Khảo sát khả năng ứng dụng thông tin vệ tinh trong việc điều hành hoạt động tàu thuyền trên biển

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn về đề tài “Khảo sát khả năng ứng dụng thông tin
vệ tinh trong việc điều hành hoạt động tàu thuyền trên biển” là cơng trình
nghiên cứu cá nhân của tơi trong thời gian qua. Mọi số liệu sử dụng phân tích trong
luận văn và kết quả nghiên cứu là do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách khách quan,
trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm nếu có sự khơng trung thực những thơng tin sử
dụng trong cơng trình nghiên cứu này.
Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Long

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo sau đại học, trường
Đại Học Mở Hà Nội đã tạo mọi điều kiện cho tôi trong q trình học tập và hồn
thành luận văn.
Xin gửi lời tri ân tới quý thầy, quý cô giảng viên Khoa Cơng nghệ Điện tử Thơng tin đã tận tình giảng dạy lớp cao học VT2019, chuyên ngành Kỹ thuật Viễn
thông, trường Đại Học Mở Hà Nội, niên khóa 2019 - 2021.
Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Võ Yên Chương đã tận tình giúp đỡ,
chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, đồng nghiệp và gia đình những người
ln ủng hộ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!

ii

TĨM TẮT
Tác giả luận văn: Nguyễn Ngọc Long

Khóa: 2019 – 2021

Chuyên ngành đào tạo : Kỹ thuật Viễn thông
Năm tốt nghiệp: 2021
Đề tài luận văn: Khảo sát khả năng ứng dụng thông tin vệ tinh trong việc điều hành
hoạt động tàu thuyền trên biển
1. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu
Với mục đích để hiểu rõ hơn về khả năng ứng dụng thông tin vệ tinh vào các
hoạt động liên lạc, điều hành tàu thuyền trên biển, luận văn tập trung tổng hợp,
nghiên cứu tổng quát về Thông tin vệ tinh, những ưu việt, đánh giá khả năng ứng
dụng trong lĩnh vực liên lạc đường thủy, nghiên cứu thực trạng hiện nay ở Việt
Nam, khảo sát hệ thống và thiết bị liên lạc vệ tinh Inmatsat trên tàu thuyền, từ đó rút
ra kết luận, đề xuất phương án về khả năng ứng dụng thông tin vệ tinh cho việc điều
hành tàu thuyền trên biển.
2. Kết quả nghiên cứu
Nguyên lý hoạt động, các đặc điểm của Thơng tin vệ tinh. Tìm hiểu một số
đặc tính kỹ thuật cơ bản của Thơng tin vệ tinh, kỹ thuật trạm mặt đất, đa truy nhập
và vấn đề suy hao đường truyền trong Thông tin vệ tinh.
Khảo sát những đặc điểm của liên lạc hàng hải, giới thiệu tổ chức thông tin vệ
tinh Inmarsat, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống liên lạc vệ tinh Inmarsat
trên tàu thuyền.
Tính tốn khảo sát suy hao đường truyền, tính cơng suất bức xạ đẳng hướng tương
đương các trạm mặt đất, rút ra kết luận cho việc xây dựng trạm mặt đất tại Việt Nam.
3. Kết luận
Nghiên cứu có nghĩa lý luận và thực tiễn, cũng như là nền tảng cơ sở cho
nghiên cứu sau này.
Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Long

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
TÓM TẮT ................................................................................................................ iii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................xii
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ xiii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH .................. 4
1.1. Giới thiệu hệ thống thông tin vệ tinh .............................................................. 4
1.1.1. Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh .................................................. 4
1.1.1.1. Vệ tinh và các dạng quỹ đạo của vệ tinh.......................................... 4
1.1.1.2. Cấu trúc tuyến thông tin vệ tinh ....................................................... 5
1.1.2. Phân bố tần số cho thông tin vệ tinh ......................................................... 6
1.1.3. Một số đặc tính kỹ thuật cơ bản của hệ thống thông tin vệ tinh ............... 9
1.1.3.1. Nhiệt độ tạp âm hệ thống ................................................................. 9
1.1.3.2. Nhiệt độ tạp âm anten ...................................................................... 9
1.1.3.3. Hệ số phẩm chất trạm mặt đất (G/T).............................................. 10
1.1.3.4. Tỷ số sóng mang trên nhiệt độ tạp âm ........................................... 10
1.1.3.5. Tỷ số sóng mang trên tạp âm ......................................................... 10
1.1.3.6. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm ............................................................... 11
1.1.3.7. Tỷ số Eb/N0 ..................................................................................... 11
1.2. Các phương pháp kỹ thuật ứng dụng trong thông tin vệ tinh........................ 12

1.2.1 Phương pháp đa truy nhập ........................................................................... 12
1.2.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA ............................................ 12
1.2.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA ....................................... 13
1.2.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA ................................................ 14
1.2.4. Đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA .................................... 15

iv


1.3. Suy hao tín hiệu trên đường truyền trong thơng tin vệ tinh. ......................... 16
1.3.1. Suy hao không gian tự do ....................................................................... 16
1.3.2. Suy hao do các chất khí có trong tầng đối lưu ........................................ 17
1.3.3. Suy hao do tầng điện ly........................................................................... 17
1.3.4. Suy hao do môi trường lan truyền sóng (mây và mưa…) ...................... 17
1.4. Kết luận chương 1 ......................................................................................... 19
CHƯƠNG II. HỆ THỐNG VỆ TINH ĐỊA TĨNH VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
TRONG LIÊN LẠC HÀNG HẢI ............................................................................ 20
2.1. Giới thiệu chung vệ tinh thông tin địa tĩnh ................................................... 20
2.1.1. Q trình phát triển của thơng tin vệ tinh địa tĩnh. ................................. 20
2.1.2. Hoạt động của thông tin vệ tinh địa tĩnh ................................................. 21
2.2. Vệ tinh thông tin địa tĩnh ............................................................................... 22
2.2.1. Cấu trúc thông tin vệ tinh địa tĩnh .......................................................... 22
2.2.1.1 Phân đoạn không gian .................................................................... 23
2.2.1.2. Phân đoạn mặt đất .......................................................................... 27
2.2.1.3. Hệ thống cung cấp nguồn và điều hoà nhiệt .................................. 29
2.2.2. Hệ thống anten. ....................................................................................... 29
2.2.2.1. Đặc tính, yêu cầu của anten trạm mặt đất ...................................... 29
2.2.2.2. Phân loại anten ............................................................................... 30
2.2.2.3. Các thông số của anten parabol đối xứng ...................................... 31
2.2.3 Dải thông .................................................................................................. 35

2.2.4. Kỹ thuật trong truyền dẫn ....................................................................... 36
2.2.4.1. Kỹ thuật đồng bộ ............................................................................ 36
2.2.4.2. Sửa lỗi mã....................................................................................... 36
2.2.5. Các thiết bị truyền dẫn số trên mặt đất ................................................... 36
2.2.5.1. Số hố tín hiệu tương tự ................................................................. 37
2.2.5.2. Thiết bị bảo mật (Encryption) ........................................................ 38
2.2.5.3. Bộ mã hoá kênh (Channel Encoder) .............................................. 39
2.2.5.4. Điều chế số (Digital Modulation) .................................................. 40
2.2.5.5. Kỹ thuật điều chế ........................................................................... 41

v


2.3. Đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh đối với liên
lạc hàng hải ........................................................................................................... 42
2.3.1. Ưu nhược điểm của một số hệ thống vệ tinh địa tĩnh ............................. 42
2.3.2. Khả năng ứng dụng thông tin vệ tinh địa tĩnh đối với liên lạc hàng hải. 44
2.4. Kết luận Chương 2 ........................................................................................ 45
CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ
TÀU BIỂN ............................................................................................................... 46
3.1. Tổng quan các hệ thống định vị bằng vệ tinh ............................................... 46
3.1.1. Hệ thống định vị toàn cầu GPS ............................................................... 46
3.1.2. Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS (Nga) ......................................... 47
3.1.3. Hệ thống định vị GALILEO (Châu Âu) ................................................. 48
3.1.4. Hệ thống định vị Bắc Đẩu (BEIDOU - Trung Quốc) ............................. 48
3.1.5. Hệ thống định vị IRNSS (Ấn Độ) và QZSS (Nhật Bản) ........................ 49
3.2. Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu vi sai DGPS ............................................. 49
3.2.1. Cơ sở lý thuyết xác định vị trí tàu biển bằng vệ tinh .............................. 50
3.2.1.1. Xác định tựa cự ly để định vị ......................................................... 52
3.2.1.2. Vị trí vệ tinh ................................................................................... 52

3.2.1.3. Xác định vị trí tàu biển bằng tựa cự ly ........................................... 53
3.2.2. Cấu tạo hệ thống định vị vệ tinh bằng GPS ............................................ 56
3.3. Hệ thống định vị vệ tinh vi sai. ..................................................................... 57
3.3.1. Đo cự ly theo mã C/A ............................................................................. 57
3.3.1.1. Chức năng của mã C/A .................................................................. 59
3.3.1.2. Hàm tự tương quan......................................................................... 60
3.3.1.3. Phổ năng lượng của mã C/A .......................................................... 61
3.3.1.4. Giải trải phổ tín hiệu GPS .............................................................. 62
3.3.1.5. Khả năng chống nhiễu của tín hiệu trải phổ................................... 63
3.3.1.6. Đa truy nhập theo mã ..................................................................... 63
3.3.1.7. Phép đo tựa cự ly dùng mã C/A ..................................................... 64
3.3.2. Đo cự ly theo mã P .................................................................................. 66
3.3.2.1. Chức năng của mã P ....................................................................... 66

vi


3.3.2.2. Các đặc tính của mã P .................................................................... 67
3.3.2.3. Mã Y ............................................................................................... 67
3.3. Kết luận Chương 3 ........................................................................................ 67
CHƯƠNG IV. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG LIÊN LẠC HÀNG HẢI BẰNG HỆ
THỐNG INMARSAT ............................................................................................. 69
4.1. Đặc điểm của liên lạc hàng hải ...................................................................... 69
4.1.1. Chức năng và thành phần của các đài liên lạc trên tàu thủy ................... 69
4.1.2. Đặc tính kỹ thuật cơ bản của đài liên lạc hàng hải ................................. 71
4.2. Hệ thống thông tin vệ tinh Inmarsat .............................................................. 73
4.2.1. Các vệ tinh thông tin của Inmarsat ......................................................... 74
4.2.2. Các trạm điều khiển mặt đất ................................................................... 79
4.2.3. Các đài di dộng ....................................................................................... 80
4.2.4. Các dịch vụ của Inmarsat sử dụng cho nghành hàng hải ........................ 80

4.3. Khảo sát hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh trên tàu thuyền ......................... 83
4.3.1. Hệ thống thơng tin an tồn và cứu nạn hàng hải toàn cầu GMDSS ....... 86
4.3.2. Hệ thống nhận diện tự động AIS ............................................................ 90
4.3.3. Hệ thống kiểm soát lưu thơng tàu thuyền VTS ...................................... 95
4.3.4. Hệ thống tìm kiếm và cứu nạn Quốc tế COSPAS-SARSAT ................. 97
4.3.5. Hệ thống cảnh báo Hàng hải NAVTEX ............................................... 100
4.3.6. Hệ thống nhận dạng và truy theo tầm xa LRIT .................................... 100
4.3.7. Hệ thống đài thông tin duyên hải .......................................................... 102
4.3.8. Hệ thống báo động An ninh tàu biển SSAS.......................................... 104
4.4. Kết luận Chương 4 ...................................................................................... 106
CHƯƠNG V. KHAI THÁC ĐIỀU HÀNH HOẠT ĐỘNG TÀU THUYỀN TRÊN
BIỂN QUA HỆ THỐNG INMARSAT ................................................................. 108
5.1. Tính tốn suy hao tín hiệu trên đường truyền từ vệ tinh đến trạm mặt đất . 108
5.1.1. Trạm mặt đất tại thành phố Hồ Chí Minh ............................................. 109
5.1.2. Trạm mặt đất đặt tại Hải Phịng ............................................................ 113
5.2. Tính công suất phát của một trạm mặt đất tại Việt Nam ........................... 114
5.2.1. Các loại suy hao khác ảnh hưởng đến tuyến thông tin vệ tinh ............. 114

vii


5.2.2. Tính cơng suất phát của một trạm mặt đất tại Việt Nam ...................... 116
5.3. Xây dựng cấu hình tuyến thông tin vệ tinh sử dụng dịch vụ Inmarsat cho
liên lạc hàng hải tại Việt Nam ............................................................................ 121
5.4. Kết luận Chương 5 ...................................................................................... 122
KẾT LUẬN............................................................................................................ 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 126
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 128

viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT Viết tắt
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Tiếng Anh
Automatically
AIS
Identification System
BER
Bit Error Rate
Broadband Global Area
BGAN
Network
Consultative Committee on
CCIR
International Radio
CCTV
Closed Circuit Television
Code Division Multiple
CDMA

Access
Carrier Sense TimeCSTDMA
Division Multiple Access
DBS
Direct Boardcast Satellie
Differential Global
DGPS
Positioning System

10

DTH

Direct To Home

11

DSC

12

ECDIS

13

EPIRB

14

EIRP

15

FDMA

16

GAN

17

GMDSS

18

GNSS

19
20

GPS
GRT

21

GSM

Digital Selective Calling
Electronic Chart Display
and Information System

Emergency Position
Indicating Radio Beacon
Equivalent Isotropic
Radiated Power
Frequency Division
Multiple Access
Global Area Network
Global Maritime Distress
and Safety System
Global Navigation Satellite
Systems
Global Positioning System
Gross Register Tonnage
Global System for Mobile
Communications

ix

Tiếng Việt
Hệ thống nhận dạng tự động
Tỷ số lỗi bít
Mạng băng thơng rộng tồn cầu
Hội đồng tư vấn quốc tế về vơ
tuyến điện
Camera giám sát
Đa truy nhập phân chia theo mã
Đa truy cập phân chia thời gian
hướng sóng mang
Vệ tinh truyền thơng trực tiếp
Hệ thống Định vị vệ tinh toàn cầu

vi sai
Truyền hình vệ tinh trực tiếp tại
gia
Thiết bị gọi chọn số
Hệ thống thông tin và hiển thị biểu
đồ điện tử
Phao vô tuyến chỉ báo vị trí cấp
cứu
Cơng suất bức xạ đẳng hướng
Đa truy nhập phân chia theo tần số
Mạng truy nhập tồn cầu
Hệ thống thơng tin an tồn và cứu
nạn hàng hải toàn cầu
Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn
cầu
Hệ thống Định vị vệ tinh tồn cầu
Tổng dung tích
Hệ thống thơng tin di động toàn
cầu


22

HDLC

23
24
25

HDR

HF
HUB

26

IMO

27

ISDN

28

ITU

29

LNA

30

LHCP

31
32

LES
LF

33

LRIT

34

MES

35

MMSI

36

MSI

37

NCC

38

PATDMA

39

RHCP

40

SART

41

SCADA

42

SCC

43

SDMA

44
45

SES
SSAS

High-Level Data Link
Control
High Data Rate
High Frequency
HUB
International Maritime
Organization
Integrated Services Digital
Network
International
Telecommunication Union

Low Noise Amplifer
Left Hand Circularly
Polarized
Land Earth Station
Low Frequency
Long Range Identification
and Tracking
Mobile Earth Station
Maritime Mobile Service
Identity
Maritime Safety
Information

Điều khiển liên kết dữ liệu mức
cao
Tốc độ cao
Tần số cao
Trạm trung tâm

Network Control Centre

Trạm điều khiển trung tâm

Pre Announce Time
Division Multiple Access
Right Hand Circularly
Polarized
Search and rescue
transponder
Supervisory Control And

Data Acquisition
Satellite Control Centre
Space Division Multiple
Access
Satellite Earth Station
Ship Security Alert System

Đa truy cập phân chia thời gian
thông báo trước

x

Tổ chức Hàng hải quốc tế
Mạng số tích hợp đa dịch vụ
Liên minh Viễn thông Quốc tế
Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Phân cực tròn bên trái
Trạm mặt đất cố định
Tần số thấp
Hệ thống nhận dạng và theo dõi
tàu tầm xa
Đài di động mặt đất
Mã nhận dạng dịch vụ lưu động
hàng hải
Thơng tin an tồn Hàng hải

Phân cực trịn bên phải
Bộ phát đáp radar tìm kiếm cứu
nạn
Điều khiển giám sát và thu thập dữ

liệu
Trung tâm điều khiển vệ tinh
Đa truy nhập phân chia theo không
gian
Trạm vệ tinh mặt đất
Hệ thống báo động An ninh tàu biển


Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

UPS

Time Division Multiple
Access
Tracking Telemetry and
Command
Uninterupted Power Supply

49

VHF

Very High Frequency

Tần số rất cao

50

VoIP

51

VSAT

Công nghệ truyền tiếng nói của
con người qua mạng máy tính
Trạm thơng tin vệ tinh mặt đất cỡ
nhỏ

52

VSWR

53

VTS

Voice over Internet
Protocol
Very Small Aperture
Terminals
Voltage Standing Wave
Ratio
Vessel Traffic Service

46

TDMA

47

TT&C

48

xi

Hệ giám sát, đo xa và điều khiển
Hệ thống nguồn cung cấp liên tục

Tỷ số sóng đứng
Hệ thống kiểm sốt lưu thơng


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Quy định băng tần thông tin vệ tinh ...........................................................8
Bảng 1.2. Lượng mưa tương ứng với tổng thời gian suy giảm tín hiệu....................18
Bảng 2.1. Độ lợi anten với các đường kính khác nhau ở những băng tần chính ......35

xii


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Các vệ tinh quỹ đạo thấp và vệ tinh địa tĩnh ...............................................5
Hình 1.2. Mơ hình tuyến thơng tin vệ tinh ..................................................................6
Hình 1.3. Băng thơng sóng mang truyền dẫn theo FDMA .......................................13
Hình 1.4. Băng thơng sóng mang truyền dẫn theo kỹ thuật truy nhập TDMA .........14
Hình 1.5. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA...................................................15

Hình 1.6. Lượng mưa trung bình (mm/h) của các vùng trên thế giới. ......................18
Hình 2.1. Cấu hình hệ thống thơng tin vệ tinh địa tĩnh …………………………… 21
Hình 2.2. Cấu trúc hệ thống thơng tin vệ tinh ...........................................................22
Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo bộ phát đáp .........................................................................24
Hình 2.4. Sơ đồ bộ thu băng rộng .............................................................................25
Hình 2.5. Cấu trúc trạm mặt đất ................................................................................28
Hình 2.6. Độ rộng búp sóng anten trạm mặt đất θ3dB ≤ 1,6O ..................................30
Hình 2.7. Các loại anten dùng trong truyền hình vệ tinh ..........................................30
Hình 2.8. Cấu trúc của anten parabol đối xứng.........................................................31
Hình 2.9. Tín hiệu phản xạ trên bề mặt anten ...........................................................32
Hình 2.10. Quan hệ giữa mức năng lượng ở rìa chảo và tỉ số f/D. ...........................32
Hình 2.11. Góc bức xạ của anten, beam width 3dB ..................................................33
Hình 2.12. Mơ tả quan hệ G, D và của anten parabol đối xứng..............................34
Hình 2.13. Các thành phần của một chuỗi truyền dẫn số qua vệ tinh. ......................37
Hình 2.14. Nguyên lý truyền dẫn bảo mật ................................................................39
Hình 2.15. Ngun lý của mã hố kênh ....................................................................40

xiii


Hình 2.16. Nguyên lý bộ điều chế cho kênh truyền số. ............................................40
Hình 3.1. Nguyên lý giao hội cạnh trong hệ thống GPS ………………………….. 54
Hình 3.2. Các thành phần của hệ thống dẫn đường vệ tinh ………………………. 56
Hình 3.3. Chuỗi sao chép dịch chuyển từng μs trong mã C/A ……………………. 58
Hình 3.4. Hàm tương quan của mã C/A …………………………………………... 60
Hình 3.5. Phổ năng lượng của mã C/A …………………………………………… 61
Hình 3.6. Tựa cự ly (Khoảng cách giả) ………………………………………….. 64
Hình 3.7. Nguyên lý dịch chuyển bản sao ……………………………………….. 65
Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc của đài vô tuyến điện liên lạc hàng hải …………………71
Hình 4.2. Vùng bao phủ của 04 vệ tinh Inmarsat thế hệ 3 ........................................74

Hình 4.3. Vùng bao phủ của 03 vệ tinh Inmarsat thế hệ 4 ........................................75
Hình 4.4. Vùng bao phủ của 05 vệ tinh Inmarsat thế hệ 5 ........................................79
Hình 4.5. Mơ hình Hệ thống nhận diện tự động AIS ................................................91
Hình 4.6. Thiết bị AIS lớp A và lớp B ......................................................................92
Hình 4.7. Sơ đồ thơng tin phối hợp tìm kiếm cứu nạn ..............................................98
Hình 4.8. Bản đồ Vùng trách nhiệm VNMCC ..........................................................99
Hình 5.1. Qng đường suy hao khơng gian tự do.............…………………....……110
Hình 5.2. Tính tốn suy hao trong mưa ..................................................................111
Hình 5.3. Tính suy hao do phi đơ thu phát..............................................................114
Hình 5.4. Tính suy hao do anten thu phát lệch nhau ...............................................115

xiv


MỞ ĐẦU
Thông tin vệ tinh từ khi ra đời đã nhanh chóng trở thành một loại hình thơng
tin ưu việt nhất trong nhiều lĩnh vực, đảm bảo phủ sóng tồn cầu, độ tin cậy cao,
cung cấp nhiều loại hình dịch vụ. Hàng ngày các vệ tinh địa tĩnh của 2 hệ thống
thơng tin tồn cầu lớn nhất là Intelsat và Intersputnyk bay vòng quanh trái đất, cung
cấp hàng ngàn kênh thoại cố định nối hàng trăm quốc gia với nhau. Ngồi ra cịn
các hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) như Ellipso, Globalstar, Iridium, ICO...
cung cấp các dịch vụ thoại cố định, phát thanh truyền hình, truyền số liệu.
Trong lĩnh vực hàng hải, thơng tin liên lạc đóng vai trò quan trọng để đảm bảo
cho chuyến hành hải được an toàn. Từ những máy VHF dùng cho liên lạc cự ly
ngắn đến những thiết bị sử dụng sóng MF/HF đã đáp ứng phần nào đó nhu cầu
thơng tin liên lạc trên biển cũng như đáp ứng cho mục đích hàng hải an toàn.
Cùng với sự phát triển như vũ bão của nghành Hàng hải thế giới, để thiết lập
một mạng thông tin vệ tinh phục vụ cho hành hải an toàn của tàu thuyền, Tổ chức
Hàng hải Quốc tế IMO đã thành lập hiệp hội các quốc gia cùng hợp tác để cung cấp
các dịch vụ thông tin di động toàn cầu trên nền thoại, truyền dữ liệu tốc độ cao qua

các vệ tinh mang tên Hiệp hội Inmarsat.
Ngày nay, hệ thống thơng tin vệ tinh nói chung và các thiết bị liên lạc vệ tinh
của Hiệp hội Inmarsat đã trang bị các thiết bị thông tin hiện đại, áp dụng cơng nghệ
tiên tiến góp phần khơng nhỏ vào việc an toàn cho người đi biển và đảm bảo thông
tin dẫn đường cho tàu thuyền hoạt động trên biển. Vì vậy việc nghiên cứu khả năng
ứng dụng thơng tin vệ tinh trong liên lạc hàng hải có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Đó chính là nội dung của luận văn này, với mục đích nghiên cứu “Khảo sát khả
năng ứng dụng thông tin vệ tinh trong việc điều hành hoạt động tàu thuyền
trên biển”.
4. Mục tiêu nghiên cứu
Với mục đích để hiểu rõ hơn về khả năng ứng dụng thông tin vệ tinh vào các
hoạt động liên lạc, điều hành tàu thuyền trên biển, luận văn tập trung tổng hợp,
1


nghiên cứu tổng quát về Thông tin vệ tinh, những ưu việt, đánh giá khả năng ứng
dụng trong lĩnh vực liên lạc đường thủy, nghiên cứu thực trạng hiện nay ở Việt
Nam, khảo sát hệ thống và thiết bị liên lạc vệ tinh Inmarsat trên tàu thuyền, từ đó
rút ra kết luận, đề xuất phương án về khả năng ứng dụng thông tin vệ tinh cho việc
điều hành tàu thuyền trên biển.
5. Phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ đề tài, luận văn nghiên cứu khảo sát thực trạng về liên lạc
hàng hải hiện nay tại Việt Nam, góp phần đảm bảo an tồn và thơng tin thơng suốt
cho nghành Hàng hải Việt Nam.
6. Nội dung nghiên cứu
Nguyên lý hoạt động, các đặc điểm của Thơng tin vệ tinh. Tìm hiểu một số
đặc tính kỹ thuật cơ bản của Thơng tin vệ tinh, kỹ thuật trạm mặt đất, đa truy nhập
và vấn đề suy hao đường truyền trong Thông tin vệ tinh.
Khảo sát những đặc điểm của liên lạc hàng hải, giới thiệu tổ chức thông tin vệ
tinh Inmarsat, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống liên lạc vệ tinh Inmarsat

trên tàu thuyền.
Tính tốn khảo sát suy hao đường truyền, tính cơng suất bức xạ đẳng hướng
tương đương các trạm mặt đất, rút ra kết luận cho việc xây dựng trạm mặt đất tại
Việt Nam.
7. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung nghiên cứu của luận văn được trình
bày trong các chương:
Chương 1. Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh
1.1. Giới thiệu hệ thống thông tin vệ tinh
1.2. Phương pháp đa truy nhập
1.3. Suy hao đường truyền trong thông tin vệ tinh
1.4. Kết luận Chương 1
Chương 2. Hệ thống vệ tinh địa tĩnh và khả năng ứng dụng trong liên lạc
2


hàng hải
2.1. Giới thiệu chung vệ tinh thông tin địa tĩnh
2.2. Vệ tinh thông tin địa tĩnh
2.3. Đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh đối với
liên lạc hàng hải
2.4. Kết luận Chương 2
Chương 3. Ứng dụng hệ thống thông tin và xác định vị trí tàu biển
3.1. Tổng quan các hệ thống định vị bằng vệ tinh
3.2. Hệ thống định vị toàn cầu vi sai DGPS
3.3. Hệ thống định vị vệ tinh vi sai
3.4. Kết luận Chương 3
Chương 4. Khảo sát khả năng liên lạc hàng hải bằng hệ thống Inmarsat
4.1. Đặc điểm của liên lạc hàng hải
4.2. Hệ thống thông tin vệ tinh Inmarsat

4.3. Khảo sát hệ thống liên lạc vệ tinh trên tàu thuyền
4.4. Kết luận Chương 4
Chương 5. Khai thác điều hành hoạt động tàu thuyền trên biển qua hệ
thống Inmarsat
5.1. Tính tốn suy hao tín hiệu trên đường truyền từ vệ tinh đến trạm mặt đất
5.2. Tính cơng suất phát của một trạm mặt đất tại Việt Nam
5.3. Xây dựng cấu hình tuyến thơng tin vệ tinh sử dụng dịch vụ Inmarsat cho
liên lạc hàng hải tại Việt Nam
5.4. Kết luận Chương 5

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
THÔNG TIN VỆ TINH
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngày nay thông tin vệ tinh
đã trở thành phổ biến trên tồn thế giới. Thơng tin vệ tinh có khả năng cung cấp
nhiều loại hình dịch vụ khác nhau như dịch vụ thoại, phát thanh truyền hình, truyền
số liệu, thơng tin di động, vơ tuyến dẫn đường, định vị tồn cầu, thơng tin an tồn
cứu nạn... Các dịch vụ của thông tin vệ tinh được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực
của đời sống xã hội, trong đó có ngành hàng hải. Chương này sẽ giới thiệu các nội
dung cơ bản về Hệ thống thông tin vệ tinh.
1.1. Giới thiệu hệ thống thông tin vệ tinh
1.1.1. Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh
1.1.1.1. Vệ tinh và các dạng quỹ đạo của vệ tinh
Một vệ tinh có khả năng thu phát sóng vơ tuyến điện khi được phóng vào vũ
trụ ta gọi là vệ tinh thơng tin. Khi đó vệ tinh sẽ khuyếch đại sóng vơ tuyến điện nhận
được từ các trạm mặt đất và phát lại sóng vơ tuyến điện đến các trạm mặt đất khác.
Do vệ tinh chuyển động khác nhau khi quan sát từ mặt đất, phụ thuộc vào quỹ
đạo bay của vệ tinh, vệ tinh có thể phân ra vệ tinh quỹ đạo thấp và vệ tinh địa tĩnh.

Mỗi loại vệ tinh có những đặc điểm riêng, tùy theo từng loại ứng dụng mà việc
sử dụng vệ tinh cũng khác nhau.
Khi quan sát từ mặt đất, sự di chuyển của vệ tinh theo quỹ đạo bay người ta
thường phân vệ tinh thành hai loại:
- Vệ tinh quỹ đạo thấp: Là vệ tinh chuyển động liên tục so với mặt đất, thời
gian cần thiết cho vệ tinh để chuyển động xung quanh quỹ đạo của nó khác với chu
kỳ quay của quả đất (loại vệ tinh này được ứng dụng trong việc nghiên cứu khoa
học, quân sự, khí tượng thủy văn, thơng tin di động…). Vệ tinh quỹ đạo thấp có ưu
điểm phủ sóng được các vùng có vĩ độ cao > 81,3 o, góc ngẩng lớn nên giảm được
4


tạp âm do mặt đất gây ra. Tuy nhiên, để đảm bảo liên lạc liên tục trong 24 giờ thì
phải cần có nhiều vệ tinh quỹ đạo thấp.
- Vệ tinh địa tĩnh: Là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo trịn ở độ cao khoảng
36.000 km so với đường kính quỹ đạo. Vệ tinh này bay xung quanh trái đất 1 vòng
mất 24 giờ. Do thời gian bay của vệ tinh bằng với thời gian quay của Trái đất và
cùng hướng (Hướng Đông), bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ
mặt đất; gọi là vệ tinh địa tĩnh.

Hình 1.1. Các vệ tinh quỹ đạo thấp và vệ tinh địa tĩnh
1.1.1.2. Cấu trúc tuyến thông tin vệ tinh
Muốn thiết lập một tuyến thông tin vệ tinh, trước hết phải phóng một vệ tinh
lên quỹ đạo và có khả năng thu sóng vơ tuyến điện. Vệ tinh có thể là vệ tinh thụ
động, chỉ phản xạ sóng vơ tuyến một cách thụ động và không khuếch đại và biến
đổi tần số. Hầu hết các vệ tinh thông tin hiện nay là vệ tinh tích cực. Vệ tinh sẽ thu
tín hiệu từ trạm vệ tinh mặt đất (Satellite Earth Station - SES) biến đổi, khuếch đại

5

và phát lại đến một hoặc nhiều trạm mặt đất khác. Hình 1.2 chỉ ra một tuyến thơng
tin qua vệ tinh giữa hai trạm mặt đất.

Hình 1.2. Mơ hình tuyến thơng tin vệ tinh
Tín hiệu từ trạm vệ tinh mặt đất gọi là đường lên (Uplink) và tín hiệu từ trạm
vệ tinh về một trạm mặt đất khác gọi là đường xuống (Downlink). Thiết bị thông tin
qua vệ tinh bao gồm một số bộ phát đáp sẽ khuếch đại tín hiệu ở các băng tần nào
đó lên một cơng suất đủ lớn và phát về mặt đất.
+ Đường lên (Uplink): Là tuyến phát từ trạm mặt đất lên vệ tinh. Điểm kết
cuối đường lên vệ tinh là anten thu vệ tinh (Receive Antenna), thu tín hiệu từ trạm
mặt đất phát lên (rất nhỏ cộng với tạp âm tích lũy sau khi truyền qua khơng gian dài
khoảng 36.000 km) sau đó được Bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifer LNA) khuếch đại tín hiệu (bao gồm cả tạp âm thu được) lên mức cần thiết rồi đưa
đến các bộ lọc (Filter), tiếp theo đó tín hiệu được làm cho yếu đi hoặc mạnh lên
(Atten/Amp) tùy theo yêu cầu khai thác rồi đưa đến hệ thống xử lý (Processing).
+ Đường xuống (Downlink): Tín hiệu đầu ra của Processing được đưa đến bộ
Anten/Amp để làm yếu đi hoặc mạnh lên tùy theo yêu cầu rồi đưa đến các bộ lọc để
lấy các tín hiệu mong muốn đưa đến bộ khuếch đại công suất lớn (High Power
Amplifer) rồi đưa ra anten phát (Transmit Antenna) phát tín hiệu xuống mặt đất.
1.1.2. Phân bố tần số cho thông tin vệ tinh
Phân bố tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quá trình rất phức tạp đòi hỏi sự
cộng tác quốc tế và có quy hoạch. Phân bổ tần được thực hiện dưới sự bảo trợ của
6


Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU). Để tiện cho việc quy hoạch tần số, toàn thế
giới được chia thành ba khu vực:
Khu vực 1: Châu Âu, Châu Phi, vùng Trung Đông và Mông Cổ.
Khu vực 2: Bắc Mỹ, Nam Mỹ.
Khu vực 3: Châu Á (trừ khu vực 1), Úc và Châu Đại Dương.

Trong các khu vực này băng tần được phân bố 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
khác nhau. Các dịch vụ do vệ tinh cung cấp bao gồm:
- Các dịch vụ vệ tinh cố định (FSS: Fixed Satellite Service).
- Các dịch vụ vệ tinh quảng bá (BSS: Broadcasting Satellite Service).
- Các dịch vụ vệ tinh di động (MSS: Mobile Satellite Service).
- Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng (SCS: Satellite Cargo Service).
- Các dịch vụ vệ tinh khí tượng (MSS: Meteorological Satellite Service).
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 các tín 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 đơi khi được gọi là vệ tinh truyền thông trực tiếp (DBS: Direct
Boardcast Satellie), ở Châu Âu gọi là dịch vụ trực tiếp đến nhà (DTH: Direct To
Home). Các dịch vụ vệ tinh di động bao gồm: di động mặt đất, di động trên biển và
di động trên máy bay. Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng bao gồm các hệ thống định vị
toàn cầu và các vệ tinh cho các dịch vụ khí tượng thường cung cấp cả dịch vụ tìm
kiếm và cứu hộ.
Tần số phân phối cho một dịch vụ nào đó có thể phụ thuộc vào khu vục. Trong
một khu vực một vùng dịch vụ có thể được dùng tồn bộ băng tần của khu vực này
hoặc phải chia sẻ với các dịch vụ khác. Đối với thông tin vệ tinh Quốc tế, độ tin cậy
là rất quan trọng. Do đó việc lựa chọn băng tần dùng cho thông tin vệ tinh Quốc tế
phải cần được lựa chọn và thăm dò kỹ càng. Các dịch vụ cố định sử dụng các băng
tần theo bảng 1.1, cụ thể như sau:
7


Bảng 1.1. Quy định băng tần thông tin vệ tinh

Băng tần Ku là băng hiện nay được sử dụng cho các vệ tinh quảng bá trực tiếp

và nó cũng được sử dụng cho một số dịch vụ vệ tinh cố định. Đối với dịch vụ quảng
bá trực tiếp trong băng Ku, dải thường được sử dụng là vào khoảng từ 12 đến 14
GHz và được ký hiệu là 14/12 GHz. Mặc dù ấn định tần số được thực hiện cụ thể
hơn và chúng có thể nằm ngồi các giá trị được trích dẫn ở đây (chẳng hạn các ấn
định tần số băng Ku có thể là 14.030 GHz và 11.730 Ghz), các giá trị gần đúng
được đưa ra ở trên hồn tồn thỏa mãn cho các tính tốn có liên quan đến tần số.
Băng tần này được các hệ thống mới hiện nay sử dụng ví dụ như hệ thống
EUTELSAT, INMARSAT, THURAYA v.v...
Băng tần Ka dùng dải tần khoảng 30GHz cho tuyến lên và 20 KHz cho tuyến
xuống được gọi là băng 30/20GHz. Băng tần này hiện nay mới chỉ sử dụng cho các
hệ thống cao cấp, các cuộc thử nghiệm và dành cho tương lai.
Băng C được sử dụng cho các dịch vụ vệ tinh cố định, các dịch vụ quảng bá
trực tiếp không được sử dụng băng này. Khoảng 6GHz cho tuyến lên và 4GHz cho
tuyến xuống được gọi là băng 6/4 GHz hay băng C. Băng tần này được các hệ thống
cũ sử dụng, ví dụ như hệ thống INTELSAT, các hệ thống nội địa của Mỹ,... và hiện
nay đã có xu hướng bão hịa.
Băng S được sử dụng cho một số dịch vụ di động và đạo hàng và để truyền số
liệu từ các vệ tinh thời tiết.
Băng L được sử dụng cho các dịch vụ di động và các hệ thống đạo hàng. Các
dịch vụ di động dùng vệ tinh sử dụng băng tần khoảng 1.6 GHz cho tuyến lên và
1.5GHz cho tuyến xuống. Băng tần này được gọi là băng 1.6/1.5 GHz.
8


Băng X dùng dải tần khoảng khoảng 8GHz cho tuyến lên và 7GHz cho tuyến
xuống được gọi là băng 8/7 GHz. Băng tần này được dành riêng cho chính phủ sử dụng.
Các băng tần cao hơn 30GHz hiện đang được nghiên cứu và chắc chắn sẽ
được dùng rất phổ biến trong tương lai.
Các dịch vụ quảng bá qua vệ tinh chỉ có tuyến xuống và sử dụng băng tần vào
khoảng 12GHz.

1.1.3. Một số đặc tính kỹ thuật cơ bản của hệ thống thông tin vệ tinh
Hệ thống thông tin vệ tinh có rất nhiều các tham số kỹ thuật, trong giới hạn
nội dung nghiên cứu của luận văn, tác giả chỉ đề cập đến một số đặc tính kỹ thuật cơ
bản của hệ thống thơng tin vệ tinh có liên quan đến đề tài sẽ được sử dụng tính tốn
trong các chương sau.
1.1.3.1. Nhiệt độ tạp âm hệ thống
Trong một trạm mặt đất, nhiệt độ tạp âm hệ thống gồm 2 thành phần là nhiệt độ
tạp âm của hệ thống thu và nhiệt độ tạp âm của an ten ( kể cả ống dẫn sóng, phi
dơ...) và được tính theo cơng thức:
Ts=Ta+Tphiđơ+Tr
Trong đó:

(1.1)

Ts : Nhiệt độ tạp âm hệ thống (°K).
Ta: Nhiệt độ tạp âm anten (°K).
Tphiđơ: Nhiệt độ tạp âm phi đơ (°K).
Tr: Nhiệt độ tạp âm hệ thống thu (°K).

Nếu có Lf là suy hao phi đơ và ống dẫn sóng và To là nhiệt độ tiêu chuẩn 290°K
thì ta sẽ có nhiệt độ tạp âm tính theo công thức sau:

Ts =

+(l-

)T0 + Tr

(1.2)

1.1.3.2. Nhiệt độ tạp âm anten
Tạp âm của anten đặc trưng bởi nhiệt độ tạp âm anten Ta, nếu công suất tạp
âm do anten thu được là Pn thì trong dải tần B, nhiệt độ tạp âm anten có thể được
tính như sau:
9


=

(1.3)

Với k = 1,38.10-23 (J/°K) hằng số Boltzmans.
1.1.3.3. Hệ số phẩm chất trạm mặt đất (G/T)
Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất phục vụ cho thông tin vệ tinh là một tham
số quan trọng cho biết khả năng hoạt động của trạm mặt đất. Nó được biểu diễn
bằng tỷ số giữa hệ số khuếch đại anten (G) trên nhiệt độ tạp âm tồn phần của hệ
thống (T) tính theo dB/°K.
1.1.3.4. Tỷ số sóng mang trên nhiệt độ tạp âm
Tỷ số sóng mang trên nhiệt độ tạp âm là tỷ số của cơng suất sóng mang trên
nhiệt độ tổng tạp âm tương đương tại đầu vào của hệ thống thu. Nhiệt độ tạp âm
được tính từ các tham số quy cho đầu vào của bộ thu tạp âm thấp như:
- Điều chế tương hỗ của hệ thống phát.
- G/T của hệ thống thu trên vệ tinh.
- G/T của trạm thu mặt đất.
- Điều chế tương hỗ của vệ tinh.
Một đường thơng tin điểm nối điểm thì cơng suất sóng mang Cr tại đầu vào
của một anten thu là:
Cr=G.Pr

(1.4)

Trong đó: G là hệ số khuếch đại của hệ thống.
Pr là công suất được quy về một hướng của anten.
Do vậy, ta có tỷ số sóng mang trên nhiệt độ tạp âm đầu vào là:
C/T

= (Cr/T) =

(1.5)

1.1.3.5. Tỷ số sóng mang trên tạp âm
Để có thể xác định được ngưỡng thu của hệ thống ta cần phải biết được tỷ số
sóng mang trên tạp âm (C/N) tại đầu vào bộ giải điều chế tại băng tần mà tín hiệu
chiếm. Tỷ số đó được tính theo cơng thức:
10


=

(1.6)

Trong đó: C là cơng suất sóng mang đầu vào (W).
k = 1,38.10-23 (J/°K) hằng số Boltzmans.
Nếu C/T tính theo dBW/°K thì ta sẽ có:
C/N = C/T – 10logk – 10logB (dB)

(1.7)

1.1.3.6. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm là tỷ số giữa tín hiệu thu được và tạp âm trên một

kênh thông tin. Tỷ số này được xác định tại băng tần cơ bản theo cơng thức:

+ Dm

(1.8)

Trong đó: C/N (dB) là giá trị của tỷ số sóng mang trên tạp âm tại đầu vào bộ
giải điều chế.
Dm là giá trị hệ số giải điều chế, nó phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế được sử dụng.
1.1.3.7. Tỷ số Eb/N0
Khái niệm tỷ số Eb/N0 được sử dụng khi các sóng mang trên vệ tinh được
dùng là sóng mang số, tỷ số Eb/N0 là thước đo khả năng phục hồi dữ liệu của
modem số với sự có mặt của tạp âm giả. Tỷ số này càng lớn thì tỷ số lỗi bít BER
càng giảm.
Do

=

suy ra

= B.

Trong đó:
- R là tốc độ bit.
- B là độ rộng băng tần.
- S/N là tỷ số tín hiệu trên tạp âm.
- Eb/N0 là tỷ số năng lượng của bít/mật độ tạp âm.

11

(1.9)