TIỂU LUẬN THÔNG TIN VỆ TINH TÌM HIỂU HIỆU ỨNG DOPPLER TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
BÁO CÁO
THÔNG TIN VỆ TINH
Đề tài:
TÌM HIỂU HIỆU ỨNG
DOPPLER TRONG THÔNG TIN VỆ TINH
Giảng viên hướng dẫn: Vũ Văn Yêm
Sinh viên thực hiên: Trần Ngọc Tân


1
MỤC LỤC:
1. Giới thiệu đề tài 3
2. Sự phát triển của vệ tinh phi địa tĩnh trên thế giới 5
2.1. Sự phát triển của vệ tinh phi địa tĩnh trên thế giới 5
2.2. Các nghiệp vụ vô tuyến được sử dụng trong vệ tinh
phi địa tĩnh 6
3. Hiệu ứng Doppler 7
3.1. Định nghĩa 7
3.2. Hiệu ứng Doppler trong thông tin vệ tinh 8
3.3. Hiệu ứng Doppler đối với vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh 10
3.3.1. Quỹ đạo của vệ tinh phi địa tĩnh 11
3.3.2. Hiệu ứng Doppler đối với vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh 13
3.3.3. Ứng dụng của hiệu ứng Doppler trong việc định vị thiết bị đầu
cuối E 15
3.4. Đo lường hiệu ứng Doppler 16
4. Kết luận 18
5. Tài liệu tham khảo 19
2
1. Giới thiệu đề tài

Thông tin vệ tinh đã trở thành một phương tiện thông tin rất phổ
biến và đa dạng. Nó thể hiện từ các chảo anten truyền hình gia đình
cho đến các hệ thống thông tin toàn cầu truyền các khối lượng số liệu
và lưu lượng thoại lớn cùng với các chương trình truyền hình.
Vì một vệ tinh có thể phủ sóng cho một vùng rộng lớn đến trái
đất, nên một bộ phát đáp trên vệ tinh có thể cho phép nối mạng nhiều
trạm mặt đất từ các vùng địa lý cách xa nhau trên trái đất. Các vệ tinh
đảm bao đường truyền thông tin cho các vùng dân cư xa xôi hẻo lánh
khi mà các phương tiện thông tin khác khó đạt đến.
Figure: Hệ thống vệ tinh GPS, một trong những hệ thống có ứng
dụng lớn nhất hiện nay
3
Trong đề tài “Tìm hiểu hiệu ứng Doppler trong hệ thống thông tin
vệ tinh”, chúng ta sẽ tìm hiểu sơ qua về sự phát triển của vệ tinh phi
địa tĩnh, hiệu ứng Doppler cũng như ảnh hưởng của nó đối với vệ tinh
phi địa tinh. Cuối cùng đề cập đến ứng dụng của hiệu ứng Doppler
trong việc xác định tọa độ của thiết bị đầu cuối trên Trái đất sử dụng 2
vệ tinh phi địa tĩnh và phương pháp đo tần số Doppler.
4
2. Sự phát triển của vệ tinh phi địa tĩnh trên
thế giới
Hệ thống thông tin vệ tinh có 2 cấu hình quỹ đạo trái đất chung
là:
- Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh – Geostationary Satellite Orbit (GSO)
- Vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh – Non-Geostationary Satellite Orbits (non-
GSO)
2.1. Đặc điểm của vệ tinh phi địa tĩnh
Trước hết, vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có quỹ đạo tròn ngay phía
trên quỹ đạo Trái đất (vĩ độ 0). Vệ tinh sẽ quay xung quanh Trái đất
với cùng một vận tốc góc giống như sự tự quay của Trái đất. Như vậy

đối với 1 người đang đứng trên Trái đất, thì các vệ tinh địa tĩnh có thể
coi là cố định so với họ. Độ cao của các vệ tinh này so với mực nước
biển là 35786 km.
Có rất nhiều vệ tinh phi địa tĩnh hoạt động trong 3 thập kỷ qua với
những nghiệp vụ và chức năng đặc biệt như quan sát thời tiết, thám
hiểm trái đất từ xa, định vị vô tuyến, thông tin, giám sát … Một trong
nhưng đặc điểm của các vệ tinh này là có khả năng quan sát bề mặt
trái đất một cách định kỳ từ một vệ tinh đơn. Nếu yêu cầu quan sát
trái đất một các đồng thời thì một số vệ tinh có thể tìm thấy phụ thuộc
vào độ cao quỹ đạo của chúng.
Vì vậy, tùy thuộc vào độ cao so với mực nước biển của quỹ đạo,
vệ tinh phi địa tĩnh được phân loại:
5
+ Quỹ đạo vệ tinh tầm thấp (low-Earth orbit - LEO) như một số
hệ
thống vệ tinh thời tiết.
+ Quỹ đạo vệ tinh tầm trung (medium-Earth orbit - MEO).
+ Quỹ đạo vệ tinh tầm cao (high-Earth orbit - HEO) như các vệ
tinh dẫn đường GPS và GLONASS.
2.2. Các nghiệp vụ vô tuyến được sử dụng cho vệ tinh phi địa tĩnh
Bất kì nghiệp vụ vô tuyến nào sử dụng vệ tinh địa tĩnh cũng có thể
sử dụng vệ tinh phi địa tĩnh.
Các nghiệp vụ vô tuyến qua vệ tinh thông dụng như nghiệp vụ cố
định qua vệ tinh (FSS – Fixed Satellite Service), nghiệp vụ quảng bá
qua vệ tinh (BSS – Broadcasting Satellite Service) và nghiệp vụ di
động qua vệ tinh (Mobile Satellite Service) đều có thể sử dụng vệ tinh
phi địa tĩnh. Ở các nghiệp vụ này, khi sử dụng quỹ đạo phi địa tĩnh
được quy định kí hiệu như NGSO FSS, NGSO BSS, NGSO MSS. Điển
hình các hệ thống vệ tinh sử dụng quỹ đạo phi địa tĩnh trong các
nghiệp vụ trên có các hệ thống SkyBridge, Global Star, ICO … với vùng

phủ toàn cầu.
Nghiệp vụ vô tuyến dẫn đường, định vị qua vệ tinh: hiện này các
nghiệp vụ này đều sử dụng các hệ thống vệ tinh phi địa tĩnh. Điển hình
cho các hệ thống này bao gồm hệ thống GPS (Mỹ), GLONASS (Nga),
GALIEO (Châu Âu).
Nghiệp vụ thăm dò trái đất qua vệ tinh (Earth Exporation Satellite
Service – EESS), nghiệp vụ này chủ yếu sử dụng các hệ thống vệ tinh
quỹ đạo tầm thấp (LEO).
3. Hiệu ứng Doppler
3.1. Định nghĩa
6
Hiệu ứng Doppler được phát biểu, nếu nguồn sáng (quang học hay
âm thanh) và điểm đo cùng chuyển động hoặc một trong 2 đối tượng
đó đứng yên, thì tần số của sóng thu được tại điểm đo khác với tần số
của nguồn sáng. Khi 2 đối tượng trên gần nhau thì tần số sóng thu
được sẽ tăng lên và khi chúng xa nhau thì tần số này sẽ giảm đi. Hiệu
của 2 tần số phát và thu gọi là tần số Doppler:
F
D
= f
T
- f
R
Tần số Doppler được minh họa như Figure 3.a.
Figure 3.a: Minh họa hiệu ứng Doppler
Do nguồn sóng vượt qua trong thời gian 1 chu kì T, nên
d = v.T = v/f ) (1)
và độ dài bước sóng:
λ
’

= λ –d = λ – v/f) (2)
Nếu như vận tốc của âm thanh là g thì tần số thu được tại điểm đo
f
R
sẽ là:
f
R
= f
T
(1 (v/g)) ) (3)
3.2. Hiệu ứng Doppler trong thông tin vệ tinh
Tương tự hiệu ứng Doppler với sóng quang và sóng âm thanh, tần
số Doppler với nguồn S là sóng điện từ (vệ tinh) và trạm mặt đất được
xác định:
F
D
= f
T
(v
W
/c) (4)
Trong đó:
v
W
: vận tốc chuyển động tương đối của vệ tinh và trái đất.
7
f
T
: tần số máy phát.
c: tốc độ ánh sáng.

Trong truyền thông giữa trạm mặt đất và vệ tinh, ta có điểm đo
bất động (trạm mặt đất), vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo quanh trái
đất được minh họa như hình 3.b.
Vận tốc hướng tâm của vệ tinh được xác định:
V
R
= v
W
. cos (5)
Các giá trị vận tốc trong (5) được mô tả như hình 3.b. Với giả thiết
hệ số chiết suất của sóng điện từ trong không trung bằng 1:
F
D
= f
R
– f
T
= f
T
(v
R
/c) = f
T
(/c) (6)
Trong đó:
v
R
: Vận tốc góc tương đối hướng tâm của vệ tinh
= dD/dt: đạo hàm của khoảng cách S-P
fR,f

T
: tần số phát của vệ tinh và tần số thu được tại điểm P
Figure 3.b: Các vận tốc của vệ tinh
Đây chính là nguyên lý cơ bản của phép đo tần số Doppler của
các hệ thống dẫn đường vệ tinh.
8
Figure 3.c: Tần số thu khi điểm đo P bất động
Hệ thống thông tin vệ tinh có 2 cấu hình quỹ đạo trái đất chung
là:
+ Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh – Geostationary Satellite Orbit (GSO)
+ Vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh – Non-Geostationary Satellite Orbits
(non-GSO)
Dựa vào công thức 6, ta có thể đánh giá:
+ Với vệ tinh địa tĩnh có v = 0 nên F
D
= 0.
+ Với vệ tinh phi địa tĩnh v khác 0 nên F
D
khác 0.
3.3. Hiệu ứng Doppler đối với vệ tinh quỹ đạo phi địa tĩnh (non-GSO
satellite Orbit)
Một trong các vấn đề gặp phải trong việc truyền thông tin giữa vệ
tinh và trạm mặt đất là ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler. Do vệ tinh
chuyển động tương đối với trái đất, nên sẽ có thành phần vận tốc
hướng tâm. Đặc biệt là với các vệ tinh có quỹ đạo khác quỹ đạo tròn
như quỹ đạo eclip.
9
Figure 3.d: Tần số thu khi điểm đo P bất động
3.3.1. Quỹ đạo của vệ tinh phi địa tĩnh
Quỹ đạo và vận tốc góc của vệ tinh phi địa tĩnh S được xác định

như công thức 7
r
S,O
= R
E
+ H
E
= r
S

S,O
=
S
.t +
O

Trong đó:
R
E
là bán kinh trái đất = 6378.144 km
H
S
là độ cao của vệ tinh so với bề mặt trái đất
S
là vận tốc góc của vệ tinh
O
là pha ban đầu của vệ tinh
10
Figure 3.e: Biểu diễn các xác định quỹ đạo của 1 vệ tinh trên mặt
phẳng quỹ đạo

Theo hình vẽ trên, hình chữ nhật màu đỏ biểu thị mặt phẳng quỹ
đạo của vệ tinh, với hệ trục x
O
y
O
z
O
. Trục x
O
được xác định bằng cách
nối từ tâm O của trái đất đến điểm giao của quỹ đạo vệ tinh với mặt
phẳng xích đạo (biểu thị bằng hình chữ nhật màu xanh). Trong mặc
phẳng xích đạo, ta cũng có hệ trục x
E
y
E
z
E
. Trục x
E
trùng với x
O
.
Khi quay mặt phẳng quỹ đạo đi 1 góc i (từ trục y
O
xuống y
E
) như
hình vẽ trên, thì mặt phẳng quỹ đạo sẽ trùng với mặt phẳng xích đạo.
Ngoài ra ta thấy trong mặt phẳng “geocentric equatorial plane

vernal point coordinate system” (EV), thì trục x
E
lệch 1 góc RAAN với
trục x
EV
.
Như vậu trong hệ tọa độ EV, thì tọa độ và vận tốc của vệ tinh
được xác định như sau:
r
S,EV
= r
S,O
= r
S
S,EV
= arcsin[sin i . sin(
S,O
)]
λ
S,E
= arctan[cos I .tan(
S,O
)] + RAAN
Để xác định các ảnh hưởng lên vệ tinh phi địa tĩnh, việc cần thiết
là chuyển đổi quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống tọa độ quay đồng bộ
với trái đất ER như hình 3.e.
Khi đo ta có các công thức sau:
R
S,ER
=rs

S,ER
= arcsin[sin i . sin(
S,O
)]
λ
S,ER
= arctan[cos I .tan(
S,O
)] + RAAN
– RAGM –
E
.t + k
Chiếu lên hệ trục tọa độ (hình 3.e) ta có tọa độ của vệ tinh:
x
S,ER
= r
s
.cos (
S,O
).cos (
E
.t - RAAN + RAGM) + r
S
.cos i.
sin(
S,O
). sin (
E
.t - RAAN + RAGM)
y

S,ER
= - r
s
.cos (
S,O
).sin (
E
.t - RAAN + RAGM) + r
S
.cos i. sin(
S,O
). cos
(
E
.t - RAAN + RAGM)
z
S,ER
= r
S
. sin i . sin(
S,O
)
11
Trong đó:
E
là tốc độ góc của trái đất
3.3.2. Hiệu ứng Doppler với vệ tinh phi địa tĩnh
Khi chuyển động vỡi quỹ đạo quanh trái đất, vệ tinh luôn có 1 vận
tốc hướng tâm.
Dựa vào công thức 6, ta có thể xác định được tần số Doppler dựa

vào tần số đo được ở trạm trái đất và vận tốc tương đối của vệ tinh v
R
.
Xét 1 thiết bị đầu cuối(giả sử trạm mặt đât) E nằm trên bề mặt
trái đất với tọa độ x
E,ER
, y
E,ER
, z
E,ER
, khoảng cách giữa vệ tinh và E được
tính bởi công thức:
D = [(x
S,ER
– x
E,ER
)
2
+ (y
S,ER
– y
E,ER
)
2
+ (z
S,ER
– z
E,ER
)
2

]
0.5
= (r
E
2
+ r
S
2
- 2. r
E
. r
S
.cos )
0.5
= r
E
2
+ r
S
2
- 2. r
E
. r
S
.cos(λ
S,E
) . cos(
S,E
) – 2. r
E

.
r
S
. sin(
S,E
). sin(
E,ER
). [1-cos(λ
S,E
)]
Trong đó:
x
E,ER
, y
E,ER
, z
E,ER
là tọa độ của thiết bị đầu cuối trái đất.
là góc giữa thiết bị đầu cuối E và vệ tinh S.
Sau khi tính toán được D, ta có thể tính được vận tốc tương đối
của vệ tinh S với thiết bị đầu cuối E:
(7)
12
Kết hợp với công thức 6, ta tính toán được hiệu ứng Doppler khi
truyền thông tin giữa vệ tinh phi địa tĩnh và thiết bị đầu cuối E.
3.3.3. Ứng dụng của hiệu ứng Doppler trong việc định vị
thiết bị đầu cuối E
Sử dụng mối quan hê trong tam giác EOS ta có thể xác định được
vị trí của các thiết bị đầu cuối sử dụng vệ tinh phi địa tĩnh.
Figure 3.f: Biểu diễn hình học trạm trái đất và vệ tinh

Đầu tiên, giả sử vệ tinh gửi 1 tín hiệu tới có tần số f
T
để thiết bị
đầu cuối E. Tại thiết bị đầu cuối, tần số đo được là f
R
. Như vậy tần số
đã dịch đi 1 khoảng gọi là tần số Doppler (công thức 6)
F
D
= f
R
– f
T
= f
T
(v
R
/c)
Với v
R
là vận tốc tương đối của vệ tinh so với thiết bị E.
13
Kết hợp với công thức 7 ta có thể xác định được góc giữa vệ tinh
và thiết bị E. Nếu sử dụng 2 vệ tinh, với vị trí của vệ tinh tại thời điểm
đo xác định ta có thể xác định được vị trí của thiết bị E.
Đánh giá vệ hệ thống định vị ứng dụng hiệu ứng Doppler:
Ưu điểm của phương pháp định vị dùng hiệu ứng Doppler trong
xác định vị trí so với sử dụng hệ thống định vị thông thường là việc sử
dụng các vệ tinh phi địa tĩnh, với các khoản đầu tư nhỏ. Yêu cầu chỉ
cần 2 vệ tinh nằm trong đường chân trời để xác định vị trí so với 4 vệ

tinh địa tĩnh, giảm số lượng cần thiết của các vệ tinh trong chòm sao
vệ tinh. Trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác qua cao như
hàng hải có thể được sử dụng. Các hệ thống đồng bộ giữa đồng hồ vệ
tinh và đồng hồ trái đất là không cần thiết, như vậy giảm độ phức tạp
của hệ thống.
Nhược điểm của phương pháp này là độ chính xác nhỏ hơn trong
việc xác đình vị trí, và thời gian cần thiết để xác định cũng lâu hơn.
Hiệu ứng Doppler được trình bày ở đây, với các thay đổi nhỏ tùy
thuộc vào mức độ thực hiên, có thể được ứng dụng nhiều trong việc
định vị, tìm kiếm cứu nạn, hay ứng dụng với đối tượng có vận tốc lớn
như máy bay …
3.4. Đo lường tần số Doppler
Tần số thu được f
R
được tính toán bằng cách so sánh với tần số
chuẩn f
0
= f
T
, tạo ra bởi máy thu như trong sơ đồ 3.d:
14
Figure 3.d: Nguyên lý thu tích phân Doppler trog các hệ thống dẫn
đường vệ tinh
Trên thực tế, sự chênh lệch giữa tần số phát và thu rất nhỏ, nên
tần số Doppler có thể đo được bằng phương pháp đếm xung trong một
khoảng thời gian (t
1
, t
2
):

(7)
Thiết bị đo tần số Doppler trong khoảng thời gian đo khác nhau
(t
1
, t
2
) là mạch đếm số chu kì N.
15
4. Kết luận
Như vậy, trong đề tài này, em đã:
- Tìm hiểu về sự phát triển của vệ tinh phi địa tĩnh.
- Hiệu ứng Doppler cũng như ảnh hưởng của nó đối với vệ tinh phi
địa tĩnh. Tính toàn các công thức về vị trí của thiết bị đầu cuối và
giá trị tần số Doppler khi truyền thông giữa vệ tinh và thiết bị
đầu cuối trên Trái đất.
- Tìm hiểu ứng dụng của hiệu ứng Doppler trong việc xác định tọa
độ của thiết bị đầu cuối trên Trái đất sử dụng 2 vệ tinh phi địa
tĩnh và phương pháp đo tần số Doppler.
16
5. Tài liệu tham khảo:
1, Zeljko Tabakovic, “Doppler effect in non-GSO satellite propagation”
2, G. Maral, M.Bousquet, “Satellite communications systems” , John
Wiley and sons, 1998
17