La progettazione dell'architettura della comunicazione spaziale deve considerare caratteristiche e requisiti specifici inerenti alle sfide uniche degli ambienti spaziali. Infatti, in un sistema di comunicazione spaziale, entrano in gioco vari fattori, che modellano l'architettura complessiva del sistema e determinano l'efficacia e l'affidabilità del sistema di comunicazione in condizioni spaziali impegnative. I fattori chiave che influenzano la scelta di un'architettura di comunicazione spaziale includono:
• Orbita *
• Latenza di propagazione *
• Ciclo vitale *
• Spettro di potenza del segnale e rumore
• Quantità e velocità dei dati
• Effetto Doppler
• Regolamenti e minacce
(*): Questi sono i tre fattori principali che influenzano l'architettura della comunicazione spaziale.
Architettura della comunicazione spaziale: orbita
Questo fattore dell'architettura della comunicazione spaziale regola vari aspetti:
- Tempo di visualizzazione: durata durante la quale il satellite è visibile, con un impatto sulla complessità dell'acquisizione dei dati e del controllo della missione.
- Copertura e dimensionamento: determinato dall'altitudine dell'orbita, che influenza le dimensioni dell'antenna e la potenza del trasmettitore. La copertura rappresenta l'area sulla Terra che può essere raggiunta da un satellite o da una costellazione di satelliti. In generale, la copertura è molto più piccola dell'impronta geometrica. I satelliti in orbita terrestre bassa (LEO) hanno, più di altri, un passaggio di soli pochi minuti nella linea di vista della stazione di terra che dovrebbero servire. L'area di copertura può essere globale (con tre satelliti in orbita geostazionaria, GEO), ma richiede un'ampia rete di stazioni di controllo a terra.
- effetto Doppler: variazione di frequenza percepita dal ricevitore, che diventa rilevante ad altitudini maggiori e con elevata velocità relativa (ad esempio, per i satelliti LEO).
Latenza di propagazione
Le comunicazioni non sono istantanee. Più alta è l'orbita, più tempo ci vuole perché il segnale arrivi. Sebbene si viaggi alla velocità della luce, ci sarà comunque una certa latenza, che è quasi trascurabile per le orbite terrestri, mentre può rappresentare una sfida per le missioni più distanti. Ad esempio, al massimo avvicinamento a Marte, il ritardo è di circa quattro minuti, raggiungendo circa 24 minuti alla massima distanza.
Ciclo di vita
Il ciclo di vita di un'architettura di comunicazione spaziale influenza significativamente la selezione dei componenti chiave, considerando sia il degrado operativo che quello funzionale nel tempo. Questo approccio si estende oltre le fasi iniziali di progettazione e distribuzione. La manutenzione regolare, gli aggiornamenti e l'adattamento agli standard tecnologici in evoluzione sono considerazioni essenziali durante tutto il ciclo di vita. Il monitoraggio e la risoluzione di potenziali problemi correlati all'usura e all'obsolescenza tecnologica svolgono un ruolo cruciale nel garantire prestazioni e affidabilità sostenute del sistema di comunicazione.
Spettro di potenza del segnale e rumore
Ciò evidenzia la potenza del segnale in funzione della frequenza, offrendo approfondimenti sulla larghezza di banda del segnale. Lo spettro è utile per visualizzare segnali di comunicazione rilevanti, con picchi corrispondenti al rumore di fondo. Il parametro di prestazione primario è il rapporto segnale/rumore, che indica la potenza del sistema rispetto al rumore di fondo. La rappresentazione delle tendenze di potenza nel tempo in relazione alla frequenza (cascate) aiuta a visualizzare l'evoluzione del segnale, dove la potenza è evidenziata tramite colori diversi. In genere, i colori più caldi indicano un segnale più forte. Il grafico a cascata può essere correlato allo spettro di potenza per fornire informazioni sull'evoluzione del segnale nel tempo.
Ci sono vari fattori che influenzano la qualità dell'architettura delle comunicazioni spaziali. Questi fattori includono rumore cosmico, rumore atmosferico, rumore delle precipitazioni, rumore di fondo, rumore interferente, fading multipath e l'espressione del fattore di qualità sulla stazione di comunicazione terrestre.
Effetto Doppler
Si verifica con elevata velocità relativa, causando uno spostamento di frequenza. Pertanto, la lunghezza d'onda emessa e quella ricevuta differiscono di una certa quantità. Per una sorgente che si allontana, la frequenza è inferiore, mentre è superiore per una sorgente che si avvicina. Questo fenomeno introduce sfide nel mantenimento di un collegamento di comunicazione stabile e affidabile. Poiché i satelliti LEO passano rapidamente sopra la stazione di terra, la gestione delle variazioni di frequenza diventa cruciale per garantire una trasmissione dati ininterrotta ed efficace. Tecniche avanzate di elaborazione del segnale e protocolli di comunicazione adattivi vengono implementati per mitigare l'impatto degli spostamenti Doppler e delle fluttuazioni di frequenza, ottimizzando le prestazioni dei sistemi di comunicazione spaziale. Nelle orbite alte, gli effetti Doppler si verificano a causa delle maggiori distanze coinvolte. Per i veicoli spaziali nelle missioni interplanetarie, dove le distanze sono enormi e le velocità sono sostanziali, la gestione degli effetti Doppler diventa un aspetto critico della comunicazione.
Quantità di dati e velocità dei dati
E' il total informazioni da inviare/ricevere, a seconda del tipo di missione, della quantità di informazioni prodotte, del tipo di dati e delle capacità di Command & Data Handling (codifica, crittografia, compressione, ecc.). La velocità dei dati è proporzionale alla quantità di dati per unità di tempo trasferita tra satellite e stazione di terra. Si misura in bit al secondo (bps o bit/s). La sua espressione è la seguente:
R=(m∙D)/(F∙T_max-T_in )
Dove
– D è la quantità di dati
– R è la velocità dei dati
– T_max è il tempo massimo di visione del satellite
– F è un fattore di riduzione del tempo massimo di visione che considera eventuali differenze nei vari passaggi
– T_in è il tempo necessario per avviare la comunicazione (tipicamente un paio di minuti)
– m è un fattore di margine per tenere conto di eventuali imprevisti che potrebbero impedire il corretto passaggio dei dati (tempi di inattività, altri dati, conflitti, nessuno che li riceve).
A seconda del tipo di dati da trasmettere e del fatto che si tratti di un uplink o di un downlink, si distinguono velocità di trasmissione tipiche.
Architettura della comunicazione spaziale: normative e minacce
Le richieste alle autorità e l'aderenza alle normative sono necessarie per le operazioni di comunicazione. Le frequenze e l'allocazione della larghezza di banda seguono regole specifiche da parte del Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU), un componente ONU, con tre organi che supervisionano la comunicazione. Le minacce al sistema di comunicazione includono fattori ambientali (radiazioni, ionosfera, atmosfera, lancio), stazioni di controllo a terra non sicure, manipolazioni e attacchi umani.
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