DÂY LƯNG & VÍ DA CHẤT LƯỢNG CAO THƯƠNG HIỆU H2


QUỸ ĐẠO VỆ TINH VÀ HỆ THỐNG ANTEN BÁM THEO VỆ TINH


1. Giới thiệu.

Khái niệm về hệ thống thông tin toàn cầu sử dụng vệ tinh lần đầu tiên được đề xuất trong một tạp chí Anh có tên gọi "Wireless World" vào tháng 5 năm 1945 của tác giả Arthur C. Clarke – một nhà khoa học viễn tưởng. Một trích đoạn tóm tắt từ tạp chí này nhấn mạnh việc đưa ra vị trí quỹ đạo đối với các vệ tinh viễn thông địa tĩnh dưới đây:
"Tất cả những vấn đề này có thể được giải quyết bằng việc sử dụng một loạt các trạm vệ tinh không gian có một chu kỳ quỹ đạo 24 giờ với yêu cầu các vệ tinh này ở cách tâm trái đất là 42.000 Km. Có một số những thiết kế khả thi cho một loạt các hệ thống liên lạc toàn cầu đơn giản nhất được trình bày trên hình 1. Theo quan điểm của những nhà nghiên cứu hành tinh trái đất, các trạm này sẽ nằm ở mặt phẳng xích đạo của trái đất và chúng vẫn sẽ luôn luôn được định vị giống như các đốm chấm trên bầu trời. Không giống như các thiên thể khác, chúng không bao giờ xuất hiện hoặc biến đi. Điều này sẽ làm đơn giản hoá đi rất nhiều việc sử dụng các thiết bị thu trực tiếp đặt trên mặt đất". 
http://dinhchithanh.com/wp-content/uploads/2011/02/clip_image006_thumb.jpg
Hình 1. Quan điểm của Arthur C. Clarke về hệ thống viễn thông toàn cầu gồm 3 vệ tinh.
Cũng theo Arthur C. Clarke, "Các đường kinh độ sau tạm thời được đề xuất nhằm cung cấp một dịch vụ tốt nhất đến các phần của trái đất nằm trong khu vực phủ sóng tín hiệu vệ tinh là:
300E (300 Đông) – Khu vực Châu Phi và Châu Âu
1500E (1500 Đông) – Khu vực Trung quốc và Đại dương
900W (900 Tây) – Khu vực Châu Mỹ
Như vậy, nếu đặt một vệ tinh trên quỹ đạo nhất định, quay quanh địa cầu ở khoảng cách 42.000Km thì có thể phủ sóng 1/3 trái đất. Điều đó cũng có nghĩa là nếu thiết lập 3 vệ tinh địa tĩnh được đặt ở các vị trí cách đều nhau trên quỹ đạo sẽ cho phép chúng ta thiết lập được hệ thống thông tin vệ tinh toàn cầu. Hình 1 thể hiện rõ quan điểm của Arthur C. Clarke.
2. Quỹ đạo vệ tinh và ổn định quỹ đạo vệ tinh.
2.1. Quỹ đạo vệ tinh.
Nhờ vào các tiến bộ công nghệ trong việc chế tạo các tên lửa phóng và các vệ tinh nên có thể đạt đến quỹ đạo mà thời gian di chuyển của vệ tinh chung quanh quả đất trong 24 giờ. Trong bất cứ mọi cuộc thảo luận về quỹ đạo vệ tinh, người ta đều nhận thức được sự cần thiết phải dựa vào các định luật cơ học trong không gian mà những định luật này sẽ điều khiển sự chuyển động của các vệ tinh. Trong đó, chú ý đến định luật rất quan trọng của Kepler đặt ra 3 điều kiện:
  • Quỹ đạo của bất kỳ vệ tinh trái đất phải nằm ở mức xích đạo để vệ tinh không di chuyển lệch hướng.
  • Quỹ đạo phải tròn để tốc độ vệ tinh không đổi.
  • Bán kính của quỹ đạo phải đạt 42.500 km hoặc 35.800 km cách mặt đất, do bán kính của quả đất là 6.366 km. Với điều kiện như vậy thì chu kỳ quay vòng của vệ tinh có thời gian bằng chu kỳ tự quay của quả đất quanh trục của nó là 23 giờ 56 phút. Lực hút của trái đất với lực ly tâm của vệ tinh sẽ bằng nhau. Bán kính của quỹ đạo, không lệ thuộc vào khối lượng của vệ tinh mà lệ thuộc vào tốc độ góc của vòng quay.
Có 3 loại quỹ đạo vệ tinh cơ bản (Hình 2), đó là:
Quỹ đạo phân cực tròn (Circular Polar Orbits)
Quỹ đạo nghiêng elip (Eliptically Inclined Orbit)
Quỹ đạo địa tĩnh tròn (Circular Geostationary Orbit).
Hình 2: Các quỷ đạo vệ tinh cơ bản
Phần lớn các vệ tinh viễn thông hoạt động trong Quỹ đạo địa tĩnh, đó là quỹ đạo tròn mà mặt phẳng của nó trùng với mặt phẳng quỹ đạo của trái đất và chu kỳ quay của nó phù hợp với chu kỳ quay của quả đất. Đối với Quỹ đạo địa tĩnh, khi vệ tinh cách trái đất khoảng 35.800 km (đường chiếu từ quỹ đạo đến tâm trái đất khoảng 42.000 km) thì thời gian đi của vệ tinh hết một quỹ đạo là 24 giờ (đúng bằng thời gian trái đất quay quanh trục của nó). Do vậy từ vệ tinh đến người quan sát tại vị trí bất kỳ trên mặt đất đều nằm trong tầm nhìn vệ tinh và từ trái đất ta luôn thấy vệ tinh không chuyển động trên không trung. Tuy nhiên, các vệ tinh không hoàn toàn chính xác là địa tĩnh bởi vì nó còn chịu ảnh hưởng của một số lực tác động như trường hấp dẫn của quả đất, lực phát xạ của mặt trăng và mặt trời. Tác động ảnh hưởng này làm trôi dịch vệ tinh khỏi vị trí xác định của nó theo các chiều Bắc-Nam và Đông-Tây. Trừ phi được hiệu chỉnh, mặt phẳng nghiêng quỹ đạo (bị tạo ra do trôi dịch Bắc-Nam) tăng một giá trị trung bình là 0,86 độ mỗi năm liên quan đến đường xích đạo.
Quỹ đạo địa tĩnh ngày nay đang được sử dụng phổ biến trong truyền hình qua vệ tinh. Ưu điểm cơ bản của vệ tinh địa tĩnh là anten thu đặt trên bề mặt trái đất là cố định với độ tăng ích cao. Về lý thuyết, vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng cho 1/3 vùng trái đất. Tuy nhiên, trong thực tế khó có thể thực hiện được vì góc ngẩng (tối thiểu cho phép) của anten thu bị hạn chế.
Khác với Quỹ đạo địa tĩnh tròn, đối với các quỹ đạo khác, chu kỳ quay của vệ tinh khác với chu kỳ quay của quả đất quanh trục của nó, có nghĩa là vệ tinh chuyển động trong không gian càng nhanh hơn khi tiến càng gần đến trái đất.
Quỹ đạo nghiêng elip thường được sử dụng cho một số hệ thống vệ tinh viễn thông, nhất là đối với các nước ở vùng bắc bán cầu, như ở Nga chẳng hạn. Kết quả thu truyền hình từ vệ tinh sẽ tốt trong vòng 12 giờ đối với hệ thống quỹ đạo nghiêng elip (điểm cách trái đất xa nhất khoảng 40.000 km, điểm cách trái đất gần nhất khoảng 500 km) có một góc nghiêng 630. Nhờ việc kéo dài dạng quỹ đạo ở gần điểm cách xa trái đất nhất lên cao hơn mà phạm vi phủ sóng được mở rộng lên phía bắc bán cầu, nơi mà vệ tinh địa tĩnh không thể nào bao phủ. Mặt khác, do tốc độ di chuyển của vệ tinh ở đIểm cách xa trái đất rất nhỏ nên trong một thời gian nhất định, ta vẫn có thể thu tín hiệu liên tục với anten cố định và do đó, phạm vi thu rộng hơn so với vệ tinh địa tĩnh. Cũng do vị trí của vệ tinh so với quỹ đạo có thay đổi (đã nêu ở phần trên) nên anten thu tín hiệu vệ tinh cũng phải tự động và liên tục đổi hướng cùng với vệ tinh.
2.2. Ổn định quỹ đạo vệ tinh.
Duy trì vệ tinh tại vị trí địa tĩnh được quy định của nó, các điều chỉnh định kỳ được thực hiện bằng các lệnh kiểm soát, kiểm tra từ các đài điều khiển mặt đất TTC & M (Telemetry Tracking Control and Monitoring) nhằm giữ sự trôi của vệ tinh trong ranh giới phạm vi cho phép nào đó. Hai phương pháp chính hiện nay được thực hiện để ổn định trạng thái vệ tinh là
  • Ổn định quay (Spin Stabilization)
  • Ổn định ba trục (Three-axis Stabilization).
Ổn định quay - Spin Stabilization là phương pháp ổn định trạng thái vệ tinh bằng cách sử dụng nguyên lý con quay quay ở tốc độ quay cao để duy trì trạng thái không đổi. Vệ tinh được quay trên trục riêng (trục quay). Mô men góc được tạo ra bởi con quay được dùng để khống chế tác động của các ảnh hưởng bên ngoài để ổn định trạng thái vệ tinh.
Ổn định trạng thái ba trục – Three-axis Stabilization là phương pháp điều khiển trạng thái vệ tinh bằng cách hấp thu các mômen xoắn nhiễu bên ngoài do các nguyên nhân khác nhau tạo ra. Phương pháp này sử dụng các bánh xe quay trên ba trục vệ tinh là các trục X,Y và Z.
3. Các hệ thống quay anten bám theo vệ tinh (Antenna Tracking Systems).
Theo nguyên lý thông tin vệ tinh, vệ tinh khi chuyển động trên mặt phẳng quỹ đạo xung quanh trái đất dao động theo hình số "8" trong không gian. Nói cách khác, độ nghiêng của quỹ đạo vệ tinh tạo ra điểm vệ tinh phụ chuyển động theo hình số "8" như trên hình 3. Khi đó, tâm búp sóng chính của anten trạm mặt đất sẽ lệch một góc khoảng ± 0,10. Do khoảng cách từ vệ tinh đến bề mặt trái đất khoảng 36000 km nên nó cũng gây ra độ lệch tia sóng chính khỏi vệ tinh là 36000 x tg (0,10) » 63 km. Với độ lệch tia sóng chính như vậy sẽ ảnh hưởng lớn tới cường độ trường thu được và chất lượng tín hiệu thu phát qua vệ tinh sẽ giảm sút nhiều nếu như không có biện pháp điều chỉnh góc lệch này nhỏ dần, tiến tới 00. Yêu cầu đặt ra là anten tại các trạm mặt đất phải bám theo vệ tinh nhằm giảm thiểu sự suy hao mức tín hiêụ do độ tăng ích anten giảm. Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật điều chỉnh quay anten bám theo vệ tinh (Antenna Tracking).
Hình 3: Các quỷ đạo vệ tinh và điểm vệ tinh phụ
Tại các Đài vệ tinh mặt đất, các loại hệ thống quay anten bám theo vệ tinh (Antenna Tracking System) được sử dụng bao gồm:
  • Hệ thống xung đơn (Monopulse Tracking System)
  • Hệ thống này luôn luôn xác định tâm búp sóng anten có hướng đúng vào vệ tinh hay không để điều khiển hướng vệ tinh.
  • Hệ thống bám theo từng nấc (Step Tracking System)
  • Hệ thống này dịch chuyển nhẹ vị trí anten ở các khoảng thời gian nhất định để điều chỉnh hướng sao cho mức tín hiệu thu là cực đại.
  • Hệ thống điều khiển theo chương trình (Programed Control System)
  • Hệ thống này điều khiển anten dựa trên cơ sở các dự đoán trước về quỹ đạo vệ tinh.
Trong thời gian phát triển ban đầu của hệ thống liên lạc vệ tinh, Hệ thống xung đơn được sử dụng rộng rãi, nhưng từ giữa những năm 70 của thế kỷ trước cho đến nay, người ta đã chuyển sang sử dụng Hệ thống bám theo từng nấc và Hệ thống điều khiển theo chương trình.
4. Kỹ thuật tự động bám vệ tinh theo từng nấc (Steptrack Autotracking).
4.1. Khái niệm bám vệ tinh theo từng nấc.
Sau khi nhận được tín hiệu chuẩn được phát từ vệ tinh gọi là tín hiệu beacon (hay được gọi là tín hiệu pilot), anten tại trạm thu mặt đất nhận được lệnh thực hiện chuyển động theo một góc ngẩng hoặc góc phương vị nào đó so với vị trí ban đầu. Với từng quả vệ tinh thu phát tại băng tần nhất định (băng C, Ku…) ta có một tần số beacon nhất định. Bằng việc so sánh mức tín hiệu nhận được trước và sau khi chuyển động, chiều chuyển động tiếp theo có thể được quyết định. Nếu như mức tín hiệu được tăng lên, anten tiếp tục được chuyển động theo cùng chiều và nếu như mức tín hiệu bị giảm xuống, chiều chuyển động của anten sẽ theo hướng ngược lại. Quá trình này sẽ được tiếp diễn và luân chuyển giữa hai trục vuông góc của anten.
4.2. Cấu hình tổng quát và hoạt động của hệ thống bám vệ tinh theo từng nấc.
Hệ thống bám vệ tinh theo từng nấc (Steptrack System) dựa trên sự tối ưư mức tín hiệu beacon nhận được và trạng thái hoạt động tại khoảng thời gian định trước. Sau mỗi khi đạt được sự tối ưu, hệ thống tự động điều khiển đi vào chế độ sẵn sàng đợi (stand-by) cho đến chu kỳ mới.
Điều khiển bám từng nấc được thực hiện thông qua mạch bám từng nấc (Steptrack Circuit) của khối điều khiển anten ACU (Antenna Control Unit) và nó sử dụng mức điện áp DC (beacon) để xác định chiều mà ở đó anten xoay rồi sau đấy tạo ra một tín hiệu khởi động để điều khiển các động cơ xoay góc ngẩng và góc phương vị anten.
Hệ thống bám vệ tinh theo từng nấc gồm có một số khối chủ yếu như : Khối khuếch đại công suất điều khiển anten ACU; khối hiển thị vị trí anten; hai động cơ điều khiển góc ngẩng, góc phương vị anten; hai bộ cảm biến góc ngẩng (El sensor) và góc phương vị (Az sensor). ACU được sử dụng để điều khiển anten hoặc là bằng tay hoặc tự động trong lúc khối hiển thị vị trí anten chỉ cho biết hướng (góc ngẩng và phương vị) tại vị trí xác định của anten. Anten có thể được điều khiển bằng động cơ xoay chiều 3 pha hoặc bằng động cơ một chiều dùng thyritstor, cùng được gắn kết với hệ thống cơ khí truyền động dễ dàng theo mỗi hướng anten.
Tín hiệu vệ tinh beacon nhận được cùng với tất cả các tín hiệu thông tin khác nhờ anten và được khuếch đại bằng bộ LNA (Low Noise Amplifier). Đầu ra bộ LNA được phân chia cung cấp cho các thiết bị liên lạc mặt đất GCE (Ground Communication Equipment), bộ phân tích phổ (Spectrum Analyzer) để kiểm tra và tới hệ thống bám vệ tinh (tracking system). Hình 4 mô tả cấu hình hệ thống bám theo từng nấc.
Hình 4: Cấu hình hệ thống bám vệ tinh theo từng nấc
Các tín hiệu vệ tinh được đưa tới bộ hạ tần (Beacon Down convector) thành tín hiệu trung tần, sau đó được đưa tới bộ thu beacon vệ tinh (Beacon Receiver). Thiết bị này tách ra tín hiệu beacon ( là tín hiệu một chiều ) để cung cấp điện áp DC tỷ lệ thuận với cường độ tín hiệu, đưa tới đầu vào khối điều khiển anten ACU. Khối này có nhiệm vụ so sánh mức tín hiệu beacon vệ tinh với các tín hiệu của bộ cảm biến góc phương vị (Az) từ bộ Az Motor & Synchro và của bộ cảm biến góc ngẩng (El) từ bộ El Motor & Synchro để tạo ra tín hiệu điều khiển các động cơ góc phương vị và góc ngẩng.
Sự đồng bộ trên mỗi trục góc phương vị và góc ngẩng sẽ cung cấp thông tin phản hồi theo vị trí của anten đến ACU sẽ được thể hiện trên màn hình.
Nhược điểm chính của hệ thống bám vệ tinh theo từng nấc là:
1. Việc xác định một búp sóng cực đại đúng vào vệ tinh khó chính xác.
2. Bám theo vệ tinh có thể bị kém đi do dao động biên độ của mức tín hiệu nhận được, ví dụ khi có sự biến đổi áp suất khí quyển. Điều này cũng sẽ có tác động, ảnh hưởng nhất định đến tín hiệu truyền dẫn mà mức EIRP của nó sẽ phải được giữ trong phạm vi danh định là ± 0,5 dB.
Tuy nhiên các tồn tại này có thể được hạn chế, khắc phục bằng việc chọn khoảng nấc đủ nhỏ để tạo ra sự bám anten liên tục.
Ưu điểm lớn nhất hệ thống bám vệ tinh theo từng nấc là đơn giản, điều này có ý nghĩa rất lớn về việc giá thành hạ hơn do hệ thống này không yêu cầu có cấu trúc đặc biệt. Việc bảo trì, sửa chữa cũng đơn giản, thuận tiện hơn.
Tài liệu tham khảo.
[1] Reference manual on satellite broadcasting - John Batchelor, 2000.
[2] Earth station technology - IADP and Signatory Training Department, 1995.
[3] Thu truyền hình trực tiếp từ vệ tinh- Nguyễn Kim Sách, Nhà Xuất bản Khoa học & Kỹ thuật - Hà nội, 1991.
[4] Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Truyền hình - Đài THVN, số 1/2003.
[5] Truyền hình qua vệ tinh - Rene Besson, Hồ Vĩnh Thuận dịch –Trường Đại học Bách khoa T.P Hồ Chí Minh 1994.
[6] Thông tin Vệ tinh - Nhà Xuất bản Khoa học & Kỹ thuật - Hà nội, 1997.
                                                                                                                              Th.S. Trần Việt Thắng