Luận án nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị thu mặt đất tự động phát hiện và bám vệ tinh cho hệ thống thông tin vệ tinh VINASAT

Tính cấp thiết của đề tài Với lịch sử hình thành phát triển qua hơn 40 năm, thông tin vệ tinh đã và đang trở thành một phương tiện thông tin rất phổ biến và đa dạng. Trong bối cảnh cạnh tranh khốc liệt giữa các loại hình dịch vụ, các phương thức truyền dẫn khác nhau, thông tin vệ tinh vẫn giữ một vai trò quan trọng trong lĩnh vực truyền thông, đây là phương tiện thông tin hữu hiệu nhất để kết nối thông tin liên lạc với các vùng xa xôi, biên giới, hải đảo nơi mà mạng thông tin cố định không thể với tới được. Không những thế nó còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như viễn thông, viễn thám, địa chất, định vị dẫn đường cho máy bay, tên lửa, ôtô, tàu thuyền. Năm 2006, Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt "Chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020" phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của đất nước.

Chiến lược xác định mục tiêu cơ bản là: Từng bước làm chủ công nghệ chế tạo các trạm mặt đất, tự chế tạo các trạm mặt đất có giá cạnh tranh; Làm chủ công nghệ vệ tinh nhỏ, tự thiết kế và chế tạo vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất; Làm chủ được công nghệ và kỹ thuật tên lửa; Chế tạo và phóng một số vệ tinh nhỏ quan sát trái đất, thay thế một phần ảnh vệ tinh của nước ngoài; Ðào tạo được đội ngũ cán bộ có trình độ cao, đáp ứng nhu cầu ứng dụng và phát triển công nghệ vũ trụ. Năm 2008 Việt Nam đã triển khai thành công dự án phóng vệ tinh VINASAT-1, nó đã mở ra một thời kỳ mới cho sự phát triển trong mọi lĩnh vực khoa học cũng như đời sống nói chung và đặc biệt ngành viễn thông Việt Nam nói riêng. Cùng với sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật, công nghệ vệ tinh viễn thông hiện nay cũng có những bước phát triển mới theo hướng kéo dài tuổi thọ vệ tinh, nâng cao khả năng xử lý trên vệ tinh, liên kết giữa các vệ tinh, dùng anten công nghệ mới, tăng công suất, mở rộng khả năng hoạt động ở các băng tần cao hơn… Về phần mặt đất, các trạm ngày càng nhỏ hơn về kích thước, giảm về giá thành, đa dạng hoá các ứng dụng, cơ động và linh hoạt trong vận chuyển lắp đặt. Điều này 14 cho phép các hệ thống vệ tinh ngày nay có nhiều ứng dụng khác nhau với khả năng cung cấp đa dạng các loại hình dịch vụ.

Các nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh đặc biệt là hệ thống thu vệ tinh di động ứng dụng trên các phương tiện tàu biển, tàu hoả, ôtô… đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và công bố trên các tạp chí khoa học kỹ thuật điển hình như các công trình [29]-[32], [35]-[44], [64]-[68]. Ở Việt Nam, hàng năm đã có nhiều đề tài nghiên cứu cấp nhà nước về nghiên cứu thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống thu phát vệ tinh cố định cũng như hệ thống thu phát vệ tinh di động được thực hiện [1]-[2], [4]-[5], [7]-[10]. Trong đó đề tài nghiên cứu KC.01 cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tự động kiểm soát và bám sát góc tầm, hướng trong máy thu thông tin vệ tinh trên cơ sở tích hợp và chế tạo sensor từ trường yếu dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện” của Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội cũng đã đạt được những kết quả nhất định. Tuy nhiên thời gian bám và khả năng bắt bám còn hạn chế, và hệ thống thu chưa đáp ứng được yêu cầu.

Để nâng cao hiệu quả thu của các trạm thu vệ tinh, tích hợp tính năng tự động phát hiện và điều khiển bám theo vệ tinh, đề tài luận án của nghiên cứu sinh là rất cấp thiết để có thể nắm bắt và làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống thu vệ tinh có khả năng thu di động ứng dụng vào điều kiện thực tế của nước ta hiện nay. Đây là nhiệm vụ rất quan trọng để có thể thu hẹp khoảng cách công nghệ của Việt Nam so với khu vực và trên thế giới, và góp phần vào công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, phát triển kinh tế xã hội và khai thác hiệu quả vệ tinh VINASAT. Mục tiêu của luận án - Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển bám vệ tinh để nâng cao khả năng tự động phát hiện và bám vệ tinh, giảm thời gian bám vệ tinh và đạt độ chính xác cao. Luận án cũng nghiên cứu giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh để minh chứng hiệu quả của thuật toán bám đề xuất.

15 - Nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh băng C với độ nhạy cao, dải động và băng tần rộng, hệ số khuếch đại lớn sử dụng cho hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh VINASAT-1 và cho các mục đích thu dữ liệu. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của luận án chỉ giới hạn tập trung nghiên cứu và giải quyết 2 vấn đề: - Trên cơ sở nghiên cứu về lý thuyết về thông tin vệ tinh, lý thuyết về hệ thống điều khiển anten, thuật toán điều khiển bám vệ tinh hiện đang sử dụng. Từ đó nghiên cứu đề xuất thuật toán tự động tìm kiếm bám vệ tinh đảm bảo giảm thời gian tìm kiếm và bám vệ tinh cũng như đạt độ ổn định cao. Nội dung luận án cũng nghiên cứu, ứng dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại để thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển và giải thuật điều khiển động cơ nhằm giảm thời gian thiết lập của hệ thống.

- Nghiên cứu, đề xuất các giải pháp thiết kế, chế tạo mạch trong hệ thống thu vệ tinh băng C bao gồm mạch đổi tần nhiễu thấp băng C (LNB) và máy thu vệ tinh băng L để sử dụng cho hệ thống điều khiển bám và thu dữ liệu. Máy thu sử dụng các giải pháp thiết kế để đảm bảo yêu cầu độ nhạy cao, dải động và dải thông rộng, hệ số khuếch đại lớn ứng dụng cho hệ thống điều khiển khiển bám và hệ thu nhận dữ liệu. Phƣơng pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng như Matlab, ADS và phương pháp thực nghiệm. Phƣơng pháp lý thuyết: Bằng phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, tiếp cận vấn đề trên cơ sở lý thuyết về thông tin vệ tinh, phương pháp điều khiển bám vệ tinh, phương pháp thiết kế mạch điện siêu cao tần, thiết kế hệ thống điều khiển.

Tận dụng ưu điểm, khắc phục các nhược điểm của các thiết kế để đưa 16 ra giải pháp nâng cao chất lượng của mạch, cải tiến thuật toán, kết hợp thiết kế hệ thống điều khiển bám vệ tinh sao cho hiệu quả cao nhất. Phƣơng pháp mô phỏng: Trên cơ sở thiết kế đã có thực hiện phương pháp mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng (Matlab, ADS.), các kết quả mô phỏng là cơ sở cho việc đánh giá, chỉnh sửa cũng như hoàn thiện thiết kế. Ngoài ra các kết quả mô phỏng cũng được đánh giá với kết quả thực nghiệm để có những chỉnh sửa thiết kế tiếp theo. Phƣơng pháp thực nghiệm: Các thiết kế sau khi mô phỏng đạt chỉ tiêu kỹ thuật sẽ tiến hành chế tạo thực nghiệm.

Các kết quả đo trong phòng thí nghiệm sẽ được so sánh đối chứng các tham số, chỉ tiêu kỹ thuật với các kết quả mô phỏng để khẳng định sự đúng đắn của các giải pháp đã đề xuất. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu trong luận án được xác định bao gồm: - Các hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh kiểu điều khiển cơ điện ứng dụng cho các trạm thu vệ tinh di động. - Các hệ thống thu vệ tinh băng C và băng L dựa trên công nghệ mạch dải, vật liệu điện môi FR4. - Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat 1.

 Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các vấn đề sau: - Các hệ thống điều khiển anten bắt bám vệ tinh theo 2 trục là: Quay tròn theo góc phương vị và quay theo góc gẩng của anten. - Các hệ thống thu vệ tinh băng C mở rộng từ 3,4GHz – 4,2GHz và băng L từ 950MHz – 2150MHz ứng dụng cho thu vệ tinh Vinasat 1. Ý nghĩa khoa học của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: Luận án tập trung nghiên cứu cải tiến thuật toán điều khiển bám vệ tinh, ứng dụng các giải pháp kỹ thuật mới để xây dựng hệ thống điều khiển bám vệ tinh. Đồng thời luận án cũng ứng dụng các linh kiện siêu cao tần tiên tiến, các giải pháp công nghệ để nâng cao các tham số kỹ thuật của máy thu vệ tinh.

Đây là một hướng đi sáng tạo và góp phần khẳng định Việt nam có thể làm 17 chủ được công nghệ chế tạo thiết bị điện tử siêu cao tần, đặc biệt là chế tạo thiết bị thu vệ tinh với cơ chế tự động phát hiện và bám vệ tinh. - Đề tài có ý nghĩa ứng dụng thực tiễn bởi vì nội dung nghiên cứu của luận án nằm trong khuôn khổ đề tài VT/CN 03/13-15 thuộc Chương trình Khoa học Công nghệ Vũ trụ năm 2013 - 2015: “Thiết kế và chế tạo trạm thu di động thông tin vệ tinh dựa trên sensor từ trường độ nhạy cao ứng dụng trên tàu biển”do GS. Nguyễn Hữu Đức - Trường Đại Học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội chủ trì. Với nội dung trong phần thiết kế chế tạo thiết bị thu băng tần C và băng L.

Việc thiết kế, chế tạo thành công hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh sẽ là một khẳng định cho nền khoa học kỹ thuật của Việt Nam. Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu, ba chương và phần kết luận. Trong đó nội dung các chương như sau: Chƣơng 1: Tổng quan về hệ thống thu và điều khiển bám vệ tinh Chương này nghiên cứu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh, tổng quan về hệ thống thu và điều khiển bám vệ tinh, các yêu cầu kỹ thuật đối với máy thu. Trên cơ sở phân tích tình hình tổng quan về nghiên cứu thiết kế hệ thống thu điều khiển bám vệ tinh ở trong nước và trên thế giới, từ đó có các đánh giá để đề xuất các nội dung nghiên cứu của luận án.