Báo cáo TÌM HIỂU HIỆU ỨNG DOPPLER TRONG THÔNG TIN VỆ TINH

TÌM HIỂU HIỆU ỨNG DOPPLER
TRONG THÔNG TIN VỆ TINH
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Văn Yêm
Sinh viên: Trần Ngọc Tân
Giới thiệu đề tài
Trong đề tài “Tìm hiểu hiệu ứng Doppler trong thông tin vệ
tinh”, chúng ta sẽ tìm hiểu:
-
Sự phát triển của vệ tinh phi địa tĩnh.
-
Hiệu ứng Doppler
-
Ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler với vệ tinh phi địa tĩnh.
-
Ứng dụng của Doppler trong việc xác định tọa độ của thiết
bị đầu cuối trên Trái Đất
Sự phát triển của vệ tinh phi địa tĩnh
Hệ thống vệ tinh trong thông tin có 2 cấu hình quỹ đạo
chung:
-
Quỹ đạo địa tĩnh – Geostationary Satellite Orbits (GSO)
-
Quỹ đaọ phi địa tĩnh – non-Geostationary Satellite Orbits
(non-GSO)
Đặc điểm của vệ tinh phi địa tĩnh
- Quỹ đạo tròn ngay phía trên quỹ đạo Trái Đất (vĩ độ 0).
-
Quay quanh Trái Đất với cùng vận tốc góc giống như sự tự
quay của Trái Đất.
-
Độ cao của vệ tinh so với mực nước biển khoảng 35786

km.
Sự phát triển của vệ tinh phi địa tĩnh
Có nhiều vệ tinh phi địa tĩnh hoạt động trong 3 thập kỉ qua,
với các nghiệp vụ như quan sát thời tiết, thám hiểm Trái Đất
từ xa, định vị vô tuyến, thông tin, giám sát, …
Một số nghiệp vụ vô tuyến qua vệ tinh thông dụng như:
-
FSS - Fixed Satellite Service
-
BSS – Broadcasting Satellite Service
-
MSS – Mobile Satellite Service
-
Vô tuyến dẫn đường, định vị (GPS, GLONASS, GALIEO, …)
-
Thăm dò Trái Đất qua vệ tinh (EESS – Earth Exporation
Satellite Service)
Hiệu ứng Doppler
Hiện tượng Doppler được phát biểu:
Nếu nguồn sáng(quang học hay âm thanh) và điểm đo cùng
chuyển động hoặc một trong hai đối tượng đứng yên, thì tần
số của sóng thu tai điểm đo khác với tần số nguồn sáng. Khi 2
đối tượng gần nhau thì tần số sóng thu được sẽ tăng lên và
khi chúng xa nhau thì tần số sẽ giảm đi.
Hiệu của 2 tần số phát và thu gọi là tần số Doppler:
FD = fT - fR
Với hiệu ứng Doppler trong âm thanh, ta có công thức
FD = fT (v/g)
Trong đó:
FD là tần số Doppler

fT là tần số phát
v là vận tốc của máy phát
g là vận tốc của âm thanh
Hiệu ứng Doppler trong thông tin
vệ tinh
Tương tự trong TTVT ta có công thức tính hiệu ứng Doppler:
FD = fT (vW/c) (1)
Trong đó:
- vW: vận tốc chuyển động tương đối của vệ tinh và điểm đo
trên Trái Đất
- fT: tần số máy phát
- c: tốc độ ánh sáng
>>> Với vệ tinh địa tĩnh có v = 0 nên FD = 0.
Với vệ tinh phi địa tĩnh v khác 0 nên FD khác 0.
Hiệu ứng Doppler đối với vệ tinh quỹ đạo phi
địa tĩnh
Biểu diễn quỹ đạo của vệ tinh trên mặt phẳng quỹ đạo:
Quỹ đạo và vận tốc góc của vệ tinh địa tĩnh S được xác định
như công thức (1):
rS,O = RE + HE = rS
S,O = S.t + O
Trong đó:
- RE là bán kinh trái đất = 6378.144 km
- HS 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
•

Tọa độ của vệ tinh xét trong hệ trục ER
RS,ER=rs

S,ER = arcsin[sin i . sin(S,O)]
Chiếu lên hệ trục tọa độ:
xS,ER = rs.cos (S,O).cos (E.t - RAAN + RAGM) + rS.cos i . sin(S,O). sin (E.t
- RAAN + RAGM)
yS,ER = - rs.cos (S,O).sin (E.t - RAAN + RAGM) + rS.cos i. sin(S,O). cos (E.t
- RAAN + RAGM)
zS,ER = rS. sin i . sin(S,O)
Trong đó:
- E là tốc độ góc của trái đất
•

Hiệu ứng Doppler với vệ tinh phi địa tĩnh
Thiết bị đầu cuối E trên bề mặt Trái Đất có tọa độ xE,ER, yE,ER,
zE,ER. Khi đó khoảng cách giữa S và E được tính như công thức:
D = rE2 + rS2 - 2. rE . rS .cos(λS,E) . cos(S,E) – 2. rE . rS .
sin(S,E). sin(E,ER). [1-cos(λS,E)]
Trong đó:
- xE,ER, yE,ER, zE,ER là tọa độ của thiết bị đầu cuối trái đất.
- là góc giữa thiết bị đầu cuối E và vệ tinh S.
•

Vân tốc tương đối của S so với E:
(2)
Kết hợp công thức 1, ta tính toán được hiệu ứng Doppler khi truyền
thông tin giữa vệ tinh phi địa tĩnh và thiết bị đầu cuối E
Ứng dụng của hiệu ứng Doppler trong định
vị thiết bị đầu cuối E
Sử dụng mối quan hệ 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

-
Vệ tinh S gửi 1 tín hiệu có tần số fT
-
Thiết bị đầu cuối S thu được tín hiệu có tần số fR
-
Như vậy tần số đã bị dịch đi 1 khoảng gọi là tần số
Doppler:
FD = fR – fT = fT(vR/c)
-
Kết hợp công thức 2 ta có thể xác định được góc giữa vệ
tinh và thiết bị E
-
Nếu sử dụng 2 vệ tinh, ta hoàn toàn có thể xác định được
vị trí của thiết bị E
Đánh giá hệ thống định vị sử dụng hiệu ứng Doppler:
Ưu điểm:
-
Khoản đầu tư nhỏ
-
Yêu cầu chỉ 2 vệ tinh so với 4 vệ tinh trong hệ thống thông
thường
-
Giảm mức độ phức tạp của hệ thống do không cần thiết bị
đồng bộ thời gian giữa vệ tinh và Trái Đất
Nhược điểm:
-
Độ chính xác nhỏ hơn
-
Thời gian cần thiết để định vị cũng lâu hơn
Đo lường tần số Doppler

Tần số thu được fR được tính toán bằng cách so sánh với tần
số chuẩn f0 = fT, tạo ra bởi máy thu
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 (t1, t2):

Thiết bị đo tần số Doppler trong khoảng thời gian đo khác
nhau (t1, t2) là mạch đếm số chu kì N.
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.
THANK YOU