Mikrohullámú Híradástechnika Tanszék
Műholdas kommunikáció (MK)
Mérési útmutató
Összeállította: dr. Gschwindt András Horváth Péter Tran Minh Son
2000
I. Bevezetés A ‘60-as évektől napjainkig egyre fontosabb szerep jut a távközlésben a műholdakon keresztül folytatott kommunikációnak. A hagyományos hírközléssel szemben itt olyan problémák merülnek fel, mint a műhold mozgása a földi megfigyelőhöz képest, a nagy távolság a műhold és a földi állomás között stb. Ez a mérés a műholdas hírközlés alapjait mutatja be egy műholdas földi állomás rendszerein keresztül.
A műholdpályák A földfelszíntől kb. 36000 km-re, az Egyenlítő síkjában keringenek a geostacionárius (GEO) műholdak, amelyek a földi megfigyelő számára állni látszanak. A nagy távolság miatt a jelek jelentős késleltetést (0,24 s) és csillapítást szenvednek a GEO műholdak használata során. A 10000…20000 km-es közepes magasságú pályákat Medium Earth Orbit (MEO) pályának nevezzük, míg a Föld felszínéhez közeli, kb. 800…1600 km-es alacsony pályákat Low Earth Orbit (LEO) névvel szokás illetni. LEO pálya esetén jellegzetesen 1-2 óránként tesz meg a műhold 1 fordulatot, és egy földi állomásról néhány perc és néhányszor tíz perc közötti időtartamig látható. A magas elliptikus pályák (High Elliptical Orbit, HEO) kiküszöbölik a LEO pályák azon hátrányát, hogy a műhold legfeljebb néhányszor tíz percen keresztül látható egy átvonulás (pass) során. Földtávolban (akár 40000 km-re a Föld felszíntől) lassan mozogva hosszú ideig biztosítanak nagy területen lefedést, a Föld túloldalán azonban gyorsan áthaladnak, mert a pályamagasság kb. néhány ezer km-re csökken. Ezen kívül képesek ellátni a sarkkörök közelében fekvő területeket is, ha a pálya hajlásszögét (ld. később) megfelelően állítják be. Speciális esete ennek a pályának az ún. Molnyija-pálya, amelynél 3 műhold 8 órás keringési idővel, megfelelően beállított pályán felváltva látja el a sarki területeket. HEO pályára látható példa az 1. ábrán.
1. ábra. HEO pálya
A műholdpályák előrejelzése Bizonyos esetekben, pl. ha irányított antennát használunk LEO vagy MEO műholdakkal való kommunikációhoz, szükség lehet a műhold pontos pillanatnyi pozíciójának az ismeretére, ill. a műhold láthatóságára vonatkozó előrejelzés készítésére. Erre a célra programok állnak a rendelkezésünkre, amelyek a műholdpálya adatainak ismeretében kiszámítják a műhold helyzetét, és a Föld adott pontján a műhold irányának azimut- és az elevációs szögét. Az ehhez szükséges pályaadatokat összefoglalóan Kepler-elemeknek nevezik, és a műhold pozíciójának (rádiós ill. lézeres) méréséből számítják ki, és bocsátják rendszeresen aktualizálva a felhasználók rendelkezésére. A következőkben röviden leírjuk a 8 Kepler-elemet. Kepler három törvénye műholdakra alkalmazva: 1. A műhold ellipszis alakú pályán kering, amelynek egyik gyújtópontjában a Föld áll. 2. A vezérsugár (a műholdat a Földdel összekötő egyenes) egyenlő időközök alatt egyenlő területeket súrol. 3. A műholdak keringési ideinek négyzetei úgy aránylanak egymáshoz, mint a pályáik nagytengelyeinek köbei. A 8 Kepler-elem kijelöli a műholdpálya ellipszisét (annak méretét, alakját, helyzetét), és megadja, hogy egy adott időpontban hol van a műhold ezen az ellipszisen, vagyis egy „pillanatfelvételt” készít a műholdról. 1. Az időpont (Epoch Time, T0) a „pillanatfelvétel” időpontját határozza meg. 2. Inklináció (Inclination): a műhold pályasíkjának az Egyenlítő síkjával bezárt szöge. A 0 fok körüli inklinációjú pályát ekvatoriális (egyenlítői), a 90 fok körülit poláris (sarki) pályának is nevezik. 3. A felszálló csomó rektaszcenciója (Right Ascension of Ascending Node). Felszálló csomónak nevezik azt a pontot, ahol a műhold alulról felfelé „böki át” az Egyenlítő síkját. Ennek a pontnak a csillagászok által használt vonatkoztatási pontnak, az ún. tavaszpontnak az irányával bezárt szöge ez az adat. Ez és a következő elem tájolja be a pályaellipszist az állócsillagokhoz képest. 4. A perigeum szöge (Argument of Perigee): a pályának a Földhöz legközelebbi pontja a perigeumpont; ennek a pontnak a felszálló csomótól mért szögét adja meg ez az adat. 5. Excentricitás (Eccentricity): a pálya lapultságának a mértéke, körpályánál 0. 6. Közepes mozgás (Mean Motion). Ismernünk kell a pályaellipszis méretét is. Az ellipszis nagytengelyének a megadása helyett Kepler III. törvényét felhasználva a keringési idő is ezzel egyenértékű információ; a keringési idő helyett annak reciprokát használják, fordulat/nap egységben kifejezve. Ez a közepes mozgás. 7. Közepes anomália (Mean Anomaly). Ezzel a szögértékkel fejezzük ki, hogy a T0 időpontban a pálya melyik pontjában tartózkodik a műhold. Perigeumban 0 fok, és folyamatosan nő 360 fokig a pálya mentén. A gyakorlatban nem mindig a középponti szöggel adják meg, hanem gyakran 256 részre osztják 360 fok helyett az egy körülfordulás idejét, és ebben a rendszerben jár a műholdfedélzeti óra, ebben adják meg a különböző tevékenységek időpontját. 8. Súrlódás (Drag). Opcionális adat. A légkör fékező hatásának a figyelembe vételére használják, ami a legtöbb esetben elhanyagolható. A közepes mozgás deriváltjának a fele.
Az antennákról A műholdon lineárisan polarizált (pl. dipólus-, monopólus) vagy cirkulárisan polarizált (pl. helix, paraboloid) antennát alkalmaznak. Az űreszköz elkerülhetetlen forgása és az ionoszféra által okozott polarizációváltozás (az ún. Faraday-féle rotáció) hatásának kiküszöbölése céljából a földi állomáson legtöbbször cirkulárisan polarizált antennát alkalmaznak. Cirkuláris polarizációt létrehozhatunk két, egymásra merőleges, 90°-os fáziskülönbséggel táplált lineáris antenna (pl. félhullámú dipól, Yagi-antenna) segítségével is. Mikrohullámú frekvenciákon mind a műholdon, mind a földi állomáson használatos a forgásparaboloid-antenna. A forgásparaboloid-antenna 3 dB-es irányélességi szöge: Q = 58,5° l/D, ahol l a hullámhossz, D pedig az antenna átmérője. A forgásparaboloid-antenna geometriai paramétere és nyeresége (arányban) közötti összefüggést az alábbi formula fejezi ki: G=(pD/l)2.
II. Példák LEO műholdakról történő adatátvitelre LEO meteorológiai műholdak A ma már klasszikusnak tekinthető LEO-pályás meteorológiai műholdak a műhold-Föld irányú adatátvitelben a képjelek továbbítására analóg és digitális jelkezelést alkalmaznak. A legrégebbi megoldás az egyszerű vételt/feldolgozást/rögzítést tűzte ki célul, ezért a 137 MHzes sávban működő rendszer a lassan változó képjeleket (a videojel sávszélessége kb. 1 kHz) a régi képtávíró sebességének megfelelő ütemben (4 sor/másodperc) továbbítja. A moduláció az alapsávban amplitúdómoduláció, egy 2,4 kHz-es segédvivőt modulálnak a 0…1 kHz közötti frekvenciatartományban elhelyezkedő videojellel, majd a kb. 3,4 kHz maximális frekvenciájú jellel FM-ben modulálják a 137 kHz-es vivőt. A csúcslöket 15 kHz.
A Pacsat műholdak és a Pacsat protokoll-gyűjtemény A mérés során alacsonypályás műholdakkal való kommunikációra alkalmas földi állomáson fogunk dolgozni. A műholdak, amelyekkel az állomás kommunikálni képes, ún. store-and-forward (tároló és továbbító) műholdak, ami azt jelenti, hogy a műhold a fedélzetén elhelyezett félvezetős háttértárolón (RAM-diszken) tárloja a földi állomások által feltöltött állományokat, és a földi állomások kérésére képes azokat lesugározni. Ilyen elven működik pl. az Inmarsat rendszer néhány szolgáltatása is. A protokollt az alábbi szempontok figyelembe vételével dolgozták ki:
· · ·
A holdakat a felhasználók periodikusan és rövid ideig vehetik igénybe a LEO pályán levő műholdak mozgási sajátosságának a hatására. A hozzáférés teljes duplex (egyszerre két irányban folyhat a kommunikáció), a megvalósítás jellege frekvenciaosztásos duplex, az adás és a vétel különböző frekvenciasávokban történik. Az adatátviteli sebesség alacsony (9,6 kbps ill. 38,4 kbps), vagyis a „sávszélesség” fontos korlátozó tényező.
Ilyen körülmények között kell a lehető legtöbb felhasználót kiszolgálni. Ezt a követelményt két szolgáltatás bevezetésével oldották meg a Pacsat protokoll alkotói: az adatszórás és az állományszerver funkciókkal.
Adatszórás A lejövő ág (downlink) jó kihasználását adatszórásos (broadcasting) üzemben lehet elérni, mert ebben az esetben a lesugárzott adatokat nem csak a címzett, hanem a műhold ellátottsági területén tartózkodó összes állomás venni és az adatok nagy részét hasznosítani is tudja (pl. a fedélzeti BBS tartalomjegyzékét, gyakran kért fájlokat nem kell minden állomásnak teljes egészében lesugározni. A földi állomás szoftvere a vett fájltöredékeket összerakja, és nyilvántartja a hiányzó részeket. Később ezen keretek újraadását kéri a műholdtól.) Nyugtázás tehát a downlinken nincs. Az adatszórás az AX.25-protokoll felett valósul meg, ami az X.25 kiterjesztése. Egyik újítása a sorszámozatlan információs (UI) keret, ilyen keretekbe csomagolva történik az adatszórás.
Állományszerver Mivel a műhold egyszerre több földi állomást lát, a Föld-műhold (uplink) irányban kapcsolatorientált működésre van szükség. A földi állomások versengenek a hozzáférés lehetőségéért. A műhold az általa hallott állomásokat egy várakozási sorba teszi, és egyesével épít fel velük kapcsolatot. A földi állomás a feltölteni kívánt fájlt ellátja a szabványos Pacsat-fejléccel, ami a feladóra, a címzettre és a fájl adataira vonatkozó információkat tartalmaz, feltölti a műholdra, ahol az egy egyedi 32 bites azonosítót kap, és bekerül a BBS tartalomjegyzékébe. Ide kerülnek a műhold által létrehozott adatfájlok (pl. telemetria, logfájlok, a fedélzeti műszerek által gyűjtött adatok, stb.)
A földi állomás felépítése A földi állomás felépítése a 2. ábrán látható.
azimut
eleváció
M
M
150 W 145 MHz adóág
435 MHz veőág
Forgatóvezérlő 435 MHz 28 MHz
RS-232
28 MHz
SatTrack műholdkövető prg.
136 MHz
PC Linux FT-225RD adó
R137 telemetriavevő
Modem + HDLCkártya
XPG/XPB földiállomás-prg.
A rendszer két fő részre különíthető el. Az egyik az antennák mozgatását végző rendszer, a másik pedig a tulajdonképpeni kommunikációt megvalósító rendszer. A műhold pillanatnyi pozícióját a SatTrack nevű program számítja ki, és az aktuális azimut- és elevációadatokat (a műhold irányának a vízszintes és a függőleges szögét) soros portn továbbítja a távolabb elhelyezett forgatóvezérlő-egységnek. A kommunikációs alrendszer felépítése: a műhold viszonylag kis teljesítményű (3…5 W) adójának a jelét a vételi oldalon egy 12 elemes, kb. 13 dBd nyereségű keresztyagival vesszük, a tetőn elhelyezett kiszajú előerősítőbe vezetjük, majd 28 MHz-re keverjük. A 28 MHz-es jelet vezetjük le kábelen a tetőről, majd a beltérben felkeverjük 136 MHz-re, és ezt a jelet egy speciális telemetriavevővel vesszük és demoduláljuk. A műholdak FSK modulációt használnak. A műhold mozgásából származó Doppler-hatás a 435 MHz-es vételi frekvencián összemérhető a rendszer 15 kHz-es sávszélességével, ezért azt ki kell küszöbölni. Erről gondoskodik a vevőben található automatikus frekvenciakorrekció (AFC). A demodulált jelet további feldolgozás céljából a PC-ben található kártyára visszük, ami a demoduláció további lépéseit, descramblerezést és hibaellenőrzést végez, majd továbbítja a csomagot a Linuxkernelnek (rendszermagnak). A kernel feldolgozza az AX.25-csomagot, és az XPG/XPB programoknak adja át, amelyek a Pacsat protokollt megvalósító kliensprogramok. Az adóág felépítése hasonló a vevőágéhoz, de itt a jelútban egy 100 W-os teljesítményerősítő található, és egy 7 elemes, kb. 10 dBd nyereségű keresztyagi-antenna. A vett jel minőségét a jelszinttel, ill. adatátvitel esetén a bithiba-aránnyal minősítik. Gyors minősítést, szemrevételezést biztosít az ún. szemábra, amelyet oszcilloszkóppal figyelhetünk meg. A vízszintes eltérítést a vett adatjelből származó órajellel szinkronizáljuk, míg a demodulátorból származó jelet a függőleges eltérítésre kapcsoljuk. A képernyőn kb.1 bitidőnyi (hasznosságú) jelet rajzoltathatunk ki. A megjelenő ábra a nyitott ill. zárt szemhez hasonló. Minél nyitottabb, annál jobb minőségű a vétel. A zártságot nem csak a zaj, hanem a vett jel torzulása is befolyásolja.
Mérési feladatok 1. A szabadtéri csillapítás okozta gondok érzékeltetésére határozzuk meg, hogy mennyivel kisebb a vevőkészülékbe jutó jel egy 1000 km-es pályamagasságú LEO és a hazánkhoz legközelebb lévő GEO pálya esetén! Mindkét esetben a legkedvezőbb geometriai elrendezéssel számoljunk (legnagyobb vett jel). A vételi frekvencia legyen 137 MHz ill. 1,5 GHz! Hasonlítsuk össze a vett jelek szintjét dB viszonyítási alapot használva! Gondoljuk át, hogy milyen rádiós rendszerelemet használhatunk a csillapítás kompenzálására! 2. Vizsgáljuk meg a mérésvezető és az InstantTrack program segítségével a Nemzetközi Űrállomás, egy LEO és egy GEO műhold pályáját. Melyik pályának milyen előnyei és hátrányai vannak távközlési szempontból? 3. Hozzunk létre az InstantTrack programmal egy geostacionárius (a keleti 19. hosszúsági fok fölött „álló”) műholdat. Mekkora elevációs szög alatt látszik a műhold Budapestről? 4. Hozzunk létre az InstantTrack programmal egy 1000 km magasan keringő LEO műholdat. Figyeljük meg a pályát minden nézetben. Állítsuk be a jeladó frekvenciáját 435 MHz-re, és vizsgálja meg a Doppler-eltolódást. Milyen eleváció közelében lesz a változás sebessége maximális? Mekkora lehet ennél a műholdnál a legnagyobb, horizonttól horizontig mérhető frekvenciaváltozás? 5. Határozzuk meg, hogy milyen sávszélességű vevőre van szükség a 137 MHz-es LEO meteorológiai műhold jeleinek a vételéhez (3,4kHz maximális frekvenciájú jellel FM-ben modulálják 15kHz csúcslökettel). Gondolja át a vevő felépítését! A vevő kimenetén a videojelet kell megkapnunk. A LEO pályán keringő műholdak jeleinek egyszerű vételéhez irányítás nélküli vevőantennára van szükség. Az optimális antenna kb. 5 fokos eleváció fölött biztosít megfelelő vételt. Milyen felépítésű antennát javasol erre a célra? Hogyan változzon az antenna nyeresége az elevációs szög függvényében ahhoz, hogy a vevőbe jutó jelszint állandó maradjon? (A műhold adóteljesítménye állandó, antennáját tekintsük izotróp sugárzónak). Hogyan változik kommunikáció sávszelessége a digitális összekötetés esetén, amelyben 9,6 kbit/s-os átviteli sebességet és FM modulációt (csúcslöket 3kHz) használják. 6. Mekkora lehet egy 1,5 GHz-en sugárzó GEO műhold antennájának a nyeresége, ha a cél a teljes, általa látható földfelszín besugárzása? A terület szélén a középhez képest 3 dB teljesítménycsökkenést engedünk meg. 7. Vegyünk fel szemábrát a bemutató állomás modemjével (ha van műholdátvonulás a mérés ideje alatt, akkor a valódi bemenő jellel, ha nincs, akkor vezesse vissza a modem kimenő jelét a bemenetére!), és értékelje ki! Elemezzük, hogy milyen tényezők okozzák a szem nyitottságának csökkenését, és melyiknek a hatása hol jelenik meg a szemábrán! 8. Elemezzük a műholdról letöltött telemetria-adatokat a telemetriadekódoló program segítségével! Milyen adatokat nyerhetünk a műhold állapotáról? Észreveszünk-e valamilyen rendellenességet az adott műholdnál?
Irodalom 1. 2. 3. 4.
Az InstantTrack program dokumentációja SH Atlasz. Csillagászat Szekeres Béla - dr. Nagy Lajos: Antennák és hullámterjedés. Előadásjegyzet H. E. Price, J. Ward, ”PACSAT Protocol Suite – An overview”
