08/11/2016 Censipam Sébastien Rondineau [email protected] 1 Algoritmos de conformação de feixe para imageamento radar e comunicação satélite redundante e baixo custo
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
1
Algoritmos de conformação de
feixe para imageamento radar e
comunicação satélite redundante
e baixo custo
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
2
Plano
● Introdução ● Beam Forming : como funciona ?● Algoritmo● Aplicação a cluster de nanossatélites● Vantagens● Aplicação e estação terrena● Vantagens● Conclusão
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
3
IntroduçãoCorrespondência SAR footprint – diagrama de irradiação
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
4
Introdução
Reconstrução da formade onda SAR
Reconstrução forma de onda SAR = Beam forming
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
5
Beam Forming : como funciona ?
Métodos analíticos:● Schelkunoff (1943),● Dolph Chebychev (1946),● Taylor (1955)
=> rapido e optimal mas limitdo a problemas muito específicos
Métodos optimização global: algo evolucionários GA, PSO, SA, etc.
=> versáteis mas com desempenho limitado
(r⃗n , gn , xn)?
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
6
Algoritmo
Otimização convexa com relaxação
● Tempo de calculo: << métodos estocásticos● Simplicidade de implementação: muitas bibliotecas disponíveis
(CVX, Sedumi, SDPT3, etc.)● Facilidade de uso: nenhum parâmetro a ajustar ● Desempenho: solução ótima garantida (se convexa) e certificado de
existência● Alta robustez: imune a ruído e erros de posição e peso
Optimização convexa = Compromisso eficiência / generalidade
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
7
Aplicação a cluster de nanossatélites
● cluster de 20 nanossatélites● antenas omni-direcionais● mesma amplitude● ajuste de fase
reconstrução em tempo realou a posteriori
NASA/DARPA, ESA, JAXA :vários programas com universidades de cluster de nanossatélites para imageamento Radar/SAR
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
8
Vantagens
● Robustez e versatilidade
● Embarcado p/ processamento em tempo real ou
pós-processamento no solo
● Adaptatividade em tempo real quando for
acoplado a RDS
● Redundância
● Economicamente eficiente
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
10
Space-TimeAdaptive Processing (STAP)
● Necessário quando tem várias antenas e quando tem ecesso de atraso ultrapassa o periodo de bit
– SAC-C coded bit rate : 6 Mbps Bit period :167 ns
– “Near echoes” atraso de até 600ns / “far echoes” atraso de até 15s.
Satellite Signal
Satellite Signal Direct Path
Interference Multipath
Interference
Z-1 Z-1
Z-1 Z-1
Z-1 Z-1
Z-1 Z-1
Time Taps
= complex adaptive
weight
Satellite Signal Multipath
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
11
CarrierRecovery-Unconventional Approaches
● Extended Kalman Filter [1,2]
– Aproveita a correlação entre os processos de fase
– Utiliza várias antenas para reduzir o erro de fase do PLL
● Multi-D PLL [3]
– Extensão intuitiva do PLL escalar
– Sincronização e equalização feitos cegamente
1. “Novel Multireceiver Communication Systems Configurations Based on Optimal Estimation Theory”, R. Kumar, IEEE Trans. on Comm., Vol. 40, No. 11, Nov. 1992.
2. “On Phase-Locked Loops and Kalman Filters”, A. Patapoutian, IEEE Trans. on Comm., , Vol. 47, pp. 670-672, May. 1999.
3. “A Multidimensional Phased-Lock Loop for Blind Multiuser Detection”, J.R. Barry and A. Batra, IEEE Trans. Sig. Proc., , Vol. 50, No. 9, Sept. 2002.
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
12
Modelo de propagação multicaminho
● Boa operação em ângulo baixo = ponto chave para alta capacidade diaria de download
– Multicaminhos entram pelos lóbulos secondários mais altos
● Cobertura otimizada pela inclinação dos arranjos
– Multicaminhos entram através dos baixos ângulos lóbulos atenuados durante tracking de altos ângulos
1. Jahn, A.; Bischl, H.; Heiss, G.; “Channel characterisation for spread spectrum satellite communications, Proceedings of the IEEE 4th International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications, Vol. 3, pp. 1221 - 1226 22-25, Sept. 1996.
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
13
Parabola grande vs arranjo de pequenas
antenas
11m Dish @ Poker Flats: 105Mbps 585Gb/day
3 Element Motosat: Hawaii, Seattle, Bangor, and 4 @ Poker Flats: 50Mbps
594Gb/day
Intensidade do sinal
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
15
Ótimização da capacidade de download
Capacity: Gb/day Eb/No
Data download : SFL32: Optimized 8 elementarrays at Seattle, Bangor: 105Mbps 587Gb/day
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
16
ProtótipoSignal processing equivalent
X [ejΦn] (phaser)
2DComb
Lens apertureX
PatchFFP
z
xy
x y
z(Sampling)
PatchFFP
(windowing)
Σ (recombining)
θinc
EM wave
detectors
θinc
Focal arc/surface sampling
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
17
Protótipo
Non-feed side
Feed side + detectors+ active switching network
Detectors + metallic box + metallic frame
Front view of the detectors + switching network
Back view of the detectors + switching network
952 elementos
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
18
Protótipo• To test the tracking system, we
requested only CW transmissions from SAC-C
• The outputs of the down-converters (@2.5 GHz) were input to a 4-to-1 switch
• The switch output was viewed on a spectrum analyser with a 10 kHz video bandwidth
• Hybrid electrical/mechanical scanning
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
20
Budget linkSATELLITE DATA
Satellite: EO-1Position: LEO
Orbit Altitude 702.0 Km
Antenna Array Element:1.0 m Space Fed
Lens
DOWNLINKDownlink Frequency: 8.4 GHzEIRP at beam edge: 22.0 dBW
Backoff,Modulation & other losses: 2.5 dBAntenna Array
Element:
1.0 m Space Fed
LensFree Space Loss at 85 deg below Zenith: 179.0 dB Reflector/Lens Loss 0.3 dB
Atmospheric Loss (clear weather + Rain Fade): 2.5 dB Feed Loss 0.2 dBPower at receive antenna: -132.0 dBm LNA Gain 40 dB
Aperture Size: 1.00 m LNA NF 1.1 dBAperture Efficiency: 73%
Receive Antenna Gain: 37.5 dB Cascade NF 1.6 dBEarth Station Noise Temp: 129 deg K Equiv Noise Temp 129 deg KEarth Station Noise Temp: 21.1 dBK
Earth Station G/T: 16.4 dB/deg K.C/No 82.4 dBm/deg K.
Symbol rate: 105000.0 KBPSSymbol rate: 80.2 dBHz
Noise Power at Receiver 83.2C/N -0.8
Required C/N for Acquisition 8 dBRequired Array Performance Gain 8.8 dB
Required Number of Array Elements 8Receiver Processing & Implementation Losses: 1.4 dB
Single Element E(b)/N(o) at receiver: 0.8 dB
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
21
Análise de custoSatellite; EO-1
Antenna Array Element: 1.0 m Space Fed Lens
Item Description Quantity Cost Total1 Antenna Assy 16 22,825$ 365,200$
1.0 m Space Fed Lens 500032 Position Feed Assy 16000LNA 900Mixer 75BPF 100IF 100Housing 150Cabling 500
2 Antenna Positioner 16 3,000$ 48,000$
Azimuth Drive 500 Note 1Controller 1500Mounting Structure 500Radome 500
3 Receiver 8 6,000$ 48,000$
Signal Track & Acquisition 6000Carrier Recovery Note 2Demod Note 2
4 LO Synthesizer 1 5,000$ 5,000$
5 Adaptive Beam Processor 1 10,000$ 10,000$
6
Data Comms & Ground Node Management Processor 1 10,000$ 10,000$
7 Cabinet, Power Supplies, etc 1 5,000$ 5,000$
9 Est. Total System Cost: 491,200$ Note 3
12 NOTES:13 Note 1
14Note 2
15Note 3
This cost is based on a "turntable" type azimuth positioner assyCost estimate based on receiver implemented using Altera Stratix II FPGATotal cost excludes land acquisition cost, civil works for installation and any local licensing or permit costs
em US$no ano 2006
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
22
Vantagens
● Integração na rede internet
● Pequenos arranjos são equivalentes ou melhores
do que grandes parábolas
● Otimização da orientação dos arranjos
● Vários tipos de arranjos / mistura
● Robustez pela dupla redundância
● Economicamente eficiente.
08/11/2016Censipam
Sébastien [email protected]
23
Conclusão
● Beam forming para SAR / Imageamento rada com cluster de nanossatélites
● Robustez e redundância● Custo baixo
● Estação terrena baixo custo distribuida integrada à internet
● Robustez e redundância● Economicamente eficiente