+ Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRPs của vệ tinh.. + Hệ số phẩm chất của vệ tinh G/TS + Hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh + Băng thông máy phát đáp, dạng phân cực, dải tần làm
Trang 1CHƯƠNG 6
TÍNH TOÁN TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH
6.1 Các tham số cơ bản
Các tham số cơ bản sử dụng trong tính toán thiết kế có thể được tóm tắt như sau:
A Trạm mặt đất
+ Vị trí địa lý của trạm (vĩ độ và kinh độ).
+ Loại anten (đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt độ tạp âm)
+ Công suất máy phát
B Vệ tinh
+ Vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo.
+ Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRPs của vệ tinh.
+ Hệ số phẩm chất của vệ tinh (G/T)S
+ Hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh
+ Băng thông máy phát đáp, dạng phân cực, dải tần làm việc
6.2 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị của anten trạm mặt đất
6.2.1 Cự ly thông tin
Trong đó :β0 là góc ở tâm (độ).
d là khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh (km).
R e là bán kính Trái đất, Re = 6378 km.
r là bán kính quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh:
r = 35.768km +6.378km= 42.146km
Góc ở tâm β 0 được tính theo công thức:
e L cos cos
Với φ là vĩ độ của trạm mặt đất (độ).
∆L elà hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất, ∆L e = L S − L e
Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh tính theo công thức:
d = (r2+ R e2 − 2rR ecosβ0) (km) (6.1)
Trạm mặt đất
Vệ tinh r
d
Tâm trái đất
Re E
0
β
Hình 6.1 Các tham số của đường truyền trạm mặt đất - vệ tinh
Trang 26.2.2 Tính toán góc ngẩng và góc phương vị
6.2.2.1Góc ngẩng
Để tính góc ngẩng anten trạm mặt đất, ta có thể dựa vào hình vẽ 6.2
Trong hình 6.2, O là tâm trái đất, A là vị trí của trạm mặt đất, S là vị trí của
vệ tinh, β0 là góc ở tâm, θe là góc ngẩng của trạm mặt đất.
Ta có
SM
MA
tgθ e =
Trong đó, MA= OM − OA= OS.cosβ 0 − OA= rcosβ0 − R e
0
0 sin sin
OS
Từ đó suy ra:
0
0 0
0
sin
cos sin
cos
β
β β
β
R r
R r
tg
e e
e
−
=
−
=
6.2.2.2 Góc phương vị
Góc phương vị là góc dẫn đường cho anten quay tìm vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh theo hướng từ Đông sang Tây
• M
• O
S •
• A
e
θ
e
Hình 6.2 Tính toán góc ngẩng
r
e R
Cực Bắc
45 0 W 30 0 E
Góc phương vị của vệ tinh 2 Góc phương vị của vệ tinh 1
Vệ tinh 2 (45oW) Vệ tinh1(300 E)
Hình 6.3 Góc phương vị của vệ tinh
Trang 3trạm mặt đất với đường nối đến vệ tinh Góc được xác định theo chiều kim đồng hồ như hình 6.3.Góc phương vị được tính theo biểu thức:
ϕa =1800 + kinh độ tây hoặc
ϕa =1800 - kinh độ đông
ϕa phụ thuộc vào kinh độ, vừa kinh độ tại điểm thu và kinh độ vệ tinh Góc phương
vị của 2 vệ tinh được tính theo công thức:
Vệ tinh 1: ϕa1 =1800- kinh độ đông = 180o-30o =150o
Vệ tinh 2: ϕa2 =1800+ kinh độ tây = 180o + 45o =225o
Góc phương vị ϕa được tính theo công thức:
) sin (
L tg
ϕ
−
∆
= (6.2)
Với φ là vĩ độ của trạm mặt đất (độ)
e
L
∆ là hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất, ∆L e = Ls - L e
6.3 Tính toán kết nối đường lên (UPLINK)
6.3.1 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất EIRP e(e -
để phân biệt của trạm mặt đất "earth station", s - là của vệ tinh "satellite")
Công suất bức xạ hiệu dụng EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) còn gọi là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương, nó biểu thị công suất của chùm sóng chính phát từ trạm mặt đất đến vệ tinh Được tính bằng tích của công suất máy
phát đưa tới anten trạm mặt đất PTe với hệ số tăng ích của anten phát G Te
EIRP e = P Te G Te (W) hoặc đổi ra đơn vị dB:
EIRP e = 10lg(P Te)+ G Te [dB] (6.3)
EIRP e thông thường của trạm mặt đất có giá trị từ 0dBW đến 90dBW, còn
của vệ tinh từ 20dBW đến 60dBW
6.3.2 Hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất G Te
Độ lợi anten là thông số rất quan trọng trong trạm mặt đất, anten đặt ở ngõ vào để khuếch đại tín hiệu rất nhỏ từ picowatt đến nanowatt Độ khuếch đại lớn sẽ làm tăng tỷ số C/N, nó liên quan đến chảo anten và băng tần công tác:
2 log
=
c
Df
Te
π
η , hoặc:
G Te = 10lg(η)+ 20lg(πDf U)− 20lg(c)[ ]dB (6.4)
với : D là Đường kính của anten phát.
f Ulà tần số tín hiệu phát lên
η là hiệu suất của anten, η thường khoảng từ 50% - 70%
c là vận tốc ánh sáng, c = 3.108 m/s
6.3.3 Công suất sóng mang thu ở vệ tinh
Công suất sóng mang thu là một yếu tố quan trọng trong việc xác định chất lượng của một tuyến thông tin vệ tinh, công suất sóng mang phụ thuộc vào thiết bị như công suất máy phát, hệ số tăng ích của anten thu vệ tinh Công suất sóng mang nhận được tại đầu vào máy thu vệ tinh được xác định theo công thức :
C RS = EIRP e − L U + G RS (dB) (6.5)
với : GRS - hệ số khuếch đại của anten thu vệ tinh.
Trang 46.3.4 Tổng suy hao tuyến lên
Tổng suy hao tuyến lên: L U = L SPU + L FU + L OU (dB) (6.6)
Trong đó :
SPU
L - suy hao tuyến phát trong không gian tự do
FU
L - suy hao do hệ thống fiđơ và đầu vào máy thu
OU
L - hệ số dự trữ suy hao do: thời tiết (mưa tuyến lên), lệch búp sóng phát
so với vệ tinh, lệch phân cực anten
Trong đó suy hao tuyến lên trong không gian tự do được tính theo biểu thức:
L SPU = 20lg(4πf U d )− 20lg( c ) (dB)
6.3.5 Độ lợi của anten thu vệ tinh
Độ lợi của anten thu vệ tinh được tính bằng biểu thức:
U S
(G/T) S là hệ số phẩm chất của máy thu vệ tinh
T U là nhiệt tạp âm tuyến lên, chủ yếu là nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh T RS
và nhiệt tạp âm anten thu vệ tinh TAS:
T U = T RS + T AS
6.3.6 Công suất tạp âm tuyến lên
N U = kT U B hay tính theo dB:
N U = 10lg( k )+ 10lg( T U )+10lg( B ) (dB) (6.7)
Trong đó
k là hằng số Boltzman, k =1,38.10-23 (W/Hz0K)
B là băng thông của máy thu
T U là nhiệt tạp âm tuyến lên: T U = T RS + T AS
Nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh được tính theo biểu thức:
0
10 1
( T
F
Trong đó, F [dB] là hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh và T0 là nhiệt độ chuẩn,
K
0 = 290
6.3.7 Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên
Trong các tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng của tuyến được đánh giá bằng
tỷ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm (C/N), hay công suất sóng mang trên nhiệt tạp âm tương đương (C/T) Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào bản thân máy thu, vào môi trường bên ngoài như môi trường truyền sóng và can nhiễu phụ thuộc các hệ thống viba lân cận
(C / N)U = C RS − N U = EIRP e − L U + G RS − N U (dB) (6.8) (C/N) U là tỷ số sóng mang trên tạp âm tại đầu vào bộ giải điều chế máy thu
vệ tinh
6.4 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK)
6.4.1 Công suất bức xạ hiệu dụng của vệ tinh
Công suất bức xạ hiệu dụng EIRPs của vệ tinh còn gọi là công suất phát xạ
đẳng hướng tương đương, nó biểu thị công suất của chùm sóng chính phát từ vệ
tinh đến trạm mặt đất EIRPs của vệ tinh thông thường được cho trước
6.4.2 Tổng suy hao tuyến xuống
Trang 5Trong đó : L SPD - suy hao tuyến xuống trong không gian tự do.
FD
L - suy hao do hệ thống fiđơ và đầu vào máy thu
L OD- hệ số dự trữ suy hao do: thời tiết (mưa tuyến xuống), lệch búp sóng phát so với anten trạm mặt đất, lệch phân cực anten
Trong đó Suy hao tuyến xuống trong không gian tự do được tính theo biểu thức:
L SPD = 20lg(4πf D d )− 20lg( c ) (dB) (6.10)
6.4.3 Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất
Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất có biểu thức tính tương tự như đối với hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất:
2
=
c
Df log
Re
π η
[ ]dB ) c lg(
) Df lg(
) lg(
G Re = 10 η + 20 π D − 20 (6.11)
6.4.4 Công suất sóng mang thu được ở trạm mặt đất
Công suất sóng mang nhận được tại đầu vào máy thu trạm mặt đất được xác định theo biểu thức :
C Re = EIRP s − L D + G Re (dB) (6.12)
với : GRe là hệ số khuếch đại của anten thu trạm mặt đất
6.4.5 Công suất tạp âm hệ thống
Công suất tạp âm hệ thống được tính bằng biểu thức:
N SYS = 10lg( kT S YS B )= 10log k+10log T SYS +10log B
6 , 228 log
10 k = −
T SYS là nhiệt tạp âm hệ thống được xem là tổng của bốn thành phần được biểu
diễn theo biểu thức:
R
F
F A S
L
T T T
T = + + + [0K]
6.4.6 Tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm tuyến xuống
Tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm tuyến xuống là:
( C / N ) D = C Re − N SYS = EIRP s − L D + G Re − N SYS (6.13)
6.5 BÀI TẬP
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH VỚI VỆ TINH VINASAT VÀ TRẠM MẶT ĐẤT TẠI HÀ NỘI 6.5 Một số giả thiết
6.5.1 Băng tần hoạt động
Việc tính toán sẽ được tiến hành trên băng C, với đường lên là 6GHz và đường xuống là 4GHz
6.5.2 Trạm mặt đất
- Được đặt tại Hà Nội, có vĩ độ là 210Bắc và kinh độ là 105,450Đông
- Đường kính anten là 15m, hiệu suất 65%
- Công suất của máy phát trạm mặt đất: 40W
Trang 66.5.3 Vệ tinh
- Vị trí của vệ tinh là ở 1320Đông
- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của vệ tinh (EIRP)S= 40dBW.
- Hệ số phẩm chất của máy thu vệ tinh (G/T)S = 1 dB/0K
- Hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh F = 3dB.
- Băng thông kênh truyền B = 36MHz.