Systemy satelitarne

1. Stacja naziemna – kampus Piotrowo
2. Stacja naziemna – kampus Kąkolewo
3. Centrum zarządzania – Wydział Informatyki i Telekomunikacji
4. Nanosatelity Cubesat
5. PolyITAN-3-PUT
6. PW6U
7. System transmisji danych satelitarnych dla pasma C
8. Zespół

Badania związane z systemami satelitarnymi prowadzone są w Instytucie Radiokomunikacji Politechniki Poznańskiej od 2019 roku. Zapoczątkowane zostały dzięki nawiązaniu współpracy z Politechniką Kijowską im. Igora Sikorskiego, która z racji uczestnictwa w licznych programach kosmicznych od lat 70-tych XX wieku, może się pochwalić znaczącym dorobkiem w tej dziedzinie.

Z racji doświadczenia zespołu Instytutu Radiokomunikacji, prowadzone prace badawczo-rozwojowe dotyczą przede wszystkim systemów łączności radiowej, umożliwiających komunikację z satelitami. Wymaga to wykorzystania odpowiedniej infrastruktury naziemnej oraz segmentu satelitarnego. Politechnika Poznańska dysponuje obecnie uruchomioną pod koniec 2022 roku stacją naziemną w kampusie Piotrowo oraz będącą w fazie realizacji stacją w kampusie Kąkolewo . Są one zarządzane z centrum zlokalizowanego w budynku WIiT przy ul. Polanka. Segment satelitarny stanowić będą nanosatelity Cubesat, których umieszczenie na orbicie okołoziemskiej planowane jest w 2023 oraz 2024 roku.

Realizowane projekty otwierają przed Politechniką Poznańską zupełnie nowe możliwości w zakresie eksploracji kosmosu, co jest szczególnie istotne wobec uruchomienia na naszej Uczelni nowego kierunku studiów pn. Lotnictwo i Kosmonautyka.

Stacja naziemna – kampus Piotrowo

Stacja naziemna została zlokalizowana w kampusie Piotrowo, na dachu budynku A3 (8 piętro). Dzięki takiej lokalizacji anteny mogą bez przeszkód śledzić satelity na niskich orbitach (LEO) na całym nieboskłonie. W jej skład wchodzą dwa maszty antenowe, na których zainstalowano obrotnice z antenami. Na pierwszym z nich znajdują się wieloelementowe anteny Yagi-Uda na pasmo 144MHz o zysku 14,5dB oraz na pasmo 435MHz o zysku 17dB o polaryzacji kołowej, wraz z przedwzmacniaczami niskoszumnymi. Na drugim zamontowano antenę paraboliczną o średnicy 3m i zysku 43dB, wyposażoną w promiennik typu septum feed na pasmo 5,8GHz oraz wzmacniacz niskoszumny. Pasma VHF oraz UHF są powszechnie wykorzystywane do łączności z satelitami Cubesat do przesyłania sygnałów telemetryczno-sterujących (TT&C). Pasmo C będzie z kolei wykorzystywane w systemie szybkiej transmisji danych konstruowanym aktualnie w Instytucie Radiokomunikacji. W pobliżu masztów zainstalowano również kamerę, umożliwiającą obserwację systemów antenowych, oraz stację pogodową, gromadzącą dane dotyczące aktualnych warunków atmosferycznych.

Bezpośrednio poniżej masztów, na poddaszu budynku, zlokalizowana została szafa „rack”, w której zainstalowano sterowniki obrotnic z zasilaczami oraz urządzenia nadawczo-odbiorcze wraz z niezbędnym sprzętem komputerowym. Do nadawania sygnałów w pasmach VHF oraz UHF wykorzystywana jest radiostacja ICOM IC-9700, współpracująca z komputerem PC, natomiast odbiór zapewniają odbiorniki SDR FunCube Dongle oraz USRP B210, również współpracująca z komputerem PC. W niedalekiej przyszłości planowane jest zastąpienie radiostacji ICOM nadajnikiem wykorzystującym moduł SDR USRP B210 oraz wysokiej klasy wzmacniacz o mocy 50W, co umożliwi transmisję z szybkością powyżej 4800 bit/s, która dostępna jest w aktualnie istniejącym rozwiązaniu. Stacja naziemna nadzorowana jest całkowicie zdalnie, z Centrum Zarządzania zlokalizowanego w Instytucie Radiokomunikacji.

Stacja naziemna – kampus Kąkolewo

Realizacja projektu PolyITAN-3-PUT skłoniła zespół z Instytutu Radiokomunikacji do wystąpienia o dodatkowe środki pochodzące z Wielkopolskiego Regionalnego Programu Operacyjnego na lata 2014–2020, przyznawane przez Marszałka Województwa Wielkopolskiego. Przyznane fundusze (projekt pn. AEROSFERA 2.0. Aerokosmiczna Transmisja Danych) pozwoliły na budowę profesjonalnej naziemnej stacji łączności satelitarnej, zlokalizowanej na terenie lotniska w Kąkolewie k. Grodziska Wlkp., którego Politechnika Poznańska jest współwłaścicielem. Zlokalizowane tam zostaną dwie wieże o konstrukcji kratownicowej i wysokości 11m. Na jednej z nich zainstalowana będzie profesjonalna antena paraboliczna o średnicy 4,5m, umieszczona pod kopuła, zapewniającą ochronę przed wpływem warunków atmosferycznych. Jej dostawcą jest firma Orbit Communication Systems Ltd. z Izraela. Antena przystosowana jest do nadawania i odbiory sygnałów w pasmie S (TX 2025-2120 MHz, RX 2200-2300 MHz) oraz odbioru w pasmie X (RX 8000-8500MHz), z polaryzacją prawo- i lewo-skrętną. Na drugiej wieży znajdzie się antena paraboliczna o średnicy 4,5m, przeznaczona do odbioru sygnałów w pasmie C (RX 5830-5850MHz) z polaryzacją kołową, wraz z 4 antenami Yagi-Uda, obsługującymi pasma VHF (144MHz) oraz UHF (435MHz) i przystosowanymi do pracy z polaryzacją pionową, poziomą oraz kołową (przełączane zdalnie). Wszystkie anteny mają możliwość śledzenia obiektów poruszających się po całym nieboskłonie.

I etap budowy - fundamenty gotowe - 15.04.2023
Zdjęcia lotnicze dzięki uprzejmości mgr inż. Pawła Mejzy

04.07.2023 - Wieże już stoją, czekamy na montaż systemów antenowych.

22.11.2023 - Montaż anteny 4,5m na pasma S/X

22.11.2023 - Montaż kopuły ochronnej

Krótki klip z montażu anten.

W pobliżu instalacji antenowych zlokalizowane będzie zaplecze techniczne, w którym znajdą się urządzenia nadawczo-odbiorcze, m.in. modemy satelitarne firmy WORK Microwave GmbH obsługujące standardy CCSDS oraz DVB-S2/DVB-S2x. Oprócz tego zaplecze mieścić będzie centrum przetwarzania i przechowywania danych obrazowania satelitarnego, wyposażone w serwery z akceleratorami graficznymi (GPU) oraz macierze dyskowe o łącznej pojemności 50TB. Całość nadzorowana będzie zdalnie ze wspomnianego już wcześniej Centrum Zarządzania, mieszczącego się w Instytucie Radiokomunikacji. Rozważana jest również możliwość włączenia stacji do jednej z ogólnoświatowych sieci stacji naziemnych, oferujących usługi typu Ground-Station-as-a-Service, np. Atlas Ground Network, RBC Signals lub AWS Ground Station.

Centrum zarządzania – Wydział Informatyki i Telekomunikacji

Zarządzanie pracą stacji naziemnych a także nadzorowane przyszłych misji odbywa się w Centrum zarządzania zlokalizowanym jednym z laboratoriów mieszczących się w budynku WIiT przy ul. Polanka w Poznaniu. Terminale operatorskie umożliwiają aktualnie dostęp do wszystkich zasobów stacji naziemnej w kampusie Piotrowo, w tym również wizualny podgląd instalacji antenowych czy też śledzenie warunków atmosferycznych w ich lokalizacji.

Po uruchomieniu stacji naziemnej w kampusie Kąkolewo centrum zarządzania zmieni swoja lokalizację (nadal w budynku WIiT) i zostanie rozbudowane, aby umożliwić 24-godzinny nadzór, niezbędny w przypadku realizowania w przyszłości misji kosmicznych.

Nanosatelity Cubesat

PolyITAN-3-PUT

Na podstawie Listu Intencyjnego, podpisanego w 2018 roku, Porozumienia z 2019 roku oraz Umowy o współpracy zawartej w 2020 pomiędzy Politechniką Poznańską i Politechniką Kijowską im. Igora Sikorskiego rozpoczęto w grudniu 2019 roku realizację wspólnego przedsięwzięcia naukowo-badawczego pod nazwą PolyITAN-3-PUT. Jego celem jest budowa oraz umieszczenie na orbicie okołoziemskiej na wysokości ok. 600km eksperymentalnego nano-satelity zrealizowanego w standardzie Cubesat. Satelita będzie umożliwiał obserwację powierzchni Ziemi w zakresie światła widzialnego z rozdzielczością rzędu 20m/piksel. Początkowo planowano, iż jego rozmiar będzie wynosił 3U, najprawdopodobniej jednak zostanie on powiększony do rozmiaru 12U w celu umieszczenia dodatkowego payloadu.

Budowa satelity PolyITAN-3-PUT jest realizowana równolegle w obu ośrodkach. Zespół z Politechniki Kijowskiej jest odpowiedzialny za konstrukcję mechaniczną satelity oraz większość jego systemów pokładowych. Głównym zadaniem zespołu z Politechniki Poznańskiej jest zaprojektowanie i budowa systemu łączności zapewniającego szybką transmisję danych, umożliwiającego przesyłanie obrazów w czasie bardzo krótkich sesji łączności, trwających w przypadku satelitów krążących na niskich orbitach zaledwie kilka minut. Politechnika Poznańska przekaże również stronie ukraińskiej szereg komponentów niezbędnych do budowy stacji naziemnej współpracującej z projektowanym systemem łączności oraz ogniwa słoneczne służące do zasilania satelity na orbicie. Będzie także współfinansować wyniesienie satelity na orbitę okołoziemską.

W pierwszej fazie projekt finansowany był w ramach grantu interdyscyplinarnego, przyznanego w 2019 roku przez JM Rektora Politechniki Poznańskiej. Środki te przeznaczone zostały na zakup komponentów oraz budowę naziemnej stacji łączności w Politechnice Poznańskiej jak i w Politechnice Kijowskiej a także zakup ogniw słonecznych i skonstruowanie modułu nadajnika umieszczonego na satelicie.

PW6U

Zaprojektowanie oraz implementacja systemu łączności (poza konstrukcją modułu nadajnika – patrz wyżej) finansowane są przede wszystkim z funduszy przyznanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju na realizację projektu pn. Uniwersalna platforma nanosatelitarna dla współdzielonych misji badawczych, eksperymentalnych i komercyjnych (nabór 6/1.1.1/2019) w konsorcjum z firmą SatRev S.A. (lider projektu, wcześniej SatRevolution S.A.). Projektowany w Instytucie Radiokomunikacji Politechniki Poznańskiej system łączności zostanie bowiem wykorzystany również w kolejnej misji zaplanowanej przez SatRev S.A., która jest wiodącym w kraju dostawcą i operatorem systemów nanosatelitarnych klasy Cubesat.

Celem projektu jest opracowanie, zbudowanie oraz przetestowanie na orbicie innowacyjnej platformy nanosatelitarnej, umożliwiającej przeprowadzanie eksperymentów, badań oraz testów komercyjnych i naukowych podczas jednej misji satelitarnej. Umożliwi to obniżenie kosztów przeprowadzenia tego typu misji poprzez rozłożenie kosztów stałych, tj. platformy, wylotu, pozwoleń itp. na wszystkie instytucje biorące udział w danej misji. Głównym wyzwaniem projektu jest dostosowanie platformy do skomplikowanych wymagań stawianych przez zróżnicowane instrumenty satelitarne (ładunki użyteczne).

Platforma docelowo będzie produktem komercyjnym a zarazem usługą, w ramach której zainteresowane instytucje tj. uczelnie, instytuty naukowo badawcze oraz firmy komercyjne będą mogły minimalnym kosztem oraz zaangażowaniem przeprowadzić swoją misję. Dzięki zastosowaniu standardu CubeSat możliwe będzie maksymalne zmniejszenie kosztów wyprodukowania oraz wyniesienia satelity. Platforma zostanie wyposażona w odpowiednio zaprojektowane moduły o parametrach technicznych i architekturze zapewniającej kompatybilność z szeroką gamą instrumentów badawczych, eksperymentalnych oraz komercyjnych.

System transmisji danych satelitarnych dla pasma C

Najczęściej stosowanym sposobem komunikacji z satelitami standardu Cubesat jest wykorzystanie pasm VHF/UHF (2m/70cm), wymagających użycia stosunkowo prostych urządzeń nadawczo-odbiorczych oraz systemów antenowych. Największym ograniczeniem takiego rozwiązania jest niewielka szybkość transmisji, nie przekraczająca 19,6kbit/s w najbardziej zaawansowanych systemach. Są to szybkości wystarczające do przesyłania podstawowych danych telemetryczno-sterujących, jednak satelity Cubesat w ostatnich latach mają na swoim pokładzie coraz bardziej skomplikowaną aparaturę badawczą (np. kamery o wysokiej rozdzielczości do obrazowania powierzchni Ziemi w różnych zakresach długości fal), co wymaga przesyłania znacznych ilości danych. Wykorzystywane jest w tym celu pasmo S, wymagające uzyskania niezbędnych licencji. Systemy łączności satelitarnej dla pasma S są stosunkowo łatwo dostępne, jednak ich koszt jest już zdecydowanie wyższy. Zaletą tego rozwiązania jest na pewno możliwość korzystania z sieci stacji naziemnych oferujących usługi ground-station-as-a-service, co zapewnia znaczną liczbę sesji komunikacyjnych oraz wyższe szybkości transmisji, sięgające kilkunastu Mbit/s.

Zespół z Instytutu Radiokomunikacji podjął się opracowania oraz zbudowania nowatorskiego systemu transmisji danych, pracującego w pasmie C, w zakresie przyznanym dla radioamatorskiej łączności kosmicznej. Zakres ten jest wykorzystywany obecnie przez nieliczne satelity a systemy w nim pracujące nie są dostępne komercyjnie. Najważniejsze parametry budowanego systemu przedstawiają się następująco:

1. częstotliwość nośna – 5830 - 5850 MHz
2. szerokość pasma kanału radiowego – 1 MHz, 1,25 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz
3. moc sygnału transmitowanego – 2W (+33dBm)
4. modulacja – OQPSK z kształtowaniem widma filtrem RRC, α = 0,35
5. kodowanie kanałowe – turbokod o sprawności kodowania z przedziału 0.19 - 0.91
6. przepływność – 200 kbit/s - 13,5 Mbit/s

Szczegółowy opis rozwiązań zastosowanych w warstwie fizycznej systemu można znaleźć np. w artykule pt. WYKORZYSTANIE PASMA C DO ŁĄCZNOŚCI Z NANO-SATELITAMI CUBESAT , zaprezentowanym podczas konferencji KKRRiT 2022. Zarówno moduł nadawczy umieszczony na satelicie, jak i odbiornik w stacji naziemnej, zostały zbudowane z wykorzystaniem techniki radia programowalnego (SDR). Sercem modułu nadawczego jest scalony transceiver AD9364 produkowany przez firmę Analog Devices, który współpracuje z układem programowalnym SoC typu Zynq7030 firmy Xilinx (78,6k LUT). Ten ostatni zawiera w swojej strukturze m.in. macierz programowalną FPGA oraz dwu rdzeniowy procesor ARM Cortex A9.

Wszystkie procedury pasma podstawowego, takie jak kodowanie kanałowe, modulacja, formowanie ramki fizycznej (dołączanie preambuł i midambuł) oraz filtracja sygnału zastały zaimplementowane w macierzy FPGA. Procesor jest z kolei odpowiedzialny za realizację protokołów wyższych warstw (np. podział przesyłanych plików na fragmenty i ich numerowanie) oraz zarządzanie modułem i komunikację z komputerem pokładowym satelity.

Do implementacji systemu wykorzystano model opracowany w środowisku Matlab/Simulink. Umożliwił on symulację zaprojektowanego systemu w wersji zmiennoprzecinkowej, dobór reprezentacji liczb dla wersji stałoprzecinkowej oraz generowanie kodu VHDL dla własnych modułów IP-core. Ostatecznej integracji systemu dokonano w środowisku Xilinx Vivado Design Suite.

Moduł nadawczy został zbudowany zgodnie z wymaganiami standardu Cubesat i bazuje na standardzie PC/104. Główną część modułu stanowi 8-warstwowa płyta PCB, przykryta radiatorem, w którym umieszczona wzmacniacz nadawczy (na zdjęciach zaprezentowano moduł bez radiatora).

Odbiór sygnałów realizowany jest przez opisane wcześniej stacje naziemne. Jak już wspomniano, odbiornik został zbudowany również z wykorzystaniem techniki radia programowalnego, jednak ze względu na znacznie większą złożoność algorytmów po stronie odbiorczej wykorzystano moduł SDR wyposażony w układ Zynq7100 (Type-I), dysponujący kilkukrotnie większymi zasobami w macierzy FPGA (277,4k LUT). Przesyła on zdekodowane pakiety danych do komputera PC, odpowiedzialnego za realizację wyższych warstw protokołu komunikacyjnego. Opracowano również uproszczoną wersję odbiornika, bazującą na module SDR typu USRP B210, współpracującą z odbiornikiem zrealizowanym programowo na platformie GnuRadio i przetwarzającym odbierane sygnały w trybie „off-line” (Type II).

Opisane rozwiązanie zapewnia znaczną elastyczność systemu, istotną szczególnie ze względu na ograniczoną liczbę stacji naziemnych pracujących w wymaganym zakresie częstotliwości. Przy rosnącej popularności uniwersalnych modułów SDR, możliwe jest bowiem szybkie uruchomienie nowej stacji np. przez radioamatora dysponującego odpowiednią anteną paraboliczną, co wymaga jedynie pobrania programowej wersji odbiornika, zarejestrowania go w naszej bazie danych i podłączenie komputera z zainstalowanym oprogramowaniem do internetu.

Istotną cechą zaprojektowanego systemu transmisji danych jest możliwość adaptacji parametrów transmisji, takich jak szerokość pasma sygnału, sprawność kodu kanałowego czy też struktura ramki fizycznej w zależności od warunków propagacyjnych. W odróżnieniu jednak od typowych mechanizmów adaptacji łącza, stosowanych przykładowo w systemach komórkowych (tzw. adaptacyjna modulacja i kodowanie), w systemie tym zakłada się możliwość występowania znacznych opóźnień w kanale zwrotnym (godziny/doby), co jest efektem m.in. rozdzielenie (przestrzennego) funkcjonalności sterującej systemu oraz stacji naziemnej oferującej kanał zwrotny. Dlatego opracowano mechanizm, polegający na przesyłaniu do modułu satelitarnego tzw. planów sesji, określających momenty, w których ma nastąpić zmiana parametrów transmisji. Plany sesji są przygotowywane ze znacznym (kilkugodzinnym/kilkudniowym) wyprzedzeniem z użyciem mechanizmów uczenia maszynowego na podstawie znajomości trajektorii satelity, lokalizacji stacji naziemnych a także gromadzonej historii chwilowej przepustowości, poprawności odbieranych pakietów danych oraz innych, np. prognozy pogody w lokalizacji stacji naziemnej. Algorytmy te są nadal przedmiotem badań, prowadzonych przez jednego z naszych doktorantów.

Zespół

Realizacja tak ambitnego przedsięwzięcia nie byłaby możliwa bez zaangażowania grupy osób, które niejednokrotnie poświęcają swój wolny czas aby realizacja projektu przebiegała sprawnie i zakończyła się sukcesem.

Trzon zespołu stanowią:

• dr hab. inż. Rafał Krenz – projektant systemowy, leader zespołu
• prof. dr hab. inż. Krzysztof Wesołowski – projektant DSP (modulacja/demodulacja), konsultant
• dr hab. inż. Maciej Krasicki – projektant FPGA (implementacja systemu)
• dr inż. Paweł Sroka – projektant DSP (synchronizacja)
• dr inż. Michał Sybis – projektant DSP (kodowanie kanałowe)
• dr inż. Marcin Rodziewicz – projektant DSP (implementacja systemu)
• dr inż. Tomasz Markiewicz – projektant oprogramowania (systemowe i aplikacyjne)
• dr inż. Marek Michalski – projektant protokołów komunikacyjnych

Przy uruchamianiu i testowaniu wspomagają nas również:

• dr inż. Jarosław Szóstka – konsultant ds. systemów radiowych
• inż. Jerzy Gumny – opiekun studenckiego koła radioamatorskiego (SP3PET)
• dr inż. Łukasz Matuszewski
• dr inż. Sławomir Michalak

Nieoceniony wkład mają także doktoranci oraz studenci:

• mgr inż. Ilia Zainutdinov – projektant modułu uczenia maszynowego
• mgr inż. Wojciech Flakowski – operator stacji naziemnej Piotrowo
• inż. Nikoloz Glonti

Opracował: Rafał Krenz

2023-03-27