86 CHƯƠNG TÍNH TOÁN TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH 6.1 Các tham số Các tham số sử dụng tính toán thiết kế tóm tắt sau: A Trạm mặt đất + Vị trí địa lý trạm (vĩ độ kinh độ) + Loại anten (đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt độ tạp âm) + Công suất máy phát B Vệ tinh + Vị trí vệ tinh quỹ đạo + Công suất xạ đẳng hướng tương đương EIRPs vệ tinh + Hệ số phẩm chất vệ tinh (G/T)S + Hệ số tạp âm máy thu vệ tinh + Băng thông máy phát đáp, dạng phân cực, dải tần làm việc 6.2 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng góc phương vị anten trạm mặt đất 6.2.1 Cự ly thông tin Trong : β góc tâm (độ) d khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh (km) Re bán kính Trái đất, Re = 6378 km r bán kính quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh: r = 35.768km +6.378km= 42.146km Trạm mặt đất Re β0 Tâm trái đất d E r Vệ tinh Hình 6.1 Các tham số đường truyền trạm mặt đất - vệ tinh Góc tâm β tính theo công thức: cos β = cos φ cos ∆ Le Với φ vĩ độ trạm mặt đất (độ) ∆ Le hiệu kinh độ đông vệ tinh với trạm mặt đất, ∆ Le = LS − Le Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh tính theo công thức: d = ( r + Re2 − 2rRe cos β ) (km) (6.1) 87 6.2.2 Tính toán góc ngẩng góc phương vị 6.2.2.1Góc ngẩng Để tính góc ngẩng anten trạm mặt đất, ta dựa vào hình vẽ 6.2 S• r θe θ e β 0R • O e • A • M Trong hình 6.2, O tâm trái A vị góc trí trạm mặt đất, S vị trí Hình 6.2đất, Tính toán ngẩng vệ tinh, β góc tâm, θ e góc ngẩng trạm mặt đất MA SM MA = OM − OA = OS cos β − OA = r cos β − Re Trong đó, SM = OS sin β = r sin β R cos β − e r cos β − Re r Từ suy ra: tgθ e = = r sin β sin β tgθ Ta có e = 6.2.2.2 Góc phương vị Cực Bắc Góc phương vị vệ tinh Góc phương vị vệ tinh 450W 300 E Vệ tinh (45oW) Vệ tinh1(300 E) Hình 6.3 Góc phương vị vệ tinh Góc phương vị góc dẫn đường cho anten quay tìm vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh theo hướng từ Đông sang Tây 88 Góc phương vị xác định đường thẳng hướng phương Bắc qua trạm mặt đất với đường nối đến vệ tinh Góc xác định theo chiều kim đồng hồ hình 6.3.Góc phương vị tính theo biểu thức: ϕa =1800 + kinh độ tây ϕa =1800 - kinh độ đông ϕa phụ thuộc vào kinh độ, vừa kinh độ điểm thu kinh độ vệ tinh Góc phương vị vệ tinh tính theo công thức: Vệ tinh 1: ϕa1 =1800- kinh độ đông = 180o-30o =150o Vệ tinh 2: ϕa2 =1800+ kinh độ tây = 180o + 45o =225o Góc phương vị ϕa tính theo công thức: tgϕ a = tg∆ Le ( − sin φ ) (6.2) Với φ vĩ độ trạm mặt đất (độ) ∆ Le hiệu kinh độ đông vệ tinh với trạm mặt đất, ∆ Le = Ls - Le 6.3 Tính toán kết nối đường lên (UPLINK) 6.3.1 Công suất xạ đẳng hướng tương đương trạm mặt đất EIRPe (e để phân biệt trạm mặt đất "earth station", s - vệ tinh "satellite") Công suất xạ hiệu dụng EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) gọi công suất xạ đẳng hướng tương đương, biểu thị công suất chùm sóng phát từ trạm mặt đất đến vệ tinh Được tính tích công suất máy phát đưa tới anten trạm mặt đất PTe với hệ số tăng ích anten phát GTe EIRPe = PTe GTe (W) đổi đơn vị dB: EIRPe = 10 lg( PTe ) + GTe [dB] (6.3) EIRPe thông thường trạm mặt đất có giá trị từ 0dBW đến 90dBW, vệ tinh từ 20dBW đến 60dBW 6.3.2 Hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất GTe Độ lợi anten thông số quan trọng trạm mặt đất, anten đặt ngõ vào để khuếch đại tín hiệu nhỏ từ picowatt đến nanowatt Độ khuếch đại lớn làm tăng tỷ số C/N, liên quan đến chảo anten băng tần công tác: π DfU GTe = 10 logη , hoặc: c GTe = 10 lg(η ) + 20 lg(π DfU ) − 20 lg(c)[ dB ] (6.4) với : D Đường kính anten phát f U tần số tín hiệu phát lên η hiệu suất anten, η thường khoảng từ 50% - 70% c vận tốc ánh sáng, c = 3.108 m/s 6.3.3 Công suất sóng mang thu vệ tinh Công suất sóng mang thu yếu tố quan trọng việc xác định chất lượng tuyến thông tin vệ tinh, công suất sóng mang phụ thuộc vào thiết bị công suất máy phát, hệ số tăng ích anten thu vệ tinh Công suất sóng mang nhận đầu vào máy thu vệ tinh xác định theo công thức : C RS = EIRPe − LU + G RS (dB) (6.5) với : GRS - hệ số khuếch đại anten thu vệ tinh 89 6.3.4 Tổng suy hao tuyến lên Tổng suy hao tuyến lên: LU = LSPU + LFU + LOU (dB) (6.6) Trong : LSPU - suy hao tuyến phát không gian tự LFU - suy hao hệ thống fiđơ đầu vào máy thu LOU - hệ số dự trữ suy hao do: thời tiết (mưa tuyến lên), lệch búp sóng phát so với vệ tinh, lệch phân cực anten Trong suy hao tuyến lên không gian tự tính theo biểu thức: LSPU = 20 lg( 4π f U d ) − 20 lg( c ) (dB) 6.3.5 Độ lợi anten thu vệ tinh Độ lợi anten thu vệ tinh tính biểu thức: G RS = ( G / T )S + 10 lg TU (G/T)S hệ số phẩm chất máy thu vệ tinh TU nhiệt tạp âm tuyến lên, chủ yếu nhiệt tạp âm máy thu vệ tinh TRS nhiệt tạp âm anten thu vệ tinh TAS: TU = TRS + TAS 6.3.6 Công suất tạp âm tuyến lên N U = kTU B hay tính theo dB: N U = 10 lg( k ) + 10 lg( TU ) + 10 lg( B ) (dB) (6.7) Trong k số Boltzman, k =1,38.10-23 (W/Hz0K) B băng thông máy thu TU nhiệt tạp âm tuyến lên: TU = TRS + TAS Nhiệt tạp âm máy thu vệ tinh tính theo biểu thức: TRS = ( 10 F 10 − )T0 Trong đó, F [dB] hệ số tạp âm máy thu vệ tinh T0 nhiệt độ chuẩn, T0 = 290 K 6.3.7 Tỷ số sóng mang tạp âm tuyến lên Trong tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng tuyến đánh giá tỷ số công suất sóng mang công suất tạp âm (C/N), hay công suất sóng mang nhiệt tạp âm tương đương (C/T) Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào thân máy thu, vào môi trường bên môi trường truyền sóng can nhiễu phụ thuộc hệ thống viba lân cận ( C / N ) U = C RS − N U = EIRPe − LU + G RS − N U (dB) (6.8) (C/N)U tỷ số sóng mang tạp âm đầu vào giải điều chế máy thu vệ tinh 6.4 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK) 6.4.1 Công suất xạ hiệu dụng vệ tinh Công suất xạ hiệu dụng EIRPs vệ tinh gọi công suất phát xạ đẳng hướng tương đương, biểu thị công suất chùm sóng phát từ vệ tinh đến trạm mặt đất EIRPs vệ tinh thông thường cho trước 6.4.2 Tổng suy hao tuyến xuống 90 Tổng suy hao tuyến lên: LD = LSPD + LFU + LOD (dB) (6.9) Trong : LSPD - suy hao tuyến xuống không gian tự LFD - suy hao hệ thống fiđơ đầu vào máy thu LOD - hệ số dự trữ suy hao do: thời tiết (mưa tuyến xuống), lệch búp sóng phát so với anten trạm mặt đất, lệch phân cực anten Trong Suy hao tuyến xuống không gian tự tính theo biểu thức: LSPD = 20 lg( 4π f D d ) − 20 lg( c ) (dB) (6.10) 6.4.3 Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất có biểu thức tính tương tự hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất: G Re π Df D G Re = 10 log η c = 10 lg( η ) + 20 lg( π Df D ) − 20 lg( c )[ dB ] (6.11) 6.4.4 Công suất sóng mang thu trạm mặt đất Công suất sóng mang nhận đầu vào máy thu trạm mặt đất xác định theo biểu thức : C Re = EIRPs − LD + G Re (dB) (6.12) với : GRe hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất 6.4.5 Công suất tạp âm hệ thống Công suất tạp âm hệ thống tính biểu thức: N SYS = 10 lg( kTSYS B ) = 10 log k + 10 log TSYS + 10 log B 10 log k = − 228,6 TSYS nhiệt tạp âm hệ thống xem tổng bốn thành phần biểu diễn theo biểu thức: TSYS = TS + T A + TF + TR LF [0K] 6.4.6 Tỉ số công suất sóng mang công suất tạp âm tuyến xuống Tỉ số công suất sóng mang công suất tạp âm tuyến xuống là: ( C / N )D = C Re − N SYS = EIRPs − LD + G Re − N SYS (6.13) 6.5 BÀI TẬP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH VỚI VỆ TINH VINASAT VÀ TRẠM MẶT ĐẤT TẠI HÀ NỘI 6.5 Một số giả thiết 6.5.1 Băng tần hoạt động Việc tính toán tiến hành băng C, với đường lên 6GHz đường xuống 4GHz 6.5.2 Trạm mặt đất - Được đặt Hà Nội, có vĩ độ 210Bắc kinh độ 105,450Đông - Đường kính anten 15m, hiệu suất 65% - Công suất máy phát trạm mặt đất: 40W 91 6.5.3 Vệ tinh - Vị trí vệ tinh 1320Đông - Công suất xạ đẳng hướng tương đương vệ tinh (EIRP)S= 40dBW - Hệ số phẩm chất máy thu vệ tinh (G/T)S = dB/0K - Hệ số tạp âm máy thu vệ tinh F = 3dB - Băng thông kênh truyền B = 36MHz