Hur utformas kommunikationssystemet för att garantera funktion i alla faser av rymduppdraget?

I konstruktionen av kommunikationssystem för satelliter är systemens redundans, antennkaraktäristik och frekvensval avgörande för att säkerställa funktion under samtliga faser av uppdraget – från uppskjutning till rutinmässig drift, inklusive krissituationer.

I geostationära kommunikationssatelliter används ofta två parallella transceiversystem – ett i S-band och ett i Ku-band. Under uppdragets inledande fas (LEOP) och i nödsituationer används S-bandet, främst tack vare dess rundstrålande antennmönster som inte är beroende av satellitens orientering. Dessa antenner kan sända och ta emot signaler från vilken riktning som helst, vilket är nödvändigt när satelliten inte ännu har stabiliserats i sin slutliga orientering. Därför kan inte S-bandets mottagare stängas av, då de måste förbli aktiva i varje möjlig nödsituation.

När satelliten övergår i rutindrift och är stabilt riktad mot jorden används Ku-bandet, vars riktverkan och smalare lob kräver mindre sändningseffekt och minskar risken för störningar med andra radiosignaler. Ku-bandets transceivers erbjuder dessutom funktioner som möjligheten att välja mellan olika frekvenser och viss korskoppling. Även om detta inte är avbildat i systemlayouten, möjliggör det en större operativ flexibilitet. Alla transceivers, både i S- och Ku-band, stödjer även range-mätning – en kritisk komponent för exakt positionsbestämning i geostationär omloppsbana.

För vetenskapliga satelliter i låg omloppsbana, såsom designen från TerraSAR-X, ser kommunikationssystemet annorlunda ut. Här är GPS-data tillräcklig för orbitbestämning, och range-mätning krävs därför inte. Ett enda S-band används för både realtidsöverföring och lagrad data. Sändareffekten är justerbar beroende på datahastighetskrav, och för nyttolasten används ett separat X-band-system som klarar ännu högre överföringshastigheter. Nyttolastens antenn är riktad mot nadir (jordytan) med ett brett strålningsmönster, eftersom satellitens orientering varierar i förhållande till markstationerna under överflygningar.

Antenners strålningsmönster – deras känslighet beroende på strålningsriktning – är en nyckelfaktor i designen. Ju högre frekvens, desto mer riktverkan har antennen. Omnidirektionella antenner används för robust kommunikation vid orienteringsförändringar, medan riktade antenner används för dataintensiva, stabila faser. En verkligt sfärisk, rundstrålande täckning kan inte uppnås med en enda antenn på grund av att satellitkroppen blockerar delar av vågutbredningen. Därför används ofta två antenner placerade på motsatta sidor av satelliten för att uppnå en närmast sfärisk täckning, särskilt i LEO-uppdrag.

Om båda antennerna sänder med samma polarisation och i samma riktning kan interferens uppstå, vilket försämrar signalens kvalitet. Ett enkelt sätt att undvika detta är att utforma antennmönstren med en icke-överlappande zon – ett "dött bälte". Detta är tekniskt enkelt men innebär risk för kommunikationsförlust om detta bälte pekar mot en markstation. Ett mer avancerat alternativ är att tillåta överlappande täckning men använda olika polarisationer – högercirkulär (RHCP) och vänstercirkulär (LHCP) – vilket eliminerar döda zoner men kräver att marksegmentet kan hantera båda polarisationerna.

Redundans är ytterligare en fundamental aspekt. För att säkerställa funktion även efter komponentfel används ofta fullständig redundans för komplexa elektroniska enheter, som sändare och mottagare. Detta innebär att en komplett, oberoende backup finns i parallell drift. Däremot är mekaniska komponenter, såsom antenner, oftast robusta och installeras i enkel uppsättning. Därmed uppnås inte full redundans, men alternativa antennsystem kan i vissa fall fungera som workaround. Ett konkret exempel är en GEO-satellit från GSOC där ett kabelproblem under LEOP resulterade i totalförlust av Ku-bandet. Satelliten opererades då helt i S-band under hela uppdraget – med bibehållen funktionalitet men med nackdelen att den rundstrålande S-bandssignalen störde andra satelliter.

Vid interplanetära uppdrag är det vanligt att inkludera en lågförstärkningsantenn med rundstrålande egenskaper som komplement till huvudantennen. Detta möjliggör grundläggande kommunikation även vid orienteringsförlust eller andra oförutsedda händelser.

Hur kan vi tolka telemetridata från ett rymdfarkost?

Telemetridata från en rymdfarkost kan ge en omfattande inblick i dess status och de pågående operationerna. Genom att noggrant analysera dessa data kan vi identifiera förändringar i signalstyrka och mönster som avslöjar viktiga detaljer om farkostens rörelser, systemkonfiguration och eventuella problem. För att förstå hur man tolkar sådana data, ska vi först granska de aktiviteter som utförs under de första 24 timmarna av en rymdfarkosts uppdrag.

Vid början av tidslinjen, i standby-läge (SBM), ser vi en stabil men något minskande nivå på den automatiska förstärkningskontrollen (AGC). Detta inträffar eftersom farkosten, efter att ha släppts från raketen, befinner sig på en definierad höjd och avstånd från markstationen. Signalen försvagas i takt med att avståndet mellan markstationen och satelliten ökar, särskilt när satelliten närmar sig apogeum i geostationär transferorbit (GTO). Vid punkt 1 tänds solpunkteringsläget (SAM), och satelliten börjar rotera kring sin z-axel som pekar mot solen. Denna rotation orsakar en oscillerande signal med en amplitud på cirka 25 dBm (decibel milliwatt). Eftersom farkosten har en enda mottagarantenn, kan signalen periodiskt riktas mot jorden, bort från jorden eller blockeras av satellitens egen struktur. Denna oscillation kan användas för att bestämma rotationshastigheten för rymdfarkosten.

Det är viktigt att notera att denna typ av telemetri inte bara kan ge information om satellitens status utan även om markaktiviteternas inverkan. Fram till punkt A, under signalens minskning, sker en överföring av markstation från Canberra till Weilheim. Vid den punkten sker en kort period utan uplink, men signalstyrkan återställs genom att öka uplink-effekten vid punkt B. Likaså sker en stationöverföring vid punkt C till Bangalore, och dessa handovers kan lätt identifieras genom förändringar i signalstyrka.

En annan viktig aspekt av rymdfarkostens telemetri är kontingenhantering, eller hantering av nödsituationer under operationerna. Första nivån av kontingenhantering täcks vanligtvis av rymdfarkostens ombord-FDIR-programvara (Failure Detection, Isolation, and Recovery), som syftar till att upprätthålla rymdfarkostens funktion i upp till 48 timmar utan markintervention. Ombord-FDIR-systemet aktiveras vid en systemfel och försöker återställa farkostens normala drift. Det är dock en god praxis att inte förlita sig enbart på ombordsystemet för att upptäcka och hantera problem. Marksystemet har parallella funktioner för att tidigt upptäcka problem, vilket gör det möjligt att vidta åtgärder innan ombord-FDIR-systemet aktiveras.

För att stärka analysen av telemetri och förbättra förståelsen av systemets status är det viktigt att observera sekundära effekter, som oväntade förändringar i parametrar som temperaturer, strömmar eller sensorvärden, även om dessa fortfarande ligger inom det normala intervallet. Dessa förändringar kan ge indikationer på långsiktiga problem som kan påverka rymdfarkostens livslängd eller misslyckande av vissa funktioner. Andra signaler på problem kan vara attitydavvikelser som inte registreras av det ombordprogrammerade systemet eller långsiktiga förändringar i telemetri och förbrukning, vilket kan ge ledtrådar om den återstående livslängden för satelliten.

Därför är det avgörande att inte bara följa de uppenbara parametrarna utan att också utföra en mer djupgående analys för att identifiera subtila problem innan de leder till allvarliga konsekvenser.