Phương pháp định vị đài vệ tinh trái đất gây nhiễu trong thông tin vệ tinh

Thông thường, trạm trái đất phát tín hiệu uplink lên một vệ tinh địa tĩnh, một vệ tinh địa tĩnh khác có thể thu được tín hiệu này do búp sóng rộng của Anten trạm trái đất. Tín hiệu ngoài mong muốn này có thể gây nhiễu đối với các vệ tinh lân cận, làm ảnh hưởng đến lưu lượng đường truyền. Trong thông tin vệ tinh, Phương pháp kết hợp TDOA/FDOA được sử dụng xác định vị trí nguồn nhiễu này.

1. Phương pháp FDOA/TDOA sử dụng 02 vệ tinh GSO

Hình 1: Xác định vị trí nguồn nhiễu trong thông tin vệ tinh sử dụng phương pháp TDOA/FDOA

         Đây là phương pháp sử dụng hai vệ tinh địa tĩnh cùng với hệ thống trạm mặt đất đo độ lệch thời gian (TDOA) và độ lệch tần số tới (FDOA) của các thành phần tín hiệu, kết hợp giữa hai phép đo này được đường giao nhau giữa hai thành phần từ đó có thể ước lượng được vị trí nguồn nhiễu.

         Hai chuỗi thời gian của tín hiệu đường xuống truyền từ hai vệ tinh địa tĩnh sẽ được lưu và phân tích để biết được độ lệch thời gian và tần số giữa hai vệ tinh, điều này được thực hiện bằng phương pháp CAF (Cross Ambiguity Function). Giá trị của CAF cho biết được độ lệch tần số và thời gian khác nhau là sự tương quan chéo của hai tín hiệu thu được và được biểu diễn bởi phương trình:

Trong đó:

-         S­₁ tín hiệu được thu từ vệ tinh 1

-         S₂ tín hiệu được thu từ vệ tinh 2

-         τ: Các tham số về độ trễ thời gian thu được

-         f: Các tham số về dịch tần số thu được

Hình 2: CAF được mô phỏng bằng phần mềm Matlab

        Mỗi điểm trong mặt phẳng CAF đại diện cho tương quan độ lớn tại thời gian và độ dịch tần số. Mức độ cao nhất của mối tương quan xảy ra khi các thành phần tín hiệu thống nhất được xác định chính xác cả thời gian và tần số. Các giá trị của thời gian và độ dịch tần số sẽ được tính toán và đánh giá tín hiệu TDOA và FDOA. Do đó CAF là một mặt phẳng ba chiều với các tọa độ của TDOA, FDOA và độ lớn, các điểm đỉnh trong mặt phẳng là kết quả của sự tương quan của tín hiệu.

2. Các điều kiện để xác định vị trí nguồn nhiễu thành công

Phương pháp xác định vị trí nguồn nhiễu sử dụng phương pháp TDOA/FDOA được miêu tả ở trên được thực hiện cùng một số điều kiện nhất định như:

     - Phải có hai vệ tinh GSO lân cận hoạt động cùng băng tần số, cùng vùng phủ sóng.

     - Biết chính xác vị trí của hai vệ tinh được lựa chọn liên quan đến các phép đo.

     - Khoảng cách tối đa giữa hai vệ tinh là từ 10 độ đến 12 độ đối với băng C, từ 8 độ đến 9 độ đối với băng Ku, từ 5 độ đến 6 độ đối với các vệ tinh sử dụng nghiệp vụ BSS. Khoảng cách tối thiểu giữ hai vệ tinh là 1,5 độ. Ngày nay các vệ tinh GSO được sử dụng rộng rãi và phổ biến do đó dễ dàng lựa chọn hai vệ tinh thích hợp.

       - Thời gian trễ khác nhau thông qua hai đường tín hiệu nên nhỏ hơn 1/f (f là tần số của tín hiệu) để xác định vị trí máy phát chưa biết.

       - TDOA có thể được đo thành công đối với những tín hiệu được điều chế bằng cách đo độ trễ thời gian khác nhau của những thành phần tín hiệu dạng sóng khác nhau. Nhưng TDOA thực hiện đo đối với những tín hiệu CW là rất khó khăn.

        - Việc đo FDOA đòi hỏi dữ liệu thiên văn vệ tinh chính xác tại thời điểm đo lường. Nếu vệ tinh lân cận được sử dụng cho TDOA và FDOA đo là một vệ tinh quỹ đạo nghiêng, các kiến ​​thức về thiên văn là rất quan trọng. Nếu không, lỗi vị trí RMS (từ các giá trị đo được của TDOA và FDOA) có thể có xu hướng đến vô cùng hai lần mỗi ngày. Nếu hai vệ tinh liền kề không thuộc về cùng một đơn vị điều hành khai thác thì rất khó để lấy dữ liệu thiên văn vệ tinh chính xác.

      - Các tín hiệu từ hai đường phải được tương quan cùng với thời gian khác nhau và độ lệch tần số cho đến khi một đáp tuyến đỉnh trong mối tương quan công suất thu được. Nếu sự tương quan không xảy ra thì tín hiệu có thể phải được tổng hợp từ miền tần số tới miền thời gian, đó là vấn đề khó khăn hơn rất nhiều.

      - Phép đo TDOA và FDOA phải được đo nhiều lần khác nhau và trong nhiều giờ để có được kết quả vị trí của nguồn nhiễu tốt nhất.

      - Sự sai lệch nhỏ của bộ giao động nội của vệ tinh cũng dẫn đến hạn chế về độ chính xác của phép đo FDOA.

       - Rất khó để đánh giá xem liệu các tín hiệu lan truyền qua vệ tinh lân cận sẽ được phát hiện hay không. Tức là SNR (Signal to noise ratio) sẽ phải đủ lớn để đánh giá tín hiệu.

3. Độ chính xác của xác định vị trí nguồn nhiễu

Xác định các nguồn lỗi liên quan đến phép đo TDOA/FDOA được đưa ra ở bảng dưới.

Lỗi RMS được tính toán cùng với các nguồn lỗi  như trên  và phải chuyển đổi sang lỗi vị trí địa lý RMS. Thông thường, kết quả kết hợp của hai phép đo sẽ là một hình elip trên bề mặt của trái đất cùng với vị trí của nguồn nhiễu nằm trong hình elip.

Thông thường, các lỗi TDOA giao động từ 10 đến 20ns. Những lỗi này là không đáng kể so với các lỗi vị trí địa lý do các phép đo tần số. Các lỗi vị trí địa lý do các lỗi trong phép đo FDOA nhiều hơn so với lỗi TDOA.

Các lỗi lớn trong FDOA chủ yếu được gây ra bởi sự hạn chế về độ chính xác thông tin thiên văn vệ tinh, để hạn chế ít lỗi nhất nếu những thông tin về thiên văn vệ tinh và dự báo vận tốc của vệ tinh được xử lý chính xác.

4. Các yêu cầu và kiến trúc hệ thống

Hình 4: Cấu trúc hệ thống sử dụng phương pháp TDOA/FDOA

Hệ thống bao gồm 3 khối chính:

- Khối AGC: Chức năng của khối AGC là cung cấp điều khiển độ lợi tự động để duy trì các yếu tố đầu vào ADC tại điện áp tối ưu.

- Bộ số hóa kênh đôi: Đồng bộ số hóa được thực hiện bằng cách sử dụng một số hóa hai kênh duy nhất được cài đặt trực tiếp hoặc giao tiếp với máy tính cá nhân để thu thập dữ liệu có sẵn để xử lý.

- Khối chính: Bao gồm phần mềm hệ thống và giao diện người sử dụng, khối chính được kết nối tới bộ số hóa thông qua giao diện kết nối PCX/PXI hoặc USB.Ngoài ra hệ thống bao gồm hai trạm trái đất gồm Anten, bộ LNA, bộ Down converter, máy phân tích phổ để phân tích tín hiệu và xác định nguyên nhân gây nhiễu và các phần mềm liên quan như phần mềm tính toán CAF, phần mềm giải quyết các phương trình  hyperbolic, Phần mềm để thu thập các tín hiệu và điều khiển số hóa và lưu trữ dữ liệu, phần mềm giảm lỗi định hướng TDOA/FDOA, phần mềm ưbản đồ số.

5. Tài liệu tham khảo

- Handbook of position location (Theory, practice and advances) – IEEE;

- Geolocation using TDOA and FDOA measurement - Darko Muˇ sicki and Wolfgang Koch;

- Geolocation of communications satellite interference - Howard Grant, Eric Salt and David Dodds.