Nghiên cứu đặc tính kênh truyền cho tuyến vệ tinh quan sát trái đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI... BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI... NASA National Aeronautics and Space Administration EIRP Equivalent I

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trang 3

4

5

6

- 8

8

11

11

13

15

18

-

19

19

2.1.1 Ả ởng của tầng khí quy n 19

ủ 26

30

ầ 32

33

34

35

37

37

ủ 39

42

45

46

ầ 46

50

- 51

52

54

56

58

59

Ả 61

L

ủ

ủ

NASA National Aeronautics and Space

Administration

EIRP Equivalent Isotropic Radiated

Power

NORAD

North American Aerospace Defense

AFC Automatic Frequency Controller ầ

9

M t s v tinh thông tin liên l c (Internet) 10

v tinh qu o th p[1] 12

ng b m t tr i (www.spagyuga.com) 13

– 17

S suy gi m do các khí trong khí quy n [3] 20

T ng s suy gi m do mây theo hàm của tần s i v i góc ngẩng t 5 n 300) [3] 22

T ng suy gi ủa tần s và góc ngẩng [3] 23

i v u ki n th i ti t t t ở tần s 2 và 30GHz là hàm của góc ngẩng [3] 25

nh v i góc ngẩng th p[3] 25

T s tr c AR [4] 29

ầ ầ 32

Mô hình hình h c giữa v tinh và tr m m t 34

36

6 thông s qu o Kepler (Internet) 38

43

ủ 47

ầ 51

ủ 52

ủ 53

54

55

56

56

57

ữ 57

1 đ

ữ ủ

ầ ở ầ ữ

ở ữ - -2

1 g

ở

ầ ủ

ở

ữ ầ

đ ế ệ đ

2 đ

- ầ

ủ

-

3

-

 ở



-

ầ

4

-

- ở ở

- ầ

1 - 1.1 ệ

Ngày 4/10/1957 tinh Sputnik- vệ tinh nhân

tạo đầu tiên, mở ra m t k nguyên m i trong l ch s chinh ph của loài

i V tinh này n ng 83 kg, trông gi t qu bóng bằng kim lo i có 4 anten r i Sputnik ch c tín hi “ ” “ ” n (27 MHz) và

t n t i trên qu o th p trong 92 ngày B l c hút củ ng và cháy trong bầu khí quy i ta có th phóng v tinh n ng 9.600 kg lên qu tinh có th ho ng 20 o và có nhi u

ch o

Ngày 1/2/1958 c t v a cầu, M phóng thành công v

ầu tiên của M mang lên Explorer-1 n ng 13,97 kg riêng phần thi t b n ng

m Geiger- phát hi n Do s h n

ch của pin, Explorer-1 ch ho p t c bay trên

qu ữa Explorer- c nhi u s li u khoa h c có giá tr nh các nhà khoa h a h c M thi t k ra thi t b khoa h c l t trên v tinh Explorer- ầu tiên

u dài h n tháng 3/2000 tinh lo c phóng

Ngày 1/4/1960: V tinh c ầu c phóng thành

công trong khuôn kh m u dài h n củ tên TIROS (Television Infrared Observation Satellite) Trên v tinh này có 2 camera truy n hình: m phân gi i th p và m phân gi i cao nhằm cung c p

nh của khí quy n TIROS ch ho ng minh rằng

v tinh là m t công c có th ng trên quy mô toàn cầu Seri v tinh

c phóng liên ti -9 là v ầu tiên có

qu ng b M t tr t hi n v tinh

ầu tiên của M phóng v tinh INSAT-1a, v

ng và thông tin liên l ầu tiên trên qu tinh TIROS-N/NOAA c phóng và ho ng xuyên cung c p

nh mây v tinh trên quy mô toàn cầu ph c v c l c cho công tác d báo khí

ng

1.1 (Internet)

Ngày 12/08/1960: NASA phóng v tinh Echo-1 n ng 76 kg, có d ng m t

qu bóng kim lo th nghi m vi c truy n tín hi u m t cách

th ng M t ngoài của qu bóng ph n x các tín hi u 960 và 2390 MHz

Ngày 10/07/1962: Phóng v tinh Telstar n ng 171 pound là v tinh thông tin

liên l ầu tiên

Ngày 19/08/1964: V tinh thông tin liên l ầ c phóng nhằm truy n các hình nh Th v n h è i Tokyo v M

n hình tr c ti ầ c truy n qua Thái Bình

c B Qu c phòng M s d ch i

M trong chi n tranh Vi t Nam V tinh Syncom n ng 68 kg khi phóng, có th phát tín hi u trên 2 b t ch W tinh này

ch cho phép truy n d n 1 kênh tivi Hi n nay, m t v tinh thông tin liên l

có kh n d n 400 kênh tivi Do những h n ch v t hi n nay, -1

tránh hi ng giao thoa trên m t ph , 2 v

ph i b t c là ch nên có 360/2 =180 v tinh trên qu a

n nay, vi c b trí v trí v tinh trên qu p h i Vi n thông

Qu c t m nh n

1.2 M t s v tinh thông tin liên l c (Internet) Ngày04/06/1965: M phóng v tinh thông tin liên l ầu

i l i thành Intelsat 1 V tinh này n ng 39 kg, thu c

lo i nh xoay, có 2 b W z 40 kênh tho i hay

m t kênh tivi T ch c Intelsat - m t t ch c qu c t l n cung c p d ch v thông tin

v tinh trên ph m vi toàn cầu - c thành l p

Ngày 23/07/1972: M phóng v ầ ERTS 1 – Earth Resources Technological Satellite) Th i gian ho ng theo thi t

Ngày 22/02/1978: Phóng v tinh NAVSTAR Block I, v ầu tiên trong chùm 24 v tinh nhân t o mang tên h nh v toàn cầu (Global Positioning

n tháng 12/1993, 24 v ở trên qu cao

x p x 20.200 km, mỗi v tinh n ng kho ng 900 kg, chi u r ng 5m, bay m t vòng

qu o h t 11h58 phút 24 v c b trí trong 6 m t ph ng qu o nghiêng

so v tinh ho ng, 3 v tinh d phòng GPS chính th c ho ng t / ầu ch ph c v cho quân s nhằm

m t ph ng và có d ng hình elip hay hình tròn N u qu o là tròn thì tâm của qu

o trùng v i tâm của t N u qu o là elip thì có m ầu elip nằm xa Trái

t nh t và m ầu kia nằm gầ t nh m của qu o nằ t

nh c g i là vi m gần nh t là c m (Perigee)

Qu o th p (LEO – Low Earth Orbit) là qu o nằm trong l p khí quy n cao so v i b m t t n 2000 km cao này, v tinh ph th c l c hút củ t V tinh bay ở qu o th p

g i t t là v tinh LEO có t 17.000 d m/h, m t 90 phút bay m t vòng quanh

t Phần l n v i lái và tr

qu c t u ho ng ở qu o th p V tinh LEO r t thích h i ta

mu n th i gian kh h i (RTT - Round Trip Time) ng n t c là th i gi m t tín

hi u t tr m m t lên v tinh và quay v hay th i gian m t tín hi u t v tinh

xu ng tr m m t và trở l i v tinh là ng c bi t quan tr ng trong

d ch v ng V tinh ở qu o th p có th i gian s ng t n 7

1.3 Mô t v tinh qu o th p[1]

Phần l n các v t và v tinh do thám ho ng ở qu o

th m gần, có kh m t Tr qu c t ISS ho ng ở cao 400km so v i m t Ngoài ra, nh m cần ít nhiên

li n qu o nên m t s v cao này Các v tinh vi n thông ở qu o th ng ho ng theo m có

th cung c p kh ủ liên t c

Qu o th o (Equatorial low Earth orbit – ELEO) là m ng

h c bi t của qu o th p Những qu o có góc nghiêng (inclination) nh so v o, cho phép gi m th i gian l i v i những v tinh

t Các qu o v i góc nghiêng l c g i là qu o c c

Qu ng b M t Tr i là m t d ng qu o c c ( v tinh bay t B c

xu ng Nam ngay trên ho c gần sát v i hai c t) , v i góc nghiêng i

cao thích h p gi m mà v tinh bay c t qua m t ph ng xích

o là gi ng nhau Góc chi u sáng giữa m t ph ng qu o v tinh v i tr c M t

Tr i- t là gầ i t i mỗi th m ( khi v tinh bay trong vùng

c chi u ki n chi u sáng m quan

B ng 1.1 Phân lo i v tinh theo tr ng[2]

c ch t o trong th i gian k l c 6 tháng và c phóng vào tháng 3/1984, v tinh này ho o Hai v tinh nh ần hình thành quan ni m hi i v v tinh nh Surrey trở

ch t o và cung c p v tinh nh ầu th gi i V tinh nh c quan tâm

vì nhữ m sau:

 Chi phí ch t o th p: Do kh ng nh nên chi phí ch t o ch vào kho ng / n 1/100 so v i v ng

 Chi phí phóng th p do tr ng nh c phóng ghép v i các v tinh khác

 Phát tri n nhanh: t 18 i v tinh l n th i gian này kho ng 3-



 D ti p thu công ngh

m:

 Cùng v i vi c gi c của v tinh thì kh u các thi t b khoa h h n ch phân gi i của các thi t b quang h c và

kh thu c nhi c của thi t b

và của v tinh

 Kh ữ ủa acquy trên v tinh và kh n ằng pin M t tr i t l thu n v c v tinh i gian

s ng của v tinh nh i v tinh l n

1.2.3 ệ đ

ệ đ ệ

ở

ủ

ầ ầ

ủ

ở

km

ủ ở

ở

ở ủ

ữ

ủ

ở

ầ đạo đ

ủ ữ

ỗ

-15 ỗ ỗ

ữ ỗ

- - ầ

ữ

ầ

ữ ở

ầ ằ ữ

ầ

ở

ủ

ủ ữ

ữ ầ

ầ

ữ

1.5 –

(Internet) ầ Ả

ủ

– ủ

ở ở

1.3 ế

ủ ữ ầ

ầ

ở

ủ

ữ

2 -

QUA 2.1 đ

2.1.1 Ả ởng của tầng khí quy n

Ả h hưởng của tầ đố lư

Tín hi u thu nh n khi truy n t v tinh v các tr m m t b gi m sút do ch u ởng của tầ b m cao kho ng 20km

Tầ ầ c) và h t thủy th ( ví d

ầ làm gi m tín hi u thông tin theo m tín hi u, kh phân c c của sóng,

m nhi u, nh i góc t i của tín hi u, hay

Sóng truy n qua khí quy t s b suy gi m m c tín hi u do các thành phần khí xu t hi ng truy n S suy gi m có th m nh y u khác nhau ph thu c vào tần s , nhi , áp su t và s t c Các khí trong khí quy n ởng tr c ti p thông qua vi c làm nhi u khí quy n t ng truy n

ủ y n thành phần khí và sóng là s h p th phân t , gây ra suy gi tín hi u của sóng S h p thu của sóng là k t qu

s i m ng t ng luân chuy n của phân t , và nó x y

ra ở m t tần s c ởng c th ho c d i hẹp của tần s Tần s c ởng của

s thu c vào các m ng của tr ng thái lu n chuy n khi b t

ầu và k t thúc của phân t

Có r t nhi u thành phần trong khí quy t có th ng truy n tín hi u sóng T t c các thành phầ c tr n l n v i nhau ở cao kho ng

c là thành phần bi n chính của khí quy n

Ch c là có tần s c ởng có th c trong các kênh quan tâm, lên t i kho ng 100GHz Oxy có d i r t gần v ng h p thu

gầ z c cách ly v i ranh gi i h p thu ở t n s z ng

củ c là 22.3Ghz, 183.3GHz và 323.8GHz H p thu oxy bao g m c s thay ỡng c c t p th c g m các s chuy ỡng c c giữa

s luân chuy n các tr ng thái

2.1 S suy gi m do các khí trong khí quy n [3]

ẩm chuẩn 7.5g/m3

ẩm khô Hình 2.1 mô t s ph thu c của tần s vào suy gi m do khí trong khí quy i

v i các tần s n 1000GHz S h p thu các khí ph thu u ki n khí quy t là nhi không khí và thành phầ c

Ta nh n th y ở tần s th p, s suy gi m là không l n Tuy nhiên s suy gi m này còn ph thu c vào chi ng truy n Khi góc ngẩng gi m, chi u dài

ng truy n trong tầ t qu là t ng suy gi m s

y ở góc ngẩng th p thì s suy gi m là l n

M t thành phần quan tr ng ở n vi c lan truy n và thu nh n tín hi n xu t hi n trong quá trình truy n t v tinh xu ng tr m m ng ch a các gi t

ng kính nh ng kính t n 10mm Mây là t p h p các gi c, không ph c,

ẩ ng gần 100% ở ữ mây ở tầ c t o thành t các tinh th nh ởng nhi n s suy gi ở n s kh c c

S suy gi i v i các tần s kho ng 100GHz M c l ng ở kho ng 0.05g/m3 i v i

ng ( t c là v n có th nhìn th y trong kho ng 300m) và 0.5g/m3

i v ầm nhìn xa kho ng 50m)

c l ng trong kho / 3 Giá tr cao nh t có th t quá 5g/m3 c nh n

th n và k t h p v i giông bão, tuy nhiên giá tr cao nh t

L

:

θ ẩng

qua s b gi ng có th làm gi tin c y và hi u su t thu nh n Các c u trúc không ph i hình cầu của các h m phân

c c của tín hi u truy n d n, k t qu là gây ra hi ng khử cực do ưa ( truy n

ng sang m t tr ng thái phân c c khác) Ả ởng củ thu c vào

ng k t h m của c hai quy mô trên d n vi c phân b s suy gi m và

kh c c v i bi n th i gian, th ng chu kì m t dần và kh c c, và suy gi m/kh

c c c th v i bi n tần s

2.3 T ng suy gi ủa tần s và góc ngẩng [3]

S suy gi ởng nhi i v i h th ng s d ng tần s i

v i h th ng tr u khi ở Nó ởng nhi i v i tr m thu nh s d ng tần s 8-10 GHz

S nh p nháy ở tầ gây ra do s bi ng ch s khúc x trong vài

ầu tiên trong khí quy ẩm cao và các l p nghich nhi t Các ởng này ph thu c theo mù i khí

h u c c b S nh p nháy ở tầ ng k t

n z ng t t ở tần s trên 30GHz

Các ch s c u trúc khúc x trong tầ h u ngang phân tầng, và s khác nhau xu t hi i theo chi u

ng xiên t i các góc ngẩng th xiên r t l n t i các l p

c ng gây ra ở u ki n nh p nháy Các thu c tính chung của ch s khúc x trong tầ c nghiên c u

rõ ràng Chỉ số khúc xạ sóng trong khí quy n hay ch s của s khúc x , n, t i tần s

sóng vô tuy n là m t hàm của nhi ẩ thu n

T n

2.4 i v u ki n th i ti t t t ở tần s 2 và

30GHz là hàm của góc ngẩng [3]

2.5 S nh v i góc ngẩng th p[3]

T phân tích và các s li u tham kh o ta th y rằng s ởng của s nh p

i v i tần s th gi m góc ngẩ tần s

2.1.2 ủ

ng h anten là chung cho c vi c thu và phát tín hi u liên l c v i

v t anten còn có kh c trên nhi u d i tần s khác nhau

Ví d m m t v i m t anten có th th c hi u khi n (bao

g m c g tần s S còn quá trình thu nh n tín hi u nh có

th x ng th ần s c s d ng nhi u nh t trong các tr m m t là những anten có m t ph n x là parabon

Các yêu cầ i v i anten trong liên l c v tinh nhằm thu c các sóng mang tín hi u y u t v tinh và phát các sóng vô tuy n có công su ủ m nh lên v tinh

Có 4 thông s quan tr ng anten:

H s ủa anten là m t thông s r t quan tr ng quy nh không những

ch ng anten mà c ch ng và quy mô của tr m m t

th b c x của m t anten bi u th i v giá tr của h s

ng khác nhau Góc mô t r ng búp sóng h p bở ng có giá tr

h s nh v ng có h s i T ng bi u

di n bằ r ng búp sóng chính là góc giữ ng mà ở s

gi m 3dB r ng búp sóng chính ph thu c vào t s /D Ngoài búp sóng

th ng b c x của anten còn có th có các búp sóng ph N u búp sóng ph càng gi m thì kh ng của búp sóng chính càng

S ti p nh ởng t c là s suy hao sai l = n nh t ở

tr m m c khi mà máy phát và anten thu liên k t v i nhau 100% Th c

t thì s liên k t giữa tr m m t và v tinh hoàn h y là không th x y ra,

c bi t v i CubeSats khi mà t di chuy n của chúng có th n 8000 m/s

Có 2 nguyên nhân d n s sai l ch này là do:

- Suy hao ngoài tr c (off-axis) ở v tinh

- Suy hao ngoài tr c ở tr m m t

nguyên nhân th nh n trong quá trình thi t k v tinh

Nguyên nhân th hai là do suy hao ch ng ở ng khá nh ,

i 1dB, nó là m t giá tr ủ t n suy hao sai l ch ch ng

Suy hao sai l ch củ c tính toán bằng vi c s d ng các dữ li u th ng kê,

: Suy hao ch ng anten

: Góc d ch chuy n (Offset angle)

Sự phân cực sóng

Theo lý thuy t v n t và truy n t b c x t

m t anten phát g m có 2 thành phầ ng và t ng vuông góc nhau, chúng cùng vuông góc v g củ ng E và

t ng H có s bi i trong quá trình truy n lan, hi c g i là s phân c nh phân c n

ng E Phân c c có th là elip, tròn ho c thằ ng h p t ng quát phân

c c là elip Phân c c tròn ho ng th ng là d c bi t của phân c c elip

S phân c ởi các tham s :

 Chi u quay của vector E và H (so v n lan) là quay ph i ho c quay trái

 T s tr c ký hi u là AR = / s tr c l n trên tr c bé củ ng h p phân c c là tròn thì AR=1=0dB Khi elip

C CO

Công su t bức xạ đẳ hướ ươ đươ

Công su t b c x của m c c n bởi m t ngu n tần s vô tuy n, ký hi u là nh bởi bi u th c:  (W/rad kh i)

i v ng b c x b c x m t công su t

ầy s là:  (W/rad kh i)

Tích s c g i là công su t b c x

w c s d ng nhi u trong tính toán các tuy n liên l c thông tin v tinh:[2]

( )

T T

là công su ầu ra củ ích của h th

H s của anten nói lên vi c t p trung công su t b c x của máy phát cung c p cho anten vào búp sóng hẹp của anten Công su t b c x ng

là công su c b c x v ng h p này có th xem N ủ th ng càng hẹp thì giá tr EIRP của nó càng l n Vi c phát sóng v i búp sóng hẹp ngoài m p trung

n s lan truy n của tín hi u qua không gian

th c hi n tính toán giá tr này thì chúng ta ph giá tr công su t b c x

có th hi u chính xác ngu n g c của công th c tính FSL

Công th c tính m ng công su t t ở kho ng cách r s là:[2]

: M ng công su t t

r: kho ng cách giữa v tinh và tr m m t

M t anten có di n tích hi u d ng của anten là t cách anten phát m t kho ng cách r s c m t công su t là:

T th y rằng t n hao sóng truy n trong không gian t do t l

v ng cách giữa v tinh và anten thu Trong h th ng v tinh thì kho ng cách này ng r t l n nên y u t FSL là m t y u t r t quan tr ng

Thêm nữ i v i v ở trên thì kho ng cách r i theo góc ngẩng của v tinh Vì th ta có th xây d c m th v s nh

ởng giữa kho ng cách r và FSL hay nói cách khác là m i liên h giữa góc ngẩng

và FSL

2.1.4 đầ

T p âm (noise) là m t d ng tín hi u không ch a n c tr n

l n vào tín hi u hữu ích Nó làm gi chính xác của vi c ph c h i n i dung thông tin t i máy thu Ngu n gây ra t p âm có th là:

 T c phát ra t những ngu n b c x t nhiên trong vùng thu sóng của anten

 T c t o ra bởi các thành phầ n t trong b n thân thi t b

Các tín hi u t máy phát khác mà không ph i là thông tin cần truy c coi

n ch ng tín hi u của h th ng (t n hao sóng truy n trong không gian t do)

2.8 Mô hình hình h c giữa v tinh và tr m m t

Áp d nh lu t cosin cho tam giác ta có:

cao qu c tính bằng trung bình của vi m và c m của qu o)

t ~ 6378.136 km

T công th c ta có th th u rằng khi góc ngẩng của antenna càng l n thì kho ng cách giữa tr m m t và v tinh càng nh Nh nh t t i góc ngẩng 900 thì kho ng cách này x p x = h

2.1.7 đ

Vi c tính toán qu ng truy ng trong vi c thi t k

m tra ch ng h th ng thông tin liên l c giữa tr m m t và v tinh Qu ng truy n ch ra những suy hao trong quá trình thông tin liên l c, bao

g m suy hao trong không gian, suy hao do thi t b , do ởng bởi các y u t khác trong khí quy c tính toán qu ng truy n chính xác giúp l a ch n các thi t b thu phát m t cách h p lý, ti t ki m, trong khi

v m b o vi c thông tin liên l c, k t n i giữa v tinh và tr m m t

Vi c tính toán qu ng truy ra Công su t b m t v tinh phát

xu ng m t là nằm trong kho ng gi i h n cho phép củ m b o không

ở n các h th ng thông tin liên l c sẵn có khác

Tôi