Tiểu luận thông tin vệ tinh Tính toán vùng phủ sóng của vệ tinh

Tiểu luận thông tin vệ tinh Tính toán vùng phủ sóng của vệ tinh Vùng phủ sóng của vệ tinh được định nghĩa là phần hình nón có vệ tinh là đỉnh, các mặt của hình nón tiếp xúc với bề mặt của trái đất. Vùng phủ sóng của vệ tinh bao phủ một diện tích rộng lớn trên bề mặt trái đất. Phần không gian trên bề mặt trái đất được bao phủ bởi vùng phủ sóng được gọi là footprint.

Mục lục

NỘI DUNG

I. Tổng quan

Vùng phủ sóng của vệ tinh được định nghĩa là phần hình nón có vệ tinh là đỉnh, các mặt của hình nón tiếp xúc với bề mặt của trái đất

Vùng phủ sóng của vệ tinh bao phủ một diện tích rộng lớn trên bề mặt trái đất Phần không gian trên bề mặt trái đất được bao phủ bởi vùng phủ sóng được gọi là footprint

Hình 1 Vùng phủ sóng của vệ tinh

Trong một bài viết của mình vào năm 1945, Clark đã tiên đoán rằng: sẽ có thể phủ sóng khắp bề mặt trái đất mà chỉ cần dùng có 3 vệ tinh, với điều kiện nó được đặt vào vị trí chính xác trên quỹ đạo địa tĩnh của nó Hình sau thể hiện điều đó

Hình 2 Phủ sóng khắp bề mặt trái đất với 3 vệ tinh

Vùng phủ sóng của vệ tinh là một thông số hết sức quan trọng trong việc thiết kế vệ tinh quan sát mặt đất Do đó, việc tính toán vùng phủ sóng của vệ tinh là yêu cầu cấp thiết cần phải thực hiện

II. Tính toán vùng phủ sóng của vệ tinh

Xét một vệ tinh có vùng phủ sóng như hình vẽ, ta sẽ tính bề rộng vùng phủ sóng của vệ tinh này:

Gọi α là góc nhìn từ vệ tinh tới trạm đầu cuối trên mặt đất, khi đo góc ở đỉnh của hình nón là 2α Từ hình vẽ ta có được:

sin α = =

re = 6,378km là bán kính trái đất

rsat = h0 + re là khoảng cách từ tâm trái đất tới vệ tinh

ở quỹ đạo địa tĩnh h0 = 35,784 km, ta được r = 42,162 km

khi đó, α = 17,33o

Điều đó có nghĩa rằng, vùng phủ sóng của anten vệ tinh phải có beamwidth

θBW tối thiểu bằng 17,33o

Ta có mối quan hệ giữa các đại lượng:

θ + α + β = 900

scosθ = rsatsinβ

s.sinα = re sinβ

Các phương trình xác định các góc:

Mối liên hệ giữa các góc với nhau:

Từ đó ta được :

Bề rộng của đường cắt được xác định bởi:

w = 2π (1- cosβ)

Bán kính vùng phủ sóng được xác định bằng công thức:

Acov = 2π (1- cosβ)

III. Mối quan hệ giữa vùng phủ sóng và quỹ đạo vệ tinh

III.1. Các loại quỹ đạo vệ tinh

Hình 3.1 Các dạng quỹ đạo vệ tinh

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà mỗi vệ tinh có quỹ đạo và tầm cao khác nhau Có 4 dạng quỹ đạo vệ tinh được sử dụng trong thực tế là:

- GEO (Geostrationary Earth Orbit): Quỹ đạo địa tĩnh, quỹ đạo này có tầm cao 36000 km so với bề mặt trái đất

- LEO (Low Earth Orbit): Quỹ đạo tầm thấp, có tầm cao là 500 – 1500km so với bề mặt trái đất

- MEO (Medium Earth Orbit): Quỹ đạo tầm trung, có tầm cao là 6000 – 20000km so với bề mặt trái đất

- HEO (Highly Elliptical Orbit) : Quỹ đạo tầm cao Quỹ đạo này có hình elip

III.2. Mối quan hệ giữa vùng phủ sóng và quỹ đạo vệ tinh

Theo phần 2, ta đã tính được vùng phủ sóng của vệ tinh được xác định bởi công thức : A = 2π (1- cosβ) Ta thấy rằng, vùng phủ sóng của vệ tinh phụ thuộc vào góc β

Ta có :

Mà sinα =

Do đó, vùng phủ sóng của vệ tinh chỉ phụ thuộc vào rsat

Ví dụ: Với quỹ đạo địa tĩnh, có rsat = re + 36000 = 42400km

Sinα = 0,15

 β = 1,3o

 A = 1,88.108 km

Vậy, với quỹ đạo có tầm cao càng lớn thì vùng phủ sóng của vệ tinh sẽ càng lớn Tùy thuộc vào mục đích hoạt động mà cần đưa vệ tinh lên quỹ đạo phù hợp

IV. Footprint

1. Định nghĩa

Footprint của một vệ tinh viễn thông là khu vực đất mà bộ thu phát của nó phủ sóng Có một bản đồ footprint riêng cho mỗi bộ thu phát (hoặc một nhóm

bộ thu phát)

Năng lượng của truyền hình vệ tinh là mạnh nhất ở trung tâm của footprint,

và giảm đi khi xa trung tâm

V. Chùm vệ tinh

Chùm vệ tinh là một nhóm các vệ tinh tương tự làm việc với nhau trong quan hệ đối tác để cung cấp một mạng lưới dịch vụ hữu ích Chùm của vệ tinh trong hệ thống LEO được thiết kế để hoạt động như một mạng chủ yếu để đạt vùng phủ sóng tốt nhất và lớn nhất Trong chùm vệ tinh, mỗi vệ tinh trong một mặt phẳng quỹ đạo của nó duy trì vị trí và tương tác tới các vệ tinh khác Mỗi

vệ tinh trong một LEO có thể xem như một nút chuyển mạch và được kết nối với vệ tinh gần đó bằng cách liên kết intersatellite Mỗi nút vệ tinh thực hiện tín hiệu và kiểm soát các chức năng mà thiết lập và giải phóng kết nối tương tự như mạng chuyển mạch công cộng (PSTN = ISDN) và giao thức SS7 cho mỗi tế bào

di động

Hình 4.1 Chùm vệ tinh

Ví dụ điển hình của Chùm vệ tinh là mạng lưới vệ tinh quốc phòng được gọi

là FLTSATCOM (Fleet satellite communications system) và SBIRS (Space-based infrared system) và Iridium and Teledesic network , cung cấp dịch vụ paging cho điện thoại di động trên toàn cầu

FLTSATCOM cung cấp thông tin liên lạc trên toàn thế giới cho Hải quân Hoa Kỳ và các đơn vị không quân , ngoại trừ các vùng cực FLTSATCOM nay bao gồm bốn vệ tinh Mỗi vệ tinh được đưa vào xích đạo gần địa tĩnh quỹ đạo

và vị trí ở kinh độ 100o W , 23oW , 71.5oE , và 172o E Mỗi vệ tinh nằm trong vùng phủ sóng của các vệ tinh lân cận, do đó tránh được bất kỳ khoảng không không liên tục Vùng phủ sóng là giữa vĩ độ 70o N Và 70o S Hạm đội tạo phát sóng và tàu hải quân chính của hệ thống trao đổi thông tin liên lạc Nó cũng cung cấp thông tin liên lạc quan trọng cho các nước đồng minh trên toàn thế giới

SBIRS được đề xuất là biên giới tiếp theo của phòng thủ tên lửa Mỹ hệ

đôi đặc biệt mà đánh dấu sự bùng nổ của vũ khí hạt nhân Các chi tiết của các quỹ đạo tên lửa sau đó được chuyển cho một mạng lưới các LEO , nó sẽ theo dõi các đầu đạn tên lửa sau khi tách rời khỏi bệ phóng và hành trình trong không gian các spacebased sau đó hệ thống laser được kích hoạt để theo dõi tên lửa đến

Mạng Iridium , triển khai trong năm 1998, bao gồm 66 vệ tinh trong 6 quỹ đạo máy bay Mỗi vệ tinh có 48 spot beam Thuật toán chuyển đổi của mạng lưới vệ tinh cho phép một số các spot được tắt nhưng vẫn duy trì một tỷ lệ khá lớn của các chùm tia tại bất kỳ thời điểm nào Mỗi vệ tinh được kết nối với bốn

vệ tinh lân cận , và các liên kết intersatellite hoạt động trong băng tần 23,18 đến 23,38 GHz Thông tin liên lạc giữa các mạng vệ tinh và mạng lưới trên mặt đất được qua trạm gateways Đường lên và đường xuống có dải tần số tới cổng là 29,1-29,3 GHz và 19,2-19,6 GHz

Mạng Teledesic cho 288 vệ tinh được triển khai trong một số quỹ đạo cực Mỗi vệ tinh được kết nối với nhau đến tám vệ tinh liền kề để cung cấp khả năng chịu lỗi và khả năng thích ứng với tình trạng tắc nghẽn Trong mạng này, trái đất được chia thành khoảng 20.000 vùng '' supercells '', dài mỗi 160 km và bao gồm 9 ô vuông Chùm ngoài của mỗi vệ tinh được nâng lên đến 64 supercells; vùng phủ sóng của supercell thực tế phụ thuộc vào vị trí quỹ đạo vệ tinh và khoảng cách tương đối của nó với các vệ tinh khác Mỗi tế bào trong supercell được phân bổ một khe thời gian, và mỗi vệ tinh tập trung vào các tế bào trong các supercell vào thời gian quy định Khi chùm là hướng vào một tế bào, mỗi thiết bị đầu cuối trong các tế bào truyền trên đường lên, sử dụng một hoặc nhiều kênh tần số đã được gán cho nó Trong khoảng thời gian này, các vệ tinh truyền một chuỗi các gói thiết bị đầu cuối trong các tế bào Các thiết bị đầu cuối lần lượt nhận được tất cả các gói và phân phối chúng đến địa phương

VI. Vùng phủ sóng của một số vệ tinh trên thế giới.

Vùng phủ sóng của vinasat:

Vùng phủ sóng của 12 bộ phát đáp băng Ku

Vùng phủ sóng của 8 bộ phát đáp băng C

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Satellite communication Engineering _ Michael O Kolawole

2. Improving the coverage of earth targets by maneuvering satellite constellations _ Michel Santos, Ph.D, 2007

3. Satellite Orbits, Coverage, and Antenna Alignment _ Lab – Volt

4. Earth coverage (“Footprint”) of a satellite-borne antena _ S.L.Zolnay

5. Coverage Characteristics of Earth Satellites