Inter-Satellite Link Antennas

237 Pages·2017·21.38 MB·English

Inter-Satellite Link Antennas
Review and The Near Future
Arttu Tiainen
Space Engineering, masters level
2017
Luleå University of Technology
Department of Computer Science, Electrical and Space Engineering
∗
Master’s thesis
Inter-Satellite Link Antennas: Review and The
Near Future
The approved version.
Arttu Tiainen
16/03/2017
∗SupervisorDrJohanWettergrenfromRUAG,
ExaminerJonnyJohanssonofLule˚aUniversityofTechnology
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Acknowledgements
Thanks.
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Abstract in English
The emerging trend in distributed spacecraft systems of using multiple space-
craft which share functions as opposed to independent spacecraft has given
opportunities for missions previously infeasible. Inter-satellite link (ISL) com-
munications 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)havebecomelessexoticandmorecomplex,theneedanddemand
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 kilome-
tres,aregivenonlylimitedscopeasthemainchallengesonthosedonotinvolve
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 sec-
ond 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.
Thefourthsectionisasurveyonthemissionswhicharescheduledtoflyinnear
future and a brief survey of the solutions offered by satellite service providers
and manufacturers. Due to the limited technical data available, the fourth sec-
tion 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 in-
herently 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 con-
siderations are needed to be taken into account and often the use of ISLs will
increasethetechnicalchallenges,butitcanprovidesolutionsforproblemswhich
cannot be solved otherwise.
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Abstrakt auf Deutsch
Translated from English by Maximilian Langheinrich
DiesichabzeichnendeEntwicklungvonEinzelsatellitensystemehinzuSyste-
menmiteinerVielzahlanPlattformengleicherFunktionalit¨at,er¨offnetM¨oglichkeiten
fu¨rdieDurchfu¨hrungvonMissionendiebisheralsnichtpraktikabel/undurchfu¨hrbar
bewertet wurden. Inter-satellite Link (ISL) Kommunikation stellt eine direkte
VerbindungzwischendeneinzelnenKomponenteneinesRaumsegmentszurVerfu¨gung
ohneaufeinzwischengeschaltetesBodensegmentzurDatenu¨bertragungangewiesen
zusein. DiegestiegeneAnwendungsh¨aufigkeitundKomplexit¨atvonDistributed
SpacecraftSystemen(DSS)bringeneineErh¨ohungderNachfragebezu¨glichAn-
tennen fu¨r die inter-satelliten Kommunikation mit sich, wobei die Anforderun-
gen an diese vielf¨altiger und anspruchsvoller geworden sind.
DieseAbschlussarbeitstellteineUntersuchungbezu¨glichAntennensystemen
dar, welche in der Vergangenheit, der Gegenwart sowie der nahen Zukunft ihre
Verwendung in der ISL fanden und finden werden. W¨ahrend auch die anderen
BestandteileeinesISLKommunikationSubsystemsbetrachtetwerden,liegtder
Schwerpunkt der Studie maßgeblich auf den Antennen selbst. Um den Rahmen
der Arbeit zu wahren wird auf die Betrachtung optischer Kommunikationssys-
teme verzichtet. Bei inter-satellite Link Systemen die zur Datenu¨bertragung
u¨ber kurze Distanzen von nur einigen Kilometern benutzt werden liegen die
Herausforderungen nicht bei den Antennen, weswegen diese nur bedingt un-
tersucht werden. Weiter werden besonders die Systeme betrachtet welche als
wichtig fu¨r die kommerzielle Anwendung erachtet werden k¨onnen.
Diese Arbeit ist in insgesamt sechs Abschnitte unterteilt. Im ersten Kapitel
werden zun¨achst die Eigenschaften und die Herausforderungen bezu¨glich ISLs
erl¨autert. 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 durchgefu¨hrt, die
Betrachtung zuku¨nftiger Missionen erfolgt in Kapitel 4. Da fu¨r Letztere nur
begrenzt technische Daten zur Verfu¨gung stehen, beinhaltet das vierte Kapi-
tel weitaus mehr Reverse Engineering und Annahmen als die Untersuchung
abgeschlossener Missionen. Im fu¨nften Kapitel werden verschiedenen, fu¨r die
inter-satellite Kommunikation geeigneten Antennentypen beschrieben und un-
terschiedlicheThemenbezu¨glichderISLAntennenentwicklungdiskutiert. Weiter
werdenindiesemAbschnittverschiedeneAntennenspezifikationendefiniertund
entsprechendeAnwendungsbeispielebeschrieben. ImletztenTeilwerdendiege-
fundenen Erkenntnisse abschließend diskutiert.
Die Untersuchung zeigt dass Antennen welche fu¨r die inter-satelliten Kom-
munikation geeignet sind, sich grunds¨atzlich nicht von g¨angigen Antennen zur
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Bodensegmentkommunikation des S/C unterscheiden. Der Hauptunterschied
liegt in der Notwendigkeit einer gr¨oßeren Abdeckung. Dies kann durch eine
gr¨oßere Anzahl von Antennenelementen, Strahlsteuerung oder Antennenaus-
richtung erreicht werden. Systemspezifische Erw¨agungen mu¨ssen in Betracht
gezogen werden wobei die Anwendung von ISL Systemen die technischen Her-
ausforderungen/Anforderungen erh¨oht. Im Gegenzug erm¨oglicht sie L¨osungen
fu¨r Probleme die auf andere Weise nicht behandelt werden k¨onnen.
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Abstract en franc¸ais
Translated from English by Nathan de Decker
Une nouvelle tendance est apparue dans les syst`emes d´ecentralis´es des satel-
lites, consistant `a utiliser plusieurs satellites qui partagent des fonctionnalit´es,
plutˆot que des satellites ind´ependants. Cela a rendu possible des missions qui
´etaient pr´ec´edemment irr´ealisables. Le lien inter-satellite (ISL) permet en effet
de communiquer directement dans l’espace, sans devoir utiliser le segment sol
pour transmettre les donn´ees. Alors que les syst`emes d´ecentralis´es des satel-
lites (DSS) sont devenus moins exotiques et plus complexes, la n´ecessit´e et la
demande de syst`emes d’antennes inter-satellite se sont d´evelopp´ees et les ex-
igences pour les syst`emes d’antennes se sont diversifi´es et sont devenus plus
contraignants.
Cedocumentr´ealiseune´etudedesdiff´erentesantennesactuellementutilis´ees
pour le ISL, dont certaines sont d´ej`a op´erationnelles et d’autres seront lanc´ees
prochainement. Tandis qu’il met fortement l’accent sur les antennes en elles-
mˆemes, il ´etudie aussi les autres parties des sous-syst`emes de communication
ISL. N´eanmoins, pour limiter la port´ee du document, les r´eticulations optiques
ne sont pas abord´ees. De mˆeme, les ISLs utilis´es pour les communications `a
faibleport´ee,del’ordredequelqueskilom`etres,nesontquebri`evement´evoqu´ees,
´etant donn´e que les d´efis majeurs concernant ceux-ci n’impliquent pas les an-
tennes. Au del`a de ¸ca, ce document met surtout l’accent sur les syst`emes qui
peuvent ˆetre vu comme commercialement importants.
Ce document est divis´e en cinq sections, en plus de la conclusion. Dans la
premi`eresectionsontd´ecritlescaract´eristiquesetleschallengesdesISLs. Dans
la seconde section, un syst`eme de param´etrage pour les antennes est d´efini et
ce syst`eme est utilis´e dans les sections suivantes pour d´ecrire les sous-syst`emes
ISLs ainsi que les antennes associ´ees. La troisi`eme partie donne un aper¸cu
des r´ecentes missions spatiales lanc´ees avec ISLs. La quatri`eme section ´etudie
quant `a elle les missions prochainement programm´ees et donne un bref aperc¸u
des solutions offertes par les fournisseurs et fabricants des services satellitaires.
Duˆ `a la limitation des donn´ees techniques disponibles, cette section est prin-
cipalement bas´ee sur l’ing´enierie inverse et des hypoth`eses, compar´e aux mis-
sions d´ej`a lanc´ees et discut´ees en section 3. Finalement, la cinqui`eme section
d´ecrit les diff´erentes familles d’antennes ISL sous d´eveloppement et discute de
plusieurs sujets li´es `a leur d´eveloppement. Elle d´efinit aussi plusieurs exemples
de sp´ecifications d’antennes, et les applications associ´ees.
L’´etude conclut que les antennes adapt´ees pour les liens inter-satellite ne
sont pas tr`es diff´erentes des antennes de communication au sol du satellite, la
plus grande diff´erence ´etant la n´ecessit´e d’une plus grande couverture r´eseau.
Celle-cipeutˆetreatteintevial’utilisationdeplusieursantennes,l’orientationdu
faisceau ou le pointage de l’antenne. Des consid´erations particuli`eres doivent
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ˆetre prises en compte et souvent, l’utilisation des ISLs augmente les d´efis tech-
niques. N´eanmoins, cela constitue une solution `a des probl`emes qui ne peuvent
pas ˆetre r´esolus autrement.
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Contents
1 Introduction 18
1.1 Definitions of the Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Method of Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1 Research Questions and Hypotheses . . . . . . . . . . . . 21
1.2.2 Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.3 Parametrisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.4 Link budgets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.5 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3 Description of the Inter-Satellite Communications. . . . . . . . . 24
1.3.1 Link-budget and Used Equations . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.2 Market Considerations of ISLs . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.3 Frequency Allocations for Distributed Space Systems . . . 31
1.3.4 Multi-Access methods and antennas . . . . . . . . . . . . 33
1.3.5 Beam Steering methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 Technical Background and Parametrisation 37
2.1 Example Mission:Orbital Debris Detection . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 Method of Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.1 Example Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2 Tools for Data Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3 Environmental Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.1 Constellation Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.2 RF spectrum variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.3 Spacecraft Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.4 Non-Technical Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4 Technical Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4.1 Requirements Regarding RF-Spectrum . . . . . . . . . . . 52
2.4.2 Spatial Selectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.3 Physical Features of antennae . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.4.4 Other Important Factors the Antenna Performance . . . . 62
3 Legacy Case Studies 63
3.1 Data Relay Satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.1 Common Features of GEO Data Relay Satellites . . . . . 65
3.1.2 3rdGenerationTrackingandDataRelaySatellite(TDRS-
L) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.3 AdvancedRelayandTechnologyMissionSatellite(ARTEMIS)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.4 European Data Relay System (EDRS) . . . . . . . . . . . 75
3.1.5 Data Relay Test Satellite (DRTS), Kodama . . . . . . . . 79
3.1.6 Comparison of Data Relay Satellites . . . . . . . . . . . . 85
3.2 Constellation and Formation Flying Missions . . . . . . . . . . . 90
3.2.1 Rosetta-Philae Link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
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3.2.2 PRISMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2.3 CanX-4 & 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.2.4 EDSN/NODES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2.5 TerraSAR-X - TanDEM-X link . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2.6 SAR-Lupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.3 Overview of the observed cases and Available Antennas . . . . . 110
3.3.1 Comparison of the Link Budgets . . . . . . . . . . . . . . 110
3.3.2 Comparison of the Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4 Proposed Near-Future Missions 113
4.1 Data Relay Satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.1.1 Heinrich Hertz Communication Satellite, H2Sat . . . . . . 114
4.1.2 Hypothetical Megaconstellation HypoCon . . . . . . . . . 117
4.1.3 Hypothetical LEO Data Relay Satellite, The Goose. . . . 120
4.2 Constellation Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2.1 OLFAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.2.2 Hypothetical EO SAR-mission HypoSAR . . . . . . . . . 129
4.2.3 Hypothetical Line Formation LETKIS . . . . . . . . . . . 135
4.2.4 Hypothetical tetra Formation HypoMag . . . . . . . . . . 138
4.3 Overview of the observed cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5 Near-Future Requirements for antennas 143
5.1 Small High Gain Antennas and ISL Phased Array Antennas . . . 143
5.1.1 Phased Array ISL antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.1.2 Small and Light High Gain Antennas . . . . . . . . . . . 145
5.1.3 Antenna Comparison. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.2 Specific Topics of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.2.1 Software Defined Radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.2.2 Ever Higher Frequencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.2.3 Spacecraft Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.3 Antenna Specifications for Several Applications . . . . . . . . . . 153
5.3.1 Antenna Bruse-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.3.2 Antenna Bruse-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.3.3 Antenna Bruse-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6 Conclusions and Future Research 158
6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.1.1 General Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.1.2 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.1.3 Suitable Applications and Antennas . . . . . . . . . . . . 159
6.2 Further Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
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