Tính toán và khảo sát tham số chuyển động góc của ăng ten trang bị trên tàu biển trong bài toán bám sát vệ tinh

Bài viết sẽ trình bày cách xác định các góc ăng ten khi bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài như sóng, gió và khảo sát tốc độ góc của nó để làm cơ sở cho việc thiết kế chế tạo bệ ăng ten phục vụ cho bài toán bám sát vệ tinh. Bài báo mô phỏng đánh giá thuật toán và đưa ra tham số góc và tốc độ góc của bệ ăng ten trong điều kiện tư thế phương tiện thay đổi trong một phạm vi xác định.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tính toán và khảo sát tham số chuyển động góc của ăng ten trang bị trên tàu biển trong bài toán bám sát vệ tinh Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Tính toán và khảo sát tham số chuyển động góc của ăng ten trang bị trên tàu biển trong bài toán bám sát vệ tinh Lê Văn Phúc*Viện Tự động hóa Kỹ thuật quân sự, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, 89B Lý Nam Đế, Cửa Đông,Hoàn Kiếm, Hà Nội, Việt Nam.* Email: levanphuccapiti@gmail.comNhận bài: 05/01/2024; Hoàn thiện: 08/3/2024; Chấp nhận đăng: 14/3/2024; Xuất bản: 01/4/2024.DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.CAPITI.2024.56-61 TÓM TẮT Để trao đổi thông tin với vệ tinh chúng ta cần tới một hệ thống ăng ten truyền và nhận tín hiệuvới vệ tinh đã được đăng ký dịch vụ từ trước. Việc truyền nhận tín hiệu giữa ăng ten và vệ tinh phụthuộc rất nhiều yếu tố như công suất phát, độ nhạy máy thu, môi trường. Để đạt được mức tín hiệutốt nhất hướng của ăng ten cần luôn hướng đến hướng của vệ tinh cần liên lạc. Trong quá trìnhchuyển động của tàu trên biển, tư thế của tàu luôn bị ảnh hưởng bởi các tác động như sóng, gió,…do đó, góc đường ngắm của ăng ten luôn bị ảnh hưởng. Bài báo sẽ trình bày cách xác định cácgóc ăng ten khi bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài như sóng, gió và khảo sát tốc độ góc của nóđể làm cơ sở cho việc thiết kế chế tạo bệ ăng ten phục vụ cho bài toán bám sát vệ tinh. Bài báo môphỏng đánh giá thuật toán và đưa ra tham số góc và tốc độ góc của bệ ăng ten trong điều kiện tưthế phương tiện thay đổi trong một phạm vi xác định.Từ khoá: Góc đường ngắm; Động hình học; Hệ bám anten; Phương tiện cơ động. 1. MỞ ĐẦU Nhu cầu sử dụng các thiết bị thông tin truyền hình, phát thanh bằng tín hiệu vệ tinh tại nước ta làrất lớn, do đặc thù có bờ biển dài chạy dọc đất nước với nhiều cảng biển và có số lượng rất lớn cácphương tiện tàu thuyền vận tải, đánh bắt thủy hải sản, cảnh sát biển, kiểm ngư,… đang hoạt độngtrên biển. Các nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ thống thu vệ tinh đặc biệt là ăng ten liên lạc vệ tinhdi động ứng dụng trên các phương tiện tàu biển, tàu hoả, ôtô,… đã được nhiều nhà khoa học trên thếgiới nghiên cứu và công bố trên các tạp chí khoa học kỹ thuật điển hình như các công trình [7-10].Ở trong nước hiện tại đã có một số đơn vị nghiên cứu, trường đại học đã và đang nghiên cứu các giảipháp cho thông tin vệ tinh [1-3], các nghiên cứu tập trung vào giải pháp thu nhận, xử lý tín hiệu từnhận về từ vệ tinh, xác định được góc đường ngắm cho ăng ten thu đặt cố định trên mặt đất. Chưacó nghiên cứu, đánh giá, khảo sát bệ ăng ten di động được đặt trên tàu biển. Trong quá trình chuyển động của tàu trên biển, tư thế của tàu luôn bị ảnh hưởng bởi các tácđộng như sóng biển, gió, và sự thay đổi hướng của tàu,… do đó, đường cân bằng tín hiệu của ăngten luôn bị thay đổi. Vì vậy, để ăng ten luôn hướng tới vệ tinh chúng ta cần phải luôn luôn điềuchỉnh góc tầm và góc phương vị của ăng ten sao cho đường cân bằng tín hiệu của nó luôn trùngvới đường ngắm của ăng ten tới vệ tinh. Bệ ăng ten liên lạc vệ tinh là một cơ hệ có thể bao gồm 2, 3 hoặc đến 4 bậc tự do [5, 6, 11].Bài báo ngiên cứu về bệ ăng ten là một cơ hệ có 2 bậc tự do, có thể quay theo góc tầm và góchướng và đồng thời giới hạn chỉ xem xét các tính toán, khảo sát cho ăng ten liên lạc với vệ tinhthông tin ở quỹ đạo địa tĩnh. Các cảm biến đặt trên bệ ăng ten bao gồm: 01 GPS để xác định vị trícủa ăng ten, 01 IMU để xác định các góc nghiêng của sàn tàu nơi đặt ăng ten. Để thiết kế cho hệtruyền động bám ăng ten chúng ta cần phải xác định được các tham số góc của bệ ăng ten. Khi bệăng ten hoạt động cần phải cung cấp góc và vận tốc góc cho hệ bám thực hiện việc bám theo vệtinh, mặt khác nó cũng là cơ sở để thiết kế, lựa chọn các phần tử cấu thành bệ ăng ten như tốc độđộng cơ, tỉ số truyền của hộp số. Do đó, trong bài báo này sẽ trình bày phương pháp xác định cáctham số góc làm cơ sở cho việc thiết kế chế tạo hệ truyền động bám ăng ten.56 Lê Văn Phúc, “Tính toán và khảo sát tham số … trên tàu biển trong bài toán bám sát vệ tinh.”Nghiên cứu khoa học công nghệ 2. XÁC ĐỊNH GÓC VÀ TỐC ĐỘ GÓC ANTEN Hình 1. Quan hệ vị trí của tàu biển và vệ tinh. Trong bài báo sử dụng các hệ tọa độ để tính toán là hệ tọa độ địa tâm, hệ tọa độ tiếp tuyến, hệtọa độ liên kết. Hệ tọa độ địa tâm là hệ tọa độ gốc O trùng với tâm trái đất, trục OX e Có chiềudương quay về phía giao điểm của đường kinh tuyến gốc và đường xích đạo, trục OZe trùng vớitrục quay của trái đất và trục còn lại OYe hướng về phía đông hợp với hai trục kia thành một tamdiện thuận. Hệ tọa độ tiếp tuyến có gốc P đặt ở tâm bệ ăng ten, trục E là tiếp tuyến với đường vĩtuyến về hướng đông, trục N tiếp tuyến với đường vĩ tuyến về hướng bắc, trục U trùng với đườngthẳng đứng địa phương. Hệ tọa độ liên kết có gốc trùng với vị trí đặt tâm bệ ăng ăng ten P, trụcPYb nằm trên mặt phẳng sàn gắn ăng ten, chiều dương hướng lên mũi tàu, trục PXb nằm trên mặtphẳng sàn gắn ăng ten chiều dương hướng sang phải, trục PZb hướng lên trên vuông góc với mặtphẳng PXbYb. Bằng việc sử dụng cảm biến GPS đặt tại ăng ten chúng ta có thể xác định được tọa độ ăng ten.Giả sử ăng ten thu tín hiệu vệ tinh có vị trí là P (λp, φp,R+ hp) trong hệ tọa độ địa tâm.Trong đó, λplà kinh độ φp là vĩ độ, R là bán kính của trái đất, hp độ cao của ăng ten thu P so với bề mặt trái đấttại một thời điểm xác định . Vị trí của vệ tinh cần liên lạc ta có thể biết trước. Hình 1 vệ tinh liênlạc S có vị trí trong tọa độ địa tâm là S(λs, φs, r) và λs là kinh độ, φs là vĩ độ, r là khoảng cách từ tâmtrái đất đến vệ tinh S, hs là độ cao của vệ tinh (khoảng cách từ vệ tinh đến bề mặt trái đất theođường ngắn nh ...