Statistical techniques and algorithms applied in satellite communications antenna arrays for direction of arrival estimation and calibration
- Autores: Alberto Antón Sánchez
- Directores de la Tesis: Ramón Martinez Rodriguez-Osorio (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Sierra Perez (presid.), Miguel Alejandro Salas Natera (secret.), Alberto Torre Fernández (voc.), Gonzalo Seco Granados (voc.), Daniel Segovia Vargas (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías y Sistemas de Comunicaciones por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
Los satélites y demás vehículos espaciales siguen órbitas complejas que habitualmente pueden ser aproximadas con precisión utilizando técnicas analíticas y algoritmos de estimación numérica. Sin embargo, existen situaciones, como es el caso de LEOP (Fase de Lanzamiento y Órbita Temprana) o cuando se producen maniobras críticas, que presentan una mayor incertidumbre en la posición angular del vehículo, pudiendo la misma alcanzar cotas de +/- 1º en los ejes de elevación y elevación cruzada, o incluso mayores. En estos casos, las grandes antenas reflectoras utilizadas para comunicaciones de TT&C (Telemetría, Seguimiento y Control) tienen anchos de haz demasiado estrechos como para garantizar una adquisición rápida y fiable.
Tradicionalmente se ha recurrido a la técnica de Escaneo Cónico, en la cual se superpone un movimiento circular al que efectúa la antena mientras intenta seguir al satélite en cuestión, de tal forma que la verdadera DoA (Dirección de Llegada) de la señal del satélite puede ser interpolada a partir del patrón de variación de sus niveles de potencia. Más recientemente, Astrium ha presentado un nuevo sistema en banda X, llamado XAA (Ayuda a la Adquisición en banda X), que consiste en un reflector auxiliar de menor tamaño adherido al principal. Gracias a un ancho de haz más amplio, puede efectuar la adquisición inicial de la señal deseada.
Sin embargo ambos sistemas presentan desventajas. El Escaneo Cónico tiene una convergencia lenta, alrededor de 1 minuto típicamente, y puede resultar inapropiado en situaciones críticas, en las cuales se debe minimizar la cantidad de datos perdidos. Por otro lado, aunque el XAA converge rápidamente, por debajo de los 10 segundos, la adquisición inicial está limitada por el ruido térmico, con mayor influencia teniendo en cuenta que la G/T (ganancia de antena sobre temperatura de ruido) de la antena auxiliar es menor. Además, su colocación en el borde del reflector principal tiene un impacto mecánico considerable. Ambas desventajas se complementan puesto que, para incrementar la G/T, se necesita recurrir a reflectores de mayor tamaño y más pesados. Teniendo en cuenta que, para reducir costes, actualmente las agencias espaciales tienden a utilizar antenas de TT&C en banda X de menor tamaño, en torno a 4 o 5 metros de diámetro, parece que la única solución sería aumentar la potencia transmitida por el satélite, al menos durante las fases críticas. Si bien en las misiones actuales se recurre a esta opción, no está exenta de restricciones normativas y legales, principalmente relacionadas con las interferencias que se puedan causar a otros sistemas. Además, la potencia añadida no se utiliza en las fases normales de operación del satélite, e implica por lo tanto una restricción desaprovechada en los requisitos del segmento espacial de la misión.
Es en este contexto donde se presenta la solución SARAS, un novedoso sistema de ayuda a la adquisición basado en arrays de elementos radiantes distribuidos sobre el perímetro del reflector principal, que ha sido implementado y probado con éxito con señales de satélites reales. El uso de arrays reduce claramente el impacto mecánico en la antena principal, dado que el peso se reparte por todo el reflector. Además, teniendo en cuenta que las antenas del array tienen una gran separación entre ellas, y que se procesa la señal recibida con algoritmos digitales de superresolución, el sistema puede operar en entornos muy ruidosos, permitiendo que los elementos radiantes puedan tener bajas G/T y menor tamaño. Por último, puesto que la búsqueda de la DoA de la señal deseada se efectúa mediante escaneo electrónico y no mecánico, la convergencia es mucho más rápida que la del Escaneo Cónico. La solución propuesta obtiene por lo tanto ventajas tanto del Escaneo Cónico como del XAA, combinándoles versátilmente de tal forma que ofrece nuevas aplicaciones para SARAS.
El primer prototipo se ha implementado en banda S, principalmente para su uso en la adquisición de lanzadores. Sin embargo, se ha considerado igualmente una migración futura a banda X, para así permitir que el sistema pueda acoplarse con antenas de TT&C con tamaños cada vez más reducidos.
Esta Tesis comienza con un breve análisis de la historia del uso de arrays en varias aplicaciones y, naturalmente, en comunicaciones por satélite, e incluye las bases teóricas del análisis de arrays que serán necesarias para evaluar el desempeño de SARAS. Dichas bases incluyen el modelo matemático de la señal recibida que será considerado, así como los algoritmos de estimación de DoA y de calibración que son el núcleo del sistema.
Se presenta a continuación la solución desde una perspectiva de ingeniería de sistemas, incluyendo su descomposición en subsistemas, con interfaces internas y externas, y el mapeado de los mismos a elementos hardware, todo ello siguiendo los criterios y necesidades de alto nivel que planteó la ESA (Agencia Espacial Europea) al comienzo del proyecto.
Se exponen igualmente simulaciones en el entorno de programación de Matlab, en una variedad de escenarios, y que sirvieron en su momento para tomar decisiones relativas al diseño del sistema SARAS. También se comparan dichas simulaciones con los resultados obtenidos en campo con satélites reales de distintas misiones de la ESA, confirmando por lo tanto el desempeño final del sistema, y esbozando posibles mejoras al mismo, incluyendo la migración a banda X, así como sus aplicaciones comerciales.
