Để thực hiện quá trình tìm kiếm vệ tinh, ta dựa vào các tham số của vệ tinh và tham số của trạm mặt đất thu. Vị trí của trạm mặt đất được xác định bởi kinh độ (KE) và vĩ độ (VE), còn vị trí của vệ tinh được xác định bởi kinh độ (KS) và độ cao h của vệ tinh so với mặt đất. Từ các tham số này có thể tính toán được góc ngẩng (EL) và góc phương vị (Az) của trạm mặt đất.
2.1.1 Xác định góc phƣơng vị
Góc phương vị của Anten (Az) trạm mặt đất là góc được tạo bởi phương bắc của trái đất và hướng vệ tinh tính theo chiều quay kim đồng hồ.
Xét một vệ tinh địa tĩnh S nằm trên quỹ đạo ở độ cao h = 35.786 km và kinh độ KE. ES là vị trí của trạm mặt đất được xác định thông qua kinh độ KE và vĩ
mặt đất đến vệ tinh, bán kính của trái đất R = 6.371 km. Trong đó vĩ độ ở phía bắc sẽ mang giá trị dương, vĩ độ ở phía nam mang giá trị âm. Kinh độ đông sẽ mang giá trị dương, kinh độ tây mang giá trị âm. Hình 2.1 thể hiện mối quan hệ vị trí của vệ tinh và trạm mặt đất, dựa vào hệ thức lượng trong tam giác ta có thể tính toán góc phương vị của anten.
Hình 2.1 Quan hệ vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh
Hình 2.2 biểu diễn mối quan hệ các tham số ở dạng hình cầu và dạng mặt phẳng tam giác. Trên hình cầu có 6 góc đó là: góc a là góc giữa bán kính theo trục bắc và bán kính tại điểm SS, ta thấy rằng a = 900. Góc b là góc tạo bởi bán kính tại trạm mặt đất ES và bán kính tại SS. Góc c là góc giữa bán kính tại ES và bán kính theo trục bắc. Góc A là góc tạo bởi mặt phẳng chứa góc b và mặt phẳng chứa góc c, góc B là góc tạo bởi mặt phẳng chứa góc a và mặt phẳng chứa góc c, góc C là góc tạo bởi mặt phẳng chứa góc b và mặt phẳng chứa góc a.
Hình 2.2 Quan hệ các tham số ở dạng hình cầu và mặt phẳng
a = 900 (2.1)
c = 90 -VE (2.2)
B=KE - KSS (2.3)
Từ công thức (2.3) ta thấy rằng nếu trạm mặt đất ở phía tây so với điểm SS thì B < 0, và trạm ES ở phía đông của điểm SS thì B > 0. Khi trạm mặt đất ở phía bắc thì c < 900, và khi ES ở phía nam thì c > 900.
Áp dụng hệ thức lượng trong tam giác trên Hình 2.2.b ta có
b = arccos(cosB cosVE) (2.4)
| |
(2.5)
Tùy theo vị trí của trạm mặt đất so với vệ tinh mà ta có góc phương vị khác nhau. Từ Hình 2.3.a ta thấy A là góc nhọn < 900, góc Az =A. Hình 2.3.b góc A cũng là góc nhọn < 900, góc Az = 3600 – A. Hình 2.3.c góc Ac là góc tù và được xác định bởi Ac = 1800 – A, trong trường hợp này góc Az = Ac = 1800 – A. Hình 2.3.d góc Ad là góc tù được xác định bởi Ad = 1800 – A, trong trường hợp này góc
Az = 3600 - Ad = 1800 + A.
Bảng 2.1 Góc phương vị của anten theo vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh
Hình VE B=KE-KSS Az, độ
a <0 <0 A
b <0 >0 3600 - A
c >0 <0 1800 - A
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa góc phương vị và góc A
2.1.2 Xác định góc ngẩng của anten
Góc ngẩng (EL) là góc được tạo bởi búp sóng chính của Anten tới vệ tinh và đường chân trời (mặt phẳng tiếp tuyến của mặt đất tại điểm đặt anten).
Xét tam giác OESS trên Hình 2.2.a, ta có: 0 (2.6) (2.7) Thay R và h và công thức (2.7) ta có. [ √ ] (2.8) Áp dụng công thức định lý hàm số Cosin trong tam giác SESO để tính
khoảng cách giữa anten vệ tinh và anten mặt đất: 2 2 2 2 2 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) 2 ( ) ( ) 35786 1 0, 419999(1 ) ( ) d R R h R R h Cos b d R R h R R h Cos b Cosb Km (2.9)
Khi nhìn từ một điểm bất kỳ trên mặt đất thì sẽ bị giới hạn góc nhìn, do vậy ta sẽ tính góc giới hạn đông và tây của cung quỹ đạo địa tĩnh. Góc ngẩng nhỏ nhất của anten trạm mặt đất là 00, khi đó vệ tinh nằm trên tiếp tuyến của mặt đất. Nếu góc ngẩng lớn hơn 00 thì đường thẳng trên ngắn hơn thể hiện trên Hình 2.4.
Hình 2.4 Minh hoạ giới hạn nhìn thấy
b = bMAX khi EL = 00 vậy từ công thức tính góc ngẩng anten trạm mặt đất ta có b = arccos[R/(R+h)] = arccos(6378/42164)=81,30
Vậy trạm mặt đất có thể nhìn thấy vệ tinh với cung quỹ đạo địa tĩnh 81,30 theo kinh tuyến trạm mặt đất.
Trong thực tế để tránh ảnh hưởng của tạp âm từ mặt đất thì góc ngẩng nhỏ nhất thường 50. EL 50 thì tạp âm mặt đất tác động vào làm tạp âm của Anten lớn hơn mức cho phép.
Các tham số góc ngẩng và góc phương vị là cơ sở để thực hiện điều chỉnh anten thu tìm kiếm vệ tinh tương ứng. Quá trình điều chỉnh anten thu tìm kiếm vệ tinh có thể thực hiện theo phương pháp thủ công, phương pháp bán tự động, và phương pháp tự động. Phân loại hệ thống điều khiển và phương pháp tìm kiếm vệ tinh thể hiện trên Hình 2.5.
S ES
b O
R+h b
Hình 2.5 Phân loại hệ thống điều khiển và phương pháp tìm kiếm vệ tinh
Hệ thống tìm kiếm vệ tinh sử dụng cả hai phương pháp đó là phương pháp bán tự động và phương pháp tự động. Phương pháp bán tự động sử dụng phím bấm kết hợp mạch điện tử để điều khiển anten. Góc ngẩng của anten thu được điều khiển bởi phím bấm lên/xuống, và điều khiển góc phương vị của anten thông qua phím dịch trái/phải. Phương pháp tìm kiếm tự động sử dụng các thông số về góc ngẩng và góc phương vị có thể được đưa vào từ bàn phím hoặc hệ thống tự động tính toán để có góc tương ứng với vị trí trạm thu. Sau đó mạch điện tử sẽ thực hiện điều chỉnh hệ thống cơ khí quay anten đến góc ngẩng tương ứng.