Khi an ten thu và phát lệch nhau thì sẽ tạo ra suy hao, vì búp chính của an ten thu không đúng hướng với chùm tia phát xạ của anten phát. Ta biểu diễn hai loại suy hao đó như sau:
LT[dB] = 12.( αT/θ3dB)2 LR[dB] = 12.( αR/θ3dB)2 Trong đó: αT là độ lệch hướng an ten phát. αR là độ lệch hướng an ten thu.
θ3dB là độ rộng búp sóng an ten tính ở mức 3 dB.
- Suy hao do thu không đúng phân cực:
Loại suy hao này cũng không thể bỏ qua khi an ten thu không đúng hướng phát cùng với phân cực của sóng mang thu. Đối với sóng điện từ phát đi được phân cực trịn thì chỉ trên trục bức xạ của an ten phát mới có phân cực trịn, ngồi trục bức xạ phân cực bị biến dạng thành ellip, ngồi ra khi truyền trong mơi trường phân cực bị biến đổi do môi trường, do mưa.
116 diễn như sau:
LPOL=20Lg(cos γ) [dB] Thực tế thường lấy LPOL = 3 dB đối với phân cực trịn.
5.2.2. Tính cơng suất phát của một trạm mặt đất tại Việt Nam
Xét một trạm mặt đất đặt tại TP Hồ Chí Minh (toạ độ 10°47’ N, 106°40’ E) thông tin với vệ tinh INMARSAT - 3F1 (IOR) tọa độ 64,5° E. Từ (5.10), (5.11) ta có các thơng số sau:
Suy hao đường truyền tuyến lên: YUP = 204,16 dB.
Suy hao đường truyền tuyến xuống đài mặt đất: YDOWN = 189,13 dB. Hiệu suất của an ten trạm mặt đất η = 0,6 ( do hãng sx thiết bị cung cấp). Đường truyền vệ tinh hệ thống Inmarsat có luồng thơng tin số tốc độ là 1200 bit/s. Suy hao ống dẫn sóng LFTX = LFRX = l (dB).
TA = 290°K. T° = 290°K.
TR = (F-1)T° = (100.3 - l).290 = 290°K. LPOL = 3 dB.
θ3dB = 2° (Với anten trạm mặt đất có đường kính 13m, thơng số của anten do
hãng sản xuất thiết bị cung cấp).
- LR = 12( αT / θ3dB)2 = 3 dB ( chọn trạm nằm ở mép vùng bao phủ).
- Tổng suy hao đường truyền tuyến lên là:
YƩUP = YUP + LPOL + LR = 204,16 +3 + 3 =210,16 (dB) (5.15)
- Tổng suy hao đường truyền tuyến xuống là:
YƩDOWN= YDOWN + LPOL + LR = 189,13 + 3 + 3=195,13 (dB) (5.16)
-Tính tỷ số C/TUP tuyến lên:
Giả sử một trạm phát lên một mức công suất EIRP đủ để trạm 2 thu được với chỉ tiêu BER = 10-3. Vì đây là giá trị ngưỡng của BER để có thể mất liên lạc do BER lớn. Ta gọi EIRP của trạm 1 là X (dBW). Cần xác định:
117
Cơng suất tín hiệu thu được tại anten thu vệ tinh là:
PRXS = PTx1 - YƩUP = X - 210,16 (dBW) (5.17) Tỷ số cơng suất sóng mang trên nhiệt độ tạp âm tại đầu vào bộ khuếch đại băng rộng bộ phát đáp trên vệ tinh tuyến lên là:
(C/T)UP = PRXS + (G/T)s (dBW) (5.18) Ta có cơng thức tính G/T của vệ tinh như sau:
( )s = (
)/[TA/LFRx + T°.(l - l/LFRx) + TR] (5.19) Ta đi tính GRx của vệ tinh với an ten vệ tinh có D = 4m, hiệu suất an ten vệ tinh η =0,55. Ta có cơng thức:
GRx = η.(π.D/λu)2 = η.(π.70/ θ3dB)2 = 0,55x(3,14x70/2)2 = 38,2 (dB) Thay các số liệu cho ban đầu vào (5.19) và tính theo dB ta được: (G/T)s = 38,2 -3 -1 -3 – 10lg[290/100.1 + 290(1 - 1/100.1) + 290] Vậy (G/T)s = 3,57 dB/K.
Thay vào (5.18) ta có:
(C/T)Up = X - 210,16 + 3,57 = X - 206,59 (dBW/K) (5.20) Tỷ số cơng suất sóng mang trên nhiệt độ tạp âm tương đương của tuyến lên (C/T)Up để đánh giá chất lượng của tuyến lên trong thông tin vệ tinh.
- Tính tỷ số (C/T)Down tuyến xuống:
Gọi EIRPS của bộ phát đáp trên vệ tinh xuống trạm 2 là Y (dBW). Cơng suất tín hiệu thu được tại anten trạm 2 (trạm mặt đất) là:
PARx2 = EIRPs- YƩDOWN= Y - 195,16 (dBW) (5.21) Đối với trạm mặt đất anten có G/T = 18,5 dB/K ( Thơng số của anten trạm mặt đất do hãng sản xuất thiết bị cung cấp ).
Yêu cầu công suất thu được tại điểm đầu vào bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA của trạm 2 phải đạt một giá trị sao cho BER xấu nhất phải đạt 10-3
. Ta có:
(C/T)DOWN = PRx2 + (G/T).
118
Vì nhiều sóng mang cùng làm việc trên một bộ phát đáp, vì vậy để tránh hiện tượng nhiễu giao điều chế giữa các sóng mang nên ta khơng cho bộ khuếch đại làm việc ở gần điểm bão hoà trên đặc tuyến của nó.
Ta đã biết cơng suất tín hiệu thu tại đầu vào an ten vệ tinh được tính bằng cơng thức (5.17). Mặt khác ta biết mật độ thơng lượng cơng suất sóng mang tại trung tâm chiếu tuyến lên bằng tổng đại số công suất tại đầu vào anten vệ tinh PARxS cộng với hệ số khuếch đại của anten/m2 tính như sau:
gANT = G/m2 = 10lg(4π/λ2)
= 101g(4.π.6.109)/3.108 = 37,2 (dB).
Mật độ thơng lượng cơng suất sóng mang tại tuyến lên WUp (dBW/m2): WUp = PARxS + gANT = (X - 210,16) + 37,2 = X - 172,96 (dBW/m2) (5.23) Theo khuyến nghị của Intelsat và Inmarsat thì mật độ thơng lượng cơng suất bão hoà của bộ phát đáp trên tuyến lên tại trung tâm chiếu là - 77,6 (dBW/m2
) và ta cũng chọn:
W0 = - 77,6 (dBW/m2).
Mức “BACK OFF” tại đầu vào IBO được tính bằng: IBO = W0 -WUp = -77,6 - ( X -172,96) = 95,66 - X (dB). OBO = IBO + TWTI/0 = 95,66 - X + (-5,5) = 90,16 - X (dB)
Trong đó TWTI/O = - 5,5 dB là hệ số sai khác giữa mức “BACK OFF” đầu vào và ra của bộ khuếch đại TWT.
Giá trị công suất phát xạ đẳng hướng tương đương của vệ tinh Y bằng công suất phát xạ đẳng hướng bão hoà Pss = 34 của vệ tinh trừ đi mức “BACK OFF” đầu ra:
Y = ps = Pss - OBO = 34 - (90,16 - X) = X - 56,16 (dBW) (5.24) Thay kết quả của (5.24) vào (5.22) ta được:
(C/T) DOWN = Y - 176,66 = X - 56,16 - 176,66
(C/T) DOWN = X - 232,82 (dBW/°K) (5.25)
- Tính cơng suất phát xạ EIRP của trạm 1:
Để tính được EIRP ta phải xem xét các thơng số sau: + Tỷ số (C/T)UP
119 + Tỷ số (C/T) DOWN
+ Hệ số điều biến tương hỗ giữa các sóng mang và hệ số ảnh hưởng lẫn nhau của các loại phân cực.
Trước hết phải xác định tỷ số cơng suất sóng mang trên nhiệt độ tạp âm của toàn tuyến (C/T) TT
(C/T) TT = C/No + k (dBW/K) (5.26) Trong đó: k là hằng số Boltzman = 1,3896.10-23 W/HzK
= - 228,6 dBW/HzK.
Khi trạm mặt đất làm việc ấn định mật độ phổ công suất phải tốt hơn 8,2 dB, giá trị này phụ thuộc chủ yếu vào khả năng làm việc của vệ tinh và hệ số phẩm chất G/T của trạm mặt đất và giới hạn được coi là mất liên lạc khi BER = 10-3
tức là (C0+N0)/N0 = 8,2 dB. Ta có: (C0+N0)/N0 = C0/N0+1 (C0+N0)/N0 (dB) = l0lg[(C0/N0) + 1] C0/N0 (dB) = 10lg(C0/N0) C0/N0 = )/10.(C0/N0)/10 (C0 + N0)/N0 (dB) = 10lg( )/10+1) 8,2 = 101g( )/10+1) 0,82 = lg( )/10+1) C0/N0 = 10lg5,6 =7,5 (dB) Mặt khác: C0 = C -10lg(R/2) (dBW/Hz)
Trong đó: C là cơng suất sóng mang (dBW)
R = 1200bit/s là tốc độ luồng dữ liệu phát. Vậy Co = C - 10lg(l/2) – 10lgR C0 = C + 3 - 10lgR C = C0 – 3 + 10lgR Ta có: (C/N0)dB = C – N0 = C0 - 3 + 10lgR – N0 (C/N0)dB – 10lgR = (C/N0)dB - 3 (C/N0)dB – 10lgR = 7,5 - 3 = 4,5 dB
120 Do đó:
(C/N0)dB = 4,5 + 10lg1200 = 35,3 (dBW/Hz).
Vậy tỷ số cơng suất sóng mang trên mật độ phổ cơng suất nhiễu toàn tuyến thông tin là:
(C/N0) (dB) = 35,3 (dBW/Hz) (5.27) Thay (5.27) vào (5.26) ta tính được (C/T)TT của tồn tuyến là:
(C/T)TT = (C/N0) + k = 35,5 + k
(C/T)TT = 35,3 - 228,6 = -193,3 (dBW/°K) (5.28) Xét phương trình tổng quát:
[(C/T)TT]-1 = [(C/T)UP]-1 + [(C/T)DOWN] -1 + [(C/T)IM] -1+ [(C/T)POL] -1 Cho trước các giá trị:
(C/T)IM = - 142,8 (dBW/K) = 1,91.1014 (C/T)POL = - 149,3 (dBW/K) = 8,51.1014 Từ các kết quả (5.28), (5.20), (5.25) và đổi ra lần ta có: (C/T)TT = -193,3 (dBW/K) = 2,14.1019 (C/T)UP = X - 206,59 (dBW/K) = 4,57.1020.10 -0.1X (C/T)DOWN = X - 232,82 (dBW/K) = 19,1022.10-0.1X Thay vào ta được:
2,14.1019 = 4,57.1020.10-0.1X +19.1022.10-0.1X + 1,91.1014 + 8,51.1014 Giải phương trình trên ta sẽ được:
x = 39,49 dBW.
Như vậy để đảm bảo tỷ số (C0 + N0)/N0 = 8,2 dB thì trạm phát mặt đất phải có mức cơng suất phát EIRP là 39,49 dBW cho một kênh thông tin.
- Bằng cách tính tương tự như trên, ta sẽ tính được cơng suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP của trạm mặt đất đặt tại Hải phòng là 41,42 dBW cho
121
5.3. Xây dựng cấu hình tuyến thơng tin vệ tinh sử dụng dịch vụ Inmarsat cho liên lạc hàng hải tại Việt Nam
Hiên nay, trên các tàu thuyền đang khai thác sử dụng ở Việt nam chủ yếu dùng các thiết bị liên lạc HF/VHF. Việc liên lạc với các đài mặt đất hoặc giữa các tàu với nhau được thực hiện bằng hình thức thoại qua các đài liên lạc đối khơng. Chỉ trên các tàu hiện đại mới sử dụng các thiết bị liên lạc vệ tinh Inmarsat, tuy nhiên các dịch vụ qua hệ thống này được khai thác còn hạn chế do đang phải thuê kênh của nước ngồi với cước phí cao. Trong tương lai, chắc chắn việc ứng dụng thông tin vệ tinh trong ngành hàng hải ở nước ta khơng cịn là điều mới mẻ. Lúc đó chúng ta cần phải xây dựng được tuyến thông tin vệ tinh đáp ứng được các yêu cầu của liên lạc hàng không qua hệ thống vệ tinh. Để xây dựng được tuyến thông tin vệ tinh sử dụng dịch vụ của INMARSAT cho liên lạc hàng hải, địi hỏi phải có sự đồng bộ giữa các thiết bị trên tàu và ở mặt đất. Tác giả đề xuất một số khuyến nghị:
- Với hệ thống trạm mặt đất: dựa vào nhu cầu sử dụng các dịch vụ của ngành hàng hải, căn cứ vào hệ thống mạng các trạm cổng của hệ thống Inmarsat chúng ta sẽ xây dựng, tính tốn cấu hình của trạm mặt đất phù hợp. Trạm mặt đất này có chức năng phát tín hiệu lên vệ tinh để chuyển tiếp tín hiệu tới các đài di động trên tàu hoặc tới các trạm mặt đất khác. Đồng thời trạm này có chức năng thu các tín hiệu của các đài di động hoặc các trạm khác chuyển tiếp qua vệ tinh. Các trạm mặt đất này được kết nối với mạng viễn thông mặt đất để các thuê bao mặt đất có thể liên lạc được với tàu.
- Với thiết bị trên tàu thuyền: Đối với các tàu thuyền đã trang bị hệ thống Inmsarsat, việc liên lạc giữa tàu với mặt đất thông qua vệ tinh của Inmarsat là hai chiều, nghĩa là tàu thuyền và mặt đất liên lạc trực tiếp được với nhau. Với các tàu khơng có Inmarsat, việc trang bị thêm hệ thống Inmarsat còn phụ thuộc vào thiết kế, kích cỡ của tàu như các tàu cá, tàu khai thác có trọng tải nhỏ nên khơng khả thi. Để thiết lập được đường truyền tuyến lên từ tàu thuyền đến vệ tinh đòi hỏi thiết bị phải có hệ thống an ten có khả năng bám theo vệ tinh, máy phát có cơng suất lớn, điều này khơng thực hiện được vì sẽ ảnh hưởng đến kết cấu tàu thuyền cỡ nhỏ. Với các
122
tàu thuyền tải trọng lớn hoặc mới sản xuất, chúng ta có thể đặt hàng theo yêu cầu để phù hợp với cấu hình trạm mặt đất. Với các tàu hiện có, để ứng dụng thơng tin vệ tinh, chúng ta có thể trang bị các thiết bị chỉ thu tín hiệu vệ tinh. Với các thiết bị này, kích thước nhỏ gọn khơng ảnh hưởng đến các diện tích của tàu. Khi được trang bị các hệ thống này, một tàu có thể thu được tất cả các tín hiệu từ các trạm mặt đất trên tồn lãnh thổ Việt Nam, khơng bị phụ thuộc tuyến hải trình.
Với các kết quả khảo sát tính tốn ở mục 5.1 và 5.2, khi có u cầu thiết lập tuyến thơng tin vệ tinh qua hệ thống Inmarsat cho lĩnh vực hàng hải, chúng ta có thể xây dựng được tuyến thơng tin phù hợp, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật, phù hợp với điều kiện kinh tế của nước ta.
5.4. Kết luận Chương 5
Qua các kết quả tính tốn suy hao đường truyền trên tuyến thơng tin vệ tinh và công suất phát cho đài mặt đất ở hai vị trí địa lý là TP Hồ Chí Minh và Hải Phịng, chúng ta có nhận xét:
- Trạm mặt đất đặt ở TP Hồ Chí Minh sẽ có suy hao đường truyền nhỏ hơn so với đặt tại Hải Phịng.
- Cơng suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm ở TP Hồ Chí Minh yêu cầu cũng nhỏ hơn, do vậy tiết kiệm được chi phí lắp đặt, tức là giảm được giá thành của trạm. - Nếu xét yếu tố ảnh hưởng của nhiễu chung băng tần giữa hệ thống vệ tinh Inmarsat và hệ thống vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh, dựa vào kết quả phân tích ở chương 5, các đài mặt đất của hệ thống Inmarsat đặt tại thành phố Hồ Chí Minh sẽ ít bị ảnh hưởng hơn do mật độ xác suất vệ tinh địa tĩnh thấp hơn. Như vậy xét trên các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật, xây dụng trạm mặt đất phục vụ cho liên lạc qua hệ thống vệ tinh Inmarsat của ngành hàng hải, nên đặt tại TP Hồ Chí Minh sẽ có hiệu quả hơn.
Trong tương lai, với sự phát triển của ngành hàng hải chắc chắn các dịch vụ liên lạc Inmarsat qua hệ thống Inmarsat ở Việt nam sẽ trở nên thông dụng. Việc đặt các trạm mặt đất tại các vị trí khác dọc theo bờ biển Việt nam là có ý nghĩa trong điều kiện ngành hàng hải và thiết bị trên tàu có những yêu cầu khắt khe về các chỉ tiêu kỹ thuật để đáp ứng được các yêu cầu của liên lạc đường thủy. Kết quả tính
123
tốn thiết kế trên đây khơng chỉ tính cho hai vị trí nêu trên, nó cịn có thể được vận dụng tính tốn cho các vị trí khác khi có nhu cầu thiết lập trạm thơng tin vệ tinh dọc theo bờ biển nước ta.
124
KẾT LUẬN
Việt nam trong những năm đổi mới đã đạt được những thành tựu đáng kể trên mọi mặt của đời sống xã hội. Ngành hàng hải cũng đang trong giai đoạn phát triền, các thế hệ tàu thuyền mới đang dần được thay thế cho các thế hệ tàu cũ. Việc áp dụng thành tựu thông tin vệ tinh đối với lĩnh vực hàng hải đã làm tăng độ chính xác xác định toạ độ, dẫn đường cho tàu thuyền và nâng cao các dịch vụ liên lạc, cảnh báo, cứu nạn trên biển. Đối với thủy thủ đồn, việc nắm bắt và khai thác có hiệu quả các thiết bị được trang bị trên tàu là điều hết sức cần thiết.
Đặc điểm của Việt Nam là nước có đường bờ biển dài, có nhiều đảo và có diện tích mặt biển hơn 1 triệu km2. Kinh tế và sự phát triển của Việt Nam trong tương lai phục thuộc nhiều vào kinh tế biển. Hơn nữa tình hình tiến triển của lịch sử địi hỏi chúng ta phải bảo vệ biển đảo để bảo vệ sự sinh tồn lâu dài. Nhiệm vụ lịch sử đặt ra cho dân tộc ta là phải phát triển kinh tế biển và bảo vệ vững chắc vùng biển, đảo của Tổ quốc. Vì vậy, việc định vị, liên lạc và điều hành các tàu thuyền trên biển là nhiệm vụ cấp thiết, rất quan trọng cho trước mắt và lâu dài.
Đề tài nghiên cứu và ứng dụng thông tin vệ tinh trong việc điều hành hoạt động tàu truyền trên biển là hướng nghiên cứu thiết thực đáp ứng với nhu cầu thực tế cuộc sống đặt ra.
Được sự giúp đỡ chỉ bảo chu đáo tận tình của thầy giáo hướng dẫn, sự giúp đỡ của các thầy giáo trong bộ môn Công nghệ Điện tử - Thông tin, sự giúp đỡ động viên của các đồng nghiệp, sự nỗ lực của bản thân nên luận văn đã hoàn thành đúng thời gian quy định. Luận văn đã đạt được các nội dung sau:
- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh, giới thiệu cấu trúc hệ thống thơng tin vệ tinh, các đặc tính kỹ thuật cơ bản, suy hao đường truyền và đa truy nhập trong TTVT.
- Nghiên cứu cấu trúc, hệ thống anten, thiết bị truyền dẫn của hệ thống vệ tinh thông tin địa tĩnh để đánh giá khả năng ứng dụng đối với liên lạc hàng hải.
125
toán cự ly để từ đó xác định vị trí tàu biển bằng vệ tinh.
- Giới thiệu về liên lạc hàng hải hiện nay, các yêu cầu đối với hệ thống liên lạc trên tàu thuyền, cấu trúc cơ bản của một thiết bị liên lạc và những ưu nhược điểm của các thiết bị VHF/HF. Nghiên cứu về hệ thống thông tin vệ tinh Inmarsat, ứng dụng trong liên lạc hàng hải. Khảo sát hệ thống liên lạc vệ tinh trên tàu thuyền hiện nay.
- Khảo sát suy hao đường truyền, tính tốn cơng suất bức xạ đẳng hướng