CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1. Nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh 1. Giới thiệu chung Trong những năm trở lại đây, thông tin vệ tinh đã có những phát triển vượt bậc, việc sử dụng những kỹ thuật mới làm cho các dịch vụ của thông tin vệ tinh trở thành một dịch vụ phổ thông trên khắp thế giới. Hàng ngày hai hệ thống thông tin vệ tinh toàn cầu lớn là Intelsat và Intersputnyk bay xung quanh trái đất cung cấp hàng ngàn kênh thoại cố định nối hàng trăm quốc gia với nhau.
Ngoài ra cũng có các vệ tinh khu vực như Aussat, Eusat, Arbsat… cung cấp các dịch vụ thoại cố định, phát thanh truyền hình, truyền số liệu, đảm bảo thông tin dẫn đường cho hàng không, cứu hộ hàng hải, thăm dò tài nguyên bằng hệ thống vệ tinh tầm thấp, các chương trình đào tạo giáo dục từ xa… Tóm lại, ngày nay thông tin vệ tinh có mặt hầu hết trong mọi lĩnh vực về viễn thông. Thông tin vệ tinh là thông tin giữa các trạm mặt đất nhờ trạm lặp là trạm vệ tinh và là một trong ba loại thông tin vô tuyến vũ trụ để phân biệt với hai loại thông tin vô tuyến vũ trụ khác là thông tin giữa một trạm mặt đất với một trạm vũ trụ hay thông tin giữa hai trạm vũ trụ với nhau. Intelsat là một tổ chức viễn thông quốc tế hoạt động phi lợi nhuận do hơn một trăm nước thành viên góp vốn. Mạng thông tin vệ tinh do Intelsat cung cấp ngày nay đang là mạng vệ tinh lớn nhất thế giới, cung cấp hơn 2/3 tổng số kênh liên lạc quốc tế toàn cầu.
Intersputnyk có mạng vệ tinh cho hơn chục nước tham gia vào mạng thông tin liên lạc cố định và phủ sóng phát thanh truyền hình. a) Đặc điểm Thông tin vệ tinh là một trong những hệ thống truyền dẫn vô tuyến, sử dụng vệ tinh để chuyển tiếp tín hiệu đến các trạm trên mặt đất. Vì trạm chuyển tiếp vệ tinh có độ cao rất lớn nên thông tin vệ tinh có những ưu điểm [1, 2] so với các hệ thống viễn thông khác đó là: - Giá thành thông tin vệ tinh không phụ thuộc vào cự ly giữa hai trạm. Giá thành như nhau khi truyền ở cự ly 5000km và 100 km.
- Có khả năng thông tin quảng bá cũng như thông tin điểm nối điểm. Một vệ tinh có thể phủ sóng cho một vùng rộng lớn trên mặt đất (vệ tinh địa tĩnh ở búp sóng toàn cầu có vùng phủ sóng chiếm 1/3 bề mặt quả đất). Như vậy một trạm mặt đất có thể thông tin với nhiều trạm mặt đất khác trong vùng phủ sóng đó. Nếu có 3 vệ tinh địa tĩnh phóng lên ở vị trí thích hợp thì sẽ phủ sóng toàn cầu do đó các dịch vụ thông tin toàn cầu sẽ được thực hiện.
1 - Có khả năng băng rộng. - Ít chịu ảnh hưởng bởi địa hình của mặt đất. - Dịch vụ thông tin vệ tinh có băng tần rộng và có thể truyền tới bất kỳ nơi nào trên thế giới đưa đến việc tìm ra các thị trường mới cũng như mở rộng các thị trường dịch vụ hạ tầng và các đường thông tin đã được sử dụng trên mặt đất. Nhờ vệ tinh đã đẩy nhanh sự phát triển của các mạng truyền hình, đào tạo từ xa, ngân hàng, y tế.
- Các dịch vụ mới do những khả năng đặc biệt của thông tin vệ tinh nên đã đưa vào các khái niệm mới cho lĩnh vực viễn thông. Các dịch vụ cá nhân của khách hàng. Các trạm mặt đất nhỏ với anten kích thước bé có thể truy nhập đến các cơ sở dữ liệu, các cơ quan bộ và các hệ thống quản lý thông tin. Các trạm này có các thiết bị đầu cuối kích thước rất nhỏ, gọi là VSAT (very small aperture terminals).
Các đầu cuối này thường được đặt tại nhà của khách hàng hay các khu vực có các yêu cầu dịch vụ phổ thông với dung lượng nhỏ. b) Cấu trúc đường thông tin vệ tinh Muốn thiết lập một đường thông tin vệ tinh, trước hết phải phóng một vệ tinh lên quỹ đạo và có khả năng thu phát sóng vô tuyến điện. Vệ tinh có thể là vệ tinh thụ động, chỉ phản xạ sóng vô tuyến một cách thụ động mà không khuếch đại và biến đổi tần số. Hầu hết các vệ tinh thông tin là vệ tinh tích cực.
Vệ tinh sẽ thu tín hiệu từ một trạm mặt đất, biến đổi, khuếch đại và phát lại đến một hoặc nhiều trạm mặt đất khác. Không giống như trong các hệ thống thông tin khác là thông tin giữa các phần tử trên mặt đất, mà tuyến thông tin trong thông tin vệ tinh là tuyến liên lạc giữa một phần tử trên mặt đất và một phần tử trong không gian vũ trụ là vệ tinh nên trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh bao gồm hai phần là phần không gian và phần mặt đất. - Phần không gian bao gồm vệ tinh, các thiết bị trên vệ tinh, thiết bị điều khiển đo xa, các thiết bị cung cấp nguồn. - Phần mặt đất cũng gọi là các trạm mặt đất bao gồm anten thu phát và các thiết bị điều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng các bộ chia cao tần và ghép công suất, máy thu tạp âm thấp và các bộ giải điều chế, các bộ đổi tần lên xuống, các bộ khuếch đại công suất lớn và các bộ điều chế.1 chỉ ra một đường thông tin qua vệ tinh giữa hai trạm mặt đất.
Tín hiệu từ một trạm mặt đất đến vệ tinh, gọi là đường lên (uplink) và tín hiệu từ vệ tinh trở về một trạm mặt đất khác, đường xuống (dowlink). Thiết bị thông tin trên vệ tinh bao gồm một số bộ phát đáp sẽ khuếch đại tín hiệu ở các băng tần nào đó lên một công suất đủ lớn và phát trở về mặt đất. 2 Vệ tinh Máy phát Máy thu Trạm mặt đất phát Trạm mặt đất thu Hình 1. Sơ đồ đường thông tin vệ tinh Hình 1.
Đường liên lạc thông tin vệ tinh - Tại trạm phát: Các tín hiệu có băng tần cơ bản được điều chế thành trung tần, sau đó được đổi lên cao tần nhờ bộ đổi tần tuyến lên UC (Up Converter) rồi được khuếch đại lên mức công suất cao nhờ bộ khuếch đại công suất lớn HPA (High Power Amplifier) và được phát lên vệ tinh qua anten phát. - Tại trạm thu: Tín hiệu cao tần phát từ vệ tinh được thu bởi anten thu qua bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) và được đổi xuống trung tần nhờ bộ đổi tần xuống DC (Down Converter), sau đó qua bộ giải điều chế để kh phục lại băng tần cơ bản giống bên phát. Quỹ đạo vệ tinh Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thông tin ngoài trái đất. Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất, khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác.
Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất là: - Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất. - Quả đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh. Hình 3 biểu diễn 3 dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh. Quỹ đạo cực tròn Quỹ đạo elip nghiêng Quỹ đạo xích đạo Hình 1.
Ba dạng quỹ đạo cơ bản trong thông tin vệ tinh Có hai dạng quỹ đạo là quỹ đạo êlíp và quỹ đạo tròn. Quỹ đạo êlíp chỉ có một dạng quỹ đạo êlíp cao (HEO-Quỹ đạo có độ cao lớn so với trái đất), độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với măt phẳng xích đạo là 65o, cận điểm là 1000 km và viễn điểm là 39400 km, chu kỳ quỹ đạo là 11gi58ph. Dạng quỹ đạo tròn có thể có ba loại: quỹ đạo thấp (LEO-Quỹ đạo có độ cao thấp so với trái đất), quỹ đạo trung bình (MEO-Quỹ đạo có độ cao trung bình so với trái đất), quỹ đạo cao (HEO) hay quỹ đạo đồng bộ khi vệ tinh bay ở độ cao 35786 km, lúc đó chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ tự quay của quả đất bằng 23gi56ph04s. Trong quỹ đạo tròn lại có thể chia ra: - Quỹ đạo cực tròn, mặt phẳng quỹ đạo vuông góc với mặt phẳng xích đạo, nghĩa là mỗi vòng bay của vệ tinh sẽ đi qua hai cực quả đất.
Ưu điểm của dạng quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy vệ tinh trong một khoảng thời gian nhất định. Việc phủ sóng toàn cầu của dạng quỹ đạo này đạt được vì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lược quét tất cả các vị trí trên mặt đất. Dạng quỹ đạo này 4 được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên và các vệ tinh do thám. Nó ít được sử dụng cho thông tin truyền hình vì thời gian xuất hiện ngắn.
- Quỹ đạo tròn nghiêng khi mặt phẳng quỹ đạo nghiêng một góc nào đó so với mặt phẳng xích đạo. Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng cực cao mà các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới. Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược điểm là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải ở mức cao. - Quỹ đạo xích đạo tròn, khi mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng xích đạo.
Trong quỹ đạo xích đạo tròn nếu chiều bay vệ tinh cùng chiều với chiều quay quả đất và có chu kỳ bằng chu kỳ quay của quả đất gọi là quỹ đạo địa tĩnh (GEO). Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh 1. Băng tần sử dụng trong thông tin vệ tinh Trong hệ thống thông tin vệ tinh, vệ tinh đóng vai trò là một trạm chuyển tiếp, làm chức năng của một trạm lặp (repeater). Thu tín hiệu từ các trạm mặt đất, khuếch đại, biến đổi sang một tần số khác và khuếch đại lên một công suất yêu cầu rồi phát trở lại mặt đất.
Là một trạm ở rất xa quả đất và bay xung quanh quả đất, được điều khiển từ xa nên có cấu tạo phức tạp. Ngoài phân hệ thông tin còn phải có những phân hệ phụ trợ khác để đo lường, điều khiển, giám sát từ xa. Trong thông tin vệ tinh được chia làm nhiều loại băng tần khác nhau[3].