Luận văn Xây dựng phần mềm mô phỏng các thông số đường truyền của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát Trái Đất

Nội dung tài liệu: Luận văn Xây dựng phần mềm mô phỏng các thông số đường truyền của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát Trái Đất

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Quang Huy XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CÁC THÔNG SỐ ĐƢỜNG TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG VỆ TINH NHỎ QUAN SÁT TRÁI ĐẤT Chuyên ngành: Vâṭ lý Vô tuyến và Điêṇ tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đỗ Trung Kiên Hà Nội – Năm 2017
2. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH ......... 3 1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh .................................... 3 1.1.1. Phần không gian .............................................................................. 3 1.1.2. Phần mặt đất .................................................................................... 6 1.2 Cấu trúc đặc trưng của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát trái đất ............ 7 1.2.1. Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ ....................... 7 1.2.2. Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu của trạm mặt đất băng S ....... 10 Chương 2 - TÍN HIỆU VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG TÍN HIỆU TRONG THÔNG TIN VỆ TINH ........................................................... 12 2.1 Đặc điểm của tín hiệu trong thông tin vệ tinh ...................................... 12 2.2 Đặc điểm Kênh truyền và phân tích tuyến Trạm mặt đất - vê ̣tinh ...... 14 2.2.1. Các ảnh hưởng của tầng khí quyển đến kênh truyền .................... 14 2.2.2. Hấp thu ̣phân tử ............................................................................. 17 2.2.3. Tổn hao do hấp thu ̣mưa ................................................................ 17 2.3 Các tham số cơ bản của tuyến liên lạc thông tin vệ tinh ................... 20 2.3.1. Các tham số của anten ................................................................ 20 2.3.2. Đồ thị phương hướng bức xạ của anten ...................................... 21 2.3.3. Sự phân cực của sóng ................................................................. 21 2.3.4. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ............................... 22 2.3.5. Công suất tín hiêụ thu đươc̣ và tổn hao truyền sóng trong không gian tư ̣ do .................................................................................... 23
3. 2.3.6. Công suất tín hiêụ thu đươc̣ có tính đến tổn hao hấp thu ̣và ảnh hưởng của tầng khí quyển ........................................................... 24 2.3.7. Tính toán dự trữ tuyến có tính đến các tổn hao khác .................. 25 2.4 Công suất tạp âm và đánh giá chất lượng đường truyền ...................... 25 2.4.1. Tạp âm trên tuyến thông tin vệ tinh .............................................. 25 2.4.2. Chất lượng đường truyền vệ tinh .................................................. 27 Chương 3 - XÂY DỰNG PHẦ N MỀ M TÍNH TOÁ N CÁ C THÔNG SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN............................................. 29 3.1 Các thông số đầu vào ............................................................................ 30 3.2 Một số công thức sử dụng trong việc tính toán quỹ đường truyền ...... 31 KẾ T LUÂṆ .................................................................................................... 39
4. DANH MUC̣ BẢ NG BIỂ U: Bảng 1. 1: Tên và phân loại sóng vô tuyến ...................................................... 5 Bảng 1. 2: Các loại anten sử dụng cho vệ tinh nhỏ .......................................... 7 Bảng 2. 1: Các hệ số hồi qui để xác định tổn hao sóng vô tuyến do mưa (ITU-R) .......................................................................................................... 18 Bảng 3. 1: Thông số quỹ đường truyền của trạm mặt đất băng S .................. 30 Bảng 3. 2: Các thông số hệ thống thu phát sóng trên vệ tinh ........................ 31 Bảng 3. 3: Độ suy hao trong khí quyển tại Hà Nội với tần số của tín hiệu TC theo ITU-R P.618-7 ........................................................................................ 33 Bảng 3. 4: Độ suy hao trong khí quyển tại Hà Nội với tần số của tín hiệu TM theo ITU-R P.618-7 ........................................................................................ 34 DANH MUC̣ HÌNH Ả NH: Hình 1. 1: Cấu trúc tổng quát của một hệ thống vệ tinh .................................. 3 Hình 1. 2: Cấu trúc hệ thống thu phát tín hiệu trên vệ tinh nhỏ .................... 10 Hình 1. 3: Trạm mặt đất băng S của hệ thống vệ tinh nhỏ Vnredsat-1 .......... 11 Hình 2. 1: Lượng nước mưa trung bình hàng năm ........................................ 19 Hình 3. 1: Lưu đồ thuật toán tính toán các thông số đường truyền ............... 29 Hình 3.2 : Suy hao không gian tự do theo độ cao quỹ đạo ........................... 35 Hình 3. 3 : Liên hê ̣giữa tỉ số tín hiêụ trên tap̣ âm và tỉ lê ̣bit lỗi ................... 37
5. LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vật lý Vô tuyến và Điện tử với đề tài “Xây dựng phần mềm mô phỏng các thông số đƣờng truyền của hệ thống vệ tinh nhỏ quan sát Trái Đất” được hoàn thành là nhờ sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy cô, bạn bè đồng nghiệp. Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian hoàn thành luận văn vừa qua. Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo TS. Đỗ Trung Kiên đã trực tiếp tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và chỉ bảo những thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này. Xin chân thành cảm ơn KS. Trần Anh Đức - đồng nghiệp, chủ nhiệm Đề tài cơ sở - Viện Công nghệ Vũ trụ: “Nghiên cứu làm chủ quá trình truyền thông giữa vệ tinh Vnredsat-1 và Trạm điều khiển mặt đất” và tập thể cán bộ Viện Công nghệ Vũ trụ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam nơi tôi đang công tác đã cung cấp các thông tin cần thiết về vệ tinh Vnredsat-1 để giúp tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Khoa học Tự nhiên, khoa Vật lý và Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình. Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Bùi Quang Huy
6. MỞ ĐẦU Trong những thâp̣ niên gần đây , các hệ thống thông tin vệ tinh ngày càng phát triển nhanh chóng . Hiêṇ nay với hàng loaṭ các loaị hình dic̣ h vu ̣do vê ̣tinh cung cấp trải rôṇ g trên tất cả các lĩnh vực từ thông tin truyền thông , dư ̣ báo thời tiết, dâñ đường – điṇ h vi,̣ đánh giá giám sát các nguồn tài nguyên , điạ giới lañ h thổ cho tới nghiên cứ u khoa hoc̣ . Thông tin vê ̣tinh có thể cung cấp không những các dic̣ h vụ dân sự mà cả các dịch vụ quốc phòng , an ninh, hàng không, hàng hải, Ngày nay, công nghê ̣vê ̣tinh đa ̃ trở thành môṭ trong những thước đo đánh giá trình đô ̣ phát triển khoa hoc̣ công nghê ̣của môṭ quốc gia. Viêṭ Nam hiêṇ nay đang ở giai đoaṇ đầu phát triển công nghệ vũ trụ . Hiêṇ tại, Viêṭ Nam đang có 02 vê ̣tinh viêñ thông Vinasat -1 (2008) và Vinasat-2 (2012) có thể cung cấp dịch vụ đường truyền vệ tinh để phát triển các dịch vụ ứng dụng như dịch vụ thoại, truyền hình, thông tin di động, truyền số liệu, Internet, các dịch vụ đào tạo và y tế từ xa, truyền tin cho ngư dân trên biển, cung cấp đường truyền thông tin cho các trường hợp khẩn cấp như thiên tai, bão lụt, đường truyền cho các vùng sâu, vùng xa, hải đảo; 01 vê ̣tinh viêñ thám Vnredsat -1 (2013) hoạt động trên quỹ đạo thấp LEO cung cấp ảnh viêñ thám vệ tinh độ phân giải cao phục vụ cho các nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội, giám sát, ứng phó với thảm hoạ thiên nhiên và biến đổi khí hậu. Trong xu thế ngày càng phát triển của công nghệ vệ tinh trên thế giới, việc sử dụng các vệ tinh nhỏ quan sát Trái đất quỹ đạo LEO nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học, lập bản đồ, giám sát tài nguyên thiên nhiên đã trở nên vô cùng phổ biến. Để thực hiện tốt những nhiệm vụ đó, việc duy trì đảm bảo kênh thông tin liên lạc giữa vệ tinh và mặt đất là vô cùng cần thiết. Vì vậy , tính toán thông số đường truyền giữa vê ̣tinh và traṃ măṭ đất Hò a lac̣ là môṭ nhiêṃ vu ̣ đầu tiên và thường xuyên của Viện Công nghê ̣Vũ tru ̣ - Viêṇ Hàn lâm Khoa hoc̣ và Công nghê ̣Viêṭ Nam. Kênh liên lạc này giúp gửi lệnh điều khiển từ mặt đất lên vệ tinh, đồng thời giúp trạm mặt đất thu nhận những dữ liệu đo xa về tình trạng vệ tinh cũng 1
7. như các dữ liệu ảnh vệ tinh gửi về. Phân tích đánh giá kênh thông tin liên lạc được thực hiện thông qua việc tính toán và mô phỏng các thông số đường truyền. Các thông số đường truyền bao gồm một bảng tính toán các loại tăng ích và suy hao, phân tích chi tiết từ các nguồn thu phát, các nguồn nhiễu, sự suy hao tín hiệu và các hiệu ứng xảy ra đối với tín hiệu trên đường truyền. Các thông số sẽ được lấy từ các nguồn thống kê hoặc trong các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Tính toán quỹ đường truyền là thực hiện việc tính toán ước lượng nhằm mục đích đánh giá khả năng xảy ra lỗi trên đường truyền. Các thông số đường truyền thường được tính toán với các điều kiện hoạt động xấu nhất, ví dụ như khi mặt đất thu tín hiệu từ vệ tinh với góc ngẩng nhỏ nhất, khoảng cách từ vệ tinh tới trạm mặt đất là xa nhất, với đầy đủ các loại suy hao trên vệ tinh cũng như trên đường truyền dẫn để đảm bảo chất lượng đường truyền dẫn thông tin liên lạc giữa vệ tinh và mặt đất trong mọi điều kiện hoạt động. 2
8. Chƣơng 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Cấu trúc tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh Cấu trúc một hệ thống truyền tin vệ tinh gồm hai phần: phần không gian và phần mặt đất. Hình 1. 1: Cấu trúc tổng quát của một hệ thống vệ tinh 1.1.1. Phần không gian Phần không gian của một hệ thống truyền tin vệ tinh bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị đặt trong vệ tinh và các hệ thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để kiểm tra theo dõi và điều khiển hành trình của vệ tinh (cả hệ thống bám, đo đạc và điều khiển). Bản thân vệ tinh bao gồm hai phần: Phần thực hiện nhiệm vụ (payload) và phần thân vệ tinh (platform). Phần thực hiện nhiệm vụ đối với các vệ tinh khác nhau có cấu trúc hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào nhiệm vụ của vệ tinh trên quỹ đạo, ví dụ đối với vệ tinh viễn thông thì payload là các bộ phát đáp tín hiệu, đối với các vệ tinh viễn thám thì payload là hệ thống chụp ảnh, radar, vv Phần thân vệ tinh bao gồm hệ thống phục vụ cho cho payload hoạt động, ví dụ như cấu trúc vỏ và khung vệ tinh, nguồn cung cấp điện, hệ thống điều khiển nhiệt độ, điểu khiển chuyển hướng, tư thế, quỹ đạo, v.v [2] 3
9. Các sóng vô tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là tuyến lên (uplink). Vệ tinh thu các sóng từ tuyến lên, xử lý, biến đổi tần số, khuếch đại và truyền các sóng vô tuyến đó về các trạm mặt đất theo tuyến xuống (downlink). Chất lượng của một liên lạc qua sóng vô tuyến đó được xác định bởi tỷ số năng lượng sóng mang trên năng lượng tạp nhiễu C/N của toàn tuyến trong đó bao gồm cả kỹ thuật điều chế và mã hóa được sử dụng. Vệ tinh trong trường hợp vệ tinh đóng vai trò là một trạm trung chuyển tín hiệu giữa các trạm mặt đất và được xem như một nút mạng với hai chức năng chính sau đây: - Khuếch đại các sóng mang thu được từ tuyến lên để sử dụng cho việc truyền lại trên tuyến xuống. Công suất đầu vào của máy thu vệ tinh có yêu cầu từ 100pW đến 1 nW, còn công suất tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát cho tuyến xuống có yêu cầu từ 10 W đến 100W. Như vậy độ tăng ích anten của bộ phát đáp vệ tinh có yêu cầu từ 100dB đến 130dB. Năng lượng sóng mang trong băng tần được bức xạ đến các vùng phủ sóng trên bề mặt quả đất theo các mức EIRP tươn ứng phủ sóng. - Thay đổi tần số sóng mang (giữa thu và phát) nhằm tránh một phần công suất phát tác động trở lại phía đầu vào đầu thu. Khả năng lọc của các bộ lọc đầu vào đối với tần số sóng mang tuyến xuống, có tính đến độ tăng ích thấp của anten, cần đảm bảo sự cách biệt khoảng 150dB. Ngoài hai nhiệm vụ chủ yếu trên thông thường vệ tinh còn có một số chức năng khác, ví dụ, đối với vệ tinh có nhiều búp sóng hoặc búp sóng quét thì bộ phát đáp vệ tinh phải có khả năng tạo tuyến sóng mang đến các vùng hoặc điểm phủ sóng yêu cầu. Trường hợp đối vưới vệ tinh tái sinh thì bộ phát đáp còn có chức năng điều chế và giải điều chế. Payload của các vệ tinh viễn thông được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật sau: - Dải tần công tác. - Số lượng bộ phát đáp 4
10. - Độ rộng dải thông của mỗi bộ phát đáp - Phân cực sóng của tuyến lên và tuyến xuống - Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) hoặc mật độ thông lượng công suất tạo ra tại biên của vùng phủ sóng phục vụ - Mật độ thông lượng công suất bão hòa tại anten thu của vệ tinh (SPD) - Hệ số phẩm chất (G/T) của máy thu vệ tinh tại biên của vùng phủ sóng hoặc giá trị cực đại - Vùng phủ sóng yêu cầu - Công suất đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát - Cấu hình dự phòng cho máy thu và bộ khuếch đại công suất phát. Băng tần phân bổ cho bộ phát đáp vệ tinh có thể từ vài trăm MHz cho đến vài chục GHz. Băng tần này thường được chia thành các băng tần con (theo phân định của ITU). Hầu hết các bộ phát đáp thường được thiết kế với dải thông 36MHz, 54 MHz hoặc 72 MHz, trong đó dải thông 36 MHz là chuẩn được dùng phổ biến cho dịch vụ truyền hình băng C (6/4 GHz). Hiện nay một số loại bộ phát đáp có xử lý tín hiệu đã được đưa vào sử dụng và như vậy có thể cải thiện được chất lượng tín hiệu. Bảng 1. 1: Tên và phân loaị sóng vô tuyến [2] Băng tần (viết Phân loaị theo STT Dải tần số Ứng dụng tắt) bướ c sóng Tần số rất thấp Sóng chục - Vô tuyến hàng hải 1 3 – 30 KHz (VLF) nghìn mét - Thông tin di đôṇ g hàng hải - Vô tuyến hàng hải 2 30 – 300 KHz Tần số thấp (LF) Sóng kilomet - Thông tin di đôṇ g hàng không Tần số trung - Thông tin hàng hải 3 300 – 3000 KHz Sóng hectomet bình (MF) - Phát thanh vô tuyến - Phát thanh sóng ngắn 4 3 – 30 MHz Tần số cao (HF) Sóng decamet - Các loại thông tin di động 5 30 – 300 MHz Tần số rất cao Sóng mét - Phát thanh FM và truyền 5