Khảo sát chất lượng hệ thống thu thông tin vệ tinh_HVKTQS

Lời nói đầu Thông tin vệ tinh TTVT đã đ-ợc sử dụng ở Việt Nam từ lâu, đến nay đã có một hệ thống trạm mặt đất TTVT với dung l-ợng hàng ngàn kênh thoại, cung cấp các dịch vụ viễn thông tr

Lời nói đầu

Thông tin vệ tinh (TTVT) đã đ-ợc sử dụng ở Việt Nam từ lâu, đến nay đã có một hệ thống trạm mặt đất TTVT với dung l-ợng hàng ngàn kênh thoại, cung cấp các dịch vụ viễn thông trong n-ớc và Quốc tế TTVT còn

đ-ợc sử dụng trong các ngành hàng không, hàng hải, khí t-ợng, cứu hộ… Nhu cầu về thông tin nói chung và TTVT nói riêng sẽ tăng nhanh ở n-ớc ta,

do vậy chính phủ quyết định trong năm 2008 Việt Nam sẽ có vệ tinh thông tin riêng Với vệ tinh của riêng mình, Việt Nam sẽ thuận lợi hơn nhiều trong công tác thu thập, sử dụng các loại dịch vụ của các nhà cung cấp trên toàn thế giới, có thể chủ động quảng bá các thông tin trong n-ớc khi cần thiết Mặt khác vấn đề thông tin liên lạc trong n-ớc vốn khó khăn do khoảng cách và địa hình rừng núi thì khi đó thông qua vệ tinh sẽ đ-ợc đảm bảo nhanh chóng, độ tin cậy cao

Trong xu h-ớng phát triển của TTVT tại Việt Nam nêu trên, việc học tập nghiên cứu để có 1 kiến thức sâu rộng về hệ thống TTVT là rất cần thiết, đó là vấn đề cấp bách không thể thiếu để có thể tự lực thiết lập, vận hành và bảo trì một hệ thống TTVT riêng Để đảm bảo tốt thông tin, khai thác hệ thống đạt hiệu quả kinh tế cao thì việc nghiên cứu các yếu tố ảnh h-ởng tới chất l-ợng đ-ờng truyền, các tạp âm, can nhiễu tác động tới chất l-ợng các trạm thu thông tin vệ tinh có vị trí đặc biệt quan trọng Với đặc

điển khí hậu Vịêt Nam, với vị trí quỹ đạo và băng tần đ-ợc phân bổ chúng

ta phải tính toán dự trữ năng l-ợng hợp lý,xem xét các yếu tố ảnh h-ởng tới các trạm thu để đảm bảo thông tin trong điều kiệu những tác động bên ngoài là lớn nhất

Qua quá trình học tập tại Học Viện Kỹ thuật Quân sự, đ-ợc các thầy giáo truyền thụ nhiều kiến thức bổ ích và quý báu và xuất phát từ quan tâm cá nhân cùng với sự khích lệ giúp đỡ của thầy giáo PGS - TS Tr-ơng Văn

Cập, em mạnh dạn chọn đồ án tốt nghiệp với đề tài :“Khảo sát chất lượng

hệ thống thu thông tin vệ tinh” Đề tài chỉ giới hạn nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh đĩa tĩnh (GEO - Equation Geostationary Orbit) và có bố cục nh- sau:

Ch-ơng I : Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

Ch-ơng II : Các yếu tố ảnh h-ởng đến chất l-ợng của hệ thống thu thông tin vệ tinh

Ch-ơng III : Một số biện pháp nâng cao chất l-ợng thu của hệ thống thông tin vệ tinh

Do thời gian có hạn và phạm vi đề tài đặt ra t-ơng đối rộng nên không tránh khỏi những hạn chế và thiếu xót Em rất mong nhận đ-ợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn để có thể hoàn thiện tốt hơn các vấn đề nêu ra

Hà nội, ngày… tháng… năm 2012

Ch-ơng I : Tổng quan về thông tin vệ tinh 1.1 Giới thiệu chung về thông tin vệ tinh

1.1.1 Mở đầu

Truyền tin qua vệ tinh là một trong những ph-ơng thức thông tin mới của loài ng-ời Tuy ra đời sau, song thông tin vệ tinh đã nhanh chóng trở thành một dịch vụ phổ thông trên toàn thế giới Hàng ngày, các vệ tinh địa tĩnh của hai hệ thống thông tin toàn cầu lớn nhất là Intelsat và Intersputnik bay vòng quanh trái đất cung cấp hàng vạn kênh thoại cố định nối hàng trăm quốc gia với nhau

Ngoài ra, các vệ tinh khu vực nh- Aussat, Eusat, Arabsat, Palapa, Asiasat,… cung cấp các dịch vụ thoại cố định, phát thanh, truyền hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đ-ờng cho hàng không, cứu hộ hàng hải, thăm dò tài nguyên bằng các vệ tinh quỹ đạo thấp, giáo dục và đào tạo

từ xa qua vệ tinh cho thấy thông tin vệ tinh đã đ-ợc ứng dụng rất rộng rãi trong đời sống

Ngày nay, với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ chế tạo, phóng

vệ tinh và công nghệ chế tạo các thiết bị thông tin, thiết bị đo l-ờng điều khiển từ xa, nguồn điện cho các trạm vũ trụ,… đã tạo ra các khả năng tăng dung l-ợng và hạ giá thành trong thông tin vệ tinh Điều này cho phép sử dụng có hiệu quả các đặc điểm -u việt của thông tin vệ tinh so với các hệ thống thông tin khác nh-: khả năng đa truy nhập, tính mềm dẻo trong việc thay đổi l-u l-ợng và cấu trúc mạng, tính thuận tiện trong việc vận hành và thiết lập dịch vụ, ứng dụng cho các vùng xa xôi hẻo lánh, vùng núi, hải đảo

mà những ph-ơng thức thông tin khác gặp nhiều khó khăn khi triển khai

1.1.2 Khái niệm về thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh là thông tin giữa các trạm thông tin mặt đất với nhau đ-ợc chuyển tiếp bằng trạm vệ tinh (hình vẽ 1.1)

Trạm vệ tinh thực chất là một trạm chuyển tiếp thông tin cho các trạm mặt đất, bởi các thiết bị thông tin đ-ợc đặt trong khoang của vệ tinh Thành phần chủ yếu của nó gồm các bộ phát đáp và Anten Vì vậy, tất cả các

đ-ờng truyền dẫn của thông tin vệ tinh đều do trạm vệ tinh tạo nên và chính trạm vệ tinh sẽ quyết định tính năng, chi phí của đ-ờng truyền Đ-ờng truyền của thông tin vệ tinh chia làm ba phần: đ-ờng lên (Up link) từ trạm phát ở mặt đất tới vệ tinh, đ-ờng xuống (Down link) từ trạm vệ tinh phát về trạm mặt đất và đ-ờng liên kết giữa các trạm vệ tinh với nhau

Một tổ hợp các trạm vệ tinh và các trạm mặt đất cùng làm việc để

đảm bảo thông tin đ-ợc gọi là một hệ thống thông tin vệ tinh Một hệ thống thông tin vệ tinh có thể bao gồm một hay nhiều mạng thông tin vệ tinh Trong hệ thống thông tin vệ tinh, tuỳ thuộc vào loại vệ tinh sử dụng mà có tên gọi khác nhau Nếu sử dụng hệ thống vệ tinh địa tĩnh thì gọi là thông tin

vệ tinh địa tĩnh Nếu sử dụng hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp thì gọi là hệ thống thông tin không đồng bộ

Hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh, vệ tinh đ-ợc phóng lên hoạt động

ở ngoài phần chính của khí quyển trái đất với độ cao khoảng 36.000km Do khoảng cách từ mặt đất đến trạm vệ tinh khá lớn cho phép vùng phủ sóng của vệ tinh rất rộng nên cự ly liên lạc của hệ thống rất xa Vì vậy, hệ thống này đ-ợc xem là một trong những hình thức thông tin chính xuyên quốc gia

và liên quốc gia

Hệ thống thông tin vệ tinh không đồng bộ, độ cao của vệ tinh cỡ chục ngàn ki-lo-met nên vùng phủ sóng hẹp, cự ly thông tin không xa Để thực hiện thông tin liên lạc trong một vùng rộng lớn phải cần nhiều vệ tinh Song với kỹ thuật và công nghệ cao cho phép các thiết bị đạt đ-ợc kích th-ớc nhỏ, với những Anten bé có thể dễ dàng hoạt động và đ-ợc sử dụng chủ yếu cho những thiết bị di động Những hệ điều hành chỉ cần dung l-ợng vừa và nhỏ có thể điều khiển đựơc hệ thống này

1.1.3 Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh

ý t-ởng về thông tin vệ tinh đ-ợc AC.Clarke phát kiến từ năm 1945 Nh-ng mãi đến năm 1957, khi Liên Xô(cũ) phóng đ-ợc vệ tinh nhân tạo

đầu tiên của loài ng-ời lên vũ trụ thì nó cũng là lần đầu tiên con ng-ời có thông tin vũ trụ Lần l-ợt các n-ớc nh- Mỹ, Anh, Pháp, Đức,… phóng vệ tinh lên không gian Quỹ đạo đầu tiên của vệ tinh là quỹ đạo Elip có trục nghiêng với bề mặt trái đất, vì vậy trạm mặt đất phải là loại trạm bám sát

theo di chuyển của vệ tinh trên quỹ đạo Khi vệ tinh đi vào vùng che khuất thì mất thông tin nên loại thông tin này không liên tục mà chỉ thực hiện một

số giờ nhất định trong chu kỳ quỹ đạo bay (chỉ thông tin đ-ợc ở khoảng trạm mặt đất nhìn thấy vệ tinh) (Hình 1.2)

Bề mặt xớch đạo

Khoảng Nhỡn thấy

Khoảng bị trỏi đất che khuất

Hình 1.2

Trong đó, khoảng bị che khuất là khoảng thời gian bị mất thông tin và khoảng nhìn thấy là khoảng có thông tin Phụ thuộc vào khoảng cách gần nhất và khoảng cách xa nhất của quỹ đạo Elip so với bề mặt trái đất Phụ thuộc vào vị trí của trạm mặt đất Phụ thuộc vào độ nghiêng của quỹ đạo Elip so với mặt phẳng xích đạo

Cho tới năm 1960, thế giới đã tìm đ-ợc ra quỹ đạo địa tĩnh Và đến năm 1963, hãng Syncom đã phóng thành công vệ tinh đồng bộ đầu tiên của trái đất Quỹ đạo địa tĩnh - hay còn gọi là quỹ đạo quay đồng bộ là quỹ đạo bay của vệ tinh theo chiều trái đất ở phía trên cách mặt đất 35.786km theo một hình tròn có tâm trùng với mặt phẳng đ-ờng xích đạo trái đất và tốc độ góc của vệ tinh bằng tốc độ góc trái đất (Hình 1.3)

Quỹ đạo địa tĩnh 35786Km

Trỏi đất

Hình 1.3

Nhờ vậy mà khi trái đất quay thì chuyển động của vệ tinh là đồng bộ với chuyển động của trái đất Nếu xét tại một điểm bất kỳ nào đó trên trái

đất thì trong quá trình chuyển động nh- vậy điểm đó trên vệ tinh là không

đổi Với quỹ đạo này của vệ tinh thì Anten trạm mặt đất đặt cố định cũng luôn nhìn thấy vệ tinh, cho nên thời gian thông tin đạt 24/24h mỗi ngày và ng-ời ta có thông tin liên tục - toàn cầu

Đến năm 1965, vệ tinh th-ơng mại đầu tiên là INTERSAT - I ra đời cung cấp 240 kênh thoại và một kênh truyền hình cho Mỹ Thời gian này, Nga cũng phóng thành công vệ tinh MOLNYA - I lên quỹ đạo Elip để phát truyền hình cho Nga

Đến đầu năm 1970, các hệ thống vệ tinh đã có thể cung cấp các dịch

vụ trao đổi thoại và truyền hình giữa hai lục địa Mới đầu, vệ tinh chỉ đáp ứng đ-ợc cho các tuyến dung l-ợng thấp Sau đó, nhu cầu gia tăng tốc độ cũng nh- số l-ợng thông tin qua vệ tinh đã thúc đẩy nhanh chóng việc hình thành các hệ thống vệ tinh đa búp sóng (Multi Beam) và các kỹ thuật dùng lại tần số cho sóng mang Kỹ thuật đầu tiên đ-ợc -a dùng cho hệ thống thông tin vệ tinh là truyền dẫn t-ơng tự (Analogue) sử dụng công nghệ FDM/FM/FDMA Sau đó, để đáp ứng đ-ợc nhu cầu gia tăng thông tin,

ng-ời ta đã tiến đến các ph-ơng pháp truyền dẫn tiên tiến hơn nh- là SCPC/FM/FDMA (năm 1980) hay PSK/TMDA và PSK/CDMA Các ph-ơng thức về sau dựa trên việc truyền dẫn số qua vệ tinh để khai thác triệt

để mọi -u điểm mà kỹ thuật số đem lại Khi nhu cầu thông tin qua vệ tinh lớn sẽ dẫn đến việc mật độ vệ tinh trên quỹ đạo dày đặc làm các tuyến thông tin vệ tinh bị ảnh h-ởng do can nhiễu lẫn nhau Để giải quyết vấn đề này, những nhà chế tạo bắt buộc phải nghĩ đến các công nghệ tiên tiến hơn nh-:

- Đa truy nhập phân chia theo thời gian thông qua chuyển mạch vệ tinh (SS - TDMA) mà điển hình là vệ tinh INTERSAT - VI đ-ợc phóng vào năm

vệ tinh nội địa

- Quảng bá trực tiếp từ vệ tinh tới ng-ời sử dụng (Direct to Home) Khi đó thiết bị đầu cuối của ng-ời sử dụng sẽ đ-ợc kết nối thẳng tới trạm mặt đất

Ericsson và Telital Chùm vệ tinh quỹ đạo thấp này bao gồm 48 quả phủ sóng kín bề mặt trái đất từ 70 vĩ tuyến Bắc đến 70 vĩ tuyến Nam của trái

đất liên tục 24/24 giờ hàng ngày

1.1.4 Đặc điểm của thông tin vệ tinh

Khi nói tới một hệ thống thông tin vệ tinh, chúng ta phải kể đến các -u điểm nổi bật của nó mà các trạm mặt đất không có hoặc không hiệu quả bằng:

- Vùng phủ sóng rộng lớn

- Dung l-ợng thông tin lớn

- Độ tin cậy thông tin cao

- Tính linh hoạt cao

- Đa dạng về các loại hình dịch vụ

- Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn, đặc biệt là thông tin xuyên lục địa

Ta đã biết đối với mạng thông tin vô tuyến mặt đất (Terrestrisl Radio Communication Network), hai trạm muốn thông tin cho nhau thì các Anten của chúng phải nhìn thấy nhau, đó gọi là thông tin vô tuyến trong tầm nhìn thẳng (Line Of Sight - LOS) Tuy nhiên, do trái đất có dạng hình cầu cho nên khoảng cách giữa hai trạm sẽ bị hạn chế để đảm bảo cho các Anten còn trông thấy nhau Đối với khả năng quảng bá cũng vậy, các khu vực trên trái

đất không còn nhìn thấy Anten của đài phát sẽ không thể thu đ-ợc tín hiệu nữa Trong tr-ờng hợp bắt buộc phải truyền đi xa, ng-ời ta có thể dùng ph-ơng pháp nâng cao cột Anten, truyền sóng phản xạ tầng điện ly hoặc xây dựng các trạm chuyển tiếp Trên thực tế cho thấy rằng cả ba ph-ơng pháp trên đều có nh-ợc điểm Với hệ thống thông tin vệ tinh, ng-ời ta có thể truyền sóng đi rất xa và dễ dàng thông tin vệ tinh trên toàn cầu hơn bất

cứ một hệ thống thông tin nào khác Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh có bán kính

quỹ đạo cách trái đất trung bình khoảng 37.000km nên vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3 bề mặt trái đất, nh- vậy với ba vệ tinh địa tĩnh đ-ợc đặt ở các vị trí cách đều nhau trên mặt phẳng xích đạo (nh- ở hình 1.4) sẽ có thể thiết lập thông tin giữa hầu hết các vùng trên trái đất bằng cách chuyển tiếp qua một hoặc hai vệ tinh

do nhiễu khí quyển và Fading là không đáng kể Tốc độ bit lỗi kênh có thể

đạt tới 10-9BER (Bit Error Rate)

Hệ thống thông tin đ-ợc thiết lập rất nhanh chóng trong các điều kiện trạm mặt đất ở rất xa nhau về mặt địa lý, dung l-ợng có thể thay đổi rất linh hoạt theo yêu cầu sử dụng Sở dĩ hệ thống thông tin vệ tinh đạt đ-ợc điều này là bởi vì nó sử dụng ph-ơng tiện truyền dẫn qua giao diện vô tuyến

Thông tin vệ tinh cung cấp các loại hình dịch vụ sau:

- Dịch vụ thoại, Fax, telex cố định

- Dịch vụ phát thanh, truyền hình quảng bá

- Dịch vụ thông tin di động qua vệ tinh

- Dịch vụ DAMA, VSAT, đạo hàng, cứu hộ hàng hải

Nh- ta đã biết rằng thông tin vệ tinh có rất nhiều -u điểm so với các

hệ thống khác, tuy nhiên hệ thống thông tin vệ tinh cũng có những nh-ợc

điểm của nó:

- Không cố định

- Khoảng cách truyền dẫn xa nên suy hao lớn, trễ lớn

- Giá thành lắp đặt hệ thống là rất cao, chi phí cho trạm mặt đất tốn kém

- Tuổi thọ thấp hơn các hệ thống mặt đất, khó bảo d-ỡng, sửa chữa và nâng cấp

Vệ tinh luôn chuyển động t-ơng đối so với mặt đất cho dù nó là vệ tinh địa tĩnh đi nữa thì nó vẫn có một sự dao động nhỏ do lực hút của trái

đất, mặt trăng, mặt trời làm cho vệ tinh không ở đúng quỹ đạo và độ nghiêng của nó trên quỹ đạo cũng bị thay đổi Vì vậy, buộc trong hệ thống phải có các trạm điều khiển nhằm giữ vệ tinh ở một vị trí tối -u cho thông tin, đồng thời ở các trạm mặt đất phải có hệ thống bám phức tạp và điều này làm cho giá thành của trạm tăng vọt

Tổng chiều dài của đ-ờng lên (Uplink) và đ-ờng xuống (Downlink)

là trên 70.000km, bởi vậy sóng vô tuyến điện phải mất khoảng 1/2sec để đi hết quãng đ-ờng mặc dù sóng vô tuyến điện có tốc độ truyền lan rất lớn 300.000km/sec gây ra một thời gian trễ đáng kể Hơn nữa, quãng đ-ờng truyền lan của sóng vô tuyến là rất xa nên suy hao truyền dẫn khá lớn, bị

ảnh h-ởng của nhiều yếu tố thời tiết và phải qua nhiều dạng môi tr-ờng khác nhau Để vẫn bảo đảm đ-ợc chất l-ợng của tuyến, ng-ời ta phải sử dụng nhiều kỹ thuật bù và chống lỗi phức tạp

Chi phí cho việc phóng vệ tinh là rất cao nên nói chung các vệ tinh chỉ có khả năng làm việc t-ơng đối mạnh và các thiết bị phần lớn đều rất

đắt tiền, nhất là chi phí cho một Anten lớn (ví dụ: một trạm mặt đất trang bị một Anten đ-ờng kính 30m giá khoảng 10 triệu USD)

Các vệ tinh bay trong không gian cách xa mặt đất, năng l-ợng chủ yếu dùng cho các động cơ phản lực điều khiển là các loại nhiên liệu lỏng hoặc rắn đ-ợc vệ tinh mang theo trên boong L-ợng nhiên liệu dự trữ này không thể quá lớn bởi vì nếu lớn quá sẽ tăng kích th-ớc vệ tinh và làm tăng giá thành phóng Khi vệ tinh tiêu thụ hết nhiên liệu thì nó chuyển động tự

do, không theo chiều điều khiển nữa, do đó không thể dùng cho thông tin

đựơc Lúc này ng-ời ta phải thay thế bằng một vệ tinh mới (vệ tinh dự phòng trên quỹ đạo hoặc ở trong kho)

1.2 Hệ thống thông tin vệ tinh

Hệ thống thông tin vệ tinh đ-ợc hình thành bằng hai phần chính là phần không gian và phần mặt đất Sơ đồ sau đây thể hiện cấu trúc tổng quát của một hệ thống thông tin vệ tinh:

Ta xét cụ thể các phần của thông tin vệ tinh

Phần khụng gian

Phần mặt đất

Downlink Uplink

Trạm ĐK

TT & C

Cỏc mỏy phỏt

Cỏc mỏy thu

Hình1.5 1.2.1 Phần không gian

1.2.1.1 Cấu trúc

Phần không gian là khái niệm để chỉ một phần của hệ thống bao gồm

vệ tinh và tất cả các thiết bị trợ giúp cho hoạt động của nó nh- là các trạm

điều khiển và trung tâm giám sát vệ tinh, các thiết bị cung cấp nguồn lấy từ năng l-ợng mặt trời Tại các trạm điều khiển và trung tâm giám sát các hoạt

động bám sát, đo l-ờng từ xa và điều khiển (Tracking Telemetry and Command - TT&C) sẽ đ-ợc thực hiện nhằm mục đích giữ cho vệ tinh cố

định, đồng thời kiểm tra đ-ợc các thông số hoạt động của nó nh-: nhiệt độ anten, nguồn điện acquy, nhiên liệu,…

Trong hệ thống thông tin vệ tinh, tuyến mà sóng radio đ-ợc phát từ các trạm mặt đất đến anten thu của vệ tinh đựơc gọi là tuyến lên (Uplink) Tuyến mà sóng radio đ-ợc phát ng-ợc lại từ anten phát của vệ tinh đến trạm

mặt đất đ-ợc gọi là tuyến xuống (Downlink) Để đánh giá chất l-ợng của tuyến thông tin, ng-ời ta hay dùng đại l-ợng C/N là tỷ số giữa công suất sóng mang và công suất tạp âm ảnh h-ởng đến sóng mang Tỷ số này trên toàn tuyến đ-ợc quyết định bởi chất l-ợng của cả tuyến lên và tuyến xuống, t-ơng ứng với các điều kiện truyền dẫn riêng của mỗi tuyến

Vệ tinh bao gồm phần tải trọng (Playload) và phần thân vệ tinh (Bus) Phần tải trọng thực hiện nhiệm vụ của vệ tinh và thân vệ tinh dùng để mang tải nhiệm vụ Tải nhiệm vụ bao gồm anten để thông tin và bộ phát đáp Bộ phát đáp thực hiện chức năng chính của vệ tinh thông tin là thu phát sóng vô tuyến từ các trạm mặt đất, khuếch đại và biến đổi tần số của chúng, rồi truyền chúng trở lại các trạm mặt đất Phần thân vệ tinh chứa các thiết bị bảo đảm cho sự hoạt động của phần Playload nh- là giá đỡ, cung cấp nguồn

điện, điều khiển nhiệt độ, điều khiển h-ớng và quỹ đạo, các thiết bị đẩy phản lực, thùng chứa nhiên liệu và các thiết bị đo l-ờng điều khiển từ xa TT&C

Trong hệ thống thông tin vệ tinh, vệ tinh chỉ giữ vai trò nh- một nút trung chuyển (Repeater) Vì vậy, vệ tinh phải có chức năng khuếch đại sóng mang từ tuyến lên sau đó truyền lại ở tuyến xuống Thông th-ờng, đối với

vệ tinh, công suất tại đầu vào nằm trong khoảng từ 100pw tới 1nw t-ơng ứng với công suất sóng mang tại đầu ra của bộ khuếch đại phát nằm trong khoảng từ 10W đến 100W, tức là hệ số khuếch đại công suất của vệ tinh sẽ vào khoảng 100dB đến 130dB Nh- vậy, thiết bị thông tin viễn thông chính

là các bộ phát đáp cùng chức năng Thông th-ờng, bộ phát đáp có ba bộ phận chính Đó là: máy thu dải rộng, bộ biến đổi tần số và máy phát Ngoài

ra, trên một số vệ tinh đ-ợc chế tạo gần đây nh- INTELSAT- V, INTELSAT - VI còn có thêm một bộ ma trận chuyển mạch tín hiệu vô tuyến dùng để chuyển mạch chùm tia

Độ tin cậy của phần không gian là một nhân tố quan trọng để đánh giá khả năng hoạt động của cả hệ thống Độ tin cậy của vệ tinh phụ thuộc vào chất l-ợng tất cả các thiết bị của nó Khi một vệ tinh bị hỏng thì không chỉ có nghĩa là các thiết bị của nó bị hỏng mà có thể là do vệ tinh đã hết tuổi thọ Trong hệ thống vệ tinh cao cấp thì cứ một vệ tinh đang hoạt động thì có một vệ tinh dự phòng ở d-ới mặt đất Điều này làm cho giá thành của một hệ thống thông tin vệ tinh cao hơn các hệ thống thông tin khác rất nhiều

1.2.1.2 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh thông tin

Quỹ đạo chuyển động của vệ tinh quanh trái đất tuân theo 3 định luật Kepler Các định luật đó đ-ợc phát biểu nh- sau:

Định luật Kepler 1:

“Vệ tinh chuyển động vòng quanh trái đất theo một quỹ đạo hình elip (hoặc tròn) với tâm điểm trái đất là một trong hai tiêu điểm của elip” (Hình 1.6)

Vận tốc v

Lực li tõm F’=mv /r

Lực hỳt F=GMm/r 2

Khoảng cỏch r Trỏi đất khối lượng m

Hình 1.8

Hai lực này có cùng giá tại vệ tinh kết hợp với nhau để giữ vệ tinh bay trong mặt phẳng theo một đ-ờng cong xung quanh trái đất Trong hệ thống thông tin vệ tinh có ba dạng quỹ đạo th-ờng gặp nhất là: quỹ đạo Elip, quỹ đạo tròn nghiêng và quỹ đạo tròn ngang (quỹ đạo xích đạo) Sau

đây ta sẽ xét cụ thể hơn từng loại quỹ đạo chuyển động của vệ tinh:

a/Quỹ đạo Elip:

Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc  so với mặt phẳng xích đạo Vận tốc của vệ tinh sẽ giảm đi khi khoảng cách giữa nó với trái đất tăng lên

và ng-ợc lại Vận tốc của vệ tinh sẽ thấp nhất khi nó ở viễn điểm và cao nhất khi nó ở cận điểm

Kiểu quỹ đạo này là tr-ờng hợp cân bằng đặc biệt của vệ tinh do lực hút không đều của trái đất Nhờ quỹ đạo nghiêng của mình mà vệ tinh có thể phủ sóng đ-ợc các vùng vĩ độ cao của trái đất khi nó đến gần các điểm cực viễn Dạng quỹ đạo này đ-ợc dùng cho nhiều hệ thống vệ tinh nh-: hệ thống Molnya của Nga

Dạng quỹ đạo Elip rất thích hợp cho thông tin di động qua vệ tinh ở những nơi mà các hiệu ứng che lấp do ch-ớng ngại vật và fading trở nên

đáng kể khi góc ngẩng của anten nhỏ hơn 30° Các quỹ đạo Elip nghiêng cho phép tạo ra những tuyến thông tin vệ tinh ở vĩ độ trung bình và vĩ độ cao với góc ngẩng anten của trạm mặt đất xấp xỉ 90° nên suy hao môi tr-ờng đối với tuyến này là thấp Đây là -u điểm nổi bật mà kiểu quỹ đạo của vệ tinh địa tĩnh không có

b/Quỹ đạo tròn nghiêng:

Vệ tinh bay theo một đ-ờng tròn nằm trong mặt phẳng nghiêng một góc gần 90° so với mặt phẳng xích đạo Độ cao của vệ tinh nằm trong khoảng từ

400 km đến 1.200 km so với bề mặt trái đất Với góc nghiêng quỹ đạo gần 90°, các vệ tinh có thể bay qua mọi vùng của trái đất nên kiểu quỹ đạo này th-ờng đ-ợc lựa chọn cho các vệ tinh do thám và quan sát Nó cho phép vệ tinh quan sát mọi vùng của trái đất theo một kinh tuyến Một trong số này

là vệ tinh SPOT có độ cao 830 km, độ nghiêng quỹ đạo là 98,7° và chu kỳ quay là 101 phút Hiện nay có rất nhiều hệ thống vệ tinh toàn cầu sử dụng những chùm vệ tinh bay theo kiểu quỹ đạo tròn nghiêng ở độ cao thấp (khoảng 1.000 km) nh- chùm vệ tinh GLOBSTAR, IRIDIUM, ODYSSEY, LEOSAT, STARNET…

c/Quỹ đạo xích đạo:

Quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo tròn nằm trong mặt phẳng quỹ đạo, ở độ cao khoảng 36.000 km Thời gian để vệ tinh bay một chu kỳ đúng bằng thời gian để trái đất quay hết một vòng quanh mình nó, do đó nếu quan sát từ một điểm trên mặt đất sẽ thấy vệ tinh đứng yên trên bầu trời Các vệ tinh

địa tĩnh luôn bảo đảm đ-ợc một sự chuyển tiếp thông tin trong thời gian thực giữa các trạm mặt đất nằm trong vùng phủ sóng của nó Chỉ cần ba quả

vệ tinh địa tĩnh phân bố đều trên mặt phẳng quỹ đạo thì nó sẽ thiết lập đ-ợc một hệ thống thông tin toàn cầu

Nh-ợc điểm chủ yếu của dạng quỹ đạo này là các vệ tinh không thể phủ sóng đ-ợc các khu vực có vĩ độ cao, đặc biệt là ở hai địa cực Ngoài ra,

do vệ tinh không những chịu lực tác dụng của trái đất mà nó còn chịu tác dụng của các hành tinh khác nh- mặt trời, mặt trăng,… làm cho vị trí của

vệ tinh trên quỹ đạo bị xê dịch Để đảm bảo chất l-ợng cho tuyến thông tin thì các trạm mặt đất phải có hệ thống bám vệ tinh cũng nh- trạm điều khiển

ở mặt đất phải định kỳ dùng các tên lửa đẩy trên vệ tinh để đ-a nó về đúng

vị trí Điều này làm phức tạp cấu trúc của trạm và làm tăng giá thành của hệ thống Hơn nữa, do khoảng cách đ-ờng truyền sóng là rất dài nên thời gian trễ do truyền sóng là đáng kể và tổn hao công suất trên đ-ờng truyền lớn (khoảng 200dB - nghĩa là công suất giảm đi 1020 lần)

Sau đây là sơ đồ tổng quát về các loại quỹ đạo chuyển động của vệ tinh trong không gian: (hình 1.9)

Hệ quỹ đạo

địa tĩnh (GEO)

Hệ quỹ đạo xớch đạo Quỹ đạo thấp

(LEO) Quỹ đạo TB (MEO)

Hệ quỹ đạo trũn nghiờng

Bao phủ một khu vực mới ớt

vệ tinh (khu vực vĩ

độ TB và cao)

Bao phủ toàn cầu bằng chựm nhiều

vệ tinh

Bao phủ gần như toàn cầu bằng ba vệ tinh

Hình 1.9

1.2.1.3 Vai trò của trạm đo l-ờng và điều khiển từ xa

Theo tính toán lý thuyết thì các vệ tinh chuyển động với quỹ đạo có hình dạng là đ-ờng tròn hoặc elip, nh-ng trong thực tế các quỹ đạo này không

đ-ợc hoàn toàn nh- lý thuyết do vệ tinh còn phải chịu tác động của rất nhiều yếu tố khách quan nh- sự thay đổi ngẫu nhiên lực hút trái đất, lực hấp dẫn của các hành tinh lân cận,… Vì vậy, ngay đối với vệ tinh địa tĩnh đi nữa thì vẫn luôn có sự dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó Hơn nữa, quỹ đạo của chúng còn bị nghiêng (Inclined Orbit) Điều này làm cho quá trình thông tin bị ảnh h-ởng do anten của trạm mặt đất và anten vệ tinh không h-ớng đúng vào nhau dẫn đến suy hao đ-ờng truyền rất lớn Cũng do

vệ tinh dao động quanh vị trí cân bằng của nó làm thời gian truyền dẫn từ trạm mặt đất đến vệ tinh thay đổi gây ra hiệu ứng Doppler đối với sóng mang Điều này tạo nên khó khăn cho quá trình truyền dẫn và đồng bộ của

hệ thống, nhất là trong hệ thống truyền dẫn số

Để giải quyết bài toán này, ng-ời ta phải sử dụng đến ph-ơng pháp

đo l-ờng các thông số của vệ tinh từ xa nhờ vào các bộ cảm biến đặt trên vệ tinh Qua đó, dựa vào kết quả đo đạc đ-ợc để điều khiển vệ tinh về đúng vị trí ổn định, đồng thời điều khiển giữ cho anten của vệ tinh luôn h-ớng đúng vào vùng phủ sóng của nó Những hệ thống này gồm có một bộ phận trên

vệ tinh và một số bộ phận đặt tại trạm điều khiển ở mặt đất Hệ thống kiểm tra từ xa gửi số liệu thu thập đ-ợc từ những bộ cảm biến (Sensor) trên vệ tinh, những yếu tố giúp kiểm tra tình trạng vệ tinh qua đ-ờng liên lạc đến trạm mặt đất Hệ thống theo dõi đ-ợc đặt từ trạm mặt đất, cung cấp thông tin về phạm vi, độ cao và góc ph-ơng vị của vệ tinh Kết quả của ba thông

số đ-ợc lặp lại, cho phép đánh giá những yếu tố quỹ đạo của vệ tinh có thể

đ-ợc giám sát Những số liệu cơ sở trên hệ thống đo xa nhận đ-ợc từ vệ tinh, số liệu và quỹ đạo chứa trong hệ thống theo dõi, hệ thống điều khiển

đ-ợc dùng để đặt vệ tinh vào đúng vị trí và t- thế cần thiết Nó cũng đ-ợc

sử dụng để bắt sóng anten và cấu hình của hệ thống thông tin nhằm thoả mãn những yêu cầu hiện tại của vệ tinh

Hệ thống kiểm tra từ xa theo dõi và điều khiển hệ thống cần thiết cho

sự hoạt động hoàn hảo của vệ tinh Nó là một bộ phận của việc quản lý vệ

tinh do các trung tâm ở mặt đất thực hiện Chức năng chính của điều khiển

vệ tinh là điều khiển quỹ đạo, t- thế của vệ tinh, kiểm tra tình trạng của tất cả các sensor những tuyến thông tin và việc điều khiển hệ thống thông tin làm việc hoặc nghỉ Trên những vệ tinh địa tĩnh lớn, một vài búp sóng của những anten riêng sẽ có khả năng điều khiển đ-ợc d-ới những lệnh của hệ thống TT&C

Hệ thống đo đạc từ xa thu thập số liệu từ những sensor trong phạm vi

vệ tinh và gửi số liệu này đến trạm điều khiển ở mặt đất Đặc biệt, có đến hàng trăm sensor đ-ợc đặt trên vệ tinh để kiểm tra việc đo đạc nhiên liệu trong thùng, áp suất, nhiệt độ, nguồn điện chung, dòng điện tới hạn trong những linh kiện điện tử Nhiệt độ của hệ thống rất quan trọng, phải giữ trong giới hạn cho phép, vì vậy phải sử dụng nhiều sensor nhiệt để ổn định nhiệt bảo đảm cho hệ thống thiết bị trên vệ tinh làm việc ổn định Tình trạng của mỗi hệ thống phụ vị trí của những bộ phận chuyển mạch cho hệ thống thông tin cũng đ-ợc báo trở lại bằng hệ thống kiểm tra từ xa, đây là

điều cần thiết cho những tr-ờng hợp có sự thiếu sót dẫn đến vệ tinh bị chệch h-ớng bay Sau kiểm tra phát hiện những bộ phận h- hỏng phải đ-ợc ngắt ra và chuyển sang bộ phận dự trữ để làm việc thông qua hệ thống chỉ huy

Rất nhiều kỹ thuật đ-ợc sử dụng để xác định quỹ đạo của vệ tinh Những sensor tốc độ trên vệ tinh có thể sử dụng để thiết lập phạm vi quỹ

đạo từ vị trí xác định cuối cùng bằng việc tổ hợp các số liệu Trạm mặt đất

điều khiển vệ tinh có thể quan sát tín hiệu doppler của sóng tin gửi về hoặc sóng mang từ máy phát tín hiệu để xác định tốc độ Bằng sự đo đạc chính xác từ anten trạm mặt đất, góc đo đ-ợc sử dụng để xác định những yếu tố quỹ đạo Hoạt động xác định tầm xa khoảng cách có thể đ-ợc thực hiện truyền những xung hoặc chuỗi xung liên tiếp đến vệ tinh và quan sát thời gian trễ khi những xung này quay trở lại Đồng thời xác định đ-ợc thời gian trễ khi truyền tin trong bộ phát đáp ở vệ tinh một cách chính xác Từ đó ta

có thể xác định đ-ợc tầm xa khoảng cách Để kết quả phép đo đ-ợc chính xác, ít nhất phải có từ hai trạm mặt đất khác nhau trở lên Nếu sử dụng ba trạm mặt đất có góc nhìn khác nhau cùng đo hoặc cách đo mô phỏng thì vị trí của vệ tinh có thể xác định sai số trong phạm vi 100m

Mối liên lạc điều khiển, đo và kiểm tra từ xa th-ờng đ-ợc tách rời hệ thống thông tin, mặc dù chúng có thể hoạt động trong cùng tần số (6/4GHz) Hai mức của hệ thống đ-ợc sử dụng trên vệ tinh Intersat: hệ thống chính hoạt động ở band 6GHz tại khe hở tần số giữa các kênh thông

tin Hệ thống đo xa chính sử dụng khe hở t-ơng tự tại band GHz

1.2.1.4 Phân hệ thông tin vệ tinh

Trên một vệ tinh th-ờng có hai phân hệ, đó là phân hệ thông tin gồm tất cả các thiết bị phục vụ cho việc truyền dẫn tin tức và phân hệ điều khiển có nhiệm vụ đo l-ờng các thông số làm việc và điều chỉnh lại các thông số này khi có lệnh từ mặt đất Cấu trúc phân hệ thông tin của vệ tinh có thể đ-ợc biểu diễn tổng quát bằng sơ đồ sau đây: (hình 1.10)

1

n

Hình1.10 1.2.2 Phần mặt đất

1.2.2.1 Tổng quan về trạm mặt đất thông tin vệ tinh

Phần mặt đất là phần cơ bản của thông tin vệ tinh Nó đ-ợc tạo bởi các trạm mặt đất - nơi thu phát tất cả các dạng tín hiệu thông tin đi và đến vệ tinh để phối ghép với các mạng thông tin trên mặt đất Khi muốn thiết lập đ-ờng

liên lạc giữa hai trực điểm với nhau trên trái đất thông qua trạm chuyển tiếp

vệ tinh, ng-ời ta phải thiết lập hai trạm trên mặt đất Trạm này có tên là Trạm mặt đất thông tin vệ tinh, viết tắt là SES (Satellite Earth Station) làm chức năng phát tín hiệu lên vệ tinh và thu tín hiệu từ vệ tinh về Tín hiệu

đ-ợc truyền qua môi tr-ờng vũ trụ dài gần 40.000km nên khi đến anten trạm mặt đất nó đã rất yếu (khoảng -150dB) cho nên chất l-ợng của thiết bị

từ anten trở xuống đến bộ giải điều chế phải đ-ợc khai thác theo một quy chế ngặt nghèo thì mới bảo đảm chất l-ợng đ-ờng truyền

Có nhiều loại trạm mặt đất khác nhau đ-ợc sử dụng tuỳ thuộc vào kiểu dịch vụ liên lạc qua vệ tinh, ví dụ nh-: các dịch vụ vệ tinh cố định thì

có các trạm vệ tinh cố định, các dịch vụ di động cần có trạm mặt đất di

động,… Các trạm mặt đất tuỳ theo loại mà đ-ợc quy định chỉ tiêu kỹ thuật

hệ thống nh- G/T, đ-ờng kính anten,…

Trạm mặt đất thông tin vệ tinh nằm trong mạng thông tin vệ tinh Intersat đ-ợc phân loại A, B, D,… theo đ-ờng kính anten, hệ số phẩm chất của trạm để đảm bảo các tiêu chuẩn liên lạc toàn hệ thống Ngoài ra khi thiết lập đ-ờng liên lạc mới Intersat còn quy định các chỉ tiêu kênh và bài

đo l-ờng bắt buộc phải làm, sau khi song phải báo cáo và liên lạc chỉ đ-ợc phép mở khi cơ quan quản lý khai thác chấp thuận các kết quả đo đã báo cáo

Trạm mặt đất loại công suất nhỏ cố định hoặc di động th-ờng đ-ợc

đặt tại các vùng nông thôn hoặc rừng núi hẻo lánh, trên ôtô, tàu thuỷ hoặc xách tay để phục vụ cho các mục đích khác nhau, ví dụ nh- các dịch vụ thông tin vệ tinh Immarsat, Vsat, Đomsat,…

Việc duy trì hoạt động của trạm mặt đất về các kỹ thuật có ảnh h-ởng đến chất l-ợng đ-ờng liên lạc qua vệ tinh

1.2.2.2 Cấu trúc trạm mặt đất

Sau đây ta xét về cấu trúc cơ bản của một trạm mặt đất thông tin vệ tinh trong mạng thông tin vệ tinh Intersat

Hệ thống thiết bị trong trạm mặt đất bao gồm: anten, thiết bị phát và thiết bị thu siêu cao, các bộ biến đổi tuyến lên và tuyến xuống, hệ thống xử

lý tín hiệu, hệ thống thiết bị băng tần cơ bản, hệ thống giám sát,… Tín hiệu

có băng tần cơ bản ở trạm mặt đất đ-ợc chia làm hai loại Đó là:

- Tín hiệu thoại, telex, dữ liệu,… d-ới dạng t-ơng tự hay số đ-ợc đ-a

đến và lấy ra từ trung tâm bảo trì trung kế quốc tế ITMC (Internationnal Maintenance Center) để đấu nối đến trạm mặt đất bằng các hệ thống thông tin cáp đồng trục hoặc hệ thống thông tin cáp sợi quang

- Tín hiệu hình đ-ợc đấu nối đến trạm mặt đất từ Studio truyền hình tuỳ theo dịch vụ đó là phát hình hay thu hình cũng bằng các hệ thống thông tin cáp đồng trục hay thông tin cáp sợi quang

Sơ đồ tổng quát một trạm mặt đất thông tin vệ tinh đ-ợc thể hiện trong hình vẽ kèm theo với các hệ thống thiết bị đ-ợc mô tả nh- sau: (hình1.11)

Cấp nguồn

Khối giải điều chế trung tần

hpa

lna DIPLEXER

Tới ng-ời dùng

(Từ ng-ời dùng) tín hiệu băng gốc

Eo

Hình 1.11

Hệ thống anten:

Đ-ờng kính anten thu phát của trạm mặt đất thông th-ờng có đ-ờng kính từ 0,6m đến 30m tuỳ theo tiêu chuẩn từng loại trạm ứng với tiêu chuẩn

do Intersat quy định Giá thành anten kích th-ớc lớn rất đắt về kết cấu cũng nh- lắp đặt Song những anten này cho búp sóng hẹp và nhiệt độ tạp âm nhỏ khi hoạt động Những trạm mặt đất nhỏ đ-ợc sử dụng loại anten kích th-ớc nhỏ để tránh những rắc rối mà anten kích th-ớc lớn mắc phải, đồng thời giảm đ-ợc giá thành đáng kể

Để bám đ-ợc vệ tinh kể cả trong tr-ờng hợp vệ tinh bị lệch quỹ đạo với mức độ cho phép, ng-ời ta phải trang bị các thiết bị bám anten kèm theo bảo đảm cho anten lúc nào cũng h-ớng đúng vệ tinh Anten đ-ợc một hệ thống cơ khí vững chắc bảo đảm đỡ anten đ-ợc trong các điều kiện m-a to gió lớn và kể cả động đất Sử dụng những anten nhỏ, búp sóng rộng cho phép anten đặt tĩnh không cần điều chỉnh bám vệ tinh khi vệ tinh chuyển

động quanh vị trí cân bằng Điều này tránh đ-ợc sự cung cấp các thiết bị tự

động bám rất đắt tiền

Hệ số phẩm chất của trạm đ-ợc diễn tả bằng tỷ số giữa độ tăng ích anten của trạm (G) và nhiệt độ tạp âm hệ thống (T) ta đ-ợc: G/T, theo tiêu chuẩn trạm mặt đất loại A thì tỷ số G/T  35,5db/ k (Sử dụng anten nhỏ khi giá trị G/T thấp có thể bù đắp bằng việc tăng công suất hoặc giảm độ rộng băng RF)

bị RF chính là bộ khuếch đại tạp âm nhỏ LNA đối với phần thu và khuếch

đại công suất lớn HPA đối với phần phát Những bộ LNA sử dụng trong

những trạm mặt đất th-ờng sử dụng băng tĩnh 500Mhz tại tần số 4Ghz

1Ghz tại tần số 11Ghz Trong trạm mặt đất lớn, sự sắp xếp dự trữ th-ờng

là 1 - 1 (một làm việc, một dự phòng) Sự hỏng hóc của LNA th-ờng đ-ợc

thể hiện mất tín hiệu chuẩn (Pilot) tại đầu ra của bộ phận thu, ngay lập tức

khi đó đ-ợc chuyển sang LNA thứ hai để làm việc Bộ LNA dự trữ th-ờng

xuyên đ-ợc đặt trong chế độ Test cùng với tín hiệu Pilot Trạm mặt đất tại

một h-ớng xác định cần hai kênh thu RF có thể sử dụng dự trữ 1 - 2

Máy phát có công suất từ vài W đến vài trăm KW tuỳ thuộc vào loại

tín hiệu phát đi và vị trí vệ tinh Những trạm mặt đất lớn th-ờng sử dụng

nhiều bộ khuếch đại HPA (Hight Power Amplifier) với công [suất đầu ra

lớn nhất tới 15kw Cấu hỡnh của chỳng phụ thuộc vào sóng mang phỏt đi và

tuỳ thuộc vào dạng tớn hiệu điều chế Tại 6Ghz, những bộ HPA cú độ rộng

là 40 hoặc 80 Mhz ( với băng ku, băng ka) cho trạm mặt đất lớn sử dụng

phương phỏp làm lạnh bằng Nitrogen lỏng hoặc Helium lỏng Khi sử dụng

nhiều bộ HPA cho một anten, dựng mạng kết nối để ghộp những đầu ra của

chỳng vào một súng mang duy nhất Những mạng tần số chọn và sóng

mang được đưa vào HPA với sự tổn hao thụng thường là khụng quỏ 0,5 đến

1db

Cỏc thiết bị điều chế và đổi tần thực chất là thiết bị thụng tin, nú bao gồm :

- Tuyến phỏt cú điều chế và đổi tần lờn

- Tuyến thu cú giải điều chế, và đổi tần xuống

Hệ thống điều khiển và giỏm sỏt :

Để giỏm sỏt chất lượng cỏc song mang và toàn bộ hoạt động của trạm mặt đất người ta thường trang bị một hệ thống gọi tắt là CAM (Control Monotoring and Alarm System) được điều khiển bằng hệ thống mỏy tớnh năng lực cao với phần mềm ứng dụng đủ kiểm soỏt hệ thống nắm vững tỡnh trạng tức thời của nú Cỏc cụng việc của hệ thống CAM bao gồm:

- Theo dừi và điều khiển mức cụng suất phỏt theo tiờu chuẩn

- Theo dõi mức công suất tín hiệu thu tức là tỷ số C/N

- Theo dõi các thiết bị xö tín hiệu như các modem số, các thiết bị đổi tần lên U/C và tuyến xuống D/C

- Theo dõi chất lượng tín hiệu hình

1.2.2.3 Anten trạm mặt đất thông tin vệ tinh

Trong trạm mặt đất thông tin vệ tinh thì anten là một thiết bị quan trọng nhất chiếm tới 50% giá thành trạm và thậm chí còn hơn thế nữa, bản thân nó quyết định cấu hình và hoạt động khai thác của trạm mặt đất

Hệ thống anten bao gồm :

- Hệ thống cơ học, gương chính, giá đỡ,bánh răng chuyển động và hệ thống phụ

- Nguồn sơ cấp, bộ chiếu xạ (phát xạ) gương kết hợp ( gương phụ và đôi khi

có cả hệ thống gương tiềm vọng ) và thành phần “ vô bức xạ” ( gồm khớp dịch chuyển thiết bị phân cực, thiết bị khuếch đại…)

- cơ cấu tự động điều chỉnh bám quá trình vận hành thông tin

Các anten thường đồng thời thu phát tín hiệu với vệ tinh do có bộ lọc tín hiệu thu phát tín hiệu siêu cao gọi là Duplexer Yêu cầu chất lượng đối với anten rất cao kể

từ độ bằng phẳng của gương phản xạ đến cơ cấu cơ khí ,chất l-ợng điện khí các thiết bị điều khiển đi kèm với nó

Hệ số khuếch đại anten quy về đầu vào mỏy thu kể cả suy hao do feeder được tớnh theo cụng thức sau đõy:

G = D L feeder



 2

2

.

Trong đú:

-D là đường kớnh anten tớnh theo một

-η là hiệu suất anten với giỏ trị từ 50% đến 70%

-λ là bước súng tớn hiệu

-Lfeeder là suy hao ống dẫn sóng

Nếu khụng kể đến dõy feeder thỡ hệ số khuếch đại G được tớnh như sau:

G = 20log(



D)

Với mục đớch đạt hệ số phẩm chất lớn G/T ≥35,5 db/0k ở tần số thu 4Ghz cho trạm mặt đất tiờu chuẩn A thỡ anten phải cú độ tăng ớch lớn là yếu tố quyết định với yờu cầu hiệu suất anten cao, suy hao feeder nhỏ, khả năng của cỏc kết cấu cơ khớ chống giú bóo tốt

1.2.2.4 Hệ thống bỏm vệ tinh

Về mặt tớnh toỏn lý thuyết thỡ vệ tinh địa tĩnh được xem như đứng yờn so với trỏi đất nhưng trờn thực tế dưới tỏc động của cỏc vệ tinh khỏc như mặt trăng, mặt trời… làm cho vệ tinh khụng thể ở đỳng vị trớ xớch đạo và độ nghiờng của nú trờn quỹ đạo cũng thay đổi Vỡ vậy, để đảm bảo cho anten trạm mặt đất luụn hướng đỳng vào vệ tinh thỡ trạm mặt đất phải cú hệ thống bỏm vệ tinh

Hiện nay cú bốn phương phỏp bỏm vệ tinh được dựng khỏ thụng dụng là: -Bỏm vệ tinh theo kiểu xung đơn (Monopulse Tracking)

-Bám vệ tinh theo kiểu từng bước ( Step Tracking)

-Bám vệ tinh theo chương trình ( Program Tracking)

-Bám vệ tinh theo kiểu nhân công ( Manual Tracking)

Tuỳ thuộc vào điều kiện thực tế về yêu cầu kỹ thuật, chất lượng tín

hiệu, quy mô trạm mặt đất cũng như điều kiện kinh tế mà người ta sử dụng

kiểu bám vệ tinh một cách thích hợp

1.3 Băng tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

1.3.1 Khái niệm cửa sổ vô tuyến

Sóng điện từ có dải rộng từ bước sóng dài đến sóng mm được dùng trong thông tin vệ tinh tuỳ theo các mục đích khác nhau Sóng dài có bước sóng rất dài nên bị hấp thụ năng lượng mạnh khi truyền qua tầng điện ly Những tần số rất cao ( lơn hơn 10 Ghz )bị suy hao đáng kể khi truyền qua lớp khí quyển, qua mây mù

và suy hao rất mạnh khi truyền qua vùng mưa

Dải tần tốt nhất cho thông tin vệ tinh từ 1 Ghz đến 10 Ghz vì ở dải tần này suy hao tương đối thấp và được gọi là “ cửa sổ vô tuyến điện” Sóng điện từ trong dải từ 1Ghz đến 10 Ghz truyền trong vũ trụ được xem là truyền trong không gian

tự do

1.3.2 Các băng tần sử dụng trong thông tin vệ tinh

Khi chọn băng tần cho thông tin vệ tinh người ta cần phải cân nhắc các yếu

tố như: Can nhiễu, băng tần, các tham số đường truyền và công nghệ thiết bị sử dụng

Để phân phối tần số, ITU chia thế giới thành ba khu vực:

-Khu vực 1: Bao gồm các nước Châu Âu, Châu Phi, vùng Trung Cận Đông và Nga

-Khu vực 2: gồm các nước thuộc Châu Mỹ

-Khu vực 3: Bao gồm các nước Châu Á ( Trừ vùng Trung Cận Đông, Nga) và Châu Đại Dương

Tần số phân phối cho một dịch vụ nào đó có thể phụ thuộc vào khu vực Trong một khu vực, một dịch vụ có thể dùng toàn bộ băng tần của khu vực hoặc phải chia sẻ với các dịch vụ khác Các dịch vụ cố định sử dụng các băng tần sau:

*Băng C:

-Cho tuyến lên nằm trong các dải tần sau đây: 5850- 5920- 7025Mhz

-Cho tuyến xuống nằm trong dải tần: 3700- 4200Mhz và 4500- 4800Mhz Trong đó hiện nay dải 4500- 4800Mhz cho tuyến xuống chưa dùng vì không

có hãng nào chế tạo thiết bị

Băng tần C chủ yếu được các hệ thống cũ sử dụng, như hệ thống INTERSAT, các hệ thống nội địa của Mỹ…Hiện nay đã có xu hướng bão hoà

*Băng Ku:

-Cho tuyến lên: 12750- 13250Mhz và 14000- 14500Mhz

-Cho tuyến xuống: 10700- 10950- 11200- 11450- 11700Mhz

Băng tần này có các hệ thống mới hiện nay sử dụng như hệ thống EUTERSAT, TELECOM…

Ngoài ra, các dịch vụ di động dùng vệ tinh sử dụng băng tần khoảng 1,6Ghz cho tuyến lên và 1,5Ghz cho tuyến xuống, băng tần này được gọi là băng

L

Mỗi trạm mặt đất được vệ tinh phân phối cho một băng tần nhất định

Trong thông tin vệ tinh người ta thường phân biệt các khái niệm băng tần

như: băng tần chiếm dụng, băng tần danh định, băng tần tạp âm, băng tần

phân tích và băng tần công suất tương đương

1.3.3 Độ rộng băng tần thông tin vệ tinh

Hiện nay các vệ tinh thông tin đang được sử dụng thường có dải thông 500Mhz Nã ®-îc chia thµnh c¸c b¨ng tÇn nhá h¬n nh- 36MHZ hoÆc 72MHZ Tuy có độ rộng 500Mhz xong nó rất hạn chế việc tăng dung lượng, đây là nhược điểm lớn nhất của phương tiện truyền dẫn bằng vệ tinh so với hệ thống cáp quang dưới mặt đất Để khắc phục những nhược điểm này, người ta dùng kỹ thuật

sử dụng lại tần số cho phép nâng giá trị hiệu dụng của nó lên 2580Mhz bằng một trong 2 cách sau:

1.Tái sử dụng tần số bằng cách phân biệt các chùm tia phát xạ từ anten, các băng tần giống nhau được phát đi bằng các anten trên vệ tinh dùng các bộ phát đáp khác nhau có chùm tia thu và chùm tia phát không trùng lên nhau

2.Tái sử dụng tần số bằng cách chọn phân cực: Các băng tần giống nhau được phát xạ do các anten thông qua các bộ phát đáp khác nhau sử dụng phân cực trực giao của các sóng điện từ

Trong thông tin vệ tinh, sóng điện từ được phân cực theo 2 loại tròn

và tuyến tính rồi truyền đi trong không gian, để thu được các loại sóng có

phân cực như trên thì anten cũng phải có phân cực tròn và tuyến tính tương

ứng Anten có feedhom thu phân cực tuyến tính ( thẳng đứng hoặc nằm

ngang) thu được với mức lớn nhất sóng điện từ cùng phân cực nếu góc

nghiêng của sóng điện từ và anten trong không gian là bằng nhau

1.4 Các ứng dụng chính của thông tin vệ tinh

Vệ tinh nhân tạo được loài người đặt lên quỹ đạo xác định, với mục đích thực hiện những nhiệm vụ mà hệ thống thông tin trên mặt đất không thể thực hiện được hoặc thực hiện một cách khó khăn và tốn kém hơn nhiều

Căn cứ vào ứng dụng, người ta chia ra làm 4 lĩnh vực chính của thông tin

vệ tinh là:

-Vệ tinh viễn thông

-Vệ tinh quan trắc địa mặt đất

-Vệ tinh nghiên cứu khoa học

-Vệ tinh quân sự

1.5 Vệ tinh viễn thông

1.5.1 Tổng quan về vệ tinh viễn thông

Vệ tinh viễn thông là thiết bị quan trọng nhất trong hệ thống thông

tin trong vũ trụ, nó thực chất là một trạm chuyển tiếp tích cực của tuyến

thông tin siêu cao tần mặt đất- Vệ tinh- Mặt đất nhưng được đặt trên vũ trụ

Bản thân vệ tinh có cấu trúc phức tạp bao gồm: Các bộ phát đáp, anten, hệ

thống đo, điều khiển độ cao và quỹ đạo bay, hệ thống truyền lệnh, nguồn

và các tấm pin mặt trời…

1.5.2 Bộ phát đáp( Transporter)

Bộ phát đáp là thiết bị quan trọng nhất trên vệ tinh viễn thông, nó

được cấu tạo bởi các phần tử tích cực và hoạt động như 1 bộ khuếch đại

lặp tín hiệu Chúng thu tín hiệu phát từ trạm mặt đất ở tuyến lên, khuếch

đại, đổi tần tín hiệu và phát lại xuống đất theo tuyến xuống Tuỳ theo vệ

tinh làm việc ở băng tần nào mà có các bộ phát đáp làm việc và băng tần

tương ứng đó Các bộ phát đáp nhận tín hiệu cao tần với độ rộng băng tần

cho phép, bản thân tín hiệu thu được tại anten thu trên vệ tinh rất yếu

khoảng- 100dBW, bộ phát đáp khuếch đại chúng lên rồi đổi tần khuếch đại

ở mức công suất và đưa ra anten phát phát mặt đất

Dải thông của vệ tinh 500 Mhz được chia nhỏ thành các băng tần

nhỏ hơn là 36Mhz hay 72Mhz bởi các thiết bị phân kênh để khuếch đại

bằng các bộ phát

đáp sau đó chúng được tổng hợp lại trước khi đưa ra anten phát xuống

mặt đất

1.5.3 Phân kênh

Băng tần 500Mhz của vệ tinh được chia thành các băng tần nhỏ của bộ phát

đáp Tại bộ tiền khuếch đại băng tần tín hiệu cả dải là 500Mhz được

khuếch đại lên, sau đó một loạt các bộ khuếch đại thực hiện khuếch đại tín

hiệu ở các băng tần nhỏ Thực chất của bộ phân kênh là các Circulator và

các bộ lọc thông băng tại đầu vào bộ phận kênh

1.5.4 Thiết bị thu băng rộng

Thiết bị thu băng rộng thực hiện chức năng khuếch đại tín hiệu chung cho

cả băng tần 500Mhz và đổi tần từ tần số lên thành tần số xuống thông qua bộ dao động nội sử dụng kỹ thuật nhân tần và mạch vòng khoá pha để đảm bảo độ ổn định của tần số dao động

Về nguyên tắc hệ thống thu băng rộng được thiết kế để cho phép làm

việc an

toàn tránh mọi ảnh hưởng đến tín hiệu trong toàn bộ băng tần 500Mhz.]

1.5.5 Anten trên vệ tinh viễn thông

Để giảm trọng l-ợng vệ tinh, anten vệ tinh phải có kích th-ớc nhỏ tới mức

có thể đ-ợc và phải đảm bảo dể điều khiển, tuỳ theo chức năng mà vệ tinh

có các loại anten nh- sau:

- Anten dùng để đo xa và điều khiển từ xa th-ờng ở băng tần VHF

- Anten siêu cao dùng cho hệ thống viễn thông qua vệ tinh, nó th-ờng

có các loại phát tia bao trùm (Gloabal Beam) có độ rộng tại mức suy hao 3dB là 17° đến 18° hiện đang đ-ợc áp dụng rộng rãi cho các vệ tinh quỹ

đạo địa tĩnh Còn có loại búp sóng nhọn chừng vài độ dùng để phủ sóng một vùng hẹp gọi là Spot Beam Loại này đảm bảo mật độ công suất không thay đổi trong vùng bao phủ

Ngày nay, các anten trên vệ tinh đ-ợc trang bị các ma trận feedhom

và kết cấu bề mặt phản xạ để điều khiển hình dáng vùng phủ sóng trên mặt

đất và điều khiển công suất theo ý muốn

1.6 Các kỹ thuật đa truy nhập trong thông tin vệ tinh

1.6.1 Khái niệm

Ta biết rằng vệ tinh th-ờng có nhiều Transponder hoạt động đồng thời để phục vụ cho nhiều tuyến khác nhau Tuy nhiên, khi nhu cầu thông tin ngày càng tăng lên thì ng-ời ta phải nghĩ đến việc chia sẻ khả năng hoạt động của mỗi bộ Transponder cho nhiều trạm mặt đất trong mạng Khi đó ta có thể thiết lập nhiều tuyến nối trạm với trạm khác chung trên một vệ tinh Để thực hiện đ-ợc điều này phải sử dụng đến các kỹ thuật đa truy nhập

Các kỹ thuật đa truy nhập là quá trình xử lý trong thời gian thực và khả năng truy nhập của một hệ thống tuỳ thuộc vào số trạm mặt đất có trong hệ thống đó Từ quan điểm ghép sóng mang trong một bộ phát đáp vệ tinh đa truy nhập có thể phân chia ra ba dạng nh- sau:

- FDMA (Frequency Divicion Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo tần số

- TDMA (Time Divicion Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo thời gian

- CDMA (Code Divicion Multiple Access): Đa truy nhập phân chia theo mã

1.6.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

Trong ph-ơng thức FDMA, băng tần của mỗi kênh vệ tinh (Transpinder)

đ-ợc chia thành các dải con Mỗi dải con đ-ợc ấn định cho sóng mang đ-ợc phát bởi một trạm mặt đất Các trạm mặt đất trong mạng nh- vậy đều có một dải tần hoạt động riêng và làm việc liên tục trong suốt quá trình truyền tin Để tránh xuyên nhiễu, ng-ời ta phải dành ra trong dải tần những khoảng bảo vệ Tuy nhiên, vì tính kinh tế, các giải bảo vệ này không thể quá rộng

và vì vậy chúng ta đành chịu một sự can nhiễu hay xuyên âm ở mức độ nào

đó Đây là một nh-ợc điểm lớn của ph-ơng pháp FDMA Ngoài ra, ph-ơng pháp FDMA còn thiếu tính linh hoạt khi phải cấu hình lại Ví dụ nh-: khi thay đổi tần số của sóng mang hay dung l-ợng của nó, ng-ời ta phải thiết lập lại một sự phân bổ tần số mới cho tất cả các trạm khác trong mạng

Tuy có nhiều nh-ợc điểm nh-ng ph-ơng pháp FDMA hiện nay vẫn

đang đ-ợc sử dụng rộng rãi nhất vì tính đơn giản, thiết bị rẻ, không cần có

sự đồng bộ nh- ở ph-ơng pháp TDMA hay CDMA FDMA là ph-ơng pháp

đa truy nhập ra đời sớm nhất và đã đ-ợc phát triển trong thời gian dài Vì vậy, để chuyển ph-ơng pháp FDMA sang các ph-ơng pháp truy nhập khác,

hệ thống đòi hỏi phải có một sự thay thế hàng loạt rất tốn kém

1.6.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Ph-ơng pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian đ-ợc áp dụng cho các sóng mang số trong các hệ thống thông tin vệ tinh sử dụng kỹ thuật số

Trong thông tin vệ tinh TDMA, một số trạm mặt đất dùng chung bộ phát đáp trên vệ tinh có cùng một sóng mang nhưng với các “khe thời gian khác nhau” như hình vẽ 1.17 sau:

đất phát tín hiệu cùng tần số sóng mang fo và có phổ chiếm toàn bộ băng tần của bộ phát đáp Độ dài khe thời gian ấn định cho mỗi trạm mặt đất

đ-ợc xác định tr-ớc và tỷ lệ với yêu cầu về l-u l-ợng của trạm đó

Để điều khiển mỗi trạm phát cụm tín hiệu nằm trong khe thời gian của mình thì phải đ-ợc thực hiện đồng bộ cụm vì khoảng cách giữa trạm mặt đất và vệ tinh luôn thay đổi do vệ tinh không bay đúng quỹ đạo danh

định Để thực hiện vấn đề này, ngoài các cụm l-u l-ợng còn có thêm cụm chuẩn do trạm chuẩn phát đi Cụm chuẩn cung cấp chuẩn thời gian cho các khung TDMA và có chu kỳ đúng bằng một khung TDMA

* -u nh-ợc điểm của TDMA:

- Không xảy ra hiện t-ợng xuyên điều chế do chỉ sử dụng một tần số sóng mang trên kênh vệ tinh chiếm dụng

- Hiệu suất của TDMA cao cho dù khi số trạm mặt đất lớn

- Tần số của bộ dao động nội cố định

- Có tính linh hoạt cao Khi bổ sung trạm mới ng-ời ta chỉ việc mở rộng khung TDMA

- TDMA cần có sự đồng bộ phức tạp, nếu mất đồng bộ sẽ gây ra lỗi

Thiết bị có giá thành cao

1.6.4 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Đa truy nhập phân chia theo mã là kỹ thuật đa truy nhập mới nhất Trong

đó, các trạm mặt đất có thể phát đồng thời và chiếm cùng một băng tần số

Để phân biệt giữa các sóng mang cùng tần số, ng-ời ta sử dụng một loại mã

có cấu trúc đặc biệt th-ờng gọi là mã giả ngẫu nhiên (Pseudo Random Code)

Với chế độ truyền dẫn này, mỗi tín hiệu đ-ợc phát đi tới vệ tinh sẽ

đ-ợc gán bởi một Code riêng biệt ở phía thu, tất cả các tín hiệu thu đ-ợc, trạm mặt đất sẽ tìm ra tín hiệu mà no cần nhận nhờ vào Code giống hệt bên phát

Vệ tinh sử dụng đa truy nhập theo mã tr-ớc đây th-ờng chỉ thiết kế cho mục đích quân sự nh- ngày nay cũng đã đ-ợc ứng dụng trong các vệ tinh th-ơng mại nh- trong hệ thống Globalstar

* Hệ thống vệ tinh sử dụng kỹ thuật CDMA có một số đặc điểm nổi bật nh-:

- Không cần có sự phối hợp hoạt động giữa các trạm phát nh- trong hệ thống FDMA, TDMA

- Hệ thống có thể cung cấp dễ dàng cho những ng-ời sử dụng mới Đây

là tính linh động trong cấu trúc của hệ thống

- CDMA đảm bảo tính bảo mật do sử dụng Code

- Các tín hiệu CDMA có tính chống nhiễu tốt

Tuy nhiên, nó cũng có những nh-ợc điểm nh-:

- Phải điều khiển công suất ở hai chiều để đảm bảo chất l-ợng và dung l-ợng

- Việc thiết kế ra các bộ giải mã rất phức tạp

- Giá thành hệ thống khá cao

Ch-ơng II :

Khảo sát Các yếu tố ảnh h-ởng tới chất l-ợng, độ

tin cậy hệ thống thu thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh đ-ợc đ-a vào sử dụng tại Việt Nam năm 1980 Sau

20 năm khai thác, qua thực tế cho thấy độ ổn định của các hệ thống thông tin liên lạc của các hệ thống ch-a thật tốt Nhiễu tạp ảnh h-ởng nhiều tới chất l-ợng thu tín hiệu, mỗi khi có m-a lớn các trạm mặt đất đều phải tăng công suất từ 2 đến 4 dB theo yêu cầu của trạm đối ph-ơng và ng-ợc lại

Điều đó cho thấy các số liệu dự trữ năng l-ợng đ-ờng truyền ch-a chính xác Chính phủ đã quyết định vào những năm 2008 Việt Nam sẽ có phóng

vệ tinh riêng Với hệ thống thông tin riêng thì ngoài hệ thống thông tin toàn cầu, hệ thống thông tin vệ tinh nội địa sẽ phát triển rộng rãi Vì vậy việc xem xét nghiên cứu các yếu tố ảnh h-ởng đến chất l-ợng hệ thống thu thông tin vệ tinh, các tác động của m-a là rất cần thiết

Sóng điện từ nằm trong băng tần từ 1Ghz đến 10Ghz khi truyền qua vùng thấp tầng khí quyển, tầng ion bị suy hao và bị nhiễm không đáng kể Song trong thông tin vệ tinh với đ-ờng truyền dài từ 35.000 đến 40.000km thì các ảnh h-ởng trên lại làm ta phải để tâm Khí quyển hấp thụ sóng điện

từ, nhiễu do mặt trời, mặt trăng, hiện t-ợng khúc xạ, tán xạ sóng điện từ trong khí quyển, m-a… đều ảnh h-ởng tới chất l-ợng đ-ờng truyền vệ tinh

Tuỳ theo góc ngẩng của anten trạm mặt đất mà các ảnh h-ởng đó lớn hay nhỏ từ đó làm giảm chất l-ợng thông tin vệ tinh ở các mức độ khác nhau Vì vậy, khi thiết kế các đ-ờng truyền vệ tinh phải tính đến ảnh h-ởng

kể trên để đảm bảo chất l-ợng và độ tin cậy của hệ thống thông tin Từ nhiều năm trở lại đây, do yêu cầu của kênh liên lạc vệ tinh không ngừng tăng nhanh nên ng-ời ta phải thực hiện các nghiên cứu kỹ thuật sử dụng lại băng tần dùng trong thông tin vệ tinh Phẩm chất tín hiệu vô cùng quan

trọng trong việc thực hiện các kỹ thuật nói trên, ví dụ nh-: suy hao tín hiệu

do m-a ảnh h-ởng rất lớn tới chất l-ợng tín hiệu

2.1 Các yếu tố ảnh h-ởng tới chất l-ợng đ-ờng truyền và độ tin cậy của trạm thu thông tin vệ tinh

2.1.1 Suy hao

Trong thông tin vệ tinh, tín hiệu trên đ-ờng truyền phải đi qua một quãng

đ-ờng dài và sự biến đổi môi tr-ờng truyền dẫn làm cho năng l-ợng bị suy hao một cách đáng kể

Truyền sóng trên tuyến thông tin vệ tinh có các loại suy hao chủ yếu sau đây:

- Suy hao do tồn tại các khí trong bầu khí quyển: Loại suy hao này phụ thuộc vào tần số, góc ngẩng cũng nh- độ cao trạm mặt đất và có thể bỏ qua với tần số nhỏ hơn 10Ghz và không v-ợt quá 1 – 2 dB tại 22Ghz với độ ẩm trung bình và góc ngẩng lớn hơn 10 độ

- Suy hao do m-a và các hiện t-ợng khí hậu khác

Các chất khí trong khí quyển gây ra suy hao do chúng hấp thụ sóng

điện từ mà ta phát ra Sự hấp thụ này càng tăng khi mật độ các chất khí càng dày hay khi áp lực của khí quyển tăng lên Các vùng khí càng gần mặt

đất thì suy hao tạo nên bởi chúng càng lớn Nói chung, nguyên nhân gây ra

sự hấp thụ năng l-ợng sóng điện từ trong khí quyển chủ yếu là do oxygen

và hơi n-ớc

C-ờng độ m-a càng lớn thì các ảnh h-ởng của nó đến sóng mang nh- suy hao, xuyên cực… càng mạnh Sóng điện từ đi trong m-a bị suy hao rất lớn là do các hạt m-a bay trong không gian hấp thụ và tán xạ năng l-ợng sóng rất mạnh Ngoài ra, ở những vùng có tuyết rơi sẽ gây nên suy hao rất lớn hơn cả m-a ở c-ờng độ t-ơng đ-ơng

- Suy hao do bão cát: L-ợng suy hao này tỷ lệ nghịch với tầm nhìn và tỉ lệ mạnh với độ ẩm cát hạt bụi Tại 14Ghz nó khoảng 0.03dB/Km khi hạt khô