Nghiên cứu năng lượng đường truyền hệ thống INMARSAT b đài LES hải phòng

Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc *** LỜI CAM ĐOAN Kính gửi : Hội đồng bảo vệ, khoa Điện Tử-Viễn Thông, hệ Sau đại học, trường Đại Học Hàng Hải Tôi tên : Luân Quốc Tùng Lớp : KTĐT 2013 Tên đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu lượng đường truyền hệ thống INMARSAT-B Đài LES Hải Phòng” Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Hải Phòng, ngày 01 tháng 09 năm 2015 Người thực Luân Quốc Tùng i LỜI CẢM ƠN Sau năm học tập nghiên cứu em hoàn thành khóa học luận văn tốt nghiệp Tập luận văn kết học tập Viện Sau đại học – Đài học Hàng Hải – Ngành Điện Tử Viễn Thông thay lời cảm ơn chân thành em đến tất thầy cô giáo, người tận tâm, nhiệt tình giảng dạy tất môn học để em có kiến thức thực tốt đề tài Qua em gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Vũ Đức Lập, người Thầy tận tình hướng dẫn em suốt thời gian qua Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người tạo điều kiện thuận lợi cho em việc học tập động viên giúp đỡ em cố gắng làm tốt đề tài tốt nghiệp Sau cùng, lời cảm ơn đến tất bạn bè, anh chị giúp đỡ em suốt trình học tập trường Hải Phòng, ngày 01 tháng 09 năm 2015 Sinh viên Luân Quốc Tùng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .v MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1Tổng quan 1.2 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin vệ tinh 1.3 Cấu trúc tổng thể nguyên lý thông tin vệ tinh 1.4 Đặc điểm thông tin vệ tinh CHƯƠNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG INMARSAT B TẠI ĐÀI VỆ TINH MẶT ĐẤT INMARSAT HẢI PHÒNG 10 2.1 Giới thiệu chung hệ thống Inmarsat .10 2.2 Chức thông tin hệ thống thông tin vệ tinh Inmarsat 11 2.3 Các dịch vụ hệ thống thông tin vệ tinh INMARSAT .14 2.4 Các hệ thống thông tin vệ tinh INMARSAT .17 2.5 Hệ thống thông tin vệ tinh INMARSAT-B 21 CHƯƠNG TÍNH TOÁN DỰ TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐƯỜNG TRUYỀN HỆ THỐNG INMARSAT B ĐẶT TẠI ĐÀI VỆ TINH MẶT ĐẤT INMARSAT HẢI PHÒNG 24 3.1 Đặt vấn đề .24 3.2 Cơ sở lý thuyết tính toán dự trữ lượng đường truyền 25 3.2 Tính toán dự trữ lượng đường truyền cho hệ thống INMARSAT-B Đài vệ tinh Mặt đất INMARSAT Hải Phòng .38 iii iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích INMARSAT International Maritime Sattelite: Tổ chức thông tin vệ tinh hàng hải Quốc tế PSTN Public Switched Telephone Network: Mạng chuyển mạch thoại công cộng PSDN Public Switched Data Network: Mạng số liệu chuyển mạch công cộng ISDN Intergrated Services Digital Network: Mạng số đa dịch vụ SES Satellite Earth Station: Trạm vệ tinh mặt đất AOR-W Atlantic Ocean Region West: Vùng tây Đại Tây dương AOR-E Atlantic Ocean Region East: Vùng Đông Đại Tây dương IOR Indian Ocean Region: Khu vực Ấn Độ Dương PQR Pacific Ocean Region: Khu vực Thái Bình Dương MSI Maritime safety information: tin an toàn hàng hải NAVAREA Navtext Area: Vùng dịch vụ điều hướng EGC Enhanced Group Call: Cuộc gọi nhóm nâng cao MES Mobile Earth Station: Đài mặt đất di động RCC Rescue coordination center: Trung tâm cứu nạn SAR Search and rescue: tìm kiếm cứu nạn BPSK Binary Phase Shift Keying: Điều chế pha PSK mức EIRP Equivalent isotropically radiated power: Công suất xạ đẳng hướng tương đương v dB Decibel vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 1.1 Quy định băng tần thông tin vệ tinh 2.1 Các vệ tinh INMARSAT hoạt động 11 3.1 Lượng mưa tương ứng với tổng thời gian suy giảm 45 tín hiệu mưa trung bình năm 3.2 Quan hệ hệ số nhiễu nhiệt độ nhiễu 51 3.3 Dự trữ lượng cho đường truyền 54 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Hình mở vỏ Sputnik-1 1.2 Sơ đồ đường thông tin vệ tinh 1.3 Vệ tinh quỹ đạo thấp 1.4 Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh 1.5 Sự suy giảm sóng vô tuyến không gian 2.1 Cấu trúc mạng INMARSAT-B 23 3.1 Mô hình vật lý lượng đường truyền vệ tinh 27 3.2 Mô tả anten đẳng hướng 28 3.3 Anten thực xạ vùng A 28 3.4 Tính mức công suất thu 29 3.5 Tính suy hao thu phát 30 3.6 Suy hao anten thu phát lệnh 30 3.7 Mô tả tuyến lên (Uplink) 34 3.8 Mô tả tuyến xuống (Downlink) 36 3.9 Mô tả tuyến tổng 36 3.10 Tính suy giảm mưa theo ITU-R 44 3.11 Lượng mưa trung bình (mm/h) vùng 47 giới 3.12 Lượng mưa R0.01 (mm/h) vượt 0.01% 47 năm trung bình 3.13 Toán đồ xác định suy hao đơn vị chiều dài mưa γR viii 47 3.14 Sơ đồ tính toán khoảng cách từ trạm mặt đất tới 49 vệ tinh 3.15 Tóm tắt mức công suất tuyến lên ix 52 MỞ ĐẦU Thông tin liên lạc đóng vai trò quan trọng sống , hầu hết gắn liền với với vài dạng trao đổi thông tin Các dạng trao đổi thông tin : đàm thoại nguời với người , đọc sách, gửi nhận thư, nói chuyện qua điện thoại, xem phim hay truyền hình… Có thể có hàng ngàn ví dụ khác thông tin liên lạc, thông tin số liệu phần đặc biệt toàn lĩnh vực thông tin Ngày với phát triển đa dạng hệ thống thông tin đặc biệt hệ thống thông tin vệ tinh đưa thông tin liên lạc có bước phát triển nhẩy bậc Các ứng dụng thông tin vệ tinh ngày trở lên rộng rãi nhiều lĩnh vực Các hệ thống vệ tinh hàng hải phát triển cách nhanh chóng ngày có xu phục vụ đa dạng dịch vụ tới người sử dụng Một dịch vụ quan tâm đề tài em dịch vụ truyền số liệu hệ thống INMARSAT-B – dịch vụ với mục đích theo dõi quản lý tàu thuyền cung cấp ứng dụng ứng cứu truyền thông khơi qua vệ tinh Trong hệ thống thông tin vô tuyến nói chung, thông tin vệ tinh nói riêng, lượng đường truyền yếu tố định để truyền đưa tín hiệu từ nơi đến nơi kia, tùy theo khoảng cách, đặc tính môi trường công nghệ truyền dẫn mà lượng cần thiết để truyền đưa tín hiệu mức khác Đề tài “Nghiên cứu lượng đường truyền hệ thống Inmarsat-B Đài LES Hải Phòng” em lựa chọn thực nhằm nghiên cứu, tìm hiểu sở khoa học, đặc tính, cấu trúc thông số kỹ thuật hệ thống thông tin vệ tinh trọng vào hệ thống INMARSAT-B Đài vệ tinh mặt đất INMARSAT Hải Phòng, tham chiếu, đánh giá với tham số lý thuyết để từ hiểu sâu hệ thống tính toán, trình diễn thông số kỹ thuật phục vụ cho việc dự trữ lượng đường truyền cho hệ thống Inmarsat-B phút Việt Nam cho kết phù hợp thực tế khai thác thông tin vệ tinh Việt Nam hR Trạm không gian LS hr – hs e Trạm mặt đất LG hs Hình 3.10 Tính suy giảm mưa theo ITU-R Suy hao mưa theo mô hình ITU-R tính toán dựa hình vẽ 3.10 Suy hao mưa (Arain) tính theo công thức: Arain = γRLe [dB] (3.50) Trong γR: Suy hao đơn vị dài (dB/Km), γR phụ thuộc tần số sóng mang lượng mưa RP (mm/h) γR xác định từ nomogram Kết giá trị suy giảm theo phần trăm năm (p) Le: Chiều dài thực đoạn đường sóng qua mưa (Km) Hình 3.11 Lượng mưa trung bình (mm/h) vùng giới 44 Bảng 3.1 Lượng mưa tương ứng với tổng thời gian suy giảm tín hiệu mưa trung bình năm năm = 8.760 h; 0,3% năm = 26,28h 99,7% tính vùng mưa N đòi hỏi máy thu dự trữ đủ mức ngưỡng ứng với lượng mưa nhỏ 15 mm/h Các bước tính toán Arain: • Tính độ cao mưa hR (Km), hình 3.11 hR = + 0.028 00 < υ 50 hS : Là độ cao anten trạm mặt đất so với mực nước biển (Km) • Tính toán chiều dài hình chiếu LG chiều dài nghiêng qua mưa LS: LG = LScos e [Km] (3.53) + r0.01 hệ số rút gọn đoạn đường 0.01% thời gian toán đồ tính lượng mưa không đồng 45 r0.01= LS 1+ cos e LO (3.54) Ở LO = 35e -0.015R Hoặc [Km] r0.01 = + 0.045L G (3.55) [Km] (3.56) Xác định tỷ lệ mưa (R0.01) vượt 0.01% năm trung bình từ Hình 3.12 • Tính quãng đường thực tế sóng qua mưa Le = LS r0.01 • [Km] (3.57) Tính toán suy hao đơn vị chiều dài mưa γR (dB/Km) xác định từ toán đồ hình 3.13 • Suy hao vượt A0.01 0.01% năm trung bình là: A0.01 = γR Le • [dB] (3.58) Suy hao vượt (AP ) tỷ lệ mưa (R P) vượt p% thời gian năm trung bình p = 0.001% - 1% nhận từ A0.01 (dB) theo công thức sau: AP = A0.01 x 0.12p-(0.546 + 0.43lgp) • [dB] (3.59) Suy hao vượt phần trăm thời gian p W tháng xấu cho AP đó: p = 0.3 (pW)1.15 [%] (3.60) Giá trị có ích : pW = 0.3% ( ≈ giờ/tháng) p = 0.075% Đối với giá trị lớn phần trăm tháng thứ thời gian (p = 20%) suy hao mưa thường đủ nhỏ để bỏ qua (trong điều kiện bầu trời sáng) 46 Hình 3.12 Lượng mưa R0.01 (mm/h) vượt 0.01% năm trung bình Hình 3.13 Toán đồ xác định suy hao đơn vị chiều dài mưa γR 3.2.5 Tính toán dự trữ lượng đường truyền cho hệ thống INMARSATB Đài vệ tinh mặt đất INMARSAT Hải Phòng 47 3.2.5.1 Các số liệu thực tế a Vệ tinh: Vinasat + Vị trí quỹ đạo: Quỹ đạo địa tĩnh 132º Đông; + Khoảng cách tới trái đất: 35768 km; + Băng tần C o Đường lên (Uplink):  Tần số phát Tx: 6.425-6.725 MHz  Phân cực: Vertical, Horizontal o Đường xuống (Downlink):  Tần số thu Rx: 3.400-3.700 MHz  Phân cực: Horizontal, Vertical + Băng tần Ku o Đường lên (Uplink):  Tần số phát Tx: 13.750-14.500 MHz  Phân cực: Vertical o Đường xuống (Downlink):  Tần số thu Rx: 10.950-11.700 MHz  Phân cực: Horizontal + Vùng phủ sóng bao gồm: Việt Nam, Lào , Campuchia phần Myanma + Búp sóng anten θ3dB = 2O + Hiệu suất anten η = 0,55 Đường kính thu D=1,8m + Hệ số tạp âm thu, F = 3dB + Suy hao anten máy thu LFRX = 1dB + Nhiệt độ nhiễu dây dẫn, đầu nối TF = 290OK + Nhiệt độ nhiễu anten TA = 290OK b Trạm mặt đất: HUB INMARSAT-B 48 + Công suất phát: 200W Anten: Loại Parabol, kích thước 6,3 m, độ cao so với mặt nước biển 15m, phân cực tuyến tính (phân cực ngang, phân cực đứng); góc phương vị hướng xạ chính: 1880, góc ngẩng: 54,370 Vị trí lắp đặt: Kinh độ 106-42’38’’E; Vĩ độ: 2048’2’’N; Hiệu suất anten η = 0,6; Lỗi bám vệ tinh αT = 0,1O ; Suy hao feeder LFTX = 0,5 dB + Tần số phát: 14GHz + Tần số thu: 12GHz a Tham số khác + Nhiệt tạp âm mưa khu vực Hải Phòng: 237.70K + Tốc độ mưa khu vực Hải phòng: 95 mm/h 3.2.5.2 Tính toán tuyến lên a Khi trời + Khoảng cách trạm INMARSAT-B đặt Hải phòng vệ tinh tính sau: s = r + Re2 − 2rRe cos βO [Km] = (42164) + (6378) − (537843984).(0,89) = 1336573570 s = 36558,17902 Km Trong đó: e (elevation angle): góc ngẩng Re = 6378 Km: bán kính trái đất r = 42164 Km: bán kính quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh α0 : nửa góc mở vệ tinh s : Khoảng cách trạm mặt đất-vệ tinh β0 : góc tâm trái đất Góc tâm β0 tính theo công thức: cosβ0= cosv.cosΔKE Trong đó: v [độ]: Là vĩ độ trạm mặt đất ΔKE = KEsat - KEsta: Hiệu kinh độ Đông vệ tinh với kinh độ Đông trạm mặt đất 49 Trạm mặt đất Re β0 s e Tâm trái đất α0 r Sat Hình 3.14 Sơ đồ tính toán khoảng cách từ trạm mặt đất tới vệ tinh + Suy hao khí LA = 0,3dB + Tính EIRP trạm phát  P  G  EIRPES = (PTGαT)ES =  TX   T   LFTX  ES  LT  ES [W] Tính theo dB có EIRPES[dBw] = PTX[dBw] + GT[dBi] - LFTX[dB] – LT[dB] (3.61) Trong đó: PTX = 200W = 10lg2 + 20dBw = 10x0,3 + 20 = 23dBw Tính GT , thay D = 3; η = 0,6; fU = 14 GHz vào ta có  π × × 14 × 109  πDf  = 0,6x(π.140)2 = 116066,5478 GT = η.( U )2 = 0,6  c × 10   GT = 10log(116066,5478) = 50,64dBi Sử dụng (3.13) (3.15) tính suy hao LT thay θ 3dB = 70λ 70C = có D Df 2 αT  0,1 × × 14 × 109   α Df   =12x0,04 = 0,48 [dB] LT = 12( θ )2 = 12  T U  = 12x  dB  70C   70 × × 10  Suy hao feeder LFTX = 0,5[dB] gần suy hao lệch hướng phát LT Thay tất vào (3.61) có EIRPES[dBw] = 23[dBw] + 50,64[dBi] – 0,5[dB] – 0,48[dB] = 72,66 dBw Áp dụng (3.18) tính suy hao tuyến lên LU thay LFS =( 4πs LFS = ( ) = λ có: 4πR ): λ  4π × 36558,18 × 10 × 14 × 10   4πsfU    = 4,596x1020 = 206,62 dB =   × 10  C    LU = LFSLA = 206,62 + 0,3 = 206,92 dB 50 Tính (3.30) theo dB:  C  G  1   [dBw]=(EIRPES) [dBw]+   [dB]+  αR  [dB.OK-1]+ [dB.Hz.OK] (3.62) L k  U  TR  SL  N O U Trong hệ số phẩm chất vệ tinh (Độ nhạy) tính từ (3.32), tính theo:  GαT   TR   =  SL  GR      L  R  SL  LFRX  1    =  SL  T  SL   GR    TA  [OK-1]   + T − + T L L L F R  L   R FRX POL  L FRX FRX   (3.63) Tính độ lợi Anten GR  π × 1,8 × 14 × 109  πDf  = 38301,96076 GR = η.( ) = 0,55  c × 108   GR = 10log(38301,96076) = 45,83 dBi Giả sử vệ tinh nằm rìa phủ sóng anten trạm phát, có: αR = θ 3dB = 1O αR Tính suy hao LR (suy hao anten thu bị lệch): LR = 12( θ dB 1 2 )2 = 12   = dB Áp dụng (3.16) tính suy hao không thu phân cực: LPOL = 20 lg(cosσ) = 20lg(cos1O) = -0,0013 [dB] Suy hao nhỏ, bỏ qua Dùng (2.37), tính nhiễu nhiệt TR: Theo bảng 3.2 có F = 3dB, nên: TR = (F – 1)TO = (100,3 – 1).290OK = 288,6 OK 51 Bảng 3.2: Quan hệ hệ số nhiễu nhiệt độ nhiễu Thay giá trị tính vào (3.63):  GαT   TR   =  SL  290   G    = 45,83 – – – 10lg  0,1 + 2901 − 0,1  + 288,6  T  SL  10  10  G   = 41,83 – 10lg578,6 = 41,83 – 27,62 = 14,2 dBK-1  T  SL Thay giá trị tính k = -228,6 [dB/Hz OK] vào (3.62):  C    = 72,66dBw - 206,92dB+14,2dBOK-1+228,6 dB/Hz OK = 108,54 dBHz N  O U TX PTX  GR     LR  SL  GT     LT  ES Trạm mặt đất LFTX PT LU = LFSLA PR Vệ tinh PRX LFRX s RX 72.66dBw (75,68 dBw) CU = PU = -92.43dBw 50.16dBi 23dBw 22.5dBw NOU = -200,97 (dB/Hz) -206.92dBw (- 223,293 dBw) -88.43dBw CUrain = PUrain = -102.39dBw (- 101,39) +45.83dBi NOUrain = -200,97 (dB/Hz) 110dBw -134.26dBw (- 147,613 dBw) Hình 3.15 Tóm tắt mức công suất tuyến lên CU = PU = 72,66 – 206,92 + 42,83 – = - 92,43dBw Từ (3.62) tính được: NOU = - 92,43 – 108,54 = - 200,97 dB Trên hình 3.15 chọn mức thu vệ tinh 10 pW tương đương -110dBw Khi trời có mức dự trữ 110 – 92,43 = 17,57 dB 52 b Khi trời mưa Khi truyền sóng tuyến lên bị mưa sóng điện từ bị hấp thụ lượng, bị biến đổi phân cực hạt mưa tác động, thân mưa xạ siêu cao làm nhiễu tín hiệu hữu ích nhiệt độ nước mưa cộng thêm nhiệt độ tạp âm đường truyền ♦ Tính độ cao mưa hR (Km), theo (3.51) hR = + 0.028 = 3,028 Km 00 < υ