Thông tin vệ tinh

Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Quỹ đạo của vệ tinh nằm trên một mặt phẳng có thể là hình tròn hoặc elíp.
Nếu quỹ đạo là hình tròn thì tâm quỹ đạo tròn trùng với tâm của trái đất. Nếu
quỹ đạo là hình elíp thì có một đầu elíp nằm xa trái đất nhất và một đầu nằm
gần trái đất nhất. Điểm xa nhất của vệ tinh trên quỹ đạo so với trái đất gọi là
viễn điểm ( apogee ) và điểm gần nhất đợc gọi là cận điểm
( perigee ). Vệ tinh trên quỹ đạo elíp sẽ di truyển trên quỹ đạo chậm hơn khi
khoảng cách giữa vệ tinh và trái đất tăng lên ( theo định luật kepler ).
* Quỹ đạo thông dụng hiện nay của vệ tinh là những dạng quỹ đạo sau :
+ Các quỹ đạo hình elíp có góc nghiêng 64
0
so với mặt phẳng xích đạo của
trái đất.
Loại này có tính ổn định cao và nhờ có độ nghiêng đó mà cho phép vệ tinh
có thể phủ sóng ở những vùng vĩ tuyến cao thuộc phần lớn quỹ đạo khi vệ tinh
qua điểm cực viễn so với trái đất. Hệ thống có thể dùng nhiều vệ tinh ở một
vài quỹ đạo khác nhau với góc nghiêng 64
0
. Ví dụ hệ thống ELLIPSSAT dùng
24 vệ tinh ở hai quỹ đạo khác nhau.
+ Các quỹ đạo tròn nghiêng
Vệ tinh có quỹ đạo tròn và có độ cao không đổi so với mặt nớc biển xấp xỉ
vài nghìn km. Với góc nghiêng gần 90
0
, loại quỹ đạo này đảm bảo rằng vệ tinh
có thể đi qua các vùng của trái đất. Đó là lý do để ngời ta sử dụng loại quỹ đạo
này cho các vệ tinh quan sát ( observation satellite ). Ví dụ vệ tinh Sport có độ
cao 830 km, quỹ đạo nghiêng là 98,70 và chu kỳ là 101 phút. Một số vệ tinh đ-
ợc tổ chức thành chùm vệ tinh có quỹ đạo dạng tròn này, ở độ cao thấp cỡ
( 1000km ) có khả năng phủ sóng toàn cầu trực tiếp tới ngời sử dụng cũng đợc
ra đời gần đây nh ( I ridium Global, Odyssey, Aries, )
+ Các quỹ đạo tròn với góc nghiêng bằng 0
0
Quỹ đạo trong trờng hợp này nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
7
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
đất và các vệ tinh trên quỹ đạo đợc gọi là vệ tinh địa tĩnh (Geogeostationary
satellite ). Độ cao quỹ đạo theo tính toán tối u là 35.768km. Vệ tinh trong tr-
ờng hợp này xuất hiện nh một điểm cố định trên bầu trời và đảm bảo hoạt
động nh một trạm chuyển tiếp vô tuyến theo thời gian thực ( liên tục ngày đêm
) với vùng phủ sóng 43% diện tích của trái đất vì thế chỉ cần 3 vệ tinh địa tĩnh
có thể phủ sóng toàn cầu.
Các vệ tinh có quỹ đạo tròn nghiêng và các vệ tinh có quỹ đạo nghiêng 64
0
gọi chung là vệ tinh địa tĩnh ( Non-geostationary satellite ). Việc lựa chọn loại
quỹ đạo nào trong thực tế còn phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể, độ can
nhiễu mà hệ thống có thể chấp nhận đợc và khả năng tầm phóng xa của bệ
phóng.
Quỹ đạo của vệ tinh đợc đặc chng bởi các yếu tố sau :
+ Quy mô và phạm vi các vùng đợc vệ tinh phủ sóng :
Trong thực tế với nhiều lý do đã xác nhận rằng, độ cao của vệ tinh không
phải là nhân tố quyết định trong liên lạc đối với vùng phủ sóng cụ thể. Lý
thuyết truyền sóng đã chứng minh rằng sự suy giảm của sóng trên đờng truyền
trong không gian tỷ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách và điều này phù
hợp với vệ tinh có quỹ đạo thấp vì chúng có độ cao bé hơn. Tuy nhiên trong tr-
ờng hợp này vệ tinh nhìn vùng phủ sóng dới một góc khối lớn hơn. Kết quả là,
tuy có lợi về độ cao nhng lại giảm độ tăng ích của anten
+ Góc ngẩng của anten trạm mặt đất :
Một vệ tinh có quỹ đạo nghiêng hay quỹ đạo cực xuất hiện trên bầu trời tơng
ứng với vùng phủ sóng của mặt đất trong một khoảng thời gian nhất định và có
thể cho phép thiết lập các liên lạc tại các vùng thành thị có các toà nhà cao
tầng gây cản trở sóng truyền với một góc ngẩng cho phép trong khoảng từ 0
0
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
8
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
đến 70
0
. Đối với vệ tinh địa tĩnh thì góc ngẩng đó sẽ giảm khi sự trênh lệch về
kinh tuyến và vĩ tuyến giữa trạm mặt đất và vệ tinh gia tăng.
+ Thời gian truyền và thời gian trễ :
Vệ tinh địa tĩnh cung cấp một sự chuyển tiếp liên lạc liên tục cho các trạm
trong khoảng tầm nhìn của vệ tinh và trong trờng hợp tổng quát, tín hiệu từ
trạm mặt đất này đến trạm mặt đất khác bị trễ một thời gian khoảng 0,25s.
Điều này dẫn đến việc phải có thiết bị điều khiển tiếng vọng ( echo control
device ) cho các kênh thoại cần phải có các giao thức đặc biệt để truyền dẫn
tín hiệu số. Nếu nh vệ tinh di truyển ở quỹ đạo thấp thì thời gian truyền dẫn sẽ
giảm. Thời gian truyền dẫn cũng có thể lâu hơn nếu nh phơng thức truyền dẫn
lu trữ - chuyển tiếp đợc sử dụng.
+ Nhiễu :
Mỗi một vệ tinh địa tĩnh chiếm một vị trí có toạ độ tơng ứng với các trạm
mặt đất trong vùng phủ sóng của chúng. Hiện nay có hàng trăm vệ tinh đang
hoạt động trên quỹ đạo địa tĩnh và chúng có thể gây nhiễu cho nhau. Các hệ
thống Viba mặt đất cũng có thể gây nhiễu cho thông tin vệ tinh và ngợc lại. Để
chống nhiễu hay nói đúng hơn là để hạn chế tối đa nhiễu giữa các hệ thống ng-
ời ta phải đa ra những quy định về phân phối vị trí quỹ đạo và băng tần sử
dụng. Khoảng không gian nhỏ giữa các vệ tinh trên quỹ đạo của các vệ tinh
gần kề nhau tại cùng băng tần sẽ làm gia tăng độ nhiễu và cản trở việc thiết lập
các vệ tinh mới. Các hệ thống khác nhau có thể sử dụng các tần số hoặc băng
tần khác nhau, nhng điều này bị hạn chế bởi số lợng và giới hạn của băng tần
đợc sự phân bổ của hiệp hội viễn thông quốc tế ITU ( International
Telecomunication Union ) cho các vùng địa lý trên trái đất và các dịch vụ khác
nhau. Trong trờng hợp này một số băng tần bị giới hạn bởi phổ tần của quỹ
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
9
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
đạo. Mặt khác các thông số hình học của vệ tinh so với hệ thống khác cũng sẽ
biến đổi và việc đồng bộ sẽ đợc đặt ra.
+ Hiệu suất của bệ phóng :
Khối lợng của vệ tinh đợc phóng dảm đi khi độ cao vệ tinh yêu cầu phóng
tăng.
1.4 Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh.
Các băng tần số vô tuyến dùng cho các hệ thống thông tin vệ tinh , hiển
nhiên phải tuân theo quy chế vô tuyến. Liên minh viễn thông quốc tế ITU đã
quy định các điều khoản rằng buộc để các nghiệp vụ vô tuyến có thể dùng
chung các băng tần một cách hợp lý mà không gây can nhiễu có hại đến nhau.
Đặc biệt, các băng tần đợc phân định cho các dịc vụ vệ tinh cố định phải tuân
theo quy định của quốc tế.
Để thuận lợi cho công tác quy hoạch tần số, liên minh viễn thông quốc tế đã
phân bố thế giới thành ba khu vực bao gồm :
Khu vực một : Châu âu, Châu phi, Liên Xô cũ và Mông Cổ.
Khu vực 2 : Châu Mỹ.
Khu vực 3 : Chây á ( trừ những nớc thuộc khu vực 1 ) và Châu úc
Dựa vào đặc tính của sóng trong môi trờng truyền lan và trong thực tế ứng
dụng ngời ta phân thành các dải sóng mà trong mỗi dải sóng đó đặc tính
truyền lan của chúng là giống nhau. Bảng dới đây giới thiệu một số băng tần
dùng cho vệ tinh cố định và một số laọi vệ tinh khác:
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
10
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Dịch vụ
( a )
Các tần số tuyến lên
( MHz )
Các tần số tuyến xuống
( MHz )
Chú thích
( b )
FS 2500 2690 Chỉ R2
FS 2500 2535 Chỉ R3
BS 2500 2690
FS 2655 2690
FS 3400 4200 Chỉ R3
FS 4500 4800
FS 5725 5850
FS 5850 7075
FS 7250 7750 Chỉ R1
FS 7900 8400
FS 10700 11700
FL 10700 11700 Chỉ R1
BS 11700 12500 Chỉ R1
BS 11700 12200 Chỉ R3
FS 11700 12300 Chỉ R2
BS 12100 12700 Chỉ R2
FS 12500 12750 Chỉ R1,R3
BS 12500 12700 Chỉ R3
FS 12500 12750 Chỉ R1
FS 12700 12750 Chỉ R2
FS 14000 14500
FS,FL 14000 14800
FL 17300 21200
FS 17700 21200
FS 27000 27500 Chỉ R2,R3
FS 27500 31000
Bảng : Các băng tần dùng cho dịch vụ vệ tinh cố định và dịch vụ quảng bá qua
vệ tinh tới 31 GHz.
( a ) FS - dịch vụ vệ tinh cố định
BS - dịch vụ vệ tinh quảng bá
FL - tuyến phi dơ cho dịch vụ vệ tinh quảng bá
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
11
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
( b ) Vùng ( R1 ), vùng (R2), vùng (R3) đợc xác định theo các vùng đã
quy định.
ITU đã xác lập riêng các phần nào đó của phổ tần để sử dụng trong các hệ
thống thông tin vệ tinh, đáng chú ý là các băng tần nh 2,5 -2,7; 3,4- 7,1 và
10,7 - 14,5 GHz. Một số nào đó trong các băng tần này đợc phân định để sử
dụng cho các dịch vụ đặc biệt trong các vùng địa lý xác định. Trong bảng trên
R2 ám chỉ vùng 2 bao gồm Bắc Mỹ và Nam Mỹ; R3 là vùng 3 bao gồm Châu
úc và Châu á và R1 là vùng 1 bao gồm Châu Âu, Liên Xô cũ và Châu Phi.
Trong bảng các vùng đợc phép sử dụng băng tần đợc chỉ thị bởi R1, R2 và R3.
Nêukhông có bất kì chỉ định vùng nào thì có nghĩa là tất cả các vùng đều có
thể sử dụng băng tần đó.
* Băng tần 2500 2690 MHz.
Tất cả các tần số trong băng tần này là để dành cho các nớc vùng 2 và
vùng 3 ( không có sự phân định nào đối với băng tần 2,5 - 2,7 GHz cho các
dịch vụ vệ tinh cố định trong vùng 1 ). Tại băng tần 2,5 - 2,7 GHz, suy hao khí
quyển nhỏ hơn bất kỳ băng tần nào khác, song vì bớc sóng tơng đối dài cho
nên kích thớc của anten trạm mặt đất sẽ phải lớn hơn so với việc sử dụng các
băng tần khác. Ngoài ra, vì băng tần này còn cha đợc sử dụng rộng rãi nên rất
ít nhà sản xuất chế tạo các thiết bị tiêu chuẩn thuộc lĩnh vực này. Băng tần này
tỏ rõ lợi thế cho những yêu cầu khiêm tốn ở những yêu cầu khiêm tốn ở những
điểm không có tắc nghẽn và các khe quỹ đạo là luôn luôn có sẵn để sử dụng.
Tuy nhiên, băng tần này chung phần với các hệ thống tán xạ đối lu và cần phải
phối hợp chúng.
*Băng tần 3400 7075 MHz.
Băng tần này đợc sử dụng nhiều nhất so với tất cả các băng tần khác. Do
đó, việc xắp xếp các khe quỹ đạo là tơng đối khó. Mặt khác vì có sẵn thị trờng
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
12
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
rộng lớn cho nên nhiều nhà sản xuất chế tạo thiết bị chuẩn, giảm đợc đáng kể
giá thành đo cạnh tranh và đảm bảo tính hiệu quả kinh tế do quy mô lớn. Mặc
dù suy hao khí quyển hơi lớn so với băng tần 2,5-2,7GHz, kinh nghiêm lịch sử
cho thấy rằng có thể đạt đợc dịch vụ tông tin chất lợng cao thực tế tại tất cả
các vùng trên thế giới. Vì có can nhiễu với các hệ thống vi ba mặt đất sử dụng
băng tần này, các trạm mặt đất không đợc phép lắp đặt tại nhiều vùng thành
phố. Do vậy việc sử dụng băng tần này đòi hỏi phải phối hợp chặt chẽ với các
hệ thống trên mặt đất đang hoạt động hoặc đang trong dự án.
* Băng tần 10700 - 14500 GHz.
Băng tần này vừa có lợi thế vừa có bất lợi so với băng tần 3,4 - 7,1 GHz vốn
đợc sử dụng rộng rãi, nơi nào có băng tần này nói chung không đợc sử dụng
cho các tuyến Viba mặt đất thì có thể cho các trạm mặt đất hoạt động tại các
trung tâm thành thị. Các anten tại băng tần này rất nhỏ so với các băng tần
khác, do vậy chúng có thể lắp đặt tại các mái nhà của các toà nhà cao ốc. Nơi
nào thực tế không có các sóng mang chung trong băng này thì các vệ tinh có
thể đợc sử dụng các công suất cao hơn vì không có các vấn đề can nhiễu với
các hệ thống trên mặt đất. Điều bất lợi chính của băng này là các đặc tính suy
hao của nó gia tăng mạnh trong miền khí hậu có nhiều sơng mù, có ma hoặc
có mây.
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
13
Phần không gian
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
Chơng 2
Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh
Cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần: phần không
gian ( space segment ) và phần mặt đất ( ground segment ).

Tuyến lên Tuyến xuống



Hình 2.1 Mô tả cấu trúc tổng quát một hệ thông vệ tinh
2.1. Phần không gian
Phần không gian bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị đặt trong vệ tinh và
hệ thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để kiểm tra, theo dõi và điều khiển
vệ tinh ( các hệ thống bám, đo đạc và điều khiển ).
Bản thân vệ tinh bao gồm phần tải ( payload ) và phần nền ( platform ).
Phần tải bao gồm các anten thu, phát và tất cả các thiết bị điện tử phục vụ cho
phần tải hoạt động. Chúng bao gồm :

+ Cấu trúc.
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
14
Trạm điều khiển
Thiết bị phát Thiết bị thu
Phần mặt đất
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
+ Nguồn cung cấp điện.
+ Điều khiển nhiệt độ.
+ Điều khiển hớng và quỹ đạo.
+ Thiết bị đẩy.
+ Thiết bị bám, đo đạc và điều khiển thực hiện
Các sóng vô tuyến truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh đợc gọi là tuyến lên
( Uplink ). Vệ tinh đến lợt mình lại truyền các sóng vô tuyến tới các trạm thu
vệ tinh đặt trên mặt đất và đợc gọi là tuyến xuống ( Downlink ).
Chất lợng của một liên lạc qua sóng vô tuyến đó đợc xác định bởi thông
số sóng mang trên tạp âm (C/N ).
*Vệ tinh có các vai trò sau :
+ Khuyếch đại các sóng mang thu đợc từ tuyến lên để sử dụng cho việc
truyền dẫn lại trên tầng xuống. Năng lợng sóng mang tại đầu vào của máy thu
vệ tinh yêu cầu từ 100pW đến 1nW, còn năng lợng tại đầu ra của bộ khuyếch
đại công suất phát cho tuyến xuống yêu cầu từ 10 100W. Do đó độ lợi công
suất yêu cầu từ 100 130WdB.
+ Thay đổi tần số sóng mang nhằm tránh hiện tợng một phần công suất
phát đi quay trở về đầu thu, khả năng loại bỏ của đầu vào các bộ lọc tần số
tuyến xuống kết hợp với độ tăng ích anten thấp giữa đầu ra ( phần phát ) với
đầu vào ( phần thu ) để đảm bảo công suất cỡ 150dB.
Để hoàn thành chức năng của mình thì vệ tinh có thể hoạt động nh một rơle
đơn giản. Sự thay đổi tần số thông qua một bộ biến đổi tần số. Điều này thấy
rõ trong các vệ tinh thơng mại đợc vận hành hiện nay. Ngời ta gọi chúng là các
vệ tinh quy ớc hay trong suất . Tuy nhiên, một thế hệ vệ tinh mới ( bắt
đàu từ ACTS và ATALSAT ) đang nổi lên tái sinh và đợc trang bị các bộ giải
điều chế, các tín hiệu băng cơ bản đợc đặt trên vệ tinh. Sự thay đổi tần số đạt
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
15
Đồ án tốt nghiệp Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ
tinh
đợc bởi việc điều chế một sóng mang mới cho tầng xuống. Việc vận hành cặp
điều chế và giải điều chế có thể đợc đi kèm theo với việc xử lí tín hiệu băng cơ
bản ở các mức độ phức tạp khác nhau. Để đảm bảo tính sẵn sàng cung cấp các
dịch vụ, một hệ thống vệ tinh phải bao gồm một số vệ tinh để dự trữ, để thay
thế cho một vệ tinh nào đó bị hỏng hay đã hết hạn sử dụng. Trong trờng hợp
này chúng ta cần phân biệt tuổi thọ và độ tin cậy của một vệ tinh. Độ tin cậy
của một vệ tinh đợc đánh giá dựa trên các yếu tố : khả năng dẫn đến hỏng hóc,
độ tin cậy thiết bị của vệ tinh và các phơng án dự phòng. Tuổi thọ của vệ tinh
phụ thuộc vào khả năng duy trì vệ tinh trên các trạm trong trạng thái tối thiểu.
2.2. Phần mặt đất
Phần mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất và chúng thờng đợc nối với
các thiết bị của ngời sử dụng thông qua các mạng mặt đất hoặc trong trờng
hợp sử dụng các trạm VSAT (VerySmall Aperture Terminal) thì có thể liên lạc
trực tiếp đến thiết bị đầu cuối của ngời sử dụng. Các trạm mặt đất đợc phân
loại tuỳ thuộc và kích cỡ trạm và loại hình thông tin đợc truyền cũng nh xử lý (
thoại, hình ảnh hoặc dữ liệu ). Có thể có trạm mặt đất vừa thu vừa phát cũng có
loại trạm mặt đất chỉ làm nhiệm vụ thu (ví dụ trạm TVRO Television Receiver
Only ). Các trạm mặt đất lớn đợc trang bị anten có đờng kính 30-40 m, trong
khi đó các trạm mặt đất loại nhỏ chỉ dùng anten đờng kính 60 cm hoặc thậm
trí có thể nhỏ hơn ( các trạm di động, các máy cầm tay ). H 2.2 mô tả trạm mặt
đất đơn giản bao gồm cả thu và phát.
Đối với các trạm mặt đất cỡ lớn, do độ rộng của búp sóng chính của anten
rất hẹp cho nên trạm mặt đất cần phải có các thiết bị bám vệ tinh để đảm bảo
chất lợng đờng truyền ( trục anten hớng đúng vệ tinh ).
Sinh viên thực hiện : Trần Văn Quý
16

Xem chi tiết: Thông tin vệ tinh