Luận án Tiến sĩ: Phát triển hệ thống truyền tin quản lý, dẫn đường trên biển

ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN TIN PHỤC VỤ QUẢN LÝ VÀ DẪN ĐƯỜNG TRÊN BIỂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội - 20 ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG TRUYỀN TIN PHỤC VỤ QUẢN LÝ VÀ DẪN ĐƯỜNG TRÊN BIỂN Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 9510302.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. BẠCH GIA DƯƠNG Hà Nội - 20 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan việc nghiên cứu, phát triển hệ thống truyền tin phục vụ quản lý và dẫn đường trên biển được trình bày trong luận án này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS.TS Bạch Gia Dương. Tất cả các tài liệu tham khảo từ các nghiên cứu liên quan đều có nguồn gốc rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo của luận án. Trong luận án, không có việc sao chép tài liệu, công trình nghiên cứu của người khác mà không chỉ rõ về tài liệu tham khảo.

Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Bạch Gia Dương, thầy đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Đặc biệt, sự chỉ bảo tận tình và tạo nhiều điều kiện thuận lợi trong nghiên cứu của GS.TS Bạch Gia Dương có ý nghĩa vô cùng to lớn để tôi có thể hoàn thành luận án này. Xin trân trọng cảm ơn các Thầy/Cô Trường Đại học Công nghệ, các cán bộ Trung tâm nghiên cứu Điện tử - Viễn thông và Khoa Điện tử - Viễn thông đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận án tại Trường. Tôi xin cảm ơn Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi có thời gian học tập, nghiên cứu.

Tôi xin cảm ơn ThS. Ngô Thành Công - Trung tâm Vũ trụ Việt Nam đã giúp đỡ tôi trong thời gian hoàn thiện luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp, bạn bè đã động viên, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận án này. Luận án này được hỗ trợ bởi: Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước mã số VT-CN.02/17-20: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, phóng và vận hành thử nghiệm vệ tinh siêu nhỏ cỡ Nano” - do Trung tâm Vũ trụ Việt Nam là cơ quan chủ trì.

Tôi xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Đình Thế Anh iii MỤC LỤC Trang phụ bìa. i Lời cam đoan. ii Lời cảm ơn. iii Mục lục.

iv Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt. vi Danh mục hình vẽ. xi MỞ ĐẦU. HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BIỂN.

Tổng quan về hệ thống truyền thông tin biển. Các hệ thống truyền thông tin biển hiện nay. Hệ thống truyền thông tin an toàn và cứu nạn hàng hải GMDSS 11 1. Hệ thống định danh tự động AIS.

Các nghiên cứu liên quan đến tối ưu hệ thống truyền thông tin biển. Các nghiên cứu trong nước. Các nghiên cứu ngoài nước. Đề xuất ý tưởng hệ thống truyền thông tin biển cải tiến AIS+SS.

THIẾT KẾ TUYẾN PHÁT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BIỂN AIS+SS SỬ DỤNG BỘ CHIA CỘNG CÔNG SUẤT KIỂU GHÉP COUPLER. Tính toán quỹ đường truyền của hệ thống AIS+SS. Tuyến phát băng S trong hệ thống AIS+SS. Thiết kế bộ khuếch đại công suất.

Thiết kế bộ chia/cộng tín hiệu cao tần .1 Một số cấu trúc chia/cộng tín hiệu cao tần .2 Cấu trúc DGS .3 Một số công trình nghiên cứu liên quan .4 Đề xuất áp dụng cấu trúc DGS cho bộ chia/cộng kiểu Coupler. 56 iv CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG TUYẾN THU VÀ GIẢI MÃ DỮ LIỆU TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN BIỂN AIS+SS. Mô hình tổng quan tuyến thu trong hệ AIS+SS.

Thiết kế bộ khuếch đại tạp âm thấp. Các tham số chính của bộ khuếch đại tạp âm thấp. Tổng quan những nghiên cứu liên quan. Đề xuất sử dụng bộ khuếch đại tạp âm thấp có cấu trúc cân bằng 71 3.

Thiết kế bộ trộn tần. Thiết kế bộ tạo dao động nội. Thiết kế bộ điều chế và giải điều chế dữ liệu. Thiết kế ăng ten băng tần S.

Tích hợp và thử nghiệm tuyến thu. 83 KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI. 93 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. THAM SỐ QUỸ ĐƯỜNG TRUYỀN.

CẤU TRÚC DỮ LIỆU BẢN TIN AIS LOẠI 1, 2, 3. 109 v DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu STT Ký hiệu Giải thích Đơn vị 1 G Hệ số tăng ích ăng ten/Hệ số khuếch đại dBi/dB 2 P Công suất vô tuyến W/dBW 3 Ae Góc mở hiệu dụng m2 4 λ Bước sóng m 5 F (M Hz) Tần số MHz 6 La Suy hao toàn tuyến dB 7 LS Suy hao không gian tự do dB 8 C/N Tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp dB âm 9 Eb /N0 Tỉ số năng lượng bit trên mật độ phổ công suất dB/Hz tạp âm 10 kB Hằng số Boltzman 11 TS Nhiệt độ tạp âm hệ thống K/dbK 12 R Tốc độ dữ liệu bps 13 S11 , S12 , S21 , S22 Tham số mạng tán xạ hai cổng 14 j Toán tử phức 15 Z1 , Z0. Trở kháng Ω 16 K Tỉ lệ công suất 17 C1,3 ,. Hệ số ghép bộ coupler 18 I3,2 ,.

Hệ số cách ly 19 R Điện trở tương đương Ω 20 C Điện dung tương đương F vi 21 L Điện cảm tương đương H 22 NF Hệ số tạp nhiễu dB 23 Y Hệ số dẫn nạp 24 ΓS Hệ số phản xạ 25 V Điện áp V vii Danh mục chữ viết tắt Chữ viết STT Giải thích tiếng Anh Giải thích tiếng Việt tắt 1 ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số 2 AIS Automatic Identification System Hệ thống định danh tự động 3 AIS+SS AIS + S-band + Satellite Hệ thống định danh tự động sử dụng truyền thông vệ tinh băng S 4 BSS Broadside-coupled air Đường truyền vi dải trong môi Suspended Stripline trường điện môi  = 1 5 C C band frequency Dải tần số vô tuyến băng C (4- 8GHz) 6 DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự 7 DDS Digital Direct Synthersizer Bộ tổ hợp tần số số trực tiếp 8 DGS Defected Ground Structure Cấu trúc mặt phẳng đất hở 9 DSC Digital Selective Calling Dịch vụ gọi chọn số 10 EIRP Effective Isotropic Radiated Công suất bức xạ đẳng hướng Power tương đương 11 EPIRB Emergency Position Indicating Tín hiệu vô tuyến xác định vị trí Radio Beacon khẩn cấp 12 FSK Frequency Shift Keying Điều chế khóa dịch tần số 13 GMDSS Global Maritime Distress and Hệ thống thông tin an toàn và cứu Safety System nạn hàng hải toàn cầu 14 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu 15 HDR Hardware Defined Radio Vô tuyến nền tảng phần cứng 16 HF High Frequency Tần số cao 17 HPDGS Horizontal Periodic Defected Cấu trúc mặt phẳng đất hở có chu Ground Structure kì theo chiều ngang 18 IMO International Maritime Tổ chức hàng hải thế giới Organization 19 Ka Ka band frequency Dải tần số vô tuyến băng Ka (27- 40GHz) 20 Ku Ku band frequency Dải tần số vô tuyến băng Ku (12- 18GHz) viii 21 L L band frequency Dải tần số vô tuyến băng L (1- 2GHz) 22 LF Low Pass Filter Bộ lọc thông thấp 23 MF Medium Frequency Tần số trung bình 24 MMIC Monolithic Microwave Mạch tích hợp cao tần nguyên Integrated Circuit khối 25 MMSI Maritime Mobile Service Định danh hàng hải Identity 26 NAVTEX Navigation Telex Dịch vụ định vị telex 27 PBG Photonic Band Gap Cấu trúc siêu vật liệu có chu kỳ 28 PLL Phase-Lock Loop Vòng khóa pha 29 QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế dịch pha cầu phương 30 S S band frequency Dải tần số vô tuyến băng S (2- 4GHz) 31 SAR-79 1979 International Convention Công ước quốc tế về tìm kiếm và on Maritime Search and Rescue cứu nạn hàng hải năm 1979 32 SAR* Search and Rescure Service Dịch vụ tìm kiếm cứu nạn 33 SAR** Synthetic Aperture Radar Radar khẩu độ hợp 34 SART Search and Rescure Transponder Bộ phát đáp tìm kiếm và cứu nạn 35 SDR Software Defined Radio Vô tuyến nền tảng phần mềm 36 Self- Self-Time Division Multiple Tự phân kênh theo thời gian TMDA Access 37 SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm 38 SOLAS Safety of Life At Sea Công ước về an toàn sinh mạng trên biển 39 TCXO Temperature Compensated Bộ dao động thạch anh có bù nhiệt Crystal Oscillator độ 40 UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao (0,3-1GHz) 41 VCO Voltage Control Oscillator Bộ dao động điều khiển bằng điện áp 42 VHF Very High Frequency Tần số rất cao (0,03 - 0,3GHz) 43 VNSC Vietnam National Space Center Trung tâm Vũ trụ Việt Nam ix 44 VPDGS Vertical Periodic Defected Cấu trúc mặt phẳng đất hở có chu Ground Structure kì theo chiều dọc 45 VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỉ số sóng đứng điện áp x DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối cơ bản hệ thống truyền thông tin biển.2 Kịch bản hoạt động của GMDSS.3 Sơ đồ hệ thống AIS.4 Sơ đồ khối máy phát đáp AIS.5 Sơ đồ sử dụng trạm chuyển tiếp dữ liệu AIS trên vệ tinh quỹ đạo thấp.6 Kịch bản hoạt động của hệ thống AIS lai ghép.7 Phần mềm quy hoạch trạm bờ MF cho hệ thống GMDSS.8 Quy trình tính toán vùng biển A2 trong hệ thống GMDSS.9 Đề xuất kịch bản hoạt động hệ thống truyền thông tin biển.10 Đề xuất kiến trúc cho khối truyền thông trên vệ tinh địa tĩnh.11 Đề xuất kiến trúc khối truyền thông trên cho trạm bờ.12 Đề xuất kiến trúc khối truyền thông cho hệ thống AIS+SS trên phương tiện biển.1 Sự ảnh hưởng của Eb /N0 đến tỉ lệ lỗi bit BER [92].2 Sơ đồ tuyến phát băng S trên vệ tinh địa tĩnh .3 Sơ đồ tuyến phát băng S trên phương tiện biển .4 Sơ đồ khối tầng khuếch đại công suất.5 Cấu trúc điển hình của bộ khuếch đại công suất.6 Mạch phối hợp trở kháng đầu vào.7 Kết quả mô phỏng tham số S11 và S21 của mạch phối hợp trở kháng đầu vào.8 Kết quả mô phỏng mạch trở kháng vào trên đồ thị Smith.9 Kết quả mô phỏng tham số VSWR đầu vào.10 Mạch phối hợp trở kháng đầu ra.11 Kết quả mô phỏng tham số S của mạch phối hợp trở kháng đầu ra.12 Kết quả mô phỏng mạch trở kháng ra trên đồ thị Smith.13 Kết quả mô phỏng tham số VSWR đầu ra.14 Hệ số khuếch đại của bo mạch khuếch đại công suất.