Hệ thống thông tin vệ tinh số

Trong cấu trúc hệ thống mạng viễn thông luôn luôn có 3 phương thức truyền dẫn chính trên các tuyến truyền dẫn tín hiệu băng rộng dung lượng cao là truyền dẫn cáp sợi quang, truyền dẫn vi

ỦY BAN NHÂN DÂN PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN -oOo -

GIÁO TRÌNH

HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH SỐ

BIÊN SOẠN: TS HỒ VĂN CỪU

ThS NGUYỄN HUY HÙNG

ThS NGUYỄN THỊ HẬU

ThS TRỊNH HOÀI ÂN

NĂM 2016

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN -oOo -

GIÁO TRÌNH

HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH SỐ

Biên soạn theo quyết định giao nhiệm vụ số 2438, ký ngày 30/11/2015 của

Hiệu trưởng trường Đại học Sài Gòn, mã số: GT2015-02

BIÊN SOẠN: TS HỒ VĂN CỪU

ThS NCS NGUYỄN HUY HÙNG

ThS NGUYỄN THỊ HẬU

ThS TRỊNH HOÀI ÂN

NĂM 2016

MỞ ĐẦU

1 GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC

Viễn thông là ngành công nghiệp thông tin rất quan trọng, có tốc độ phát triển rất nhanh

Sự phát triển thể hiện ở những đặc điểm về mạng lưới cung cấp dịch vụ ngày càng mở rộng, số lượng người dùng ngày càng tăng, chất lượng dịch vụ ngày càng tốt, băng thông rộng, công nghệ

sử dụng ngày càng hiện đại, số lượng doanh nghiệp tham gia thị trường cung cấp dịch vụ viễn thông ngày càng tăng, giá thành dịch vụ ngày càng giảm

Trong cấu trúc hệ thống mạng viễn thông luôn luôn có 3 phương thức truyền dẫn chính trên các tuyến truyền dẫn tín hiệu băng rộng dung lượng cao là truyền dẫn cáp sợi quang, truyền dẫn vi ba, truyền dẫn vệ tinh, trong đó hệ thống truyền dẫn vệ tinh có khả năng đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu phát triển của mạng lưới như thiết lập nhanh chóng các tuyến truyền dẫn vô tuyến có cự ly xa, nhất là các tuyến thông tin vô tuyến vượt đại dương, vượt biển, vượt sông có

cự ly rộng, kết nối thông tin đến các vùng có địa hình khó khăn, các phương tiện giao thông cần kết nối với mạng thông tin toàn cầu

Hiện nay, trên thế giới hầu hết các nước đều phát triển hệ thống thông tin vệ tinh, các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Nga, Anh, Pháp, Đức và Trung Quốc đã phóng nhiều hệ thống vệ tinh lên quỹ đạo để phát triển mạng viễn thông tòan cầu và phát triển các yêu cầu thông tin quốc gia Năm 2008, Việt Nam triển khai dự án phóng vệ tinh viễn thông Vinasat, để phát triển nhanh mạng lưới viễn thông của mình, dự án vệ tinh viễn thông Việt Nam có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc khẳng định chủ quyền của Việt Nam đối với vị trí quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh trên không gian Mặt khác, khi Việt Nam có vệ tinh riêng sẽ góp phần hoàn thiện cơ sở hạ tầng thông tin quốc gia theo hướng hiện đại, nâng cao độ an toàn cho mạng viễn thông, thúc đẩy

sự phát triển các dịch vụ viễn thông, công nghệ thông tin, thương mại, giải trí, góp phần phát triển kinh tế xã hội cũng như các dịch vụ phục vụ mục đích chuyên dụng khác

Vệ tinh viễn thông Vinasat còn có ý nghĩa to lớn hơn trong việc phủ sóng vệ tinh trên toàn lãnh thổ Việt Nam, một số vùng lân cận và biển Đông, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển viễn thông và các dịch vụ truyền thông đến các vùng sâu vùng xa, biên giới, hải đảo Vệ tinh viễn thông Vinasat 1,2 của Việt Nam được tổ chức viễn thông thế giới cho phép định vị tại

vị trí trên quỹ đạo cho vệ tinh tại kinh độ 1320 Đông, 131,80 Đông đây là vị trí quỹ đạo tối ưu nhất

Môn học thông tin vệ tinh số là học phần chuyên môn của chuyên ngành điện tử truyền thông, mục tiêu của môn học là cung cấp cho người học hiểu được các vấn đề chính về sự hình thành và phát triển về hệ thống thông tin vệ tinh, cấu trúc các hệ thống thông tin vệ tinh, mô hình truyền sóng, để tiến hành các bước phân tích, thiết kế, tổ chức thi công lắp đặt, phát triển các mô hình cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh, vận hành và bảo dưỡng hệ thống thông tin vệ tinh trong thực tế

2 NỘI DUNG MÔN HỌC

- Mở đầu Giới thiệu môn học

- Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

- Chương 2 Quỹ đạo vệ tinh

- Chương 3 Trạm vệ tinh mặt đất

- Chương 4 Bộ thu phát đáp vệ tinh Transponder

- Chương 5 Đường truyền sóng thông tin vệ tinh

- Chương 6 Mô hình cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh

3 KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ

Thông tin vệ tinh là môn học học có kiến thức tổng hợp về truyền sóng vô tuyến, quỹ đạo chuyển động vệ tinh, thiết bị thu phát vô tuyến, đòi hỏi sinh viên có nền tảng về toán, vật lý, cấu kiện điện tử, hệ thống viễn thông, truyền sóng, anten và máy tính

4 YÊU CẦU MÔN HỌC

Người học cần phải tham dự đầy đủ các buổi giảng, thảo luận trên lớp học, nắm vững các nội dung chính các chương trong giáo trình, thực hiện đầy đủ các nội dung ôn tập, nghiên cứu thêm một số tài liệu tham khảo và hoàn thành báo cáo đồ án môn học

5 CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC

Để học tốt môn này, người học cần ôn tập các kiến bài học, tham khảo thêm các tài liệu khác, trả lời các câu hỏi, làm đầy đủ bài tập; đọc trước bài mới và tìm hiểu thêm các thông tin liên quan đến hệ thống thông tin vệ tinh trên mạng lưới để cùng thảo luận với giảng viên Đối với mỗi chương, người học cần đọc trước mục tiêu và tóm tắt chương, sau đó đọc nội dung chương Kết thúc mỗi chương, người đọc trả lời câu hỏi ôn tập và làm các bài tập

6 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC

Môn học được đánh giá gồm:

 Điểm quá trình: gồm điểm chuyên cần hệ số (0.1), điểm kiểm tra giữa kỳ hệ số (0.2), điểm đồ án môn học hệ số (0.2) Hình thức và nội dung do Giảng viên quyết định, phù hợp với quy chế đào tạo và tình hình thực tế tại nơi tổ chức học tập

 Điểm thi kết thúc học phần hệ số (0.5), hình thức thi tự luận trong 60 phút hoặc thi trắc nghiệm trong 45 phút Nội dung thi chủ yếu thuộc nội dung của 6 chương và có vận dụng một số vấn đề mở liên quan đến lĩnh vực thông tin vệ tinh số

MỤC LỤC

Chương 1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh 1

1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh 1

1.2 Tóm tắt quá trình phát triển hệ thống thông tin vệ tinh 2

1.2.1 Quá trình phát triển hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới 2

1.2.2 Sự phát triển mạng lưới thông tin vệ tinh của việt nam 3

1.3 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin vệ tinh 5

1.4 Băng tần số vô tuyến sử dụng trong thông tin vệ tinh 8

1.4.1 Bảng phân chia băng tần số vô tuyến sử dụng trong thông tin vệ tinh 8

1.4.2 Bảng phân chia vùng ứng dụng thông tin vệ tinh 10

1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin vệ tinh 12

1.5.1 Ưu điểm 12

1.5.2 Nhược điểm 12

1.6 Tóm tắt 12

1.6.1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh 12

1.6.2 Quá trình phát triển hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới 13

1.6.3 Sự phát triển mạng lưới thông tin vệ tinh của việt nam 13

1.6.4 Cấu trúc của hệ thống thông tin vệ tinh 13

1.6.5 Bảng phân chia băng tần số vô tuyến sử dụng trong thông tin vệ tinh 14

1.6.6 Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin vệ tinh 14

1.7 Câu hỏi ôn tập 14

Chương 2 Quỹ đạo vệ tinh 17

2.1 Phương trình Kepler 17

2.1.1 Khái niệm về vị trí tọa độ vệ tinh 17

2.1.2 Ngày mặt trời và ngày thiên văn 17

2.1.3 Phương trình Kepler 18

2.2 Quỹ đạo vệ tinh 23

2.2.1 Khái niệm về quỹ đạo vệ tinh 23

2.2.2 Một số thuật ngữ của vệ tinh trên quỹ đạo 23

2.2.3 Phân loại quỹ đạo vệ tinh 24

2.2.4 Đặc điểm của quỹ đạo địa tĩnh 26

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động của vệ tinh 33

2.3.1 Ảnh hưởng của áp suất bức xạ mặt trời, mặt trăng, và các ngôi sao khác 33

2.3.2 Ảnh hưởng của tầng khí quyển trái đất 33

2.4 Ưu nhược điểm của quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh 33

2.4.1 Ưu điểm 33

2.4.2 Nhược điểm 33

2.5 Quy trình phóng vệ tinh 34

2.5.1 Giới thiệu 34

2.5.2 Quy trình phóng vệ tinh dùng tên lửa đẩy 3 tầng 34

2.5.3 Vận tốc của vệ tinh trên quỹ đạo 35

2.5.4 Góc nghiêng của quỹ đạo ban đầu 35

2.5.5 Khảo sát quy trình tên lửa phóng vệ tinh 35

2.5.6 Quy trình phóng vệ tinh của công ty Sea-Launch 37

2.6 Tóm tắt 41

2.7 Câu hỏi ôn tập 43

Chương 3 Trạm vệ tinh mặt đất 44

3.1 Giới thiệu 44

3.2 Anten trạm mặt đất 45

3.2.1 Cấu trúc anten parabol 45

3.2.2 Đặc tính anten 46

3.2.3 Các loại anten parabol sử dụng trong thực tế 49

3.2.4 Hệ thống điều khiển bám vệ tinh tự động từng bước 51

3.3 Trạm thu phát mặt đất 52

3.3.1 Module thiết bị cao tần RF 53

3.3.2 Module thiết bị xử lý tín hiệu trộn tần 53

3.3.3 Module thiết bị giao tiếp xử lý tín hiệu dữ liệu dịch vụ số của mạng mặt đất 53 3.4 Nguyên lý cấu tạo và đặc tính kỹ thuật của các khối thiết bị trong trạm thu phát mặt đất 54

3.4.2 Bộ khuếch đại tín hiệu tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) 56

3.4.3 Bộ ghép và chia kênh cao tần 61

3.4.4 Bộ chuyển đổi tần số (up/down converter) 61

3.4.5 Khối điều chế số và giải điều chế số 63

3.4.6 Mã hóa kênh và giải mã kênh kiểm soát lỗi 87

3.4.7 Ngẫu nhiên hóa và giải ngẫu nhiên hóa để bảo mật thông tin 89

3.4.8 Hệ thống ghép kênh số và phân kênh số 91

3.5 Nguồn cung cấp 102

Chương 4 Bộ thu phát đáp vệ tinh Transponder 104

4.1 Giới thiệu 104

4.2 Môi trường làm việc của vệ tinh 105

4.3 Hệ thống thu phát đáp tín hiệu 106

4.3.1 Cấu trúc bộ thu phát đáp trên kênh C 106

4.3.2 Cấu trúc bộ thu phát đáp trên kênh Ku 109

4.3.3 Đặc tính kỹ thuật của các khối trong bộ thu phát đáp trên vệ tinh 110

4.4 Hệ thống đo lường và điều khiển từ xa 114

4.4.1 Hệ thống đo lường từ xa 114

4.4.2 Hệ thống điều khiển vệ tinh 115

4.5 Năng lượng sử dụng trên vệ tinh 116

4.5.1 Nguồn cung cấp điện 116

4.5.2 Nguồn năng lượng cung cấp cho các động cơ điều khiển và dự phòng 116

4.6 Tóm tắt 116

4.7 Câu hỏi ôn tập 118

Chương 5 Đường truyền sóng thông tin vệ tinh 119

5.1 Giới thiệu 119

5.2 Phân tích các tham số đường sóng vệ tinh 120

5.2.1 Đặc tính anten truyền sóng 120

5.2.2 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương 122

5.2.3 Suy hao 122

5.2.4 Công suất nhiễu 128

5.2.5 Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu 131

5.2.6 Tỷ số độ lợi trên nhiệt độ nhiễu tương đương 133

5.3 Phương trình truyền sóng trong thông tin vệ tinh 133

5.3.1 Phương trình đường truyền sóng hướng lên vệ tinh (up link) 133

5.3.2 Phương trình đường truyền sóng tuyến xuống trạm mặt đất (down link) 138

5.3.3 Tỷ số C/N0 tổng cộng 142

5.4 Kết luận 145

5.5 Tóm tắt 145

5.6 Câu hỏi ôn tập 147

Chương 6 Mô hình cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh 149

6.1 Giới thiệu 149

6.2 Cấu trúc tổ chức hệ thống mạng lưới thông tin vệ tinh 149

6.2.1 Cấu trúc hệ thống mạng thông tin vệ tinh 149

6.2.2 Phương pháp đa truy nhập vô tuyến trong thông tin vệ tinh 150

6.3 Hệ thống thông tin vệ tinh Vinasat của Việt Nam 154

6.3.1 Hệ thống tin vệ tinh Vinasat Việt Nam 154

6.3.2 Tham số kỹ thuật của hệ thống vệ tinh Vinasat 156

6.3.3 Hệ thống điều khiển vệ tinh 159

6.4 Mô hình cung cấp cấp dịch vụ vệ tinh Vinasat của Việt Nam 160

6.4.1 Dẫn nhập 160

6.4.2 Mô hình cung cấp dịch vụ thoại, fax và kết nối internet 161

6.4.3 Mô hình cung cấp các đường truyền số trong mạng thông tin di động 163

6.4.4 Mô hình cung cấp các đường truyền số trong mạng thông tin truyền hình lưu động164 6.5 Tóm tắt 166

6.6 Câu hỏi ôn tập 168

Tài liệu tham khảo 169

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Mô hình mạng viễn thông quốc tế của Việt Nam [1998] 4 Hình 1.2 Mô hình cấu trúc hai phân đoạn của hệ thống thông tin vệ tinh 5 Hình 1.3 Kênh truyền vệ tinh để kết nối các khu vực trong mạng viễn thông 6 Hình 1.4 Kênh truyền vệ tinh kết nối mạng thông tin di động mặt đất 7 Hình 1.5 Kênh truyền vệ tinh kết nối với các phương tiện giao thông và các đảo 7 Hình 1.6 Mô hình kênh truyền vệ tinh kết nối với các thuê bao di động vệ tinh 8 Hình 1.7 Mô hình các kênh truyền vệ tinh kết nối với các vùng phủ sóng 8 Hình 1.8 Sự hấp thụ trung bình lớn nhất của các phần tử trong tần khí quyển theo tần số 9 Hình 1.9 Sự hấp thụ khí quyển do mưa và hơi nước theo tần số 10 Hình 2.1 Hình dạng quả đất được phân chia theo kinh độ và vĩ độ 16 Hình 2.2 Tọa độ vị trí trạm vệ tinh trên quỹ đạo 16

Hình 2.5 Diện tích quét của vệ tinh trong khoảng thời gian t1 19

Hình 2.10 Vệ tinh trên quỹ đạo xích đạo địa tĩnh 25 Hình 2.11 Vị trí và góc nhìn của vệ tinh trên trái đất 28 Hình 2.12 Tam giác chứa vệ tinh và vị trí trạm mặt đất 28

Hình 2.14 Tam giác cầu của vệ tinh xích đạo địa tĩnh 29 Hình 2.15 Tam giác cầu của vệ tinh không gian thuộc mặt phẳng xích đạo 30

Hình 2.17 Quá trình chuyển tiếp quỹ đạo của tên lửa phóng vệ tinh 34 Hình 2.18 Cấu trúc tầng 1 và 2 của tên lửa phóng vệ tinh Zenit 36

Hình 2.19 Lưu đồ chuyển động của các sự kiện trong quỹ đạo bay 39

Hình 2.21 Hình dạng tàu phóng vệ tinh trên giàn phóng 40 Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh thông tin 44 Hình 3.2 Sơ đồ các khối xử lý tín hiệu của một kênh truyền vệ tinh 45 Hình 3.3.a Nguyên lý phản xạ sóng điện từ của anten parabol 46 Hình 3.3.b Hình dạng anten parabol sử dụng trong thực tế mạng thông tin vệ tinh 46

Hình 3.5 Băng thông sóng bức xạ của anten khi tỷ số sóng đứng VSWR = 2 49

Hình 3.10 Cấu tạo bộ khuếch đại HPA dùng đèn Klystron 55 Hình 3.11 Cấu tạo bộ khuếch đại HPA dùng đèn sóng chạy TWT 56

Hình 3.14 Cấu trúc của bộ khuếch đại LNA dùng diod tham số 58 Hình 3.15 Sơ đồ bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA dùng GaAs FET 59

Hình 3.18 Sơ đồ khối mạch trộn tần kết hợp nâng tần và hạ tầng 63

Hình 3.20 Mô hình hệ thống truyền dẫn tín hiệu điều chế pha số BPSK 67 Hình 3.21 Biểu đồ không gian tín hiệu đối với hệ thống BPSK nhất quán 68

Hình 3.23 Biểu đồ không gian tín hiệu cho điều chế QPSK nhất quán 72 Hình 3.24 Biểu diễn dạng tín hiệu của quá trình hình thành sóng QPSK 73

Hình 3.27 Không gian tín hiệu và các biên giới quyết định 78 Hình 3.28 Chùm tín hiệu của khóa chuyển pha tám trạng thái 8-PSK 81

Hình 3.31 Các thành phần đồng pha (a) và pha vuông góc (b) của tín hiệu 84 Hình 3.32 Sơ đồ khối của hệ thống 16-QAM: a) Bộ điều chế; b) Bộ giải điều chế 85

Hình 3.35 Sơ đồ khối của máy phát sử dụng mã hóa kênh 86

Hình 3.37 Sơ đồ tổng quát của một bộ lập mã xoắn với tỷ lệ mã k/n 89

Hình 3.45 Hệ thống GKS cấp cao theo chuẩn Châu Âu 95 Hình 3.46 Hệ thống GKS cấp cao theo chuẩn Nhật Bản 96 Hình 3.47 Hệ thống GKS cấp cao theo chuẩn Châu Mỹ 96 Hình 3.48 Sơ đồ kiến trúc mạng truyền dẫn đồng bộ số SDH 98 Hình 3.49 Nguyên lý ghép kênh số vào hệ thống SDH 99

Hình 3.52 Sự truyền dẫn các byte trong khung STM-1 101

Hình 3.54 Cấu trúc hệ thống cấp nguồn điện tại trạm mặt đất 103 Hình 4.1 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh thông tin 105 Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc của bộ thu phát đáp vệ tinh trên băng tần C 107

Hình 4.3 Bảng phân chia các kênh tần số của bộ thu phát đáp vệ tinh băng tần C 108 Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc của bộ thu phát đáp vệ tinh trên băng tần Ku 109 Hình 4.5 Bảng phân chia các kênh tần số của bộ thu phát đáp vệ tinh băng tần Ku 110 Hình 4.6 Sơ đồ khối cơ bản của bộ thu phát đáp vệ tinh 110

Hình 5.1 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh thông tin 120 Hình 5.2 Chiều cao vùng có mưa trong không gian tự do 126 Hình 5.3 Mô hình tương đương bộ khuếch đại có hệ số A 129 Hình 5.4 Mô hình máy thu đối với nhiệt độ nhiễu tạp âm 130 Hình 5.5 Mô tả các tham số trong bài toán thiết kế tuyến lên trong thông tin vệ tinh 134 Hình 5.6 Biểu đồ mức công suất của phương trình truyền sóng hướng lên 137 Hình 5.7 Mô hình đường truyền sóng hướng xuống trạm mặt đất 138 Hình 5.8 Biểu đồ mức công suất của phương trình truyền sóng hướng xuống 141 Hình 5.9 Mô hình truyền sóng của một kênh vệ tinh giữa hai trạm mặt đất A và B 142

Hình 6.2 Sơ đồ khối phương thức đa truy nhập theo tần số FDMA 151 Hình 6.3 Sơ đồ khối phương thức đa truy nhập theo tần số TDMA 152 Hình 6.4 Sơ đồ khối phương thức đa truy nhập theo tần số CDMA 154 Hình 6.5 Mô hình cấu trúc mạng viễn thông quốc tế của Việt Nam 155 Hình 6.6 Hình dạng vệ tinh Vinasat 1, 2 trên quỹ đạo địa tĩnh 156

Hình 6.9 Mô hình cung cấp dịch vụ thoại, fax và kết nối internet 162

Hình 6.11 Mô hình cung cấp dịch vụ trung kế mạng di động số mặt đất 1 đường 163 Hình 6.12 Mô hình cung cấp dịch vụ trung kế mạng di động số mặt đất nhiều đường 163 Hình 6.13 Mô hình cung cấp dịch vụ truyền hình lưu động 164 Hình 6.14.Mô hình ứng dụng cho hội nghị truyền hình qua vệ tinh 165 Hình 6.15.Mô hình ứng dụng cho dịch vụ đào tạo từ xa qua truyền hình 165

Hình 6.17 Mô hình ứng dụng cho dịch vụ truyền hình vệ tinh đến các trung tâm

Hình 6.18 Các loại mô hình dịch vụ vệ tinh Vinasat 167

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Bảng phân chia băng tần số vô tuyến sử dụng trong thông tin vệ tinh 10

Bảng 1.3 Bảng phân chia lĩnh vực ứng dụng thông tin vệ tinh theo độ cao khí quyển 11

Bảng 2.1 Bảng tổng hợp các thông số của các loại quỹ đạo tròn theo độ cao 27

Bảng 2.2 Bảng xác định giá trị của góc ngẩng A(Azimuth) 31

Bảng 2.3 Bảng tổng hợp tiến trình phóng vệ tinh từ căn cứ phóng 38

Bảng 2.4 Bảng mô tả kế hoạch thời gian phóng vệ tinh tại căn cứ phóng 40

Bảng 3.1 Tham số đặc tính kỹ thuật các bộ khuếch đại công suất HPA 54

Bảng 3.2 Bảng so sánh các tham số đặc tính của một số loại LNA 57

Bảng 3.3 Bảng tổng hợp các tham số phẩm chất vật liệu làm lạnh của bộ khuếch đại 60

Bảng 3.4 Bảng giá trị các vector tín hiệu điều chế pha số QPSK 71

Bảng 3.5 Các xác suất có điều kiện cho 4 mức phát khác nhau 79

Bảng 3.6 Nhóm tiêu chuẩn các đặc tính kỹ thuật theo tiêu chuẩn quốc tế ITU-T 97

Bảng 4.1 Bảng giá trị độ lợi và hệ số nhiễu cho các loại bộ khuếch đại LNA 111

Bảng 5.1 Bảng tổng hợp các thong số a,b theo tần số và dạng phân cực sóng để tính suy hao

Bảng 5.2 Hệ số rp theo tỷ lệ thời gian mưa trung bình trong năm 128

Bảng 6.1 Bảng liệt kê các thông số kỹ thuật cơ bản của vệ tinh Vinasat 1 156

Bảng 6.2 Bảng liệt kê các thông số kỹ thuật cơ bản của vệ tinh Vinasat 2 157

Bảng 6.3 Bảng tổng hợp mức công suất của các trạm mặt đất trong vùng phủ sóng vệ tinh

TỪ VIẾT TẮT

ACU Antenna Control Unit Bộ điều khiển Antenna

AOR Athlantic Ocean Region Vùng Đại Tây Dương

AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

DBS Direct Broadcast Satellite Vệ tinh quảng bá trực tiếp

DOMSAT Domestic Satellite Vệ tinh nội địa

EIRP Equivalent Isotropic Radiated Power Công suất phát xạ đẳng hướng tương

đương

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số

FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh theo tần số

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

GCE Ground Communication Equipment Thiết bị thông tin mặt đất

GEO Geostationary Earth Orbit Quỹ đạo địa tĩnh

GSP Global Positionning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSO Geostationary Orbit Quỹ đạo địa tĩnh

HEO Highly Elliptical Orbit Quỹ đạo elip cao

HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất lớn

INMARSAT International Maritime Satellite

Organisation Tổ chức vệ tinh hàng hải quốc tế INTELSAT International Telecommunications Tổ chức vệ tinh viễn thong quốc tế

Satellite Organization

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ

MEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo vệ tinh tầm trung

NASA National Aeronautic and Space

POR Pacific Ocean Region Vùng Thái Bình Dương

QPSK Quadrature PSK Điều pha cầu phương (vuông góc)

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến, tần số cao tần

SCPC Single Channel per Carrier Một kênh trên một sóng mang

SHF Super High Frequency Tần số siêu cao tần

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TT&C Telemetry, Tracking and Command Đo từ xa, bám và điều khiển

TWTA Travelling Wave Tube Amplifier Bộ khuyếch đại đèn sóng chạy

TVRO TV Receiver Only Máy chỉ thu TV vệ tinh

VHF Very Hight Frequency Tần số siêu cao

XPD Cross Polar Discrimination Phân biệt phân cực vuông góc

XPI Cross Polar Isolation Cách ly phân cực vuông góc

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

Hầu hết, trong mạng viễn thông của các nước trên thế giới đều thiết kế tổ chức theo phương thức truyền dẫn chính trên các đường truyền dẫn tín hiệu để kết nối giữa các nút mạng là truyền dẫn cáp sợi quang, truyền dẫn vi ba, truyền dẫn vệ tinh Hệ thống truyền dẫn

vệ tinh bao gồm một vệ tinh hoặc nhiều vệ tinh liên kết với nhau trên quỹ đạo và các trạm thu phát mặt đất Thông tin vệ tinh có khả năng đáp ứng nhanh việc phát triển xây dựng các tuyến truyền dẫn đến các vùng sâu, miền núi, hải đảo, tuyến truyền dẫn có cự ly xa, có khả năng vượt biển, vượt đại dương, để hình thành mạng viễn thông liên kết toàn cầu

Nội dung trong chương đề cập đến các vấn đề tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh, lịch sử phát triển, ưu, nhược điểm, cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh và các băng tần số ứng dụng trong thông tin vệ tinh

1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

1.2 Tóm tắt quá trình phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh

1.3 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh

1.4 Băng tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

1.5 Tóm tắt chương

1.6 Bài tập

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin vô tuyến trên băng tần số siêu cao tần, trong đó cần có vệ tinh được phóng lên trên quỹ đạo không gian, vệ tinh có chức năng kết nối thông tin với các trạm trên mặt đất đặt trong vùng nhìn thấy của vệ tinh Một vệ tinh thông tin về cơ bản là một thiết bị thông tin vô tuyến điện tử siêu cao tần, đa kênh được đặt trong quỹ đạo không gian, có nhiệm vụ tiếp nhận các tín hiệu sóng vô tuyến mang thông tin từ trạm mặt đất phát lên vệ tinh, tại vệ tinh tín hiệu được thu nhận, khuếch đại tạp âm thấp LNA, đổi tần và khuếch đại công suất HPA truyền trở lại đến các trạm mặt đất theo cấu hình điểm- điểm hoặc điểm - đa điểm trong vùng phủ sóng của vệ tinh

Một vệ tinh trên quỹ đạo bao gồm nhiều bộ thu, phát đáp vô tuyến, mỗi bộ thu phát đáp làm việc trên một cặp tần số khác nhau Mạng lưới hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm một vệ tinh hoặc nhiều vệ tinh trên quỹ đạo và nhiều trạm thu phát mặt đất

Hệ thống vệ tinh xích đạo địa tĩnh toàn cầu là một hệ thống gồm 3 vệ tinh được phóng lên trên quỹ đạo xích đạo địa tĩnh có độ cao khoảng 36.000km tính từ mặt đất, đặt cách nhau

120 độ, có khả năng chuyển tiếp thông tin từ một trạm trên mặt đất đến một hoặc tất cả các trạm khác trên trái đất, trừ vùng cực Bắc và Nam của trái đất; tuy nhiên sau đó, tại hai vùng cực cực Bắc và cực Nam, các kỹ sư đã tiếp tục thiết kế và xây dựng thêm các tháp anten viba cao để tăng nguồn phủ sóng vệ tinh trên toàn địa cầu Một nhược điểm của quỹ đạo địa tĩnh là thời gian trễ giữa tín hiệu phát và thu tại trạm các trạm mặt đất lớn, xấp xĩ ¼ giây, làm giảm chất lượng thông tin thoại trực tiếp

Vùng bao phủ của vệ tinh là vùng làm việc của chùm tia bức xạ hay hấp thụ sóng điện

từ của anten vệ tinh, chùm bức xạ có dạng hình nón,với búp hướng anten là θ3dB(độ), diện tích vùng phủ sóng trên mặt đất có dạng hình mặt cầu, các trạm thu phát mặt đất nằm trong vùng phủ sóng của vệ tinh thì mới kết nối liên lạc được với nhau

Đường truyền giữa trạm mặt đất và vệ tinh là đường truyền sóng vô tuyến, tín hiệu truyền từ máy phát đến máy thu chịu tác động suy hao của vùng khí quyển, và các suy hao khác do mưa, do sự biến động bất thường của tầng khí quyển, do sự lệch trục anten giữa máy phát và máy thu Mức suy hao trong không gian tự do tỉ lệ thuận với tần số, mức suy hao do mưa tỉ lệ thuận với tần số và mật độ mưa, tổng mức suy hao trong tuyến thông tin vệ tinh có giá trị lớn, cự ly thông tin rất dài nên nguồn công suất phát lớn, và cần bán kính anten lớn

Hệ thống thông tin vệ tinh có ưu điểm nổi bậc là có khả năng đáp ứng nhanh việc phát triển xây dựng các tuyến truyền dẫn đến các vùng sâu, miền núi, hải đảo, tuyến truyền dẫn có

cự ly xa, vượt biển, vượt đại dương, để hình thành mạng viễn thông kết nối toàn cầu, giá thành rẻ, thời gian triển khai nhanh, chất lượng dịch vụ tốt

1.2 TÓM TẮT QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.2.1 Quá trình phát triển hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới

Thông tin vệ tinh được phát triển bắt nguồn từ các kết quả nghiên cứu của Kepler, với

3 định luật cơ bản, định luật 1 khẳng định quỹ đạo của một hành tinh là đường elip với tâm là mặt trời, định luật thứ 2 xác định được bán kính của vectơ nối giữa hành tinh và mặt trời quét thành các mặt phẳng có diện tích bằng nhau trong khoảng thời gian bằng nhau, định luật thứ 3 cho phép xác định được quan hệ về bình phương chu kỳ quay của hành tinh tỷ lệ với lập phương bán kính trục chính của quỹ đạo Ba định luật này được ứng dụng để nghiên cứu về quỹ đạo của vệ tinh và trái đất Đồng thời, thông tin vệ tinh phát triển cũng dựa vào sự phát triển của công nghệ thông tin vô tuyến điện tử và công nghệ tên lửa

Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, thông tin vệ tinh bắt đầu giai đoạn thử nghiệm phát triển, năm 1957, Liên Xô (Nga ) phóng vệ tinh nhân tạo Sputnik, để truyền thông tin đo lường từ xa về kết quả nghiên cứu tầng khí quyển, vệ tinh hoạt động tốt trong 21 ngày

Năm 1958, Mỹ phóng vệ tinh Score để quảng bá thông điệp chúc mừng Giáng sinh của tổng thống Eisenhower; đó là vệ tinh tiếp âm, âm thanh được lưu lại trong các băng từ và sau đó phát quảng bá xuống các trạm mặt đất trong vùng phủ sóng của vệ tinh trên quỹ đạo

Năm 1960, Mỹ phóng vệ tinh phản xạ Echo-I, loại đơn giản, có hình dạng là một hình cầu đường kính 100feet, tương đương 30 mét, để phát tín hiệu vô tuyến truyền hình ngược về trái đất với chu kỳ 90 phút trên quỹ đạo thấp

Cuối năm 1960, Mỹ tiếp tục phóng vệ tinh Courier, vệ tinh Courier có ý nghĩa đặc biệt

là nó thu được nội dung 1 bản tin được phát đi từ trạm mặt đất và sau đó phát trở lại bản tin này về trái đất, các trạm vệ tinh mặt đất đã thu được tín hiệu này kết thúc thời kỳ thử nghiệm

về thông tin vệ tinh

Giai đoạn triển khai thông tin vệ tinh bắt đầu từ năm 1962, Mỹ phóng vệ tinh thông tin Telstar và Relay, để triển khai đường truyền tín hiệu thoại hai chiều, đường phát tín hiệu

và đường thu tín hiệu vô tuyến được làm việc song hành trên 2 tần số khác nhau

Năm 1963, NASA, Mỹ, phóng vệ tinh Syncom lên quỹ đạo địa tĩnh trên không gian

có độ cao 36.000km, diện tích phủ sóng 42% bề mặt trái đất, để truyền tín hiệu thoại và hình cho tất cả các nước trên toàn cầu

Năm 1965, Liên Xô phát triển hệ thống vệ tinh địa tĩnh Molnya và thành lập tổ chức quản lý hệ thống vệ tinh Sputnik Hệ thống vệ tinh Sputnik đã cung cấp nhiều kênh dịch vụ thông tin, thoại, truyền hình tương tự analog cho người dùng trong mạng viễn thông mặt đất của các nước trong khối các nước xã hội chủ nghĩa, các nước châu Âu

Năm 1965, Mỹ hình thành tổ chức quản lý hệ thống vệ tinh Intelsat để triển khai thông tin thương mại toàn cầu Intersat phát triển thành tổ chức quản lý hệ thống vệ tinh thương mại toàn cầu, có 120 quốc gia tham gia với cam kết được cung cấp thông tin vệ tinh rộng khắp trên toàn cầu Trên thế giới có 2 tổ chức cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh toàn cầu là Intersat (USA) và Sputnik (Nga)

Giai đoạn phát triển thông tin vệ tinh số, sau năm 2000, các nước trên thế giới đã phóng hơn 200 vệ tinh thông tin các loại vào các quỹ đạo trên vũ trụ, đặc biệt trên quỹ đạo địa tĩnh Tổ chức Intersat, đã phóng 8 hệ thống vệ tinh khác nhau, mỗi hệ thống có từ 4 đến 5 vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh, phục vụ trong lĩnh vực thương mại, ngoài ra, còn rất nhiều hệ thống vệ tinh được phóng lên quỹ đạo không gian phục vụ cho thông tin quân sự, nghiên cứu không gian, định vị toàn cầu, điều khiển giao thông và thông tin di động vệ tinh Intelsat hình thành mạng lưới hệ thống các nhà cung cấp dịch vụ thông tin vệ tinh trên thị trường quốc tế

và nội địa của các nước trên thế giới Công nghệ thông tin ngày nay đang chuyển sang công nghệ số, dịch vụ thông tin ngày càng hiện đại, đa dạng và chất lượng tốt

1.2.2 Sự phát triển mạng lưới thông tin vệ tinh của Việt Nam

Năm 2008, Việt Nam phóng vệ tinh Vinasat I lên quỹ đạo địa tĩnh tại kinh độ đông

1320E, tuy nhiên Việt Nam đã tham gia tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế từ rất sớm, năm

1964, Việt Nam đã gia nhập tổ chức thông tin vệ tinh INTERSAT, năm 1971 Việt Nam gia nhập tổ chức thông tin vệ tinh INTERSPUTNIK, năm 1980 Bưu điện Việt Nam xây dựng trạm vệ tinh mặt đất HOA SEN-1 tại Hà Nội, năm 1985 xây dựng trạm vệ tinh mặt đất HOA SEN-2 tại thành phố Hồ Chí Minh, năm 1988 xây dựng trạm VSAT-1(F2) tại thành phố Hồ Chí Minh để liên lạc với quốc tế qua vệ tinh Intersat-604 ở vị trí 600E, năm 1989 xây dựng trạm VSAT-2(D) tại Hà Nội, liên lạc qua vệ tinh Intersat-602 tại vị trí 620E và đến năm 1990, tiếp tục xây dựng các trạm vệ tinh mặt đất mới theo công nghệ số tại Hà Nội, Đà Nẵng và thành phố Hồ Chí Minh, để bảo đảm việc kết nối liên lạc với các nước trên thế giới và phát triển nhanh các mô hình cung cấp dịch vụ băng thông rộng Các trạm thu phát mặt đất tại Thành phố Hồ Chí Minh đã chuyển đến Trung Tâm thông tin vệ tinh VTI khu vực II đặt tại huyện Bến Cát tỉnh Bình Dương [12]

Mạng thông tin vệ tinh của Việt Nam liên kết với mạng viễn thông quốc tế thông qua

3 tổng đài cổng Gateway và 3 trạm vệ tinh mặt đất đặt tại Hà Nội, Đà Nẵng và Thành phố Hồ Chí Minh, hệ thống viễn thông quốc tế được kết nối với mạng viễn thông mặt đất quốc gia thông qua hệ thống truyền dẫn cáp quang, vi ba số và vệ tinh như hình 1.1 [12]

Hình 1.1 Mô hình mạng viễn thông quốc tế của Việt Nam [1998]

Năm 2008, vệ tinh đầu tiên VINASAT–1 đi vào hoạt động cung cấp các dịch vụ, thoại, hình, số liệu, năm 2012, Việt Nam tiếp tục phóng VINASAT–2, hai vệ tinh này tạo thành một

hệ thống thông tin vệ tinh cho Việt Nam với tên gọi là VINASAT, hệ thống luôn sẵn sàng cung cấp các dịch vụ có độ tin cậy cao, chất lượng tốt với công nghệ kỹ thuật tiên tiến để hiện đại hóa ngành viễn thông Việt Nam [5]

Năm 2013, Việt Nam tiếp tục phóng vệ tinh VNREDSat-1A từ Trung tâm Vũ trụ Guiana, trực thuộc Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), nằm ở vùng Guiana, thuộc nước Cộng Hòa Pháp bằng tên lửa đẩy Vega Vệ tinh VNREDSat - 1A là vệ tinh quan sát quang học được sử dụng vào mục tiêu quan sát trái đất, theo dõi và phân tích tài nguyên, quản lý môi trường, giám sát thiên tai trên toàn lãnh thổ Việt Nam và các vùng trên biển đông, giúp cảnh báo sớm và kịp thời thông tin nhanh nhất đến người dân và các cơ quan giải quyết tình trạng khẩn cấp về thảm họa thiên tai [5]

Hiện nay, tại Việt Nam còn có mạng cáp quang biển của quốc tế được nối vào Đà Nẵng, Hải Phòng và Vũng Tàu cùng với mạng truyền dẫn cáp quang trên đất liền hình thành mạng truyền dẫn kết nối thông tin với tất cả các vùng miền của Việt Nam, trong đó có 3 nút kết nối mạng viễn thông quốc tế chính là Hà Nội, Đà Nẵng và Thành Phố Hồ Chí Minh đại diện cho 3 miền của Việt Nam và có đồng thời hai phương án truyền dẫn đi quốc tế là vệ tinh

và cáp quang tạo nên kết nối thông tin quốc tế được bảo đảm liên tục [12]

1.3 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

Hệ thống thông tin vệ tinh là hệ thống truyền dẫn vô tuyến có thể chia thành hai phân đoạn, phân đoạn liên lạc giữa các vệ tinh trong không gian với nhau và phân đoạn giữa vệ tinh và các trạm mặt đất nằm trong vùng nhìn thấy của vệ tinh Sơ đồ khối của hệ thống thông tin vệ tinh được minh họa như hình 1.2 [1],[4],[6],[7]

Trạm điều khiển TT&C

Trạm mặt đất E- station

Trạm mặt đất

E- station

Trạm mặt đất E- station

Trạm mặt đất E- station

Trạm mặt đất E- station Đường liên lạc vệ tinh Đường liên lạc vệ tinh

Hình 1.2 Mô hình cấu trúc hai phân đoạn của hệ thống thông tin vệ tinh

Hệ thống thông tin vệ tinh là hệ thống có nhiều vệ tinh trên quỹ đạo, các đường truyền dẫn vô tuyến giữa các vệ tinh trong không gian là để chuyển tiếp tín hiệu giữa các vệ tinh với nhau Trạm vệ tinh trong không gian được gọi là trạm thu phát đáp, đa kênh, mỗi đường kết nối giữa trạm mặt đất với vệ tinh thông qua đường truyền dẫn vô tuyến được gọi là một kênh truyền dẫn vệ tinh bao gồm hướng lên và hướng xuống

Cấu trúc của hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm có hai phần, phần cấu trúc trên không gian, gồm có một vệ tinh hoặc nhiều vệ tinh có kết nối liên lạc trực tiếp với nhau; mỗi vệ tinh được đặt tại một vị trí trên quỹ đạo để bao phủ một vùng của trái đất Phần cấu trúc trên mặt đất bao gồm các trạm mặt đất; trạm vệ tinh mặt đất có nhiều loại, loại trạm cố định và trạm di động, các trạm mặt đất có chức năng kết nối với hệ thống mạng viễn thông mặt đất tại mỗi khu vực, để cung cấp dịch vụ thông tin đến mạng người dùng Trong hệ thống thông tin vệ tinh, luôn có trạm điều khiển mặt đất, để điều khiển mọi hoạt động của vệ tinh và điều khiển thiết lập kênh kết nối đến mạng người dùng trên mặt đất

Chức năng của trạm mặt đất là xử lý tín hiệu nhận được từ mạng người dùng gởi đến, biến đổi tín hiệu băng tần gốc thành tín hiệu cao tần để phát lên vệ tinh theo đường truyền sóng hướng lên, bộ thu phát đáp trên vệ tinh sẽ tiếp nhận tín hiệu cao tần gởi lên từ trạm mặt đất, khuếch đại, đổi tần và phát trở lại xuống các trạm mặt đất đối diện trong mạng thông tin

vệ tinh, máy thu trạm mặt đất thu sóng tín hiệu cao tần từ vệ tinh chuyển về, khuếch đại, đổi

tần, tách sóng, khôi phục lại luồng tín hiệu băng tần gốc và truyền về mạng người dùng trên mặt đất; thông tin vệ tinh là thông tin 2 chiều

Trong mỗi hệ thống thông tin vệ tinh còn có một trạm điều khiển chính TT&C (Telemetry tracking and command) và các trạm điều khiển phụ NOC (National operation control), trạm điều khiển đặt tại vị trí có khả năng liên lạc với vệ tinh tốt nhất, chức năng của trạm được thiết kế để điều khiển toàn bộ hoạt động của vệ tinh trên quỹ đạo cũng như các trạm vệ tinh mặt đất, hệ thống được thiết kế theo cơ chế mở, dễ dàng mở rộng để điều khiển thêm các vệ tinh khác, bộ phận quản lý mạng trung tâm NOC trong hệ thống thông tin vệ tinh

có chức năng thiết kế tối ưu cho dung lượng vệ tinh khai thác và các loại hình dịch vụ cung cấp cho khách hàng cũng như khả năng mở rộng khi có thêm các vệ tinh, cũng như theo dõi

và quản lý công suất vùng phủ sóng của vệ tinh, tính toán và theo dõi chất lượng các sóng mang của khách hàng, kiểm tra và giám sát các dịch vụ cung cấp cho khách hàng, triển khai việc đo thử dịch vụ, hỗ trợ khách hàng, cung cấp mạng dùng riêng cho khách hàng và mở rộng nhiều dịch vụ khác

Hệ thống thông tin vệ tinh được thiết kế để cung cấp các dịch vụ thông tin quan trọng trong mạng viễn thông như đường kết nối liên mạng viễn thông của các khu vực trên mặt đất

có sơ đồ kết nối như hình 1.3, thiết lập các đường truyền trung kế liên đài để liên kết các mạng thông tin di động tế bào trên mặt đất như hình 1.4, thiết lập mạng thông tin đến các phương tiện giao thông như hình 1.5

Đường lên A-B

Mạng viễn thông khu vực

Anten

Máy thu, phát

Tổng đài Getway

Hình 1.3 Kênh truyền vệ tinh để kết nối các khu vực trong mạng viễn thông mặt đất

Mạng điện thoại di động BTS

Đường lên A-B

Ante n

Máy thu, phát

Ante n

Máy thu, phát

Tổng đài Getway

Hình 1.4 Kênh truyền vệ tinh kết nối mạng thông tin di động mặt đất

Trung tâm điều

khiển giao

thông

Vệ tinh/Transponder

Trạm vệ tinh mặt đất Earth station

Đường lên A-B

Anten Máy

thu, phát

Tổng đài Getway

Hình 1.5 Kênh truyền vệ tinh kết nối với các phương tiên giao thông và các hải đảo Trong lĩnh vực truyền hình, tín hiệu hình từ trạm mặt đất của đài truyền hình phát lên

vệ tinh, vệ tinh thu và phát chuyển tiếp trở về trái đất, các bộ thu tín hiệu hình từ vệ tinh đặt tại nhà khách hàng trên mặt đất sẽ nhận được toàn bộ chương trình truyền hình của đài truyền

hình mặt đất

Trạm vệ tinh mặt đất di động được gắn trên các thiết bị giao thông để liên lạc với vệ tinh, trạm vệ tinh mặt đất di động, cần có bộ điều khiển anten để luôn hướng về vệ tinh Hệ thống điện thoại di động vệ tinh là hệ thống mạng kết nối thông tin các trạm thu phát gốc di động vệ tinh trên quỹ đạo không gian, mỗi vệ tinh là một trạm thu phát gốc BTS, các máy điện thoại di động trên mặt đất kết nối với các trạm gốc trên vệ tinh tại các thời điểm mà vệ tinh quét qua trái đất Hệ thống di động vệ tinh sẽ có rất nhiều vệ tinh trên quỹ đạo thấp, để bao phủ toàn cầu như minh họa hình 1.6 và hình 1.7

Hình 1.7 Mô hình các kênh truyền vệ tinh kết nối với các vùng phủ sóng trên mặt đất của hệ

thống thông tin di động vệ tinh toàn cầu

1.4 BĂNG TẦN SỐ VÔ TUYẾN SỬ DỤNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

1.4.1 Bảng phân chia băng tần số vô tuyến sử dụng trong thông tin vệ tinh

Đường kết nối tín hiệu trong thông tin vệ tinh là đường truyền sóng vô tuyến trong tầng khí quyển, do đó, việc chọn băng tần số vô tuyến, cần xét đến các yếu tố sau:

 Sự hấp thụ của khí quyển làm suy hao tín hiệu, suy hao tín hiệu là hàm số tỉ lệ thuận với tần số và khoảng cách liên lạc

 Kích thước của chấn tử bức xạ sóng điện từ trong anten sẽ quyết định góc phủ sóng

vô tuyến, kích thước chấn tử tỷ lệ nghịch với tần số, tần số càng cao thì kích thước chấn tử càng nhỏ, ngược lại bề mặt bức xạ sóng càng lớn thì hệ số khuếch đại anten càng lớn

 Theo sự quy định của cơ quan quản lý tần số quốc tế, thống nhất phân chia băng tần

vô tuyến cho nhiều ứng dụng khác nhau

Kết quả đo đạt sự hấp thụ sóng điện từ trung bình lớn nhất do các phân tử có trong khí quyển tại những tần số khác nhau, dựa vào biểu đồ chúng ta sẽ chọn được những tần số được dùng và không được dùng trong các ứng dụng thông tin vô tuyến Tuy nhiên trong một vài trường hợp cụ thể, mặc dù tần số có mức suy hao lớn nhưng vẫn được cân nhắc sử dụng để thiết lập các đường truyền tín hiệu trên những cự ly gần, sử dụng trong các mạng chuyển tiếp,

có thể tái sử dụng tần số nhiều lần như hình 1.8

Hình 1.8 Sự hấp thụ trung bình lớn nhất của các phần tử trong tầng khí quyển theo tần số Đặc biệt trong tầng khí quyển còn có hiện tượng nước mưa và sương mù trong không gian làm gia tăng sự hấp thụ tín hiệu vô tuyến, hình 1.9, mô tả đặc tính suy hao của mưa, trong vùng tần số thấp ít ảnh hưởng, ở những vùng tần số cao thì sự hấp thụ rất lớn Dải tần từ

1 đến 10Ghz là vùng tần số tốt nhất sử dụng cho thông tin vệ tinh, về sau băng sóng vệ tinh được mở rộng trong khoản tần số từ 1Ghz đến 30GHz

Hình 1.9 Sự hấp thụ khí quyển do mưa và hơi nước theo tần số Tổng hợp nhiều yếu tố, Ủy ban viễn thông quốc tế ITU-T, quy định bảng phân chia băng sóng vô tuyến sử dụng trong thông tin vệ tinh như bảng 1.1

Bảng 1.1 Bảng phân chia băng tần số vô tuyến sử dụng trong thông tin vệ tinh

Băng tần C và Ku được sử dụng nhiều nhất trong thông tin vệ tinh thương mại Ban đầu, băng tần C: có giới hạn từ 3,7Ghz - 6,425Ghz, được chia thành hai dải băng phụ, một dải băng cho các kênh hướng lên từ 5,925Ghz - 6,425Ghz và một dải băng cho các kênh hướng xuống từ 3,7Ghz đến 4,2Ghz Băng tần Ku giới hạn từ 11,7Ghz - 14,5Ghz, được chia thành 2 dải băng thành phần, một phần cho hướng lên: 14Ghz-14,5Ghz và một phần hướng xuống: 11,7Ghz-12,2Ghz Sau mỗi năm, tại các hội nghị về tần số của ITU-T, các nhà khai thác mạng đã đề xuất việc mở rộng băng sóng của các băng sóng theo hai vùng biên dưới và biên trên, đây là giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng tần số, mở rộng các dịch vụ theo hướng băng rộng

1.4.2 Bảng phân chia vùng ứng dụng thông tin vệ tinh

Tầng khí quyển là môi trường truyền sóng vô tuyến được tính từ mặt đất trở lên không gian, thành phần không khí trong khí quyển bao gồm: 78,08% Nitơ (N2), 20,95% Ôxy (O2), 0,93% Agon, 0,038% Điôxít cacbon, khoảng 1% hơi nước Sự hấp thụ của khí quyển dẫn đến

sự suy hao tín hiệu, chiều cao của tầng khí quyển được chia theo các tầng truyền sóng cụ thể như bảng 1.2

Bảng 1.2 Bảng phân chia khí quyển theo độ cao

Bảng 1.3 Bảng phân chia lĩnh vực ứng dụng thông tin vệ tinh theo độ cao khí quyển

1.5 ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

1.5.1 Ƣu điểm

Các vệ tinh đã được phóng sẵn lên quỹ đạo và được giữ cố định ở một vị trí trong quỹ đạo để sẵn sàng cung cấp dịch vụ thông tin cho các trạm mặt đất nằm trong vùng phủ sóng của vệ tinh

Vùng phủ sóng của vệ tinh rộng bao gồm tất cả các trạm mặt đất trong tầm nhìn thấy của vệ tinh, hoạt động liên tục trong 100% thời gian

Đối với quỹ đạo địa tĩnh thì không cần chuyển mạch thay đổi kết nối đường truyền từ một vệ tinh địa tĩnh này sang một vệ tinh địa tĩnh khác nhằm giữ thông tin liên tục nên không

có phá vỡ các kết nối truyền dẫn do chuyển mạch thời gian, trạm mặt đất và trạm vệ tinh gần như đứng yên, ảnh hưởng của chuyển dịch Doppler nhỏ

Thông tin vệ tinh có khả năng đáp ứng nhanh việc phát triển xây dựng các tuyến truyền dẫn đến các vùng sâu, miền núi, hải đảo, tuyến truyền dẫn có cự ly xa, có khả năng vượt biển, vượt đại dương, để hình thành mạng viễn thông liên kết tòan cầu

Đòi hỏi công suất phát lớn, độ nhạy máy thu cao do suy hao đường truyền lớn Tính

toán đưa vệ tinh lên quỹ đạo và giữ độ ổn định của vệ tinh phức tạp

1.6 TÓM TẮT

1.6.1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

Mạng viễn thông có 3 phương thức truyền dẫn chính là truyền dẫn cáp sợi quang, truyền dẫn vi ba, truyền dẫn vệ tinh

Hệ thống truyền dẫn vệ tinh bao gồm một vệ tinh hoặc nhiều vệ tinh liên kết với nhau trên quỹ đạo và các trạm thu phát mặt đất

Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin vô tuyến trên băng tần số siêu cao tần, trong đó

vệ tinh được phóng lên trên quỹ đạo không gian vũ trụ, có độ cao h, vùng phủ sóng rộng, vệ tinh có chức năng kết nối thông tin với các trạm trên mặt đất đặt trong vùng nhìn thấy của vệ tinh

Một vệ tinh trên quỹ đạo bao gồm nhiều bộ thu, phát đáp vô tuyến, mỗi bộ thu phát đáp làm việc trên một cặp tần số khác nhau

Mạng lưới hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm một vệ tinh hoặc nhiều vệ tinh trên quỹ đạo và nhiều trạm thu phát mặt đất

Hệ thống vệ tinh xích đạo địa tĩnh toàn cầu là một hệ thống gồm 3 vệ tinh được phóng lên trên quỹ đạo xích đạo địa tĩnh, đặt cách nhau 120 độ, có khả năng chuyển tiếp thông tin từ một trạm trên mắt đất đến một hoặc tất cả các trạm khác trên trái đất

Hệ thống thông tin vệ tinh có ưu điểm nổi bậc là có khả năng đáp ứng nhanh việc phát triển xây dựng các tuyến truyền dẫn đến các vùng sâu, miền núi, hải đảo, tuyến truyền dẫn có

cự ly xa, vượt biển, vượt đại dương, để hình thành mạng viễn thông kết tòan cầu, giá thành rẻ, thời gian triển khai nhanh, chất lượng dịch vụ tốt

1.6.2 Quá trình phát triển hệ thống thông tin vệ tinh trên thế giới

Cơ sở phát triển: Thông tin vệ tinh được phát triển bắt nguồn từ các kết quả nghiên cứu của Kepler, dựa vào sự phát triển của công nghệ thông tin vô tuyến điện tử và công nghệ tên lửa

Giai đoạn thử nghiệm: Năm 1957, Liên Xô (Nga) phóng vệ tinh nhân tạo Sputnik, để truyền thông tin đo lường từ xa Năm 1958, Mỹ phóng vệ tinh Score là vệ tinh tiếp âm Năm

1960, Mỹ phóng vệ tinh phản xạ Echo-I, để phát tín hiệu vô tuyến truyền hình về trái đất Cuối năm 1960, Mỹ tiếp tục phóng vệ tinh Courier, là vệ tinh thu và phát trở lại bản tin về trái đất

Giai đoạn triển khai ứng dụng: Năm 1965, Liên Xô phát triển hệ thống vệ tinh địa tĩnh Molnya và thành lập tổ chức quản lý hệ thống vệ tinh Sputnik Năm 1965, Mỹ hình thành tổ chức quản lý hệ thống vệ tinh Intelsat để triển khai thông tin thương mại toàn cầu, có trên 120 quốc gia tham gia

Hiện nay, thông tin vệ tinh phát triển toàn cầu, có hơn 100 vệ tinh thông tin trên quỹ đạo địa tĩnh, phục vụ trong lĩnh vực thương mại, ngoài ra, còn rất nhiều hệ thống vệ tinh được phóng lên quỹ đạo không gian phục vụ cho thông tin quân sự, nghiên cứu không gian, định vị toàn cầu, điều khiển giao thông và thông tin di động vệ tinh

1.6.3 Sự phát triển mạng lưới thông tin vệ tinh của Việt Nam

Năm 1965, Việt Nam đã gia nhập tổ chức thông tin vệ tinh INTERSAT Năm 1971, Việt Nam gia nhập tổ chức thông tin vệ tinh INTERSPUTNIK

Năm 1980 Bưu điện Việt Nam xây dựng trạm vệ tinh mặt đất HOA SEN-1 tại Hà Nội, năm 1985 xây dựng trạm vệ tinh mặt đất HOA SEN-2 tại thành phố Hồ Chí Minh, năm 1988 xây dựng trạm VSAT-1(F2) tại thành phố Hồ Chí Minh để liên lạc với quốc tế qua vệ tinh Intersat-604 ở vị trí 600E, năm 1989 xây dựng trạm VSAT-2(D) tại Hà Nội, liên lạc qua vệ tinh Intersat-602 tại vị trí 620E và sau đó tiếp tục xây dựng các trạm vệ tinh mặt đất mới theo tiêu chuẩn A, B tại Hà Nội, Đà Nẵng và thành phố Hồ Chí Minh, để bảo đảm việc kết nối liên lạc với các nước trên thế giới và phát triển nhanh các mô hình cung cấp dịch vụ băng thông rộng

Năm 2008, Việt Nam phóng vệ tinh đầu tiên VINASAT–1, năm 2012, phóng VINASAT–2, năm 2013, Việt Nam tiếp tục phóng vệ tinh quan sát quang học VNREDSat-1A

1.6.4 Cấu trúc của hệ thống thông tin vệ tinh

Hệ thống thông tin vệ tinh là hệ thống truyền dẫn vô tuyến, giữa các vệ tinh trong không gian và giữa vệ tinh các trạm mặt đất nằm trong vùng nhìn thấy của vệ tinh

Trạm vệ tinh trong không gian được gọi là trạm thu phát đáp, đa kênh, mỗi đường kết nối giữa trạm mặt đất với vệ tinh thông qua đường truyền vô tuyến được gọi là một kênh truyền dẫn vệ tinh bao gồm hướng lên và hướng xuống

Cấu trúc của hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm có hai phần, phần cấu trúc trên không gian, gồm có một vệ tinh hoặc nhiều vệ tinh có kết nối liên lạc trực tiếp với nhau; phần cấu trúc trên mặt đất bao gồm các trạm mặt đất

Trạm vệ tinh mặt đất có nhiều loại, loại trạm cố định và trạm di động, các trạm vệ tinh mặt đất có chức năng kết nối với hệ thống mạng viễn thông mặt đất tại mỗi khu vực của người dùng để truyền đến vệ tinh Chức năng của bộ thu phát đáp trên vệ tinh sẽ tiếp nhận tín hiệu cao tần khuếch đại và chuyển tiếp về trạm mặt đất

Hệ thống thông tin vệ tính được thiết kế để cung cấp các dịch vụ quan trọng trong mạng viễn thông như đường kết nối liên mạng viễn thông của các khu vực trên mặt đất, thiết lập các đường truyền trung kế để liên kết các mạng thông tin di động tế bào, thiết lập mạng thông tin với các phương tiện giao thông và các ứng dụng khác

1.6.5 Bảng phân chia băng tần số vô tuyến sử dụng trong thông tin vệ tinh

Đường kết nối tín hiệu trong thông tin vệ tinh là đường truyền sóng vô tuyến trong tầng khí quyễn, do đó, việc chọn băng tần số vô tuyến, cần xét đến các yếu tố về sự hấp thụ của khí quyển, kích thước của chấn tử bức xạ sóng điện từ và theo sự quy định của ITU-T Dải tần từ 1GHz đến 10GHz là vùng tần số tốt nhất sử dụng cho thông tin vệ tinh, về sau băng sóng vệ tinh được mở rộng trong khoản tần số từ 1Ghz đến 30GHz

Băng tần C và Ku thường được sử dụng nhất trong thông tin vệ tinh thương mại Băng tần C: có giới hạn từ 3,7Ghz-6,425Ghz, được chia thành hai băng, một băng cho các kênh hướng lên: 5,925Ghz-6,425Ghz và một băng cho các kênh hướng xuống: 3,7Ghz-4,2Ghz Băng tần Ku giới hạn từ 11,7Ghz-14,5Ghz, được chia thành 2 phần, một phần cho hướng lên: 14Ghz-14,5Ghz và một phần hướng xuống: 11,7Ghz-12,2Ghz

1.6.6 Ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh có khả năng đáp ứng nhanh việc phát triển xây dựng các tuyến truyền dẫn đến các vùng sâu, miền núi, hải đảo, tuyến truyền dẫn có cự ly xa, có khả năng vượt biển, vượt đại dương, để hình thành mạng viễn thông liên kết tòan cầu

Công nghệ chế tạo vệ tinh, phóng vệ tinh, phức tạp, khoảng cách thông tin quá xa, độ suy hao lớn, độ trễ truyền dẫn lớn, ảnh hưởng đến chất lượng thông tin, công suất phát lớn, độ

nhạy máy thu cao, chi phí vận hành cao

1.7 CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu 1 Cho biết phương thức truyền dẫn chính trong mạng viễn thông?

Câu 2 Cấu trúc của hệ thống truyền dẫn vệ tinh?

Câu 3 Ưu điểm của hệ thống thông tin vệ tinh?

Câu 4 Cho biết các loại trạm mặt đất?

Câu 5 Cho biết chức năng và vị trí của trạm điều khiển TT&C?

Câu 6 Cho biết các yếu tố để lựa chọn tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh?

Câu 7 Cho biết vùng tần số sử dụng tốt nhất trong thông tin vệ tinh, vì sao?

Câu 8 Xác định dải tần số của băng tần Ku?

Câu 9 Xác định dải tần số của băng tần C?

Câu 10 Vì sao tần số đường truyền sóng lên cao hơn tần số đường truyền sóng xuống?

Câu 11 Cho biết các mô hình các đường kết nối kênh dịch vụ trong thông tin vệ tinh?

Câu 12 Cho biết cơ sở lý thuyết và hạ tầng kỹ để phát triển hệ thống thông tin vệ tinh?

Câu 13 Cho biết các giai đoạn chính trong quá trình phát triển hệ thống thông tin vệ tinh? Câu 14 Giới thiệu về tổ chức hệ thống vệ tinh Intelsat?

Câu 15 Cho biết đặc điểm hình thành phát triển hệ thống thông tin vệ tinh của Việt Nam? Câu 16 Cho biết vị trí và chức năng của vệ tinh VINASAT–1, VINASAT–2 của Việt Nam? Câu 18 Cho biết chức năng của vệ tinh VNREDSat-1A?

Câu 19 Tính mức suy hao của đường truyền sóng vệ tinh trong điều kiện không có mưa, biết

CHƯƠNG 2 QUỸ ĐẠO VỆ TINH

Quỹ đạo vệ tinh là đường chuyển động của vệ tinh trên không gian so với quỹ đạo chuyển động của trái đất, quỹ đạo được xác định theo các tham số thiết kế ban đầu trước khi

vệ tinh được phóng lên quỹ đạo Hệ thống thông tin vệ tinh trên quỹ đạo gồm một vệ tinh hoặc nhiều vệ tinh liên kết với nhau Quỹ đạo vệ tinh xích đạo địa tĩnh có góc nghiêng là 0 0 , nằm trên mặt phẳng xích đạo của trái đất, chuyển động cùng chiều quay của trái đất từ đông sang tây, vận tốc 6.840 dặm/giờ và chu kỳ quay trong 23 giờ 56 phút 4 giây gần bằng 24 giờ

Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh có vùng phủ sóng rộng, có khả năng đáp ứng nhanh việc phát triển xây dựng các tuyến truyền dẫn đến các vùng , miền trên mặt đất để hình thành mạng viễn thông liên kết tòan cầu

Nội dung trong chương 2 đề cập đến các vấn đề phương trình quỹ đạo, các tham số quỹ đạo và các loại quỹ đạo trong hệ thống thông tin vệ tinh, được sắp xếp theo các mục sau: 2.1 Phương trình Kepler

2.2 Quỹ đạo vệ tinh

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động của vệ tinh

2.4 Ưu nhược điểm của quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh

2.5 Quy trình phóng vệ tinh

2.6 Tóm tắt

2.7 Câu hỏi ôn tập

2.1 PHƯƠNG TRÌNH KEPLER

2.1.1 Khái niệm về vị trí tọa độ vệ tinh

Trái đất được chia ra thành các kinh tuyến L(Longtitude) và vĩ tuyến l (latitude) như

hình 2.1, để xác định tọa độ vị trí địa lý của một điểm trên trái đất, giới tuyến hay lãnh thổ của các khu vực, các quốc gia trên trái đất cũng được xác định theo đường biên giới các tọa

độ Vị trí địa lý cụ thể của một trạm vệ tinh trên mặt đất cũng như trong không gian được xác định theo kinh độ và vĩ độ [10]

Hình 2.1.Hình dạng quả đất được phân chia

theo kinh độ và vĩ độ

Hình 2.2 Tọa độ vị trí trạm vệ tinh trên quỹ

đạo

Các đường kinh tuyến đều quy về cực Bắc và cực Nam của trái đất và được chia thành

3600, kinh tuyến gốc 00 được chọn là đường đi qua đảo Greenwich (Anh) nơi đặt đài thiên văn đầu tiên và lớn nhất trên thế giới Từ kinh tuyến 00

về hướng đông bao gồm 1800 và về hướng tây gồm 1800 Các đường vĩ tuyến đều cắt ngang qua các đường kinh tuyến, vĩ độ 0 là đường xích đạo chia Trái đất thành hai phần, bán cầu Bắc, và bán cầu Nam Bắc cực có vĩ độ

là 900N, Nam cực có vĩ độ 900S

Tọa độ của một điểm trên mặt đất được xác định bởi hai thông số: kinh độ và vĩ độ; ví

dụ vị trí trạm vệ tinh mặt đất PES(1120 E, 170 N) tức là điểm PES có kinh độ là 1120

E (đông),

vĩ độ là 170

N (bắc)

Tọa độ của một vệ tinh trên quỹ đạo được xác định theo vĩ độ và kinh độ, tuy nhiên vì

vệ tinh di chuyển trên quỹ đạo phía trên mặt phẳng trái đất, có độ cao h(km) nên nó không có

vĩ độ và kinh độ Do đó vị trí của vệ tinh xác định bằng một điểm chiếu của vệ tinh trên trái đất theo kinh độ và vĩ độ Điểm này gọi là vị trí vệ tinh (SSP), đối với vệ tinh địa tĩnh SSP

điểm chiếu vệ tinh xuống đường xích đạo do đó tọa độ của vệ tinh thông thường được cho bởi kinh độ đông hay kinh độ tây và có vĩ độ là 00 Tọa độ của trạm mặt đất và điểm chiếu vệ tinh được minh họa trong hình 2.2, trong đó vị trí trạm mặt đất có tọa độ 300W kinh độ tây và

200N vĩ độ bắc, trạm vệ tinh có tọa độ là 300E kinh Đông và vĩ độ 00

2.1.2 Ngày Mặt trời và ngày Thiên văn

2.1.2.1 Ngày Mặt trời

Nguyên lý của Mặt trăng và Mặt trời đều chuyển động trong dải Ngân Hà, ngày mặt trời là thời gian cần thiết để Trái đất tự quay sao cho hoàn tất một vòng so với Mặt trời đi qua một điểm nào đó trên mặt đất như hình 2.3

Hình 2.3 Quỹ đạo của mặt trời và trái đất Chu kỳ quỹ đạo của Trái đất là chuyển động xung quanh Mặt trời một vòng là 3600mất 365,25 ngày, do đó, góc quay của Trái đất quay quanh Mặt trời trung bình trong một ngày là: 360/365,25 = 0,98560/ngày, nên vì thế vòng quay thực sự của Trái đất lớn hơn 3600

để được một ngày Mặt trời đi qua một điểm trên địa cầu, tương ứng thời gian 1 ngày 24 giờ

sẽ là: 3600+0,98560 = 360,98560, tương ứng 86400s = 24 giờ

2.1.2.2 Ngày Thiên văn

Ngày thiên văn là thời gian cần thiết để Trái đất tự quay đủ một vòng 3600, như vậy ngày thiên văn ngắn hơn ngày mặt trời và được tính là 23 giờ 56 phút 4 giây Do đó thời gian dùng để tính toán trong chu kỳ của một vệ tinh phải dựa theo ngày thiên văn:

s m h

s 23 56 486164

9344727,

239856,360

24

2.1.3 Phương trình Kepler

Quỹ đạo vệ tinh được xây dựng từ các kết quả nghiên cứu của Kepler, theo 3 định luật

cơ bản, định luật 1, khẳng định quỹ đạo của một hành tinh là đường elip với tâm là mặt trời, định luật thứ 2, xác định được bán kính của vectơ nối giữa hành tinh và mặt trời quét thành các diện tích bằng nhau trong khoản thời gian bằng nhau, định luật thứ 3, xác định được bình phương chu kỳ quay của hành tinh tỷ lệ thuận với lập phương bán kính trục chính quỹ đạo

Ba định luật này được ứng dụng để nghiên cứu về quỹ đạo của vệ tinh, trong đó lấy vệ tinh thay cho hành tinh và lấy trái trái đất thay cho mặt trời, 3 định luật Kepler được trình bày chi tiết như sau [8], [9]:

2.1.3.1 Định luật Kepler I

Định luật Kepler I: "Quỹ đạo các vệ tinh so với trái đất là hình elip, với trái đất nằm tại tiêu điểm"

Từ hình 2.4, xét trong hệ tọa độ cực, đường elip được xác định theo tham số bán kính

và góc mở tâm, ký hiệu là f(r, θ), trong đó, a là bán trục lớn , b là bán trục nhỏ và p bán trục

chuẩn; 0 là tâm elip cũng là tâm của trái đất và có hai tiêu điểm đánh dấu bởi các điểm khi θ

= 0°, r = r min và khi θ = 180°, r = r max Về mặt toán học, phương trình elip biểu diễn trong hệ tọa độ cực là:

1 cos

p r



trong đó, (r, θ) là hai tọa độ cực tính theo gốc tọa độ của elip, p là bán kính trục chuẩn, và ε là

độ lệch tâm của elip Đối với vệ tinh quay trên quỹ đạo quanh trái đất, r là khoảng cách từ trái đất đến vệ tinh và θ là góc giữa đường nối vệ tinh với trái đất và đường nối vệ tinh với trái

đất khi nó ở cận điểm quỹ đạo

Khi góc θ = 0°, vệ tinh tại cận điểm quỹ đạo, khoảng cách r là nhỏ nhất, gọi là bán kính cực tiểu, r min, và công thức tính như sau:

Khi góc θ = 90° hoặc θ = 270°, khoảng cách r bằng bán kính chuẩn r = p

Khi góc θ = 180°, vệ tinh tại viễn điểm quỹ đạo, khoảng cách là lớn nhất, ký hiệu là

rmax và có công thức tính như sau:

(max)

1

p r







Max r Min

r

p

Satelltite Global

Hình 2.4 Quỹ đạo elip của vệ tinh Hình 2.5 Diện tích quét của vệ tinh trong

khoảng thời gian t 1

r



Max r Min

Hình 2.6 Phương trình chuyển động của vệ

tinh

1 Phương trình elip hệ tọa độ cực là:

1 cos

p r





 ; (max) 1

p r





2

p ab ;

max min max min

Tóm tắt các thông số quỹ đạo chuyển động

của vệ tinh địa tĩnh

Bán kính trục lớn a là giá trị trung bình cộng giữa rmin và rmax; a=1/2( rmax +rmin), a

được tính như sau:

21

p a





 (2.5)

Bán trục chuẩn p là giá trị trung bình điều hòa giữa rmin và rmax; p được tính như sau:

max min

2 min max max min

rmin = rmax = a = b, khi đó r = p = rmin = rmax = a = b và diện tích sẽ là: 2

A

S r

2.1.3.2 Định luật Kepler II

Định luật Kepler II phát biểu: “Vệ tinh quét cùng một diện tích trong cùng một khoảng

thời gian chuyển động trên quỹ đạo hay đường nối vệ tinh và trái đất quét qua những diện

tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau” [8], [9]

Xét trong một khoảng thời gian nhỏ dt, vệ tính sẽ quét được một tam giác S, tam giác

có cạnh đáy là r, cung di chuyển là dθ, chiều cao tam giác = r.sin(d)r d  Diện tích của

tam giác S được tính theo công thức:

 Diện tích elip là:S elip  .a b , nếu gọi T S là chu kỳ

quỹ đạo vệ tinh, thì diện tích của vệ tinh quét trên bề mặt quỹ đạo là 1 2

21

2.1.3.3 Định luật Kepler III

Định luật Kepler III: Bình phương chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh tỷ lệ thuận với lập

phương bán kính trục lớn của quỹ đạo elip của vệ tinh 3 2

~ S

a T [8], [9]

Newton định nghĩa lực tác dụng lên chuyển động vệ tinh bằng tích khối lượng của nó

với gia tốc Vệ tinh bị hút về phía tâm trái đất bằng lực hấp dẫn giữa vệ tinh và trái đất, lực

hấp dẫn tỷ lệ thuận với tích khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng

cách giữa chúng Vệ tinh có khối lượng rất nhỏ so với khối lượng trái đất

Trong chuyển động tròn, vệ tinh di chuyển trên một đường cong có thể miêu tả

bằng hệ tọa độ cực với 1 trục r có bán kính là R cố định tính từ tâm của quỹ đạo, góc θ(t) thay

đổi so với trục gốc R vector là một vector bán kính từ gốc trục đến vị trí vệ tinh, công thức

tính bán kính như sau:

( )r

Trong đó, u t r( )là vector đơn vị cùng hướng với vector bán kính Vận tốc là đạo hàm

theo thời gian của đường dịch chuyển theo hai biến R và u t r( ):

( )( )

Phương trình của chuyển động tròn với bán kính quỹ đạo r, chu vi C = 2π r Chu

kỳ T s , vận tốc góc ω, ω=2π/ T s và góc θ quét trên mặt phẳng quỹ đạo trong một thời gian t sẽ

 2  Vận tốc v là tiếp tuyến với đường tròn, gia tốc là a, luôn hướng vào tâm

quỹ đạo và vuông góc với vận tốc Gia tốc này được gọi là gia tốc hướng tâm Với quỹ đạo có

bán kính r, khi vệ tinh di chuyển quét 1 góc θ, thì quãng đường dài di chuyển của vật trên quỹ

đạo sẽ là s, s = rθ Do đó, vận tốc được tính theo công thức sau:

vì quỹ đạo vệ tinh là chuyển động tròn đều nên vận tốc góc ω không đổi, cho nên vận

tốc v cũng không đổi, vectơ vận tốc quét ra một góc quét dθ = ωdt sự biến đổi của v sẽ là một

vector vuông góc với v và có độ lớn bằng v d, do đó độ lớn của gia tốc được tính bởi

Với chuyển động tròn biến đổi đều thì vector gia tốc toàn phần a trong chuyển động

biến đổi đều là tổng của 2 vector gia tốc pháp tuyến hướng tâm a R và gia tốc tiếp tuyến a θ

Gia tốc hướng tâm hay còn gọi là gia tốc pháp tuyến a R có giá trị bằng a R = v 2 /r,

với v là độ lớn của vận tốc tại điểm đang xét: (v = vo + aθt), với vo là vận tốc ban đầu của vệ

tinh tại thời điểm đưa lên quỹ đạo, t=0

Gia tốc tiếp tuyến a θ, có phương trùng với tiếp tuyến của quỹ đạo tròn tại điểm đang

xét và có độ lớn là đạo hàm bậc nhất của vận tốc theo thời gian, a θ = dv/dt

Chính gia tốc tiếp tuyến làm thay đổi vận tốc vệ tinh, nguyên nhân làm xuất hiện gia tốc tiếp

tuyến là do vệ tinh chịu ảnh hưởng bởi các ngoại lực tác động vào, ví dụ như lực ma sát hoặc

trọng lực Gia tốc toàn phần của vệ tinh tại 1 điểm có giá trị như công thức sau:

2 2 2

dv a

Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton là định luật xác định lực hấp dẫn của vệ tinh

khối lượng m sẽ bị kéo về tâm trái đất có khối lượng M với gia tốc là g, .2

r

M G

với G là hằng số hấp dẫn và r là khoảng cách giữa vệ tinh và trái đất Theo định luật 2

Newton, vệ tinh có khối lượng m chịu lực hấp dẫn F có độ lớn F G m M.2

r

Trên quỹ đạo địa tĩnh, vệ tinh chuyển động tròn biến đổi đều thì các lực tác động lên

vệ tinh phải cân bằng nhau như vậy lực ly tâm bằng lực hướng tâm Theo định luật 2

Newton về chuyển động, ta có thể thay thế các lực F, giá trị lực F bằng khối lượng của vệ

tinh nhân với gia tốc của vệ tinh chuyển động, tức là:



ma ma

a m a

m ht  lt  R  (2.18) trong đó, m là khối lượng của vệ tinh, cân bằng phương trình trên ta có được, gia tốc ly

tâm có được từ chuyển động trên quỹ đạo và gia tốc hướng tâm tạo ra bởi trường hấp dẫn của

Trái Đất phải bằng nhau

Cường độ gia tốc ly tâm là: 2  2 2 2

góc tính bằng radian trên giây, và r là bán kính quỹ đạo tính theo đơn vị mét từ tâm trái đất

Cường độ của gia tốc hướng tâm là 2.

r

G M

a R  , trong đó M là khối lượng của trái đất

tính theo kilôgam,M5,9722 10 kg 24 và G là hằng số hấp dẫn G6.6742 10 11m kg3 1.s2

Cân bằng phương trình của hai gia tốc ta thu được:

2

2.r G M r

thay thế giá trị M.G bằng µ, µ được gọi là hằng số hấp dẫn địa tâm, và bằng

3.986013.1014(m3/s2) Vận tốc góc2 / T S; với vệ tinh địa tĩnh, chu kỳ vệ tinh là thời gian

để vệ tinh thực hiện đủ một vòng quay, bằng một ngày thiên văn, hay 86.164 giây,

5

2 / 86164( )s 7, 29.10 (rad s/ )

    Điều này cho phép tính được bán kính quỹ đạo sẽ là

42.164 km, nếu trừ đi bán kính Trái Đất R E tại xích đạo, R E = 6.378 km, sẽ tính được kết quả cuối cùng về độ cao vệ tinh địa tĩnh tính từ bề mặt trái đất là h = 35.786 km

2.2 QUỸ ĐẠO VỆ TINH

2.2.1 Khái niệm về quỹ đạo vệ tinh

Quỹ đạo là đường chuyển động của vệ tinh trên không gian, được xác định theo định luật Kepler, các thông số quỹ đạo, hình dạng, hướng chuyển động quỹ đạo trong không gian được duy trì ổn định theo thời gian hoạt động của vệ tinh Chu kỳ chuyển động của quỹ đạo

vệ tinh tỉ lệ với khoảng cách giữa vệ tinh và trái đất √ , trong đó, hệ số µ=g(M)≈ 3.986013.105(km3/s2)=3,986013 1014(m3/s2)

Các quỹ đạo đặc biệt thường dùng trong thông tin vệ tinh là quỹ đạo ellip với góc nghiêng lớn hoặc quỹ đạo tròn trong mặt phẳng xích đạo, chu kỳ của những quỹ đạo này quan hệ theo chu kỳ quay của Trái đất quanh trục của nó Dựa theo chu kỳ và bán kính của vệ tinh, có thể tính được vận tốc của vệ tinh

Vận tốc chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh được tính bằng cách nhân vận tốc góc với bán kính quỹ đạo: v = 𝜔.r = 7,29.10-4

(rad/s) 42.164 km = 3,07 km/s = 11.052 km/h, tương đương 6877 dặm/giờ (6877mph)

Vệ tinh trên quỹ đạo bị tác dụng một lực kéo ngược về Trái đất bởi trường hấp dẫn nếu một vệ tinh di chuyển ở vận tốc cao hơn 23.500 dặm/giờ (mph), lực ly tâm của nó sẽ lớn hơn lực hấp dẫn của Trái đất kết quả là vệ tinh sẽ bị bung ra khỏi quỹ đạo và biến mất trong không gian Nếu vận tốc nhỏ hơn dưới 17.000 dặm/giờ (mph) thì lực hấp dẫn sẽ kéo vệ tinh rơi xuống đất

2.2.2 Một số thuật ngữ của vệ tinh trên quỹ đạo

Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh là hình elip như hình 2.7, các tham số được ký hiệu như sau:

 Apogee (viễn điểm): là điểm trên quỹ đạo mà tại đó vị trí của vệ tinh là xa nhất so với

Trái đất

 Perigee (cận điểm): Là điểm trên quỹ đạo mà tại đó vị trí của vệ tinh là gần nhất so

với Trái đất

 Major axis (trục chính): Là đường nối giữa cận điểm và viễn điểm xuyên qua tâm của

Trái đất hay còn gọi là Line of apsides

 Minor axis (trục phụ): Là đường vuông góc với trục chính và đi qua trung điểm của

khoảng cách cận điểm-viễn điểm

2.2.3 Phân loại quỹ đạo vệ tinh

2.2.3.1 Phân loại quỹ đạo vệ tinh theo chiều cao

Theo chiều cao quỹ đạo vệ tinh thường được chia thành ba loại quỹ đạo như sau:

 Quỹ đạo thấp (LEO): Khi vệ tinh quay càng gần Trái đất, lực hấp dẫn càng lớn do

đó đòi hỏi vận tốc càng lớn để giữ vệ tinh khỏi rơi xuống Trái đất Các vệ tinh có độ cao quỹ đạo thấp khoảng 100 dặm tương đương 160,9 km tính từ bề mặt Trái đất bay với vận tốc xấp

xỉ 17.500 dặm/giờ thì chỉ cần khoảng 1,5 giờ là quay đủ một vòng Trái đất

Vệ tinh trên quỹ đạo LEO hoạt động trong khoảng tần số từ 1 – 2.5Ghz, và được ứng dụng trong các hệ thống điện thoại di động vệ tinh Motorola là nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động vệ tinh, Motorola đã phóng lên quỹ đạo LEO, 66 vệ tinh có quỹ đạo xấp xỉ 480 dặm so với mặt đất, phủ sóng di động vệ tinh toàn cầu Ưu điểm chính của LEO là suy hao đường truyền thấp, trọng lượng vệ tinh nhỏ hơn so với các vệ tinh ở quỹ đạo khác

 Quỹ đạo trung bình (MEO): Các vệ tinh trên quỹ đạo MEO hoạt động trong

khoảng băng tần 1,2 – 1,66Ghz và độ cao quỹ đạo khoảng 6.000 – 12.000 dặm so với mặt đất tương đương 9654 – 19308 Km Có chu kỳ quay trong khoảng 5 đến 12 giờ

Mỹ là quốc gia thiết lập hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu NAVSTAR trên quỹ đạo MEO với 27 vệ tinh, độ cao quỹ đạo xấp xỉ là 9.500 dặm trên mặt đất tương đương 15285Km

Hệ thống vệ tinh Glonass được Liên Xô phát triển từ cuối những năm 1970, đến năm

2008 bắt đầu hoạt động bao phủ toàn bộ lãnh thổ Nga và đến năm 2010 là bao phủ toàn cầu Hiện nay Glonass có 28 vệ tinh, gồm 24 vệ tinh đang hoạt động và 4 vệ tinh dự phòng Sai số xác định vị trí của Glonass là trong khoảng 3,5m, và sẽ thu hẹp lại còn 60 cm vào năm 2020

 Quỹ đạo vệ tinh (HEO: Highly Elliptical Orbit): Quỹ đạo vệ tinh cao, HEO có các

các vệ tinh ở độ cao khoảng 19.000 hay 25.000 dặm trên bề mặt Trái đất, tương đương 30571 – 40225Km, HEO cũng có quỹ đạo hình tròn và không đồng bộ với Trái đất gọi là quỹ đạo cận đồng bộ HEO Nếu vệ tinh cận đồng bộ ở độ cao 19.000 dặm thì có chu kỳ quay ngắn hơn so với chu kỳ quay của Trái đất, do đó vệ tinh di chuyển chậm hơn so với Trái đất theo hướng từ Tây sang Đông

 Quỹ đạo vệ tinh xích đạo địa tĩnh (GEO): Có chu kỳ quay xung quanh Trái đất

mất 24 giờ Các vệ tinh địa tĩnh gọi là vệ tinh đồng bộ mặt đất là các vệ tinh có quỹ đạo cao nhất khoảng 22.241 dặm so với mặt đất, tương đương 35786Km, hoạt động ở dải băng tần 2 – 18Ghz Hầu hết các vệ tinh viễn thông thương mại đều ở quỹ đạo này Quỹ đạo của vệ tinh địa tĩnh là đường tròn với vận tốc góc bằng vận tốc góc của Trái đất, nó có chu kỳ quay là 24giờ bằng chu kỳ của Trái đất

2.2.3.2 Phân loại quỹ đạo vệ tinh theo hình dạng quỹ đạo

Theo hình dạng quỹ đạo vệ tinh, có 3 dạng quỹ đạo được ứng dụng trong viễn thông là:

1 Quỹ đạo nghiêng

2 Quỹ đạo cực

3 Quỹ đạo xích đạo