Hur fungerar rymdkommunikationens länk och vad avgör dess prestanda?

Rymdkommunikation bygger på överföring av elektromagnetiska vågor genom rymdens tomrum, där frekvenserna i huvudsak ligger inom radiofrekvensområdet eller i det optiska spektrumet, exempelvis vid 1064 och 1550 nanometer. Bärvågen, den elektromagnetiska vågen som bär informationssignalen, är central för att realisera överföringen mellan satellit och jordstation eller mellan rymdfarkoster.

Signalens sändning börjar med en effektförstärkare som avger en genomsnittlig uteffekt. En hög toppeffekt kan dock orsaka distorsion i signalen, vilket kräver att insignalen dämpas för att bibehålla signalens integritet. Nästa kritiska komponent är antennen, som med hjälp av dipoler, horn eller reflektorer riktar signalen mot önskat område. Antennens dimensioner relaterar till våglängden på signalen, vilket leder till Fresneldiffraktion och skapar en huvudstråle samt sidolober som kan sprida energi åt oönskade håll eller samla in oönskat brus.

Antennens riktverkan, dess förmåga att koncentrera signalen i en specifik riktning, är definierad som förhållandet mellan effekten i huvudstrålen och en teoretisk isotrop strålning. Effektiv apertur beskriver den yta som antennen effektivt använder för att ”fånga upp” signalen. Produkten av sändareffekt och antennens förstärkning kallas ekvivalent isotrop strålad effekt (EIRP) och beskriver den effekt som en isotrop källa skulle behöva för att skapa samma effekttäthet vid mottagaren.

Länkens prestanda beskrivs av förhållandet mellan önskad signalstyrka och brusnivå, vilket är avgörande för att korrekt kunna tolka data utan fel. Signalen från sändaren, med effekt PT och antennförstärkning GT, antas utstrålas isotropiskt över en sfär med radie s. Mottagarens antenn med förstärkning GR och effektiv apertur AR fångar upp en del av denna effekt. Den resulterande kraften i mottagaren kan räknas fram med hjälp av dessa parametrar och inkluderas även dämpning från fria rymdens utbredningsförlust samt atmosfäriska förluster som uppstår vid låga elevationsvinklar, regn eller snö.

Den mottagna energin per bit relateras till brusets effekttäthet genom den så kallade länkbudgetekvationen, som ofta uttrycks i decibel. Den tar hänsyn till både signalstyrka, förluster och mottagarens brusnivå, och definierar förutsättningarna för att uppnå en viss bitfelshastighet (BER). Kravet på signal-brusförhållande (Eb/N0) varierar med modulations- och kodningsteknik, från cirka 1–2 dB för turbokodad PSK till 8–10 dB för okodad FSK, med ytterligare 3 dB vid icke-koherent demodulering.

Det är också viktigt att notera att när signaler är ortogonala, påverkar andra sändare inte bitdetekteringen, även om de bidrar till brus, förutsatt att mottagarens förstärkare inte överbelastas. Felaktiga systemdesigns kan dock leda till övermättnad och felaktig tolkning av signalen.

Det är av största vikt att förstå att alla rymdkommunikationssystem ständigt balanserar mellan signalstyrka, brus och systemets känslighet, där varje komponent – från sändareffekt till antennens utformning och mottagarens bruskarakteristik – påverkar den totala länkkvaliteten. Att analysera och optimera denna balans är avgörande för att säkerställa tillförlitlig och effektiv kommunikation i rymdens utmanande miljö.

Hur fungerar markstationer för satellitkommunikation i praktiken?

Weilheim markstation är konstruerad för att möjliggöra flexibel användning av basbandsutrustning genom ett centraliserat system där olika antenner kopplas till en gemensam uppsättning TT&C-enheter (Telemetry, Tracking and Command). Genom att använda switchmatriser kan man dynamiskt tilldela resurser till olika uppdrag utan att duplicera hårdvara, vilket ger både redundans och kostnadseffektivitet. Schemaläggningen för antennerna sköts centralt från GSOC i Oberpfaffenhofen, där prioritering och konflikthantering mellan uppdrag genomförs.

Basbandsenheten är kärnan i TT&C-funktionerna. Den ansvarar för hantering av telemetri i både låg och hög datahastighet, med kapacitet för demodulering av flera modulationsmetoder såsom PM, FM, AM, samt mer komplexa PCM-varianter. Enheten stödjer automatisk och manuell bärvågsidentifiering, bit- och ram-synkronisering, Viterbi-avkodning, felkorrigerande kodning (Reed-Solomon, Turbo, LDPC), och realtidsvisning av telemetriramverk. Dessa data kan tidsstämplas, lagras och spelas upp för vidare analys.

Vad gäller telekommandohantering, tar basbandsenheten emot kommandon från kontrollcentret, kodar dessa i PCM och modulerar dem för vidarebefordran via IF (Intermediate Frequency), i enlighet med CCSDS COP-1-protokoll. Samtidigt kan enheten även spåra satelliter genom att mäta avstånd (range) och Dopplerförskjutning. Mätningarna baseras på återkommande signaler från satelliten efter att markstationen skickat ut speciella ton- eller kodsignaler. Noggrann fasjämförelse och Doppleranalys möjliggör beräkning av satellitens relativa rörelse och position.

Spårning av satelliten kräver kännedom om dess förväntade bana över horisonten. Denna information tillhandahålls som en tidsserie av riktvärden från flygdynamikspecialister vid kontrollcentret. I stegspårningsläge ställs antennen in i väntläge och börjar följa förprogrammerade banor vid förväntad passagetid. Om en spårningsmottagare är tillgänglig kan vinkelfel mellan antennriktning och verklig signalinriktning mätas med metoder som fyrhornssystem, högre ordningens modsystem eller konisk skanning. Denna avvikelse (delta-värde) används sedan i autospårningsläge för att finjustera antennens riktning.

Sådana spårdata lagras ofta för att förbättra omloppsberäkningar, särskilt vid låg omloppshöjd eller under inledande omlopp efter uppskjutning. Om signalen förloras under ett spår, måste systemet återgå till stegspårning för att återuppta kontakten.

Geostationära satelliter kräver särskild uppmärksamhet då deras positioner över markstationen inte är helt stabila. Därför genomförs regelbundna distansmätningar