Đề cương thông tin vệ tinh (lý thuyết + bài tập)

Đề cương thông tin vệ tinh (lý thuyết + bài tập)

Hướng dẫn ôn tập môn: Thông tin vệ tinh

1 Lý thuyết:

- Chương 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh:

+ Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin vệ tinh;

+ Phân bổ tần số cho hệ thống thông tin vệ tinh

- Chương 2: Quỹ đạo vệ tinh

+ Các định luật Keppler + Các dạng quỹ đạo vệ tinh: đặc điểm, thông số…

- Chương 5: Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh:

+ Phân hệ điều khiển tư thế của vệ tinh + Phân hệ đo bám và điều khiển từ xa

+ Bộ phát đáp vệ tinh: sơ đồ khối, chức năng các phần tử của bộ phát đáp

- Chương 8: Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin vệ tinh

+ Đa truy nhập phân chia theo tần số: FDMA (nguyên lý, đặc điểm) + Đa truy nhập phân chia theo thời gian: TDMA (nguyên lý, đặc điểm; cấu trúc khung và cụm)

- Vùng phủ sóng rộng, do quỹ đạo của các vệ tinh có độ cao lớn so vs trái đất, các

vệ tinh có thể nhìn thấy 1 vùng rộng của trái đất

- Dung lượng thông tin lớn, do sd băng tần công tác rộng và kỹ thuật đa truy nhập cho phép đạt dụng lượng lớn trong tg ngắn mà ít loại hình thông tin khác có thể đạt đc

- Độ tin cậy và chất lượng thông tin cao, do liêc lạc trực tiếp giữa vệ tinh và trạm mặt đất, xác suất hư hỏng trên tuyến liên lạc rất thấp, ảnh hưởng do nhiễu và khí quyển

- Đầu tư ban đầu cao

- Thời gian làm việc tương đối ngắn (7 – 10 năm)

- Có 1 số giới hạn sd như: quỹ đạo, phân chia tần số, công suất bức xạ,…

- Khả năng truy cập tới người sd đôi khi gặp khó khăn về kỹ thuật hoặc những nguyên nhân khác

- Khó khăn hoặc chi phí rất tốn kém cho bảo dưỡng

- Phụ thuộc thiết bị phóng

Câu 2 Phân bổ tần số cho hệ thống TTVT

Mục đích:

 Nhằm hạn chế can nhiễu lẫn nhau giữa các vệ tinh và vs các trạm, đài phát sóng

 Giới hạn của dải phổ làm việc

Thủ tục: Thường được tiến hành trước khi phóng 5 năm

 Căn cứ vào nhiệm vụ, yêu cầu của vệ tinh, lựa chọn băng tần làm việc

 Lựa chọn các tần số riêng biệt khác (up/downlink)

 Làm thủ tục đăng ký vs ủy ban q.lý tần số quốc tế (IFRB) thuộc hiệp hội viễn thông q.tế (ITU)- cấp chính phủ

 ITU chấp nhận và phân bổ tần số

Chia vùng: để tiện cho việc quy hoạch tần số, toàn thế giới đc chia thành 3 vùng

 Vùng 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên Xô cũ và Mông Cổ

 Vùng 2: Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Đảo Xanh

 Vùng 3: Châu Á (trừ vùng1), Úc và tây nam Thái Bình Dương

Trong các vùng này băng tần được phân bổ cho các dịch vụ vệ tinh khác nhau, mặc dù một dịch vụ có thể được cấp phát các băng tần khác nhau ở các vùng khác nhau.Các dịch vụ do vệ tinh cung cấp bao gồm:

 Các dịch vụ vệ tinh cố định (FSS)

 Các dịch vụ vệ tinh quảng bá (BSS)

 Các dịch vụ vệ tinh di động (MSS)

 Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng

 Các dịch vụ vệ tinh khí tượng

Từng phân loại trên lại được chia thành các phân nhóm dịch vụ; chẳng hạn dịch vụ

vệ tinh cố định cung cấp các đường truyền cho các mạng điện thoại hiện có cũng như các tín hiệu truyền hình cho các hãng TV cáp để phân phối trên các hệ thống cáp Các dịch vụ

vệ tinh quảng bá có mục đích chủ yếu phát quảng bá trực tiếp đến gia đình và đôi khi được gọi là vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS:direct broadcast setellite), ở Châu Âu gọi là dịch vụ trực tiếp đến nhà (DTH: direct to home) Các dịch vụ vệ tinh di động bao gồm: di động mặt đất, di động trên biển và di động trên máy bay Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng bao gồm các hệ thống định vị toàn cầu và các vệ tinh cho các dịch vụ khí tượng thường cung cấp cả dịch vụ tìm kiếm và cứu hộ

Một số băng tần sd chung cho các dịch vụ vệ tinh:

Dải tần, GHz Ký hiệu băng tần

 Băng Ku sd cho: Các vệ tinh quảng bá trực tiếp (dải thường đc sd là vào khoảng 12 đến 14 GHz và đc ký hiệu là 14/12 GHz); một số dịch vụ vệ tinh

cố định

 Băng C sd cho: Các dịch vụ vệ tinh cố định (dải con đc sd rộng rãi nhất là vào khoảng từ 4-6 GHz, đc ký hiệu là 6/4 GHz); các dịch vụ quảng bá trực tiếp ko đc sd băng này

 Băng VHF sd cho 1 số dịch vụ di động và đạo hàng và để truyền số liệu từ các vệ tinh thời tiết

 Băng L sd cho các dịch vụ di động và các hệ thống đạo

Câu 3 Các định luật Kepler

1 Định luật Kepler thứ nhất: Đường cđg của 1 vệ tinh xung quanh vật thể sơ cấp sẽ là

một hình elip

Hình 2.1 Các tiêu điểm F1, F2, bán trục chính a và bán trục phụ b đối vs 1 elip

Tâm khối lượng của hệ thống 2 vật thể này đc gọi là tâm bary luôn luôn nằm tại 1 trong 2 tiêu điểm

Bán trục chính của elip ký hiệu là a, bán trục phụ là b Độ lệch tâm e đc xđ:

Độ lệch tâm và bán trục chính là 2 thông số để xđ các vệ tinh quay quanh trái đất: 0<e<1

đv 1 quỹ đạo vệ tinh; khi e=0 quỹ đạo trở thành đường tròn

2 Định luật Kepler thứ 2: Trong các khoảng tg bằng nhau, vệ tinh sẽ quét các diện tích

bằng nhau trong mặt phẳng quỹ đạo của nó vs tiêu điểm tại tâm bary

Đối vs các vệ tinh nhân tạo bay quanh quả đất, ta có:

Trong đó, n là chuyển động trung bình của vệ tinh(rad/s) μ là hằng số hấp dẫn địa tâm quả đất; µ = 3,986005×1014m3/sec2 chu kỳ quỹ đạo đo bằng giây:

Câu 4: Các thuật ngữ của quỹ đạo vệ tinh

Viễn điểm (Apogee) Điểm xa quả đất nhất Độ cao viễn điểm được ký hiệu là ha

Cận điểm (Perigee) Điểm gần quả đất nhất Độ cao của điểm này được ký hiệu là hp Đường nối các điểm cực (Line of apsides) Đường nối viễn điểm và cận điểm qua tâm

trái đất (La)

Nút lên (Ascending) Điểm cắt giữa mặt phẳng quỹ đạo và xích đạo nơi mà vệ tinh

chuyển từ Nam sang Bắc

Nút xuống (Descending) Điểm cắt giữa mặt phẳng quỹ đạo và xích đạo nơi mà vệ tinh

chuyển động từ Bắc sang Nam

Đường các nút (Line of nodes) Đường nối các nút lên và nút xuống qua tâm quả đất Góc nghiêng (Inclination) Góc giữa mặt phẳng quỹ đạo và mặt phẳng xich đạo,kí hiệu

i

Quỹ đạo đồng hướng (Prograde Orbit)) Quỹ đạo mà ở đó vệ tinh chuyển động cùng

với chiều quay của quả đất, i=0 đến 90 độ

Quỹ đạo ngược hướng (Retrograde Orbit) Quỹ đạo mà ở đó vệ tinh chuyển động

ngược với chiều quay của quả đất Góc nghiêng của quỹ đạo ngược hướng nằm trong dải

từ 900 đến 1800

Agumen cận điểm (Argument of Perigee) Góc từ nút xuống đến cận điểm được đo

trong mặt phẳng quỹ đạo tại tâm quả đất theo hướng chuyển động của vệ tinh, góc này được ký hiệu là ω

Câu 5 Các dạng quỹ đạo vệ tinh: đặc điểm, tham số

Phân loại theo tính chất:

 Quỹ đạo địa tĩnh

 Quỹ đạo nghiêng elip

 Quỹ đạo đồng bộ mặt trời

 Quỹ đạo bán đồng bộ

Phân loại theo độ cao:

 GSO: quỹ đạo địa tĩnh

 MEO: quỹ đạo trung

 LEO: quỹ đạo thấp

 HEO: quỹ đạo elip cao

1 Quỹ đạo thấp LEO: quỹ đạo có các chòm vệ tinh TTDĐ là những LEO có mặt phẳng

quỹ đạo nằm nghiêng (độ nghiêng phụ thuộc vào nhiệm vụ của vệ tinh, nhưng càng gần

900 thì vùng bao phủ càng lớn)

2 Quỹ đạo trung gian MEO: ở độ cao 10000 – 20000 km Ở độ cao này, chỉ cần 10 vệ

tinh là phủ sóng toàn cầu, trong khi ở quỹ đạo thấp phải hàng tá, có khi phải mấy trăm quả So vs vệ tinh địa tĩnh, vệ tinh MEO cho chất lượng truyền thông tốt hơn (ít tiếng vọng hơn, tg trễ ngắn hơn), dùng ít c/s hơn để truyền tin

3 Quỹ đạo elip cao HEO: vệ tinh thông tin cho những vùng vĩ độ cao phải dùng quỹ đạo

elip cao Vệ tinh Molnva của LX cũ, vs cận điểm ở 400 – 600 km trên nam bán cầu và viễn điểm ở 40000 km trên bắc bán cầu, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 630, cky T = 12h Mỗi vệ tinh bay ở phần trên của quỹ đạo trong 2/3T ở trong tầm nhìn của phần lớn bán cầu bắc Để thông tin 24/24h, cần có 3 vệ tinh bố trí cách đều nhau trên cùng 1 quỹ đạo

4 Quỹ đạo địa tĩnh: một vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh sẽ trở nên bất động so vs mặt đất vì

thế nó đc gọi là vệ tinh địa tĩnh

Điều kiện để quỹ đạo là địa tĩnh:

 Vệ tinh phải quay theo hướng đông vs tốc độ quay = tốc độ quay của quả đất

 Quỹ đạo là đg tròn

 Góc ngiêng i = 0

 Bán kính quỹ đạo aGSO = 42164km

 Độ cao quỹ đạo địa tĩnh:

(aE: bán kính xích đạo của trái đất = 6387 km)

Các thông số cho quỹ đạo địa tĩnh:

Góc nhìn của anten: góc phương vị AZ và góc ngẩng EL

Ba thông số xđ góc nhìn: Vĩ độ trạm mặt đất E

Kinh độ trạm mặt đất E Kinh độ vệ tinh SS Quy định: các vĩ độ bắc là các góc dương, các vĩ độ nam là các góc âm Các kinh độ đông

là các góc dương và các kinh độ tây là các góc âm

Thống số về tam giác cầu: a = 900, c = 900 - E, B = E - SS

Quy tắc Napier: b = arcos (cosB.cosE)

Trạm mặt đất nằm ở phía tây điểm dưới vệ tinh B<0

Trạm mặt đất nằm ở phía đông điểm dưới vệ tinh B>0

Vĩ độ trạm mặt đất là bắc, c < 900

Vĩ độ trạm mặt đất là nam, c>900

3 1

sin sin arcsin

Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh:

Góc ngẩng:

Góc giới hạn tầm nhìn:

Câu 6 Phân hệ điều khiển tư thế của vệ tinh

Ổn định trạm (điều khiển tư thế) giữ cho các anten vệ tinh chiếu ổn định trên mặt đất đúng vào vùng thông tin, góc lệch cho phép nằm trong 0,10

hoặc 0,050 Điều khiển tư thế của vệ tinh bao gồm:

 Xác định tư thế hiện thời

 Xác định sai lệch giữa tư thế hiện thời và tư thế mong muốn

 Tạo ra các moment để giảm thiểu sai lệch

Mục đích của điều khiển tư thế:

 Trong qt điều khiển và duy trì quỹ đạo, tư thế của vệ tinh phải đc trỏ và duy trì hướng xác định

 Một vệ tinh ổn định tự quay đc thiết kế để giữ trục quay của nó trỏ đến một vài hướng đặc biệt nào đó trong kg

 Một vệ tinh ổn định 3 trục hướng trái đất phải giữ ba trục của nó càng tiệm cận ba trục của hệ toạ độ quỹ đạo, điều này có ý nghĩa đối với hầu hết các vệ tinh truyền thông

 Trong các vệ tinh thăm dò trái đất, hệ điều khiển tư thế của vệ tinh cho phép các payload bám đến các mục tiêu xác định trên mặt đất

 Một vệ tinh khoa học quan sát bầu trời phải di chuyển các thiết bị quang học của

nó đến các ngôi sao trong vũ trụ với một vài thành phần của c.đg góc

Câu 7 Phân hệ đo bám và điều khiển từ xa

Phân hệ TT & C (Teclemetry Tracking and Command - Đo bám và điều khiển từ xa) thực hiện 1 số chức năng thường xuyên trên vệ tinh Chức năng đo từ xa có thể hiểu như

là đo trên 1 cự ly xa Chẳng hạn tạo ra 1 tín hiệu điện tỷ lệ với chất lượng đo, mã hoá và phát nó đến trạm xa (trạm mặt đất) Dữ liệu trong tín hiệu đo từ xa có cả thông tin độ cao nhận được từ các bộ cảm biến mặt trời và mặt đất, thông tin môi trường như cường độ từ trường và phương, tần suất ảnh hưởng của các thiên thạch và các thông tin về tàu vũ trụ như: nhiệt độ, điện áp nguồn, áp suất nhiên liệu

Lệnh điều khiển: các số liệu lệnh điều khiển vệ tinh từ trạm mặt đất

Có thể coi đo từ xa và điều khiển là các chức năng bù lẫn cho nhau Phân hệ đo từ xa phát thông tin về vệ tinh đến trạm mặt đất, còn phân hệ điều khiển thu các tín hiệu, thường là trả lời cho thông tin đo từ xa Phân hệ điều khiển giải điều chế và khi cần thiết giải mã các tín hiệu điều khiển rồi chuyển chúng đến thiết bị thích hợp để thực hiện hành động cần thiết Vì thế có thể thay đổi độ cao, đấu thêm hoặc cắt bớt các kênh, định hướng lại anten hoặc duy trì quỹ đạo (maneuvers) theo lệnh từ mặt đất Để tránh thu và giải mã các lệnh giả, các tín hiệu điều khiển được mật mã hoá

 Bám đặc biệt q.trọng trong các gđ chuyển và dịch quỹ đạo của qt phóng vệ tinh

 Khi vệ tinh đã ổn định, vị trí của vệ tinh địa tĩnh có xu thế bị dịch do các lực nhiễu khác nhau, cần bám theo sự xê dịch của vệ tinh và phát đi các tín hiệu hiệu chỉnh tương ứng

 Các hải đăng bám có thể đc phát trong kênh đo từ xa hay bằng các sóng mang hoa tiêu tại các tần số trong 1 số các kênh thông tin chính hay bởi các anten bám đặc biệt

Câu 8 Bộ phát đáp vệ tinh: sơ đồ khối, chức năng các phần tử của bộ phát đáp

Bộ phát đáp bao gồm tập hợp các khối nối với nhau để tạo nên một kênh thông tin duy nhất giữa anten thu và anten phát trên vệ tinh thông tin

Các bộ phát đáp lắp trên vệ tinh có chức năng tương tự như các bộ phát đáp trên mặt đất, nhưng y/c có độ tin cậy rất cao, trọng lượng nhỏ và tiêu thụ ít năng lượng

Chức năng chính của bộ phát đáp là thu sóng vô tuyến từ các trạm mặt đất, khuyếch đại và biến đổi tần số của chúng, rồi truyền chúng trở lại các trạm mặt đất

Phân loại:

 Bộ phát đáp đơn:

 Bộ phát đáp tái sinh:

Tổ chức tần số cho thông tin vệ tinh băng C:

- Băng thông ấn định cho dịch vụ băng C là 500 MHz và băng thông này được chia thành các băng con, mỗi băng con dành cho một bộ phát đáp Độ rộng băng tần thông thường của bộ phát đáp là 36 MHz với đoạn băng bảo vệ giữa các bộ phát đáp là 4MHz

Vì thế băng tần 500 MHz có thể đảm bảo cho 12 bộ phát đáp

- Bằng cách ly phân cực, ta có thể tăng số bộ phát đáp lên 2 lần Cách ly phân cực cho phép sd cùng một tần số nhưng với phân cực ngược chiều nhau cho 2 bộ phát đáp

- Biện pháp cách ly phân cực: Đối với phân cực tuyến tính, ta có thể cách ly phân cực bằng phân cực đứng và phân cực ngang Đối với phân cực tròn, cách lý phân cực nhận được bằng cách sử dụng phân cực tròn tay phải và phân cực tròn tay trái

- quy hoạch tần số và phân cực (tần số đo bằng MHz)

Hình 7.1 Quy hoạch tần số và phân cực

50036

- Tỏi sd tần số bằng cỏc anten bup hẹp, kết hợp vs tỏi sd theo phõn cực để cung cấp

độ rộng băng tần hiệu dụng 2000 MHz trờn cơ sở độ rộng thực tế 500 MHz

Cỏc kờnh của bộ phỏt đỏp vệ tinh (hỡnh 7.2):

Hỡnh 7.2 Cỏc kờnh của bộ phỏt đỏp vệ tinh

- Dải tần thu hay dải tần đg lờn là 5,925 đến 6,425 GHz Cỏc súng mang cú thể đc thu trờn 1 hay nhiều anten phõn cực

- Bộ lọc vào cho qua toàn bộ băng tần 500 MHz đến mỏy thu chung và loại bỏ tạp

õm cựng vs nhiễu ngoài băng

- Trong dải thụng 500 MHz này cú thể cú rất nhiều súng mang đc điều chế và tất

cả cỏc súng mang này đều đc khuếch đại, biến đổi tần số trong mỏy thu chung

- Biến đổi tần số chuyển cỏc súng mang này vào băng tần số đg xuống 3,7 đến 4,2 MHz vs độ rộng 500 MHz

- Sau đú cỏc tớn hiệu đc phõn kờnh vào cỏc độ rộng băng tần của từng bộ phỏt đỏp

Cõu 9: Sơ đồ khối mỏy thu vệ tinh, chức năng cỏc khối

Hỡnh 9.1 Sơ đồ khối của mỏy thu băng rộng vệ tinh

Máy thu dự phòng

Từ bộ lọc vào

Bộ tiền khuyếch đại Bộ trộn

Bộ giao động 2,225 GHz

Bộ khuyếch

đại

Đến bộ phân kênh

1,5dB 28,5 dB 23 dB 60 dB

Máy thu có dự phòng kép để đề phòng trường hợp sự cố Bình thường chỉ có máy thu công tác được sử dụng, khi có sự cố máy thu thứ hai được tự động chuyển vào thay thế Tầng đầu của máy thu là bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA:low noise amplifier) Bộ khuếch đại này chỉ gây thêm một ít tạp âm cho sóng mang được khuếch đại, nhưng vẫn đảm bảo đủ khuếch đại sóng mang để nó có thể vượt qua được mức tạp âm cao hơn trong tầng trộn tiếp sau

LNA tiếp tín hiệu cho một tầng trộn Tầng này cần có tín hiệu dao động nội để biến đổi tần số Công suất tín hiệu cấp từ bộ dao động nội cho đầu vào bộ trộn khoảng 10dBm Tần số của bộ dao động nội phải rất ổn định và có ít tạp âm Bộ khuếch đại thứ hai sau tầng trộn có nhiêm vụ đảm bảo hệ số khuếch đại vào khoảng 60 dB Các mức tín hiệu so với đầu vào trên hình vẽ được cho ở dB Sự phân chia khuếch đại tại 6GHz và 4GHz để tránh dao động xẩy ra nếu khuếch đại quá lớn trên cùng một tần số

Máy thu băng rộng chỉ sử dụng các thiết bị tích cực bán dẫn Trong một số thiết kế, các bộ khuếch đại diode tunnel được sử dụng cho tiền khuếch đại tại 6GHz trong các bộ phát đáp 6/4- GHz và cho các bộ khuếch đại thông số tại 14 GHz trong các bộ phát đáp 14/12-GHz Với sự tiến bộ của công nghệ Transitor trường (FET), cac bộ khuếch đại FET đảm bảo hiệu năng ngang bằng hoặc tốt hơn hiện đã được sử dụng trong cả hai băng tần Các tầng trộn diode được sử dụng Bộ khuếch đại sau bộ trộn có thể sử dụng các transistor tiếp giáp lưỡng cực (BJT) tại 4GHz và FET tại 12 GHz hay FET cho cả hai băng

Câu 10 Bộ phân kênh vào của bộ phát đáp

Chức năng

 Bộ phận kênh vào phân chia đầu vào băng rộng (3,7 – 4,2 MHz) thành các kênh tần số của bộ phát đáp

 Các kênh này thường đc tổ chức thành các nhóm số chẵn và số lẻ

 Mục đích: tăng thêm phân cách kênh và giảm nhiễu giữa các kênh lân cận trong một nhóm