BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VỆ TINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VỆ TINH GVHD: T.S Lâm Hồng Thạch Sinh viên thực hiện: Trần Xuân Hùng ĐTVT 11 – K62 20172594 Trần Đình Khải ĐTVT 11 – K62 20172616 Dương Văn Đoàn ĐTVT 11 – K62 20172472 Phạm Thị Thu Trang ĐTVT 11 – K62 20172862 Nguyễn Đăng Thế Anh ĐTVT 11 – K62 20172405 Hà Nội, - 2021 MỤC LỤC Nô ̣i dung MỤC LỤC II PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC I DANH MỤC HÌNH VẼ II DANH MỤC BẢNG BIỂU III CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Khái niệm, lịch sử phát triển thông tin vệ tinh .1 1.2 Đặc điểm hệ thống thông tin vệ tinh 1.2.1 Ưu điểm 1.2.2 Nhược điểm 1.3 Sơ đồ khối hệ thống thông tin 1.4 Các băng tần sử dụng thông tin vệ tinh .4 1.5 Ứng dụng thông tin vệ tinh .4 1.5.1 Trên giới 1.5.2 Tại Việt Nam 1.6 Sáu tập thông tin vệ tinh Bài Bài Bài Bài 10 Bài 11 Bài 13 1.7 Bốn tập sách giáo trình thầy Vũ Văn Yêm 14 Bài 15 Bài 16 Bài 17 Bài 19 CHƯƠNG QUỸ ĐẠO VỆ TINH 21 2.1 Định nghĩa quỹ đạo vệ tinh 21 2.2 Phân loại quỹ đạo vệ tinh 21 2.2.1 Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh (quỹ đạo tròn) 21 2.2.2 Quỹ đạo vệ tinh phi địa tĩnh (quỹ đạo elip) 24 2.3 Các định luật Kepler chứng minh 26 2.3.1 Định luật Kepler thứ 26 2.3.2 Định luật Kepler thứ hai 26 2.3.3 Định luật Kepler thứ ba .27 2.4 Một số toán quỹ đạo vệ tinh .27 2.5 Q trình phóng vệ tinh 30 CHƯƠNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 31 3.1 Sơ đồ khối hệ thống thông tin vệ tinh 31 3.2 Cấu trúc phần không gian 31 3.2.1 Anten thu vệ tinh 31 3.2.2 Bộ lọc 31 3.2.3 Bộ khuếch đại tạp âm thấp 31 3.2.4 Chuyển đổi tần số 32 3.2.5 Khuếch đại công suất 32 3.2.6 Anten phát vệ tinh 32 3.3 Cấu trúc trạm mặt đất 32 3.3.1 Phần phát .32 3.3.2 Phần thu 33 3.4 Anten thông tin vệ tinh 33 3.4.1 Anten parabol: .33 3.4.2 Các thông số anten 34 3.5 Công suất xạ đẳng hướng tương đương 35 3.6 Cơng suất tín hiệu thu tổn hao sóng truyền khơng gian tự 36 3.7 Cấu trúc chức trạm TT&C 36 CHƯƠNG PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ TUYẾN TRONG THƠNG TIN VỆ TINH 38 4.1 Truyền sóng thơng tin vệ tinh 38 4.2 Phân cực sóng điện từ 38 4.3 Các đặc điểm kênh truyền thông tin vệ tinh 41 4.3.1 Ảnh hưởng tầng đối lưu 41 4.3.2 Ảnh hưởng tầng điện ly 42 4.3.3 Ảnh hưởng cự ly truyền 43 4.4 Công suất xạ đẳng hướng tương đương 43 4.5 Cơng suất tín hiệu thu tổn hao sóng truyền khơng gian tự 43 4.6 Bài tập thầy Hợp 45 Bài 45 Bài 47 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 50 5.1 Tổng quan 50 5.2 Đa truy nhập đến kênh cụ thể phát đáp vệ tinh .50 5.3 Đa truy nhập đến phát đáp vệ tinh 53 5.4 Ưu nhược điểm phương pháp đa truy nhập thông tin vệ tinh 53 5.4.1 Đa truy nhập FDMA 53 5.4.2 Đa truy nhập TDMA 54 5.4.3 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 54 5.5 Bài tập thầy Thái Hồng Nhị 55 Bài 55 Bài 55 Bài 56 Bài 58 Bài 58 Bài 59 Bài 59 Bài 59 Bài 60 Bài 10 60 Bài 11 61 Bài 12 61 Bài 13 62 Bài 14 63 Bài 15 63 Bài 16 63 CHƯƠNG TÍN HIỆU VÀ ĐIỀU CHẾ 64 6.1 Tín hiệu 64 6.2 Điều chế 64 CHƯƠNG MỘT SỐ THÔNG TIN TỔNG HỢP VỀ CÁC VỆ TINH VINASAT 68 7.1 Giới thiệu chung 68 7.1.1 Vinasat-1 .68 7.1.2 Vinasat-2 .68 7.2 TRẠM ĐIỀU KHIỂN .69 7.2.1 Trạm điều khiển Quế Dương .69 7.2.2 Trạm điều khiển Bình Dương 70 7.3 TRUNG TÂM NOC 70 7.3.1 Tổ chức .71 7.3.2 Theo dõi giám sát vệ tinh 24/7 71 7.3.3 Thực kiểm tra 72 7.3.4 Các công việc điều khiển 72 7.3.5 Một số xu hướng công nghệ cho công tác điều khiển 73 PHỤ LỤC 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC Tên MSSV Cơng việc Trần Đình Khải 20172616 Chương 2, 5, 6, 7, chỉnh sửa Trần Xuân Hùng 20172594 Chương 1, 3, tập, bổ xung Dương Văn Đoàn 20172472 Chương 2, 4, bổ sung, hoàn thiện Phạm Thị Thu Trang 20172862 Chương 3, 4, bổ xung, chỉnh sửa Nguyễn Đăng Thế Anh 20172405 Chương 5, 6, 7, chỉnh sửa DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các băng tần sử dụng thông tin vệ tinh .3 ii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Khái niệm, lịch sử phát triển thông tin vệ tinh Là vệ tinh nhân tạo đặt không gian dùng cho viễn thông Vệ tinh thông tin đại có nhiều loại quỹ đạo như quỹ đạo địa tĩnh, quỹ đạo Molniya, quỹ đạo elip, quỹ đạo (cực phi cực) Trái Đất thấp Vệ tinh thông tin kỹ thuật tiếp sức vô tuyến vi ba bên cạnh thông tin cáp quang biển truyền dẫn điểm điểm cố định Nó dùng ứng dụng di động thông tin cho tàu xe, máy bay, thiết bị cầm tay cho cả tivi và quảng bá mà kỹ thuật khác cáp không thực tế Lịch sử phát triển thông tin vệ tinh: Ngày 4/10/1957, Liên Xô đưa vệ tinh Sputnik lên quỹ đạo, mở kỷ nguyên người khai thác vũ trụ Vệ tinh trang bị máy phát radio làm việc hai tần số 20,005 MHz 40,002 MHz Năm 1958, Mỹ đưa vệ tinh lên quỹ đạo Vệ tinh sử dụng băng từ để ghi gửi lời chúc mừng giáng sinh tổng thống Mỹ Dwight D Eisenhower đến giới NASA phóng vệ tinh Echo vào năm 1960; cầu 30m mạ lớp PETfilm năm 1960; để phục vụ gương phản xạ bị động cho việc liên lạc vô tuyến Courier 1B xây dựng Philco phóng lên vào năm 1960 vệ tinh nhắc chủ động giới Telstar vệ tinh liên lạc tiếp âm trực tiếp động Thuộc công ty điện thoại, điện báo Mỹ (AT&T) phần hợp đồng đa quốc gia AT&T, phịng thí nghiệm điện thoại Bell, NASA, bưu điện Anh, viễn thông Pháp để phát triển vệ liên lạc vệ tinh, phóng lên NASA từ mũi Canaveral vào ngày 10 tháng năm 1962, phóng vào khơng gian tư nhân Telstar đặt quỹ đạo elip (hoàn thành chu kỳ sau 2 giờ and 37 phút), quay góc 45° xích đạo Một tiền lệ trực tiếp vệ tinh địa tĩnh Huges Syncom phóng lên vào 26 tháng năm 1963 Syncom quay quanh Trái Đất lần ngày với tốc độ không đổi, cịn có vận động bắc-nam, cần có thiết bị đặc biệt để theo dõi Từ người bước thực ước mơ mình, xây dựng hệ thống thơng tin vệ tinh tồn cầu 1.2 Đặc điểm hệ thống thông tin vệ tinh 1.2.1 Ưu điểm Vệ tinh phủ sóng vùng rộng lớn bề mặt Trái Đất Một vệ tinh địa tĩnh, điều kiện tối ưu, phủ sóng 40% diện tích bề mặt Trái Đất Sóng vơ tuyến điện phát từ Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh bao phủ 1/3 toàn bề mặt trái đất Bởi vậy, trạm mặt đất vùng thơng tin trực tiếp với trạm mặt đất khác vùng qua Vệ tinh thông tin Việc lắp đặt di chuyển thành phần hệ thống truyền tin Vệ tinh đặt mặt đất tương đối nhanh chóng, dễ dàng khơng phụ thuộc vào cấu hình mạng hệ thống truyền dẫn Các thiết bị điện tử đặt Vệ tinh tận dụng nguồn lượng mặt trời để cung cấp hoạt động ngày lẫn đêm Thông tin Vệ tinh ổn định Đã có nhiều trường hợp bão to, động đất lúc phương tiện truyền thông khác hoạt động trì có hệ thống thông tin Vệ tinh hoạt động để cung cấp thơng tin cần thiết cho người Ta dễ dàng nhanh chóng thiết lâp trạm thu vệ tinh dù vùng xa xôi, hải đảo Hệ thống truyền tin Vệ tinh phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau: thoại phi thoại, thăm dị địa chất, định vị tồn cầu, quan sát mục tiêu, thăm dị, dự báo khí tượng, phục vụ mục đích quốc phịng, an ninh, dân sự… Eb fN C B C ( dB ) = ( dB ) +10 log = ( dB )+10 log = 9,58 (dB) N0 N Rbit N log M f N ( ( ) ( ( )√ Pe =1−erf sin π M ) E b log M =1−erf ( 3,013 )=1−0.99999795=2 10−7 N0 ) b) B=f v Điều chế 8-PSK: Eb fN C B C ( dB ) = ( dB ) +10 log = ( dB )+10 log = 11.99(dB) N0 N Rbit N log M f N ( ( ) ( ( )√ Pe =1−erf sin π M ) E b log M =1−erf ( 2.636 ) =1−0.9998=2.10−4 N0 ) Bài 14 Xác định cơng suất tạp âm tồn máy thu có độ rộng dải tần đầu vào 40 Mhz nhiệt độ tạp âm tương đương 800k Bài làm: Công suất tạp âm toàn máy thu là: N=k T B=1,38.10−23 800 40 106=−123.5(dB) Bài 15 Một máy thu trạm mặt đất có nhiệt độ tương đương đầu vào 400k , độ rộng băng tần tạp âm 30 Mhz, tăng ích anten thu 44 dB, tần số sóng mang 12 Ghz Hãy xác định tỷ số G/T ; N o N Bài làm: a) Tỷ số G/Te là: G/T e =G RX −10 log T =44−10 log 400=18( dB/ K) b) Giả sử B = BN = 30MHz Ta có: N=kTB=1.38 × 10−23 × 400 ×30 ×10 6=1.656 ×10−13 ( W )=−127.8(dBW ) 64 Mặt khác: N = N0.BN N 0= N 1.656 × 10−13 −21 = =5.52× 10 (W / Hz) BN 30 ×10 Bài 16 Một phát đáp vệ tinh có tỷ số Eb /N o tuyến lên 16 dB Eb /N o tuyến xuống 13 dB Hãy xác định Eb /N o toàn tuyến Bài làm: N o N o 1+ N o N o N o 1 = = + = + =0,07524 Eb Eb Eb Eb 101,6 101,3 → Eb =13,29=11,24 (dB) N0 CHƯƠNG TÍN HIỆU VÀ ĐIỀU CHẾ 6.1 Tín hiệu  Tín hiệu thơng tin cần gửi  Tín hiệu băng tần gốc: tín hiệu điện (U(t), I(t)) mà phản ảnh tín hiệu mà nói  Tín hiệu tương tự: tín hiệu liên tục thay đổi theo thời gian  Tín hiệu số: tín hiệu liên tục thay đổi theo mức  So sánh tín hiệu số so với tín hiệu tương tự Ưu điểm tín hiệu số so với tín hiệu tương tự: - Truyền tín hiệu số có tính kháng nhiễu tốt xung số bị tác động nhiễu làm thay đổi biến dạng - Tín hiệu số thuận lợi dễ dàng trình xử lý ghép kênh - Các hệ thống truyền tin số dùng tái tạo tín hiệu tương tự dùng khuếch đại tín hiệu - Việc đo lường tín hiệu số đơn giản nhiều 65 6.2 Điều chế  Điều chế: thay đổi thông số tín hiệu(biên độ, tần số pha)  Làm thơng tin vệ tinh điều chế biên độ gần khơng sử dụng  Sóng mang hiểu phương tiện( sóng điện từ)  Sóng mang: U(t)=Uocos(ωt+φ) Ví dụ thay đổi thành phần ta sóng : U(t) = U0 cos(ω t+ φ1) Có loại điều chế 1) Điều chế tương tự: biến đổi thành phần sóng mang theo quy luật tín hiệu Có phương pháp điều chế tương tự: - Điều biên (AM): biến đổi biên độ sóng mang theo tín hiệu - Điều tần (FM): biến đổi tần số sóng mang theo tín hiệu - Điều pha (PM): biến đổi pha sóng mang theo tín hiệu 2) Điều chế số: biến đổi thành phần sóng mang theo chuỗi số nhị phân đầu vào Các điều chế số ASK, FSK, PSK,…(ngồi cịn điều chế QAM).Điều chế số hiểu tín hiệu bị điều chế tín hiệu số cịn tín hiệu sóng mang tín hiệu tương tự a) Điều chế khóa dịch biên ASK Khái niệm: Điều chế ASK tạo tín hiệu dạng hình sine với biên độ biên thiên theo chuỗi tín hiệu số Hình 6.16 Dạng sóng sau điều chế ASK  Ưu điểm: - Chỉ dùng sóng mang 66 - Phù hợp với truyền tốc độ thấp, dễ thực  Nhược điểm: - Dễ bị ảnh hưởng nhiễu - Khó đồng bộ, dùng thực tế b) Điều chế dịch tần FSK Khái niệm: Dùng tần số khác sóng mang để biểu diễn bit Bit ứng với tần số cao, bit ứng với tần số thấp Hình 6.17 Dạng sóng sau điều chế FSK  Ưu điểm: Ít bị ảnh hưởng nhiễu lỗi so với ASK  Nhược điểm: Tần số cao dễ bị nhiễu hạn chế tốc độ truyền Khó đồng  Ứng dụng: - Dùng để truyền liệu tốc độ 1200bp hay thấp mạng điện thoại - Dùng rộng rãi truyền số liệu - Có thể dùng tần số cao (3-30MHz) để truyền sóng radio cáp đồng trục c) Điều chế PSK Khái niệm: trình điều chế pha sóng mang với trạng thái khác vng góc với  Ưu điểm: lỗi, nhạy với nhiễu pha bị ảnh hưởng môi trường tần số  Nhược điểm: Khó thực mạch điều chế, dễ sai pha điều chế mức cao 67  Ứng dụng: Sử dụng nhiều mạng không dây wifi, di động CDMA Điều chế 8-PSK (các pha lệch π /4) Hình 6.18 Đồ thị hình * sóng sau điều chế 8-PSK Điều chế 16-PSK 68 Hình 6.19 Đồ thị hình * sóng sau điều chế 16-PSK d) Điều chế QAM Khái niệm: kết hợp điều biên điều pha  Ưu điểm:điều chế QAM cho phép tăng dung lượng kênh truyền không làm tăng dải thông  Nhược điểm: công suất phát, tăng số mức điều chế lên tăng số bit lỗi 69 CHƯƠNG MỘT SỐ THÔNG TIN TỔNG HỢP VỀ CÁC VỆ TINH VINASAT 7.1 Giới thiệu chung Vệ tinh VINASAT-1 VINASAT-2 02 vệ tinh viễn thông Việt Nam với hệ thống sở hạ tầng mặt đất Đài điều khiển vệ tinh (TT&C), Đài điều hành khai thác vệ tinh (NOC) trạm teleport hoàn chỉnh, đại Các vệ tinh VINASAT-1 vị trí quỹ đạo 1320 Đơng 131,80 Đơng có vùng phủ sóng rộng lớn khu vực Châu Á, Châu Úc Hawaii 7.1.1 Vinasat-1  Nhà sản xuất:Lockheed Martin (USA)  Ngày đưa lên quỹ đạo: 18/4/2008  Phóng Ariane Space  Vị trí quỹ đạo: 131.94°E  Khối lượng: 2.6  Thời gian sống: 15 năm  Transponders: 08 Extended-C band và12 Ku band Hình 7.20 Vệ tinh Vinasat-1 70 7.1.2 Vinasat-2  Nhà sản xuất:Lockheed Martin (USA)  Ngày đưa lên quỹ đạo: 15/5/2012  Được phóng bởiAriane space  Vị trí quỹ đạo: 131.84oE  Khối lượng:  Thời gian sống: Trên15 năm  Transponders: 24 Ku band transponders Hình 7.21 Vinasat-2 7.2 TRẠM ĐIỀU KHIỂN Hệ thống trạm điều khiển thiết kế có hệ số tin cậy độ sẵn sàng 99,9% đảm bảo cho mục tiêu điều khiển vệ tinh VINASAT-1 hoạt động ổn định vị trí quỹ đạo 1320 đông thông số hoạt động vệ tinh tiêu Trạm điều khiển đặt phía Bắc Hà Nội trạm dự phịng đặt phía Nam tỉnh Bình Dương Hai trạm thiết kế cho phép dễ dàng mở rộng để điều khiển thêm vệ tinh khác Việt Nam sau 7.2.1 Trạm điều khiển Quế Dương Trạm điều khiển Quế Dương trạm điều khiển chính, gồm phần: hệ thống thời gian thực, mã hóa lệnh điều khiển, hệ thống chuyển động bay, hệ thống giám sát điều khiển, hệ thống thông tin, hệ thống đào tạo mô vệ tinh chuyển động, hệ thống mô đo xa vệ tinh, hệ thống thiết bị RF hệ thống anten 71 Hình 7.22 Trạm điều khiển Quế Dương Tọa độ trạm điều khiển:  - Kinh độ: 105041’ E - Vĩ độ: 21005’ N 7.2.2 Trạm điều khiển Bình Dương Trạm điều khiển Bình Dương trạm điều khiển dự phòng nên số phần có trạm điền khiển mà khơng có trạm dự phịng đảm bảo độ tin cậy tính sẵn sàng tồn hệ thống thông tin vệ tinh, cụ thể gồm phần: hệ thống thời gian thực, hệ thống chuyển động bay, hệ thống giám sát điều khiển, hệ thống thông tin, hệ thống mô đo xa vệ tinh, hệ thống thiết bị RF hệ thống anten Tọa độ trạm dự phòng: - Kinh độ: 106037’ E - Vĩ độ: 11005’ N 7.3 TRUNG TÂM NOC Trung tâm NOC phần thiếu hệ thống thông tin vệ tinh Quy mô trạm NOC thiết kế tối ưu cho dung lượng vệ tinh khai thác loại hình dịch vụ cung cấp cho khách hàng khả mỏ rộng có thêm vệ tinh Nhiệm vụ NOC  Theo dõi quản lý cơng suất vùng phủ sóng vệ tinh 72  Tính tốn theo dõi chất lượng sóng mang khách hàng  Kiểm tra giám sát dịch vụ cung cấp cho khách hàng  Triển khai việc đo thử dịch vụ, hỗ trợ khách hàng  Phát loại nhiễu ảnh hưởng đến dịch vụ  Cung cấp dịch vụ phát/thu hình, dịch vụ truyền hình quảng bá đến hộ gia đình (DTH)  Cung cấp dịch vụ VSAT (DAMA, TDM/TDMA, PAMA)  Cung cấp mạng dùng riêng cho khách hàng  Và nhiều dịch vụ khác 7.3.1 Tổ chức 73 7.3.2 Theo dõi giám sát vệ tinh 24/7 7.3.3 Thực kiểm tra 74 7.3.4 Các công việc điều khiển  Duy trì vị trí quỹ đạo: lần /1 tuần  Hiệu chỉnh hệ thống Pin –Nhiệt mùa che phủ : mùa năm  Điều chỉnh cập nhật thông số cho OBC: Ephemeris, Clock  Kiểm tra tính sẵn sàng thiết bị dự phịng  Cấu hình thiết bị : Payload, EPS, GNC  Các công việc đặc thù khác 7.3.5 Một số xu hướng công nghệ cho công tác điều khiển  Antenna Design & Manufacture  Earth Station System Architecture  Earth Station in an Antenna  Pseudo multi-Station Ranging System  RF over IP System Architecture  Virtualization  Automations Applications in a Modern Web-Based Control Center 75 PHỤ LỤC Biểu đồ tính tốn hệ số suy hao mưa (theo CCIR) 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TSKH.Phan Anh, Lý thuyết Kỹ thuật Anten , 2007 [2] GS Vũ Văn Yêm, Giáo trình Hệ thống Viễn thông,trang 80-123 [3] Bài giảng thầy Lâm Hồng Thạch 77 78 ... tinh Có hai dạng quỹ đạo vệ tinh vệ tinh quỹ đạo tròn vệ tinh quỹ đạo elip ứng với hai loại vệ tinh vệ tinh địa tĩnh vệ tinh phi địa tĩnh Hình 2.2 Hai dạng quỹ đạo vệ tinh 2.2.1 Quỹ đạo vệ tinh. .. thông tin vệ tinh .3 ii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Khái niệm, lịch sử phát triển thông tin vệ tinh Là vệ tinh nhân tạo đặt không gian dùng cho viễn thơng Vệ tinh thơng tin đại... 1.1 Các băng tần sử dụng thông tin vệ tinh 1.5 Ứng dụng thông tin vệ tinh 1.5.1 Trên giới Năm 1963, vệ tinh SYNCOM- vệ tinh địa tĩnh phóng thành cơng Năm 1965, vệ tinh thương mại INTELSAT-1 đưa