Giáo trình thông tin từ xa ngành điện tử viễn thông

Để tiếp tục phát triển thông tin di động vệ tinh, năm 1985 FCC cho phép Côngxoocxiom của các hãng cung cấp dịch vụ cho Mỹ.. Hệ thống có thể cung cấp: dịch vụ thông tin di động vệ tinh mặ

H C VI N CÔNG NGH B U CHÍNH VI N THÔNG

THÔNG TIN V TINH

(Dùng cho sinh viên h đào t o đ i h c t xa)

L u hành n i b

HÀ N I - 2007

H C VI N CÔNG NGH B U CHÍNH VI N THÔNG

THÔNG TIN V TINH

L I NÓI U

Thông tin v tinh đã đã tr thành m t ph ng tiên thông tin r t ph bi n và đa d ng Nó

th hi n t các ch o anten truy n hình gia đình cho đ n các h thông th ng tin toàn c u truy n các

ph i tròn Ông đã t ng k t các nghiên c u c a mình trong ba đ nh lu t chuy n đ ng hành tinh Hai

đ nh lu t đ u đã đ c công b trong t p chí New Astromy vào n m 1609 và đ nh lu t th ba đ c công b trong cu n sách Harmony of The World vào n m 1619 Ba đ nh lu t này đ c trình b y

nh sau

• nh lu t 1 Qu đ o cu m t hành tinh có d ng elip v i m t tr i n m t i tiêu đi m

• nh lu t 2 Bán kính c a vect n i hành tinh và m t tr i quét các di n tích b ng nhau trong

kho ng th i gian b ng nhau

• nh lu t 3 Bình ph ng chu k quay quanh qu đ o c a hành tinh t l v i l p ph ng bán

l i đ u s d ng qu đ o tròn Hi n nay không ch có các h th ng thông tin v tinh cho các đ i

t ng c đ nh mà các h th ng thông tin v tinh di đ ng c ng đã đ c thi t l p và đ a vào khai thác Ngày càng có xu th tích h p thông tin v tinh v i thông tin m t đ t

Tài li u này bao g m các bài gi ng v môn h c "Thông tin v tinh" đ c biên so n theo

ch ng trình đ i h c công ngh vi n thông c a H c vi n Công ngh B u chính Vi n thông M c đích c a tài li u là cung c p cho sinh viên các ki n th c c n b n nh t v thông tin v tinh

Tài li u này đ c xây d ng trên c s sinh viên đã h c các môn: Anten và truy n sóng, Truy n d n vô tuy n s , Lý thuy t tr i ph và đa truy nh p vô tuy n

Do h n ch c a th i l ng nên tài li u này ch bao g m các ph n c n b n liên quan đ n các ki n th c c n b n v thông tin v tinh Tuy nhiên h c k tài li u này sinh viên có th hoàn

ch nh thêm ki n th c cu môn h c b ng cách đ c các tài li u tham kh o d n ra cu i tài li u này

Tài li u này đ c chia làm b y ch ng c k t c u h p lý đ sinh viên có th t h c

M i ch ng đ u có ph n gi i thi u chung, n i dung, t ng k t, câu h i vài bài t p Cu i tài li u là đáp án cho các bài t p

Ng i biên so n: TS Nguy n Ph m Anh D ng

Ch ng 1 T ng quan các h th ng thông tin v tinh

• Hi u đ c các lo i qu đ o và ng d ng c a chúng trong thông tin v tinh

• Hi u đ c t ch c c a các h th ng thông tin v tinh

• Hi u đ c quy ho ch t n s cho thông tin v tinh

1.2 CÁC QU O V TINH TRONG CÁC H THÔNG THÔNG TIN

V TINH

Tu thu c vào đ cao so v i m t đ t các qu đ o c a v tinh trong h th ng thông tin v tinh đ c chia thành (hình 2.1):

* HEO (Highly Elpitical Orbit): qu đ o elip cao

* GSO (Geostationary Orbit) hay GEO (Geostatinary Earth Orbit): qu đ o đ a t nh

* MEO (Medium Earth Orbit): qu đ o trung

* LEO (Low Earth Orbit): qu đ o th p

Ch ng 1 T ng quan các h th ng thông tin v tinh

GEO

HEO 40.000 km

36.000km

1.000 km MEO

LEO 10.000 km

Hình 1.1 Các qu đ o v tinh trong các h th ng thông tin v tinh

1.3 PHÂN B T N S CHO CÁC H TH NG THÔNG TIN V TINH

Phân b t n s cho các d ch v v tinh là m t quá trình r t ph c t p đòi h i s c ng tác

qu c t và có quy ho ch Phân b t n đ c th c hi n d i s b o tr c a Liên đoàn vi n thông

qu c t (ITU) ti n cho vi c quy ho ch t n s , toàn th gi i đ c chia thành ba vùng:

Vùng 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên xô c và Mông C

Vùng 2: B c M , Nam M và o Xanh

Vùng 3: Châu Á (tr vùng 1), Úc và Tây nam Thái Bình D ng

Trong các vùng này b ng t n đ c phân b cho các d ch v v tinh khác nhau, m c dù

T ng phân lo i trên l i đ c chia thành các phân nhóm d ch v ; ch ng h n d ch v v tinh c

đ nh cung c p các đ ng truy n cho các m ng đi n tho i hi n có c ng nh các tín hi u truy n hình cho các hãng TV cáp đ phân ph i trên các h th ng cáp Các d ch v v tinh qu ng bá có

m c đích ch y u phát qu ng bá tr c ti p đ n gia đình và đôi khi đ c g i là v tinh qu ng bá

tr c ti p (DBS:direct broadcast setellite), Châu Âu g i là d ch v tr c ti p đ n nhà (DTH: direct

to home) Các d ch v v tinh di đ ng bao g m: di đ ng m t đ t, di đ ng trên bi n và di đ ng trên máy bay Các d ch v v tinh đ o hàng bao g m các h th ng đ nh v toàn c u và các v tinh cho các d ch v khí t ng th ng cung c p c d ch v tìm ki m và c u h

B ng 1.1 li t kê các ký hi u b ng t n s d ng chung cho các d ch v v tinh

Ch ng 1 T ng quan các h th ng thông tin v tinh

B ng 1.1 Các ký hi u b ng t n

0,1-0,3 0,3-1,0 1,0-2,0 2,0-4,0 4,0-8,0 8,0-12,0 12,0-18,0 18,0-27,0 27,0-40,0 40,0-75 75-110 110-300 300-3000

VHF UHF

d ng r ng rãi nh t là vào kho ng t 4 đ n 6 GHz H u nh các t n s cao h n đ c s d ng cho

đ ng lên và th ng b ng C đ c ký hi u là 6/4 GHz trong đó con s vi t tr c là t n s đ ng lên i v i d ch v qu ng bá tr c ti p trong b ng Ku, d i th ng đ c s d ng là vào kho ng t

12 đ n 14 GHz và đ c ký hi u là 14/12 GHz M c dù các n đ nh t n s đ c th c hi n c th

h n và chúng có th n m ngoài các giá tr đ c trích d n đây (ch ng h n các n đ nh t n s

b ng Ku có th là 14,030 GHz và 11,730 GHz), các giá tr g n đúng đ c đ a ra trên hoàn toàn tho mãn cho các tính toán có liên quan đ n t n s

1.4 INTELSAT

INTELSAT (International Telecommunications Satellite) là m t t ch c đ c thành l p vào n m 1964 bao g m 140 n c thành viên và đ c đ u t b i 40 t ch c Các h th ng v tinh INTELSAT đ u s d ng qu đ o đ a t nh H th ng v tinh INTELSAT ph ba vùng chính: vùng

i Tây D ng (AOR: Atlanthic Ocean Region), vùng n D ng (IOR: Indian Ocean Region) và vùng Thái Bình D ng (POR: Pacific Ocean Region) INTELSAT VI cung c p l u

l ng trong AOR g p ba l n trong IOR và hai l n trong IOR và POR c ng l i Nh v y h th ng

v tinh này ch y u đ m b o l u l ng cho AOR Tháng 5/1999 đã có ba v tinh INTELSAT VI

ph c v trong AOR và hai trong IOR

Các v tinh INTELSAT VII-VII/A đ c phóng trong kho ng th i gian t 11/1993 đ n 6/1996 v i th i h n ph c v t 10 đ n 15 n m Các v tinh này đ c thi t k ch y u đ ph c v POR và m t ph n AOR Các v tinh này có dung l ng 22.500 kênh tho i hai chi u và 3 kênh

TV N u s d ng nhân kênh s có th nâng s kênh tho i lên 112.500 kênh hai chi u

Ch ng 1 T ng quan các h th ng thông tin v tinh

Các v tinh INTELSAT VIII-VII/A đ c phóng trong kho ng th i gian t 2/1997 đ n 6/1998 v i th i h n ph c v t 14 đ n 17 n m Các v tinh này có dung l ng gi ng nh VII/A Các v tinh INTELSAT IX là seri v tinh đ c phóng mu n nh t (t quý 1 /2001) Các v tinh này cung c p d i d ch v r ng h n bao g m c các d ch v nh : internet, TV đ n nhà (DTH), khám b nh t xa, d y h c t xa, video t ng tác và đa ph ng ti n

Ngoài ra các v tinh INTELSAT c ng cung c p các d ch v n i đ a ho c các d ch v vùng

gi a các n c

1.5 V TINH N I A, DOMSAT

V tinh n i đ a đ c vi t t t là DOMSAT (domestic satellite) Các v tinh này đ c s

d ng đ cung c p các d ch v khác nhau nh : tho i, s li u, truy n d n TV trong m t n c Các

v tinh này th ng đ c đ t trên qu đ o đ a t nh T i M các v tinh này c ng cho phép l a ch n các kênh truy n hình cho máy thu gia đình, ngoài ra chúng còn cung c p m t kh i l ng l n l u

M c đích ban đ u là ch có các v tinh công su t l n cung c p d ch v v tinh qu ng bá (DBS) Các v tinh công su t trung bình ch y u cung c p d ch v đi m đ n đi m và m t ph n DBS Còn các v tinh công su t th p ch cung c p d ch v đi m đ n đi m Tuy nhiên t kinh nghi m ng i ta th y máy thu v tinh truy n hình (TVRO) c ng có th b t đ c các ch ng trình

t b ng C, nên nhi u gia đình đã s d ng các ch o anten b ng C đ b t các ch ng trình truy n hình Hi n này nhi u hãng truy n thông qu ng bá đã m t mã hóa ch ng trình b ng C, vì th ch

có th b t đ c ch ng trình này sau khi gi i mã

1.6 CÁC H TH NG THÔNG TIN DI NG V TINH

Thông tin di đ ng v tinh trong m i n m g n đây đã tr i qua nh ng bi n đ i cách m ng

b t đ u t h th ng thông tin di đ ng v tinh hàng h i (INMARSAT) v i các v tinh qu đ o

đ a t nh (GSO) N m 1996 INMARSAT phóng 3 trong s n m v tinh c a INMARSAT 3 đ t o

ra các chùm búp h p chi u x toàn c u Trái đ t đ c chia thành các vùng r ng l n đ c ph c v

b i các chùm búp h p này V i cùng m t công su t phát các chùm búp h p t o ra đ c EIRP l n

đ u cu i m t đ t s đ n gi n h n,

Ch ng 1 T ng quan cỏc h th ng thụng tin v tinh

vỡ đ u cu i m t đ t s nhỡn th y anten v tinh v i t s gi a h s khuy ch đ i anten và nhi t đ

t p õm h th ng (G/Ts) l n h n và EIRP đ ng xu ng l n h n Ng i ta d đ nh cú th s d ng thi t b đ u cu i m t đ t v i kớch th c s tay Hi n nay cỏc v tinh GSO cho phộp cỏc thi t b

di đ ng m t đ t trờn ụ tụ ho c kớch c va li V i EIRP t v tinh đ l n, cỏc mỏy di đ ng cú th s

d ng cỏc anten cú kớch th c trung bỡnh cho d ch v thu s li u và tho i Tuy nhiờn v n ch a th cung c p d ch v cho cỏc mỏy thu phỏt c m tay

đ m b o ho t đ ng vựng súng vi ba th p cho cỏc b thu phỏt c m tay h th ng v tinh GSO c n cú anten dự m (h s khuy ch đ i anten cao) đ t đ c bờn trong thi t b phúng và cụng su t phỏt b sung Ch ng h n b ng L (1 đ n 2 GHz), kớch th c anten cú th t 10 đ n 15

m S d c n nh v y vỡ mỏy thu phỏt c m tay cú cụng su t phỏt th p (vài tr m mW) và h s khuy ch đ i anten th p (0 đ n 3 dB) Cụng su t phỏt c a mỏy c m tay ph thu c vào acqui (và

tr ng l ng c a nú), nh ng quan tr ng h n là an toàn cho ng i s d ng Vỡ th cỏc vựng d i

m t đ t đũi h i m t đ thụng l ng cụng su t đ n anten cao h n (đ t đ c nh EIRP cao) và t

s G/Ts v tinh cao (anten thu v tinh cú h s khuy ch đ i cao) đ b t đ c tớn hi u y u t mỏy phỏt c a mỏy c m tay

M t t ch c GSO hi n nay cú th cung c p d ch v cho cỏc mỏy phỏt thu kớch th c va li là: Hóng v tinh di đ ng M (AMSC) s d ng v tinh GSO đ t 1010W V tinh này đ m b o

d ch v cho thụng tin c a ng i s d ng b ng L và s d ng b ng Ku (11 đ n 18 GHz) đ giao

di n v i tr m c a m t đ t n i k t n i v i m ng PSTN

T t c cỏc v tinh di đ ng cung c p d ch v ti ng ph thu c vào anten tr m m t đ t cú tớnh

h ng (G>10dB) Cú th s d ng cỏc anten cú khuy ch đ i th p h n nh ng ch cú th cung c p

d ch v cho t c đ s li u th p ho c nh n tin (phi tho i)

Hi n nay thụng tin di đ ng v tinh đang chuy n sang d ch v thụng tin di đ ng cỏ nhõn (PCS) v i cỏc mỏy thu phỏt c m tay i v i ng d ng này cỏc v tinh ph i cú qu đ o th p (LEO) (đ cao vào kho ng 1000 km) và qu đ o trung MEO (đ cao kho ng 10.000 km) Cỏc v tinh này s d ng cỏc chựm bỳp h p chi u x m t đ t đ t o thành c u trỳc t ong gi ng nh cỏc

h th ng t ong m t đ t Tuy nhiờn do v tinh bay nờn cỏc chựm bỳp này di đ ng và c b n tr m

di đ ng cú th coi là d ng đ i v i cỏc bỳp h p (t ong) chuy n đ ng khỏ nhanh

C ng cú th l p trỡnh cỏc bỳp h p này đ quột súng cỏc vựng ph c v m t đ t và duy trỡ vựng chi u c đ nh nh h th ng t ong Tuy nhiờn đi u này đũi h i cỏc anten ph c t p h n,

ch ng h n dàn ch nh pha hay anten quột c khớ ho c đi u khi n đ cao qu đ o v tinh

M t s hóng đang đ a ra cỏc đ ỏn LEO hay MEO đ cung c p c d ch v truy n s li u

và ti ng Ch y u cỏc d ch v s li u đ c cung c p b i cỏc h th ng v tinh LEO nh , cũn c hai

d ch v s li u và ti ng đ c cung c p b i cỏc h th ng LEO l n Núi chung cỏc v tinh c a LEO

l n ph c t p (và đ t ti n) h n Trong ph n d i đõy ta s xột một số hệ thống thông tin di động vệ

Ch ng 1 T ng quan cỏc h th ng thụng tin v tinh

thương mại Tiếp theo là sự ra đời của MARECS, IVMCS và INMARSAT, nhưng MARISAT vẫn tiếp tục hoạt động Phát triển cao nhất là chùm vệ tinh của INMARSAT-3 đảm bảo các búp toàn cầu và các búp hẹp Tất cả các hệ thống nói trên chủ yếu cung cấp dịch vụ cho thông tin hàng hải, tuy nhiên hiện nay INMARSAT cung cấp cả dịch vụ thông tin di động cho đất liền và hàng không

Đường dịch vụ của các hệ thống này sử dụng băng L, còn đường ti p súng sử dụng băng C Các hệ thống này không cung cấp được dịch vụ cho các máy cầm tay Comsat đã phát triển đầu cuối xách tay có tên gọi là Planet 1 để sử dụng dịch vụ do INMARSAT-3 cung cấp Các búp hẹp tạo ra EIRP

và G/Ts đủ lớn để thông tin với máy xách tay

Để tiếp tục phát triển thông tin di động vệ tinh, năm 1985 FCC cho phép Côngxoocxiom của các hãng cung cấp dịch vụ cho Mỹ Tập đoàn vệ tinh di động Mỹ AMSC nhận được cấp phép này Hệ thống vệ tinh này được đặt tên là AMSC Hệ thống có thể cung cấp: dịch vụ thông tin di

động vệ tinh mặt đất (LMSS), dịch vụ thông tin di động vệ tinh hàng không (AMSS) và dịch vụ thông tin di động vệ tinh hàng hải (MMSS) Hệ thống có thể cung cấp các dịch vụ thoại, số liệu và Fax cho các máy xách tay, đặt trên ô tô hay các trạm cố định Dịch vụ này có tên là ô trên trời (Skycell) Dịch vụ tổ ong (cho máy cầm tay) có thể nhận được nhờ khai thác song mốt ở vùng có

hệ thống thông tin di động tổ ong mặt đất AMSC không đủ mạnh để cung cấp dịch vụ cho máy cầm tay, vì anten mặt đất phải có khuyếch đại khoảng 10 dB để đạt được dịch vụ tiếng tin cậy Tháng 4/ 1995 vệ tinh AMSC được phóng và đưa vào phục vụ vài tháng sau đó AMSC-1 được đặt

ở kinh độ 1010W FCC cho phép AMSC phóng ba vệ tinh

Hãng di động Telesat của Canada đã thoả thuận liên doanh để phóng vệ tinh (MSAT) Vệ tinh này đã đựơc phóng và đặt ở kinh độ 1060W

Tần số công tác đường dịch vụ của AMSC-1 là: 1530-1559 MHz cho đường xuống và 1631,5-1660 MHz cho đường lên Tần số cho đường ti p súng là: băng 13 GHz cho đường xuống

và băng 10 GHz cho đường lên Vệ tinh hoạt động như ống cong "bent pipe" (hai trạm mặt đất đều nhìn thấy vệ tinh trong lúc liên lạc) và không có xử lý trên vệ tinh Đầu cuối của người sử dụng làm việc ở băng L Quá trình định tuyến tín hiệu đến và từ vệ tinh được cho ở hình 1.3 Hai anten

dù mở được sử dụng kết nối thông tin giữa hai người sử dụng Anten siêu cao tần (SHF) cho búp sóng được định dạng để phủ sóng hầu hết Bắc Mỹ Không có đường nối trực tiếp băng L giữa hai người sử dụng Để thực hiện cuộc gọi, người sử dụng phát tín hiệu đường lên băng L đến vệ tinh, ở

vệ tinh tín hiệu này chuyển đổi tần số được phát xuống ở tần số 13 GHz đến trung tâm điều khiển Trung tâm này ấn định cặp kênh cho phía khởi xướng và kết cuối cuộc gọi Sau khi kết nối được thực hiện, hai phía có thể thông tin với nhau Tín hiệu phía khởi xướng được phát lên đến vệ tinh, sau đó từ vệ tinh phát xuống đến trạm cổng và từ trạm này nó được phát lên đến vệ tinh T i đây

nó được chuyển vào băng L và phát đến trạm kết cuối Nếu phía kết cuối không phải máy di động, trạm cổng kết nối cuộc gọi đến PSTN nội hạt Sau khi cuộc gọi kết thúc, kênh được giải phóng Thực chất thông tin ở đây được thực hiện ở hai chặng và không có kết nối trực tiếp ở băng L Thuật ngữ kỹ thuật được sử dụng cho trường hợp này là: không đấu nối băng L với băng L ở vệ tinh Trước hết AMSC sử dụng các đầu cuối hai chế độ vệ tinh/tổ ong Nếu máy di động không thể

kết nối đến hệ thống tổ ong mặt đất, cuộc gọi được định tuyến qua chế độ vệ tinh

Ch ng 1 T ng quan cỏc h th ng thụng tin v tinh

Hình 1.3 Vệ tinh hai băng tần AMSC

1.6.1.2 Dịch vụ cho châu Âu bằng hệ thống Archimedes

Hãng hàng không vũ trụ châu Âu đã đề xuất sử dụng vệ tinh tia chớp "Molnya' quỹ đạo elip ở điểm cực viễn để đảm bảo dịch vụ tiếng bằng đầu cuối kích thước vali cho châu Âu Sử dụng dạng quỹ đạo này có hai cái lợi Nó cho phép góc ngẩng búp anten cao hơn (khoảng 700), nhờ thế giảm phađinh nhiều tia xẩy ra khi sử dụng góc ngẩng thấp và che tối của các vật cản Ngoài ra anten của người sử dụng không cần thiết phải vô hướng vì vệ tinh được nhìn thấy trong khoảng thời gian dài ở vùng cực viễn Hai yếu tố này (góc ngẩng cao và tính hướng anten tăng) cho phép giảm quỹ đường truyền, nhờ vậy tiết kiệm đáng kể công suất vệ tinh Chùm vệ tinh trong trường hợp này sử dụng bốn vệ tinh với mỗi vệ tinh ở một quỹ đạo Molnia, nút lờn cách nhau 900 và góc nghiêng 63,40 Các vệ tinh được định pha ở xung quanh điểm cực viễn tại các thời điểm khác nhau

để có thể phủ được toàn châu Âu trong 24 giờ Với chu kỳ quay 12 giờ, hai cực viễn xẩy ra ở bán cầu bắc, nhưng chỉ điểm trên châu Âu là được tích cực Điểm cực viễn được nhìn thấy trong khoảng thời gian từ 6 đến 8 giờ, trong khoảng thời gian này các vệ tinh được tích cực Cấu hình của hệ thống vệ tinh này được cho ở hình1.4a

Cỏc anten dự m b ng L (1,5 MHz đ ng lờn; 1,6 MHz đ ng xu ng)

Anten SHF (tia đ c t o d ng)

* V tinh “ ng nghiờng”, cỏc kờnh tuy n tớnh (trong su t đ i v i khuụn d ng tớn hi u )

* Ba b phỏt đỏp SHF → L

L → SHF SHF → SHF

Hỡnh 1.4 a) cỏc qu đao v tinh Molnya; b) c u hỡnh h th ng thụng tin di đ ng v tinh ASMC và Archimedes

Anten trên mỗi vệ tinh (ở khoảng thời gian gần điểm cực viễn) sẽ chiếu xạ châu Âu bằng 6 búp Lưu ý rằng trong khoảng thời gian này cự ly đến trạm mặt đất sẽ thay đổi vì thế mức tín hiệu thay đổi vào khoảng 4 dB Nếu không thay đổi chiếu xạ của búp anten (chẳng hạn giảm độ rộng

Ch ng 1 T ng quan cỏc h th ng thụng tin v tinh

của búp khi tiến đến gần điểm cực viễn) thì kích thước của vệt phủ cũng thay đổi Việc giảm độ rộng búp cũng dẫn đến tăng hệ số khuyếch đại, điều này là cần thiết vì cự ly đến trạm mặt đất tăng Hệ thống cung cấp dịch vụ ở băng L Mỗi vệ tinh đảm bảo cung cấp dịch vụ cho 3000 kênh thoại

Cấu hình của vệ tinh cho hệ thống ASMC và Archimedes giống nhau và được cho ở hình 1.4b Cả hai hệ thống đều sử dụng bộ phát đáp "ống cong" nhờ vậy có thể sử dụng chúng cho mọi tiêu chuẩn điều chế và truy nhập

1.6.2 Dịch vụ di động vệ tinh quỹ đạo không phải địa tĩnh (NGSO)

Chìa khoá để phát triển dịch vụ thông tin di động là đảm bảo thông tin cá nhân mọi nơi mọi chỗ cho các máy thu phát cầm tay với giá thành hợp lý Nhờ sự ra đời của phương pháp xử lý tín hiệu số mới và vi mạch tích hợp cao (MMIC, VLSI) điều này có thể thực hiện được Bước tiếp theo là tiến hành giao diện với cơ sở hạ tầng hiện có của thông tin di động tổ ong mặt đất Giao diện này cho phép khai thác song mốt vệ tinh-mặt đất Sự ra đời của các vệ tinh thông tin NGSO nhằm đạt được mục đích này Đây là các vệ tinh LEO (độ cao quỹ đạo 1000 km) và MEO (độ cao quỹ đạo 10.000 km) Hỡnh1.5 cho th y c u trỳc đi n hỡnh c a h th ng thụng tin v tinh LEO/MEO ở các phần dưới đây ta sẽ xét các hệ thống thông tin di động vệ tinh LEO

1

1

Hỡnh 1.5 C u trỳc chung c a m t h th ng thụng tin LEO/MEO

1.6.2.1 Dịch vụ vệ tinh di động LEO nhỏ

ở Mỹ FCC đã cấp phép cho các hệ thống LEO nhỏ làm việc ở tần số thấp hơn 1GHz trong các băng tần VHF/UHF Các vệ tinh này làm việc ở chế độ lưu-và-phát cho dịch vụ số liệu và phát bản tin nhưng không có dịch vụ tiếng Nói chung các vệ tinh này nhỏ nhưng ít phức tạp hơn LEO lớn Độ cao của chúng vào khoảng 1300 km Chúng cũng được thiết kế để làm việc với các máy thu phát cầm tay

FCC cấp phép LEO nhỏ đợt một cho ba tổ chức sau: ORBCOMM (Orbital Sciences Corporation), Starsys Global Posisioning System (Starsys) và VITA (Volunteer in Technical Assistance) ORBCOMM đề xuất đặt chùm 36 vệ tinh vào 4 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 450 với

Ch ng 1 T ng quan cỏc h th ng thụng tin v tinh

và hai vệ tinh ở mỗi quỹ đạo ORBCOMM cũng đề nghị FCC cho phép thay đổi hệ thống bằng cách sử dụng 8 vệ tinh cho mỗi quỹ đạo nghiêng 700

Starsys sẽ phóng 24 vệ tinh trong 6 mặt phẳng nghiêng 530 với 4 vệ tinh ở mỗi mặt phẳng VITA thử phóng một vệ tinh vào quỹ đạo nghiêng 880, nhưng bị lạc mất vì sự cố phóng Hai vệ tinh đầu tiên của ORCOMM với tên gọi là Microstar được phóng vào 4/1995 36 vệ tinh còn lại

được phóng vào năm 1997

Năm 1994 FCC cấp phép đợt hai cho các LEO nhỏ

1.6.2.2 LEO lớn cho tiếng và số liệu

Vào đầu những năm 1990 sáu hãng của Mỹ làm đơn xin phép cung cấp thông tin cá nhân toàn cầu và liên tục Năm hãng sẽ khai thác ở các độ cao thấp hơn so với các vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh Các vệ tinh này được gọi là NGSO và được thiết kế để hoạt động ở quỹ đạo thấp (LEO) và trung (MEO) Hãng thứ sáu đề xuất khai thác hệ thống của mình ở độ cao địa tĩnh

Để đảm bảo dịch vụ liên tục các vệ tinh làm việc ở quỹ đạo thấp cần có chùm vệ tinh ở nhiều quỹ đạo, vì chúng chỉ xuất hiện trong trường nhìn ở một vài phần trăm thời gian của quỹ

đạo Thông thường là 10 đến 15 phút cho LEO và 2 giờ cho MEO

Các vệ tinh này được thiết kế để đảm bảo dịch vụ tiếng, số liệu, Fax và thông tin định vị cho các máy thu phát cầm tay Không như các hệ thống tổ ong mặt đất các hệ thống vệ tinh này có thể cung cấp dịch vụ cho các vùng xa xôi và vùng biển khi cần thiết Vì thế hệ thống thông tin di

động vệ tinh là hệ thống thông tin di động bổ sung cho hệ thống mặt đất và có thể cho phép làm việc song mốt Trong thực tế nhiều nhà cung cấp hệ thống vệ tinh thiết kế các máy cầm tay hoạt

động song mốt và cũng giao tiếp cả với mạng điện thoại nội hạt trong vùng phục vụ

Năm 1995 FCC cấp phép cho ba hãng và để lại đơn của hai hãng chờ đến khi họ chứng minh được khả năng tài chính Ba hãng được cấp phép gồm: Motorola (Iridium), TWR (Odissey)

và Loral/Qualcom (Globalstar) Băng tần dự kiến cho hoạt động của các hệ thống này là: 1610 MHz đến 1626 MHz đường lên và 2483 đến 2500 MHz đường xuống Các băng tần này thường

được gọi là băng L và S Bảng 1.3 tổng kết các thông số của các hệ thống này Lưu ý rằng tất cả các dịch vụ đều được cung cấp ở băng tần cao hơn 1 GHz ICO Global (Intermediate Communication Global) là một chi nhánh của Inmarsat Globalstar, Iridium và CCI-Aries sử dụng LEO ở các độ cao thấp hơn 1500 km Odyssey và ICO Global sử dụng MEO ở độ cao vào khoảng 10.000 km Ellipso-Elippsat sử dung ba quỹ đạo cho chùm của họ Hai quỹ đạo elip có góc nghiêng 63,50 và độ lệch tâm vào khoảng 0,35 Quỹ đạo thứ ba là quỹ đạo tròn trong phặt phẳng xích đạo hoạt động ở độ cao 7800 km Iridium thực hiện xử lý trên vệ tinh

Cỏc dàn anten L và S

Hỡnh 1.5 C u trỳc v tinh Globalstar

và cho phép nối chéo vệ tinh để chuyển tiếp tiếng và số liệu đến các quỹ đạo khác hoặc đến vệ tin lân cận Tất cả các vệ tinh đều sử dụng anten dàn phẳng (băng L hoặc băng S) cho đường dịch vụ (búp hẹp) Các đường nuôi sử dụng anten loa ở băng Ka hoặc anten dàn ở băng C Cấu trúc của vệ tinh Globalstar được cho ở hình 1.5

Ch ng 1 T ng quan các h th ng thông tin v tinh

Toµn cÇu MEO 10.354 km/<6giê 12(2 dù tr÷) 3/520

1917 kg

15 n¨m

19,4-19,6/

29,1-25,25 1,610-1,62135/

2,4835-2500 èng cong

61

>3000 kh«ng

Tr¶i phæ QPSK CDMA

1-2 giê

220

4,2 (tiÕng) 1,2-9,6 (sè liÖu)

Toµn cÇu LEO 1414km/114 phót 48(8 dù tr÷) 8/520

426 kg

15 n¨m

5,091-5,250/

6,875-7,055 1,610-1,62135/

2,4835-2500 èng cong

16

2800 kh«ng

Tr¶i phæ QPSK CDMA

10-12 phót

100-200

1,2-9,6 (tiÕng) 2,4-9,6 (sè liÖu)

Toµn cÇu LEO

785 km/100 phót 66(6 dù tr÷) 6/86,40

700 kg

15 n¨m

29,4

19,3-19,6/29,1-1,62135-1,6265

cã xö lý

48

2300 4/vÖ tinh

25 Mbit/s 23,18-23,38 QPSK TDMA

9 phót

820

4,8 (tiÕng 2,4 (sè liÖu)

Tæ ong vïng xa, l÷ hµnh quèc tÕ

TiÕng, sè liÖu, fax, RDSS

Toµn cÇu LEO

1018 km/105 phót

48 4/900

<500 kg

B¨ng C 1,610-1,62135/ 2,4835-2500

32

kh«ng

CDMA

Ch ng 1 T ng quan các h th ng thông tin v tinh

1/95

1997

1998 (4) dµn

1/95

1997

1998 (4) dµn

t n s đ ng lên cao h n còn tr m phát đáp có công su t nh h n nên s s d ng t n s đ ng

xu ng th p h n i u này hoàn toàn ng c l i đ i v i h th ng thông tin di đ ng trong đó máy

đ u cu i do ch có th phát công su t nh nên s s d ng t n s đ ng lên th p h n so v i t n s phát xu ng t v tinh Các qu đ o đ a t nh đ c s d ng nhi u nh t cho thông tin v tinh vì v trí

c a nó c đ nh t ng đ i so v i m t đ t và vì m t v tinh có th ph sóng cho 1/3 di n tích trái

đ t Các h th ng INTELSAT và DOMSAT s d ng các qu đ o này cho các d ch v c đ nh nh tho i, s li u và truy n hình Các qu đ o đ a t nh c ng có th s d ng đ cung c p d ch v thông tin di đ ng, tuy nhiên anten trên v tinh ph i có kích th c l n (anten dù m ) đ đ c EIRP cao

và h s ph m ch t tr m v tinh (G/Ts) c ng ph i cao Các qu đ o LEO và MEO th ng đ c s

d ng cho các d ch v di đ ng cá nhân vì kho ng cách c a các v tinh không xa m t đ t Các thông

s cho các h th ng thông tin v tinh LEO l n đ c cho trong b ng 1.3

1.8 CÂU H I VÀ BÀI T P

1 Trình bày các qu đ o đ c s d ng trong thông tin v tinh

2 Trình bày phân b t n s trong thông tin v tinh

3 Trình bày các v tinh INTELSAT và các d ch v do chúng cung c p

4 Trình bày các v tinh DOMSAT và các d ch v do chúng cung c p

5 Trình bày các h thông thông tin di đ ng v tinh s d ng qu đ o GSO

6 Trình bày c u trúc chung c a h th ng thông tin LEO/MEO

7 Trình bày các thông s chính c a các h th ng thông tin di đ ng v tinh LEO

• Hi u đ c các đ nh lu t Keppler mô t qu đ o v tinh

• Bi t đ c các thu t ng th ng dùng cho v tinh

• Hi u đ c các ph n t qu đ o

• Hi u đ c các l c nhi u d n đ n thay đ i v trí v tinh trên qu đao

• Hi u đ c cách tính toán góc nhìn c a v tinh đ a t nh đ có th thi t k đ c m t tuy n v tinh

2.2 CÁC NH LU T KEPLER

Các v tinh quay quanh trái đ t tuân theo cùng các đ nh lu t đi u khi n s chuy n đ ng

c a các hành tinh xung quanh m t tr i T lâu d a trên các quan tr c k l ng ng i ta đã hi u

đ c s chuy n đ ng c a các hành tinh T các quan tr c này, Johannes Kepler (1571-1630) đã rút ra b ng th c nghi m ba đ nh lu t mô t chuy n đ ng hành tinh T ng quát các đ nh lu t Kepler có th áp d ng cho hai v t th b t k trong không gian t ng tác v i nhau qua l c h p d n

V t th có kh i l ng l n h n trong hai v t th đ c g i là s c p còn v t th th hai đ c g i là

v tinh

Ch ng 2 Các qu đ o v tinh

2.2.1 nh lu t Kepler th nh t

nh lu t Kepler th nh t phát bi u r ng đ ng chuy n đ ng c a m t v tinh xung quang

v t th s c p s là m t hình elip M t hình elip có hai tiêu đi m F1 và F2 nh th y hình 2.1 Tâm kh i l ng c a h th ng hai v t th này đ c g i là tâm bary luôn luôn n m t i m t trong hai tiêu đi m Trong tr ng h p đ c xét do s khác bi t r t l n gi a kh i l ng c a qu đ t và v tinh, tâm kh i l ng trùng v i tâm c a trái đ t và vì th tâm trái đ t luôn n m trong m t tiêu

Ch ng 2 Các qu đ o v tinh

T hình 2.2 ta th y nêú coi r ng v tich chuy n d ch các quãng đ ng là S1 và S2 mét trong 1 giây thì các di n tích A1 và A2 b ng nhau Do S1 và S2 là t c đ bay c a v tinh nên t

đ nh lu t di n tích b ng nhau này, ta rút ra r ng t c đ S2 th p h n t c đ S1 T đây ta suy ra

r ng v tinh ph i m t nhi u th i gian h n đ bay h t m t quãng đ ng cho tr c khi nó cách xa

qu đ t h n Thu c tính này đ c s d ng đ t ng kho ng th i gian mà m t v tinh có th nhìn

th y các vùng quy đ nh c a qu đ t

2.2.3 nh lu t Kepler th ba

nh lu t Kepler th ba phát bi u r ng bình ph ng chu k qu đ o t l m ba v i kho ng cách trung bình gi a hai v t th Kho ng cách trung bình b ng bán tr c chính a i v i các v tinh nhân t o bay quanh qu đ t, ta có th trình b y đ nh lu t Kepler th ba nh sau:

3 2

a n

μ

trong đó n là chuy n đ ng trung bình c a v tinh đo b ng radian trên giây và μ là h ng s h p

d n đ a tâm qu đ t V i a đo b ng mét, giá tr này là:

μ = 3,986005×1014

Ph ng trình 2.2 ch áp d ng cho tr ng h p lý t ng khi m t v tinh quay quanh m t

qu đ t c u lý t ng có kh i l ng đ ng đ u và không b tác đ ng nhi u ch ng h n s kéo trôi

c a khí quy n

V i n đo b ng radian trên giây, chu k qu đ o đo b ng giây đ c xác đ nh nh sau:

2 P n

π

Ý ngh a c a đ nh lu t Kepler th ba là nó cho th y quan h c đ nh gi a chu k và kích

th c M t dang qu đ o quan tr ng là qu đ o đ a t nh chu k c a qu đ o này đ c xác đ nh

b i chu k quay c a qu đ t Thí d d i đây cho th y s xác đ nh bán kính g n đúng c a qu

đ o đ a t nh

Thí d 2.1 Tính toán bán kính c a m t qu đ o tròn cho chu k là m t ngày

Gi i S chuy n d ch trung bình đo b ng rad/ngày là:

2.

n 1

2 2

a n

μ

= = 42241 km

đ o là đ ng tròn nên bán tr c chính c ng là bán kính

Ch ng 2 Cỏc qu đ o v tinh

2.3 NH NGH A CÁC THU T NG CHO QU O V TINH

Nh đó núi trờn, cỏc đ nh lu t c a Kepler ỏp d ng chung cho s chuy n đ ng c a v tinh xung quanh v t th s c p i v i tr ng h p v tinh bay quanh qu đ t, m t s thu t ng

Lat.iS

L a

Lat.iN= vĩ độ Bắc Lat.iS= vĩ độ Nam

Hỡnh 2.3 cao vi n đi m h a , c n đi m h p gúc nghiờng i và L a đ ng n i cỏc đi m c c

C n đi m (Perigee) i m g n qu đ t nh t Trờn hỡnh 2.3 đ cao c a đi m này đ c ký hi u là

ng cỏc nỳt (Line of nodes) ng n i cỏc nỳt lờn và nỳt xu ng qua tõm qu đ t

Gúc nghiờng (Inclination) Gúc gi a m t ph ng qu đ o và m t ph ng xich đ o Gúc đ c đo t i

đi m t ng t xớch đ o đ n qu đ o khi v tinh chuy n đ ng t Nam sang B c Gúc nghiờng đ c cho hỡnh 2.3 ký hi u là i õy s là v đ B c ho c Nam l n nh t

Qu đ o đ ng h ng (Prograde Orbit)) Qu đ o mà đú v tinh chuy n đ ng cựng v i chi u

quay c a qu đ t (hỡnh 2.4) Qu đ o đ ng h ng cũn đ c g i là qu đ o tr c ti p (Direct Orbit) Gúc nghiờng c a qu đ o đ ng h ng n m trong d i t 00 đ n 90 0

H u h t cỏc v tinh

Ch ng 2 Cỏc qu đ o v tinh

đ u đ c phúng vào qu đ o đ ng h ng vỡ t c đ quay c a qu đ t s cung c p m t ph n t c đ

qu đ o và nh v y ti t ki m đ c n ng l ng phúng

Hỡnh 2.4 Cỏc qu đ o đ ng h ng và ng c h ng

Qu đ o ng c h ng (Retrograde Orbit) Qu đ o mà đú v tinh chuy n đ ng ng c v i

chi u quay c a qu đ t (hỡnh 2.4) Gúc nghiờng c a qu đ o ng c h ng n m trong d i t 900

đ n 1800

Agumen c n đi m (Argument of Perigee) Gúc t nỳt xu ng đ n c n đi m đ c đo trong m t

ph ng qu đ o t i tõm qu đ t theo h ng chuy n đ ng c a v tinh Trờn hỡnh 2.5 gúc này đ c

ký hi u là ω

N

Mặt phẳng xích đạo

Cận

điểm

Y

Đường các nút

ω

Ω

Hỡnh 2.5 Agumen c a c n đi m ω và gúc lờn đỳng c a nỳt lờn Ω

Gúc lờn đỳng c a nỳt lờn (Right Ascension of Ascending Node) đ nh ngh a đ y đ v trớ

c a qu đ o trong khụng gian, v trớ c a nỳt lờn đ c đ c t Tuy nhiờn do s quay spin c a qu

đ t, trong khi m t ph ng qu đ o h u nh c đ nh (n u b qua s trụi c a v tinh), nờn kinh đ

c a nỳt lờn khụng c đ nh và vỡ th khụng th s d ng nú làm đi m chu n tuy t đ i xỏc đ nh

m t qu đ o trong th c ti n, ng i ta th ng s d ng kinh đ và th i gian v tinh chuy n đ ng

Ch ng 2 Các qu đ o v tinh

chu n đ c ch n là đi m đ u tiên c a cung B ch d ng hay đi m xuân phân i m xuân phân

x y ra khi m t tr i c t xích đ o t Nam qua B c và m t đ ng o đ c v t đi m c t xích đ o xuyên tâm c a m t tr i h ng đ n đi m th nh t c a chòm B ch d ng (ký hi u là Y) ây là

đ ng c a cung B ch d ng Góc lên đúng c a nút lên khi này là góc đ c đo trong m t ph ng xich đ o quay theo h ng đông t đ ng Y sang nút lên (hình 2.5)

d th ng trung bình (Mean anomaly) d th ng trung bình M cho th y giá tr trung bình v trí góc c a v tinh v i tham chu n là c n đi m i v i qu đ o tròn M cho th y v trí góc

c a v tinh trên qu đ o i v i qu đ o elip, tính toán v trí này khó h n nhi u và M đ c s

d ng làm b c trung gian trong quá trình tính toán

d th ng th t s (True anomaly) d th ng th c s là góc t c n đi m đ n v tinh đ c

đo t i tâm trái đ t Nó cho th y v trí góc c a anten trên qu đ o ph thu c vào th i gian

B ng 2.1 Thí d v thông s v tinh (theo công b c a NASA)

S v tinh: 25338

N m k nguyên (hai ch s cu i cùng c a n m): 00

Ngày k nguyên (ngày và ngày phân đo n c a n m): 223,79688452

o hàm th i gian b c nh t c a chuy n đ ng trung bình (vòng quay trung bình/ngày2

): 0,000000307

Chuy n đ ng trung bình (vòng/ngày): 14,23304826

S vòng quay t i k nguyên (vòng quay/ngày): 11663

Ta s th y r ng m c dù bán tr c chính không đ c đ c t , nh ng ta có th tính nó t b ng thông s Thí d tính toán đ c trình b y thí d 2.2

Thí d 2.2 Tính bán tr c chính cho các thông s v tinh b ng 2.1

Gi i Chuy n đ ng trung bình đ c cho b ng 2.1 là:

a n

đ cân b ng l c hút c a qu đ t Trong th c t còn có các l c khác nh các l c hút cu m t tr i,

m t tr ng và kéo c a khí quy n Các l c hút c a m t tr i và m t tr ng ít nh h ng lên các v tinh

qu đ o th p nh ng chúng tác d ng lên qu đ o đ a t nh L c kéo c a khí quy n trái l i ít nh

h ng lên các v tinh đ a t nh nh ng l i nh h ng lên các v tinh t m th p d i 1000 km

Ch ng 2 Các qu đ o v tinh

Ch s 0 đ bi u th r ng k t qu đ c áp d ng cho trái đ t c u có kh i l ng đ ng đ u lý t ng Tuy nhiên ta bi t r ng trái đ t không hoàn toàn hình c u, xích đ o h i phình ra còn c c thì h i d t vào và vì th nó có d ng hình c u d t Khi xét đ n đ c đi m này c a trái đ t, chuy n đ ng trung bình b thay đ i và đ c xác đ nh theo công th c sau:

2 1

d ng trung bình đ c đ c t trong công b c a NASA là ngh ch đ o c a chu k d th ng Chu k

trong đó n đo b ng đ c đo b ng radian trên giây

N u ta bi t đ c n (nh cho thông báo c a NASA) ta có th gi i ph ng trình (2.8) v i

l u ý r ng n0 c ng ph thu c vào a Ta có th gi i ph ng trình (2.8) đ tìm a b ng cách tìm nghi m c a ph ng trình sau:

2 1

Thí d 2.4 M t v tinh có qu đ o n m trong m t ph ng xích đ o v i chu k quay t c n đi m

đ n c n đi m là 12 gi Cho đ l ch tâm b ng 0,002; tính bán tr c chính Bán kính xích đ o c a

π

=

a xác đ nh theo đ nh lu t Kepler th ba nh sau:

Ch ng 2 Các qu đ o v tinh

1 / 2

2

a n

μ

=⎛ ⎞⎟⎜ ⎟

⎜ ⎟⎟

đây là giá tr không b nhi u có th s d ng đ c l ng giá tr nghi m

Giá tr b nhi u đ c xác đ nh nh sau:

a= nghi m

2 1

S d t c a qu đ t gây ra hai s quay c a m t ph ng qu đ o Quay th nh t đ c g i là

s d ch lùi (regression of nodes) các nút, trong đó d ng nh các nút tr t d c xích đ o K t qu

là đ ng các đi m nút trong m t xích đ o b quay xung quanh tâm trái đ t Nh v y góc lên đúng nút lên Ω b d ch

N u qu đ o là đ ng h ng thì các nút tr t sang tây và n u qu đ o là ng c h ng thì chúng tr t sang đông N u nhìn t nút lên, v tinh trong qu đ o đ ng h ng bay sang đông và trong qu đ o ng c h ng bay sang tây Nh v y các nút di chuy n ng c chi u chuy n đ ng v tinh, vì th ta có thu t ng d ch lùi i v i qu đ o c c (i=900

) d ch lùi b ng không

nh h ng th hai là s quay c a đ ng gi a các đi m c c trong m t ph ng qu đ o,

d i đây ta s xét nh h ng này C hai nh h ng đ u ph thu c vào chuy n đ ng trung bình n, bán tr c chính a và đ l ch tâm e Các thông s này đ c nhóm chung và m t h s K xác đ nh

2 2 2

nK K

M t trong s các nh h ng gây ra do s phình xích đ o là s quay đ ng các đi m c c,

d n đ n s thay đ i agumen c n đi m xác đ nh theo công th c sau:

d 2

K(2 2, 5 sin i) dt

ω

đây đ n v cho t c đ quay c a đ ng các đi m c c c ng là đ n v cho n

Khi góc nghiêng i b ng 63,4350; thành ph n trong ngo c b ng không và s không x y ra

Ch ng 2 Các qu đ o v tinh

N u ta ký hi u th i gian k nguyên là t0, góc lên đúng c a nút lên là Ω0 và agumen c n

đi m là ω0 t i k nguyên, ta đ c các giá tr m i cho Ω và ω t i t nh sau:

d (t t ) dt

Ω

d (t t ) dt

ω

C n nh r ng qu đ o không ph i là m t th c th v t lý và chính các l c do qu đ t d t gây ra tác d ng lên v tinh làm thay đ i các thông s qu đ o V y khác v i vi c bay theo m t

qu đ o elip khép kín trong m t m t ph ng c đ nh, v tinh b trôi do d ch lùi các đi m nút và v

đ c a đi m g n nh t (c n đi m) thay đ i do s quay c a đ ng các đi m c c Hi u đ c đi u này cho phép ta nhìn nh n v tinh bay theo m t qu đ o elip khép kín nh ng v i qu đ o chuy n

đ ng t ng đ i so v i m t đ t do s thay đ i c a Ω và ω Nh đã nói trên, chu k PA là th i gian c n thi t đ v tinh bay t c n đi m đ n c n đi m m c dù c n đi m đã d ch chuy n so v i

qu đ t

làm thí d , gi thi t r ng góc nghiêng b ng 900 sao cho d ch lùi các nút b ng không (t

ph ng trình 2.12) và t c đ quay c a đ ng các đi m c c là -K/2 (t ph ng trình 2.13) ngoài ra xét tr ng h p c n đi m t i th i đi m quan tr c ban đ u n m ngay trên nút lên M t chu k sau,

c n đi m s góc -KPA/2 so v i nút lên hay nói m t cách khác nó s phía Nam so v i xích đ o

Th i gian gi a hai l n đi qua nút lên s là PA(1+K/2n), đây s là chu k đ c quan sát t trái đ t

Nh c l i r ng K s có cùng đ n v nh n, ngh a là radian trên giây

Thí d 2.5 Xác đ nh t c đ d ch lùi và t c đ quay c a đ ng các đi m c c cho các thông s cu

Ω

= − = 0,9820/ngày

2

d K(2 2, 5 sin i) dt

ω

Thí d 2.6 Tính cho thí d 2.5, các giá tr m i cho Ω và ω t i m t chu k sau k nguyên

Gi i T thí d 2.5:

0 A

d P dt

Ω

0 A

d P dt

nh h ng đáng k lên các v tinh trên qu đ o đ a t nh Nói m t các ng n g n, lý t ng v tinh trên qu đ o đ a t nh ph i c đ nh so v i trái đ t Gradien h p d n gây ra do tính elip xích đ o s làm cho các v tinh trên qu đ o đ a t nh trôi đ n m t đi m n đ nh, đi m này trùng v i tr c ph

c a elip xích đ o Hai đi m này phân cách nhau b i m t góc 1800

trên xích đ o n m vào kho ng kinh đ 750

E và 1050W tránh cho các v tinh đang ph c v b trôi các thao tác gi tr m đ c

th c hi n (Station Keeping Maneuvers) Vì các v tinh c d n d n b trôi vào các đi m này nên chúng đ c g i là "ngh a trang v tinh"

L u ý r ng nh h ng tính elip xích đ o là không đáng k đ i v i h u h t các qu đ o v tinh khác

2.6.2 S kéo khí quy n

i v i các v tinh g n trái đ t, nh h ng c a s kéo khí quy n (Atmospheric Drag) là đáng k Do l c kéo l n nh t t i c n đi m và s kéo này làm gi m t c đ v tinh t i đi m này nên

v tinh không đ t đ n cùng đ cao vi n đi m các vùng ti p theo K t qu là bán tr c chính và đ

l ch tâm gi m S kéo h u nh không thay đ i các thông s khác c a qu đ o bao g m c đ cao

c n đi m Bi u th c g n đúng đ xác đ nh s thay đ i bán tr c chính nh sau:

2 / 3 0

0

n (t t ) 2

Ch ng 2 Các qu đ o v tinh

T b ng 2.1 ta th y đ o hàm theo th i gian b c nh t c a chuy n đ ng trung bình (n0') là

m t s r t nh b ng 0,00000307 vòng/ngày Nh v y s thay đ i gây ra do s kéo ch đáng k

đ i v i kho ng th i gian dài và vì th đ i v i m c đích hi n th i ta có th b qua nó

2.7 CÁC QU O NGHIÊNG

Vi c nghiên c c t ng quát m t v tinh trên m t qu đ o nghiêng r t ph c t p vì c n tham

kh o các thông s khác nhau t các khung tham kh o khác nhau Các ph n t qu đ o đ c cho

v i tham chu n theo m t ph ng qu đ o có v trí c đ nh trong không gian, trong khi đó v trí c a

tr m m t đ t l i đ c xác đ nh theo các t a đ đ a lý đ a ph ng quay cùng v i qu đ t H to

đ vuông góc th ng đ c s d ng đ tính toán v trí v tinh và t c đ c a nó trong không gian trong khi đó các thông s tr m m t đ t c n tìm là góc ph ng v , góc ng ng và c ly Vì th c n

có chuy n đ i gi a các h to đ

minh h a ph ng pháp tính các qu đ o elip nghiêng, ta s xét v n đ tìm góc nhìn

cu tr m m t đ t và c ly C n nh r ng đ i v i các qu đ o nghiêng, v tinh không c đ nh so

v i m t đ t và vì th góc nhìn và c ly s thay đ i theo th i gian

Vi c xác đ nh góc nhìn và c ly bao g m các giá tr và các khái ni m sau:

1 Các ph n t v tinh đ c đ ng t i trong thông báo c a NASA (nh b ng 2.1)

2 Các ph ng pháp đo th i gian khác nhau

3 H to đ perifocal xây d ng trên m t ph ng qu đ o

4 H to đ xích đ o đ a tâm xây d ng trên m t ph ng xích đ o

5 H to đ chân tr i tâm topo xây d ng trên m t ph ng chân tr i c a quan sát viên

Ta c n s d ng hai chuy n đ i to đ chính sau:

• V trí v tinh đ c đo trong h to đ perofocal đ c chuy n vào h to đ xích

đ o đi tâm trong đó s quay cu qu đ t đ c đo đ v trí c a v tinh và tr m

1 V tinh ph i quay theo h ng đông v i t c đ quay b ng t c đ quay c a qu đ t

2 Qu đ o là đ ng tròn

3 Góc nghiêng c a qu đ o b ng 0

i u ki n đ u r t rõ ràng N u v tinh là t nh, nó ph i quay cùng t c đ v i qu đ t i u ki n th hai đ c rút ra t đ nh lu t Kepler th hai T c đ không đ i có ngh a là v tinh ph i quét các

di n tích nh nhau trong các kho ng th i gian nh nhau và đi u này ch x y ra v i qu đ o tròn

i u ki n th ba, góc nghiêng b ng không, d a trên đi u ki n r ng m i s nghiêng đ u d n đ n

v tinh chuy n đ ng theo h ng B c và Nam và vì th nó không ph i là đ a t nh Ch có góc

Ch ng 2 Các qu đ o v tinh

nghiêng b ng không m i tránh kh i vi c v tinh chuy n đ ng sang B c ho c Nam và đi u này có ngh a là qu đ o n m trong m t ph ng qua xích đ o c a qu đ t

Có th s d ng đ nh lu t Kepler th ba đ tìm bán kính qu đ o N u ký hi u bán kính này là aGSO, thìnó đ c xác đ nh nh sau:

3 1

2 2

C n l u ý r ng ch có m t qu đ o đ a t nh vì ch có m t giá tr a tho mãn ph ng trình Kepler đ i v i chu k 23 gi 56 phút 4 giây Các nhà qu n lý thông tin toàn c u coi qu đ o đ a

t nh nh là m t tài nguyên và c n đi u hành vi c s d ng nó m t cách c n th n trên c s tho thu n qu c t và qu c gia

3 Kinh đ đi m d i v tinh (g i t t là kinh đ v tinh ) ký hi u là φSS

Theo quy đ nh các v đ b c đ c s d ng nh là các góc d ng và các v đ nam đ c s d ng

là các góc âm Các kinh đ đông đ c coi là các góc d ng và các kinh đ tây đ c coi là các góc

Hình h c bi u di n các đ i l ng trên đ c cho hình 2.6 hình này ES ký hi u cho

tr m m t đ t, SS ký hi u cho đi m d i v tinh, S cho v tinh và d cho kho ng cách t v tinh đ n

tr m m t đ t Góc σ là góc c n xác đ nh

N

ES R

d

s SS

λ E

aE aE

h σ

Ch ng 2 Các qu đ o v tinh

Có hai d ng tam giác hình 2.6, tam giác c u đ c v nét đ m hình 2.7a và tam giác

ph ng đ c v hình 2.7b Tr c h t ta xét tam giác c u có các c nh là các cung c a các đ ng tròn l n và các các c nh này đ c đ nh ngh a b ng các góc đ i di n v i chúng t i tâm c a qu đ t

C nh a là cung gi a bán kính đ n c c B c và bán kính đ n đi m d i v tinh: a=900

Tam giác

c u có m t c nh 900đ c g i là tam giác góc ph n t C nh b là cung gi a bán kính đ n tr m m t

đ t và bán kính đ n đi m d i v tinh C nh c là cung gi a bán kính đ n tr m m t đ t và bán kính

đ c c i ti n đ xét đ n các góc B và λE có d u đây ta ch d n ra các k t qu Các quy t c Naplier xác đ nh góc b nh sau:

h n 900) và góc ph ng v là góc Az=A Trên hình 2.8b, góc A là góc nh n và sau khi xem xét,

Az=3600-A Trên hình 2.8c, góc Ac là góc tù và đ c xác đ nh b i Ac=1800-A, trong đó A là góc

nh n xác đ nh theo ph ng trình (2.27) Sau xem xét ta có Az= Ac=1800-A Trên hình 2.8d, góc

Ad là góc tù và đ c xác đ nh b ng 1800

-A, trong đó A là góc nh n nh n đ c t ph ng trình (2.27) Sau xem xét ta có Az=3600-Ad=1800+A Trong m i tr ng h p A là góc nh n đ c xác

Ch ng 2 Các qu đ o v tinh

ES A

N

ES A

SS

d N

SS

Hình 2.8 Các góc ph ng v liên quan đ n đ n góc A (xem b ng 2.2)

S d ng quy t c cosine cho các tam giác ph ng đ i v i tam giác hình 2.7b ta có th xác

đ nh d theo công th c sau:

bRa

aR

S d ng quy t c sine cho các tam giác ph ng đ i v i tam giác hình 2.7b ta có th xác

Ch ng 2 Các qu đ o v tinh

2.8.3 Các gi i h n t m nhìn

T m nhìn t tr m m t đ t đ n cung qu đ o đ a t nh s b gi i h n phía đông và phía tây Các gi i h n này đ c thi t l p b ng các t a đ c a tr m m t đ t và góc ng ng anten V m t

lý thuy t góc ng ng th p nh t b ng không khi anten h ng theo đ ng chân tr i Ta có th c

l ng nhanh đ c các gi i h n kinh đ khi xét m t tr m m t đ t trên đ ng xích đ o có anten

h ng v phía b c ho c phía nam theo đ ng chân tr i (xem hình 2.9)

= 81,30

V y đ i v i tr ng h p này tr m m t đ t có th nhìn th y các v tinh đ a t nh trên m t cung đ c gi i h n b i ±81,30 xung quang kinh đ c a tr m m t đ t

Trong th c t đ tránh thu quá nhi u t p âm t m t đ t, ng i ta s d ng giá tr t i thi u cho góc

ng ng v i ký hi u ELmin Giá tr đi n hình là 50

Các gi i h n t m nhìn c ng ph thu c vào v đ

c a tr m m t đ t Ta xét hình 2.7b, gi s S là góc c a tam giác t i t i đi m đ t v tinh khi

σmin=900+ELmin S d ng quy t c sine ta đ c:

min

cos

cosarccos

Ch ng này đã xét các v n đ chính liên quan đ n qu đ o Các đ nh lu t Keppler mô t

s chuy n đ ng c a hành tinh đã đ c áp d ng đ mô t qu đ o c a v tinh bay quanh trái đ t

nh lu t th nh t cho th y t ng quát qu đ o c a v tinh là m t hình elip, tr ng h p đ c bi t nó

là đ ng tròn nh lu t th hai ch ra r ng t trái đ t ta nhìn th y v tinh lâu nh t t i nh ng đi m

mà v tinh cách xa trái đ t nh t và vì th trên đo n qu đ o này ta có th duy trì thông tin lâu nh t

v i v tinh nh lu t th ba cho phép ta xác đ nh bán tr c chính c a c a qu đ o v tinh d trên chu k quay c a v tinh xung quang trái đ t Ch ng này c ng xét các thu t ng thông d ng đ i

v i v tin Vì t i qu đ o đ a t nh v trí t ng đ i c a v tinh không thay đ i so v i m t đ t, nên

qu đ o đ a t nh là qu đ o đ c s d ng nhi u nh t cho thông tin v tinh Ch ng này đã xét các công th c cho phép tính toán v trí c a v tinh so v i tr m m t đ t hay góc nhìn v tinh t anten

m t đ t Ba thông s đ c xác đ nh trong ch ng này cho v tinh bay trên qu đ o đ a t nh là góc

ph ng v , kho ng cách t tr m m t đ t đ n v tinh và góc ng ng ây là các thông s c n thi t

đ thi t k m t đ ng truy n v tinh.

2.10 CÂU H I VÀ BÀI T P

1 Trình b y ba đ nh lu t Keppler

2 Trình bày các thu t ng liên quan đ n qu đ o v tinh

3 Trình bày các ph n t c a qu đao v tinh

4 Trình bày các l c nhi u đ i v i v tinh

5 M t v tinh đ a t nh đ c đ t t i kinh đ 900W Anten tr m m t đ t đ c đ t t i v đ

b c và 89,260 tây Coi r ng góc ng ng t i thi u là 50

Gi i h n đông là giá tr nào d i đây (φE)?

(a) -200; (b) -300; (c) -400; (d) -500

Gi i h n tây là giá tr nào d i đây(φE)?

(a) -1380; (b)-1480; (c) -1580; (d) -1680

Ch ng 3 Phân c c sóng và anten trong thông tin v tinh

PHÂN C C SÓNG VÀ ANTEN TRONG THÔNG TIN V TINH

3.1 GI I THI U CHUNG

3.1.1 Các ch đ đ c trình bày trong ch ng

• Các d ng phân c c sóng đ c s d ng trong thông tin v tinh

• Các anten loa đ c s d ng làm anten thông tin v tinh hay làm các b ti p sóng cho các

• N m đ c các d ng phân c c s d ng trong thông tin v tinh

• N m đ c các d ng anten s d ng trong thông tin v tinh

là các vect t o nên t p bàn tay ph i tuân theo quy t c v n nút chai bàn tay

ph i Ngh a là khi ta nhìn theo ph ng truy n sóng kf

, quay Ef

s đ n Hf Sóng này s gi

nguyên các thu c tính h ng c a t p bàn tay ph i ngay c khi b ph n x

T i các kho ng cách xa h n so v i anten phát, là các kho ng cách th ng g p trong các h

th ng vô tuy n, có th coi sóng TEM là ph ng i u này có ngh a là các vect Ef

và Hf

n m trong m t ph ng vuông góc v i ph ng truy n sóng kf

Vect kf

đ c coi là vuông góc v i m t

ph ng này Quan h gi a các đ i l ng E và H là : E=H.Zw, trong đó Zw=120π Ôm

Ch ng 3 Phân c c sóng và anten trong thông tin v tinh

E

H

k

Hình 3.1 Bi u đ vect đ i v i sóng đi n t ngang (TEM)

Ph ng c a đ ng do đ u mút c a tr ng đi n v lên s xác đ nh phân c c sóng C n nh

r ng tr ng đi n và tr ng t là các hàm thay đ i theo th i gian Tr ng t thay đ i đ ng pha v i

tr ng đi n và biên đ c a nó t l v i biên đ c a tr ng đi n, vì th ta ch c n xét tr ng đi n

u mút c a vect Ef

có th v lên m t đ ng th ng, trong tr ng h p này ta có phân c c tuy n tính Các d ng phân c c khác nh phân c c elip và tròn s đ c xét ph n d i

H u h t truy n d n vô tuy n s d ng phân c c tuy n tính, trong đó phân c c đ ng đ c

g i là phân c c trong đó tr ng đi n vuông góc v i m t đ t và phân c c ngang đ c g i là phân

c c trong đó tr ng đi n song song v i m t đ t M c dù các thu t ng phân c c đ ng và ngang này c ng đ c s d ng trong thông tin v tinh nh ng nó không hoàn toàn rõ ràng nh trên M t sóng phân c c tuy n tính đ c phát đi t v tinh đ a t nh có th đ c ký hi u là đ ng n u tr ng

đi n c a nó song song v i tr c c c c a trái đ t nh ng th m chí nh v y tr ng đi n c a nó v n song song v i qu đ t t i xích đ o

Gi thi t r ng ph ng ngang và đ ng đ c coi là tr c x và y (hình 3.2a) Tr ng đi n phân c c đ ng có th đ c trình b y nh sau:

Efy

trong đó ây là vect đ n v trong ph ng đ ng và Ey là giá tr đ nh hay đ i l ng c a tr ng đi n

T ng t nh v y, sóng phân c c ngang có th đ c trình b y nh sau:

=

L u ý r ng vect Ef

v n có phân c c tuy n tính nh ng không th đ n gi n coi là phân c c ngang

ho c phân c c đ ng N u xét ng c l i, ta th y r ng vect Ef có th đ c phân tích thành các thành ph n đ ng và thành ph n ngang, và đây là v n đ r t quan tr ng trong các h th ng truy n

d n th c t

Ch ng 3 Phân c c sóng và anten trong thông tin v tinh

Bây gi ta đi xét tr ng h p trong đó hai tr ng có biên đ b ng nhau ( ký hi u là E)

nh ng m t tr ng nhanh pha h n 900 Các ph ng trình th hi n chúng trong tr ng h p này nh sau:

Áp d ng ph ng trình (3.3) cho tr ng h p này ta đ c α=ωt Biên đ vect t ng là E

u mút c a vect tr ng đi n v lên đ ng tròn (hình 3.3a) và sóng t ng h p đ c g i là phân

c c tròn H ng c a phân c c tròn đ c đ nh ngh a b i ph ng quay c a vect đi n nh ng đi u này đòi h i ta ph i quan sát c chi u quay c a vect Theo đ nh ngh a c a IEEE thì phân c c tròn tay ph i (RHC: right-hand circular) là phân c c quay theo chi u kim đ ng h khi nhìn d c theo

ph ng truy n sóng (3.3b), còn phân c c tròn tay trái (LHC: left-hand circular) là phân c c quay

ng c chi u kim đ ng h khi nhìn d c theo ph ng truy n sóng (hình 3.3c) Các phân c c LHC

và RHC tr c giao v i nhau Ph ng truy n sóng d c theo tr c z d ng

C n l u ý r ng d nh ngh a quang h c c đi n cho phân c c tròn ng c v i đ nh ngh a c a IEEE Trong tài li u này ta s s d ng đ nh ngh a c a IEEE

Trong tr ng h p t ng quát h n sóng đi n t có th có phân c c elip i u này x y ra khi hai thành ph n tuy n tính là:

Trong đó Ey nói chung không b ng nhau và δ là góc pha c đ nh làm thí d ta có th

ch ng minh r ng khi Ey=1, Ex=1/3 và δ=300, phân c c elip đ c cho hình 3.4

Ch ng 3 Phân c c sóng và anten trong thông tin v tinh

§iÓm nh×n theo quang häc cæ ®iÓn

z RHC

§iÓm nh×n theo IEEE

§iÓm nh×n theo quang häc cæ ®iÓn

z LHC

Các đ ng truy n thông tin v tinh s d ng phân c c tuy n tính và phân c c tròn, nh ng

s gi m c p truy n d n có th làm thay đ i phân c c này thành phân c c elip

Ch ng 3 Phân c c sóng và anten trong thông tin v tinh

3.3 CÁC ANTEN LOA

Anten loa là môt thí d v anten m t m v i s chuy n đ i t t ng d n sóng vào m t

m l n h n đ ghép hi u qu v i không gian Các anten loa đ c s d ng tr c ti p làm các b phát x trên v tinh đ chi u x cho các vùng r ng l n c a qu đ t và chúng c ng đ c s d ng

r ng rãi làm các chi u x ti p sóng cho các anten ph n x c ch đ phát l n ch đ thu Ba ki u

đ c s d ng r ng rãi nh t c a các anten loa đ c cho hình 3 5

Phân b đi n tr ng t i mi ng m c a loa đ c v hình 3.6a cho phân c c đ ng Các

đ ng s c cong có th đ c phân thành các thành ph n th ng đ ng và n m ngang nh trên hình

v Sóng TEM t i vùng tr ng xa có phân c c tuy n tính, nh ng các thành ph n ngang c a tr ng

m t m anten s d n đ n các sóng phân c c vuông góc t i vùng tr ng xa Do tính đ i x ng, các sóng phân c c vuông góc lo i tr nhau trong các m t chính (các m t E và H); tuy nhiên chúng

t o ra b n đ nh: m i đ nh n m trong góc ph n t xung quanh búp chính

Hình 3.6 Tr ng m t m trong anten loa hình nón: a) vách nh n; c) vách g p n p và

thi t di n loa vách g p n p b)

Ch ng 3 Phân c c sóng và anten trong thông tin v tinh

Loa vách nh n không t o ra búp chính đ i x ng ngay c khi b n thân nó đ i x ng Các

m u phát x là các hàm ph c t p ph thu c vào kích th c c a loa Không đ i x ng và phân c c vuông góc là nh c đi m c a loa cho vi c đ m b o ph toàn c u

Loa vách g p n p cho phép kh c ph c ph n nào các nh c đi m nói trên Thi t di n c a anten loa g p n p đ c cho hình 3.6b Tr ng đi n t i góc m c a loa g p n p đ c cho hình 3.6c

3.3.2 Các anten loa pyramid

Anten loa pyramid (hình 3.7) đ c thi t k tr c h t cho phân c c tuy n tính T ng quát

nó có thi t di n ngang a×b và làm vi c ch đ ng d n sóng TE10 v i phân b đi n tr ng nh trên hình 3.4 r ng búp c a anten pyramid khác nhau m t E và m t H, nh ng có th ch n kích th c m t m đ làm cho chúng b ng nhau Loa pyramid có th làm vi c ch đ phân c c

đ ng và phân c c ngang đ ng th i đ đ c hai phân c c tuy n tính

là d ng th ng g p trong các h th ng thu tín hi u TV t v tinh gia đình C u hình m t m tròn

đ c g i là b ph n x parabol tròn xoay

Ch ng 3 Phân c c sóng và anten trong thông tin v tinh

Tiªu ®iÓm

Hình 3.8 a) Anten ph n x parabol; b) Thu c tính h i t c a b ph n x parabol

Tính ch t chính c a b ph n x parabol tròn xoay là tính ch t h i t Gi ng nh đ i v i ánh sáng trong đó các tia khi đ p lên b ph n x s h i t vào m t đi m duy nh t đ c g i là tiêu

đi m và ng c l i khi các tia đ c phát đi t tiêu đi m s đ c ph n x thành các tia song song

i u này đ c minh h a hình 3.8b trong đó ánh sáng tr ng h p này là sóng đi n t Quãng

đ ng c a các tia t tiêu đi m đ n m t m (m t ph ng ch a m t m tròn) đ u b ng nhau

hi u đ c tính ch t hình h c c a b ph n x parabol tròn xoay ta xét parabol là đ ng cong đ c t o ra t b ph n x trong m t m t ph ng b t k vuông góc v i m t ph ng ch a m t

m và đi qua tiêu đi m (hình 3.9a) Tiêu đi m đ c ký hi u là S và đ nh là A, tr c là đ ng th ng

đi qua S và A SP là kho ng cách đ n tiêu đi m cho m i đi m P và SA là tiêu c đ c ký hi u là

f ng đi c a tia đ c ký hi u là SPQ trong đó P là m t đi m trên đ ng cong còn Q là m t

đi m trên m t m PQ song song v i tr c i v i m i đi m P, đ dài c a quãng đ ng SPQ đ u

b ng nhau, v y SP+PQ b ng h ng s cho t t c quãng đ ng đi Quãng đ ng đi dài nh nhau có ngh a r ng sóng phát t tiêu đi m có phân b pha đ ng đ u trên m t m Thu c tính này cùng v i thu c tính các tia song song có ngh a là m t sóng là m t ph ng Nh v y phát x t b ph n x parabol tròn xoay gi ng nh phát x m t sóng ph ng t m t m t ph ng vuông góc v i tr c và

ch a đ ng chu n (đ ng vuông góc v i SA và đi qua đi m đ i x ng v i S qua đ nh A trên

tr c) C n l u ý r ng theo nguyên lý đ o l n, các tính ch t này c ng áp d ng cho c anten ch

đ thu

Hình 3.9 a) Tiêu c f = SA và quãng đ ng đi c a tia SPQ b) Kho ng cách đ n tiêu đi m

ρ

M c dù trong vùng b ph n x có c các thành ph n tr ng g n và xa, nh ng đ ng truy n vô tuy n đ c th c hi n vùng tr ng xa nên ta ch xét thành ph n c a tr ng này