1. Trang chủ
  2. » Kỹ Thuật - Công Nghệ

Báo cáo bài tập lớn Thông Tin Vệ Tinh Thầy Lâm Hồng Thạch

29 574 9

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 29
Dung lượng 527,02 KB

Nội dung

Báo cáo bài tập lớn môn Thông tin vệ tinh do thầy Lâm Hồng Thạch giảng dạy. Đáp ứng đầy đủ yêu cầu, tóm tắt kiến thức trong học phần thông tin vệ tinh, Làm bài tập trong sách Hệ thống viễn thông và giáo trình thông tin vệ tinh của thầy Thái Hồng Nhị

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

- -BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN THÔNG TIN VỆ TINH

Giáo viên hướng dẫn: TS Lâm Hồng Thạch

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 6

Mã HP: ET4380 – TC308

Học kỳ 20171

Trang 2

Mục lục

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 4

Phần I Tóm tắt lý thuyết chung 5

Chương 1 Hệ thống thông tin vệ tinh 5

1.1 Khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin vệ tinh 5

1.2 Sơ lược về lịch sử phát triển 5

1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh 6

1.4 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh 6

1.5 Quỹ tài nguyên tần số 8

1.6 Câu hỏi 9

Chương 2 Quỹ đạo vệ tinh 9

2.1 Một số khái niệm và thuật ngữ cơ bản cho quỹ đạo của vệ tinh 9

2.2 Cơ sở xây dựng quỹ đạo vệ tinh 9

2.3 Một số dạng quỹ đạo vệ tinh 11

2.4 Một số thông số cơ bản của vệ tinh địa tĩnh 12

2.5 Một số thông số cơ bản của vệ tinh phi địa tĩnh (quỹ đạo elip) 13

2.6 Câu hỏi và bài tập 13

Chương 3 Đặc điểm của kênh truyền và tính toán tuyến (trạm mặt đất – vệ tinh) 14

3.1 Ảnh hưởng của tầng khí quyển đến kênh truyền 14

3.2 Các tham số cơ bản của tuyến liên lạc thông tin vệ tinh 14

3.3 Suy hao trong không gian tự do 15

3.4 Công suất tín hiệu thu được có tính đến tổn hao hấp thụ và ảnh hưởng của tầng khí quyển 15

3.5 Tính toán dự trữ tuyến có tính đến các tổn hao khác 15

3.6 Bài tập ví dụ 15

Phần II Giải bài tập 2 – Giáo trình HTVT 17

Phần III Mã hóa sửa sai 20

3.1 Giới thiệu chung 20

3.2 Mã khối tuyến tính 20

3.2.1 Giới thiệu 20

3.2.2 Mã Hamming 20

3.3 Mã vòng 21

Trang 3

3.3.1 Giới thiệu 21

3.3.2 Xây dựng mã vòng 21

3.4 Mã Reed-Solomon 22

3.4.1 Giới thiệu 22

3.4.2 Xây dựng mã Reed-Solomon 22

3.4.3 Ứng dụng 23

3.5 Mã chập 23

3.5.1 Giới thiệu 23

3.5.2 Mã hóa chập 24

3.5.3 Giải mã chập 26

3.5.4 Ứng dụng 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

Trang 4

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

Trang 5

Phần I Tóm tắt lý thuyết chung

Chương 1 Hệ thống thông tin vệ tinh

1.1 Khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin vệ tinh

Vệ tinh: là những vật thể do con người làm ra bay xung quanh Trái Đất, luôncân bằng bởi hai lực đối ngược nhau là lực ly tâm và lực hút của Trái Đất Lực hútcủa Trái Đất F ht do vệ tinh có khối lượng m Lực ly tâm F¿ do vệ tinh chuyển độngvới một vận tốc v

Hình 1.1: Vệ tinh đầu tiên phóng lên không gian

Hệ thống thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin có sự tham gia của vệ tinh Vệtinh đóng vai trò là trạm chuyển tiếp tín hiệu ở ngoài không gian Hệ thống thôngtin vệ tinh là hệ thống truyền và nhận các thông tin khác nhau như thoại, dữ liệu,hình ảnh giữa các điểm, các vùng trên mặt đất một cách gián tiếp qua vệ tinh hayđây là hệ thống thông tin với trạm chuyển tiếp hay tiếp sức là ở ngoài không gianrất cao với mặt đất

Các ứng dụng dịch vụ cung cấp của thông tin vệ tinh

Có rất nhiều dịch vụ phổ biến khác như: dịch vụ VoIP, PSTN, mạng doanh

nghiệp, dịch vụ video, thông tin di động qua vệ tinh, dịch vụ băng rộng, dịch vụ

internet qua vệ tinh

1.2 Sơ lược về lịch sử phát triển

- 10/1957: Liên Bang Xô Viết là nước đầu tiên phóng thành công vệ tinh nhântạo Sputnik

- 1958: Mỹ nối tiếp Liên Xô phóng thành công vệ tinh đầu tiên

- 1964: Thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTELSAT

- 24/9/1998: Thủ tướng chính phủ ký quyết định thông qua dự án VINASAT

Trang 6

14/8/2008: VINASAT1 là vệ tinh viễn thông địa tĩnh đầu tiên của Việt Nam được phóng lên quỹ đạo VINASAT2 được phóng vào ngày 16/5/2012.

1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh

- Thông tin vệ tinh có vùng phủ sóng rộng, không bị giới hạn bởi địa hình, rất

thích hợp với vùng sâu, vùng xa, đồi núi, hải đảo Chỉ cần 3 vệ tinh là có thểphủ sóng toàn Trái Đất

- Thông tin vệ tinh là một trong các phương thức truyền dẫn kết nối quốc tế

của mỗi quốc gia

- Thông tin vệ tinh đóng vai trò rất quan trọng, có thể nói là lựa chọn duy nhất

đối với một số ứng dụng như thông tin hàng hải

- Trong thông tin vệ tinh có suy hao truyền sóng rất lớn Do đó công suất trạm

phát đầu cuối phải lớn, ngoài ra phải sử dụng anten có đường kính lớn hoặc

độ tăng ích lớn

- Thông tin vệ tinh chịu ảnh nhiều bởi điều kiện thời tiết như mưa.

- Băng tần hoạt động trong thông tin vệ tinh dải tần cỡ GHz, ví dụ băng C,

băng Ku, Ka

- Thông tin vệ tinh có băng thông rộng, có thể truyền được các dòng số tốc độ

cao, truyền đa dịch vụ, đa phương tiện như thoại, dữ liệu tốc độ cao và hìnhảnh

- Việc lắp đặt và di chuyển một hệ thống thông tin vệ tinh trên mặt đất tương

đối nhanh chóng và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như hệ thốngtruyền dẫn

- Tuổi thọ của vệ tinh địa tĩnh cho viễn thông không quá cao trung bình

khoảng 20 năm Trong quá trình hoạt động việc bảo trì bảo dưỡng vệ tinh rấtkhó khăn

- Chất lượng truyền tin trong thông tin vệ tinh không bằng sợi quang Độ bảo

mật thông tin không cao dễ bị can nhiễu do môi trường bên ngoài

1.4 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh

Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh gồm hai phân đoạn: phân đoạn khônggian (space segment) và phân đoạn mặt đất (ground segment)

Trang 7

Hình 1.1: Cấu trúc tổng quát một hệ thống thông tin vệ tinh

Hình 1.2 mô tả hai phân đoạn của hệ thống truyền thông tin vệ tinh Phân đoạnkhông gian bao gồm vệ tinh và các trạm điều khiển vệ tinh, trong khi đó phân đoạnmặt đất gồm các trạm phát và trạm thu vệ tinh Cấu trúc cũng như chức năng củatừng phân đoạn được trình bày dưới đây:

Phân đoạn không gian

Thiết bị phát (trạm mặt đất)

Phân đoạn mặt đất

Bộ khuếch đại công suất đèn song chạy

Bộ chuyển đổi xuống

Tuyến xuống

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

Bộ lọc thông thấp

Tín hiệu từ

tuyến lên Bộ lọc thông

thấp

TWTA BPF

Trang 8

Hình 1.2: Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản

Phân đoạn không gian của một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm vệ tinh cùngcác thiết bị đặt trong vệ tinh và hệ thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất đểkiểm tra theo dõi và điều khiển hành trình của vệ tinh (cả hệ thống bám, đo đạc vàđiều khiển) Bản thân vệ tinh bao gồm hai phần: phần tải (payload) và phần thânnền vệ tinh (platform) Phần tải bao gồm các hệ thống anten thu/phát và các thiết bịphục vụ cho việc truyền dẫn, xử lý tín hiệu qua vệ tinh Phần thân nền bao gồm các

hệ thống phục vụ cho phần tải Các sóng vô tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên

vệ tinh được gọi là tuyến lên (uplink) Vệ tinh thu các sóng từ tuyến lên, xử lý,biến đổi tần số, khuếch đại và truyền các sóng vô tuyến đó trở về các trạm mặt đấttheo đường tuyến xuống (downlink) Các bộ phát đáp đặt trong vệ tinh để thu tínhiệu từ tuyến lên, biến đổi tần số, khuếch đại công suất và truyền trở lại theo tuyếnxuống Hình 1.3 mô tả sơ đồ khối một bộ phát đáp đơn giản

Phân đoạn mặt đất

Phân đoạn mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất của hệ thống và chúngthường được kết nối với các thiết bị người sử dụng thông qua các mạng mặt đấthoặc trong trường hợp sử dụng các trạm VSAT (Very Small Aperture Terminal:Thiết bị đầu cuối có khẩu độ rất nhỏ), các hệ thống thông tin di động vệ tinh S-PCN (Satellite- Personal Communication Netwwork: Mạng thông tin các nhân vệtinh) thì vệ tinh có thể liên lạc trực tiếp với thiết bị đầu cuối người sử dụng

Các trạm mặt đất có thể vừa thu vừa phát tín hiệu, nhưng có trạm chỉ làm nhiệm vụthu sóng đơn giản

Hình 1 3: Sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất đơn giản

1.5 Quỹ tài nguyên tần số

Sử dụng 3 băng tần số:

- Băng C: Đường lên 6GHz - Đường xuống 4GHz

- Băng Ku: Đường lên 14GHz - Đường xuống 12GHz

Góc ngẩng

Dẫn đường và bám vệ tinh

Bộ phân tuyến

Các tín hiệu băng cơ sở (từ người sử dụng)

Điều chế IF

Khuếch đại công suất RF

Khuếch đại tạp

âm thấp LNA Giải điều Các tín hiệu băng cơ sở (từ người sử dụng)

chế IF

Trang 9

- Băng Ka ( vệ tinh chưa khai thác) f>20GHz

1.6 Câu hỏi

Trong thông tin vệ tinh tại sao f uplink > f downlink ?

Trả lời:

- Trước hết, khác nhau để tránh nhiễu lẫn nhau giữa 2 trạm

- Lý do về tổn hao và công suất: Trong không gian tự do thì suy hao ~ f mà vệ tinh thì năng lượng có hạn (→công suất phát thấp) nên không bù suy hao được trong khi trạm mặt đất thì có thể (→công suất phát lớn)

- Độ định hướng: Anten trạm mặt đất cần độ định hướng lớn (vì vệ tinh ở xa và anten thu có bán kính nhỏ) còn vệ tinh có độ định hướng thấp hơn (anten trạm thu mặt đất rất lớn) mà độ định hướng ~ f

Chương 2 Quỹ đạo vệ tinh

2.1 Một số khái niệm và thuật ngữ cơ bản cho quỹ đạo của vệ tinh

 Quỹ đạo của vệ tinh: là hành trình trong không gian mà vệ tinh bay hết mộtvòng xung quanh Trái Đất

 Chu kỳ bay: là thời gian mà vệ tinh bay hết một vòng xung quanh Trái Đất

 Mặt phẳng quỹ đạo: mặt phẳng chứa quỹ đạo của vệ tinh

 Góc ngẩng (Elevation): là góc hợp thành giữa đường chân trời tính từ điểmđặt trạm mặt đất và đường thẳng nối trạm mặt đất với vệ tinh

Góc ngẩng đó nằm trong mặt phẳng chứa 3 điểm: vệ tinh, trạm mặt đất vàtâm Trái đất

 Góc phương vị (Azimuth): góc hợp bởi hình chiếu của vệ tinh trên mặtphẳng nằm ngang và đường hướng lên cực Bắc Trái Đất

2.2 Cơ sở xây dựng quỹ đạo vệ tinh

Cơ sở xây dựng quỹ đạo vệ tinh bay xung quanh Trái Đất là dựa vào 3 định luật Kepler

và 3 định luật Newton.

a) Các định luật của Kepler

Định luật Kepler thứ nhất: “Vệ tinh bay xung quanh Trái Đất theo quỹ đạo elip nhận Trái Đất là một trong 2 tiêu điểm của elip.”

a là bán trục lớn hay trục chính của elip.

b là bán trục bé hay trục phụ của elip

Trang 10

Hình 2.1 Quỹ đạo vệ tinh theo định luật Kepler thứ nhất

Định luật Kepler thứ 2: “Đường nối từ vệ tinh tới tâm Trái Đất quét những vùng có diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau.”

Định luật Kepler thứ ba: “Bình phương

của chu kỳ quỹ đạo vệ tinh tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của bán trục lớn của quỹ đạo elip.”

Theo đinh luật Kepler thứ ba, chu kỳ bay của vệ tinh xung quanh Trái Đấtlà:

T2=4 π2a3

μ (2.1)Trong đó: a là bán kính trục lớn tính từ tâm Trái Đất đến vệ tinh

µ là hằng số Kepler: µ = 3,9861352 x 10 5km3

/s2Hay, chu kỳ của vệ tinh tính bằng:

T =2 πa3

μ (2.2)

b) Các định luật của Newton

Định luật 1: “Mọi vật giữ nguyên trạng thái nghỉ hoặc chuyển động thẳng đều của nó cho đến khi có lực tác dụng buộc nó phải thay đổi trạng thái đó.”

Định luật 2: “Đạo hàm của động lượng của chất điểm theo thời gian tỉ lệ với lực tác dụng.”

Có thể biểu diễn dưới dạng công thức như sau:

F=m d

2r

d t2 =mr (2.3)Trong đó, F là tổng của tất cả các lực tác động lên chất điểm có khối lượng

m, r là gia tốc

Hình 2.2 Định luật Kepler thứ hai

Trang 11

Định luật 3: “Trong mọi trường hợp, khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng lại vật A một lực Hai lực này có cùng giá trị, cùng

độ lớn, nhưng ngược chiều.”

2.3 Một số dạng quỹ đạo vệ tinh

2.3.1 Quỹ đạo địa tĩnh

Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh thỏa mãn các điều kiện sau:

 Độ cao của vệ tinh: 35786 km

 Vệ tinh chuyển động cùng chiều quay với chiều quay của Trái Đất

 Là quỹ đạo đồng bộ với Trái Đất: Chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quaycủa Trái Đất xung quanh trục Bắc Nam

Ưu điểm của quỹ đạo địa tĩnh:

 Đảm bảo cho thông tin ổn định và liên tục suốt 24h trong ngày

 Vùng phủ sóng của vệ tinh rất lớn

 Các trạm mặt đất ở xa có thể liên lạc trực tiếp Hệ thống gồm 3 vệ tinh cóthể phủ sóng gần hết trái đất

Nhược điểm của quỹ đạo địa tĩnh:

 Thiết bị thường có giá thành cao

 Không phủ sóng được những vùng có vĩ độ cao hơn 81,3 độ

 Chất lượng đường truyền phụ thuộc nhiều vào thời tiết

 Tính bảo mật không cao

 Suy hao truyền sóng lớn

Ứng dụng: Được sử dụng làm quỹ đạo cho các vệ tinh thông tin, đảm bảo

thông tin cho các vùng có vĩ độ nhỏ hơn 81,3 độ Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh được

sử sụng phổ biến nhất với nhiều loại hình dịch vụ khác nhau

2.3.2 Quỹ đạo phi địa tĩnh

Quỹ đạo nghiêng elip thỏa mãn các điều kiện sau đây:

 Vệ tinh chuyển động liên tục so với mặt đất và chu kỳ quanh khác với chu

kỳ quanh của Trái Đất

 Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 63 độ 26 phút so với mặt phẳng xích đạo

Ưu điểm: Có thể phủ sóng các vùng có vĩ độ cao hơn 81,3 độ.

Nhược điểm:

 Mỗi trạm phải có ít nhất 2 anten và anten phải có cơ cấu điều chỉnh chùmtia

Trang 12

 Để đảm bảo liên tục trong 24h trong ngày thì cần nhiều vệ tinh.

Ứng dụng:

 Được sử dụng làm quỹ đạo cho các vệ tinh thông tin đảm bảo thông tin chocác vùng có vĩ độ lớn hơn 81,3 độ

 Ứng dụng trong việc nghiên cứu khoa học, quân sự, khí tượng thủy văn…

Xét đến 2 quỹ đạo LEO và quỹ đạo MEO:

Quỹ đạo LEO và quỹ đạo MEO cần đảm bảo thỏa mãn các điều kiện sau:

 Quỹ đạo LEO là quỹ đạo có độ cao trong khoảng 500 km đến 10000 km.Quỹ đạo MEO là quỹ đạo có độ cao trong khoảng 10000 km đến 20000 km

 Có vận tốc góc lớn hơn vận tốc góc của Trái Đất

 Phải sử dụng nhiều vệ tinh 24/24h để đảm bảo phát sóng toàn cầu

 Thời gian nhìn thấy vệ tinh ngắn và vùng phủ sóng của vệ tinh luôn thay đổi

 Mỗi trạm phải có ít nhất 2 anten và anten phải có cơ cấu điều chỉnh chùmtia

 Điều khiển và bám vệ thống thông tin vệ tinh rất phức tạp

 Tuổi thọ vệ tinh không cao khi bay trong quỹ đạo LEO do nằm trong vànhđai ion hóa

Ứng dụng: được sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin đảm bảo thông tin cho

các trạm mặt đất di động

2.4 Một số thông số cơ bản của vệ tinh địa tĩnh

2.4.1 Khoảng cách từ vệ tinh địa tĩnh đến một trạm mặt đất, R.

Công thức tính:

R=R E2

+(R E+h)2−2 RE(R E+h)cosφ (2.4)Trong đó: R E là bán kính Trái Đất, tính bằng 6378 km

h là độ cao của vệ tinh địa tĩnh so với mặt đất, xấp xỉ bằng 35786 km cos φ = cos l cos L ( Với: L là hiệu 2 kinh độ của vệ tinh và trạm mặt đất;

l là vĩ độ của trạm mặt đất)

Trang 13

2.4.3 Vĩ độ cao nhất mà vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng

Vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng các diện tích khác nhau trên Trái Đất nằm ở vị trí

τ max=2√(R E+h)2+R E2

c =0.24 (s) (2.7)

2.5 Một số thông số cơ bản của vệ tinh phi địa tĩnh (quỹ đạo elip)

Các thông số cần nói đến khi xem xét một vệ tinh phi địa tĩnh bao gồm:

 Viễn điểm (Apogee): điểm xa Trái Đất nhất trên quỹ đạo

 Cận điểm (Perigee): điểm gần Trái Đất nhất trên quỹ đạo

 Góc nghiêng (Inclination): Góc hợp bởi giữa mặt phẳng quỹ đạo vàmặt phẳng xích đạo

2.6 Câu hỏi và bài tập

Bài tập: Một vệ tinh địa tĩnh đặt tại 90°W Anten trạm mặt đất được đặt tại vĩ độ

40°N, kinh độ 100°W Tính góc phương vị, góc ngẩng và khoảng cách từ trạm mặtđất đến vệ tinh

Đáp số:

 Góc phương vị: φ=41°2’

 Góc ngẩng : θ = 42°35’

Khoảng cách: R = 37586.28 (km)

Trang 14

Câu hỏi:

- Tốc độ dài và tốc độ góc của vệ tinh địa tĩnh? (3075m/s và 360 o /23h56’)

- Vĩ độ cao nhất mà vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng được là bao nhiêu?

(81,3 o )

- Diện tích phủ sóng của 1 vệ tinh địa tĩnh là bao nhiêu? ( ≈ 42,437%)

- Khoảng cách từ vệ tinh Vinasat1 đến trạm Hà Nội? ( ≈ 36975 km)

Chương 3 Đặc điểm của kênh truyền và tính toán tuyến (trạm mặt đất – vệ tinh)

3.1 Ảnh hưởng của tầng khí quyển đến kênh truyền

Tầng khí quyển là môi trường truyền sóng có ảnh hưởng trực tiếp đến sóngtruyền trong hệ thống thông tin vệ tinh Trong tầng khí quyển thì các tác động rõnét nhất đến kênh truyền là các ảnh hưởng của tầng đối lưu và tầng điện ly

3.1.1 Ảnh hưởng của tầng đối lưu

- Tầng đối lưu là tầng khí quyển nằm từ sát mặt đất và lên đến độ cao khoảng:

10km ở các vùng cực, 12km ở các vùng ôn đới, 20km ở vùng xích đạo

- Tầng đối lưu có chiết suất biến đổi đều theo độ cao Do vậy tia sóng sẽ bị uốn

cong chứ không còn truyền theo quỹ đạo thẳng (hiện tượng khúc xạ khí quyển).

- Ảnh hưởng chính của tầng đối lưu là làm suy hao tín hiệu

Có 2 nguyên nhân chính: + Hấp thụ phân tử (O2)

+ do hơi nước (H2O)Ảnh hưởng do hơi nước bao gồm: Mây mù (2,3g/cm3), mưa (5,4g/cm3), độ ẩmtuyệt đối…

Câu hỏi: Yếu tố nào quan trọng nhất?

Trả lời: là Mưa do mưa xảy ra ở độ cao lớn (~10Km), trên vùng diện tích rộng

và thường xuyên xảy ra.

3.1.2 Ảnh hưởng của tầng điện li

-Tầng điện ly là tầng khí quyển bị ion hoá nằm ở độ cao 60 đến 600km

- Nguyên nhân gây ion hoá ở tầng điện li: Bức xạ mặt trời dẫn đến sự phân li cácphân tử oxi, nitơ thành các nguyên tử…

- Các phần tử mang điện trong tầng điện li sẽ tác động đến sóng vô tuyến khitruyền trong tầng điện li và sẽ gây ra 2 hiện tượng:

+ Quay Faraday: là hiện tượng quay đối với các sóng mang có phân cực thẳng Giá trị quay Faraday: Φ =2,36.10 2.B av.N T.f2rad,

Trong đó B av là cường độ từ trường trung bình của trái đất (Wb/m3),

N T= 1016-1018 (el/.m2), f là tần số (GHz)

Ngày đăng: 04/02/2018, 13:42

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w