Giáo trình Thông tin vệ tinh

131 trang phuongnguyen 3970

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thông tin vệ tinh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_thong_tin_ve_tinh.pdf

Nội dung text: Giáo trình Thông tin vệ tinh

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG THÔNG TIN VỆ TINH (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội bộ HÀ NỘI - 2007
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG THÔNG TIN VỆ TINH Biên soạn : TS. NGUYỄN PHẠM ANH DŨNG
LỜI NÓI ĐẦU Thông tin vệ tinh đã đã trở thành một phương tiên thông tin rất phổ biến và đa dạng. Nó thể hiện từ các chảo anten truyền hình gia đình cho đến các hệ thông thống tin toàn cầu truyền các khối lượng số liệu và lưu lượng thoại lớn cùng với các chương trình truyền hình. Vì một vệ tinh có thể phủ sóng cho một vùng rộng lớn trến trái đất, nên một bộ phát đáp trên vệ tính có thể cho phép nối mạng nhiều trạm mặt đất từ các vùng địa lý cách xa nhau trên trái đất. Các vệ tinh đảm bảo đường truyền thông tin cho các cho các vùng dân cư xa xôi hẻo lánh khi mà các phương tiện thông tin khác khó đạt đến. Tử nghiên cứu các số liệu quan trắc hơn 20 năm của nhà thiên văn Tycho Brahe, Johannes Kepler đã chứng minh rằng các hành tinh quay quanh mặt trời trên các quỹ đạo elip chứ không phải tròn. Ông đã tổng kết các nghiên cứu của mình trong ba định luật chuyển động hành tinh. Hai định luật đầu đã được công bố trong tạp chí New Astromy vào năm 1609 và định luật thứ ba được công bố trong cuốn sách Harmony of The World vào năm 1619. Ba định luật này được trình bầy như sau. • Định luật 1. Quỹ đạo cuả một hành tinh có dạng elip với mặt trời nằm tại tiêu điểm • Định luật 2. Bán kính của vectơ nối hành tinh và mặt trời quét các diện tích bằng nhau trong khoảng thời gian bằng nhau • Định luật 3. Bình phương chu kỳ quay quanh quỹ đạo của hành tinh tỷ lệ với lập phương bán trục chính của elip Ba định luật này là cơ sở để mô tả quỹ đạo của vệ tinh quay quanh trái đất trong đó vệ tinh đóng vai trò hành tinh còn trái đất đóng vai trò mặt trời. Đến nay nhiều hệ thống thông tin vệ tinh đã được thiết lập với các quỹ đạo vệ tinh khác nhau, trong đó chỉ có vệ tinh Molnya của Liên xô cũ là sử dụng quỹ đạo elip, còn các vệ tinh còn lại đều sử dụng quỹ đạo tròn. Hiện nay không chỉ có các hệ thống thông tin vệ tinh cho các đối tượng cố định mà các hệ thống thông tin vệ tinh di động cũng đã được thiết lập và đưa vào khai thác. Ngày càng có xu thế tích hợp thông tin vệ tinh với thông tin mặt đất. Tài liệu này bao gồm các bài giảng về môn học "Thông tin vệ tinh" được biên soạn theo chương trình đại học công nghệ viễn thông của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Mục đích của tài liệu là cung cấp cho sinh viên các kiến thức căn bản nhất về thông tin vệ tinh. Tài liệu này được xây dựng trên cơ sở sinh viên đã học các môn: Anten và truyền sóng, Truyền dẫn vô tuyến số, Lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô tuyến. Do hạn chế của thời lượng nên tài liệu này chỉ bao gồm các phần căn bản liên quan đến các kiến thức căn bản về thông tin vệ tinh. Tuy nhiên học kỹ tài liệu này sinh viên có thể hoàn chỉnh thêm kiến thức cuả môn học bằng cách đọc các tài liệu tham khảo dẫn ra ở cuối tài liệu này. Tài liệu này được chia làm bẩy chương. Được kết cấu hợp lý để sinh viên có thể tự học. Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi vài bài tập. Cuối tài liệu là đáp án cho các bài tập. Người biên soạn: TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng i
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương • Tổng quan các quỹ đạo vệ tinh trong thông tin vệ tinh • Phân bổ tần số • Các vệ tinh của INTELSAT • Các vệ tinh DOMSAT • Các hệ thống thông tin di động vệ tinh 1.1.2. Hướng dẫn • Học kỹ các tư liệu được trình bày trong chương • Tham khảo thêm [1] và [2] • Trả lời các câu hỏi và bài tập 1.1.3. Mục đích chương • Hiểu được các loại quỹ đạo và ứng dụng của chúng trong thông tin vệ tinh • Hiểu được tổ chức của các hệ thống thông tin vệ tinh • Hiểu được quy hoạch tần số cho thông tin vệ tinh 1.2. CÁC QUỸ ĐẠO VỆ TINH TRONG CÁC HỆ THÔNG THÔNG TIN VỆ TINH Tuỳ thuộc vào độ cao so với mặt đất các quỹ đạo của vệ tinh trong hệ thống thông tin vệ tinh được chia thành (hình 2.1): * HEO (Highly Elpitical Orbit): quỹ đạo elip cao * GSO (Geostationary Orbit) hay GEO (Geostatinary Earth Orbit): quỹ đạo địa tĩnh * MEO (Medium Earth Orbit): quỹ đạo trung * LEO (Low Earth Orbit): quỹ đạo thấp. 1
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh MEO HEO 40.000 km 10.000km 1.000 km GEO 36.000km LEO Hình 1.1. Các quỹ đạo vệ tinh trong các hệ thống thông tin vệ tinh 1.3. PHÂN BỐ TẦN SỐ CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Phân bố tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quá trình rất phức tạp đòi hỏi sự cộng tác quốc tế và có quy hoạch. Phân bố tần được thực hiện dưới sự bảo trợ của Liên đoàn viễn thông 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 các vùng này băng tần được phân bổ 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. Các dịch vụ do vệ tinh cung cấp bao gồm: Các dịch vụ vệ tinh cố định (FSS) Các dịch vụ vệ tinh quảng bá (BSS) Các dịch vụ vệ tinh di động (MSS) Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng Các dịch vụ vệ tinh khí tượng Từng phân loại trên lại được chia thành các phân nhóm dịch vụ; chẳng hạn dịch vụ vệ tinh cố định cung cấp các đường truyền cho các mạng điện thoại hiện có cũng như các tín hiệu truyền hình cho các hãng TV cáp để phân phối trên các hệ thống cáp. Các dịch vụ vệ tinh quảng bá có mục đích chủ yếu phát quảng bá trực tiếp đến gia đình và đôi khi được gọi là vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS:direct broadcast setellite), ở Châu Âu gọi là dịch vụ trực tiếp đến nhà (DTH: direct to home). Các dịch vụ vệ tinh di động bao gồm: di động mặt đất, di động trên biển và di động trên máy bay. Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng bao gồm các hệ thống định vị toàn cầu và các vệ tinh cho các dịch vụ khí tượng thường cung cấp cả dịch vụ tìm kiếm và cứu hộ. Bảng 1.1. liệt kê các ký hiệu băng tần sử dụng chung cho các dịch vụ vệ tinh. 2
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh Bảng 1.1. Các ký hiệu băng tần Dải tần, GHz Ký hiệu băng tần 0,1-0,3 VHF 0,3-1,0 UHF 1,0-2,0 L 2,0-4,0 S 4,0-8,0 C 8,0-12,0 X 12,0-18,0 Ku 18,0-27,0 K 27,0-40,0 Ka 40,0-75 V 75-110 W 110-300 mm 300-3000 μm Băng Ku là băng nằm dưới băng K còn băng Ka là băng nằm trên K. Ku là băng hiện nay được sử dụng cho các vệ tinh quảng bá trực tiếp và nó cũng được sử dụng cho một số dịch vụ vệ tinh cố định. Băng C được sử dụng cho các dịch vụ vệ tinh cố định và các dịch vụ quảng bá trực tiếp không được sử dụng băng này. Băng VHF được sử dụng cho một số dịch vụ di động và đạo hàng và để truyền số liệu từ các vệ tinh thời tiết. Băng L được sử dụng cho các dịch vụ di động và các hệ thống đạo hàng. Đối với các dịch vụ vệ tinh cố định trong băng C, phần băng được sử dụng rộng rãi nhất là vào khoảng từ 4 đến 6 GHz. Hầu như các tần số cao hơn được sử dụng cho đường lên và thường băng C được ký hiệu là 6/4 GHz trong đó con số viết trước là tần số đường lên. Đối với dịch vụ quảng bá trực tiếp trong băng Ku, dải thường được sử dụng là vào khoảng từ 12 đến 14 GHz và được ký hiệu là 14/12 GHz. Mặc dù các ấn định tần số được thực hiện cụ thể hơn và chúng có thể nằm ngoài các giá trị được trích dẫn ở đây (chẳng hạn các ấn định tần số băng Ku có thể là 14,030 GHz và 11,730 GHz), các giá trị gần đúng được đưa ra ở trên hoàn toàn thoả mãn cho các tính toán có liên quan đến tần số. 1.4. INTELSAT INTELSAT (International Telecommunications Satellite) là một tổ chức được thành lập vào năm 1964 bao gồm 140 nước thành viên và được đầu tư bởi 40 tổ chức. Các hệ thống vệ tinh INTELSAT đều sử dụng quỹ đạo địa tĩnh. Hệ thống vệ tinh INTELSAT phủ ba vùng chính: vùng Đại Tây Dương (AOR: Atlanthic Ocean Region), vùng Ấn Độ Dương (IOR: Indian Ocean Region) và vùng Thái Bình Dương (POR: Pacific Ocean Region). INTELSAT VI cung cấp lưu lượng trong AOR gấp ba lần trong IOR và hai lần trong IOR. và POR cộng lại. Như vậy hệ thống vệ tinh này chủ yếu đảm bảo lưu lượng cho AOR. Tháng 5/1999 đã có ba vệ tinh INTELSAT VI phục vụ trong AOR và hai trong IOR. Các vệ tinh INTELSAT VII-VII/A được phóng trong khoảng thời gian từ 11/1993 đến 6/1996 với thời hạn phục vụ từ 10 đến 15 năm. Các vệ tinh này được thiết kế chủ yếu để phục vụ POR và một phần AOR. Các vệ tinh này có dung lượng 22.500 kênh thoại hai chiều và 3 kênh TV. Nếu sử dụng nhân kênh số có thể nâng số kênh thoại lên 112.500 kênh hai chiều. 3
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh Các vệ tinh INTELSAT VIII-VII/A được phóng trong khoảng thời gian từ 2/1997 đến 6/1998 với thời hạn phục vụ từ 14 đến 17 năm. Các vệ tinh này có dung lượng giống như VII/A. Các vệ tinh INTELSAT IX là seri vệ tinh được phóng muộn nhất (từ quý 1 /2001). Các vệ tinh này cung cấp dải dịch vụ rộng hơn bao gồm cả các dịch vụ như: internet, TV đến nhà (DTH), khám bệnh từ xa, dậy học từ xa, video tương tác và đa phương tiện. Ngoài ra các vệ tinh INTELSAT cũng cung cấp các dịch vụ nội địa hoặc các dịch vụ vùng giữa các nước. 1.5. VỆ TINH NỘI ĐỊA, DOMSAT Vệ tinh nội địa được viết tắt là DOMSAT (domestic satellite). Các vệ tinh này được sử dụng để cung cấp các dịch vụ khác nhau như: thoại, số liệu, truyền dẫn TV trong một nước. Các vệ tinh này thường được đặt trên quỹ đạo địa tĩnh. Tại Mỹ các vệ tinh này cũng cho phép lựa chọn các kênh truyền hình cho máy thu gia đình, ngoài ra chúng còn cung cấp một khối lượng lớn lưu lượng thông tin thương mại. Các DOMSAT cung cấp dịch vụ DTH có thể có các công suất rất khác nhau. (EIRP từ 37dBW đến 60 dBW). Bảng 1.2 dưới đây cho thấy đặc tính cơ bản của ba loại vệ tinh DOMSAT tại Mỹ. Bảng 1.2. Đặc tính của ba loại DOMSAT tại Mỹ Công suất cao Công suất trung bình Công suất thấp Băng K Ku Ku C Tần số đường xuống 12,2-12,7 11,7-12,2 3,7-4,2 (GHz) Tần số đường lên (GHz) 17,3-17,8 14-14,5 5,925-6,425 Dịch vụ vệ tinh BSS FSS FSS Mục đích ban đầu DBS điểm đến điểm điểm đến điểm Mục đích ban đầu là chỉ có các vệ tinh công suất lớn cung cấp dịch vụ vệ tinh quảng bá (DBS). Các vệ tinh công suất trung bình chủ yếu cung cấp dịch vụ điểm đến điểm và một phần DBS. Còn các vệ tinh công suất thấp chỉ cung cấp dịch vụ điểm đến điểm. Tuy nhiên từ kinh nghiệm người ta thấy máy thu vệ tinh truyền hình (TVRO) cũng có thể bắt được các chương trình từ băng C, nên nhiều gia đình đã sử dụng các chảo anten băng C để bắt các chương trình truyền hình. Hiện này nhiều hãng truyền thông quảng bá đã mật mã hóa chương trình băng C, vì thế chỉ có thể bắt đựơc chương trình này sau khi giải mã. 1.6. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VỆ TINH Thông tin di động vệ tinh trong mười năm gần đây đã trải qua những biến đổi cách mạng bắt đầu từ hệ thống thông tin di động vệ tinh hàng hải (INMARSAT) với các vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh (GSO). Năm 1996 INMARSAT phóng 3 trong số năm vệ tinh của INMARSAT 3 để tạo ra các chùm búp hẹp chiếu xạ toàn cầu. Trái đất được chia thành các vùng rộng lớn được phục vụ bởi các chùm búp hẹp này. Với cùng một công suất phát các chùm búp hẹp tạo ra được EIRP lớn hơn nhiều so với các chùm búp toàn cầu. Nhờ vậy việc thiết kế đầu cuối mặt đất sẽ đơn giản hơn, 4
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh vì đầu cuối mặt đất sẽ nhìn thấy anten vệ tinh với tỷ số giữa hệ số khuyếch đại anten và nhiệt độ tạp âm hệ thống (G/Ts) lớn hơn và EIRP đường xuống lớn hơn. Người ta dự định có thể sử dụng thiết bị đầu cuối mặt đất với kích thước sổ tay. Hiện nay các vệ tinh ở GSO cho phép các thiết bị di động mặt đất trên ô tô hoặc kích cỡ va li. Với EIRP từ vệ tinh đủ lớn, các máy di động có thể sử dụng các anten có kích thước trung bình cho dịch vụ thu số liệu và thoại. Tuy nhiên vẫn chưa thể cung cấp dịch vụ cho các máy thu phát cầm tay. Để đảm bảo hoạt động ở vùng sóng vi ba thấp cho các bộ thu phát cầm tay ở hệ thống vệ tinh GSO cần có anten dù mở (hệ số khuyếch đại anten cao) đặt được bên trong thiết bị phóng và công suất phát bổ sung. Chẳng hạn ở băng L (1 đến 2 GHz), kích thước anten có thể từ 10 đến 15 m. Sở dĩ cần như vậy vì máy thu phát cầm tay có công suất phát thấp (vài trăm mW) và hệ số khuyếch đại anten thấp (0 đến 3 dB). Công suất phát của máy cầm tay phụ thuộc vào acqui (và trọng lượng của nó), nhưng quan trọng hơn là an toàn cho người sử dụng. Vì thế các vùng dưới mặt đất đòi hỏi mật độ thông lượng công suất đến anten cao hơn (đạt được nhờ EIRP cao) và tỷ số G/Ts ở vệ tinh cao (anten thu vệ tinh có hệ số khuyếch đại cao) để bắt được tín hiệu yếu từ máy phát của máy cầm tay. Một tổ chức GSO hiện nay có thể cung cấp dịch vụ cho các máy phát thu kích thước va li là: Hãng vệ tinh di động Mỹ (AMSC) sử dụng vệ tinh GSO đặt ở 1010W. Vệ tinh này đảm bảo dịch vụ cho thông tin của người sử dụng ở băng L và sử dụng băng Ku (11 đến 18 GHz) để giao diện với trạm của mặt đất nơi kết nối với mạng PSTN. Tất cả các vệ tinh di động cung cấp dịch vụ tiếng phụ thuộc vào anten trạm mặt đất có tính hướng (G>10dB). Có thể sử dụng các anten có khuyếch đại thấp hơn nhưng chỉ có thể cung cấp dịch vụ cho tốc độ số liệu thấp hoặc nhắn tin (phi thoại). Hiện nay thông tin di động vệ tinh đang chuyển sang dịch vụ thông tin di động cá nhân (PCS) với các máy thu phát cầm tay. Đối với ứng dụng này các vệ tinh phải có quỹ đạo thấp (LEO) (độ cao vào khoảng 1000 km) và quỹ đạo trung MEO (độ cao khoảng 10.000 km). Các vệ tinh này sử dụng các chùm búp hẹp chiếu xạ mặt đất để tạo thành cấu trúc tổ ong giống như các hệ thống tổ ong mặt đất. Tuy nhiên do vệ tinh bay nên các chùm búp này di động và cơ bản trạm di động có thể coi là dừng đối với các búp hẹp (tổ ong) chuyển động khá nhanh. Cũng có thể lập trình các búp hẹp này để quét sóng các vùng phục vụ mặt đất và duy trì vùng chiếu cố định như hệ thống tổ ong. Tuy nhiên điều này đòi hỏi các anten phức tạp hơn, chẳng hạn dàn chỉnh pha hay anten quét cơ khí hoặc điều khiển độ cao quỹ đạo vệ tinh. Một số hãng đang đưa ra các đề án LEO hay MEO để cung cấp cả dịch vụ truyền số liệu và tiếng. Chủ yếu các dịch vụ số liệu được cung cấp bởi các hệ thống vệ tinh LEO nhỏ, còn cả hai dịch vụ số liệu và tiếng được cung cấp bởi các hệ thống LEO lớn. Nói chung các vệ tinh của LEO lớn phức tạp (và đắt tiền) hơn. Trong phần dưới đây ta sẽ xét mét sè hÖ thèng th«ng tin di ®éng vÖ tinh ®iÓn h×nh. 1.6.1 DÞch vô di ®éng cña hÖ thèng GSO 1.6.1.1. DÞch vô cho B¾c Mü øng dông ®Çu tiªn cña hÖ thèng GSO ®Ó cung cÊp dÞch vô di ®éng vÖ tinh ®−îc thùc hiÖn khi MARISAT ®−îc ®−a vµo ho¹t ®éng. C«ng nghiÖp dÞch vô di ®éng vÖ tinh ®· ra ®êi tõ ch−¬ng tr×nh cña US Navy nh»m cung cÊp th«ng tin cho tÇu cËp bê b»ng c¸ch sö dông ba kªnh UHF. Ngoµi UHF, Comsat (INMARSAT) còng thuª c¸c kªnh L sö dông anten xo¾n ®Ó ®¶m b¶o dÞch vô 5
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh th−¬ng m¹i. TiÕp theo lµ sù ra ®êi cña MARECS, IVMCS vµ INMARSAT, nh−ng MARISAT vÉn tiÕp tôc ho¹t ®éng. Ph¸t triÓn cao nhÊt lµ chïm vÖ tinh cña INMARSAT-3 ®¶m b¶o c¸c bóp toµn cÇu vµ c¸c bóp hÑp. TÊt c¶ c¸c hÖ thèng nãi trªn chñ yÕu cung cÊp dÞch vô cho th«ng tin hµng h¶i, tuy nhiªn hiÖn nay INMARSAT cung cÊp c¶ dÞch vô th«ng tin di ®éng cho ®Êt liÒn vµ hµng kh«ng. §−êng dÞch vô cña c¸c hÖ thèng nµy sö dông b¨ng L, cßn ®−êng tiếp sóng sö dông b¨ng C. C¸c hÖ thèng nµy kh«ng cung cÊp ®−îc dÞch vô cho c¸c m¸y cÇm tay. Comsat ®· ph¸t triÓn ®Çu cuèi x¸ch tay cã tªn gäi lµ Planet 1 ®Ó sö dông dÞch vô do INMARSAT-3 cung cÊp. C¸c bóp hÑp t¹o ra EIRP vµ G/Ts ®ñ lín ®Ó th«ng tin víi m¸y x¸ch tay. §Ó tiÕp tôc ph¸t triÓn th«ng tin di ®éng vÖ tinh, n¨m 1985 FCC cho phÐp C«ngxoocxiom cña c¸c h·ng cung cÊp dÞch vô cho Mü. TËp ®oµn vÖ tinh di ®éng Mü AMSC nhËn ®−îc cÊp phÐp nµy. HÖ thèng vÖ tinh nµy ®−îc ®Æt tªn lµ AMSC. HÖ thèng cã thÓ cung cÊp: dÞch vô th«ng tin di ®éng vÖ tinh mÆt ®Êt (LMSS), dÞch vô th«ng tin di ®éng vÖ tinh hµng kh«ng (AMSS) vµ dÞch vô th«ng tin di ®éng vÖ tinh hµng h¶i (MMSS). HÖ thèng cã thÓ cung cÊp c¸c dÞch vô tho¹i, sè liÖu vµ Fax cho c¸c m¸y x¸ch tay, ®Æt trªn « t« hay c¸c tr¹m cè ®Þnh. DÞch vô nµy cã tªn lµ « trªn trêi (Skycell). DÞch vô tæ ong (cho m¸y cÇm tay) cã thÓ nhËn ®−îc nhê khai th¸c song mèt ë vïng cã hÖ thèng th«ng tin di ®éng tæ ong mÆt ®Êt. AMSC kh«ng ®ñ m¹nh ®Ó cung cÊp dÞch vô cho m¸y cÇm tay, v× anten mÆt ®Êt ph¶i cã khuyÕch ®¹i kho¶ng 10 dB ®Ó ®¹t ®−îc dÞch vô tiÕng tin cËy. Th¸ng 4/ 1995 vÖ tinh AMSC ®−îc phãng vµ ®−a vµo phôc vô vµi th¸ng sau ®ã. AMSC-1 ®−îc ®Æt ë kinh ®é 1010W. FCC cho phÐp AMSC phãng ba vÖ tinh. H·ng di ®éng Telesat cña Canada ®· tho¶ thuËn liªn doanh ®Ó phãng vÖ tinh (MSAT). VÖ tinh nµy ®· ®ù¬c phãng vµ ®Æt ë kinh ®é 1060W. TÇn sè c«ng t¸c ®−êng dÞch vô cña AMSC-1 lµ: 1530-1559 MHz cho ®−êng xuèng vµ 1631,5-1660 MHz cho ®−êng lªn. TÇn sè cho ®−êng tiếp sóng lµ: b¨ng 13 GHz cho ®−êng xuèng vµ b¨ng 10 GHz cho ®−êng lªn. VÖ tinh ho¹t ®éng nh− èng cong "bent pipe" (hai tr¹m mÆt ®Êt ®Òu nh×n thÊy vÖ tinh trong lóc liªn l¹c) vµ kh«ng cã xö lý trªn vÖ tinh. §Çu cuèi cña ng−êi sö dông lµm viÖc ë b¨ng L. Qu¸ tr×nh ®Þnh tuyÕn tÝn hiÖu ®Õn vµ tõ vÖ tinh ®−îc cho ë h×nh 1.3. Hai anten dï më ®−îc sö dông kÕt nèi th«ng tin gi÷a hai ng−êi sö dông. Anten siªu cao tÇn (SHF) cho bóp sãng ®−îc ®Þnh d¹ng ®Ó phñ sãng hÇu hÕt B¾c Mü. Kh«ng cã ®−êng nèi trùc tiÕp b¨ng L gi÷a hai ng−êi sö dông. §Ó thùc hiÖn cuéc gäi, ng−êi sö dông ph¸t tÝn hiÖu ®−êng lªn b¨ng L ®Õn vÖ tinh, ë vÖ tinh tÝn hiÖu nµy chuyÓn ®æi tÇn sè ®−îc ph¸t xuèng ë tÇn sè 13 GHz ®Õn trung t©m ®iÒu khiÓn. Trung t©m nµy Ên ®Þnh cÆp kªnh cho phÝa khëi x−íng vµ kÕt cuèi cuéc gäi. Sau khi kÕt nèi ®−îc thùc hiÖn, hai phÝa cã thÓ th«ng tin víi nhau. TÝn hiÖu phÝa khëi x−íng ®−îc ph¸t lªn ®Õn vÖ tinh, sau ®ã tõ vÖ tinh ph¸t xuèng ®Õn tr¹m cæng vµ tõ tr¹m nµy nã ®−îc ph¸t lªn ®Õn vÖ tinh. Tại ®©y nã ®−îc chuyÓn vµo b¨ng L vµ ph¸t ®Õn tr¹m kÕt cuèi. NÕu phÝa kÕt cuèi kh«ng ph¶i m¸y di ®éng, tr¹m cæng kÕt nèi cuéc gäi ®Õn PSTN néi h¹t. Sau khi cuéc gäi kÕt thóc, kªnh ®−îc gi¶i phãng. Thùc chÊt th«ng tin ë ®©y ®−îc thùc hiÖn ë hai chÆng vµ kh«ng cã kÕt nèi trùc tiÕp ë b¨ng L. ThuËt ng÷ kü thuËt ®−îc sö dông cho tr−êng hîp nµy lµ: kh«ng ®Êu nèi b¨ng L víi b¨ng L ë vÖ tinh. Tr−íc hÕt AMSC sö dông c¸c ®Çu cuèi hai chÕ ®é vÖ tinh/tæ ong. NÕu m¸y di ®éng kh«ng thÓ kÕt nèi ®Õn hÖ thèng tæ ong mÆt ®Êt, cuéc gäi ®−îc ®Þnh tuyÕn qua chÕ ®é vÖ tinh. 6
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh H×nh 1.3. VÖ tinh hai b¨ng tÇn AMSC 1.6.1.2. DÞch vô cho ch©u ¢u b»ng hÖ thèng Archimedes H·ng hµng kh«ng vò trô ch©u ¢u ®· ®Ò xuÊt sö dông vÖ tinh tia chíp "Molnya' quü ®¹o elip ë ®iÓm cùc viÔn ®Ó ®¶m b¶o dÞch vô tiÕng b»ng ®Çu cuèi kÝch th−íc vali cho ch©u ¢u. Sö dông d¹ng quü ®¹o nµy cã hai c¸i lîi. Nã cho phÐp gãc ngÈng bóp anten cao h¬n (kho¶ng 700), nhê thÕ gi¶m pha®inh nhiÒu tia xÈy ra khi sö dông gãc ngÈng thÊp vµ che tèi cña c¸c vËt c¶n. Ngoµi ra anten cña ng−êi sö dông kh«ng cÇn thiÕt ph¶i v« h−íng v× vÖ tinh ®−îc nh×n thÊy trong kho¶ng thêi gian dµi ë vïng cùc viÔn. Hai yÕu tè nµy (gãc ngÈng cao vµ tÝnh h−íng anten t¨ng) cho phÐp gi¶m quü ®−êng truyÒn, nhê vËy tiÕt kiÖm ®¸ng kÓ c«ng suÊt vÖ tinh. Chïm vÖ tinh trong tr−êng hîp nµy sö dông bèn vÖ tinh víi mçi vÖ tinh ë mét quü ®¹o Molnia, nót lên c¸ch nhau 900 vµ gãc nghiªng 63,40. C¸c vÖ tinh ®−îc ®Þnh pha ë xung quanh ®iÓm cùc viÔn t¹i c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau ®Ó cã thÓ phñ ®−îc toµn ch©u ¢u trong 24 giê. Víi chu kú quay 12 giê, hai cùc viÔn xÈy ra ë b¸n cÇu b¾c, nh−ng chØ ®iÓm trªn ch©u ¢u lµ ®−îc tÝch cùc. §iÓm cùc viÔn ®−îc nh×n thÊy trong kho¶ng thêi gian tõ 6 ®Õn 8 giê, trong kho¶ng thêi gian nµy c¸c vÖ tinh ®−îc tÝch cùc. CÊu h×nh cña hÖ thèng vÖ tinh nµy ®−îc cho ë h×nh1.4a. Các anten dù mở băng L (1,5 MHz đường lên; 1,6 MHz đường xuống) * Vệ tinh “ống nghiêng”, các kênh tuyền tính (trong suốt đối với khuôn dạng tín hiệu) * Ba bộ phát đáp SHF → L L → SHF Anten SHF SHF → SHF (tia được tạo dạng) Hình 1.4. a) các quỹ đao vệ tinh Molnya; b) cấu hình hệ thống thông tin di động vệ tinh ASMC và Archimedes. Anten trªn mçi vÖ tinh (ë kho¶ng thêi gian gÇn ®iÓm cùc viÔn) sÏ chiÕu x¹ ch©u ¢u b»ng 6 bóp. L−u ý r»ng trong kho¶ng thêi gian nµy cù ly ®Õn tr¹m mÆt ®Êt sÏ thay ®æi v× thÕ møc tÝn hiÖu thay ®æi vµo kho¶ng 4 dB. NÕu kh«ng thay ®æi chiÕu x¹ cña bóp anten (ch¼ng h¹n gi¶m ®é réng 7
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh cña bóp khi tiÕn ®Õn gÇn ®iÓm cùc viÔn) th× kÝch th−íc cña vÖt phñ còng thay ®æi. ViÖc gi¶m ®é réng bóp còng dÉn ®Õn t¨ng hÖ sè khuyÕch ®¹i, ®iÒu nµy lµ cÇn thiÕt v× cù ly ®Õn tr¹m mÆt ®Êt t¨ng. HÖ thèng cung cÊp dÞch vô ë b¨ng L. Mçi vÖ tinh ®¶m b¶o cung cÊp dÞch vô cho 3000 kªnh tho¹i. CÊu h×nh cña vÖ tinh cho hÖ thèng ASMC vµ Archimedes gièng nhau vµ ®−îc cho ë h×nh 1.4b. C¶ hai hÖ thèng ®Òu sö dông bé ph¸t ®¸p "èng cong" nhê vËy cã thÓ sö dông chóng cho mäi tiªu chuÈn ®iÒu chÕ vµ truy nhËp. 1.6.2. DÞch vô di ®éng vÖ tinh quü ®¹o kh«ng ph¶i ®Þa tÜnh (NGSO) Ch×a kho¸ ®Ó ph¸t triÓn dÞch vô th«ng tin di ®éng lµ ®¶m b¶o th«ng tin c¸ nh©n mäi n¬i mäi chç cho c¸c m¸y thu ph¸t cÇm tay víi gi¸ thµnh hîp lý. Nhê sù ra ®êi cña ph−¬ng ph¸p xö lý tÝn hiÖu sè míi vµ vi m¹ch tÝch hîp cao (MMIC, VLSI) ®iÒu nµy cã thÓ thùc hiÖn ®−îc. B−íc tiÕp theo lµ tiÕn hµnh giao diÖn víi c¬ së h¹ tÇng hiÖn cã cña th«ng tin di ®éng tæ ong mÆt ®Êt. Giao diÖn nµy cho phÐp khai th¸c song mèt vÖ tinh-mÆt ®Êt. Sù ra ®êi cña c¸c vÖ tinh th«ng tin NGSO nh»m ®¹t ®−îc môc ®Ých nµy. §©y lµ c¸c vÖ tinh LEO (®é cao quü ®¹o 1000 km) vµ MEO (®é cao quü ®¹o 10.000 km). Hình1.5 cho thấy cấu trúc điển hình của hệ thống thông tin vệ tinh LEO/MEO. ë c¸c phÇn d−íi ®©y ta sÏ xÐt c¸c hÖ thèng th«ng tin di ®éng vÖ tinh LEO. 1 1 Hình 1.5. Cấu trúc chung của một hệ thống thông tin LEO/MEO 1.6.2.1. DÞch vô vÖ tinh di ®éng LEO nhá ë Mü FCC ®· cÊp phÐp cho c¸c hÖ thèng LEO nhá lµm viÖc ë tÇn sè thÊp h¬n 1GHz trong c¸c b¨ng tÇn VHF/UHF. C¸c vÖ tinh nµy lµm viÖc ë chÕ ®é l−u-vµ-ph¸t cho dÞch vô sè liÖu vµ ph¸t b¶n tin nh−ng kh«ng cã dÞch vô tiÕng. Nãi chung c¸c vÖ tinh nµy nhá nh−ng Ýt phøc t¹p h¬n LEO lín. §é cao cña chóng vµo kho¶ng 1300 km. Chóng còng ®−îc thiÕt kÕ ®Ó lµm viÖc víi c¸c m¸y thu ph¸t cÇm tay. FCC cÊp phÐp LEO nhá ®ît mét cho ba tæ chøc sau: ORBCOMM (Orbital Sciences Corporation), Starsys Global Posisioning System (Starsys) vµ VITA (Volunteer in Technical Assistance). ORBCOMM ®Ò xuÊt ®Æt chïm 36 vÖ tinh vµo 4 mÆt ph¼ng quü ®¹o nghiªng 450 víi t¸m vÖ tinh trªn tõng quü ®¹o. Ngoµi ra cÊu h×nh nµy cßn cã hai mÆt ph¼ng quü ®ao nghiªng 790 8
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh vµ hai vÖ tinh ë mçi quü ®¹o. ORBCOMM còng ®Ò nghÞ FCC cho phÐp thay ®æi hÖ thèng b»ng c¸ch sö dông 8 vÖ tinh cho mçi quü ®¹o nghiªng 700. Starsys sÏ phãng 24 vÖ tinh trong 6 mÆt ph¼ng nghiªng 530 víi 4 vÖ tinh ë mçi mÆt ph¼ng. VITA thö phãng mét vÖ tinh vµo quü ®¹o nghiªng 880, nh−ng bÞ l¹c mÊt v× sù cè phãng. Hai vÖ tinh ®Çu tiªn cña ORCOMM víi tªn gäi lµ Microstar ®−îc phãng vµo 4/1995. 36 vÖ tinh cßn l¹i ®−îc phãng vµo n¨m 1997. N¨m 1994 FCC cÊp phÐp ®ît hai cho c¸c LEO nhá. 1.6.2.2. LEO lín cho tiÕng vµ sè liÖu Vµo ®Çu nh÷ng n¨m 1990 s¸u h·ng cña Mü lµm ®¬n xin phÐp cung cÊp th«ng tin c¸ nh©n toµn cÇu vµ liªn tôc. N¨m h·ng sÏ khai th¸c ë c¸c ®é cao thÊp h¬n so víi c¸c vÖ tinh ë quü ®¹o ®Þa tÜnh. C¸c vÖ tinh nµy ®−îc gäi lµ NGSO vµ ®−îc thiÕt kÕ ®Ó ho¹t ®éng ë quü ®¹o thÊp (LEO) vµ trung (MEO). H·ng thø s¸u ®Ò xuÊt khai th¸c hÖ thèng cña m×nh ë ®é cao ®Þa tÜnh. §Ó ®¶m b¶o dÞch vô liªn tôc c¸c vÖ tinh lµm viÖc ë quü ®¹o thÊp cÇn cã chïm vÖ tinh ë nhiÒu quü ®¹o, v× chóng chØ xuÊt hiÖn trong tr−êng nh×n ë mét vµi phÇn tr¨m thêi gian cña quü ®¹o. Th«ng th−êng lµ 10 ®Õn 15 phót cho LEO vµ 2 giê cho MEO. C¸c vÖ tinh nµy ®−îc thiÕt kÕ ®Ó ®¶m b¶o dÞch vô tiÕng, sè liÖu, Fax vµ th«ng tin ®Þnh vÞ cho c¸c m¸y thu ph¸t cÇm tay. Kh«ng nh− c¸c hÖ thèng tæ ong mÆt ®Êt c¸c hÖ thèng vÖ tinh nµy cã thÓ cung cÊp dÞch vô cho c¸c vïng xa x«i vµ vïng biÓn khi cÇn thiÕt. V× thÕ hÖ thèng th«ng tin di ®éng vÖ tinh lµ hÖ thèng th«ng tin di ®éng bæ sung cho hÖ thèng mÆt ®Êt vµ cã thÓ cho phÐp lµm viÖc song mèt. Trong thùc tÕ nhiÒu nhµ cung cÊp hÖ thèng vÖ tinh thiÕt kÕ c¸c m¸y cÇm tay ho¹t ®éng song mèt vµ còng giao tiÕp c¶ víi m¹ng ®iÖn tho¹i néi h¹t trong vïng phôc vô. N¨m 1995 FCC cÊp phÐp cho ba h·ng vµ ®Ó l¹i ®¬n cña hai h·ng chê ®Õn khi hä chøng minh ®−îc kh¶ n¨ng tµi chÝnh. Ba h·ng ®−îc cÊp phÐp gåm: Motorola (Iridium), TWR (Odissey) vµ Loral/Qualcom (Globalstar). B¨ng tÇn dù kiÕn cho ho¹t ®éng cña c¸c hÖ thèng nµy lµ: 1610 MHz ®Õn 1626 MHz ®−êng lªn vµ 2483 ®Õn 2500 MHz ®−êng xuèng. C¸c b¨ng tÇn nµy th−êng ®−îc gäi lµ b¨ng L vµ S. B¶ng 1.3 tæng kÕt c¸c th«ng sè cña c¸c hÖ thèng nµy. L−u ý r»ng tÊt c¶ c¸c dÞch vô ®Òu ®−îc cung cÊp ë b¨ng tÇn cao h¬n 1 GHz. ICO Global (Intermediate Communication Global) lµ mét chi nh¸nh cña Inmarsat. Globalstar, Iridium vµ CCI-Aries sö dông LEO ë c¸c ®é cao thÊp h¬n 1500 km. Odyssey vµ ICO Global sö dông MEO ë ®é cao vµo kho¶ng 10.000 km. Ellipso-Elippsat sö dung ba quü ®¹o cho chïm cña hä. Hai quü ®¹o elip cã gãc nghiªng 63,50 vµ ®é lÖch t©m vµo kho¶ng 0,35. Quü ®¹o thø ba lµ quü ®¹o trßn trong phÆt ph¼ng xÝch ®¹o ho¹t ®éng ë ®é cao 7800 km. Iridium thùc hiÖn xö lý trªn vÖ tinh Các dàn anten L và S Hình 1.5. Cấu trúc vệ tinh Globalstar vµ cho phÐp nèi chÐo vÖ tinh ®Ó chuyÓn tiÕp tiÕng vµ sè liÖu ®Õn c¸c quü ®¹o kh¸c hoÆc ®Õn vÖ tin l©n cËn. TÊt c¶ c¸c vÖ tinh ®Òu sö dông anten dµn ph¼ng (b¨ng L hoÆc b¨ng S) cho ®−êng dÞch vô (bóp hÑp). C¸c ®−êng nu«i sö dông anten loa ë b¨ng Ka hoÆc anten dµn ë b¨ng C. CÊu tróc cña vÖ tinh Globalstar ®−îc cho ë h×nh 1.5. 9
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh B¶ng 1.3. Tæng kÕt c¸c thèng sè cña c¸c hÖ thèng LEO lín Chïm Odyssey Globalstar Iridium CCI-Aries Th«ng sè Ng−êi sö dông/ §iÖn tho¹i vïng §iÖn tho¹i vïng §iÖn tho¹i vïng Tæ ong vïng xa, lÜnh vùc sö dông xa, tæ ong vïng xa, tæ ong vïng xa, tæ ong vïng l÷ hµnh quèc tÕ. xa, l÷ hµnh quèc xa, l÷ hµnh quèc xa, l÷ hµnh quèc tÕ tÕ. tÕ. DÞch vô TiÕng, sè liÖu, fax, TiÕng, sè liÖu, TiÕng, sè liÖu, TiÕng, sè liÖu, nh¾n tin fax, RDSS, nh¾n fax, RDSS fax, RDSS tin Vïng phñ Toµn cÇu Toµn cÇu Toµn cÇu Toµn cÇu KiÓu quü ®¹o MEO LEO LEO LEO §é cao/chu kú 10.354 km/ 3000 2800 2300 tinh S« ®−êng nèi kh«ng kh«ng 4/vÖ tinh kh«ng chÐo vÖ tinh, 25 Mbit/s GHz 23,18-23,38 §iÒu chÕ Tr¶i phæ QPSK Tr¶i phæ QPSK QPSK CDMA §a th©m nhËp CDMA CDMA TDMA Thêi gian kÕt nèi 1-2 giê 10-12 phót 9 phót vÖ tinh Gãc ngÈng cùc 220 100-200 820 tiÓu Tèc ®é sè liÖu 4,2 (tiÕng) 1,2-9,6 (tiÕng) 4,8 (tiÕng (m¸y cÇm tay) 1,2-9,6 (sè liÖu) 2,4-9,6 (sè liÖu) 2,4 (sè liÖu) Kbps 10
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh CÊp phÐp FCC 1/95 1/95 1/95 kh«ng Ngµy phãng ®Çu 1998 1997 1997 1997 tiªn Khai th¸c hoµn 1999 1998 (4) 1998 (4) toµn Anten vÖ tinh dµn dµn dµn 1.7. TỔNG KẾT Chương này đã xét tổng quan các quỹ đạo vệ tinh được sử dụng trong các hệ thống thông tin vệ tin. Phân bổ tần số cho các hệ thống thông tin di động cũng được xét trong chương này. Các tần số đường lên và đường xuống của hệ thống thông tin vệ tinh không giống nhau. Trong hai đầu thông tin phía nào có công suất phát lớn hơn sẽ sử dụng tần số cao hơn để có thể bù trừ tốt hơn suy hao đường truyền. Chẳng hạn trong INTELSAT, trạm mặt đất có công suất lớn lên sẽ sử dụng tần số đường lên cao hơn còn trạm phát đáp có công suất nhỏ hơn nên sẽ sử dụng tần số đường xuống thấp hơn. Điều này hoàn toàn ngược lại đối với hệ thống thông tin di động trong đó máy đầu cuối do chỉ có thể phát công suất nhỏ nên sẽ sử dụng tần số đường lên thấp hơn so với tần số phát xuống từ vệ tinh. Các quỹ đạo địa tĩnh được sử dụng nhiều nhất cho thông tin vệ tinh vì vị trí của nó cố định tương đối so với mặt đất và vì một vệ tinh có thể phủ sóng cho 1/3 diện tích trái đất. Các hệ thống INTELSAT và DOMSAT sử dụng các quỹ đạo này cho các dịch vụ cố định như thoại, số liệu và truyền hình. Các quỹ đạo địa tĩnh cũng có thể sử dụng để cung cấp dịch vụ thông tin di động, tuy nhiên anten trên vệ tinh phải có kích thước lớn (anten dù mở) để được EIRP cao và hệ số phẩm chất trạm vệ tinh (G/Ts) cũng phải cao. Các quỹ đạo LEO và MEO thường được sử dụng cho các dịch vụ di động cá nhân vì khoảng cách của các vệ tinh không xa mặt đất. Các thông số cho các hệ thống thông tin vệ tinh LEO lớn được cho trong bảng 1.3. 1.8. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bày các quỹ đạo được sử dụng trong thông tin vệ tinh 2. Trình bày phân bổ tần số trong thông tin vệ tinh 3. Trình bày các vệ tinh INTELSAT và các dịch vụ do chúng cung cấp 4. Trình bày các vệ tinh DOMSAT và các dịch vụ do chúng cung cấp 5. Trình bày các hệ thông thông tin di động vệ tinh sử dụng quỹ đạo GSO 6. Trình bày cấu trúc chung của hệ thống thông tin LEO/MEO 7. Trình bày các thông số chính của các hệ thống thông tin di động vệ tinh LEO 11
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh CHƯƠNG 2 CÁC QUỸ ĐẠO VỆ TINH 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG 2.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương • Các định luật Keppler • Các thuật ngữ liên quan đến quỹ đạo vệ tinh • Các phần tử quỹ đạo • Các lực nhiễu dẫn đến thay dổi vị trí vệ tinh trên quỹ đạo • Các quỹ đạo nghiêng • Quỹ đạo địa tĩnh 2.1.2. Hướng dẫn • Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương • Tham khảo thêm [1] • Trả lời các câu hỏi và bài tập cuối chương 2.1.3. Mục đich chương • Hiểu được các định luật Keppler mô tả quỹ đạo vệ tinh • Biết được các thuật ngữ thường dùng cho vệ tinh • Hiểu được các phần tử quỹ đạo • Hiểu được các lực nhiễu dẫn đến thay đổi vị trí vệ tinh trên quỹ đao • Hiểu được cách tính toán góc nhìn của vệ tinh địa tĩnh để có thể thiết kế được một tuyến vệ tinh 2.2. CÁC ĐỊNH LUẬT KEPLER Các vệ tinh quay quanh trái đất tuân theo cùng các định luật điều khiển sự chuyển động của các hành tinh xung quanh mặt trời. Từ lâu dựa trên các quan trắc kỹ lưỡng người ta đã hiểu được sự chuyển động của các hành tinh. Từ các quan trắc này, Johannes Kepler (1571-1630) đã rút ra bằng thực nghiệm ba định luật mô tả chuyển động hành tinh. Tổng quát các định luật Kepler có thể áp dụng cho hai vật thể bất kỳ trong không gian tương tác với nhau qua lực hấp dẫn. Vật thể có khối lượng lớn hơn trong hai vật thể được gọi là sơ cấp còn vật thể thứ hai được gọi là vệ tinh. 12
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh 2.2.1. Định luật Kepler thứ nhất Định luật Kepler thứ nhất phát biểu rằng đường chuyển động của một vệ tinh xung quang vật thể sơ cấp sẽ là một hình elip. Một hình elip có hai tiêu điểm F1 và F2 như thấy ở hình 2.1. Tâm khối lượng của hệ thống hai vật thể này được gọi là tâm bary luôn luôn nằm tại một trong hai tiêu điểm. Trong trường hợp được xét do sự khác biệt rất lớn giữa khối lượng của quả đất và vệ tinh, tâm khối lượng trùng với tâm của trái đất và vì thế tâm trái đất luôn nằm trong một tiêu điểm. Trôc phô b F1 F2 T©m Elip Trôc chÝnh b a a Hình 2.1. Các tiêu điểm F1, F2, bán trục chính a và bán trục phụ b đối với một elip Bán trục chính của Elip được ký hiệu là a và bán trục phụ được ký hiệu là b. Độ lệch tâm e được xác định như sau: ab22− e = (2.1) a Độ lệch tâm và bán trục chính là hai thông số để xác định các vệ tinh quay quanh trái đất. 0<e<1 đối với một quỹ đạo vệ tinh. Khi e=0 quỹ đạo trở thành đường tròn. 2.2.2. Định luật Kepler thứ hai Định luật Kepler thứ hai phát biểu rằng trong các khoảng thời gian bằng nhau, vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau trong mặt phẳng quỹ đạo của nó với tiêu điểm tại tâm bary (hình 2.2). Qu¶ ®Êt A2 S 2 A 1 S 1 VÖ tinh Hình 2.2. Định luật Kepler thứ hai 13
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh Từ hình 2.2 ta thấy nêú coi rằng vệ tich chuyển dịch các quãng đường là S1 và S2 mét trong 1 giây thì các diện tích A1 và A2 bằng nhau. Do S1 và S2 là tốc độ bay của vệ tinh nên từ định luật diện tích bằng nhau này, ta rút ra rằng tốc độ S2 thấp hơn tốc độ S1. Từ đây ta suy ra rằng vệ tinh phải mất nhiều thời gian hơn để bay hết một quãng đường cho trước khi nó cách xa quả đất hơn. Thuộc tính này được sử dụng để tăng khoảng thời gian mà một vệ tinh có thể nhìn thấy các vùng quy định của quả đất. 2.2.3. Định luật Kepler thứ ba Định luật Kepler thứ ba phát biểu rằng bình phương chu kỳ quỹ đạo tỷ lệ mũ ba với khoảng cách trung bình giữa hai vật thể. Khoảng cách trung bình bằng bán trục chính a. Đối với các vệ tinh nhân tạo bay quanh quả đất, ta có thể trình bầy định luật Kepler thứ ba như sau: μ a 3 = (2.2) n 2 trong đó n là chuyển động trung bình của vệ tinh đo bằng radian trên giây và μ là hằng số hấp dẫn địa tâm quả đất. Với a đo bằng mét, giá trị này là: μ = 3,986005×1014m3/sec2 (2.3) Phương trình 2.2 chỉ áp dụng cho trường hợp lý tưởng khi một vệ tinh quay quanh một quả đất cầu lý tưởng có khối lượng đồng đều và không bị tác động nhiễu chẳng hạn sự kéo trôi của khí quyển. Với n đo bằng radian trên giây, chu kỳ quỹ đạo đo bằng giây được xác định như sau: 2π P = (2.4) n Ý nghĩa của định luật Kepler thứ ba là nó cho thấy quan hệ cố định giữa chu kỳ và kích thước. Một dang quỹ đạo quan trọng là quỹ đạo địa tĩnh chu kỳ của quỹ đạo này được xác định bởi chu kỳ quay của quả đất. Thí dụ dưới đây cho thấy sự xác định bán kính gần đúng của quỹ đạo địa tĩnh. Thí dụ 2.1. Tính toán bán kính của một quỹ đạo tròn cho chu kỳ là một ngày. Giải. Sự chuyển dịch trung bình đo bằng rad/ngày là: 2.π n = 1ngµy Đổi vào rad/sec ta được n = 7,272.10-5 rad/sec Hằng số hấp dẫn quả đất là: 14 3 -2 μ = 3,986005.10 m .sec Theo định luật Kepler thứ ba ta được: 1 μ 2 a = = 42241. km ( n 2 ) Vì quỹ đạo là đường tròn nên bán trục chính cũng là bán kính. 14
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh 2.3. ĐỊNH NGHĨA CÁC THUẬT NGỮ CHO QUỸ ĐẠO VỆ TINH Như đã nói ở trên, các định luật của Kepler áp dụng chung cho sự chuyển động của vệ tinh xung quanh vật thể sơ cấp. Đối với trường hợp vệ tinh bay quanh quả đất, một số thuật ngữ được sử dụng để mô tả vị trí các vệ tinh so với quả đất. Viễn điểm (Apogee). Điểm xa quả đất nhất. Độ cao viễn điểm được ký hiệu là ha trên hình 2.3. N §−êng d−íi vÖ tinh h a Lat. iN La i h p XÝch ®¹o Lat.iS Lat.iN= vÜ ®é B¾c Lat.iS= vÜ ®é Nam Hình 2.3. Độ cao viễn điểm ha, cận điểm hp góc nghiêng i và La đường nối các điểm cực. Cận điểm (Perigee). Điểm gần quả đất nhất. Trên hình 2.3 độ cao của điểm này được ký hiệu là . hp Đường nối các điểm cực (Line of apsides). Đường nối viễn điểm và cận điểm qua tâm trái đất (La). Nút lên (Ascending). Điểm cắt giữa mặt phẳng quỹ đạo và xích đạo nơi mà vệ tinh chuyển từ Nam sang Bắc. Nút xuống (Descending). Điểm cắt giữa mặt phẳng quỹ đạo và xích đạo nơi mà vệ tinh chuyển động từ Bắc sang Nam. Đường các nút (Line of nodes). Đường nối các nút lên và nút xuống qua tâm quả đất. Góc nghiêng (Inclination). Góc giữa mặt phẳng quỹ đạo và mặt phẳng xich đạo. Góc được đo tại điểm tăng từ xích đạo đến quỹ đạo khi vệ tinh chuyển động từ Nam sang Bắc. Góc nghiêng được cho ở hình 2.3 ký hiệu là i. Đây sẽ là vĩ độ Bắc hoặc Nam lớn nhất. Quỹ đạo đồng hướng (Prograde Orbit)). Quỹ đạo mà ở đó vệ tinh chuyển động cùng với chiều quay của quả đất (hình 2.4). Quỹ đạo đồng hướng còn được gọi là quỹ đạo trực tiếp (Direct Orbit). Góc nghiêng của quỹ đạo đồng hướng nằm trong dải từ 00 đến 90 0. Hầu hết các vệ tinh 15
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh đều được phóng vào quỹ đạo đồng hướng vì tốc độ quay của quả đất sẽ cung cấp một phần tốc độ quỹ đạo và nhờ vậy tiết kiệm được năng lượng phóng. Hình 2.4. Các quỹ đạo đồng hướng và ngược hướng Quỹ đạo ngược hướng (Retrograde Orbit). Quỹ đạo mà ở đó vệ tinh chuyển động ngược với chiều quay của quả đất (hình 2.4). Góc nghiêng của quỹ đạo ngược hướng nằm trong dải từ 900 đến 1800. Agumen cận điểm (Argument of Perigee). Góc từ nút xuống đến cận điểm được đo trong mặt phẳng quỹ đạo tại tâm quả đất theo hướng chuyển động của vệ tinh. Trên hình 2.5 góc này được ký hiệu là ω. MÆt ph¼ng xÝch ®¹o N ω CËn §−êng ®iÓm c¸c nót Ω Y Hình 2.5. Agumen của cận điểm ω và góc lên đúng của nút lên Ω. Góc lên đúng của nút lên (Right Ascension of Ascending Node). Để định nghĩa đầy đủ vị trí của quỹ đạo trong không gian, vị trí của nút lên được đặc tả. Tuy nhiên do sự quay spin của quả đất, trong khi mặt phẳng quỹ đạo hầu như cố định (nếu bỏ qua sự trôi của vệ tinh), nên kinh độ của nút lên không cố định và vì thế không thể sử dụng nó làm điểm chuẩn tuyệt đối. Để xác định một quỹ đạo trong thực tiễn, người ta thường sử dụng kinh độ và thời gian vệ tinh chuyển động qua nút lên. Tuy nhiên để đo tuyệt đối ta cần có một tham chuẩn cố định trong không gian. Tham 16
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh chuẩn được chọn là điểm đầu tiên của cung Bạch dương hay điểm xuân phân. Điểm xuân phân xẩy ra khi mặt trời cắt xích đạo từ Nam qua Bắc và một đường ảo được vẽ từ điểm cắt xích đạo xuyên tâm của mặt trời hướng đến điểm thứ nhất của chòm Bạch dương (ký hiệu là Y). Đây là đường của cung Bạch dương. Góc lên đúng của nút lên khi này là góc được đo trong mặt phẳng xich đạo quay theo hướng đông từ đường Y sang nút lên (hình 2.5). Độ dị thường trung bình (Mean anomaly). Độ dị thường trung bình M cho thấy giá trị trung bình vị trí góc của vệ tinh với tham chuẩn là cận điểm. Đối với quỹ đạo tròn M cho thấy vị trí góc của vệ tinh trên quỹ đạo. Đối với quỹ đạo elip, tính toán vị trí này khó hơn nhiều và M được sử dụng làm bước trung gian trong quá trình tính toán. Độ dị thường thật sự (True anomaly). Độ dị thường thực sự là góc từ cận điểm đến vệ tinh được đo tại tâm trái đất. Nó cho thấy vị trí góc của anten trên quỹ đạo phụ thuộc vào thời gian. 2.4. CÁC PHẦN TỬ QUỸ ĐẠO Các vệ tinh nhân tạo được định nghĩa bằng sáu phần tử được gọi là tập phần tử Kepler. Hai trong số các phần tử này là bán trục chính a và độ lệch tâm e như đã nói ở trên. Phần tử thứ ba là độ dị thường trung bình M0 cho thấy vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo của chúng tại thời gian tham chuẩn được gọi là kỷ nguyên (epoch). Phần tử thứ tư là agumen cận điểm ω cho thấy sự quay cận điểm của quỹ đạo so với đường các nút của quỹ đạo. Hai phần tử còn lại là góc nghiêng i và góc lên đúng của nút lên Ω liên hệ vị trí của mặt phẳng quỹ đạo với quả đất. Do sự lồi xích đạo làm cho ω và Ω thay đổi chậm và do các lực gây nhiễu khác có thể làm các phần tử quỹ đạo hơi thay đổi, ta cần đặc tả các giá trị cho tham khảo thời gian hay kỷ nguyên. Thí dụ về thông số của vệ tinh được cho ở bảng 2.1. Bảng 2.1. Thí dụ về thông số vệ tinh (theo công bố của NASA) Số vệ tinh: 25338 Năm kỷ nguyên (hai chữ số cuối cùng của năm): 00 Ngày kỷ nguyên (ngày và ngày phân đoạn của năm): 223,79688452 Đạo hàm thời gian bậc nhất của chuyển động trung bình (vòng quay trung bình/ngày2): 0,000000307 Góc nghiêng (độ): 98,6328 Góc lên đúng của nút lên (độ): 251,5324 Độ lệch tâm: 0,0011501 Agumen cận điểm (độ) : 113,5534 Độ dị thường trung bình (độ): 246,6853 Chuyển động trung bình (vòng/ngày): 14,23304826 Số vòng quay tại kỷ nguyên (vòng quay/ngày): 11663 Ta sẽ thấy rằng mặc dù bán trục chính không được đặc tả, nhưng ta có thể tính nó từ bảng thông số. Thí dụ tính toán được trình bầy ở thí dụ 2.2. Thí dụ 2.2 Tính bán trục chính cho các thông số vệ tinh ở bảng 2.1. Giải. Chuyển động trung bình được cho ở bảng 2.1 là: NN= 14,23304826.ngày- 17
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh Ta có thể chuyển nó vào rad/sec -4 n0 = NN.2π/(24×3600)= 1,64734.10 rad/sec Từ phương trình (2.3) ta được: μ = 3,986005.1014.m3.sec-2 Từ định luật Kepler thứ ba ta được: 1/3 ⎛⎞μ ⎟ a = ⎜ ⎟ ⎝⎠⎜ 2 ⎟ n 0 = 7192.3 km 2.5. ĐỘ CAO VIỄN ĐIỂM VÀ CẬN ĐIỂM Khoảng cách từ tâm trái đất đến viễn điểm và cận điểm có thể nhận được từ hình elip theo công thức sau: ra = a(1+e) (2.5) rp = a(1-e) (2.6) Để tìm độ cao điểm viễn điểm và cận điểm ta lấy các phương trình trên trừ đi bán kính của trái đât. Thí dụ 2.3. Tính độ cao viễn điểm và cận điểm cho các thông số quỹ đạo ở bảng 2.1. Coi rằng bán kính trung bình trái đất R=6371km. Giải. Từ bảng 2.1 ta có e=0,0011501, thông số a = 7192,3 đã tính được từ thí dụ trên. Vậy độ cao viễn điểm bằng: ha = a(1+e) - R = 829,6 km và độ cao cận điểm bằng: hp = a(1-e) - R = 813,1 km 2.6. CÁC LỰC NHIỄU QUỸ ĐẠO Các quỹ đạo được xét từ trước đến nay là quỹ đạo Kepler có dạng elip cho trường hợp vệ tinh nhân tạo quay quanh trái đất. Đây là quỹ đạo lý tưởng vì ta coi rằng quả đất là một khối lượng hình cầu phân bố đều vì thế lực tác dụng duy nhất là lực li tâm gây ra do sự chuyển động vệ tinh để cân bằng lực hút của quả đất. Trong thực tế còn có các lực khác như các lực hút cuả mặt trời, mặt trăng và kéo của khí quyển. Các lực hút của mặt trời và mặt trăng ít ảnh hưởng lên các vệ tinh quỹ đạo thấp nhưng chúng tác dộng lên quỹ đạo địa tĩnh. Lực kéo của khí quyển trái lại ít ảnh hưởng lên các vệ tinh địa tĩnh nhưng lại ảnh hưởng lên các vệ tinh tầm thấp dưới 1000 km. 2.6.1. Các ảnh hưởng của mặt đất không phải hình cầu Đối với một mặt đất hình cầu, định luật Kepler thứ ba xác định chuyển động trung bình như sau: μ n0 = (2.7) a 3 18
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh Chỉ số 0 để biểu thị rẳng kết quả được áp dụng cho trái đất cầu có khối lượng đồng đều lý tưởng. Tuy nhiên ta biết rằng trái đất không hoàn toàn hình cầu, xích đạo hơi phình ra còn cực thì hơi dẹt vào và vì thế nó có dạng hình cầu dẹt. Khi xét đến đặc điểm này của trái đất, chuyển động trung bình bị thay đổi và được xác định theo công thức sau: ⎡⎤1K(11,5sini)+− 2 = 1 nn0 ⎢⎥ (2.8) ⎣⎦⎢⎥a(1221,5− e) 2 trong đó hằng số K1 = 66063,1704 km . Sự dẹt của quả đất gần như không ảnh hưởng lên bán trục chính a và nếu biết được a ta dễ dàng tính được chuyển động trung bình. Chu kỳ quỹ đạo khi có xét đến tính dẹt của trái đất được gọi là chu kỳ dị thường (từ cận điểm đến cận điểm). Chuyển dộng trung bình được đặc tả trong công bố của NASA là nghịch đảo của chu kỳ dị thường. Chu kỳ dị thường được xác định như sau: 2π PsecA = (2.9) n trong đó n đo bằng được đo bằng radian trên giây. Nếu ta biết được n (như cho ở thông báo của NASA) ta có thể giải phương trình (2.8) với lưu ý rằng n0 cũng phụ thuộc vào a. Ta có thể giải phương trình (2.8) để tìm a bằng cách tìm nghiệm của phương trình sau: μ−⎡⎤K(1 1,5sin2 i ) n1−+⎢⎥1 = 0 (2.10) aa(1e)3221,5⎣⎦⎢⎥− Thí dụ dưới đây sẽ minh họacách tính. Thí dụ 2.4. Một vệ tinh có quỹ đạo nằm trong mặt phẳng xích đạo với chu kỳ quay từ cận điểm đến cận điểm là 12 giờ. Cho độ lệch tâm bằng 0,002; tính bán trục chính. Bán kính xích đạo của quả đất bằng 6378,1414km. Giải. Dữ liệu được cho: e=0,002 i=00 P =12 giờ 2 K1 = 66063,704 km . aE= 6378,1414. km μ = 3,986005.1014.m3.sec-2 Chuyển động trung bình là: 2π n = P a xác định theo định luật Kepler thứ ba như sau: 19
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh 1/2 ⎛⎞μ ⎟ a = ⎜ ⎟ a= 26597.km ⎝⎠⎜n2 ⎟ đây là giá trị không bị nhiễu có thể sử dụng để ước lượng giá trị nghiệm. Giá trị bị nhiễu được xác định như sau: ⎡⎤μ−⎡ K(1 1,5sin1)2 ⎤ a= nghiệm ⎢⎥n1−+⎢⎥1 = 0 ⎣⎦⎢⎥aa(1e)3221,5⎣⎢⎥− ⎦ a= 26598,5km. Sự dẹt của quả đất gây ra hai sự quay của mặt phẳng quỹ đạo. Quay thứ nhất được gọi là sự dịch lùi (regression of nodes) các nút, trong đó dường như các nút trượt dọc xích đạo. Kết quả là đường các điểm nút trong mặt xích đạo bị quay xung quanh tâm trái đất. Như vậy góc lên đúng nút lên Ω bị dịch. Nếu quỹ đạo là đồng hướng thì các nút trượt sang tây và nếu quỹ đạo là ngược hướng thì chúng trượt sang đông. Nếu nhìn từ nút lên, vệ tinh trong quỹ đạo đồng hướng bay sang đông và trong quỹ đạo ngựơc hướng bay sang tây. Như vậy các nút di chuyển ngược chiều chuyển động vệ tinh, vì thế ta có thuật ngữ dịch lùi. Đối với quỹ đạo cực (i=900) dịch lùi bằng không. Ảnh hưởng thứ hai là sự quay của đường giữa các điểm cực trong mặt phẳng quỹ đạo, dưới đây ta sẽ xét ảnh hưởng này. Cả hai ảnh hưởng đều phụ thuộc vào chuyển động trung bình n, bán trục chính a và độ lệch tâm e. Các thông số này được nhóm chung và một hệ số K xác định nK như sau: K = 1 (2.11) a(1222− e) K sẽ có cùng đơn vị như n. Vậy với n đo bằng rad/ngày, K sẽ đo bằng rad/ngày và với n đo bằng 0/ngày K cũng đo bằng 0/ngày. Biểu thức gần đúng cho sự thay đổi Ω theo thời gian được xác định như sau: dΩ =−Kcosi (2.12) dt trong đó i là góc nghiêng Tốc độ dịch lùi các nút sẽ có cùng đơn vị như n. Khi tốc độ thay đổi xác định theo phương trình (2.12) có giá trị âm, dịch lùi về phía tây còn khi tốc độ này dương dịch lùi về phía đông. Vì thế đối với dịch lùi về phía đông, i phải lớn hơn 900 hay quỹ đạo phải ngược hướng. Ta có thể chọn giá trị a, e và i sao cho tốc độ quay là 0,98560/ngày về phía đông. Quỹ đạo này được gọi là quỹ đạo đồng bộ mặt trời. Một trong số các ảnh hưởng gây ra do sự phình xích đạo là sự quay đường các điểm cực, dẫn đến sự thay đổi agumen cận điểm xác định theo công thức sau: dω =−K(2 2,5sin2 i) (2.13) dt ở đây đơn vị cho tốc độ quay của đường các điểm cực cũng là đơn vị cho n. Khi góc nghiêng i bằng 63,4350; thành phần trong ngoặc bằng không và sẽ không xẩy ra quay. Góc nghiêng này được lựa chọn cho quỹ đạo vệ tinh Molnya của Nga. 20
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh Nếu ta ký hiệu thời gian kỷ nguyên là t0, góc lên đúng của nút lên là Ω0 và agumen cận điểm là ω0 tại kỷ nguyên, ta được các giá trị mới cho Ω và ω tại t như sau: dΩ Ω=Ω00 +(t − t ) (2.14) dt dω ω=Ω00 +(t − t ) (2.15) dt Cần nhớ rằng quỹ đạo không phải là một thực thể vật lý và chính các lực do quả đất dẹt gây ra tác dụng lên vệ tinh làm thay đổi các thông số quỹ đạo. Vậy khác với việc bay theo một quỹ đạo elip khép kín trong một mặt phẳng cố định, vệ tinh bị trôi do dịch lùi các điểm nút và vĩ độ của điểm gần nhất (cận điểm) thay đổi do sự quay của đường các điểm cực. Hiểu được điều này cho phép ta nhìn nhận vệ tinh bay theo một quỹ đạo elip khép kín nhưng với quỹ đạo chuyển động tương đối so với mặt đất do sự thay đổi của Ω và ω. Như đã nói ở trên, chu kỳ PA là thời gian cần thiết để vệ tinh bay từ cận điểm đến cận điểm mặc dù cận điểm đã dịch chuyển so với quả đất. Để làm thí dụ, giả thiết rằng góc nghiêng bằng 900 sao cho dịch lùi các nút bằng không (từ phương trình 2.12) và tốc độ quay của đường các điểm cực là -K/2 (từ phương trình 2.13) ngoài ra xét trường hợp cận điểm tại thời điểm quan trắc ban đầu nằm ngay trên nút lên. Một chu kỳ sau, cận điểm sẽ ở góc -KPA/2 so với nút lên hay nói một cách khác nó sẽ ở phía Nam so với xích đạo. Thời gian giữa hai lần đi qua nút lên sẽ là PA(1+K/2n), đây sẽ là chu kỳ được quan sát từ trái đất. Nhắc lại rằng K sẽ có cùng đơn vị như n, nghĩa là radian trên giây. Thí dụ 2.5. Xác định tốc độ dịch lùi và tốc độ quay của đường các điểm cực cho các thông số cuả vệ tinh đựơc đặc tả ở bảng 2.1. Sử dụng các kết quả tính toán ở thí dụ 2.2. Giải. Từ bảng 2.1 và thí dụ 2.2 ta có: i=98,63280 e=0,0011501 n=14,23304826/ngày a=7192,3km 3 K1=66063,1704.km n=2π.n đổi thành rad/sec n.K K = 1 K=6,5440/ngày a(1222− e) dΩ =−Kcosi = 0,9820/ngày dt dω =−K(2 2,5sin2 i) = -2,9030/ngày dt Thí dụ 2.6. Tính cho thí dụ 2.5, các giá trị mới cho Ω và ω tại một chu kỳ sau kỷ nguyên. Giải. Từ thí dụ 2.5: 21
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh dΩ dω = 0,9820/ngày = -2,9030/ngày dt dt Từ bảng 2.1: 0 0 n= 14,23304826/ngày ω0=113,5534 Ω0=251,5324 Chu kỳ sẽ là: 1 PA = n dΩ 0 Ω=Ω0A + P Ω=251,601 dt dω 0 ω=ω0A + P ω=113,394 dt Ngoài việc phình ra của xích đạo, trong mặt phẳng xích đạo trái đất không hoàn toàn là hình tròn, nó có một độ lệch tâm rất nhỏ bậc 10-5. Độ lệch này được gọi là tính elip xích đạo (equatorial ellipcity). Ảnh hưởng của tính elip xích đạo là nó sẽ tạo ra một gradien hấp dẫn gây ảnh hưởng đáng kể lên các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh. Nói một các ngắn gọn, lý tưởng vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phải cố định so với trái đất. Gradien hấp dẫn gây ra do tính elip xích đạo sẽ làm cho các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh trôi đến một điểm ổn định, điểm này trùng với trục phụ của elip xích đạo. Hai điểm này phân cách nhau bởi một góc 1800 trên xích đạo nằm vào khoảng kinh độ 750E và 1050W. Để tránh cho các vệ tinh đang phục vụ bị trôi các thao tác giữ trạm được thực hiện (Station Keeping Maneuvers). Vì các vệ tinh cũ dần dần bị trôi vào các điểm này nên chúng được gọi là "nghĩa trang vệ tinh". Lưu ý rằng ảnh hưởng tính elip xích đạo là không đáng kể đối với hầu hết các quỹ đạo vệ tinh khác. 2.6.2. Sự kéo khí quyển Đối với các vệ tinh gần trái đất, ảnh hưởng của sự kéo khí quyển (Atmospheric Drag) là đáng kể. Do lực kéo lớn nhất tại cận điểm và sự kéo này làm giảm tốc độ vệ tinh tại điểm này nên vệ tinh không đạt đến cùng độ cao viễn điểm ở các vùng tiếp theo. Kết quả là bán trục chính và độ lệch tâm giảm. Sự kéo hầu như không thay đổi các thông số khác của quỹ đạo bao gồm cả độ cao cận điểm. Biểu thức gần đúng để xác định sự thay đổi bán trục chính như sau: 2/3 ⎡⎤n aa= ⎢⎥0 (2.16) 0 ⎢⎥+− ⎣⎦nn00ʹ(t t 0 ) Độ dị thường trung bình cũng thay đổi. Biểu thức gần đúng xác định sự thay đổi này như sau: n 0 ʹ 2 δ=(t − t0 ) (2.17) 2 22
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh Từ bảng 2.1 ta thấy đạo hàm theo thời gian bậc nhất của chuyển động trung bình (n0') là một số rất nhỏ bằng 0,00000307 vòng/ngày. Như vậy sự thay đổi gây ra do sự kéo chỉ đáng kể đối với khoảng thời gian dài và vì thế đối với mục đích hiện thời ta có thể bỏ qua nó. 2.7. CÁC QUỸ ĐẠO NGHIÊNG Việc nghiên cực tổng quát một vệ tinh trên một quỹ đạo nghiêng rất phức tạp vì cần tham khảo các thông số khác nhau từ các khung tham khảo khác nhau. Các phần tử quỹ đạo được cho với tham chuẩn theo mặt phẳng quỹ đạo có vị trí cố định trong không gian, trong khi đó vị trí của trạm mặt đất lại được xác định theo các tọa độ địa lý địa phương quay cùng với quả đất. Hệ toạ độ vuông góc thường được sử dụng để tính toán vị trí vệ tinh và tốc độ của nó trong không gian trong khi đó các thông số trạm mặt đất cần tìm là góc phương vị, góc ngẩng và cự ly. Vì thế cần có chuyển đổi giữa các hệ toạ độ. Để minh họa phương pháp tính các quỹ đạo elip nghiêng, ta sẽ xét vấn đề tìm góc nhìn cuả trạm mặt đất và cự ly. Cần nhớ rằng đối với các quỹ đạo nghiêng, vệ tinh không cố định so với mặt đất và vì thế góc nhìn và cự ly sẽ thay đổi theo thời gian. Việc xác định góc nhìn và cự ly bao gồm các giá trị và các khái niệm sau: 1. Các phần tử vệ tinh được đăng tải trong thông báo của NASA (như ở bảng 2.1) 2. Các phương pháp đo thời gian khác nhau 3. Hệ toạ độ perifocal xây dựng trên mặt phẳng quỹ đạo 4. Hệ toạ độ xích đạo địa tâm xây dựng trên mặt phẳng xích đạo 5. Hệ toạ độ chân trời tâm topo xây dựng trên mặt phẳng chân trời của quan sát viên Ta cần sử dụng hai chuyển đổi toạ độ chính sau: • Vị trí vệ tinh được đo trong hệ toạ độ perofocal được chuyển vào hệ toạ độ xích đạo điạ tâm trong đó sự quay cuả quả đất được đo để vị trí của vệ tinh và trạm mặt đất trong cùng một hệ • Vectơ vị trí vệ tinh-trạm mặt đất được chuyển đổi vào hệ chân trời tâm topo để tính toán các góc ngẩng và cực ly. 2.8. QŨY ĐẠO ĐỊA TĨNH 2.8.1. Định nghĩa quỹ đạo địa tĩnh Một vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh sẽ trở nên bất động so với mặt đất vì thế nó dược gọi là vệ tinh địa tĩnh. Có ba điều kiện để quỹ đạo là địa tĩnh: 1. Vệ tinh phải quay theo hướng đông với tốc độ quay bằng tốc độ quay của quả đất 2. Quỹ đạo là đường tròn 3. 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 hai được rút ra từ định luật Kepler thứ hai. Tốc độ không đổi có nghĩa là vệ tinh phải quét các diện tích như nhau trong các khoảng thời gian như nhau và điều này chỉ xẩy ra với quỹ đạo tròn. Điều kiện thứ ba, góc nghiêng bằng không, dựa trên điều kiện rằng mọi sự nghiêng đều dẫn đến vệ tinh chuyển động theo hướng Bắc và Nam và vì thế nó không phải là địa tĩnh. Chỉ có góc 23
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh nghiêng bằng không 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 xích đạo của quả đất. Có thể sử dụng định luật Kepler thứ ba để tìm bán kính quỹ đạo. Nếu ký hiệu bán kính này là aGSO, thì nó được xác định như sau: 1 ⎛ μP 2 ⎞ 3 (2.18) a GSO = ⎜ ⎟ ⎝ 4π2 ⎠ trong đó μ là hằng số hấp dẫn hướng tâm bằng: μ =3,986005×1014 m3/sec2 Chu kỳ quay vệ tinh địa tĩnh là 23 giờ 56 phút 4 giây, đây cũng là thời gian mà quả đất quay hết một vòng xung quang trục N-S của mình. Thay giá trị μ và P vào phương trình (2.18) ta được: aGSO = 42164 km (2.19) Bán kính xích đạo của trái đất là aE = 6378 km (2.20) Vì thế độ cao quỹ đạo địa tĩnh bằng: hGSO=aGSO-aE = 42.164-6378 = 35.786 km (2.21) Giá trị này thường được làm tròn bằng 36.000 km. Trong thực tế ta không đạt được một quỹ đạo địa tĩnh chính xác do các lực nhiễu và ảnh hưởng độ lồi của quả đất. Trường hấp dẫn của mặt trời và mặt trăng làm cho quỹ đạo nghiêng khoảng 0,850/năm. Ngoài ra tính chất elíp của mặt xích đạo cũng làm cho vệ tinh trôi về phía đông theo quỹ đạo. Trong thực tế cần định kỳ chỉnh lại các xê dịch này Cần lưu ý rằng chỉ có một quỹ đạo địa tĩnh vì chỉ có một giá trị a thoả mãn phương trình Kepler đối với chu kỳ 23 giờ 56 phút 4 giây. Các nhà quản lý thông tin toàn cầu coi quỹ đạo địa tĩnh như là một tài nguyên và cần điều hành việc sử dụng nó một cách cẩn thận trên cơ sở thoả thuận quốc tế và quốc gia. 2.8.2. Các góc nhìn của anten Các góc nhìn của anten mặt đất là góc phương vị và góc ngẩng để anten có thể hướng thẳng đến vệ tinh. Đối với quỹ đạo địa tĩnh, tính toán góc nhìn đơn giản hơn vì vệ tinh không chuyển động tương đối so với quả đất. Mặc dù nhìn chung không cần quá trình bám, nhưng đối với các trạm mặt đất lớn sử dụng cho thương mại độ rộng búp hướng anten rất nhỏ và phải có cơ chế bám để bù trừ sự xê dịch của vệ tinh xung quanh vị trí địa tinh bình thường. Đối với các kiểu 24
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh anten sử dụng cho thu gia đình, độ rộng búp hướng anten khá rộng vì thế không cần bám. Vì thế các anten TV có thể lắp cố định ở các mái nhà. Tồn tại ba thông số cần thiết để xác định góc nhìn của quỹ đạo địa tĩnh: 1. Vĩ độ trạm mặt đất ký hiệu λE 2. Kinh độ trạm mặt đất ký hiệu là φE 3. Kinh độ điểm dưới vệ tinh (gọi tắt là kinh độ vệ tinh ) ký hiệu là φSS Theo quy định các vĩ độ bắc được sử dụng như là các góc dương và các vĩ độ nam được sử dụng là các góc âm. Các kinh độ đông được coi là các góc dương và các kinh độ tây được coi là các góc âm. Chẳng hạn nếu vĩ độ được xác định là 400S thì ta lấy giá trị -400 và nếu kinh độ được xác định là 350W thì ta lấy giá trị -350. Đối với quỹ đạo địa tĩnh ta có thể bỏ qua sự thay đổi bán kính quả đất khi tính các góc nhìn và sử dụng bán kính trung bình của quả đất R như sau: R = 6371 km (2.22) Hình học biểu diễn các đại lượng trên được cho ở hình 2.6. Ở hình này ES ký hiệu cho trạm mặt đất, SS ký hiệu cho điểm dưới vệ tinh, S cho vệ tinh và d cho khoảng cách từ vệ tinh đến trạm mặt đất. Góc σ là góc cần xác định. N ES R σ λ E aE aE d SS h s Hình 2.6. Hình học sử dụng để xác định góc nhìn vệ tinh địa tĩnh φss φE Hình 2.7. a) Hình cầu liên quan đến hình 2.6; b) tam giác phẳng nhận được từ hình 2.6 25
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh Có hai dạng tam giác ở hình 2.6, tam giác cầu được vẽ nét đậm ở hình 2.7a và tam giác phẳng được vẽ ở hình 2.7b. Trước hết ta xét tam giác cầu có các cạnh là các cung của các đường tròn lớn và các các cạnh này được định nghĩa bằng các góc đối diện với chúng tại tâm của quả đất. Cạnh a là cung giữa bán kính đến cực Bắc và bán kính đến điểm dưới vệ tinh: a=900. Tam giác cầu có một cạnh 900 được gọi là tam giác góc phần tư. Cạnh b là cung giữa bán kính đến trạm mặt đất và bán kính đến điểm dưới vệ tinh. Cạnh c là cung giữa bán kính đến trạm mặt đất và bán kính 0 đến cực Bắc. Từ hình 2.7a ta thấy c=90 -λE Một tam giác cầu được xác dịnh bằng sáu góc. Ba góc A, B và C là các góc giữa các mặt phẳng. Góc A là góc giữa mặt phẳng chứa c và mặt phẳng chứa b. Góc B là góc giữa mặt phẳng chứa c và mặt phẳng chứa a. Từ hình 2.7a ta thấy B=φE - φSS. Ta sẽ chỉ ra rằng giá trị cực đại của B là 81,30. Góc C là góc giữa mặt phẳng chứa b và mặt phẳng chứa a. Đến đây ta có các thông tin về tam giác cầu như sau: a = 900 (2.23) 0 c = 90 -λE (2.24) B = φE - φSS (2.25) Lưu ý rằng khi trạm mặt đất nằm ở phía tây của điểm dưới vệ tinh, B âm và khi ở phía đông, B dương. Khi vĩ độ trạm mặt đất là bắc, c nhỏ hơn 900 và khi là nam, c lớn hơn 900. Các quy tắc đặc biệt đươc gọi là các quy tắc Napier được sử dụng cho tam giác cầu và các quy tắc này được cải tiến để xét đến các góc B và λE có dấu. Ở đây ta chỉ dẫn ra các kết quả. Các quy tắc Naplier xác định góc b như sau: b = arccos (cosB cosλE) (2.26) và góc A như sau: ⎛ sin B ⎞ (2.27) A=arcsin⎜ ⎟ ⎝ sin b ⎠ Có hai giá trị thỏa mãn phương trình (2.27) là A và 1800-A việc chọn giá trị nào phải dựa trên xem xét cụ thể. Các giá trị này được cho ở hình 2.8. Trên hình 2.8a, góc A là góc nhọn (nhỏ 0 hơn 90 ) và góc phương vị là góc Az=A. Trên hình 2.8b, góc A là góc nhọn và sau khi xem xét, 0 0 Az=360 -A. Trên hình 2.8c, góc Ac là góc tù và được xác định bởi Ac=180 -A, trong đó A là góc 0 nhọn xác định theo phương trình (2.27). Sau xem xét ta có Az= Ac=180 -A. Trên hình 2.8d, góc 0 Ad là góc tù và được xác định bằng 180 -A, trong đó A là góc nhọn nhận được từ phương trình 0 0 (2.27). Sau xem xét ta có Az=360 -Ad=180 +A. Trong mọi trường hợp A là góc nhọn được xác định từ phương trình (2.27). Các điều kiện này được tổng kết ở bảng 2.2. Bảng 2.2. Các góc phương vị Az từ hình 2.8 Hình 2.8 λE B Az, độ a 0 3600-A c >0 0 >0 1800+A 26
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh N N a) b) SS A SS A ES ES N N c) d) A d A ES ES c SS SS Hình 2.8. Các góc phương vị liên quan đến đến góc A (xem bảng 2.2) Sử dụng quy tắc cosine cho các tam giác phẳng đối với tam giác ở hình 2.7b ta có thể xác định d theo công thức sau: 2 2 d = R + a GSO − 2Ra GSO cos b (2.28) Sử dụng quy tắc sine cho các tam giác phẳng đối với tam giác ở hình 2.7b ta có thể xác định góc ngẩng như sau ⎛ a GSO ⎞ EL=arccos⎜ sin b⎟ (2.29) ⎝ d ⎠ Các kết quả trên không xét trường hợp khi trạm mặt đất nằm trên xích đạo. Trong trường hợp trạm mặt đất nằm ngay dưới vệ tinh, góc ngẩng bằng 900 và góc phương vị không còn thích hợp nữa. Khi điểm dưới vệ tinh nằm ở phía đông của trạm mặt đất trên đường xích đạo, (B 0), góc phương vị là 2700. Ngoài ra khoảng cách xác định theo phương trình (2.28) là gần đúng nên khi cần các giá trị chính xác hơn khoảng cách này được xác định bằng cách đo. Đối với lắp đặt thông thường tại gia đình, điều chỉnh thực tế sẽ chỉnh hướng anten đến vệ tinh theo tín hiệu cực đại. Vì thế không cần thiết phải xác định góc ngẩng quá chính xác, nhưng các giá trị này được tính toán để cung cấp các giá trị dự kiến đối với vệ tinh có kinh độ gần với kinh độ trạm mặt đất. 27
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh 2.8.3. Các giới hạn tầm nhìn Tầm nhìn từ trạm mặt đất đến cung quỹ đạo địa tĩnh sẽ bị giới hạn ở phía đông và phía tây. Các giới hạn này được thiết lập bằng các tọa độ của trạm mặt đất và góc ngẩng anten. Về mặt lý thuyết góc ngẩng thấp nhất bằng không khi anten hướng theo đường chân trời. Ta có thể ước lượng nhanh được các giới hạn kinh độ khi xét một trạm mặt đất trên đường xích đạo có anten hướng về phía bắc hoặc phía nam theo đường chân trời (xem hình 2.9). aGSO a θ θ GSO aΕ Hình 2.9. Minh hoạ giới hạn tầm nhìn Góc giới hạn dược xác định như sau: a θ= arccos E (2.30) a GSO 6378 = arccos 42164 = 81,30 Vậy đối với trường hợp này trạm mặt đất có thể nhìn thấy các vệ tinh địa tĩnh trên một cung được giới hạn bởi ±81,30 xung quang kinh độ của trạm mặt đất. Trong thực tế để tránh thu quá nhiều tạp âm từ mặt đất, người ta sử dụng giá trị tối thiểu cho góc 0 ngẩng với ký hiệu ELmin. Giá trị điển hình là 5 . Các giới hạn tầm nhìn cũng phụ thuộc vào vĩ độ của trạm mặt đất. Ta xét hình 2.7b, giả sử S là góc của tam giác tại tại điểm đặt vệ tinh khi 0 σmin=90 +ELmin. Sử dụng quy tắc sine ta được: ⎛ R ⎞ (2.31) S =arcsin⎜ sin σmin ⎟ ⎝ a GSO ⎠ Sau khi xác định được góc S ta xác định góc b như sau: 0 b = 180 - σmin - S (2.32) 28
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh Từ phương trình (2.26) ta được: ⎛ cosb ⎞ B=arccos⎜ ⎟ (2.33) ⎝ cosλ E min ⎠ Sau khi tìm được góc B ta có thể xác định được kinh độ của vệ tinh theo phương trình (2.25). 2.9. TỔNG KẾT Chương này đã xét các vấn đề chính liên quan đến quỹ đạo. Các định luật Keppler mô tả sự chuyển động của hành tinh đã đựơc áp dụng để mô tả quỹ đạo của vệ tinh bay quanh trái đất. Định luật thứ nhất cho thấy tổng quát quỹ đạo của vệ tinh là một hình elip, trường hợp đặc biệt nó là đường tròn. Định luật thứ hai chỉ ra rằng từ trái đất ta nhìn thấy vệ tinh lâu nhất tại những điểm mà vệ tinh cách xa trái đất nhất và vì thế trên đoạn quỹ đạo này ta có thể duy trì thông tin lâu nhất với vệ tinh. Định luật thứ ba cho phép ta xác định bán trục chính của của quỹ đạo vệ tinh dưạ trên chu kỳ quay của vệ tinh xung quang trái đất. Chương này cũng xét các thuật ngữ thông dụng đối với vệ tin Vì tại quỹ đạo địa tĩnh vị trí tương đối của vệ tinh không thay đổi so với mặt đất, nên quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo được sử dụng nhiều nhất cho thông tin vệ tinh. Chương này đã xét các công thức cho phép tính toán vị trí của vệ tinh so với trạm mặt đất hay góc nhìn vệ tinh từ anten mặt đất. Ba thông số được xác định trong chương này cho vệ tinh bay trên quỹ đạo địa tĩnh là góc phương vị, khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh và góc ngẩng. Đây là các thông số cần thiết để thiết kế một đường truyền vệ tinh. 2.10. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Trình bầy ba định luật Keppler 2. Trình bày các thuật ngữ liên quan đến quỹ đạo vệ tinh 3. Trình bày các phần tử của quỹ đao vệ tinh 4. Trình bày các lực nhiễu đối với vệ tinh 5. Một vệ tinh địa tĩnh được đặt tại kinh độ 900W. Anten trạm mặt đất được đặt tại vĩ độ 350N và kinh độ 1000W. Góc phương vị là giá trị nào dưới đây? (a) 162,90; (b) 170,90; (c) 180.90 Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh là giá trị nào dưới đây? (a) 36215 km; (b) 37215km; (c) 38215 km; (d) 39215 km Góc ngẩng an ten mặt đất là giá trị nào dưới đây? (a) 400; (b) 450; (c) 480; (d) 520 6. Một trạm mặt đất đặt tại vĩ độ 350N và kinh độ 700W liên lạc với trạm mặt đất khác cùng kinh độ tại vĩ độ 350S. Vệ tinh địa tĩnh có kinh độ 250W. Góc phương vị trạm thứ nhất là giá trị nào dưới đây? (a) 1200; (b) 1300; (c) 1350; (d) 1400 Góc phương vị trạm mặt đất thứ hai là giá trị nào dưới đây? (a) 600; (b) 800; (c) 900; (d) 1000 7. (tiếp). Số liệu như bài 6. 29
Chương 2. Các quỹ đạo vệ tinh Khoảng cách từ trạm mặt đất thứ nhất đến vệ tinh là giá trị nào dưới đây? (a) 37822,3 km; (b) 38822,3km; (c) 39822,3 km; (d) 39922,3km Khoảng cách từ trạm mặt đất thứ hai đến vệ tinh là giá trị nào dưới đây? (a) 37822,3 km; (b) 38822,3km; (c) 39822,3 km; (d) 39922,3km 8. (tiếp). Số liệu như bài 6. Góc ngẩng trạm mặt đất thứ nhất đến vệ tinh là giá trị nào dưới đây? (a) 27,70; (b) 290; (c) 300 ; (d) 310 Góc ngẩng trạm mặt đất thứ hai đến vệ tinh là giá trị nào dưới đây? (a) 27,70; (b) 290; (c) 300 ; (d) 310 9. Một trạm mặt đất đặt tại vĩ độ 400N và kinh độ 1000W liên lạc với trạm mặt đất khác cùng kinh độ tại vĩ độ 400S. Vệ tinh địa tĩnh đặt tại 700W. Góc phương vị trạm thứ nhất là giá trị nào dưới đây? (a) 138,070; (b) 148,070; (c) 150,90; (d) 1550 Góc phương vị trạm mặt đất thứ hai là giá trị nào dưới đây? (a) 30,930; (b) 41,930; (c) 43,930; (d) 53,930 10. (tiếp). Số liệu như bài 9. Khoảng cách từ trạm mặt đất thứ nhất đến vệ tinh là giá trị nào dưới đây? (a) 37235,3 km; (b) 38235,8km; (c) 39235,8 km; (d) 39235,3km Khoảng cách từ trạm mặt đất thứ hai đến vệ tinh là giá trị nào dưới đây? (a) 37235,3 km; (b) 38235,8km; (c) 39235,8 km; (d) 39235,3km 11. (tiếp). Số liệu như bài 9. Góc ngẩng trạm mặt đất thứ nhất đến vệ tinh là giá trị nào dưới đây? (a) 27,40; (b) 29,40; (c) 34,40 ; (d) 360 Góc ngẩng trạm mặt đất thứ hai đến vệ tinh là giá trị nào dưới đây? (a) 27,40; (b) 29,40; (c) 34,40 ; (d) 360 12. Xác định giới hạn tầm nhìn của một trạm mặt đất đặt ở độ cao mức nước biển trung bình tại vĩ độ 48,720 bắc và 89,260 tây. Coi rằng góc ngẩng tối thiểu là 50. Giới hạn đông là giá trị nào dưới đây (φE)? (a) -200; (b) -300; (c) -400; (d) -500 Giới hạn tây là giá trị nào dưới đây(φE)? (a) -1380; (b)-1480; (c) -1580; (d) -1680 30
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh CHƯƠNG 3 PHÂN CỰC SÓNG VÀ ANTEN TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG 3.1.1. Các chủ đề được trình bày trong chương • Các dạng phân cực sóng được sử dụng trong thông tin vệ tinh • Các anten loa được sử dụng làm anten thông tin vệ tinh hay làm các bộ tiếp sóng cho các bộ phản xạ • Các anten parabol sử dụng bộ phản xạ đơn và bộ phản xạ kép trong các hệ thống thông tin vệ tinh • Dàn loa tiếp sóng 3.1.2. Hướng dẫn • Học kỹ tư liệu được trình bày trong chương • Tham khảo thêm [1], [2] • Trả lời các câu hỏi và bài tập cuối chương 3.1.3. Mục đích chương • Nắm được các dạng phân cực sử dụng trong thông tin vệ tinh • Nắm được các dạng anten sử dụng trong thông tin vệ tinh 3.2. PHÂN CỰC SÓNG Trong vùng trường xa của một anten phát, sóng điện từ có dạng sóng điện từ ngang (TEM). Vùng trường xa là vùng tại khoảng cách lớn hơn 2D2/λ so với anten. trong đó D là kích thứơc một chiều lớn nhất của anten còn λ là bứơc sóng. Đối với anten parabol đường kính 3m phát tại tần số 6 GHz (λ=cm), trường xa bắt đầu từ khảng cách vào khoảng 360m. Ký hiệu sóng G G TEM được cho ở hình 3.1, trong hình này ta có thể thấy cả hai trường H và E đều vuông góc G với nhau và vuông góc với phương truyền sóng được ký hiệu và k . G G G E , H và k là các vectơ tạo nên tập bàn tay phải tuân theo quy tắc vặn nút chai bàn tay G G G phải. Nghĩa là khi ta nhìn theo phương truyền sóng k , quay E sẽ đến H . Sóng này sẽ giữ nguyên các thuộc tính hướng của tập bàn tay phải ngay cả khi bị phản xạ. Tại các khoảng cách xa hơn so với anten phát, là các khoảng cách thường gặp trong các hệ G G thống vô tuyến, có thể coi sóng TEM là phẳng. Điều này có nghĩa là các vectơ E và H nằm G G trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng k . Vectơ k được coi là vuông góc với mặt phẳng này. Quan hệ giữa các đại lượng E và H là : E=H.Zw, trong đó Zw=120π Ôm. 31
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh E k H Hình 3.1. Biểu đồ vectơ đối với sóng điện từ ngang (TEM) Phương của đường do đầu mút của trường điện vẽ lên sẽ xác định phân cực sóng. Cần nhớ rằng trường điện và trường từ là các hàm thay đổi theo thời gian. Trường từ thay đổi đồng pha với trường điện và biên độ của nó tỷ lệ với biên độ của trường điện, vì thế ta chỉ cần xét trường điện. G Đầu mút của vectơ E có thể vẽ lên một đường thẳng, trong trường hợp này ta có phân cực tuyến tính. Các dạng phân cực khác như phân cực elip và tròn sẽ được xét phần dưới. Hầu hết truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân cực tuyến tính, trong đó phân cực đứng được gọi là phân cực trong đó trường điện vuông góc với mặt đất và phân cực ngang được gọi là phân cực trong đó trường điện song song với mặt đất. Mặc dù các thuật ngữ phân cực đứng và ngang này cũng được sử dụng trong thông tin vệ tinh nhưng nó không hoàn toàn rõ ràng như trên. Một sóng phân cực tuyến tính được phát đi từ vệ tinh địa tĩnh có thể được ký hiệu là đứng nếu trường điện của nó song song với trục cực của trái đất nhưng thậm chí như vậy trường điện của nó vẫn song song với quả đất tại xích đạo. Giả thiết rằng phương ngang và đứng được coi là trục x và y (hình 3.2a). Trường điện phân cực đứng có thể được trình bầy như sau: G Ey = âyEysinωt (3.1) trong đó ây là vectơ đơn vị trong phương đứng và Ey là giá trị đỉnh hay đại lượng của trường điện. Tương tự như vậy, sóng phân cực ngang có thể được trình bầy như sau: G Ex = âxExsinωt (3.2) trong đó âx là vectơ đơn vị theo phương ngang và Ex là đại lượng của trường điện trong phương này. Cả hai trường này đều vẽ nên các đường thẳng (hình 3.2b). Bây giờ ta xét trường hợp khi cả G hai trường đều có mặt đồng thời. Chúng sẽ cộng với nhau theo vectơ và trường tổng sẽ là vectơ E hợp với trục ngang một góc được xác dịnh như sau: E α = arctang y (3.3) Ex G Lưu ý rằng vectơ E vẫn có phân cực tuyến tính nhưng không thể đơn giản coi là phân cực ngang G hoặc phân cực đứng. Nếu xét ngược lại, ta thấy rằng vectơ E có thể được phân tích thành các thành phần đứng và thành phần ngang, và đây là vấn đề rất quan trọng trong các hệ thống truyền dẫn thực tế. 32
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh y y +E y 2 2 |E| = E x+Ey ©y © α x x x -E x +Ex Trôc z h−íng ra ngoµi -E y Hình 3.2. Các thành phân ngang và đứng của phân cực tuyến tính G G Nói một cách chặt chẽ hơn, các vectơ Ex và Ey được gọi là các vectơ trực giao (vuông góc). Bây giờ ta đi xét trường hợp trong đó hai trường có biên độ bằng nhau ( ký hiệu là E) nhưng một trường nhanh pha hơn 900. Các phương trình thể hiện chúng trong trường hợp này như sau: G Ey =âyEsinωt (3.4a) G Ex =âxEcosωt (3.4b) Áp dụng phương trình (3.3) cho trường hợp này ta được α=ωt. Biên độ vectơ tổng là E. Đầu mút của vectơ trường điện vẽ lên đường tròn (hình 3.3a) và sóng tổng hợp được gọi là phân cực tròn. Hướng của phân cực tròn được định nghĩa bởi phương quay của vectơ điện nhưng điều này đòi hỏi ta phải quan sát cả chiều quay của vectơ. Theo định nghĩa của IEEE thì phân cực tròn tay phải (RHC: right-hand circular) là phân cực quay theo chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng (3.3b), còn phân cực tròn tay trái (LHC: left-hand circular) là phân cực quay ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn dọc theo phương truyền sóng (hình 3.3c). Các phân cực LHC và RHC trực giao với nhau. Phương truyền sóng dọc theo trục z dương. Cần lưu ý rằng dịnh nghĩa quang học cổ điển cho phân cực tròn ngược với định nghĩa của IEEE. Trong tài liệu này ta sẽ sử dụng định nghĩa của IEEE. Trong trường hợp tổng quát hơn sóng điện từ có thể có phân cực elip. Điều này xẩy ra khi hai thành phần tuyến tính là: Ey = âyEysinωt (3.5a) Ex = âxExcos(ωt+δ) (3.5b) Trong đó Ey nói chung không bằng nhau và δ là góc pha cố định. Để làm thí dụ ta có thể 0 chứng minh rằng khi Ey=1, Ex=1/3 và δ=30 , phân cực elip được cho ở hình 3.4. 33
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh ωt = 900 E ωt = 180 0 ωt ω t = 0 0 ωt = 270 0 RHC §iÓm nh×n theo §iÓm nh×n theo quang häc cæ ®iÓn IEEE z LHC §iÓm nh×n theo §iÓm nh×n theo quang häc cæ ®iÓn IEEE z Hình 3.3. Phân cực tròn 1 E ( ϖ t) y 0 -1 -0,4 0 0,4 E ( ϖ t) x Hình 3.4. Phân cực elip Tỷ số sóng phân cực elip là tỷ số giữa trục chính và trục phụ của elip. Phân cực elip trực giao xẩy ra khi một sóng có cùng tỷ số phân cực nhưng phương quay ngược chiều. Các đường truyền thông tin vệ tinh sử dụng phân cực tuyến tính và phân cực tròn, nhưng sự giảm cấp truyền dẫn có thể làm thay đổi phân cực này thành phân cực elip. 34
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh 3.3. CÁC ANTEN LOA Anten loa là môt thí dụ về anten mặt mở với sự chuyển đổi từ từ ống dẫn sóng vào mặt mở lớn hơn để ghép hiệu quả với không gian. Các anten loa được sử dụng trực tiếp làm các bộ phát xạ trên vệ tinh để chiếu xạ cho các vùng rộng lớn của quả đất và chúng cũng được sử dụng rộng rãi làm các chiếu xạ tiếp sóng cho các anten phản xạ cả ở chế độ phát lẫn chế độ thu. Ba kiểu được sử dụng rộng rãi nhất của các anten loa được cho ở hình 3 5 a) b) c) Hình 3.5. Các anten loa: a) Nón vách nhẵn. b) Vách gấp nếp và hình pyramid 3.3.1. Các anten loa hình nón Anten nón vách nhẵn được cho ở hình 3.5a. Thuật ngữ vách nhẵn để nóí về vách bên trong anten. Loa có thể được tiếp sóng từ ống dẫn sóng chữ nhật nhưng khi này cần bộ chuyển đổi từ chữ nhật vào tròn tại nơi nối. Phương pháp được ưa dùng hơn cả là tiếp sóng trực tiếp bằng ống dẫn sóng tròn với ống dẫn sóng làm việc ở chế độ TE11. Anten loa hình nón có thể được sử dụng với phân cực tuyến tính hay phân cực tròn nhưng để trình bầy một số tính năng quan trọng ở đây ta chỉ xét phân cực tuyến tính. Phân bố điện trường tại miệng mở của loa được vẽ ở hình 3.6a cho phân cực đứng. Các đường sức cong có thể được phân thành các thành phần thẳng đứng và nằm ngang như trên hình vẽ. Sóng TEM tại vùng trường xa có phân cực tuyến tính, nhưng các thành phần ngang của trường ở mặt mở anten sẽ dẫn đến các sóng phân cực vuông góc tại vùng trường xa. Do tính đối xứng, các sóng phân cực vuông góc loại trừ nhau trong các mặt chính (các mặt E và H); tuy nhiên chúng tạo ra bốn đỉnh: mỗi đỉnh nằm trong góc phần tư xung quanh búp chính. Hình 3.6. Trường ở mặt mở trong anten loa hình nón: a) vách nhẵn; c) vách gấp nếp và thiết diện loa vách gấp nếp b) 35
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh Loa vách nhẵn không tạo ra búp chính đối xứng ngay cả khi bản thân nó đối xứng. Các mẫu phát xạ là các hàm phức tạp phụ thuộc vào kích thước của loa. Không đối xứng và phân cực vuông góc là nhược điểm của loa cho việc đảm bảo phủ toàn cầu. Loa vách gấp nếp cho phép khắc phục phần nào các nhược điểm nói trên. Thiết diện của anten loa gấp nếp được cho ở hình 3.6b. Trường điện tại góc mở của loa gấp nếp được cho ở hình 3.6c. 3.3.2. Các anten loa pyramid Anten loa pyramid (hình 3.7) được thiết kế trước hết cho phân cực tuyến tính. Tổng quát nó có thiết diện ngang a×b và làm việc ở chế độ ống dẫn sóng TE10 với phân bố điện trường như trên hình 3.4. Độ rộng búp của anten pyramid khác nhau ở mặt E và mặt H, nhưng có thể chọn kích thước mặt mở để làm cho chúng bằng nhau. Loa pyramid có thể làm việc ở chế độ phân cực đứng và phân cực ngang đồng thời để được hai phân cực tuyến tính. Hình 3.7. Loa pyramid 3.4. ANTEN PARABOL 3.4.1. Bộ phản xạ parabol Các bộ phản xạ parabol được sử dụng rộng rãi trong thông tin vệ tinh để nâng cao khuyếch đại anten. Bộ phản xạ đảm bảo cơ chế hội tụ để tập trung năng lượng vào một phương cho trước. Dạng phản xạ parabol thường được sử dụng là dạng mặt mở hình tròn (hình 3.8a). Đây là dạng thường gặp trong các hệ thống thu tín hiệu TV từ vệ tinh gia đình. Cấu hình mặt mở tròn được gọi là bộ phản xạ parabol tròn xoay. 36
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh a) b) Tiªu ®iÓm Hình 3.8. a) Anten phản xạ parabol; b) Thuộc tính hội tụ của bộ phản xạ parabol Tính chất chính của bộ phản xạ parabol tròn xoay là tính chất hội tụ. Giống như đối với ánh sáng trong đó các tia khi đập lên bộ phản xạ sẽ hội tụ vào một điểm duy nhất được gọi là tiêu điểm và ngược lại khi các tia được phát đi từ tiêu điểm sẽ được phản xạ thành các tia song song. Điều này được minh họa ở hình 3.8b trong đó ánh sáng ở trường hợp này là sóng điện từ. Quãng đường của các tia từ tiêu điểm đến mặt mở (mặt phẳng chứa mặt mở tròn) đều bằng nhau. Để hiểu được tính chất hình học của bộ phản xạ parabol tròn xoay ta xét parabol là đường cong được tạo ra từ bộ phản xạ trong một mặt phẳng bất kỳ vuông góc với mặt phẳng chứa mặt mở và đi qua tiêu điểm (hình 3.9a). Tiêu điểm được ký hiệu là S và đỉnh là A, trục là đường thẳng đi qua S và A. SP là khoảng cách đến tiêu điểm cho mọi điểm P và SA là tiêu cự được ký hiệu là f. Đường đi của tia được ký hiệu là SPQ trong đó P là một điểm trên đường cong còn Q là một điểm trên mặt mở. PQ song song với trục. Đối với mọi điểm P, độ dài của quãng đường SPQ đều bằng nhau, vậy SP+PQ bằng hằng số cho tất cả quãng đường đi. Quãng đường đi dài như nhau có nghĩa rằng sóng phát từ tiêu điểm có phân bố pha đồng đều trên mặt mở . Thuộc tính này cùng với thuộc tính các tia song song có nghĩa là mặt sóng là mặt phẳng. Như vậy phát xạ từ bộ phản xạ parabol tròn xoay giống như phát xạ một sóng phẳng từ một mặt phẳng vuông góc với trục và chứa đường chuẩn (đường vuông góc với SA và đi qua điểm đối xứng với S qua đỉnh A trên trục). Cần lưu ý rằng theo nguyên lý đảo lẫn, các tính chất này cũng áp dụng cho cả anten ở chế độ thu. Hình 3.9. a) Tiêu cự f = SA và quãng đường đi của tia SPQ. b) Khoảng cách đến tiêu điểm ρ. Mặc dù trong vùng bộ phản xạ có cả các thành phần trường gần và xa, nhưng đường truyền vô tuyến được thực hiện ở vùng trường xa nên ta chỉ xét thành phần của trường này. Để 37
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh vậy ta coi rằng sóng phản xạ là sóng phẳng trong khi sóng được phát lên bộ phản xạ xuất phát từ một nguồn đẳng hướng có mặt sóng là mặt cầu. Mật độ công suất trong sóng phẳng không phụ thuộc vào khoảng cách. Đối với sóng cầu mật độ công suất của thành phần trường xa tỷ lệ nghich với bình phương khoảng cách vì thế chiếu xạ cho biên bộ phản xạ sẽ yếu hơn đỉnh. Điều này dẫn đến phân bố biên độ không đều trên mặt mở và ảnh hưởng này làm giảm hiệu suất chiếu xạ. Nếu ta ký hiệu khoảng cách đến tiêu điểm là ρ và tiêu cự là f (hình 3.9) thì ta được: f ψ = cos2 (3.6) ρ 2 Hàm suy hao không gian (SAF) là tỷ số giữa công suất đến điểm P với công suất đến điểm A và vì mật độ công suất tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nên tỷ số này được xác định như sau: 2 ⎛ f ⎞ ψ SAF = ⎜ ⎟ = cos4 (3.7) ⎝ ρ ⎠ 2 Đối với các ứng dụng vệ tinh, hiệu suất chiếu xạ là cần thiết. Điều này đòi hỏi mẫu phát xạ của anten sơ cấp được đặt tại tiêu điểm và chiếu xạ cho bộ phản xạ phải gần như là nghịch đảo của hệ số suy giảm không gian. Tỷ số giữa đường kính mặt mở và tiêu điểm là một tỷ số quan trọng, nên ta đi xét tỷ số này. Ký hiệu đường kính bộ phản xạ là D, ta được: f ψ = 0,25cotang 0 (3.8) D 2 Vị trí của tiêu điểm so với bộ phản xạ đối với các giá trị f/D khác nhau được cho ở hình 3.10. Đối với f/D 0,25, anten sơ cấp nằm ngoài mặt mở vì thế chiếu xạ trở nên đồng đều hơn, nhưng một phần bị tràn ra ngoài bộ phản xạ. Ở chế độ phát sự tràn này là sự phát xạ của anten sơ cấp hướng đến bộ phản xạ nhưng vượt ra ngoài góc 2Ψ0. Trong các ứng dụng vệ tinh, anten sơ cấp thường là anten loa (hay một dàn loa) hướng về phiá bộ phản xạ. Để bù trừ suy hao trong không gian như đã nói ở trên, có thể bổ sung thêm các chế độ bậc cao hơn cho phiđơ loa để mẫu phát xạ gần như nghịch đảo với hàm suy hao không gian. Phát xạ từ loa sẽ là sóng cầu đặc biệt và tâm pha sẽ nằm ở tâm đường cong của mặt sóng. Khi được sử dụng làm anten sơ cấp cho bộ phản xạ parabol, loa được đặt tại tâm pha nằm ở tiêu điểm. S S S f f f 0,25 D D D Hình 3.10. Vị trí tiêu điểm đối với các giá trị f/D khác nhau 38
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh Khuyếch đại của an ten parabol được xác định như sau: 2 4π = ⎛ πD ⎞ (3.9) G = ηIS ηI ⎜ ⎟ λ2 ⎝ λ ⎠ 2 trong đó ηI được gọi là hiệu suất chiếu xạ có giá trị từ 0,5 đến 0,8; S=πD /4 là diện tích vật lý của mặt mở và ηS là diện tích hiệu dụng của mặt mở. 3.4.2. Tiếp sóng lệch tâm Hình 3.11a cho thấy bộ phản xạ parabol tròn xoay với phiđơ loa đặt tại tiêu điểm. Đối với trường hợp này mẫu phát xạ của loa lệch tâm để chiếu xạ phần trên của bộ phản xạ. Loa tiếp sóng và phần giá đỡ nó đượcđặt ở vùng cách xa búp chính vì thế không gây che chắn. Với bố trí tiếp sóng tại tâm được trình bầy ở phần trên, sự che tối thường dẫn đến giảm 10% hiệu suất và tăng phát xạ ở các búp bên. Bố trí lệch tâm tránh được điều này. Hình 3.11b. cho thấy một mô hình của anten lệch tâm để sử dụng cho vệ tinh Olypius chủa châu Âu. Nhược điểm chính của tiếp sóng lệch là cần có giá đỡ chắc hơn để đảm bảo hình dạng của bộ phản xạ và do không đối xứng, phân cực vuông góc khi tiếp sóng bằng một phân cực tuyến tính sẽ tồi hơn so với trường hợp anten tiếp sóng chính tâm. Có thể đưa vào bù trừ phân cực ở tiếp sóng sơ cấp để hiệu chỉnh phân cực vuông góc hay đưa vào cấu trúc anten một lưới lọc phân cực. Nhờ ưu điểm của mình, tiếp sóng lệch tâm được sử dụng ở nhiều vệ tinh. Nó cũng được sử dụng với các anten trạm mặt đất có bộ phản xạ kép (hình 3.12) và được sử dụng ngày càng nhiều cho các anten trạm mặt đất chỉ thu. Hình 3.11. a) Các tia phản xạ từ bộ phản xạ lệch tâm. b) Tiếp sóng lệch tâm cho bộ phản xạ parabol tròn xoay. 3.5. CÁC ANTEN VỚI BỘ PHẢN XẠ KÉP Trong các anten với bộ phản xạ kép, phiđơ nối loa tiếp sóng đến thiết bị phát thu phải đảm bảo càng ngắn càng tốt để giảm thiểu tổn hao. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các trạm mặt đất lớn khi cần công suất phát lớn và tạp âm thu rất nhỏ. Hệ thống một phản xạ xét ở trên không 39
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh đạt được điều này, và hệ thống phản xạ kép cho phép đạt được điều này nhưng đắt tiền hơn. Loa tiếp sóng được đặt ở phía sau bộ phản xạ chính qua một lỗ hổng ở đỉnh (hình 3.12). Lắp phía sau cho phép đạt được cấu trúc tiếp sóng chắc chắn, đây là một ưu điểm khi cần sử dụng các anten cho phép quay và việc bảo dưỡng cũng dễ hơn. Bộ phản xạ phụ được lắp phía trước bộ phản xạ chính nói chung có kích cỡ nhỏ hơn loa tiếp sóng và gây ra che tối ít hơn. Có hai kiểu chính được sử dụng là anten Cassegrain và Gregorian mang tên của các nhà thiên văn học đầu tiên phát triển chúng. Hình 3.12. Anten Cassegrain 19m 3.5.1. Anten Cassegrain Dạng cơ sở của Cassegrain gồm một bộ phản xạ parabol tròn xoay chính và một bộ phản xạ hyperbol tròn xoay phụ. Bộ phản xạ phụ có hai tiêu điểm một trùng với tiêu điểm của bộ phản xạ chính và một trùng với tâm pha của loa tiếp sóng (hình 3.13a). Hệ thống Cassegrain tương đương với một bộ phản xạ parabol tròn xoay có tiêu cự như sau: eh +1 fe = f (3.10) eh −1 trong đó eh là độ lệch tâm của hình hyperbol tròn xoay và f là tiêu cự của bộ phản xạ chính. Độ lệch tâm của hyperbol tròn xoay luôn luôn lớn hơn một và nằm trong giải từ 1,4 đến 3. Vì thế tiêu cự tương đương lớn hơn tiêu cự của bộ phản xạ chính. Đường kính của parabol tròn xoay giống như đường kính bộ phản xạ chính và vì thế tỷ số f/D tăng. Như thấy ở hình 3.10, tỷ số f/D tăng dẫn đến chiếu xạ đồng đều hơn và đối với Cassegrain điều này đạt được nhưng không làm tràn sóng như ở trường hợp anten bộ phản xạ đơn. Tỷ số f/D lớn hơn cũng làm cho phân cực vuông góc nhỏ hơn. Hệ thống Cassegrain được sử dụng rộng rãi cho các trạm mặt đất. 40
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh Hình. 3.13. Các tia truyền đối với các anten: a)Cassegrain và b)Gregorian 3.5.2. Anten Gregorian Dạng Gregorian cơ sở gồm một parabol tròn xoay chính và một bộ phản xạ phụ elip tròn xoay. Cũng như ở trường hợp trên, bộ phản xạ phụ có hai tiêu điểm, một trùng với tiêu điểm của bộ phản xạ chính và điểm kia trùng với tâm pha của loa tiếp sóng (hình 3.13b). Hoạt động của hệ thống Gregorian có nhiều điểm giống như Cassegrain. Anten Gregorian đươc minh hoạ ở hình 3.14. 3.6. ANTEN DÀN Ta có thể đạt được sự tạo hình búp bằng cách sử dụng dàn các phần tử cơ sở. Các phần tử này được bố trí sao cho các mẫu phát xạ của chúng đảm bảo tăng cường phát xạ về một số hướng nhất định và loại trừ sự phát xạ ở các hướng khác. Hầu hết các dàn anten sử dụng trong thông tin vệ tinh là dàn loa. Cũng có thể sử dụng các dàn làm các phiđơ cho các anten phản xạ như dàn loa ở hình 3.15. 41
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh Hình 3.14. Anten lệch trục Gregorian Hình 3.15. Anten phản xạ được tiếp sóng nhiều phiđơ 42
Chương 3. Phân cực sóng và anten trong thông tin vệ tinh 3.7. TỔNG KẾT Loa là một dạng anten được sử dụng phổ biến trong thông tin vệ tinh. Loa có thể được sử dụng như một anten độc lập hay thường xuyên hơn nó được sử dụng như là các bộ tiếp sóng cho các anten phản xạ parabol. Để giảm phát xạ tại các búp phụ cũng như tại phân cực vuông góc các loa nón có thể sử dụng các vách trong gấp nép. Các anten parabol được ứng dụng rộng rãi trong thông tin vệ tinh. Tiếp sóng cho các anten này có thể là các loa được đặt tại chính tâm hoặc lệch tâm. Trường hợp thứ hai cho phép tránh được hiện tựơng che tối nhưng đòi hỏi phải có các biện pháp để tạo phân bố trường chiếu xạ đều hơn trên mặt mở của parabol và giá đỡ bộ phản xạ cũng phức tạp hơn. Các anten vệ tinh cũng có thể sử dụng bộ phản xạ kép. Các anten phản xạ kép cho phép đặt tiếp sóng ngay tại tâm của chảo phản xạ chính vì thế bảo dưỡng và quay anten tiện hơn. Ngoài ra bộ phản xạ con cũng cho phép phân bố trường chiếu xạ trên bộ phản xạ chính đều hơn và giảm hiệu ứng che tối. Anten Cassegrain bao gồm hai bộ phản xạ: bộ phản xạ con có hình hyperbol tròn xoay và bộ phản xạ chính là parabol tròn xoay. Anten Gregorian cũng có bộ phản xạ chính là parabol tròn xoay nhưng bộ phản xạ con là elip tròn xoay. Sử dụng dàn anten cho phép dễ dàng điều chỉnh dạng búp sóng và lái búp sóng đến mục tiêu yêu cầu. Dàn anten loa thường được sử dụng làm dàn tiếp sóng cho các bộ phản xạ. 3.8. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Giả sử phương truyền sóng trùng với trục z, các phương trình sau Ey = âyEysinωt, Ex = -âxExcosωt biểu thị phân cực nào dưới đây ? (a) Tuyến tính; (b) LHC; (b) RHC 2. Công suất đầu ra của máy phát là 600W, tổn hao phi đơ là 1dB, hệ số phản xạ điện áp tại anten là 0,01. Tính công suất phát xạ. (a) 25,8 dB; (b) 26,78 dB; (c) 27,78dB 3. Giải thích vì sao loa nón vách nhẵn phát xạ phân cực vuông góc và giải pháp để loại phân cực này 2 4. Phương trình mặt cắt của bộ phản xạ parabol là y =4fx. Giả sử ymax=±2,5m tại xmax=0,5m. Tìm tỷ số f/D. (a) 0,31; (b) 0,41; (c) 0,51; (d) 0,61 5. Một chảo anten đường kính 3 m có độ sâu là 1 m. tìm tiêu cự. (a) 4,62m; (b)5,62m; (c) 6,62m; (d) 7,62m 6. Một anten parabol đường kính 5m có hiệu suất chiếu xạ 0,65 làm việc tại tần số 6GHz. Tìm diện tích mặt mở hiệu dụng của anten (a) 12,76 m2; (b) 13,76m2; (c) 14,76m2; (d) 15,75m2 7. (tiếp) Tìm hệ số khuyếch đại của anten trong bài 6. a )45,1dB; (b) 46,1dB; (c)47,1dB; (d) 48,1dB 8. Trình bày ngắn gọn tiếp sóng lệch tâm và các ưu điểm và nhược điểm của nó 9. Giải thích vì sao các anten phản xạ kép thường được sử dụng tại các trạm mặt đất lớn. 10. Trình bày ý nghĩa của việc sử dụng dàn anten. 43
Chương 4. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh CHƯƠNG 4 PHẦN KHÔNG GIAN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 4.1. GIỚI THIỆU CHUNG 4.1.1. Các chủ đề được trình bầy trong chương • Tổ chức kênh của phát đáp • Các thiết bị của bộ phát đáp: máy thu băng rộng, bộ phân kênh, khuyếch đại và bộ ghép kênh • Phân hệ anten • Phân hệ thông tin • Phân hệ TT&C 4.1.2. Hướng dẫn • Học kỹ các tư liệu trong chương • Tham khảo [1], [2] • Trả lời câu hỏi và bài tập 4.1.3. Mục đích chương • Hiểu được cấu trúc chung của bộ phát đap • Hiểu được nguyên hoạt động các phần tử của bộ phát đáp • Hiểu được tổ chức của phân hệ anten và thông tin 4.2. BỘ PHÁT ĐÁP Bộ phát đáp bao gồm tập hợp các khối nối với nhau để tạo nên một kênh thông tin duy nhất giữa anten thu và anten phát trên vệ tinh thông tin. Một số khối trong bộ phát đáp có thể được dùng chung cho nhiều bộ phát đáp khác. Trước khi trình bầy chi tiết các khối khác nhau cuả bộ phát đáp, ta sẽ xét ngắn gọn tổ chức tần số cho thông tin vệ tinh băng C. Băng thông ấn định cho dịch vụ băng C là 500 MHz và băng thông này được chia thành các băng con, mỗi băng con dành cho một bộ phát đáp. Độ rộng băng tần thông thường của bộ phát đáp là 36 MHz với đoạn băng bảo vệ giữa các bộ phát đáp là 4MHz. Vì thế băng tần 500 MHz có thể đảm bảo cho 12 bộ phát đáp. Bằng cách ly phân cực, ta có thể tăng số bộ phát đáp lên hai lần. Cách ly phân cực cho phép sử dụng cùng một tần số nhưng với phân cực ngược chiều nhau cho hai bộ phát đáp. Để thu được kênh của mình, các anten thu phải có phân cực trùng với phân cực phát của kênh tương ứng. Đối với phân cực tuyến tính, ta có thể cách ly phân cực bằng phân cực đứng và phân cực ngang. Đối với phân cực tròn, cách lý phân cực nhận được bằng cách sử dụng phân cực tròn tay phải và phân cực tròn tay trái. Vì các sóng mang với phân cực đối nhau có thể chổng lần lên nhau, nên kỹ thuật này được gọi là tái sử dụng tần số. Hình 4.1 cho thấy quy hoạch tần số và phân cực cho vệ tinh thông tin băng C. 44
Chương 4. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh 500 4 36 Ph©n cùc ®øng 6105 6145 6185 6085 6125 6165 Ph©n cùc ngang Hình 4.1. Quy hoạch tần số và phân cực. Tần số trên hình vẽ đo băng MHz. Cũng có thể tái sử dụng tần số bằng các anten búp hẹp, và phương thức này có thể kết hợp với tái sử dụng theo phân cực để cung cấp độ rộng băng tần hiệu dụng 2000 MHz trên cơ sở độ rông thực tế 500 MHz. Đối với một trong số các nhóm phân cực, hình 4.2 cho thấy chi tiết hơn sơ đồ phân kênh cho 12 bộ phát đáp. Dải tần thu hay dải tần đường lên là 5,925 đến 6,425 GHz. Các sóng mang có thể được thu trên một hay nhiều anten đồng phân cực. Bộ lọc vào cho qua toàn bộ băng tần 500 MHz đến mày thu chung và loại bỏ tạp âm cũng với nhiễu ngoài băng (nhiễu này có thể gây ra do các tín hiệu ảnh). Trong dải thông 500 MHz này có thể có rất nhiều sóng mang được điều chế và tất cảc các sóng mang này đều được khuyếch đại, biến đổi tần số trong máy thu chung. Biến đổi tần số chuyển các sóng mang này vào băng tần số đường xuống 3,7 đến 4,2 MHz với độ rộng 500 MHz. Sau đó các tín hiệu được phân kênh vào các độ rộng băng tần của từng bộ phát đáp. Thông thường độ rộng băng tần cấp cho mỗi bộ phát đáp là 36 MHz với đoạn băng bảo vệ 4 MHz, vì thế 500MHz có thể đảm bảo kênh cho 12 bộ phát đáp. Bộ phát đáp có thể xử lý một sóng mang được điều chế như tín hiệu TV chẳng hạn hay có thể xử lý nhiều sóng mang đồng thời với mỗi sóng mang được điều chế bởi tín hiệu điện thoại hay kênh băng gốc nào đó. C¸c khèi Bé ph©n khuyÕch ®¹i Bé ghÐp kªnh vµo c«ng suÊt kªnh ra 1 3,720 2 3,760 3 3,800 Bé läc 4 3,840 b¨ng th«ng 5 3,880 M¸y thu 6 3,920 Tõ c¸c anten thu b¨ng réng 3,7- 7 3,960 §Õn anten 5,925- 4,2 GHz 8 4,000 ph¸t 6,425 GHz 9 4,040 3,7-4,2 GHz 10 4,080 11 4,120 12 4,160 Hình 4.2. Các kênh của bộ phát đáp vệ tinh 45
Chương 4. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh 4.3. MÁY THU BĂNG RỘNG Sơ đồ khối của máy thu băng rộng được cho ở hình 4.3. Máy thu có dự phòng kép để đề phòng trường hợp sự cố. Bình thường chỉ có máy thu công tác được sử dụng, khi có sự cố máy thu thứ hai được tự động chuyển vào thay thế. Tầng đầu của máy thu là bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA:low noise amplifier). Bộ khuếch đại này chỉ gây thêm một ít tạp âm cho sóng mang được khuếch đại, nhưng vẫn đảm bảo đủ khuếch đại sóng mang để nó có thể vượt qua được mức tạp âm cao hơn trong tầng trộn tiếp sau. Khi tính toán tạp âm do bộ khuếch đại gây ra, để tiện lơi ta thường quy đổi tất cả các mức tạp âm vào đầu vào LNA, ở đây tổng tạp âm thu có thể được biểu diễn vào nhiệt độ tạp âm tương đương. Trong một máy thu được thiết kế tốt, nhiệt độ tạp âm được quy đổi vào đầu vào LNA thường có giá trì gần bằng tạp âm của riêng LNA. Tổng nhiệt độ tạp âm phải bao gồm: tạp âm từ anten. Nhiệt độ tạp âm tương đương của anten có thể lên đến vài trăm K. LNA tiếp tín hiệu cho một tầng trộn. Tầng này cần có tín hiệu dao động nội để biến đổi tần số. Công suất tín hiệu cấp từ bộ dao động nội cho đầu vào bộ trộn khoảng 10dBm. Tần số của bộ dao động nội phải rất ổn định và có ít tạp âm. Bộ khuếch đại thứ hai sau tầng trộn có nhiêm vụ đảm bảo hệ số khuếch đại vào khoảng 60 dB. Các mức tín hiệu so với đầu vào trên hình vẽ được cho ở dB. Sự phân chia khuếch đại tại 6GHz và 4GHz để tránh dao động xẩy ra nếu khuếch đại quá lớn trên cùng một tần số. Máy thu băng rộng chỉ sử dụng các thiết bị tích cực bán dẫn. Trong một số thiết kế, các bộ khuếch đại diode tunnel được sử dụng cho tiền khuếch đại tại 6GHz trong các bộ phát đáp 6/4- GHz và cho các bộ khuếch đại thông số tại 14 GHz trong các bộ phát đáp 14/12-GHz. Với sự tiến bộ của công nghệ Transitor trường (FET), cac bộ khuếch đại FET đảm bảo hiệu năng ngang bằng hoặc tốt hơn hiện đã được sử dụng trong cả hai băng tần. Các tầng trộn diode được sử dụng. Bộ khuếch đại sau bộ trộn có thể sử dụng các transistor tiếp giáp lưỡng cực (BJT) tại 4GHz và FET tại 12 GHz hay FET cho cả hai băng. M¸y thu dù phßng Tõ bé läc vµo §Õn bé ph©n Bé tiÒn Bé khuyÕch kªnh khuyÕch ®¹i Bé trén ®¹i -1,5dB 28,5 dB 23 dB 60 dB Bé giao ®éng 2,225 GHz Hình 4.3. Máy thu băng rộng vệ tinh 46
Chương 4. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh 4.4. BỘ PHÂN KÊNH VÀO Bộ phân kênh vào phân chia đầu vào băng rộng (3,7-4,2 GHz) thành các kênh tần số của bộ phát đáp. Chẳng hạn, trên hình 4.2 các kênh này được đánh số từ 1 đến 12. Các kênh này thường được tổ chức thành các nhóm số chẵn và số lẻ. Việc tổ chức này cho phép tăng thêm phân cách kênh và giảm nhiễu giữa các kênh lân cận trong một nhóm. Đầu ra của máy thu đựơc đưa đến một bộ chia công suất, đến lượt mình bộ chia công suất lại tiếp sóng cho hai dẫy circulator riêng biệt. Toàn bộ tín hiệu băng rộng được truyền theo từng dẫy và phân kênh đạt được nhờ các bộ lọc kênh nối đến circulator như trên hình 4.4. Mỗi bộ lọc có độ rộng băng 36 MHz và được điều chỉnh đến tần số trung tâm của băng (xem hình 4.1). Mặc dù tổn hao trong bộ phân kênh khá lớn, các tổn hao này dễ dàng được bù đắp trong tổng khuếch đại cho các kênh phát đáp. KÕt cuèi phèi kh¸ng 1 2 3 4 5 M¸y thu dù phßng 6 7 GhÐp 3 dB M¸y thu 8 c«ng t¸c 9 10 11 12 KÕt cuèi phèi kh¸ng Hình 4.4. Bộ phân kênh vào 47
Chương 4. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh 4.5. BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT Bộ khuếch đại công suất riêng đảm bảo đầu ra cho từng bộ phát đáp. Hình 4.5 cho thấy trước mỗi bộ khuếch đại công suất là bộ suy giảm đầu vào. Bộ này cần thiết để điều chỉnh đầu vào của bộ khuếch đại công suất đến mức mong muốn. Bộ suy hao có phần cố định và phần thay đổi. Phần cố định để cân bằng các thay đổi suy hao vào sao cho các kênh phát đáp có cùng suy hao danh định. Điều chỉnh được thực hiện trong quá trình lắp ráp. Phần suy hao thay đổi để thiết lập mức cho từng kiểu ứng dụng. Hình 4.5. Sơ đồ khối và biểu đồ các mức tương đối điển hình trong một bộ phát đáp. Bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWTA) được sử dụng rộng rãi trong các bộ phát đáp để đảm bảo công suất ra cần thiết cho anten phát. Sơ đồ đèn sóng chạy (TWT: travelling wave tube) được cho trên hình 4.6. Trong đèn sóng chạy, súng tia điện tử gồm: sợi nung, catốt và các điện cực hội tụ để để tạo ra chùm tia điện tử. Trường từ để giới hạn tia điện tử truyền trong dây xoắn. Đối với TWT công suất cao hơn được sử dụng ở các trạm mặt đất, trường từ có thể được tạo ra bởi cuộn cảm và được cấp dòng một chiều. Vì kích thước khá lớn và tiêu thụ công suất cao nên cuộn cảm không thích hợp cho sử dụng trên vệ tinh, ở đây các TWT công suất thấp hơn được sử dụng với hội tụ bằng nam châm từ. Tín hiệu vô tuyến cần khuếch đại được cấp cho dây xoắn tại đầu gần catốt nhất và tạo ra tín hiệu sóng chạy dọc dây xoắn. Trường điện của sóng sẽ có thành phần dọc dây xoắn. Trong một số vùng trường này sẽ giảm tốc các điện tử trong chùm tia và trong một số vùng khác nó sẽ tăng tốc các điện tử trong chùm tia. Vì thế điện tự sẽ co cụm dọc theo tia. Tốc độ trung bình của chùm tia dược xác định bởi điện áp một chiều trên colector và có giá trị hơi lớn hơn tốc độ pha của sóng dọc dây xoắn. Trong điều kiện này, sẽ xẩy ra sự chuyển đổi năng lượng: động năng trong chùm tia được biến thành thế năng của sóng. Thực tế, sóng sẽ truyền dọc theo dây xoắn gần với tốc độ ánh sáng, nhưng thành phần dọc trục của nó sẽ tương tác với chùm tia điện tử. Thành phần này thấp hơn tốc độ ánh sáng một lượng bằng tỷ số giữa bước xoắn và chu vi. Vì sự giảm tốc độ pha này, nên dây xoắn được gọi là cấu trúc sóng chậm. 48
Chương 4. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh Hình 4.6. Sơ đồ đèn sóng chạy (TWT) và cấp nguồn Ưu điểm của bộ khuếch đại này so với các bộ khuếch đại đèn điện tử khác là nó có thể đảm bảo khuếch đại trên một độ rộng băng tần khá rộng. Tuy nhiên cần điều chỉnh cẩn thận mức vào TWT để giảm thiểu méo. Ảnh hưởng của méo đặc tuyến truyền đạt được cho trên hình 4.7. Tại các mức công suất thấp, quan hệ giữa đầu vào và đầu ra là tuyến tính, nghĩa là một thay đổi dB cho trước ở đầu vào sẽ gây ra cùng một sự thay đổi dB ở đầu ra. Tại các mức công suất vào cao, công suất ra sẽ bị bão hoà. Điểm công suất ra cực đại này được gọi là điểm bão hoà. Điểm bão hoà là một điểm tham chuẩn tiện lợi và các đại lượng vào cùng với các đại lượng ra thường được tham chuẩn theo điểm này. Vùng tuyến tính của TWT được định nghĩa là vùng giới hạn bởi giới hạn tạp âm nhiệt ở đầu thấp và bởi điểm nén 1dB. Đây là điểm mà tại đó đường cong truyền đạt thực tế thấp hơn đường thẳng suy diễn như cho trên hình 4.7. Việc chọn điểm công tác trên đặc tuyến truyền đạt sẽ được ta xét cụ thể hơn, nhưng trước hết ta sẽ xét đặc tính pha. 49
Chương 4. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh Pout Pin Hình 4.7. Đặc tuyến truyền đạt của TWT. Trạng thái bão hoà được sử dụng như tham chuẩn 0 dB cho cả đầu vào và đầu ra Thời gian trễ tuyệt đối giữa các tín hiệu vào và ra tại một mức vào cố định thường không đáng kể. Tuy nhiên tại các mức cao khi nhiều năng lượng chùm tia hơn được chuyển vào công suất đầu ra, tốc độ chùm tia trung bình sẽ giảm và vì thế thời gian trễ sẽ tăng. Vì trễ pha tỷ lệ thuận với thời gian trễ, nên điều này dẫn đến dịch pha và sự dịch này thay đổi theo đầu vào. Ký hiệu dịch pha là θ và và pha do thời gian trễ tại điểm bão hoà là θS, hiệu số pha so với bão hoà là θ-θS. Hiệu số này được vẽ trên hình 4.8 phụ thuộc vào công suất đầu vào. Như vậy nếu công suất đầu vào thay đổi, sẽ xẩy ra điều chế pha, quá trình này được gọi là chuyển đổi AM/PM (điều biên thành điều pha). Độ dốc của đặc tuyến dịch pha cho ta hệ số điều chế pha theo độ trên dB. Đường cong độ dốc phụ thuộc công suất vào được cho trên hình 4.8. Điều tần (FM) thường được sử dụng cho các kênh thông tin vệ tinh tương tự . Tuy nhiên điều chế biên độ không mong muốn có thể xẩy ra do quá trình lọc được thực hiện trước đầu vào TWT. Quá trình AM này biến đổi điều chế biên độ thành điều chế pha (PM), và điều chế này thể hiện như là tạp âm đối với sóng mang FM. Khi chỉ có một sóng mang duy nhất, nó có thể được đưa qua bộ hạn biên trước khi được khuếch đại bởi TWT. Bộ hạn biên sẽ nén biên độ sóng mang gần đường chuẩn không để loại bỏ điều chế biên độ. 50
Chương 4. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh θ−θS P in Hình 4.8. Đặc tuyến pha của TWT. θ là dịch pha vào-ra và θS là giá trị tại bão hoà. Đường cong AM/PM được rút ra từ độ dốc cuả đường cong dịch pha. TWT cũng có thể được sử dụng để khuếch đại hai hay nhiều sóng mang đồng thời, trường hơp này được gọi là khai thác nhiều sóng mang. Khi này biến đổi AM/PM sẽ là một hàm phức tạp của các biên độ sóng mang, ngoài ra đặc tuyến truyền đạt phi tuyến cũng gây ra méo điều chế giao thoa. Ta có thể biểu diễn đặc tuyến truyền đạt phi tuyến vào chuỗi Taylor thể hiện quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra như sau: 2 2 eo=aei+bei +cei + (4.1) trong đó a, b, c là các hệ số phụ thuộc vào đặc tuyến truyền đạt, eo là điện áp ra và ei là điện áp 3 vào bao gồm tổng các sóng mang khác nhau. Thành phần bậc ba là ce . Thành phần này và các thành phần mũ lẻ gây ra các sản phẩm điều chế giao thoa, nhưng thường thì chỉ có thành phần bậc ba là đáng kể. Giả thiết rằng đầu vào TWT có nhiều sóng mang cách nhau Δf, như cho trên hình 4.9. Nếu xét các sóng mang tại các tần số f1 và f2, ta thấy do thành phần bậc ba sẽ xuất hiện các tần số 2f2-f1 và 2f1-f2. Do f2-f1=.Δf ta có thể viết lại hai thành phần này như sau: f2+Δf và f1-Δf. Như vậy các sản phẩn điều chế giao thoa rơi vào các tần số sóng mang lân cận như được trình bầy trên hình 4.9. Tương tự các sản phẩm điều chế giao thoa sẽ xuất hiện từ các cặp sóng mang khác và khi các sóng mang này được điều chế, méo điều chế giao thoa sẽ thể hiện như tạp âm ở băng tần của bộ phát đáp. 51
Chương 4. Phần không gian của hệ thống thông tin vệ tinh Δf (f2 − f) f f (f2 − f) 12 1 2 21 Hình 4.9. Các sản phẩm điều chế giao thoa bậc ba Để giảm điều chế giao thoa, ta cần dịch điểm công tác của TWT đến gần hơn phần tuyến tính của đường cong. Sự giảm này được gọi là độ lùi đầu vào. Khi có nhiều sóng mang được khuếch đại, công suất ra xung quanh bão hòa đối với mọi sóng mang sẽ nhỏ hơn công suất ra khi chỉ có một sóng mang. Điều này được minh hoạ bởi các đường cong đặc tuyến truyền đạt trên hình 4.10. Độ lùi đầu vào là hiệu đo bằng dB giữa đầu vào sóng mang tại điểm công tác và đầu vào bão hòa cần thiết cho hoạt động một sóng mang. Độ lùi đầu ra thường ứng với sự giảm công suất đầu ra tương ứng. Thường thì độ lùi đầu ra thấp hơn khoảng 5 dB so với độ lùi đầu vào. Sự cần thiết đưa vào độ lùi sẽ làm giảm đáng kể dung lượng kênh của đường truyền vệ tinh vì sự giảm tỷ số sóng mang trên tạp âm tại trạm mặt đất. Pout P in Hình 4.10. Đường cong truyền đạt cho một sóng mang và cho nhiều sóng mang. Độ lùi khi khai thác nhiều sóng mang so với bão hoà đối với một sóng mang 4.6. PHÂN HỆ ANTEN Anten trên vệ tinh thực hiện chức năng kép: thu đường lên và phát đường xuống. Chúng có nhiều loại: từ các anten dipole có đặc tính vô hướng đến các anten tính hướng cao phục vụ cho viễn thông, chuyển tiếp truyền hình và phát quảng bá. Búp sóng của anten thường được tạo ra bởi các anten kiểu phản xạ, thường là bộ phản xạ parabol tròn xoay. Hệ số khuếch đại của anten phản xạ parabol so với bộ phát xạ đẳng hướng được xác định theo phương trình sau: 52