CHƯƠNG 2: HỆ THÔNG VỆ TINH VÀ CÁC PHÂN H Ệ
2.3.1 Tải thông tin (Payload)
Cấu trúc của phần tủi thông tin có thể được biểu diễn bằnơ sơ đổ tổng quan sau đàv (Hình 2.3)
Hình 2.3 S ơ đồ tổng quan của phần tải thông tin
Ta có thể thấy nó bao gồm: Bộ khuyếch đại tạp âm thấp (LN A ), bộ đổi tần (FC), bộ khuvếch đại tiền công suất (PPA), bộ chia H YBR ID , các bộ phát đỏp và bộ ôhộp cụn2 suất (M U X ) và phần anten vệ tinh.
2.3.1. ỉ Bộ khuyếch dại tạp âm thấp (LNA)
Bộ khuvếch đại tạp âm thấp được đặt ngay sau anten thu A Rx có nhiệm vụ khuyếch đại biên độ điện áp tín hiệu thu với mức tạp âm ký sinh rất nhỏ.
Trong phần tính toán tuvến sau đày ta sẽ thấy ý nghĩa to lớn của bộ khuyếch dại lạp àm thấp dối với mức độ tạp àm của toàn bộ hệ thống. L N A của vệ tinh
Trường Đ H Qtíổc ỊỊÙI H à n ộ i - K h o a C ò n g Nghệ
A"Itvéii T h i Thu Huyên 17
ihưỏTm C(3 làm lạnh bániỊ NiiroiỊcn lõnụ hoặc hiệu ứnỉỉ nhiệt điện Pci tier. Bõ LNA của vệ tinh cũna khònn khác iỉì với so với bộ LN A cua các trạm mật dất.
Tuy nhiên, trước khi nahièn cứu các chi tiết cụ the của phán tái thònạ tin ta hãy xem xét một số vấn đẻ liên quan đốn đưừns truyền cụ thể là vấn đẻ tạp âm đườns truvền ánh hườn <2 đến tuyến thôn2 tin như thế nào. Tạp ầm nhiệt đường truyền đươc xác định bởi các yếu tố như EIRP và G/T của tram mặt đất, các đặc tính hiệu chuán của bộ phát đáp vệ tinh ...Tron2 đó:
- Còng suất phát xạ đán2 hướng tươns đương (EIRP) là: tích số giữa hệ số tăna ích của anten và công suất máy phát cung cấp cho anten, đày là một thụng số cơ bỏn biểu thị khả năng của một trạm phỏt.*ằ . w ằ • ẴT - G/T: Tỷ số hệ số tang ích (G) về phía trước anten trên nhiệt tạp ủm
tons (T) nó biếu thị cho chất lượng độ nhạy trạm mặt đất.
"r Tạp ám nhiệt đường lèn
Tạp âm nhiệt đường lên chù yếu do máy thu vệ tinh tạo ra. Tạp âm nhiệt đường lờn được tớnh bằng tỷ số cỏnô; suất SểI12 mang trờn cụnô suất tạp õm C/N tại đầu vào máy thu vệ tinh.
Chú na ta đã biết EIRP hay còn gọi là công suất phát xạ đẳng hướng tương đương, phát xạ từ trạm mặt đất tới vệ tinh có thể biểu thị bàn2 biểu thức:
Nếu giả thiết tăng ích anten thu là Gs, tổn hao trong không gian tự do ở đường lên là L Ư, và biết E1RP của trạm mặt đất, thì có thể tính được mức tín hiệu ở dầu vào máy thu vệ tinh như sau:
LE ir p le = t P J - i y + íG J (dBW) Trong đó: Lfl: Suy hao của fider
G.: Độ tăng ích anten trạm mặt đất
ị p s ỉ = [ E ir p Ị E - [ L UJ + ¿GSJ (c!B\V)
[Eirpjị.:: cirp của trạm mặt đất
!'{
Trường f ì ỉ l Quốc ỊỊỈa Ỉ ỈÌ I n ộ i - Khoa Còng NíỊhự
i\{Ịuvẽn ỉ h i T hu ỉỉu y ê n 18
L r : Tổn hao troniĩ khỏnạ ỉỊÍan tư do cùa đườns lên G.-: Hệ số tãnu ích của anten thu vẽ tinh ) ■ .
Từ đó la có thế suv ra:
l C /N ỉu = i eirrp /£ -■ L UỊ 4- / 077/, - / * / - /5 /
> Tạp ám nhiệt đường xuống
Các nguồn tạp âm nhiệt chủ yếu của đườrìii xuốns là tạp âm nhiệt do anten thu dược lừ bên ngoài và tạp âm nhiệt của máy thu ớ trạm mặt đất.
Tạp âm nhiệt đườnẹ xuốns được tính bans tỷ số C/N tại đầu vào bộ giải điều chế của máy thu của trạm mặt đất. Côns suất sóng mans c tại đầu vào máy thu được tính theo biểu thức:
; c = ( ie ir p ỉsG E) í L D
Vì côn2 suất tạp âm ở đầu vào máy thu là k.T.B được biểu thị bởi biểu thức N -k.T .B . Do vặv C/N tại đáu vào máy thu ờ trạm mặt đất được tính theo biểu thức
¿ c/NJd = ¡eirrpJs - [ L DĨ - /6 7ỉ E - [ k ì - [ B ỉ Trong đó:
[eirrp]s: eirp của vệ tinh (dBVV)
Gk: Hệ số tăng ích của anten thu ở trạm mặt đất (dB) L d: tổn hao trong không gian tự do của đường xuống (dB)
> Người ta cũng còn sử dụng tỷ số công suất sóng mang trên mật độ công suất tạp âm, hay C/N0. Tron" trườn2; hợp này, công suất tạp âm N được tiêu chuẩn hoá bằng độ rộng băng B để tạo ra mật độ công suất tạp âm hay :ônu suất tạp âm trẽn một đơn vị độ rộng băn2. Tv số công suất sóng mang :rên nhiệt tạp âm cũng được sử dụníĩ để biểu thị mức tạp âm tươns đối. Ta
;ó:
ịC / N 0ỉ = í C Ỉ N Ỉ + Ỉ 0 lo g B
Như vậy chat lượng tín hiệu trên đường truyền giữa máy phát và máy thu đưce đánh siá bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu so với công suất phổ tạp âm
T r iủ ì ii ị / ) / / Quốc gia H á n ộ i - Kh o a CủtiíỊ N q lỉệ
¡ \ ¡’ liven Til ị Thít ỉI u y ê n 19
C/N . Đàv là ham sò cùa đặc tính ihiôt bi sir đụrm trẽn đ ườn lĩ truvén siMVi.
T r o n - i thóiiLỉ tin vệ tinh khi nói đến dườníi iruyỏn iỊÌữa hai tram mặt đất liòn lạc vú'i nhau nhừ bộ khuvếch đại lặp tín hiệu đó là vệ tinh thì ta phái tính toán kỹ cá đườn lĩ lên và đườns xuốns. Chất ỉ ươn a dườníĩ lèn được đánh 2Ìá bans (C/N0)l:, còn chất lượns đườns xuống được đánh giá bang tỷ số (C/N0)D, ánh hường của môi trường truyền sóns đến đườnạ; lèn và đ ư ờ ng xuống rất khác nhau. Ví dụ như mưa làm 2Íảm tỷ số (C/N0)(J bans việc giảm công suất tín hiệu thu tuyến lên tại đầu vào anten vệ tinh, với tuyến xuốnẹ nó lại làm * 7 • v_2Ĩàm tỷ SỐ (C/N0)d theo cách giảm côns suất tín hiệu thu tuyến xuốns và tăns nhiệt độ tạp âm tuyến xuốns.
2.3.1.2 Bộ đổi tần (FC) '
Sau khi đã được khuvếch đại vé biên độ, tín hiệu thu ở tuyến lên sẽ được trộn với một tán số chuẩn FL0 được tạo ra bởi bộ dao độn2 đặt ngav trên vệ tinh. Tán số sinh ra ớ đằng sau bộ trộn là tổ hợp giữa tán số tín hiệu ở tuyến lên F(| và tần số ngoại sai FLO . Do tần số sóng mang của tuyến lên bao giờ cũnô cao hơn tuyến xuống nờn bọ đỏi tỏn của vệ tinh thuườns là bộ đổi tần xuốnsỉ. Nsuyên tác của việc trộn tần là dựa vào đặc tính truyền đạt khỏniĩ tuyến tính của các thiết bị bán dẫn ví dụ như một Diode, để sinh ra các tổ hợp tần số mới từ hai tần số ờ đầu vào mới từ hai tàn số ở đầu vào (Fy và F[0).
Nguyên tắc này có thể giải thích một cách đơn giản như sau:
Giá sử tín hiệu đáu vào có dans: 1(0 = Acos[(27ĩFut) + 4>Ư]
Và tín hiệu ngoại sai có dạns: LO(t) = Bcos[(27ĩFLOt) + (ị)LOj Sau khi qua bộ trộn tín hiệu đầu ra sẽ là 0 ( 0 = I(t)LO (t); Do đó 0 (f) = ABcos[(2icFl -t) + ộu]cos[(27ĩFLOt) + <ị)LO|
0 (t) = (AB/2){ C O S[271 (F(J + FL0)t + ¡Ị>Ư + ([)L0] +cos[2ĩi (FƯ - FL0)t + ệL, - Ót ui ỉ
Trường /)// Oudc ÍỊÌIĨI I (Ị n ộ i - K h o a CỏĩtíỊ Nghệ
Như vậy tại đỏu ra cựa bộ trộn la cú tớn hiệu 0 (t) với biờn dộ Aò/2 bao ỉịổm hai thành phán lán số là Fr + F10 và F,: - FL0. Bans các bộ lọc ở đáu ra của bộ đổi tán ta có thể chọn lấv một thành phán tần số mà ta mong muốn. Do đó ta có Fd=Fl , - Fa . V í dụ đối với băns c thì Fy = 6 GHz nên FL0 phải bằns 2 GHz để Fd= 4 GHz. Ta cũnô? nhận thàv rằn2 khi chọn pha ỘL0 của LO(t) = 0 thỡ pha của tín hiệu sau khi qua bộ đổi tần sẽ khôns đổi và bằng (ị)L, nên nó không gây trở nsại cho các quá trình xử lv phía sau đặc biệt là giải điều chế dịch mức pha. Tóm lại nếu giả sử thành phần tín hiệu đầu vào I(t) và thành phần tín hiệu ngoại sai LO(t) có dạng như trên thì tại đầu ra của bộ đổi tần ta sẽ có tín hiệu 0 (t) là:
0 (t) = kcos[2?ĩ (Flo - Fu)t -r'èLI] (với (ị). 0 = 0 và K=AB/2)
2.3.1.3 Bộ khuyếch đại tiền còng suất (PPẢ) và bộ phân chia H Y B R ID Bộ khuvếch đại tiền công suất PPA có chức năng khuyếch đại sơ bộ côns suất tín hiệu đi ra từ bộ đổi tần tới mức đủ lớn để có thể phân chia cho các bộ phát đáp. việc phân chia này được thực hiện nhờ bộ HYBRID gồm có n dầu ra tương ứng với số bộ phát đáp của vệ tinh. Công suất tại mỗi đầu ra của bộ HYBRID do đó nhỏ hơn rì lần so với công suất tại đầu vào của nó.
2.3.1.4 Các bộ phát đáp
Băng tần rất rộng của vệ tinh được chia ra làm các băns nhỏ hơn (ví dụ rộnô' hoảng 40 MHz). M ỗi băng này được phàn phối cho mỗi bộ phỏt đỏp của nó còn gọi là kênh vệ tinh. Mỗi một kênh vệ tinh lại có thể mang rất nhiều kênh số liệu và kênh thoại từ nhữns người sử dụng. Trên thực tế CỈO phải có khoản2 bảo vệ siữa các bộ phát đáp cho nên dải tần trong thức tế mà các bộ phỏt đỏp sử đụnô; thường nhỏ hơn (36 MHz). Cỏc bộ phỏt dỏp cú vai trũ như là các kênh chuyển tiếp thòng tin. Chúng làm việc trong những dải tần riêng nhờ các bộ lọc thôntĩ dái BPF đặt ngay tại đầu vào. Sau khi xử lý bù như bù trễ, bù tần số,... tín hiệu tro nu mỗi bộ phát đáp sẽ được đưa qua bộ khuvếch đại công
¡X'juvén Thị '/'¡til tỉuyẽn 20
Trườn iỊ D I ỉ Oiiỏc gia ỉ ỉ (ì nội - Khoa Còng Nghệ
Aíịĩtyẽn r i ì ị Thu Huyên
suál cao I IPA ỡ dẩu ra đo khuyếch dại dù 1ỚI1 trước khi phát lại ờ hưứnu xuoniz. Bộ HPA cùa mỗi kênh vộ tinh ihườns là loại đòn TWTA hoặc SSPA.
Với các phircnu thức da t r u y nhập thì một bộ phát đáp có thè cùng một lúc phạc vụ rất nhiều tuyến khác nhau. Dẻ nhặn thấy rănu trong trườnII hợp hệ thống dựn.w 2- kỹ thuật sử dunơ lai tấn số thỡ sơ đỏ hỡnh 2.3 mới chi là một nửa✓ ằ 1 ^ 1 *
phán tái thôn2; tin dành cho một phân cực. Nửa còn lại của phân cực kia có sơ đồ lương tự.
2 . 3 . ỉ . 5 Bộ g h é p c ò n g s u ấ t (M Ư X )
Trước khi ra anten phát A Xx tín hiệu của các bộ phát dáp ở các băng tần con khác nhau phủi được ẹhép lại với nhau. Yêu cầu shép phải đảm báo làm sao cho sự can nhiỗu giữa các kènh vệ tinhlà thấp nhất và mức công suất của chúns dổns đều nhau trons tín hiệu tổn2 hợp. Có nhiều kỹ thuật được ứng dụns cho bộ M U X mà trong đó có thể kể đến một thiết bị thông dụns là bộ CÍRCULARTOR.
2.3.1.6 H ệ t h ố n g an ten vệ tinh
Để giảm trọns lượng vệ tinh, anten vệ tinh phải có kích thước nhỏ tới mức có thể được và phải đảm bảo dễ điều khiển, tuỳ theo chức năng vệ tinh có các loại anten như sau:
- Anterì dùng để đo xa/bám vệ tinh/điều khiển xa thường ở băng tần VHF - Anten siêu cao dùng cho hệ thốn<í viễn thông qua vệ tinh nó thường có
các loại phát tia bao trùm có độ rônsj tại mức suy hao 3 dB là 17° - 18°
hiện dann áp dụns rộng rãi cho các vệ tinh quĩ đạo địa tĩnh. Còn có loại búp sóns nhọn chừnẹ vài độ dùng để phủ sóng một vùns hẹp nhất định aọi là búp sóns đốm, loại này đảm bào mật độ cồng suất không thay đổi tro nu vùn lĩ bao phủ.
Ngàv nay các anten trên vệ tinh dược trang bị các ma trận loa tiếp điện và kết câu bề mặt phản xạ anten để điều khiển hình dáng vùng phu sóng trẽn mặt đất và côns, suất theo ý muốn.
Trường Ỉ ) H Oudc iỊÌa Hcì nòi - Khoa Cõítg Nghệ
¡ \ gayen T h i T ilu Huyen
2.3.2 Phán co n tá u (p la tfo rm )
2.3.2.1 H e d o x a l b á m ve ti n h l d ié u k h i é n tic x a ( T T & C )
Phán he náv có chúc náng giám sát hieu suát cüa tal cá các phán he cüa ve tinh va gü'i các dCr liéu do dirgc náy tai trung tüm diéu khién ve tinh nhir: Trang thái cúa ve tinh, dien áp. dong dien, áp suát, trang thái cüa các bó phát dáp, nhién licu v.v...Cung cap các tín hieu chuán cho các tram mát dát ES phuc vu cho muc dích bám ve tinh. Thu các lenh diéu khien tír trung tám diéu khién ve tinh de thirc hien các chúc náng khác nhau cüa ve tinh.
2.3.2.2 H e c u n g c a p n á n g licang:
a) He thóng pin mar tren
Các tám pin mát tren. Chuyén tír náng lugng ánh sáng mát trófi sang náng lugng dien dé nuói ve tinh. Ve tinh dói hói so luang lón các tám pin mát trói dé nuói các nguón dien can thiet. Các tám pin mát trai duac dát a tren ve tinh sir dung hai phuang pháp khác nhau. Ve tinh quay có tám pin mát trai luón có ánh sáng mát trói dirgc dát tren hinh tru quay de phán pin mát trai luón nhan dirgc ánh sáng khi ve tinh quay. Phuang pháp náy có hieu quá vi mót so ít các tám pin mát trai luón luón duac mát trai chieu roi. Nguón dien do các tám pin mát trai ó ve tinh loai quay phái duac chyén dói nha các vóng trugt tu thán ve tinh tai các thiet bi má la despun. Ve tinh cán báng ba truc (khóng quay) su dung các tám pháng lón han hoác mót dáy các pin mát trai. Các dáy náy duac dát sao cho tát cá các tám pin mát trói déu dong thai nhan dirgc ánh sáng.
Nhfmg tám pin mát trai náy thuóng duac goi la cánh buóm. Khi phóng các cánh buóm náy dirgc gáp lai dé vira vói kích thiróc bén trong cüa thiet bi phóng. Các tám pin mát trói náy mó ra sau khi ve tinh da a tren qul dao dia tinh va cán báng. Các cánh buóm náy phái dirgc quay báng mó ta buác 24 gia do íziCr các tám mát trai chí hiróns ve phía mát trai. Các bó bien dói AC sang DC dung de thay dói lói ra dien cüa các tám pin mát trói va dien áp cán thiet vói lói ra cüa ve tinh.
Trudir.' t ) t l Oitóc gia l i a n ó i - Khoa C ó ug Nghe
i\'” uy<'it Tlii Thu ỊỊuvữiỉ 23
Vị trí cùa mật trời, trái đất và vệ linh địa tĩnh thay dổi liôn tục khi (rái Uất quay quanh trục cùa nó và quay mật trời. M ột vệ tinh ellipse xuất hiện khi trái đất chuyển độns 2Ĩữa mật trời và vệ tinh. Vì thế các tấm pin mặt trời trẽn vệ linh không thế cấp điện khi vệ tinh trẽn quĩ dạo ellipse; vệ tinh phải có ắcqui để cấp diện cho nsuổn diện tron2 thời 2Ĩan này. Các ácqui được nạp lại điện bàng các tấm pin mặt trời íĩiữa các elipse.
Thời gian sống của vệ linh phụ thuộc một phần vào các tấm pin mặt trời.
Điện áp lối ra của pin giảm đần theo tuổi thọ; thườn2 sau khoảng 8 - 1 0 năm thì diện áp lối ra giảm khoảng 20%. Thậm chí khồns đủ khả năn? để giữ cho cỏc bộ phỏt đỏp hoạt độnô:. Tuy vậy thời aian sống của vệ tinh cú thể được mớ rộng bằng cách tát một hoặc nhiều bộ phát đáp. Thông tin vệ tinh thường được thay thế sau khoảng 1 0 -1 2 năm hoạt độns liên tục.
b) Hệ thống ắcqui
Khi cú hiện tượng che khuất vệ tinh, hệ thốnô, cưng cấp năns lượng sẽ tự động chuyển sang hệ thống ắcqui. Hệ thống ắc qui phải có khả năng duy trì hoạt động bình thườn2 trong quá trình che khuất. Trona quá trình bình thường hệ thống ắc qui sỗ nạp điện từ hệ thống pin mặt trời.
2.3.23 Hệ điều khiển và xác định trạng thái của vệ tỉnh Vệ tinh trên quĩ dạo phải được điều khiển trạng thái để cho:
- Hệ thốns anten phải luôn hướng về các vùna đã được xác định trước trên trái đất. Để tránh khó khăn trong CÔĨ12 tác phối hợp tần số, độ chính xác về phương của anten luôn phải được cải thiện (0.05°).
- Các tấm pin mật trời phải luôn hướns về phía mặt trời.
- Dunu sai quĩ đạo vệ tinh phai được duy trì trong khoảng ± 0,1°
theo hướng đông - tây, nam - bắc.
Đe thực hiện được các eôrì2 việc trên người ta sử dụns các kỹ thuật: ổn định theo kiểu quay và ổn định ba trục. Cúc phươnií pháp trên đều được hỗ trự
Trường D ỉ ỉ Quốc ỊỊÌa U à n ô i - Khoa Còng ¡XtỊhệ
NtỊUvèn T hị T lu i ỉỉu y é n 24
bànii các bánh xe mỏ men, các bộ cám biến và các động cơ phàn lực hoạt độne kiểu xun2.
2.3.2.4 Hệ dẩy
Vệ tinh thôns lin được phóng vào quĩ đạo địa tĩnh sử đụns thiết bị phóns unmanned có thể mở rộng hoặc tàu con thoi nhân tạo có thể tái sử duns. Thiết bị phóng có một hoặc nhiều tầns phóng cung cấp 2Ìa tốc cần thiết để đạt vệ tinh vào quĩ đạo địa tĩnh. Thiết bị phóng điều khiển tự động thườns đặt vệ tinh trực tiếp vào quĩ đạo ellipse (còn gọi là quĩ đạo chuyển đổi). Điểm xa nhất của quĩ đạo ellipse gọi là điểm cực viễn, điểm sần nhất gọi là điểm cực cận. Vệ tinh được thiết kế để nâng điểm cực viễn có cùníĩ độ cao với quĩ đạo địa tĩnh. M ột tên lửa đặc biệt đùne để chuyển đổi vệ tinh từ điểm cực viễn vào
9
quĩ đạo địa tĩnh. Tên lửa dùns; để chuyển đổi vệ tinh được gọi là động cơ cực viễn hay động cơ kích cực viễn. Quĩ đạo ellipse có một góc nghiêng tương ứng với vĩ độ của trạm phóns. V í dụ vệ tinh được phóng từ Cape Canavral, Florida, có một quĩ đạo ellipse với mặt phẳng nghiêng xấp xỉ 27,5°. Động cơ cực viễn cũng phải cung cấp một gia tốc để góc nghiêng tới 0 khi mà mặt phẳng quĩ đạo của vệ tinh được thay đổi từ ellipse tới địa tĩnh.
Tàu con thoi không gian đưa ra phương pháp thay thế để phóng vệ tinh viễn thông. Một hoặc nhiều vệ tinh siữ ở payload của tàu con thoi khôns gian.
Tàu con thoi khônơ gian nhân tạo được phóng vào quĩ đạo tròn xấp xỉ 200 dậm trên bề mặt trái đất. Vệ tinh được phóng bằng tàu con thoi không gian rẻ hơn thiết bị phóns điều khiển tự động vì tàu con thoi không gian có thể tái sử duns; đươc. tàu con thoi cũn? đươc cỉiing để lụi cỏc vệ tinh từ khụnô; Sịian xuốnẹ măt đất để sửa chữa.
2.3.2.5 Hệ điểu khiển nhiệt
Phân hệ điều khiển nhiệt độ của vệ tinh có nhiệm vụ duy trì nhiệt độ của các thiết bị irons: vệ tinh trong một giới hạn cho phép nhằm đam bao vệ tinh có
Trường D U Onòc gia Ị h ì n ộ i - Kh oa C ô n g Nghệ