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IL SISTEMA DI COMUNICAZIONE

6.1 Introduzione

Il sistema di comunicazione è il componente della piattaforma satellitare che gli permette di ricevere ed inviare i dati al segmento di Terra; in particolare deve es-sere in grado di:

• acquisire il segnale, cioè di sintonizzarsi, e stabilizzarsi, sulla frequenza di trasmissione dati;

• ricevere e interpretare i comandi inviati da Terra;

• modulare i dati scientifici acquisiti e la telemetria di bordo, e successivamen-te inviarli a Terra;

• quando richiesto, deve essere in grado di generare segnali pseudo-casuali di ricerca per permettere la rilevazione della posizione e della velocità del satel-lite;

• effettuare operazioni secondarie quali l’esecuzione di test di controllo e la ca-pacità di porsi in modalità di attesa.

La linea guida per la valutazione dei parametri fondamentali di questo sistema, con-siste nello scegliere, prima di tutto, il tipo di architettura per poi passare ad un’analisi più dettagliata della capacità di comunicazione in funzione dei vari parametri. Una volta definiti questi parametri diventa possibile valutare la massa e l’ingombro di o-gni singolo componente.

6.2 Architettura del sistema

Con la definizione architettura del sistema si intende la composizione e le modalità di funzionamento dell’apparato di comunicazione. Attualmente esistono di-versi tipi di architetture tra cui, la più semplice, è quella utilizzata nei satelliti geosta-zionari. La maggior parte dei satelliti per le telecomunicazioni, soprattutto i primi, si trovano in orbita geostazionaria per cui, essendo praticamente fissi rispetto ad un os-servatore a Terra, non necessitano di alcun sistema di puntamento per le antenne. I-noltre attraverso una rete composta da tre soli satelliti è possibile coprire qualsiasi punto del globo; questa semplicità si paga a caro prezzo in termini di potenza richie-sta per una comunicazione priva di errori virichie-sta la quota elevata in cui vengono posti.

figura 6.2.1 Architettura Geostazionaria

La maggior parte dei rimanenti satelliti usa un’architettura di tipo store & forward, conserva ed invia, che consiste nell’immagazzinare i dati e inviarli non ap-pena la stazione di ricezione e in vista come in

figura 6.2.2 Architettura Conserva ed Invia

Altre architetture, simili come funzionamento a quest’ultima, utilizzano si-stemi esterni come “ripetitori”; numerose sono le costellazioni che offrono questo servizio che presenta evidenti vantaggi dati dalla capacità di inviare quantità molto elevate di dati praticamente in ogni punto del globo terrestre in ogni anche se in op-posizione alla op-posizione del satellite al dato istante.

Un esempio è il satellite Artemis che, dopo molte disavventure, è stato posto in orbita per fare da ponte tra il satellite ENVISAT e la Terra; la possibilità, prevista dal costruttore, di un utilizzo di questo satellite da parte di terzi è stata un opzione i-nizialmente valutata, ma scartata visto che la capacità di invio e ricezione residua è praticamente nulla dato il massiccio supporto alla missione ENVISAT.

La scelta non può che cadere sull’utilizzo di un’architettura standard; ciò ci consente di semplificare il sistema e, quindi, di limitarne i costi, ma allo stesso tempo limita le possibilità dell’intero sistema in quanto l’invio e la ricezione dei dati sono circoscritti ai periodi in cui il satellite è in vista con la stazione a Terra. Ciò può comportare ulteriori complicazioni in fase di definizione del segmento di Terra in ra-gione del fatto che precedentemente è stato scelto di far processare tutti i dati a Terra in un’unica stazione.

6.3 Scelta delle stazioni a terra

Nelle normali comunicazioni satellite-Terra è prassi comune limitare il cam-po di vista dell’antenna a bordo ad angoli di elevazione maggiori di 5°; infatti agli estremi dell’orizzonte visibile la comunicazione diviene maggiormente difficoltosa

in quanto il segnale deve compiere un tragitto più lungo, attraversando, tra l’altro, strati atmosferici a maggiore densità. Nell’analisi svolta non si tiene conto della pos-sibilità di effettuare accessi a più stazioni in simultanea, in quanto complicherebbe notevolmente l’hardware e il software di bordo.

Le stazioni a terra il cui utilizzo viene preso in considerazione sono quelle ri-portate nel paragrafo 2.3.7:

• Kiruna (SWE); • Redu (BEL); • Cerberos (ESP);

• Villafranca del Castillo (ESP);

• Stazione dedicata costruita a Pisa (ITA).

La stazione in Svezia viene immediatamente esclusa perché si trova ad una latitudini irraggiungibili per il satellite.

La stazione in Belgio ha praticamente gli stessi tempi di accesso di quella in Spagna, anche se quest’ultima presenta degli accessi più lunghi dovuti al fatto che si trova ad una latitudine più bassa rispetto a quella in Belgio. L’opzione di un utilizzo in contemporanea della stazione a Redu e quella a Villafranca non ha senso in quanto il satellite può accedere solo ad una di queste, mentre sembra di maggior interesse l’ipotesi di utilizzare una stazione a Pisa più una di appoggio dell’ESOC ad una di-stanza di latitudine e longitudine sufficiente da giustificare un’analisi più approfondi-ta.

Ciò detto sono state analizzate tre configurazioni possibili:

1. uso di una sola stazione a Terra, autogestita, interamente dedicata alla missione

2. utilizzo di due stazioni: una come la precedente più un’altra di appog-gio di proprietà ESA, quella situata a Villafranca del Castillo(Madrid) 3. utilizzo unicamente della stazione ESA a Villafranca del Castillo L’analisi è stata condotta tramite il propagatore orbitale STK durante l’arco dei tre giorni che caratterizzano la risoluzione temporale della missione; nell’analisi si è tenuto, inoltre, dei limiti, a cui in precedenza è stato fatto un breve accenno, ri-guardo all’elevazione minima che il satellite può assumere durante la comunicazione.

tabella 6.3-1 Tempi di accesso del satellite a terra

Tempo di accesso in 3 giorni [min] Soluzione 1 Soluzione 2 Soluzione 3

Minimo 5 5 6

Massimo 6.64 6.64 6.61

Medio 0.7 7 3.13

Totale 90 104 97

In base a questi risultati è stata poi calcolata la quantità totale di dati inviabile a Terra nell’arco dei tre giorni utilizzando due modalità di trasmissione differenti. La prima via consiste nell’assumere un flusso di dati costante di circa 150 Mbps, mentre la seconda, condizione limite, consiste in una trasmissione di dati, variabile, ma co-munque in grado di inviare 1.5 Gbyte durante ogni contatto, cioè in grado di scarica-re l’intera memoria di bordo del sistema (figura 6.3.1).

La seconda soluzione in realtà non è implementabile in quanto occorrerebbe un sistema di comunicazione in grado di gestire flussi di dati troppo elevati, ma è comunque utile analizzarla per confrontare i valori ideali che si vorrebbero avere, con quelli che realmente saranno disponibili.

Data Rate 0 200 400 600 800 1000 1200

Sol 1 Sol 2 Sol 3

Soluzione D a ti [G b it ]

Volume di dati totale scaricando a 150 Mbps Volume di dati totale scaricando 1.5 GByte per contatto

figura 6.3.1 Quantità di dati inviabile a terra

I risultati che abbiamo ottenuto ci dicono che la seconda soluzione è, a disca-pito di una maggiore complessità del intero segmento di Terra, soltanto di poco

mi-gliore delle altre due, assumendo un flusso di dati costante, per cui viene subito eli-minata in favore di una delle altre due.

Per quanto riguarda la terza soluzione si può notare come la quantità di dati inviabili con un DR costante è nettamente maggiore di quella massima da noi richie-sta, cioè 1.5 Gbyte, pari all’intera memoria del satellite. Questo ci suggerisce che la stazione di Villafranca permetterebbe di ricevere tutti i dati disponibili dal satellite con DR minori; d’altra parte si deve considerare che questa stazione è solo parzial-mente disponibile, per cui è probabile che alcuni contatti con il satellite non vengano effettuati per evitare interferenze con altri collegamenti.

La scelta cade sulla prima soluzione, si propone dunque di realizzare un appa-rato leggermente più potente piuttosto che usare una stazione esterna condivisa con altre missioni; la motivazione principale di questa scelta risiede nel fatto che, adot-tando una tipologia di missione a bassissima quota, le comunicazioni saranno leg-germente avvantaggiate dalla minore distanza che il segnale dovrà attraversare.

Questa scelta non pregiudica comunque l’accesso alle altre stazioni ESA, in quanto l’apparato dev’essere realizzato in modo da essere completamente compatibi-le con gli standard Europei.

La stazione da installare nella città di Pisa fungerà anche da stazione di con-trollo dell’intera missione, tenendo conto, però, che, in caso di missioni particolari da eseguire a richiesta del cliente, i comandi possano essere inviati anche da stazioni di-verse, per esempio dalla stazione di Perth (Australia) se il satellite ha già passato la zona di acquisizione.

Resta da dire che questa scelta implica che non può essere utilizzato come si-stema di navigazione un sisi-stema che implichi la presenza di più stazioni di controllo per la determinazione dell’orbita (vedi capitolo 11).

6.4 Bilancio di Collegamento

I dati di partenza per il bilancio della telecomunicazione sono elencati in tabella 6.4-1.

tabella 6.4-1 Requisiti del sistema di comunicazione Comandi 2 Kbps Telemetria 40 Kbps Carico utile 140 Mbps Flusso di dati Totale 150 Mbps

Banda di trasmissione Usare le frequenze stabilite dagli opportuni enti :S,L,Ku

Ampiezza di banda A seconda del metodo di decodifica utilizzato

Potenza & Massa Minori possibili

Interfaccia a terra Stazione/i fisse

Come si vede è stato possibile specificare la composizione dei dati inviati a Terra che per una buona parte proverranno dal carico pagante.

La composizione di un tipico apparato per le telecomunicazioni è quella in figura 6.4.1.

figura 6.4.1 Schema di un tipico apparato per telecomunicazioni

Le funzioni dei singoli componenti sono riportati di seguito.

• Trasponder: modula e demodula il segnale della portante; questo componente è di rilevante importanza in quanto permette di estrarre i dati dal segnale.

• Filtri: attenuano il rumore di fondo.

Trasponder

Filtri

Scambiatore RF

Diplexer

Antenna B

Antenna A

• Scambiatore RF: sposta il segnale sulla banda utilizzata.

• Diplexer: sceglie l’antenna da utilizzare una delle due ad alto guada-gno o quella omnidirezionale.

Prima di passare ad un analisi più dettagliata del sistema è opportuno fare al-cune ipotesi sul sistema che verrà realizzato.

Il sistema antenna risulta del tipo a Ciclo Chiuso, cioè in grado di posizionar-si e stabilizzarposizionar-si sulla frequenza del segnale entrante autonomamente, mentre la tra-smissione dev’essere a due vie coerenti; ciò significa che la tratra-smissione deve poter avvenire in entrambe le direzioni contemporaneamente e che la frequenza del segnale in uscita è proporzionale a quella del segnale entrante secondo i parametri di comu-nicazione dell’ESA. Il sistema viene dotato di un oscillatore proprio con cui modula-re il segnale in caso di perdita del segnale entrante. Questo non implica grosse pro-blematiche tecnologiche in quanto queste modalità di operare sono tipiche della maggior parte dei sistemi moderni.

Nel dimensionamento del sistema entrano in gioco i seguenti parametri: • EIRP: la potenza effettiva radiata isotropicamente dall’antenna

tra-smittente;

• Gt/Ts: il rapporto tra il guadagno ed il rumore di fondo dell’antenna ricevente con Ts presa in prima approssimazione pari a 552 K;

• banda di frequenza utilizzata;

• distanza tra gli elementi comunicanti.

L’ultimo parametro può variare tra la distanza che intercorre tra il satellite e la stazione quando questo si trova al Nadir (minore) e quando questo si trova al limi-te dell’orizzonlimi-te visibile (maggiore).

Per quanto riguarda la banda di frequenza utilizzata si può dire che la banda a più alta frequenza permette di sfruttare una maggiore ampiezza di banda a discapito di una maggiore potenza richiesta. I primi due parametri sono strettamente legati in-vece alle dimensioni delle antenne e alle potenze ad esse associate. Il passo successi-vo è stato quello di definire un certo numero di soluzioni ottenibili attraverso varie combinazioni di questi parametri, considerando anche l’ipotesi di dotare il sistema di un’ antenna omnidirezionale in grado di comunicare a flussi di dati sensibilmente più bassi anche in caso di perdita d’assetto del satellite.

Dist L_s =λ_4π⋅

6.4-1 dove Dist è la distanza percorsa dal segnale e λ la sua lunghezza d’onda; Ls rapprsenta, dunque, la quantità di segnale che viene persa nell’ipotesi che la sorgente e-metta isotropicamente; infatti Ls si ricava proprio dal flusso di potenza su una super-ficie sferica con raggio pari a Dist.

Scrivendo l’equazione in dB si ottiene

(

)

( )

L_s =147.55−20 ₁₀ −20 ₁₀

6.4-2 in cui f è la frequenza del segnale in GHz e Dist in km.

Il guadagno dell’antenna trasmittente viene espresso da

l t EIRP Pot L

G = − −

6.4-3 con Pot la potenza in ingresso e Ll come line loss, perdita di linea, ossia la perdita as-sociata con i vari collegamenti tra il trasponder e l’antenna; Ll può essere assunto pa-ri a 1 dB in maniera sufficientemente cautelativa.

Con questi dati è possibile calcolare il rapporto tra l’energia associata ad ogni bit inviato e la densità spettrale di rumore

( )

( )

Nel campo delle telecomunicazioni esiste un teorema fondamentale, detto te-orema di Shannon, la cui formulazione ci permette di definire le caratteristiche di una comunicazione priva di errori. Il teorema afferma che non possono esistere co-municazioni prive di errori per valori di Eb/N0 minori di -1.6 dB; il valore di DRmax è quindi il valore massimo ottenibile per un corretto collegamento secondo Shannon ed è espresso dalla relazione

            _      + ⋅ = B N C Log B DR 0 2 max 1 6.4-6 dove B è la larghezza di banda disponibile in Hz ed il DRmax è in Bps.

Questo limite non è, in pratica, mai raggiungibile, ma è comunque possibile avvicinarvisi sfruttando opportune tecniche di codifica/decodifica del segnale; come ulteriore definizione, si può dire che una comunicazione è priva di errori quando il BER (Bit Error ossia probabilità che ci sia un errore su ogni bit) sia pari o inferiore a 10-5.

Gli algoritmi più usati in questo campo sono riportati in tabella 6.4-2 con il funzionamento illustrato dalla figura 6.4.2.

tabella 6.4-2 Algoritmi di codifica/decodifica del segnale Algoritmo Eb/N0 per BER 10-5 Uso dello spettro Bps/Hz Descrizione Svantaggi BPSK 9.6 1 Suscettibile a disturbi di fase

DPSK 10.3 1 Alto valore di Eb/N0

QPSK 9.6 2

Varia la fase del se-gnale per codificare

l’informazione Maggiormente suscet-tibile a disturbi di fa-se

FSK 13.3 0.5

Alto valore di Eb/N0 e cattivo utilizzo della banda

MSK 9.5 1

Varia la frequenza

Più complesso

Per definire completamente il problema mancano le relazioni che colleghino le dimensioni dell’antenna con il suo guadagno.

Tra i numerosi tipi di antenne sono state analizzate quelle ad elica, le cosid-dette a Corno e quelle più comuni a forma parabolica; ad una prima analisi le prime due sono risultate assolutamente insufficienti per quanto riguarda la capacità visiva; per esclusione la configurazione adottata è stata l’ultima.

Per questo tipo di antenna possiamo scrivere

( ) ( ) 20 20 88 . 17 10 10G LOG f Diam = − − 6.4-7 Diam f ⋅ = 21 ϑ 6.4-8 dove G è il guadagno in dB, f la frequenza in GHz, Diam il diametro dell’antenna e θ l’ampiezza dell’angolo di vista in gradi.

Le soluzioni analizzate sono state parametrizzate in funzione delle grandezze viste in precedenza e, poi, ne sono state create delle sottosoluzioni variando i diame-tri e le potenze associate.

Antenna Trasmittente

Potenza minore Potenza maggiore

figura 6.4.3 diametro dell’antenna trasmittente in funzione della configurazione

Antenna Trasmittente

Potenza minore Potenza maggiore

figura 6.4.4 Angolo di vista dell’antenna trasmittente in funzione della configurazione I parametri che caratterizzano ogni configurazione sono elencati in tabella 6.4-3.

tabella 6.4-3 Risultati ottenuti per le varie configurazioni

f EIRP Gr TS Eb/N0 Pt Gt Dt θ Dr

Caso

GHz dBW dB K min max W dB m deg m

40 18,98 0,52 18,33 1 2,2 35,5 19,0 552,0 25,68 11,52 50 18,01 0,46 20,49 0,52 10 13,00 0,26 36,49 2 2,2 23,5 31,0 552,0 25,68 11,52 20 9,99 0,18 51,610 2,07 8 13,97 0,29 32,64 3 2,2 23,5 28,5 340,0 25,28 11,13 4 16,98 0,41 23,08 1,55 12 18,21 0,47 20,035 4 2,2 29,5 22,5 340,0 25,28 11,13 20 15,99 0,36 25,86 0,78 12 22,21 0,41 12,6 5 4 33.5 26,0 552,0 25,49 11,33 8 20,45 0,33 15,4 0,64 12 18,21 0,26 20,035 6 4,0 29,5 28,0 350,0 25,46 11,31 18 16,45 0,21 24,53 0,80 7 28,55 0,27 6,09 7 12,5 37,5 32,0 552,0 25,59 11,43 12 26,21 0,21 7,97 0,41 12 3,71 0,08 106,36 Omnidir. 2,2 15,0 31,5 552,0 24,67 10,51 20 1,49 0,06 137,32 2,2 Dove sono state evidenziate in giallo le configurazioni scelte per l’antenna ad alto guadagno e per l’antenna omnidirezionale. Si tenga presente che i valori assunti da Eb/N0 sono stati presi con un margine, in media, di circa 2 dB, per tenere conto delle attenuazioni inevitabilmente associate con le condizioni climatiche del canale di comunicazione.

Dalle relazioni precedenti si vede che la scelta del diametro dell’antenna è li-mitata superiormente sia da considerazioni riguardanti l’aumento implicito della resi-stenza aerodinamica dell’intero sistema, sia da considerazioni rivolte alla possibilità di avere un angolo di vista sufficientemente grande. Si deduce allora che, con la scel-ta effettuascel-ta, si rende necessario un sistema ausiliario di movimenscel-tazione dell’antenna che possa permettere il corretto puntamento alla stazione ricevente.

Infine il sistema di decodifica scelto è il QPSK che è un sistema sufficiente-mente comune e semplice da implementare.

Utilizzando queste ipotesi è stata condotta un ulteriore analisi di verifica tra-mite il software STK che ha fornito i seguenti risultati.

tabella 6.4-4 Risultati ottenuti con software STK

Parametro min. med. max.

EIRP (dB·W) 25.5 25.5 25.5

Frequenza in ricezione (GHz) 2.49 2.5 2.49

Potenza Isotropica in ricezione (dB·W -140.7 -125.9 -136.3

Densità di flusso (dB·W/m^2) -11.3 -96.49 -106.9 Gr/Ts (dB/K) 3 3 3 C/No (dB·Hz) 90.87 105.6 95.27 Larghezza di Banda (MHz) 150 150 150 C/N (dB) 9.11 23.92 13.51 Eb/No (dB) 9.11 23.92 13.51 BER 1·10-25 2.68·10-25 5.95·10-25

I risultati verificano tutte le analisi di prima approssimazione effettuate.

6.5 Scelta della componentistica

Una volta definiti i parametri caratteristici del sistema l’attenzione può essere volta all’analisi dei limiti di massa e di potenza richiesti.

Sono numerose le ditte Europee che negli ultimi anni si sono cimentate nel progetto, nella realizzazione e nella messa in orbita di questi apparati, per ciò, aven-do a disposizione numerose alternative, è agevole scegliere i componenti più oppor-tuni, tenendo conto, anche, dell’affidabilità dimostrata in altre missioni.

Per quanto riguarda il sistema di puntamento dell’antenna viene scelto un di-spositivo prodotto dall’Alcatel riportato in figura 6.5.1,

figura 6.5.1 Alcatel APM

figura 6.5.2 Interfaccia dell’ APM

le cui caratteristiche sono:

• sistema a ridondanza fredda; • massa: 3 Kg;

• dimensioni: 250(W) x 240(L) x 120 (H);

• potenza assorbita: 5W, 11 to 21 W (con motore acceso); • vita 10 anni in orbita;

• assi: X/Y, opzionale Z contemporaneamente.

Per quanto riguarda la scelta del trasponder si prende, ancora una volta, un prodotto ALCATEL, le cui caratteristiche sono:

• sistema a ridondanza fredda; • ricevitore & trasmettitore; • S-Band (2025-2120 MHz);

• comunicazione coerente: ftx=frx240/221;

• comunicazione non coerente: ftx & frx = (2200-2300 MHz);

• potenza radio in uscita: fino a 37 dBW (maggiore con un modulo esterno au-siliario);

• trasmissione sia in BPSK/QPSK;

• compatibile con ESA 2Toni, ESA MPTS ed il sistema di ricerca NASA STDN;

• toni di ricerca da 3 Khz a100 KHz o fino a 1.5 MHz; • massa: 3 Kg;

• dimensioni: 275 x 110 x 197 mm3_;

• potenza consumata in ricezione: 6 W; • potenza consumata in trasmissione: 26 W;

figura 6.5.3 TRASPONDER ALCATEL TRC S-Band

Per quanto riguarda i filtri e gli interruttori ci si basa su dati comuni assumen-do, dunque, un numero di componenti pari a due con una massa per ognuno di circa 1.5 kg.

Per l’antenna è ragionevole assumere un peso di circa 1 kg per cui il bilancio di massa e potenza risulta essere come in tabella 6.5-1.

tabella 6.5-1 Bilancio di massa e potenza per il sistema di comunicazione

Bilancio di massa e potenza del sistema scelto

Massa [Kg] Potenza [W] Componente Modello Quantità

OgnunoTotale Min Max

Dimensioni [cm] Trasponder Alcatel TRC S Band 1 3,0 3,0 6 26 N/A Filtri, Commutato-ri, Diplexer 2 1,5 3,0 0 0 10 X 22 X 4 Alto Guadagno 2 1 2 0 0 26 X 20 Antenna Omnidirezionale 1 1 1 0 0 10 X 20 Sistema di

punta-tabella 6.5-2 Pro e contro della configurazione adottata

Scelta effettuata Vantaggi Svantaggi

Operare con una sola sta-zione a terra

• Minore complessità del segmento di terra.

• Controllo della missione da parte di un'unica unità cen-tralizzata

o Invio e ricezione dati possi-bile solo quando il satellite e la stazione sono in vista tra loro.

o Maggiore complessità nella distribuzione dei dati ai clienti

Quota operativa bassa Maggiori capacità di invio e ri-_{cezione dati} Minori tempi di contatto con la _{stazione a terra}

Antenna ad alto guadagno Possibilità di invio e ricezione

di grandi moli di dati

o Potenze richieste legger-mente superiori.

o Implementazione di un si-stema meccanico per per-mettere l’orientamento dell’antenna a causa della sua scarsa capacità visiva

Antenna omnidirezionale Ampio angolo di vista Scarsa capacità di invio e rice-zione dati

Scelta della componenti-stica

Strumentazione già utilizzata e quindi affidabile

Necessità di riqualificare i si-stemi per la nostra missione