2. Quỹ đạo vệ tinh

5/24/2015

BÀI 2

QUỸ ĐẠO VỆ TINH

MẠNG VSAT
(Very Small Aperture Terminal)

5/24/2015

2/21

NỘI DUNG BÀI 2

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

1. KHÁI NIỆM VỆ TINH
• A đgl vệ tinh của B khi mA < mB và A
quay quanh B
• Ví dụ về hệ mặt trời (trang sau)
• Vệ tinh nhân tạo và trái đất
• Vệ tinh thơng tin thực hiện chức
năng là trạm chuyển tiếp tín hiệu vơ
tuyến trong khơng gian

• Vệ tinh thơng tin được sử dụng là
loại vệ tinh địa tĩnh
• Vệ tinh thơng tin được hình thành
từ một tập hợp các thiết bị thông tin
viễn thông, anten, …

Khái niệm vệ tinh
Định luật Kepler
Cơ sở quỹ đạo vệ tinh
Quỹ đạo địa tĩnh - GEO
Quỹ đạo elip - HEO
Quỹ đạo MEO, LEO
Quỹ đạo SSO
3/21

2. ĐỊNH LUẬT KEPLER

4/21

2. ĐỊNH LUẬT KEPLER

 Vệ tinh bay quanh trái đất tuân theo các định luật chuyển
động tương tự như các hành tinh bay quanh mặt trời.
 JOHANNES KEPLER (1571-1630) là nhà thiên văn học
(người Đức) đưa ra 3 định luật áp dụng cho hai vật thể
bất kỳ trong không gian tương tác với nhau thông qua
lực hấp dẫn. Vật lớn hơn gọi là vật chủ, còn lại là thứ cấp
hay còn gọi là vệ tinh.
 1665 ISAAC NEWTON (1642–1727) đưa ra định luật vạn
vật hấp dẫn* (Định luật thứ 3): Để vệ tinh giữ được thế

cân bằng trên quỹ đạo thì phải cân bằng giữa hai lực
hướng tâm và li tâm  vệ tinh cần chuyển động….

2.1. Định luật Kepler thứ nhất
 Vệ tinh chuyển động vòng quanh trái đất theo một quỹ đạo
phẳng hình Ellip với tâm trái đất nằm ở 1 trong 2 tiêu điểm
của Ellip. Điểm xa nhất của quỹ đạo so với tâm trái đất nằm
ở 1 tiêu điểm được gọi là viễn điểm còn điểm gần nhất của
quỹ đạo được gọi là cận điểm.

• Hai vật thể có khối lương M và m hút nhau với 1 lực tỉ lệ thuận với khối
lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r giữa chúng:
F=GMm/r2 với G là hằng số vạn vật hấp dẫn
5/21

6/21

1


5/24/2015

2. ĐỊNH LUẬT KEPLER

2. ĐỊNH LUẬT KEPLER
2.2. Định luật Kepler thứ hai

 Độ lệch tâm e:

e

a 2  b2
a

0 < e <1
(e = 0  quỹ đạo tròn)

 Ý nghĩa:
Vệ tinh sẽ chuyển động
nhanh hơn khi ở vùng

 Ý nghĩa Định luật Kepler thứ nhất
o
o
o

 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

Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo tròn hoặc Ellip
Tâm trái đất nằm 1 trong 2 tiêu điểm của quỹ đạo Ellip
Khi e = 0, thì quỹ đạo vệ tinh là quỹ đạo tròn và tâm
của quỹ đạo trùng với tâm của trái đất

cận điểm và chuyển
động chậm hơn khi ở
cùng viễn điểm, và
chuyển động đều nếu

quỹ đạo là hình trịn
7/21

2. ĐỊNH LUẬT KEPLER

8/21

2. ĐỊNH LUẬT KEPLER

2.3. Định luật Kepler thứ ba

 Áp dụng Định luật Kepler thứ ba

 Bình phương thời gian chu kỳ quỹ đạo của vệ tinh tỉ lệ
bậc ba với bán trục lớn.

 Vệ tinh bay quanh trái đất theo quỹ đạo tròn

P 2  Aa 3  Ar 3

P2  Aa3

P  1.65867x104 r 3/2

P – thời gian một chu kỳ chuyển động của vệ tinh
a – bán kính trục lớn của quỹ đạo vệ tinh
A – hệ số tỉ lệ (như nhau cho các vệ tinh)

 1.65867x104 (6378  h)3/2

 Ý nghĩa:
- Khi bán kính quỹ đạo càng lớn thì chu kỳ quay vệ tinh càng lớn
- Chu kỳ quay của vệ tinh địa tĩnh là lớn nhất

P - chu kỳ của vệ tinh [phút]
r - bán kính quỹ đạo vệ tinh [km]
h - độ cao của vệ tinh với bề mặt
trái đất [km]

9/21

3. CƠ SỞ QUỸ ĐẠO VỆ TINH

10/21

3. CƠ SỞ QUỸ ĐẠO VỆ TINH

 Khái niệm: Sự chuyển động của vệ
tinh vòng quanh trái đất theo quy luật
và mặt phẳng quỹ đạo của nó đi qua
tâm trái đất gọi là quỹ đạo vệ tinh.

11/21

12/21

2


5/24/2015

3. CƠ SỞ QUỸ ĐẠO VỆ TINH

3. CƠ SỞ QUỸ ĐẠO VỆ TINH

 Phân chia
 Mối quan hệ:
Độ cao của quỹ đạo
tỉ lệ thuận với chu
kỳ, thời gian trễ
và tỉ lệ nghịch với
vận tốc vệ tinh

13/21

4. QUỸ ĐẠO VỆ TINH ĐỊA TĨNH - GEO

14/21

4. QUỸ ĐẠO VỆ TINH ĐỊA TĨNH - GEO
Vị trí tƣơng đối giữa các vệ tinh

 Đặc điểm
• Góc nghiêng 00, Độ lệch tâm e=0 => (quỹ đạo xích đạo trịn)
• Bề rộng búp sóng phủ xuống trái đất BW = 17.3 0
• Một hệ thống gồm ba vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh có thể phủ
sóng tồn cầu (810 S ÷ 810 N) trừ 2 vùng cực
• 3 vệ tinh tạo thành tam giác đều với mỗi cạnh là 88.000 km
• GEOs bay với tốc độ góc giống như vịng quay của trái đất
quanh trục của nó (địa tĩnh) => Vệ tinh coi như cố định tại một

vị trí trên trái đất (địa tĩnh)
• Chỉ có duy nhất 1 quỹ đạo vệ tinh GEO, được gọi là quỹ đạo
Clarke.
• Vệ tinh địa tĩnh đầu tiên là Syncom2 của NASA, Intelsat
Series

• Khoảng cách khơng gian tối thiểu giữa GEOs trong quỹ đạo
Clarke là 10 - 40 được quyết định bởi điều ước quốc tế
• Các GEOs có vị trí tương đối so với Trái Đất là khơng đổi, vị
trí tương đối giữa các vệ tinh
được đặc trưng bởi
độ lớn góc giữa
hai vệ tinh.
• Giới hạn vị trí
khơng gian của vệ
tinh được gọi là khe
quỹ đạo (orbital
slot)

15/21

16/21

4. QUỸ ĐẠO VỆ TINH ĐỊA TĨNH - GEO
ƢU ĐIỂM
• VT là cố định => trạm
mặt đất khơng cần bám,
liên lạc 24h/ngày
• Khơng cần chuyển giao
ISL (Intersatellite links)

giữa các vệ tinh
• Ảnh hưởng của dịch
Doppler là khơng đáng kể
• Vùng phủ sóng rộng
>42% Sbề mặt TĐ

NHƢỢC ĐIỂM
• Duy trì quỹ đạo tốn kém phức
tạp (do tồn tại nhiều lực hấp dẫn:
mặt trời, mặt trăng, ...)
• Chỉ có 1 quỹ đạo duy nhất
• Trễ lớn do độ cao => 500-600
ms => truyền thoại???
• Yêu cầu CS máy phát lớn và độ
nhậy máy thu nhỏ do tổn hao
đường truyền (gần 200dB)
• Đưa vệ tinh vào quỹ đạo chính
xác khó, tốn kém…
• Khơng phủ sóng vùng địa cực
(có vĩ độ >830)
17/21

5. QUỸ ĐẠO ELIP - HEO

ĐẶC ĐIỂM
• Quỹ đạo elip nghiêng 1 góc  so với xích đạo,
thường chọn có viễn điểm ở bắc cực (> 40.000 km)
VT bay tốc độ chậm, cận điểm ở nam cực (khoảng
500 km) VT bay tốc độ nhanh.
• Bắc cực dễ dị tìm và bám VT, thời gian sử dụng

/ngày là lớn  ưu tiên thông tin cho bắc cực

18/21

3


5/24/2015

7. QUỸ ĐẠO ĐỒNG BỘ MẶT TRỜI

6. QUỸ ĐẠO MEO, LEO

Sun-Synchronous Orbit (SSO)

ĐẶC ĐIỂM
• VT bay độ cao thấp (vài trăm
đến 1-2 chục nghìn km)
• Cường độ tín hiệu lớn
• VT bay tốc độ cao:
+ PLEO = 90 phút, tquan sát = 30 phút
+ PMEO = 5-12 giờ, tquan sát = 2-4 giờ
Thời gian phủ ngắn => cần nhiều quả VT
• Ưu điểm: trễ tín hiệu nhỏ, giá thành đưa VT lên quỹ đạo rẻ...
• Sử dụng: truyền hình, thoại, di động vệ tinh, GPS...
19/21

ĐẶC ĐIỂM
• SSO là một dạng quỹ đạo cực (vệ
tinh bay từ Bắc xuống Nam ngay

trên hoặc gần sát với hai cực Trái
đất), với góc nghiêng i và độ cao
thích hợp giờ địa phương tại các
điểm mà vệ tinh bay cắt qua mặt
phẳng xích đạo là giống nhau.
• Góc chiếu giữa mặt phẳng quỹ
đạo vệ tinh với trục Mặt trời - Trái
đất là gần như không đổi tại mỗi
thời điểm => VD hình bên 37.5o
• Ứng dụng: vệ tinh quan sát, chụp ảnh bề mặt Trái Đất.
20/21

ÔN TẬP
1. 3 định luật của Kepler và ý nghĩa của chúng  vận dụng
giải thích các hiện tượng liên quan đến sự chuyển động
của vệ tinh trên quỹ đạo?
2. Dựa trên định luật 3 của Kepler, kiểm nghiệm tính toán độ
cao quỹ đạo, tốc độ vệ tinh, chu kỳ bay của vệ tinh...
3. Đặc điểm quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh? Giải thích quỹ đạo này
là duy nhất?
4. Đặc điểm quỹ đạo vệ tinh HEO, LEO và ứng dụng?
5. Phân biệt quỹ đạo đồng bộ mặt trời và đồng bộ trái đất,
đưa ra ví dụ những loại vệ tinh và dịch vụ sử dụng 2 dạng
quỹ đạo này.
6. Thời gian tồn tại của vệ tinh phụ thuộc những yếu tố nào?
Giải thích.

21/21

4