nghiên cứu kỹ thuật điều khiển, vận hành, duy trì vị trí và tư thế của vệ tinh trên quĩ đạo địa tĩnh

Bộ giáo dục và đào tạo viện đại học mở hà nội






luận văn thạc sỹ kỹ thuật


Nghiờn cu k thut ủiu khin, vn hnh, duy trỡ v trớ v t th ca v
tinh trờn qu ủo ủa tnh


Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 102
Ngi thc hin: ng Quc Chớnh

ngời hớng dẫn khoa học
ts. Đặng hảI đăng







Hà Nội - Năm 2011









Bộ giáo dục và đào tạo viện đại học mở hà nội



luận văn thạc sĩ kỹ thuật


Tên đề tài:
Nghiờn cu k thut ủiu khin, vn hnh, duy trỡ v trớ v t th ca v

tinh trờn qu ủo ủa tnh


Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 102
Ngày giao đề tài luận văn:
Ngày hoàn thành luận văn:


Ngời thực hiện:
Họ và tên: Đặng Quốc Chính
Lớp: Kỹ thuật điện tử Khoá: 02
Hệ đào tạo:


Cán bộ hớng dẫn:
Họ và tên: TS. Đặng Hải Đăng

Đơn vị công tác: Khoa KTĐT










Hà Nội - Năm 2011

MỤC LỤC
Trang

Mục lục
Danh mục các từ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
MỞ ðẦU 1
Chương 1
THÔNG TIN VỆ TINH
1.1. Tổng quan về thông tin vệ tinh 2
1.1.1. Nguyên lý thông tin vệ tinh 2
1.1.2. Phân loại hệ thống TTVT 4
1.1.3. ðặc ñiểm của TTVT 4
1.2. Tạp âm và truyền sóng trong TTVT 6
1.2.1. Tạp âm trong hệ thống TTVT 6
1.2.2. Truyền sóng trong TTVT 10
1.3. Trạm mặt ñất 14
1.3.1.Cấu trúc của trạm mặt ñất 14
1.3.2. Anten trạm mặt ñất 16
1.3.3. Bộ khuếch ñại tạp âm nhỏ LNA 21
1.3.4. Bộ khuếch ñại công suất lớn HPA 22
1.4. ða truy nhập trong TTVT 23
1.4.1. ða truy nhập theo tần số FDMA 24
1.4.2. ða truy nhập theo thời gian (TDMA) 25

1.4.3. ða truy nhập phân chia theo mã CDMA 27
1.4.4. ða truy nhập theo yêu cầu DAMA 28
1.5. Vệ tinh thông tin 29





1.5.1. Cấu trúc vệ tinh thông tin 29
1.5.2. Hệ thống ñiều khiển tư thế và vị trí của vệ tinh 33
1.5.3. Hệ thống giám sát, ño xa và ñiều khiển-TT&C 35
1.5.4. Hệ thống cung cấp nguồn (EPS) 35
1.5.5. Hệ thống ñiều khiển nhiệt (TCS) 38
1.5.6. Phân hệ ñẩy 38
1.5.7. Hệ thống cấu trúc khung 39
1.6. Hệ thống ño xa, bám, ñiều khiển 39
Chương 2
CẤU HÌNH HỆ THỐNG VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC THIẾT BỊ
TRẠM ðIỀU KHIỂN VỆ TINH
2.1 Sơ ñồ kết nối giữa các trạm ñiều khiển 40
2.2. Cấu hình hệ thống các thiết bị tại trạm ñiều khiển 41
2.2.1. Hệ thống thiết bị RF 43
2.2.2. Hệ thống thiết bị ñiều khiển Anten (ACU) 55
2.2.3 Hệ thống M&C 57
2.2.4. Hệ thống Intercom 59
2.2.5. Hệ thống tần số và thời gian chuẩn 60
2.2.6. Hệ thống thiết bị phân tích quĩ ñạo 60
2.2.7. Hệ thống thiết bị mô phỏng 61
2.2.8. Hệ thống cấp nguồn 62
2.2.9. Hệ thống làm lạnh HVAC 62

2.2.10. Hệ thống các thiết bị cảnh báo cháy 63
Chương 3
HOẠT ðỘNG XÁC ðỊNH, DUY TRÌ ỔN ðỊNH VỊ TRÍ VÀ TƯ THẾ
3.1. Quĩ ñạo vệ tinh và vị trí của vệ tinh trên quĩ ñạo ñịa tĩnh 64
3.2. Các hệ trục tọa ñộ 66




3.2.1. Hệ tọa ñộ quán tính ñịa tâm (ECI) 66
3.2.2. Hệ tọa ñộ vệ tinh 67
3.2.3. Hệ tọa ñộ quĩ ñạo 67
3.2.4. Hệ tọa ñộ “ñích” 68
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới vị trí và tư thế của vệ tinh trên quĩ ñạo ñịa tĩnh 68
3.3.1. Các nguồn gây ra các tác ñộng làm biến ñổi tư thế 69
3.3.2. Các nguồn gây ra các tác ñộng làm biến ñổi vị trí 69
3.4. Các biện pháp duy trì vị trí và ổn ñịnh tư thế của vệ tinh 72
3.4.1. Tổng quan về hoạt ñộng ổn ñịnh tư thế, và duy trì vị trí quĩ ñạo 72
3.4.2. Thành phần phần cứng xác ñịnh, duy trì vị trí và tư thế của vệ tinh 75
3.4.3. Các phương pháp ổn ñịnh tư thế 93
3.4.4. ðiều chỉnh vị trí của vệ tinh 96
Chương 4
CÁC THÔNG SỐ TELEMETRY CỦA VỆ TINH
4.1. Giới thiệu chung 108
4.2. Các ñiểm telemetry của phân hệ GN&C 108
4.3. Tham số phân hệ ñẩy 112
4.4. Các tham số telemetry phân hệ Payload 114
4.5. Tham số hoạt ñộng của EPS 115
4.6. Các tham số phân hệ CT&R 116
4.7.Các tham số phân hệ nhiệt 117

4.8. Các tham số phân hệ phần mềm 117
KẾT LUẬN 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO 119




DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACS Attitude control system Hệ thống ñiều khiển tư thế
ACU Antena Control Unit Khối ñiều khiển anten
BB Base Band Băng tần cơ sở
BCF Back Up Facility Trạm dự phòng
CDMA

Code Division Mutiple Access ða truy nhập phân chia theo mã
CT&R Command Telemetryy and Ranging Phân hệ ño xa và gửi lệnh
DAMA

Demand Assigment Multiple Access

ða truy nhập gán theo yêu cầu
D/C Frequency Down Converter Bộ biến ñổi tần xuống
DEM Demodulator Bộ giải ñiều chế
DSS Dynamic Simulator System Hệ thống mô phỏng
DTR Digital Tracking Reciever Bộ nhận tín hiệu bám dạng số
E/W East – West Giữ trạm theo hướng ñông tây
ECI Earth Center Inertial Giữ trạm theo hướng nam bắc
EMI Electronic-Managtic Interference Nhiễu ñiện từ trường
EIRP Equivalent Isotropically Rdiated Power

Công suất bức xạ ñẳng hướng
tương ñương
ESA Earth Sensor Assembly Bộ cảm biến trái ñất
FDMA Frequency Division Mutiple Access ða truy nhập phân chia theo tần số

FSK Frequency Shift Key ðiều chế khoá dịch pha
GN&C

Guidance nivigation and control Phân hệ ñiều khiển và dẫn hướng
GUI Graphical User Interface Giao diện ñồ hoạ
HPA High Power Amplifier Bộ khuếch ñại công suát cao
IBO Input Back Off ðẩy lùi công suất ñầu vào
IF Intermediate Frequency Tần số trung tần
IMU Inertial Measurement Unit Khối ño quán tính







KPA Klystron Power Aplifier Bộ khuếch ñại Klystron
LAE Liquid Aperige Engine ðộng cơ viễn ñiểm
LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch ñại tạp âm thấp
LO Local Oscilator Bộ giao ñộng nội
MCS Monitor and Control System Hệ thống ñiều khiển và giám sát
M&C Monitor and control Màn hình giám sát và ñiều khiển
MOD Modulator Bộ ñiều chế
N/S North- South Giữ trạm theo hướng nam bắc
OBC On-board Computer Máy tính trên vệ tinh

PC Personal Computer Máy tính cá nhân
PCF Primary Facility Trạm ñiều khiển chính
PSK Phase Shift Key ðiều chế khoá dịch pha
REM Remote ðiều khiển và truy nhập từ xa
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
RIU Remote Interface Unit Khối giao tiếp từ xa
RWA Reaction Wheel Assembly Tổ hợp con quay ổn ñịnh tư thế
RX Reciever Bộ nhận
SCPC Single Chanel Per Carrier ðơn kênh trên một sóng mang
SCU Servo Control Unit Khối ñiều khiển ñộng cơ
SES Satellite Earth Station Trạm mặt ñất
SLACS
Space Inertial Reference Unit Less
Attitude Control System
Hệ thống ñiều khiển tư thế không
cần tham chiếu quán tính
SSA Sun Sensor Assembly Bộ cảm biến mặt trời
TDC Tracking Down Converter
Bộ ñổi tần xuống cho tín hiệu
Tracking
TLT Test Loop Translator Vòng lặp kiểm tra
TDMA Time Division Mutiple Access ða truy nhập phân chia theo thời





gian
TT&C Tracking Telemetry and Control Phân hệ ñiều khiển và ño xa
TX Transmitter Bộ phát

U/C Freqency Up Converter Bộ biến ñổi tần lên
UPS Uninterrupted Power Supply Nguồn ñiện liên tục
UTC Coordinated Universal Time Thời gian chuẩn quốc tế
W/S Work Station Trạm ñiều khiển
VSAT Very Small Aperture Teminal Thiết bị ñầu cuối góc mở nhỏ
X Yaw Trục toạ ñộ X
Y Roll Trục toạ ñộ Y
Z Pitch Trục toạ ñộ Z






DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 1.1. Các loại LNA. 21
Bảng 1.2. So sánh các bộ khuếch ñại công suất lớn 22
Bảng 3.1. Các bộ cảm biến ñược sử dụng cho việc xác ñịnh vị trí và tư thế 79
Bảng 3.2. Các actuator ñược sử dụng ñể xác ñịnh quĩ ñạo và tư thế vệ tinh. 88
Bảng 3.3. Hướng ∆V và sự lựa chọn các ñộng cơ ñẩy 97





DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Nguyên lý hệ thống TTVT 2

Hình 1.2. Sơ ñồ nhiệt tạp âm hệ thống 6
Hình 1.3. Sự phụ thuộc T
a
= f(θ) 9
Hình 1.4. Cửa sổ vô tuyến. 11
Hình 1.5. Sự tăng tạp âm do mưa 13
Hình 1.6. Cấu trúc trạm mặt ñất 14
Hình 1.7. Anten cassegrain 19
Hình 1.8. Nguyên lý ghép kênh FDMA 24
Hình 1.9. Nguyên lý TDMA 25
Hình 1.10. Hệ thống CDMA trong TTVT 27
Hình 1.11. Cấu trúc vệ tinh thông tin 30
Hình 1.12. Sơ ñồ bộ phát ñáp. 31
Hình 1.13. mô tả hệ thống tọa ñộ trên vệ tinh 34
Hình 1.14. Hệ thống ñiều khiển tư thế của vệ tinh 35
Hình 1.1.15. Hệ thống cung cấp nguồn ñiện 35
Hình 2.1. Liên kết giữa trạm ñiều khiển chính và trạm ñiều khiển dự phòng 40
Hình 2.2. Sơ ñồ khối hệ thống thiết bị trạm ñiều khiển 41
Hình 2.3. Hệ thống thu phát trạm ñiều khiển 44
Hình 2.4. Hệ thống phát 44
Hình 2.5. Sơ ñồ khối CT&R 45
Hình 2.6. Khối biến ñổi tần lên 46
Hình 2.7. Bộ khuếch ñại công suất cao 47
Hình 2.8. Hệ thống chuyển mạch RF 48
Hình 2.9. Panel ñiều khiển các chuyển mạch 48
Hình 2.10. Hệ thống các thiết bị thu 49

Hình 2.11. Bộ Beacon LNA 50
Hình 2.12. Panel mặt trước khối ñiều khiển Beacon LNA 50
Hình 2.13. Tracking LNA 51
Hình 2.14. Panel mặt trước khối ñiều khiển Tracking LNA 51
Hình 2.15. Panel mặt trước hệ thống ñiều khiển chuyển mạch nhận 51
Hình 2.16. Bộ ñổi tần xuống 52
Hình 2.17. Sơ ñồ tín hiệu và kết nối của Tracking Down Converter 53
Hình 2.18. Hộp ñiều khiển Anten 54
Hình 2.19. Thiết bị ñiều khiển Anten ACU 56
Hình 2.20. Cấu hình hệ thống M&C 57
Hình 2.21. Màn hình giao diện ñiều khiển và giám sát M&C 59
Hình 2.22. Sơ ñồ hệ thống Intercom 60
Hình 2.23. Hệ thống phân phối tần số và thời gian chuẩn 60
Hình 2.24: Hệ thống ñiều hòa nhiệt ñộ 62
Hình 3.1. Quĩ ñạo ñịa tĩnh 64
Hình 3.2. Các tham số xác ñịnh quĩ ñạo của vệ tinh 65
Hình 3.3. Hệ tọa ñộ ñịa tâm 67
Hình 3.4. Hệ tọa ñộ tâm vệ tinh 67
Hình 3.5. Hệ tọa ñộ quĩ ñạo………………………………………………… 68
Hình 3.6. Mối liên hệ giữa hệ tọa ñộ quĩ ñạo và hệ tọa ñộ quán tính ñịa tâm 68
Hình 3.7. Ảnh hưởng của lực hút mặt trăng và mặt trời 70
Hình 3.8. Mặt phẳng quĩ ñạo và mặt phẳng hoàng ñạo 71
Hình 3.9. Hình dạng không cầu hoàn toàn của trái ñất 71
Hình 3.10. Sự trượt kinh tuyển vệ tinh do ảnh hưởng của lực trọng trường
của trái ñất 71
Hình 3.11. Sơ ñồ khối hệ thống xác ñịnh và ñiều khiển tư thế 73

Hình 3.12. Kết nối giữa các thành phần hệ thống xác ñịnh và ổn ñịnh tư thế
trong hoạt ñộng bình thường 75
Hình 3.13. Trục của các con quay hồi chuyển 76
Hình 3.14. Cơ cấu của con quay hồi chuyển 77
Hình 3.15. Sơ ñồ kết nối các thiết bị IMU 78
Hình 3.16. Cấu trúc hình học của bộ cảm biến ESA 80
Hình 3.17. Mặt trời ñược phát hiện như một ñối tượng ñộc lập 81
Hình 3.18. Mặt trời không ñược phát hiện như một ñối tượng riêng biệt 81
Hình 3.19. Vùng nhiễu của mặt trăng mặt trời 82
Hình 3.20. Sự tính toán các góc của các trục Pitch và Roll 82
Hình 3.21. Sử dụng dây cung chuẩn ñể tính tóan các góc 83
Hình 3.22. Tầm nhìn thấy của SSA 84
Hình 3.23. Hướng của các trục quay của RWA. 91
Hình 3.24. Cấu hình ñộng cơ ñẩy 92
Hình 3.25. Dòng dữ liệu lệnh ñiều khiển ñộng cơ ñẩy 92
Hình 3.26. Lực hút mặt trăng mặt trời làm nghiêng quĩ ñạo vệ tinh 99
Hình 3.27. Thời gian bắn của các ñộng cơ ñẩy biến ñổi theo lỗi tư thế … 101
Hình 3.28. Ảnh hưởng của các mùa tới hoạt ñộng của vệ tinh…………….102
Hình 3.29. Sơ ñồ chức năng của hệ thống ñiều khiển tư thế……………….104
Hình 3.30. Thời gian bắn của các ñộng cơ ñẩy ñược thiết lập trước………105
Hình 3.31. Sự che khuất bởi mặt trăng 105
Hình 3.32. Lưu ñồ thuật toán quá trình bắn ñộng cơ ñẩy………………….107




1

MỞ ðẦU

Trong những năm gần ñây hệ thống thông tin vệ tinh ngày càng phát triển.
Thông qua hệ thống này con người có thể trao ñổi thông tin với bất kì nơi nào
trên thế giới. Với dịch vụ ña dạng, dung lượng và ñộ tin cậy cao, thông tin vệ
tinh có thể ñáp ứng ñược các yêu cầu truyền tải tin tức ngày càng phát triển
của con người. Thông tin vệ tinh không những ñáp ứng cho các yêu cầu về
thương mại dân sự, mà còn ñáp ứng các yêu cầu về thông tin an ninh quân sự.
Với những yêu cầu ñó, Việt Nam ñã phóng vệ tinh Vinasat-1 lên quĩ ñạo vào
ngày 18-04-2009. Tuy nhiên, việc ñiều khiển vệ tinh là một công việc còn khá
mới mẻ với ñội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hoạt ñộng trong lĩnh vực kỹ
thuật ñiện tử truyền thông ở nước ta. Do vậy, luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật
ñiều khiển, vận hành, duy trì vị trí và tư thế của vệ tinh trên quĩ ñạo ñịa
tĩnh” ñược chọn ñể tiến hành nghiên cứu một số công nghệ và phương pháp
giám sát, ñiều khiển vệ tinh trên quĩ ñạo ñịa tĩnh có thể áp dụng trong ñiều
kiện thực tiễn của Việt Nam. Luận văn ñược chia làm 4 chương như sau:
Chương 1: Thông tin vệ tinh.
Chương 2: Cấu hình hệ thống và chức năng của các thiết bị trạm ñiều
khiển mặt ñất.
Chương 3: Hoạt ñộng xác ñịnh, duy trì, ổn ñịnh vị trí và tư thế.
Chương 4: Các thông số Telemetry của vệ tinh.








2

Chương 1
THÔNG TIN VỆ TINH

1.1. Tổng quan về thông tin vệ tinh
1.1.1. Nguyên lý thông tin vệ tinh: Thông tin vệ tinh (TTVT), là hình
thức truyền thông tin giữa các trạm thông tin mặt ñất, gọi tắt là
trạm mặt ñất (SES) bằng cách chuyển tiếp tín hiệu qua vệ tinh
thông tin như hình 1.1. Các trạm mặt ñất dùng ñể phát tín hiệu lên
vệ tinh và thu nhận tín hiệu từ vệ tinh phát về. ðường hướng từ
trạm mặt ñất A
1
lên vệ tinh gọi là ñường lên và ñường hướng từ vệ
tinh về trạm mặt ñất A
2
gọi là ñường xuống.













Hình 1.1. Nguyên lý hệ thống TTVT

A1

A2

PHẦN KHÔNG GIAN






(TT&C)

MOD

U/C

HPA

LNA


D/C

DEMOD


PHẦN MẶT ðẤT

ðường lên

ðường xuống

BB BB


3

Một tổ hợp các trạm mặt ñất và vệ tinh thông tin cùng làm việc ñể ñảm
bảo thông tin gọi là hệ thống TTVT: Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống TTVT như
hình 1.1 và gồm 2 phần chính: Phần không gian và phần mặt ñất.
- Phần không gian: Gồm có vệ tinh thông tin, hệ thống ñảm bảo các
chức năng ño xa, bám, ñiều khiển (TT&C) nhằm duy trì hoạt ñộng bình
thường cho vệ tinh. Trong hệ thống TTVT thì vệ tinh thực chất là một trạm
lặp tín hiệu của tuyến thông tin siêu cao tần.
- Phần mặt ñất: Thực chất là các trạm thu, phát tín hiệu trên mặt ñất gồm:
Anten thu, phát và các thiết bị ñiều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng, các bộ
chia và ghép công suất, máy thu tạp âm thấp, các bộ ñiều chế, giải ñiều chế,
các bộ biến ñổi tần tuyến lên và bộ ñổi tần tuyến xuống, bộ khuếch ñại công
suất cao.
Hoạt ñộng của sơ ñồ hình 1.1 như sau:
- ðường lên: Tín hiệu băng tần cơ sở (BB) như: Thoại, Fax, Video… qua
bộ ñiều chế (MOD) ñược ñiều chế lên thành tín hiệu trung tần (IF), sau ñó qua
bộ ñổi tần lên (U/C) trở thành tín hiệu cao tần (RF) và ñược khuếch ñại công
suất nhờ bộ khuếch ñại công suất lớn (HPA) rồi ñược phát lên vệ tinh thông
qua Anten phát của trạm mặt ñất.
- Tại vệ tinh: Tín hiệu của trạm mặt ñất ñược Anten thu của vệ tinh thu
nhận và ñược khuếch ñại bởi bộ khuếch ñại tạp âm thấp (LNA). Tín hiệu RF
sau bộ khuếch ñại này ñược biến ñổi tần số thành tần số RF tuyến xuống, sau
ñó lại ñược khuếch ñại công suất lớn ñể phát xuống mặt ñất thông qua Anten

phát của vệ tinh.
- ðường xuống: Tín hiệu từ vệ tinh phát về ñược Anten thu trạm mặt ñất
thu nhận, sau khi qua bộ khuếch ñại tạp âm thấp tín hiệu ñược ñược ñưa tới
bộ ñổi tần xuống. Tín hiệu ñầu ra bộ ñổi tần xuống là tín hiệu trung tần. Tín
hiệu IF sau ñó ñược giải ñiều chế thành tín hiệu băng tần cơ sở nhờ bộ giải
ñiều chế (DEM).


4

1.1.2. Phân loại hệ thống TTVT
Tuỳ thuộc vào quĩ ñạo vệ tinh mà hệ thống TTVT ñược chia làm 2 loại:
Nếu sử dụng vệ tinh ñịa tĩnh thì có hệ thống TTVT ñịa tĩnh và nếu sử
dụng vệ tinh quĩ ñạo thấp thì có hệ thống TTVT không ñồng bộ.
Hệ thống TTVT ñịa tĩnh
Trong hệ thống này, vệ tinh ñược phóng lên ở ñộ cao 36.768 Km. Nó
chuyển ñộng với tốc ñộ góc bằng và cùng chiều quay với trái ñất, do vậy khi
quan sát từ mặt ñất thì vệ tinh ñịa tĩnh ñược coi như có vị trí ổn ñịnh. Chính vì
thế việc truyền tin sẽ ñược ổn ñịnh liên tục. Ngoài ra, do vệ tinh ở rất xa trái
ñất nên vùng phủ sóng của nó rất rộng, với ba vệ tinh ñịa tĩnh có thể phủ sóng
toàn cầu, trừ các vùng cực. Do vậy, cự ly thông tin của hệ thống TTVT ñịa
tĩnh rất xa. Do ñó, nhược ñiểm của hệ thống TTVT ñịa tĩnh là trễ tín hiệu lớn
do cự ly tuyến truyền dẫn lớn. Trong khuôn khổ của luận văn chúng ta chủ
yếu ñi phân tích việc ñiều khiển và vận hành vệ tinh hoạt ñộng trên quĩ ñạo
ñịa tĩnh. Vì vệ tinh VINASAT-1 là vệ tinh thông tin ñịa tĩnh nên luận văn chủ
yếu ñi sâu vào phân tích việc ñiều khiển và vận hành vệ tinh hoạt ñộng trên
quĩ ñạo ñịa tĩnh
Hệ thống không ñồng bộ: Trong hệ thống này, vệ tinh ñược phóng lên
ở ñộ cao từ 500 tới 10.000 Km. Nó chuyển ñộng với vận tốc góc khác vận tốc
tự quay của trái ñất, tức là vị trí của nó luôn chuyển ñộng so với trái ñất khi

quan sát từ mặt ñất. Vì thế hệ thống TTVT ñược gọi là hệ thống không ñồng
bộ. Do vệ tinh ở ñộ cao thấp hơn và không ñứng yên so với trái ñất nên vùng
phủ sóng của nó hẹp, do ñó so với hệ thống TTVT ñịa tĩnh thì hệ thống TTVT
không ñồng bộ có cự ly thông tin ngắn hơn, ñộ ổn ñịnh thông tin cũng kém
hơn. Tuy nhiên, trễ tín hiệu trong trường hợp này nhỏ hơn. Hệ thống TTVT
không ñồng bộ ñược sử dụng chủ yếu cho thông tin di ñộng.
1.1.3. ðặc ñiểm của TTVT


5

Thông tin vệ tinh có ñặc ñiểm nổi bật như sau:
- Vùng phủ sóng rộng nên cự ly thông tin xa.
- Dung lượng thông tin lớn: Vì băng tần công tác rộng, cỡ 500MHz nhờ
áp dụng kỹ thuật sử dụng lại tần số nên hệ thống TTVT cho phép ñạt tới dung
lượng lớn trong thời gian ngắn.
- Khả năng thông tin và ñộ tin cậy thông tin cao: Tuyến TTVT chỉ có
3 trạm, trong ñó vệ tinh ñóng vai trò là trạm lặp tín hiệu còn hai trạm ñầu
cuối trên mặt ñất vì thế xác suất hư hỏng trên tuyến là rất thấp. Khả năng
liên lạc thông suốt theo thống kê có thể ñạt tới 99.9% thời gian liên lạc
trong một năm.
- Chất lượng thông tin cao: ðường thông tin có chất lượng cao vì ảnh
hưởng của nhiễu khí quyển và pha ñinh là không ñáng kể. Tốc ñộ lỗi bít có
thể ñạt tới 10
-9
cho một sóng mang số 2048 Kbps.
- Khả năng thiết lập thông tin nhanh chóng và tính linh hoạt cao: hệ
thống thông tin ñược thiết lập nhanh chóng trong ñiều kiện các trạm mặt ñất ở
rất xa nhau về mặt ñịa lý. Dung lượng có thể thay ñổi linh hoạt theo yêu cầu
khai thác và sử dụng.

- ða dạng về loại hình dịch vụ: TTVT có thể cung cấp các loại hình dịch
vụ sau:
+ Dịch vụ thoại, Fax, telex cố ñịnh
+ Dịch vụ phát thanh truyền hình.
+Dịch vụ thông tin di ñộng qua vệ tinh.
+Dịch vụ DAMA, VSAT, ñạo hàng, cứu hộ hàng hải…
- Băng tần công tác của TTVT:
+ Băng C: 6/4 Ghz-Dùng trong thông tin thương mại.
+ Băng X: 8/7 Ghz – Dùng trong thông tin quân sự và chính phủ.
+ Băng Ku: 14/12 Ghz – Dùng trong thông tin thương mại.
+ Băng Ka: 30/20 Ghz –Băng tần số mới.


6

Trong thông tin vệ tinh thì tần số cao ñược sử dụng cho tuyến lên và tần
số thấp ñược sử dụng cho ñường xuống.
1.2. Tạp âm và truyền sóng trong TTVT
Trong hệ thống TTVT, tín hiệu có ích truyền từ trạm mặt ñất lên vệ tinh
phải chịu tác ñộng của nhiều yếu tố: Khoảng cách ñường truyền lớn, ảnh hưởng
của tầng ñiện ly, khí quyển và mưa, ảnh hưởng của nhiệt tạp âm mặt trời và trái
ñất… Kết quả là tín hiệu có ích bị suy hao rất lớn. Vì thế khác với các hệ thống
thông tin khác mà ở ñó tạp âm thường rất nhỏ so với tín hiệu có ích thì ở hệ
thống TTVT tín hiệu có ích thu về nhỏ (≈ 150 dbw) và bị chìm trong tạp âm.
ðiều ñó có nghĩa là tỷ số tín hiệu/ tạp âm và chất lượng thông tin cả hệ thống
giảm. Do ñó việc tìm hiểu về tạp âm và ñường truyền sóng là một vấn ñề rất
quan trọng khi nghiên cứu hệ thống TTVT.
1.2.1. Tạp âm trong hệ thống TTVT
Nhiệt tạp âm hệ thống:

Hình 1.2. Sơ ñồ nhiệt tạp âm hệ thống
Nhiệt tạp âm hệ thống TTVT tạo bởi nhiệt tạp âm hệ thống Anten và
nhiệt tạp âm hệ thống thu hình 1.3.
- Hệ thống thu gồm có: Bộ khuếch ñại tạp âm nhỏ LNA, các bộ chia
công suất cao tần RF, thiết bị ñầu cuối.
Nhiệt tạp âm hệ thống theo hình 1.3 ñược tính như sau:
Fider

LN
RF

GCE

H
ệ thống
anten
H
ệ thống thu

T
INTF

T
R

G,T
A

7

T
s
= T
A
+ T
INTF
+ T
R
(1-1)

Trong ñó:
T
A
- Nhiệt tạp âm Anten.
T
INTF
- Nhiệt tạp âm ghép nối giữa LNA và Fider.

T
R -
Nhiệt tạp âm hệ thống thu.
T
s
– Nhiệt tạp âm hệ thống.
Trong thực tế, do không phối hợp hoàn toàn, chỗ ghép nối giữa LNA
và fide tồn tịa sóng phản xạ và sinh ra tạp âm. Nhiệt tạp âm ở ñó ñược
tính như sau:
1

( )
1
sd
INTF MT
sd
k
T T
k
−
=
+
(
0
K) (1-2)
Trong ñó:
T
MT
: Nhiệt ñộ tại chỗ ghép nối.
K
sd
: Hệ số sóng ñứng.
Nhiệt ñộ tạp âm của hệ thống anten ñược tính như sau:

1
(1 )
a
A MT
T
T T
L L

= + −
(
0
K) (1-3)
Trong ñó:
T
a
: Nhiệt tạp âm của anten.
T
MT
: Nhiệt ñộ môi trường.
L : Suy hao fide.
Từ 1-3 ta thấy rằng: ðể giảm T
A
thì phải giảm lượng (1-1/L) bằng cách
ñặt máy thu càng gần Anten càng tốt.
Từ (1-1) ta cũng nhận thấy 2 thành phần T
R
và T
INTF
có thể dùng công nghệ
ñể loại trừ, còn thành phần T
A
theo (1-3) có thành phần T
a
ñược hình thành từ
nhiều nguên nhân, trong ñó có nguyên nhân xuất phát từ nguồn gốc tự nhiên


8

nên không thể loại trừ bằng công nghệ. Ta sẽ xét thành phần T
a
ở mục tiếp
theo.
Nhiệt tạp âm anten T
a

Tạp âm anten trong hệ thống TTVT ñược cấu thành từ hai phần chính:
Tạp âm do anten tích luỹ ñược từ không gian, mặt ñất và tạp âm riêng của
anten.
- Tạp âm do anten tích luỹ ñược từ không gian và mặt ñất bao gồm:
+ Tạp âm khí quyển: Các thành phần khí quyển như oxi, hơi nước,
mây, sương mù…Hấp thụ một phần năng lượng sóng ñiện từ khi truyền qua
nó và sinh ra tạp âm. Nhiệt tạp âm khí quyển, trong ñiều kiện trời trong là một
hàm số phụ thuộc vào góc ngẩng anten và phụ thuộc vào tần số.
+ Tạp âm mưa: Mưa không những làm suy hao sóng ñiện từ mà còn
sinh ra tạp âm và làm thay ñổi phân cực của sóng ñiện từ. Nhiệt ñộ nước mưa
cũng là nguồn sinh ra tạp âm. Nước ta ở vào vùng khí quyển nhiệt ñới gió
mùa, mưa nhiều nên việc tính toán suy hao mưa và tạp âm mưa là rất cần thiết
khi tính dự trữ năng lượng ñường truyền. ðây là một bài toán phức tạp cần
phải nghiên cứu kỹ ở 1 luận văn riêng.
+ Tạp âm vũ trụ: Tạp âm vũ trụ hình thành do bức xạ siêu cao từ các
dải ngân hà, nhiễu khi có mặt trời hoạt ñộng mạnh, phát xạ của mặt trăng…
tác ñộng mạnh vào dải tần số dưới 1 GHz.
+ Tạp âm trái ñất: Mặt ñất có tác dụng phản xạ sóng ñiện từ ñối với các
búp sóng phụ của anten, các búp sóng phụ này gây ra tạp âm ảnh hưởng trực
tiếp từ mặt ñất và tạp âm khí quyển phản xạ từ mặt ñất. Mặt ñất còn gây ra
nhiệt tạp âm cho Anten.
+ Tạp âm mặt trời: Tạp âm sinh ra khi mặt trời hoạt ñộng mạnh. Thí dụ:

Nếu anten trạm mặt ñất ở vào vị trí nhìn thẳng vào của mặt trời thì có thể mất
liên lạc hoàn toàn vì mức tạp âm quá lớn.


9

+ Tạp âm do ảnh hưởng xuyên nhiễu từ các hệ thống khác tạo ra và các
tín hiệu là không mong muốn.
- Tạp âm riêng của anten: Tạo nên do các suy hao thuần trở của vật liệu
cấu hình anten, do chất lượng chế tạo và lắp ráp anten.
Ta gọi P
a
(w) là công suất tạp âm anten thu ñược ở ñộ rộng băng tần
B(Hz) thì nhiệt tạp âm anten là:
T
a
= P
a
/k.B (1-4)
k =1.38*10
-23
J/
0
(hằng số Boltzmans)

Hình 1.3. Sự phụ thuộc T
a
= f(θ)
T
a

phụ thuộc vào tất cả các nguyên nhân kể trên và là hàm số phụ thuộc
vào hướng của anten (θ,φ). Việc tính toán và biểu diễn T
a
bằng các phương
trình toán rất phức tạp. Thí dụ, với anten phân cực tròn thì ta có.
2
0
0
1
T( , ) ( , )sin
4
a
T G d d
π
π
θ ϕ θ ϕ θ θ ϕ
π
=
∫ ∫
(1-5)
Sự phụ thuộc của T
a
vào góc ngẩng ở băng C (3.7 - 4.2 GHz) thu ñược từ
thực nghiệm như trên hình 1.3.
Từ ñồ thị ta thấy, khi góc ngẩng càng thấp thì nhiệt tạp âm anten càng
lớn do khi ñó ñường truyền dài hơn và ảnh hưởng của tạp âm vũ trụ và trái ñất
sẽ lớn hơn. Ứng với góc ngẩng tốt nhất θ = 90
0
thì T
a

≈ 20
0
K.
60

40

20

T
0
90

60

30

Góc ngẩng

(ñộ)


10

1.2.2. Truyền sóng trong TTVT
Suy hao trong không gian tự do:
Môi trường truyền sóng mà trong ñó suy hao sóng ñiện từ chỉ do sự
khuếch tán tự nhiên của nó gọi là không gian tự do. Khi sóng vô tuyến ñiện
(VTð) truyền lan trong không gian tự do, tỷ số công suất phát trên công suất
thu tại ñiểm cách nơi phát một khoảng R (m) sẽ là:

2
4
( )
R
π
γ
λ
=
(1-6)

λ - bước sóng vô tuyến ñiện (m)
Trong TTVT vì hầu hết sự truyền lan sóng VTð trong không gian là
chân không nên suy hao truyền sóng có thể coi như bằng suy hao trong không
gian tự do. Tuy nhiên, vì ñường truyền sóng rất dài (36.768 km) nên theo (1-
6) suy hao gây ra rất lớn. Chính vì thế, hệ thống TTVT cần phải có máy phát
công suất lớn, máy thu ñộ nhạy cao và anten thu phát có hệ số lớn.
Cửa sổ tần số vô tuyến
Một phần ñường truyền sóng VTð từ trạm mặt ñất lên vệ tinh thông tin
và ngược lại phải chịu ảnh hưởng của tầng ñiện ly và khí quyển trái ñất nên
suy hao do truyền sóng sẽ tăng lên so với suy hao trong không gian tự do.
Tầng ñiện ly là lớp không khí lỏng do ion hóa bởi các tia vũ trụ, có ñộ
cao từ 50 - 400km so với trái ñất. Lớp mang ñiện này có tính chất hấp thụ và
phản xạ sóng ñiện từ. Do sự biến ñổi trạng thái của tầng ñiện ly nên giá trị
hấp thụ và phản xạ thay ñổi nên gây ra sự thăng giáng sóng ñiện từ ñi qua.
Tần số càng cao thì ảnh hưởng của tầng ñiện ly càng nhỏ và băng sóng vi ba
thì hầu như không bị ảnh hưởng. Vì thế, băng sóng vi ba thường ñược dùng
trong TTVT.
- Trong khí quyển, phải kể ñến ảnh hưởng của oxi, hơi nước và ñặc biệt
là mưa (ta sẽ xét thêm ở mục sau). Ở dải tần thấp hơn 30 GHz thì có thể bỏ

11

qua ảnh hưởng kể trên và miền tần số ñó ñược sử dụng trong TTVT. ðồ thị
hình 1.4 chỉ ra tính chất suy hao của sóng VTð do ảnh hưởng của tầng ñiện
ly, tầng ñối lưu, khí quyển và mưa khi tần số thay ñổi.

Hình 1.4. Cửa sổ vô tuyến.
Từ ñồ thị, ta thấy trong khoảng tần số 1-10GHz suy hao kết hợp của tầng
ñiện ly, tầng ñối lưu, khí quyển và mưa là không ñáng kể. Băng tần số ñó
ñược gọi là “ Cửa sổ tần số vô tuyến”. Trong TTVT, khi sử dụng băng tần này
thì suy hao truyền sóng VTð gần như bằng suy hao trong không gian tự do.
Tuy nhiên, ngày nay do sự gia tăng nhiều ñường TTVT cũng như ñường
thông tin vi ba trên mặt ñất nên “ Cửa sổ tần số vô tuyến” trở nên chật chội và
sóng VTð từ vệ tinh về có thể gây nhiễu tới các ñường thông tin mặt ñất và
ngược lại. Vì thế, ñể tăng dung lượng thông tin cũng như tránh can nhiễu,
người ta sử dụng các băng tần cao hơn “ Cửa sổ tần số vô tuyến”. Như băng
Ku và Ka trong TTVT mặc dù lúc ñó suy hao mưa tăng ñáng kể. ðể bù trừ
suy hao mưa người ta tính dự trữ năng lượng ñường truyền TTVT khi lựa
chọn vệ tinh thông tin và các trạm mặt ñất.
0.2 0.5 1 2 5 10 20 30
Tần số (GHz)

Hệ số suy
hao(dB/Km
)

20

10

5

2

1

0.5

0.2

0.1
(b)

(c)

(d)

(a)

Cửa sổ vô tuyến


12

Ảnh hưởng của mưa
Khi truyền qua vùng mưa, sóng ñiện từ bị hấp thụ năng lượng và bị biến
dạng phân cực. Ngoài ra mưa còn làm tăng nhiệt tạp âm ñường truyền nên
chất lượng và ñộ tin cậy ñường truyền sóng TTVT bị giảm. Ảnh hưởng của

mưa khác nhau tùy thuộc vào vị trí ñặt trạm mặt ñất, góc ngẩng anten, tần số
công tác và chiều dài ñường truyền sóng bị mưa.
- Suy hao mưa: Sóng ñiện từ bị hấp thụ khi truyền qua vùng mưa, phần
năng lượng bị hấp thụ ñó gọi là suy hao do mưa. Suy hao mưa ñược tính theo
ñơn vị chiều dài bị mưa của ñường truyền sóng gọi là hệ số suy hao mưa và
biểu diễn như sau:

rrrr
daaQa ).().(.10.343.4
0
3
λπγ
∫
∞
=
(dB/Km) (1-7)
Trong ñó:

)(
r
a
π
- Số hạt mưa có bán kính a
r
trong một ñơn vị thể tích

).(
λ
r
aQ

-
Tiết diện triệt tiêu sóng của hạt mưa ñối với tín
hiệu có bước sóng
λ
.
Tiết diện triệt tiêu sóng của từng hạt mưa là tổng của tiết diện phân tán
và tiết diện hấp thụ, ñược tính có kể ñến hằng số ñiện môi phức tạp của nước.
Mối liên hệ giữa tốc ñộ mưa R và các hạt mưa biểu diễn như sau:
R=
rrwrr
daaPaa )(.)
3
4
).((
3
0
γ
π
π
∫
∞
(mm/h) (1-8)
Trong ñó:
w
P
- Mật ñộ nước

)(
r
a

γ
- Tốc ñộ các hạt mưa có bán kính ño tại thời ñiểm
rơi trên mặt ñất.
Các phương trình (1-7), (1-8) cho thấy liên hệ giữa hệ số suy hao mưa và
tốc ñộ mưa với sự phân chia kích thước hạt mưa. Từ ñó có thể suy ra mối liên
hệ giữa hệ số suy hao mưa với tốc ñộ mưa. Tốc ñộ mưa càng lớn thì suy hao
càng lớn, tuy nhiên quan hệ ñó không phải là tuyến tính.


13

Ta cũng thấy rằng, suy hao mưa phụ thuộc vào chiều dài bị mưa của
ñường truyền L
s
, L
s
càng dài thì suy hao mưa càng lớn và nói chung L
s
là một
hàm số phụ thuộc vào ñộ cao vùng mưa h, ñộ cao nơi ñặt trạm mặt ñất so với
mặt biển h
s
, góc ngẩng anten
θ
và tần số công tác f.
L
s
= f (h
r
, h

s
,
θ
, f)

Hình 1.5. Sự tăng tạp âm do mưa

-Tạp âm mưa: Tạp âm mưa sinh ra do bức xạ siêu cao của hạt mưa và
bản thân nhiệt ñộ của mưa. Nhiệt tạp âm tính theo suy hao mưa như sau :
( )
(
)
1 /10
1 10
r
T
M m
T T
α
− −
= −
(1-9)
T
m
: Nhiệt ñộ trung bình hạt mưa trên toàn tuyến truyền sóng và tính gần
ñúng theo:
T
m
=
2

273
0
T
+
(
0
K)
Trong ñó:
T
0
- Nhiệt ñộ bề mặt trái ñất (
0
K).
T
r
– Tổng suy hao mưa (dB).
0
K


300

250

200

150

100

50

0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13


Suy hao do mưa (dB)