TIỂU LUẬN THÔNG TIN VỆ TINH TÌM HIỂU HIỆU ỨNG DOPPLER TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

TIỂU LUẬN THÔNG TIN VỆ TINH TÌM HIỂU HIỆU ỨNG DOPPLER TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Thông tin vệ tinh đã trở thành một phương tiện thông tin rất phổ biến và đa dạng. Nó thể hiện từ các chảo anten truyền hình gia đình cho đến các hệ thống thông tin toàn cầu truyền các khối lượng số liệu và lưu lượng thoại lớn cùng với các chương trình truyền hình.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO

THÔNG TIN VỆ TINH

Đề tài:

TÌM HIỂU HIỆU ỨNG DOPPLER TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

Giảng viên hướng dẫn: Vũ Văn Yêm

Sinh viên thực hiên: Trần Ngọc Tân

MỤC LỤC:

1 Giới thiệu đề tài - 3

2 Sự phát triển của vệ tinh phi địa tĩnh trên thế giới 5

2.1 Sự phát triển của vệ tinh phi địa tĩnh trên thế giới - 5

2.2 Các nghiệp vụ vô tuyến được sử dụng trong vệ tinh phi địa tĩnh - 6

3 Hiệu ứng Doppler - 7

3.1 Định nghĩa - 7

3.2 Hiệu ứng Doppler trong thông tin vệ tinh - 8

3.3 Hiệu ứng Doppler đối với vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh - 10

3.3.1 Quỹ đạo của vệ tinh phi địa tĩnh - 11

3.3.2 Hiệu ứng Doppler đối với vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh - 13

3.3.3 Ứng dụng của hiệu ứng Doppler trong việc định vị thiết bị đầu cuối E - 15

3.4 Đo lường hiệu ứng Doppler - 16

4 Kết luận -18

5 Tài liệu tham khảo - 19

1 Giới thiệu đề tài

Thông tin vệ tinh đã trở thành một phương tiện thông tin rất phổ biến và đa dạng Nó thể hiện từ các chảo anten truyền hình gia đình cho đến các hệ thống thông tin toàn cầu truyền các khối lượng số liệu

và lưu lượng thoại lớn cùng với các chương trình truyền hình

Vì một vệ tinh có thể phủ sóng cho một vùng rộng lớn đến trái đất, nên một bộ phát đáp trên vệ tinh có thể cho phép nối mạng nhiều trạm mặt đất từ các vùng địa lý cách xa nhau trên trái đất Các vệ tinh đảm bao đường truyền thông tin cho các vùng dân cư xa xôi hẻo lánh khi mà các phương tiện thông tin khác khó đạt đến

Figure: Hệ thống vệ tinh GPS, một trong những hệ thống có ứng

dụng lớn nhất hiện nay

Trong đề tài “Tìm hiểu hiệu ứng Doppler trong hệ thống thông tin

vệ tinh”, chúng ta sẽ tìm hiểu sơ qua về sự phát triển của vệ tinh phi địa tĩnh, hiệu ứng Doppler cũng như ảnh hưởng của nó đối với vệ tinh phi địa tinh Cuối cùng đề cập đến ứng dụng của hiệu ứng Doppler trong việc xác định tọa độ của thiết bị đầu cuối trên Trái đất sử dụng 2

vệ tinh phi địa tĩnh và phương pháp đo tần số Doppler

2 Sự phát triển của vệ tinh phi địa

tĩnh trên thế giới

Hệ thống thông tin vệ tinh có 2 cấu hình quỹ đạo trái đất chung là:

- Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh – Geostationary Satellite Orbit (GSO)

- Vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh – Non-Geostationary Satellite Orbits (non-GSO)

2.1 Đặc điểm của vệ tinh phi địa tĩnh

Trước hết, vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có quỹ đạo tròn ngay phía trên quỹ đạo Trái đất (vĩ độ 0) Vệ tinh sẽ quay xung quanh Trái đất với cùng một vận tốc góc giống như sự tự quay của Trái đất Như vậy đối với 1 người đang đứng trên Trái đất, thì các vệ tinh địa tĩnh có thể coi là cố định so với họ Độ cao của các vệ tinh này so với mực nước biển là 35786 km

Có rất nhiều vệ tinh phi địa tĩnh hoạt động trong 3 thập kỷ qua với những nghiệp vụ và chức năng đặc biệt như quan sát thời tiết, thám hiểm trái đất từ xa, định vị vô tuyến, thông tin, giám sát … Một trong nhưng đặc điểm của các vệ tinh này là có khả năng quan sát bề mặt trái đất một cách định kỳ từ một vệ tinh đơn Nếu yêu cầu quan sát

trái đất một các đồng thời thì một số vệ tinh có thể tìm thấy phụ thuộc vào độ cao quỹ đạo của chúng

Vì vậy, tùy thuộc vào độ cao so với mực nước biển của quỹ đạo,

vệ tinh phi địa tĩnh được phân loại:

+ Quỹ đạo vệ tinh tầm thấp (low-Earth orbit - LEO) như một số hệ

thống vệ tinh thời tiết

+ Quỹ đạo vệ tinh tầm trung (medium-Earth orbit - MEO)

+ Quỹ đạo vệ tinh tầm cao (high-Earth orbit - HEO) như các vệ tinh dẫn đường GPS và GLONASS

2.2 Các nghiệp vụ vô tuyến được sử dụng cho vệ tinh phi địa tĩnh

Bất kì nghiệp vụ vô tuyến nào sử dụng vệ tinh địa tĩnh cũng có thể

sử dụng vệ tinh phi địa tĩnh

Các nghiệp vụ vô tuyến qua vệ tinh thông dụng như nghiệp vụ cố định qua vệ tinh (FSS – Fixed Satellite Service), nghiệp vụ quảng bá qua vệ tinh (BSS – Broadcasting Satellite Service) và nghiệp vụ di động qua vệ tinh (Mobile Satellite Service) đều có thể sử dụng vệ tinh phi địa tĩnh Ở các nghiệp vụ này, khi sử dụng quỹ đạo phi địa tĩnh được quy định kí hiệu như NGSO FSS, NGSO BSS, NGSO MSS Điển hình các hệ thống vệ tinh sử dụng quỹ đạo phi địa tĩnh trong các

nghiệp vụ trên có các hệ thống SkyBridge, Global Star, ICO … với vùng phủ toàn cầu

Nghiệp vụ vô tuyến dẫn đường, định vị qua vệ tinh: hiện này các nghiệp vụ này đều sử dụng các hệ thống vệ tinh phi địa tĩnh Điển hình cho các hệ thống này bao gồm hệ thống GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), GALIEO (Châu Âu)

Nghiệp vụ thăm dò trái đất qua vệ tinh (Earth Exporation Satellite Service – EESS), nghiệp vụ này chủ yếu sử dụng các hệ thống vệ tinh quỹ đạo tầm thấp (LEO)

3 Hiệu ứng Doppler

3.1 Định nghĩa

Hiệu ứng Doppler được phát biểu, nếu nguồn sáng (quang học hay

âm thanh) và điểm đo cùng chuyển động hoặc một trong 2 đối tượng

đó đứng yên, thì tần số của sóng thu được tại điểm đo khác với tần số của nguồn sáng Khi 2 đối tượng trên gần nhau thì tần số sóng thu được sẽ tăng lên và khi chúng xa nhau thì tần số này sẽ giảm đi Hiệu của 2 tần số phát và thu gọi là tần số Doppler:

FD = fT - fR

Tần số Doppler được minh họa như Figure 3.a

Figure 3.a: Minh họa hiệu ứng Doppler

Do nguồn sóng vượt qua trong thời gian 1 chu kì T, nên

d = v.T = v/f ) (1)

và độ dài bước sóng:

λ’ = λ –d = λ – v/f) (2) Nếu như vận tốc của âm thanh là g thì tần số thu được tại điểm đo

fR sẽ là:

fR = fT (1 ± (v/g)) ) (3)

3.2 Hiệu ứng Doppler trong thông tin vệ tinh

Tương tự hiệu ứng Doppler với sóng quang và sóng âm thanh, tần

số Doppler với nguồn S là sóng điện từ (vệ tinh) và trạm mặt đất được xác định:

FD = fT (vW/c) (4) Trong đó:

vW: vận tốc chuyển động tương đối của vệ tinh và trái đất

fT: tần số máy phát

c: tốc độ ánh sáng

Trong truyền thông giữa trạm mặt đất và vệ tinh, ta có điểm đo bất động (trạm mặt đất), vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo quanh trái đất được minh họa như hình 3.b

Vận tốc hướng tâm của vệ tinh được xác định:

VR = vW cosα (5)

Các giá trị vận tốc trong (5) được mô tả như hình 3.b Với giả thiết

hệ số chiết suất của sóng điện từ trong không trung bằng 1:

FD = fR – fT = fT(vR/c) = fT(ρ/c) (6) Trong đó:

vR: Vận tốc góc tương đối hướng tâm của vệ tinh

ρ = dD/dt: đạo hàm của khoảng cách S-P

fR,fT: tần số phát của vệ tinh và tần số thu được tại điểm P

Figure 3.b: Các vận tốc của vệ tinh

Đây chính là nguyên lý cơ bản của phép đo tần số Doppler của các hệ thống dẫn đường vệ tinh

Figure 3.c: Tần số thu khi điểm đo P bất động

Hệ thống thông tin vệ tinh có 2 cấu hình quỹ đạo trái đất chung là:

+ Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh – Geostationary Satellite Orbit (GSO) + Vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh – Non-Geostationary Satellite Orbits (non-GSO)

Dựa vào công thức 6, ta có thể đánh giá:

+ Với vệ tinh địa tĩnh có v = 0 nên FD = 0

+ Với vệ tinh phi địa tĩnh v khác 0 nên FD khác 0

3.3 Hiệu ứng Doppler đối với vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh (non-GSO satellite Orbit)

Một trong các vấn đề gặp phải trong việc truyền thông tin giữa vệ tinh và trạm mặt đất là ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler Do vệ tinh chuyển động tương đối với trái đất, nên sẽ có thành phần vận tốc

hướng tâm Đặc biệt là với các vệ tinh có quỹ đạo khác quỹ đạo tròn như quỹ đạo eclip

Figure 3.d: Tần số thu khi điểm đo P bất động

3.3.1 Quỹ đạo của vệ tinh phi địa tĩnh

Quỹ đạo và vận tốc góc của vệ tinh phi địa tĩnh S được xác định như công thức 7

rS,O = RE + HE = rS

φS,O = ωS.t + ∅O

(7)

Trong đó:

RE là bán kinh trái đất = 6378.144 km

HS là độ cao của vệ tinh so với bề mặt trái đất

ωS là vận tốc góc của vệ tinh

∅O là pha ban đầu của vệ tinh

Figure 3.e: Biểu diễn các xác định quỹ đạo của 1 vệ tinh trên mặt

phẳng quỹ đạo

Theo hình vẽ trên, hình chữ nhật màu đỏ biểu thị mặt phẳng quỹ đạo của vệ tinh, với hệ trục xOyOzO Trục xO được xác định bằng cách nối từ tâm O của trái đất đến điểm giao của quỹ đạo vệ tinh với mặt phẳng xích đạo (biểu thị bằng hình chữ nhật màu xanh) Trong mặc phẳng xích đạo, ta cũng có hệ trục xEyEzE Trục xE trùng với xO

Khi quay mặt phẳng quỹ đạo đi 1 góc i (từ trục yO xuống yE) như hình vẽ trên, thì mặt phẳng quỹ đạo sẽ trùng với mặt phẳng xích đạo Ngoài ra ta thấy trong mặt phẳng “geocentric equatorial plane vernal point coordinate system” (EV), thì trục xE lệch 1 góc RAAN với trục xEV

Như vậu trong hệ tọa độ EV, thì tọa độ và vận tốc của vệ tinh được xác định như sau:

rS,EV = rS,O = rS

φS,EV = arcsin[sin i sin(φS,O)]

λS,E = arctan[cos I tan(φS,O)] + RAAN

Để xác định các ảnh hưởng lên vệ tinh phi địa tĩnh, việc cần thiết

là chuyển đổi quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống tọa độ quay đồng bộ với trái đất ER như hình 3.e

Khi đo ta có các công thức sau:

RS,ER=rs

φS,ER = arcsin[sin i sin(φS,O)]

λS,ER = arctan[cos I tan(φS,O)] + RAAN

– RAGM – ωE.t + kπ

Chiếu lên hệ trục tọa độ (hình 3.e) ta có tọa độ của vệ tinh:

xS,ER = rs.cos (φS,O).cos (ωE.t - RAAN + RAGM) + rS.cos i sin(φS,O) sin (ωE.t - RAAN + RAGM)

yS,ER = - rs.cos (φS,O).sin (ωE.t - RAAN + RAGM) + rS.cos i sin(φS,O) cos (ωE.t - RAAN + RAGM)

zS,ER = rS sin i sin(φS,O)

Trong đó:

ωE là tốc độ góc của trái đất

3.3.2 Hiệu ứng Doppler với vệ tinh phi địa tĩnh

Khi chuyển động vỡi quỹ đạo quanh trái đất, vệ tinh luôn có 1 vận tốc hướng tâm

Dựa vào công thức 6, ta có thể xác định được tần số Doppler dựa vào tần số đo được ở trạm trái đất và vận tốc tương đối của vệ tinh vR Xét 1 thiết bị đầu cuối(giả sử trạm mặt đât) E nằm trên bề mặt trái đất với tọa độ xE,ER, yE,ER, zE,ER, khoảng cách giữa vệ tinh và E được tính bởi công thức:

D = [(xS,ER – xE,ER)2 + (yS,ER – yE,ER)2 + (zS,ER – zE,ER)2]0.5

= (rE2 + rS2 - 2 rE rS cos δ)0.5

= rE2 + rS2 - 2 rE rS cos(∆λS,E) cos(∆ φS,E) – 2 rE

rS sin(φS,E) sin(φE,ER) [1-cos(∆λS,E)]

Trong đó:

xE,ER, yE,ER, zE,ER là tọa độ của thiết bị đầu cuối trái đất

δ là góc giữa thiết bị đầu cuối E và vệ tinh S

Sau khi tính toán được D, ta có thể tính được vận tốc tương đối của vệ tinh S với thiết bị đầu cuối E:

(7)

Kết hợp với công thức 6, ta tính toán được hiệu ứng Doppler khi truyền thông tin giữa vệ tinh phi địa tĩnh và thiết bị đầu cuối E

3.3.3 Ứng dụng của hiệu ứng Doppler trong việc định vị

thiết bị đầu cuối E

Sử dụng mối quan hê trong tam giác EOS ta có thể xác định được

vị trí của các thiết bị đầu cuối sử dụng vệ tinh phi địa tĩnh

Figure 3.f: Biểu diễn hình học trạm trái đất và vệ tinh

Đầu tiên, giả sử vệ tinh gửi 1 tín hiệu tới có tần số fT để thiết bị đầu cuối E Tại thiết bị đầu cuối, tần số đo được là fR Như vậy tần số

đã dịch đi 1 khoảng gọi là tần số Doppler (công thức 6)

FD = fR – fT = fT(vR/c) Với vR là vận tốc tương đối của vệ tinh so với thiết bị E

Kết hợp với công thức 7 ta có thể xác định được góc giữa vệ tinh

và thiết bị E Nếu sử dụng 2 vệ tinh, với vị trí của vệ tinh tại thời điểm

đo xác định ta có thể xác định được vị trí của thiết bị E

Đánh giá vệ hệ thống định vị ứng dụng hiệu ứng Doppler:

Ưu điểm của phương pháp định vị dùng hiệu ứng Doppler trong xác định vị trí so với sử dụng hệ thống định vị thông thường là việc sử

dụng các vệ tinh phi địa tĩnh, với các khoản đầu tư nhỏ Yêu cầu chỉ cần 2 vệ tinh nằm trong đường chân trời để xác định vị trí so với 4 vệ tinh địa tĩnh, giảm số lượng cần thiết của các vệ tinh trong chòm sao

vệ tinh Trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác qua cao như hàng hải có thể được sử dụng Các hệ thống đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ trái đất là không cần thiết, như vậy giảm độ phức tạp của hệ thống

Nhược điểm của phương pháp này là độ chính xác nhỏ hơn trong việc xác đình vị trí, và thời gian cần thiết để xác định cũng lâu hơn Hiệu ứng Doppler được trình bày ở đây, với các thay đổi nhỏ tùy thuộc vào mức độ thực hiên, có thể được ứng dụng nhiều trong việc định vị, tìm kiếm cứu nạn, hay ứng dụng với đối tượng có vận tốc lớn như máy bay …

3.4 Đo lường tần số Doppler

Tần số thu được fR được tính toán bằng cách so sánh với tần số chuẩn f0 = fT, tạo ra bởi máy thu như trong sơ đồ 3.d:

Figure 3.d: Nguyên lý thu tích phân Doppler trog các hệ thống dẫn

đường vệ tinh

Trên thực tế, sự chênh lệch giữa tần số phát và thu rất nhỏ, nên tần số Doppler có thể đo được bằng phương pháp đếm xung trong một khoảng thời gian (t1, t2):

(7)

Thiết bị đo tần số Doppler trong khoảng thời gian đo khác nhau (t1, t2) là mạch đếm số chu kì N

4 Kết luận

Như vậy, trong đề tài này, em đã:

- Tìm hiểu về sự phát triển của vệ tinh phi địa tĩnh

- Hiệu ứng Doppler cũng như ảnh hưởng của nó đối với vệ tinh phi địa tĩnh Tính toàn các công thức về vị trí của thiết bị đầu cuối và giá trị tần số Doppler khi truyền thông giữa vệ tinh và thiết bị đầu cuối trên Trái đất

- Tìm hiểu ứng dụng của hiệu ứng Doppler trong việc xác định tọa

độ của thiết bị đầu cuối trên Trái đất sử dụng 2 vệ tinh phi địa tĩnh và phương pháp đo tần số Doppler

5 Tài liệu tham khảo:

1, Zeljko Tabakovic, “Doppler effect in non-GSO satellite propagation”

2, G Maral, M.Bousquet, “Satellite communications systems” , John Wiley and sons, 1998