Bộ giáo dục và đào tạo viện đại học mở hà nội
luận văn thạc sỹ kỹ thuật Nghiờn cu k thut ủiu khin, vn hnh, duy trỡ v trớ v t th ca v
tinh trờn qu ủo ủa tnhChuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 102
Ngi thc hin: ng Quc Chớnh
tinh trờn qu ủo ủa tnhChuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 102
Ngày giao đề tài luận văn:
Ngày hoàn thành luận văn: Ngời thực hiện:
Họ và tên: Đặng Quốc Chính
Lớp: Kỹ thuật điện tử Khoá: 02
Hệ đào tạo: Cán bộ hớng dẫn:
Họ và tên: TS. Đặng Hải Đăng
Đơn vị công tác: Khoa KTĐT
Hà Nội - Năm 2011
1.4.3. ða truy nhập phân chia theo mã CDMA 27
1.4.4. ða truy nhập theo yêu cầu DAMA 28
1.5. Vệ tinh thông tin 29 1.5.1. Cấu trúc vệ tinh thông tin 29
1.5.2. Hệ thống ñiều khiển tư thế và vị trí của vệ tinh 33
1.5.3. Hệ thống giám sát, ño xa và ñiều khiển-TT&C 35
1.5.4. Hệ thống cung cấp nguồn (EPS) 35
1.5.5. Hệ thống ñiều khiển nhiệt (TCS) 38
1.5.6. Phân hệ ñẩy 38
1.5.7. Hệ thống cấu trúc khung 39
1.6. Hệ thống ño xa, bám, ñiều khiển 39
Chương 2
CẤU HÌNH HỆ THỐNG VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC THIẾT BỊ
TRẠM ðIỀU KHIỂN VỆ TINH
2.1 Sơ ñồ kết nối giữa các trạm ñiều khiển 40
2.2. Cấu hình hệ thống các thiết bị tại trạm ñiều khiển 41
2.2.1. Hệ thống thiết bị RF 43
2.2.2. Hệ thống thiết bị ñiều khiển Anten (ACU) 55
2.2.3 Hệ thống M&C 57
2.2.4. Hệ thống Intercom 59
2.2.5. Hệ thống tần số và thời gian chuẩn 60
2.2.6. Hệ thống thiết bị phân tích quĩ ñạo 60
2.2.7. Hệ thống thiết bị mô phỏng 61
2.2.8. Hệ thống cấp nguồn 62
2.2.9. Hệ thống làm lạnh HVAC 62
4.8. Các tham số phân hệ phần mềm 117
KẾT LUẬN 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO 119
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACS Attitude control system Hệ thống ñiều khiển tư thế
ACU Antena Control Unit Khối ñiều khiển anten
BB Base Band Băng tần cơ sở
BCF Back Up Facility Trạm dự phòng
CDMA
Code Division Mutiple Access ða truy nhập phân chia theo mã
CT&R Command Telemetryy and Ranging Phân hệ ño xa và gửi lệnh
DAMA
Demand Assigment Multiple Access
ða truy nhập gán theo yêu cầu
D/C Frequency Down Converter Bộ biến ñổi tần xuống
DEM Demodulator Bộ giải ñiều chế
DSS Dynamic Simulator System Hệ thống mô phỏng
DTR Digital Tracking Reciever Bộ nhận tín hiệu bám dạng số
E/W East – West Giữ trạm theo hướng ñông tây
ECI Earth Center Inertial Giữ trạm theo hướng nam bắc
EMI Electronic-Managtic Interference Nhiễu ñiện từ trường
EIRP Equivalent Isotropically Rdiated Power
PC Personal Computer Máy tính cá nhân
PCF Primary Facility Trạm ñiều khiển chính
PSK Phase Shift Key ðiều chế khoá dịch pha
REM Remote ðiều khiển và truy nhập từ xa
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
RIU Remote Interface Unit Khối giao tiếp từ xa
RWA Reaction Wheel Assembly Tổ hợp con quay ổn ñịnh tư thế
RX Reciever Bộ nhận
SCPC Single Chanel Per Carrier ðơn kênh trên một sóng mang
SCU Servo Control Unit Khối ñiều khiển ñộng cơ
SES Satellite Earth Station Trạm mặt ñất
SLACS
Space Inertial Reference Unit Less
Attitude Control System
Hệ thống ñiều khiển tư thế không
cần tham chiếu quán tính
SSA Sun Sensor Assembly Bộ cảm biến mặt trời
TDC Tracking Down Converter
Bộ ñổi tần xuống cho tín hiệu
Tracking
TLT Test Loop Translator Vòng lặp kiểm tra
TDMA Time Division Mutiple Access ða truy nhập phân chia theo thời gian
TT&C Tracking Telemetry and Control Phân hệ ñiều khiển và ño xa
TX Transmitter Bộ phát
Hình 1.2. Sơ ñồ nhiệt tạp âm hệ thống 6
Hình 1.3. Sự phụ thuộc T
a
= f(θ) 9
Hình 1.4. Cửa sổ vô tuyến. 11
Hình 1.5. Sự tăng tạp âm do mưa 13
Hình 1.6. Cấu trúc trạm mặt ñất 14
Hình 1.7. Anten cassegrain 19
Hình 1.8. Nguyên lý ghép kênh FDMA 24
Hình 1.9. Nguyên lý TDMA 25
Hình 1.10. Hệ thống CDMA trong TTVT 27
Hình 1.11. Cấu trúc vệ tinh thông tin 30
Hình 1.12. Sơ ñồ bộ phát ñáp. 31
Hình 1.13. mô tả hệ thống tọa ñộ trên vệ tinh 34
Hình 1.14. Hệ thống ñiều khiển tư thế của vệ tinh 35
Hình 1.1.15. Hệ thống cung cấp nguồn ñiện 35
Hình 2.1. Liên kết giữa trạm ñiều khiển chính và trạm ñiều khiển dự phòng 40
Hình 2.2. Sơ ñồ khối hệ thống thiết bị trạm ñiều khiển 41
Hình 2.3. Hệ thống thu phát trạm ñiều khiển 44
Hình 2.4. Hệ thống phát 44
Hình 2.5. Sơ ñồ khối CT&R 45
Hình 2.6. Khối biến ñổi tần lên 46
Hình 2.7. Bộ khuếch ñại công suất cao 47
Hình 2.8. Hệ thống chuyển mạch RF 48
Hình 2.9. Panel ñiều khiển các chuyển mạch 48
Hình 2.10. Hệ thống các thiết bị thu 49
Hình 3.12. Kết nối giữa các thành phần hệ thống xác ñịnh và ổn ñịnh tư thế
trong hoạt ñộng bình thường 75
Hình 3.13. Trục của các con quay hồi chuyển 76
Hình 3.14. Cơ cấu của con quay hồi chuyển 77
Hình 3.15. Sơ ñồ kết nối các thiết bị IMU 78
Hình 3.16. Cấu trúc hình học của bộ cảm biến ESA 80
Hình 3.17. Mặt trời ñược phát hiện như một ñối tượng ñộc lập 81
Hình 3.18. Mặt trời không ñược phát hiện như một ñối tượng riêng biệt 81
Hình 3.19. Vùng nhiễu của mặt trăng mặt trời 82
Hình 3.20. Sự tính toán các góc của các trục Pitch và Roll 82
Hình 3.21. Sử dụng dây cung chuẩn ñể tính tóan các góc 83
Hình 3.22. Tầm nhìn thấy của SSA 84
Hình 3.23. Hướng của các trục quay của RWA. 91
Hình 3.24. Cấu hình ñộng cơ ñẩy 92
Hình 3.25. Dòng dữ liệu lệnh ñiều khiển ñộng cơ ñẩy 92
Hình 3.26. Lực hút mặt trăng mặt trời làm nghiêng quĩ ñạo vệ tinh 99
Hình 3.27. Thời gian bắn của các ñộng cơ ñẩy biến ñổi theo lỗi tư thế … 101
Hình 3.28. Ảnh hưởng của các mùa tới hoạt ñộng của vệ tinh…………….102
Hình 3.29. Sơ ñồ chức năng của hệ thống ñiều khiển tư thế……………….104
Hình 3.30. Thời gian bắn của các ñộng cơ ñẩy ñược thiết lập trước………105
Hình 3.31. Sự che khuất bởi mặt trăng 105
Hình 3.32. Lưu ñồ thuật toán quá trình bắn ñộng cơ ñẩy………………….107
1
Chương 1
THÔNG TIN VỆ TINH
1.1. Tổng quan về thông tin vệ tinh
1.1.1. Nguyên lý thông tin vệ tinh: Thông tin vệ tinh (TTVT), là hình
thức truyền thông tin giữa các trạm thông tin mặt ñất, gọi tắt là
trạm mặt ñất (SES) bằng cách chuyển tiếp tín hiệu qua vệ tinh
thông tin như hình 1.1. Các trạm mặt ñất dùng ñể phát tín hiệu lên
vệ tinh và thu nhận tín hiệu từ vệ tinh phát về. ðường hướng từ
trạm mặt ñất A
1
lên vệ tinh gọi là ñường lên và ñường hướng từ vệ
tinh về trạm mặt ñất A
2
gọi là ñường xuống.
Hình 1.1. Nguyên lý hệ thống TTVT
ðường xuống
BB BB 3
Một tổ hợp các trạm mặt ñất và vệ tinh thông tin cùng làm việc ñể ñảm
bảo thông tin gọi là hệ thống TTVT: Sơ ñồ cấu trúc của hệ thống TTVT như
hình 1.1 và gồm 2 phần chính: Phần không gian và phần mặt ñất.
- Phần không gian: Gồm có vệ tinh thông tin, hệ thống ñảm bảo các
chức năng ño xa, bám, ñiều khiển (TT&C) nhằm duy trì hoạt ñộng bình
thường cho vệ tinh. Trong hệ thống TTVT thì vệ tinh thực chất là một trạm
lặp tín hiệu của tuyến thông tin siêu cao tần.
- Phần mặt ñất: Thực chất là các trạm thu, phát tín hiệu trên mặt ñất gồm:
Anten thu, phát và các thiết bị ñiều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng, các bộ
chia và ghép công suất, máy thu tạp âm thấp, các bộ ñiều chế, giải ñiều chế,
các bộ biến ñổi tần tuyến lên và bộ ñổi tần tuyến xuống, bộ khuếch ñại công
suất cao.
Hoạt ñộng của sơ ñồ hình 1.1 như sau:
- ðường lên: Tín hiệu băng tần cơ sở (BB) như: Thoại, Fax, Video… qua
bộ ñiều chế (MOD) ñược ñiều chế lên thành tín hiệu trung tần (IF), sau ñó qua
bộ ñổi tần lên (U/C) trở thành tín hiệu cao tần (RF) và ñược khuếch ñại công
suất nhờ bộ khuếch ñại công suất lớn (HPA) rồi ñược phát lên vệ tinh thông
qua Anten phát của trạm mặt ñất.
- Tại vệ tinh: Tín hiệu của trạm mặt ñất ñược Anten thu của vệ tinh thu
nhận và ñược khuếch ñại bởi bộ khuếch ñại tạp âm thấp (LNA). Tín hiệu RF
sau bộ khuếch ñại này ñược biến ñổi tần số thành tần số RF tuyến xuống, sau
ñó lại ñược khuếch ñại công suất lớn ñể phát xuống mặt ñất thông qua Anten
quan sát từ mặt ñất. Vì thế hệ thống TTVT ñược gọi là hệ thống không ñồng
bộ. Do vệ tinh ở ñộ cao thấp hơn và không ñứng yên so với trái ñất nên vùng
phủ sóng của nó hẹp, do ñó so với hệ thống TTVT ñịa tĩnh thì hệ thống TTVT
không ñồng bộ có cự ly thông tin ngắn hơn, ñộ ổn ñịnh thông tin cũng kém
hơn. Tuy nhiên, trễ tín hiệu trong trường hợp này nhỏ hơn. Hệ thống TTVT
không ñồng bộ ñược sử dụng chủ yếu cho thông tin di ñộng.
1.1.3. ðặc ñiểm của TTVT 5
Thông tin vệ tinh có ñặc ñiểm nổi bật như sau:
- Vùng phủ sóng rộng nên cự ly thông tin xa.
- Dung lượng thông tin lớn: Vì băng tần công tác rộng, cỡ 500MHz nhờ
áp dụng kỹ thuật sử dụng lại tần số nên hệ thống TTVT cho phép ñạt tới dung
lượng lớn trong thời gian ngắn.
- Khả năng thông tin và ñộ tin cậy thông tin cao: Tuyến TTVT chỉ có
3 trạm, trong ñó vệ tinh ñóng vai trò là trạm lặp tín hiệu còn hai trạm ñầu
cuối trên mặt ñất vì thế xác suất hư hỏng trên tuyến là rất thấp. Khả năng
liên lạc thông suốt theo thống kê có thể ñạt tới 99.9% thời gian liên lạc
trong một năm.
- Chất lượng thông tin cao: ðường thông tin có chất lượng cao vì ảnh
hưởng của nhiễu khí quyển và pha ñinh là không ñáng kể. Tốc ñộ lỗi bít có
thể ñạt tới 10
-9
cho một sóng mang số 2048 Kbps.
- Khả năng thiết lập thông tin nhanh chóng và tính linh hoạt cao: hệ
thống thông tin ñược thiết lập nhanh chóng trong ñiều kiện các trạm mặt ñất ở
rất xa nhau về mặt ñịa lý. Dung lượng có thể thay ñổi linh hoạt theo yêu cầu
khai thác và sử dụng.
Hình 1.2. Sơ ñồ nhiệt tạp âm hệ thống
Nhiệt tạp âm hệ thống TTVT tạo bởi nhiệt tạp âm hệ thống Anten và
nhiệt tạp âm hệ thống thu hình 1.3.
- Hệ thống thu gồm có: Bộ khuếch ñại tạp âm nhỏ LNA, các bộ chia
công suất cao tần RF, thiết bị ñầu cuối.
Nhiệt tạp âm hệ thống theo hình 1.3 ñược tính như sau:
Fider
LN
RF
GCE
H
ệ thống
anten
H
ệ thống thu
T
INTF
T
R
G,T
A
( )
1
sd
INTF MT
sd
k
T T
k
−
=
+
(
0
K) (1-2)
Trong ñó:
T
MT
: Nhiệt ñộ tại chỗ ghép nối.
K
sd
: Hệ số sóng ñứng.
Nhiệt ñộ tạp âm của hệ thống anten ñược tính như sau:
1
(1 )
a
A MT
T
T T
L L
nên không thể loại trừ bằng công nghệ. Ta sẽ xét thành phần T
a
ở mục tiếp
theo.
Nhiệt tạp âm anten T
a
Tạp âm anten trong hệ thống TTVT ñược cấu thành từ hai phần chính:
Tạp âm do anten tích luỹ ñược từ không gian, mặt ñất và tạp âm riêng của
anten.
- Tạp âm do anten tích luỹ ñược từ không gian và mặt ñất bao gồm:
+ Tạp âm khí quyển: Các thành phần khí quyển như oxi, hơi nước,
mây, sương mù…Hấp thụ một phần năng lượng sóng ñiện từ khi truyền qua
nó và sinh ra tạp âm. Nhiệt tạp âm khí quyển, trong ñiều kiện trời trong là một
hàm số phụ thuộc vào góc ngẩng anten và phụ thuộc vào tần số.
+ Tạp âm mưa: Mưa không những làm suy hao sóng ñiện từ mà còn
sinh ra tạp âm và làm thay ñổi phân cực của sóng ñiện từ. Nhiệt ñộ nước mưa
cũng là nguồn sinh ra tạp âm. Nước ta ở vào vùng khí quyển nhiệt ñới gió
mùa, mưa nhiều nên việc tính toán suy hao mưa và tạp âm mưa là rất cần thiết
khi tính dự trữ năng lượng ñường truyền. ðây là một bài toán phức tạp cần
phải nghiên cứu kỹ ở 1 luận văn riêng.
+ Tạp âm vũ trụ: Tạp âm vũ trụ hình thành do bức xạ siêu cao từ các
dải ngân hà, nhiễu khi có mặt trời hoạt ñộng mạnh, phát xạ của mặt trăng…
tác ñộng mạnh vào dải tần số dưới 1 GHz.
+ Tạp âm trái ñất: Mặt ñất có tác dụng phản xạ sóng ñiện từ ñối với các
búp sóng phụ của anten, các búp sóng phụ này gây ra tạp âm ảnh hưởng trực
tiếp từ mặt ñất và tạp âm khí quyển phản xạ từ mặt ñất. Mặt ñất còn gây ra
nhiệt tạp âm cho Anten.
+ Tạp âm mặt trời: Tạp âm sinh ra khi mặt trời hoạt ñộng mạnh. Thí dụ:
phụ thuộc vào tất cả các nguyên nhân kể trên và là hàm số phụ thuộc
vào hướng của anten (θ,φ). Việc tính toán và biểu diễn T
a
bằng các phương
trình toán rất phức tạp. Thí dụ, với anten phân cực tròn thì ta có.
2
0
0
1
T( , ) ( , )sin
4
a
T G d d
π
π
θ ϕ θ ϕ θ θ ϕ
π
=
∫ ∫
(1-5)
Sự phụ thuộc của T
a
vào góc ngẩng ở băng C (3.7 - 4.2 GHz) thu ñược từ
thực nghiệm như trên hình 1.3.
Từ ñồ thị ta thấy, khi góc ngẩng càng thấp thì nhiệt tạp âm anten càng
lớn do khi ñó ñường truyền dài hơn và ảnh hưởng của tạp âm vũ trụ và trái ñất
sẽ lớn hơn. Ứng với góc ngẩng tốt nhất θ = 90
0
thì T
a
2
4
( )
R
π
γ
λ
=
(1-6)
λ - bước sóng vô tuyến ñiện (m)
Trong TTVT vì hầu hết sự truyền lan sóng VTð trong không gian là
chân không nên suy hao truyền sóng có thể coi như bằng suy hao trong không
gian tự do. Tuy nhiên, vì ñường truyền sóng rất dài (36.768 km) nên theo (1-
6) suy hao gây ra rất lớn. Chính vì thế, hệ thống TTVT cần phải có máy phát
công suất lớn, máy thu ñộ nhạy cao và anten thu phát có hệ số lớn.
Cửa sổ tần số vô tuyến
Một phần ñường truyền sóng VTð từ trạm mặt ñất lên vệ tinh thông tin
và ngược lại phải chịu ảnh hưởng của tầng ñiện ly và khí quyển trái ñất nên
suy hao do truyền sóng sẽ tăng lên so với suy hao trong không gian tự do.
Tầng ñiện ly là lớp không khí lỏng do ion hóa bởi các tia vũ trụ, có ñộ
cao từ 50 - 400km so với trái ñất. Lớp mang ñiện này có tính chất hấp thụ và
phản xạ sóng ñiện từ. Do sự biến ñổi trạng thái của tầng ñiện ly nên giá trị
hấp thụ và phản xạ thay ñổi nên gây ra sự thăng giáng sóng ñiện từ ñi qua.
Tần số càng cao thì ảnh hưởng của tầng ñiện ly càng nhỏ và băng sóng vi ba
thì hầu như không bị ảnh hưởng. Vì thế, băng sóng vi ba thường ñược dùng
trong TTVT.
- Trong khí quyển, phải kể ñến ảnh hưởng của oxi, hơi nước và ñặc biệt
là mưa (ta sẽ xét thêm ở mục sau). Ở dải tần thấp hơn 30 GHz thì có thể bỏ
10
5
2
1
0.5
0.2
0.1
(b)
(c)
(d)
(a)
Cửa sổ vô tuyến 12
Ảnh hưởng của mưa
Khi truyền qua vùng mưa, sóng ñiện từ bị hấp thụ năng lượng và bị biến
dạng phân cực. Ngoài ra mưa còn làm tăng nhiệt tạp âm ñường truyền nên
chất lượng và ñộ tin cậy ñường truyền sóng TTVT bị giảm. Ảnh hưởng của
-
Tiết diện triệt tiêu sóng của hạt mưa ñối với tín
hiệu có bước sóng
λ
.
Tiết diện triệt tiêu sóng của từng hạt mưa là tổng của tiết diện phân tán
và tiết diện hấp thụ, ñược tính có kể ñến hằng số ñiện môi phức tạp của nước.
Mối liên hệ giữa tốc ñộ mưa R và các hạt mưa biểu diễn như sau:
R=
rrwrr
daaPaa )(.)
3
4
).((
3
0
γ
π
π
∫
∞
(mm/h) (1-8)
Trong ñó:
w
P
- Mật ñộ nước
)(
r
a
s
,
θ
, f)
Hình 1.5. Sự tăng tạp âm do mưa
-Tạp âm mưa: Tạp âm mưa sinh ra do bức xạ siêu cao của hạt mưa và
bản thân nhiệt ñộ của mưa. Nhiệt tạp âm tính theo suy hao mưa như sau :
( )
(
)
1 /10
1 10
r
T
M m
T T
α
− −
= −
(1-9)
T
m
: Nhiệt ñộ trung bình hạt mưa trên toàn tuyến truyền sóng và tính gần
ñúng theo:
T
m
=
2
50
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13Suy hao do mưa (dB)
Copyright: Tài liệu đại học ©