Az űrtávközlés demokratizálása

Az idősebb mérnökök közül sokan szép emlékekkel rendelkeznek a Telstar műholdon keresztül küldött első transzatlanti tévéadásról. Az 1962 júliusában érkező szemcsés képek mára nagyon elavultnak tűnnek a modern műsorszórási szabványokhoz képest. A Telstar és az utána következő kommunikációs műholdak felfelé ívelték az űrtávközlés fejlődését. A Földet manapság műholdak ezrei veszik körül, amelyek számtalan feladatot látnak el a vulkanikus tevékenységek távolból történő megfigyelésétől, az internetszolgáltatáson, nemzetközi telefonhívásokon és időjárás-előrejelzésen keresztül egészen a magán adathálózatok üzemeltetéséig.

Rövid írásunkban górcső alá vesszük az űrkommunikációs rendszereket, betekintéssel szolgálunk néhány tipikus alkalmazási területre és bemutatunk néhány olcsó berendezést, amiknek segítségével könnyedén kísérletezhetünk az égi kommunikációval.

Űrtávközlés – A Telstartól a CubeSatig

A kitüntetett írót, Arthur C. Clarke-ot gyakran említik, mint a Föld körüli geostacionárius pályára állított műholdak segítségével történő vezetékmentes kommunikációs technológia koncepciójának szülőatyját. Az 1950-es és 60-as években a Föld köré juttatandó szatellitekkel kapcsolatos jelentős kutatásokat és fejlesztéseket az ő 1945 októberében tett javaslata alapozta meg. Abban a korban a nagyfrekvenciás rövidhullámú technológiát használó globális kommunikációs hálózatok terjedése egyre inkább komoly adatátviteli korlátokkal küzdött. A rövidhullámú rádiófrekvenciás kommunikáció működése az ionoszféra visszaverő képességén alapul, ami napszakonként jelentős eltérést mutat, és ki van téve a napkitörések okozta zavaroknak. A mikrohullámú kommunikáció műholdakon keresztüli átjátszása felszámolta ezeket a problémákat. A műholdas K + F tevékenység további kutatásokat indított el, tovább szélesítve a mikrohullámú kommunikáció és az erősen irányított parabolaantennák tervezését. Ma a Földet körülvevő műholdak ezrei nyújtanak internet- és telefonszolgáltatást, televíziós adásokat, a(z ipari) dolgok internetét (Internet of Things/Industrial Internet of Things – IoT/IIoT), navigációs jeleket, távérzékelési megoldásokat és katonai kommunikációs csatornákat. Egyes műholdak úgynevezett konstellációkat alkotnak, és olyan alapvető szolgáltatásokat biztosítanak, mint a globális helymeghatározás. Napjaink apró, két bűvöskockányi méretű CubeSat-műholdjait rutinszerűen juttatják az űrbe magán- és kormányzati finanszírozású hordozórakétákkal.

Hozzáférés az űrtávközléshez bárki számára

Az űrtávközlés kezdeti időszakával szemben a műholdak fejlesztése és Föld körüli pályára állítása lényegesen kevésbé költségessé és bonyolulttá vált. Középfokú oktatási intézmények, főiskolák és egyetemek számára is megnyílt a lehetőség a CubeSat műholdak fejlesztésében történő részvételre, és azok akár a NASA, akár a feltörekvőben lévő kereskedelmi űrkutatási szervezetek általi űrbe juttatására. A kis méretű műholdak dinamikusan növekvő használatának pontosabb meghatározása érdekében az európai Alen Space űrkutatási társaság vezető űrkutatási intézményekkel együttműködésben kidolgozta ezen műholdak kategorizálását. Egy CubeSat 10 × 10 × 10 cm méretű és maximum 1,3 kilogramm tömegű – ez jelenti az 1U nanoszatellit egységet.
A magánkézben lévő Nanosatellite Database űrkutatási szervezet szerint a vállalatok és tudományos intézetek kezében lévő nanoszatellitek számának növekedése messze meghaladja az állami űrügynökségekét (1. ábra).

1. ábra Nanoszatellit-kilövések tényleges és előrejelzett mennyisége 1998 és 2027 között szervezeti formánként (Forrás: Erik Kulu, Nanosats Database, www.nanosats.eu)

A felbocsátott nanoszatellitek méretük tekintetében meglehetősen egyenletes eloszlást mutatnak (2. ábra), de feltörekvőben van a 0,1 és 1 kg közötti új picosat kategória.

2. ábra Nanoszatellit-kilövések tényleges és előrejelzett mennyisége 1998 és 2027 között nanoszatellit kategóriánként (Forrás: Erik Kulu, Nanosats Database, www.nanosats.eu)

A műholdak jellemzően három föld körüli pályán helyezkednek el: geostacionárius (GEO), közepes Föld körüli pályán (MEO) vagy alacsony Föld körüli pályán (LEO).

• Egy, a Földtől mintegy 36 000 km-re keringő GEO-műhold a Föld forgási sebességével megegyező sebességgel kering, így látszólag állandó helyzetű. Ez a pálya folyamatos kommunikációt tesz lehetővé a műhold hatósugarában lévő antennákkal.
• A MEO- és LEO-műholdak sokkal közelebb keringenek a Földhöz (2000-30 000 km egy MEO és 160-2000 km egy LEO esetében), és nem geostacionáriusok.

A műholdak nagy magasságba (maximum 130 km-re) történő felbocsátásának egy kísérleti módja a ballonos indítás. Ez a megközelítés jóval alacsonyabb költségekkel jár a rakétákkal történő fellövéssel szemben. Az Európai Bizottság is finanszírozott ballonról történő indítások vizsgálatát célzó kutatást a nanoszatellitek alacsony Föld körüli pályára bocsátásának olcsóbb és kényelmesebb biztosítása érdekében.

Bevezetés az űrtávközlésbe

A mérnökök és innovátorok számára számos mód áll rendelkezésre az űr- és műholdas távközlés felfedezésére és alkalmazására. Akik ezen a területen képzelik el jövőjüket, különböző, például a Warwick Egyetem által vagy Surrey Egyetem Surrey Space Centre által futtatott egyetemi programokhoz csatlakozhatnak. A műholdak tervezése és működtetése a képességek széles skáláját igényli számos szakterületen a rádiófrekvenciás mérnöki tudományoktól az asztrodinamikáig. Az Európai Űrügynökség (European Space Agency – ESA) 2022 augusztusában indította első ESA Academy CubeSat Nyári Egyetemét olyan egyetemi hallgatók számára, akik korábban nem foglalkoztak műholdakkal.
Kialakulóban vannak olyan űrtávközlési kiválósági központok, amelyek az olyan feltörekvő üzleti szervezetek iránti igény kielégítését szolgálják, amelyek a műholdas földi állomások üzemeltetését és a mélyűri kommunikáció koordinálását végzik. Ilyen központ a Goonhilly Earth Station is, az az európai telephely, amelyik a Telstar műholdról elsőként sugárzott tévéadás képeit fogta.
Az űrtávközlésben történő szerényebb részvétel relatíve könnyen megvalósítható olyan készen kapható, szoftveresen definiált rádióeszközök (software-defined radio – SDR) és nyílt forráskódú szoftverek, mint például az SDR Console és a GNU Radio segítségével. Jó példa a nyílt forráskódú közösségekre a MyriadRF, ahol a hardver- és szoftverforrások együtt megtalálhatók, és kiválóan dokumentált projektek indulnak. A MyriadRF célja egy olyan közösség kiépítése, amely azon dolgozik, hogy a vezeték nélküli innováció minél több ember számára elérhetővé váljon.
Az egyszerű SDR-alapú kivitelezésekkel foglalkozó innovátorok közé tartoznak a rádiócsillagászok és az amatőr rádióállomások. A globális műholdas rádióamatőr közösség, az AMSAT 1961-ben bocsátotta fel első, OSCAR nevű műholdját, amit azóta több mint hatvan másik követett. Ezek közül húsz a mai napig működik. Egy SDR-vevővel és egy nagy erősítésű Yagi- vagy parabolaantennával lehetséges az AMSAT QO-100 műholdas relé transzponderjeleinek vétele. Az AMSAT a QO-100 kommunikációs berendezést egy geostacionárius Es' hail 2 műholdra szerelve bocsátotta fel 2018-ban.
A rádiócsillagászok számára az SDR-vevők kényelmes és olcsó megoldást jelentenek számos kutatási területen a hidrogén-színképvonalak kutatásától a mágneses anomáliákon keresztül a földönkívüli élet jeleinek kereséséig.

Rádiófrekvenciás termékbemutató

Az SDR-alapú műholdvevőkkel történő kísérletezésre kiválóan megfelelnek az olyan olcsó, azonnal használatba vehető SDR-modulok, mint például az Analog Devices ADALM-PLUTO-ja és valamelyik LimeSDR kiértékelőkártya.

Lime Microsystems LimeSDR
A két LimeSDR kiértékelőpanel a LimeSDR és a LimeSDR Mini (3. ábra). Mindkét eszköz a Lime Microsystems LM7002M terepprogramozható RF-adóvevő IC-t használja.

3. ábra A LimeSDR (balra) és a LimeSDR Mini (jobbra) RF kiértékelőkártya a Lime Microsystems LMS7002M RF-adóvevőjével (Forrás: Lime Microsystems)

A 100 kHz és 3,8 GHz közötti tartományban folyamatos működésre képes LM7002M két adó-vevő útvonallal rendelkezik. Képes teljes duplex és időosztásos duplex működésre, támogatja a 160 MHz-es programozható RF-modulációs sávszélességet. A panelek támogatják szoftveresen definiált rádióalkalmazások széles körű prototípusainak létrehozását, az IoT és a gépek közötti (M2M) hálózatoktól a kiscellás rádiós kommunikáción át az időjárási műholdképek vételéig. Alkalmazási területeik közé tartozik a rádiócsillagászat, a média-streaming és a drónvezérlő rendszerek.
A kártyák tartalmaznak egy Intel Altera Cyclone IV FPGA-t, 256 Mbyte DDR2 SDRAM memóriát és egy Rakon RPT7050 oszcillátort is. A rádiófrekvenciás kimeneti teljesítmény akár +10 dBm is lehet, a kártyák hat vevőcsatornával és négy adóval rendelkeznek (a LimeSDR Mini kettővel). A 4. ábrán az LMS7002M FPRF-adóvevő IC magas szintű funkcionális felépítése látható.

4. ábra A Lime Microsystems LMS7002M FPRF-adóvevő funkcionális blokkdiagramja (Forrás: Lime Microsystems)

A népszerű, nyílt forráskódú SDR-szoftveralkalmazások, mint például az SDR Console, a GNU-Radio, a SoapySDR, az UHD és a Pothos teljes mértékben támogatják a LimeSDR kiértékelőkártyákat. Mintaprojektek a MyriadRF oldalán érhetők el. A Lime Microsystems közösség olyan projekteket is kiemel, mint a MarconiISSta. Ennek a projektnek a vezetője a német Berlini Műszaki Egyetem (Technische Universität Berlin), támogatója az Európai Űrügynökség és a német Repülési Központ (DLR). A Nemzetközi űrállomáson is működik egy LimeSDR, ami a globális rádióspektrum feltérképezését végzi az interferenciák nyomon követése és a hatékonyabb frekvenciamegosztási együttműködés támogatása érdekében.

ADALM-PLUTO az Analog Devices-től
Az Analog Devices USB-alapú ADALM-PLUTO-ja egy komplett SDR-modul és rádiófrekvenciás mérnöki oktatási platform. Egy vételi és egy adóútvonalat biztosít, fél- és teljes duplex üzemmódokban. A folyamatos RF-tartomány 325 MHz-től 3,8 Ghz-ig terjed, maximum 20 Mhz-es pillanatnyi sávszélességgel. Ez a költséghatékony prototipizáló platform kiterjedtebb projektekben és önállóan egyaránt használható laboratóriumi teszt- és mérési környezetekben. Az ADALM-PLUTO (5. ábra) egy Analog DevicesAD9363 nagy integráltságú RF-adóvevő IC-t és egy Xilinx Zynq Z7010 FPGA-t tartalmaz.

5. ábra Az Analog Devices ADALM-PLUTO SDR aktív tanulási modulja (Forrás: Analog Devices)

Az ADALM-PLUTO amellett, hogy az átfogó, nyílt forráskódú SDR-szoftvertámogatás előnyeit élvezi, szintén elérhető a MathWorks MATLAB programozási nyelvén és a Simulink szimulációs programon keresztül. Ezek a mérnöki eszközök kiterjesztik az ADALM-PLUTO képességeit különböző elemzési, kutatási és modellalapú tervezési felhasználási területekre is.
Az Analog Devices AD9363 RF-adóvevő IC-je széles körben alkalmazható celluláris, vezeték nélküli streaming, műholdas kommunikáció és rádióamatőr alkalmazások területén. Hat differenciális vevő útvonalat vagy 12 egyvégű és négy differenciális adó-vevő kimenetet tartalmaz (lásd a 6. ábrát). Az adó és vevő csatornák számára törtfrekvenciás szintézisét teljesen integrált, fáziszárt hurkok (phase-locked loop – PLL) végzik. A maximális jeladó-teljesítmény az adó frekvenciájától függően +7 dBm és +8 dBm közötti.

6. ábra Az ADALM-PLUTO SDR-modulban használt Analog Devices AD9363 RF-adóvevő funkcionális blokkdiagramja (Forrás: Analog Devices)

Az ADALM-PLUTO mellé tökéletes választás az Analog Devices EV1HMC8413 erősítő kiértékelőkártya. A kártya kiértékelő platformot nyújt a HMC8413 szélessávú adó-vevő IC-hez (7. ábra). Az erősítő +19 dBm erősítéssel rendelkezik a 10 MHz és 7 GHz közötti tartományban. Tipikus alkalmazásai egy helyi oszcillátor kimenetének erősítése egy keverőáramkörben, vagy az ADALM-PLUTO kimeneti teljesítményének növelése.

7 ábra Az Analog Devices EV1HMC8413 RF-erősítő kiértékelőkártya (Forrás: Analog Devices)

Összefoglalás

Írásunkban arra próbáltunk rámutatni, hogy az elektronikai mérnökök és innovátorok miként fedezhetik fel a műholdas kommunikáció világát. Az olcsó, rugalmas és kiváló támogatással rendelkező SDR-modulok és -készletek, valamint a széles választékban elérhető nyílt forráskódú szoftvereszközök és a mögöttük álló közösségek segítségével igazán nem okozhat nehézséget az első prototípus elkészítése.

Szerző: Mark Patrick – Mouser Electronics

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket az X-en: https://twitter.com/MouserElecEU