Tổng quan về thông tin vệ tinh

Chúng ta đang sống trong thời kỳ quá độ tới một x• hội định hướng thông tin tiên tiến nhờ có các công nghệ mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các loại thông tin truyền trên sóng vô tuyến, đó là viễn thông vô tuyến đ• đi vào đời sống hàng ngày của chúng ta và chúng ta có thể cảm nhận cuộc sống hiện tại của thế giới xung quanh chúng ta nhờ các phương tiện truyền hình và điện thoại quốc tế. Các thông tin được phân ra các loại như thông tin dùng cáp đồng trục hoặc cáp sợi quang và thông tin vô tuyến sử dụng sóng vô tuyến điện nối liền nhiều nơi trên thế giới vượt qua “không gian” và “thời gian”. Đối với thông tin vô tuyến quốc tế, thông tin vệ tinh đ• cung cấp các đường thông tin dung lượng lớn thay thế thông tin sóng ngắn mà trước đây thường sử dụng mục đích của bản đồ án này là giới thiệu các chức năng chủ yếu của thông tin vệ tinh đ• có sự phát triển vượt bậc trên 20 năm qua và đ• trở thành phương tiện thông tin để xây dựng một x• hội thông tin tiên tiến. Qua thời gian nghiên cứu và tìm hiểu em đ• hoàn tất bản đồ án này, đồ án đề cập đến “Tổng quan về thông tin vệ tinh” được chia làm ba phần chính như sau: Phần I - Cơ sở về thông tin vệ tinh Phần II - Công nghệ thông tin vệ tinh Phần III - Thiết kế tuyến năng lượng. Bản đồ án này được hoàn tất với sự nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của thầy Phạm Công Hùng.

Lời nói đầu Chúng ta đang sống trong thời kỳ quá độ tới một xã hội định hớng thông tin tiên tiến nhờ có các công nghệ mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các loại thông tin truyền trên sóng vô tuyến, đó là viễn thông vô tuyến đã đi vào đời sống hàng ngày của chúng ta và chúng ta có thể cảm nhận cuộc sống hiện tại của thế giới xung quanh chúng ta nhờ các phơng tiện truyền hình và điện thoại quốc tế. Các thông tin đợc phân ra các loại nh thông tin dùng cáp đồng trục hoặc cáp sợi quang và thông tin vô tuyến sử dụng sóng vô tuyến điện nối liền nhiều nơi trên thế giới vợt qua không gian và thời gian. Đối với thông tin vô tuyến quốc tế, thông tin vệ tinh đã cung cấp các đờng thông tin dung lợng lớn thay thế thông tin sóng ngắn mà trớc đây thờng sử dụng mục đích của bản đồ án này là giới thiệu các chức năng chủ yếu của thông tin vệ tinh đã có sự phát triển vợt bậc trên 20 năm qua và đã trở thành phơng tiện thông tin để xây dựng một xã hội thông tin tiên tiến. Qua thời gian nghiên cứu và tìm hiểu em đã hoàn tất bản đồ án này, đồ án đề cập đến Tổng quan về thông tin vệ tinh đợc chia làm ba phần chính nh sau: Phần I - Cơ sở về thông tin vệ tinh Phần II - Công nghệ thông tin vệ tinh Phần III - Thiết kế tuyến năng lợng. Bản đồ án này đợc hoàn tất với sự nỗ lực của bản thân và sự hớng dẫn tận tình của thầy Phạm Công Hùng. Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn bản đồ án này không thể tránh khỏi những sai sót. Kính mong toàn thể các thầy cô trong Khoa chỉ bảo và các đồng nghiệp góp ý. Nhân đây em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Công Hùng cùng các thầy cô và các đồng nghiệp đã giúp em hoàn thiện bản đồ án này. 1 Phần I Cơ sở về thông tin vệ tinh Chơng I Sóng Điện từ và phân định tần số I.1-/ Tần số và các đặc tính của sóng vô tuyến điện sử dụng trong thông tin vệ tinh I.1.1-/ Sóng vô tuyến điện và tần số. Sóng vô tuyến điện là một bộ phận của sóng điện từ và giống nh sóng ánh sáng, tia hồng ngoại, tia X v.v . Sự khác nhau giữa chúng ở tần số. Theo Điều lệ vô tuyến điện của ITU, sóng vô tuyến điện đợc quy định là những sóng điện từ có tần số nhỏ hơn 3.000 GHz (bớc sóng 0,1 mm). Trong khoảng đó, các sóng có tần số từ 9 KHz (bớc sóng khoảng 33 Km) đến 270 GHz (bớc sóng 1,1mm) đợc phân định cho nhiều mục đích khác nhau. Các tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh th- ờng là từ 1 GHz (bớc sóng 30 cm) đến 10 GHz (bớc sóng 3 cm). Khoảng tần số này đợc gọi là "cửa sổ tần số", vì ảnh hởng do tạp âm nhiệt vũ trụ nhỏ, tổn hao do ma và do các phần tử khí có trong vũ trụ cũng nhỏ. I.1.2-/ Phân định tần số Việc phân định tần số đợc thực hiện theo Điều lệ vô tuyến ở mỗi khu vực của ITU. Có ba khu vực của ITU: Nhật Bản nằm ở khu vực 3. Khu vực 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên Xô cũ và các nớc Đông Âu. Khu vực 2: Các nớc Nam và Bắc Mỹ. Khu vực 3: Châu á và Châu Đại Dơng. Tuy nhiên do có sự khác nhau giữa các khu vực đối với dịch vụ thông tin vệ tinh nên việc phân định tần số cho ba khu vực này thờng đợc tiến hành với một vài ngoại lệ. (Xem bảng I.1 trang bên) I.2-/ Phổ sóng điện từ Sóng điện từ có tần số biến đổi từ 0 đến vô cùng. Hiện giờ tần số cao nhất đ- ợc biết là các tia vũ trụ có tần số từ 5 x 10 20 đến 8 x 10 21 Hz. Trong dải tần số rộng lớn nh vậy, khi các tần số khác nhau chúng có những tính chất khác nhau, do đó để có một khái niệm rõ ràng khi sử dụng ngời ta chia thành các băng tần số thờng là có cùng tính chất và có ứng dụng nh nhau. 2 Bảng I.1 - Tên và phân loại sóng vô tuyến. Tần số No.N Dải tần số Tên băng tần (viết tắt) Phân loại theo bớc sóng Sử dụng chủ yếu trong 30 - 300 Hz Tần số cực kỳ thấp (VLF) Sử dụng trong vật lý Cha đợc phân định 300Hz - 3KHz Tần số cực thấp (EHF) 4 3 - 30KHz Tần số rất thấp (VLF) Vô tuyến hàng hải Thông tin di động hàng hải 5 300-3000KHz Tần số thấp (LF) Sóng Mm (chục nghìn mét) Phát thanh Thông tin hàng hải Thông tin quốc tế 6 3 - 30MHz Tần số trung bình (MF) Sóng Km Phát thanh sóng ngắn Các loại thông tin di động Thông tin quốc tế 7 30 - 300MHz Tần số cao (HF) Sóng Hectomet (cỡ trăm mét) Phát thanh FM và truyền hình Các loại thông tin di động 8 300 - 3000MHz Tần số rất cao (VHF) Sóng decamet (cỡ chục mét) Truyền hình Các loại thông tin di động Các loại thông tin cố định 9 3 - 30 GHz Tần số cực cao (UHF) Sóng m Thông tin vệ tinh và rada Viễn thông công cộng Vô tuyến thiên văn 10 30 - 300GHz Tần số siêu cao (SHF) Sóng cm Vô tuyến thiên văn Rada sóng mm Nghiên cứu và thí nghiệm 11 300 - 3000GHz Tần số vô cùng cao (DHF) Sóng mm Cha đợc phân định 12 3000-30000GHz Sóng decilimet Trong thông tin vệ tinh, dải tần thờng đợc sử dụng là dải sóng siêu cao (SHF). I.3-/ Phân định băng tần số cho vệ tinh địa tĩnh Các tần số lý tởng đối với thông tin vệ tinh địa tĩnh nằm trong khoảng cửa sổ tần số. Nhng băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh yêu cầu rất rộng không thể chứa đủ trong khoảng cửa sổ tần số. Do đó phải sử dụng các tần số mới, các tần số này phải đợc thăm dò cẩn thận. 3 Hiện nay băng C và băng Ku đợc sử dụng phổ biến nhất. Băng L đợc sử dụng cho các ứng dụng khác. Đối với thông tin vệ tinh quốc tế độ tin cậy là rất quan trọng do đó việc lựa chọn băng tần dùng cho thông tin vệ tinh quốc tế cần phải đợc thực hiện kỹ càng. Ngời ta đã chọn băng C dùng cho thông tin vệ tinh quốc tế còn băng Ku dùng cho thông tin vệ tinh nội địa. Bảng I.2 - Các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh. Tên băng tần Tần số GHz Bớc sóng (cm) Băng L 0,390 - 1,661 76,9 - 18 Băng S 1,662 - 3,399 18 - 8,82 Băng C 3,4 - 7,075 8,82 - 4,14 Băng X 7,025 - 8,425 4,14 - 3,56 Băng Ku 10,9 - 18,1 2,75 - 1,66 Băng Ka 17,7 - 36,0 1,95 - 0,833 4 Chơng II Quá trình truyền sóng trong thông tin vệ tinh II.1-/ ảnh hởng của tầng điện ly đối với sóng điện từ Sóng điện từ có thể truyền lan trong không gian tự do hay trong khí quyển và tần số của sóng càng cao thì khả năng truyền lan của nó càng lớn, với các tần số nhỏ hơn 30 KHz thì nó không có khả năng truyền lan. Trong quá trình truyền lan, sóng điện từ bị suy hao do sự hấp thụ của khí quyển, sự suy hao này phụ thuộc vào các điều kiện khí tợng, điều kiện thời tiết, và cờng độ bức xạ của mặt trời. Trong tầng khí quyển, do bức xạ của mặt trời mà khí quyển chia làm các lớp: - Tầng đối lu nằm từ mặt đất đến độ cao khoảng 10 Km. - Tầng bình lu nằm từ khoảng 10 Km đến độ cao khoảng 35 Km. - Tầng điện ly cao khoảng 400 Km Tầng điện ly có mật độ loãng ở phía trên còn phía dới có mật độ dày đặc hơn, nhng bức xạ của mặt trời lại mạnh hơn ở phía trên và yếu hơn khi xuyên xuống lớp dới cho mật độ điện tử và ion sẽ đạt cực đại ở độ cao khi mà mật độ chất khí đủ lớn và cờng độ bức xạ đủ mạnh. Ban ngày tầng điện ly chia làm 3 lớp là D, E, F riêng lớp F lại chia làm 2 lớp là F 1 và F 2 . Tình trạng các lớp này thay đổi theo vị trí của mặt trời, ban ngày bức xạ mặt trời chiếu thẳng vào tầng điện ly làm tăng số phần tử bị ion hoá còn ban đêm bức xạ và ion giảm làm lớp D biến mất và lớp F 1 kết hợp với F 2 tạo thành một lớp F. Tầng điện ly có những ảnh hởng tới sóng điện từ, nó không chỉ làm suy hao sóng mà còn làm lệch hớng truyền sóng, ở dải tần số thấp sóng không thể đi qua đợc tầng điện ly, ở băng tần số cao thì tầng điện ly uốn cong quỹ đạo truyền sóng tần số càng cao càng ít bị uốn cong. Từ dải tần số cực cao UHF trở lên, sóng không còn bị ảnh hởng bởi tầng điện ly. Do những đặc tính nh vậy của tầng điện ly lợi dụng sự uốn cong hớng truyền sóng (sự phản xạ) ta có thể thiết lập đờng truyền với cự ly khá xa khi sử dụng sóng HF. II.2-/ Tiêu hao trong quá trình truyền sóng. 5 Trong thông tin, khi sóng đi qua khoảng không gian vũ trụ, trong môi trờng này có rất ít các chất có khả năng làm suy hao sóng hay làm lệch hớng truyền lan của nó. Sự suy hao này chỉ là sự khuếch tán tự nhiên của nó. Môi trờng này còn gọi là không gian tự do. Trong không gian tự do, tỷ số công suất phát trên công suất thu tại một điểm cách nơi phát một khoảng R là: = (4R/ ) 2 : là bớc sóng của sóng vô tuyến điện. Tỷ số này gọi là tiêu hao không gian tự do. Khi sóng truyền trong khí quyển, sự hấp thụ của khí quyển phụ thuộc vào tần số của sóng. Tần số càng tăng thì khả năng hấp thụ của tầng điện ly đối với sóng càng giảm, tuy nhiên khi tần số tăng hơn nữa bắt đầu từ 4 GHz trở lên thì sự hấp thụ lại tăng do có sự hấp thụ của tầng đối lu. Sự hấp thụ trong khí quyển cũng phụ thuộc vào góc tà. Với góc tà thấp, tín hiệu có đờng đi trong khí quyển lớn do đó hấp thụ cũng tăng. II.3-/ Cửa sổ vô tuyến. Hình 1.1 - Suy hao của sóng vô tuyến điện trong khí quyển trái đất 6 Trong thông tin vệ tinh, do ảnh hởng của tầng điện ly lên sóng có tần số càng cao thì càng ít nên thờng sử dụng các sóng cao, siêu cao tần. Tuy nhiên, ảnh hởng của không khí, hơi nớc và ma đối với sóng điện từ lại tăng theo tần số, sự hấp thụ này bắt đầu tăng ở khoảng 4 GHz và hấp thụ là cực đại ở khoảng tần số 21 GHz ữ 60 GHz. Khoảng tần số từ 600 MHz ữ 4 GHz ít chịu ảnh hởng của sự suy hao do tầng điện ly và tầng đối lu nhất, khoảng tần số này đợc gọi là cửa sổ vô tuyến. Nó là tần số lý tởng nhất dành cho thông tin vệ tinh. II.4-/ Tạp âm trong quá trình truyền sóng. Các chất khí của khí quyển và ma không chỉ hấp thụ sóng điện từ mà còn là các nguồn bức xạ tạp âm nhiệt. Tạp âm do các chất khí trong khí quyển ảnh hởng không nhiều đến sự truyền lan sóng vô tuyến điện so với tạp âm gây ra do ma. Ngoài ra còn có tạp âm gây ra bởi trái đất do trái đất bị mặt trời đốt nóng nên phát ra nhiệt gây ra tạp âm, tuy nhiên nó chỉ ảnh hởng nhiều tới các vệ tinh do anten của vệ tinh hớng về trái đất. Nhiệt tạp âm của mặt đất đối với vệ tinh khoảng 250 0 K ữ 300 0 K. Nh ta đã biết, tổng tạp âm đờng truyền bao gồm tạp âm đờng lên, tạp âm xuyên điều chế của bộ phát đáp vệ tinh, tạp âm đờng xuống và tạp âm nhiễu trong hệ thống. Tổng tạp âm đờng truyền có thể tính theo biểu thức sau đây: Công thức: (C/T) T = Trong đó (C/T) đợc biểu diễn ở dạng đối log a . 7 Chơng III Nguyên lý thông tin vệ tinh Một vệ tinh sau khi đợc phóng vào trong vũ trụ có khả năng thu phát sóng điện từ, khi đó vệ tinh sẽ khuếch đại tín dụng thu đợc từ các trạm mặt đất và phát lại cho các trạm mặt đất khác. Loại vệ tinh nhân tạo nh vậy đợc sử dụng cho thông tin đợc gọi là vệ tinh thông tin. Hình 3.1 - Các dạng quỹ đạo của vệ tinh thông tin. Do vệ tinh chuyển động khác nhau khi quan sát từ mặt đất phụ thuộc vào quỹ đạo bay của nó nên vệ tinh đợc chia làm các loại sau: * Quỹ đạo cực tròn: quỹ đạo bay của vệ tinh trùng với trục của trái đất. Ưu điểm là mọi điểm trên trái đất đều nhìn thấy vệ tinh trong khoảng thời gian nhất định cho nên đạt đợc việc phủ sóng toàn cầu do vệ tinh lần lợt quét tất cả các vị trí trên trái đất. Loại này ít đợc sử dụng cho thông tin vệ tinh vì thời gian xuất hiện của nó ít. * Quỹ đạo elip nghiêng: quỹ đạo của vệ tinh nghiêng so trục trái đất. Loại này có khả năng bao phủ tới các vùng cực cao mà vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới đợc. Nhợc điểm là hiệu ứng Doppler lớn và kỹ thuật điều khiển bám phải ở mức cao. 8 Quỹ đạo elip nghiêng Earth Quỹ đạo xích đạo tròn * Quỹ đạo xích đạo tròn: Quỹ đạo này vệ tinh bay trực tiếp trên đờng xích đạo và là dạng quỹ đạo đợc dùng cho vệ tinh điạ tĩnh. Nếu bay ở độ cao đúng dạng quỹ đạo này sẽ là lý tởng đối với các vệ tinh thông tin. Dạng quỹ đạo xích đạo đợc phân ra ba dạng: + Quỹ đạo thấp: Dạng quỹ đạo có độ cao điển hình là từ 160Km ữ 480Km, nó có chu kỳ quay khoảng 90 phút. Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng 30 phút hoặc ít hơn. Dạng quỹ đạo này không thích hợp cho thông tin vệ tinh. + Quỹ đạo trung bình: Độ cao điển hình của dạng này khoảng 10000 - 20000Km. Chu kỳ bay của quỹ đạo là 5 - 12 giờ, thời gian quan sát thấy vệ tinh từ 2 ữ4 giờ. Loại này cũng không thích hợp cho vệ tinh thông tin. + Quỹ đạo địa tĩnh: Độ cao 36000Km và vệ tinh coi nh đứng yên trên mặt phẳng xích đạo khi quan sát từ một vị trí cố định trên mặt đất, ở độ cao này vệ tinh có thể đợc quan sát thấy 24 giờ trong ngày. Quỹ đạo này là lý tởng cho vệ tinh thông tin. Hình 3.2 - Phủ sóng toàn cầu với ba vệ tinh địa tĩnh. Để tận dụng hơn nữa các tiềm năng khi sử dụng tân số của vệ tinh, ngời ta bố trí anten trên vệ tinh để có đợc dạng phủ sóng khác nhau trên mặt đất. Sự phủ sóng của vệ tinh lên mặt đất đợc gọi là "Vết in". Trong thông tin vệ tinh có 4 loại vết in đợc sử dụng là: 9 Quả đất - VÕt in toµn cÇu. - VÕt in b¸n cÇu. - VÕt in vïng. - VÕt in ®èm. H×nh 3.3 - VÕt in toµn cÇu 10