Digitale Nutzlasten auf AMSAT Phase 3D

13. Internationale PR-Tagung
Darmstadt, 26./27. April 1997

Bernd Ludewig, DH5IAE
Kastanienweg 3, 69493 Hirschberg
Email an DH5IAE

Ralf Zimmermann, DL1FDT
Am Ruhwehr 35, 65207 Wiesbaden
Email an DL1FDT

Inhaltsverzeichnis

Im Laufe des Jahres 1997 soll AMSAT Phase 3D, der bisher größte Amateurfunksatellit in den Orbit gebracht werden. Der Satellit ist mit seinen über fünfhundert Kilogramm Startgewicht mehr als fünfmal so schwer wie AO13. Zum einen werden auf diesem Satelliten deutlich mehr Transceiver und Antennen als bisher geflogen, zum anderen wird es eine Menge neuer Experimente geben, einige davon digital.

Als Steuerzentrale des Satelliten dient die IHU (Internal Housekeeping Unit), welche mit einem alten (und Weltraum-bewährten) 8-Bit-Prozessor arbeitet. Das Betriebssystem läuft sehr stabil und erfüllt auch heutige Ansprüche.

Tabelle 1 zeigt eine grobe Übersicht der neuen digitalen Nutzlasten auf Phase 3-D.

Den zentralen Bestandteil der digitalen Nutzlast stellen zwei fast identische RUDAK-Boards dar. RUDAK ist die Abkürzung für "Regenerativer Umsetzer für Digitale Amateurfunk Kommunikation".

RUDAK kommuniziert mit den einzelnen Experimenten und sorgt für die Übertragung der Daten zur Bodenstation. Aufgrund der anfallenden Datenmengen ist die IHU nicht in der Lage, diese Experimente zu unterstützen. Die Vernetzung wird durch einen CAN-Bus mit maximal 800 kBit/s realisiert.

Tabelle 2 zeigt die Bestückung der RUDAK-Boards.

Jedes RUDAK-Board besitzt zwei konventionelle 9600 Baud Modulatoren und Demodulatoren nach G3RUH. Hierüber soll, vor allem am Anfang, die Grundversorgung erfolgen.

Jedes RUDAK-Board ist mit einem schnellen Modulator und Demodulator ausgerüstet. Hier ist eine feste Geschwindigkeit von 153,6 kBit/s realisiert. Als Modulation wird Biphase-PSK verwendet, welche nicht viel mehr Aufwand als 9k6 FSK nach G3RUH bedingt. Zusammen stellen die RUDAK-Boards also zwei unabhängige 153k6-Modem-Kanäle zur Verfügung.

Matjaz Vidmar (YT3MV) betreibt in Slovenien einige Digipeater mit 1,2 Mbit/s Biphase-PSK im 13cm Band. Auf einem Meeting in Marburg konnte er mit praktischen Hinweisen zur Diskussion beitragen. Nicht zuletzt dank dieser positiven Erfahrungen wurden Biphase-PSK Modems für P3D vorgesehen.

Jedes RUDAK-Board besitzt vier DSP-basierte Modems.

Jeder DSP-Modulator besteht aus einem ADSP-2171 als Prozessor und einem AD7008 Direct Digital Synthesizer (DDS) von Analog Devices. Das vom DDS-Baustein erzeugte Signal im 10,7 MHz ZF-Bereich wird über einen Multiplexer auf dem RUDAK-Board zur ZF-Matrix geleitet.

Für die Demodulatoren werden sehr schnelle Video-A/D-Wandler benutzt. Nachgeschaltet ist jeweils ein HSP50016 Digital Down Converter (DDC), der das digitalisierte 10,7 MHz ZF-Signal auf einen für die digitale Signalverarbeitung geeigneten Frequenzbereich umsetzt. Der DDC liefert direkt das demodulierte I- und Q-Signal an den DSP (ebenfalls ein ADSP-2171).

Die Up- und Downlink-Frequenzen werden durch den programmierbaren Local-Oszillator im DDC/DDS bestimmt. Die in den DSPs zu realisierende Modulation und Demodulation wird vollständig durch Software kontrolliert. Hierdurch ergibt sich eine enorme Flexibilität des Systems (Frequenz, Modulation, Anzahl der Kanäle).

Jeder ADSP-2171 kann etwa 56 kBit/s mit wenig Kodierung verarbeiten, der DSP enthält etwa 10 kB internes RAM, welches nicht gegen strahlungsbedingte Bitfehler geschützt ist. Deshalb führt der DSP regelmäßig einen Selbsttest des Speichers durch. Gegebenenfalls resettet der RUDAK-Hauptprozessor (V53) den DSP und lädt wieder die Modulations-Software in den Chip.

Auf den RUDAK-Boards steht eine große Kapazität an Prozessorleistung und Speicherplatz zur Verfügung. Dies wird in der Zukunft sicherlich ein paar neue interessante Möglichkeiten eröffnen. Vorstellbar wären z.B. folgende Szenarien:

High-Speed InterLinks

Wenn der Satellit über einem Kontinent steht, kann er durch seinen großen Einzugsbereich über die 153k6-Modems (oder die DSP-Modems) High-Speed-Links über große Entfernungen anbieten. Eine entsprechende Anbindung an Digipeater wäre mit geeigneter Software auf dem Satelliten und Anpassung der Digi-Software leicht zu realisieren.
 

High-Speed Store&Forward

Alle zwölf Stunden steht der Satellit über einem neuen Kontinent (Europa, USA, Asien). Mit den 2x16 MByte Speicher auf den RUDAK-Boards könnte man jeweils eine Menge Nachrichten von Mailboxen im Satelliten zwischenspeichern und an geeigneter Stelle forwarden.
 

Neue Modulationsarten

Durch die frei programmierbaren DSP-Modems sind der Phantasie nur wenige Grenzen gesetzt. Interessierte DSP-Programmierer werden die Gelegenheit erhalten, eigene Routinen auf dem Satelliten auszuprobieren.
Desweiteren ist geplant eine billige DSP-Karte für den User zu entwickeln, welche möglichst die gleichen DSP-Modems enthält wie die RUDAK-Boards. Damit könnte man die auf dem Satelliten verwendete Modem-Software direkt an den User weitergeben, welcher damit seine DSP-Karte auf den jeweils aktuellen Stand bringen kann. Damit wird verhindert, das die Software für den User jedesmal neu entwickelt werden muß, wenn ein Programmierer sich auf dem Satelliten eine neue exotische Modulation ausgedacht hat.

In der Zukunft wird sicherlich noch einige Arbeit in die Entwicklung der Software investiert werden müssen. Gute Ideen werden immer gesucht und auch Angebote zur Mitarbeit werden gerne angenommen. Jeder, der an diesen Entwicklungen interessiert ist, sei hiermit aufgefordert sich bei AMSAT (oder uns) zu melden.

Das GPS-Experiment an Bord von P3D soll in erster Linie dem Nachweis dienen, daß die Bahn und die Lage eines Satelliten mittels der Signale der GPS-Satelliten bestimmt werden können. Bisher wurden lediglich zwei kommerzielle Satelliten mit GPS-Empfängern ausgerüstet. Des weiteren soll versucht werden, das bisher unveröffentlichte Richtdiagramm der Antennen der GPS-Satelliten zu vermessen, insbesondere da die Bahn von P3D weit über die der GPS-Satelliten hinaus führt. Da an einen GPS Empfänger, der sich in einer Umlaufbahn bewegen soll, besondere Anforderungen gestellt werden, können hier keine üblichen Empfänger für bodengebundene Anwendungen eingesetzt werden. Daher wurde der Aufbau von speziellen Empfängern für das P3D-Projekt in Angriff genommen. Das GPS-Frontend sollte auf dem Chipsatz von GEC Plessey basieren, und die Prozessorkarte mit einer AMD29200 Risc-CPU bestückt werden.

Als allerdings klar wurde, daß die CPU-Karte zwar fertig und ausgetestet ist, der HF-Teil mit den Plessey ICs allerdings bis zum Start von P3D nicht fertig werden wird, wurde nach Alternativen gesucht.

Derzeit ist geplant zwei kommerzielle GPS-Empfänger von Trimble in P3D zu integrieren. Die TANS Vector Empfänger werden AMSAT im Rahmen eines Forschungsprojektes von NASA GSFC zur Verfügung gestellt. Bei dem Trimble TANS Vector Empfänger handelt es sich um ein System, das für den Einsatz in Militärflugzeugen konzipiert ist. Durch den Einsatz von vier Patchantennen kann sowohl die Position, als auch die Lage durch Phasenvergleich der GPS-Signale an den verschiedenen Antennen bestimmt werden. Die Genauigkeit der Lagemessung hängt daher vom Abstand zwischen den Antennen ab, und wird im Fall von P3D bei etwa 0.2 Grad liegen. Es können maximal sechs Satelliten gleichzeitig empfangen werden, wobei vier für eine 3D-Positions- und 3D-Lagestimmung ausreichen. Die Position wird zehnmal pro Sekunde aktualisiert, die Lage jede Sekunde. Da der Trimble Empfänger nicht für den Einsatz außerhalb der Atmosphäre konstruiert wurde, müssen für den Einsatz in P3D diverse Modifikationen vorgenommen werden. Zum einen wird der Empfänger mit Tantal-Blechen vor der kosmischen Strahlung abgeschirmt, zum anderen wurde die Originalsoftware durch eine speziell von NASA entwickelte Software ersetzt.

Um den unterschiedlichen Bedingungen im Apogäum und im Perigäum gerecht zu werden, werden in P3D zwei Trimble-Empfänger geflogen. Der eine ist mit original Trimble Antennen mit 42dB Verstärkung für den Einsatz im Perigäum vorgesehen. Die Antennen befinden sich in diesem Fall auf der 'erdabgewandten' Seite des Satelliten. Der andere Empfänger ist mit speziell von AMSAT-NA entwickelten Vorverstärkern und professionellen High-Gain Antennen von Ball Brothers für den Empfang im Apogäum vorgesehen. Ob es möglich sein wird, im Apogäum das GPS-System zu nutzen, ist momentan noch unklar, da eventuell nur Signale von den Satelliten zu empfangen sein werden, die sich zu der Zeit auf der anderen Seite der Erde befinden. Deshalb wurde versucht, maximale Performance bei den Vorverstärkern und Antennen zu erreichen.

Die Daten der GPS-Empfänger werden über eine RS-422 Schnittstelle an den RUDAK übertragen. Momentan wird noch spezielle Software für RUDAK geschrieben, um ein Kommando- und Telemetrieinterface zu den Trimble Empfängern zu unterstützen.