Tiểu luận thông tin vệ tinh Tính toán vùng phủ sóng của vệ tinh

Mục lục
1
NỘI DUNG
I. Tổng quan
Vùng phủ sóng của vệ tinh được định nghĩa là phần hình nón có vệ tinh là
đỉnh, các mặt của hình nón tiếp xúc với bề mặt của trái đất.
Vùng phủ sóng của vệ tinh bao phủ một diện tích rộng lớn trên bề mặt trái
đất. Phần không gian trên bề mặt trái đất được bao phủ bởi vùng phủ sóng được
gọi là footprint.

Hình 1. Vùng phủ sóng của vệ tinh
Trong một bài viết của mình vào năm 1945, Clark đã tiên đoán rằng: sẽ có
thể phủ sóng khắp bề mặt trái đất mà chỉ cần dùng có 3 vệ tinh, với điều kiện nó
được đặt vào vị trí chính xác trên quỹ đạo địa tĩnh của nó. Hình sau thể hiện
điều đó
2
Hình 2. Phủ sóng khắp bề mặt trái đất với 3 vệ tinh
Vùng phủ sóng của vệ tinh là một thông số hết sức quan trọng trong việc
thiết kế vệ tinh quan sát mặt đất. Do đó, việc tính toán vùng phủ sóng của vệ
tinh là yêu cầu cấp thiết cần phải thực hiện.
3
II. Tính toán vùng phủ sóng của vệ tinh
Xét một vệ tinh có vùng phủ sóng như hình vẽ, ta sẽ tính bề rộng vùng phủ
sóng của vệ tinh này:

Gọi α là góc nhìn từ vệ tinh tới trạm đầu cuối trên mặt đất, khi đo góc ở đỉnh
của hình nón là 2α. Từ hình vẽ ta có được:
sin α = =
r
e
= 6,378km là bán kính trái đất

r
sat
= h
0
+ r
e
là khoảng cách từ tâm trái đất tới vệ tinh.
ở quỹ đạo địa tĩnh h
0
= 35,784 km, ta được r = 42,162 km
khi đó, α = 17,33
o
.
Điều đó có nghĩa rằng, vùng phủ sóng của anten vệ tinh phải có beamwidth
θ
BW
tối thiểu bằng 17,33
o
.
Ta có mối quan hệ giữa các đại lượng:
θ + α + β = 90
0
4
scosθ = r
sat
sinβ
s.sinα = r
e
sinβ
Các phương trình xác định các góc:

Mối liên hệ giữa các góc với nhau:
Từ đó ta được :
5
Bề rộng của đường cắt được xác định bởi:
w = 2π (1- cosβ)
Bán kính vùng phủ sóng được xác định bằng công thức:
A
cov
= 2π (1- cosβ)
III. Mối quan hệ giữa vùng phủ sóng và quỹ đạo vệ tinh
III.1. Các loại quỹ đạo vệ tinh
Hình 3.1 Các dạng quỹ đạo vệ tinh
Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà mỗi vệ tinh có quỹ đạo và tầm cao khác
nhau. Có 4 dạng quỹ đạo vệ tinh được sử dụng trong thực tế là:
- GEO (Geostrationary Earth Orbit): Quỹ đạo địa tĩnh, quỹ đạo này có tầm
cao 36000 km so với bề mặt trái đất
- LEO (Low Earth Orbit): Quỹ đạo tầm thấp, có tầm cao là 500 – 1500km so
với bề mặt trái đất
6
- MEO (Medium Earth Orbit): Quỹ đạo tầm trung, có tầm cao là 6000 –
20000km so với bề mặt trái đất
- HEO (Highly Elliptical Orbit) : Quỹ đạo tầm cao. Quỹ đạo này có hình elip
III.2. Mối quan hệ giữa vùng phủ sóng và quỹ đạo vệ tinh
Theo phần 2, ta đã tính được vùng phủ sóng của vệ tinh được xác định bởi
công thức : A = 2π (1- cosβ). Ta thấy rằng, vùng phủ sóng của vệ tinh phụ
thuộc vào góc β.
Ta có :
Mà sinα =
Do đó, vùng phủ sóng của vệ tinh chỉ phụ thuộc vào r
sat

.
Ví dụ: Với quỹ đạo địa tĩnh, có r
sat
= r
e
+ 36000 = 42400km
Sinα = 0,15
 β = 1,3
o
 A = 1,88.10
8
km
Vậy, với quỹ đạo có tầm cao càng lớn thì vùng phủ sóng của vệ tinh sẽ càng
lớn. Tùy thuộc vào mục đích hoạt động mà cần đưa vệ tinh lên quỹ đạo phù
hợp.
IV. Footprint
1. Định nghĩa
Footprint của một vệ tinh viễn thông là khu vực đất mà bộ thu phát của nó
phủ sóng. Có một bản đồ footprint riêng cho mỗi bộ thu phát (hoặc một nhóm
bộ thu phát).
Năng lượng của truyền hình vệ tinh là mạnh nhất ở trung tâm của footprint,
và giảm đi khi xa trung tâm.
2. Hình ảnh của footprint trong thực tế.
7
V. Chùm vệ tinh
Chùm vệ tinh là một nhóm các vệ tinh tương tự làm việc với nhau trong
quan hệ đối tác để cung cấp một mạng lưới dịch vụ hữu ích. Chùm của vệ tinh
trong hệ thống LEO được thiết kế để hoạt động như một mạng chủ yếu để đạt
vùng phủ sóng tốt nhất và lớn nhất. Trong chùm vệ tinh, mỗi vệ tinh trong một
mặt phẳng quỹ đạo của nó duy trì vị trí và tương tác tới các vệ tinh khác. Mỗi

vệ tinh trong một LEO có thể xem như một nút chuyển mạch và được kết nối
với vệ tinh gần đó bằng cách liên kết intersatellite. Mỗi nút vệ tinh thực hiện tín
hiệu và kiểm soát các chức năng mà thiết lập và giải phóng kết nối tương tự như
mạng chuyển mạch công cộng (PSTN = ISDN) và giao thức SS7 cho mỗi tế bào
di động.
8
Hình 4.1 Chùm vệ tinh
Ví dụ điển hình của Chùm vệ tinh là mạng lưới vệ tinh quốc phòng được gọi
là FLTSATCOM (Fleet satellite communications system) và SBIRS (Space-
based infrared system) và Iridium and Teledesic network , cung cấp dịch vụ
paging cho điện thoại di động trên toàn cầu.
FLTSATCOM cung cấp thông tin liên lạc trên toàn thế giới cho Hải quân
Hoa Kỳ và các đơn vị không quân , ngoại trừ các vùng cực. FLTSATCOM nay
bao gồm bốn vệ tinh . Mỗi vệ tinh được đưa vào xích đạo gần địa tĩnh quỹ đạo
và vị trí ở kinh độ 100
o
W , 23
o
W , 71.5
o
E , và 172
o
E. Mỗi vệ tinh nằm trong
vùng phủ sóng của các vệ tinh lân cận, do đó tránh được bất kỳ khoảng không
không liên tục. Vùng phủ sóng là giữa vĩ độ 70
o
N Và 70
o
S. Hạm đội tạo phát
sóng và tàu hải quân chính của hệ thống trao đổi thông tin liên lạc. Nó cũng

cung cấp thông tin liên lạc quan trọng cho các nước đồng minh trên toàn thế
giới .
SBIRS được đề xuất là biên giới tiếp theo của phòng thủ tên lửa Mỹ hệ
thống : một loại lá chắn tên lửa. SBIRS bao gồm một mạng lưới các vệ tinh :
LEO , HEO , và GEO (xem hình 2.7 ) . Về lý thuyết, GEO có vệ tinh tiên phong
cung cấp các cảnh báo đầu tiên của tên lửa xuất hiện trên xích đạo và vệ tinh
HEO bao gồm Bắc Cực. Các thông tin nhận được sau đó được thông qua
chương trình hỗ trợ quốc phòng chuyên dụng (DSP) vệ tinh để về thiết bị đầu
cuối mặt đất . Các vệ tinh DSP được lập trình để tìm kiếm tên hoặc pháo sáng
9
đôi đặc biệt mà đánh dấu sự bùng nổ của vũ khí hạt nhân . Các chi tiết của các
quỹ đạo tên lửa sau đó được chuyển cho một mạng lưới các LEO , nó sẽ theo
dõi các đầu đạn tên lửa sau khi tách rời khỏi bệ phóng và hành trình trong
không gian. các spacebased sau đó hệ thống laser được kích hoạt để theo dõi tên
lửa đến.
Mạng Iridium , triển khai trong năm 1998, bao gồm 66 vệ tinh trong 6 quỹ
đạo máy bay. Mỗi vệ tinh có 48 spot beam. Thuật toán chuyển đổi của mạng
lưới vệ tinh cho phép một số các spot được tắt nhưng vẫn duy trì một tỷ lệ khá
lớn của các chùm tia tại bất kỳ thời điểm nào. Mỗi vệ tinh được kết nối với bốn
vệ tinh lân cận , và các liên kết intersatellite hoạt động trong băng tần 23,18 đến
23,38 GHz . Thông tin liên lạc giữa các mạng vệ tinh và mạng lưới trên mặt đất
được qua trạm gateways. Đường lên và đường xuống có dải tần số tới cổng là
29,1-29,3 GHz và 19,2-19,6 GHz.
Mạng Teledesic cho 288 vệ tinh được triển khai trong một số quỹ đạo cực.
Mỗi vệ tinh được kết nối với nhau đến tám vệ tinh liền kề để cung cấp khả năng
chịu lỗi và khả năng thích ứng với tình trạng tắc nghẽn. Trong mạng này, trái
đất được chia thành khoảng 20.000 vùng '' supercells '', dài mỗi 160 km và bao
gồm 9 ô vuông . Chùm ngoài của mỗi vệ tinh được nâng lên đến 64 supercells;
vùng phủ sóng của supercell thực tế phụ thuộc vào vị trí quỹ đạo vệ tinh và
khoảng cách tương đối của nó với các vệ tinh khác . Mỗi tế bào trong supercell

được phân bổ một khe thời gian, và mỗi vệ tinh tập trung vào các tế bào trong
các supercell vào thời gian quy định. Khi chùm là hướng vào một tế bào, mỗi
thiết bị đầu cuối trong các tế bào truyền trên đường lên, sử dụng một hoặc nhiều
kênh tần số đã được gán cho nó. Trong khoảng thời gian này, các vệ tinh truyền
một chuỗi các gói thiết bị đầu cuối trong các tế bào. Các thiết bị đầu cuối lần
lượt nhận được tất cả các gói và phân phối chúng đến địa phương.
VI. Vùng phủ sóng của một số vệ tinh trên thế giới.
Vùng phủ sóng của vinasat:
10
Vùng phủ sóng của 12 bộ phát đáp băng Ku
11
Vùng phủ sóng của 8 bộ phát đáp băng C
12
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Satellite communication Engineering _ Michael O. Kolawole
2. Improving the coverage of earth targets by maneuvering satellite
constellations _ Michel Santos, Ph.D, 2007
3. Satellite Orbits, Coverage, and Antenna Alignment _ Lab – Volt.
4. Earth coverage (“Footprint”) of a satellite-borne antena _ S.L.Zolnay
5. Coverage Characteristics of Earth Satellites
13