Giáo trình Các hệ thống thông tin vô tuyến: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:120

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Các hệ thống thông tin vô tuyến: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như Tống quan về thông tin vệ tinh; Vệ tinh thông tin; Trạm mặt đất; Tính toán năng lượng đường truyền. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Các hệ thống thông tin vô tuyến: Phần 2

Phần III HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Chương 7 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 7.1. GIỚI THIỆU CHUNG Ngày nay, thông tin vệ tinh đã trở thành một bộ phận quan trọng không thể thiếu được cùa hệ thống thông tin trên thế giới, ơ quy mô quốc gia và toàn cầu. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vũ trụ, công nghệ điện tử và công nghệ tin học đã cho phép tăng dung lượng của thông tin vệ tinh lên rất nhiều. Mạng vệ tinh thông tin với những vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh đã phủ sóng toàn cầu, cho phép thực hiện thông tin quy mô trên toàn thế giới. Mạng vệ tinh tầm thấp và tầm trung bình đang được thiết lập cho phép thực hiện thông tin di động giữa các điểm bất kỳ trên the giới không phân biệt là rừng núi, biển cà hay đô thị và trong mọi thời gian khác nhau. 7.1.1. Lịch sử ra đời của hệ thống thông tin vệ tinh Công nghệ thông tin vệ tinh bắt nguồn bắt nguồn từ hai công nghệ được phát triển mạnh trong Thế chiến thứ 2, đó là công nghệ tên lửa và công nghệ vi ba. Kỷ nguyên sừ dụng không gian vũ trụ làm môi trường truyền dẫn cho các hệ thống viễn thông được bất đầu vào 04/10/1957 khi Liên Xô (cũ) phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK vào quỹ đạo. Những năm về sau đã để lại nhiều sự kiện như: vệ tinh phát quàng bá SCORE năm 1958, vệ tinh phàn xạ ECHO năm 1960. truyền dẫn kiểu lưu trữ và chuyển tiếp bằng vệ tinh COURIER cũng trong năm 1960, các vệ tinh chuyển tiếp băng rộng TELSTAR và RELAY năm 1960. Nhưng các loại vệ tinh này mà Liên Xô (cũ) và Mỹ đưa vào quỹ đạo thuộc loại vệ tinh không địa tĩnh, chúng có nhuợc điềm là chi 146
“dừng” trong phạm vi thu sóng cùa trạm thu mặt đất tối đa là 4h/ngày. Ngày 14/02/1963 tập đoàn hàng không vũ trụ NASA (Mỹ) đã phóng vào quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh đầu tiên mang tên SYNCOM - 1. Đến năm 1965, vệ tinh địa tĩnh thương mại đầu tiên INTERS AT 1 (còn được gọi là Early bird) đánh dấu sự mờ đầu cho hàng loạt sự ra đời của các vệ tinh truyền thông thương mại. 7.1.2. Quá trình phát triển Các vệ tinh đưa vào quỹ đạo đầu tiên bị giới hạn bởi trọng lượng vệ tinh, cho nên cung cấp dung lượng tương đối thấp và giá thành tương đối cao; chẳng hạn như INTERSAT I nặng 68kg khi phóng, có dung lượng 480 kênh thoại với giá thành 32.500USD một kênh trong một năm vào thời đó. Nhưng vệ tinh INTERSAT VI khi phóng nặng 3750kg, dung lượng 80.000 kênh, có giá thành cho thuê mỗi kênh là 380USD/năm trong năm 1989. Giá thành này cao là do chi phí phóng, kết hợp với giá vệ tinh có tính đến tuổi thọ của vệ tinh (INTERSAT I là 18 tháng) và dung lượng thấp. Chính vì vậy, việc giảm giá thành phóng, tăng dung lượng và tuổi thọ cùa vệ tinh đã làm cho việc tạo ra các tên lửa phóng có khả năng đưa các vệ tinh có trọng lượng lớn lên quỹ đạo, hơn nữa sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi ba, công nghệ chế tạo anten với nhều búp sóng cho phép việc tái sử dụng cùng một băng tần giữa các búp sóng và kết hợp sử dụng các bộ khuếch đại truyền dẫn công suất cao hơn. Ngoài việc giảm chi phí truyền thông, đặc điểm nổi bật nữa của hệ thống thông tin vệ tinh là tính đa dạng của các dịch vụ mà nó cung cấp. Ban đầu, hệ thống này được thiết kế để thực hiện các cuộc truyền thông từ một điểm tới điểm khác, và phải sử dụng các TMĐ có anten lớn, do vậy giá thành rất cao (khoảng 10 triệu USD cho một TMĐ có anten đường kính 30m). Khi kích thước và công suất vệ tinh càng tăng lên thì càng cho phép giảm kích thước của các TMĐ và do vậy giảm giá thành của chúng, đồng thời tăng số lượng các TMĐ. Điều này cho phép vệ tinh thu thập hay phát quảng bá các tín hiệu từ nhiều địa điểm tới một địa điểm hay từ một địa điểm tới nhiều địa điểm. Bằng các này, các mạng truyền số liệu đa điểm, các mạng quảng bá qua vệ tinh và các 147
mạng thu thập dữ liệu đã được triển khai, cho phép có thẻ phát quàng bá hoặc tới các máy phát chuyển tiếp (hoặc các trạm đầu cáp) hoặc trực tiếp tới khách hàng cá nhân (trường hợp này chính là hệ thông truyên hình qua vệ tinh) với các TMĐ nhỏ có anten đường kính từ 0,6m đên 3,5m và giá thành từ 500USD đến 50.000USD (hiện nay ta có thê mua bộ thu truyền hình vệ tinh DTH chì với giá thành 2 triệu VND). 7.1.3. Sự phát triển của công nghệ, kỹ thuật và dịch vụ Khởi đầu của các quá trình thông tin vệ tinh thương mại có thể được đánh dấu bàng việc phóng vệ tinh INTERSAT I vào nãm 1965. Cho đến đầu những năm 70 các dịch vụ cần cung cấp chi là truyền dẫn tín hiệu thoại và truyền hình (TV) giữa các lục địa, vệ tinh được thiết kế để bổ sung cho cáp biển và thực sự đóng vai trò quan trọng cùa kết nối trung kế thoại. Khi các kỹ thuật thông tin vệ tinh phát triển không chi có truyền hình và tín hiệu thoại, các hệ thống “đa dịch vụ” như thoại quốc nội và khu vực, truyền số liệu, quảng bá trực tiếp. Các hệ thống VSAT (very small aperture terminal - Thiết bị đầu cuối có góc mờ rất nhỏ) cho người sử dụng có thể kết nối trực tiếp tới trạm với TMĐ có anten đường kính chi 60cm và đặc biệt đó là hệ thống di động hàng không và mặt đất. v ề kỹthuật, ban đầu các vệ tinh phủ sóng chùm, các kỹ t h u ậ t truyền dẫn vẫn là tương tự và mỗi sóng mang vận chuyển hoặc một tín hiệu ti vi hoặc các kênh thoại ghép kênh phân chia theo tần số. Đa truy nhập với vệ tinh được giải quyết bằng đa truy nhập phân chia theo tần so (FDMA). Nhu cầu gia tăng về số lượng lớn các tuyến nối dung lượng thấp, chang hạn do các yêu cầu quốc gia hoặc thông tin cho các tàu thuyền đã dẫn đến việc giới thiệu gán theo yêu cầu (năm 1980) mà trước tiên nhờ FDMA với việc điều tần mỗi kênh một sóng mang (SCPC/FM) hoặc điều chế dịch pha (PSK) và sau đó sừ dụng điều chế dịch pha/ đa truy nhập theo thời gian (TDMA/PSK) và đa truy nhập theo mã (CDMA/PSK) nhằm lợi dụng tính linh hoạt của các kỹ thuật số. Những tiến bộ trong kỹ thuật anten cho phép các chùm tia phù hợp với vùng bao phủ dịnh vụ làm cho chỉ tiêu cùa tuyến thông tin vô tuyến đã được cải thiện và giảm được can nhiễu giữa các hệ thống. Tuy nhiên, số lượng các chùm tia tăng lên đã làm cho việc liên kết mạng ngày càng 148
trở nên khó khăn. Thời gian đó, việc liên kết này chiđạt được theo các chặng giữa các bộ phát đáp, và từ đó nảy sinh tình huống chuyền mạch trên vệ tinh (SS-TD M A _ satellite switched time division multiple access) vào cuối những năm 90. Hiện nay, các kỹ thuật đã - đang và sẽ phát triển tiếp tục ờ các lĩnh vực sau: - Xử lý trên vệ tinh nhờ lợi dụng khả năng do việc giải điều chế sóng mang trên vệ tinh tạo ra (các vệ tinh tái tạo). - Tạo các tuyến nối giữa các vệ tinh. - Các tia quét hoặc nhảy chặng. - Sừ dụng các tần số cao (30/20GHz và 5 0 /4 0 G H z ) mặc dù có những trục trặc về suy hao truyền sóng do mưa tạo ra. 7.2. ĐẶC ĐIẺM CỦA THÔNG TIN VỆ TINH Một vài năm gần đây, số lượng các hệ thống Thông tin vệ tinh (TTVT) đã tăng lên rất nhiều. Ngày nay các hệ thống TTVT chuyển tiếp lưu lượng điện thoại xuyên đại dương lớn hơn rất nhiều lưu lượng điện thoại gửi qua cáp ngầm. Hơn thế nữa, các hệ thống TTVT còn có thể chuyển tiếp các loại tín hiệu dữ liệu, thoại, hình ảnh đến bất kỳ người sử dụng nào, ờ đâu trên Trái Đất. Trước đây, các vệ tinh được đưa lên quỹ đạo bị giới hạn bởi trọng lượng cho nên công suất của vệ tinh nhỏ, người sử dụng muốn dùng thì phải thông qua TMĐ. Ngày nay thì các hệ thống TTVT có thể truyền trực tiếp đến người sử dụng, với chất lượng tốt, độ ổn định cao, linh hoạt và nhiều loại hình dịch vụ. * TTVT tuy ra đời muộn nhưng nó phát triển rất nhanh bởi vì 11 nó có nhiều U điểm, lọi thế hơn so vói hệ thống thông tin khác - Vùng phù sóng rộng: Trong trường hợp với một vệ tinh địa tĩnh (cách trái đất 36.000km) nó có thể phủ sóng 42% bề mặt Trái Đất. Như vậy, với 3 vệ tinh địa tĩnh đặt cách đều nhau 120° thì nó có thể phủ sóng toàn cầu. 149
- Dung lượng lớn: Mồi vệ tinh có 12 - 24 bộ phát đáp. môi bộ phát đáp là 500MHz lại chia thành nhiều băng tần nho. Neu sứ dụng phương pháp tái tần số có thể nâng lên 2590MHz (2950). - Độ tin cậy cao: Hệ thống Intelsat của Mỹ đạt được 99.99%. -C hất lượng thông tin cao: Tỷ số lỗi bít BER khống chế ơ mức 10 9. - Thiết bị thu phát: Thiết bị thu phát cùa hệ thống TTVT chi cần công suất nhỏ (VSAT) - Tính linh hoạt cao: Việc lắp đặt, di chuyển một hệ thống TTVT trên mặt đất nhanh chóng không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như hệ thống truyền dẫn. Kết nối nhanh, dễ dàng nâng cấp hệ thống. - Đa dịch vụ: Thoại và phi thoại (Fax, Telex...); thăm dò địa chất; truyền hình ảnh; quan sát mục tiêu; dẫn đường biên phòng không; định vị vệ tinh; nghiên cứa khí tượng; phục vụ quốc phòng an ninh... - Vệ tinh hoạt động 24/24 nhờ năng lượng Mặt Trời cung cấp điện để hoạt động. * Tuy nhiên có một số nhược điểm - Kinh p h í ban đâu đê phóng một vệ tinh vào quỹ đạo khá lớn và công nghệ phóng cũng như sản xuất thiết bị chỉ có một số ít quốc gia có thể làm được. - Van để ton hao sóng bức xạ khi truyền qua môi trường khí quyên và tầng điện ly, đặc biệt ở những vùng có nhiều mưa và mây mù. - Vắn đề trễ trong TTVT là tương đối lớn (khoảng 0,25s với vệ tinh địa tĩnh). - Vùng phủ sóng tối đa là 1/3 diện tích bề mặt Trái Đất, do đó cường độ trường tại điếm thu phụ thuộc vào búp sóng của anten vệ tinh phủ sóng. Điều đó cũng có nghĩa là phụ thuộc vào vị trí toạ độ của vệ tinh trên quỹ đạo (địa tĩnh) mà vị trí đó có thì lại tập trung vào một số giới hạn các vị trí có nhiều thuận lợi. 150
7.3. SỬ DỤNG TẦN SÓ TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 7.3.1. Môi trường truyền sóng Môi trường truyền sóng của thông tin vệ tinh gồm hai thành phần: truyền qua bầu khí quyển và truyền trong không gian tự do. - Trong không gian tự do, môi trường gần như chân không mà ta có thể xem như điện môi lý tường. Trong trường hợp này, sự suy yếu năng lượng cùa sóng chí do sự khuếch tán tự nhiên trong không gian gây ra. Tuy nhiên, suy hao này có giá trị rất nhỏ so với suy hao trong bầu khí quyển. Vì thế chủ yếu xét môi trường truyền sóng là môi trường cùa bầu khí quyển. - Bầu khí quyến chia làm ba tầng chính: + Tầng đối lưu là tầng dưới cùng của khí quyển trái đất trải từ mặt đất đến độ cao khoảng 8 - lOkm ở vĩ tuyến cực, 10 - 12km ở các vĩ tuyễn trung bình và 16 - 18km ờ vùng nhiệt đới. + Tầng bình lưu là tầng giữa ở độ cao 10 - 35km. + Tầng điện ly 60 - 400km (35 - 60: miền ozon). - Các loại thông tin vô tuyến mặt đất chi truyền trong tầng đối lưu và bình lưu, còn tầng trên cùng, do mật độ điện tử lớn nên các loại sóng này bị phản xạ và khuếch tán. Do vậy, ta đi xem xét tầng điện ly là phần chủ yếu liên quan đến suy hao. - Tầng điện ly có cấu tạo rất phức tạp, nó được chia ra làm tầng điện ly ban ngày và tầng điện ly ban đêm do nguyên nhân là sự phân ly của các phân tử oxy và nitơ dưới tác dụng bức xạ của Mặt Trời. + v ề ban ngày, tầng điện ly chia làm lớp D, E, F (F],F 2) — sự > phân chia này chi mang tính chất tương đối vì trong tầng điện ly mật độ ion, lượng tử có thể thay đổi do năng lượng mặt trời, phụ thuộc vào thời tiết, địa hình, khí hậu, mùa... + v ề ban đêm, do không còn sự tác dụng của bức xạ mặt trời nên ion và điện tử lại tái hợp lại và nhiệt độ hạ thấp — tầng » D biến mấthoàn toàn, tầng E gần như biến mất còn tầng F[, F2 chập vào làm 1:Fthay đổi như vậy, nếu chi xét đơn thuần về mặt năng lượng thì ban đêm có 151
thể truyền sóng tốt hơn nhưng lại phụ thuộc vào hơi nước,... chính vì vậy người ta đưa ra khái niệm: cửa sô sóng. 7.3.2. Băng tần sử dụng trong thông tin vệ tinh Qua phân tích sự suy giảm sóng khi tuyến qua tầng khí quyển, người ta thấy ràng, dải tần số có thể sừ dụng cho TTVT trên đường truyền vệ tinh - mặt đất có một khoảng giới hạn nhất định. Dải tần số này được quốc tế ấn định từ 1 - 52GHz là khoảng mà các suy giảm gây ra bởi các hấp thụ trong tầng khí quyển có thể nhận được. Trong dải này, một so tần số hay được sử dụng lại được sắp xếp theo các băng tần con có tên là các băng L, s, c , X, Ku,, Ka. Đây là các tên gọi được sừ dụng khá rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới nhung không phài là các quy định chính thức được quốc tế công nhận. 152
B ư ớ c s ó n g (c m ) T ần s ố (G Hz) B ă n g tầ n 7 6 ,9 -1 8 0 ,3 9 - 1 ,6 6 1 L 1 8 -8 ,8 2 1,662 - 3,399 s 8 ,8 2 -4 ,1 4 3 , 4 - 7 ,0 7 5 c 4 ,1 4 - 3 , 5 6 7,075 - 8,425 X 2 ,7 5 6 - 1 ,6 6 1 0 ,9 - 1 8 ,1 Ku 1 ,9 5 - 0 ,8 3 3 1 7 ,7 -3 6 Ka * Mục đích sử dụng: - L: Dùng trong mục đích thông tin di động toàn cầu. - S: Dùng trong mục đích quân sự (do thám, định vị...). - X: Dùng trong mục đích nghiên cứu: thăm dò địa chất, phóng xạ. - c , Ku, Ka: Dùng cho thông tin vệ tinh vì: + C: Nam trong cửa số sóng nên nó được sử dụng nhiều nhất, chủ yếu dùng cho thông tin quốc tế, (vì suy hao là nhỏ nhất) + Ku: Được sừ dụng khá phổ biến nhưng thường chỉ sử dụng trong quốc gia hoặc vùng (ví dụ: Đông Nam Á). + Ka: Có suy hao do mưa rất lớn, chỉ Nhật Bản sử dụng nhiều nhất. Hệ thống vi ba của Nhật Bản rất nhiều, nên sử dụng băng c và Ku (hệ thống vi ba sử dụng) thì sẽ ảnh hưởng lớn đến vi ba mặt đất cho nên phải sử dụng Ka. Mặt khác, kỹ thuật của Nhật cao nên cho phép sử dụng Ka mà không sợ ảnh hưởng cùa suy hao do mưa. * Một số ký hiệu: - Tuyến lên fu: trong thông tin vệ tinh bao giờ cũng có tuyến lên (từ TMĐ lên vệ tinh) gọi là f„ (up link). - Tuyến xuống fo: là tuyến từ vệ tinh xuống TMĐ gọi là fo . Ví dụ: C(6/4); fu = 6; fD = 4 ; Ku (14/12,11). Trên vệ tinh các bộ phát đáp có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu nhận được (thu) sau đó khuếch đại tiếp và phát xuống. Do vậy, nên không phân biệt hai tần số đó thì bộ phát đáp sẽ nhầm trong quá trình khuếch đại, không khuếch đại tín hiệu cần (tín hiệu thu) do vậy có fu -ệ fD. 153
Bộ phát đáp ngoài nhiệm vụ khuếch đại. nó còn thực hiện chuyên đồi tần số từ tần số cao xuống tần số thấp hơn (phụ thuộc vào băng tân), tuyến xuống bao giờ cũng chịu ánh hường do mưa nhièu hơn tuyên lên, mà ảnh hưởng do mưa đối với càng tần số cao càng lớn. do vậy tuyên xuống sử dụng tần số thấp hơn. - Độ rộng của một bộ phát đáp: B = 500MHz. Băng tần này lại được chia nhỏ hơn, có hai cách chia băng tần: + 36; 72MHz sau đó được chia 4 tiếp đến băng tần nho hơn: Kênh. + 27; 54 MHz: Sai số cho cách chia là 36 ± 18MHz: làm khe tần số bào vệ. * Các biện pháp sử dụng để tăng băng tần của thông tin vệ tinh: - Biện pháp 1: Sừ dụng lại tần số bằng cách phân biệt các chùm tia hoặc các bước sóng của anten. Người ta đặt nhiều phần tử chiếu xạ để tạo nhiều búp sóng và chi sử dụng tần số fi sao cho K/C giữa các búp sóng không lẫn được vào nhau, vì vậy ta có thể sử dụng nhiều lần. - Biện pháp 2: Dùng phương pháp đa truy nhập (FDMA, TDMA, CDMA) tức là một bộ phát đáp có thể truy nhập nhiều tín hiệu cùng một lúc. + FDMA: Đa truy nhập theo tần số là loại được sử dụng phổ biến nhất trong TTVT. Trong TDMA các TMĐ riêng phát đi các sóng mang với khoáng bảo vệ băng tần thích hợp sao cho các tần số sóng mang này khan chồng lên nhau. + TDMA: Người ta gán cho mỗi TMĐ một khe thời gian và xác định trong một khung TDMA, TMĐ đó chi được phát đi trong khe thời gian này. Nhận xét: Tất cả các bộ phát đáp đều có thể sử dụng trong cùng một tần số vì chúng có thể phân biệt được bằng các khe. Tuy nhiên, khi mỗi TMĐ phát sóng mang, chúng phải được điều khiển một cách chính xác và cần khoáng bảo vệ thời gian cho mồi khe thời gian của mỗi TMĐ. 154
+ CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã, mỗi TMĐ đều phát đi một sóng mang như nhau nhưng sóng mang này trước đó đã được điều chế bàng 1 mẫu bít đặc biệt, quy định riêng cho mỗi TMĐ trước khi phát tín hiệu đã điều chế. - Biện pháp 3: Phân cực sóng: phân cực thẳng và phân cực tròn. Một tần số sử dụng lại được 4 lần. 7.3.3. Các phương pháp phủ sóng của vệ tinh 1) Phù sóng toàn cầu: Dùng ba vệ tinh địa tĩnh đế phù sóng toàn cầu, trừ vùng cực. Vùng cực dùng các vệ tinh elip. 2) Phù sóng bán cầu'. Thường phù sóng cho bán cầu đông và bán cầu tây. 3) Phù sóng theo vùng (tạo vet in). Chẳng hạn vệ tinh chỉ phủ sóng cho vùng đông nam á: Palapce. 4) Phù sóng đốm: đây là cách được sử dụng nhiều nhất. Với các anten đặc biệt có vùng phủ sóng hẹp được sử dụng để phủ sóng các vùng có bán kính nhỏ. 7.3.4. Hiệu ứng DOPPLER Khi vệ tinh chuyển động so với Trái Đất, khoảng cách tuơng đối R từ vệ tinh đến một điểm trên Trái Đất sẽ thay đối vận tốc tiến gần hay tách xa của vệ tinh sẽ dẫn đen sự tăng hay giảm biểu kiến tương ứng tần sổ sóng vô tuyến được phát trên tuyến tại máy thu. Tần số của tín hiệu sẽ bị sai lệch và cũng dẫn đến sự sai lệch về pha cùa tín hiệu. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Doppler, nó xảy ra cho cả tuyến lên và tuyến xuống. Độ sai lệch AÍd trong tần số fo cùa sóng trên tuyến được viết bằng: AfD= f0^ (7.1) Trong đó: v r (m/s) là vận tốc xuyên tâm tương đối của vệ tinh - Trái Đất' /o là tần số sóng phát. 155
Với quỹ dạo thấp LEO, tỷ số - 5 - = 2,6.10 3. fo Ta cũng biết rằng méo tần số sẽ dẫn đến méo góc pha của tín hiệu, đặc biệt trong thông tin sử dụng băng rộng. * Khuyến nghị: đối với những thông tin vô tuyến với băng tần B = 100kHz; AfCp= 2 H z/lM H z nếu AfD> AfCp sẽ gây méo tín hiệu. Với quỹ đạo trung bình và quỹ đạo thấp, đặc biệt là quỹ đạo elip thì phải có mạch bù doppler. Người ta đưa ra tính toán chi tiết cho mộy quỹ đạo tròn của xích đạo giá trị tối đa của độ dịch doppler (khi vệ tinh xuất hiện hoặc mất tại đường chân trời) có thể được đánh giá bởi Báo cáo 214 của CCIR: AfD = ± 1.54. 10 6 f0. m (H z). Trong đó: fo là tần số công tác (Hz); m là số lượng vòng quay theo một ngày của thông tin vệ tinh, theo một điểm cố định trên mặt đất. Ta có chu kỳ T = 24/m + 1 (giờ). Với m = 0 thì chu kỳ là 24(giờ) khi đó vệ tinh là cố định so với Trái Đất, do vậy sự chuyển dịch doppler về mặt lý thuyết là bằng 0. Với m = 3 thì chu kỳ T = 24/4 = 6(giờ) (độ cao vệ tinh khoảng 1lOOOkm) khi đó chuyển dịch doppler bằng tần số công tác c (6GHz) là: AfD « 1,54. lO-6. 6.109 . 3 = 27,720 Hz = 28kHz. 7.4. CẤU HÌNH CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm nhiều thành phần nhưng nó được chia ra làm hai phần chính: đoạn mặt đất và đoạn vũ trụ. Các sóng vô tuyến do các TMĐ (Earth station) phát đi sẽ được vệ tinh thu nhận, đây được gọi là tuyến lên và đến lượt mình, sau khi thu nhận, xừ lý, vệ tinh phát tính hiệu xuống trạm thu khác dưới đất, đây gọi là tuyến xuống. 156
7.4.1. Đoạn mặt đất Đoạn mặt đất bao gồm tất cả các TMĐ, những TMĐ này thường được đấu nối với thiết bị người dùng đầu cuối qua một mạng dưới đất, hoặc như trong các trường hợp các trạm nhỏ (VSAT) thì chúng được đấu nối trực tiếp với người sử dụng đầu cuối. Hệ thống chủ yếu của TMĐ gồm: - Hệ thống con anten: là chung cho cả phát và thu (vì lý do chi phí và mức độ cồng kềnh). Sự phân tách giữa các hướng truyền dẫn nhờ một bộ phối hợp. - Bộ phối hợp có nhiệm vụ đưa các sóng mang thu được tới bộ khuếch đại tạp âm thấp; và đưa sóng mang phát đi đã được khuếch đại công suất đến anten. - Hệ thống Bám để duy trì anten chỉ theo hướng tới vệ tinh khi có sự chuyển động tương đối giữa vệ tinh và TMĐ. Ngay cả khi vệ tinh địa tĩnh co chuyển dịch biểu kiến (do xáo trộn quỹ đạo) hay khi TMĐ có thể lắp trên phương tiện di động. 157
H ìn h 7.3. TM Đ + Quá trình thu: Các sóng mang thu được đưa tới bộ khuếch đại tạp âm thấp đê khuếch đại và loại bỏ tạp âm, lọc lay các sóng mang trong băng tần được sứ dụng trên tuyến, sau đó chúng được biến đổi sang tần số trung gian (trung tần) đế ở tần so này việc lọc và xử lý tín hiệu được dễ dàng hơn (việc đổi tần có thề là toàn bộ băng tần hoặc từng sóng mang). Các băng tần (hoặc từng sóng mang) được đưa đến bộ giải điều chế đế tách lấy tín hiệu băng tần gốc. + Quá trình phát: Các tín hiệu băng tần gốc được đưa đến thiết bị xử lý tín hiệu đe điều chế ghép vào sóng mang. Sóng mang được thực hiện lọc và cân bằng đề xác định, phổ của sóng mang được điều chế và hạn chế giải thông của tạp âm rồi từ đó biến đổi thành tần số vô tuyến (cao tần) và được khuếch đại đưa tới anten phát. + Giám sát, cảnh báo và điều: Cung cấp cho các nhà khai thác các thông tin cần thiết cho giám sát, điều khiển trạm và quàn lý lưu lượng. Khởi tạo cảnh báo trong trường hợp các khối hay thiết bị hoạt động 158
không đúng hoặc có sự cố tác động tới thiết bị trạm chính hoặc tới chi tiêu của tuyến và cho phép nhận dạng thiết bị liên quan. Cho phép điều khiển các thiết bị trạm, nó bao gồm việc đưa thiết bị trạm vào hoạt động, điều chỉnh các tham số hay chuyển sang thiế bị dự phòng, v.v... 7.4.2. Đoạn vũ trụ Đoạn vũ trụ bao gồm vệ tinh và tất cả các phương tiện trên mặt đất dùng để điều khiển và giám sát vệ tinh. Chúng bao gồm các trạm TT&C (Tracking, Telemetry and Command - Bám, đo xa và chỉ huy) cùng với trung tâm điều khiển vệ tinh, nơi thực hiện tất cả các hoạt động liên quan đến việc kiểm tra và duy trì vệ tinh thông qua các chức năng thiết yếu của vệ tinh đó. Nhiệm vụ của vệ tinh: - Khuếch đại các tần số sóng mang nhận được để phát lại trên tuyến xuống. Công suất sóng mang tại đầu vào máy thu vệ tinh chỉ vào khoảng từ 100pW tới lnW . Công suất sóng mang tại đầu ra của bộ khuếch đại phát vào khoảng từ 10W đến 100W. Do vậy, hệ số khuếch đại công suất là vào khoảng lOOdB đến 130dB. - Thay đổi tần số sóng mang để tránh đưa trở lại một phần công suất phát vào máy thu. Khả năng loại bỏ các bộ lọc đầu vào tại tần số tuyến xuống sẽ được kết hợp với các độ tăng ích anten thấp giữa đầu ra phát và đầu vào thu đảm bảo độ phân tách cỡ 150dB. Để hoàn thành chức năng của mình, vệ tinh có thể hoạt động như một bộ chuyển tiếp đơn giản và việc thay đổi tần số đạt được nhờ một bộ đổi tần. Đối với vệ tinh “tái tạo”, một thế hệ vệ tinh mới, được trang bị cả các bộ giải điều chế và vì vậy các băng tần gốc được xử lý trên vệ tinh và điều chế một sóng mang mới cho tuyến xuống đã nâng chất lượng của toàn hệ thống. Cấu tạo cùa m ột vệ tinh bao gồm: Phần tải chính (payload) và phần thân bệ (platform). * Phần thân bệ (platform) gồm tất cả các hệ thống con cho phép phần tải chính hoạt động, bao gồm: 159
- c ấ u trúc: Gồm các cấu trúc về hình học: bê mặt. thê tích...của vệ tinh; cơ học bảo đảm các chức năng về cơ học: nén. dãn. sức ép khi phóng hay thay đổi trạng thái cấu hình từ phóng sang hoạt động ... ; Ngoài ra còn có tác dụng cân bằng điện thế và đáp ứng yêu cầu về điều khiển nhiệt. - Điều khiển nhiệt: Mục đích là để duy trì các thiết bị của vệ tinh hoạt động chính xác trong phạm vi nhiệt độ cho phép, giám thiêu sự biến dạng cơ học và đảm bảo sự làm việc chính xác của các bộ càm biến ổn định thế bay cũng như của anten. - Điều khiển thế bay và quỹ đạo: Có tác dụng bào đàm chuyển động của vệ tinh theo đúng các trục và quỹ đạo đã xác định. - Thiết bị đẩy: Nhằm tạo ra các lực để thay đổi quỹ đạo hay đưa vệ tinh về quỹ đạo danh định và cung cấp các mômen quay hỗ trợ cho việc điều khiển thế bay. - Cấp nguồn: Cung cấp nguồn cho các thiết bị hoạt động. - Thiết bị điều khiển từ xa, bám và chỉ huy: Có chức năng nhận các tín hiệu điều khiển từ mặt đất để khởi động các thao tác trên vệ tinh và để thay đổi trạng thái hoặc chế độ hoạt động của các thiết bị. Phát về mặt đất các kết quả đo, các thông tin liên quan đến hoạt động của vệ tinh, của trang thiết bị và sự khẳng định việc đã thực hiên các lệnh. Ngoài ra còn đo khoảng cách từ mặt đất tới vệ tinh, vận tốc góc nhàm xác định vị trí của vệ tinh. * Phần tài chính: Phần tải gồm các chức năng chính sau: - Thu các tín hiệu vô tuyến ở băng tần công tác, khuếch đại các tín hiệu nhận được đồng thời hạn chế tạp âm và méo càng nhiều càng tốt khi mức tín hiệu thu được chi vài chục pW. - Biến đối tần số sóng mang thu ở đường lên thành sóng mang phát ờ đường xuống (ví dụ ở băng Ku sử dụng tần số 14GHz cho tuyến lên và 11GHz hoặc 12GHz cho tuyến xuống). 160
- Khuếch đại công suất theo yêu cầu ở băng tần xác định cho anten phát (từ vài chục w tới vài trăm W) với phân cực cho trước đến nơi đã định là vùng dịch vụ trên mặt đất. - Băng tần mà bộ lặp làm việc có độ rộng từ 500MHz đến 2GHz phù hợp với băng tần. Băng tần này thường được phân ra các băng tần nhỏ (còn gọi là các kênh hay các bộ phát đáp), chúng được các mạch khuếch đại riêng rẽ liên kết lại. Độ rộng các băng này là vài chục MHz. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 7 7.1. Trình bày các ưu điểm của thông tin vệ tinh. 7.2. Trình bày các nhược điểm của thông tin vệ tinh. 7.3. Hãy phân tích và giải thích cửa sổ sóng là gì? 7.4. Nêu các băng tần thường được sử dụng trong thông tin vệ tinh. 7.5. Trình bày các biện pháp có thể sử dụng để tăng băng tần trong thông tin vệ tinh. 7.6. Hiện tượng Doppler là như thế nào? Cách xác định trong thông tin vệ tinh? 7.7. Một hệ thống thông tin vệ tinh gồm những thành phần nào? Minh họa và chú thích. 7.8. Trình bày cấu hình của một hệ thống thông tin vệ tinh. 7.9. Hãy tìm hiểu trên mạng internet về vị trí của vệ tinh Vinasat 1 của Việt Nam cũng như số lượng bộ phát đáp băng c và băng Ku mà nó có. 7.10. Hãy tìm hiểu trên mạng internet về vị trí của vệ tinh Vinasat 2 của V iệt Nam cũng như số lượng bộ phát đáp băng c và băng Ku. 161
Chương 8 VỆ TINH THÔNG TIN 8.1. TỎNG QUÁT VÊ VỆ TINH THÔNG TIN 8.1.1. Giới thiệu - Vệ tinh đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống TMĐ - Vệ tinh - TMĐ. Bởi vì do độ cong của Trái Đất, do các đại dương rộng lớn mà vi ba không thể đi qua được, do địa hình hiểm trờ... + Vệ tinh có một chức năng quan trọng nhất là chuyển tiếp thông tin trong đó gồm: nhận tín hiệu, khuếch đại tạp âm thấp, đổi tần, khuếch đại công suất (CS) lớn và phát tín hiệu. + Nhận chỉ thị và đo từ xa các T M Đ chuẩn. + Chức năng điều khiển bao gồm: Điều khiển độ cao của vệ tinh so với mặt đất, điều khiển quỹ đạo vệ tinh so với mặt xích đạo, điều khiển nhiệt của vệ tinh. + Ngoài ra còn có các chức năng khác: Tạo nguồn điện, tự động kiểm tra, tự động thông báo... - Tuỳ theo mục đích sử dụng mà người ta phóng vệ tinh lên quỹ đạo nào đó: quỹ đạo tròn có độ nghiêng khác 0 , quỹ đạo elip, quỹ đạo xích đạo, LEO, MEO... Bao giờ vệ tinh cũng phải tạo vết in nhất định trên mặt đất, phù sóng nhiều hoặc ít phụ thuộc vào độ cao của quỹ đạo, đặc biệt là phụ thuộc vào công nghệ chế tạo anten. Với vệ tinh địa tĩnh, có góc mờ 17° thì có thể phủ được 42% Trái Đất. Với các anten búp sóng hẹp tương ứng sẽ có vùng phủ sóng hẹp. 8.1.2. Các thông số đặc trưng - Thu và phát băng tần, các phân cực cùa các kênh khác nhau. - Phù sóng vùng thu và phát, yêu cầu công suất bức xạ EIRP. 162
- Hệ số phẩm chất G/T của hệ thống. - Các đặc tính phi tuyến. 8.2. QUỸ ĐẠO VỆ TINH Các vệ tinh chuyển động theo các quỹ đạo mang tên Kepler, người ta chứng minh từ đầu Thế kỷ 17 về quỹ đạo của các hành tinh xung quanh Mặt Trời theo hình elip. Chuyển động Kepler là chuyển động tương đối của hai vật thể điểm dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn Newton giữa chúng với nhau. Và như vậy, vệ tinh buộc phải chuyển động theo một quỹ đạo mà mặt phẳng quỹ đạo của nó bắt buộc phải đi qua tâm trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh luôn theo hai hướng cơ bản sau: - Mặt phẳng quỹ đạo bao giờ cũng cắt qua tâm trái đất. - Trái Đất bao giờ cũng là trọng tâm của quỹ đạo c á c vệ tinh. 8.2.1. Phương trình chuyển động Khi vệ tinh được phóng lên quỹ đạo, thì chuyển động của nó được coi như chuyển động của một phần từ có khối lượng m, chuyển động xung quanh Trái Đất và chịu tác động của hai trường lực:lực hấp dẫn và lực ly tâm do vệ tinh chuyển động trên một đường cong.Sự chuyển động của vệ tinh ổn định khi hai lực này bàng nhau. Lực hấp dẫn: F = F (r)-. (8.1) Trong đó: F(r) là lực hấp dẫn (trường lực Newton); r là véc tơ của trường lực theo phương r; r là khoảng cách từ vệ tinh đến tâm trái đất. „ / X _ Mm m F (r) = - G ^ = H ^ . Với: M = 5 ,5 9 .10“ 24 kg (khối lượng trái đất); G = 6,67.10'20 km 3/kg.s 2 hằng số hấp dẫn; 163
ụ. = M.G = 39,866.104 km 3/s2. m là trọng lượng của vệ tinh. Nếu chuyển động của vệ tinh theo trục toạ độ trong không gian với: r 2 = X2 + y 2 + z2 . (8.2) Do: F _ ma e= ~ nên Ia I = — = — 7 - - dv - d2s 1 1 dt dt 2 d2x I-I Theo các toa đô X, y, z thì m — 7- = IF . dt 2 I Dựa vào phương trình biểu thị thế cùa Newton, Kepler đã đưa ra ba định luật sau: * Định luật Kepler 1: “Tâm của Trái Đất phải nằm ờ 1 trong 2 điểm của quỹ đạo elip. Điểm xa nhất của quỹ đạo so với tâm trái đất nằm trên tiêu điểm thứ 2 được gọi là viễn điểm. Điểm gần nhất của quỹ đạo được gọi là cận điểm.” c 2 = a 2 - b2; (8.3) e = c = h a-jỊp (84) a ha + hp Khi: e = 0: quỹ đạo là hình tròn e < 1 : quỹ đạo là elip e = 1 : quỹ đạo là parabol e > 1 : quỹ đạo là hypebol Các quỹ đạo thích hợp với thông tin vệ tinh là e < 1. Một cách phát biểu khác: Quỹ đạo của vệ tinh bao giờ cũng là đường cong bậc hai mà tiêu điểm của nó là đuờng tâm trái đất: p r = ---- . (8.5) 1 +ecosp Trong đó: p là thông số của đường cong bậc hai elip p = a(l - e2); e là độ lệch tâm phụ thuộc vào loại đường cong; 164
e < 1 : quỹ đạo là elip; e = 1 : quỹ đạo là parabol; e > 1 : quỹ đạo là hypebol; p là góc trung tâm. H ình 8 .1 . Q u ỹ đ ạo củ a vệ tinh * Định luật Kepler 2: “Vệ tinh sẽ chuyển động theo quỹ đạo với vận tốc thay đổi sao cho đường nối giữa tâm trái đất và vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau khi vệ tinh dịch chuyển trong cùng một thời gian như nhau”. Xác định tăm của vệ tinh: Khi vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo tròn bán kính là r, vận tốc của vệ tinh sẽ được xác định khi vệ tinh chuyển động dưới tác dụng của hai lực cân bằng nhau. F2 = và lực hấp dẫn. 165