Aufbau und Betrieb einer kostengünstigen vollautomatischen S-Band Satelliten- Erdefunkstelle in urbaner Umgebung

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1 Aufbau und Betrieb einer kostengünstigen vollautomatischen S-Band Satelliten- Erdefunkstelle in urbaner Umgebung Dr. Werner Keim Prof. Dr. Arpad L. Scholtz EEEfCOM Juni 2006

2 Inhalt Erforderliche Planungsparameter Projekt MOST Planung der Bodenstation Wien Bilder der Bodenstation Analyse der Leistungsfähigkeit Zusammenfassung 2

3 Eingangsparameter für die Planung Funkparameter des Satelliten Orbit des Satelliten Standort der Bodenstation Erforderliche Mindestverfügbarkeit Budget 3

4 Funkparameter des Satelliten Frequenzen (Uplink/Downlink) Figure of Merit (G/T S ) Modulationsformate Bitraten Bandbreiten Erforderliches SNR oder E b /N 0 Sendeleistung Verluste EIRP Antennengewinn Vollduplex/Halbduplex 4

5 Orbit Low Earth Orbit (LEO) Höhe: 200 km 1200 km Sonnensynchroner Orbit (SSO) Höhe: 700 km 1000 km Medium Earth Orbit (MEO) Höhe: 1200 km km Geosynchroner Orbit (GSO) Umlaufdauer 23 Stunden 56 Minuten 4,09 Sekunden = 1 sidirischer Tag Geostationärer Orbit (GEO) Höhe: km Highly Elliptical Orbit (HEO) stark elliptische Bahn 5

6 Standort der Bodenstation Längengrad Breitengrad Seehöhe der Antenne(n) eventuelle Störquellen 6

7 MOST - Microvariability and Oscillations of STars Warum? Asteroseismologie Das Projekt MOST Kanadisches Projekt mit Wiener Beteiligung Mikrosatellit mit 15 cm Teleskop Helligkeitsschwankungen von 10-6 detektierbar Beobachtung exosolarer Planeten Bestimmung Mindestalter des Universums 7

8 Der Satellit MOST Abmessungen: 65cm x 65cm x 30cm Masse: ~ 65kg 8

9 Funkparameter MOST Uplink: Modulationsverfahren: GFSK Datenrate: 9600 bit/s Frequenz: ~ 2,05 GHz min. SNR: 12 db Antennengewinn: 0 dbi Downlink: Modulationsverfahren: BPSK Datenrate: bit/s Frequenz: ~ 2,23 GHz min. E b /N 0 : 5,5 db Antennengewinn: 0 dbi Codierung: ½ Rate Viterbi FEC EIRP: +25 dbm 9

10 Orbit - Sonnensynchroner Orbit - Höhe: 820 km - Bewegt sich immer am Terminator (Tag-Nacht Grenze) 10

11 Standort & Budget Standort: Institut für Astronomie Breitengrad: ,3 Nord Längengrad: ,10 Ost Seehöhe: 265 m Mitten im Stadgebiet urbane Umgebung Budget: Hardwarekosten: ,- Zusatzanforderung: Vollautomatischer Betrieb 11

12 Bodenstationen 12

13 Mögliche Störungen Intermodulation im Low Noise Amplifer Durch Intermodulation resultierendes Blocking Man Made Noise aus dem Stadtgebiet 13

14 Systemkonzept Funkteil 14

15 Systemkonzept Überwachungssystem Anemometer PC... Personal Computer UPS... Uninterruptible Power Supply Azimuth Rotator Limiter Switches Rotator Control Unit Storm Safety Electronic Upconverter Monitor Camera Elevation Rotator Limiter Switches Power Amplifier Monitor Vienna Station Computer World Wide Web Camera PC UPS Demodulator Monitor Power Supply Monitor Polarization Recovery Unit Control Antenna Structure Lighting Remote Access 15

16 Freiraumdämpfung L = 20 log10 Übertragungsverluste 4 π d d Distanz λ Wellenlänge L Freiraumdämpfung λ Atmosphärische Verluste Ionosphärische Effekte Faraday Rotation Ionosphärische Szintillation Troposphärische Effekte Dämpfung (Regen) Verluste durch Fehlweisung der Antenne Polarisationsverluste 16

17 Parameter der Bodenstation Downlink: Parabolantenne mit 3 m Durchmesser G/T S = 14,4 db min. erforderliches SNR: 4,9 db Uplink: Yagi-Antennengruppe aus 4 Antennen Antennengewinn: ~25 dbi Sendeleistung: 50 W Leitungsverluste Verstärker - Antenne: 2,5 db 17

18 Pegelplan Uplink Downlink Transmitter Power 47.0 dbm 27.0 dbm Line Loss 2.5 db 2.0 db Antenna Gain 25.0 dbi 0.0 dbi EIRP 69.5 dbm 25.0 dbm Total Propagation Loss db db Received Isotropic Power dbm dbm G/T s db/k 14.4 db/k C/N db 63.1 db Receive Bandwidth 50.4 dbhz 48.9 dbhz C/N 9.8 db 14.2 db Min. required SNR 5.0 db 4.9 db Margin 4.8 db 9.3 db 18

19 Stationsraum 19

20 Antennenanlage 20

21 Software 21

22 Qualität Empfangssignal 22

23 Qualität Sendesignal RSSI :00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 UTC 23

24 Stört Mobilfunk? 24

25 Blocking? Antenne auf Sonne als Signalquelle ausgerichtet Grün: Sender eingeschaltet Rot: Sender ausgeschaltet 25

26 Empfangspegel Receiver Level / dbm Elevation / ,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 16:48:00 16:51:19 16:54:37 16:57:56 17:01:15 UTC 26

27 E b /N 0 Elevation / 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 16:48:00 16:51:19 16:54:37 16:57:56 17:01:15 UTC 27

28 Dopplerverschiebung Doppler Shift / khz :45:07 16:48:00 16:50:53 16:53:46 16:56:38 16:59:31 17:02:24 17:05:17 UTC 28

29 Messung G/T S Sonne kalter Himmel 29

30 G/T s Messung von G/T s nach Y Methode Y = P sun / P cold sky Gemessen: G/T s = 14,4 db Berechnet: G/T s = 13,3 db Gemessene T s = 114,8 K Berechnete T s = 145 K 30

31 Statistik Seit Betriebsbegin rund 5000 Durchgänge mit einer max. Elevation >4 93 % der Durchgänge erfolgreich Ursache für nicht ausgeführte Durchgänge ist hauptsächlich zu starker Wind 31

32 Zusammenfassung Bodenstation für einen niedrig fliegenden Satelliten wurde entwickelt und aufgebaut Stabiler Datendownload seit Oktober 2003 Seit Jänner 2004 vollautomatischer Betrieb Erfolgreicher Betrieb einer kostengünstigen Erdefunkstelle in urbaner Umgebung Bedeutende astrophysikalische Ergebnisse 32

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!