- BÙI NGUYÊN ĐẠT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG HỆ THỐNG ANTENNA THÔNG MINH CHO THÔNG TIN VỆ TINH TẦM THẤP LEO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG KHOÁ 2013B Hà Nội – Năm 2015 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - BÙI NGUYÊN ĐẠT HỆ THỐNG ANTENNA THÔNG MINH CHO THÔNG TIN VỆ TINH TẦM THẤP LEO Chuyên ngành : Kỹ thuật Truyền Thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. - Tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh. - Hệ thống vệ tinh tầm thấp (LEO) và ứng dụng. - Ứng dụng định vị. - Ứng dụng thông tin liên lạc. - Ứng dụng dự báo thời tiết. - Vệ tinh khí tượng NOAA. - Giới thiệu vệ tinh khí tượng NOAA. - Khung vệ tinh NOAA-KLM. - Các phương pháp thu tín hiệu vệ tinh NOAA. - Lý thuyết cơ bản hệ thống thu phát đa ăng ten. - Hệ thống mảng ăng ten. - Hệ thống mảng Ăng ten thích ứng (AAA. - Hệ thống điều khiển búp sóng số và các thuật toán. - Ước lượng góc tới của tín hiệu vệ tinh NOAA. - 59 5 Chương 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG SỐ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. - Xây dựng mô hình hệ thống phần cứng. - Mô phỏng tín hiệu phát. - Tạo khung tín hiệu vệ tinh. - 26 Bảng 1-3: Chi tiết số từ mã khung vệ tinh NOAA-KLM. - 63 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1- 1: Vệ tinh và ứng dụng. - 12 Hình 1- 2: Ứng dụng Viễn Thông cho vệ tinh. - 14 Hình 1- 3: Cách phân loại vệ tinh chia theo độ cao quĩ đạo. - 15 Hình 1- 4: Các hệ thống vệ tinh tầm thấp [10. - 17 Hình 1- 5: Vệ tinh định vị GPS. - 18 Hình 1- 6: Cấu trúc chòm sao vệ tinh Iridium. - 20 Hình 1- 7: Vệ tinh tầm thấp quĩ đạo cực. - 22 Hình 1- 8: Vệ tinh quĩ đạo cực NOAA. - 23 Hình 1- 9: Các thế hệ vệ tinh NOAA [11. - 25 Hình 1- 11: Cấu trúc khung vệ tinh NOAA-KLM. - 29 Hình 2- 1: Phân loại hệ thống thu-phát đa ăng ten. - 39 Hình 2- 7: Mành búp sóng phát xạ của mảng 4 ăng ten trong một hệ thống (hướng búp sóng chính 2400. - 56 Hình 2-18: Xác định và đồng bộ khung vệ tinh NOAA. - 58 Hình 2-19: Sơ đồ hệ thống thu tín hiệu vệ tinh NOAA. - 60 Hình 3-2: Mô hình hệ thống thu phát vệ tinh NOAA. - Lý do chọn đề tài Hiện nay, mạng thông tin vô tuyến đang có xu hướng phát triển mạnh mẽ với nhiều công nghệ mới ra đời phục vụ cho nhiều ứng dụng thông tin liên lạc và đời sống. - Hàng loạt các công nghệ vô tuyến đã và đang được đầu tư nghiên cứu, phát triển và khai thác mạnh mẽ như công nghệ di động (mạng 2G/3G/4G), công nghệ wifi, Bluetooth, Push-to-Talk, vệ tinh (GEO, MEO, LEO)… Hệ thống vệ tinh phi địa tĩnh đang ngày càng được khai thác sử dụng phổ biến với chức năng đặc biệt phục vụ cho con người như: quan trắc điều kiện thời tiết, định vị vị trí, thông tin liên lạc, dịch vụ dẫn đường, giám sát …Hệ thống vệ tin tầm thấp LEO thuộc nhóm vệ tinh này và đang phục vụ cho khá nhiều nhu cầu thực tiễn như trên, đặc biệt là trong lĩnh vực thời tiết. - Do đó vai trò của ăng ten thu và kỹ thuật thu là rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thông tin liên lạc. - Nhằm tăng nâng cao hiệu quả trao đổi thông tin vệ tinh LEO, bên cạnh sử dụng hệ thống ăng ten vật lý truyền thống, việc sử dụng dàn ăng ten thông minh gồm nhiều ăng ten là một giải pháp đang được nghiên cứu hiện nay. - Trong đó có nhiều kỹ thuật đã và đang được sử dụng nhằm nâng cao hiệu suất thu tín hiệu, cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu để cho khả năng giải mã tín hiệu tốt hơn, qua đó nâng cao chất lượng cũng như băng thông của đường truyền vệ tinh LEO. - Đó là lý do tôi chọn đề tài “Hệ thống antenna thông minh cho thông tin vệ tinh tầm thấp LEO”. - Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận văn là tìm và thiết kế một thuật toán xử lý tín hiệu cho FPGA để xử lý cho mảng ăng ten thông minh ứng dụng trong công nghệ truyền thông của vệ tinh khí tượng NOAA. - Phần mô phỏng có thể được ứng dụng nạp vào các vi điều khiển FPGA điều khiển phần tạo búp sóng trong khối thu của trạm thu phát mặt đất dành cho vệ tinh NOAA. - Tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh Vệ tinh viễn thông là một loại vệ tinh nhân tạo được đặt trong vũ trụ nhằm phục vụ các mục đích viễn thông. - Hệ thống thông tin vệ tinh là một trong những công nghệ truyền thông vô tuyến ra đời muộn nhất, nhưng đang trở thành một trong những kỹ thuật quan trọng ngày nay. - Thông tin vệ tinh đang được khai thác trong nhiều mặt quan trọng của cuộc sống: mạng truyền thông, truyền hình mặt đất, kênh truyền xuyên quốc gia, xuyên lục địa, dự báo thời tiết, định vị. - Hình 1- 1: Vệ tinh và ứng dụng Với lợi thế quỹ đạo cao cách xa trái đất, tầm phủ rộng bằng sóng vô tuyến, vệ tinh đã được sử dụng như một trạm thông tin tổng hợp thu tín hiệu từ các trạm mặt đất và phát sóng đến các trạm thu trong một diện tích rông. - 13 Vệ tinh viễn thông đầu tiên được lắp đặt máy thu phát radio hoạt động trên 2 băng tần 20,005 và 40,002 MHz là Soviet Sputnik 1 được phóng lên năm 1957. - Vệ tinh viễn thông đầu tiên của Mỹ là Project SCORE được phóng vào năm 1958, sử dụng máy ghi âm để lưu và chuyển các tin nhắn thoại. - Telstar là vệ tinh viễn thông tiếp âm trực tiếp đầu tiên. - Dự báo thời tiết là một trong những ngành nhận được những ứng dụng quan trọng nhất của công nghiệp vũ trụ. - Vệ tinh viễn thông là công nghệ vũ trụ được thương mại hoá duy nhất - tạo ra hàng tỷ USD mỗi năm nhờ doanh thu của các sản phẩm và dịch vụ xung quanh nó. - Tuy vậy, không phải tất cả vệ tinh phóng lên đều thành công. - Một bài nghiên cứu về hiện trạng vệ tinh trên toàn cầu của tác giả Bruce Elbert cho thấy, trong giai đoạn có tất cả 170 vệ tinh được phóng lên và trong số này có 10 cái gặp trục trặc. - Như vậy, tỷ lệ thất bại của vệ tinh giai đoạn đó là khoảng 6% [9]. - Ngành công nghiệp vệ tinh viễn thông bùng nổ với 4 mảng lợi nhuận chính: cho thuê hệ thống. - các dịch vụ vệ tinh thuê bao. - sản xuất thiết bị mặt đất và sản xuất vệ tinh. - Tuy nhiên, ứng dụng đầu tiên quan trọng nhất trong lịch sử của vệ tinh viễn thông nằm ở điện thoại đường dài liên lục địa. - Ứng dụng tiếp theo là truyền hình, truyền thanh. - Hai loại vệ tinh viễn thông được dùng cho mục đích truyền thanh, truyền hình của khu vực Bắc Mỹ là Vệ tinh Truyền thanh/hình trực tiếp (DBS) và Vệ tinh dịch vụ cố định (FSS). - Tuy nhiên, năm 1994, khi nhà cung cấp DBS Mỹ đầu tiên là DirecTV được thành lập đã chuyển từ công nghệ vệ tinh FSS sang DTH. - Dù vậy, vệ tinh FSS vẫn được các kênh cáp và vệ tinh nổi tiếng ứng dụng như CNN, The Weather Channel, HBO, Starz, và nhiều kênh khác. - HBO là kênh truyền hình đầu tiên sử dụng vệ tinh để phân phối các chương trình của mình. - 14 Sau những năm 1990, công nghệ vệ tinh viễn thông được sử dụng như một phương tiện để kết nối Internet thông qua các kết nối dữ liệu băng rộng. - Có thể nhận thấy với ưu thế phủ song rộng, tín hiệu không bị cản trở bởi chướng ngại vật, vệ tinh có thể trở thành một mắt xích quan trọng trong ứng dụng định vị. - Trên thế giới việc sử dụng vệ tinh để định vị không phải là một chuyện xa lạ. - Hệ thống định vị toàn cầu GPS từ lâu đã được sử dụng tại các nước tiên tiến. - Hình 1- 2: Ứng dụng Viễn Thông cho vệ tinh Hệ thống thông tin vệ tinh cũng là một mạng thông tin vô tuyến quan trọng được đặc trưng bởi quĩ đạo vệ tinh. - 15 Hình 1- 3: Cách phân loại vệ tinh chia theo độ cao quĩ đạo Nếu xét theo ứng dụng, người ta quen thuộc hơn với một cách phân loại khác là: vệ tinh địa tĩnh (GEO) và phi địa tĩnh (chủ yếu bao gồm MEO và LEO). - Hệ thống GEO còn được gọi là vệ tinh địa tĩnh (GSO – Geostationary orbit) do đặc điểm các vệ tinh đứng yên tương đối so với mặt đất. - Vệ tinh GEO có ưu điểm: vùng phủ rộng, do đó số lượng vệ tinh phục vụ/1 khu vực địa lý nhỏ hơn so với các loại vệ tinh kia. - Tuy nhiên lại có một số nhược điểm: việc truyền tín hiệu lên đến vệ tinh gặp khó khăn cộng với trễ truyền từ độ cao GEO về mặt đất là rất lớn do khoảng cách rất xa. - Đầu cuối liên lạc qua kênh vệ tinh đối mặt với khó khăn của việc kích thước rất lớn, tiêu thụ nhiều công suất và giá thành cao so với các đầu cuối di động tế bào. - Chính vì thế những ứng dụng như trên của vệ tinh không phải là điểm mạnh và không có tính cạnh trang nếu so sánh với giải pháp mạng di động có sẵn. - Chính những nhược điểm này làm cho xu hướng sử dụng mạng vệ tinh chuyển dần về các hệ thống vệ tinh quĩ đạo thấp phi địa tĩnh. - 16 Hệ thống vệ tinh phi địa tĩnh (NGSO) với ưu điểm độ cao quĩ đạo thấp hơn so với vệ tinh địa tĩnh, do đó chi phí triển khai rẻ hơn, thông tin truyền đi nhanh hơn và đảm bảo về chất lượng hơn. - Đây chính là tiền đề cơ sở để người ta phát triển các mạng lưới hệ thống vệ tinh theo nhiều loại ứng dụng khác nhau như: truyền thông, truyền hình, quan trắc, dự báo thời tiết. - Trong khuôn khổ luận văn này sẽ tập trung đến phần vệ tinh NOAA, một loại vệ tinh dự báo thời tiết thuộc hệ thống vệ tinh tầm thấp quĩ đạo không địa tĩnh LEO. - Hệ thống vệ tinh tầm thấp (LEO) và ứng dụng Vệ tinh quỹ đạo Trái Đất thấp (Low Earth Orbit hay là LEO) có quỹ đạo tròn điển hình cao 400 km so với bề mặt Trái Đất và tương ứng với chu kỳ (thời gian quay quanh Trái Đất) là khoảng 90 phút. - Tốc độ của vệ tinh cần thiết để đạt sự ổ định tương đối với mặt đất khoảng 7.8 km/s. - Vì độ cao thấp của nó, những vệ tinh này chỉ có thể nhìn thấy trong vòng bán kinh 1000 km từ điểm chiếu xuống của vệ tinh. - Thêm nữa, những vệ tinh thấp thay đổi vị trí của chúng so với bề mặt Trái Đất rất nhanh. - Vì vậy cho một ứng dụng tại một nơi, cần số lượng lớn các vệ tinh này trong để kết nối không bị ngắt quãng. - Như đã nói ở trên, việc sử dụng hệ thống LEO có ưu điểm hơn GEO khi khắc phục được một vài khó khăn lớn trong việc truyền thông tin như tốn ít năng lượng hơn để vươn tới những vệ tinh này, các thiết bị cầm tay để truyền thông qua đó cũng nhỏ gọn hơn. - Để triển khai một hệ thống tầm phủ toàn diện trên phạm vi toàn cầu thì cần phải tạo ra một hệ thống nhiều vệ tinh kết hợp.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt