Nghiên cứu thiết kế tuyến thông tin vệ tinh luận văn tốt nghiệp đại học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TUYẾN
THÔNG TIN VỆ TINH

Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện

VINH – 2011
1

: ThS. Nguyễn Phúc Ngọc
: Nguyễn Công Anh


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................................3
TÓM TẮT ĐỒ ÁN............................................................................................5
Hình 1.15. Đặc tính vào ra của TWT..............................................................40

2


LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, chúng ta đang 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. Ngoài ra, thông tin vệ tinh còn cung
cấp một loạt các dịch vụ có tính toàn cầu. Chính bởi các lý do đó mà thông tin
vệ tinh đã phát triển rất nhanh chóng trong những thập kỷ qua. Hiện nay,
nước ta đã phóng thành công vệ tinh cho riêng mình để nhằm đáp ứng các
nhu cầu thông tin ngày càng cao trong nước và quốc tế.
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. Nội dung đề tài gồm ba
chương được nghiên cứu lần lượt như sau:
Chương I: Tổng quan về thông tin vệ tinh, trong đó tìm hiểu về lịch sử
phát triển, nguyên lý và đặc điểm của thông tin vệ tinh, tìm hiểu về các dạng
quỹ đạo, sự phân bố tần số của vệ tinh, các phương pháp đa truy nhập đến
một vệ tinh và các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh.
Chương II: Hệ thống thông tin vệ tinh, tìm hiểu cụ thể về hai thành phần
của một hệ thống thông tin vệ tinh đó là phần không gian và phần mặt đất.
Chương III: Thiết kế tuyến thông tin vệ tinh.
Trong quá trình làm đồ án em đã hết sức cố gắng học hỏi, tìm hiểu tham
khảo tài liệu.....tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Do vậy em rất
mong nhận được những ý khiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn
sinh viên.
Qua đây em xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Phúc Ngọc đã nhiệt tình
hướng dẫn và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp này, và
em cũng xin được chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô Giáo trong và ngoài
3


khoa đã nhiệt tình giảng dạy trong suốt những năm em được học tập và nghiên

cứu tại trường để em có được một vốn hiểu biết mới.
Em xin chân thành cảm ơn!
Vinh, tháng 5 năm 2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Công Anh

4


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Ngày nay, hệ thống thông tin vệ tinh phát triển rất mạnh mẽ và đa dạng
về loại hình phục vụ. Để một vệ tinh có thể hoạt động tốt trên quỹ đạo thì việc
thiết kế tuyến đóng một vai trò rất quan trọng. Mục đích của đồ án là tìm hiểu
về tuyến thông tin vệ tinh và qua đó có thể đưa ra thiết kế, triển khai một
tuyến vệ tinh ở một khu vực nào đó. Đồ án trình bày một cách tóm tắt lịch sử
phát triển, nguyên lý và các đặc điểm của thông tin vệ tinh, các dạng quỹ đạo,
sự phân bố tần số, các phương pháp đa truy nhập và các yếu tố truyền dẫn
trong thông tin vệ tinh. Phần tiếp theo là tìm hiểu về cấu trúc của một hệ
thống thông tin vệ tinh. Phần cuối của đồ án là phương pháp thiết kế một
tuyến thông tin vệ cụ thể.

5


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
Trang
Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh................................................14
Hình 1.2. Bán trục chính a và bán trục phụ b đối với một elip.................15
Hình 1.3. Định luật kepler thứ hai...........................................................16
Hình 1.4. Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh...............................................18

Hình 1.5. Đồ thị biểu dễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số....20
Hình 1.6. Đa truy nhập phân chia theo tần số.................................................23
Hình 1.7. Các cấu hình truyền dẫn FDMA.....................................................24
Hình 1.8. Đa truy nhập phân chia theo thời gian ..........................................26
Hình 1.9. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã.......................................28
Hình 1.10. Sai lệch do đặt anten chưa đúng...................................................33
Hình 1.11. Suy hao trong thiết bị phát và thu.................................................33
Hình 1.12. Các nguồn tạp âm ảnh hưởng đến thông tin vệ tinh.....................35
Hình 1.13. Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh...........................38
Hình 1.14. Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh.............................39
Hình 1.15. Đặc tính vào ra của TWT..............................................................40
Hình 1.16. Hiệu ứng nhiều đường đối với trạm mặt đất thu...........................42
Hình 2.1. Cấu hình của một trạm mặt đất......................................................45
Hình 2.2. Cấu hình bộ khuếch đại công suất cao............................................47
Hình 2.3. Hệ số tạp âm...................................................................................49
Hình 2.4. Nhiệt tạp âm....................................................................................50
Hình 2.5. Cấu tạo của HEMT.........................................................................52
Hình 2.6. Nhiệt tạp âm của hệ thống thu........................................................54
Hình 2.7. Sự nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo địa tĩnh...................................55
Hình 2.8. Cửa sổ cho phép vệ tinh chuyển động tự do...................................56
Hình 2.9. Các loại sóng thu được ở các hướng khác nhau.............................57
Hình 2.10. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh...........................58
Hình 2.11. Sơ đồ cấu tạo bộ phát đáp.............................................................60
6


Hình 2.12. Sơ đồ cấu tạo máy thu...................................................................61
Hình 2.13. Sơ đồ bộ phân kênh đầu vào.........................................................62
Hình 2.14. Sơ đồ bộ ghép kênh đầu ra............................................................64
Hình 2.15. Phủ sóng toàn cầu và phủ sóng bán cầu.......................................65

Hình 2.16. Phủ sóng vùng và phủ sóng “dấu”................................................66
Hình 2.17. Vùng phủ sóng lưới......................................................................66
Hình 2.18. Anten loa hình chữ nhật................................................................67
Hình 2.19. Anten phản xạ...............................................................................67
Hình 2.20. Các trục ổn định của vệ tinh.........................................................69
Hình 2.21. Sự cân bằng nhiệt của vệ tinh.......................................................70
Hình 3.1. Các tham số của đường truyền trạm mặt đất- vệ tinh.....................75
Hình 3.2. Tính toán góc ngẩng.......................................................................75
Hình 3.3. Góc phương vị của vệ tinh..............................................................76

7


DANH SÁCH CÁC BẢNG TRONG ĐỒ ÁN
Trang
Bảng 1.1. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh...........................................22
Bảng 1.2. Suy giảm của khí quyển theo tần số...............................................33
Bảng 2.1. Bảng so sánh các bộ khuếch đại công suất cao..............................46
Bảng 2.2. Quan hệ giữa hệ số tạp âm (F) và nhiệt tạp âm (Te)......................50
Bảng 2.3. So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA)..............................53
Bảng 2.4. Các thông số kỹ thuật của các loại HPA........................................64

8


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
Viết tắt
A/D
AM
CCIR

Tiếng Anh
Analog to digital
Amplitude Modulation
Comite Consultatif

Nghĩa tiếng Việt
Bộ chuyển đổi tương tự sang số
Điều chế biên độ
Uỷ ban tư vấn vô tuyến quốc tế

International des
CDMA

Radiocommunications
Code Division Multiplex

Đa truy nhập phân chia theo mã

COM
C/N
D/C
DIV
Eb/N0

Access
Combiner
Carrier to Noise Power Ratio
Down/Convertor
Divider

Energy per Bit to Noise

Bộ kết hợp
Tỷ số sóng mang trên tạp âm
Bộ biến đổi hạ tần
Bộ chia
Tỷ số năng lượng của bít trên

EIRP

Equiralent Isotropic

mật độ tạp âm
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

FET
FM
GaAs-FET

Multiplex Access
Field Effect Transistor
Frequency Modulation
Gali-Arsenic Field Effect

tần số
Transistor hiệu ứng trường
Điều chế tần số
Tranzito trường loại bán dẫn

GEO
HEMT

Transistor
Geostationary Earth Orbit
High Electron Mobility

hỗn tạp Gali-Arsenic
Quỹ đạo địa tĩnh
Transistor độ linh động điện tử

Transistor
HEO
High Earth Orbit
HPA

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

ITU

cao
Quỹ đạo trái đất tầm 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
International

Liên đoàn viễn thông quốc tế
9


Telecommunications Union
Klytron
Low Earth Orbit

Low Noise Amplifier
Local ossilator
Medium Earth Orbit
Modulator
Output back off
Out Multiplexer
Phase Modulation
Phase Shift Keying
Single Channel Per Carrier
Saturation Power Density
Satellite Earth Station
Solid State Power Amplifier
Signal/Noise
Time Division Multiplex

Đèn klytron
Quỹ đạo trái đất tầm thấp
Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Bộ dao động nội
Quỹ đạo trái đất tầm trung
Bộ điều chế
Độ lùi đầu ra
Bộ ghép kênh đầu ra
Điều chế pha
Điều chế pha số
Một kênh trên một sóng mang
Mật độ công suất bão hòa
Trạm mặt đất
Bộ khuếch đại bán dẫn
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

Ghép kênh phân chia theo thời

TDMA

Time Division Multiplex

gian
Đa truy nhập phân chia theo

TE
TEM

Access
Terminal Equipement
Transverzalis electronic

thời gian
Thiết bị đầu cuối
Sóng điện từ trường ngang

TT&C

magnetic
Telemetry, Tracking and

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

U/C
VSAT

Amplituder
Up/Convertor
Very Small Apertude

Bộ biến đổi nâng tần
Đầu cuối có khẩu độ rất nhỏ

XPD

Terminal
Cross-Polarization

Khả năng phân biệt phân cực

Discrimination

chéo

KLY
LEO
LNA
LO
MEO
MOD
OBO
OMUX
PM
PSK
SCPC
SPD
SES
SSPA
S/N
TDM

10


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH
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.
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.
11


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.
Các hệ thống điển hình như GLOBAL STAR, IRIDIUM, ICO, SKYBRIGDE,
TELEDESIC.
* 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 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 [9].
1.2. Nguyên lý của thông tin vệ tinh
Một vệ tinh có khả năng thu phát sóng vô tuyến điện. Sau khi được
phóng vào vũ trụ dùng cho thông tin vệ tinh, khi đó nó sẽ khuyếch đại sóng
vô tuyến điện nhận được từ các trạm mặt đất và phát lại sóng vô tuyến đến
các trạm mặt đất khác ở một tần số khác. Loại vệ tinh nhân tạo sử dụng cho
thông tin vệ tinh như thế gọi là vệ tinh thông tin.
12


Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả
đất [4].

- Mặt phẳng bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm trái đất.
- Quả đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh
Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm một vệ tinh trên quỹ đạo và các
trạm mặt đất, các trạm này có thể truy cập đến vệ tinh. Đường hướng từ trạm
mặt đất lên vệ tinh được gọi là đường lên (uplink) và đường hướng từ vệ tinh
tới trạm mặt đất gọi là đường xuống (downlink). Việc phân bổ băng tần sóng
cho hướng lên và hướng xuống đòi hỏi sự phối hợp và thống nhất trên phạm
vi quốc tế do liên minh viễn thông quốc tế (ITU) quy định.

Đường lên (Uplink)

Đường xuống (Downlink)

6.GHz…………

…..4.GHZz

băng C

14.GHz…….

… 11.GHz

băng Ku

20.GHz

băng Ka

30.GHz….

Trạm mặt đất B

Trạm mặt đất A

Hình 1.1. Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh
1.3. Các định luật Kepler
Sự chuyển động của vệ tinh vòng quanh trái đất được tuân theo định
luật Kepler, đây là định luật xác định quy luật chuyển động của hành tinh
xung quanh mặt trời.

13


1.3.1. Định luật Kepler thứ nhất
Vệ tinh chuyển động vòng quanh trái đất theo một quỹ đạo Elip với
tâm trái đất nằm ở một trong 2 tiêu điểm của Elip. Điểm xa nhất của quỹ đạo
so với tâm trái đất nằm ở phía của tiêu điểm thứ 2, gọi là viễn điểm, còn
điểm gần nhất của quỹ đạo so với tâm trái đất gọi là cận điểm [3].
2b
2a

ha

hb

Hình 1.2. Bán trục chính a và bán trục phụ b đối với một elip
Trong đó:

a là bán trục dài.

b là bán trục ngắn.
ha là độ cao viễn điểm.
hb là độ cao cận điểm.
e là độ lệch tâm xác định hình dạng elip.

Ý nghĩa:
- Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo tròn hoặc elip.
- Tâm trái đất nằm tại một trong hai tiêu điểm của quỹ đạo elip.
- Nếu là quỹ đạo tròn thì tâm của quỹ đạo trùng với tâm của trái đất.
- Khi e = 0 thì quỹ đạo vệ tinh là quỹ đạo tròn.
1.3.2. Định luật Kepler thứ hai
Vệ tinh chuyển động theo một quỹ đạo với vận tốc thay đổi sao cho
đường nối giữa tâm trái đất và vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau khi vệ
tinh chuyển động trong cùng một thời gian như nhau [3].
Với T1 = T2 thì S1 = S2

14


T1
T2

S2

S1

Vmax

Vmin

Hình 1.3.

Định
luật kepler thứ hai

Ý nghĩa:
- Vệ tinh chuyển động với vận tốc nhanh hơn khi gần trái đất và chậm
hơn khi xa trái đất.
- Vận tốc chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo tròn là không đổi và
được xác định: Vệ tinh bay ở quỹ đạo tròn có bán kính R sẽ là một đại lượng
không đổi, được xác định khi thực hiện phép lấy cân bằng lực hấp dẫn và lực
GM 630
mMG mV 2
=
=
li tâm:
có vận tốc là V =
(Km/s) và chu kỳ là
2
R
R
R
R
T=

2π R
≈ 10−2 R 3 (s).
V

Trong đó:

G - hằng số hấp dẫn G = 6.674 x 10-8cm3/gs2 .
M - khối lượng của trái đất: M = 5.974 x 1027g.
m - khối lượng của vệ tinh (g).
R - khoảng cách từ tâm trái đất đến vệ tinh (km).

1.3.3. Định luật Kepler thứ ba
Bình phương của chu kỳ quay tỷ lệ thuận với luỹ thừa bậc 3 của bán
trục lớn của quỹ đạo Elip: T2 = ka3
Trong đó: k là hệ số tỷ lệ, có giá trị không đổi đối với một vật thể xác
định trên quỹ đạo [3].
1.4. Đặc điểm của thông tin vệ tinh
1.4.1. Ưu nhược điểm của thông tin vệ tinh
Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến
15


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: ảnh hưởng do nhiễm khí quyển

và phading là không đáng kể nên tỷ số lỗi bít có thể đạt 10-9. 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, độ tin cậy trung
bình đạt 99,9% thời gian thông tin của một năm.
- 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.
- Giá thành lắp đặt hệ thống rất cao, chi phí để phóng vệ tinh tốn kém
và vẫn tồn tại xác suất rủi ro.
16


- Thời gian sử dụng hạn chế, khó bảo dưỡng sửa chữa và nâng cấp.
1.4.2. Các dạng quỹ đạo trong thông tin vệ tinh
Quỹ đạo
elip nghiêng
Quỹ đạo
xích đạo
Quỹ đạo
cực tròn

Hình 1.4. Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ
a) Quỹ đạo cực tròn

Ưu điểm của dạng quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy
vệ tinh thông qua một qũy đạo nhất định, việc phủ sóng toàn cầu của dạng
qũy đạo này đạt được vì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lượt quét tất cả các vị
trí trên mặt đất. Dạng quỹ đạo này được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời
tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên và các vệ tinh do thám, không thông dụng
cho truyền thông tin.
b) Quỹ đạo elip nghiêng
Là quỹ đạo thoả mãn các điều kiện sau:
- Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo 63026’.
- Có viễn điểm = 40000km và cận điểm 500km.
- Vệ tinh quay từ Tây sang Đông.
Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng mà các
vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới. Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược
điểm là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải ở
mức cao.
c) Quỹ đạo xích đạo tròn

17


Đối với dạng qũy đạo này, 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.
 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.
18


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.
Ngoài ra người ta còn có 2 loai qũy đạo khác:
* 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.
* 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.
1.5. Tần số làm việc trong thông tin vệ tinh
1.5.1. Khái niệm của sổ vô tuyến
100
Suy
hao 50
(dB)
10

Suy hao do
tầng điện ly

Suy hao do mưa 25mm/h

5
1
Cửa sổ tần số
0,1

0,5

1

5

10
Tần số (GHz)

50

100

Hình 1.5. Đồ thị biểu dễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số
19


Các sóng vô tuyến điện truyền đến hay đi từ các vệ tinh thông tin chịu
ảnh hưởng của tầng điện ly và khí quyển. Tầng điện ly là một lớp khí loãng bị
ion hoá bởi các tia vũ trụ, có độ cao từ 60km đến 400km so với mặt đất, lớp
mang điện này có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng. Do các biến đổi trạng
thái của tầng điện ly, làm giá trị hấp thụ và phản xạ thay đổi gây ra sự biến
thiên cường độ sóng đi vào, gọi là sự thăng giáng. Tuy nhiên tính chất này
ảnh hưởng chủ yếu đối với băng tần thấp, khi tần số càng cao ảnh hưởng của
tầng điện ly càng ít, các tần số ở băng sóng viba (1GHz) hầu như không bị
ảnh hưởng của tầng điện ly. Khi tần số >10GHz thì cần tính toán suy hao do
mưa như hình 1.3.
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
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.
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.
20


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 [3].
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 sau:
Bảng 1.1. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
Ký hiệu

Dải tần

Phạm vi sử dụng

(GHz)

Thông tin vệ tinh di động, phát thanh quảng bá,

L

1–2

S

2–4

Thông tin vệ tinh di động, hàng hải.

C

4–8

Thông tin vệ tinh cố định.

X

8 – 12

Thông tin vệ tinh quân sự và chính phủ.

Ku

12 – 18

Thông tin vệ tinh cố định, truyền hình quảng bá.

K

18 – 27

Ka
Sóng mm

27 – 40
> 40

vô tuyến định vị.

Trạm cố định.
Thông tin vệ tinh cố định, truyền hình quảng bá.
Liên lạc giữa các vệ tinh.

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.
‫ ٭‬Băng Ku (14/12 và 14/11 GHz), được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng
C cho viễn thông công cộng, dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa
các công ty. Do tần số cao nên cho phép sử dụng những anten có kích thước
nhỏ, nhưng cũng vì tần số cao nên tín hiệu ở băng Ku bị hấp thụ lớn do mưa.

21


‫٭‬

Băng Ka (30/20 GHz) lần đầu tiên sử dụng cho thông tin thương mại

qua vệ tinh Sakura của Nhật, cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ và hoàn
toàn không gây nhiễu cho các hệ thống viba. Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng
kể do mưa nên không phù hợp cho thông tin chất lượng cao.
1.6. Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh
Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc
tăng hiệu quả sử dụng của nó tới cực đại được gọi là đa truy cập. Nói cách
khác đa truy cập là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên vệ tinh chung cho
nhiều trạm mặt đất. Trong đa truy cập cần làm sao cho sóng vô tuyến điện
phát từ trạm mặt đất riêng lẻ không can nhiễu nhau được.
Đa truy cập có thể phân chia ra ba dạng sau:
- FDMA: Đa truy cập phân chia theo tần số.
- TDMA: Đa truy cập phân chia theo thời gian.
- CDMA: Đa truy cập phân chia theo mã.
1.6.1. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
FDMA (Frequency Division Multiplex Acess) là loại đa truy nhập được
dùng phổ biến trong thông tin vệ tinh.
Thời gian

fA
fD

fB

Tần số

fC

Bộ phát đáp

22


Hình 1.6. Đa truy nhập phân chia theo tần số
Trong hệ thống này mỗi trạm mặt đất phát đi một sóng mang có tần số
khác với tần số sóng mang của các trạm mặt đất khác. Mỗi một sóng mang
được phân cách với các sóng mang khác bằng các băng tần bảo vệ thích hợp
sao cho chúng không chồng lên nhau. FDMA có thể được sử dụng cho tất cả
các hệ thống điều chế: Hệ thống điều chế tương tự hay điều chế số như các
sóng mang FM (Frequency Modulation) điều chế bằng các tiến hiệu thoại đã
ghép kênh hoặc các tín hiệu truyền hình và các sóng mang PSK (Phase Shift
Keying) điều chế số. Một trạm mặt đất thu các tín hiệu có chứa thông tin nhờ
một bộ lọc thông dải.


Ưu điểm:
- Thủ tục truy nhập đơn giản.
- Cấu hình trạm mặt đất đơn giản.



Nhược điểm:
- Không linh hoạt thay đổi tuyến.
- Hiệu quả thấp khi sử dụng nhiều kênh, dung lượng thấp và chất lượng
thấp.
Phụ thuộc vào kỹ thuật ghép kênh và điều chế ta có các sơ đồ truyền

dẫn FDMA như sau:

a) FDM/FM/FDMA

23


Người dùng

Bộ ghép
kênh
FDM
(SSB/SC)

F1

Bộ điều chế FM

TX
F2

Từ các trạm khác

A/D

A/D

Bộ
ghép
kênh
TDM

F3

Bộ điều chế PSK

TX

SL

SCPC/FM/FDMA

Bộ điều chế FM

TX

Người dùng
Người dùng

b) TDM/PSK/FDMA
Người dùng
Người dùng (số liệu)

Người dùng
c) SCPC/FDMA
Người dùng
Người dùng
Người dùng

A/D

Bộ điều chế PSK

Bộ điều chế PSK

TX
TX

Hình 1.7. Các cấu hình truyền dẫn FDMA

a) FDM/FM/FDMA
Ở cấu hình ghép kênh theo tần số, điều tần (FM) và đa truy nhập phân
chia theo tần số (FDM/FM/FDMA trên hình 1.5a) các tín hiệu băng tần gốc
của người sử dụng là tín hiệu tương tự. Chúng được kết hợp để tạo thành một
24


tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số (FDM). Tần số tín hiệu tương tự
được ghép kênh nói trên sẽ điều chế tần số (FM) cho một sóng mang, sóng
mang này sẽ truy nhập đến vệ tinh ở một tần số nhất định đồng thời cùng với
các tần số khác từ các trạm khác. Để giảm thiểu điều chế giao thoa, số lượng
của các sóng mang định tuyến lưu lượng được thực hiện theo nguyên lý “một
sóng mang trên một trạm phát”. Như vậy tín hiệu ghép kênh FDM bao gồm
tất cả các tần số dành cho các trạm khác.
b) TDM/PSK/FDMA
Ở cấu hình ghép kênh theo thời gian, điều chế khoá chuyển pha (PSK)
và đa truy nhập phân chia theo tần số (TDM/PSK/FDMA ở hình 1.5b) tín
hiệu băng gốc của người sử dụng là tín hiệu số. Chúng được kết hợp để tạo ra
một tín hiệu ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM). Luồng bit thể hiện
tín hiệu được ghép này điều chế một sóng mang theo phương pháp điều chế
pha PSK, tín hiệu này truy nhập đến vệ tinh ở một tần số nhất định đồng thời
cùng với các sóng mang từ các trạm khác ở các tần số khác. Để giảm tối thiểu

các sản phẩm của điều chế giao thoa số lượng các tần số mang định tuyến lưu
lượng được thực hiện theo phương pháp “một sóng mang trên một trạm phát”.
Như vậy tín hiệu ghép kênh TDM bao gồm tất cả các tín hiệu phụ thuộc thời
gian cho các trạm khác.
c) SCPC/FDMA
Ở cấu hình một kênh trên một sóng mang (SCPC: Single Channel per
Carrier) và đa truy nhập phân chia theo tần số (SCPC/FDMA ở hình 1.5c)
từng tín tín hiệu băng gốc của người sử sẽ điều chế trực tiếp một sóng mang ở
dạng số (PSK) hoặc tương tự (FM) tuỳ theo tín hiệu được sử dụng. Mỗi sóng
mang truy nhập đến vệ tinh ở tần số riêng của mình đồng thời với các sóng
mang từ cùng trạm này hay từ các trạm khác ở các tần số khác. Như vậy định
tuyến được thực hiện trên nguyên lý “một sóng mang trên một đường truyền”.
1.6.2. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
25