Nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin di động toàn cầu qua vệ tinh và khả năng ứng dụng tại việt nam

1

Mở đầu
Trong các thập kỷ 80, 90 do sự khan hiếm các khe quỹ đạo sử dụng các vệ
tinh địa tĩnh và sự xuyên nhiễu giữa các hệ thống vệ tinh ngày càng gia tăng.
Bên cạnh việc xúc tiến nghiên cứu sử dụng các băng tần mới và nâng cao độ
nhậy các thiết bị thu, con ngời đã tìm cách sử dụng những vệ tinh phi địa tĩnh.
Đó là các vệ tinh có quỹ đạo tròn, ellip, hay nghiêng có độ cao quỹ đạo từ vài
trăm đến vài chục nghìn km. Các vệ tinh sử dụng quỹ đạo kiểu này trớc kia thờng cung cấp cho các dịch vụ giám sát, quan trắc, nghiên cứu khoa học và gần
đây đã sử dụng cho viễn thông.
Sự ra đời của vệ tinh viễn thông sử dụng quỹ đạo tầm thấp đợc ví nh một
thời kỳ phục hng của thông tin vệ tinh, chúng ta dùng chúng cho các dịch vụ
thoại, truyền số liệu, và th điện tử trên phạm vi toàn cầu. Công nghệ thông tin
đã chứng minh đợc tính hiệu quả bằng các đặc tính u việt của mình. Tính đến
nay trên khoảng vũ trụ đã có 4000 quả vệ tinh các loại đang hoạt động. Ngành
công nghiệp vệ tinh đã góp phần nâng cao chất lợng thông tin phục vụ đắc lực
cho sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng.
Việt Nam trong những năm gần đây đợc đánh giá là một trong những quốc
gia có ngành bu chính viễn thông phát triển với tốc độ nhảy vọt, số lợng thuê
bao cố định và di động tăng lên rất nhanh, cơ sở vật chất kỹ thuật đợc hiện đại
hóa và nâng cấp đáng kể. Các tổng đài điện thoại trên cả nớc đã hoàn toàn đợc
số hoá. Mạng lới truyền dẫn quốc gia tơng đối hoàn chỉnh nhờ sử dụng kết
hợp các công nghệ truyền dẫn cáp quang và vi ba trên các tuyến đờng trục.
Việc triển khai các trạm VSAT phục vụ các điểm trọng yếu chính trị quốc
phòng nh biên giới, hải đảo, các cửa khẩu cũng đạt đợc những kết quả nhất
định. Tính đến nay cả nớc đã có hàng trăm trạm VSAT đợc triển khai tại Trờng
Sa, Phú Quý, Mờng Lát, Kẹo Na, Pác Miều, Côn Đảo...
Tuy nhiên giá thành triển khai các trạm VSAT này khá cao, hệ thống pin
mặt trời cồng kềnh không có khả năng di động và dung lợng giới hạn. Mạng
viễn thông quốc tế cũng đã phát triển với 3 tổng đài cửa hiện đại tại Hà Nội,
thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, 7 trạm thông tin vệ tinh mặt đất liên lạc

trong hệ thống INTELSAT và INTERSPUTNIK, một hệ thống cáp biển sử
dụng kỹ thuật PDH nối liền Việt Nam với Thái Lan và Hồng Kông rồi từ đó đi
toàn cầu. Các dịch vụ viễn thông quốc tế cũng khá đa dạng, ngoài dịch vụ


2

thoại quốc tế truyền thống, các dịch vụ mạng cũng đã đợc đa vào sử dụng
rộng rãi.
Tuy đã có nhiều cố gắng song mạng lới viễn thông Việt Nam vẫn cha thể vơn tới hết đợc các vùng xa xôi hẻo lánh, biên giới, hải đảo. Các mạng di động
mặt đất và mạng cố định mới chỉ triển khai đợc tới các tỉnh, thành phố lớn, các
vùng đông dân c và một số điểm trọng yếu biên giới, hải đảo mà thôi. Công
việc cứu hộ cứu nạn tại những vùng xảy ra thiên tai, trên biển còn gặp nhiều
khó khăn khi phải triển khai các trạm INMARSAT cồng kềnh, giá thành thiết
bị cao. Các cơ sở công tác của ngành mỏ, dầu khí, xây dựng cũng gặp những
khó khăn khi triển khai các hệ thống thông tin liên lạc của mình.
Để mạng viễn thông Việt Nam có thể vơn tới các vùng sâu vùng xa, biên
giới hải đảo đáp ứng đợc các nhu cầu thiết yếu trong lĩnh vực kinh tế xã hội,
an ninh quốc phòng, cứu hộ cứu nạn thì sự cần thiết phải nghiên cứu và triển
khai một hình thức liên lạc mới với những u điểm về giá thành thiết bị, tính di
động, tiện lợi trong khai thác sử dụng, đáp ứng kịp cho liên lạc mọi lúc mọi
nơi mà vẫn bảo đảm đợc chủ quyền và an ninh quốc gia. Xuất phát từ yêu cầu
thực tế nh vậy tôi chọn đề tài: Nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin di
động toàn cầu qua vệ tinh và khả năng ứng dụng tại Việt Nam.
Với mục đích nghiên cứu để có thể chọn một hệ thống thông tin di động
toàn cầu qua vệ tinh áp dụng cho Việt Nam, luận văn đi sâu xem xét về đặc
điểm của thông tin di động toàn cầu qua vệ tinh, cấu hình của các hệ thống và
các yêu cầu đặt ra về kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng tập trung vào các nội
dung chính sau:
Vùng phủ sóng của hệ thống vệ tinh LEO

Góc ngẩng của anten thuê bao lên vệ tinh
Khả năng đáp ứng dịch vụ của hệ thống
Khả năng tơng thích với mạng viễn thông mặt đất.
Luận văn bao gồm 5 chơng:
Chơng 1: Tổng quan về hệ thống GMPCS
Chơng 2: Một số vấn đề kỹ thuật của các hệ thống GMPCS
Chơng 3: Các hệ thống thông tin di động toàn cầu qua vệ tinh (GMPCS)
trên thế giới


3

Chơng 4: Một số vấn đề liên quan đến quản lý cuộc gọi trong các hệ
thống thông tin di động toàn cầu qua vệ tinh
Chơng 5: Kết luận và một số khuyến nghị khi sử dụng hệ thống thông tin
di động toàn cầu qua vệ tinh tại Việt nam
Trong thời gian qua, dới sự hớng dẫn của thầy giáo PGS. TS Võ Kim,
cùng với sự giúp đỡ của các thầy giáo Khoa VTĐT và các bạn đồng nghiệp tôi
đã hoàn thành Luận văn cao học. Mặc dù có nhiều cố gắng, nhng luận văn
vẫn còn một số vấn đề cha đề cấp hết và không thể tránh khỏi những thiếu xót
nhất định. Rất mong nhận đợc sự góp ý, phê bình chân thành của các bạn.
Cuối cùng tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Võ Kim, các thầy trong
Khoa VTĐT- Học viện KTQS và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn
thành Luận văn này.
Tác giả

KS. Bùi Văn Tuân


4

Chơng I
Tổng quan về hệ thống gmpcs
1.1 Những vấn đề chung về hệ thống GMPCS
Xuất phát từ tình hình thực tiễn do sự khan hiếm của khe quỹ đạo sử dụng
cho vệ tinh địa tĩnh và sự xuyên nhiễu giữa các hệ thống vệ tinh ngày càng gia
tăng, ngoài việc xúc tiến nghiên cứu sử dụng những băng tần mới và nâng cao
độ nhậy các thiết bị thu ngời ta đã tìm cách sử dụng những vệ tinh phi địa tĩnh
cho viễn thông. Năm 1987, sau khi đã thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ
cho thông tin di động qua vệ tinh, kể từ đó đến nay đã lần lợt ra đời các ý tởng
và hình thành những hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàn
cầu qua vệ tinh. Các hệ thống điển hình trên thế giới nh: Globalsar, Ellipso,
Iridium, ICO, Skybrigde, Teledesis. Các quỹ đạo của loại vệ tinh mới này có
thể là tròn hoặc ellip có độ cao quỹ đạo từ 700 km đến 10.000 km. Trọng lợng
nhỏ hơn 500kg, kích thớc nhỏ, giá mỗi vệ tinh từ 1 đến 10 triệu đô la Mỹ.
Nói chung tất cả các vệ tinh phi địa tĩnh là có dung lợng ít hơn vệ tinh
thông tin địa tĩnh. Chẳng hạn vệ tinh địa tĩnh có 24 bộ phát đáp hoặc nhiều
hơn, trong khi đó vệ tinh phi địa tĩnh chỉ khoảng 12 bộ hoặc tơng đơng. Một
yếu tố nữa làm hạn chế khả năng của vệ tinh phi địa tĩnh đó là phổ tần số quá
ít ỏi. Tại Mỹ, một số hãng dùng chung phổ tần số với tuyến vi ba ở mặt đất.
Do vậy vấn đề nhiễu giao thoa lẫn nhau giữa các hệ thống là một vấn đề khá
nan giải.
Vì vậy sự ra đời các hệ thống GMPCS đã đặt ra cho liên minh viễn thông
thế giới - ITU (International Telecommunications Union) nhiệm vụ nghiên cứu
các chính sách về pháp lý và các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan tới việc xây
dựng, triển khai các hệ thống để khai thác các dịch vụ GMPCS.
Khái niệm chung về hệ thống GMPCS đợc xác định trong thoả thuận về
GMPCS (GMPCS Arrangement - MoU) do ITU xây dựng vào năm 1996 nh
sau:
Hệ thống GMPCS là bất kỳ hệ thống vệ tinh nào (Cố định hay di động,

băng rộng hay băng hẹp, toàn cầu hay khu vực, địa tĩnh hay phi địa tĩnh đã tồn
tại hay còn trong dự kiến) cung cấp dịch vụ viễn thông trực tiếp tới ngời sử
dụng đầu cuối từ các chùm vệ tinh.


5

Từ các vấn đề về thị trờng kinh doanh, mục tiêu phục vụ, chiến lợc kinh
tế, hình thức khai thác dịch vụ của các hệ thống GMPCS trên ngời ta nhóm
các hệ thống thành hai nhóm chính với các đặc điểm sau:
Nhóm 1: Bao gồm các hệ thống nhằm vào thị trờng kéo dài vùng phủ
sóng cho thông tin di động mặt đất và bổ xung cho mạng cố định (PSTN) dựa
trên cấu hình có rất nhiều trạm cổng Gateway phân bổ tại quốc gia có vùng
cung cấp dịch vụ. Đại diện tiêu biểu của nhóm này là Globalstar (Ngoài ra còn
có Ellipso và ICO). Các hệ thống thuộc nhóm này không xây dựng các hệ
thống xử lý chuyển mạch trên vệ tinh mà tập trung vào việc triển khai một số
lợng lớn các trạm cổng mặt đất tại các quốc gia cung cấp dịch vụ trên phạm
vi toàn cầu. Với cấu hình hệ thống nh vậy nó tận dụng đợc hiệu qủa đầu t của
các hệ thống viễn thống trên mặt đất. Ưu điểm của hệ thống viễn thông mặt
đất này là chi phí rẻ, truyền dẫn băng rộng, khoảng cách lớn và độ tin cậy cao.
Hơn nữa các nớc triển khai dịch vụ này có khả năng kiểm tra an ninh, kiểm
soát lu lợng một cách trực tiếp. Hệ thống không cạnh tranh trực tiếp với viễn
thông quốc tế mà phát triển hài hoà trong kế hoạch tổng thể với các dịch vụ cố
định và di động mặt đất.
Nhóm 2: Bao gồm các hệ thống có mục đích sử dụng là chuyển vùng
quốc tế dựa trên cấu hình có đờng liên lạc chuyển mạch giữa các vệ tinh và
một số lợng hạn chế các trạm làm cơ sở truy nhập cơ bản cho các mặt đất.
Đại diện tiêu biểu của nhóm của hệ thống Iridium. Các hệ thống nhóm này có
u điểm là rất tiện lợi với các quốc gia cha có cơ sở hạ tầng viễn thông tốt, phù
hợp với mục đích quân sự và phục vụ cộng đồng trong các trờng hợp đặc biệt

(Thiên tai, cứu hộ, cứu nạn...) nhng lại cạnh tranh trực tiếp với viễn thông
quốc tế và không kiểm soát đợc an ninh, đây là vấn đề lớn nhất mà các nớc
đang phát triển rất quan tâm.
Với các u điểm của mình, thông tin vệ tinh sử dụng quỹ đạo tầm thấp đã
đáp ứng ngày càng tăng các nhu cầu của sự phát triển kinh tế, xã hội, an ninh
quốc phòng.
1.2 Những đặc điểm cơ bản của hệ thống GMPCS
Gần đây vệ tinh quỹ đạo thấp đợc sử dụng đã bắt đầu tìm đến. Các quỹ đạo
vệ tinh phi địa tĩnh (NGSO) có thể là quỹ đạo tròn có độ cao quỹ đạo đến
10000km. Các dịch vụ sử dụng các vệ tinh kiểu này thờng là để giám sát, quan


6

trắc, nghiên cứu khoa học và gần đây đã dùng cho Viễn thông. Trớc đây thờng
dùng vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh cho viễn thông, ngày nay chuyển dịch sang vệ
tinh tầm thấp. Thứ nhất là ở quỹ đạo cao cần một công nghệ phóng cao hơn.
Thứ hai là công nghệ vệ tinh không thể đáp ứng các chỉ tiêu về công suất phát
cao cũng nh độ rộng băng thông lớn. Trong khi đó các vấn đề về độ tin cậy có
thời gian sống ngắn nhng công nghệ để phóng vào quỹ đạo là rất lớn.
Nh đã thấy, thông tin vệ tinh phi địa tĩnh ra đời và phát triển nhanh chóng
vì nhiều lý do khác nhau. So với các hệ thống thông tin khác thông tin vệ
tinh tầm thấp có một số u điểm sau:
1.2.1 Ưu điểm:
a) Về mặt công nghệ
Hệ thống GMPCS chủ yếu cung cấp các dịch vụ nằm trong băng tần
VHF, UHF và thấp hơn băng tần vi ba.
Công suất đẩy vệ tinh và quỹ đạo thấp hơn so với đẩy vệ tinh lên quỹ
đạo địa tĩnh (Không cần tên lửa đẩy nhiều tầng).
Hệ thống có độ cao quỹ đạo nhỏ hơn 10.000 km nên suy hao không

gian tự do đối với sự lan truyền sóng nhỏ. Do đó công suất nguồn cần
ít, số lợng pin mặt trời giảm cũng nh hệ thống ắc quy gọn nhẹ hơn,
thiết kế hệ thống thiết bị mặt đất cũng đơn giản.
Điều khiển độ cao vệ tinh cũng đơn giản, do có khả năng đo độ ổn
định gia tốc trọng trờng, có thể thụ động hoặc có tác động của thiết bị
trờng tơng tác với từ trờng của trái đất. Với vệ tinh địa tĩnh độ ổn định
trờng hấp dẫn là không có.
Trong thông tin thoại, vấn đề tiếng vọng không có ý nghĩa do độ trễ ít
hơn nhiều so với vệ tinh địa tĩnh (Ví dụ: GSO > 270 ms còn NGSO <
100ms).
Giá thành thiết lập và phóng một vệ tinh thấp hơn nhiều. Các dịch vụ
có thể cung cấp đợc ở những nơi có vĩ độ cao, bằng cách sử dụng các
quỹ đạo cực hoặc quỹ đạo nghiêng có góc nghiêng lớn.
Có kích thớc nhỏ nên có thể phóng bằng tên lửa đơn giản hơn.
Băng tần làm việc thấp nên giá thành của antenna sẽ hạ.


7

Trong các hệ thống GMPCS có thể sử dụng hiệu ứng dịch tần Doppler
để định vị.
b) Về mặt kinh tế
Với đặc tính phủ sóng toàn cầu cùng với dịch vụ cụ thể cung cấp tơng đơng nh các hệ thống PLMN (Public Land Mobile Network), hệ thống GMPCS
có u thế về phạm vi sử dụng và vùng phục vụ lớn nhất từ trớc đến nay, chúng
có thể phục vụ cho nhiều ngành, nhiều đối tợng thuê bao khác nhau trên phạm
vi rộng, từ miền xuôi đến miền núi, hải đảo, trên không, trong nớc và quốc tế.
Bằng việc sử dụng dịch vụ đa Mode GMPCS/PLMN sẽ cho phép hệ thống
PLMN mở rộng vùng phủ sóng tới các khu vực mà chỉ có thể bằng phơng thức
thông tin vệ tinh mới làm đợc.
So với thông tin vệ tinh VSAT, hệ thống GMPCS có u điểm về tính di

động của thuê bao, giá thành máy đầu cuối thấp hơn nhiều so với VSAT, khai
thác sử dụng thiết bị đầu cuối đơn giản.
Với các u điểm của mình, thị trờng GMPCS rất có triển vọng đối với các
đối tợng sử dụng nh: Cơ quan nhà nớc, giao thông trên sông, biển, trên bộ,
ngành lâm nghiệp, đánh cá, khai thác mỏ, dầu khí, xây dựng, du lịch, các lực
lợng của Quân đội (Hải quan, không quân, biên phòng), Công an, Hải quan,
Hàng không và các thuê bao nớc ngoài khác Roaming vào mạng Việt Nam.
1.2.2 Nhợc điểm:
Bên cạnh những u điểm nêu trên, GMPCS còn một số nhợc điểm so với
các hệ thống PLMN và vệ tinh địa tĩnh nh sau:
a) Về mặt công nghệ
Không thể bảo đảm một trăm phần trăm thời gian thông tin thực tế
đối với hệ thống GMPCS đơn, do phần trăm thời gian một vệ tinh
không ở trong tầm nhìn lớn. Vì vậy phải cần nhiều vệ tinh trên các
quỹ đạo để thông tin đợc chuyển tiếp một cách liên tục theo kiểu
bent-pipe trên phạm vi toàn cầu.


Do sự chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo nhanh so với trạm mặt
đất và sự quay của trái đất xung quanh trục của nó nên tín hiệu thu đợc bị hiện tợng Doppler. Sự ảnh hởng của hiệu ứng này đối với tín
hiệu thu mạnh hay yếu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nh: Độ
cao của quỹ đạo, tần số sử dụng, đờng bay của vệ tinh (Kiểu quỹ


8

đạo) và vị trí của các trạm trên mặt đất. Vì vậy phải xem xét đánh giá
cụ thể sự ảnh hởng của hiệu ứng Doppler trên từng lãnh thổ, khu vực
để có giải pháp kỹ thuật bù khử hiện tợng này.
Do sử dụng quỹ đạo có độ cao thấp nên thời gian bị trái đất che khuất

mặt trời lâu trong một ngày, dẫn đến nguồn nuôi trên vệ tinh không
đủ mạnh để mang tải. Để khắc phục nhợc điểm này ngời ta có thể
nâng độ cao của vệ tinh lên trong trờng hợp cần thiết hay tắt nguồn
trong thời gian bị che khuất để hồi phục nguồn nuôi.
Hệ thống antenna trạm mặt đất cần phải luôn chuyển động theo để
bám vệ tinh duy trì liên lạc. Ngời ta có thể dùng loại antenna có vùng
phủ sóng rộng kiểu nửa bán cầu (Hemi-spherical) hoặc antenna cơ
điện có bánh răng chuyển động tham gia vào quá trình định hớng búp
sóng về phía vệ tinh hoặc có thể chuyển mạch từ vệ tinh này sang vệ
tinh khác (Hand-over) để đảm bảo thông tin đợc duy trì liên tục. Mỗi
vệ tinh chỉ nhìn đợc một phần rất nhỏ của bề mặt trái đất do vậy cần
phải có hệ thống đa vệ tinh thì mới đảm bảo vùng phủ sóng đợc lớn
hơn.
Thuê bao của hệ thống GMPCS không liên lạc đợc khi thiết bị ở trong
nhà.


Kích thớc máy thuê bao hệ thống GMPCS lớn hơn máy di động mặt
đất.

Chất lợng thoại kém hơn so với thông tin vệ tinh VSAT do dùng mã
hoá tín hiệu thoại tốc độ thấp để tận dụng băng tần vệ tinh.
Dung lợng hệ thống hạn chế do vậy không thích hợp để làm trung kế
cho các vùng có lu lợng cao nh thông tin vệ tinh VSAT sử dụng vệ
tinh phi địa tĩnh.
Hệ thống quản lý mạng phức tạp do phải kết hợp nhiều vệ tinh có
vùng phủ sóng nhỏ để phủ sóng toàn bộ bề mặt trái đất.


Thời gian hoạt động của mỗi vệ tinh trên quỹ đạo khoảng 5 ữ10 năm.

Trong khi đó thời gian hoạt động của mỗi vệ tinh địa tĩnh là 10 ữ 15
năm.


9

Khả năng va vào các mảnh vụn vũ trụ lớn hàng trăm các vệ tinh bị
huỷ đều đa xuống quỹ đạo thấp.

b) Về mặt kinh tế


Giá thành thiết bị đầu cuối còn cao hơn so với mạng thông tin di động
mặt đất.

Giá cớc chiếm dụng không gian (Airtime) cao hơn so với mạng thông
tin di động mặt đất và thông tin VSAT.
Với các u, nhợc điểm của mình nh vậy thị trờng GMPCS có rất nhiều
triển vọng trong các lĩnh vực kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng.

Chơng Ii Một số vấn đề kỹ thuật của các hệ thống
GMPCS
2.1 Các dạng chuyển tiếp thông tin và thời gian phục vụ thuê bao của vệ
tinh trong một chu kỳ quỹ đạo.
Các dạng chuyển tiếp thông tin của vệ tinh.
Trong khai thác một vệ tinh LEO đơn lẻ, việc thông tin giữa hai trạm đầu
cuối đợc thực hiện qua hai dạng sau:


10

Vùng có thể nhìn thấy
nhau giữa hai trạm A&B

Vùng nhìn thấy
trạm A




B

0
A



Quỹ đạo
LEO

Hình2.1 Dạng chuyển tiếp bent - pipe
Dạng thứ nhất: Là chuyển tiếp theo kiểu bent-pipe, tức là cả hai vị trí
trạm đầu cuối trên mặt đất đều nhìn thấy trực tiếp vệ tinh (Hình 2.1). Khả
năng thông tin đợc với nhau là một hàm của độ cao vệ tinh và góc ngẩng
nhỏ nhất tính theo búp sóng chính của antenna trạm mặt đất. Góc ngẩng
bình thờng từ 100 đến 200.
Đồng thời cả hai vị trí trạm mặt đất đều phải nằm trong vùng phủ sóng
footprint của antenna vệ tinh. Độ dài thời gian tối đa để trạm mặt đất nhìn
thấy vệ tinh là khi trạm mặt đất nằm trên đờng chiếu của qũy đạo vệ tinh
xuống mặt đất.

11

2



Thu
B



1


A

Phát



Hình 2.2. Dạng chuyển tiếp store - and - forward
Dạng thứ hai: Là dạng thông tin chuyển tiếp theo kiểu lu và phát sau
store-and-forward. Có nghĩa là hai trạm mặt đất A và B không nhìn thấy vệ
tinh cùng một thời điểm (Hình 2.2). Khi vệ tinh ở trong tầm nhìn của trạm mặt
đất A thì tin tức đợc truyền đến vệ tinh và lu lại trong bộ nhớ máy tính trên vệ
tinh, sau một thời gian có chu kỳ, tin tức mới truyền đạt tới trạm B đặt ở các vị
trí khác trên trái đất.
Thời gian phục vụ thuê bao của vệ tinh trong một chu kỳ quỹ đạo

Đối với trạm mặt đất nằm trên hình chiếu của vệ tinh thì độ dài góc nhìn
thấy của thuê bao tại điểm A là 2 (Hình 2.1). Độ dài thời gian nhìn thấy vệ
tinh sẽ là 2/3600T. Trong đó là một nửa góc ở tâm trái đất, T là chu kỳ quỹ
đạo vệ tinh.
Chu kỳ của một quỹ đạo tròn sẽ bằng:


12

T=

Trong đó:

4 2 r 3
= 2
u

( RE + h ) 3
GM

RE = bán kính trái đất = 6.378 km
GM = tham số hấp dẫn = u = 3,9866 x 105 km3/s2
G = hằng số hấp dẫn
M = khối lợng trái đất.

Hình 2.3. Thời gian nhìn thấy vệ tinh của thuê bao trong một chu kỳ
quỹ đạo LEO
Nh vậy nếu góc lớn, thì góc ở tâm 2 sẽ nhỏ lại và do đó khả năng
nhìn thấy vệ tinh sẽ ít đi. Rõ ràng khi = 00, khả năng nhìn thấy vệ tinh là
cực đại. Ví dụ, cho một độ cao danh định là 1000 km của = 00, thì chu kỳ

quỹ đạo vệ tinh là 105 phút, thời gian tối đa nhìn thấy vệ tinh của thuê bao là
khoảng 18 phút. Với = 100 (Góc ngẩng thực tế của búp sóng chính antenna
của một trạm mặt đất), thì khả năng nhìn thấy giảm xuống còn 13 phút.
Đối với các vệ tinh có quỹ đạo ellip (Hình 2.4), công thức tính thời gian
hoàn thành một chu kỳ quay của vệ tinh cũng tơng tự nh chu kỳ quỹ đạo tròn,
trong đó khoảng cách bán kính r từ tâm trái đến các điểm quỹ đạo luôn thay
đổi và đợc thay bằng khoảng cách a. Thấy rằng khoảng cách a có giá trị cực


13

đại amax = r tại viễn điểm (r a) và giá trị cực tiểu a min = r tại cận điểm (r p). Do đó
giá trị a đợc tính bằng trung bình cộng của hai giá trị ra và rp:
a = 1/2 (ra + rp)
Chu kỳ một quỹ đạo ellip sẽ bằng
T = 2

a3
GM

Quỹ đạo
nghiêng

Điểm xa quỹ
đạo nhất

Viễn điểm

R slt

r
Cận điểm

Hình 2.4. Quỹ đạo Ellip của vệ tinh
ứng với giá trị góc ngẩng thuê bao nhất định, tại các vị trí khác nhau
trên hình chiếu của qũy đạo ellip, khả năng nhìn thấy vệ tinh của thuê bao
khác nhau. Thời gian nhìn thấy vệ tinh của thuê bao lớn nhất khi thuê bao nhìn
về vùng viễn điểm và có giá trị nhỏ nhất khi thuê bao nhìn về vùng cận điểm.
Bảng 1.1.Thời gian nhìn thấy vệ tinh từ một điểm trong các hệ thống
GMPCS theo góc ngẩng 00, 100, 200
Hệ thống
GMPCS
Iridium
Globalstar
ICO
Ellipso

Độ cao quỹ
đạo (km)
785
1410
10355
8050

Chu kỳ
quỹ đạo
(phút)
100.6
114.0
359.0

287.5

Góc ngẩng
00
100
200
Thời gian nhìn thấy vệ tinh (phút)
15.13
22.18
134.82
101.83

10.46
16.62
115.59
86.54

7.38
12.74
97.75
72.59


14

(Concordia)
Ellipso (Borealis)

4052.5

176.7

90.87

75.18

60.29

Chú thích: Độ cao qũy đạo Broealis của Ellipso tính từ tâm trái đất đợc
tính là trung bình cộng giữa khoảng cách viễn điểm 7.605 + RE (km) với cận
điểm 500 + RE (km). Thuê bao nhìn thấy các vệ tinh trên quỹ đạo Concordia
tại những vị trí nằm trong dải vĩ độ 470, còn các vệ tinh trên quỹ đạo
Borealis đợc nhìn thấy nếu thuê bao ở từ vĩ độ 470 trở lên đến cực Bắc.
2.2 Chuyển vùng phủ sóng của vệ tinh đơn
Trạng thái làm việc liên tục theo thời gian thực là cần thiết đối với các vệ
tinh trên các quỹ đạo khác nhau nhằm làm tăng độ rộng của vùng phủ sóng
của vệ tinh. Trên quỹ đạo, vệ tinh luôn chuyển động, khoảng cách từ vệ tinh
đến trái đất có thể thay đổi (Nh với quỹ đạo ellip), do vậy búp sóng của vệ
tinh khi vẽ trên mặt đất sẽ có kích thớc vùng phủ thay đổi so với kích thớc của
antenna cố định. Để vùng có dịch vụ luôn nhìn đợc vệ tinh thì các búp sóng
của vệ tinh cần phải đợc điều khiển. Đối với vùng phủ footprint của một
antenna hình tròn hớng tới điểm hình chiếu của vệ tinh, thì vùng phủ cực đại
là một hàm của độ rộng búp sóng antenna và độ cao vệ tinh. Phần trăm bề mặt
trái đất có thể nhìn thấy đợc vệ tinh cũng là một hàm của độ cao (Hình 2.5).
Góc ngẩng của antenna thuê bao là một tham số của nó. Hình 2.6 chỉ ra vệt
phủ sóng nhìn thấy và góc FOV (Field Of View) nhìn từ một vệ tinh về. Đối
với vệ tinh tầm thấp, nếu ta cần tối đa vùng phủ sóng thì góc FOV yêu cầu
phải lớn. Búp sóng của antennna vệ tinh cần phải rất rộng. Trên thực tế các
vùng phủ sóng của vệ tinh thờng hẹp và do vậy những trạm mặt đất nằm trên
chu diện của vùng phủ cần có góc ngẩng cao và hệ số khuếch đại antenna lớn.

: là 1/2 góc ở tâm
R : bán kính trái đất
:Góc ngẩng búp sóng trạm mặt đất

Tỷ lệ bề mặt trái đất nhìn thấy đ ợc, %

15

35
30
25

15
10
5
0
0

1000
Độ cao quỹ đạo h.km

10.000

Hình 2.5 Phần trăm bề mặt trái đất nhìn thấy đợc phụ thuộc độ cao
quỹ đạo vệ tinh và góc ngẩng của trạm mặt đất


16

160

13K

140

11K

120

9K

100

B

80

A

5K
-3K

60
40

7K

Visual swath, km

Fieldof view, degrees

: nửa góc ở tâm
R = D/2: 6378km ( bán kính trái đất ở xích đạo)
S = R(2rad), độ dài cung ứng với góc ở tâm
L = 2 R 2 d 2 = 2 R sin = 2dtg
= arcsin (l/D)
Diện tích vùng phủ = (s/2)2

100

2

5
1000 2
Altiude h.km

5

1K
10.000

Hình 2.6 Mô tả sự phụ thuộc của vùng nhìn thấy và thị trờng vào độ
cao vệ tinh
Đối với vệ tinh địa tĩnh có độ cao khoảng 35.600km, thì góc FOV bằng
17,30 và góc ở tâm 2 = 2 x 81,30 = 162,60. Độ rộng vùng phủ sóng cho phép
là 18.100km đó là độ rộng vùng phủ sóng tròn lớn và dĩ nhiên không thể đạt
đợc diện tích của bán cầu trái đất (C = 40.074km) khi xét trong trờng hợp vệ
tinh đặt ở vô cực so với trái đất.

2.3 ảnh hởng của hiệu ứng Doppler xét tại trạm mặt đất bình dơng và
quế dơng.


17

Vs
h

Vr
E.S
RE

r

Hình 2.7 Hiệu ứng Doppler do chuyển động của vệ tinh trên quỹ
đạo
Nh đã trình bày ở phần trớc, do vệ tinh và thiết bị đầu cuối có sự chuyển
động tơng đối với nhau, nên tín hiệu thu đợc bị tác động của hiệu ứng
Doppler. Sự ảnh hởng của hiệu ứng này đối với tín hiệu thu mạnh hay yếu phụ
thuộc vào nhiều yếu tố nh: Độ cao của vệ tinh, tần số sử dụng, kiểu quỹ đạo và
vị trí của thuê bao trên trái đất. Xét trờng hợp tín hiệu thu đợc từ vệ tinh của
trạm mặt đất nằm trên đờng chiếu của vệ tinh và không tính đến sự quay của
trái đất (Hình 2.7). Tín hiệu thu đợc có tần số bị dịch đi một lợng dịch tần
Doppler là;
fd = vrfx/c = (vscos)fx/c

(2-1)

Khi đó tần số tín hiệu thu đợc:

free = fx fd = fx (vrfx/c) = fx (vscos)fx/c

(2-2)

Trong đó:
free = tần số thu biểu kiến
fx = tần số tín hiệu phát
vr= tốc độ tơng đối giữa trạm thu và vệ tinh
vs = vận tốc vệ tinh
r = h + RE = bán kính quỹ đạo vệ tinh
c = tốc độ ánh sáng
Dấu chỉ chiều chuyển động của vệ tinh ra xa hay tiến lại gần so với
trạm mặt đất. Sự ảnh hởng của hiện tợng Doppler xấu nhất khi vệ tinh nằm


18

trên đờng chân trời cả thuê bao và càng xấu khi vs càng lớn. Lợng dịch tần của
hiện tợng này có giá trị bằng không khi hình chiếu của vệ tinh trùng với trạm
mặt đất. Nh vậy sự tác động của hiệu ứng Doppler sẽ giảm nếu trạm mặt đất
nằm trên đờng chiếu của vệ tinh với góc ngẩng cực đại.
Ta xem xét trong điều kiện thực, trạm mặt đất chuyển động cùng với sự
chuyển động của trái đất. Khi đó, tốc độ chuyển động tơng đối giữa trạm mặt
đất và vệ tinh bao gồm tốc độ chuyển động của vệ tinh và tốc độ chuyển động
của trái đất hợp lại. Để dễ dàng xem xét, giả sử một vệ tinh nằm trong quỹ đạo
cực, trạm mặt đất nằm về phía Tây quỹ đạo vệ tinh (Phía Tây hình chiếu quỹ
đạo vệ tinh) ở vĩ độ Bắc. Giả thiết đợc biểu diễn trên (Hình 2.8). Ta thấy rằng
vận tốc góc của trạm mặt đất do trái đất quay là = 2/T, trong đó T là chu kỳ
quay của trái đất.
Nếu trạm mặt đất nằm trên xích đạo, thì tốc độ của nó sẽ lớn nhất v =R E,

còn trạm mặt đất nằm ở vĩ độ khác thì tốc độ sẽ giảm đi và vận tốc của trạm
mặt đất đợc tính theo công thức:
ves = (RE)cosLAT
= ( /12) REcosLAT (km/giờ)
Trong đó: LAT = vĩ độ trạm mặt đất
Khi đó tín hiệu thu đợc có tần số bị dịch đi một lợng dịch tần Doppler:
fd = (vscos) fx/c + (vescos ) fx/c
Trong đó:
là góc giữa véctơ vận tốc vệ tinh với véctơ thành phần hớng trạm mặt
đất.
là góc giữa véctơ vận tốc tại trạm mặt đất và véctơ thành phần của nó
theo hớng vệ tinh.
Vận tốc của vệ tinh trong quỹ đạo tròn đợc tính nh sau:
vs=

u
r

Trong đó:
u = GM = 3,9866 x 105 km3/ s2 = tham số hấp dẫn của trái đất
r = h+ RE = bán kính quỹ đạo


19

Quế
D ơng
0
21 N
Bình

ES
D ơng

Hình chiếu
quý đạo vệ tinh

Ves



110 N

Vs

Hình2.8 Biểu diễn sự chuyển động tơng đối giữa một vệ tinh trên quỹ đạo
cực và một trạm mặt đất có tính đến sự quay của trái đất.
Ví dụ: Xét cho hai trờng hợp trạm mặt đất ở Bình Dơng và Quế Dơng.
LAT Bình Dơng = 11003 N và
LAT Quế Dơng = 2100299N
RE = bán kính trái đất (6738 km tại xích đạo)
2/24 = vận tốc góc của trái đất (W)
h = 1000km
thì tốc độ vệ tinh là: vs = 7,3km/s
Với trạm mặt đất Bình Dơng ở vĩ độ 11003' N, tốc độ chuyển tiếp của nó do
trái
đất
quay
là
ves
=

1639
km/giờ
(2-6)
Đối với trạm mặt đất Quế Dơng ở vĩ độ 2100299N, tốc độ chuyển tiếp của
nó do trái đất quay là ves = 1558,85 km/giờ.
(2-7)
Nh vậy với giả thiết đặt ra ta thấy ứng với các góc và nh nhau, trạm
mặt đất nằm phía Bắc tơng ứng với trạm Quế Dơng có vĩ độ cao sẽ chịu ảnh hởng của hiệu ứng Doppler ít hơn các trạm đặt ở phía nam (Trạm Bình Dơng)


20

có vĩ độ thấp. Tuy nhiên khi lựa chọn vị trí đặt trạm còn phụ thuộc vào nhiều
yếu tố khác.
2.4 Quỹ đạo vệ tinh trong hệ thống GMPCS độ cao thấp
a. Quỹ đạo vệ tinh phi địa tĩnh
Các vệ tinh phi địa tĩnh đợc dùng trong các hệ thống GMPCS dựa vào hai
cơ cấu quỹ đạo cơ bản: Là quỹ đạo tròn hoặc quỹ đạo ellip có góc nghiêng
thay đổi. Góc nghiêng là góc nhị diện giữa mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng
quỹ đạo.
Tâm của trái đất luôn nằm trên mặt phẳng quỹ đạo. Góc nghiêng của quỹ đạo
có thể thay đổi từ 00 (Trùng mặt phẳng xích đạo) đến 900 (Trùng mặt phẳng
cực) hoặc có thể vợt quá 900 đối với một số ứng dụng khác. Các quỹ đạo có
góc nghiêng nằm trong khoảng từ 00 đến 900 đợc gọi là quỹ đạo một chiều hay
quỹ đạo vợt dốc, còn các quỹ đạo có góc nghiêng lớn hơn 90 0 thì gọi là quỹ
đạo xuống dốc. Một điểm căn bản khác biệt ở những quỹ đạo xuống dốc là
các quỹ đạo vệ tinh có hớng ngợc với chiều quay của trái đất. Quỹ đạo của vệ
tinh có thể đợc định nghĩa bởi sáu yếu tố Keplerian đợc vẽ ở hình 2.9 và hình
2.10 dới đây.

Đ ờng nối cắc
cùng điểm
Đ ờng nối
cắc nút

0

Xích đạo

I
0: Sự dịch chuyển của nút lên
0 < < 3600

Nút lên

0

Điểm xuân phân

I: Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo
0 < I < 1800
0 :Góc cận điểm (0 < < 360 )
e :Độ lệch tâm 0 < e < 1
a: Bán kính trục lớn quỹ đạo ellip
: Time of perigee pasage

Hình 2.9 Sáu thành phần quỹ đạo Keplerian của vệ tinh LEO


21

Theo định luật Kepler thứ nhất, vệ tinh sẽ chuyển động vòng quanh trái đất
theo một quỹ đạo hình ellip với tâm trái đất phải nằm ở một trong hai tiêu
điểm của ellip. Điểm xa nhất của quỹ đạo so với tâm của trái đất nằm ở phía
của tiêu điểm thứ hai, đợc gọi là viễn điểm còn điểm gần nhất của quỹ đạo đợc gọi là cận điểm. Theo định luật hai về chuyển động hành tinh của Kepler,
vệ tinh sẽ chuyển động theo quỹ đạo với vận tốc thay đổi sao cho đờng 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 nh nhau. Nh vậy tốc độ của vệ tinh sẽ thay đổi
tuỳ thuộc vào vị trí của nó trên quỹ đạo, ở vùng cận điểm nó bay với vận tốc
lớn nhất còn tại vùng viễn điểm vệ tinh bay tốc độ thấp nhất.
V

Viễn điểm

r

fv
ha

V
hp Cận điểm
ra - rp
e= r - r
a
p

r
h

e=0

Hình 2.10 Mô tả các tham số quỹ đạo ellip
Tốc độ vệ tinh trên quỹ đạo đợc biểu diễn bằng công thức sau:
v2=G(M+m)[(2/r)-(1/a)]
Trong đó:
GM = u = 3,986 x 105km3/s2 = Tham số hấp dẫn
G = Hằng số hấp dẫn
M = Trọng lợng trái đất
m = Trọng lợng vệ tinh (m <r = Khoảng cách từ vệ tinh tới tâm trái đất
a = Bán kính trục lớn quỹ đạo ellip = (1/2)(rp + ra)

(2-8)


22

ra = a(1+e) = Bán kính viễn điểm
rp = a(1-e) = Bán kính cận điểm
r r
e = a p (0 < e <1): Độ lệch tâm
r +r
a p
Tốc độ vệ tinh tại vùng cận điểm :
vp =

u . (1 + e)
a (1 e)

u

=
p(1 + e)

(2-9)

Trong đó : p = a(1-e2)
Tốc độ vệ tinh ở vùng viễn điểm :
u
=
p(1 - e)

va =

u . (1 e)
a (1 + e)

(2-10)

u
a
Quỹ đạo tròn là một trờng hợp đặc biệt của quỹ đạo ellip. Vận tốc chuyển
động của vệ tinh theo quỹ đạo tròn bán kính r sẽ là đại lợng không đổi, độ
lệch tâm bằng không và vận tốc vệ tinh đợc tính:
Tốc độ trung bình : =

Vs =

u
= u
p

r

(2-11)

Đối với quỹ đạo tròn, tốc độ vệ tinh cũng có thể đợc tính bằng cách chia chu
vi của quỹ đạo cho thời gian bay hết một vòng của quỹ đạo đó.
Có nghĩa là:
vs = 2r/T = 2(RE+h)/T

(2-12)

Trong đó :
h = độ cao
T = chu kỳ quỹ đạo
RE = Bán kính trái đất
Từ đó ta có chu kỳ quỹ đạo vệ tinh là:
T = 2

r3
u

(2-13)


23

Trong quỹ đạo ellip chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh cũng đợc tính theo công thức
nh công thức cho quỹ đạo tròn.
a
a3 =

; Với a = (1/2)(ra+rp)
2a
T = 2
u
u

(2- 14)

b. Sự dịch chuyển của quỹ đạo theo định luật Kepler


Sự dịch chuyển của nút lên (ascending node)

Sự thụt lùi (hoặc tiến) của nút lên do tham số dẹt của trái đất J 2 đợc tính
trong quan hệ dới đây. J2 là chỉ số kích thớc đặc tính của trái đất theo hình cầu
(Do thực tế trái đất bị dẹt). Sự chuyển dịch của nút lên tại bất kỳ thời điểm t
nào đợc tính nh sau:
= o - 3nj2 RE2 / p2 . cosI (t- t0) độ/ngày
d
= o -
(t- t0)
dt

(2-15a)
(2- 15b)

Trong đó:
n = 2/T là tốc độ chuyển động trung bình của quỹ đạo (Tốc độ góc
của quỹ đạo), T là chu kỳ của quỹ đạo.
J2 = 0.001826 là hệ số dẹt của trái đất

RE= 6378km
I = góc nghiêng của quỹ đạo
p = a(1- e2)
a = bán kính trục lớn
e = độ lệch tâm (lệch trục)
Tại thời điểm giá trị tức thời t= t 0, độ dịch chuyển = 0 là giá trị tức thời
của . Dấu trừ ở biểu thức trên chỉ sự dịch chuyển lùi của nút lên trong trờng
hợp góc nghiêng 00 < I < 900 (Xem hình 2.11a). Khi góc nghiêng nằm trong
khoảng 900 đến 1800, sự tịnh tiến của nút lên theo chiều dơng cùng với chiều
quay của trái đất (Xem hình 2.11b), và dấu trừ đợc thay bằng dấu cộng.


24

Xích đạo

0

0

0

a, 0 < I < 90

0

b, 90 < I < 180

Hình 2.11 Biểu diễn sự dịch chuyển của các nút lên
Trong biểu thức (2-15) nếu thay n bằng 2/T và p = a(1- e2), ta có:

.

= d/dt = -

3J 2 R E2
(1 e 2 ) 2 cos I (rad/quỹ đạo)
2
a

(2-16)

Hoặc
RE
=
9.964



a
.

3.5

(1- e2)-2 cos I (độ/ngày)

(2-17)

Biểu thức (2-15) cũng áp dụng cho quỹ đạo tròn khi thay a = r và e = 0

Sự dịch chuyển của nút lên có tính đến sự quay của trái đất
Sự dịch chuyển của trái đất trong một chu kỳ quỹ đạo vệ tinh là:
= -2(TS/TE)= -2(TS/24)

(2-18)

Trong đó:
TE 24 giờ là chu kỳ của trái đất.
Ts là chu kỳ vệ tinh
Ví dụ: TS = 1 giờ thì = - 0.262 rad/giờ
= 150 /giờ
Do đó, tổng dịch chuyển của nút lên vệ tinh đối với quỹ đạo có 00 < I < 900 là
=

+ (rad/quỹ đạo vệ tinh)

Trong đó là độ hồi quy của nút lên

(2-19)


25



Quỹ đạo đồng bộ mặt trời

Quỹ đạo của vệ tinh viễn thông tầm thấp thờng sử dụng với góc nghiêng
nhỏ hơn 900 . Các quỹ đạo tròn có góc ngẩng lớn hơn 900 cũng đợc dùng trong
một số trờng hợp đặc biệt. Quỹ đạo đồng bộ mặt trời là quỹ đạo mà mặt phẳng

của nó luôn tịnh tiến về phía Đông và giữ nguyên tốc độ khi quả đất quay
xung quanh mặt trời (Mặt trời cũng quay về hớng Đông). Vệ tinh trên quỹ đạo
sẽ có cùng vĩ độ tại cùng một thời điểm của mỗi ngày, nhng lại không cùng
kinh độ do trái đất luôn tự quay xung quanh mình nó. Song vệ tinh sẽ quay lặp
lại kinh độ sau 17 đến 18 ngày. Khi nhìn theo hớng cực Bắc, mặt phẳng quỹ
đạo và quả đất cùng quay theo chiều kim đồng hồ. Bằng việc chọn độ cao quỹ
đạo, và góc nghiêng thích hợp, mặt phẳng quỹ đạo có thể đợc thay đổi tốc độ
(Tốc độ vẫn nh nhau khi trái đất quay xung quanh mặt trời). Xem hình 2.11
góc n là hằng số suốt năm. Chúng ta có thể nhận biết sự chuyển động của nút
lên nh sau:

Mùa xuân
H ớng chuyển động
của quỹ đạo

Quỹ đạo vòng trời
chạng vạng
3 tháng

4

Mùa đông
1

S

3

Mặt phẳng quỹ đạo
đ ợc nhìn từ cực bắc

mùa hè
2

Kết thúc
Mùa thu

Hình 2.12 Biểu diễn quỹ đạo đồng bộ mặt trời
Tiến trình chuyển động của mặt phẳng quỹ đạo là 3600 trong một năm, tốc
độ của tiến trình này có thể tính:
3600/365,25 ngày = 0,9860/ngày
Ta có hàm: