دانلود رایگان مقاله آزمایش سیستم ارتباطی ماهواره Mit Castor

چکیده 

            رانشگر ماهواره ی آند کاتد برای انباشتگی مداری (CASTOR) یک مانور مداری و گذرگاه میکرو ماهواره ای است که در آزمایشگاه سیستم فضایی MIT ساخته شده است. هدف فنی ماموریت کسب 1 km/s از delta-V در طول یکسال ماموریت در مدار پایین زمین است (LEO). این هدف با استفاده از یک سیستم نیروی محرکه ی الکتریکی یعنی میدان پیشرانش واگرای نوک دار (DCFT) است که تغییرات مداری با بازدهی بالا برای ماهواره ی کلاس حلقه ی ESPA را مقدور می سازد. CASTOR قادر به بهبود دسترسی سریع به ظرفیت های فضایی با ارائه ی یک پلتفرم انتقال مداری با یک عملکرد بسیار بالا نسبت به جرم و از این رو کاهش زیاد هزینه های پرتاب و اجازه دادن به مانور مداری بسیار کارآمد است. علاوه بر این، CASTOR بسیار مقیاس پذیر و مدولار است یعنی اجازه می دهد تا به دامنه ی وسیعی از مقیاس ها و کاربردها سازگار شود. CASTOR به عنوان بخشی از برنامه ی نانوماهواره ای دانشگاه (UNP) ساخته شده که بوسیله ی آزمایشگاه تحقیقات نیروی هوایی تامین مالی شده است (AFRL).

              به منظور محقق ساختن هدف ماموریت CASTORT  لازم است تا یک سیستم ارتباطی به شدت بهینه شده، مقیاس پذیر، سبک وزن و کم هزینه ساخته شود. این محدودیت ها به توسعه ی مطالعات تجاری برای انتخاب معماری نهایی سیستم ارتباطی دلالت می کنند. لازم به ذکر است که سیستم ارتباطی نهایی  قادر به بیشینه کردن مقدار اطلاعات انتقال داده شده است در حالی که اعتبار، افزونگی و جرم محدودشده، مصرف انرژی و هزینه را تضمین می کند. همچنین توجهی ویژه به تضمین سیستم ارتباطی معتبر در هنگام سقوط نیاز یا در هنگام جابه جایی قوی داپلری مورد نیاز است. باید ذکر کرد که جابه جایی قوی داپلر به علت ظرفیت های بالای delta-V دستگاه اجتناب ناپذیر است. ویژگی های مختلفی برای محقق کردن تمام نیازمندی های ماموریت به طراحی سیستم ارتباطی این ماموریت تخصیص داده شد.به طور خاص، آنتن های سفارشی ایجاد شدند و پروتوکل ارتباطی سفارشی طراحی و پیاده سازی شد. سیستم ارتباطی از طریق یک کمپین آزمایش شدت که شامل آزماش های نرم افزاری در آزمایشگاه، آزمایش های سخت افزاری در اتاق بدون پژواک و در آزمایش های پرواز بوسیله ی آزمایش بالن معتبر می شدند.

            این مقاله یک بررسی اجمالی از ماموریت CASTOR ، یک ارائه از تحلیل مطالعات تجاری و معماری ارتباطی انتخاب شده ی نهایی، تعریفی از آنتن سفارشی ساخته شده و از پروتوکل سفارشی طراحی شده و یک ارائه از نتایج آزمایش های انجام شده را ارائه می دهد.

1. دیباچه

           رانشگر ماهواره ی آند کاتد برای انباشتگی مداری (CASTOR) یک مانور مداری و گذرگاه میکرو ماهواره ای است که در آزمایشگاه سیستم فضایی MIT ساخته شده است. هدف فنی ماموریت کسب 1 km/s از delta-V در طول یکسال ماموریت در مدار پایین زمین است (LEO). این هدف با استفاده از یک سیستم نیروی محرکه ی الکتریکی یعنی میدان پیشرانش واگرای نوک دار (DCFT) است که تغییرات مداری با بازدهی بالا برای ماهواره ی کلاس حلقه ی ESPA را مقدور می سازد. DCFT یک موتور سفارشی تولید شده در آزمایشگاه نیروی محرکه ی فضایی MIT است و محموله ی اولیه برای ماموریت خواهد بود. به خاطر این سیستم نیری محرکه ی جدید، CASTOR قادر به بهبود دسترسی سریع به ظرفیت های فضایی از طریق فراهم کردن یک پلتفرم انتقال مداری با عملکرد بسیار بالا نسبت به جرم است که باعث کاهش زیاد هزینه های پرتاب و مقدور ساختن مانور مداری بسیار کارآمد می شود. ماموریت اینده که رسیدن به ظرفیت های انتقال مداری سریع را هدف قرار داده، بهره ی زیادی از این تکنولوژی خواهد برد. علاوه بر آن CASTOR بسیار مقیاس پذیر و مدولار است  که امکان سازگاری با دامنه ی وسیعی از مقیاس ها و کاربردها را می دهد. در واقع این ماموریت، اولین ماموریت از سری های ماموریت است. وقتی که ظرفیت های پیشرانه ها در مدار نشان داده شود، نسخه های ارتقا یافته ی CASTOR که آزمایش های علمی متفاوتی حمل می کنند، پرتاب خواهند شد.

             CASTOR کاملا در MIT در طول دو دوره از کلاس سه ترمی capstone ساخته شده است. لازم به ذکر است که دانشجویان در کلاس سه ترمی capstone بوسیله ی تجربه های عملی یادمی گیرند چطور یک وسیله ی حمل و نقل فضایی طراحی کرده و بسازند. این کلاس بخشی از پروژه ی CDIO است که بر روی :"کمک کردن به دانشجویان کارشناسی برای ساخت مهارت، ابزار و شخصیتی که به عنوان رهبرهای آینده در دنیای عمل مهندسی به آن نیاز دارند" است.

           CASTOR بخشی از رقابت برنامه ی ششم نانو ماهواره ی دانشگاه نیز بوده است (UNP). این رقابت از طرف آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی هوایی (AFRL) با هدف افزایش توسعه در ماموریت های فضایی ساخته ی دانشجویان تامین مالی شده است.

             به منظور محقق ساختن اهداف ماموریت CASTOR، نیاز است تا سیستمی ارتباطی با بهینه شدگی بالا، مقیاس پذیر، سبک وزن و کم هزینه ساخت شود. این محدودیت ها پیشرفت مطالعات تجاری برای انتخاب معماری سیستم ارتباطی نهایی را نشان می دهد که این سیستم در حالی که اعتبار، افزونگی و محدودیت جرم، مصرف انرژی و هزینه را تضمین می کند، قادر به بیشینه کردن مقدار داده ها ی انتقال یافته نیز می باشد.

             به طور خاص، مشخص شده که امکان سنجی و پوشش برای اثبات ظرفیت سیستم انتقال همه ی داده های علمی برای محقق ساختن ماموریت مورد نیاز است. همچنین، تاکیدی شدید بر افزونگی سیستم شده است. طراحی کنونی کاملا حشو است : سه آنتن و دو فرستنده و گیرنده سیستمی کاملا معتبر ارائه می کند در حالیکه پوششی کامل از فضاپیما را نیز تضمین می کند. تضمین سیستم ارتباطاتی معتبر در هنگام لرزه یا در هنگام انتقال داپلر شدیدکه به خاطر ظرفیت های بالای delta-V دستگاه اجتناب ناپذیر است، مورد توجه ویژه ای قرار گرفته شده. برای کاهش هزینه، سیستم منحصرا با ساخت سفارشی یا محصولات COTS ساخته شده است.

            در ضمن، ویژگی های مختلفی در طراحی سیستم ارتباطی مخصوصا برای این ماموریت نشان داده شده اند. انتن های وصله ی سفارشی ساخته شده اند و یک پروتوکل ارتباطی بهینه طراحی و به کار برده شده است.

             از نظر سهم موروثی، سیستم ما برخی شباهت ها با پروزه های قبلی دانشگاه دارد. مخصوصا، فرستنده و گیرنده ی ما (MHX2420) پیش از این به طور موفقیت آمیزی در ماموریت های فضایی مختلفی حی در نرخ داده ها ی بالا (MAST) مورد آزمایش قرار گرفته (Genesat,Pharmasat). این ماموریت ها اعتبار بالای این فرستنده و گیرنده را اثبات کردند. در نتیجه، ما این فرستنده و گیرنده را همانند سایر ماموریتها ی در حال توسعه ی کنونی انتخاب کردیم (Oculus [5], Yusend [6], Hermes [7]).

            برای طراحی آنتن، پروزه های دانشگاهی مختلفی در حال حاضر در حال ساخت آنتن سفارشی هستند (helicoidally[8] or patch [9]). طراحی ما مشابه به روش شناسی دنبال شده در 9 است اما برای ماموریت ما به شدت بهینه شده است.

         تلاش های پیشرفت پروتوکل کنونی در ماموریت ماهواره ی کوچک شامل کار انجام شده بوسیله ی ماموریت CanX-2 [10] با NSP جدید (پروتوکل نانو ماهواره)، نسخه ای سفارشی از DLC است. به طریق دیگر، پروتوکل سفارشی ما بر روی سطح انتقال متمرکز شده است (اولین لایه ها بوسیله ی استاندارد 802.11g استاندارد شده است). و این مسئله ویژگی های کارآمدی برای یک مکانیزم ARQ متفاوت در تابع نوع ارسال بسته ارائه می دهد.

Abstract

              Cathode Anode Satellite Thruster for Orbital Reposition (CASTOR) is an orbital manoeuvre and transfer micro-satellite bus developed at MIT Space System Laboratory. The technical objective of the mission is achieving 1 km/s of delta-V over a 1 year mission in Low Earth Orbit (LEO). This will be accomplished using a novel electric propulsion system, the Diverging Cusped Field Thruster (DCFT), which enables high efficiency orbital changes of the ESPA-ring class satellite. CASTOR is capable of improving rapid access to space capabilities by providing an orbital transfer platform with a very high performance to mass ratio, thus greatly reducing launch costs and allowing for highly efficient orbital manoeuvre. Furthermore, CASTOR is highly scalable and modular, allowing it to be adapted to a wide range of scales and applications. CASTOR is developed as part of the University Nanosatellite Program (UNP) funded by Air Force Research Laboratory (AFRL).

              In order to accomplish CASTOR mission objective, a highly optimized, scalable, light weight, and low cost communication system needed to be developed. These constraints imply the development of trade studies to select the final communication system architecture able to maximize the amount of data transmitted, while guaranteeing reliability, redundancy and limited mass, power consumption, and cost. A special attention is also required to guarantee a reliable communication system in cases of tumbling, or in case of strong Doppler shift which is inevitable due to the high delta-V capabilities of the vehicle. In order to accomplish all the mission requirements, different features have been introduced in the design of the communication system for this mission. Specifically, customized patch antennas have been realized, and a customized communication protocol has been designed and implemented. The communication subsystem has been validated through an intense testing campaign which included software tests in the laboratory, hardware tests in anechoic chamber, and in flight tests through a balloon experiment.

           The article presents an overview of CASTOR mission, a presentation of the trade studies analysis and of the final communication architecture selected, a description of the customized antenna developed, of the customized protocol designed, and a presentation of the results of the tests performed.

1. Introduction

          Cathode Anode Satellite Thruster for Orbital Reposition (CASTOR) is an orbital manoeuvre and transfer microsatellite bus developed at MIT Space System Laboratory. The technical objective of the mission is achieving 1 km/s of delta-V over a 1 year mission in Low Earth Orbit (LEO). This will be accomplished using a novel electric propulsion system the Diverging Cusped Field Thruster (DCFT), which enables high efficiency orbital changes of the ESPA-ring class satellite. The DCFT is a customized engine developed at MIT Space Propulsion Laboratory, and it will be the primary payload for the mission. Due to this novel propulsion system, CASTOR is capable of improving rapid access to space capabilities by providing an orbital transfer platform with a very high performance to mass ratio, thus greatly reducing launch costs and allowing for highly efficient orbital manoeuvre. Future missions that aim to achieve rapid orbital transfer capabilities will take great advantage from this technology. Furthermore, CASTOR is highly scalable and modular, allowing it to be adapted to a wide range of scales and applications. This mission is in fact the first of a series of missions. When the capabilities of the thrusters will be demonstrated in orbit, upgraded versions of CASTOR will be launched carrying different scientific experiments.

             CASTOR has been developed entirely at MIT during two cycles of a three terms capstone class in which students learn thorough hands-on experience how to design and build a space vehicle. This class is part of the CDIO project which is focused on: ‘helping MIT’s undergraduate engineering students to develop the skills, tools, and character they will need as future leaders in the world of engineering practice’ [1].

           CASTOR has also been part of the sixth University Nanosatellite Program (UNP) Competition [2]. This competition is funded by Air Force Research Laboratory (AFRL), with the goal of increasing the development of students’ built space missions.

             In order to accomplish CASTOR mission objective, a highly optimized, scalable, light weight, and low cost communication system needs to be developed. These constraints imply the development of trade studies to select the final communication system architecture able to maximize the amount of data transmitted, while guaranteeing reliability, redundancy and limited mass, power consumption, and cost.

            Specifically, coverage and feasibility study have been realized to prove the capability of the system of transmitting all the science data required to accomplish the mission. Also, great emphasis has been given to system redundancy. The current design is fully redundant: three antennas and two transceivers provide a completely reliable system while guaranteeing a complete coverage of the spacecraft. A special attention has been given to guarantee a reliable communication system in cases of tumbling, or in case of the strong Doppler shift which is inevitable due to the high delta-V capabilities of the vehicle. To reduce cost, the system has been realized exclusively with custom made or COTS products.

            Moreover, in order to accomplish all the mission requirements, different features have been introduced in the design of the communication system for this mission. Specifically, customized patch antennas have been realized, and a customized communication protocol has been designed and implemented.

           In terms of space heritage, our system shares some similarities with previous university projects. Specifically, our transceiver (MHX2420) has been already successfully tested in different space missions (Genesat [3], Pharmasat), even at high data rate (MAST [4]). These missions proved the high reliability of this transceiver. Consequently, we selected it as well as other missions currently under development (Oculus [5], Yusend [6], Hermes [7]).

            For the antenna’s design, different university projects are currently developing customized antenna (helicoidally [8] or patch [9]). Our design is similar in the methodology followed in [9], but it is highly optimized for our mission.

         Current protocol development efforts in small satellite mission include the work done by CanX-2 [10] mission with the new NSP (nanosatellite protocol), a customized version of DLC. Differently, our customized protocol is focused on transport level (the first layers are standardized through 802.11g standard), and it provides the efficient feature of a different ARQ mechanism in function of the type of packet sent.

چکیده
1. دیباچه
2. بررسی اجمالی ماموریت
3. بررسی اجمالی سیستم ارتباطی
3.1. نرخ داده و تحلیل داپلر
3.2. سیتم زمینی
3.3. تحلیل اتصال
3.4 تحلیل امکان پذیری
4. سخت افزار سیستم ارتباطی
4.1. طراحی آنتن
4.2. مودم و جدا کننده
5. پروتوکل سیستم ارتباطی
5.1. لایه های استاندارد شده : لایه ی فیزیکی و لایه ی اتصال داده
5.2. لایه ی سفارشی ساخته شده: لایه ی انتقال
6. آزمایش کردن و نتایج
6.1. آزمایش های سخت افزار
6.1.1. آزمایش های آنتن
6.1.2. آزمایش های مودم و جداکننده
6.2. آزمایش های نرم افزار
6.2.1. آزمایش Flatsat
6.2.2. آمون شات
6.2.3. آزمایش اتاق خلا 
7. نتیجه گیری
منابع

Abstract
1. Introduction
2. Mission overview
3. Communication system overview
3.1. Data rate and Doppler analysis
3.2. Ground system
3.3. Link analysis
3.4. Feasibility analysis
4. Communication system hardware
4.1. Antenna design
4.2. Modem and splitter
5. Communication system protocol
5.1. Standardized layers: physical layer and data link layer
5.2. Customized layer: transport layer
6. Testing and results
6.1. Hardware tests
6.1.1. Antenna tests
6.1.2. Modem and splitter tests
6.2. Software tests
6.2.1. Flatsat test
6.2.2. Shot test
6.2.3. Chamber test
7. Conclusion
References