- Vũ Hoàng Giang NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THIẾT BỊ ĐO TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH VỆ TINH K+ ĐỂ DỰ BÁO THỜI TIẾT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội - Năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - Vũ Hoàng Giang NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THIẾT BỊ ĐO TÍN HIỆU TRUYỀN HÌNH VỆ TINH K+ ĐỂ DỰ BÁO THỜI TIẾT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. - LÂM HỒNG THẠCH Hà Nội - Năm 2018 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp: “nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thiết bị đo tín hiệu truyền hình vệ tinh K+ để dự báo thời tiết” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. - 7 CHƯƠNG 1: TRUYỀN SÓNG VỆ TINH TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM. - Suy hao do hấp thụ trong mưa. - Ảnh hưởng của tầng đối lưu và tầng điện ly đến truyền sóng trong thông tin vệ tinh. - Suy hao trong không gian tự do. - Suy hao do hấp thụ sóng khi truyền qua tầng điện ly. - Đặc điểm của tín hiệu truyền hình K. - Tính toán tuyến thông tin vệ tinh. - Các hệ số phụ thuộc tần số phục vụ tính suy hao do mưa. - Biểu đồ tính toán hệ số suy hao do mưa. - Sơ đồ phủ sóng vệ tinh băng C. - Sơ đồ phủ sóng vệ tinh băng Ku. - Sơ đồ khối máy thu cường độ sóng vệ tinh K. - 34 Hình 2.10. - 35 Hình 2.11. - 37 Hình 2.12. - 38 Hình 2.13. - 38 Hình 2.14. - 40 Hình 2.15. - 41 Hình 2.16. - 42 Hình 2.17. - Đồ thị tín hiệu RSSI theo thời gian ngày 03/01/2018. - Đồ thị tín hiệu RSSI theo thời gian ngày 16/02/2018. - Đồ thị tín hiệu RSSI theo thời gian ngày 19/02/2018. - Áp dụng những kiến thức đã được học, em đã thực hiện đề tài nghiên cứu, chế tạo thiết bị đo cường độ sóng vệ tinh K+ phục vụ công tác dự báo thời tiết. - Em xin chân thành cảm ơn! 8 Hiện nay vệ tinh đã được sử dụng để nghiên cứu dự báo thời tiết ở nhiều nước trên thế giới [18], VNREDSat-1 vệ tinh viễn thám đầu tiên của Việt nam được phóng lên quỹ đạo từ tháng 5 năm 2013 đã chụp rất nhiều bức ảnh phục vụ dự báo thời tiết theo chu kỳ bay 98 phút một vòng quanh trái đất [19]. - Trong luận văn này tôi nghiên cứu theo hướng khai thác sóng vô tuyến có sẵn từ vệ tinh, mà cụ thể là vệ tinh Vinasat_1 của Việt nam để xây dựng bộ dữ liệu phục vụ dự báo thời tiết. - Một là: nguyên lý của radar dự báo thời tiết: phát và thu tín hiệu phản xạ thể hiện sự thay đổi cường độ sóng khi đi qua vùng khí quyển cần khảo sát. - Hai là: hiện nay ở Việt nam, truyền hình vệ tinh K+ có hơn một triệu thuê bao, điều đó đồng nghĩa với việc, về mặt lý thuyết, nếu có thiết bị đo, ở mỗi thời điểm, chúng tôi có thể thu thập được hơn một triệu dữ liệu thể hiện sự thay đổi cường độ sóng tín hiệu thu truyền hình vệ tinh K+ đi qua bầu khí quyển trên khắp đất nước theo thời gian thực. - 9 Truyền hình vệ tinh K+ Việt Nam sử dụng băng tần Ku của vệ tinh Vinasat_1 có hơn một triệu thuê bao, phân bố trên khắp 63 tỉnh thành, nghĩa là vùng không gian khảo sát rộng hơn rất nhều so với một radar thời tiết. - Như vậy trong nghiên cứu của tôi, vệ tinh (truyền hình K+) đóng vai trò máy phát tín hiệu vào không gian, vốn đã có sẵn, tôi chỉ thực hiện phần còn lại là đo cường độ sóng tín hiệu tại máy thu truyền hình vệ tinh K+ của các thuê bao, vốn cũng đã có sẵn và truyền kết quả đo theo gian thực về trung tâm xử lý, tạo nên một bộ dữ liệu đo phục vụ việc đánh giá, dự báo thời tiết. - 10 CHƯƠNG 1: TRUYỀN SÓNG VỆ TINH TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ QUYỂN VIỆT NAM 1.1. - Mưa Từ hình 1.3 ta thấy tổng lượng mưa trung bình trong một năm ở nước ta dao động trong khoảng từ 0mm – 4500mm. - Các điều kiện khí tượng đóng vai trò quan trọng khi xác định cường độ và tính chất biến thiên cường độ tín hiệu sóng của truyền sóng thông qua tầng đối lưu. - Suy hao truyền dẫn do nhiễu xạ tăng nhanh theo khoảng cách và được coi như là biến thiên cường độ tín hiệu sóng do tán xạ tầng đối lưu. - Suy hao năng lượng tín hiệu bức xạ do hấp thụ trong khí quyển xảy ra từ sự hấp thụ sóng vô tuyến do oxy và hơi nước trong không khí. - ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng tín hiệu. - Hình 1.5 biểu diễn sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ trong mưa với lượng mưa 100 mm/h vào tần số 19 Hình 1.5. - Tính toán suy hao do mưa: Suy hao do mưa trong thông tin vệ tinh được tính như sau. - là hệ số suy hao do mưa trên 1 km. - Biểu đồ tính toán hệ số suy hao do mưa [5] 1.4. - Ảnh hưởng của tầng đối lưu và tầng điện ly đến truyền sóng trong thông tin vệ tinh Khi truyền tải các tín hiệu vô tuyến qua khí quyển có rất nhiều yếu tố môi trường ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu do ảnh hưởng từ tầng điện ly và tầng đối lưu. - Mức suy hao của sóng vệ tinh được phát đi từ anten phát đến anten thu trong không gian tự do tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa hai anten và tỉ lệ nghịch với độ dài bước sóng. - Hình 1.8 Cho ta thấy sự suy hao do oxy và nước trong không khí. - Tín hiệu các kênh truyền hình phát trên K+ được thu tại Trạm phát lên vệ tinh tại Vĩnh Yên qua Vệ tinh VINASAT 1 và được truyền đi khắp cả nước. - Tính toán tuyến thông tin vệ tinh * Tính toán tuyến lên Hình 2.1. - là suy hao truyền sóng. - là tăng ích anten trạm mặt đất và anten thu trên vệ tinh. - là công suất đầu vào máy thu vệ tinh. - là suy hao truyền sóng trong không gian tự do. - Suy hao truyền sóng trong không gian tự do. - d là khoảng cách từ trạm mặt đất tới vệ tinh. - Đối với vệ tinh địa tĩnh, khoảng cách từ trạm mặt đất tới vệ tinh là. - là kinh độ của vệ tinh. - h là chiều cao từ trạm mặt đất tới vệ tinh h = 35785km. - Tính toán tuyến xuống Công suất nhận được trên vệ tinh từ trạm mặt đất phát lên được khuếch đại với hệ số khuếch đại tổng trên vệ tinh là GSAT và đưa ra anten trên vệ tinh để phát xuống. - Mô hình tương đương cho bài toán tính toán tuyến xuống [5] Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của vệ tinh EIRP. - Tính toán tuyến xuống tín hiệu truyền hình K+ từ vệ tinh Vinasat 1 tại điểm thu viện vật lý địa cầu * Thông số tín hiệu đâì truyền hình K+ từ vệ tinh Vinasat 1 - Tọa đô: 1320E - Tần số. - sóng phân cực ngang [9] Thực tế người ta xác định EIRP của một vệ tinh tại một vị trí cụ thể trên mặt đất thông qua sơ đồ phủ sóng vệ tinh. - Sơ đồ phủ sóng vệ tinh băng C [10] Hình 2.4. - Sơ đồ phủ sóng vệ tinh băng Ku [10] 28 Từ Hình 2.4 ta có EIRP của vệ tinh Vinasat1 băng Ku là 54 dBW. - (2.14) Trong đó: d là khoảng cách từ trạm mặt đất tới vệ tinh. - 132° là kinh độ vệ tinh Vinasat-1. - 35786 km là chiều cao vệ tinh. - là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của vệ tinh Vinasat-1. - Hệ số suy hao do mưa. - 31 Suy hao do mưa. - Thiết kế chế tạo thiết bị đo cường độ sóng truyền hình K+ 2.3.1 Yêu cầu a. - Nhiệm vụ Đo cường độ trường sóng vệ tinh đài K+ theo thời gian cài đặt, lấy tọa độ điểm đo. - Yêu cầu chức năng Đo giá trị cường độ sóng vệ tinh K+ Xác định tọa độ trạm đo Xác định thời điểm đo Gửi kết quả đo về Viện Vật lí Địa cầu Hình 2.6. - Sơ đồ khối máy thu cường độ sóng vệ tinh K+ Bảng 3: Chức năng đầu vào và đầu ra của các khối trong thiết bị đo Khối Đầu vào Đầu ra Bộ LNB (Low-Noise Block) Anten parabol thu sóng vệ tinh Vinasat 1 của đài K+, băng thu Tín hiệu truyền hình K+ tần số 1090MHz, Gain = 60dB Bộ chia 3 Way - Spliter Tín hiệu từ bộ LNB qua cáp đồng trục 50 Ohm 3 đường tín hiệu suy giảm – 6dB Bộ đo cường độ trường RSSI 1 trong 3 đầu ra của bộ chia qua cáp đồng trục 50 Ohm Tín hiệu Analog độ lớn phụ thuộc vào cường độ trường 0,7V – 1,6V tương ứng với dải đo từ - 62dBm đến - 9dBm với lỗi 0,1dB Module Sim 808 Tín hiệu điều khiển, tập lệnh Tọa độ của máy đo, thời gian lấy từ sóng di động GSM Gửi 1 tệp tin dưới dạng text bằng 33 GPRS đến server qua giao thức FTP Bộ xử lý trung tâm MCU (Micro-controller Unit) Chạy mã nguồn C để điều khiển các bộ phận trên Bộ nạp Code Chương trình từ máy tính Nạp code cho MCU Nguồn điện Nguồn điện lưới 220VAC Nguồn 1 chiều 2A 5VDC b. - Thiết kế * RSSI (Received Signal Strength Indicator) Đầu vào trực tiếp bộ chia K+, đầu ra là điện áp tương tự phụ thuộc vào cường độ sóng vệ tinh K+. - Cấu trúc IC AD8313 [15] Dải tần số tín hiệu đầu vào từ 0,1Ghz đến 2,5Ghz, dải cường độ sóng đầu vào -70 dBm đến -10 dBm 34 Hình 2.9. - Hình 2.10. - 37 Hình 2.11. - Code Nạp mã nguồn C từ máy tính cho MCU Hình 2.12. - Bộ xử lý trung tâm MCU Hình 2.13. - Gửi gói tin đến địa chỉ FTP server xác định qua module Sim 800C - Chức năng cài đặt Hình 2.14. - ADC7 (chân 22): lấy tín hiệu RSSI từ IC AD8313 m. - Điện áp đầu ra ổn định, biên độ gợn sóng thấp - Dung sai bảo đảm 1% chính xác - Đáp ứng nhanh khi tải thay đổi - Bảo vệ ngược và quá tải - Hiệu suất cao đối với nguồn tuyến tính - Có thể điều chỉnh điện áp ra Hình 2.15. - 42 IC AMS1117 lấy điện áp 3.3VDC cấp cho khối lưu trữ thẻ nhớ: Hình 2.16. - Nguồn Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển: Hình 2.17. - RSSI: đo cường độ sóng vệ tinh băng Ku của đài K. - Mô hình lắp đặt thiết bị và truyền dữ liệu về viện vật lý địa cầu - Tín hiệu RSSI từ các thiết bị được đặt tại các tỉnh sẽ tự động truyền đồng thời về Viện vật lý địa cầu. - Tại điểm thu Nam Định Hình 3.5 là đồ thị biểu diễn tín hiệu RSSI thu được ngày tại trạm thu Viện Vật lý Địa cầu. - Tín hiệu RSSI thu được ngày 3/1/2018 tại trạm thu đặt ở cơ sở 2 Trường cao đẳng nghề số 20/BQP - TP. - Tại điểm thu Phú Xuyên – Hà Nội - Hình 3.6 là đồ thị biểu diễn tín hiệu RSSI thu được ngày Hình 3.6. - Đồ thị tín hiệu RSSI theo thời gian ngày Hình 3.6 tín hiệu RSSI thu được ngày 16/2/2018 tại trạm thu đặt ở Phú Xuyên, Hà Nội. - Hình 3.7 là đồ thị biểu diễn tín hiệu RSSI thu được ngày tại trạm thu Viện Vật lý Địa cầu. - Đồ thị tín hiệu RSSI theo thời gian ngày Hình 3.7 tín hiệu RSSI thu được ngày 19/2/2018 tại trạm thu đặt ở Phú Xuyên, Hà Nội. - Tại điểm thu Viện vật lý địa cầu Hình 3.8 biểu thị dữ liệu RSSI trên server Viện Vật lý địa cầu tại trạm đo Việt Vật lý địa cầu từ 20h00 ngày 11/5/2018 đến 22h00 ngày 12/5/2018. - Đặc biệt từ 19h đến 21h30 ngày 12/5/2018 mưa rào, giá trị RSSI giảm mạnh, từ kết quả RSSI tính ra công suất sóng vệ tinh K+ suy giảm từ 4dB đến 10dB trong mưa. - Số liệu RSSI tại Nam Định ở Viện Vật lý địa cầu 51 Hình 3.9 biểu thị dữ liệu RSSI trên server Viện Vật lý địa cầu tại trạm đo đặt ở thành phố Nam Định từ 20h00 ngày 11/5/2018 đến 22h00 ngày 12/5/2018. - 52 KẾT LUẬN Quá trình thiết kế luận văn với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thiết bị đo tín hiệu truyền hình vệ tinh K+ để dự báo thời tiết” đã giúp tôi củng cố thêm kiến thức về lý thuyết dự báo thời tiết, cách khai thác và xử lý sóng truyền hình K+ để lấy dữ liệu phục vụ cho việc dự báo thời tiết. - Đề tài bước đầu đã xây dựng được cách thiết kế, chế tạo hệ thiết bị đo thực nghiệm cường độ sóng truyền hình vệ tinh K+ và tiến hành đo thực nghiệm ở một số điểm đo trong nước. - Sự thay đổi cường độ sóng truyền hình vệ tinh K+ phản ánh sự thay đổi của thời tiết ở khu vực khảo sát. - Bộ dữ liệu đo có thể được sử dụng để đánh giá một cách thực tế mức độ suy hao truyền sóng vệ tinh ở các khu vực khác nhau ở Việt Nam theo thời gian trong năm. - [18] http://www.sat24.com/ [19] VNREDSat-1 vệ tinh viễn thám đầu tiên của Việt nam, chuyentrang.monre.gov.vn/ [20] Doppler weather radar, RICHARD J
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt