Xây dựng phần mềm mô phỏng các thông số đường truyền của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát trái đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Bùi Quang Huy XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ ĐƢỜNG TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT TRÁI ĐẤT Chuyên ngành: Vâ ̣t lý Vô tuyế n và Điê ̣n tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đỗ Trung Kiên Hà Nội – Năm 2017 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh 1.1.1 Phần không gian 1.1.2 Phần mặt đất 1.2 Cấu trúc đặc trưng hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát trái đất 1.2.1 Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu vệ tinh nhỏ .7 1.2.2 Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trạm mặt đất băng S .10 Chương - TÍN HIỆU VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG TÍN HIỆU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 12 2.1 Đặc điểm tín hiệu thông tin vệ tinh 12 2.2 Đặc điểm Kênh truyền phân tích tuyến Trạm mặt đất - vê ̣ tinh 14 2.2.1 Các ảnh hưởng tầng khí quyển đến kênh truyền 14 2.2.2 Hấ p thu ̣ phân tử .17 2.2.3 Tổ n hao hấ p thu ̣ mưa 17 2.3 Các tham số tuyến liên lạc thông tin vệ tinh 20 2.3.1 Các tham số anten 20 2.3.2 Đồ thị phương hướng xạ anten 21 2.3.3 Sự phân cực sóng 21 2.3.4 Công suất xạ đẳng hướng tương đương .22 2.3.5 Công suấ t tín hiê ̣u thu đươ ̣c và tổ n hao truyề n sóng không gian tự 23 2.3.6 Công suấ t tín hiê ̣u thu đươ ̣c có tính đế n tổ n hao hấ p thu ̣ và ảnh hưởng của tầ ng khí quyể n 24 2.3.7 Tính tốn dự trữ tún có tính đến tổn hao khác 25 2.4 Công suất tạp âm đánh giá chất lượng đường truyền 25 2.4.1 Tạp âm tuyến thông tin vệ tinh 25 2.4.2 Chất lượng đường truyền vệ tinh 27 Chương - XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN 29 3.1 Các thông số đầu vào 30 3.2 Một số cơng thức sử dụng việc tính tốn quỹ đường truyền 31 KẾT LUẬN 39 DANH MỤC BẢNG BIỂU: Bảng 1: Tên phân loại sóng vơ tún Bảng 2: Các loại anten sử dụng cho vệ tinh nhỏ Bảng 1: Các hệ số hồi qui để xác định tổn hao sóng vơ tún mưa (ITU-R) 18 Bảng 1: Thông số quỹ đường truyền trạm mặt đất băng S 30 Bảng 2: Các thơng số hệ thống thu phát sóng vệ tinh 31 Bảng 3: Độ suy hao khí quyển Hà Nội với tần số tín hiệu TC theo ITU-R P.618-7 33 Bảng 4: Độ suy hao khí quyển Hà Nội với tần số tín hiệu TM theo ITU-R P.618-7 34 DANH MỤC HÌ NH ẢNH: Hình 1: Cấu trúc tổng quát hệ thống vệ tinh Hình 2: Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu vệ tinh nhỏ 10 Hình 3: Trạm mặt đất băng S hệ thống vệ tinh nhỏ Vnredsat-1 11 Hình 1: Lượng nước mưa trung bình hàng năm 19 Hình 1: Lưu đồ thuật tốn tính tốn thơng số đường trùn .29 Hình : Suy hao không gian tự theo độ cao quỹ đạo 35 Hình 3 : Liên ̣ giữa tỉ số tin ́ hiê ̣u ta ̣p âm và tỉ lê ̣ bit lỗi 37 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý Vô tuyến Điện tử với đề tài “Xây dựng phần mềm mô thông số đƣờng truyền hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát Trái Đất” hoàn thành nhờ giúp đỡ, động viên khích lệ thầy cô, bạn bè đồng nghiệp Qua trang viết tác giả xin gửi lời cảm ơn tới người giúp đỡ tơi thời gian hồn thành luận văn vừa qua Tơi xin tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc thầy giáo TS Đỗ Trung Kiên trực tiếp tận tình giúp đỡ, hướng dẫn bảo thông tin khoa học cần thiết cho luận văn Xin chân thành cảm ơn KS Trần Anh Đức - đồng nghiệp, chủ nhiệm Đề tài sở - Viện Công nghệ Vũ trụ: “Nghiên cứu làm chủ trình truyền thông vệ tinh Vnredsat-1 Trạm điều khiển mặt đất” tập thể cán Viện Công nghệ Vũ trụ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt nam nơi công tác cung cấp thông tin cần thiết về vệ tinh Vnredsat-1 để giúp hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Khoa học Tự nhiên, khoa Vật lý Bộ môn Vật lý Vô tuyến Điện tử tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học mình Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Bùi Quang Huy MỞ ĐẦU Trong những thâ ̣p niên gầ n , hệ thống thông tin vệ tinh ngày phát triển nhanh chóng Hiê ̣n với hàng loa ̣t các loa ̣i hin ̣ vu ̣ vê ̣ tinh ̀ h dich cung cấ p trải rô ̣ng tấ t c ả lĩnh vực từ thông tin truyền thông , dự báo thời tiế t, dẫn đường – đinh ̣ vi ,̣ đánh giá giám sát các nguồ n tài nguyên , điạ giới lañ h thổ cho tới nghiên cứu khoa ho ̣c Thông tin vê ̣ tinh có thể cung cấ p không những các dich ̣ vụ dân mà dịch vụ quốc phịng , an ninh, hàng khơng , hàng hải ,…Ngày nay, công nghê ̣ vê ̣ tinh đã trở thành mô ̣t những thước đo đánh giá trin ̀ h đô ̣ phát triển khoa ho ̣c công nghê ̣ của mô ̣t quố c gia Viê ̣t Nam hiê ̣n ở giai đoa ̣n đầ u phát triển công nghệ vũ trụ Hiê ̣n tại, Viê ̣t Nam có 02 vê ̣ tinh viễn thông Vinasat -1 (2008) Vinasat-2 (2012) có thể cung cấp dịch vụ đường truyền vệ tinh để phát triển dịch vụ ứng dụng dịch vụ thoại, truyền hình, thông tin di động, truyền số liệu, Internet, dịch vụ đào tạo y tế từ xa, truyền tin cho ngư dân biển, cung cấp đường truyền thông tin cho trường hợp khẩn cấp thiên tai, bão lụt, đường truyền cho vùng sâu, vùng xa, hải đảo; 01 vê ̣ tinh viễn thám Vnredsat -1 (2013) hoạt động quỹ đạo thấp LEO cung c ấp ảnh viễn thám vệ tinh độ phân giải cao phục vụ cho các nhu cầ u phát triển kinh tế - xã hội, giám sát, ứng phó với thảm hoạ thiên nhiên biến đổi khí hậu Trong xu thế ngày phát triển công nghệ vệ tinh thế giới, việc sử dụng vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất quỹ đạo LEO nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học, lập đồ, giám sát tài nguyên thiên nhiên… trở nên vô phổ biến Để thực tốt nhiệm vụ đó, việc trì đảm bảo kênh thông tin liên lạc vệ tinh mặt đất vơ cần thiết Vì , tính tốn thông số đường truyề n giữa vê ̣ tinh và tra ̣m mă ̣t đấ t Hò a la ̣c là mô ̣t nhiê ̣m vu ̣ đầ u tiên và thường xuyên Viện Công nghê ̣ Vũ tru ̣ - Viê ̣n Hàn lâm Khoa ho ̣c và Công nghê ̣ Viê ̣t Nam Kênh liên lạc giúp gửi lệnh điều khiển từ mặt đất lên vệ tinh, đồng thời giúp trạm mặt đất thu nhận liệu đo xa về tình trạng vệ tinh liệu ảnh vệ tinh gửi về Phân tích đánh giá kênh thơng tin liên lạc thực thơng qua việc tính tốn mơ thông số đường truyền Các thông số đường truyền bao gồm bảng tính tốn loại tăng ích suy hao, phân tích chi tiết từ nguồn thu phát, nguồn nhiễu, suy hao tín hiệu hiệu ứng xảy tín hiệu đường truyền Các thông số lấy từ nguồn thống kê yêu cầu kỹ thuật hệ thống Tính tốn quỹ đường trùn thực việc tính tốn ước lượng nhằm mục đích đánh giá khả xảy lỗi đường truyền Các thơng số đường trùn thường tính tốn với điều kiện hoạt động xấu nhất, ví dụ mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh với góc ngẩng nhỏ nhất, khoảng cách từ vệ tinh tới trạm mặt đất xa nhất, với đầy đủ loại suy hao vệ tinh đường truyền dẫn… để đảm bảo chất lượng đường truyền dẫn thông tin liên lạc vệ tinh mặt đất điều kiện hoạt động Chƣơng - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh Cấu trúc hệ thống truyền tin vệ tinh gồm hai phần: phần không gian phần mặt đất Hình 1: Cấu trúc tổng quát hệ thống vệ tinh 1.1.1 Phần không gian Phần không gian hệ thống truyền tin vệ tinh bao gồm vệ tinh thiết bị đặt vệ tinh hệ thống trang thiết bị đặt mặt đất để kiểm tra theo dõi điều khiển hành trình vệ tinh (cả hệ thống bám, đo đạc điều khiển) Bản thân vệ tinh bao gồm hai phần: Phần thực nhiệm vụ (payload) phần thân vệ tinh (platform) Phần thực nhiệm vụ vệ tinh khác có cấu trúc hồn tồn khác tùy thuộc vào nhiệm vụ vệ tinh quỹ đạo, ví dụ vệ tinh viễn thơng thì payload phát đáp tín hiệu, vệ tinh viễn thám thì payload hệ thống chụp ảnh, radar, vv…Phần thân vệ tinh bao gồm hệ thống phục vụ cho cho payload hoạt động, ví dụ cấu trúc vỏ khung vệ tinh, nguồn cung cấp điện, hệ thống điều khiển nhiệt độ, điểu khiển chuyển hướng, tư thế, quỹ đạo, v.v…[2] Các sóng vơ tún trùn từ trạm mặt đất lên vệ tinh gọi tuyến lên (uplink) Vệ tinh thu sóng từ tuyến lên, xử lý, biến đổi tần số, kh́ch đại trùn sóng vơ tuyến về trạm mặt đất theo tuyến xuống (downlink) Chất lượng liên lạc qua sóng vơ tuyến xác định tỷ số lượng sóng mang lượng tạp nhiễu C/N tồn tuyến bao gồm kỹ thuật điều chế mã hóa sử dụng Vệ tinh trường hợp vệ tinh đóng vai trị trạm trung chuyển tín hiệu trạm mặt đất xem nút mạng với hai chức sau đây: - Khuếch đại sóng mang thu từ tuyến lên để sử dụng cho việc truyền lại tuyến xuống Công suất đầu vào máy thu vệ tinh có yêu cầu từ 100pW đến nW, cịn cơng suất đầu kh́ch đại cơng suất phát cho tún xuống có u cầu từ 10 W đến 100W Như độ tăng ích anten phát đáp vệ tinh có yêu cầu từ 100dB đến 130dB Năng lượng sóng mang băng tần xạ đến vùng phủ sóng bề mặt đất theo mức EIRP tươn ứng phủ sóng - Thay đổi tần số sóng mang (giữa thu phát) nhằm tránh phần công suất phát tác động trở lại phía đầu vào đầu thu Khả lọc lọc đầu vào tần số sóng mang tún xuống, có tính đến độ tăng ích thấp anten, cần đảm bảo cách biệt khoảng 150dB Ngồi hai nhiệm vụ chủ ́u thơng thường vệ tinh cịn có số chức khác, ví dụ, vệ tinh có nhiều búp sóng búp sóng quét thì phát đáp vệ tinh phải có khả tạo tuyến sóng mang đến vùng điểm phủ sóng yêu cầu Trường hợp đối vưới vệ tinh tái sinh thì phát đáp có chức điều chế giải điều chế Payload vệ tinh viễn thông đặc trưng thông số kỹ thuật sau: - Dải tần công tác - Số lượng phát đáp - Độ rộng dải thông mỗi phát đáp - Phân cực sóng tún lên tún xuống - Cơng suất xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) mật độ thông lượng công suất tạo biên vùng phủ sóng phục vụ - Mật độ thơng lượng cơng suất bão hịa anten thu vệ tinh (SPD) - Hệ số phẩm chất (G/T) máy thu vệ tinh biên vùng phủ sóng giá trị cực đại - Vùng phủ sóng yêu cầu - Công suất đầu khuếch đại công suất phát - Cấu hình dự phòng cho máy thu khuếch đại công suất phát Băng tần phân bổ cho phát đáp vệ tinh có thể từ vài trăm MHz cho đến vài chục GHz Băng tần thường chia thành băng tần (theo phân định ITU) Hầu hết phát đáp thường thiết kế với dải thông 36MHz, 54 MHz 72 MHz, dải thơng 36 MHz chuẩn dùng phổ biến cho dịch vụ truyền hình băng C (6/4 GHz) Hiện số loại phát đáp có xử lý tín hiệu đưa vào sử dụng có thể cải thiện chất lượng tín hiệu Bảng 1: Tên và phân loa ̣i sóng vô tuyế n [2] STT Dải tần số – 30 KHz Băng tầ n (viế t Phân loa ̣i theo Ứng dụng tắ t) bước sóng Tầ n sớ rấ t thấ p Sóng chục - Vô tuyế n hàng hải (VLF) nghìn mét - Thông tin di đô ̣ng hàng hải - Vô tuyế n hàng hải 30 – 300 KHz Tầ n sớ thấ p (LF) Sóng kilomet - Thơng tin di đô ̣ng hàng không Tầ n số trung 300 – 3000 KHz – 30 MHz Tầ n sớ cao (HF) Sóng decamet 30 – 300 MHz Tầ n sớ rấ t cao Sóng mét bình (MF) Sóng hectomet - Thơng tin hàng hải - Phát vơ tún - Phát sóng ngắn - Các loại thông tin di động - Phát FM truyền Công suất tạp âm gây hại nguồn công suất tạp âm xuất độ rộng dải tần tín hiệu hữu ích Thơng thường xuất xem xét phía máy thu Dạng tạp âm thường xuất nhiều tạp âm trắng, có mật độ phổ cơng suất N0 (W/Hz) có mức đồng đều băng tần Trong thực tế tạp âm trắng khơng phải có mật độ phổ cơng suất số Tạp âm nhiệt Là tạp âm thân thiết bị Công suất tạp âm nhiệt tạo thiết bị cụ thể biểu thị biểu thức: N = kTB (W) (22) Trong k = 1.38.10-23 J/K k = -228.6 dBW/K/Hz số Bolzmann T nhiệt độ tạp âm thiết bị (độ K) B độ rộng băng tần (Hz) Tạp âm từ mặt đất Nhiệt độ tạp âm ăng ten trạm mặt đất hỗn hợp hai nguồn tạp âm: tạp âm vũ trụ Tkg tạp âm ăng ten thu tín hiệu khơng mong muốn từ vùng xung quanh Tmt: Ta = Tkg + Tmt.K (23) Các nguồn tạp âm không mong muốn thường biểu diễn dạng nhiệt độ chói Tch Như nhiệt độ tạp âm ăng ten chồng độ lợi ăng ten nhiệt độ chói [1]: Ta  4 2    G  , , T  ,  d ( K ) ch (24) 0 Trong Tch  ,   nhiệt độ chói (K) vật thể xạ theo hướng  ,   G  ,   đặc trưng cho độ lợi ăng ten góc ngẩng  góc phương vị  d góc đầy phần tử theo hướng  Các nguồn tạp âm không gian mặt trời, mặt trăng, hấp thụ ô xi, nước mưa Mặt trời có nhiệt độ 10000K tần số 10GHz ăng ten trạm mặt đất thường tránh hướng về mặt trời Mặt trăng có nhiệt độ chói 26 khoảng 200K Tạp âm nền vũ trụ có giá trị khoảng 3K khơng phụ thuộc vào tần số Các nguồn quan trọng tạp âm không gian hấp thụ chất khí mưa tầng khí quyển Việc tăng giảm nhiệt độ tạp có quan hệ với tần số góc ngẩng Khi tính tốn điều kiện trời trong, nhiệt độ tạp âm có giá trị khoảng 15 – 30 K tần số từ – 11 GHz góc ngẩng 100 Tạp âm từ mặt đất việc thu tín hiệu khơng mong muốn thông qua múi phụ ăng ten phần tử múi ăng ten Điều yêu cầu phải cân nhắc, ăng ten làm việc với vệ tinh góc ngẩng thấp (nhỏ), nhỏ 100 Nếu góc ngẩng ăng ten tăng thì cường độ nhiệt độ mặt đất tác động đến nhiệt dộ tạp âm ăng ten giảm đáng kể 2.4.2 Chất lƣợng đƣờng truyền vệ tinh Chất lượng đường truyền vệ tinh – mặt đất đánh giá qua hai thơng số sau: tỉ số cơng suất sóng mang công suất tạp âm C/N0 tỉ số lượng Bit mật độ tạp âm Eb/N0 Tỉ số cơng suất sóng mang cơng suất tạp âm Tỉ số cơng suất sóng mang cơng suất tạp âm tính theo biểu thức [2]: G    1 C  PT GT R   N T  4 R  kB Ap (25) Hoặc biểu thị dạng dB: C  4 R  G  10lg  PT GT   20lg    10lg    10lg Ap  10lg kB(dBWHz ) (26) N0    T  Trong đó: N mật độ cơng suất tạp âm có giá trị N – 10lg(B) tính về phía 10lg Ap đặc trưng cho tổn hao khí quyển Tỉ số lượng Bit mật độ tạp âm 27 Người ta sử dụng khái niệm tỉ số lượng Bit mật độ tạp âm Eb/N0 để đo khả phục hồi liệu có nhiễu Tỉ số lớn thì BER (Bit Error Rate: tỉ lệ bit lỗi) nhỏ [2] S R Eb  N B N0 (27) Nếu băng tần để truyền bit rộng 1Hz thì: S/N = Eb/N0 (28) C C   10 lg N0 N B (29) E C  b  10lgR inf  10lg Bnoise N0 N0 (30) Trong đó: B: băng thơng truyền liệu tốc độ bit R (b/s) Bnoise: băng thơng nhiễu kênh Rinf: tốc độ tín hiệu C: cơng suất sóng mang đầu vào (W) Eb: lượng bit 28 Chƣơng - XÂY DƢ̣NG PHẦN MỀM TÍ NH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐƢỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN Các thông số đường truyền vô tuyến trạm mặt đất vệ tinh nhỏ cần tính tốn là: Tổng suy hao khí qủn, suy hao không gian tự do, suy hao phân cực, độ tăng ích ăng ten, cơng suất xạ đẳng hướng tương đương, công suất thu, tỉ số công suất sóng mang cơng suất tạp âm tỉ số lượng Bit mật độ tạp âm Với trường hợp cụ thể luận văn tính tốn đánh giá đường truyền vô tuyến trạm mặt đất Hoà lạc, Hà Nội: 105.54° E & 21.01° N vệ tinh nhỏ Vnredsat-1 Việt nam Để tính tốn đánh giá thơng số đường trùn, ta cần tính: suy hao khí quyển, suy hao phân cực, độ tăng ích ăng ten, cơng suất xạ đẳng hướng tương đương EIRP, công suất thu Để đánh giá chất lượng đường trùn ta cần tính tốn tỉ số cơng suất sóng mang cơng suất tạp âm tỉ số lượng Bit mật độ tạp âm với thông số đầu vào lưu đồ thuật toán biểu diễn hình sau: Hình 3.1: Lưu đồ thuật tốn tính tốn thơng số đường trùn 29 Phầ n mề m tính tốn thơng số đường truyền vô tuyến đươ ̣c xây dựng cở sở ngôn ngữ lâ ̣p triǹ h Matlab , ngơn ngữ bậc cao, có số lượng hàm lớn cho phép viết chương trình ngắn Các hoạt động tính tốn Matlab dựa cấu trúc liệu đơn hay ma trâ ̣n với c ú pháp đơn giản, chương trình dễ vi ết ngôn ngữ lập trình bậc cao chương trình đại số máy tính khác Matlab còn ngôn ngữ dịch, tất lệnh có thể thực trực tiếp bổ sung thêm toolbox cho Matlab khả đồ hoạ mạnh dễ dàng kết hợp với tính tốn số Ngoài ra, Matlab cho phép ghép nối với hàm viết ngơn ngữ C Fortran có thể dịch để chạy độc lập ngồi mơi trường MatLab Vì vậy, là mô ̣t ngôn ngữ lâ ̣p trin ̀ h dễ phát triển ứng dụng lĩnh vực khoa học công nghệ riêng 3.1 Các thơng số đầu vào - Trạm mặt đất Hồ lạc có thơng số sau: Bảng 1: Thông số quỹ đường truyền trạm mặt đất băng S [3] Các thông số kỹ thuật trạm mặt đất băng S Toạ độ 105.54° E & 21.01° N Đường kính mặt phản xạ 3.0 m Băng tần 2.20 đến 2.40 GHz (S band) Công suất phát 53 dBm (200W) Tỉ số trục Anten 2.0 dB Suy hao công nghệ thu trạm mặt đất 2.0 dB Suy hao chất lượng phát trạm mặt đất 1.0 dB - Vê ̣ tinh nhỏ Vnredsat -1 với phân hệ RF vệ tinh với thông số vệ tinh liệt kê bảng đây: 30 Bảng 2: Các thông số hệ thống thu phát sóng vệ tinh [3] Thơng số Giá trị Tần số TC 2048.1 MHz Tần số TM 2240.0 MHz Công suất phát RF vệ tinh 34.0 dBm Suy hao TM vệ tinh -4.8 dB Suy hao TC vệ tinh -4.8 dB Tăng ích anten TC: -10.7 dB ;TM: -4.4 dB Tỉ số trục anten TC: 5.0 dB; TM: 5.0 dB Tổng suy hao vệ tinh TC: 4.75 dB; TM: 4.8 dB 3.2 Một số cơng thức sử dụng việc tính tốn quỹ đƣờng truyền  Công suất xạ đẳng hướng tương đương EIRP Xét anten đẳng hướng - phát xạ theo hướng Có thể xem anten tâm hình cầu rỡng có bán kính d, cơng suất bề mặt (PFD - power flux density) là: PFD = PT / (4πd2) W/m2 (31) Các anten có độ tăng ích (Gain) để tập trung cơng suất vào hướng cần truyền Công suất bề mặt hướng cần truyền tăng lên giá trị GT, tương đương với công suất từ anten đẳng hướng với cơng suất PTGT Giá trị PTGT công suất xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) EIRP = PT + GT (dBW) (32)  Tính tốn cơng suất nhận Preceive (dB) = Greceive + Gtransmit + Ptransmit + Suy hao trình truyền dẫn (33) Suy hao trình truyền dẫn bao gồm loại suy hao loại khí, mây, mưa khí qủn, suy hao khơng gian tự do, suy hao phân cực anten Suy hao không gian tự do: FSPL (free space path loss) = 20Log(λ/4πd) dB 31 (34)  C/No Ta có No = kTN đó: TN = Nhiệt độ tạp âm k = Hằng số Boltzmann (1.38 x 10-23 J/K) k tính theo dB: k = 10log(1.38 x 10-23 ) = -228.6 dBW/Hz/K C/No tỉ số sóng mang tạp âm Đơn vị dBHz C / No = PR / (kTN) dBHz (35) Ta có: Cơng suất tín hiệu = lượng bit * số bit: C = EbR Do đó: C / No = R(Eb / No) (36) (C / No) = R + (Eb / No) (37) Tính theo dB:  Độ suy hao phân cực Độ tăng ích anten tính tốn quỹ đường trùn tính với phân cực trịn Trong trường hợp xấu nhất, độ suy hao phân cực tính theo cơng thức sau [3]:  Ecrossvetinh Ecrossmatdat P  20.log 1   Ecovetinh Ecomatdat      (38) Trong tỉ lệ ECROSS/ECO tính từ tỉ lệ trục anten Ecross AR   Eco AR  Đối với Vnredsat-1: Tỉ lệ trục anten trạm mặt đất 2.0 dB Tỉ lệ trục anten vệ tinh 5.0 dB Ta có: 32 (39) 𝐸𝐶𝑅𝑂𝑆𝑆 𝑣ệ 𝑡𝑖𝑛 ℎ 105/20 − = = 0.28 𝐸𝐶𝑂 𝑣ệ 𝑡𝑖𝑛 ℎ 105/20 + 𝐸𝐶𝑅𝑂𝑆𝑆 𝑚ặ𝑡 đấ𝑡 102/20 − = = 0.115 𝐸𝐶𝑂 𝑚ặ𝑡 đấ𝑡 102/20 + Độ suy hao phân cực: P = 20log (1 – 0.28*0.115) = -0.28 dB Suy hao khí mưa Những suy hao mưa, mây, loại khí, nhấp nháy tín hiệu bao gồm suy giảm tỉ số G/T đánh giá với độ sẵn sàng vệ tinh đạt 99% theo khuyến cáo ITU-R P.618-7 đưa tổ chức ITU [5] Chi tiết tổng kết bảng dưới: Bảng 3.3: Độ suy hao khí quyển Hà Nội với tần số tín hiệu TC theo ITU-R P.618-7 [5] Suy hao khí quyển với đường truyền lên Góc ngẩng o 10 Tỉ lệ mưa mm/h 95.53 95.53 Mật độ nước g/m3 20.58 20.58 Tần số MHz 2048.1 2048.1 Suy hao loại khí dB 0.22 0.43 Suy hao mây dB 0.05 0.10 Suy hao nhấp nháy tín hiệu dB 0.48 1.10 Suy hao mưa (trung bình theo năm) dB 0.01 0.02 Suy hao tổng cộng dB 0.70 1.54 33 Bảng 3.4: Độ suy hao khí quyển Hà Nội với tần số tín hiệu TM theo ITU-R P.618-7 [5] Suy hao khí quyển với đường truyền xuống Góc ngẩng o 10 Tỉ lệ mưa mm/h 95.53 95.53 Mật độ nước g/m3 20.58 20.58 Tần số MHz 2240.00 2240.00 Suy hao loại khí dB 0.22 0.44 Suy hao mây dB 0.06 0.08 Suy hao nhấp nháy tín hiệu dB 0.50 1.16 Suy hao mưa (trung bình theo năm) dB 0.01 0.03 Suy hao tổng cộng dB 0.73 1.60 Tính tốn thơng số tuyến lên Quỹ đường trùn TC tính tốn với: - Góc ngẩng 10o 5o - Tốc độ truyền TC(telecommand): 20 kbps  Độ tăng ích Anten trạm mặt đất băng S   Df  GT     = 34.62 (dB)  c   Công suất xạ đẳng hướng tương đương EIRP = PT + GT + LT = 50 (dBW)  Suy hao không gian tự tuyến lên 34 Với trường hợp góc ngẩng trạm mặt đất vệ tinh 10o FSPL = 20log(2112 x 103) + 20log(2048.1 x 106) -147.55 = 165.2 dB Với trường hợp góc ngẩng trạm mặt đất vệ tinh 5o FSPL = 20log(2517 x 103) + 20log(2048.1 x 106) -147.55 = 166.7 dB Từ kết ta thấy: Tổ n hao không gian tự , lý thuyế t về truyề n sóng còn go ̣i là đinh ̣ luâ ̣t về tỷ lê ̣ nghich ̣ với bình phương khoảng cách (1/R2) Bởi vì khoảng cách giữa tra ̣m mă ̣t đấ t và vê ̣ tinh là khá lớn tổ n hao không gian tự các ̣ thố ng thông tin vê ̣ tinh với vê ̣ tinh ở các quỹ đa ̣o cách xa trái đấ t là khá lớn Trong thông tin vê ̣ tinh , tổ n hao sóng thông tin liên la ̣c vê ̣ tinh điạ tiñ h lớn Hình 3.2: Suy hao không gian tự theo độ cao quỹ đạo [9]  Công suất đầu vào thu vệ tinh Là tổng công suất xạ đẳng hướng tương đương phát lên từ trạm mặt đất EIRP loại suy hao trình truyền dẫn PR = EIRP(Gr) + Luplink + Fspl + P 35 Với trường hợp góc ngẩng trạm mặt đất vệ tinh 10o = 50 – 0.5 – 165.2 – 0.7 – 10.7 – 0.3 – 4.8 = –132.1 (dB) Tương tự với trường hợp góc ngẩng 5o ta có cơng suất đầu vào thu vệ tinh –134.5 (dB) Tính tốn thơng số tuyến xuống Quỹ đường trùn TM tính tốn với: - Góc ngẩng 10o 5o - Tốc độ truyền TM (Telemetry): 385 kbps  Độ tăng ích Anten vệ tinh GS = -4.4 dB  Công suất xạ vệ tinh EIRP Là tổng công suất đầu thiết bị phát suy hao vệ tinh EIRPsat = PTsat + Lsat + GS = 1.5 – 4.8 – 4.4 = -7.7 dBW  Suy hao không gian tự tuyến xuống FSPL(dB) = 20log(d) + 20log(f) -147.55 Với trường hợp góc ngẩng trạm mặt đất vệ tinh 10o FSPL = 20log(2112 x 103) + 20log(2240 x 106) -147.55 = 166 dB Với trường hợp góc ngẩng trạm mặt đất vệ tinh 5o FSPL = 20log(2517 x 103) + 20log(2048.1 x 106) -147.55 = 166.7 dB Qua kết thu ta thấy: Suy hao không gian tự tuyến lên tuyến xuống trường hợp góc ngẩng trạm mặt đất vệ tinh 5o giống nhau, trường hợp góc ngẩng 10o chênh lệch không đáng kể  Tỉ lệ C/N0 Ta có C/N0 = Preceive /kT 36 ⇔ C/N0 (dB) = Mức tín hiệu đầu vào thiết bị thu + G/T – k ⇔ C/N0 = Preceive + G/T – 10log(1.38*10-23) Với trường hợp góc ngẩng trạm mặt đất vệ tinh 10o C/N0 = -175 + 10.5 + 228.6 = 64.1 dBHz Với trường hợp góc ngẩng trạm mặt đất vệ tinh 5o C/N0 = -177.4 + 10.5 + 228.6 = 61.7 dBHz Như ta biết, tỉ số tín hiệu tạp âm số liệu quan trọng để xác định chất lượng tín hiệu của b ất kỳ truyền thông nào Để đánh giá tỉ số C/N0 ta xét mố i quan ̣ giữa C/N0 tỉ số bit lỗi thông qua công thức [7]: Pe  0.5erfc  SNR.Tb  (40) Với Pe xác suất bit lỡi theo lý thút; Tb thời gian bít, erfc  x   1.128*  e t (41) dt tx Ta có thể viế t la ̣i công thức sau: SNR  C / N0    Pe  ln   Tb  0.5  (42) Và có thể biểu diễn qua biểu đồ đây: SNR(dBHz) SNR 140 120 100 80 60 40 20 SNR 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Pe Hình 3: Liên ̣ giữa tỉ số tin ́ hiê ̣u ta ̣p âm và tỉ lê ̣ bit lỗi [7] Như vâ ̣y C/N0 cao thì tỉ lệ bit lỗi thấp ngược lại Với kế t quả tính tốn C/N0 64.1(dBHz) 61.7(dBHz) tương ứng với trường hơ ̣p góc ngẩ ng 37 ăng ten là 10o 5o cho thấ y chấ t lươ ̣ng đường truyề n của ̣ thố ng là tố t với P e nằ m khoảng từ 0.1 ~ 0.2  Eb/N0 Eb/N0 = C/N0 – R – Suy hao thiết bị Với trường hợp góc ngẩng trạm mặt đất vệ tinh 10o Eb/N0 = 64.1 – 2.0 – 10log(384.6 x 103) = 6.3 Với trường hợp góc ngẩng trạm mặt đất vệ tinh 5o Eb/N0 = 61.7 – 2.0 – 10log(384.6 x 103) = 3.8 Như Eb/N0 phụ thuộc vào tỉ số C/N0 Từ kết tính tốn thơng số ta thu nhận xét sau: Thông qua tính tốn thơng số đường trùn vơ tún hệ truyền tin trạm mặt đất - vệ tinh nhỏ ta có thể thấy suy hao khơng gian tự chiếm phần lớn quỹ đường truyền tuyến lên tún xuống vì tính tốn thiết kế đường trùn vệ tinh cần tính tốn cơng suất phát thiết bị đủ lớn đề bù đắp suy hao tín hiệu truyền từ khoảng cách từ bề mặt đất đến vệ tinh Mặt khác, để nâng cao chất lượng đường truyền, cách đơn giản dễ thực sử dụng ăng ten trạm mặt đất có độ tăng ích cơng suất xạ đẳng hướng tương đương lớn 38 KẾT LUẬN Từ phần mềm tính tốn thơng số đường trùn xây dựng, khảo sát loại suy hao sau: suy hao không gian tự do, suy hao phân cực, tổng suy hao khí qủn Trong đó, suy hao không gian tự chiếm phần lớn quỹ đường truyền tuyến lên tuyến xuống vì tính tốn thiết kế đường trùn vệ tinh cần tính tốn công suất phát thiết bị đủ lớn đề bù đắp suy hao tín hiệu truyền từ khoảng cách từ bề mặt đất đến vệ tinh Mặt khác, để nâng cao chất lượng đường truyền, cách đơn giản dễ thực sử dụng ăng ten trạm mặt đất có độ tăng ích cơng suất xạ đẳng hướng tương đương lớn Nhằm trì kênh liên kết thông tin ổn định vệ tinh trạm mặt đất, phân tích tính tốn thơng số đường truyền công việc không thể thiếu Các thơng số thường tính tốn điều kiện xấu Giá trị độ dự phòng thu cần phải đạt giá trị dương, giúp đảm bảo đường truyền thông tin liên lạc kết nối vệ tinh trạm mặt đất hoạt động tốt điều kiện Phầ n mề m tính tốn thơng số đường trùn xây dựng có khả tính tốn quỹ đường trùn TM từ vệ tinh xuống trạm mặt đất quỹ đường truyền TC từ mặt đất lên vệ tinh Công cu ̣ tin ́ h toán giúp việc phân tích thơng số thực cách nhanh chóng xác, góp phần trì đảm bảo kênh thơng tin liên lạc ổn định vệ tinh trạm mặt đất 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Thái Hồng Nhị (2008), Hệ thống thông tin vệ tinh, NXB Bưu Điện, Hà Nội [2] Trần Mạnh Tuấn (2007), Công nghệ Vệ tinh, NXB Khoa ho ̣c Kỹ thuâ ̣t , Hà Nội [3] Tài liệu kỹ thuật hệ thống Vnredsat-1, Viện Công nghệ Vũ trụ, Hà nội Tiếng Anh [4] The ITU Radiocommunication Assembly, “Maximum permissible level of off-axis e.i.r.p density from very small aperture terminals (VSATs)”, Recommendation ITU-R S.728-1, 1995 [5] The ITU Radiocommunication Assembly, “Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems”, Recommendation ITU-R P.618-7, 2001 [6] Bruce A Blevins, Small Satellite Antennas, http://www.antdevco.com [7] Aws Al-Qaisi (2012), Signal-To-Noise-Ratio of Signal Acquisition In Global Navigation Satellite System Receiver, Computer Engineering and Intelligent Systems, ISSN 2222-1719 (Paper), Vol 3, No.8, 2012 [8] http://dripsproject.com/2010/11/map-of-world-rainfall/ [9] Marcos Arias, Fernando Aguado (2016), Small Satellite Link Budget Calculation, Universidade de Vigo and CINAE, Santiago de Chile, 2016 [10] https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/v-w-x-yz/vnredsat-1 [11] Randy H Katz (1996), Mobile Satellite Systems, University of California, BerkeleyBerkeley, CA 94720-1776, 1996 [12] Enserink, Scott Warren (2012), Analysis and Mitigation of Tropospheric Effects on Ka Band Satellite Signals, UCLA Electronic Theses and Dissertations, University of California, 2012 40 ... QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh 1.1.1 Phần không gian 1.1.2 Phần mặt đất 1.2 Cấu trúc đặc trưng hệ thống vệ tinh nhỏ. .. dẫn thông tin liên lạc vệ tinh mặt đất điều kiện hoạt động Chƣơng - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh Cấu trúc hệ thống truyền tin vệ tinh. .. hai phần: phần không gian phần mặt đất Hình 1: Cấu trúc tổng quát hệ thống vệ tinh 1.1.1 Phần không gian Phần không gian hệ thống truyền tin vệ tinh bao gồm vệ tinh thiết bị đặt vệ tinh hệ thống