Relatori: Mario PENT Marina MONDIN Fabio DOVIS Candidati: Francesco BAIETTO Maurizio FODRINI...

TT&C Baietto, Fodrini, Sisto

Relatori:

Mario PENTMarina MONDINFabio DOVIS

Candidati:

Francesco BAIETTOMaurizio FODRINIMaurizio SISTO

POLITECNICO DI TORINO

TT&C Baietto, Fodrini, SISTO 2

• Scopo: studio del sistema di telecomando e telemetria per piattaforme stratosferiche

Introduzione al problema

• HALE (High Altitude Long Endurance)

Heliplat


TELECOMANDO E TELEMETRIA

SECONDO IL CCSDS

Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione


• CCSDS: Consultative Committee for Space Data Systems

• Modello stratificato ISO/OSI:

– Telecomando: 7 strati

– Telemetria: 4 strati

Standard CCSDS


Coding Layer

Physical Layer

TC Frame FRM HDR

5 bytes Up to 1017 bytes

CRC

2 bytes

2 bytes

TAIL

Up to 8 bytes

Up to 1152 bytes

START

Codice BCH

56 bits

63 bits

56 bits

63 bits

…

CLTU

Telecomando: strati trasmissivi


Channel Access Layer

Physical Access Layer

…

Transfer Frame

stream of bits

2° HDR

Up to 64 bytes

Up to 1048 bytes

CRC

4 bytes

FRM HDR CLCW

2 bytes6 bytes

Codice concatenato

223 bytes

510 bytes

223 bytes

510 bytes

Telemetria: strati trasmissivi

TT&C Baietto, FODRINI, Sisto 7

ANALISI DEL FLUSSO DATI



Celle solari Motori

Controllo velivolo

UtenzeSistema

energetico

I

A

B

Struttura del sistema

Serbatoio idrogeno

Serbatoio acqua

PompaElettrolizzatore

Serbatoio ossigeno

Celle a combustibile

Dal motore Energia generata

Energia dalle celle solari

W

P T

P T

P T

P TP T

W

W

W

W

VM

VM

angolo di rollio

angolo di pitch

true heading

Z

X

Y

q

r

p


• Parametri relativi agli assi corpo

• Parametri relativi alla posizione

• Parametri relativi alla pressione

• Parametri relativi alla velocità

Dati aeronautici

14.8 kbit/s


• Sensori: pressione, temperatura, portata

• Pompa centrifuga

• Valvole motorizzate

Dati energetici

304 bit/s


• Sensori per le celle solari

• Sensori per le batterie tampone

• Microprocessore di gestione

• Temperatura azionamenti

Dati elettrici

832 bit/s


Flusso dati complessivo

32 kbit/s

Down-linkUp-lin

k

32 kbit/s

(100 kbit/s)

TT&C BAIETTO, Fodrini, Sisto 13

IL CANALE DI PROPAGAZIONE



• Canale tempo variante

Cammini multipli

• Interferenza distruttiva o costruttiva

• Distorsioni in ampiezza

t0

t0+

t1 t1+11 t1+12

t

t2 t2+21 t2+22

t

• La risposta all’impulso è del tipo h(t,)

TX RX


• Ogni raggio riflesso è affetto da

attenuazione, sfasamento e shift Doppler differenti

Doppler e multipath diffuso

v

RXv

• Incremento della larghezza di banda quantificato con lo spettro di potenza

Spettro di potenza normalizzato del segnale

• Processo simulato:– modulo alla Rayleigh– fase uniforme


Modello generale del canale

Traslazione in frequenza di FD

(Singola riflessione)1

+

Generatore di rumore

gaussiano bianco

x(t)

(Singola riflessione)2

(Singola riflessione)i

(Singola riflessione)N

S(t)Ard

Ritardo i(AT)i

ProcessoGaussiano

ProcessoGaussiano

j

Processo casuale alla

Rayleigh con fase uniforme

(Singola riflessione)i


Schema simulativo utilizzato

Segnale modulato Traslazione in

frequenza di FD

Generatore di processo casuale alla

Rayleigh con fase uniforme

+ Guadagno

Generatore di rumore gaussiano

bianco

al ricevitoreGuadagno

Guadagno

GFAD

GDBRXGpot

+


SCHEMA DI MODULAZIONE E

CODIFICA IN UP-LINK



• Simulazioni con TOPSIM IV:– Bit rate utilizzato: 100 kbit/s– Modello del canale parametro GFAD– Velocità radiale della piattaforma = 200 km/h

• Modulazioni simulate: – DOFDM, DQSPK, /4 DQPSK, GMSK

Modulazioni esaminate


Prestazioni a confronto

DOFDM 32 portanti

DOFDM 64 portanti

DOFDM 128 portanti

/4DQPSK DQPSK

GMSK


Interazione tra strato di codifica e fisico

A terra A bordoTransfer Layer

ARQ

comando

BCH

Modulatore, Canale, DemodulatorePhysical Layer

Coding Layer

BCH

esecuzione

RS

Interl.

Conv.

RS

Deinterl.

Conv.


Decollo e atterraggio

dBN

Eb 270

Volo standard

dBN

Eb 100

Prestazioni codifica BCH (63,51)

GFAD=-12dB

Pb(e) 5 10-4

Pb(e) 8 10-4

GFAD=10dB

TT&C Baietto, Fodrini, SISTO 23Pb(e) = 5 10-4

Prestazioni ARQ

• Volo standard

Pb(e) = 8 10-9

• Decollo e

atterraggio

Pb(e) 8 10-4

Pb(e) 1 10-8

Pb(e) = 8 10-9Pb(e) 1 10-8


CODIFICA IN DOWN-LINK E

RITARDI DEL SISTEMA



Prestazioni codifica Convoluzionale (2,1,7)

Volo standard

dBN

Eb 100

Decollo e atterraggio

dBN

Eb 270

GFAD=-10dB

Pb(e) 1 10-4

GFAD=10dB

Pb(e) 7 10-5


Prestazioni codifica di Reed-Solomon (31,23)

Pb(e) = 2 10-12

• Volo standard

Pb(e) = 2 10-12

• Decollo e

atterraggioPb(e) = 1 10-13

Pb(e) = 1 10-13

Pb(e) 1 10-4Pb(e) 7 10-5


Valutazione dei ritardi

Down-linkUp-link

Tup = Tv+Tpck

Deinterlacciatore

In

Out

0 0 1

1 1 0

1 1 0

Tdown=Tv+Tint.


Distribuzione cumulativa dei ritardi

Pb(e)=1 10-4

Tr = 50 ms

Pr = 99,9%

Teff 33 ms


ANTENNE E

LINK-BUDGET



Sistema di terra

• Guadagno elevato

• Condizione sull’elevazione 90°

• Condizione sull’azimut 10°

• Scansione elettronica del fascio

riduzione illuminazione

inseguimento Antenna a ventaglio

90°

10°

x

z


N = 11 dipoli D = 765 mm h = 44 mm

Dimensionamento delle antenne di terra

• Distribuzione di ampiezza delle correnti

• Scansione elettronica

• Dimensionamento

D

ddipolo/ 2

h

D

ddipolo/ 2

• Distribuzione d’ampiezza a coseno

• Distribuzione d’ampiezza a coseno quadrato

G =16,9 dB

Coseno quadrato G = 16,9 dB ; SLL = 20,8 dB

• Sfasamento massimo tra i dipoli max = 135,4o

14,7°

G = 15,4 dB

Scansione massima 93,6°

• Sintesi FTM (Fourier Transfer Method)93,6°

SLL=20,8 dB


Antenne di bordo

• Polarizzazione circolare e apertura circa 180°

• Sistema di antenne con meccanismo di gestione

• Soluzioni studiate:

- Dipoli incrociati G 6 dB

- Antenna a elica

SLL = 22 dB62°

G = 10,2 dB ; SLL = 22 dB


Link-budget in down-link

Pn [dBW] [dB]

-152.3 -152.3 -152.37 11.8 7

27.1 27.1 27.1minimo [dB]Gantenne [dB]0 [dB]

Pb(e) target 10-4 10-4 10-4

10 10 27

124.5 139.7 118.5

Volo standard dec/att

7 11.8 7-152.3 -152.3 -152.3

10 10 27

124.5 139.7 118.527.1 27.1 27.1

minimo [dB]Gantenne [dB]0 [dB]Pn [dBW] [dB]

Pb(e) target 10-4 10-4 10-4


|Ptx=1W [dB] 47.9 27.9 53.9PTX [mW]PTX [dBW]

0.163-37.9

16.12-17.9

2.05-26.9


Link-budget in up-link


|Ptx=1W [dB] 51.3 31.3 57.3PTX [mW]PTX [dBW]

0.075-41.3

7.39-21.3

0.94-30.3

Pb(e) target = 10-3

Rb

32 kbit/s

46.3 26.4 52.3|Ptx=1W [dB]

0.234-36.3

23.1-16.4

2.9-25.3

PTX [mW]PTX [dBW]Rb

100 kbit/s

TT&C Baietto, Fodrini, Sisto 35

• Applicabilità dello standard CCSDS

• Analisi del flusso dati

• Modellizzazione del canale di propagazione

• Scelta dello schema di modulazione

• Prestazioni delle tecniche di codifica

• Studio del sistema di antenne

• Calcolo del link-budget

Studio del sistema TT&C per Heliplat

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