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Relatori: Mario PENT Marina MONDIN Fabio DOVIS

POLITECNICO DI TORINO. Relatori: Mario PENT Marina MONDIN Fabio DOVIS. Candidati: Francesco BAIETTO Maurizio FODRINI Maurizio SISTO. Introduzione al problema. HALE (High Altitude Long Endurance). Scopo: studio del sistema di telecomando e telemetria per piattaforme stratosferiche.

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  1. POLITECNICO DI TORINO Relatori: Mario PENT Marina MONDIN Fabio DOVIS Candidati: Francesco BAIETTO Maurizio FODRINI Maurizio SISTO

  2. Introduzione al problema • HALE (High Altitude Long Endurance) • Scopo: studio del sistema di telecomando e telemetria per piattaforme stratosferiche Heliplat Baietto, Fodrini, SISTO

  3. Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione TELECOMANDO E TELEMETRIA SECONDO IL CCSDS Baietto, Fodrini, SISTO

  4. Standard CCSDS • CCSDS: Consultative Committee for Space Data Systems • Modello stratificato ISO/OSI: • Telecomando: 7 strati • Telemetria: 4 strati Baietto, Fodrini, SISTO

  5. Up to 1017 bytes 2 bytes 5 bytes TC Frame FRM HDR CRC 56 bits 56 bits … Codice BCH 63 bits 63 bits CLTU START TAIL 2 bytes Up to 1152 bytes Up to 8 bytes Telecomando: strati trasmissivi Coding Layer Physical Layer Baietto, Fodrini, SISTO

  6. Up to 1048 bytes Up to 64 bytes 6 bytes 4 bytes 2 bytes Transfer Frame FRM HDR 2° HDR CLCW CRC 223 bytes 223 bytes Codice concatenato 510 bytes 510 bytes … stream of bits Telemetria: strati trasmissivi Channel Access Layer Physical Access Layer Baietto, Fodrini, SISTO

  7. Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione ANALISI DEL FLUSSO DATI Baietto, FODRINI, Sisto

  8. Energia generata Energia dalle celle solari Dal motore Celle solari A Celle a combustibile Serbatoio acqua Motori Elettrolizzatore Pompa q B Y p Controllo velivolo VM I angolo di rollio  Serbatoio idrogeno X r W W W W W P T P T P T P T P T Sistema energetico  Z VM angolo di pitch Utenze Serbatoio ossigeno  true heading Struttura del sistema Baietto, FODRINI, Sisto

  9. Dati aeronautici • Parametri relativi agli assi corpo • Parametri relativi alla posizione • Parametri relativi alla pressione • Parametri relativi alla velocità 14.8 kbit/s Baietto, FODRINI, Sisto

  10. Dati energetici • Sensori: pressione, temperatura, portata • Pompa centrifuga • Valvole motorizzate 304 bit/s Baietto, FODRINI, Sisto

  11. Dati elettrici • Sensori per le celle solari • Sensori per le batterie tampone • Microprocessore di gestione • Temperatura azionamenti 832 bit/s Baietto, FODRINI, Sisto

  12. Flusso dati complessivo 32 kbit/s (100 kbit/s) Up-link Down-link 32 kbit/s Baietto, FODRINI, Sisto

  13. Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione IL CANALE DI PROPAGAZIONE BAIETTO, Fodrini, Sisto

  14. Cammini multipli • Interferenza • distruttiva o • costruttiva TX RX • Distorsioni in • ampiezza • Canale tempo • variante t t0 t1 t1+11 t1+12 • La risposta • all’impulso è del • tipo h(t,) t t2+21 t2+22 t2 t0+ BAIETTO, Fodrini, Sisto

  15. Doppler e multipath diffuso v • Ogni raggio riflesso è affetto da • attenuazione, sfasamento e shift • Doppler differenti  Spettro di potenza normalizzato del segnale • Incremento della larghezza di • banda quantificato con lo • spettro di potenza • Processo simulato: • modulo alla Rayleigh • fase uniforme RX v BAIETTO, Fodrini, Sisto

  16. S(t) Traslazione in frequenza di FD Ard (Singola riflessione)i (Singola riflessione)1 Processo Gaussiano ProcessoGaussiano Processo casuale alla Rayleigh con fase uniforme (Singola riflessione)2 j   x(t)  + (Singola riflessione)i (AT)i  Ritardo ti Generatore di rumore gaussiano bianco (Singola riflessione)N Modello generale del canale BAIETTO, Fodrini, Sisto

  17. GDBRX Gpot Segnale modulato al ricevitore Traslazione in frequenza di FD Guadagno Guadagno + + GFAD Generatore di rumore gaussiano bianco Guadagno  Generatore di processo casuale alla Rayleigh con fase uniforme Schema simulativo utilizzato BAIETTO, Fodrini, Sisto

  18. 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 Baietto, Fodrini, SISTO

  19. 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, /4DQPSK, GMSK Baietto, Fodrini, SISTO

  20. Prestazioni a confronto DOFDM 128 portanti DOFDM 64 portanti GMSK DOFDM 32 portanti /4DQPSK DQPSK Baietto, Fodrini, SISTO

  21. esecuzione comando ARQ Transfer Layer RS RS Coding Layer Deinterl. Interl. Conv. Conv. Interazione tra strato di codifica e fisico A terra A bordo BCH BCH Physical Layer Modulatore, Canale, Demodulatore Baietto, Fodrini, SISTO

  22. Decollo e atterraggio Volo standard Prestazioni codifica BCH (63,51) Pb(e)  5 10-4 Pb(e)  8 10-4 GFAD=-12dB GFAD=10dB Baietto, Fodrini, SISTO

  23. Prestazioni ARQ • Volo standard Pb(e) = 8 10-9 Pb(e)  1 10-8 Pb(e) = 8 10-9 • Decollo e • atterraggio Pb(e)  1 10-8 Pb(e) = 5 10-4 Pb(e)  8 10-4 Baietto, Fodrini, SISTO

  24. 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 Baietto, FODRINI, Sisto

  25. Volo standard Decollo e atterraggio Prestazioni codifica Convoluzionale (2,1,7) Pb(e)  7 10-5 Pb(e)  1 10-4 GFAD=-10dB GFAD=10dB Baietto, FODRINI, Sisto

  26. 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 Pb(e)  7 10-5 Pb(e)  1 10-4 Baietto, FODRINI, Sisto

  27. Out Valutazione dei ritardi 0 0 1 In 1 1 0 Tup = Tv+Tpck 1 1 0 Up-link Down-link Tdown=Tv+Tint. Deinterlacciatore Baietto, FODRINI, Sisto

  28. Distribuzione cumulativa dei ritardi Teff 33 ms Pr = 99,9% Pb(e)=1 10-4 Tr = 50 ms Baietto, FODRINI, Sisto

  29. Sistema di telecomando e telemetria per aerei stratosferici senza pilota: definizione delle specifiche e validazione tramite simulazione ANTENNE E LINK-BUDGET BAIETTO, Fodrini, Sisto

  30. z 10° 90° x Sistema di terra • Guadagno elevato riduzione illuminazione  inseguimento Antenna a ventaglio   • Condizione sull’elevazione 90°  • Condizione sull’azimut 10°  • Scansione elettronica del fascio BAIETTO, Fodrini, Sisto

  31. 14,7° dipolo l / 2 dipolo l / 2 d d SLL=20,8 dB D D h Dimensionamento delle antenne di terra • Sfasamento massimo tra i dipoli  max = 135,4o 93,6° G = 15,4 dB • Sintesi FTM (Fourier Transfer Method) N = 11 dipoli D = 765 mm h = 44 mm • Dimensionamento • Distribuzione d’ampiezza a coseno • Distribuzione d’ampiezza a coseno quadrato G =16,9 dB • Distribuzione di ampiezza delle correnti Coseno quadrato  G = 16,9 dB ; SLL = 20,8 dB Scansione massima 93,6° • Scansione elettronica BAIETTO, Fodrini, Sisto

  32. Antenne di bordo SLL = 22 dB 62° • Polarizzazione circolare e apertura circa 180° • Sistema di antenne con meccanismo di gestione • Soluzioni studiate: • - Dipoli incrociati  G  6 dB G = 10,2 dB ; SLL = 22 dB • - Antenna a elica BAIETTO, Fodrini, Sisto

  33. Pb(e) target 10-4 10-4 10-4 minimo [dB] 10 10 27 Volo standard dec/att Volo standard dec/att Gantenne [dB] 27.1 27.1 27.1 Pb(e) target 10-4 10-4 10-4 0 [dB] 124.5 139.7 118.5 minimo [dB] 10 10 27 Pn [dBW] -152.3 -152.3 -152.3 Gantenne [dB] 27.1 27.1 27.1 [dB] 7 11.8 7 0 [dB] 124.5 139.7 118.5 PTX [dBW] -37.9 -17.9 -26.9 Pn [dBW] -152.3 -152.3 -152.3 PTX [mW] 0.163 16.12 2.05  [dB] 7 11.8 7 |Ptx=1W [dB] 47.9 27.9 53.9 Link-budget in down-link BAIETTO, Fodrini, Sisto

  34. Volo standard dec/att PTX [dBW] -41.3 -21.3 -30.3 Rb  32 kbit/s PTX [mW] 0.075 7.39 0.94 |Ptx=1W [dB] 51.3 31.3 57.3 PTX [dBW] -36.3 -16.4 -25.3 Rb  100 kbit/s PTX [mW] 0.234 23.1 2.9 |Ptx=1W [dB] 46.3 26.4 52.3 Link-budget in up-link Pb(e) target = 10-3 BAIETTO, Fodrini, Sisto

  35. 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 Baietto, Fodrini, Sisto

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