bài giảng truyền thông vệ tinh

Nội dung• Giới thiệu chung • Các quỹ đạo của vệ tinh • Phân bố tần số cho các dịch vụ truyền thông vệ tinh • Vệ tinh IntelSat • Vệ tinh DOMSAT • Các hệ thông thông tin di động vệ tinh...

Truyền Thông Vệ Tinh

Phụ trách: Trần Thị Huỳnh Vân Email: tranthihuynhvan@gmail.com

Khoa Điện Tử Viễn Thông

Môn học :

Chương 1

Tổng Quan Về Thông Tin Vệ Tinh

Nội dung

• Giới thiệu chung

• Các quỹ đạo của vệ tinh

• Phân bố tần số cho các dịch vụ truyền thông vệ tinh

• Vệ tinh IntelSat

• Vệ tinh DOMSAT

• Các hệ thông thông tin di động vệ tinh

Lịch sử phát triển thông tin vệ tinh

– Cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkowsky đưa ra các khái niệm về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng.

– Năm 1926: Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lủa đẩy dùng nhiên liệu lỏng

– 1957, Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo Sputnik – 1

– 1958: bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh Score của Mỹ

– 1964: thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTELSAT

– 1965: hệ thống TTVT thương mại đầu tiên INTELSAT-1 (Early Bird) – 1971: thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên Xô

và 9 nước XHCN

Lịch sử phát triển thông tin vệ tinh (tt)

• 1979: thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT

• 1984: Nhật Bản đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh

• 1987: thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động

• 1999 – nay: các hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàn cầu

• 1980: khánh thành trạm mặt đất Hoasen-1 do Liên Xô tặng truyền hình trực tiếp Olympic 1980

• 1984: khánh thành trạm Hoasen-2 (TpHCM)

• 2008: phóng VinaSat-1 vệ tinh địa tĩnh đầu tiên của Việt Nam

• 2008: phóng VinaSat-2: truyền phát dữ liệu, dự báo thời tiết, an ninh quốc phòng

Giới thiệu chung

• Thông tin vệ tinh (TTVT): phương tiện truyền thông phổ biến và đa dụng

– Chảo anten truyền hình

– Các hệ thống thông tin toàn cầu truyền các khối lượng số liệu

và lưu lượng thoại lớn, các chương trình truyền hình.

– Một vệ tinh có thể phủ sóng một vùng rộng lớn trên trái đất

à các trạm mặt đất từ các vùng địa lý khác nau trên trái đất

có thể kết nối với nhau.

- Hệ thống các vệ tinh đảm bảo đường truyền

thông tin đến các vùng xa xôi hẻo lánh, thiên tai….

Các quỹ đạo vệ tinh

• HEO (High Eliptical Orbit): quỹ đạo elip cao

• GSO (Geostationary Orbit) hay GEO (Earth Orbit): quỹ đạođịa tĩnh

• MEO (Medium Earth Orbit): quỹ đạo trung bình

• LEO (Low Earth Orbit): quỹ đạo thấp

Phân bố tần số cho các hệ thống TTVT

• Việc phân chia tần số được tiến hành dưới sự bảo trợ của

Tổ chức Viễn thông quốc tế (ITU).

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

– Vùng 2: Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Greenland

– Vùng 3: Châu Á (trừ vùng 1), Úc và Tây Nam Thái Bình Dương

• Trong các vùng này, băng tần được phân chia cho các dịch

vụ vệ tinh khác nhau, m ặc dù một dịch vụ có thể được cấp phát các băng tần khác nhau ở các vùng khác nhau.

Các dịch vụ do vệ tinh cung cấp

– Các dịch vụ vệ tinh cố định

FSS (Fixed Satellite Service):

• Đường truyền cho mạng điện thoại

• Tín hiệu truyền hình cáp

– Các dịch vụ vệ tinh quảng bá

BSS (Based Satellite Service):

• Quảng bá trực tiếp đến gia đình

DBS, DTH (Direct Broadcast

Satellite, Direct To Home)

Ký hiệu các băng tần thường dùng

cho các dịch vụ vệ tinh

– Công suất lớn cho các dịch vụ quảng bá DBS

– Công suất trung bình cho các dịch vụ điểm - điểm và 1 phần DBS

– Công suất thấp cho các dịch vụ điểm - điểm

Thông tin vệ tinh di động

• Thông tin vệ tinh di động chuyển sang thông tin di động cánhân với các máy thu phát cầm tay

• Các vệ tinh có quỹ đạo thấp LEO (100km) và quỹ đạo trungbình (10000km) được sử dụng cho dịch vụ này với các chùmbúp sóng hẹp chiếu xạ mặt đất

Chương II: Các quỹ đạo vệ tinh

Các vệ tinh trên quỹ đạo được phân biệt bởi:

§ Dạng của quỹ đạo

§ Độ cao của quỹ đạo so với mặt đất

§ Độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo

• Các quỹ đạo nghiêng

• Quỹ đạo địa tĩnh

Các định luật Keppler

Định luật Keppler I: Vệ tinh chuyển động vòng quanh trái đất theo một quỹ đạo ellip Điểm xa nhất của quỹ đạo so với tâm trái đất nằm ở phía của tiêu điểm thứ hai, được gọi là viễn điểm còn điểm gần nhất của quỹ đạo gọi là cận

điểm.

Các định luật Keppler

Định luật Keppler II: Vệ tinh chuyển động theo một quỹ đạo với vận tốc thay đổi sao cho đường nối giữa tâm trái đất và vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau khi vệ tinh chuyển động trong cùng một thời gian như nhau.

- Lực ly tâm:

- Chu kỳ:

Các định luật Keppler

Định luật Keppler III: Bình phương chu kỳ quay tỷ lệ lũy thừa bậc ba với bán trục lớn a của quỹ đạo ellip (khoảng cách trung bình giữa 2 vật thể)

n: chuyển động trung bình của vệ tinh (rad/s)

µ: hằng số hấp dẫn địa tâm trái đất

§ Bảo mật không cao

§ Suy hao công suất trong truyền sóng lớn (200dB)

§ Thời gian trễ đường truyền cao , chất lượng đường truyền phụ thuộc vào thời tiết.

Các quỹ đạo (tt)

v Nhược điểm:

• Cần rất nhiều vệ tinh để đảm bảo thông tin liên tục 24h và phủ sóng toàn cầu

• Mỗi trạm phải có ít nhất 2 anten và mỗi anten phải có cơ cấu điều chỉnh chùm tia

• Điều khiển hệ thống TTVT rất phức tạp

• Tuổi thọ vệ tinh không cao khi bay ở quỹ đạo LEO do thuộc vành đai ion hóa

Các thuật ngữ cho quỹ đạo vệ tinh

v Viễn điểm (Apogee): điểm xa quả đất nhất Độ cao viễn

điểm ha

v Cận điểm (Perigee): điểm gần quả đất nhất Độ cao cận

điểm hp

v Đường nối các điểm cực (Line of apsides): đường nối cận

điểm và viễn điểm qua tâm trái đất.

v Nút lên (Ascending): điểm cắt giữa mặt phẳng quỹ đạo và

xích đạo nơi vệ tinh chuyển từ Nam sang Bắc

v Nút xuống (Descending): điểm cắt giữa mặt phẳng xích đạo

nơi vệ tinh chuyển từ Bắc sang Nam.

v Đường nối các nút (Line of nodes): đường nối các nút lên và

nút xuống qua tâm trái đất.

v Góc nghiêng (Inclination) i: góc giữa mặt phẳng quỹ đạo và

mặt phẳng xích đạo

Các thuật ngữ cho quỹ đạo vệ tinh (tt)

v Quỹ đạo đồng hướng (Prograde orbit): quỹ

đạo mà ở đó vệ tinh chuyển động cùng với

chiều quay của trái đất Góc nghiêng của

quỹ đạo đồng hướng nằm trong dải 0 o –

90 o Hầu hết các vệ tinh đều được phóng

vào quỹ đạo đồng hướng à tiết kiệm năng

lượng phóng

v Quỹ đạo ngược hướng (Retrograde Orbit):

góc nghiêng 90 o – 180 o

Các thuật ngữ cho quỹ đạo vệ tinh (tt)

v Argument của cận điểm (Argument of Perigee)

ω: Góc từ nút xuống đến cận điểm được đo

trong mặt phẳng quỹ đạo tại tâm trái đất theo

hướng chuyển động của vệ tinh.

v Góc lên đúng của nút lên (Right Ascension of

ascending node) W: góc được đo trong mặt

phẳng xích đạo theo hướng Đông sang Tây từ

đường g sang nút lên

v Độ dị thường trung bình (Mean anomaly): giá

trị trung bình vị trí góc của vệ tinh trên quỹ đạo

v Độ dị thường thật sự (True anormaly): góc từ

cận điểm đến vệ tinh được đo tại tâm trái đất.

§ Góc nghiêng i: góc giữa mặt phẳng quỹ đạo và mặt phẳng xích đạo

§ Góc lên đúng W: liên hệ vị trí của mặt phẳng quỹ đạo với trái đất

Ví dụ 2.1

Tính bán kính của bán trục chính a trong các trường hợp:

a Quỹ đạo tròn có chu kỳ là 1 ngày

b Có chuyển động trung bình (vòng/ngày): 14,23304826

n: chuyển động trung bình của vệ tinh (rad/s) µ: hằng số hấp dẫn địa tâm trái đất

Chu kỳ quỹ đạo đo bằng giây:

Độ cao viễn điểm và cận điểm

• Khoảng cách từ tâm trái đất đến viễn điểm và cận điểm được tính

như sau:

• Độ cao điểm cận điểm và điểm viễn điểm

• Ví dụ 2.2: Tính độ cao viễn điểm và cận điểm với a = 7192.3km và e

= 0.0011501, R = 6371km

Các lực nhiễu quỹ đạo

• Lực li tâm: do sự chuyển động của vệ tinh cân bằng lực húttrái đất

• Lực hút của mặt trời, mặt trăng và khí quyển

– Lực hút mặt trời, mặt trăng: tác động lên quỹ đạo địa tĩnh– Lực kéo khí quyển: ảnh hưởng các vệ tinh tầm thấp dưới1000km

Ảnh hưởng của quả đất không phải hình cầu

• Chuyển động trung bình theo định luật Keppler thứ ba cho trường hợp trái đất hình cầu có khối lượng đồng đều lý tưởng (rad/s):

• Trái đất hình cầu dẹt (xích đạo phình to ra và cực thì dẹt):

• Chu kỳ quỹ đạo (chu kỳ dị thường):

• Ví dụ 2.3: Tính bán trục chính a với: e = 0,002; i = 0 o ; P = 12h;

µ=3,986005.104.m3.sec-2

Ảnh hưởng của quả đất không phải hình cầu (tt)

• Sự dẹt của quả đất gây ra 2 sự quay của mặt phẳng quỹ đạo:

– Sự dịch lùi các nút àđường các điểm nút trong mặt phẳng xích đạo bị quay xung quanh trái đất à Nút lên W bị dịch

– Sự quay của đường giữa các điểm cực trong mặt phẳng quỹ đạo

à Cả hai ảnh hưởng đều phụ thuộc vào chuyển động trung bình n, bán trục chính

a và độ lệch tâm e.

• Các thông số n, a, e nhóm chung cho hệ số K (cùng đơn vị với n)

• Tốc độ dịch lùi dW và tốc độ quay đường các điểm cực:

Ảnh hưởng của quả đất không phải hình cầu (tt)

• Thời gian kỷ nguyên là t0, W0, ω0 tại kỷ nguyên, ta có các giá trị

W, ω mới tại thời điểm t:

• Ví dụ 2.4: Xác định tốc độ dịch lùi và tốc độ quay của đường nối các điểm cực với: i = 98.6328o, e = 0.0011501, n = 14.23304826 (vòng/ngày), a = 7192.3km, K1 = 66063.1704km 2

• Ví dụ 2.5 Tính lại ví dụ 2.4 tại một chu kỳ sau 1 kỷ nguyên (t-t0 = 1/n)

Sự kéo khí quyển

• Ảnh hưởng đáng kể đến các vệ tinh gần trái đất.

• Lực kéo lớn nhất tại cận điểm, làm giảm tốc độ vệ tinh tại điểm này

à vệ tinh không đạt cùng độ cao viễn điểm tại các vùng tiếp theo

• Bán trục chính a và độ lệch tâm e

• Biểu thức gần đúng cho sự thay đổi bán trục chính

• Biểu thức xác định sự thay đổi độ dị thường trung bình:

Quỹ đạo địa tĩnh

v Vệ tinh phải quay theo hướng Đông với tốc độ quay bằng tốc độ quay của quả đất.

v Quỹ đao là đường tròn

v Góc nghiêng của quỹ đao bằng 0

v Xác định bán kính quỹ đạo và độ cao quỹ đạo địa tĩnh (P = 23 giờ

56 phút 4 giây, R = 6378km)

Quỹ đạo địa tĩnh

Các giới hạn tầm nhìn

v Tầm nhìn từ trạm mặt đất đến cung quỹ đạo địa tĩnh bị giới hạn ở phía

Đông và phía Tây.

v Giới hạn này được thiết lập bằng các tọa độ (vĩ độ) của trạm mặt đất và góc nâng của anten.

Bài tập

• Ex 3.2, 3.4, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9

• Mean solar day được chia thành 24 giờ, 60 phút và 60 giây

à có 84,400 giây cho 1 mean solar day.

• Thời gian kỷ nguyên theo quỹ đạo vệ tinh cũng được qui định theo chuẩn của UTC

Ví dụ: Tính thời gian theo ngày, giờ, phút giây cho ngày kỷ nguyên 324,95616765

Phóng vệ tinh, định vị và duy trì

vệ tinh trên quỹ đạo

Phóng vệ tinh lên quỹ đạo địa tĩnh

à phụ thuộc loại tên lửa, vị trí địa lý bãi phóng…

• Quy chuẩn nhất và kinh tế nhất là phương pháp

phóng dựa trên quỹ đạo Hohmann

Phương pháp dựa trên quỹ đạo Hohmann

v GD1: Dùng tên lửa đẩy nhiều tầng đưa vệ tinh lên quỹ đạo LEO (200km,

V=7.784m/s)

v HD2: Tại điểm nâng của LEO, dùng tên lửa đẩy nhiều lần tăng tốc V=10.234m/s đưa vệ tinh sang quỹ đạo Ellip có viễn điểm thuộc quỹ đạo địa tĩnh

(h=35.786km) và cận điểm thuộc quỹ đạo LEO (h=200km) – quỹ đạo Hohmann

v GD3: Tại viễn điểm của quỹ đạo Hohman, sử dụng động cơ đẩy viễn điểm trong vệ tinh đưa vệ tinh về quỹ đạo địa tĩnh và vào vị trí của nó.

Đưa vệ tinh vào quỹ đạo GEO

v Đưa vệ tinh và quỹ đạo xích đạo, sau đó đưa vào vị trí GEO

v Các trung tâm và các trạm điều khiển tại các vị trí khác nhau trên tráiđất điều khiển thực hiện các chức năng:

Duy trì vệ tinh trên quỹ đạo

v Việc duy trì vệ tinh trên quỹ đạo bao gồm:

Chương 3

Các thành phần cấu tạo vệ tinh

nhân tạo

• Payload đóng vai trò chuyển tiếp (repeater) giữa các trạm mặt đấtvới các chức năng:

Payload (tt)

• Payload được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật:

Bộ nguồnSeries-parallel array of solar cells Rectangular solar sails

Hệ thống thông tin vệ tinh

• Bộ phát đáp (transponders):

• Máy thu (wideband receiver): 500 (C) – 1GHz (Ku)

Hệ thống thông tin vệ tinh (tt)

• Bộ phân ghép kênh: phân băng tần của máy thu thành các băng con nhằm giảm

hài xuyên điều chế khi qua các bộ khuếch đại công suất cao HPA (TWTA & SSPA)

Chương 4

Antennas

Hệ thống antennas trên vệ tinh

• Chức năng chính:

• Yêu cầu:

• Các loại: anten chữ nhật, anten phản xạ, anten dãy (arrays)…

• Các thông số kỹ thuật: công suất bức xạ EIRP, G/T

Antenas

Chương 5

Phân cực sóng antenna trong truyền thông vệ tinh

Phân cực sóng

§ Trong far field zone của 1 anten phát, sóng điện từ

có dạng sóng điện từ ngang (TEM).

§ Far field zone là vùng tại khoảng cách lớn hơn

2D2/l, D là kích thước 1 chiều lớn nhất của anten, l

E, ,

§ là các vecto tạo nên tập bàn tay phải theo quy tắc vặn nút chai bàn tay phải Nhìn theo phương truyền sóng , quay sẽ đến

§ Sóng này sẽ giữ nguyên thuộc tính hướng của tập bàn tay phải ngay cả khi bị phản xạ

®

®

H

Phân cực tuyến tính

§ Phân cực tuyến tính: Phương của vecto E tạo nên 1 đườngthẳng

§ Phân cực tuyến tính gồm 2 loại:

§ Phân cực đứng: trường điện vuông góc với mặt đất

§ Phân cực ngang: trường điện song song mặt đất

§ Trong thông tin vệ tinh các phân cực đứng và ngang như trênkhông hoàn toàn rõ ràng

§ Giả thiết phân cực đứng:

Phân cực tuyến tính

§ Xét trường hợp cả 2 trường có mặt đồng thời

§ Vecto tổng E sẽ hợp với phương ngang 1 góc a

§ Khi đó vecto vẫn có phân cựctuyến tính nhưng không còn là phâncực ngang hay phân cực đứng

Phân cực tròn

§ Xét trường hợp 2 trường có biên độ bằng nhau và lệch pha 90 o

§ Khi đó: a = ωt và biên độ tổng là E, ta có phân cực tròn (hình a)

§ Hướng của phân cực tròn được qui định bởi phương quay của vecto điện E.

§ Phân cực tròn tay phải: phân cực quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc phương truyền sóng (hình b).

§ Phân cực tròn tay trái: phân cực quay ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc phương truyền sóng (hình c).

Phân cực ellip

§ Phân cực ellip là trường hợp tổng quát cho các phân cực

§ Trong trường hợp này Ex và Ey không bằng nhau, d là góc quay cố định.

§ Tỉ số sóng phân cực ellip là tỉ số giữa trục chính và trục phụ của ellip Phân cực ellip trực giao xảy ra khi 1 sóng có cùng tỉ số phân cực nhưng phương quay ngược chiều.

§ Truyền thông vệ tinh sử dụng phân cực tuyến tính và phân cực tròn Sự suy giảm truyền dẫn có thể làm thay đổi thành phân cực ellip.

§ Hai anten lưỡng cực ghép đối xứng với nhau và vuông góc với

nhau s ẽ tạo sóng phân cực tròn nếu chúng có cùng biên độ và lệch pha 90 o

§ Anten thu phải có phân cực giống như phân cực của sóng nhận để thu nhận được công suất lớn nhất.

§ Điện thế cảm ứng trong các trường hợp:

§

Phân cực của các tín hiệu vệ tinh

• Xét trường hợp vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh GEO:

– Phân cực ngang khi vecto trường điện E song song với mặtphẳng xích đạo

– Phân cực đứng khi vecto E song song với trục cực trái đất

– Ví dụ 5.1

Bài tập

5.16, 5.17, 5.18

Chương 4

Thiết kế đường truyền TTVT

Tổn hao đường truyền

• Truyền dẫn trong không gian tự do:

– Công suất thu được tại 1 anten với hệ số khuếch đại Gr:

§ EIRP là công suất bức xạ của anten đẳng hướng (dBW)

§ Pt là công suất phát

§ Gt là hệ số khuếch đại của anten phát

§ Gr là hệ số khuếch đại anten thu

§ Lp là tổn hao đường truyền

• Hệ số khuếch đại của anten parabol:

• Tổn hao đường truyền trong không gian tự do:

d: khoảng cách giữa anten phát và anten thu

Công suất thu

• Công suất tại anten thu:

• Công thức dưới dạng dBW

Pr = Pt + Gt + Gr – FSL = EIRP + Gr – FSL (dBW)

Tổn hao do sự sai lệch phương anten

Tổn hao do khí quyển và điện ly

Tín hiệu truyền giữa vệ tinh và trái đất sẽ bị ảnh hưởng bởi khí quyển trái đất cũng như tầng điện ly.

a) Suy hao do khí quyển (Atmosphere losses)

– Suy hao do sự hấp thu năng lượng của các khí (gas) có trong khí quyển

– Sự hấp thu thay đổi theo tần số và mạnh nhất tại:

• Tần số 22.3 GHz: do sự hấp thu cộng hưởng trong hơi nước (H2O)

• Tần số 60 GHz: do sự hấp thu cộng hưởng trong Oxygen (O2)

b) Ảnh hưởng của tầng điện ly (Ionosphere effects)

§ Chủ yếu là do bức xạ mặt trời

§ Các ảnh hưởng: sự nhấp nháy (scintillation), hấp thu, thay đổi hướng đi của sóng truyền, sự truyền trễ, sự phân tán, thay đổi tần số…

§ Các ảnh hưởng này giảm khi tần số tăng

c) Sự suy giảm do mưa (Rain attenuation)

§ Ảnh hưởng bởi tốc độ mưa

Tổn hao do khí quyển và điện ly (tt)