Giáo trình Thông tin vi ba vệ tinh - Chương 6: Tính toán tuyến thông tin vệ tinh

86

CHƯƠNG 6

TÍNH TOÁN TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH

6.1 Các tham số cơ bản

Các tham số cơ bản sử dụng trong tính toán thiết kế có thể được tóm tắt như

sau:

A. Trạm mặt đất

+ Vị trí địa lý của trạm (vĩ độ và kinh độ).

+ Loại anten (đường kính, hiệu suất, hệ số phẩm chất, nhiệt độ tạp âm).

+ Công suất máy phát.

B. Vệ tinh

+ Vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo.

+ Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP_scủa vệ tinh.

+ Hệ số phẩm chất của vệ tinh (G/T)_S

+ Hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh

+ Băng thông máy phát đáp, dạng phân cực, dải tần làm việc.

6.2 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng và góc phương vị của anten trạm

mặt đất

6.2.1 Cự ly thông tin

β

Trong đó : là góc ở tâm (độ).

0

d là khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh (km).

R_elà bán kính Trái đất, R_e= 6378 km.

r là bán kính quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh:

r = 35.768km +6.378km= 42.146km

Trạm mặt đất

d

E

^Reβ ₀

r

Tâm trái đất

Vệ tinh

Hình 6.1 Các tham số của đường truyền trạm mặt đất - vệ tinh.

β

Góc ở tâm

cos cos

Với là vĩ độ của trạm mặt đất (độ).

được tính theo công thức:

0

β

=

φ cos∆ L_e

0

φ

∆

L

∆ L_e= L_S− L_e

_elà hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất,

Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh tính theo công thức:

(r²R_e²

2rR_ecos

d

=

+

−

β )

(km)

0

(6.1)

87

6.2.2 Tính toán góc ngẩng và góc phương vị

6.2.2.1Góc ngẩng

Để tính góc ngẩng anten trạm mặt đất, ta có thể dựa vào hình vẽ 6.2

r

S •

θ _e

β

⁰R_e^{• O}

θ _e

• A

• M

Trong hình 6.2, O là tâm trái đất, A là vị trí của trạm mặt đất, S là vị trí của

Hình 6.2 Tính toán góc ngẩng

là góc ngẩng của trạm mặt đất.

β

θ

vệ tinh,

là góc ở tâm,

0

e

MA

tg

θ

=

e

Ta có

SM

OS.cos

MA

SM

=

OM

−

OA

=

β

−

OA

=

r cos

R_e

β

− R_e

0

Trong đó,

0

=

OS.sin

β

r sin

β

0

cos

β

−

0

r cos

β

−

R_e

0

r

Từ đó suy ra:

tgθ

=

e

r sin

β

sin β

0

6.2.2.2 Góc phương vị

Cực Bắc

Góc phương vị của vệ tinh 1

Góc phương vị của vệ tinh 2

30⁰E

45⁰W

Vệ tinh 2 (45^oW)

Vệ tinh1(30⁰E)

Hình 6.3 Góc phương vị của vệ tinh

Góc phương vị là góc dẫn đường cho anten quay tìm vệ tinh trên quỹ đạo địa

tĩnh theo hướng từ Đông sang Tây.

88

Góc phương vị được xác định bởi đường thẳng hướng về phương Bắc đi qua

trạm mặt đất với đường nối đến vệ tinh. Góc được xác định theo chiều kim đồng hồ

như hình 6.3.Góc phương vị được tính theo biểu thức:

ϕ_a=180⁰+ kinh độ tây hoặc

ϕ_a=180⁰- kinh độ đông

ϕ_aphụ thuộc vào kinh độ, vừa kinh độ tại điểm thu và kinh độ vệ tinh. Góc phương

vị của 2 vệ tinh được tính theo công thức:

Vệ tinh 1: ϕ_a1=180⁰- kinh độ đông = 180^o-30^o=150^o

Vệ tinh 2: ϕ_a2=180⁰+ kinh độ tây = 180^o+ 45^o=225^o

Góc phương vị ϕ_ađược tính theo công thức:

tg

sin

Với là vĩ độ của trạm mặt đất (độ).

∆ L_e

tgϕ

=

a

(6.2)

(

−

φ

)

φ

∆

L

∆ L

_elà hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất, _e= L_s- L_e.

6.3 Tính toán kết nối đường lên (UPLINK)

6.3.1 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất

EIRP

_e(e -

để phân biệt của trạm mặt đất "earth station", s - là của vệ tinh "satellite")

Công suất bức xạ hiệu dụng EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) còn

gọi là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương, nó biểu thị công suất của chùm

sóng chính phát từ trạm mặt đất đến vệ tinh. Được tính bằng tích của công suất máy

phát đưa tới anten trạm mặt đất P_Tevới hệ số tăng ích của anten phát G_Te

EIRP

=

P G_Te

(W) hoặc đổi ra đơn vị dB:

10lg(P ) G_Te

e

Te

EIRP

=

+

[dB]

(6.3)

e

Te

EIRP_ethông thường của trạm mặt đất có giá trị từ 0dBW đến 90dBW, còn

của vệ tinh từ 20dBW đến 60dBW.

6.3.2 Hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất G_Te

Độ lợi anten là thông số rất quan trọng trong trạm mặt đất, anten đặt ở ngõ

vào để khuếch đại tín hiệu rất nhỏ từ picowatt đến nanowatt. Độ khuếch đại lớn sẽ

làm tăng tỷ số C/N, nó liên quan đến chảo anten và băng tần công tác:

2

π

Df_U

c

G_Te

= 10logη

, hoặc:

G_Te

=

10lg(

η

)

+

20lg(

π

Df_U)

−

20lg(c)

[

dB

]

(6.4)

với : D là Đường kính của anten phát.

f

_Ulà tần số tín hiệu phát lên.

η

là hiệu suất của anten, ^ηthường khoảng từ 50% - 70% .

c là vận tốc ánh sáng, c = 3.10⁸m/s.

6.3.3 Công suất sóng mang thu ở vệ tinh

Công suất sóng mang thu là một yếu tố quan trọng trong việc xác định chất

lượng của một tuyến thông tin vệ tinh, công suất sóng mang phụ thuộc vào thiết bị

như công suất máy phát, hệ số tăng ích của anten thu vệ tinh ... Công suất sóng

mang nhận được tại đầu vào máy thu vệ tinh được xác định theo công thức :

C_RS

= EIRP − L_U+ G_RS

(dB)

e

(6.5)

với : G_RS- hệ số khuếch đại của anten thu vệ tinh.

89

6.3.4 Tổng suy hao tuyến lên

Tổng suy hao tuyến lên:

Trong đó :

L_U

= L_SPU+ L_FU+ L_OU

(dB)

(6.6)

L_SPU

L_FU

L_OU

- suy hao tuyến phát trong không gian tự do.

- suy hao do hệ thống fiđơ và đầu vào máy thu.

- hệ số dự trữ suy hao do: thời tiết (mưa tuyến lên), lệch búp sóng phát

so với vệ tinh, lệch phân cực anten ...

Trong đó suy hao tuyến lên trong không gian tự do được tính theo biểu thức:

L_SPU

6.3.5 Độ lợi của anten thu vệ tinh

Độ lợi của anten thu vệ tinh được tính bằng biểu thức:

G_RS(G / T )_S10lgT_U

= 20lg( 4π f_Ud )− 20lg( c )

(dB)

=

+

(G/T)_Slà hệ số phẩm chất của máy thu vệ tinh

T_Ulà nhiệt tạp âm tuyến lên, chủ yếu là nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh T_RS

và nhiệt tạp âm anten thu vệ tinh T_AS:

T_U

6.3.6 Công suất tạp âm tuyến lên

N_UkT_UB

10lg( k )

= T_RS+ T_AS

=

hay tính theo dB:

10lg(T_U) 10lg( B )

N_U

=

+

(dB)

(6.7)

Trong đó

k là hằng số Boltzman, k =1,38.10^-23(W/Hz⁰K)

B là băng thông của máy thu.

T

=

T_RS

+ T_AS

T_Ulà nhiệt tạp âm tuyến lên:

U

Nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh được tính theo biểu thức:

F

T_RS

Trong đó, F [dB] là hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh và T₀là nhiệt độ chuẩn,

= − 1)T₀

(10¹⁰

T₀

=

290⁰K

6.3.7 Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên

Trong các tuyến thông tin vệ tinh, chất lượng của tuyến được đánh giá bằng

tỷ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm (C/N), hay công suất sóng mang

trên nhiệt tạp âm tương đương (C/T). Tạp âm chủ yếu phụ thuộc vào bản thân máy

thu, vào môi trường bên ngoài như môi trường truyền sóng và can nhiễu phụ thuộc

các hệ thống viba lân cận.

(

C / N

)

= C_RS− N_U= EIRP − L_U+ G_RS− N_U

(dB)

U

e

(6.8)

(C/N)_Ulà tỷ số sóng mang trên tạp âm tại đầu vào bộ giải điều chế máy thu

vệ tinh.

6.4 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK)

6.4.1 Công suất bức xạ hiệu dụng của vệ tinh

Công suất bức xạ hiệu dụng EIRP_scủa vệ tinh còn gọi là công suất phát xạ

đẳng hướng tương đương, nó biểu thị công suất của chùm sóng chính phát từ vệ

tinh đến trạm mặt đất. EIRP_scủa vệ tinh thông thường được cho trước .

6.4.2 Tổng suy hao tuyến xuống

90

L_SPD

L_D

=

+

L_FU

+

L_OD

Tổng suy hao tuyến lên:

(dB)

(6.9)

L_SPD

Trong đó :

- suy hao tuyến xuống trong không gian tự do.

- suy hao do hệ thống fiđơ và đầu vào máy thu.

L_FD

L

_OD- hệ số dự trữ suy hao do: thời tiết (mưa tuyến xuống), lệch

búp sóng phát so với anten trạm mặt đất, lệch phân cực anten ...

Trong đó Suy hao tuyến xuống trong không gian tự do được tính theo biểu

thức:

L_SPD

= 20lg( 4π f_Dd )− 20lg(c )

(dB)

(6.10)

6.4.3 Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất

Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất có biểu thức tính tương tự như đối

với hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất:

2

π

Df_D

c

G_Re

=

10log

η

G_Re

=

10lg(

η

)

+

20lg(

π

Df_D)

−

20lg(c )

[

dB

]

(6.11)

6.4.4 Công suất sóng mang thu được ở trạm mặt đất

Công suất sóng mang nhận được tại đầu vào máy thu trạm mặt đất được xác

định theo biểu thức :

C_Re

= EIRP − L_D+ G_Re

(dB)

s

(6.12)

với : G_Relà hệ số khuếch đại của anten thu trạm mặt đất

6.4.5 Công suất tạp âm hệ thống

Công suất tạp âm hệ thống được tính bằng biểu thức:

N_SYS

10logk

T_SYSlà nhiệt tạp âm hệ thống được xem là tổng của bốn thành phần được biểu

diễn theo biểu thức:

=

10lg( kT_SYSB )

= 10log k + 10logT_SYS+ 10log B

=

−

228,6

T_S

+

T_A

+ T_F

[⁰K]

T_SYS

=

+ T_R

L_F

6.4.6 Tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm tuyến xuống

Tỉ số công suất sóng mang trên công suất tạp âm tuyến xuống là:

(C / N )_D

= C_Re− N_SYS= EIRP − L_D+ G_Re− N_SYS

(6.13)

s

6.5 BÀI TẬP

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TUYẾN THÔNG TIN VỆ TINH

VỚI VỆ TINH VINASAT VÀ TRẠM MẶT ĐẤT TẠI HÀ NỘI

6.5 Một số giả thiết

6.5.1 Băng tần hoạt động

Việc tính toán sẽ được tiến hành trên băng C, với đường lên là 6GHz và

đường xuống là 4GHz.

6.5.2 Trạm mặt đất

- Được đặt tại Hà Nội, có vĩ độ là 21⁰Bắc và kinh độ là 105,45⁰Đông.

- Đường kính anten là 15m, hiệu suất 65%.

- Công suất của máy phát trạm mặt đất: 40W.

91

6.5.3 Vệ tinh

- Vị trí của vệ tinh là ở 132⁰Đông.

- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của vệ tinh (EIRP)_S= 40dBW.

- Hệ số phẩm chất của máy thu vệ tinh (G/T)_S= 1 dB/⁰K.

- Hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh F = 3dB.

- Băng thông kênh truyền B = 36MHz.