Quỹ đạo địa tĩnh: vì sao vị trí vệ tinh là tài nguyên phải chia

Quỹ đạo địa tĩnh là một vòng tròn duy nhất nằm trên mặt phẳng xích đạo, cách mặt đất khoảng 35.786 km, nơi vệ tinh quay một vòng đúng bằng thời gian Trái Đất tự quay nên đứng yên so với người nhìn dưới đất. Vì chỉ có một vòng và các vệ tinh dùng cùng tần số phải đứng cách nhau vài độ để không nhiễu, số "chỗ đứng" trên vòng ấy có hạn. Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) coi quỹ đạo địa tĩnh cùng phổ tần là tài nguyên thiên nhiên có hạn, phải được dùng hợp lý, hiệu quả và công bằng giữa các nước. Vệ tinh VINASAT-1 của Việt Nam đứng ở kinh độ 132 độ Đông trên vòng đó.

Vì sao có đúng một vòng tròn như vậy

Một vệ tinh càng bay cao thì quay càng chậm. Trạm vũ trụ quốc tế ở độ cao khoảng 400 km quay một vòng mất chừng 90 phút; Mặt Trăng ở xa khoảng 384.000 km mất gần một tháng. Giữa hai mức đó có một độ cao mà chu kỳ quỹ đạo đúng bằng một ngày sao, tức khoảng 23 giờ 56 phút 4 giây, thời gian Trái Đất tự quay một vòng so với các vì sao.

Áp định luật thứ ba của Kepler, bán kính quỹ đạo đó vào khoảng 42.164 km tính từ tâm Trái Đất, trừ đi bán kính Trái Đất ở xích đạo khoảng 6.378 km thì được độ cao 35.786 km. Nếu quỹ đạo nằm nghiêng so với xích đạo, vệ tinh sẽ vẽ hình số 8 trên bầu trời mỗi ngày; chỉ khi nằm đúng trên mặt phẳng xích đạo nó mới đứng yên. Vì vậy, quỹ đạo địa tĩnh không phải một lớp vỏ cầu, mà là một vòng tròn duy nhất.

Ích lợi rất lớn: ăng-ten chảo dưới đất chỉ cần chĩa cố định một hướng, không phải xoay theo. Một vệ tinh địa tĩnh nhìn thấy khoảng 40% bề mặt Trái Đất, nên ba vệ tinh đặt cách đều nhau gần như phủ được cả hành tinh, trừ vùng cực.

Từ ý tưởng của Arthur C. Clarke đến vệ tinh đầu tiên

Năm 1945, nhà văn khoa học viễn tưởng người Anh Arthur C. Clarke viết bài "Extra-Terrestrial Relays" trên tạp chí Wireless World, đề xuất đặt ba trạm chuyển tiếp trên quỹ đạo này để phủ sóng toàn cầu. Ông không phải người đầu tiên tính ra quỹ đạo, nhưng là người phổ biến ý tưởng dùng nó cho viễn thông, và giới chuyên môn đôi khi gọi quỹ đạo địa tĩnh là "quỹ đạo Clarke".

Gần hai mươi năm sau ý tưởng thành hiện thực. Vệ tinh Syncom 2 năm 1963 đạt quỹ đạo đồng bộ nhưng còn nghiêng; Syncom 3 năm 1964 là vệ tinh địa tĩnh thật sự đầu tiên và được dùng truyền hình ảnh Thế vận hội Tokyo sang Mỹ. Năm 1965, Intelsat I, có biệt danh "Early Bird", mở đầu kỷ nguyên vệ tinh viễn thông thương mại. Ngày nay có vài trăm vệ tinh hoạt động trên vòng địa tĩnh, phục vụ truyền hình, viễn thông, khí tượng.

Bài toán chia: một vòng tròn có bao nhiêu chỗ

Chu vi vòng địa tĩnh là 2π × 42.164 ≈ 264.900 km. Mỗi độ kinh tuyến trên vòng ấy tương ứng khoảng 736 km. Về mặt va chạm, đặt hàng nghìn vệ tinh vẫn còn rộng. Cái hạn chế thật là nhiễu sóng.

Ăng-ten chảo dưới đất không hướng sóng hoàn toàn chính xác: búp sóng của nó có độ rộng nhất định. Nếu hai vệ tinh dùng cùng dải tần và cùng phủ một vùng đứng quá gần nhau, chảo chĩa vào vệ tinh này sẽ bắt cả tín hiệu của vệ tinh kia. Với các băng tần viễn thông phổ biến như băng C và băng Ku, khoảng cách tối thiểu thường được dùng là khoảng 2 độ, tức gần 1.500 km.

Con số 180 vị trí là cho một dải tần và một vùng phủ. Thực tế số vệ tinh nhiều hơn, vì nhiều vệ tinh có thể đứng gần nhau nếu dùng dải tần khác nhau hoặc chiếu xuống các vùng khác nhau, có khi vài vệ tinh còn đứng chung một vị trí. Nhưng nguyên tắc thì không đổi: vị trí × tần số × vùng phủ là thứ khan hiếm. Và không phải vị trí nào cũng giá trị như nhau. Một vị trí trên Thái Bình Dương nhìn được cả Đông Á lẫn châu Đại Dương; một vị trí trên giữa Đại Tây Dương nối được châu Âu, châu Phi và châu Mỹ. Những đoạn vòng nằm trên vùng đông dân luôn chật nhất.

Ai đến trước được trước, hay chia trước cho mọi nước

Hiến chương ITU yêu cầu các nước dùng phổ tần và quỹ đạo địa tĩnh "hợp lý, hiệu quả và tiết kiệm", sao cho các nước có thể tiếp cận một cách công bằng, có tính tới nhu cầu đặc biệt của các nước đang phát triển. Nhưng biến câu chữ đó thành quy tắc chia cụ thể là chuyện khó, và lịch sử có hai cách song song.

Cách thứ nhất: đăng ký và phối hợp

Với phần lớn các dải tần, quy trình là "ai đến trước được phục vụ trước" có kèm phối hợp. Một nước muốn phóng vệ tinh phải nộp hồ sơ lên ITU, nêu vị trí, tần số, vùng phủ. Các nước có vệ tinh hoặc hồ sơ ở gần đó có quyền yêu cầu phối hợp để tránh nhiễu. Sau khi phối hợp xong và vệ tinh thật sự hoạt động, vị trí được ghi vào Sổ Đăng ký Tần số Quốc tế và được bảo vệ.

Cách này hiệu quả về kỹ thuật, nhưng các nước đi trước, đông vệ tinh, chiếm phần lớn các vị trí tốt. Nó cũng sinh ra hiện tượng "vệ tinh giấy": nộp hồ sơ cho những vệ tinh chưa có kế hoạch phóng để giữ chỗ, hoặc để bán lại. ITU đã phải siết dần, như đặt thời hạn phải đưa vệ tinh vào hoạt động và thu phí xử lý hồ sơ.

Cách thứ hai: quy hoạch chia trước

Từ thập niên 1970, nhiều nước đang phát triển lo rằng khi họ đủ khả năng phóng vệ tinh thì không còn chỗ tốt. Năm 1976, tám nước nằm trên đường xích đạo ký Tuyên bố Bogotá, đòi chủ quyền với đoạn quỹ đạo phía trên lãnh thổ mình. Đòi hỏi này không được cộng đồng quốc tế chấp nhận, vì Hiệp ước Ngoài vũ trụ năm 1967 đã quy định không quốc gia nào được chiếm hữu không gian vũ trụ. Nhưng nó thúc đẩy một cách chia khác.

Hội nghị năm 1977 lập quy hoạch cho truyền hình trực tiếp qua vệ tinh ở Khu vực 1 và 3, năm 1983 cho Khu vực 2: mỗi nước được dành trước một vị trí và một số kênh, dù đã có vệ tinh hay chưa. Hội nghị về quỹ đạo năm 1985 và 1988 làm tương tự cho một phần các dải tần viễn thông cố định: mỗi nước được bảo đảm ít nhất một vị trí. Đây là phép chia "đều theo đầu nước": bất kể lớn nhỏ, giàu nghèo, ai cũng có phần, khác hẳn phép chia theo nhu cầu thực tế.

Việt Nam giành vị trí 132 độ Đông

Việt Nam bắt đầu thủ tục đăng ký vị trí quỹ đạo với ITU từ thập niên 1990. Quá trình phối hợp với các nước có vệ tinh lân cận kéo dài nhiều năm, vì đoạn quỹ đạo trên Đông Nam Á và Thái Bình Dương rất đông. VINASAT-1 được phóng tháng 4 năm 2008 lên vị trí 132 độ Đông; VINASAT-2 phóng năm 2012, đặt ở vị trí gần đó, 131,8 độ Đông. Hai vệ tinh phục vụ truyền hình, viễn thông và kết nối cho vùng sâu, vùng xa và biển đảo.

Câu chuyện này cho thấy một vị trí quỹ đạo không phải tự nhiên mà có: nó là kết quả của hồ sơ, đàm phán kỹ thuật và thời hạn phải phóng vệ tinh thật để không mất quyền.

Góc nhìn hôm nay: rác vũ trụ và vòng tròn không tự dọn

Ở quỹ đạo thấp, khí quyển loãng vẫn kéo vệ tinh hỏng rơi dần xuống và cháy trong vài năm hay vài chục năm. Ở độ cao địa tĩnh không có lực cản nào như vậy: vệ tinh chết sẽ trôi ở đó gần như mãi mãi, trôi dạt dần khỏi vị trí và có thể va chạm. Vì vậy hướng dẫn quốc tế khuyến nghị các nhà khai thác dùng chút nhiên liệu cuối cùng đẩy vệ tinh lên một "quỹ đạo nghĩa địa" cao hơn vòng địa tĩnh vài trăm km trước khi tắt máy. Đây là một nghĩa vụ giữ của chung rất rõ: người dùng phải trả lại chỗ sạch cho người đến sau.

Các chòm vệ tinh quỹ đạo thấp với hàng nghìn vệ tinh nhỏ đang làm thay đổi bức tranh, nhưng vòng địa tĩnh vẫn là tài sản giá trị cho truyền hình và dịch vụ phủ rộng. Ai muốn tự quan sát có thể thấy dấu vết của nó ngay trên mái nhà: chảo thu bắt VINASAT ở Việt Nam đều chĩa về phía nam lệch đông, ngẩng lên khá cao, hướng về một điểm cố định trên vòng tròn phía trên xích đạo. Trong cùng một khu phố, các chảo hướng về cùng một vệ tinh gần như song song với nhau. Các ứng dụng bản đồ bầu trời cho phép bật lớp hiển thị vệ tinh địa tĩnh để xem chúng xếp hàng dọc một đường cung cố định.