Bài giảng thông tin vệ tinh

Bài giảng thông tin vệ tinh Bài giảng thông tin vệ tinh dùng cho hệ đào tạo dài hạn. Mời các bạn cùng tham khảo học tập mở mang kiến thức. Vào cuối thể kỉ 19, nhà bác học Nga đã đưa ra các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng, ông cũng đưa ra ý tưởng về tên lửa đẩy nhiệt tầng, các tàu vũ trụ có người điều khiển dùng để thăm dò vũ trụ.

z  Bài giảng thông tin vệ tinh Nguyễn Trung Tấn Trung tâm Kỹ thuật Viễn thông Khoa Vô tuyến Điện tử Học viện Kỹ thuật Quân sự Bi giảng thông tin vệ tinh dùng cho hệ đào tạo dài hạn (45 tiết- dự thảo) Chơng 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh (8 tiết) 1.1. Lịch sử phát triển thông tin vệ tinh. Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1035) đã đa ra các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. Ông cũng đa ra ý tởng về tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có ngời điều khiển dùng để thăm dò vũ trụ. Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. Tháng 5 năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý nổi tiếng ngời Anh đồng thời là tác giả của mô hình viễn tởng thông tin toàn cầu, đã đa ra ý tởng sử dụng một hệ thống gồm 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh quảng bá trên toàn thế giới. Tháng 10 / 1957 lần đầu tiên trên thế giới, Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK 1. Đánh dấu một kỷ nguyên về TTVT. Năm 1958 bức điện đầu tiên đợc phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ, bay ở quỹ đạo thấp. Năm 1964 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTELSAT. Năm 1965 ra đời hệ thống TTVT thơng mại đầu tiên INTELSAT-1 với tên gọi Early Bird. Cuối năm 1965 Liên Xô phóng TTVT MOLNYA lên quỹ đạo elíp. Năm 1971 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên Xô và 9 nớc XHCN. Năm 1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa. Năm 1979 thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT. Năm 1984 Nhật bản đa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh. Năm 1987 Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh. Thời kỳ những năm 1999 đến nay, ra đời ý tởng và hình thành những hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh. Các hệ thống điển hình nh GLOBAL STAR, IRIDIUM, ICO, SKYBRIGDE, TELEDESIC. Một số mốc đánh dấu sự phát triển của hệ thống TTVT ở Việt Nam : Năm 1980 khánh thành trạm TTVT mặt đất Hoasen-1, nằm trong hệ thống TTVT INTERPUTNIK, đợc đặt tạo làng Do Lễ Kim Bảng Hà Nam. Đài Hoasen-1 là sản http://www.ebook.edu.vn Trang: 1 phẩm của nhà nớc Liên Xô tặng nhân dân Việt Nam và đã kịp thời truyền đi trực tiếp những hình ảnh về Olimpic 1980 tổ chức tại Liên Xô. Năm 1984 khánh thành trạm mặt đất Hoasen-2 đặt tại Tp. HCM. Ngày 24/9/1998 Thủ tớng chính phủ ra quyết định 868/QĐ-TTG về việc thông qua báo cáo tiền khả thi dự án phóng vệ tinh viễn thông ViNaSAT lên quỹ đạo địa tĩnh do tổng công ty Bu chính viễn thông Việt Nam làm chủ đầu t. Hiện nay mạng lới thông tin vệ tinh của việt nam đang chỉ sử dụng các trạm mặt đất nh: Đài truyền hình Việt Nam thuê vệ tinh MEASAT và THAICOM-3, đài tiếg nói Việt Nam thuê vệ tinh PALAPA để phát thanh chơng trình quốc tế . 1.2. Quỹ đạo của vệ tinh. các vệ tinh trên quỹ đạo đợc phân biệt bởi các tham số sau đây: - Dạng của quỹ đạo (tròn hay ellip) - Độ cao của quỹ đạo so với mặt đất. - Độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo. Sự chuyển động của vệ tinh vòng quanh trái đất đợc tuân theo định luật Kepler, đây là định luật xác định quy luật chuyển động của hành tinh xung quanh mặt trời. Nh vậy, vệ tinh quỹ đạo trái đất buộc phải chuyển động theo một quỹ đạo mà mặt phẳng quỹ đạo của nó đi qua tâm trái đất. Định luật kepler thứ nhất : Vệ tinh chuyển động vòng quanh trái đất theo một quỹ đạo Ellip với tâm trái đất nằm ở một trong hai tiêu điểm của Ellip. Điểm xa nhất của quỹ đạo so với tâm trái đất nằm ở phía của tiêu điểm thứ hai, đợc gọi là viễn điểm còn điểm gần nhất của quỹ đạo đợc gọi là cận điểm a: Bán trục dài b: Bán trục ngắn h a : Độ cao viễn điểm h b : Độ cao cận điểm e: Độ lệch tâm xác định hình dạng ellip . a ba e 22 = ý nghĩa : - Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo tròn hoặc Ellip. - Tâm trái đất nằm 1 trong 2 tiêu điểm của quỹ đạo Ellip. - Nếu là quỹ đạo tròn thì tâm của quỹ đạo trùng với tâm của trái đất. - Khi e = 0, thì quỹ đạo vệ tinh là quỹ đạo tròn. b. Định luật kepler thứ hai : 2a 2b h a h b http://www.ebook.edu.vn Trang: 2 Vệ tinh chuyển động theo một quỹ đạo với vận tốc thay đổi sao cho đờng nối giữa tâm trái đất và vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau khi vệ tinh chuyển động trong cùng một thời gian nh nhau. Với: T 1 = T 2 thì S 1 = S 2 ý nghĩa: - Vệ tinh chuyển động với vận tốc nhanh hơn khi gần trái đất và chậm hơn khi xa trái đất. - Vận tốc chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo tròn là không đổi và đợc xác định: Vệ tinh bay ở quỹ đạo tròn có bán kính R sẽ là một đại lợng không đổi, đợc xác định khi thực hiện phép lấy cân bằng lực hút và lực ly tâm R mV R mMG 2 2 = , có vận tốc là () sKm R R GM V / 630 == và chu kỳ là (s) 10 2 32 R V R T = . Trong đó: + G là hằng số hấp dẫn (6,674.10 -8 cm 3 /gs 2 ) + M là khối lợng của trái đất (5,974.10 27 g) + m là khối lợng của quả vệ tinh (g) + R là khoảng cách từ tâm trái đất đến vệ tinh (km) c. Định luật kepler thứ ba : Bình phơng của chu kỳ quay tỷ lệ thuận với luỹ thừa bậc ba của bán trục lớn của quỹ đạo Ellip. 32 kaT = , k là hệ số tỷ lệ, có giá trị không đổi đối với một vật thể xác định trên quỹ đạo. 1.2.2. Các quỹ đạo a. Quỹ đạo đồng bộ - đĩa tĩnh (GEO - Geostationalry Earth Orbit) : Là quỹ đạo thoả mãn các điều kiện sau: S 1 S 2 V max V min T 2 T 1 Quả đất Quỹ đạo địa tĩnh Đờng xích đạo 62.000Km 36.000Km r E mMG/R 2 -mV 2 /R V http://www.ebook.edu.vn Trang: 3 - Là quỹ đạo đồng bộ với trái đất: có nghĩa là chu kỳ quay bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục Bắc Nam. - Mặt phẳng quỹ đạo năm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất: có nghĩa là góc nghiêng bằng 0. - Có cùng chiều quay với chiều quay của trái đất: từ Tây sang Đông. áp dụng các công thức trên ta có Km 164.42 4 2 2 == MGT R , độ cao của quả vệ tinh so với mặt đất là 42.164 6378 = 35.786 Km 36.000Km, vận tốc V = 3,074662 Km/s và chu kỳ T = 23 h 56 4,096 24 giờ . Ưu điểm: - Hiệu ứng Dopler rất nhỏ do đó việc điều chỉnh an ten trạm mặt đất là không cần thiết. - Vệ tinh đợc coi là đứng yên so với trạm mặt đất. Do vậy, đây là quĩ đạo lý tởng cho các vệ tinh thông tin, nó đảm bảo thông tin ổn định và liên tục suốt 24 giờ trong ngày. - Vùng phủ sóng của vệ tinh lớn, bằng 42,2% bề mặt trái đất. - Các trạm mặt đất ở xa có thể liên lạc trực tiếp và hệ thống 3 quả vệ tinh có thể phủ sóng toàn cầu. Nhợc điểm: + Quĩ đạo địa tĩnh là quĩ đạo duy nhất tồn tại trong vũ trụ và đợc cọ là một tài nguyên thiên nhiên có hạn. Tài nguyên này đang cạn kiệt do số lợng vệ tinh của các nớc phóng lên ngày càng nhiều. + Không phủ sóng đợc những vùng có vĩ độ lớn hơn 81,3 0 . + Chất lợng đờng truyền phụ thuộc vào thời tiết. + Thời gian trễ truyền lan lớn, theo đờng ngắn nhất có: Từ: trạm - vệ tinh - trạm (72.000Km) 240ms. Từ: trạm - vệ tinh - trạm Hub - vệ tinh - trạm (154.000Km) 513ms. Từ: trạm - vệ tinh - vệ tinh - trạm (134.000Km) 447ms. + Tính bảo mật không cao. + Suy hao công suất trong truyền sóng lớn (gần 200dB). ứng dụng: Đợc sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm thông tin cho các vùng có vĩ độ nhỏ hơn 81,3 0 . b. Quĩ đạo Ellip : Là quỹ đạo thoả mãn các điều kiện sau: - Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo 63 0 26 - Có viễn điểm = 40.000Km và cận điểm 500Km. Quỹ đạo Ellip 40.000 K http://www.ebook.edu.vn Trang: 4 - Vệ tinh quay từ Tây sang Đông. Ưu điểm: - Phủ sóng đợc các vùng có vĩ độ cao > 81,3 0 . - Góc ngẫng lớn nên giảm đợc tạp âm do mặt đất gây ra. Nhợc điểm: - Mỗi trạm phải có ít nhất 2 an ten và an ten phải có cơ cấu điều chỉnh chùm tia. - Để đảm bảo liên lạc liên tục 24 h thì phải cần nhiều vệ tinh. ứng dụng: Đợc sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm thông tin cho các vùng có vĩ độ lớn hơn 81,3 0 . c. Quĩ đạo LEO và MEO : Là quỹ đạo trong thoả mãn các điều kiện sau: - Là quỹ đạo có độ cao 500Km < h < 20.000Km. ( 500Km < h < 10.000Km là LEO và 10.000Km < h < 20.000Km là MEO) - Có vận tốc góc nhỏ lớn hơn vận tốc góc của trái đất. - Có chiều quay từ Tây sang Đông. Ưu điểm: - Tổn hao đờng truyền nhỏ do vệ tinh bay ở độ cao thấp, nên phù hợp với thông tin di động. - Trễ truyền lan nhỏ. Nhợc điểm: - Để đảm bảo thông tin liên tục trong 24 h và phủ sóng toàn cầu thì cần rất nhiều vệ tinh (Để phủ sóng toàn cầu hệ thống Globalstar cần đến 48 vệ tinh (và 8 vệ tinh dự phòng) các vệ tinh thông tin bay ở quĩ đạo tròn cách mặt đất 1410km, nghiêng 52 0 , các vệ tinh này bay trên 8 mặt phẳng quĩ đạo mỗi mặt phẳng có 6 vệ tinh, chu kỳ vệ tinh 114 phút. Tập đoàn Irdium (của Motorola) cần 66 + 6 vệ tinh bay ở quĩ đạo tròn nghiêng 84,6 0 cách mặt đất 780km, các vệ tinh bay ở 11 mặt phẳng quĩ đạo, chu kỳ vệ tinh 106 phút). - Mỗi trạm phải có ít nhất 2 an ten và an ten phải có cơ cấu điều chỉnh chùm tia. - Điều khiển hệ thống TTVT rất phức tạp - Tuổi thọ của vệ tinh không cao khi bay ở quỹ đạo LEO do thuộc vành đai Ion hoá. ứng dụng: Đợc sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm thông tin cho các trạm mặt đất di động. 1.3. Hệ thống thông tin vệ tinh. Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần không gian và phần mặt đất. http://www.ebook.edu.vn Trang: 5 a. Phần không gian: bao gồm vệ tinh thông tin và các trạm điều khiển TT&C (Telemetry, Tracking& Command: đo lờng từ xa, bám và lệnh) ở mặt đất. Đối với vệ tinh bao gồm phân hệ thông tin (payload) và các phân hệ phụ trợ cho phân hệ thông tin: - Phân hệ thông tin bao gồm hệ thống anten thu phát và tất cả các thiết bị điện tử hỗ trợ truyền dẫn các sóng mang. - Các phân hệ phụ trở gồm: + Khung vệ tinh + Phân hệ cung cấp năng lợng + Phân hệ điều khiển nhiệt độ + Phân hệ điều khiển quỹ đạo và t thế của vệ tinh + Phân hệ đẩy + Thiết bị TT&C - Nhiệm vụ phân hệ thông tin: + Khuyếch đại sóng mang thu đợc phục vụ cho việc phát lại trên đờng xuống. Công suất sóng mạng tại đầu vào của máy thu vệ tinh nằm trong khoảng 100 pW đến 1 PW. Công suất sóng mang tại đầu ra bộ khuếch đại công suất cao nằm trong khoảng 10 W đến 100 W. Do vậy, bộ khuếch đại công suất của bộ phát đáp vệ tinh khoảng 100dB đến 130dB. + Thay đổi tần số sóng mang để tránh một phần công suất phát đi vào máy thu vệ tinh. Để thực hiện các chức năng trên, vệ tinh hoạt động nh một trạm chuyển tiếp đơn giải. Thay đổi tần số trên vệ tinh đợc thực hiện bằng các bộ đổi tần. vệ tinh loại này đợc gọi là Transparent satellite. Nếu các sóng mang đợc giải điều chế trên vệ tinh, thay đổi tần số sẽ đạt đợc bằng cách điều chế các sóng mang mới cho đờng xuống. Các vệ tinh loại này đợc trang bị các bộ xử lý băng gốc và đợc gọi là Regenerative satellite. b. Phần mặt đất : bao gồm tất cả các trạm mặt đất, những trạm này thờng đợc nối trực tiếp hoặc thông qua các mạng mặt đất để đến các thiết bị đầu cuối của ngời sử dụng. Trạm mặt đất 1 Quỹ đạo Vệ tinh Trạm mặt đất 2 Đờng lên (Uplink) Đờng xuống (Douwlink) Phần mặt đất Phần không gian Trạm điều khiển TT&C http://www.ebook.edu.vn Trang: 6 Nhiệu vụ trạm mặt đất phát: Tiếp nhận các tín hiệu từ mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ các thiết bị đầu cuối của ngời sử dụng, xử lý các tín hiệu này trong trạm mặt đất sau đó phát tín hiệu này ở tần số và mức độ công suất thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh. Nhiệu vụ trạm mặt đất thu : Thu các sóng mang trên đờng xuống của vệ tinh ở tần số chọn trớc, xử lý tín hiệu này trong trạm để chuyển thành các tín hiệu băng gốc sau đó cung cấp cho các mạng mặt đất hoặc trực tiếp tới các thiết bị đầu cuối của ngời sử dụng. Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu và phát lu lợng một cách đồng thời hoặc trạm chỉ phát hoặc chỉ thu. 1.4. Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh. Trong thực tế, một bộ phát đáp có thể phục vụ cùng một lúc nhiều trạm mặt đất khác nhau. Kỹ thuật đa truy nhập là kỹ thuật các trạm mặt đất truy nhập bộ phát đáp vệ tinh, với yêu cầu sóng VTĐ từ các trạm mặt đất riêng lẻ không can nhiễu lẫn nhau. a. Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) : Các trạm mặt đất sử dụng các tần số sóng mang khác nhau và cùng chung một bộ phát đáp. Ưu điểm: - Thủ tục truy nhập đơn giản. - Cấu hình trạm mặt đất đơn giản. Nhợc điểm: - Không linh hoạt thay đổi tuyến. - Hiệu quả thấp khi sử dụng nhiều kênh, dung lợng thấp và chất lợng thấp. b. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) : Các trạm mặt đất sử dụng cùng một tần số sóng mang và cùng chung một bộ phát đáp nhng dựa trên phân chia theo thời gian. Ưu điểm: f t f A f B f C f D f A Dải thông bộ phát đáp Frequency Division Multiple Access f t f 0 A B C D A Thời gian 1 khung T F cùng tần số F T F phía phát phía thu A B C D E F http://www.ebook.edu.vn Trang: 7 - Linh hoạt trong thay đổi tuyến. - Hiệu quả sử dụng tuyến cao ngay cả khi tăng số lợng trạm truy nhập Nhợc điểm: Yêu cầu cầu đồng bộ cụm. c. Đa truy nhập phân chia theo m (CDMA) : Các trạm mặt đất sử dụng cùng một tần số sóng mang và cùng chung một bộ phát đáp nhng dựa trên phân chia theo mã. Ưu điểm: - Chịu đợc tạp nhiễu và méo. - Chịu đợc sự thay đổi các thông số khác nhau của đờng truyền. - Dung lợng cao. - Bảo mật cao. Nhợc điểm: - Độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu cao - Hiệu quả sử dụng băng tần kém. CDMA là kỹ thuật đa truy nhập mới và cấch lợng tốt nhất hiện nay! d. Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) Việc phủ sóng các vùng khác nhau trên mặt đất và phơng pháp sử dụng các phân cực sóng khác nhau thì với phổ tần giống nhau có thể sử dụng lại vài lần mà can nhiễu bị hạn chế giữa các ngời sử dụng - Phân cực: có các loại phân cực thẳng đứng (VP) và phân cực nằm ngang (HP). Phân cực tròn có phân cực tròn bên trái (LHCP) và phân cực tròn bên phải (RHCP), có thể đợc phát đi cùng tần số từ vệ tinh nhng với hai phân cực khác nhau mà các trạm mặt đất thu đúng tín hiệu của trạm mình mà không bị can nhiễu do sử dụng các anten thu có phân cực khác nhau. - Vệ tinh với việc sử dụng các loại anten khác nhau có kích thớc khác nhau, có thể phủ sóng lên mặt đất với các vùng phủ sóng có diện tích và hình dạng khác nhau. Có bốn dạng phủ sóng cơ bản đó là: phủ sóng toàn cầu, là vùng phủ sóng rộng nhất mà vệ tinh có thể phủ đợc; phủ sóng bán cầu là vùng phủ sóng một nửa bán cầu phía đông và phía tây của quả đất; phủ sóng khu vực là vùng phủ sóng một khu vực khá lớn nh bắc Mỹ, châu Âu hoặc Đông Nam á và vùng phủ sóng đốm là vùng phủ sóng với diện tích nhỏ nhất so với ba vùng trên. Nếu các vùng phủ sóng không chồng lấn lên nhau và năng lợng bức xạ của các búp phụ phủ sóng lên các vùng khác thấp dới mức cho phép thì trong mỗi vùng phủ sóng đó có thể sử dụng phổ tần nh nhau. 1.5. Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh. f f 0 A B C Code Division Multiple Access http://www.ebook.edu.vn Trang: 8 Phổ tần số vô tuyến điện là một nguồn tài nguyên thiên nhiên hữu hạn, vì vậy nhất thiết phải sử dụng nguồn tài nguyên này một cách hợp lí, kinh tế và có hiệu quả. a. Cửa sổ tần số vô tuyến điện Đờng truyền của thông tin vệ tinh bị ảnh hởng chủ yếu do tầng điện ly ở tần số thấp và do ma ở tần số cao. Dải tần 1GHzữ10GHz ít bị ảnh hởng bởi tầng điện ly và ma nên đợc gọi là cựa sổ tần số VTĐ và đợc chỉ ra trong đồ thị sau: Tuy nhiên, dải tần 1GHzữ10GHz cũng đợc sử dụng nhiều cho các đờng thông tin vi ba trên mặt đất, do đó sẽ có sự can nhiễu lẫn nhau giữa hai hệ thống. Ngoài ra để mở rông băng thông ngời ta phải chấp nhận sử dụng cả dải tần ngoài cửa sổ. b. Bảng phân chia băng tần Ký hiệu Dải tần Phạm vi sử dụng L (1 - 2)GHz TTVT di động, phát thanh quảng bá, vô tuyến định vị. S (2 - 4) GHz TTVT di động, hàng hải C (4 -8)GHz TTVT cố định X (8 -12)GHz TTVT Quân sự và chính phủ Ku (12 - 18)GHz TTVT cố định, truyền hình quảng bá. K (18 -27)GHz Trạm cố định Ka (27 -40)GHz TTVT cố định, truyền hình quảng bá, liên lạc giữa các vệ tinh. Sóng mm > 40GHz Liên lạc giữa các vệ tinh. c. Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh - Khu vực I (V1): Bao gồm Châu Âu, Châu Phi, một phần Châu á và Liên bang Nga. - Khu vực II (V2): Các nớc nam và bắc Mỹ. - Khu vực III (V3): Gồm Châu úc, phần còn lại của Châu á và Thái Bình Dơng. Trong đó có Việt Nam. GHz Cửa sổ tần số vô tu yến điện 1 10 100 dB 0,1 1 5 10 50 100 Suy hao do tầng điện ly Suy hao do tầng điện ly Suy hao do ma . có: Từ: trạm - vệ tinh - trạm (72.000Km) 240ms. Từ: trạm - vệ tinh - trạm Hub - vệ tinh - trạm (154.000Km) 513ms. Từ: trạm - vệ tinh - vệ tinh - trạm (134.000Km).  Bài giảng thông tin vệ tinh Nguyễn Trung Tấn Trung tâm Kỹ thuật Viễn thông Khoa Vô tuyến Điện tử Học viện Kỹ thuật Quân sự Bi giảng thông tin vệ tinh