ground segment ground station architecture
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Taller de Diseño de Picosatélites(CubeSats) y Estaciones de Tierra.INTRODUCCIÓN
Universidad Politécnica de Madrid
Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
Taller de DiseTaller de Diseñño de o de PicosatPicosatééliteslites(CUBESATS) y Estaciones de Tierra(CUBESATS) y Estaciones de Tierra
1Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Matínez
Ground segment Ground segment Ground station architectureGround station architecture
RamRamóón n MartMartííneznezETSI de ETSI de TelecomunicaciTelecomunicacióónn. UPM. UPM
[email protected]@gr.ssr.upm.es
2Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
ContentsContents
• Introduction• Link budget• Pointing angles• Ground station architecture and components• References
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3Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
ContentsContents
• Introduction– System architecture– Ground station mission– Ground station requirements– Telecommand example– Functional diagram
• Link budget• Pointing angles• Ground station architecture and components• References
4Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
FunctionalFunctional diagramdiagram
SourceSource: Cal : Cal PolyPoly EarthEarth StationStation
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CommunicationsCommunications architecturearchitecture
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GroundGround stationstation missionmission
• The ground station is an earth‐based point of communicationwith the space segment
• Source of interaction with the satellite• It is very important to have a good communication link
between ground station and satellite segment• The ground station is part of the TT&C segment
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• Send and Receive data and voice communications with CUBESAT [and other CUBESAT satellites] using the following frequency modes:– Mode J:
• Uplink: 144.000‐146.000 MHz, (2m band), and/or• Downlink: 435.000‐438.000 MHz (70 cm band), and /or• Other frequency bands (1200 MHz, 2.4 GHz)
• Receive and process telemetry from the CUBESAT subsystems (thermal, power, ADAC sensors, etc.)
• Receive and process all experimental payload data, e.g.:– Camera ‐ color digital images (jpeg format)– Radiation Sensor ‐ particle collection data– MMD ‐ particle impact data
• Send commands to CUBESAT.• Determine, maintain, and utilize Keplerian elements for
CUBESAT tracking.
GroundGround stationstation requirementsrequirements
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TelecommandsTelecommands
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11Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
ContentsContents
• Introduction
• Link budget– Introduction– Basic equations– Link margin– Useful graphs– Examples
• Pointing angles• Ground station architecture and components• References
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Link Link budgetbudget
• A link budget is the accounting of all of the gains and lossesfrom the transmitter to the receiver in a satellitecommunication system
• Preliminary and detailed link budget calculations are necessary• The link budget informs about the signal quality, which is
acceptable if:
• Link margin: difference between achieved and required C/Ns:
• Link quality criteria: BER (digital), SNR (analog)• Excel sheet or book
requiredachieved NC
NC
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛>⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎩⎨⎧
→⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
(detailed) dB 10ry)(prelimina dB 3
[dB]margin Link requiredachieved N
CNC
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13Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
ApR
R LLGPIREP
⋅⋅
=
IFkTBN =
Received power:
Noise power in receiver:
C/N iscalculated as: IFAp
R
IFAp
RBkLLT
GPIREkTBLLGPIRE
NC 1111)()(
)(⋅⋅⋅⋅⋅=
⋅⋅⋅
=
Basic Basic calculationscalculations. C/N ratio. C/N ratio
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]L L L L L L LA FTX FRX POL POINT AG RAIN= + + + + +
LA (additional losses) are calculated as:
LP (space free losses) are calculated as: ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡=
λπ
λπ RRLp
4log20410
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UsefulUseful graphsgraphs
ClearClear skysky radio radio signalsignal attenuationattenuation duedue toto oxygenoxygen andand waterwater vapourvapour in in thetheatmosphereatmosphere
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UsefulUseful graphsgraphs
GalacticGalactic andand troposherictroposheric noisenoise temperaturestemperatures atat variousvarious groundground antennaantenna elevationselevations
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UsefulUseful graphsgraphs
GroundGround stationstation receiverreceiver noisenoise
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UsefulUseful graphsgraphs
AttenuationAttenuation LLRAINRAIN andand noisenoise temperaturetemperature TTRAINRAIN duedue toto rainfallrainfall atat 30 30 degdeg elevationelevation
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Link Link budgetbudget. . DownlinkDownlink
Transmitter Side : Receiver Side :What Dimension Symbol Unit What Dimension Symbol Unit
Receiver Antenna Flux Density 4,50E-09 Fm W/m^2Frequency 435,00 f MHz Receiver Antenna Flux Density in dB -83,5 dBW/m^2Wavelength 0,689 λ m Antenna Gain (4 x 16 dBi yagi) 22,0 Gm dBiTransmitter Power 0,3 Ps W Polarization loss 3 Lp dB Transmitter Power in dBW -5,23 Ps dBW Cable Loss Before LNA (incl. combiner) 0,3 Lk1 dBTransmitter Antenna Gain 2,10 Gs dBi Cable Noise Temprature 19 Tk1 KTransmitter cable loss 0,20 Lks dB Sky Temperature 180 Tsky KTransmitting Antenna Efficiency 1,00 Received Power @ LNA input -109,0 Pm dBmEqvivalent Isotropic Radiated Power -3,33 EIRP dBW LNA Noise Figure (Mirage KP-2-440-M ) 0,6 NF dBBit rate 9600 Rb b/s LNA Noise Temperature 43 T_lna KMod. Type 2 M LNA Gain 25 G_lna dBSymbol rate 9600 Rs b/s Cable Loss (30 m RG-214) 4,1 Lc dBSpectral factor 1,25 Sf TS-2000 sensitivity (12kHz BW,12dB SINAD) 0,18 uVEffective Bandwith 12000 Bw Hz TS-2000 Receiver Noise Temperature 247 T_rx KDistance Transmitter/Reciever 2800 Rm km System Noise Temperature 45 Tsys KFree Space Loss 154,2 Ls dB Effective Noise Temperature 244 Teff KAtmospheric Loss 0,2 La dB Spectral Noise Density -174,7 No dBm/HzTotal path Loss 154,4 Ltot dB Receiver Noise in matched filter BW -133,9 N_m dBm
G/T, Receiving System -1,9 G_Teff dB/KConstants: C/N 24,96 CN dBSpeed of Light 3,00E+08 cv m/s "Fading margin" 10 Lf dBBoltzmanns constant 1,38E-23 k J/K Eb/No after "Fading margin" 15,93 Es_No dBπ 3,1415927 pi Energy per symbol 1,32E-19 E_s J/symbol
Required Eb/No, AFSK (BER > 1E-6) 10 BER_min dBLink margin : 5,93 Link_m dB
Adapted for the nCube - Cubesat
Linkbudget nCube - Downlink
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Link Link budgetbudget. . UplinkUplink
Transmitter Side : Receiver Side :What Dimension Symbol Unit What Dimension Symbol Unit
Receiver Antenna Flux Density 4,73E-12 Fm W/m^2Frequency 145,00 f MHz Receiver Antenna Flux Density in dB -113,3 dBW/m^2Wavelength 2,068 λ m Antenna Gain 2m "Stanley" 2,3 Gm dBiTransmitter Power 25 Ps W Polarization loss 3 Lp dB Transmitter Power in dBW 13,98 Ps dBW Cable Loss Before LNA (incl. combiner) 0,3 Lk1 dBTransmitter Antenna Gain 13,10 Gs dBi Cable Noise Temprature 19 Tk1 KTransmitter cable loss 0,20 Lks dB Sky Temperature 180 Tsky KTransmitting Antenna Efficiency 1,00 Received Power @ LNA input -88,9 Pm dBmEqvivalent Isotropic Radiated Power 26,88 EIRP dBW LNA Noise Factor 1 NF dBBit rate 9600 Rb b/s LNA Noise Temperature 75 T_lna KMod. Type 2 M LNA Gain 15 G_lna dBSymbol rate 9600 Rs b/s Cable and Splitter loss 3,5 Lc dBSpectral factor 1,25 Sf Receiver Noise Temperature 247 T_rx KEffective Bandwith 12000 Bw Hz System Noise Temperature 93 Tsys KDistance Transmitter/Reciever 2800 Rm km Effective Noise Temperature 292 Teff KFree Space Loss 144,6 Ls dB Spectral Noise Density -173,9 No dBm/HzAtmospheric Loss 0,2 La dB Receiver Noise in matched filter BW -133,2 N_m dBm Total path Loss 144,8 Ltot dB G/T, Receiving System -22,4 G_Teff dB/K
C/N 44,22 CN dBConstants: "Fading margin" 10 Lf dBSpeed of Light 3,00E+08 cv m/s Eb/No after "Fading margin" 35,18 Es_No dBBoltzmanns constant 1,38E-23 k J/K Energy per symbol 1,33E-17 E_s J/symbolπ 3,1415927 pi Required Eb/No, AFSK (BER > 1E-6) 10 BER_min dB
Link margin : 25,18 Link_m dB
Adapted for the nCube - Cubesat
Linkbudget nCube - Uplink
20Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
ContentsContents
• Introduction• Link budget
• Pointing angles– Elevation and azimuth– Effect of blockage– Link dynamics
• Ground station architecture and components• References
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21Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
Elevation: from local horizontal plane tothe direction of the satellite (0-90º)
Azimuth: measured from North to Eastuntil the ground track position (0-360º)
Local vertical
North
East
El
Az
PointingPointing anglesangles
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PointingPointing anglesangles
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plane a form , dyrr esrrr
Lae → North Latitude of Ground StationLoe → West Longitude of Ground StationLas → North Latitude of Subsatellite pointLos → West Longitude of Subsatellite Point
cos( ) cos cos cos( )sin sin
γ = − +L L L LL L
ae as oe os
ae as
γ
γ
γ
cos21
sincos
cos21
2
2
s
e
s
e
s
e
s
es
rr
rr
El
rr
rrrd
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
=
−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
ElevationElevation calculationcalculation
d
Earth center
Localhorizontal
Subsatellite pointEl
re
rs
γ
β
GroundStation
β: nadir angleγ: central angled: slant range
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BlockageBlockage
• Time of visibility from a ground station can be reduceddue to obstacles in the surroundings of the groundstation antenna
• Trees, buildings, etc.• Cone of visibility
SatelliteSatellite orbitorbit
ObstacleObstacleGroundGround stationstation
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Link Link dynamicsdynamics
• Link budget (achieved C/N) is not constant during thesatellite pass
• Causes:– Range vs Elevation– Antenna pointing loss– Noise temperature– Attitude anomalies– Atmospheric impairments– Elevation conditions
• Link budget is designed for a reference ground station(e.g. worst case)
26Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
ElevationElevation andand rangerange
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27Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
DopplerDoppler deviationdeviation (LEO, 137 (LEO, 137 MHzMHz))
t (t (minmin))
28Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
Free Free spacespace lossloss (LEO, 137 (LEO, 137 MHzMHz))
t (t (minmin))
dBdB
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29Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
SNR SNR variationvariation withwith elevationelevation
Ele
vatio
nE
leva
tion
degr
ees
degr
ees ))
RX
SN
R (
RX
SN
R ( d
BdB))
30Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
ContentsContents
• Introduction• Link budget• Pointing angles
• Ground station architecture and components– Elements: antennas, radios, etc.– Examples– Software– Cost breakdown– GENSO “standard” earth station components– Software‐radio based ground station
• References
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General General blockblock diagramdiagram
SourceSource: COSGC: COSGC
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AntennasAntennas
• Design is determined by– Frequency (imposed by international regulations)– Polarization (imposed by propagation impairments)– Gain (imposed by link budget)– Need of rotators (imposed by complexity, cost)
• Omnidirectional vs Directional– Omnidirectional makes the ground station less complex, but
directivity (gain) is low– In contrast, directional antenna improves link conditions, but a
tracking mechanism is required (e.g. antennas rotators)
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AntennaAntenna patternpattern
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AntennasAntennas. . OmnidirectionalOmnidirectional
• Quadrifilar Helix– Two loops with currents shifted 90º in phase for
circular polarization– Adaptation for feed (transformer, chockes, balunes)
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AntennasAntennas. . OmnidirectionalOmnidirectional
• Turnstile antenna– Two crossed λ/2 horizontal dipoles (with a reflector under)
driven 90º out of phase– Adaptation for feed (transformer, chokes, baluns)
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AntennasAntennas. . OmnidirectionalOmnidirectional
• Double Turnstile antenna– Quasi‐omnidirectional
pattern
S.G.MS.G.M. . DarwishDarwish, , K.F.AK.F.A. . HusseinHussein, , H.AH.A. . MansourMansour, , ““CircularlyCircularly polarizedpolarized crossedcrossed--dipoledipole turnstileturnstile antennaantennaforfor satellitessatellites,,”” ProcProc. . ofof thethe TwentyTwenty--FirstFirst NationalNational Radio Radio ScienceScience ConferenceConference, 2004, NRSC 2004, 16, 2004, NRSC 2004, 16--18 18 MarchMarch2004, pp. B172004, pp. B17-- 11--15.15.
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AntennasAntennas. . OmnidirectionalOmnidirectional
• Discone antenna– Wideband– Model DS‐15 (COMET Antenna)
38Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
AntennasAntennas. . DirectionalDirectional
• Yagi– Number of elements and array length proportional to the gain
of the antenna– More elements mean more gain but smaller beamwidth– Maximum inter element spacing of 0.4λ– Simple generation of circularly polarized waves using crossed
dipole elements
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AntennasAntennas. . DirectionalDirectional
• Crossed dipoles• MX‐137 (active VHF antenna)
– Maximum size between the ends of the elements: 48 cm– Size antenna‐box: 13,5cm x 7,5cm x 10,5cm – Weight with mastmount: 0,6kg – Internal LN preamp: 17 dB gain– Internal Hi‐Q‐Filter, suppresses
unwanted strong signals fromthe neighborhood
SourceSource: WRAASE: WRAASE
40Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
AntennasAntennas. . DirectionalDirectional
COSGC Ground Station nCube and HinCube ground station
70 70 cmcm antennaantenna: 19 : 19 dBidBi (21(21ºº))2 m 2 m antennaantenna: 14.45 : 14.45 dBidBi (38(38ºº))
70 70 cmcm antennaantenna: 22 : 22 dBidBi2 m 2 m antennaantenna: 13 : 13 dBidBi
• Yagi antennas
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AntennasAntennas. . DirectionalDirectional forfor SS--bandband
Vienna University Ground Station
3 m 3 m parabolicparabolic reflector (2.2 reflector (2.2 GHzGHz))
• Reflector antennas
VHF VHF yagiyagi antennaantenna -- 12dBic (RHCP 12dBic (RHCP –– LHCP)LHCP)UHF UHF yagiyagi antennaantenna -- 16dBic (RHCP 16dBic (RHCP –– LHCP)LHCP)21dBic S21dBic S--bandband parabolicparabolic reflector w/ reflector w/ patchpatch feedfeed
ISIS VHF/UHF/S band Ground Station
42Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
AntennasAntennas. . DirectionalDirectional
SUPPORT: H‐boom structure• Lightweight aluminium• 2 antennas for 2 m band (uplink)
separated 1.33λ (2.77 m)• 4 antennas for 70 cm band
(downlink) separated 1.8λ (1.25 m)• Complete rig: 3.77 m W, 3.57 m L,
and at least 4 m HCABLES• H1000 type cable for long span
interconnection, with an attenuation of 4.8 dB/100m@144 MHz,and 8.5 dB/100m@432 MHz
• Internally in the rig, RG213 type cable (N‐type connectors)
SourceSource: : nCubenCube
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Radio Radio transceiverstransceivers
• Core element of the ground station• Tasks:
– Tune the frequency to modulate (uplink) and demodulate(downlink) signals
– Amplify transmit and received signals
• Connected between TNC (modem) and antennas• LNA and/or power amplifier may be required• Commercial brands:
– ICOM (910H)– Yaesu (FT‐847)– Kenwood (TS‐2000)
44Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
Radio Radio transceiverstransceivers. ICOM. ICOM--910H910H
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45Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
Radio Radio transceiverstransceivers. ICOM. ICOM--910H910H
46Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
Radio Radio transceiverstransceivers. ICOM. ICOM--910H910H
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47Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
Terminal Terminal NodeNode ControllerController (TNC)(TNC)
• Interface between the computer terminal and transceiver
• Amateur radio equivalent of a modem• Numerous user‐selectable ROM modems within it
ranging in data rates from 300 to 9600 baud, with multiple modulation techniques including
• Frequency Shift Keying (FSK), Audio FSK (AFSK), Binary Phase Shift Keying (BPSK), Gaussian FSK (GFSK)
• Baud rates: 1200 bauds, 9600 bauds• Examples:
– Advanced Electronic Applications (AEA): DSP‐2232 TNC– Kantronics: KPC‐3+
48Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
TNC. TNC. KantronicsKantronics KPCKPC--3+3+httphttp://://www.kantronics.comwww.kantronics.com//documentsdocuments//kpc_specsheet.pdfkpc_specsheet.pdf
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AntennaAntenna rotatorrotator. . YaesuYaesu GG--55005500
Complete Complete AzAz--El El RotationRotation SystemSystem
• Mechanical tracking of the antenna• Control in azimuth and elevation
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AntennaAntenna rotatorrotator. . YaesuYaesu GG--55005500
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51Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
AntennaAntenna rotatorrotator computercomputer interfaceinterfaceYaesuYaesu GSGS--232232
Remote Remote operationoperation ofof thethe antennaantenna rotatorrotator ((elevationelevation andand azimuthazimuth))
52Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
AntennaAntenna rotatorrotator computercomputer interfaceinterfaceYaesuYaesu GSGS--232232
OperationOperation withwith GG--5500 5500 antennaantenna rotatorrotator
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53Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
AntennaAntenna rotatorrotator. . SpecificationsSpecifications andand PricePrice
httphttp://://www.hamradio.comwww.hamradio.com//webweb//newcatnewcat/hrocat6./hrocat6.pdfpdf
54Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
CablesCables
• Specifications:– Application (RF, control, communications)– Specific attenuation vs frequency– Flexibility and weight– Robustness (shielding, protection, temperature)– Cost, availability, delivery time
Model 140 MHz 440 MHz PriceLMC 400 1,5 dB/feet 2,7 dB/100 feet 0,85$/1ftLMC 400 Ultraflex 1,8 dB/100 feet 3,3 dB/100 feet 1,27$/1ftAircom Plus (coax) 0,05 dB/m 0,08 dB/m 3,2€/mRG58U 0,2 dB/m 0,4 dB/mRG213 0,08 dB/m 0,15 dB/mBelden 9913 (RG8) 1,5 dB/100 feet 2,7 dB/100 feet 0,95$/1ft
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Taller de Diseño de Picosatélites (CUBESATS) y Estaciones de Tierra. ©Ramón Martínez
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NoiseNoise contributioncontribution duedue toto cablingcabling
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 0,1 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
L (dB)
Teq
(K)
-275-265-255-245-235-225-215-205-195-185-175
0 0,1 0,5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
L (dB)
Noi
se (d
BW/H
z)
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NoiseNoise contributioncontribution duedue toto cablingcabling
0
1000
2000
3000
4000
5000
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,2 0,3 0,4
L (dB/m)
Teq
(K)
10 m 20 m 30 m
050
100150200250300350
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1
L (dB/m)
Teq
(K)
10 m 20 m 30 m
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CablingCabling in in antennaantenna towertower
SourceSource: COSGC: COSGC
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CablingCabling in in antennaantenna towertower
SourceSource: : nCubenCube
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LNA (LNA (PreamplifierPreamplifier))
• Compensate attenuation and noise figure due to cables losses from the antenna to the transceiver
• Connected between antenna and transceiver (rx port)• High gain and low noise figure• Mast mounted amplifiers
SourceSource: : www.comdac.comwww.comdac.com
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PowerPower amplifieramplifier
• Used to increase the transmit power (normally 2‐m band)• Connected between antenna and transceiver (trx port)• Interest in large output power and linearity
Linear power amplifierType:
GaAsFET preamp 14 dB2003 price in US: $329.00Other:
FM/SSB/CWModes:2.5 lbsWeight:12x3x6 inchesDimensions (W*H*D):160 WMaximum output power:0.5-50 WDrive power:Max 30 ACurrent drain:12-15 VDCVoltage:144-148 MHzFrequency range:
Mirage B-5018-GModel:
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DuplexerDuplexer ((ModeMode J J filterfilter))
• Suppression of harmonics produced by transmission in 2‐m band that may affect 70‐cm receiver
• Model CF‐416A Duplexer for transmitting and receiving the144 and 433Mhz at the same time
• In the case of using the CF‐416 for one frequency, the otherend can remain open (use of a dummy load preferred)
• BandPass Frequency & Input Loss : – 1.3 ‐ 170Mhz: <0.15dB – 350 ‐ 540Mhz: <0.25dB
• Impedance: 50 Ohms• VSWR : <1:1.2• Maximum Input Power:
• 1.3 ‐ 60Mhz / 1000Watts (PEP) • 100 ‐ 170Mhz / 800Watts (PEP)• 350 ‐ 540Mhz / 500Watts (PEP) Comet CF‐416
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PowerPower SplittersSplitters
• Combine/Split signals from/to several antennas• Reciprocal use as power divider or combiner• Low insertion loss• Usually, 2 and 4‐way
• 1/4 Lambda design• Max input RF-power 1200W• 2xN-Conn. (F) + 1xN-Conn. (M)• 5xN-Conn. (F) • Gold-plated contact pins - 50 ohm• PTFE insulation within the connectors• Brass outher square tube.• Polished brass inner tube• Water proof !
2 Way Splitter 2x N (F) / 1 x N (M) 4 Way Splitter 5xN-Conn (F)
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OtherOther componentscomponents
• Power supply• Polarity switch• SWR and power meter• Audio noise reduction filter• Lightning arrestors• Structure to support the antenna• De‐icing mechanism• Power controller switch• PCs:
– Rotor control and radio tuning– Data decoding (TNC) and satellite commanding– Back‐up
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nCubenCube GroundGround stationstation. . BlockBlock diagramdiagram
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Control Control roomroom
4 computers to operate Ground Station. Transmitter and satellite tracker are settled in rack at right side
httphttp://://cubesat.aero.cst.nihoncubesat.aero.cst.nihon--u.ac.jpu.ac.jp//englishenglish//gs_detail_e.htmlgs_detail_e.html
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Cal Cal PolyPoly GroundGround stationstation
““HertzHertz”” ““MarconiMarconi””
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AX.25 AX.25 ProtocolProtocol
• Derived from X.25• Used in amateur packet radio (point to point)• CRC‐l6 error check of each data packet• Frame check sequences to guard against receiving data frames out
of order when multiple packets received• Exchange of essentially error‐free computer data between two
modems via a RF link• Robust• Implemented in the TNC firmware• Tuneling of AX.25 packet over IP using AXIP and AXUDP for
encapsulation• Limitations: large overhead, no FEC (solved in FX.25), no
automatic data compression, delay
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GroundGround stationstation. Software . Software architecturearchitecture
Andreas Lenz, Survey of the Mercury Ground Station Network, UnivAndreas Lenz, Survey of the Mercury Ground Station Network, University of ersity of WWüürzburgrzburg, 2003., 2003.
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SoftwareSoftware
• Pre‐pass software: required in advance of the pass ofthe spacecraft to– Determine and predict the orbit– Schedule and plan future observations– Command list generation and simulation
• Real‐time software: required when the satellite isvisible from the ground station– Antenna tracking software– Computer control software– Command and Data Handling software
• Post‐pass software: needed for housekeeping, qualitycontrol and health assessment, data processing, orbitdetermination and data analysis
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SoftwareSoftware
• PRE‐PASS SOFTWARE– Nova for Windows, WinOrbit and Virtual Ground Station (Tokyo
University) to determine AOS, LOS, azimuth and elevation• REAL‐TIME SOFTWARE
– Nova for Windows, WinOrbit and Virtual Ground Station (TokyoUniversity) to also determine satellite crossing times
– GMS (Ground Station Mng System) (Tokyo University) for radio and antennas control
– Packet Engine Pro (software based TNC)– AWGTERMINAL (decode AX.25 packets)– Hamscope and CWget (decode CW beacons in real‐time)
• POST‐PASS SOFTWARE– Packet Engine Pro (software based TNC)– AWGTERMINAL– Hamscope and CWget (decode recorded CW beacons)
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SoftwareSoftware
• Many universities develop their own software to be used with their missions
• Predict (open source)• http://www.n2yo.com (satellite tracking)• STA, STK: orbit analysis and determination• MixW2 (TNC software)• MacDoppler Pro and NOVA Tune (tune frequency)• Other:
– Orbitron, Instantrack, Kansas City Tracker, WiSP– Matlab: link‐level simulations (receiver design, BER
calculation, see waveforms, etc.)– Excel: link budgets
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NOVA NOVA forfor Windows. Windows. ScreenshotScreenshot
SourceSource: : httphttp://://www.nlsa.comwww.nlsa.com//
Satellite Tracking Software Real Time TrackingSatellite Tracking Software Real Time Tracking
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GENSO GENSO referencereference stationstation
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GroundGround stationstation. . CostCost breakdownbreakdown
Make & model Type Quantity Unit cost (NOK) Total cost (NOK) Dealer Statusincl mva
Kenwood TS-2000 Transceiver 1 kr 23 000,00 kr 23 000,00 Permo.no ReceivedAstron RM-35M Power supply 0 kr 1 800,00 kr 0,00 Received ARS
IBM A31p Laptop computer 1 kr 29 709,00 kr 29 709,00 ibmshop.no ReceivedMisc. PC accessories kr 2 000,00 Received
Mirage KP-2-440M Preamp. 435MHz 1 kr 1 400,00 kr 1 400,00 (est.) Permo.no? To be ordered
M2 MT-3000 Elevation rotor 0 kr 9 800,00 kr 0,00 Under restorationM2 OR2800PDC Azimuth rotor 1 kr 11 600,00 kr 11 600,00 To be orderedM2 RC2800-PRK Rotator controller 0 kr 3 000,00 kr 0,00 Received ARS
Nova for Windows Tracking software 1 kr 510,00 kr 510,00 nlsa.com On orderNova Tune Radio Tuner 1 kr 1 100,00 kr 1 100,00 nlsa.com On order
Tonna 2x9 element 144 MHz antenna 2 kr 380,00 kr 760,00 (est.) On orderTonna 2x19 element 435 MHz antenna 8 kr 265,00 kr 2 120,00 (est.) On orderCushcraft LAC-4H Lightning arrestor 2 kr 500,00 kr 1 000,00 Permo.no ReceivedTonna 30202 4-way splitter (144MHz) 1 kr 340,00 kr 340,00 (est.) On orderTonna 30270 2-way splitter (435MHz) 1 kr 300,00 kr 300,00 (est.) On orderTonna 30470 4-way splitter (435MHz) 2 kr 320,00 kr 640,00 On orderMisc. Connectors kr 3 306,20 To be orderedAntenna tower HiN kr 0,00 Construction pendingH1000 coax Cables 100 kr 26,10 kr 2 610,00 elfa.se Received
Sum kr 80 395,20kr 64 834,84 ex mva
SourceSource: : nCubenCube (2003)(2003)~~9000 9000 €€ (2002)(2002)
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GroundGround stationstation. . CostCost breakdownbreakdown
SourceSource: San : San JoseJose StateState UniversityUniversity GroundGround StationStation (2002)(2002)
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SoftwareSoftware--DefinedDefined RadioRadio
2 ADCs105 Msps
USBUSB
Virtex-4Virtex-4
PCIPCI
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ContentsContents
• Introduction• Link budget• Pointing angles• Ground station architecture and components
• References
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ReferencesReferences andand BibliographyBibliography
• Amateur Satellite Handbook, AMSAT.• www.yaesu.com• www.icomamerica.com• Logan Finch, COSGC Ground Station Boulder Ground UHF/VHF
System Overview, CGS‐SYS‐101.1, 7/22/09. http://dande.colorado.edu/for_operators/CGS‐SYS‐101.2BoulderGroundStation.pdf
• AX.25 Amateur Packet‐Radio Link‐Layer Protocol Version 2.2, 1998. http://www.tapr.org/pdf/AX25.2.2.pdf
• San Jose University Ground Station• CalPoly Ground Station:
http://polysat.calpoly.edu/earthstation/documents/index.php• nCube Ground Station• www.genso.org• C.A. Balanis, Antenna Theory and Design, 2nd Ed, John Wiley, 1997.• NOVA. http://www.nlsa.com