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Inter-Satellite Link Antennas: Review and The Near Future
Luleå University of Technology, Department of Computer Science, Electrical and Space Engineering, Space Technology.
2017 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 80 credits / 120 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The emerging trend in distributed spacecraft systems of using multiple spacecraft which share functions as opposed to independent spacecraft has given opportunities for missions previously infeasible. Inter-satellite link (ISL) communications provide a direct link within the space segment without need of an intermediate ground segment to relay the data. As the distributed spacecraft systems (DSS) have become less exotic and more complex, the need and demand for inter-satellite antenna systems has increased and the requirements for the antenna systems more diverse and become more demanding. This document is a research of the antennas currently used for ISL, already flown or will be launched in the near future. While the emphasis is strongly in the antennas, the other parts of the ISL communications sub-systems are observed. To limit the scope of the work, optical cross links are not observed in this document. ISL used only for very close proximity, such as several kilometres, are given only limited scope as the main challenges on those do not involve antennas. Furthermore, the major emphasis is given to systems which can be seen as commercially important. This document is divided in five main sections and the conclusions. In the first section the features and the challenges of ISLs are described. In the second section a parametrisation system for antennas is defined and this system is used in following sections to describe the ISL sub-systems and antenna used in them. The third part is a survey of recently flown space missions with ISLs. The fourth section is a survey on the missions which are scheduled to fly in near future and a brief survey of the solutions offered by satellite service providers and manufacturers. Due to the limited technical data available, the fourth section contains far more reverse engineering and assumptions than the survey on legacy missions. The fifth section describes the several families of ISL suitable antennas under development and discusses about several topics which relate to the ISL antenna development. In this part also are defined several example antenna specifications and the applications of those. The study concludes that antennas suitable for inter-satellite links are not inherently different from ground segment communication antennas of the S/C. The major difference is the need for greater coverage, which can be attained by multiple antenna elements, beam steering or antenna pointing. Specific considerations are needed to be taken into account and often the use of ISLs will increase the technical challenges, but it can provide solutions for problems which cannot be solved otherwise.

Abstract [de]

çDie sich abzeichnende Entwicklung von Einzelsatellitensysteme hin zu Systemen mit einer Vielzahl an Plattformen gleicher Funktionalität, eröffnet Möglichkeiten für die Durchführung von Missionen die bisher als nicht praktikabel/undurchführbar bewertet wurden. Inter-satellite Link (ISL) Kommunikation stellt eine direkte Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten eines Raumsegments zur Verfügung ohne auf ein zwischengeschaltetes Bodensegment zur Datenübertragung angewiesen zu sein. Die gestiegene Anwendungshäufigkeit und Komplexität von Distributed Spacecraft Systemen (DSS) bringen eine Erhöhung der Nachfrage bezüglich Antennen für die inter-satelliten Kommunikation mit sich, wobei die Anforderungen an diese vielfältiger und anspruchsvoller geworden sind.

Diese Abschlussarbeit stellt eine Untersuchung bezüglich Antennensystemen dar, welche in der Vergangenheit, der Gegenwart sowie der nahen Zukunft ihre Verwendung in der ISL fanden und finden werden. Während auch die anderen Bestandteile eines ISL Kommunikation Subsystems betrachtet werden, liegt der Schwerpunkt der Studie maßgeblich auf den Antennen selbst. Um den Rahmen der Arbeit zu wahren wird auf die Betrachtung optischer Kommunikationssysteme verzichtet. Bei inter-satellite Link Systemen die zur Datenübertragung über kurze Distanzen von nur einigen Kilometern benutzt werden liegen die Herausforderungen nicht bei den Antennen, weswegen diese nur bedingt untersucht werden. Weiter werden besonders die Systeme betrachtet welche als wichtig für die kommerzielle Anwendung erachtet werden können.

Diese Arbeit ist in insgesamt sechs Abschnitte unterteilt. Im ersten Kapitel werden zunächst die Eigenschaften und die Herausforderungen bezüglich ISLs erläutert. Ein System zur Parametrisierung von Antennen wird im zweiten Kapitel definiert um es in den folgenden Abschnitten zur Beschreibung der ISL Subsysteme anzuwenden. Eine Analyse der Instrumentierung vergangener Weltraummission mit ISL Systemen wird im dritten Kapitel durchgeführt, die Betrachtung zukünftiger Missionen erfolgt in Kapitel 4. Da für Letztere nur begrenzt technische Daten zur Verfügung stehen, beinhaltet das vierte Kapitel weitaus mehr Reverse Engineering und Annahmen als die Untersuchung abgeschlossener Missionen. Im fünften Kapitel werden verschiedenen, für die inter-satellite Kommunikation geeigneten Antennentypen beschrieben und unterschiedliche Themen bezüglich der ISL Antennenentwicklung diskutiert. Weiter werden in diesem Abschnitt verschiedene Antennenspezifikationen definiert und entsprechende Anwendungsbeispiele beschrieben. Im letzten Teil werden die gefundenen Erkenntnisse abschließend diskutiert.

Die Untersuchung zeigt dass Antennen welche für die inter-satelliten Kommunikation geeignet sind, sich grundsätzlich nicht von gängigen Antennen zur Bodensegmentkommunikation des S/C unterscheiden. Der Hauptunterschied liegt in der Notwendigkeit einer größeren Abdeckung. Dies kann durch eine größere Anzahl von Antennenelementen, Strahlsteuerung oder Antennenausrichtung erreicht werden. Systemspezifische Erwägungen müssen in Betracht gezogen werden wobei die Anwendung von ISL Systemen die technischen Herausforderungen/Anforderungen erhöht. Im Gegenzug ermöglicht sie Lösungen für Probleme die auf andere Weise nicht behandelt werden können.

Abstract [fr]

Une nouvelle tendance est apparue dans les systèmes décentralisés des satellites, consistant à utiliser plusieurs satellites qui partagent des fonctionnalités, plutôt que des satellites indépendants. Cela a rendu possible des missions qui étaient précédemment irréalisables. Le lien inter-satellite (ISL) permet en effet de communiquer directement dans l’espace, sans devoir utiliser le segment sol pour transmettre les données. Alors que les systèmes décentralisés des satellites (DSS) sont devenus moins exotiques et plus complexes, la nécessité et la demande de systèmes d’antennes inter-satellite se sont développées et les exigences pour les systèmes d’antennes se sont diversifiés et sont devenus plus contraignants.

Ce document réalise une étude des différentes antennes actuellement utilisées pour le ISL, dont certaines sont déjà opérationnelles et d’autres seront lancées prochainement. Tandis qu’il met fortement l’accent sur les antennes en ellesmêmes, il étudie aussi les autres parties des sous-systèmes de communication ISL. Néanmoins, pour limiter la portée du document, les réticulations optiques ne sont pas abordées. De même, les ISLs utilisés pour les communications à faible portée, de l’ordre de quelques kilomètres, ne sont que brièvement évoquées, étant donné que les défis majeurs concernant ceux-ci n’impliquent pas les antennes. Au delà de ça, ce document met surtout l’accent sur les systèmes qui peuvent être vu comme commercialement importants.

Ce document est divisé en cinq sections, en plus de la conclusion. Dans la première section sont décrit les caractéristiques et les challenges des ISLs. Dans la seconde section, un système de paramétrage pour les antennes est défini et ce système est utilisé dans les sections suivantes pour décrire les sous-systèmes ISLs ainsi que les antennes associées. La troisième partie donne un aperçu des récentes missions spatiales lancées avec ISLs. La quatrième section étudie quant à elle les missions prochainement programmées et donne un bref aperçu des solutions offertes par les fournisseurs et fabricants des services satellitaires. Dû à la limitation des donéees techniques disponibles, cette section est principalement basée sur l’ingénierie inverse et des hypothèses, comparé aux missions déjà lancées et discutées en section 3. Finalement, la cinquième section décrit les différentes familles d’antennes ISL sous développement et discute de plusieurs sujets liés à leur développement. Elle définit aussi plusieurs exemples de spécifications d’antennes, et les applications associées.

L’étude conclut que les antennes adaptées pour les liens inter-satellite ne sont pas très différentes des antennes de communication au sol du satellite, la plus grande différence étant la nécessité d’une plus grande couverture réseau. Celle-ci peut être atteinte via l’utilisation de plusieurs antennes, l’orientation du faisceau ou le pointage de l’antenne. Des considérations particulières doivent être prises en compte et souvent, l’utilisation des ISLs augmente les défis techniques. Néanmoins, cela constitue une solution à des problèmes qui ne peuvent pas être résolus autrement.

Place, publisher, year, edition, pages
2017. , 237 p.
Keyword [en]
Satellite, ISL, Communications, Antenna
National Category
Communication Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-62541OAI: oai:DiVA.org:ltu-62541DiVA: diva2:1082511
External cooperation
RUAG Space AB
Subject / course
Student thesis, at least 30 credits
Educational program
Space Engineering, master's level (120 credits)
Presentation
2017-02-22, Luleå, 15:53 (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2017-03-21 Created: 2017-03-16 Last updated: 2017-03-23Bibliographically approved

Open Access in DiVA

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