Nghiên cứu đặc tính kênh truyền cho tuyến vệ tinh quan sát trái đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NG

NG

NC

N

Đ CT N
TN

ẠN

N
N

LUẬN VĂN THẠ

H

ĐẠT

TR

NC OT

T TR

Đ T

TH ẬT

- Năm 2018

NV


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGU

NG

NC UĐ CT N
TN

N

ẠN

N

ĐẠT

TRU

QU N S T TR

LUẬN VĂN THẠ

N C O TU
Đ T

TH ẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS P Ạ

H

V NT

- Năm 2018

N

NV


Trang
.......................................................................................................3
........................................................4
..............................................................................5
.....................................................................................................................6
-

.....8
.................................................................8
.................................................................................11
...............................................................................11
..............................................................................................13
..........................................................................15
.....................................................................................................18
...........................................................................................19
................................................................................19

2.1.1. Ả

ởng của tầng khí quy n ...............................................................19
ủ

.................................................................................26
..........................................30
ầ

....................................................32
.........................33
...............................................34
....................................................................35

....................................................................................37
...............................................................................37
ủ

......................................39

................................42

.......................................................45
......................................................46
1


ầ

.....................................................................................46
.....................................................................................................50

-

...........................................51
......................................................52
............................................................54
...........................................................................................................56
.....................................................................................................58
...............................................................................................................59
Ả .........................................................................................61

2


L
ủ

ủ

3


Từ viết tắt

Tên đầ đủ

LEO

Low Earth Orbit

NASA

RTT

EIRP

FSL

Tiếng Việt

National Aeronautics and Space
Administration
Round Trip Time
Equivalent Isotropic Radiated
Power
Free Space Loss
North American Aerospace Defense

NORAD

Command

n nh m

TLE

Two Line Element

AFC

Automatic Frequency Controller

4

ầ

t


.............................................................9
M t s v tinh thông tin liên l c (Internet) ..............................................10
v tinh qu

o th p[1] ..................................................................12

ng b m t tr i (www.spagyuga.com) ....................................13
–

..........................................17

S suy gi m do các khí trong khí quy n [3] ............................................20
T ng s suy gi m do mây theo hàm của tần s

i v i góc ngẩng t 5

0

n 30 ) [3] ................................................................................................................22
T

ủa tần s và góc ngẩng [3] .........23

ng suy gi
iv

u ki n th i ti t t t ở tần s 2 và

30GHz là hàm của góc ngẩng [3]..............................................................................25
nh

v i góc ngẩng th p[3] ..........................................25

T s tr c AR [4] ......................................................................................29
ầ

ầ

..........................................................32

Mơ hình hình h c giữa v tinh và tr m m

t .......................................34
...............................................36

6 thông s qu

o Kepler (Internet).................................................38
.................................43
ủ

.....................................47
ầ

...................................................................51

ủ

.................................................................52
ủ

.........................................................53
......................................................................54

...............................................................................55
.........................................................................56
..........................................56
........................................................................................57
ữ

...................................................................57

5


đ

1.

ữ

ủ

ầ

ở
ầ

ở ữ

ữ

-

1

-2

g
ở

ầ

ủ

ở
ữ

ầ
đ

ế

đ
đ

2.

ầ

ủ
-

3.


ở

6

ệ



-

ầ
4.
ở

-

-

ầ

7

ở


1ệ

1.1.
Ngày 4/10/1957

tinh Sputnik- vệ tinh nhân

tạo đầu tiên, mở ra m t k nguyên m i trong l ch s chinh ph
i. V tinh này n ng 83 kg, trông gi

anten r i. Sputnik ch
t n t i trên qu

c tín hi

t qu bóng bằng kim lo i có 4
“

” “

”

o th p trong 92 ngày. B l c hút củ

cháy trong bầu khí quy

n (27 MHz) và
ng và

i ta có th phóng v tinh n ng 9.600 kg

lên qu

tinh có th ho

ch

của lồi

ng 20

o và có nhi u

o.
Ngày 1/2/1958

ct v

a cầu, M phóng thành cơng v

ầu tiên của M mang lên Explorer-1 n ng 13,97 kg riêng phần thi t b n ng
m Geiger-

phát hi n

ch của pin, Explorer-1 ch ho

p t c bay trên

ữa. Explorer-

qu

. Do s h n

c nhi u s li u khoa h c có giá tr nh

các nhà khoa h

ah cM

thi t k ra thi t b khoa h c l

t trên v tinh Exploreru dài h

tinh lo

ầu tiên
n tháng 3/2000

c phóng.
ầu

Ngày 1/4/1960: V tinh c
cơng trong khn kh m

c phóng thành

u dài h n củ

tên TIROS (Television Infrared Observation Satellite). Trên v tinh này có 2 camera
truy n hình: m

phân gi i th p và m

phân gi i cao nhằm cung c p

nh của khí quy n. TIROS ch ho

ng minh rằng

v tinh là m t cơng c có th

ng trên quy mơ tồn cầu. Seri v tinh

c phóng liên ti
qu

-9 là v

ng b M t tr

ầu tiên có
t hi n v tinh

8


ầu tiên của M
ng và thơng tin liên l
TIROS-N/NOAA

phóng v tinh INSAT-1a, v
ầu tiên trên qu

tinh

c phóng và ho

ng xuyên cung c p

nh mây v tinh trên quy mơ tồn cầu ph c v

c l c cho công tác d báo khí

ng.

-1

1.1

(Internet)

Ngày 12/08/1960: NASA phóng v tinh Echo-1 n ng 76 kg, có d ng m t
qu bóng kim lo
th

th nghi m vi c truy n tín hi u m t cách

ng. M t ngồi của qu bóng ph n x các tín hi u 960 và 2390 MHz.
Ngày 10/07/1962: Phóng v tinh Telstar n ng 171 pound là v tinh thông tin

liên l

ầu tiên.
ầ

Ngày 19/08/1964: V tinh thông tin liên l
è

phóng nhằm truy n các hình nh Th v n h
n hình tr c ti

ầ

c
i Tokyo v M .

c truy n qua Thái Bình

c B Qu c phịng M s d

ch

i

M trong chi n tranh Vi t Nam. V tinh Syncom n ng 68 kg khi phóng, có th phát
tín hi u trên 2 b

W

t ch

tinh này

ch cho phép truy n d n 1 kênh tivi. Hi n nay, m t v tinh thơng tin liên l
có kh

nd

n 400 kênh tivi. Do những h n ch v
9

t hi n nay,


tránh hi

ng giao thoa trên m t ph

ph i b

,2v

t c là ch nên có 360/2 =180 v tinh trên qu
n nay, vi c b trí v trí v tinh trên qu

Qu c t

a

p h i Vi n thông

m nh n.

1.2. M t s v tinh thông tin liên l c (Internet)
ầu

Ngày04/06/1965: M phóng v tinh thơng tin liên l

i l i thành Intelsat 1. V tinh này n ng 39 kg, thu c
lo i

W

nh xoay, có 2 b

z

40 kênh tho i hay

m t kênh tivi. T ch c Intelsat - m t t ch c qu c t l n cung c p d ch v thông tin
v tinh trên ph m vi toàn cầu -

c thành l p.
ầ

Ngày 23/07/1972: M phóng v

ERTS 1 – Earth Resources Technological Satellite). Th i gian ho
k
nh ch

ng ng ho

ng theo thi t

ng vào tháng 6/1978 và cung c p 300.000

t. Các v tinh ki

c phóng n i ti p nhau t o thành m t
t

ng cho t i nay m

n

tr c tr c k thu t.
Ngoài h th ng v tinh tài ngun Landsat của M , cịn có seri v tinh SPOT
của Pháp, seri v tinh IRS của

, RESURS của Nga. Trên các v tinh tài

nguyên, b c m bi n là thi t b quan tr ng nh t.
10


ầu tiên trong

Ngày 22/02/1978: Phóng v tinh NAVSTAR Block I, v
chùm 24 v tinh nhân t o mang tên h

nh v toàn cầu (Global Positioning
ở trên qu

n tháng 12/1993, 24 v

cao

x p x 20.200 km, mỗi v tinh n ng kho ng 900 kg, chi u r ng 5m, bay m t vòng
qu

o h t 11h58 phút. 24 v

c b trí trong 6 m t ph ng qu

so v

tinh ho

GPS chính th c ho

/

ng t

ng, 3 v tinh d phịng.

ầu ch ph c v cho quân s nhằm

nh d dàng và nhanh chóng v
ti n trong các ho

o nghiêng

)t ib tc

ng quân s

t thu n

c mở r ng cho các ng d ng

dân s .
1.2.

ệ

đ
ệ

1.2.1.

đ

Qu

ng bay của v tinh trong th cân bằng giữa hai l

nhau: l c ly tâm và l c h p d n do s c hút củ

t. Qu

m t ph ng và có d ng hình elip hay hình trịn. N u qu
o trùng v i tâm của

ầu kia nằm gầ

t nh t và m

nh

t. N u qu

c g i là vi
Qu

m của qu

m gần nh t là c

o th p (LEO – Low Earth Orbit) là qu
cao so v i b m

tinh ph

th

g i t t là v tinh LEO có t

tt

u ho

ầu elip nằm xa Trái
o nằ

c l c hút củ

o nằm trong l p khí quy n

xu ng tr m m
d ch v

cao này, v

t. V tinh bay ở qu

17.000 d m/h, m t 90 phút

o th p

bay m t vòng quanh
i lái và tr

ng ở qu

o th p. V tinh LEO r t thích h

mu n th i gian kh h i (RTT - Round Trip Time) ng n t c là th i gi
hi u t tr m m

t

m (Perigee).

n 2000 km.

t. Phần l n v
qu c t

o nằm trong m t

o là trịn thì tâm của qu

o là elip thì có m
t nh

c

i ta
m t tín

t lên v tinh và quay v hay th i gian m t tín hi u t v tinh
t và trở l i v tinh là ng
ng. V tinh ở qu

c bi t quan tr ng trong

o th p có th i gian s ng t
11

n7


1.3. Mô t v tinh qu
Phần l n các v
th

ng ở

li

m

cao 400km so v i m

n qu

c bi t của qu

(inclination) nh so v
t. Các qu

m cần ít nhiên
cao

o th

ng ho

ng theo m

o th p. Những qu

có

o v i góc nghiêng l

ng b M t Tr i là m t d ng qu

cao thích h p gi

i v i những v tinh
c g i là qu

o c c.

o c c ( v tinh bay t B c
t) , v i góc nghiêng i

m mà v tinh bay c t qua m t ph ng xích

o là gi ng nhau. Góc chi u sáng giữa m t ph ng qu
t là gầ

ng

o có góc nghiêng

o, cho phép gi m th i gian l

xu ng Nam ngay trên ho c gần sát v i hai c

Tr i-

qu c t

o (Equatorial low Earth orbit – ELEO) là m

o th

Qu

t. Ngoài ra, nh

o

ủ liên t c.

th cung c p kh

h

t. Tr

o nên m t s v

này. Các v tinh vi n thông ở qu

Qu

ng ở qu

t và v tinh do thám ho

m gần, có kh

ISS ho

o th p[1]

i t i mỗi th

12

o v tinh v i tr c M t

m ( khi v tinh bay trong vùng


c chi
tr

u ki n chi u sáng
ct nd

m quan

i v i các v tinh ch p nh b m

1.4. Qu
Các qu

t.

ng b m t tr i (www.spagyuga.com)

ng b M t tr i v i m

cao c

c dùng cho nhi u

v tinh c c vi n thám.
Ví d

ng b M t tr i v i

cao 87

. Các v tinh Landsat của M , SPOT (Satellite Pour

’

ủa Pháp và v tinh MOS-1 của Nh t B n ( Marine

Observation Satellite) có các tham s qu

. V tinh Nimbus-7 của

ng b M t tr i v
-

ủ

.
ng dùng cho v tinh tầm th p

t (v tinh vi

1.2.2.

ng b m t tr i.

ệ
V tinh nh có khi cịn g i là v tinh nhẹ (Light satellite) có nhi u lo i khác
n sau:
13


B ng 1.1. Phân lo i v tinh theo tr

ng[2]

Lo i v tinh

Tr

ng

V tinh l n

>1.000 kg

V tinh trung bình

500 - 1.000 kg

V tinh nh (Small
Satellite; Light Satellite)

V tinh nh
của thu nh

V tinh mini

100 – 500 kg

V tinh micro

10 – 100 kg

V tinh nano

1 – 10 kg

V tinh pico

< 1kg

V tinh femto

< 100 g
ầu nhữ

c phát tri n m nh m t

thành t u

hóa cơng ngh nói chung và củ

n t

Mechanical Systems-

Surrey thu

Surrey (Anh Qu

i h c

t k và ch t o v tinh nh UoSAT-

phóng vào tháng 10/1981, v tinh này ho

tinh này ho

c NASA
o. UoSAT-2

c ch t o trong th i gian k l c 6 tháng và

c phóng vào tháng 3/1984, v
ần hình

o. Hai v tinh nh

thành quan ni m hi

i v v tinh nh

ch t o và cung c p v tinh nh
vì nhữ

(Micro-Electro-

Surrey trở

ầu th gi i. V tinh nh

c quan tâm

m sau:

 Chi phí ch t o th p: Do kh
/

ng nh nên chi phí ch t o ch vào kho ng

n 1/100 so v i v

 Chi phí phóng th p do tr

ng.
ng nh

c phóng ghép v i các v

tinh khác.
 Phát tri n nhanh: t

18

i v tinh l n th i gian này

kho ng 3
 D ti p thu công ngh

14


m:
 Cùng v i vi c gi

c của v tinh thì kh

thi t b khoa h

h n ch

u các

phân gi i của các thi t b quang h c và

kh

thu c nhi

c của thi t b

và của v tinh.
 Kh

ữ

ủa acquy trên v tinh và kh

ằng pin M t tr i t l thu n v
s ng của v tinh nh
1.2.3.

ệ

n

c v tinh.

i v tinh l n.
đ

ệ

đ

ệ

ở

ủ
ầ

ầ

ủ
ở
km
ủ

ở
ở
ở

ủ
ữ

15

i gian


ủ
ở
ầ

đạo đ
ủ

ữ

ỗ

ỗ

-15
ữ

ỗ
ỗ

-

ầ

ữ

ầ
ữ

ở
ầ
ữ
ầ
ở
ủ
ủ

ữ
ữ

ầ
ầ

ữ

16

ằ


–

1.5.

(Internet)
ầ

Ả

ủ

–

ủ

ở

ở

17

1.3.

ế
ủ

ữ

ầ
ầ
ở
ủ

ữ

18


2QUA
đ

2.1.
2.1.1. Ả

ởng của tầng khí quy n

Ả h hưởng của tầ

đố lư

Tín hi u thu nh n khi truy n t v tinh v các tr m m

ởng của tầ

t b gi m sút do ch u

b m
ầ

Tầ

cao kho ng 20km.
c) và h t thủy th ( ví d

ầ

làm gi m tín hi u thơng

tin theo m

tín hi u, kh phân c c của sóng,

m nhi u, nh

i góc t i của tín hi u, hay
.

 Ả h hưởng do các khí trong khí quyển
Sóng truy n qua khí quy
phần khí xu t hi

t s b suy gi m m c tín hi u do các thành

ng truy n. S suy gi m có th m nh y u khác nhau ph

thu c vào tần s , nhi

, áp su t và s t

c. Các khí trong khí quy n

ởng tr c ti p thông qua vi c làm nhi u khí quy n t
ủy
phân t , gây ra suy gi
s

im

ra ở m t tần s c
s

ng truy n.

n thành phần khí và sóng là s h p th
tín hi u của sóng. S h p thu của sóng là k t qu

ng t

ng luân chuy n của phân t , và nó x y

ởng c th ho c d i hẹp của tần s . Tần s c
thu c vào các m

ởng của

ng của tr ng thái lu n chuy n khi b t

ầu và k t thúc của phân t .

19


Có r t nhi u thành phần trong khí quy
truy n tín hi u sóng. T t c các thành phầ

t có th

ng

c tr n l n v i nhau ở

cao kho ng

c là thành phần bi n chính của khí quy n.
Ch

ởng có th

c là có tần s c

c trong các

kênh quan tâm, lên t i kho ng 100GHz. Oxy có d i r t gần v
z

gầ
củ

ng h p thu

c cách ly v i ranh gi i h p thu ở t n s

z

ng

c là 22.3Ghz, 183.3GHz và 323.8GHz. H p thu oxy bao g m c s thay
ỡng c c t

p th

ỡng c c giữa

c g m các s chuy

s luân chuy n các tr ng thái.

2.1. S suy gi m do các khí trong khí quy n [3]
ẩm chuẩn 7.5g/m3
ẩm khơ
Hình 2.1 mơ t s ph thu c của tần s vào suy gi m do khí trong khí quy
v i các tần s

quy

n 1000GHz. S h p thu các khí ph thu
t là nhi

khơng khí và thành phầ

20

i

u ki n khí
c.


Ta nh n th y ở tần s th p, s suy gi m là không l n. Tuy nhiên s suy gi m
này còn ph thu c vào chi

ng truy n. Khi góc ngẩng gi m, chi u dài

ng truy n trong tầ

t qu là t

ng suy gi m s

y ở góc ngẩng th p thì s suy gi m là l n.
 Ả h hưở

do ây, sươ

M

ù
ở

t thành phần quan tr ng

truy n và thu nh n tín hi

n vi c lan
n xu t hi n trong quá

trình truy n t v tinh xu ng tr m m

ng ch a các gi t

ng kính nh
kính t

ng

n 10mm. Mây là t p h p các gi
ẩ

c, không ph

ng gần 100% ở

mây ở tầ

c,
ữ

c t o thành t các tinh th

ởng nhi

ở

n s suy gi

S suy gi

nh
n s kh c c.
i v i các tần s kho ng

100GHz. M

ng ở kho ng 0.05g/m3

c l

i v i

ng ( t c là v n có th nhìn th y trong kho ng 300m) và 0.5g/m3
ầm nhìn xa kho ng 50m).

iv

cl

ng
/

trong kho
th

3

. Giá tr cao nh t có th

t quá 5g/m3

c nh n

n và k t h p v i giông bão, tuy nhiên giá tr cao nh t
i v i th i ti
T

ẹp nhi

ng nh

ng suy gi m do mây AT có th
AT 

L C
dB
sin 

:
θ

ẩng.

21

/

3

.
nh theo công th c sau[3]
(2-1)


κC là h s suy gi m c th , tính bằng (dB/km)/(g/m3).
L là t

ng c t củ

c l ng, tính bằng kg/m2

2.2. T ng s suy gi m do mây theo hàm của tần s

i v i góc ngẩng t 5

n 300) [3]
Hình 2.2 cho chúng ta s li u không th c s c th v t

ng suy gi

i

v i tần s t 2-4 Ghz. Tuy nhiên chúng ta có th th y rằng ở góc ngẩng càng th p
thì t

suy hao càng l n và ở tần s nh thì t

 Ả h hưở

ng suy hao s nh .

do ưa
ng truy n là hi u ng chính trong tầ

v

c bi

thu nh n tín hi u t khơng gian của các tr m m

th ng s d ng d i tần s trên 10GHz. Các h
n t , k t qu là gây ra hi

t, nh

22

i v i các h

p thu và tán x

ng suy giả do ưa

n

ng

tín hi u truy n


qua s b gi

ng có th làm gi

tin c y và hi u su t thu nh n.

Các c u trúc khơng ph i hình cầu của các h

m phân
ng khử cực do

c c của tín hi u truy n d n, k t qu là gây ra hi
ng sang m t tr ng thái phân c c khác). Ả
ng ma, phân b
th

ởng củ

ng.

Vi c gi m nhẹ và kh c c của tầ

t th ng kê của các hi u

ởng c ở tầ

ủa các h th

c, phân b , và s chuy

ng k t h

c, m

u cao
m vi mô g m

dẹt của c h

m của c hai quy mô trên d

kh c c v i bi n th i gian, th

m

ng của các phần t

của l p nóng ch y và s hi n di n của các tinh th
s phân b

thu c vào
ởm tm c

ch

và áp su

ưa ( truy n

u
n vi c phân b s suy gi m và

ng chu kì m t dần và kh c c, và suy gi m/kh

c c c th v i bi n tần s .

2.3. T

ủa tần s và góc ngẩng [3]

ng suy gi

23