High-speed COM

Vysokorýchlostný prenos obrázkov

Objem prenesených dát zo satelitu na nízkej obežnej dráhe je limitovaný časom, ktorý družica strávi nad obzorom prijímateľa a kvality satelitného komunikačného systému. Prvý problém sa dá čiastočne odstrániť zapojením širšej rádioamatérskej komunity po celom svete. Ten druhý si vyžaduje vysokorýchlostný prenos údajov. Prvý slovenský satelit SKCUBE využíva obidve tieto možnosti. Komunikácia s družicou bude prebiehať v dvoch rádioamatérskych pásmach. Na prenos štandardnej telemetrie z družice na Zem bude použité pásmo 437 MHz. Pri vysielaní sa bude striedať vysielanie AX.25 paketov s vysielaním CW majáka. Rádioamatérske pásmo 2.4 GHz použijeme na prenos obrázkov z palubnej kamery (rozlíšenie 750x480) rýchlosťou až do 250 kbps s pomocou vlastného protokolu, ktorý bude obsahovať aj FEC zabezpečenie voči chybovosti.

Satelit umožňuje vďaka patch anténe vysokorýchlostný prenos obrázkov s využitím progresívnych metód kódovania

KOMUNIKÁCIA

Komunikačný systém je rovnako, ako väčšina systémov v družici realizovaný redundatne. Primárny kanál bude pracovať na frekvencii 437,1MHz, kde sa pomocou protokolu AX.25 budú odosielať telemetrické data rýchlosťou 9600 baudov za sekundu. Vyvinuli sme aj experimentálny prenos na frekvencii 2401 MHz, kde sa budú odosielať obrázky z palubnej kamery až do rýchlosti 240 kbps.

Jeden obeh SKCUBE bude rýchlosťou zrhuba 8 km/s na nízkej obežnej dráhe trvať približne 90 minút. Teda, Zem obehne približne 16 krát za deň. Z tohto celkového počtu bude nad našim horizontom 4 krát za deň. Vzhľadom na výšku predpokladanej orbity (približne 600 km) odhadujeme čas nad horizontom približne 10 minút. To znamená, že data budeme môcť prijímať denne 40 minút. Z primárneho kanálu teda za ideálnych podmienok prijmeme 2.3 Mb. V prípade experimentálneho prenosu 576 Mb.

Antény

Ku komunikácií patria neodmysliteľne aj antény. Tu bolo treba konštrukčne vymyslieť ich vystrelenie po vypustení na orbitu z kontajnera. Systém pre primárny kanál funguje tak, že dipólové antény sú vo vnútri satelitu zvinuté ako meter a zatvorené sú teflónovými dvierkami, ktoré drží silon. Tento systém musí byť maximálne spoľahlivý. Nemôže dôjsť k predčasnému vystreleniu antén počas letu v rakete a zároveň v správnej chvíli musia rezistory silon prepáliť čím sa antény vystrelia. Bez antén komunikácia nie je možná.

Zaujímavosťou je patch anténa na 2,4 GHz, ktorá má rozmery len 40x40 mm a výšku len 1,5mm. Aj pri týchto obmedzeniach má slušný zisk 6 dBi a pravotočivú polarizáciu.

Obrázok 1. Model vystrelených antén a ich kontainerov s otvorenými dvierkami

Rozpočet pre primárny kanál 437.1 MHz:

Cubesat transmit power Pt = 30 dBm
Cubesat antenna gain Gt = 2 dB
GS antenna gain Gr = 15 dB
LNA Gain Glna = 20 dB
Free space loss Lfs = 143 dB - 151 dB
Received signal level
Prx = Pt + Gt + Gr + Glna – Lfs
Prx = 30 + 2 + 15 + 20 – 151 – 3 = -87 dBm
Receiver sensitivity – 102 dBm
S/N = 13 dB

Rozpočet pre experimentálny prenos na 2.4 GHz:

Cubesat transmit power Pt = 24 dBm
Cubesat antenna gain Gt = 6 dB
GS antenna gain Gr = 34 dB
LNA Gain Glna = 20 dB
Free space loss Lfs = 160 dB - 170 dB
Received signal level
Prx = Pt + Gt + Gr + Glna – Lfs
Prx = 24 + 6 + 34 + 20 – 170 = -86 dBm
Receiver sensitivity – 92 dBm
S/N = 6 dB

Obrázok 2. Komplexný model SKCUBE a vysunutá patch anténa v pravo dole

Obrázok 3: Vyžarovací diagram dipólových antén. Maximálny zisk 2.5 dBi (červenou)

Obrázok 4: Vyžarovací diagram patch antény. Maximálny zisk 6 dBi (červenou)

Komunikačný systém

Obrázok 5. DPS antén

Obrázok 6. DPS komunikačného systému

Komunikácia družice

Komunikácia s družicou bude prebiehať v dvoch rádioamatérskych pásmach. Na prenos štandardnej telemetrie z družice na zem bude použité pásmo 437 MHz (70cm). Pri vysielaní sa bude striedať vysielanie AX.25 paketov s vysielaním CW majáka, ako to ilustruje Tab. 1

15sec	5sec	5sec
CW maják	AX.25 pakety	Bez vysielania

Tab.1 – cyklus odosielania telemetrie v pásme 70cm

Rádioamatérske pásmo 2.4 GHz (13 cm) plánujeme použiť na prenos obrázkov z palubnej kamery vyššou rýchlosťou až do 250kBds použitým vlastného protokolu, ktorý bude obsahovať aj FEC zabezpečenie voči chybovosti. Odosielať sa budú výhradne fotografie zeme, doplnené o volací znak satelitu a časovú značku. Obrázky komerčného charakteru nebudú odosielané.

Frekvenčné pásmo	Šírka pásma	Použitá modulácia	Komunikačný protokol	Bitová rýchlosť	Vysielací výkon	Smer
437 MHz	20 kHz	GMSK	AX.25	9600Bd	--	Uplink
437 MHz	20 kHz	GMSK	AX.25	9600Bd	1 W	Downlink
437 MHz	--	CW	Morse	--	100 mW	Downlink
2.4 GHz	500 kHz	GMSK, QPSK	Proprietárny	Max. 250 kBd	250 mW	Downlink

Tab. 2 – komunikačné kanály satelitu skCUBE

Všetky potrebné informácie pre rádioamatérov potrebné na dekódovanie paketov budú včas zverejnené.

V spolupráci so SZR bolo dohodnuté umiestnenie digitálneho opakovača tzv. digipeatra, ktorý bude umiestnený na palube skCUBE. Ten bude pracovať zo štandardnými parketmi AX.25, s bitovou rýchlosťou 9600baud, podľa štandardu G3RUH. Systém prevádzky bude podobný ako pri APRS.

Útlm prostredia medzi družicou skCube a zemou sa pohybuje v rozsahu 140 – 155 dB, vysielací výkon vysielača na družici je 1W (30dBm) a vstupná citlivosť prijímača pri BER 10e-3 je -105dBm.