Forord. Narvik Alexander Bugge Anders Groth Helland Torgeir Prytz

Transkript

1 Forord Hensikten med prosjektet var å gjennomføre og mestre et større prosjekt på egenhånd med planlegging og gjennomføring. Prosjektet som ble valg var å utrede muligheten for å installere bakkesegmentet til NCUBE på Platåberget Svalbard, å sette i drift og teste den. Bakkesegmentet skal kommunisere med NCUBE satellitt, som skal skytes i bane i løpet av vinteren Kommunikasjonen skal foregå over internasjonale amatørbånd. Segmentet vil være fullstendig selvdrevet med mulighet for fjernstyring fra ubestemte lokasjoner. Prosjektet er en del av The NCUBE Project, og bygger på tidligere hoved og diplomoppgaver, med spesiell vekt diplomoppgaven Automated Remote Ground Station av Åge Raymond Riise, som sammen med Bent Samuelsen og Nadejda Sokolova designet og bygget et bakkesegment på høyskolen i Narvik. Riise er nå ansatt ved ARS og fungerer som kontaktperson for gruppen mot NCUBE. Oppdragsgiver for prosjektet er The NCUBE Project som er et samarbeidsprosjekt mellom flere utdanningsinstitusjoner; UiO, UiB, NLH, NTNU, HiN, NAROM og romrelaterte bedrifter; KSAT, ARS, Nammo Raufoss A/S, Chipcon, Danionics, Telenor, ife og Norsk Romsenter. I hovedsak har oppaven vært å videreutvikle bakkesegmentet som er på HiN, samt å tilpasse dette til de ekstreme forholdene som råder på Svalbard og utnytte plassen i lokalene som vi fikk tilgang på Platåberget. Takk Først og fremst vil vi takke Frank Vedal for uvurderlig hjelp gjennom hele prosjektet. Han har virkelig jobbet hardt og stått på for å se dette prosjektet komme i land. Han har møtt opp på skolen utenfor arbeidstiden for å hjelpe oss med kommunikasjonstester og konstruksjon av uplink antennen. Vi vil også takke labansvarlig ved HiN Jørn Bergvill som er for teknisk hjelp med kontrolleren når den ikke ville fungere. Videre vil vi takke til Sten Christian Pedersen ved SvalSAT for å legge alt til rette for oss på Svalbard og sørge for at vi hadde det utstyret vi trengte. Vi vil også takke vår veileder Åge-Raymond Riise, leder for prosjektet Marianne Vinje Tantillo ved Norsk Romsenter og alle som har jobbet med NCUBE prosjektet. Sist men ikke minst vil vi takke Kongsberg Satellite Service og Andøya Rocket Range for sponsing av prosjektet. Hovedoppgavegruppen Hovedoppgavegruppen er satt sammen av tre studenter fra Romteknologistudiet ved HiN; som har hatt hovedansvaret for software og tilrettelegging for fjernstyring av stasjonen, som har hatt hovedansvar for prosjektkoordinering, styring av antennerotor og kalibrering av kontrolleren, som har hatt hovedansvar for antenner og radio, utover dette har vi jobbet tett med tester og alle har hatt en finger med i alle deler av systemet. Narvik Side I

2 Innholdsfortegnelse Forord...I Innholdsfortegnelse...II Tabelloversikt...V Vedlegg... V Sammendrag...VI 1 Innledning... VII 1.1 Historikk... VII 1.2 Problemstilling og avgrensning... VII Radioamatørlisens Radom Antennesystem Grensesnitt mot bruker Radio Strømforsyning Styringssystemet Realisering Testing Hensikt Forskrifter og teori Forskrifter og krav Transmisjons frekvens Amatørradiolisens Tildeling av frekvenser Teori om radiotransmisjon Feedpunkt impedans Det elektromagnetiske felt Polarisasjon Jordplanets effekt på radiosignalet Støy Linkanalyse Linkbudsjett for NCUBE bakkestasjon Svalbard Worst case downlink fra NCUBE til Bakkestasjon Worst case uplink fra bakkestasjon til NCUBE Kommentar til linkbudsjettet Design av rigg og antenner Radomen ved SvalSAT Radomens posisjon Krav Downlink Krav Helix antenner X-Quad antennene Uplink Krav Krysset Yagi X-Quad 2m DJ130 Diamond Krysset invertert V-Dipol:...30 Side II

3 5 Design av uplinkantennen Dimensjonering Datalink og software Vurderinger Fjernstyring Nova Operativsystem Hardware Radio og forsterker Radio Kenwood TS-2000X Kenwood TS-B LNA Low Noise Amplifier CA432T LNACK-2N Rotor/elevator Kalibrering Montering av systemet Datamaskin Kontrollrack Radio Downlink systemet Montering av antenner og bom Utstyrliste for 70cm X-Quad Antennebom Combiner Kobling mellom antenner og combiner Uplinkantennen Antennekonstruksjon Utstyrliste Kabler og koblinger Vedlikehold Uplink antenne: Downlink antenne: Målinger av antennesystemet Strålingsdiagram SWR målinger Effektforhold Kommentar til SWR målinger Forslag til forbedring av bakkestasjonen Prosjektadministrasjon Tidsforbruk Budsjett Logg Konklusjon Literaturliste Bøker:...57 Rapporter...57 Web: Akronymer Side III

4 Side IV

5 Tabelloversikt Tabell 2.1: Begrensninger for transmisjon for 2 meter og 0.7 meter bånd. Tabell 3.1: Linkbudsjett for downlink. (forts. Tabell 3.1: Linkbudsjett for downlink) Tabell 3.2: Linkbudsjett for uplink. (forts. Tabell 3.2: Linkbudsjett for uplink. ) Tabell 4.1: Spesifikasjoner for X-Yagi 70 cm Tabell 4.2: Spesifikasjoner for Helix 70 cm Tabell 4.3 : Spesifikasjoner for X-Quad 70 cm Tabell 4.4: Spesifikasjoner for X-Quad 2m Tabell 4.5: Spesifikasjoner for DJ130 Diamond Tabell 7.1: Spesifikasjoner for CA432T Tabell 7.2: Spesifikasjoner for 70LNACK-2N Tabell 8.1: Spesifikasjoner for YAESU G-5400B Tabell 8.2: Spesifikasjoner for YAESU GS-232 Tabell 9.1: Utstyrliste for 70cm X-Quad Tabell 9.2: Utstyrliste for bom Tabell 9.3: Utstyrsliste for uplink Tabell 9.4: Nummerert liste over kabler og tilknytningspunkter Tabell 10.1: Måling av uplink i horisontalplanet på Svalbard. Tabell 10.2: Måling av uplink i vertikalplanet på Svalbard. s.45 Tabell 10.3: Måling av downlink 0 elevasjon med sender 90 asimut på Svalbard. Tabell 10.4: Måling av downlink 0 elevasjon med sender 0 asimut på Svalbard. Tabell 10.5: Måling av downlink 0 elevasjon med sender 0 asimut i Narvik. s.9 s.14 s.15 s.16 s.17 s.23 s.23 s.24 s.26 s.26 s.34 s.34 s.36 s.37 s.39 s.39 s.41 s.42 s.44 s.46 s.47 s.48 Vedlegg Vedlegg 1: Vedlegg 2: Vedlegg 3: Vedlegg 4: Vedlegg 5: Vedlegg 6: Vedlegg 7: Vedlegg 8: Oppgavebeskrivelse Brukermanual Tildelte frekvenser for NCUBE Spesifikasjoner til X-Quad (Tysk) Spesifikasjoner til radioene TS-2000X og TS-B2000 (Engelsk) Manual for YAESU G-5400B (Engelsk) Manual for YAESU GS-232 (Engelsk) Resultatbudsjett Side V

6 Sammendrag Denne prosjektrapporten omhandler det arbeidet som har blitt utført under hovedprosjektet ved HiN i løpet av våren Hovedprosjektet skal gi oss studenter erfaring i gjennomføring av et større prosjekt for å løse en oppgave. Vi skal forbedre våre evner til å arbeide sammen i en gruppe og fordele arbeidet mellom oss. Gjennom rapportskriving får vi god øvelse i dokumentering og av prosjektet. Vi vil legge frem teorier rundt, og forskrifter for radiotransmisjon. Rapporten presenterer det matematiske grunnlaget for kommunikasjon med NCUBE-satellitten når den er i bane. Forskjellige løsninger for alle deler av bakkesegmentet vil bli redegjort for, og valg av disse blir argumentert for. Det er gjennomført testing og kvalifisering av bakkesegmentet, og downlinken har en noe dårligere linkmargin enn det som var forespurt fra oppdragsgiver. Et av elementene i stasjonen, uplinkantennen, har vi designet selv i samråd med veileder. Denne antennen har vist seg meget bra under test og vi kan vise til et særdeles godt SWR forhold. Alle testresultater vil bli presentert og kommentert. Under utførelse av oppgaven fikk vi god medietrening da vi gjennomførte flere intervjuer til både aviser og TV. Under de siste forberedelser før avreise til Svalbard kom TV-Hålogaland og ba om et intervju, som vi selvsagt innvilget da dette prosjektet ikke er hemmeligstemplet. VG intervjuet oss på Svalbard og etter vi kom tilbake til HiN var lokalavisen Fremover og laget et innslag om hovedprosjektet vårt. Ved oppskytning av NCUBE-satellitten vil vi ha en fra gruppen på stasjonen på Svalbard, og en person på stasjonen i Narvik. Da kan vi sikre at alle systemer virker som de skal under den mest kritiske fasen av det The NCUBE Project, som vi er en del av. Side VI

7 1 Innledning 1.1 Historikk Den teoretiske bakgrunnen for telegrafen ble lagt av Ørsted i 1820 da han påviste at strøm i spole gir elektromagnet og magnetnål påvirkes av strøm i ledning, og Faraday i 1830 da han påviste induksjon mellom spoler. Det har vært primitive telegrafimetoder lenge før dette, men det var maleren Samuel Morse som på 1830-tallet fant opp et system (morsekoden) som har vært i bruk frem til i dag. Den første meldingen som ble sendt over den første kommersielle linjen som gikk fra Washington til Baltimore lød som følger: What hath God wrought. I Norge ble Telegrafverket opprettet i 1855 av staten som bygget ut stamlinjer, men allerede da stod private for den lokale utbyggingen. James Clerk Maxwell fremsatte teorien om elektromagnetiske bølger i 1865 og i 1886 beviser Heinrich Hertz praktisk at elektromagnetiske bølger finnes og dermed var grunnlaget for trådløs kommunikasjon lagt. Guglielmo Marconi utviklet en gnistsender og koherermottaker som han kunne sende trådløst med over 11 km i 1896 og 70 km tre år senere. I 1903 var vanlig trådløs telegrafi over Atlanterhavet et faktum. Senere kom Bell med telefonen (1912) og det er disse pionerene som har lagt grunnlaget for all moderne kommunikasjon. The NCUBE Project er et studentledet satellittprogram, det første i sitt slag i Norge, som ble initiert av ARS og NRS for 4 år siden. Målet var å bygge kompetanse i romrelaterte områder ved utdanningsinstitusjoner og hos studenter, samt å legge grunnsteinen for fremtidig satellitt aktivitet i Norge. Dette målet skulle oppnås ved å la studenter designe, bygge, teste og verifisere alle enheter som en nødvendig for å fullføre et satellittprogram. Konseptet som prosjektet bygger på stammer fra Stanford University som har utviklet Cubesat, et konsept hvor en 10x10x10 cm stor satellitt med en maksimal vekt på 1 kg får haik under oppskyting av kommersielle satellitter. Flere utenlandske universiteter har lignende Cubesat prosjekter på gang, og potensial for samarbeid over landegrensene er derfor stort. Prosjektet ble delt i flere undergrupper hvor HiN fikk ansvaret for å stå for bakkesegmentet og uplink. Det har blitt utarbeidet flere rapporter ved HiN hvor forskjellige løsninger er presentert, og hvor man har enes om èn løsning. Åge Raymond Riise og Bent Christian Hals Samuelsen har realisert et bakkesegment på taket av biblioteket ved HiN. Da vår hovedoppgavegruppe begynte analyser med hensyn på å designe et bakkesegment for realisering på Platåberget, Svalbard, var det Riise og Samuelsens oppgaver som lå til grunn. 1.2 Problemstilling og avgrensning Det legges opp til at gruppen skal lage et bakkesegment som likner det som står på HiN, vi skal og drifte stasjonen så lenge vi jobber med hovedoppgaven. For å drifte stasjonen samt teste og kvalifisere en ny, må alle gruppemedlemmene inneha en radioamatørlisens fra Post og Teletilsynet som tillater sending på amatørbåndene. I oppgavebeskrivelsen (se vedlegg 1) legges det til grunn en del parametere som vi må ta hensyn til. Bakkesegmentet skal bestå av et styringssystem med grensesnitt til PC, en radio som egner seg til å sende på de gitte frekvenser og en egnet PC som kan styre hele segmentet via internett og en kraftig strømforsyning som kan drive en så krevende radio som vi trenger til satellittkommunikasjon. Side VII

8 1.2.1 Radioamatørlisens Alle som skal operere en radiostasjon som skal sende og motta på de frekvensene som er forbeholdt radioamatører må ta en radioamatørlisens. Siden ingen på gruppen har radioamatørlisens, må vi kontakte Post og Teletilsynet for å arrangere en lisensprøve her i Narvik Radom På grunn av det værharde klimaet på Svalbard skal antennene plasseres i en radom som vi får låne av SvalSAT. For å gjøre et riktig valg av antenner må vi få tak i mål og beskrivelse av radomen. Vi må vurdere materiale som er brukt og hvilket fundament den er bygget på Antennesystem For å finne et egnet antennesystem må det taes hensyn til hvilke frekvenser som skal brukes til å sende og motta med. Fra oppdragsgiver var det stilt krav om en viss linkmargin, det vil si at vi må vurdere antennes forsterkning slik at dette kravet kan oppfylles. Vi vil se på mulighet for å koble til en lavstøyforsterker (LNA) for å oppnå tilstrekkelig forsterking. Når systemet analyseres, fokuserer vi på antenneteknologi generelt og uplink og downlink for vårt segment spesielt. Vi skal gjøre matematiske beregninger og vurdere forskjellige alternativer etter tekniske egenskaper. Antennene skal være retningsvirkende og styrbare. Åpningsvinkelen til antennen må vurderes etter hvilken nøyaktighet vi kan vente oss fra styringssystemet. Da antennene skal stå i en radom må også størrelsen på antennene taes hensyn til. Kabler og overganger vil vurderes etter støyforhold og pris. Støyforhold i alle deler av systemet skal vurderes Grensesnitt mot bruker Bakkesegmentet trenger en PC som kan styres over internett. Vi skal bruke en PC til å styre hele bakkestasjonen. Det må vurderes hvilken software som kan brukes til å holde rede på satellittens plassering og bevegelse, hvilken software som skal brukes til å fjernstyre PC fra andre steder i verden, hvilken software som skal styre retning og bevegelse på antenner og hvilken software som skal brukes til å styre radioen. Vi skal anslå hvor stor båndbredde som må til for å styre stasjonen via internett Radio Radioen som skal brukes må kunne kommunisere på de frekvenser som prosjektet blir tildelt og generelt på radioamatørbånd for å lage et fleksibelt system. Det skal være mulighet for full dupleks kommunikasjon. Kommunikasjonen skal kunne forgå ved hjelp av AX.25 protokollen og TNC hardware eller software, det vil si at den må ha et grensesnitt mot PC. Den må ha mulighet for 1200bps og 9600bps operasjon. Stasjonen skal være mulig å fjernstyres så radioen må og ha et grensesnitt mot PC for dette. Pris og brukervennlighet vil være med å påvirke valg Strømforsyning Vi må finne en strømforsyning som er fleksibel og kraftig nok til å levere tilstrekkelig ampere til å drive radio og eventuelle forsterkere. Side 8

9 1.2.7 Styringssystemet Antennene må kunne styres slik at man kan kommunisere med satellitten hele den tid satellitten er synlig på horisonten. Dette innebærer at vi trenger en eller flere motorer som kan elevere antennene minimum 90 og rotere dem minimum 180, for å dekke hele horisonten. Det må vurderes hvor mye vekt motoren(e) kan bære og flytte, pris og hvor brukervennlig grensesnitt den har. Rotor/elevator bør kunne styres manuelt, men da stasjonen skal være mulig å fjernstyre må den ha et grensesnitt for styring via PC Realisering Bakkesegmentet skal realiseres på Platåberget, Svalbard, og da må alt utstyr pakkes i Narvik på forsvarlig måte på forhånd. Vi må finne den rimeligste måten å frakte utstyret til Svalbard med garanti for at det kommer dit på samme tid som vi kommer dit. Vi må finne den rimeligste losji og undersøke muligheter for leiebil under oppholdet på Svalbard Testing Før avreise til Svalbard, må vi være sikre på at vi har husket alle kabler og deler som skal være med, og ikke minst at utstyret fungerer. Derfor må vi ha en liten kommunikasjonstest her i Narvik før 22. april. Dette innebærer at vi må ha alt utstyret klart og montere det for å kjøre testen. Bakkesegmentet skal og testes og kvalifiseres på Svalbard. 1.3 Hensikt Hensikten med denne rapporten er å presentere hvordan bakkesegmentet er designet og hvordan det fungerer slik at senere brukere av stasjonen skal kunne bruke rapporten som et oppslagsverk. Det skal være mulig å reprodusere et tilsvarende segment kun ved denne rapporten og medfølgende vedlegg for hånden. Gruppen vil gi et innblikk i prosjektets helhet med hvilke muligheter det er for videreutvikling og hvilke hindringer som har oppstått. Rapporten er bygget opp med bakgrunnsstoff og underliggende forskning, metodevalg og utførelse, detaljert innholdsoversikt over bakkesegmentet, tester og konklusjon i den rekkefølgen, med hovedvekt på metodevalg og utførelse. Det legges ved en god brukermanual med komplett innholdsliste over segmentet (se vedlegg 2). Side 9

10 2 Forskrifter og teori. 2.1 Forskrifter og krav. NCUBE satellitten skal operere på amatørradio frekvenser. Det er derfor viktig å nevne noen av reglene og kravene til stasjoner som sender og mottar på amatør bånd Transmisjons frekvens. NCUBE bakkestasjon skal sende (uplink) på 2 meter amatørbånd, dette båndet ligger fra MHz. Mottaking (downlink) av radiosignaler skjer på 0.7 meter amatørbåndet, dette båndet ligger fra MHz. NCUBE bakkestasjon har fått konsesjon for frekvensene MHz for uplink, og MHz for downlink. Tabellen nedenfor viser begrensningene til 2 meter og 0.7 meter båndene, fastsatt av Norsk Lovtidene avd. I nr [10]. Tabell 2.1: Begrensninger for transmisjon for 2 meter og 0.7 meter bånd. Frekvens bånd MHz MHz Maksimal effekt 300 W 300 W Tillat båndbredde 18 khz 30 khz Amatørradiolisens Post og teletilsyner utsteder amatørradio lisens til de som består prøven for amatørradio. Lisensen må innehas for å kunne betjene bakkestasjonen Tildeling av frekvenser For å benytte amatørradio frekvenser til satellittkommunikasjon må man søke The international amateur radio union (IARU) for å få tildelt frekvenser. Nasjonalt må Post og Teletilsynet gi konsesjon for bruk av de anbefalte frekvensene tildelt av IARU. Se vedlegg Teori om radiotransmisjon Når antennen får RF strøm, sender den ut elektromagnetiske bølger, som kan nå ut i verdensrommet. Dette er tilsvarende lyd som forplanter seg gjennom luft fra en høyttaler. Mottakerantennen til en elektromagnetisk bølge mottar noe av signalet og omdanner det til elektriske strømmer. Straw, R. Dean The Antenna book (20. edition 2003)[6] Vi definerer bølgelengden som den distansen bølgen bruker på en syklus. Bølgelengde benevnes med den greske bokstaven lambda [λ] som igjen gir benevnelsen i meter. Formel: meter / sek 300 meter / sek (2.1) λmeter = = hertz MHz Antennes elektriske egenskaper kan karakteriseres med følgende parameter. 1. Feed punkt impedans 2. Forsterkning og effekt 3. Polarisasjon Side 10

11 2.1.5 Feedpunkt impedans Det er to typer for impedans som er viktig for å beskrive en antenne. Det er egen impedans og felles impedans. Egen impedansen måles i feeder punktet til antennen uten noen ytre påvirkninger. Felles impedansen er impedansen som følge av ytre påvirkninger som jordplan, nærliggende ledere og refleksjoner. Felles impedansen kan forstyrre retningsbestemte antenners forsterkning, og redusere impedansen i feeder punktet Det elektromagnetiske felt Før vi kan beskrive en antennes effektivitet er det viktig å få forståelse for strålingsfeltet rundt en antenne. Her snakker vi om elektromagnetisk og elektrostatisk stråling i E og H planet. Radiobølgene forplanter seg gjennom rommet både med elektromagnetiske og elektrostatiske bølger. Elektromagnetiske felt oppstår når strømmen i en leder varierer, og elektrostatiske felt skifter i takt med spenningsvariasjoner i overflaten av lederen. Et elektromagnetisk strålingsplan, H-planet brer seg utover fra en leder med retning, polaritet og styrke, i forhold til strømmen som går i antennen. H-planet refereres til som elevasjonsplanet. Det elektrostatiske feltet, E-planet, oppstår når to eller flere punkter får forskjellig polaritet. E-planet står 90 på H-planet. Strålingsdiagrammet er angitt i db, og viser antennes evne til å motta elektromagnetiske bølger, i forhold til antennes senter akse. En retningsbestemt antenne vil ha størst mottakings effekt i sin pekeretning. Forsterkning, effekt og retningsbestemmelse. Alle antenner vil han en retningsbestemmelse, og antennes forsterkning er en følge av retningsbestemmelsen. Fordi åpningsvinkelen til en antenne bestemmes ut i fra design og utforming, taes det ikke hensyn til effekt tap i antenne systemet. For å bestemme forsterkningen til antennen må dette tapet subtraheres fra effekten sendt til antennen. For de fleste antenner som Figur 2.1 : Strålingsdiagram benyttes av amatørradioer er dette tapet bare noen få prosent av den totale forsterkningen. Antennes åpningsvinkel gir en større forsterkningsfaktor vinkelen blir mindre, mens en rundstråleantenne som har åpningsvinkel på 360 har en forsterkning på 0 db. Antennes forsterkning kan vi dermed definere som antennes evne til å forsterke signalet i forhold til referanse støy. Straw, R. Dean The Antenna book ( )[6]. Side 11 når en edition

12 2.1.7 Polarisasjon En antennes polarisasjon er definert til å være polariteten til et elektrisk felt i den retningen feltet er sterkest. Sirkulær polarisasjon, som NCUBE bakkestasjon bruker, er et spesielt tilfelle av polarisasjon. Den elektromagnetiske bølgen antennen sender eller mottar roterer ¼ bølgelengde mellom vertikal og horisontal polaritet. En bølge gjør 360 rotasjon på en bølgelengde. Sirkulærpolarisasjon er ofte brukt i satellittkommunikasjon Jordplanets effekt på radiosignalet Signaler som sendes fra antennen vertikalt ned, vil reflekteres fra jordplanet vertikalt opp, og passere antennen. Dette vil indusere en uønsket strøm i antennen. Størrelsen på strømmen er avhengig av antennes høyde over reflektorplanet. Den totale strømmen i antennen består av to komponenter. Amplituden til den første er bestemt ut i fra senderens effekt og resistans i antenne. Den andre strømmens er indusert fra jordplan refleksjoner. Denne strømmen er betydelig mindre en strømmen som blir indusert av senderen. Ved noen punkter vil de to komponentene være i fase, noe som gir en høyre total strøm en det som er sendt fra antennen. Den elektriske karakteristikken til jordplanet vil påvirke både amplituden og fasen til det reflekterte signalet. På grunn av dette vil den elektriske karakteristikken til jordplanet påvirke impedansen til antennen, når de reflekterte bølgene har blitt påvirket av jordplanet. Straw, R. Dean The Antenna book (20. edition 2003)[6] Støy Vi bør skille mellom støy og forstyrrelser. Forstyrrelser er vi mennesker selv årsak til, mens støy har sin opprinnelse i fysikalske prosesser vi ikke rår over. En annen form for forstyrrelser kommer fra andre sendere, for eksempel kringkastingsradio, TV og mobiltelefon. Når to sendere, som ligger langt fra hverandre, bruker samme frekvens kan det oppstå forstyrrelser. Et velkjent fenomen fra forsvaret er støysendere. Støy kan deles opp i to kategorier:, støy som produseres i elektriske komponenter, og støy fra rommet. Elektrostatisk støy genereres av elektriske utladninger i atmosfæren. Solflekkaktiviteten bidrar til mye støy i perioder. Vulkanlignende aktiviteter på solen hvert 11. år er meget kraftige, og følgelig blir det mer støy disse årene. Denne støyen kan bli så kraftig at kommunikasjonssamband og navigasjon lammes fullstendig. Solflekkstøy opptrer i frekvensområder fra noen få megahertz til flere hundre megahertz. Straw, R. Dean The Antenna book (20. edition 2003)[6] Side 12

13 FM modulasjon NCUBE benytter FM modulasjon som modulator for uplink og downlink. Ved frekvensmodulasjon vil du finne at det er frekvensen til bærebølgen som varierer i takt med modulasjonssignalet. Et frekvensmodulert signal er mindre utsatt for støy i overføringen enn et amplitudemodulert signal. Det skyldes at støy påvirker amplituden i større grad enn frekvensen. Variasjoner i amplituden vil slippe gjennom i demoduleringen, og dermed vil også støyen være til stede i det demodulerte AM signalet. Andreassen, Svein O. Radio transmisjon (1. utgave 1991) [2] Figur 2 viser hvordan det modulerte signalet ser ut etter frekvensmodulasjon. Frekvensen til bærebølgen endrer seg i tid, og frekvenssvinget defineres da som halve forskjellen mellom maksimum og minimum frekvens i det modulerte signal. En noe bedre måte å angi frekvenssvinget er følgende: fmb = fb + f cos (2π fm t) (2.2) Frekvenssvinget defineres som f. Figur 2.2: Frekvensmodulasjon (skjematisk). Figuren er tatt fra Kobberød: Radioteknikk, FM (1984). Side 13

14 3 Linkanalyse Hensikten med en linkanalyse er å bestemme signal-/støyforholdet Eb / N0 Straw, R. Dean The Antenna book (20. edition 2003) [6] Følgende parametere bestemmer kvaliteten av det mottatte signal: Avstanden mellom sender og mottaker Utsendt og mottatt antenneforsterkning Senderens utgangseffekt Mottakersystemets støytemperatur Kilder til signalsvekking Akseptabel feilrate på mottakersiden Effektbudsjettet for ethvert radiosamband er prinsipielt gitt ved: (3.1) F = mottatt flukstetthet Pt = utgangseffekt fra sender (egentlig "EIRP" som er beskrevet nedenfor) R= avstand mellom sender og mottaker. Et begrep som effektiv utsendt isotropisk effekt, EIRP (EIRP = "Effective Isotropic Radiated Power"), er viktig. Vi tar i betraktning forsterkning /demping til senderantennen: (3.2) Figur 2.3 : Faktorer i linkanalyse ( Pt = utsendt effekt G = antenneforsterkning/demping Effekten ved mottakeren er: EIRP Aer (3.3) C = F Aer = 4πR 2 C = effekten ved mottakeren Aer = effektiv mottakerapertur (antennen sitt effektive areal) Side 14

15 Ved utarbeidelsen av et linkbudsjett begynner vi der signalet starter, og følger det igjennom hele transmisjonen helt til mottaker. Linkbudsjettet til bakkestasjonen regner vi ut i fra worst case scenario. Det vil si når satellitten er lengst unna, og når signalet er svakest. Vi regner med at det svakeste signalet fra NCUBE er Ps=0.5W, selv om signalet i virkeligheten kan være så mye som 1W. 3.1 Linkbudsjett for NCUBE bakkestasjon Svalbard. Gitte verdier: Lysets eksakte hastighet i absolutt vakuum: ms Bolzmanns konstant: k = 1.38*10^-23 J/K Worst case sender effekt fra NCUBE: 0.3W Bit rate: Rb 9600bps NCUBE banehøyde: O = 680*10^3m Jordens radius: Re = 6378*10^3m Worst case avstand Bakkestasjon NCUBE: Rm = 3022*10^3m 3.2 Worst case downlink fra NCUBE til Bakkestasjon. Antenne type bakkestasjon: 2*18 elements X-Quad antenne MHz, 0.7meter Downlink for frekvensen er: f = *10^6/s Det gir en bølgelengde (lambda) på 0.686m Vi tar utgangspunkt i worst case effekten på 0.3W. Satellittens antenne forsterkning er: Gs = 2.1dBi Tap fra kabel i satellitten er Lks = 0.2dBi Tabell 3.1: Linkbudsjett for downlink Transmitter side What Symbol Dimension Frequency Wavelength fc λ Units 4.37E+08MHz 0.69 [1/s] [m] Transmitter power TX 0.5 [W] Transmitter power i db PT -3 [dbw] Transmitter Antenna Forsterkning GT 2.1 [dbi] Antenna Cable Loss 0.2 [db] LTX EIRP Bit rate -1.1 RB 9.60E+03 BT 1.25 [dbw] EIRP =TX-LTX+GT [Bit/s] Mod type GMSK Symbol Rate Spectral factor (BT=0,5)99,9% Bandwidth Effiency Effective Banwidth 0.80 BW Distance transmitter/receiver (wc) RMAX ISBN [bit/hz] 1.20E E+06 [m] Free space loss LS [db] Atmospheric Loss LA 0.20 [db] Path Loss LP Side 15 [db] LP = LS+LA

16 (forts. Tabell 3.1: Linkbudsjett for downlink) Receiver side What Symbol Received antenna Flux Density Antenna diameter Antenna Efficiency Efficient Antenna Area Antenna Polarization Loss Antenna Forsterkning Netto Antenna Forsterkning Dimension LPOL GR GR Ground Temperature Sky Temperature Antenna Noise Temperature Cable Noise Temperature Sum Antenna Cable Loss Temp Sum Antenna Cable Loss Temp (dbk) Cable Loss Before LNA Antenna usefull forsterkning TGROUND TSKY TA TACBL TAB Received Power at LNA (db) Received Power at LNA PR_LNA LNA Noise Factor LNA Noise Temperature Sum Antenna/Cable/LNA Noise Temp LACBL E-11 TB LNA Forsterkning GLNA Cable Loss before receiver (50m H1000) LC TS2000 Receiver Noise Temp TRX System Noise Factor Units [dbmw/m^2] [m] [db] [dbi] [db] [K] s212 [K] [K] TA = TSKY+TGROUND [K] [K] TAB= TA+TACBL [dbk] [db] [db] PR_LNA = EIRP-LP [dbmw] +GR -LACBL [mw] [db] [K] [K] TB = TAB + TLNA [db] [db] [K] TA' = TB(LC-1) [K] *(GLNA/LC) [K] TS = TA' + TRX From LNA Noise Temperature TA' System Noise Temperature Spectral Noise Temperature Effective Bandwitdh CMX589A G/TS in Receiving System Ts [Hz] [db/k] C/N0 C/N [dbhz] [db] Eb/N0 "Fading Margin" Eb/No incl. Fading Margin Energy pr symbol Required Eb/No FM Link Margin MARG EB/N0_REQ E C/N0 = PR_LNA+GLNA -LC-k-TS EB/N0 = C/N0 [db] - RB [db] [db] EB/N0_FM = [db] EB/N0 - FM [db] [db] EB/N0 = C/N0 - RB Linkmarginen gir oss en forsterkning på 7.2 db etter en dempningsmarginen på 10dB. Side 16

17 3.3 Worst case uplink fra bakkestasjon til NCUBE. Antenne type bakkestasjon: Krysset invertert V-dipol for 2 meter Uplink frekvensen er: f = *10^6/s Det gir en bølgelengde lamda på 2.055m Tabell 3.2: Linkbudsjett for uplink. Transmitter side What Symbol Dimension Frequency Wavelength fc λ 1.46E Transmitter power TX 30 Transmitter power i db PT Transmitter Antenna Forsterkning GT Antenna Cable Loss LTX EIRP Units MHz [1/s] [m] [W] [dbw] 0 [dbi] 0.2 [db] Bit rate RB 9.60E+03 BT 1.25 BW 1.20E+04 [dbw] EIRP =TX-LTX+GT [Bit/s] Mod type GMSK Symbol Rate Spectral factor (BT=0,5)99,9% Bandwidth Effiency ISBN Effective Banwidth Distance transmitter/receiver (wc) RMAX [bit/hz] 3.02E+06 [m] Free space loss LS [db] Atmospheric Loss LA 0.20 [db] Path Loss LP G LT L T [db] LP = LS+LA GR LP LR Figur 4 : Viser systemet FTX fra sender (Tx) til mottaker (Rx). TX Feeder Tx PT Side 17 H RX Feeder Rx F LA PTx LFRX PR PRx

18 (forts. Tabell 3.2: Linkbudsjett for uplink. ) Receiver side What Symbol Dimension Units [dbmw/m^2 ] [m] Received antenna Flux Density Antenna diameter Antenna Efficiency Efficient Antenna Area Antenna Polarization Loss LPOL 3 [db] Antenna Forsterkning Netto Antenna Forsterkning GR GR [dbi] [db] Ground Temperature Sky Temperature Antenna Noise Temperature Cable Noise Temperature Sum Antenna Cable Loss Temp Sum Antenna Cable Loss Temp (dbk) Cable Loss Before LNA Antenna usefull forsterkning TGROUND TSKY TA TACBL TAB Received Power at LNA (db) PR_LNA LACBL Received Power at LNA LNA Noise Factor LNA Noise Temperature Sum Antenna/Cable/LNA Noise Temp 5.66E-09 [K] [K] [K] TA = TSKY+TGROUND [K] [K] TAB= TA+TACBL [dbk] [db] [db] PR_LNA = EIRP-LP [dbmw] +GR -LACBL [mw] [db] [K] [K] TB = TAB + TLNA LNA Forsterkning GLNA Cable Loss before receiver (50m H1000) LC NCUBE Receiver Noise Temp TRX System Noise Factor [db] [db] [K] From LNA Noise Temperature TA' 3729 System Noise Temperature Spectral Noise Temperature Effective Bandwitdh CMX589A G/TS in Receiving System Ts TB C/N0 C/N Eb/N0 "Fading Margin" Eb/No incl. Fading Margin Energy pr symbol Required Eb/No FM Link Margin MARG EB/N0_REQ TA' = TB(LC-1)* [K] (GLNA/LC) [K] TS = TA' + TRX [Hz] [db/k] C/N0 = PR_LNA+GLNA [dbhz] -LC-k-TS [db] [db] EB/N0 = C/N0 - RB [db] [db] E [db] EB/N0_FM = EB/N0 - FM 31.7 [db] EB/N0 = C/N0 - RB [db] [db] Med en sendereffekt på 30 W, gir dette en linkmargin på 31.7dB. Side 18

19 3.4 Kommentar til linkbudsjettet. I linkbudsjettet er det tatt utgangspunkt i de data vi har på antenner, radio og forsterkerkretser. Dette gir en linkmargin på 7,2 db for downlink, 2,8 db lavere en kravet på 10 db. Avviket skyldes korte antenner med få elementer, dermed blir forsterkningen mindre. Linkbudsjettet har også en fading margin på 10 db, det er stor usikkerhet rundt denne faktoren, men ettersom dette er et worst case budsjett så har vi valgt å gjøre denne faktoren så stor. NCUBEs sendereffekt har vi satt til 0,5 W, men den kan være så stor som 1 W. Dermed har vi hele 5dB mer en det som er beregnet. For uplink til antennen er det enda større usikkerhet rundt faktorer i linkbudsjettet. Derfor har vi valgt å ta utgangspunkt i diploma rapport til Åge Raymond Riise, og sette inn de faktorene vi har sikre målinger av. Vår uplink er en rundstråleantenne og den vil derfor ikke ha noen forsterkningsfaktor. Vi har også tatt utgangspunkt i worst case budsjett, slik at det virkelig linkforholdet blir bedre enn beregnet linkforhold. Med 30 W sendereffekt gir dette et linkforhold på 31,7 db. Noe som er meget tilfredsstillende, ettersom kravet her også var 10 db linkmargin. Side 19

20 4 Design av rigg og antenner 4.1 Blokkskjema av systemet. 4 x X-Quad 8 veis combiner Krysset invertert V-dipol LNA Effekt deler Figur 4.1: Blokkskjema Antenne rotor 70LNACK-2N Antenne rotor kontroller Strømforsyning Radio TS-2000 Datamaskin Lokal bruker Internett Ekstern bruker Side 20