Nghiên cứu và đề xuất mô hình hệ thống thông tin vệ tinh tầm thấp băng rộng tại việt nam TT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - TRẦN MẠNH THẮNG NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH TẦM THẤP BĂNG RỘNG TẠI VIỆT NAM Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 08.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI – 2021 Luận văn hoàn thành tại: Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS HỒNG TRỌNG MINH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG HOÀI BẮC Phản biện 1: ………………………………………………… ……………………………………………………………… Phản ĐINH TRIỀU DƯƠNG Phảnbiện biện1: 2: TS ………………………………………………… Phản biện 2: PGS.TS NGUYỄN TÀI HƯNG ……………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Luận bảongày vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học Vào văn lúc: tháng năm viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Cólúc: thể tìm hiểu00 luận văn tại: tháng 12 năm 2021 Vào ngày - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Hiện kỷ nguyên kỹ thuật số phát triển với tốc độ chóng mặt với nhu cầu tăng theo số mũ ứng dụng trí tuệ nhân tạo, ứng dụng Internet hệ mới, ứng dụng IoT… hạ tầng viễn thông Việt Nam phải đặt mục tiêu: “Xây dựng hạ tầng số đạt trình độ tiên tiến khu vực ASEAN; Internet băng thông rộng phủ 100% xã” đến năm 2030 “Mạng di động 5G phủ sóng tồn quốc; người dân truy cập Internet băng thông rộng với chi phí thấp.” Song song với việc nâng cao dung lượng đường truyền cáp quang đường trục liên tỉnh quốc tế việc nâng cao khả tương tác dịch vụ qua vệ tinh cần quan tâm nâng cấp điều cần thiết Trong năm gần đây, giới chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ chùm vệ tinh phi địa tĩnh ứng dụng phổ biến việc cung cấp Internet băng rộng toàn cầu Đó hệ thống GX Inmarsat, Epic Intelsat, Viasat Viasat, Starlink SpaceX, chùm vệ tinh Oneweb, SES, Boeing Các hệ thống xây dựng với mục đích cung cấp dịch vụ viễn thông giá rẻ cho hàng tỷ người dân khu vực chưa có hội tiếp cận Internet băng rộng Do vậy, hệ thống chùm vệ tinh với cơng nghệ thành cơng kỷ nguyên Internet, đem cung cấp dịch vụ Internet tồn cầu với giá thành rẻ, cạnh tranh hay khơng vấn đề mà đề tài muốn nghiên cứu tìm câu trả lời Nắm bắt xu công nghệ nhu cầu chia sẻ liệu băng rộng vùng dân cư thưa thớt vùng khó triển khai mạng lưới biên giới hải đảo Do vậy, Đề tài vào nghiên cứu, đề xuất mạng vệ tinh tầm thấp băng rộng nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển nhằm nâng cao khả liên lạc đáp ứng nhu cầu dịch vụ băng rộng kỉ nguyên công nghệ số: tốc độ cao, khả đáp ứng thuậnn tiện, độ trễ truyền dẫn thấp với giá thành chấp nhận Luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan trạng khai thác vệ tinh địa tĩnh băng rộng vệ tinh tầm thấp Chương 2: Phân tích tham số không gian cho hệ thống vệ tinh tầm thấp Chương 3: Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh tầm thấp băng rộng Việt Nam CHƯƠNG I - TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG KHAI THÁC VỆ TINH ĐỊA TĨNH BĂNG RỘNG VÀ VỆ TINH TẦM THẤP 1.1 Khái quát chung thông tin vệ tinh: - Thông tin vệ tinh vệ tinh nhân tạo đặt không gian dùng cho viễn thông, dùng ứng dụng di động thông tin cho tàu xe, máy bay, thiết bị cầm tay cho tivi quảng bá mà kỹ thuật khác cáp không thực tế - Việc phân bổ tần số cho dịch vụ vệ tinh quy trình phức tạp địi hỏi sự phối hợp lập kế hoạch quốc tế theo bổ trợ ITU o Khu vực 1: Châu âu, Châu Phi phần Mông Cổ o Khu vực 2: Bắc Nam Mỹ, đảo Greenland o Khu vực 3: Châu Á, Úc miền Nam Tây Thái Bình Dương - Phân bổ tần số: Bảng 1-1: Bảng phân bổ tần số quy hoạch vệ tinh theo băng tần - Khoảng tần số (GHz) Băng tần định 0.1 – 0.3 VHF 0.3 – 1.0 UHF 1.0 – 2.0 L 2.0 – 4.0 S 4.0 – 8.0 C 8.0 – 12.0 X 12.0 – 18.0 Ku 18.0 – 27.0 K 27.0 – 40.0 Ka 40.0 – 75 V 75 – 110 W Các dạng quỹ đạo vệ tinh: vệ tinh chia làm quỹ đạo hoạt động chính: o Vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO – Low Earth Orbit): 320 - 1100 km so với trái đất o Vệ tinh quỹ đạo trung (MEO – Middle Earth Orbit): 8000 - 1200 km so với trái đất o Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO - Geostationary Earth Orbit): 36.000 km so với trái đất 1.2 Tổng quan vệ tinh địa tĩnh băng rộng thực trạng khai thác vệ tinh địa tĩnh Việt Nam: 1.2.1 Giới thiệu vệ tinh địa tĩnh - Quỹ đạo địa tĩnh quỹ đạo trịn phía xích đạo Trái Đất (vĩ độ 0º) Một trạm nằm trái đất quay hướng với chu kỳ (vận tốc góc) với trái đất cách trái đất 36.000 km - Các tần số phân bổ cho vệ tinh địa tĩnh băng tần C băng tần Ku Các dịch vụ quảng bá trực tiếp đến tivi hộ người dùng thực thi băng tần Ku (14/12 GHz) - Các dịch vụ qua vệ tinh địa tĩnh: truyền hình vệ tinh, dịch vụ FSS, Internet, radio vệ tinh, dẫn đường 1.2.2 Thực trạng khai thác vệ tinh địa tĩnh băng rộng Việt Nam: - Việt Nam sở hữu khai thác vệ tinh từ năm 2008 (Vinasat-1) 2012 (Vinasat-2), vệ tinh sản xuất hãng Lockheed Martin (Mỹ) có tuổi thọ thiết kế dự kiến 15 - 20 năm - Vệ tinh Vinasat-1 thiết kế để cung cấp tuyến lên tuyến xuống với vùng bao phủ khách hàng Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan phần Myanma - Băng tần: o Vinasat-1 bao gồm: 12 kênh băng C, 10 kênh 36MHz kênh 72MHz, tần số tuyến lên 6430 – 6720 MHz tần số tuyến xuống 3405 – 3695 MHz; 12 kênh băng Ku có băng thơng 36MHz với tần số tuyến lên từ 13.75GHz đến 14.5 GHz tần số tuyến xuống từ 10.95 GHz đến 11.7 GHz o Vệ tinh Vinasat-2 bao gồm 34 kênh băng Ku, 30 kênh có băng thơng 36MHz bốn kênh có băng thơng 72MHz - Khả khai thác: Hiện nay, hầu hết phát đáp băng C vệ tinh Vinasat1 lấp đầy hoàn toàn khách hàng nước Đối với phát đáp băng Ku vệ tinh Vinasat-1 Vinasat-2 khả lấp đầy đạt khoảng 5060% dung lượng Vệ tinh địa tĩnh cung cấp băng thông rộng với tốc độ đủ cao để đáp ứng nhu cầu ứng dụng - Tồn tại: o Do khoảng cách giữ vệ tinh trái đất xa nên xuất vấn đề độ trễ việc truyền tải liệu Đặc tính vấn đề tồn đọng hệ thống vệ tinh địa tĩnh mà khó khắc phục o Chi phí hoạt động cao, cần thiết bị đầu cuối phức tạp, cồng kềnh triểnh khai cho dịch vụ mặt đất 1.3 Đánh giá tiềm khai thác vệ tinh quỹ đạo thấp giới Việt Nam: 1.3.1 Khái quát vệ tinh quỹ đạo thấp: - Vệ tinh quỹ đạo thấp vệ tinh hoạt động quỹ đạo có khoảng cách so với trái đất từ 310 – 1200 km Các vệ tinh có tốc độ di chuyển khoảng 7.78 x 103 m/s hoàn thành chu kỳ quay quanh trái đất khoảng 128 phút (một ngày thực 10 – 12 chu kỳ quỹ đạo) - Chùm vệ tinh tập hợp nhóm vệ tinh hoạt động đồng thời cách khoảng cách định để cung cấp phạm vi phủ sóng cần thiết Cần phải giảm sát, quản lý trạng thái chức chùm hàng nghìn vệ tinh - Vệ tinh LEO thường sử dụng cho ứng dụng liên lạc, trinh sát qn sự, theo dõi khí tượng, thăm dị địa chất… 1.3.2 So sánh vệ tinh địa tĩnh vệ tinh quỹ đạo thấp: - Các tham số đối chiếu: Quỹ đạo, cao độ, chu kỳ quỹ đạo, số lượng vệ tinh, chi phí, tuổi đời vệ inh Quỹ đạo Cao độ Chu kỳ quỹ đạo Trễ truyền dẫn Số lượng vệ tinh bao phủ tồn cầu Chi phí cho vệ tinh Tuổi đời vệ tinh GEO 35.786 24h 477 ms 100-400 triệu USD 15-20 năm MEO 200025.786 km 127p24h ~27-477 ms 5-30 phụ thuộc vào cao độ 80-100 triệu USD 10-15 năm GEO 160-2000 km 88127p ~2-27ms Từ hàng trăm đến hàng nghìn 0,5-45 triệu USD 5-10 năm 1.3.3 Tiềm cạnh tranh vệ tinh địa tĩnh vệ tinh quỹ đạo thấp: a Đánh giá chi phí đầu tư sản xuất: - Để đánh giá tiềm phát triển vệ tinh quỹ đạo thấp, ta so sánh với vệ tinh chiếm ưu lĩnh vực vệ tinh 20 năm nay, vệ tĩnh quỹ đạo địa tĩnh Bởi hầu hết dự án vệ tinh quỹ đạo thấp đầy tham vọng tương lai thực nhà đầu tư (tức nhà sản xuất phát triền vệ tĩnh quỹ đạo địa tĩnh truyền thống) - Nếu nhìn nhận theo cách tính tốn chi phí đầu tư sản xuất vệ tính cách tính chi phí cụ thể Gbps ta đánh giá sự khác chi phí đầu tư, sản xuất vệ tinh địa tĩnh với vệ tinh quỹ đạo thấp Ở đây, ta đánh giá chi phí sản xuất Gbps OneWeb (đại diện cho vệ tinh quỹ đạo thấp) nhà điều hành vệ tinh địa tĩnh truyền thống Bảng 1.3 So sánh chi phí đầu tư 1Gbps Oneweb Viasat-3 b Đánh giá mức giá dịch vụ: - Vệ tinh thông lượng cao (HTS – High Throughput Satellite) dẫn đến sự khác biệt chi phí cho dịch vụ vệ tinh, với tốc độ kết nối băng thông rộng giảm nhanh Giá thành băng thông rộng cho dịch vụ HTS vệ tinh địa tĩnh nằm khoảng từ 250$ đến 400$ tháng - Kết hợp với công suất cao, thời hạn hợp đồng ngắn hạn (và đó, hợp đồng cạnh tranh hơn), vệ tinh quỹ đạo thấp nhanh chóng giảm chi phí băng thơng vệ tinh tồn cầu - Bảng 1.4: Bảng tham chiếu bán lẻ dịch vụ vệ tinh giới 1.3.4 Tính cạnh tranh dự án vệ tinh quỹ đạo thấp với hạ tầng viễn thông mặt đất - Ngay giá giảm năm qua, băng thông rộng vệ tinh đắt so với khả kết nối từ công nghệ mặt đất với tốc độ Điều đặc biệt liên quan đến Châu Á Thái Bình Dương, nơi nhà cung cấp phải cạnh tranh với người dùng có thu nhập thấp so với người dùng nơi khác giới - Sự cạnh tranh lớn không đến từ ngành công nghiệp vệ tinh mà từ sự mở rộng dự án viễn thông mặt đất mà tương lai 5G Nếu dự án vệ tinh quỹ đạo thấp giúp giảm chi phí kết nối vệ tinh cách đáng kể, khơng thể cạnh tranh với mạng mặt đất sở hạ tầng cố định có Hình 1.4: Bảng so sánh cơng nghệ truyền dẫn theo mật độ dân cư 1.3.5 Tiềm khai thác vệ tinh quỹ đạo thấp Việt Nam: - Việc thiếu sở hạ tầng kỹ thuật số thể hội bị bỏ lỡ để tăng tốc phát triển kinh tế xã hội Các ước tính từ Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) cho thấy 3,7 tỷ người chưa tham gia trực tuyến (49% dân số tồn cầu) 63% hộ gia đình nơng thơn khơng có truy cập Internet - Tính đến tháng 1/2021, dân số Việt Nam đạt mốc 97.8 triệu dân, với tỷ lệ dân thành thị 37.7% Trong đó, có khoảng 68.17 triệu người sử dụng Internet (chiếm 70.3% dân số) thông qua tảng, ứng dụng khác nhau, với thời lượng trung bình 47 phút (nguồn: www.vnetwork.vn) - Đồng nghĩa với điều nhu cầu sử dụng gói dịch vụ di động tăng lên, nhu cầu giải trí, làm việc, nghiên cứu qua mạng Internet tăng lên, ứng dụng kỹ thuật số xuất nhiều Do đó, Việt Nam thị trường tiềm cho việc phát triển dịch vụ viễn thông băng thông rộng khu vực Châu Á Và việc triển khai dự án vệ tinh quỹ đạo thấp kết hợp với hạ tầng viễn thơng mặt đất theo mơ hình backhaul network giải pháp để đảm bảo nhu cầu thông tin liên lạc nước ta tương lai 1.4Kết luận chương: - Đây nội dung mang tính tổng hợp, để qua có nhìn khái qt trạng khai thác vệ tinh nói chung, đặc biệt vệ tinh quỹ đạo thấp thay đỗi công nghệ nhu cầu năm vừa qua Khả đáp ứng dịch vụ băng rộng vệ tinh truyền thống gặp phải thách thức mạnh mẽ từ yêu cầu thực tế Bù đắp lại khiếm khuyết đó, vệ tinh tầm thấp LEO với băng thông lớn, độ trễ nhỏ giá thành chấp nhận khả triển khai vùng địa hình, dân cư mở triển vọng cho công nghệ truyền dẫn vệ tinh giới Việt Nam CHƯƠNG - PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ KHƠNG GIAN CHO HỆ THỐNG VỆ TINH TẦM THẤP 2.1 Khái niệm chung vệ tinh quỹ đạo tầm thấp: 2.1.1Giới thiệu chung: - Quỹ đạo Trái đất thấp (LEO - Low Earth Orbit ), tên gọi cho thấy, quỹ đạo tương đối gần với bề mặt Trái đất Quỹ đạo thường độ cao 2000 km thấp tới 160 km so với Trái đất - thấp so với quỹ đạo khác, xa so với bề mặt Trái đất Hình 2.2: Vùng phủ mơ hình vệ tinh theo quỹ đạo 2.1.2Đặc điểm vệ tinh LEO: - - - Cần sử dụng mạng lưới vệ tinh quỹ đạo thấp để phủ sóng tồn cầu Các vệ tinh công suất không lớn vệ tinh MEO GEO Do tốc độ di chuyển cao, vệ tinh di chuyển vào khỏi phạm vi trạm mặt đất nhanh theo thời gian Vì vậy, liệu truyền từ vệ tinh sang vệ tinh khác để không bị gián đoạn liên lạc Đưa vệ tinh LEO vào quỹ đạo tốn lượng nhiều so với MEO GEO, khuếch đại họ vệ tinh tiêu thụ điện Chúng rẻ so với phương thức truyền thông liệu khác, chúng sử dụng phương thức truyền dẫn kinh tế cho khu vực phát triển Mạng LEO sử dụng để thiết lập mạng lưới địa hình xa xơi, nơi khơng thể đặt đường dây đất liền 2.1.3Các loại vệ tinh LEO ứng dụng: 11 Quỹ đạo đồng mặt trời Quỹ đạo Elip nghiêng Hình 2.9: Các quỹ đạo cực, nghiêng, quỹ đạo mặt trời hình elip nhìn từ mặt trời 2.3.2 Gia tốc trọng trường, vận tốc, chu kỳ: Gia tốc trọng trường, g(H), độ cao H, biến thiên nghịch đảo với bình phương H (2.1) Một vệ tinh bay quỹ đạo tròn với vận tốc tiếp tuyến V, đạt gia tốc hướng tâm có giá trị ar = V2/(R + H) (2.2) Quan hệ gia tốc trọng trường, vận tốc quay cao độ tóm tắt Bảng 2.3 cho vệ tinh độ cao 600 km Bảng 2.3: Ví dụ độ cao, vận tốc, chu kỳ gia tốc hướng tâm cao độ 600km Bản kính trái đất R Cao độ H g(0) Gia tốc trọng trường cao độ H Chu kỳ P (phút) Chu vi quỹ đạo C Vận tốc quỹ đạo VH Gia tốc hướng tâm ar 63378.137 600 9,797919335 g(H)=g(0)*(R/(R+H))2 km km m/s2 mét/s2 8,18545 P=0,00016587*(R+H)1.5 C=2**(R+H) VH=C/(P*60) ar=(VH)2/(R+H) phút Km 96,68900 43.844,93 km/s m/s2 7,55772 8,18545 12 2.3.3 Vị trí vệ tinh theo thời gian: Sử dụng tham số quỹ đạo, xác định vị trí vệ tinh thời điểm định Hình 2.10: Mơ tả thành phần quỹ đạo theo thời gian Chu kỳ quỹ đạo tính phút P = 2π * (a3/μ) 0,5 Trong μ = GM, a bán trục tính mét, G số hấp dẫn tính m3/s2 M khối lượng Trái đất Phương trình (2.4) Chu kỳ theo nửa trục chính: (2.3) Trong P tính mét; RE, SM tính km 2.3.4 Góc ngẩng vệ tinh, mặt phẳng nghiêng, CPA khoảng cách truyền: Trong phần mô tả quan hệ hình học thường sử dụng cho vệ tinh quỹ đạo trịn Một số độ nghiêng mặt phẳng quỹ đạo so với góc ngẩng vệ tinh, cần thiết cho tính tốn lượng đường truyền cao tần RF Hình 2.11: Mơ tả hình học tương quan trái đất vệ tinh 13 Phương trình cho Độ nghiêng Khoảng cách mặt đất cho độ cao quỹ đạo khác nhau: (2.4) Khoảng cách mặt đất vệ tinh trạm mặt đất GR, phạm vi mặt đất từ điểm vệ tinh với điểm điểm tiếp cận gần CPA GRCPA Hình 1.13: Tương quan khoảng CPA tham số quỹ đạo khác Điều cần lưu ý khoảng cách điểm tiệm cận gần CPA tăng, góc ngẩng tối đa đạt q trình liên lạc, thời gian giao tiếp vệ tinh giảm xuống Với khoảng cách điểm tiệp cận gần CPA, vệ tinh có quỹ đạo cao hơn, có góc ngẩng lớn Điều có liên quan vé vào vùng núi với vật cản đường chân trời thấp khơng có giá trị đạt góc nâng tối thiểu định 2.4Truyền thơng vệ tinh LEO: 2.4.1 Phân bổ tần số: Bảng 2.4 Phân bố dải tần sử dụng cho vệ tinh Dải tần (MHz) 137-138 VHF 145-146 VHF 148-150 VHF 240-270 UHF 400-403 UHF Dịch vụ triển khai Dữ liệu tốc độ thấp từ vệ tinh - mặt đất Vệ tinh không chuyên Đường lên cho vệ tinh tốc độ thấp Vệ tinh quân đội Thông tin di động 14 432-438 UHF 2,025-2,300 băng S 8,000-9,000 băng X Trên 20.000 Vệ tinh không chuyên Truyền tin từ vệ tinh - mặt đất ngược lại Truyền dẫn vệ tinh tốc độ cao Dải tần ngày sử dụng nhiều 2.4.2 Điều chế 2.4.3 Tỉ số BER hệ số FEC: Bảng 2.5: Bảng thống kê Eb/No theo giá trị BER điều chế khác Kiểu điều chế FSK (incoherent) BPSK or QPSK FSK với FEC* QPSK với FEC* FSK (incoherent) Eb/No yêu cầu BER=10-5 BER=10-6 13.2 14.2 9.8 10.6 7.8 9.0 4.5 5.6 13.2 14.2 * FEClà mã Viterbi 1/2 với k=7 BER=10-7 14.8 11.7 9.6 5.9 14.8 Áp dụng giá trị FEC khác có tác động đáng kể đến việc tăng hay giảm giá trị Eb/No u cầu cho tín hiệu có tỉ lệ BER cố định 2.4.4 Chất lượng tuyến: Phương trình cơng suất tuyến truyền dẫn tính tốn chi tiết theo hàm cao độ quỹ đạo, góc ngẩng anten mặt đất nhiều tham số khác mơ tả bảng 2.6 Bảng 2.6: Ví dụ phương trình cơng suất tuyến truyền dẫn Tham số Mơ tả Giá trị PT Công suất phát vệ tinh Hệ số tăng ích anten theo hướng trạm mặt đất Suy hao điều chế Suy hao không gian (trong khoảng 600 km cao độ đến góc ngảng 15°) 40.00 dBm -1.45 dBm -0.50 dB -163.70 dB AGGS Hệ số tăng ích anten thu mặt đất 32.04 dB PL Suy hao chỉnh anten thu Cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu trạm mặt đất Hệ số tạp âm máy thu 0.00 dB - 93.11 dBm 3.00 dB AGSC ML SL SGS NF 15 NBW Băng thông tạp âm máy thu(1 Mbps) 60.79 dB KTB KTB Mật độ tạp âm (per Hz) GN IL Tạp âm sinh theo tạp âm KTB Suy hao lắp đặt Eb/No yêu cầu ( FSK, no FEC, BER=107) Mức tín hiệu yêu cầu đầu vào máy thu -174.00 dBm 0.00 dB 2.00 dB Eb/No R Syêu cầu 15.00 dB -93.21 dBm Nếu sử dụng FEC, độ lợi công suất tăng lên 5,3 dB; điều cho phép tín hiệu thu mức chất lượng 10−7 BER Sử dụng QPSK với FEC làm tăng biên độ khoảng 8,9 dB Cơng suất dư thừa cho phép tăng tốc độ liệu lên thành Mbps 2.4.5 Hạn chế hình học giao tiếp vệ tinh mặt đất: Khoảng thời gian di chuyển từ vệ tinh có độ cao quỹ đạo 600 km qua trạm mặt đất theo khoảng cách CPA khác Khi khoảng cách CPA theo dõi từ mặt đất đến vệ tinh tăng lên, thời lượng mà vệ tinh vượt qua trạm ngắn góc ngẩng anten nhỏ Ví dụ: cao độ 500 km góc ngẩng 20°, thời gian vượt qua khoảng phút dài; với góc ngẩng nhỏ thời gian giao tiếp vệ tinh nhỏ Hình 2.15: Tương quan góc ngẩng khoảng cách mặt đất thời lượng vượt qua vệ tinh theo điểm tiệm cần gần CPA cố định 16 2.5 Điều khiển xác định hành vi (Attitude Determination and Control System - ADACS): 2.5.1 Giới thiệu chung ADACS: Phần mơ tả q trình phát triển ADACS thơng qua u cầu mục tiêu, đến yêu cầu cấp hệ thống mơ tả cấu hình hệ thống kiểm sốt hành vi khác độ xác chúng tương xứng, phù hợp với dịch vụ 2.5.2 Các thành phần ADACS: 2.5.2.1 Mô men xoắn mô men dọc trục Mô men hệ thống để kiểm soát hành vi , giảm thiểu xung lực tác động ổn định vệ tinh xây dựng từ cuộn dây điện từ Từ trường tạo lưỡng cực từ giao tiếp với từ trường xung quanh, thường Trái đất, để lực phản tạo cung cấp mơ-men xoắn hữu ích - - Hình 2.16: Mơ mơ men xoắn điều chỉnh ADACS 2.5.2.2 Các thiết bị bám (star tracker) Thiết bị bám thiết bị quang học đo vị trí ngơi cách sử dụng tế bào quang học máy ảnh Vì vị trí nhiều nhà thiên văn đo đạc mức độ xác cao, thiết bị theo dõi vệ tinh vệ tinh sử dụng để xác định hướng (hoặc hành vi) vệ tinh tương ứng với Một theo dõi bao gồm xử lý để xác định cách so sánh mẫu quan sát với mẫu biết bầu trời 17 2.5.2.3 Bộ thu GPS Dữ liệu GPS sử dụng vệ tinh hướng vào mục tiêu mặt đất liên quan đến khung quỹ đạo, để xác định vị trí tương đối xác Tuy nhiên, tùy thuộc vào hình dạng quỹ đạo so với mạng vệ tinh GPS NAVSTAR, thời gian tín hiệu định vị lên đến 20 phút Điều giảm thiểu cách sử dụng liệu từ mạng vệ tinh khác GLONASS Galileo 2.5.3 Các thuật toán ADACS: Thuật tốn máy tính ADACS thực chức sau:  Nhận lệnh hành vi từ C&DH - Command and Data-handling;  Nhận kết đầu cảm biến từ từ kế, cảm biến mặt trời, thu GPS, thiết bị bám  Xác định hành vi vệ tinh lỗi từ hành vi điều khiển sai  Tính tốn chức gán lệnh (quay vịng, thay đổi hành vi , trỏ đến mục tiêu);  Tính toán truyền động bánh xe phản ứng mơ-men xoắn;  Tính tốn thành phần quỹ đạo xử lý kết đo từ xa ADACS thời gian tới C&DH 2.6 Liên kết vệ tinh - Inter Saterllite link ISL: Liên kết vệ tinh (ISL) coi thành phần hệ thống vệ tinh LEO để kết nối đường truyền dẫn thơng tin, cải thiện độ xác định vị xác định quỹ đạo Sự kết hợp phép đo ISL vệ tinh dẫn đường yêu cầu quan trọng để cải thiện việc xác định quỹ đạo 2.6.1 Mơ hình mạng ISL: Hình 2.17: Mơ hình đa bước nhẩy kết nối người dùng vệ tinh 18 2.6.2 Các bước nhảy: Hầu hết mạng LEO đề xuất sử dụng nhiều lớp mạng bao gồm NP × MP vệ tinh, NP số mặt phẳng quỹ đạo MP số lượng vệ tinh mặt phẳng Có MP vệ tinh phân bố mặt phẳng với chênh lệch pha vệ tinh liền kề ∆Φ = 2π = MP, độ lệch pha vệ tinh mặt phẳng liền kề tính ∆f = 2πF = (NP MP), f hệ số chia pha Các giá trị tính tốn mạng vệ tinh bao gồm:/NP/MP/ NP/F 2.6.3 Đường dẫn ISL: Hình 2.21 minh họa chế độ kết nối ISL sử dụng rộng rãi Mỗi vệ tinh thiết lập bốn đường dẫn ISL dài hạn với vệ tinh lân cận nó: hai mặt phẳng hai mặt phẳng liên ISL Độ lệch pha hai vệ tinh kết nối ISL mặt phẳng ∆f Giá trị ∆f cho phép giá trị âm [ ], F thuộc khoảng sau: f1 - NP; - NP, , NP - 1 Hình 2.22: Các đường dẫn khả thi từ vệ tinh nguồn đến đích với số bước nhảy tối thiểu 2.6.4 Thuật toán với vệ tinh tăng dần giảm dần: Các vệ tinh tăng dần vệ tinh bay phía vĩ độ ngày tăng, vệ tinh giảm theo hướng giảm dần theo vĩ độ, minh họa hình 2.23 Khi quỹ đạo nghiêng α nằm khoảng từ 0◦ đến 90◦, hướng tăng dần vệ tinh xuống đông bắc đông nam 2.7 Các phân hệ phụ tải: Hình 2.21 Mơ tả phần phụ tải vệ tinh LEO điển hình 19 2.8Phần trạm mặt đất phần phụ trợ: 2.8.1 Trạm mặt đất: Trạm mặt đất - GS vị trí tức thời, phạm vi vùng phủ vệ tinh số liệu mô tả độ cao vệ tinh phạm vi GS như: cao độ góc phương vị vệ tinh thời điểm xác định 2.8.2 Bám vệ tinh LEO: - Phương pháp bám TLE: Phương pháp bám bước anten parabol 2.9Kết luận chương: Toàn nội dung Chương khái quát khái niệm phần không gian spacecraft hệ thống vệ tinh tầm thấp LEO Giống hệ thống vệ tinh địa tĩnh cổ điển, hệ thống vệ tinh tầm thấp có đặc điểm tương đồng mơ hình mạng, vùng phủ Nhưng sâu vào phân tích đặc điểm vệ tinh tầm thấp, bao gồm yếu tố quỹ đạo, liên kết liên vệ tinh, góc ngẩng cơng tác, khả bám vệ tinh để thấy rõ yếu tố phần không gian có ảnh hưởng định đến việc khả thi triển khai vệ tinh LEO Qua đó, nội dung chương sở để phát triển Chương với nội dung nghiên cứu sơ để xuất mạng vệ tinh tầm thấp băng rộng Việt Nam 20 CHƯƠNG - NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH TẦM THẤP BĂNG RỘNG TẠI VIỆT NAM 3.1Phạm vi mục đích: - - - - Ngành công nghiệp internet vệ tinh phát triển với tốc độ nhanh chóng năm 2020, cơng ty SpaceX, OneWeb, Telesat Amazon nỗ lực thúc đẩy đầu tư xây dựng mạng internet băng rộng dựa chùm vệ tinh hoạt động quỹ đạo tầm thấp Trái đất Cùng với sự phát triển cơng nghệ vệ tinh nói chung tồn giới, chỉnh phủ Việt Nam có định số 169/QĐ-TTg chiến lược phát triển ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghệ vũ trụ đến năm 2030 [13], nhằm ứng dụng rộng rãi thành tự khoa học công nghệ vũ trụ, đầu tư trọng điểm số lĩnh vực liên quan đến quốc phòng, an ninh, quản lý tài nguyên môi trường, giám sát hỗ trợ giảm thiểu thiệt hại thiên tai, đảm bảo toàn vẹn lãnh thổ, thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội Nắm bắt tinh thần đó, Đồ án xin vào phần phân tích thiết kế cho chùm vệ tinh tầm thấp LEO đáp ứng đươc nhu cầu trên, đặc biệt nhu cầu truyền dẫn vệ tinh ứng dung cho dịch vụ băng rộng Wifi, LTE, LMR 3.2 Mơ hình xây dựng: bao gồm: Giới thiệu hệ thống mạng thông số kỹ thuật hệ thống thiết kế Các băng tần khai thác, chùm sóng phủ cho mạng vệ tinh băng rộng Khả kết nối vệ tinh theo thời gian, tính toán đường truyền Độ trễ cho mạng vệ tinh 3.2.1 Mô tả chung: 3.2.2 Băng tần khai thác: Bảng 3.1 Băng tần cho vệ tinh LEO thiết kế STT Tuyến truyền dẫn Giải tần (GHz) Gateway lên vệ tinh 27.5 – 29.1 Vệ tinh xuống gateway 17.8 – 20.2 Từ thiết bị cá nhân lên vệ tinh 12.75 – 13.25 14.0 – 14.5 Từ vệ tinh xuống thiết bị cá nhân 10.7 – 12.7 3.2.3 Búp sóng khai thác: - Mỗi beam hỗ trợ nhiều dịch vụ tới nhiều thiết bị đầu cuối, theo tuyến xuống từ gateway-người dùng sử dụng truy cập TDM, theo chùm người dùng khai thác sóng mang băng thơng 250 MHz đơn Ở tuyến lên ngược lại (người dùng đến gateway sử dụng ghép kỹ thuật truy cập TDMA/FDMA (SCTDMA/FDMA) 21 - - đầu cuối người dùng sử dụng băng tần xác định rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz để giảm thiểu công suất phát thiết bị đầu cuối người dùng Các thơng số vệ tinh là: băng thơng phát đáp tuyến lên 1,25 - 20MHz, tuyến xuống 250 MHz, nhiệt tạp âm 500 K, độ cao quỹ đạo vệ tinh 778 km, nửa góc bao phủ vệ tinh 62 độ, góc ngẩng thấp độ khoảng cách xa vệ tinh mặt đất 2476 km Vì độ rộng nửa góc búp sóng ăng ten vệ tinh 2,9 độ, vệ tinh hệ thống cần 62 độ để đạt phạm vi phủ sóng tồn cầu Do đó, thấy chùm vệ tinh sử dụng góc ngẩng thấp, vùng phủ sóng beam vệ tinh nhiều, lên đến hàng nghìn vùng phủ nhỏ - spot beam dẫn đến hệ thống vơ phức tạp Do đó, cần đề xuất lược đồ chùm vệ tinh có góc ngẩng lớn 3.2.4 Chùm vệ tinh, tham số quỹ đạo: - Vùng phủ sóng vệ tinh tính cơng thức (3.8), Re bán kính trái đất  góc tâm trái đất [6] (3.8) - Vận tốc vệ tinh LEO so với trái đất cho Công thức (3.6)  tốc độ quay góc trái đất, Rg bán kính quỹ đạo GEO vệ tinh RI bán kính quỹ đạo vệ tinh LEO (3.6) Góc quay trái đất tính 0,2618 radians/h phương trình (3.2) (3.7) Bán kính quỹ đạo vệ tinh tính cách cộng bán kính xích đạo trái đất, 6378 km, giá trị dẫn đến giá trị Rg = 42,178-km RI = 7158 km Vận tốc vệ tinh LEO so với trái đất tính = 26,804 km/giờ cơng thức (3.7) 22 Hình 3.2 Vùng phủ vệ tinh LEO thiết kế - Bán kính quỹ đạo vệ tinh tính cách cộng bán kính xích đạo trái đất, 6378 km, giá trị dẫn đến giá trị Rg = 42,178-km RI = 7158 km Vận tốc vệ tinh LEO so với trái đất tính = 26,804 km/giờ - Các thông số chùm vệ tinh dẫn đến kết chu kỳ quỹ đạo 100,13 phút Góc nghiêng tối thiểu để người dùng nhìn thấy vệ tinh cho 8,2 độ vị trí cố định từ trái đất, thời gian quan sát cho vệ tinh phút [5] 3.2.5 Các tham số khác: 3.2.5.1 Kết nối theo thời gian: Bảng 3.2: Chu kỳ quỹ đạo vệ tinh tính theo ngày Số ngày Số phút Chu kỳ quỹ đạo 1440 14,38 2880 28,76 4320 43,14 5760 57,52 7200 71,90 8640 86,28 10080 100,66 11520 115,04 12960 129,42 10 14400 143,80 Bảng 3.2 cho thấy chùm vệ tinh không hoàn thành số chu kỳ theo số nguyên lần vòng mười ngày Điều dường minh họa kết nối 23 trạm mặt đất vệ tinh không thiết lập theo chu kỳ Tuy nhiên, kích thước vùng phủ vệ tinh góc ngẩng tối thiểu trạm mặt đất phải xác định để thiết lập kết nối trạm mặt đất vệ tinh 3.2.5.2 Tính tốn tuyến truyền dẫn: Tham số Mô tả PT Công suất phát vệ tinh AGSC Tăng ích vệ tinh theo hướng trạm mặt đất ML Suy hao điều chế SL suy hao khơng gian (độ cao 600 km@góc ngẩng 15°) AGGS PL NF NBW Tăng ích an ten trạm mặt đất Suy hao chỉnh ăn ten Cơng suất tín hiệu đầu vào máy thu trạm mặt đất Hệ số tạp âm máy thu Băng thông tạp âm máy thu (cho Mbp) KTB KTB Mật độ tạp (per Hz) GN IL Eb/No Tạp âm mặt đất tính theo tạp âm nhiệt KTB Suy hao lắp đặt Eb/No yêu cầu (FSK, no FEC, BER=10-7) Su cầu Cơng suất tín hiệu đàu vào máy thu u cầu SGS Dự phịng cơng suất 3.2.5.3 Giá trị tính tốn 40.00 dBm -1.45 dBm -0.50 dB -163.70 dB 32.04 dB 0.00 dB - 93.11 dBm 3.00 dB 60.79 dB -174.00 dBm 0.00 dB 2.00 dB 15.00 dB -93.21 dBm 0.10 dB Độ trễ hay hiệu suất đường truyền: Loại trễ điển hình tối đa cho ứng dụng thoại thời gian thực 400 ms Độ trễ trung bình gói đầu cuối mơ tả phương trình (3.10) (3.10) Từ giá trị trên, độ trễ trung bình từ đầu đến cuối cho số lượng vệ tinh đường tính tốn tóm tắt bảng Số vệ tinh Trễ end-to-end 0.071 0.085 0.098 0.112 0.125 0.138 0.152 24 3.3 Kết luận chương: Phân tích tham số cho hệ thống truyền dẫn chứng minh mạng thiết kế có khả đáp ứng thơng số kỹ thuật cho mạng vệ tinh LEO băng rộng Phân tích tham số giải tần, băng thông kiểu điều chế mã hóa kết hợp cho thấy lực hệ thống tính tốn chứng minh mạng thiết kế có ứng dụng cho dịch vụ băng rộng tốc độ với độ trễ thấp Đánh giá độ trễ đầu cuối cho thấy hệ thống dễ dàng đáp ứng tiêu chuẩn độ trễ end-to-end tối thiểu 400 ms Hệ thống mở khả đáp ứng nhu cầu dịch vụ có u cầu băng thơng cao 25 KẾT LUẬN Như sau thời gian nghiên cứu với sự nỗ lực thân sự hướng dẫn tận tình TS Vũ Tuấn Lâm, đề tài “Thiết kế chế tạo thiết bị truyền dẫn quang NGSDH đa dịch vụ ứng dụng vào mạng truy nhập hệ thống viễn thơng” học viên hồn thành với số kết sau: - Nắm kỹ thuật cơng nghệ NG-SDH Vai trị chức thiết bị truyền dẫn quang NG-SDH mạng truy nhập hệ thống viễn thông - Nghiên cứu đề xuất tính năng, tiêu kỹ thuật thiết bị thiết kế dựa vào tiêu tính dòng thiết bị trang bị hệ thống - Thiết kế hoàn chỉnh phần cứng phần mềm thiết bị - Xây dựng mô hình đo kiểm, thử nghiệm đánh giá thiết bị sau chế tạo, đối chiếu với bảng tiêu kỹ thuật đề xuất ban đầu Những hạn chế hướng phát triển đề tài: - Do thời gian thực đề tài có hạn, cơng việc nhiều, chịu chi phối nhiều nhiệm vụ khác nên chưa tối ưu thiết kế Thiết bị sau chế tạo chưa có phần mềm quản lý NE mà việc khai báo LCT - Trong thời gian tới học viên tiếp tục hoàn thiện đề tài mình, xây dựng phần mềm quản lý Thử nghiệm thời gian dài mạng truy nhập để đánh giá tính ổn định thiết bị sau chế tạo Học viên mong nhận góp ý nhà khoa học, đồng nghiệp bạn bè để hoàn thiện đề tài ... thống vệ tinh tầm thấp Chương 3: Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh tầm thấp băng rộng Việt Nam 2 CHƯƠNG I - TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG KHAI THÁC VỆ TINH ĐỊA TĨNH BĂNG RỘNG VÀ VỆ TINH TẦM THẤP 1.1 Khái... triển Chương với nội dung nghiên cứu sơ để xuất mạng vệ tinh tầm thấp băng rộng Việt Nam 20 CHƯƠNG - NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH TẦM THẤP BĂNG RỘNG TẠI VIỆT NAM 3.1Phạm vi mục đích:... spacecraft hệ thống vệ tinh tầm thấp LEO Giống hệ thống vệ tinh địa tĩnh cổ điển, hệ thống vệ tinh tầm thấp có đặc điểm tương đồng mơ hình mạng, vùng phủ Nhưng sâu vào phân tích đặc điểm vệ tinh tầm thấp,