Dimensionnement d'une liaison descendante UHF à 9600 bauds pour un CubeSat 3U : procédure pas à pas complète

La mission

Vous concevez un cubesat 3U pour une mission de radio amateur dans le cadre d'une université ou d'une start-up. Fréquence de liaison descendante : 437,5 MHz (UHF amateur). Débit de données : 9600 bauds, BPSK ou GMSK. Station au sol : une configuration d'arrière-cour modeste avec un Yagi croisé sur un rotor azimut/élévation, ou une station SatNogs sur un Raspberry Pi.

Le lien peut-il être fermé ? Quelle est votre marge de décoloration ? Que se passe-t-il à basse altitude, lors d'un col qui efface à peine l'horizon ?

Découvrons-le en utilisant le rftools Satellite Link Budget Analyzer et le préréglage intégré Amateur CubeSat (UHF, AMSAT/Satnogs) .

Le préréglage

Chargez le préréglage Amateur CubeSat (UHF, AMSAT/SATNOGS) et vous obtenez :

Le préréglage suppose une petite antenne cubesat omnidirectionnelle (tourniquet incliné de 0 dBi) rayonnant environ 500 mW, ce qui donne un EIRP de 27 dBW. Le G/T au sol de −12 dB/K représente une configuration typique de la classe SATNOGS : un Yagi croisé à 13 éléments (gain d'environ 12 dBi sur chaque polarisation) avec environ 2 dB de perte d'alimentation, alimentant un récepteur avec un facteur de bruit du système d'environ 1,5 dB plus le bruit du ciel.

Étape 1 : Le budget clair

Cliquez sur Exécuter et l'outil calcule :

• FSPL = 20 ·log (4π · 400 000 · 437 × 10 /c) ≈ 137,3 dB. Il s'agit de la perte de trajectoire en espace libre pour un passage aérien de 400 km à 437 MHz. A doublé pour revenir au niveau de la mer, et un peu plus à basse altitude.
• Absorption atmosphérique + gazeuse < 0,1 dB à 437 MHz. Essentiellement négligeable en dessous de 1 GHz.
• Atténuation de la pluie ≈ 0 dB. L'effet de pluie VHF/UHF n'existe pas.
• Perte de polarisation : pas dans le modèle par défaut de l'outil, mais vous devez prévoir 0,5 à 3 dB pour la polarisation croisée entre un tourniquet incliné cubesat et un Yagi croisé par le sol en fonction de l'orientation du satellite.
• C/N = EIRP − FSPL + G/T − k = 27 − 137,3 + (−12) + 228,6 = 106,3 dHz
• C/N requis = Eb/N + 10 · log (R_B) = 5 + 10 · log (9600) = 5 + 39,8 = 44,8 dHz
• Marge = 106,3 − 44,8 = 61,5 dB

C'est une marge énorme. Les liaisons amateurs UHF sont généreuses par rapport aux normes modernes en raison du faible débit de données. C'est pourquoi SatNogs fonctionne de manière fiable à partir de stations secondaires : le débit symbolique de 9600 bauds vous offre une marge naturelle de plus de 40 dB par rapport aux liaisons de données rapides.

Étape 2 : Test de résistance à basse altitude

L'élévation de 30° du préréglage est une valeur de passage intermédiaire représentative. Changez maintenant l'altitude à 5°, un col à pâturage horizontal, et recommencez. Ce qui change :

• La plage d'inclinaison augmente. À 5° d'altitude pour une altitude d'orbite de 400 km, la plage d'inclinaison est d'environ 1900 km (et non 400 km). Le FSPL augmente de 20·logᵉ (1900/400) ≈ 13,5 dB pour atteindre environ 150,8 dB.
• L'absorption atmosphérique augmente légèrement mais reste négligeable en UHF.
• Le gain de l'antenne de la station au sol diminue si le rotor ne peut pas suivre sa trajectoire en dessous de son altitude minimale ou si le terrain bloque la vue.

Réglez la Distance du parcours à 1900 km et l' Angle d'élévation à 5°, puis recommencez :

• La marge passe de 61,5 dB à environ 48 dB. Il y en a encore beaucoup.

La leçon à tirer : les liaisons Cubesat amateur UHF ne s'effacent pas à cause du budget alloué aux liaisons. Ils s'estompent à cause de :

1. Doppler : à 437 MHz, les passes LEO peuvent décaler la porteuse de ±10 kHz en quelques minutes. Votre récepteur doit le suivre.
2. Décoloration due à la chute d'un vaisseau spatial : un cubesat équipé d'une antenne tourniquet inclinée tournant à 2 tr/min passe par une valeur nulle toutes les 15 secondes. Vous budgétisez cela avec une « marge de chute » de 5 à 10 dB.
3. Trajectoire multiple au sol : une faible altitude provoque des réflexions sur le sol qui peuvent créer des interférences destructrices. Les statistiques de fondu de Rayleigh sont le bon modèle.
4. Niveau sonore local : une cour arrière bruyante (bourdonnement de la ligne électrique, fuite de la télévision par câble, commutation des alimentations électriques dans la cabane) peut augmenter la température effective du bruit du récepteur de 10 à 20 dB.

La marge de 48 dB sur le budget de liaison permet d'absorber tout cela confortablement.

Étape 3 : Essayez une station au sol plus petite

Imaginez maintenant que vous utilisez une station portable : une antenne Arrow portable avec un gain d'environ 8 dBi, introduite dans un dongle SDR avec peut-être 3 dB NF. C'est un G/T bien pire, peut-être −22 dB/K.

Réglez G/T sur −22 dB/K. Réexécutez avec l'altitude par défaut de 30° :

• C/N baisse de 10 dB à 96,3 dHz.
• Marge = 96,3 − 44,8 = 51,5 dB.

Toujours excellent. Un Arrow portable peut copier un cubesat de 500 mW à 9 600 bauds à partir d'un surdébit LEO typique avec 50 dB en réserve. C'est pourquoi le kit portable SatNOGS est une option de station au sol viable pour les premières missions.

Étape 4 : augmentez le débit de données

Et si votre charge utile souhaite utiliser des images en liaison descendante à 115 kbit/s au lieu de recourir à la télémétrie à 9 600 bits/s ? Modifiez le Débit de données à 115 000 bps.

• C/N requis = 5 + 10 · log (115 000) = 5 + 50,6 = 55,6 dBHz
• Marge (au réglage par défaut) = 106,3 − 55,6 = 50,7 dB

Il y en a encore beaucoup. Vous pourriez passer à 1 Mbps tout en fermant la liaison à une altitude de 30°. À ce stade, vous êtes limité par l'allocation spectrale du service amateur (largeurs de canal de 25 kHz) et par les limites de bande passante réglementaires plutôt que par le budget de liaison.

Étape 5 : Utilisez Monte Carlo pour la revue de conception

Avant de soumettre une autorisation de mission CubeSat (IARU ou FCC) ou de faire une présentation lors d'une revue de conception, lancez le Monte Carlo. L'outil perturbe :

• EIRP ±0,3 dB : tient compte des variations de puissance des satellites, de la perte du réseau correspondant et des valeurs nulles du diagramme d'antenne.
• G/T ±0,3 dB — tient compte de la dérive du LNA et de la variation des pertes sur la ligne d'alimentation.
• Perte de pointage exponentielle, moyenne de 0,2 dB — tient compte de l'erreur de suivi du rotor et de la gigue d'attitude de l'engin spatial.
• Taux de pluie log-normal σ=0,5 — peu pertinent en UHF mais ça ne fait pas mal.
• Scintillation σ = 0,4 dB normal.

Le résultat est une distribution de marge p5/p50/p95. Pour le travail amateur en UHF, vous verrez p5 ≈ p50 ≈ p95 à environ 2 dB l'un de l'autre, car les incertitudes sont faibles par rapport à une marge de 60 dB. Il s'agit d'un bon test de santé : cela signifie que votre lien est robuste.

Sauvegarder le scénario

Après avoir exploré les variantes ci-dessus, cliquez sur Copier l'URL du scénario et collez le lien dans la documentation de votre mission. Les réviseurs peuvent cliquer dessus et voir exactement les mêmes entrées. Cliquez sur Exporter le CSV pour télécharger une feuille de calcul au format AMSAT/IARU que vous pouvez coller dans votre dossier de révision de la conception de votre mission.

Plats à emporter pour les équipes Cubesat

1. Les liaisons amateurs UHF ont d'énormes marges. Ne faites pas trop d'ingénierie. 500 mW et une antenne omnidirectionnelle fonctionnent.
2. La contrainte de liaison n'est pas le budget des liens. Il s'agit du Doppler, de la chute de l'engin spatial, des trajets multiples au sol et du bruit local.
3. Un ordinateur portable peut copier votre satellite. Bonne nouvelle si votre station au sol principale tombe en panne.
4. Augmentez le débit de données si possible. Vous laissez la bande passante sur la table à 9 600 bauds.
5. Exécutez Monte Carlo pour la revue de conception Même si la distribution est serrée, les critiques veulent la voir.

Pour le planificateur de mission qui rédige un chapitre de révision de la conception, utilisez l'URL du scénario + l'exportation CSV + ce billet de blog comme artefacts lien-budget. Ignorez complètement STK Cloud. Ouvrez l'analyseur de budget de liaison satellite →