Nghiên cứu công nghệ thông tin vệ tinh đi sâu tính toán đường truyền vệ tinh vinasat 1

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận đƣợc nhiều sự giúp
đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.PHẠM VĂN PHƢỚC ngƣời
đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trƣờng Đại học
Hàng Hải Việt Nam nói chung, các thầy cô trong ngành Điện Tử Viễn Thông
nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cƣơng cũng nhƣ các môn
chuyên ngành, giúp em có đƣợc cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp
đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo
điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành đồ án tốt nghiệp.
Hải Phòng, ngày 15 tháng 10 năm 2015

Sinh Viên Thực Hiện

Trần Đức Hiếu

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan bản đồ án “Nghiên cứu công nghệ thông tin vệ tinh. Đi sâu
tính toán đƣờng truyền vệ tinh VINASAT I.” là kết quả nghiên cứu của bản thân
tôi dƣới sự hƣớng dẫn của giáo viên hƣớng dẫn TS.Phạm Văn Phƣớc. Toàn bộ
các kiến thức đƣợc trích lƣợc từ các tài liệu đƣợc liệt kê đầy đủ và chi tiết. Cá
nhân tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sai phạm quyền tác giả.
Ngƣời làm cam đoan

Trần Đức Hiếu

ii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN ..................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................... ix
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH ............. 2
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống vệ tinh ......................................................... 2
1.2 Cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh ................................................. 3
1.2.1 Phân đoạn không gian................................................................................ 4
1.2.2 Phân đoạn mặt đất ..................................................................................... 7
1.3 Một số đặc điểm của thông tin vệ tinh .......................................................... 9
1.4 Các dạng quỹ đạo vệ tinh ........................................................................... 10
1.4.1 Quỹ đạo tròn ............................................................................................ 10
1.4.2 Quỹ đạo elip ............................................................................................ 11
1.4.3 Quỹ đạo đồng bộ mặt trời ........................................................................ 11
1.5 Các băng tần cho thông tin vệ tinh .............................................................. 11
1.5.1 Cửa sổ tần số vô tuyến điện ..................................................................... 12
1.5.2 Bảng phân chia các băng tần .................................................................... 13
CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VỆ TINH ........... 17
2.1 Các kỹ thuật ghép kênh sử dụng trong thông tin vệ tinh ............................. 17
2.1.1 Phƣơng pháp ghép kênh FDM ................................................................. 17
2.1.2 Phƣơng pháp ghép kênh TDM ................................................................. 18

2.2. Các phƣơng pháp điều chế trong thông tin vệ tinh ..................................... 20
2.2.1 Phƣơng pháp điều chế FM ....................................................................... 21
2.2.2 Phƣơng pháp điều chế BPSK ................................................................... 22
iii


2.2.3 Phƣơng pháp điều chế QPSK................................................................... 24
2.2.4 Phƣơng pháp điều chế DPSK................................................................... 26
2.2.5 Kĩ thuật MCPC VÀ SCPC ...................................................................... 27
2.3 Kỹ thuật đa truy nhập trong thông tin vệ tinh ............................................. 28
2.3.1 Tổng quan ............................................................................................... 28
2.3.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple
Access) ............................................................................................................. 28
2.3.3Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple
Access) ............................................................................................................. 30
2.3.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA - Code Division Multiple Access)
hay đa truy nhập trải phổ (SSMA - spread spectrum Multiple Access ). ............... 31
Chƣơng III:Tính toán đƣờng truyền vệ tinh VINASAT I.................................. 34
3.1 Thông tin tổng quan về vệ tinh VINASAT I ............................................... 34
3.2. Phân tích đƣờng truyền tuyến lên .............................................................. 35
3.2.1 Hệ số tăng ích anten (G-Gain) ................................................................. 35
3.2.2 Công suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng EIRP ................................... 36
3.2.3 Các tham số chính ................................................................................... 36
3.3 Phân tích đƣờng truyền tuyến xuống .......................................................... 38
3.3.1 Nhiệt tạp âm ............................................................................................ 38
3.3.2 Nhiệt độ tạp âm anten .............................................................................. 39
3.3.3 Nhiệt độ tạp âm của hệ thống .................................................................. 41
3.3.4 Hệ số phẩm chất G/T ............................................................................... 42
3.3.5 Tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm C/N ............................................ 42
3.3.6 Tổng tỷ số sóng mang trên tạp âm C/TTotal ............................................... 43

3.4 Các suy hao ảnh hƣởng tới chất lƣợng truyền dẫn ...................................... 44
3.4.1 Suy hao trong không gian tự do ............................................................... 44
3.4.2 Suy hao do tầng đối lƣu ........................................................................... 45
3.4.3 Suy hao do tầng điện ly ........................................................................... 45
3.4.4 Suy hao do mƣa ....................................................................................... 45
iv


3.4.5 Suy hao do các hiện tƣợng khí hậu khác .................................................. 46
3.4.6 Sự phân cực ............................................................................................. 47
3.4.7 Suy hao do đặt anten chƣa đúng .............................................................. 49
3.4.8 Suy hao trong thiết bị phát/thu ................................................................. 49
3.4.9 Trễ truyền dẫn ......................................................................................... 49
3.5Tính toán đƣờng truyền vệ tinh VINASAT I ............................................... 50
3.5.1 Tính toán tuyến lên .................................................................................. 50
3.5.2 Tính toán tuyến xuống ............................................................................. 52
3.5.3 Mô hình vật lý đƣờng truyền vệ tinh ........................................................ 54
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 57

v


MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
BER
CDMA

Bit Error rate
Code Division Multiple

C/I

Access to noise
Carrier

C/No

C/No

C/T

C/T

DVB-S2
Eb/No

Tỷ lệ lỗi bit
Đa nhập cập phân chia theo mã
Tỷ số công suất sóng mang tín hiệu hữu
ích trên nhiễu
Tỷ số công suất sóng mang trên mật độ
phổ tạp âm
Tỷ số công suất sóng mang trên nhiệt
tạp âm hệ thống

Digital Video Broadcasting
Truyền hình số qua vệ tinh thế hệ thứ 2
Satellite Second
Generation
Eb/No

Năng lƣợng bit trên mật độ phổ tạp âm

EIRP

Equivalent isotropic
radiated power

Công suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng
đƣơng

FDMA

Đa nhập cập phân chia theo tần số

G anten

Frequency Division
Multiple Access
Antenna Gain

G/T

G/T

Hệ số phẩm chất

GEO

GEO-stationary earth orbits Quỹ đạo địa tĩnh

HEO

Highly elliptical orbit

Quỹ đạo elip cao

HPA

High Power Amplifier

Bộ khuyếch đại công suất lớn

ISP

Internet Service Provider

Nhà cung cấp dịch vụ Internet

ITU
LEO

International
Tổ chức viễn thông quốc tế
Telecommunication Union
Low earth orbits
Quỹ đạo mặt đất tầm thấp

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuyếch đại tạp âm thấp

PCM

Pulse Code Modulation

Điêu biên mã xung

PSK

Phase shift keying

Khóa dịch pha

MEO

Medium Earth orbit

Quỹ đạo vệ tinh tầm trung

MCPC

Multi Chanel per Carrier

Đa kênh trên sóng mang

NOC

Network Operations Center Trung tâm điều hành mạng

SES

Satellite Earth Station

Hệ số tăng ích của anten

Trạm thông tin vệ tinh mặt đất

vi


SCPC

Single Chanel per Carrier

Đơn kênh trên sóng mang

SFD

Saturated Flux Density

Mật độ thông lƣợng bão hòa

TDMA

Time Division Multiple
Access

TTVT

Đa nhập cập phân chia theo thời gian
Thông tin vệ tinh

VNPT

Viet Nam Post and
Telecommunications
Group

Tập đoàn bƣu chính viễn thông Việt

VSAT

Very small aperture
terminal

Đầu cuối có khẩu độ rất nhỏ

VTI

Vietnam Telecom
International

Công ty Viễn Thông Quốc tế

Nam

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần C

13

1.2

Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C

14

1.3

Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần Ku

14

1.4

Các tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ku điển hình

15

1.5

Các tham số chính của vệ tinh băng tần Ka

16

1.6

Các tham số của trạm mặt đất băng tần Ka

16

3.1

Sự suy giảm của khí quyển theo tần số

47

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hình

Tên hình

Trang

1.1

Cấu trúc hệ thống TTVT

4

1.2

Phân đoạn mặt đất

7

1.3

Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

10

1.4

Sự phụ thuộc hấp thụ khí quyển vào tần số

12

2.1

Minh họa ghép kênh FDM cho 3 kênh thoại

18

2.2

Hệ thống ghép kênh TDM cho tín hiệu thoại

19

2.3

Sơ đồ phương pháp điều chế BPSK

23

2.4

Sơ đồ khối hệ thống điều chế QPSK

25

2.5

Dạng tín hiệu trong điều chế QPSK

25

2.6

Giản đồ pha trong điều chế QPSK

25

2.7

Sơ đồ mạch điều chế DPSK

26

2.8

Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

28

2.9

Đa truy nhập theo thời gian

30

3.1
3.2

Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh
VINASAT I
Mô hình vật lý đường truyền vệ tinh

ix

35
54

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những thập kỷ qua, cùng với sự phát triển của khoa học , công nghệ
ngành viễn thông đã có những phát triển vƣợt bậc, đáp ứng những nhu cầu trao
đổi thông tin góp phần không nhỏ trong công cuộc xây dựng và định hƣớng phát
triển của xã hội loài ngƣời.
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 đƣờng thông
tin dung lƣợng lớn, khi tầm liên lạc xảy ra trong diện rộng thì thông tin vệ tinh
thể hiện tính ƣu việt của nó về mặt kinh tế.Việt Nam cũng không đứng ngoài xu
thế đó, thực tế chỉ trong bốn năm ( từ năm 2008-2012) Việt Nam đã đƣa vào
hoạt động hai vệ tinh Vinasat-1 và Vinasat 2. Để hiểu rõ hệ thống thông tin vệ
tinh bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ thiết bị, sự liên lạc qua hệ thống
thông tin vệ tinh và từ đó xây dựng một tuyến liên lạc phù hợp, đƣợc sự giúp đỡ
của thầy giáo hƣớng dẫn, em thực hiện đề tài :
Nghiên cứu công nghệ thông tin vệ tinh. Đi sâu tính toán đƣờng truyền vệ
tinh VINASAT I
Phần nội dung của đề tài đƣợc phân bố gồm 3 chƣơng:
Chƣơng1 :Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh
Chƣơng2 :Kỹ thuật về công nghệ thông tinh vệ tinh
Chƣơng 3: Tính toán đƣờng truyền vệ tinh VINASAT I
Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của các thầy cô, em đã cố gắng vận dụng các
kiến thức đã học để hoàn thành đồ án, nhƣng vì thời gian và kiến thức còn hạn
chế, chắc hẳn trong đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong
đƣợc sự góp ý, chỉ bảo, đóng góp của các thầy cô và các bạn .

1

CHƢƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống vệ tinh
Ngày nay vệ tinh đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ nghiên cứu,
thông tin, truyền hình và có vai trò ngày càng quan trọng. Để hiểu rõ hơn tầm
quan trọng của hệ thống thông tin vệ tinh, ta điểm qua lịch sử phát triển của nó:
- Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1935) đã đƣa ra
các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. Ông cũng đƣa ra ý
tƣởng về tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có ngƣời điều khiển 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 ngƣời Anh đồng
thời là tác giả của mô hình viễn thông thông tin toàn cầu, đã đƣa ra ý tƣởng sử
dụng một hệ thống gồm 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh quảng bá trên toàn
thế giới.
- Tháng 10 năm 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 đƣợc phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ, bay
ở quỹ đạo thấp.
- Năm 1963 một vệ tinh địa tĩnh đầu tiên có tên là SYNCOM, có độ cao
bay 36000 km đã truyền hình trực tiếp thế vận hội Olympic Tokyo từ Nhật về
Mỹ.
- Năm 1964 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTELSAT.
- Năm 1965 ra đời hệ thống TTVT thƣơng mại đầu tiên INTELSAT – 1
với tên gọi Early Bird.
- Năm 1965 Liên Xô phóng vệ tinh MOLNYA lên quỹ đạo elip.
- Năm 1971 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên
Xô và 9 nƣớc XHCN.

2


- Năm 1972 – 1976 Canada, Mỹ, Liên Xô, 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 đƣa 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.
- Từ 1999 đến nay, ra đời ý tƣởng và hình thành hệ thống thông tin di
động và thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh. Các hệ thống điển hình
nhƣ GLOBAL STAR, IRIDIUM, ICO, SKYBRIGDE, TELEDESIC.
Sự phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh tại Việt Nam :
- Năm 1980 khánh thành trạm TTVT mặt đất HOASEN – 1 nằm trong hệ
thống TTVT INTERPUTNIK, đƣợc đặt tại làng DO LỄ - KIM BẢNG – HÀ
NAM.
- Năm 1984 khánh thành trạm mặt đất HOASEN – 2 đặt tại TPHCM.
- Lúc 5h50 rạng sáng ngày 19/4, tên lửa Ariane 5 của Arianespace đã kết
thúc cuộc hành trình đƣa Vinasat-1 của Việt Nam vào quỹ đạo.
- Đƣợc phóng thành công lên không gian vào lúc 5h13 phút ngày
16/5/2012 (theo giờ Việt Nam), vệ tinh VINASAT-2 đã đƣợc đƣa từ quỹ đạo
chuyển đổi đến quỹ đạo địa tĩnh (cách trái đất gần 36.000km) và đến ngày 21/5,
vệ tinh VINASAT-2 đã đƣợc định vị thành công tại vị trí quỹ đạo 131,8 độ
Đông.
1.2 Cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh
Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh đƣợc trình bầy trong hình 1.1, trong đó
bao gồm phần không gian và trạm mặt đất. Phần không gian ở đây đƣợc hiểu là
vệ tinh và toàn các thiết bị phục vụ điều khiển theo dõi vệ tinh. Phần mặt đất bao

gồm các trạm mặt đất, chúng thƣờng đƣợc kết nối tới thiết bị đầu cuối sử dụng
thông qua một mạng mặt đất hoặc với các trạm nhỏ nhƣ VSAT chúng đƣợc kết
3


nối trực tiếp. Sóng vô tuyến phát đi từ trạm mặt đất và đƣợc vệ tinh tiếp nhận,
gọi là đƣờng lên (Uplink)/ Vệ tinh chuyển tiếp sóng mang này tới trạm thu, gọi
là đƣờng xuống (Downlink)

Hình 1. 1: Cấu trúc hệ thống TTVT
1.2.1 Phân đoạn không gian.
Có thể coi vệ tinh là một trạm phát lặp tích cực trên tuyến thông tin siêu
cao tần giữa trạm mặt đất – vệ tinh – trạm mặt đất thu, cấu trúc gồm hai phần
chính.
Tải hữu ích ( Payload)
Tải hữu ích hay còn gọi là tải thông tin là một bộ phận cơ bản của vệ tinh
thông tin, đảm nhiệm vai trò phát lặp của một vệ tinh thông tin. Nó thực hiện các
chức năng chính sau:
+ Thu tín hiệu từ các trạm mặt đất cho phát lên trong dải tần và phân cực
đã định.
+ Khuếch đại tín hiệu thu từ trạm mặt đất phát và giảm mức nhiễu tín hiệu
tối đa.
4


+ Đổi dải tần tuyến lên thành dải tần tuyến xuống.
+ Cấp tín hiệu với mức công suất yêu cầu trong dải tần đã định ra anten
phát.
+ Truyền tín hiệu cao tần trong dải tần và phân cực đã định đến anten của
trạm thu mặt đất.

Tải hữu ích cần đảm bảo các tính năng sau:
+ Đảm bảo thu và phát các kênh sóng trong dải tần và phân cực đã định.
+ Đảm bảo các vùng phủ sóng trên mặt đất theo yêu cầu.
+ Đảm bảo công suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng EIRP trên các
vùng phủ sóng của vệ tinh.
+ Đảm bảo hệ số phẩm chất G/T của máy thu với tín hiệu phát của từng
vùng phủ sóng lên.
+ Đảm bảo yêu cầu về tuyến tính.
+ Đảm bảo mật độ tin cậy của kênh truyền trong suốt thời gian sống của
vệ tinh. Payload trên một vệ tinh gồm : bộ phát đáp và các anten để thu tín hiệu.
a)Bộ phát đáp:
Bộ phát đáp là một thiết bị quan trọng của một vệ tinh thông tin, nó thực
hiện chức năng thu sóng vô tuyến từ trạm mặt đất phát từ tuyến lên, sau đó
khuếch đại và đổi tần tín hiệu rồi phát xuống trạm mặt đất theo hƣớng xuống.
b)Anten trên vệ tinh :
Anten trên vệ tinh có chức năng nhận tín hiệu cao tần truyền lên từ các
trạm mặt đất và gửi tín hiệu cao tần xuống trạm thu. Các vệ tinh địa tĩnh thƣờng
dùng loại anten phát tia bao trùm (Global Beam) có độ rộng mức suy hao 3dB là
170 – 180 .Anten búp sóng nhọn chừng vài độ dùng để phủ sóng một vùng hẹp
nhất định gọi là chùm vết (Spot Beam), loại này đảm bảo công suất không thay
đổi trong vùng bao phủ. Để điều khiển hình dáng vùng phủ trên mặt đất và công
suất phát ra theo ý muốn, các anten trên vệ tinh đƣợc trang bị đầu thu phát sóng
và kết cấu bề mặt phản xạ. Ngoài ra để đảm bảo yêu cầu chất lƣợng trong vùng
phủ sóng và không gây can nhiễu ra các vùng khác ngoài vùng phủ sóng của vệ
5


tinh, các anten trên vệ tinh có mặt phản xạ cấu trúc đặc biệt đảm bảo dạng vùng
phủ sóng và chất lƣợng trong vùng phủ sóng theo yêu cầu, đồng thời phần ngoài
biên mức giảm 3dB tín hiệu phải giảm rất nhanh.

c)Phần thân :
Phần thân không tham gia trực tiếp vào quá trình phát lặp của hệ thống
thông tin vệ tinh, nhƣng nó đảm bảo các điều kiện yêu cầu cho tải hữu ích thực
hiện chức năng của một trạm phát lặp. Phần thân có các thành phần sau :
- Hệ duy trì vị trí và tƣ thế bay của vệ tinh
Tác dụng để ổn định tƣ thế bay của vệ tinh. Tƣ thế bay của vệ tinh liên
quan đến việc định hƣớng trong không gian, phần lớn các thiết bị mang trên tàu
vũ trụ là nhằm hỗ trợ cho việc điều khiển tƣ thế bay của vệ tinh. Tƣ thế của vệ
tinh có thể 10 bị thay đổi do ảnh hƣởng bởi trƣờng hấp dẫn của trái đất, của mặt
trăng, các bức xạ của mặt trời. Việc điều khiển tƣ thế vệ tinh cần phải biết các
thông số của việc định hƣớng vệ tinh trong không gian và một vài chiều hƣớng
dịch chuyển. Để phát hiện những sai lệch ngƣời ta dùng một hệ thống các cảm
biến, con quay hồi chuyển... Ngoài ra, thành phần này còn có tác dụng ổn định
vị trí vệ tinh đúng quỹ đạo. Vệ tinh địa tĩnh trên quỹ đạo thƣờng bị xê dịch do
nhiều nguyên nhân: đƣờng xích đạo trái đất không tròn lý tƣởng, tác động trọng
trƣờng của mặt trời- mặt trăng... do vậy phải dùng các động cơ để đƣa vệ tinh về
lại đúng vị trí. Thông thƣờng dung sai cho phép là 0.050 theo hƣớng Bắc – Nam
và 0.050 theo hƣớng Đông- Tây.
- Hệ giám sát và điều khiển
Hệ giám sát điều kiện rất cần thiết cho sự vận hành có hiệu quả của vệ
tinh thông tin, nó là một phần trong nhiệm vụ quản lý vệ tinh. Nó thực hiện các
chức năng chính : Cung cấp các thông tin vệ tinh cho trạm điều khiển mặt đất,
nhận lệnh điều khiển vị trí của trạm điều khiển ở mặt đất, giúp trạm điều khiển ở
mặt đất theo dõi tình trạng thiết bị trên vệ tinh.
- Hệ cung cấp năng lƣợng

6


Nguồn điện dùng để cung cấp cho các thiết bị trên vệ tinh đƣợc lấy chủ

yếu từ các tế bào pin mặt trời. Pin mặt trời có thể làm bằng Si hoặc GaAs. Công
suất của pin cung cấp phụ thuộc vào cƣờng độ ánh sáng chiếu vào, nó đạt công
suất cực đại khi tia sáng chiếu tới vuông góc với mặt pin, khi các tia sáng song
song với mặt pin thì công suất thu đƣợc coi nhƣ bằng 0. Để các cánh pin luôn
hƣớng về phía mặt trời đảm bảo cung cấp năng lƣợng cho các thiết bị thì phải
dùng các bộ điều khiển tƣ thế.
- Hệ thống điều hòa nhiệt
Không gian vũ trụ là một môi trƣờng nhiệt độ rất khắc nghiệt, vệ tinh trên
quỹ đạo có sự chênh lệch rất lớn giữa bên chịu ảnh hƣởng của bức xạ mặt trời và
một bên là vùng bị che khuất. Ngoài ra vệ tinh cũng nóng lên vì nhiệt độ do các
thiết bị của nó tỏa ra và các bức xạ của các thiên thể khác. Nhiệm vụ của hệ điều
hòa nhiệt là luôn duy trì cho các thiết bị trên vệ tinh đƣợc làm việc trong dải 11
nhiệt độ thích hợp, ổn định.Ngƣời ta khống chế nhiệt độ các phần khác nhau trên
vệ tinh bằng cách cho trao đổi nhiệt giữa các điểm có nhiệt độ khác nhau hoặc
sử dụng thiết bị điều chỉnh nhiệt độ.
1.2.2 Phân đoạn mặt đất

Hình 1.2: Phân đoạn mặt đất
7


Phân đoạn mặt đất bao gồm toàn bộ hệ thống trạm thu – phát mặt đất.
Khi muốn thiết lập đƣờng liên lạc với 2 điểm trực tiếp với nhau trên Trái đất
thông qua trạm chuyển tiếp vệ tinh thông tin ngƣời ta phải thiết lập 2 trạm trên
mặt đất. Do đó có tên gọi là trạm mặt đất thông tin vệ tinh SES (Satellite Earth
Station) làm chức năng phát tín hiệu lên vệ tinh và thu tín hiệu từ vệ tinh vềthực hiện kết nối vệ tinh thông tin với các mạng vệ tinh mặt đất.
Cấu trúc của một trạm mặt đất đƣợc thể hiện trong hình 1.2.Theo hƣớng
lên, luồng thông tin của các mạng mặt đất đƣợc đƣa tới trạm mặt đất thông qua
giao diện kết nối mạng mặt đất. Các luồng tín hiệu này sau đó đƣợc ghép kênh
12 và định dạng lại, đƣợc điều chế bởi sóng mang trung tần (thƣờng là

70MHz).Tín hiệu trung tần này tiếp tục đƣợc biến đổi tới sóng mang cao tần
mong muốn. Các sóng mang cao tần có thể đƣợc phát đồng thời và mặc dù có
tần số khác nhau nhƣng đƣợc xác định theo nhóm băng tần chẳng hạn 6GHz, 14
GHz, . . . Các sóng mang có thể là các sóng mang đa điểm, có nghĩa là nó đƣợc
thu tại nhiều điểm khác nhau.
- Các sóng mang cao tần tiếp tục đƣợc kết hợp lại với nhau thông qua bộ
tổ hợp (Combiner) để thành tín hiệu băng rộng và đƣợc đi qua bộ khuyếch đại
công suất lớn(HPA). Tín hiệu băng rộng đƣợc đƣa tới anten thông qua bộ phối
hợp (Diplexer), cho phép anten thu và phát tín hiệu đồng thời.
- Anten thực hiện đồng thời hai chức năng thu và nhận tín hiệu nhƣng ở
các dải tần số khác nhau chẳng hạn: trong băng tần C tín hiệu đƣợc phát lên ở
tần số 6GHz và thu ở tần số 4GHz (6/4 GHz), băng tần Ku tín hiệu đƣợc phát
lên ở tần số 14GHz và thu ở tần số 12GHz (14/12GHz).
- Ở hƣớng xuống, tín hiệu băng rộng đi qua bộ khuếch đại tạp âm thấp
(LNA) và đi tới bộ chia (divider), chia thành các sóng mang cao tần riêng rẽ,
đƣợc biến đổi xuống tần số trung tần đi tới bộ giải điều chế. Tín hiệu sau bộ giải
điều chế đƣợc đƣa tới giao diện mạng mặt đất theo các tuyến mong muốn.

8


1.3 Một số đặc điểm của thông tin vệ tinh
* Ƣu điểm
 Giá thành TTVT không phụ thuộc vào cự ly giữa hai trạm, trên thực tế
giá thành là nhƣ nhau ở cự ly truyền 5000 km và 100 km.
 Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần ba vệ tinh là có thể phủ sóng toàn cầu.
 Thiết bị phát sóng của hệ thông thông tin vệ tinh chỉ cần công suất nhỏ
 Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thông thông tin vệ tinh trên mặt đất
tƣơng đối nhanh chóng và không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng nhƣ hệ
thống truyền dẫn

 Hệ thông thông tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau nhƣ
viễn thông thoại và phi thoại, thăm dò địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mục
tiêu, nghiên cứu khí tƣợng, phục vụ quốc phòng an ninh, v.v...
 Thông tin vệ tinh rất ổn định. Đã có nhiều trƣờng hợp bão to, động đất
mạnh làm cho các phƣơng tiện truyền thông khác mất tác dụng chỉ còn duy nhất
thông tin vệ tinh hoạt động.
 Các thiết bị đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lƣợng mặt trời để cung
cấp điện hầu nhƣ cả ngày lẫn đêm.
 Ít chịu ảnh hƣởng của mặt đất : do độ cao lớn nên thông tin vệ tinh ít
chịu ảnh hƣởng của bởi địa hình thiên nhiên nhƣ đồi núi, thành phố, đại dƣơng
... Sóng vô tuyến có thể truyền tới các vùng xa xôi hẻo lánh, bởi vậy đây là lựa
chọn tốt nhất cho thông tin liên lạc với các vùng chƣa phát triển.
Tuy nhiên thông tin vệ tinh cũng có những nhƣợc điểm nhƣ :
 Khoảng cách truyền dẫn xa nên suy hao lớn.
 Giá thành hệ thống cao, chi phí phóng vệ tinh tốn kém, có xác suất rủi ro
lớn.
 Dù giá thành cao nhƣng thời gian khai thác ngắn, khi gặp sự cố khó bảo
dƣỡng, sửa chữa và nâng cấp.

9


 Do quãng đƣờng truyền dài từ trạm mặt đất- vệ tinh nên tín hiệu truyền
có độ trễ đáng kể.
 Vệ tinh đƣợc mong muốn sẽ cố định so với mặt đất nhƣng thực tế vệ
tinh luôn có sự chuyển động tƣơng đối so với mặt đất.
1.4 Các dạng quỹ đạo vệ tinh
Tùy thuộc vào các mục đích khác nhau mà vệ tinh có thể bay ở các quỹ
đạo tròn và elip

Hình 1.3: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh
1.4.1 Quỹ đạo tròn
Các quỹ đạo thấp (LEO) : loại quỹ đạo này vệ tinh bay ở độ cao khoảng
400 km đến 1200 km có chu kỳ quay khoảng 90 phút. Thời gian quan sát thấy
vệ tinh khoảng 30 phút hoặc ít hơn. Dạng quỹ đạo này thƣờng sử dụng cho vệ
tinh quan trắc cả quân sự và dân dụng. Nhờ quỹ đạo thấp nên thời gian trễ
truyền tín hiệu bé nên cũng thích hợp cho thông tin di động sử dụng các chòm
vệ tinh nhƣ: các chòm vệ tinh IRIDIUM, GLOBALSTAR.
Quỹ đạo trung bình (MEO) : vệ tinh bay ở độ cao trong khoảng 10000 –
20000 km, chu kỳ bay của vệ tinh từ 5 – 12 giờ. Thời gian quan sát thấy vệ tinh
từ 2 – 4 giờ. Quỹ đạo loại này có ƣu điểm chỉ cần 10 vệ tinh là có thể phủ sóng
toàn cầu.

10


Quỹ đạo địa cực: là quỹ đạo tròn đi qua hai cực của Trái Đất, có vùng bao
phủ dài hạn là toàn cầu. Ƣu điểm của quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất nhìn
thấy vệ tinh trong một khoảng thời gian nhất định. Việc phủ sóng toàn cầu của
dạng quỹ đạo này là khả thi thì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lƣợt quét tất cả
các vị trí trên mặt đất. Quỹ đạo này thƣờng đƣợc sử dụng cho các vệ tinh dự báo
thời tiết, hàng hải, vệ tinh do thám nhƣng ít đƣợc sử dụng cho thông tin vì thời
gian xuất hiện ít.
Quỹ đạo địa tĩnh (GEO) là quỹ đạo tròn nằm trong mặt phẳng xích đạo ở
độ cao khoảng 36786 km so với đƣờng xích đạo. Vệ tinh ở quỹ đạo này có tốc
độ bay đồng bộ với tốc độ quay của trái đất (chu kỳ T là 23 giờ 56 phút 4 giây).
Do đó, vệ tinh gần nhƣ đứng yên tại một điểm nào đó so với Trái đất. Quỹ đạo
địa tĩnh thích hợp hơn cho các loại hình thông tin quảng bá nhƣ: phát thanh,
truyền hình...Còn cho thông tin thoại có yêu cầu thời gian thực cao thì không
đƣợc tốt vì thời gian trễ do truyền sóng lớn.

1.4.2 Quỹ đạo elip
Quỹ đạo này với tâm điểm của Trái Đất là một trong hai tiêu điểm của
elip. Ƣu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đƣợc tới các vùng cực
cao mà các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới, dạng quỹ đạo càng dẹt thì càng 15
thuận lợi cho thông tin ở vĩ độ cao. Quỹ đạo dạng elip nghiêng có nhƣợc điểm là
hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điểu khiển bám vệ tinh phải ở mức cao.
1.4.3 Quỹ đạo đồng bộ mặt trời
Là một loại quỹ đạo gần nhƣ địa cực, mặt phẳng quỹ đạo giữ một góc
không đổi so với trục Trái Đất – Mặt trời, dạng quỹ dạo này đƣợc sử dụng cho
vệ tinh quan trắc mặt đất.
1.5 Các băng tần cho thông tin vệ tinh
Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin sử dụng phƣơng thức truyền dẫn
vô tuyến, bởi vậy việc lựa chọn và ấn định băng tần công tác cho các dịch vụ
thông tin vô tuyến là rất quan trọng. Nó phải thỏa mãn 2 điều kiện cơ bản :
không gây can nhiễu lên các hệ thống thông tin vô tuyến khác cũng nhƣ các dịch
11


vụ thông tin vô tuyến trong mạng và phải có tổn hao truyền sóng nhỏ để giảm
kích thƣớc và giá thành của thiết bị.
1.5.1 Cửa sổ tần số vô tuyến điện
- Khí quyển trái đất đƣợc chia thành 3 tầng: lớp khí quyển dƣới cùng tới
độ cao 11km gọi là tầng đối lƣu, các hiện tƣợng thời tiết nhƣ mƣa, bão, sƣơng
mù ... đều xảy ra trong tầng đối lƣu. Tiếp đó là tầng bình lƣu, có giới hạn trên
khoảng 35 km và trên cùng là tầng điện ly có độ cao khoảng 50 km – 400 km.
- Tầng điện ly là một lớp khí bị ion hóa mạnh nên mật độ chất khí chủ yếu
là các điện tử tự do và các ion. Nó có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng vô tuyến
điện. Bằng việc khảo sát thực tế ngƣời ta thấy tầng điện ly chỉ phản xạ với băng
sóng ngắn trở xuống. Tần số càng cao ảnh hƣởng bởi tầng điện ly càng ít, ở các
tần số trong băng viba hầu nhƣ không bị ảnh hƣởng bởi tầng điện ly.

- Trong tầng đối lƣu sóng vô tuyến bị hấp thụ bởi các phân tử khí nhƣ oxi,
hơi nƣớc, CO2 ...cũng nhƣ trong mƣa và sƣơng mù. Nhƣng ở các tần số khoảng
10 GHZ trở xuống hấp thụ không đáng kể, có thể bỏ qua. Khoảng tần số đó gọi
là “cửa sổ vô tuyến”.(hình 1.4)
- Nếu sử dụng băng tần nằm trong “cửa sổ vô tuyến” tức là khoảng từ
1GHZ đến10GHZ thì suy hao do tầng điện ly và tầng đối lƣu là không đáng kể
và suy hao truyền sóng gần nhƣ bằng suy hao không gian tự do.

Hình 1.4: Sự phụ thuộc hấp thụ khí quyển vào tần số

12


Nhƣ đã thấy băng tần lý tƣởng nhất sử dụng cho thông tin vệ tinh cũng
nhƣ các hệ thống vi ba khác là băng tần nằm trong “cửa sổ vô tuyến” vì các tần
số nằm trong “cửa sổ vô tuyến” có suy hao trong khí quyển là nhỏ nhất. Trong
điều kiện bình thƣờng có thể bỏ qua.
1.5.2 Bảng phân chia các băng tần
 Băng tần C.
Băng tần C (6/4 GHz) đƣợc sử dụng phổ biến trong các mạng FSS vì
điều kiện truyền sóng thuận lợi (ít bị ảnh hƣởng do mƣa) và thiết bị dễ chế tạo.
Đặc điểm vệ tinh
Các loại vệ tinh sử dụng băng tần C có dải rộng các đặc tính chính tuỳ
thuộc vào cấp bao phủ vùng trái đất.(xem bảng 1.1).
Bảng1.1 : Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần C
Tham số

Vùng phủ

Hệ số khuếch đại anten

Toàn cầu

Khu vực

Nội địa

Phát

16-25

23-26

28-32

Thu

16-26

21-25

22-30

EIRP (dBW)

22-29

25-35

25-39

Nhiệt độ tạp âm (K)

800 - 2000

801 - 2000

802 - 2000

G/T (dB/K)

-16 tới - 6

-14 tới - 4

-21 tới 3

Đặc điểm trạm mặt đất
Kể từ khi mới phát triển các trạm mặt đất băng C có kích thƣớc anten
lớn. Trong khi các trạm mặt đất hoạt động trong mạng lƣới vệ tinh INTELSAT
có kích thƣớc lớn (18 đến 32 mét), xu hƣớng phát triển ngày nay anten trạm mặt
đất ngày càng nhỏ đi cùng với việc công suất vệ tinh tăng lên nhƣ trong phủ
sóng truyền hình hoặc VSAT. Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng
tần C đƣợc ghi trong bảng 1.2

13


Bảng 1.2 : Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C
Tham số

Vùng phủ
Toàn cầu

Khu vực

Nội địa

4.5-32

3 - 13

1.2 - 30

Phát

43-61

39-53

33-60

Thu

43-61

39-53

33-60

Công suất phát kW

0.01-3

0.03-3

0.001-1.2

EIRP (dBW)

57-99

57-81

36-94

Nhiệt độ tạp âm (K)

50-150

50-150

50-150

G/T (dB/K)

23-41

22 - 38

11- 41

Kích thƣớc anten (m)
Hệ số khuếch đại anten(dBi)

• Băng tần X 8/7 GHz

Băng tần X (7,9-8,4 GHz / 7,25-7,75 GHz) đƣợc sử dụng nhiều cho các hệ
thống thông tin quân sự. Các đặc tính hệ thống vệ tinh ở băng tần này cũng có
phạm vi rộng nhƣ các hệ thống băng tần C kể trên.
• Băng tần Ku 14/11 GHz hoặc 14/12 GHz

Ngày nay, việc sử dụng băng tần Ku đang trở nên rộng rãi, đặc biệt phù
hợp cho các ứng dụng yêu cầu kích thƣớc anten trạm mặt đất càng nhỏ càng tốt.
Đặc điểm vệ tinh
Đặc điểm chính vệ tinh của các hệ thống sử dụng băng tần Ku thay đổi
tùy thuộc vào ứng dụng.
Bảng 1.3 Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần Ku
Tham số

Vùng phủ

Hệ số khuếch đại anten

Toàn cầu

Khu vực

Nội địa

Phát

29-37

24-29

28-35

Thu

28-36

23-28

28-38

EIRP (dBW)

38-48

35-52

44-53

Nhiệt độ tạp âm (độ K)

800 - 2000

801 - 2000

802 - 2000

G/T (dB/K)

0-3

-1 tới 11

-5 tới 9

14


- Đặc điểm trạm mặt đất
EIRP của vệ tinh ở băng tần Ku cao cho phép sử dụng anten trạm mặt đất
nhỏ, tới 1 mét hoặc nhỏ hơn nữa. Điều đó cho phép anten trạm đất có thể đặt ở
nhà khách hàng, giảm giá thành chi phí và tạo điều kiện phát triển các ứng dụng.
Băng tần Ku vì thế đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng nhƣ phát truyền hình
quảng bá tới tận nhà (Direct-To-Home) và VSAT cho các mạng thông tin
thƣơng mại.
Bảng 1.4 Các tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ku điển hình
Tham số

Vùng phủ
Toàn cầu

Khu vực

Nội địa

3.5-17

1-12

1-11

Phát

52-65

42-62

42-61

Thu

50-63

40-59

40-58

0.01-0.25

0.01-1

Kích thƣớc anten (m)
Hệ số khuếch đại anten(dBi)

Công suất phát kW

0.01-0.6

EIRP (dBW)

62-93

52-83

52-91

Nhiệt độ tạp âm (độ K)

150-250

150-250

150-250

G/T (dB/K)

26-41

12-38

16-37

• Băng tần Ka30/20 GHz

Băng tần Ka đƣợc sử dụng rất hạn chế vì điều kiện truyền sóng rất khó

khăn do bị suy hao lớn vì mƣa. Một số nƣớc đang nghiên cứu thực nghiệm các
ứng dụng trên băng tần này nhƣ Mỹ, Đức, Italy, Nhật Bản. Đặc điểm ở băng tần
này là do phổ tần của băng tần này rất lớn nên có thể dễ dàng sử dụng lại băng
tần nhiều lần bằng các chùm tia nhỏ. Tuy nhiên EIRP của cả vệ tinh và trạm mặt
đất phải rất lớn để bù lại suy hao do mƣa.

15


Bảng 1.5 Các tham số chính của vệ tinh băng tần Ka :
Tham số

Vùng phủ

Hệ số khuếch đại anten(dBi)

Nội địa

Phát

25-50

Thu

25-50

EIRP (dBW)

37-56

Nhiệt độ tạp âm (độ K)

1300-1600

G/T (dB/K)

-5 tới 19

Đặc điểm vệ tinh
-Đặc điểm trạm mặt đất
Băng tần Ka cho phép sử dụng anten trạm mặt đất rất nhỏ. Tuy nhiên
để đảm bảo chỉ tiêu chất lƣợng của tuyến theo yêu cầu việc sử dụng kỹ
thuật Điều khiển Công suất Phát lên (Up-link Power Control UPC) và phân
tập trạm mặt đất theo địa lý là cần thiết.
Bảng 1.6 Các tham số của trạm mặt đất băng tần Ka
Tham số

Vùng phủ nội địa

Kích thƣớc anten (m)

1-13

Hệ số khuếch đại anten(dBi)
Phát

45-66

Thu

42-61

Nhiệt độ tạp âm (độ K)

320-400

G/T (dB/K)

17-42

.

16