Nghiên cứu Khoa học

Dịch Doppler trong mạng vệ tinh tầm thấp LEO

1. Quỹ đạo của vệ tinh LEO

Quỹ đạo Trái đất thấp nằm trong khoảng từ 300 km đến 3000 km độ cao và được đặc trưng bởi vận tốc quỹ đạo cần thiết để duy trì vệ tinh trên quỹ đạo, khoảng 7,8 km/s ở quỹ đạo thấp nhất. Khi độ cao quỹ đạo tăng thì vận tốc giảm. Do vận tốc cao này nên chu kỳ quỹ đạo khoảng 100 phút, do đó khoảng thời gian nhìn thấy ở một điểm trên Trái đất là rất ngắn. Do độ cao của quỹ đạo thấp, các vệ tinh chịu lực cản của khí quyển gây ra bởi các khí ở các tầng trên của khí quyển, hậu quả là vận tốc của vệ tinh bị giảm và vệ tinh bị mất độ cao. Lực cản của khí quyển này tạo ra vận tốc góc của vệ tinh dao động theo thời gian. Ngoài ra, trong hệ tọa độ cố định lấy Trái đất làm trung tâm (ECF), vận tốc của vệ tinh thay đổi theo vĩ độ do Trái đất quay. Trong thời gian nhìn thấy được, quỹ đạo của vệ tinh có thể được tính gần đúng bằng một cung tròn. Ngoài ra, sự thay đổi vận tốc góc của vệ tinh trong khung ECF trong cửa sổ hiển thị nhỏ hơn 0,3% đối với quỹ đạo tròn LEO. Do đó, có thể kết luận rằng vận tốc góc có thể xấp xỉ bằng một hằng số:

w_F = w_s - w_Ecos(i)

Trong đó w_s là vận tốc góc của vệ tinh, w_E là vận tốc góc của Trái Đất (2*pi/(24*3600) và i là độ nghiêng của quỹ đạo.

Góc cao tối thiểu để kết nối giữa thiết bị đầu cuối và vệ tinh là được coi là góc nâng tối thiểu để có tầm nhìn  q_v = 10°.

2.  Dịch Doppler trong mạng vệ tinh LEO

Sự dịch chuyển Doppler được quan sát thấy khi một nguồn sóng đang chuyển động so với người quan sát hoặc ngược lại. Chuyển động này tạo ra sự thay đổi tần số với người quan sát. Không mất tính tổng quát, ta sẽ tập trung vào trường hợp nơi sóng nguồn đang tiến gần đến đích. Trong trường hợp như vậy, hiện tượng được tạo ra khi máy phát sóng đang đến gần người quan sát, mỗi sóng liên tiếp được phát ra từ một điểm gần hơn vị trí sóng trước đó. Vì lý do đó, khoảng thời gian giữa lúc đến các mặt sóng liên tiếp bị giảm và bước sóng giảm. Do đó, tần số tăng. Ngược lại, nếu nguồn chuyển động ra xa thì khoảng cách giữa các nguồn liên tiếp mặt sóng tăng dần theo bước sóng. Trong trường hợp này, tần số giảm. Tuy nhiên sự thay đổi tần số không phải là kết quả của sự thay đổi từ nguồn. Khi tốc độ của nguồn và tốc độ của máy thu thấp hơn nhiều so với tốc độ lan truyền của sóng, tần số quan sát được có thể biểu diễn như sau:

                   f=(1+∆v/c) f0

trong đó: Dv=v_r-v_s là chuyển động tương đối giữa vệ tinh và thiết bị đầu cuối, do đó v_r là vận tốc của máy thu và v_s là vận tốc của nguồn. Các tốc độ truyền trong trường hợp này là tốc độ ánh sáng 3x10⁸m/s, được ký hiệu là c và cuối cùng f₀ là tần số sóng mang do nguồn phát ra.

Sự thay đổi tần số Df có thể được viết lại như sau:

                      Df= ∆v/c f0 

trong đó sự dịch chuyển Doppler được định nghĩa là sự chênh lệch tần số giữa tần số thu và tần số do nguồn phát ra, tức là Df = f – f₀

Phân tích cơ bản ở trên về dịch chuyển Doppler có thể được sử dụng làm cơ sở cho dịch tần số Doppler trong truyền thông vệ tinh LEO. Một trong những cách phổ biến để xây dựng phương trình dịch tần số Doppler ở trên là quan sát phương trình từ một trạm đầu cuối nhất định và góc nâng tối đa.

Các tin khác

• Năng lượng tái tạo là chìa khóa để chiến thắng về AI
• Thiết kế gậy chỉ đường thông minh dành cho người mù
• Ứng dụng kỹ thuật Watermarking trong hệ thống giám sát giao thông
• Thiết kế trò chơi game Ping - Pong dùng FPGA
• Công nghệ Truyền Dẫn Hiện Đại Trong Điều Kiện Thảm Họa