Nghiên cứu đặc tính kênh truyền cho tuyến vệ tinh quan sát trái đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NG NG NC N Đ CT N TN ẠN N N LUẬN VĂN THẠ H ĐẠT TR NC OT T TR Đ T TH ẬT - Năm 2018 NV BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGU NG NC UĐ CT N TN N ẠN N ĐẠT TRU QU N S T TR LUẬN VĂN THẠ N C O TU Đ T TH ẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS P Ạ H V NT - Năm 2018 N NV Trang .3 .6 - .8 11 .11 13 15 .18 19 19 2.1.1 Ả ởng tầng khí quy n .19 ủ 26 30 ầ 32 33 .34 35 37 .37 ủ 39 42 45 46 ầ .46 .50 - .51 52 54 56 .58 .59 Ả 61 L ủ ủ Từ viết tắt Tên đầ đủ LEO Low Earth Orbit NASA RTT EIRP FSL Tiếng Việt National Aeronautics and Space Administration Round Trip Time Equivalent Isotropic Radiated Power Free Space Loss North American Aerospace Defense NORAD Command n nh m TLE Two Line Element AFC Automatic Frequency Controller ầ t M t s v tinh thông tin liên l c (Internet) 10 v tinh qu o th p[1] 12 ng b m t tr i (www.spagyuga.com) 13 – 17 S suy gi m khí khí quy n [3] 20 T ng s suy gi m mây theo hàm tần s i v i góc ngẩng t n 30 ) [3] 22 T tần s góc ngẩng [3] 23 ng suy gi iv u ki n th i ti t t t tần s 30GHz hàm góc ngẩng [3] 25 nh v i góc ngẩng th p[3] 25 T s tr c AR [4] 29 ầ ầ 32 Mơ hình hình h c v tinh tr m m t .34 .36 thông s qu o Kepler (Internet) .38 43 ủ .47 ầ .51 ủ 52 ủ 53 54 55 56 56 57 ữ .57 đ ữ ủ ầ ầ ữ ữ - -2 g ầ ủ ữ ầ đ ế đ đ ầ ủ -  ệ  - ầ - - ầ 1ệ 1.1 Ngày 4/10/1957 tinh Sputnik- vệ tinh nhân tạo đầu tiên, mở m t k nguyên m i l ch s chinh ph i V tinh n ng 83 kg, trông gi anten r i Sputnik ch t n t i qu c tín hi t qu bóng kim lo i có “ ” “ ” o th p 92 ngày B l c hút củ cháy bầu khí quy n (27 MHz) ng i ta có th phóng v tinh n ng 9.600 kg lên qu tinh có th ho ch lồi ng 20 o có nhi u o Ngày 1/2/1958 ct v a cầu, M phóng thành cơng v ầu tiên M mang lên Explorer-1 n ng 13,97 kg riêng phần thi t b n ng m Geiger- phát hi n ch pin, Explorer-1 ch ho p t c bay ữa Explorer- qu Do s h n c nhi u s li u khoa h c có giá tr nh nhà khoa h ah cM thi t k thi t b khoa h c l t v tinh Exploreru dài h tinh lo ầu tiên n tháng 3/2000 c phóng ầu Ngày 1/4/1960: V tinh c công khuôn kh m c phóng thành u dài h n củ tên TIROS (Television Infrared Observation Satellite) Trên v tinh có camera truy n hình: m phân gi i th p m phân gi i cao nhằm cung c p nh khí quy n TIROS ch ho ng minh v tinh m t cơng c có th ng quy mơ tồn cầu Seri v tinh c phóng liên ti qu -9 v ng b M t tr ầu tiên có t hi n v tinh ế ữ ầ liên quan, l  ủ ầ ủ ầ ầ  ầ ầ ầ ẩ ủ ầ / ữ ủ ữ ầ ủ ữ ch hướ h ầ ể ở ủ ầ ữ 59 ầ ế ầ ằ ữ 60 Ả “ [1] ” [Online] Available: https://goo.gl/CtBfPN ầ [2] hệ ệ h 2007 [3] Dr Louis J Ippolito, NASAHandbook propagation effects for Satellite System design, Fifth Virginia: Jet Propulsion Laboratory, 1999 [4] “ ” “ [5] w - ” Available: https://www.celestrak.com/NORAD/documentation/tle-fmt.asp [6] G A T Patrick, DOPPLER COMPENSATION FOR LEO SATELLITE COMMUNICATION SYSTEMS Mc Master University, 1998 [7] N A and M Mehdipour, ccurate Doppler Prediction Scheme for Satellite Orbits Computer engineering group, Payam Noor University, 2001 [8] A Valdoni, F., Ruggieri, M., Vatalaro, F., and Paraboni, A new millimetre wave satellite system for land mobile communications European Transactions on Telecommunications, 1990 [9] F Carassa, Application of millimeter waves to satellite systems Alta Frequenza, 1989 61 PHỤ LỤC Các giả thiết thông số đầu vào đưa dựa tham khảo số vệ tinh LEO hoạt động UPLINK Ghi chú: Trạm phát (Trạm mặt đất) Màu xanh Giá trị giả thiết đầu vào Màu vàng Giá trị tính tốn Sơ đồ khối TX Line C Line B Line A Filter Công suất phát (PTx) Antenna Other In-Line Device: 100 Watts = 20 dB Suy hao đường dây Độ dài Line A Độ dài LineB Độ dài Line C Tổng độ dài: Độ suy hao cáp 0.3 6.3 0.315 dB 0.3 1 dB dB dB Tổng suy hao đường dây 2.615 dB Công suất đầu máy phát 17.385 dB Một số suy khác đường dây Các connector Suy hao lọc Các suy hao khác 0.05 dB/m "Loại cáp giả thiết Belden 9913" 0.05 dB/bộ m m m Trạm thu (Vệ tinh) Sơ đồ khối: TLNA LA To LC LB Other In-Line Device To T2nd Stage Bandpass Filter 2nd Stage LNA To LBPF Lother Suy hao đường dây Độ dài Line A Độ dài LineB Độ dài Line C Độ suy hao cáp To 0.4 dB/m Suy hao Line A Suy hao Line B Suy hao Line C Suy hao lọc thông dải Suy hao thiết bị khác Các connector Tổng suy hao đường dây từ anten đến LNA 0.2 0.1 0.1 m m m 0.08 0.04 0.04 0.5 0.3 1.96 dB dB dB dB dB dB dB "Loại cáp giả thiết RG-188/AU" LA = LB = LC = LBPF Lother 0.05 dB/con Hệ số đường dây Nhiệt anten Nhiệt vũ trụ Nhiệt LNA Tăng ích LNA Nhiệt tầng thứ 18 dB Nhiệt độ tạp âm hệ thống: 𝛼= Ta To TLNA GLNA = T2ndstage 0.6368 120 280 75 63.10 500 Ts 261.04 Cơng thức tính nhiệt độ tạp âm hệ thống: 𝑇𝑠= 𝛼 𝑇𝑎 + (1-𝛼)𝑇0 + 𝑇𝐿𝑁𝐴 + 𝑇2𝑛𝑑 𝑠𝑡𝑎𝑔𝑒 𝐺𝐿𝑁𝐴 Trong đó: 𝛼 gọi hệ số đường dây vào Được tính là: 𝛼 = 10− 𝐿 10 Chú ý: Dựa vào công thức nhiệt độ tạp âm hệ thống ta thấy độ lớn phụ thuộc chủ yếu vào tầng thứ (LNA) Chính ta tổng hợp tầng sau gọi tầng thứ (2nd stage) cho tổng quát hóa K K K K K Tính tốn tham số kênh truyền Trạm mặt đất Tần số tuyến lên: Công suất phát (PTx): = Tổng suy hao đường dây: Tăng ích anten: EIRP "EIRP (dB)= Ptx + Gtx - suy hao đường dây " 2048 100 20 2.615 33.85 51.24 Suy hao đường truyền uplink Suy hao hướng trạm mặt đất 0.3 Suy hao phân cực anten trạm mặt đất 0.2 Suy hao khơng gian tự 161.30 Suy hao khí 2.10 Suy hao tầng điện ly 0.4 Tổng suy hao 164.30 Mức tín hiệu đẳng hướng đầu Prvào = vệ tinh -113.06 " = EIRP - tổng suy hao đường truyền" Thơng số anten trạm mặt đất Đường kính D = Hiệu suất hiệu dụng Tăng ích anten: = Mhz W dB dB dBi dB dB dB dB dB dB dB dBW Suy hao không gian tự phụ thuộc vào khoảng cách thay đổi vệ tinh trạm mặt đất suốt thời gian phiên làm việc 4𝜋𝑆 λ 𝐹𝑆𝐿 = 10𝑙𝑜𝑔 Cơng thức tính tăng ích anten 3.1 55 2428.637902 33.85 m % dBi 𝐺= 4𝜋  𝑆= 𝜋𝐷   Vệ tinh Suy hao hướng anten vệ tinh Tăng ích anten vệ tinh Ga Suy hao tổng đường dây vệ Ltltinh Nhiệt độ tạp âm tương đương Hệ số tạp âm Tỉ số cơng suất sóng mang Pr/No cơng suất tạp âm Tốc độ liệu hệ thống mong muốn = Tỉ số Eb/No Phương thức giải điều chế Tỉ lệ lỗi bit BER Suy hao điều chế Tỉ số Eb/No @BER Eb/No ngưỡng Quỹ đường truyền 0.2 1.96 261.04 -22.127 93.21 dB dBi dB K dB/K dBHz 20000 43.01 50.20 bps dbHz dB QPSK 0.00001 9.6 10.6 39.60 dB dB dB dB "G/Ts= Ga - Ltl -10log (Ts)" 𝑃𝑟 𝐺 𝑃𝑟 = 𝑁0 𝑘 𝑇𝑠 𝐸𝑏 𝑃𝑟 = 𝑁0 𝑁0 𝑅 No: Mật độ phổ công suất tạp âm k: số Boltzman = 1.38E-23 J/K Các giả thiết thông số đầu vào đưa dựa tham khảo số vệ tinh LEO hoạt động DOWNLINK Ghi chú: Trạm phát (Vệ tinh) Màu xanh Giá trị giả thiết đầu vào Màu vàng Giá trị tính tốn Sơ đồ khối TX Line C Line B Line A Filter Công suất phát (PTx) Antenna Other In-Line Device: Watts = 3.0103 dB Suy hao đường dây Độ dài Line A Độ dài LineB Độ dài Line C Tổng độ dài: Độ suy hao cáp Một số suy khác đường dây Các connector Suy hao lọc Các suy hao khác Tổng suy hao đường dây Công suất đầu máy phát 0.6 dB/m "Loại cáp giả thiết RG-188/AU" 0.05 dB/bộ 0.075 0.075 0.3 0.45 0.27 m m m dB 0.25 0.5 dB dB dB 2.02 dB 0.9903 dB Trạm thu (Trạm mặt đất) Sơ đồ khối: TLNA LA To LC LB Other In-Line Device To T2nd Stage Bandpass Filter 2nd Stage LNA To LBPF Lother Suy hao đường dây Độ dài Line A Độ dài LineB Độ dài Line C Độ suy hao cáp To 0.092 dB/m Suy hao Line A Suy hao Line B Suy hao Line C Suy hao lọc thông dải Suy hao thiết bị khác Các connector Tổng suy hao đường dây từ anten đến LNA 0.3 0.3 m m m 0.46 0.0276 0.0276 1.5 0.2 2.2152 dB dB dB dB dB dB dB "Loại cáp giả thiết RG-188/AU" LA = LB = LC = LBPF Lother 0.05 dB/con Hệ số đường dây Nhiệt anten Nhiệt Feedline trạm mặt đất Nhiệt LNA Tăng ích LNA 18 Nhiệt tầng thứ dB Nhiệt độ tạp âm hệ thống: 𝑇𝑠= 𝛼 𝑇𝑎 + (1-𝛼)𝑇0 + 𝑇𝐿𝑁𝐴 + 𝛼= Ta To TLNA GLNA = T2ndstage 0.6005 500 290 60 63.10 1000 Ts 491.94 𝑇2𝑛𝑑 𝑠𝑡𝑎𝑔𝑒 𝐺𝐿𝑁𝐴 Trong đó: 𝛼 gọi hệ số đường dây vào Được tính là: 𝛼 = 10− 𝐿 10 Chú ý: Dựa vào công thức nhiệt độ tạp âm hệ thống ta thấy độ lớn phụ thuộc chủ yếu vào tầng thứ (LNA) Chính ta tổng hợp tầng sau gọi tầng thứ (2nd stage) cho tổng quát hóa K K K K K Tính tốn tham số kênh truyền Vệ tinh Tần số tuyến xuống: Công suất phát (PTx): = Tổng suy hao đường dây: Tăng ích anten vệ tinh: EIRP "EIRP (dB)= Ptx + Gtx - suy hao đường dây " 2248 3.0103 2.02 4.00 4.99 Mhz W dB dB dBi dB Suy hao đường truyền downlink Suy hao hướng anten vệ tinh 0.2 dB Suy hao phân cực anten từ vệ tinh đến trạm mặt đất 0.2 dB Suy hao không gian tự 162.11 dB 𝐹𝑆𝐿 = 10𝑙𝑜𝑔 Suy hao khí 2.10 dB Suy hao tầng điện ly 0.8 dB Tổng suy hao 165.41 dB Mức tín hiệu đẳng hướng đầu vào antenPrtrạm = mặt đất -160.42 dBW " = EIRP - tổng suy hao đường truyền" Công thức tính tăng ích anten Thơng số anten trạm mặt đất 3.1 m 4𝜋 𝜋𝐷 55 % 𝐺 = 𝑆=    2926.142538 = 34.66 dBi 4𝜋𝑆 λ Trạm mặt đất Suy hao hướng anten trạm mặt đất Tăng ích anten trạm mặt đất Suy hao tổng đường dây Nhiệt độ tạp âm tương đương Hệ số tạp âm Tỉ số cơng suất sóng mang công suất tạp âm Tốc độ liệu hệ thống mong muốn 13.3 34.66 2.2152 491.94 5.528595 60.41 dB dBi dB K dB/K dBHz Tỉ số Eb/No 384615 55.85 4.56 bps dbHz dB Phương thức giải điều chế Tỉ lệ lỗi bit Suy hao giải điều chế Tỉ số Eb/No @BER Eb/No ngưỡng Quỹ đường truyền QPSK 0.00001 9.6 9.6 -5.04 dB dB dB dB Ga Ltl Pr/No = BER "G/Ts= Ga - Ltl -10log (Ts)" 𝑃𝑟 𝐺 𝑃𝑟 = 𝑁0 𝑘 𝑇𝑠 𝐸𝑏 𝑃𝑟 = 𝑁0 𝑁0 𝑅 No: Mật độ phổ công suất tạp âm k: số Boltzman = 1.38E-23 J/K Vậc tốc quỹ đạo S = Khoảng cách vệ tinh trạm mặt đất Vệ Tinh h = Độ cao trung bình d = Góc ngẩng r = h+Re Re = 6378.136 km Trạm mặt đất Thơng số quỹ đạo Bán kính trái đất Cận điểm quỹ đạo Viễn điểm quỹ đạo Trung bình Bán kính quỹ đạo trung bình Góc ngẩng Khoảng cách Re: hp= ha= d S 6378.136 670 690 680 7058.136 25 1354.481 Hàm tính khoảng cách từ vệ tinh đến trạm mặt đất thay đổi theo góc ngẩng tính sau: 𝑠 = 𝑅𝑒 𝑟2 𝑅𝑒 − cos2 𝛿 − sin 𝛿 km km km km km  km ... V tinh l n >1.000 kg V tinh trung bình 500 - 1.000 kg V tinh nh (Small Satellite; Light Satellite) V tinh nh thu nh V tinh mini 100 – 500 kg V tinh micro 10 – 100 kg V tinh nano – 10 kg V tinh. .. dùng cho v tinh tầm th p t (v tinh vi 1.2.2 ng b m t tr i ệ V tinh nh có cịn g i v tinh nhẹ (Light satellite) có nhi u lo i khác n sau: 13 B ng 1.1 Phân lo i v tinh theo tr ng[2] Lo i v tinh. .. quan sát t m t h t t o qu qu m nh nh quán tính, hai v t th bay quanh s o khác bi t Các qu m t i tâm kh 37 ng Khi c quan sát t m t h t n qu o v t th l i, thơng s qn tính M t qu th khơng qn tính