Tài liệu Nghiên cứu nâng cao hiệu năng mạng thông tin vệ tinh bộ công an

-1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ------&------ TRANG PHỤ BÌA NGUYỄN DUY TÙNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG THÔNG TIN VỆ TINH BỘ CÔNG AN Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 605270 LUẬN VĂN THẠC SĨ: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.THÁI HỒNG NHỊ HÀ NỘI – 2012 -3- MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA ...................................................................................................... 1 LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 1 MỤC LỤC ................................................................................................................... 3 DANH MỤC KÝ HIỆU .............................................................................................. 5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................... 6 DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... 8 DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 10 MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH ...................................... 14 1.1. Tóm lược lịch sử phát triển ......................................................... 14 1.2. Hệ thống thông tin vệ tinh ........................................................... 16 1.3. Vệ tinh thông tin .......................................................................... 17 1.3.1. Khái niệm và phân loại ........................................................... 17 1.3.2. Cấu trúc, thông số cơ bản của vệ tinh ..................................... 20 1.3.3. Vệ tinh thông tin Vinasat-I và Vinasat-II ................................. 23 1.4. Trạm mặt đất ............................................................................... 25 1.4.1 Trạm mặt đất trung tâm - trạm Hub ......................................... 26 1.4.2. Trạm mặt đất đầu cuối ............................................................ 29 1.5. Mạng thông tin vệ tinh ................................................................ 30 1.6. Hiệu năng mạng thông tin vệ tinh............................................... 33 CHƯƠNG 2: NHU CẦU VÀ THỰC TRẠNG MẠNG THÔNG TIN VỆ TINH NGÀNH CÔNG AN ........................................................................................................... 35 2.1. Nhu cầu thông tin vệ tinh ngành Công an .................................. 35 2.2. Thực trạng mạng thông tin vệ tinh ngành Công an ................... 37 2.2.1. Cấu hình mạng........................................................................ 37 2.2.2. Công nghệ DVB-S2 sử dụng trong mạng thông tin vệ tinh ngành công an ..................................................................................................... 40 2.2.3. Các loại trạm mặt đất ............................................................. 43 2.2.4. Địa điểm lắp đặt, trang bị ....................................................... 60 2.2.5. Một số vấn đề tồn tại............................................................... 65 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG ĐƯỜNG TRUYỀN .......................... 68 3.1. Cơ sở tính toán năng lượng đường truyền ................................. 68 -43.2. Phương pháp tính toán và một số giá trị kinh nghiệm phục vụ thiết kế ......................................................................................................... 71 3.3. Áp dụng tính toán năng lượng đường truyền kết nối lưới mạng thông tin vệ tinh ngành công an................................................................. 78 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG ................................................................................... 87 4.1. Giải pháp nâng cao chất lượng kết nối kiểu lưới trong mạng thông tin vệ tinh ngành công an................................................................. 87 4.1.1. Nâng cao chất lượng kết nối lưới giữa trạm VSAT cố định có truyền hình với xe thông tin cơ động......................................................... 87 4.1.2. Nâng cao chất lượng kết nối lưới giữa trạm VSAT cơ động có truyền hình với xe thông tin cơ động......................................................... 91 4.2. Giải pháp tiết kiệm băng thông sử dụng .................................... 95 4.2.1. Tăng mức điều chế sóng mang ................................................ 95 4.2.2. Thay đổi hệ số mã sửa lỗi ....................................................... 97 4.2.3. Giảm tốc độ thông tin của tuyến bằng cách tăng cường tỉ lệ nén tin đầu vào................................................................................................ 98 4.2.4. Giảm tỉ lệ % các trạm hoạt động đồng thời............................. 98 4.3. Giải pháp nâng cao hiệu năng hoạt động của trạm Hub Hà Nội ..................................................................................................................... 99 4.3.1. Bố trí nhà trạm ....................................................................... 99 4.3.2. Thay đổi hệ thống điều hòa làm mát ..................................... 101 4.3.3. Xây dựng hệ các quy trình khai thác vận hành ...................... 105 4.3.4. Các giải pháp bổ sung khác .................................................. 107 KẾT LUẬN, ĐÓNG GÓP MỚI, VÀ ĐỀ XUẤT .................................................... 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 110 -5- DANH MỤC KÝ HIỆU ρ Rsym (symbol/sec) Rbit (bit/sec) G (gain) D (m) λ (m) ηI Ps (W) PT (W) L1 (dB) TA (K) T0 (K) TLNB (K) d (m) Rearth (m) AGSO (m) φE φSS λE Al El FSL (dB) R (m) EIRP (dBW) G/TSAT Losses (dB) K (Joule/K) BN (Hz): Balloc (Hz) G/TES EIRPSAT (dBW) Rb (bit/sec) Hệ số rolloff Tốc độ ký hiệu của luồng tín hiệu Tốc độ bit của luồng tin. Độ lợi ăng ten Đường kính ăng ten Bước sóng phát Hệ số mặt phản xạ ăng ten (illumination efficiency) Công suất đầu vào ăng ten Công suất đầu ra bộ khuếch đại Mất mát khi truyền sóng qua feeder và ống dẫn sóng Nhiệt tạp âm đầu vào ăng ten Nhiệt độ tạp âm môi trường. Thường lấy giá trị 3000K. Nhiệt độ tạp âm đầu vào bộ khuếch đại tạp âm thấp và hạ tần Khoảng cách từ ăng ten trạm mặt đất đến ăng ten vệ tinh Giá trị trung bình bán kính trái đất. Bán kính quỹ đạo tròn suy ra từ định luật Kepler III Kinh độ trạm mặt đất Kinh độ vệ tinh Vĩ độ trạm mặt đất Góc phương vị ăng ten Góc ngẩng ăng ten Mất mát tín hiệu trong không gian tự do (free space loss) Khoảng cách từ ăng ten trạm mặt đất đến ăng ten vệ tinh Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương Hệ số phẩm chất ăng ten thu của vệ tinh Mất mát đường truyền Hằng số Boltzmann 1,38*10-23 Joule/K, hoặc tính theo dB là -228,6 dB Joule/K Băng thông nhiễu đầu vào máy thu Băng thông chiếm dụng của sóng vô tuyến Hệ số phẩm chất ăng ten thu tại trạm mặt đất Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương từ vệ tinh xuống mặt đất, tại vị trí đặt trạm Tốc độ bit của luồng tín hiệu -6- DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ACI ACK AMP BEP BER BPF BPSK BSS CCI C/N DAMA dB D/C DEMOD DVB-S EIRP EIRP ES EIRP SL ES FDMA FEC FSK HPA IBO IDU IF IMUX IP LAN Adjacent Channel Interference ACKnowledgement Amplifier Bit Error Probability Bit Error Rate Band Pass Filter Binary Phase Shift Keying Broadcasting Satellite Service Co-Channel Interference Carrier to Noise ratio Demand Assignment Multiple Access deciBel Down-Converter DEMODulator Digital Video Broadcasting by Satellite Effective Isotropic Radiated Power Effective Isotropic Radiated Power of earth Effective Isotropic Radiated Power of satellite Earth Station Frequency Division Multiple Access Forward Error Correction Frequency Shift Keying High Power Amplifier Input Back-Off InDoor Unit Intermediate Frequency Input Multiplexer Internet Protocol Local Area Network Xuyên nhiễu kênh lân cận Báo nhận Bộ khuếch đại Xác suất lỗi bit Tỉ lệ lỗi bit Lọc thông dải Điều chế dịch pha 2 mức Dịch vụ vệ tinh quảng bá Nhiễu đồng kênh Tỉ số sóng mạng trên nhiễu Đa truy nhập theo yêu cầu Decibel Bộ đổi tần xuống Bộ giải điều chế Quảng bá video qua vệ tinh Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng của trạm mặt đất Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng của vệ tinh Trạm mặt đất Đa truy nhập theo tần số Mã sửa lỗi trước Khóa dịch pha Bộ khuếch đại công suất Lùi công suất đầu vào Khối trong nhà Trung tần Đầu vào bộ ghép kênh Giao thức Internet Mạng nội bộ -7LNA LO LNB MCPC MOD MUX FTDMA NMS OBO ODU PABX PBX PC PSD PSK QPSK RF RX SCPC SNG SSPA TCP TDM TDMA TTC TV TX VSAT Low Noise Amplifier Local Oscillator Low Noise Block Bộ khuếch đại tạp âm thấp Bộ dao động nội Bộ khuếch đại tạp âm thấp và hạ tần Multiple Channels Per Carrier Đa kênh trên một sóng mang MODulator Bộ điều chế MUltipleXer Bộ ghép kênh Frequency-Time Division Đa truy nhập theo tần số và thời Multiple Access gian Network Management System Hệ thống quản lý mạng Output Back-Off Lùi công suất đầu ra OutDoor Unit Khối ngoài trời Private Automatic Branch Tổng đài chuyển mạch tự động eXchange Private (automatic) Branch Tổng đài nhỏ chuyển mạch tự eXchange động Personal Computer Máy tính cá nhân Power Spectral Density Mật độ phổ công suất Phase Shift Keying Khóa dịch pha Quaternary Phase Shift Keying Khóa dịch pha 4 mức Radio Frequency Cao tần Receiver Bộ thu Single Channel Per Carrier Đơn kênh trên một sóng mang Satellite News Gathering Xe thông tin vệ tinh Solid State Power Amplifier Khuếch đại công suất thể rắn Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển phát Time Division Multiplex Ghép kênh theo thời gian Time Division Multiple Đa truy nhập theo thời gian Access Telemetry, Tracking and Đo xa, bám và điều khiển Command TeleVision Truyền hình Transmitter Bộ phát Very Small Aperture Terminal Trạm đầu cuối khẩu độ nhỏ -8- DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Quy hoạch băng tần số vô tuyến ............................................... 15 Bảng 1.2: Độ cao quỹ đạo và chu kỳ quay của vệ tinh quanh trái đất ....... 18 Bảng 1.3: Thông số vệ tinh Intelsat IS-23 ................................................. 21 Bảng 1.4: Thông số kỹ thuật vệ tinh IS-23................................................ 23 Bảng 1.5: Thông tin cơ bản của vệ tinh Vinasat - I, II .............................. 24 Bảng 1.6: EIRP phát đáp băng Ku của vệ tinh Vinasat-I tại một số thành phố lớn ............................................................................................................. 25 Bảng 1.7: Phân loại trạm mặt đất theo chuẩn của Intelsat ......................... 26 Bảng 2.1: Danh mục thiết bị trạm cố định có truyền hình ......................... 53 Bảng 2.2: Danh mục thiết bị trạm cơ động có truyền hình ........................ 55 Bảng 2.3: Danh mục thiết bị trạm thoại cố định........................................ 56 Bảng 2.4: Thống kê thiết bị của xe thông tin vệ tinh cơ động ................... 58 Bảng 2.5: Địa điểm trang bị 16 trạm cố định có truyền ảnh ...................... 61 Bảng 2.6: Địa điểm trang bị 04 trạm cơ động có truyền ảnh ..................... 61 Bảng 2.7: Địa điểm trang bị 03 xe thông tin vệ tinh cơ động loại lớn ....... 61 Bảng 2.8: Địa điểm trang bị 26 xe thông tin vệ tinh cơ động loại nhỏ ...... 62 Bảng 2.9: Địa điểm trang bị 106 trạm thoại cố định và cơ động ............... 65 Bảng 3.1: Cách xác định góc phương vị ăng ten trạm mặt đất .................. 74 Bảng 3.2: Thông số đầu vào tính toán mô phỏng tuyến thông tin vệ tinh.. 79 Bảng 3.3: Thông số đầu ra tính toán mô phỏng tuyến thông tin vệ tinh .... 80 Bảng 3.4: Kết quả tính toán đường truyền kết nối hình lưới giữa xe thông tin cơ động và Hub ........................................................................................... 82 Bảng 3.5: Kết quả tính toán đường truyền kết nối kiểu lưới giữa trạm VSAT cố định có truyền hình và xe thông tin cơ động ..................................... 84 Bảng 3.6: Kết quả tính toán đường truyền kết nối kiểu lưới giữa trạm VSAT cơ động có truyền hình và xe thông tin cơ động .................................... 85 Bảng 4.1: Tóm tắt kết quả tính toán đường truyền kết nối lưới giữa trạm VSAT cố định có truyền hình và xe thông tin cơ động ..................................... 88 Bảng 4.2: Kết quả tính toán mô phỏng kết nối lưới giữa xe thông tin cơ động và VSAT cố định có truyền hình áp dụng tổng hợp ba giải pháp nâng cao hiệu năng .......................................................................................................... 90 -9Bảng 4.3: Tính toán mô phỏng giải pháp tăng công suất bộ khuếch đại lên 20W ................................................................................................................. 91 Bảng 4.4: Tóm tắt kết quả tính toán mô phỏng kết nối lưới giữa trạm VSAT cơ động có truyền hình và xe thông tin cơ động ............................................... 92 Bảng 4.5: Kết quả tính toán mô phỏng kết nối lưới giữa xe thông tin cơ động và VSAT cơ động có truyền hình áp dụng tổng hợp ba giải pháp nâng cao hiệu năng .......................................................................................................... 93 Bảng 4.6: Tính toán mô phỏng giải pháp tăng công suất bộ khuếch đại lên 24W ................................................................................................................. 94 Bảng 4.7: Kết quả mô phỏng tính toán giải pháp nâng mức điều chế lên 8PSK đối với kết nối giữa xe thông tin với Hub ............................................... 96 Bảng 4.8: Thống kê yêu cầu diện tích nhà trạm ...................................... 100 Bảng 4.9: Thống kê công suất tiêu thụ, công suất tỏa nhiệt của thiết bị trung tần và băng cơ sở ............................................................................................ 103 Bảng 4.10: Kết quả tính toán hệ cấp nguồn và điều hòa làm mát trạm Hub ....................................................................................................................... 104 - 10 - DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các phân đoạn của hệ thống thông tin vệ tinh ........................... 17 Hình 1.2: Các quỹ đạo vệ tinh .................................................................. 18 Hình 1.3: Vệ tinh quỹ đạo tia chớp ........................................................... 19 Hình 1.4: Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh ............................................................ 20 Hình 1.5: Các khối chức năng cơ bản của vệ tinh ..................................... 21 Hình 1.6: Vùng phủ búp sóng hướng tây của IS-23 .................................. 22 Hình 1.7: Vùng phủ sóng búp sóng hướng đông của IS-23 ....................... 22 Hình 1.8: EIRP phát đáp băng Ku của vệ tinh Vinasat-I ........................... 24 Hình 1.9: Sơ đồ khối trạm Hub ................................................................. 27 Hình 1.10: Sơ đồ khối trạm đầu cuối điển hình......................................... 29 Hình 1.11: Mạng thông tin vệ tinh ............................................................ 31 Hình 1.12: Cấu trúc mạng hình sao........................................................... 31 Hình 1.13: Cấu trúc mạng hình lưới ......................................................... 32 Hình 2.1: Kết nối kiểu sao trong mạng thông tin vệ tinh ngành công an ... 38 Hình 2.2: Kết nối kiểu lưới trong mạng thông tin vệ tinh ngành công an .. 39 Hình 2.3: Mạng thông tin vệ tinh Bộ Công an .......................................... 40 Hình 2.4: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống DVB-S2 ............................ 42 Hình 2.5: Mặt trước rack thiết bị cao tần và băng cơ sở trạm Hub ............ 46 Hình 2.6: Mặt sau rack thiết bị cao tần và băng cơ sở trạm Hub ............... 47 Hình 2.7: Bộ khuếch đại công suất MPKO đang sử dụng ......................... 48 Hình 2.8: Bố trí nhà trạm tại Hub Hà Nội ................................................. 49 Hình 2.9: Sơ đồ các nguồn điện đầu vào của Hub..................................... 51 Hình 2.10: Sơ đồ cấp nguồn phòng máy trạm Hub ................................... 52 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý trạm cố định có truyền hình .......................... 54 Hình 2.12: Ăng ten trạm cơ động triển khai nhanh ................................... 55 Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý trạm thoại cố định......................................... 56 Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống tự động dò tìm vệ tinh của xe thông tin cơ động ......................................................................................................................... 59 Hình 2.15: Xe thông tin vệ tinh cơ động ................................................... 60 Hình 3.1: Đường lên và đường xuống trong thông tin vệ tinh ................... 69 Hình 3.2: Sơ đồ các tầng xử lý tín hiệu của bộ phát đáp ........................... 70 - 11 Hình 3.3: Các tầng xử lý tín hiệu của trạm mặt đất và thông số chính ...... 70 Hình 3.4: Ăng ten phát (a) và ăng ten thu (b) ............................................ 72 Hình 3.5: Tính khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh........................... 74 Hình 3.6: Quan hệ tỉ lệ lỗi bit BER và tỉ số Eb/No ................................... 77 Hình 3.7: Mô hình kết nối lưới trong mạng thông tin vệ tinh ngành Công an ......................................................................................................................... 78 Hình 4.1: Chạy đồng thời 03 máy điều hòa trong buồng cao tần............. 102 Hình 4.2: Ảnh chụp phía sau bộ khuếch đại công suất, rack cao tần ....... 105 - 12 - MỞ ĐẦU Năm 2008, vệ tinh VINASAT, vệ tinh thông tin đầu tiên của Việt Nam được đưa lên quỹ đạo, mở ra một trang mới cho lĩnh vực viễn thông Việt Nam nói riêng và khoa học công nghệ vũ trụ Việt nói chung. Mạng thông tin liên lạc mặt đất của các Bộ, Ban ngành được định hướng ưu tiên sử dụng phương án vệ tinh nhằm sớm đưa điện thoại, truyền hình, Internet đến với vùng sâu, vùng xa, biên giới hải đảo đồng thời thúc đẩy dự án Vinasat quốc gia, khai thác hiệu quả tài nguyên băng thông của vệ tinh. Trong bối cảnh đó, Bộ Công an đã sớm xây dựng và đưa vào hoạt động Mạng thông tin vệ tinh ngành công an. Mạng đã chính thức thông luồng kỹ thuật đầu năm 2010. Trong quá trình vận hành khai thác 02 năm qua đã nảy sinh một số vấn đề cần thực hiện: (1) nâng cao chất lượng tuyến truyền dẫn mạng lưới và (2) nhu cầu vừa giảm thiểu băng thông vệ tinh để tiết kiệm chi phí, vừa đảm bảo chất lượng thông tin trong mạng. Bên cạnh đó, khi khai thác trạm Hub cũng xuất hiện một số bất cập: thiếu thốn diện tích buồng phòng, hệ thống làm mát điều hòa buồng cao tần không hiệu quả, nhân viên chưa có hướng dẫn khai thác vận hành chuẩn trong nhiều tình huống... Trên cơ sở những tồn tại nhận thấy trong quá trình khai thác vận hành, luận văn đã phân tích và xác định được nguyên nhân, từ đó đề xuất giải pháp nâng cao hiệu năng mạng, cụ thể là các giải pháp: nâng cao chất lượng kết nối mạng lưới; tiết giảm băng thông vệ tinh sử dụng. Bên cạnh hai vấn đề nêu trên, luận văn cũng đề cập, chỉ rõ nguyên nhân, nêu giải pháp cho một số tồn tại trong thực tế như việc bố trí nhà trạm, lắp đặt thiết bị và hệ thống điều hòa phụ trợ của trạm Hub tại Hà Nội. Luận văn bao gồm 4 chương. Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh đề cập những vấn đề chung của thông tin vệ tinh như trạm mặt đất, vệ tinh, mạng thông tin vệ tinh, hiệu năng mạng. Chương 2: Nhu cầu và thực trạng hệ thống mạng thông tin vệ tinh ngành công an. Chương 3: Tính toán năng lượng đường truyền làm cơ sở để phân tích và chỉ ra nguyên nhân sự giảm cấp chất lượng kết nối kiểu lưới cũng như những tác động đến băng thông chiếm dụng của mạng. - 13 Chương 4: Tính toán mô phỏng và tiến hành thực nghiệm các giải pháp nâng cao hiệu năng mạng. Một số nội dung trong Chương 4 đã được thực nghiệm cho kết quả tốt và đang được áp dụng trong thực tế. Phần kết luận tóm lược các giải pháp nâng cao hiệu năng mạng thông tin vệ tinh ngành công an, nêu bật các đóng góp và đề xuất áp dụng. Một số giải pháp đề xuất đã được kiểm nghiệm, đánh giá và đang được áp dụng hiệu quả trong vận hành khai thác thực tế của mạng thông tin vệ tinh. Trải qua thời gian khai thác vận hành, các vấn đề cũ được làm rõ thì đồng thời vấn đề mới cũng nảy sinh cần được giải quyết. Phạm vi của Luận văn không tham vọng giải quyết toàn bộ vấn đề nâng cao hiệu năng mà tập trung giải quyết một số vấn đề đặt ra trước mắt, kịp thời đáp ứng yêu cầu của công tác chuyên môn của mạng thông tin vệ tinh ngành công an. - 14 - CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 1.1. Tóm lược lịch sử phát triển Năm 1945, Arthur Charles Clarke, một nhà khoa học và nhà văn viễn tưởng đã mô tả việc sử dụng các vệ tinh có người lái trong các quỹ đạo cao có chu kỳ quay quanh trái đất 24 giờ trên những vùng đất của thế giới để phân phối các chương trình truyền hình. Mặc dù ý tưởng này được Clarke nhắc đi nhắc lại nhiều lần cho đến đầu những năm 50 cùng thế kỷ song đã không nhận được nhiều sự quan tâm của giới khoa học. Đến năm 1954, John Robinson Pierce, AT&T's Bell Telephone Laboratories, có bài viết đánh giá nêu khá rõ ràng về khả năng sử dụng vệ tinh như tấm gương phản xạ thông tin ở quỹ đạo tầm trung và quỹ đạo địa tĩnh ổn định 24/24 giờ. Tuy người Mỹ nghĩ đến thông tin vệ tinh đầu tiên song Liên Xô mới là nước đi đầu trong ngành công nghệ cao hướng ra ngoài trái đất này. Vệ tinh nhân tạo đầu tiên đồng thời là vệ tinh thông tin đầu tiên: Sputnik-1 được Liên bang Xô viết phóng ngày 4 tháng 10 năm 1957. Sputnik được trang bị máy phát radio làm việc trên hai tần số 20,005 và 40,002 MHz và phát ra tiếng bip, bip trên đầu mọi người tại nơi bay qua. Cuộc chạy đua vào vũ trụ trong thời kỳ chiến tranh lạnh không cho phép Mỹ chấp nhận vị trí thứ II. Năm 1960, Mỹ phóng vệ tinh ECHO là một quả cầu có thể phản xạ sóng điện từ làm nhiệm vụ chuyển tiếp tín hiệu một cách thụ động. Ngày 10 tháng 7 năm 1962, Telstar là vệ tinh liên lạc tiếp âm trực tiếp và động đầu tiên trên thế giới được NASA phóng lên từ mũi Canaveral. Vệ tinhTelstar thuộc về công ty điện thoại, điện báo Mỹ (AT&T) như là một phần của hợp đồng đa quốc gia giữa AT&T, phòng thí nghiệm điện thoại Bell, NASA, bưu điện Anh, viễn thông Pháp để phát triển liên lạc vệ tinh. Telstar được đặt trên một quỹ đạo elip (hoàn thành một chu kỳ sau 2 giờ and 37 phút), và quay ở một góc 45° trên xích đạo. Năm 1965, vệ tinh Intelsat-1 được đưa lên quỹ đạo địa tĩnh và tổ chức Intelsat được thành lập mở đầu cho kỷ nguyên thông tin toàn cầu bằng vệ tinh. Do hạn chế của vệ tinh liên lạc tầm thấp, tầm trung là thời gian “gặp” trạm mặt đất mỗi ngày rất ngắn, vệ tinh địa tĩnh được sử dụng ngày càng nhiều cho thông tin quảng bá và liên lạc. Từ 1975, Liên xô sản xuất thành công tên lửa - 15 Proton đủ sức đưa vệ tinh lên thẳng quỹ đạo địa tĩnh, đã phóng một loạt vệ tinh địa tĩnh dùng cho viễn thông. Bên cạnh đó, sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật và công nghệ cũng cho phép phát triển hệ thống các vệ tinh tầm thấp có thể trao đổi thông tin giữa các vệ tinh với nhau để phục vụ nhu cầu liên lạc. Tuy nhiên chi phí thiết lập và duy trì hoạt động cho hệ thống kiểu này là không nhỏ, ví dụ như hệ thống Globalstar, Iridium. Vệ tinh hiện đại ngày nay không chỉ thụ động thu-phát tín hiệu như trạm lặp mà còn có khả năng xử lý tại chỗ (OBP-onboard proccessing) như: tách ghép kênh, điều chế, mã hóa, chuyển mạch, tái sử dụng tần số, phủ sóng đốm... Thông tin vệ tinh đã phát triển băng tần sử dụng từ băng C, Ku, L, X đến các băng có tần số rất cao như Ka, V (xem bảng 1.1). Bảng 1.1: Quy hoạch băng tần số vô tuyến Sự hạn chế trong năng lượng mang theo lên vệ tinh khiến tuổi thọ của mọi vệ tinh đều hạn chế trong khoảng 10-15 năm. Tuy nhiên, lợi ích về thông tin, truyền thông do vệ tinh mang lại là rất đáng kể. Ưu thế về băng thông rộng, truyền dẫn với khoảng cách cực lớn, triển khai các hệ thông tin mặt đất trong thời gian ngắn mà không cần quan tâm đến cơ sở hạ tầng truyền dẫn đã đưa thông tin vệ tinh thành một trong những lĩnh vực được quan tâm hàng đầu. Hầu hết các cuộc gọi xuyên đại dương được thực hiện qua vệ tinh. Từ đầu những năm 80, nước ta đã sử dụng thông tin vệ tinh, bắt đầu bằng trạm mặt đất Hoa Sen ở Phủ Lý. Việt Nam tham gia cả 2 tổ chức thông tin vệ tinh có quy mô toàn cầu là Intelsat và Intersputnik với 8 trạm mặt đất. Năm 2008 Việt Nam đã có vệ tinh thông tin riêng (Vinasat-I). Toàn bộ 20 bộ phát đáp (08 bộ phát đáp băng tần C mở rộng, 12 bộ phát đáp băng tần Ku) của Vinasat-I đã được sử dụng hết chỉ sau 02 năm đưa lên không gian. Bốn năm - 16 sau ngày phóng vệ tinh đầu tiên, ngày 16/05/2012, Việt Nam đưa vệ tinh thứ hai lên quỹ đạo địa tĩnh, hình thành hệ thống vệ tinh thông tin Việt Nam. Nhu cầu và tiềm năng phát triển của thông tin vệ tinh ở Việt Nam nói chung và của Vinasat-II là rất đáng chú ý. Hiện tại mạng Thông tin vệ tinh của nhiều Bộ, Ban ngành và các cơ quan Chính phủ đang sử dụng Vinasat-I. Trong khi Vinasat-I chỉ có 12 bộ băng tần Ku thì toàn bộ 24 bộ phát đáp của Vinasat-II đều ở băng tần Ku. Vinasat-II chú trọng vào băng Ku vì lượng khách hàng có nhu cầu sử dụng băng tần này nhiều hơn. Chính vì vậy khả năng đáp ứng, phục vụ thương mại của Vinasat-II tại Việt Nam chắc chắn sẽ lớn hơn nhiều so với Vinasat-I. Ngoài phục vụ thông tin liên lạc cho vùng sâu vùng xa, biên giới hải đảo, vệ tinh Vinasat đáp ứng một lượng không nhỏ nhu cầu về phát thanh, truyền hình, đa dịch vụ phục vụ quốc kế dân sinh. Hầu hết các doanh nghiệp, tổ chức, cơ quan nhà nước có nhu cầu sử dụng thông tin vệ tinh đều xác định ưu tiên số một là vệ tinh Vinasat, có thể kể đến những tên tuổi lớn đang dùng vệ tinh này như Đài truyền hình Việt Nam, Đài tiếng nói Việt Nam, VNPT, VTC, Vietsovpetro, các công ty viễn thông Lào, Thái Lan, Singapore.. và những khách hàng tiềm năng như K+, HTV, SCTV, ngôi sao mới nổi AVG... Trong các cơ quan Chính phủ, Bộ Quốc phòng, Bộ Công an đều có mạng Thông tin vệ tinh riêng hoạt động với vệ tinh Vinasat-I. 1.2. Hệ thống thông tin vệ tinh Hệ thống thông tin vệ tinh cơ bản được chia làm hai phân đoạn: phân đoạn không gian (space segment) và phân đoạn mặt đất (ground segment). Một số tài liệu còn phân chia chi tiết hơn thành các phân đoạn điều khiển (control segment) và phân đoạn người dùng (user segment). Phân đoạn không gian bao gồm vệ tinh hoặc hệ thống vệ tinh cùng với các trạm điều khiển giúp cho vệ tinh hoạt động bình thường trên quỹ đạo. Trạm điều khiển có nhiệm vụ theo dõi, giám sát, điều khiển hoạt động của vệ tinh, căn chỉnh thông số để đảm bảo vệ tinh luôn được an toàn và đáp ứng tốt nhất yêu cầu thông tin liên lạc. Phân đoạn mặt đất gồm các trạm mặt đất (trạm quản lý điều hành mạng và trạm đầu cuối). Trạm mặt đất gồm trạm trung tâm điều hành quản lý nhiều trạm đầu cuối. Trạm đầu cuối là trạm có giao tiếp với người sử dụng, là nơi cho phép người dùng gọi điện thoại, xem truyền hình, truy nhập mạng... - 17 - Hình 1.1: Các phân đoạn của hệ thống thông tin vệ tinh Đối với hệ thống Vinasat, phân đoạn không gian là vệ tinh địa tĩnh Vinasat I, II và trạm điều khiển vệ tinh đặt tại Quế Dương. Phân đoạn mặt đất gồm trạm mặt đất của các đơn vị, tổ chức, Bộ Ban ngành đặt rải rác trên khắp cả nước. 1.3. Vệ tinh thông tin 1.3.1. Khái niệm và phân loại Vệ tinh là vật thể bay theo quỹ đạo xung quanh một hành tinh hay một ngôi sao. Vệ tinh tự nhiên chiếm một số lượng rất nhỏ so với vệ tinh nhân tạo của trái đất. Vệ tinh nhân tạo thực hiện rất nhiều nhiệm vụ trên quỹ đạo: chụp ảnh, đo đạc bề mặt trái đất, quan sát thiên hà xa xôi, dẫn đường cho xe cộ tàu bè, thu tín hiệu phát ra từ các hành tinh khác, khám phá lỗ đen, tìm kiếm vật chất tối.. song chiếm số lượng đông đảo nhất vẫn là các vệ tinh thông tin. Vệ tinh thông tin có thể được phân chia theo loại hình quỹ đạo hoặc chức năng thông tin. Theo loại hình quỹ đạo có thể phân chia thành một số loại vệ tinh như sau: - 18 - Hình 1.2: Các quỹ đạo vệ tinh Vệ tinh quỹ đạo thấp: Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit) là những quỹ đạo tròn ở độ cao 400~1200 km. Độ cao của quỹ đạo quyết định chu kỳ quay của vệ tinh quanh trái đất (xem trong bảng 1.2). Độ cao (km) Tốc độ (km/s) Chu kỳ quay 300 7.72 90,5 1.000 7.35 105 36.000 3.1 23h56’ Bảng 1.2: Độ cao quỹ đạo và chu kỳ quay của vệ tinh quanh trái đất Quỹ đạo của các chòm vệ tinh thông tin di động là những quỹ đạo thấp có mặt phẳng quỹ đạo nằm nghiêng (độ nghiêng phụ thuộc vào nhiệm vụ của vệ tinh, nhưng càng gần 900 thì vùng bao phủ càng lớn). Ví dụ cho vệ tinh tầm thấp là hệ thống Iridium với 66 vệ tinh, tầm cao 780km, có 06 quỹ đạo với 11 vệ tinh trên mỗi quỹ đạo, chu kỳ quay 100 phút. Vệ tinh quỹ đạo trung bình: Quỹ đạo trung bình MEO ở độ cao 10.000km ~ 20.000 km. Ở độ cao này, chỉ cần 10 vệ tinh là phủ sóng toàn cầu, trong khi ở quỹ đạo thấp có thể cần đến hàng trăm quả. So với vệ tinh địa tĩnh, vệ tinh quỹ đạo trung bình cho chất lượng truyền thông tốt hơn (ít tiếng vọng, thời gian trễ ngắn), dùng ít công suất hơn để truyền tin. Ví dụ điển hình cho vệ tinh thông tin quỹ đạo thấp là hệ thống GlobalStar - 19 với 48 vệ tinh ở tầm cao 14.000km và quỹ đạo nghiêng 520 so với mặt phẳng xích đạo. Vệ tinh quỹ đạo elip: Vệ tinh thông tin cho những vùng vĩ độ cao phải dùng quỹ đạo ellip dẹt. Hình 1.3: Vệ tinh quỹ đạo tia chớp Vệ tinh Molnya của Liên Xô cũ, với cận điểm ở 400-600 km trên nam bán cầu và viễn điểm ở 40.000 km trên bắc bán cầu, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 630, chu kỳ T = 12 giờ. Mỗi vệ tinh bay ở phần trên của quỹ đạo trong 2/3T ở trong tầm nhìn của phần lớn bán cầu Bắc và lướt nhanh qua cận điểm. Do vậy vệ tinh này có tên là tia chớp. Để thông tin 24/24 giờ, cần có 3 vệ tinh bố trí cách đều nhau trên cùng một quỹ đạo (hình 1.3). Vệ tinh địa tĩnh: là vệ tinh nằm trên quỹ đạo tròn trong mặt phẳng xích đạo, cao độ 35.800 km, thời gian vệ tinh bay một vòng bằng thời gian quay của trái đất, do đó hầu như nằm bất động ở thiên đỉnh một điểm nào đó trên mặt đất. Xem hình 1.4. Do ảnh hưởng của một số yếu tố: quả đất không phải hình cầu lí tưởng, tác động trọng trường của Mặt trời, Mặt trăng.., vị trí vệ tinh trên quỹ đạo bị xê - 20 dịch, trạm điều khiển ở mặt đất phải định kỳ dùng các tên lửa đẩy trên vệ tinh đưa nó về đúng vị trí (dung sai cho phép: 0,05 0 theo hướng Bắc-Nam, 0,050 theo hướng Đông-Tây, tức là trong một hình vuông mỗi bề 0,10, hoặc 74 km). Hình 1.4: Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh Ngoài cách phân loại theo quỹ đạo, vệ tinh còn được phân loại theo đối tượng phục vụ: vệ tinh dân sự, vệ dành cho an ninh-quốc phòng, vệ tinh phục vụ công tác nghiên cứu, vệ tinh tư nhân... Vệ tinh thông tin cũng được phân chia theo loại hình dịch vụ thông tin như: vệ tinh phát thanh-truyền hình, vệ tinh định vị dẫn đường, vệ tinh thám sát, vệ tinh liên lạc... 1.3.2. Cấu trúc, thông số cơ bản của vệ tinh Cấu trúc vệ tinh gồm hai thành phần chính là khung vệ tinh (bus) và tải vệ tinh (payload). Tải vệ tinh là toàn bộ thiết bị lắp đặt trên vệ tinh nhằm phục vụ nhu cầu của người sử dụng. Khung vệ tinh là vật mang tải vệ tinh, đồng thời cung cấp các hệ thống phụ trợ (subsystems) như năng lượng, điều khiển quỹ đạo, điều khiển vĩ độ, điều khiển nhiệt, đo xa.. để tải vệ tinh hoạt động. Vệ tinh thông tin thường kèm theo khái niệm bộ phát đáp: là thiết bị tạo đường kết nối giữa đường lên và đường xuống của tín hiệu, giữa ăng ten thu và ăng ten phát của vệ tinh. Tải vệ tinh thông tin được hình thành từ các bộ phát đáp và ăng ten thu phát. Thành phần của vệ tinh chi tiết bao gồm: ăng ten thu/ phát, các bộ phát đáp, hệ thống cấp nguồn, hệ điều khiển quỹ đạo và độ cao, khối xử lý lệnh và dữ liệu, - 21 hệ điều khiển nhiệt, hệ thông tin dùng để trao đổi thông tin với trung tâm điều khiẻn vệ tinh dưới mặt đất, tên lửa đẩy để điều chỉnh vị trí vệ tinh, khung và các cấu trúc cơ khí. Tùy thuộc vào chức năng, mục đích hoạt động mà vệ tinh có thể được trang bị một vài hệ thống khác bổ sung như camera chụp ảnh, máy dò quét trên dải sóng nhìn thấy và không nhìn thấy (vệ tinh viễn thám), máy phát tia laser công suất cao (vệ tinh quốc phòng), kính viễn vọng (vệ tinh khoa học, ví dụ vệ tinh Hubble)... Hình 1.5: Các khối chức năng cơ bản của vệ tinh Các thông số cơ bản của vệ tinh bao gồm thông số bản thân vệ tinh và thông số dịch vụ do vệ tinh đem đến cho người sử dụng. Thông tin về vệ tinh thường đề cập là chủ sở hữu/nhà điều hành, ngày phóng lên quỹ đạo, tuổi thọ, chức năng nhiệm vụ, vùng phủ sóng, quỹ đạo hoạt động, thông tin về hệ thống vệ tinh (nếu có), dung lượng phục vụ.. ngoài ra đối với các vệ tinh thông tin có thể đề cập đến sơ đồ EIRP của phát đáp, SFD, OBO, IBO, băng thông phát đáp, tần số hoạt động... Ví dụ thông số cơ bản của vệ tinh Intelsat IS-23 tại 530W (xem bảng 1.3). IS-23 là vệ tinh chuẩn bị phóng lên quỹ đạo thuộc hệ thống Intelsat, dự kiến để dành cho nhu cầu tương lai gần. Tên vệ tinh: Trạng thái: Vị trí: Nhà điều hành: Ngày phóng: Bãi phóng: Tàu phóng: Khối lượng phóng (kg): Khối lượng khô (kg): Nhà sản xuất: Model (bus): Quỹ đạo: Tuổi thọ: Intelsat 23 (IS-23) nằm trong kế hoạch 53° W (53° W) Intelsat, Ltd. dự kiến 1-7-2012 đến 12-8-2012 Baikonur Cosmodrome Proton M 3200 1503 Orbital Sciences Corporation (OSC) GEOStar-2.4 Bus GEO 15 năm. Bảng 1.3: Thông số vệ tinh Intelsat IS-23