CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VỆ TINH

Hiện nay chúng ta đang sống trong một thế giới thông tin, những công nghệ thông tin tiên tiến phát triển liên tục không ngừng. Nó đang xâm nhập vào mọi lĩnh vực, mọi ngành và mang lại những lợi ích to lớn nhằm phục vụ cho con người. Công nghệ thông tin vệ tinh tuy mới ra đời cách đây khoảng 30 năm nhưng nó nhanh chóng phát triển do có những ưu điểm đặc biệt và trở thành một ngành thông tin, quan trọng cho công tác nghiên cứu khoa học và trực tiếp phục vụ cho đời sống con người. Nước ta đã có nhiều trạm vệ tinh mặt đất tiêu chuẩn A, B và sẽ tiếp tục xây dựng thêm nhiều trạm mới rải khắp đất nước để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ viễn thông quốc tế. Trong tương lai không xa chúng ta sẽ có vệ tinh nội địa riêng của mình để phục vụ cho các dịch vụ viễn thông trong nước và khu vực. Tập tài liệu này đề cập đến những lý thuyết tổng quan về công nghệ thông tin vệ tinh. Là một tài liệu cơ bản tuy không đi sâu vào các chi tiết kỹ thuật của từng thiết bị thông tin nhưng cung cấp nhiều kiến thức tổng quát về thông tin vệ tinh có thể trợ giúp tốt cho việc tham khảo và tìm hiểu. Được soạn trong thời gian ngắn và ít có tài liệu tham khảo nên chắc chắn tài liệu này không thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được các ý kiến đóng góp để có thể hoàn thiện hơn. Và trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Công Hùng đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản đồ án này

 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Công Nghệ Thông Tin Vệ Tinh LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay chúng ta đang sống trong một thế giới thông tin, những công nghệ thông tin tiên tiến phát triển liên tục không ngừng. Nó đang xâm nhập vào mọi lĩnh vực, mọi ngành và mang lại những lợi ích to lớn nhằm phục vụ cho con người. Công nghệ thông tin vệ tinh tuy mới ra đời cách đây khoảng 30 năm nhưng nó nhanh chóng phát triển do có những ưu điểm đặc biệt và trở thành một ngành thông tin, quan trọng cho công tác nghiên cứu khoa học và trực tiếp phục vụ cho đời sống con người. Nước ta đã có nhiều trạm vệ tinh mặt đất tiêu chuẩn A, B và sẽ tiếp tục xây dựng thêm nhiều trạm mới rải khắp đất nước để đáp ứng các yêu cầu dịch vụ viễn thông quốc tế. Trong tương lai không xa chúng ta sẽ có vệ tinh nội địa riêng của mình để phục vụ cho các dịch vụ viễn thông trong nước và khu vực. Tập tài liệu này đề cập đến những lý thuyết tổng quan về công nghệ thông tin vệ tinh. Là một tài liệu cơ bản tuy không đi sâu vào các chi tiết kỹ thuật của từng thiết bị thông tin nhưng cung cấp nhiều kiến thức tổng quát về thông tin vệ tinh có thể trợ giúp tốt cho việc tham khảo và tìm hiểu. Được soạn trong thời gian ngắn và ít có tài liệu tham khảo nên chắc chắn tài liệu này không thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được các ý kiến đóng góp để có thể hoàn thiện hơn. Và trước tiên tôi xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Công Hùng đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản đồ án này. Ho ng Minh à Đức 1  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Công Nghệ Thông Tin Vệ Tinh PHẦN I CƠ SỞ THÔNG TIN VỆ TINH CHƯƠNG 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 như 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 được quy định là những sóng điện từ có tần số nhỏ hơn 3.000 GHz (bước sóng 0,1 mm). Trong khoảng đó, các sóng có tần số từ 9 KHz (bước sóng khoảng 33 Km) đến 270 GHz (bước sóng 1,1mm) được phân định cho nhiều mục đích khác nhau. Các tần số sử dụng cho thông tin vệ tinh thường là từ 1 GHz (bước sóng 30 cm) đến 10 GHz (bước sóng 3 cm). Khoảng tần số này được gọi là "cửa sổ tần số", vì ảnh hưởng do tạp âm nhiệt vũ trụ nhỏ, tổn hao do mưa và do các phần tử khí có trong vũ trụ cũng nhỏ. I.1.2-/ Phân định tần số Việc phân định tần số được 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 nước Đông Âu. Khu vực 2: Các nước Nam và Bắc Mỹ. Khu vực 3: Châu Á và Châu Đại Dương. 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 thường được tiến hành với một vài ngoại lệ. (Xem bảng I.1 trang bên) I.2-/ PHỔ SÓNG ĐIỆN TỬ Sóng điện từ có tần số biến đổi từ 0 đến vô cùng. Hiện giờ tần số cao nhất được 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 như 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 người ta chia thành các băng tần số thường là có cùng tính chất và có ứng dụng như nhau. BẢNG I.1 - TÊN VÀ PHÂN LOẠI SÓNG VÔ TUYẾN. Ho ng Minh à Đức 2  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Công Nghệ Thông Tin Vệ Tinh Tần số No.N Dải tần số Tên băng tần (viết tắt) Phân loại theo bước sóng Sử dụng chủ yếu trong 30 - 300 Hz Tần số cực kỳ thấp (VLF) Sử dụng trong vật lý Chưa được 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 Chưa được phân định 12 3000-30000GHz Sóng decilimet Trong thông tin vệ tinh, dải tần thường được sử dụng là dải sóng siêu cao (SHF). I.3-/ PHÂN ĐỊNH BĂNG TẦN SỐ CHO VỆ TINH ĐỊA TĨNH Các tần số lý tưởng đối với thông tin vệ tinh địa tĩnh nằm trong khoảng cửa sổ tần số. Nhưng 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 được thăm dò cẩn thận. Ho ng Minh à Đức 3  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Công Nghệ Thông Tin Vệ Tinh Hiện nay băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất. Băng L được 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 được thực hiện kỹ càng. Người 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 Bước 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 Ho ng Minh à Đức 4  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Công Nghệ Thông Tin Vệ Tinh CHƯƠNG II QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH II.1-/ ẢNH HƯỞNG 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 quyền, sự suy hao này phụ thuộc vào các điều kiện khí tượng, điều kiện thời tiết, và cường 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 lưu nằm từ mặt đất đến độ cao khoảng 10 Km. - Tầng bình lưu 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 dưới có mật độ dày đặc hơn, nhưng bức xạ của mặt trời lại mạnh hơn ở phía trên và yếu hơn khi xuyên xuống lớp dưới cho mật độ điện tử và ion sẽ đạt cực đại ở độ cao khi mà mật độ chất khí đủ lớn và cường 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 hưởng tới sóng điện từ, nó không chỉ làm suy hao sóng mà còn làm lệch hướng truyền sóng, ở dải tần số thấp sóng không thể đi qua được 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 hưởng bởi tầng điện ly. Do những đặc tính như vậy của tầng điện ly lợi dụng sự uốn cong hướng truyền sóng (sự phản xạ) ta có thể thiết lập đường truyền với cự ly khá xa khi sử dụng sóng HF. Ho ng Minh à Đức 5  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Công Nghệ Thông Tin Vệ Tinh II.2-/ TIÊU HAO TRONG QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG. Trong thông tin, khi sóng đi qua khoảng không gian vũ trụ, trong môi trường này có rất ít các chất có khả năng làm suy hao sóng hay làm lệch hướng truyền lan của nó. Sự suy hao này chỉ là sự khuếch tán tự nhiên của nó. Môi trường 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: ϒ = (4πR/ λ) 2 λ: là bước 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 lưu. Sự hấp thụ trong khí quyển cũng phụ thuộc vào góc tà. Với góc tà thấp, tín hiệu có đường 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 Ho ng Minh à Đức 6  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Công Nghệ Thông Tin Vệ Tinh Trong thông tin vệ tinh, do ảnh hưởng của tầng điện ly lên sóng có tần số càng cao thì càng ít nên thường sử dụng các sóng cao, siêu cao tần. Tuy nhiên, ảnh hưởng của không khí, hơi nước và mưa 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 ÷ 60 GHz. Khoảng tần số từ 600 MHz ÷ 4 GHz ít chịu ảnh hưởng của sự suy hao do tầng điện ly và tầng đối lưu nhất, khoảng tần số này được gọi là cửa sổ vô tuyến. Nó là tần số lý tưởng nhất dành cho thông tin vệ tinh. II.4-/ TẠP ÂM TRONG QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG. Các chất khí của khí quyển và mưa 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 hưởng không nhiều đến sự truyền lan sóng vô tuyến điện so với tạp âm gây ra do mưa. 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 hưởng nhiều tới các vệ tinh do anten của vệ tinh hướng về trái đất. Nhiệt tạp âm của mặt đất đối với vệ tinh khoảng 250 0 K ÷ 300 0 K. Như ta đã biết, tổng tạp âm đường truyền bao gồm tạp âm đường lên, tạp âm xuyên điều chế của bộ phát đáp vệ tinh, tạp âm đường xuống và tạp âm nhiễu trong hệ thống. Tổng tạp âm đường truyền có thể tính theo biểu thức sau đây: Công thức: (C/T) T = Trong đó (C/T) được biểu diễn ở dạng đối loga. Ho ng Minh à Đức 7  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Công Nghệ Thông Tin Vệ Tinh CHƯƠNG III NGUYÊN LÝ THÔNG TIN VỆ TINH Một vệ tinh sau khi được phóng vào trong vũ trụ có khả năng thu phát sóng điện từ, khi đó vệ tinh sẽ khuếch đại tín dụng thu được từ các trạm mặt đất và phát lại cho các trạm mặt đất khác. Loại vệ tinh nhân tạo như vậy được sử dụng cho thông tin được 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 được 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 được việc phủ sóng toàn cầu do vệ tinh lần lượt quét tất cả các vị trí trên trái đất. Loại này ít được 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 được. Nhược điểm là hiệu ứng Doppler lớn và kỹ thuật điều khiển bám phải ở mức cao. Ho ng Minh à Đức 8 Quỹ đạo elip nghiêng Quả đất Quỹ đạo xích đạo tròn  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Công Nghệ Thông Tin Vệ Tinh * Quỹ đạo xích đạo tròn: Quỹ đạo này vệ tinh bay trực tiếp trên đường xích đạo và là dạng quỹ đạo được dùng cho vệ tinh điạ tĩnh. Nếu bay ở độ cao đúng dạng quỹ đạo này sẽ là lý tưởng đối với các vệ tinh thông tin. Dạng quỹ đạo xích đạo được phân ra ba dạng: + Quỹ đạo thấp: Dạng quỹ đạo có độ cao điển hình là từ 160Km ÷ 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 ÷4 giờ. Loại này cũng không thích hợp cho vệ tinh thông tin. + Quỹ đạo địa tĩnh: Độ cao 36000Km và vệ tinh coi như 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 được quan sát thấy 24 giờ trong ngày. Quỹ đạo này là lý tưởng 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, người ta bố trí anten trên vệ tinh để có được dạng phủ sóng khác nhau trên mặt đất. Sự phủ sóng của vệ tinh lên mặt đất được gọi là "Vết in". Trong thông tin vệ tinh có 4 loại vết in được sử dụng là: Ho ng Minh à Đức 9 Quả đất  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Công Nghệ Thông Tin Vệ Tinh - Vết in toàn cầu. - Vết in bán cầu. - Vết in vùng. - Vết in đốm. HÌNH 3.3 - VẾT IN TOÀN CẦU Ho ng Minh à Đức 10