Nghiên cứu các giải pháp định vị và xác định vị trí đài trái đất thông qua vệ tinh địa tĩnh tại việt nam TT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN NGỌC ANH NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ VÀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐÀI TRÁI ĐẤT THƠNG QUA VỆ TINH ĐỊA TĨNH TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2021 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Nhật Thăng Phản biện 1:….…………………………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm LỜI NĨI ĐẦU Thơng tin liên lạc qua vệ tinh Việt Nam phổ biến phát triển nhanh chóng với nhiều loại hình dịch vụ truyền hình số qua vệ tinh, truyền dẫn VSAT, di động định vị qua vệ tinh không qua 02 vệ tinh Vinasat 1, Việt Nam mà cịn qua vệ tinh nước ngồi có vùng phủ Việt Nam Cùng với gia tăng số lượng lớn đài trái đất thông tin qua vệ tinh địi hỏi tăng cường cơng tác quản lý, xử lý tình can nhiễu Việc xác định, nhận dạng can nhiễu đài phát hoạt động không quy định quan quản lý nước giúp tạo môi trường thơng tin qua vệ tinh an tồn, tin cậy hiệu Các đài trái đất thông tin qua vệ tinh địa tĩnh với cấu hình mạng, sử dụng thơng tin khác nên loại sóng mang đa dạng hồn tồn tín hiệu số mà việc giải mã thông tin để nhận diện phát xạ thu từ vệ tinh đài trái đất hoạt động khó khăn Đối với xác định can nhiễu, việc sử dụng hệ thống định vị xác định đài phát gây nhiễu giúp việc loại bỏ can nhiễu nhanh hiệu thay phải phối hợp với đơn vị sử dụng, nhà khai thác vệ tinh rà soát khối lượng lớn thiết bị phát Luận văn bao gồm 03 Chương cụ thể sau: Chương 1: Tổng quan kỹ thuật định hướng định vị đài phát vô tuyến điện Chương 2: Nghiên cứu thu đo, phân tích, nhận dạng tín hiệu đài trái đất thông qua vệ tinh địa tĩnh Chương 3: Giải pháp định vị xác định vị trí đài trái đất thông qua vệ tinh địa tĩnh Việt Nam CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG VÀ ĐỊNH VỊ ĐÀI PHÁT VÔ TUYẾN ĐIỆN Chương giới thiệu tổng quan kỹ thuật định hướng định vị đài phát vô tuyến điện phổ biến giới Việt Nam Định hướng phát xạ vô tuyến điện: việc xác định hướng tới (góc phương vị) phát xạ so với hướng tham chiếu Mục đích việc định hướng phát xạ vô tuyến điện: Thu thập thơng tin giúp tìm nguồn phát xạ quan tâm (nguồn phát xạ gây nhiễu, nguồn phát xạ trái phép, nguồn phát xạ cần kiểm chứng …) Các kỹ thuật định hướng phát xạ vô tuyến điện gồm AOA, giao thoa pha, giao thoa pha tương quan, Doppler Pesudo Doppler [4], [12] Định vị phát xạ vơ tuyến điện: việc xác định vị trí nguồn phát xạ vô tuyến điện Các kỹ thuật định vị phát xạ vô tuyến điện gồm kỹ thuật định vị sử dụng phương pháp giao hai nhiều tia định hướng hay góc tới AOA phát xạ; phương pháp định vị trạm đơn SSL; kỹ thuật định vị tiên tiến TDOA, FDOA, POA, FDOA/TDOA kết hợp [12], [4], [13] 1.1 Kỹ thuật định hướng AOA Đây phương pháp đơn giản để xác định góc tới phát xạ (AOA) sử dụng ăng ten quay Phương hướng khác Một hệ thống tự động gồm điều khiển ăng ten quay máy thu giúp ta thu đồ thị mức theo góc phương vị ăng ten Để cải thiện kết định hướng, người ta sử dụng hai ăng ten giống lắp trục quay, sau dùng tổng giá trị tuyệt đối hiệu hai mức tín hiệu thu từ hai ăng ten 1.2 Kỹ thuật định hướng giao thoa pha Phương pháp giao thoa pha phương tiện để đo góc phương vị LoB tức thời, xác Hệ thống sử dụng phép đo pha hai ăng-ten độc lập Yếu tố quan trọng hệ thống loại tách pha, trả ước tính độ trễ pha hai tín hiệu nhận Sử dụng độ trễ này, góc tới tín hiệu ước tính Có thể sử dụng kết hợp 3, 4, ăng-ten nhiều để góc nhìn 360 ° mà khơng cần xoay ăng-ten Cấu hình tam giác hữu ích với dải tần định hướng 30 MHz, dải tần số cao hơn, mảng hình trịn ưu tiên Hệ thống nhận đa kênh chuyển mạch ăng-ten sử dụng thành công phương tiện đo đầu vào từ số ăng-ten 1.3 Kỹ thuật định hướng giao thoa tương quan Giao thoa tương quan sử dụng thông tin biên độ pha tín hiệu Xây dựng bảng tham chiếu sai pha, biên độ: Dùng nguồn tín hiệu chuẩn phát vào ăng ten định hướng từ tất hướng (step tương ứng với độ phân giải định hướng, thường 0,1 độ).Tại lần phát, sai khác pha, biên độ chấn tử so với chấn tử tham chiếu ghi lại thành vector hay mảng hay cột bảng tham chiếu ứng với góc phát tín hiệu chuẩn 1.4 Kỹ thuật định hướng Doppler Pesudo Doppler Phương pháp định hướng Doppler gồm phương pháp Doppler trực tiếp phương pháp giả Doppler (pseudo-Doppler): Cả hai phương pháp ứng dụng hiệu ứng dịch tần Doppler, nguồn phát ăng ten thu dịch chuyển gần lại tần số tăng lên, dịch chuyển xa tần số giảm Phương pháp Doppler trực tiếp thực quay ăng ten thu đo độ dịch tần Doppler để xác định hướng tới tín hiệu Do tốc độ quay ăng ten bị hạn chế nên phương pháp không khả thi với dải tần từ VHF trở xuống (Tần số thấp phải quay ăng ten nhanh) 1.5 Kỹ thuật định vị POA Kỹ thuật POA sử dụng tỉ lệ cơng suất thu tín hiệu nhiều điểm thu để tính tốn, ước lượng vị trí nguồn phát tín hiệu 1.6 Kỹ thuật định vị TDOA Kỹ thuật TDOA xác định vị trí nguồn phát xạ cách sử dụng tương quan thời gian đến tín hiệu tới máy thu khác 1.7 Kỹ thuật định vị FDOA Kỹ thuật định vị chênh lệch tần số đến (FDOA) phương pháp hiệu để định vị máy phát chuyển động xác định vị trí máy phát trạm giám sát di động, đặc biệt trạm khơng Phương pháp FDOA, cịn gọi Doppler vi sai (DD), đo khác biệt tần số tín hiệu nhận hai nhiều máy thu 1.8 Kỹ thuật định vị FDOA TDOA kết hợp Kỹ thuật định vị FDOA TDOA kết hợp sử dụng phổ biến định vị đài phát trái đất thông tin liên lạc qua vệ tinh địa tĩnh cách đo lường sai khác thời gian tần số từ đài phát lên 02 vệ tinh địa tĩnh lân cận Các nguồn nhiễu nằm Trái đất ảnh hưởng đến tín hiệu đường lên nhận vệ tinh Bộ thu tín hiệu mong muốn nhận nhiễu nhiễu đường xuống Định đài phát vô tuyến ảnh hưởng đến vệ tinh liên lạc quỹ đạo GSO nhiệm vụ đầy thách thức thường thực thơng qua phân tích phép đo tổng hợp chênh lệch thời gian đến (TDOA) chênh lệch tần số đến (FDOA) Cả hai kiểu đo yêu cầu việc truyền phát giám sát thông qua vệ tinh GSO thứ hai nằm búp sóng anten phát Vệ tinh GSO mang tín hiệu chưa biết thường gọi “vệ tinh chính” vệ tinh thứ hai GSO đề cập “vệ tinh lân cận” Phép đo TDOA cho sai khác thời gian tín hiệu đến máy thu mặt đất thơng qua vệ tinh máy thu mặt đất khác thông qua vệ tinh liền kề Phép đo FDOA cho sai khác tần số đo tín hiệu đến hai máy thu cách riêng biệt Hình 1.10 Định vị đài trái đất sử dụng FDOA TDOA từ vệ tinh địa tĩnh 1.9 Kết luận chương Chương trình bầy tổng quan sơ đồ, nguyên lý, đặc điểm, yêu tố ảnh hưởng kỹ thuật định hướng định vị để xác định hướng vị trí đài phát vô tuyến điện Định vị khu vực đài phát cần tối thiểu trạm đinh hướng để vẽ tia giao cắt hướng tín hiệu tới trạm định hướng Đối với kỹ thuật định vị TDOA, POA, FDOA cần tối thiểu trạm thu để xác định khu vực đặt đài phát qua giao cắt đường hypepol, định vị đài trái đất thông tin liên lạc qua vệ tinh Kỹ thuật định vị FDOA/TDOA ưu tiên sử dụng Trong việc định vị, xác định vị trí đài trái đất thơng tin qua vệ tinh địa tĩnh, định vị thô ban đầu khu vực ứng dụng kỹ thuật định vị FDOA/TDOA kết hợp Sau để xác định vị trí đài trái đất cần thực thủ tục tìm kiếm mặt đất, sử dụng kỹ thuật giao cắt tia AOA kết hợp với hệ thống TDOA, FDOA, POA Qua nghiên cứu kỹ thuật định hướng, định vị làm tiền đề đưa giải pháp định vị xác định đài trái đất thông tin qua vệ tinh địa tĩnh CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC BÀI THU ĐO, PHÂN TÍCH, NHẬN DẠNG TÍN HIỆU ĐÀI TRÁI ĐẤT THÔNG QUA VỆ TINH ĐỊA TĨNH Chương giới thiệu nghiên cứu thu đo tín hiệu đài trái đất đo tần số, băng thông, công suất xạ đẳng hướng tương đương, mật độ phổ công suất [2], [4] phân tích nhận dạng loại dịch vụ thông dụng qua vệ tinh địa tĩnh dịch vụ truyền hình số qua vệ tinh, truyền số liệu trạm VSAT, thông tin di động qua vệ tinh [8], [9] qua xác định tham số đầu vào cho hệ thống định vị trình xác định đài trái đất 2.1 Thu đo tín hiệu đài trái đất thông tin qua vệ tinh địa tĩnh 2.1.1 Đo tần số trung tâm Đo tần số trình so sánh tần số tần số biết (tần số chuẩn) Hai phương pháp đo phổ biển là: Phương pháp quét dùng phân tích phổ Phương pháp đếm tần 2.1.2 Đo băng thông - Băng thông chiếm dụng [4]: Độ rộng băng tần, mà thấp giới hạn tần số thấp cao giới hạn tần số cao, cơng suất trung bình phát /2 % tồn cơng suất trung bình phát xạ cho trước Giá trị /2% thường lấy 0.5% - Băng thông x-dB [4]: Độ rộng băng tần mà từ giới hạn đến giới hạn thành phần phổ rời rạc mật độ công suất phổ liên tục thấp tối thiểu x dB so với mức tham chiếu 0-dB 2.1.3 Đo mật độ phổ công suất (PFD) công suất xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) - Phép đo băng thông tham chiếu: Để tránh can nhiễu cho trạm thu trái đất, ITU quy định mức giới hạn mật độ thông lượng công suất (PFD – dB (W/m2)), trình hoạt động, nhà khai thác vệ tinh phải điều chỉnh công suất để phát xạ phát từ vệ tinh xuống bề mặt trái đất không vượt giá trị quy định tùy theo góc tới tín hiệu, băng thơng tham chiếu 4KHz, 1MHz, 1.5MHz tương ứng với dải tần khác - Phép đo băng thơng tín hiệu: Trong trường hợp này, pfd xác định đầy đủ sở băng thông bị chiếm dụng phát xạ Băng thông lọc đo nên chọn phù hợp Đối với dải tần số 13 GHz với điều kiện hầu hết thời gian đo trời quang đãng, tổng suy hao khí tính 0,1-0,2 dB cho phép tính 2.2 Phân tích, phân loại nhận dạng tín hiệu đài trái đất thông tin qua vệ tinh địa tĩnh ITU [13] khuyến nghị việc phân tích, phân loại nhận dạng tín hiệu dựa thơng tin thu thập sau về: Nhận dạng loại điều chế, Loại mã hóa nguồn mã hóa kên, kỹ thuật đa truy nhập, Nhận dạng sóng mang DVB (DVB-CID), Code rate symbol rate, Loại giao thức kết nối, Hệ thống thông tin, Loại mạng kết nối Thông tin qua vệ tinh địa tĩnh Việt Nam chủ yếu có loại hình dịch vụ: Truyền hình số qua vệ tinh với chuẩn sử dụng DVB-S, DVB-S2; truyền số liệu qua vệ tinh (kênh thuê riêng, VSAT IP, truyền dẫn di động, truyền dẫn truyền hình, phịng chống thiên tai, truyền dẫn phục vụ hàng khơng, truyền dẫn thông tin liện lạc vùng sâu xa, biển đảo, giàn khoan); thông tin di động anten thu đến vệ thương mạiĐiều quachỉnh vệ tinh Inmarsat Thuraya tinh cần giám sát Sóng mang đài trái đất cần phân tích, nhận dạng Phần mềm phân tích, nhận dạng Kết nhận dạng DVB-S/ DVB-S2 với tham số tương đương Truyền số liệu Không TDMA Truyền dẫn SCPC Truyền hình số vệ tinh Truyền dẫn di động, truyền hình… VSAT IP Có Hình 2.4 Lưu đồ nhận dạng truyền hình số vệ tinh truyền số liệu Điều chỉnh anten thu đến vệ tinh Inmarsat vị trí 143.50E Sóng mang đài trái đất cần phân tích nhận dạng Phần mềm phân tích nhận dạng sóng mang Băng thơng đo ~200KHz Có Tín hiệu BGAN Khơng Thoại, fax, truyền liệu tốc độ thấp Hình 2.5 Lưu đồ nhận dạng di động qua vệ tinh địa tĩnh 2.2.1 Dịch vụ truyền hình số vệ tinh DVB-S Sử dụng điều chế QPSK, Mã hóa kênh mã nối cấp, bao gồm mã Reed-Solomon bên (255,239, T = 8) mã chập bên với tỷ lệ 1/2 độ dài liên kết 7, tỷ lệ mã 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 7/8, cho hiệu suất phổ tần tối đa 1,75 bit /s/Hz 2.2.2 Truyền hình số vệ tinh DVB-S2 Điều chế: sử dụng sơ đồ điều chế khác QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK Mã hóa kênh: DVB-S2 sử dụng mã nối cấp, bao gồm mã bên 10 dạng kỹ thuật truyền dẫn SCPC hay TDMA sử dụng để thông tin liên lạc Việc phân tích, nhận dạng sóng mang thực qua phần mềm kiểm soát chuyên dụng hãng Kratos, Glowlink máy phân tích phổ đa năng, máy phân tích vector Việc đưa đo để xác định tham số sóng mang đài trái đất đưa vào giải pháp định vị, phân loại, nhận dạng sóng mang đài trái đất nhằm đưa đặc điểm loại sóng mang đài trái đất phục vụ việc đưa giải pháp phù hợp để xác định vị trí đài trái đất thực Chương CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ VÀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐÀI TRÁI ĐẤT THÔNG QUA VỆ TINH ĐỊA TĨNH TẠI VIỆT NAM Chương giới thiệu giải pháp định vị xác định vị trí đài trái đất thơng qua vệ tinh địa tĩnh theo nghiên cứu, báo cáo, khuyến nghị ITU [11], [8], [9], [10], [13] giới thiệu hệ thống định vị xác định đài trái đất nước giới Tình hình cấp phép, hoạt động can nhiễu giải pháp định vị xác định vị trí đài trái đất thơng qua vệ tinh địa tĩnh đài trái đất Việt Nam 3.1 Tham khảo số giải pháp định vị xác định vị trí đài trái đất thơng qua vệ tinh địa tĩnh giới ITU 3.1.1 Giải pháp định vị xác định vị trí đài trái đất thông qua vệ tinh địa tĩnh ITU 3.1.1.1 Định vị đài trái đất sử dụng vệ tinh địa tĩnh Đây phương pháp phổ biến để định vị đài trái đất nay, dựa phép đo FDOA TDOA với hai vệ tinh địa tĩnh Vệ tinh vệ tinh nhận nhiễu, gọi vệ tinh "nạn nhân" Vệ tinh liền kề đặt gần vệ tinh chính, nơi phát đáp sử dụng để đo dải nhiễu bên Phép đo TDOA cho kết chênh lệch thời gian tín hiệu gây nhiễu đến hai máy thu mặt đất giám sát thơng qua vệ tinh vệ tinh liền kề Phép 11 đo FDOA thu chênh lệch tần số tín hiệu giao thoa đến hai máy thu qua hai vệ tinh cách riêng biệt Giao điểm đường TDOA FDOA thường trình bày dạng khu vực hình elip xác định khu vực đặt đài phát Cấu hình hệ thống định vị điển hình sử dụng hai vệ tinh GSO bao gồm tối thiểu hai chuỗi thu RF gồm 02 anten thu băng tần, phân cực, khuếch đại tín hiệu LNA, chuyển xuống băng sở L qua Downconverter đưa vào cổng ma trận chọn cổng, số hóa tín hiệu máy chủ ứng dụng định vị 3.1.1.2 Định vị đài trái đất sử dụng vệ tinh địa tĩnh Một hạn chế phương pháp định vị sử dụng hai vệ tinh GSO việc không đảm bảo đường FDOA, dao động lên xuống đặc biệt trường hợp liệu thiên văn vệ tinh khơng xác Để đạt kết xác hơn, phương pháp định vị sử dụng ba vệ tinh GSO dựa phép đo TDOA phát triển Tuy nhiên, thực tế khó tìm hai vệ tinh kế cận phù hợp để hỗ trợ phương pháp Cấu hình hệ thống định vị điển hình sử dụng ba vệ tinh GSO giống với hệ thống định vị sử dụng hai vệ tinh GSO Hệ thống bao gồm ba chuỗi nhận RF gồm gồm 03 anten thu băng tần, phân cực, số hóa tín hiệu máy chủ ứng dụng định vị 3.1.1.3 Định vị đài trái đất sử dụng vệ tinh địa tĩnh Sử dụng chủ yếu cho định vị đài trái đất hoạt động băng tần Ka mà vệ tinh liền kề cách 10 độ Trong trường hợp này, tín hiệu từ búp sóng phụ đài trái đất nhỏ để đo lường Phương pháp định vị sử dụng vệ tinh địa tĩnh mối tương quan với máy phát biết Trái đất Kỹ thuật dựa thực tế mức tín hiệu vệ tinh, truyền từ trạm đường lên định trái đất đến vệ tinh xuống trạm thu, thay đổi theo thời gian số yếu tố: Chuyển động vệ tinh, Điều kiện khí thời tiết (ở phía đường lên đường xuống), 12 Thay đổi cơng suất khuếch đại chỉnh ăng ten trạm đường lên Với phương pháp này, để xác định vị trí tín hiệu gây nhiễu, điểm tương đồng tín hiệu gây nhiễu tín hiệu biết khác phải tính tốn Điều thường thực miền tần số cách tương quan tín hiệu phần chúng 3.1.1.4 Điều kiện thực định vị Khoảng cách góc vệ tinh đến liền kề theo Bảng 3.1 Bảng 3.1 Sự tách biệt góc vệ tinh đến liền kề so với dải tần số đường lên kích thước ăng ten trạm phát mặt đất Antenna C Band X band Ku Band Ka Band Ka Band Size (m) 1.2 4.5 7.3 16 32 GHz