Thông tin vệ tinh và phần mềm tính toán can nhiễu giữa các vệ tinh

..

bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

ngành : xử lý thông tin và truyền thông

thông tin vệ tinh và tính toán
can nhiễu giữa các vệ tinh

đoàn minh Trang

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.NGUYễN Đức thuận

Hà Nội 2009


1

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

THÔNG TIN VỆ TINH VÀ PHẦN MỀM
TÍNH TỐN CAN NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH

NGÀNH: XỬ LÝ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG
MÃ SỐ:

ĐỒN MINH TRANG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN

Hà Nội 2009


2

LỜI CAM ĐOAN
Tơi tên là: Đồn Minh Trang
Học viên Cao học ngành Xử lý thông tin của Trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội, khóa 2007– 2009
Tơi xin cam đoan về luận văn “ THƠNG TIN VỆ TINH VÀ PHẦN
MỀM TÍNH TỐN CAN NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH ”, do tơi trực tiếp
nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn Đức
Thuận.
Tơi xin chịu hồn tồn chịu trách nhiệm về Đồ án trên.

Hà Nội, tháng 11/2009

Đoàn Minh Trang


3

MỤC LỤC

DANH SÁCH BẢNG .................................................................................... 5
TỪ NGỮ VIẾT TẮT...................................................................................... 6
DANH SÁCH HÌNH VẼ ............................................................................... 7
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 9
PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH ................................. 10
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH .......................... 10
GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................... 10

I.
1.
2.
3.
4.

Các dịch vụ vệ tinh...................................................................... 10
Tìm hiểu về quỹ đạo vệ tinh ....................................................... 11
Anten trong thông tin vệ tinh ...................................................... 16
Sự lan truyền sóng....................................................................... 23
CẤU HÌNH CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN VỆ TINH............... 30

II.
1.
2.
3.

Phần khơng gian .......................................................................... 30
Phần mặt đất ................................................................................ 34
Các nguyên lý cơ bản trong thông tin vệ tinh ............................. 36

III. BĂNG TẦN VỆ TINH ................................................................... 41

1.
2.

Băng tần vệ tinh .......................................................................... 41
Can nhiễu và điều lệ vô tuyến thế giới........................................ 48

CHƯƠNG II. VỆ TINH VINASAT ............................................................ 49
CÁC ƯU ĐIỂM CỦA THÔNG TIN VỆ TINH ............................. 49

I.
1.
2.

Các ưu điểm của thông tin vệ tinh .............................................. 49
Dịch vụ của VINASAT ............................................................... 50
HỆ THỐNG VỆ TINH VINASAT ................................................. 51

II.
1.
2.

Cấu hình cơ bản của vệ tinh VINASAT ..................................... 51
Các chỉ tiêu kỹ thuật.................................................................... 56

PHẦN II. LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM TÍNH TỐN CAN NHIỄU
GIỮA CÁC VỆ TINH ..................................................................... 59
LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CAN NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH .. 59

I.
1.

Giới thiệu......................................................................................... 59


4

2.

Tính tốn ΔT/T ................................................................................ 59
2.1. Cơ sở lý thuyết............................................................................. 59
2.2. Nhiễu giữa hai mạng vệ tinh địa tĩnh và tính ΔT/T..................... 62

3.

Phối hợp sử dụng ΔT/T và phương pháp Cung tọa độ ................... 69

3.1. Tính tốn ΔT/T bằng cách tách đường truyền lên và xuống...... 69
3.2. Điều kiện cho phối hợp giữa mạng vệ tinh địa tĩnh đã có và đang
chuẩn bị hoạt động .............................................................................. 69
4. Phương pháp luận cho tính tốn khả năng nhiễu có hại giữa các
trạm khơng gian ( tỷ số C/I) .................................................................... 72
4.1. Sự cần thiết tính tốn C/I ............................................................ 72
4.2. Phương pháp tính tốn................................................................ 73
4.3. Các loại nhiễu u cầu tính tốn C/I và sử dụng các hệ số điều
chỉnh nhiễu .......................................................................................... 74
4.4. Công thức tính tốn số dư M, C/I, C/N ....................................... 75
PHẦN MỀM TÍNH TỐN CAN NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH100

II.
1.

Lưu đồ thuật tốn .......................................................................... 100
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.

Lưu đồ thuật tốn tính giá trị ΔT/T ........................................... 100
Lưu đồ thuật tốn tính giá trị C/I.............................................. 101
Lưu đồ thuật tốn tính giá trị C/N ............................................ 102
Lưu đồ thuật tốn tính giá trị M ............................................... 103

2.

Phần viết chương trình tính tốn can nhiễu giữa các vệ tinh ........ 103

3.

Giao diện của phần mềm ............................................................... 108

KẾT LUẬN ................................................................................................ 112
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................... 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 113


5

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1. Góc phương vị trong hệ toạ độ topocentric-horizon .........................20
Bảng 2. Giá trị góc phương vị Az ....................................................................23

Bảng 3. Mục tiêu chất lượng đối với kênh thoại / ISDN ................................40
Bảng 4. Thống kê các băng tần do ITU-R phân bổ cho dịch vụ FSS .............43
Bảng 5. Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần C ...............................45
Bảng 6. Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C ......................45
Bảng 7. Các tham số chính của vệ tinh băng tần Ku điển hình ......................46
Bảng 8. Các tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ku điển hình .............47
Bảng 9. C¸c tham sè chÝnh cđa vệ tinh băng tần Ka điển hình .......................48
Bng 10. Cỏc tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ka điển hình ...........48
Bảng 11. Băng tần và cung phối hợp phù hợp ................................................71
Bảng 12. Tổng hợp các trường hợp nhiễu khác nhau u cầu tính tốn C/I ..75


6

TỪ NGỮ VIẾT TẮT
ITU

International Telecommunication Union

FSS

Fix Satellite Service

MSS

Mobile Satellite Service

BSS

Broadcasting Satellite Service

HEO

Highly Elpitical Orbit

GEO

Geostatinary Earth Orbit

MEO

Medium Earth Orbit

LEO

Low Earth Orbit

GSO

Geostationary Orbit

TVRO

Tivi Receive Only

EIRP

Equivalent Isotropically Radiated Power

HPA

High Power Amplifier

LNA

Low Noise Amplifier

C/N

Carrier to Noise (ratio)

S/N

Signal to Noise (ratio)

C/I

Carrier to Interference (ratio)

I/N

Interference to Noise (ratio)

BER

Bit Error Rate

ISDN

Integrated Service Digital Network

VSAT

Very Small Apenture Terminal

PCF/BCF

Primary Control Facility/ Backup Control Facility

ESLNT

Equivalent Satellite Link Noise Temperature

SEI

Single Entry Interference

REC.WRC-2000

Recommandation. World Radiocommunication
Conference - 2000


7

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. Các quỹ đạo trong các hệ thống thơng tin vệ tinh .............................13
Hình 2. Quỹ đạo Ellipse ..................................................................................13
Hình 3. Quỹ đạo chuyển động vệ tinh ............................................................14
Hình 4. Thành phần điện trường trong toạ độ cầu. .........................................19

Hình 5. Hệ trục toạ độ Toptropic-horizon.......................................................21
Hình 6. Mối quan hệ giữa vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh với góc nhìn
của anten trạm mặt đất ....................................................................................22
Hình 7. Minh hoạ góc giới hạn góc nhìn của trạm mặt đất............................24
Hình 8. Đường truyền tín hiệu trong mưa .......................................................26
Hình 9. Thành phần đứng và ngang của phân cực tuyến tính.........................27
Hình 10. Mức độ phân cực chéo XPD ............................................................29
Hình 11. Khử phân cực do mưa ......................................................................30
Hình 12. Bộ phân kênh đầu vào ......................................................................33
Hình 13. Vệ tinh INTELSAT VIII ..................................................................34
Hình 14. Sơ đồ chi tiết một trạm phát thu .......................................................37
Hình 15. Cấu hình tổng quát của một tuyến vệ tinh một chiều ......................41
Hình 16. Các dịch vụ sử dụng thông tin vệ tinh .............................................51
Hình 17. Dịch vụ VSAT_IP ............................................................................52
Hình 18. Hệ thống trạm điều khiển mặt đất ....................................................53
Hình 19. Vùng phủ sóng băng tần C ...............................................................54
Hình 20. Băng tần C mở rộng của vệ tinh VINASAT ....................................55
Hình 21. Vùng phủ sóng băng tần Ku .............................................................56
Hình 22. Tần số băng Ku của vệ tinh VINASAT ...........................................57
Hình 23. Ảnh hưởng nhiễu ngồi đến hệ thống vệ tinh địa tĩnh .....................61


8

Hình 24. Giá trị ΔT tạo ra khi hai vệ tinh địa tĩnh ảnh hưởng đến nhau ........63
Hình 25. Tần số bao phủ cùng đường xuống .................................................64
Hình 26.Tần số bao phủ cùng đường lên ........................................................64
Hình 27. Tần số bao phủ cùng đường xuống giữa vệ tinh mong muốn và
vệ tinh gây nhiễu có bộ tách sóng biến đổi tần số đơn giản ...........................65
Hình 28. Tần số bao phủ cùng đường lên giữa vệ tinh mong muốn và vệ

tinh gây nhiễu có bộ tách sóng biến đổi tần số đơn giản ................................66
Hình 29. Tần số bao phủ cùng đường lên và xuống giữa vệ tinh mong
muốn và vệ tinh gây nhiễu có bộ tách sóng biến đổi tần số đơn giản ............67
Hình 30. Bộ tách sóng biến đổi tần số đơn giản trên vệ tinh mong muốn
- Trường hợp 2 .............................................................................................. 68
Hình 31. Tách riêng ảnh hưởng của đường xuống- Trường hợp 2
Hình 32. Ví dụ bài tốn 1 ................................................................................80
Hình 33. Ví dụ bài tốn 2 ................................................................................89
Hình 34. Giao diện phần mềm tính tốn can nhiễu giữa các vệ tinh ........... 100
Hình 35. Các option của phần mềm tính tốn can nhiễu giữa các vệ tinh... 100
Hình 36. Chức năng load dữ liệu cho đầu vào của chương trình tính tốn..101
Hình 37. Chức năng tra cứu các giá trị đầu vào và đầu ra của chương
trình tính tốn ............................................................................................... 101
Hình 38. Ví dụ tính tốn can nhiễu giữa các vệ tinh của chương trình ...... 102
Hình 39. Chức năng save lại các giá trị đầu vào và đầu ra sau khi tính
tốn của chương trình ................................................................................... 102


9

MỞ ĐẦU
Trong các hệ thống thơng tin mặt đất thì thơng tin vệ tinh có nhiều ưu điểm
nổi bật hơn trên rất nhiều ứng dụng. Một ưu điểm vượt trội của thông tin vệ
tinh so với các hệ thống thông tin mặt đất khác là sự sẵn sàng của thông tin vệ
tinh ở khắp mọi nơi, bởi vậy nó thực sự đặc biệt hữu ích cho những nơi mà
các cơng nghệ khác khơng thể cung cấp. Ngồi ra thơng tin vệ tinh cịn cung
cấp một loạt các dịch vụ có tính tồn cầu. Nhờ các ưu điểm nổi bật của mình,
thơng tin vệ tinh đã phát triển nhanh chóng trong 3 thập niên qua. Số lượng
các vệ tinh được phóng lên khơng gian với các mục đích khác nhau tăng lên
đáng kể. Cùng với xu hướng phát triển của thế giới, ngày 19 tháng 04 năm

2009, Việt Nam đã phóng thành công vệ tinh VINASAT đầu tiên giúp đáp
ứng nhu cầu ngày càng tăng trong lĩnh vực viễn thông. Sự kiện ngày là một
bước ngoặt quan trọng trong việc hiện đại hóa hệ thống truyền dẫn mạng viễn
thơng của Việt Nam. Để dự án phóng vệ tinh VINASAT thành cơng, việc
đăng ký quỹ đạo vệ tinh, Việt Nam đã phải phối hợp về tần số và vị trí quỹ
đạo với rất nhiều các vệ tinh xung quanh. Một trong vấn đề phối hợp quỹ đạo
là tính tốn can nhiễu giữa vệ tinh VINASAT và các vệ tinh xung quanh. Đây
cũng chính nội dung chính của đồ án thạc sỹ của em với tên đề tài: “THÔNG
TIN VỆ TINH VÀ PHẦN MỀM TÍNH TỐN CAN NHIỄU GIỮA CÁC VỆ
TINH”.
Hà Nội, ngày tháng

năm 2009

Học viên

Đoàn Minh Trang


10

PHẦN I. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THƠNG TIN VỆ TINH
I.

GIỚI THIỆU CHUNG
Thơng tin vệ tinh ngày nay là một phần tổ hợp của mạng lưới viễn

thơng tồn cầu. Kể từ khi được đưa vào sử dụng cho đến nay, thông tin vệ
tinh đã tạo ra mạng lưới điện thoại hoàn toàn tự động trên phạm vi toàn cầu.

Mặc dù các hệ thống cáp biển quốc tế vẫn đang rất phát triển, thông tin vệ
tinh vẫn đóng góp đáng kể vào nền viễn thơng của các quốc gia: từ viễn thông
quốc tế, nội địa và đặc biệt đối với các dịch vụ quảng bá.
Xu hướng phát triển của thông tin vệ tinh ngày nay phụ thuộc vào các đặc
tính của riêng thơng tin vệ tinh như khả năng đa truy nhập, truyền dẫn mộtđiểm-tới-nhiều-điểm (quảng bá truyền hình, phát thanh, thơng tin di động. . .)
độ linh hoạt theo yêu cầu lưu lượng và theo cấu trúc hệ thống cũng như việc
dễ dàng triển khai và khai thác. Các ưu điểm này rất thích hợp cho các mạng
đa dịch vụ trong tương lai và đem lại một phương tiện hiệu quả để phát triển
mạng lưới viễn thông quốc gia.
1.

Các dịch vụ vệ tinh

Theo Điều lệ Vô tuyến điện (Radio Regulation) các dịch vụ thông tin vệ tinh
được phân ra làm các loại dịch vụ tuỳ theo mục đích sử dụng như sau:
Dịch vụ vệ tinh cố định (Fixed Satellite Service FSS):
Dịch vụ vệ tinh cố đinh FSS là dịch thông tin giữa các điểm cố định trên bề
mặt trái đất thông qua một hoặc nhiều vệ tinh. Các hệ thống vệ tinh như
INTELSAT, INTERSPUTNIK được sử dụng cho viễn thơng quốc tế. Cịn cá
hệ thống như EUTELSAT, CS của Nhật bản hay PALAPA của Indonesia
được sử dụng cho viễn thông khu vực hay nội địa.
Dịch vụ vệ tinh di động (Mobile Satellite Service MSS):
Dịch vụ vệ tinh di động MSS để thông tin các trạm mặt đất di động được gắn
trên tàu biển, ô tô, máy bay hoặc mang vác di chuyển với mạng viễn thông cố


11

định. Hệ thống INMARSAT là một hệ thống quốc tế điển hình của loại hình
dịch vụ này.

−

Dịch vụ vệ tinh quảng bá (Broadcasting Satellite Service BSS):

Dịch vụ vệ tinh quảng bá BSS dùng để phát các chương trình phts thanh và
truyền hình qua vệ tinh. Ngày nay dịch vụ này đang phát triển hết sức mạnh
mẽ, kể cả ở khu vực Châu Á - Thái Bình dương.
−

Dịch vụ vệ tinh dẫn đường.

−

Dịch vụ vệ tinh thăm dò trái đất.

−

Dịch vụ vệ tinh khí tượng thủy văn.

Hai loại dịch vụ vệ tinh FSS, BSS được phát triển rộng rãi và được áp dụng
khắp nơi trên thế giới, trong khi dịch vụ MSS cũng ngày càng phát triển. Xu
hướng ngày nay các nước phóng vệ tinh nội địa đa dịch vụ.
Tìm hiểu về quỹ đạo vệ tinh

2.

Tùy thuộc vào độ cao so với mặt đất, quỹ đạo vệ tinh trong hệ thống thông
tin vệ tinh được chia thành:
- HEO (High Elpitical Orbit) quỹ đạo elip cao;
- GSO ( Geostationary Orbit ) hay GEO ( Geostatinary Earth Orbit ) quỹ

đạo địa tĩnh;
- MEO ( Medium Earth Orbit) quỹ đạo trung bình;
- LEO ( Low Earth Orbit) quỹ đạo thấp.


12

Hình 1. Các quỹ đạo trong các hệ thống thơng tin vệ tinh
Định lý của Kepler
Các định lý của Kepler được áp dụng cho 2 vật thể trong không gian tương
tác lẫn nhau bởi lực hấp dẫn. Trong hai vật thể này, vật thể có khối lượng lớn
hơn được gọi là primary (vật thể cơ sở) và secondary (vật thể thứ hai) chẳng
hạn một vệ tinh quay xung quang trái đất thì trái đất được gọi là Primary và
vệ tinh được gọi là Secondary.
Định lý 1:
Quỹ đạo của vật thể thứ hai quay quanh vật thể thứ nhất là một hình Ellipse
(với các tham số ellipse như hình vẽ dưới đây).

Hình 2. Quỹ đạo Ellipse


13

Trong đó:
- a: bán trục lớn của Elipse.
- b: bán trục nhỏ của Elipse.
F1, F2: tiêu điểm của Elipse
Trọng tâm của hệ hai vật thể này thường nằm ở tâm một trong hai trọng tâm
của vật thể. Trong thực tế, hệ 2 vật thể vệ tinh và trái đất thì trọng tâm luôn
luôn ở gần tâm của trái đất do khối lượng rất lớn của trái đất so với khối

lượng của vệ tinh.
Định lý 2:
Trong những khoảng thời gian bằng nhau vệ tinh sẽ quyét được những diện
tính bằng nhau tính từ tâm của hệ vệ tinh-trái đất trong mặt phẳng quỹ đạo
của vệ tinh.

Hình 3. Quỹ đạo chuyển động vệ tinh
Từ định lý này cho thấy vận tốc của vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo nằm ở
gần trái đất lớn hơn vận tốc của vệ tinh khi nó chuyển động trên quỹ đạo nằm
xa trái đất.
Định lý 3:
Bình phương của chu kỳ quỹ đạo vệ tinh tỷ lệ thuận với lập phương khoảng
cách trung bình giữa vệ tinh và trái đất (bán trục lớn a).
Định lý 3 được viết dưới dạng biểu thức sau:


14

µP2
3

a=
4π2

Trong đó:
−

a: bán trục lớn của Ellipse (mét).

−

P: chu kỳ của vệ tinh (giây).

−

µ: hệ số hấp dẫn của trái đất µ=3.986005x1014 m3/s2.

Cơng thức trên chỉ áp dụng cho trường hợp quỹ đạo lý tưởng tức là trái đất
được coi như là một khối hình cầu đồng nhất và vệ tinh khơng bị ảnh hưởng
bởi các yếu tố bên ngồi chẳng hạn như: khí quyển, lực hút của các vệ tinh
khác, . . .
Ba định lý của Kepler rất quan trọng đối với việc tính tốn quỹ đạo vệ tinh, để
từ đó xây dựng lên hệ thống thơng tin vệ tinh cụ thể.
Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có vị trí cố định so với trái đất nằm trên mặt phẳng
xích đạo. Để có được một vệ tinh địa tĩnh cần có 3 điều kiện sau:
Vệ tinh phải quay từ đông sang tây với vận tốc bằng vận tốc quay của trái đất
xung quanh trục của nó.
Quỹ đạo phải là hình trịn (trường hợp đặc biệt của quỹ đạo Ellipse).
Độ nghiêng của quỹ đạo (so với mặt phẳng xích đạo) vệ tinh phải bằng
không.
Điều kiện đầu là tất yếu bởi vì vệ tinh địa tĩnh nằm yên so với trái đất do vậy
nó phải có vận tốc quay bằng với vận tốc quay của trái đất xung quanh trục
của nó (tốc độ khơng đổi). Điều kiện thứ hai được suy ra từ định lý thứ hai
của Kepler: trong cùng khoảng thời gian bay, vệ tinh sẽ quýet được những
diện tích bằng nhau trong mặt phẳng của nó mà vệ tinh bay với tốc độ khơng
đổi do đó quỹ đạo của vệ tinh phải là hình trịn mới thoả mãn định lý này của
Kepler. Điều kiện thứ 3 là do trong thực tế với bất kỳ độ nghiêng nào so với


15

mặt phẳng xích đạo cũng làm cho vệ tinh dịch chuyển về phía Bắc hoặc phía
Nam và như vậy thì quỹ đạo của vệ tinh sẽ khơng cịn là quỹ đạo địa tĩnh. Để
tránh sự di chuyển của vệ tinh về hướng Bắc hoặc hướng Nam nhất thiết độ
nghiêng của quỹ đạo phải bằng khơng, do đó quỹ đạo phải nằm trên mặt
phẳng xích đạo.
Từ định lý thứ 3 của Kepler có thể tính được bán kính của quỹ đạo vệ tinh địa
tĩnh (quỹ đạo trịn). Từ cơng thức:
µP

3
2

µP2

a =

a3=

4π2

4π2
Trong đó:
−

a: là bán kính của quỹ đạo.

−

P: là chu kỳ của vệ tinh cũng là chu kỳ của trái đất quay quanh

trục của nó: P = 23h56phút4giây.

−

µ: hệ số hình học hấp dẫn của trái đất µ = 3.986005x1014 m3/s2.

Từ đó tính được a = 42164 Km. Bán kính của trái đất là ae = 6378 Km, do vậy
độ cao của vệ tinh so với mặt đất là:
hs = a - ae = 35786 Km
Giá trị này thường được lấy trịn là 36000 Km. Tuy nhiên trong thực tế rất
khó có thể đạt được quỹ đạo địa tĩnh thật sự do các tác động từ bên ngoài như
các tác động từ vũ trụ và sự không đồng nhất của trái đất (trái đất khơng phải
là hình cầu). Lực hút của mặt trời và mặt trăng làm dịch chuyển độ nghiêng
quỹ đạo hàng năm khoảng 0.850. Hình dạng ellipse của xích đạo cũng làm cho
vệ tinh bị trượt về hướng đông trên quỹ đạo của nó.
Bởi vì chu kỳ của trái đất có giá trị xác định lên chỉ có duy nhất một quỹ đạo
địa tĩnh (bán kính của quỹ đạo địa tĩnh là duy nhất suy ra từ định lý thứ 3 của


16

Kepler). Do đó, quỹ đạo địa tĩnh là nguồn tài nguyên tự nhiên và việc sử dụng
nó phải tuân theo các điều khoản được các nước và được quốc tế cơng nhận.
Quỹ đạo phóng
Với quỹ đạo thấp vệ tinh có thể được phóng trực tiếp, nhưng với quỹ đạo cao
trên 200 Km thì vệ tinh được phóng từ tàu vụ trũ (tầu phóng). Tàu phóng có
thể là loại chỉ sử dụng một lần hoặc là loại được sử dụng nhiều lần. Điển hình
tàu phóng sử dụng một lần là tầu phóng U.S Atlas-Centaur rocket, Delta
rocket của Mỹ và tầu phóng European Space Agency Ariane rocket.
Với vệ tinh có quỹ đạo trên 200 Km sẽ được đưa và quỹ đạo chuyển tiếp giữa

quỹ đạo thấp quanh trái đất và quỹ đạo cao trước khi được đưa vào quỹ đạo
của nó. Quỹ đạo chuyển tiếp cần được lựa chọn để tiết kiệm năng lượng. Một
trong các quỹ đạo chuyển tiếp đó là quỹ đạo Hobmann.
Quỹ đạo Hobmann là quỹ đạo Ellipse, tiếp xúc với quỹ đạo tầm thấp và quỹ
đạo tầm cao ở điểm cực cận và điểm cực viễn. Tại điểm cực cận vệ tinh được
phóng ra khỏi tầu vũ trụ và đi vào quỹ đạo chuyển tiếp nhờ động cơ kích điểm
cực cận. Tại điểm cực viễn nhờ một động cơ điểm cực viễn lái vệ tinh vào
quỹ đạo tầm cao của nó. Vệ tinh sẽ ổn định hoạt động trong vịng một tới hai
tháng.
3.

Anten trong thơng tin vệ tinh

Anten có thể được chia làm hai loại: anten thu và anten phát. Mặc dù các yêu
cầu cho các chức năng, mode hoạt động (thu, phát) rất khác nhau nhưng một
anten có thể được sử dụng để phát và thu tín hiệu đồng thời. Rất nhiều các đặc
tính khác nhau của hai mode được áp dụng như nhau cho cả hai mode hoạt
động đó là nhờ vào tính tương hỗ của anten. Có một số dạng nhiễu chỉ xẩy ra
trong thơng tin vệ tinh mà khơng có trong các hệ thống khác, vì vậy để tối
thiểu hố ảnh hưởng của nhiễu cần chú ý đặc biệt tới thiết kế anten. Trong
thông tin vệ tinh anten cũng có thể được chia thành anten trạm mặt đất và
anten vệ tinh. Nguyên lý chung trong thiết kế hai loại anten là giống nhau


17

nhưng do đặc điểm môi trường khác nhau nên cần phải thiết kế riêng cho từng
loại.
Định lý tương hỗ cho anten
Nếu anten A phát tín hiệu sẽ gây ra dịng điện I trên anten thu B . Ngược lại

nếu cho anten B phát chính tín hiệu đó thì cũng sẽ gây ra một dịng điện có
cùng cường độ I trên anten thu A.
Xung quang anten có 3 trường điện từ:
−

Trường điện từ khu gần tương tác: là khu vực cách anten một
khoảng nhỏ hơn:
D3
R1 = 0.62
λ

Trong đó: D là đường kính anten, λ là bước sóng.
−

Trường điện từ khu gần bức xạ: là khu vực cách anten một
khoảng:
D3
0.62
λ

−

2D2
<

R

<
λ

Trường khu xa: là khu vực bên ngồi trường khu bức xạ gần.

Sóng điện từ trong khu vực trường khu gần bị suy giảm nhanh chóng theo
khoảng cách: sự suy giảm tín hiệu tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách
đối với sóng điện từ trong khu vực trường khu gần bức xạ và tỉ lệ nghịch với
lập phương khoảng cách đối với sóng điện từ trong khu vực trường khu gần
tương tác, trong khi ở khu xa cường độ điện trường chỉ tỉ lệ nghịch với
khoảng cách. Nói chung, sóng điện từ trong khu vực trường khu gần là nhỏ có
thể bỏ qua.


18

Trong hệ toạ độ cầu, vector cường độ điện trường E được phân tích thành hai
thành phần Eφ và Eθ (nằm trên các tiếp tuyến tại điểm đang xét) như hình vẽ
dưới đây:
z
Eφ

θ

Eθ
y

φ
x

Hình 4. Thành phần điện trường trong toạ độ cầu.
Trong hệ toạ độ này mặt phẳng xz là mặt phẳng từ trường và mặt phẳng yz
là mặt phẳng điện trường. Tương ứng với thành phần điện trường Eφ là

thành phần Hθ song song với Eθ ngược lại tương ứng với thành phần Hφ là
thành phần Eθ song song với Hθ. Độ lớn của điện, từ trường quan hệ với nhau
theo một hệ số được gọi là trở kháng sóng (bằng 120 Ω đối với mơi trường
khơng gian tự do).
Eφ
Zw =

Eθ
= 120 Ω

=
Hθ

Hφ

Đối với mơi trường khí quyển của trái đất thì giá trị của Zw có thay đổi chút ít.
Mật độ thơng lượng
Mật độ thơng lượng là đại lượng được sử dụng trong tính tốn để xác định
chất lượng của tuyến thơng tin vệ tinh được tính bằng cơng xuất bức xạ của
anten đặt tại tâm của hình cầu trên một đơn vị diện tích bề mặt hình cầu đó.


19

ψ =

E
Zw

Một anten bức xạ đẳng hướng là anten bức xạ theo mọi hướng là như nhau.

Trong thực tế không có anten nào có thể bức xạ đẳng hướng được, nhưng khái
niệm này rất có ý nghĩa khi đem so sánh với anten thực tế. Mật độ thông
lượng của anten bức xạ đẳng hướng là:
ψi=

E
Zw

Và với ψ M là mật độ thơng lượng của anten thực tế thì:
G =

ψ
ψi

Góc nhìn của anten trạm mặt đất
Góc nhìn của Anten trạm mặt đất là góc phương vị (azimuth angle) và góc
ngẩng (elevation angle) của anten trạm mặt đất tại vị trí anten hướng thẳng
vào vệ tinh.
Bảng 1.Góc phương vị trong hệ toạ độ topocentric-horizon

Ds

de

Góc phương vị

+

-

α

+

+

180-α

-

+

180+α

-

-

360-α


20

Trong đó:
−

ds: hình chiếu của vệ tinh lên trục S

−

de: hình chiếu của vệ tinh lên trục

| de |
α= arctan
| d s|
−

α: góc được xác định:

Hệ trục toạ độ Toptropic-horizon:

Vệ tinh
Trạm mặt
đất

ds
Hướng Bắc

Hướng Nam (S)

de

Góc phương vị

Hướng Đơng (E)

Hình 5. Hệ trục toạ độ Toptropic-horizon
Anten trạm mặt đất sử dụng trong hệ thống thơng tin vệ tinh thương mại có
độ rộng búp sóng rất nhỏ, bởi vậy phải có hệ thống giám sát vị trí quỹ đạo.
Đối với các anten sử dụng trong dịch vụ phát thanh quảng bá, có độ rộng búp

sóng lớn thì khơng cần thiết phải có hệ thống giám sát vị trí vệ tinh. Để xác
định góc nhìn của vệ tinh cần xác định 3 thơng số sau:
Vĩ độ của trạm mặt đất λe.


21

Kinh độ của trạm mặt đất Φe.
Vĩ độ của điểm hình chiếu vệ tinh lên mặt phẳng xích đạo Φss.
N

ES σ
λE

R

aE

d

SS
h

s

N
c

A

B

a

b
λE

φE

C

φSS

Hình 6 . Mối quan hệ giữa vị trí của trạm mặt đất và vệ tinh
Trong đó:

với góc nhìn của anten trạm mặt đất.

• Es: vị trí của trạm mặt đất.
• Ss: vị trí điểm hình chiếu của vệ tinh nên mặt phẳng xích đạo.
• d: khoảng cách từ vệ tinh tới trạm mặt đất.
• σ: góc ngẩng + 900.
• Az: góc phương vị.
• a: a là cung nối giữa cực của trái đất và điểm hình chiếu của vệ tinh,
a=900. Với cách giả định trái đất có dạng hình cầu thì các cạnh của


22

tam giác cầu (là các cung) có độ lớn bằng các góc đối diện nhìn từ

tâm trái đất chắn bởi các cung đó.
• b: là cung nối giữa trạm mặt đất và hình chiếu của vệ tinh.
• c: là cung nối giữa trạm mặt đất và cực trái đất, c=90-λe.
• A, B, C: là các góc tương ứng với các cạnh a, b, c của tam giác cầu.
B = Φe - Φss
Theo định lý Napier sử dụng cho tam giác hình cầu thì b được xác định
như sau:
b = arccos { cos(B) . cos(λe) }
sin | B |
A = arcsin
sin b
Có hai giá trị của A thoả mãn cơng thức trên do vậy để xác định A cần xem
xét kỹ lưỡng vị trí tương quan giữa trạm mặt đất và vệ tinh để có thể xác định
được chính xác góc phương vị Az .
Bảng 2. Giá trị góc phương vị Az
λe

B

Góc phương vị Az

-

-

A

-

+

360 - A

+

-

180 - A

+

+

180 + A

Góc ngẩng của anten bằng σ-900.
Giới hạn nhìn thấy của trạm mặt đất
Giới hạn nhìn thấy của trạm mặt đất là một cung trên quỹ đạo đĩa tĩnh mà vệ
tinh nằm ở bất kỳ vị trí nào trên cung đó trạm mặt đất cũng thu được tín hiệu.
Độ lớn của cung giới hạn này phụ thuộc vào toạ độ của trạm mặt đất và góc


23

ngẩng của anten. Giá trị nhỏ nhất của góc ngẩng anten là 0. Trường hợp đơn
giản nhất trong việc xác định giới hạn nhìn thấy được của trạm mặt đất là khi
trạm mặt đất nằm trên mặt phẳng xích đạo, góc nhìn thấy của trạm mặt đất
(là:
ae
θ = arccos

= 81.30
agos

Trong đó:
−

ae: bán kính trái đất.

−

agos: bán kính quỹ đạo vệ tinh + bán kính trái đất.

−

θ: góc nhìn thấy của trạm mặt đất.

aGSO

θ

θ
aE

aGSO

Hình 7. Minh hoạ góc giới hạn góc nhìn của trạm mặt đất
4.

Sự lan truyền sóng

Sóng điện từ lan truyền từ vệ tinh tới trạm mặt đất bị suy hao do phải đi qua
tầng khí quyển, tầng điện ly, do mưa và do nhiều tác động bên ngoài khác.
Suy hao khí quyển
Suy hao khí quyển là do tầng khí quyển hấp thụ năng lượng sóng điện từ và
do điều kiện thời tiết bất lợi. Sự suy hao này phụ thuộc vào tần số. Ở tần số
thấp suy hao chủ yếu do hơi nước (suy hao lớn nhất ở tần số 22.3 GHz), ở dải


24

tần số cao hơn suy hao chủ yếu do ôxy (suy hao lớn nhất tại tần số 60 GHz).
Ngoài ra, do sự khơng đồng nhất lớp khơng khí ở tầng khí quyển dẫn đến chỉ
số chiết xuất khác nhau các lớp khí khác nhau, vì thế các tia sóng điện từ sẽ
có đường đi khác nhau để tới trạm mặt đất cũng làm ảnh hưởng tới chất lượng
tín hiệu tại điểm thu (fading nhiều tia).
Ảnh hưởng của tầng điện ly
Tầng điện ly ở trên tầng khí quyển, các nguyên tử khí bị ion hố chủ yếu do
bức xạ của mặt trời. Các điện tử tự do được phân bố trong các lớp khác nhau
và không đồng nhất với nhau. Các đám mây điện tử tự do di chuyển tự do
trong tầng điện ly làm tăng mật độ điện tử ở một vùng nào đó làm ảnh hưởng
tới tín hiệu vơ tuyến. Sự tác động này chỉ xác định được thông qua thống kê
bao gồm: fading do sự không đồng nhất của tầng điện ly gây ra, sự hấp thụ tín
hiệu, thay đổi hướng tới của tín hiệu, trễ lan truyền, thay đổi tần số, quay phân
cực và sự tán sắc. Các tác động này tỉ lệ nghịch với bình phương tần số tín
hiệu, do đó chúng sẽ giảm khi tần số tăng. Trong thơng tin vệ tinh thì hai nhân
tố chính tác động đến tín hiệu vơ tuyến là: quay phân cực và fading.
Fading của tầng điện ly là sự biến đổi về biên độ, pha, phân cực và góc tới
của tín hiệu khi tín hiệu đi qua tầng này. Khi tính tốn đường truyền thơng tin
vệ tinh cần thiết phải có một khoảng dự trữ do fading.

Suy hao do mưa
Suy hao do mưa là một hàm của tốc độ mưa được đo bằng milimét trên giờ.
Tuy nhiên giá trị có ý nghĩa nhiều tới suy hao mưa là phần trăm thời gian mà
tốc độ mưa vượt qua ngưỡng (một giá trị xác định được tính trong một năm),
chẳng hạn tốc độ mưa của 0.001 phần trăm có nghĩa là tốc độ mưa vượt qua
một giá trị được xác định trong một năm là 0.001 phần trăm vào khoảng 5,3
phút. Với tốc độ mưa là Rp, phần trăm thời gian mà tốc độ mưa vượt quá
trong một năm là p thì suy hao do mưa là:
α = a x Rpb (dB/Km)