Uzay Segmenti D Roddy Chapter 7

7.2:Giriş Yer segmenti Uzay Segmenti Yer istasyonu Uydu En basit: Evlerimizdeki antenler Uluslar arası haberleşme ağlarının santralleri Uzay Segmenti Uydu Tracking, Telemetry, Command (yerdedir) Uydunun uzaktan kontrol edilmesini sağlayan sistem Payload (Hizmeti sağlayan kısım, Transponder) Bus (taşıyıcı kısım, Güç, Duruş, Yörünge, Isı) Transponder: Alıcı verici antenlerini bağlayan donanım Minimum ağırlık, minimum tüketim, maksimum güvenilirlik

7.2:Güç Güneş Panelleri Verimlilik 10 yılda %30 oranında düşer Bir p-n junction’da foton akısı sonucu oluşan gerilim Günümüzde %30 verimle çalışır Silicon ve GaAs solar cell Silindirik paneller(2m çap, 6 m uzunluk, 800-900Watt) Spin-stabilized uydular için (30-35 W/m2 güç) Uydu yörüngeye oturduğunda teleskop şeklinde açılır Yelken paneller (20m, güneşi takip eder, 2-6kW) Daha verimli: %20 verim, 1m2 alan  200 Watt güç Küp şeklindeki uydularda kullanılır Fırlatma sırasında katlanmış durumdadır Verimlilik 10 yılda %30 oranında düşer

Güneş Panelleri

7.2 Güç Piller (özellikle tutulma zamanlarında kullanılır) Tutulma: Ekinokslardan 23 gün öncesi-sonrası <72 saat/gün Kapasite (C=Ah) Enerji (Wh/Kg) Depth of discharge Charge efficiency Discharge efficiency Örnekler Ni-Cd piller (30 Wh/kg) Ni-H2 piller (80lerde ), daha verimli (60Wh/kg), DoD =%50 Li-ion piller: daha da verimli (175Wh/kg), DoD =%80 %50 daha az ağırlık

7.3: Duruş Denetimi (Attitude Control) Uydunun konumu değil yönü ile ilgilidir Antenlerin tam olarak yer istasyonuna doğrultulması için Uyduyu yörüngede tutan sistemlerle karıştırılmamalıdır Uydu ekipmanının çoğu duruş denetimi içindir Antenleri ve sensörlerin doğru tarafa yönelmesi Bozucu faktörler Yer ve Ayın çekimleri, Güneş ışınları, Meteorlar, Antenlerin hareketleri Algılama (Sensors) Güneş sensörü (0.01 derece hassasiyet) Dünya sensörü (0.05 derece hassasiyet) Dünyayı uzaydan ayıran CO2 bandını algılamak (4 sensör) Dünyadan yansıyan güneş radyasyonu (fotoelektrik transistörler) Startracker (yıldızlara göre ) (0.001 derece hassasiyet) 10 tane yıldız takip edilir, eldeki haritayla uydurulmaya çalışılır İvme ölçerler (mekanik oldukları için ömürleri sınırlı) Radyo-frekans veya laser «beacon»lar: Hassasiyetleri daha az Kontrol mekanizması genelde uyduda olur Yerden de kontrol edilebilir

7.3: Duruş Denetimi (Attitude Control) Eylem/Manevra(Actuators) Pasif Stabilizasyon (ör. INTELSAT IV) Spin stabilization Silindirik uydularda olur (50-100 rpm) Anten kısmı dönmemeli, sadece dış kısım döner Dünyanın manyetik alanından faydalanan torklar Güneş radyasyon basıncından faydalanan torklar Aktif stabilizasyon (ör. INTELSAT V) Momentum tekerleri ve gaz püskürtme Küp uydularda Teker dönünce (6000rpm) aksi yönde hareketlenme olur 20-60cm çapında tekerler Belli sabit hızda dönünce pasif stabilizasyon da sağlarlar (Reaction wheels) Antenin duruşu/konumu bozulunca gaz da püskürtülür

216x660cm

7.4: Station Keeping (Yörüngede Tutma) Doğu batı Ekvatorun eliptik olması nedeniyle kayma olur (75E ve 105W’e doğru sürüklenir) 2-3 haftada bir ters yönde ivme verilir 4/6GHz: +-0.1derece , 12/14GHz: +-0.05derece Kuzey Güney, Güneş ve ay nedeniyle (yıllık 0.85 derece) 26 yılda 0-14 derece arasında döngü yapar Gaz püskürtülerek doğru paralele getirilir Yükseklik: 36000+-%0.1 (72 km) Yerden kontrol edilir Doğu batı: Duruş denetimi ile aynı gaz egzozları kullanılır GEO Uydu sonuç olarak küp içinde gezer (147x147x72km) Büyük antenlerin(30m) hüzme genişliği bundan azdır O yüzden büyük antenler uyduyu takip etmelidir Küçük antenlerin (<5m) takip etmesine gerek yoktur

7.5: Isı Denetimi Isı farkı çok fazla Albedo Uydunun bir tarafı güneşe bir tarafı uzaya bakar Albedo Dünyadan yansıyan güneş ışınları (LEO için) Uydu ekipmanlarında oluşan ısı Ekipmanlar sabit sıcaklıkta çalışmalıdır Çözümler Isı yalıtımı Radyatör (aynalarla payload’a gelen ısı yansıtılır) Silindirik uydular ısı dağılımı açısından avantajlıdır İzolasyon (çok katmanlı plastik, alüminyum, titanyum) ..

7.6: TT&C Sistemi Takip (Tracking) Telemetri (Birkaç 10-100bit/sn) Uzaktan ölçüm ve ölçümü yer istasyonuna iletmek Uydu konumu ve duruşu, manyetik alan, meteor frekansı, ısı, güç durumu, yakıt durumu Komuta (100-1000bit/sn) Telemetriden elde edilen bilgiye dayalı olarak gerekli komutların yerden uyduya iletimi Duruş ve konum değişimi, transponder açıp kapamak, anten ayarlaması Şifrelidir Takip (Tracking) Mesafe (faz değişimi) , Hız ölçümü (Doppler etkisi) Güvenilirlik ve Gürbüzlük (Robustness) önemlidir Yedekli transponder, daha geniş hüzmeli antenler S bandı (~2GHz): özellikle fırlatma periyodunda

7.7: Transponder (Uydu Alıcı-vericisi) Uydudaki haberleşme ekipmanı Fonksiyonlar Servis alanından iletilen belli bir frekans ve polarizasyondaki taşıyıcıları algılamak Girişimi mümkün olduğu kadar az almak Picowattan az seviyedeki alınan sinyalden gürültüyü ayıklamak Uplink sinyalini downlink frekansına aktarmak ve güçlendirmek Ör:C Band:500MHz=12 Transponder X40MHz Her transponder için 36MHz ve 4MHz guard band Wideband receiver, İnput demultiplexer, Power Amplifier Frekans yeniden kullanımı (reuse) Yatay ve dikey polarizasyon aynı anda iletilirse verimlilik 2 katına çıkar Spot beam (Çoklu ışın uydular): Her bir ışın aynı bandı kullanır fakat farklı yerlere odaklanır Efektif bant genişliği : 4x500MHz

7.7: Transponder (Uydu Alıcı-vericisi) Sinyal bantlara ayrılır ve güçlendirilir 500MHz toplu olarak güçlendirilip filtrelenir Downlink frekansına çevrilir

WIDEBAND RECEIVER Yedek bir alıcı da bulundurulur Low noise preamplifier: Sinyali büyütür ve mümkün olduğu kadar az gürültü ekler (FET güçlendiricileri) Mixer: Burada local oscillator vardır. Downlink frekansına çevirir. Stabil ve az faz gürültülü olmalıdır (Diode mixer). Amplifier: Toplamda 60dB kazanca ulaştırabilir (BJT veya FET). Kazancı değişik aşamalara bölmek daha iyidir.

INPUT DEMULTİPLEXER Kanallar tek ve çift olarak ayrılır, bu sayede yan bant girişiminin önüne geçilir.

Power amplifier Her sinyal için ayrı bir güçlendirici vardır. İlk baştaki zayıflatıcı her transponder’ın zayıflamasını eşit hale getirmek için vardır. Zayıflatıcı ayrıca güçlendiricinin doğrusal olmayan bölgede çalışmasına engel olur. Güçlendiricide genellikle Travelling wavetube amplifier kullanılır.

7.7.3: Güçlendirici (Power Amplifier) Her transponder için bir güçlendirici Travelling wavetube amplifier En sık kullanılan tür Isıyla hareketlenen elektronlar manyetik alanın etkisiyle bir tüpün içinden geçer ve potansiyel yaratır. Geniş bir bant aralığı vardır. Dezavantaj: Doğrusal olmayan karakteristik (1 dB compression) Sinyal büyüklüğüne bağlı olarak sinyal hızı ve fazın değişmesi (AM/PM conversion) Intermodulation distortion (e0=aei+bei2+cei3…) Çok taşıyıcılı iletime zarar verir Çözüm: İnput backoff – enerji açısından verimsiz

TWTA

TWTA Typical values of the characteristics of tubes used are: power at saturation: from 20–250 W; efficiency at saturation: 60–75%; gain at saturation: around 55 dB; (C/N)IM at saturation: 10–12 dB (two carriers of equal amplitude); AM/PM conversion coefficient Kp: around 4.5°/dB (near saturation). An electric power supply (electric power conditioner (EPC)) generates the various voltages (up to 4000 V) required for operation of the tube. The efficiency is of the order of 95% which leads to a global efficiency of 60–65%. The total mass is around 2.2 kg (tube, 0.7 kg; power supply, 1.5 kg).

SSPA Daha iyi güç/kütle oranı Daha doğrusal power: 20–40 W; —efficiency: 30–45%; (daha düşük) —gain at saturation: 70–90 dB (depending on the number of stages); —(C/N)IM at saturation: 14–18 dB (two carriers of equal amplitude); —AM/PM conversion coefficient Kp: around 2°/dB (near saturation). The power supply associated with the transistor amplifier generates the required supply and bias voltages (a few tens of volts). Temperature compensation is necessary to avoid thermal drifts. The efficiency is of the order of 85–90% and this leads to an overall efficiency of 30–45% according to the frequency band. The total mass varies from 0.8 to 1.5 kg according to the power.

Doğrusal olmayan güçlendirici

7.8: Anten Sistemi Hem alıcı hem verici fonksiyonları vardır Dipol (her yön), Reflektör (yönlü) Parabolik reflektör Kazanç ve HPBW yandaki gibidir: Çap arttığında kazanç ve yönlülük artar Frekans için de aynı şey geçerlidir. Yüksek frekanslarda daha küçük antenler yeterlidir. Arka sayfada: INTELSAT VI Büyük antenler: 6/4 GHz yarım küre ve büyük alan 146 adet huni antenlerle beslenir (hüzme şekli ayarlanabilir) Ufak antenler: 14/11 GHz spot beam Tek bir huni ile beslenir ve yönü ayarlanabilir Antenler aynı anda alıp verebilir (diplexer) Bikonik Dipol: Tracking & Control

Çoklu Işınlı Uydular Frekansın yeniden kullanımını sağlar Hüzme kenarlarında minimum güç maksimum girişim olur. Daha dar hüzme ve daha çok frekans bandı kullanmak girişimi azaltırdaraltmak

7.9: Morelos ve Satmex 5 Meksika Uydusu Morelos A, B: 1985 Dual Band (C ve K bandı) C Bandı: 12X36MHz+ 6X72MHz K Bandı: 4X108MHz 36MHz: 14 adet 7W TWTA, 72MHz: 8 adet 10.5W TWTA, 108MHz: 6 adet 20W TWTA 180cm C Band anten (dual polarization) Alıcı: 2 adet C-band (2 yedek), 1 adet K bandı (1 yedek) K band eliptik anten 150ye 91cm Satmex 5: 1998, 116.8W Ku Band: Direct to Home TV yayını (60 cm çanak) Satmex 6 (2006), Satmex 7 (2011)

7.10: Anik Kanada ve Amerika Anik E: 56 TV veya 50000 Telefon konuşması Duruş Denetimi: 3 eksenli momentum wheel Yelken güneş paneli 3500-3600W Ni-H2 pil Solid state güçlendirici Anik E1, E2’de sorun yaşandı (gyroscope) Anik F1 (2000, 17.5kW), F2 (2004 Ka Band) Anik F3 (2007, DTH TV, Internet)

Turksat 3A 2008, 42E 3 Eksen Kararlılık Star Tracker sayesinde Hassas Attitude Control Yelken güneş paneli 30m açıklık: 6822 W Li-Ion Pil: kapasitesi: 8440W 24 adet 120W Ku Band transponder , toplam 1296MHz DTH TV, Internet faks vs. Uplink 13750-14500 MHz Downlink 10950-12750 MHz Harcadığı maksimum güç 6112 W Ağırlığı 3070kg