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Comunicaciones por Satélite (5º curso)Dpto. de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones

ETSI de Telecomunicación.Universidad Politécnica de Madrid

Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

CSAT 1

Comunicaciones por SatComunicaciones por SatééliteliteCurso 2008Curso 2008--0909


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

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• 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


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.

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Segmento espacio

Segmento terreno

Receptor deTelemetría

Ordenador de Control

Transmisor de Telecomandos

Sistema de seguimiento

Subsistema de Subsistema de TT&CTT&C


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.

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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


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)

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Red de estaciones de CCSDSRed de estaciones de CCSDS


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)

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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


Ejemplo: PAM/AM/FM (NOAA APT)Ejemplo: PAM/AM/FM (NOAA APT)

4160 baudios Filtrada paso bajo (fcorte=2400 Hz)

Señal PAM

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Ejemplo: PAM/AM/FMEjemplo: PAM/AM/FM

m=0.92 fsubportadora=2400 Hz

Señal PAM/AM


Ejemplo: PAM/AM/FMEjemplo: PAM/AM/FM

∆f=32.48 KHz

Señal PAM/AM/FM

BWCarson=73.28 KHzfc=80 KHz

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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


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


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]

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SeSeññal de RG (al de RG (RangingRanging))



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)



IntegraciIntegracióón de MPTS en estaciones terrenasn de MPTS en estaciones terrenas


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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


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

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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

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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

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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



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

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Cobertura toroidal• Antenas bicone


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

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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


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

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ExploraciExploracióón interplanetaria con satn interplanetaria con satéélite lite relayrelay


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

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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)


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

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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)


EstaciEstacióón de n de VillafrancaVillafranca (ESA). VILSPA (ahora ESAC)(ESA). VILSPA (ahora ESAC)

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EstaciEstacióón de n de VillafrancaVillafranca (ESA). VILSPA (ahora ESAC)(ESA). VILSPA (ahora ESAC)


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

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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)


Diagrama de bloques de VILDiagrama de bloques de VIL--22

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DeepDeep SpaceSpace AntennaAntenna ((CebrerosCebreros))


DeepDeep SpaceSpace AntennaAntenna ((CebrerosCebreros))

D=35 mBanda Ka: 31.8-32.3 GHzError: 6.0 ×10-3 º

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