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 vi MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Tổng 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 CHƢƠNG 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 12 2.3 Các dịch vụ hệ thống thông tin vệ tinh INMARSAT 15 2.4 Các hệ thống thông tin vệ tinh INMARSAT 17 2.5 Hệ thống thông tin vệ tinh INMARSAT-B 21 CHƢƠNG TÍNH TOÁN DỰ TRỮ NĂNG LƢỢNG ĐƢỜNG 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 lƣợng đƣờng truyền 25 3.2.1 Các thông số mô hình lượng đường truyền 27 3.2.1.1 Công suất xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) 27 iii 3.2.1.2 Công suất thu 29 3.2.1.3 Suy hao phi thu phát 29 3.2.1.4 Suy hao anten thu phát lệch 30 3.2.1.5 Suy hao không thu phân cực 31 3.2.1.6 Suy hao trường tự 31 3.2.1.7 Suy hao khí 32 3.2.1.8 Suy hao mưa 32 3.2.1.9 Tỉ lệ tín hiệu nhiễu đầu vào máy thu 32 3.2.1.10 Tỉ số lượng Bit/ Mật độ tạp âm Eb/N0 (Energy of Noise Density Ratio) 3.2.2 33 Các tính toán trữ lượng đường truyền 34 3.2.2.1 Tính toán cho tuyến lên 34 3.2.2.1.1 Tuyến lên điều kiện trời 34 3.2.2.1.2 Tuyến lên điều kiện trời mưa 35 3.2.2.2 Tính toán cho tuyến xuống 35 3.2.2.2.1 Tính tuyến xuống trời 35 3.2.2.2.2 Tính tuyến xuống trời mưa 36 3.2.2.3 Tính toán cho tuyến tổng 36 3.2 Tính toán dự trữ lƣợng đƣờng truyền cho hệ thống INMARSAT- B Đài vệ tinh Mặt đất INMARSAT Hải Phòng 38 3.2.3 Các mô hình dự báo suy hao mưa 39 3.2.3.1 Mô hình thực nghiệm Crance 1978 40 3.2.3.2 Mô hình Line 1979 41 3.2.3.3 Mô hình ITU - R 42 iv 3.2.4 Chọn mô hình dự báo suy hao mưa 43 3.2.5 Tính toán dự trữ lượng đường truyền cho hệ thống INMARSAT-B Đài vệ tinh mặt đất INMARSAT Hải Phòng 47 3.2.5.1 Các số liệu thực tế 48 3.2.5.2 Tính toán tuyến lên 49 3.3 Kết luận chƣơng 54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 v 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 dƣơng AOR-E Atlantic Ocean Region East: Vùng Đông Đại Tây dƣơng IOR Indian Ocean Region: Khu vực Ấn Độ Dƣơng PQR Pacific Ocean Region: Khu vực Thái Bình Dƣơng MSI Maritime safety information: tin an toàn hàng hải NAVAREA Navtext Area: Vùng dịch vụ điều hƣớng 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 vi EIRP Equivalent isotropically radiated power: Công suất xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng dB Decibel vii 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 Lƣợng mƣa tƣơng ứng với tổng thời gian suy giảm 45 tín hiệu mƣa trung bình năm 3.2 Quan hệ hệ số nhiễu nhiệt độ nhiễu 51 3.3 Dự trữ lƣợng cho đƣờng truyền 54 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang 1.1 Hình mở vỏ Sputnik-1 1.2 Sơ đồ đƣờng 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 lƣợng đƣờng truyền vệ tinh 27 3.2 Mô tả anten đẳng hƣớng 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 mƣa theo ITU-R 44 ix 3.11 Lƣợng mƣa trung bình (mm/h) vùng 47 giới 3.12 Lƣợng mƣa R0.01 (mm/h) vƣợt 0.01% 47 năm trung bình 3.13 Toán đồ xác định suy hao đơn vị chiều 47 dài mƣa γR 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 x 52 = 100mm/h (tốc độ mƣa thống kê cho 0.01% thời gian năm) tuỳ theo yêu cầu độ tin cậy mà chọn số liệu đo mƣa theo thời gian khác Tính suy hao mƣa cho đƣờng truyền vệ tinh yêu cầu phải có thông số sau R0.01 tốc độ mƣa vùng có thời gian mƣa trung bình 0.01% năm [mm/h) h0 độ cao so với mạt biển nơi đặt trạm mặt đất [km]  góc ngẩng antenna trạm mặt đất [độ]  vĩ tuyến vị trí đặt trạm mặt đất [độ] f tần số công tác [GHx] hf chiều cao đƣờng đẳng nhiệt [km] 3.2.4 Chọn mô hình dự báo suy hao mưa Nhƣ trình bày trên, giới có nhiều mô hình dự báo suy hao mƣa, ba mô hình tiêu biểu đƣợc chọn nghiên cứu phân tích nhƣ trình bày cho thấy: mô hình có ƣu nhƣợc điểm riêng nên cho kết mức độ xác khác Việt Nam nằm vùng nhiệt đới giớ mùa có lƣợng mƣa lớn, nhận thấy mô hình Crane 1978 không phù hợp phức tạp không xác tính suy hao mƣa cho trạm mặt đất vùng định,một vài tham số thu đƣợc thực nghiệm nên áp dụng mô hình Line 1979 để tính suy hao mƣa không phù hợp Việt Nam liệu thống kê mƣa có độ phân giải phút theo yêu cầu số liệu mô hình Số liệu mƣa có độ phân dải phút số liệu cho kết dự báo suy hao mƣa xác trận mƣa kéo dài từ 5-10 phút đến phút mƣa lớn thời gian gây liên lạc Nếu đƣợc số liệu cƣờng độ mƣa có độ phân dải phút tính dự trữ lƣợng cho đƣờng truyền bù lại suy hao mƣa, đảm bảo liên lạc phút mƣa lớn Dùng số liệu đo mƣa có độ phân giải phút (nghĩa ghi lƣợng mƣa cho phút) thống kê năm để tính suy hao mƣa đáp ứng yêu cầu tối thiểu Áp dụng mô hình ITU-R tính suy hao mƣa cho trạm mặt đất lãnh thổ Việt nam số liệu đo mƣa có độ phân giải 43 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 mƣa theo mô hình ITU-R đƣợc tính toán dựa hình vẽ 3.10 Suy hao mƣa (Arain) đƣợc 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 lƣợng mƣa RP (mm/h) γR đƣợc xác định từ nomogram Kết giá trị suy giảm theo phần trăm năm (p) Le: Chiều dài thực đoạn đƣờng sóng qua mƣa (Km) Hình 3.11 Lượng mưa trung bình (mm/h) vùng giới 44 Bảng 3.1 Lƣợng mƣa tƣơng ứng với tổng thời gian suy giảm tín hiệu mƣa trung bình năm năm = 8.760 h; 0,3% năm = 26,28h 99,7% đƣợc tính vùng mƣa N đòi hỏi máy thu dự trữ đủ mức ngƣỡng ứng với lƣợng mƣa nhỏ 15 mm/h Các bước tính toán Arain:  Tính độ cao mƣa hR (Km), hình 3.11 hR = + 0.028 00 < υ 50 hS : Là độ cao anten trạm mặt đất so với mực nƣớc biển (Km)  Tính toán chiều dài hình chiếu LG chiều dài nghiêng qua mƣa LS: LG = LScos e [Km] (3.53) + r0.01 hệ số rút gọn đoạn đƣờng 0.01% thời gian toán đồ tính lƣợng mƣa không đồng 45 r0.01= LS 1 cos e LO (3.54) Ở LO = 35e -0.015R Hoặc r0.01 = 1  0.045LG [Km] (3.55) [Km] (3.56) Xác định tỷ lệ mƣa (R0.01) vƣợt 0.01% năm trung bình từ Hình 3.12  Tính quãng đƣờng thực tế sóng qua mƣa Le = LS r0.01 [Km] (3.57)  Tính toán suy hao đơn vị chiều dài mƣa γR (dB/Km) đƣợc xác định từ toán đồ hình 3.13  Suy hao vƣợt A0.01 0.01% năm trung bình là: A0.01 = γR Le [dB] (3.58)  Suy hao vƣợt (AP ) tỷ lệ mƣa (RP) vƣợt 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 vƣợt phần trăm thời gian pW 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 mƣa thƣờng 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 γ R 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 Đƣờng lên (Uplink):  Tần số phát Tx: 6.425-6.725 MHz  Phân cực: Vertical, Horizontal o Đƣờng xuống (Downlink):  Tần số thu Rx: 3.400-3.700 MHz  Phân cực: Horizontal, Vertical + Băng tần Ku o Đƣờng lên (Uplink):  Tần số phát Tx: 13.750-14.500 MHz  Phân cực: Vertical o Đƣờng 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 Đƣờng 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 + Công suất phát: 200W Anten: Loại Parabol, kích thƣớc 6,3 m, độ cao so với mặt nƣớc biển 15m, phân cực tuyến tính (phân cực ngang, phân cực đứng); góc phƣơng vị hƣớng 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 48 + Tần số phát: 14GHz + Tần số thu: 12GHz a Tham số khác + Nhiệt tạp âm mƣa khu vực Hải Phòng: 237.70K + Tốc độ mƣa 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 đƣợc tính nhƣ sau: s = r  Re2  2rRe cos O [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 0 : nửa góc mở vệ tinh s : Khoảng cách trạm mặt đất-vệ tinh β0 : góc tâm trái đất Góc tâm β0 đƣợc 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 Trạm mặt đất Re Tâm trái đất 0 s e 0 r Sat Hình 3.14 Sơ đồ tính toán khoảng cách từ trạm mặt đất tới vệ tinh 49 + 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 GT = η.( DfU c     14  109   = 0,6x(π.140) = 116066,5478 ) = 0,6   10   GT = 10log(116066,5478) = 50,64dBi Sử dụng (3.13) (3.15) tính suy hao LT thay  3dB = 70 70C có  D Df  0,1   14  109    Df  =12x0,04 = 0,48 [dB] LT = 12( T )2 = 12  T U  = 12x   3dB  70C   70   10  Suy hao feeder LFTX = 0,5[dB] gần suy hao lệch hƣớng 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 =( 4R  )2 :  4  36558,18 10 14 10   4sfU   = 4,596x1020 = 206,62 dB LFS = ( ) =  =   10  C    4s có: 2 LU = LFSLA = 206,62 + 0,3 = 206,92 dB Tính (3.30) theo dB:  C  G  1   [dBw]=(EIRPES) [dBw]+   [dB]+  R  [dB.OK-1]+ [dB.Hz.OK] (3.62) k  L U  TR  SL  N O U Trong hệ số phẩm chất vệ tinh (Độ nhạy) tính từ (3.32), tính theo:  GT   TR   =  SL  GR       LR  SL  LFRX  1    =  SL  T  SL   GR   [OK-1]  LR LFRX LPOL  TA  T 1    T F  R LFRX  LFRX  50 (3.63) Tính độ lợi Anten GR    1,8  14  109   = 38301,96076 GR = η.( ) = 0,55   108 c   Df GR = 10log(38301,96076) = 45,83 dBi Giả sử vệ tinh nằm rìa phủ sóng anten trạm phát, có: αR =  3dB = 1O  Tính suy hao LR (suy hao anten thu bị lệch): LR = 12( R )2 = 12   = dB  3dB 2 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 Bảng 3.2: Quan hệ hệ số nhiễu nhiệt độ nhiễu 51 Thay giá trị tính vào (3.63):  GT   TR   =  SL  290   G    = 45,83 – – – 10lg  0,1  2901  0,1   288,6  T  SL  10  10  G -1   = 41,83 – 10lg578,6 = 41,83 – 27,62 = 14,2 dBK  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  GT   LT Trạm mặt đất PTX TX LFTX PT    ES LU = LFSLA  GR     LR  SL Vệ tinh PRX PR LFRX s RX 72.66dBw (75,68 dBw) CU = PU = -92.43dBw NOU = -200,97 (dB/Hz) 50.16dBi 23dBw 22.5dBw CUrain = PUrain = -102.39dBw NOUrain = -200,97 (dB/Hz) -88.43dBw -206.92dBw (- 223,293 dBw) (- 101,39) +45.83dBi 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 đƣợc: NOU = - 92,43 – 108,54 = - 200,97 dB Trên hình 3.15 chọn mức thu vệ tinh 10 pW tƣơng đƣơng -110dBw Khi trời có mức dự trữ 110 – 92,43 = 17,57 dB b Khi trời mƣa Khi truyền sóng tuyến lên bị mƣa sóng điện từ bị hấp thụ lƣợng, bị biến đổi phân cực hạt mƣa tác động, thân mƣa xạ siêu cao làm nhiễu tín hiệu hữu ích nhiệt độ nƣớc mƣa cộng thêm nhiệt độ tạp âm đƣờng truyền  Tính độ cao mƣa hR (Km), theo (3.51) 52 hR = + 0.028 = 3,028 Km 00 < υ