Thiết kế và chế tạo trạm thu di động thông tin vệ tinh dựa trên sensor từ trường độ nhạy cao ứng dụng trên tầu biển. Mã số VT/CN-03/13-15.

Chủ nhiệm đề tài GS.TS. Nguyễn Hữu Đức Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội- 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội.
Thời gian thực hiện 2013 - 2016
Thuộc chương trình Khoa học và Công nghệ Vũ trụ (2012-2015)
Cán bộ tham gia
Tổng kinh phí 5.5 tỷ đồng
Xếp loại đề tài Xuất sắc
Mục tiêu đề tài

-    Hoàn thiện, phát triển và ổn định công nghệ chế tạo và xử lý tín hiệu đối với la bàn điện tử sử dụng sensơ từ trường độ nhạy cao; công nghệ chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng C và thiết kế chế tạo hệ thống (phần cơ khí, phần cứng và phần mềm) tự động tìm kiếm và bám vệ tinh.
-    Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh sản phẩm trạm thu di động tín hiệu vệ tinh VINASAT băng tần C, điều khiển bằng sensơ từ trường độ nhạy cao, sử dụng trên tàu biển.
-    Lắp đặt, vận hành thử nghiệm trên tàu biển để đánh giá và hoàn thiện sản phẩm trong điều kiện thời tiết bình thường.

Kết quả đạt được

8.    Các kết quả chính của đề tài:
8.1. Thiết kế và lắp ráp máy thu băng tần C
Máy thu bằng tần C được thiết kế hai lần trộn tần, trộn tần lần thứ nhất xuống băng tần L và trộn tần lần hai xuống trung tần HF hoặc băng cơ sở. Giải pháp thiết kế này cho phép cải thiện chất lượng máy thu về hệ số khuếch đại, cho phép sử dụng các giải pháp điều khiển tự động hệ số khuếch đại, làm tăng dải động máy thu và đảm bảo đáp ứng dải thông máy thu theo các yêu cầu sử dụng. Máy thu băng tần L được thiết kế như khối thu cơ sở, có khả năng tích hợp với tuyến thu siêu cao tần băng Ku (tần số làm việc từ 12 GHz tới 18 GHz), cho phép máy thu băng C mở về dải tần Ku, đáp ứng yêu cầu phát triển hệ thống sau này khi sử dụng các dịch vụ qua vệ tinh VINASAT2. Giải pháp thiết kế nêu trên đáp ứng tốt yêu cầu phát triển hệ thống ở nước ta hiện nay, cho phép giảm chi phí chế tạo thiết bị phục vụ nghiên cứu khoa học và phát triển sản phẩm trong lĩnh vực công nghệ vũ trụ. Máy thu có ác thông số kỹ thuật chính như sau:
Tuyến thu băng C:
-    Độ nhạy tuyến thu băng C: -103 dBm tại đầu vào LNA, đáp ứng LNB -130 dBm; Tần số thu băng C từ 3.200 MHz tới 3.800 MHz. Tần số lối ra LNB băng C đưa tới lối vào  băng L: 950 MHz- 2.150 MHz.
-    Hệ số chuyển đổi từ băng C xuống  băng L: 12.5 dB
-    Phổ tần số dao động LO: Phủ băng tần C
Máy thu băng L:
-    Độ nhạy: -113 dBm. Hệ số khuếch đại LNA băng L: >16.4 dB
-    Đặc trưng tần số - Biên độ LNA
-    Tần số dao động tại chỗ 850-2050 MHz. Tần số Trung tần IF băng L: 100 MHZ. Hệ số khuếch đại trung tần: 81 dB
-    Dải động: 61dB. Băng thông 1200 MHz
-    Hệ số chuyển đổi Băng L xuống IF: 40 dB. Các lối ra AM, PM, trung tần kênh biên độ 100MHz, Trung tần I/Q 100 MHz.
8.2. La bàn điện tử
La bàn điện tử đã được thiết kế và chế tạo bao gồm 2 mô đun: khối cảm biến và khối điện tử. Cảm biến từ trường hoạt động dựa trên hiệu ứng từ giảo – áp điện. Khối cảm biến 2D thực chất là tổ hợp 2 cảm biến 1D đơn trục đặt vuông góc với nhau, có tần số cộng hưởng trong khoảng f = 100 kHz. Độ phân giải góc tốt hơn 0,2 độ. Tín hiệu cảm biến được xử lý offet và chuẩn hóa trực giao. Khối điện tử hoạt động trên cơ sở nguyên lý khuyếch đại lọc lựa (khuyếch đại lock-in), bao gồm khối phát xung tạo tín hiệu (chuẩn) cao tần nuôi cuộn dây tạo từ trường xoay chiều kích thích; khối đo lường và chuẩn hóa tín hiệu và khối hiển thị, giao tiếp. Khối phát xung được thiết kế sử dụng vi mạch module AD9850. Tín hiệu đo lường từ cảm biến được đưa qua IC đo lường INA128 để khuếch đại và IC OPA2350 để lọc nhiễu. Đầu đo cảm biến sau khi được đóng gói hoàn thiện được tích hợp với mạch điện tử và màn hình hiển thị LCD Graphic LCD123864.
8.3. Trạm thu vệ tinh di động
Trạm thu thông tin vệ tinh di động bao gồm hệ thống tự động tìm, bám sát vệ tinh và máy thu băng tần C. Về thực chất, có thể coi trạm thu này bao gồm ăng ten chảo gắn với hệ thống tự động tìm kiếm, bám sát vệ tinh và máy thu băng tần C. Ăng ten sẽ được bám sát với một vệ tinh địa tĩnh có tọa độ được xác định cho trước. Trong quá trình trạm thu di chuyển, định hướng giữa ăng ten và vệ tinh bị thay đổi (cả về phương vị và góc ngẩng, góc cuộn) và hệ thống phải đảm bảo sao cho ăng ten của trạm thu sẽ được điều khiển quay tới vệ tinh theo tọa độ phương vị và góc ngẩng để nhận được tín hiệu lối ra máy thu cực đại.
Trước hết, hệ thống bao gồm hệ cơ khí đảm bảo cơ cấu truyền động phương vị, góc ngẩng và hệ thống chống rung. Để đảm bảo cho hệ hoạt động với độ mịn cao, đáp ứng theo thời gian thực, cơ cấu chuyển động bánh răng – đai răng đã được lựa chọn.
Khối xác định thông tin về vị trí và định hướng thực của ăng ten theo cả 3 góc phương vị, ngẩng và cuộn). Trong đó, thông tin điều khiển chủ yếu được cung cấp bởi cảm biến GPS (đối với định vị thô ban đầu), cảm biến từ trường (đối với định vị thực) và mô-đun đo cường độ tín hiệu vệ tinh (đối với tinh chỉnh và tối ưu tín hiệu).
Khối động cơ bao gồm 3 động cơ servo dùng cho khiển vị trí, vận tốc, mô-men. Trong hệ thống này, nguyên lý điều khiển hoạt động theo cơ chế đáp ứng vị trí, sử dụng hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín. Nguyên tắc hoạt động của chế độ điều khiển vị trí là dựa trên sự sai khác giữa vị trí đặt và vị trí thực tế. Bộ điều khiển động cơ sẽ ra lệnh để đưa hệ gắn kèm với động cơ trở về vị trí yêu cầu mỗi khi có sự sai lệch của vị trí đặt và vị trí thực tế.
Khối driver và chương trình điều khiển được thực hiện thông qua khối cảm biến và encoder phản hồi vị trí. Hệ điều khiển sử dụng chương trình viết bằng ngôn ngữ C và dịch bằng trình biên dịch Keil uVision, trong đó phải đảm bảo  kết nối và truyền các dữ liệu vào ra với vi điều khiển.
Nguyên lý điều khiển hệ thống bám vệ tinh đã được thiết kế đảm bảo cho hệ thống mô tơ 3 servo hoạt động luôn luôn chuyển dịch ăng-ten (theo cả 3 góc phương vị, ngẩng và cuộn) hướng đúng về vị trí vệ tinh. Trong đó, thông tin điều khiển chủ yếu được cung cấp bởi cảm biến GPS (đối với định vị thô ban đầu), cảm biến từ trường (đối với định vị thực) và mô-đun đo cường độ tín hiệu vệ tinh (đối với tinh chỉnh và tối ưu tín hiệu). Hệ điều khiển sử dụng chương trình viết bằng ngôn ngữ C và dịch bằng trình biên dịch Keil uVision. Các mô-đun và linh kiện điện tử được lựa chọn và thiết kế phù hợp với cơ cấu chấp hành. Chức năng của các khối đã được kiểm tra. Việc tích hợp các khối đã được thực hiện, đảm bảo cho việc thử nghiệm theo kịch bản trình diễn trên tàu biển.
Trạm thu thông tin vệ tinh di động đạt các thông số kỹ thuật:
-    Phạm vi hoạt động góc ngẩng: 15-80ο; Phạm vi hoạt động góc phương vị: 360ο
-    Độ chính xác bám góc phương vị: ± 0,25ο; Độ chính xác bám góc ngẩng : ± 0, 5ο
-    Tốc độ quay góc phương vị của ăng ten: 12ο/s; Tốc độ quay góc ngẩng của ăng ten: 12ο/s.
-    Gia tốc độ quay góc phương vị của ăng ten: 12ο/s2; Gia tốc độ quay góc ngẩng của ăng ten: 12ο/s2.
-    Điện áp nguồn nuôi: 220V@30A. Trở kháng vào ăng tenna 75Ω

nhduc

Những đóng góp mới

Phát triển một trạm thu hoàn chỉnh tích hợp các công nghệ và sản phẩm liên ngành, từ nguyên lý định vị tọa độ; phương, hướng và kỹ thuật điều khiển bám vệ tinh đến công nghệ chế tạo cảm biến từ trường và hệ cơ khí, máy thu... với 4 sản phẩm cơ bản là:
-    Chế tạo hoàn chỉnh la bàn điện tử sử dụng sensơ từ trường độ nhạy cao dựa trên hiệu ứng từ giảo – áp điện;
-    Chế tạo tuyến thu siêu cao tần băng C, trong đó có lối ra của băng Ku (sử dụng cho kịch bản trình diễn);
-    Chế tạo hệ thống cơ-điện tử và phần mềm điều khiển tìm kiếm và bám vệ tinh;
-    Tích hợp hệ thống thành trạm thu hoàn chỉnh và thử nghiệm trên tàu biển.
    Sản phẩm của đề tài đáp ứng tốt yêu cầu với các thông số kỹ thuật tương đương với các sản phẩm ngoại nhập, cho phép giảm chi phí chế tạo thiết bị phục vụ phát triển trong lĩnh vực công nghệ vũ trụ của Việt Nam

Sản phẩm

Các bài báo, sách chuyên khảo,… đã công bố (liệt kê)
a) Bài báo trên các tạp chí quốc tế trong hệ thống ISI/Scopus: 04
[1].    Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Bach Gia Duong, Improvement of Steptracking Algorithm Used Formobile Receiver System Via Satellite, International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE) ISSN: 2088-8708 SCOPUS  indexed Journal Vol.5, No.2, Scopus.
[2].    Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Ngo Thi Lanh, Bach Gia Duong, Design of a C-Band Low-Noise Block Front-end for Satellite Receivers, International Journal of Applied Engineering Research (IJAER), Volume 11, Number 8 (2016) pp 5646-4652,ISSN 0973-4562, Scopus.
[3].    Tran Van Hoi, Ngo Thi Lanh, Nguyen Xuan Truong, Nguyen Huu Duc, Bach Gia Duong, Design of a Front-end for Satellite Receiver, International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), Vol.6, No. 5, 2016, pp. xx~xx, ISSN: 2088-8708, 2016 (in press), Scopus.
[4].    D.T. Huong Giang, D.X. Dang, N.X. Toan, N.V. Tuan and N.H. Duc, Distance magnetic nanoparticle detection using a magnetoelectric sensor for clinical interventions, Sensors and Actuators, A: Physics, 2016 (Major revision), ISI.
b) Bài báo trên các tạp chí quốc tế khác: 02
[1].    L.K. Quynh, B.D. Tu, D.X. Dang, D.Q. Viet, L.T. Hien, D.T. Huong Giang, N.H. Duc, Detection of magnetic nanoparticles using simple AMR sensors in Wheatstone bridge, Journal of Science: Advanced Materials and Devices 1 (2016) 98-102, ScienceDirect.
[2].    D.T. Huong Giang, N.H. Duc, G. Agnus, T. Maroutian, P. Lecoeur, Fabrication and characterization of PZT string based MEMS devices, Journal of Science: Advanced Materials and Devices, 2016, http://dx.doi.org/10.1016/j.jsamd.2016.05.004, ScienceDirect.
c) Các báo cáo trên tạp chí trong nước: 02
[1].    Tran Van Hoi, Nguyen Xuan Truong, Bach Gia Duong, Satellite Tracking Control System Using Fuzzy PID Controller, Tạp chí VNU Journal of Science: Mathematics – Physics 2015, Vol.31, No. 1 (2015) 36-46.
[2].    Đỗ Hương Giang, Bùi Đình Tú, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Hữu Đức, La bàn 2D ứng dụng trong các trạm thu vệ tinh di động, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 31, Số 4 (2015) 9-14.
d) Bài báo báo cáo tham dự hội nghị khoa học quốc tế: 03
[1].    Research, manufacturing optimal structure sensor measure the low magnetic field structure wheastone bridge based on anisotropic magnetoresistance effects, L.K. Quynh, B.D. Tu, D.Q. Viet, N.T.Thuy, N.X. Toan, T.M. Danh, N.H. Duc, D.T.H. Giang, Proceeding of The 5thinternational workshop on nanotechnology and application (IWNA 2015), page 416.
[2].    Tran Van Hoi, Hoang Duc Long, Bach Gia Duong, Low noise block downconverter design for satellite receiver system Vinasat 1 operating at C-band, The Proceedings of The 2013 IEICE International Conference on Integrated Circuits, Design and Verification (ICDV 2013), Ho Chi Minh 15-16/11/2013, page 110.
[3].    Tran Van Hoi, Hoang Duc Long, Bach Gia Duong, High gain low noise amplifier design used for RF front end application, The Proceedings of The 2013 IEICE International Conference on Integrated Circuits, Design and Verification (ICDV 2013), Ho Chi Minh 15-16/11/2013, page 243.
e) Bài báo báo cáo tham dự hội nghị khoa học trong nước: 09
[1].    Cải tiến thuật toán bám từng bước dùng cho hệ thống di động qua vệ tinh, Trần Văn Hội, Bạch Gia Dương, Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin, REV-ECIT 2014, trang 209.
[2].    Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo dòng điện sử dụng hiệu ứng từ-điện trên nền vật liệu Metglas/PZT, Lê Văn Dương, Đỗ Thị Hương Giang, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Hữu Đức, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc lần thứ 8, Thái Nguyên, trang 71.
[3].    Nghiên cứu, tối ưu cấu hình và mô phỏng lý thuyết hiệu ứng từ-điện trên các vật liệu tổ hợp Metglas/PZT, Phạm Anh Đức, Đỗ Thị Hương Giang, Nguyễn Thị Ngọc, Nguyễn Hữu Đức, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 8, Thái Nguyên, trang 119.
[4].    Nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo từ trường thấp dạng cầu wheatstone dựa trên hiệu ứng từ-điện trở dị hướng (AMR), Bùi Đình Tú, Đỗ Thị Hương Giang, Đồng Quốc Việt, Nguyễn Xuân Toàn, Trần Mậu Danh, Lê Khắc Quynh, Nguyễn Hải Bình, Nguyễn Hữu Đức, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Vật lý Chất rắnvà Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 8, Thái Nguyên, trang 25.
[5].    Chế tạo và nghiên cứu màng mỏng từ-điện Terfecohan/PZT cấu trúc nanô, Tuyển tập Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc lần thứ 9 (SPMS-2015), Tp. Hồ Chí Minh, trang 16.
[6].    Fabrication and Investigation of magnetic sensor based on anisotropic magnetoresitance effects for magnetic beads detection, L.K. Quynh, B.D. Tu, D.X. Dang, D.Q. Viet, N.H. Duc, L.T. Hien and D.T. Huong Giang, Tuyển tập Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc lần thứ 9 (SPMS-2015), Tp. Hồ Chí Minh 8-10/11/2015, trang 93.
[7].    Tăng cường độ nhạy của cảm biến đo từ trường 2D dựa trên hiệu ứng từ-điện theo nguyên tắc mạch từ khép kín, Nguyễn Văn Tuấn, Lê Khắc Quynh, Nguyễn Hữu Đức và Đỗ Thị Hương Giang, Tuyển tập Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc lần thứ 9 (SPMS-2015), Tp. Hồ Chí Minh 8-10/11/2015, trang 140.
[8].    Cảm biến từ trường siêu nhạy dựa trên hiệu ứng từ - điện cho việc phát hiện nhanh các hạt từ kích thước nano, Nguyễn Xuân Toàn, Đặng Xuân Đăng, Lê Khắc Quynh, Bùi Đình Tú, Nguyễn Hữu Đức và Đỗ Thị Hương Giang, Tuyển tập Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc lần thứ 9 (SPMS-2015), Tp. Hồ Chí Minh 8-10/11/2015, trang 117.
[9].    Designing Wideband Microstrip Bandpass Filter for Satellite Receiver Systems, Tran Van Hoi, Bach Gia Duong, Tuyển tập Hội nghị Quốc gia về Điện tử - Truyền thông (REV 2013), Hà Nội 17-18/12/2013, page 140.
f) Sách chuyên khảo tiếng anh: 01
[1].    Advanced Magnetism and Magnetic Materials, Vol 2: Aspects in Magneto-electrostrictive Materials, Nguyen Huu Duc Edited, VNU Press, 2015.
    g) Đăng ký sáng chế: 01
[1].    Cảm biến nhạy từ trường dựa trên hiệu ứng từ giảo – áp điện và phương pháp chế tạo, và linh kiện cảm biến. Quyết định số 44873/QĐ-SHTT ngày 25 tháng 07 năm 2016 của Cục sở hữu trí tuệ.
  

Sản phẩm Nguyên lý ứng dụng, Bản vẽ thiết kế, Quy trình công nghệ
a) Dạng I - Mẫu; Sản phẩm; Vật liệu; Thiết bị, máy móc; Dây chuyền công nghệ
-    La bàn điện tử
-    Trạm thu di động: Máy thu băng C gắn trên hệ thống tìm kiếm và bám tinh đặt trên tầu biển.
b) Dạng II - Nguyên lý ứng dụng; Bản vẽ thiết kế; Quy trình công nghệ; Báo cáo nghiên cứu khả thi và các sản phẩm khác
-    Quy trình công nghệ chế tạo la bàn điện tử
-    Quy trình công nghệ, bản thiết kế chức năng và sơ đồ nguyên lý sản xuất các khối chức năng chính của hệ thống tự động sục sạo và bám sát góc phương vị, góc tà.
-    Bản thiết kế chức năng và sơ đồ nguyên lý cơ cấu chấp hành và điều khiển anten.
-    Phần mềm nhúng tính toán xử lý trung tâm và xử lý góc sai số phương vị, góc tà.
c) Dạng III - Sản phẩm đào tạo:
-    Tiến sĩ:02
-    Thạc sĩ: 05

Địa chỉ ứng dụng

triển khai áp dụng trên tàu khách, tàu du lịch trên biển.

Kiến nghị của chủ nhiệm đề tài
Đề tài đã hoàn thành đầy đủ các yêu cầu đặt ra. Đề nghị được tiếp tục đầu tư để phát triển thành sản phẩm thương mại.

Bản quyền thuộc về Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Địa chỉ: 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội. Email: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Khi phát hành lại thông tin trên Website cần ghi rõ nguồn: "Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam".