Xây dựng phần mềm mô phỏng các thông số đường truyền của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát trái đất
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (622.83 KB, 54 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Bùi Quang Huy
XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ ĐƢỜNG
TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT TRÁI ĐẤT
Chuyên ngành: VâṭlýVô tuyến vàĐiêṇ tư
Mã số: 60440105
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Đỗ Trung Kiên
Hà Nội – Năm 2017
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..........................................................................................................
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH .........
1.1
Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tin
1.1.1. Phần không gian ..............................................................................
1.1.2. Phần mặt đất ....................................................................................
1.2
Cấu trúc đặc trưng của hệ thống vệ tinh nhỏ
1.2.1. Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ .......................
1.2.2. Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu của trạm mặt đất băng S .......
Chương 2 -
2.1
Đặc điểm của tín hiệu trong thông tin vệ tinh
2.2
Đặc điểm Kênh truyền và phân tích tuyến T
2.2.1. Các ảnh hưởng của tầng khí quyển đến kênh truyền ....................
2.2.2. Hấp thu p ̣ hân tư.............................................................................
2.2.3. Tổn hao do hấp thu m
̣ ưa ................................................................
2.3
Các tham số cơ bản của tuyến liên lạc thông
2.3.1. Các tham số của anten
2.3.2. Đồ thị phương hướng bức xạ của anten ......................................
2.3.3. Sự phân cực của sóng .................................................................
2.3.4. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ...............................
2.3.5.
2.3.6. Công suất tiń hiêụ thu đươc ̣ cótinh́ đến tổn hao hấp thu v ̣ àảnh
hưởng của tầng khiq́ uyển 24
2.3.7. Tính toán dự trữ tuyến có tính đến các tổn hao khác.................25
2.4 Công suất tạp âm và đánh giá chất lượng đường truyền......................25
2.4.1. Tạp âm trên tuyến thông tin vệ tinh............................................. 25
2.4.2. Chất lượng đường truyền vệ tinh................................................. 27
̀
̀
́
Chương 3 - XÂY DỰNG PHÂN MÊM TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SÔ
ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN 29
3.1 Các thông số đầu vào.......................................................................... 30
3.2 Một số công thức sư dụng trong việc tính toán quỹ đường truyền......31
́
KÊT LUÂN.................................................................................................. 39
̉
̉̉
DANH MUCC̣ BANG BIÊU:
Bảng 1. 1: Tên và phân loại sóng vô tuyến................................................................... 5
Bảng 1. 2: Các loại anten sư dụng cho vệ tinh nhỏ.................................................... 7
Bảng 2. 1: Các hệ số hồi qui để xác định tổn hao sóng vô tuyến do mưa
(ITU-R).................................................................................................................................... 18
Bảng 3. 1: Thông số quỹ đường truyền của trạm mặt đất băng S......................30
Bảng 3. 2: Các thông số hệ thống thu phát sóng trên vệ tinh.............................. 31
Bảng 3. 3: Độ suy hao trong khí quyển tại Hà Nội với tần số của tín hiệu TC
theo ITU-R P.618-7.............................................................................................................. 33
Bảng 3. 4: Độ suy hao trong khí quyển tại Hà Nội với tần số của tín hiệu TM
theo ITU-R P.618-7.............................................................................................................. 34
DANH MUCC̣ HÌNH ẢNH:
Hình 1. 1: Cấu trúc tổng quát của một hệ thống vệ tinh........................................... 3
Hình 1. 2: Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ.........................10
Hình 1. 3: Trạm mặt đất băng S của hệ thống vệ tinh nhỏ Vnredsat-1............11
Hình 2. 1: Lượng nước mưa trung bình hàng năm.................................................. 19
Hình 3. 1: Lưu đồ thuật toán tính toán các thông số đường truyền...................29
Hình 3. 2 : Suy hao không gian tự do theo độ cao quỹ đạo.................................. 35
Hình 3. 3 : Liên hê g ̣ iữa tỉsốtiń hiêụ trên tap ̣ âm vàtỉlê b ̣ it lỗi............................. 37
LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý Vô tuyến và Điện tư với đề tài “Xây
dựng phần mềm mô phỏng các thông số đƣờng truyền của hệ thống vệ tinh
nhỏ quan sát Trái Đất” được hoàn thành là nhờ sự giúp đỡ, động viên khích lệ của
các thầy cô, bạn bè đồng nghiệp. Qua trang viết này tác giả xin gưi lời cảm ơn tới
những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian hoàn thành luận văn vừa qua.
Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo TS. Đỗ Trung
Kiên đã trực tiếp tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và chỉ bảo những thông tin khoa học
cần thiết cho luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn KS. Trần Anh Đức - đồng nghiệp, chủ nhiệm Đề tài
cơ sở - Viện Công nghệ Vũ trụ: “Nghiên cứu làm chủ quá trình truyền thông giữa vệ
tinh Vnredsat-1 và Trạm điều khiển mặt đất” và tập thể cán bộ Viện Công nghệ Vũ
trụ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam nơi tôi đang công tác đã cung
cấp các thông tin cần thiết về vệ tinh Vnredsat-1 để giúp tôi hoàn thành luận văn
này.
Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Khoa học Tự nhiên, khoa
Vật lý và Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tư đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt
công việc nghiên cứu khoa học của mình.
Hà Nội, tháng 12 năm 2017
Bùi Quang Huy
MỞ ĐẦU
Trong những thâp ̣ niên gần đây , các hệ thống thông tin vệ tinh ngày càng
phát triển nhanh chóng . Hiêṇ nay với hàng loaṭcác loaịhinh ̀ dicḥ vu d ̣ o vê ̣tinh cung
cấp trải rông ̣ trên tất c ả các lĩnh vực từ thông tin truyền thông , dư ̣báo thời tiết, dân
đường – đinḥ vi, ̣đánh giágiám sát các nguồn tài nguyên , điạ giới lanhh̃ thổ cho
tới nghiên cứu khoa hoc ̣ . Thông tin vê ̣tinh cóthểcung cấp không những các dicḥ vụ
dân sự mà cả các dịch vụ quốc phòng , an ninh, hàng không , hàng hải ,…Ngày
nay, công nghê v ̣ ê t ̣ inh đa trơ thanh môṭtrong nhưng thươc đo đanh gia trinh đô ̣
̃h̃
phát triển khoa hoc ̣ công nghê c ̣ ua môṭquốc gia.
ViêṭNam hiêṇ nay đang ởgiai đoaṇ đầu
tại, ViêṭNam đang có 02 vê ̣tinh viên thông Vinasat -1 (2008) và Vinasat -2 (2012)
có thể cung cấp dịch vụ đường truyền vệ tinh để phát triển các dịch vụ ứng dụng
như dịch vụ thoại, truyền hình, thông tin di động, truyền số liệu, Internet, các dịch
vụ đào tạo và y tế từ xa, truyền tin cho ngư dân trên biển, cung cấp đường truyền
thông tin cho các trường hợp khẩn cấp như thiên tai, bão lụt, đường truyền cho các
vùng sâu, vùng xa, hải đảo; 01 vê ̣tinh viên thám Vnredsat -1 (2013) hoạt động trên
quỹ đạo thấp LEO cung c ấp ảnh viên thám vệ tinh độ phân giải cao phục vụ cho
các nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội, giám sát , ứng phó với thảm hoạ thiên nhiên
và biến đổi khí hậu.
Trong xu thế ngày càng phát triển của công nghệ vệ tinh trên thế giới, việc sư
dụng các vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất quỹ đạo LEO nhằm phục vụ cho việc nghiên
cứu khoa học, lập bản đồ, giám sát tài nguyên thiên nhiên… đã trở nên vô cùng phổ
biến. Để thực hiện tốt những nhiệm vụ đó, việc duy trì đảm bảo kênh thông tin liên
lạc giữa vệ tinh và mặt đất là vô cùng cần thiết. Vì vậy , tính toán
thông sốđường truyền giữa vê ̣tinh vàtraṃ măṭđất Hò a lac ̣ làmôṭnhiêṃ vu ̣ đầu tiên
vàthường xuyên của Viện Công nghê ̣Vũtru ̣- Viêṇ Hàn lâm Khoa hoc ̣ vàCông nghê
̣ViêṭNam . Kênh liên lạc này giúp gưi lệnh điều khiển từ mặt đất lên vệ tinh, đồng
thời giúp trạm mặt đất thu nhận những dữ liệu đo xa về tình trạng vệ tinh cũng
1
như các dữ liệu ảnh vệ tinh gưi về. Phân tích đánh giá kênh thông tin liên lạc được
thực hiện thông qua việc tính toán và mô phỏng các thông số đường truyền.
Các thông số đường truyền bao gồm một bảng tính toán các loại tăng ích và
suy hao, phân tích chi tiết từ các nguồn thu phát, các nguồn nhiễu, sự suy hao tín
hiệu và các hiệu ứng xảy ra đối với tín hiệu trên đường truyền. Các thông số sẽ được
lấy từ các nguồn thống kê hoặc trong các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Tính toán
quỹ đường truyền là thực hiện việc tính toán ước lượng nhằm mục đích đánh giá
khả năng xảy ra lỗi trên đường truyền.
Các thông số đường truyền thường được tính toán với các điều kiện hoạt
động xấu nhất, ví dụ như khi mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh với góc ngẩng nhỏ nhất,
khoảng cách từ vệ tinh tới trạm mặt đất là xa nhất, với đầy đủ các loại suy hao trên
vệ tinh cũng như trên đường truyền dẫn… để đảm bảo chất lượng đường truyền dẫn
thông tin liên lạc giữa vệ tinh và mặt đất trong mọi điều kiện hoạt động.
2
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh
Cấu trúc một hệ thống truyền tin vệ tinh gồm hai phần: phần không gian và
phần mặt đất.
Hình 1. 1: Cấu trúc tổng quát của một hệ thống vệ tinh
1.1.1. Phần không gian
Phần không gian của một hệ thống truyền tin vệ tinh bao gồm vệ tinh cùng
các thiết bị đặt trong vệ tinh và các hệ thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để
kiểm tra theo dõi và điều khiển hành trình của vệ tinh (cả hệ thống bám, đo đạc và
điều khiển). Bản thân vệ tinh bao gồm hai phần: Phần thực hiện nhiệm vụ (payload)
và phần thân vệ tinh (platform). Phần thực hiện nhiệm vụ đối với các vệ tinh khác
nhau có cấu trúc hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào nhiệm vụ của vệ tinh trên quỹ
đạo, ví dụ đối với vệ tinh viễn thông thì payload là các bộ phát đáp tín hiệu, đối với
các vệ tinh viễn thám thì payload là hệ thống chụp ảnh, radar, vv…Phần thân vệ tinh
bao gồm hệ thống phục vụ cho cho payload hoạt động, ví dụ như cấu trúc vỏ và
khung vệ tinh, nguồn cung cấp điện, hệ thống điều khiển nhiệt độ, điểu khiển
chuyển hướng, tư thế, quỹ đạo, v.v…[2]
3
Các sóng vô tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là tuyến
lên (uplink). Vệ tinh thu các sóng từ tuyến lên, xư lý, biến đổi tần số, khuếch đại và
truyền các sóng vô tuyến đó về các trạm mặt đất theo tuyến xuống (downlink). Chất
lượng của một liên lạc qua sóng vô tuyến đó được xác định bởi tỷ số năng lượng
sóng mang trên năng lượng tạp nhiễu C/N của toàn tuyến trong đó bao gồm cả kỹ
thuật điều chế và mã hóa được sư dụng.
Vệ tinh trong trường hợp vệ tinh đóng vai trò là một trạm trung chuyển tín
hiệu giữa các trạm mặt đất và được xem như một nút mạng với hai chức năng chính
sau đây:
- Khuếch đại các sóng mang thu được từ tuyến lên để sư dụng cho việc
truyền lại trên tuyến xuống. Công suất đầu vào của máy thu vệ tinh có yêu
cầu từ 100pW đến 1 nW, còn công suất tại đầu ra của bộ khuếch đại công
suất phát cho tuyến xuống có yêu cầu từ 10 W đến 100W. Như vậy độ tăng
ích anten của bộ phát đáp vệ tinh có yêu cầu từ 100dB đến 130dB. Năng
lượng sóng mang trong băng tần được bức xạ đến các vùng phủ sóng trên bề
mặt quả đất theo các mức EIRP tươn ứng phủ sóng.
- Thay đổi tần số sóng mang (giữa thu và phát) nhằm tránh một phần công
suất phát tác động trở lại phía đầu vào đầu thu. Khả năng lọc của các bộ lọc
đầu vào đối với tần số sóng mang tuyến xuống, có tính đến độ tăng ích thấp
của anten, cần đảm bảo sự cách biệt khoảng 150dB.
Ngoài hai nhiệm vụ chủ yếu trên thông thường vệ tinh còn có một số chức
năng khác, ví dụ, đối với vệ tinh có nhiều búp sóng hoặc búp sóng quét thì bộ phát
đáp vệ tinh phải có khả năng tạo tuyến sóng mang đến các vùng hoặc điểm phủ
sóng yêu cầu. Trường hợp đối vưới vệ tinh tái sinh thì bộ phát đáp còn có chức năng
điều chế và giải điều chế.
Payload của các vệ tinh viễn thông được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật
sau:
- Dải tần công tác.
- Số lượng bộ phát đáp
4
- Độ rộng dải thông của mỗi bộ phát đáp
- Phân cực sóng của tuyến lên và tuyến xuống
- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) hoặc mật độ thông
lượng công suất tạo ra tại biên của vùng phủ sóng phục vụ
- Mật độ thông lượng công suất bão hòa tại anten thu của vệ tinh (SPD)
- Hệ số phẩm chất (G/T) của máy thu vệ tinh tại biên của vùng phủ sóng
hoặc giá trị cực đại
- Vùng phủ sóng yêu cầu
- Công suất đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát
- Cấu hình dự phòng cho máy thu và bộ khuếch đại công suất phát.
Băng tần phân bổ cho bộ phát đáp vệ tinh có thể từ vài trăm MHz cho đến
vài chục GHz. Băng tần này thường được chia thành các băng tần con (theo phân
định của ITU). Hầu hết các bộ phát đáp thường được thiết kế với dải thông 36MHz,
54 MHz hoặc 72 MHz, trong đó dải thông 36 MHz là chuẩn được dùng phổ biến
cho dịch vụ truyền hình băng C (6/4 GHz). Hiện nay một số loại bộ phát đáp có xư
lý tín hiệu đã được đưa vào sư dụng và như vậy có thể cải thiện được chất lượng tín
hiệu.
STT
Dải tần số
1
3 – 30 KHz
2
30 – 300 KHz
3
300 – 3000 KHz
4
3 – 30 MHz
5
30 – 300 MHz
5
6
300
–
3000
MHz
7
3 – 30 GHz
8
30 – 300 GHz
9
300 - 3000 GHz
1.1.2. Phần mặt đất
Bao gồm tất cả các trạm mặt đất, gồm anten thu phát và các thiết bị điều
khiển, bám vệ tinh; ống dẫn sóng, các bộ chia và ghép tín hiệu, công suất; máy thu,
phát tín hiệu siêu cao tần và các bộ điều chế, giải điều chế; các bộ đổi tần, các bộ xư
lý tín hiệu (giải nén, mã hoá, tập hợp số, lấy mẫu, khoá mã,…) và các bộ khuếch đại
công suất. Các trạm mặt đất có qui mô và kích thước khác nhau tuỳ thuộc vào tính
năng sư dụng và khối lượng thông tin truyền tải.
Phần mặt đất thường được kết nối với các thiết bị của người sư dụng thông
qua mạng mặt đất hoặc trong trường hợp sư dụng các trạm VSAT (Very Small
Aperture Teminal: Thiết bị đầu cuối có khẩu độ rất nhỏ), các hệ thống thông tin di
động vệ tinh S-PCN (Satellite – Personal Communication Network) thì vệ tinh có
thể liên lạc trực tiếp vưới thiết bị đầu cuối của người sư dụng. Các trạm mặt đất
được phân loại tùy thuộc vào kích cỡ trạm mặt đất và loại hình dịch vụ. Có thể có
các trạm mặt đất vừa thu vừa phát sóng nhưng cũng có loại trạm mặt đất chỉ làm
nhiệm vụ thu sóng, ví dụ trạm TVRO (television reciver only). Các trạm mặt đất lớn
được trang bị anten có đường kính 30 – 40m, trong khi đó các trạm mặt đất loại nhỏ
chỉ dùng anten đường kính 60 cm hoặc thậm chí nhỏ hơn (các trạm di động cầm
tay).
6
1.2 Cấu trúc đặc trƣng của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát trái đất
Theo tiêu chi
lương ̣
> 1000 kg), vê ̣tinh trung binh
lương ̣ < 500 kg). Tùy theo trọng lượng , trong phân loaịvê t ̣ inh nhỏcòn cóvê ̣tinh
mini (100 – 500 kg), vê t ̣ inh micro (10 – 100kg), vê t ̣ inh nano (1-10kg), vê t ̣ inh pico
(<1kg) và vệ tinh femto (<100g). Hầu hết các vê ̣tinh nhỏđều hoaṭđông ̣ trên quỹ đaọ
thấp.
Quỹ đạo thấp (LEO - Low Earth Orbit) là quỹ đạo nằm trong lớp trên của khí
quyển Trái đất có độ cao so với bề mặt Trái đất từ 200 km đến 2000 km. Ở độ cao
này, vệ tinh phải bay nhanh để thắng được lực hút của Trái đất. Vệ tinh bay ở quỹ
đạo thấp gọi tắt là vệ tinh LEO có tốc độ 17.000 dặm/h, mất 90 phút để bay một
vòng quanh Trái đất. Phần lớn vệ tinh quan sát Trái đất, tàu vũ trụ có người lái và
trạm vũ trụ quốc tế ISS đều hoạt động ở quỹ đạo thấp. Vệ tinh LEO rất thích hợp
khi người ta muốn thời gian khứ hồi (RTT- Round Trip Time) ngắn tức là thời gian
để một tín hiệu từ trạm mặt đất lên vệ tinh và quay về hay thời gian để một tín hiệu
từ vệ tinh xuống trạm mặt đất và trở lại vệ tinh là ngắn. Điều này đặc biệt quan
trọng trong dịch vụ thông tin di động. Vệ tinh ở quỹ đạo thấp có thời gian sống từ 5
đến 7 năm [1].
Dưới đây là mô tả cấu trúc thu phát của hệ thống vệ tinh nhỏ Vnredsat-1 của
Việt nam
1.2.1. Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ
Hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ thường là phân hệ băng S, bao
gồm 2 anten phát, 2 bộ thu/phát để đảm bảo khả năng dự phòng và 1 bộ ghép 3dB.
Anten sư dụng trên vệ tinh nhỏ có một số loại như sau:
Bảng 1. 2: Các loại anten sư dụng cho vệ tinh nhỏ [6]
7
Microtrip Anten
Anten xoắn ốc
Anten đơn hoặc
lưỡng cực
8
Phân cực - tuyến tính hoặc tròn
Công suất lên đến 10 W
Ăng-ten thường là thanh một thanh đơn đặt
vuông góc với mặt đế. Nếu ăng ten
cộng
hưởng bước sóng chính thì khoảng kích thước
khoảng 1/4 bước sóng, nếu cộng hưởng phụ thì
nó có thể ngắn hơn nhiều so với bước sóng.
Kích thước: cộng hưởng - 1/4 bước sóng dài
Anten Monopole
đặt vuông góc với mặt đế với đường kính tối
thiểu khoảng 1/2 bước sóng
cộng hưởng phụ - có thể rất ngắn đặt vuông
góc trên mặt đế nhỏ
Độ tăng ích - khoảng 2 dB
Băng thông - khoảng 5% tần số trung tâm
Phân cực - tuyến tính
Công suất - 10 Watts hoặc cao hơn nếu cộng
hưởng hoặc kết hợp
Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu tín hiệu trên vệ tinh:
Tín hiệu truyền lên vệ tinh gọi là Telecommand (TC)
Tín hiệu truyền xuống từ vệ tinh: Telemetry (TM)
Cấu trúc các chức năng của hệ thống thu phát tín hiệu TM/TC băng S trên vệ
tinh được miêu tả trong hình dưới đây:
9
Hình 1. 2: Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ
Hệ thống thu phát tín hiệu băng S bao gồm 2 anten xoắn ốc, được bố trí một
ở mặt đáy và một ở đỉnh của vệ tinh, nhờ đó đảm bảo độ bao phủ toàn diện theo mọi
hướng [3].
Cả hai khối chức năng TM và TC đều được lắp đặt cùng với 1 bộ song công,
trong cùng 1 khối thiết bị thu/phát tín hiệu (RXTX). Vệ tinh sư dụng 2 khối RXTX
để đảm bảo có thiết bị dự phòng trong trường hợp 1 khối xảy ra sự cố. 2 khối thiết
bị này giao tiếp với hệ thống máy tính trên vệ tinh (OBC – On Board Computer) và
được kết nối với anten qua 1 bộ ghép 3db.
Khối thiết bị thu hoạt động theo cơ chế dự phòng nóng để đảm bảo rằng liên
kết TC vẫn có thể hoạt động được trong trường hợp 1 khối thiết bị thu xảy ra sự cố.
Khối thiết bị phát hoạt động theo cơ chế dự phòng lạnh: 2 khối thiết bị phát
được luân phiên sư dụng mỗi lần vệ tinh bay qua vùng thu của trạm mặt đất.
Đặc tính của các khối chức năng này cho phép thiết lập kênh giao tiếp
o
TM/TC giữa vệ tinh và trạm mặt đất khi vệ tinh có góc ngẩng > 10 khi được nhìn
từ trạm mặt đất.
Tần số sóng mang tải lên là 2048.1 MHz
Tần số sóng mang tải xuống là 2240 MHz
1.2.2. Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu của trạm mặt đất băng S
Trạm mặt đất băng S được thiết kế để có thể thu được tín hiệu truyền xuống
từ các vệ tinh nhỏ và truyền tín hiệu lệnh telecommand lên các vệ tinh đó. Đối với
10
hệ thống VNREDSat-1, trạm băng S đặt tại Khu công nghệ cao Hòa Lạc chịu trách
nhiệm trong việc thông tin liên lạc với vệ tinh [3].
Đặc điểm trạm mặt đất băng S:
Hình 1. 3: Trạm mặt đất băng S của hệ thống vệ tinh nhỏ Vnredsat-1
Trạm mặt đất băng S thực hiện việc theo dấu vệ tinh, nhận TM và phát TC
một cách tự động, dưới sự điều khiển của hệ thống giám sát và điều khiển
( Monitoring and Control System – MCS).
Trước mỗi phiên vệ tinh bay qua, trạm thu được cấu hình để có thể theo dấu
vệ tinh dựa vào dữ liệu trong các file chứa dữ liệu quỹ đạo được gưi đến từ bộ phận
điều khiển.
Trong phiên vệ tinh bay qua, trạm thu sẽ theo dấu vệ tinh dựa vào chương
trình được thiết lập trước đó, nhờ đó thu được tín hiệu mà vệ tinh gưi về. Tín hiệu
nhận được sẽ được đổi tần xuống từ tín hiệu băng S chuyển về tín hiệu trung tần 70
MHz và sau đó được truyền đến bộ giải điều chế. Các dữ liệu được giải mã, sau đó
có thể lưu trữ hoặc gưi trực tiếp đến từ bộ phận điều khiển để phân tích.
Cũng trong phiên vệ tinh bay qua, trong khi thu tín hiệu TM, trạm đồng thời
có thể gưi tín hiệu điều khiển nhận được từ bộ phận điều khiển lên vệ tinh.
11
Chƣơng 2 - TÍN HIỆU VÀ CÁC ĐẶC TRƢNG TÍN HIỆU TRONG
THÔNG TIN VỆ TINH
2.1 Đặc điểm của tín hiệu trong thông tin vệ tinh
Trong các hê ̣thống thông tin vê ̣tinh , thông tin đươc ̣ trao đổi đươc ̣ goịlàtin ́
hiêụ. Thuâṭngư tin hiêụ ơ đây co liên quan đến mưc va dang ̣ điêṇ ap tiêu biểu cho
̃h̃ ́
thông tin đươc ̣ truyền tư đầu nay đến đầu kia
̃̀
hiêụ băng cơ sởhoăc ̣ tiń hiêụ băng gốc . Nếu tiń hiêụ băng gốc làtương tư ̣thiđ̀ iêṇ áp
biểu thị nó là liên tục theo thời gian . Nếu tin ́ hiêụ băng gốc làtiń hiêụ sốthìđiêṇ áp
biểu thị nó là rời rạc.
Trong hê ̣thống th ông tin vê ̣tinh các tiń hiêụ băng gốc đươc ̣ điều chếvới sóng
mang để truy nhập vào kênh tần số vô tuyến và truyền qua các kênh thông tin
vê ̣tinh. Tất nhiên trước khi điều chếvới sóng mang , tín hiệu phải qua một số khâu
xư lý tuỳ thuộc vào yêu cầu , tính chất dịch vụ và truyền dẫn .
Hê t ̣ hống truyền tin truyền các tiń hiêụ tương tư đ ̣ ươc ̣ goịlàtruyền tin tương
tư. ̣ Hê t ̣ hống truyền tin truyền các tiń hiêụ sốhoáđươc ̣ goịlàhê t ̣ hống truyền
tin số.
Hê t ̣ hống truyền tin sốđươc ̣ ưa chuông ̣ vàsư dung ̣ rông ̣ raĩ bởi vìnócónhững ưu
thếsau:
- Truyền tin sốcókhảnăng kháng nhiêũ tốt hơn nhiều so với truyền tin tương
tư. ̣Các xung số rất ít bị tác động của nhiễu
làm thay đổi hoặc biến dạng so
với tiń hiêụ tương tư . ̣ Ở kênh truyền tin số thì các đặc tính về biên độ , tần số
và góc pha không cần phải định giá một cách chính xác như ở kênh truyền
tương tư . ̣ Các xung ở truyền tin số sẽ đươc ̣ đinḥ giátheo khoảng thời gian
mâũ hoăc ̣ mức trên , mức dưới của xung theo môṭmức ngưỡng nào đó . Độ
chính xác về biên độ , tần sốvàgóc pha ởtruyền tin sốtrong nhiều trường
hơp ̣ không quan trong ̣ lắm.
- Tín hiệu số t huâṇ lơị vàdê dh̃ àng hơn nhiều trng các quátrinh ̀ xư lývàghép
kênh so với tiń hiêụ tương tư . ̣ Viêc ̣ xư lýtiń hiêụ sốởđây đươc ̣ hiểu làxư lý
các tín hiệu tương tự theo các phương pháp số . Xư lýtiń hiêụ bao gồm lo c ̣ ,
12
cân bằng vàdicḥ chuyển pha . Các xung số có thể được nhớ dễ dàng hơn tín
hiêụ tương tư. ̣ Tốc đô ̣truyền của các hê ̣thống sốcóthểthay đổi môṭcách dê h̃
dàng để thích ứng với các môi trường khác nhau và thích nghi vớ i các dang ̣
thiết bi khạ́c nhau.
- Ở các hệ thống truyền tin số dùng các bộ tái tạo tín hiệu trong lúc truyền tin
tương tư d ̣ ung ̣ các bô ̣khuếch đaịtiń hiêụ. Tạp âm trong các mạch khuếch đại
là tạp âm cộng , do đótỉsốtiń hiêụ trên tap ̣ ởđầu ra bô k ̣ huếch đaịse h̃bi xấụ hơn
vànếu đường truyền tin tương tư d ̣ ùng nhiều bô k ̣ huếch đaịthìtỉsốS /N
sẽ càng xấu . Trong khi đó, truyền tin sốsư dung ̣ các bô t ̣ ái taọ tiń hiêụ cótỉ
sốtiń hiêụ trên tap ̣ ởđẩu ra bằng tỉsốđóởđầu vào bô ̣tái taọ . Cũng vì lí do
đómàkhoảng cách truyền tin sốcóthểlớn hơn rất nhiều so với truyền dân
tương tư. ̣
- Viêc ̣ đo lường vàlương ̣ giácác tiń hiêụ sốđơn giản hơn nhiều so với tiń hiêụ
tương tư đ ̣ ăc ̣ biêṭlàkhi cần so sánh hiêụ năng hê t ̣ hống.
-
Các hệ thống số thích hợp hơn nhiều trong việc đánh giá hiệu năng lỗi . Lỗi
truyền trong các tiń hiêụ sốcóthểđươc ̣ phát hiêṇ vàsưa lỗi môṭc
ách dễ
dàng. Có khả năng chính xác hơn nhiều so với hệ thống tương tự .
Tuy vâỵ truyền tin sốcũng cónhững nhươc ̣ điểm :
- Viêc ̣ truyền các tiń hiêụ tương tư đ ̣ ươc ̣ sốhoáphải cóđô r ̣ ông ̣ dải tần khálớn
hơn nhiều so với viêc ̣ truyền tiń hiêụ tương tư đ ̣ ókhông sốhoá.
- Các tín hiệu tương tự muốn truyền dẫn số thì trước khi truyền phải được
chuyển đổi thanh tin hiêụ sốva taịphia thu phai chuyển đổi ngươc ̣ laị
̃̀
nghĩa là tốn thêm mạch mã hoá và giải mã.
- Truyền tin sốyêu cầu phải cósưụ đồng bô ̣thời gian chinh́ xác giữa đồng hồ
phát và thu. Như vâỵ các hê ̣thống sốcần phải cócác macḥ hồi phuc ̣ đồng hồ
trong tất cảcác máy thu , gây thêm tốn kém.
- Các hê t ̣ hống truyền tin sốlàkhông tương thich́ với các phương tiêṇ
truyền dân tương tư c ̣ ổđiển.
13
2.2 Đặc điểm Kênh truyền vàphân tích tuyến Trạm mặt đất - vê C̣tinh
2.2.1. Các ảnh hƣởng của tầng khí quyển đến kênh truyền
Tầng khiq́ uyển là môi trường truyền sóng có ảnh hưởng trực tiếp đến sóng
truyền trong hê t ̣ hống thông tin vê t ̣ inh . Trong tầng khiq́ uyển thic̀ ác tác đông ̣ rõnét
nhất đến kênh truyền làcác ảnh hưởng của tầng đối lưu vàtầng điêṇ li .
Ảnh hưởng của tầng đối lưu
Lớp không khit́ rên măṭđất ởdưới cùng của tầng khiq́ uyển đươc ̣ goịlàtầng đối
lưu. Tính từ mặt đất lên . Tầng đối lưu cóđô c ̣ ao 8 đến 10 km ởcác vi th̃ uyến gần
Bắc vàNam cưc ̣: 10 – 12 km ởcác vĩ tuyến trung bình và 16 – 18 km ởcác vi th̃ uyến
gần xich́ đaọ.
Các thành phần khí trong tầng đối lưu khong biến đổi nhiều theo chiều cao ,
nó cũng giông như trên mặt đất ngoại trừ chỉ có hơi nước là phụ thuộc nhiều vào
các điều kiêṇ khítương ̣ thuỷvăn vàgiảm manḥ theo chiều cao .
Tính chất quan trọng của tầng đối lưu là sự giảm nhiệt độ theo chiều cao
.
0
Gradient trung binh̀ của nhiêṭđô ̣theo chiều cao tầng đối lưu là 6 /km. Giới haṇ trên
của tầng đối lưu đươc ̣ xác đinḥ khi không còn sư ̣giảm nhiêṭđô ̣theo chiều cao .
Các thông số cơ bản đặc trưng cho các tính chất của tầng đối lưu là : áp suất,
nhiêṭđô, ̣và độ ẩm tuyệt đối . Năm 1925, hiêp ̣ hôịHàng không quốc tếđa h̃thống nhất
khái niệm “tầng khí quyển chuẩn quốc tế” hoặc còn gọi là “tầng đối lưu chuẩn” , vơi
các số liệu mà đến nay vẫn còn giá trị . Các số liệu chuẩn về tầng đối lưu , đólàtaị
0
bềmăṭTrai đất co ap suất p = 1013 mBa; nhiêṭđô ̣t = 15 C; đô ẩ ̣ m tương đối S =
̃́
75% (mâṭđô ̣hơi nước ~ 7.5 g/m3 ). Với đô ̣cao tăng 100m thìáp suất giảm 12mBa,
nhiêṭđô ̣giam
̃̉
cao chuẩn cua tầng đối lưu 11 km tinh tư măṭđất [1].
̃̉
Tầng đối lưu , đứng vềg óc độ xem xét truyền sóng thì có thể xem như một
hỗn hơp ̣ gồm hai chất khi:́ Không khi ḱ hô vàhơi nước . Sóng vô tuyến truyền trong
đóbi tộ̉n hao vàhấp thu ̣. Có thểcónhiều nguyên nhân dân đến hấp thu ̣đối với các
dải tần khác nhau của sóng . Căn cứ vàcác nguyên nhân gây hấp thu ̣ , có hai dạng
hấp thu: ̣đólàhấp thu d ̣ o các haṭnước vàhấp thu ̣phân tư.
14
Hấp thu d ̣ o các haṭ nước
Dưới góc độ vật lý có thể lý giải sự hấp thụ sóng trong các hạt nước nhỏ
đó như sau:
- Do tác đông ̣ trường của sóng truyền lan , trong các haṭnước cótinh ́ bán dân
điêṇ se ch̃ ódòng điêṇ dicḥ . Mâṭđô c ̣ ác dòng điêṇ dicḥ đócómôṭgiátri tương ̣
đối nào đó, bởi vib̀ iết rằng hê s ̣ ốđiêṇ môi của nước cógiátri lơṇ hơn
khoảng 80 lần hê s ̣ ốđiêṇ môi cua không khi xung quanh
̃̉
dịch cũng tỉ lệ với tần số, do đónóchỉcógiá trị đáng xem xét ở dài sóng siêu
cao tần. Chính sự tổn hao năng lượng trong các hạt nước đó gây nên sự hấp
thụ năng lượng sóng truyền lan.
- Sư ̣xuất hiêṇ của các haṭnước hoăc ̣ mây mùchinh́ lànguyên nhân gây nên
các nguồn bức xa k ̣ huếch đaị hoăc ̣ bức xa t ̣ hứ cấp . Trong thưc ̣ tếsư ̣khuếch
tán như vậy tạo nên hiệu ứng hấp thụ theo phương truyền lan của sóng
nhưng cũng chính sự khuếch tán đó lại là bức xạ thứ cấp theo phương truyền
lan cần thiết.
Kích thước các hạt nước trong mây mù có bán kính từ 2 – 60 micron. Các hạt
có kích thước ngưng tụ lớn hơn chuyển động rơi xuống mặt đất dưới dạng mưa .
Môṭđăc ̣ tinh́ quan trong ̣ cần đươc ̣ xem xét ởđây đối với các dang ̣ mây mùnói
3
chung la sốlương ̣ nươc ngưng tu , ̣ tính theo đơn vị g /m . Vơi mây mu yếu tầm nhin
̃̀
khoảng 1 km va đối vơi mây mu đăc ̣ tầm nhin chi co thểva i mét [1].
Các hạt nước trong mây mù tạo thành mưa có đường kính lớn hơn 60 micron
và giới hạn trên của chúng có thể đến
hạt mưa có kích thước từ 0.25 – 2 mm.
Lương ̣ nươc trong khi quyển khi trơi mưa noi chung lơn hơn nhiều so vơi
trương hơp ̣ mây mu.
̃̀
lương ̣ nươc trong cac tầng
̃́
nươc khi mưa rao.
̃́
Trong dai siêu cao tần thi sư h ̣ ấp thu ̣năng lương ̣ song trong cac haṭ
do tổn hao nhiêṭva qua trinh khuếch tan.
15
thường it́ găp ̣ trong các vùng mưa . Trong thưc ̣ tếkỹthuâṭngười ta thường thiết lâp ̣
các biểu đồ số liệu thực nghiệm . Bằng cac thưc ̣ ngh iêṃ, đồthi h ̣ ê s ̣ ốhấp thu đ ̣ ươc ̣
thiết lâp ̣ phu ̣thuôc ̣ vao cac thông sốcương đô ̣mưa
thụ đạt 2.64*10
-2
̃̀ ́
-1
(km ) trên mỗi môṭmm lương ̣ nươc mưa trong môṭgiơ
ứng với hệ số hấp thụ 0.25 dB/Km trên 1mm/h.
Như vâỵ đểco đươc ̣ đô ̣tin câỵ trong cac đương truyền song trong dai tần
̃́
sóng siêu cao tần trong trường hợp có mưa hoặc mây mù cần có các số liệu xác xuất
thống kê khítương ̣ thuỷvăn phu ̣thuôc ̣ vào từng vù
ng trong đókênh truyền sóng
đươc ̣ thưc ̣ hiêṇ.
Qua nhiều khảo sát thưc ̣ nghiêṃ cũng nhâṇ thấy rằng sóng vô tuyến truyền
trong vùng cómưa thiđ̀ ối với các sóng trong dải sóng siêu cao , nếu tần sốcàng cao
thì hấp thu ̣càng lớn. Đối với các sóng trong dải quang thì hấp thụ trong mây mù lại
lớn hơn hấp thu s ̣ óng trong mưa.
Ảnh hưởng của tầng điêṇ li
Đối với dải sóng cực ngắn và siêu cao thì tâng điện li được xem là trong
suốt . Ảnh hưởng rõ nét nhất của tầng điêṇ li đối với các kênh truyền thông tin vê
̣tinh là hiêụ ứng faraday vàtrê nh̃ hóm.
Các hiệu ứng của tầng điện li có ảnh hưởng khá lớn đến các sóng vô tuyến
có tần sốkhoảng 10 GHz vàđăc ̣ biêṭlàđối vớ i các vê ̣tinh khioong điạ tinhh̃ cótần số
làm việc dưới 3 GHz. Các phần tư mang điện (các electron) trong tầng điêṇ li se h̃tác
đông ̣ đến sóng vô tuyến khi truyền xuyên qua tầng điêṇ li vàgây nên hiêṇ tương ̣
quay đổi vơi cac song mang co phân cưc ̣ đương thẳng va môṭsư ̣trê h̃thơi gian đương
̃́ ́
truyền song . Hiêṇ tương ̣ quay phân cưc ̣ tuyến tinh đo đươc ̣ goịla quay Faraday va
̃́
trê lh̃ a trê h̃nhom.
̃̀
̃́
Giá trị quay Faraday ký hiệu là ϕ đươc ̣ xac
Trong đo B
1016 – 1018 el/m2 (giá trị các điện tư tích điện trên
(GHz).
16
̃́
Hiêṇ tương ̣ quay Faraday không cóảnh hưởng đáng kểđối với phân cưc ̣
tròn, chính vì vậy chúng thường được sư dụng trong các hệ thống thông tin vệ tinh –
di đông ̣.
Độ trễ nhóm, ký hiệu là T thường được xác định theo biểu thức [1]:
1.34N
T
f2
Trong đóf tinh́ theo Hz.
Xem xét dưới góc đô t ̣ ruyền sóng vô tuyến , tầng điêṇ li làmôṭtầng khí quyển
màcócác tham sốkhông ổn đinḥ . Sư k ̣ hông ổn đinḥ đócảvềchiều cao . So với măṭđất
, đô ̣dày các tầng điện li , sư x ̣ uất hiêṇ các tần điêṇ li theo phân lớp và mâṭđô c ̣ ấu
trúc bên trong tầng điêṇ li . Các tham số còn phụ thuộc vào vùng địa lý trên quảđất,
mùa năm tháng trong năm và chu kỳ 11 năm hoaṭđông ̣ của bức xạ mặt trời. Các hiện
tượng trên được gọi chung là sự biến động không bình thường của tầng điêṇ li.
2.2.2. Hấp thu p
C̣ hân tƣ̉
Các sóng vô tuyến có bước sóng ngắn hơn
còn do tác động trường của só ng đến cac phần tư khi trong tầng đối lưu
̃́
hấp thu đ ̣ óđươc ̣ goịlàhấp thu p ̣ hân tư vàđươc ̣ quan sát xem xét trong điều kiêṇ trời
trong , không mưa vàkhông mây mù . Trong trường hơp ̣ này năng lương ̣ sóng
truyền lan bi t ̣ iêu hao do đốt nóng vâṭthể , ion hoáhoăc ̣ kich́ thich́ các nguyên tư ,
phân tư khi ơ dươi dang ̣ hoa quang . Khi hấp thu , ̣ các nguyên tư và phân tư chuyển
̃̉
̃́ ̉
tư trang ̣ thai năng lương ̣ thấp đến trang ̣ thai năng lương ̣ cao hơn
̃̀
̃́
mưc năng lương ̣ co tinh rơi rac ̣ cho nên cac qua trinh chuyển hoa cac mưc năng
̃́
lương ̣ cũng cóđăc ̣ tinh́ công ̣ hưởng choṇ loc ̣ , và do đó hấp thụ sóng vô tuyến trong
trường hơp ̣ này cũng cótinh́ choṇ loc ̣. Có nghĩa là sẽ có những tần số mà ở đó hệ số
hấp thu s ̣ e h̃béhơn môṭcách đôṭngôṭchứ không tăng theo quy luâṭ.
2.2.3. Tổn hao do hấp thu C̣mƣa
Môṭhấp thu s ̣ óng vô tuyến quan trong ̣ trong tầng khíquyển làhấp thu s ̣ óng
do mưa . Lương ̣ mưa trung bình trên thế giới là không đồng đều theo vùng địa lý
17
.
