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
1
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
UHF
L
0,3-1,0
1,0-2,0
2,0-4,0
S
4,0-8,0
C
8,0-12,0
12,0-18,0
18,0-27,0
27,0-40,0
40,0-75
75-110
X
Ku
K
Ka
V
W
110-300
300-3000
mm
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
(GHz)
11,7-12,2
3,7-4,2
Tần số đường lên (GHz) 17,3-17,8
14-14,5
5,925-6,425
FSS
Dịch vụ vệ tinh
BSS
DBS
FSS
Mục đích ban đầu
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
lÜnh vùc sö dông xa, tæ ong vïng
xa, l÷ hµnh quèc
§iÖn tho¹i vïng §iÖn tho¹i vïng Tæ ong vïng xa,
xa, tæ ong vïng xa, tæ ong vïng l÷ hµnh quèc tÕ.
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
tin
fax, RDSS
Vïng phñ
Toµn cÇu
Toµn cÇu
LEO
Toµn cÇu
LEO
Toµn cÇu
LEO
KiÓu quü ®¹o
§é cao/chu kú
MEO
10.354 km/<6giê
1414km/114 phót 785 km/100 phót 1018
phót
km/105
Sè vÖ tinh
(dù tr÷)
12(2 dù tr÷)
48(8 dù tr÷)
66(6 dù tr÷)
48
Sè mÆt/nghiªng
3/520
8/520
6/86,40
700 kg
4/900
Träng l−îng vÖ
tinh
1917 kg
426 kg
<500 kg
Thêi gian ho¹t
®éng
15 n¨m
15 n¨m
15 n¨m
TÇn sè: tr¹m
cæng
Lªn/xuèng, GHz 1,610-1,62135/
19,4-19,6/
29,1-25,25
5,091-5,250/
6,875-7,055
1,610-1,62135/
2,4835-2500
19,3-19,6/29,1-
29,4
1,62135-1,6265
B¨ng C
1,610-1,62135/
2,4835-2500
Ng−êi sö dung
Lªn/xuèng, GHz
2,4835-2500
KiÓu ph¸t ®¸p
èng cong
61
èng cong
16
cã xö lý
48
Sè bóp hÑp trªn
vÖ tinh
32
Sè kªnh trªn vÖ
tinh
S« ®−êng nèi
chÐo vÖ tinh,
GHz
>3000
kh«ng
2800
2300
kh«ng
4/vÖ tinh
25 Mbit/s
23,18-23,38
kh«ng
CDMA
§iÒu chÕ
§a th©m nhËp
Tr¶i phæ QPSK
CDMA
Tr¶i phæ QPSK
CDMA
QPSK
TDMA
Thêi gian kÕt nèi 1-2 giê
vÖ tinh
10-12 phót
100-200
9 phót
820
Gãc ngÈng cùc
tiÓu
220
Tèc ®é sè liÖu
(m¸y cÇm tay)
Kbps
4,2 (tiÕng)
1,2-9,6 (sè liÖu)
1,2-9,6 (tiÕng)
2,4-9,6 (sè liÖu)
4,8 (tiÕng
2,4 (sè liÖu)
10
Chương 1. Tổng quan các hệ thống thông tin vệ tinh
CÊp phÐp FCC
1/95
1/95
1/95
kh«ng
1997
Ngµy phãng ®Çu 1998
tiªn
1997
1997
Khai th¸c hoµn
toµn
1999
dµn
1998 (4)
dµn
1998 (4)
dµn
Anten vÖ tinh
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
F2
F1
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:
a2 − b2
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).
A2
Qu¶ ®Êt
2
S
A1
1
S
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
n2
a3 =
(2.2)
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:
μ = 3,986005.1014 m3.sec-2
Theo định luật Kepler thứ ba ta được:
1
μ
2
a =
= 42241. km
(n2
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
ha
Lat. iN
La
hp
i
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
0
Orbit). Góc nghiêng của quỹ đạo đồng hướng nằm trong dải từ 00 đến 90 . 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
®iÓm
§−êng
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
Tải về để xem bản đầy đủ
131 trang
12/01/2024
21140
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thông tin vệ tinh", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_thong_tin_ve_tinh.pdf
