Nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin di động toàn cầu qua vệ tinh và khả năng ứng dụng tại việt nam

Với mục đích nghiên cứu để có thể chọn một hệ thống thông tin di độngtoàn cầu qua vệ tinh áp dụng cho Việt Nam, luận văn đi sâu xem xét về đặc điểm của thông tin di động toàn cầu qua vệ

Mở đầu

Trong các thập kỷ 80, 90 do sự khan hiếm các khe quỹ đạo sử dụng các vệtinh địa tĩnh và sự xuyên nhiễu giữa các hệ thống vệ tinh ngày càng gia tăng.Bên cạnh việc xúc tiến nghiên cứu sử dụng các băng tần mới và nâng cao độnhậy các thiết bị thu, con ngời đã tìm cách sử dụng những vệ tinh phi địa tĩnh

Đó là các vệ tinh có quỹ đạo tròn, ellip, hay nghiêng có độ cao quỹ đạo từ vàitrăm đến vài chục nghìn km Các vệ tinh sử dụng quỹ đạo kiểu này trớc kia th-ờng cung cấp cho các dịch vụ giám sát, quan trắc, nghiên cứu khoa học và gần

đây đã sử dụng cho viễn thông

Sự ra đời của vệ tinh viễn thông sử dụng quỹ đạo tầm thấp đợc ví nh mộtthời kỳ phục hng của thông tin vệ tinh, chúng ta dùng chúng cho các dịch vụthoại, truyền số liệu, và th điện tử trên phạm vi toàn cầu Công nghệ thông tin

đã chứng minh đợc tính hiệu quả bằng các đặc tính u việt của mình Tính đếnnay trên khoảng vũ trụ đã có 4000 quả vệ tinh các loại đang hoạt động Ngànhcông nghiệp vệ tinh đã góp phần nâng cao chất lợng thông tin phục vụ đắc lựccho sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng

Việt Nam trong những năm gần đây đợc đánh giá là một trong những quốcgia có ngành bu chính viễn thông phát triển với tốc độ nhảy vọt, số lợng thuêbao cố định và di động tăng lên rất nhanh, cơ sở vật chất kỹ thuật đợc hiện đạihóa và nâng cấp đáng kể Các tổng đài điện thoại trên cả nớc đã hoàn toàn đợc

số hoá Mạng lới truyền dẫn quốc gia tơng đối hoàn chỉnh nhờ sử dụng kếthợp các công nghệ truyền dẫn cáp quang và vi ba trên các tuyến đờng trục.Việc triển khai các trạm VSAT phục vụ các điểm trọng yếu chính trị quốcphòng nh biên giới, hải đảo, các cửa khẩu cũng đạt đợc những kết quả nhất

định Tính đến nay cả nớc đã có hàng trăm trạm VSAT đợc triển khai tại ờng Sa, Phú Quý, Mờng Lát, Kẹo Na, Pác Miều, Côn Đảo

Tuy nhiên giá thành triển khai các trạm VSAT này khá cao, hệ thống pinmặt trời cồng kềnh không có khả năng di động và dung lợng giới hạn Mạngviễn thông quốc tế cũng đã phát triển với 3 tổng đài cửa hiện đại tại Hà Nội,thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, 7 trạm thông tin vệ tinh mặt đất liên lạctrong hệ thống INTELSAT và INTERSPUTNIK, một hệ thống cáp biển sửdụng kỹ thuật PDH nối liền Việt Nam với Thái Lan và Hồng Kông rồi từ đó đitoàn cầu Các dịch vụ viễn thông quốc tế cũng khá đa dạng, ngoài dịch vụ

thoại quốc tế truyền thống, các dịch vụ mạng cũng đã đợc đa vào sử dụngrộng rãi

Tuy đã có nhiều cố gắng song mạng lới viễn thông Việt Nam vẫn cha thểvơn tới hết đợc các vùng xa xôi hẻo lánh, biên giới, hải đảo Các mạng di độngmặt đất và mạng cố định mới chỉ triển khai đợc tới các tỉnh, thành phố lớn, cácvùng đông dân c và một số điểm trọng yếu biên giới, hải đảo mà thôi Côngviệc cứu hộ cứu nạn tại những vùng xảy ra thiên tai, trên biển còn gặp nhiềukhó khăn khi phải triển khai các trạm INMARSAT cồng kềnh, giá thành thiết

bị cao Các cơ sở công tác của ngành mỏ, dầu khí, xây dựng cũng gặp nhữngkhó khăn khi triển khai các hệ thống thông tin liên lạc của mình

Để mạng viễn thông Việt Nam có thể vơn tới các vùng sâu vùng xa, biêngiới hải đảo đáp ứng đợc các nhu cầu thiết yếu trong lĩnh vực kinh tế xã hội,

an ninh quốc phòng, cứu hộ cứu nạn thì sự cần thiết phải nghiên cứu và triểnkhai một hình thức liên lạc mới với những u điểm về giá thành thiết bị, tính di

động, tiện lợi trong khai thác sử dụng, đáp ứng kịp cho liên lạc mọi lúc mọinơi mà vẫn bảo đảm đợc chủ quyền và an ninh quốc gia Xuất phát từ yêu cầuthực tế nh vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin di

động toàn cầu qua vệ tinh và khả năng ứng dụng tại Việt Nam”

Với mục đích nghiên cứu để có thể chọn một hệ thống thông tin di độngtoàn cầu qua vệ tinh áp dụng cho Việt Nam, luận văn đi sâu xem xét về đặc

điểm của thông tin di động toàn cầu qua vệ tinh, cấu hình của các hệ thống vàcác yêu cầu đặt ra về kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng tập trung vào các nộidung chính sau:

 Vùng phủ sóng của hệ thống vệ tinh LEO

 Góc ngẩng của anten thuê bao lên vệ tinh

 Khả năng đáp ứng dịch vụ của hệ thống

 Khả năng tơng thích với mạng viễn thông mặt đất

Luận văn bao gồm 5 chơng:

Chơng 1: Tổng quan về hệ thống GMPCS

Chơng 2: Một số vấn đề kỹ thuật của các hệ thống GMPCS

Chơng 3: Các hệ thống thông tin di động toàn cầu qua vệ tinh (GMPCS)trên thế giới

Chơng 4: Một số vấn đề liên quan đến quản lý cuộc gọi trong các hệthống thông tin di động toàn cầu qua vệ tinh

Chơng 5: Kết luận và một số khuyến nghị khi sử dụng hệ thống thông tin

di động toàn cầu qua vệ tinh tại Việt nam

Trong thời gian qua, dới sự hớng dẫn của thầy giáo PGS TS Võ Kim,cùng với sự giúp đỡ của các thầy giáo Khoa VTĐT và các bạn đồng nghiệp tôi

đã hoàn thành Luận văn cao học Mặc dù có nhiều cố gắng, nhng luận vănvẫn còn một số vấn đề cha đề cấp hết và không thể tránh khỏi những thiếu xótnhất định Rất mong nhận đợc sự góp ý, phê bình chân thành của các bạn Cuối cùng tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Võ Kim, các thầy trongKhoa VTĐT- Học viện KTQS và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoànthành Luận văn này

Tác giả

KS Bùi Văn Tuân

Chơng I Tổng quan về hệ thống gmpcs 1.1 Những vấn đề chung về hệ thống GMPCS

Xuất phát từ tình hình thực tiễn do sự khan hiếm của khe quỹ đạo sử dụngcho vệ tinh địa tĩnh và sự xuyên nhiễu giữa các hệ thống vệ tinh ngày càng giatăng, ngoài việc xúc tiến nghiên cứu sử dụng những băng tần mới và nâng cao

độ nhậy các thiết bị thu ngời ta đã tìm cách sử dụng những vệ tinh phi địa tĩnhcho viễn thông Năm 1987, sau khi đã thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụcho thông tin di động qua vệ tinh, kể từ đó đến nay đã lần lợt ra đời các ý tởng

và hình thành những hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàncầu qua vệ tinh Các hệ thống điển hình trên thế giới nh: Globalsar, Ellipso,Iridium, ICO, Skybrigde, Teledesis Các quỹ đạo của loại vệ tinh mới này cóthể là tròn hoặc ellip có độ cao quỹ đạo từ 700 km đến 10.000 km Trọng l-ợng nhỏ hơn 500kg, kích thớc nhỏ, giá mỗi vệ tinh từ 1 đến 10 triệu đô la Mỹ Nói chung tất cả các vệ tinh phi địa tĩnh là có dung lợng ít hơn vệ tinhthông tin địa tĩnh Chẳng hạn vệ tinh địa tĩnh có 24 bộ phát đáp hoặc nhiềuhơn, trong khi đó vệ tinh phi địa tĩnh chỉ khoảng 12 bộ hoặc tơng đơng Mộtyếu tố nữa làm hạn chế khả năng của vệ tinh phi địa tĩnh đó là phổ tần số quá

ít ỏi Tại Mỹ, một số hãng dùng chung phổ tần số với tuyến vi ba ở mặt đất

Do vậy vấn đề nhiễu giao thoa lẫn nhau giữa các hệ thống là một vấn đề khánan giải

Vì vậy sự ra đời các hệ thống GMPCS đã đặt ra cho liên minh viễn thôngthế giới - ITU (International Telecommunications Union) nhiệm vụ nghiêncứu các chính sách về pháp lý và các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan tới việc xâydựng, triển khai các hệ thống để khai thác các dịch vụ GMPCS

Khái niệm chung về hệ thống GMPCS đợc xác định trong thoả thuận vềGMPCS (GMPCS Arrangement - MoU) do ITU xây dựng vào năm 1996 nhsau:

“Hệ thống GMPCS là bất kỳ hệ thống vệ tinh nào (Cố định hay di động,băng rộng hay băng hẹp, toàn cầu hay khu vực, địa tĩnh hay phi địa tĩnh đã tồntại hay còn trong dự kiến) cung cấp dịch vụ viễn thông trực tiếp tới ngời sửdụng đầu cuối từ các chùm vệ tinh”

Từ các vấn đề về thị trờng kinh doanh, mục tiêu phục vụ, chiến lợc kinh

tế, hình thức khai thác dịch vụ của các hệ thống GMPCS trên ngời ta nhómcác hệ thống thành hai nhóm chính với các đặc điểm sau:

Nhóm 1: Bao gồm các hệ thống nhằm vào thị trờng kéo dài vùng phủ

sóng cho thông tin di động mặt đất và bổ xung cho mạng cố định (PSTN) dựatrên cấu hình có rất nhiều trạm cổng Gateway phân bổ tại quốc gia có vùngcung cấp dịch vụ Đại diện tiêu biểu của nhóm này là Globalstar (Ngoài ra còn

có Ellipso và ICO) Các hệ thống thuộc nhóm này không xây dựng các hệthống xử lý chuyển mạch trên vệ tinh mà tập trung vào việc triển khai một sốlợng lớn các trạm cổng mặt đất tại các quốc gia cung cấp dịch vụ trên phạm

vi toàn cầu Với cấu hình hệ thống nh vậy nó tận dụng đợc hiệu qủa đầu t củacác hệ thống viễn thống trên mặt đất Ưu điểm của hệ thống viễn thông mặt

đất này là chi phí rẻ, truyền dẫn băng rộng, khoảng cách lớn và độ tin cậy cao.Hơn nữa các nớc triển khai dịch vụ này có khả năng kiểm tra an ninh, kiểmsoát lu lợng một cách trực tiếp Hệ thống không cạnh tranh trực tiếp với viễnthông quốc tế mà phát triển hài hoà trong kế hoạch tổng thể với các dịch vụ cố

định và di động mặt đất

Nhóm 2: Bao gồm các hệ thống có mục đích sử dụng là chuyển vùng

quốc tế dựa trên cấu hình có đờng liên lạc chuyển mạch giữa các vệ tinh vàmột số lợng hạn chế các trạm làm cơ sở truy nhập cơ bản cho các mặt đất

Đại diện tiêu biểu của nhóm của hệ thống Iridium Các hệ thống nhóm này có

u điểm là rất tiện lợi với các quốc gia cha có cơ sở hạ tầng viễn thông tốt, phùhợp với mục đích quân sự và phục vụ cộng đồng trong các trờng hợp đặc biệt(Thiên tai, cứu hộ, cứu nạn ) nhng lại cạnh tranh trực tiếp với viễn thôngquốc tế và không kiểm soát đợc an ninh, đây là vấn đề lớn nhất mà các nớc

đang phát triển rất quan tâm

Với các u điểm của mình, thông tin vệ tinh sử dụng quỹ đạo tầm thấp đã

đáp ứng ngày càng tăng các nhu cầu của sự phát triển kinh tế, xã hội, an ninhquốc phòng

1.2 Những đặc điểm cơ bản của hệ thống GMPCS

Gần đây vệ tinh quỹ đạo thấp đợc sử dụng đã bắt đầu tìm đến Các quỹ đạo

vệ tinh phi địa tĩnh (NGSO) có thể là quỹ đạo tròn có độ cao quỹ đạo đến10000km Các dịch vụ sử dụng các vệ tinh kiểu này thờng là để giám sát, quan

trắc, nghiên cứu khoa học và gần đây đã dùng cho Viễn thông Trớc đây thờngdùng vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh cho viễn thông, ngày nay chuyển dịch sang vệtinh tầm thấp Thứ nhất là ở quỹ đạo cao cần một công nghệ phóng cao hơn.Thứ hai là công nghệ vệ tinh không thể đáp ứng các chỉ tiêu về công suất phátcao cũng nh độ rộng băng thông lớn Trong khi đó các vấn đề về độ tin cậy cóthời gian sống ngắn nhng công nghệ để phóng vào quỹ đạo là rất lớn

Nh đã thấy, thông tin vệ tinh phi địa tĩnh ra đời và phát triển nhanh chóngvì nhiều lý do khác nhau So với các hệ thống thông tin khác thông tin vệtinh tầm thấp có một số u điểm sau:

1.2.1 Ưu điểm:

a) Về mặt công nghệ

 Hệ thống GMPCS chủ yếu cung cấp các dịch vụ nằm trong băng tầnVHF, UHF và thấp hơn băng tần vi ba

 Công suất đẩy vệ tinh và quỹ đạo thấp hơn so với đẩy vệ tinh lên quỹ

đạo địa tĩnh (Không cần tên lửa đẩy nhiều tầng)

 Hệ thống có độ cao quỹ đạo nhỏ hơn 10.000 km nên suy hao khônggian tự do đối với sự lan truyền sóng nhỏ Do đó công suất nguồn cần

ít, số lợng pin mặt trời giảm cũng nh hệ thống ắc quy gọn nhẹ hơn,thiết kế hệ thống thiết bị mặt đất cũng đơn giản

 Điều khiển độ cao vệ tinh cũng đơn giản, do có khả năng đo độ ổn

định gia tốc trọng trờng, có thể thụ động hoặc có tác động của thiết bịtrờng tơng tác với từ trờng của trái đất Với vệ tinh địa tĩnh độ ổn địnhtrờng hấp dẫn là không có

 Trong thông tin thoại, vấn đề tiếng vọng không có ý nghĩa do độ trễ íthơn nhiều so với vệ tinh địa tĩnh (Ví dụ: GSO > 270 ms còn NGSO <100ms)

 Giá thành thiết lập và phóng một vệ tinh thấp hơn nhiều Các dịch vụ

có thể cung cấp đợc ở những nơi có vĩ độ cao, bằng cách sử dụng cácquỹ đạo cực hoặc quỹ đạo nghiêng có góc nghiêng lớn

 Có kích thớc nhỏ nên có thể phóng bằng tên lửa đơn giản hơn

 Băng tần làm việc thấp nên giá thành của antenna sẽ hạ

 Trong các hệ thống GMPCS có thể sử dụng hiệu ứng dịch tần Doppler

để định vị

b) Về mặt kinh tế

Với đặc tính phủ sóng toàn cầu cùng với dịch vụ cụ thể cung cấp tơng

đ-ơng nh các hệ thống PLMN (Public Land Mobile Network), hệ thống GMPCS

có u thế về phạm vi sử dụng và vùng phục vụ lớn nhất từ trớc đến nay, chúng

có thể phục vụ cho nhiều ngành, nhiều đối tợng thuê bao khác nhau trên phạm

vi rộng, từ miền xuôi đến miền núi, hải đảo, trên không, trong nớc và quốc tế.Bằng việc sử dụng dịch vụ đa Mode GMPCS/PLMN sẽ cho phép hệ thốngPLMN mở rộng vùng phủ sóng tới các khu vực mà chỉ có thể bằng phơng thứcthông tin vệ tinh mới làm đợc

So với thông tin vệ tinh VSAT, hệ thống GMPCS có u điểm về tính di

động của thuê bao, giá thành máy đầu cuối thấp hơn nhiều so với VSAT, khaithác sử dụng thiết bị đầu cuối đơn giản

Với các u điểm của mình, thị trờng GMPCS rất có triển vọng đối với các

đối tợng sử dụng nh: Cơ quan nhà nớc, giao thông trên sông, biển, trên bộ,ngành lâm nghiệp, đánh cá, khai thác mỏ, dầu khí, xây dựng, du lịch, các lựclợng của Quân đội (Hải quan, không quân, biên phòng), Công an, Hải quan,Hàng không và các thuê bao nớc ngoài khác Roaming vào mạng Việt Nam

1.2.2 Nhợc điểm:

Bên cạnh những u điểm nêu trên, GMPCS còn một số nhợc điểm so vớicác hệ thống PLMN và vệ tinh địa tĩnh nh sau:

a) Về mặt công nghệ

 Không thể bảo đảm một trăm phần trăm thời gian thông tin thực tế

đối với hệ thống GMPCS đơn, do phần trăm thời gian một vệ tinhkhông ở trong tầm nhìn lớn Vì vậy phải cần nhiều vệ tinh trên cácquỹ đạo để thông tin đợc chuyển tiếp một cách liên tục theo kiểu

“bent-pipe” trên phạm vi toàn cầu

 Do sự chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo nhanh so với trạm mặt

đất và sự quay của trái đất xung quanh trục của nó nên tín hiệu thu

đ-ợc bị hiện tợng Doppler Sự ảnh hởng của hiệu ứng này đối với tínhiệu thu mạnh hay yếu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nh: Độcao của quỹ đạo, tần số sử dụng, đờng bay của vệ tinh (Kiểu quỹ

đạo) và vị trí của các trạm trên mặt đất Vì vậy phải xem xét đánh giá

cụ thể sự ảnh hởng của hiệu ứng Doppler trên từng lãnh thổ, khu vực

để có giải pháp kỹ thuật bù khử hiện tợng này

 Do sử dụng quỹ đạo có độ cao thấp nên thời gian bị trái đất che khuấtmặt trời lâu trong một ngày, dẫn đến nguồn nuôi trên vệ tinh không

đủ mạnh để mang tải Để khắc phục nhợc điểm này ngời ta có thểnâng độ cao của vệ tinh lên trong trờng hợp cần thiết hay tắt nguồntrong thời gian bị che khuất để hồi phục nguồn nuôi

 Hệ thống antenna trạm mặt đất cần phải luôn chuyển động theo đểbám vệ tinh duy trì liên lạc Ngời ta có thể dùng loại antenna có vùngphủ sóng rộng kiểu nửa bán cầu (Hemi-spherical) hoặc antenna cơ

điện có bánh răng chuyển động tham gia vào quá trình định hớng búpsóng về phía vệ tinh hoặc có thể chuyển mạch từ vệ tinh này sang vệtinh khác (Hand-over) để đảm bảo thông tin đợc duy trì liên tục Mỗi

vệ tinh chỉ nhìn đợc một phần rất nhỏ của bề mặt trái đất do vậy cầnphải có hệ thống đa vệ tinh thì mới đảm bảo vùng phủ sóng đợc lớnhơn

 Thuê bao của hệ thống GMPCS không liên lạc đợc khi thiết bị ở trongnhà

 Kích thớc máy thuê bao hệ thống GMPCS lớn hơn máy di động mặt

 Hệ thống quản lý mạng phức tạp do phải kết hợp nhiều vệ tinh cóvùng phủ sóng nhỏ để phủ sóng toàn bộ bề mặt trái đất

 Thời gian hoạt động của mỗi vệ tinh trên quỹ đạo khoảng 5 10năm Trong khi đó thời gian hoạt động của mỗi vệ tinh địa tĩnh là 10

 15 năm

 Khả năng va vào các mảnh vụn vũ trụ lớn hàng trăm các vệ tinh bịhuỷ đều đa xuống quỹ đạo thấp

b b) Về mặt kinh tế

 Giá thành thiết bị đầu cuối còn cao hơn so với mạng thông tin di độngmặt đất.

 Giá cớc chiếm dụng không gian (Airtime) cao hơn so với mạng thôngtin di động mặt đất và thông tin VSAT

Với các u, nhợc điểm của mình nh vậy thị trờng GMPCS có rất nhiềutriển vọng trong các lĩnh vực kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng

Chơng Ii Một số vấn đề kỹ thuật của các hệ thống

GMPCS 2.1 Các dạng chuyển tiếp thông tin và thời gian phục vụ thuê bao của vệ tinh trong một chu kỳ quỹ đạo

 Các dạng chuyển tiếp thông tin của vệ tinh

Trong khai thác một vệ tinh LEO đơn lẻ, việc thông tin giữa hai trạm đầucuối đợc thực hiện qua hai dạng sau:

Vùng nhìn thấy trạm A

Vùng có thể nhìn thấy nhau giữa hai trạm A&B

Hình2.1 Dạng chuyển tiếp bent - pipe

Dạng thứ nhất: Là chuyển tiếp theo kiểu “bent-pipe”, tức là cả hai vị trí

trạm đầu cuối trên mặt đất đều nhìn thấy trực tiếp vệ tinh (Hình 2.1) Khảnăng thông tin đợc với nhau là một hàm của độ cao vệ tinh và góc ngẩng nhỏ nhất tính theo búp sóng chính của antenna trạm mặt đất Góc ngẩng bình thờng từ 100 đến 200

Đồng thời cả hai vị trí trạm mặt đất đều phải nằm trong vùng phủ sóng

“footprint” của antenna vệ tinh Độ dài thời gian tối đa để trạm mặt đất nhìnthấy vệ tinh là khi trạm mặt đất nằm trên đờng chiếu của qũy đạo vệ tinhxuống mặt đất

Hình 2.2 Dạng chuyển tiếp store - and - forward

Dạng thứ hai: Là dạng thông tin chuyển tiếp theo kiểu lu và phát sau

“store-and-forward” Có nghĩa là hai trạm mặt đất A và B không nhìn thấy vệtinh cùng một thời điểm (Hình 2.2) Khi vệ tinh ở trong tầm nhìn của trạm mặt

đất A thì tin tức đợc truyền đến vệ tinh và lu lại trong bộ nhớ máy tính trên vệtinh, sau một thời gian có chu kỳ, tin tức mới truyền đạt tới trạm B đặt ở các vịtrí khác trên trái đất

 Thời gian phục vụ thuê bao của vệ tinh trong một chu kỳ quỹ đạo

Đối với trạm mặt đất nằm trên hình chiếu của vệ tinh thì độ dài góc nhìnthấy của thuê bao tại điểm A là 2 (Hình 2.1) Độ dài thời gian nhìn thấy vệtinh sẽ là 2/3600T Trong đó  là một nửa góc ở tâm trái đất, T là chu kỳquỹ đạo vệ tinh

Chu kỳ của một quỹ đạo tròn sẽ bằng:

 

GM

h R u

r

3 3

Trong đó: RE = bán kính trái đất = 6.378 km

GM = tham số hấp dẫn = u = 3,9866 x 105 km3/s2

G = hằng số hấp dẫn

M = khối lợng trái đất

Hình 2.3 Thời gian nhìn thấy vệ tinh của thuê bao trong một chu kỳ

quỹ đạo LEO

Nh vậy nếu góc  lớn, thì góc ở tâm 2 sẽ nhỏ lại và do đó khả năngnhìn thấy vệ tinh sẽ ít đi Rõ ràng khi  = 00, khả năng nhìn thấy vệ tinh làcực đại Ví dụ, cho một độ cao danh định là 1000 km của  = 00, thì chu kỳquỹ đạo vệ tinh là 105 phút, thời gian tối đa nhìn thấy vệ tinh của thuê bao làkhoảng 18 phút Với  = 100 (Góc ngẩng thực tế của búp sóng chính antennacủa một trạm mặt đất), thì khả năng nhìn thấy giảm xuống còn 13 phút

Đối với các vệ tinh có quỹ đạo ellip (Hình 2.4), công thức tính thời gianhoàn thành một chu kỳ quay của vệ tinh cũng tơng tự nh chu kỳ quỹ đạo tròn,trong đó khoảng cách bán kính r từ tâm trái đến các điểm quỹ đạo luôn thay

đổi và đợc thay bằng khoảng cách a Thấy rằng khoảng cách a có giá trị cực

đại amax = r tại viễn điểm (ra) và giá trị cực tiểu amin = r tại cận điểm (rp) Do đógiá trị a đợc tính bằng trung bình cộng của hai giá trị ra và rp:

a = 1/2 (ra + rp)

Chu kỳ một quỹ đạo ellip sẽ bằng

T =

GM

a3

2 

Quỹ đạo nghiêng

Viễn điểm

Điểm xa quỹ đạo nhất

Cận điểm

r

R slt

Hình 2.4 Quỹ đạo Ellip của vệ tinh

ứng với giá trị góc ngẩng thuê bao nhất định, tại các vị trí khác nhautrên hình chiếu của qũy đạo ellip, khả năng nhìn thấy vệ tinh của thuê baokhác nhau Thời gian nhìn thấy vệ tinh của thuê bao lớn nhất khi thuê baonhìn về vùng viễn điểm và có giá trị nhỏ nhất khi thuê bao nhìn về vùng cận

Chú thích: Độ cao qũy đạo Broealis của Ellipso tính từ tâm trái đất đợc

tính là trung bình cộng giữa khoảng cách viễn điểm 7.605 + RE (km) với cận

điểm 500 + RE (km) Thuê bao nhìn thấy các vệ tinh trên quỹ đạo Concordiatại những vị trí nằm trong dải vĩ độ  470, còn các vệ tinh trên quỹ đạoBorealis đợc nhìn thấy nếu thuê bao ở từ vĩ độ  470 trở lên đến cực Bắc

2.2 Chuyển vùng phủ sóng của vệ tinh đơn

Trạng thái làm việc liên tục theo thời gian thực là cần thiết đối với các vệtinh trên các quỹ đạo khác nhau nhằm làm tăng độ rộng của vùng phủ sóngcủa vệ tinh Trên quỹ đạo, vệ tinh luôn chuyển động, khoảng cách từ vệ tinh

đến trái đất có thể thay đổi (Nh với quỹ đạo ellip), do vậy búp sóng của vệtinh khi vẽ trên mặt đất sẽ có kích thớc vùng phủ thay đổi so với kích thớc củaantenna cố định Để vùng có dịch vụ luôn nhìn đợc vệ tinh thì các búp sóngcủa vệ tinh cần phải đợc điều khiển Đối với vùng phủ “footprint” của mộtantenna hình tròn hớng tới điểm hình chiếu của vệ tinh, thì vùng phủ cực đại

là một hàm của độ rộng búp sóng antenna và độ cao vệ tinh Phần trăm bề mặttrái đất có thể nhìn thấy đợc vệ tinh cũng là một hàm của độ cao (Hình 2.5).Góc ngẩng của antenna thuê bao là một tham số của nó Hình 2.6 chỉ ra vệtphủ sóng nhìn thấy và góc FOV (Field Of View) nhìn từ một vệ tinh về Đốivới vệ tinh tầm thấp, nếu ta cần tối đa vùng phủ sóng thì góc FOV yêu cầuphải lớn Búp sóng của antennna vệ tinh cần phải rất rộng Trên thực tế cácvùng phủ sóng của vệ tinh thờng hẹp và do vậy những trạm mặt đất nằm trênchu diện của vùng phủ cần có góc ngẩng cao và hệ số khuếch đại antenna lớn

0 5 10 15

25 30 35

Hình 2.5 Phần trăm bề mặt trái đất nhìn thấy đợc phụ thuộc độ cao

quỹ đạo vệ tinh và góc ngẩng của trạm mặt đất

B A

1K -3K 5K 7K 9K 11K

13K 160

R = D/2: 6378km ( bán kính trái đất ở xích đạo)

S = R(2rad), độ dài cung ứng với góc ở tâm

Nh đã trình bày ở phần trớc, do vệ tinh và thiết bị đầu cuối có sự chuyển

động tơng đối với nhau, nên tín hiệu thu đợc bị tác động của hiệu ứngDoppler Sự ảnh hởng của hiệu ứng này đối với tín hiệu thu mạnh hay yếu phụthuộc vào nhiều yếu tố nh: Độ cao của vệ tinh, tần số sử dụng, kiểu quỹ đạo và

vị trí của thuê bao trên trái đất Xét trờng hợp tín hiệu thu đợc từ vệ tinh củatrạm mặt đất nằm trên đờng chiếu của vệ tinh và không tính đến sự quay củatrái đất (Hình 2.7) Tín hiệu thu đợc có tần số bị dịch đi một lợng dịch tầnDoppler là;

fd = vrfx/c = (vscos)fx/c (2-1)Khi đó tần số tín hiệu thu đợc:

free = fx  fd = fx  (vrfx/c) = fx  (vscos)fx/c 2)

trên đờng chân trời cả thuê bao và càng xấu khi vs càng lớn Lợng dịch tần củahiện tợng này có giá trị bằng không khi hình chiếu của vệ tinh trùng với trạmmặt đất Nh vậy sự tác động của hiệu ứng Doppler sẽ giảm nếu trạm mặt đấtnằm trên đờng chiếu của vệ tinh với góc ngẩng cực đại.

Ta xem xét trong điều kiện thực, trạm mặt đất chuyển động cùng với sựchuyển động của trái đất Khi đó, tốc độ chuyển động tơng đối giữa trạm mặt

đất và vệ tinh bao gồm tốc độ chuyển động của vệ tinh và tốc độ chuyển độngcủa trái đất hợp lại Để dễ dàng xem xét, giả sử một vệ tinh nằm trong quỹ đạocực, trạm mặt đất nằm về phía Tây quỹ đạo vệ tinh (Phía Tây hình chiếu quỹ

đạo vệ tinh) ở vĩ độ Bắc Giả thiết đợc biểu diễn trên (Hình 2.8) Ta thấy rằngvận tốc góc của trạm mặt đất do trái đất quay là  = 2/T, trong đó T là chu kỳquay của trái đất

Nếu trạm mặt đất nằm trên xích đạo, thì tốc độ của nó sẽ lớn nhất v =RE,còn trạm mặt đất nằm ở vĩ độ khác thì tốc độ sẽ giảm đi và vận tốc của trạmmặt đất đợc tính theo công thức:

ves = (RE)cosLAT

= ( /12) REcosLAT (km/giờ)

Trong đó: LAT = vĩ độ trạm mặt đất

Khi đó tín hiệu thu đợc có tần số bị dịch đi một lợng dịch tần Doppler:

Trong đó:

u = GM = 3,9866 x 105 km3/ s2 = tham số hấp dẫn của trái đất

r = h+ RE = bán kính quỹ đạo

Hình chiếu quý đạo vệ tinh

11 N0

es

s

Hình2.8 Biểu diễn sự chuyển động tơng đối giữa một vệ tinh trên quỹ đạo

cực và một trạm mặt đất có tính đến sự quay của trái đất.

Ví dụ: Xét cho hai trờng hợp trạm mặt đất ở Bình Dơng và Quế Dơng

LAT Bình Dơng = 11003 N vàLAT Quế Dơng = 21002’99”N

RE = bán kính trái đất (6738 km tại xích đạo)

2/24 = vận tốc góc của trái đất (W)

h = 1000km

thì tốc độ vệ tinh là: vs = 7,3km/s

Với trạm mặt đất Bình Dơng ở vĩ độ 11003' N, tốc độ chuyển tiếp của nó do

(2-6)

Đối với trạm mặt đất Quế Dơng ở vĩ độ 21002’99”N, tốc độ chuyển tiếp của

nó do trái đất quay là ves = 1558,85 km/giờ (2-7)

Nh vậy với giả thiết đặt ra ta thấy ứng với các góc  và  nh nhau, trạmmặt đất nằm phía Bắc tơng ứng với trạm Quế Dơng có vĩ độ cao sẽ chịu ảnh h-ởng của hiệu ứng Doppler ít hơn các trạm đặt ở phía nam (Trạm Bình Dơng)

có vĩ độ thấp Tuy nhiên khi lựa chọn vị trí đặt trạm còn phụ thuộc vào nhiềuyếu tố khác.

2.4 Quỹ đạo vệ tinh trong hệ thống GMPCS độ cao thấp

a Quỹ đạo vệ tinh phi địa tĩnh

Các vệ tinh phi địa tĩnh đợc dùng trong các hệ thống GMPCS dựa vào haicơ cấu quỹ đạo cơ bản: Là quỹ đạo tròn hoặc quỹ đạo ellip có góc nghiêngthay đổi Góc nghiêng là góc nhị diện giữa mặt phẳng xích đạo và mặt phẳngquỹ đạo

Tâm của trái đất luôn nằm trên mặt phẳng quỹ đạo Góc nghiêng của quỹ đạo

có thể thay đổi từ 00 (Trùng mặt phẳng xích đạo) đến 900 (Trùng mặt phẳngcực) hoặc có thể vợt quá 900 đối với một số ứng dụng khác Các quỹ đạo cógóc nghiêng nằm trong khoảng từ 00 đến 900 đợc gọi là quỹ đạo một chiều hayquỹ đạo vợt dốc, còn các quỹ đạo có góc nghiêng lớn hơn 900 thì gọi là quỹ

đạo xuống dốc Một điểm căn bản khác biệt ở những quỹ đạo xuống dốc làcác quỹ đạo vệ tinh có hớng ngợc với chiều quay của trái đất Quỹ đạo của vệtinh có thể đợc định nghĩa bởi sáu yếu tố Keplerian đợc vẽ ở hình 2.9 và hình2.10 dới đây

: Time of perigee pasage

Hình 2.9 Sáu thành phần quỹ đạo Keplerian của vệ tinh LEO

Theo định luật Kepler thứ nhất, vệ tinh sẽ chuyển động vòng quanh trái đấttheo một quỹ đạo hình ellip với tâm trái đất phải nằm ở một trong hai tiêu

điểm của ellip Điểm xa nhất của quỹ đạo so với tâm của trái đất nằm ở phíacủa tiêu điểm thứ hai, đợc gọi là viễn điểm còn điểm gần nhất của quỹ đạo đ-

ợc gọi là cận điểm Theo định luật hai về chuyển động hành tinh của Kepler,

vệ tinh sẽ chuyển động theo quỹ đạo với vận tốc thay đổi sao cho đờng nốigiữa tâm trái đất và vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau khi vệ tinh chuyển

động trong cùng một thời gian nh nhau Nh vậy tốc độ của vệ tinh sẽ thay đổituỳ thuộc vào vị trí của nó trên quỹ đạo, ở vùng cận điểm nó bay với vận tốclớn nhất còn tại vùng viễn điểm vệ tinh bay tốc độ thấp nhất

r h

r - ra pp a

r - r

e =

e = 0

Hình 2.10 Mô tả các tham số quỹ đạo ellip

Tốc độ vệ tinh trên quỹ đạo đợc biểu diễn bằng công thức sau:

r = Khoảng cách từ vệ tinh tới tâm trái đất

a = Bán kính trục lớn quỹ đạo ellip = (1/2)(rp + ra)

ra = a(1+e) = Bán kính viễn điểm

p a r r

r r

(0 < e <1): Độ lệch tâmTốc độ vệ tinh tại vùng cận điểm :

vp =

e) p(1 

 ) 1

(2-9) Trong đó : p = a(1-e2)

Tốc độ vệ tinh ở vùng viễn điểm :

va =

e) - p(1

 ) 1

Quỹ đạo tròn là một trờng hợp đặc biệt của quỹ đạo ellip Vận tốc chuyển

động của vệ tinh theo quỹ đạo tròn bán kính r sẽ là đại lợng không đổi, độlệch tâm bằng không và vận tốc vệ tinh đợc tính:

Đối với quỹ đạo tròn, tốc độ vệ tinh cũng có thể đợc tính bằng cách chia chu

vi của quỹ đạo cho thời gian bay hết một vòng của quỹ đạo đó

Có nghĩa là:

vs = 2r/T = 2(RE+h)/T (2-12)Trong đó :

nh công thức cho quỹ đạo tròn

2 ; Với a = (1/2)(ra+rp) (2- 14)

b Sự dịch chuyển của quỹ đạo theo định luật Kepler

 Sự dịch chuyển của nút lên (ascending node)

Sự thụt lùi (hoặc tiến) của nút lên do tham số dẹt của trái đất J2 đợc tínhtrong quan hệ dới đây J2 là chỉ số kích thớc đặc tính của trái đất theo hình cầu(Do thực tế trái đất bị dẹt) Sự chuyển dịch của nút lên tại bất kỳ thời điểm tnào đợc tính nh sau:

 = o - 3nj2 RE2 / p2 cosI (t- t0) độ/ngày (2-15a)

n = 2/T là tốc độ chuyển động trung bình của quỹ đạo (Tốc độ góccủa quỹ đạo), T là chu kỳ của quỹ đạo

J2 = 0.001826 là hệ số dẹt của trái đất

Xích đạo

a, 0 < I < 900 0 b, 90 < I < 1800 0

Hình 2.11 Biểu diễn sự dịch chuyển của các nút lên

Trong biểu thức (2-15) nếu thay n bằng 2/T và p = a(1- e2), ta có:

. = - 9.964

5 3

 Sự dịch chuyển của nút lên có tính đến sự quay của trái đất

Sự dịch chuyển của trái đất trong một chu kỳ quỹ đạo vệ tinh là:

= -2(TS/TE)= -2(TS/24) (2-18)Trong đó:

TE  24 giờ là chu kỳ của trái đất

 Quỹ đạo đồng bộ mặt trời

Quỹ đạo của vệ tinh viễn thông tầm thấp thờng sử dụng với góc nghiêngnhỏ hơn 900 Các quỹ đạo tròn có góc ngẩng lớn hơn 900 cũng đợc dùng trong

một số trờng hợp đặc biệt Quỹ đạo đồng bộ mặt trời là quỹ đạo mà mặt phẳngcủa nó luôn tịnh tiến về phía Đông và giữ nguyên tốc độ khi quả đất quayxung quanh mặt trời (Mặt trời cũng quay về hớng Đông) Vệ tinh trên quỹ đạo

sẽ có cùng vĩ độ tại cùng một thời điểm của mỗi ngày, nhng lại không cùngkinh độ do trái đất luôn tự quay xung quanh mình nó Song vệ tinh sẽ quay lặplại kinh độ sau 17 đến 18 ngày Khi nhìn theo hớng cực Bắc, mặt phẳng quỹ

đạo và quả đất cùng quay theo chiều kim đồng hồ Bằng việc chọn độ cao quỹ

đạo, và góc nghiêng thích hợp, mặt phẳng quỹ đạo có thể đợc thay đổi tốc độ(Tốc độ vẫn nh nhau khi trái đất quay xung quanh mặt trời) Xem hình 2.11góc n là hằng số suốt năm Chúng ta có thể nhận biết sự chuyển động của nútlên nh sau:

mùa hè

3 tháng

Mùa xuân

H ớng chuyển động của quỹ đạo

Mùa thu

Quỹ đạo vòng trời chạng vạng

Hình 2.12 Biểu diễn quỹ đạo đồng bộ mặt trời

Tiến trình chuyển động của mặt phẳng quỹ đạo là 3600 trong một năm, tốc

độ của tiến trình này có thể tính:

3600/365,25 ngày = 0,9860/ngày

Ta có hàm:

d/dt = - 9.98(RE / a)3.5 (1- e2)-2 cosI (độ/ngày)

Đối với quỹ đạo tròn thì a = r và e = 0 Hệ số 9,98 là đại lợng cố định Dấutrừ phía trớc của biểu thức trên là dấu của hệ số cosI, nếu chuyển thành dấu d-

ơng thì sự dịch chuyển của nút lên và chiều quay của trái đất là cùng chiều

 Hệ số góc của cận điểm quỹ đạo

Sự dịch chuyển của các nút lên không đồng đều do trái đất có hình dẹt Do

đó góc cận điểm quỹ đạo nằm trên mặt phẳng quỹ đạo là một hàm phụ thuộcvào j2 tại thời điểm t bất kỳ nào đó đợc biểu diễn nh sau:

 = 0 - sin ( )

2

5 ) 1 ( 2

3

0

2 2

2 2

2

e a

Số hạng thứ hai của biểu thức trên: -

R

2 2 2

2

2

5 ) 1 ( 2

c Các quỹ đạo sử dụng trong các hệ thống GMPCS

Nh đã trình bày ở phần trên, các vệ tinh quỹ đạo tầm thấp khi làm việc

đơn lẻ không thể cung cấp đợc dịch vụ một cách liên tục trên phạm vi toàncầu Do vậy, cần thiết phải sử dụng nhiều vệ tinh trên nhiều quỹ đạo Tổng số

vệ tinh cần sử dụng phụ thuộc vào độ cao vệ tinh và góc ngẩng antenna yêu

cầu của trạm thu phát mặt đất Các hệ thống GMPCS có thể sử dụng các quỹ

đạo nghiêng với góc nghiêng bất kỳ trong khoảng 00 đến 900, các quỹ đạo ờng có cùng một góc nghiêng và độ cao nhất định Trong hệ thống Globalstar,các quỹ đạo của hệ thống này đều tròn và có góc nghiêng I = 520, độ cao quỹ

th-đạo vệ tinh 1401 km, các mặt phẳng quỹ th-đạo cách đều nhau tại các nút lên(ascending node) là 450 Hệ thống đợc thiết kế để phủ sóng cho khu vực giữacác vĩ độ 700 Các quỹ đạo của hệ thống Iridium cũng là quỹ đạo tròn và cógóc nghiêng I = 86,40, độ cao của quỹ đạo 785 km, các mặt phẳng quỹ đạocách nhau 31,5870 tại các điểm nút lên Hệ thống này có khả năng phủ sóngtoàn cầu Có hệ thống kết hợp nhiều loại quỹ đạo nh hệ thống Ellipso Hệthống có hai quỹ đạo ellip với các góc nghiêng I1 = 63,40 và I2 = 16,60 gọi làquỹ đạo Borealis và một quỹ đạo tròn Concordia Quỹ đạo Borealis phủ sóngcho bán cầu Bắc với vĩ độ lớn hơn 200, quỹ đạo Concordia phủ sóng miền gầnxích đạo và bán cầu Nam Quỹ đạo của Ellipso là quỹ đạo đồng bộ mặt trời,

độ xê dịch quỹ đạo 10/ngày nghĩa là đứng yên đối với mặt trời và do đó vùngphủ sóng vào thời gian ban ngày sẽ không thay đổi trong suốt năm Đối vớiquỹ đạo Borealis, vùng viễn điểm của quỹ đạo cung cấp dịch vụ cho bán cầuBắc, cận điểm của quỹ đạo cung cấp dịch vụ cho bán cầu Nam Một antenna ởnửa bán cầu Bắc nhìn vệ tinh về phía viễn điểm của quỹ đạo, sẽ có góc ngẩngcao trong khoảng thời gian dài hơn, có thể đạt đợc từ 6 đến 8 giờ trong mộtchu kỳ quỹ đạo 12 giờ Khoảng cách từ tâm trái đất đến vệ tinh trên quỹ đạoellip luôn thay đổi theo sự chuyển động của vệ tinh, nhất là lúc vệ tinh chuyểnsang vùng cận điểm Búp sóng của vệ tinh khi vẽ lên mặt đất sẽ có vùng phủluôn thay đổi, do đó cần phải điều khiển búp sóng vệ tinh sao cho vùng códịch vụ luôn nhìn thấy vệ tinh Do vệ tinh có xu hớng bay khỏi tầm nhìn củatrạm mặt đất và vùng phủ của một vệ tinh hạn chế, nên ít nhất phải có ba vệtinh trên quỹ đạo mới đảm bảo cung cấp dịch vụ đợc liên tục và phải có sựchuyển tiếp chùm sóng từ vệ tinh nọ sang vệ tinh kia Đối với quỹ đạo ellip,

độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo là một tham số rất quan trọng Do quả đấtkhông phải hoàn toàn hình cầu mà bị dẹt, do đó góc nghiêng cần phải đợc duytrì ở các giá trị đặc biệt đó là các góc tới hạn

Ngời Nga thờng dùng rộng rãi quỹ đạo ellip để cung cấp dịch vụ trên lãnhthổ của họ do phần lớn lãnh thổ của Nga nằm ở vĩ độ Bắc Viễn điểm của quỹ

đạo nằm phía bán cầu Bắc nên thời gian vệ tinh nhìn xuống lãnh thổ Nga dài

và cho phép góc ngẩng của các trạm mặt đất rất lớn độ cao viễn điểm của các

vệ tinh Nga khoảng 40.000 km và cận điểm (phía Nam bán cầu) có độ caokhoảng 1.000 km Độ lệch tâm khoảng 0,7 chu kỳ 12 giờ, tức hai vòng trongmột ngày Góc nghiêng I = 63,40

2.5 Góc ngẩng của thuê bao hớng lên vệ tinh

Khi thuê bao nhìn lên vệ tinh tầm thấp ta thấy, búp sóng của antenna thuêbao tạo thành một vùng phủ sóng dài theo quỹ đạo Hình 2.13 mô tả sơ đồ mộtantenna thiết bị đầu cuối hớng lên vệ tinh tầm thấp

Ta ký hiệu góc ở tâm trái đất giữa thuê bao và vệ tinh là Giả sử độ cao của

vệ tinh so với bề mặt trái đất là h

Chúng ta có giá trị:  = arcos(RE/RE + h)cos -  24)

Trong đó:  là góc ngẩng của antenna thuê bao với vệ tinh

Vùng phủ sóng đối với góc ngẩng = x đ ợc tạo 0 thành bởi các tế bào nhỏ

Hình 2.13 Sơ đồ búp sóng một antenna thiết bị đầu cuối hớng lên vệ tinh

Trên hình vẽ ta thấy, góc nhìn từ antenna hớng lên vệ tinh (tức là góc b) sẽ

có giá trị cực đại khi góc ngẩng  = 0 Góc ngẩng cực tiểu xác định biên giớivùng phủ sóng cực đại của chùm sóng lên vệ tinh

Ví dụ: Vệ tinh có độ cao là 1000km và góc ngẩng cực tiểu là 100, thì vùngphủ sóng cực đại lên vệ tinh sẽ có bán kính là 2350km Với cùng góc ngẩng,

vệ tinh càng cao thì vùng phủ sóng dịch vụ càng rộng Trong thực tế, giá trịgóc ngẩng cực tiểu không đợc nhỏ quá vì nếu góc ngẩng nhỏ thuê bao sẽ bị

ảnh hởng của nhiễu giao thoa với các trạm vi ba mặt đất và công suất phát củaantenna tại góc ngẩng quá nhỏ sẽ không đủ lớn để vơn tới vệ tinh

Góc ngẩng của antenna thuê bao lên vệ tinh đợc tính nh sau:

 = arccos(RE + h)sin/Rslt 26)

hay

cos  = (RE + h)/Rslt sin 27)

Ta nhận thấy rằng, khi  = 00 thì cos = 1 và do đó sin = Rslt/(RE + h), cónghĩa là  = 1800 Trong thực tế góc ngẩng cực tiểu khoảng 100, và góc nhìncủa thuê bao lên vệ tinh là 1600 Đây là góc nhìn tơng đối lớn, và thời gian vệtinh ở trên đầu thuê bao ngắn do vậy chùm sóng của antenna thuê bao cầnphải đủ rộng theo tất cả mọi hớng thì mới vơn tới đợc vệ tinh đảm bảo thờigian phục vụ Một cách lý tởng nếu antenna của thuê bao có độ rộng chùmsóng dạng gần nh kiểu bán cầu (Hemispherical), tất nhiên phải hy sinh mộtvài hệ thống tăng ích antenna tại thiên điểm (Hình 2.13) Điều này có thể hoàntoàn thực hiện đợc nếu định hình chùm phát sóng antenna lên vệ tinh sao chomật độ thông lợng công suất (W/m2) của vệ tinh gần nh không thay đổi khi vệtinh tiến đến gần thuê bao Độ rộng của chùm sóng antenna thuê bao lớn dẫn

đến chênh lệch suy hao đờng truyền sóng tại thời điểm góc ngẩng là 100 vớithời điểm vệ tinh tại thiên điểm (ngay trên đầu thuê bao) trong hệ thống LEO:Nếu vệ tinh có độ cao 1000km, theo công thức trên thì góc ở tâm trái đất giữathuê bao và vệ tinh là 20 và khoảng cách từ thuê bao đến vệ tinh là Rslt =2.920km Tại thiên điểm, khoảng cách là Rslt 0 = 1.000km

Do vậy suy hao đối với hai khoảng cách trên là:

Các hệ thống GMPCS sử dụng nhiều vệ tinh trên nhiều quỹ đạo tầm thấpkhác nhau để phủ sóng toàn cầu Tùy theo mục đích và phạm vi phục vụ màcác hệ thống lựa chọn các thông số về qũy đạo phù hợp cho hệ thống Việc lựachọn hệ thống nào cung cấp dịch vụ cho Việt Nam còn phụ thuộc vào rấtnhiều yếu tố Về mặt kỹ thuật đơn thuần thì ta cần phải xem xét những yếu tốchính sau:

- Vùng phủ sóng của hệ thống vệ tinh LEO;

- Góc ngẩng của antenna thuê bao lên vệ tinh;

- Khả năng đáp ứng dịch vụ của hệ thống;

- Khả năng tơng thích với mạng viễn thông mặt đất;

Trong chơng sau sẽ đề cập đến từng hệ thống về các yếu tố trên

Chơng 3 Các hệ thống GMPCS của thế giới 3.1 Hệ thống IRIDIUM

3.1.1 Cấu hình hệ thống

Cấu hình hệ thống đợc thể hiện trên hình 3.1

động mặt đất Mạng di mạng PSTN

thiết bị đầu cuối trên các

Hình 3.1 Cấu hình hệ thống Iridium

Hình 3.2 Quỹ đạo của các vệ tinh Iridium

3.1.2 Phần vũ trụ

Hệ thống Iridium gồm 66 vệ tinh đợc phân bổ trên 6 mặt phẳng quỹ đạo,mỗi mặt phẳng phân bố đều 11 vệ tinh Trọng lợng của mỗi vệ tinh 715 kg,tuổi thọ thiết kế 5 năm

Hệ thống Iridium sử dụng phơng thức truyền dẫn kết nối liên vệ tinh(Intersatellite Link) Hệ thống là một hệ thống thông tin khép kín, có thể độclập với các hệ thống thông tin viễn thông quốc tế, nhng vẫn có khả năng kếtnối với mạng PSTN và mạng PLMN thông qua trạm cổng của mình

Cấu trúc antenna của vệ tinh có chiều rộng 86 cm, cao 186 cm bao gồm

106 phần tử phát xạ Mỗi antenna phát xạ 16 chùm sóng Các antenna kết hợpvới nhau phát xạ xuống mặt đất 48 chùm sóng, tạo thành 48 tiểu khu liên kếtchặt chẽ với nhau theo dạng tế bào

Hình 3.3 Vùng phủ sóng của các vệ tinh trong hệ thống Iridium

Hệ thống sử dụng phơng thức đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA)

và đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Tín hiệu của 12 tiểu khu(Subregion) sử dụng phơng thức đa truy cập phân chia theo tần số trên dải tầnrộng 10,5 Mhz, mỗi tiểu khu bao gồm 20 sóng mang, mỗi sóng mang lại phânchia thành 4 khe thời gian Do đó mỗi vệ tinh có thể phục vụ 3.840 kênh thôngtin tiêu chuẩn (Trong thực tế, do hạn chế về công suất phát nên mỗi vệ tinh chỉ

có thể phục vụ tối đa 1.100 kênh thông tin)

Do chu kỳ quỹ đạo ngắn (100 phút) nên việc chuyển chùm sóng đợc tiếnhành liên tục, cứ 1,5 phút tiến hành cắt chuyển chùm sóng một lần, 11 phútchuyển vệ tinh kế cận một lần

3.1.3 Phần mặt đất

Hệ thống Iridium gồm 13 trạm cổng mặt đất quản lý các khu vực phủsóng của hệ thống Các thiết bị và phân hệ kỹ thuật trạm cổng mặt đất có cấuhình nh sau:

Bộ định vị chủ gọi khách gọi

ISC

PSTN

Trung tâm xuất phát cuộc gọi - OMC

Hình 3.4 Cấu hình trạm cổng (Gateway) trong hệ thống Iridium

 ISC - International Switching Controler: Trung tâm chuyển mạch quốc

tế

 ESC - Earth Terminal Controler Coms Subsystem: Phân hệ liên lạc điều

khiển đầu cuối mặt đất

 ETS - Earth Terminal Controler Transmissoin Subsystem: Phân hệ

truyền dẫn điều khiển đầu cuối mặt đất

 OMC- Operation & Mainternance Center: Trung tâm khai thác bảo

d-ỡng

3.1.4 Các thiết bị đầu cuối Iridium

Các thiết bị đầu cuối của hệ thống bao gồm: Thiết bị đầu cuối di động, cố

định và thiết bị đầu cuối gắn trên các phơng tiện giao thông

3.1.5 Tính toán quỹ công suất (Link budget) của hệ thống

Bảng 1 Tính toán quỹ công suất của hệ thống

Tuyến đi Tuyến về

Thông số Giá trị thông số Thông số Giá trị thông số

Tốc độ truyền dữ liệu 1,2  9,6 kbps Các suy hao khác - 1,5 dB

*E b /N 0 tại rìa cùng phủ sóng ( tại mức thấp hơn mức thu tại trung tâm phủ sóng 3dB )

Thiết bị đầu cuối trên các

Trung tâm điều hành khai

Globalstar Mạng số liệu

Mạng PSTN

Mạng di

động mặt đất

Thuê bao cầm tay

mặt đất Phần mạng

Hình 3.5 Cấu hình hệ thống Globlstar 3.2.2 Phần vũ trụ

Phần vũ trụ bao gồm các vệ tinh và hệ thống các trạm điều khiển vệ tinh,bám vệ tinh, giám sát, đo xa (TT &C)

Hệ thống gồm 48 vệ tinh ở quỹ đạo thấp cách mặt đất 1.410 km Các vệtinh đợc phân bổ trong 8 mặt phẳng quỹ đạo với 6 vệ tinh cách đều nhau trênmỗi mặt phẳng quỹ đạo Chu kỳ quỹ đạo là 114 phút Dung lợng mỗi vệ tinh

là 2.400 kênh thoại tiêu chuẩn Trọng lợng vệ tinh 400 kg, tuổi thọ thiết kế 7,5năm

Những quỹ đạo vệ tinh đợc tối u hoá nhằm cung cấp khả năng phủ sóngcao nhất trong phạm vi giữa 70 vĩ độ Nam và 70 vĩ độ Bắc Trên quỹ đạo, một

vệ tinh đợc xử lý giữa các chùm sóng (Beams) nằm ngay trong một vệ tinh vàgiữa các vệ tinh với nhau giúp cho ngời sử dụng có đợc thông tin liên tục Cácmặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc 520 Mỗi vùng phủ sóng có ít nhất hai vệtinh cùng tham gia để tạo ra sự phân tập đờng truyền

a Phân hệ tải tin (Communications Payload)

Phân hệ tải tin đợc thể hiện trên hình 3.6

X

X

~

SECTION FREQUENCY CONVERSION

FORWARD TRANSPONDER ANTENNA

MASTER FREQUENCY

CMD

D I P L E X E R

FORWARD LINK FROM GATEWAY

GATEWAY LINK TO RETURN

R E X E L P I D

TLM

C-BAND SSPA

SECTION FREQUENCY CONYERSION

L-C BAND

SAW SAW SAW

W I T C H H

C T I W S

Hình 3.6 Phân hệ tải tin của vệ tinh Globalstar

Chức năng của phân hệ tải tin: Thiết bị đầu cuối thuê bao phát tín hiệu lên

vệ tinh sử dụng băng tần L Tín hiệu đợc bộ khuếch đại tạp âm thấp khuếch

đại, chuyển đổi sang băng tần C và sau đó đợc khuếch đại bởi bộ khuếch đạicông suất thể rắn SSPA Vệ tinh truyền tín hiệu này xuống gateway quaantenna băng tần C Gateway nhận tín hiệu và chuyển đổi tần số xuống trungtần qua bộ đổi tần downconverter Tín hiệu đợc giải mã qua thiết bị CDMA vàtruyền vào mạng PSTN Trên hớng phát, gateway tập hợp các tín hiệu từ bộCDMA, đổi tần sang băng C và phát lên vệ tinh Vệ tinh chuyển đổi tín hiệu từbăng C về băng S, khuếch đại và phát xuống thuê bao qua antenna băng S

b Trung tâm điều khiển khai thác vệ tinh (SOCC)

Trung tâm điều khiển khai thác vệ tinh chính có nhiệm vụ quản lý các vệtinh Các trung tâm điều khiển khai thác vệ tinh phụ có nhiệm vụ điều khiểnquỹ đạo, đo xa và phát lệnh điều khiển (T & C – Telemetry and Command)lên các vệ tinh Để thực hiện nhiệm vụ trên toàn cầu, Trung tâm điều khiểnkhai thác vệ tinh chính đợc kết nối với các thiết bị T & C đặt tại gateway Cácthiết bị T & C cùng sử dụng chung đờng truyền cao tần với gateway nhng nóphát các lệnh điều khiển, thu các tín hiệu đo các thống số cần thiết của vệ tinh

và sau đó truyền tín hiệu trạng thái vệ tinh về Trung tâm SOCC chính Hình3.7 miêu tả các thiết bị hỗ trợ chức năng T & C tại gateway

- Theo dõi tín hiệu đo xa - Phân bổ tài nguyên của - Bám các vệ tinh

- Phát lệnh điều khiển vệ tinh cho từng gateway - Gửi các lệnh điều khiển

- Định vị vệ tinh trên quỹ đạo - Cung cấp cho các gateway - Thu tín hiệu đo xa

- Thông báo cho GOCC: số liệu để bám vệ tinh

Sự sẵn sàng của vệ tinh

Dung lơng của vệ tinh

Hình 3.7 Các thiết bị của GOCC và các chức năng lập kế hoạch của nó 3.2.3 Phần mặt đất

a Gateway

Các gateway không thuộc sở hữu của Globalstar mà thuộc sở hữu quốc gia

sở tại đặt trạm gateway Hệ thống Globalstar dự kiến thiết lập 150 trạmGateway trên toàn cầu Một gateway thờng có 4 antenna parabol đờng kính tốithiểu là 5,5m chuyển động bám theo vệ tinh Các antenna đợc bao bọc trong

vỏ kín để tránh ảnh hởng của môi trờng bên ngoài Antenna đợc đấu nối vớithiết bị chuyển mạch, thiết bị CDMA, các thiết bị giao diện với mạng mặt đấtcũng nh hệ thống máy tính quản lý

Chức năng của gateway là đấu nối phần vũ trụ của Globalstar với cácmạng trên mặt đất Gateway nhận các cuộc gọi từ các mạng thuê bao mặt đất,mã hoá CDMA và phát lên vệ tinh Trên vệ tinh tín hiệu đổi tần, khuếch đại vàphát lại xuống mặt đất cho thuê bao vệ tinh Theo hớng ngợc lại, thiết bị đầucuối thuê bao phát tín hiệu lên vệ tinh, sau đổi tần và khuếch đại sẽ đợc truyềnxuống gateway để đấu chuyển cuộc gọi vào các mạng mặt đất Sơ đồ khối mộtgateway đợc trình bày trên hình 3.8

khối điều khiển

và đo xạ TCU 1,2,3,4

Hệ thống con quản lý GATEWAY Bộ

định tuyến

quản lý

Hệ thống gateway cuộc gọi

Khối các dịch

vụ bổ xung

Bộ đăng ký khách (VLR)

Bộ điều khiển cuộc gọi

Hệ thống chuyển mạch GATEWAY

mạch số liệu GLOBALSTAR cung cấp dịch vụ

Trung tâm điều hành

Hình 3.8 Sơ đồ khối của gateway

b Trung tâm điều khiển khai thác mặt đất (GOCC)

Trung tâm điều khiển khai thác mặt đất chịu trách nhiệm lập kế hoạch vàquản lý tài nguyên thông tin của chùm vệ tinh Nó phối hợp chặt chẽ với trungtâm điều khiển khai thác vệ tinh (SOCC) GOCC và SOCC về mặt vật lý chúngtách riêng, nhng đợc đấu nối với nhau thông qua mạng dữ liệu của Globalstar

nh trên hình 3.8 hoặc chúng có thể đặt tại cùng một địa điểm Một gateway cóthể cùng đợc đặt với cấu hình GOCC và SOCC Việc đặt cùng một nơi nhằmgiảm chi phí nhân công vì các thiết bị GOCC và SOCC đều là các thiết bị phải

có ngời theo dõi và quản lý

- Theo dõi tín hiệu đo xa - Phân bổ tài nguyên của - Bám các vệ tinh

- Phát lệnh điều khiển vệ tinh cho từng gateway - Gửi các lệnh điều khiển

- Định vị vệ tinh trên quỹ đạo - Cung cấp cho các gateway - Thu tín hiệu đo xa

- Thông báo cho GOCC: số liệu để bám vệ tinh

Sự sẵn sàng của vệ tinh

Dung lơng của vệ tinh

Hình 3.9 Thiết bị GOCC và các chức năng lập kế hoạch của nó

từ xa

tính

Các máy

hệ thống quản trị Máy tính

gateway Mạng các

SOCC nội bộ

Hình 3.10 Sơ đồ khối của GOCC

GOCC có chức năng rất quan trọng đối với việc lập kế hoạch tổng thể cho

hệ thống Globalstar Kế hoạch do GOCC lập ra sẽ đợc áp dụng một cáchnghiêm ngặt tại từng gateway nhằm sử dụng một cách hiệu quả tài nguyên củacác vệ tinh Các gateway sau khi đợc lập kế hoạch sẽ xử lý tín hiệu theo thờigian thực đúng với phần tài nguyên đã đợc phân bổ cho nó

Trung tâm điều khiển khai thác

vệ tinh

Mạng dữ liệu của Globalstar