Ground station reception system for LEO incoming signal

Abstract

A crescente demanda por comunicacçãao via satéelites de baixa éorbita (LEO) impulsiona a necessidade de estaçcãoes terrenas de baixo custo, alta performance e reconfiguréaveis. As tradi cionais estacçãoes, baseadas em grandes refletores paraboélicos com sistemas de apontamento mecânico, possuem um custo elevado de implementação e manutenção, além de limitacães na capacidade de rastrear muéltiplos satéelites simultaneamente. Como alternativa, os arranjos de antenas em fase (phased arrays) oferecem vantagens significativas, como o apontamento eletrâonico do feixe, interferometria do sinal e a possibilidade de comunicaçcaão com muéltiplos satéelites. Esta dissertaçcãao aborda este desafio atravées do projeto, caracterizaçcãao e desenvolvi mento de metodologias de calibracçãao de uma estaçcãao terrena baseada em um arranjo de an tenas em fase, com foco em soluçcãoes de baixo custo e reconfigurabilidade. O trabalho estéa fundamentado em trâes pilares principais: o desenvolvimento de uma antena alimentadora de corneta de quad-ridge (quad-ridge horn) de banda larga e dupla polarizaçcaão, o projeto de um front-end de RF e arquitetura do sistema de recepçcaão, e a implementacçãao de algoritmos de calibraçcaão para corrigir as nãao idealidades do arranjo. Aléem disso ée parte do projeto Estaçcãao Terrena Autânoma Distribuída de Baixo Custo e Alta Taxa de Download, Processo CNPq: 405635/2022-2, CHAMADA CNPq N° 20/2022 - Faixa A, sob coordenação do Prof. Sébastien Roland Marie Joseph Rondineau. O primeiro esforçco praético deste trabalho concentrou-se no desenvolvimento da corneta alimentadora. O protoétipo inicial, uma Antena Corneta Quadrada Quad-Ridge (SQRA), foi projetado, fabricado e testado com foco na frequâencia central de 2.445 GHz do satéelite VCUB1 da Visiona. Embora funcional, este primeiro modelo revelou desafios relacionados ' fabricação com chapas metálicas, que resultaram em imprecisões dimensionais e, portanto, desvios no desempenho eletrico. Além disso, seu grande tamanho e peso foram considerados inadequados para a aplicação como alimentador de um refletor parabálico de 2.4 m, pois gerariam uma região de sombreamento no refletor, degradando a eficiência total da antena. Com base na experiência do primeiro protátipo, uma antena corneta cênica quad-ridge foi desenvolvida, com foco em modularidade, compactacçãao e, principalmente, ajuste páos-fabricacçãao. O projeto incorporou trêes inovacçãoes chave: uma montagem modular que simplifica a fabricacçãao e manutençcãao; um alimentador quadraxial para excitaçcãao diferencial, melhorando a imunidade a ruído; e um mecanismo de ajuste do posicionamento dos ridges. Este ultimo, realizado através de ranhuras usinadas e parafusos de ajuste para os ridges, permitiu relaxar as tolerêancias de fabricacçaão e possibilitou uma sintonia fina das propriedades eláetricas da antena mesmo apáos sua montagem completa. Esta capacidade de reconfiguracçãao mecêanica áe uma das principais contribuiçcãoes deste trabalho, em conjunto com a alimentaçcaão diferencial quadraxial, pois aborda um dos maiores desafios na fabricacçaão de antenas de banda larga e com tolerêancias estreitas. O sucesso do projeto da corneta coênica foi validado atraváes da sua fabricacçãao e de um rigoroso processo de mediçcãao em caêmara anecoica. Os resultados experimentais demonstraram um excelente desempenho , superando as metas de projeto. A antena alcançcou uma largura de banda fracionáaria de 63% (de 2.1GHz a 3.9GHz ), com uma perda de retorno medida inferior a -13 dB e um ganho de pico de 10.1 dBi em 2.2 GHz. A excelente concordêancia entre os resultados medidos e simulados validou nãao apenas o modelo eletromagnáetico, mas tambáem a eficaácia do máetodo de fabricaçcãao e ajuste proposto. Concluiu-se, portanto, que a antena cêonica modular e ajustaável áe perfeitamente adequada para sua funçcãao como alimentador no arranjo de antenas parabáolicas. Paralelamente ao desenvolvimento das antenas, a arquitetura completa do sistema de re- cepcçaão foi concebida. O sistema consiste em um arranjo de 16 refletores parabáolicos, cada um equipado com seu práoprio front-end de RF e um Raádio Definido por Software (SDR) para digitalizaçcaão do sinal. A transmissãao dos dados de cada antena para o cluster computacional central áe realizada via fibra oáptica, garantindo alta velocidade e imunidade a interferêencias. O front-end de RF foi projetado e simulado detalhadamente no software Cadence AWR em nável de sistema, com a selecçãao de componentes de baixo ruádo. As simulaçcãoes demonstraram que a cadeia de RF atende aos requisitos cráticos de figura de ruádo (inferior a 2.65 dB) e linearidade, essenciais para a recepção de sinais de baixa potência de satélite. Dois aspectos críticos a nível de sistema foram validados: a viabilidade do link de comu nicação e a sincronizacao do arranjo. Foi realizada uma anélise detalhada do Link Budget para o satéelite alvo, o VCUB1, que confirmou a robustez do projeto ao apresentar uma margem de link positiva de 3.07 dB. Este resultado garante que o sistema pode receber os dados do satéelite com sucesso sob as condicões de operação especificadas. Além disso, a sincronização de tempo e clock entre os muéltiplos SDRs distribuédos fisicamente foi abordada atravées do uso de Os- ciladores Disciplinados por GPS (GPSDOs) em cada antena. Testes experimentais validaram esta abordagem, mostrando que os GPSDOs corrigem eficazmente os desvios dos osciladores internos dos SDRs, mantendo a coerêencia de fase em todo o arranjo. Para corrigir os desvios de implementaçcãao real do sistema, uma metodologia de calibraçcãao em duas etapas foi desenvolvida e simulada. A primeira etapa aborda os erros de posiciona mento fésico das antenas, um problema comum em instalaçcãoes de campo. Foi proposto um algoritmo praético baseado na Matriz de Distaências Euclidianas (EDM), que utiliza mediçcoães de distaência entre as antenas para estimar e corrigir seus verdadeiros posicionamentos. As sim- ulaçcãoes mostraram que este méetodo ée altamente preciso, alcancçando um erro de estimacçãao de apenas 0.25% para um desvio padraão de 20cm nas mediçcãoes. Esta etapa ée fundamental para desacoplar os erros mecêanicos dos eletrêonicos, simplificando a calibraçcãao subsequente. A segunda etapa da calibraçcãao foca nos desbalançcos de ganho e fase dos canais de RF individuais. Foi desenvolvido um méetodo que utiliza uma matriz de calibraçcãao global, estimada a partir de apenas dois sinais pilotos (sinais de calibracçãao) com direçcãoes de chegada conhecidas. Esta abordagem ée significativamente mais préatica para aplicaçcãoes de campo do que os méetodos que exigem uma grade densa de pontos de calibraçcaão. As simulaçcoães confirmaram a alta eficéacia do algoritmo, que alcançcou um Erro Quadréatico Méedio (RMSE) entre o vetor de direçcãao ideal e o calibrado inferior a -30 dB. Em conjunto, este trabalho apresenta um projeto completo e validado, que abrange desde a fabricaçcãao de hardware atée o desenvolvimento de algoritmos de calibracçãao, fornecendo um roteiro para a criaçcãao de estaçcãoes terrenas de arranjo de fase de baixo custo e alto desempenho para a comunicaçcãao com satéelites LEO.