Systemy satelitarne

1. Systemy satelitarne

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 (1.1.1) oraz stacją w kampusie Kąkolewo (1.1.2), która rozpoczęła funkcjonowanie w 2024r. 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 2025 (1.2.2) oraz 2026 (1.2.1) roku.

ealizowane 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.

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.

1.1. Stacje naziemne

1.1.1. 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 skonstruowanym w Instytucie Radiokomunikacji (1.3). 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 obecnie. Stacja naziemna nadzorowana jest całkowicie zdalnie, z Centrum Zarządzania zlokalizowanego w Instytucie Radiokomunikacji (1.1.3).

1.1.2. Stacja naziemna – kampus Kąkolewo

Realizacja projektu 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 zostały tam dwie wieże o konstrukcji kratownicowej i wysokości 11m. Na jednej z nich zainstalowano profesjonalną antena paraboliczna o średnicy 4,5m, umieszczoną pod kopuła, zapewniającą ochronę przed wpływem warunków atmosferycznych. Jej dostawcą była 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 znajduje 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, dzięki czemu mogą śledzić satelity umieszczone na niskich orbitach okołoziemskich (LEO).

W pobliżu instalacji antenowych zlokalizowane jest zaplecze techniczne, w którym znajdują się urządzenia nadawczo-odbiorcze, m.in. modemy satelitarne firmy WORK Microwave GmbH obsługujące standardy CCSDS oraz DVB-S2/DVB-S2x i współpracujące z anteną na pasma S/X oraz modemy SDR, współpracujące z antenami na pasma VHF/UHV/C. Zapewnia to znaczną elastyczność i możliwość komunikacji z satelitami wykorzystującymi różnorodne metody transmisji tylko przez zmianę oprogramowania przetwarzającego nadawane i odbierane sygnały. Oprócz tego zaplecze mieści centrum przetwarzania i przechowywania danych obrazowania satelitarnego, wyposażone w serwery z akceleratorami graficznymi (80000 rdzeni CUDA, 2600 rdzeni Tensor, 256GB RAM) oraz macierze dyskowe o łącznej pojemności 50TB. Całość nadzorowana jest 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.

1.1.3. Centrum zarządzania – Wydział Informatyki i Telekomunikacji

Zarządzanie pracą stacji naziemnych a także nadzorowane przyszłych misji odbywa się w Centrum zarządzania zlokalizowanym w budynku WIiT przy ul. Polanka w Poznaniu. Terminale operatorskie umożliwiają dostęp do wszystkich zasobów stacji naziemnych w kampusach Kąkolewo oraz Piotrowo, w tym również wizualny podgląd instalacji antenowych czy też śledzenie warunków atmosferycznych w tych lokalizacji. Centrum umożliwia 24-godzinny nadzór na dwóch stanowiskach operatorskich, niezbędny w przypadku realizowania w przyszłości misji kosmicznych. Dodatkowe stanowisko operatorskie zlokalizowane jest również w zapleczu technicznym na terenie kampusu Kąkolewo.

Do zarządzania pracą obydwóch stacji naziemnych oraz centrum przetwarzania i przechowywania danych służy oprogramowanie Andromeda, przygotowane specjalnie na potrzeby Politechniki Poznańskiej. Jest to zintegrowana platforma umożliwiająca m.in. realizowania sesji łączności z satelitami, zarządzanie obliczeniami w centrum przetwarzania danych, obsługę kont użytkowników oraz administrację wszystkimi systemami (m.in. klimatyzacją, kamerami, stacjami pogodowymi, zasilaczem awaryjnym) stacji naziemnych.

1.2. Nanosatelity Cubesat

1.2.1. 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 przekazała 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.

1.1.1. PW6U

Zaprojektowanie oraz implementacja systemu łączności (poza konstrukcją modułu nadajnika – patrz wyżej) finansowane były 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.). Zaprojektowany w Instytucie Radiokomunikacji Politechniki Poznańskiej system łączności został bowiem wykorzystany również w kolejnej misji zaplanowanej przez SatRev S.A., która jest wiodącym w kraju dostawcą i operatorem systemów nanosatelitarnych klasy Cubesat. Satelita SOWA-1 oczekuje obecnie na wyniesienie na orbitę okołoziemską, co ma nastąpić w 2025 roku.

Celem projektu było opracowanie, zbudowanie oraz przetestowanie na orbicie innowacyjnej platformy nanosatelitarnej, umożliwiającej przeprowadzanie eksperymentów, badań oraz testów komercyjnych i naukowych podczas jednej misji satelitarnej. Umożliwia 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 było dostosowanie platformy do skomplikowanych wymagań stawianych przez zróżnicowane instrumenty satelitarne (ładunki użyteczne).

Platforma będzie docelowo 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 jest obniżenie kosztów wyprodukowania oraz wyniesienia satelity. Platforma została wyposażona w odpowiednio zaprojektowane moduły o parametrach technicznych i architekturze zapewniającej kompatybilność z szeroką gamą instrumentów badawczych, eksperymentalnych oraz komercyjnych.

1.2. 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 pozwoleń radiowych. 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 kilku Mbit/s.

Zespół z Instytutu Radiokomunikacji opracował oraz zbudował nowatorski system transmisji danych, pracujący 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 zbudowanego systemu przedstawiają się następująco:

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

Szczegółowy opis systemu można znaleźć np. w artykule pt. A Low-Cost High-Throughput C-Band Communication System for CubeSats, opublikowanym w czasopismie Electronics - 2023, vol. 12, iss. 20, s. 4374-1-4374-18.

arówno 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.

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 – patrz poniżej), 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.

1.3. 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 naziemnych
• inż. Nikoloz Glonti

Opracował: Rafał Krenz
Aktualizacja: styczeń 2025