Lucidi

POLITECNICO DI TORINO
Relatori:
Candidati:
Mario PENT
Marina MONDIN
Fabio DOVIS
Francesco BAIETTO
Maurizio FODRINI
Maurizio SISTO
Introduzione
al problema
• Scopo: studio del sistema di telecomando e
telemetria per piattaforme stratosferiche
• HALE (High Altitude Long Endurance)
Heliplat
TT&C
Baietto, Fodrini, SISTO
2
Sistema di telecomando e telemetria per aerei
stratosferici senza pilota: definizione delle
specifiche e validazione tramite simulazione
TELECOMANDO E
TELEMETRIA
SECONDO IL CCSDS
TT&C
Baietto, Fodrini, SISTO
3
Standard CCSDS
• CCSDS: Consultative Committee for Space
Data Systems
• Modello stratificato ISO/OSI:
– Telecomando: 7 strati
– Telemetria: 4 strati
TT&C
Baietto, Fodrini, SISTO
4
Telecomando:
strati trasmissivi
Up to 1017 bytes
5 bytes
TC Frame
FRM HDR
56 bits 56 bits
Codice BCH
Coding Layer
63 bits
CLTU
…
63 bits
TAIL
Up to 1152 bytes
Physical Layer
TT&C
CRC
START
2 bytes
2 bytes
Baietto, Fodrini, SISTO
Up to
8 bytes
5
Telemetria:
strati trasmissivi
Transfer Frame
Channel Access Layer
Up to
Up to
6 bytes
64 bytes 1048 bytes
FRM HDR 2° HDR
223 bytes 223 bytes
Codice concatenato
510 bytes 510 bytes
4 bytes 2 bytes
CLCW CRC
…
stream of bits
Physical Access Layer
TT&C
Baietto, Fodrini, SISTO
6
Sistema di telecomando e telemetria per aerei
stratosferici senza pilota: definizione delle
specifiche e validazione tramite simulazione
ANALISI DEL
FLUSSO DATI
TT&C
Baietto, FODRINI, Sisto
7
Energia dalle
celle solari
Energia
generata
Dal motore
Struttura del sistema
Elettrolizzatore
W
Pompa
P T
W
P T
VM
Celle Serbatoio
idrogeno
W
solari
q
W

A
B
P T
VM
I
Serbatoio
ossigeno
P T
W p
Controllo
velivolo
X
r
Sistema
Z
energetico
TT&C
Motori
P T
Y
angolo
di rollio
Celle a
combustibile
Serbatoio
acqua

angolo
di pitch

true
heading
Baietto, FODRINI, Sisto
Utenze
8
Dati aeronautici
• Parametri relativi agli assi corpo
• Parametri relativi alla posizione
• Parametri relativi alla pressione
14.8 kbit/s
• Parametri relativi alla velocità
TT&C
Baietto, FODRINI, Sisto
9
Dati energetici
• Sensori: pressione, temperatura, portata
• Pompa centrifuga
304 bit/s
• Valvole motorizzate
TT&C
Baietto, FODRINI, Sisto
10
Dati elettrici
• Sensori per le celle solari
• Sensori per le batterie tampone
• Microprocessore di gestione
832 bit/s
• Temperatura azionamenti
TT&C
Baietto, FODRINI, Sisto
11
Flusso dati
complessivo
32 kbit/s
(100 kbit/s)
32 kbit/s
TT&C
Baietto, FODRINI, Sisto
12
Sistema di telecomando e telemetria per aerei
stratosferici senza pilota: definizione delle
specifiche e validazione tramite simulazione
IL CANALE DI
PROPAGAZIONE
TT&C
BAIETTO, Fodrini, Sisto
13
Cammini multipli
TX
• Interferenza
distruttiva o
costruttiva
RX
• Distorsioni in
ampiezza
t0
t1
t0+
TT&C
t2
t1+11
t1+12
t2+21 t2+22
t
t
BAIETTO, Fodrini, Sisto
• Canale tempo
variante
• La risposta
all’impulso è del
tipo h(t,)
14
Doppler e multipath
diffuso
• Ogni raggio riflesso è affetto da
Spettro di potenza normalizzato del segnale
attenuazione, sfasamento e shift
Doppler differenti 
v
• Incremento della larghezza di
banda quantificato con lo
spettro di potenza
v
TT&C
RX
• Processo simulato:
– modulo alla Rayleigh
– fase uniforme
BAIETTO, Fodrini, Sisto
15
Modello generale
del canale
S(t)
Traslazione in
frequenza di FD
Ard
(Singola riflessione)1
(Singola riflessione)2
(Singola riflessione)i
Processo
casuale alla
Rayleigh con
fase uniforme
Processo
Gaussiano


(Singola riflessione)i
Ritardo i
Processo
Gaussiano
+ 
j
x(t)

Generatore di
rumore
gaussiano
bianco
(AT)i
(Singola riflessione)N
TT&C
BAIETTO, Fodrini, Sisto
16
Schema simulativo
utilizzato
Segnale
modulato
GDBRX
Gpot
Traslazione in
frequenza di FD
Guadagno
al ricevitore
+
Guadagno
+
GFAD

Guadagno
Generatore
di rumore
gaussiano
bianco
Generatore di
processo casuale alla
Rayleigh con fase
uniforme
TT&C
BAIETTO, Fodrini, Sisto
17
Sistema di telecomando e telemetria per aerei
stratosferici senza pilota: definizione delle
specifiche e validazione tramite simulazione
SCHEMA DI
MODULAZIONE E
CODIFICA IN UP-LINK
TT&C
Baietto, Fodrini, SISTO
18
Modulazioni
esaminate
• 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
TT&C
Baietto, Fodrini, SISTO
19
Prestazioni a
confronto
DOFDM 128 portanti
DOFDM 64 portanti
GMSK
DOFDM 32 portanti
/4DQPSK
TT&C
DQPSK
Baietto, Fodrini, SISTO
20
Interazione tra strato
di codifica e fisico
comando
Transfer
Layer
Physical
Layer
TT&C
ARQ
A terra
RS
Coding
Layer
esecuzione
BCH
A bordo
BCH
RS
Deinterl.
Interl.
Conv.
Conv.
Modulatore, Canale, Demodulatore
Baietto, Fodrini, SISTO
21
Prestazioni codifica
BCH (63,51)
Decollo e atterraggio
Volo standard
Eb
 10dB
N0
Pb(e)  5 10-4
Eb
 27dB
N0
Pb(e)  8 10-4
GFAD=-12dB
TT&C
Baietto, Fodrini, SISTO
GFAD=10dB
22
Prestazioni ARQ
• Volo standard
Pb(e)
(e) =
 18
P
b
Pb(e) = 8 10-9
-8
10
10-9
• Decollo e
atterraggio
Pb(e)  1 10-8
TT&C
-4 -4
P (e)
= 5 10
P (e)
8 10
Baietto,
SISTO
b Fodrini,
b
23
Sistema di telecomando e telemetria per aerei
stratosferici senza pilota: definizione delle
specifiche e validazione tramite simulazione
CODIFICA IN
DOWN-LINK E
RITARDI DEL SISTEMA
TT&C
Baietto, FODRINI, Sisto
24
Prestazioni codifica
Convoluzionale (2,1,7)
Volo standard
Eb
 10dB
N0
Decollo e atterraggio
Eb
 27dB
N0
Pb(e)  7 10-5
Pb(e)  1 10-4
GFAD=-10dB
TT&C
GFAD=10dB
Baietto, FODRINI, Sisto
25
Prestazioni codifica di
Reed-Solomon (31,23)
• Volo standard
Pb(e) = 2 10-12
• Decollo e
atterraggio
Pb(e) = 2 10-12
Pb(e) = 1 10-13
Pb(e) = 1 10-13
TT&C
-5FODRINI,
-4
Sisto
PbP(e)
 7Baietto,
11010
b(e)
26
Valutazione dei
ritardi 0
Tup = Tv+Tpck
0
1
1
1
0
1
1
0
In
Out
Deinterlacciatore
TT&C
Baietto, FODRINI, Sisto
Tdown=Tv+Tint.
27
Distribuzione
cumulativa dei ritardi
Teff  33 ms
Pr = 99,9%
Pb(e)=1 10-4
TT&C
TBaietto,
ms Sisto
FODRINI,
r = 50
28
Sistema di telecomando e telemetria per aerei
stratosferici senza pilota: definizione delle
specifiche e validazione tramite simulazione
ANTENNE E
LINK-BUDGET
TT&C
BAIETTO, Fodrini, Sisto
29
Sistema di terra
z
10°
• Guadagno elevato  riduzione
illuminazione
 inseguimento  Antenna a ventaglio
90°
• Condizione sull’elevazione

x
• Condizione
sull’azimut 
90°
10°
• Scansione elettronica del fascio
TT&C
BAIETTO, Fodrini, Sisto
30
Dimensionamento
• Sfasamento massimo tra i dipoli  max = 135,4o
delle
antenne
di
terra
93,6°
G = 15,4 dB
• Sintesi FTM (Fourier Transfer Method)
•
14,7°
N = 11 dipoli
Dimensionamento
• Distribuzione d’ampiezza a coseno
D = 765 mm
• Distribuzione d’ampiezza a coseno
quadrato
h =dipolo
44
mm
d
l/2
G =16,9 dB
• Distribuzione di ampiezza delle correnti
SLL=20,8 dB
Coseno quadrato  G = 16,9 dB ; SLL = 20,8 dB
• Scansione elettronica
D
Scansione massima 93,6°
h
TT&C
BAIETTO, Fodrini, Sisto
31
Antenne di bordoSLL = 22 dB
62°
• Polarizzazione circolare e apertura circa 180°
• Sistema di antenne con meccanismo di gestione
• Soluzioni studiate:
- Dipoli incrociati  G  6 dB
- Antenna a elica
TT&C
G = 10,2 dB ; SLL = 22 dB
BAIETTO, Fodrini, Sisto
32
Link-budget
in down-link
Volo standard dec/att
Pb(e) target
minimo [dB]
G
[dB]
Pbantenne
(e) target

minimo
0 [dB][dB]
P
[dBW]
Gnantenne
[dB]
0[dB]
[dB]
PTX
[dBW]
n [dBW]
TX
P
[dB]
[mW]
|Ptx=1W [dB]
TT&C
10-4
10-4
10 standard
10
Volo
27.1
27.1
10-4
10-4
124.5
139.7
10
10
-152.3
27.1 -152.3
27.1
7
11.8
124.5
139.7
-37.9 -152.3
-17.9
-152.3
7
11.8
0.163
16.12
47.9
27.9
BAIETTO, Fodrini, Sisto
10-4
27
dec/att
27.1
10-4
118.5
27
-152.3
27.1
7
118.5
-26.9
-152.3
7
2.05
53.9
33
Link-budget
in up-link
Pb(e) target = 10-3
Volo standard dec/att
PTX [dBW]
-41.3 -21.3 -30.3
Rb

PTX [mW]
0.075 7.39
0.94
32 kbit/s |Ptx=1W [dB] 51.3
31.3
57.3
PTX [dBW]
-36.3 -16.4 -25.3
Rb

PTX [mW]
0.234 23.1
2.9
100 kbit/s |Ptx=1W [dB] 46.3
26.4
52.3
TT&C
BAIETTO, Fodrini, Sisto
34
Studio del sistema
TT&C per Heliplat
•
•
•
•
•
•
•
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
TT&C
Baietto, Fodrini, Sisto
35