nghiên cứu kỹ thuật điều khiển, vận hành, duy trì vị trí và tư thế của vệ tinh trên quĩ đạo địa tĩnh

Một tổ hợp các trạm mặt ñất và vệ tinh thông tin cùng làm việc ñể ñảm bảo thông tin gọi là hệ thống TTVT: Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống TTVT như hình 1.1 và gồm 2 phần chính: Phần không gi

Bộ giáo dục và đào tạo viện đại học mở hà nội

luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Nghiờn cứu kỹ thuật ủiều khiển, vận hành, duy trỡ vị trớ và tư thế của vệ

tinh trờn quĩ ủạo ủịa tĩnh

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 102

Người thực hiện: ðặng Quốc Chớnh

người hướng dẫn khoa học

ts Đặng hảI đăng

Hà Nội - Năm 2011

Bộ giáo dục và đào tạo viện đại học mở hà nội

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Tên đề tài:

Nghiờn cứu kỹ thuật ủiều khiển, vận hành, duy trỡ vị trớ và tư thế của vệ

tinh trờn quĩ ủạo ủịa tĩnh

Mã số: 102 Ngày giao đề tài luận văn:

Ngày hoàn thành luận văn:

MỤC LỤC

Trang

Mục lục

Danh mục các từ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ

MỞ ðẦU 1

Chương 1 THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Tổng quan về thông tin vệ tinh 2

1.1.1 Nguyên lý thông tin vệ tinh 2

1.1.2 Phân loại hệ thống TTVT 4

1.1.3 ðặc ñiểm của TTVT 4

1.2 Tạp âm và truyền sóng trong TTVT 6

1.2.1 Tạp âm trong hệ thống TTVT 6

1.2.2 Truyền sóng trong TTVT 10

1.3 Trạm mặt ñất 14

1.3.1.Cấu trúc của trạm mặt ñất 14

1.3.2 Anten trạm mặt ñất 16

1.3.3 Bộ khuếch ñại tạp âm nhỏ LNA 21

1.3.4 Bộ khuếch ñại công suất lớn HPA 22

1.4 ða truy nhập trong TTVT 23

1.4.1 ða truy nhập theo tần số FDMA 24

1.4.2 ða truy nhập theo thời gian (TDMA) 25

1.4.3 ða truy nhập phân chia theo mã CDMA 27

1.4.4 ða truy nhập theo yêu cầu DAMA 28

1.5 Vệ tinh thông tin 29

1.5.1 Cấu trúc vệ tinh thông tin 29

1.5.2 Hệ thống ñiều khiển tư thế và vị trí của vệ tinh 33

1.5.3 Hệ thống giám sát, ño xa và ñiều khiển-TT&C 35

1.5.4 Hệ thống cung cấp nguồn (EPS) 35

1.5.5 Hệ thống ñiều khiển nhiệt (TCS) 38

1.5.6 Phân hệ ñẩy 38

1.5.7 Hệ thống cấu trúc khung 39

1.6 Hệ thống ño xa, bám, ñiều khiển 39

Chương 2 CẤU HÌNH HỆ THỐNG VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC THIẾT BỊ TRẠM ðIỀU KHIỂN VỆ TINH 2.1 Sơ ñồ kết nối giữa các trạm ñiều khiển 40

2.2 Cấu hình hệ thống các thiết bị tại trạm ñiều khiển 41

2.2.1 Hệ thống thiết bị RF 43

2.2.2 Hệ thống thiết bị ñiều khiển Anten (ACU) 55

2.2.3 Hệ thống M&C 57

2.2.4 Hệ thống Intercom 59

2.2.5 Hệ thống tần số và thời gian chuẩn 60

2.2.6 Hệ thống thiết bị phân tích quĩ ñạo 60

2.2.7 Hệ thống thiết bị mô phỏng 61

2.2.8 Hệ thống cấp nguồn 62

2.2.9 Hệ thống làm lạnh HVAC 62

2.2.10 Hệ thống các thiết bị cảnh báo cháy 63

Chương 3 HOẠT ðỘNG XÁC ðỊNH, DUY TRÌ ỔN ðỊNH VỊ TRÍ VÀ TƯ THẾ 3.1 Quĩ ñạo vệ tinh và vị trí của vệ tinh trên quĩ ñạo ñịa tĩnh 64

3.2 Các hệ trục tọa ñộ 66

3.2.1 Hệ tọa ñộ quán tính ñịa tâm (ECI) 66

3.2.2 Hệ tọa ñộ vệ tinh 67

3.2.3 Hệ tọa ñộ quĩ ñạo 67

3.2.4 Hệ tọa ñộ “ñích” 68

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới vị trí và tư thế của vệ tinh trên quĩ ñạo ñịa tĩnh 68

3.3.1 Các nguồn gây ra các tác ñộng làm biến ñổi tư thế 69

3.3.2 Các nguồn gây ra các tác ñộng làm biến ñổi vị trí 69

3.4 Các biện pháp duy trì vị trí và ổn ñịnh tư thế của vệ tinh 72

3.4.1 Tổng quan về hoạt ñộng ổn ñịnh tư thế, và duy trì vị trí quĩ ñạo 72

3.4.2 Thành phần phần cứng xác ñịnh, duy trì vị trí và tư thế của vệ tinh 75

3.4.3 Các phương pháp ổn ñịnh tư thế 93

3.4.4 ðiều chỉnh vị trí của vệ tinh 96

Chương 4 CÁC THÔNG SỐ TELEMETRY CỦA VỆ TINH 4.1 Giới thiệu chung 108

4.2 Các ñiểm telemetry của phân hệ GN&C 108

4.3 Tham số phân hệ ñẩy 112

4.4 Các tham số telemetry phân hệ Payload 114

4.5 Tham số hoạt ñộng của EPS 115

4.6 Các tham số phân hệ CT&R 116

4.7.Các tham số phân hệ nhiệt 117

4.8 Các tham số phân hệ phần mềm 117

KẾT LUẬN 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CT&R Command Telemetryy and Ranging Phân hệ ño xa và gửi lệnh

DAMA Demand Assigment Multiple Access ða truy nhập gán theo yêu cầu

Công suất bức xạ ñẳng hướng tương ñương

FDMA Frequency Division Mutiple Access ða truy nhập phân chia theo tần số

KPA Klystron Power Aplifier Bộ khuếch ñại Klystron

SLACS

Space Inertial Reference Unit Less

Attitude Control System

Hệ thống ñiều khiển tư thế không cần tham chiếu quán tính

Bộ ñổi tần xuống cho tín hiệu Tracking

gian

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Các loại LNA 21

Bảng 1.2 So sánh các bộ khuếch ñại công suất lớn 22

Bảng 3.1 Các bộ cảm biến ñược sử dụng cho việc xác ñịnh vị trí và tư thế 79

Bảng 3.2 Các actuator ñược sử dụng ñể xác ñịnh quĩ ñạo và tư thế vệ tinh 88

Bảng 3.3 Hướng ∆V và sự lựa chọn các ñộng cơ ñẩy 97

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Nguyên lý hệ thống TTVT 2

Hình 1.2 Sơ ñồ nhiệt tạp âm hệ thống 6

Hình 1.3 Sự phụ thuộc Ta = f(θ) 9

Hình 1.4 Cửa sổ vô tuyến 11

Hình 1.5 Sự tăng tạp âm do mưa 13

Hình 1.6 Cấu trúc trạm mặt ñất 14

Hình 1.7 Anten cassegrain 19

Hình 1.8 Nguyên lý ghép kênh FDMA 24

Hình 1.9 Nguyên lý TDMA 25

Hình 1.10 Hệ thống CDMA trong TTVT 27

Hình 1.11 Cấu trúc vệ tinh thông tin 30

Hình 1.12 Sơ ñồ bộ phát ñáp 31

Hình 1.13 mô tả hệ thống tọa ñộ trên vệ tinh 34

Hình 1.14 Hệ thống ñiều khiển tư thế của vệ tinh 35

Hình 1.1.15 Hệ thống cung cấp nguồn ñiện 35

Hình 2.1 Liên kết giữa trạm ñiều khiển chính và trạm ñiều khiển dự phòng 40 Hình 2.2 Sơ ñồ khối hệ thống thiết bị trạm ñiều khiển 41

Hình 2.3 Hệ thống thu phát trạm ñiều khiển 44

Hình 2.4 Hệ thống phát 44

Hình 2.5 Sơ ñồ khối CT&R 45

Hình 2.6 Khối biến ñổi tần lên 46

Hình 2.7 Bộ khuếch ñại công suất cao 47

Hình 2.8 Hệ thống chuyển mạch RF 48

Hình 2.9 Panel ñiều khiển các chuyển mạch 48

Hình 2.10 Hệ thống các thiết bị thu 49

Hình 2.11 Bộ Beacon LNA 50

Hình 2.12 Panel mặt trước khối ñiều khiển Beacon LNA 50

Hình 2.13 Tracking LNA 51

Hình 2.14 Panel mặt trước khối ñiều khiển Tracking LNA 51

Hình 2.15 Panel mặt trước hệ thống ñiều khiển chuyển mạch nhận 51

Hình 2.16 Bộ ñổi tần xuống 52

Hình 2.17 Sơ ñồ tín hiệu và kết nối của Tracking Down Converter 53

Hình 2.18 Hộp ñiều khiển Anten 54

Hình 2.19 Thiết bị ñiều khiển Anten ACU 56

Hình 2.20 Cấu hình hệ thống M&C 57

Hình 2.21 Màn hình giao diện ñiều khiển và giám sát M&C 59

Hình 2.22 Sơ ñồ hệ thống Intercom 60

Hình 2.23 Hệ thống phân phối tần số và thời gian chuẩn 60

Hình 2.24: Hệ thống ñiều hòa nhiệt ñộ 62

Hình 3.1 Quĩ ñạo ñịa tĩnh 64

Hình 3.2 Các tham số xác ñịnh quĩ ñạo của vệ tinh 65

Hình 3.3 Hệ tọa ñộ ñịa tâm 67

Hình 3.4 Hệ tọa ñộ tâm vệ tinh 67

Hình 3.5 Hệ tọa ñộ quĩ ñạo……… 68

Hình 3.6 Mối liên hệ giữa hệ tọa ñộ quĩ ñạo và hệ tọa ñộ quán tính ñịa tâm 68 Hình 3.7 Ảnh hưởng của lực hút mặt trăng và mặt trời 70

Hình 3.8 Mặt phẳng quĩ ñạo và mặt phẳng hoàng ñạo 71

Hình 3.9 Hình dạng không cầu hoàn toàn của trái ñất 71

Hình 3.10 Sự trượt kinh tuyển vệ tinh do ảnh hưởng của lực trọng trường của trái ñất 71

Hình 3.11 Sơ ñồ khối hệ thống xác ñịnh và ñiều khiển tư thế 73

Hình 3.12 Kết nối giữa các thành phần hệ thống xác ñịnh và ổn ñịnh tư thế

trong hoạt ñộng bình thường 75

Hình 3.13 Trục của các con quay hồi chuyển 76

Hình 3.14 Cơ cấu của con quay hồi chuyển 77

Hình 3.15 Sơ ñồ kết nối các thiết bị IMU 78

Hình 3.16 Cấu trúc hình học của bộ cảm biến ESA 80

Hình 3.17 Mặt trời ñược phát hiện như một ñối tượng ñộc lập 81

Hình 3.18 Mặt trời không ñược phát hiện như một ñối tượng riêng biệt 81

Hình 3.19 Vùng nhiễu của mặt trăng mặt trời 82

Hình 3.20 Sự tính toán các góc của các trục Pitch và Roll 82

Hình 3.21 Sử dụng dây cung chuẩn ñể tính tóan các góc 83

Hình 3.22 Tầm nhìn thấy của SSA 84

Hình 3.23 Hướng của các trục quay của RWA 91

Hình 3.24 Cấu hình ñộng cơ ñẩy 92

Hình 3.25 Dòng dữ liệu lệnh ñiều khiển ñộng cơ ñẩy 92

Hình 3.26 Lực hút mặt trăng mặt trời làm nghiêng quĩ ñạo vệ tinh 99

Hình 3.27 Thời gian bắn của các ñộng cơ ñẩy biến ñổi theo lỗi tư thế … 101

Hình 3.28 Ảnh hưởng của các mùa tới hoạt ñộng của vệ tinh……….102

Hình 3.29 Sơ ñồ chức năng của hệ thống ñiều khiển tư thế……….104

Hình 3.30 Thời gian bắn của các ñộng cơ ñẩy ñược thiết lập trước………105

Hình 3.31 Sự che khuất bởi mặt trăng 105

Hình 3.32 Lưu ñồ thuật toán quá trình bắn ñộng cơ ñẩy……….107

MỞ ðẦU

Trong những năm gần ñây hệ thống thông tin vệ tinh ngày càng phát triển Thông qua hệ thống này con người có thể trao ñổi thông tin với bất kì nơi nào trên thế giới Với dịch vụ ña dạng, dung lượng và ñộ tin cậy cao, thông tin vệ tinh có thể ñáp ứng ñược các yêu cầu truyền tải tin tức ngày càng phát triển của con người Thông tin vệ tinh không những ñáp ứng cho các yêu cầu về thương mại dân sự, mà còn ñáp ứng các yêu cầu về thông tin an ninh quân sự Với những yêu cầu ñó, Việt Nam ñã phóng vệ tinh Vinasat-1 lên quĩ ñạo vào ngày 18-04-2009 Tuy nhiên, việc ñiều khiển vệ tinh là một công việc còn khá mới mẻ với ñội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hoạt ñộng trong lĩnh vực kỹ

thuật ñiện tử truyền thông ở nước ta Do vậy, luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật

ñiều khiển, vận hành, duy trì vị trí và tư thế của vệ tinh trên quĩ ñạo ñịa tĩnh” ñược chọn ñể tiến hành nghiên cứu một số công nghệ và phương pháp

giám sát, ñiều khiển vệ tinh trên quĩ ñạo ñịa tĩnh có thể áp dụng trong ñiều kiện thực tiễn của Việt Nam Luận văn ñược chia làm 4 chương như sau:

Chương 1: Thông tin vệ tinh

Chương 2: Cấu hình hệ thống và chức năng của các thiết bị trạm ñiều khiển mặt ñất

Chương 3: Hoạt ñộng xác ñịnh, duy trì, ổn ñịnh vị trí và tư thế

Chương 4: Các thông số Telemetry của vệ tinh

Chương 1 THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 Tổng quan về thông tin vệ tinh

1.1.1 Nguyên lý thông tin vệ tinh: Thông tin vệ tinh (TTVT), là hình

thức truyền thông tin giữa các trạm thông tin mặt ñất, gọi tắt là trạm mặt ñất (SES) bằng cách chuyển tiếp tín hiệu qua vệ tinh thông tin như hình 1.1 Các trạm mặt ñất dùng ñể phát tín hiệu lên

vệ tinh và thu nhận tín hiệu từ vệ tinh phát về ðường hướng từ

Một tổ hợp các trạm mặt ñất và vệ tinh thông tin cùng làm việc ñể ñảm bảo thông tin gọi là hệ thống TTVT: Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống TTVT như hình 1.1 và gồm 2 phần chính: Phần không gian và phần mặt ñất

- Phần không gian: Gồm có vệ tinh thông tin, hệ thống ñảm bảo các chức năng ño xa, bám, ñiều khiển (TT&C) nhằm duy trì hoạt ñộng bình thường cho vệ tinh Trong hệ thống TTVT thì vệ tinh thực chất là một trạm lặp tín hiệu của tuyến thông tin siêu cao tần

- Phần mặt ñất: Thực chất là các trạm thu, phát tín hiệu trên mặt ñất gồm: Anten thu, phát và các thiết bị ñiều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng, các bộ chia và ghép công suất, máy thu tạp âm thấp, các bộ ñiều chế, giải ñiều chế, các bộ biến ñổi tần tuyến lên và bộ ñổi tần tuyến xuống, bộ khuếch ñại công suất cao

Hoạt ñộng của sơ ñồ hình 1.1 như sau:

- ðường lên: Tín hiệu băng tần cơ sở (BB) như: Thoại, Fax, Video… qua

bộ ñiều chế (MOD) ñược ñiều chế lên thành tín hiệu trung tần (IF), sau ñó qua

bộ ñổi tần lên (U/C) trở thành tín hiệu cao tần (RF) và ñược khuếch ñại công suất nhờ bộ khuếch ñại công suất lớn (HPA) rồi ñược phát lên vệ tinh thông qua Anten phát của trạm mặt ñất

- Tại vệ tinh: Tín hiệu của trạm mặt ñất ñược Anten thu của vệ tinh thu nhận và ñược khuếch ñại bởi bộ khuếch ñại tạp âm thấp (LNA) Tín hiệu RF sau bộ khuếch ñại này ñược biến ñổi tần số thành tần số RF tuyến xuống, sau

ñó lại ñược khuếch ñại công suất lớn ñể phát xuống mặt ñất thông qua Anten phát của vệ tinh

- ðường xuống: Tín hiệu từ vệ tinh phát về ñược Anten thu trạm mặt ñất thu nhận, sau khi qua bộ khuếch ñại tạp âm thấp tín hiệu ñược ñược ñưa tới

bộ ñổi tần xuống Tín hiệu ñầu ra bộ ñổi tần xuống là tín hiệu trung tần Tín hiệu IF sau ñó ñược giải ñiều chế thành tín hiệu băng tần cơ sở nhờ bộ giải

1.1.2 Phân loại hệ thống TTVT

Tuỳ thuộc vào quĩ ñạo vệ tinh mà hệ thống TTVT ñược chia làm 2 loại: Nếu sử dụng vệ tinh ñịa tĩnh thì có hệ thống TTVT ñịa tĩnh và nếu sử dụng vệ tinh quĩ ñạo thấp thì có hệ thống TTVT không ñồng bộ

Hệ thống TTVT ñịa tĩnh

Trong hệ thống này, vệ tinh ñược phóng lên ở ñộ cao 36.768 Km Nó chuyển ñộng với tốc ñộ góc bằng và cùng chiều quay với trái ñất, do vậy khi quan sát từ mặt ñất thì vệ tinh ñịa tĩnh ñược coi như có vị trí ổn ñịnh Chính vì thế việc truyền tin sẽ ñược ổn ñịnh liên tục Ngoài ra, do vệ tinh ở rất xa trái ñất nên vùng phủ sóng của nó rất rộng, với ba vệ tinh ñịa tĩnh có thể phủ sóng toàn cầu, trừ các vùng cực Do vậy, cự ly thông tin của hệ thống TTVT ñịa tĩnh rất xa Do ñó, nhược ñiểm của hệ thống TTVT ñịa tĩnh là trễ tín hiệu lớn

do cự ly tuyến truyền dẫn lớn Trong khuôn khổ của luận văn chúng ta chủ yếu ñi phân tích việc ñiều khiển và vận hành vệ tinh hoạt ñộng trên quĩ ñạo ñịa tĩnh Vì vệ tinh VINASAT-1 là vệ tinh thông tin ñịa tĩnh nên luận văn chủ yếu ñi sâu vào phân tích việc ñiều khiển và vận hành vệ tinh hoạt ñộng trên

quĩ ñạo ñịa tĩnh

Hệ thống không ñồng bộ: Trong hệ thống này, vệ tinh ñược phóng lên

ở ñộ cao từ 500 tới 10.000 Km Nó chuyển ñộng với vận tốc góc khác vận tốc

tự quay của trái ñất, tức là vị trí của nó luôn chuyển ñộng so với trái ñất khi quan sát từ mặt ñất Vì thế hệ thống TTVT ñược gọi là hệ thống không ñồng

bộ Do vệ tinh ở ñộ cao thấp hơn và không ñứng yên so với trái ñất nên vùng phủ sóng của nó hẹp, do ñó so với hệ thống TTVT ñịa tĩnh thì hệ thống TTVT không ñồng bộ có cự ly thông tin ngắn hơn, ñộ ổn ñịnh thông tin cũng kém hơn Tuy nhiên, trễ tín hiệu trong trường hợp này nhỏ hơn Hệ thống TTVT không ñồng bộ ñược sử dụng chủ yếu cho thông tin di ñộng

1.1.3 ðặc ñiểm của TTVT

Thông tin vệ tinh có ñặc ñiểm nổi bật như sau:

- Vùng phủ sóng rộng nên cự ly thông tin xa

- Dung lượng thông tin lớn: Vì băng tần công tác rộng, cỡ 500MHz nhờ

áp dụng kỹ thuật sử dụng lại tần số nên hệ thống TTVT cho phép ñạt tới dung lượng lớn trong thời gian ngắn

- Khả năng thông tin và ñộ tin cậy thông tin cao: Tuyến TTVT chỉ có

3 trạm, trong ñó vệ tinh ñóng vai trò là trạm lặp tín hiệu còn hai trạm ñầu cuối trên mặt ñất vì thế xác suất hư hỏng trên tuyến là rất thấp Khả năng liên lạc thông suốt theo thống kê có thể ñạt tới 99.9% thời gian liên lạc trong một năm

- Chất lượng thông tin cao: ðường thông tin có chất lượng cao vì ảnh hưởng của nhiễu khí quyển và pha ñinh là không ñáng kể Tốc ñộ lỗi bít có

- Khả năng thiết lập thông tin nhanh chóng và tính linh hoạt cao: hệ thống thông tin ñược thiết lập nhanh chóng trong ñiều kiện các trạm mặt ñất ở rất xa nhau về mặt ñịa lý Dung lượng có thể thay ñổi linh hoạt theo yêu cầu khai thác và sử dụng

- ða dạng về loại hình dịch vụ: TTVT có thể cung cấp các loại hình dịch

vụ sau:

+ Dịch vụ thoại, Fax, telex cố ñịnh

+ Dịch vụ phát thanh truyền hình

+Dịch vụ thông tin di ñộng qua vệ tinh

+Dịch vụ DAMA, VSAT, ñạo hàng, cứu hộ hàng hải…

- Băng tần công tác của TTVT:

+ Băng C: 6/4 Ghz-Dùng trong thông tin thương mại

+ Băng X: 8/7 Ghz – Dùng trong thông tin quân sự và chính phủ + Băng Ku: 14/12 Ghz – Dùng trong thông tin thương mại

Trong thông tin vệ tinh thì tần số cao ñược sử dụng cho tuyến lên và tần

số thấp ñược sử dụng cho ñường xuống

1.2 Tạp âm và truyền sóng trong TTVT

Trong hệ thống TTVT, tín hiệu có ích truyền từ trạm mặt ñất lên vệ tinh phải chịu tác ñộng của nhiều yếu tố: Khoảng cách ñường truyền lớn, ảnh hưởng của tầng ñiện ly, khí quyển và mưa, ảnh hưởng của nhiệt tạp âm mặt trời và trái ñất… Kết quả là tín hiệu có ích bị suy hao rất lớn Vì thế khác với các hệ thống thông tin khác mà ở ñó tạp âm thường rất nhỏ so với tín hiệu có ích thì ở hệ thống TTVT tín hiệu có ích thu về nhỏ (≈ 150 dbw) và bị chìm trong tạp âm ðiều ñó có nghĩa là tỷ số tín hiệu/ tạp âm và chất lượng thông tin cả hệ thống giảm Do ñó việc tìm hiểu về tạp âm và ñường truyền sóng là một vấn ñề rất quan trọng khi nghiên cứu hệ thống TTVT

1.2.1 Tạp âm trong hệ thống TTVT

Nhiệt tạp âm hệ thống:

Hình 1.2 Sơ ñồ nhiệt tạp âm hệ thống Nhiệt tạp âm hệ thống TTVT tạo bởi nhiệt tạp âm hệ thống Anten và nhiệt tạp âm hệ thống thu hình 1.3

- Hệ thống thu gồm có: Bộ khuếch ñại tạp âm nhỏ LNA, các bộ chia công suất cao tần RF, thiết bị ñầu cuối

Nhiệt tạp âm hệ thống theo hình 1.3 ñược tính như sau:

Hệ thống anten Hệ thống thu

T INTF

T R G,T A

Ts = TA + TINTF + TR (1-1)

Trong ñó:

Trong thực tế, do không phối hợp hoàn toàn, chỗ ghép nối giữa LNA

và fide tồn tịa sóng phản xạ và sinh ra tạp âm Nhiệt tạp âm ở ñó ñược tính như sau:

Ta: Nhiệt tạp âm của anten

TMT : Nhiệt ñộ môi trường

L : Suy hao fide

ñặt máy thu càng gần Anten càng tốt

nhiều nguên nhân, trong ñó có nguyên nhân xuất phát từ nguồn gốc tự nhiên

nên không thể loại trừ bằng công nghệ Ta sẽ xét thành phần Ta ở mục tiếp theo

Nhiệt tạp âm anten T a

Tạp âm anten trong hệ thống TTVT ñược cấu thành từ hai phần chính: Tạp âm do anten tích luỹ ñược từ không gian, mặt ñất và tạp âm riêng của anten

- Tạp âm do anten tích luỹ ñược từ không gian và mặt ñất bao gồm:

+ Tạp âm khí quyển: Các thành phần khí quyển như oxi, hơi nước, mây, sương mù…Hấp thụ một phần năng lượng sóng ñiện từ khi truyền qua

nó và sinh ra tạp âm Nhiệt tạp âm khí quyển, trong ñiều kiện trời trong là một hàm số phụ thuộc vào góc ngẩng anten và phụ thuộc vào tần số

+ Tạp âm mưa: Mưa không những làm suy hao sóng ñiện từ mà còn sinh ra tạp âm và làm thay ñổi phân cực của sóng ñiện từ Nhiệt ñộ nước mưa cũng là nguồn sinh ra tạp âm Nước ta ở vào vùng khí quyển nhiệt ñới gió mùa, mưa nhiều nên việc tính toán suy hao mưa và tạp âm mưa là rất cần thiết khi tính dự trữ năng lượng ñường truyền ðây là một bài toán phức tạp cần phải nghiên cứu kỹ ở 1 luận văn riêng

+ Tạp âm vũ trụ: Tạp âm vũ trụ hình thành do bức xạ siêu cao từ các dải ngân hà, nhiễu khi có mặt trời hoạt ñộng mạnh, phát xạ của mặt trăng… tác ñộng mạnh vào dải tần số dưới 1 GHz

+ Tạp âm trái ñất: Mặt ñất có tác dụng phản xạ sóng ñiện từ ñối với các búp sóng phụ của anten, các búp sóng phụ này gây ra tạp âm ảnh hưởng trực tiếp từ mặt ñất và tạp âm khí quyển phản xạ từ mặt ñất Mặt ñất còn gây ra nhiệt tạp âm cho Anten

+ Tạp âm mặt trời: Tạp âm sinh ra khi mặt trời hoạt ñộng mạnh Thí dụ: Nếu anten trạm mặt ñất ở vào vị trí nhìn thẳng vào của mặt trời thì có thể mất liên lạc hoàn toàn vì mức tạp âm quá lớn

+ Tạp âm do ảnh hưởng xuyên nhiễu từ các hệ thống khác tạo ra và các tín hiệu là không mong muốn

- Tạp âm riêng của anten: Tạo nên do các suy hao thuần trở của vật liệu cấu hình anten, do chất lượng chế tạo và lắp ráp anten

Ta gọi Pa(w) là công suất tạp âm anten thu ñược ở ñộ rộng băng tần B(Hz) thì nhiệt tạp âm anten là:

Ta = Pa/k.B (1-4)

k =1.38*10-23 J/0 (hằng số Boltzmans)

Hình 1.3 Sự phụ thuộc Ta = f(θ)

trình toán rất phức tạp Thí dụ, với anten phân cực tròn thì ta có

2

0 0

1

T( , ) ( , ) sin 4

a

π π

π

thực nghiệm như trên hình 1.3

Từ ñồ thị ta thấy, khi góc ngẩng càng thấp thì nhiệt tạp âm anten càng lớn do khi ñó ñường truyền dài hơn và ảnh hưởng của tạp âm vũ trụ và trái ñất

1.2.2 Truyền sóng trong TTVT

Suy hao trong không gian tự do:

Môi trường truyền sóng mà trong ñó suy hao sóng ñiện từ chỉ do sự khuếch tán tự nhiên của nó gọi là không gian tự do Khi sóng vô tuyến ñiện (VTð) truyền lan trong không gian tự do, tỷ số công suất phát trên công suất thu tại ñiểm cách nơi phát một khoảng R (m) sẽ là:

2 4 ( πR) γ

λ

= (1-6)

λ - bước sóng vô tuyến ñiện (m)

Trong TTVT vì hầu hết sự truyền lan sóng VTð trong không gian là chân không nên suy hao truyền sóng có thể coi như bằng suy hao trong không gian tự do Tuy nhiên, vì ñường truyền sóng rất dài (36.768 km) nên theo (1-6) suy hao gây ra rất lớn Chính vì thế, hệ thống TTVT cần phải có máy phát công suất lớn, máy thu ñộ nhạy cao và anten thu phát có hệ số lớn

Cửa sổ tần số vô tuyến

Một phần ñường truyền sóng VTð từ trạm mặt ñất lên vệ tinh thông tin

và ngược lại phải chịu ảnh hưởng của tầng ñiện ly và khí quyển trái ñất nên suy hao do truyền sóng sẽ tăng lên so với suy hao trong không gian tự do Tầng ñiện ly là lớp không khí lỏng do ion hóa bởi các tia vũ trụ, có ñộ cao từ 50 - 400km so với trái ñất Lớp mang ñiện này có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng ñiện từ Do sự biến ñổi trạng thái của tầng ñiện ly nên giá trị hấp thụ và phản xạ thay ñổi nên gây ra sự thăng giáng sóng ñiện từ ñi qua Tần số càng cao thì ảnh hưởng của tầng ñiện ly càng nhỏ và băng sóng vi ba thì hầu như không bị ảnh hưởng Vì thế, băng sóng vi ba thường ñược dùng trong TTVT

- Trong khí quyển, phải kể ñến ảnh hưởng của oxi, hơi nước và ñặc biệt

là mưa (ta sẽ xét thêm ở mục sau) Ở dải tần thấp hơn 30 GHz thì có thể bỏ

qua ảnh hưởng kể trên và miền tần số ñó ñược sử dụng trong TTVT ðồ thị hình 1.4 chỉ ra tính chất suy hao của sóng VTð do ảnh hưởng của tầng ñiện

ly, tầng ñối lưu, khí quyển và mưa khi tần số thay ñổi

Hình 1.4 Cửa sổ vô tuyến

Từ ñồ thị, ta thấy trong khoảng tần số 1-10GHz suy hao kết hợp của tầng ñiện ly, tầng ñối lưu, khí quyển và mưa là không ñáng kể Băng tần số ñó ñược gọi là “ Cửa sổ tần số vô tuyến” Trong TTVT, khi sử dụng băng tần này thì suy hao truyền sóng VTð gần như bằng suy hao trong không gian tự do Tuy nhiên, ngày nay do sự gia tăng nhiều ñường TTVT cũng như ñường thông tin vi ba trên mặt ñất nên “ Cửa sổ tần số vô tuyến” trở nên chật chội và sóng VTð từ vệ tinh về có thể gây nhiễu tới các ñường thông tin mặt ñất và ngược lại Vì thế, ñể tăng dung lượng thông tin cũng như tránh can nhiễu, người ta sử dụng các băng tần cao hơn “ Cửa sổ tần số vô tuyến” Như băng

Ku và Ka trong TTVT mặc dù lúc ñó suy hao mưa tăng ñáng kể ðể bù trừ suy hao mưa người ta tính dự trữ năng lượng ñường truyền TTVT khi lựa

(a) Cửa sổ vô tuyến

Ảnh hưởng của mưa

Khi truyền qua vùng mưa, sóng ñiện từ bị hấp thụ năng lượng và bị biến dạng phân cực Ngoài ra mưa còn làm tăng nhiệt tạp âm ñường truyền nên chất lượng và ñộ tin cậy ñường truyền sóng TTVT bị giảm Ảnh hưởng của mưa khác nhau tùy thuộc vào vị trí ñặt trạm mặt ñất, góc ngẩng anten, tần số công tác và chiều dài ñường truyền sóng bị mưa

- Suy hao mưa: Sóng ñiện từ bị hấp thụ khi truyền qua vùng mưa, phần năng lượng bị hấp thụ ñó gọi là suy hao do mưa Suy hao mưa ñược tính theo ñơn vị chiều dài bị mưa của ñường truyền sóng gọi là hệ số suy hao mưa và biểu diễn như sau:

π (a r)- Số hạt mưa có bán kính ar trong một ñơn vị thể tích

Q(a r λ ) - Tiết diện triệt tiêu sóng của hạt mưa ñối với tín hiệu có bước sóng λ

Tiết diện triệt tiêu sóng của từng hạt mưa là tổng của tiết diện phân tán

và tiết diện hấp thụ, ñược tính có kể ñến hằng số ñiện môi phức tạp của nước Mối liên hệ giữa tốc ñộ mưa R và các hạt mưa biểu diễn như sau:

R= a r a r )P w (a r)da r

3

4 ).(

0

γ

π π

∫

∞

(mm/h) (1-8) Trong ñó: P w - Mật ñộ nước

γ (a r) - Tốc ñộ các hạt mưa có bán kính ño tại thời ñiểm rơi trên mặt ñất

Các phương trình (1-7), (1-8) cho thấy liên hệ giữa hệ số suy hao mưa và tốc ñộ mưa với sự phân chia kích thước hạt mưa Từ ñó có thể suy ra mối liên

hệ giữa hệ số suy hao mưa với tốc ñộ mưa Tốc ñộ mưa càng lớn thì suy hao càng lớn, tuy nhiên quan hệ ñó không phải là tuyến tính

Ta cũng thấy rằng, suy hao mưa phụ thuộc vào chiều dài bị mưa của ñường truyền Ls, Ls càng dài thì suy hao mưa càng lớn và nói chung Ls là một hàm số phụ thuộc vào ñộ cao vùng mưa h, ñộ cao nơi ñặt trạm mặt ñất so với mặt biển hs, góc ngẩng anten θ và tần số công tác f

Ls= f (hr, hs,θ, f)

Hình 1.5 Sự tăng tạp âm do mưa -Tạp âm mưa: Tạp âm mưa sinh ra do bức xạ siêu cao của hạt mưa và bản thân nhiệt ñộ của mưa Nhiệt tạp âm tính theo suy hao mưa như sau :

α- Tỷ số suy hao do tán xạ và tổng suy hao mưa

Sự phụ thuộc của nhiệt tạp âm mưa vào suy hao mưa chỉ ra ở hình 1.5

Sự biến dạng phân cực sóng ñiện từ do mưa: Hạt mưa có kích thước hình cầu nhưng khi rơi tự do trong không khí, nó bị biến dạng dẹt ra và phân tán không ñều theo nhiều hướng khác nhau Vì thế khi truyền qua vùng mưa, sóng ñiện

từ bị phân tán theo nhiều hướng khác nhau dẫn tới sự biến ñổi pha tín hiệu và làm thay ñổi phân cực sóng ñiện từ

1.3 Trạm mặt ñất

Trạm mặt ñất vệ tinh (SES) trong hệ thống TTVT có chức năng phát tín hiệu lên vệ tinh và thu tín hiệu từ vệ tinh phát về Tín hiệu sau khi vượt qua ñường truyền dài cỡ 36.768 km ñến anten thu của trạm mặt ñất ñã rất yếu

Theo qui ñịnh của Intelsat, trạm mặt ñất thường ñược phân thành các loại

A, B, C…tùy theo hệ số phẩm chất G/T và ñường kính anten trạm mặt ñất Ngoài ra, có thể phân loại trạm mặt ñất tùy theo dịch vụ liên lạc qua vệ tinh Thí dụ: với dịch vụ cố ñịnh thì có trạm mặt ñất cố ñịnh, còn với các dịch vụ di ñộng thì có trạm mặt ñất di ñộng

1.3.1 Cấu trúc của trạm mặt ñất

Trạm mặt ñất TTVT có cấu trúc cơ bản như hình 1.6 bao gồm các hệ thống sau: Hệ thống anten, hệ thống phát, hệ thống ñiều khiển và giám sát (CMA), hệ thống cung cấp nguồn và ñiều hòa…

ðiều khiển Anten

Diplexer

DEM D/C

Chia LNA

Mode

Tạo Băng Tần

cơ bản

Hình 1.6 Cấu trúc trạm mặt ñất

Nguyên lý thu phát tín hiệu ñã ñược mô tả trong mục 1, ở ñây ta ñiểm qua chức năng các hệ thống chưa ñề cập và một vài lưu ý với hệ thống thu, phát tín hiệu

- Hệ thống anten : Bao gồm anten thu phát chung có ñường kính từ 0,6m ñến 30m tùy theo từng loại trạm ứng với tiêu chuẩn qui ñịnh của Intelsat; thiết

bị bám vệ tinh ñể ñiều khiển anten trạm mặt ñất bao giờ cũng hướng ñúng vào

vệ tinh Bộ lọc thu phát siêu cao tần Duplexer, dùng ñể ngăn cách ảnh hưởng lẫn nhau giữa tín hiệu phát và thu do dùng chung anten Ở ñây cần lưu ý là khi thiết kế trạm, người ta cố ý bố trí các ống dẫn sóng nối thiết bị thu phát ñến anten là gần nhất ñể giảm tổn hao do ống dẫn sóng gây ra Anten trạm mặt ñất ñược một hệ thống cơ khí vững chắc ñảm bảo ñỡ anten trong ñiều kiện mưa gió to, kể cả ñộng ñất

- Hệ thống thu tín hiệu: Do tín hiệu thu về rất yếu nên bộ khuếch ñại tạp

âm nhỏ LNA ñược ñặt ngay ñầu thu của anten ñể tránh suy hao do fide Nhằm giảm nhiệt ñộ tạp âm hệ thống, cố gắng chọn LNA có nhiệt tạp âm càng nhỏ càng tốt

- Hệ thống phát tín hiệu: Công suất phát trạm mặt ñất thường cỡ vài wat (W) ñến vài kilowat (KW) tùy theo dung lượng thông tin của trạm: Dung lượng càng lớn thì công suất phát càng lớn kể cả phải dự trữ vài dbw công suất cho trường hợp mưa lớn ñể dự trữ cho ñường lên

- Hệ thống ñiều khiển và giám sát: ðể ñiều khiển và giám sát toàn bộ hoạt ñộng trạm mặt ñất, người ta dùng hệ thống CMA (Control Monotoring and Alarm system) ñược ñiều khiển bằng hệ thống máy tính tính năng cao có các phần mềm ứng dụng chuyên dụng ñể kiểm soát hệ thống giúp người khai thác hệ thống nắm vững tình trạng tức thời của trạm mặt ñất Các chức năng của CMA gồm:

+ Theo dõi và ñiều khiển công suất phát theo tiêu chuẩn

+ Theo dõi và ñiều khiển hệ thống tự ñộng bám vệ tinh

+ Theo dõi các thiết bị xử lý tín hiệu như MODERM IDR, thiết bị ñổi tần lên, xuống

+ Theo dõi chất lượng tín hiệu hình…

- Hệ thống nguồn và ñiều hòa: ðể ñảm bảo thông tin liên lạc trạm mặt ñất ñược cung cấp nguồn bằng nguồn ñiện không bị ngắt (UPS) UPS phải có

dự phòng và cung cấp nguồn ổn ñịnh cho phép ñủ công suất cho toàn bộ thiết

bị trong trạm mặt ñất

Tất cả các thiết bị trong trạm mặt ñất ñều bắt buộc làm việc trong ñiều

trì tuổi thọ và chất lượng thông tin

1.3.2 Anten trạm mặt ñất

Yêu cầu ñối với anten trong TTVT

Anten là thiết bị quan trọng nhất trong TTVT, ñặc biệt là với trạm mặt ñất, nó chiếm tới 50% giá thành trạm và thậm chí còn hơn thế Bản thân anten quyết ñịnh cấu hình và hoạt ñộng khai thác của trạm mặt ñất cũng như của vệ tinh thông tin Vì thế, ñể ñảm bảo chất lượng thông tin anten trong TTVT phải ñáp ứng các yêu cầu sau:

- Hệ số ñịnh hướng cao: Hệ số ñịnh hướng của anten ñược tính theo công thức sau:

λ

π

4

2 A (1-10) Trong ñó:

λ- Bước sóng công tác (m)

ðối với anten gương tròn với ñường kính D(m) thì (1-10) trở thành:

G= η λ

π

Tính ñịnh hướng của anten ñược ñặc trưng bởi ñộ rộng búp sóng 3 dB của búp sóng chính Với anten Parabol nó ñược tính theo công thức sau với D(m) là ñường kính anten, là λ bước sóng công tác hoặc f(Ghz) tần số công tác:

D f

21

70 2

=

=

( ðộ ) (1-12)

- Tạp âm nhỏ: Tạp âm anten ñược ñánh giá qua nhiệt tạp âm anten, ta ñã xét

ở mục (1.2.) Nhiệt tạp âm nhỏ sẽ góp phần ñảm bảo tỷ số G/T theo yêu cầu

- ðặc tính phân cực tốt: Anten cần có tính phân cực tốt ñể việc sử dụng lại tần số một cách hiệu quả bằng cách ghép các sóng phân cực ngang và ñứng thành phân cực vuông góc hoặc thành các sóng phân cực tròn trái và tròn phải

- Góc quay và ñộ chính xác cơ khí cao: Intelsat qui ñịnh anten trạm mặt

xung quanh ñường thẳng tưởng tượng nối từ trạm mặt ñất tới vệ tinh thông tin Ngày nay, các anten có thể quay 3600, tức là quan sát toàn bộ bầu trời, với các cơ cấu cơ khí gọn nhẹ nhưng chắc chắn Ngoài ra, ñể ñạt tính ñịnh hướng

và hiệu suất cao thì các mặt phản xạ chính, phụ phải có ñộ chính xác bề mặt cao ñồng thời anten phải có ñộ chắc chắn cơ học cao ñể tránh các tác ñộng bên ngoài như gió, bão, ñộng ñất…

- Hiệu suất anten cao: Với công nghệ chế tạo hiện nay, hiệu suất anten Parabol có thể ñạt 50%- 70% Các yếu tố ảnh hưởng ñến hiệu suất anten Parabol như sau:

+ Tổn hao mặt phản xạ chính do mất mát công suất ra mép ngoài mặt phản xạ chính làm hiệu suất anten giảm

+ Tổn hao mặt phản xạ phụ gây ra cho bức xạ sơ cấp từ Feedhorn bị mất mát một phần công suất ra mép ngoài mặt phản xạ phụ làm giảm hiệu suất anten

+ Tổn hao mặt phản xạ phụ gây ra bởi mặt phản xạ phụ và các thanh

ñỡ mặt phản xạ phụ

+ Tổn hao gây ra do sự không bằng phẳng của bề mặt phản xạ chính, phụ

Các loại anten dùng trong trạm mặt ñất:

Trong SES thường sử dụng một số loại anten, mỗi anten có một mặt phản

xạ chính và nguồn bức xạ ñặt ở tiêu ñiểm của parabol nên sóng bức xạ từ mặt parabol sẽ là sóng phẳng (các tia sóng song song với nhau)

- Anten parabol có sơ cấp ñặt ở tiêu ñiểm: Anten loại này có cấu tạo ñơn giản và giá thành thấp nhất Nó ñược dùng chủ yếu ở các trạm thu (không phát) và các trạm nhỏ có dung lượng thấp Tuy nhiên, hệ số ñịnh hướng và búp sóng phụ không tốt Nhược ñiểm nữa là cáp ñầu nối từ loa thu phát ñến máy phát và máy thu dài làm tăng suy hao và nhiệt tạp âm hệ thống

- Anten lệch (bù): Anten lệch có bộ phận phide, gương phản xạ phụ ñược ñặt ở vị trí lệch một ít so với hướng trục của gương phản xạ chính ñể các bộ phận phide và gương phản xạ nhỏ không chặn ñường ñi của tia sóng Do ñó, búp sóng phụ giảm và hệ số ñịnh hướng tăng lên so với anten cassgrain Có 2 loại anten lệch: Anten parabol lệch và anten Gregorian có hình dạng và các ñặc tính mô tả ở hình 1.7

- Anten Cassegrain: Hiện nay hầu hết các trạm mặt ñất loại A ñều dùng anten cassegrain dạng tiêu chuẩn, ñược mô tả như hình 1.7

Hình 1.7 Anten cassegrain

Hệ thống bức xạ của anten gồm: mặt phản xạ chính là một gương parabol

có tiêu ñiểm là O1 Mặt phản xạ phụ là một gương Hypebol Feedhorn (loa

yếu của anten ñược xác ñịnh như sau:

g D

F

(1-13)

Ưu ñiểm của anten cassegrain là: suy hao sóng chỉ xảy ra ở mặt gương phản xạ phụ theo phương truyền sóng nên hiệu suất anten cao và biên ñộ búp sóng phụ nhỏ, nhiệt tạp âm nhỏ

- Phương pháp bám theo kiểu xung ñơn: Phương pháp này dựa trên cơ sở thu và quan sát các kiểu sóng ñứng làm việc trong các feedhorn phụ ñặt xung quanh feedhorn chính Tách các kiểu sóng ñang làm việc dựa vào thiết bị

Gương phụ

Gương chính

phân tích để xác định mức độ lệch hướng của anten trạm mặt đất với vệ tinh Phương pháp này cĩ độ chính xác cao nhưng hệ thống bám phải làm việc liên tục làm cho kết cấu cơ khí của anten chĩng bị mài mịn và vì thế ít được dùng trong thơng tin vệ tinh thương mại

- Phương pháp bám theo kiểu từng nấc: Theo nguyên lý bám này thì vệ tinh phát xuống mặt đất tín hiệu dẫn đường (Beacon) cĩ các tần số thường dùng: 3947,5; 3948; 3952; 3953,5 (MHz) Trong đĩ 2 tần số thường dùng trong hoạt động thơng thường là 3947,5 và 3953,5 (MHz), cịn 2 tần số khác dùng khi phĩng vệ tinh hoặc là đưa vệ tinh vào đúng vị trí quĩ đạo, thiết bị bám vệ tinh sẽ giám sát tín hiệu beacon của vệ tinh tại những khoảng thời gian nhất định, thiết bị sẽ lấy mẫu ở một số thời điểm trong cửa sổ Mức điện của các mẫu sẽ được đem so sánh để xác định xem vệ tinh cĩ đúng trọng tâm cửa sổ khơng Bộ điều khiển sẽ ra lệnh cho anten quay đúng về hướng cĩ mức beacon lớn nhất và trong trường hợp tín hiệu beacon bất ngờ tụt xuống dưới mức chuẩn đã định thì thiết bị bám sẽ được khởi động lại ngay lập tức Theo phương pháp này, anten trạm mặt đất khơng phải liên tục được điều khiển để bám theo vệ tinh như kiểu bám xung đơn nên đỡ tốn năng lượng và

ít làm mịn các kết cấu cơ khí nhưng ít chính xác hơn, phương pháp bám vệ tinh này đang được sử dụng phổ biến trong TTVT thương mại

- Phương pháp bám vệ tinh theo chương trình: Phương pháp này dựa trên

số liệu thiên văn của các vị trí quĩ đạo vệ tinh được đốn trước do Intelsat cung cấp cho các trạm mặt đất Các số liệu này thường được thơng báo trước

2 tuần Nĩ được phần mềm xử lý và đưa ra các tín hiệu điều khiển anten bám

vệ tinh Phương pháp này thích hợp và khơng cần cĩ các thiết bị xử lý tín hiệu beacon và khơng cần cĩ các thiết bị xử lý tín hiệu kèm theo nên kinh tế hơn các phương pháp khác

- Phương pháp bám vệ tinh kiểu nhân cơng: Phương pháp này chỉ thực hiện ở các trạm mặt đất nhỏ vì anten ở đấy cĩ búp sĩng lớn nên anten chỉ cần

ñiều chỉnh hàng tuần hàng tháng theo kiểu bật ñiện cho các mô tơ chạy hoặc chỉnh bằng tay trong các lần bảo dưỡng ñịnh kỳ

1.3.3 Bộ khuếch ñại tạp âm nhỏ LNA

Làm lạnh nhiệt ñiện

Không làm lạnh nhiệt ñộ trong phòng

Làm lạnh nhiệt ñiện

Làm lạnh nhiệt ñiện

180K hoặc thấp hơn

Xấp xỉ 120K

300K hoặc thấp hơn

200K hoặc thấp hơn

160K

tần rộng

Chất lượng gần bằng khuếch ñại tham số, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, giá thành thấp

Tính hiệu thu về từ vệ tinh rất yếu Vì thế chất lượng tín hiệu rất kém, quá thấp về mức tín hiệu và lớn về tạp âm ðể ñảm bảo chất lượng thông tin, cần phải giảm tạp âm trong tầng khuếch ñại Vì vậy, các bộ khuếch ñại dải rộng (500MHz) phải ñược chế tạo sao cho tạp âm nội thấp và không làm tăng nhiệt tạp âm hệ thống, ñảm bảo tỉ số tín/tạp Bộ khuếch ñại ñó là gọi là bộ khuếch ñại tạp âm nhỏ - LNA Hiện nay có 3 loại bộ khuếch ñại tạp âm nhỏ ñược dùng là:

Bộ khuếch ñại tham số, bộ khuếch ñại dùng GaAs FET và bộ khuếch ñại dùng HEMT Trong ñó phổ biến nhất là các bộ khuếch ñại tham số

1.3.4 Bộ khuếch ñại công suất lớn HPA

Bảng 1.2 So sánh các bộ khuếch ñại công suất lớn Loại

Làm lạnh không khí khi công suất lên ñến vài KW

Làm lạnh bằng nước khi công suất ra khoảng 10KW

khí tự nhiên

để khuếch ựại tắn hiệu ựủ mức công suất ựể ựưa ra anten phát lên vệ tinh các trạm mặt ựất thường sử dụng các bộ khuếch ựại công suất lớn HPA có công suất từ vài chục W ựến vài KW tùy theo dung lượng thông tin của trạm mặt ựất Phụ thuộc vào công suất ra và băng tần sử dụng, các bộ khuếch ựại công suất thường dùng hiện nay là: đèn sóng chạy TWTA; ựèn Klistron; tranzitor trường FET So sánh 3 loại bộ khuếch ựại công suất trên chỉ ra ở bảng 1-2

1.4 đa truy nhập trong thông tin vệ tinh TTVT

Kỹ thuật sử dụng chung một bộ phát ựáp vệ tinh cho nhiều trạm mặt ựất

và tăng hiệu quả sử dụng bộ phát ựáp ựến cực ựại gọi là ựa truy nhập Trong thực tế ựa truy nhập ựược chia làm 2 quan ựiểm: Ghép sóng mang trong một

bộ phát ựáp và phân phối kênh

- Theo quan ựiểm ghép sóng mang trong một bộ phát ựáp vệ tinh, ựa truy nhập ựược chia làm 3 loại sau:

+ đa truy nhập theo tần số - FDMA: ở ựây băng tần bộ phát ựáp ựược chia làm nhiều băng tần con và ấn ựịnh cho mỗi trạm mặt ựất ựể thu, phát tắn hiệu với bộ phát ựáp vệ tinh Phương pháp này cho phép các trạm mặt ựất thu, phát tắn hiệu với bộ phát ựáp trên vệ tinh bằng băng tần con ựã dành riêng

+ đa truy nhập theo thời gian TDMA: Ở ựây, người ta phân chia thời gian sử dụng băng tần bộ phát ựáp vệ tinh cho các trạm mặt ựất Phương pháp này cho phép các trạm mặt ựất sử dụng toàn bộ băng tần bộ phát ựáp trong khe thời gian dành cho nó

+ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA: Với phương pháp này người ta ấn ựịnh một sóng mang trải phổ có chuối giả ngẫu nhiên riêng biệt cho mỗi trạm mặt ựất ựể các trạm ựó thu, phát tắn hiệu với bộ phát ựáp vệ tinh

- Theo quan ựiểm phân phối kênh, ựa truy nhập ựược chia làm 2 loại sau:

+ ða truy nhập phân phối trước FAMA: Ở ñây, các kênh vệ tinh ñược phân bố cố ñịnh cho các trạm mặt ñất, bất chấp có hay không có các cuộc gọi phát ñi

+ ða truy nhập phân phối theo yêu cầu DAMA: Ở ñây, các kênh vệ tinh ñược sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh ñưa ra từ các trạm mặt ñất có liên quan Tức là, kênh thông tin chỉ ñược thiết lập giữa hai trạm mặt ñất trong thời gian chúng liên lạc với nhau

1.4.1 ða truy nhập theo tần số FDMA

ða truy nhập theo tần số FDMA là phương pháp cổ ñiển nhất nhưng cũng là phương pháp ñược sử dụng rộng rãi nhất trong TTVT Theo phương pháp này Băng tần của bộ phát ñáp vệ tinh ñược chia thành nhiều băng tần con gọi là khe tần số, ñộ rộng khe tần số tuy thuộc vào yêu cầu của từng trạm mặt ñất

Hình 1.8 Nguyên lý ghép kênh FDMA

Hệ thống FDMA có nhược ñiểm là:

- Không có sự linh hoạt trong trường hợp cần thay ñổi cấu hình như: Tăng số trạm, thay ñổi tần số làm việc hoặc dung lượng của một trạm

- Khi số trạm truy nhập tăng lên (tức là số sóng mang tăng lên) thì công suất vệ tinh giảm ñể làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng xuyên ñiều chế do vậy dung lượng của hệ thống giảm

- Phải khống chế công suất của các trạm mặt ñất ñể công suất sóng mang ñầu vào vệ tinh là như nhau

1.4.2 ða truy nhập theo thời gian (TDMA)

ða truy nhập theo thời gian TDMA là phương pháp cho phép nhiều sóng mang trạm mặt ñất dùng chung một bộ phát ñáp vệ tinh nhưng tại các thời ñiểm khác nhau, tại một thời ñiểm chỉ có một trạm mặt ñất sử dụng bộ phát ñáp, nói cách khác là các trạm mặt ñất luân phiên nhau truy nhập vệ tinh Muốn vậy, hệ thống TDMA phải ñịnh ra một khung thời gian gọi là khung TDMA, khung này ñược chia thành các khoảng thời gian nhỏ gọi là khe thời gian và thông tin của mỗi trạm mặt ñất chỉ ñược truyền ñi trong khe thời gian ñược ấn ñịnh cho trạm mặt ñất ñó Trong hệ thống TDMA, các trạm mặt ñất tuần tự gửi thông tin ñi dưới dạng các cụm tín hiệu (burst: là một cụm tín hiệu

số ñã ñược ñiều chế hoặc chưa ñược ñiều chế) vì thế TDMA chỉ phù hợp với thông tin dạng số Hình 1.9 mô tả nguyên lý TDMA

mặt ñất lần lượt phát ñi các tín hiệu của mình Hết một lượt tới các khối bít tham chiếu tiếp theo Khoảng cách giữa các khối bít tham chiếu gọi là một khung Một khung bao gồm các bít tham chiếu ñể ñồng bộ và các bít tín hiệu

có ích Các trạm mặt ñất căn cứ vào khối bít tham chiếu ñể xác ñịnh vị trí của các bít tín hiệu của mình trong khung Cũng giống như FDMA, trong TDMA khi chia thời gian ra thành các khe thời gian con thì cũng cần các khe thời gian ñể bảo vệ, các khe này gọi là khe thời gian bảo vệ, các khe bảo vệ này nhằm tránh việc va chạm dữ liệu ở các khe khác nhau ở phần phát và ñể tạo thuận lợi cho việc phân tách khe thời gian ở phía thu

Hệ thống TDMA có ưu ñiểm là:

Tất cả các trạm mặt ñất ñều thu và phát trên cùng một tần số do vậy không cần phải khống chế công suất phát của trạm mặt ñất

- Tại mỗi thời ñiểm, bộ phát ñáp vệ tinh chỉ khuếch ñại một sóng mang trong toàn bộ băng tần nên không có hiện tượng xuyên ñiều chế và vì thế công suất vệ tinh không cần giảm ñể chống lại hiện tượng ñó

- Linh hoạt hơn FDMA khi cần thay ñổi cấu hình vì các tham số tốc ñộ bít của các khối bít và ñộ dài của các khối bít có thể thay ñổi ñược tùy thuộc vào lưu lượng thông tin ở mỗi trạm mặt ñất

Hệ thống TDMA có các nhược ñiểm sau:

- Hệ thống yêu cầu có sự ñồng bộ thời gian giữa các trạm mặt ñất Trường hợp có 1 trạm có sự cố và không ñiều khiển ñược quá trình phát ñúng vào khe thời gian ñã ñịnh của nó thì nó ảnh hưởng tới toàn bộ hệ thống

yêu cầu với các trạm mặt ñất cao hơn FDMA

- Trạm mặt ñất có cấu trúc phức tạp hơn FDMA

1.4.3 ða truy nhập phân chia theo mã CDMA

Hình 1.10 Hệ thống CDMA trong TTVT

ða truy nhập phân chia theo mã là phương thức ñiều chế mã ña truy

nhập dựa trên cơ sở trải phổ tín hiệu ra một dải tần rộng hơn băng tần cần

thiết ñể truyền ñi một lượng thông tin

Tín hiệu không

mong muốn

Tạp âm và nhiễu từ các trạm khác

Phương pháp này cho phép sử dụng chung phổ tần của bộ phát ñáp vệ tinh bằng cách trao cho mỗi trạm mặt ñất một khóa mã trải phổ tín hiệu riêng biệt Sở dĩ có thể dùng chung một dải tần số vì mỗi trạm mặt ñất phát sử dụng một chuỗi giả ngẫu nhiên ñể trải phổ tín hiệu cần truyền ñi, và tại ñầu thu sẽ

sử dụng cùng một chuỗi giả ngẫu nhiên ñể nén phổ ñã ñược trải ở ñầu phát Các mạng khác nhau có thể hoạt ñộng ñồng thời trên cùng một phổ nếu sử dụng các mã khác nhau và không ảnh hưởng tới mạng bên cạnh

Hệ thống CDMA có các ưu ñiểm sau:

- Thực hiện ñơn giản, không cần có sự ñồng bộ giữa các trạm mặt ñất trong cùng hệ thống TTVT mà chỉ cần ñồng bộ khóa mã giữa ñầu thu và ñầu phát

- Khả năng chống nhiễu cao gây ra bởi các hệ thống khác hoặc gây ra do hiện tượng ña ñường

- Có tính bảo mật cao do sử dụng các khóa mã

Nhược ñiểm của hệ thống CDMA:

- Cần phải ñiều khiển công suất phát của các trạm

1.4.4 ða truy nhập theo yêu cầu DAMA

Hệ thống TTVT sử dụng phương thức ña truy nhập DAMA có ñộ linh hoạt và mềm dẻo cao ñể sử dụng bộ phát ñáp vệ tinh một cách có hiệu quả, ñặc biệt phù hợp với những vùng có dung lượng thấp Hệ thống truyền ñưa dung lượng thoại bằng việc ấn ñịnh kênh liên lạc cho mỗi cuộc gọi khi có yêu cầu tức là kênh thông tin chỉ ñược thiết lập giữa hai trạm mặt ñất trong thời gian liên lạc

Hệ thống DAMA có khả năng kết nối nội bộ với cấu hình có dạng hoàn toàn lưới, một số thuê bao trong cùng một vùng dịch vụ của một trạm mặt ñất nào ñó qua các kênh vệ tinh ñể thiết lập tuyến thông tin với các vùng dịch vụ của các trạm mặt ñất khác Tất cả các thuê bao ñều có thể thực hiện ñược các cuộc gọi trong nước và quốc tế bằng cấu hình hoàn toàn lưới