Optimizing 3D antenna arrays and ground station distribution for satellite communication

Abstract

Este trabalho tem o objetivo de propor uma distribuição de estações de solo que maximizem o contato e o downlink com um satélite de órbita baixa em um dado território. Ele está inserido no contexto do projeto “Estação Terrena Autônoma Distribuída de Baixo Custo e Alta Taxa de Download”, aprovado na chamada CNPq/AEB/MCTI/FNDCT Nº 20/2022 do programa UNIESPAÇO, cujo objetivo é determinar a viabilidade de uma estação terrestre programável remotamente, idealmente sem partes móveis, em regiões não polares, e com uma meta de custo inferios a um décimo do custo das estações terrestres contemporâneas para construir e manter. Esse tipo de estudo é pouco explorado com aplicações ao território brasileiro, que foi o escolhido como cenário das análises deste trabalho, embora as ferramentas desenvolvidas possuam aplicação para qualquer região de interesse. Ainda com a ideia de explorar aplicações nacionais, um dos satélites que foi utilizado neste trabalho foi o VCUB1, o primeiro satélite de observação da Terra que foi projetado pela indústria nacional. Para atingir essa finalidade, uma ferramenta em python foi desenvolvida com as seguintes funcionalidades: simular antenas parabólicas e de microfita, realizar a rotação de campos distantes de antenas fisicamente rotacionadas, combinar várias antenas fisicamente rotacionadas e posicionadas de forma não uniforme em um arranjo, avaliar o link budget de um enlace de comunicação satelital, distribuir estações de solo através de um dado território de forma a maximizar a cobertura, maximizar a cobertura de estações de solo restritas a posições fixas em um território e projetar um array sem partes móveis capaz de manter um nível constante de potência em relação a um passe de satélite de órbita baixa. O trabalho inicia com um capítulo relacionado com a fundamentação teórica do problema, em que são apresentadas as equações que foram implementadas nos módulos do pacote em python. As necessidades de propagação de órbitas de satélites e cálculos de acesso foram supridas por meio do software SMET, também desenvolvido no contexto do projeto. Um dos objetivos é integrar as ferramentas desenvolvidas neste trabalho com esse software já existente. Dessa forma, ao fim do projeto, espera-se entregar um software completo para realizar análises envolvendo enlaces de comunicação satelitais. Nesse capítulo, o satélite argentino SAC-C foi utilizado como benchmark das ferramentas desenvolvidas, por já ter sido alvo de estudos de link budget e possuir dados disponíveis. A seguir, apresenta a solução do problema de distribuição de estações de solo para maximizar a cobertura de um dado satélite de órbita baixa. Para isso, foi sugerido um processo em três etapas utilizando diferentes técnicas de otimização, com cada etapa resolvendo deficiências das etapas passadas. O primeiro passo envolveu um relaxamento do problema para que ele fosse capaz de ser modelado de forma convexa, restringindo as estações de solo a um grid sob o territ´orio brasileiro. O resultado dessa otimização convexa foi, então, usado como entrada para outra abordagem desconsiderando as restrições das estações de solo a um grid. No entanto, considerava uma aproximação para o padrão de cobertura das antenas, considerando-as circulares em um grid de latitude e longitude e também não restringia as antenas a estarem dentro do território de interesse. Por fim, esse resultado foi usado como entrada de um algoritmo genético de evolução diferencial, que foi capaz de incluir todas as restrições desejadas. Cada etapa refinou o resultado inicialmente encontrado pela otimização convexa, que se mostrou eficaz mesmo com o relaxamento do problema. Também foi apresentada uma modificação do problema, considerando as estações de solo restritas a locais específicos do país, em que haja infraestrutura suficiente para facilitar a manutenção dessas estações. Nesse caso, as vari´aveis a serem otimizadas foram os parâmetros das antenas utilizadas, como o diâmetro do refletor parabólico. O resultado encontrado, então, foi comparado com uma estação posicionada próximo ao polo sul, obtendo capacidades semelhantes de download. Finalmente, foi proposta uma otimização de forma a obter um arranjo de antenas sem partes móveis capaz de manter um nível de potência aproximadamente constante ao longo da trajetória de um satélite de órbita baixa. No entanto, embora esse objetivo tenha sido alcançado, o arranjo ainda apresenta um grande espalhamento de energia, dificultando a capacidade de fechar enlaces de comunicação satelitais. Nesse cenário do cálculo de arranjo de antenas, foi integrada outra ferramenta desenvolvida no contexto do projeto, chamada AFTK. Esse módulo é capaz de reconstruir os campos de uma antena em qualquer ponto a partir de uma amostra dos campos utilizando modos esféricos. Em resumo, foi possível encontrar um procedimento que é capaz de maximizar a área coberta por estações de solo considerando os passes de um satélite, além de também propor uma solução de estações de solo dentro do território nacional com capacidades de downlink similares a uma estação próxima ao Polo Sul e também propor um arranjo sem partes móveis capaz de manter um nível de potência aproximadamente constante durante um passe de satélite. Isso foi alcançaado com o desenvolvimento de ferramentas que foram integradas a outros softwares desenvolvidos no contexto do projeto CNPq.