Bộ phát symbol phát ra các symbol với M trạng thái, M = 2m, m là số bit ngõ vào. Bộ mã hoá thành lập sự tương xứng giữa M trạng thái của các symbol và M trạng thái của sóng mang. Có hai loại mã hố được dùng trong thực tế:
41
+ Mã hoá trực tiếp (Direct Encoding) – một trạng thái xác định của symbol là một trạng thái của sóng mang.
+ Mã hoá theo sự chuyển trạng thái (Encoding of Transitions – Differential Encoding): Một trạng thái xác định của symbol là một sự chuyển tiếp giữa hai trạng thái liên tiếp của sóng mang.
Với tốc độ Rc [b/s] tại ngõ vào bộ điều chế, tốc độ Rs tại ngõ ra bộ giải điều chế (số trạng thái thay đổi sóng mang trên giây) được cho bởi:
Rs = Rc/m = Rc/log2M [baud] (2.14)
Điều chế pha PSK (Phase Shift Keying) đặc biệt thích hợp với đường truyền vệ tinh vì có đường bao khơng thay đổi và cung cấp hiệu suất sử dụng phổ tần tốt.
2.2.5.5. Kỹ thuật điều chế
Điều chế tín hiệu là biến đổi tin tức cần truyền sang một dạng năng lượng mới có quy luật biến đổi theo tin tức và thích hợp với mơi trường truyền dẫn. Q trình điều chế là q trình dùng tín hiệu tin tức để thay đổi một hay nhiều thông số của phương tiện mang tin. Phương tiện mang tin trong thơng tin vệ tinh thường là sóng điện từ cao tần (RF). Việc điều chế phải đảm bảo sao cho tín hiệu ít bị can nhiễu nhất khi sóng mang đi qua mơi trường trung gian.
- Mã hố chuyển tiếp (mã hoá vi sai) - một trạng thái của ký tự xác định một chuyển tiếp giữa hai trạng thái kế tiếp nhau của sóng mang.
Điều chế pha (khóa dịch pha PSK – Phase Shift Keying) đặc biệt thích hợp đối với các tuyến vệ tinh. Trong thực tế nó sử dụng lợi thế của một đường bao khơng đổi nên nó cung cấp hiệu quả phổ tốt hơn. Khi sóng mang đi qua mơi trường trung gian.
Người ta phân biệt hai loại điếu chế đó là điếu chế tương tự cho các tín hiệu tương tự và điều chế số cho các tín hiệu số. Đối với tín hiệu tương tự thì kiểu điều chế thường dùng trong thông tin vệ tinh là điều chế FM (dùng cho thoại, số liệu và truyền hình). Các phương pháp điều biên AM và điều pha QAM (điều chế cầu phương) rất ít dùng bởi khoảng cách truyền dẫn rất lớn của tuyến vệ tinh cùng với các tạp âm đường truyền sẽ làm cho biên độ sóng mang bị thay đổi rất mạnh gây nhiều khó khăn cho q trình giải điều chế. Còn các kỹ thuật điều chế số dựa trên
42
cơ sở dùng các biên pháp tải các dịng bít lên sóng mang. Tín hiệu ở băng gốc bao giờ cũng là tín hiệu tương tự nên chúng phải được chuyển thành tín hiệu số nhờ phương thức PCM (Pusle Code Modulation) trước khi đem điều chế. Kỹ thuật điều chế số được sử dụng trong thông tin vệ tinh thường là điều chế dịch mức pha PSK (Phase Shif Keying) và điều chế dịch mức pha vi sai DE-PSK (Different Encode PKS). Ưu điểm của kỹ thuật điều chế số là nó khai thác được các mặt mạnh của tín hiệu số so với tín hiệu tương tự, ít bị can nhiễu của mơi trường và dễ kết hợp với các q trình xử lý như: mã hóa, bảo mật, chống lỗi, sửa lỗi,… Nói chung, nguyên tắc của việc điều chế tín hiệu số và tín hiệu tương tự là giống nhau.
2.3. Đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống thông tin vê tinh địa tĩnh đối với liên lạc hàng hải
2.3.1. Ưu nhược điểm của một số hệ thống vệ tinh địa tĩnh
Vì vệ tinh được coi như là đứng yên so với mặt đất do vậy đây là quỹ đạo lý tưởng cho các vệ tinh thông tin, đảm bảo ổn định và liên tục trong suốt 24 giờ trong ngày, cùng với vùng phủ sóng lớn chiếm 42,2% bề mặt trái đất. Nếu dùng 3 vệ tinh địa tĩnh được đặt cách đều nhau trên xích đạo thì có thể thiết lập được thông tin hầu hết các vùng trên trái đất, bằng cách chuyển qua 1 hoặc 2 vệ tinh.
Hệ thống vệ tinh địa tĩnh có 3 ưu điểm nổi bật của nó so với các hệ thống thơng tin khác là: Tính quảng bá rộng lớn cho mọi loại địa hình, có dải thơng rộng và nhanh chóng dễ dàng cấu hình lại khi cần thiết.
Đối với hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất nếu hai trạm muốn thơng tin cho nhau thì các anten của chúng phải nhìn thấy nhau, đó gọi là thơng tin vơ tuyến trong tầm nhìn thẳng. Tuy nhiên do Trái Đất có dạng hình cầu nên khoảng cách giữa hai trạm sẽ bị hạn chế để đảm bảo điều kiện cho các anten cịn trơng thấy nhau. Đối với khả năng quảng bá cũng vậy, các khu vực trên mặt đất khơng nhìn thấy anten của đài phát sẽ khơng thu được tín hiệu nữa. Trong trường hợp bắt buộc phải truyền tin đi xa, người ta có thể dùng phương pháp nâng cao cột anten, truyền sóng phản xạ tầng điện ly hoặc xây dựng các trạm chuyển tiếp. Trên thực tế thì cả ba phương pháp trên đều có nhiều nhược điểm. Việc nâng độ cao của cột anten gặp rất nhiều
43
khó khăn về kinh tế và kỹ thuật mà hiệu quả thì khơng được bao nhiêu. Nếu truyền sóng phản xạ tầng điện ly thì cần có cơng suất phát rất lớn và bị ảnh hưởng rất mạnh của môi trường truyền dẫn nên chất lượng tuyến không cao. Việc xây dựng các trạm chuyển tiếp giữa hai trạm đầu cuối sẽ cải thiện được chất lượng tuyến, nâng cao độ tin cậy nhưng chi phí lắp đặt các trạm trung chuyển lại quá cao và khơng thích hợp khi có nhu cầu mở thêm tuyến mới.
Tóm lại, để có thể truyền tin đi xa người ta mong muốn xây dựng được các anten rất cao nhưng lại phải ổn định và vững chắc. Sự ra đời của vệ tinh chính là để thoả mãn nhu cầu đó, với vệ tinh người ta có thể truyền sóng đi rất xa và dễ dàng thông tin trên tồn cầu hơn bất cứ một hệ thống thơng tin nào khác. Thông qua vệ tinh INTELSAT, lần đầu tiên hai trạm đối diện trên hai bờ Đại Tây Dương đã liên lạc được với nhau. Do khả năng phủ sóng rộng lớn nên vệ tinh rất thích hợp cho các phương thức truyền tin đa điểm đến đa điểm, điểm đến đa điểm (cho dịch vụ quảng bá) hay đa điểm đến một điểm trung tâm HUB (cho dịch vụ thu thập số liệu).
Bên cạnh khả năng phủ sóng rộng lớn, băng tần rộng của hệ thống vệ tinh rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá hiện tại như truyền hình số phân giải cao HDTV (High Definition Television), phát thanh số hay dịch vụ ISDN thông qua một mạng mặt đất hoặc trực tiếp đến thuê bao DTH thông qua trạm VSAT. Cuối cùng do sử dụng phương tiện truyền dẫn qua giao diện vô tuyến cho nên hệ thống thơng tin vệ tinh là rất thích hợp cho khả năng cấu hình lại nếu cần thiết. Các cơng việc triển khai mạng mới, loại bỏ các trạm cũ hoặc thay đổi tuyến đều có thể thực hiện dễ dàng, nhanh chóng với chi phí thực hiện tối thiểu. Tuy nhiên vệ tinh địa tĩnh cũng có những nhược điểm quan trọng đó là:
- Khơng hồn tồn cố định.
- Khoảng cách truyền dẫn xa nên suy hao lớn, ảnh hưởng của tạp âm lớn. - Giá thành lắp đặt hệ thống rất cao, nên chi phí phóng vệ tinh tốn kém mà vẫn còn tồn tại xác suất rủi ro.
44
- Do đường đi của tín hiệu vơ tuyến truyền qua vệ tinh khá dài (hơn 70.000 km đối với vệ tinh địa tĩnh) nên từ điểm phát đến điểm nhận sẽ có thời gian trễ đáng kể. Người ta mong muốn vệ tinh có vai trị như là một cột anten cố định nhưng trong thực tế vệ tinh ln có sự chuyển động tương đối đối với mặt đất, dù là vệ tinh địa tĩnh nhưng vẫn có một sự dao động nhỏ. Điều này buộc trong hệ thống phải có các trạm điều khiển nhằm giữ vệ tinh ở một vị trí nhất định cho thơng tin. Thêm nữa do các vệ tinh bay trên quỹ đạo cách rất xa mặt đất cho nên việc truyền sóng giữa các trạm phải chịu sự suy hao lớn, bị ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết và phải đi qua nhiều loại môi trường khác nhau. Để vẫn đảm bảo được chất lượng của tuyến người ta phải sử dụng nhiều kỹ thuật bù và chống lỗi phức tạp.
2.3.2. Khả năng ứng dụng thông tin vệ tinh địa tĩnh đối với liên lạc hàng hải
Ngành hàng hải có đặc điểm hoạt động trong một vùng biển rộng lớn, cự ly từ tàu thuyền đến các trung tâm giám sát lưu lượng tàu thuyền VTS (Vessel Traffic Services) hay các trạm bờ Thông tin Duyên hải thay đổi theo từng hải trình. Mặt khác, các thiết bị trang bị trên tàu thuyền phải đảm bảo giao thông hàng hải an tồn, thơng suốt và bảo vệ môi trường biển, đặc biệt là các an ten của thiết bị vơ tuyến địi hỏi phải có kết cấu hợp lý vừa đảm bảo được các yêu cầu về kỹ thuật đối với thiết bị đó nhưng cũng khơng ảnh hưởng đến động cơ đẩy của tàu thuyền. Qua phân tích các yếu tố kỹ thuật của hệ thống vệ tinh thơng tin địa tĩnh, chúng ta có nhận xét:
- Do vị trí của tàu biển thay đổi trên mặt nước, nên vùng nhìn thấy vệ tinh
cũng sẽ thay đổi theo, nghĩa là khả năng thu được tín hiệu từ vệ tinh đĩa tĩnh cũng bị thay đổi.
- Xác suất quan sát vệ tinh phụ thuộc vào các giá trị như góc ngẩng an ten, toạ
độ của điểm quan sát. Đối với tàu thuyền trong quá trình hoạt động các thơng số này luôn bị thay đổi, do vậy xác suất quan sát vệ tinh cũng sẽ thay đổi theo, nghĩa là khả năng thu được tín hiệu vệ tinh bị ảnh hưởng.
- Do sự chuyển động của tàu thuyền, kết hợp tốc độ của vệ tinh rất lớn nên sự
xuất hiện tần số Doppler rất phức tạp, các phương pháp bù hiệu ứng này địi hỏi phải có độ chính xác cao.
45
- Hệ thống anten thiết bị trên tàu thuyền phải luôn chuyển động theo để bám vệ tinh duy trì liên lạc. Điều này địi hỏi phải có kỹ thuật hiện đại mới đáp ứng được.
Với những ưu điểm của hệ thống vệ tinh địa tĩnh, các ứng dụng dịch vụ viễn thông qua hệ thống vệ tinh này ngày càng phát triển. Do khoảng cách đường truyền ngắn, quỹ đạo vệ tinh đa dạng nên cho phép các thiết bị làm việc với hệ thống vệ tinh này có kích thước gọn nhẹ, tiêu thụ ít cơng suất, dịch vụ có thể được cung cấp ở các vùng cực của trái đất. Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với ngành hàng hải, khi các thiết bị lắp trên tàu thuyền bị giới hạn bởi kích thước, trọng lượng, cơng suất tiêu thụ. Hiện nay các tàu thuyền đang áp dụng dịch vụ của hệ thống vệ tinh địa tĩnh của tổ chức Inmarsat cung cấp.
2.4. Kết luận Chương 2
Trong chương 2 đã phân tích các đặc điểm, tính chất của hệ thống vệ tinh địa tĩnh. Vệ tinh thơng tin địa tĩnh có nhiều ưu điểm mà các mạng truyền dẫn thông thường không thể áp ứng được, nên được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới.
Truyền dẫn thông tin vệ tinh là truyền dẫn thơng tin qua mơi trường truyền là khơng khí với cự ly rất dài, nên có nhiều loại suy hao trên đường truyền. Do đó, để truyền tín hiệu qua vệ tinh được tốt phải tính tốn từng loại suy hao. Để chọn thiết bị truyền dẫn và kỹ thuật truyền để tín hiệu nhận được ở phía thu là tốt nhất trong điều kiện xấu nhất có thể.
Thơng tin vô tuyến qua vệ tinh là thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thơng nhằm mục đích khắc phục các nhược điểm của mạng vô tuyến mặt đất, đạt được mức gia tăng chưa từng có về cự ly và dung lượng. Với lĩnh vững này ngày nay rất coi trọng và đầu tư nguyên cứu, đem lại cho khách hàng nhiều dịch vụ mới với chi phí thấp nhất có thể có.
Đối với nghành hàng hải hiện nay, kế thừa các cơ sở kỹ thuật đã có của hệ thống vệ tinh INMARSAT, các thiết bị liên lạc vệ tinh INMARSAT trên tàu thuyền đang được sử dụng có hiệu quả và ngày càng được phát triển.
46
CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TÀU BIỂN
3.1. Tổng quan các hệ thống định vị bằng vệ tinh
Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu là tên gọi chung cho các hệ thống định vị trên thế giới; nó được biết đến với tên tiếng Anh là Global Navigation Satellite System thường được viết tắt là GNSS. Hệ thống định vị toàn cầu được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: quân sự, đo đạc (trắc địa, thủy đạc) , giao thông (đường bộ, đường thủy, hàng không), cá nhân (điện thoại di động, máy tính bảng, laptop,…) và những lĩnh vực khác.
Các hệ thống định vị bằng vệ tinh hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hoạt động kinh tế của mọi người trên toàn thế giới. Hệ thống định vị bằng vệ tinh đặc biệt hiệu quả trong việc quản lý của ngành giao thông đối với mọi phương tiện hoạt động trên bề mặt đất, mặt biển, trong không gian và những nơi khác.
Hiện nay các hệ thống định vị trên thế giới gồm có : GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), GALILEO (Châu Âu), BEIDOU (Trung Quốc), IRNSS (Ấn Độ), QZSS (Nhật Bản).
3.1.1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS
Hệ thống Định vị Toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thiết kế, xây dựng, vận hành và quản lý. Trong cùng một thời điểm, tọa độ của một điểm trên mặt đất sẽ được xác định nếu xác định được khoảng cách từ điểm đó đến ít nhất ba vệ tinh. Là một hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh (gồm 24 vệ tinh bay theo 6 quỹ đạo hình elip) bay trên quỹ đạo phía quanh trái đất. Từ lúc GPS ra đời cho đến nay đã có nhiều vệ tinh được phóng lên nhưng khơng phải vệ tinh nào cũng thành cơng và cịn hoạt động. Để đảm bảo sự hoạt động của các thiết bị định vị trên toàn cầu, Mỹ cam kết duy trì sự sẵn có của ít nhất 24 vệ tinh GPS hoạt động khoảng 95% thời gian. Sự ra đời của GPS ban đầu nhằm mục đích phục vụ cho quân sự, sau này được mở rộng để sử dụng cho thiết bị dân sự. Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy
47
bay, một con tàu hay phương tiện trên bộ nào lại khơng lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Điều này khiến GPS ngày càng trở nên phổ biến.
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thơng tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thơng tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
Tại một thời điểm máy thu ở thuê bao phải nhận được tín hiệu của ít nhất từ ba vệ tinh để xác định được cự ly từ thuê bao tới các vệ tinh đó, từ đó xác định được tọa độ của thuê bao (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thơng tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.
3.1.2. Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS (Nga)
Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS là hệ thống định vị vệ tinh do Lực