Thông tin vệ tinh Final 1 – CHƯƠNG I: **Giới thiệu tổng quan về thông tin vệ tinh Khái niệm cơ bản – StuDocu

CHƯƠNG I:

* * Giới thiệu tổng quan về thông tin vệ tinh

1. Khái niệm cơ bản
   -** Hệ thống thông tin vệ tinh: là hệ thống truyền và nhận các thông tin khác nhau như
   thoại, dữ liệu, hình ảnh giữa các điểm, các vùng trên mặt đất một cách gián tiếp qua
   vệ tinh
   2. Lịch sử phát triển:
   Ngày 04/10/1957, Liên Xô đưa vệ tinh Sputnik lên quỹ đạo, mở ra kỉ nguyên khai thác vũ
   trụ của con người, và từng bước xây dựng một hệ thống vệ tinh toàn cầu.
   Ngày 18/04/2008, Việt Nam đưa thành công Vinasat-1 lên quỹ đạo, gia nhập nhóm các
   nước có vệ tinh thông tin.
   **3. Đặc điểm:
2. Ưu điểm:
   Vùng Phủ Sóng Rộng:** Một vệ tinh địa tĩnh trong điều kiện tối ưu có thể phủ sóng ~
   40% diện tích bề mặt trái đất.
   Độ ổn định cao: Làm việc ổn định 24/7 trong mọi điều kiện thời tiết, dễ dàng thiết lập
   trạm thu phát mặt đất.
   2. Nhược điểm:
   Chi phí đầu tư lớn, thời gian phục vụ không cao( ~ 20 năm).
   Suy hao trong không gian tự do lớn (Khoảng cách thông tin).
   Trễ lan truyền (~ 0).
   4. Quỹ đạo:

3. Quỹ đạo địa tĩnh (Geostationary Earth Orbit):
Là quỹ đạo có mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo của Trái đất.
Bán kính quỹ đạo: 42164 Km.
Chu kỳ : ~ 24h (23h 56p 41s)

Tốc độ dài của vệ tinh địa tĩnh gần bằng tốc độ quay của Trái Đất suy ra với 1 điểm
trên Trái đất, vệ tinh dường như đứng yên.
3. Quỹ đạo Elip:
Quỹ đạo Elip tầm thấp (LEO – Low Earth Orbit): Khoảng cách đến Trái đất
<2000Km. Quỹ đạo Elip tầm trung (MEO – Medium Earth Orbit): Khoảng cách đến Trái đất từ 2000Km đến 10000Km. Quỹ đạo Elip tầm cao (HEO – High Earth Orbit): Khoảng cách đến Trái đất lớn từ ~ 36000Km. 5. Cấu trúc hệ thống:

6. Tài nguyên tần số:
Băng C: Đường lên: 5 – 6 GHz
Đường xuống: 3 – 4200 GHz
Băng Ku: Đường lên: 14 – 14 GHz
Đường xuống: 10 – 12 GHz
Băng Ka: > 20GHz
Tần số càng cao thì suy hao càng lớn, khó khăn về các giải pháp kĩ thuật do đó
cũng tăng theo.
7. Các dạng bài tập:
BT1: Tính vĩ độ cao nhất mà một vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng được?
Cách giải:

trong đó: ; a là bán kính trục lớn
2. Ba định luật Newton
a. Định luật thứ nhất: Một vật thể sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên hoặc chuyển động
thẳng đều nếu như không có một lực nào tác dụng lên nó hoặc nếu như tổng các lực tác
dụng lên nó bằng 0.

b. Định luật thứ hai: Sự biến thiên động lượng của một vật thể tỉ lệ thuận với xung lực tác
dụng lên nó, và véctơ biến thiên động lượng này sẽ cùng hướng với véctơ xung lực gây ra
nó.

Với F là ngoại lực tác dụng lên vật, m là khối lượng của vật và a là gia tốc của vật. Như vậy,
mọi ngoại lực tác dụng lên vật sẽ sản sinh ra một gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của lực.
c. Định luật thứ 3: Đối với mỗi lực tác động bao giờ cũng có một phản lực cùng độ lớn, nói
cách khác, các lực tương tác giữa hai vật bao giờ cũng là những cặp lực cùng độ lớn,
cùng phương, ngược chiều và khác điểm đặt.

II. Quỹ đạo vệ tinh.
1. Quỹ đạo địa tĩnh.
Là quỹ đạo có mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo của Trái đất.
– Bán kính quỹ đạo: 42164 km. Bán kính trái đất r = 6378 km => Độ cao h = 35768 km
– Chu kỳ : ~ 24h (23h 56p 41s) – ngày thiên văn.
– Tốc độ dài của vệ tinh địa tĩnh gần bằng tốc độ quay của Trái Đất suy ra với 1 điểm
trên Trái đất, vệ tinh dường như đứng yên.
– Hầu hết các quốc gia gần đường xích đạo sẽ sử dụng vệ tinh địa tĩnh. Còn các quốc
gia gần 2 cực sẽ sử dụng vệ tinh phi địa tĩnh.
2. Quỹ đạo phi địa tĩnh ( Quỹ đạo Elip).
– Quỹ đạo Elip tầm thấp (LEO – Low Earth Orbit): Khoảng cách đến Trái đất
<2000Km. – Quỹ đạo Elip tầm trung (MEO – Medium Earth Orbit): Khoảng cách đến Trái đất từ
2000Km đến 10000Km.
– Quỹ đạo Elip tầm cao (HEO – High Earth Orbit): Khoảng cách đến Trái đất lớn từ ~
36000Km.
– Hiện nay, nghiệp vụ vô tuyến dẫn đường qua vệ tinh đều sử dụng vệt inh phi địa tĩnh
(GPS – 24 vệ tinh ở 6 mặt phẳng), nghiệp vụ thăm dò trái đất qua vệ tinh cũng chủ
yếu sử dụng quỹ đạo này. Ngoài ra còn được sử dụng cho mạng lưới thông tin vệ tinh,
internet vệ tinh.

– Cần ít nhất 2 vệ tinh địa tĩnh để đảm bảo được kết nối liên tục. Khi vệ tinh địa tĩnh
này khuất thì sẽ chuyển giao kết nối cho vệ tinh khác. (Hand-over)
3. Thông số quỹ đạo vệ tinh
– a: bán kính trục dài – độ lệch tâm elip
– b: bán kính trục ngắn
– : độ cao viễn điểm (apogee)
– : độ cao cận điểm (perigee)

Các dạng bài tập chương 2: Quỹ đạo vệ tinh

BT 1 : Xác định vĩ độ cao nhất ( chương 1 ) BT 2 : Trễ truyền dẫn của vệ tinh địa tĩnh, trễ thấp nhất / cao nhất ? Giải :, trong đó d là khoảng cách từ vệ tinh tới mặt đất. VD : Trễ truyễn dẫn của trạm TP. Hà Nội ..Trễ thấp nhất : Là trễ khi d = h = 35768 là khoảng cách từ vệ tinh tới hình chiếu của nó trên mặt đất ( tại xích đạo ). Trễ cao nhất : Là trễ tại điểm ở vĩ độ 81 độ là khoảng cách lớn nhất từ vệ tinh tới mặt đất. BT 3 : Tính diện tích quy hoạnh vùng phủ sóng :Với h = 35768 km, a = 6378 km  Diện tích chỏm cầu : Diện tích bề mặt Trái đất : Tỉ lệ diện tích quy hoạnh phủ sóng của vệ tinh địa tĩnh so với bề mặt Trái đất :

• Bước 4: Xác định tọa độ vệ tinh, có thể xác định tọa độ vệ tinh theo 2 kiểu tọa độ và
  Từ tọa độ ta tính được

Câu hỏi bổ sung:
– Tín hiệu băng gốc: Là biểu diễn tín hiệu điện ban đầu (dòng điện, điện áp)

• Tạp âm? Ở thiết bị thu trên tải luôn có tín hiệu (dòng ban đầu)
• Điều chế? Là đặt tín hiệu cần truyền lên sóng mang.
  VD thực tế:
  VD1: Tính góc ngẩng của anten trạm mặt đất tại Hà Nội (21°N, 106°E) đến vệ tinh địa tĩnh
  VINASAT-1.

⇒ sinφ =

= 0,

⇒ θ = 51,68 ° VD2 : Quỹ đạo hình elip Cận điểm, độ cao hp = 1000 km ( khoảng cách từ mặt phẳng TĐ đến cận điểm ) Viễn điểm, độ cao ha = 4000 km Xác định : – Chu kì vệ tinh .

• Độ lệch tâm.
  Giải
  – Có
  Trong đó: là khoảng cách từ tâm trái đất đến viễn điểm và cực điểm.
  – Từ hệ phương trình giải ra a = 8900 km, e = 0.
  ≈ 2,3 giờ.
  VD2: Một vệ tinh quỹ đạo elip với các thông số sau a = 22164km ; e = 0.
  Xác định vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo sau 5 giờ khi đi qua cận điểm.
  – Vì độ lệch tâm e =0 rất nhỏ suy ra coi như chuyển động tròn.
  – Chu kỳ vệ tinh: T = 2 = 9
  – Vận tốc góc trung bình vg = = 1. rad/s
  – Độ dài cung PS = M = = (5×3600)= 3 rad/s

– Góc E : M = E – esin(E)
⇒ E = 3 rad
– Ta có: = a= 22588 km.
– = 2 rad.
⇒
⇒Thuộc góc phần tư thứ 2.

Chương III: Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh

– Ngoài ra, còn có phần nền (platform) không tham gia vào quá trình thu phát của vệ tinh,
mà thực hiện các chức năng duy trì hoạt động và đảm bảo điều kiện thu pháp cho tải, VD
như ổn định tư thế, vị trí của vệ tinh, đo lường điểu khiển, quản lý cung cấp năng lượng,
hệ thống giám sát, …
2. Phần mặt đất
– Phần mặt đất gồm khối phát và khối thu mặt đất.
– Khi muốn thiết lập đường liên lạc với 2 điểm trực tiếp với nhau trên Trái Đất thông
qua trạm chuyển tiếp vệ tinh thông tin người ta phải thiết lập 2 trạm trên mặt đất
2. Khối phát:
 Tín hiệu băng tần gốc
 Xử lí tín hiệu
 Điều chế tín hiện
 Khuếch đại cao tần
 Lọc
 Anten phát của trạm mặt đất

– Theo hướng lên, luồng thông tin của các mạng mặt đất được đưa tới trạm mặt đất
thông qua giao diện kết nối mạng mặt đất. Các luồng tín hiệu này sau đó được ghép
kênh và định dạng lại, được điều chế bởi sóng mang trung tần. Tín hiệu trung tần này
được biến đổi tới sóng cao tần mong muốn.
– Các sóng mang cao tần tiếp tục được kết hợp thông qua bộ tổ hợp(Combiner) để
thành tín hiệu băng rộng và được đi qua bộ khuếch đại công suất lớn(HPA). Tín hiệu
băng rộng được đưa tới anten thông qua bộ phối hợp(Diplexer), cho phép anten thu và
phát tín hiệu đồng thời.
 Nhiệm vụ: tiếp nhận 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 sau đó phát tín hiệu lên vệ tinh.
2. Phần thu:
– Ở hướng xuống, tín hiệu băng rộng đi qua bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA) và đi tới
bộ chia(divider), chia thành các sóng mang cao tần riêng rẽ. Sau đó được biến đổi
xuống trung tần đi tới bộ giải điều chế. Tín hiệu sau bộ giải điều chế được đưa tới
mạng mặt đất theo yêu cầu.
– Khối thu bao gồm các thành phần
 Khối giám sát điều khiển

 Anten thu của trạm mặt đất
 Lọc
 LNA
 Giải điều chế
 Xử lí tín hiệu
 Tín hiệu băng tần gốc
Nhiệm vụ: thu sóng mang trên đường xuống của vệ tinh ở tần số trọn trước, sử lý tín hiệu để
chuyển hóa thành tín hiệu băng gốc, sau đó cung cấp cho các mạng thông tin mặt đất hoặc
trực tiếp tới các thiết bị đầu cuối của người sử dụng.
2. Phân hệ giám sát điều khiển
Đây là một hệ thống được xây dựng trên mặt đất nhằm thực hiện nhiệm vụ quản lý vệ tinh,
đảm bảo các điều kiện cần thiết cho vệ tinh trên quỹ đạo hoạt động bình thường trong hệ
thống thông tin vệ tinh bao gồm các hệ con:
– Hệ duy trì vị trí và tư thế bay của vệ tinh.
– Hệ giám sát và điều khiển.
– Hệ cung cấp năng lượng.
– Hệ thống điều hòa nhiệt.
…
Hệ thống sẽ liên tục trao đổi các thông tin kiểm soát với vệ tinh và đưa ra các điều chỉnh về
vị trí, quỹ đạo của vệ tinh để vệ tinh hoạt động trong điều kiện ổn định nhất.
3. Anten trong hệ thống thông tin vệ tinh

a. Hệ số tăng ích của anten :Với những anten sóng siêu cao, ví dụ anten parabol sử dụng trong thông tin vệ tinh thì độ tăng ích cực lớn của anten hoàn toàn có thể được xác lập theo biểu thức :b. Đồ thị phương hướng bức xạ của antenNhiễu đồng kênhTín hiệu từ trạm mặt đất / vệ tinh lân cận chen vào tuyến vệ tinhKhuếch đại hiệu suất tín hiệuBù vào phần suy hao tín hiệu do những thành phần khác gây nênTầng đối lưu

• Sự thay đổi của nhiệt độ và áp suất tại
  các vị trí của tầng đối lưu gây ra khúc xạ
  tín hiệu.
• Độ ẩm gây ra suy hao tín hiệu

Tầng điện ly ( ion ) Gây ra phản xạ tín hiệu nếu vượt quá góc tới hạn Khoảng cách truyền Gây ra suy hao và trễ ở khoảng cách lớn Công suất phát tín hiệuBù vào phần suy hao tín hiệu do những thành phần khác gây nên

2. Các dạng bài tập tính toán tuyến thông tin vệ tinh

Tên dạng bài Dữ kiện cần có Các bước giải

Tìm EIRP của anten: Công suất của trạm phát ( W, dBW ) : Hệ số tăng ích trạm phát ( dBi )

Bước 1. Tính EIRP của anten:

Tìm tỷ lệ thông lượng hiệu suất ( )

: Công suất của trạm phát (W, dBW)
: Hệ số tăng ích trạm phát (dBi)
R : Khoảng cách truyền của anten (m)

Bước 1. Tính mật độ thông lượng của công suất:

()

Tìm phương hướng bức xạ anten ( )f : Tần số tín hiệu ( Hz ) D : Đường kính anten ( m ) c : ( m / s )

Bước 1. Tính phương hướng bức xạ anten:
( độ )

Tìm thông số tăng ích của trạm phát và thu tín hiệu ( và ): Hiệu suất anten f : tần số anten ( Hz ) c : ( m / s ) D : đường kính anten ( m )

Bước 1. Tính hệ số tăng ích của anten ( thu hoặc
phát ):

G = 4. (.

= 4. (. ( dBi )

Tìm hiệu suất thu: Công suất của trạm phát ( W, dBW ) : Hệ số tăng ích trạm phát ( dBi ) : Hệ số tăng ích trạm thu ( dBi ) R : Khoảng cách truyền của anten ( m ) c : ( m / s ) f : Tần số tín hiệu ( Hz )

Bước 1. Tính công suất thu:

(W)

= (dBW)

Tìm suy hao xảy ra do mưaf : tần số tín hiệu ( GHz ) Độ cao tầng liền kề mưa ( m ) : Độ dài truyền sóng chịu mưa ( m ) : Chiều cao anten ( m ) φ : Góc ngẩng anten ( độ ) Lượng mưa khu vực ( mm / h ) ( dB / km ) Loss : Tổng suy hao do mưa ( dB )

Bước 1. Tính độ dài truyền sóng chịu mưa:
(m)
Bước 2. Dựa vào biểu đồ trang 122 sách “Giáo
trình hệ thống viễn thông”, nối giá trị lượng mưa
ở thước bên trái với tần số ở thước bên phải. Đọc
giá trị giao điểm của đoạn thẳng với cột ở giữa là
ra (dB/km)
Bước 3. Tính tổng suy hao do mưa:
Loss = (dB)

Tìm tỷ số hiệu suất sóng mang trên can nhiễu của trạm phát ( )và : góc lệch bức xạ ( độ ): Kinh độ của vệ tinh có ích ( độ ) : Kinh độ của vệ tinh can nhiễu ( độ ) : Hệ số tăng ích của anten vệ tinh có ích ( dBi ) : Hệ số tăng ích của anten trạm mặt đất có ích ( dBi ) : Công suất phát của anten trạm mặt đất có ích ( dBW )

Bước 1. Tính góc lệch :
( độ )
Bước 2. Tính góc lệch :
( độ )
Bước 3. Tính hệ số tăng ích can nhiễu từ trạm
mặt đất / vệ tinh lân cận:
( dBi )
Bước 4. Tính tỷ số C/I:
C/I = (

• ( )

= ( +Biểu đồ suy hao do mưa

 Bài tập tính toán tuyến – Giáo trình hệ thống viễn thông
Bài tập 1:
Tính
a/ Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất
b/ Công suất nhận PRX thu được tại máy thu vệ tinh
c/

Biết :

• Tần số lên fup = 14GHz

• Công suất đầu ra máy phát trạm mặt đất PTX = 5W
• Suy hao do cáp với anten phát TTX = 1dB
• Đường kính anten : D=3m
• Hiệu suất anten : η=0,
• Vị trí trạm mặt đất (15 0 N, 106oE)
• Tốc độ bit : R = 16Mbits/s phương thức điều chết 4-QAM
• Hệ số bộ lọc : α = 0.
• Chiều cao ănten so với mực nước biển : hantenna= 100m
• Góc ngẩng : e = 55o
• Vệ tinh địa tĩnh có tọa độ : 132oE
• Tăng ích : GRX = 40dBi
• Nhiệt độ tạp âm hệ thống thu trên vệ tinh : T = 900K

• Truyền phân cực tròn, tuyến lên chịu mưa với lượng mưa trung bình 54mm/h, bỏ qua tổn
  hao khác.

Bài làm
a/ Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất.

Hệ số tăng ích anten phát GTX:
GTX = η = 0,6 2 = 1932.48 2 (Do λ = )
=> GTx = 50,64(dBi)
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất là:
EIRP(dBW) = PTX(dBW) – LTX(dB) + GTX(dB) = 10log(5) – 1 + 50,64 = 56,64dBW
b/ Công suất nhận PRX thu được tại máy thu vệ tinh.
Cự ly thông tin từ mặt đất tới vệ tinh là:
d =
=
= 36706 (km)

Suy hao truyền sóng trong khoảng trống tự do : LFS ( dB ) = 92 + 20 10 d ( km ) + 20 10 fup ( GHz )LAOSAT : 128,5 oE F = 6495 MHz Uplink : P = 32,5 dBW Bandwidth = 18 MHz Antenna size : 4,6 m Vị trí : Kinh độ : 102,5316 E Vĩ độ : 18,76 N VINASAT : 132 oE F = 6495 MHz Uplink : P = 16,5 dBW Bandwidth = 18 MHz Antenna size : 6 m Vị trí : Kinh độ : 102,0351 E Vĩ độ : 3,2689 N C / I = 20 dB

Giải :
Đường lên:
P = 16,5 dBW
GTX == η = 0,6 2 = 100077,78 = 50 dBi

=> EIRPwanted = 16,5 + 50 = 65,5 dB G ( θ ) = 29 – 25 log ( 132 – 128,5 ). 1,1 = 14,36 dB => EIRP ( θ ) = 32,5 + 14,36 = 46,86 dB => GTX_interfere = 0,6 2 = 58763,87 = 47,7 dBi GTX_interfere = GTX LAO – G ( θ ) = 47,7 – 14,36 = 33, EIRPLAO_intfere = GTX_interfere + PTX LAO = 33,34 + 32,5 = 65, =>

CHƯƠNG 5: Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh

1. Đa truy nhập:

– Đa truy nhập là gì? Đa truy nhập là hoạt động mà nhiều thuê bao cùng truy cập và

khai thác hệ thống.

• Vì sao cần sử dụng đa truy nhập? Cần phải sử dụng kỹ thuật đa truy nhập vì cần

phân biệt các đối tượng để có thể phục vụ tốt nhất.

• Các kỹ thuật đa truy nhập:

+ CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã): Mỗi thuê bao có một mã ký tự riêng

dùng để phân biệt khi mã hóa và giải mã.

Định nghĩa

– Kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã : CDMA
– Hệ thống phân biệt các thuê bao bằng mã riêng biệt mà hệ thống phân chia cho

từng thuê bao.

– Mỗi thuê bao có mã giả ngẫu nhiên.

 Mã giả ngẫu nhiên PN là gì?

o Là mã dựa trên khái niệm phổ rất rộng (từ mã có phổ rất rộng), nhưng

không ngẫu nhiên hoàn toàn (người tạo ra biết rõ)

 Trải phổ trực tiếp của CDMA:

– Nhân (*) tín hiệu của mình đang có với tín hiệu mã giả ngẫu nhiên. Tín hiệu sẽ

trải dài trên trục tần số => Mật độ tín hiệu giảm xuống.

* : Nhân tích chập

 Khi truy cập vào thì hệ thống phân biệt mã như thế nào? (Cách để thu)

– Để thu người ta dùng toàn bộ các mã đang có nhân (*) trực tiếp với mã của

thuê bao, khi nhân toàn bộ mã đó sẽ có 1 mã trùng khít với mã của thuê bao,

khi đó tích của chúng bằng 1, còn mọi trường hợp khác bằng 0 nên người ta sẽ

phân biệt được.

– Tất cả tín hiệu đi vào trên đường truyền đi vào đầu thu mà không phải thiết bị

của ta (dựa vào việc nhân trực tiếp toàn bộ mã có với mã thuê bao thu tích là 1

và tích là 0 (trải phổ trực tiếp) ) thì đều được coi là nhiễu và bị loại bỏ => nên

có khả năng chống nhiễu tốt.

 Trải phổ là gì?

– Trải phổ về cơ bản là sử dụng một mã đặc biết để trải phổ của tín hiệu trong

một băng thông hẹp (thậm trí rất hẹp) ra một băng thông cực rộng làm cho tín

hiệu truyền đi rất giống với nhiễu trắng có trong tự nhiên.

– Mã trải phổ càng dài thì càng khó có thể dò ra phía phát đã dùng mã gì để trải

phổ và do đó tính bảo mật của thông tin được truyền càng cao. Tuy nhiên, dùng

mã càng dài thì càng cần một băng thông rộng.

 Ưu nhược điểm của trải phổ

Source: https://vh2.com.vn
Category : Trái Đất