Thiết kế và đánh giá tuyến thông tin vệ tinh

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
--------------

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ TUYẾN THÔNG TIN
VỆ TINH
Sinh viên thực hiện:

CAO MINH THI

Lớp:

53K1 - ĐTTT

Giảng viên hƣớng dẫn:

ThS. NGUYỄN PHÚC NGỌC

NGHỆ AN - 2018


TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
--------------

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ TUYẾN THÔNG TIN
VỆ TINH
Sinh viên thực hiện:

Cao Minh Thi

Lớp:

53K1 - ĐTTT

Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. Nguyễn Phúc Ngọc
Giảng viên phản biện: TS. Trịnh Ngọc Hoàng

NGHỆ AN - 2018


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những thập niên gần đây, nhiều hệ thống thơng tin vệ tinh ngày càng có
sự phát triển nhanh chóng. Bằng các hệ thống thơng tin vệ tinh, con ngƣời có thể
thu nhận hoặc trao đổi thơng tin với bất kỳ nơi nào trên thế giới. Hiện nay với hàng
loại các loại hình dịch vụ do vệ tinh cung cấp nhƣ cho thuê dung lƣợng vệ tinh,
cung cấp các dịch vụ nhƣ: VSAT, thoại, truyền hình, phát thanh ở vùng sâu vùng
xa, truyền số liệu, Internet, hội nghị truyền hình, đào tạo từ xa, y tế từ xa… Thơng
tin vệ tinh có thể cung cấp khơng những các dịch vụ dân sự mà còn cả các dịch vụ
quốc phịng, an ninh, hàng khơng, hàng hải, thăm dị, ... Việt nam đã cố gắng theo
kịp xu hƣớng thế giới với việc phóng thành cơng hai vệ tinh của chúng ta, tạo điều

kiện phát triển các dịch vụ viễn thông, phát thanh, truyền hình và các dịch truyền
dẫn khác đã đƣợc phát triển nhiều hơn, thuận lợi hơn, đồng thời khẳng định vị thế
của Việt Nam trên trƣờng quốc tế.
Những ƣu việt của hệ thống thông tin vệ tinh đặt ra cho chúng ta các vấn đề
chất lƣợng dịch vụ và khai thác tối đa của vệ tinh hơn bao giờ hết, những thơng số
mà chúng ta cần nhanh chóng tính tốn và đƣa ra kết quả chính xác sẽ là yếu tố
quyết định đến đối tƣợng khách hàng và khả năng của nhà cung cấp dịch và tính
khả thi của hệ thống.
Chính vì các lý do trên, dƣới sự hƣớng dẫn của Th.s Nguyễn Phúc Ngọc em đã
quyết định làm đề tài “Thiết kế và đánh giá tuyến thông tin vệ tinh” bằng công cụ
GUIDE trong phần mềm Matlab. Trong đồ án, do kiến thức còn hạn hẹp nên chắc
chắn có những sai sót nhất định, vì vậy em mong nhận đƣợc sự chỉ bảo thêm của
các thầy cô, các bạn để em có những phát triển định hƣớng sau này và phát triển để
tài thành công hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện
Cao Minh Thi

i


TĨM TẮT
Thơng tin vệ tinh đã trở thành một phƣơng tiện thơng tin rất phổ biến và đa
dạng. Nó thể hiện từ các chảo anten truyền hình gia đình cho đến các hệ thống
thơng tin tồn cầu truyền các khối lƣợng số liệu và lƣu lƣợng thoại lớn cùng với các
chƣơng trình truyền hình. Mục đích của đồ án là tìm hiểu về tuyến thơng tin vệ tinh
và qua đó có thể thiết kế một tuyến vệ tinh ở một khu vực nào đó.
Trong phần đầu tìm hiểu chung về hệ thống thông tin vệ tinh, cụ thể nhƣ lịch
sử phát triển, đặc điểm, quỹ đạo của hệ thống thông tin vệ tinh. Tiếp theo nêu ra các

đặc điểm, cấu trúc của vệ tinh vinasat, các phƣơng pháp đa truy nhập. Phần cuối là
tính tốn và mơ phỏng tuyến thơng tin vệ tinh từ thành phố Hà Tĩnh qua vệ tinh
Vinasat.

ABSTRACT
Satellite communication has become a media very popular and diverse. It
shows from the TV antenna family pan until the global information system
transmits the data volumes and large voice traffic alongside TV programs. The
purpose of the scheme is learn about online information via satellite and it can
design a satellite line in a certain area.
In the search header found about the security information system, can be be
used as the calendar development, specific, the line of your system information
information. Next follow the specified, configuration of the vinasat satellite,
multiple multiple methods. The end of the report is linear calculator and linear
regulator from the city Hà Tĩnh through Vinasat satellite.

ii


MỤC LỤC

LỜI NĨI ĐẦU .......................................................................................................... 0
TĨM TẮT................................................................................................................. ii
DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ vii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .........................................................................viii
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH ........................ 1
1.1. Lịch sử phát triển hệ thống thông tin vệ tinh ....................................................... 1
1.2. Đặc điểm của thông tin vệ tinh ........................................................................... 2
1.3. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh............................................................................. 3

1.3.1. Các quỹ đạo hình elip ................................................................................... 4
1.3.2. Các quỹ đạo tròn .......................................................................................... 5
1.4. Vệ tinh Vinasat-1 và Vinasat-2 .......................................................................... 5
1.5. Cấu trúc vệ tinh ................................................................................................. 6
1.5.1. Phân hệ tải ................................................................................................... 6
1.5.2. Phần thân ..................................................................................................... 9
1.5.3. Cấu hình trạm vệ tinh với một bộ phát đáp đơn giản..................................... 13
1.5.4. Phân bố dải tần của bộ phát đáp .................................................................. 13
1.6. Trạm mặt đất ................................................................................................... 14
1.6.1. Anten trạm mặt đất ..................................................................................... 15
1.6.2. Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA.................................................................. 16
1.6.3. Bộ đổi tần .................................................................................................. 16
1.6.4. Bộ khuyếch đại công suất cao HPA............................................................. 18
1.7. Các phƣơng pháp đa truy nhập đến vệ tinh ....................................................... 20
iii


1.7.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) ................................................ 20
1.7.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) ........................................... 21
1.7.3. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) .................................................... 22
CHƢƠNG 2 TÍNH TỐN ĐƢỜNG TRUYỀN VỆ TINH........................................ 23
2.1. Tính tốn các tham số chung của tuyến truyền thơng tin.................................... 23
2.2. Phân tích đƣờng truyến tuyến lên ..................................................................... 25
2.2.1. Công suất bức xạ đẳng hƣớng tƣơng đƣơng EIRP ........................................ 25
2.2.2. Mật độ thông lƣợng công suất ..................................................................... 25
2.2.3. Công suất phát của trạm mặt đất .................................................................. 26
2.2.4. Hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất .................................................... 26
2.2.5. Tổng suy hao tuyến lên ............................................................................... 26
2.2.6. Tỷ số công suất sóng mang trên cơng suất tạp âm tuyến lên.......................... 28
2.2.7. Tỷ số sóng mang trên mật độ cơng suất tạp âm ............................................ 29

2.3. Phân tích đƣờng truyền tuyến xuống ................................................................ 29
2.3.1. Tính tốn độ lợi của anten trạm mặt đất ....................................................... 29
2.3.2. Cơng suất sóng mang nhận đƣợc tại đầu thu trạm mặt đất............................. 29
2.3.3. Hệ số phẩm chất trạm mặt đất ..................................................................... 30
2.3.4. Tỷ số cơng suất sóng mang trên công suất tạp âm ........................................ 30
2.3.5. Tỷ số cơng suất sóng mang trên mật độ cơng suất tạp âm ............................. 31
2.3.6. Tổng suy hao tuyến xuống .......................................................................... 31
CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH ................... 32
3.1. Bài tốn thiết kế tuyến thơng tin vệ tinh Vinasat với trạm mặt đất thu ở
thành phố Hà Tĩnh ................................................................................................. 32
3.1.1. Tính tốn các giá trị cần tìm của tuyến......................................................... 34
3.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................................... 40
3.2.1. Giao diện chƣơng trình ............................................................................... 40
3.2.2. Tính tốn các thơng số truyền tuyến lên vệ tinh............................................ 41
iv


3.2.3. Tính tốn các thơng số truyền tuyến xuống vệ tinh ....................................... 42
KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 44
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 45

v


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Vệ tinh quỹ đạo trịn [1].…………..………………………………………4
Hình

1.2

Qũy

đạo

elip

[1]…..……………………………………….……………….4
Hình

1.3

Mơ

hình

vệ

tinh

Vinasat-1

[3]..…………………………….………………6
Hình 1.4

Sơ

đồ

khối

chức

năng phân hệ

con tải tin ở băng Ku

[8]…………………..8
Hình

1.5

Sơ

đồ

khối

chức

năng

phân

hệ

con

tải

tin

băng

C

[8]………………….......8
Hình 1.6 Sơ đồ khối chức năng phần thân [1]..……………………………………..9
Hình 1.7 Cấu trúc bộ phát đáp thơng thƣờng [2]..…………………………………12
Hình

1.8

Phân

bố

dải

tần

của

bộ

phát

đáp

vệ

tinh

[8]……………………………….13
Hình

1.9

Cấu

hình

trạm

mặt

đất

[2]…..…………………………………………….14
Hình 1.10 Cấu hình của bộ khuếch đại công suất cao sử dụng một HPA
[8]………18
Hình 1.11 Cấu hình của bộ khuếch đại cơng suất cao sử dụng nhiều bộ khuếch đại
[8]…………………………………………………………………………………..19
Hình 1.12 Đa truy nhập phân chia theo tần số [1]............................................................. 20
Hình 1.13 Đa truy nhập phân chia theo thời gian [1]………………………………21
Hình1.14

Đa

truy

nhập

phân

chia

theo

mã

[1]………………………………………22
Hình 2.1

Tính tốn các

tham số

chung của tuyến truyền thơng tin

[8]……………..23
Hình 3.1 Giao diện làm việc của công cụ GUIDE trong Matlab 2017a ......................... 37
Hình 3.2 Phần viết mã cho các Uicontrol trong Matlab 2017a........................................ 37
Hình 3.3 Phần giao diện nhập thơng tin và tính tốn thơng số chung ............................ 40

vi


Hình 3.4 Phần giao diện nhập thơng tin và tính tốn cho tuyến lên ............................... 41
Hình

3.5

Phần

giao

diện

nhập

thơng

tin

và

tính

tốn

cho

tuyến

xuống……………..42

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Phân bố tần số cho băng Ku [1]……………………………………..7
Bảng 1.2 Phân bố tần số cho băng C [1]……………………………………. ...... .7

Bảng 3.1 Thông số trạm mặt đất phát….……………………………………..29
Bảng 3.1 Thông số trạm mặt đất thu..….……………………………………..29

vii


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

GEO

Geostationary satellite

Vệ tinh địa tĩnh

LEO

Low Earth Orbits

Vệ tinh tầm thấp

MEO

Medium Earth Orbits

Vệ tinh tầm trung

CT&R

Command, Telemetry and
Ranging

Phân hệ điều khiển đo xa

GN&C

Guidance, Navigation and
Control

Phân hệ điều khiển tƣ thế

FSW

Fly Software

Phân hệ điều khiển đƣờng bay

EPS

Electrical Power Subsystem

Phân hệ nguồn cho vệ tinh

PSS

Propulsion Subsystem

Phân hệ đẩy

LNA

Low Noise Amplifier

Khuếch đại tạp âm thấp

HPA

High Power Amplifier

Khuếch đại công suất cao

LNC

Low Noise Convertor

Bộ đổi tần tạp âm thấp

viii


IF

Intermediate Frequency

Băng trung tần

TWTA

Travelling Wave Tube
Amplifier

Khuếch đại đèn sóng chạy

TCS

Thermal Control Subsystem

Phân hệ quản lý nhiệt

ix


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
Thông tin vô tuyến qua vệ tinh là thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực truyền
thông và mục tiêu của nó là gia tăng về mặt cự ly và dung lƣợng với chi phí thấp.
Kết hợp sử dụng hai kỹ thuật – tên lửa và viba đã mở ra kỷ nguyên thông tin vệ
tinh. Dịch vụ đƣợc cung cấp theo cách này bổ sung một cách hữu ích cho các dịch
vụ mà trƣớc đó độc nhất chỉ do các mạng ở dƣới đất cung cấp, sử dụng vô tuyến và
cáp.
1.1. Lịch sử phát triển hệ thống thông tin vệ tinh
Một hệ thống truyền tin sử dụng bộ chuyển tiếp đặt trên vệ tinh nhân tạo của
quả đất đƣợc gọi là hệ thống truyền tin vệ tinh hay còn gọi là thơng tin vệ tinh. Hiện
nay đã có rất nhiều vệ tinh viễn thông trên bầu trời phục vụ các dịch vụ viễn thơng
khác nhau.
Ngày 4-10-1957, Liên Xơ phóng thành cơng vệ tinh đầu tiên lên quỹ đạo.

Tháng 12-1958, tập đoàn NASA của Mỹ phóng lên quỹ đạo vệ tinh Score. Tiếp theo
là các vệ tinh Echo (1960), Courier (1960), Telstar và Relay (1962), Syncom
(1963), Intelsat-1 (1965)...Các vệ tinh đầu tiên này là vệ tinh khơng địa tĩnh, mang
tính chất nghiên cứu. Đến năm 1963 phóng vệ tinh Syncom-1 và vệ tinh Syncom-2
ở quỹ đạo địa tĩnh. Việt Nam đã phóng thành công vệ tinh Vinasat-1 vào năm 2008
và Vinasat-2 vào năm 2012 đánh dấu sự phát triển vƣợt trội của các dịch vụ truyền
tin ở Việt Nam.
Các hệ thống vệ tinh đầu tiên cung cấp dung lƣợng thấp với giá tƣơng đối cao
nhƣ vệ tinh INTELSAT-1 nặng 68 kg khi phóng, có dung lƣợng 480 kênh thoại với
giá 32.500 USD một kênh trong một năm. Giá thành này cao là do chi phí phóng,
kết hợp với giá vệ tinh có tính đến tuổi thọ vệ tinh ngắn (1 năm rƣỡi) và dung
lƣợng thấp.
Việc giảm giá là kết quả của nhiều nỗ lực, những nỗ lực đó đã dẫn đến việc
tạo ra các tên lửa phóng có khả năng đƣa các vệ tinh ngày càng nặng hơn lên quỹ
đạo. Ngoài ra kỹ thuật viba ngày càng phát triển đã tạo điều kiện thực hiện các
anten nhiều búp sóng có khả năng tạo biên hình mà búp sóng của chúng hồn tồn
thích ứng với hình dạng lục địa, cho phép tái sử dụng cùng một băng tần giữa các

1


búp sóng và kết hợp sử dụng các bộ khuếch đại truyền dẫn công suất cao hơn. Dung
lƣợng vệ tinh tăng lên dẫn đến giảm giá thành mỗi kênh thoại.
Ngoài việc giảm chi phí truyền thơng, đặc điểm nổi bật nhất là tính đa dạng
của các dịch vụ mà các hệ thống thông tin vệ tinh cung cấp và diện bao phủ rộng
của vệ tinh đã đƣợc dùng để thiết lập các tuyến thông tin vô tuyến cự ly xa. Khi
kích thƣớc và cơng suất của các vệ tinh càng tăng lên thì càng cho phép giảm kích
thƣớc của các trạm mặt đất và do vậy giảm giá thành của chúng, dẫn đến tăng số
lƣợng các trạm mặt đất. Do đó có thể khai thác một tính năng khác của vệ tinh, đó
là khả năng thu thập hoặc phát quảng bá các tín hiệu từ hoặc tới một số địa điểm.

Thay vì phát các tín hiệu từ điểm này tới điểm khác, bây giờ có thể phát từ một máy
thu duy nhất tới rất nhiều máy thu phân bố trong một vùng rộng lớn, hoặc ngƣợc lại,
có thể phát từ nhiều trạm tới một trạm trung tâm duy nhất. Vì vậy, các mạng truyền
số liệu đa điểm, các mạng quảng bá qua vệ tinh và các mạng thu thập dữ liệu. Có
thể phát quảng bá tới các máy phát chuyển tiếp hoặc trực tiếp tới khách hàng cá
nhân. Các mạng này hoạt động với các trạm mặt đất nhỏ có anten đƣờng kính 0,6
đến 3,5 m.
1.2. Đặc điểm của thơng tin vệ tinh
Vệ tinh đƣợc phóng vào vũ trụ với quỹ đạo cho trƣớc. Vệ tinh sẽ khuếch đại
sóng vơ tuyến điện nhận đƣợc từ các trạm mặt đất và phát lại sóng vơ tuyến điện
đến các trạm mặt đất khác. Vệ tinh chuyển động khác nhau khi quan sát từ mặt đất,
nó phụ thuộc vào quỹ đạo bay của vệ tinh. Vệ tinh phân ra thành hai loại: vệ tinh
quỹ đạo thấp và vệ tinh địa tĩnh.
+ Vệ tinh quỹ đạo thấp: Là vệ tinh nhìn từ mặt đất nó chuyển động liên tục,
thời gian vệ tinh chuyển động một vịng trên quỹ đạo của nó khác với chu kỳ quay
của trái đất xung quanh trục của mình. Các quỹ đạo thấp có hình Ellipse gồm: LEO
(Low Earth Orbits) ở độ cao 750-1500 km; MEO (Medium Earth Orbits) ở độ cao
10000-20000 km. Ƣu điểm của các hệ thống thông tin ở các quỹ đạo này là: giảm
thời gian trễ, có thể thơng tin đến bất cứ nơi nào trên trái đất.
+ Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO-Geostationary Orbits) là vệ tinh đƣợc phóng
lên quỹ đạo trịn nằm trên mặt phẳng đƣờng xích đạo cách trái đất 35768 km, vệ
tinh loại này bay xung quanh quả đất 1 vòng mất 24 giờ. Do chu kỳ bay của vệ tinh

2


trùng với chu kỳ quay của quả đất xung quanh trục của nó theo hƣớng từ tây sang
đơng, bởi vậy vệ tinh dƣờng nhƣ đứng yên khi quan sát từ mặt đất.
Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn nhƣng đƣợc phát triển nhanh chóng bởi vì
nó có nhiều lợi thế so với các hệ thống truyền thơng khác, đó là:

+ Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần ba vệ tinh là có thể phủ sóng tồn cầu.
+ Thiết bị phát sóng của hệ thống thơng tin vệ tinh chỉ cần công suất nhỏ.
+ Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thống thông tin vệ tinh trên mặt đất
tƣơng đối nhanh chóng và khơng phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng nhƣ hệ thống
truyền dẫn.
+ Hệ thống thông tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau nhƣ viễn
thơng thoại và phi thoại, thăm dị địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mục tiêu,
nghiên cứu khí tƣợng, phục vụ quốc phịng an ninh…
+ Thơng tin vệ tinh rất ổn định. Đã có nhiều trƣờng hợp bão to, động đất mạnh
làm cho các phƣơng tiện truyền thông khác mất tác dụng chỉ cịn duy nhất thơng tin
vệ tinh hoạt động.
+ Các thiết bị đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lƣợng mặt trời để cung cấp
điện hầu nhƣ cả ngày lẫn đêm.
Tuy vậy thông tin vệ tinh cũng có một số nhƣợc điểm, đó là:
+ Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo khá lớn.
+ Bức xạ của sóng vơ tuyến trong thông tin vệ tinh bị tổn hao lớn trong môi
trƣờng truyền sóng.
+ Khó bao phủ ở những vùng cực, khó đặt đúng quỹ đạo.
+ Góc ngẩng tƣơng đối thấp khi vĩ độ cao.
+ Thời gian trễ lớn.
1.3. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh
Quỹ đạo của vệ tinh là hành trình của vệ tinh trong khơng gian mà trong đó vệ
tinh đƣợc cân bằng bởi hai lực đối nhau. Hai lực đó là lực hấp dẫn của trái đất và
lực ly tâm đƣợc hình thành do độ cong của hành trình vệ tinh. Quỹ đạo của vệ tinh
có ba thơng số quan trọng: khoảng cách từ quỹ đạo vệ tinh đến mặt đất, hình dạng
và góc nghiêng so với mặt bình độ. Một thơng số chung của nó là mặt phẳng
chuyển động của vệ tinh phải đi qua tâm trái đất. Qũy đạo của vệ tinh nằm trên một

3

mặt phẳng có thể là hình trịn hoặc hình elip. Nếu quỹ đạo là trịn thì tâm của quỹ
đạo trịn trùng với tâm của trái đất.

Hình 1.1. Vệ tinh quỹ đạo trịn [1]
Nếu quỹ đạo là elip thì có một đầu elip nằm xa trái đất nhất gọi là viễn điểm
và đầu gần trái đất nhất gọi là cận điểm.

Hình 1.2. Qũy đạo elip [1]
Quỹ đạo thông dụng hiện nay của vệ tinh là những dạng quỹ đạo sau đây:
1.3.1. Các quỹ đạo hình elip
Loại quỹ đạo này đảm bảo phủ sóng các vùng vĩ độ cao dƣới một góc ngẩng
lớn. Góc ngẩng lớn là đặc biệt cần thiết trong những ứng dụng nhƣ:

4


+ Giảm thiểu việc chặn các tia do sự che khuất vệ tinh của các cao ốc và cây
cối.
+ Việc bám vệ tinh đƣợc dễ dàng hơn.
+ Giảm bớt đƣợc tạp âm mà anten trạm mặt đất thu nhận do can nhiễu từ các
hệ thống thông tin vô tuyến dƣới mặt đất.
1.3.2. Các quỹ đạo tròn
Quỹ đạo cực: vệ tinh có quỹ đạo trịn và có độ cao khoảng vài trăm đến nghìn
km với mặt phẳng quỹ đạo chứa trục quay của trái đất, loại quỹ đạo này đảm bảo
rằng vệ tinh có thể đi qua các vùng của trái đất. Ngƣời ta sử dụng loại quỹ đạo này
cho các vệ tinh quan sát nhƣ vệ tinh SPOT và phủ sóng tồn cầu nhƣ chùm vệ tinh
IRIUM.
Quỹ đạo nghiêng: khi mặt phẳng quỹ đạo không chứa trục quay trái đất và
cũng khơng vng góc với trục đó. Một số vệ tinh đƣợc tổ chức thành chùm vệ tinh

có quỹ đạo dạng trịn này, ở độ cao thấp (cỡ 1000km) có khả năng phủ sóng tồn
cầu trực tiếp đến ngƣời sử dụng nhƣ GLOBAL STAR, LEOSAT…
Qũy đạo xích đạo: quỹ đạo này nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất và
các vệ tinh trên quỹ đạo gọi là vệ tinh địa tĩnh (GEO – geostationary satellite). Độ
cao quỹ đạo là 35.768 km. Vệ tinh trong trƣờng hợp này xuất hiện nhƣ một điểm cố
định trên bầu trời với vùng phủ sóng của vệ tinh là 43% diện tích bề mặt trái đất. Ba
vệ tinh địa tĩnh trong trƣờng hợp này có thể phủ sóng tồn cầu.
Việc lựa chọn quỹ đạo nào trong thực tế còn phụ thuộc vào các ứng dụng cụ
thể, độ can nhiễu mà hệ thống có thể chấp nhận đƣợc.
Để vệ tinh có thể giữ nguyên vị trí của mình trong quỹ đạo đã đƣợc xác định,
ngƣời ta sử dụng một trong hai kỹ thuật ổn định, đó là ổn định quay hoặc ổn định ba
trục.
1.4. Vệ tinh Vinasat-1 và Vinasat-2
Vệ tinh VINASAT-1 là vệ tinh đầu tiên của Việt Nam đã đƣợc phóng lên quỹ
đạo vào ngày 19/04/2008. Vệ tinh đã đƣợc đƣa vào quỹ đạo 132ºE và hoạt động ổn
định. VINASAT-1 là vệ tinh địa tĩnh nằm cách mặt đất gần 36000 km. VINASAT-1
đi vào hoạt động đã làm hoàn thiện cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc quốc gia, cung

5


cấp các dịch vụ nhƣ: dịch vụ truyền dữ liệu, truyền hình quảng bá, dịch vụ điện
thoại, fax và internet thích hợp cho cả vùng sâu vùng xa, dịch vụ thu phát hình lƣu
động, dịch vụ trung kế mạng di động, truyền hình hội nghị, đảm bảo an ninh quốc
phịng…Đặc biệt cung cấp đƣờng truyền thông tin cho các trƣờng hợp khẩn cấp nhƣ
thiên tai, bão lũ, đƣờng truyền cho các nơi vùng xa, hải đảo mà các phƣơng tiện
truyền dẫn khác khó vƣơn tới đƣợc.
Từ khi đi vào hoạt động hệ thống Vinasat-1 và khi dung lƣợng sử dụng đến
70% ban quản lý đã thực hiện phóng vệ tinh Vinasat-2 tại vị trí 131,8 ºE trên quỹ
đạo địa tĩnh. Vệ tinh sử dụng băng tần Ku với số lƣợng phát đáp: 30(36 MHz/ bộ)

gồm 24 bộ khai thác thƣơng mại và 6 bộ dự phòng. Khả năng truyền dẫn: tƣơng
đƣơng 13000 kênh thoại/internet/truyền số liệu hoặc khoảng 150 kênh truyền hình.
Vệ tinh sử dụng tần số đƣờng lên: 13750-14500 MHz và đƣờng xuống 10.95011.700 MHz.
1.5. Cấu trúc vệ tinh
Vệ tinh VINASAT-1 thực chất là một trạm phát lặp tích cực trên tuyến thông
tin siêu cao tần: Trạm mặt đất - vệ tinh VINASAT – Trạm mặt đất thu, cấu trúc gồm
có 2 phần chính là:
+ Phần tải
+ Phần thân

Hình 1.3 Mơ hình vệ tinh Vinasat-1 [3]
1.5.1. Phân hệ tải
1.5.1.1. Tổng quan phân hệ tải

6


Đây là bộ phận quan trọng nhất trực tiếp cung cấp dịch vụ cho hệ thống thông
tin vệ tinh Vinasat-1. Phần tải của vệ tinh đƣợc thiết kế để hoạt động ở hai băng tần
là băng Ku và băng C.
Phân hệ tải của Vinasat-1 cung cấp 12 kênh băng Ku có độ rộng mỗi kênh là
36 MHz và 12 kênh băng C trong đó có 10 kênh có độ rộng là 36 MHz và 2 kênh có
độrộng là 72 MHz. Tải tin băng Ku sử dụng 12 trong số 16 bộ khuếch đại đèn sóng
chạy tuyến tính hóa có cơng suất là 108W và tải tin băng C sử dụng 8 trong số 11
bộ LTWTA công suất 68W để thực hiện 3 kênh thứ cấp.
Thiết bị trên băng Ku làm việc ở tần số hƣớng lên là 13,75–14 GHz và 14,2514,5 GHz và tần số hƣớng xuống là 10.95-11.2 GHz và 11.45-11.7 GHz. Thiết bị
trên băng C làm việc tại tần số hƣớng lên là 6.425-6.725 GHz và tần số hƣớng
xuống là 3.400-3.700 GHz.

Bảng 1.1 Phân bố tần số cho băng Ku [1]

7


Bảng 1.2 Phân bố tần số cho băng C [1]
1.5.1.2. Cấu tạo và hoạt động của phân hệ tải
+ Cấu tạo: Phân hệ có hai mặt phản xạ mơ hình lƣới kép đƣợc bố trí tại phía
đơng và phía tây của vệ tinh.
+ Băng Ku
Tải băng Ku sử dụng bề mặt phía sau của 2 khối gƣơng phản xạ dạng lƣới
kép
ở mặt Tây và mặt Đông. Phần sau của mặt Đơng nhận tín hiệu đƣờng lên với phân
cực thẳng và phần sau của anten mặt Tây phát tín hiệu đƣờng xuống với phân cực
ngang.

Hình 1.4. Sơ đồ khối chức năng phân hệ con tải tin ở băng Ku [8]
+ Băng C
Các anten của băng C nằm ở mặt trƣớc của hệ thống gƣơng phản xạ lƣới kép ở
cả mặt Tây và mặt Đơng. Mặt trƣớc phía đơng nhận và phát ở phân cực H cịn mặt
trƣớc phía tây để nhận và phát ở phân cực thẳng.

8


Hình 1.5 Sơ đồ khối chức năng phân hệ con tải tin băng C [8]
1.5.2. Phần thân
Phần thân không tham gia trực tiếp vào quá trình phát lặp của hệ thống thơng
tin vệ tinh nhƣng nó đảm bảo các điều kiện yêu cầu cho tải hữu ích thực hiện chức
năng của một trạm phát lặp. Phần thân đƣợc chia thành sáu phân hệ con: phân hệ
điều khiển đo xa CT&R (Command, Telemetry and Ranging), phân hệ điều khiển tƣ

thế GN&C (Guidance, Navigation and Control), phân hệ điều khiển đƣờng bay
FSW (Fly Software), phân hệ nguồn cho vệ tinh EPS (Electrical Power Subsystem),
phân hệ đẩy PSS (Propulsion Subsystem), phân hệ quản lý nhiệt TCS (Thermal
Control Subsystem).

Hình 1.6 Sơ đồ khối chức năng phần thân [1]
1.5.2.1. Phân hệ điều khiển đo xa

9


Phân hệ CT&R cung cấp cho vệ tinh các khả năng: thu nhận, xác nhận, phân
phối và thực hiện các lệnh tuyến lên. Do vậy, để cung cấp sự truyền thơng tin trong
mọi q trình hoạt động và với mọi tƣ thế của vệ tinh, phân hệ này có một anten vô
hƣớng và các anten loa cho Command và Telemetry. Trong các hoạt động quỹ đạo
thông thƣờng, các lệnh gửi lên vệ tinh đƣợc nhận bởi anten truyền thông băng C ở
phía đơng và anten loa thì đƣợc sử dụng để truyền Telemetry về mặt đất.
Phân hệ TC&R cũng thu thập, định dạng và chuyển tiếp các Telemetry từ tất
cả các phân hệ vệ tinh về trái đất. Phân hệ CT&R có khả năng tạo ra hai dịng
Telemetry đồng thời. Các dịng Telemetry này đƣợc điều chế khóa dịch pha và các
sóng mang con sau đó sẽ điều chế pha vào sóng mang Telemetry.
Việc tiếp nhận và phát lại các âm tần cũng đƣợc thực hiện trong phân hệ
CT&R thông qua các bộ phát Telemetry băng C. Phân hệ còn cung cấp khả năng xử
lý và tài nguyên bộ nhớ cần thiết để phục vụ cho phân hệ CT&R cũng nhƣ phục vụ
các yêu cầu từ các phân hệ khác. Bộ vi xử lý sẽ thực hiện các tính tốn giám sát,
điều khiển tƣ thế và đồng thời cũng thực hiện các chức năng giám sát, điều khiển
nhiệt độ của vệ tinh.
Phần RF của phân hệ này cũng có thể đƣợc sử dụng nhƣ một bộ phát đáp băng
tần hẹp cho các tín hiệu âm tần. Hoạt động của phân hệ là độc lập với hoạt động của
phân hệ truyền thông và không can nhiễu với lƣu lƣợng thông tin.

1.5.2.2. Phân hệ điều khiển tƣ thế
Phân hệ này cung cấp tƣ thế chính xác và ổn định của 3 trục trong suốt thời kỳ
hoạt động của vệ tinh. Trong quỹ đạo chuyển tiếp, các tên lửa đẩy đƣợc sử dụng cho
việc điều khiển các hoạt động từ khi phóng và trong quá trình thu nhận trái đất,
xoay tƣ thế và đốt động cơ viễn điểm. Các con quay hồi chuyển đƣợc sử dụng vào
tất cả các thời điểm khác. Trong quỹ đạo hoạt động, các con quay hồi chuyển đƣợc
sử dụng cho việc điều khiển thơng thƣờng cịn các tên lửa đẩy đƣợc sử dụng cho các
lần làm stationkeepping manuever. Việc điều chỉnh momen đôi khi đƣợc thực hiện
bởi các tên lửa đẩy. Trong quá trình hoạt động bình thƣờng, tƣ thế quán tính đƣợc
truyền sử dụng các tốc độ góc đƣợc đo bởi một bộ đo qn tính hoạt động liên tục.
Các chức năng của phân hệ trong quỹ đạo hoạt động:
+ Xác định tƣ thế của vệ tinh trong không gian.

10


+ Điều khiển tƣ thế của vệ tinh hƣớng đến vùng dịch vụ.
+ Thực hiện các quá trình maneuver để giữ vệ tinh trong vùng kinh độ và vĩ độ
cho phép.
+ Duy trì việc định hƣớng trong các quá trình maneuver.
+ Khôi phục tƣ thế hoạt động từ bất kỳ tƣ thế nào.
Phân hệ GN&C điều khiển tƣ thế của vệ tinh tới hƣớng mong muốn và duy trì
quỹ đạo trong vùng kinh độ và vĩ độ cho phép đã đƣợc xác định.
1.5.2.3. Phân hệ đẩy
Chức năng của phân hệ đẩy là giúp cho vệ tinh chuyển động sau khi đƣợc tách
ra khỏi thiết bị phóng. Nó bao gồm tạo các điều chỉnh tƣ thế, chuyển từ trạng thái ở
quỹ đạo chuyển tiếp sang quỹ đạo hoạt động và các maneuver thực hiện việc giữ
trạm.
Maneuver là quá trình thực hiện điều chỉnh quỹ đạo của vệ tinh. Có hai q
trình maneuver đƣợc thực hiện định kỳ hàng tuần là:

+ North-South: Điều chỉnh độ nghiêng của quỹ đạo vệ tinh
+ East-West: Điều chỉnh trôi kinh đô của vệ tinh và độ lệch tâm của quỹ đạo.
1.5.2.4. Phân hệ quản lý nhiệt
Phân hệ quản lý nhiệt của vệ tinh đƣợc thiết kế nhằm duy trì tất cả các thành
phần và thiết bị của vệ tinh trong khoảng nhiệt độ nhất định, khoảng nhiệt độ này
hẹp hơn ít nhất khoảng 20 °C so với dải nhiệt độ tiêu chuẩn của thiết bị. Khoảng
nhiệt độ tiêu chuẩn đƣợc định nghĩa là khoảng nhiệt độ mà tại đó mỗi thành phần
của thiết bị đã đƣợc kiểm nghiệm và chứng nhận hoạt động an toàn, thỏa mãn tất cả
các yêu cầu của phân hệ.
Phân hệ này có nhiệm vụ điều khiển nhiệt độ của vệ tinh, nó điều khiển nhiệt
độ của các phân hệ con và các thành phần vệ tinh nhƣ:
+ Điều khiển nhiệt độ OBC.
+ Điều khiển nhiệt độ phân hệ con truyền thông.
+ Điều khiển nhiệt độ phân hệ con nguồn.
+ Điều khiển nhiệt phân hệ con đẩy.
+ Điều khiển nhiệt phân hệ con điều khiển tƣ thế.

11


+ Điều khiển nhiệt phân hệ con TT&C.
1.5.2.5. Phân hệ nguồn cho vệ tinh
EPS có chức năng phát, lƣu trữ, điều phối nguồn điện đƣợc cung cấp cho các
tải khác nhau trên vệ tinh trong suốt quá trình hoạt động 15 năm. Các chức năng
này đƣợc thực hiện dựa trên hệ thống BUS trong tất cả điều kiện môi trƣờng cụ thể.
EPS đƣợc thiết kế, chế tạo và kiểm tra để đáp ứng các yêu cầu năng lƣợng cụ
thể của Vinasat, hỗ trợ cho:
+ 12 đèn TWT băng Ku hoạt động ở trạng thái bão hòa từ lúc bắt đầu hoạt
động cho đến khi kết thúc.
+ 8 đèn TWT băng C hoạt động ở trạng thái bão hòa từ lúc bắt đầu hoạt động

cho đến khi kết thúc.
Cấu hình EPS là một cấu hình truyền năng lƣợng trực tiếp nhằm giảm thiểu sự
suy hao giữa tấm pin mặt trời và các tải trong khi giảm bớt độ phức tạp và khối
lƣợng chuyển tải công suất tải.
EPS bao gồm sáu bộ phận chức năng chính; tấm pin mặt trời, pin, khối điều
hịa nguồn, cầu chì bảo vệ, điều khiển quay tấm pin mặt trời và hệ thống quản lý
phân hệ nguồn.
Nguồn cung cấp chính của vệ tinh là tấm pin mặt trời gồm 2 cánh mỗi cánh
gồm 2 panel. Các panel trên mỗi cánh đƣợc bố trí trên các mặt Bắc/Nam. Các cánh
đƣợc quay để luôn hƣớng về mặt trời.
1.5.2.6. Phân hệ điều khiển đƣờng bay
Tƣ thế bay của vệ tinh liên quan đến việc định hƣớng không gian, phần lớn
các thiết bị mang trên tàu là nhằm hỗ trợ cho việc điều khiển tƣ thế bay của vệ tinh.
Tƣ thế bay của vệ tinh có thể bị thay đổi do ảnh hƣởng bởi trƣờng hấp dẫn của trái
đất, của mặt trăng, các bức xạ mặt trời và sự va chạm các thiên thạch. Việc điều
khiển tƣ thế vệ tinh cần phải biết các thông số của việc định hƣớng vệ tinh trong
không gian và một vài chiều hƣớng dịch chuyển. Để phát hiện những sai lệch tƣ thế
ngƣời ta dùng một hệ thống cảm biến nhƣ: cảm biến trái đất (theo bức xạ hồng
ngoại, sóng vơ tuyến điện), cảm biến mặt trời (theo ánh sáng), con quay hồi chuyển
(phát hiện những thay đổi so với hƣớng quán tính của trục quay). Bất kỳ sự sai lệch

12


tƣ thế nào đều đƣợc phát hiện bởi các bộ cảm biến và tín hiệu điều khiển đƣợc
chuyển đến hệ thống tự điều khiển của vệ tinh và hệ thống điều khiển ở mặt đất để
xử lý.
FSW hỗ trợ sự thay đổi của các chức năng tự động. FSW thực hiện việc xác
định tƣ thế full-time trong tất cả các chu trình. Nó tạo ra khả năng gần nhƣ tự vận
hành trong quá trình chuyển quỹ đạo và dễ dàng điều khiển từ mặt đất.

1.5.3. Cấu hình trạm vệ tinh với một bộ phát đáp đơn giản

Hình 1.7 Cấu trúc bộ phát đáp thơng thường [2]
Tín hiệu từ trạm phát mặt đất truyền lan đến anten thu của vệ tinh đƣợc anten
khuếch đại lên rồi qua mạch lọc thông dải để loại bỏ các tín hiệu ngồi dải tần cơng
tác của bộ phát đáp, sau đó tín hiệu đƣợc khuếch đại đủ lớn để thực hiện đổi tần,
yêu cầu của tầng khuếch đại này là hệ số khuếch đại tạp âm thấp. Tần số tín hiệu
này trộn với tần số dao động nội tạo ra các tần số khác, các tần số đó đƣợc đƣa qua
mạch lọc thơng dải để lấy ra tần số cần thiết (tần số tuyến xuống). Tín hiệu sau khi
qua bộ lọc đƣợc đƣa vào mạch khuếch đại cơng suất cao khuếch đại tín hiệu đến
mức thiết kế rồi đƣa đến anten bức xạ xuống trạm mặt đất.
1.5.4. Phân bố dải tần của bộ phát đáp
Băng tần phân bổ cho bộ phát đáp vệ tinh có thể từ vài trăm MHz lên đến vài
GHz. Băng tần này thƣờng đƣợc chia thành các băng tần con. Hầu hết các bộ phát
đáp thƣờng đƣợc thiết kế với dải thơng 36 MHz, 54 MHz hoặc 72 MHz, trong đó
dải thông 36 MHz là chuẩn đƣợc dùng phổ biến cho dịch vụ truyền hình băng C.
Hiện nay một số loại bộ phát đáp có xử lý tín hiệu đã đƣợc đƣa vào sử dụng và nhƣ
vậy có thể cải thiện đƣợc chất lƣợng lỗi (đối với truyền tín hiệu số). Trong quỹ đạo

13


địa tĩnh, mỗi vệ tinh đƣợc đặt ở một vị trí tọa độ xác định và làm việc với một băng
tần xác định. Ví dụ trong băng C, vệ tinh đƣợc sử dụng một phân định phổ rộng là
500 MHz. Nhƣ vậy vệ tinh có thể đặt 24 bộ phát đáp liền kề nhau và mỗi bộ phát
đáp sử dụng dải thông 36 MHz trong dải thông phân định 500 MHz. Có thể thực
hiện đƣợc điều đó bằng cách bố trí 12 bộ phát đáp làm việc với tín hiệu sóng bức xạ
phân cực đứng và 12 bộ phát đáp làm việc với phân cực ngang.

Hình 1.8 Phân bố dải tần của bộ phát đáp vệ tinh 6/4 GHz [8]

Các vệ tinh loại này chủ yếu chuyển tiếp cho tín hiệu hình. Để các vệ tinh địa
tĩnh khơng gây nhiễu lẫn nhau thƣờng phải đặt tọa độ cách nhau 2° cho vệ tinh băng
C, cách nhau 3° cho vệ tinh băng Ku.
1.6. Trạm mặt đất
Trạm mặt đất là trạm liên lạc với vệ tinh thông qua giao diện vô tuyến. Vì các
trạm mặt đất nằm ở hai đầu của tuyến vệ tinh cho nên tại đây thƣờng diễn ra các q
trình xử lý tín hiệu từ băng tần cơ bản đến cao tần qua anten phát lên vệ tinh.

14