Tài liệu Xây dựng phần mềm mô phỏng các thông số đường truyền của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát trái đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Quang Huy XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ ĐƢỜNG TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT TRÁI ĐẤT Chuyên ngành: Vâ ̣t lý Vô tuyế n và Điê ̣n tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đỗ Trung Kiên Hà Nội – Năm 2017 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH .........3 1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh ....................................3 1.1.1. Phần không gian ..............................................................................3 1.1.2. Phần mặt đất ....................................................................................6 1.2 Cấu trúc đặc trưng của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát trái đất ............7 1.2.1. Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ .......................7 1.2.2. Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu của trạm mặt đất băng S .......10 Chương 2 - TÍN HIỆU VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG TÍN HIỆU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH ...........................................................12 2.1 Đặc điểm của tín hiệu trong thông tin vệ tinh ......................................12 2.2 Đặc điểm Kênh truyền và phân tích tuyến Trạm mặt đất - vê ̣ tinh......14 2.2.1. Các ảnh hưởng của tầng khí quyển đến kênh truyền ....................14 2.2.2. Hấ p thu ̣ phân tử .............................................................................17 2.2.3. Tổ n hao do hấ p thu ̣ mưa ................................................................17 2.3 Các tham số cơ bản của tuyến liên lạc thông tin vệ tinh ...................20 2.3.1. Các tham số của anten ................................................................20 2.3.2. Đồ thị phương hướng bức xạ của anten ......................................21 2.3.3. Sự phân cực của sóng .................................................................21 2.3.4. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ...............................22 2.3.5. Công suấ t tín hiê ̣u thu đươ ̣c và tổ n hao truyề n sóng trong không gian tự do ....................................................................................23 2.3.6. Công suấ t tín hiê ̣u thu đươ ̣c có tính đế n tổ n hao hấ p thu ̣ và ảnh hưởng của tầ ng khí quyể n ...........................................................24 2.3.7. Tính toán dự trữ tuyến có tính đến các tổn hao khác ..................25 2.4 Công suất tạp âm và đánh giá chất lượng đường truyền ......................25 2.4.1. Tạp âm trên tuyến thông tin vệ tinh ..............................................25 2.4.2. Chất lượng đường truyền vệ tinh ..................................................27 Chương 3 - XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN.............................................29 3.1 Các thông số đầu vào ............................................................................30 3.2 Một số công thức sử dụng trong việc tính toán quỹ đường truyền ......31 KẾT LUẬN ....................................................................................................39 DANH MỤC BẢNG BIỂU: Bảng 1. 1: Tên và phân loại sóng vô tuyến ......................................................5 Bảng 1. 2: Các loại anten sử dụng cho vệ tinh nhỏ..........................................7 Bảng 2. 1: Các hệ số hồi qui để xác định tổn hao sóng vô tuyến do mưa (ITU-R) ..........................................................................................................18 Bảng 3. 1: Thông số quỹ đường truyền của trạm mặt đất băng S ..................30 Bảng 3. 2: Các thông số hệ thống thu phát sóng trên vệ tinh ........................31 Bảng 3. 3: Độ suy hao trong khí quyển tại Hà Nội với tần số của tín hiệu TC theo ITU-R P.618-7........................................................................................33 Bảng 3. 4: Độ suy hao trong khí quyển tại Hà Nội với tần số của tín hiệu TM theo ITU-R P.618-7........................................................................................34 DANH MỤC HÌ NH ẢNH: Hình 1. 1: Cấu trúc tổng quát của một hệ thống vệ tinh ..................................3 Hình 1. 2: Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ ....................10 Hình 1. 3: Trạm mặt đất băng S của hệ thống vệ tinh nhỏ Vnredsat-1..........11 Hình 2. 1: Lượng nước mưa trung bình hàng năm ........................................19 Hình 3. 1: Lưu đồ thuật toán tính toán các thông số đường truyền ...............29 Hình 3. 2 : Suy hao không gian tự do theo độ cao quỹ đạo ...........................35 Hình 3. 3 : Liên hê ̣ giữa tỉ số tin ́ hiê ̣u trên ta ̣p âm và tỉ lê ̣ bit lỗi ...................37 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý Vô tuyến và Điện tử với đề tài “Xây dựng phần mềm mô phỏng các thông số đƣờng truyền của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát Trái Đất” được hoàn thành là nhờ sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy cô, bạn bè đồng nghiệp. Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian hoàn thành luận văn vừa qua. Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo TS. Đỗ Trung Kiên đã trực tiếp tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và chỉ bảo những thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này. Xin chân thành cảm ơn KS. Trần Anh Đức - đồng nghiệp, chủ nhiệm Đề tài cơ sở - Viện Công nghệ Vũ trụ: “Nghiên cứu làm chủ quá trình truyền thông giữa vệ tinh Vnredsat-1 và Trạm điều khiển mặt đất” và tập thể cán bộ Viện Công nghệ Vũ trụ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam nơi tôi đang công tác đã cung cấp các thông tin cần thiết về vệ tinh Vnredsat-1 để giúp tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Khoa học Tự nhiên, khoa Vật lý và Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình. Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Bùi Quang Huy MỞ ĐẦU Trong những thâ ̣p niên gầ n đây , các hệ thống thông tin vệ tinh ngày càng phát triển nhanh chóng . Hiê ̣n nay với hàng loa ̣t các loa ̣i hin ̣ vu ̣ do vê ̣ tinh ̀ h dich cung cấ p trải rô ̣ng trên tấ t c ả các lĩnh vực từ thông tin truyền thông , dự báo thời tiế t, dẫn đường – đinh ̣ vi ,̣ đánh giá giám sát các nguồ n tài nguyên , điạ giới lañ h thổ cho tới nghiên cứu khoa ho ̣c . Thông tin vê ̣ tinh có thể cung cấ p không những các dich ̣ vụ dân sự mà cả các dịch vụ quốc phòng , an ninh, hàng không , hàng hải ,…Ngày nay, công nghê ̣ vê ̣ tinh đã trở thành mô ̣t trong những thước đo đánh giá trin ̀ h đô ̣ phát triển khoa ho ̣c công nghê ̣ của mô ̣t quố c gia. Viê ̣t Nam hiê ̣n nay đang ở giai đoa ̣n đầ u phát triển công nghệ vũ trụ . Hiê ̣n tại, Viê ̣t Nam đang có 02 vê ̣ tinh viễn thông Vinasat -1 (2008) và Vinasat-2 (2012) có thể cung cấp dịch vụ đường truyền vệ tinh để phát triển các dịch vụ ứng dụng như dịch vụ thoại, truyền hình, thông tin di động, truyền số liệu, Internet, các dịch vụ đào tạo và y tế từ xa, truyền tin cho ngư dân trên biển, cung cấp đường truyền thông tin cho các trường hợp khẩn cấp như thiên tai, bão lụt, đường truyền cho các vùng sâu, vùng xa, hải đảo; 01 vê ̣ tinh viễn thám Vnredsat -1 (2013) hoạt động trên quỹ đạo thấp LEO cung c ấp ảnh viễn thám vệ tinh độ phân giải cao phục vụ cho các nhu cầ u phát triển kinh tế - xã hội, giám sát, ứng phó với thảm hoạ thiên nhiên và biến đổi khí hậu. Trong xu thế ngày càng phát triển của công nghệ vệ tinh trên thế giới, việc sử dụng các vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất quỹ đạo LEO nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học, lập bản đồ, giám sát tài nguyên thiên nhiên… đã trở nên vô cùng phổ biến. Để thực hiện tốt những nhiệm vụ đó, việc duy trì đảm bảo kênh thông tin liên lạc giữa vệ tinh và mặt đất là vô cùng cần thiết. Vì vậy , tính toán thông số đường truyề n giữa vê ̣ tinh và tra ̣m mă ̣t đấ t Hò a la ̣c là mô ̣t nhiê ̣m vu ̣ đầ u tiên và thường xuyên của Viện Công nghê ̣ Vũ tru ̣ - Viê ̣n Hàn lâm Khoa ho ̣c và Công nghê ̣ Viê ̣t Nam. Kênh liên lạc này giúp gửi lệnh điều khiển từ mặt đất lên vệ tinh, đồng thời giúp trạm mặt đất thu nhận những dữ liệu đo xa về tình trạng vệ tinh cũng 1 như các dữ liệu ảnh vệ tinh gửi về. Phân tích đánh giá kênh thông tin liên lạc được thực hiện thông qua việc tính toán và mô phỏng các thông số đường truyền. Các thông số đường truyền bao gồm một bảng tính toán các loại tăng ích và suy hao, phân tích chi tiết từ các nguồn thu phát, các nguồn nhiễu, sự suy hao tín hiệu và các hiệu ứng xảy ra đối với tín hiệu trên đường truyền. Các thông số sẽ được lấy từ các nguồn thống kê hoặc trong các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Tính toán quỹ đường truyền là thực hiện việc tính toán ước lượng nhằm mục đích đánh giá khả năng xảy ra lỗi trên đường truyền. Các thông số đường truyền thường được tính toán với các điều kiện hoạt động xấu nhất, ví dụ như khi mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh với góc ngẩng nhỏ nhất, khoảng cách từ vệ tinh tới trạm mặt đất là xa nhất, với đầy đủ các loại suy hao trên vệ tinh cũng như trên đường truyền dẫn… để đảm bảo chất lượng đường truyền dẫn thông tin liên lạc giữa vệ tinh và mặt đất trong mọi điều kiện hoạt động. 2 Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh Cấu trúc một hệ thống truyền tin vệ tinh gồm hai phần: phần không gian và phần mặt đất. Hình 1. 1: Cấu trúc tổng quát của một hệ thống vệ tinh 1.1.1. Phần không gian Phần không gian của một hệ thống truyền tin vệ tinh bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị đặt trong vệ tinh và các hệ thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để kiểm tra theo dõi và điều khiển hành trình của vệ tinh (cả hệ thống bám, đo đạc và điều khiển). Bản thân vệ tinh bao gồm hai phần: Phần thực hiện nhiệm vụ (payload) và phần thân vệ tinh (platform). Phần thực hiện nhiệm vụ đối với các vệ tinh khác nhau có cấu trúc hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào nhiệm vụ của vệ tinh trên quỹ đạo, ví dụ đối với vệ tinh viễn thông thì payload là các bộ phát đáp tín hiệu, đối với các vệ tinh viễn thám thì payload là hệ thống chụp ảnh, radar, vv…Phần thân vệ tinh bao gồm hệ thống phục vụ cho cho payload hoạt động, ví dụ như cấu trúc vỏ và khung vệ tinh, nguồn cung cấp điện, hệ thống điều khiển nhiệt độ, điểu khiển chuyển hướng, tư thế, quỹ đạo, v.v…[2] 3 Các sóng vô tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là tuyến lên (uplink). Vệ tinh thu các sóng từ tuyến lên, xử lý, biến đổi tần số, khuếch đại và truyền các sóng vô tuyến đó về các trạm mặt đất theo tuyến xuống (downlink). Chất lượng của một liên lạc qua sóng vô tuyến đó được xác định bởi tỷ số năng lượng sóng mang trên năng lượng tạp nhiễu C/N của toàn tuyến trong đó bao gồm cả kỹ thuật điều chế và mã hóa được sử dụng. Vệ tinh trong trường hợp vệ tinh đóng vai trò là một trạm trung chuyển tín hiệu giữa các trạm mặt đất và được xem như một nút mạng với hai chức năng chính sau đây: - Khuếch đại các sóng mang thu được từ tuyến lên để sử dụng cho việc truyền lại trên tuyến xuống. Công suất đầu vào của máy thu vệ tinh có yêu cầu từ 100pW đến 1 nW, còn công suất tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát cho tuyến xuống có yêu cầu từ 10 W đến 100W. Như vậy độ tăng ích anten của bộ phát đáp vệ tinh có yêu cầu từ 100dB đến 130dB. Năng lượng sóng mang trong băng tần được bức xạ đến các vùng phủ sóng trên bề mặt quả đất theo các mức EIRP tươn ứng phủ sóng. - Thay đổi tần số sóng mang (giữa thu và phát) nhằm tránh một phần công suất phát tác động trở lại phía đầu vào đầu thu. Khả năng lọc của các bộ lọc đầu vào đối với tần số sóng mang tuyến xuống, có tính đến độ tăng ích thấp của anten, cần đảm bảo sự cách biệt khoảng 150dB. Ngoài hai nhiệm vụ chủ yếu trên thông thường vệ tinh còn có một số chức năng khác, ví dụ, đối với vệ tinh có nhiều búp sóng hoặc búp sóng quét thì bộ phát đáp vệ tinh phải có khả năng tạo tuyến sóng mang đến các vùng hoặc điểm phủ sóng yêu cầu. Trường hợp đối vưới vệ tinh tái sinh thì bộ phát đáp còn có chức năng điều chế và giải điều chế. Payload của các vệ tinh viễn thông được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật sau: - Dải tần công tác. - Số lượng bộ phát đáp 4 - Độ rộng dải thông của mỗi bộ phát đáp - Phân cực sóng của tuyến lên và tuyến xuống - Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) hoặc mật độ thông lượng công suất tạo ra tại biên của vùng phủ sóng phục vụ - Mật độ thông lượng công suất bão hòa tại anten thu của vệ tinh (SPD) - Hệ số phẩm chất (G/T) của máy thu vệ tinh tại biên của vùng phủ sóng hoặc giá trị cực đại - Vùng phủ sóng yêu cầu - Công suất đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát - Cấu hình dự phòng cho máy thu và bộ khuếch đại công suất phát. Băng tần phân bổ cho bộ phát đáp vệ tinh có thể từ vài trăm MHz cho đến vài chục GHz. Băng tần này thường được chia thành các băng tần con (theo phân định của ITU). Hầu hết các bộ phát đáp thường được thiết kế với dải thông 36MHz, 54 MHz hoặc 72 MHz, trong đó dải thông 36 MHz là chuẩn được dùng phổ biến cho dịch vụ truyền hình băng C (6/4 GHz). Hiện nay một số loại bộ phát đáp có xử lý tín hiệu đã được đưa vào sử dụng và như vậy có thể cải thiện được chất lượng tín hiệu. Bảng 1. 1: Tên và phân loa ̣i sóng vô tuyế n [2] STT Dải tần số 1 3 – 30 KHz Băng tầ n (viế t Phân loa ̣i theo Ứng dụng tắ t) bước sóng Tầ n số rấ t thấ p Sóng chục - Vô tuyế n hàng hải (VLF) nghìn mét - Thông tin di đô ̣ng hàng hải - Vô tuyế n hàng hải 2 30 – 300 KHz Tầ n số thấ p (LF) Sóng kilomet - Thông tin di đô ̣ng hàng không Tầ n số trung 3 300 – 3000 KHz 4 3 – 30 MHz Tầ n số cao (HF) Sóng decamet 5 30 – 300 MHz Tầ n số rấ t cao Sóng mét bình (MF) Sóng hectomet 5 - Thông tin hàng hải - Phát thanh vô tuyến - Phát thanh sóng ngắn - Các loại thông tin di động - Phát thanh FM và truyền (VHF) hình - Thông tin di đô ̣ng 6 7 300 – 3000 Tầ n số cực cao MHz 3 – 30 GHz 8 30 – 300 GHz 9 300 - 3000 GHz (UHF) Tầ n số siêu cao (SHF) Tầ n số cực siêu cao (EHF) - Phát thanh truyền hình Sóng decimet - Thông tin di đô ̣ng và cố đinh ̣ - Thông tin vê ̣ tinh và Radar Sóng centimet - Viễn thông công cô ̣ng -Vô tuyế n thiên văn Sóng minimet - Vô tuyế n thiên văn - Nghiên cứu khoa ho ̣c 1.1.2. Phần mặt đất Bao gồm tất cả các trạm mặt đất, gồm anten thu phát và các thiết bị điều khiển, bám vệ tinh; ống dẫn sóng, các bộ chia và ghép tín hiệu, công suất; máy thu, phát tín hiệu siêu cao tần và các bộ điều chế, giải điều chế; các bộ đổi tần, các bộ xử lý tín hiệu (giải nén, mã hoá, tập hợp số, lấy mẫu, khoá mã,…) và các bộ khuếch đại công suất. Các trạm mặt đất có qui mô và kích thước khác nhau tuỳ thuộc vào tính năng sử dụng và khối lượng thông tin truyền tải. Phần mặt đấ t thường được kết nối với các thiết bị của người sử dụng thông qua mạng mặt đất hoặc trong trường hợp sử dụng các trạm VSAT (Very Small Aperture Teminal: Thiết bị đầu cuối có khẩu độ rất nhỏ), các hệ thống thông tin di động vệ tinh S-PCN (Satellite – Personal Communication Network) thì vệ tinh có thể liên lạc trực tiếp vưới thiết bị đầu cuối của người sử dụng. Các trạm mặt đất được phân loại tùy thuộc vào kích cỡ trạm mặt đất và loại hình dịch vụ. Có thể có các trạm mặt đất vừa thu vừa phát sóng nhưng cũng có loại trạm mặt đất chỉ làm nhiệm vụ thu sóng, ví dụ trạm TVRO (television reciver only). Các trạm mặt đất lớn được trang bị anten có đường kính 30 – 40m, trong khi đó các trạm mặt đất loại nhỏ chỉ dùng anten đường kính 60 cm hoặc thậm chí nhỏ hơn (các trạm di động cầm tay). 6 1.2 Cấu trúc đặc trƣng của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát trái đất Theo tiêu chí về tro ̣ng lươ ̣ng , vê ̣ tinh đươ ̣c chia thành : vê ̣ tinh lớn (trọng lươ ̣ng > 1000 kg), vê ̣ tinh trung bin ̀ h (500 kg – 1000 kg), và vệ tinh nhỏ (trọng lươ ̣ng < 500 kg). Tùy theo trọng lượng , trong phân loa ̣i vê ̣ tinh nhỏ còn có vê ̣ tinh mini (100 – 500 kg), vê ̣ tinh micro (10 – 100kg), vê ̣ tinh nano (1-10kg), vê ̣ tinh pico (<1kg) và vệ tinh femto (<100g). Hầ u hế t các vê ̣ tinh nhỏ đề u hoa ̣t đô ̣ng trên quỹ đa ̣o thấ p. Quỹ đạo thấp (LEO - Low Earth Orbit) là quỹ đạo nằm trong lớp trên của khí quyển Trái đất có độ cao so với bề mặt Trái đất từ 200 km đến 2000 km. Ở độ cao này, vệ tinh phải bay nhanh để thắng được lực hút của Trái đất. Vệ tinh bay ở quỹ đạo thấp gọi tắt là vệ tinh LEO có tốc độ 17.000 dặm/h, mất 90 phút để bay một vòng quanh Trái đất. Phần lớn vệ tinh quan sát Trái đất, tàu vũ trụ có người lái và trạm vũ trụ quốc tế ISS đều hoạt động ở quỹ đạo thấp. Vệ tinh LEO rất thích hợp khi người ta muốn thời gian khứ hồi (RTT- Round Trip Time) ngắn tức là thời gian để một tín hiệu từ trạm mặt đất lên vệ tinh và quay về hay thời gian để một tín hiệu từ vệ tinh xuống trạm mặt đất và trở lại vệ tinh là ngắn. Điều này đặc biệt quan trọng trong dịch vụ thông tin di động. Vệ tinh ở quỹ đạo thấp có thời gian sống từ 5 đến 7 năm [1]. Dưới đây là mô tả cấu trúc thu phát của hệ thống vệ tinh nhỏ Vnredsat-1 của Việt nam 1.2.1. Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ Hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ thường là phân hệ băng S, bao gồm 2 anten phát, 2 bộ thu/phát để đảm bảo khả năng dự phòng và 1 bộ ghép 3dB. Anten sử dụng trên vệ tinh nhỏ có một số loại như sau: Bảng 1. 2: Các loại anten sử dụng cho vệ tinh nhỏ [6] 7 Kích thước rất nhỏ, dày khoảng 1/8 inch Độ lợi 6 dBi ( tuyến tính hoặc tròn) Kích thước: dày khoảng 1/8 inch và khoảng ½ bước sóng ở một bên. Thường được gắn cố định lên vệ tinh Microtrip Anten Độ tăng ích anten - khoảng 6 dBi (tuyến tính hoặc tròn) Băng thông - một vài phần trăm của tần số trung tâm Phân cực - tròn hoặc tuyến tính Công suất lên đến 10 W Anten có dạng một dây dây xoắn có chu vi khoảng 1 + 1/4 bước sóng đặt trên mặt phẳng có đường kính tối thiểu 1 bước sóng. Kích thước - khoảng 2 bước sóng dài và bằng 1/3 bước sóng theo đường kính, Độ tăng ích Anten xoắn ốc cao hơn thì kích thước ăng-ten phải dài hơn. Thường gắn cố định Độ tăng ích - từ khoảng 6 dB - 15 dB Băng thông : 20% tần số trung tâm Phân cực : tròn hoặc tuyến tính Công suất lên đến 10 W Bộ phát xạ trung tâm mỗi hướng có độ dài 1/2 bước sóng. Các thanh đặt song song với mặt đế Anten đơn hoặc có kích thước tối thiểu là 1/4 bước sóng. lưỡng cực Kích thước – khoảng 1/2 bước sóng theo mỗi chiều, mỗi thanh độ dài bằng 1/4 bước sóng. Độ tăng ích - khoảng 2dB Băng thông – 5% tần số trung tâm 8 Phân cực - tuyến tính hoặc tròn Công suất lên đến 10 W Ăng-ten thường là thanh một thanh đơn đặt vuông góc với mặt đế. Nếu ăng ten cộng hưởng bước sóng chính thì khoảng kích thước khoảng 1/4 bước sóng, nếu cộng hưởng phụ thì nó có thể ngắn hơn nhiều so với bước sóng. Kích thước: cộng hưởng - 1/4 bước sóng dài Anten Monopole đặt vuông góc với mặt đế với đường kính tối thiểu khoảng 1/2 bước sóng cộng hưởng phụ - có thể rất ngắn đặt vuông góc trên mặt đế nhỏ Độ tăng ích - khoảng 2 dB Băng thông - khoảng 5% tần số trung tâm Phân cực - tuyến tính Công suất - 10 Watts hoặc cao hơn nếu cộng hưởng hoặc kết hợp Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu tín hiệu trên vệ tinh: Tín hiệu truyền lên vệ tinh gọi là Telecommand (TC) Tín hiệu truyền xuống từ vệ tinh: Telemetry (TM) Cấu trúc các chức năng của hệ thống thu phát tín hiệu TM/TC băng S trên vệ tinh được miêu tả trong hình dưới đây: 9 Hình 1. 2: Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ Hệ thống thu phát tín hiệu băng S bao gồm 2 anten xoắn ốc, được bố trí một ở mặt đáy và một ở đỉnh của vệ tinh, nhờ đó đảm bảo độ bao phủ toàn diện theo mọi hướng [3]. Cả hai khối chức năng TM và TC đều được lắp đặt cùng với 1 bộ song công, trong cùng 1 khối thiết bị thu/phát tín hiệu (RXTX). Vệ tinh sử dụng 2 khối RXTX để đảm bảo có thiết bị dự phòng trong trường hợp 1 khối xảy ra sự cố. 2 khối thiết bị này giao tiếp với hệ thống máy tính trên vệ tinh (OBC – On Board Computer) và được kết nối với anten qua 1 bộ ghép 3db. Khối thiết bị thu hoạt động theo cơ chế dự phòng nóng để đảm bảo rằng liên kết TC vẫn có thể hoạt động được trong trường hợp 1 khối thiết bị thu xảy ra sự cố. Khối thiết bị phát hoạt động theo cơ chế dự phòng lạnh: 2 khối thiết bị phát được luân phiên sử dụng mỗi lần vệ tinh bay qua vùng thu của trạm mặt đất. Đặc tính của các khối chức năng này cho phép thiết lập kênh giao tiếp TM/TC giữa vệ tinh và trạm mặt đất khi vệ tinh có góc ngẩng > 10o khi được nhìn từ trạm mặt đất. Tần số sóng mang tải lên là 2048.1 MHz Tần số sóng mang tải xuống là 2240 MHz 1.2.2. Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu của trạm mặt đất băng S Trạm mặt đất băng S được thiết kế để có thể thu được tín hiệu truyền xuống từ các vệ tinh nhỏ và truyền tín hiệu lệnh telecommand lên các vệ tinh đó. Đối với 10 hệ thống VNREDSat-1, trạm băng S đặt tại Khu công nghệ cao Hòa Lạc chịu trách nhiệm trong việc thông tin liên lạc với vệ tinh [3]. Đặc điểm trạm mặt đất băng S: Hình 1. 3: Trạm mặt đất băng S của hệ thống vệ tinh nhỏ Vnredsat-1 Trạm mặt đất băng S thực hiện việc theo dấu vệ tinh, nhận TM và phát TC một cách tự động, dưới sự điều khiển của hệ thống giám sát và điều khiển ( Monitoring and Control System – MCS). Trước mỗi phiên vệ tinh bay qua, trạm thu được cấu hình để có thể theo dấu vệ tinh dựa vào dữ liệu trong các file chứa dữ liệu quỹ đạo được gửi đến từ bộ phận điều khiển. Trong phiên vệ tinh bay qua, trạm thu sẽ theo dấu vệ tinh dựa vào chương trình được thiết lập trước đó, nhờ đó thu được tín hiệu mà vệ tinh gửi về. Tín hiệu nhận được sẽ được đổi tần xuống từ tín hiệu băng S chuyển về tín hiệu trung tần 70 MHz và sau đó được truyền đến bộ giải điều chế. Các dữ liệu được giải mã, sau đó có thể lưu trữ hoặc gửi trực tiếp đến từ bộ phận điều khiển để phân tích. Cũng trong phiên vệ tinh bay qua, trong khi thu tín hiệu TM, trạm đồng thời có thể gửi tín hiệu điều khiển nhận được từ bộ phận điều khiển lên vệ tinh. 11 Chƣơng 2 - TÍN HIỆU VÀ CÁC ĐẶC TRƢNG TÍN HIỆU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 2.1 Đặc điểm của tín hiệu trong thông tin vệ tinh Trong các hê ̣ thố ng thông tin vê ̣ tinh, thông tin đươ ̣c trao đổ i đươ ̣c go ̣i là tín hiê ̣u. Thuâ ̣t ngữ tiń hiê ̣u ở đây có liên quan đế n mức và da ̣ng điê ̣n áp tiêu biể u cho thông tin đươ ̣c truyề n từ đầ u này đế n đầ u kia . Các dạng tín hiệu đó được gọi là tín hiê ̣u băng cơ sở hoă ̣c tiń hiê ̣u băng gố c . Nế u tin ́ hiê ̣u băng gố c là tương tự thì điê ̣n áp biểu thị nó là liên tục theo thời gian . Nế u tin ́ hiê ̣u băng gố c là tin ́ hiê ̣u số thì điê ̣n áp biểu thị nó là rời rạc. Trong hê ̣ thố ng th ông tin vê ̣ tinh các tin ́ hiê ̣u băng gố c đươ ̣c điề u chế với sóng mang để truy nhập vào kênh tần số vô tuyến và truyền qua các kênh thông tin vê ̣ tinh. Tấ t nhiên trước khi điề u chế với sóng mang , tín hiệu phải qua một số khâu xử lý tuỳ thuộc vào yêu cầu, tính chất dịch vụ và truyền dẫn. Hê ̣ thố ng truyề n tin truyề n các tín hiê ̣u tương tự đươ ̣c go ̣i là truyề n tin tương tự. Hê ̣ thố ng truyề n tin truyề n các tin ́ hiê ̣u số hoá đươ ̣c go ̣i là hê ̣ thố ng truyề n tin số . Hê ̣ thố ng truyề n tin số đươ ̣c ưa chuô ̣ng và sử du ̣ng rô ̣ng raĩ bởi vì nó có những ưu thế sau: - Truyề n tin số có khả năng kháng nhiễu tố t hơn nhiề u so với truyề n tin tương tự. Các xung số rất ít bị tác động của nhiễu làm thay đổi hoặc biến dạng so với tiń hiê ̣u tương tự .Ở kênh truyền tin số thì các đặc tính về biên độ , tầ n số và góc pha không cần phải định giá một cách chính xác như ở kênh truyền tương tự. Các xung ở truyền tin số sẽ đươ ̣c đinh ̣ giá theo khoảng thời gian mẫu hoă ̣c mức trên , mức dưới của xung theo mô ̣t mức ngưỡng nào đó . Độ chính xác về biên độ , tầ n số và góc pha ở truyề n tin số trong nhiề u trường hơ ̣p không quan tro ̣ng lắ m . - Tín hiệu số t huâ ̣n lơ ̣i và dễ dàng hơn nhiề u trng các quá trình xử lý và ghép kênh so với tín hiê ̣u tương tự . Viê ̣c xử lý tín hiê ̣u số ở đây đươ ̣c hiể u là xử lý các tín hiệu tương tự theo các phương pháp số . Xử lý tin ́ hiê ̣u bao gồ m lo ̣ c, 12 cân bằ ng và dich ̣ chuyể n pha . Các xung số có thể được nhớ dễ dàng hơn tín hiê ̣u tương tự. Tố c đô ̣ truyề n của các hê ̣ thố ng số có thể thay đổ i mô ̣t cách dễ dàng để thích ứng với các môi trường khác nhau và thích nghi vớ i các da ̣ng thiế t bi ̣khác nhau. - Ở các hệ thống truyền tin số dùng các bộ tái tạo tín hiệu trong lúc truyền tin tương tự du ̣ng các bô ̣ khuế ch đa ̣i tín hiê ̣u . Tạp âm trong các mạch khuếch đại là tạp âm cộng , do đó tỉ số tin ́ hiê ̣u trên ta ̣p ở đầ u ra bô ̣ khuế ch đa ̣i sẽ bi ̣xấ u hơn và nế u đường truyề n tin tương tự dùng nhiề u bô ̣ khuế ch đa ̣i thì tỉ số S /N sẽ càng xấu . Trong khi đó , truyề n tin số sử du ̣ng các bô ̣ tái ta ̣o tín hiê ̣u có tỉ số tiń hiê ̣u trên ta ̣p ở đẩ u ra bằ ng tỉ số đó ở đầ u vào bô ̣ tái ta ̣o . Cũng vì lí do đó mà khoảng cách truyề n tin số có thể lớn hơn rấ t nhiề u so với truyề n dẫn tương tự. - Viê ̣c đo lường và lươ ̣ng giá các tin ́ hiê ̣u số đơn giản hơn nhiề u so với tiń hiê ̣u tương tự đă ̣c biê ̣t là khi cầ n so sánh hiê ̣u năng hê ̣ thố ng. - Các hệ thống số thích hợp hơn nhiều trong việc đánh giá hiệu năng lỗi truyề n trong các tín hiê ̣u số có thể đươ ̣c phát hiê ̣n và sửa lỗi mô ̣t c . Lỗi ách dễ dàng. Có khả năng chính xác hơn nhiều so với hệ thống tương tự. Tuy vâ ̣y truyề n tin số cũng có những nhươ ̣c điể m : - Viê ̣c truyề n các tín hiê ̣u tương tự đươ ̣c số hoá phải có đô ̣ rô ̣ng dải tầ n khá lớn hơn nhiề u so với viê ̣c truyề n tin ́ hiê ̣u tương tự đó không số hoá . - Các tín hiệu tương tự muốn truyền dẫn số thì trước khi truyền phải được chuyể n đổ i thành tiń hiê ̣u số và ta ̣i phiá thu phải chuyể n đổ i ngươ ̣c la ̣i , có nghĩa là tốn thêm mạch mã hoá và giải mã. - Truyề n tin số yêu cầ u phải có sựu đồ ng bô ̣ thời gian chính xác giữa đồ ng hồ phát và thu. Như vâ ̣y các hê ̣ thố ng số cầ n phải có các ma ̣ch hồ i phu ̣c đồ ng hồ trong tấ t cả các máy thu, gây thêm tố n kém . - Các hê ̣ thố ng truyề n tin số là không tương thić h với các phương tiê ̣n truyề n dẫn tương tự cổ điể n. 13 2.2 Đặc điểm Kênh truyề n và phân tích tuyế n Trạm mặt đất - vê ̣ tinh 2.2.1. Các ảnh hƣởng của tầng khí quyển đến kênh truyền Tầ ng khí quyể n là môi trường truyền sóng có ảnh hưởng trực tiếp đến sóng truyề n trong hê ̣ thố ng thông tin vê ̣ tinh . Trong tầ ng khí quyể n thì các tác đô ̣ng rõ nét nhấ t đế n kênh truyề n là các ảnh hưởng của tầ ng đố i lưu và tầ ng điê ̣n li . Ảnh hưởng của tầ ng đố i lưu Lớp không khí trên mă ̣t đấ t ở dưới cùng của tầ ng khí quyể n đươ ̣c go ̣i là tầ ng đố i lưu. Tính từ mặt đất lên. Tầ ng đố i lưu có đô ̣ cao 8 đến 10 km ở các vi ̃ tuyế n gầ n Bắ c và Nam cực : 10 – 12 km ở các vĩ tuyến trung bình và 16 – 18 km ở các vi ̃ tuyế n gầ n xích đa ̣o. Các thành phần khí trong tầng đối lưu khong biến đổi nhiều theo chiều cao , nó cũng giông như trên mặt đất ngoại trừ chỉ có hơi nước là phụ thuộc nhiều vào các điề u kiê ̣n khí tươ ̣ng thuỷ văn và giảm ma ̣nh theo chiề u cao . Tính chất quan trọng của tầng đối lưu là sự giảm nhiệt độ theo chiều cao . Gradient trung bình của nhiê ̣t đô ̣ theo chiề u cao tầ ng đố i lưu là 60/km. Giới ha ̣n trên của tầ ng đố i lưu đươ ̣c xác đinh ̣ khi không còn sự giảm nhiê ̣t đô ̣ theo chiề u cao . Các thông số cơ bản đặc trưng cho các tính chất của tầng đối lưu là : áp suất, nhiê ̣t đô ̣, và độ ẩm tuyệt đối . Năm 1925, hiê ̣p hô ̣i Hàng không quố c tế đã thố ng nhấ t khái niệm “tầng khí quyển chuẩn quốc tế” hoặc còn gọi là “tầng đối lưu chuẩn” , với các số liệu mà đến nay vẫn còn giá trị . Các số liệu chuẩn về tầng đối lưu , đó là ta ̣i bề mă ̣t Trái đấ t có áp suấ t p = 1013 mBa; nhiê ̣t đô ̣ t = 150C; đô ̣ ẩ m tương đố i S = 75% (mâ ̣t đô ̣ hơi nước ~ 7.5 g/m3 ). Với đô ̣ cao tăng 100m thì áp suấ t giảm 12mBa, nhiê ̣t đô ̣ giảm 0.550C; còn độ ẩm tương đối giữ nguyên giá trị suốt chiều cao . Độ cao chuẩ n của tầ ng đố i lưu 11 km tin ́ h từ mă ̣t đấ t [1]. Tầ ng đố i lưu , đứng về g óc độ xem xét truyền sóng thì có thể xem như một hỗn hơ ̣p gồ m hai chấ t khí : Không khí khô và hơi nước . Sóng vô tuyến truyền trong đó bi ̣tổ n hao và hấ p thu ̣ . Có thể có nhiề u nguyên nhân dẫn đế n hấ p thu ̣ đố i với các dải tần khác nhau của sóng . Căn cứ và các nguyên nhân gây hấ p thu ̣ , có hai dạng hấ p thu ̣: đó là hấ p thu ̣ do các ha ̣t nước và hấ p thu ̣ phân tử . 14 Hấ p thụ do các hạt nước Dưới góc độ vật lý có thể lý giải sự hấp thụ sóng trong các hạt nước nhỏ đó như sau: - Do tác đô ̣ng trường của sóng truyề n lan , trong các ha ̣t nước có tính bán dẫn điê ̣n sẽ có dòng điê ̣n dich ̣ . Mâ ̣t đô ̣ các dòng điê ̣n dich ̣ đó có mô ̣t giá tri ̣tương đố i nào đó , bởi vì biế t rằ ng hê ̣ số điê ̣n môi của nước có giá tri ̣lơn hơn khoảng 80 lầ n hê ̣ số điê ̣n môi của không khí xung quanh . Mâ ̣t đô ̣ dòng điê ̣n dịch cũng tỉ lệ với tần số, do đó nó chỉ có giá trị đáng xem xét ở dài sóng siêu cao tầ n . Chính sự tổn hao năng lượng trong các hạt nước đó gây nên sự hấp thụ năng lượng sóng truyền lan. - Sự xuấ t hiê ̣n của các ha ̣t nước hoă ̣c mây mù chính là nguyên nhân gây nên các nguồn bức xa ̣ khuế ch đa ̣i hoă ̣c bức xa ̣ thứ cấ p . Trong thực tế sự khuế ch tán như vậy tạo nên hiệu ứng hấp thụ theo phương truyền lan của sóng nhưng cũng chính sự khuếch tán đó lại là bức xạ thứ cấp theo phương truyền lan cần thiết. Kích thước các hạt nước trong mây mù có bán kính từ 2 – 60 micron. Các hạt có kích thước ngưng tụ lớn hơn chuyển động rơi xuống mặt đất dưới dạng mưa Mô ̣t đă ̣c tiń h quan tro ̣ng cầ n đươ ̣c xem xét ở đây đố i với các da ̣ng . mây mù nói chung là số lươ ̣ng nước ngưng tu ̣ , tính theo đơn vị g /m3. Với mây mù yế u tầ m nhìn khoảng 1 km và đố i với mây mù đă ̣c tầ m nhin ̀ chỉ có thể và i mét [1]. Các hạt nước trong mây mù tạo thành mưa có đường kính lớn hơn 60 micron và giới hạn trên của chúng có thể đến 7 mm. phầ n lớn, trong thực tế thường gă ̣p các hạt mưa có kích thước từ 0.25 – 2 mm. Lươ ̣ng nước trong khí quyể n khi trời mưa nói chung lớn hơn nhiề u so với trường hơ ̣p mây mù . Lươ ̣ng nước trong không khí ẩ m càng lớn hơn, ở nhiệt độ 250C lươ ̣ng nước trong các tầ ng khí quyển ẩm bão hoà là 23 g/m3, lớn gấ p 5 lầ n lươ ̣ng nước khi mưa rào. Trong dải siêu cao tầ n thì sự hấ p thu ̣ năng lươ ̣ng sóng trong các ha ̣t do tổ n hao nhiê ̣t và quá trình khuế ch tán nước là . Các tổn hao khác như phản xạ sóng 15