Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sau

Tài liệu tham khảo ngành viễn thông Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sau

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết

3DES Triple Data Encryption

ADSL Asymmetric Digital

Subscriber Line

Công nghệ truy nhập đường dây thuê bao số bất đối xứng

BICC Bearer Independent Call Control Protocol Giao thức điều khiển cuộc gọi độc lập với kênh mang

ISDN Integrated Services Digital

B-ISDN Broadband Integrated Services

Digital Network

Mạng số đa dịch vụ tích hợp băng rộng

CHAP Challenge Handshake Giao thức xác thực bắt tay

Authentication Protocol thách thức

DHCP Dynamic Host Configuration

GVPNS Global VPN Service Dịch vụ VPN toàn cầu

HTTP Hypertext Tranfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản

ICMP Internet Control Message

Protocol

Giao thức bản tin điều khiển Internet

IETF Internet Engineering Task

IKE Internet Key Exchange Giao thức trao đổi khoá Internet

miền

IP-Sec Internet Protocol Security Giao thức an ninh Internet

L2TP Layer 2 Tunneling Protocol Giao thức đường ngầm lớp 2

MGCP Media Gateway Control

Protocol

Giao thức điều khiển cổng kết nối phương tiện

MPLS Multi Protocol Laber

Switching

Bộ định tuyến chuyển mạch nhãn

MPPE Microsoft Point-to-Point

Encryption

Mã hoá điểm-điểm của Microsoft

NDIS Network Driver Interface

PPTP Point to Point Tunneling

Protocol

Giao thức đường ngầm điểm tới điểm

RADIUS Remote Authentication

Dial-In User Service

Dịch vụ xác thực người dùng quay số từ xa

RRAS Routing and Remote Access

Server

Máy chủ truy cập định hướng và truy cập từ xa

RTP Real-time Tranport Protocol Giao thức truyền tải thời gian thực

SNMP Simple Network Management

Protocol

Giao thức quản lý mạng đơn giản

SMTP Simple Mail Tranfer Protocol Giao thức truyền thư đơn giản

SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ

ninh

TACACS Terminal Access Control

dùng

VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học-công nghệ thì nhu cầu trao đổi dữ liệu và các dịch vụ tiện ích của con người cũng tăng theo Các phương thức truyền dẫn hiện nay như là ADSL, leased-line, Frame-Relay… tuy đã phần nào đáp ứng được nhu cầu đó nhưng hạn chế của mạng này là tính di động không cao và triển khai ở những nơi địa hình phức tạp vẫn còn là một trở ngại lớn Và mạng vệ tinh thực sự là một giải pháp tối ưu giải quyết được cả 2 vấn đề trên với việc cung cấp mạng băng rộng thế hệ mới cung cấp đa dịch vụ trên một thiết bị đầu cuối với nền IP tốc độ cao, với các dịch vụ được cung cấp trực tiếp đến khách hàng qua vệ tinh tránh được xảy ra tắc nghẽn đường truyền làm giảm tốc độ kết nối chi phí ,ko mắc hơn các dịch vụ truyền thống quá nhiều , vệ tinh trong tương lai không chỉ hướng tới hoạt động công ích mà là cung cấp dịch vụ cho khách hàng vùng sâu vùng xa khó khăn về địa hình, với những ưu thế trên thì vệ tinh ngày càng được triền khai rộng rãi trên toàn thế giới ,một trong những công nghệ hiện nay đang được sử dụng khá phổ biến đó là truyền thông IP qua mạng vệ tinh

Với đồ án “liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sau” em hi vọng sẽ góp phần làm rõ những đặc điểm chính về công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi này

Nội dung đồ án gồm 6 chương:

─ Chương 1: Lịch sử phát triển của vệ tinh giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển của dịch vụ vệ tinh, ứng dụng của dịch vụ vệ tinh cũng như các định nghĩa của ITU-R về các dịch vụ mạng

─ Chương 2:Mạng vệ tinh và các đặc điểm giới thiệu về mạng vệ tinh như phần không gian của vệ tinh, trạm mặt đất, quỹ đạo, dải tần cũng như các đặc điểm của mạng vệ tinh

─ Chương 3:Khái niệm mạng và quỹ đạo vệ tinh trong chương này ta tìm hiểu về quỹ đạo, tham số quỹ đạo, đặc điểm liên kết vệ tinh các phương thức điều chế cũng như kỹ thuật đa truy nhập trong vệ tinh

─ Chương 4: Liên kết mạng vệ tinh với mạng trái đất các thành phần và kết nối mạng, báo hiệu , lưu lượng, chuyển tiếp, truy nhập mạng mạng điện thoại kỹ thuật số, mạng số tích hợp đa dịch vụ qua vệ tinh sẽ được trình bày ở chương 4

─ Chương 5: Giao thức internet (IP) qua vệ tinh Trong chương này ta sẽ tìm hiểu về việc đóng gói IP, nối mạng vệ tinh IP, phát đa điểm IP qua mạng vệ tinh

─ Chương 6: Bảo mật Một vấn đề chính trong tất cả các mạng đó là vấn đề bảo mật, do đó trong chương này ta sẽ tìm hiểu về các giao thức cũng như cách thức bảo mật trong mạng vệ tinh

Mặc dù đã cố gắng trong khi làm đồ án nhưng với khả năng và kiến thức còn hạn chế do đó không thể tránh khỏi những sai sót, em mong nhận được sự góp ý sửa chữa của các thầy cô và các bạn

bảo và truyền cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt 5 năm qua đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy Võ Trường Sơn và các thầy cô trong liên bộ môn Điện-Điện tử đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

TP.HCM Tháng 12 năm 2008 Sinh viên thực hiện Vũ Văn Trực

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Lịch sử phát triển của vệ tinh

Vệ tinh đã có mối liên hệ chặt chẽ với viễn thông và truyền hình ngay từ khi nó mới hình thành, nhưng chỉ vài người chú ý điều này Ngày nay,vệ tinh truyền những chương trình truyền hình trực tiếp tới từng nhà và cho phép chúng ta truyền những tin nhắn và truy cập Internet Sau đây sẽ cho ta một tổng quan nhanh lịch sử của vệ tinh

1.1.1 Sự khởi đầu của kỉ nguyên vệ tinh và không gian

Công nghệ vệ tinh đã tiến bộ một cách đáng kể từ khi vệ tinh nhân tạo đầu tiên Sputnick được phóng lên bởi Liên Xô vào 4/10/1957 và Courier-1B được thí nghiệm đầu tiên tại Mỹ vào Tháng tám 1960

Hợp tác quốc tế đầu tiên để nghiên cứu vệ tinh cho dịch vụ truyền hình và ghép kênh thoại được đánh dấu bởi thí nghiệm truyền thông ở bên kia bờ Đại tây dương giữa Mỹ, Nước Pháp, Đức và Vương quốc Anh vào 1962

1.1.2 Truyền thông vệ tinh đầu tiên: TV và điện thoại

Tổ chức Intelsat được thành lập ban đầu với 19 quốc gia và các bên đã ký kết ban đầu vào Tháng tám 1964 Việc giới thiệu REARLY BIRD (Intelsat-1) đánh dấu vệ tinh thông tin địa tĩnh thương mại đầu tiên Nó cung cấp 240 mạch điện thoại và một kênh Ti vi giữa Mỹ, Nước Pháp, Đức và Vương quốc Anh trong Tháng tư 1965 Vào 1967, vệ tinh Intelsat- II cung cấp dịch vụ tương ứng qua Đại tây dương và những vùng Thái Bình Dương Từ 1968 đến 1970, Intelsat- III đạt được hoạt động toàn thế giới với 1500 mạch điện thoại và bốn kênh Ti vi Lần đầu tiên vệ tinh IntelsatIV cung cấp 4000 mạch điện thoại và hai kênh Ti vi trong Tháng giêng 1971 và Intelsat- IVa cung cấp 20 bộ phát-đáp (của) 6000 mạch và hai kênh Ti vi với việc sử dụng phân tách chùm tia để sử dụng lại tần số

1.1.3 Sự phát triển của truyền dẫn vệ tinh số

Vào năm 1981, lần đầu tiên vệ tinh Intelsat V đạt được dung lượng 12000 mạch với hoạt động FDMA và TDMA, bộ phát-đáp băng rộng 6/4 GHz và 14/11 GHz, và sử dụng lại tần số bằng cách tách ra chùm tia và phân cực kép Vào năm 1989, Vệ tinh Intelsat VI cung cấp chuyển mạch TDMA trong vệ tinh lên đến 120000 mạch Vào năm 1998, Intelsat VII, VIIa và vệ tinh Intelsat VIII được phóng Vào 2000, vệ tinh Intelsat- IX đạt được 160000 mạch

1.1.4 Sự phát triển của truyền hình kỹ thuật số qua vệ tinh(Direct To Home-DTH) Trong năm 1999 lần đầu tiên Vệ tinh K-Ti vi cung cấp 30 bộ phát đáp 14/ 11-12 GHz cho 210 chương trình truyền hình có khả năng truyền hình trực tiếp đến từng hộ dân và dịch vụ VSAT

1.1.5 Sự phát triển của truyền thông vệ tinh biển

Trong Tháng sáu 1979, tổ chức Vệ tinh Biển Quốc tế (Inmarsat) đã được thiết lập để cung cấp thông tin vệ tinh Biển toàn cầu với 26 bên ký kết ban đầu Nó mở ra đặc tính di động của thông tin vệ tinh

1.1.6 Thông tin vệ tinh trong vùng và trong nước

Tại cấp độ khu vực,tổ chức viễn thông vệ tinh Châu Âu(Eutelsat) được thành lập với 17 quốc gia và được kí kết vào tháng 6/1977.Nhiều nước cũng phát triển hệ thống truyền thông vệ tinh nội địa của riêng mình, bao gồm Mỹ, Liên Xô, Canada, Nước Pháp, Đức, Vương quốc Anh, Nhật bản, Trung quốc và một số nước khác

1.1.7 Mạng vệ tinh băng thông rộng và mạng di động

Kể từ năm 1990, những phát triển quan trọng đã được thực hiện trên những mạng băng thông bao gồm kỹ thuật chuyển mạch trong vệ tinh Những vệ tinh không địa tĩnh khác nhau đã được phát triển cho dịch vụ vệ tinh di động (MSSs) và dịch vụ vệ tinh băng thông rộng cố định (FSSs)

1.1.8 Internet qua mạng vệ tinh

Từ cuối những năm 1990 và đầu thế kỷ 20, chúng ta đã thấy một sự gia tăng 1 cách kịch tính trong lưu lượng Internet qua truyền thông mạng Mạng Vệ tinh đã được sử dụng để truyền dẫn lưu lượng Internet tới điện thoại và truyền hình cho truy cập và chuyển tiếp mạng.và điều này mang lại những cơ hội lớn cũng như những thách thức tới nền công nghiệp vệ tinh

1.2 Các ứng dụng và các dịch vụ mạng vệ tinh

Hình1.1 các ứng dụng và dịch vụ của mạng vệ tinh

Vệ tinh nhân tạo hay còn được gọi là các ngôi sao do con người chế tạo ra trên bầu trời, và đôi khi thường bị nhầm với những ngôi sao thật Đối với nhiều người thì nó đầy bí ẩn Những nhà khoa học và kỹ sư thì lại hay ví von, thường gọi chúng là các con chim hay tương tự chim, các vệ tinh có thể tới những nơi rất xa mà các sinh vật không tồn tại ở đó Chúng có thể quan sát trái đất từ bầu trời, chúng giúp chúng ta tìm thấy đường trên khắp thế giới, mang đến cho chúng ta các cuộc điện thoại, emails, duyệt web ,chuyển tiếp các chương trình tivi qua bầu trời Thật sự độ cao của vệ tinh xa bên ngoài khả năng của bất kỳ loài chim thật nào Khi những vệ tinh được sử dụng cho nối mạng, độ cao của nó cho phép thực hiện một vai trò duy nhất trong cơ sở hạ tầng mạng toàn cầu (GNI) Nối mạng vệ tinh là 1 lĩnh vực mở rộng ,và đã phát triển một cách có ý nghĩa từ lần đầu tiên ra đời của hệ thống thông tin vệ tinh, từ dịch vụ phát quảng bá điện thoại và truyền hình truyền thống tới mạng internet và băng thông rộng hiện đại và truyền quảng bá vệ tinh số Nhiều tiến bộ kỹ thuật trong vùng nối mạng dựa trên nối mạng vệ tinh Với việc yêu cầu gia tăng băng thông và sự di động tới chân trời thì vệ tinh là một lựa chọn hợp lý để cung cấp dải thông lớn hơn với phạm vi toàn cầu ,bên ngoài mạng quả đất, và hứa hẹn 1 buổi trình diễn ấn tượng trong tương lai Với sự phát triển của kỹ thuật nối mạng, mạng vệ tinh đang trở nên ngày càng tích hợp vào trong GNI Vì vậy, những mạng trái đất và những giao thức làm việc với Internet là một phần quan trọng của nối mạng vệ tinh Mục đích cuối cùng của nối mạng vệ tinh là cung cấp những dịch vụ và những ứng dụng.cung cấp những dịch vụ đầu cuối người sử dụng và các ứng dụng trực tiếp đến người sử dụng Mạng Cung cấp dịch vụ truyền tải để mang thông tin giữa những người dùng với một khoảng cách nhất định Hình 1.1 minh họa một cấu hình mạng vệ tinh tiêu biểu gồm có những mạng trái đất, những vệ tinh với một mối liên kết liên

vệ tinh (ISL), những trạm mặt đất cố định, những trạm mặt đất di động, những thiết bị đầu cuối xách tay và cầm tay, và những thiết bị đầu cuối người dùng kết nối tới vệ tinh 1 cách trực tiếp hay thông qua những mạng trái đất

1.2.1 Vai trò mạng vệ tinh

Trong mạng trái đất, các nút và mối liên kết được cần đạt đến những khoảng cách xa và những vùng bao phủ rộng Chúng được tổ chức để đạt được sự bảo trì và vận hành mạng 1 cách kinh tế Bản chất của vệ tinh đã làm cho chúng trở nên về khác nhau về căn bản với những mạng trái đất dưới dạng những khoảng cách, chia sẻ tài nguyên băng thông, kỹ thuật truyền dẫn, thiết kế, sự phát triển và hoạt động, và những chi phí và nhu cầu của những người sử dụng

Về chức năng, mạng vệ tinh có thể cung cấp kết nối trực tiếp giữa đầu cuối người dùng, kết nối cho những thiết bị đầu cuối để truy nhập vào mạng trái đất và những kết nối giữa các mạng trái đất đầu cuối người dùng cung cấp cung cấp những dịch vụ và ứng dụng tới mọi người thường độc lập từ mạng vệ tinh ví dụ cùng một thiết bị đầu cuối có thể dùng để truy nhập mạng vệ tinh cũng như truy cập mạng trái đất

Những thiết bị đầu cuối vệ tinh, cũng được gọi là trạm mặt đất, và là phạm vi trái đất của mạng vệ tinh, cung cấp những điểm truy nhập tới mạng vệ tinh cho đầu cuối người dùng thông qua trạm mặt đất người dùng(USE) Và cho những mạng trái đất qua trạm cổng trái đất(GES) Vệ tinh là hạt nhân của mạng vệ tinh và trung tâm của các mạng dưới dạng cả những chức năng lẫn những kết nối vật lý Hình 1.2 minh họa mối quan hệ giữa đầu cuối người dùng, mạng mặt đất và mạng vệ tinh

Điển hình,mạng vệ tinh gồm có các vệ tinh liên kết vài GES lớn và nhiều UES nhỏ Những GES nhỏ được sử dụng để truy nhập trực tiếp bởi đầu cuối người dùng và GES lớn dùng cho kết nối mạng trái đất Những vệ tinh UES và GES được định nghĩa là ranh giới của mạng vệ tinh., Đối với đầu cuối xách tay và di động, chức năng đầu cuối người dùng và vệ tinh USE được tích hợp trong cùng 1 đơn vị, nhưng đối với đầu cuối xách tay anten của chúng có thể phân biệt được

Vai trò quan trọng nhất của mạng vệ tinh là cung cấp sự truy nhập bởi đầu cuối người dùng và liên kết tới mạng trái đất mà các ứng dụng và dịch vụ cung cấp bởi mạng trái đất là điện thoại, truyền hình ,truy cập băng thông rộng và kết nối internet có thể mở rộng đến những nơi mà cáp và sóng mặt đất không thể lắp đặt và bảo trì

Thêm vào đó, mạng vệ tinh cũng mang đến các dịch vụ và ứng dụng cho các tàu bè, máy bay,xe cộ, không gian và những nơi ngoài tầm của mạng mặt đất những vệ tinh cũng đóng vai trò quan trọng trong quân đội, khí tượng thủy văn hệ thống định vị toàn cầu(GPS), quan sát môi trường, dịch vụ truyền thông tin và những dữ liệu riêng tư và sự phát triển trong tương lai của các úng dụng và dịch vụ mới cho phạm vi toàn cầu chẳng hạn mạng băng thông rộng, thế hệ mới của mạng di động và dịch vụ phát quảng bá số trên toàn thế giới

Hình 1.2 Mối quan hệ chức năng đầu cuối người dùng,mạng vệ tinh và mạng mặt đất

1.2.2 Phần mềm và phần cứng mạng

Dưới dạng xử lý,đầu cuối người dùng bao gồm phần mềm và phần cứng mạng và các phần mềm ứng dụng phần mềm và phần cứng mạng cung cấp các chức năng và cơ chế để truyền gửi thông tin trong 1 khuôn dạng đúng và sử dụng đúng các giao thức tại điểm truy nhập mạng tương ứng, chúng cũng có thể nhận các thông tin từ điểm truy nhập Phần cứng Mạng cung cấp những sự truyền tín hiệu sử dụng có hiệu quả và chi phí thấp tài nguyên băng thông và những kỹ thuật truyền Dĩ nhiên , một liên kết vô tuyến thường được làm để liên kết đầu cuối người sử dụng còn cáp quang dung lượng lớn được dùng để liên kết với trục chính

Với sự tiến bộ của xử lý tín hiệu số (DSP), việc sử dụng phần cứng truyền thống đang được càng ngày càng thay thế bởi phần mềm để tăng tính linh hoạt của cấu hình lại, từ đây giảm bớt những chi phí Bởi vậy tỉ lệ của sự thực hiện càng ngày càng cao trong phần mềm và ít trong phần cứng Nhiều sự thực hiện phần cứng lần đầu tiên được thực hiện và mô phỏng trong phần mềm, Phần cứng là nền tảng của bất kỳ việc thực hiện hệ thống nào

Chẳng hạn, những hệ thống điện thoại truyền thống chủ yếu là phần cứng; và những hệ thống điện thoại hiện đại và những mạng dữ liệu ,máy tính và Internet hiện chủ yếu là phần mềm

1.2.3 Giao diện mạng vệ tinh

Điển hình,mạng vệ tinh có hai kiểu giao diện ngoài: một giữa vệ tinh USE và đầu cuối người dùng; và mặt khác là giữa vệ tinh GES và mạng trái đất Hiện tại, có ba kiểu giao diện: giữa UES và hệ thống trọng tải tối đa thông tin vệ tinh; Giữa GES và hệ thống trọng tải tối đa thông tin vệ tinh; liên kết (ISL) giữa những vệ tinh Tất cả

sử dụng những liên kết vô tuyến, ngoại trừ ISL chỉ có thể sử dụng những mối liên kết quang học

Cũng như cáp vật lý,băng tần vô tuyến là những một trong số nhiều tài nguyên quan trọng và khan hiếm nhất cho sự truyền thông tin qua mạng vệ tinh Không giống những cáp, dải thông không thể là sản xuất, nó chỉ có thể dùng chung và sử dụng nó tối ưu Tài nguyên quan trọng khác là công suất truyền Nói riêng, công suất bị giới hạn cho đầu cuối người dùng yêu cầu sự di động

Băng thông và công suất truyền cùng nhau trong điều kiện truyền dẫn và môi trường xác định khả năng của mạng vệ tinh Nối mạng vệ tinh chia sẻ nhiều khái niệm với nối mạng chung Trong cấu trúc liên kết nó có thể cấu hình trong cấu trúc hình sao hoặc hình lưới Trong kĩ thuật truyền dẫn nó có thể thiết lập kết nối điểm điểm, điểm –đa điểm,đa điểm- đa điểm

Dưới dạng giao diện, chúng ta có thể dễ dàng vẽ sơ đồ mạng vệ tinh Trong điều kiện khái quát như giao diện người sử dụng mạng ( UNI) và giao diện nút mạng (NNI)

Khi hai mạng cần được nối cùng nhau, một giao diện từ mạng tới mạng được thiết lập, mà nó chính là giao diện của một nút mạng trong một mạng với một nút mạng trong mạng khác Chúng có những chức năng tương tự như NNI Bởi vậy, NNI cũng có thể được dùng để biểu thị một giao diện từ mạng tới mạng

1.2.4 Dịch vụ mạng

USE và GSE cung cấp các dịch vụ mạng, trong mạng truyền thống chẳng hạn dịch vụ được phân làm 2 loại là dịch vụ thoại và dịch vụ vận chuyển, dịch vụ thoại là 1 dịch vụ cấp cao có thể được sử dụng trực tiếp bởi người dùng như: điện thoại, dịch vụ Fax, dịch vụ video và dữ liệu chất lượng của dịch vụ (QoS) tại mức này là người dùng trung tâm, ví dụ QoS chỉ cho người sử dụng thấy được chất lượng dịch vụ chẳng hạn điểm số trung bình khách quan(MOS), dịch vụ truyền tải là dịch vụ mức thấp hơn cung cấp bởi mạng để hỗ trợ cho dịch vụ thoại,QoS tại mức này là mạng trung tâm, ví dụ: độ trễ truyền dẫn, méo trễ , truyền dẫn lỗi và tốc độ truyền dẫn…

Có các phương pháp để ánh xạ giữa 2 mức của dịch vụ mạng cần cấp phát tài nguyên để yêu cầu QoS và tối ưu hoá các hoạt động của mạng, QoS mạng và QoS người dùng có mâu thuẫn với điều chỉnh khách quan lưu lượng mạng ví dụ :chúng ta có thể tăng QoS bằng cách giảm lưu lượng trong mạng hoặc gia tăng nguồn mạng tuy nhiên điều này có thể làm giảm các dịch vụ mạng cho người khai thác mạng, người khai thác mạng cũng có thể làm tăng các dịch vụ mạng bằng cách gia tăng lưu lượng mạng nhưng điều này có thể làm ảnh hưởng tới QoS người dùng

1.2.5 Ứng dụng

Ứng dụng là sự kết hợp của một hoặc nhiều dịch vụ mạng Chẳng hạn,những ứng dụng giáo dục từ xa và điều trị từ xa là những ứng dụng được xây dựng dựa trên việc kết hợp dịch vụ thoại, hình ảnh và dữ liệu Sự kết hợp của thoại, hình ảnh và dữ

với những dịch vụ mạng để tạo ra những ứng dụng mới.Dịch vụ là một thành phần cơ bản do mạng cung cấp Những ứng dụng được xây dựng từ những thành phần cơ bản này Thông thường thuật ngữ ứng dụng và dịch vụ có thể thay thế cho nhau được trong câu văn ,nhưng đôi khi phân biệt chúng cũng tốt

1.3 ITU-R sự định nghĩa dịch vụ mạng

Những ứng dụng của vệ tinh được dựa trên những dịch vụ cơ bản của vệ tinh Do bản chất của truyền thông vô tuyến,các dịch vụ của vệ tinh bị giới hạn bởi tần số vô tuyến sẵn có Những dịch vụ vệ tinh khác nhau được định nghĩa, bao gồm: dịch vụ vệ tinh cố định (FSS) ,dịch vụ vệ tinh di động (MSS) và dịch vụ vệ tinh quảng bá do ITU- R lập kế hoạch cấp phát và quản lý băng thông

1.3.1 Dịch vụ vệ tinh cố định

FSS được định nghĩa là một dịch vụ thông tin vô tuyến giữa một vị trí đã cho trên bề mặt trái đất với một hoặc nhiều vệ tinh được sử dụng Những trạm tại mặt đất được gọi là trạm mặt đất FSS, trạm được đặt trên những vệ tinh , chủ yếu gồm có bộ phát-đáp vệ tinh và những anten, được gọi là những trạm không gian FSS

Tuy nhiên, những vệ tinh thế hệ mới có cả những hệ thống thông tin liên lạc phức tạp onboard bao gồm cả chuyển mạch onboard Truyền thông giữa những trạm mặt đất là kết nối một vệ tinh hay nhiều vệ tinh thông qua ISL(inter-satellite link) Cũng có thể hai vệ tinh được nối thông qua một trạm mặt đất chung mà không có một ISL FSS cũng bao gồm những liên kết fiđơ chẳng hạn liên kết giữa trạm mặt đất cố định và vệ tinh cho dịch vụ phát thanh vệ tinh (BSS) và dịch vụ vệ tinh di động (MSS) FSS hỗ trợ tất cả mọi loại dịch vụ kĩ thuật viễn thông và dữ liệu mạng như điện thoại, Fax, dữ liệu, video, Tivi, Internet và rađiô

1.3.2 Dịch vụ vệ tinh di động

MSS được định nghĩa như một dịch vụ thông tin vô tuyến giữa những trạm mặt đất di động với một hoặc nhiều vệ tinh, bao gồm MSS biển, hàng không và đất liền Vì những yêu cầu di động, nên các thiết bị đầu cuối mặt đất di động thường nhỏ, và thậm chí là những thiết bị đầu cuối cầm tay

1.3.3 Dịch vụ phát thanh vệ tinh

BSS là một dịch vụ thông tin vô tuyến mà trong đó những tín hiệu truyền đi hay truyền ngược lại bằng vệ tinh nhằm mục đích là thu trực tiếp bởi người dùng sử dụng anten truyền hình chỉ thu (TVRO).Vệ tinh thực hiện cho BSS thường được gọi là những vệ tinh phát thanh trực tiếp ( DBS) Thu trực tiếp bao gồm trực tiếp tới từng hộ dân (DTH) và truyền hình cáp(CATV) Thế hệ mới của BSS có thể truyền ngược lại thông qua vệ tinh

1.3.4 Các dịch vụ vệ tinh khác

Một số dịch vụ vệ tinh khác được thiết kế cho những ứng dụng đặc biệt như quân đội, xác định bằng vô tuyến, định vị, khí tượng học, nghiên cứu trái đất và thăm dò không gian Một bộ gồm những trạm không gian và những trạm mặt đất làm việc

cùng nhau để cung cấp thông tin vô tuyến được gọi là một hệ thống vệ tinh Để tiện hơn, đôi khi 1 hệ thống vệ tinh hay một phần của nó được gọi là một mạng vệ tinh Chúng ta thấy rằng trong phạm vi của giao thức mạng, hệ thống vệ tinh có thể không cần hỗ trợ tất cả các lớp chức năng của ngăn xếp giao thức(lớp vật lý,lớp liên kết, lớp mạng)

CHƯƠNG 2 MẠNG VỆ TINH VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM

2.1 Mạng vệ tinh

Có hai loại kỹ thuật truyền: truyền broadcast và truyền điểm-điểm Mạng vệ tinh có thể hỗ trợ cả broadcast và kết nối từ điểm tới điểm Mạng vệ tinh thực sự hữu ích nhất ở những nơi có đặc điểm phạm vi rộng quan trọng Thực hiện nối mạng vệ tinh đóng một vai trò quan trọng trong cung cấp phủ sóng toàn cầu Có ba loại vai trò mà những vệ tinh có thể có trong mạng thông tin: mạng truy nhập , mạng chuyển tiếp và broadcast

2.1.1 Mạng truy nhập

Truy nhập mạng cung cấp sự truy nhập cho đầu cuối người dùng hay những mạng riêng tư Trong lịch sử mạng điện thoại, nó cung cấp những kết nối từ điện thoại hay tổng đài nội bộ (PBX) đến những mạng điện thoại thiết bị đầu cuối người dùng kết nối tới thiết bị đầu cuối trái đất vệ tinh dùng để truy nhập kết nối trực tiếp vệ tinh Ngày nay, ngoài mạng truy nhập điện thoại, truy nhập mạng cũng có thể là truy nhập ISDN, truy nhập B-ISDN và truy nhập Internet

2.1.2 Mạng chuyển tiếp

Mạng chuyển tiếp cung cấp kết nối giữa những mạng hay chuyển mạch mạng Nó thường có dung lượng lớn để hỗ trợ một số lượng lớn kết nối cho lưu lượng mạng Những người sử dụng không sự truy nhập trực tiếp tới nó Bởi vậy nó thường trong suốt đối với người sử dụng Một ví dụ vệ tinh làm nhiệm vụ mạng chuyển tiếp

bao gồm nối mạng điện thoại quốc tế,ISDN,B-ISDN,mạng trục chính internet.Băng thông chia sẻ thường sử dụng kĩ thuật đa truy nhập gán cố định

2.1.3 Mạng quảng bá

Vệ tinh hỗ trợ cả dịch vụ viễn thông lẫn dịch vụ phát thanh Vệ tinh có thể cung cấp những dịch vụ truyền thông rất hiệu quả bao gồm phát quảng bá thoại và video số ( DVB- S) Và DVB với kênh trở về thông qua vệ tinh (DVB- RCS)

2.1.4 Phần không gian của hệ thống vệ tinh

Thành phần chính của một hệ thống vệ tinh thông tin gồm có phạm vi không gian:vệ tinh, và phạm vi trái đất: trạm mặt đất Thiết kế của mạng vệ tinh liên quan tới những yêu cầu dịch vụ, quỹ đạo,vùng phủ sóng và sự chọn lọc dải tần số

Vệ tinh là lõi của mạng vệ tinh gồm có một hệ thống con và nền hệ thống truyền thông Nền hệ thống, còn gọi là bus cung cấp cấu trúc hỗ trợ và cấp nguồn cho hệ thống con truyền thông,và cũng bao gồm điều chỉnh độ cao, điều khiển quỹ đạo, điều khiển nhiệt, theo dõi, đo lường và điều khiển từ xa (TT & T) để bảo dưỡng những hoạt động bình thường của hệ thống vệ tinh

Hình 2.1 Minh hoạ phạm vi không gian và phạm vi mặt đất

Hệ thống con viễn thông gồm có những bộ phát-đáp và anten.Anten được ghép với những bộ phát-đáp được thiết kế đặc biệt để cung cấp vùng phủ sóng cho mạng vệ tinh Vệ tinh thế hệ mới có thể có bộ xử lý onboard (OBP) và bộ chuyển mạch onboard (OBS) Các loại bộ phát đáp khác nhau:

─ Những bộ phát-đáp Trong suốt cung cấp chức năng chuyển tiếp những tín hiệu vô tuyến , (sự) tiếp sức Chúng nhận tín hiệu truyền từ trạm mặt đất và truyền ngược lại từ chúng tới các trạm mặt đất sau khi đã khuếch đại và biến đổi tần Những vệ tinh với những bộ phát-đáp trong suốt được gọi là những vệ tinh trong suốt

─ Bộ phát-đáp OBP cung cấp những chức năng bổ sung bao gồm xử lý tín hiệu số (DSP), khôi phục và xử lý tín hiệu băng tần cơ sở trước khi truyền lại tín hiệu từ vệ tinh.tới trạm mặt đất Những vệ tinh với bộ phát-đáp OBP được gọi là vệ tinh OBP

─ Bộ phát-đáp OBS có những chức năng bổ sung so với những bộ phát-đáp OBP, cung cấp chức năng chuyển mạch Tương tự như vậy ,vệ tinh với bộ phát-đáp OBS được gọi là vệ tinhOBS

Ngoài ra, trung tâm điều khiển vệ tinh (SCC) và trung tâm điều khiển mạng (NCC) hay trung tâm quản lý mạng (NMC)là một phần của phạm vi không gian được đặt tại mặt đất:

─ Trung tâm điều khiển Vệ tinh (SCC): nó là hệ thống đặt ở mặt đất chiụ trách nhiệm về hoạt động của vệ tinh Nó theo dõi tình trạng của hệ thống con vệ tinh khác nhau thông qua liên kết đo từ xa,điều khiển vệ tinh hoạt động theo quỹ đạo danh định của nó thông qua mối liên kết điều khiển từ xa Nó (SCC) liên kết với vệ tinh thông qua những liên kết dành riêng, khác với những mối liên kết truyền thông.Nó thường bao gồm một trạm mặt đất và hệ thống vệ tinh GEO hay không GEO, nhận đo lường từ xa từ trạm vệ tinh và gửi lệnh điều khiển từ xa cho vệ tinh Đôi khi, một trung tâm sao lưu được xây dựng tại một vị trí khác để cải thiện độ tin cậy và tính sẵn sàng

─ Trung tâm điều khiển mạng (NCC) hay trung tâm quản lý mạng (NMC): có các chức năng khác với SCC Những chức năng chính của nó là quản lý lưu lượng mạng và liên kết tài nguyên trong vệ tinh và trên mặt đất để đạt được hiệu quả sử dụng mạng vệ tinh cho truyền thông

Chi tiết về phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh

• BỘ PHÁT ĐÁP

─ Tổ chức kênh của bộ phát đáp

Bộ phát đáp bao gồm tập hợp các khối nối với nhau để tạo nên một kênh thông tin duy nhất giữa anten thu và anten phát trên vệ tinh thông tin Một số khối trong bộ phát đáp có thể được dùng chung cho nhiều bộ phát đáp khác.Trước khi trình bày chi tiết các khối khác nhau cuả bộ phát đáp, ta sẽ xét ngắn gọn tổ chức tần số cho thông tin vệ tinh băng C Băng thông ấn định cho dịch vụ băng C là 500 MHz và băng thông này được chia thành các băng con, mỗi băng con dành cho một bộ phát đáp Độ rộng băng tần thông thường của bộ phát đáp là 36 MHz với đoạn băng bảo vệ giữa các bộ phát đáp là 4MHz.Vì thế băng tần 500 MHz có thể đảm bảo cho

12 bộ phát đáp Bằng cách ly phân cực, ta có thể tăng số bộ phát đáp lên hai lần Cách ly phân cực cho phép sử dụng cùng một tần số nhưng với phân cực ngược chiều nhau cho hai bộ phát đáp Để thu được kênh của mình, các anten thu phải có phân cực trùng với phân cực phát của kênh tương ứng Đối với phân cực tuyến tính, ta có thể cách ly phân cực bằng phân cực đứng và phân cực ngang Đối với phân cực tròn, cách lý phân cực nhận được bằng cách sử dụng phân cực tròn tay phải và phân cực tròn tay trái Vì các sóng mang với phân cực đối nhau có thể chổng lần lên nhau, nên kỹ thuật này được gọi là tái sử dụng tần số

Hình 2.2 cho thấy quy hoạch tần số và phân cực cho vệ tinh thông tin băng C

Hình 2.2 Quy hoạch tần số và phân cực(tần số trên hình tính bằng MHz)

Cũng có thể tái sử dụng tần số bằng các anten búp hẹp, và phương thức này có thể kết hợp với tái sử dụng theo phân cực để cung cấp độ rộng băng tần hiệu dụng 2000 MHz trên cơ sở độ rông thực tế 500 MHz

Đối với một trong số các nhóm phân cực, hình 2.3 cho thấy chi tiết hơn sơ đồ phân kênh cho 12 bộ phát đáp Dải tần thu hay dải tần đường lên là 5,925 đến 6,425 GHz Các sóng mang có thể được thu trên một hay nhiều anten đồng phân cực Bộ lọc vào cho qua toàn bộ băng tần 500 MHz đến mày thu chung và loại bỏ tạp âm cũng với nhiễu ngoài băng (nhiễu này có thể gây ra do các tín hiệu ảnh) Trong dải thông 500 MHz này có thể có rất nhiều sóng mang được điều chế và tất cảc các sóng mang này đều được khuyếch đại, biến đổi tần số trong máy thu chung Biến đổi tần số chuyển các sóng mang này vào băng tần số đường xuống 3,7 đến 4,2 MHz với độ rộng 500 MHz Sau đó các tín hiệu được phân kênh vào các độ rộng băng tần của từng bộ phát đáp Thông thường độ rộng băng tần cấp cho mỗi bộ phát đáp là 36 MHz với đoạn băng bảo vệ 4 MHz, vì thế 500MHz có thể đảm bảo kênh cho 12 bộ phát đáp Bộ phát đáp có thể xử lý một sóng mang được điều chế như tín hiệu TV

chẳng hạn hay có thể xử lý nhiều sóng mang đồng thời với mỗi sóng mang được điều chế bởi tín hiệu điện thoại hay kênh băng gốc nào đó

Hình 2.3 Các kênh của bộ phát đáp vệ tinh

─ Các thiết bị của bộ phát đáp bao gồm: máy thu băng rộng, bộ phân kênh, bộ khuếch đại và bộ ghép kênh

• Phân hệ anten

Anten trên vệ tinh thực hiện chức năng kép: thu đường lên và phát đường xuống Chúng có nhiều loại: từ các anten dipole có đặc tính vô hướng đến các anten tính hướng cao phục vụ cho viễn thông, chuyển tiếp truyền hình và phát quảng bá

Búp sóng của anten thường được tạo ra bởi các anten kiểu phản xạ, thường là bộ phản xạ parabol tròn xoay Hệ số khuếch đại của anten phản xạ parabol so với bộ phát xạ đẳng hướng được xác định theo phương trình sau:

G =

trong đó λ là bước sóng của tín hiệu, D là đường kính bộ phản xạ và ηI là hiệu suất mặt mở (thường có giá trị bằng 0,55) Độ rộng búp sóng -3dB được xác định gần đúng như sau:

λθ3 ≅70

Tỷ số D/λ được coi là hệ số chủ chốt của các phương trình trên: hệ số khuếch đại tỷ lệ thuận với (D/λ)2 và độ rộng búp sóng tỷ lệ nghịch với D/λ Vì thế hệ số khuếch đại sẽ tăng khi độ rộng búp sóng hẹp hơn bằng các tăng kích thước bộ phản xạ và giảm bước sóng Các bộ phản xạ kích thước lớn là các bộ phản xạ băng 6/4GHz Các bộ phản xạ trong băng tần 14/12GHz với cùng hiệu năng sẽ có kích thước nhỏ hơn nhiều

• Phân hệ thông tin

Hình 2.4 cho thấy phân hệ thông tin vệ tinh Morelos của Mexico để làm thí dụ Tải trọng trên Morelos được gọi là tải trọng lai ghép hay lưỡng băng vì nó mang các bộ phát đáp băng C và băng K Trong băng C nó cung cấp 12 kênh mỗi kênh rộng 36 MHz và sáu kênh băng rộng với mỗi kênh rộng 72 MHz Trong băng K, nó cung cấp bốn kênh với mỗi kênh rộng 108 MHz Các kênh 36 MHz sử dụng các TWTA 7-W với dự phòng 12:14 Nghĩa là 12 bộ dự phòng cho 14 bộ hoạt động Các kênh 72 MHz sử dụng các TWTA 10,5 W với dự phòng 6:8 Các máy thu được thiết kế bằng linh kiện bán dẫn và với dự phòng 2:4cho băng C và 1:2 cho băng K

Anten với bộ phản xạ tròn đường kính 180 cm được sử dụng cho băng C Đây là anten hai phân cực với tiếp sóng riêng băng C cho các phân cực ngang và đứng

Anten băng K có bộ phản xạ Elip Nó có dàn tiếp sóng riêng để tạo ra vùng phủ sóng trên Mexico

• Phân hệ đo bám và điều khiển từ xa (TT&C)

Phân hệ TT&C (Telemetry, Tracking and Command: Đo từ xa, bám và điều khiển) thực hiện một số chức năng thường xuyên trên vệ tinh Chức năng đo từ xa có thể hiểu như là đo trên một cự ly xa Chẳng hạn tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với chất lượng được đo, mã hoá nó và phát nó đến trạm xa (trạm mặt đất) Dữ liệu trong tín hiệu đo từ xa có cả thông tin độ cao nhận được từ các bộ cảm biến mặt trời và trái đất, thông tin môi trường như cường độ từ trường và phương, tần suất ảnh hưởng của thiên thạch và các thông tin về tầu vũ trụ như: nhiệt độ, điện áp nguồn, áp suất nhiên liệu Một số tần số được quốc tế quy định để phát tín hiệu đo từ xa cho vệ tinh Trong giai đoạn phóng vệ tinh, một kênh đặc biệt được sử dụng cùng với anten vô hướng Khi vệ tinh đã vào quỹ đạo ổn định, một trong số các bộ phát đáp thường được sử dụng cùng với anten có hướng, khi xảy ra trình trạng khẩn cấp kênh này sẽ được chuyển mạch trở về kênh đặc biệt khi phóng vệ tinh

Có thể coi đo từ xa và điều khiển là các chức năng bù lẫn cho nhau Phân hệ đo từ xa phát thông tin về vệ tinh đến trạm mặt đất, còn phân hệ điều khiển thu các tín hiệu, thường là trả lời cho thông tin đo từ xa Phân hệ điều khiển giải điều chế và khi

cần thiết giải mã các tín hiệu điều khiển rồi chuyển chúng đến thiết bị thích hợp để thực hiện hành động cần thiết Vì thế có thể thay đổi độ cao, đấu thêm hoặc cắt bớt các kênh, định hướng lại anten hoặc duy trì quỹ đạo (maneuvers) theo lệnh từ mặt đất Để tránh thu và giải mã các lệnh giả, các tín hiệu điều khiển được mật mã hoá

Bám vệ tinh được thực hiện bằng các tín hiệu hải đăng được phát đi từ vệ tinh Các tín hiệu này được TT&C trạm mặt đất thu Bám đặc biệt quan trong trong các giai đoạn chuyển và dịch quỹ đạo của quá trình phóng vệ tinh Khi vệ tinh đã ổn định, vị trí của vệ tinh địa tĩnh có xu thế bị dịch do các lực nhiễu khác nhau Vì thế phải có khả năng bám theo sự xê dịch của vệ tinh và phát đi các tín hiệu hiệu chỉnh tương ứng Các hải đăng bám có thể được phát trong kênh đo từ xa hay bằng các sóng mang hoa tiêu tại các tần số trong một trong số các kênh thông tin chính hay bởi các anten bám đặc biệt Định kỳ cũng cần có thông tin về khoảng cách từ vệ tinh đến trạm mặt đất Thông tin này được xác định bằng cách đo trễ truyền các tín hiệu phát riêng cho mục đích đo cự ly

Ta thấy rằng các chức năng đo từ xa, bám và điều khiển là các khai thác phức tạp đòi hỏi các phương tiện đặc biệt dưới đất ngoài các phân hệ TT&C trên vệ tinh Hình 2.5 cho thấy sơ đồ khối cho các phương tiện TT&C ở hệ thống vệ tinh Telesat của Canada

Hình 2.5 Hệ thống điều khiển vệ tinh

2.1.5 Phạm vi mặt đất

Trạm mặt đất là một phần của mạng vệ tinh Nó cung cấp những chức năng phát và nhận các tín hiệu lưu lượng từ và tới những vệ tinh Nó cũng trực tiếp cung cấp những giao diện cho mạng trái đất hay tới những đầu cuối người dùng Trạm mặt đất có thể gồm có những phần sau đây:

─ Anten phát và thu là những phần rõ ràng nhất của trạm mặt đất Có nhiều kích thước khác nằm trong phạm vi từ 0,5m tới 16 mét và hơn nữa

─ Bộ khuếch đại tạp âm thấp của hệ thống thu với độ ồn nằm trong khoảng từ 30 K tới vài trăm K

─ Bộ khuếch đại công suất cao (HPA) của máy phát với công suất từ vài oát đến vài kilôoat phụ thuộc vào dung lượng

─ Điều chế,giải điều chế và dịch tần ─ Xử lý tín hiệu

─ Giao diện mạng mặt đất hoặc đầu cuối người dùng

Chi tiết về phần mặt đất của hệ thống thông tin vệ tinh

• CÁC HỆ THỐNG TV GIA ĐÌNH, TVRO ─ Sơ đồ khối tổng quát của TVRO

Theo quy định truyền hình quảng bá trực tiếp đến máy thu TV gia đình được thực hiện trong băng tần Ku (12 GHz) Dịch vụ này được gọi là dịch vụ vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS: direct broadcast satellite) Tuỳ thuộc vào vùng địa lý ấn định băng tần có thể hơi thay đổi Ở Mỹ, băng tần đường xuống là 12,2 đến 12,7GHz Tuy nhiên, hiện này nhiều gia đình sử dụng các chảo khá to (đường kính khoảng 3m) để thu các tín hiệu TV đường xuống trong băng C (GHz) Các tín hiệu đường xuống này không chủ định để thu gia đình mà dành cho việc chuyển đổi mạng đến các mạng phân phối truyền hình (các đài phát VHF, UHF và cáp truyền hình) Mặc dù có vẻ như thực tế thu các tín hiệu TV hiện nay được thiết lập rất tốt, nhưng nhiều nhân tố kỹ thuật, thương mại và pháp lụât ngăn cản việc thu này Các khác biệt chính giữa các hệ thống TVRO (TV recieve only: chỉ thu TV) băng Ku và băng C là ở tần số công tác của khối ngoài trời và các vệ tinh dành cho DBS ở băng Ku có EIRP (công suất phát xạ đẳng hướng tương đương) cao hơn nhiều so với băng C

Hình 2.6 cho thấy các khối chính trong một hệ thống thu DBS của đầu cuối gia đình Tất nhiên cấu trúc này sẽ thay đổi trong các hệ thống khác nhau, nhưng sơ đồ này sẽ cung cấp các khái niệm cơ sở về máy thu TV tương tự (FM) Hiện nay TV số trực tiếp đến gia đình đang dẫn thay thế các hệ thống tương tự, nhưng các khối ngoài trời vẫn giống nhau cho cả hai hệ thống

Hình 2.6 Sơ đồ khối đầu cuối thu DBS-TV/FM gia đình

─ Khối ngoài trời

Khối này bao gồm một anten thu tiếp sóng trực tiếp cho tổ hợp khuếch đại tạp âm nhỏ/ biến đổi hạ tần Thông thường bộ phản xạ parabol được sử dụng với loa thu đặt ở tiêu điểm Bình thường thiết kế có tiêu điểm đặt ngay trước bô phản xạ, nhưng trong một số trường hợp để loại bỏ nhiễu tốt hơn, bộ tiếp sóng (Feed) có thể được đặt lệch như thấy trên hình vẽ

Kinh nghiệm cho thấy rằng có thể thu chất lượng đảm bảo bằng các bộ phản xạ có đường kính từ 0,6 đến 1,6m (1,97-5,25 ft) và kích thước chỉ dẫn thông thường là 0,9m (2,95ft) và 1,2m (3,94 ft) Trái lại đường kính bộ phản xạ băng C (4GHz) thường vào khoảng 3m (9,84 ft) Lưu ý rằng hệ số khuếch đại anten tỷ lệ thuận với

trong cả hai trường hợp tỷ số D/λ=40, vì thế khuếch đại của chúng bằng nhau Tuy nhiên mặc dù suy hao truyền sóng tại 12 GHz cao hơn nhiều so với 4GHz, nhưng ta không cần anten thu có khuếch đại cao hơn vì các vệ tinh quảng bá trực tiếp làm việc ở công suất phát xạ đẳng hướng tương đương cao hơn nhiều

Băng tần đường xuống dải 12,2 đến 12,7 GHz có độ rộng 500 MHz cho phép 32 kênh TV với mỗi kênh có độ rộng là 24 MHz Tất nhiên các kênh cạnh nhau sẽ phần nào chồng lấn lên nhau, nhưng các kênh này được phân cực LHC và RHC đan xen để giảm nhiễu đến các mức cho phép Sự phân bố tần số như vậy được gọi là

đan xen phân cực Loa thu có thể có bộ lọc phân cực được chuyển mạch đến phân cực mong muốn dưới sự điều khiển của khối trong nhà

Loa thu tiếp sóng cho khối biến đổi tạp âm nhỏ (LNC: low noise converter) hay khối kết hợp khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA: low noise amplifier) và biến đổi (gọi chung là LNA/C) Khối kết hợp này được gọi là LNB (Low Noise Block: khối tạp âm nhỏ) LNB đảm bảo khuếch đại tín hiệu băng 12 GHz và biến đổi nó vào dải tần số thấp hơn để có thể sử dụng cáp đồng trục giá rẻ nối đến khối trong nhà Dải tần tín hiệu sau hạ tần là 950-1450 MHz (xem hình 2.6) Cáp đồng trục hoặc cáp đôi dây được sử dụng để truyền công suất một chiều cho khối ngoài trời Ngoài ra cũng có các dây điều khiển chuyển mạch phân cực

Khuếch đại tạp âm nhỏ cần được thực hiện trước đầu vào khối trong nhà để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm yêu cầu Ít khi bộ khuếch đại tạp âm nhỏ được đặt tại phía đầu vào khối trong nhà vì nó có thể khuếch đại cả tạp âm của cáp đồng trục Tất nhiên khi sử dụng LNA ngoài trời cần đảm bảo nó hoạt động được trong điều kiện thời tiết thay đổi và có thể bị phá hoại hoặc đánh cắp

─ Khối trong nhà cho TV tương tự (FM)

Tín hiệu cấp cho khối trong nhà thường có băng tần rộng từ 950 đến 1450 MHz Trước hết nó được khuếch đại rồi chuyển đến bộ lọc bám để chọn kênh cần thiết (xem hình 2.6) Như đã nói, đan xen phân cực được sử dụng vì thế khi thiết lâp một bộ lọc phân cực ta chỉ có thể thu được một nửa số kênh 32 MHz Điều này giảm nhẹ hoạt động của bộ lọc bám vì bây giờ các kênh đan xen được đặt cách xa nhau hơn

Sau đó kênh được chọn được biến đổi hạ tần: thường từ dải 950 MHz vào 70 MHz, tuy nhiên cũng có thể chọn các tần số khác trong dải VHF Bộ khuếch đại 70 MHz khuếch đại tín hiệu đến mức cần thiết cho giải điều chế Sự khác biệt chính giữa DBS và TV thông thường ở chỗ DBS sử dụng điều tần còn TV thông thường sử dụng điều biên (AM) ở dạng đơn biên có nén (VSSB: Vestigal Single Sideband) Vì thế cần giải điều chế sóng mang 70 MHz và sau đó tái điều chế AM để tạo ra tín hiệu VSSB trước khi tiếp sóng cho các kênh VHF/UHF của máy TV tiêu chuẩn

Máy thu DBS còn cung cấp nhiều chức năng không được thể hiện trên hình 2.6 Chẳng hạn các tín hiệu Video và Audio sau giải điều chế ở đầu ra V/A có thể cung cấp trực tiếp cho các đầu V/A của máy thu hình Ngoài ra để giảm nhiễu người ta còn bổ sung vào sóng mang vệ tinh một dạng sóng phân tán năng lượng và máy thu DBS có nhiệm vụ loại bỏ tín hiệu này Các đầu cuối cũng có thể được trang bị các bộ lọc IF để giảm nhiễu từ các mạng TV mặt đất và có thể phải sử dụng bộ giải ngẫu nhiên hoá (giải mã) để thu một số chương trình

─ Hệ thống anten chủ

Hệ thống TV anten chủ (MATV: Master- Antena TV) đảm bảo thu các kênh DBS/TV cho một nhóm người sử dụng, chẳng hạn cho các người thuê căn hộ trong toà nhà Hệ thống này gồm một khối ngoài trời (anten và LNA/C) tiếp sóng cho

nhiều khối trong nhà (xem hình 2.7) Hệ thống này căn bản giống như hệ thống gia đình đã trình bầy ở trên nhưng cho phép từng người sử dụng truy nhập độc lập đến tất cả các kênh Ưu điểm của hệ thống này là chỉ cần một khối ngoài trời, nhưng phải có các LNA/C và cáp tiếp sóng riêng cho từng phân cực So với hệ thống một người sử dụng, cần có anten lớn hơn (đường kính 2 đến 3 m) để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho tất cả các khối trong nhà

Bộ phản xạ parabol

Bộ chọn nhóm

Máy thu 1 Bộ điều chế 1Nhóm kênh phân cực

Nhóm kênh phân cực RHCDiplexer phân

Khối ngoài trờiKhối trong nhàBộ chia

công suất

Hình 2.7 Hệ thống anten chủ

─ Hệ thống anten tập thể

Hệ thống TV anten tập thể (CATV: Community Atenna TV) sử dụng một khối ngoài trời với các tiếp sóng riêng cho từng phương phân cực giống như hệ thống MTAV để có thể cung cấp tất cả các kênh đồng thời tại máy thu trong nhà Thay vì sử dụng một máy thu riêng cho từng người sử dụng, tất cả các sóng mang đều được giải điều chế tại một hệ thống lọc-thu chung như ở hình 2.8 Sau đó tất cả các kênh được kết hợp vào một tín hiệu ghép chung để truyền dẫn theo cáp đến các thuê bao Đối với các vùng xa, thay vì dùng cáp phân phối, người ta có thể phát lại quảng bá tin hiệu bằng một đài phát TV ở xa với sử dung anten đường kính 8m (26,2 ft) để thu tín hiệu vệ tinh trong băng C

Cũng có thể phân phối chương trình thu từ vệ tinh bằng hệ thống CATV

Máy thu băng rộng

Các bộ lọc kênh

Các bộ giải điều chế

950-1450 từ các khối ngoài trời

Cáp phân phối

Hình 2.8 Cấu trúc khối trong nhà cho hệ thống TV anten tập thể(CATV)

• Các trạm mặt đất phát thu

Trong các phần trước ta đã xét các trạm TV chỉ thu Tất nhiên, ở một nơi nào đó ta cần có một tram phát để hoàn thiện đường truyền Trong một số trường hợp chỉ cần trạm chỉ phát, chẳng hạn khi chuyển tiếp tín hiệu truyền hình đến các trạm chỉ thu TV ở xa Các trạm phát thu đảm bảo cả hai chức năng và thường được sử dụng cho viễn thông với lưu lượng bao hàm cả mạng TV

Các phần tử cơ bản của một trạm mặt đất có dự phòng được cho trên hình 2.9 Nhắc lại rằng dự phòng có nghĩa một số khối được nhân đôi Một khối được dự phòng kép này khi bị sự cố sẽ tự động chuyển mạch đến khối dự phòng Các khối dự phòng được vẽ trên hình 2.9 ở dạng đường ngắt quãng

Hình 2.9 Các phần tử căn bản của một trạm mặt đất có dự phòng

Sơ đồ khối chi tiết của trạm phát thu mặt đất được cho ở hình 2.10, trong đó để dễ nhìn ta không trình bày các khối dự phòng

Hình 2.10 Sơ đồ chi tiết một trạm thu phát

Nhìn từ phía dưới sơ đồ, trước hết ta thấy thiết bị kết nối trạm vệ tinh mặt đất với mạng viễn thông mặt đất Để giải thích ta sẽ xét lưu lượng điện thoại Lưu lượng này có thể gồm nhiều kênh điện thoại được ghép với nhau theo tần số, hoặc thời gian Ghép kênh này có thể khác với ghép kênh cần thiết để truyền dẫn vệ tinh, vì thế khối tiếp theo là thiết bị ghép kênh thực hiện lập khuôn dạng lại cho lưu lượng Sau đó

luồng ghép được điều chế ở trung tần (IF), thường là 70 MHz Nhiều tầng trung tần song song được sử dụng cho từng sóng mang được phát Sau khuyếch đại IF 70 MHz, tín hiệu sau điều chế được biến đổi nâng tần đến tần số sóng mang cần thiết Nhiều sóng mang có thể được phát cùng một lúc và mặc dù đây là các tần số khác nhau, các sóng mang được đặc tả theo tần số: các sóng mang 6GHz hay các sóng mang 14 GHz

Cần lưu ý rằng mỗi sóng mang có thể được sử dụng cho nhiều điểm nhận Nghĩa là chúng mang lưu lượng đến các trạm khác nhau Chẳng hạn một sóng mang vi ba có thể mang lưu lượng đến Boston và New York Cùng một sóng mang được thu tại hai điểm, được lọc ra bởi các bộ lọc tại trạm mặt đất thu

Sau khi đi qua bộ biến đổi nâng tần, các sóng mang được kết hợp và tín hiệu tổng băng rộng được khuếch đại Tín hiệu băng rộng sau khuếch đại đựơc tiếp sóng đến anten qua bộ ghép song công: Diplexer Diplexer cho phép anten xử lý đồng thời nhiều tín hiệu phát và thu

Anten trạm làm việc ở cả hai chế độ phát thu đồng thời nhưng tại các tần số khác nhau Trong băng C, đường lên danh định hay tần số phát là 6GHz và đường xuống hay tần số thu là 4GHz Trong băng Ku, tần số đường lên danh định là 14 GHz và đường xuống là 12 GHz Do các anten khuếch đại cao được sử dụng cho cả hai đường, nên chúng có các búp sóng rất hẹp Búp sóng hẹp này cần thiết để ngăn chặn nhiễu giữa các đường vệ tinh lân cận Trong trường hợp băng C, cũng cần tránh nhiễu đến từ các tuyến vi ba mặt đất Các tuyến vi ba mặt đất không hoạt động tại các tần số băng Ku

Trong nhánh thu (phía phải của hình 2.10), tín hiệu thu được khuếch đại trong bộ khuếch đại tạp âm nhỏ sau đó được chuyển đến bộ chia để tách thành các sóng mang khác nhau Các sóng mang này được biến đổi hạ tần đến băng IF rồi được chuyển đến khối ghép kênh để được chỉnh lại khuôn dạng cần thiết cho mạng mặt đất

Cần lưu ý rằng dòng lưu lượng phía thu khác với dòng này ở phía phát Số lượng sóng mang, khối lượng lưu lượng được mang sẽ khác nhau và luồng ghép đầu ra không nhất thiết phải mang các kênh điện thoại được mang ở phía phát

Tồn tại nhiều loại trạm mặt đất khác nhau phụ thuộc vào các yêu cầu dịch vụ Theo nghĩa rộng có thể phân loại lưu lượng thành: tuyến lưu lượng cao, tuyến lưu lượng trung bình và tuyến lưu lượng thấp Trong kênh tuyến lưu lượng thấp, một kênh phát đáp (36 MHz) có thể mang nhiều sóng mang và mỗi sóng mang liên kết với một kênh thoại riêng Chế độ hoạt động này được gọi là một sóng mang trên một kênh (SCPC: Single Carrier per Channel) Ngoài ra còn có chế độ đa truy nhập Cụ thể về các chế độ này sẽ được xét ở chương các hệ thống thông tin vệ tinh FDMA và TDMA Kích thước anten thay đổi từ 3,6 m (11,8ft) đối với các trạm di động trên xe đến 30 m (98,4ft) đối với đầu cuối chính

Kênh tuyến lưu lượng trung bình cũng đảm bảo đa truy nhập hoặc theo FDMA hoặc theo TDMA Các chế độ đa truy nhập này cũng được xét trong chương tương ứng Kích thước anten từ 30 m (89,4ft) cho trạm chính đến 10 m (32,8 ft) cho các trạm xa

Trong hệ thống tuyến lưu lượng cao, mỗi kênh vệ tinh (độ rộng băng tần 36 MHz) có thể mang 960 kênh thoại cho một đường hoặc một kênh TV kết hợp với kênh tiếng Như vậy kênh phát đáp cho kênh tuyến lưu lượng lớn mang một tín hiệu băng rộng: có thể là TV hay luồng ghép các kênh thoại Đường kính anten của hệ thống này ít nhất là 30 m (98,4ft) được thiết kế cho trạm mặt đất tiêu chuẩn A của INTELSAT Các anten lớn này có trọng lương đến 250 tấn vì thế phải có nền đỡ rất chắc chắn và ổn định Các anten đường kính lớn này đảm bảo các búp sóng rất hẹp và vì thế phải tránh xê dịch để không làm lệch hướng anten Đối với vùng có băng và tuyết rơi cần có lò sưởi bên trong

Mặc dù các anten này được sử dụng cho các vệ tinh địa tĩnh, nhưng vẫn xẩy ra trôi vệ tinh Ảnh hưởng này cùng với búp sóng anten rất hẹp vì thế cần đảm bảo một giới hạn nhất định về độ bám Điều chỉnh từng nấc theo phương vị và góc ngẩng được thực hiện dưới sự điều khiển của máy tính để đạt được tín hiệu thu cực đại

Việc đảm bảo liên tục nguồn nuôi cũng là một vấn đề quan trọng khi thiết kế các trạm mặt đất phát thu Trừ các trạm nhỏ nhất, cần thể sử dụng nguồn dự phòng từ điện mạng hoặc acquy và các máy phát điện Nếu điện lưới bị sự cố, các acquy lập tức thay thế Đồng thời máy nổ được đề và nhanh chóng thay thế các acqui

2.1.6 Quỹ đạo vệ tinh

Quỹ đạo là một trong những tài nguyên quan trọng cho vệ tinh trong không gian Có nhiều cách khác nhau để phân loại quỹ đạo vệ tinh ( xem hình 2.6)

Theo độ cao của những vệ tinh, quỹ đạo vệ tinh có thể được phân loại theo những kiểu sau đây:

─ Quỹ đạo (vệ tinh) thấp (LEO) có một phạm vi độ cao nhỏ hơn 5000 km Những vệ tinh nằm trong quỹ đạo này được gọi là những vệ tinh LEO Chu kì của vệ tinh là khoảng 2-4 giờ

─ Quỹ đạo (vệ tinh) trung bình (MEO) có phạm vi độ cao nằm trong khoảng từ 5000-20.000Km những vệ tinh nằm trong quỹ đạo này gọi là vệ tinh MEO Chu kỳ của vệ tinh là khoảng 4-12 giờ

─ Quỹ đạo Elip cao (HEO) có độ cao lớn hơn 20.000Km ,những vệ tinh nằm trong quỹ đạo này gọi là vệ tinh HEO,chu kì của vệ tinh lớn hơn 12h ─ GSO (Geostationary Orbit) hay GEO (Geostatinary Earth Orbit): quỹ đạo

địa tĩnh

Hình 2.11 Quỹ đạo của vệ tinh

2.1.7 Dải tần số phát của vệ tinh

Dải tần số là tài nguyên quan trọng khác của liên kết mạng vệ tinh và cũng là một tài nguyên khan hiếm

Phân bố tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quá trình rất phức tạp đòi hỏi sự cộng tác quốc tế và có quy hoạch Phân bố tần được thực hiện dưới sự bảo trợ của Liên đoàn viễn thông quốc tế (ITU) Để tiện cho việc quy hoạch tần số, toàn thế giới được chia thành ba vùng:

Vùng 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên xô cũ và Mông Cổ Vùng 2: Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Đảo Xanh

Vùng 3: Châu Á (trừ vùng 1), Úc và Tây nam Thái Bình Dương

Trong các vùng này băng tần được phân bổ cho các dịch vụ vệ tinh khác nhau, mặc dù một dịch vụ có thể được cấp phát các băng tần khác nhau ở các vùng khác nhau Các dịch vụ do

vệ tinh cung cấp bao gồm:

─ Các dịch vụ vệ tinh cố định (FSS) ─ Các dịch vụ vệ tinh quảng bá (BSS) ─ Các dịch vụ vệ tinh di động (MSS) ─ Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng ─ Các dịch vụ vệ tinh khí tượng

Từng phân loại trên lại được chia thành các phân nhóm dịch vụ; chẳng hạn dịch vụ vệ tinh cố định cung cấp các đường truyền cho các mạng điện thoại hiện có cũng

như các tín hiệu truyền hình cho các hãng TV cáp để phân phối trên các hệ thống cáp Các dịch vụ vệ tinh quảng bá có mục đích chủ yếu phát quảng bá trực tiếp đến gia đình và đôi khi được gọi là vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS:direct broadcast setellite), ở Châu Âu gọi là dịch vụ trực tiếp đến nhà (DTH: direct to home) Các dịch vụ vệ tinh di động bao gồm: di động mặt đất, di động trên biển và di động trên máy bay Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng bao gồm các hệ thống định vị toàn cầu và các vệ tinh cho các dịch vụ khí tượng thường cung cấp cả dịch vụ tìm kiếm và cứu hộ

Phạm vi tần số vô tuyến nằm trong khoảng từ 3 kHz đến 300 GHz, truyền thông trên 60 GHz nói chung không thực hiện được vì yêu cầu công suất cao và chi phí tốn kém cho thiết bị Phần băng thông này được sử dụng cho những mối liên kết truyền thông sóng cực ngắn (vi ba) mặt đất và cho truyền thông di động mặt đất như mạng GSM và 3G và mạng LAN không dây ngày nay

Ngoài ra, môi trường truyền dẫn giữa vệ tinh và trạm mặt đất như mưa ,tuyết,khí và các nhân tố khác giới hạn đến công suất vệ tinh cũng như băng tần trong quá trình truyền thông vệ tinh.Hình sau cho ta thấy sự suy hao của các băng tần khác nhau do do mưa, sương mù và khí

Hình 2.12 sự suy hao của các băng tần khác nhau do A:mưa,B:sương mù,C: khí

Liên kết công suất hạn chế bởi băng thông và công suất truyền được dùng cho truyền dẫn.Dải thông tần số được cấp phát bởi ITU Có vài băng tần được cấp phát cho truyền thông vệ tinh Bảng 1.1 cho thấy các băng thông khác nhau dành cho truyền thông vệ tinh

Các loại băng tần Giá trị(GHz)

VHF 0,1-0,3

L band 1.12–2.6 S band 2.6–3.95

µm 300-3000 Bảng 2.1 Các loại băng tần của truyền thông vệ tinh

Băng Ku là băng nằm dưới băng K còn băng Ka là băng nằm trên K Ku là băng hiện nay được sử dụng cho các vệ tinh quảng bá trực tiếp và nó cũng được sử dụng cho một số dịch vụ vệ tinh cố định Băng C được sử dụng cho các dịch vụ vệ tinh cố định và các dịch vụ quảng bá trực tiếp không được sử dụng băng này Băng VHF được sử dụng cho một số dịch vụ di động và đạo hàng và để truyền số liệu từ các vệ tinh thời tiết Băng L được sử dụng cho các dịch vụ di động và các hệ thống đạo hàng Đối với các dịch vụ vệ tinh cố định trong băng C, phần băng được sử dụng rộng rãi nhất là vào khoảng từ 4 đến 6 GHz Hầu như các tần số cao hơn được sử dụng cho đường lên và thường băng C được ký hiệu là 6/4 GHz trong đó con số viết trước là tần số đường lên Đối với dịch vụ quảng bá trực tiếp trong băng Ku, dải thường được sử dụng là vào khoảng từ 12 đến 14 GHz và được ký hiệu là 14/12 GHz Mặc dù các ấn định tần số được thực hiện cụ thể hơn và chúng có thể nằm ngoài các giá trị được trích dẫn ở đây (chẳng hạn các ấn định tần số băng Ku có thể là 14,030 GHz và 11,730 GHz), các giá trị gần đúng được đưa ra ở trên hoàn toàn thoả mãn cho các tính toán có liên quan đến tần số

2.2 Đặc điểm của mạng vệ tinh

Hầu hết hiện nay truyền thông vệ tinh sử dụng bộ lặp tần số vô tuyến(RF) hay vệ tinh ”ống cong”.Hoạt động của 1 vệ tinh tối thiểu là khôi phục lại tín hiệu số đã nhận ,nó có thể mã hoá hoặc giải mã các chuỗi bit , nó cũng có thể có một số khối chuyển mạch lớn và đường truyền giữa các vệ tinh(ISL)

Đường truyền vô tuyến (sử dụng sóng cực ngắn LOS) Cung cấp đường truyền thực cho các bit và byte tại lớp vật lý của mô hình quy chiếu phân lớp Có ba vấn đề kỹ thuật cơ bản trong đường truyền vô tuyến vệ tinh tới vệ tinh được định vị ở khoảng cách rất xa từ những trạm đầu cuối mặt đất

Denomination Uplink (bandwith) Downlink (bandwith)

Typical utilisation in FSS for GEO

Intelsat, Eutelsat, France,German,Spain,Russia 13-14/11-12

Ku band

14.5(750MHz)

13.75-10.95-11.2 International domestic satellite Intelsat in region 2 11.45-11.7

12.5-12.75 (700MHz)

Intelsat, USA,Canada, Spain

18.1(800MHz)

17.3-BSS band Feeder link for BSS 18/12

30/20

Ka band 27.5-30.0 (2500MHz)

20.2(2500MHz)

17.7-International domestic satellite Intelsat EUROPE,USA,Japan 40/20 Ka band 42.5-45.5

(3000MHz)

18.2-21.2

(3000MHz) Govermental ,military satellites Bảng 2.2 ví dụ về sử dụng dải băng tần trong GEO

2.2.1 Độ trễ truyền sóng

Vấn đề đầu tiên cần giải quyết đó là đối với khoảng cách xa Đối với vệ tinh GEO, thời gian yêu cầu truyền giữa những khoảng cách _ chẳng hạn, từ trạm mặt đất này tới trạm mặt đất khác là 250 ms Thời gian truyền đi về sẽ là 2 x 250 hay 500 ms.Thời gian truyền sóng này lớn hơn nhiều so với tiêu chuẩn hệ thống mặt đất Một trong những vấn đề chính đó là thời gian truyền sóng và kết quả tiếng vọng trên mạch điện thoại Độ đáp ứng trễ của những mạch dữ liệu nào đó cho các hệ thống truyền khối hay gói và yêu cầu lựa chọn cẩn thận của hệ thống báo hiệu điện thoại hoặc độ trễ do nối có thể trở nên thừa

2.2.2 Suy hao đường truyền và giới hạn công suất

Vấn đề thứ hai là với khoảng cách càng xa thì suy hao càng nhiều Với sóng ngắn LOS ta có sự suy hao trong không gian tự do vào khoảng 145 dB Trong trường hợp vệ tinh nằm ở độ cao 22 300 miles hoạt động trong tần số 4.2 GHz, thì suy hao trong không gian tự do là 196 dB và tại 6 GHz là 199 dB và tại 14 GHz thì suy hao khoảng 207 dB Vấn đề này hiện nay không thể khắc phục được từ trái đất đến vệ tinh,Trong trường hợp này thì việc truyền với công suất cao và các anten có độ lợi cao sẽ là một giải pháp tốt

Đường truyền từ vệ tinh tới trái đất bị giới hạn công suất vì hai lý do sau:

─ Trong băng tần chia sẻ với những dịch vụ tại mặt đất, phổ biến nhất là dải tần 4- GHz, để bảo đảm không giao thoa với những dịch vụ khác; Và ─ Trong bản thân vệ tinh, chúng có thể thu được năng lượng chỉ từ pin mặt

trời Vệ tinh nhận được một nguồn năng lượng rất lớn từ mặt trời để điều chế ra năng lượng cần thiết RF ; như vậy,ở đường truyền xuống, từ vệ tinh đến trái đất, mức tín hiệu nhận được sẽ là thấp hơn nhiều so với trên những đường truyền vô tuyến tương ứng, và cụ thể là thấp hơn khoảng 150 dBW

2.2.3 Không gian quỹ đạo và băng thông giới hạn đối với vùng bao phủ của vệ tinh

Vấn đề thứ ba là sự tập trung nhiều vệ tinh Quỹ đạo xích đạo của chúng ta bị lấp đầy bởi những vệ tinh địa tĩnh Giao thoa tần số sóng vô tuyến của hệ thống vệ tinh này sang hệ thống vệ tinh khác đang ngày càng gia tăng Điều này thì càng đúng hơn đối với những hệ thống dùng anten nhỏ tại trạm đất với việc mở rộng độ rộng chùm tia sẵn có của nó Chính điều này làm bùng nổ sự tắc nghẽn tần số từ những trạm phát

2.2.4 Hoạt động phức tạp của vệ tinh tầm thấp(LEO)

Ngoài vệ tinh GEO, chúng ta cũng thấy hoạt động của hệ thống vệ tinh quỹ đạo tầm thấp, nó có thể mở ra tiềm năng của những vệ tinh Những vệ tinh loại này có quỹ đạo có độ cao thấp nhất ở trên trái đất Chính điều này có thể giảm bớt vấn đề độ

trễ và suy hao đường truyền , nhưng phát sinh nhiều sự phức tạp hơn trong việc bảo trì những đường truyền dữ liệu giữa những thiết bị đầu cuối mặt đất và vệ tinh vì sự chuyển động nhanh của tập hợp các vệ tinh LEO

CHƯƠNG 3 KHÁI NIỆM MẠNG VÀ QUỸ ĐẠO VỆ TINH

3.1 Các định luật vật lý

Cũng như các trạm mặt đất di động cơ sở, hệ thống những thông tin vệ tinh cũng phải được đặt trên một nền tảng hay kênh truyền Những định luật vật lý cho phép chúng ta xác định đặt các trạm cơ sở trên bầu trời để hình thành một phần của mạng ở chỗ nào và như thế nào

3.1.1 Ba định luật vật lý của Kepler

a Định luật Kepler thứ nhất: quỹ đạo vệ tinh

Định luật Kepler thứ nhất phát biểu rằng đường chuyển động của một vệ tinh xung quang vật thể sơ cấp sẽ là một hình elip Một hình elip có hai tiêu điểm F1 và F2 như thấy ở hình 3.1 Tâm khối lượng của hệ thống hai vật thể này được gọi là tâm bary luôn luôn nằm tại một trong hai tiêu điểm Trong trường hợp được xét do sự khác biệt rất lớn giữa khối lượng của quả đất và vệ tinh, tâm khối lượng trùng với tâm của trái đất và vì thế tâm trái đất luôn nằm trong một tiêu điểm

Hình 3.1 Các tiêu điểm F1,F2 bán trục chính a và bán trục phụ b của elip

Bán trục chính của Elip được ký hiệu là a và bán trục phụ được ký hiệu là b Độ lệch tâm e được xác định như sau:

Độ lệch tâm (tâm sai) và bán trục chính là hai thông số để xác định các vệ tinh quay quanh trái đất 0<e<1 đối với một quỹ đạo vệ tinh Khi e=0 quỹ đạo trở thành đường tròn

Trục phụ

Trục chính

Tâm elip

b Định luật Kepler thứ hai: vùng được quét bởi vectơ vệ tinh

Định luật Kepler thứ hai phát biểu rằng trong các khoảng thời gian bằng nhau, vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau trong mặt phẳng quỹ đạo của nó với tiêu điểm tại tâm bary (hình 3.2)

Hình 3.2 Định luật kepler thứ 2

Từ hình 2.2 ta thấy nêú coi rằng vệ tich chuyển dịch các quãng đường là S1 và S2 mét trong 1 giây thì các diện tích A1 và A2 bằng nhau Do S1 và S2 là tốc độ bay của vệ tinh nên từ định luật diện tích bằng nhau này, ta rút ra rằng tốc độ S2 thấp hơn tốc độ S1 Từ đây ta suy ra rằng vệ tinh phải mất nhiều thời gian hơn để bay hết một quãng đường cho trước khi nó cách xa quả đất hơn Thuộc tính này được sử dụng để tăng khoảng thời gian mà một vệ tinh có thể nhìn thấy các vùng quy định của quả đất

c Định luật Kepler thứ ba: chu kỳ quỹ đạo

Định luật Kepler thứ ba phát biểu rằng bình phương chu kỳ quỹ đạo tỷ lệ mũ ba với khoảng cách trung bình giữa hai vật thể Khoảng cách trung bình bằng bán trục chính a Đối với các vệ tinh nhân tạo bay quanh quả đất, ta có thể trình bày định luật Kepler thứ ba như sau:

A3= nu

trong đó n là chuyển động trung bình của vệ tinh đo bằng radian trên giây và μ là hằng số hấp dẫn địa tâm quả đất Với a đo bằng mét, giá trị này là:

vệ tinh A2

A2

S2

S2

μ = 3,986005×1014m3/sec2

Phương trình 2.2 chỉ áp dụng cho trường hợp lý tưởng khi một vệ tinh quay quanh một quả đất cầu lý tưởng có khối lượng đồng đều và không bị tác động nhiễu chẳng hạn sự kéo trôi của khí quyển

Với n đo bằng radian trên giây, chu kỳ quỹ đạo đo bằng giây được xác định như sau:

Ý nghĩa của định luật Kepler thứ ba là nó cho thấy quan hệ cố định giữa chu kỳ và kích thước Một dang quỹ đạo quan trọng là quỹ đạo địa tĩnh chu kỳ của quỹ đạo này được xác định bởi chu kỳ quay của quả đất Thí dụ dưới đây cho thấy sự xác định bán kính gần đúng của quỹ đạo địa tĩnh

3.1.2 Ba định luật của Newton về chuyển động và định luật hấp dẫn

a Một vật thể trong trạng thái tĩnh sẽ chỉ chuyển động khi chịu ảnh hưởng của lực Nó sẽ chuyển động mãi theo chiều thẳng với vận tốc không đổi (tức là chuyển động thẳng đều) chừng nào không có một lực khác tác động vào nó và làm thay đổi đường đ

b Khi một lực tác động vào một vật thể, nó sẽ thay đổi động năng của vật theo đúng hướng mà nó tác dụng Gia tốc (vận tốc tăng theo thời gian khi vật chuyển động) sẽ tỉ lệ thuận với độ lớn của lực tác động

F = 1 2 12

Vectơ F là vectơ lực của vật m1 tác dụng lên vật m2 theo hướng từ m1 tới m2, g=6,672.10-11m3/kg/s2 là hằng số gia tốc trọng lực , r là khoảng cách giữa 2 vật, và

là vectơ đơn vị biểu diễn hướng từ m1 đến m2, chúng ta cũng có thể sử dụng công

thức này để biểu diễn lực giữa mặt trời và trái đất bằng cách cho m1 là khối lượng của mặt trời và m2 là khối lượng của trái đất

3.2 Tham số quỹ đạo của vệ tinh

Để định nghĩa quỹ đạo của một vệ tinh trong không gian, yêu cầu tham số quỹ đạo Hình dạng của một quỹ đạo được mô tả bởi hai tham số: nửa trục chính (a) và độ lệch tâm (E) vị trí của mặt phẳng quỹ đạo trong không gian được xác định bằng

điểm (ϖ ) Nửa trục chính (a) cũng xác định chu kỳ (T) của quỹ đạo vệ tinh mặt đất 3.2.1 Nửa trục chính (a)

Tham số này xác định kích thước của quỹ đạo (Km) Nó được định nghĩa là một nửa của trục chính, với chiều dài của dây cung là qua 2 tiêu điểm của quỹ đạo ellipse Đối với quỹ đạo vòng tròn, nửa trục chính (a) đơn giản đó là bán kính của vòng tròn Hình 2.2 minh họa nửa trục chính và những tham số quỹ đạo khác

3.2.2 Độ lệch tâm (e)

Độ lệch tâm (e) xác định hình dạng của quỹ đạo.Là một hằng số hình học không có đơn vị với một giá trị là 0 và 1.Quỹ đạo vòng tròn thuần tuý có độ lệch tâm bằng 0 Những giá trị sau đây của E định nghĩa những kiểu quỹ đạo vệ tinh:

─ Đối với e=0 =>quỹ đạo là hình tròn ─ Đối với e<1 =>quỹ đạo là ellipse ─ Đối với e=1=> quỹ đạo là parabol ─ Đối với e>1=>Quỹ đạo là hiperbol 3.2.3 Độ nghiêng của quỹ đạo(i)

Độ nghiêng (i) xác định độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo đối với mặt phẳng xích đạo trái đất và là một góc được đo bằng độ Nó được định nghĩa là 1 góc giữa hai mặt phẳng xem hình 2.3 Một quỹ đạo với độ nghiêng bằng 0 được gọi là quỹ đạo xích đạo , quỹ đạo với độ nghiêng bằng 900 được gọi là quỹ đạo cực.Độ nghiêng của quỹ đạo nhỏ hơn 90 độ thì cùng chiều quay với thiên thế chủ và với độ nghiêng (i) nằm trong khoảng 900-1800 thì ngược chiều với thiên thể chủ Độ nghiêng giới hạn cực đại là 180 độ

Theo góc nghiêng (i) của mặt phẳng quỹ đạo, góc nghiêng giữa mặt phẳng trái đất và mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh, quỹ đạo vệ tinh trình bày ở hình 2.4 có thể phân loại thành các loại sau:

─ Quỹ đạo xích đạo với điều kiện i=0 chẳng hạn xích đạo trái đấtd

─ Quỹ đạo nghiêng với điều kiện 0<i<900 Mặt phẳng quỹ đạo và mặt phẳng xích đạo trái đất nghiêng với nhau 1 góc là i

─ Quỹ đạo cực nếu I = 900 Mặt phẳng quỹ đạo chứa cực của trái đất

mặt phẳng quỹ đạo trùng mặt phẳng xích đạo mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 1 góc i (0<i<900)

Hình 3.3 Độ nghiêng của quỹ đạo(i)

Quỹ đạo cực

Quỹ đạo nghiêng

Quỹ đạo xích đạo

Hình 3.4 Quỹ đạo cực,nghiêng và xích đạo

3.2.4 Độ xích kinh của điểm (Ω) và đối số cận điểm (ω)

Độ xích kinh của điểm (Ω) là việc xác định độ quay của mặt phẳng quỹ đạo, và nó là một góc được đo bằng độ Nó được định nghĩa là một góc trong mặt phẳng xích đạo , là góc giao của 2 đường thẳng nằm trong mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng quỹ đạo xem Hình 3.5