Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống Ăng-ten thông minh làm việc ở băng L và băng S cho các trạm mặt đất vệ tinh tầm thấp

Hiện nay, vệ tinh được sử dụng trong các lĩnh vực thông tin liên lạc, định vị dẫn đường, quan sát và viễn thám, dự báo thời tiết, cảnh báo thảm hoạ... Tuỳ theo quỹ đạo hoạt động của vệ tinh, chúng ta có thể phân chia thành (1) các vệ tinh quỹ đạo xích đạo và đặc biệt là vệ tinh địa tĩnh hoạt động ở độ cao 35.786 km, (2) vệ tinh tầm trung (Circular Medium Earth Orbits - MEO) hoạt động ở độ cao khoảng 10.000km, (3) các vệ tinh tầm thấp quỹ đạo tròn (circular low earth orbit - LEO) với quỹ đạo cách trái đất vài trăm km. Do đặc điểm của từng quỹ đạo hoạt động với góc nghiêng, diện tích phủ và chu kì vòng quanh trái đất... mà các vệ tinh sẽ được gắn các nhiệm vụ và ứng dụng phù hợp. Ví dụ, vệ tinh địa tĩnh phù hợp với các loại hình thông tin liên lạc với độ trễ nhất định và phạm vi bao phủ diện tích 1 quốc gia, vùng lãnh thổ, và được ứng dụng trong thông tin liên lạc, truyền hình vệ tinh. Các vệ tinh MEO thường hoạt động theo chùm 10 tới 15 vệ tinh, chủ yếu cung cấp dịch vụ thông tin liên lạc thời gian thực trên phạm vị toàn cầu.

Quỹ đạo tầm thấp LEO có đặc điểm hoạt động trên bầu khí quyển bao quanh trái đất, chu kì quy đạo khoảng 90 phút, chi phí đưa vệ tinh lên quỹ đạo LEO thấp, thời gian sống trên quỹ đạo ngắn (do lực hút trái đất và lực ma sát với các thể khí gas)... nên ngày càng nhận được sự quan tâm của các tổ chức nghiên cứu và các trường đại học. Vệ tinh hoạt động trong quỹ đạo LEO thường được trang bị hệ thống liên lạc và truyền dữ liệu ở băng VHF, băng L và S. Với những vệ tinh viễn thám trang bị hệ thống cảm biến đa phổ độ phân giải cao, băng tần L và S thường được lựa chọn để truyền luồng dữ liệu tốc độ cao. Để tiến hành liên lạc và thu nhận dữ liệu từ vệ tinh LEO, các trạm mặt đất thường sử dụng các ăngten phản xạ với kích thước lớn. Các ăng-ten phản xạ này có dạng parabol với đường kích từ 1012m với hệ thống cơ khí điều khiển việc bám sát vệ tinh phức tạp, chi phí cao - chiếm tỉ trọng từ 30-50% chi phí của trạm mặt đất. Bên cạnh đó, các ăng-ten phản xạ có hạn chế là chỉ có thể bám sát một vệ tinh tại thời điểm nhất định, do đó hiệu quả sử dụng và độ linh hoạt trong việc triển khai các ăng-ten phản xạ kích thước lớn gặp nhiều khó khăn.

Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo ăng-ten vi dải và công nghệ vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (Software Defined Radio - SDR), các nghiên cứu áp dụng công nghệ ăng-ten vi dải và hệ thống ăng-ten thông minh áp dụng cho trạm mặt đất được đẩy mạnh. Hệ thống ăng-ten thông minh điều khiển bằng phần mềm ứng dụng cho trạm mặt đất hứa hẹn một thế hệ trạm di động mới được triển khai linh hoạt với kích thước nhỏ gọn, khả năng bám sát liên lạc với nhiều vệ tinh ở các dải tần làm việc khác nhau, với chi phí triển khai rẻ hơn so với công nghệ truyền thống. Dự án “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống Ăng-ten thông minh làm việc ở băng L và băng S cho các trạm mặt đất vệ tinh tầm thấp” do TS. Phạm Hải Đăng làm chủ nhiệm đề tài cùng các đồng nghiệp từ trường Đại học Bách Khoa thực hiện cũng nằm trong xu hướng được các trường ĐH trên thế giới hưởng ứng và đẩy mạnh nghiên cứu do phù hợp với định hướng phát triển vệ tinh cỡ nhỏ phục vụ nghiên cứu, linh hoạt trong việc triển khai thử nghiệm, chi phí chế tạo thấp. Hướng nghiên cứu này cũng phù hợp với xu hướng di động và cá nhân hoá (mobility and personality) trong thông tin vệ tinh phục vụ cho nhu cầu thông tin liên lạc và phát thanh truyền hình quảng bá.

Đề tài đã thực hiện nghiên cứu thiết kế hệ thống ăng-ten thông minh cho trạm mặt đất thu tín hiệu vệ tinh LEO tại băng tần L và băng tần S. Các nội dung nghiên cứu của đề tài bám sát theo thuyết minh đã được phê duyệt, cụ thể là các nhóm nội dung nghiên cứu chính và các chỉ tiêu kỹ thuật tương ứng.

Về cơ bản, đề tài đã thực hiện thành công các nội dung sau:

- Nghiên cứu thiết kế thành công hệ thống anten vòm cho trạm thu vệ tinh LEO hoạt động ở băng L và S. Cấu trúc của hệ thống anten vòm gồm 3 mảng anten phẳng với góc nghiêng 1200. Mỗi mảng anten phẳng gồm 4 mảng anten con có 4x4 phần tử. Hệ thống tiếp điện cho mảng con được thiết kế dựa trên bộ chia công suất Wilkinson nhằm đảm bảo biên độ và pha của công suất tín hiệu vào tiếp điện cho các phần tử anten đơn. Các kết quả đo hệ số phản xạ, hệ số tăng ích cho thấy mảng anten có khả năng hoạt động tốt ở băng tần L và S với hệ số tăng ích đảm bảo theo chỉ tiêu thiết kế.

- Nghiên cứu thiết kế thành công bộ đổi tần tuner từ RF về băng cơ sở. Đây là khối chức năng rất quan trọng của đề tài. Lần lượt các khối khuếch đại tạp âm thấp LNA, khối hạ tần từ RF về trung tần IF 70 MHz và khối hạ tần từ IF về băng cơ sở (baseband). Để thực hiện thành công khối tuner, đề tài đã thiết kế các bộ dao động LO để đưa vào bộ trộn với tín hiệu thu RF và bộ chuyển đổi ADC, bộ điều chỉnh hệ số khuếch đại AGC.

- Nghiên cứu thiết kế thành công thuật toán điều khiển tạo búp sóng (Beamforming) và triển khai trên FPGA. Các thiết kế tính toán và mô phỏng được thực hiện trên phần mềm System Vue. Các thuật toán tạo búp sóng số MMSE và MRC được mô phỏng và triển khai thành công trên phần cứng FPGA.

- Nghiên cứu tích hợp thành công hệ thống bức xạ anten vòm với khối đổi tần tuner và khối điều khiển tạo búp sóng. Đưa ra các quy trình thiết kế phần tử bức xạ, quy trình calib, đo kiểm tra thử nghiệm hệ thống thu thực tế. Các nội dung nghiên cứu trong đề tài được thực hiện từ tính toán thiết kế lý thuyết đến mô phỏng tối ưu và đo thực nghiệm để kiểm chứng.

Các kết quả đạt được là đáng tin cậy, đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu của đề tài, thể hiện quá trình nghiên cứu nghiêm túc của nhóm tác giả thực hiện đề tài.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (Mã số 14351/2017) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Theo Vista.gov.vn