Tính toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh hà nội hoàng sa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

TÍNH TỐN THIẾT KẾ TUYẾN THƠNG TIN
VỆ TINH HÀ NỘI – HOÀNG SA

Sinh viên thực hiện:

PHẠM THỊ LIÊN
Lớp 48K ĐTVT

Giảng viên hướng dẫn: ThS. CAO THÀNH NGHĨA

Nghệ An, 1/2012
1


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 3
TÓM TẮT ĐỒ ÁN............................................................................................ 5
DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN ................................... 5
DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN .............................. 7
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN ........................ 8
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH ............ 10
1.1. Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh ............................................... 10

1.2. Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh ............................................. 12
1.3. Hệ thống thông tin vệ tinh.................................................................... 13
1.4. Các dạng quỹ đạo của thông tin vệ tinh ............................................... 15
1.5. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh .................................................... 17
1.5.1. Cửa sổ vô tuyến............................................................................... 17
1.5.2. Phân định tần số ............................................................................ 18
1.5.3. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh ......................................... 18
1.6. Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh .................................. 19
1.6.1. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA ............. 20
1.6.2. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA ........ 21
1.6.3. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA ................. 23
1.7. Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh...................................... 24
1.7.1. Suy hao .......................................................................................... 24
1.7.2. Tạp âm trong thông tin vệ tinh ...................................................... 28
1.7.3. Hiệu ứng Doppler .......................................................................... 34
1.7.4. Trễ truyền dẫn ............................... Error! Bookmark not defined.
1.7.5. Hiệu ứng nhiều đường................................................................... 34
1.8. Vệ tinh VINASAT – 1 ......................................................................... 35
1.8.1. Các thông tin chung ...................................................................... 35
1.8.2. Một số thông số kỹ thuật cơ bản ................................................... 35
1.9.Kết luận chương .................................................................................... 36
2


Chương 2 . HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH........................................... 38
2.1. Phần không gian ................................................................................... 38
2.1.1. Phân hệ thông tin........................................................................... 38
2.1.2. Bộ phát đáp ................................................................................... 40
2.1.3. Anten trên vệ tinh .......................................................................... 44
2.1.4. Phân hệ phụ trợ ............................................................................. 46

2.2. Phần mặt đất ......................................................................................... 50
2.2.1. Cấu hình trạm mặt đất ................................................................... 50
2.2.2. Cơng nghệ máy phát....................................................................... 52
2.1.3. Công nghệ máy thu ....................................................................... 53
2.2.4. Anten trạm mặt đất ........................................................................ 56
2.2.5. Hệ thống anten bám vệ tinh ............................................................ 59
2.3. Kết luận chương ................................................................................... 61
Chương 3. THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH ............................... 62
3.1. Giới thiệu chung ................................................................................... 62
3.2. Các tham số cần cho tính tốn ............................................................. 63
3.2.1. Tính tốn cự ly thơng tin, góc ngẩng và góc phương vị ............... 64
3.2.2. Tính tốn kết nối đường lên (UPLINK) ........................................ 66
3.2.3. Tính tốn kết nối đường xuống (DOWNLINK) ........................... 68
3.3. Bài toán thiết kế tuyến thơng tin vệ tinh giữa Hà Nội – Hồng Sa qua
vệ tinh Vinasat1........................................................................................... 69
3.3.1. Tính tốn các thơng số tuyến lên (UpLink) .................................. 71
3.3.2. Tính tốn tuyến xuống (DownLink) ............................................. 73
3.4. Thiết kế chương trình hỗ trợ tính tốn ................................................. 76
3.5. Kết luận chương ................................................................................... 80
KẾT LUẬN ĐỀ TÀI ....................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 82
PHỤ LỤC ........................................................................................................... i
LỜI NÓI ĐẦU
3


Trong những thập kỷ qua, cùng với sự phát triển của khoa học, cơng
nghệ ngành viễn thơng đã có những phát triển vượt bậc, đáp ứng nhu cầu trao
đổi thông tin góp phần khơng nhỏ trong cơng cuộc xậy dựng và định hướng
phát triển của xã hội loài người.

Chúng ta sống trong kỷ nguyên của sự bùng nổ thông tin, việc trao đổi
thông tin diễn ra khắp mọi nơi trên thế giới với u cầu nhanh chóng và chính
xác. Đối với thông tin quốc tế, thông tin vệ tinh đã cung cấp những đường
thông tin dung lượng lớn khi tầm liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh và từ
đó xây dựng một tuyến liên lạc phù hợp. Đây là lĩnh vực đang còn mới với
nhiều ưu điểm và có tốc độ phát triển nhanh chóng nên em lựa chọn đề tài này
để nghiên cứu những vấn đề trên cũng như để trang bị thêm các kiến thức cho
bản thân. Được sự hướng dẫn của ThS. Cao Thành Nghĩa em chọn đề tài
“ Tính tốn thiết kế tuyến thơng tin vệ tinh Hà Nội – Hoàng Sa”
Với sự giúp đỡ tận tình của thầy, em đã cố gắng vận dụng các kiến thức
đã học để hoàn thành đồ án, nhưng vì thời gian hạn chế nên trong đồ án nên
trong đồ án này khơng tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong được sự góp ý, chỉ
bảo của thầy cơ và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử viễn thông đã
giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và đặc biệt là sự hướng dẫn, chỉ bảo
của ThS. Cao Thành Nghĩa giúp em hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Vinh, tháng 1 năm 2012
Sinh viên thực hiện
Phạm Thị Liên

4


TĨM TẮT ĐỒ ÁN
Thơng tin vệ tinh là một phương pháp truyền tín hiệu mà hiện nay được
sử dụng khá phổ biến.Và mục đích của đồ án là tìm hiểu về tuyến thơng tin vệ
tinh và qua đó có thể đưa ra thiết kế một tuyến vệ tinh ở một khu vực nào đó.
Trong phần đầu tìm hiểu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh gồm ưu
nhược điểm, các phương pháp đa truy nhập, các dạng quỹ đạo, tần số sử dụng

trong thông tin vệ tinh. Phần tiếp theo tìm hiểu cấu trúc hệ thống thơng tin vệ
tinh. Và phần cuối là thiết kế tuyến thông tin vệ tinh Hà Nội – Hoàng Sa qua
vệ tinh Vinasat1.
Satellite communication is a method of signaling that is now widely
used. The purpose of the scheme is studing about line satellite communication
and make it possible to design a sallite ina certain area. In the first part
understand overview of satellite communication systems, including
advantages and disadvantages, multiple access methods, the types of orbits
and frequencies used in satellite communication. The next section to study the
structure of satellite communication systems. And the end is the design of
satellite communication route Hanoi – Hoang Sa by Vinasat1 satellite.

5


DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
Hình 1.1. Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh ......................................... 13
Hình 1.2. Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh ............................................... 15
Hình 1.3. Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số ..... 17
Hình 1.4. Đa truy nhập phân chia theo tần số ................................................. 20
Hình 1.5. Đa truy nhập phân chia theo thời gian ............................................ 21
Hình 1.6. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã ....................................... 23
Hình 1.7. Suy hao trong thiết bị phát và thu ................................................... 27
Hình 1.8. Can nhiễu giữa viba và trạm mặt đất và vệ tinh ............................. 31
Hình 1.9. Can nhiễu giữa các hệ thống thơng tin vệ tinh................................ 32
Hình 1.10. Đặc tính vào ra của TWT .............................................................. 33
Hình 2.1. Phần khơng gian của hệ thống thơng tin vệ tinh ............................. 38
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bộ phát đáp ............................................................... 40
Hình 2.3. Sơ đồ cấu tạo máy thu ..................................................................... 41
Hình 2.4. Sơ đồ bộ phân kênh đầu vào ........................................................... 42

Hình 2.5. Anten loa hình chữ nhật .................................................................. 45
Hình 2.6. Anten phản xạ ................................................................................. 45
Hình 2.7. Các trục ổn định của vệ tinh............................................................ 47
Hình 2.8. Cấu hình của một trạm mặt đất ....................................................... 51
Hình 2.9. Cấu hình bộ khuếch đại cơng suất cao ............................................ 52
Hình 2.10. Hệ số tạp âm .................................................................................. 54
Hình 2.11. Anten gương parabol ..................................................................... 57
Hình 2.12. Các anten lệch ............................................................................... 58
Hình 2.13. Sự nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo địa tĩnh ................................. 59
Hình 2.14. Cửa sổ cho phép vệ tinh chuyển động tự do ................................. 60
Hình 3.1. Các tham số của đường truyền trạm mặt đất- vệ tinh ..................... 63
Hình 3.2. Góc phương vị của vệ tinh .............................................................. 64

6


Hình 3.3. Giao diện chính ............................................................................... 77
Hình 3.4. Giao diện tính tốn tuyến lên ......................................................... 77
Hình 3.5. Kết quả tính tốn tuyến lên ............................................................. 78
Hình 3.6. Giao diện tính tốn tuyến xuống .................................................... 78
Hình 3.7. Kết quả tính tốn tuyến xuống điều kiện có mưa .......................... 79
Hình 3.8. Kết quả tính tốn tuyến xuống trong điều kiện khơng có mưa ...... 79

DANH SÁCH CÁC BẢNG SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Bảng 1.1. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh ........................................... 19
Bảng 1.2. Suy giảm của khí quyển theo tần số ............................................... 27
Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của các loại HPA ........................................ 44
Bảng 2.2. So sánh các bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) .............................. 56

7


CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
CCIR

Comite Consultatif

Uỷ ban tư vấn vơ tuyến quốc tế

International des
Radiocommunications
ITU

International

Liên đồn viễn thông quốc tế

Telecommunications Union
Code Division Multiplex

Đa truy nhập phân chia theo

Access

mã

Equiralent Isotropic

Công suất phát xạ đẳng hướng

Radiated Power

tương đương

Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần

Multiplex

số

Frequency Division

Đa truy nhập phân chia theo

Multiplex Access

tần số

FET

Field Effect Transistor

Transistor hiệu ứng trường

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

GEO

Geostationary Earth Orbit

Quỹ đạo địa tĩnh

HEMT

High Electron Mobility

Transistor độ linh động điện tử

Transistor

cao

HPA

High Power Amplifier

Bộ khuếch đại công suất cao

IBO

Input background color off

Độ lùi đầu vào

IMUX

In Multiplexer

Bộ phân kênh đầu vào

CDMA

EIRP

FDM

FDMA

INTELSAT International
Telecommunications

Tổ chức vệ tinh viễn thông
quốc tế

Sattelite Organization
KLY

Klytron

Đèn klytron

LEO

Low Earth Orbit

Quỹ đạo trái đất tầm thấp

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp
8


LO

Local ossilator

Bộ dao động nội

MEO

Medium Earth Orbit

Quỹ đạo trái đất tầm trung

OBO

Output back off

Độ lùi đầu ra

OMUX

Out Multiplexer

Bộ ghép kênh đầu ra

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

PSK

Phase Shift Keying

Điều chế pha số

SPD

Saturation Power Density

Mật độ cơng suất bão hịa

SSPA

Solid State Power Amplifier

Bộ khuếch đại bán dẫn

TDM

Time Division Multiplex

Ghép kênh phân chia theo thời
gian

TDMA

TT&C

Time Division Multiplex

Đa truy nhập phân chia theo

Access

thời gian

Telemetry, Tracking and

Đo lường, bám và điều khiển

Command
Telementry, Tracking,

Đo lường từ xa, theo dõi, kiểm

Control and Monitoring

soát và giám sát

TWT

Traveling Wave Tube

Đèn sóng chạy

TWTA

Traveling Wave Tube

Bộ khuếch đại đèn sóng chạy

TTC&M

Amplituder
XPD

Cross-Polarization

Khả năng phân biệt phân cực

Discrimination

chéo

9

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THƠNG TIN VỆ TINH
Thơng tin vệ tinh là một phương tiện truyền thông mà hiện nay được sử
dụng khá phổ biến ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Mỗi phương tiện
truyền thơng có một đặc trưng riêng và thông tin vệ tinh cũng vậy. Chương
này sẽ đề cập đến những đặc trưng cơ bản như cấu trúc hệ thống, ưu nhược
điểm, tần số sử dụng, các quỹ đạo, các phương pháp truy nhập...của hệ thống
thông tin vệ tinh. Và trong nội dung dưới đây chúng ta sẽ thấy những ưu điểm
nổi trội hay những nhược điểm tồn tại của phương thức truyền dẫn này so với
các phương thức truyền dẫn khác ở mặt đất.
1.1. Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh
- Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1035) đã đưa ra
các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. Ông cũng đưa ra ý
tưởng về tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có người điều khiển dùng để thăm
dị vũ trụ.
- Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa
đẩy dùng nhiên liệu lỏng.
- Tháng 5 năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý nổi tiếng người Anh đồng
thời là tác giả của mơ hình viễn tưởng thơng tin tồn cầu, đã đưa ra ý tưởng sử
dụng một hệ thống gồm 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh quảng bá trên toàn
thế giới.
- Tháng 10 / 1957 lần đầu tiên trên thế giới, Liên Xơ phóng thành cơng
vệ tinh nhân tạo SPUTNIK - 1. Đánh dấu một kỷ nguyên về thông tin vệ tinh.
- Năm 1958 bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ.
- Năm 1964 thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTELSAT.
- Năm 1965 ra đời hệ thống thông tin vệ tinh thương mại đầu tiên
INTELSAT-1 với tên gọi Early Bird. Cuối năm 1965 liên xơ phóng thơng tin
vệ tinh MOLNYA lên quỹ đạo elip.
10

- Năm 1971 thành lập tổ chức thông tin vệ tinh quốc tế INTERSPUTNIK
gồm Liên Xô và 9 nước XHCN.
- Năm 1972-1976 Canada, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho
thông tin nội địa.
- Năm 1979 thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh
INMARSAT.
- Năm 1984 Nhật bản đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp
qua vệ tinh.
- Năm 1987 Thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di
động qua vệ tinh.
- Thời kỳ những năm 1999 đến nay, ra đời ý tưởng và hình thành những
hệ thống thơng tin di động và thơng tin băng rộng tồn cầu sử dụng vệ tinh.
* Sự phát triển thông tin vệ tinh ở Việt Nam:
- Năm 1980, khánh thành trạm thông tin vệ tinh mặt đất Hoa sen-1 nằm
trong hệ thống thông tin vệ tinh INTERPUTNIK, được đặt tại Kim Bảng –
Hà Nam. Trạm thông tin vệ tinh Hoa sen-1 là của nhà nước Liên Xô tặng
nhân dân Việt Nam.
- Năm 1984, khánh thành trạm thông tin vệ tinh mặt đất Hoa sen-2 đặt
tại Thành phố Hồ Chí Minh.
- Ngày 24/09/1998, Thủ tướng chính phủ ra quyết định 868/QĐ-TTG về
việc thơng qua báo cáo dự án phóng vệ tinh viễn thông VINASAT lên quỹ
đạo địa tĩnh do tổng Công ty Bưu chính viễn thơng Việt Nam làm chủ đầu tư.
-Tháng 4 năm 2008, Việt Nam đã thuê Pháp phóng thành công vệ tinh
VINASAT-1 (mua của Mỹ) lên quỹ đạo địa tĩnh. Với sự kiện này, Việt Nam trở
thành nước thứ 6 trong khu vực và nước thứ 93 trên thế giới có vệ tinh riêng.
- Dự kiến đến năm 2012, Việt Nam sẽ có vệ tinh VINASAT-2 phóng lên
quỹ đạo và vào năm 2014 sẽ phóng vệ tinh viễn thám [2].

11

1.2. Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh
Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến
nhanh chóng vì nhiều lý do khác nhau. Các ưu điểm chính của thơng tin vệ
tinh so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống
cáp quang và hệ thống chuyển tiếp viba số là:
- Tính quảng bá rộng lớn cho mọi địa hình, vùng phủ sóng lớn, từ quỹ
đạo địa tĩnh cách bề mặt trái đất khoảng 36.0000 km vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3
bề mặt trái đất. Như vậy với ba vệ tinh thì vùng phủ sóng có thể bao gồm tồn
cầu trừ hai cực.
- Có khả năng đa truy cập, dung lượng thông tin lớn. Cùng một bộ phát
đáp trên vệ tinh có thể dùng chung cho nhiều trạm mặt đất. Với băng tần làm
việc rộng nhờ áp dụng các kỹ thuật sử dụng lại băng tần, hệ thống thông tin vệ
tinh cho phép đạt tới dung lượng lớn trong một thời gian ngắn mà không một
loại hình thơng tin nào khác có thể đạt đựợc.
- Chất lượng và độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin vệ tinh chỉ có
ba trạm, trong đó vệ tinh có vai trị như trạm lặp cịn hai trạm mặt đất đầu cuối
nên xác suất hư hỏng trên tuyến là rất thấp.
-Tính linh hoạt cao, hiệu quả kinh tế lớn: hệ thống thơng tin vệ tinh
đựợc thiết lập nhanh chóng trong điều kiện các trạm mặt đất ở xa nhau hoặc
các địa hình phức tạp, dung lượng có thể thay đổi tùy theo yêu cầu.
- Đa dạng về loại hình phục vụ: thơng tin vệ tinh có thể cung cấp các loại
hình dịch vụ thư thoại, fax, phát thanh, truyền hình quảng bá, thơng tin di động
qua vệ tinh…
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên vệ tinh cũng có những nhược
điểm quan trọng đó là:
- Trễ truyền dẫn lớn do khoảng cách truyền dẫn xa.
- Ảnh hưởng của tạp âm và suy hao lớn : Trong quá trình truyền lan thì
tín hiệu phải qua nhiều thiết bị thu phát, qua không gian với khoảng cách lớn

cũng với nhiều yếu tố ảnh hưởng suy hao do khí quyển hoặc thời tiết. Tất cả
12


yếu tố đó làm suy hao tín hiệu rất lớn.
- Giá thành lắp đặt hệ thống rất cao, chi phí để phóng vệ tinh tốn kém và
vẫn tồn tại xác suất rủi ro.
- Thời gian sử dụng hạn chế, khó bảo dưỡng sửa chữa và nâng cấp: Mỗi vệ
tinh có tuối thọ nhất định, và vệ tinh khi đã phóng lên ở xa trái đất nên mọi hoạt
động điều khiển vệ tinh chỉ thơng qua trạm điều khiển do đó khi sai hỏng khó
sửa chữa.
1.3. Hệ thống thơng tin vệ tinh
Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm phần khơng gian và phần mặt đất
được mơ tả như hình vẽ 1.1

Phân hệ
không gian

g
Đ

g
ờn
ư
Đ

xu
lên
ng
ườ

ờn
g
Đư

Trạm mặt
đất 1

ốn

Trạm điều
khiển

xu

ốn

g

Đư

ờn
g

lên

Vệ tinh

Phân hệ mặt đất

Trạm mặt
đất 2

Hình 1.1. Cấu trúc một hệ thống thơng tin vệ tinh

13


Phần không gian bao gồm vệ tinh và các trạm điều khiển ở mặt đất. Đối với
vệ tinh bao gồm phân hệ thông tin và các phân hệ phụ trợ cho phân hệ thông tin :
+ Phân hệ thông tin bao gồm hệ thống anten thu phát và tất cả các thiết
bị điện tử hỗ trợ truyền dẫn sóng mang
+ Các phân hệ phụ trợ gồm : Khung vệ tinh, phân hệ cung cấp năng
lượng, phân hệ điều khiển nhiệt độ, phân hệ điều khiển quỹ đạo và tư thế vệ
tinh, phân hệ đẩy.
Nhiệm vụ của phân hệ thông tin:
- Khuếch đại sóng mang thu được phục vụ cho việc phát lại trên đường
xuống. Cơng suất sóng mang tại đầu vào máy thu vệ tinh nằm trong khoảng
pW. Công suất sóng mang tại đầu ra bộ khuếch cơng suất cao nằm trong
khoảng 10W đến 100W. Do vậy, bộ khuếch đại công suất của bộ phát đáp vệ
tinh khoảng 100dB đến 130dB.
- Thay đổi tần số sóng mang để tránh một phần công suất phát đi vào
máy thu vệ tinh.
Phần mặt đất bao gồm tất cả trạm mặt đất, những trạm này thường
được nối trực tiếp hoặc thông qua các mạng mặt đất để đến các thiết bị đầu
cuối của người sử dụng.
+ Nhiệm vụ trạm mặt đất phát: Tiếp nhận các tín hiệu từ mạng mặt đất
hoặc trực tiếp từ các thiết bị đầu cuối của người sử dụng, xử lý các tín hiệu
này trong trạm mặt đất sau đó phát tín hiệu này ở tần số và mức độ cơng suất
thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh.

+ Nhiệm vụ trạm mặt đất thu: Thu sóng mang trên đường xuống của vệ
tinh ở tần số chọn trước, xử lý tín hiệu này trong trạm để chuyển thành các tín
hiệu băng gốc sau đó cung cấp cho các mạng mặt đất hoặc trực tiếp tới các
thiết bị đầu cuối của người sử dụng.
Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu và phát lưu lượng một cách
đồng thời hoặc trạm chỉ phát hoặc chỉ thu [2].

14


1.4. Các dạng quỹ đạo của thông tin vệ tinh

Quỹ đạo
elip nghiêng

Quỹ đạo
xích đạo
Quỹ đạo
cực trịn

Hình 1.2. Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh
Sự chuyển động của vệ tinh tuân theo ba định luật Kepler, định luật này
xác định quy luật chuyển động của hành tinh xung quanh mặt trời. Và các quỹ
đạo vệ tinh được phân loại thành ba loại sau.
- Quỹ đạo cực tròn
- Quỹ đạo elip nghiêng
- Quỹ đạo xích đạo trịn
Trong hệ thống viễn thơng chỉ sử dụng quỹ đạo xích đạo trịn nên trong
đồ án này chỉ đề cập đến quỹ đạo này. Đối với dạng quỹ đạo xích đạo trịn, vệ
tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo và là dạng quỹ đạo được dùng cho vệ

tinh địa tĩnh, nếu vệ tinh bay ở một độ cao đúng thì dạng qũy đạo này sẽ lý
tưởng đối với các vệ tinh thông tin.
* Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geostationalry Earth Orbit)
- Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo trịn ở độ cao
khoảng 36.000 km so với đường xích đạo, vệ tinh loại này bay xung quanh
quả đất một vòng mất 24 giờ bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục
Bắc- Nam.
- Mặt phẳng quỹ đạo nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất nghĩa
là góc nghiêng bằng 0.
- Có cùng chiều quay với chiều quay của trái đất từ Tây sang Đông.
15


 Ưu điểm:
- Hiệu ứng Dopler rất nhỏ do đó việc điều chỉnh anten trạm mặt đất là
không cần thiết.
- Vệ tinh được coi là đứng yên so với trạm mặt đất. Do vậy, đây là quỹ
đạo lý tưởng cho các vệ tinh thơng tin, nó đảm bảo thơng tin ổn định và liên
tục suốt 24h.
- Vùng phủ sóng của vệ tinh lớn bằng 42.2% bề mặt trái đất.
- Các trạm mặt đất ở xa có thể liên lạc trực tiếp và hệ thống 3 vệ tinh có
thể phủ sóng toàn cầu.
 Nhược điểm:
- Quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo duy nhất tồn tại trong vũ trụ và được coi
là một tài nguyên thiên nhiên có hạn. Tài nguyên này đang cạn kiệt do số
lượng vệ tinh của các nước phóng lên càng nhiều.
- Khơng phủ sóng được những vùng có vĩ độ lớn hơn 81.30.
- Chất lượng đường truyền phụ thuộc vào thời tiết.
- Thời gian trễ truyền lan lớn.
- Tính bảo mật khơng cao.

- Suy hao cơng suất trong truyền sóng lớn, gần 200dB.
Ứng dụng: Được sử dụng làm quỹ đạo cho vệ tinh thông tin bảo đảm
thơng tin cho các vùng có vĩ độ nhỏ hơn 81.30.
* Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit)
Vệ tinh MEO ở độ cao từ 10.000 km đến 20.000 km, chu kỳ của quỹ
đạo là 5 đến 12 giờ, thời gian quan sát vệ tinh từ 2 đến 4 giờ. Ứng dụng cho
thông tin di động hay thông tin radio. Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh
để phủ sóng tồn cầu. Loại này có giá thành vừa phải, độ trễ truyền dẫn nhỏ
nhưng có nhược điểm là có tổn hao lớn.

16


* Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit)
Đối với dạng quỹ đạo này vệ tinh bay ở độ cao trong khoảng 400 km đến
1200 km, nó có chu kỳ 90 phút. Sự gần kề của các vệ tinh LEO có thuận lợi là
thời gian để dữ liệu phát đi đến vệ tinh và đi về là rất ngắn. Do khả năng thực
hiện nhanh của nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ tồn cầu giữa các mạng và loại
hình hội thoại vơ tuyến truyền hình sẽ có hiệu quả và hấp dẫn hơn. Nhưng hệ
thống LEO địi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại này mới bao trùm hết bề mặt
địa cầu và loại này thường có thời gian sử dụng ngắn khoảng từ 1- 3 tháng [2].
1.5. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
1.5.1. Cửa sổ vô tuyến
100
Suy hao do mưa 25mm/h

Suy hao (dB)

Suy hao do
50

tầng điện ly

10
5
1

Cửa sổ tần số

0,1

0,5

1

5

10

50

100

Tần số (GHz)

Hình 1.3. Đồ thị biểu diễn suy hao do mưa và do tầng điện ly theo tần số
Các sóng vơ tuyến điện truyền đến hay đi từ các vệ tinh thơng tin ngồi
suy hao đường truyền do cự ly còn chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và khí
quyển. Tầng điện ly cách mặt đất 50- 400km là một lớp khí lỗng bị ion hố
bởi các tia vũ trụ và nó có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng. Tuy nhiên nó chỉ
ảnh hưởng nhiều với băng sóng ngắn, tần số càng cao thì càng ít ảnh hưởng.

Từ hình vẽ ta thấy các tần số nằm trong khoảng giữa 1GHz và 10GHz
thì suy hao kết hợp do tầng điện ly và mưa nhỏ là không đáng kể, do vậy băng
17


tần này được gọi là "cửa sổ tần số". Lúc đó nếu sóng nằm trong cửa sổ vơ
tuyến thì suy hao truyền dẫn có thể được xem gần đúng là suy hao khơng gian
tự do. Vì vậy, cho phép thiết lập các đường thông tin vệ tinh ổn định, nhưng
phải lưu ý đến sự can nhiễu với các đường thông tin viba trên mặt đất vì các
sóng trong thơng tin viba cũng sử dụng tần số nằm trong cửa sổ này. Ngồi ra,
khi mưa lớn thì suy hao do mưa trong cửa sổ tần số cần phải được tính tốn,
xem xét thêm để kết quả tính tốn có độ chính xác cao hơn [2].
1.5.2. Phân định tần số
Phân định tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quá trình rất phức tạp
địi hỏi sự cộng tác quốc tế và có quy hoạch. Phân định tần được thực hiện
dưới sự bảo trợ của Liên đồn viễn thơng quốc tế (ITU). Để tiện cho việc quy
hoạch tần số, toàn thế giới được chia thành ba vùng:
Vùng 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên xô cũ và Mông Cổ.
Vùng 2: Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Đảo Xanh.
Vùng 3: Châu Á (trừ vùng 1), Úc và Tây nam Thái Bình Dương, trong
đó có cả Việt Nam.
Trong các vùng này băng tần được phân định cho các dịch vụ vệ tinh
khác nhau, mặc dù một dịch vụ có thể được cấp phát các băng tần khác nhau
ở các vùng khác nhau [1].
1.5.3. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh nằm trong băng tần siêu cao
SHF (Super High Frequency) từ 3 đến 30 GHz, trong phổ tần số sử dụng cho
vệ tinh người ta còn chia các băng tần nhỏ với phạm vi ứng dụng như bảng 1.1
Hiện nay, băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất.
‫ ٭‬Băng C (6/4 GHz) nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, suy hao ít do

mưa, trước đây được dùng cho các hệ thống viba mặt đất. Sử dụng chung cho
hệ thống Intelsat và các hệ thống khác bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực
và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa.
18


‫ ٭‬Băng Ku (14/12 và 14/11 GHz), được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C
cho viễn thông công cộng, dùng nhiều cho thông tin nội địa và thông tin giữa
các công ty. Do tần số cao nên cho phép sử dụng những anten có kích thước
nhỏ, nhưng cũng vì tần số cao nên tín hiệu ở băng Ku bị hấp thụ lớn do mưa.
‫ ٭‬Băng Ka (30/20 GHz) lần đầu tiên sử dụng cho thông tin thương mại
qua vệ tinh Sakura của Nhật, cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ và hồn
tồn khơng gây nhiễu cho các hệ thống viba. Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng
kể do mưa nên không phù hợp cho thông tin chất lượng cao.
Bảng 1.1. Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
Ký hiệu

Dải tần
(GHz)

L

1–2

Thông tin vệ tinh di động, phát thanh quảng bá, vô
tuyến định vị.

S

2–4

Thông tin vệ tinh di động, hàng hải.

C

4–8

Thông tin vệ tinh cố định.

X

8 – 12

Thông tin vệ tinh quân sự và chính phủ.

Ku

12 – 18 Thơng tin vệ tinh cố định, truyền hình quảng bá.

K

18 – 27 Trạm cố định.

Ka

27 – 40 Thông tin vệ tinh cố định, truyền hình quảng bá.

Sóng mm

> 40

Phạm vi sử dụng

Liên lạc giữa các vệ tinh.

1.6. Các phương pháp đa truy nhập đến một vệ tinh
Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc
tăng hiệu quả sử dụng của nó tới cực đại được gọi là đa truy cập. Nói cách
khác đa truy cập là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên vệ tinh chung cho
nhiều trạm mặt đất. Trong đa truy cập cần làm sao cho sóng vơ tuyến điện
phát từ trạm mặt đất riêng lẻ không can nhiễu nhau được [2].
Đa truy cập có thể phân chia ra ba dạng sau:
- FDMA: Đa truy cập phân chia theo tần số.
19


- TDMA: Đa truy cập phân chia theo thời gian.
- CDMA: Đa truy cập phân chia theo mã.
1.6.1. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
FDMA (Frequency Division Multiplex Acess) là loại đa truy nhập được
dùng phổ biến trong thơng tin vệ tinh.

Thời gian

fA
fD

fB

fC

Tần số

Bộ phát đáp

Hình 1.4. Đa truy nhập phân chia theo tần số
Trong hệ thống này mỗi trạm mặt đất phát đi một sóng mang có tần số
khác với tần số sóng mang của các trạm mặt đất khác. Mỗi một sóng mang
được phân cách với các sóng mang khác bằng các băng tần bảo vệ thích hợp
sao cho chúng khơng chồng lên nhau. FDMA có thể được sử dụng cho tất cả
các hệ thống điều chế: Hệ thống điều chế tương tự hay điều chế số như các
sóng mang FM (Frequency Modulation) điều chế bằng các tín hiệu thoại đã
ghép kênh hoặc các tín hiệu truyền hình và các sóng mang PSK (Phase Shift
Keying) điều chế số. Một trạm mặt đất thu các tín hiệu có chứa thơng tin nhờ
một bộ lọc thơng dải.
 Ưu điểm:
- Thủ tục truy nhập đơn giản.
- Cấu hình trạm mặt đất đơn giản.
- Có thể làm việc trong tồn bộ miền thời gian, khơng u cầu đồng bộ.

20


 Nhược điểm:
- Không linh hoạt thay đổi tuyến.
- Hiệu quả thấp khi sử dụng nhiều kênh, dung lượng thấp và chất
lượng thấp.
1.6.2. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
TDMA là phương pháp đa truy nhập trong đó các trạm mặt đất dùng
chung một bộ phát đáp trên cơ sở phân chia theo thời gian như hình 1.5.

Trong đó trục hồnh chỉ tần số, trục tung chỉ thời gian.

D

Thời gian
C
B
A

1 khung
TDMA

f0

Tần số

Hình 1.5. Đa truy nhập phân chia theo thời gian
Trục thời gian được phân chia thành các khoảng thời gian gọi là các
khung TDMA, mỗi khung TDMA được phân chia thành các khe thời gian,
các khe thời gian này được ấn định cho mỗi trạm mặt đất. Tất cả các trạm mặt
đất đều dùng chung một sóng mang có tần số trung tâm là f 0 và chỉ phát và
thu tín hiệu trong các khe thời gian được ấn định. Vì thế, trong một khoảng
thời gian nhất định, chỉ có tín hiệu từ một trạm mặt đất chiếm toàn bộ băng
tần của bộ phát đáp vệ tinh và không bao giờ xảy ra trường hợp tín hiệu từ hai
trạm mặt đất trở lên chiếm bộ phát đáp của vệ tinh trong cùng một thời gian.
Độ dài của khe thời gian ấn định cho mỗi trạm mặt đất tuỳ thuộc vào lưu
lượng của trạm.

21

TDMA sử dụng các sóng mang điều chế số và các sóng mang được
phát đi từ trạm mặt đất cần phải được điều khiển chính xác sao cho chúng
nằm trong khe thời gian được phân phối. Để làm được điều này, cần phải
có một tín hiệu chuẩn phát đi từ một trạm chuẩn và các trạm khác lần lượt
truyền tín hiệu ngay sau tín hiệu chuẩn.
 Ưu điểm:
- Sử dụng tốt công suất tối đa của vệ tinh.
- Linh hoạt trong việc thay đổi, thiết lập tuyến.
- Hiệu suất sử dụng tuyến cao khi số kênh liên lạc tăng.
- Kết hợp với kỹ thuật nội suy tiếng nói có thể tăng dung lượng truyền
dẫn lên ba đến bốn lần.
 Nhược điểm:
- Yêu cầu phải có đồng bộ cụm.
Mạng TDMA chứa các trạm lưu lượng và ít nhất một trạm chuẩn. Các
cụm được phát đi từ các trạm lưu lượng được gọi là các cụm lưu lượng. Số
liệu lưu lượng được phát bằng các cụm lưu lượng. Trạm chuẩn phát một cụm
đặc biệt theo chu kỳ gọi là cụm chuẩn. Cụm chuẩn cung cấp chuẩn định thời
và chu kỳ của nó đúng bằng một khung TDMA. Mỗi trạm lưu lượng phát các
cụm lưu lượng trong các khe thời gian được ấn định ở vệ tinh bằng cách điều
khiển định thời phát cụm theo cụm chuẩn, cụm chuẩn được sử dụng làm
chuẩn định thời, cụm chuẩn và các cụm lưu lượng được đặt theo thứ tự đúng
để tránh chồng lấn trong mỗi khung TDMA. Nếu khơng có đồng bộ cụm thì
các cụm được phát có thể trượt khỏi các khe thời gian được ấn định ở vệ tinh.
Nếu xảy ra chồng lấn các cụm ở vệ tinh thì thơng tin sẽ bị mất.
- Tín hiệu tương tự phải được chuyển sang dạng tín hiệu số khi sử dụng
kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA.
- Giao diện với các hệ thống mặt đất tương tự rất phức tạp dẫn đến giá
thành của hệ thống cao.

22


1.6.3. Phương pháp đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
CDMA (Code Division Multiplex Access) là phương pháp truy nhập ứng
dụng kỹ thuật trải phổ, trong đó mọi đối tượng có thể:
- Được phép hoạt động đồng thời.
- Hoạt động tại tần số như nhau.
- Sử dụng toàn bộ băng tần của hệ thống cùng một lúc mà không gây
nhiễu sang thông tin của đối tượng khác.
Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA là phương pháp đa truy nhập
mà ở đó các trạm mặt đất có thể phát tín hiệu một cách liên tục và đồng thời,
và sử dụng cùng một băng tần của kênh.
Mã

1
2

f

N

t

Hình 1.6. Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã
Trong CDMA, mỗi sóng mang phát được điều chế bằng một mã đặc
biệt qui định cho mỗi trạm mặt đất và trạm mặt đất thu có thể tách được tín
hiệu cần thu khỏi các tín hiệu khác nhờ mã đặc biệt đó. Tập hợp các mã cần
dùng phải có các thuộc tính tương quan sau đây:
- Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng với bản sao của

chính nó bị dịch chuyển theo thời gian.
- Mỗi mã phải có thể được phân biệt một cách dễ dàng bất chấp các mã
khác được sử dụng trên mạng.
Việc truyền dẫn tín hiệu hữu ích kết hợp với mã địi hỏi mơt băng thơng
lớn hơn nhiều so với băng thông yêu cầu để truyền dẫn chỉ riêng thơng tin
hữu ích. Đó là lý do vì sao người ta gọi là truyền dẫn trải phổ.
23


 Ưu điểm:
- Chịu được tạp âm, nhiễu và méo.
- Chịu được sự thay đổi các thông số khác nhau của đường truyền.
- Dung lượng cao.
- Tính bảo mật cao.
 Nhược điểm:
- Độ rộng băng tần truyền dẫn yêu cầu cao.
- Hiệu quả sử dụng băng tần kém.
1.7. Các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh
1.7.1. Suy hao
Một tuyến thơng tin vệ tinh bao gồm đường truyền sóng từ anten của
trạm phát đến vệ tinh (tuyến lên - uplink) và từ vệ tinh đến anten của trạm mặt
đất thu (tuyến xuống - downlink).
Do đó suy hao trong thơng tin vệ tinh gồm các loại suy hao sau:
a. Suy hao trong không gian tự do
Đối với vệ tinh địa tĩnh ở độ cao 35.768km, cự ly thông tin cho một
tuyến lên hay một tuyến xuống gần nhất là 35.768km. Do cự ly truyền sóng
trong thơng tin vệ tinh lớn như vậy nên suy hao trong không gian tự do là
suy hao lớn nhất. Gọi suy hao này là Ltd , ta có:
 4d 
Ltd  

 [dB]
  
2

Trong đó

(1.1)

d[km]: Là chiều dài của một tuyến lên hay xuống.
 [m]: Là bước sóng cơng tác.

Trong đơn vị dB
 4d 
 4df 
 4df 
Ltd  10 lg
  10 lg
  20 lg

  
 c 
 c 
2

2

(1.2)

24

Suy hao không gian tự do của tuyến lên hay xuống khi công tác ở băng
C vào khoảng 200dB, băng Ku, Ka thường lớn hơn 200dB. Để bù vào suy hao
này, đảm bảo cho máy thu nhận được một tín hiệu đủ lớn cỡ -90dBm đến 60dBm, người ta sử dụng anten có đường kính đủ lớn hàng chục mét để có hệ
số tăng ích lớn khoảng 60dB và máy phát có cơng suất lớn hàng trăm đến
hàng ngàn W.
Ngồi suy hao chính trong khơng gian tự do cịn có các suy hao khác tuy
khơng lớn nhưng khi tính tốn tuyến thông tin vệ tinh mà ta không xét hết các
khả năng xấu nhất do ảnh hưởng của môi trường truyền sóng thì khi xảy ra các
hiện tượng đó chất lượng thơng tin sẽ xấu đi và có thể làm gián đoạn thông tin.
b. Suy hao do tầng đối lưu
Tầng đối lưu là lớp khí quyển nằm sát mặt đất lên đến độ cao 10km15km (theo quy định của tầng đối lưu tiêu chuẩn), bao gồm các chất khí chính
hấp thụ sóng gây ra suy hao như hơi nước, Oxy, Ozon, Cacbonic. Suy hao
này phụ thuộc nhiều vào tần số và góc ngẩng của anten và chỉ đáng kể khi tần
số công tác từ 10GHz trở lên, nghĩa là khi công tác ở băng Ku (14/12GHz)
hay băng Ka (30/20GHz). Anten có góc ngẩng càng lớn thì suy hao tầng đối
lưu càng nhỏ, do đường truyền của sóng trong tầng đối lưu càng ngắn. Tại các
tần số 21GHz và 60GHz có các suy hao cực đại, đó là do sự cộng hưởng hấp
thụ đối với các phân tử hơi nước và Oxy.
c. Suy hao do tầng điện ly
Tầng điện ly là lớp khí quyển nằm ở độ cao khoảng 60km đến 400km,
do bị ion hóa mạnh nên lớp khí quyển ở độ cao này bao gồm chủ yếu là các
điện tử tự do, các ion âm và ion dương nên được gọi là tầng điện ly. Sự hấp thụ
sóng trong tầng điện ly giảm khi tần số tăng, ở tần số trên 600MHz thì sự hấp
thụ khơng đáng kể.

25