc ngẩng góc phương vị anten thu thơng qua vị trí trạm thu vị trí vệ tinh Đồng thời đề xuất kết hợp thuật toán bám kết hợp thuật tốn bám vịng hở thuật tốn bám bước để nâng tính ổ định giảm thời gian bám vệ tinh Trên sở luận án nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển bám vệ tinh để ứng dụng thuật toán Việc thử nghiệm hệ thống cho thấy kết điều khiển anten theo bám theo vệ tinh với thời gian bám nhanh