Quỹ đạo và các tham số liên quan:

1. 3 Đánh giá về tiềm năng khai thác về vệ tinh quỹ đạo thấp trên thế giới và

2.3 Quỹ đạo và các tham số liên quan:

Các quỹ đạo thường xuyên được thể hiện trong Hình 2.3, các quỹ đạo cực là những quỹ đạo mà mặt phẳng của quỹ đạo vệ tinh đi qua các cực. Chúng có độ nghiêng 90° so với mặt phẳng xích đạo và thường có hình tròn. Vì Trái đất quay theo quỹ đạo nên các vệ tinh này có thể khảo sát toàn bộ Trái đất.

Quỹ đạo cực, Beta = 90o Quỹ đạo cực, Beta = 45o

Quỹ đạo nghiêng, Beta = 0o

Quỹ đạo đồng bộ mặt trời Quỹ đạo Elip nghiêng

Hình 2.9: Các quỹ đạo cực, nghiêng, quỹ đạo mặt trời và hình elip nhìn từ mặt trời.

Góc Beta là góc giữa đường Mặt trời và mặt phẳng quỹ đạo. Trong một phiên bản Beta = 0° Quỹ đạo cực, Mặt trời sẽ nhìn thấy rìa quỹ đạo trên. Đối với Beta = 90

31

° (hình trên cùng bên trái), Mặt trời sẽ nhìn thấy quỹ đạo ở góc tới bình thường. Hình 2.3 cũng cho thấy một quỹ đạo cực tại Beta = 45° và quỹ đạo nghiêng 60°, được sử dụng khi cần phủ sóng ở những vị trí có vĩ độ trung bình. Quỹ đạo đồng bộ của Mặt trời là quỹ đạo gần Cực nghiêng để vệ tinh nhìn thấy các điểm giống nhau trên Trái đất vào cùng một thời điểm mỗi ngày. Ví dụ: nghiêng 97,8° quỹ đạo ở độ cao 540 km sẽ mô tả chính xác 15 quỹ đạo mỗi ngày, và mỗi ngày vệ tinh sẽ bao gồm mọi điểm trên Trái đất cùng một lúc. Các quỹ đạo như vậy rất hữu ích cho các vệ tinh hình ảnh, vì quỹ đạo sẽ đảm bảo rằng vệ tinh sẽ ở trên một khu vực xác định của Trái đất. Các quỹ đạo hình elip lao xuống thấp thường được sử dụng trên các khu vực được chỉ định của Trái đất, nhưng không thể tồn tại lâu ở độ cao thấp như vậy. Vì lý do này là vì quỹ đạo của chúng có hình elip, do đó chúng sẽ sử dụng nhiều thời gian ở độ cao cao hơn, do đó giảm lực cản trung bình và tối đa hóa khả năng giám sát thời gian. Một trường hợp đặc biệt của quỹ đạo elip là quỹ đạo Molnya, có tính elip cao. Nó có điểm cực viễn là 40.000 km và chu kỳ quỹ đạo của nó là 12 giờ. Một vệ tinh trong quỹ đạo này có thể khảo sát bán cầu Bắc mỗi lần nửa ngày.

Quỹ đạo vệ tinh GPS ở độ cao 20.180 km với độ nghiêng 55°. Các 32 vệ tinh cung cấp vùng phủ sóng liên tục trên toàn thế giới cho các hệ thống định vị.

2.3.2 Gia tốc trọng trường, vận tốc, chu kỳ:

Gia tốc trọng trường, g(H), tại độ cao H, biến thiên nghịch đảo với bình phương của H. Phương trình của g(H) được cho dưới đây. Giá trị của nó ở bề mặt Trái đất là và xấp xỉ 9,8 m/giây2. R là bán kính Trái đất và H là độ cao quỹ đạo, cả hai được tính bằng km.

𝑔𝐻 = 𝑔𝑜[𝑅 (𝑅 + 𝐻)⁄ ]2 (2.1)

Một vệ tinh đang bay trên quỹ đạo tròn với vận tốc tiếp tuyến V, đạt gia tốc hướng tâm có giá trị ar = V2/(R + H). Nếu vệ tinh ở trong quỹ đạo ổn định thì gia tốc trọng trường phải bằng gia tốc li tâm. Giải phương trình cho V, ta được phương trình dưới đây:

𝑉 = 𝑅 ∗ (𝑔0)0,5[ 1 (𝑅 + 𝐻)]

0,5 (2.2)

32

Chu vi của quỹ đạo P, có thể tính toán được bằng cách chia chu vi của quỹ đạo, C = 2*π*(R + H) theo vận tốc quỹ đạo. P tính bằng phút được đưa ra dưới đây:

𝑃 = 0.00016587 ∗ (𝑅 + 𝐻)1,5 (2.3)

Quan hệ này được tóm tắt trong Bảng 2.1 cho vệ tinh ở độ cao 600 km.

Bảng 2.3: Ví dụ về độ cao, vận tốc, chu kỳ và gia tốc hướng tâm.

Bản kính trái đất R 63378.137 km Cao độ H 600 km g(0) 9,797919335 m/s2 Gia tốc trọng trường tại cao độ H g(H)=g(0)*(R/(R+H))2 mét/s2 8,18545 Chu kỳ P (phút) P=0,00016587*(R+H)1.5 phút 96,68900

Chu vi quỹ đạo C C=2**(R+H) Km 43.844,93

Vận tốc quỹ đạo VH VH=C/(P*60) km/s 7,55772 Gia tốc hướng tâm ar ar=(VH)2/(R+H) m/s2 8,18545

2.3.3 Vị trí vệ tinh theo thời gian:

Sử dụng các phần tử quỹ đạo , vị trí của vệ tinh tại một thời điểm nhất định có thể được xác định.

Hình 2.10: Mô tả các thành phần quỹ đạo

Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo của nó cũng có thể được mô tả từ các phần tử quỹ đạo. Mỗi phần tử, ngoại trừ góc dị thường thực - True Anomaly là không đổi và góc này quay được 360° trong một chu kỳ quỹ đạo. Chu kỳ quỹ đạo tính bằng phút

33

là P = 2π * (a3/μ) 0,5. Trong đó μ = GM, a là bán trục tính bằng mét, G là hằng số hấp dẫn tính bằng m3/s2 và M là khối lượng của Trái đất. Lưu ý rằng khoảng thời gian chỉ phụ thuộc vào nửa rục chính SM. RE = 6378,1 km. Phương trình (2.4) là Chu kỳ theo nửa trục chính:

𝑃 = 0.00016587 ∗ (𝑅𝐸+ 𝑎)1,5 (2.3)

Trong đó P tính bằng mét; RE, SM tính bằng km.

2.3.4 Góc ngẩng vệ tinh, mặt phẳng nghiêng, CPA và khoảng cách truyền:

Trong phần này sẽ mô tả quan hệ hình học thường được sử dụng cho vệ tinh quỹ đạo tròn. Một trong số đó là độ nghiêng mặt phẳng quỹ đạo so với góc ngẩng vệ tinh, cần thiết cho tính toán năng lượng đường truyền cao tần RF. Hình 2.11 minh họa về hình học của vệ tinh trên quỹ đạo.

Hình 2.11: Mô tả hình học tương quan trái đất và vệ tinh.

Phương trình cho Độ nghiêng và Khoảng cách mặt đất (GR) được đưa ra dưới đây và được vẽ cho các độ cao quỹ đạo khác nhau:

𝑆𝑅 = 𝑅 ∗ cos(90 + 𝐸𝑙) + [𝑅 ∗ cos(90 + 𝐸𝑙)2+ (𝑅 + 𝐻)2− 𝑅2]0,5 (2.4)

𝐸𝑙 = 𝐴𝑐𝑜𝑠 ((𝑅 + 𝐻) 𝑅 ∗ 𝑠𝑖𝑛(⁄ )) (2.5)

34

Hình 2.12: Biến thiên của độ nghiêng và khoảng cách mặt đất (km) so với góc ngẩng ở các cao độ khác nhau của vệ tinh.

Hình 1.13 cho thấy một vệ tinh làm việc ở độ cao H và cách trạm mặt đất một khoảng cách CPA từ đường di chuyển trên mặt đất (ground track). Khoảng cách trên mặt đất giữa vệ tinh và trạm mặt đất là GR, trong khi phạm vi mặt đất từ điểm vệ tinh với điểm điểm tiếp cận gần nhất CPA là GRCPA. Góc trung tâm phụ thuộc vào GR là α, bởi GRCPA là ω, và khoảng cách CPA là ψ.

35

Điều đầu tiên cần lưu ý là khi khoảng cách điểm tiệm cận gần nhất CPA tăng, góc ngẩng tối đa đạt được trong quá trình liên lạc, cũng như thời gian của giao tiếp vệ tinh giảm xuống. Điều này được minh họa trong Hình 2.14. Với cùng khoảng cách điểm tiệp cận gần nhất CPA, các vệ tinh có quỹ đạo cao hơn, sẽ có góc ngẩng sẽ lớn hơn. Các con số này được biễu diễn dựa trên phạm vi cơ bản của CPA, nó cũng minh họa góc độ cao so với thời gian (khi phạm vi mặt đất được chuyển đổi thành thời gian bằng vận tốc mặt đất của vệ tinh ). Phạm vi phương vị so với CPA trong Hình 3.8. Việc giảm thời gian vượt qua khi CPA được tăng lên được thể hiện trong Hình 3.9. Ở đây, thời lượng vượt qua được biểu thị dưới dạng một hàm của góc nâng tối thiểu, được coi là bắt đầu của một cuộc vượt qua. Điều này có liên quan bởi vì một vé vào một vùng núi với các vật cản đường chân trời thấp có thể không có giá trị cho đến khi đạt được góc nâng tối thiểu nhất định (như 5 ° hoặc 10 °).

2.4 Truyền thông vệ tinh LEO:

Truyền thông RF được sử dụng để chỉ huy vệ tinh từ mặt đất, để có vệ tinh gửi thông tin Đo xa về tình trạng của vệ tinh và để gửi dữ liệu trọng tải đến (các) trạm mặt đất. Phần này thảo luận về phân bổ tần số, tính toán đường truyền, tỷ lệ lỗi bit và phần cứng RF.

2.4.1 Phân bổ tần số:

Các vệ tinh chỉ được phép thu phát tín hiệu trong các băng tần được phân bổ. Các Bảng viết tắt trong Hình 1.14 và chi tiết trong bảng 2.4 liệt kê các tần số được liệt kê và áp dụng trong khai thác vận hành các vệ tinh từ những người nghiệp dư, các nhà nghiên cứu và cho đến các tổ chức thương mại. Số liệu này được trích xuất từ bảng Phân bổ tần suất của [5].

Bảng 2.4 Phân bố dải tần được sử dụng cho vệ tinh

Dải tần (MHz) Dịch vụ triển khai

137-138 VHF Dữ liệu tốc độ thấp từ vệ tinh - mặt đất 145-146 VHF Vệ tinh không chuyên.

148-150 VHF Đường lên cho các vệ tinh tốc độ thấp. 240-270 UHF Vệ tinh quân đội

400-403 UHF Thông tin di động 432-438 UHF Vệ tinh không chuyên.

36

2,025-2,300 băng S Truyền tin từ vệ tinh - mặt đất và ngược lại 8,000-9,000 băng X Truyền dẫn vệ tinh tốc độ cao

Trên 20.000 Dải tần ngày càng được sử dụng nhiều hơn.

Bảng 2.4 Phân bố dải tần được sử dụng cho vệ tinh (tiếp)

7.000 71.000 Vệ tinh không chuyên 14.000 14.250 Vệ tinh không chuyên 19.068 18.168 Vệ tinh không chuyên 21.000 21.450 Vệ tinh không chuyên 24,890 24.990 Vệ tinh không chuyên 137.000 138.000 Vệ tinh - trạm mặt đất 144.000 146.000 Vệ tinh không chuyên 148.000 149.900 Trạm mặt đất - vệ tinh 149.900 150.050 Trạm mặt đất - vệ tinh 1.619.625 1.619.875 Trạm mặt đất (di động) - vệ tinh 1.620.125 1.620.375 Trạm mặt đất (di động) - vệ tinh 399.900 400.050 Trạm mặt đất - vệ tinh 400.150 401.000 Vệ tinh - trạm mặt đất

401.000 402.000 Vệ tinh - trạm mặt đất và ngược lại 402.000 403.000 Trạm mặt đất - vệ tinh

1,164.000 1,215.000 Vệ tinh định vị, từ vệ tinh- mặt đất, Vệ tinh - vệ tinh 1,215.000 1,240,000 Vệ tinh định vị, từ vệ tinh- mặt đất, Vệ tinh - vệ tinh 1,240.000 1,300.000 Vệ tinh - trạm mặt đất

1,300.000 1,350.000 Định vị, dẫn đường

1,400.000 1,427.000 Các vệ tinh nghiên cứu và khám phá 1,525.000 1,535.000 Vệ tinh - trạm mặt đất

1,535.000 1,559.000 Vệ tinh - trạm mặt đất

1,559.000 1,610.000 Vệ tinh định vị, từ vệ tinh- mặt đất, Vệ tinh - vệ tinh 1,610.600 1,613.800 Trạm mặt đất (di động, dẫn đường vũ trụ) - vệ tinh 1,626.500 1,660.000 Trạm mặt đất (di động) - vệ tinh

37

1,675.000 1,695.000 Trạm mặt đất (Khí tượng thủy văn) - vệ tinh 1,695.000 1,710.000 Vệ tinh (Khí tượng thủy văn) - trạm mặt đất 1,761.000 1,850.000 Khai thác không gian từ trạm mặt đất - vệ tinh 2,000.000 2,020.000 Trạm mặt đất (di động) - vệ tinh

2,025.000 2,110.000 Nghiên cứu không gian từ trạm mặt đất - vệ tinh 2,200.000 2,290.000 Vệ tinh - trạm mặt đất

2,310.000 2,345.000 Vệ tinh quảng bá 2,483.500 2,500.000 Vệ tinh - trạm mặt đất

2,655.000 2,700.000 Nghiên cứu không gian thụ động 3,100.000 3,300.000 Các vệ tinh nghiên cứu và khám phá 3,600.000 4,200.000 Vệ tinh cố định vệ tinh - mặt đất 4,500.000 4,800.000 Vệ tinh cố định vệ tinh - mặt đất

5,000.000 5,010.000 Tần số từ Mặt đất - vệ tinh trong dịch vụ định vị.

(Nguồn: www.esa.int)

Các tần số VHF phù hợp với các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp. Các anten vệ tinh, do kích thước của thiết kế, thường là đa hướng và cố định (không thể quay bám). Ăng-ten này thường phải được xếp gọn, vì cần giảm thiểu kích thước khi triển khai và hoạt động trên quỹ đạo. Khi nhiễu tần số vô tuyến trên mặt đất làm tăng nhiệt tạp âm RF của trạm mặt đất lên hơn 10 dB, liên lạc thì yêu cầu máy phát công suất của vệ tinh hoặc hoặc ăng ten trạm mặt đất phải có độ lợi cao.

Các tần số UHF cũng được sử dụng cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp. Tuy nhiên, ăng ten của vệ tinh nhỏ hơn (hoặc chúng có độ lợi lớn hơn). Tạp âm trên mặt đất lớn hơn ở băng tần VHF nhưng các trạm mặt đất có độ tăng ích ăng ten lớn hơn dù kích thước anten nhỏ hơn. Tất cả các yếu tố này cho phép hệ thống hoạt động ở tốc độ dữ liệu cao hơn (thường là vài trăm Kbps).

Tại băng tần S, nhiễu mặt đất rất nhỏ và các ăng-ten của vệ tinh có độ lợi cao, do vậy dễ thiết kế và triển khai hơn. Do đó, các hệ thống làm việc ở băng tần này có thể hoạt động ở tốc độ dữ liệu vài MHz.

Tại băng tần X bao gồm tất cả các thuộc tính được mô tả cho băng S và đặc biệt có nhiều băng thông có sẵn, do đó băng tần này có thể thiết kế áp dụng cho các tốc độ truy cập lên đến hàng chục MHz.Tuy nhiên, sự suy hao do mưa ở băng tần này là

38

rất lớn, nên cần cân nhắc tính toán. Ở tất cả các dải tần số này, FCC yêu cầu mật độ bức xạ điện tự trên mặt đất nhỏ hơn 1–5 mW/cm2. Giá trị này có tác dụng giới hạn công suất phát cực đại của vệ tinh và độ tăng ích anten.

2.4.2Điều chế

Thông tin liên lạc lên và xuống vệ tinh sử dụng dữ liệu số và một số các loại điều chế cơ bản. Các kiểu điều chế này được sử dụng thường xuyên và có các đặc điểm chung được liệt kê chi tiết trong bảng 2.5. Các kiểu điều chế được liệt kê được xắp xếp theo thứ tự giảm dần tỷ lệ S/N với cùng tỷ lệ lỗi bit (BER).

Bảng 2.5: Phân loại điều chế và các đặc tính cơ bản.

Kiểu điều chế Mô tả Ghi chú

FSK (rời rạc) Tần số sóng mang chuyển đổi trong 2 giá trị

Phương pháp điều chế cơ bản, đơn giản, không nhạy cảm với hiệu ứng doppler,

Chỉ số điều chế là 0,3 FSK (liên tục) Tần số sóng mang thay đổi

theo độ dịch pha

Kiểu điều chế cho tỉ lệ S/N thấp hơn với cùng một giá trị BER

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)

Dữ liệu bit được làm tròn trước khi áp dụng điều chế FSK

Tương tự như FSK ngoại trừ hiệu suất phổ cao hơn. PSK (Phase Shift

Keying)

Pha của sóng mang thay đổi

±90° Tăng hiệu suất của BER.

BPSK (Bi-Phase Shift

Keying)

Sóng mang được điều chế theo tín hiệu theo hai trạng thái +1 or - 1

Hiệu suất cao nhưng nhạy cảm với hiệu ứng Doppler. QPSK (Quadrature

Phase Shift Keying)

Pha của sóng mang thay đổi từ 1-4 trạng thái.

Cải thiện hiệu quả phổ tần khi sử dụng 2 bit mỗi tại bước điều chế.

O-QPSK (Offset QPSK)

Một trong 2 pha được thay đổi trễ theo từng bit.

Cải thiện hiệu quả phổ tần, nhưng pha của tín hiệu biến đổi theo từng bit.

39

2.4.3Tỉ số BER và hệ số FEC:

Trước khi thiết kế đường truyền thông tin tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N yêu cầu cần được xác định cụ thể, các đặc tính của các kỹ thuật điều chế khác nhau phải được đánh giá và xem xét áp dụng vào hệ thống.

Tùy thuộc vào loại điều chế lựa chọn, luôn có sự khác biệt đáng kể trong tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cần thiết để có được chất lượng đường truyền tin cậy. Điều này được thể hiện bởi tỷ lệ lỗi bit như một hàm của năng lượng bit tín hiệu trên mật độ công suất nhiễu (Eb/No). Hình 2.14 cho thấy tỉ số BER tương quan với hệ số Eb/No áp dụng cho các kiểu điều chế thường hay được sử dụng nhất.

Hệ số mã sửa lỗi trước FEC thường được sử dụng để giảm giá trị Eb/No yêu cầu. Các giá trị hiệu chỉnh sửa lỗi sẽ làm tăng số lượng bit trong tin báo phát đi nhằm cung cấp khả năng tái tạo tin nhắn ít có tạp âm hoặc can nhiễu từ các nguồn khác. Có nhiều loại mã sửa lỗi khác nhau với các thuộc tính khác nhau. Ở đây, chúng ta sẽ xét mã Viterbi được sử dụng thường xuyên nhất Mã tích hợp 1/2, k = 7.

Việc áp dụng FEC có thể làm giảm tốc độ dữ liệu tin nhắn hiệu quả (nếu tốc độ bit là được giữ cố định), hoặc nó sẽ làm tăng tốc độ bit và băng thông nếu tốc độ dữ liệu được giữ không đổi. Vì vậy, trong khi sử dụng FEC có những lợi thế đáng kể về sửa lỗi nhưng đồng thời nó cũng có những bất lợi về dung lượng đường truyền. Hình 2.14 cho thấy BER so với Eb/No cho các loại điều chế FSK, BPSK, QPSK, FSK với FEC và QPSK với FEC.

40

Hình 2.14: Biến thiên tỉ lệ lỗi bit với Eb/No theo các kiểu điều chế khác nhau.