Sottosistema di telecomunicazione UHF e protocollo di comunicazione per nanosatelliti modulari

Nel corso degli ultimi anni l’opportunità rappresentata da vettori lanciatori a basso
costo ha reso maggiormente accessibile l’ambiente spaziale anche a organizzazioni non
dotate di elevati budget, quali le piccole e medie imprese e le università. Ciò ha portato
nel 1999 alla definizione dello standard CubeSat. Il Politecnico di Torino nel 2006 ha
terminato lo sviluppo di un proprio nanosatellite (PiCPoT), di dimensioni poco più
grandi dello standard CubeSat, il cui principale obiettivo era la valutazione dell’impiego
dei componenti COTS (componenti commerciali). Il progetto successivo a PiCPoT è il
progetto AraMiS, nato nel 2006 e attualmente attivo, all’interno del quale si è integrato
il presente lavoro di tesi. Il principale obiettivo del progetto AraMiS è l’applicazione del
concetto di architettura modulare che porta vantaggi quali tempi di realizzazione rapidi
e costi limitati. AraMiS consiste di un insieme di moduli, chiamati tile, pre-assemblati e
pre-testati che hanno la caratteristica di riusabilità a seconda delle necessità della
specifica missione. Tra i diversi moduli, in particolare, vi è il sottosistema di
telecomunicazione che ha il compito di ricevere comandi in uplink e trasmettere dati in
downlink, tenendo in considerazione la limitata disponibilità energetica a bordo e il
ridotto periodo di visibilità tipico delle orbite LEO (minore di 20 minuti). Per superare
quest’ultima limitazione, si è deciso di partecipare al sistema GENSO, un progetto
dell’European Space Agency (ESA). Il suo scopo è quello di utilizzare le ground station
radioamatoriali, distribuite per tutta la Terra e raggiungibili via Internet, come se queste
fossero una interfaccia radio remota. Un sistema di questo tipo permetterebbe di
estendere il periodo di visibilità dei satelliti al proprio Mission Controller teoricamente
fino alle 24 ore.
Il sottosistema di comunicazione di AraMiS utilizza due differenti canali a banda
stretta, completamente indipendenti e ridondanti sulle bande radioamatoriali UHF (435
MHz) e Banda S (2440 MHz). In questo lavoro di tesi si è considerato il modulo di
comunicazione satellitare in banda UHF, con una maggiore concentrazione sul
protocollo di comunicazione. L’attività è partita dall’analisi del contesto radioamatoriale
per capire le caratteristiche dei sistemi a cui rendersi compatibili (come si vedrà,
ii
modulazione FSK e alcune funzioni dei livelli inferiori del protocollo AX.25 con data
rate a 9600 bps). Successivamente si è passati ad una attività di laboratorio nella quale
si è presa visione di un prototipo precedentemente sviluppato per AraMiS (abbastanza
rappresentativo di quella che potrà essere la versione definitiva), e si è costruito un
secondo prototipo. Questi prototipi sono stati programmati e sono stati eseguiti dei test
di trasmissione e ricezione di frame AX.25 (livello data-link del modello OSI) tra un
prototipo e l’altro e tra un prototipo ed una stazione radioamatoriale allestita in
laboratorio. Sulla base della documentazione iniziale, dell’esperienza ricavata dalle
sperimentazioni effettuate, delle riunioni periodiche con gli altri membri del team e
dell’utilizzo dell’ambiente di sviluppo UML Visual Paradigm, si è avviato un processo
di progetto di un protocollo ad-hoc che si poggiasse su quello di livello data-link per
conferire efficienza e affidabilità al sistema di comunicazione. La definizione di questo
protocollo rappresenta il risultato principale dell’attività. A conclusione del lavoro
svolto si sono valutate analiticamente le prestazioni del protocollo proposto.
Il documento è suddiviso nei seguenti capitoli:
• Capitolo 1: fornisce alcuni elementi a riguardo dello standard CubeSat, dei
componenti COTS e del concetto di modularità. Successivamente viene fornita
una descrizione generale del progetto AraMiS.
• Capitolo 2: descrive il progetto GENSO, la sua architettura, le sue potenzialità
secondo lo stato di sviluppo alla data attuale.
• Capitolo 3: contiene una ricerca sull’attività satellitare dei radioamatori, volta ad
identificare vincoli e gradi di libertà per il progetto del nostro sottosistema di
comunicazione affinché sia a loro compatibile.
• Capitolo 4: documenta la scheda utilizzata e fornisce il link budget della
missione tipo.
• Capitolo 5: descrive in dettaglio il protocollo AX.25.
• Capitolo 6: descrive le funzioni svolte dal firmware e le prove eseguite.
• Capitolo 7: descrive il protocollo proposto.
• Capitolo 8: riporta l’analisi delle prestazioni del protocollo proposto e fornisce
ulteriori spunti per il proseguimento del lavoro.