Σύνοψη

Tο υποσύστημα Communications διασφαλίζει ότι τα επιστημονικά δεδομένα καθώς και τα δεδομένα τηλεμετρίας (TM) και τηλεχειρισμού (TC) μεταφέρονται με επιτυχία ανάμεσα στο AcubeSAT και στον σταθμό βάσης μέσω:

  • Ανάλυσης του Ισοζυγίου Ζεύξης (Link Budget)
  • Σχεδιασμού κεραιών
  • Ψηφιακής Επεξεργασίας Σήματος με χρήση Software Defined Radio (SDR)
  • Σχεδιασμού κυκλωμάτων ραδιοσυχνοτήτων (RF)
  • Σχεδιασμού και κατασκευής του σταθμού βάσης
  • Προγραμματισμό ενσωματωμένων (embedded) συστημάτων

Διαστημικό τμήμα

Το AcubeSAT χρησιμοποιεί ραδιοερασιτεχνικές συχνότητες και αποτελείται από δύο τηλεπικοινωνιακά συστήματα, ένα στις συχνότητες 2.4-2.45 GHz (S band) για αποστολή προς τη γη των επιστημονικών δεδομένων, και ένα στις 435-438 MHz (UHF) για ετερόχρονη αποστολή και λήψη τηλεμετρίας (TM) και τηλεχειρισμού (TC).

Στον δορυφόρο θα τοποθετηθεί μια πλακέτα η οποία αναπτύσσεται από την Libre Space Foundation (LSF) στα πλαίσια ενός προγράμματος ανάπτυξης λογισμικού ανοιχτού κώδικα χρηματοδοτούμενου από την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (ESA) (μπορείτε να βρείτε το αποθετήριο του project στο GitLab εδώ). Η πλακέτα βασίζεται στον πομποδέκτη AT86RF215, ο οποίος παρέχει δύο ανεξάρτητες TX και RX θύρες και θα χρησιμοποιηθεί και για τα δύο τηλεπικοινωνιακά συστήματα (S band και UHF).

Σύστημα S band

Καθώς τα επιστημονικά δεδομένα αποτελούνται κυρίως από φωτογραφίες, είναι απαραίτητος ένας υψηλός ρυθμός μετάδοσης ώστε αυτά να αποσταλούν στο σύνολό τους στον σταθμό βάσης. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος συνοψίζονται παρακάτω:

  • Διαμόρφωση: Offset Quadrature Phase-Shift Keying (OQPSK)
  • Ρυθμός Μετάδοσης: 160 kbps
  • Τεχνική Ανίχνευσης και Διόρθωσης Σφαλμάτων: Low-Density Parity-Check (LDPC)
  • Πακετοποίηση: CCSDS 132.0-B-2
  • Ισχύς εκπομπής: 1 W

Για τις συχνότητες 2.4-2.45 GHz έχουμε σχεδιάσει (βασισμένοι σε αυτή τη δημοσίευση) και κατασκευάσει μια επίπεδη κεραία κυκλικής πόλωσης πολλαπλών στρωμάτων, της οποίας το κέρδος μετρήθηκε στα 4 dBi και το άνοιγμα μισής ισχύος στις 104 μοίρες. Παρακάτω μπορείτε να δείτε το σχεδιαστικό αρχείο της κεραίας, το τρισδιάστατο διάγραμμα ακτινοβολίας όπως μετρήθηκε στον ανηχοϊκό θάλαμο της Mονάδας Ραντάρ και Μικροκυμάτων του Eργαστηρίου Τηλεπικοινωνιών, καθώς και μια φωτογραφία της κεραίας κατά τη μέτρηση.

Σύστημα UHF

Τα κυριότερα χαρακτηριστικά του συστήματος αναφέρονται παρακάτω:

  • Διαμόρφωση: Gaussian Minimum-Shift Keying (GMSK)
  • Εύρος Ζώνης: 20 kHz
  • Ρυθμός Μετάδοσης: 20 kbps
  • Τεχνική Ανίχνευσης και Διόρθωσης Σφαλμάτων: Convolutional
  • Πακετοποίηση: CCSDS 132.0-B-2 (TM), CCSDS 232.0-B3 (TC)
  • Ισχύς εκπομπής: 1 W

Ένας ραδιοφάρος (beacon) με διαμόρφωση GMSK και παρόμοια μορφή με το πακέτο TM θα μεταδίδεται κάθε 30 δεύτερα. Εκτός από την πακετοποίηση CCSDS, το AcubeSAT θα μεταδίδει και ένα Carrier Wave (CW) beacon (όπως φαίνεται ενδεικτικά στο παρακάτω σχήμα) με σημαντική τηλεμετρία κάθε 3 λεπτά με ρυθμό 20 λέξεις το λεπτό.

Το σύνολο του τηλεχειρισμού θα είναι υπογεγραμμένο μέσω του πρωτοκόλλου HMAC, προκειμένου να αποφευχθούν κακόβουλες επιθέσεις ή μη ηθελημένη πρόσβαση.

Για τον αξιόπιστο έλεγχο του δορυφόρου σε οποιαδήποτε περίπτωση προσανατολισμού, έχει σχεδιαστεί μια κεραία κυκλικής πόλωσης τύπου turnstile που θα στηριχθεί στον μηχανισμό deployment του Upsat. Η κεραία έχει στην προσομοίωση κέρδος 2.14 dBi και άνοιγμα μισής ισχύος 141 μοίρες.

Επίγειο τμήμα

Ο σταθμός βάσης που σχεδιάζεται θα έχει βάση στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης και θα είναι κομμάτι του παγκόσμιου δικτύου σταθμών βάσης SatNOGS.

Στον τρέχοντα σχεδιασμό, τις επικοινωνίες θα διαχειρίζεται ένα Raspberry Pi, προγραμματισμένο σε μια τροποποιημένη έκδοση που παρέχεται από το SatNOGS και συνδεδεμένο με δύο Adalm Pluto SDRs, το ένα για την λήψη των δεδομένων σε S-band και το άλλο για TX και RX σε UHF.

Η κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση των δεδομένων θα είναι ψηφιακή και θα επιτυγχάνεται μέσω διαγραμμάτων ροής (flowgraphs) του προγράμματος GNURadio. Ειδικότερα, το πρόγραμμα παρέχει μερικά έτοιμα μπλοκ για γρήγορη ανάπτυξη RF κυκλωμάτων, ενώ αρκετές φορές απαιτείται και η ανάπτυξη νέων μπλοκ. Μέχρι στιγμής έχει υλοποιηθεί ένας δέκτης OQPSK, με τον αντίστοιχο κωδικοποιητή για λόγους δοκιμών. Στο μέλλον θα υλοποιηθεί ένας αποκωδικοποιητής του CCSDS Space packet, μαζί με έναν αποκωδικοποιητή LDPC και έναν Convolutional κωδικοποιητή/αποκωδικοποιητή.

Ο σταθμός βάσης θα περιλαμβάνει δύο κεραίες που θα καλύπτουν τις ανάγκες και των δύο ζωνών συχνοτήτων. Η κεραία λήψης στην S-band θα είναι ελικοειδής με έναν παραβολικό ανακλαστήρα από την RF HAMDESIGN και θα έχει κέρδος 23.6 dBi και 9.7 μοίρες άνοιγμα. Οι διεργασίες σε UHF θα πραγματοποιούνται μέσω μιας ελικοειδούς που θα κατασκευαστεί από εμάς και στην προσομοίωση παρουσιάζει κέρδος 12 dBi και άνοιγμα 36 μοιρών. Και οι δύο κεραίες θα τοποθετηθούν στον μηχανισμό SatNOGS Rotator v3, ο οποίος θα ελέγχεται από τον SatNOGS Rotator Controller.