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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
TT&C Baietto, Fodrini, SISTO 3
TELECOMANDO E TELEMETRIA
SECONDO IL CCSDS
Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione
TT&C Baietto, Fodrini, SISTO 4
• CCSDS: Consultative Committee for Space Data Systems
• Modello stratificato ISO/OSI:
– Telecomando: 7 strati
– Telemetria: 4 strati
Standard CCSDS
TT&C Baietto, Fodrini, SISTO 5
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
TT&C Baietto, Fodrini, SISTO 6
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
Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione
TT&C Baietto, FODRINI, Sisto 8
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
TT&C Baietto, FODRINI, Sisto 9
• Parametri relativi agli assi corpo
• Parametri relativi alla posizione
• Parametri relativi alla pressione
• Parametri relativi alla velocità
Dati aeronautici
14.8 kbit/s
TT&C Baietto, FODRINI, Sisto 10
• Sensori: pressione, temperatura, portata
• Pompa centrifuga
• Valvole motorizzate
Dati energetici
304 bit/s
TT&C Baietto, FODRINI, Sisto 11
• Sensori per le celle solari
• Sensori per le batterie tampone
• Microprocessore di gestione
• Temperatura azionamenti
Dati elettrici
832 bit/s
TT&C Baietto, FODRINI, Sisto 12
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
Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione
TT&C BAIETTO, Fodrini, Sisto 14
• 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
TT&C BAIETTO, Fodrini, Sisto 15
• 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
TT&C BAIETTO, Fodrini, Sisto 16
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
TT&C BAIETTO, Fodrini, Sisto 17
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
+
TT&C Baietto, Fodrini, SISTO 18
SCHEMA DI MODULAZIONE E
CODIFICA IN UP-LINK
Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione
TT&C Baietto, Fodrini, SISTO 19
• 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
TT&C Baietto, Fodrini, SISTO 20
Prestazioni a confronto
DOFDM 32 portanti
DOFDM 64 portanti
DOFDM 128 portanti
/4DQPSK DQPSK
GMSK
TT&C Baietto, Fodrini, SISTO 21
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.
TT&C Baietto, Fodrini, SISTO 22
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
TT&C Baietto, FODRINI, Sisto 24
CODIFICA IN DOWN-LINK E
RITARDI DEL SISTEMA
Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione
TT&C Baietto, FODRINI, Sisto 25
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
TT&C Baietto, FODRINI, Sisto 26
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
TT&C Baietto, FODRINI, Sisto 27
Valutazione dei ritardi
Down-linkUp-link
Tup = Tv+Tpck
Deinterlacciatore
In
Out
0 0 1
1 1 0
1 1 0
Tdown=Tv+Tint.
TT&C Baietto, FODRINI, Sisto 28
Distribuzione cumulativa dei ritardi
Pb(e)=1 10-4
Tr = 50 ms
Pr = 99,9%
Teff 33 ms
TT&C BAIETTO, Fodrini, Sisto 29
ANTENNE E
LINK-BUDGET
Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione
TT&C BAIETTO, Fodrini, Sisto 30
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
TT&C BAIETTO, Fodrini, Sisto 31
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
TT&C BAIETTO, Fodrini, Sisto 32
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
TT&C BAIETTO, Fodrini, Sisto 33
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
Volo standard dec/att
|Ptx=1W [dB] 47.9 27.9 53.9PTX [mW]PTX [dBW]
0.163-37.9
16.12-17.9
2.05-26.9
TT&C BAIETTO, Fodrini, Sisto 34
Link-budget in up-link
Volo standard dec/att
|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