Komunikační podsystém

Komunikační systém pikosatelitu

Zajišťuje rádiové spojení se Zemí a obousměrný přenos dat. Standardně bývá pikosatelit vybaven tzv. radiomajákem, který vysílá periodicky identifikaci a základní informaci o stavu se sníženým výkonem a jednoduchou modulací (OOK, morse code). Dále bývá vybaven hlavní komunikační jednotkou, která na povel ze Země přenáší měřená data vyšším vysílacím výkonem a tedy i vyšší přenosovou rychlostí některou ze základních modulací (nejčastěji AFSK, BPSK, GMSK). Pikosatelit PilsenCUBE bude vybaven i experimentální radiokomunikační jednotkou, která umožňuje softwarové implementace složitějších modulací (např. hybridní modulace DM-FSK/DQPSK) a adaptaci celého přenosu podle aktuálních podmínek v přenosovém kanále.

Charakter rádiového spoje s pikosatelity

Rádiový spoj se satelity na negeostacionárních drahách Země je obecně charakteristický změnou podmínek, za kterých je komunikace provozována a časově omezeným oknem, kdy se satelit nachází v dosahu pozemní komunikační stanice (z pohledu pozemní stanice se nachází nad horizontem). Během přeletu satelitu se mění komunikační vzdálenost a s ní i ztráty volného prostředí, mění se délka dráhy signálu přes jednotlivé vrstvy atmosféry a s tím i útlum způsobený absorpcí ve vodních parách, v dešti, v plynech, mění se stav ionosféry a s tím i spojené ztráty útlumem a odrazem od ní, atd. Při nízkých elevačních úhlech satelitu se přidávají troposférické scintilace způsobené nehomogenitami atmosféry z hlediska tlaku, vlhkosti a teploty. Pikosatelity na LEO dráhách setrvávají značný podíl času možné komunikace v nízkých elevačních úhlech (např. více než 56 % času v elevacích menších než 10° - viz. na následujícím obrázku), kdy podmínky rádiového přenosu jsou nejhorší. Je potřeba počítat také s kompenzací Dopplerova jevu vlivem nenulové relativní rychlosti mezi satelitem a pozemním střediskem.

Statistika přeletu pikosatelitu BeeSat nad pozemní stanicí v Plzni.

Rádiový spoj s pikosatelity CubeSat je dále komplikován jejich nízkým EIRP výkonem z důvodu nedostatku elektrické energie, malé účinnosti výkonových zesilovačů, omezeným možnostem jejich chlazení (pasivně) a jednoduchým všesměrovým anténám vzhledem k absenci jednoduchých a spolehlivých orientaci stabilizujících systémů. Základní radiomajáky dodávají do antény pikosatelitu zpravidla výkon nepřesahující 50 mW až 100 mW. Hlavní komunikační jednotka pak pracuje obvykle s výkonem 500 mW až 1 W. Malé EIRP je dále kombinováno s volnou rotací pikosatelitu bez cíleného směrování maxima vyzařovacího diagramu antény směrem k pozemní komunikační stanici, což v komunikaci způsobuje úniky vlivem opakovaného nastavení pikosatelitu minimem vyzařovacího diagramu směrem k pozemní stanici. Ke komunikaci jsou využívána radioamatérská pásma a často je možné se setkat s pozemním zdrojem způsobujícím rušení, které se vlivem kompenzace Dopplerova jevu radiostanicí ve výstupním spektru posouvá.

Závislost útlumu volného prostředí na elevaci satelitu pro různé orbity (vlevo), analýza kvality přijímaného signálu radiomajáku pikosatelitu KKS-1 pozemní stanicí v Plzni.

Na předchozím obrázku jsou pro ilustraci vyneseny závislosti útlumu volného prostředí na elevaci satelitu a orbitální dráze (dohromady určuje komunikační vzdálenost) pro kmitočet 435 MHz, dále je zde zobrazen spektrogram audiosignálu radiomajáku pikosatelitu KKS-1 zachyceného pozemní stanicí v Plzni a vyhodnocená kvalita přijatého signálu. Nejméně kvalitní signál je dle očekávání v okamžiku, kdy se pikosatelit objevuje nad horizontem nebo za něj zalétá. Při těchto nízkých elevacích se také nejvíce projevují troposférické scintilace. Při zvyšující se elevaci satelitu (a zkracující se komunikační vzdálenosti) se kvalita signálu zvyšuje. Ne vždy má křivka kvality signálu takto ideální průběh a může se na ní výrazně projevit rotace antény satelitu hlubokým únikem. Kvalita přijatého signálu určuje dosažitelnou přenosovou rychlost a chybovost přenosu dat směrem od satelitu k pozemnímu středisku. Z tohoto důvodu by technologie vlastního zjištění orientace a polohy pikosatelitu CubeSat a řízená změna jeho orientace z důvodu směrování antén byla pokrokem k dosažení vyšších přenosových rychlostí.

Radiomaják pikosatelitu PilsenCUBE

Radiomaják vysílá periodicky se sníženým výkonem identifikační označení pikosatelitu a případně i základní stavová slova o funkčnosti jednotlivých subsystémů pomocí OOK modulace a Morseova kódu. Radiomaják našeho pikosatelitu bude pracovat konvenčně v pásmu 435 MHz, aby byl zachytitelný radioamatéry po celém světě nebo sítí unifikovaných spolupracujících pozemních stanic (www.genso.org). Je realizován pomocí monolitického obvodu ADF7012 a procesoru ATMega16. V základním režimu bude přebírat a vysílat základní telemetrii od řídícího počítače pikosatelitu, má však implementován i autonomní režim pro případ selhání hlavního řídícího počítače.

Konvenční rádio pikosatelitu PilsenCUBE

Pro běžnou komunikaci s pikosatelity na nízkých oběžných drahách LEO se používají jednoduché dvoustavové číslicové modulace, jako jsou BFSK, BPSK, MSK apod. Tyto modulace se osvědčily na dlouhých komunikačních vzdálenostech s vysokým útlumem volného prostředí (tzn. malé odstupy signál/šum na vstupech přijímačů) a při pohybu komunikujících terminálů vysokými relativními rychlostmi, což je spojeno s významným Dopplerovským posuvem frekvence. Maximální hodnota tohoto posuvu v případě uvažované dráhy (700 km nad Zemí) odpovídá 60 kHz pro frekvenci nosné 2,4 GHz, přičemž okamžitá hodnota posuvu se průběžně mění během přeletu. Kompenzace tohoto posuvu je plně pod kontrolou pozemní stanice, kde potřebná okamžitá hodnota je vypočítávána ze známých parametrů dráhy a reálného času.

Hlavní radiokomunikační jednotka pikosatelitu PilsenCUBE bude pracovat v pásmu 2,4 GHz pro snazší realizaci planárních antén na straně pikosatelitu a parabolických směrových antén na straně pozemní stanice. Spojení v tomto pásmu je navrhováno také s ohledem na přenosy dat a povelů rychlostí 38,4 kbit/s, kterou již neumožňuje použití klasického obvodového řešení rádia v pásmu 435 MHz z důvodu malé šířky pásma komerčně nabízených radioamatérských transceiverů, primárně určených pro hlasové přenosy. Šířka pásma zde obvykle nepřevyšuje hodnotu 20 kHz. Touto koncepcí lze uskutečnit rádiové spojení s maximální přenosovou kapacitou 9,6 kbit/s při použití dvoustavových číslicových modulací. Pro rychlost 38,4 kbit/s bylo nutno navrhnout kompletní řešení, a to jak pro palubní transceiver, tak i pro pozemní stanici. Z důvodu volby pásma musí navrhovaný transceiver též splňovat podmínky AMSATu pro radioamatérskou satelitní službu.  

Komunikační systém je koncipován jako half-duplexní. Celý systém se skládá z kosmického segmentu na palubě pikosatelitu a z pozemní části. Oba segmenty mají podobné blokové schéma, které se liší jen topologií front-end obvodů. Hardwarovou část  tvoří integrovaný transceiver pro ISM frekvenční pásmo CC2500 od firmy Texas Instruments a řídící CPU ATMega64 od firmy Atmel, který zprostředkovává připojení na palubní sběrnici pikosatelitu, případně spojení s řídicím PC v pozemní stanici. Mikroprocesor komunikuje s CC2500 pomocí rozhraní SPI, implementuje kompletní G3RUH modem s AX.25 rámci, bit-stuffingem, scramblováním a CRC protichybovým zabezpečením. Datová část rámců může být volitelně zabezpečena pomocí Reed-Solomonova kódu RS(15,13). Kompenzace Dopplerovského posuvu v pozemním segmentu je řešena softwarovým přeladěním frekvenčního syntezátoru obvodu CC2500.

Transceiver v S mikrovlnném pásmu používá GMSK modulaci, což je speciální případ modulace binární CPM (fázová modulace s kontinuální fází) a modulační číslicový signál je filtrován digitální Gaussovskou dolní propustí. Tato modulace je charakterizovaná frekvenčním zdvihem rovným ¼ modulační rychlosti (9600 Hz). Minimální šířka pásma této modulace pro rychlost 38,4 kbit/s (dosazením do modifikovaného Corsonova vztahu) je 57,6 kHz (v literatuře se standardně uvádí 76,8 kHz, v čemž je zahrnuta určitá rezerva). Podmínky AMSAT regulují minimální elevaci vysílací antény, která nesmí klesnout pod 10°, z čehož dosazením do polohových rovnic vyplývá maximální vzdálenost pro komunikaci se satelitem 2300 km (pro výše zmíněnou 700 km dráhu). Jednotka vznikla původně pro projekt czCUBE a bude rovněž použita i na našem pikosatelitu PilsenCUBE.

Experimentální softwarově definované rádio pikosatelitu PilsenCUBE

Pro účely experimentálního ověření je řešený pikosatelit doplněn ještě další komunikační jednotkou, založenou na spojení FPGA a CPU technologie ARM, která umožní realizovat i jiné modulace (např. M-PSK, M-FSK, hybridní modulace), případně dynamicky měnit modulační rychlost. Tímto způsobem bude možné lépe využít komunikační okna pikosatelitu, zvláště pokud nastanou lepší podmínky, než které se obvykle pro dimenzování energetické bilance uvažují. Přenosový systém pak může pracovat v kompatibilním režimu s běžnými standardy radioamatérské družicové služby, případně je možné krátkodobě volit mezi režimy s prioritou robustnosti nebo s prioritou přenosové kapacity. Zároveň bude vyzkoušeno řízení spojení v případě, že jsou parametry komunikace měnitelné. Spojení klasického mikroprocesoru s FPGA obvodem je voleno z důvodu usnadnění vývoje. Pro použitý procesor existuje spolehlivá implementace rozhraní palubní sběrnice, aktualizace vnitřního software, atd. Úkolem procesoru bude přebírat data k odvysílání a předávat přijatá data, spravovat strukturu paketů a identifikační a zabezpečovací datová pole. Obvod FPGA obsahuje modulační a demodulační algoritmy v co možná nejjednodušší podobě, umožňující snadné ladění a ověřování funkce. Styčným bodem obou částí je vyrovnávací paměť, kam jsou ukládána data po demodulaci a data určená k modulaci. Další výhodou popisované koncepce komunikační jednotky je nezávislost na existenci a dostupnosti vhodných monolitických obvodů. Výrazné zvýšení komplikovanosti návrhu a realizace této experimentální jednotky bude vyváženo možností provádění komplexnějších experimentů v oblasti satelitní komunikace.

Anténní systém pikosatelitu PilsenCUBE

Anténní systém pikosatelitu obsahuje čtvrtvlnnou monopólovou anténu pro radiomaják v pásmu 435 MHz, která bude rozvinuta vlastní pružností po přepálení tavné pojistky. Dále obsahuje dvě flíčkové antény pro konvenční a experimentální rádio na protějších stranách pikosatelitu v pásmu 2,4 GHz. Umístění flíčkových antén na protějších stranách pikosatelitu zlepšuje všesměrové vlastnosti anténního systému a rádiový přenos dat se stává méně závislým na správně fungujícím stabilizačním systému.

Pozemní segment (stanice) pikosatelitu PilsenCUBE

Pozemní stanice je nedílnou součástí projektu, i když se nejedná přímo o část pikosatelitu. Zajišťuje rádiové spojení s pikosatelitem a vzhledem k charakteru satelitního rádiového spoje vyžaduje soustavu antén umístěnou na rotátoru pro přesné sledování měnící se polohy pikosatelitu během přeletu. Součástí je ovládací PC systém se softwarem pro výpočet polohy satelitu na základě Kepleriánských elementů (pravidelně aktualizované úřadem NORAD) a známého času. Software zároveň propočítává kompenzaci Dopplerova posunu kmitočtu a dolaďuje radiostanici. Náš pozemní segment je osazen směrovým anténním systémem pro pásmo 144 MHz, 435 MHz s křížovými YAGI anténami a parabolickou anténou pro pásmo 2,4 GHz. Obsluha a správa pozemního segmentu je možná vzdáleně přes síťové připojení.