Radiokomunikační subsystém pikosatelitu PilsenCube
- Podrobnosti
- Kategorie: PilsenCUBE I
Radiokomunikační subsystém pikosatelitu je jedním z výzkumných cílů projektu, protože stávající používaná rádia mají malé přenosové rychlosti nedostačující pro přenos velkého objemu dat. Přenosové rychlosti bývají v jednotkách kbit/s, přičemž pikosatelit bývá v dosahu jedné pozemní stanice zhruba 4x denně vždy jen na pár minut. Nejdelší kontakty bývají 10 až 16 minut podle výšky orbity pikosatelitu. Naším výzkumným cílem je realizovat takový komunikační subsystém, který se bude průběžně adaptovat tak, aby byl přenos dat vždy realizován maximální možnou rychlostí za daných aktuálních podmínek v rádiovém kanálu. Adaptace rádiového přenosu je umožněna technologií softwarově definovaného rádia (v pikosatelitu) a vyhodnocením kvality přenosového kanálu v pozemní stanici.
Výbava pikosatelitu PilsenCube pro rádiovou komunikaci
Pikosatelit PilsenCube bude mít celkem tři radiostanice pro spojení s řídícím střediskem nebo s radioamatéry po celém světě. Každá radiostanice má trochu jiný účel a vlastnosti. Nejjednodušší je tzv. radiomaják, což je vysílač, který pomocí Morseova kódu neustále opakovaně vysílá identifikaci pikosatelitu a základní údaje o funkčnosti jednotlivých subsystémů. Radiomaják vysílá nízkým výkonem a malou střídou (vysílání obvykle každých 5 až 30s), aby nebyl příliš zatěžován napájecí subsystém a vybíjeny akumulátory. Radiomajáky jsou oblíbené mezi radioamatéry pro snadnost jejich zachycení a možné dekódování vysílání člověkem bez pomoci počítače. Radiomajáky obvykle pracují v kmitočtovém pásmu kolem 435 MHz. Stejně je tomu i u radiomajáku PilsenCube. Je realizován pomocí monolitického obvodu ADF7012 a procesoru ATMega16. V základním režimu bude přebírat a vysílat základní telemetrii od řídícího počítače pikosatelitu (informace o stavu a funkčnosti), má však implementován i autonomní režim pro případ selhání hlavního řídícího počítače.
O něco složitější je tzv. konvenční rádio, které zajišťuje obousměrnou komunikaci mezi pikosatelitem a pozemní řídící stanicí. Obvykle je realizováno pomocí monolitických integrovaných transceiverů a realizuje nejzákladnější modulace jako 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 vzájemném pohybu komunikujících terminálů vysokými relativními rychlostmi, což je spojeno s významným Dopplerovským posuvem frekvence. Konvenční 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, která dovoluje uskutečnit rádiové spojení s maximální přenosovou kapacitou 9,6 kbit/s při použití základních dvoustavových číslicových modulací. Hardwarovou část konvenčního rádia 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. Mikroprocesor komunikuje s CC2500 pomocí rozhraní SPI a 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). Hlavním důvodem pro zařazení konvenčního rádia do pikosatelitu je to, že tyto integrované transceivery jsou široce v pikosatelitech ověřeny a zajistí tak komunikaci v případě selhání radiačně podstatně citlivějšího softwarově definovaného rádia.
Třetím komunikačním prostředkem je experimentální softwarově definované rádio, které by mělo zajistit dostatečnou datovou propustnost pro přenos dat do řídícího střediska. Technologie softwarově definovaného rádia je v našem případě založena 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.
Nedílnou součástí všech radiokomunikačních subsystémů jsou antény. Anténní subsystém pikosatelitu PilsenCube 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 komunikační a řídicí 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 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 automaticky 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 i vzdáleně přes síťové připojení.
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
