Sistemi satellitari A.A. 2020-21 - Presentazione del sistema satellitare Italo Ghidini - Presentazione del sistema satellitare .5cm scale ...
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Sistemi satellitari
Presentazione del sistema satellitare
Italo Ghidini
A.A. 2020-21
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 1 / 80
Inizio delle comunicazioni da satellite
Le comunicazioni da satellite: l’idea
L’idea del satellite per comunicazioni è dello scrittore-astronomo Arthur C. Clarke
che nel 1945 suggerisce di utilizzare il razzo V2 e la tecnica delle microonde per
porre stazioni ripetitrici in orbita equatoriale e con un periodo di 24 ore in modo
da essere stazionarie rispetto alla superficie terrestre e poter realizzare collegamenti
radio in FM su lunga distanza.
Collegamenti radio
Orbita della Terra
Stazione 3
Stazione 1
Cono del fascio
e servizi di radiodiffusione
Stazione 2
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 2 / 80
Inizio delle comunicazioni da satellite
Il primo satellite
Il primo satellite nello spazio, Sputnik 1, viene lanciato dalla Russia il 4 ottobre 1957.
Il 3 novembre 1957 viene lanciato Sputnik 2 con la cagnolina Laika a bordo (come
successivamente dimostrato, morta dopo 7 - 8 ore dal lancio).
Il 12 aprile 1961 con la Vostok 1 viene lanciato il primo astronauta russo: Jurij
Alekseevič Gagarin.
ll 16 giugno del 1963 con la Vostok-6 per la prima volta una donna viaggia nello
spazio: la sovietica Valentina Tereškova che rimane in orbita tre giorni, facendo 49
rivoluzioni intorno alla Terra, per poi atterrare con paracadute nelle vicinanze di
Novosibirsk.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 3 / 80
Inizio delle comunicazioni da satellite
....l’inizio delle comunicazioni commerciali
L’inizio delle comunicazioni commerciali da satellite può datarsi con la messa in orbita,
il 18 dicembre 1958, del satellite Score, Signal Communication by Orbiting Relay
Equipment, che trasmette un messaggio preregistrato del Presidente I. Eishenower.
Dati del satellite:
Country of origin United States
Mission: Telecommunications
Perigee/Apogee: 185/1484 km
Inclination 32.3o
Period: 101.5 min
Launch vehicle Atlas
Launch site: Cape Canaveral
Mass at launch 70 kg
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Inizio delle comunicazioni da satellite
Echo 1. Comunicazioni telefoniche e televisive tra California
e Massachussets
Dati sdel satellite:
Launch date 12 Aug 1960
Country of origin United States
Mission: Telecommunications - Geodesy
Manufacturer: Bell Labs
Launch mass 66 kg
Diameter: 30.48 m (sphere inflated)
Perigee/Apogee: 966/2157 km
Inclination 47.3o
Period: 117.3 min
Launch vehicle Thor Delta #2
Mass at launch : 61 kg
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 5 / 80
Inizio delle comunicazioni da satellite
Echo 2
Dati del satellite:
Launch date 25 January 1964 (UTC)
Rocket Thor-Agena B
Launch site Vandenberg AFB
Manufacturer: Bell Labs
Diameter: 41 m (sphere inflated)
Orbital parameters:
Eccentricity 0.01899
Perigee altitude 1,029 km
Apogee altitude 1,316 km
Inclination 81.5o
Period 108.95 min
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 6 / 80
Inizio delle comunicazioni da satellite
Syncom 3: trasmissione Olimpiadi di Tokyo verso USA
Dati del satellite:
Launch date 19 Aug 1964
Country of origin United States
Mission Telecommunications
Geostationary orbit
Launch vehicle Thor Delta #25
Launch site Cape Canaveral
Mass in orbit: 40 kg
Diameter 0.71 m
Height 0.39 m
Stabilization: Spin stabilized
Main transponders 2
Power: 2 W
Bandwidth: 300 phone circuits
Frequencies upload: 7.363 GHz
download: 1.815 GHz
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 7 / 80
Inizio delle comunicazioni da satellite
Intelsat 1 o Early Bird: primo satellite TLC Europa - America
Dati del satellite:
Launch date 6 April 1965
Prime contractor Hughes
Mass at launch 68 kg
Mass in orbit 38.5 kg
Diameter 0.71 m - Height 0.59 m
Stabilization: spin (120 rpm)
DC power: BOL: 45 W - EOL: 33 W
C-band: transponders 2
Power 6 W - Bandwidth 25 MHz
EIRPmax: 11.5 dBW
Capacity 240 phone circuits or 1 TV channel
Out of service May 1970
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 8 / 80
Inizio delle comunicazioni da satellite
Intelsat 4A
Dati del satellite:
Launch date 22 May 1975
Prime contractor Hughes
Mass at launch: 1415 kg
Mass in orbit : 595 kg
Diameter: 2.38 m - Height: 5.31 m
Stabilization: spin stabilized
DC power: BOL: 600 W - EOL: 400 W
Main transponders : 12 - Power: 6 W
Bandwidth: 36 MHz
Coverage and EIRP max: Global (4 beams): 22.5
dBW - Spot (2 beams): 33.7 dBW
Capacity: 4000 phone circuits and 2 TV channels
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 9 / 80
Inizio delle comunicazioni da satellite
OTS 2, Orbital Test Signal. ESDA
Dati del satellite:
Launch date 11 May 1978
Mass at launch 865 kg - Mass in orbit 444 kg
Dry mass 390 kg
Dimension 2.4 x 2.1 x 1.7 m
Stabilization 3-axis
DC power BOL: 750 W
Phone circuits 6000
Module A
Main transponders 4 - Power 20 W
BW: 2 of 40 MHz - 2 of 120 MHz
Coverage 40 MHz: Europ. beam A
Coverage 120 MHz: spot beam
Polarization linear H/V
Module B
Main transponders: 2 - Power 20 W - BW 5 MHz
Coverage European beam B
Polarization circular L/R
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 10 / 80Inizio delle comunicazioni da satellite
Intelsat 5
Dati del satellite:
Launch date 23 May 1981
Prime contractor Ford Aerospace
Platform Intelsat 5
Mass at launch 1900 kg
Mass in orbit 1040 kg
Payload mass 233.5 kg: transponders: 174.6 kg,
antennas: 58.9 kg
Dimension 1.66 x 2 x 1.77 m (with tower: 6.4 m)
Solar array 15.58 m span
DC power BOL: 1800 W - EOL: equinox: 1400 W,
solstice: 1288 W
Payload power 753.8 W
Stabilization 3-axis
Capacity: 12000 phone circuits and 2 TV channels
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 11 / 80Inizio delle comunicazioni da satellite
...
C Band
Ku Band
Main transponders 21
Main transponders 6
Backup transponders
Backup transponders 4
Power Global, hemispheric and zone
Power 10 W (TWTA)
beams: 8.5 W (TWTA)
Bandwidth 2 transponders of 72 MHz
Spot beam: 4.5 W
2 transponders of 241 MHz
Bandwidth 36 and 72 MHz
Coverage 2 spot beams
Coverage and EIRP max Global: 23.5
EIRP max West: 44.4 dBW
dBW
East: 41.1 dBW
Hemispheric and zone: 29 dBW
Polarization linear
Polarization circular R/L
Frequencies 10.9-11.7 & 11.7-11.95 GHz
Frequencies 3.7-4.2 GHz
Beacons 11.198 & 11.452 GHz RHCP
Beacons 3.9475 & 3.9525 GHz RHCP
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 12 / 80Inizio delle comunicazioni da satellite
Intelsat 39
Dati del satellite:
Launch date 6 August 2019
Prime contractor SS/L
Platform LS-1300
Mass at launch 6600 kg
Stabilization 3-axis
Coverage:
C-band: Africa, Europe, the Middle East, and Asia
Ku-band: steerable spots accross all visible regions
Frequencies :
downlink: 10.7-11.7 GHz and 12.25-12.75 GHz
uplink: 13.0-13.25 GHz and 13.75-14.5 GHz
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 13 / 80Inizio delle comunicazioni da satellite
Eutelsat
Primo satellite della serie Eutelsat 1: 1983
Fascio superbeam: EIRP (banda Ku) 52 dBW
Fascio widebeam. EIRP (banda Ku) 47 dBW
Flotta Eutelsat, 2020:
24 satelliti geostazionari collocati tra 133 W e 174 E
Hot Bird 6: 34 transponder da 36 MHz in banda Ku e 4 transponderda 72
MHz in banda Ka
HotBird 7A/8: 88 transponder da 24, 33, 36, 47 e 50 MHz in banda Ku
Potenza irradiata in banda Ku: 52 dBW
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 14 / 80Inizio delle comunicazioni da satellite
Eutelsat 172B. Mission: TLC
I dati del satellite:
Launch date 1 Jun 2017
Geostationary orbit 172o E
Launch: Ariane VA237
Coverage:
C-band: North Pacific
Ku-band: North/South Pacific,
Ku-band: North East Asia
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 15 / 80Il satellite
Satellite
Il satellite consta di:
Piattaforma
Carico utile
Sistema antenne
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 16 / 80Il satellite
Piattaforma
I componenti principali della piattaforma sono:
Sistema di propulsione
Controllo termico
Alimentazione
TT&C, Telemetry, Tracking and Command
Stabilizzazione nello spazio
Correzione residua
Gli elementi e l’organizzazione della piattaforma dipendono da:
1 requisiti del carico pagante,
2 natura e dagli effetti dell’ambiente spaziale,
3 prestazione dei lanciatori con le rispettive limitazioni.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 17 / 80Il satellite
Il sistema di propulsione
Mediante l’espulsione di massa solida, liquida o gassosa, ad una data velocità e in
una dato senso, il sistema di propulsione genera forze che agiscono sul centro di
massa del satellite, fornendo la spinta richiesta per
manovre durante la vita del satellite,
trasferimento del satellite nell’orbita finale,
mantenimento della stazione.
Nei sistemi a propulsione solida o liquida, l’eiezione della massa ad alta velocità,
per la decomposizione del propellente ad elevata temperatura, produce dei gas ad
alta pressione che sono accelerati a velocità supersonica in un ugello divergente-
convergente.
Nei sistemi a propulsione ionica, la spinta è prodotta dall’accelerazione del plasma
di un gas ionizzato (xenon) in un campo elettrico intenso.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 18 / 80Il satellite
Incrementi di velocità
Dalla legge della conservazione del momento si ha:
M dV = v dM (N s). (1)
La relazione (1) indica che nell’intervallo di tempo t ÷ (t + dt) un satellite di massa
iniziale M, in moto con velocità V , subisce una perdita di massa dM e acquista
un incremento di velocità dV . La velocità d’eiezione della massa dM rrispetto al al
satellite è v .
Integrando tra t0 (massa del satellite M + dM) e t1 (massa del satellite M) si ha:
M +m
∆V = v log (m/s) (2)
M
con m massa del materiale eiettato e M massa del satellite alla conclusione della
manovra.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 19 / 80Il satellite
Impulso specifico
L’incremento di velocità ottenuto dipende dal propellente e dalla velocità v con la
quale viene eiettato.
La scelta del propellente da utilizzare dipende dalla facilità di ottenere un’alta
velocità di eiezione.
L’impulso specifico Isp è l’impulso (forza per tempo) comunicato durante un tempo
dt dall’unità di peso del propellente consumato dirante tale intervallo di tempo:
F dt F
Isp = = (s) (3)
g dM dM
g
dt
con g = 9,807 (m/s2 ) costante di gravitazione della terra.
Pertanto, l’impulso specifico è anche la spinta per unità di peso di propellente
consumato al secondo.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 20 / 80Il satellite
Visto che dM/dt è il tasso di scorrimento della massa ρ di propellente eiettato, si
ha:
F
Isp = (s). (4)
ρg
L’equazione (1), dividendo i membri per dt, può scriversi
MdV dM
=v → F = vρ
dt dt
quindi:
v
Isp = (s). (5)
g
L’impulso specifico è così espresso in secondi, una unità universalmente usata.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 21 / 80Il satellite
Combinando la relazione (2) con la relazione (5) si ha
log(M + m) Mi
∆V = (g Isp ) = g Isp log (m/s) (6)
M Mf
con Mi massa iniziale e Mf massa finale dopo la combustione del propellente.
La massa di propellente m necessaria a fornire un dato ∆V ad un satellite di massa
Mi dopo la combustione di propellente, caratterizzato da un impulso specifico Isp , si
ottiene da
∆V
m = Mf exp −1 (kg) (7)
g Isp
La massa di propellente necessaria a fornire un dato ∆V può anche esprimersi in
funzione della massa iniziale Mi prima della combustione del propellente
−∆V
m = Mi 1 − exp (kg). (8)
g Isp
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 22 / 80Il satellite
Impulso totale e tempo di operazione
L’impulso totale It , comunicato al sistema dall’eiezione di una massa m di propellente,
si ottiene integrando l’impulso elementare Fdt sul tempo di operazione.
Assumendo l’impulso specifico costante durante il tempo di funzionamento, si ha
It = g m Isp (N s). (9)
Il tempo di funzionamento T dipende dalla spinta F .
F
Assumendo il tasso di uscita della massa ρ costante, la relazione Isc = e la
ρg
v
Isp = portano a
g
Isp It
T =gm = (s). (10)
F F
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 23 / 80Il satellite
Propulsione chimica ed elettrica
Vi sono due classi di sistema di propulsione:
La propulsione chimica (propellente liquido) ha un livello di spinta comprest tra
0,5 Newton e alcune centinaia di Newton.
La propulsione solida ha un livello di spinta compreso tra centinaia e decina di
migliaia di Newton.
La propulsione elettrica può sviluppare una spinta dell’ordine di 100 mN.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 24 / 80Il satellite
Impulsi specifici di alcuni bi-propellenti
Propellente Ossidante Impulso specifico (d)
Idrogeno Ossigeno 430
Kerosene Ossigeno 328
Idrazzina (N2H4) Ossigeno 338
Dimetilidrazzina asimmetrica Ossigeno 336
Idrogeno Fluorina (F2) 440
Idrazzina Fluorina 388
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 25 / 80Il satellite
Controllo termico
Assicura il mantenimento della temperatura delle diverse parti del satellite e il loro
corretto allineamento.
- antenna: −150o C ÷ +80o C
- apparato elettronico: −30o C ÷ +55o C (a riposo); +10o C ÷ +45o C (in
funzione)
- generatore solare: −160o C ÷ +55o C
- batteria: −10o C ÷ +25o C (a riposo); +0o C ÷ +10o C (in funzione)
- propellente di riserva: +10o C ÷ +55o C
Per quanto riguarda l’alimentazione, le batterie, caricate dai pannelli solari, interven-
gono durante i periodi di eclisse del satellite, durante le situazioni di emergenza e
nella la fase di lancio del satellite, quando i pannelli solari non sono ancora entrati
in funzione.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 26 / 80Il satellite
Controllo assetto
L’assetto fornisce il controllo della posizione, essenziale per prevenire il rotolamen-
to del satellite nello spazio, che non consentirebbe alle antenne di mantenere il
puntamento sulla superficie terrestre.
La telemetria raccoglie informazione sullo stato dei vari sottosistemi del satellite,
la codifica e la trasmette.
Il puntamento determina la posizione della carrozza spaziale e segue il suo viaggio
attraverso informazione di angoli, di percorso e di velocità.
Il comando riceve ed esegue i comandi di controllo remoto per effettuare cambia-
menti alle funzioni di configurazione, posizione e velocità della piattaforma.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 27 / 80Il satellite
Sistema di stabilizzazione della piattaforma
Il satellite, anche se inserito correttamente in orbita, è soggetto a moti perturbativi
di traslazione e rotazione per la cui valutazione si fa riferimento ad una terna solidale
col satellite.
Il puntamento, mediante sensori, attuatori e calcolatori a bordo mantiene l’orien-
tamento e assicura il controllo durante le manovre, in particolare la correzione di
orbita.
N
Piano
Terra orbita
yaw
Z
(Nel piano
X
S Verticale locale roll dell’orbita)
pitch
Y
(Normale
al piano dell’orbita)
(a) (b)
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 28 / 80Il satellite
Stabilizzazione della piattaforma
Può realizzarsi per:
Gradiente di potenziale,
Spin,
Dual Spin,
Body o su tre assi
(c) Stabilkizzazione spin (d) Stabilizzazione dual spin (e) Stabilizzazione su tre assi
(body)
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 29 / 80Il satellite
Sistema di correzione della perturbazione residua
Il satellite richiede una correzione continua della perturbazione residua mediante:
rilevazione della posizione del satellite,
confronto della posizione degli assi del satellite rispetto a una terna di
riferimento,
determinazione delle spinte e/o delle coppie di correzione,
attuazione della correzione.
La misura dello spostamento degli assi del satellite rispetto a un riferimento esterno
al satellite è realizzata con appositi rivelatori a bordo del satellite geostazionario:
Rivelatori solari
Rivelatori dell’orizzonte terrestre
Rivelatori a radiofrequenza
Rivelatori laser
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 30 / 80Il satellite
Dispositivi di correzione
1 Giroscopi: utilizzano le variazioni di momento angolare di una ruota di
momento d’inerzia I e di velocità angolare Ω per creare una coppia di
correzione T. I dispositivi sono convenienti nei casi in cui il satellite sia
soggetto a coppie periodiche a valore medio nullo, come quella prodotta dalla
non sfericità della terra.
2 Eiettori: producono spinte mediante l’espulsione di gas.
3 Bobine magnetiche: sono dei solenoidi percorsi da corrente (a bassa tensione)
che interagiscono con l’induzione terrestre Bt fornendo una coppia di
correzione.
4 Vele solari: utilizzano l’effetto della pressione della radiazione solare
(0,45×10−5 N/m2 ) per generare una coppia, sfruttando il braccio di questa
rispetto al centro di massa del satellite.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 31 / 80Il satellite
Affidabilità, Disponibilità, Arco di vita
Coinvolge l’affidabilità del satellite e l’affidabilità del
Affidabilità lanciatore.
Il satellite può cessare di essere disponibile a seguito
Disponibilità di guasto. La disponibilità dipende dall’affidabilità del-
l’apparato e da qualsiasi schema per fornire ridondanza.
Usualmente è indicata dal tempo medio di accadimen-
to del primo guasto dopo l’entrata in servizio (MTTF,
Mean Time To Failure). La disponibilità prevede, oltre
al satellite in orbita, un satellite di backup in orbita e
un satellite a terra per un eventuale lancio.
Condizionato dall’abilità a mantenere il satellite nella
Arco di vita normale posizione e dipende dalla quantità di combusti-
bile disponibile per il sistema di propulsione, dal controllo
della posizione e dell’orbita.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 32 / 80Il sistema satellitare
Sistema satellitare
Consta di:
INTERSATELLITE LINK
1 Segmento spaziale: satellite o SEGMENTO SPAZIALE
una costellazione e stazione di
UPLINK DOWNLINK
controllo da terra del satellite EIRP
SEGMENTO DI TERRA
G/T
SEGMENTO DI CONTROLLO
TT&C
2 Segmento di terra: stazioni Gateway VSAT Hub/Feeder TTC GESTIONE DI RETE
trasmittenti e riceventi di terra
Da/A
fisse, trasportabili e mobili Rete terrestre Terminale di
utente
Fornitore
del servizio
3 Stazioni di controllo di rete Terminale di
utente
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 33 / 80Il sistema satellitare
Uplink e Downlink sono caratterizzati da
portanti modulate SCPC (Single Channel
Per Carrier) o MCPC (Multiple Channel
Per Carrier).
Segmento spaziale
Il collegamento a radiofrequenza richiede
1 Tratta in salita (uplink)
2 Tratta in discesa (downlink)
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 34 / 80Il sistema satellitare
La stazione trasmittente di terra può caratterizzarsi come:
- Gateway station: per l’interconnessione del segmento spaziale con la rete
terrestre,
- VSAT, Very Small Aperture Terminal: per l’accesso diretto dell’utente al
segmento spaziale mediante ricevitore fisso, trasportabile, palmare.
- Hub/Feeder station: per il collegamento o la distribuzione dell’informazione
da/verso stazioni di utente tramite il segmento spaziale.
SATELLITE LEO
SATELLITE GEO
BANDA L
UP-DOWN LINK
GATEWAY STATION
MULTIPLEX
PSTN
USERS UTENTI
(f) Gateway station con users mobili (g) Hub station con users fissi.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 35 / 80Il sistema satellitare
Dimensione dell’antenna della stazione di terra
30 metri (standard A in banda C di Intelsat)
4 ÷ 1, 5 metri per stazioni trasmittenti di terra in banda Ku , Ka
1,2 ÷0,6 metri per stazioni di ricezione singolo utente (DTH, Direct To Home)
nelle bande Ku , Ka di programmi televisivi.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 36 / 80Lezione 1 marzo 2021
Fine lezione 1 marzo 2021
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 37 / 80Lezione 3 marzo 2021
Lezione 3 marzo 2021
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 38 / 80Lezione 3 marzo 2021
Classificazione delle stazioni
FSS: opera con satelliti GEO nelle bande
C , Ku , Ka .
Si suddivide in: - Grande stazione (G /T ≈ 40 dB/K),
- Media stazione(G /T ≈ 30 dB/K)
- Piccola stazione (G /T ≈ 20 db/K)
- Nano stazione (G /T ≈ 12 dB/K)
BSS/DBS. Operae con satelliti GEO nelle
bande C , Ku .
Si suddivide in:
- Grande stazione (G /T ≈ 15 dB/K)
- Piccola stazione per ricezione individuale
(G /T ≈ 8 dB/K)
MSS. Opera con satelliti GEO e LEO.
Si suddivide in:
- Grande stazione (G /T ≈ -4 dB/K)
- Piccola stazione (G /T ≈ -24 dB/K)
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 39 / 80Lezione 3 marzo 2021 Payload
....
Il satellite consta di:
Piattaforma
Carico utile
Sistema antenne
Dopo aver esaminato la Piattaforma, passiamo
w al Payload.
w
w
w
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 40 / 80Lezione 3 marzo 2021 Payload
Payload del satellite
Il payload è limitato dalla massa e dalla potenza elettrica richiesta, perché qualsiasi
incremento di massa ha un effetto diretto sul costo di costruzione e di lancio,
comprese le masse dei pannelli solari e delle batterie che assicurano il fabbisogno di
energia elettrica.
Il payload, in relazione alla missione, è costituito da:
Transponder, per telecomunicazioni,
Radiometro, per previsioni meteo,
Telecamera, per telerilevamento,
Telescopio, Spettrografo, Rvelatore di plasma o Magnetometro, per impieghi
scientifici.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 41 / 80Lezione 3 marzo 2021 Transponder
Transponder
Il transponder riceve il segnale
della stazione di terra, converte
la frequenza del segnale di uplink PR
Segmento spaziale
PT
GR
nella frequenza di di downlink, lo L
FRX
LNA PBF HPA
L
FTX GT
(C/No)u
amplifica in livello e in potenza e Uplink
Pin Pout
Downlink
lo irradia verso la stazione
Gr
ricevente di terra. Gt
Pr
L
Pt FRX
(C/No)d
L
FTX
In base all’elettronica impiegata,
il transponder può avere una
configurazione cosiddetta:
Figura 1: Transponder trasparente
trasparente
rigenerativa.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 42 / 80Lezione 3 marzo 2021 Transponder
Parametri del transponder trasparente: bande di frequenza
Bande di frequenza di Uplink
C band: 5.925/6.425 GHz
X band (7.900/8.395 GHz),
Ku band: 14.000/14.800, 17.300 /18.100 pfd eirp
GHz
lna fd
fu pbf hpa
fu fd
Ka band: 28.4 /28.6 GHz & 29.3/30.0 GHz G/T
uplink if
fu fd downlink
if
Bande di frequenza di Downlink
C band: 3.700/4.200 GHz
Xband: 7.250/7.745 GHz Figura 2: Transponder trasparente
Ku band: 10.700/11.700, 11.700/12.500
/12,750 GHz
Ka band: 18.3/18.5, 18.6-18,8-19.7/20.2
GHz
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 43 / 80Lezione 3 marzo 2021 Transponder
Parametri del transponder trasparente: polarizzazione
Polarizzazione (lineare
HP/VP, circolare
RHCP/LHCP),
Aree di copertura di
uplink e di downlink,
pfd eirp
Cifra di merito
fd
(G /T )tp,dB del fu
lna fu pbf hpa
fd
ricevitore, G/T
uplink if
fu fd downlink
Densità di flusso di if
potenza (pfd, power
flux density))
all’antenna ricevente
del satellite, Figura 3: Transponder trasparente
Potenza irradiata
EIRPtp,dB dal
transponder del
satellite.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 44 / 80Lezione 3 marzo 2021 Transponder
Transponder rigenerativo
Il transponder rigenerativo
amplifica a basso rumore il
segnale ricevuto alla
frequenza di uplink, lo
converte in una frequenza MOD
intermedia (36/72/140 MHz)
Elaborazione banda base
e lo demodula nel segnale di
Demodulazione
MOD
banda base.
Switch
MOD
Il segnale di banda base MOD
rimodula una portante a
frequenza intermedia, che Uplink Downlink
viene convertita alla
frequenza di downlink, Figura 4: Transponder rigenerativo
amplificata in potenza e
reirradiata.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 45 / 80Lezione 3 marzo 2021 Transponder
Transponder rigenerativo
La disponibilità a bordo del
segnale di banda base, oltre a MOD
Elaborazione banda base
permettere lo smistamento
Demodulazione
MOD
dell’informazione da un upbeam
Switch
MOD
a un downbeam, consente di
multiplare più segnali originati da
MOD
piccole stazioni di terra per
distribuirli su un singola portante
(Skiplex di HotBird e Uplink Downlink
Worldspace)
Figura 5: Transponder rigenerativo
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 46 / 80Lezione 3 marzo 2021 Transponder
....
Il satellite consta di:
Piattaforma
Carico utile
Sistema antenna del satellite
Dopo aver esaminato il carico utile (Payload),
w passiamo al Sistema antenna.
w
w
w
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 47 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Sistema antenna del satellite
L’antenna del satellite è un componente critico perché soggetto a vincoli:
- Dimensioni limitate (quindi, guadagno non elevato)
- Necessità di poter attivare l’antenna con comando da terra solo quando il
satellite ha raggiunto la posizione definitiva.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 48 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Parametri del sistema antenna: area di copertura (coverage)
L’area di copertura del satellite è la regione della terra da cui il satellite è visto con un minimo
angolo d’elevazione (generalmente 5 ÷ 10 grad) da una stazione di terra.
Riflettore
parabolico
Polarizzazioni ortogonali
Tx1
Tx2
Tx3
Segnale con
la stessa frequenza
Alimentatori
(a) Fascio multiplo. (b) Doppio fascio.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 49 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Parametri del sistema antenna: area di copertura (coverage)
L’area di copertura è l’area intercettata sulla terra dall’apertura del fascio a - 3 dB
dell’antenna ricevente del satellite (copertura di uplink) e dell’antenna trasmittente
del satellite (copertura di downlink).
Il bordo della copertura è definito in termini di caratteristiche a radio frequenza da
assicurare su un insieme di punti di riferimento delimitanti la zona entro la quale
sono collocate le stazioni di trasmissione (uplink) e di ricezione (downlink).
Per realizzare la desiderata copertura a terra sono impiegate antenne con fascio
a sezione circolare o ellittca, antenne con fascio sagomato e antenna con fascio
multiplo. Ciascun fascio definisce un’area di copertura (footprint) sulla superficie
della terra.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 50 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Parametri del sistema antenna: area di copertura (coverage)
Le aree di copertura del fascio aggregate definiscono l’area di copertura dell’antenna
multifascio.
Riflettore
parabolico
Polarizzazioni ortogonali
Tx1
Tx2
Tx3
Segnale con
la stessa frequenza
Alimentatori
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 51 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Antenne maggiormente utilizzate
Antenna con montaggio simmetrico.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 52 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Antenne maggiormente utilizzate: montaggio in offset
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 53 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Antenne maggiormente utilizzate: montaggio cassegrain
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 54 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Antenne maggiormente utilizzate: gregoriana in offset
P
F1
E
F2
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 55 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Antenne maggiormente utilizzate: maontaggio phased array
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 56 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Suddivisione del mondo in "Regioni radioelettriche"
ITU, International Telecomunication
Union suddivide il mondo in tre regioni
radioelettriche, che riflettono una sorta
di suddivisione politica ed economica
del mondo per gli scopi di allocazione
dello spettro RF tra i membri ITU.
Regione 1: comprende Europa,
Africa e Medio Oriente
Regione 2: comprende Americhe
Regione 3: comprende Asia, Sud
Pacifico e India.
Nell’ambito ITU sono operativi: WARC
(a livello mondiale, in cui si fondono
tutte le Regioni) e RARC (a livello
regionale).
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 57 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Suddivisione ITU dello spettro radioelettrico
Le frequenze sono espresse in kHz fino a 3.000 kHz; in MHz da 3 MHz a 3.000 MHz; in GHz da
3 GHz a 3.000 GHz. Per le bande di frequenza superiori a 3.000 GHz (onde centimillimetriche,
micrometriche e decimicrometriche) si conviene di utilizzare il THz.
No Banda Gamma Suddivisione metrica Abbreviazione
metrica
4 VLF 3-10 kHz Miriametriche B.Mm
5 LF 30-300 kHz Chilometriche B.km
6 MF 300-3000 kHz Ettometriche B.hm
7 HF 3-30 MHz Decametriche B.dam
8 VHF 30-300 MHz Metriche B.m
9 UHF 300-3000 MHz Decimetriche B.dm
10 SHF 3-30 GHz Centimetriche B.cm
11 EHF 30-300 GHz Millimetriche B.mm
12 - 300-3000 GHz Decimillimetriche -
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 58 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Designazione letterale delle bande
Designazione (GHz) Banda Terminolgia
Servizizo FSS 6/4 GHz Banda C
8/7 GHz Banda X
14/12-11 GHz Banda Ku
30/20 GHz Banda Ka
50/40 GHz Banda V
Servizio MSS 1,6/1,5 GHz Banda L
30/20 GHz Banda Ka
Servizio BSS 2/2,2 GHz Bansa S
2,6/2,5 GHz Banda S
12 GHz Banda Ku
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 59 / 80Lezione 3 marzo 2021 Sistema antenna del satellite
Bande utilizzate in Europa
Band Downlink Uplink
C 3.700-4.200 5.925-6.425
X 7.250-7.745 7.900-8.395
Ku 10.700-12.750 14.000-14.800; 17.300-18.100
Ka 18.3-18.5, 18.6-18.8 -19.7-20.2 28.4-28.6; 29.3-/30.0
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 60 / 80Prestazione del collegamento
Prestazione del collegamento satellitare
La prestazione del collegamento
(Uplink/Downlink) è espressa dai rapporti
Segmento spaziale
PR PT
GR L L
FRX FTX GT
C (Pt Gt )es G EIRPes G LNA PBF HPA
= = (C/No)u
N0 u Lu k T tp Lu k T tp
Uplink
Pin Pout
Downlink
C (Pt Gt )tp G EIRPtp G Gr
= = Gt
N0 d Ld k T es Ld k T es Pt
(C/No)d
L
Pr
FRX
L
FTX
(11)
In decibel
C G
= EIRPes,dB + 228, 600 − Lu,dB −
N0 dB T tp,dB
C G
= EIRPtp,dB + 228, 600 − Ld,dB +
N dB T es,dB
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 61 / 80Il segnale di banda base
Segnale di banda base vocale
La larghezza di banda del canale si estende da 300 a 3800 Hz per una larghezza di
banda lorda di 4 kHz.
Per il campionamento del segnale si adotta la frequenza di campionamento di 8 kHz
con 8 bit/campione. Il bitrate del canale è di 64 kbit/s.
La tecnica TDM (Time Division Multiplex) consente di mettere insieme un certo
numero di canali, ciascuno con larghezza di banda lorda base di 4 kHz.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 62 / 80Il segnale di banda base
Segnale di banda base vocale
Per la multiplazione si utilizzano due gerarchie:
CEPT, Conférence Européenne des Postes et Télécommunications (ITU-T Rec.
G702, ITU-T Rec, G704, Europa)
T-carrier, (Giappone, USA e Canada).
La gerarchia CEPT si basa su un frame di 256 elementi binari, con una durata di
frarme di 125 µ s, cui corrisponde un bit rate di 2,048 Mbit/s (256/125 × 10−6 ).
Il frame di 256 bit comprende 240 bit, relativi al segnale vocale (Rb,30 = 64 × 30 =
1, 920 Mbit/s), e 16 bit per allineamento e sincronizzazione (16 × 8 × 103 = 0, 128
Mbit/s). Complessivamente, Rb,30 = 1, 920 + 0, 128 = 2, 048 Mbit/s).
Capacità più alte si ottengono multiplamdo ulteriormente multiplex di pari capacità.
Per il livello successivo di 120 canali voce si ha: 30 × 4 + 2 × 0, 128 = 8,192 + 0,256
= 8,448 Mbit/s.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 63 / 80Il segnale di banda base
Segnale di banda base vocale
La gerarchia T-carrier si basa su un frame di 192 bit ottenuto multiplando 24
campioni di 8 bit, al quale si aggiunge un frame di allineamento.
Ciascun frame contiene 193 bit ed ha una durata di 125 µs. Il bit rate è di 1,544
Mbit/s.
La capacità del multiplex è di 23 canali più un canale di segnalazione.
CEPT T-carrier
Livello Mbit/s Canali Mbit/s Canali Mbit/s Canali
1 2,048 30 1,544 24 1,544 24
2 8,448 120 6,312 96 6,312 96
3 34,368 480 44,736 672 32,064 480
4 139,264 1920 274,176 4032 97,728 1440
5 557,056 7,680 - - 400,352 5760
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 64 / 80Il segnale di banda base
Segnale audio
Un programma audio di alta qualità occupa una larghezza di banda di 40 ÷ 15000
Hz.
Il segnale test è un segnale sinusoidale alla frequenza di 1 kHz; la potenza relativa
al livello di riferimento zero, su una impedenza di 600 Ohm, è 1 mW (o dBm0); la
potenza media del programma audio è di -3,4 dBm0.
Il segnale audio stereo è caratterizzato da una larghezza di banda di 20 kHz e una
frequenza di campionamento di 48 kHz con 16 bit/campione. Il bitrate del segnale
audio stereo è di 192 kbit/s.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 65 / 80Il segnale di banda base
Segnale audio
Uno standard popolare per la compressione del segnale audio è il MUSICAM, che si
basa sulla divisione della frequenza audio in 30 sottobande.
ITU-R Rec.BO.651, per la radiodiffusione di segnali audio con larghezza di banda di
15 kHz e con la codifica PCM, raccomanda la frequenza di campionamento di 32
kHz a 14 bit/campione.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 66 / 80Il segnale video
Il segnale televisivo a definizione standard
Il segnale SDTV, Standerd Definition TeleVision, colore consta di tre componenti:
- Segnale di luminanza EY0 , rappresentativo della scala dei grigi.
- Segnale di crominanza EC0 R , rappresentativo della componente colore del
primario rosso-
- Segnale di crominanza EC0 B , rappresentativo della componente colore del
primario blu.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 67 / 80Il segnale video
Il segnale SDTV è caratterizzato da:
576 linee attive,
720 pixel/linea di luminanza (Y),
360 pixel di crominanza Cr ,
360 pixel di crominanza Cb
Il segnale SDTV utilizza una scansione interlacciata, con frequenza di quadro di 25
Hz e frequenza e semiquadro di 50 Hz.
Il segnale SDTV ha un bit rate:
[720 × 576 + 2(360 × 576)] × 25 × 8 = 165, 888 ≈ 166 Mbit/s
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 68 / 80Campionamento del segnale video
Campionamento del segnale video
Per ottenere il segnale televisivo colore nel formato digitale, si campionano i tre
componenti Y , Cr , Cb con frequenze di campionamento scelte in funzione del
formato di campionamento desiderato.
I formati utilizzati sono quelli indicati con gli acronimi
4:4:4,
4:2:2,
4:2:0.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 69 / 80Campionamento del segnale video
Formato 4:4:4
Il formato 4:4:4, nella produzione/post-produzione televisiva, si ottiene campionando,
con la medesima frequenza di 13,5 MHz e con ugual numero di campioni, la
componente di luminanza e le due componenti di crominanza (spesso si aggiunge
una quarta componente /formato 4:4:4:4) campionata a 13,5 MHz (alpha channel)
che descrive il grado di trasparenza/opacità di ogni determinato pixel e che può
essere utilizzato per creare una maschera).
Il numero di bit/campione è 8/10.
Il formato 4.4.4 è caratterizzato da risoluzione completa sia orizzontale sia verticale.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 70 / 80Campionamento del segnale video
Formato 4:2:2
Nel formato 4:2:2 ad ogni quattro campioni di luminanza Y corrispondoni due
campioni Cr e due campioni Cb .
La frequenza di campionamento di Y è 13,5 MHz, quella di Cr e Cb è 6,75 MHz.
In definitiva, i segnali di crominanza sono sottocampionati orizzontalmente rispetto
alla componente di luminanza e sono campionati verticalmente con una frequenza
di campionamento uguale a quella del segnale di luminanza.
Il formato 4:2:2:4 ha le stesse caratteristiche del 4:2:2 con l’aggiunta del canale α
campionato a 13,5 MHz.
Il formato 4.4.4 è caratterizzato da risoluzione pari alla metà orizzontale e completa
verticale.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 71 / 80Campionamento del segnale video
Formato 4:2:0
Nel formato 4:2:0, destinato all’utente finale, la componente di luminanza Y è
campionata a 13,5 MHz, le componenti di crominanza Cr , Cb sono campionate
sequenzialmente a 6,75 MHz.
Per ogni coppia di linee, la prima è campionata col sistema 4:2:2, la successiva col
sistema 4:0:0 (solo luminanza).
Il numero di bit/campione è 8.
Il formato 4:2:0 è caratterizzato da risoluzione pari alla metà orizzontale e metà
verticale.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 72 / 80Campionamento del segnale video
Format 4:2:2
Nel formato 4:2:2, le matrici Cr e Cb associate a ciascun quadro hanno dimensione
pari a metà della corrispondente matrice Y di luminanza soltanto orizzontalmente
mentre verticalmente hanno la stessa dimensione, ossia le componenti di crominanza
del segnale analogico originario sono campionate a frequenza spaziale orizzontale
pari a metà della frequenza della luminanza e a frequenza spaziale verticale pari a
quella di luminanza; come si osserva, infatti, i campioni di crominanza sono associati
a campioni alterni di luminanza orizzontalmente mentre verticalmente non viene
saltata nessuna riga.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 73 / 80Campionamento del segnale video
Formato 4:2:0
Nel formato 4:2:0 le matrici di crominanza Cr e Cb associate a ciascun quadro
hanno dimensioni pari a metà della corrispondente matrice Y di luminanza sia
orizzontalmente che verticalmente, ossia le componenti di crominanza del segnale
analogico originario sono campionate orizzontalmente e verticalmente con frequenze
pari a metà di quella di luminanza.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 74 / 80Campionamento del segnale video
Bit rate del segnale SDTV
Con le frequenze di campionamento di 13,5 MHz (Y ) e 6,75 MHz (Cr ) e (Cb )
(4:2:2) si ha:
13, 5 + 2(6, 75) × 8 = 216 Mbit/s
Con le frequenze di campionamento di 13,5 MHz (Y ) e 3,735 MHz (Cr ) e (Cb )
(4:2:0) si ha:
13, 5 + 2(3, 375) × 8 = 162 Mbit/s
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 75 / 80Campionamento del segnale video
Il segnale televisivo ad alta definizione
Il segnale HDTV, High Defintion TeleVsion, come il segnale SDTV, consta di tre
componenti:
- segnale di luminanza Y , rappresentativo della scala dei grigi,
- segnale di crominanza Cr , rappresentativo della componente colore del
primario rosso,
- segnale di crominanza Cb , rappresentativo della componente colore del
primario blu.
Parametro Valore
Rapporto d’aspetto 16:9
Campioni per linea attiva 1920
Reticolo di campionamento Ortogonale
Linee attive per immagine 1080
Rapporto d’aspetto del pixel 1:1
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 76 / 80Campionamento del segnale video
Rappresentazione digitale
Parametro Valore
Segnale codificato Y , Cr , Cb
Reticolo di campionamento Y ortogonale, linea e immagine
ripetitive
Reticolo di campionamento Cr , Cb Ortogonale, linea e immagine ri-
petitive co-situate tra loro e con
campioni Y alternati
Numero di campioni attivi per linea Y 1920
Numero di campioni attivi Cr , Cb 960
Formato di codifica lineare 8 o 10 bit
Frequenza di campionamento Y 74,25 MHz
Frequenza di campionamento Cr , Cb 37,125 MHz
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 77 / 80Campionamento del segnale video
Il bit rate del segnale HDTV è pari a
[1920 × 1080 + 2(960 × 1080)] × 25 × 8 = 829, 44 ≈ 830 Mbit/s
Per ottenere il segnale televisivo colore nel formato digitale si campiona nel formato
4:2:2 con frequenze di campionamanto di 74,250 MHz (Y), 37,125 MHz CR ) e
37,125 MHz CB ).
Il formato 1080i ha una risoluzione complessiva di 2 073 600 pixel (1920 ×1080).
Il formato 1080p (scansione progressiva), comunemente chiamato Full HD, è il più
recente ed equivale alla versione con scansione progressiva del 1080i, per cui ogni
aggiornamento coinvolge tutte le 1080 linee e i 2 073 600 di pixel dello schermo,
ma di solito è a 24 fps, la velocità della pellicola cinematografica.
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 78 / 80Campionamento del segnale video
Il segnale 4k
Risoluzione 3840 × 2160 (pixel totali: 8 milioni)
Frequenza di quadro: 50 Hz/60 Hz
Distanza standard di visione: 3 × H
Angolo di visione: 60 gradi
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 79 / 80Campionamento del segnale video
Lo standard 8k
Il numero di pixel all’interno dello schermo è 7680 × 4320 pixel (4 volte standard 4k
UHD 3840 × 2160 pixel) e 16 volte lo standard HD 1920 × 1080 pixel.
La qualità dell’immagine è dettata anche da altri fattori, come la densità di pixel e
la tecnologia adoperata per lo schermo (LCD, OLED, QLED). Inoltre, il metodo
di trasmissione dei dati video tramite standard HDMI, consente di supportare l’
8K, con effetti particolari tra cui il nuovo HDR, High Dynamic Range, protocollo
che regola la luminosità in maniera più efficiente, effettuando l’impostazione a ogni
fotogramma invece che per le singole scene.
Risoluzione 7680 × 4320 (pixel totali: 33 milioni)
Frequenza di quadro: 120 Hz
Distanza standard di visione: 0,75
Angolo di visione: 100 gradi
Italo Ghidini Sistemi satellitari A.A. 2020-21 80 / 80Puoi anche leggere
