Rango y datos de banda X

En resumen estoy trabajando en una red que consta de 8 cubesat 1U que estarán a una altitud orbital de 850Km. La pregunta es que estoy trabajando en comunicaciones, la idea es que esta red de cubesats transmita y reciba a la tierra con banda UHF, pero que también tengan un receptor y transmisor para X-Band para poder recibir y transmitir al espacio profundo. .ingrese la descripción de la imagen aquí

Perdon por la imagen basica es que queria explicarme mejor.

Mi pregunta es, que potencia tiene que tener la antena para llegar a Titán? ¿Necesitaría una antena recta o parabólica? Confío en el Cubesat MarCO, pero no creo que sea la misma antena para llegar a Marte que para llegar a Saturno.

Para hacer una estimación del rango de comunicación necesitamos: 1) la distancia en longitudes de onda, 2) el tamaño de las antenas en cada extremo en longitudes de onda y 3) la temperatura efectiva del amplificador frontal del receptor. Podemos usar 20 C para la temperatura y sabemos qué tan lejos está en promedio de la Tierra a Titán, por lo que se reduce al tamaño de dos antenas divididas por la longitud de onda típica de la banda X. ¿Las antenas de transmisión y recepción serán del mismo tamaño?

Respuestas (2)

¿Desea utilizar un enlace de comunicación de banda X desde un cubesat en órbita terrestre a otro cubesat en órbita alrededor de Titán?

No creo que sea posible, al menos a una velocidad de datos aceptable.

Comparemos este enlace con una sonda del espacio profundo hasta las antenas DSN en Goldstone, cerca de Madrid y Canberra.

  • Las sondas de espacio profundo usan un transmisor con una potencia de 10 a 20 W, un cubesat puede usar alrededor de 1 W o solo 100 mW.
  • La antena parabólica de las sondas del espacio profundo tiene un diámetro de aproximadamente 3 m, un cubesat puede usar menos de aproximadamente 1 m.
  • El DSN utiliza antenas bastante grandes en la Tierra, de 34 y 70 m de diámetro.
  • El DSN tiene transmisores muy potentes, hasta 20 kW e incluso 400 kW.
  • Los preamplificadores de las antenas DSN son de bajo ruido enfriados con helio líquido.

Si comparamos un plato de antena de 1 m con uno grande de 34 m, obtenemos -30 dB y -37 dB para el plato de 70 m.

Comparando 20 kW con solo 0,1 W es -53 dB, 400 kW con 0,1 W es -66 dB.

Pero cuando desea recibir señales muy débiles de alrededor de -100 a -120 dBm, no puede permitirse pérdidas de -30 dB.

La distancia de la Tierra a Saturno es de aproximadamente 8 a 11 AU (unidades astronómicas) o aproximadamente 1,2E9 a 1,6E9 km. Si asumimos para comparar una distancia de 1200 km de un cubesat a la estación terrestre en la Tierra, eso es una pérdida de espacio libre de -120 dB.

¡Gran respuesta! Si puede encontrar una instancia en la que DSN haya usado alguna vez algo así como 400 kW, escriba una respuesta a ¿ Alguna vez se usó DSS-43 en modo de alta potencia (>> 20 kW) para una situación de emergencia?
La energía no es un factor, supongamos que resuelvo esto. La comunicación del cubesat (en órbita alrededor de la Tierra) a la superficie de la Tierra se realiza a través de UHF, por lo que con un SDR y una antena omnidireccional bien orientada, tendría una comunicación casi permanente. La altura de la órbita del cubesat es de 850 km en la tierra. ¿La antena puede ser plegable? como el de MarCO pero de otra forma, como un paraguas o algo así. (Obtengo la energía de estos paneles solares: cubesatshop.com/product/solar-panels )
y usa una versión de esta antena: jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA22457
@ValentinoZaffrani Se puede usar una antena plegable si es lo suficientemente grande, no menos de 1 m pero más de 3 m de diámetro. Pero la energía es un factor, dudo que puedas usar un transmisor con 1 kW o incluso 10 kW en un cubesat. Kilovatios no solo por algunos milisegundos sino por algunos segundos hasta minutos. Pero, ¿cómo se hace un preamplificador de bajo ruido enfriado por helio líquido en un cubesat? Necesitas todo, una antena grande, un transmisor potente y un receptor de muy bajo ruido. Una antena un poco más grande por sí sola no ayudaría.
@Uwe De acuerdo, dado que el único propósito del cubesat es ser un relé de datos XBand-UHF y UHF-XBand, no necesitará desechos electrónicos, solo un SBC, sensores de altitud, posición 3d y movimiento para enfocar la antena y recibir, el resto del espacio serio para la antena y su equipamiento. Con 4 paneles solares que mencione en el comentario anterior puedo acceder a 470w, supongamos que le mando 465w a todo lo que es el equipo de antena, que diametro debe tener para llegar a la orbita del titan? (Muchas gracias por la ayuda)
@ValentinoZaffrani Si obtiene 470 W de las células solares en la órbita terrestre, obtiene solo entre 4,7 y 5,8 W en una órbita alrededor de Titán. La distancia de Saturno al Sol es de aproximadamente 9 a 10 UA. Entonces obtienes solo 1/91 a 1/100 de la intensidad solar en la Tierra. Debería tener paneles solares gigantes con más de 100 veces el área utilizada en la Tierra.
Si ha desarrollado un reactor nuclear del tamaño de un cubesat y se está resistiendo a nosotros, todos los usuarios de este sitio estarán bastante enojados.
Buena respuesta: FWIW, hay una gran constelación de cubesats en funcionamiento con transmisores de banda x de 6 W que alimentan antenas helicoidales de ~ 15 dBi. Funciona muy bien para el enlace descendente de datos a estaciones terrestres de ~ 5 m, pero no sería suficiente para hablar con Titán.

@Uwe explicó claramente por qué esto puede no ser factible usando el DSN como ejemplo. Me gustaría agregar que algunas de las suposiciones que enumera en los comentarios no son correctas. No estoy seguro de cómo llega a la generación de 470 W de los paneles solares que vinculó ( cubesatshop.com/product/solar-panels ), pero los números enumerados en su sitio ciertamente están clasificados para LEO o aproximadamente 1 AU del Sol donde recibimos de media unos 1350 W/m2 de insolación. Saturno está a unas 9 AU del sol y la insolación es aproximadamente el 1% de la de la Tierra o 14,82 W/m2 . No hay forma de que su presupuesto de enlace se cierre con el 1% de la capacidad nominal de generación de energía de sus paneles.

Suponga que aún puede obtener toda la potencia que desea, estará limitado por el volumen de su cubesat 1U. Será difícil encontrar ruedas de reacción, una computadora, rastreadores de estrellas (u otros sensores) y una radio que se ajuste al volumen de su 1U; cualquier radio que le permita cerrar su presupuesto de enlace con cualquier potencia será mucho más grande que 1U.

Sin embargo, no creo que todo esté perdido con una configuración de 1U. Podría lanzar varios 1U escalonados por algún tiempo del orden de días o semanas para crear una red tipo cadena que podría transmitir una señal desde su cubesat Titan a cubesats intermedios. Estos impulsarían la señal al siguiente en la línea y así sucesivamente de regreso a la Tierra. Su misión terminará efectivamente solo una vez que su último cubesat esté fuera del alcance de la Tierra.

La red de retransmisión en cadena de cubesats no funcionaría, necesita demasiados de ellos. Si necesita varios cientos o incluso miles de ellos, la probabilidad de que una sola falla rompa la cadena es demasiado alta.
No me sorprende que no funcione con una prueba de olfato. Supongo que podría construir un margen para que una o dos fallas estén bien, ¡pero probablemente necesitará una línea casi continua de cubesats hasta Titán!
@Uwe ok, un problema a la vez, primero el tema de los paneles solares, comencemos a diseñar la red que estará en la órbita de la Tierra. Y para el segundo que talla necesitaria? un 2U? Necesito saber el diametro de la antena para calcular cuanto mediria plegada verticalmente y agregarle la electronica y el marco base. Todavía tengo 465w, recuerda
Si la conexión en cadena todavía funciona con varias fallas distantes, fallará cuando haya dos o tres fallas en la vecindad directa.
La pregunta no especifica la naturaleza del flujo de datos. Con las baterías, la energía puede almacenarse durante un período prolongado y luego usarse para la transmisión durante intervalos cortos. Es posible que el cubesat en Titán no necesite transmitir en vivo a través de FB, podría enviar espectroscopia de conjuntos de datos mucho más compactos desde la atmósfera, grabaciones de radio, mapas electromagnéticos, espectros de partículas cargadas, etc. y luego, de vez en cuando, una imagen.
Rango y datos de banda X
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