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

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 EIRPs của 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
Trong đó : 0β là góc ở tâm (độ).
d là khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh (km).
Re là bán kính Trái đất, Re = 6378 km.
r là bán kính quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh:
 r = 35.768km +6.378km= 42.146km
Góc ở tâm 0β được tính theo công thức:
eLcoscoscos ∆= φβ 0
Với φ là vĩ độ của trạm mặt đất (độ).
 eL∆ là hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất, eSe LLL −=∆ 
Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh tính theo công thức:
 )cos2( 022 βee rRRrd −+= (km) (6.1)
86
Trạm mặt đất
Vệ tinhr
d
Tâm trái đất
Re E
0β
Hình 6.1 Các tham số của đường truyền trạm mặt đất - vệ tinh.
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
Trong hình 6.2, O là tâm trái đất, A là vị trí của trạm mặt đất, S là vị trí của 
vệ tinh, 0β là góc ở tâm, eθ là góc ngẩng của trạm mặt đất.
Ta có
SM
MAtg e =θ
Trong đó, eRrOAOSOAOMMA −=−=−= 00 coscos. ββ
00 sinsin. ββ rOSSM ==
Từ đó suy ra: 
0
0
0
0
sin
cos
sin
cos
β
β
β
βθ r
R
r
Rr
tg
e
e
e
−
=
−
=
6.2.2.2 Góc phương vị
Góc phương vị là góc dẫn đường cho anten quay tìm vệ tinh trên quỹ đạo địa 
tĩnh theo hướng từ Đông sang Tây.
87
• M
• O
S •
• A 
eθe
θ
0β
Hình 6.2 Tính toán góc ngẩng
r
eR
Cực Bắc
450W 300 E
Góc phương vị của vệ tinh 2 Góc phương vị của vệ tinh 1
Vệ tinh 2 (45oW) Vệ tinh1(300 E)
Hình 6.3 Góc phương vị của vệ tinh
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:
 ϕa =1800 + kinh độ tây hoặc
 ϕa =1800 - kinh độ đông 
ϕa phụ 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: ϕa1 =1800- kinh độ đông = 180o-30o =150o
 Vệ tinh 2: ϕa2 =1800+ kinh độ tây = 180o + 45o =225o
Góc phương vị ϕa được tính theo công thức:
 )sin(
Ltg
tg ea φϕ −
∆
= (6.2)
Với φ là vĩ độ của trạm mặt đất (độ).
eL∆ là hiệu kinh độ đông của vệ tinh với trạm mặt đất, eL∆ = Ls - Le .
6.3 Tính toán kết nối đường lên (UPLINK)
6.3.1 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của trạm mặt đất eEIRP (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 PTe với hệ số tăng ích của anten phát GTe
 TeTee GPEIRP = (W) hoặc đổi ra đơn vị dB:
 TeTee GPEIRP += )lg(10 [dB] (6.3)
EIRPe thông 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 GTe 
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
log10 


=
c
DfG UTe
piη , hoặc:
 [ ]dBcDfG UTe )lg(20)lg(20)lg(10 −+= piη (6.4)
 với : D là Đường kính của anten phát.
 Uf là tần số tín hiệu phát lên.
 η là hiệu suất của anten, η thường khoảng từ 50% - 70% .
 c là vận tốc ánh sáng, c = 3.108 m/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 :
 RSUeRS GLEIRPC +−= (dB) (6.5)
 với : GRS - hệ số khuếch đại của anten thu vệ tinh.
88
6.3.4 Tổng suy hao tuyến lên
Tổng suy hao tuyến lên: OUFUSPUU LLLL ++= (dB) (6.6)
Trong đó : 
SPUL - suy hao tuyến phát trong không gian tự do.
FUL - suy hao do hệ thống fiđơ và đầu vào máy thu.
OUL - 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: 
 )clg()dflg(L USPU 20420 −= pi (dB) 
 6.3.5 Độ lợi của anten thu vệ tinh 
Độ lợi của anten thu vệ tinh được tính bằng biểu thức:
USRS Tlg)T/G(G 10+=
(G/T)S là hệ số phẩm chất của máy thu vệ tinh 
TU là nhiệt tạp âm tuyến lên, chủ yếu là nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh TRS 
và nhiệt tạp âm anten thu vệ tinh TAS: 
 ASRSU TTT +=
6.3.6 Công suất tạp âm tuyến lên
 BkTN UU = hay tính theo dB:
 )Blg()Tlg()klg(N UU 101010 ++= (dB) (6.7)
Trong đó 
k là hằng số Boltzman, k =1,38.10-23 (W/Hz0K)
 B là băng thông của máy thu. 
TU là nhiệt tạp âm tuyến lên: ASRSU TTT +=
Nhiệt tạp âm của máy thu vệ tinh được tính theo biểu thức:
0
10 110 T)(T
F
RS −=
Trong đó, F [dB] là hệ số tạp âm của máy thu vệ tinh và T0 là nhiệt độ chuẩn, 
KT 00 290=
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. 
 ( ) URSUeURSU NGLEIRPNCN/C −+−=−= (dB) (6.8)
(C/N)U là 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 EIRPs của 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. EIRPs của vệ tinh thông thường được cho trước .
6.4.2 Tổng suy hao tuyến xuống
89
Tổng suy hao tuyến lên: ODFUSPDD LLLL ++= (dB) (6.9)
Trong đó : SPDL - suy hao tuyến xuống trong không gian tự do.
FDL - suy hao do hệ thống fiđơ và đầu vào máy thu.
 ODL - 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: 
 )clg()dflg(L DSPD 20420 −= pi (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
10 


=
c
DflogG DRe
piη 
[ ]dB)clg()Dflg()lg(G DRe 202010 −+= piη (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 :
 ReDsRe GLEIRPC +−= (dB) (6.12)
 với : GRe là 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:
 BlogTlogklog)BkTlg(N SYSYSSSYS 10101010 ++==
6,228log10 −=k
TSYS là nhiệt tạp âm hệ thống được xem là tổng của bốn thành phần được biểu 
diễn theo biểu thức:
 R
F
FAS
SYS TL
TTT
T +
++
= [0K] 
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:
 SYSReDsSYSReD NGLEIRPNC)N/C( −+−=−= (6.13)
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.
90
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.
91