W ciągu ostatnich kilku lat technologia satelitarna zrobiła olbrzymi krok naprzód. Nowe satelity pomagają rozpowszechnić technologie transmisji szerokopasmowej, cyfrowego przetwarzania sygnałów i aktywnego kształtowania wiązki. Jednak do pomyślnego planowania i technicznej weryfikacji konstelacji New Space i ich terminali potrzebne są narzędzia programistyczne połączone z najnowocześniejszymi urządzeniami testowymi i pomiarowymi. Wymagane testy i pomiary są bowiem bardzo zróżnicowane, począwszy od charakterystyki aktywnych fazowanych szyków anten, cyfrowych transparentnych procesorów przetwarzających dane DTP (ang. digital transparent processors), systemów regeneracji danych (ang. regenerative payload), a także klasycznych elementów transmisji RF, aż do pomiarów OTA widma częstotliwości aż do pasm Q i V (a czasem nawet na jeszcze wyższych częstotliwościach). W tym artykule zaprezentujemy portfolio produktów Rohde & Schwarz w zakresie testów mikrofalowych i narzędzi programowych, które są w stanie obsłużyć nawet najtrudniejsze etapy rozwoju rozwiązań wymaganych w przypadku satelitów i terminali New Space.

Wstęp

Termin „satelity New Space” odnosi się do najnowszej generacji satelitów z wbudowanym przetwarzaniem sygnałów oraz antenami cyfrowo kształtującymi wiązkę. Z komercyjnego punktu widzenia oznacza to również krótsze cykle życia produktu na orbicie, możliwości produkcji gotowych satelitów komercyjnych (ang. commercial of-the-shelf – COTS), a także nowe obszary zastosowań z innowacyjnymi modelami biznesowymi. Nowe konstelacje satelitów kosmicznych przyniosły również nowych operatorów w branży satelitarnej, którzy wstrząsnęli istniejącym porządkiem i powodują zmianę w tradycyjnym ekonomicznym łańcuchu wartości. W niniejszym opracowaniu przedstawiono ewolucję techniczną satelitów komunikacyjnych w ciągu ostatnich dziesięcioleci. Ponadto przeanalizowano techniki weryfikacji projektu i pomiarów dla satelitów New Space orbity niskiej, średniej i geostacjonarnej oraz nowej generacji terminali użytkownika.

Rysunek 1. Komunikacja satelitarna i komponenty sieci łącza danych

Od tradycyjnych satelitów „bent-pipe” do konstelacji New Space

Klasyczne satelity wystrzeliwane od lat 70. to głównie satelity geostacjonarne (GEO), krążące wokół Ziemi na wysokości około 36 000 km nad poziomem morza. Charakteryzowały się szerokim zasięgiem wiązki i miały raczej proste paraboliczne anteny nadawcze i odbiorcze. Operowały na sygnale z transponderów analogowych składających się ze wzmacniaczy wejściowych, filtrów multipleksera wejściowego (IMUX), przetwornic częstotliwości (mikserów), wzmacniaczy mocy wyjściowej (TWTA) i filtrów multipleksera wyjściowego (OMUX). Ich żywotność na orbicie wynosiła średnio około 15 lat. Są one często określane jako satelity „bent-pipe” tj. „z wygiętą rurą”, ponieważ ich łącza w górę i w dół mają ten sam zasięg i działają jak zwykły przekaźnik w przestrzeni kosmicznej.

Przez dziesięciolecia satelity ewoluowały przede wszystkim pod względem zwiększającego się rozmiaru i mocy użytecznej. Zostało to połączone z nową generacją anten parabolicznych z wieloma konwerterami, o specjalnych kształtach reflektorów. Umożliwiły one bardziej dokładne pokrycie konkretnych obszarów, według wymagań klientów komercyjnych (Tabela 1).

Tabela 1. Techniczna ewolucja satelitów GEO w ciągu trzech dekad.

Rok uruchomienia	Typ satelity	Masa	Moc nadawcza	Szerokość paneli słonecznych	Liczba transponderów
1983	Eutelsat I-FI	1158 kg	1,0 kW	13,8 m	12
2016	SES-9	5271 kg	12,7 kW	48,0 m	57

Satelity te były zawsze projektowane pod kątem określonej lokalizacji orbitalnej i zastosowania u klienta z określonymi wiązkami i przydziałem pasm częstotliwości właściwym pod względem aplikacji. Przetwarzanie sygnału na pokładzie tych satelitów było całkowicie analogowe.

Począwszy od późnych lat 90. branża satelitarna zaczęła się zmieniać. Ogromny sukces internetu w połączeniu z potrzebą łączności na całym świecie zwiększył zapotrzebowanie na szybki dostęp do internetu i telefonii na obszarach wiejskich i oddalonych od cywilizacji. W tym czasie narodziły się wstępne koncepcje konstelacji satelitów szerokopasmowych, takich jak Celestri, Teledesic, Iridium, Globalstar i Skybridge. Konstelacje te zostały zrealizowane w oparciu o orbity niegeostacjonarne, głównie na niskich orbitach okołoziemskich (LEO) połączonych przez wiele bramek i z obsługą terminali użytkownika nowej generacji. Jednak mimo zaangażowania dużych korporacji, te ambitne projekty wciąż były niezwykle kosztowne. Ponadto pojawiły się wyzwania technologiczne i kosztowe dotyczące terminali końcowych. W związku z tym większość projektów konstelacji została porzucona na początku XXI wieku.

W ostatnich latach branża satelitarna w dalszym ciągu rozwija się. Tradycyjne przypadki użycia satelitów zostały wyparte przez transmisję internetową, co doprowadziło do bardziej elastycznego podejścia do wykorzystywania zasobów transpondera. W tym samym czasie ponownie wzrosło zapotrzebowanie na szybkie dostarczanie aplikacji internetowych do odległych i trudno dostępnych obszarów. Doprowadziło to do powstania konstelacji satelitów New Space. Wybitne przykłady to konstelacja O3b średniej orbity okołoziemskiej (MEO) opracowana przez Google i O3b (obecnie SES Networks), a także konstelacje Starlink (SpaceX), Kuiper Systems (Amazon), OneWeb i Telesat LEO.

Te zmiany w branży spowodowały również pojawienie się nowej generacji satelitów GEO. Początkowo były to satelity o wysokiej i bardzo wysokiej przepustowości (HTS i VHTS) zaprojektowane z myślą o wielu zastosowaniach. Korzystały one z wyrafinowanych koncepcji ponownego wykorzystania częstotliwości w paśmie Ka z możliwością częściowego przetwarzania sygnału na pokładzie satelity. Ponieważ przetwarzanie danych na pokładzie satelity było nie tylko trudne pod względem rozpraszania ciepła, ale także dość drogie, początkowe satelity o takiej architekturze miały konstrukcję hybrydową. Zawierały transpondery typu DTH (direct-to-home) bent-pipe z szeroką wiązką w paśmie Ku ale także potrafiły przetwarzać dane HTS w pasmach Ku i Ka. W 2016 roku operator satelitarny SES zamówił satelitę SES-17 z całkowicie cyfrowym przetwarzaniem sygnału. Jednostka funkcjonalna, która obsługuje cyfrowe przetwarzanie sygnału, nazywana jest transparentnym procesorem cyfrowym (DTP). Ten procesor DTP potrafi przetwarzać częstotliwości do 200 GHz, dzielić widmo wejściowe na fragmenty, zmieniać częstotliwość, przesyłać odpowiednie fragmenty we właściwe miejsce i ponownie składać widmo przed transmisją (rysunek 2).

Rysunek 2. Wykorzystanie procesora DTP w SES-17.

Satelita SES-17 ma 186 wiązek punktowych pokrywających widoczną powierzchnię ziemi i umożliwia nieograniczone trasowanie z bardzo drobną rozdzielczością widma w wiązkach. Jednak satelita ten nadal wykorzystuje konwencjonalne wzmacniacze TWTA, wyjściowe multipleksery falowodowe (OMUX) i anteny paraboliczne z wiązkami o stałym obszarze pokrycia.

Kolejnym krokiem dla branży satelitarnej będzie opracowanie i uruchomienie w pełni elastycznych satelitów definiowanych programowo z całkowicie cyfrowym kształtowaniem wiązki. Te satelity będą wykorzystywać najnowsze technologie, takie jak wielowiązkowe anteny sterowane elektronicznie, transparentne lub regeneracyjne cyfrowe przetwarzanie sygnału wewnątrz satelity, a także łączność międzysatelitarną z niezwykle szybkimi procesami przekazywania danych. Transparentne przetwarzanie cyfrowe oznacza brak demodulacji i remodulacji. Innymi słowy, odebrane przebiegi są kierowane z wejścia bezpośrednio do żądanego kanału wyjściowego. Technologia regeneracji danych pozwala zmieniać kształt fali wejściowej pochodzącej ze stacji naziemnej na inny kształt fali na wyjściu satelity. Ta technologia najprawdopodobniej zostanie zastosowana w sieciach NTN w 5G NR (New Radio) i planowanych systemach 6G.

Wraz z terminalami naziemnymi obsługującymi wiele wiązek, nowe systemy satelitarne umożliwią płynną komunikację na wielu orbitach i pozwolą na optymalizację systemów komunikacyjnych pod kątem wielu zastosowań w różnych obszarach geograficznych. W ten sposób systemy satelitarne mogą wreszcie stać się integralną częścią globalnej sieci komunikacyjnej.

Planowanie łącza satelitarnego i pomiary weryfikacyjne systemu

Wraz z pojawieniem się satelitów New Space, narzędzia do planowania i weryfikacji systemu, a także techniki pomiarowe musiały wykonać ogromny skok na przód. Wiele klasycznych obliczeń bilansu łącza i weryfikacji zasięgu oraz pomiarów RF transponderów nie zmieniło się, jednak złożoność nowych konstelacji z ich licznymi i zaawansowanymi satelitami i terminalami wymaga nie tylko znacznie większej dokładności pomiarów, ale także zaawansowanej technologii sterowania i automatyzacji. Ma to kluczowe znaczenie na przykład podczas wykonywania tysięcy pomiarów potrzebnych do sprawdzenia konstrukcji wielowiązkowego szyku fazowanego.

Planowanie łącza satelitarnego

Nowe konstelacje satelitów kosmicznych na orbitach LEO i MEO wymagają precyzyjnego modelowania i optymalizacji. Pozwala to m.in. uniknąć interferencji z innymi konstelacjami lub naziemnymi sieciami mikrofalowymi. Modelowanie obejmuje bilans łącza, który uwzględnia warunki pogodowe i efekty atmosferyczne, optymalizację wykorzystania (szerokopasmowego) transpondera oraz symulacje degradacji sygnału z powodu intermodulacji i/lub innych źródeł zakłóceń. Ponieważ wszystkie satelity (i konstelacje) wymagają zatwierdzenia przez organy regulacyjne, narzędzie do planowania musi być zgodne z wymogami w różnych krajach i być w stanie generować odpowiednią dokumentację.

Rysunek 3. Zarządzanie scenariuszami z wieloma nośnymi

Narzędzie do planowania łączy satelitarnych R&S GSASLP spełnia wszystkie te wymagania. Jest to potężne oprogramowanie, które pomaga inżynierom w projektowaniu dowolnego systemu komunikacji satelitarnej. Pozwala na wykonanie bilansu łącza z dużą bazą danych istniejących satelitów, w tym ich zasięgiem i odpowiednimi zaleceniami ITU dotyczącymi warunków atmosferycznych oraz ograniczeń mocy nadawania na konkretnych częstotliwościach i lokalizacjach. Ponadto narzędzie zawiera obszerną bazę danych modemów łączności satelitarnej różnych rodzajów. R&S GSASLP potrafi symulować złożone scenariusze z wieloma nośnymi i konfigurować parametry poszczególnych nośnych w taki sposób, aby jak najwięcej z nich osiągnęło wymaganą szybkość transmisji danych przy jak najmniejszym zużyciu przepustowości i mocy.

Rysunek 4. Modelowanie anten i analiza interferencji

Podczas modelowania łącza satelitarnego należy również zwrócić uwagę na efekty liniowe i nieliniowe w transponderze satelitarnym. Efekty te obejmują odchyłki wzmocnienia i opóźnienie grupowe w filtrach IMUX i OMUX oraz konwersję AM/AM i AM/PM we wzmacniaczach mocy. Parametry te można łatwo scharakteryzować za pomocą modułu symulacji transpondera w R&S GSASLP.

Coraz popularniejszym trendem w nadchodzących latach będą usługi mobilne, czyli świadczenie usług komunikacyjnych użytkownikom będącym w ruchu. Planowanie usług łączności satelitarnej (SATCOM) i operacji bezzałogowych statków powietrznych (UAV) może być wymagającym zadaniem. W oparciu o daną trasę i wymagany zasięg, a także określone wymagania dotyczące szybkości transmisji danych, R&S GSASLP wyszukuje najlepsze dostępne transpondery w różnych interesujących pasmach SATCOM [1].

Rysunek 5. Planowanie i optymalizacja tras satelitów komunikacyjnych

Pomiary weryfikacyjne systemu

Podczas projektowania i weryfikacji systemów satelitów New Space oraz ich terminali i bramek wymaganych jest wiele skomplikowanych pomiarów. Ponieważ systemy LEO/MEO i GEO wykorzystujące elektroniczne anteny kształtujące wiązkę mogą wytwarzać bardzo dużą liczbę wiązek o złożonym zasięgu, konieczna jest wyrafinowana automatyzacja pomiarów.

Rysunek 6 przedstawia podstawową konfigurację do testowania pasywnego szyku fazowanego [2]. Wektorowy analizator sieci R&S ZNA służy do generowania do czterech sygnałów koherentnych fazowo, które są dostarczane do anten. Analizator sygnału i widma R&S FSW wykonuje pomiary poziomu sygnałów. Do sterowania obrotnicą anteny i sekwencjami pomiarowymi służy oprogramowanie wykonawcze R&S QuickStep. Szeroki zakres dynamiczny R&S ZNA pozwala na dziesięciokrotnie szybsze pomiary. Ulepszona funkcja wyzwalania i synchronizacji w R&S ZNA prowadzi do znacznie dokładniejszych pomiarów, ponieważ pozycjoner i wyzwalacz mogą być dokładnie dopasowane za pomocą specjalnych funkcji, takich jak przemiatanie segmentowe, wyzwalanie kaskadowe i innych.

Rysunek 6. Charakteryzacja pasywnego szyku fazowanego

Inne nowe wyzwanie pomiarowe w nowoczesnych systemach satelitarnych związane jest z wykorzystaniem aktywnych szyków fazowanych. Wszystkie aktywne układy kształtujące wiązkę będą wymagały regularnej ponownej kalibracji na orbicie. Dzięki pomiarom OTA (over-the-air) można scharakteryzować względną fazę i amplitudę każdego elementu anteny, co pozwoli wykorzystać je w procesie ponownej kalibracji. Zapewni to najdokładniejsze pokrycie wymaganego obszaru.

W zależności od rodzaju satelity i jego obszarów pokrycia, operator może potrzebować kilku stacji kalibracyjnych na całym świecie. W zastosowaniach, w których źródłem ma być sygnał zmodulowany, R&S ZNA jest zastępowany przez generator sygnału, który dostarcza sygnał zmodulowany. Przykładowo, generator R&S SMW200A obsługuje wszystkie standardy komunikacyjne istotne w branży satelitarnej, w tym DVB-S2/DVB-SX.

Rysunek 7. Rozwiązania testowe over-the-air (OTA) firmy Rhode & Schwarz

Do wytworzenia sygnałów koherentnych fazowo można użyć kilku generatorów sygnału przy sprzężeniu oscylatorów lokalnych (LO). Aby zapewnić powtarzalne warunki pomiarowe niezależne od środowiska, Rohde & Schwarz oferuje szeroką gamę komór pomiarowych OTA dla szerokiej gamy różnych anten. Pomiary OTA są wymagane zawsze, gdy anteny zawierają elementy aktywne. Portfolio obejmuje zakresy od pomiarów bliskiego do dalekiego pola, a także kompaktowe komory testowe s(CATR) zaimplementowane w różnych rozmiarach. Przegląd komór bezechowych i ich wnętrza pokazano na rysunku 7. W nadchodzących mega-konstelacjach satelitów wymagana będzie duża liczba terminali użytkowników. Kompaktowe komory testowe, takie jak R&S ATS1800C, idealnie spełniają wymagania testowe rynku masowego. Rohde & Schwarz może zapewnić odpowiednie wsparcie dzięki głębokiej znajomości kryteriów standaryzacji i zgodności 3GPP w odniesieniu do integracji sieci NTN (non-terrestial network) z naziemnymi sieciami komunikacji mobilnej.

Rysunek 8. Monitoring pracy satelity na orbicie.

Satelity New Space będą w coraz większym stopniu wykorzystywać widmo o wyższej częstotliwości, powyżej tradycyjnie używanych pasm L, S, C i Ku, zwłaszcza do komunikacji z bramami transmisyjnymi i łączności międzysatelitarnej. Od kilku lat transmisje satelitarne HTS i VHTS wykorzystują już część widma pasma Ka (zwykle od 27,5 GHz do 29,5 GHz) jako kanał zwrotny. Przyszłe satelity będą wyposażone w transpondery działające w pasmach Q i V (od 33 GHz do 75 GHz). W tych pasmach możliwe będą szerokopasmowe transmisje z kanałami o szerokościach pasma nawet do kilku GHz. Takie transmisje będą oparte na standardzie DVB-S2X i umożliwią zwiększenie wydajności i przepustowości.

Rohde & Schwarz oferuje kompletne portfolio sprzętu do pomiarów systemów satelitarnych zarówno przed, jak i po umieszczeniu na orbicie. Dostępne są rozwiązania niedrogie, ze średniej półki, ale także systemy najwyższej klasy.

Najważniejsze z tej gamy produktów to seria analizatorów sygnału i widma R&S FSW z wewnętrznym pasmem analizy 8,3 GHz plus 800 MHz pasma analizy w czasie rzeczywistym w zakresie częstotliwości do 90 GHz (do 500 GHz z zewnętrznymi mikserami), seria wektorowych analizatorów sieci R&S ZNA z czterema wewnętrznymi, koherentnymi fazowo źródłami, obsługujący częstotliwości do 67 GHz widmem z niezwykle szerokim zakresem dynamiki [3] oraz duży wybór generatorów sygnałów cyfrowych i analogowych, takich jak R&S SMW200A dla częstotliwości do 44 GHz z dwoma torami RF lub do 67 GHz z jednym torem RF [4].

Rysunek 9. Zestaw testowy do komunikacji satelitarnej i łącza danych

Wnioski

Po dziesięcioleciach pracy klasycznych satelitów typu „bent-pipe” ze statycznym obszarek pokrycia i bardzo ograniczoną liczbą wiązek, bram i terminali użytkowników, branża przechodzi na następną generację w pełni elastycznych satelitów z wbudowanym przetwarzaniem sygnałów. Satelity New Space i konstelacje satelitów na niegeostacjonarnych orbitach będą wspierać cywilną i rządową komunikację satelitarną na nowym i niespotykanym dotąd poziomie elastyczności, umożliwiając mnóstwo innowacyjnych aplikacji. Rozwój nowoczesnych szyków fazowanych umożliwi powstanie wielowiązkowych terminali naziemnych i konfigurowalnych łącz satelitarnych, umożliwiając operatorom rekonfigurację kanałów komunikacji w przestrzeni, aby sprostać zmieniającym się wymaganiom użytkowników.

Te ekscytujące nowe możliwości są także związane z licznymi nowymi wymaganiami dotyczącymi testów i pomiarów dla inżynierów projektujących i aplikacyjnych, a także producentów i operatorów satelitów. Aby określić i zweryfikować zasięg szyków antenowych oraz przetestować szerokopasmowe wzmacniacze mocy wymaganych jest wiele zautomatyzowanych pomiarów oraz użycie najnowocześniejszego sprzętu.

Sprzęt testowy i pomiarowy opisany w tym artykule to tylko część szerokiej gamy rozwiązań do testowania satelitów oferowanych przez firmę Rohde & Schwarz. Wraz z narzędziami programowymi, takimi jak narzędzie do planowania łączy satelitarnych R&S GSASLP, rozwiązania te mogą obsłużyć wszystkie testy i pomiary konstelacji New Space, które są wymagane podczas planowania, projektowania i weryfikacji systemu.

Bibliografia

[1] R&S GSASLP Satellite Link Planner, broszura produktowa Rohde & Schwarz, PD 3683.4561.12, Version 01.00, listopad 2021

[2] Measurement of Beamforming Antenna in Transmit Mode, nota aplikacyjna Rohde&Schwarz, M. Reil, G. Lloyd, M. Naseef, T. Bednorz, 2017, www.rohde-schwarz.com/appnote/1MA278

[3] Group Delay Measurement on Frequency Converting Devices, nota aplikacyjna Rohde&Schwarz, T. Bednorz, 2019, www.rohde-schwarz.com/appnote/1EZ81

[4] Multi-Channel Signal Generation Applications with R&S®SMW200A – Overview, nota aplikacyjna Rohde&Schwarz, S. Ache, 2018, www.rohde-schwarz.com/appnote/1GP106