Các nghiên cứu khoa học về thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh, hệ thống điều khiển bám, xây dựng các thuật toán điều khiển và thuật toán bám vệ tinh xuất hiện nhiều trên các tạp chí khoa học và kỹ thuật và các hội nghị chuyên ngành trên thế giới điển hình như các công trình [29]-[32], [35], [38], [44], [56], [64]-[68]. Đối với các nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển anten thường sử dụng hệ thống điều khiển bán tự động kết hợp tự động, sử dụng các thuật toán bám từng bước hoặc theo chương trình. Điển hình là các công trình [67] sử dụng bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller) điều khiển 2 mô tơ thực hiện quay góc ngẩng và góc phương vị của anten. Hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán bám từng bước và điều khiển động cơ sử dụng bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional Intergral Derivative) kinh điển. Hệ thống này chủ yếu sử dụng cho trạm thu cố định, giúp điều khiển anten thu vệ tinh đạt tín hiệu tốt nhất.
Công trình số [29] tác giả xây dựng hệ thống điều khiển anten sử dụng động cơ một chiều không chổi than BLDC (Brushless Direct Current) để điều khiển góc ngẩng và góc phương vị, sơ đồ hệ thống thể hiện trên Hình 1.10.
Hình 1.10 Hệ thống bám vệ tinh Parabol
Hệ thống sử dụng thuật toán bám vòng tròn kết hợp thuật toán bám từng bước thể hiện trên Hình 1.11.
Hình 1.11 Thuật toán bám vòng tròn
Đầu tiên anten thực hiện quay góc phương vị 3600
sau đó so sánh để tìm được giá trị tín hiệu AS (Average signal) lớn nhất. Đây chính là vị trí của góc phương vị anten. Khi máy thu di chuyển thì anten tiếp tục quay theo góc phương vị 1 vòng để xác định giá trị AS lớn nhất trong vòng quay, nếu AS chưa đạt giá trị ngưỡng thì điều chỉnh góc ngẩng trong phạm vi 30 và tiếp tục quay cho đến khi đạt giá trị AS lớn nhất. Thời gian bám vệ tinh đạt giá trị 0,6s với góc 0, khi máy thu di chuyển ra ngoài góc 0thì hệ thống chưa thực sự ổn định. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PI.
Công trình số [38] tác giả sử dụng thuật toán bám vi phân để điều khiển góc phương vị của anten, sơ đồ hệ thống thể hiện trên Hình 1.12.
Thuật toán sử dụng phương pháp so sánh giá trị AS hiện tại và AS trước đó để quay góc phương vị của anten tương ứng với độ chênh lệch, sơ đồ thuật toán thể hiện trên Hình 1.13. Với trường hợp khi máy thu cố định thì AS lớn hơn giá trị ngưỡng (vị trí A), khi máy thu di chuyển thì tín hiệu AS giảm xuống vị trí B, khi đó hệ thống sẽ so sánh sự chênh lệch để đưa điện áp điều khiển anten quay ngược lại. Với AS ở vị trí C thì giá trị điện áp đưa điều chỉnh anten sẽ phải lớn hơn khi AS ở vị trí B.
Hình 1.12 Hệ thống điều khiển anten thu DBS di động
Kết quả của công trình đưa ra thời gian bám nhỏ hơn 0,6s tùy theo tốc độ di chuyển của hệ thống. Tuy nhiên thuật toán này chỉ áp dụng trong trường hợp máy thu chuyển hướng chậm, nếu máy thu chuyển hướng nhanh thì thuật toán này đạt đạt độ ổn định thấp.
Hình 1.13 Thuật toán bám sử dụng phương pháp vi phân.
Trong các công trình trên thường sử dụng bộ điều khiển động cơ là bộ điều khiển PID kinh điển. Một trong những lý do bộ điều khiển PID trở nên phổ biến như vậy là vì tính đơn giản, dễ triển khai trên những vi xử lý nhỏ với hiệu năng tính toán hạn chế. Kỹ thuật điều khiển PID tuy không phải là một kỹ thuật điều khiển mới, nhưng lại là kỹ thuật phổ biến nhất chuyên dùng để điều khiển các hệ thống trong công nghiệp như hệ thống lò nhiệt, điều khiển tốc độ, vị trí, moment động cơ AC và DC… Để giảm thời gian quá độ và thời gian ổn định của hệ thống, có nhiều công trình đưa ra các giải pháp thiết kế sử dụng bộ điều khiển PID truyền
thống kết hợp với bộ điều mờ Fuzzy, hoặc các bộ điều khiển thích nghi điển hình là các công trình [19], [23], [31], [32], [36], [60]-[62].
Công trình số [23] tác giả đề xuất sử dụng bộ điều khiển mờ cho hệ thống thu radar xung, kết quả hệ thống thu sử dụng bộ điều khiển mờ tốt hơn so với bộ điều khiển PID thông thường.
Công trình số [31] và công trình số [32] tác giả sử dụng bộ điều khiển PD mờ và PI mờ cho hệ thống điều khiển bám vệ tinh, kết quả cho thấy thời gian quá độ và thời gian ổn định tốt hơn so với hệ thống PID.
Bảng 1.1: Kết quả một số công trình về hệ thống điều khiển bám vệ tinh
Tham số Trích dẫn [19] Trích dẫn [29] Trích dẫn [38] Hệ thống điều
khiển H∞ PI
Thuật toán bám Thuật toán bám từng bước Bám vòng tròn kết hợp từng bước Thuật toán bám từng bước Thời gian bám 0,7 s 0,6 s 0,6 s
Từ Bảng 1.1 cho thấy các công trình đã công bố về hệ thống điều khiển vẫn còn hạn chế về thời gian bám vệ tinh khi thực hiện thu di động 0,6s trong điều kiện máy thu di chuyển chậm và độ ổn định thấp.
Đối với các nghiên cứu về thiết kế, chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng C tập trung vào nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mạch khuếch đại tạp âm thấp LNA, mạch dao động nội, mạch trộn tần, mạch lọc, mạch khuếch đại trung tần. Có nhiều công trình nghiên cứu thiết kế mạch khuếch đại tạp âm thấp với mục tiêu làm giảm tạp âm, tăng hệ số khuếch đại và băng thông làm việc của mạch điển hình như các công trình sau [24]-[27], [40]-[51], [68].
Công trình số [49] của nhóm tác giả Othman A.R sử dụng mạch khuếch đại mắc kiểu cascode kết hợp mạng phối hợp trở kháng T để tăng hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại tạp âm thấp. Kết quả công trình thiết kế ở tần số 5,8GHz với Gain =18,5 dB, NF =1,3 dB, BW=1,4GHz.
Nhóm tác giả Kamil P. có công trình [37] đã sử dụng phương pháp hồi tiếp âm ở tầng đầu tiên giúp giảm tạp âm của mạch. Mạch thiết kế sử dụng nhiều tầng khuếch đại ghép cascode để tăng hệ số khuếch đại của mạch.
Công trình [24] tác giả thiết kế mạch khuếch đại LNA băng rộng sử dụng kiến trúc mạch khuếch đại cân bằng. Kết quả cho thấy Gain =17,5-18,5 dB, NF =1,02 dB, BW=800MHz.
Công trình [40] tác giả đã đề xuất phương pháp giảm nhiễu pha của bộ dao động nội sử dụng bộ ghép cộng hưởng điện môi bằng bộ chuyển đổi trở kháng cao. Kết quả đạt nhiễu pha –116,2 dBc/Hz ở tần số 9,781124 GHz với độ lệch 100kHz.
Công trình [69] nhóm tác giả thực hiện thiết kế mạch tổng hợp tần số dùng mạch vòng khóa pha PLL (Phase Locked Loop) để giảm nhiễu pha của bộ dao động nội.
Công trình [35] nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng L với độ lợi Gain =37 dB, hệ số tạp âm NF < 0,5dB, nhiễu pha PN = 103,3 dB/Hz@50KHz.
Công trình [64] nhóm tác giả V. Saatchi đã sử dụng các bộ suy giảm số để tăng dải động của máy thu.
Trong máy thu vệ tinh thực tế [71] do được sử dụng mục đích thu cố định nên thông số độ nhạy có giá trị thấp và dải động hẹp. Máy thu này ứng dụng cho mục đích thu di động chưa đạt yêu cầu.
Bảng 1.2: Kết quả một số công trình thiết kế chế tạo hệ thống thu vệ tinh
Tham số Trích dẫn [35] Trích dẫn [64] Máy thu thực tế [71] Dải tần làm
việc 1,26GHz-1,268GHz 4 - 8GHz 950MHz - 2150MHz Tín hiệu ra IF - 247MHz IF – 1.2GHz Audio, TV Video
Độ nhạy -83dBm -65dBm Độ lợi 37dB Dải động 91dB 40dB Nhiễu pha bộ dao động -103,3dBc/Hz at 50KHz
Từ Bảng 1.2 cho thấy các máy thu vệ tinh có độ nhạy còn thấp, dải động hẹp chủ yếu ứng dụng cho hệ thống thu cố định. Đối với hệ thống thu di động, tín hiệu thu có thể bị fading hoặc khi anten lệch hướng thu thì tín hiệu sẽ bị suy giảm rất lớn. Vậy để đáp ứng được yêu cầu cho quá trình điều khiển bám thì máy thu vệ tinh phải có độ nhạy cao, dải động rộng, hệ số khuếch đại lớn và dải thông phù hợp.
1.7 Xác định nội dung nghiên cứu của luận án
Từ những phân tích trên vấn đề đặt ra đối với luận án là đi nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển bám vệ tinh và hệ thống thu siêu cao tần băng C để khắc phục nhược điểm trên.