tổng quan kĩ thuật thông tin vệ tinh

Chương 1 TỔNG QUAN KĨ THUẬT THÔNG TIN VỆ TINH 1.Giới thiệu chung Thông tin vô tuyến (radio communication) bằng vệ tinh ra đời nhằm mục đích cải thiện các nhược điểm của mạng vô tuyến mặt đất, nó có dung lượng cao hơn, băng tần rộng hơn, đem lại cho khách hàng nhiều dịch vụ mới và thuận tiện với chi phí thấp hơn. Trong chiến tranh thế giới thứ 2 để tạo ra các loại vũ khí, khí tải ngày càng hiện đại, các nước tham chiến buộc phải thúc đẩy việc nghiên cứu hai kĩ thuật mới là tên lửa và truyền dẫn viba. Hai kĩ thuật này lúc này chỉ là những kĩ thuật riêng rẽ. Về sau người ta mới tìm cách kết hợp hai kĩ thuật này lại với nhau và đã đạt được nhiều thành công đáng kể, từ đó tạo điều kiện cho thông tin vệ tinh ra đời của thông tin vệ tinh. Hiện nay những dịch vụ mà hệ thống thông tin vệ tinh đem lại đã trở nên rất đa dạng và các ưu điểm của nó so với các mạng vô tuyến mặt đất hai các mạng cáp là không thể phủ nhận. Năm 1957, nước Nga phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài người vào quỹ đạo (vệ tinh SPUTNIK). Các năm sau đó là những cuộc thử nghiệm đã diễn ra liên tục như quảng bá lời chúc giáng sinh của tổng thống Eissenhower qua vệ tinh SCORE năm 1985, phóng thành công vệ tinh ECHO năm 1960, truyền tin qua vệ tinh COURIER năm 1960, các vệ tinh dải rộng THELSTAR và RELAY năm 1962 và vệ tinh đĩa tĩnh đầu tiên SYNCOM năm 1963. Đến năm 1965 vệ tinh đĩa tĩnh thương mại đầu tiên (INTELSAT 1) hay còn gọi là Early Bird được đưa lên quỹ đạo, đánh dấu thời điểm chính thức thông tin vệ tinh có thể phục vụ người dùng. Cùng năm đó vệ tinh viễn thông đầu tiên của nước Nga nằm trong hệ MOLNYA cũng đã được phóng. Những hệ thống vệ tinh đầu tiên chỉ có khả năng cung cấp một dung lượng thấp với giá thuê bao tương đối cao, ví dụ vệ tinh INTELSAT 1 chỉ có 480 kênh thoại với giá thuê bao 32500 $ mét kênh một năm. Giá thành quá cao này là do thời điểm bấy giê khả năng tên lửa đẩy còn thấp nên người ta không thể đưa được một vệ tinh quá nặng có dung lượng lớn lên quỹ đạo. Dần dần với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, các tên lửa đẩy lên rất mạnh. Thêm nữa, người ta cũng đạt được những tiến bộ trong việc chế tạo các anten đa búp sóng (Multi beam) phù hợp với hình dáng của vùng phục vụ cùng với các kĩ thuật sử dụng lại tần số và công nghệ bán dẫn đã cho phép các vệ tinh có mức phát tín hiệu mạnh hơn và tiết kiệm dải tần hơn. Sự phát triển này làm cho chóng ta có thể phóng được những vệ tinh nặng với dung lượng lớn và giá thuê bao giảm (ví dụ vệ tinh ITELSAT 6) mang 80.000 kênh thoại với giá thuê bao chỉ có 380 $ mét kênh một năm. Hiện nay người ta đã khai thác đến các thế hệ vệ tinh ITELSAT 7 và 8. *Đặc điểm của thông tin vệ tinh Nói tới một hệ thống thông tin vệ tinh chóng ta phải kể đến ba ưu điểm nổi bật của nó mà các mạng mặt đất không có hoặc không hiệu quả bằng nó: - Khả năng quảng bá rộng lớn. - Có giải thông rộng. - Nhanh chóng và dễ dàng đặt lại cấu hình khi cần thiết (ví dụ khi bổ sung trạm mới hoặc thay đổi thông số trạm cũ…) Ta đã biết đối với mạng thông tin vô tuyến mặt đất hai trạm muốn thông tin cho nhau thì các anten phải nhìn thấy nhau. Đó gọi là thông tin vô tuyến có tầm nhìn thẳng (Line Of Sight – LOS). Tuy nhiên do trái đất có hình dạng cầu cho nên khoảng cách giữa hai trạm sẽ bị hạn chế để đảm bảo cho các anten trông thấy nhau. Đối với khả năng quảng bá còng nh vậy, các khu vực trên mặt đất không còn nhìn thấy anten của đài phát sẽ không thể thu được tín hiệu. Trong trường hợp bắt buộc phải truyền tin đi xa người ta, có thể dùng phương pháp nâng cao cột anten, truyền sóng phản xạ tầng điện ly hoặc xây dựng các trạm chuyển tiếp. Trên thực tế người ta thấy rằng cả ba phương pháp đều có nhiều nhược điểm. Việc nâng độ cao của cột anten gặp rất nhiều khó khăn về kinh phí và kĩ thuật mà hiệu quả không được là bao nhiêu (ví dụ nếu cột anten cao1km thì cũng không thể quảng bá quá 200km trên mặt đất). Nếu truyền sóng phản xạ tầng điện ly thì cần có công suất phát rất lớn và bị ảnh hưởng rất mạnh của môi trường truyền dẫn nên chất lượng tuyến không cao. Còn các trạm chuyển tiếp giữa hai trạm đầu cuối sẽ được cải thiện được chất lượng tuyến, nâng cao độ tin cậy, nhưng chi phí lắp đặt các trạm trung chuyển và rất không thích hợp khi có nhu cầu mở thêm tuyến mới. Tóm lại, để có thể truyền tin đi xa người ta mong muốn xây dựng được các trạm anten rất cao nhưng lại phải phát ổn định và vững chắc, sự ra đời của vệ tinh chính là để thoả mãn nhu cầu đó. Với vệ tinh người ta người ta có thể truyền sóng đi rất xa và dễ dàng thông tin trên toàn cầu hơn bất cứ một hệ thống mạng nào khác. Thông qua vệ tinh INTEL SAT, lần đầu tiên trên hai trạm đối diện trên hai bờ đại dương đã thông tin được cho nhau. Do có khả năng rộng lớn cho nên vệ tinh rất phù hợp cho các phương thức truyền tin đa điểm đến đa điểm (cho dịch vụ quảng bá) hay đa điểm đến một điểm HUB (cho dịch vụ thu thập số liệu). Bên cạnh khả năng phủ sóng lớn, băng tần rộng của các hệ thống vệ tinh rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá như truyền hình số có độ phân dải cao (High Difinition TV), phát thanh sè hay các dịch vụ ISDN thông qua mạng mặt đất, hoặc trực tiếp đến thuê bao (Direct to Home – DTH) thông qua mạng VSAT. Cuối cùng do sử dụng phương tiện truyền dẫn qua giao diện vô tuyến cho nên các hệ thống thông tin vệ tinh là rất lý tưởng cho khả năng cấu hình lại nếu cần. Các công việc triển khai trạm mới, loại bỏ trạm cũ hay thay đổi tuyến đều có thể thực hiện dễ dàng, nhanh chóng với chi phí thực hiện tối thiểu. Tuy nhiên hệ thống thông tin vệ tinh cũng có nhược điểm đó là: - Không cố định . - Khoảng cách truyền dẫn xa nên xuy hao lớn, ảnh hưởng của tạp âm lớn . - Giá thành lắp đặt hệ thống rất cao, chi phí cho trạm mặt đất cũng tương đối tốn kém - Tuổi thọ thấp hơn các hệ thống mặt đất, khó bảo dưỡng, sửa chữa và nâng cấp. Người ta muốn vệ tinh có vai trò nh mét cột anten cố định nhưng trong thực tế vệ tinh luôn chuyển động tương đối với mặt đất, dù là vệ tinh địa tinh đi nữa thì vẫn có một sự dao động nhỏ. Điều này bắt buộc trong hệ thống phải có các trạm điều khiển nằm giữ vệ tinh ở một vị trí tối ưu cho thông tin. Tuy nhiên kể cả khi có các trạm điều khiển thì vệ tinh vẫn không hoàn toàn cố định nên các trạm mặt đất nói chung cần các hệ thống bám phức tạp và điều này làm giá thành của trạm tăng vọt. Thêm nữa, do các vệ tinh bay trên các quỹ đạo cách rất xa mặt đất cho nên việc truyền sóng giữa các trạm gặp phải suy hao rất lớn, bị ảnh hưởng của thời tiết, đi qua nhiều dạng môi trường khác nhau. Để vẫn đảm bảo được chất lượng của tuyến người ta phải sử dụng nhiều kĩ thuật bù và chống lỗi phức tạp. Nh ta đã nói ở trước, chi phí để phóng vệ tinh là rất cao nên nói chung các vệ tinh chỉ có khả năng hạn chế. Bù lại các trạm mặt đất phải có khả năng làm việc tương đối mạnh nên các thiết bị phần lớn là đắt tiền, nhất là chi phí cho mét anten lớn (ví dụ một trạm mặt đất trang bị anten khoảng 30m giá thành khoảng 10 triệu $). Các vệ tinh bay trong không gian cách xa mặt đất, năng lượng chủ yếu dùng cho các động cơ phản lực điều khiển là các loại nhiên liệu lỏng hoặc rắn được vệ tinh mạng theo trong boong. Lương nhiên liệu dự trữ này không thể quá lớn vì khả năng của các tên lửa đẩy có giới hạn, đồng thời nó sẽ làm cho kích thước vệ tinh tăng lên đáng kể do phải tăng thể tích của thùng chứa. Nếu như vệ tinh dùng hết loại nhiên liệu này thì chúng ta không điều khiển vệ tinh được nữa tức là không còn duy trì được sự ổn định của tuyến, khi đó coi như vệ tinh đã hỉng và như thế nói chung tuổi thọ của vệ tinh thường thấp hơn các thiết bị thông tin mặt đất khác. Để làm cho vệ tinh hoạt động trở lại người ta cần thu hồi vệ tinh để sửa chữa tiếp thêm nhiên liệu, sau đó lại phóng lên quỹ đạo. Việc khôi phục các vệ tinh đã hết tuổi thọ này hết sức tốn kém và phức tạp nên trong thực tế người ta thường dùng phương pháp thay thế bằng một vệ tinh hoàn toàn mới và vứt bỏ vệ tinh cũ đi. Một hệ thốnh vệ tinh có thể cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ khác nhau và ngày càng được phát triển đa dạng hơn. Tuy nhiên nhìn chung thông tin vệ tinh đem lại ba líp dịch vụ như sau: a. Trung chuyển các kênh thoại và các chương trình truyền hình. Đây là sự đáp ứng cho các dịch vụ cơ bản nhất đối với người sử dụng. Nó thu thập các luồng số liệu và phân phối đến các mạng mặt đất với một tỉ lệ hợp lí. Ví dụ cho líp dịch vụ này là các hệ thống INTELAT và EUTELSAT. Các trạm mặt đất của chúng thường được trang bị anten đường kính từ 15-30m. b. Cung cấp khả năng đa dịch vụ, thoại, số liệu cho những nhóm người sử dụng phân tách nhau về mặt địa lí. Các nhóm sẽ chia sẻ một trạm mặt đất và truy nhập đến nó thông qua mạng. Ví dụ cho líp dịch vụ này là các hệ thống vệ tinh TELECM 1, SBS, EUTELSAT 1, TELE – X, và INTELSAT (cho mạng IBS). Các trạm mặt đất ở đây được trạng bị anten đường kính từ 3 – 10m. b. Kết nối các thiết bị đầu cuối có góc mở rất nhỏ (VSAT) nhằm để truyền dẫn các luồng số liệu dung lượng thấp và quảng bá các chương trình truyền hình, truyền thanh số. Thông thường người ta dùng sẽ kết nối trực tiếp với trạm mặt đất có trang bị anten đường kính từ 0,6 – 1,2m. Các thuê bao di động cũng nằm trong líp dịch vụ này. Tiêu biểu cho các dịch vụ này là các hệ thống EQUATORIAN, ITELNET hoặc INTELSAT… Các dịc vụ của VSAT hiện đã rất phong phú mà ta có thể kể đến nh cấp và tự động quản lí thẻ tín dụng, thu thập và phân tích số liệu, cung cấp dịc vụ thoại, mật độ thưa, truyền hình hội nghị… *Sự phát triển của kĩ thuật thông tin vệ tinh Thế hệ vệ tinh thương mại đầu tiên là INTELSAT 1 ra đời vào năm 1965, đến đầu những năm 70 các hệ thống vệ tinh đã có thể cung cấp các dịch vụ thoại và truyền hình giữa hai lục địa. Mới đầu vệ tinh chỉ đáp ứng được cho các tuyến có dung lượng thấp sau đó nhu cầu gia tăng tốc độ cũng như số lượng thông tin qua vệ tinh đã thúc đẩy nhanh chóng việc hình thành các hệ thống vệ tinh đa búp sóng và kĩ thuật dùng lại tần số cho sóng mang. Kĩ thuật đầu tiên được ưa dùng cho hệ thống thông tin vệ tinh là analog sử dụng công nghệ FDM/FM/FDMA. Sau đó để đáp ứng được nhu cầu gia tăng thông tin, người ta đã tiến đến các phương thức truyền dẫn tiên tiến hơn là PSK/TDMA và PSK/CDMA. Các phương thức về sau dùa trên việc truyền dẫn số qua vệ tinh để khai thác triệt để mọi ưu điẻm do kĩ thuật số đem lại. Trong tương lai khi dung lượng của tuyến vệ tinh còng nh sè lượng vệ tinh trên toàn cầu tăng lên cực lớn thì việc sử dụng quá nhiều sóng mang sẽ làm cho mức can nhiễu giữa các hệ thống thô tin với nhau vượt quá mức cho phép. Để giải quyết vấn đề này, những nhà chế tạo bắt buộc phải nghĩ đến việc áp dụng các công nghệ sau. [...]... v tinh tỏi sinh tin cy ca phn khụng gian l mt yu t quan trng ỏnh giỏ kh nng hot ng ca c h thng tin cy ca v tinh ph thuc vo tt c cỏc thit b ca nú Khi mt v tinh b hỏng thỡ khụng ch cú ngha l cỏc thit b ca nú b hỏng m cú th l do v tinh ó ht tui th Mt h thng cú tin cy cao khi nú cú cỏc h thng d phũng tt Trong cỏc h thng cao cp, c mt v tinh hot ng thỡ cú mt v tinh d phũng sn xng trờn qu o v mt v tinh. .. thụng tin ca v tinh Trờn v tinh thng cú hai phõn h, ú l phõn h thụnh tin bao gm tt c cỏc thit b phc v cho vic truyn dn tin tc v phõn h iu khin cú nhim v o lng cỏc thụng s lm vic v iu chnh li cỏc thụng s ny khi cú lnh t mt t cu trỳc ca phõn h thụng tin cú th c biu din tng quan bng s khi sau: FC LNA ARX MIX Transponder PPA HYPRID MUX Transponder OSC Vệ tinh FD ATX Hình 4: Phân hệ thông tin vệ tinh *B... thng v tinh ton cu s dng nhng chựm v tinh bay theo kiu qu o ny cao thp khong 1000 Km IRIDIUM, GLOBAL STAR, ODYSSEY, ARIES, LEOSAT c,Qu o trũn ngang ( qu o xớch o ): õy l kiu qu o ph bin cho cỏc v tinh a tnh Trong trng hp 0 ny v tinh bay trờn mt phng xớch o cú nghiờng bng 0 theo mt ng trũn v 0 xung quanh trỏi t, tc ca v tinh ỳng bng chu k ca trỏi t quay quanh trc ca nú Do ú trong trng hp ny v tinh. .. khi quan sỏt t mt im trờn mt t Cỏc v tinh a tnh luụn m bo c s chuyn tip thụng tin liien tc trong thi gian thc gia trm mt t nm trong vựng ph súng ca nú Nh 0 vy trong trng hp ny ch cn 3 v tinh cú kinh khỏc nhau 120 l ta cú th thit lp c mt h thng thụng tin ton cu Nhc im ca dng qu o ny l cỏc v tinh khụng th ph súng c cỏc khu vc cú v cao l hai vựng cc ca trỏi t *V tinh mc a, b cũn cú tờn gi chung l v tinh. .. trc tip t v tinh (TVRO).õy l mt s tin b rt cú ý ngha cho c hi phỏt trin ca v tinh trong tng lai Hỡnh 1 th cu trỳc tng quỏt ca mt h thng thụng tin v tinh trong thc t Nú cú th chia thnh hai phn chớnh l phn khụng gian (space segment) v phn mt t(Ground segment) Phần không gian Tuyến xuống Tuyến lên Trạm điều khiển Thiết bị thu Thiết bị phát Phần mặt đất Hình 1: Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh 2.phn... trũn nghiờng: Trong trng hp ny v tinh cú qu o trũn v cú cao khụng i so vi mc nc bin Vi kiu qu o ny v tinh bay trong mt mt phng cú 0 gúc nghiờng gn 90 theo mt ng trũn quanh trỏi t cao khong vi trm Km tc l cú chu k khong 1 giờ ri Cỏc v tinh cú th bay qua mi vựng ca trỏi t nờn kiu qu o ny thng c s dng cho cỏc v tinh do thỏm v quan sỏt ( Observation satellite ) vớ d v tinh SPOT cú cao 830 0 Km qu o nghiờng... mt v tinh d phũng di mt t (trong kho ) 2.2, Cỏc dng qu o ca v tinh Qu o l ng bay ca v tinh khi nú trng thỏi cõn bng gia hai lc trc i ú l lc hp dnca trỏi t i vi v tinh cú hng thng ti tõm ca trỏi t v lc ly tõm trc i vi lc hp dn c hỡnh thnh do cong ca hnh trỡnh v tinh Hai lc ny cú cựng mt giỏ tr ti v tinh chỳng kt hp vi nhau gi cho v tinh bay trong mt mt phng theo mt dng ng cong no ú cú th l ng trũn... v ca cỏc v tinh tng ng vi mt dung sai v trớ l 37,5 Km ng thi cao ca v tinh so vi trỏi t cng luụn b thay i theo thi gian vi lch tõm cc i l 0,001 Do ú khong caothay i ca v tinh trong một chu k 24h s l 2 x 0,001 x (35786 + 6378 ) = 85 Km Trong ú giỏ tr 6378 l bỏn kớnh ca trỏi t tớnh ra Km, nh vy v tinh a tnh s giao ng trong mt th tớch cú kớch thc 75 x 75 x 85 Sự giao ng ca v tinh a tnh quanh v trớ... lý thuyt do v tinh cũn phi chu tỏc ng ca rt nhiu yu t khỏch quan nh s thay i ngu nhiờn lc hút ca trỏi t, lc hp dn ca cỏc hnh tinh lõn cn Vỡ vy ngay i vi v tinh a tnh thỡ vn luụn cú s giao ng xung quanh v trớ cõn bng ca nú Thờm na qu o ca chỳng cũn b nghiờng iu ny dn n trong h thng phi cú cỏc trm iu khin v trong cỏc trm mt t phi cú cỏc h thng bỏm 75 Km 85 Km 0,1 Trái Đất 75 Km Độ trợt vệ tinh: Bắc-Nam... trũn ngang ( qu o xớch o ) V Vệ tinh khối lợng m Lực hút Độ lớn = GMm/e2 Trái Đất Lực li tâm Độ lớn = mv2/r Khoảng cách r K lợng M Hình 2: Các ngoại lực tác động lên vệ tinh a, Qu o elip: 0 Qu o elip nghiờng mt gúc 64 so vi mt phng xớch o ca trỏi t Loi qu o ny cú n nh cao, ng bay ca v tinh nm trong mt mt phng cú dng hỡnh elip vi bỏn trc ln bng khong cỏch t trỏi t n v tinh khi nú im cc vin ( apogee . Eissenhower qua vệ tinh SCORE năm 1985, phóng thành công vệ tinh ECHO năm 1960, truyền tin qua vệ tinh COURIER năm 1960, các vệ tinh dải rộng THELSTAR và RELAY năm 1962 và vệ tinh đĩa tĩnh đầu. nhiều thành công đáng kể, từ đó tạo điều kiện cho thông tin vệ tinh ra đời của thông tin vệ tinh. Hiện nay những dịch vụ mà hệ thống thông tin vệ tinh đem lại đã trở nên rất đa dạng và các ưu điểm. Chương 1 TỔNG QUAN KĨ THUẬT THÔNG TIN VỆ TINH 1.Giới thiệu chung Thông tin vô tuyến (radio communication) bằng vệ tinh ra đời nhằm mục đích cải thiện các nhược