Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ tinh

Đồ án tốt nghiệp tinh Các trạm mặt đất hệ thống thông tin vệ Chơng Khái quát hệ thống thông tin vệ tinh 1.1 Lịch sử phát triển thông tin vệ tinh Số lợng hệ thống thông tin vệ tinh đà tăng nhanh vài năm gần Ngày nay, hệ thống thông tin vệ tinh chuyển tiếp lu lợng điện thoại xuyên đại dơng lớn nhiều so với lu lợng điện thoại gửi qua cáp ngầm Hơn nữa, hệ thống thông tin vệ tinh chuyển tiếp tín hiệu liệu, âm thanh, hình ảnh đến ngời sử dụng trái đất Công nghệ thông tin vệ tinh bắt nguồn từ hai công nghệ đợc phát triển mạnh chiến thứ II, công nghệ tên lửa công nghệ viba Kỷ nguyên sử dụng không gian vũ trụ làm môi trờng truyền dẫn cho hệ thống viễn thông đợc bắt đầu vào năm 1957, Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK vào quỹ đạo ( 04.10.1957 ) Thuật ngữ vệ tinh nhân tạo đợc dùng để phân biệt với vệ tinh thiên tạo đợc gọi tắt vệ tinh ( ký hiêu SL-satellite ), vệ tinh Liên Xô Mỹ đa vào quỹ đạo thuộc loại vệ tinh địa tĩnh Chúng có nhợc điểm dừng phạm vi thu sóng trạm thu mặt đất tối đa giờ/ngày Ngày 14.02.1963, tập đoàn hàng không vũ trụ NaSa (Mỹ) đà phóng vào quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh mang tên SYNCOM I sau tiếp SYNCOMIII để phục vụ đại hội thể thao Olympic Tokyo Các vệ tinh đa vào quỹ đạo bị giới hạn trọng lợng vệ tinh phát đáp đặt vệ tinh thờng có công suất nhỏ Tín hiệu phải đợc trạm vệ tinh mặt đất thu truyền lại cho ngời sử dụng 1.2 Lợi thông tin vệ tinh * Ngày hệ thống thông tin vệ tinh truyền trực tiếp đến ngời sử dụng Thông tin vệ tinh đời muộn nhng phát triển nhanh Sinh viên thực : Trần Văn Quý Đồ án tốt nghiệp tinh Các trạm mặt đất hệ thống thông tin vệ có nhiều lợi so với hệ thống truyền thông khác, lợi : + Vùng phủ sóng rộng, cần ba vệ tinh phủ sóng đợc toàn cầu + Việc lắp đặt di chuyển hệ thống thông tin vệ tinh mặt đất tơng đối nhanh không phụ thuộc vào cấu hình mạng nh hệ thống truyền dẫn + Thiết bị phát sóng hệ thống thông tin vệ tinh cần c«ng st nhá + HƯ thèng th«ng tin vƯ tinh phục vụ nhiều dịch vụ khác nh viễn thông thoại phi thoại, nghiên cứu khí tợng, địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mục tiêu + Thông tin vệ tinh ổn định, chịu ảnh hởng thời tiết + Các thiết bị đặt vệ tinh tận dụng nguồn lợng mặt trời ngày đêm * Tuy vậy, thông tin vệ tinh có số nhợc điểm : + Kinh phí ban đầu để phóng vệ tinh vào quỹ đạo lớn công nghệ phóng nh sản xuất vệ tinh nớc làm đợc + Bức xạ sóng vô tuyến thông tin vệ tinh bị tổn hao lớn môi trờng truyền sóng, đặc biệt vùng có nhiều ma mây mù Nếu muốn dùng anten nhỏ, thiết bị nhẹ tổn hao sóng truyền lớn giá thành tăng + Vùng phủ sóng vệ tinh tối đa 1/3 diện tích bề mặt trái đất cờng độ trờng ®iĨm thu phơ thc vµo bóp sãng cđa anten vƯ tinh phủ sóng Điều có nghĩa phụ thuộc vào vị trí toạ độ vệ tinh quỹ đạo, mà vị trí lại tập trung vào số giới hạn vị trí có thuận lợi Tín hiệu truyền qua tuyến lên tuyến xuống hệ thống thông tin vệ tinh phải chịu thời gian trễ ( khoảng 0,25 giây với vệ tinh địa tĩnh ) 1.3 Các dạng quỹ đạo vệ tinh yếu tố đặc trng chúng Quỹ đạo vệ tinh hành trình vệ tinh không gian mà vệ tinh đợc cân hai lực đối Hai lực lực hấp dẫn trái đất lực ly tâm đợc hình thành độ cong hành trình vệ tinh Sinh viên thực : Trần Văn Quý Đồ án tốt nghiệp tinh Các trạm mặt đất hƯ thèng th«ng tin vƯ GMm Lùc hÊp dÉn = r2 mV2 Lùc ly t©m = VƯ tinh khối lợng M Khoảng cách r Quỹ đạo vệ tinh Trái đất khối lợng M Hình 1.1 Các lực tác động lên truyển động vệ tinh quỹ đạo Quỹ đạo vệ tinh nằm mặt phẳng hình tròn elíp Nếu quỹ đạo hình tròn tâm quỹ đạo tròn trùng với tâm trái đất Nếu quỹ đạo hình elíp có đầu elíp nằm xa trái đất đầu nằm gần trái đất Điểm xa vệ tinh quỹ đạo so với trái ®Êt gäi lµ viƠn ®iĨm ( apogee ) vµ ®iĨm gần đợc gọi cận điểm ( perigee ) Vệ tinh quỹ đạo elíp di truyển quỹ đạo chậm khoảng cách vệ tinh trái đất tăng lên ( theo định luật kepler ) * Quỹ đạo thông dụng vệ tinh dạng quỹ đạo sau : + Các quỹ đạo hình elíp có góc nghiêng 640 so với mặt phẳng xích đạo trái đất Loại có tính ổn định cao nhờ có độ nghiêng mµ cho phÐp vƯ tinh cã thĨ phđ sãng ë vùng vĩ tuyến cao thuộc phần lớn quỹ đạo vệ tinh qua điểm cực viễn so với trái ®Êt HƯ thèng cã thĨ dïng nhiỊu vƯ tinh ë vài quỹ đạo khác với góc nghiêng 64 VÝ dơ hƯ thèng ELLIPSSAT dïng 24 vƯ tinh hai quỹ đạo khác + Các quỹ đạo tròn nghiêng Vệ tinh có quỹ đạo tròn có độ cao không đổi so với mặt nớc biển xấp xỉ vài nghìn km Với góc nghiêng gần 900, loại quỹ đạo đảm bảo vệ tinh qua vùng trái đất Đó lý để ngời ta sử dụng loại quỹ đạo cho c¸c vƯ tinh quan s¸t ( observation satellite ) VÝ dơ vƯ tinh Sport cã ®é cao 830 km, quỹ đạo nghiêng 98,70 chu kỳ 101 phút Sinh viên thực : Trần Văn Quý Đồ án tốt nghiệp tinh Các trạm mặt đất hệ thống thông tin vệ Một số vệ tinh đợc tổ chức thành chùm vệ tinh có quỹ đạo dạng tròn này, độ cao thấp cỡ ( 1000km ) có khả phủ sóng toàn cầu trực tiếp tới ngời sử dụng đợc đời gần nh ( I ridium Global, Odyssey, Aries, ) + C¸c quü đạo tròn với góc nghiêng 00 Quỹ đạo trờng hợp nằm mặt phẳng xích đạo trái đất vệ tinh quỹ đạo đợc gọi vệ tinh địa tĩnh (Geogeostationary satellite ) Độ cao quỹ đạo theo tính toán tối u 35.768km Vệ tinh trờng hợp xuất nh điểm cố định bầu trời đảm bảo hoạt động nh trạm chuyển tiếp vô tuyến theo thời gian thực ( liên tục ngày đêm ) với vùng phủ sóng 43% diện tích trái đất cần vệ tinh địa tĩnh phủ sóng toàn cầu Các vệ tinh có quỹ đạo tròn nghiêng vệ tinh có quỹ đạo nghiêng 64 gọi chung vệ tinh địa tĩnh ( Non-geostationary satellite ) Việc lựa chọn loại quỹ đạo thực tế phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể, độ can nhiễu mà hệ thống chấp nhận đợc khả tầm phóng xa bệ phóng Quỹ đạo vệ tinh đợc đặc chng yếu tố sau : + Quy mô phạm vi vùng đợc vệ tinh phủ sóng : Trong thực tế với nhiều lý đà xác nhận rằng, độ cao vệ tinh nhân tố định liên lạc vùng phủ sãng thĨ Lý thut trun sãng ®· chøng minh suy giảm sóng đờng truyền không gian tỷ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách điều phù hợp với vệ tinh có quỹ đạo thấp chúng có độ cao bé Tuy nhiên trờng hợp vệ tinh nhìn vùng phủ sóng dới góc khối lớn Kết là, có lợi độ cao nhng lại giảm độ tăng ích anten + Góc ngẩng anten trạm mặt đất : Một vệ tinh có quỹ đạo nghiêng hay quỹ đạo cực xuất bầu trời tơng ứng với vùng phủ sóng mặt đất khoảng thời gian định cho phép thiết lập liên lạc vùng thành thị có nhà cao tầng gây cản trở sóng trun víi mét gãc ngÈng cho phÐp kho¶ng tõ 00 đến 700 Đối với vệ tinh địa tĩnh góc ngẩng giảm trênh lệch kinh tuyến vĩ tuyến trạm mặt đất vệ tinh gia tăng Sinh viên thực : Trần Văn Quý Đồ án tốt nghiệp tinh Các trạm mặt đất hệ thống thông tin vệ + Thời gian truyền thời gian trễ : Vệ tinh địa tĩnh cung cấp chuyển tiếp liên lạc liên tục cho trạm khoảng tầm nhìn vệ tinh trờng hợp tổng quát, tín hiệu từ trạm mặt đất đến trạm mặt đất khác bị trễ thời gian khoảng 0,25s Điều dẫn đến việc phải có thiết bị điều khiển tiếng vọng ( echo control device ) cho kênh thoại cần phải có giao thức đặc biệt để truyền dẫn tín hiƯu sè NÕu nh vƯ tinh di trun ë q đạo thấp thời gian truyền dẫn giảm Thời gian truyền dẫn lâu nh phơng thức truyền dẫn lu trữ - chuyển tiếp đợc sử dụng + Nhiễu : Mỗi vệ tinh địa tĩnh chiếm vị trí có toạ độ tơng ứng với trạm mặt đất vùng phủ sóng chúng Hiện có hàng trăm vệ tinh hoạt động quỹ đạo địa tĩnh chúng gây nhiễu cho Các hệ thống Viba mặt đất gây nhiễu cho thông tin vệ tinh ngợc lại Để chống nhiễu hay nói để hạn chế tối đa nhiễu hệ thống ngời ta phải đa quy định phân phối vị trí quỹ đạo băng tần sử dụng Khoảng không gian nhỏ vệ tinh quỹ đạo vệ tinh gần kề băng tần làm gia tăng độ nhiễu cản trở việc thiết lập vệ tinh míi C¸c hƯ thèng kh¸c cã thĨ sư dơng tần số băng tần khác nhau, nhng điều bị hạn chế số lợng giới hạn băng tần đợc phân bổ hiệp hội viƠn th«ng qc tÕ ITU ( International Telecomunication Union ) cho vùng địa lý trái đất dịch vụ khác Trong trờng hợp số băng tần bị giới hạn phổ tần quỹ đạo Mặt khác thông số hình học vệ tinh so với hệ thống khác biến đổi việc đồng đợc đặt + Hiệu st cđa bƯ phãng : Khèi lỵng cđa vƯ tinh đợc phóng dảm độ cao vệ tinh yêu cầu phóng tăng 1.4 Phân bổ tần số thông tin vệ tinh Các băng tần số vô tuyến dùng cho hệ thống thông tin vệ tinh , hiển nhiên phải tuân theo quy chế vô tuyến Liên minh viễn thông quốc tế ITU đà Sinh viên thực : Trần Văn Quý Đồ án tốt nghiệp tinh Các trạm mặt đất hệ thống thông tin vệ quy định điều khoản buộc để nghiệp vụ vô tuyến dùng chung băng tần cách hợp lý mà không gây can nhiễu có hại đến Đặc biệt, băng tần đợc phân định cho dịc vụ vệ tinh cố định phải tuân theo quy định quốc tế Để thuận lợi cho công tác quy hoạch tần số, liên minh viễn thông quốc tế đà phân bố giới thành ba khu vùc bao gåm :  Khu vùc mét : Châu âu, Châu phi, Liên Xô cũ Mông Cổ  Khu vùc : Ch©u Mü  Khu vùc : Chây ( trừ nớc thuộc khu vực ) Châu úc Dựa vào đặc tính sóng môi trờng truyền lan thực tế ứng dụng ngời ta phân thành dải sóng mà dải sóng đặc tính truyền lan chúng giống Bảng dới giới thiệu số băng tần dùng cho vệ tinh cố định số laọi vệ tinh khác: Dịch vụ (a) FS FS BS FS FS FS FS FS FS FS FS FL BS BS FS BS FS BS Các tần sè tuyÕn lªn ( MHz ) 2655 – 2690 5725 – 5850 5850 – 7075 7900 – 8400 10700 – 11700 Sinh viên thực : Trần Văn Quý Các tÇn sè tuyÕn xuèng ( MHz ) 2500 – 2690 2500 –2535 2500 – 2690 Chó thÝch (b) ChØ R2 ChØ R3 3400 – 4200 4500 – 4800 ChØ R3 7250 – 7750 ChØ R1 10700 –11700 11700 – 12500 11700 – 12200 11700 – 12300 12100 –12700 12500 – 12750 12500 – 12700 ChØ R1 ChØ R1 ChØ R3 ChØ R2 ChØ R2 ChØ R1,R3 ChØ R3 §å ¸n tèt nghiÖp tinh FS FS FS FS,FL FL FS FS FS Các trạm mặt đất hệ thống thông tin vÖ 12500 – 12750 12700 – 12750 14000 – 14500 14000 – 14800 17300 – 21200 27000 – 27500 27500 – 31000 ChØ R1 ChØ R2 17700 – 21200 Chỉ R2,R3 Bảng : Các băng tần dùng cho dịch vụ vệ tinh cố định dịch vụ quảng bá qua vƯ tinh tíi 31 GHz ( a ) FS - dịch vụ vệ tinh cố định BS - dịch vụ vệ tinh quảng bá FL - tuyến phi dơ cho dịch vụ vệ tinh quảng bá ( b ) Vùng ( R1 ), vùng (R2), vùng (R3) đợc xác định theo vùng đà quy định ITU đà xác lập riêng phần phổ tần để sử dụng hệ thống thông tin vệ tinh, đáng ý băng tần nh 2,5 -2,7; 3,4- 7,1 vµ 10,7 - 14,5 GHz Mét sè nµo băng tần đợc phân định để sử dụng cho dịch vụ đặc biệt vùng địa lý xác định Trong bảng R2 ám vùng bao gồm Bắc Mỹ Nam Mỹ; R3 vùng bao gồm Châu úc Châu R1 vùng bao gồm Châu Âu, Liên Xô cũ Châu Phi Trong bảng vùng đợc phép sử dụng băng tần đợc thị R1, R2 R3 Nêukhông có định vùng có nghĩa tất vùng sử dụng băng tần * Băng tần 2500 2690 MHz Tất tần số băng tần để dành cho nớc vùng vùng ( phân định băng tần 2,5 - 2,7 GHz cho dịch vụ vệ tinh cố định vùng ) Tại băng tần 2,5 - 2,7 GHz, suy hao khí nhỏ băng tần khác, song bớc sóng tơng đối dài kích thớc anten trạm mặt đất phải lớn so với việc sử dụng băng tần khác Ngoài ra, băng tần cha đợc sử dụng rộng rÃi nên nhà sản xuất chế tạo thiết bị tiêu chuẩn thuộc lĩnh vực Băng tần tỏ rõ lợi cho yêu cầu khiêm tốn yêu cầu khiêm tốn điểm tắc nghẽn khe quỹ đạo luôn Sinh viên thực : Trần Văn Quý Đồ án tốt nghiệp tinh Các trạm mặt đất hệ thống thông tin vệ có sẵn để sử dụng Tuy nhiên, băng tần chung phần với hệ thống tán xạ đối lu cần phải phối hợp chúng *Băng tần 3400 7075 MHz Băng tần đợc sử dụng nhiều so với tất băng tần khác Do đó, việc xắp xếp khe quỹ đạo tơng đối khó Mặt khác có sẵn thị trờng rộng lớn nhiều nhà sản xuất chế tạo thiết bị chuẩn, giảm đợc đáng kể giá thành đo cạnh tranh đảm bảo tính hiệu kinh tế quy mô lớn Mặc dù suy hao khí lớn so với băng tần 2,5-2,7GHz, kinh nghiêm lịch sử cho thấy đạt đợc dịch vụ tông tin chất lợng cao thực tế tất vùng giới Vì có can nhiễu với hệ thống vi ba mặt đất sử dụng băng tần này, trạm mặt đất không đợc phép lắp đặt nhiều vùng thành phố Do việc sử dụng băng tần đòi hỏi phải phối hợp chặt chẽ với hệ thống mặt đất hoạt động dự án * Băng tần 10700 - 14500 GHz Băng tần vừa có lợi vừa có bất lợi so với băng tần 3,4 - 7,1 GHz vốn đợc sử dụng rộng rÃi, nơi có băng tần nói chung không đợc sử dụng cho tuyến Viba mặt đất cho trạm mặt đất hoạt động trung tâm thành thị Các anten băng tần nhỏ so với băng tần khác, chúng lắp đặt mái nhà nhà cao ốc Nơi thực tế sóng mang chung băng vệ tinh đợc sử dụng công suất cao vấn đề can nhiễu với hệ thống mặt đất Điều bất lợi băng đặc tính suy hao gia tăng mạnh miỊn khÝ hËu cã nhiỊu s¬ng mï, cã ma có mây Sinh viên thực : Trần Văn Quý 1 Đồ án tốt nghiệp tinh Các trạm mặt đất hệ thống thông tin vệ Chơng CÊu tróc mét hƯ thèng th«ng tin vƯ tinh CÊu tróc cđa mét hƯ thèng th«ng tin vƯ tinh bao gồm hai phần: phần không gian ( space segment ) phần mặt đất ( ground segment ) Phần không gian Tuyến lên Tuyến xuống Trạm điều khiển Thiết bị phát Phần mặt đất Thiết bị thu Hình 2.1 Mô tả cấu trúc tổng quát hệ thông vệ tinh 2.1 Phần không gian Phần không gian bao gồm vệ tinh thiết bị đặt vệ tinh hệ thống trang thiết bị đặt mặt đất ®Ĩ kiĨm tra, theo dâi vµ ®iỊu khiĨn vƯ tinh ( hệ thống bám, đo đạc điều khiển ) Bản thân vệ tinh bao gồm phần tải ( payload ) phần ( platform ) Phần tải bao gồm anten thu, phát tất thiết bị điện tử phục vụ cho phần tải hoạt ®éng Chóng bao gåm : + CÊu tróc + Nguån cung cấp điện + Điều khiển nhiệt độ + Điều khiển hớng quỹ đạo + Thiết bị đẩy + Thiết bị bám, đo đạc điều khiển thực Sinh viên thực : Trần Văn Quý Đồ án tốt nghiệp tinh Các trạm mặt đất hệ thống thông tin vệ Các sóng vô tuyến truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh đợc gọi tuyến lên ( Uplink ) Vệ tinh đến lợt lại truyền sóng vô tuyến tới trạm thu vệ tinh đặt mặt đất đợc gọi tuyến xuống ( Downlink ) Chất lợng liên lạc qua sóng vô tuyến đợc xác định thông số sóng mang tạp âm (C/N ) *Vệ tinh có vai trò sau : + Khuyếch đại sóng mang thu đợc từ tuyến lên để sử dụng cho việc truyền dẫn lại tầng xuống Năng lợng sóng mang đầu vào máy thu vệ tinh yêu cầu từ 100pW đến 1nW, lợng đầu khuyếch đại công suất phát cho tuyến xuống yêu cầu từ 10 100W Do độ lợi công suất yêu cầu từ 100 130WdB + Thay đổi tần số sóng mang nhằm tránh tợng phần công suất phát quay trở đầu thu, khả loại bỏ đầu vào lọc tần số tuyến xuống kết hợp với độ tăng ích anten thấp đầu ( phần phát ) với đầu vào ( phần thu ) để đảm bảo công suất cỡ 150dB Để hoàn thành chức vệ tinh hoạt động nh rơle đơn giản Sự thay đổi tần số thông qua biến đổi tần số Điều thấy rõ vệ tinh thơng mại đợc vận hành Ngời ta gọi chúng vệ tinh “ quy íc ” hay “ suÊt ” Tuy nhiên, hệ vệ tinh ( bắt đàu từ ACTS ATALSAT ) lên tái sinh đợc trang bị giải điều chế, tín hiệu băng đợc đặt vệ tinh Sự thay đổi tần số đạt đợc việc ®iỊu chÕ mét sãng mang míi cho tÇng xng ViƯc vận hành cặp điều chế giải điều chế đợc kèm theo với việc xử lí tín hiệu băng mức độ phức tạp khác Để đảm bảo tính sẵn sàng cung cấp dịch vụ, hệ thống vệ tinh phải bao gồm số vệ tinh để dự trữ, để thay cho vệ tinh bị hỏng hay đà hết hạn sử dụng Trong trờng hợp cần phân biệt tuổi thọ độ tin cậy cđa mét vƯ tinh §é tin cËy cđa mét vƯ tinh đợc đánh giá dựa yếu tố : khả dẫn đến hỏng hóc, độ tin cậy thiết bị vệ tinh phơng án dự phòng Tuổi thọ vệ tinh phụ thuộc vào khả trì vệ tinh trạm trạng thái tối thiểu Sinh viên thực : Trần Văn Quý