Tóm tắt nội dung của đề tài: Đề tài sẽ phân tích một số lý thuyết cơ sở liên quan đến quỹ đạo đồng bộ mặttrời, các tham số Kepler của quỹ đạo vệ tinh phục vụ mô phỏng, thông tin định dạn
Trang 1Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp cơ sở 2021
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
TRUNG TÂM VŨ TRỤ VIỆT NAM
BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Trang 2Mục Lục
I Mở đầu: 2
I.1 Lý do chọn đề tài: 2
I.4 Kết quả đạt được: 3
II Nội dung đề tài 3
1 Một số lý thuyết cơ sở 5
1.1.1 Quỹ đạo đồng bộ Mặt trời 5
1.1.2 Các tham số quỹ đạo vệ tinh 7
1.1.3 Kịch bản vận hành vệ tinh 9
2 Phương pháp mô phỏng ứng dụng STK 11
2.1.1 Phép mô phỏng quỹ đạo 12
2.1.2 Phép mô phỏng góc tới tia sáng mặt trời 14
III Một số kết quả áp dụng thực tế: 15
IV Kết luận: 15
TÀI LIỆU THAM KHẢO: 16
Trang 3Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp cơ sở 201
I.2 Mục tiêu của đề tài
Đề tài sẽ tập trung xây dựn các phương pháp để tính toán các tham số chủ chốt Cáctham số này bao gồm:
I.3 Tóm tắt nội dung của đề tài:
Đề tài sẽ phân tích một số lý thuyết cơ sở liên quan đến quỹ đạo đồng bộ mặttrời, các tham số Kepler của quỹ đạo vệ tinh phục vụ mô phỏng, thông tin định dạnghai dòng (two line element -TLE) thể hiện quỹ đạo vệ tinh Bên cạnh đó Phươngpháp chung để xây dựng kịch bản hoạt động vệ tinh cũng sẽ được trình bày để cungcấp cái nhìn tổng quan về việc STK có thể đóng góp trong giai đoạn nào của cả quátrình xây dựng kịch bản hoạt động của vệ tinh
Chủ nhiệm đề tài: - Phòng
2
Trang 4Cuối cùng, báo cáo sẽ đưa ra một số ứng dụng chi tiết của STK và kết quả môphỏng đi kèm.
I.4 Kết quả đạt được:
II Nội dung đề tài
Trong các trường hợp chung, khi nhận được yêu cầu của người dùng về vùng quansát, người vận hành thường phải đánh giá yếu tố ràng buộc sau đây theo thứ tự ưutiên:
Mức xả pin (DOD - Depth of Discharge), mặt trời sẽ hoạt động khác nhau
tùy thuộc vào từng thời điểm trong năm, đặc biệt trong các ngày đông chí, hạ chí, thuphân và xuân phân Từ đó dẫn đến việc công suất của tấm pin mặt trời giảm xuống vàkết quả là số lần quan sát giảm xuống so với thông thường Việc đánh giá công suấtcủa pin tại các thời điểm mặt trời gần nhất và xa nhất trong năm có thể thực hiệnbằng phần mềm STK
Số lần quan sát trung bình mỗi ngày: con số này thay đổi tùy thuộc vào từng
vệ tinh như đặc trưng quỹ đạo, vị trí quan sát, lượng lệnh và dữ liệu giám sát cần traođổi cho mỗi lần vận hành Nhìn chung, tham số này cũng có thể đánh giá bằng STK
Giới hạn cực đại cho một lần quan sát trên mỗi vệt quỹ đạo: thông thường,
tham số này là cố định do chu kỳ quỹ đạo không đổi và thời gian cần thiết trung bình
để vận hành vệ tinh cũng không đổi Với trường hợp của LOTUSat là 120 giây Vìvậy, nếu thực hiện các phép quan sát trong 1 vệt quỹ đạo, thời gian quan sát nên dưới120s
Giới hạn cực đại số lần quan sát liên tục: tham số này chủ yếu phụ thuộc vào đặc trưng phần cứng của vệ tinh Với vệ tinh LOTUSat-1, vệt chụp dài nhất là 800km tương ứng với 79 lần chụp liên tiếp cho chế độ stripmap và 17 lần chụp liên tiếp cho chế độ ScanSAR.
Thời gian giữa hai lần quan sát liên tiếp: được định nghĩa là thời gian tính từ
lúc kết thúc lần quan sát trước đến lúc bắt đầu lần quan sát tiếp theo Tham số nàyđược tính toán dựa trên đặc trưng quỹ đạo và thông số phần cứng nhiệm vụ
Trang 5Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp cơ sở 201
Thời gian bảo trì vệ tinh và thời gian bảo trì trạm mặt đất: vệ tinh và trạm
mặt đất sẽ cần được đánh giá định kì để giảm thiểu các rủi ro đến mức thấp nhất Nếuthời gian bảo trì này trùng với các vệt quỹ đạo có thể quan sát được, số lần sẽ quansát sẽ giảm xuống
Góc lệch hướng nadir (off-nadir angle): được định nghĩa là góc tạo bởi
đường thẳng nối từ vệ tinh tới tâm trái đất và trục quang học (hình 1) Với các vệ tinhquan sát trái đất, đặc biệt là vệ tinh sử dụng radar khẩu độ tổng hợp SAR, góc off-nadir ảnh hưởng rất nhiều đến độ phân giải của ảnh Công thức 1.1 [1] cho thấy sựtương quan giữa độ sáng của ảnh và góc off-nadir Trong đó, độ sáng của ảnh được
tăng ích của ăng ten lại là một hàm biến thiên theo góc off-nadir Các tính toán vềgóc off-nadir cho phép người vận hành đánh giá các vệt quỹ đạo có thể thực hiệnchụp ảnh
Hình 1 Định nghĩa góc off-nadir
(1.1)
Có thể nhận thấy, các điều kiện ràng buộc cần đánh giá khi xây dựng kịch bản
vệ tinh dù có thể được tính toán trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các kết quả môphỏng quỹ đạo bằng phần mềm STK
Chủ nhiệm đề tài: - Phòng
4
Trang 61 Một số lý thuyết cơ sở
1.1.1 Quỹ đạo đồng bộ Mặt trời
Với quỹ đạo đồng bộ mặt trời, vệ tinh di chuyển theo hướng từ bắc xuống nam vàngược lại nhiều hơn là từ đông sang tây Trong đó vệ tinh sẽ di chuyển qua lại giữahai đỉnh cực của trái đất việc di chuyển này đồng bộ với mặt trời, điều này có nghĩa là
vệ tinh luôn luôn ở một vị trí “cố định” so với mặt trời do đó vệ tinh luôn đi qua mộtđiểm tại một thời điểm cố định (theo giờ địa phương) Ví dụ vệ tinh luôn đi qua HàNội mỗi ngày vào 12 giờ trưa [2]
Trong quỹ đạo đồng bộ mặt trời, vệ tinh sẽ bay n vòng quay trái đất, chu kỳ của vệtinh là T = (24*60)/n phút Trái đất quay giữa hai chu kỳ được cho bởi 360 độ/năm
Do vệ tinh quỹ đạo SSO thường bay 12 đến 16 vòng mỗi ngày tùy thuộc vào độ cao,
do đó khoảng thời gian giữa mỗi chu kỳ là 1.5 đến 2 giờ và khoảng cách góc giữa haivệt quỹ đạo trên mặt đất (foot print) là khoảng 25 độ đến 30 độ
Quỹ đạo tròn đồng bộ mặt trời (SSO)
Vệt quỹ đạo (ground track) của quỹ đạo SSO luôn đi qua một vị độ cho trước tạicùng một thời gian (theo giờ địa phương) Mỗi nhiệm vụ khác nhau được định nghĩadựa trên ‘Thời gian địa phương của nút lên’ LTAN (Thời gian đi qua đường xíchđạo) Do quỹ đạo này cho góc không đổi với mặt trời tại một thời điểm xác đinh, nênthích hợp cho vệ tinh viễn thám chụp ảnh quang học sử dụng ánh sáng mặt trời
Như trong hình 2 mặt phẳng quỹ đạo sẽ xoay một lần trong một năm, tốc độ xoaycủa mặt phẳng quỹ đạo được tính toán bởi:
Trang 7Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp cơ sở 201
Chu kỳ lặp lại của quỹ đạo của vệ tinh SSO là chu kỳ mà vệt quỹ đạo vệ tinh sẽlặp lại trên bề mặt trái đất Tần số quỹ đạo theo ngày v là đại lượng được tính theocông thức:
Trong đó C số ngày mà vệt quỹ đạo vệ tinh sẽ lặp lại, sau N = v.C vòng quỹ đạo,
vệ quỹ đạo sẽ được lặp lại (ν0, D, C) Việc lựa chọn (ν0, D, C) sẽ giúp tính ra được
Quỹ đạo đồng bộ mặt trời bình minh/ hoàng hôn
Quỹ đạo vệ tinh đồng bộ mặt trời bình minh/ hoàng hôn
Quỹ đạo bình minh hoàng hôn là một trường hợp đặc biệt của quỹ đạo đồng bộ mặttrời SSO, tại đó khoảng thời gian trung bình vệ tinh đi qua vĩ độ xích đạo là khoảngthời gian mặt trời mọc và mặt trời lăn Do đó vệ tinh luôn đi qua đường tiếp tuyếngiữa ngày và đêm Đi trên đường tiếp tuyến là rất hữu ích cho các vệ tinh SAR radar,
do các tấm năng lượng mặt trời luôn nhìn/thu được năng lượng từ mặt trời mà không
bị che phủ bởi trái đất (vê tinh đi qua vùng tối) Quỹ đạo này cũng rất hữu ích cho các
vệ tinh có payload/camera không phụ thuộc hoặc cần tránh ảnh hưởng của mặt trời,khi luôn trỏ camera/thiết bị thụ động vào phần ban đêm của trái đất Quỹ đạo bìnhminh/hoàng hôn thường được sử dụng cho các vệ tinh khoa học SAR do chúng luônnhìn thấy mặt trời [3]
1.1.2 Các tham số quỹ đạo vệ tinh
Các tham số quỹ đạo vệ tinh là các tham số được sử dụng để xác định vị trí/ quỹđạo duy nhất của một đối tượng bay ngoài không gian quanh trái đất Trong quỹ đạothực tế, các tham số này thay đổi theo thời gian do sự nhiễu loạn của lực hấp dẫn từcác đối tượng khác (trái đất, mặt trăng, mặt trời…) lên đối tượng đang quan sát Một
Chủ nhiệm đề tài: - Phòng
6
Trang 8quỹ đạo được tính toán dự trên các tham số Kepler là một sự xấp xỉ toán học mà kết quả là vị trí của vật thể tại một thời điểm cụ thể ngoài không gian [4].
Các tham số quỹ đạo theo Kepler
Các tham số Kepler được thể hiện như trong hình 3 bao gồm 6 tham số chính:
Thời gian kỷ nguyên “Epoch time”
Góc nghiêng - “Inclination” ("I0")
Góc lên đúng của nút lên - “Right Ascension of Ascending Node” ( "RAAN“)
- ("RAAN"; O0) có giá trị 0 -3600
hướng từ Nam lên Bắc
- Đối của cận điểm – “Argument of Perigee” ("ARGP“)
Độ lệch tâm – “Eccentricity” ("ecce" or "E0" or "e")
- Có giá trị 0 <= e < 1
Trang 9Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp cơ sở 201
- e=0 : quĩ đạo tròn
Chuyển động trung bình – “Mean Motion”
- Có giá trị 0 – 3600 (cũng có thể chia thành 256)
- Vị trí chính xác của vệ tinh tại thời điểm khảo sát (Epoch time)
Lực kéo khí quyển – Drag or Decay Rate ( "N1")
- Có giá trị ≈ 10-4 (LEO), và ≈ 10-7 (tầng cao hơn)
Các tham số quỹ đạo Kepler thể hiện trong thông tin 2 dòng (TLE)
Các tham số quỹ đạo Kepler được thể hiện qua dạng thông tin 2 dòng (TLE) là cáctham số đầu vào cho các phép mô phỏng quỹ đạo vệ tinh
1.1.3 Kịch bản vận hành vệ tinh
Phương pháp xây dựng kịch bản vận hành vệ tinh và cách thức thực hiện kịchbản trong thực tế có thể thay đổi tùy thuộc từng loại vệ tinh khác nhau Nhưng nhìnchung, một kịch bản vận hành vệ tinh thường phải đầy đủ các thông tin như bảng 1
Bảng 1 Nội dung chính của một kịch bản vận hành vệ tinh
Chủ nhiệm đề tài: - Phòng
8
Trang 10Mã kịch bản NDS-xx-x (ví dụ)
thảm họa
Như đã đề cập ở mục 1, để có thể có được kịch bản này cần phải đánh giá các điềukiện ràng buộc Nhiều điều kiện ràng buộc có thể đánh giá trực tiếp từ kết quả môphỏng quỹ đạo của phần mềm STK, một số có thể sử dụng kết quả mô phỏng củaSTK như tham số đầu vào các mô hình toán khác để đưa ra đánh giá cuối cùng Cácphương pháp ứng dụng sẽ được đề cập dưới đây dựa trên các bước xây dựng kịch bảnvận hành vệ tinh
Để xây dựng được một kịch bản vận hành vệ tinh thông thường cần thực hiện cácbước chính như dưới đây Cần phân biệt rõ, vệ tinh sẽ có một kế hoạch hoạt độngđịnh kì, căn cứ trên thời gian lặp lại (revisit time) (hình …) Trong kế hoạch chungnày, sẽ có các khoảng thời gian (time slot) để thực hiện nhiệm vụ, hay thực hiện bảotrì hệ thống… Nếu không có yêu cầu mới hay khẩn cấp, vệ tinh sẽ chỉ hoạt động theo
kế hoạch định kỳ Trong khuôn khổ đề tài này, kịch bản vận hành vệ tinh được xâydựng cho khoảng thời gian dùng để thực hiện nhiệm vụ
Bước 1: Nhận yêu cầu và phân tích yêu cầu người dùng Đánh giá yêu cầu về đối
tượng cần phân tích để đưa ra dải góc off-nadir
Bước 2: Căn cứ vào mô phỏng vệt quỹ đạo của STK và đặc trưng của vệ tinh để đưa
ra thời gian ngắn nhất giữa hai lần chụp liên tiếp và thời gian tối đa cho một lần chụp,cũng như thời gian lặp lại (revisit time)
Trang 11Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp cơ sở 201
Bước 3: Dựa trên kết quả ở bước 1 và bước 2, cùng với kích thước vùng chụp yêu
cầu, và kết quả mô phỏng góc off-nadir từ STK để đưa ra các tham số:
Trong phép mô phỏng này, cần cung cấp tham số về mô hình 3D và tư thế của vệtinh
Bước 4: Sử dụng kết quả ở bước 3, kết hợp với kết quả STK mô phỏng góc tới của
tia sáng mặt trời với tấm pin năng lượng mặt trời của vệ tinh Từ đó, đánh giá đượcthực hiện yêu cầu chụp ảnh này có ảnh hưởng gì đến phân hệ nguồn của vệ tinh haycác kế hoạch vận hành định kỳ sau này hay không Trong phép mô phỏng này, có thể
sẽ cần tham số về mô hình 3D và tư thế của vệ tinh
Bước 5: Sử dụng kết quả ở bước 4, nếu kết quả đánh giá là không có ảnh hưởng, tiến
hành lập SOP (satellite operation process) SOP thông thường bao gồm các uplinkcommand và các điều kiện đặt ra với dữ liệu giám sát telemetry trả về SOP cần baogồm cả mốc thời gian để đảm bảo tính kịp thời và chính xác của lệnh điều khiển.Việc tính toán các tham số đầu vào cho uplink command sẽ không nằm trong nộidung của đề tài này
2 Phương pháp mô phỏng ứng dụng STK
Như đã đề cập ở mục 1.3, có thể chia các phép mô phỏng với STK làm hai loại
Phép mô phỏng không cần sử dụng mô hình 3D, giả sử vệ tinh là một khối đồng nhấtvới ăng ten bên trên, và tư thế vệ tinh là cố định Thông thường, tư thế vệ tinh sẽđược giả sử là đang chỉ hướng nadir hoặc chỉ vào trạm mặt đất Phép mô phỏngnày thường được dùng để đánh giá vệt quỹ đạo, thời gian liên lạc tối đa với trạmmặt đất
Phép mô phỏng cần sử dụng mô hình 3D, các thông tin liên quan đến xác định vàđiều khiển tư thế vệ tinh Các phép mô phỏng này bao gồm mô phỏng góc tới củatia sáng mặt trời với tấm pin mặt trời, mô phỏng góc off-nadir
Đề tài sẽ tập trung vào hai phép mô phỏng quỹ đạo và mô phỏng góc tới của tia sáng mặt trời với tấm pin mặt trời
Chủ nhiệm đề tài: - Phòng
10
Trang 122.1.1 Phép mô phỏng quỹ đạo
Bước 1: Khởi tạo vùng quan sát
Vùng diện tích muốn quan sát được nhập vào phần mềm STK với các tọa độ nhưtrong hình 3 với kinh độ và vị độ:
(lat, long): (24, 101), (24, 118), (8, 118), (8, 101)
Các tọa độ này tạo nên vùng diện tích muốn quan sát bao gồm toàn bộ diện tíchlãnh thổ nước Việt Nam và toàn bộ biển đông với tổng diện tích là 3.22*10^6 km2.Các phần tiếp theo của chuyên đề sẽ thực hiện mô phỏng vệ tinh, đánh giá khả năngquan sát của các vệ tinh này (ở các loại quỹ đạo khác nhau) cho vùng diện tích muốnphân tích như thiết lập như trong hình 6
Phần diện tich để giá khả năng quan sát của vệ tinh SSO
Phần diện tích muốn quan sát như đường mầu trắng trong hình 7 sẽ được chiathành các vùng diện tích nhỏ hơn cách nhau 0.1 deg (càng giảm thì vùng diện tíchchia ra càng nhỏ và càng yêu cầu tài nguyên máy tính lớn hơn Dựa trên góc mở củacamera và diện tích Viet Nam, chuyên đề chọn tham số này là 0.1 độ) Thời gian lặplại (revisit time) của vệ tinh sẽ được thể hiện trong các phần diện tích nhỏ hơn này.Thông qua đó nhà phân tích có thể đánh giá được toàn cảnh khả năng phủ của vệ tinhcho tất vùng diện tích muốn quan sát cũng như từng phần diện tích nhỏ bên trong
Trang 13Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp cơ sở 201
Phần diện tích muốn phân tích được chia ra theo 0.1 deg
Bước 2: Khởi tạo vệ tinh thông qua TLE
Các tham số chính cho mô phỏng vệ tinh ở SSO:
Góc nghiêng (Inclination): 97.0346 deg
Độ cao (Altitude): 500 km
LTAN (Local Time of Ascending Node): 9h30 và 10h30
Camera quang học : chụp ảnh từ 9h đến 11h và từ 13h đến 15h
Góc ngẩng tối thiểu của ăng ten trạm mặt đất: 5 độ
Bước 3: khởi tạo trạm mặt đất Với trạm mặt đất, tập trung vào 3 tham số chính là độ cao so với mực nước biển, tọa độ và góc mở ăng ten
Bước 4: Chạy mô phỏng và tổng hợp kết quả, các kết quả mô phỏng được thể hiện trong hình 8 bao gồm:
Các vệt quỹ đạo vệ tinh có thể quan sát được vùng yêu cầu quan sát
Các vệt quỹ đạo vệ tinh có thể liên lạc với trạm mặt đất
Thời gian trung bình liên lạc giữa trạm mặt đất và vệ tinh
Chủ nhiệm đề tài: - Phòng
12
Trang 14Kết quả mô phỏng cho thấy các vệt quỹ đạo có thể liên lạc với trạm mặt đất.
2.1.2 Phép mô phỏng góc tới tia sáng mặt trời
Do phép mô phỏng này cần phải xây dựng và chuyển đổi mô hình 3D vệ tinh
từ dạng bản vẽ CAD sang dạng file *.sa của phần mềm STK, nên đề tài sẽ sử dụngmột mô hình có sẵn của vệ tinh AQUA 27424 trong hình 8
Kịch bản mô phỏng sẽ được tiến hành trong 1 năm, từ 31/10/2021 đến1/11/2022 Các thời điểm chính được xét đến là xuân phân, thu phân, đông chí và hạchí, do đây là các thời điểm mặt trời xa nhất/ gần nhất so với Trái Đất
Mô hình vệ tinh AQUA trong mô phỏng
Kết quả mô phỏng góc tới của tia sáng mặt trời được thể hiện trong bảng 2
Bảng 2 Kết quả mô phỏng góc tới mặt trời.
trời (Deg)
Trang 15Báo cáo Đề tài nghiên cứu cấp cơ sở 201
Trong các nghiên cứu tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ tìm hiểu cách xây dựng
mô hình vệ tinh 3D có thể sử dụng cho phần mềm STK và thực hiện một số môphỏng phức tạp hơn như kết hợp giữa vệt quét của SAR với mô hình 3D để đánh giágóc off-nadir khả thi
TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1] Small, David & Jehle, Michael & Meier, Erich & Nüesch, Daniel (2004)
“Radiometric terrain correction incorporating local antenna gain.”
Chủ nhiệm đề tài: - Phòng
14
Trang 16[2]https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2020/03/Polar_and_Sun-synchronous_orbit
[3] "Types of Orbits" marine.rutgers.edu Retrieved 2017-06-24.
[4] https://help.agi.com/stk/11.0.1/Content/cov/fom-05.htm
