CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH I. GIỚI THIỆU CHUNG Thông tin vệ tinh ngày nay là một phần tổ hợp của mạng lưới viễn thông toàn cầu. Kể từ khi được đưa vào sử dụng cho đến nay, thông tin vệ tinh đã tạo ra mạng lưới điện thoại hoàn toàn tự động trên phạm vi toàn cầu.
Mặc dù các hệ thống cáp biển quốc tế vẫn đang rất phát triển, thông tin vệ tinh vẫn đóng góp đáng kể vào nền viễn thông của các quốc gia: từ viễn thông quốc tế, nội địa và đặc biệt đối với các dịch vụ quảng bá. Xu hướng phát triển của thông tin vệ tinh ngày nay phụ thuộc vào các đặc tính của riêng thông tin vệ tinh như khả năng đa truy nhập, truyền dẫn một- điểm-tới-nhiều-điểm (quảng bá truyền hình, phát thanh, thông tin di động.) độ linh hoạt theo yêu cầu lưu lượng và theo cấu trúc hệ thống cũng như việc dễ dàng triển khai và khai thác. Các ưu điểm này rất thích hợp cho các mạng đa dịch vụ trong tương lai và đem lại một phương tiện hiệu quả để phát triển mạng lưới viễn thông quốc gia. Các dịch vụ vệ tinh Theo Điều lệ Vô tuyến điện (Radio Regulation) các dịch vụ thông tin vệ tinh được phân ra làm các loại dịch vụ tuỳ theo mục đích sử dụng như sau: Dịch vụ vệ tinh cố định (Fixed Satellite Service FSS): Dịch vụ vệ tinh cố đinh FSS là dịch thông tin giữa các điểm cố định trên bề mặt trái đất thông qua một hoặc nhiều vệ tinh.
Các hệ thống vệ tinh như INTELSAT, INTERSPUTNIK được sử dụng cho viễn thông quốc tế. Còn cá hệ thống như EUTELSAT, CS của Nhật bản hay PALAPA của Indonesia được sử dụng cho viễn thông khu vực hay nội địa. Dịch vụ vệ tinh di động (Mobile Satellite Service MSS): Dịch vụ vệ tinh di động MSS để thông tin các trạm mặt đất di động được gắn trên tàu biển, ô tô, máy bay hoặc mang vác di chuyển với mạng viễn thông cố 11 định. Hệ thống INMARSAT là một hệ thống quốc tế điển hình của loại hình dịch vụ này.
− Dịch vụ vệ tinh quảng bá (Broadcasting Satellite Service BSS): Dịch vụ vệ tinh quảng bá BSS dùng để phát các chương trình phts thanh và truyền hình qua vệ tinh. Ngày nay dịch vụ này đang phát triển hết sức mạnh mẽ, kể cả ở khu vực Châu Á - Thái Bình dương. − Dịch vụ vệ tinh dẫn đường. − Dịch vụ vệ tinh thăm dò trái đất.
− Dịch vụ vệ tinh khí tượng thủy văn. Hai loại dịch vụ vệ tinh FSS, BSS được phát triển rộng rãi và được áp dụng khắp nơi trên thế giới, trong khi dịch vụ MSS cũng ngày càng phát triển. Xu hướng ngày nay các nước phóng vệ tinh nội địa đa dịch vụ. Tìm hiểu về quỹ đạo vệ tinh Tùy thuộc vào độ cao so với mặt đất, quỹ đạo vệ tinh trong hệ thống thông tin vệ tinh được chia thành: - HEO (High 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 bình; - LEO ( Low Earth Orbit) quỹ đạo thấp.
Các quỹ đạo trong các hệ thống thông tin vệ tinh Định lý của Kepler Các định lý của Kepler được áp dụng cho 2 vật thể trong không gian tương tác lẫn nhau bởi lực hấp dẫn. Trong hai vật thể này, vật thể có khối lượng lớn hơn được gọi là primary (vật thể cơ sở) và secondary (vật thể thứ hai) chẳng hạn một vệ tinh quay xung quang trái đất thì trái đất được gọi là Primary và vệ tinh được gọi là Secondary. Định lý 1: Quỹ đạo của vật thể thứ hai quay quanh vật thể thứ nhất là một hình Ellipse (với các tham số ellipse như hình vẽ dưới đây). Quỹ đạo Ellipse 13 Trong đó: - a: bán trục lớn của Elipse.
- b: bán trục nhỏ của Elipse. F1, F2: tiêu điểm của Elipse Trọng tâm của hệ hai vật thể này thường nằm ở tâm một trong hai trọng tâm của vật thể. Trong thực tế, hệ 2 vật thể vệ tinh và trái đất thì trọng tâm luôn luôn ở gần tâm của trái đất do khối lượng rất lớn của trái đất so với khối lượng của vệ tinh. Định lý 2: Trong những khoảng thời gian bằng nhau vệ tinh sẽ quyét được những diện tính bằng nhau tính từ tâm của hệ vệ tinh-trái đất trong mặt phẳng quỹ đạo của vệ tinh.
Quỹ đạo chuyển động vệ tinh Từ định lý này cho thấy vận tốc của vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo nằm ở gần trái đất lớn hơn vận tốc của vệ tinh khi nó chuyển động trên quỹ đạo nằm xa trái đất. Định lý 3: Bình phương của chu kỳ quỹ đạo vệ tinh tỷ lệ thuận với lập phương khoảng cách trung bình giữa vệ tinh và trái đất (bán trục lớn a). Định lý 3 được viết dưới dạng biểu thức sau: 14 µP2 a= 3 4π π2 Trong đó: − a: bán trục lớn của Ellipse (mét). − P: chu kỳ của vệ tinh (giây).
− µ: hệ số hấp dẫn của trái đất µ=3. Công thức trên chỉ áp dụng cho trường hợp quỹ đạo lý tưởng tức là trái đất được coi như là một khối hình cầu đồng nhất và vệ tinh không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài chẳng hạn như: khí quyển, lực hút của các vệ tinh khác,. Ba định lý của Kepler rất quan trọng đối với việc tính toán quỹ đạo vệ tinh, để từ đó xây dựng lên hệ thống thông tin vệ tinh cụ thể. Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh có vị trí cố định so với trái đất nằm trên mặt phẳng xích đạo.
Để có được một vệ tinh địa tĩnh cần có 3 điều kiện sau: Vệ tinh phải quay từ đông sang tây với vận tốc bằng vận tốc quay của trái đất xung quanh trục của nó. Quỹ đạo phải là hình tròn (trường hợp đặc biệt của quỹ đạo Ellipse). Độ nghiêng của quỹ đạo (so với mặt phẳng xích đạo) vệ tinh phải bằng không. Điều kiện đầu là tất yếu bởi vì vệ tinh địa tĩnh nằm yên so với trái đất do vậy nó phải có vận tốc quay bằng với vận tốc quay của trái đất xung quanh trục của nó (tốc độ không đổi).
Điều kiện thứ hai được suy ra từ định lý thứ hai của Kepler: trong cùng khoảng thời gian bay, vệ tinh sẽ quýet được những diện tích bằng nhau trong mặt phẳng của nó mà vệ tinh bay với tốc độ không đổi do đó quỹ đạo của vệ tinh phải là hình tròn mới thoả mãn định lý này của Kepler. Điều kiện thứ 3 là do trong thực tế với bất kỳ độ nghiêng nào so với 15 mặt phẳng xích đạo cũng làm cho vệ tinh dịch chuyển về phía Bắc hoặc phía Nam và như vậy thì quỹ đạo của vệ tinh sẽ không còn là quỹ đạo địa tĩnh. Để tránh sự di chuyển của vệ tinh về hướng Bắc hoặc hướng Nam nhất thiết độ nghiêng của quỹ đạo phải bằng không, do đó quỹ đạo phải nằm trên mặt phẳng xích đạo. Từ định lý thứ 3 của Kepler có thể tính được bán kính của quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh (quỹ đạo tròn).
Từ công thức: 3 µP 2 µP2 a3= a = 4π 2 4π2 Trong đó: − a: là bán kính của quỹ đạo. − P: là chu kỳ của vệ tinh cũng là chu kỳ của trái đất quay quanh trục của nó: P = 23h56phút4giây. − µ: hệ số hình học hấp dẫn của trái đất µ = 3. Từ đó tính được a = 42164 Km.
Bán kính của trái đất là a e = 6378 Km, do vậy độ cao của vệ tinh so với mặt đất là: hs = a - ae = 35786 Km Giá trị này thường được lấy tròn là 36000 Km. Tuy nhiên trong thực tế rất khó có thể đạt được quỹ đạo địa tĩnh thật sự do các tác động từ bên ngoài như các tác động từ vũ trụ và sự không đồng nhất của trái đất (trái đất không phải là hình cầu). Lực hút của mặt trời và mặt trăng làm dịch chuyển độ nghiêng quỹ đạo hàng năm khoảng 0. Hình dạng ellipse của xích đạo cũng làm cho vệ tinh bị trượt về hướng đông trên quỹ đạo của nó.
Bởi vì chu kỳ của trái đất có giá trị xác định lên chỉ có duy nhất một quỹ đạo địa tĩnh (bán kính của quỹ đạo địa tĩnh là duy nhất suy ra từ định lý thứ 3 của 16 Kepler). Do đó, quỹ đạo địa tĩnh là nguồn tài nguyên tự nhiên và việc sử dụng nó phải tuân theo các điều khoản được các nước và được quốc tế công nhận. Quỹ đạo phóng Với quỹ đạo thấp vệ tinh có thể được phóng trực tiếp, nhưng với quỹ đạo cao trên 200 Km thì vệ tinh được phóng từ tàu vụ trũ (tầu phóng). Tàu phóng có thể là loại chỉ sử dụng một lần hoặc là loại được sử dụng nhiều lần.
Điển hình tàu phóng sử dụng một lần là tầu phóng U.S Atlas-Centaur rocket, Delta rocket của Mỹ và tầu phóng European Space Agency Ariane rocket. Với vệ tinh có quỹ đạo trên 200 Km sẽ được đưa và quỹ đạo chuyển tiếp giữa quỹ đạo thấp quanh trái đất và quỹ đạo cao trước khi được đưa vào quỹ đạo của nó. Quỹ đạo chuyển tiếp cần được lựa chọn để tiết kiệm năng lượng. Một trong các quỹ đạo chuyển tiếp đó là quỹ đạo Hobmann.
Quỹ đạo Hobmann là quỹ đạo Ellipse, tiếp xúc với quỹ đạo tầm thấp và quỹ đạo tầm cao ở điểm cực cận và điểm cực viễn. Tại điểm cực cận vệ tinh được phóng ra khỏi tầu vũ trụ và đi vào quỹ đạo chuyển tiếp nhờ động cơ kích điểm cực cận. Tại điểm cực viễn nhờ một động cơ điểm cực viễn lái vệ tinh vào quỹ đạo tầm cao của nó. Vệ tinh sẽ ổn định hoạt động trong vòng một tới hai tháng.
Anten trong thông tin vệ tinh Anten có thể được chia làm hai loại: anten thu và anten phát. Mặc dù các yêu cầu cho các chức năng, mode hoạt động (thu, phát) rất khác nhau nhưng một anten có thể được sử dụng để phát và thu tín hiệu đồng thời. Rất nhiều các đặc tính khác nhau của hai mode được áp dụng như nhau cho cả hai mode hoạt động đó là nhờ vào tính tương hỗ của anten. Có một số dạng nhiễu chỉ xẩy ra trong thông tin vệ tinh mà không có trong các hệ thống khác, vì vậy để tối thiểu hoá ảnh hưởng của nhiễu cần chú ý đặc biệt tới thiết kế anten.
Trong thông tin vệ tinh anten cũng có thể được chia thành anten trạm mặt đất và anten vệ tinh.