Vệ tinh khớ tượng GMS (Geostationary Meteorological Satellite) cũn được gọi là vệ tinh Himawari, là họ vệ tinh địa tĩnh do Cơ quan khớ tượng Nhật Bản (JMA - Japan Meteorological Agency) và Cơ quan Quốc gia về phỏt triển vũ trụ của Nhật Bản (NASDA) quản lý. Vệ tinh hiện thời đang hoạt động là GMS-5 được phúng lờn quĩ đạo năm 1995 ở độ cao 35.800 km nằm trờn mặt phẳng xớch đạo và kinh tuyến 1400 đụng. Ở độ cao 35.800 km với gúc nhỡn 170, vệ tinh GMS quan sỏt được phần đụng bỏn cầu từ 600 vĩ Bắc đến 600
vĩ Nam và từ 800 kinh Đụng tới 1600 kinh Tõy bao gồm 12 quốc gia chủ yếu trong khu vực Chõu ỏ Thỏi Bỡnh Dương trong đú cú Việt Nam (hỡnh 15).
Vệ tinh GMS được trang bị một phổ kế vụ tuyến VISSR (Visible and Infra-Red Spin Scan Radiometer) làm việc ở hai dải súng nhỡn thấy (visible) và hồng ngoại (infra-red). Cỏc tham số của phổ kế được cho trong bảng 4.
Bảng 4: Cỏc thụng số kỹ thuật của ảnh phõn giải cao vệ tinh GMS.
Thụng số kỹ thuật ảnh vựng nhỡn thấy ảnh vựng hồng ngoại
Bước súng của phổ 0,55-0,80 m IR1 (m) IR2 (m) IR3 (m)
10,3-11,3 11,5-12,5 6,5-7,0 Độ phõn giải khụng gian Số dũng quột Số mức lượng tử 1,25 km 10.000 dũng 64 mức (6 bớt) 5,00 km 2.500 dũng 256 mức (8 bớt)
Hoạt động của phổ kế VISSR dựa trên nguyên tắc quét lần l-ợt theo góc quay (spin) và theo dòng đ-ợc tiến hành t-ơng ứng theo kinh độ và vĩ độ. Từ bảng 4 nhận thấy rằng, độ phân giải không gian của ảnh ở vùng nhìn thấy cao hơn độ phân giải không gian của ảnh ở vùng hồng ngoại bốn lần, điều này cho thấy ảnh ở vùng nhìn thấy rõ hơn và chi tiết hơn ảnh ở vùng hồng ngoại. Vì vậy trên toàn bộ phần trái đất mà vệ tinh quan sát đ-ợc, ảnh ở vùng hồng ngoại có 2.500 dòng quét t-ơng ứng với độ phân giải không gian là 5km còn ảnh ở vùng nhìn thấy có 10.000 dòng quét t-ơng ứng với độ phân giải không gian là 1,25km và thời gian để quét đ-ợc hết một ảnh là khoảng 25 phút. Tín hiệu của phổ kế VISSR đ-ợc biến đổi thành tín hiệu video, sau đó đ-ợc số hoá với các điểm ảnh ở vùng nhìn thấy đ-ợc l-ợng tử hóa 64 mức (6 bít) và các điểm ảnh ở vùng hồng ngoại đ-ợc l-ợng tử hóa là 256 mức (8 bít). Các tín hiệu ảnh sau khi đã đ-ợc số hoá sẽ đ-ợc truyền về trạm mặt đất trung tâm CDAS (Command and Data Acquisition Station) tại JMA.
Vệ tinh GMS CDAS (Command and Data Acquisition Station) Trung tõm xử lý số liệu Trạm thu sử dụng
Japan Meteorological Agency ( JMA )
Cơ quan khớ tượng Nhật Bản
Hỡnh 16: Quỏ trỡnh xử lý và truyền phỏt tớn hiệu ảnh của vệ tinh GMS 5
1687,1 MHz
Hình 15: Vùng nhìn thấy của vệ tinh khí t-ợng GMS.
Tại Trung tâm JMA, tín hiệu đ-ợc xử lý sơ bộ, tạo thành tín hiệu S-VISSR (có format đ-ợc trình bầy ở bảng 5) đ-ợc truyền trở lại vệ tinh và phát quảng bá tới các trạm thu ở tần số 1687,1 MHz tốc độ truyền là số liệu 660 kbit/s, sơ đồ mô tả toàn bộ quá trình thu nhận số liệu, xử lý sơ bộ và phân phát số liệu đ-ợc minh hoạ trong hình .
2.1.2. Cấu trỳc khung dữ liệu của tỡn hiệu ảnh
phõn giải cao vệ tinh GMS-5. [8]
Vệ tinh GMS phỏt ảnh theo lịch đó được thụng bỏo trước trong cỏc bản tin được phỏt kốm theo từng ảnh. Cấu trỳc dạng tớn hiệu ảnh phõn giải cao S- VISSR của tớn hiệu vệ tinh GMS được mụ tả như bảng 5.
Từ cấu trỳc khung dữ liệu ta nhận thấy cú hai loại dữ liệu ảnh: dữ liệu ảnh thuộc vựng hồng ngoại (ảnh IR) với độ phõn giải khụng gian là 5 km và 256 mức lượng tử (8 bớt) trờn một điểm ảnh, dữ liệu ảnh thuộc vựng nhỡn thấy (ảnh VIS) với độ phõn giải khụng gian là 1,25 km và 64 mức lượng tử (6 bớt) trờn một điểm ảnh. Thời gian truyền một khung dữ liệu này là 500 ms với tốc độ truyền dữ liệu là 660 Kbit/s
Cấu trỳc một khung số liệu ảnh của vệ tinh GMS-5 như sau: - Cỏc bớt đồng bộ khung (dũng) gồm 20.000 bớt đầu khung.
- Cỏc thụng tin về chỉ tiờu, thụng số cho ảnh như lịch phỏt ảnh... gồm 20.408 bớt.
- IR1 là dữ liệu ảnh kờnh hồng ngoại 1 (10,3-11,3 m) gồm 2291 điểm ảnh, cú độ phõn giải mức lượng tử 8 bớt / điểm ảnh.
- IR2 là dữ liệu ảnh kờnh hồng ngoại 2 (11,5-12,5 m) gồm 2291 điểm ảnh, cú độ phõn giải mức lượng tử 8 bớt / điểm ảnh.
- IR3 là dữ liệu ảnh kờnh hồng ngoại 3 (6,5 - 7,0 m) gồm 2291 điểm ảnh, cú độ phõn giải mức lượng tử 8 bớt / điểm ảnh.
- VIS1, VIS2, VIS3, VIS4 là dữ liệu ảnh của 4 dũng quột liờn tiếp của kờnh nhỡn thấy (0,55- 0,80 m), mỗi dũng ảnh gồm 9164 điểm ảnh, cú độ phõn giải mức lượng tử 6 bớt / điểm ảnh.
2.1.3. Cỏc đặc tớnh tớn hiệu phỏt ảnh phõn giải cao của vệ tinh GMS-5 [8] 5 [8]
Bảng 6: Cỏc thụng số kĩ thuật của tớn hiệu vệ tinh GMS5.
Tần số phỏt 1687,1 MHz
Kiểu điều chế số liệu BPSK, NRZ-M
Tốc độ truyền số liệu 660 Kbit/sec
Kiểu mó húa số liệu ảnh Đảo byte số liệu và trộn với mó giả ngẫu nhiờn PN (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Độ dài của khung ảnh 396.000 bớt bao gồm cả mó đồng bộ (20.000 bớt) Thứ tự bớt MSB (D0 là bớt cú trọng số lớn nhất) Dải thụng 2 MHz Kiểu phõn cực Ngang Cụng suất bức xạ đẳng hướng
(Equivalent Isotropic Radiated Power - EIRP)
56 1,5 dBm
2.1.4. Vệ tinh MT-SAT (Nhật Bản). [8]
Vệ tinh MT-SAT (Multi-functional Transport Satellite) là thế hệ mới nhằm thay thế cho họ vệ tinh GMS, cú nhiều ưu điểm hơn cú thể kể ra một số ưu điểm chớnh như sau:
Cỏc thụng tin của MT-SAT được tăng cường thờm về kờnh phổ, cụ thể sẽ cú cỏc kờnh phổ như sau: một kờnh vựng nhỡn thấy (VIS) và bốn kờnh hồng ngoại (IR): IR1 (10,5 m), IR2 (11,5 m), IR3 (6,7 m), IR4 (3,7 m).
Độ phõn giải khụng gian được tăng đến 1 km đối với ảnh VIS và 4 km đối với ảnh IR.
Độ phõn giải mức lượng tử được tăng đến 10 bớt cho ảnh IR.
2.2 Giới thiệu khỏi quỏt về hệ thu ảnh vệ tinh khớ tƣợng [2]
Trước khi truyền phỏt ảnh phõn giải cao S-VISSR, dữ liệu ảnh phõn giải cao S -VISSR điều chế bằng phương phỏp PCM/PSK. Tớn hiệu lối ra của sensor sau khi phối hợp mức được số hoỏ bằng cỏc xung mó. Việc xử lý này được gọi là điều chế xung mó PCM (Pulse Code Modulation). Trong PCM, tớn hiệu liờn tục được lấy mẫu với tần số lấy mẫu theo định lý SANNON và sau đú được lượng tự hoỏ thành cỏc mức và được mó hoỏ thành cỏc xung.
Một chuỗi xung trờn được mó hoỏ đường truyền bằng mó NRZ (Non Return to Zero). Mó NRZ là mó hoỏ tớn hiệu theo mức, cú nghĩa là nú giữ một mức trong cả khoảng bớt hay khụng chuyển về 0 trong suốt thời gian bit.
Để truyền được dữ liệu từ vệ tinh về trỏi đất, dữ liệu phải được điều chế vào súng mang. Ở đõy được dựng phương phỏp điều chế pha, với kiểu hai pha BPSK (Binary Phase Shifl Keying). Dựng pha 0o và 180o để đại diện cho bit "0" và "1".
Để thu được tớn hiệu ảnh chớnh xỏc giữa mỏy thu và mỏy phỏt cần cú sự đồng bộ về xung nhịp (clock). Dữ liệu ảnh được phỏt theo đơn vị từng khung ảnh (tương ứng với từng dũng quột). Tại đầu của mỗi khung ảnh là chuỗi tớn hiệu đồng bộ cú độ dài là 20.000 bớt, như đó được mụ tả trong bảng 5. Việc đưa khối đồng bộ này vào chuỗi dữ liệu để đồng bộ giữa mỏy thu và mỏy phỏt nhằm mục đớch nhận chớnh xỏc nội dung chuỗi dữ liệu của mỗi khung. Dữ liệu này cũn được cộng modul 2 với mó PN mó giả ngẫu nhiờn nhằm mục đớch trải phổ tớn hiệu. Từ tất cả cỏc thụng số ở trờn ta thiết kế sơ đồ khối như hỡnh đưới đõy. Hệ thu ảnh vệ tinh bao gồm cỏc khối như là Angten, khối tiền
khuếch đại, khối mỏy thu, khối đồng bộ, khối ghộp nối với mỏy tớnh như được mụ tả trờn hỡnh 17 dưới đõy.
Ti ền khu ếch đạ i Đ ổi t ần I Đ ổi t ần II v à khu ếch đạ i t rung tầ n T ỏch s ú ng p h a Đ ồn g b ộ b ớt Đ ồn g b ộ k h u n g G iao t iế p v ới m ỏy t ớn h P C GMS -5 1687,1 MHz MT -SA T 1687,1 MH z M ỏy t h u Kh ối đồ n g b ộ H ỡn h 1 7 : S ơ đ ồ kh ối h ệ thu ảnh ph õ n g iả i ca o H R S -2 0 0
Hệ thu ảnh vệ tinh GMS và MT- SAT cú sơ đồ khối như hỡnh trờn bao gồm: Anten Parabol 3,2 m và Tiền khuếch đại (LNA) thu tớn hiệu phỏt về từ vệ tinh với tần số 1687,1 MHz.
Sau tiền khuếch đại tớn hiệu được đưa vào mỏy thu. Mỏy thu bao gồm khối đổi tần I đưa tần số súng mang xuống 70 MHz, sau đổi tần I là đổi tần II và khuếch đại trung tần 10,7 MHz.
Lối ra của khối đổi tần II và khuếch đại trung tần thỡ tớn hiệu được đưa vào khối giải điều chế giải điều chế hai pha BPSK. Sau khối giải điều chế tin hiệu ra là chuỗi cỏc số liệu nối tiếp cú tần số số liệu là 660 kbps.
Tớn hiệu ra của khối tỏch súng pha được đưa đến khối đồng bộ bit. Khối đồng bộ bớt này cú nhiệm vụ khụi phục xung clock 660 kHz và đồng bộ với số liệu lối ra là 2 đường tớn hiệu một đường data và một đường clock đó được đồng bộ.
Khối đồng bộ khung cú 2 đường tớn hiệu được lấy từ khối đồng bộ bit và từ 2 đường tớn hiệu này khối này cú chức năng thực hiện việc đồng bộ khung dữ liệu cú nghĩa là nú phải tỡm được chuỗi 20000 bớt đồng bộ như được mụ tả ở trờn. Khối này cũn cú nhiệm vụ nữa là giải mó PN, chuyển dữ liệu nối tiếp thành song song để đưa sang khối ghộp nối với mỏy tớnh. Lối ra của khối này gồm 10 tớn hiệu 8 đường dữ liệu, 1 đường xung bỏo đầu khung, 1 đường xung clock nhịp Byte.
Khối ghộp nối với mỏy tớnh cú chức năng làm bộ đệm số liệu và đưa số liệu vào mỏy tớnh trong khối này cú 2 bộ đệm RAM 2 bộ chuyển mạch và 2 bộ đếm địa chỉ. Khối này giao tiếp với mỏy tớnh thụng qua cổng song song.
Chương 3
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE ĐIỆN TỬ KHỐI ĐỒNG BỘ KHUNG ẢNH CỦA HỆ THU ẢNH VỆ TINH
3.1 Khối tạo mó giả ngẫu nhiờn PN
Mó PN là mó được tạo ra bằng phương phỏp giả ngẫu nhiờn (PseudoNoise). Bằng cỏch cộng modul 2 giữa mó PN với nguồn dữ liệu (tớn hiệu) gốc, phổ tần số của tớn hiệu được trải đều ra ở mỏy phỏt, cũn về phớa mỏy thu, tớn hiệu lại được đem cộng modul 2 với mó PN để nộn phổ lại và nhận lại được dữ liệu gốc. Nếu như mó ngẫu nhiờn PN được tạo ra một cỏch độc lập giữa mỏy phỏt và mỏy thu thỡ cần phải cú sự đồng bộ chớnh xỏc giữa mỏy phỏt và mỏy thu. Dưới đõy là sơ đồ khối thực hiện cỏc nhiệm vụ trờn.
Hỡnh 18: Sơ đồ mỏy phỏt điều chế mó PN. Hỡnh 19 Sơ đồ mỏy thu giải mó PN.
Để xây dựng mạch tạo mã PN ta phải dựa vào các tính chất của tín hiệu cần truyền nh-: mật độ phổ công suất, độ rộng băng của tín hiệu... Trên vệ tinh GMS của Nhật Bản, ng-ời ta đã sử dụng một dãy các trigơ mắc nối tiếp với nhau và một mạch hồi tiếp để tạo ra chuỗi mã PN phù hợp với tín hiệu cần truyền. D-ới đây là sơ đồ của mạch tạo mã giả ngẫu nhiên PN đã đ-ợc sử dụng.
Hỡnh 20: Sơ đồ khối tạo mó PN.
Gọi N là số trigơ D được nối tiếp với nhau, thỡ độ dài của chu kỳ mó giả ngẫu nhiờn PN do mạch trờn tạo ra là L=2N11 bit. Trong đú cú 2N-1-1 bit cú giỏ trị 0 và 2N-1-1 bit cú giỏ trị 1. Với N = 15 thỡ độ dài L=215-1 = 32.767 bit.
Ở phớa mỏy thu quỏ trỡnh giải mó giả ngẫu nhiờn được thực hiện theo quy trỡnh ngược lại như được mụ tả trong hỡnh 19. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mạch tạo mó giả ngẫu nhiờn ở mỏy thu được thực hiện như hỡnh 19, gồm 2 vi mạch ghi dịch 8 bớt và cỏc cổng XOR hay cộng modul 2 và một số cổng NAND . Hai vi mạch ghi dịch được nối tiếp với nhau tạo thành bộ ghi dịch 16 bớt. Ở đõy lấy lối ra của bớt 13 và bớt 14 được cộng modul 2 với nhau và là lối ra của mạch tạo mó PN, lối ra này được đưa hồi tiếp về đầu vào tạo thành mạch tạo mó PN.
3.2 Khối nhận dạng đầu khung ảnh.
Dữ liệu được truyền từ vệ tinh cú cấu trỳc truyền theo khối hay cũn gọi là khung số liệu. mỗi một khung số liệu này bao gồm 396.000 bit trong đú cú 20.000 bớt đồng bộ khối dữ liệu đồng bộ này chớnh là chuỗi dữ liệu được tạo ra từ khối tạo mó PN và điểm bắt đầu là chuỗi dữ liệu gồm 15 bit cú giỏ trị là 2261h và kết thỳc là EFFFh. Để nhận dạng đầu khung ảnh ta phải nhận dạng khối đồng bộ này.Ở đõy ta sử dụng một mạch tạo mó PN đỳng như chuỗi đồng bộ của khối đồng bộ khung ảnh, sau đú ta so sỏnh với dữ liệu từ vệ tinh truyền xuống nếu đỳng 20.000 bit thỡ bỏo cho biết là điểm bắt đầu khung ảnh.
Để thực hiện những việc này ta làm như sau: Trước hết ta cho chuỗi số liệu nối tiếp vào khối ghi dịch và kiểm tra 15 bit đầu khi nào phỏt hiện thấy 15 bit đầu khung là 2.261h thỡ cho phộp bộ tạo mó PN bắt đầu phỏt từ giỏ trị đú và tiếp tục so sỏnh từng bớt data với bit của mỏy phỏt mó PN cứ so sỏnh như vậy cho đến hết 20.000 bit mà khụng thấy bit nào sai hoặc nhỏ hợn số bớt sai đặt trước thớ bỏo là bắt đầu khung số liệu thu. [8]
3.3 Khối giải mó PN
Trong chuỗi dữ liệu nhận được là dữ liệu đó được trải phổ bằng việc cộng mụdul 2 giữa dữ liệu với mó PN. Do đú để nhận được dữ liệu thực ở mỏy thu cần phải giải mó PN hay nộn phổ trở lại. Để thực hiện việc này chỉ việc cộng modul 2 giữa dữ liệu nhận với mó PN đẫ được đồng bộ với mỏy phỏt.
Khi nhận dạng được khối 20000 bit đồng bộ đầu khung thỡ ta bắt đầu giải mó PN. Việc giải này ta chỉ việc lấy dữ liệu và mó PN cổng modul 2 với nhau, chuỗi dữ liệu PN được lấy luụn từ bộ tạo mó PN ở trờn đó được đồng bộ với dữ liệu vào, lối ra của bộ giải mó PN này là chuỗi dữ liệu gốc cần thu và được đưa vào khối chuyển dữ liệu nối tiếp thành song song và để đưa sang khối ghộp nối với mỏy tớnh.
3.4 Khối chuyển đổi chuỗi bớt nối tiếp thành song song
Dữ liệu từ vệ tinh được truyền đi đó được lượng tử hoỏ điều chế PCM. Trong chuỗi dữ liệu này, cú loại ảnh được lượng tử hoỏ 6 bit một điểm ảnh là dữ liệu loại ảnh nhỡn thấy, và loại ảnh được lượng tử hoỏ 8 bit một điểm ảnh là ảnh hồng ngoại như được mụ tả ở trờn, sau đú chuyển cỏc byte này thành chuỗi nối tiếp cỏc bớt sau đú mới điều chế pha và truyền về cỏc trạm mặt đất. Do đú ở mỏy thu sau khi đó khụi phục thành chuỗi bit thi phải chuyển thành cỏc byte tương ứng
Trong một khung dữ liệu cú đoạn dữ liệu 8 bit chuyển thành 1 byte cú đoạn dữ liệu 6 bit chuyển thành 1 byte, vậy cần xỏc định mốc ranh giới này.
Để thực hiện được cỏc việc trờn ta phải tạo được xung nhịp byte và tạo