Tối ưu hoá quỹ công suất đường truyền trong thông tin vệ tinh

..

phạm toàn thắng

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
----------------------------------------

Luận văn thạc sỹ khoa học
Ngành: điện tử viễn thông

điện tử viễn thông

tối ưu hóa quỹ công suất đường truyền
trong thông tin vệ tinh

phạm toàn thắng

2004 - 2006
Hµ Néi
2006

Hµ néi 2006


1

Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt ............................................................. 3

18T

18T

Danh mục các bảng ............................................................................ 5

18T

18T

Danh mục các hình vẽ ....................................................................... 6

18T

18 T

Mở đầu ...................................................................................................... 7

18T

18T

Chương 1: Tổng quan .......................................................................... 9
1.1. Giới thiệu ............................................................................................ 9
1.2. Các nghiệp vụ thông tin vệ tinh ......................................................... 10
1.3. Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh ............................................. 11
1.4. Tình hình sử dụng vị trí quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh ............................... 14
1.5. Một số hệ thống vệ tinh trên thế giới ................................................. 17
1.6. Các quy định của ITU ....................................................................... 18

18T

18 T

18T

18T

18T

18T

18T

18 T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

Chương 2: đường truyền vệ tinh và băng tần sử dụng ... 21
2.1. Đặc ®iĨm cđa ®­êng trun vƯ tinh ................................................... 21
2.1.1. Tun th«ng tin vệ tinh cơ bản ................................................... 21

2.1.2. Các đặc tính cơ bản của anten ..................................................... 23
2.1.2.1. Độ khuếch đại của anten ..................................................... 23
2.1.2.2. Độ mở hiệu dụng và độ khuếch đại của anten ...................... 24
2.1.3. Công suất phát và công suất thu của anten .................................. 26
2.1.4. Công suất tạp âm ........................................................................ 29
2.1.4.1. Nhiệt độ tạp âm ................................................................... 29
2.1.4.2. Nhiệt độ tạp âm của máy thu ............................................... 30
2.1.5. Phân hệ không gian .................................................................... 32
2.1.6. Phân hệ mặt đất .......................................................................... 35
2.2. Phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh ............................................... 37
2.2.1. Nguyên tắc phân bổ tần số cho thông tin vệ tinh của ITU ........... 37
2.2.2. Phân bổ băng tần cho các nghiệp vụ ........................................... 38
2.3. Thông số đặc trưng của mạng vệ tinh trong các băng tần .................. 40
2.3.1. Băng tần C .................................................................................. 40
2.3.2. Băng tần X ................................................................................. 41
2.3.3. Băng tần Ku ............................................................................... 42
2.3.4. Băng tần Ka ................................................................................ 43

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

Chương 3: phối hợp tần số và quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh .. 46
3.1. Quy trình phối hợp ............................................................................ 46
3.1.1. Giai đoạn xuất bản trước ............................................................ 46
3.1.2. Giai đoạn phối hợp ..................................................................... 47
3.1.3. Giai đoạn thông báo, ghi các ấn định tần số vào Bảng tần số chủ 51

18T

18 T

18T

1 8T

18T

18T

18T

18T

18T

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006

18T


2

3.2. Các phương pháp xác định sự cần thiết phải thực hiện phối hợp ........ 53
3.2.1. Phương pháp giới hạn cung quỹ đạo phối hợp ............................. 55
3.2.2. Phương pháp giới hạn tỷ số T/T ................................................ 56
3.2.3. Phương pháp giới hạn tû sè C/I ................................................... 57

18T

18 T

18T

18 T

18T

18 T

18T

18T

ch­¬ng 4: TÝnh toán quỹ công suất đường truyền .......... 59
4.1. Khái niệm quỹ công suất đường truyền ............................................. 59
4.2. Quỹ công suất ®­êng lªn (C/N 0 ) u . ..................................................... 61
4.3. Quü công suất đường xuống (C/N 0 ) d . ................................................ 63
4.4. Quỹ công suất đường truyền cho bộ phát đáp truyền thống ............... 63
4.4.1. Kết hợp đường lên và đường xuèng (C/N 0 ) ud . ............................. 64
4.4.2. ¶nh h­ëng của tạp âm khác tới quỹ công suất đường truyền ...... 65
4.4.3. Quỹ công suất toàn tuyến ........................................................... 66
4.4.4. Suy hao do khÝ qun ................................................................. 67
4.4.5. Mét sè chó ý .............................................................................. 68
4.5. Qũy công suất đường truyền cho bộ phát đáp có xử lý. ..................... 69

18T

18 T

18T

18 T

18T

R

R

R

18T

R

18T

R

R

R

R

18T

18T

18 T

18T

R

R

R

R

18T

18T

18 T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

Chương 5: tối ưu hóa quỹ công suất đường truyền ......... 71
5.1. Tỉng quan ......................................................................................... 71
5.2. TÝnh to¸n suy hao do mưa ................................................................. 72
5.2.1. Các bước xác định suy hao do mưa ............................................. 72
5.2.2. Xác định tỷ lệ suy hao theo phân cực và tần số ........................... 77
5.2.3. Mô hình xác định suy hao đặc trưng do mưa .............................. 78
5.2.4. Xác định độ cao mưa .................................................................. 81
5.3. Tính toán suy hao do khí quyển ........................................................ 81
5.3.1. Suy hao đặc trưng ....................................................................... 82
5.3.2. Suy hao ®­êng trun ................................................................. 83

5.4. Tèi ­u hãa ......................................................................................... 86
5.4.1. Các thông số đầu vào .................................................................. 86
5.4.2. Bài toán thuận ............................................................................ 87
5.4.3. Bài toán nghịch .......................................................................... 89
5.4.3.1. Các bước thực hiện .............................................................. 89
5.4.3.2. Lưu đồ thuật toán ................................................................ 91
5.5. Chương trình phần mềm tối ưu hóa ................................................... 91
5.5.1. Bài toán áp dụng trong băng tần C .............................................. 94
5.5.2. Bài toán áp dụng trong băng tần Ku ............................................ 98
5.5.3. KÕt ln .................................................................................... 101

18T

1 8T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

Lêi kÕt ................................................................................................... 103

18T

18T

Tµi liƯu tham khảo ......................................................................... 104

18T

18T

phụ lục. MÃ chương trình Visual Basic .Net .......................................... 106

18T

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006

18T


3

Danh mục các chữ viết tắt
BER

Bit Error Rate

BR

Bureau Radiocommunication

BSS
CATV
CS
CV

Radiocomunication Bureau International Frequency
Information Circular
Broadcasting Satellite Service
Cable Television
Constitution
Convention

DTH

Direct To Home

BRIFIC

EIRP
FS
FSS
HEO
HPA
ISS
ITU
LEO
LHCP

LNA
LNB
LNC
MR
MEO
MS
MSS

Equivelent Isotropic
Radiation Power
Fixed Service
Fixed Satellite Service
High Earth Orbit
High Power Amplifier
Inter-Satellite Service
International
Telecommunication Union
Low Earth Orbit
Left Hand Circular
Polarization
Low Noise Amplifier
Low Noise Block
Low Noise Converter
Master Register
Medium Earth Orbit
Mobile Service
Mobile Satellite Service

Tỷ số lỗi bít
Văn phòng thông tin vô tuyến của

ITU
Đĩa CD chứa các thông tin mới
cập nhật về sự phát triển các
mạng vệ tinh trên thế giới.
Nghiệp vụ quảng bá qua vệ tinh
Truyền hình cáp
Hiến chương của ITU
Công ước của ITU
Dịch vụ truyền hình vệ tinh thu
trực tiếp tại hộ gia đình.
Công suất bức xạ đẳng hướng
tương đương
Nghiệp vụ cố định
Nghiệp vụ cố định qua vệ tinh
Quỹ đạo tầm cao
Bộ khuếch đại công suất cao
Nghiệp vụ liên vệ tinh
Liên minh viễn thông quốc tế
Quỹ đạo tầm thấp
Phân cực tròn trái
Bộ khuyếch đại tập âm thấp
Khối tạp âm thấp
Bộ chuyển đổi tạp âm thấp
Bảng tần số chủ
Quỹ đạo tầm trung
Nghiệp vụ di động
Nghiệp vụ di động qua vệ tinh

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006

4

OBP
PFD
PP

RoP
RR
RRB

On-Board Processing
Power Flux Density
Plenipotentiary
Right Hand Circular
Polarization
Rules of Procedures
Radio Regulations
Radio Regulation Board

TVRO

TeleVision Receive Only

RHCP

TWTA
UPC
VSAT
WRC

Travelling Wave Tube
Amplifier
Up-Link Power Control
Very Small Aperture
Terminal
World Radiocommunication
Conference

Xö lý trên trạm
Mật độ thông lượng công suất
Hội nghị toàn quyền của ITU
Phân cực tròn phải
Quy định về các thủ tục thực hiện
Thể lệ vô tuyến điện
Uỷ ban Thể lệ vô tuyến điện
Trạm mặt đất chỉ thu tín hiệu
truyền hình từ vệ tinh
Bộ khuếch đại kiểu ống sóng
chạy.
Điều khiển công suất phát lên
Trạm có góc mở nhỏ
Hội nghị thông tin vô tuyến thế
giới

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học §TVT 2004-2006


5

Danh mục các bảng
Bảng 1.1. Số lượng antenna vệ tinh dùng tại gia đình ............................... 10
Bảng 2.1. Các băng tần thông dụng cho thông tin vệ tinh ......................... 39
Bảng 2.2. Bảng phân bổ tần số cho thông tin vệ tinh ................................ 39
Bảng 2.3. Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần C. ...................... 40
Bảng 2.4. Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C. ............. 41
Bảng 2.5. Các tham số chính của vệ tinh băng tần Ku điển hình .............. 42
Bảng 2.6. Các tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ku điển hình ..... 42
Bảng 2.7. Các tham số chính của vệ tinh băng tần Ka điển hình ............... 43
Bảng 2.8. Các tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ka điển hình ..... 45
Bảng 3.1. Cung quỹ đạo phối hợp cho các hệ thống vệ tinh địa tĩnh ......... 56
Bảng 3.2. Tỷ số bảo vệ C/I một đường vào của các sóng mang FSS ......... 58
Bảng 4.1: Quan hệ các đại l­ỵng (C/N), (C/N 0 ), (C/T), (E b /N 0 ) ............... 61
Bảng 5.1. Bảng các hệ số k và phụ thuộc tần số .................................... 79

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006

18T

R

R

R

18T

R

R

R

18T


6

Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1. Vị trí các vệ tinh địa tĩnh băng tần C. ....................................... 15
Hình 1.2. Vị trí các vệ tinh địa tĩnh băng tần Ku. ..................................... 16
Hình 2.1. Sơ đồ một tuyến thông tin vệ tinh cơ bản .................................. 21
Hình 2.2. Công suất bức xạ của anten phát ............................................. 23
Hình 2.3. Độ mở hiệu dụng của anten thu ................................................ 25

Hình 2.4. Suy hao không gian tự do ........................................................ 28
Hình 2.5. Tạp âm nhiệt của một hệ thống thu .......................................... 31
Hình 3.1. Mối quan hệ giữa các phương pháp phối hợp kỹ thuật cho nghiệp
vụ cố định qua vệ tinh .............................................................................. 54
Hình 5.1. Sơ đồ thể hiện một đường truyền vệ tinh với các ...................... 73
tham số được đưa vào trong quá trình dự đoán suy hao do mưa ................ 73
Hình 5.2. Bản đồ lượng mưa (mm/h) bị vượt quá trong thời gian 0.01%
trung bình một năm .................................................................................. 76
Hình 5.3. Suy hao đặc trưng do khí quyển ............................................... 84
Hình 5.4. Bản đồ nhiệt độ trung bình năm tại bề mặt trái đất (o C) ........... 85
Hình 5.5. Lưu đồ thuật toán tối ưu hóa ..................................................... 92
Hình 5.6. Giao diện chương trình chính ................................................... 93
Hình 5.7. Modul tối ưu hóa quỹ công suất đường truyền - Input .............. 93
Hình 5.8. Modul tối ưu hóa quỹ công suất đường truyền Quick Result 94

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

18T

P

P

18T

18 T

18 T

18T

18T

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006

18 T

18 T

7

Mở đầu
Cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, thông tin vệ tinh đà góp
phần đặc biệt quan trọng vào sự phát triển chung của ngành viễn thông trên
toàn thế giới và đà chứng tỏ ưu thế vượt trội của nó trong nhiều dịch vụ. Trong
những năm gần đây, hệ thống cáp quang đà trở thành phương tiện truyền dẫn
chính trong các ứng dụng băng thông rộng. Tuy nhiên, với tính chất đặc thù
của mình, thông tin vệ tinh vẫn sẽ tiếp tục khẳng định vai trò không thể thay
thế, đặc biệt là trong dịch vụ thông tin quảng bá, di động, an toàn cứu nạn,
hàng hải và viễn thông cho vùng sâu, vùng xa, hải đảo
Chính vì những lý do đó, hầu hết các nước có nền công nghiệp và dịch vụ
viễn thông phát triển đều xây dựng hệ thống vệ tinh viễn thông của riêng
mình. Ngoài ra, do khả năng phủ sóng và cung cấp dịch vụ toàn cầu, các hệ
thống vệ tinh viễn thông quốc tế và khu vực như INTELSAT, INMARSAT,
INTERSPUTNIC, EUTELSAT đà được thiết lập và ngày càng phát triển
mạnh mẽ. Nhiều nước ®ang ph¸t triĨn cịng ®· chó träng ph¸t triĨn hƯ thống
vệ tinh viễn thông để cung cấp các dịch vụ trong nước và tham gia vào thị
trường thông tin vệ tinh quốc tế. Không bỏ lỡ cơ hội này Việt nam cũng là
một nước như vậy, với dự án vệ tinh viễn thông đầu tiên mang tên VINASAT.
Sự phát triển của thông tin vệ tinh đà dẫn đến tình trạng khai thác tối đa
nguồn tài nguyên tần số và quỹ đạo vệ tinh. Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh đà trở
nên tắc nghẽn, đặc biệt là ở trong băng tần không quy hoạch. Các nước mới
bắt đầu phát triển thông tin vệ tinh khó có khả năng tìm được một vị trí quỹ
đạo không gây can nhiễu để phóng vệ tinh. Các quy trình phối hợp tần số cho
vị trí quỹ đạo địa tĩnh vì vậy càng ngày càng chặt chẽ và các yêu cầu về tính
toán can nhiễu giữa các hệ thống cũng càng ngày càng khắt khe và phức tạp.

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006

8

Do tham gia vào lĩnh vực thông tin vệ tinh muộn hơn các nước khác, nên Việt
nam cũng phải chịu thách thức của tình hình nói trên.
Trong luận văn này, tác giả đề cập đến một số kết quả nghiên cứu trong
quá trình thực hiện nhiệm vụ phối hợp tần số và quỹ đạo vệ tinh của Việt nam.
Ngoài các vấn đề chung về dịch vụ thông tin vệ tinh, các quy định của Liên
minh viễn thông quốc tế (ITU) về phối hợp tần số và quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh,
nhiễu giữa các hệ thống vệ tinh viễn thông, ứng dụng các công nghệ mới để
giảm yêu cầu chống nhiễu giữa các hệ thống vệ tinh, tác giả đi sâu vào việc
tính toán và tối ưu hóa quỹ công suất đường truyền trong thông tin vệ tinh để
nâng cao khả năng hoàn thành phối hợp tần số cũng như để khai thác hiệu quả
nhất dự án VINASAT.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn sự hướng dẫn khoa học tận tình của PGS.
TS. Trần Văn Cúc; cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong khoa
Điện tử viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà nội; cảm ơn sự hỗ trợ của
các đồng nghiệp Phòng Quy hoạch tần số và Phối hợp quốc tế, Cục tần số vô
tuyến điện trong quá trình thực hiện luận văn này.
Hà nội, tháng 10 năm 2006

Phạm Toàn Thắng

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006


9

Chương 1: Tổng quan

1.1. Giới thiệu
Thông tin vệ tinh đà trở thành một phần không thể thiếu của mạng viễn
thông toàn cầu. Một điều dễ dàng có thể nhìn thấy được sự phổ biến của thông
tin vệ tinh là ngày càng nhiều gia đình lắp đặt chảo anten parabol để thu tÝn
hiƯu trun h×nh trùc tiÕp tõ vƯ tinh, sè liệu cụ thể xem trong Bảng 1.1. Ngoài
ra, một lượng lớn lưu lượng thoại và dữ liệu cũng được truyền tải qua thông tin
vệ tinh. Trong nhiều trường hợp, thông tin vệ tinh là giải pháp hiệu quả duy
nhất: ví dụ như việc áp dụng hệ thống VSAT IP để triển khai mạng điện thoại
đến hầu hết các xà vùng sâu vùng xa tại nước ta; việc sử dụng thông tin vệ tinh
làm hệ thống dự phòng cho hệ thống cáp quang biển khi có sự cố; hay trong
các tình huống tìm kiếm cứu nạn khi có thiên tai lũ lụt, tai nạn máy bay, tàu
biển
Xu hướng phát triển của thông tin vệ tinh dựa vào ngay những đặc tính
riêng biệt của nó mà những phương tiện truyền thông khác không có: vùng
phục vụ rộng lớn, khả năng đa truy nhập và tính linh họat trong việc thiết lập
đường truyền.
Thông tin vệ tinh có thể cung cấp dịch vụ trên một vùng rộng lớn trên bề
mặt trái đất, kết nối cùng lúc nhiều khách hàng, cụm dân cư ở những vùng địa
lý khác nhau không kể đó là vùng núi cao, rừng sâu hay hải đảo, điều mà
không thể thực hiện được bởi các phương tiện truyền thông khác. Khả năng đa
truy cập thể hiện trong việc quảng bá và phân tán các file dữ liệu từ một điểm
tới nhiều điểm trên thế giới tại cùng một thời điểm. Khả năng triển khai nhanh
và linh hoạt trong việc thiết lập đường truyền bằng việc lắp đặt một trạm mặt
đất thu phát. Ngoài ra, khách hàng có thể tự do di chuyển trạm thu phát trong
Phạm Toàn Thắng Luận văn cao häc §TVT 2004-2006


10

vùng dịch vụ của vệ tinh mà khách hàng đà đăng ký khai thác sử dụng mà

không phải mất thêm chi phí
Bảng 1.1. Số lượng antenna vệ tinh dùng tại gia đình
Đơn vị: x 1.000.000
Khu vực

Năm 1999

Năm 2002

Asia and the Pacific

19,5

17,5

Canada and the United States

13,7

20,1

Europe

33,8

43,6

Latin America and the Caribbean

1,6

2,7

North Africa and the Middle East

8,9

11,9

Sub-Saharan Africa

0,4

1,2

Toµn thÕ giíi

77,9

97,0

Ngn: ITU, World Telecommunication Indicators Database, 2002.
1.2. Các nghiệp vụ thông tin vệ tinh
Thể lệ Vô tuyến điện quy định các nghiệp vụ thông tin vệ tinh như sau:
ã Nghiệp vụ cố định qua vệ tinh (FSS: Fixed Satellite Service): là nghiệp
vụ thông tin giữa các điểm cố định trên bề mặt trái đất thông qua một
hoặc nhiều vệ tinh. Các trạm cố định trên bề mặt trái đất gọi là trạm
mặt đất, còn trạm nằm trên vệ tinh gọi là trạm không gian. Trong thời
điểm hiện tại, ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt thì hầu như tất cả
các đường truyền giữa một trạm mặt đất phát và một trạm mặt đất thu

chỉ sử dụng một vệ tinh. Đường truyền này bao gồm hai phần: đường
lên giữa trạm mặt đất phát và vệ tinh, đường xuống từ vệ tinh tới trạm
mặt đất thu.

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006


11

ã Nghiệp vụ di động qua vệ tinh (MSS: Mobile Satellite Service): là
nghiệp vụ thông tin giữa 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
định. Hệ thống INMARSAT là một hệ thống quốc tế điển hình của
loại hình nghiệp vụ này.
ã Nghiệp vụ vệ tinh quảng bá (BSS: Broadcasting Satellite Service): là
nghiệp vụ dùng để phát các chương trình phát thanh và truyền hình
qua vƯ tinh cho phÐp ng­êi dïng thu trùc tiÕp t¹i gia đình.
ã Nghiệp vụ dẫn đường qua vệ tinh (radionavigation-satellite service)
bao gồm nghiệp vụ dẫn đường cho hàng không và cho hàng hải.
ã Nghiệp vụ định vị qua vệ tinh (radiolocation-satellite service).
ã Nghiệp vụ thăm dò trái đất qua vệ tinh(Earth exploration-satellite
service).
ã Nghiệp vụ vệ tinh khí tượng thủy văn (meteorological-satellite
service).
ã Nghiệp vụ liên vệ tinh (inter-satellite service).
1.3. Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh
Lịch sử đà thay đổi vào ngày 4/10/1957 khi Liên bang Xô Viết phóng
thành công vệ tinh Sputnik-1 lên quỹ đạo. Đây là vệ tinh nhân tạo đầu tiên
trên thế giới với kích thước bằng một quả bóng rổ, nặng 183 pounds và chỉ
mất 98 phút để đưa nó lên quỹ đạo. (Vệ tinh Sputnik-1 chỉ tồn tại trên quỹ đạo

trong vòng 3 tháng. Vệ tinh Sputnik-2 được phóng lên sau vệ tinh Sputnik-1
đúng 1 tháng).
Thành công của Sputnik-1 đánh dấu một bước khởi đầu cho một chiến
lược phát triển cả về chính trị, quân sự, công nghệ và khoa học mới. Đồng thời
là điểm bắt đầu cho một cuộc chạy đua công nghệ vũ trụ giữa Liên Xô và Mỹ.

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006


12

Ngay sau khi Liên Xô phóng thành công vệ tinh Sputnik-I, Mỹ đà đáp trả
bằng việc phê chuẩn ngân sách đầu tư cho dự án vệ tinh đầu tiên của Mỹ
mang tên chính thức là Satellite 1958 Alpha hay còn gọi là Explorer I.
Vào ngày 31-1-1958, thế cuộc đà thay đổi khi Mỹ phóng thành công vệ
tinh Explorer I với sứ mệnh khám phá vành đai bức xạ từ trường bao quanh
trái đất. Chương trình Explorer tiếp tục thành công với một loạt các vệ tinh
khoa học cỡ nhỏ.
Việc phóng thành công vệ tinh Sputnik-I cũng tác động lớn đến việc Mỹ
thành lập Cơ quan không gian và hàng không quốc gia, gọi tắt là NASA vào
ngày 1-10-1958.
Riêng trong năm 1958, cả Liên Xô và Mỹ đà phóng tổng cộng 6 vệ tinh.
Trong năm 1959 là 14 vệ tinh, năm 1960 là 19 vệ tinh và năm 1961 là 35 vệ
tinh. Vào năm 1962, Anh và Canada hợp tác phóng thành công vệ tinh của
riêng mình cùng với 70 vệ tinh của Liên Xô và Mỹ.
Ngày 12-8-1960, Mỹ phóng vệ tinh khí cầu Echo 1, đây là vệ tinh phản
xạ thụ động, không có chức năng khuếch đại.
Năm 1960, Thử nghiệm thông tin chuyển mạch tích cực sử dụng các bộ
khuếch đại công suất đặt ở vệ tinh Courier-1B, Mỹ ở độ cao 1000 km hoạt
đông ở tần số 2 GHz.

Năm 1962, Phóng thành công vệ tinh TELSTAR-1 (USA/AT&T) vào
tháng 6 và vệ tinh Relay-1 (USA/NASA) tháng 10. Cả hai vệ tinh được đưa
lên quỹ đạo phi địa tĩnh hoạt động ở các băng tần 6/4 GHz.
Năm 1963, Thể lệ thông tin vệ tinh Quốc tế lần đầu tiên ra đời tại Hội
nghị vô tuyến bất thường của ITU về dùng chung giữa các nghiệp vụ không
gian và mặt đất.
Năm 1964, Thµnh lËp tỉ chøc INTELSAL víi 19 n­íc thµnh viên. Đến
năm 1997, INTELSAL có tổng cộng 19 vệ tinh địa tĩnh trên quỹ đạo.

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao häc §TVT 2004-2006


13

Năm 1965, Phóng vệ tinh EARLY BIRD (INTELSAT-1), vệ tinh thông
tin địa tĩnh thương mại đầu tiên mang 240 mạch điện thoại và 1 kênh TV liên
lạc giữa các nước Anh, Pháp , Đức và Mỹ.
Năm 1971, Thành lập tổ chức INTERSPUTNIK, bao gồm Liên bang Xô
viết và 9 nước khác tham gia.
Năm 1974, Pháp và Đức hợp tác phóng thành công vệ tinh SYMPHONE,
đây là vệ tinh thông tin địa tĩnh đầu tiên sử dụng khung ổn định 3 trục.
Năm 1976, Phóng vệ tinh thông tin hàng hải đầu tiên là MARISAT. Cũng
trong năm này, vệ tinh quốc gia đầu tiên của Indonexia là PALAPA-1 được
phóng lên thành công.
Năm 1977, thµnh lËp tỉ chøc EUTELSAT víi 17 n­íc thµnh viên. Hội
nghị vô tuyến vệ tinh Quảng bá thế giới do ITU tổ chức ở Geneva (WARC
SAT-77).
Năm 1978, Nhật Bản phóng vệ tinh quảng bá thử nghiệm sử dụng băng
tần Ku 14/12 GHz. Sau đó, Cơ quan không gian Châu âu Phóng vệ tinh OTS là
vệ tinh thông tin khu vực đầu tiên sử dụng băng 14/11 GHz.

Năm 1979, Thành lËp tỉ chøc INMARSAT cã 26 n­íc tham gia ban đầu,
Tổ chức thông tin vệ tinh hàng hải toàn cầu.
Năm 1981, Triển khai lần đầu tiên hệ thống kinh doanh vệ tinh dựa trên
cơ sở các trạm mặt đất thu dữ liệu góc mở nhỏ VSAT.
Năm 1983, Nhật Bản phóng vệ tinh CS-2, vệ tinh thông tin nội địa đầu
tiên hoạt động ở băng tần Ka 30/20 GHz.
Năm 1984, Trung Quốc phóng vệ tinh thông tin đầu tiên của mình là
STW1.
Năm 1985, Hội nghị vô tuyến hành chính thế giới do ITU tổ chức phiên
đầu tiên về sử dụng qũy đạo địa tĩnh. Phiên thứ 2 được tổ chức tiếp theo vào
năm 1988.
Năm 2000, vệ tinh INTELSAT thế hệ IX được phóng lên quỹ đạo.

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao häc §TVT 2004-2006


14

Năm 2003, Hongkong phóng vệ tinh khu vực AP STAR V có 50 bộ phát
đáp.
Năm 2005, Thái lan phóng vệ tinh iPSTAR gồm toàn các bộ phát đáp
băng tần Ku spot-beam cung cấp dịch vụ băng rộng qua vệ tinh.
Tháng 4/2006, NhËt B¶n phãng vƯ tinh JCSAT-9 gåm 40 bé phát đáp (20
C band và 20 Ku band) tại vị trí 132o E. Vị trí này trùng với vị trí mà vệ tinh
P

P

viễn thông đầu tiên của Việt Nam đang được chuẩn bị phóng lên.
Tháng 8/2006, Vệ tinh thương mại JCSAT-10 (128 o E, 30 Ku vµ12 C

P

P

transponders) cđa NhËt và vệ tinh quân sự Syracuse 3B (5 o W) của Pháp được
P

P

phóng chung lên quỹ đạo bởi một tên lửa đẩy Ariane 5GS.
1.4. Tình hình sử dụng vị trí quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh
Cho đến thời điểm hiện nay, do đặc tính truyền sóng tốt nên các vệ tinh
chủ yếu sử dụng hai băng tần C và Ku (xem Hình 1.1 và Hình 1.2). Tuy nhiên,
do việc phối hợp tại hai băng tần này ngày càng trở nên khó khăn nên một số
nước đà bắt đầu chuyển sang sử dụng các băng tần khác như băng S, X, Ka.

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006


15

Hình 1.1. Vị trí các vệ tinh địa tĩnh băng tÇn C.
Nguån: World ICT Visual Data Book 2006, The ITU Association of
Japan, Inc

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học §TVT 2004-2006


16

Hình 1.2. Vị trí các vệ tinh địa tĩnh băng tÇn Ku.
Nguån: World ICT Visual Data Book 2006, The ITU Association of
Japan, Inc

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học §TVT 2004-2006


17

1.5. Mét sè hƯ thèng vƯ tinh trªn thÕ giíi
* Các hệ thống vệ tinh quốc tế
ã INTELSAT: là hệ thống vệ tinh quốc tế đầu tiên và lớn nhất thế giới,
cung cấp trên phạm vi toàn cầu các dịch vụ như truyền hình quảng
bá, thoại và phân phối dữ liệu tới hơn 200 quốc gia và vùng lÃnh thổ.
Được thành lập năm 1964, INTELSAT hiện có khoảng 20 vệ tinh địa
tĩnh trên quỹ đạo với các thế hệ INTELSAT V/V-A, INTELSAT VI,
INTELSAT VII/VII-A, INTELSAT VIII/VIII-A ( 4 vÖ tinh),
INTELSAT IX. Các bộ tiêu chuẩn do tổ chức INTELSAT xây dựng
đà trở thành chuẩn mực cho lĩnh vực thông tin vệ tinh thế giới. Hàng
ngàn trạm mặt đất đà áp dụng các tiêu chuẩn này để có thể truy cập
hệ thống vệ tinh INTELSAT.
ã INMARSAT: là hệ thống vệ tinh quốc tế được thành lập vào năm
1979, là hệ thống duy nhất cung cấp trên phạm vi toàn cầu dịch vụ
di động vệ tinh cả cho mục đích thương mại, tìm kiếm, cứu nạn trên
biển, trên không và trên mặt đất. INMARSAT có trụ sở chính đặt tại
London và 86 nước thành viên.
ã INTERSPUTNIK: là hệ thống vệ tinh quốc tế được thành lập vào
năm 1971. Hiện nay, INTERSPUTNIK có 23 nước thành viên (trong
đó có Việt nam) với hơn 100 công ty là khách hàng trên toàn thế
giới. Các vệ tinh được thiết kế và sản xuất bởi công ty liên doanh

Lockheed Martin-Intersputnik.
* Các hệ thống vệ tinh khu vực
ã APSTAR: là hệ thống vệ tinh khu vực với 3 vệ tinh trên quỹ đạo:
APSTAR-I (138 o E, băng tần C), APSTAR-IA (134 o E, băng tần C)và
P

P

P

P

APSTAR-IIR (76,5 o E, băng tần C và Ku) do Công ty APT Satellite
P

P

làm chủ. APSTAR cung cấp dịch vụ cho thuê transponder, truyền

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006


18

hình quảng bá và viễn thông chất lượng cao cho quốc tế và cho khu
vực Châu á - Thái Bình Dương.
ã AsiaSat: là nhà khai thác vệ tinh khu vực đầu tiên tại Châu á, được
thành lập năm 1988. AsiaSat cung cấp dịch vụ truyền hình quảng bá
và viễn thông cho vùng Châu á Thái Bình Dương. Đến thời điểm
hiện nay, AsiaSat cã 3 qu¶ vƯ tinh (AsiaSat 2, AsiaSat 3S và AsiaSat

4) với vùng phủ phục vụ khoảng 2/3 dân số thế giới.
ã EUTELSAT: là tổ chức quốc tế được thành lập vào năm 1985, hiện
có 47 nước thành viên. Hầu hết các vệ tinh của EUTELSAT đều họat
động trong băng tần Ku (14/11-12 GHz).
1.6. Các quy định của ITU
Việc sử dụng phổ tần số và quỹ đạo vệ tinh phải tuân thủ theo các loại
quy định sau của ITU:
ã Hiến chương (CS: Constitution) và Công ước (CV: Convention) là hai
văn kiện có tính pháp lý cao nhất quy định cơ cấu tổ chức và các
nguyên tắc hoạt động cơ bản của ITU;
ã Các Nghị quyết (Resolution) của Hội nghị Toàn quyền (PP:
Plenipotentiary Conference) là các văn kiện có tính chất định hướng
cho hoạt động của ITU;
ã Các Nghị quyết, Quyết định (Resolution, Decision) của Hội đồng ITU
(ITU Council) là các văn kiện quy định việc xử lý một số vấn đề cụ
thể của ITU;
ã Thể lệ Vô tuyến điện (RR: Radio Regulations) là văn kiện quy định
cụ thể việc sử dụng phổ tần số và quỹ đạo vệ tinh;
ã Quy định về các thủ tục thực hiện (RoP: Rules of Procedures) của ủy
ban Thể lệ vô tuyến điện (RRB: Radio Regulation Board), RoP h­íng
dÉn viƯc ¸p dơng mét số quy định của Thể lệ Vô tuyến điện.

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006


19

Thể lệ Vô tuyến điện là một hiệp ước quốc tế quy định việc sử dụng phổ
tần số và quỹ đạo vệ tinh cho các nghiệp vụ thông tin vô tuyến, bao gồm các
Điều (Article, Quyển 1), các Phụ lục (Appendix, Quyển 2), các Nghị quyết

(Resolution, Quyển 3) và các Khuyến nghị (Quyển 4). Các Điều, Phụ lục,
Nghị quyết là các quy định có tính chất bắt buộc; Các Khuyến nghị thông
thường không có tính chất bắt buộc trừ phi được quy định khác. RR chỉ được
sửa đổi tại các Hội nghị Thông tin Vô tuyến thế giới (WRC World
Radiocommunication Conference).
Thể lệ Vô tuyến điện là thể lệ chung cho các nghiệp vụ thông tin vô
tuyến và có sự khác nhau giữa phiên bản cũ và phiên bản mới của Thể lệ, vì
vậy cần phải lưu ý tất cả các điều khoản liên quan khi đề cập đến một loại
hình thông tin vô tuyến.
Cụ thể các điều, phụ lục và các nghị quyết sau của Thể lệ Vô tuyến điện
quy định việc phối hợp tần số và quỹ đạo vệ tinh:
ã Điều 9: Quy định thủ tục đăng ký các mạng vệ tinh; thủ tục phối hợp
giữa các mạng vệ tinh, phối hợp giữa các mạng vệ tinh và các mạng
mặt đất.
ã Điều 11: Quy định các thủ tục để thông báo, ghi các ấn định tần số
vào bảng tần số chủ và đưa hệ thống vệ tinh vào sử dụng.
ã Điều 21: Quy định các giới hạn về công suất của các mạng vệ tinh và
mặt đất để đảm bảo việc dùng chung phổ tần số giữa các nghiệp vụ.
ã Điều 22: Quy định các giới hạn về mặt công suất cho các mạng vệ
tinh bao gồm cả mạng vệ tinh phi địa tĩnh.
ã Phụ lục AP30/30A: Quy định quy hoạch nghiệp vụ quảng bá qua vệ
tinh và các thủ tục liên quan.
ã Phụ lục AP30B: Quy định quy hoạch nghiệp vụ cố định qua vệ tinh và
các thủ tục liên quan.

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao häc §TVT 2004-2006


20

ã Nghị quyết 33: Quy định các thủ tục đăng ký và phối hợp đối với
nghiệp vụ quảng bá qua vệ tinh trong một số băng tần.
ã Nghị quyết 49: Quy định việc cung cấp các thông tin liên quan đến
hợp đồng sản xuất vệ tinh, nhà sản xuất vệ tinh và tên lửa đẩy đối với
các mạng vệ tinh đăng ký với ITU.
ã Nghị quyết 51: Quy định thời gian sống của một bộ hồ sơ đăng ký
mạng vệ tinh.
ã Quyết định 482 của Hội đồng ITU: Quy định việc thu phí và mức phí
phải đóng khi tiến hành đăng ký một mạng vệ tinh với ITU.

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006


21

Chương 2: đường truyền vệ tinh
và băng tần sử dụng

2.1. Đặc điểm của đường truyền vệ tinh
2.1.1. Tuyến thông tin vệ tinh cơ bản
Một tuyến thông tin vệ tinh cơ bản là thực hiện một mạch truyền dẫn
song công. Trạm mặt đất A phát lên vệ tinh (gọi là đường lên) một sóng mang
(điều chế bằng một tín hiệu băng gèc) cã tÇn sè F u1 (vÝ dơ 5.980 MHz). Anten
R

R

vệ tinh và bộ phát đáp vệ tinh thu nhận sóng mang này, biến đổi về tần số F d1
R

R

(ví dô 5.980 MHz – 2.225 MHz = 3.755 MHz), khuÕch đại và phát xuống

trạm mặt đất B (đường xuống). Để thiết lập một đường thông tin quay trở lại,
trạm mặt đất B sẽ phát một sóng mang ở một tần số khác F u2 (ví dụ 6.020
R

R

MHz). Sóng mang này lại được vệ tinh thu nhận, biến đổi và phát xuống trạm
mặt đất A với ần số F d2 (ví dơ 6.020 MHz – 2.225 MHz = 3.795 MHz)
R

R

VƯ tinh
Fu1

Fu2
Fd1

Fd2

Tr¹m mặt đất B

Trạm mặt đất A

Hình 2.1. Sơ đồ một tuyến thông tin vệ tinh cơ bản

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006


22

Ta cần lưu ý rằng :
ã Vệ tinh được trang bị nhiều bộ phát đáp và việc thu phát các chiều lên
và chiều xuống của tuyến thông tin có thể được thực hiện từ các bộ
phát đáp khác nhau.
ã Trong các loại vệ tinh tiên tiến nhất, tín hiệu không chỉ được đổi tần
đơn giản trong bộ phát đáp mà còn phải được xử lý một cách phức tạp
hơn, bao gồm cả điều chế/giải điều chế, xử lý băng gốc Các việc xử
lý như vậy còn gọi là xử lý trên trạm (OBP: On-Board Processing).
ã Cấu trúc của tuyến truyền dẫn phụ thuộc vào khoảng cách vệ tinh và
dạng quỹ đạo.
Đường truyền phải được thiết kế sao cho có thể đảm bảo thông tin có độ
tin cậy cao và chất lượng tốt, nói đơn giản là tín hiệu được phát đi từ một trạm
mặt đất phát phải đi tới đựơc trạm mặt đất thu với một mức đủ lớn hơn mức
các tín hiệu không mong muốn từ các nguồn tạp âm và nhiễu không thể tránh
khỏi.
Chất lượng của thông tin phụ thuộc vào mức tín hiệu trên tạp âm thu
được, có tính đến quá trình xử lý điều chế/giải điều chế và mà hoá/giải mÃ.
Trong trường hợp thông tin tương tự, điều tần được sử dụng rỗng rÃi và
chất lượng truyền tin được đo bằng tỷ số tín hiệu trên/tạp ©m (S/N). Tû sè nµy
phơ thc vµo tû sè C/N tại đầu vào máy thu và các tham số điều chế tần số.
Trong trường hợp thông tin số, chất lượng truyền tin được đo bằng mức
lỗi bít thông tin (Bit Error Ratio - BER)
BER phụ thuộc vào tỷ số công suất sóng mang trên mật độ tạp âm (C/N 0 )
R

R

tại đầu vào máy thu và vào các tham số mà hoá và điều chế
Dựa trên các tỷ số C/N, C/N 0 , S/N, BER, møc chÊt l­ỵng trun tin của
R

R

tuyến hoặc của thông tin nhận được trong hệ thống thông tin tương tự và số
được xem như là hàm số của độ tin cậy của tuyến và phải tuân theo một loạt
các khuyến nghị của ITU.

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học ĐTVT 2004-2006


23

Nhiệm vụ của thiết kế cơ bản một thông tin vệ tinh là tính toán quỹ
đường truyền, nghĩa là tính to¸n C/N, C/N 0 , E b /N 0 theo các đặc tính của vệ
R

R

R

R

R

R

tinh, của trạm mặt đất và các điều kiện về nhiễu và môi trường.
Trước khi đi vào phân tích và tính toán quỹ đường truyền, cần phải xem
lại một số vấn đề cơ bản về anten, tạp âm đường truyền và ảnh hưởng của các
phương tiện truyền dẫn.
2.1.2. Các đặc tính cơ bản của anten
Trong phần này chỉ đề cập đến các tham số của anten cần cho việc tính
toán của đường truyền
2.1.2.1. Độ khuếch đại của anten
Một anten phát đẳng hướng phát ra tất cả các hướng một công suất đồng
nhất p o /4. Trong đó p o là công suất đưa vào anten. Một anten có hướng sẽ
R

R

R

R

phát ra một công suất p(,) tại hướng , (xem hình 2.2).

Hình 2.2. Công suất bức xạ của anten phát

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học §TVT 2004-2006


24

Độ khuếch đại được xác định bằng công thức:
p ( , )

po
4

g(,) =

(2.1)

p o cũng là tổng công suất phát xạ về mọi hướng và vì vậy nó được biểu
R

R

diễn nh­ sau:
po = ∫

2π

π

∫

p(θ , ϕ ). sin θ .dθ .d

0

0

(2.2)

Giá trị cực đại của hàm độ khuếch đại là

g max =
R

R

pmax
po
4

(2.3)

Độ khuếch đại cực đại g max thường được gọi đơn giản là độ khuếch đại
R

R

của anten g và thường được biểu diễn bằng decibels, một cách chính xác hơn
là bằng decibels so với độ khuếch đại của một anten đẳng hướng (dBi)
G = 10log g

(dBi)

(2.4)

2.1.2.2. Độ mở hiệu dụng và độ khuếch đại của anten
Nếu sóng vô tuyến đi đến từ một nguồn phát tín hiệu ở khoảng cách xa
(chẳng hạn như từ trường hợp này là từ một vệ tihnimpinge) (hình 2.3) tác
động vào anten, anten sẽ thu phần năng lượng sóng vô tuyến nằm trong phần
độ më hiƯu dơng cđa nã (effective aperture area- A e ). Nếu anten là hoàn hảo
R

R

và không có suy hao, A e sẽ tương đương với diện tích thực của anten (tức là
R

R

với góc mở tròn A = D 2 /4). Trong thực tế, cần phải tính đến suy hao và tính
P

P

không đồng nhất của anten nên:
A e = .A
R

(2.5)

R

ở đây là hiệu suất của anten ( <1)
Quan hệ giữa g max và Ae (tính bằng m 2 ) là
R

R

P

g max =

P

4Ae

2

Phạm Toàn Thắng Luận văn cao học §TVT 2004-2006

(2.6)