Tính toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh Hà Nội Hoàng Sa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN
VỆ TINH HÀ NỘI – HOÀNG SA

Sinh viên thực hiện:

PHẠM THỊ LIÊN
Lớp 48K ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn:

ThS. CAO THÀNH NGHĨA

Nghệ An, 1/2012
1


MỤC LỤC
MỤC LỤC.........................................................................................................2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN..........................................................................................7
DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN...................................8
DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN.............................11
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN......................15

Chương 1.........................................................................................................17
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH.............................17
1.1. Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh...............................................17
1.2. Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh..............................................19
1.3. Hệ thống thông tin vệ tinh....................................................................20
Hình 1.1. Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh..........................................20
1.4. Các dạng quỹ đạo của thông tin vệ tinh...............................................22
Hình 1.2. Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh................................................22
1.5. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh.................................................24
1.5.1. Cửa sổ vô tuyến...........................................................................24
Hình 1.3. Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số....24
1.5.2. Phân định tần số............................................................................25
1.5.3. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh..........................................25
Bảng 1.1. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh...........................................26
1.6. Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh...................................26
1.6.1. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA.............27
Hình 1.4. Đa truy nhập phân chia theo tần số.................................................27
1.6.2. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA........28

2


Hình 1.5. Đa truy nhập phân chia theo thời gian.............................................28
1.6.3. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA .................30
Hình 1.6. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã........................................30
1.7. Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh......................................31
Hình 1.7. Suy hao trong thiết bị phát và thu....................................................34
1.7.2. Tạp âm trong thông tin vệ tinh .....................................................35
Hình 1.8. Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh..............................38
Hình 1.9. Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh................................39

Hình 1.10. Đặc tính vào ra của TWT..............................................................40
1.8. Vệ tinh VINASAT – 1..........................................................................42
1.9. Kết luận chương...................................................................................43
Chương 2.........................................................................................................45
HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH.............................................................45
2.1. Phần không gian...................................................................................45
Hình 2.1. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh.............................45
2.1.1. Phân hệ thông tin...........................................................................45
2.1.2. Bộ phát đáp....................................................................................47
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bộ phát đáp................................................................47
Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo máy thu.....................................................................48
Hình 2.4. Sơ đồ bộ phân kênh đầu vào............................................................49
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của các loại HPA.........................................51
2.1.3. Anten trên vệ tinh..........................................................................51
Hình 2.5. Anten loa hình chữ nhật..................................................................52
2.1.4. Phân hệ phụ trợ..............................................................................53
Hình 2.7. Các trục ổn định của vệ tinh............................................................54
3


2.2. Phần mặt đất.........................................................................................57
2.2.1. Cấu hình trạm mặt đất...................................................................57
Hình 2.8. Cấu hình của một trạm mặt đất.......................................................58
2.2.2. Công nghệ máy phát......................................................................59
Hình 2.9. Cấu hình bộ khuếch đại công suất cao............................................60
2.1.3. Công nghệ máy thu........................................................................60
Hình 2.10. Hệ số tạp âm..................................................................................61
Bảng 2.2. So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA)...............................63
2.2.4. Anten trạm mặt đất........................................................................63
Hình 2.11. Anten gương parabol.....................................................................64

2.2.5. Hệ thống anten bám vệ tinh...........................................................66
2.3. Kết luận chương...................................................................................69
Chương 3.........................................................................................................69
THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH.................................................69
3.1. Giới thiệu chung ..................................................................................69
3.2. Các tham số cần cho tính toán..............................................................70
3.2.1. Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị................71
Hình 3.2. Góc phương vị của vệ tinh..............................................................73
3.2.3. Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK)............................76
3.3. Bài toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh giữa Hà Nội – Hoàng Sa qua
vệ tinh Vinasat1...........................................................................................77
3.3.1. Tính toán các thông số tuyến lên (UpLink)...................................78
3.3.2. Tính toán tuyến xuống (DownLink).............................................81
3.3.2.1. Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng, góc phương vị..........81
3.3.2.2.Tính toán các thông số tuyến xuống trong điều kiện có mưa.81
4


3.4. Thiết kế chương trình hỗ trợ tính toán..................................................83
Hình 3.3. Giao diện chính...............................................................................85
Hình 3.5. Kết quả tính toán tuyến lên..............................................................86
Hình 3.7. Kết quả tính toán tuyến xuống điều kiện có mưa...........................87
Hình 3.8. Kết quả tính toán tuyến xuống trong điều kiện không có mưa......87
3.5. Kết luận chương...................................................................................87
KẾT LUẬN ĐỀ TÀI.......................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................90
PHỤ LỤC...........................................................................................................i
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những thập kỷ qua, cùng với sự phát triển của khoa học, công
nghệ ngành viễn thông đã có những phát triển vượt bậc, đáp ứng nhu cầu trao

đổi thông tin góp phần không nhỏ trong công cuộc xậy dựng và định hướng
phát triển của xã hội loài người.
Chúng ta sống trong kỷ nguyên của sự bùng nổ thông tin, việc trao đổi
thông tin diễn ra khắp mọi nơi trên thế giới với yêu cầu nhanh chóng và chính
xác. Đối với thông tin quốc tế, thông tin vệ tinh đã cung cấp những đường
thông tin dung lượng lớn khi tầm liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh và từ
đó xây dựng một tuyến liên lạc phù hợp. Đây là lĩnh vực đang còn mới với
nhiều ưu điểm và có tốc độ phát triển nhanh chóng nên em lựa chọn đề tài này
để nghiên cứu những vấn đề trên cũng như để trang bị thêm các kiến thức cho
bản thân. Được sự hướng dẫn của ThS. Cao Thành Nghĩa em chọn đề tài
“ Tính toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh Hà Nội – Hoàng Sa”
Với sự giúp đỡ tận tình của thầy, em đã cố gắng vận dụng các kiến thức
đã học để hoàn thành đồ án, nhưng vì thời gian hạn chế nên trong đồ án nên
trong đồ án này không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong được sự góp ý, chỉ
bảo của thầy cô và các bạn.
5


Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử viễn thông đã
giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và đặc biệt là sự hướng dẫn, chỉ bảo
của ThS. Cao Thành Nghĩa giúp em hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Vinh, tháng 1 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Phạm Thị Liên

6


TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Thông tin vệ tinh là một phương pháp truyền tín hiệu mà hiện nay được
sử dụng khá phổ biến.Và mục đích của đồ án là tìm hiểu về tuyến thông tin vệ
tinh và qua đó có thể đưa ra thiết kế một tuyến vệ tinh ở một khu vực nào đó.
Trong phần đầu tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh gồm ưu
nhược điểm, các phương pháp đa truy nhập, các dạng quỹ đạo, tần số sử dụng
trong thông tin vệ tinh. Phần tiếp theo tìm hiểu cấu trúc hệ thống thông tin vệ
tinh. Và phần cuối là thiết kế tuyến thông tin vệ tinh Hà Nội – Hoàng Sa qua
vệ tinh Vinasat1.
Satellite communication is a method of signaling that is now widely
used. The purpose of the scheme is studing about line satellite communication
and make it possible to design a sallite ina certain area. In the first part
understand overview of satellite communication

systems, including

advantages and disadvantages, multiple access methods, the types of orbits
and frequencies used in satellite communication. The next section to study the
structure of satellite communication systems. And the end is the design of
satellite communication route Hanoi – Hoang Sa by Vinasat1 satellite.

7


DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
MỤC LỤC.........................................................................................................2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN..........................................................................................7
DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN...................................8
DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN.............................11
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN......................15
Chương 1.........................................................................................................17

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH.............................17
1.1. Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh...............................................17
1.2. Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh..............................................19
1.3. Hệ thống thông tin vệ tinh....................................................................20
Hình 1.1. Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh..........................................20
1.4. Các dạng quỹ đạo của thông tin vệ tinh...............................................22
Hình 1.2. Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh................................................22
1.5. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh.................................................24
1.5.1. Cửa sổ vô tuyến...........................................................................24
Hình 1.3. Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số....24
1.5.2. Phân định tần số............................................................................25
1.5.3. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh..........................................25
Bảng 1.1. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh...........................................26
1.6. Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh...................................26
1.6.1. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA.............27
Hình 1.4. Đa truy nhập phân chia theo tần số.................................................27
1.6.2. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA........28
Hình 1.5. Đa truy nhập phân chia theo thời gian.............................................28
8


1.6.3. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA .................30
Hình 1.6. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã........................................30
1.7. Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh......................................31
Hình 1.7. Suy hao trong thiết bị phát và thu....................................................34
1.7.2. Tạp âm trong thông tin vệ tinh .....................................................35
Hình 1.8. Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh..............................38
Hình 1.9. Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh................................39
Hình 1.10. Đặc tính vào ra của TWT..............................................................40
1.8. Vệ tinh VINASAT – 1..........................................................................42

1.9. Kết luận chương...................................................................................43
Chương 2.........................................................................................................45
HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH.............................................................45
2.1. Phần không gian...................................................................................45
Hình 2.1. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh.............................45
2.1.1. Phân hệ thông tin...........................................................................45
2.1.2. Bộ phát đáp....................................................................................47
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bộ phát đáp................................................................47
Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo máy thu.....................................................................48
Hình 2.4. Sơ đồ bộ phân kênh đầu vào............................................................49
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của các loại HPA.........................................51
2.1.3. Anten trên vệ tinh..........................................................................51
Hình 2.5. Anten loa hình chữ nhật..................................................................52
2.1.4. Phân hệ phụ trợ..............................................................................53
Hình 2.7. Các trục ổn định của vệ tinh............................................................54
2.2. Phần mặt đất.........................................................................................57
9


2.2.1. Cấu hình trạm mặt đất...................................................................57
Hình 2.8. Cấu hình của một trạm mặt đất.......................................................58
2.2.2. Công nghệ máy phát......................................................................59
Hình 2.9. Cấu hình bộ khuếch đại công suất cao............................................60
2.1.3. Công nghệ máy thu........................................................................60
Hình 2.10. Hệ số tạp âm..................................................................................61
Bảng 2.2. So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA)...............................63
2.2.4. Anten trạm mặt đất........................................................................63
Hình 2.11. Anten gương parabol.....................................................................64
2.2.5. Hệ thống anten bám vệ tinh...........................................................66
2.3. Kết luận chương...................................................................................69

Chương 3.........................................................................................................69
THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH.................................................69
3.1. Giới thiệu chung ..................................................................................69
3.2. Các tham số cần cho tính toán..............................................................70
3.2.1. Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị................71
Hình 3.2. Góc phương vị của vệ tinh..............................................................73
3.2.3. Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK)............................76
3.3. Bài toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh giữa Hà Nội – Hoàng Sa qua
vệ tinh Vinasat1...........................................................................................77
3.3.1. Tính toán các thông số tuyến lên (UpLink)...................................78
3.3.2. Tính toán tuyến xuống (DownLink).............................................81
3.3.2.1. Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng, góc phương vị..........81
3.3.2.2.Tính toán các thông số tuyến xuống trong điều kiện có mưa.81
3.4. Thiết kế chương trình hỗ trợ tính toán..................................................83
10


Hình 3.3. Giao diện chính...............................................................................85
Hình 3.5. Kết quả tính toán tuyến lên..............................................................86
Hình 3.7. Kết quả tính toán tuyến xuống điều kiện có mưa...........................87
Hình 3.8. Kết quả tính toán tuyến xuống trong điều kiện không có mưa......87
3.5. Kết luận chương...................................................................................87
KẾT LUẬN ĐỀ TÀI.......................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................90
PHỤ LỤC...........................................................................................................i

DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
MỤC LỤC.........................................................................................................2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN..........................................................................................7
DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN...................................8

DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN.............................11
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN......................15
Chương 1.........................................................................................................17
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH.............................17
1.1. Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh...............................................17
1.2. Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh..............................................19
1.3. Hệ thống thông tin vệ tinh....................................................................20
Hình 1.1. Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh..........................................20
1.4. Các dạng quỹ đạo của thông tin vệ tinh...............................................22
Hình 1.2. Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh................................................22

11


1.5. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh.................................................24
1.5.1. Cửa sổ vô tuyến...........................................................................24
Hình 1.3. Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số....24
1.5.2. Phân định tần số............................................................................25
1.5.3. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh..........................................25
Bảng 1.1. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh...........................................26
1.6. Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh...................................26
1.6.1. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA.............27
Hình 1.4. Đa truy nhập phân chia theo tần số.................................................27
1.6.2. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA........28
Hình 1.5. Đa truy nhập phân chia theo thời gian.............................................28
1.6.3. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA .................30
Hình 1.6. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã........................................30
1.7. Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh......................................31
Hình 1.7. Suy hao trong thiết bị phát và thu....................................................34
1.7.2. Tạp âm trong thông tin vệ tinh .....................................................35

Hình 1.8. Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh..............................38
Hình 1.9. Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh................................39
Hình 1.10. Đặc tính vào ra của TWT..............................................................40
1.8. Vệ tinh VINASAT – 1..........................................................................42
1.9. Kết luận chương...................................................................................43
Chương 2.........................................................................................................45
HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH.............................................................45
2.1. Phần không gian...................................................................................45
Hình 2.1. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh.............................45
12


2.1.1. Phân hệ thông tin...........................................................................45
2.1.2. Bộ phát đáp....................................................................................47
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bộ phát đáp................................................................47
Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo máy thu.....................................................................48
Hình 2.4. Sơ đồ bộ phân kênh đầu vào............................................................49
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của các loại HPA.........................................51
2.1.3. Anten trên vệ tinh..........................................................................51
Hình 2.5. Anten loa hình chữ nhật..................................................................52
2.1.4. Phân hệ phụ trợ..............................................................................53
Hình 2.7. Các trục ổn định của vệ tinh............................................................54
2.2. Phần mặt đất.........................................................................................57
2.2.1. Cấu hình trạm mặt đất...................................................................57
Hình 2.8. Cấu hình của một trạm mặt đất.......................................................58
2.2.2. Công nghệ máy phát......................................................................59
Hình 2.9. Cấu hình bộ khuếch đại công suất cao............................................60
2.1.3. Công nghệ máy thu........................................................................60
Hình 2.10. Hệ số tạp âm..................................................................................61
Bảng 2.2. So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA)...............................63

2.2.4. Anten trạm mặt đất........................................................................63
Hình 2.11. Anten gương parabol.....................................................................64
2.2.5. Hệ thống anten bám vệ tinh...........................................................66
2.3. Kết luận chương...................................................................................69
Chương 3.........................................................................................................69
THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH.................................................69
3.1. Giới thiệu chung ..................................................................................69
13


3.2. Các tham số cần cho tính toán..............................................................70
3.2.1. Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị................71
Hình 3.2. Góc phương vị của vệ tinh..............................................................73
3.2.3. Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK)............................76
3.3. Bài toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh giữa Hà Nội – Hoàng Sa qua
vệ tinh Vinasat1...........................................................................................77
3.3.1. Tính toán các thông số tuyến lên (UpLink)...................................78
3.3.2. Tính toán tuyến xuống (DownLink).............................................81
3.3.2.1. Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng, góc phương vị..........81
3.3.2.2.Tính toán các thông số tuyến xuống trong điều kiện có mưa.81
3.4. Thiết kế chương trình hỗ trợ tính toán..................................................83
Hình 3.3. Giao diện chính...............................................................................85
Hình 3.5. Kết quả tính toán tuyến lên..............................................................86
Hình 3.7. Kết quả tính toán tuyến xuống điều kiện có mưa...........................87
Hình 3.8. Kết quả tính toán tuyến xuống trong điều kiện không có mưa......87
3.5. Kết luận chương...................................................................................87
KẾT LUẬN ĐỀ TÀI.......................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................90
PHỤ LỤC...........................................................................................................i

14


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
CCIR

Comite Consultatif

Uỷ ban tư vấn vô tuyến quốc tế

International des
ITU

Radiocommunications
International

Liên đoàn viễn thông quốc tế

CDMA

Telecommunications Union
Code Division Multiplex

Đa truy nhập phân chia theo

EIRP

Access
Equiralent Isotropic

mã
Công suất phát xạ đẳng hướng

FDM

Radiated Power
Frequency Division

tương đương
Ghép kênh phân chia theo tần

FDMA

Multiplex
Frequency Division

số
Đa truy nhập phân chia theo

Multiplex Access

tần số

Field Effect Transistor
Frequency Modulation
Geostationary Earth Orbit
High Electron Mobility

Transistor hiệu ứng trường
Điều chế tần số

Quỹ đạo địa tĩnh
Transistor độ linh động điện tử

FET
FM
GEO
HEMT

Transistor
HPA
High Power Amplifier
IBO
Input background color off
IMUX
In Multiplexer
INTELSAT International

KLY

cao
Bộ khuếch đại công suất cao
Độ lùi đầu vào
Bộ phân kênh đầu vào
Tổ chức vệ tinh viễn thông

Telecommunications

quốc tế

Sattelite Organization

Klytron

Đèn klytron
15


LEO
LNA
LO
MEO
OBO
OMUX
FM
PSK
SPD
SSPA
TDM

Low Earth Orbit
Low Noise Amplifier
Local ossilator
Medium Earth Orbit
Output back off
Out Multiplexer
Frequency Modulation
Phase Shift Keying
Saturation Power Density
Solid State Power Amplifier
Time Division Multiplex

Quỹ đạo trái đất tầm thấp
Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Bộ dao động nội
Quỹ đạo trái đất tầm trung
Độ lùi đầu ra
Bộ ghép kênh đầu ra
Điều chế tần số
Điều chế pha số
Mật độ công suất bão hòa
Bộ khuếch đại bán dẫn
Ghép kênh phân chia theo thời

TDMA

Time Division Multiplex

gian
Đa truy nhập phân chia theo

TT&C

Access
Telemetry, Tracking and

thời gian
Đo lường, bám và điều khiển

TTC&M

Command

Telementry, Tracking,

Đo lường từ xa, theo dõi, kiểm

TWT
TWTA

Control and Monitoring
Traveling Wave Tube
Traveling Wave Tube

soát và giám sát
Đèn sóng chạy
Bộ khuếch đại đèn sóng chạy

XPD

Amplituder
Cross-Polarization

Khả năng phân biệt phân cực

Discrimination

chéo

16


Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
Thông tin vệ tinh là một phương tiện truyền thông mà hiện nay được sử
dụng khá phổ biến ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Mỗi phương tiện
truyền thông có một đặc trưng riêng và thông tin vệ tinh cũng vậy. Chương
này sẽ đề cập đến những đặc trưng cơ bản như cấu trúc hệ thống, ưu nhược
điểm, tần số sử dụng, các quỹ đạo, các phương pháp truy nhập...của hệ thống
thông tin vệ tinh. Và trong nội dung dưới đây chúng ta sẽ thấy những ưu điểm
nổi trội hay những nhược điểm tồn tại của phương thức truyền dẫn này so với
các phương thức truyền dẫn khác ở mặt đất.
1.1. Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh
- Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1035) đã đưa ra
các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. Ông cũng đưa ra ý
tưởng về tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có người điều khiển dùng để
thăm dò vũ trụ.
- Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa
đẩy dùng nhiên liệu lỏng.
- Tháng 5 năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý nổi tiếng người Anh đồng
thời là tác giả của mô hình viễn tưởng thông tin toàn cầu, đã đưa ra ý tưởng sử
dụng một hệ thống gồm 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh quảng bá trên toàn
thế giới.
- Tháng 10 / 1957 lần đầu tiên trên thế giới, Liên Xô phóng thành công
vệ tinh nhân tạo SPUTNIK - 1. Đánh dấu một kỷ nguyên về thông tin vệ tinh.
- Năm 1958 bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ.
- Năm 1964 thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTELSAT.
- Năm 1965 ra đời hệ thống thông tin vệ tinh thương mại đầu tiên
INTELSAT-1 với tên gọi Early Bird. Cuối năm 1965 liên xô phóng thông tin
vệ tinh MOLNYA lên quỹ đạo elip.
17

- Năm 1971 thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTERSPUTNIK
gồm Liên Xô và 9 nước XHCN.
- Năm 1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho
thông tin nội địa.
- Năm 1979 thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh
INMARSAT.
- Năm 1984 Nhật bản đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp
qua vệ tinh.
- Năm 1987 Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di
động qua vệ tinh.
- Thời kỳ những năm 1999 đến nay, ra đời ý tưởng và hình thành những
hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh.
* Sự phát triển thông tin vệ tinh ở Việt Nam:
- Năm 1980, khánh thành trạm thông tin vệ tinh mặt đất Hoa sen-1 nằm
trong hệ thống thông tin vệ tinh INTERPUTNIK, được đặt tại Kim Bảng –
Hà Nam. Trạm thông tin vệ tinh Hoa sen-1 là của nhà nước Liên Xô tặng
nhân dân Việt Nam.
- Năm 1984, khánh thành trạm thông tin vệ tinh mặt đất Hoa sen-2 đặt
tại Thành phố Hồ Chí Minh.
- Ngày 24/09/1998, Thủ tướng chính phủ ra quyết định 868/QĐ-TTG về
việc thông qua báo cáo dự án phóng vệ tinh viễn thông VINASAT lên quỹ
đạo địa tĩnh do tổng Công ty Bưu chính viễn thông Việt Nam làm chủ đầu tư.
-Tháng 4 năm 2008, Việt Nam đã thuê Pháp phóng thành công vệ tinh
VINASAT-1 (mua của Mỹ) lên quỹ đạo địa tĩnh. Với sự kiện này, Việt Nam trở
thành nước thứ 6 trong khu vực và nước thứ 93 trên thế giới có vệ tinh riêng.
- Dự kiến đến năm 2012, Việt Nam sẽ có vệ tinh VINASAT-2 phóng lên
quỹ đạo và vào năm 2014 sẽ phóng vệ tinh viễn thám [2].

18

1.2. Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh
Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến
nhanh chóng vì nhiều lý do khác nhau. Các ưu điểm chính của thông tin vệ
tinh so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống
cáp quang và hệ thống chuyển tiếp viba số là:
- Tính quảng bá rộng lớn cho mọi địa hình, vùng phủ sóng lớn, từ quỹ
đạo địa tĩnh cách bề mặt trái đất khoảng 36.0000 km vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3
bề mặt trái đất. Như vậy với ba vệ tinh thì vùng phủ sóng có thể bao gồm toàn
cầu trừ hai cực.
- Có khả năng đa truy cập, dung lượng thông tin lớn. Cùng một bộ phát
đáp trên vệ tinh có thể dùng chung cho nhiều trạm mặt đất. Với băng tần làm
việc rộng nhờ áp dụng các kỹ thuật sử dụng lại băng tần, hệ thống thông tin vệ
tinh cho phép đạt tới dung lượng lớn trong một thời gian ngắn mà không một
loại hình thông tin nào khác có thể đạt đựợc.
- Chất lượng và độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có
ba trạm, trong đó vệ tinh có vai trò như trạm lặp còn hai trạm mặt đất đầu cuối
nên xác suất hư hỏng trên tuyến là rất thấp.
-Tính linh hoạt cao, hiệu quả kinh tế lớn: hệ thống thông tin vệ tinh
đựợc thiết lập nhanh chóng trong điều kiện các trạm mặt đất ở xa nhau hoặc
các địa hình phức tạp, dung lượng có thể thay đổi tùy theo yêu cầu.
- Đa dạng về loại hình phục vụ: thông tin vệ tinh có thể cung cấp các loại
hình dịch vụ thư thoại, fax, phát thanh, truyền hình quảng bá, thông tin di động
qua vệ tinh…
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên vệ tinh cũng có những nhược
điểm quan trọng đó là:
- Trễ truyền dẫn lớn do khoảng cách truyền dẫn xa.
- Ảnh hưởng của tạp âm và suy hao lớn : Trong quá trình truyền lan thì
tín hiệu phải qua nhiều thiết bị thu phát, qua không gian với khoảng cách lớn
cũng với nhiều yếu tố ảnh hưởng suy hao do khí quyển hoặc thời tiết. Tất cả

19


yếu tố đó làm suy hao tín hiệu rất lớn.
- Giá thành lắp đặt hệ thống rất cao, chi phí để phóng vệ tinh tốn kém và
vẫn tồn tại xác suất rủi ro.
- Thời gian sử dụng hạn chế, khó bảo dưỡng sửa chữa và nâng cấp: Mỗi
vệ tinh có tuối thọ nhất định, và vệ tinh khi đã phóng lên ở xa trái đất nên mọi
hoạt động điều khiển vệ tinh chỉ thông qua trạm điều khiển do đó khi sai hỏng
khó sửa chữa.
1.3. Hệ thống thông tin vệ tinh
Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần không gian và phần mặt đất
được mô tả như hình vẽ 1.1

Hình 1.1. Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh

20


Phần không gian bao gồm vệ tinh và các trạm điều khiển ở mặt đất. Đối với
vệ tinh bao gồm phân hệ thông tin và các phân hệ phụ trợ cho phân hệ thông tin :
+ Phân hệ thông tin bao gồm hệ thống anten thu phát và tất cả các thiết
bị điện tử hỗ trợ truyền dẫn sóng mang
+ Các phân hệ phụ trợ gồm : Khung vệ tinh, phân hệ cung cấp năng
lượng, phân hệ điều khiển nhiệt độ, phân hệ điều khiển quỹ đạo và tư thế vệ
tinh, phân hệ đẩy.
Nhiệm vụ của phân hệ thông tin:
- Khuếch đại sóng mang thu được phục vụ cho việc phát lại trên đường
xuống. Công suất sóng mang tại đầu vào máy thu vệ tinh nằm trong khoảng
pW. Công suất sóng mang tại đầu ra bộ khuếch công suất cao nằm trong

khoảng 10W đến 100W. Do vậy, bộ khuếch đại công suất của bộ phát đáp vệ
tinh khoảng 100dB đến 130dB.
- Thay đổi tần số sóng mang để tránh một phần công suất phát đi vào
máy thu vệ tinh.
Phần mặt đất bao gồm tất cả trạm mặt đất, những trạm này thường
được nối trực tiếp hoặc thông qua các mạng mặt đất để đến các thiết bị đầu
cuối của người sử dụng.
+ Nhiệm vụ trạm mặt đất phát: Tiếp nhận các tín hiệu từ mạng mặt đất
hoặc trực tiếp từ các thiết bị đầu cuối của người sử dụng, xử lý các tín hiệu
này trong trạm mặt đất sau đó phát tín hiệu này ở tần số và mức độ công suất
thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh.
+ Nhiệm vụ trạm mặt đất thu: Thu sóng mang trên đường xuống của vệ
tinh ở tần số chọn trước, xử lý tín hiệu này trong trạm để chuyển thành các tín
hiệu băng gốc sau đó cung cấp cho các mạng mặt đất hoặc trực tiếp tới các
thiết bị đầu cuối của người sử dụng.
Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu và phát lưu lượng một cách
đồng thời hoặc trạm chỉ phát hoặc chỉ thu [2].

21


1.4. Các dạng quỹ đạo của thông tin vệ tinh

Quỹ đạo
elip nghiêng
Quỹ đạo
xích đạo
Quỹ đạo
cực tròn

Hình 1.2. Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh
Sự chuyển động của vệ tinh tuân theo ba định luật Kepler, định luật này
xác định quy luật chuyển động của hành tinh xung quanh mặt trời. Và các quỹ
đạo vệ tinh được phân loại thành ba loại sau.
- Quỹ đạo cực tròn
- Quỹ đạo elip nghiêng
- Quỹ đạo xích đạo tròn
Trong hệ thống viễn thông chỉ sử dụng quỹ đạo xích đạo tròn nên trong
đồ án này chỉ đề cập đến quỹ đạo này. Đối với dạng quỹ đạo xích đạo tròn, vệ
tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo và là dạng quỹ đạo được dùng cho vệ
tinh địa tĩnh, nếu vệ tinh bay ở một độ cao đúng thì dạng qũy đạo này sẽ lý
tưởng đối với các vệ tinh thông tin.
* Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geostationalry Earth Orbit)
- Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao
khoảng 36.000 km so với đường xích đạo, vệ tinh loại này bay xung quanh
quả đất một vòng mất 24 giờ bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục
Bắc- Nam.
- Mặt phẳng quỹ đạo nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất nghĩa
là góc nghiêng bằng 0.
- Có cùng chiều quay với chiều quay của trái đất từ Tây sang Đông.
22


 Ưu điểm:
- Hiệu ứng Dopler rất nhỏ do đó việc điều chỉnh anten trạm mặt đất là
không cần thiết.
- Vệ tinh được coi là đứng yên so với trạm mặt đất. Do vậy, đây là quỹ
đạo lý tưởng cho các vệ tinh thông tin, nó đảm bảo thông tin ổn định và liên
tục suốt 24h.
- Vùng phủ sóng của vệ tinh lớn bằng 42.2% bề mặt trái đất.

- Các trạm mặt đất ở xa có thể liên lạc trực tiếp và hệ thống 3 vệ tinh có
thể phủ sóng toàn cầu.
 Nhược điểm:
- Quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo duy nhất tồn tại trong vũ trụ và được coi
là một tài nguyên thiên nhiên có hạn. Tài nguyên này đang cạn kiệt do số
lượng vệ tinh của các nước phóng lên càng nhiều.
- Không phủ sóng được những vùng có vĩ độ lớn hơn 81.30.
- Chất lượng đường truyền phụ thuộc vào thời tiết.
- Thời gian trễ truyền lan lớn.
- Tính bảo mật không cao.
- Suy hao công suất trong truyền sóng lớn, gần 200dB.
Ứng dụng: Được sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm
thông tin cho các vùng có vĩ độ nhỏ hơn 81.30.
* Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit)
Vệ tinh MEO ở độ cao từ 10.000 km đến 20.000 km, chu kỳ của quỹ
đạo là 5 đến 12 giờ, thời gian quan sát vệ tinh từ 2 đến 4 giờ. Ứng dụng cho
thông tin di động hay thông tin radio. Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh
để phủ sóng toàn cầu. Loại này có giá thành vừa phải, độ trễ truyền dẫn nhỏ
nhưng có nhược điểm là có tổn hao lớn.

23


* Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit)
Đối với dạng quỹ đạo này vệ tinh bay ở độ cao trong khoảng 400 km đến
1200 km, nó có chu kỳ 90 phút. Sự gần kề của các vệ tinh LEO có thuận lợi là
thời gian để dữ liệu phát đi đến vệ tinh và đi về là rất ngắn. Do khả năng thực
hiện nhanh của nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ toàn cầu giữa các mạng và loại
hình hội thoại vô tuyến truyền hình sẽ có hiệu quả và hấp dẫn hơn. Nhưng hệ
thống LEO đòi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại này mới bao trùm hết bề mặt

địa cầu và loại này thường có thời gian sử dụng ngắn khoảng từ 1- 3 tháng [2].
1.5. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
1.5.1. Cửa sổ vô tuyến
100
Suy
hao
(dB)50

Suy hao do

Suy hao do mưa 25mm/h

tầng điện ly

10
5
1

Cửa sổ tần số

0,1

0,5

1

5

10

50

100

Tần số (GHz)

Hình 1.3. Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số
Các sóng vô tuyến điện truyền đến hay đi từ các vệ tinh thông tin ngoài
suy hao đường truyền do cự ly còn chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và khí
quyển. Tầng điện ly cách mặt đất 50- 400km là một lớp khí loãng bị ion hoá
bởi các tia vũ trụ và nó có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng. Tuy nhiên nó chỉ
ảnh hưởng nhiều với băng sóng ngắn, tần số càng cao thì càng ít ảnh hưởng.
Từ hình vẽ ta thấy các tần số nằm trong khoảng giữa 1GHz và 10GHz
thì suy hao kết hợp do tầng điện ly và mưa nhỏ là không đáng kể, do vậy băng

24


tần này được gọi là "cửa sổ tần số". Lúc đó nếu sóng nằm trong cửa sổ vô
tuyến thì suy hao truyền dẫn có thể được xem gần đúng là suy hao không gian
tự do. Vì vậy, cho phép thiết lập các đường thông tin vệ tinh ổn định, nhưng
phải lưu ý đến sự can nhiễu với các đường thông tin viba trên mặt đất vì các
sóng trong thông tin viba cũng sử dụng tần số nằm trong cửa sổ này. Ngoài ra,
khi mưa lớn thì suy hao do mưa trong cửa sổ tần số cần phải được tính toán,
xem xét thêm để kết quả tính toán có độ chính xác cao hơn [2].
1.5.2. Phân định tần số
Phân định 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 định tần được thực hiện
dưới sự bảo trợ của Liên đoàn viễn thông quốc tế (ITU). Để tiện cho việc quy
hoạch tần số, toàn thế giới được chia thành ba vùng:

Vùng 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên xô cũ và Mông Cổ.
Vùng 2: Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Đảo Xanh.
Vùng 3: Châu Á (trừ vùng 1), Úc và Tây nam Thái Bình Dương, trong
đó có cả Việt Nam.
Trong các vùng này băng tần được phân định 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 [1].
1.5.3. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh nằm trong băng tần siêu cao
SHF (Super High Frequency) từ 3 đến 30 GHz, trong phổ tần số sử dụng cho
vệ tinh người ta còn chia các băng tần nhỏ với phạm vi ứng dụng như bảng 1.1
Hiện nay, băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất.
‫ ٭‬Băng C (6/4 GHz) nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, suy hao ít do
mưa, trước đây được dùng cho các hệ thống viba mặt đất. Sử dụng chung cho
hệ thống Intelsat và các hệ thống khác bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực
và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa.
25