3U CubeSat用の9600ボーUHFダウンリンクのサイズ設定：完全チュートリアル

ミッション

大学やスタートアップのアマチュア無線ミッション用に3Uキューブサットをデザインしているんですね。ダウンリンク周波数:437.5 MHz (アマチュア UHF)。データレート:9600 ボー、BPSK または GMSK。地上ステーション:方位角/仰角ローターで八木を横切ったという控えめな裏庭の設置、またはラズベリーパイで走るSatNOGSステーションなど。

リンクは閉じられますか？どの程度のマージンがありますか？地平線をかろうじてクリアするパスの間はどうなるの？

rftools サテライト・リンク・バジェット・アナライザーと、内蔵のアマチュアキューブサット (UHF、AMSAT/SatNOGS) プリセットを使って見ていきましょう。

プリセット

アマチュアキューブサット (UHF、AMSAT/SatNOGS) プリセットをロードすると、次のようになります。 この衛星は、小型の傾斜改札口アンテナから約500 mWを放射します。これにより、-3 dBW（27 dBm）のEIRPが得られます。−12 dB/K の接地 G/T は、典型的なSatNOGSクラスのステーションです。八木を交差させたものが約 12 dBi、フィード損失が2 dB、受信機のシステムノイズ指数が約 1.5 dB にスカイノイズを加えたものです。

経路距離は傾斜範囲であり、軌道高度ではありません。400 km の軌道にある衛星は、真上にあるときだけ 400 km 離れます。標高30度では、739 kmの距離にあります。

$R_E$ = 6378 km、$h$ = 400 km、$\theta$ = 30°です。代わりに高度を入力すると、自由空間の損失が 5.3 dB 小さくなります。

ステップ 1: 標高30°での予算

Runをクリックすると、ツールは以下を計算します。

• FSPL = $20\log_{10}(4\pi \cdot 739\,\mathrm{km} \cdot 437\,\mathrm{MHz}/c)$ = 142.6 dB。
• ガス吸収 = 0.02 dB。雲と雨の減衰は UHF でほぼゼロになります。
• C/N0 = EIRP + G/T − FSPL − 損失 + 228.6 = 70.65 dBHz。これには 0.3 dB のポインティング損失と偏光損失が含まれます。
• 必要な C/N0 = $E_b/N_0 + 10\log_{10}(R_b) = 5 + 10\log_{10}(9600)$ = 44.82 dBHz。
• マージン = 25.8 dB。

注意点が 2 つあります。ITU-R の雨および気体モデルは 1 GHz 以上で規定されているため、437 MHz ではツールがそれらを推定します。いずれにしても、損失は数百分の 1 dB です。また、このツールの単一の0.3dBポインティング/偏光項は、タンブリングキューブサットとしては小さいです。傾斜した改札口と交差した八木の間の偏光損失は、姿勢にもよりますが、0.5〜3 dBです。

25.8 dB のマージンはとてつもなく大きいです。UHF アマチュアリンクは、データレートが非常に低く、9600 ビット/秒で 44.8 dBHz しか必要としないため、十分な容量があります。

ステップ 2: パスジオメトリ

パス全体にわたる同じサテライト:

5°でもリンクバジェットマージンは18 dBです。UHF キューブサットリンクは、リンクバジェットが不足していてもドロップアウトしません。ドロップアウトする理由は次のとおりです。

1. ドップラー — 437 MHzでは、LEOパスによって数分以内にキャリアが最大約±10 kHzまでシフトします。受信機はそれを追跡する必要があります。
2. Spacecraft Tumble — 制御されていないキューブサットがアンテナのヌルを地上局全体に一掃します。5～10 dB のタンブルマージンを用意してください。
3. グラウンドマルチパス — 標高が低いと地面の反射が発生し、信号が弱まります。
4. ローカルノイズ — 電源ラインのハム音、ケーブルテレビの漏れ、電源のスイッチングにより、実効ノイズ温度が 10 ～ 20 dB 上昇することがあります。

水平線の 18 dB がそのほとんどを吸収します。

ステップ 3: より小さな地上局

ポータブルステーション（SDRドングルに約8 dBiのハンドヘルドアローアンテナを挿入）の出力は G/T より−22 dB/Kに近い値です。G/Tを−22 dB/Kに変更し、30°で再実行してください。

• C/N0 は 10 デシベル低下して 60.65 デシベルヘルツになりました。
• マージン = 15.8 dB。

それでも快適です。そのため、初期段階のミッションではポータブルステーションが有効なバックアップとなります。

ステップ 4: より高いデータレート

ペイロードが 9600 ビット/秒のテレメトリではなく 115 kbit/s を画像に使用したい場合はどうなるでしょうか?データレート を 115,000 に変更:

• C/N0 = $5 + 10\log_{10}(115{,}000)$ = 55.61 dBHz が必要です。
• 30°でのマージン = 15.1 dB。

1 Mbit/秒でも、30°でのマージンは5.7 dBですが、5°の標高ではバジェットが 7.9 dB 悪くなり、約 −2.2 dB が残るため、1 Mbit/秒のダウンリンクは各パスの高い部分でのみ機能します。その時点で、通常はリンクバジェットではなく、アマチュアアロケーションのチャネル幅が制限を設定します。

ステップ 5: デザインレビューのためのモンテカルロ

設計レビューまたはIARU周波数調整リクエストの前に、モンテカルロを実行してください。これは名目予算に関する不確実性モデルです。

• EIRPとG/T: 正常、それぞれ σ = 0.3 dB。
• ポインティングロス: 指数関数、平均0.2 dB。
• 雨量: 対数正常、 σ = 0.5 — UHFでは無関係。
• フェード: |ノーマル|、 σ = 0.4 dB。

プリセットの場合、p5/p50/p95 のマージンは 24.4/25.3/26.2 dB です。ヘッドルームの隣では不確実性が小さいため、スプレッドは 2 dB 未満です。これは、リンクが堅調であることを示す一因です。タンブルやマルチパスをモデル化していないため、ステップ 2 で示した明示的なタンブルマージンはそのまま使用してください。

シナリオを保存する

バリアントを確認したら、シナリオ URL をコピー をクリックし、そのリンクをミッション文書に貼り付けます。レビュー担当者にはまったく同じ入力内容が表示されます。CSVエクスポートは、設計レビューパケットの予算をAMSAT/IARUスタイルのスプレッドシートに書き出します。

キューブサットチームへの教訓

1. 高度ではなく傾斜範囲を入力してください。 400 km の軌道から標高が 30 度の場合、その差は 5.3 dB です。
2. UHFアマチュアリンクはマージンが大きい。500 mW および 9600 ビット/秒の場合、30 °で約 26 dB です。
3. バインド制約はドップラー、タンブル、マルチパス、ローカルノイズであり、リンクバジェットではありません。
4. ポータブルハンドヘルドステーションならサテライトをコピーできます。約 16 dB の余裕があります。
5. 各パスの一部では、データレートを高くしても問題ありません。 予算は、最も低い有効標高で確認してください。

2026-09-19を更新しました。プリセットの経路距離は軌道高度400kmでしたが、現在は標高30°で739kmの傾斜範囲になり、それに応じてその上のマージンも変化しました（以前の31.5 dBはオーバーヘッド値でした）。ツール内のすべての LEO プリセットに同じ修正が適用されました。 サテライト・リンク・バジェット・アナライザを開く →