Subsistema de TT&C...Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo...
Transcript of Subsistema de TT&C...Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo...
CSAT 1
Comunicaciones por SatComunicaciones por SatééliteliteCurso 2008Curso 2008--0909
Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Subsistema de Subsistema de TT&CTT&C
Ramón MartínezMiguel Calvo
CSAT 2Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
ObjetivosObjetivos
• Conocer las funciones y la operación del subsistema de TT&C
• Conocer las principales modulaciones usadas en TT&C• Comprender los fundamentos de los sistemas de
ranging• Conocer la arquitectura básica de una estación de
seguimiento
CSAT 3Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
• Subsistema de TT&C– Misión– Normativa– Modulaciones– Antenas– Módulos TT&C
• Tipos de cargas útiles• Subsistema de comunicaciones
– Multiplexores de entrada (IMUX) y salida (OMUX)– Amplificadores– Filtros de entrada y salida– Conversores de frecuencia– Switches de radiofrecuencia– Antenas. Zona de cobertura y visibilidad. Tipos de cobertura– Ejemplos
ÍÍndicendice
CSAT 4Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Subsistema de TT&CSubsistema de TT&C• Telemando:
– Número de operaciones pequeño– Número de comandos grande (cientos)– Alta fiabilidad:
• Reconocimiento antes de ejecución• Transmisión protegida frente a interferencias (banda
estrecha o bien espectro ensanchado)• Telemedida (telemetría):
– Número no muy alto de datos– Transmisión a baja velocidad (150 - 1000 bps)– Presentación al operador y disparo de alarmas
• Seguimiento (tracking y ranging):– Sensores de velocidad y aceleración a bordo– Distancia mediante Doppler de la portadora de telemedida– Información angular de los servos de la antena E.T.
CSAT 5Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Segmento espacio
Segmento terreno
Receptor deTelemetría
Ordenador de Control
Transmisor de Telecomandos
Sistema de seguimiento
Subsistema de Subsistema de TT&CTT&C
CSAT 6Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
OperaciOperacióón del n del TT&CTT&C
Estación de Control
Demod. ComandosReceptor y antena del
TT&C
Procesador de comandos
Decodificar y verificar
Procesador de telemetría
Codificar en formato std
Modul. Medidas
Transmisor y antena TT&C
ComandosTele-
medidas
Verificación
Tracking, Ranging
• Distancia• Velocidad radial (Doppler)• …
Temp., tensión, corriente, etc.
CSAT 7Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Bandas de frecuencia empleadas en Bandas de frecuencia empleadas en TT&CTT&C
SO (en banda comunicaciones)SRSR
A
AB
10700-12800
14400-1447012750-13250
12750-1450017300-1830013250-1340016600-17100
Ku
EES (downlink)SRSRSO (militar)
ABAA
8025-84008400-84508450-85007900-8400
7145-71907190-72357250-7750
X
SOA3400-42005700-6725C
SR. SO, EESSR
AB
2200-22902290-2300
2025-21102110-2120
S
UsosCategoríaSatélite → Tierra (Downlink)
Tierra → Satélite(Uplink)Banda
Cat. A: Misiones próximas a Tierra (hasta 2×106 km)Cat. B: Misiones de Espacio Profundo (interplanetarias)
S.O.: Operaciones espacialesS.R.: Investigación EspacialE.E.S.: Exploración de la Tierra
CSAT 8Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
NormativaNormativa• Necesidad de comunicación con estaciones terrestres• Compatibilidad entre sistemas• Facilitar el seguimiento de los satélites• Agencia internacional CCSDS (Consultative Committee for Space Data
Systems)– Red de estaciones de seguimiento
• ESA: PSS-04-104 (Ranging standard) y PSS-04-105 (RF and Modulation)– Sustituido por ECSS-E-50-02
• Existen también estándares propietarios (Intelsat)– No pueden beneficiarse de la red de estaciones de CCSDS
• NASA: estándar STDN (Spaceflight Tracking and Data Network)– SNIP (Space Network Interoperability Panel): coordinación de actividades de
NASA, NASDA y ESA• ETSI
– EN301926 (Satellite Earth Stations and Systems (SES); Radio Frequency andModulation Standard for Telemetry, Command and Ranging (TCR) ofGeostationary Communications Satellites): Espectros lineal y expandido
– TR101956 (Satellite Earth Stations and Systems (SES); Technical analysis ofSpread Spectrum Solutions for Telemetry Command and Ranging (TCR) ofGeostationary Communications Satellites)
CSAT 9Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Red de estaciones de CCSDSRed de estaciones de CCSDS
CSAT 10Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
ModulacionesModulaciones
• Selección de la modulación– Robustez y fiabilidad– Eficiencia en potencia– Transmisión de datos (TM y TC) y señales analógicas (tonos de
ranging o RG); – Multiplexación de canales– Velocidad de datos es reducida (subportadora para no mezclar
con ruido de fase del OL)– Sistemas de portadora residual para facilitar la adquisición de
portadora y demodulación coherente
• Tipos de modulaciones– Modulación PCM/BPSK/PM, PCM/BPSK/FM– Modulación de espectro ensanchado
• Reducir las interferencias con sistemas de Tierra– Modulaciones más eficientes (futuro)
CSAT 11Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
ModulaciModulacióón PCM/BPSK/PMn PCM/BPSK/PMAscendente (Banda base)
3 a 4 KHz 16 a 20 KHz 100 KHz
RG (STDN) RG (ESA) RGTC (BPSK)
8 ó 16 KHz
Descendente (Banda base)
3 a 4 KHz 16 a 20 KHz 100 KHz
RG (STDN) RG (ESA) RGTC (BPSK)
8 ó 16 KHz
TM (BPSK)
30 a 80 KHz
f
f
CSAT 12Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Ejemplo: PAM/AM/FM (NOAA APT)Ejemplo: PAM/AM/FM (NOAA APT)
4160 baudios Filtrada paso bajo (fcorte=2400 Hz)
Señal PAM
CSAT 13Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Ejemplo: PAM/AM/FMEjemplo: PAM/AM/FM
m=0.92 fsubportadora=2400 Hz
Señal PAM/AM
CSAT 14Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Ejemplo: PAM/AM/FMEjemplo: PAM/AM/FM
∆f=32.48 KHz
Señal PAM/AM/FM
BWCarson=73.28 KHzfc=80 KHz
CSAT 15Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
SeSeññal de RG (al de RG (RangingRanging))
• Estándar “two tone” (TTC-A-04)– Se basa en medir la distancia como la diferencia de fase de un tono
en transmisión y recepción– Se emplean dos tonos para resolver las ambigüedades de fase
(saltos mayores de λ/2)– En la práctica, se emplean varios tonos
º360(grados)
2φλ ∆
×=D
0 50 100 150 200 250 300
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
tiempo
Am
plitu
d
trxrx
∆φ
º360(grados)
2φλ ∆
×=D
0 50 100 150 200 250 300
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
tiempo
Am
plitu
d
trxrx
0 50 100 150 200 250 300
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
tiempo
Am
plitu
d
trxrx
∆φ
360(grados)
2φλ ∆
×=D
CSAT 16Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
SeSeññal de RG (al de RG (RangingRanging))• Estándar MPTS (Multi Purpose Tracking Standard) de ESA
– Basado en una portadora modulada por un código pseudoaleatorio(PN), con un espectro entre 100 KHz y 1.5 MHz
• Precisión: frecuencia de la portadora (mayor al aumentar su frecuencia)• Ambigüedad: longitud del código PN
Code length=20 Code length=22
Code length=24 Code length=212
Señal de ranging en UL:
ftx: portadoraftc: subportadora de TCmtc: índice modulación TCmru: índice modulación RGd(t): datos de TC en NRZ φtc: desfase de ftcfr: frecuencia del tono de RGφr: índice modulación RGrn(t): código de RG (orden n)
Fuente: [Gaudenzi, 93]
CSAT 17Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
SeSeññal de RG (al de RG (RangingRanging))
Code length=20 Code length=22
Code length=24 Code length=212
Señal de ranging en UL:
ftx: portadoraftc: subportadora de TCmtc: índice modulación TCmru: índice modulación RGd(t): datos de TC en NRZ φtc: desfase de ftcfr: frecuencia del tono de RGφr: índice modulación RGrn(t): código de RG (orden n)
Fuente: [Gaudenzi, 93]
CSAT 18Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
IntegraciIntegracióón de MPTS en estaciones terrenasn de MPTS en estaciones terrenas
Fuente: [Gaudenzi, 93]
CSAT 19Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Dimensionado de enlaceDimensionado de enlace
• Disponibilidad, fiabilidad y robustez: siempre visible y disponible
• Margen mayor, antenas omnidireccionales, configuración auxiliar (dos antenas y amplificadores, dos bandas)
• Se hacen teniendo en cuenta todas las situaciones posibles del enlace y sirve para dimensionar todos los parámetros del subsistema– LEOP (Launch and Early Orbit Phase), nominal y emergencia
• Balance de enlace– Tablas en CCSDS 401.0-B: Radio Frequency and Modulation
Systems – Part 1. Earth Stations and Spacecraft
• Ejemplo: Hispasat 1C en fase LEOP
CSAT 20Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Antenas de Antenas de TT&CTT&C
• Deben tener cobertura omnidireccional para asegurar el enlace en condiciones nominales e imprevistos– Opción 1: dos antenas con cobertura semiesférica– Opción 2: antena principal de cobertura 110º aprox. y una
antena de relleno– Opción 3: cobertura omnidireccional en una banda (p.e., S) y
directiva en otra banda (p.e., Ku) para condiciones estables• Polarización
– Circular en banda S (hélices cuadrifilares cónicas)• Evitar rotación de Faraday (ionosfera) y reducir las pérdidas
por desalineamiento– Lineal en banda Ku
• Montaje– Partes superior e inferior del satélite (ejes paralelos), sin
elementos que obstaculicen la visión de Tierra
CSAT 21Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Antenas de Antenas de TT&CTT&C
CSAT 22Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Antenas de Antenas de TT&CTT&C
RapidEye Antenna Design (with radome attached)Compact data downlink antennas
http://www.esa.int/techresources/ESTEC-Article-fullArticle_par-29_1129904713903.html
Banda X (satélites de observación en downlink)Hélices cuadrifilaresEl diagrama puede conformarse modificando la longitud, diámetro y eje de la hélice
CSAT 23Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Antenas de Antenas de TT&CTT&C
CSAT 24Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Antenas de Antenas de TT&CTT&C
Frequency range 2,000 to 2,300 MHzCircular polarization
Hemispherical coverage10 Watts c.w.
Compact and lightweightWide temperature range
Designed for LEO satellite missions
S2023R S-Band Satellite Antenna
http://www.stt-systemtechnik.de/en/aero-space.htm
CSAT 25Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
ComparativaComparativa
Fuente: Gary G. Wong, TT&C Antenna Candidate for Spin and Body Stabilized Spacecrafts, IEEE APS, 1992.
Log-spiral antenna (cónica)
Guía de onda con elemento parásito
7.5 GHZ
Hélice cuadrifilar
CSAT 26Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Antenas de Antenas de TT&CTT&C
Cobertura constante• Satélites LEO• Antena bicone (zona de máxima cobertura)• Bocina híbrida (horizonte)• Control del diagrama mediante el ángulo de apertura y ajustando la potencia de la bocina
CSAT 27Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Antenas de Antenas de TT&CTT&C
Cobertura toroidal• Antenas bicone
CSAT 28Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
TranspondedorTranspondedor de de TT&CTT&CTT&C para satélites pequeños• Satélites de observación EES• Equipos ligeros y de bajo consumo• Modulaciones de alta velocidad• La TM debe enviar información de housekeeping y de la misión
Acoplador SMA 3 dB
Cables coaxiales de bajas pérdidas
Transceptores de T&C
Antenas de cobertura y semiesférica banda
ancha284 × 220×197mm3 ( 6.18 Kg)PROTEUS
CSAT 29Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
TT&CTT&C vvíía sata satéélites lites relayrelay
ATV: Programa de la ESA para los Automated Transfer Vehicles (>2007)TDRSS: Tracking and Data Relay Satellite System (NASA)
Satélite TDRSSGEO
Forward link (2 GHz)
Return link (2.2 GHz)
ATV Concept
CSAT 30Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
TranspondedorTranspondedor de de TT&CTT&CAlcatel 9355 TDRSS Compatible S-Band Transponder
Technical description• Two independent modules, Receiver andTransmitter, assembled together as a single equipment.• High performance RF transmit and receivechains, based on MIC technology.• IF sections highly integrated in analog ASICs.• Extensive use of DSP techniques for digital demodulation, code and carrier recovery, andother low frequency functions.• Includes highly stable reference oscillators(TCXOs or OCXOs in option).Production: 10-12 months
CSAT 31Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
ExploraciExploracióón interplanetaria con satn interplanetaria con satéélite lite relayrelay
CSAT 32Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
EvoluciEvolucióón de los sistemas n de los sistemas TT&CTT&C• Demanda de nuevos clientes
– Sobre todo, satélites LEO para misiones de observación– Abaratamiento de costes, y mayor autonomía del satélite
• Nuevas bandas de frecuencia– Actualmente, banda S sólo para LEOP y emergencia (comienza a estar
saturada por el aumento de misiones y nuevos servicios IMT-2000)– TT&C dentro de la banda útil
• Interplanetarias: migración a banda X• Observación: migración a banda Ka
• Incremento de la capacidad de transmisión de datos • Esquemas de modulaciones más eficientes
– QPSK actualmente; GMSK o FQPSK-B para el futuro– Modulación de Trellis 8PSK (hasta 2.5 bit/s/Hz) para enlaces EES en
banda X• Códigos de canal de altas prestaciones
– Ejemplo: FEC ½ + Reed-Solomon (255,223)• Transmisión en paquetes TM y TC para mejorar la eficiencia
CSAT 33Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
ESA ESA trackingtracking stationsstations networknetwork (ESTRACK)(ESTRACK)
CORE NETWORK• Kourou (French Guiana)• Maspalomas (Spain)• Villafranca (Spain)• Cebreros (Spain)-DSA1• Redu (Belgium)• Kiruna (Sweden) • Perth (Australia)• New Norcia (Australia)-DSA2AUGMENTED NETWORK• Svalbard (Norway)• Malindi (Kenya) • Santiago (Chile)OTHER• Alaska (USA)• Dongara (Australia)• Weilheim (Germany)
CSAT 34Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
ESA ESA trackingtracking stationsstations networknetwork (ESTRACK)(ESTRACK)• Comunicación con misiones• Envío e comandos y recepción
de telemetría y datos científicos
• Radiometría (localización, trayectoria, velocidad de vehículos espaciales)
• Seguimiento en fase LEOP• Autotracking• Control de tiempo y frecuencia
usando relojes atómicos• Recopilación de datos
atmosféricos y climatológicos• Receptores GPS para cálculos
geodésicos y determinación orbital
CSAT 35Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
ESA ESA trackingtracking stationsstations networknetwork (ESTRACK)(ESTRACK)
Kourou: 15-m para transmisión y recepción en bandas S y X
Redu: bandas VHF, C, L, S, Ku y Ka
Kiruna: bandas S y X (remote sensing)
Perth: 15-m, bandas S y X (XMM-Newton, Cluster II)
CSAT 36Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
EstaciEstacióón de n de VillafrancaVillafranca (ESA). VILSPA (ahora ESAC)(ESA). VILSPA (ahora ESAC)
CSAT 37Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
EstaciEstacióón de n de VillafrancaVillafranca (ESA). VILSPA (ahora ESAC)(ESA). VILSPA (ahora ESAC)
CSAT 38Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Antenas de VILSPA (ahora ESAC)Antenas de VILSPA (ahora ESAC)
LEOP
--
ECS Ranging
MARECS
MARECS
MARECS
TT&C/LEOP
TT&C/LEOP
Misión
RHC & LHC5,5 mSTS-1
RHC & LHC4 m (Yagi)VHF RxVIL-9
RHC & LHC3 mKuVIL-7
Linear--LVIL-6
RHC & LHC4 mLVIL-5
RHC & LHC12 mCVIL-4
RHC & LHC15 mSVIL-2
RHC & LHC15 mSVIL-1
PolarizaciónDiámetroBandaNombre
ECS: European Communication SatelliteMARECS: MARitime European Communication SatelliteLEOP: Launch and Early Orbit Phases
CSAT 39Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Antenas de Antenas de TT&CTT&C del VILSPA (ESAC)del VILSPA (ESAC)VIL-1 VIL-2
Fuente: VILSPA-ESA
Sistema CassegrainDiseño de triple reflexión:- Reflector principal parabólico de 15 m - Sub-reflector hiperbólico de 2.2 m.Cobertura hemisférica total del cielo
Sistema Cassegrain:-Reflector principal parabólico de 15 m -Sub-reflector hiperbólico de 1.95 mInfrared Space Observatory (ISO)
CSAT 40Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
Diagrama de bloques de VILDiagrama de bloques de VIL--22
CSAT 41Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
DeepDeep SpaceSpace AntennaAntenna ((CebrerosCebreros))
CSAT 42Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo
DeepDeep SpaceSpace AntennaAntenna ((CebrerosCebreros))
D=35 mBanda Ka: 31.8-32.3 GHzError: 6.0 ×10-3 º