Dimensionierung eines 9600-Baud-UHF-Downlinks für einen 3U-CubeSat: Vollständige Komplettlösung

Die Mission

Du entwirfst einen 3U-Cubesat für eine Amateurfunk-Mission an einer Universität oder einem Startup. Downlink-Frequenz: 437,5 MHz (Amateur-UHF). Datenrate: 9600 Baud, BPSK oder GMSK. Bodenstation: eine bescheidene Einrichtung im Hinterhof mit einem gekreuzten Yagi auf einem Azimut-/Elevationsrotor oder einer SatNogs-Station, die von einem Raspberry Pi aus betrieben wird.

Kann die Verbindung geschlossen werden? Welchen Spielraum haben Sie? Was passiert bei einem Pass, der kaum den Horizont durchquert?

Sehen wir uns das Ganze mit dem rftools Satellite Link Budget Analyzer und der integrierten Voreinstellung Amateur CubeSat (UHF, AMSAT/SatNogs) an.

Die Voreinstellung

Laden Sie das PresetAmateur CubeSat (UHF, AMSAT/SATNOGS) herunter und Sie erhalten:

Der Satellit strahlt etwa 500 mW von einer kleinen Antenne mit schrägem Drehkreuz ab, was −3 dBW (27 dBm) EIRP ergibt. Der Boden G/T of −12 dB/K ist ein typischer Sender der SATNOGS-Klasse: ein gekreuzter Yagi von etwa 12 dBi, ein paar dB an Einspeiseverluß und ein Empfänger mit einem Systemrauschen von etwa 1,5 dB plus Himmelsrauschen.

Bei der Bahnentfernung handelt es sich um den Neigungsbereich, nicht um die Bahnhöhe. Ein Satellit in einer Umlaufbahn von 400 km ist nur 400 km entfernt, wenn er sich direkt über ihm befindet. Bei 30° Höhe ist er 739 km entfernt:

mit $R_E$ = 6378 km, $h$ = 400 km und $\theta$ = 30°. Wenn Sie stattdessen die Höhe eingeben, würde der Freiraumverlust um 5,3 dB unterschätzt werden.

Schritt 1: Das Budget bei 30° Höhe

Klicken Sie auf Run und das Tool berechnet:

• FSPL = $20\log_{10}(4\pi \cdot 739\,\mathrm{km} \cdot 437\,\mathrm{MHz}/c)$ = 142,6 dB.
• Gasabsorption = 0,02 dB. Die Dämpfung von Wolken und Regen wird bei UHF auf Null gerundet.
• C/N0 = EIRP + G/T − FSPL − Verluste + 228,6 = 70,65 dBHz, einschließlich 0,3 dB Richtungs- und Polarisationsverlust.
• Erforderliches C/N0 = $E_b/N_0 + 10\log_{10}(R_b) = 5 + 10\log_{10}(9600)$ = 44,82 dBHz.
• Margin = 25,8 dB.

Zwei Vorbehalte. Die Regen- und Gasmodelle von ITU-R sind ab 1 GHz spezifiziert, sodass das Tool sie bei 437 MHz extrapoliert — die Verluste betragen in beiden Fällen einige Hundertstel dB. Und der einzige Richtungs- und Polarisationsterm des Tools von 0,3 dB ist für einen taumelnden Cubesat gering: Zwischen einem schrägen Drehkreuz und einem gekreuzten Yagi sollten je nach Einstellung 0,5—3 dB an Polarisationsverlust eingeplant werden.

Ein Spielraum von 25,8 dB ist enorm. UHF-Amateurverbindungen sind großzügig, weil die Datenrate so niedrig ist: 9600 Bit/s benötigen nur 44,8 dBHz.

Schritt 2: Die Passgeometrie

Derselbe Satellit über einen ganzen Pass:

Selbst bei 5° liegt die Link-Budget-Marge bei 18 dB. UHF-Cubesat-Links fallen nicht aus Mangel an Link-Budget aus. Sie fallen aus folgenden Gründen aus:

1. Doppler — bei 437 MHz verschiebt ein LEO-Pass den Träger innerhalb weniger Minuten um bis zu ±10 kHz. Der Empfänger muss es verfolgen.
2. Sturz des Raumschiffs — ein unkontrollierter Cubesat fegt seine Antennennullen über die Bodenstation. Budget 5—10 dB Sturzmarge.
3. Bodenmehrweg — niedrige Höhen führen zu Bodenreflexionen, die das Signal schwächen.
4. Lokaler Geräusch — Das Brummen der Stromleitung, undichte Kabelfernsehgeräte und das Umschalten der Netzteile in der Hütte können die effektive Rauschtemperatur um 10—20 dB erhöhen.

Die 18 dB am Horizont absorbieren das meiste davon.

Schritt 3: Eine kleinere Bodenstation

Eine tragbare Station — eine Arrow-Handantenne mit etwa 8 dBi in einen SDR-Dongle — hat einen G/T näher −22 dB/K. Ändern Sie G/T auf −22 dB/K und führen Sie den Vorgang bei 30° erneut aus:

• C/N0 fällt um 10 dB auf 60,65 dBHz.
• Margin = 15,8 dB.

Immer noch komfortabel, weshalb eine tragbare Station ein praktikables Backup für eine Mission in der Anfangsphase ist.

Schritt 4: Eine höhere Datenrate

Was ist, wenn die Nutzlast 115 kbit/s für Bilddaten anstelle von 9600 Bit/s Telemetrie benötigt? Ändern Sie Datenrate auf 115.000:

• Erforderliches C/N0 = $5 + 10\log_{10}(115{,}000)$ = 55,61 dBHz.
• Rand bei 30° = 15,1 dB.

Bei 1 Mbit/s beträgt der Spielraum bei 30° immer noch 5,7 dB — aber bei 5° Höhe ist das Budget um 7,9 dB schlechter, sodass etwa −2,2 dB übrig bleiben, sodass ein 1-Mbit/s-Downlink nur für den höheren Teil jedes Durchgangs funktioniert. An diesem Punkt setzen in der Regel die Kanalbreiten der Amateur-Allokation und nicht das Link-Budget den Grenzwert.

Schritt 5: Monte Carlo für die Entwurfsprüfung

Führen Sie den Monte Carlo aus, bevor Sie eine Entwurfsprüfung oder eine IARU-Frequenzkoordinationsanfrage stellen. Es handelt sich um ein Unsicherheitsmodell rund um das nominale Budget:

• EIRP und G/T: normal, σ = jeweils 0,3 dB.
• Punktdämpfung: exponentiell, Mittelwert 0,2 dB.
• Regenrate: logarithmisch normal, σ = 0,5 — irrelevant bei UHF.
• Verblassung: |normal|, σ = 0,4 dB.

Für das Preset betragen die Ränder p5/p50/p95 24,4/25,3/26,2 dB. Der Spread liegt unter 2 dB, da die Unsicherheiten neben dem Headroom gering sind — ein schnelles Zeichen dafür, dass die Verbindung robust ist. Es modelliert weder Tumble noch Multipath, also behalten Sie den expliziten Trumpel-Rand aus Schritt 2 bei.

Das Szenario speichern

Sobald Sie die Varianten untersucht haben, klicken Sie auf Szenario-URL kopieren und fügen Sie den Link in Ihre Missionsdokumentation ein — die Prüfer sehen genau die gleichen Eingaben. CSV exportieren schreibt das Budget für das Entwurfsprüfungspaket in eine Tabelle im AMSAT/IARU-Stil.

Imbissbuden für Cubesat-Teams

1. Geben Sie den Neigungsbereich ein, nicht die Höhe. Bei einer Höhe von 30° aus einer Umlaufbahn von 400 km beträgt der Unterschied 5,3 dB.
2. UHF-Amateurverbindungen haben große Margen — etwa 26 dB bei 30° für 500 mW und 9600 Bit/s.
3. Die verbindlichen Beschränkungen sind Doppler, Tumble, Multipath und Local Noise, nicht das Link-Budget.
4. Eine tragbare Handstation kann den Satelliten kopieren, wobei noch etwa 16 dB übrig sind.
5. Höhere Datenraten gelten für einen Teil jedes Passs. Prüfen Sie das Budget auf der niedrigsten nutzbaren Höhe.

Aktualisiert 2026-09-19. Die Pfadentfernung der Voreinstellung entsprach der Bahnhöhe von 400 km; jetzt entspricht sie dem Neigungsbereich von 739 km bei 30° Höhe, und die darüber liegenden Ränder haben sich entsprechend geändert (die früheren 31,5 dB waren der Overhead-Wert). Dieselbe Korrektur wurde auf jedes LEO-Preset im Tool angewendet. Öffnen Sie den Satellite Link Budget Analyzer →