Nghiên cứu Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinhChương 2: Các phương pháp đa truy nhập và tổn hao trong thông tin vê tinh Chương 3: Hệ thống định vị toàn cầu GPS Chương 4: Ứng dụng hệ thống GPS trong ngành hàng không

MỤC LỤC

Lời nói đầu 5

Các từ viết tắt 7

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh 9

1.1 Khái quát về định vị 9

1.2 Nguyên lý của hệ thống thông tin vệ tinh 9

1.2.1 Quỹ đạo cực tròn 10

1.2.2 Quỹ đạo elip nghiêng 10

1.2.3 Quỹ đạo xích đạo tròn 10

1.2.3.1 Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geosychronous Earth Orbit) 10

1.2.3.2 Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit) 11

1.2.3.3 Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit) 11

1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh 11

1.4 Hệ thống của thông tin vệ tinh cơ bản 12

1.5 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 13

1.6 Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh 14

1.6.1 Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh 16

1.6.1.1 Mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code - PRC) 16

1.6.1.2 Giả cự ly 17

1.6.1.3 Đo cự ly bằng sóng xung và sóng liên tục 17

1.6.1.4 nguyên lý đo cự ly cơ bản 18

1.6.2 Các nguồn gây sai số trong phép đo 18

1.6.2.1.Đồng hồ vệ tinh 19

1.6.2.2 Đồng hồ máy thu 20

1.7 Sai số quỹ đạo vệ tinh 21

1.7.1 Sai số do tầng điện ly 21

1.7.2 Sai số do tầng đối lưu 22

1.7.3 Nhiễu đa đường 23

1.7.4 Các sai số của máy thu 23

Chương 2: Các phương pháp đa truy nhập và tổn hao trong thông tin vệ tinh 24

2.1 Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh 24

2.1.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 24

2.1.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 25

2.1.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 26

2.2 Phương pháp đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 27

2.2.1 Đa truy nhập phân phối trước 27

2.2.2 Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu 27

2.2.2.1 Sự phân cực sóng mang 27

2.2.2.2 Sóng phân cực thẳng 28

2.2.2.3 Sóng phân cực tròn 28

2.3 Cửa sổ tần số 29

2.4 Suy hao trong thông tin vệ tinh 30

2.4.1 Suy hao trong không gian tự do 30

2.4.2 Suy hao do tầng đối lưu 31

2.4.3 Suy hao do tầng điện ly 31

2.4.4 Suy hao do thời tiết 31

2.4.5 Suy hao do đặt anten chưa đúng 32

2.4.6 Suy hao trong thiết bị phát và thu 32

2.4.7 Suy hao do phân cực không đối xứng 33

2.5 Tạp âm trong thông tin vệ tinh 33

2.5.1 Nhiệt tạp âm hệ thống 33

2.5.1.1 Nhiệt tạp âm bên ngoài T S và nhiệt tạp âm anten 34

2.5.1.2 Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ TF 36

2.5.1.3 Nhiệt tạp âm máy thu TR 36

2.5.2 Công suất tạp âm hệ thống 36

2.5.3 Công suất tạp âm nhiễu 37

2.5.3.1 Can nhiễu khác tuyến 37

2.5.3.2 Nhiễu cùng tuyến 38

2.6 Hiệu ứng Doppler 40

2.7 Trễ truyền dẫn 41

Chương 3 : Hệ thống định vị toàn cầu GPS 42

3.1 Sự ra đời của hệ thống GPS 42

3.2 Cấu tạo của hệ thống GPS 47

3.2.1 Chùm vệ tinh 48

3.2.2 Hệ thống điều khiển mặt đất 48

3.2.3 Bộ phận người sử dụng 49

3.3 Nguyên lý hoạt động của hê thống 50

3.4 Điều chế và giải điều chế GPS 52

3.4.1 Điều chế tín hiệu GPS 52

3.4.2 Giải điều chế GPS 53

3.5 Phương pháp tạo mã C/A 53

3.6.Các loại mã 54

3.6.1 Mã C/A 54

3.6.2 Mã P 54

3.7 Cấu trúc dữ liệu GPS 55

3.8 Mối quan hệ giữa các chức năng của hệ thống GPS 59

3.9 Hệ quy chiếu không gian và thời gian 59

3.10 Các hệ thống định vị khác .60

3.10.1 Hệ thống định vị toàn cầu Glonass 60

3.10.2 Galileo của châu âu 61

3.10.3 Beidou 62

3.10.4 Irnss 62

3.10.5 Qzss 62

3.11 Ưu điểm của hệ thống so với các hệ thống khác 62

Chương 4: Ứng dụng hệ thống định vị vệ tinh trong ngành hàng không 64

4.1 Hạn chế của hệ thống dẫn đường truyền thống 64

4.2 Cấu trúc hệ thống Testbed 64

4.2.1 thiết bịTRS 65

4.2.2 Thiết bị TVR 65

4.2.3 Trung tâm khai thác hệ thống (SOC) 65

4.2.4 Thiết bị TUP 66

4.3 Các hệ thống tăng cường dẫn đường 66

4.3.1 Hệ thống SBAS ( Satellite Based Augmentation System ) 67

4.3.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 67

4.3.1.2 Đánh giá hệ thống 68

4.3.1.3 Một số SBAS khác 69

4.3.2 Hệ thống GBAS ( Ground-Based Augmentation System ) 69

4.3.2.1 Chức năng 70

4.3.2.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 70

4.3.2.3 Đánh giá hệ thống GBAS 71

4.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống tăng cường 72

4.3.3.1 Ảnh hưởng bởi nhiễu 72

4.3.3.2 Ảnh hưởng do khúc xạ của tầng ion 72

4.3.3.3 Ảnh hưởng của bão từ (Scintillation) 73

Kết luận 74

Tài liệu tham khảo 75

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, thế giới thông tin ngày càng phát triển một cách đa dạng và phongphú Nhu cầu về thông tin liên lạc trong cuộc sống càng tăng cả về số lượng và chấtlượng, đòi hỏi các dịch vụ của ngành Viễn Thông càng mở rộng Trong những nămgần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc đáp ứng nhucầu đời sống, đưa con người nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa học kỹthuật

Sự ra đời của nhiều loại phương tiện tiên tiến như máy bay, tàu vũ trụ đòi hỏi

1 kỹ thuật mà các hệ thống cũ không thể đáp ứng được đó là định vị trong khônggian 3 chiều, đứng trước sự đòi hỏi đó chính phủ Mỹ đã tài trợ 1 chương trìnhnghiên cứu hệ thống định vị trong vũ trụ Với mục đích khảo sát, nghiên cứu hệthống định vị này Do đó em chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầuGPS ứng dụng trong hàng không” cho đồ án tốt nghiệp của mình

Nội dung của đồ án gồm 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

Chương 2: Các phương pháp đa truy nhập và tổn hao trong thông tin vê tinh Chương 3: Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Chương 4: Ứng dụng hệ thống GPS trong ngành hàng không

Chương 1: cung cấp các khái niệm cơ bản về TTVT, về định vị, cơ sở lýthuyết của phép định vị bằng vệ tinh, phương trình đo mã, thiết lập mô hình toánhọc của phép đo cũng như các nguồn gây sai số của phép đo

Chương 2: Tìm hiểu về các phương pháp và những ảnh hưởng của tạp âm vàsuy hao trong thông tin vệ tinh

Chương 3: tìm hiểu về ưu điểm, chức năng, cấu tạo, cấu trúc-đặc tính tínhiệu, định dạng dữ liệu điện văn GPS và cũng như thông tin dẫn đường của GPS

Chương 4: sẽ trình bày ứng dụng của hệ thống GPS vào hàng không, đồngthời xét hai hệ thống tăng cường GBAS và SBAS

Do kiến thức và trình bày của em còn hạn chế nên đề tài vẫn còn nhiều thiếusót, em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý thêm của Thầy Cô và các bạn

Trong quá trình làm đồ án, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy

cô trong khoa đặc biệt là Thầy Đặng Thái Sơn đã hướng dẫn nhiệt tình, chỉ bảo giúp

đỡ em hoàn thành đồ án này

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo KS Đặng Thái Sơn đã

giúp em hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Đinh Công Tài

CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN

GPS Global Positioning Systems hệ thống định vị toàn cầu

GLONAS

S Global navigation Định vị toàn cầu của nga

CDMA Code Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo mã

HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất caoLNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp

BPSK Binary Phase Shift Key Khóa dịch pha nhị phân

P precise hoặc protectd Mã chính xác hoặc mã bảo vệ

S/A Selective Availability Là một loại tín hiệu

NDB Non – Directional Radio Beacon Đài phát sóng dài phát vô hướngDME Distance Measuring Equipment Đài đo cự ly

ILS Instrument Loading Sysem Là hệ thống thiết bị mặt đấtVOR Very High Frequency Omi Range Đài vô tuyến phương vị mặt đấtSBAS Satellite Based Augmentation

GBAS Ground-Based Augmentation

GMS Ground Monitor Station Trạm giám sát mặt đất

MCS Master Control Station Trạm điều khiển chính

CNMP Multipath error confidence bounds Gới hạn nhiễu đa đường

UDRE User Differential Range Error Lỗi sai lệch cự ly người dùng vệ

tinhGIVE Grid Ionosphere Vertical Error Lỗi lưới dọc ion

VPL Vertical protection level Mức bảo vệ dọc

HPL Horizontal protection level Mức bảo vệ ngang

ECEF Earth Cented Earth Fixed

Coordnate

Hệ tọa độ có gốc tọa độ đặt tại tâm của trái đất và cố địnhWGS-84 World Geodetic System -1984 Hệ thống trắc địa học toàn cầu

1984UTC Universal Time Coordinated Là một hệ thời gian

ICAO International Civil Aviation

Organization

Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế

IGP Ionosphere Grid Piont Điểm lưới tầng ion

IPP Ionospheric Pierce Points Điểm xuyên qua tầng Ion

FDMA Frequency Division Multiplex

Thật vậy, từ xa xưa con người đã biết vận dụng nhiều phương pháp như:

- Định vị cổ điển như quan sát theo dõi các ngọn núi, tòa nhà cao

- Định vị quan sát các chòm sao và hành tinh trên vũ trụ: như sao Bắc đẩu đểxác định vị trí của mình tuy là không chính xác lắm

Ngày nay, nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và các phương phápđịnh vị hiện đại như:

- Định vị quán tính

- Định vị vô tuyến mặt đất

- Định vị vô tuyến không gian người ta đã tính toán và đo được các thông số

1.2 Nguyên lý của hệ thống thông tin vệ tinh

Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thông tin ngoài tráiđất Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất,khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác

Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất là:

- Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất

- Qủa đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh

1.2.1 Quỹ đạo cực tròn

Ưu điểm của dạng quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy vệtinh trong một khoảng thời gian nhất định Việc phủ sóng toàn cầu của dạng quỹđạo này đạt được vì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lược quét tất cả các vị trí trênmặt đất Dạng quỹ đạo này được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải,thăm dò tài nguyên và các vệ tinh do thám Nó ít được sử dụng cho thông tin truyềnhình vì thời gian xuất hiện ngắn

1.2.2 Quỹ đạo elip nghiêng

Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng cực cao màcác vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhượcđiểm là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải ở mứccao

1.2.3 Quỹ đạo xích đạo tròn

Hình 1.1 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh

Đối với dạng quỹ đạo này, vệ tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo và làdạng quỹ đạo được dùng cho vệ tinh địa tĩnh, nếu vệ tinh bay ở một độ cao đúng thìdạng quỹ đạo này sẽ lý tưởng đối với các vệ tinh thông tin.

1.2.3.1 Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geosychronous Earth Orbit)

Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng

36.000km so với đường xích đạo, vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất mộtvòng mất 24h Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanhtrục của nó theo hướng Đông cùng với hướng quay của trái đất, bởi vậy vệ tinhdường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất, do đó nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh

Bởi vì một vệ tinh địa tĩnh có thể đảm bảo thông tin ổn định liên tục nên cónhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin

Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt ở cách đều nhau bên trên xích đạo thì có thểthiết lập thông tin liên kết giữa các vùng trên trái đất bằng cách chuyển tiếp qua mộthoặc hai vệ tinh Điều này cho phép xây dựng một mạng thông tin trên toàn thế

giới

1.2.3.2 Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit)

Độ cao điển hình của dạng quỹ đạo này là 160 đến 480 km, nó có chu kỳ 90phút Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng dưới 30 phút Việc bố trí các vệ tinh

Hình 1.2 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh

ngắn Do khả năng thực hiện nhanh của nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ toàn cầugiữa các mạng và loại hình hội thoại vô tuyến truyền hình sẽ có hiệu quả và hấp dẫnhơn Nhưng hệ thống LEO đòi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại này mới bao trùmhết bề mặt địa cầu

1.2.3.3 Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit)

Vệ tinh MEO ở độ cao từ 10.000km đến 20.000 km, chu kỳ của quỹ đạo là 5đến 12 giờ, thời gian quan sát vệ tinh từ 2 đến 4 giờ Ứng dụng cho thông tin diđộng hay thông tin radio Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh để phủ sóng toàncầu

1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh

Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến nhanhchóng vì nhiều lý do khác nhau Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh so với cácphương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp quang và hệ thốngchuyển tiếp viba số là:

- Có khả năng đa truy nhập

- Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần 3 vệ tinh địa tỉnh là có thể phủ sóng toàn cầu

- Ổn định cao, chất lượng và khả năng cao về thông tin băng rộng

- Có thể ứng dụng cho thông tin di động

Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng hiệuquả sử dụng của nó tới cực đại được gọi là đa truy nhập Nói cách khác đa truy nhập

là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặtđất

1.4 Hệ thống của thông tin vệ tinh cơ bản

Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần cơ bản:

- Phần trên không là vệ tinh và các thiết bị liên quan.

- Phần mặt đất bao gồm các trạm mặt đất

Trong đó vệ tinh đóng vai trò lặp lại tín hiệu truyền giữa các trạm mặt đất,thực chất kỹ thuật thông tin vệ tinh là kỹ thuật truyền dẫn mà trong đó môi trườngtruyền dẫn là không gian vũ trụ với khoảng cách đường truyền khá dài Tại đây tacũng gặp lại một số vấn đề đối với một bài toán truyền dẫn, đó là các vấn đề điềuchế tạp âm và nhiễu đường truyền, đồng bộ giữa hai đầu thu phát

Hình vẽ là một ví dụ đơn giản về liên lạc giữa hai trạm mặt đất thông qua

vệ tinh thông tin

Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên (Uplink) và đường từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống (Down link).Hầu hết, các tần số trong khoảng 6GHz hoặc 14GHz được dùng cho đường lên vàtần số khoảng 4GHz hoặc 11GHz cho đường xuống

Tại đầu phát, thông tin nhận từ mạng nguồn (có thể là kênh thoại, truyềnhình quảng bá, truyền số liệu ) sẽ được dùng để điều chế một sóng mang trungtần IF Sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ chuyển đổi nâng tần (Up Converter)cho ra tần số cao hơn RF (Radio Frequency) Tín hiệu RF này được khuếch đại ở

bộ khuếch đại công suất cao HPA (High Power Amplifier) rồi được bức xạ rakhông gian lên vệ tinh qua anten phát Tại vệ tinh, tín hiệu nhận được qua anten sẽ

Đường lên 6GHz(14GHz)

Đường xuống 4GHz(11GHz)

Khuếch đại tạp âm tháp

Hình 1.3 Liên lạc giữa hai trạm mặt đất qua vệ tinh

khuếch đại công suất rồi được phát trở lại trạm mặt đất Ở trạm mặt đất thu, tínhiệu thu được qua anten được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA(Low Noise Amplifier) Sau đó được chuyển đổi tần số xuống trung tần qua bộchuyển đổi hạ tần (Down Converter) và cuối cùng được giải điều chế khôi phục lạitín hiệu băng gốc.

1.5 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh nằm trong băng tần siêu cao SHF(Super High Frequency) từ 3 đến 30 GHz, trong phổ tần số sử dụng cho vệ tinhngười ta còn chia các băng tần nhỏ với phạm vi của dãy phổ như bảng 1.1

Bảng 1.1 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

8,824,414,413,562,751,661,950,83Hiện nay, băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất, băng C (4/6 GHz)nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, suy hao ít do mưa, trước đây được dùng cho các

hệ thống viba mặt đất Sử dụng chung cho hệ thống Intelsat và các hệ thống khácbao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa Băng Ku(12/14 và 11/14 GHz), được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông côngcộng, dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa các công ty Do tần số caonên cho phép sử dụng những anten có kích thước nhỏ, nhưng cũng vì tần số cao nêntín hiệu ở băng Ku bị hấp thụ lớn do mưa

Băng Ka (20/30 GHz) lần đầu tiên sử dụng cho thông tin thương mại qua vệtinh Sakura của Nhật, cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ và hoàn toàn khônggây nhiễu cho các hệ thống viba Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng kể do mưa nênkhông phù hợp cho thông tin chất lượng cao

1.6 Cơ sở của phép định vị bằng vệ tinh

Để xác định vị trí của một vật thể bằng vệ tinh (định vị điểm) ta cần sử dụng

vệ tinh làm các điểm tham chiếu, nghĩa là ta cần tính được khoảng cách từ vật thểđến các vệ tinh này (Hình 1.4)

Ở đây ta đã biết trước vị trí rj của vệ tinh thứ j (phát ra tín hiệu) và muốn xácđịnh vị trí Ri của anten thứ i (thiết bị thu tín hiệu vệ tinh) do đó ta cần phải đo vector

cự ly eiIj giữa 2 vị trí nói trên (ei là vector đơn vị)

Khi đó tùy thuộc vào cách thức đo vector cự ly, chúng ta có thể có những kỹthuật định vị vệ tinh khác nhau và xác định được vị trí của anten thứ i theo côngthức sau:

Ri = rj - eijij (1.1)

Hình 1.4 vị trí các vật thể được xác định qua 4 phép đo

Do vị trí của vệ tinh thay đổi theo thời gian nên việc dự đoán một cáchchính xác vị trí của vệ tinh rj(t) tại một thời điểm nào đó là rất khó khăn Nhiệm vụ

dự đoán quỹ đạo hay lịch thiên văn (ephemeris) của vệ tinh đòi hỏi phải có kiếnthức đặc biệt về động lực học vệ tinh mà người vận hành hệ thống cần phải quantâm

C (Gốc tọa độ)(Tâm trái đất)

rj (đã biết)

(cần tìm) RiAnten thứ i

Vệ tinh thứ j

Mặt đất

(đo được) eij

i j

Hình 1.5 định vị điểm bằng vệ tinh

P

Giả sử ta bỏ qua sai số đồng hồ máy thu trên vật thể i và đo được cự ly từ vậtthể i đến vệ tinh 1 là i1, nghĩa là vật thể i đang nằm trên một mặt cầu (S1) có tâm là

vệ tinh 1 (C1) và bán kính là i1 Tiếp theo ta thực hiện phép đo cự ly từ vật thể i đến

vệ tinh 2 và nhận được kết quả là i2, điều này cho chúng ta biết rằng vật thể ikhông chỉ nằm trên mặt cầu (S1) mà còn nằm trên mặt cầu (S2) cách vệ tinh 2 (C2)một khoảng cách là i2 Nói cách khác, vật thể i sẽ nằm trên đường tròn (O) do 2mặt cầu (S1), (S2) cắt nhau tạo ra Nếu chúng ta tiếp tục đo được cự ly từ vật thể iđến vệ tinh 3 là i3 thì vị trí chính xác của nó là một trong hai giao điểm P1, P2 củamặt cầu (S3) với đường tròn (O), như ở hình 1.5

Như vậy, bằng các phép đo cự ly từ vật thể i đến 3 vệ tinh, ta có thể xác địnhđược 2 vị trí có thể có của nó trong không gian Để xác định vị trí nào là vị trí thật

ta có thể thực hiện 1 phép đo bổ sung, tuy nhiên 1 trong 2 vị trí tính được từ phép

đo này sẽ cho một kết quả không phù hợp (hoặc là ở rất xa trái đất, hoặc là chuyểnđộng với vận tốc vô cùng lớn) và do đó có thể bỏ qua mà không cần phải thực hiệnphép đo này.Ba phép đo cự ly ở trên cho ta 3 phương trình độc lập với nhau cầnthiết để xác định 3 ẩn số 3 ẩn số này là tọa độ (x, y, z) của vật thể i trong khônggian 3 chiều Khi kể đến sai số đồng hồ máy thu, tất cả các phép đo cự ly đồng thờiđều bị lệch bởi giá trị sai số này Do đó, trong bất kỳ một tập hợp các phép đo cự lyđồng thời nào, chúng ta cũng cần phải xác định đầy đủ 4 ẩn số (3 ẩn số vị trí, 1 ẩn

số thời gian), nghĩa là cần 4 phương trình hay 4 phép đo cự ly đến vệ tinh để xácđịnh vị trí duy nhất của vật thể

Hình 1.6 Miêu tả 3 phép đo bằng 3 vệ tinh

Hình 1.7 Miêu tả xác định ví trí

1.6.1 Nguyên lý đo cự ly trong phép định vị vệ tinh

1.6.1.1 Mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code - PRC)

Là thành phần cơ bản của GPS, gồm các mã số (digital code) rất phức tạp,hay nói cách khác nó là một chuỗi liên tiếp các xung nhị phân “0” và “1” (hình 1.7).Tín hiệu này phức tạp gần như là các nhiễu điện từ ngẫu nhiên nên được gọi là mãgiả ngẫu nhiên Nó có nhiệm vụ bảo đảm cho máy thu không đồng bộ ngẫu nhiênvới tín hiệu khác Ngoài ra, do mỗi vệ tinh có một mã PRC duy nhất riêng biệt nênđiều này cũng bảo đảm rằng máy thu sẽ không tình cờ bắt được tín hiệu của vệ tinhkhác, vì vậy các vệ tinh có thể sử dụng cùng tần số mà không làm nhiễu lẫn nhau.Không những vậy, việc sử dụng mã PRC này còn giúp cho quá trình xử lý vàkhuếch đại tín hiệu dựa trên lý thuyết thông tin được thực hiện dễ dàng hơn, giúp tối

ưu hóa anten thu và tiết kiệm chi phí

1.6.1.2 Giả cự ly

Là cự ly đo được giữa vệ tinh và máy thu khi kể đến các sai số đồng hồ

Hình 1.8: Mã giả ngẫu nhiên PRC

chính là các số đo giả cự ly cần thiết để xác định vị trí của vật thể i được tính theocông thức sau:

pri = i + c.T (1.2)trong đó

prij - giả cự ly giữa vật thể i và vệ tinh thứ j ;

i - cự ly thật giữa vật thể i và vệ tinh thứ j ;

c - vận tốc ánh sáng (3x108 m/s);

T - các nguồn sai số

1.6.1.3 Đo cự ly bằng sóng xung và sóng liên tục

Các hệ thống đo cự ly thường dùng các tín hiệu xung hoặc các tín hiệu sóngliên tục Mỗi phương pháp đều có những ưu khuyết điểm riêng và đều có thể sửdụng trong phép đo một chiều hoặc hai chiều Hệ thống định vị vô tuyến toàn cầu là

hệ thống đo cự ly một chiều có khả năng sử dụng cả hai loại: sóng xung dụng trong

và sóng liên tục

1.6.1.4 nguyên lý đo cự ly cơ bản

Bằng cách xác định khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu

ta có thể tính toán được cự ly giữa chúng nhờ vào công thức:

Cự ly = vận tốc x thời gian hay  = c.t (1.3)Vấn đề ở đây là làm sao tính toán được thời gian truyền tín hiệu giữa chúng Đểthực hiện điều này chúng ta giả sử rằng cả vệ tinh và máy thu đều phát ra các mãPRC giống nhau vào cùng một thời điểm Lúc này tại máy thu ta nhận được 2 phiênbản mã không đồng thời, 1 phiên bản mã của máy thu và 1 phiên bản mã từ vệ tinh

sẽ đến trễ hơn một khoảng thời gian do phải trải qua một quảng đường khá xa từ vệtinh đến máy thu Như vậy dựa vào khoảng thời gian trễ trên ta có thể xác địnhđược cự ly một cách dễ dàng

Giả cự ly là tích của tốc độ ánh sáng và trị biến đổi thời gian cần thiết để sohàng một phiên bản mã được phát từ máy thu với một phiên bản mã khác nhận được

từ vệ tinh Trên lý thuyết, trị biến đổi thời gian là trị chênh lệch giữa thời gian nhậntín hiệu (được đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín hiệu (được đobằng hệ thời gian của vệ tinh) Trên thực tế, hai hệ thời gian này không giống nhau,

mỗi hệ tác động một sai lệch vào trị số đó Vì vậy các số đo thời trễ sai lệch nàyđược xem là những số đo giả cự ly.

1.6.2 Các nguồn gây sai số trong phép đo

Như chúng ta đã biết để xác định vị trí của một vật thể, ta cần phải tính toánđược khoảng cách từ nó đến 4 vệ tinh dựa vào phép đo khoảng thời gian truyền tínhiệu sóng điện từ từ các vệ tinh đến vật thể này Do đó độ chính xác của đồng hồ vệtinh và đồng hồ máy thu là các thông số rất quan trọng ảnh hưởng đến các phép đo

cự ly cần thiết Ngoài ra, các yếu tố khác như tầng điện ly, tầng đối lưu, quỹ đạo vệtinh, độ ồn của máy thu, nhiễu đa đường (multipath) cũng góp phần gây ra các sai

số không nhỏ trong các phép đo cự ly này

Thời trễ được xác định bằng cách sử dụng nguyên lý tương quan

tín hiệu ngẫu nhiên trong máy thu tương quan (correlator).

50km 200km 28.000km

Hình 1.10 Các nguồn tác động khác nhau gây ra sai số trong phép đo cự ly

Quỹ đạo vệ tinh Đồng hồ vệ tinh

Đồng hồ máy thu Nhiễu đa đường Nhiễu máy thu

Tín hiệu truyền từ vệ tinh đến máy thu bị sai số và bị

trễ

Hình 1.11 Các sai số do lỗi

1.6.2.1 Đồng hồ vệ tinh

Sóng điện từ truyền đi trong không gian xấp xỉ vận tốc ánh sáng (3.108m/s)nên chỉ cần sai số 1ns sẽ gây ra sai số khoảng cách 30cm Vì vậy, người ta trang bịcho các vệ tinh các đồng hồ nguyên tử (Cesium) rất chính xác Các đồng hồ này tuy

có độ chính xác cao vẫn tích lũy sai số 1ns sau mỗi 3 giờ, do đó để giải quyết vấn đềnày, chúng sẽ được liên tục theo dõi bởi các trạm mặt đất và được so sánh với hệthống đồng hồ điều khiển trung tâm gồm 10 đồng hồ nguyên tử khác Sau khi đượctính toán kỹ lưỡng, sai số và độ trôi đồng hồ vệ tinh được kèm vào các thông điệp

mà vệ tinh phát đi Khi tính toán khoảng cách đến các vệ tinh, máy thu GPS sẽ lấythời gian truyền tín hiệu nhận được trừ đi các sai số này để xác định thời gian truyềntín hiệu thực sự

Mặc dù các trung tâm điều khiển mặt đất cố gắng hết sức để liên tục theo dõihoạt động của các đồng hồ vệ tinh, chúng vẫn không thể xác định các sai số mộtcách chính xác được Do đó các vệ tinh vẫn gây ra sai số đồng hồ tiêu biểu khoảngvài nano giây và sai số khoảng cách khoảng 1 met

1.6.2.2 Đồng hồ máy thu

Tương tự như đồng hồ vệ tinh, bất kỳ sai số nào trong đồng hồ máy thucũng gây ra sai số trong các phép đo khoảng cách Tuy nhiên không thực tế khitrang bị cho các máy thu này các đồng hồ nguyên tử vì chúng khá nặng (khoảng20kg), có giá cả rất mắc (50.000USD) và rất bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

Giả sử rằng, tại một thời điểm nào đó, đồng hồ máy thu có sai số 1ms và do

đó gây ra sai số khoảng cách 300.000m Nếu các khoảng cách đến tất cả các vệ tinhđược đo chính xác vào cùng một thời điểm thì tất cả khoảng cách này đều bị lệch300.000m Vì vậy, ta có thể xem sai số đồng hồ máy thu là một trong các ẩn số cầntìm và đó cũng là lý do mà tại sao khi xác định vị trí ta cần thực hiện các phép đo cự

ly đến 4 vệ tinh, nghĩa là cần 4 phương trình để giải ra 4 ẩn số (3 ẩn số vị trí x, y, z

và 1 ẩn số thời gian là sai số đồng hồ máy thu), và từ đó giúp ta có thể sử dụng đồng

hồ rẻ tiền và gọn nhẹ hơn trong máy thu

Chú ý rằng việc xem sai số đồng hồ máy thu là 1 ẩn số chỉ hợp lệ nếu chúng

ta thực hiện các phép đo cự ly đến các vệ tinh chính xác vào cùng một thời điểm.Nếu các phép đo này không xảy ra đồng thời thì đối với mỗi phép đo ta sẽ có mộtsai số đồng hồ khác nhau Thực hiện các phép đo đồng thời đến 4 vệ tinh, ta khôngnhững tính toán được vị trí 3 chiều của mình mà còn xác định được sai số của đồng

hồ máy thu với độ chính xác rất cao Một đồng hồ tiêu biểu có độ trôi khoảng1000ns mỗi giây nhưng bằng phương pháp trên ta có thể điều chỉnh thời gian máythu đạt độ chính xác bằng với đồng hồ GPS và biến đồng hồ máy thu rẻ tiền này trởthành một đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao Máy thu hiệu chỉnh đồng hồ của

nó mỗi giây và cung cấp một tín hiệu thời chuẩn cho các ứng dụng bên ngoài Nếuchúng ta đặt máy thu tại một vị trí chính xác đã biết thì ta chỉ cần theo dõi 1 vệ tinh

để tính toán sai số đồng hồ máy thu và điều chỉnh nó.4 vệ tinh là số lượng tối thiểu

mà chúng ta cần để tính toán vị trí và thời gian Càng sử dụng nhiều vệ tinh thì kếtquả đo nhận được càng chính xác hơn

1.7 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Như đã thảo luận ở các phần trên, độ chính xác của vị trí cần tính toán cũngphụ thuộc vào cách xác định vị trí chính xác của các vệ tinh (được xem là các điểmtham chiếu) Quỹ đạo của các vệ tinh liên tục được theo dõi từ nhiều trạm giám sátnằm xung quanh trái đất và thông tin quỹ đạo dự đoán được truyền đến các vệ tinh,

từ đó vệ tinh cung cấp các thông tin này cho máy thu Độ chính xác tiêu biểu củaviệc tiên đoán quỹ đạo này vào khoảng vài mét và do đó cũng sẽ gây ra sai sốkhoảng vài mét khi tính toán vị trí Máy thu duy trì một bảng niên giám dữ liệu quỹ

đạo cho tất cả các vệ tinh và chúng cập nhật các bảng này mỗi giờ khi có dữ liệumới.

1.7.1 Sai số do tầng điện ly

hình 1.12 sai số do tầng điện ly

Ionospheric Delay:

I - là số củaelectron trên một đơnvị

Khi tính toán khoảng cách đến vệ tinh, đầu tiên ta đo khoảng thời giantruyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu và sau đó nhân khoảng thời gian này với vậntốc ánh sáng Vấn đề ở đây là vận tốc này thay đổi phụ thuộc vào tình trạng của tầngkhí quyển Lớp trên của tầng khí quyển gọi là tầng điện ly gồm các hạt mang điện,gây tác động làm chậm tín hiệu mã và làm nhanh tín hiệu sóng mang

Ảnh hưởng của tầng điện ly nếu không được khắc phục có thể gây ra sai sốphép đo lớn hơn 10m Vài máy thu sử dụng mô hình toán học để tính toán ảnhhưởng của tầng điện ly và xác định gần đúng mật độ các hạt mang điện nên có thểgiảm được ảnh hưởng của tầng này khoảng 50% tuy nhiên sai số còn lại vẫn đángkể

Tác động của tầng điện ly đối với tín hiệu điện tử phụ thuộc vào tần số của

nó Tần số càng cao thì ảnh hưởng càng ít Do đó ta có thể sử dụng 2 tần số sóngmang khác nhau để đo độ trễ sai lệch giữa 2 tín hiệu này và từ đó loại bỏ được ảnhhưởng của tầng điện ly Đó chính là lý do tại sao mà tất cả các vệ tinh GPS truyềnthông tin bằng 2 tần số L1, L2 Máy thu chính xác (máy thu 2 tần số) chủ yếu phục

vụ cho quân sự theo dõi cả 2 tín hiệu L1, L2 và thực hiện các kỹ thuật phức tạp đểtrích ra các tín hiệu mã và sóng mang nhằm loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly

Máy thu không chính xác (máy thu đơn tần) phục vụ chủ yếu trong dân sự chỉ theodõi 1 tín hiệu L1 Đây là 1 trong những đặc điểm phân biệt chính giữa 2 loại máythu này.

1.7.2 Sai số do tầng đối lưu

Lớp thấp hơn của tầng khí quyển chứa đựng hơi nước được gọi là tầng đốilưu, gây tác động làm chậm cả tín hiệu mã lẫn tín hiệu sóng mang Ta không thểloại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu bằng cách sử dụng hệ thống 2 tần số

Phương pháp duy nhất để loại bỏ ảnh hưởng của tầng đối lưu là tiến hànhphép đo lượng hơi nước, nhiệt độ, áp suất của nó và áp dụng một mô hình toán học

để có thể tính toán độ trễ gây ra bởi tầng này

1.7.3 Nhiễu đa đường

Hình 1.13 Nhiểu đa đường

Khi đo khoảng cách đến mỗi vệ tinh, ta giả sử rằng tín hiệu vệ tinh đượctruyền thẳng từ vệ tinh đến anten của máy thu Nhưng trong thực tế ngoài tín hiệutrực tiếp này anten máy thu còn nhận được các tín hiệu phản xạ đến từ mặt đất vàcác vật thể gần anten qua nhiều đường gián tiếp khác nhau, xen nhiễu vào tín hiệutrực tiếp, gây ra sai lệch về thời điểm đến của tín hiệu thực sự

Nếu đường truyền gián tiếp dài hơn đáng kể so với đường truyền trực tiếp(lớn hơn 10m) để hai mẫu tín hiệu trên tách rời nhau thì ảnh hưởng gây ra bởi nhiễu

đa đường về cơ bản có thể được khắc phục bởi các kỹ thuật xử lý tín hiệu

Máy thu có thể gây ra vài sai số khi thực hiện phép đo mã hay sóng mang.Tuy nhiên, trong các máy thu chất lượng cao các sai số này không đáng kể, nhỏ hơn1mm đối với phép đo pha sóng mang và vài cm đối với phép đo pha mã

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP VÀ TỔN HAO

TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

2.1 Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh

2.1.1 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

FDMA (Frequency Division Multiplex Access) là loại đa truy nhập đượcdùng phổ biến trong thông tin vệ tinh, trong hệ thống này mỗi trạm mặt đất phát đimột sóng mang có tần số khác với tần số sóng mang của các trạm mặt đất khác Mỗimột sóng mang được phân cách với các sóng mang khác bằng các băng tần bảo vệthích hợp sao cho chúng không chồng lên nhau FDMA có thể được sử dụng cho tất

cả các hệ thống điều chế: hệ thống điều chế tương tự hay điều chế số như các sóngmang FM (Frequency Modulation) điều chế bằng các tín hiệu điện thoại đã ghépkênh hoặc các tín hiệu truyền hình và các sóng mang PSK (Phase Shift Keying)điều chế số Một trạm mặt đất thu các tín hiệu có chứa thông tin nhờ một bộ lọcthông dải

Phương pháp này cho phép tất cả các trạm truyền dẫn liên tục, nó có ưu điểm

là không cần thiết điều khiển định thời đồng bộ và các thiết bị sử dụng khá đơngiản Hiệu quả sử dụng công suất vệ tinh của nó là khá tốt, tuy nhiên vì các kênhtruyền dẫn được phân chia theo một thước đo vật lý là tần số Nên phương phápnày thiếu linh hoạt trong việc thay đổi cách phân phối kênh và hiệu quả thấp khi sốsóng mang tăng Nhưng bù lại phương pháp này có thủ tục truy nhập đơn giản, các

fA

2.1.2 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

TDMA là phương pháp đa truy nhập trong đó các trạm mặt đất dùng chungmột bộ phát đáp trên cơ sở phân chia theo thời gian như hình 2.2 Trong đó trụchoành chỉ tần số, trục tung chỉ thời gian Trục thời gian được phân chia thành cáckhoảng thời gian gọi là các khung TDMA, mỗi khung TDMA được phân chia thànhcác khe thời gian, các khe thời gian này được ấn định cho mỗi trạm mặt đất Tất cảcác trạm mặt đất đều dùng chung một sóng mang có tần số trung tâm là f0 và chỉphát và thu tín hiệu trong các khe thời gian được ấn định Vì thế, trong một khoảngthời gian nhất định, chỉ có tín hiệu từ một trạm mặt đất chiếm toàn bộ băng tần của

bộ phát đáp vệ tinh và không bao giờ xảy ra trường hợp tín hiệu từ hai trạm mặt đấttrở lên chiếm bộ phát đáp của vệ tinh trong cùng một thời gian Độ dài của khe thờigian ấn định cho mỗi trạm mặt đất tuỳ thuộc vào lưu lượng của trạm

TDMA sử dụng các sóng mang điều chế số và các sóng mang được phát đi

từ trạm mặt đất cần phải được điều khiển chính xác sao cho chúng nằm trong khethời gian được phân phối Để làm được điều này, cần phải có một tín hiệu chuẩnphát đi từ một trạm chuẩn và các trạm khác lần lượt truyền tín hiệu ngay sau tínhiệu chuẩn Trong phương pháp đa truy nhập này, các trạm mặt đất phải truyền tínhiệu một cách gián đoạn và cần phải dự phòng khoảng thời gian bảo vệ giữa cácsóng mang để các tín hiệu từ các trạm mặt đất không chồng lấn lên nhau khi đến bộphát đáp

Ưu điểm của phương pháp này là có thể sử dụng tốt công suất tối đa của vệtinh và có thể thay đổi dễ dàng dung lượng truyền tải bằng cách thay đổi khoảng

1khung TDMA

thời gian phát và thu, do đó nó linh hoạt trong việc thay đổi, thiết lập tuyến, đặc biệt

là hiệu suất sử dụng tuyến rất cao khi số kênh liên lạc tăng Mặt khác, TDMA khikết hợp với kỹ thuật nội suy tiếng nói thì có thể tăng dung lượng truyền dẫn lên bađến bốn lần Tuy nhiên, TDMA có một số nhược điểm như sau:

Yêu cầu phải có đồng bộ cụm:

- Mạng TDMA chứa các trạm lưu lượng và ít nhất một trạm chuẩn Các cụmđược phát đi từ các trạm lưu lượng được gọi là các cụm lưu lượng Số liệu lưulượng được phát bằng các cụm lưu lượng Trạm chuẩn phát một cụm đặc biệt theochu kỳ gọi là cụm chuẩn Cụm chuẩn cung cấp chuẩn định thời và chu kỳ của nóđúng bằng một khung TDMA Mỗi trạm lưu lượng phát các cụm lưu lượng trongcác khe thời gian được ấn định ở vệ tinh bằng cách điều khiển định thời phát cụmtheo cụm chuẩn, cụm chuẩn được sử dụng làm chuẩn định thời, cụm chuẩn và cáccụm lưu lượng được đặt theo thứ tự đúng để tránh chồng lấn trong mỗi khungTDMA Nếu không có đồng bộ cụm thì các cụm được phát có thể trượt khỏi các khethời gian được ấn định ở vệ tinh Nếu xảy ra chồng lấn các cụm ở vệ tinh thì thôngtin sẽ bị mất

- Tín hiệu tương tự phải được chuyển sang dạng số khi sử dụng kỹ thuậtTDMA

Giao diện với các hệ thống mặt đất tương tự rất phức tạp dẫn đến giá thành của hệthống cao

2.1.3 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

CDMA (Code Division Multiplex Access) là phương pháp truy nhập ứngdụng kỹ thuật trải phổ, trong đó mọi đối tượng có thể :

-Được phép hoạt động đồng thời;

-Hoạt động tại tần số như nhau;

-Sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống cùng một lúc mà không gây nhiễusang thông tin của đối tượng khác

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA là phương pháp đa truy nhập mà ở

đó các trạm mặt đất có thể phát tín hiệu một cách liên tục và đồng thời, và sử dụngcùng một băng tần của kênh

Trong CDMA, mỗi sóng mang phát được điều chế bằng một mã đặc biệt quiđịnh cho mỗi trạm mặt đất và trạm mặt đất thu có thể tách được tín hiệu cần thukhỏi các tín hiệu khác nhờ mã đặc biệt đó Tập hợp các mã cần dùng phải có cácthuộc tính tương quan sau đây:

- Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng với bản sao của chính

nó bị dịch chuyển theo thời gian

- Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng bất chấp các mã khácđược sử dụng trên mạng

Việc truyền dẫn tín hiệu hữu ích kết hợp với mã đòi hỏi môt băng thông lớnhơn nhiều so với băng thông yêu cầu để truyền dẫn chỉ riêng thông tin hữu ích Đó

là lý do vì sao người ta gọi là truyền dẫn trải phổ

+ Đặc điểm của CDMA

- Hoạt động đơn giản, do nó không đòi hỏi bất kỳ sự đồng bộ truyền dẫn nàogiữa các trạm Đồng bộ duy nhất là đồng bộ của máy thu với chuỗi sóng mang thuđược

- Nhờ việc trải phổ ở phía phát và thu hẹp phổ ở phía thu nên nó có khả năngchống lại can nhiễu giữa các hệ thống và nhiễu do hiện tượng đa đường truyền rấttốt, đồng thời có tính bảo mật của tín hiệu cao

Bên cạnh các ưu điểm như trên, CDMA vẫn tồn tại nhược điểm như hiệu quả

sử dụng băng tần kém, độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu lớn

Tuy vậy CDMA rất phù hợp đối với các mạng có các trạm nhỏ với độ rộngchùm tia anten lớn và đối với truyền thông vệ tinh với các máy di động

2.2 Phương pháp đa truy nhập phân phối trước và đa truy nhập phân phối theo yêu cầu.

2.2.1 Đa truy nhập phân phối trước

Đa truy nhập phân phối trước là một phương pháp đa truy nhập mà trong đócác kênh vệ tinh được phân bố cố định cho tất cả các trạm mặt đất khác nhau, bấtchấp có hay không có các cuộc gọi phát đi

2.2.2 Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu

Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu là phương pháp đa truy nhập mà trong

đó các kênh vệ tinh được sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh từ các trạm

mặt đất có liên quan Đa truy nhập phân phối theo yêu cầu cho phép sử dụng cóhiệu quả dung lượng kênh của vệ tinh đặc biệt khi một số trạm mặt đất có dunglượng nhỏ sử dụng chung một bộ phát đáp như trong trường hợp hệ thống điện thoại

vệ tinh trên biển 2.2.2.1 Sự phân cực sóng mang

Trường điện từ của sóng vô tuyến điện khi truyền qua một môi trường thìdao động theo một hướng nhất định, tuỳ theo kiểu dao động đó mà ta có hai loạiphân cực Hai loại phân cực sóng vô tuyến điện được sử dụng trong thông tin vệtinh là sóng phân cực thẳng và sóng phân cực tròn

2.2.2.2 Sóng phân cực thẳng

Một sóng phân cực thẳng có thể được tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từmột ống dẫn sóng chữ nhật đến một anten loa, nhờ đó sóng được bức xạ theo kiểuphân cực thẳng đứng song song với cạnh đứng của anten loa Để thu được sóng nàyanten thu cũng cần phải bố trí giống như tư thế anten phía phát Trong trường hợpkhi đặt anten thu vuông góc với anten phát thì không thể thu được sóng này ngay cảkhi sóng đi vào ống dẫn sóng Ta dễ dàng tạo ra sóng phân cực thẳng, nhưng cầnphải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng anten thu sao cho song song với mặt phẳngphân cực sóng đến

2.2.2.3 Sóng phân cực tròn

Sóng phân cực tròn là sóng trong khi truyền lan phân cực của nó quay tròn,

có thể tạo ra loại sóng này bằng cách kết hợp hai sóng phân cực thẳng có phân cựcvuông góc nhau và góc lệch pha là 900 Sóng phân cực tròn là phân cực phải hay tráiphụ thuộc vào sự khác nhau giữa các sóng phân cực thẳng là sớm pha hay chậmpha Đối với sóng phân cực tròn mặc dù không cần điều chỉnh hướng của loa thu,nhưng mạch fiđơ của anten lại trở nên phức tạp hơn đôi chút

Trong thông tin vệ tinh, sóng phân cực tròn được chọn để sử dụng nhờ cótính ưu việt sau:

- Sự chênh lệch giữa phân cực tròn phải và phân cực tròn trái là khá lớn Vìvậy mà việc phát và thu tín hiệu không ảnh hưởng lên nhau với kỹ thuật sử dụng lạitần số

-Trong khoảng tần số từ 4GHz đến 6GHz thì mức độ phân cách giữa haiphân cực phải và phân cực trái rõ rệt, do đó chúng không gây giao thoa hay cannhiễu lên nhau.

2.3 Cửa sổ tần số

Các sóng vô tuyến điện truyền đến hay đi từ các vệ tinh thông tin chịu ảnhhưởng của tầng điện ly và khí quyển Tầng điện ly là một lớp khí loãng bị ion hoábởi các tia vũ trụ, có độ cao từ 60km đến 400km so với mặt đất, lớp mang điện này

có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng Do các biến đổi trạng thái của tầng điện ly,làm giá trị hấp thụ và phản xạ thay đổi gây ra sự biến thiên cường độ sóng đi vào,gọi là sự thăng giáng Tuy nhiên tính chất này ảnh hưởng chủ yếu đối với băng tầnthấp, khi tần số càng cao ảnh hưởng của tầng điện ly càng ít, các tần số ở băng sóngviba (1GHz) hầu như không bị ảnh hưởng của tầng điện ly Khi tần số >10GHz thìcần tính toán suy hao do mưa như hình 2.3

Từ hình vẽ ta thấy các tần số nằm trong khoảng giữa 1GHz và 10GHz thìsuy hao kết hợp do tầng điện ly và mưa nhỏ là không đáng kể, do vậy băng tần nàyđược gọi là "cửa sổ tần số " Lúc đó nếu sóng nằm trong cửa sổ vô tuyến thì suy haotruyền dẫn có thể được xem gần đúng là suy hao không gian tự do Vì vậy, cho phépthiết lập các đường thông tin vệ tinh ổn định, nhưng phải lưu ý đến sự can nhiễu với

các đường thông tin viba trên mặt đất vì các sóng trong thông tin viba cũng sử dụngtần số nằm trong cửa sổ này Ngoài ra, khi mưa lớn thì suy hao do mưa trong cửa sổtần số cần phải được tính toán, xem xét thêm để kết quả tính toán có độ chính xáccao hơn.

2.4 Suy hao trong thông tin vệ tinh

Một tuyến thông tin vệ tinh bao gồm đường truyền sóng từ anten của trạmphát đến vệ tinh (tuyến lên - uplink) và từ vệ tinh đến anten của trạm mặt đất thu(tuyến xuống - downlink)

Do đó suy hao trong thông tin vệ tinh gồm các loại suy hao sau:

2.4.1 Suy hao trong không gian tự do

Đối với vệ tinh điạ tĩnh ở độ cao 35.768km, cự ly thông tin cho một tuyếnlên hay một tuyến xuống gần nhất là 35.768km Do cự ly truyền sóng trong thôngtin vệ tinh lớn như vậy nên suy hao trong không gian tự do là suy hao lớn nhất Gọisuy hao này là L td , ta có :

d[km] - là chiều dài của một tuyến lên hay xuống;

Xét trường hợp một máy phát có công suất bức xạ là 100W cho mỗi sóngmang, công tác ở băng C (6/4GHz) Nếu chỉ tính đến suy hao không gian tự do là200dB thì công suất thu được ở sóng mang đó sẽ là:

Tính theo dBw : = 20 (dBW) - 200 (dB) = -180 (dBW) = -150 (dBmW).Với công suất nhỏ như vậy thì máy thu không thể thu được tín hiệu, để cóđược công suất đầu vào máy thu khoảng -70dBm thì ta phải sử dụng anten phát vàthu có hệ số tăng ích lớn Nếu hệ số tăng ích của anten trạm mặt đất là GR=50dB thìanten thu trên vệ tinh có hệ số tăng ích GT=30dB.

Ngoài suy hao chính trong không gian tự do còn có các suy hao khác tuykhông lớn nhưng khi tính toán tuyến thông tin vệ tinh mà ta không xét hết các khảnăng xấu nhất do ảnh hưởng của môi trường truyền sóng thì khi xảy ra các hiệntượng đó chất lượng thông tin sẽ xấu đi và có thể làm gián đoạn thông tin Các suyhao đó được trình bày sau đây

2.4.2 Suy hao do tầng đối lưu

Tầng đối lưu là lớp khí quyển nằm sát mặt đất lên đến độ cao (10km-15km)(theo quy định của tầng đối lưu tiêu chuẩn), bao gồm các chất khí chính hấp thụsóng gây ra suy hao như hơi nước, Oxy, Ozon, Cacbonic Suy hao này phụ thuộcnhiều vào tần số và góc ngẩng của anten và chỉ đáng kể khi tần số công tác từ10GHz trở lên, nghĩa là khi công tác ở băng Ku (14/12GHz) hay băng Ka(30/20GHz) Anten có góc ngẩng càng lớn thì suy hao tầng đối lưu càng nhỏ, dođường truyền của sóng trong tầng đối lưu càng ngắn Tại các tần số 21GHz và60GHz có các suy hao cực đại, đó là do sự cộng hưởng hấp thụ đối với các phân tửhơi nước và Oxy

2.4.3 Suy hao do tầng điện ly

Tầng điện ly là lớp khí quyển nằm ở độ cao khoảng 60km đến 400km, do bịion hoá mạnh nên lớp khí quyển ở độ cao này bao gồm chủ yếu là các điện tử tự do,các ion âm và dương nên được gọi là tầng điện ly Sự hấp thụ sóng trong tầng điện

ly giảm khi tần số tăng, ở tần số trên 600MHz thì sự hấp thụ không đáng kể

2.4.4 Suy hao do thời tiết

Suy hao do các điều kiện thời tiết như mây, mưa, sương mù, suy hao này phụthuộc vào nhiều yếu tố như cường độ mưa hay sương mù, vào tần số, vào chiều dàiquãng đường đi của sóng trong mưa, chiều dài này phụ thuộc vào góc ngẩng anten.Khi góc ngẩng tăng, suy hao giảm, với góc ngẩng anten khoảng 400 trở lên thì suyhao không đáng kể, lúc đó suy hao do mưa khoảng 0,6 dB, suy hao do sương mùkhoảng 0,2dB, còn suy hao trong các chất khí rất nhỏ có thể bỏ qua Nói chung khi

tần số và cường độ mưa tăng thì suy hao tăng nhanh, đặc biệt trong khoảng tần số

từ 10GHz đến 100GHz

Suy hao thực tế tuỳ thuộc vào góc ngẩng anten, độ cao đặt anten so với mứcnước biển, chiều cao cơn mưa và sương mù mà đoạn đường đi thực tế của sóng quavùng đó là khác nhau Suy hao trên toàn bộ đoạn đường có chiều dài L e sóng đi

qua là: L tt   L e(dB)trong đó

 : là hệ số suy hao trên đoạn đường 1km (dB/km), phụ thuộc tần số, môitrường gây suy hao như cường độ mưa hay độ dày của sương mù

L e : là chiều dài thực tế sóng đi qua vùng gây suy hao (km), phụ thuộc gócngẩng anten, độ cao đặt anten, được xác định theo công thức:

) km ( E sin

h h

2.4.5 Suy hao do đặt anten chưa đúng

Khi anten phát và thu lệch nhau thì sẽ tạo ra suy hao vì búp chính của antenthu hướng không đúng chùm tia phát xạ của anten phát

Thường thì suy hao do đặt anten chưa đúng từ 0,8 đến 1 dB

2.4.6 Suy hao trong thiết bị phát và thu

Suy hao trong thiết bị phát và thu còn gọi là suy hao do hệ thống fiđơ, có hailoại như sau:

Suy hao LFTX giữa máy phát và anten, để anten phát được công suất PT cầnphải cung cấp một công suất PTX ở đầu ra của bộ khuếch đại phát, do vậy:

2.4.7 Suy hao do phân cực không đối xứng

Suy hao do phân cực không đối xứng xảy ra khi anten thu không đúnghướng với sự phân cực của sóng nhận Vớí đường truyền phân cực tròn, sóng phátchỉ được phân cực tròn trên trục anten phát và nó sẽ trở thành elip khi ra khỏi trụcanten đó Khi truyền qua bầu khí quyển cũng có thể làm thay đổi phân cực trònthành phân cực elip Còn trong đường truyền phân cực thẳng thì sóng có thể bị quaymặt phẳng phân cực của nó khi đường truyền đi qua khí quyển, do đó anten thukhông còn mặt phẳng phân cực của sóng đứng và sóng tới Suy hao do lệch phâncực thường chỉ 0,1dB

2.5 Tạp âm trong thông tin vệ tinh

Trong một tuyến thông tin vệ tinh, tạp âm gây ra cho trạm mặt đất do nhiềunguyên nhân như sau:

2.5.1 Nhiệt tạp âm hệ thống

Trong một tuyến thông tin vệ tinh, tạp âm gây ra cho trạm mặt đất do nhiềunguyên nhân và được tính bằng nhiệt tạp âm tương đương T SYS và được gọi lànhiệt tạp âm hệ thống

Nhiệt tạp âm hệ thống được xem là tổng của bốn thành phần được biểu diễntheo biểu thức:

R

F

F A S

L

T T T

T     [0K] (2.3)

T - nhiệt tạp âm hiệu dụng đầu vào máy thu

L F - Suy hao của hệ thống fiđơ, được đưa vào tính toán với nhiệt tạp âm bênngoài, nhiệt tạp âm an ten và nhiệt tạp âm fiđơ vì 3 loại tạp âm này có liên quanđến suy hao của fiđơ

2.5.1.1 Nhiệt tạp âm bên ngoài T S và nhiệt tạp âm anten T A

Nhiệt tạp âm bên ngoài và anten bao gồm:

+ Nhiệt tạp âm không gian: gồm các thành phần sau:

- Nhiệt tạp âm vũ trụ: tác động ở tần số vô tuyến là do bức xạ từ vũ trụ còn

dư lại (khoảng 2,760K)

- Nhiệt tạp âm của dải ngân hà: nếu hướng anten vào vùng có số sao cực đạicủa dải ngân hà thì nhiệt tạp âm có thể lên đến gần 1000K trong vùng tần số từ0,3GHz đến1,2GHz

- Nhiệt tạp âm của mặt trời: mặt trời bức xạ ra sóng điện từ ở tất cả các tần

số, đặc biệt là ở dải viba (microwave) Nhiệt tạp âm do mặt trời gây ra cho trạm mặt

Tầng điện ly Dải ngân hà

Trời mưa

búp phụ búp chính

Hình 2.6 Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh

búp ngược

chính anten thì nhiệt tạp âm dưới 500K Còn khi mặt trời chiếu thẳng vào anten thìnhiệt tạp âm lên đến 10.0000K hoặc có thể hơn tuỳ thuộc tần số công tác, kích thướcmặt phản xạ và số vết đen của mặt trời (số vết đen thể hiện sự hoạt động mạnh hayyếu của mặt trời).

Trường hợp trạm mặt đất - vệ tinh - mặt trời nằm trên cùng một đường thẳngchỉ xảy ra một vài ngày trong năm vào mùa xuân làm cho thông tin bị gián đoạn vài

ba phút

+ Nhiệt tạp âm do khí quyển: (nhiệt tạp âm do tầng đối lưu): nó phụ thuộc vào

chiều dài quãng đường đi của sóng trong tầng đối lưu (độ cao 15 km từ mặt đất).Nói cách khác chính là phụ thuộc vào góc ngẩng của anten, tần số công tác

+ Nhiệt tạp âm do mưa:

Được xác định bằng công thức :

) L ( T T

M m

M

1

1 

 (2.4) trong đó

T M - nhiệt tạp âm do mưa (0K);

L M - suy hao do mưa, L M = 16,57;

T m - nhiệt độ trung bình của cơn mưa

m

T = 1,12T xq - 50 (0K) (2.5)

T xq - nhiệt độ xung quanh trạm mặt đất (0K)

+ Nhiệt tạp âm từ trạm mặt đất xung quanh trạm

Vì anten của trạm mặt đất hướng lên bầu trời nên nhiệt tạp âm của mặt đấtgây ra chủ yếu do búp phụ và búp ngược, một phần cho búp chính khi anten có tínhđịnh hướng kém và góc ngẩng nhỏ

- Nhiệt tạp âm cho mỗi búp phụ gây ra được tính theo công thức:

D i

T   (2.6)trong đó

Ngoài ra còn nhiệt tạp âm do các chướng ngại ở gần như toà nhà, các máiche (ví dụ như vòm cây), do các bộ phận cản trở trong anten như các thanh đỡ, bộtiếp sóng (nguồn bức xạ sơ cấp) và bộ suy hao búp phụ gây ra.

2.5.1.2 Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ TF

Nhiệt tạp âm hệ thống fiđơ được tính bởi biểu thức sau:

T F=T0(L F-1) (0K)

(2.7) trong đó

T0 - nhiệt độ môi trường (0K);

L F- suy hao của hệ thống fiđơ

T F tăng khi L F tăng dẫn đến công suất tạp âm bên trong gây ra bởi hệthống fiđơ tăng lên Do đó cần thiết kế các phương tiện sao cho có hệ thống fiđơ lànhỏ nhất Một cách gần đúng có thể coi nhiệt tạp âm fiđơ là 2900K

2.5.1.3 Nhiệt tạp âm máy thu T R

Nhiệt tạp âm máy thu bằng tổng nhiệt tạp âm gây ra trong mỗi phần của máythu Nó được tính bởi công thức sau:

K

K R

G

G G

T

G G

T G

T T T

2 1 2

1

3 1

2

1    

 (0K) (2.8) trong đó

T R - nhiệt tạp âm máy thu (0K);

G1, G2, , G K- là hệ số khuếch đại từng phần;

T1, T2, , T K - nhiệt tạp âm đầu vào (0K)

Nếu hệ số khuếch đại tầng đầu đủ lớn thì tạp âm tại các tầng tiếp theo có thể

bỏ qua Do đó yêu cầu tầng đầu tiên phải có hệ số khuếch đại lớn và tạp âm thấp, vìvậy trong thông tin vệ tinh dùng các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA-Low NoiseAmplifier) Một cách gần đúng ta coi nhiệt tạp âm tầng đầu này cũng là nhiệt tạp

âm của máy thu

2.5.2 Công suất tạp âm hệ thống

Công suất tạp âm hệ thống N được biểu thị bởi biểu thức:

N = kT SYSB [W] (2.9) trong đó

N - là công suất tạp âm do nguồn tạp âm gây ra trong độ rộng băng tần B(Hz).

T SYS- nhiệt tạp âm hệ thống

k - là hằng số Boltzman,

k = 1,38.10-23W/Hz.0K = -228,6 (dBW/Hz.K)

Trường hợp tạp âm tính trong độ rộng băng tần 1Hz thì công suất tạp âmsinh ra gọi là mật độ phổ tạp âm N0 và bằng : N0 = N/B (W/Hz), nhiệt tạp âm tươngđương sẽ bằng :

SYS

T = N0/k (2.10)

2.5.3 Công suất tạp âm nhiễu

2.5.3.1 Can nhiễu khác tuyến

Các tuyến thông tin vệ tinh có thể bị nhiễu trong các trường hợp như sau:+ Tuyến viba mặt đất đến vệ tinh thông tin

+ Tuyến viba mặt đất đến trạm mặt đất

+ Vệ tinh thông tin khác đến trạm mặt đất

+ Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất: Có hai trường hợp

Trường hợp thứ nhất, đường thông tin viba mặt đất có cùng tần số làm việc vớiđường lên của hệ thống thông tin vệ tinh, bởi vậy tín hiệu viba mặt đất được trộnvới tín hiệu ở đầu vào máy thu vệ tinh

Trường hợp thứ hai, đường thông tin vi ba mặt đất có tần số bằng tần sốđường xuống của hệ thống thông tin vệ tinh, bởi vậy ở đầu vào máy thu trạm mặtđất cũng bị trộn với tín hiệu của đường thông tin viba mặt đất

Trong thiết kế tuyến thực tế, phải đặt trạm mặt đất sao cho nhiễu xảy ra ítnhất, nhiễu nhỏ nhất bằng cách sử dụng anten có các đặc tính búp phụ tốt Mặc dù

Trạm mặt đất.

Trạmviba.

Quỹ đạo địa tĩnh

Hình 2.7 Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh