Flexible microwave satellite payload using a software defined radio

Abstract

Cada vez resulta más obvio que los nanosatélites están siendo el impulso para diseñar todo tipo de experimentos que puedan llegar a desarrollar sistemas mucho más potentes, una vez probados y especializados los anteriores. El departamento de "Teoria de la Senyal i les Comunicacions" de la Universitat Politècnica de Catalunya está actualmente estudiando y desarrollando CubeSats para demostrar todo tipo de tecnologías y como plataformas para pequeños experimentos científicos. Teniendo en cuenta el hecho de que la propia estructura y la capacidad del satélite suponen unas limitaciones, todos los proyectos deben contemplarlas para satisfacer sus requisitos. En consecuencia, en esta tesis, son considerados los dispositivos más económicos y que puedan aprovechar al máximo el espacio de los nanosatélites usados. Para el próximo proyecto del laboratorio "NanoSat" de la UPC, el 3CAT-3, el interés y los requisitos se han decantado hacia una carga flexible de microondas que incluya: un Sistema Automático de Identificación de embarcaciones (AIS, en sus siglas en inglés), un Reflectómetro GNSS (GNSS-R) y un Radiómetro de microondas. Esta carga, además, está limitada en términos de espacio, con la intención de que ocupe una sola unidad de CubeSat (10x10x10 cm). Por muy distintos que puedan parecer estos sistemas integrados en la misma carga, tendrán un punto en común característico: el uso de una radio definida por software. En este proyecto se desarrolla la mayor parte del software de esta carga flexible de microondas. Se perfecciona el procesado y la forma de obtener información del Sistema Automático de Identificación, diseñado con anterioridad en la asignatura de Proyecto Avanzado de Ingeniería bajo la misma supervisión. Se diseña e implementa desde cero el Reflectómetro GNSS, ya que contábamos con una iteración anterior que dependía de herramientas que no eran óptimas para el sistema. Por último, se introducen y desarrollan los primeros pasos de un sistema de Mitigación de Interferencias. Este último tomará protagonismo también en el sistema del Radiómetro, fuera de los límites de este proyecto. En general, esta tesis da luz a cómo desarrollar una carga flexible de microondas para nanosatélites y las restricciones que se deben tener en cuenta para hacerlo.

Cada cop més, resulta obvi que els nanosatèl·lits estan sent l'impuls per dissenyar tot tipus d'experiments que puguin arribar a desenvolupar sistemes molt més potents, un cop provats i especialitzats els anteriors. El departament de Teoria del Senyal i les Comunicacions de la Universitat Politècnica de Catalunya està actualment estudiant i desenvolupant CubeSats per tal de demostrar tot tipus de tecnologies i com a plataformes per a petits experiments científics. Tenint en compte el fet que la pròpia estructura i la capacitat del satèl·lit suposen certes limitacions, tots els projectes les han de contemplar a l'hora de satisfer els seus requisits. En conseqüència, en aquesta tesi, són considerats els dispositius més econòmics i que puguin aprofitar al màxim l'espai dels nanosatèl·lits utilitzats. Pel pròxim projecte del laboratori "NanoSat" de la UPC, el 3CAT-3, l'interés i els requisits s'han decantat cap a una càrrega flexible de microones que inclogui: un Sistema Automàtic d'Identificació (AIS, en les seves sigles en anglès), un Reflectòmetre GNSS (GNSS-R) i un Radiòmetre de microones. Aquesta càrrega, a més a més, està limitada en termes d'espai, amb la intenció que ocupi una sola unitat de CubeSat (10x10x10 cm). Per molt diferents que puguin semblar aquests sistemes integrats en una mateixa càrrega, tindran un punt en comú característic: l'ús d'una ràdio definida per software. En aquest projecte es desenvolupa la major part del software d'aquesta càrrega flexible de microones. Es perfecciona el processat i la forma d'obtenir informació del Sistema Automàtic d'Identificació, dissenyat amb anterioritat a l'assignatura de Projecte Avançat d'Enginyeria sota la mateixa supervisió. Es disenya i implementa des de zero el Reflectòmetre GNSS, ja que comptàvem amb una iteració anterior que depenia d'eines que no eren òptimes per al sistema. Per últim, s'introdueixen i desenvolupen els primers passos d'un sistema de Mitigació d'Interferències. Aquest últim prendrà protagonisme en el sistema del Radiòmetre, fora dels límits d'aquest projecte. En general, aquesta tesi dóna llum a com desenvolupar una càrrega flexible de microones per nanosatèl·lits i les restriccions que s'han de tenir en compte per fer-ho.

It is becoming more and more obvious that nanosatellites are being highlighted as key to conduct all kinds of experiments; most of which will lead to the development of larger and more powerful systems, once the aforementioned nanosatellites experiments are proven valid. The "Teoria de la Senyal i les Comunicacions" department of the Universitat Politècnica de Catalunya is currently developing and studying CubeSats for technology demonstration and as platforms of small scientific experiments. Given the fact that the satellite structure and capacity are not without limitations, all projects have to contemplate them to fulfill the requirements. Consequently, in this thesis, more economic devices that will also not take up much space in the nanosatellite are considered. For the UPC NanoSat Lab's next project, the 3CAT-3, the requirements and interest have shifted towards a flexible microwave payload that combines: an Automatic Identification System (AIS) for vessels tracking, a GNSS Reflectometer (GNSS-R) and a microwave Radiometer. This payload is also constrained in size, since it is intended to fit in one CubeSat unit (10x10x10 cm). In addition, even though all these payload integrated systems seem to be very diverse, they will have a common characteristic: the use of a software defined radio. This degree thesis presents the development of the main software of this flexible microwave payload. The data acquisition and processing for the Automatic Identification System are further developed and improved, considering they were previously designed in the Advanced Engineering Project course under the same supervision. The GNSS Reflectometer is designed and implemented from scratch, since it started off from a previous iteration that depended on tools that were not optimal for the system. And lastly, the first approaches towards a Radio Frequency Interferences Mitigation system are introduced and developed. This will also play an important role in the Radiometer system, but it is outside the scope of the project. Overall, this thesis sheds light on how to develop a flexible microwave payload for a nanosatellite and the constrains that have to be taken into account when doing so.