Vlastnosti rádiového spoje s pikosatelity na nízké orbitální dráze

Podrobnosti

Kategorie: Družicová a satelitní technika

Rádiový spoj se satelity na negeostacionárních drahách Země je charakteristický změnou podmínek, za kterých je komunikace provozována a časově omezeným oknem, kdy se satelit nachází v dosahu pozemní komunikační stanice (kdy se satelit z pohledu pozemní stanice 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. Je potřeba počítat také s kompenzací Dopplerova jevu vlivem nenulové relativní rychlosti mezi satelitem a pozemním střediskem. 

Vlastnosti rádiového spoje s pikosatelity na LEO dráze

Rádiový spoj s pikosatelity CubeSat je dále komplikován jejich nízkým vysílacím výkonem z důvodu nedostatku elektrické energie, malou účinností výkonových zesilovačů, omezenými možnostmi jejich chlazení (pasivně) a jednoduchými nesměrovými anténami. Základní radiomajáky dodávají do antény pikosatelitu zpravidla výkon nepřesahující 50 mW až 100 mW. Hlavní komunikační rádio pak pracuje obvykle s výkonem 500 mW až 1 W. Malý vyzařovaný výkon se dále kombinuje s volnou rotací pikosatelitu bez cíleného směrování maxima vyzařovacího diagramu antény směrem k pozemní komunikační stanici, což v komunikaci způsobuje periodické úniky vlivem opakovaného nastavení minima vyzařovacího diagramu antény pikosatelitu 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 přelaďováním radiostanice na Zemi ve výstupním spektru posouvá.

Galerie obrázků k vlastnostem rádiového kanálu:

Zleva po řádcích - zaznamenané změny v kvalitě přijímaného signálu během jednoho přeletu satelitu KKS-1 nad pozemní komunikační stanicí projektu PilsenCube, vyzařovací diagram antény pikosatelitu v polárních souřadnicích, vyzařovací diagram antény pikosatelitu v jedné rovině s označením možné hloubky úniků v rádiové komunikaci vlivem odklonu antény, vyčíslení všech možných zdrojů kolísání kvality přijímaného signálu při zvažování i elevací pod 10°, vyčíslení všech možných zdrojů kolísání kvality přijímaného signálu při zvažování elevací nad 10°, statistika elevací při přeletech pikosatelitů na nízkých oběžných drahách, výpis přeletů pikosatelitu na dva dny dopředu s možným rádiovým kontaktem po omezený čas, útlum volného prostředí v závislosti na elevaci pikosatelitu a jeho orbitě pro kmitočet 435 MHz.

Výsledná přijímaná kvalita signálu kolísá, což vede na změnu chybovosti přenášených dat při konstantní přenosové rychlosti. Pokud bychom kvalitu přijímaného signálu kontinuálně proměřovali, je možné variace využít pro adaptaci přenosu pro udržení konstantní požadované chybovosti přenosu. Adaptaci přenosu můžeme provádět s cílem maximalizovat přenosové rychlosti (budeme přenášet tak rychle, jak kanál umožní pro požadovanou chybovost) nebo s cílem úspory elektrické energie (při konstantní rychlosti měníme vysílaný výkon pro udržení konstantní chybovosti). Uspořit elektrickou energii lze i způsobem, že hlavní vysílání bude probíhat pouze v okamžicích s dobrými podmínkami v rádiovém kanálu, ve zbytku času bude prováděno měření kvality na signálu radiomajáku vysílaného s nízkým výkonem.

Analýzou vysílání radiomajáků stávajících satelitů na nízkých drahách přijímaných naší pozemní stanicí v Plzni jsme zjistili, že kvalita přijímaného signálu může kolísat až o 30 dB, což představuje značné možnosti adaptace přenosových rychlostí nebo vysílaných výkonů. Detailní rozbor rádiového spoje s pikosatelity včetně detailního popisu zde uvedených obrázků a tabulek lze najít v disertační práci Efektivní komunikační systém pikosatelitů.

Výzkum a vývoj technologie spolehlivých pikosatelitů byl v letech 2009 až 2011 podporován Grantovou agenturou České republiky v rámci projektu "Energeticky úsporná platforma pro experimentální výzkum na bázi pikosatelitů" pod registračním číslem 102/09/0455. Projekt má vlastní webové stránky: www.pilsencube.zcu.cz

Galerie obrázků celého projektu pikosatelitu PilsenCube: