tổng quan kĩ thuật thông tin vệ tinh

Hiện nay những dịch vụ mà hệ thống thông tin vệ tinh đem lại đã trở nên rất đa dạng và các ưu điểm của nó so với các mạng vô tuyến mặt đất hai các mạng cáp là không thể phủ nhận.. Bên cạ

Chương 1

TỔNG QUAN KĨ THUẬT THÔNG TIN VỆ TINH

1.Giới thiệu chung

Thông tin vô tuyến (radio communication) bằng vệ tinh ra đời nhằm mục đích cải thiện các nhược điểm của mạng vô tuyến mặt đất, nó có dung lượng cao hơn, băng tần rộng hơn, đem lại cho khách hàng nhiều dịch vụ mới

và thuận tiện với chi phí thấp hơn

Trong chiến tranh thế giới thứ 2 để tạo ra các loại vũ khí, khí tải ngày càng hiện đại, các nước tham chiến buộc phải thúc đẩy việc nghiên cứu hai kĩ thuật mới là tên lửa và truyền dẫn viba Hai kĩ thuật này lúc này chỉ là những

kĩ thuật riêng rẽ Về sau người ta mới tìm cách kết hợp hai kĩ thuật này lại với nhau và đã đạt được nhiều thành công đáng kể, từ đó tạo điều kiện cho thông tin vệ tinh ra đời của thông tin vệ tinh Hiện nay những dịch vụ mà hệ thống thông tin vệ tinh đem lại đã trở nên rất đa dạng và các ưu điểm của nó so với các mạng vô tuyến mặt đất hai các mạng cáp là không thể phủ nhận

Năm 1957, nước Nga phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài người vào quỹ đạo (vệ tinh SPUTNIK) Các năm sau đó là những cuộc

thử nghiệm đã diễn ra liên tục như quảng bá lời chúc giáng sinh của tổng thống Eissenhower qua vệ tinh SCORE năm 1985, phóng thành công vệ tinh ECHO năm 1960, truyền tin qua vệ tinh COURIER năm 1960, các vệ tinh dải rộng THELSTAR và RELAY năm 1962 và vệ tinh đĩa tĩnh đầu tiên SYNCOM năm 1963.

Đến năm 1965 vệ tinh đĩa tĩnh thương mại đầu tiên (INTELSAT 1) hay còn gọi là Early Bird được đưa lên quỹ đạo, đánh dấu thời điểm chính thức thông tin vệ tinh có thể phục vụ người dùng Cùng năm đó vệ tinh viễn thông đầu tiên của nước Nga nằm trong hệ MOLNYA cũng đã được phóng

Những hệ thống vệ tinh đầu tiên chỉ có khả năng cung cấp một dung lượng thấp với giá thuê bao tương đối cao, ví dụ vệ tinh INTELSAT 1 chỉ có

480 kênh thoại với giá thuê bao 32500 $ mét kênh một năm Giá thành quá cao này là do thời điểm bấy giê khả năng tên lửa đẩy còn thấp nên người ta không thể đưa được một vệ tinh quá nặng có dung lượng lớn lên quỹ đạo Dần dần với sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, các tên lửa đẩy lên rất mạnh Thêm nữa, người ta cũng đạt được những tiến bộ trong việc chế tạo các anten đa búp

sóng (Multi beam) phù hợp với hình dáng của vùng phục vụ cùng với các kĩ thuật sử dụng lại tần số và công nghệ bán dẫn đã cho phép các vệ tinh có mức phát tín hiệu mạnh hơn và tiết kiệm dải tần hơn Sự phát triển này làm cho chóng ta có thể phóng được những vệ tinh nặng với dung lượng lớn và giá thuê bao giảm (ví dụ vệ tinh ITELSAT 6) mang 80.000 kênh thoại với giá thuê bao chỉ có 380 $ mét kênh một năm Hiện nay người ta đã khai thác đến các thế hệ vệ tinh ITELSAT 7 và 8.

*Đặc điểm của thông tin vệ tinh

Nói tới một hệ thống thông tin vệ tinh chóng ta phải kể đến ba ưu điểm nổi bật của nó mà các mạng mặt đất không có hoặc không hiệu quả bằng nó:

tuyến có tầm nhìn thẳng (Line Of Sight – LOS) Tuy nhiên do trái đất có hình dạng cầu cho nên khoảng cách giữa hai trạm sẽ bị hạn chế để đảm bảo cho các anten trông thấy nhau Đối với khả năng quảng bá còng nh vậy, các khu vực trên mặt đất không còn nhìn thấy anten của đài phát sẽ không thể thu được tín hiệu Trong trường hợp bắt buộc phải truyền tin đi xa người ta, có thể dùng phương pháp nâng cao cột anten, truyền sóng phản xạ tầng điện ly hoặc xây dựng các trạm chuyển tiếp Trên thực tế người ta thấy rằng cả ba phương pháp đều có nhiều nhược điểm Việc nâng độ cao của cột anten gặp rất nhiều khó khăn về kinh phí và kĩ thuật mà hiệu quả không được là bao nhiêu (ví dụ nếu cột anten cao1km thì cũng không thể quảng bá quá 200km trên mặt đất) Nếu truyền sóng phản xạ tầng điện ly thì cần có công suất phát rất lớn và bị ảnh hưởng rất mạnh của môi trường truyền dẫn nên chất lượng tuyến không cao Còn các trạm chuyển tiếp giữa hai trạm đầu cuối sẽ được cải thiện được chất lượng tuyến, nâng cao độ tin cậy, nhưng chi phí lắp đặt các trạm trung chuyển và rất không thích hợp khi có nhu cầu mở thêm tuyến mới

Tóm lại, để có thể truyền tin đi xa người ta mong muốn xây dựng được các trạm anten rất cao nhưng lại phải phát ổn định và vững chắc, sự ra đời của

vệ tinh chính là để thoả mãn nhu cầu đó Với vệ tinh người ta người ta có thể truyền sóng đi rất xa và dễ dàng thông tin trên toàn cầu hơn bất cứ một hệ thống mạng nào khác Thông qua vệ tinh INTEL SAT, lần đầu tiên trên hai trạm đối diện trên hai bờ đại dương đã thông tin được cho nhau Do có khả năng rộng lớn cho nên vệ tinh rất phù hợp cho các phương thức truyền tin đa điểm đến đa điểm (cho dịch vụ quảng bá) hay đa điểm đến một điểm HUB (cho dịch vụ thu thập số liệu)

Bên cạnh khả năng phủ sóng lớn, băng tần rộng của các hệ thống vệ tinh rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá như truyền hình số có độ phân dải cao (High Difinition TV), phát thanh sè hay các dịch vụ ISDN thông qua mạng mặt đất, hoặc trực tiếp đến thuê bao (Direct to Home – DTH) thông qua mạng VSAT Cuối cùng do sử dụng phương tiện truyền dẫn qua giao diện vô tuyến cho nên các hệ thống thông tin vệ tinh là rất lý tưởng cho khả năng cấu hình lại nếu cần Các công việc triển khai trạm mới, loại bỏ trạm cũ hay thay

đổi tuyến đều có thể thực hiện dễ dàng, nhanh chóng với chi phí thực hiện tối thiểu.

Tuy nhiên hệ thống thông tin vệ tinh cũng có nhược điểm đó là:

đi nữa thì vẫn có một sự dao động nhỏ Điều này bắt buộc trong hệ thống phải

có các trạm điều khiển nằm giữ vệ tinh ở một vị trí tối ưu cho thông tin Tuy nhiên kể cả khi có các trạm điều khiển thì vệ tinh vẫn không hoàn toàn cố định nên các trạm mặt đất nói chung cần các hệ thống bám phức tạp và điều

này làm giá thành của trạm tăng vọt Thêm nữa, do các vệ tinh bay trên các quỹ đạo cách rất xa mặt đất cho nên việc truyền sóng giữa các trạm gặp phải suy hao rất lớn, bị ảnh hưởng của thời tiết, đi qua nhiều dạng môi trường khác nhau Để vẫn đảm bảo được chất lượng của tuyến người ta phải sử dụng nhiều

kĩ thuật bù và chống lỗi phức tạp

Nh ta đã nói ở trước, chi phí để phóng vệ tinh là rất cao nên nói chung các

vệ tinh chỉ có khả năng hạn chế Bù lại các trạm mặt đất phải có khả năng làm việc tương đối mạnh nên các thiết bị phần lớn là đắt tiền, nhất là chi phí cho mét anten lớn (ví dụ một trạm mặt đất trang bị anten khoảng 30m giá thành khoảng 10 triệu $)

Các vệ tinh bay trong không gian cách xa mặt đất, năng lượng chủ yếu dùng cho các động cơ phản lực điều khiển là các loại nhiên liệu lỏng hoặc rắn được vệ tinh mạng theo trong boong Lương nhiên liệu dự trữ này không thể quá lớn vì khả năng của các tên lửa đẩy có giới hạn, đồng thời nó sẽ làm cho kích thước vệ tinh tăng lên đáng kể do phải tăng thể tích của thùng chứa Nếu như vệ tinh dùng hết loại nhiên liệu này thì chúng ta không điều khiển vệ tinh

được nữa tức là không còn duy trì được sự ổn định của tuyến, khi đó coi như

vệ tinh đã hỉng và như thế nói chung tuổi thọ của vệ tinh thường thấp hơn các thiết bị thông tin mặt đất khác Để làm cho vệ tinh hoạt động trở lại người ta cần thu hồi vệ tinh để sửa chữa tiếp thêm nhiên liệu, sau đó lại phóng lên quỹ đạo Việc khôi phục các vệ tinh đã hết tuổi thọ này hết sức tốn kém và phức tạp nên trong thực tế người ta thường dùng phương pháp thay thế bằng một vệ tinh hoàn toàn mới và vứt bỏ vệ tinh cũ đi

Một hệ thốnh vệ tinh có thể cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ khác nhau

và ngày càng được phát triển đa dạng hơn Tuy nhiên nhìn chung thông tin vệ tinh đem lại ba líp dịch vụ như sau:

a Trung chuyển các kênh thoại và các chương trình truyền hình Đây là

sự đáp ứng cho các dịch vụ cơ bản nhất đối với người sử dụng Nó thu thập các luồng số liệu và phân phối đến các mạng mặt đất với một tỉ lệ hợp lí Ví

dụ cho líp dịch vụ này là các hệ thống INTELAT và EUTELSAT Các trạm mặt đất của chúng thường được trang bị anten đường kính từ 15-30m

b Cung cấp khả năng đa dịch vụ, thoại, số liệu cho những nhóm người sử dụng phân tách nhau về mặt địa lí Các nhóm sẽ chia sẻ một trạm mặt đất và truy nhập đến nó thông qua mạng Ví dụ cho líp dịch vụ này là các hệ thống

vệ tinh TELECM 1, SBS, EUTELSAT 1, TELE – X, và INTELSAT (cho mạng IBS) Các trạm mặt đất ở đây được trạng bị anten đường kính từ 3 – 10m

b Kết nối các thiết bị đầu cuối có góc mở rất nhỏ (VSAT) nhằm để truyền dẫn các luồng số liệu dung lượng thấp và quảng bá các chương trình truyền hình, truyền thanh số Thông thường người ta dùng sẽ kết nối trực tiếp với trạm mặt đất có trang bị anten đường kính từ 0,6 – 1,2m Các thuê bao di động cũng nằm trong líp dịch vụ này Tiêu biểu cho các dịch vụ này là các hệ thống EQUATORIAN, ITELNET hoặc INTELSAT… Các dịc vụ của VSAT hiện đã rất phong phú mà ta có thể kể đến nh cấp và tự động quản lí thẻ tín dụng, thu thập và phân tích số liệu, cung cấp dịc vụ thoại, mật độ thưa, truyền hình hội nghị…

*Sự phát triển của kĩ thuật thông tin vệ tinh

Thế hệ vệ tinh thương mại đầu tiên là INTELSAT 1 ra đời vào năm

1965, đến đầu những năm 70 các hệ thống vệ tinh đã có thể cung cấp các dịch

vụ thoại và truyền hình giữa hai lục địa Mới đầu vệ tinh chỉ đáp ứng được cho các tuyến có dung lượng thấp sau đó nhu cầu gia tăng tốc độ cũng như số lượng thông tin qua vệ tinh đã thúc đẩy nhanh chóng việc hình thành các hệ thống vệ tinh đa búp sóng và kĩ thuật dùng lại tần số cho sóng mang Kĩ thuật đầu tiên được ưa dùng cho hệ thống thông tin vệ tinh là analog sử dụng công nghệ FDM/FM/FDMA Sau đó để đáp ứng được nhu cầu gia tăng thông tin, người ta đã tiến đến các phương thức truyền dẫn tiên tiến hơn là PSK/TDMA

và PSK/CDMA Các phương thức về sau dùa trên việc truyền dẫn số qua vệ tinh để khai thác triệt để mọi ưu điẻm do kĩ thuật số đem lại Trong tương lai khi dung lượng của tuyến vệ tinh còng nh sè lượng vệ tinh trên toàn cầu tăng lên cực lớn thì việc sử dụng quá nhiều sóng mang sẽ làm cho mức can nhiễu giữa các hệ thống thô tin với nhau vượt quá mức cho phép Để giải quyết vấn

đề này, những nhà chế tạo bắt buộc phải nghĩ đến việc áp dụng các công nghệ sau

- Xử lý tại chỗ (onboard processing): Giải điều chế tín hiệu ngay trên vệ tinh để xử lý, sau đó điều chế lại rồi truyền các tín hiệu đã xử lí này xuống các trạm mặt đất thu Đây là trường hợp của các vệ tinh tái sinh (regenerative satellite).Chuyển mạch trên vệ tinh hay còn gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian bằng chuyển mạch vệ tinh

- Sử dụng các tuyến thông tin toàn cầu (intersatellate Network)

- Sử dụng các bước sóng qoét hoặc nhẩy bước (Scanning á hopping beam)cho các Sö dông c¸c bíc sãng qoÐt hoÆc nhÈy bíc (Scanning á hopping beam)cho c¸c

cell trên mặt đất

- Sử dụng băng tần cao hơn (30/20Ghz và 50/40Ghz ) mặc dù các dải tần này không nằm trong dải sóng radio (300MHZ đến 10GHZ) nên sóng mang phải chịu tác động lớn của môi trường truyền sóng và mưa

- Quảng bá trực tiếp từ vệ tinh tới người sử dụng (direct to home).Khi đó thiết bị đầu cuối của người sử dụng sẽ được kết nối thẳng trạm mặt đất mà không phải thông qua mạng

Hiện nay ở cỏc nước chõu Âu,Mỹ và Nhật đang cú nhiều chương trỡnh phỏt triển thụng tin vệ tinh nhằm tăng cường khả năng của vệ tinh như dung lượng, cụng suất ,tuổi thọ và phương thức truyền dẫn Điều này cho phộp kớch

cỡ và giỏ thành của trạm mặt đất ngày càng giảm đi và trở nờn gần gũi hơn với người sử dụng Trong một số trường hợp chỳng chỉ đơn giản là cỏc trạm nhận mà đơn giản nhất là trạm thu truyền hỡnh trực tiếp từ vệ tinh (TVRO).Đõy là một sự tiến bộ rất cú ý nghĩa cho cơ hội phỏt triển của vệ tinh trong tương lai

Hỡnh 1 thể cấu trỳc tổng quỏt của một hệ thống thụng tin vệ tinh trong thực tế Nú cú thể chia thành hai phần chớnh là phần khụng gian (space segment) và phần mặt đất(Ground segment)

Phần mặt đất

Trạm điều khiển Phần không gian

2.phần không gian

2.1 Cấu trúc

Phần không gian là khái niệm để chỉ một phần cửa hệ thống bao gồm vệ tinh

và tất cả các thiết bị trợ giúp cho hoạt động của nó như các trạm điều khiển và trung tâm giám sát vệ tinh Taị các trung tâm này các hoạt động như bám sát,đo lường từ xa và điều khiển (Tracking telemetry and command- TT& C)

sẽ được thực hiện nhằm mục đích giữ cho vệ tinh cố định ,đồng thời kiểm tra được các thông số hoạt động của vệ tinh như nhiệt độ anten nguồn điện acquy, nhiên liệu…

Tuyến mà sóng radio được phát từ các trạm mặt đất đến anten thu của

vệ tinh được gọi là tuyến lên (uplink) Ngược lại tuyến mà vệ tinh phát cho các trạm mặt đất sẽ được gọi là tuyến xuống (downling ) Để đánh giá chất lượng của tuyến người ta hay dùng đại lượng C/N là tỷ số giữa công suất sóng mang và công suất tạp âm ảnh hưởng đến sóng mang Tỷ số này được quyết định trên toàn tuyến bởi chất lượng của cả tuyến lên và tuyến xuống , tương

H×nh 1: CÊu tróc hÖ thèng th«ng tin vÖ tinh

ứng với điều kiện truyền dẫn riêng ở mỗi tuyến (như môi trường trung gian, kiểu điều chế , kiểu mã hoá tính chất của thiết bị thu …)

Vệ tinh bao gồm một phần tải trọng (payload)và một phần nền (platform).Phần tải trọng gồm anten và các thiết bị điện tử phục vụ cho truyền dẫn Phần nền bao gồm các thiết bị bảo đảm cho hoạt động của phần tải trọng như giá đỡ, cung cấp nguồn điện, điều khiển nhiệt độ, điều khiển hướng và quỹ đạo, các thiết bị đẩy phản lực, thùng chứa nhiên liệu và các thiết bị TT&

C Trong quá trình hoạt động vệ tinh sẽ nhẹ dần do phải tiêu tốn nhiên liệu cho việc điều khiển Để cho vệ tinh không bị mất trọng tâm thì quá trình giảm trọng lượng phải luôn phân bố đều trên toàn bộ thể tích của nó Do đó bao giê cũng thiết kế sao cho các thùng chứa nhiên liệu đối sứng với nhau qua trọng tâm của vệ tinh Thực tế những thùng chứa nhiên liệu nằm trong phần nền(platform) chiếm phần lớn khối lượng và thể tích của vệ tinh

Trong các hệ thống hiện nay , các vệ tinh chỉ giữ vai trò như một nót trung chuyển (repeater) hoặc một nót tiếp xúc (relay) Vì vậy vệ tinh phải có chức năng khuyếch đại sóng mang từ tuyến lên sau đó truyền lại ở tuyến

xuống Thông thường đối với vệ tinh công xuất tại đầu vào máy thu nằm trong khoảng từ 10pw đến 1nw, tương ứng với công xuất sóng mang tại đầu racủa bộ khuyếch đại phát nằm trong khoảng 10 đến 100W Do đó hệ số khuyếch đại công xuất của vệ tinh sẽ vào khoảng 100 đến 130dB Ngoài ra vệ tinh còn có chức năng điều chỉnh tần số sóng mang ở tuyến lên cao hơn tuyến xuống thông qua các bộ đổi tần Trên vệ tinh, yêu cầu ngăn cách tín hiệu ở đầu ra máy phát và đầu vào máy thu phải đạt được150dB Hiện nay và trong tương lai gần các vệ sinh ví dụ như hệ thống ATC và ITALSAT sẽ có các chức năng như giải điều chế, xử lý tín hiệu băng gốc và tái điều chế Như vậy

ta thấy rằng việc biến đổi tần số của tuyến xuống so với tuyến lên vẫn được các vệ tinh thế hệ cũ thực hiện bằng các bộ đổi tần (frequency concerter ) có thể được thay bằng cách điều chế một sóng mang mới ở tuyến xuống đối với

hệ thống vệ tinh tái sinh

Độ tin cậy của phần không gian là một yếu tố quan trọng để đánh giá khả năng hoạt động của cả hệ thống Độ tin cậy của vệ tinh phụ thuộc vào tất cả các thiết bị của nó Khi một vệ tinh bị háng thì không chỉ có nghĩa là các thiết

bị của nó bị háng mà có thể là do vệ tinh đã hết tuổi thọ Một hệ thống có độ tin cậy cao khi nó có các hệ thống dự phòng tốt Trong các hệ thống cao cấp,

cứ một vệ tinh hoạt động thì có một vệ tinh dự phòng sẵn xàng trên quỹ đạo

và một vệ tinh dự phòng ở dưới mặt đất (trong kho )

2.2, Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

Quỹ đạo là đường bay của vệ tinh khi nó ở trạng thái cân bằng giữa hai lực trục đối Đó là lực hấp dẫncủa trái đất đối với vệ tinh có hướng thẳng tới tâm của trái đất và lực ly tâm trục đối với lực hấp dẫn được hình thành do độ cong của hành trình vệ tinh Hai lực này có cùng một giá trị tại vệ tinh chúng kết hợp với nhau để giữ cho vệ tinh bay trong một mặt phẳng theo một dạng đường cong nào đó có thể là đường tròn hoặc elip Có 3 dạng quỹ đạo thường gặp đó là quỹ đạo elip, quỹ đạo tròn nghiêng và quỹ đạo tròn ngang ( quỹ đạo xích đạo )

a, Quỹ đạo elip:

Quỹ đạo elip nghiờng một gúc 64

0

so với mặt phẳng xớch đạo của trỏi đất Loại quỹ đạo này cú độ ổn định cao, đường bay của vệ tinh nằm trong một mặt phẳng cú dạng hỡnh elip với bỏn trục lớn bằng khoảng cỏch từ trỏi đất đến

vệ tinh khi nú ở điểm cực viễn ( apogee ) và bỏn trục nhỏ khi nú ở điểm cực cận ( periee ) Vận tốc của vệ tinh sẽ giảm đi khi khoảng cỏch giữa nú và trỏi đất tăng lờn và ngược lại

Lực hút

Độ lớn = GMm/e 2

Vệ tinh khối lợng m

Lực li tâm

Độ lớn = mv 2 /r Trái Đất

K lợng M

Khoảng cách r

V

Hình 2: Các ngoại lực tác động lên vệ tinh

Quỹ đạo này là trường hợp cân bằng đặc biệt của vệ tinh do lực hót không đều của trái đất Nhờ quỹ đạo nghiêng của mình mà vệ tinh có thể phủ sóng được các vùng vĩ đạo cao của trái đất khi nó đến gần điểm cực viễn Dạng quỹ đạo này được dùng cho một số hệ thống vệ tinh như MOLNYA chu kỳ 12h ( khoảng cách tới viễn điểm 39957 Km và cận điểm là 548 Km ) và một số vệ tinh có chu kỳ 24h

Dạng quỹ đạo này đặc biệt thích hợp cho các hệ thống Mobile dùng thông tin vệ tinh ở các nơi mà hiệu ứng che lấp do chướng ngại vật và fading chở nên đáng kể khi góc ngẩng của anten nhỏ hơn 30

0

Các quỹ đạo elip nghiêng cho phép tạo ra những tuyến vệ tinh ở vĩ độ trung bình và vĩ độ cao với góc ngẩng anten của trạm mặt đất gần bằng 90

0

nên suy hao môi trường đối với tuyến này rất thấp Đây là ưu điểm nổi bật mà kiểu quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh không có ( hệ thống ELLIPSAT bao gồm 24 vệ tinh trên hai mặt phẳng quỹ đạo khác nhau cùng nghiêng 64

Trong trường hợp này vệ tinh có quỹ đạo tròn và có độ cao không đổi so với mực nước biển Với kiểu quỹ đạo này vệ tinh bay trong một mặt phẳng có góc nghiêng gần 90

0

theo một đường tròn quanh trái đất Độ cao khoảng vài trăm Km tức là có chu kỳ khoảng 1 giê rưỡi Các vệ tinh có thể bay qua mọi vùng của trái đất nên kiểu quỹ đạo này thường được sử dụng cho các vệ tinh

do thám và quan sát ( Observation satellite ) ví dụ vệ tinh SPOT có độ cao 830

Km quỹ đạo nghiêng là 98,7

0

chu kỳ 101 phót Hiện nay có rất nhiều hệ thống

vệ tinh toàn cầu sử dụng những chùm vệ tinh bay theo kiểu quỹ đạo này ở độ cao thấp khoảng 1000 Km IRIDIUM, GLOBAL STAR, ODYSSEY, ARIES, LEOSAT…

c,Quỹ đạo tròn ngang ( quỹ đạo xích đạo ):

Đây là kiểu quỹ đạo phổ biến cho các vệ tinh địa tĩnh Trong trường hợp này vệ tinh bay trên mặt phẳng xích đạo có độ nghiêng bằng 0

0

theo một đường tròn vĩ độ 0 xung quanh trái đất, tốc độ của vệ tinh đúng bằng chu kỳ của trái đất quay quanh trục của nó Do đó trong trường hợp này vệ tinh xuất

hiện như một điểm cố định trên bầu trời khi quan sát từ một điểm trên mặt đất.

Các vệ tinh địa tĩnh luôn đảm bảo được sự chuyển tiếp thông tin liien tục trong thời gian thực giữa trạm mặt đất nằm trong vùng phủ sóng của nó Như vậy trong trường hợp này chỉ cần 3 vệ tinh có kinh độ khác nhau 120

0

là ta có thể thiết lập được một hệ thống thông tin toàn cầu Nhược điểm của dạng quỹ đạo này là các vệ tinh không thể phủ sóng được các khu vực có vĩ độ cao là ở hai vùng cực của trái đất

*Vệ tinh ở mục a, b còn có tên gọi chung là vệ tinh không địa tĩnh, việc lùa chọn quỹ đạo này còn phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể, độ can nhiễu

mà hệ thống có thể chấp nhận được và khả năng tầm phóng xa của vệ tinh

*Để vệ tinh có thể giữ nguyên vị trí của mình trên quỹ đạo, người ta thường dùng một trong hai kỹ thuật ổn định là ổn định quay hoặc ổn định 3 trục Đối với ổn định quay thì mặt trụ ngoài của vệ tinh được quay để tạo ra tác động con quay hồi chuyển ổn định vệ tinh, còn đối với ổn định 3 trục

người ta xử dụng cỏc con quay hồi chuyển bờn trong và một số động cơ phản lực hỗ trợ thớch hợp.

2.3, Vai trũ của trạm điều khiển

Trờn lý thuyết, cỏc vệ tinh chuyển động với cỏc quỹ đạo cú hỡnh dạng là đường trũn hoặc đường elip, nhưng trong thực tế quỹ đạo này khụng được hoà toàn như lý thuyết do vệ tinh cũn phải chịu tỏc động của rất nhiều yếu tố khỏch quan như sự thay đổi ngẫu nhiờn lực hút của trỏi đất, lực hấp dẫn của cỏc hành tinh lõn cận… Vỡ vậy ngay đối với vệ tinh địa tĩnh thỡ vẫn luụn cú sự giao động xung quanh vị trớ cõn bằng của nú Thờm nữa quỹ đạo của chỳng cũn bị nghiờng Điều này dẫn đến trong hệ thống phải cú cỏc trạm điều khiển

Độ lệch tâm: 0,001

Hình 3 Cửa sổ giữ trạm đối với vệ tinh địa tĩnh

Người ta đưa ra khái niệm cửa sổ giữ trạm (Station Keeping WWindow)

để nói nên khả năng trạm điều khiển chỉ có thể giữ vệ tinh địa tĩnh cố định trong một phạm vi nhất định (trong phạm vi cửa sổ ) Kích thước của cửa sổ thông thường là 0,1

so với trái đất cũng luôn bị thay đổi theo thời gian với độ lệch tâm cực đại là 0,001 Do đó khoảng độ caothay đổi của vệ tinh trong mét chu kỳ 24h sẽ là 2

x 0,001 x (35786 + 6378 ) = 85 Km Trong đó giá trị 6378 là bán kính của trái đất tính ra Km, như vậy vệ tinh địa tĩnh sẽ giao động trong một thể tích có kích thước 75 x 75 x 85

Sù giao động của vệ tinh địa tĩnh quanh vị trí tương đối rõ ràng sẽ là cho thời gian truyền dẫn giữa trạm và vệ tinh luôn bị thay đổi Đồng thời nó còn gây ra hiệu ứng Doppler đối với sóng mang Tất cả những ảnh hưởng này đều

gây ra những khó khăn cho quá trình truyền dẫn và đồng bộ của hệ thống, nhất là trong các hệ thống truyền dẫn số, ngoài ra trạm điều khiển còn có chức năng giữ anten thu phát của vệ tinh luôn hướng về vùng phủ sóng trên mặt đất Hoạt động của trạm điều khiển dùa trên cơ sở các thông tin đo đạc nhận

từ rất nhiều bộ cảm biến (sensor) đặt trên vệ tinh

2.4, Phân hệ thông tin của vệ tinh

Trên vệ tinh thường có hai phân hệ, đó là phân hệ thônh tin bao gồm tất cả các thiết bị phục vụ cho việc truyền dẫn tin tức và phân hệ điều khiển có nhiệm vụ đo lường các thông số làm việc và điều chỉnh lại các thông số này khi có lệnh từ mặt đất cấu trúc của phân hệ thông tin có thể được biểu diễn tổng quan bằng sơ đồ khối sau:

*Bộ khuyếch đại tạp âm thấp

Trong sơ đồ trên LNA là bộ khuyếch đại tạp âm thấp được đặt ngay sau anten thu ARX có nhiệm vụ khuyếch đại biên độ điện áp tín hiệu thu với mức tạp âm ký sinh rất nhỏ (sẽ trình bày ở chương 4 ) Bé LNA của vẹ tinh thường

là kiểu có làm lạnh bằng Nitrogen lỏng hoặc hiệu ứng nhiệt điện Bộ LNA của

vệ tinh cũng giống như bộ LNA của trạm mặt đất cho nên chúng sẽ được thảo luận ở phần thiết bị của trạm mặt đất ở chương 3

*Bộ đổi tần FC (Frequency converter):

Sau khi đã được khuyếch đại về biên độ tín hiệu thu ở tuyến leensex được trộn với một tần số chuẩn FL0 được tạo ra bởi một bộ giao động OSC- Ocsillator đặt ngay trên vệ tinh Tần số sinh ra ở đằng sau bộ trộn MIX là tổ hợp giữa tần số tín hiệu ở tuyến lên và tần số ngoại sai FL0 Do tần số sóng mang của tuyến lên bao giê cũng cao hơn tần số ở tuyến xuống cho nên bộ đổi tần của vệ tinh thường là bộ đổi tần xuống (Down Converter) Nguyên tắc của

H×nh 4: Ph©n hÖ th«ng tin vÖ tinh

việc trộn tần là dùa vào đặc tính truyền đạt không tuyến tính của các thiết bị bán dẫn Ví dụ như một diode , để sinh ra các tổ hợp tần số mới từ hai tần số ở đầu vào, nguyên tắc này có thể giải thích đơn giản như sau:

Giả sử đầu vào có dạng: I(t) = Acos[(2Fut)+φu]

Và tín hiệu ngoại sai có dạng: LO(t) = B cos [(2πFL0t) +φL0]Sau khi qua bộ trộn tín hiệu đầu ra sẽ là: O(t) = I(t) LO(t)

Bé khuyếch đại tiền công suất PPA (Prior Bower Amplifier) có chức năng khuyếch đại sơ bộ công suất tín hiệu đi ra từ bộ đổi tần tới mức đủ lớn

để có thể phân chia cho các Transponder Việc phân chia được thực hiện nhờ

bộ HIBRID gồm có n đầu ra tương ứng với số Transpoder của vệ tinh Công suất tại mỗi đầu ra của nó phải nhỏ hơn n lần so với công suất ở đầu vào

*Các bộ phát đáp Transponder:

Băng tần rộng của tín hiệu vệ tinh được chia làm các băng nhỏ hơn ( ví

dụ rộng khoảng 40MHz ) Mỗi băng này được phân phối cho một bộ phát đáp của nó còn gọi là kênh vệ tinh Mỗi kênh vệ tinh lại có thể mang rất nhiều kênh số liệu và kênh thoại từ người sử dụng Trên thực tế do phải có khoảng bảo vệ giữa các bộ phát đáp cho nên dải tần thực tế mà các bộ phát đáp sử dụng thường nhỏ hơn 36MHz Các bộ phát đáp có vai trò như là các kênh chuyển tiếp thông tin Chúng làm việc trong các dải tần riêng nhờ các bộ lọc thông dải BPF đặt tại đầu vào Sau khi sử lí bù như bù trễ, bù tần số …Tín hiệu trong mỗi Transponder sẽ được đưa qua bộ khuyếch đại công suất cao HPA ở đầu ra khuyếch đại đủ lớn trước khi phát lại ở hướng xuống Bộ HPA

của mỗi kênh vệ tinh thường là loại đèn sóng chạy TWTAvới độ dự phòng 5:1 và hiện nay đã bắt đầu sử dụng loại HPAbán dẫn SSPA Với các phương pháp đa truy nhập mà ta sẽ thảo luận ở các mục sau Mét Transponder có thể cùng một lúc phục vụ nhiều tuyến khác nhau Dễ nhận thấy rằng trong từng trường hợp hệ thống dùng kỹ thuật sử dụng lại tần số (Reuse) thì sơ đồ hình 4 mới chỉ là một nửa phân hệ thông tin của vệ tinh dành cho một phân cực nửa còn lại của phân cực kia có sơ đồ tương tự.

*Bộ ghép công suất (MUX):

Trước khi anten phát ATX tín hiệu của các Transponder ở các băng tần con khác nhau phải được ghép lại với nhau Yêu cầu ghép phải đảm bảo sao cho sù can nhiễu giữa các kênh vệ tinh là thấp và mức công suất của chúng đồng đều nhau trong tín hiệu tổng hợp Có nhiều kĩ thuật được ứng dụng cho

bé MUX mà trong đó có thể kể đến một thiết bị thông dụng là bộ CIRRCULATOR

3 Phần mặt đất (ground segment)

Phần mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất của hệ thống Thông thường chúng được nối với thiết bị đầu cuối của người sử dụng thông qua một mạng mặt đất có dây hoặc không dây Trong một số trường hợp chúng kết nối trực tiếp với người sử dụng qua mạng VSAT Các trạm mặt đất đối với người

sử dụng qua mạng thường là các trạm lớn có dung lượng cao phục vụ nhiều khách hàng một lúc Ngược lại các trạm VSAT là các trạm nhỏ có dụng lượng thấp và chỉ phục vụ một số lượng hạn chế người sử dụng Hiện nay, các dịch

vụ VSAT đạng rất phổ biến nên các trạm mặt đất VSAt được quan tâm nghiên cứu rất nhiều

Các trạm mặt đất có thể phân biệt theo kích cỡ của chún Kích cỡ này phụ thuộc vào dung lượng truyền tải và kiểu tin tức của mỗi trạm (thoại, truyền hình hay số liệu) Các trạm lớn nhất được trang bị anten có đường kính 30m như các trạm mặt đất tiêu chuẩn A của hệ thống INTELLSAT thế hệ cũ Các trạm nhỏ nhất anten chỉ có 0,6 m ví dụ như các trạm truyền hình trực tiếp

từ vệ tinh Nhìn chung do kĩ thuật ngày càng phát triển nên kích cỡ của các

trạm mặt đất ngày càng nhỏ lại Ví dụ hiện nay trạm mặt đất tiêu chuẩn A của INTELLSAT chỉ cần có anten đường kính từ 15 – 18m

Các trạm mặt đất thường có cả máy phát và máy thu để trao đổi tin tức với vệ tinh Một số trạm khác chỉ có máy thu như trong trường hợp trạm khai thác các dịch vụ quảng bá từ vệ tinh hoặc là trạm phân phối các dịch vuh truyền hinh và số liệu tới khách hàng Hinh 5 cho ta thấy cấu trúc tổng quan của một trạm mặt đất thông dụng

Hinh 5: Cấu trúc cơ bản của trạm mặt đất

CÊp nguån

B¸m S¸t

®o lêng vµ

®iÒu khiÓn

Khèi ®iÒu chÕ Trung tÇn

Khèi gi¶i ®iÒu ChÕ trung tÇn

Kĩ thuật về trạm mặt đất đặc biệt quan trọng cho những người khai thác

hệ thống thông tin vệ tinh bởi vì nó gắn liền với họ Các thông số của trạm mặt đất, các tính chất tín hiệu và quá trình xử lý tín hiệu tại trạm như ghép kênh, gây méo trước, giải méo trước… sẽ được nói tới ở phần sau

4 Phân cực sóng mang trên thông tin vệ tinh.

Sóng điện từ bao giê cũng có một thành phần điện trường và một thành phần từ trường có hướng vuông góc nhau và vuông góc với phương truyền sóng Theo quy ước, phân cực của sóng được định nghĩa bởi hướng của vector cường độ điện trường Nói chung hướng của điện trường không cố định và biên độ của nó cũng không phải là hằng số Khi truyền sóng điện từ đầu mót của vector cường độ điện trường thường vạch ra một đường elip do

đó gọi là phân cực elip

Phân cực của sóng điện từ có ba thông số cơ bản sau:

- Hướng quay vector cường độ điện trường: Theo tay phải hoặc theo tay trái tức là thuận hay ngược chiều kim đồng hồ

- Tỷ số trục AR (Axial Ratio): AR = EMAX/EMIN là tỷ số giữa trục lớn và trục nhỏ của hình elip phân cực Khi AR=1 hay 0 dB thì hình elip trở thành đường tròn và phân cực được gọi là phân cực tròn Khi AR= ∞ thì hình elip trở thành một đường thẳng và phân cực được gọi là phân cực thẳng.

- Độ nghiêng của Elip phân cực: Khi công nghệ truyền dẫn sử dụng lại tần số thì người ta phải dùng đến 2 sóng mạng có phân cực vuông góc nhau hay độ nghiêng của hai elip lệch nhau 90

0

Nhiều khi ở những tuyến gây xuyên cực lớn người ta phải sử dụng thêm sự phân biệt về chiều quay của vector cường độ điện trường Một sóng mang quay theo tay phải còn sóng mang vuông góc với nó quay theo tay trai

Đặc biệt khi dùng phân cực tròn thì chỉ có thể phân biệt về chiều quay của vector phân cực Khi đó sóng mang có vector E quay theo tay phải gọi là RHCP (Right Hand Circular Polarisation) và sóng mang có vector E quay theo tay trái gọi là LHCP (Left Hand Circular Polarisation) Các phân cực tròn hiện đang được dùng rất phổ biến trong thông tin vệ tinh, đặc biệt trong các hệ thống dùng loại tần số

Hai phân cực thẳng gọi là vuông góc nhau khi có phân cực hướng theo chiều thẳng đứng, phân cực kia hướng theo chiều nằm ngang trong một hệ qui chiếu nào đó.

5 Các dải tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh.

Để phân phối tần số người ta chia thế giới ra làm ba khu vực:

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

- Khu vực 2: Bao gồm các nước Châu Mỹ

- Khu vực 3: Bao gồm các nước Châu Á trừ vùng Trung Đông, Nga và Châu Đại Dương

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

a Khoảng 6 GHz cho tuyến lên và 4 GHz cho tuyến xuống được gọi là băng C (hay băng 6/4 GHz), băng tần này được các hệ thống cũ sử dụng ví dụ

hệ thống INTELLSAT, các hệ thống nội địa của Mỹ… và hiện nay đã có xu hướng bão hoà

b Khoảng 8 GHz cho tuyến lên và 7 GHz chon tuyến xuống được gọi là băng X (hay băng 8/7 GHz) Băng tần này được giành riêng cho chính phủ sử dụng

c Khoảng 14 GHz cho tuyến lên và 11 hoặc12 GHz cho tuyên xuống được gọi là băng tần Ku (hay băng 14/12 – 14/11) Băng tần này được các hệ thống mới hiện nay sử dụng ví dụ như hệ thống EUTELSAT, TELECOM I và II…

d Khoảng 30 GHz cho tuyến lên và 20 GHz cho tuyến xuống còn được gọi là băng Ka (hay băng 30/20) Băng tần này hiện mới sử dụng cho các hệ thống cao cấp, các cuộc thử nghiệm và giành cho tương lai

e Các băng tần cao hơn 30GHz hiện đang được nghiên cứu và chắc chắn

sẽ được dùng rất phổ biến trong tương lai

Các dịch vụ di động dùng vệ tinh sử dụng băng tần khoảng 1,6GHz cho tuyên lên và 1,5 GHz cho tuyens xuống, băng tần này được gọi là băng L

Các dịc vụ quảng bá vệ tinh chỉ có tuyến xuống và sử dụng băng tần vào khoảng 12GHz

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 sau: Băng tần chiếm dụng (Occupied bandwidth) BOCC Băng tần doanh định (Allocated Bandwidth) BALL Băng tần tạp âm (Noise Bandwidth) BN Băng tần phân tích ( Resolution Bandwidth) BRES Và băng tần công suất tương (Epuibalent Power Bandwidth) BEqp

Băng tần doanh đinh BALL là băng tần thực sự mà vệ tinh cung cấp cho trạm mặt đất Để đánh giá sóng mang trong BALL người ta phải đo công suất (dB) của nó tại một vị trí nào đó được xác định bởi BRES Nếu lí tưởng thì BRES

= 1Hz nhưng trên thực tế độ rộng của BRES bằng khoảng 1% BALL

Các giải BALL của trạm mặt đất được đặt sát cạnh nhau cho nên giữa chúng phải có khoảng bảo vệ nào đó để tránh sự xuyên nhiễu Vì vậy thực sự các sóng mạng chỉ làm việc với giải tần chiếm dụng BOCC nhá hơn và nằm trong BALL, BOCC được xác định băng tần giữa hai BRES sao cho giá trị công

dB

suất đỉnh lớn hơn công suất mỗi BRES tối thiệu 40dB thông thường thì có giá trị trpng khoảng 1/1,1 – 1/1,2 BALL.

Hình 6: Định nghĩa các băng tần

Với một giá trị BOCC nào đó các trạm mặt đất còn phải chịu sự qui định

về mức công suất phát không được lớn hơn một giá trị cực đại nhất định Bởi

vì một trạm phát một công suất qua lớn thì các hài do nã sinh ra sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến các kênh lân cận có mức công suất nhỏ hơn Do đó một trạm muốn phát công suất lớn thì tương đương với một giải tần chiếm dụng của nó sẽ mở rộng ra Giá trị của BEqp đặc trưng cho sự tương đương đó Chingh vì thế mà các kĩ thuật truyền dẫn hiện nay đang cố gắng làm cho BEqp

=BOCC dùa trên việc giảm mức công suất phát là tăng cường hiệu quả của các

kĩ thuật sửa lỗi trước (FEC) Khi đó dù công suất phát có nhỏ (khả năng lỗi) nhưng do đã mã hoá chống lỗi cho nên ta vẫn có thể đảm bảo được chất lương thông tin truyền dẫn đạt yêu cầu như khi phát với công suất lớn

Độ rộng dải tần BALL được vệ tinh cung cấp cho các trạm mặt đất theo yêu cầu của riêng mỗi trạm nhưng theo qui đinh bao giê nó cũng phải bằng một số lẻ lần bước 22,5 KHz tức là BALL=n 22,5KHz (với n lẻ) Quy định này nhằm làm cho quá trình phân bổ tần số trong hệ thống được thuận lợi và hiệu quả nhất Trên thực tế tại thời điểm hiện nay, quy định này trở nên cũ vì sự tiến bộ của kỹ thuật, tốc độ luồng số liệu ngày càng nhỏ hơn, chiếm băng tần hẹp hơn, cho phép ta sử dụng nhiều liểu bước chia cho BALL

6 Các kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu

6.1 Khái niệm

Điều chế tín hiệu là biến đổi tin tức cần truyền sang một dạng năng lượng mới có quy luật biến đổi theo tin tức và thích hợp với môi trường truyền dẫn Quá trìng điều chế là quá trình dùng tín hiệu tin tức để thay đổi một hay nhiều thông số của phương tiện mang tin Phương tiện mang tin

trong thông tin vệ tinh thường là sóng điện từ cao tần (RF) Việc điều chế phải đảm bảo sao cho tín hiệu Ýt bị can nhiễu nhất là khi sóng mang đi qua môi trường trung gian.

Người ta phân biệt hai loại điều chế đó là điều chế tương tự cho tín hiệu analog và điều chế số cho tín hiệu số Đối với tín hiệu tương tự thì kiểu điều chế thường dùng trong thông tin vệ tinh là điều tần FM ( dùng cho thoại, số liệu, truyền hình) Các phương pháp điều biên AM và điều biên pha QAM (điều chế cầu phương) rất Ýt dùng bởi khoảng cách truyền dẫn rất lớn của tuyến vệ tinh cùng với các tạp âm đường truyền sẽ làm cho biên độ sóng mang thay đổi rất mạnh gây nhiễu khó khăn cho quá trình giải điều chê

Các kĩ thuật điều chế số dùa trên cơ sở dùng các biện pháp tải các giòng bit lên sóng mang Tín hiệu ở băng gốc bao giê cũng là tín hiệu analog nên chúng phải được chuyển thành tín hiệu số nhờ phương thức PCM (Pulse Coder Modullation) trước khi được điều chế Kĩ thuật điều chế số áp dụng trong thông tin vệ tinh thường là điều chế dịch mức pha PSK (Phasing Shift Keying) và điều chế mức dịch pha vi sai DE – PSK (Diffferental – PSK) Ưu

điểm của kĩ thuật điều chế số là nó khai thác được các mặt mạnh của tín hiệu

số so với tín hiệu tương tự, Ýt bị can nhiễu của môi trường và dễ kết hợp với các quá trình sử lý như mã hoá, bảo mật, chống lỗi và sửa lỗi…Nói chung nguyên tắc của việc điều chế số và tín hiệu tương tự là tương đối giống nhau

6.2 Kĩ thuật điều chế tân sô (FM)

Trong đó KFM (Hz/V) là hệ số của bộ điều chế và F(t) là tần số sóng mang bị biến điệu theo thời gian sau khi điều chế

Như vậy sự biến đổi biên độ của điện thế v(t) đặc trưng cho tin tức cần truyền đi đã được tải lên sóng mang F(t) Khi truyền sóng sang trạm thu bộ giải điều chế sẽ căn cứ vào đại lượng đó để khôi phục lại tin tức ban đầu

B, Chỉ số điều tần:

Nếu tín hiệu điều chế có dạng hinh sin với tần số FM và biên độ A thì nó

sẽ gây ra độ lệch tần số cực đại của sóng mang là ∆FMAX = kFM A khi đó chỉ số điều tần được định nghĩa: mFM= ∆FMAX / FM

Chỉ số điều chế hiển thị ch mức độ điều chế của tín hiệu đối với sóng mang Giá trị mFM lớn khi biên độ của tín hiệu lớn làm tần số sóng mang thay đổi nhiều và sẽ nhỏ khi A nhỏ kéo theo ∆FMAX còng nhá

C, Độ rộng phổ của sóng mang điều tần:

Phổ của sóng mang bị điều chế bởi một tín hiệu chuaant hình sin có tần

số FM chiếm một độ rông được tính bằng công thức carson

B = 2(mFM + 1) FM Nếu tín hiệu dùng để điều chế không có dạng sin mà chiếm một giải tần

từ 0 đến FMAX thì ta phải thay đổi giá trị FM bằng FMAX

Với tỷ số điều tần mFM = ∆FMAX / FMAX

6.3 Kĩ thuật giải điều chế sóng mang FM

a.Nguyên lý:

Ngyên lý của việc giải điều chế sóng mang FM ngược lại với quá trình điều chế tức là độ giải điều chế sẽ xác định độ lệch tần số tức thời của sóng mang và từ đó khôi phục điên thế tin tức u(t) theo phương thức sau:

U(t)= σFM∆F(t)Trong đó σFM là hệ số của bộ giải điều chế tính ra (V/ Hz)

b Tỷ số tín hiệu trên tạp âm tại đầu ra ucar bộ giải điều chế

Đê đánh giá mức độ tạp âm người ta thường sử dụng khái niệm mật độ phổ công suất tạp âm N0 được suy tư công thức N = N0 B0 Trong đó N là công suất tạp âm tổng cộng trên toàn giải BN Đối với phương thức giải điều tần N0 sẽ phụ thuộc vào tần số và được tính bằng :