Ground station considerations for the AMOS satellite programme

99 Pages·2017·19.8 MB·English

by  Øyvind Karlsen

Ground station considerations for the
AMOS satellite programme
Øyvind Karlsen
Master of Science in Electronics
Submission date: July 2017
Supervisor: Torbjørn Ekman, IES
Norwegian University of Science and Technology
Department of Electronic Systems

Ground station considerations for
the AMOS satellite programme
Øyvind Karlsen
July 8, 2017

Problem Description
NTNU has established a new research programme within the CAMOS and AMOS
umbrellas. This program focuses on rapidly launching Small Satellites (SmallSats)
for maritime applictions. The task is to investigate and specify requirements and
methodologies for establishing ground stations to support these rapid satellite
launches with coverage in the VHF/UHF/SHF bands.
The thesis should include:
- A study of ground station networks.
- Finalisation and verification of the VHF/UHF ground station for NTNU Test
Satellite (NUTS).
-AstudyofavailablesystemsubcomponentsforGHzrangesatellitegroundstations.
- A proposal for a wideband ground station to support future NTNU satellites.

Abstract
NTNUcentreforAutonomousMaritimeOperationsandSystems(AMOS)isexpanding
withasatelliteprogramme(AMOS-Sat). Thesesatelliteswilloperatewithfrequencies
rangingfromVHFtolowSHF.Tosupportthesefuturesatellites, NTNUwillneed
more resources in the ground station segment. To get experience with research,
developmentandmaintenanceofgroundstations,theseshouldbebuilt,testedand
used to conduct research.
For easy access to and distribution of satellite data, a network service must be
considered. An alternative to high cost commercial solutions is an open ground
station network. A survey of such platforms is conducted. One of the platforms,
SatNOGS, is further explored by setting up a VHF/UHF network node. This
network node has tracked and recorded over 200 satellite passes during the spring
of 2017.
The build and verification of the VHF/UHF ground station is presented. The
results are used to form a link budget. It shows that the ground station can
support orbits up to 400 km for VHF and up to 500 km for UHF in 99% of all
fading cases. The results from SatNOGS show that the station can support much
higher orbits but may become scintillation limited.
Finally, a novel idea for a low SHF ground station to support the AMOS-Sat
endeavour is presented. The ground station is based on an adaptive polarisation
SDR platform, and supports up- and downlink over 1 GHz to 6 GHz.
The ground station for VHF/UHF and future expansion to the GHz range gives
NTNUtheneededexperienceingroundstationoperation. This, togetherwiththe
potential for an open global network that SatNOGS provides, gives AMOS-Sat a
low-cost alternative to commercial ground station services.

Sammendrag
NTNUs senter for Autonome Maritime Operasjoner og Systemer (AMOS) utvider
n˚a med et satellitt-program kalt AMOS-Sat. Disse vil operere i frekvensomr˚adet
mellom VHF og lav SHF. For˚a støtte disse fremtidige satellittene trenger NTNU
mer kunnskap og utstyr knyttet til bakkestasjons-segmentet. For˚a f˚a erfaring med
forskning, utvikling og vedlikehold av bakkestasjoner, m˚a disse bli bygd, testet og
brukt til forskning.
Forenkeltilgangtilogforfordelingavsatelittdatam˚aennettverkstjenestevurderes.
Etalternativtildyrekommersielleløsningereret˚apentbakkestasjonsnettverk.En
undersøkelseavslikenettverkergjennomført.Ettavdissenettverkene,SatNOGS,
ervidereundersøktved˚asetteoppenVHF/UHFnettverksnode.Dennenettverksnoden
har fulgt og tatt ned data fra over 200 satellittpass i løpet av v˚aren 2017.
KonstruksjonogverifikasjonavVHF/UHFbakkestasjonenerpresentert.Resultatene
er brukt til˚a utarbeide et linkbudsjett. Dette visert at bakkestasjonen kan støtte
satellittbaner opp til 400 km for VHF og opp til 500 km for UHF i 99% av alle
fading-tilfeller. Resultaene fra SatNOGS viser at bakkestasjonen kan støtte høyere
baner, men kan bli begrenset av sterk fading fra scintillasjon.
Tilsluttpresenteresenid´eforenlavSHFbakkestasjonfor˚astøtteAMOSsatellittene.
Bakkestasjonen er basert p˚a en adaptiv-polarisasjons SDR plattform, og støtter
opp- og nedlink over frekrensomr˚adet fra 1 GHz til 6 GHz.
BakkestasjonenforVHF/UHFogfremtidigutvidningtilfrekvenseriGHzomr˚adet
gir NTNU den erfaringen som trengs med bakkestasjonsdrift. Dette, sammen med
potensialetforet˚apentglobaltbakkestasjonsnettverkgjennomSatNOGS,girAMOS-Sat
et billigere alternativ til kommersielle bakkestasjonstjenester