BÁO CÁO HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TIN VỆ TINH

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI TP.HCM BÁO CÁO HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TIN VỆ TINH Sinh viên thực đề tài: HÀ THỊ HOAN N17DCVT024 DƯƠNG THỊ LANH N17DCVT052 VÕ NGUYỄN THẢO HIỀN N17DCVT021 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỆ TINH THÔNG TIN 1.1 Định nghĩa Vệ tinh thông tin ( tiếng Anh : Communications satellite, viết tắt SATCOM) vệ tinh nhân tạo đặt không gian dùng cho viễn thơng Vệ tinh thơng tin đại có nhiều loại quỹ đạo quỹ đạo địa tĩnh, quỹ đạo Molniya, quỹ đạo Ellip, quỹ đạo ( cực phi cực) trái đất thấp Vệ tinh thông tin kỹ thuật tiếp sức vô tuyến vi ba bên canh thông titn cáp quang biển truyền dẫn điểm điểm cố dịnh Nó dùng ứng dụng di động thông tin cho tùa xe, máy bay, thiết bị cầm tay cho tivi quảng bá mà kỹ thuật khác cáp quang không thực tế 1.2 Lịch sử phát triển thông tin vệ tinh  Vào cuối TK 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1935) đưa khái niệm tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng Ông đưa ý tưởng tên lửa đẩy nhiều tầng, tàu vũ trụ có người 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 năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý tiếng người Anh đồng thời tác giả mơ hình viễn tưởng thơng tin tồn cầu, đưa ý tưởng sử dụng hệ thống gồm vệ tinh địa tĩnh dùng để phát quảng bá toàn giới  Tháng 10/ 1957 lần giới , Liên Xô phóng thành cơng vệ tinh nhân tạo SPUTNIK-1 Đánh dấu kỷ nguyên TTVT  Năm 1958 điện phát qua vệ tinh SCORE Mỹ, bay quỹ đạo thấp  Năm 1964 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTELSAT  Năm 1965 đời hệ thống TTVT thương mại INTELSAT-1 với tên gọi Early Bird  Cuối năm 1965 Liên Xô phóng TTVT MOLNYA lên quỹ đạo elip  Năm 1971 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên Xô nước XHCN  Năm 1972-1976 Cânda, Mỹ, Liên Xô 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 đưa 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 năm 1999 đến nay, đời ý tưởng hình thành hệ thống thơng tin di động thơng tin băng rộng tồn cầu sử dụng vệ tinh Các hệ thống điển ICO, TELEDESIC, v.v ❖ Sự phát triển hệ thống TTVT Việt Nam: • Năm 1980 khánh thành trạm TTVT mặt đất Hoa Sen -1, nằm hệ thống TTVT INTERPUTNIK, đặt làng Do Lễ - Kim Bảng – Hà Nam Đài Hoasen -1 sản phẩm nhà nước Liên Xô tặng nhân dân Việt Nam kịp thời truyền trực tiếp hình ảnh Olimpic 1980 tổ chức Liên Xơ • Năm 1984 khánh thành trạm mặt đất Hoasen -2 đặt TP HCM • Ngày 24/9/1998 Thủ tướng phủ định 868/ QĐ-TTG việc thông qua báo cáo tiền khả thi dự án phóng vệ tinh viễn thơng Vinasat lên quỹ đạo địa đĩnh tổng cty Bưu viễn thơng Việt Nam làm chủ đầu từ • Hiện mạng lưới thông tin vệ tinh Việt Nam sử dụng trạm mặt đất như: Đài truyền hình Việt Nam thuê vệ tinh MEASAT THAICOM -3, đài tiếng nói Việt Nam thuê vệ tinh PALAPA để phát chương trình quốc tế 1.3 Tổng quan thơng tin vệ tinh 1.3.1 Cấu trúc tổng quát Muốn thiết lập đường thông tin vệ tinh, trước hết phải phóng vệ tinh lên quỹ đạo có khả thu phát sóng vơ tuyến điện Vệ tinh vệ tinh thụ động, phản xạ sóng vô tuyến cách thụ động mà không khuếch đại biến đổi tần số Vệ tinh thu tín hiệu từ trạm mặt đất (SES: Satellite Earth Station) biến đổi, khuếch đại phát lại đến nhiều chiều trạm mặt đất khác Tín hiệu từ trạm mặt đất đến vệ tinh gọi đường lên (Uplink) tín hiệu từ vệ tinh trở trạm mặt đất khác đường xuống (Downlink) Thiết bị thông tin vệ tinh bao gồm số phát đáp khuếch đại tín hiệu băng tần lên cơng suất đủ lớn phát triển mặt đất Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần không gian phần mặt đất Hình 1: Hệ thống thơng tin vệ tinh Phần không gian: bao gồm vệ thin thông tin trạm điều khiển TT&C (Telemetry, Tracking & Command: đo lường từ xa, bám lệnh) mặt đất Đối với vệ tinh bao gồm phân hệ thông tin (payload) phân hệ phụ trợ cho phân hệ thông tin: Phân thông tin bao gồm hệ thống anten thu phát tất thiết bị điện tử hỗ trợ truyền dẫn sóng mang Các phân hệ phụ trở gồm: - Khung vệ tinh Phân hệ cung cấp lượng Phân hệ điều khiển nhiệt độ Phân hệ điều khiển quỹ đạo tư vệ tinh Phân hệ đẩy Thiết bị TT&C Phân hệ Phân hệ điều khiển quỹ đạo tư vệ tinh Phân hệ động đẩy Phân hệ đo lường từ xa, bám lệnh (TT&C) Phân hệ điều khiển nhiệt Khung vệ tinh Chức Duy trì tư cử vệ tinh(tư anten, cánh pin mặt trời) xác định thông số quỹ đạo Tạo gia tốc cần thiết Trao đổi thông tin liên quan đến thông số quỹ đạo vệ tinh, thu nhận lệnh điều khiển TT&C từ mặt đất Duy trì nhiệt độ thiết bị vệ tinh giới hạn hoạt động cho phép Hỗ trợ lắp ghép thiết bị Đặc trưng Độ xác vị trí quỹ đạo vùng phủ sóng vệ tinh Các loại động phản lực khối lượng nhiên liệu Số lượng kênh TT&C, tính bảo mật thơng tin Khả phân tán nhiệt Các tính chất vật liệu chế tạo • Nhiệm vụ phân hệ thơng tin: - Khuếch đại sóng mang thu phục vụ cho việc phát lại đường xuống - Cơng suất sóng mang tài đầu vào máy thu vệ tinh nằm khoảng 100 Pw đến PW Cơng suất sóng mang đầu khuếch đại công suất pháp đáp vệ tinh khoảng 100 Db đến 130 Db - Thay đổi tần số sóng mang để tránh phần công suất phát vào máy thu vệ tinh - Để thực chức vệ tinh hoạt động trạm chuyển tiếp đơn giải Thay đổi tần số vệ tinh thực đổi tần Vệ tinh loại gọi “ Transparent Satellite” Nếu sóng mang giải điều chế vệ tinh, thay đổi tần số đạt cách điều chế sóng mang cho đường xuống Các vệ tinh loại trang bị xử lý băng gốc gọi “ Regenerative Satellite” Phân hệ đo, bám điều khiển TT&C: cho phép đo từ xa thông số vệ tinh báo cáo trạm điều khiển mặt đất để nhận lệnh điều khiển tương ứng Phân hệ phát tín hiệu hải đăng thơng báo vị trí bị xê dịch để đảm bảo bám từ trạm mặt đất Ngoài ra, dựa tín hiệu trạm điều khiển mặt đất phát lệnh điều khiển vị trí vệ tinh Tuyến thông tin thiết lập trạm mặt đất phát máy thu vệ tinh gọi đường lên Uplink Vệ tinh phát tín hiệu thu từ trạm mặt đất phát xuống trạm mặt đất thu, tuyến thông tin gọi đường xuống Downlink Đường lên (Uplink): tuyến phát từ trạm mặt đất lên vệ tin Điểm kết cuối đường lên vệ tinh anten thu (Receive Antenna – Uplink) vệ tinh, thu tín hiệu từ trạm mặt đất phát lên sau khuếch đại tạp âm thấp (LNA: Low Noise Amplifier) khuếch đại tín hiệu lên mức cần thiết đưa đến lọc (filter), tín hiệu làm cho yếu mạnh lên (Atten/Amp) tùy theo yêu cầu khai thác đưa đến hệ thống xử lý (Proccessing) Đường xuống (Downlink): tín hiệu đầu Proccessing đưa đến Atten/Amp để làm cho yếu mạng lên tùy theo yêu cầu đưa đến lọc để lấy tín hiệu mong muốn đưa đến khuếch đại công suất lớn (High Power Amplifier) đưa anten phát (Transmit Antenna) phát tín hiệu xuống mặt đất Tồn hệ thống suy hao, khuếch đại đường lên đường xuống hệ thống dịch tần (Freq Trans) điều khiển đưa đến hệ thống Proccessing Phần mặt đất: bao gồm tất trạm mặt đất, trạm thường nối trực tiếp thông qua mạng mặt đất để đến thiết bị đầu cuối người sử dụng  Nhiệm vụ trạm mặt đất phát: Tiếp nhận tín hiệu từ mạng mặt đất trực tiếp từ thiết bị đầu cuối người sử dụng, xử lý tín hiệu trạm mặt đất sau phát tín hiệu tần số mức độ cơng suất thích hợp cho hoạt động vệ tinh  Nhiệm vụ trạm mặt đất thu: Thu sóng mang đường xuống vệ tinh tần số chọn trước, xử lý tín hiệu trạm để chuyển thành tín hiệu băng gốc sau cung cấp cho mạng mặt đất trực tiếp tới thiết bị đầu cuối người sử dụng Một trạm mặt đất có khả thu phát lưu lượng cách đồng thời trạm phát thu 1.3.2 Đặc điểm thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh hệ thống truyền dẫn vô tuyến, sử dụng vệ tinh để chuyển tiếp tín hiệu đến trạm mặt đất Vì trạm chuyển tiếp vệ tinh có độ cao lớn nên thơng tin vệ tinh có ưu điểm so với hệ thống viễn thơng khác là: - - - - - - Cấu hình lại hệ thống mạng mặt đất đơnn giản, nhanh chóng giảm giá thành so với loại khác Giá trành tuyến thông tin không phụ thuộc vào cự ly hai trạm Giá thành truyền cự ly 5000 km 100 km Có khả thơng tin quảng bá ( điểm – đa điểm) thông tin nối điểm Một vệ tinh phủ sóng cho vùng rộng lớn mặt đất (vệ tinh địa tĩnh búp sóng tồn cầu có vùng phủ sóng chiếm 1/3 bề mặt đất), trạm mặt đất thơng tin với nhiều trạm mặt đất khác vùng phủ sóng đó, có vệ tinh địa tĩnh phóng lên ba vị trí thích hợp phủ sóng tồn cầu dịch vụ thơng tin tồn cầu thực Có khả băng thơng rộng Các lặp vệ tinh thường thiết bị có băng tần rộng, thực nhiều loại dịch vụ thơng tin băng rộng dịch vụ khác Độ rộng băng tần lặp (repeater) lên đến hàng chục megahert Mỗi lặp sử dụng cho hai trạm mặt đất vùng phủ sóng vệ tinh Các hệ thống thơng tin mặt đất thường giới hạn cự lú gần Ít chịu ảnh hưởng địa hình mặt đất Do độ cao bay lớn nên thông tin vệ tinh khơng bị ảnh hưởng địa hình thiên nhiên đồi núi, thành phố, sa mạc, đại dương Sóng vơ tuyến chuyển tiếp qua vệ tinh truyền tới vùng xa xôi hẻo lánh, hải đảo, thông tin vệ tinh phương tiện thông tin tốt cho vùng nông thôn vùng chưa phát triển Thơng tin vệ tinh cung cấp loại dịch vụ phổ thông cho thành phố, nông thôn miền núi hải đảo Thông tin vệ tinh đẩy nhanh phát triển công nghiệp phương tiện xử lý số liệu nông thơn Dịch vụ thơng tin vệ tinh có băng tần rộng truyền tới nơi giới đưa đến việc tìm thị trường mở rộng thị trường dịch vụ hạ tầng đường thông tin sử dụng mặt đất Các dịch vụ Do khả đặc biệt thông tin vệ tinh nên đưa vào khái niệm cho lĩnh vực viễn thơng Trước có thơng tin vệ tinh ( trước năm 1958), dịch vụ viễn thơng quốc tế sử dụng sóng ngắn phản xạ tầng điện ly Thông tin không đáp ứng yêu cầu chất lượng xấu, dung lượng thấp, băng tần hẹp, công nghệ loại hình viễn thơng đạt tới mức giới hạn Các dịch vụ cá nhân khách hàng Các trạm mặt đất nhỏ với anten kích thước bé truy cập đến sở liệu, quan hệ thống quản lý thơng tin Các trạm có thiết bị đầu cuối kích thước nhỏ, gọi VSAT ( very small aperture terminals) Các đầu cuối thường đặt nhà khách hànhg hay khu vực có yêu cầu dịch vụ phổ thông với dung lượng nhỏ 1.3.3 Quỹ đạo vệ tinh 1.3.3.1 Các nguyên lý quỹ đạo Vệ tinh bay xung quanh đất với dạng quỹ đạo khác nhau, độ cao khác nhau, phải tuân theo định luật sau: a Định luật thứ Kepler: Vệ tinh chuyển động vòng quanh trái đất theo quỹ đạo hình Ellip với tâm trái đất nằm hai tiêu điểm Ellip Điểm xa quỹ đạo so với tâm trái đất nằm phía tiêu điểm thứ hai, gọi viễn điểm điểm gần quỹ đạo gọi cận điểm a: bán trục dài b: bán trục ngắn điểm ℎ𝑎 : Độ cao viễn ℎ𝑏 : Độ cao cận điểm e: Độ lệch tâm xác định hình dạng Ellip 𝑒= √𝑎2 + 𝑏2 𝑎 Ý nghĩa: Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo tròn Ellip Tâm trái đất nằm tiêu điểm quỹ đạo Ellip Nếu quỹ đạo trịn tâm quỹ đạo trùng với tâm trái đất Khi e = quỹ đạo vệ tinh quỹ đạo tròn b Định luật Kepler thứ hai: Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo với vận tốc thay đổi cho đường nối tâm trái đất vệ tinh quét diện tích vệ tinh chuyển động thời gian Với : 𝑇1 = 𝑇2 𝑡ℎì 𝑆1 = 𝑆2 Ý nghĩa: - - - Vệ tinh chuyển động với vận tốc nhanh gần trái đất chậm xa trái đất Vận tốc chuyển động vệ tinh quỹ đạo trịn khơng đổi xác định: Vệ tinh bay quỹ đạo trịn có bán kính R đại lượng khơng đổi, xác định thực lấy phép cân lực hút lực ly tâm 𝑇= 2𝜋𝑅 𝑉 𝑚𝑀𝐺 𝑅2 = 𝑚𝑉 𝑅 𝐺𝑀 , có vận tốc 𝑉 = √ 𝑅 = 630 √𝑅 ( 𝐾𝑚 𝑠 ) chu kỳ ≈ 10−2 √𝑅3 (𝑠) Trong đó: G : số hấp dẫn (6,674 10−8 (𝑐𝑚3 /𝑔𝑠 ) M: khối lượng trái đất (5,974 1027 ) m: khối lượng vệ tinh (g) R: khoảng cách từ tâm trái đất đến vệ tinh (Km) c Định luật Kepler thứ ba: Bình phương chu kỳ quay tỷ lệ thuận tới lũy thừa bậc ba cúa bán trục lớn quỹ đạo Ellip 𝑇 = 𝑘𝑎3 k: hệ số tỷ lẹ, có giá trị khơng đổi vật thể xác định quỹ đạo 1.3.3.2 Các quỹ đạo a Quỹ đạo đồng - địa tĩnh (GEO – Geostationalry Earth Orbit): Là quỹ đạo thỏa mãn điều kiện sau: • Là quỹ đạo đồng với trái đất: có nghĩa chu kỳ quay chu kỳ quay trái đất xung quanh trục Bắc Nam • Mặt phẳng quỹ đạo nằm mặt phẳng xích đạo trái đất • Có chiều quay với chiều quay trái đất từ Tây sang Đông Ưu điểm: - - Hiệu ứng Dopler nhỏ việc điều chỉnh anten trạm mặt đất không cần thiết Vệ tinh coi đứng yên so với trạm mặt đất Do vậy, quỹ đạo lý tưởng cho vệ tinh thơng tin, đảm bảo thông tin ổn định liên tục suốt 24 ngày Vùng phủ sóng vệ tinh lớn 42,2 % bề mặt trái đất Các trạm mặt đất xa liên lạc trực tiếp hệ thống vệ tinh phủ sóng toàn cầu Nhược điểm: - - Quỹ đạo địa tĩnh quỹ đạo tồn vũ trụ coi tài nguyên thiên nhiên có hạn Tài nguyên cạn kiệt số lượng vệ tinh nước phóng lên ngày nhiều Khơng phủ sóng vùng có vĩ độ lớn 81,3 độ Chất lượng đường truyền phụ thuộc vào thời tiết Thời gian trễ truyền lan lớn Tính bảo mật khơng cao Suy hao cơng suất truyền sóng lớn Ứng dụng: sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm thông tin cho vùng có vĩ độ nhỏ 81,3 độ b Quỹ đạo Ellip Là quỹ đạo thỏa mãn điều kiện sau: - Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo 63 độ 26 phút - Có viễn điểm = 40.000 Km cận điểm 500 Km - Vệ tinh quay từ Tây sang Đông Ưu điểm: - Phủ sóng vùng có vĩ độ cao > 81,3 độ Góc ngẫng lớn nên giảm tạp âm mặt đất gây Nhược điểm - Mỗi trạm phải có anten anten phải có cấu điều chỉnh chùm tia Để đảm liên lạc liên tục 24 phải cần nhiều vệ tinh Ứng dụng: Được sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm thông tin cho vùng có vĩ độ lớn 81,3 độ c Quỹ đạo LEO MEO Là quỹ đạo thỏa mãn điều kiện sau: • Là quỹ đạo có độ cao 500 Km < h < 20.000 Km (500 Km < h < 10.000 Km LEO 10.000 Km < h < 20.000 Km MEO) • Có vận tốc góc nhỏ lớn vận tốc góc trái đất Ưu điểm: - Tư vệ tinh phải giám sát hiệu chỉnh để đảm bảo anten vệ tinh luôn hướng vùng mong muốn trái đất CHƯƠNG VI CẤU HÌNH TRẠM MẶT ĐẤT (VSAT) 6.1 Sơ lược cấu hình trạm Nhờ phát triển thành tựu khoa học công nghệ, chế tạo khuếch đại có cơng suất lớn, khuếch đại có tạp âm nhỏ, với đời trạm vệ tinh có cơng suất khuếch đại cao Hệ thống trạm mặt đất cho phép trạm mặt đất có kích thước nhỏ, giá thành thấp, đường kính anten nhỏ từ 0.9 m đến 1.8 m công suất trạm cỡ vài Oát Hệ thống TTVT trạm mặt dất sử dụng quân sự, viễn thông nông thôn, hội nghị truyền hình, ngân hàng Một mạng trạm mặt đất bao gồm vệ tinh hay phần vệ tinh, trạm có anten khoảng 4.5m đến 10m gồm số lượng lớn từ vài chục đến vài trăm ngàn trạm đầu cuối VSAT với anten nhỏ Quỹ đạo vệ tinh VSAT quỹ đạo địa tĩnh phải có vùng phủ sóng rộng 6.2 Ưu điểm nhược điểm hệ thống thông tin VSAT Ưu điểm: - Vùng phủ sóng rộng Truyền số liệu với dung lượng lớn Lắp đặt nhanh Dễ dàng nâng cấp băng thơng Có khả cung cấp băng thơng theo yêu cầu Nhược điểm: - Chất lượng đường truyền phụ thuộc vào nhiều thời tiết 6.3 - Tính bảo mật khơng cao - Trễ truyền lan lớn Cấu hình trạm VSAT Cấu hình trạm VSAT chia làm ba thành phần gồm: Anten, khối trời (ODUOutdoor unit) khối nhà (IDU- Indoor unit) Bộ HPA gắn thêm để khuếch đại công suất phát lên 20W Thường sử dụng trạm HUB Hình 6.3 Trạm HUB Các trạm VSAT kết nối với tuyến Uplink Downlink Tùy thuộc vào loại hình dịch vụ cung cấp, tổ chức mạng trạm VSAT theo cấu hình sau: 6.3.1 Cấu hình hình (Điểm nối đa điểm) Là kiểu tổ chức dùng phổ biến Trong trạm VSAT muốn liên lạc với phải thông qua trạm HUB để quản lý điều hành hoạt động mạng Trạm nối với máy tính chủ kết nối với mạng thơng tin công cộng Tất đầu cuối xa chuyển tiếp qua xử lý trung tâm trạm Đường thông tin phải qua vệ tinh hai lần nên trễ đường truyền lớn khoảng 513ms  Làm giảm chất lượng liên lạc thoại dịch vụ hội nghị Với trậm mặt đất HUB: có quy mơ lớn trạm VSAT lẻ, đường kính anten băng C từ 7𝑚 ÷ 18𝑚 , đường kính anten băng Ku từ 3.5𝑚 ÷ 11𝑚, mức khuếch đại cơng suất HPA khaongr 400W Hình 6.3.1 Cấu hình điểm nối đa điểm 6.3.2 Cấu hình hình lưới (Điểm nối điểm) Các trạm VSAT liên lạc trực tiếp với mà không cần phải thông qua trạm HUB để điều khiển Là kiểu cấu hình mà cá trạm VSAT có vai trị Yếu cầu trạm VSAT phải có anten kích thước lớn trạm VSAT tổ chức theo cấu hình hình sao, nhằm đạt EIRP lớn đáp ứng yêu cầu đường lên phải tẳng công suất vệ tinh nên cấu hình sử dụng Trễ đường truyền nhỏ khoảng 240ms Hình 6.3.2 Cấu hình điểm nối điểm 6.3.3 Cấu hình lai ghép Để bảo đảm yêu cầu dịch vụ độ tin cậy người ta dùng cấu hình lai ghép cấu hình hình cấu hình hình lưới Hình 6.3.3 Cấu hình lai ghép CHƯƠNG VII: ANTEN THƠNG TIN CỦA VỆ TINH • Chức anten vệ tinh - Lựa chọn sóng vô tuyến phát băng tần phân cực cho từ trạm mặt đất nằm vùng phủ sóng vệ tinh - Phát sóng vơ tuyến băng tần phân cực khu vực quy định mặt đất • Yêu cầu: - Thu can nhiễu nhỏ tốt - Phát cơng suất nhỏ ngồi vùng quy định 7.1 Các thông số đặc trưng: Anten vệ tinh phải phủ sóng khu vực với mức cơng suất yêu cầu đặc trưng đường đẳng mức độ tăng ích anten EIRPs (Equivalent Isotropic Radiated Power) đẳng mức hệ số phẩm chất thu 𝐺𝑅 /𝑇𝑆 đẳng mức Như trạm mặt đất nằm vùng phủ sóng thu mức cơng suất yêu cầu không nhỏ mức cực đại dB Có loại vùng phủ sóng lên mặt đất anten vệ tinh: - Phủ sóng tồn cầu: vùng phủ song rộng vệ tinh lên mặt đất Với vệ tinh địa tĩnh với độ cao 35.786 km, vùng phủ sóng có lớn 42% bề mặt đất, với “góc nhìn” từ vệ tinh 17,4º Hình 7.1: Phủ sóng tồn cầu góc ngẩng cho phủ sóng bán cầu - - Phủ sóng bán cầu: vùng phủ sóng cho nửa bán cầu phía đơng nửa bán cầu phía tây, quan sát từ vệ tinh, hai khu vực phủ sóng cách ly Phủ sóng vùng: phủ sóng nhiều khu vực khác mặt đất vùng Đông-Bắc, vùng Tây-Bắc … Phủ sóng ‘’dấu’’ (spot footprint): vùng phủ sóng nhỏ, dùng để thông tin nước nhỏ hay vùng nước lớn Trong hệ thống thông tin di động qua vệ tinh vùng phủ sóng “dấu” phải chồng lên để thơng tin liên tục Vùng phủ sóng trịn, elip hay dạng tùy ý Hình 7.2: Phủ sóng khu vực phủ sóng “dấu” Hình 7.3: Vùng phủ sóng lưới + Giản đồ xạ quy định khuyến nghị ITU-R S.672-4 + Mức búp sóng phụ: khơng làm ảnh hưởng tới vùng khác + Đặc tính phân cực: Phân cực đứng, ngang, tròn (quay trái hay quay phải), elip (quay trái hay quay phải) 7.2 Các loại anten: Anten vệ tinh thường sử dụng loại anten loa anten mặt phản xạ với chiếu xạ khác tiếp sóng theo phương khác 1) Anten loa: anten có hướng tính đơn giản nhất, thường sử dụng cho vùng phủ sóng rộng Anten có đặc tính búp sóng phụ nhỏ, thích hợp dùng làm chiếu xạ (nguồn xơ cấp) cho anten có mặt phản xạ Có nhiều dạng anten loa khác Hình 7.4: Các anten loa a) Nón vách nhẵn b) Vách gấp nếp c) Hình pyramid 2) Anten phản xạ (reflector): Là anten thường sử dụng để tạo búp sóng dạng vết hình thù riêng rẽ (shaped) Anten bao gồm mặt phản xạ parabol nhiều nguồn phát xạ đặt tiêu điểm mặt phản xạ Có thể điều chỉnh hướng chùm sóng anten quỹ đạo thiết bị điều khiển từ xa Với anten sử dụng dàn chiếu xạ thay đổi búp sóng thực cách thay đổi pha nguồn cấp điện cho chiếu xạ Bộ phát xạ đặt theo kiểu đồng trục lệch trục Để tạo búp sóng hình trịn hay elip thực cách thay đổi hình dạng mặt phản xạ cho phù hợp với vùng phủ sóng Để tạo búp sóng dạng hình thù riêng rẽ hay phức tạp đặt dãy phần tử xạ tiêu điểm mặt phản xạ tiếp điện tín hiệu biên độ pha lệch nhờ mạch tạo búp sóng Hình 7.5: Anten phản xạ 3) Anten dãy (array): sử dụng nhiều phần tử xạ để tạo nên góc mở xạ Biểu đồ xạ tạo cách kết hợp biên độ pha sóng xạ dãy phần tử xạ Các phần tử xạ đặt cách 0,6λ, biểu đồ xạ điều chỉnh cách đổi pha biên độ tín hiệu tiếp điện dịch pha, chia cơng suất điều khiển 7.3 Hệ thống trở: Để vệ tinh đảm bảo thông tin liên lạc liên tục 24/24 suốt thời gian sống, ngồi phân hệ thơng tin cần phải có phân hệ phù trợ cho hoạt động phân hệ thơng tin Các phân hệ có chức tính chất liệt kê bảng sau: 1) Phân hệ điều khiển quỹ đạo tư vệ tinh: Chuyển động vệ tinh bao gồm chuyển động xung quanh trái đất (địa tĩnh) chuyển động nội vệ tinh xung quanh • Nhiệm vụ: Duy trì búp sóng anten vệ tinh ln hướng vùng cần phủ sóng suốt thời gian sống vệ tinh Phân hệ phải có khả bù mô men xoắn nhiễu loạn ảnh hưởng đến trạng thái vệ tinh lực hấp dẫn, áp suất xạ mặt trời, động điều chỉnh trạng thái vệ tinh khởi động không đồng khơng cân Có thể điều khiển hệ thống thụ động tích cực Hai kỹ thuật sử dụng để điều khiển trạng thái : - - Ổn định theo kiểu quay: Vệ tinh chế tạo hình trụ cho than cân xung quanh trục đứng hình trụ Với vệ tinh địa tĩnh trục điều chỉnh song song với trục Bắc-Nam đất, tốc độ quay than 4060 vòng/phút Ổn định theo kiểu ba trục: Thân vệ tinh cố định so với trái đất Tư vệ tinh biểu diễn theo trụ trục lệch hướng (yaw), trục quay (roll) trục độ cao (pitch) hệ tọa độ có tâm đặt trọng tâm vệ tinh 2) Phân hệ động cơ: • Nhiệm vụ: Tạo lực đẩy, mô men xoắn dùng để điều khiển quỹ đạo tư vệ tinh - Động đẩy công suất nhỏ vài millinewton đến vài newton dùng để điều khiển tư quỹ đạo vệ tinh - Động đẩy công suất trung bình vài trăm newton đến vài ngàn newton dùng để thay đổi quỹ đạo trình phóng vệ tinh 3) Phân hệ cung cấp lượng điện: • Nhiệm vụ: Bảo đảm cung cấp nguồn điện cho vệ tinh hoạt động ổn định liên tục 24/24 suốt thời gian làm việc vệ tinh - Nguồn cấp hệ thống pin mặt trời - Nguồn cấp dự phòng hệ thống acquy thời gian vệ tinh bị che khuất 4) Phân hệ đo lường từ xa, bám lệch (TT&C): • Nhiệm vụ: - Thu tín hiệu điều khiển từ mặt đất để thay đổi trạng thái phương thức hoạt động thiết bị vệ tinh thông qua tuyến điều khiển từ xa (TC) - Phát kết đo, thông tin hoạt động vệ tinh, thiết bị kết thực lệch điều khiển mặt đất thông qua tuyến đo lường từ xa (TM) - Cho phép đo khoảng cách mặt đất vệ tinh, tốc độ hướng tâm để xác định thông số quỹ đạo - Cung cấp tín hiệu chuẩn cho trạm mặt đất phục vụ công việc bám 5) Phân hệ điều khiển nhiệt: • Nhiệm vụ: Duy trì nhiệt độ vệ tinh giới hạn cho phép CHƯƠNG VIII: ANTEN TRẠM MẶT ĐẤT 8.1 Nhiệm vụ, chức trạm mặt đất: Trạm mặt đất (SES: Satellite Earth Station) để tiếp nhận luồng tín hiệu dạng số hay tương tự từ mạng mặt đất trực tiếp từ thiết bị đầu cuối người sử dụng, xử lý phát lên vệ tinh tần số mức cơng suất thích hợp cho hoạt động vệ tinh Một trạm mặt đất thu phát lưu lượng cách đồng thời trạm mặt đất phát hay thu 8.2 Cấu hình trạm mặt đất: Một trạm mặt đất truy nhập phát đáp vệ tinh theo nhiều phương pháp khác (FDMA, TDMA, CDMA ) nên cấu hình loại đa truy nhập khác Tín hiệu từ mạng mặt đất đưa đến ghép kênh số (TDM) hay ghép tương tự (FDM), đến đa truy nhập để phân luồng tới điều chế số (PSK) hay điều chế tương tự (FM) Điều chế tần số trung gian gọi trung tần (70±18) MHz hay (140±36) MHz Sau điều chế trung tần, tần số trung tần đưa đến biến đổi tần số đường lên (U/C) để nâng lên tần số xạ (RF) Tín hiệu cao tần sau đưa đến kếp hợp thành băng tần chung với nhiều sóng mang độ rộng băng lớn Rồi đến khuếch đại cơng suất để có công suất lớn, gọi khuếch đại công suất cao (HPA) Khi thu băng tần thu anten cảm ứng với mức công suất thấp cự ly thơng tin lớn, tín hiệu thu từ anten qua ống dẫn sóng đến lọc phân hướng (D) qua khuếch đại tạp âm thấp (LNA) để nâng mức tín hiệu thu lên khoảng 40 dB -60 dB LNA đặt gần anten tốt để giảm tạp âm đưa vào hệ thống LNA khuếch đại toàn băng tần thu, đưa đến chia phân băng tần con, sau đưa tới biến đổi hạ tần (D/C) xuống trung tần (IF) Tiếp đến đưa tới giải điều chế (DEMOD) để lấy tín hiệu băng tần sở, đến thiết bị xử lý tín hiệu, qua thiết bị phân kênh đến thiết bị đầu nối mạng mặt đất tới người sử dụng 8.3 Anten trạm mặt đất: • Nhiệm vụ anten trạm mặt đất: Là biến lượng cao tần máy phát thành sóng điện từ xạ phía anten thu vệ tinh phần phát thu sóng điện từ đường xuống đưa vào máy thu • Yêu cầu với anten trạm mặt đất: - Hệ số tăng ích hiệu suất cao - Tính hướng cao, búp sóng phụ nhỏ để không gây can nhiễu lên hệ thống viba khác - Đặc tính phân cực tốt để sử dụng dạng phân cực khác sử dụng lại tần số Tạp âm thấp 1) Anten gương parabol: Gồm mặt phản xạ parabol làm từ nhôm hợp kim nhôm Tại tiêu điểm gương parabol đặt nguồn xạ sơ cấp (thường anten loa: feed horn) gọi chiếu xạ, tâm pha chiếu xạ trùng với tiêu điểm gương Hình 8.1: Anten gương parabol Khoảng cách từ điểm F đến đỉnh gương O gọi tiêu cự f, gương parabol trịn xoay đường kính miệng gương L gọi độ (aperture) Theo tính chất gương parabol, tia sóng xuất phát từ tiêu điểm gương phản xạ từ mặt gương trở thành tia sóng song song tổng đường từ tiêu điểm đến mặt phản xạ tới miệng gương Như nguồn sơ cấp đặt tiêu điểm gương xạ sóng cầu sau phản xạ từ mặt gương trở thành sóng phẳng Nên anten parabol có xạ đơn hướng, tính hướng hẹp hệ số tăng ích cao 2) Anten Cassegrain: gồm hai gương, gương với đường kính lớn gương parabol, gương phụ nhỏ gương hypebol, đặt cho tiêu điểm hai gương trùng 𝐹1 hình bên dưới: Hình 8.2: Anten hai gương Cassegrain Đặt chiếu xạ cho tâm pha trùng với tiêu điểm gương phụ ảo hypebol 𝐹2 Các tia sóng xuất phát từ chiếu xạ (nghĩa từ tiêu điểm gương phụ ảo hypebol) phản xạ lần gương phụ hypebol, phản xạ lần hai gương parabol trở thành tia sóng song song với nhau, đoạn đường đến mặt phẳng song song với miệng gương số Nguồn sơ cấp xạ sóng cầu sau phản xạ từ hai gương trở thành sóng phẳng 3) Anten lệch: anten có chiếu xạ đặt lệch hướng tia phản xạ từ gương parabol Để tránh gây ‘’miền tối’’ làm giảm hệ số tăng ích, hiệu suất tăng búp sóng phụ Anten lệch sử dụng yêu cầu chất lượng cao để giảm can nhiễu từ mạng viba mặt đất từ vệ tinh khác nằm gần quỹ đạo Hình 8.3: Các anten lệch 4) Đặc tính phân cực: Sóng xạ từ anten gồm hai thành phần điện trường E từ trường H, vng góc với vng góc với phương lan truyền Khi xét phân cực cần xét biến thiên véc tơ cường độ điện trường E Phân cực đặt trưng thông số sau: - Phương quay véc tơ E: quay theo chiều kim đồng hồ gọi quay phải, hay ngược chiều kim đồng hồ gọi quay trái - Tỷ số trục (AR: Axial Ratio) : tỷ số độ dài trục trục phụ hình elip véc tơ E trình biến đổi tạo nên: 𝐴𝑅 = 𝐸𝑚𝑎𝑥 /𝐸𝑚𝑖𝑛 + Nếu 𝐸𝑚𝑎𝑥 = 𝐸𝑚𝑖𝑛 AR=1 sóng phân cực trịn + Nếu 𝐸𝑚𝑖𝑛 = AR=∞ sóng phân cực thẳng +Nếu 𝐸𝑚𝑎𝑥 ≠ 𝐸𝑚𝑖𝑛 AR có giá trị sóng phân cực elip Hình 8.4: Tính chất phân cực sóng điện từ 8.4 Bám vệ tinh: Trong thực tế vệ tinh địa tĩnh chuyển động theo hướng tác động nhiều nguyên nhân lực hấp dẫn mặt trời, tác động lực xạ ánh sáng mặt trời trường hấp dẫn trái đất, làm cho vệ tinh “trượt” theo hướng Nam-Bắc Đơng-Tây so với vị trí định trước Do cần trì vệ tinh vị trí ban đầu lệch phát từ trạm đo lường từ xa, bám, điều khiển giám sát (TTC&M: telemetry tracking control and monitoring) đặt mặt đất • Các hệ thống điều khiển anten bám vệ tinh: Hệ thống bám xung đơn (monopulse tracking): Khi hướng thu tín hiệu từ vệ tinh đến hướng thu cực đại anten (hướng thẳng góc với chiếu xạ), ống dẫn sóng tiếp sóng xuất sóng 𝑇𝐸10 Khi hướng thu bị lệch ống dẫn sóng xuất sóng bậc cao 𝑇𝐸20 (như hình bên dưới) Pha sóng 𝑇𝐸20 thay đổi phụ thuộc vào hướng góc lệch từ máy thu điều khiển bám lệch phù hợp để quay anten Hình 8.5: Các sóng thu hướng khác Hệ thống điều khiển bám theo chương trình (program tracking): Anten điều khiển máy tính dựa số liệu dự đốn vị trí vệ tinh Intelsat cung cấp cho vệ tinh trạm mặt đất có liên quan Số liệu dự đốn vị trí vệ tinh cài đặt vào phần mềm máy tính điều khiển, biến đổi thành lệch để điều khiển anten bám theo vệ tinh thời gian định Hệ thống bám nấc (steptrac tracking) : Sau nhận tín hiệu điều khiển bám vệ tinh (hay tín hiệu hướng dẫn) phát từ vệ tinh mức không đổi búp sóng tồn cầu Mức tín hiệu thu so sánh với mức mẫu quy định, nhỏ giá trị quy định anten lệch quay góc ban đầu Bám tay (Manual Tracking) : Các anten có kích thước nhỏ 8m cần điều chỉnh tay hàng tuần hàng tháng Thực cách làm cho chuyển mạch phù hợp với mơ tơ góc phương vị góc ngẩng CHƯƠNG IX: ỨNG DỤNG So với hệ thống thông tin mặt đất, ưu điểm vượt trội thơng tin vệ tinh khả phủ sóng kết nối khắp nơi Ngồi thơng tin vệ tinh cung cấp loạt dịch vụ có tính tồn cầu Chính ưu điểm bật thơng tin vệ tinh phát triển nhanh chóng thập niên qua Dưới số ứng dụng thông tin vệ tinh • Nghiên cứu khoa học • Quan sát Trái Đất từ quỹ đạo, kiểm tra môi trường, thời tiết thiết lập đồ • Phục vụ cho hoạt động viễn thơng Trái Đất • Ứng dụng hoạt động trinh sát, vệ tinh quan sát Trái Đất triển khai cho ứng dụng quân hay tình báo • Nghiên cứu định vị tồn cầu hay điều hướng (vệ tinh hoa tiêu) • Cung cấp thơng tin khoa học, hỗ trợ nơng nghiệp • Giao thơng (đường bộ, đường thủy, hàng khơng) • Đo đạc khảo sát thi cơng cơng trình (trắc địa, thủy đạc) ... HAO TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Một tuyến thông tin vệ tinh bao gồm đường truyền sóng từ anten trạm phát đến vệ tinh từ vệ tinh đến anten trạm mặt đất thu Do suy hao thơng tin vệ tinh gồm loại suy... điểm đắt vệ tinh để đưa vệ tinh quỹ đạo địa tính vị trí Đưa vệ tinh vào quỹ dạo địa tĩnh - 5.2 Quá trình định vị vệ tinh bắt đầu vệ tinh đưa vào quỹ đạo chuyển tiếp bao gồm trình đưa vệ tinh vào... khiển vị trí vệ tinh Tuyến thơng tin thiết lập trạm mặt đất phát máy thu vệ tinh gọi đường lên Uplink Vệ tinh phát tín hiệu thu từ trạm mặt đất phát xuống trạm mặt đất thu, tuyến thông tin gọi đường