ARQUITETURA PARA IMPLEMENTAcaO DE UMA ESTAcaO …

1 ARQUITETURA PARA IMPLEMENTA O DE UMA ESTA O TERRENA DE RASTREIO DE SAT LITES PARA AS FAIXAS DE FREQU NCIA VHF E UHF DE RADIOAMADORES Igor Freitas Fagundes1*; Pawel Rozenfeld2; Nelson Jorge Schuch1; Natanael Rodrigues Gomes3; Otavio Santos Cupertino Dur o4; Guilherme Simon da Rosa1 1 Centro Regional Sul de Pesquisas Espaciais CRS/CCR/INPE MCT em colabora o com o Laborat rio de Ci ncias Espaciais de Santa Maria, UFSM, Santa Maria, RS, Brasil. 2 Centro de Rastreio e Controle de Sat lites CRC/INPE MCT, S o Jos dos Campos, SP, Brasil. 3 Depto. de Eletr nica e Computa o DELC/CT UFSM, em colabora o com o Laborat rio de Ci ncias Espaciais de Santa Maria LACESM/CT UFSM, Santa Maria, RS, Brasil. 4 Coordena o de Planejamento Estrat gico e Avalia o CPA/DIR/INPE MCT, S o Jos dos Campos, SP, Brasil. 1. Introdu o O objetivo do trabalho apresentar uma proposta de ARQUITETURA para a implementa o de uma Esta o Terrena de Rastreio de Sat lites para as faixas VHF e UHF de radioamadores.

2 A Esta o Terrena (ET) dever ser implementada no Centro Regional Sul de Pesquisas Espaciais (CRS/CCR/INPE MCT) em parceria com o Laborat rio de Ci ncias Espaciais de Santa Maria (LACESM/CT/UFSM), e tem como objetivo principal estabelecer o enlace de comunica o com o sat lite do Projeto NanosatC-Br. A proposta apresentada uma ARQUITETURA b sica, pois n o compreende os equipamentos para processamento de sinais. O Projeto NanosatC-Br, baseado no padr o CubeSat 1U, um Programa Integrado de Pesquisa Espacial com desenvolvimento de Engenharias, Tecnologias e Ci ncias Espaciais na forma do Nanosat lite Cient fico Brasileiro, o NanosatC-Br. O Projeto tem como objetivo cient fico monitorar as regi es da Anomalia Magn tica do Atl ntico Sul (AMAS) e do Eletrojato da Ionosfera Equatorial sobre o Territ rio Brasileiro [1]. O Projeto conta com a participa o de alunos de gradua o dos cursos de Engenharias El trica e Mec nica, Ci ncia da Computa o e F sica sob a supervis o e orienta o de pesquisadores, tecn logos e professores do INPE e da UFSM.

3 O trabalho apresenta os principais equipamentos e interfaces para o controle por computador, bem como o aplicativo para rastreio de sat lites, os quais comp em a ARQUITETURA proposta. Os aspectos pr ticos de desempenho dos equipamentos e aplicativos foram observados em colabora o com radioamadores da Uni o Santamariense de Radioamadores (USRA). 2. M todo Os equipamentos da ET foram especificados a partir das informa es iniciais do Subsistema de Comunica o de Bordo do sat lite do Projeto NanosatC-Br. O Subsistema, composto por um r dio transceptor e dois conjuntos de antenas, dever ser adquirido da empresa holandesa Innovative Solutions In Space (ISIS). A ISIS uma empresa especializada na produ o e fornecimento de solu es para projetos de pequenos sat lites a qual foi formada inicialmente por participantes do projeto do sat lite Delfi-C3, da Delft University of Technology [2].

4 O transceptor de bordo especificado o modelo TRXUV1200A, apresentado na (a), o qual tem capacidade de opera o full duplex, VHF downlink e UHF uplink, de forma que apto a realizar telemetria, telecomando e beacon atrav s de uma nica placa de circuito impresso. Al m disso, o transceptor compat vel com o computador de bordo utilizado no Projeto modelo FM430-OBC da Clyde Space Ltd. EPS e Pumpkin Inc. As antenas de bordo especificadas pela ISIS [2] s o compostas por um conjunto de antenas distribu das, formado por at quatro antenas tipo fita de no m ximo 55 cm, conforme Fig. 1 (b), as quais s o liberadas ap s o sat lite entrar em rbita. O conjunto de antenas apresenta caracter stica de ganho e diagrama de irradia o que permitem aproximar a resposta do conjunto por uma antena omnidirecional. Como h restri es com rela o s dimens es dos CubeSats, a face superior do suporte do conjunto das antenas pode acomodar pain is solares.

5 * Igor Freitas Fagundes: Fig. 1 (a) Transceptor de bordo TRXUV1200A da ISIS[2] (b) Conjunto de antenas do tipo fita para as faixas de frequ ncia VHF e UHF da ISIS,[2]. Com base nas informa es pr -definidas do Subsistema de Comunica o de Bordo do sat lite do Projeto NanosatC-Br foram estabelecidos os par metros da Esta o Terrena de Rastreio, conforme apresentado na Tab. 1. Foi observada a compatibilidade das caracter sticas da ET proposta com projetos de outras Universidades, a fim de possibilitar a participa o na Global Educational Network for Satellite Operations (GENSO). Par metros da Esta o Terrena de Rastreio para o Projeto NanosatC-Br Descri o dos Par metros Downlink Uplink Faixas de Frequ ncia de Opera o 144-148 MHz 430-440 MHz Pot ncia do transmissor - <100W (emiss o m xima radioamador Classe C) Sensibilidade do Receptor Determinada por c lculo de enlace - Taxa de transfer ncia de dados 1200bps 300-1200bps Modula o Raised-Cosine Binary Phase Shift Keying (BPSK) Audio Frequency Shift Keying (AFSK) Protocolo de Comunica o Para propor a ARQUITETURA b sica da ET foram especificadas as antenas, o rotor e o r dio transceptor com base em equipamentos utilizados por radioamadores.

6 Os equipamentos s o caracterizados por apresentarem custo reduzido e facilidade de integra o e controle por computador, com diversos aplicativos computacionais com c digo aberto, disponibilizados gratuitamente por radioamadores, o que possibilita realizar adequa es ao Projeto, quando necess rio. 3. Resultados e Discuss o Duas possibilidades foram avaliadas para o desenvolvimento de antenas do tipo Yagi-Uda para faixa de frequ ncia VHF: (i) o projeto de antenas a partir de um m todo pr tico e (ii) o reaproveitamento de antenas dispon veis nos Laborat rios do CRS. As antenas devem apresentar polariza o circular, dessa forma necess rio o arranjo de duas antenas Yagi-Uda cruzadas, as quais foram escolhidas por apresentarem maior facilidade para constru o. Para o projeto de antenas Yagi-Uda foi utilizado um m todo pr tico proposto por Viezbicke [3], o qual consiste de uma sequ ncia de etapas para a determina o dos comprimentos e espa amentos entre os elementos a partir de informa es dispostas em gr ficos e tabelas, para o projeto de antenas de 0,2 a 4,2 de comprimento, para opera o em HF, VHF e UHF.

7 O ganho obtido atrav s da simula o de um arranjo linear projetado de 12 elementos no aplicativo 4-NEC2 foi de 14 dBi e o ngulo de meia pot ncia foi de 30 na frequ ncia de 146 MHz. Para o reaproveitamento de antenas dispon veis no CRS, projetadas originalmente para frequ ncia de 151,5 MHz, foram realizadas simula es no aplicativo 4-NEC2 para frequ ncia de interesse. As caracter sticas de ganho e ngulo de meia pot ncia obtidas na simula o de uma antena Yagi-Uda empregando um arranjo linear de 10 elementos foram de 12 dBi e 50 , respectivamente, na frequ ncia de 146 MHz. O resultado da simula o apresenta uma resposta compat vel para utiliza o no Projeto da ET. Para a constru o de antenas para faixa de frequ ncia UHF ser utilizado o projeto apresentado por Sturaro [4], formado por um arranjo de duas antenas Yagi-Uda de 8 elementos cruzadas, com ganho de aproximadamente 12d Bi e ngulo de meia pot ncia de 40 para frequ ncia de 438 MHz.

8 A especifica o do rotor considerou a necessidade de controle dos ngulos de eleva o e azimute, com o objetivo de possibilitar o controle autom tico do apontamento das antenas, proporcionando adi o de precis o ao sistema de rastreio dos sat lites. Como ferramenta para a previs o de rbita e o rastreio dos sat lites, optou-se pela utiliza o do aplicativo Orbitron (vers o ) dispon vel em [5]. Aplicativos computacionais desenvolvidos por radioamadores fornecem a interface entre as informa es do Orbitron e os equipamentos da Esta o (rotor e r dio transceptor). Destes aplicativos optou-se pela utiliza o do WispDEE, o qual opera em ambiente Windows e fornece a interface entre software e hardware para o controle e a opera o dos principais modelos de rotores e r dios utilizados por radioamadores. Na especifica o do rotor buscou-se identificar os principais modelos utilizados por radioamadores que apresentam suporte atrav s dos aplicativos apresentados, com o objetivo de facilitar a integra o dos equipamentos.

9 Outros fatores observados foram a precis o, a disponibilidade de interfaces para o controle por computador e o baixo custo. Atendendo a estas caracter sticas foi sugerida a utiliza o do rotor fabricado pela YAESU modelo G-5500 e a interface de controle por computador GS-232B, conforme apresentados na Fig. 2 Rotor G-5500 e interface de controle por computador GS-232B da YAESU[6] O r dio transceptor para ET foi especificado efetuando uma an lise de c lculo simplificado de enlace baseado no modelo de Propaga o no Espa o Livre. Para o c lculo de enlace de descida (downlink) foram consideradas as informa es do Subsistema de Comunica o de Bordo e a antena VHF dispon vel no CRS de 12 dBi de 10 elementos. Para o c lculo de enlace de subida (uplink) foi utilizada a antena UHF de 12 dBi de 8 elementos. A prov vel rbita de 700 km de altitude foi utilizada para determinar a maior dist ncia poss vel entre o sat lite e a ET, a qual ocorre para ngulo de eleva o das antenas de 0 (aproximadamente km).

10 Na determina o do valor de refer ncia para a sensibilidade do r dio (enlace de descida) foi adicionado um fator de desvanecimento de 10% (para os valores em dBm) para elevar a seguran a do projeto. Dessa forma, conforme a an lise proposta, a sensibilidade m nima dever ser de aproximadamente -125 dBm. Para determinar a m nima pot ncia a ser fornecida ao transmissor da ET (enlace de subida) tamb m foi adicionado o fator de desvanecimento de 10% (para os valores em dBm), obtendo-se a pot ncia de transmiss o de aproximadamente 50 W. Essa pot ncia est de acordo com o limite de 100 W estabelecido para radioamadores da Classe C, conforme regulamentos da Ag ncia Nacional de Telecomunica es (ANATEL). Das especifica es m nimas obtidas com os c lculos de enlace foi desenvolvida a pesquisa dos principais r dios utilizados por radioamadores e projetos de outros CubeSats.