Xây dựng phần mềm mô phỏng các thông số đường truyền của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát trái đất

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý Vô tuyến và Điện tử với đề tài “Xây dựng phần mềm mô phỏng các thông số đường truyền của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát Trái Đất” được ho

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Quang Huy

XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT TRÁI ĐẤT

Chuyên ngành: Vâ ̣t lý Vô tuyến và Điê ̣n tử

Mã số: 60440105

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Đỗ Trung Kiên

Hà Nội – Năm 2017

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 3

1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh 3

1.1.1 Phần không gian 3

1.1.2 Phần mặt đất 6

1.2 Cấu trúc đặc trưng của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát trái đất 7

1.2.1 Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ 7

1.2.2 Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu của trạm mặt đất băng S 10

Chương 2 - TÍN HIỆU VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG TÍN HIỆU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 12

2.1 Đặc điểm của tín hiệu trong thông tin vệ tinh 12

2.2 Đặc điểm Kênh truyền và phân tích tuyến Trạm mặt đất - vê ̣ tinh 14

2.2.1 Các ảnh hưởng của tầng khí quyển đến kênh truyền 14

2.2.2 Hấp thu ̣ phân tử 17

2.2.3 Tổn hao do hấp thu ̣ mưa 17

2.3 Các tham số cơ bản của tuyến liên lạc thông tin vệ tinh 20

2.3.1 Các tham số của anten 20

2.3.2 Đồ thị phương hướng bức xạ của anten 21

2.3.3 Sự phân cực của sóng 21

2.3.4 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương 22

2.3.5 Công suất tín hiê ̣u thu được và tổn hao truyền sóng trong không gian tự do 23

2.3.6 Công suất tín hiê ̣u thu được có tính đến tổn hao hấp thu ̣ và ảnh

hưởng của tầng khí quyển 24

2.3.7 Tính toán dự trữ tuyến có tính đến các tổn hao khác 25

2.4 Công suất tạp âm và đánh giá chất lượng đường truyền 25

2.4.1 Tạp âm trên tuyến thông tin vệ tinh 25

2.4.2 Chất lượng đường truyền vệ tinh 27

Chương 3 - XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN 29

3.1 Các thông số đầu vào 30

3.2 Một số công thức sử dụng trong việc tính toán quỹ đường truyền 31

KẾT LUẬN 39

DANH MỤC BẢNG BIỂU:

Bảng 1 1: Tên và phân loại sóng vô tuyến 5

Bảng 1 2: Các loại anten sử dụng cho vệ tinh nhỏ 7

Bảng 2 1: Các hệ số hồi qui để xác định tổn hao sóng vô tuyến do mưa (ITU-R) 18

Bảng 3 1: Thông số quỹ đường truyền của trạm mặt đất băng S 30

Bảng 3 2: Các thông số hệ thống thu phát sóng trên vệ tinh 31

Bảng 3 3: Độ suy hao trong khí quyển tại Hà Nội với tần số của tín hiệu TC theo ITU-R P.618-7 33

Bảng 3 4: Độ suy hao trong khí quyển tại Hà Nội với tần số của tín hiệu TM theo ITU-R P.618-7 34

DANH MỤC HÌNH ẢNH: Hình 1 1: Cấu trúc tổng quát của một hệ thống vệ tinh 3

Hình 1 2: Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ 10

Hình 1 3: Trạm mặt đất băng S của hệ thống vệ tinh nhỏ Vnredsat-1 11

Hình 2 1: Lượng nước mưa trung bình hàng năm 19

Hình 3 1: Lưu đồ thuật toán tính toán các thông số đường truyền 29

Hình 3 2 : Suy hao không gian tự do theo độ cao quỹ đạo 35

Hình 3 3 : Liên hê ̣ giữa tỉ số tín hiê ̣u trên ta ̣p âm và tỉ lê ̣ bit lỗi 37

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý Vô tuyến và Điện tử với đề tài “Xây

dựng phần mềm mô phỏng các thông số đường truyền của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát Trái Đất” được hoàn thành là nhờ sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các

thầy cô, bạn bè đồng nghiệp Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian hoàn thành luận văn vừa qua

Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo TS Đỗ Trung Kiên đã trực tiếp tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và chỉ bảo những thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này

Xin chân thành cảm ơn KS Trần Anh Đức - đồng nghiệp, chủ nhiệm Đề tài

cơ sở - Viện Công nghệ Vũ trụ: “Nghiên cứu làm chủ quá trình truyền thông giữa

vệ tinh Vnredsat-1 và Trạm điều khiển mặt đất” và tập thể cán bộ Viện Công nghệ

Vũ trụ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam nơi tôi đang công tác đã cung cấp các thông tin cần thiết về vệ tinh Vnredsat-1 để giúp tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Khoa học Tự nhiên, khoa Vật lý và Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình

Hà Nội, tháng 12 năm 2017

Bùi Quang Huy

MỞ ĐẦU

Trong những thâ ̣p niên gần đây , các hệ thống thông tin vệ tinh ngày càng phát triển nhanh chóng Hiê ̣n nay với hàng loa ̣t các loa ̣i hình di ̣ch vu ̣ do vê ̣ tinh cung cấp trải rô ̣ng trên tất cả các lĩnh vực từ thông tin truyền thông , dự báo thời tiết, dẫn đường – đi ̣nh vi ̣, đánh giá giám sát các nguồn tài nguyên , đi ̣a giới lãnh thổ cho tới nghiên cứu khoa ho ̣c Thông tin vê ̣ tinh có thể cung cấp không những các di ̣ch

vụ dân sự mà cả các dịch vụ quốc phòng , an ninh, hàng không , hàng hải ,…Ngày nay, công nghê ̣ vê ̣ tinh đã trở thành mô ̣t trong những thước đo đánh giá trình đô ̣ phát triển khoa ho ̣c công nghê ̣ của mô ̣t quốc gia

Viê ̣t Nam hiê ̣n nay đang ở giai đoa ̣n đầu phát triển công nghệ vũ trụ Hiê ̣n tại, Viê ̣t Nam đang có 02 vê ̣ tinh viễn thông Vinasat -1 (2008) và Vinasat-2 (2012)

có thể cung cấp dịch vụ đường truyền vệ tinh để phát triển các dịch vụ ứng dụng như dịch vụ thoại, truyền hình, thông tin di động, truyền số liệu, Internet, các dịch

vụ đào tạo và y tế từ xa, truyền tin cho ngư dân trên biển, cung cấp đường truyền thông tin cho các trường hợp khẩn cấp như thiên tai, bão lụt, đường truyền cho các vùng sâu, vùng xa, hải đảo; 01 vê ̣ tinh viễn thám Vnredsat -1 (2013) hoạt động trên quỹ đạo thấp LEO cung c ấp ảnh viễn thám vệ tinh độ phân giải cao phục vụ cho các nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội, giám sát, ứng phó với thảm hoạ thiên nhiên và biến đổi khí hậu

Trong xu thế ngày càng phát triển của công nghệ vệ tinh trên thế giới, việc

sử dụng các vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất quỹ đạo LEO nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học, lập bản đồ, giám sát tài nguyên thiên nhiên… đã trở nên vô cùng phổ biến Để thực hiện tốt những nhiệm vụ đó, việc duy trì đảm bảo kênh thông tin liên lạc giữa vệ tinh và mặt đất là vô cùng cần thiết Vì vậy , tính toán thông số đường truyền giữa vê ̣ tinh và tra ̣m mă ̣t đất Hò a la ̣c là mô ̣t nhiê ̣m vu ̣ đầu tiên và thường xuyên của Viện Công nghê ̣ Vũ tru ̣ - Viê ̣n Hàn lâm Khoa ho ̣c và Công nghê ̣ Viê ̣t Nam Kênh liên lạc này giúp gửi lệnh điều khiển từ mặt đất lên vệ tinh, đồng thời giúp trạm mặt đất thu nhận những dữ liệu đo xa về tình trạng vệ tinh cũng

như các dữ liệu ảnh vệ tinh gửi về Phân tích đánh giá kênh thông tin liên lạc được thực hiện thông qua việc tính toán và mô phỏng các thông số đường truyền

Các thông số đường truyền bao gồm một bảng tính toán các loại tăng ích và suy hao, phân tích chi tiết từ các nguồn thu phát, các nguồn nhiễu, sự suy hao tín hiệu và các hiệu ứng xảy ra đối với tín hiệu trên đường truyền Các thông số sẽ được lấy từ các nguồn thống kê hoặc trong các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Tính toán quỹ đường truyền là thực hiện việc tính toán ước lượng nhằm mục đích đánh giá khả năng xảy ra lỗi trên đường truyền

Các thông số đường truyền thường được tính toán với các điều kiện hoạt động xấu nhất, ví dụ như khi mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh với góc ngẩng nhỏ nhất, khoảng cách từ vệ tinh tới trạm mặt đất là xa nhất, với đầy đủ các loại suy hao trên

vệ tinh cũng như trên đường truyền dẫn… để đảm bảo chất lượng đường truyền dẫn thông tin liên lạc giữa vệ tinh và mặt đất trong mọi điều kiện hoạt động

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh

Cấu trúc một hệ thống truyền tin vệ tinh gồm hai phần: phần không gian và phần mặt đất

Hình 1 1: Cấu trúc tổng quát của một hệ thống vệ tinh

1.1.1 Phần không gian

Phần không gian của một hệ thống truyền tin vệ tinh bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị đặt trong vệ tinh và các hệ thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để kiểm tra theo dõi và điều khiển hành trình của vệ tinh (cả hệ thống bám, đo đạc và điều khiển) Bản thân vệ tinh bao gồm hai phần: Phần thực hiện nhiệm vụ (payload)

và phần thân vệ tinh (platform) Phần thực hiện nhiệm vụ đối với các vệ tinh khác nhau có cấu trúc hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào nhiệm vụ của vệ tinh trên quỹ đạo, ví dụ đối với vệ tinh viễn thông thì payload là các bộ phát đáp tín hiệu, đối với các vệ tinh viễn thám thì payload là hệ thống chụp ảnh, radar, vv…Phần thân vệ tinh bao gồm hệ thống phục vụ cho cho payload hoạt động, ví dụ như cấu trúc vỏ và khung vệ tinh, nguồn cung cấp điện, hệ thống điều khiển nhiệt độ, điểu khiển chuyển hướng, tư thế, quỹ đạo, v.v…[2]

Các sóng vô tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là tuyến lên (uplink) Vệ tinh thu các sóng từ tuyến lên, xử lý, biến đổi tần số, khuếch đại và truyền các sóng vô tuyến đó về các trạm mặt đất theo tuyến xuống (downlink) Chất lượng của một liên lạc qua sóng vô tuyến đó được xác định bởi tỷ số năng lượng sóng mang trên năng lượng tạp nhiễu C/N của toàn tuyến trong đó bao gồm cả kỹ thuật điều chế và mã hóa được sử dụng

Vệ tinh trong trường hợp vệ tinh đóng vai trò là một trạm trung chuyển tín hiệu giữa các trạm mặt đất và được xem như một nút mạng với hai chức năng chính sau đây:

- Khuếch đại các sóng mang thu được từ tuyến lên để sử dụng cho việc truyền lại trên tuyến xuống Công suất đầu vào của máy thu vệ tinh có yêu cầu từ 100pW đến 1 nW, còn công suất tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát cho tuyến xuống có yêu cầu từ 10 W đến 100W Như vậy độ tăng ích anten của bộ phát đáp vệ tinh có yêu cầu từ 100dB đến 130dB Năng lượng sóng mang trong băng tần được bức xạ đến các vùng phủ sóng trên bề mặt quả đất theo các mức EIRP tươn ứng phủ sóng

- Thay đổi tần số sóng mang (giữa thu và phát) nhằm tránh một phần công suất phát tác động trở lại phía đầu vào đầu thu Khả năng lọc của các bộ lọc đầu vào đối với tần số sóng mang tuyến xuống, có tính đến độ tăng ích thấp của anten, cần đảm bảo sự cách biệt khoảng 150dB

Ngoài hai nhiệm vụ chủ yếu trên thông thường vệ tinh còn có một số chức năng khác, ví dụ, đối với vệ tinh có nhiều búp sóng hoặc búp sóng quét thì bộ phát đáp vệ tinh phải có khả năng tạo tuyến sóng mang đến các vùng hoặc điểm phủ sóng yêu cầu Trường hợp đối vưới vệ tinh tái sinh thì bộ phát đáp còn có chức năng điều chế và giải điều chế

Payload của các vệ tinh viễn thông được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật sau:

- Dải tần công tác

- Số lượng bộ phát đáp

- Độ rộng dải thông của mỗi bộ phát đáp

- Phân cực sóng của tuyến lên và tuyến xuống

- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) hoặc mật độ thông lượng công suất tạo ra tại biên của vùng phủ sóng phục vụ

- Mật độ thông lượng công suất bão hòa tại anten thu của vệ tinh (SPD)

- Hệ số phẩm chất (G/T) của máy thu vệ tinh tại biên của vùng phủ sóng hoặc giá trị cực đại

- Vùng phủ sóng yêu cầu

- Công suất đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát

- Cấu hình dự phòng cho máy thu và bộ khuếch đại công suất phát

Băng tần phân bổ cho bộ phát đáp vệ tinh có thể từ vài trăm MHz cho đến vài chục GHz Băng tần này thường được chia thành các băng tần con (theo phân định của ITU) Hầu hết các bộ phát đáp thường được thiết kế với dải thông 36MHz,

54 MHz hoặc 72 MHz, trong đó dải thông 36 MHz là chuẩn được dùng phổ biến cho dịch vụ truyền hình băng C (6/4 GHz) Hiện nay một số loại bộ phát đáp có xử

lý tín hiệu đã được đưa vào sử dụng và như vậy có thể cải thiện được chất lượng tín hiệu

Bảng 1 1: Tên và phân loa ̣i sóng vô tuyến [2]

STT Dải tần số Băng tần (viết

- Vô tuyến hàng hải

- Thông tin di đô ̣ng hàng hải

2 30 – 300 KHz Tần số thấp (LF) Sóng kilomet

- Vô tuyến hàng hải

- Thông tin di đô ̣ng hàng không

3 300 – 3000 KHz Tần số trung

bình (MF) Sóng hectomet

- Thông tin hàng hải

- Phát thanh vô tuyến

4 3 – 30 MHz Tần số cao (HF) Sóng decamet - Phát thanh sóng ngắn

- Các loại thông tin di động

5 30 – 300 MHz Tần số rất cao Sóng mét - Phát thanh FM và truyền

- Phát thanh truyền hình

- Thông tin di đô ̣ng và cố

đi ̣nh

7 3 – 30 GHz Tần số siêu cao

(SHF) Sóng centimet

- Thông tin vê ̣ tinh và Radar

- Viễn thông công cô ̣ng -Vô tuyến thiên văn

8 30 – 300 GHz Tần số cực siêu

cao (EHF) Sóng minimet

- Vô tuyến thiên văn

- Nghiên cứu khoa ho ̣c

9 300 - 3000 GHz

1.1.2 Phần mặt đất

Bao gồm tất cả các trạm mặt đất, gồm anten thu phát và các thiết bị điều khiển, bám vệ tinh; ống dẫn sóng, các bộ chia và ghép tín hiệu, công suất; máy thu, phát tín hiệu siêu cao tần và các bộ điều chế, giải điều chế; các bộ đổi tần, các bộ xử

lý tín hiệu (giải nén, mã hoá, tập hợp số, lấy mẫu, khoá mã,…) và các bộ khuếch đại công suất Các trạm mặt đất có qui mô và kích thước khác nhau tuỳ thuộc vào tính năng sử dụng và khối lượng thông tin truyền tải

Phần mặt đất thường được kết nối với các thiết bị của người sử dụng thông qua mạng mặt đất hoặc trong trường hợp sử dụng các trạm VSAT (Very Small Aperture Teminal: Thiết bị đầu cuối có khẩu độ rất nhỏ), các hệ thống thông tin di động vệ tinh S-PCN (Satellite – Personal Communication Network) thì vệ tinh có thể liên lạc trực tiếp vưới thiết bị đầu cuối của người sử dụng Các trạm mặt đất được phân loại tùy thuộc vào kích cỡ trạm mặt đất và loại hình dịch vụ Có thể có các trạm mặt đất vừa thu vừa phát sóng nhưng cũng có loại trạm mặt đất chỉ làm nhiệm vụ thu sóng, ví dụ trạm TVRO (television reciver only) Các trạm mặt đất lớn được trang bị anten có đường kính 30 – 40m, trong khi đó các trạm mặt đất loại nhỏ chỉ dùng anten đường kính 60 cm hoặc thậm chí nhỏ hơn (các trạm di động cầm tay)

1.2 Cấu trúc đặc trƣng của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát trái đất

Theo tiêu chí về tro ̣ng lượng , vê ̣ tinh được chia thành : vê ̣ tinh lớn (trọng lươ ̣ng > 1000 kg), vê ̣ tinh trung bình (500 kg – 1000 kg), và vệ tinh nhỏ (trọng lươ ̣ng < 500 kg) Tùy theo trọng lượng , trong phân loa ̣i vê ̣ tinh nhỏ còn có vê ̣ tinh mini (100 – 500 kg), vê ̣ tinh micro (10 – 100kg), vê ̣ tinh nano (1-10kg), vê ̣ tinh pico (<1kg) và vệ tinh femto (<100g) Hầu hết các vê ̣ tinh nhỏ đều hoa ̣t đô ̣ng trên quỹ

đa ̣o thấp

Quỹ đạo thấp (LEO - Low Earth Orbit) là quỹ đạo nằm trong lớp trên của khí quyển Trái đất có độ cao so với bề mặt Trái đất từ 200 km đến 2000 km Ở độ cao này, vệ tinh phải bay nhanh để thắng được lực hút của Trái đất Vệ tinh bay ở quỹ đạo thấp gọi tắt là vệ tinh LEO có tốc độ 17.000 dặm/h, mất 90 phút để bay một vòng quanh Trái đất Phần lớn vệ tinh quan sát Trái đất, tàu vũ trụ có người lái

và trạm vũ trụ quốc tế ISS đều hoạt động ở quỹ đạo thấp Vệ tinh LEO rất thích hợp khi người ta muốn thời gian khứ hồi (RTT- Round Trip Time) ngắn tức là thời gian để một tín hiệu từ trạm mặt đất lên vệ tinh và quay về hay thời gian để một tín hiệu

từ vệ tinh xuống trạm mặt đất và trở lại vệ tinh là ngắn Điều này đặc biệt quan trọng trong dịch vụ thông tin di động Vệ tinh ở quỹ đạo thấp có thời gian sống từ 5 đến 7 năm [1]

Dưới đây là mô tả cấu trúc thu phát của hệ thống vệ tinh nhỏ Vnredsat-1 của Việt nam

1.2.1 Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ

Hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ thường là phân hệ băng S, bao gồm 2 anten phát, 2 bộ thu/phát để đảm bảo khả năng dự phòng và 1 bộ ghép 3dB

Anten sử dụng trên vệ tinh nhỏ có một số loại như sau:

Bảng 1 2: Các loại anten sử dụng cho vệ tinh nhỏ [6]

Microtrip Anten

Kích thước rất nhỏ, dày khoảng 1/8 inch

Độ lợi 6 dBi ( tuyến tính hoặc tròn) Kích thước: dày khoảng 1/8 inch và khoảng ½ bước sóng ở một bên

Thường được gắn cố định lên vệ tinh

Độ tăng ích anten - khoảng 6 dBi (tuyến tính hoặc tròn)

Băng thông - một vài phần trăm của tần số trung tâm

Phân cực - tròn hoặc tuyến tính Công suất lên đến 10 W

Anten xoắn ốc

Anten có dạng một dây dây xoắn có chu vi khoảng 1 + 1/4 bước sóng đặt trên mặt phẳng

có đường kính tối thiểu 1 bước sóng

Kích thước - khoảng 2 bước sóng dài và bằng 1/3 bước sóng theo đường kính, Độ tăng ích cao hơn thì kích thước ăng-ten phải dài hơn Thường gắn cố định

Độ tăng ích - từ khoảng 6 dB - 15 dB Băng thông : 20% tần số trung tâm Phân cực : tròn hoặc tuyến tính Công suất lên đến 10 W

Anten đơn hoặc

lưỡng cực

Bộ phát xạ trung tâm mỗi hướng có độ dài 1/2 bước sóng Các thanh đặt song song với mặt đế

có kích thước tối thiểu là 1/4 bước sóng

Kích thước – khoảng 1/2 bước sóng theo mỗi chiều, mỗi thanh độ dài bằng 1/4 bước sóng

Độ tăng ích - khoảng 2dB Băng thông – 5% tần số trung tâm

Phân cực - tuyến tính hoặc tròn Công suất lên đến 10 W

Anten Monopole

Ăng-ten thường là thanh một thanh đơn đặt vuông góc với mặt đế Nếu ăng ten cộng hưởng bước sóng chính thì khoảng kích thước khoảng 1/4 bước sóng, nếu cộng hưởng phụ thì

nó có thể ngắn hơn nhiều so với bước sóng Kích thước: cộng hưởng - 1/4 bước sóng dài đặt vuông góc với mặt đế với đường kính tối thiểu khoảng 1/2 bước sóng

cộng hưởng phụ - có thể rất ngắn đặt vuông góc trên mặt đế nhỏ

Độ tăng ích - khoảng 2 dB Băng thông - khoảng 5% tần số trung tâm Phân cực - tuyến tính

Công suất - 10 Watts hoặc cao hơn nếu cộng hưởng hoặc kết hợp

Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu tín hiệu trên vệ tinh:

Tín hiệu truyền lên vệ tinh gọi là Telecommand (TC)

Tín hiệu truyền xuống từ vệ tinh: Telemetry (TM)

Cấu trúc các chức năng của hệ thống thu phát tín hiệu TM/TC băng S trên vệ tinh được miêu tả trong hình dưới đây:

Hình 1 2: Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ

Hệ thống thu phát tín hiệu băng S bao gồm 2 anten xoắn ốc, được bố trí một

ở mặt đáy và một ở đỉnh của vệ tinh, nhờ đó đảm bảo độ bao phủ toàn diện theo mọi hướng [3]

Cả hai khối chức năng TM và TC đều được lắp đặt cùng với 1 bộ song công, trong cùng 1 khối thiết bị thu/phát tín hiệu (RXTX) Vệ tinh sử dụng 2 khối RXTX để đảm bảo có thiết bị dự phòng trong trường hợp 1 khối xảy ra sự cố 2 khối thiết

bị này giao tiếp với hệ thống máy tính trên vệ tinh (OBC – On Board Computer) và được kết nối với anten qua 1 bộ ghép 3db

Khối thiết bị thu hoạt động theo cơ chế dự phòng nóng để đảm bảo rằng liên kết TC vẫn có thể hoạt động được trong trường hợp 1 khối thiết bị thu xảy ra sự cố

Khối thiết bị phát hoạt động theo cơ chế dự phòng lạnh: 2 khối thiết bị phát được luân phiên sử dụng mỗi lần vệ tinh bay qua vùng thu của trạm mặt đất

Đặc tính của các khối chức năng này cho phép thiết lập kênh giao tiếp TM/TC giữa vệ tinh và trạm mặt đất khi vệ tinh có góc ngẩng > 10o khi được nhìn

từ trạm mặt đất

Tần số sóng mang tải lên là 2048.1 MHz

Tần số sóng mang tải xuống là 2240 MHz

1.2.2 Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu của trạm mặt đất băng S

Trạm mặt đất băng S được thiết kế để có thể thu được tín hiệu truyền xuống

từ các vệ tinh nhỏ và truyền tín hiệu lệnh telecommand lên các vệ tinh đó Đối với

hệ thống VNREDSat-1, trạm băng S đặt tại Khu công nghệ cao Hòa Lạc chịu trách nhiệm trong việc thông tin liên lạc với vệ tinh [3]

Đặc điểm trạm mặt đất băng S:

Hình 1 3: Trạm mặt đất băng S của hệ thống vệ tinh nhỏ Vnredsat-1 Trạm mặt đất băng S thực hiện việc theo dấu vệ tinh, nhận TM và phát TC một cách tự động, dưới sự điều khiển của hệ thống giám sát và điều khiển ( Monitoring and Control System – MCS)

Trước mỗi phiên vệ tinh bay qua, trạm thu được cấu hình để có thể theo dấu

vệ tinh dựa vào dữ liệu trong các file chứa dữ liệu quỹ đạo được gửi đến từ bộ phận điều khiển

Trong phiên vệ tinh bay qua, trạm thu sẽ theo dấu vệ tinh dựa vào chương trình được thiết lập trước đó, nhờ đó thu được tín hiệu mà vệ tinh gửi về Tín hiệu nhận được sẽ được đổi tần xuống từ tín hiệu băng S chuyển về tín hiệu trung tần 70 MHz và sau đó được truyền đến bộ giải điều chế Các dữ liệu được giải mã, sau đó

có thể lưu trữ hoặc gửi trực tiếp đến từ bộ phận điều khiển để phân tích

Cũng trong phiên vệ tinh bay qua, trong khi thu tín hiệu TM, trạm đồng thời

có thể gửi tín hiệu điều khiển nhận được từ bộ phận điều khiển lên vệ tinh

Chương 2 - TÍN HIỆU VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG TÍN HIỆU TRONG

THÔNG TIN VỆ TINH

2.1 Đặc điểm của tín hiệu trong thông tin vệ tinh

Trong các hê ̣ thống thông tin vê ̣ tinh, thông tin được trao đổi được go ̣i là tín hiê ̣u Thuâ ̣t ngữ tín hiê ̣u ở đây có liên quan đến mức và da ̣ng điê ̣n áp tiêu biểu cho thông tin đươ ̣c truyền từ đầu này đến đầu kia Các dạng tín hiệu đó được gọi là tín hiê ̣u băng cơ sở hoă ̣c tín hiê ̣u băng gốc Nếu tín hiê ̣u băng gốc là tương tự thì điê ̣n

áp biểu thị nó là liên tục theo thời gian Nếu tín hiê ̣u băng gốc là tín hiê ̣u số thì điê ̣n

và góc pha không cần phải định giá một cách chính xác như ở kênh truyền tương tự Các xung ở truyền tin số sẽ được đi ̣nh giá theo khoảng thời gian mẫu hoă ̣c mức trên , mức dưới của xung theo mô ̣t mức ngưỡng nào đó Độ chính xác về biên độ , tần số và góc pha ở truyền tin số trong nhiều trường

hơ ̣p không quan tro ̣ng lắm

- Tín hiệu số t huâ ̣n lợi và dễ dàng hơn nhiều trng các quá trình xử lý và ghép kênh so với tín hiê ̣u tương tự Viê ̣c xử lý tín hiê ̣u số ở đây được hiểu là xử lý các tín hiệu tương tự theo các phương pháp số Xử lý tín hiê ̣u bao gồm lo ̣ c,

cân bằng và di ̣ch chuyển pha Các xung số có thể được nhớ dễ dàng hơn tín hiê ̣u tương tự Tốc đô ̣ truyền của các hê ̣ thống số có thể thay đổi mô ̣t cách dễ dàng để thích ứng với các môi trường khác nhau và thích nghi vớ i các da ̣ng thiết bi ̣ khác nhau

- Ở các hệ thống truyền tin số dùng các bộ tái tạo tín hiệu trong lúc truyền tin tương tự du ̣ng các bô ̣ khuếch đa ̣i tín hiê ̣u Tạp âm trong các mạch khuếch đại

là tạp âm cộng , do đó tỉ số tín hiê ̣u trên ta ̣p ở đầu ra bô ̣ khuếch đa ̣i sẽ bi ̣ xấu hơn và nếu đường truyền tin tương tự dùng nhiều bô ̣ khuếch đa ̣i thì tỉ số S /N

sẽ càng xấu Trong khi đó, truyền tin số sử du ̣ng các bô ̣ tái ta ̣o tín hiê ̣u có tỉ số tín hiê ̣u trên ta ̣p ở đẩu ra bằng tỉ số đó ở đầu vào bô ̣ tái ta ̣o Cũng vì lí do đó mà khoảng cách truyền tin số có thể lớn hơn rất nhiều so với truyền dẫn tương tự

- Viê ̣c đo lường và lượng giá các tín hiê ̣u số đơn giản hơn nhiề u so với tín hiê ̣u tương tự đă ̣c biê ̣t là khi cần so sánh hiê ̣u năng hê ̣ thống

- Các hệ thống số thích hợp hơn nhiều trong việc đánh giá hiệu năng lỗi Lỗi truyền trong các tín hiê ̣u số có thể được phát hiê ̣n và sửa lỗi mô ̣t c ách dễ dàng Có khả năng chính xác hơn nhiều so với hệ thống tương tự

Tuy vâ ̣y truyền tin số cũng có những nhược điểm :

- Viê ̣c truyền các tín hiê ̣u tương tự được số hoá phải có đô ̣ rô ̣ng dải tần khá lớn hơn nhiều so với viê ̣c truyền tín hiê ̣u tương tự đó không số hoá

- Các tín hiệu tương tự muốn truyền dẫn số thì trước khi truyền phải được chuyển đổi thành tín hiê ̣u số và ta ̣i phía thu phải chuyển đổi ngược la ̣i , có nghĩa là tốn thêm mạch mã hoá và giải mã

- Truyền tin số yêu cầu phải có sựu đồng bô ̣ thời gian chính xác giữa đồng hồ phát và thu Như vâ ̣y các hê ̣ thống số cần phải có các ma ̣ch hồi phu ̣c đồng hồ trong tất cả các máy thu, gây thêm tốn kém

- Các hê ̣ thống truyền tin số là không tương thích với các phương tiê ̣n truyền dẫn tương tự cổ điển

2.2 Đặc điểm Kênh truyền và phân tích tuyến Trạm mặt đất - vê ̣ tinh

2.2.1 Các ảnh hưởng của tầng khí quyển đến kênh truyền

Tầng khí quyển là môi trường truyền sóng có ảnh hưởng trực tiếp đến sóng truyền trong hê ̣ thống thông tin vê ̣ tinh Trong tầng khí quyển thì các tác đô ̣ng rõ nét nhất đến kênh truyền là các ảnh hưởng của tầng đối lưu và tầng điê ̣n li

Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Lớp không khí trên mă ̣t đất ở dưới cùng của tầng khí quyển được go ̣i là tầng đối lưu Tính từ mặt đất lên Tầng đối lưu có đô ̣ cao 8 đến 10 km ở các vĩ tuyến gần Bắc và Nam cực: 10 – 12 km ở các vĩ tuyến trung bình và 16 – 18 km ở các vĩ tuyến gần xích đa ̣o

Các thành phần khí trong tầng đối lưu khong biến đổi nhiều theo chiều cao ,

nó cũng giông như trên mặt đất ngoại trừ chỉ có hơi nước là phụ thuộc nhiều vào các điều kiê ̣n khí tượng thuỷ văn và giảm ma ̣nh theo chiều cao

Tính chất quan trọng của tầng đối lưu là sự giảm nhiệt độ theo chiều cao Gradient trung bình của nhiê ̣t đô ̣ theo chiều cao tầng đối lưu là 60/km Giới ha ̣n trên của tầng đối lưu đươ ̣c xác đi ̣nh khi không còn sự giảm nhiê ̣t đô ̣ theo chiều cao

Các thông số cơ bản đặc trưng cho các tính chất của tầng đối lưu là : áp suất, nhiê ̣t đô ̣, và độ ẩm tuyệt đối Năm 1925, hiê ̣p hô ̣i Hàng không quốc tế đã thống nhất khái niệm “tầng khí quyển chuẩn quốc tế” hoặc còn gọi là “tầng đối lưu chuẩn” , với các số liệu mà đến nay vẫn còn giá trị Các số liệu chuẩn về tầng đối lưu , đó là ta ̣i bề mă ̣t Trái đất có áp suất p = 1013 mBa; nhiê ̣t đô ̣ t = 150C; đô ̣ ẩm tương đối S = 75% (mâ ̣t đô ̣ hơi nước ~ 7.5 g/m3 ) Với đô ̣ cao tăng 100m thì áp suất giảm 12mBa, nhiê ̣t đô ̣ giảm 0.550C; còn độ ẩm tương đối giữ nguyên giá trị suốt chiều cao Độ cao chuẩn của tầng đối lưu 11 km tính từ mă ̣t đất [1]

Tầng đối lưu , đứng về g óc độ xem xét truyền sóng thì có thể xem như một hỗn hơ ̣p gồm hai chất khí : Không khí khô và hơi nước Sóng vô tuyến truyền trong đó bi ̣ tổn hao và hấp thu ̣ Có thể có nhiều nguyên nhân dẫn đến hấp thu ̣ đối với các dải tần khác nhau của sóng Căn cứ và các nguyên nhân gây hấp thu ̣ , có hai dạng hấp thu ̣: đó là hấp thu ̣ do các ha ̣t nước và hấp thu ̣ phân tử

Hấp thụ do các hạt nước

Dưới góc độ vật lý có thể lý giải sự hấp thụ sóng trong các hạt nước nhỏ đó như sau:

- Do tác đô ̣ng trường của sóng truyền lan , trong các ha ̣t nước có tính bán dẫn điê ̣n sẽ có dòng điê ̣n di ̣ch Mâ ̣t đô ̣ các dòng điê ̣n di ̣ch đó có mô ̣t giá tri ̣ tương đối nào đó , bởi vì biết rằng hê ̣ số điê ̣n môi của nước có giá tri ̣ lơn hơn

khoảng 80 lần hê ̣ số điê ̣n môi của không khí xung quanh Mâ ̣t đô ̣ dòng điê ̣n dịch cũng tỉ lệ với tần số, do đó nó chỉ có giá trị đáng xem xét ở dài sóng siêu cao tần Chính sự tổn hao năng lượng trong các hạt nước đó gây nên sự hấp thụ năng lượng sóng truyền lan

- Sự xuất hiê ̣n của các ha ̣t nước hoă ̣c mây mù chính là nguyên nhân gây nên các nguồn bức xa ̣ khuếch đa ̣i hoă ̣c bức xa ̣ thứ cấp Trong thực tế sự khuếch tán như vậy tạo nên hiệu ứng hấp thụ theo phương truyền lan của sóng nhưng cũng chính sự khuếch tán đó lại là bức xạ thứ cấp theo phương truyền lan cần thiết

Kích thước các hạt nước trong mây mù có bán kính từ 2 – 60 micron Các hạt

có kích thước ngưng tụ lớn hơn chuyển động rơi xuống mặt đất dưới dạng mưa

Mô ̣t đă ̣c tính quan tro ̣ng cần được xem xét ở đây đối với các da ̣ng mây mù nói chung là số lượng nước ngưng tu ̣, tính theo đơn vị g /m3 Với mây mù yếu tầm nhìn khoảng 1 km và đối với mây mù đă ̣c tầm nhìn chỉ có thể và i mét [1]

Các hạt nước trong mây mù tạo thành mưa có đường kính lớn hơn 60 micron

và giới hạn trên của chúng có thể đến 7 mm phần lớn, trong thực tế thường gă ̣p các hạt mưa có kích thước từ 0.25 – 2 mm

Lươ ̣ng nước trong khí quyển khi trời mưa nói chung lớn hơn nhiều so với trường hợp mây mù Lượng nước trong không khí ẩm càng lớn hơn, ở nhiệt độ 250C lươ ̣ng nước trong các tầng khí quyển ẩm bão hoà là 23 g/m3, lớn gấp 5 lần lượng nước khi mưa rào

Trong dải siêu cao tần thì sự hấp thu ̣ năng lượng sóng trong các ha ̣t nước là

do tổn hao nhiê ̣t và quá trình khuếch tán Các tổn hao khác như phản xạ sóng

thường ít gă ̣p trong các vùng mưa Trong thực tế kỹ thuâ ̣t người ta thường thiết lâ ̣p các biểu đồ số liệu thực nghiệm Bằng các thực ngh iê ̣m, đồ thi ̣ hê ̣ số hấp thu ̣ được thiết lâ ̣p phu ̣ thuô ̣c vào các thông số cường đô ̣ mưa Giá trị tuyệt đố i của hê ̣ số hấp thụ đạt 2.64*10-2 (km-1) trên mỗi mô ̣t mm lượng nước mưa trong mô ̣t giờ , tương ứng với hệ số hấp thụ 0.25 dB/Km trên 1mm/h

Như vâ ̣y để có được đô ̣ tin câ ̣y trong các đường truyền sóng trong dải tần sóng siêu cao tần trong trường hợp có mưa hoặc mây mù cần có các số liệu xác xuất thống kê khí tượng thuỷ văn phu ̣ thuô ̣c vào từng vù ng trong đó kênh truyền sóng đươ ̣c thực hiê ̣n

Qua nhiều khảo sát thực nghiê ̣m cũng nhâ ̣n thấy rằng sóng vô tuyến truyền trong vùng có mưa thì đối với các sóng trong dải sóng siêu cao , nếu tần số càng cao thì hấp thu ̣ càng lớn Đối với các sóng trong dải quang thì hấp thụ trong mây mù lại lớn hơn hấp thu ̣ sóng trong mưa

Ảnh hưởng của tầng điê ̣n li

Đối với dải sóng cực ngắn và siêu cao thì tâng điện li được xem là trong suốt Ảnh hưởng rõ nét nhất của tầng điê ̣n li đối với các kênh truyền thông tin vê ̣ tinh là hiê ̣u ứng faraday và trễ nhóm

Các hiệu ứng của tầng điện li có ảnh hưởng khá lớn đến các sóng vô tuyến có tần số khoảng 10 GHz và đă ̣c biê ̣t là đối vớ i các vê ̣ tinh khioong đi ̣a tĩnh có tần số làm việc dưới 3 GHz Các phần tử mang điện (các electron) trong tầng điê ̣n li sẽ tác

đô ̣ng đến sóng vô tuyến khi truyền xuyên qua tầng điê ̣n li và gây nên hiê ̣n tượng quay đổi với các sóng mang có phân cực đường thẳng và mô ̣t sự trễ thời gian đường truyền sóng Hiê ̣n tượng quay phân cực tuyến tính đó được go ̣i là quay Faraday và trễ là trễ nhóm

Giá trị quay Faraday ký hiệu là ϕ đươ ̣c xác đi ̣nh bởi biểu thức [1]:

ϕ = 2.36.102BavNτf2 (rad) (1) Trong đó Bav là cường độ từ trường trung bình của quả đất (Wb/m2), NT =

1016 – 1018 el/m2 (giá trị các điện tử tích điện trên 1 đơn vi ̣ diê ̣n tích ) và f là tần số (GHz)

Hiê ̣n tượng quay Faraday không có ảnh hưởng đáng kể đối với phân cực tròn, chính vì vậy chúng thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin vệ tinh –

di đô ̣ng

Độ trễ nhóm, ký hiệu là T thường được xác định theo biểu thức [1]:

7 2

1.34

.10

N T

f

 



Trong đó f tính theo Hz

Xem xét dưới góc đô ̣ truyền sóng vô tuyến , tầng điê ̣n li là mô ̣t tầng khí quyển mà có các tham số không ổn đi ̣nh Sự không ổn đi ̣nh đó cả về chiều cao So với mă ̣t đất , đô ̣ dày các tầng điện li , sự xuất hiê ̣n các tần điê ̣n li theo phân lớp và

mâ ̣t đô ̣ cấu trúc bên trong tầng điê ̣n li Các tham số còn phụ thuộc vào vùng địa lý trên quả đất, mùa năm tháng trong năm và chu kỳ 11 năm hoa ̣t đô ̣ng của bức xạ mặt trời Các hiện tượng trên được gọi chung là sự biến động không bình thường của tầng điê ̣n li

2.2.2 Hấp thu ̣ phân tƣ̉

Các sóng vô tuyến có bước sóng ngắn hơn 1.5 cm thì sự hấp thu ̣ của sóng còn do tác động trường của só ng đến các phần tử khí trong tầng đối lưu Các dạng hấp thu ̣ đó được go ̣i là hấp thu ̣ phân tử và được quan sát xem xét trong điều kiê ̣n trời trong, không mưa và không mây mù Trong trường hợp này năng lượng sóng truyền lan bi ̣ tiêu hao do đốt nóng vâ ̣t thể , ion hoá hoă ̣c kích thích các nguyên tử , phân tử khí ở dưới da ̣ng hoá quang Khi hấp thu ̣, các nguyên tử và phân tử chuyển từ tra ̣ng thái năng lượng thấp đến tra ̣ng thái năng lượng cao hơn Do phần l ớn các mức năng lượng có tính rời ra ̣c cho nên các quá trình chuyển hoá các mức năng lươ ̣ng cũng có đă ̣c tính cô ̣ng hưởng cho ̣n lo ̣c , và do đó hấp thụ sóng vô tuyến trong trường hợp này cũng có tính cho ̣n lo ̣c Có nghĩa là sẽ có những tần số mà ở đó hệ số hấp thu ̣ sẽ bé hơn mô ̣t cách đô ̣t ngô ̣t chứ không tăng theo quy luâ ̣t

2.2.3 Tổn hao do hấp thu ̣ mƣa

Mô ̣t hấp thu ̣ sóng vô tuyến quan tro ̣ng trong tầng khí quyển là hấp thu ̣ sóng

do mưa Lươ ̣ng mưa trung bình trên thế giới là không đồng đều theo vùng địa lý