Trạm cao không ở tầng bình lưu

Tóm tắt.                                                                     GS Nguyễn Văn Ngọ

Bài này là một báo cáo tổng quan về công nghệ trạm cao không ở tầng bình lưu High Altitude Platform Stations (HAPS), một công nghệ mới có những ứng dụng đặc sắc trong lĩnh vực thông tin truyền thông và viễn thám hiện đại, đảm bảo  với kinh phí đầu tư thấp, thời gian triển khai ngắn, phương tiện phóng đơn giản, có thể xây dựng những trạm chuyển tiếp hoạt động độc lập hay liên kết các trạm cùng chức năng trên mặt đất và trong vũ trụ.

Nếu khai thác được hết những lợi thế của nó, trạm cao không ở tầng bình lưu vừa có thể là giải pháp hữu hiệu để khắc phục khoảng cách số giữa thành thị và nông thôn, vùng sâu, vùng xa, mà cũng có thể là giải pháp tốt nhất để làm mạng đầu cuối nối tới hàng chục triệu thuê bao ở các thành phố lớn đông dân

MỞ ĐẦU

Sử dụng khí cầu (hay vật bay nhẹ hơn không khí) làm trạm chuyển tiếp viễn thông đặt ở tầng bình lưu là một hướng có nhiều triển vọng, đang được nhiều nước quan tâm nghiên cứu (Anh, Đức, Hàn quốc, Hoa kỳ, Hungari, Italy, Nhật, Slovenia, Tây ban nha, Thụy điển, Trung quốc). Trạm khí cầu ở tầng bình lưu, xét  ở một góc độ nào đó có thể coi như một “vệ tinh địa tĩnh tầm thấp”, phủ sóng cho  một diện tích đáng kể trên lãnh thổ một quốc gia. Xét ở một khía cạnh khác, cũng có thể coi nó như một “tháp anten có chiều cao cực lớn” mà không một điểm cao thiên nhiên nào có thể đạt được. Đối với Việt nam, dùng  3 ~ 4  trạm khí cầu ở tầng binh lưu có thể phủ sóng cho thông tin vô tuyến di động, Wimax, hoặc phát thanh FM và truyền hình tới trên 90% dân số.

So với các hệ viễn thông mặt đất,  góc tới tín hiệu của trạm cao không ở tầng bình lưu lớn, và trên đường truyền hầu như không có vật cản, chẳng khác gì chuyển tiếp bằng vệ tinh nhưng giá rẻ hơn rất nhiều. Công nghệ ở trạm gốc và thiết bị đầu cuối là loại thông dụng trên các hệ mặt đất. So với vệ tinh, không cần tên lửa phóng, và đường truyền tín hiệu cũng ngắn hơn. Trạm có thể định kỳ đưa xuống mặt đất để bảo trì và nâng cấp thiết bị, sau đó cả khí cầu và các hệ con của nó có thể sử dụng lại hoàn toàn. Việc duy trì ở vị trí địa tĩnh hoặc chuyển đến vị trí mới tương đối dễ dàng và tốn ít năng lượng. 

  1. CẤU TRÚC VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA TRẠM KHÍ CẦU Ở TẦNG BÌNH LƯU
    1. Đại cương về Công nghệ HAPS

Công nghệ HAPS (High Altitude Platform Station), hay HALE (High Altitude Long Endurance Stratospheric Station) dùng một khí cầu (hay vật bay nhẹ hơn không khí) được điều khiển từ mặt đất để giữ vị trí địa tĩnh ở độ cao khoảng 20 km, nơi  hầu như không cú giú trong tầng bình lưu (xem phụ lục 2), làm trạm không gian cho dịch vụ viễn thông hay viễn thám. Thiết kế cho một thời gian phục vụ dài (khoảng 2~5 năm kéo xuống bảo trì và bổ sung thiết bị một lần), khí cầu được trang bị pin mặt trời và pin nhiên liệu để mang được tải hữu ích khoảng 1000 kg, có thể làm nhiệm vụ như một tháp chuyển tiếp thông tin di động cao nhất trong thành phố với diện tích phủ sóng khoảng 19.000 km2, dùng làm mạng sơ cấp nối tới hàng triệu thuê bao, làm cơ sở hạ tầng cho dịch vụ vô tuyến băng rộng (2 Mbps đến 10 Mbps) trong dải 47 GHz (sóng millimét) cho các ứng dụng Internet, TH số, TH On-line, video conferencing,  điều khiển trực tuyến từ  xa, v.v.. với giá rẻ hơn rất nhiều so với vệ tinh (vài cent/phút cho 1 kênh Internet 2 Mbps, - bung được lên 10 Mbps), thời gian trễ dưới 0,3 millisec, ngắn hơn hàng nghìn lần so với vệ tinh địa tĩnh GEO và không cần chuyển giao nhiệm vụ từ vệ tinh bay trước sang vệ tinh liền kề sau nó như trong chùm vệ tinh quỹ đạo thấp LEO. Dải tần chinh dành cho dịch vụ viễn thông bằng khí cầu ở tầng bình lưu là 47 MHz (kênh lên: 47.9-48.2 GHz; kênh xuống: 47.2-47.5 GHz).

Bắt đầu triển khai thử nghiệm từ 2002, đến nay ước tính trên thế giới đã có đến gần trăm trạm khí cầu (hay vật bay nhẹ hơn không khí) trên các thành phố lớn đông dân như  Tokyo, London, .. Tuỳ theo cấu tạo và cách gọi của nhà sản xuất, vật bay này có thể có tên là khí cầu ở tầng bình lưu (Stratospheric Balloon), con tầu tầng bình lưu (Stratospheric Airship), con tầu ở cao không (HAA, - High Altitude Airship), hay vệ tinh ở tầng bình lưu (Stratellite), nhưng tất cả đều là vật bay nhẹ hơn không khí. Chúng được thiết kế và thử nghiệm với cấp độ an toàn cao như máy bay và vệ tinh. Nhiều phương tiện an toàn được tích hợp vào hệ thống, trong đó quan trọng nhất là hệ máy tính giám sát trên boong, có nhiệm vụ liên tục báo cáo các thông tin về hệ thống cho trạm điều khiển ở mặt đất. Hệ cảnh báo sớm này cho phép mặt đất can thiệp kịp thời trước khi xảy ra sự cố. Định kỳ, hoặc khi thấy cần thiết, có thể đưa khí cầu dự phòng lên và hạ khí cầu hỏng xuống để sửa chữa, để dịch vụ không bị gián đoạn. Khi vỏ bị thủng, hệ giám sát điều khiển cho khí cầu đáp xuống mặt nước, nhưng điều này rất hiếm xảy ra vì khí cầu ngày nay có vỏ hai lớp bằng Kevlar (hàng dệt từ sợi tổng hợp, nhẹ nhưng rất chắc, có thể làm áo giáp chống đạn).

Để sản xuất khí cầu ở tầng bình lưu các tập đoàn công nghệ hàng không và vũ trụ lớn phải phân công nhau chuyên trách và hợp tác chặt chẽ, vd : Lockheed Martin Global Telecommunications (chuyên về tích hợp hệ thống), Alenia Spazio/Finmeccanica (tải hữu ích); Dornier Satellitensysteme/ Daimler Chrysler Aerospace (hệ năng lượng); Airship Technologies Services (platform); Thomson CS F Communications (trạm cổng mặt đất); và United Solar Systems Corp. of Michigan.

Khác với phóng vệ tinh, việc phóng khí cầu tầng bình lưu không gây tổn hại gì cho môi trường. Khí cầu bay lên nhờ nhẹ hơn không khí, suốt dọc đường lên được trạm ở mặt đất theo dõi và điều khiển, dùng hệ định vị bằng vệ tinh GPS  để đưa đến điểm đặt dự kiến.

Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ESA, cũng đã cùng tổ hợp công nghiệp gồm Daimler Chrysler Aerospace (Đức), Lindstrand Balloons Ltd. (Anh) và trường Đại học Công nghệ ở Delft (Hà lan) nghiên cứu khả thi về vật bay dài hạn trên cao không ở tầng bình lưu  gọi là HALE (High Altitude Long Endurance stratospheric airship) dùng cho viễn thông, viễn thám, khí tượng, quan trắc vũ trụ, phụ trợ cho các trạm cùng chức năng trên mặt đất và trên vũ trụ. So với các trạm trên vũ trụ, trạm ở tầng bình lưu chi phí thấp, ít có nguy cơ trục trặc kỹ thuật, và thời gian triển khai ngắn hơn rất nhiều lần.

 
 

 

Sky Station Platform

 

Sky Station Internationalchế tạo, L = 157 m, D = 62 m ;  động cơ ion, cấp điện bằng pin mặt trời; dùng cho thông tin cố định và di động, phủ sóng một diện tích có đường kính 150 ~ 1000 km,

 

 

 

Sự kết hợp các yếu tố: mật độ vật bay trong tầng bình lưu thấp, tốc độ điều khiển để duy trì vị trí địa tĩnh không cần nhanh, tại cao độ 20 km hầu như không còn gió, làm cho nhu cầu năng lượng của trạm khí cầu rất ít.

Ngoài châu Âu, Mỹ và Nhật đều đang triển khai mạnh nghiên cứu về HAPS, như một vật bay lý tưởng có thể có những ứng dụng mới trong công nghệ vũ trụ hiện đại, và là một ví dụ điển hình cho sự chuyển giao công nghệ hai chiều giữa mặt đất và vũ trụ.

 

  1. Tính ưu việt của HAPS so vói các hệ trên mặt đất và trong vũ trụ

 Tổng hợp lại, HAPS ưu việt hơn vói các hệ trên mặt đất và trong vũ trụ trên các mặt sau:

  1. So với các hệ mặt đất
  • Vùng phủ sóng rộng (vì ở vị trí cao)
  • Truyền theo tầm nhìn thẳng nên fading đa lộ trình rất nhỏ
  • Dải tần rộng
  • Lắp đặt nhanh
  1. So với vệ tinh địa tĩnh GEO
  • Thòi gian trễ do truyền sóng nhỏ hơn gần 2000 lần
  • Tổn hao trên đường truyền nhỏ hơn 60 dB, do đó cho phép dải tần rộng
  • Giá thành rẻ, lắp đặt nhanh
  1. So với vệ tinh tầm thấp LEO
  • Địa tĩnh, có thể hoạt động một mình
  • Thòi gian trễ do truyền sóng nhỏ hơn 15 lần
  • Tổn hao trên đường truyền nhỏ hơn 30 dB
  • Giá thành rẻ, lắp đặt nhanh
  1. Chế tạo và điều khiển đơn giản hơn rất nhiều so với vệ tinh trong các phần:
  • Khâu và bơm khí, đưa lên vị trí, hạ xuống, tự động quản lý trạm, v.v..
  1. Năng lượng
  • Pin mặt trời hiệu năng cao, pin nhiên liệu
  1. Tải hữu ích bao gồm
  • Cấu trúc mạng, chuyển mạch và định tuyến, anten nhiều búp, thông tin mạng tổ ong, về cơ bản như thiết bị trên mặt đất, chỉ cần những thay đổi nhỏ để thích nghi

 

  1. Các ứng dụng trong CNTT và truyền thông
  1. Truy cập vô tuyến băng rộng BWA (Broadband Wireless Access)
  • Truy cập vô tuyến tốc độ cao vào Internet (Uplink/Downlink: ~ 6/155Mbps)
  • Cả dịch vụ ATM và dịch vụ IP
  1. Hệ thông tin di động
  • dịch vụ bổ trợ cho IMT2000
  • thay đổi tối thiểu về xử lý tín hiệu băng tần gốc
  1. Truyền hình số DTV
  • TH nhịp bit cực cao ở sóng millimet

II MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ HAPS

 

1. STRATALITE (SANSWIRE, USA)

Stratalite là một con tầu hơn là một khí cầu vì nó có khung cứng, bọc hai lớp vỏ Keplar, mặt trên được phủ bằng pin mặt trời dạng màng mỏng, tải hữu ích đến 1400 kg, đăt ở độ cao 20 km so với mặt đất, nghĩa là cách rất  xa miền có gió Jet Stream (ở cao độ khoảng 11 km) và cũng đã khá xa miền biên giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu (gọi là tropopause, có cao độ lớn nhất ở vùng xích đạo, khoảng 17 km). Vùng bao phủ trong tầm nhìn thẳng của STRATALITE là 800.000 km2. Thời gian phục vụ là 18 tháng, sau đó một quả khác lên thay thế, để rút về bảo trì và trang bị bổ sung. Chỉ tiêu kỹ thuật như sau:

  • Giữ vị trí nhờ 6 đơn vị GPS trên tàu, nối liền với các động cơ điện
  • Vùng phủ sóng theo tầm nhìn thẳng 800,000 km²
  • Hiện đang phục vụ dịch vụ vô tuyến cho một khu vực có đường kính 300 km
  • Điều khiển bằng các trạm ở mặt đất
  • Thời hạn tối đa trên vị trí công tác: 18 tháng (phải có 1 tầu thay thế trước khi hạ xuống để bảo trì và bổ sung thiết bị, sau khi hoàn thành có thể đưa lên ngay)
  • Con tầu dùng lại được 100%

 

   2    STRATOSPHERIC PLATFORM (NAL, JAPAN)

 Quan điểm về thiết kế cấu trúc con tàu ở tầng bình lưu

3    TRẠM CAO KHÔNG Ở TẦNG BÌNH LƯU  (HAPS) DO ĐẠI HỌC THANH HOA (TRUNG QUỐC) THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIÊM MỘT SỐ ỨNG DỤNG

 

 

         Trạm cao không ở tầng bình lưu của trường Đại học Thanh hoa Kích thước: 15mx4.3m, Dung tích:120 m3; Cao độ bay:500m;
2 x 6.5 động cơ xăng; Tải hữu ích=20kg

 

Một số kiến thức cơ bản về tầng Bình lưu

Như chúng ta đó biết, trong các lớp của khí quyển Trái đất, thì tầng đối lưu là lớp ở thấp nhất và là nơi xẩy ra tất cả hiện tượng thời tiết. Nó bắt đầu từ mặt đất và lên đến cao độ khoảng 6 ~ 8 km ở hai cực Trái Đất, còn ở miền xích đạo lên đến 17 km.

Nằm kề ngay trên tầng đối lưu là tầng bình lưu, lớp thứ hai trong khí quyển.Tại vùng xích đạo tầng bình lưu bắt đầu từ cao độ 17 km và lên đến cao độ 50 km, có lớp ozon hấp thụ bức xạ cực tím của mặt trời và đun nóng tầng bình lưu từ trên xuống, tạo ra một sự phân lớp theo nhiệt độ, với lớp nóng nhất nằm ở trên cùng, lớp nguội nhất nằm dưới đáy. Với sự phân lớp  theo kiểu "lớp nóng ở trên, lớp nguội hơn ở dưới", tầng bình lưu rất ổn định về khí động học, nghĩa là trong vùng khí quyển này không có hiện tượng đối lưu đúng quy tắc (regular convection) vốn kéo theo những chuyển động không khí dữ dội (turbulence) như trong tầng đối lưu.

Quy luật phân bố nhiệt trong tầng bình lưu là càng lên cao nhiệt độ càng tăng, ngược với quy luật trong tầng đối lưu là càng lên cao nhiệt độ càng giảm, cho nên khi xuất phát từ mặt đất đi lên theo phưong thẳng đứng, đến lúc nào thấy nhiệt độ không tiếp tục giảm mà chuyển sang tăng theo độ cao thì ở đấy là miền biên giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu (gọi là tropopause); ở nơi đây nhiệt độ khí quyển lạnh nhất, và hoàn toàn khô ráo. Trên xích đạo điều đó xẩy ra ở cao độ 17 km, với nhiệt độ – 50O C. Trên hai địa cực tropopause xuất hiện ở cao độ thấp hơn (6 ~ 8 km), còn ở các vùng có vĩ độ trung bình thì tầng bình lưu nằm trong khoảng 10 km đến  50 km

TÀI LIỆU THAM KHẢO

  1. Zhísheng Niu: Architecture Design and Mobility Modeling of HAPS-based Broadband Wireless Communication Systems. Invited paper presented at REV2004, Hanoi, Vietnam, Nov.27-28, 2004
  2. Martine Rothblatt, Jack Frohbieter and Huanchun Ye: Stratospheric altitude: the key to delivering broadband wireless local loop service to consumers worldwide Sky Station International, Inc. (Washington, DC, United States)
  3. Thornton J, Grace D, Spillard C, Konefal T, Tozer T C: Broadband Communications from a High-altitude Platform: the European HeliNet Programme; Electronics & Communication Engineering Journal, June 2001, pp. 138-144
  4. Tozer T C, Grace D: High-altitude Platforms for Wireless Communications; Electronics & Communication Engineering Journal, June 2001, pp. 127-137
  5. Colella N J, Martin J N, Akyildiz I F: The Halo Network; IEEE Communications Magazine, June 2000, Vol. 38, No. 6, pp. 142-148
  6. Ryszard Struzak: Mobile telecommunications via stratosphere,  IEEE Communications Magazine, June 2000,
  7. Use of the Bands 47.2 – 47.7 GHz and 47.9 – 48.2 GHz by high altitude platform stations in the fixed service and by other services and the potential use of bands in the range 18 – 32 GHz by HAPs in the fixed service; World Radio Conference (Istanbul 2000), Resolution 122 
Bình luận
Nhập mã bảo mật:
Captcha image  
Bản tin mới

Truyền hình lai ghép HbbTV là một chuẩn công nghệ truyền hình mới, có sự kết hợp hài hòa giữa truyền hình quảng bá (Broadcast TV) và truyền hình băng rộng (Broadband TV) trên hạ tầng Internet. Các kênh truyền hình, ứng dụng, dịch vụ của truyền hình lai ghép HbbTV được cung cấp đến khách hàng qua cả hai hình thức truyền hình quảng bá và truyền hình internet, khách hàng cần có một đầu thu HbbTV hoặc SmartTV để có thể sử dụng dịch vụ truyền hình này.

Đăng ký bản tin
Đối tác