Phân loại quỹ đạo: Quỹ đạo địa tĩnh: – Tài liệu text

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.3 MB, 84 trang )

µ Là hằng số ,
µ = G.M = 398.600,5 km
3
s
2
G là hằng số hấp dẫn bằng 6,673.10
20 −
km
3
kg.s
2
M là khối lượng quả đất kg Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton: Lực hấp dẫn và lực ly tâm của một vật thể
cân bằng nhau thì vật thể đó sẽ chuyển động tròn xung quanh quả đất với vận tốc khơng đổi, như chỉ ra trên hình 1.4.
Hình 1.4: Vệ tinh chuyển động với quỹ đạo tròn
Từ điều kiện GMmr
2
= mv
2
r ta rút ra là: v =
µ r
2 1
kms 1.2 Trong đó m là khối lượng của vật thể, v là vận tốc ly tâm.
Dựa vào các định luật đã nêu trên, vệ tinh được phóng lên với các quỹ đạo khác nhau.

1.2.2. Phân loại quỹ đạo:

Có hai dạng quỹ đạo là quỹ đạo êlíp và quỹ đạo tròn Dạng quỹ đạo êlípđịnh luật KEPLER thứ nhất quỹ đạo êlíp cao HEO mà điển
hình là vệ tinh Molniya của Liên xơ nên còn gọi là quỹ đạo Molniya, độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 65º, cận điểm là 1000 km và viễn điểm
là 39.400 km, chu kỳ quỹ đạo là 11gi58ph
Dạng quỹ đạo tròn có thể có ba loại: quỹ đạo thấp LEO, quỹ đạo trung bình MEO, quỹ đạo cao HEO hay quỹ đạo đồng bộ khi vệ tinh bay ở độ cao 35.786 km,
lúc đó chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ tự quay của quả đất bằng 23gi56ph04s. Trong quỹ đạo tròn lại có thể chia ra:
Quỹ đạo cực tròn, mặt phẳng quỹ đạo vng góc với mặt phẳng xích đạo, nghĩa là mỗi vòng bay của vệ tinh sẽ đi qua hai cực quả đất.
Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II
Fc=mvr
F=GMmr
v r
7
Quỹ đạo tròn nghiêng khi mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc nào đó so với mặt phẳng xích đạo.
Quỹ đạo xích đạo tròn, khi mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Trong quỹ đạo xích đạo tròn nếu chiều bay vệ tinh cùng chiều với chiều quay quả
đất và có chu kỳ bằng chu kỳ quay của quả đất 24h gọi là quỹ đạo địa tĩnh GEO.
Hình 1.5: Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh.
Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II
Quỹ đạo elip nghiêng
Quỹ đạo xích đạo tròn
Quỹ đạo cực tròn
8
Có thể tóm tắt các dạng quỹ đạo của vệ tinh bằng sơ đồ dưới đây:
Sơ đồ 1:Sơ đồ các dạng quỹ đạo của vệ tinh
Từ các dạng quỹ đạo nêu trên thì vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh sử dụng cho thông tin là lý tưởng nhất vì nó đứng n khi quan sát từ một vị trí cố định trên mặt đất.Nghĩa là
thơng tin sẽ được bảo đảm liên tục, ổn định trong 24 giờ đối với các trạm nằm trong vùng phủ sóng của vệ tinh mà không cần chuyển đổi sang một vệ tinh khác. Bởi vậy hầu
hết các hệ thống thông tin vệ tinh cố định đều sử dụng vệ tinh địa tĩnh.

1.2.3. Quỹ đạo địa tĩnh:

Một vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh sẽ trở nên bất động so với mặt đất vì thế nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh.
Để có một vệ tinh địa tĩnh phải có các điều kiện: – Vệ tinh phải quay theo hướng đông với tốc độ quay bằng tốc quay của quả đất.
– Quỹ đạo là đường tròn. – Góc nghiêng của quỹ đạo bằng 0.
Điều kiện đầu rất rõ ràng. nếu vệ tinh là tĩnh, nó phải quay cùng tốc độ với quả đất. Điều kiện thứ 2 được rút ra từ định luật kepler thứ 2. Tốc độ khơng đổi có nghĩa là vệ
tinh phải quýet các diện tích như nhau trong các khoảng thời gian như nhau và điều này chỉ xảy ra với quỹ đạo tròn. Điều kiện thứ 3, góc nghiêng bằng 0, dựa trên điều kiện
Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II
Quỹ đạo Êlip
Các hệ thống quỹ đạo ê líp cao
HEO
Vùng phủ sóng từ vĩ độ trung
bình đến vĩ độ cao với một ít vệ
tinh Quỹ đạo tròn
Quỹ đạo cực và nghiêng
Quỹ đạo thấp LEO ,Quỹ đạo
trung bình MEO Quỹ đạo xích
đạo. Quỹ đạo đồng bộ và quỹ
đạo địa tĩnh GEO
Phủ sóng tồn cầu với ba vệ
tinh Vùng phủ sóng
rộng tồn cầu nhưng u cầu
phải có nhiều vệ tinh
9
rằng mọi sự nghiêng đều dẫn đến vệ tinh chuyển động theo hướng bắc và nam và vì thế nó khơng phải là địa tĩnh. Chỉ có góc nghiêng bằng 0 mới tránh khỏi việc vệ tinh chuyển
động sang bắc hoặc nam và điều này có nghĩa là quỹ đạo nằm trong mặt phẳng qua quỹ đạo của trái đất .
Với quỹ đạo địa tĩnh vệ tinh có các đặc điểm sau: – Để có chu kỳ bay 1436 phút, theo định luật thứ ba của Kepler, thì bán kính
quỹ đạo sẽ là: r = T
2
µ4Л
2 13
thay các giá trị T = 1436.60 s; µ = 398.600,6 km
3
s
2
, tính được r = 42.164 km.
– Độ cao bay h = r – R
e
, trong đó R
e
là bán kính quả đất bằng 6378km, h = 42164 km -6378 km = 35.786 km.
– “Góc nhìn” từ vệ tinh xuống quả đất, là góc hợp bởi hai đường thẳng nối từ tâm vệ tinh và tiếp tuyến với mặt đất tại một điểm, như chỉ ra trên hình 1.6. Xét tam giác
vng AOS
Hình 1.6: “ Góc nhìn” từ vệ tinh địa tĩnh
Sinα = AOOS = 637842.164, suy ra : α =8º7 và 2α =17º4 tương ứng với góc ở tâm 2Φ = 180º -17º4 =162º6, Φ = 81º3
– Vệ tinh địa tĩnh chỉ “nhìn thấy” các vĩ độ 81º3 Bắc và Nam, với góc ngẩng bằng 0º. Như vậy ở các vĩ độ cao hơn 81º3 Bắc và Nam là khơng “nhìn thấy” vệ tinh địa tĩnh,
có nghĩa là các vùng cực không thể thông tin qua vệ tinh địa tĩnh.
– Vùng “nhìn thấy” của vệ tinh lên mặt đất có thể được xác định từ độ dài cung AB bằng R
e
, Φ
rad
= 2x6379x1.42 = 18090,98 km. Chu vi quả đất 2Л R
e
= 2×3,14×6378 =
Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II
2
φ
oo A
B S
r 2
10
40053,84 km. Tỷ số độ dài cung AB trên chu vi quả đất bằng 45 diện tích bề mặt quả đất.
Trong thực tế khi thơng tin với vệ tinh u cầu góc ngẩng của trạm mặt đất phải lớn hơn 0º, thường ≥ 5º cho nên vùng thực tế có thể thơng tin qua một vệ tinh địa tĩnh là nhỏ
hơn 45 diện tích quả đất. Bởi vậy phải có ít nhất ba vệ tinh địa tĩnh mới phủ sóng tồn cầu, trong đó sẽ có những vùng hai vệ tinh phủ sóng chồng lấn lên nhau, có nghĩa là các
địa điểm đó có thể đồng thời thơng tin với hai vệ tinh, còn các vùng cực có vĩ độ khoảng ± 80º trở lên không thông tin được qua vệ tinh địa tĩnh, như chỉ ra trên hình 1.8.
– Cự ly xa nhất từ vệ tinh đến điểm “nhìn thấy” trên mặt đất s = r.cosα = 42.164cos8º7 = 41.679 km, tương ứng với góc ngẩng bằng 0º, cự ly
ngắn nhất khi góc ngẩng là 90º bằng độ cao bay của vệ tinh là 35.786 km.
Thời gian trễ truyền sóng từ một trạm mặt đất đến vệ tinh bằng: t =sc, trong đó s là cự ly từ trạm mặt đất đến vệ tinh, c là vận tốc ánh sáng = 299.792
kms. Khi s lớn nhất thời gian trễ là t = 41.679299.792 =0,139 s, thời gian trễ ngắn nhất bằng 35.786299.792 =0,119 s.
Khi truyền tín hiệu thoại, thời gian trễ sẽ gây ảnh hưởng tới cuộc đàm thoại hai chiều. Khi một người hỏi và một người trả lời tín hiệu khi quay trở về người hỏi sẽ phải
đi một đoạn đường bằng bốn lần s, tổng số thời gian trễ tăng lên 4 lần, nghĩa là khoảng từ 0,447 s đến 0,556 s. Thời gian trễ cũng gây ra hiện tượng hồi âm, bởi vậy phải có
thiết bị đặc biệt để khử hồi âm.
Bảng 1.2 cho thấy quan hệ một số thơng số hình học giữa trạm mặt đất và vệ tinh địa tĩnh.
Trong đó: R
e
: bán kính quả đất; s là khoảng cách từ vệ tinh đến trạm mặt đất; r là bán kính quỹ đạo vệ tinh; E là góc ngẩng là góc hợp bởi đường thẳng nối từ trạm mặt
đất đến vệ tinh với đường tiếp tuyến với mặt đất tại trạm; β là góc ở tâm chắn cung từ
trạm mặt đất đến điểm chiếu vệ tinh lên mặt đất; α là góc nhìn.
Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II
11
Bảng 1.1: Quan hệ của các thông số giữa trạm mặt đất và vệ tinh địa tĩnh
H
α
β
s Thời gian
tổn hao độ
độ độ
km s
dB 8,700
81,30 41.679
0,139 1,3
5 8,667
76,33 41.127
0,137 1,2
10 8,567
71,43 40.586
0,135 1,1
15 8,042
66,6011 40.061
0,134 1,0
20 8,172
61,83 39.554
0,132 0,9
25 7,880
57,12 39.070
0,130 0,8
30 7,527
52,47 38.612
0,129 0,7
35 7,118
47,88 38.181
0,127 0,6
40 6,654
43,35 37.780
0,126 0,5
45 6,140
38,86 37.412
0,125 0,4
50 5,580
34,42 37.078
0,124 0,3
55 4,977
30,02 36.786
0,123 0,2
60 4,338
25,66 36.520
0,122 0,1
65 3,665
21,33 36.297
0,121 0,1
70 2,966
17,03 36.114
0,120 0,1
75 2,244
12,76 35.971
0,120 0,0
80 1,505
8,49 35.868
0,120 0,0
85 0,755
4,24 35.807
0,119 0,0
90 0,000
0,00 35.786
0,119 0,0
Chỉ cần 3 vệ tinh địa tĩnh là có thể phủ sóng tồn cầu như chỉ ra trên hình 1.7. Các thơng số hình học được chỉ ra trên hình1.8.
Hình 1.7: Vị trí 3 vệ tinh địa tĩnh phủ sóng tồn cầu
Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II
Trạm mặt đất
Tâm quả đất Vệ tinh
S
α
E Rc
β
12
Hình 1.8: Các thơng số hình học giữa trạm mặt đất và vệ tinh 1.3. Băng tần thông tin vệ tinh:
Thông tin vệ tinh là hệ thống thơng tin có phương thức truyền dẫn vô tuyến, bởi vậy việc lựa chọn và ấn định băng tần công tác cho các dịch vụ thông tin vệ tinh là rất quan
trọng. Nó phải thoả mãn hai điều kiện cơ bản :
– Không gây can nhiễu lên các hệ thống thông tin vô tuyến khác cũng như dịch vụ thông tin vệ tinh trong mạng
– Tổn hao truyền sóng nhỏ để giảm nhỏ kích thước và giá thành thiết bị 1 Lựa chọn băng tần cho thơng tin vệ tinh
Có những vấn đề liên quan tới sự truyền lan sóng vơ tuyến điện trong thơng tin vệ tinh, vì việc phát và thu sóng thực hiện giữa một trạm mặt đất và vệ tinh ở rất xa trong
vũ trụ. Vấn đề lớn nhất là sóng bị tiêu hao do sự lan toả tất yếu vào không gian. Đặc trưng cho tổn hao đó là hệ số tổn hao không gian tự do được biểu thị bằng cơng thức:
L
otd
= 4πrλ
2
1.3 Trong đó r là khoảng cách từ anten trạm mặt đất đến anten vệ tinh
λ là bước sóng cơng tác Để hạn chế sự lan toả sóng vào không gian trong thông tin vô tuyến phải sử dụng
anten bức xạ có hướng để hướng bức xạ sóng vô tuyến điện đến anten thu cũng như hướng anten thu vào anten phát. Đại lượng đó được gọi là hệ số tính hướng của anten
thường được ký hiệu là D, nên tổn hao không gian tự do sẽ giảm đi và bằng:
L
td
= 4πrλ
2
D
1
.D
2
1.4 Trong đó D
1
là hệ số tính hướng của anten phát, D
2
là của anten thu Ngoài tổn hao không gian tự do là tổn hao chủ yếu còn có suy hao do khí quyển quả
đất.
Khí quyển quả đất được chia làm ba tầng: lớp khí quyển dưới cùng dải từ mặt đất lên độ cao khoảng 11 km gọi là tầng đối lưu. Các hiện tượng thời tiết như mưa, bão,
sương mù… đều xẩy ra trong tầng đối lưu. Tiếp đến là tầng bình lưu, có giới hạn trên khoảng 35 km, và trên cùng là tầng điện ly có độ cao khoảng từ 50 km đến 400 km.
Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II
13
Tầng điện ly là một lớp khí bị ion hố mạnh nên mật độ chất khí chủ yếu là các điện tử tự do và các ion. Nó có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng vơ tuyến điện. Bằng việc
khảo sát thực tế người ta thấy tầng điện ly chỉ phản xạ đối với băng sóng ngắn trở xuống. Tần số càng cao ảnh hưởng bởi tầng điện ly càng ít, ở các tần số trong băng vi
ba hầu như không bị ảnh hưởng bởi tầng điện ly.
Trong tầng đối lưu sóng vơ tuyến điện bị hấp thụ bởi các phân tử khí như oxy, hơi nước H
2
O, CO
2
, v.v… cũng như trong mưa và sương mù. Nhưng ở các tần số khoảng 6 GHz trở xuống hấp thụ không đáng kể, có thể bỏ qua. Khoảng tần số đó được gọi là
cửa sổ vô tuyến.
Nếu sử dụng băng tần nằm trong “cửa sổ vô tuyến” tức là khoảng từ 1GHz đến 10 GHz thì suy hao do tầng điện ly và trong tầng đối lưu là không đáng kể và suy hao
truyền sóng gần như bằng suy hao khơng gian tự do.
2 Quy định băng tần cho thông tin vệ tinh Như đã thấy băng tần lý tưởng nhất sử dụng cho thông tin vệ tinh cũng như hệ
thống vi ba khác là băng tần nằm trong “cửa sổ vơ tuyến” vì các tần số nằm trong “cửa sổ vơ tuyến” có suy hao trong khí quyển là nhỏ nhất, trong điều kiện bình thường có thể
bỏ qua.
Tuy nhiên các tần số nằm trong “cửa sổ vô tuyến” được sử dụng nhiều cho các hệ thống thông tin vi ba trên mặt đất, hơn nữa băng tần của thông tin vệ tinh rất rộng nên
ngoài các băng tần nằm trong “cửa sổ vô tuyến” được ấn định cho thông tin vệ tinh thì phải sử dụng thêm các băng tần khác. Các băng tần đó được quy định như chỉ ra trên
bảng 1.2
Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II
14
Bảng 1.2: Các băng tần ấn định cho thông tin vệ tinh
Khoảng cách Ký hiệu
Sử dụng điển hình 1,5 – 1,6 GHz
L Dịch vụ thông tin di động MSS
2,0 – 2,7 GHz S
Dịch vụ phát thanh, truyền hình BSS 3,7 – 7,25 GHz
C Dịch vụ vệ tinh cố định FSS
7,25 – 8,4 GHz X
Các vệ tinh nội địa 10,7 – 18 GHz
Ku Dịch vụ vệ tinh cố định FSS
18 – 31 GHz Ku
Dịch vụ vệ tinh cố định FSS 44 GHz
Q Các vệ tinh nội địa
Chú ý: các chữ cái ký hiệu cho băng tần được lựa chọn trong chiến tranh thế giới thứ hai nhằm giữ bí mật tần số của ra da và đánh lạc hướng kẻ địch, nên nó được sắp
xếp khơng theo một logic nào cả.
Dịch vụ cố định FSS là dịch vụ cho các trạm mặt đất có vị trí cố đinh. Dịch vụ di động là dịch vụ sử dụng cho các con tàu biển, máy bay, ôtô và các phương tiện khác
chuyển động trong khi truyền dẫn.
ITU cụ thể CCIR đã phân chia và ấn định các băng tần nói chung cho tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến trên phạm vi tồn cầu, trong đó có thơng tin vệ tinh cũng như
điều khiển việc bố trí vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh.
ITU đã phân chia thế giới làm ba khu vực, như chỉ ra trên hình 1.9.
Khu vực I: bao gồm châu Âu, châu Phi, liên bang Nga cũ, Mông cổ và các nước đông Âu
Khu vực II: gồm các nước nam và bắc Mỹ và đảo xanh Khu vực III : Châu Á Trừ vùng 1 Úc và tây nam Thái Bình Dương
Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II
15
Hình 1.9: Khu vực của ITU
Bảng 1.3: Quy định băng tần cho dịch vụ thông tin vệ tinh trong 3 khu vực
Khoảng tần số GHz
Các dịch vụ vệ tinh cố định Các dịch vụ giữa các
vệ tinh Đường lên
Đường xuống Chung cho 3 vùng
V1 V2
V3 V1
V2 V3
2,5 – 2,535 2,535 – 2,655
2 655 – 2,690 3,4 – 4,2
4,5 – 4,8 5,735 – 5,85
5,85 – 7,075 7,25 – 7,75
7,9 – 8,4 10,7 – 11,7
11,7 – 12,3 12,3 – 12,5
12,5 – 12,7 12,7 – 12,75
12,75 – 13,25 14 – 14,5
14,5 – 14,8 17,3 – 17,7
17,7 – 18,1 18,1 – 21,2
Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II
16
22,55 – 23,55 27 – 27,5
27,5 – 31 32 – 33
37,5 – 40,5 42,5 – 43,5
50,4 – 51,4
Tuy nhiên do có sự khác nhau giữa các khu vực đối với các dịch vụ thông tin vệ tinh nên việc ấn định tần số cho ba khu vực này thường có một vài ngoại lệ.
Việc phân định tần số cho các dịch vụ thông tin vệ tinh cố định được chỉ ra trên bảng 1.4 quy định trong giải tần từ 1GHz đến 52 GHz
Trong các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh đáng chú ý nhất là băng C, băng K
u
và băng K
a
là các băng tần hiện tại và tương lai được sử dụng phổ biến nhất vì: Băng C 64 GHz: cho đường lên gần 6 GHz và đường xuống gần 4 GHz.
Băng tần này nằm ở khoảng giữa “cửa sổ vơ tuyến” ít bị suy hao trong khí quyển quả đất cũng như trong các điều kiện khí tượng như mưa, sương mù…
Nó đã được sử dụng cho nhiều hệ thống thông tin vi ba trên mặt đất cũng như cho hệ thống thông tin vệ tinh của Intelsat và các hệ thống khác bao gồm các hệ thống thông
tin khu vực và nhiều hệ thống thông tin nội địa.
Băng K
u
1412 và 1411 GHz: băng này được sử dụng rộng rãi sau băng C cho viễn thông công cộng. Băng K
u
sử dụng thích hợp cho thơng tin vệ tinh nội địa và thông tin giữa các công ty. Do tần số cao nên cho phép các trạm mặt đất sử dụng anten kích
thước nhỏ.
Băng K
a
3020 GHz: chưa được sử dụng nhiều do suy hao lớn trong khí quyển quả đất cũng như trong các điều kiện thời tiết xấu như mưa, sương mù… Ưu điểm của băng
tần này là cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ, ít bị can nhiễu cũng như gây can nhiễu cho các hệ thống vi ba khác. Nhưng nó có nhược điểm là giá thành thiết bị tương
đối cao.

1.4. Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh:

Có hai dạng quỹ đạo là quỹ đạo êlíp và quỹ đạo tròn Dạng quỹ đạo êlípđịnh luật KEPLER thứ nhất quỹ đạo êlíp cao HEO mà điểnhình là vệ tinh Molniya của Liên xơ nên còn gọi là quỹ đạo Molniya, độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 65º, cận điểm là 1000 km và viễn điểmlà 39.400 km, chu kỳ quỹ đạo là 11gi58phDạng quỹ đạo tròn có thể có ba loại: quỹ đạo thấp LEO, quỹ đạo trung bình MEO, quỹ đạo cao HEO hay quỹ đạo đồng bộ khi vệ tinh bay ở độ cao 35.786 km,lúc đó chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ tự quay của quả đất bằng 23gi56ph04s. Trong quỹ đạo tròn lại có thể chia ra:Quỹ đạo cực tròn, mặt phẳng quỹ đạo vng góc với mặt phẳng xích đạo, nghĩa là mỗi vòng bay của vệ tinh sẽ đi qua hai cực quả đất.Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT IIFc=mvrF=GMmrv rQuỹ đạo tròn nghiêng khi mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc nào đó so với mặt phẳng xích đạo.Quỹ đạo xích đạo tròn, khi mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Trong quỹ đạo xích đạo tròn nếu chiều bay vệ tinh cùng chiều với chiều quay quảđất và có chu kỳ bằng chu kỳ quay của quả đất 24h gọi là quỹ đạo địa tĩnh GEO.Hình 1.5: Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh.Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT IIQuỹ đạo elip nghiêngQuỹ đạo xích đạo trònQuỹ đạo cực trònCó thể tóm tắt các dạng quỹ đạo của vệ tinh bằng sơ đồ dưới đây:Sơ đồ 1:Sơ đồ các dạng quỹ đạo của vệ tinhTừ các dạng quỹ đạo nêu trên thì vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh sử dụng cho thông tin là lý tưởng nhất vì nó đứng n khi quan sát từ một vị trí cố định trên mặt đất.Nghĩa làthơng tin sẽ được bảo đảm liên tục, ổn định trong 24 giờ đối với các trạm nằm trong vùng phủ sóng của vệ tinh mà không cần chuyển đổi sang một vệ tinh khác. Bởi vậy hầuhết các hệ thống thông tin vệ tinh cố định đều sử dụng vệ tinh địa tĩnh.Một vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh sẽ trở nên bất động so với mặt đất vì thế nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh.Để có một vệ tinh địa tĩnh phải có các điều kiện: – Vệ tinh phải quay theo hướng đông với tốc độ quay bằng tốc quay của quả đất.- Quỹ đạo là đường tròn. – Góc nghiêng của quỹ đạo bằng 0.Điều kiện đầu rất rõ ràng. nếu vệ tinh là tĩnh, nó phải quay cùng tốc độ với quả đất. Điều kiện thứ 2 được rút ra từ định luật kepler thứ 2. Tốc độ khơng đổi có nghĩa là vệtinh phải quýet các diện tích như nhau trong các khoảng thời gian như nhau và điều này chỉ xảy ra với quỹ đạo tròn. Điều kiện thứ 3, góc nghiêng bằng 0, dựa trên điều kiệnTrần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT IIQuỹ đạo ÊlipCác hệ thống quỹ đạo ê líp caoHEOVùng phủ sóng từ vĩ độ trungbình đến vĩ độ cao với một ít vệtinh Quỹ đạo trònQuỹ đạo cực và nghiêngQuỹ đạo thấp LEO ,Quỹ đạotrung bình MEO Quỹ đạo xíchđạo. Quỹ đạo đồng bộ và quỹđạo địa tĩnh GEOPhủ sóng tồn cầu với ba vệtinh Vùng phủ sóngrộng tồn cầu nhưng u cầuphải có nhiều vệ tinhrằng mọi sự nghiêng đều dẫn đến vệ tinh chuyển động theo hướng bắc và nam và vì thế nó khơng phải là địa tĩnh. Chỉ có góc nghiêng bằng 0 mới tránh khỏi việc vệ tinh chuyểnđộng sang bắc hoặc nam và điều này có nghĩa là quỹ đạo nằm trong mặt phẳng qua quỹ đạo của trái đất .Với quỹ đạo địa tĩnh vệ tinh có các đặc điểm sau: – Để có chu kỳ bay 1436 phút, theo định luật thứ ba của Kepler, thì bán kínhquỹ đạo sẽ là: r = Tµ4Л2 13thay các giá trị T = 1436.60 s; µ = 398.600,6 km, tính được r = 42.164 km.- Độ cao bay h = r – R, trong đó Rlà bán kính quả đất bằng 6378km, h = 42164 km -6378 km = 35.786 km.- “Góc nhìn” từ vệ tinh xuống quả đất, là góc hợp bởi hai đường thẳng nối từ tâm vệ tinh và tiếp tuyến với mặt đất tại một điểm, như chỉ ra trên hình 1.6. Xét tam giácvng AOSHình 1.6: “ Góc nhìn” từ vệ tinh địa tĩnhSinα = AOOS = 637842.164, suy ra : α =8º7 và 2α =17º4 tương ứng với góc ở tâm 2Φ = 180º -17º4 =162º6, Φ = 81º3- Vệ tinh địa tĩnh chỉ “nhìn thấy” các vĩ độ 81º3 Bắc và Nam, với góc ngẩng bằng 0º. Như vậy ở các vĩ độ cao hơn 81º3 Bắc và Nam là khơng “nhìn thấy” vệ tinh địa tĩnh,có nghĩa là các vùng cực không thể thông tin qua vệ tinh địa tĩnh.- Vùng “nhìn thấy” của vệ tinh lên mặt đất có thể được xác định từ độ dài cung AB bằng R, Φrad= 2x6379x1.42 = 18090,98 km. Chu vi quả đất 2Л R= 2×3,14×6378 =Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT IIoo AB Sr 21040053,84 km. Tỷ số độ dài cung AB trên chu vi quả đất bằng 45 diện tích bề mặt quả đất.Trong thực tế khi thơng tin với vệ tinh u cầu góc ngẩng của trạm mặt đất phải lớn hơn 0º, thường ≥ 5º cho nên vùng thực tế có thể thơng tin qua một vệ tinh địa tĩnh là nhỏhơn 45 diện tích quả đất. Bởi vậy phải có ít nhất ba vệ tinh địa tĩnh mới phủ sóng tồn cầu, trong đó sẽ có những vùng hai vệ tinh phủ sóng chồng lấn lên nhau, có nghĩa là cácđịa điểm đó có thể đồng thời thơng tin với hai vệ tinh, còn các vùng cực có vĩ độ khoảng ± 80º trở lên không thông tin được qua vệ tinh địa tĩnh, như chỉ ra trên hình 1.8.- Cự ly xa nhất từ vệ tinh đến điểm “nhìn thấy” trên mặt đất s = r.cosα = 42.164cos8º7 = 41.679 km, tương ứng với góc ngẩng bằng 0º, cự lyngắn nhất khi góc ngẩng là 90º bằng độ cao bay của vệ tinh là 35.786 km.Thời gian trễ truyền sóng từ một trạm mặt đất đến vệ tinh bằng: t =sc, trong đó s là cự ly từ trạm mặt đất đến vệ tinh, c là vận tốc ánh sáng = 299.792kms. Khi s lớn nhất thời gian trễ là t = 41.679299.792 =0,139 s, thời gian trễ ngắn nhất bằng 35.786299.792 =0,119 s.Khi truyền tín hiệu thoại, thời gian trễ sẽ gây ảnh hưởng tới cuộc đàm thoại hai chiều. Khi một người hỏi và một người trả lời tín hiệu khi quay trở về người hỏi sẽ phảiđi một đoạn đường bằng bốn lần s, tổng số thời gian trễ tăng lên 4 lần, nghĩa là khoảng từ 0,447 s đến 0,556 s. Thời gian trễ cũng gây ra hiện tượng hồi âm, bởi vậy phải cóthiết bị đặc biệt để khử hồi âm.Bảng 1.2 cho thấy quan hệ một số thơng số hình học giữa trạm mặt đất và vệ tinh địa tĩnh.Trong đó: R: bán kính quả đất; s là khoảng cách từ vệ tinh đến trạm mặt đất; r là bán kính quỹ đạo vệ tinh; E là góc ngẩng là góc hợp bởi đường thẳng nối từ trạm mặtđất đến vệ tinh với đường tiếp tuyến với mặt đất tại trạm; β là góc ở tâm chắn cung từtrạm mặt đất đến điểm chiếu vệ tinh lên mặt đất; α là góc nhìn.Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II11Bảng 1.1: Quan hệ của các thông số giữa trạm mặt đất và vệ tinh địa tĩnhs Thời giantổn hao độđộ độkm sdB 8,70081,30 41.6790,139 1,35 8,66776,33 41.1270,137 1,210 8,56771,43 40.5860,135 1,115 8,04266,6011 40.0610,134 1,020 8,17261,83 39.5540,132 0,925 7,88057,12 39.0700,130 0,830 7,52752,47 38.6120,129 0,735 7,11847,88 38.1810,127 0,640 6,65443,35 37.7800,126 0,545 6,14038,86 37.4120,125 0,450 5,58034,42 37.0780,124 0,355 4,97730,02 36.7860,123 0,260 4,33825,66 36.5200,122 0,165 3,66521,33 36.2970,121 0,170 2,96617,03 36.1140,120 0,175 2,24412,76 35.9710,120 0,080 1,5058,49 35.8680,120 0,085 0,7554,24 35.8070,119 0,090 0,0000,00 35.7860,119 0,0Chỉ cần 3 vệ tinh địa tĩnh là có thể phủ sóng tồn cầu như chỉ ra trên hình 1.7. Các thơng số hình học được chỉ ra trên hình1.8.Hình 1.7: Vị trí 3 vệ tinh địa tĩnh phủ sóng tồn cầuTrần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT IITrạm mặt đấtTâm quả đất Vệ tinhE Rc12Hình 1.8: Các thơng số hình học giữa trạm mặt đất và vệ tinh 1.3. Băng tần thông tin vệ tinh:Thông tin vệ tinh là hệ thống thơng tin có phương thức truyền dẫn vô tuyến, bởi vậy việc lựa chọn và ấn định băng tần công tác cho các dịch vụ thông tin vệ tinh là rất quantrọng. Nó phải thoả mãn hai điều kiện cơ bản :- Không gây can nhiễu lên các hệ thống thông tin vô tuyến khác cũng như dịch vụ thông tin vệ tinh trong mạng- Tổn hao truyền sóng nhỏ để giảm nhỏ kích thước và giá thành thiết bị 1 Lựa chọn băng tần cho thơng tin vệ tinhCó những vấn đề liên quan tới sự truyền lan sóng vơ tuyến điện trong thơng tin vệ tinh, vì việc phát và thu sóng thực hiện giữa một trạm mặt đất và vệ tinh ở rất xa trongvũ trụ. Vấn đề lớn nhất là sóng bị tiêu hao do sự lan toả tất yếu vào không gian. Đặc trưng cho tổn hao đó là hệ số tổn hao không gian tự do được biểu thị bằng cơng thức:otd= 4πrλ1.3 Trong đó r là khoảng cách từ anten trạm mặt đất đến anten vệ tinhλ là bước sóng cơng tác Để hạn chế sự lan toả sóng vào không gian trong thông tin vô tuyến phải sử dụnganten bức xạ có hướng để hướng bức xạ sóng vô tuyến điện đến anten thu cũng như hướng anten thu vào anten phát. Đại lượng đó được gọi là hệ số tính hướng của antenthường được ký hiệu là D, nên tổn hao không gian tự do sẽ giảm đi và bằng:td= 4πrλ.D1.4 Trong đó Dlà hệ số tính hướng của anten phát, Dlà của anten thu Ngoài tổn hao không gian tự do là tổn hao chủ yếu còn có suy hao do khí quyển quảđất.Khí quyển quả đất được chia làm ba tầng: lớp khí quyển dưới cùng dải từ mặt đất lên độ cao khoảng 11 km gọi là tầng đối lưu. Các hiện tượng thời tiết như mưa, bão,sương mù… đều xẩy ra trong tầng đối lưu. Tiếp đến là tầng bình lưu, có giới hạn trên khoảng 35 km, và trên cùng là tầng điện ly có độ cao khoảng từ 50 km đến 400 km.Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II13Tầng điện ly là một lớp khí bị ion hố mạnh nên mật độ chất khí chủ yếu là các điện tử tự do và các ion. Nó có tính chất hấp thụ và phản xạ sóng vơ tuyến điện. Bằng việckhảo sát thực tế người ta thấy tầng điện ly chỉ phản xạ đối với băng sóng ngắn trở xuống. Tần số càng cao ảnh hưởng bởi tầng điện ly càng ít, ở các tần số trong băng viba hầu như không bị ảnh hưởng bởi tầng điện ly.Trong tầng đối lưu sóng vơ tuyến điện bị hấp thụ bởi các phân tử khí như oxy, hơi nước HO, CO, v.v… cũng như trong mưa và sương mù. Nhưng ở các tần số khoảng 6 GHz trở xuống hấp thụ không đáng kể, có thể bỏ qua. Khoảng tần số đó được gọi làcửa sổ vô tuyến.Nếu sử dụng băng tần nằm trong “cửa sổ vô tuyến” tức là khoảng từ 1GHz đến 10 GHz thì suy hao do tầng điện ly và trong tầng đối lưu là không đáng kể và suy haotruyền sóng gần như bằng suy hao khơng gian tự do.2 Quy định băng tần cho thông tin vệ tinh Như đã thấy băng tần lý tưởng nhất sử dụng cho thông tin vệ tinh cũng như hệthống vi ba khác là băng tần nằm trong “cửa sổ vơ tuyến” vì các tần số nằm trong “cửa sổ vơ tuyến” có suy hao trong khí quyển là nhỏ nhất, trong điều kiện bình thường có thểbỏ qua.Tuy nhiên các tần số nằm trong “cửa sổ vô tuyến” được sử dụng nhiều cho các hệ thống thông tin vi ba trên mặt đất, hơn nữa băng tần của thông tin vệ tinh rất rộng nênngoài các băng tần nằm trong “cửa sổ vô tuyến” được ấn định cho thông tin vệ tinh thì phải sử dụng thêm các băng tần khác. Các băng tần đó được quy định như chỉ ra trênbảng 1.2Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II14Bảng 1.2: Các băng tần ấn định cho thông tin vệ tinhKhoảng cách Ký hiệuSử dụng điển hình 1,5 – 1,6 GHzL Dịch vụ thông tin di động MSS2,0 – 2,7 GHz SDịch vụ phát thanh, truyền hình BSS 3,7 – 7,25 GHzC Dịch vụ vệ tinh cố định FSS7,25 – 8,4 GHz XCác vệ tinh nội địa 10,7 – 18 GHzKu Dịch vụ vệ tinh cố định FSS18 – 31 GHz KuDịch vụ vệ tinh cố định FSS 44 GHzQ Các vệ tinh nội địaChú ý: các chữ cái ký hiệu cho băng tần được lựa chọn trong chiến tranh thế giới thứ hai nhằm giữ bí mật tần số của ra da và đánh lạc hướng kẻ địch, nên nó được sắpxếp khơng theo một logic nào cả.Dịch vụ cố định FSS là dịch vụ cho các trạm mặt đất có vị trí cố đinh. Dịch vụ di động là dịch vụ sử dụng cho các con tàu biển, máy bay, ôtô và các phương tiện khácchuyển động trong khi truyền dẫn.ITU cụ thể CCIR đã phân chia và ấn định các băng tần nói chung cho tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến trên phạm vi tồn cầu, trong đó có thơng tin vệ tinh cũng nhưđiều khiển việc bố trí vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh.ITU đã phân chia thế giới làm ba khu vực, như chỉ ra trên hình 1.9.Khu vực I: bao gồm châu Âu, châu Phi, liên bang Nga cũ, Mông cổ và các nước đông ÂuKhu vực II: gồm các nước nam và bắc Mỹ và đảo xanh Khu vực III : Châu Á Trừ vùng 1 Úc và tây nam Thái Bình DươngTrần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II15Hình 1.9: Khu vực của ITUBảng 1.3: Quy định băng tần cho dịch vụ thông tin vệ tinh trong 3 khu vựcKhoảng tần số GHzCác dịch vụ vệ tinh cố định Các dịch vụ giữa cácvệ tinh Đường lênĐường xuống Chung cho 3 vùngV1 V2V3 V1V2 V32,5 – 2,535 2,535 – 2,6552 655 – 2,690 3,4 – 4,24,5 – 4,8 5,735 – 5,855,85 – 7,075 7,25 – 7,757,9 – 8,4 10,7 – 11,711,7 – 12,3 12,3 – 12,512,5 – 12,7 12,7 – 12,7512,75 – 13,25 14 – 14,514,5 – 14,8 17,3 – 17,717,7 – 18,1 18,1 – 21,2Trần Sỹ Hùng TC Đ05 – ĐTVT II1622,55 – 23,55 27 – 27,527,5 – 31 32 – 3337,5 – 40,5 42,5 – 43,550,4 – 51,4Tuy nhiên do có sự khác nhau giữa các khu vực đối với các dịch vụ thông tin vệ tinh nên việc ấn định tần số cho ba khu vực này thường có một vài ngoại lệ.Việc phân định tần số cho các dịch vụ thông tin vệ tinh cố định được chỉ ra trên bảng 1.4 quy định trong giải tần từ 1GHz đến 52 GHzTrong các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh đáng chú ý nhất là băng C, băng Kvà băng Klà các băng tần hiện tại và tương lai được sử dụng phổ biến nhất vì: Băng C 64 GHz: cho đường lên gần 6 GHz và đường xuống gần 4 GHz.Băng tần này nằm ở khoảng giữa “cửa sổ vơ tuyến” ít bị suy hao trong khí quyển quả đất cũng như trong các điều kiện khí tượng như mưa, sương mù…Nó đã được sử dụng cho nhiều hệ thống thông tin vi ba trên mặt đất cũng như cho hệ thống thông tin vệ tinh của Intelsat và các hệ thống khác bao gồm các hệ thống thôngtin khu vực và nhiều hệ thống thông tin nội địa.Băng K1412 và 1411 GHz: băng này được sử dụng rộng rãi sau băng C cho viễn thông công cộng. Băng Ksử dụng thích hợp cho thơng tin vệ tinh nội địa và thông tin giữa các công ty. Do tần số cao nên cho phép các trạm mặt đất sử dụng anten kíchthước nhỏ.Băng K3020 GHz: chưa được sử dụng nhiều do suy hao lớn trong khí quyển quả đất cũng như trong các điều kiện thời tiết xấu như mưa, sương mù… Ưu điểm của băngtần này là cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ, ít bị can nhiễu cũng như gây can nhiễu cho các hệ thống vi ba khác. Nhưng nó có nhược điểm là giá thành thiết bị tươngđối cao.

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