Projeto de um subsistema de telecomunicações para ... · Federal de Educação, Ciência e...

INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA

ELTON FERREIRA BROERING

Projeto de um subsistema de telecomunicações para nanossatélite emLEO

São José - SC

dezembro/2018

PROJETO DE UM SUBSISTEMA DE TELECOMUNICAÇÕES PARA NANOSSATÉLITEEM LEO

Trabalho de conclusão de curso apresentado à Coordena-doria do Curso de Engenharia de Telecomunicações docampus São José do Instituto Federal de Santa Catarinapara a obtenção do diploma de Engenheiro de Telecomu-nicações.

Orientador: Ramon Mayor Martins

São José - SC

dezembro/2018

Elton Ferreira BroeringProjeto de um subsistema de telecomunicações para nanossatélite em LEO/ Elton Ferreira Broering. –

São José - SC, dezembro/2018-98 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: Ramon Mayor Martins

Monografia (Graduação) – Instituto Federal de Santa Catarina – IFSCCampus São JoséEngenharia de Telecomunicações, dezembro/2018.

1. Subsistema de comunicação de Satélites. 2. Satélites Low Earth Orbit - Órbita Terrestre Baixa. I.Ramon Mayor Martins. II. IFSC - Instituto Federal de Santa Catarina. III. Campus São José. IV. Projeto deum subsistema de telecomunicações para nanossatélite em LEO.

ELTON FERREIRA BROERING

PROJETO DE UM SUBSISTEMA DE TELECOMUNICAÇÕES PARA NANOSSATÉLITEEM LEO

Este trabalho foi julgado adequado para obtenção do título de Engenheiro de Telecomunicações, pelo InstitutoFederal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina, e aprovado na sua forma nal pela comissão

avaliadora abaixo indicada.

São José - SC, 10 de dezembro de 2018:

Ramon Mayor Martins, Me.Orientador

Instituto Federal de Santa Catarina

Rubem Toledo Bergamo, Me.Instituto Federal de Santa Catarina

Roberto Wanderley da Nóbrega, Dr.Instituto Federal de Santa Catarina

Roberto de Matos, Dr.Instituto Federal de Santa Catarina

Sempre que te perguntarem se podes fazer um trabalho,

respondas que sim e te ponhas em seguida a aprender como se faz.

F. Roosevelt

AGRADECIMENTOS

Os agradecimentos principais são direcionados aos meus pais e minha família que sempre me deramtodo o apoio e suporte para que tudo isso fosse possível.

Quero direcionar também um agradecimento muito especial ao IFSC que sempre forneceu todo o suporteaos alunos ao longo do curso, visando dar as melhores condições para o aprendizado técnico e pessoal, e pelaconstrução e oferta do curso Engenharia de Telecomunicações. Aqui direcionar um agradecimento a todos osprofessores, além de ótimos educadores, muitos saio considerando amigos para a vida. E um agradecimentoespecial ao meu orientador pelo suporte, apoio e colaboração para concluir esta última etapa da faculdade.

Aos meus colegas de faculdade, muitos que se tornaram grandes amigos, e que ao longo da faculdadesempre nutrimos uma relação de apoio e companheirismo.

"O único lugar onde o sucesso vem antes do trabalho é no dicionário"

(Autor Desconhecido)

RESUMO

Este trabalho tem o objetivo de projetar um subsistema de comunicação embarcado em um nanossatélites. Nesteescopo são denidas as características do projeto e os cálculos do Link Budget do sistema acomodados em umaplanilha de parâmetros. Utilizando o software de simulação System Tool Kit (STK) foi possível inserir os parâmetroscalculados e analisar o desempenho do sistema.

O sistema projetado é de um nanossatélite operando em Low Earth Orbit - Órbita Terrestre Baixa (LEO) comuma altitude de 800 km, que utiliza antenas dipolos tanto no satélite quanto na estação terrena, com modulaçãoFrequency Shift Keying - Chaveamento de Frequência (FSK), operando nas frequências 434,500 MHz para Downlinke 145,45 MHz para Uplink, ambas na faixa de Frequência Amadora, de acordo com a Resolução 452 da Anatel.

A partir dos cálculos realizados e da simulação é possível analisar o desempenho do sistema de comunicaçãoprojetado. Dentre os resultados encontrados estão a relação Carry to Noise Ratio - Relação Portadora Ruído (CNR)chegando a 55dB no DownLink e 44 dB no UpLink e a Energy per Bit to Noise Power Spectral Density Ratio - Energiade Bit sobre a Densidade de Ruído Espectral (Eb/N0) a 58 dB no DownLink e 54 dB no UpLink. O resultado nal éum sistema projetado para, no pior cenário previsto, ter um desempenho eciente com uma boa relação CNR eEb/N0.

Em termos de simulação, a eciência do sistema pôde ser analisada de forma mais conclusiva, com uma análise daBit Error Rate - Taxa de Erro de Bits (BER) do sistema. Nos períodos de comunicação a BER tende a zero, garantindoassim um link de comunicação de dados com baixa taxa de erros. No intervalo de um dia houveram em tornode 7 períodos com cobertura do satélite na região de interesse, com oportunidade de aproximadamente 10 a 15minutos em cada um desses períodos para estabelecer conexão com o nanossatélite.

Palavras-chave: Subsistema de comunicação, Nanossatélites, Low Earth Orbit - Órbita Terrestre Baixa.

ABSTRACT

This work has the objective of designing a communication subsystem embedded in a nanosatellite. In this scope,the design characteristics and calculations of the Link Budget of the system are dened in a parameter worksheet.Using the simulation software STK it was possible to enter the calculated parameters and analyze the performanceof the system.

The projected system is a nanosatellite operating at 800 km altitude LEO, which uses diploid antennas on both thesatellite and the earth station, modulation FSK, operating at frequencies 434,500 MHz for Downlink and 145.45MHz for Uplink, both in the Amateur Frequency range, in accordance with Anatel Resolution 452.

From the calculations performed and the simulation it is possible to analyze the performance of the projectedcommunication system. Among the results found are the ratio CNR reaching 55dB in the Downlink and 44dB inthe UpLink and the 58dB Eb/N0 in the DownLink and 54dB in the UpLink. The end result is a system designed to,in the worst case scenario, perform eciently with a good relation CNR and Eb/N0.

In terms of simulation, the eciency of the system could be analyzed more conclusively, with an analysis ofthe system BER. In the communication periods, the BER tends to zero, thus guaranteeing a low error rate datacommunication link. In the interval of one day there were around 7 periods with coverage of the satellite in theregion of interest, with an opportunity of approximately 10 to 15 minutes in each of these periods to establishconnection with the nanosatellite.

Keywords: Satellite Communication Subsystem, Nanosatellite, LEO.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Comparativo entre sistemas de satélites Big LEO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Figura 2 – Comparativo entre sistemas de satélites Small LEO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 3 – Vida útil dos CubeSats em função do seu tamanho e altitude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 4 – Estrutura do satélite CubeSTAR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Figura 5 – Parâmetros Orbitais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 6 – Ilustração das considerações geométricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 7 – Hexágono inserido no footprint. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Figura 8 – Diagrama de blocos da fonte de alimentação do satélite CubeSTAR. . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figura 9 – Rotação da fase para Sinais Linearmente Polarizados ao passar pela Atmosfera. . . . . . . . . . 43Figura 10 – Temperatura de ruído da antena em função do ângulo de elevação. . . . . . . . . . . . . . . . . 44Figura 11 – Arquitetura de sistemas de comunicação por Satélites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 12 – Diagrama de blocos do sistema Telemetry/Telecommand Interface Module - Interface de Teleme-

tria e Telecomando (TTC) do CubeSTAR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 13 – Modulação FSK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 14 – Modulações mais frequentes em missões de nanossatélites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 15 – Eb/N0 da modulação FSK e Minimum Shift Keying - Chaveamento de deslocamento mínimo

(MSK) para a mesma BER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 16 – Antena Dipolo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 17 – Diagramas de irradiação da antena dipolo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 18 – Antena Turnstile do CubeSatShop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 19 – Diagramas de irradiação da antena Turnstile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 20 – Fluxograma dos Cálculos de Link Budget. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Figura 21 – Diagrama de Blocos Sistema de Comunicação CubeStar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Figura 22 – Satélite Simulado no STK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Figura 23 – Órbita do Satélite Simulado no STK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Figura 24 – Satélite Simulado no mapa em 2D no STK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Figura 25 – Congurações de órbita do Satélite no STK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Figura 26 – Congurações do Transceiver do UpLink no STK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Figura 27 – Congurações do Receptor do UpLink no STK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Figura 28 – Congurações do Transceiver de DownLink no STK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Figura 29 – Congurações do Receptor do DownLink no STK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Figura 30 – Cobertura do Satélite a estação terrena no STK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Figura 31 – Relatório de Cobertura do Satélite a estação terrena no STK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Figura 32 – Potência Recebida no DownLink no primeiro período de cobertura no STK. . . . . . . . . . . . 68Figura 33 – CNR, Eb/N0 e BER no DownLink no primeiro período de cobertura no STK. . . . . . . . . . . 69Figura 34 – Potência Recebida no UpLink no primeiro período de cobertura no STK. . . . . . . . . . . . . . 69Figura 35 – CNR, Eb/N0 e BER no UpLink no primeiro período de cobertura no STK. . . . . . . . . . . . . 70Figura 36 – Eb

N0em função do tempo do Donwlink no STK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Períodos orbitais satélites na LEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Tabela 2 – Atenuação por Desalinhamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Tabela 3 – Orçamento do Sistema de Comunicação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Tabela 4 – Cálculos UpLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Tabela 5 – Cálculos DownLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Tabela 6 – Link Budget UpLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Tabela 7 – Link Budget DownLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

3GPP 3rd Generation Partnership Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

AC Alternating current - Corrente Alternada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

AFSK Audio Frequency Shift Keying - Chaveamento de Frequência de Áudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

BER Bit Error Rate - Taxa de Erro de Bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Calpoly California Polytechnic University - Universidade Politécnica da Califórnia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

CNR Carry to Noise Ratio - Relação Portadora Ruído . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Eb/N0 Energy per Bit to Noise Power Spectral Density Ratio - Energia de Bit sobre a Densidade de Ruído Espectral11

EIRP Eective Isotropic Radiated Power - Potência Isotrópica Irradiada Efetiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

EPS Electronic Power System - Sistema Eletrônico de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

FCC U.S. Federal Communications Commission - Comissão Federal de Telecomunicações Americana . . . . . . . . 26

FM Frequency Modulation - Modulação em Frequência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

FSK Frequency Shift Keying - Chaveamento de Frequência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

GENSO Global Educational Network for Satellite Operation - Rede Educacional Global para Operação de Satélite48

GFSK Gaussian Frequency Shift Keying - Chaveamento de Frequência Gaussiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

GSN Ground Station Network - Rede de Estações Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

HEO High Earth Orbit - Órbita Terrestre Alta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

HPA High Power Amplier - Amplicador de Alta Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

I2C Inter-Integrated Circuit - Circuito Inter-Integrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

ICO Circular Orbit - Órbita Circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

IITK Indian Institute of Technology Kanpur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

ISL Inter Satellite Link - Link entre satélites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

LEO Low Earth Orbit - Órbita Terrestre Baixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

LNA Low noise amplier - Amplicador de Baixo Ruído . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

MCU Microcontroller - MicroControlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

MEO Medium Earth Orbit - Órbita Terrestre Média . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

m-NLP multiple Needle Langmuir Probes - múltipla sonda Neddle Langmuir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

MSK Minimum Shift Keying - Chaveamento de deslocamento mínimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

MSS Mobile Satellite Systems - Sistemas Movéis via Satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

NAROM Norwegian center for space-related education - Centro Norueguês para Educação Relacionada ao Espaço32

NGSO Non-Geostationary orbit - Órbita não Geo Estacionaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

NSC Norwegian Space Centre - Centro Espacial Norueguês . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

OBC On Board Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

OBP On Board Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

PCS Personal Communications Services - Serviços de Comunicações Pessoais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

PSK Phase Shift Keying - Chaveamento de Fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

RAAN Right Ascension of the Ascending Node - Ascensão Reta do Nodo Ascendente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

RF Rádio Frequência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

SDR Software Dened Radio - Rádio Denido por Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

SNR Signal to Noise Ratio - Relação Sinal Ruído . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

SPI Serial Peripheral Interface - Interface Serial Periférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

STK System Tool Kit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

TMR Triple Modular Redundancy - Redundância Modular Tripla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

TTC Telemetry/Telecommand Interface Module - Interface de Telemetria e Telecomando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

UiO Universitetet i Oslo - Universidade de Oslo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

UHF Ultra High Frequency - Frequência Ultra Alta (300 MHz - 3 GHz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

UPT Universal Personal Telecommunications - Telecomunicações Pessoais Universais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

VHF Very High Frequency - Frequência Muito Alta (30-300 MHz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.3 Organização do texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.1 Satélites Low Earth Orbit - Órbita Terrestre Baixa (LEO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.1.1 Classificação dos satélites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.1.2 Cubesat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.3 Parâmetros Orbitais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.4 Footprint de um Satélite e Períodos orbitais LEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.1.5 Efeito Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.1.6 Estrutura e Subsistemas do satélite LEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.1.6.1 Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.2 Considerações sobre Sistemas de Desempenho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.2.1 EIRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.2.2 Densidade de fluxo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.2.3 Efeito Recebido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2.4 Antena de Recepção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2.5 Equação de Friis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.6 Perda de caminho no espaço livre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.7 Alcance inclinado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.8 Ruídos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.9 Degradação por Desalinhamento de polarização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.2.10 Temperatura de ruído da Antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.2.11 Fator de Mérito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.2.12 Potência do Ruído Térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.2.13 SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.2.14 Eb/N0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.2.15 BER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.3 Subsistema de Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.3.1 Modulação FSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.4 Antenas de Satélites LEO e de aquisição terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.4.1 Tipos de Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.4.1.1 Antena Dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.4.1.2 Antena Turnstile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.1 Projeto do Subsistema de Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.1.1 Link Budget UpLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.1.1.1 Largura de Banda de UpLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.1.1.2 EIRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.1.1.3 Cálculo de Temperatura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.1.1.4 Cálculo de Potência Recebida e Signal to Noise Ratio - Relação Sinal Ruído (SNR) . . . . . . . . . . . . 56

3.1.2 Link Budget DownLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.1.2.1 Largura de Banda de DownLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.1.2.2 EIRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.1.2.3 Cálculo de Temperatura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.1.2.4 Cálculo de Potência Recebida e SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.1.3 Orçamento Projeto do Sistema de Comunicação de um Satélite . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.2 Simulação Subsistema de Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4 RESULTADOS E ANÁLISE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

APÊNDICES 77

APÊNDICE A – TABELA COM CÁLCULOS DO UPLINK . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

APÊNDICE B – TABELA COM CÁLCULOS DO DOWNLINK . . . . . . . . . . . . . . 83

APÊNDICE C – TABELA COM LINKBUDGET DE UPLINK . . . . . . . . . . . . . . . 87

APÊNDICE D – TABELA COM LINKBUDGET DE DOWNLINK . . . . . . . . . . . . . 93

25

1 INTRODUÇÃO

O primeiro satélite lançado em 4 de outubro de 1957, o Sputnik-1, foi uma conquista extraordinária, pelofato de lançar um objeto articial em órbita terrestre, apesar do seu desempenho no envio de sinais de rádio serbaixo. Este é um satélite considerado pequeno, pois na indústria aeroespacial a massa de um satélite é usadapara distingui-los. Satélites com massa superior a 1000 kg são satélites grandes, satélites médios têm massa de500 a 1000 kg, satélites pequenos possuem massa de 100 a 500 kg, microssatélites têm massa de 10 a 100 kg,nanossatélites possuem massa de 1 a 10 kg (KONECNY, 2004).

A tecnologia desde o lançamento do primeiro satélite evoluiu tornando os componentes de hardware me-nores, mais leves e com desempenho melhor. Com os avanços na eletrônica comercial e técnicas de miniaturizaçãoos nanossatélites estão se tornando populares. Suas principais vantagens em relação aos satélites tradicionais são:orçamentos menores, sua natureza modular, estruturas de lançamento exíveis e ciclos de desenvolvimento maisrápidos em comparação aos satélites tradicionais. Todo esse avanço tecnológico fornece satélites em miniaturamais conáveis, diminuindo as missões de propósito único, onde o objetivo da missão espacial é colocar apenasum satélite em órbita (ROGERS; SUMMERS, 2010).

Os setores governamental e privado possuem interesse pela tecnologia de nanossatélites, pois estesfornecem uma plataforma para universidades e pequenas empresas desenvolverem novas tecnologias espaciais edemonstrarem-nas em campo, ou seja, em órbita no espaço. Os nanossatélites são adequados para observação daTerra e missões próximas à ela (TRUSCULESCU et al., 2012).

Há várias órbitas em que satélites podem estar ao redor da Terra, por exemplo, existe a Low Earth Orbit -Órbita Terrestre Baixa (LEO), Medium Earth Orbit - Órbita Terrestre Média (MEO) e High Earth Orbit - ÓrbitaTerrestre Alta (HEO), a classicação das órbitas varia de acordo com a altura em relação a terra. A LEO é umaórbita ao redor da Terra com uma altitude de 2.000 km ou menos e com um período orbital entre 84 e 127 minutos.Órbitas mais altas que a LEO podem levar à falhas precoces de componentes eletrônicos, devido a intensa radiaçãoe acúmulo de carga (SWINERD, 2008).

O projeto de um subsistema de comunicação consiste, na denição das principais características inerentesao mesmo. Nessa etapa são denidos as frequências de operação, as antenas utilizadas, a modulação utilizada, apotência do sinal transmitido, a taxa de dados e a largura de banda do link. No caso especíco do subsistema decomunicação de satélites, as denições referentes ao satélite, como a altitude e sua órbita, também são importantesno projeto, pois eles inuenciam na perda do sinal. Junto com essas denições é feito o cálculo do Link Budget,uma ferramenta de análise usada para determinar se um link de comunicação é aplicável, dados os principaisparâmetros. O Link Budget calcula o ganho e a perda de um sinal de Rádio Frequência (RF) do envio no transmissoraté a recepção no receptor, o resultado é observado analisando a Signal to Noise Ratio - Relação Sinal Ruído (SNR).

1.1 Objetivos

O objetivo geral deste trabalho é a elaboração de um projeto de subsistema de comunicações para seracoplado a bordo de um nanossatélite em órbita LEO.

Para isto, os seguintes objetivos especícos foram denidos:

• Análise e estudo de componentes de um nanossatélite LEO;

• Estudo do funcionamento e operação de nanossatélites LEO;

26 Capítulo 1. Introdução

• Elaboração de um projeto do subsistema de comunicação de dados do nanossatélite;

• Link budget do sistema de comunicação;

• Simulação do projeto do subsistema de comunicação a bordo do nanossatélite.

• Análise do Link budget e resultados da simulação do projeto.

1.2 Motivação

Um exemplo atual da utilização de satélites na órbita LEO, são a rede de satélites Starlink1, que é umprojeto de desenvolvimento de constelações de satélites LEO, em andamento pela SpaceX, para desenvolver umatecnologia de comunicação de satélite de baixo custo e alto desempenho. Em 2017, a empresa apresentou umpedido de regulamentação para lançar um total de quase 12.000 satélites em órbita até meados da década de 2020(SPACEX’S. . . , 2018). O objetivo dessas constelações de satélites é uma internet de banda larga global, buscandofornecer conectividade de banda larga à Internet para áreas remotas do planeta, bem como fornecer serviçoscom preços competitivos para áreas urbanas. No entanto a SpaceX não é a única empresa que procura utilizaruma constelação de satélites na LEO, a OneWeb

2 é uma concorrente da Starlink, que também busca utilizar umaconstelação de centenas de satélites para conexão de internet banda larga, ela pretende que seus serviços sejamuma base para o serviço 5G onipresente (DANIELS, 2018).

A Globalstar e a Iridium são sistemas de telefonia por satélite lançados na década de 90, eles operamdezenas de satélites para serviços de voz na órbita LEO (FOSSA et al., 1998). O sistema Iridium é consideradocomo um dos ancestrais de todos os Mobile Satellite Systems - Sistemas Movéis via Satélite (MSS) existentes hoje, éo único sistema de satélites que fornece cobertura completa da terra, incluindo regiões polares, rotas aeronáuticase regiões oceânicas, ela também fornece serviços de comunicação para o Departamento de Defesa dos EUA. Essesistema é uma rede de comunicação sem o baseada em LEO projetada para suportar transmissões de voz e debaixa taxa de bits em qualquer lugar e a qualquer momento. A constelação Iridium usa 66 satélites LEO ativos comrecursos de On Board Processing (OBP) e Inter Satellite Link - Link entre satélites (ISL). Recentemente, a Iridium

Company anunciou o planejamento de satélites baseados em IP de segunda geração que devem ser capazes demonitorar continuamente o ambiente, tirar fotos da Terra e permitir transmissões de dados de alta taxa de bits(CHINI; GIAMBENE; KOTA, 2010).

A SpaceX, apresentou uma licença para operar uma nova constelação de internet de banda larga Non-

Geostationary orbit - Órbita não Geo Estacionaria (NGSO). O surgimento de novas tecnologias e estruturas decustos tornam os serviços de banda larga em larga escala baseados na Internet mais viáveis hoje do que nunca, estaé a grande diferença para os planos LEO de um século antes. A NGSO abrange as órbitas LEO e MEO. Inicialmente,o sistema SpaceX consistirá de 4.425 satélites operando em 83 planos orbitais no topo das altitudes de LEO, eleusará o espectro de banda Ka (26-40 GHz) e Ku-Band (12-18 GHz) para fornecer uma ampla gama de serviços debanda larga e comunicações para usuários residenciais, comerciais, institucionais, governamentais e prossionaisem todo o mundo. Ela também solicitou aprovação regulamentar para usar a banda V (50-75 GHz), por meio de7.500 satélites adicionais operando na extremidade inferior da faixa LEO, para fornecer capacidade adicional debanda larga e reduzir ainda mais a latência. As ligações inter-satélite ajudarão com a conformidade nacional einternacional na partilha de espectro. A SpaceX planeja uma campanha operacional de lançamento de satélites em2019, seguida de lançamentos faseados até 2024, quando o sistema atingirá a capacidade total com os satélites dasbandas Ka e Ku (DANIELS, 2018). Na primeira quinzena de Novembro de 2018, a U.S. Federal Communications

Commission - Comissão Federal de Telecomunicações Americana (FCC) aprovou o lançamentos da constelação desatélites da SpaceX num prazo de 6 anos, até 2024 (HENRY, 2018).1 https://www.spacex.com/2 http://www.oneweb.world/

1.3. Organização do texto 27

Os sistemas de comunicação via satélite em órbita LEO apoiarão a onipresença, a resiliência e a eciênciados serviços 5G, oferecendo novas oportunidades de negócios em distribuição de mídia e cobertura a áreas carentes.O objetivo é garantir a integração de comunicações por satélite de forma ecaz na futura arquitetura 5G. Alémda LEO e satélites geoestacionários, o 3rd Generation Partnership Project (3GPP) também está estudando o papeldas chamadas redes não terrestres, aquelas que usam veículos aéreos, como aeronaves não tripuladas ou balõescativos (DANIELS, 2018).

1.3 Organização do texto

Inicialmente , no Capítulo 2, será abordado a fundamentação teórica sobre os temas relevantes aodesenvolvimento do projeto do subsistema de comunicação a bordo do nanossatélite. No Capítulo 3 será apresentadoos cálculos e simulação do projeto relacionados ao subsistema de comunicação e antenas. No Capítulo 4 éapresentado os resultados obtidos e analise dos mesmos. Por m, no Capítulo 5 constam as considerações nais esugestões de trabalhos futuros.

29

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Este capítulo apresenta a base teórica relativa aos campos que serão abordados na monograa. A ordema ser abordada será: Satélites Low Earth Orbit - Órbita Terrestre Baixa (LEO), Sistema de desempenho, Subsistemade comunicação e Antenas de satélites LEO.

2.1 Satélites Low Earth Orbit - Órbita Terrestre Baixa (LEO)

Nesta seção, é fornecido um plano de fundo sobre as comunicações de nanossatélites em LEO, os váriosaspectos de conguração do sistema são discutidos.

As redes sem o terrestres fornecem serviços de comunicações móveis dentro de regiões limitadas,buscando complementar a cobertura destes sistemas terrestres, alguns sistemas propõe soluções utilizandotambém a cobertura de satélites LEO com Circular Orbit - Órbita Circular (ICO) para comunicação pessoal global.O objetivo é que usuários móveis poderão acessar uma rede de dados terrestre ou via satélite automaticamente,alcançando assim a capacidade mundial de roaming. Os sistemas de telecomunicações móveis integrados comredes de satélite fornecerão num âmbito global acesso a comunicação de forma contínua, conforme (WERNER etal., 1995). As rede de satélites Starlink, desenvolvido pela SpaceX, e a OneWeb são exemplos onde se busca integraras comunicações 5G com os sistemas em satélite para obter essa comunicação com roaming global (SPACEX’S. . . ,2018).

Há também projetos mais antigos que se aproveitavam do mesmo conceito da constelação de satélites naLEO, como por exemplo a constelação de satélites Iridium. Esse sistema foi concebida no início da década de 1990como uma maneira de fornecer serviços conáveis de comunicação por satélite, ela fornece cobertura de voz edados e foi desenvolvida pela Motorola. A constelação possuí 66 satélites ativos em órbita, estes necessários paracobertura global, e também satélites adicionais para substituição em caso de falha. Os satélites estão em LEO a umaaltura de aproximadamente 781 km e inclinação de 86,4º, e a velocidade orbital dos satélites é de aproximadamente27.000 km/h. Os satélites comunicam-se com os satélites vizinhos através de ligações inter-satélite em banda Ka1.Os satélites possuem período orbital de aproximadamente 100 minutos (MAINE; DEVIEUX; SWAN, 1995). Ossatélites utilizados pelo sistema Iridium, pesam aproximadamente 680 kg e são considerados satélites médios(FOSSA et al., 1998).

2.1.1 Classificação dos satélites

Na indústria aeroespacial a massa de um satélite é usada para distingui-los, satélites com massa superiora 1000 kg são satélites grandes, satélites médios têm massa de 500 a 1000 kg, mini satélites possuem massa de 100a 500 kg, microssatélites têm massa de 10 a 100 kg, nanossatélites possuem massa de 1 a 10 kg, os picossatélitestêm massa de 0,1 a 1 kg e os femtossatélites têm massa < 100g (KONECNY, 2004). Os satélites que operam emLEO são divididos usualmente em duas categorias, os satélites Big LEO que caracterizam-se pelo seu tamanhomaior e por operarem em frequências maiores, e os satélites Small LEO, que por outro lado, reete um tamanhopequeno e frequências menores de operação (ILČEV, 2016).

A evolução para as Universal Personal Telecommunications - Telecomunicações Pessoais Universais (UPT)deniu a Personal Communications Services - Serviços de Comunicações Pessoais (PCS), a mobilidade pessoal e atransparência da rede inuenciaram o desenvolvimento dos sistemas de comunicação via satélite no nal dosanos 80 e início dos anos 90. O desenvolvimento de satélites Big LEO para fornecer comunicações de voz e dados1 Banda Ka: 26.5-40 GHz

30 Capítulo 2. Fundamentação Teórica

ao usuário móvel com terminais portáteis está dentro desse contexto de classe UPT. A Figura 1 apresenta umresumo das características dos satélites Big LEOs (e comparação com outras órbitas) para os sistemas propostosna década de 90, essas características apresentadas ainda são as mesmas utilizadas até hoje em satélites Big LEO(ABRISHAMKAR; SIVESKI, 1996).

Figura 1 – Comparativo entre sistemas de satélites Big LEO.

Fonte: (ABRISHAMKAR; SIVESKI, 1996).

A tendência para as constelações de satélites muito menores como uma solução de custo-benefício paraa aplicação especíca de baixa transmissão de dados é exemplicada pelas Small LEOs. A Figura 2 descreve ascaracterísticas de alguns Small LEOs.

2.1. Satélites Low Earth Orbit - Órbita Terrestre Baixa (LEO) 31

Figura 2 – Comparativo entre sistemas de satélites Small LEO.

Fonte: (ABRISHAMKAR; SIVESKI, 1996).

2.1.2 Cubesat

O Projeto Cubesat, é um exemplo de nanossatélites para LEO, em vários momentos neste trabalho ele éusado como estudo de caso. Este projeto foi iniciado em 1999 como um estudo colaborativo entre a California

Polytechnic University - Universidade Politécnica da Califórnia (Calpoly) e a Universidade de Stanford. O objetivo éfornecer um padrão para o projeto de satélites, buscando reduzir o custo e o tempo de desenvolvimento, aumentara acessibilidade ao espaço e sustentar lançamentos frequentes (MUNAKATA et al., 2009). Como especicadopelo documento Cubesat Design, que é o principal resultado desse estudo, um Cubesat deve ser um cubo de 10cm cúbicos que não pesa mais do que 1,33 kg, isso é chamado de 1U (unidade). Outras especicações descrevemo barramento elétrico, restrições de materiais, armazenamento de energia, interferência de radiofrequência elocalização do centro de gravidade. Os Cubesat podem ser escalonados ao longo de um eixo para se tornarem 2U(10 x 10 x 20cm) ou 3U (10 x 10 x 30 cm) (ERLANK, 2013).

Normalmente, os CubeSats são usados como satélites descartáveis de curta duração e o tempo de vidadesses satélites depende de muitos fatores, mas os especialistas calculam por quanto tempo um satélite permaneceráem órbita por seus parâmetros orbitais e pela razão entre área e massa do satélite, que fornece indicações dequão rapidamente sua órbita decairá naturalmente (SELDING, 2015). A Figura 3 mostra a relação da vida útil dosCubeSats de acordo com seu tamanho e altitude.


Figura 3 – Vida útil dos CubeSats em função do seu tamanho e altitude.

Fonte: (QIAO; RIZOS; DEMPSTER, 2013).

O projeto CubeSTAR, por exemplo, é um projeto de satélite de estudantes da Universitetet i Oslo -Universidade de Oslo (UiO) na Noruega. Foi iniciado em dezembro de 2008 pelo Departamento de Física daUiO e pelo Norwegian center for space-related education - Centro Norueguês para Educação Relacionada aoEspaço (NAROM) com apoio nanceiro do Norwegian Space Centre - Centro Espacial Norueguês (NSC), ele é umnanossatélite construído utilizando padrão Cubesat. O CubeSTAR foi construído como um "2U", o que signica queas dimensões físicas dos satélites serão 10x10x20cm e seu peso não é superior a 2,66 kg, como pode ser visto naFigura 4. O CubeSTAR levou um experimento cientíco como carga útil, o experimento é chamado de multiple

Needle Langmuir Probes - múltipla sonda Neddle Langmuir (m-NLP), que é um dispositivo usado para determinara temperatura do elétron, a densidade eletrônica e o potencial elétrico de um plasma (BEKKENG et al., 2010).


Figura 4 – Estrutura do satélite CubeSTAR.

Fonte: (TRESVIG, 2010).

2.1.3 Parâmetros Orbitais

Os parâmetros orbitais são usados para denir uma órbita e posição única de um satélite em referência àTerra, elementos orbitais são muitas vezes referidos como elementos experimentais, uma vez que são baseadosnas leis de Kepler. Existem seis elementos orbitais, como pode ser visto na Figura 5.

Excentricidade

A excentricidade e descreve a relação entre os eixos semi-maior e semi-menor da órbita. No caso de aórbita ser circular, a excentricidade é zero.

Semi-eixo maior

O semi-eixo maior a dene a distância entre o satélite e a Terra quando o satélite está mais próximo daTerra, também conhecido como perigeu.

Right Ascension of the Ascending Node - Ascensão Reta do Nodo Ascendente (RAAN)

RAAN dene a longitude onde o satélite atravessa do hemisfério sul para o hemisfério norte, este pontoé também conhecido como o nó ascendente Ω. RAAN (Ω) é dado pelo ângulo entre um eixo de referência no planoequatorial conhecido como o equinócio vernal e o nó ascendente.

Inclinação

A inclinação i dene o ângulo entre o plano equatorial e o plano orbital no nó ascendente.

Argumento do Perigeu

O argumento do perigeu ω descreve o ângulo entre o nó ascendente e o semi-eixo maior ou perigeu.

Anomalia verdadeira


A anomalia verdadeira υ é um parâmetro que dene a posição do satélite em sua órbita, a anomaliaverdadeira é dada como um ângulo entre o perigeu e a posição atual dos satélites.

Figura 5 – Parâmetros Orbitais.

Fonte: (BEKKENG et al., 2010).

Os parâmetros orbitais são importantes para denir a órbita do satélite, esses parâmetros inuenciamna cobertura do satélite sobre a região de interesse e também na distância do satélite ao solo, dito isso, elessão primordiais para um projeto de subsistema de comunicação, pois inuenciam diretamente nos cálculos doLinkBudget do sistema e na simulação posteriormente.

2.1.4 Footprint de um Satélite e Períodos orbitais LEO

A área de cobertura de um único satélite, é chamada de footprint. O footprint é um segmento esféricona superfície da Terra no qual o satélite pode ser visto sob um ângulo de elevação ε, igual ou maior que umdeterminado ângulo εmin de elevação mínimo. O tamanho do footprint depende da altura h e da elevação εmin ,por isso são os parâmetros mais importantes do sistema. O ângulo central Ψ do footprint, ilustrado na Figura 6 é


dado pela Equação 2.1, onde ρ denota o raio médio da Terra. (MARAL et al., 1991).

Ψ = π

2 − εmin− arcsin(

ρ

ρ+ h cos εmin)

(2.1)

Figura 6 – Ilustração das considerações geométricas.

Fonte: (WERNER et al., 1995).

Para simplicar o tamanho do footprint sem recorrer a uma constelação especíca de satélites, um limiteinferior para o número de satélites necessário pode ser calculado. Para uma cobertura completa da superfície daTerra, é inevitável que as footprints se sobreponham. O maior footprint efetivo possível de um satélite é equivalenteao maior hexágono inscrito no footprint, como pode ser observado na Figura 7 (WERNER et al., 1995).


Figura 7 – Hexágono inserido no footprint.

Fonte: (WERNER et al., 1995).

A LEO é uma órbita ao redor da Terra com uma altitude de 2.000 km ou menos e com um período orbitalentre 84 e 127 minutos, os períodos orbitais variam de acordo com a altitude dos satélites, a Tabela 1 apresentaalguns exemplos de períodos orbitais de acordo com a altitude. Objetos em LEO encontram arrasto atmosféricode gases na termosfera ou exosfera, dependendo da altura da órbita. A velocidade orbital média necessária paramanter uma órbita baixa estável na Terra é de cerca de 7,8 km/s, mas reduz com o aumento da altitude orbital(SWINERD, 2008).

Tabela 1 – Períodos orbitais satélites na LEO

Altitude (km) Período Orbital (min) ∆T max500 94,61 0 min 39 s1000 105,11 1 min 43 s1500 115,98 1 min 46 s

Fonte: (WALKER, 1977).

2.1.5 Efeito Doppler

Uma característica a se considerar em comunicações utilizando nanossatélites é o efeito Doppler. Esteefeito é um fenômeno em que uma frequência constante é alterada, porque o receptor está se movendo em relaçãoao transmissor. A mudança na frequência é proporcional à velocidade relativa entre o receptor e o transmissor. Afrequência aumentará quando o receptor estiver se movendo em direção ao transmissor e diminuirá ao se afastar.Uma analogia comum, é um trem que soa o apito, quando se aproximando de você o som do apito será mais agudo


do que quando o trem se afasta. O efeito Doppler é explicado pela Equação 2.2 e 2.3 (TRESVIG, 2010).

fr =(

1 + v

c

)ft ,

Onde:

fr , frequência recebida;

v , velocidade do transmissor com relação ao receptor;

c , velocidade da luz;

ft , frequência transmitida;

(2.2)

∆f = ftv

c= fr − ft ,

Onde:

∆f , desvio da frequência, ou desvio de Doppler.

(2.3)

Esse efeito varia no tempo com a posição relativa do transmissor e do receptor, ele pode produzirinterferência no receptor se duas frequências de transmissão não forem separadas por uma margem de frequênciasuciente equivalente ao máximo deslocamento Doppler possível, o efeito Doppler pode ser compensado por umintervalo de frequência suciente entre as portadoras. Pode-se utilizar o efeito Doppler para fornecer informaçõesde determinação de posição (WERNER et al., 1995).

2.1.6 Estrutura e Subsistemas do satélite LEO

A estrutura de um satélite basicamente está dividida em duas partes, o Bus e a carga útil, o Bus é compostode 4 partes, essas partes são apresentadas a seguir.

2.1.6.1 Bus

O Bus é o satélite, sem a carga útil. Ele é composto pelo Electronic Power System - Sistema Eletrônico dePotência (EPS), Sistema de Comunicação, Determinação e Controle de Orientação e o On Board Computer . Cadaum destes irá ser explicado a seguir e são responsáveis pelo funcionamento do satélite, permitindo o suporte paraque o satélite tenha o m previsto, a utilização da carga útil.

EPS

O Electronic Power System - Sistema Eletrônico de Potência (EPS) é projetado para gerar, armazenar edistribuir energia para o satélite. A energia é gerada através de painéis solares revestidos nas paredes externas dosatélite, como pode ser visto por exemplo na Figura 4. Devido ao pequeno tamanho dos nanossatélites, a áreatotal da superfície dos painéis é limitada, isso requer o uso de painéis solares de alta eciência para produzir osníveis de energia necessários (TRESVIG; LINDEM, 2011). A Figura 8 apresenta o Diagrama de Blocos da fonte dealimentação do projeto do satélite CubeSTAR.


Figura 8 – Diagrama de blocos da fonte de alimentação do satélite CubeSTAR.

Fonte: (TRESVIG; LINDEM, 2011).

Sistema de Comunicação

Um sistema de comunicação tem três funções principais, transmitir um sinal de rastreamento, fazer odownload de telemetria para uma estação terrestre e receber comandos de uma estação terrestre. Um sistemade comunicação por satélite é frequentemente chamado de sistema Telemetry/Telecommand Interface Module -Interface de Telemetria e Telecomando (TTC). O desenvolvimento do projeto desse sistema de comunicação é ofoco desse trabalho.

Um sinal de rastreamento, também conhecido como beacon, possibilita que um operador de estaçãoterrestre encontre a posição de um satélite se movendo no céu. O sinal ajudará o operador a localizar e manter aantena apontando para o satélite durante cada passagem. O sinal é automatizado e transmitido periodicamente dosatélite para a estação terrestre. O beacon também serve como uma tarefa secundária: ele integra informaçõesvitais sobre o status dos satélites e, assim, fornece informações do satélite, mesmo que não consiga se comunicarcom o satélite. Um beacon tipicamente transmite o nome de satélites juntamente com alguns dados vitais sobre oestado dos satélites, por exemplo, condições da bateria, temperaturas internas, etc (ERLANK, 2013).

Um enlace de dados é um canal de comunicação bidirecional, onde o enlace ascendente é a comunicaçãoda estação terrestre até o satélite e o enlace descendente é a comunicação do satélite até a estação terrestre.

On Board Computer (OBC)

Outro subsistema a bordo dos nanossatélites é o On Board Computer , ele é encarregado de manter ocontrole geral da operação no satélite, este sistema também é conhecido como o principal computador de bordo.O OBC monitora os outros subsistemas, mantendo a integridade operacional e executa comandos extraídos daestação terrestre, ele responderá no caso de um dos subsistemas não responder a solicitações ou se desviar daoperação normal. Uma ação típica será iniciar uma reinicialização física no sistema afetado. A integridade dessesistema crítico é mantida pela implementação de um esquema de Triple Modular Redundancy - RedundânciaModular Tripla (TMR). O princípio da TMR é realizar uma operação ou cálculo em três processos paralelos ecompará-los, realizando uma votação majoritária antes de executar uma tarefa (TRESVIG; LINDEM, 2011).

2.2. Considerações sobre Sistemas de Desempenho 39

Determinação e Controle de Orientação

A nalidade do sistema de Determinação e Controle da Orientação é determinar a orientação do satéliteem referência à Terra e corrigir qualquer desvio da orientação esperada. Esse sistema pode ser visto como doissubsistemas separados, onde um subsistema determina a orientação do satélite e o segundo corrige o desvio deorientação. Para poder determinar a orientação do satélite, são necessários sensores para detectar a orientação, osistema de determinação de orientação recolhe a posição do Sol, o campo magnético da Terra e a rotação do satéliteem todos os eixos. Para essa aferição os sensores empregados são: sensores solares, giroscópios e magnetômetros(TRESVIG; LINDEM, 2011).

A ascensão é o processo de estabilização da taxa angular do satélite após a inserção orbital, o sistema usaum algoritmo para reduzir e minimizar a derivada da taxa angular, ou seja variação da altitude com relação a terra.O controlador usa os magnetômetros para obter as taxas angulares e utiliza os magnetorquers para reduzir a taxaangular. A determinação de posição é um processo meticuloso, e requer algoritmos mais complexos, do que os paracalcular a ascensão. O controle de posição é realizado usando bobinas de atuador, três bobinas (magnetorquers)são usadas para controlar a posição, uma para cada eixo. O magnetorquers gera um campo magnético que interagecom o campo magnético da Terra e cria uma força que é usada para estabilizar o satélite (TRESVIG; LINDEM,2011).

2.2 Considerações sobre Sistemas de Desempenho

Nesta subseção será abordado os parâmetros envolvem os cálculos do enlace de um sistema de comuni-cações via satélite.

Para orientação da antena da estação terrena, deve ser considerado a posição orbital do satélite e a posiçãoda estação terrena. Em comunicações com satélites, para orientar uma antena na estação terrena, é necessário alatitude e a longitude do satélite e da estação terrena. Outros fatores importantes para o cálculo são também o raioda oŕbita e o raio da terra. Para nanossatélites, que operam em órbitas baixas, uma variável importante é o Azimute(Az), que é uma medida de abertura angular cujo valor em graus mede a separação angular entre o vertical quecontém o Norte e aquele que contém o ponto da esfera celeste, na direção Leste-Oeste, e está representado naEquação 2.4.

Az = Arctang

(−TanLosenLa

),

Onde:

Lo , Los - Loet;

Los , Longitude do Satélite;

Loet , Longitude da Estação Terrena;

La , Las - Laet;

Las , Latitude do Satélite;

Laet , Latitude da Estação Terrena;

(2.4)


Já o ângulo de elevação (El) é dada pela Equação 2.5.

El = Arctang

(cosL cosLo− Rt

Ro

1 − (cosL cosLo)

),

Onde:

L , Ls-Lo;

Ls , Longitude do Satélite;

Lo , Longitude da Estação Terrena;

Rt , Raio da Terra Médio = 6.368 km;

Ro , Raio da Órbita;

(2.5)

O cálculo da distância dos satélite, vária com a Latitude e Longitude das estações terrenas e com a Latitudee Longitude do satélite. A distância do satélite à Estação Terrena (DS) é calculado conforme a Equação 2.6.

DS =

√√√√Ro

[1 − 2

(RT

Ro

)cosLo cosLa+

(RT

Ro

)2],

Onde:

Lo , Los - Loet;

Los , Longitude do Satélite;

Loet , Longitude da Estação Terrena;

La , Las - Laet;

Las , Latitude do Satélite;

Laet , Latitude da Estação Terrena;


Ro , Raio da Órbita;

(2.6)

2.2.1 EIRP

Eective Isotropic Radiated Power - Potência Isotrópica Irradiada Efetiva (EIRP) é o efeito emitido de umtransmissor, EIRP é a soma do efeito entregue para a antena "Pt" e o ganho da antena "Gt", e pode ser visto naEquação 2.7 (TRESVIG, 2010).

EIRP = Pt ∗ Gt ,

Onde:

Pt , Potência transmitida;

Gt , Ganho da Antena de transmissão;

(2.7)

2.2.2 Densidade de fluxo

A densidade de uxo é uma medida do efeito [W] por m2. A energia emitida por uma antena se propagapara fora em uma forma esférica, à medida que a distância da antena aumenta, a esfera aumenta e a densidade de


uxo diminui. A densidade de uxo F é dada pela Equação 2.8 (SOARES, 1994).

F = Pt ∗ Gt

4πr2 ,

Onde:



r , Distância que a energia propagou;

(2.8)

2.2.3 Efeito Recebido

O efeito recebido pelo receptor Pr é dado pela densidade de uxo dividido pela área da antena receptora,é mostrado na Equação 2.9 (TRESVIG, 2010).

Pr = F ∗ A ,

Onde:

Pr , Potência recebida;

F , Densidade de uxo;

A , Área da antena receptora;

(2.9)

Em antenas práticas, parte da energia será reetida e parte sera perdidas devido à perda média dos meiosde comunicação. O coeciente de ecácia e é introduzido para contabilizar essas perdas, a área efetiva é dada porAe, apresentado na Equação 2.10 (TRESVIG, 2010).

Ae = e ∗ A ,

Onde:

Ae , Área efetiva da antena;

A , Área da antena;

e , coeciente de ecácia;

(2.10)

Substituindo a Equação 2.10 na Equação 2.9, a nova equação para efeito recebido é mostrado na Equação2.11.

Pr = F ∗ Ae ,

Onde:


F , Densidade de uxo;

Ae , Área efetiva da antena receptora;

(2.11)

2.2.4 Antena de Recepção

O ganho de uma antena receptora é dado pelo Equação 2.12, a partir da equação, pode-se armar que oganho de uma antena é inuenciado tanto pela área da antena como pelo comprimento de onda do sinal (SOARES,1994).

G = 4πAeλ2 (2.12)


2.2.5 Equação de Friis

A equação de Friis, também conhecida como a equação de Link, é a fórmula básica para calcular o efeitorecebido em qualquer link de rádio, é descrita pela Equação 2.13 (TRESVIG, 2010).

Pr = PtGtGr( 4πrλ

)2 ,

Onde:




Gr , Ganho da Antena de recepção;

r , Distância que a energia propagou;

λ , Comprimento de onda do sinal;

(2.13)

Também pode ser escrito de uma forma mais genérica, pela Equação 2.14.

Pr = EIRP ∗ Ganho da Antena de Recepção

Perda de caminho(2.14)

2.2.6 Perda de caminho no espaço livre

A perda de caminho no espaço livre Lfspl é a perda de energia para um sinal de RF devido à distânciaque deve percorrer (SOARES, 1994). Das Equações 2.14 e 2.13, a perda do caminho é reescrita como:

Lfspl =(

4πrλ

)2,

Onde:

r , Distância entre o receptor e o transmissor;

λ , Comprimento de onda do sinal;

(2.15)

2.2.7 Alcance inclinado

O alcance inclinado é a distância máxima entre uma estação terrestre e um satélite, o alcance inclinadoé denido pela altura da órbita do satélite e pela elevação mínima da antena da estação terrestre. O intervaloinclinado pode ser calculado usando a Equação 2.16 (TRESVIG, 2010).

Dmax =√

(R+ h)2 −R2 cos2 (θ) −R sin (θ) ,

Onde:

R , Raio da Terra Médio = 6.368 km;

h , Altura dos satélites acima da superfície da Terra;

θ , Ângulo de elevação da antena da estação terrestre;

(2.16)

2.2.8 Ruídos

O ruído elétrico é denido como toda a energia elétrica dentro da banda passante de um sinal que nãofaz parte do sinal originalmente transmitido, o ruído pode consistir em várias frequências e amplitudes que podem


afetar a qualidade do sinal, é dividido em duas categorias, ruído não correlacionado e correlacionado (TRESVIG,2010).

Ruído Térmico

Ruído térmico também conhecido como ruído browniano, ruído de Johnson, ruído de Nyquist ou ruídobranco é causado pelo movimento rápido e aleatório de elétrons devido a efeitos térmicos. O movimento de umelétron livre é igual a um pequeno pulso de corrente que gera um componente Alternating current - CorrenteAlternada (AC) devido à resistência interna no condutor, o ruído térmico é distribuído uniformemente por todo oespectro de frequência e presente em todos os equipamentos e sistemas eletrônicos. A potência do ruído térmico éproporcional à largura de banda e temperatura (HAYKIN, 2008).

Figura de Ruído

A gura de ruído é uma medida da degradação da relação SinalRuído , à medida que o sinal passa por um

circuito. A gura de ruído NF é demonstrada na Equação 2.17.

NF = S/N entradaS/N saída

(2.17)

2.2.9 Degradação por Desalinhamento de polarização

No desalinhamento de polarização, há dois aspectos que ocorrem simultaneamente, o desalinhamentopor rotação de Faraday e o desalinhamento mecânico da polarização.

O desalinhamento por rotação de Faraday é a rotação do plano de polarização da onda eletromagnéticaque passa através de um meio submetido a um campo magnético alinhado paralelamente à direção de propagaçãoda onda eletromagnética. O Efeito Faraday se caracteriza pela mudança da direção de polarização de um feixe deluz linearmente polarizado quando esta se propaga ao longo do campo magnético a que está submetido um meiotransparente. A Figura 9 mostra uma análise na faixa de Very High Frequency - Frequência Muito Alta (30-300MHz) (VHF) e Ultra High Frequency - Frequência Ultra Alta (300 MHz - 3 GHz) (UHF) (SOARES, 1994).

Figura 9 – Rotação da fase para Sinais Linearmente Polarizados ao passar pela Atmosfera.

Fonte: (FREMOUW et al., 1978).


Na Figura 9 é possível observar que a rotação de Faraday é maior quando se utiliza baixas frequências. Aatenuação causada pelo desalinhamento na polarização linear, pode ser observado na Tabela 2.

Tabela 2 – Atenuação por Desalinhamento.

Desalinhamento da Polarização (Graus) Perda (dB)10 0,115 0,3

Valor típico 0,420 0,525 0,9

Fonte: (SOARES, 1994).

2.2.10 Temperatura de ruído da Antena

As antenas variam a temperatura de ruído com o ângulo de elevação, este dado é fornecido pelo fabricantee é importante considerá-lo nos cálculos, as temperaturas de ruído da antena inuenciam diretamente na potênciado ruído térmico na recepção. Geralmente para elevações acima de 30º a temperatura permanece constante. AFigura 10 apresenta a temperatura de ruído de uma antena Haris de 6,1 m (SOARES, 1994).

Figura 10 – Temperatura de ruído da antena em função do ângulo de elevação.

Fonte: (SOARES, 1994).


2.2.11 Fator de Mérito

O fator de mérito mede o desempenho do sistema sendo calculado para a recepção. Este fator é denidopela "G/T". O fator de mérito pode ser visto na Equação 2.18 (SKLAR, 2001).

FM = G

T,

Onde:

G, Ganho de Recepção da Antena;

T, Temperatura de Ruído do Sistema;

(2.18)

O Ganho de Recepção da Antena é demonstrado na Equação 2.19 (SKLAR, 2001).

G = 10logN 4A(λ)2 ,

Onde:

A, Área efetiva;

N, Eciência (55 a 70%);

λ, Comprimento de onda;

(2.19)

A temperatura de ruído da antena é demonstrado na Equação 2.20 (SKLAR, 2001).

T = TA+ (P − 1)T1 + T2P ,

Onde:

T, Temperatura de Ruído em ºK;

TA, Temperatura de Ruído da Antena, Valor Típico de 25º K;

P, Perda no Alimentador, Valor Típico 0,1 dB;

T1, 290ºK;

T2, Temperatura de Ruído do LNA2, Valor Típico de 60 a 100ºK;

(2.20)

2.2.12 Potência do Ruído Térmico

A Potência de ruído térmico é demonstrado na Equação 2.21 (HAYKIN, 2008).

PowerNoise = kTB,

Onde:

k , Constante de Boltzman’s, 1, 38−23 W

HzK;

T, Temperatura de Ruído;

B, Largura de Banda;

(2.21)

2.2.13 SNR

A Signal to Noise Ratio - Relação Sinal Ruído (SNR) ouCarry to Noise Ratio - Relação Portadora Ruído (CNR)é a relação entre a potência do sinal recebido e a potência do ruído na recepção, e pode ser visto na Equação 2.22

2Low noise amplier - Amplicador de Baixo Ruído (LNA)


(HAYKIN, 2008).

SNR = Potência do Sinal RecebidoPotência do Ruído na Recepção (2.22)

2.2.14 Eb/N0

Energy per Bit to Noise Power Spectral Density Ratio - Energia de Bit sobre a Densidade de Ruído Espectral(Eb/N0) é uma medida normalizada de SNR, também conhecida como "SNR por bit". É especialmente útil aocomparar o desempenho da BER de diferentes esquemas de modulação digital sem levar em conta a largura debanda. A Eb/N0 é igual à potência do sinal dividida pela taxa de bits e pode ser vista na Equação 2.23 (HAYKIN,2008).

Eb/N0 = Potência do Sinal RecebidoBitRate

(2.23)

2.2.15 BER

A BER é o número de erros de bit dividido pelo número total de bits transferidos durante um intervalode tempo estudado, a taxa de erros de bits é uma medida de desempenho sem unidade, geralmente expressa comouma porcentagem. A BER pode ser visto na Equação 2.24 (HAYKIN, 2008).

BER = Numero de Bits Recebidos ErradosNumero Total de Bits enviados

(2.24)

2.3 Subsistema de Comunicação

Um sistema de comunicação tem três funções principais, transmitir um sinal de rastreamento, fazer odownload de telemetria para uma estação terrestre e receber comandos de uma estação terrestre.

Um sistema de comunicações por satélite pode ser separado em duas partes, o segmento espacial e osegmento terrestre, cada segmento tem três componentes: a antena, o transceptor e a estação de comunicação.Esta arquitetura pode ser observada na Figura 11. O segmento terrestre para um sistema típico de comunicações denanossatélites consiste na estação de computação para enviar comandos aos satélites e receber dados dos satélites.A tarefa do transceptor é modular e transmitir o sinal de rádio analógico que contém os dados e também fazer oprocesso inverso de receber o sinal e demodular. O transceptor é conectado a uma antena que transmite e recebeos dados do e para o nanossatélite. O segmento espacial consiste no On Board Computer (OBC) que processadados,recebe e envia comandos. Este tem uma arquitetura semelhante ao encontrado na Terra, um computadorque é conectado a um transceptor de rádio, e o transceptor está conectado à antena (CRAWFORD et al., 2009).

2.3. Subsistema de Comunicação 47

Figura 11 – Arquitetura de sistemas de comunicação por Satélites.

Fonte: Elaborada pelo autor.

O segmento espacial de comunicação, também conhecido como sistema de Telemetry/Telecommand

Interface Module - Interface de Telemetria e Telecomando (TTC), é usado para se comunicar com a estaçãoterrena, o sistema é encarregado de transmitir a telemetria do satélite, receber comandos enviados e transmitirum sinal de rastreamento para a estação terrestre. O sistema TTC possui dois sistemas de transceptor idênticos,um primário e um backup. Isso é implementado para adicionar redundância no sistema de comunicação, osdois transceptores são completamente separados, cada um com uma antena dedicada. O sistema de transceptorredundante é implementado para dar conta de imprevistos como mau solda na placa de circuito, mau funcionamentoda implantação da antena e outros eventos imprevistos (TRESVIG, 2010). A Figura 12 apresenta o diagrama deblocos do sistema TTC do projeto CubeSTAR

3 4 5.

Figura 12 – Diagrama de blocos do sistema TTC do CubeSTAR.

Fonte: (TRESVIG; LINDEM, 2011).

3Inter-Integrated Circuit - Circuito Inter-Integrado (I2C)

4Microcontroller - MicroControlador (MCU)

5Serial Peripheral Interface - Interface Serial Periférica (SPI)


Um satélite e uma estação terrestre devem usar o mesmo protocolo de comunicação para poder secomunicar uns com os outros, um protocolo de comunicação implica na padronização de frequência, largura debanda, taxa de dados, esquema de modulação e protocolo de transmissão dos pacotes. Devido ao fato de orbitar emuma LEO, as footprint são relativamente pequenas o que limita o tempo que o satélite pode se comunicar com aestação terrestre em cada órbita. Uma maneira ecaz de contornar essa restrição é aumentar o número de estaçõesterrestres que podem se comunicar com os satélites, a melhor maneira de fazer isso é utilizar uma Ground Station

Network - Rede de Estações Terrestre (GSN). Para utilização em projetos de pesquisa de universidade, existe aGlobal Educational Network for Satellite Operation - Rede Educacional Global para Operação de Satélite (GENSO)que é uma GSN feito especialmente para a comunidade Cubesat. A rede GENSO permite que seus usuários operemoutra estação terrestre Cubesat pela Internet, aumentando o tempo que uma equipe Cubesat pode se comunicarcom seu satélite (TRESVIG, 2010).

2.3.1 Modulação FSK

A modulação Frequency Shift Keying - Chaveamento de Frequência (FSK) é um esquema de modulaçãode frequência digital Frequency Modulation - Modulação em Frequência (FM). Um símbolo digital é modulado emuma onda portadora diminuindo ou aumentando a frequência da portadora (Fc) por um desvio de frequência xo(∆f ), fazendo 1 = Fmark = fc + ∆f e 0 = Fspace = fc − ∆f . A Figura 13 mostra o funcionamento da modulaçãoFSK (ERLANK, 2013).

Figura 13 – Modulação FSK.

Fonte: (ERLANK, 2013).

A largura de banda B de um sinal modulado de FSK é calculada usando a regra Carson e pode ser visto

2.3. Subsistema de Comunicação 49

na Equação 2.25.

B = 2(

∆f + Baud

2

),

Onde:

∆f, Desvio de frequência;

Baud, Taxa do Sinal;

(2.25)

As modulações FSK e Minimum Shift Keying - Chaveamento de deslocamento mínimo (MSK) (umavariação da modulação FSK com fase contínua) são as mais utilizadas em comunicações de nanossatélites, comopode ser observado na Figura 14 a partir de um estudo realizado por (KLEINSCHRODT et al., 2017).

Figura 14 – Modulações mais frequentes em missões de nanossatélites.

Fonte: (KLEINSCHRODT et al., 2017).

O FSK é relativamente simples quando comparado com ao MSK, especialmente se for utilizada demodu-lação não coerente. Em complexidade, o MSK requer uma referência coerente no demodulador, isso aumentará acomplexidade e os circuitos exigem mais energia. A Figura 15 faz uma comparação da eciência energética doFSK e do MSK, comparando as Eb/N0 necessárias para uma mesma BER de 10−4 (MULALLY; LEFEVRE, 1991).

Figura 15 – Eb/N0 da modulação FSK e MSK para a mesma BER.

Fonte: (MULALLY; LEFEVRE, 1991).

Em termos de eciência de energia o MSK é teoricamente ideal, o FSK é 3 dB pior se a detecção coerentefor usada e cerca de 4 dB pior se a detecção não coerente for usada. Devido à sua simplicidade e suas variaçõesmínimas de envelopamento, o FSK deve ser considerado para sistemas de comunicação por satélite de pequenoporte (MULALLY; LEFEVRE, 1991).


2.4 Antenas de Satélites LEO e de aquisição terrestre

Esta seção descreve os métodos e técnicas usados para implementar o design de RF, uma introduçãoa vários tópicos da teoria da antena e explica termos e conceitos discutidos no capítulo. No projeto de RF, osmétodos de projeto de circuitos elétricos convencionais, não se aplicam porque o circuito se comportará de maneiradiferente em altas frequências. As características dos componentes mudam de valor dependendo da frequência, aslinhas de sinal tornam-se impedâncias complexas e a energia do sinal é reetida a partir da entrada nos circuitoseletrônicos. Esses efeitos forçam os projetistas de RF a usar os modelos de alta frequência e outras técnicas deprojeto descritas neste capítulo (ERLANK, 2013).

Uma antena é um transdutor que transforma um sinal elétrico de alta frequência em uma onda eletro-magnética e vice-versa. O dispositivo é crucial em um sistema de rádio, ele atua como uma interface entre odomínio elétrico e eletromagnético. Quando uma antena recebe um sinal eletromagnético, a onda induzirá umatensão elétrica que variará no tempo com a mesma frequência da onda. Ao transmitir a antena irradiará uma ondaeletromagnética com a mesma frequência do sinal emitido pelas linhas de transmissão (GILMORE; BESSER, 2003).

2.4.1 Tipos de Antenas

Existem muitos tipos de antenas, algumas são projetadas para alto ganho direcional como antenas Yagi,outras para altas frequências como reetores parabólicos e outras para uma ampla largura de banda. Os satélitesnão sabem exatamente a posição das estações terrenas com quem se comunicará, e também comumente estãoem arquiteturas de comunicação para muitos, então é comum antenas com padrão de radiação omnidirecionaldevido ao fato desse desconhecimento exato da direção da comunicação. Esta subseção descreve os tipos de antenacomumente usados pelos nanossatélites.

A necessidade de antenas omnidirecionais, com design mecânico simples e o limitado espaço disponívelno satélite identica as antenas dipolo e Turnstile como as melhores soluções de antenas para satélites Cubesat.Tanto a antena dipolo quanto a Turnstile têm um ganho quase omnidirecional, as principais diferenças entre asduas são o tamanho físico e a polarização. A antena Turnstile transmite ondas de rádio polarizadas circulares queeliminam qualquer perda de incompatibilidade de polarização. Isto dá uma melhor margem de ligação e BER, noentanto, se a margem de link pode fornecer o BER especicada, mesmo diminuindo o sinal em até 3dB, devidoà perda por incompatibilidade de polarização. Nesse caso, o mais importante a se considerar é a redundânciaoperacional no sistema, a antena Turnstile é uma antena dipolo cruzada que pode ser facilmente congurada paraatuar como duas antenas dipolo separadas (TRESVIG, 2010).

2.4.1.1 Antena Dipolo

Uma antena dipolo é uma antena construída por dois elementos de quarto de onda colocados próximosuns dos outros para atingir um comprimento físico de metade do comprimento de onda da frequência de operação.Os elementos de sinal são terminados em uma fonte de sinal onde um está conectado à linha de sinal e um aoplano de terra, a Figura 16 mostra uma antena dipolo. Assim como a antena monopolo, o dipolo tem um padrão deradiação próximo ao omnidirecional e somente transmite ondas de rádio lineares polarizadas (ERLANK, 2013).

2.4. Antenas de Satélites LEO e de aquisição terrestre 51

Figura 16 – Antena Dipolo.

Fonte: (JOHNSON; JASIK, 1984).

A Figura 17 mostra os diagrama de irradiação da Antena Dipolo, a esquerda o perl vertical de irradiaçãoe a direita o perl horizontal de irradiação da antena.

Figura 17 – Diagramas de irradiação da antena dipolo.

Fonte: (DIPOLE. . . , 2011).

2.4.1.2 Antena Turnstile

Uma antena Turnstile, também conhecida como antena dipolo cruzada, é uma antena com duas antenasdipolo em uma conguração cruzada, como pode ser observado na Figura 18. O sinal para um dos dipolos é mudadode fase com 90º, fazendo com que a Turnstile transmita um sinal polarizado circular, é uma antena omnidirecional(ERLANK, 2013).


Figura 18 – Antena Turnstile do CubeSatShop.

Fonte: (ERLANK, 2013).

A Figura 19 mostra os diagrama de irradiação da Antena Turnstile, a esquerda o perl vertical de irradiaçãoe a direita o perl horizontal de irradiação da antena.

Figura 19 – Diagramas de irradiação da antena Turnstile.

Fonte: (TA; PARK; ZIOLKOWSKI, 2015).

53

3 DESENVOLVIMENTO

Neste capítulo, será apresentado a pesquisa desenvolvida nesse trabalho. A ordem a ser apresentada será:Projeto do Subsistema de Comunicação e Simulação do Subsistema.

3.1 Projeto do Subsistema de Comunicação

O projeto começa denindo o Link Budget, começando pela frequência de DownLink e UpLink dacomunicação com o satélite. As frequências utilizadas, para DownLink é na faixa de UHF (434,500 MHz) e paraUpLink é na faixa de VHF (145,45 MHz), ambas na faixa de Frequência Amadora, de acordo com a Resolução 452da Anatel (JÚNIOR, 2006).

Os cálculos do Link Budget de UpLink e DownLink são realizados a seguir, a Figura 20 apresenta umuxograma com a sequência dos cálculos.

Figura 20 – Fluxograma dos Cálculos de Link Budget.

Fonte: Elaborada pelo Autor.

A Figura 21 mostra o Diagrama de Blocos do Sistema de Comunicação com o Satélite, o diagrama deblocos foi projetado utilizando como referência o projeto CubeStar (TRESVIG, 2010).

54 Capítulo 3. Desenvolvimento

Figura 21 – Diagrama de Blocos Sistema de Comunicação CubeStar.

Fonte: (TRESVIG, 2010).

O diagrama de blocos do subsistema de comunicação apresentado acima implementa o envio e recepçãode informações do sistema. No processo de envio de informações pelo satélite, o MCU recebe a solicitação detransmissão de informação da OBC através do protocolo I2C, envia para o transceiver, através do protocolo SPI, quefaz o processo de modulação dos dados para serem transmitidos, posteriormente o sinal é passado de banda basepara banda passante pelo HF Switch e amplicado no High Power Amplier - Amplicador de Alta Potência (HPA)para ser transmitido pela antena. No processo de recepção a antena recebe um sinal, que é passado de bandapassante para banda base pelo HF Switch, posteriormente esse sinal é amplicado no LNA antes de ser demoduladono transceiver, após os dados recebidos são passados para o MCU que encaminha para a OBC.

3.1.1 Link Budget UpLink

Os cálculos demonstrados neste seção alimentam a Tabela 4 anexada no apêndice.

O comprimento da onda é dado pela Equação 3.1 (ERLANK, 2013).

λ = c

f(3.1)

O Comprimento de Onda (λ) utilizada para UpLink, tem seu cálculo apresentado na Equação 3.2 e é 2,06metros.

2, 06m = 3 ∗ 108 m/s

145, 45 ∗ 106 s−1

Onde:

c , 3 ∗ 108 m/s, é a velocidade da luz;

f , 145, 45 ∗ 106 s−1, é a frequência de UpLink;

(3.2)

O Ângulo de Elevação (El) mínimo da comunicação é calculado com base na Equação 2.5, e tem seu

3.1. Projeto do Subsistema de Comunicação 55

cálculo apresentado na Equação 3.3 e é em torno de 35º.

35º = Arctang

(cos 28º cos −48º − 6368 km

7200 km1 − (cos 28º cos −48º)

),

Onde:

L , Ls-Lo;

Ls , 28º, é a Longitude do Satélite;

Lo , -48º, é a Longitude da Estação Terrena;


Ro , 7200km, é o Raio da Órbita;

(3.3)

O Alcance Inclinado (Dmax) é a distância máxima entre uma estação terrestre e um satélite, é calculadocom base na Equação 2.16, e tem seus cálculos mostrados na Equação 3.4 e é em torno de 1280 km.

1280Km =√

(R+ 800Km)2 −R2 cos2 (35º −R sin (35º) ,

Onde:

R , 6.368 km, Raio da Terra Médio;

h , 800 km, Altura dos satélites acima da superfície da Terra;

θ , 35º, Ângulo de elevação da antena da estação terrestre;

(3.4)

Utilizando os cálculos anteriores, é possível então calcular a Perda de Espaço Livre (Lfspl), com base naEquação 2.15, seus cálculos são mostrados na Equação 3.5 e tem valor aproximado de 138 dB.

138dB = 10 log((

4π1280km2, 06m

)2),

Onde:

r , 1280km, Distância entre o receptor e o transmissor;

λ , 2,06, Comprimento de onda do sinal;

(3.5)

Considerando uma absorção atmosférica de 1 dB, temos então que a Perda Total do Caminho é de 139 dB.

3.1.1.1 Largura de Banda de UpLink

A taxa de transmissão de UpLink é de 1,2 kHz, aproximadamente 30,7 dBHz. O desvio de frequênciaé de 5 kHz, o esquema de modulação é FSK. A Largura de Banda é calculada pela Equação BandWidth =2 ∗ frequencydeviation, mostrada em 2.3.1. A Largura de Banda então é de 11,2 kHz, aproximadamente 40,4dBHz.

3.1.1.2 EIRP

O cálculo do EIRP é feito com base na Equação 2.7, assumindo uma potência de transmissão de 13 dBW,e um valor mínimo de Ganho da Antena de 12 dB, o valor do EIRP no transmissor é de 25 dBW.


3.1.1.3 Cálculo de Temperatura do Sistema

O cálculo de temperatura do sistema é realizado para calcular o ruído térmico gerado no sistema, combase nisso calcular a gura de ruído e a relação SNR do sistema, para identicar o correto funcionamento dosistema.

A temperatura de operação que um satélite se encontra em órbita na camada LEO é em torno de 1000º K(MATHAPO, 2006), a temperatura total na transmissão na Terra é em torno de 140K (SHUCH, 2002). Com basenisso a temperatura total do sistema é em torno de 1100º K ou 30,42 dbK.

O cálculo da potência do ruído térmico é mostrado na Equação 2.2.12, a Potência de Ruído calculada dosistema é apresentado na Equação 3.6, e tem valor de -157,54 dBW.

−157, 69dBW = 10 log(

1, 38−23 W

HzK∗ 1100º K ∗ 11, 2kHz

)Onde:


HzK;

T , 1100º K, Temperatura do Sistema apresentado anteriormente;

B , 11,2 kHz, Largura de Banda apresentada em 3.1.1.1;

(3.6)

3.1.1.4 Cálculo de Potência Recebida e SNR

O Equação da potência recebida, considerando o Sistema completo é apresentando na Equação 3.7 (PRAT;BOSTIAN, 1986).

ReceivedPower = EIRP + GR − PathLoss − Polarization Loss

Onde:

EIRP , EIRP em dB;

GR , Ganho da Antena de Recepção da Antena em dB;

PathLoss , Perda de Espaço Livre em dB;

Polarization Loss , Perda de Polarização em dB;

(3.7)

O valor da Potência Recebida calculado é mostrado na Equação 3.8 e tem valor aproximado em -123,66dB.

−122dBW = 25dBW − 5db− 139dB − 3dB

Onde:

EIRP , 25 dBW, EIRP;

GR , -5 db, Ganho mínimo da Antena de Recepção;

PathLoss , 139 dB, Perda de Espaço Livre calculado em 3.5;

Polarization Loss , 3 dB, Perda de Polarização Padrão;

(3.8)

A relação da SNR é a diferença entre a Potência Recebida e Potência do Ruído Térmico (SNR =ReceivedPower − NoisePower) é de 35,84 dB. O cálculo da Eb

N0é calculado então como Eb

N0= SNR +

BandWidth − DataRate e tem valor aproximado de 45,55 dB. Considerando que a Eb

N0mínima para o cor-

reto funcionamento do Sistema é de 14 dB, a margem para funcionamento é de 31,55 dB.

3.1. Projeto do Subsistema de Comunicação 57

3.1.2 Link Budget DownLink

Os cálculos demonstrados neste seção alimentam a Tabela 5 anexada no apêndice.

O Comprimento de Onda (λ) utilizada para DownLink, tem seu cálculo apresentado na Equação 3.9 e é0,69 metros.

0, 69m = 3 ∗ 108 m/s

434, 5 ∗ 106 s−1

Onde:

c , 3 ∗ 108 m/s, é a velocidade da luz;

f , 434, 5 ∗ 106 s−1, é a frequência de DownLink;

(3.9)

Utilizando os cálculos anteriores, é possível então calcular a Perda de Espaço Livre (Lfspl), com base naEquação 2.15, seus cálculos são mostrados na Equação 3.10 e tem valor aproximado de 147 dB.

147dB = 10 log((

4π1280km0, 696m

)2),

Onde:

r , 1280km, Distância entre o receptor e o transmissor;

λ , 0,69m, Comprimento de onda do sinal;

(3.10)

Considerando uma absorção atmosférica de 1 dB, temos então que a Perda Total de Caminho é de 148 dB.

3.1.2.1 Largura de Banda de DownLink

A taxa de transmissão de DownLink é de 9,6 kHz, aproximadamente 39,82 dBHz. O desvio de frequênciaé de 5kHz, o esquema de modulação é FSK. A Largura de Banda é calculada pela Equação BandWidth =2 ∗ frequencydeviation, a Largura de Banda então é de 19,6 kHz, aproximadamente 42,92 dB Hz.

3.1.2.2 EIRP

O cálculo do EIRP é feito com base na Equação 2.7, assumindo uma potência de transmissão de 0 dBW, eum valor mínimo de Ganho da Antena de Transmissão de -5 dB (o pior caso possível tem ganho -2dB), o valor doEIRP no transmissor é de -5 dBW.

3.1.2.3 Cálculo de Temperatura do Sistema

O cálculo de temperatura do sistema é feito para calcular o ruído térmico gerado no sistema, com basenisso calcular a gura de ruído e a relação SNR do sistema, para identicar o correto funcionamento do sistema.

A temperatura de operação de uma antena na recepção na Terra é de 300º K, incluindo a isso a temperaturainserida pelo cabo na recepção da Antena até o LNA 60º K e a Temperatura inserida pelo próprio LNA em tornode 70º K e a temperatura do LNA ao receptor. Com base nisso a temperatura total do sistema é em torno de 439º Kou 26,43 dbK.


O cálculo da potência do ruído térmico é mostrado na Equação 2.2.12. A Potência de Ruído calculada dosistema é apresentado na Equação 3.11, e tem valor de -159,15 dBW.

−159, 25dBW = 10 log(

1, 38−23 W

HzK∗ 439ºK ∗ 19, 6kHz

)Onde:


HzK;

T , 439º K, Temperatura do Sistema apresentado anteriormente;

B , 19,6 kHz, Largura de Banda apresentada em 3.1.2.1;

(3.11)

3.1.2.4 Cálculo de Potência Recebida e SNR

O Equação da potência recebida, considerando o Sistema completo é apresentando na Equação 3.7. Ovalor da Potência Recebida calculado é mostrado na Equação 3.12 e tem valor aproximado em -136,36 dB.

−136, 36dBW = −5dBW + 20db− 148dB − 3dB

Onde:

EIRP , -5 dBW, EIRP;

GR , 20 db, Ganho da Antena de Recepção;

PathLoss , 148 dB, Perda de Espaço Livre calculado em 3.5;

Polarization Loss , 3 dB, Perda de Polarização Padrão;

(3.12)

A relação da SNR é a diferença entre a Potência Recebida e Potência do Ruído Térmico (SNR =ReceivedPower − NoisePower) é de 22,89 dB. O cálculo da Eb

N0é calculado então como Eb

N0= SNR +

BandWidth − DataRate e tem valor aproximado de 25,99 dB. Considerando que a Eb

N0mínima para o cor-

reto funcionamento do Sistema é de 14 dB, a margem para funcionamento é de 11,99 dB.

3.1.3 Orçamento Projeto do Sistema de Comunicação de um Satélite

Nesta seção é apresentado um orçamento para a montagem do subsistema de comunicação de satélites,o orçamento de projeto foi feito utilizando componentes da arquitetura CubeSat. Existem vários componentesdesenvolvidos exclusivamente para a construção de projetos de Satélites na arquitetura de satélites. A Tabela 3mostra o orçamento do projeto do Sistema de comunicação com os orçamentos no site CubeSatShop

1, o preçototal cou em € 16750.

Tabela 3 – Orçamento do Sistema de Comunicação.

Componente Descritivo PreçoAntena Sistema de Antena Dipolo Deployable € 5250

Transceiver UHF DownLink / VHF UpLink Full Duplex Transceiver € 8500Preço Total € 16750

Fonte: Elaborado pelo Autor.

Os equipamentos mostrados na Tabela 3 foram escolhidos de acordo com as especicações desejadaspara o projeto, o transceiver opera nas faixas desejadas para uplink (VHF) e downlink (UHF), tem a potência detransmissão desejada pelo projeto de 0 dBW e tem suporte a modulação utilizada no projeto (FSK). A antena1 <https://www.cubesatshop.com/>

https://www.cubesatshop.com/

3.2. Simulação Subsistema de Comunicação 59

é a escolhida pelo projeto (dipolo), e ambos os equipamentos dão suporte a projetos CubeSat, ou seja, eles sãodesenvolvidos para utilização em projetos desse tipo, facilitando a construção do satélite.

3.2 Simulação Subsistema de Comunicação

O System Tool Kit (STK) (antigo Satellite Tool Kit), é um pacote de software baseado em física da AnalyticalGraphics, Inc. 2 que permite que engenheiros e cientistas realizem análises complexas de ativos terrestres, marítimos,aéreos e espaciais e compartilhar os resultados em uma solução integrada. O STK foi desenvolvido desde 1989como uma ferramenta de software comercial pronta para uso, originalmente criado para resolver problemasenvolvendo satélites em órbita da Terra, agora é usado nas comunidades aeroespacial, de defesa e em muitasoutras aplicações.

A Figura 22 mostra o nanossatélite simulado no STK, nessa imagem é apresentado o objeto satélite epermite ter uma perspectiva da visão dele para a estação base, durante a comunicação.

Figura 22 – Satélite Simulado no STK.


A Figura 23 mostra o nanossatélite em órbita simulado no STK, em uma perspectiva em três dimensões,passando pela região de interesse, com visada de comunicação. Pode ser observado também o footprint do satéliteno globo terrestre.

2 https://www.agi.com/products/engineering-tools


Figura 23 – Órbita do Satélite Simulado no STK.


A Figura 24 mostra um mapa em duas dimensões com a rota da movimentação do satélite e o seu footprint

no mapa, além das rotas do satélite com momentos de cobertura da comunicação.

Figura 24 – Satélite Simulado no mapa em 2D no STK.


A Figura 25 mostra as congurações orbitais do satélite, congurado para uma altitude de 800 km (pode


ser visto na imagem no "Semimajor Axis, no caso o valor é de 7178,14 km pois é a soma da altitude do satélite como raio da Terra, como demonstrado nos cálculos), a inclinação, a excentricidade, RAAN, a anomalia verdadeira eo argumento do perigeu da órbita do satélite. Os dados orbitais, foram estipulados analisando órbitas de outrosnanossatélites, visando obter uma maior cobertura (em termos de footprint) da região sul do Brasil.

Figura 25 – Congurações de órbita do Satélite no STK.


A Figura 26 mostra as congurações do transceiver do UpLink, com os seguintes parâmetros: frequênciade transmissão (145.45 MHz), a potência do transmissor (25 dBW) e o Data Rate (1200 b/sec). Também é denidoas especicações da antena, uma antena dipolo projetada para operar na faixa de frequência de 145.45 MHz ea polarização linear, em seguida selecionada a modulação (FSK) e a largura de banda (11.2 kHz) utilizadas natransmissão do sinal. Todas essas congurações estão de acordo com as demonstradas nos cálculos em 3.1.1.


Figura 26 – Congurações do Transceiver do UpLink no STK.


A Figura 27 aponta as congurações do receptor do UpLink, com os seguintes parâmetros: frequência deoperação (145.45 MHz), o ganho do LNA (0 dB considerando pior caso de operação) e a margem de funcionamentodo Link de comunicação (Eb/N0 de 14 dB). Também as especicações da antena, uma antena dipolo projetadapara operar na faixa de frequência de 145.45 MHz e a polarização linear, e a temperatura de ruído do sistema (1101K, calculado anteriormente) e a demodulação (FSK) utilizadas na recepção do sinal. Todas essas conguraçõestambém estão de acordo com as demonstradas nos cálculos em 3.1.1.


Figura 27 – Congurações do Receptor do UpLink no STK.


A Figura 28 aponta as congurações do transceiver de DownLink, com os seguintes parâmetros: frequênciade transmissão (434.5 MHz), a potência do transmissor (0 dBW) e o Data Rate (9600 b/sec), especicações daantena, uma antena dipolo projetada para operar na faixa de frequência de 434.5 MHz e a polarização linear,


modulação (FSK) e a largura de banda (19.6 kHz) utilizadas na transmissão do sinal. Todas essas conguraçõesestão de acordo com as demonstradas nos cálculos em 3.1.2.

Figura 28 – Congurações do Transceiver de DownLink no STK.


A Figura 29 mostra as congurações do receptor do DownLink, com os seguintes parâmetros: frequênciade operação (434.5 MHz), o ganho do LNA (20 dB) e a margem de funcionamento do Link de comunicação (Eb/N0

de 14 dB), as especicações da antena, uma antena dipolo projetada para operar na faixa de frequência de 434.5


MHz e a polarização linear, a temperatura de ruído do sistema (439 K, calculado anteriormente) e a demodulação(FSK) utilizadas na recepção do sinal. Todas essas congurações também estão de acordo com as demonstradasnos cálculos em 3.1.2.

Figura 29 – Congurações do Receptor do DownLink no STK.


67

4 RESULTADOS E ANÁLISE

Neste capítulo, será apresentado resultados dos testes realizados neste trabalho e a análise dos mesmos.

A partir do software de simulação foi possível explorar os momento de comunicação do satélite com aestação terrena, localizada em Florianópolis. A Figura 30 mostra um mapa 2D com as áreas de cobertura, as linhasque se cruzam são trechos orbitais onde se consegue ter a abrangência do footprint a partir do spot beam

1 do sinaldo nanossatélite, dentro deste footprint é possível estabelecer a comunicação.

Figura 30 – Cobertura do Satélite a estação terrena no STK.


A Figura 31 apresenta o relatório de cobertura do enlace de Downlink, mostrando todos os instantes deconexão mostrados na Figura 30 e também os períodos médio, máximo, mínimo e total. Com a altitude estabelecidano projeto (800 km) e os períodos orbitais é possível estabelecer comunicação com o nanossatélite na regiãode interesse em vários momentos, sendo possível garantir no intervalo de um dia em torno de 7 períodos comcobertura do satélite na região de interesse, com oportunidade de aproximadamente 10 a 15 minutos em cada umdesses períodos para estabelecer comunicação e acesso ao nanossatélite.

1 Um spot beam, é um sinal de satélite que é especialmente concentrado, de modo que cobrirá apenas uma área geográca limitada na Terra,os feixes pontuais são usados de modo que apenas estações terrestres em uma área de recepção especíca possam receber adequadamenteo sinal de satélite.

68 Capítulo 4. Resultados e Análise

Figura 31 – Relatório de Cobertura do Satélite a estação terrena no STK.


Nesse período há necessidade de uma antena direcional na estação terrestre (Ground Station) paraacompanhar os 15 minutos de visibilidade da comunicação via nanossatélite. Para tanto há necessidade de efetuaruma correção doppler na recepção. Conforme podem ser observado nas Figuras 32 e 34 na coluna Recvd. Frequency,a variação da frequência é de aproximadamente 10 kHz ao longo da passagem do nanossatélite.

No estabelecimento da comunicação, analisando o primeiro período de cobertura na Figura 32, é possívelnotar que a potência recebida variou de -166 dBW a -144 dBW no DownLink e a EIRP variando de -7 dBW a2.8 dBW, esse valor está dentro do previsto nos cálculos de pior caso de Link Budget apresentado na Tabela 5apresentada no apêndice e também na seção 3.1.2.

Figura 32 – Potência Recebida no DownLink no primeiro período de cobertura no STK.


Observando a Figura 33 é possível ver os valores da CNR, Eb/N0 e a BER no período. Com a potênciarecebida analisada acima, a relação CNR variou de 10 dB a 55 dB no DownLink, estes valores também estão deacordo com os cálculos apresentados anteriormente em 3.1.2. Com esse nível de CNR foi possível obter umaEb/N0

variando de 14 dB a 58 dB no DownLink, ressaltando que na simulação os momentos de cobertura e comunicaçãorespeitavam a margem necessária para funcionamento na Eb/N0 de 14 dB apresentado na seção 3.1.2. Os valoresde Eb/N0 também estão de acordo com os cálculos apresentados e dentro do nível estimado, com esses valores é

69

possível obter uma taxa de BER se aproximando muito de zero nos períodos de comunicação, garantindo assim oobjetivo de uma boa cobertura com um bom link de comunicação, livre de muitos erros para as larguras de bandautilizadas.

Figura 33 – CNR, Eb/N0 e BER no DownLink no primeiro período de cobertura no STK.


No estabelecimento da comunicação, analisando o primeiro período de cobertura na Figura 34, é possívelnotar que a potência recebida variou de -122 dBW a -108 dBW no UpLink e a EIRP variando de 23 dBW a 27 dBW,esse valor está dentro do previsto nos cálculos de pior caso de Link Budget apresentado na Tabela 4 no apêndice etambém na seção 3.1.1.

Figura 34 – Potência Recebida no UpLink no primeiro período de cobertura no STK.


Observando a Figura 33 é possível ver os valores da CNR, Eb/N0 e a BER no período. Com a potênciarecebida analisada acima, a relação CNR variou de 35 dB a 44 dB no UpLink, estes valores também estão de acordocom os cálculos apresentados anteriormente em 3.1.1. Com esse nível de CNR foi possível obter uma Eb/N0

variando de 45 dB a 54 dB no UpLink, ressaltando que na simulação os momentos de cobertura e comunicaçãorespeitavam a margem necessária para funcionamento na Eb/N0 de 14 dB apresentado na seção 3.1.1. Os valoresde Eb/N0 também estão de acordo com os cálculos apresentados e dentro do nível estimado, com esses valores épossível obter uma taxa de BER se aproximando muito de zero nos períodos de comunicação, garantindo assim oobjetivo de uma boa cobertura com um bom link de comunicação, livre de muitos erros para as larguras de banda

70 Capítulo 4. Resultados e Análise

utilizadas.

Figura 35 – CNR, Eb/N0 e BER no UpLink no primeiro período de cobertura no STK.


A Figura 36 mostra o gráco do Eb

N0simulado do sistema para Downlink em todos os períodos de acessos

do sistema ao longo do dia.

Anteriormente foi analisado o desempenho do sistema no primeiro período de comunicação, através deinformações como CNR, Eb/N0 e BER. A partir da Figura 36 é possível observar o desempenho do sistema, emtodos períodos de cobertura do satélite sobre a região de interesse, ao longo do dia através dos valores da Eb/N0.É notável que ele varia aproximadamente de 30 a 60 dB.

Figura 36 – Eb

N0em função do tempo do Donwlink no STK.


No entanto é possível observar analisando a Figura 36 que durante os períodos de cobertura, há algunspequenos instantes em que há uma queda abrupta no Eb/N0, com um limiar mínimo presente no gráco. Essaquada ocorre devido ao Fator de mérito da Antena diminuir muito naquele instante, devido à um aumento doruído térmico, que especulasse é proveniente do aumento da temperatura de ruído da antena, diminuindo a CNR eposteriormente a Eb/N0.

A Tabela 7 e 6, anexadas no apêndice, mostram o Link Budget do DownLink e do UpLink do sistema

71

respectivamente, em todos os períodos de comunicação do nanossatélite ao longo de um dia, de acordo com aFigura 36.

O funcionamento do subsistema de comunicação está dentro de uma margem CNR de operação, nãosendo necessário a conguração do Low noise amplier - Amplicador de Baixo Ruído (LNA) na recepção dainformação no satélite.

73

5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS

Os sistemas de comunicação através de nanossatélites em órbita LEO apoiarão a onipresença, a resiliênciae a eciência dos serviços 5G, Internet das Coisas, comunicação de voz, imagens, provimento de internet bandalarga, entre outras, oferecendo novas oportunidades de negócios em distribuição de mídia e cobertura a áreascarentes. O objetivo é garantir a integração de comunicações por satélite de forma ecaz na futura arquitetura.Este trabalho elaborou um projeto de subsistema de comunicações, para ser acoplado a bordo de um nanossatéliteem órbita LEO, através de cálculos dos parâmetros do sistema e simulação do mesmo.

Foi apresentado uma base teórica relativa aos campos que foram abordados na monograa, comofundamentos de Satélites Low Earth Orbit - Órbita Terrestre Baixa (LEO), Sistema de desempenho, Subsistema decomunicação e Antenas de satélites LEO.

O sistema projetado foi de um satélite operando em LEO com uma altitude de 800 km, que utiliza antenasdipolos tanto no satélite quanto na estação terrena, com modulação FSK, operando nas frequências 434,500 MHz(UHF) para Downlink e 145,45 MHz (VHF) para Uplink, ambas na faixa de Frequência Amadora, de acordo com aResolução 452 da Anatel.

A partir dos cálculos realizados e da simulação é possível analisar o desempenho do sistema de comuni-cação projetado. Dentre os resultados encontrados, pode-se observar a potência recebida chegando a -108 dBW noUpLink e a -144 dBW no DownLink, a EIRP a 27 dBW e 2.8 dBW no UpLink e DownLink respectivamente. Tambémfoi possível avaliar a CNR chegando a 55dB no DownLink e 44 dB no UpLink, a Eb/N0 a 58 dB no DownLink e54 dB no UpLink. O resultado nal é um sistema projetado para, no pior cenário previsto, ter um desempenhoeciente com uma boa relação CNR e Eb/N0.

Em termos de simulação, a eciência do sistema pôde ser analisada de forma mais conclusiva, comuma análise da BER do sistema. Nos períodos de comunicação a BER tende a zero, garantindo assim um link decomunicação de dados com baixa taxa de erros. No intervalo de um dia houveram em torno de 7 períodos comcobertura do satélite na região de interesse, com oportunidade de aproximadamente 10 a 15 minutos em cada umdesses períodos para estabelecer comunicação e acesso ao nanossatélite.

Considerando o que foi produzido neste trabalho, como aplicações para trabalhos futuros sugere-se:

• Medições práticas utilizando nanossatélites como Jugnu (um nanossatéliteCubeSat indiano de sensoriamentoremoto, usado para fornecer dados para agricultura e monitoramento de desastres, foi construído peloIndian Institute of Technology Kanpur (IITK) e lançado em 12 de outubro de 2011)1 como estudo de casoe comparação do seu subsistema de comunicação com o proposto neste projeto. É considerado um ótimocaso para comparação, devido ao fato de ser um nanossatélite em órbita com praticamente os mesmosparâmetros do sistema de comunicação aqui proposto;

• Realizar uma comparação mais aprofundada entre as modulações FSK, MSK, Audio Frequency Shift Keying -Chaveamento de Frequência de Áudio (AFSK),Gaussian Frequency Shift Keying - Chaveamento de FrequênciaGaussiana (GFSK) e Phase Shift Keying - Chaveamento de Fase (PSK) para implementação em comunicaçãode nanossatélites;

• Implementar um protótipo de comunicação para emular um nanossatélite utilizando o dispositivo HackRF2

1 http://www.iitk.ac.in/meold/jugnu/index.htm2 O HackRF One é um transceiver Software Dened Radio - Rádio Denido por Software (SDR) capaz de transmitir ou receber sinais de rádio

de 1 MHz a 6 GHz. Projetado para permitir o teste e desenvolvimento de tecnologias de rádio modernas e de próxima geração, o HackRF

One é uma plataforma de hardware de código aberto - https://greatscottgadgets.com/hackrf/.

74 Capítulo 5. Conclusões e Trabalhos Futuros

e o ambiente GNURadio3.

• Implementar a simulação em cenários com características diferentes, como cenários diurno e noturnos,variações climáticas entre outras características do ambiente que inuenciam no desempenho do sistema efazer a comparação entre as simulações;

3 O GNU Radio é um projeto de software livre, que fornece aos usuários ferramentas para preparar dados para transmissão sem o e parareceber dados de canais sem o, utilizando hardware SDR - https://www.gnuradio.org/.

75

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http://spacenews.com/spacexs-shotwell-on-falcon-9-inquiry-discounts-for-reused-rockets-and-silicon-valleys-test-and-fail-ethos/

Apêndices

79

APÊNDICE A – TABELA COM CÁLCULOS DO

UPLINK

80 APÊNDICE A. Tabela com cálculos do UpLinkTa

bela

4–

Cálc

ulos

UpLink

UpL

ink

Valor

Unida

deM

otiv

o/R

efer

ênci

aEl

evaç

ão35

.00Gr

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tant

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Boltz

man

’s1.3

8×10

-23

W/H

z*K

Freq

uênc

ia14

5.45

MH

zD

eni

doCo

mpr

imen

tode

Ond

a2.0

6m

Calc

ulad

oRa

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daTe

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6378

140.0

0m

http

://en

.wik

iped

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arth

Dist

ânci

aen

treo

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lite

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ção

terr

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(h)

8000

00.00

mTa

xade

dado

s71

7814

0.00

mA

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cein

clin

ado

1282

179.1

6m

Perd

ado

cam

inho

does

paço

livre

(FSP

L)13

7.85

dBA

bsor

ção

Atm

osfé

rica

1.00

dBAs

sum

ido

Perd

aTo

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oCa

min

ho(P

L)=

FSPL

+A

bsor

ção

Atm

osfé

rica

138.8

5dB

Cálc

ulo

dala

rgur

ade

band

aTa

xade

dado

s12

00.00

Hz

De

nido

Taxa

deda

dos(

dBH

z)30

.79dB

Hz

Larg

ura

deba

nda

=(T

axa

deda

dos+

2*de

svio

defre

quên

cia)

1120

0.00

Hz

Larg

ura

deba

nda

(dBH

z)40

.49dB

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Tran

smiss

orPo

tênc

iaTx

(W)P

t20

.00W

Assu

mid

oPo

tênc

iaTx

(dB)

Pt’

13.01

dBW

Ganh

oda

Ant

ena

Gt12

.00dB

Valo

rmín

imo

nala

rgur

ado

feix

eda

ante

naEI

RP=

Pt’+

Gt25

.01dB

W

Rece

ptor

Ganh

oda

Ant

ena

(GR)

-5.00

dBPi

orca

sopa

raan

tena

desa

télit

e

81

Tabe

la4co

ntinua

çãoda

página

anterior

Perd

aRe

cebi

da0.0

0dB

Figu

rade

ruíd

o(F

)=10

*log

(Sm

in/(

(S/N

)*KT

B))

0.00

dBA

parti

rde

-122

dBm

com

12,5

Khzd

eLa

rgur

ade

Band

a

Cálc

ulos

dete

mpe

ratu

rado

siste

ma

Ant

ena-

saté

lite

nal

Flux

oso

lar(

f)66

.00sf

uht

tp://

ww

w.siz

es.co

m/u

nits

/sol

ar_

ux_u

nit.h

tmGa

nho

daA

nten

a(d

B)-5

.00dB

De

nido

Ganh

o(G

)0.3

2Ca

lcul

ado

Com

prim

ento

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da(L

)2.0

6m

etro

De

nido

Tem

pera

tura

daan

tena

(T1)

((f*G

*L*L

)/3.47

)10

00.00

K

Cabo

Perd

ade

cabo

(20

cmno

máx

imo)

0.10

dBRG

316/

U

Rece

iver

Tem

pera

tura

Físic

a31

3.00

KFi

gura

deru

ído

1.20

dBTe

mpe

ratu

rado

ruíd

o(T

4)99

.61K

Tem

pera

tura

doru

ído

devi

daao

rece

ptor

(t5)=

t4*l

110

1.93

K

Tota

l=T1

+T5

1101

.93K

http

://w

ww.

setil

eagu

e.org

/arti

cles

/sun

noise

.htm

Tem

pera

tura

dosis

tem

a11

01.93

KD

afo

lha

dete

mpe

ratu

raTe

mpe

ratu

rado

siste

ma

(dB)

30.42

dKPo

tênc

iade

Ruíd

o=

10lo

g(k

*T*B

)-1

57.69

dBW

82 APÊNDICE A. Tabela com cálculos do UpLinkTa

bela

4co

ntinua

çãoda

página

anterior

G/T

-35.4

2Pe

rda

depo

lariz

ação

3.00

dBPo

tênc

iare

cebi

da=

EIRP

-PL

+GR

-rec

eben

dope

rda

-per

dado

trans

cept

or-1

21.84

dBW

CNR

disp

onív

el=

potê

ncia

rece

bida

-pot

ênci

ade

ruíd

o35

.84dB

C/N

=po

tênc

iare

cebi

da/(K

*tem

pera

tura

dosis

tem

a*la

rgur

ade

band

a)D

ispon

ível

E0/N

0=

CNR

disp

onív

el+

taxa

deda

dosd

eBa

ndW

idth

(dBH

z)45

.55dB

C/N

=(E

b/N

0)/(

taxa

debi

ts/la

rgur

ade

band

a)Pe

rda

deim

plem

enta

ção

1.00

dBFi

nalE

0/N

0=

disp

onív

elE0

/N0

-per

dade

impl

emen

taçã

o44

.55dB

Nec

essá

rioE0

/N0

14.00

dB

Mar

gem

=Fi

nalE

0/N

0-E

xigi

doE0

/N0

30.55

dB

83

APÊNDICE B – TABELA COM CÁLCULOS DO

DOWNLINK

84 APÊNDICE B. Tabela com cálculos do DownlinkTa

bela

5–

Cálc

ulos

DownLink

Dow

nLink

Valor

Unida

deM

otiv

o/R

efer

ênci

aEl

evaç

ão35

ºCo

nsta

nte

deBo

ltzm

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1.380

7×10

-23

W/H

z*K

Freq

uênc

ia43

4.5M

Hz

Assu

mid

oCo

mpr

imen

tode

Ond

a0.6

9m

Calc

ulad

oA

lcan

cein

clin

ado

1282

179.1

6m

Calc

ulad

oPe

rda

doca

min

hodo

espa

çoliv

re(F

SPL)

147.3

6dB

Abs

orçã

oA

tmos

féric

a1

dBPe

rda

Tota

ldo

Cam

inho

(PL)

=FS

PL+

Abs

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oA

tmos

féric

a14

8.36

dB

Cálc

ulo

dala

rgur

ade

band

aTa

xade

dado

s96

00.00

Hz

De

nido

Taxa

deda

dos(

dBH

z)39

.82dB

Hz

Larg

ura

deba

nda

=(T

axa

deda

dos+

2*d

esvi

ode

frequ

ênci

a)19

600.0

0H

zLa

rgur

ade

band

a(d

BHz)

42.92

dBH

z

Tran

smiss

orPo

tênc

iaTx

(W)P

t1.0

0W

Assu

mid

oPo

tênc

iaTx

(dB)

Pt’

0.00

dBW

Ganh

oda

Ant

ena

Gt-5

.00dB

No

pior

caso

oga

nho

daA

nten

aé

-2dB

EIRP

=Pt

’+Gt

-5.00

dBW

Rece

ptor

Ganh

oda

Ant

ena

(GR)

20.00

dBPe

rda

Rece

bida

0.00

dBFi

gura

deru

ído

(F)=

10*l

og(S

min

/((S

/N)*

KTB)

)6.0

0dB

Apa

rtird

e-1

15dB

mco

m20

Khzd

eLa

rgur

ade

Band

a

85

Tabe

la5co

ntinua

çãoda

página

anterior

Cálc

ulos

dete

mpe

ratu

rado

siste

ma

Ant

ena-

saté

lite

nal

Flux

oso

lar(

f)66

.00sf

uht

tp://

ww

w.siz

es.co

m/u

nits

/sol

ar_

ux_u

nit.h

tmGa

nho

daA

nten

a(d

B)20

.00dB

De

nido

Ganh

o(G

)10

0.00

Calc

ulad

oCo

mpr

imen

tode

onda

(L)

0.69

met

roD

eni

doTe

mpe

ratu

rada

ante

na(T

1)((f

*G*L

*L)/3

.47)

300.0

0K

Cabo

Tem

pera

tura

deRu

ído

doCa

bo61

.00K

Rece

iver

Ganh

odo

LNA

20.00

dBTe

mpe

ratu

rade

Ruíd

odo

LNA

70.00

KTe

mpe

ratu

raFí

sica

290.0

0K

Figu

rade

ruíd

o6.0

0dB

Tem

pera

tura

doru

ído

(T4)

864.5

1K

Tem

pera

tura

doru

ído

devi

daao

rece

ptor

(t5)=

T4/G

anho

LNA

8.65

K

Tota

l=T1

+T3+

T543

9.65

Kht

tp://

ww

w.se

tilea

gue.o

rg/a

rticl

es/s

unno

ise.h

tm

Tem

pera

tura

dosis

tem

a(d

B)26

.43dK

Potê

ncia

deRu

ído

=10

log

(k*T

*B)

-159

.25dB

W

86 APÊNDICE B. Tabela com cálculos do DownlinkTa

bela

5co

ntinua

çãoda

página

anterior

G/T

-6.43

Perd

ade

pola

rizaç

ão3.0

0dB

Potê

ncia

rece

bida

=EI

RP-P

L+

GR-r

eceb

endo

perd

a-p

erda

dotra

nsce

ptor

-136

.36dB

WCN

Rdi

spon

ível

=po

tênc

iare

cebi

da-p

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cia

deru

ído

22.89

dBC/

N=

potê

ncia

rece

bida

/(K*T

empe

ratu

raSi

stem

a*la

rgur

ade

band

a)D

ispon

ível

E0/N

0=

CNR

disp

onív

el+

taxa

deda

dosd

eBa

ndW

idth

(dBH

z)25

.99dB

C/N

=(E

b/N

0)/(t

axa

debi

ts/la

rgur

ade

band

a)Pe

rda

deim

plem

enta

ção

1.00

dBFi

nalE

0/N

0=

disp

onív

elE0

/N0

-per

dade

impl

emen

taçã

o24

.99dB

Nec

essá

rioE0

/N0

14.00

dB

Mar

gem

=Fi

nalE

0/N

0-E

xigi

doE0

/N0

10.99

dB

87

APÊNDICE C – TABELA COM LINKBUDGET DE

UPLINK

88 APÊNDICE C. Tabela com LinkBudget de UpLinkTa

bela

6–LinkBudgetUpLink

Time

(UTC

G)

EIRP

(dBW

)Rec.F

req.

(GHz)

Rec.Iso.P

ower

(dBW

)Flux

Den

sity

(dBW

/m2)

g/T

(dB/K)

C/N

o(dB*

Hz)

Band

width

(kHz)

C/N

(dB)

Eb/N

o(dB)

BER

2-N

ov-2

018

25.53

90.1

4545

3-1

22.07

-117

.36-2

9.73

76.80

11.2

36.31

46.01

1E-3

02-

Nov

-201

825

.319

0.145

453

-121

.13-1

16.42

-29.7

577

.7211

.237

.2346

.931E

-30

2-N

ov-2

018

25.06

90.1

4545

3-1

20.14

-115

.43-2

9.84

78.62

11.2

38.13

47.83

1E-3

02-

Nov

-201

824

.781

0.145

453

-119

.01-1

14.30

-30.0

379

.5611

.239

.0748

.771E

-30

2-N

ov-2

018

24.45

70.1

4545

3-1

17.70

-112

.99-3

0.40

80.51

11.2

40.01

49.71

1E-3

02-

Nov

-201

824

.129

0.145

453

-116

.09-1

11.38

-31.1

481

.3711

.240

.8850

.581E

-30

2-N

ov-2

018

23.96

50.1

4545

2-1

14.00

-109

.29-3

2.73

81.86

11.2

41.37

51.07

1E-3

02-

Nov

-201

824

.471

0.145

451

-111

.13-1

06.42

-36.5

880

.8911

.240

.4050

.101E

-30

2-N

ov-2

018

25.93

40.1

4545

0-1

08.11

-103

.40-4

4.01

76.48

11.2

35.98

45.68

1E-3

02-

Nov

-201

827

.003

0.145

449

-108

.46-1

03.75

-36.9

783

.1711

.242

.6852

.381E

-30

2-N

ov-2

018

27.07

30.1

4544

8-1

10.74

-106

.03-3

2.89

84.97

11.2

44.48

54.18

1E-3

02-

Nov

-201

826

.755

0.145

447

-113

.33-1

08.62

-31.2

184

.0611

.243

.5753

.271E

-30

2-N

ov-2

018

26.38

50.1

4544

7-1

15.65

-110

.94-3

0.43

82.52

11.2

42.03

51.73

1E-3

02-

Nov

-201

826

.045

0.145

447

-117

.65-1

12.94

-30.0

480

.9111

.240

.4250

.121E

-30

2-N

ov-2

018

25.74

40.1

4544

7-1

19.37

-114

.66-2

9.85

79.38

11.2

38.89

48.59

1E-3

02-

Nov

-201

825

.477

0.145

447

-120

.89-1

16.18

-29.7

677

.9611

.237

.4647

.171E

-30

2-N

ov-2

018

25.23

60.1

4544

7-1

22.29

-117

.58-2

9.73

76.58

11.2

36.09

45.79

1E-3

02-

Nov

-201

825

.207

0.145

447

-122

.46-1

17.75

-29.7

376

.4111

.235

.9245

.621E

-30

2-N

ov-2

018

27.11

20.1

4545

3-1

20.32

-115

.61-2

9.73

78.55

11.2

38.06

47.76

1E-3

02-

Nov

-201

827

.091

0.145

453

-119

.32-1

14.61

-29.7

479

.5411

.239

.0448

.741E

-30

2-N

ov-2

018

27.04

70.1

4545

2-1

18.31

-113

.61-2

9.80

80.49

11.2

39.99

49.69

1E-3

02-

Nov

-201

826

.961

0.145

452

-117

.31-1

12.60

-29.9

081

.3911

.240

.9050

.601E

-30

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Projeto de um subsistema de telecomunicações para ... · Federal de Educação, Ciência e...

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