Quá trình truyền sóng trong thông tin vệ tinh

 §å ¸n tèt nghiÖp C«ng NghÖ Th«ng Tin VÖ Tinh

Lêi nãi ®Çu

HiÖn nay chóng ta ®ang sèng trong mét thÕ giíi th«ng tin, nh÷ng

c«ng nghÖ th«ng tin tiªn tiÕn ph¸t triÓn liªn tôc kh«ng ngõng. Nã ®ang

x©m nhËp vµo mäi lÜnh vùc, mäi ngµnh vµ mang l¹i nh÷ng lîi Ých to lín

nh»m phôc vô cho con ngêi. C«ng nghÖ th«ng tin vÖ tinh tuy míi ra ®êi

c¸ch ®©y kho¶ng 30 n¨m nhng nã nhanh chãng ph¸t triÓn do cã nh÷ng u

®iÓm ®Æc biÖt vµ trë thµnh mét ngµnh th«ng tin, quan träng cho c«ng t¸c

nghiªn cøu khoa häc vµ trùc tiÕp phôc vô cho ®êi sèng con ngêi.

Níc ta ®· cã nhiÒu tr¹m vÖ tinh mÆt ®Êt tiªu chuÈn A, B vµ sÏ tiÕp tôc

x©y dùng thªm nhiÒu tr¹m míi r¶i kh¾p ®Êt níc ®Ó ®¸p øng c¸c yªu cÇu

dÞch vô viÔn th«ng quèc tÕ. Trong t¬ng lai kh«ng xa chóng ta sÏ cã vÖ tinh

néi ®Þa riªng cña m×nh ®Ó phôc vô cho c¸c dÞch vô viÔn th«ng trong níc vµ

khu vùc.

TËp tµi liÖu nµy ®Ò cËp ®Õn nh÷ng lý thuyÕt tæng quan vÒ c«ng nghÖ

th«ng tin vÖ tinh. Lµ mét tµi liÖu c¬ b¶n tuy kh«ng ®i s©u vµo c¸c chi tiÕt kü

thuËt cña tõng thiÕt bÞ th«ng tin nhng cung cÊp nhiÒu kiÕn thøc tæng qu¸t vÒ

th«ng tin vÖ tinh cã thÓ trî gióp tèt cho viÖc tham kh¶o vµ t×m hiÓu.

§îc so¹n trong thêi gian ng¾n vµ Ýt cã tµi liÖu tham kh¶o nªn ch¾c

ch¾n tµi liÖu nµy kh«ng thÓ tr¸nh khái nh÷ng sai sãt. RÊt mong nhËn ®îc

c¸c ý kiÕn ®ãng gãp ®Ó cã thÓ hoµn thiÖn h¬n. Vµ tríc tiªn t«i xin ch©n

thµnh c¶m ¬n thÇy Ph¹m C«ng Hïng ®· nhiÖt t×nh gióp ®ì t«i hoµn

thµnh b¶n ®å ¸n nµy.

Hoµng Minh §øc 1

 §å ¸n tèt nghiÖp C«ng NghÖ Th«ng Tin VÖ Tinh

PhÇn I

C¬ së th«ng tin vÖ tinh

Ch¬ng I

Sãng §iÖn tõ vµ ph©n ®Þnh tÇn sè

I.1-/ TÇn sè vµ c¸c ®Æc tÝnh cña sãng v« tuyÕn ®iÖn sö dông trong

th«ng tin vÖ tinh

I.1.1-/ Sãng v« tuyÕn ®iÖn vµ tÇn sè.

Sãng v« tuyÕn ®iÖn lµ mét bé phËn cña sãng ®iÖn tõ vµ gièng nh sãng ¸nh

s¸ng, tia hång ngo¹i, tia X v.v... Sù kh¸c nhau gi÷a chóng ë tÇn sè. Theo §iÒu lÖ

v« tuyÕn ®iÖn cña ITU, sãng v« tuyÕn ®iÖn ®îc quy ®Þnh lµ nh÷ng sãng ®iÖn tõ cã

tÇn sè nhá h¬n 3.000 GHz (bíc sãng 0,1 mm). Trong kho¶ng ®ã, c¸c sãng cã tÇn

sè tõ 9 KHz (bíc sãng kho¶ng 33 Km) ®Õn 270 GHz (bíc sãng 1,1mm) ®îc ph©n

®Þnh cho nhiÒu môc ®Ých kh¸c nhau. C¸c tÇn sè sö dông cho th«ng tin vÖ tinh th￾êng lµ tõ 1 GHz (bíc sãng 30 cm) ®Õn 10 GHz (bíc sãng 3 cm). Kho¶ng tÇn sè

nµy ®îc gäi lµ "cöa sæ tÇn sè", v× ¶nh hëng do t¹p ©m nhiÖt vò trô nhá, tæn hao do

ma vµ do c¸c phÇn tö khÝ cã trong vò trô còng nhá.

I.1.2-/ Ph©n ®Þnh tÇn sè

ViÖc ph©n ®Þnh tÇn sè ®îc thùc hiÖn theo §iÒu lÖ v« tuyÕn ë mçi khu vùc cña

ITU. Cã ba khu vùc cña ITU: NhËt B¶n n»m ë khu vùc 3.

Khu vùc 1: Ch©u ¢u, Ch©u Phi, Liªn X« cò vµ c¸c níc §«ng ¢u.

Khu vùc 2: C¸c níc Nam vµ B¾c Mü.

Khu vùc 3: Ch©u ¸ vµ Ch©u §¹i D¬ng.

Tuy nhiªn do cã sù kh¸c nhau gi÷a c¸c khu vùc ®èi víi dÞch vô th«ng tin vÖ

tinh nªn viÖc ph©n ®Þnh tÇn sè cho ba khu vùc nµy thêng ®îc tiÕn hµnh víi mét vµi

ngo¹i lÖ. (Xem b¶ng I.1 trang bªn)

I.2-/ Phæ sãng ®iÖn tö

Sãng ®iÖn tõ cã tÇn sè biÕn ®æi tõ 0 ®Õn v« cïng. HiÖn giê tÇn sè cao nhÊt ®-

îc biÕt lµ c¸c tia vò trô cã tÇn sè tõ 5 x 1020 ®Õn 8 x 1021 Hz. Trong d¶i tÇn sè réng

lín nh vËy, khi c¸c tÇn sè kh¸c nhau chóng cã nh÷ng tÝnh chÊt kh¸c nhau, do ®ã

®Ó cã mét kh¸i niÖm râ rµng khi sö dông ngêi ta chia thµnh c¸c b¨ng tÇn sè thêng

lµ cã cïng tÝnh chÊt vµ cã øng dông nh nhau.

Hoµng Minh §øc 2

 §å ¸n tèt nghiÖp C«ng NghÖ Th«ng Tin VÖ Tinh

B¶ng I.1 - Tªn vµ ph©n lo¹i sãng v« tuyÕn.

TÇn sè

No.N D¶i tÇn sè Tªn b¨ng tÇn

(viÕt t¾t)

Ph©n lo¹i theo

bíc sãng Sö dông chñ yÕu trong

30 - 300 Hz TÇn sè cùc kú

thÊp (VLF)

Sö dông trong

vËt lý Cha ®îc ph©n ®Þnh

300Hz - 3KHz TÇn sè cùc thÊp

(EHF)

4 3 - 30KHz TÇn sè rÊt thÊp

(VLF)

V« tuyÕn hµng h¶i

Th«ng tin di ®éng hµng h¶i

5 300-3000KHz TÇn sè thÊp

(LF)

Sãng Mm (chôc

ngh×n mÐt)

Ph¸t thanh

Th«ng tin hµng h¶i

Th«ng tin quèc tÕ

6 3 - 30MHz TÇn sè trung

b×nh (MF) Sãng Km

Ph¸t thanh sãng ng¾n

C¸c lo¹i th«ng tin di ®éng

Th«ng tin quèc tÕ

7 30 - 300MHz TÇn sè cao

(HF)

Sãng Hectomet

(cì tr¨m mÐt)

Ph¸t thanh FM vµ truyÒn h×nh

C¸c lo¹i th«ng tin di ®éng

8 300 - 3000MHz TÇn sè rÊt cao

(VHF)

Sãng decamet

(cì chôc mÐt)

TruyÒn h×nh

C¸c lo¹i th«ng tin di ®éng

C¸c lo¹i th«ng tin cè ®Þnh

9 3 - 30 GHz TÇn sè cùc cao

(UHF) Sãng m

Th«ng tin vÖ tinh vµ rada

ViÔn th«ng c«ng céng

V« tuyÕn thiªn v¨n

10 30 - 300GHz TÇn sè siªu cao

(SHF) Sãng cm

V« tuyÕn thiªn v¨n

Rada sãng mm

Nghiªn cøu vµ thÝ nghiÖm

11 300 - 3000GHz TÇn sè v« cïng

cao (DHF) Sãng mm Cha ®îc ph©n ®Þnh

12 3000-30000GHz Sãng decilimet

Trong th«ng tin vÖ tinh, d¶i tÇn thêng ®îc sö dông lµ d¶i sãng siªu cao

(SHF).

I.3-/ Ph©n ®Þnh b¨ng tÇn sè cho vÖ tinh ®Þa tÜnh

C¸c tÇn sè lý tëng ®èi víi th«ng tin vÖ tinh ®Þa tÜnh n»m trong kho¶ng cöa sæ

tÇn sè. Nhng b¨ng tÇn sö dông cho th«ng tin vÖ tinh yªu cÇu rÊt réng kh«ng thÓ

chøa ®ñ trong kho¶ng cöa sæ tÇn sè. Do ®ã ph¶i sö dông c¸c tÇn sè míi, c¸c tÇn sè

nµy ph¶i ®îc th¨m dß cÈn thËn.

Hoµng Minh §øc 3

 §å ¸n tèt nghiÖp C«ng NghÖ Th«ng Tin VÖ Tinh

HiÖn nay b¨ng C vµ b¨ng Ku ®îc sö dông phæ biÕn nhÊt. B¨ng L ®îc sö dông

cho c¸c øng dông kh¸c.

§èi víi th«ng tin vÖ tinh quèc tÕ ®é tin cËy lµ rÊt quan träng do ®ã viÖc lùa

chän b¨ng tÇn dïng cho th«ng tin vÖ tinh quèc tÕ cÇn ph¶i ®îc thùc hiÖn kü cµng.

Ngêi ta ®· chän b¨ng C dïng cho th«ng tin vÖ tinh quèc tÕ cßn b¨ng Ku dïng cho

th«ng tin vÖ tinh néi ®Þa.

B¶ng I.2 - C¸c b¨ng tÇn sö dông cho th«ng tin vÖ tinh.

Tªn b¨ng tÇn TÇn sè GHz Bíc sãng (cm)

B¨ng L 0,390 - 1,661 76,9 - 18

B¨ng S 1,662 - 3,399 18 - 8,82

B¨ng C 3,4 - 7,075 8,82 - 4,14

B¨ng X 7,025 - 8,425 4,14 - 3,56

B¨ng Ku 10,9 - 18,1 2,75 - 1,66

B¨ng Ka 17,7 - 36,0 1,95 - 0,833

Hoµng Minh §øc 4

 §å ¸n tèt nghiÖp C«ng NghÖ Th«ng Tin VÖ Tinh

Ch¬ng II

Qu¸ tr×nh truyÒn sãng trong th«ng tin vÖ tinh

II.1-/ ¶nh hëng cña tÇng ®iÖn ly ®èi víi sãng ®iÖn tõ

Sãng ®iÖn tõ cã thÓ truyÒn lan trong kh«ng gian tù do hay trong khÝ quyÓn vµ

tÇn sè cña sãng cµng cao th× kh¶ n¨ng truyÒn lan cña nã cµng lín, víi c¸c tÇn sè

nhá h¬n 30 KHz th× nã kh«ng cã kh¶ n¨ng truyÒn lan. Trong qu¸ tr×nh truyÒn lan,

sãng ®iÖn tõ bÞ suy hao do sù hÊp thô cña khÝ quyÒn, sù suy hao nµy phô thuéc vµo

c¸c ®iÒu kiÖn khÝ tîng, ®iÒu kiÖn thêi tiÕt, vµ cêng ®é bøc x¹ cña mÆt trêi. Trong

tÇng khÝ quyÓn, do bøc x¹ cña mÆt trêi mµ khÝ quyÓn chia lµm c¸c líp:

- TÇng ®èi lu n»m tõ mÆt ®Êt ®Õn ®é cao kho¶ng 10 Km.

- TÇng b×nh lu n»m tõ kho¶ng 10 Km ®Õn ®é cao kho¶ng 35 Km.

- TÇng ®iÖn ly cao kho¶ng 400 Km

TÇng ®iÖn ly cã mËt ®é lo·ng ë phÝa trªn cßn phÝa díi cã mËt ®é dµy ®Æc h¬n,

nhng bøc x¹ cña mÆt trêi l¹i m¹nh h¬n ë phÝa trªn vµ yÕu h¬n khi xuyªn xuèng líp

díi cho mËt ®é ®iÖn tö vµ ion sÏ ®¹t cùc ®¹i ë ®é cao khi mµ mËt ®é chÊt khÝ ®ñ

lín vµ cêng ®é bøc x¹ ®ñ m¹nh.

Ban ngµy tÇng ®iÖn ly chia lµm 3 líp lµ D, E, F riªng líp F l¹i chia lµm 2 líp

lµ F1 vµ F2. T×nh tr¹ng c¸c líp nµy thay ®æi theo vÞ trÝ cña mÆt trêi, ban ngµy bøc

x¹ mÆt trêi chiÕu th¼ng vµo tÇng ®iÖn ly lµm t¨ng sè phÇn tö bÞ ion ho¸ cßn ban

®ªm bøc x¹ vµ ion gi¶m lµm líp D biÕn mÊt vµ líp F1 kÕt hîp víi F2 t¹o thµnh mét

líp F.

TÇng ®iÖn ly cã nh÷ng ¶nh hëng tíi sãng ®iÖn tõ, nã kh«ng chØ lµm suy hao

sãng mµ cßn lµm lÖch híng truyÒn sãng, ë d¶i tÇn sè thÊp sãng kh«ng thÓ ®i qua

®îc tÇng ®iÖn ly, ë b¨ng tÇn sè cao th× tÇng ®iÖn ly uèn cong quü ®¹o truyÒn sãng

tÇn sè cµng cao cµng Ýt bÞ uèn cong. Tõ d¶i tÇn sè cùc cao UHF trë lªn, sãng

kh«ng cßn bÞ ¶nh hëng bëi tÇng ®iÖn ly. Do nh÷ng ®Æc tÝnh nh vËy cña tÇng ®iÖn

ly lîi dông sù uèn cong híng truyÒn sãng (sù ph¶n x¹) ta cã thÓ thiÕt lËp ®êng

truyÒn víi cù ly kh¸ xa khi sö dông sãng HF.

II.2-/ Tiªu hao trong qu¸ tr×nh truyÒn sãng.

Hoµng Minh §øc 5

 §å ¸n tèt nghiÖp C«ng NghÖ Th«ng Tin VÖ Tinh

Trong th«ng tin, khi sãng ®i qua kho¶ng kh«ng gian vò trô, trong m«i trêng

nµy cã rÊt Ýt c¸c chÊt cã kh¶ n¨ng lµm suy hao sãng hay lµm lÖch híng truyÒn lan

cña nã. Sù suy hao nµy chØ lµ sù khuÕch t¸n tù nhiªn cña nã. M«i trêng nµy cßn

gäi lµ kh«ng gian tù do. Trong kh«ng gian tù do, tû sè c«ng suÊt ph¸t trªn c«ng

suÊt thu t¹i mét ®iÓm c¸ch n¬i ph¸t mét kho¶ng R lµ:

ϒ = (4πR/ λ)

2

λ: lµ bíc sãng cña sãng v« tuyÕn ®iÖn.

Tû sè nµy gäi lµ tiªu hao kh«ng gian tù do.

Khi sãng truyÒn trong khÝ quyÓn, sù hÊp thô cña khÝ quyÓn phô thuéc vµo tÇn

sè cña sãng. TÇn sè cµng t¨ng th× kh¶ n¨ng hÊp thô cña tÇng ®iÖn ly ®èi víi sãng

cµng gi¶m, tuy nhiªn khi tÇn sè t¨ng h¬n n÷a b¾t ®Çu tõ 4 GHz trë lªn th× sù hÊp

thô l¹i t¨ng do cã sù hÊp thô cña tÇng ®èi lu. Sù hÊp thô trong khÝ quyÓn còng phô

thuéc vµo gãc tµ. Víi gãc tµ thÊp, tÝn hiÖu cã ®êng ®i trong khÝ quyÓn lín do ®ã

hÊp thô còng t¨ng.

II.3-/ Cöa sæ v« tuyÕn.

H×nh 1.1 - Suy hao cña sãng v« tuyÕn ®iÖn trong khÝ quyÓn tr¸i ®Êt

Hoµng Minh §øc 6

 §å ¸n tèt nghiÖp C«ng NghÖ Th«ng Tin VÖ Tinh

Trong th«ng tin vÖ tinh, do ¶nh hëng cña tÇng ®iÖn ly lªn sãng cã tÇn sè cµng

cao th× cµng Ýt nªn thêng sö dông c¸c sãng cao, siªu cao tÇn. Tuy nhiªn, ¶nh hëng

cña kh«ng khÝ, h¬i níc vµ ma ®èi víi sãng ®iÖn tõ l¹i t¨ng theo tÇn sè, sù hÊp thô

nµy b¾t ®Çu t¨ng ë kho¶ng 4 GHz vµ hÊp thô lµ cùc ®¹i ë kho¶ng tÇn sè 21 GHz ÷

60 GHz. Kho¶ng tÇn sè tõ 600 MHz ÷ 4 GHz Ýt chÞu ¶nh hëng cña sù suy hao do

tÇng ®iÖn ly vµ tÇng ®èi lu nhÊt, kho¶ng tÇn sè nµy ®îc gäi lµ cöa sæ v« tuyÕn. Nã

lµ tÇn sè lý tëng nhÊt dµnh cho th«ng tin vÖ tinh.

II.4-/ T¹p ©m trong qu¸ tr×nh truyÒn sãng.

C¸c chÊt khÝ cña khÝ quyÓn vµ ma kh«ng chØ hÊp thô sãng ®iÖn tõ mµ cßn lµ

c¸c nguån bøc x¹ t¹p ©m nhiÖt. T¹p ©m do c¸c chÊt khÝ trong khÝ quyÓn ¶nh hëng

kh«ng nhiÒu ®Õn sù truyÒn lan sãng v« tuyÕn ®iÖn so víi t¹p ©m g©y ra do ma.

Ngoµi ra cßn cã t¹p ©m g©y ra bëi tr¸i ®Êt do tr¸i ®Êt bÞ mÆt trêi ®èt nãng nªn ph¸t

ra nhiÖt g©y ra t¹p ©m, tuy nhiªn nã chØ ¶nh hëng nhiÒu tíi c¸c vÖ tinh do anten

cña vÖ tinh híng vÒ tr¸i ®Êt. NhiÖt t¹p ©m cña mÆt ®Êt ®èi víi vÖ tinh kho¶ng

2500K ÷ 3000K.

Nh ta ®· biÕt, tæng t¹p ©m ®êng truyÒn bao gåm t¹p ©m ®êng lªn, t¹p ©m

xuyªn ®iÒu chÕ cña bé ph¸t ®¸p vÖ tinh, t¹p ©m ®êng xuèng vµ t¹p ©m nhiÔu trong

hÖ thèng. Tæng t¹p ©m ®êng truyÒn cã thÓ tÝnh theo biÓu thøc sau ®©y:

C«ng thøc:

(C/T)T =

Trong ®ã (C/T) ®îc biÓu diÔn ë d¹ng ®èi loga.

Hoµng Minh §øc 7

 §å ¸n tèt nghiÖp C«ng NghÖ Th«ng Tin VÖ Tinh

Ch¬ng III

Nguyªn lý th«ng tin vÖ tinh

Mét vÖ tinh sau khi ®îc phãng vµo trong vò trô cã kh¶ n¨ng thu ph¸t sãng

®iÖn tõ, khi ®ã vÖ tinh sÏ khuÕch ®¹i tÝn dông thu ®îc tõ c¸c tr¹m mÆt ®Êt vµ ph¸t

l¹i cho c¸c tr¹m mÆt ®Êt kh¸c. Lo¹i vÖ tinh nh©n t¹o nh vËy ®îc sö dông cho th«ng

tin ®îc gäi lµ vÖ tinh th«ng tin.

H×nh 3.1 - C¸c d¹ng quü ®¹o cña vÖ tinh th«ng tin.

Do vÖ tinh chuyÓn ®éng kh¸c nhau khi quan s¸t tõ mÆt ®Êt phô thuéc vµo quü

®¹o bay cña nã nªn vÖ tinh ®îc chia lµm c¸c lo¹i sau:

* Quü ®¹o cùc trßn: quü ®¹o bay cña vÖ tinh trïng víi trôc cña tr¸i ®Êt.

¦u ®iÓm lµ mäi ®iÓm trªn tr¸i ®Êt ®Òu nh×n thÊy vÖ tinh trong kho¶ng thêi

gian nhÊt ®Þnh cho nªn ®¹t ®îc viÖc phñ sãng toµn cÇu do vÖ tinh lÇn lît quÐt tÊt c¶

c¸c vÞ trÝ trªn tr¸i ®Êt. Lo¹i nµy Ýt ®îc sö dông cho th«ng tin vÖ tinh v× thêi gian

xuÊt hiÖn cña nã Ýt.

* Quü ®¹o elip nghiªng: quü ®¹o cña vÖ tinh nghiªng so trôc tr¸i ®Êt.

Lo¹i nµy cã kh¶ n¨ng bao phñ tíi c¸c vïng cùc cao mµ vÖ tinh ®Þa tÜnh kh«ng

thÓ ®¹t tíi ®îc. Nhîc ®iÓm lµ hiÖu øng Doppler lín vµ kü thuËt ®iÒu khiÓn b¸m

ph¶i ë møc cao.

Hoµng Minh §øc 8

Quü ®¹o elip nghiªng

Qu¶ ®Êt

Quü ®¹o xÝch ®¹o trßn

 §å ¸n tèt nghiÖp C«ng NghÖ Th«ng Tin VÖ Tinh

* Quü ®¹o xÝch ®¹o trßn: Quü ®¹o nµy vÖ tinh bay trùc tiÕp trªn ®êng xÝch

®¹o vµ lµ d¹ng quü ®¹o ®îc dïng cho vÖ tinh ®i¹ tÜnh. NÕu bay ë ®é cao ®óng d¹ng

quü ®¹o nµy sÏ lµ lý tëng ®èi víi c¸c vÖ tinh th«ng tin.

D¹ng quü ®¹o xÝch ®¹o ®îc ph©n ra ba d¹ng:

+ Quü ®¹o thÊp: D¹ng quü ®¹o cã ®é cao ®iÓn h×nh lµ tõ 160Km ÷ 480Km,

nã cã chu kú quay kho¶ng 90 phót. Thêi gian quan s¸t thÊy vÖ tinh kho¶ng 30

phót hoÆc Ýt h¬n. D¹ng quü ®¹o nµy kh«ng thÝch hîp cho th«ng tin vÖ tinh.

+ Quü ®¹o trung b×nh: §é cao ®iÓn h×nh cña d¹ng nµy kho¶ng 10000 -

20000Km. Chu kú bay cña quü ®¹o lµ 5 - 12 giê, thêi gian quan s¸t thÊy vÖ tinh tõ

2 ÷4 giê. Lo¹i nµy còng kh«ng thÝch hîp cho vÖ tinh th«ng tin.

+ Quü ®¹o ®Þa tÜnh: §é cao 36000Km vµ vÖ tinh coi nh ®øng yªn trªn mÆt

ph¼ng xÝch ®¹o khi quan s¸t tõ mét vÞ trÝ cè ®Þnh trªn mÆt ®Êt, ë ®é cao nµy vÖ tinh

cã thÓ ®îc quan s¸t thÊy 24 giê trong ngµy. Quü ®¹o nµy lµ lý tëng cho vÖ tinh

th«ng tin.

H×nh 3.2 - Phñ sãng toµn cÇu víi ba vÖ tinh ®Þa tÜnh.

§Ó tËn dông h¬n n÷a c¸c tiÒm n¨ng khi sö dông t©n sè cña vÖ tinh, ngêi ta bè

trÝ anten trªn vÖ tinh ®Ó cã ®îc d¹ng phñ sãng kh¸c nhau trªn mÆt ®Êt. Sù phñ sãng

cña vÖ tinh lªn mÆt ®Êt ®îc gäi lµ "VÕt in".

Trong th«ng tin vÖ tinh cã 4 lo¹i vÕt in ®îc sö dông lµ:

Hoµng Minh §øc 9

Qu¶ ®Êt