Hướng dẫn ôn tập môn thông tin vệ tinh

- Chương 2: Quỹ đạo vệ tinh + Các định luật Keppler+ Các dạng quỹ đạo vệ tinh: đặc điểm, thông số… - Chương 5: Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh: + Phân hệ điều khiển tư thế

Hướng dẫn ôn tập môn: Thông tin vệ tinh

1 Lý thuyết:

- Chương 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh:

+ Ưu nhược điểm của hệ thống thông tin vệ tinh;

+ Phân bổ tần số cho hệ thống thông tin vệ tinh

- Chương 2: Quỹ đạo vệ tinh

+ Các định luật Keppler+ Các dạng quỹ đạo vệ tinh: đặc điểm, thông số…

- Chương 5: Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh:

+ Phân hệ điều khiển tư thế của vệ tinh+ Phân hệ đo bám và điều khiển từ xa

+ Bộ phát đáp vệ tinh: sơ đồ khối, chức năng các phần tử của bộ phát đáp

- Chương 8: Các phương pháp đa truy nhập trong thông tin vệ tinh

+ Đa truy nhập phân chia theo tần số: FDMA (nguyên lý, đặc điểm)

+ Đa truy nhập phân chia theo thời gian: TDMA (nguyên lý, đặc điểm; cấu trúc khung và cụm)

2 Bài tâp:

- Bài tập chương 2: Tính góc nhìn của trạm mặt đất (góc ngẩng và góc

phương vị)

- Bài tập chương 7:

+ Tính nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh

+ Tính công suất tạp âm nhiệt, mật độ phổ công suất tạp âm

+ Tính tỷ số tín hiệu trên tạp âm (Pr/N) đầu vào, đầu ra của máy thu vệ tinh;(Pr/No) đường lên, đường xuống và toàn tuyến thông tin vệ tinh

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP THÔNG TIN VỆ TINH

Câu 1 Ưu nhược điểm của hệ thống TTVT

Ưu điểm:

- Vùng phủ sóng rộng, do quỹ đạo của các vệ tinh có độ cao lớn so vs trái đất, các

vệ tinh có thể nhìn thấy 1 vùng rộng của trái đất

- Dung lượng thông tin lớn, do sd băng tần công tác rộng và kỹ thuật đa truy nhậpcho phép đạt dụng lượng lớn trong tg ngắn mà ít loại hình thông tin khác có thể đạt đc

- Độ tin cậy và chất lượng thông tin cao, do liêc lạc trực tiếp giữa vệ tinh và trạmmặt đất, xác suất hư hỏng trên tuyến liên lạc rất thấp, ảnh hưởng do nhiễu và khí quyển

- Đầu tư ban đầu cao

- Thời gian làm việc tương đối ngắn (7 – 10 năm)

- Có 1 số giới hạn sd như: quỹ đạo, phân chia tần số, công suất bức xạ,…

- Khả năng truy cập tới người sd đôi khi gặp khó khăn về kỹ thuật hoặc nhữngnguyên nhân khác

- Khó khăn hoặc chi phí rất tốn kém cho bảo dưỡng

- Phụ thuộc thiết bị phóng

Câu 2 Phân bổ tần số cho hệ thống TTVT

Mục đích:

• Nhằm hạn chế can nhiễu lẫn nhau giữa các vệ tinh và vs các trạm, đài phát sóng

• Giới hạn của dải phổ làm việc

Thủ tục: Thường được tiến hành trước khi phóng 5 năm

• Căn cứ vào nhiệm vụ, yêu cầu của vệ tinh, lựa chọn băng tần làm việc

• Lựa chọn các tần số riêng biệt khác (up/downlink)

• Làm thủ tục đăng ký vs ủy ban q.lý tần số quốc tế (IFRB) thuộc hiệp hội viễnthông q.tế (ITU)- cấp chính phủ

• ITU chấp nhận và phân bổ tần số

Chia vùng: để tiện cho việc quy hoạch tần số, toàn thế giới đc chia thành 3 vùng

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

• Vùng 2: Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Đảo Xanh

• Vùng 3: Châu Á (trừ vùng1), Úc và tây nam Thái Bình Dương

Trong các vùng này băng tần được phân bổ cho các dịch vụ vệ tinh khác nhau,mặc dù một dịch vụ có thể được cấp phát các băng tần khác nhau ở các vùng khácnhau.Các dịch vụ do vệ tinh cung cấp bao gồm:

Từng phân loại trên lại được chia thành các phân nhóm dịch vụ; chẳng hạn dịch vụ

vệ tinh cố định cung cấp các đường truyền cho các mạng điện thoại hiện có cũng như cáctín hiệu truyền hình cho các hãng TV cáp để phân phối trên các hệ thống cáp Các dịch vụ

vệ tinh quảng bá có mục đích chủ yếu phát quảng bá trực tiếp đến gia đình và đôi khiđược gọi là vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS:direct broadcast setellite), ở Châu Âu gọi làdịch vụ trực tiếp đến nhà (DTH: direct to home) Các dịch vụ vệ tinh di động bao gồm: diđộng mặt đất, di động trên biển và di động trên máy bay Các dịch vụ vệ tinh đạo hàngbao gồm các hệ thống định vị toàn cầu và các vệ tinh cho các dịch vụ khí tượng thườngcung cấp cả dịch vụ tìm kiếm và cứu hộ

Một số băng tần sd chung cho các dịch vụ vệ tinh:

Dải tần, GHz Ký hiệu băng tần

• Băng VHF sd cho 1 số dịch vụ di động và đạo hàng và để truyền số liệu từcác vệ tinh thời tiết.

• Băng L sd cho các dịch vụ di động và các hệ thống đạo

Câu 3 Các định luật Kepler

1 Định luật Kepler thứ nhất: Đường cđg của 1 vệ tinh xung quanh vật thể sơ cấp sẽ là

một hình elip

Hình 2.1 Các tiêu điểm F1, F2, bán trục chính a và bán trục phụ b đối vs 1 elip

Tâm khối lượng của hệ thống 2 vật thể này đc gọi là tâm bary luôn luôn nằm tại 1trong 2 tiêu điểm

Bán trục chính của elip ký hiệu là a, bán trục phụ là b Độ lệch tâm e đc xđ:

Độ lệch tâm và bán trục chính là 2 thông số để xđ các vệ tinh quay quanh trái đất: 0<e<1

đv 1 quỹ đạo vệ tinh; khi e=0 quỹ đạo trở thành đường tròn

2 Định luật Kepler thứ 2: Trong các khoảng tg bằng nhau, vệ tinh sẽ quét các diện tích

bằng nhau trong mặt phẳng quỹ đạo của nó vs tiêu điểm tại tâm bary

Đối vs các vệ tinh nhân tạo bay quanh quả đất, ta có:

Trong đó, n là chuyển động trung bình của vệ tinh(rad/s) μ là hằng số hấp dẫn địa tâm quả đất; µ = 3,986005×1014m3/sec2 chu kỳ quỹ đạo đo bằng giây:

Câu 4: Các thuật ngữ của quỹ đạo vệ tinh.

Viễn điểm (Apogee) Điểm xa quả đất nhất Độ cao viễn điểm được ký hiệu là ha.

Cận điểm (Perigee) Điểm gần quả đất nhất Độ cao của điểm này được ký hiệu là hp Đường nối các điểm cực (Line of apsides) Đường nối viễn điểm và cận điểm qua tâm

trái đất (La)

Nút lên (Ascending) Điểm cắt giữa mặt phẳng quỹ đạo và xích đạo nơi mà vệ tinh

chuyển từ Nam sang Bắc

Nút xuống (Descending) Điểm cắt giữa mặt phẳng quỹ đạo và xích đạo nơi mà vệ tinh

chuyển động từ Bắc sang Nam

Đường các nút (Line of nodes) Đường nối các nút lên và nút xuống qua tâm quả đất Góc nghiêng (Inclination) Góc giữa mặt phẳng quỹ đạo và mặt phẳng xich đạo,kí hiệu

i

Quỹ đạo đồng hướng (Prograde Orbit)) Quỹ đạo mà ở đó vệ tinh chuyển động cùng

với chiều quay của quả đất, i=0 đến 90 độ

Quỹ đạo ngược hướng (Retrograde Orbit) Quỹ đạo mà ở đó vệ tinh chuyển động

ngược với chiều quay của quả đất Góc nghiêng của quỹ đạo ngược hướng nằm trong dải

từ 900 đến 1800

Agumen cận điểm (Argument of Perigee) Góc từ nút xuống đến cận điểm được đo

trong mặt phẳng quỹ đạo tại tâm quả đất theo hướng chuyển động của vệ tinh, góc nàyđược ký hiệu là ω

Câu 5 Các dạng quỹ đạo vệ tinh: đặc điểm, tham số

Phân loại theo tính chất:

• Quỹ đạo địa tĩnh

• Quỹ đạo nghiêng elip

• Quỹ đạo đồng bộ mặt trời

• Quỹ đạo bán đồng bộ

Phân loại theo độ cao:

• GSO: quỹ đạo địa tĩnh

• MEO: quỹ đạo trung

• LEO: quỹ đạo thấp

• HEO: quỹ đạo elip cao

1 Quỹ đạo thấp LEO: quỹ đạo có các chòm vệ tinh TTDĐ là những LEO có mặt phẳng

quỹ đạo nằm nghiêng (độ nghiêng phụ thuộc vào nhiệm vụ của vệ tinh, nhưng càng gần

900 thì vùng bao phủ càng lớn)

2 Quỹ đạo trung gian MEO: ở độ cao 10000 – 20000 km Ở độ cao này, chỉ cần 10 vệ

tinh là phủ sóng toàn cầu, trong khi ở quỹ đạo thấp phải hàng tá, có khi phải mấy trămquả So vs vệ tinh địa tĩnh, vệ tinh MEO cho chất lượng truyền thông tốt hơn (ít tiếngvọng hơn, tg trễ ngắn hơn), dùng ít c/s hơn để truyền tin

3 Quỹ đạo elip cao HEO: vệ tinh thông tin cho những vùng vĩ độ cao phải dùng quỹ

đạo elip cao Vệ tinh Molnva của LX cũ, vs cận điểm ở 400 – 600 km trên nam bán cầu

và viễn điểm ở 40000 km trên bắc bán cầu, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 630, cky T = 12h.Mỗi vệ tinh bay ở phần trên của quỹ đạo trong 2/3T ở trong tầm nhìn của phần lớn báncầu bắc Để thông tin 24/24h, cần có 3 vệ tinh bố trí cách đều nhau trên cùng 1 quỹ đạo

4 Quỹ đạo địa tĩnh: một vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh sẽ trở nên bất động so vs mặt đất vì

thế nó đc gọi là vệ tinh địa tĩnh

Điều kiện để quỹ đạo là địa tĩnh:

• Vệ tinh phải quay theo hướng đông vs tốc độ quay = tốc độ quay của quả đất

• Quỹ đạo là đg tròn

• Góc ngiêng i = 0

• Bán kính quỹ đạo aGSO = 42164km

• Độ cao quỹ đạo địa tĩnh:

(aE: bán kính xích đạo của trái đất = 6387 km)

Các thông số cho quỹ đạo địa tĩnh:

Góc nhìn của anten: góc phương vị AZ và góc ngẩng EL

Ba thông số xđ góc nhìn: Vĩ độ trạm mặt đất λE

Kinh độ trạm mặt đất φE Kinh độ vệ tinh φSSQuy định: các vĩ độ bắc là các góc dương, các vĩ độ nam là các góc âm Các kinh độ đông

là các góc dương và các kinh độ tây là các góc âm

Thống số về tam giác cầu: a = 900, c = 900 - λE, B = φE - φSS

3 1 2

Quy tắc Napier: b = arcos (cosB.cosλE)

Trạm mặt đất nằm ở phía tây điểm dưới vệ tinh B<0

Trạm mặt đất nằm ở phía đông điểm dưới vệ tinh B>0

sin sin arcsin

Câu 6 Phân hệ điều khiển

tư thế của vệ tinh

Ổn định trạm (điều khiển tư

thế) giữ cho các anten vệ tinh

chiếu ổn định trên mặt đất

đúng vào vùng thông tin, góc lệch cho phép nằm trong 0,10 hoặc 0,050

Điều khiển tư thế của vệ tinh bao gồm:

• Xác định tư thế hiện thời

• Xác định sai lệch giữa tư thế hiện thời và tư thế mong muốn

• Tạo ra các moment để giảm thiểu sai lệch

Mục đích của điều khiển tư thế:

• Trong qt điều khiển và duy trì quỹ đạo, tư thế của vệ tinh phải đc trỏ và duy trìhướng xác định

• Một vệ tinh ổn định tự quay đc thiết kế để giữ trục quay của nó trỏ đến một vàihướng đặc biệt nào đó trong kg

• Một vệ tinh ổn định 3 trục hướng trái đất phải giữ ba trục của nó càng tiệm cận batrục của hệ toạ độ quỹ đạo, điều này có ý nghĩa đối với hầu hết các vệ tinh truyềnthông

• Trong các vệ tinh thăm dò trái đất, hệ điều khiển tư thế của vệ tinh cho phép cácpayload bám đến các mục tiêu xác định trên mặt đất

• Một vệ tinh khoa học quan sát bầu trời phải di chuyển các thiết bị quang học của

nó đến các ngôi sao trong vũ trụ với một vài thành phần của c.đg góc

Câu 7 Phân hệ đo bám và điều khiển từ xa

Phân hệ TT & C (Teclemetry Tracking and Command - Đo bám và điều khiển từ xa)thực hiện 1 số chức năng thường xuyên trên vệ tinh Chức năng đo từ xa có thể hiểu như

là đo trên 1 cự ly xa Chẳng hạn tạo ra 1 tín hiệu điện tỷ lệ với chất lượng đo, mã hoá vàphát nó đến trạm xa (trạm mặt đất) Dữ liệu trong tín hiệu đo từ xa có cả thông tin độ caonhận được từ các bộ cảm biến mặt trời và mặt đất, thông tin môi trường như cường độ từtrường và phương, tần suất ảnh hưởng của các thiên thạch và các thông tin về tàu vũ trụnhư: nhiệt độ, điện áp nguồn, áp suất nhiên liệu

Lệnh điều khiển: các số liệu lệnh điều khiển vệ tinh từ trạm mặt đất

Có thể coi đo từ xa và điều khiển là các chức năng bù lẫn cho nhau Phân hệ đo từ xaphát thông tin về vệ tinh đến trạm mặt đất, còn phân hệ điều khiển thu các tín hiệu,thường là trả lời cho thông tin đo từ xa Phân hệ điều khiển giải điều chế và khi cần thiếtgiải mã các tín hiệu điều khiển rồi chuyển chúng đến thiết bị thích hợp để thực hiện hànhđộng cần thiết Vì thế có thể thay đổi độ cao, đấu thêm hoặc cắt bớt các kênh, địnhhướng lại anten hoặc duy trì quỹ đạo (maneuvers) theo lệnh từ mặt đất Để tránh thu vàgiải mã các lệnh giả, các tín hiệu điều khiển được mật mã hoá

• Bám đặc biệt q.trọng trong các gđ chuyển và dịch quỹ đạo của qt phóng vệ tinh

• Khi vệ tinh đã ổn định, vị trí của vệ tinh địa tĩnh có xu thế bị dịch do các lực nhiễukhác nhau, cần bám theo sự xê dịch của vệ tinh và phát đi các tín hiệu hiệu chỉnhtương ứng

• Các hải đăng bám có thể đc phát trong kênh đo từ xa hay bằng các sóng mang hoatiêu tại các tần số trong 1 số các kênh thông tin chính hay bởi các anten bám đặcbiệt

Câu 8 Bộ phát đáp vệ tinh: sơ đồ khối, chức năng các phần tử của bộ phát đáp

Bộ phát đáp bao gồm tập hợp các khối nối với nhau để tạo nên một kênh thông tinduy nhất giữa anten thu và anten phát trên vệ tinh thông tin

Các bộ phát đáp lắp trên vệ tinh có chức năng tương tự như các bộ phát đáp trên mặtđất, nhưng y/c có độ tin cậy rất cao, trọng lượng nhỏ và tiêu thụ ít năng lượng

Chức năng chính của bộ phát đáp là thu sóng vô tuyến từ các trạm mặt đất, khuyếchđại và biến đổi tần số của chúng, rồi truyền chúng trở lại các trạm mặt đất

Phân loại:

• Bộ phát đáp đơn:

• Bộ phỏt đỏp tỏi sinh:

Tổ chức tần số cho thụng tin vệ tinh băng C:

- Băng thụng ấn định cho dịch vụ băng C là 500 MHz và băng thụng này được chiathành cỏc băng con, mỗi băng con dành cho một bộ phỏt đỏp Độ rộng băng tần thụngthường của bộ phỏt đỏp là 36 MHz với đoạn băng bảo vệ giữa cỏc bộ phỏt đỏp là 4MHz

Vỡ thế băng tần 500 MHz cú thể đảm bảo cho 12 bộ phỏt đỏp

- Bằng cỏch ly phõn cực, ta cú thể tăng số bộ phỏt đỏp lờn 2 lần Cỏch ly phõn cực chophộp sd cựng một tần số nhưng với phõn cực ngược chiều nhau cho 2 bộ phỏt đỏp

- Biện phỏp cỏch ly phõn cực: Đối với phõn cực tuyến tớnh, ta cú thể cỏch ly phõn cựcbằng phõn cực đứng và phõn cực ngang Đối với phõn cực trũn, cỏch lý phõn cực nhậnđược bằng cỏch sử dụng phõn cực trũn tay phải và phõn cực trũn tay trỏi

- quy hoạch tần số và phõn cực (tần số đo bằng MHz)

12

50036

4

6105 6145 6185

6085 6125 6165

Phân cực đứng

Hình 7.1 Quy hoạch tần số và phân cực

- Tái sd tần số bằng các anten bup hẹp, kết hợp vs tái sd theo phân cực để cung cấp

độ rộng băng tần hiệu dụng 2000 MHz trên cơ sở độ rộng thực tế 500 MHz

Các kênh của bộ phát đáp vệ tinh (hình 7.2):

Hình 7.2 Các kênh của bộ phát đáp vệ tinh

- Dải tần thu hay dải tần đg lên là 5,925 đến 6,425 GHz Các sóng mang có thể đc thutrên 1 hay nhiều anten phân cực

- Bộ lọc vào cho qua toàn bộ băng tần 500 MHz đến máy thu chung và loại bỏ tạp

âm cùng vs nhiễu ngoài băng

- Trong dải thông 500 MHz này có thể có rất nhiều sóng mang đc điều chế và tất

cả các sóng mang này đều đc khuếch đại, biến đổi tần số trong máy thu chung

- Biến đổi tần số chuyển các sóng mang này vào băng tần số đg xuống 3,7 đến 4,2MHz vs độ rộng 500 MHz

- Sau đú cỏc tớn hiệu đc phõn kờnh vào cỏc độ rộng băng tần của từng bộ phỏt đỏp.

Cõu 9: Sơ đồ khối mỏy thu vệ tinh, chức năng cỏc khối.

Hỡnh 9.1 Sơ đồ khối của mỏy thu băng rộng vệ tinh

Mỏy thu cú dự phũng kộp để đề phũng trường hợp sự cố Bỡnh thường chỉ cú mỏy thucụng tỏc được sử dụng, khi cú sự cố mỏy thu thứ hai được tự động chuyển vào thay th ế.Tầng đầu của mỏy thu là bộ khuếch đại tạp õm nhỏ (LNA:low noise amplifier) Bộkhuếch đại này chỉ gõy thờm một ớt tạp õm cho súng mang được khuếch đại, nhưng vẫn

Máy thu dự phòng

Từ bộ lọc vào

Bộ tiền khuyếch đại Bộ trộn

Bộ giao động 2,225 GHz

Bộ khuyếch

đại

Đến bộ phân kênh

1,5dB 28,5 dB 23 dB 60 dB

-đảm bảo đủ khuếch đại sóng mang để nó có thể vượt qua được mức tạp âm cao hơn trongtầng trộn tiếp sau.

LNA tiếp tín hiệu cho một tầng trộn Tầng này cần có tín hiệu dao động nội để biếnđổi tần số Công suất tín hiệu cấp từ bộ dao động nội cho đầu vào bộ trộn khoảng 10dBm.Tần số của bộ dao động nội phải rất ổn định và có ít tạp âm Bộ khuếch đại thứ hai sautầng trộn có nhiêm vụ đảm bảo hệ số khuếch đại vào khoảng 60 dB Các mức tín hiệu sovới đầu vào trên hình vẽ được cho ở dB Sự phân chia khuếch đại tại 6GHz và 4GHz đểtránh dao động xẩy ra nếu khuếch đại quá lớn trên cùng một tần số

Máy thu băng rộng chỉ sử dụng các thiết bị tích cực bán dẫn Trong một số thiết kế,các bộ khuếch đại diode tunnel được sử dụng cho tiền khuếch đại tại 6GHz trong các bộphát đáp 6/4- GHz và cho các bộ khuếch đại thông số tại 14 GHz trong các bộ phát đáp14/12-GHz Với sự tiến bộ của công nghệ Transitor trường (FET), cac bộ khuếch đại FETđảm bảo hiệu năng ngang bằng hoặc tốt hơn hiện đã được sử dụng trong cả hai băng tần.Các tầng trộn diode được sử dụng Bộ khuếch đại sau bộ trộn có thể sử dụng cáctransistor tiếp giáp lưỡng cực (BJT) tại 4GHz và FET tại 12 GHz hay FET cho cả haibăng

Câu 10 Bộ phân kênh vào của bộ phát đáp

Chức năng

• Bộ phận kênh vào phân chia đầu vào băng rộng (3,7 – 4,2 MHz) thành các kênhtần số của bộ phát đáp

• Các kênh này thường đc tổ chức thành các nhóm số chẵn và số lẻ

• Mục đích: tăng thêm phân cách kênh và giảm nhiễu giữa các kênh lân cận trongmột nhóm

• Một bộ lọc có độ rộng băng 36 MHz và đc điều chỉnh đến tần số trung tâm của băng

• Mặc dù tổn hao trong bộ phân kênh khá lớn, các tổn hao này dễ dàng đc bì trừ trong tổng khuếch đại cho các kênh phát đáp

Câu 11 Bộ khuếch đại công suất

Bộ khuếch đại cs riêng đảm bảo đầu ra cho từng bộ phát đáp

Trước mỗi bộ khếch đại cs là bộ suy giảm đầu vào dùng để điều chỉnh đầu vào của

bộ KĐ cs đến mức mong muốn

Bộ suy hao có phần cố định và phần thay đổi:

• Phần cố định để cân bằng các thay đổi suy hao vào sao cho các kênh phát đáp cócùng suy hao danh định

• Điều chỉnh đc thực hiện trong qt lắp ráp Phần suy hao thay đổi để thiết lập mứccho từng kiểu ứng dụng

* Bộ K/Đ đèn sóng chạy(TWTA): được sử dụng rộng rãi trong các bộ phát đáp để đảm

bảo công suất ra cần thiết cho anten phát

Trong đèn sóng chạy, súng tia điện tử gồm: sợi nung, catôt và các điện cực hội tụ đểtạo ra chùm tia điện tử Trường từ để giới hạn tia điện tử truyền trong dây xoắn