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のSatNogsステーションなど。

リンクは閉じられますか？どの程度のフェードマージンがありますか？地平線をかろうじてクリアする峠の間、標高の低い場所では何が起こるでしょうか？

それでは、rftools サテライトリンクバジェットアナライザー とビルトイン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。 このプリセットでは、小型の全方向性キューブサットアンテナ (傾斜改札口 0 dBi) の放射が約 500 mW、つまり 27 dBw の EIRP が得られると想定しています。-12dB/kのグランドG/Tは、典型的なSATNOGSクラスのセットアップを表しています。13素子の交差八木（各偏波で約12 dBiのゲイン）でフィード損失が約2 dBで、システムノイズ指数が約1.5dBで、スカイノイズを加えたものがレシーバに給電されます。

ステップ 1: クリアスカイバジェット

Run をクリックすると、ツールは以下を計算します。

-FSPL = 20·log( 4py·400,000·437×10/c) ≈137.3 dB。これは、437 MHz で 400 km のオーバーヘッドパスを実行した場合のフリースペースパス損失です。海面まで2倍になり、標高が低くなるともう少し増えます。 -大気+気体吸収 437 MHzで0.1 dB未満1 GHz 未満では、基本的に無視できます。 -雨による減衰量 ≈0 dB。VHF/UHF レインフェードは問題ではありません。 -偏光損失 — このツールのデフォルトモデルにはありませんが、衛星の向きにもよりますが、キューブサットの傾斜改札口と地面を横切る八木の間の交差偏波には、0.5～3 dB の予算が必要です。 -C/N = EIRP − FSPL + G/T − k = 27 − 137.3 + (−12) + 228.6 = 106.3 dBHz -必須 C/N = Eb/N+ 10·log( R_b) = 5 + 10·log( 9600) = 5 + 39.8 = 44.8 dBHz -マージン = 106.3 − 44.8 = 61.5 dB

これは莫大なマージンです。データレートが非常に低いため、UHFのアマチュアリンクは現代の基準では寛大です。これが、SatNogsがバックヤードのステーションでも確実に機能する理由です。9600ボーのシンボルレートでは、高速データリンクと比較して40dB以上の自然なヘッドルームが得られます。

ステップ 2: 低地でのストレステスト

プリセットの30°の仰角が代表的なミッドパス値です。次に、標高を5°（水平線がかすむようなパス）に変更して、再実行してください。変更点:

-傾斜範囲が広がる。軌道高度が400kmで標高が5°の場合、傾斜範囲は約1900kmです（400kmではありません）。FSPLは20·log( 1900/400) ≈13.5 dB増加して約150.8dBになります。 -大気吸収率はわずかに上昇しますが、UHFではまだごくわずかです。 -ローターが最小標高以下で追従できない場合や、地形によって視界が遮られると、地上局のアンテナゲインが低下します。

経路距離を1900 kmに、仰角を5°に調整して、再実行してください。

-マージンは61.5デシベルから約48デシベルに低下します。まだ十分だ。

教訓：UHFアマチュアキューブサットリンクは、リンクバジェットが原因でフェードアウトしません。フェードする理由は以下のとおりです。

1.ドップラー — 437 MHzでは、LEOパスによって数分間でキャリアが±10 kHzシフトする可能性があります。受信機がそれを追跡する必要があります。 2.宇宙船の転倒による色あせ — 傾斜した回転式改札口アンテナが2 RPMで回転するキューブサットは、15秒ごとにゼロを通過します。5～10 dB の「タンブルマージン」で予算を立てます。 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、破壊的な干渉を引き起こす可能性があります。レイリーフェード統計は適切なモデルです。 4.ローカルノイズフロア — バックヤード（送電線のハム音、ケーブルテレビの漏れ、シャック内のスイッチング電源）のノイズが多いと、受信機の実効ノイズ温度が10～20 dB上昇することがあります。

48 dB のリンクバジェットマージンは、これらすべてを快適に飲み込めます。

ステップ 3: 小型の地上局を試してみる

ここで、ポータブルステーションを稼働させていると想像してみてください。ゲインが約 8 dBi のハンドヘルドアローアンテナを、約 3 dB の NF の SDR ドングルに送ります。これは G/T はずっと悪く、おそらく −22 dB/k です。

G/T を −22 dB/K に変更し、デフォルトの 30° の標高で再実行してください。

-C/N が 10 デシベル低下して 96.3 デシベルヘルツになります。 -マージン = 96.3 − 44.8 = 51.5 dB。

それでも素晴らしい。ハンドヘルド型のアローは、一般的なLEOオーバーヘッドから500mWのキューブサットを9600ボーでコピーでき、50dBの余裕があります。これが、ポータブルSatNogsキットが初期段階のミッションに適した地上局オプションである理由です。

ステップ 4: データレートをスケールアップする

ペイロードが 9600 bps のテレメトリの代わりに 115 kbps で画像をダウンリンクしたい場合はどうでしょうか。データレート を 115,000 bps に変更してください。

-必要な C/N= 5 + 10·log( 115,000) = 5 + 50.6 = 55.6 dBHz -マージン (デフォルトプリセット) = 106.3 − 55.6 = 50.7 dB

まだたっぷり。1 Mbps まで上げても、標高 30 度でリンクを閉じることができます。その時点で、リンクバジェットではなく、アマチュアサービスのスペクトル割り当て（25 kHz のチャネル幅）と規制上の帯域幅制限による制限を受けることになります。

ステップ 5: 設計レビューにはモンテカルロ法を使う

CubeSat ミッションオーソライゼーション (IARU または FCC) を提出したり、デザインレビューで発表したりする前に、モンテカルロを実行してください。このツールは次のことを混乱させます。

-EIRP ±0.3 dB — 衛星電力変動、マッチングネットワーク損失、アンテナパターンゼロを考慮に入れています。 -G/T ±0.3 dB — LNA ドリフト、フィードライン損失の変動を考慮します。 -ポインティングロス指数関数、平均0.2 dB — ロータートラッキングエラーと宇宙船の姿勢ジッターを考慮しています。 -雨量 対数正規値 σ = 0.5 — UHF では関係ないが害はない。 -シンチレーション σ = 0.4 dB (正常)。

出力は p5/p50/p95 マージン分布です。UHF のアマチュア作業では、60 dB のヘッドルームに比べて不確実性が小さいため、p5 ≈p50 ≈p95 が互いに約 2 dB 以内であることがわかります。これは適切なサニティチェックです。つまり、リンクが堅牢であるということです。

シナリオを保存する

上記の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、リンクをミッションドキュメントに貼り付けます。レビュー担当者はリンクをクリックしても、まったく同じ入力内容を確認できます。CSVをエクスポートをクリックすると、AMSAT/IARU形式のスプレッドシートがダンプされ、ミッション設計レビューパケットに貼り付けることができます。

キューブサットチームのための要点

1.UHFアマチュアリンクには大きなマージンがあります。 過度なエンジニアリングはしないでください。500 mW でオムニアンテナでも動作します。 2.制約はリンクバジェットではありません。 ドップラー、宇宙船のタンブル、グランドマルチパス、ローカルノイズです。 3.ポータブルハンドヘルドで衛星をコピーできます。 主要な地上局がダウンした場合は朗報です。 4.可能であればデータレートをスケールアップしてください。 帯域幅は 9600 baudのままにしておきます。 5.デザインレビューのためにモンテカルロを実行してください。 たとえ分布が厳密であっても、レビュー担当者はそれを見たいと思っています。

デザインレビューの章を書いているミッションプランナーは、シナリオ URL + CSV エクスポート + このブログ投稿をリンクバジェットアーティファクトとして使用してください。STK Cloud を完全にスキップしてください。

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