Dimensionando um downlink UHF de 9600 baud para um CubeSat 3U: passo a passo completo

A missão

Você está projetando um cubesat 3U para uma missão de rádio amador universitária ou startup. Frequência de downlink: 437,5 MHz (UHF amador). Taxa de dados: 9600 baud, BPSK ou GMSK. Estação terrestre: uma configuração modesta de quintal com um Yagi cruzado em um rotor de azimute/elevação, ou uma estação SatNogs operada a partir de um Raspberry Pi.

O link pode ser fechado? Que margem você tem? O que acontece durante uma passagem que mal limpa o horizonte?

Vamos analisar isso com o rftools Satellite Link Budget Analyzer e sua predefinição Amateur CubeSat (UHF, AMSAT/Satnogs) integrada.

A predefinição

Carregue a predefinição Amateur CubeSat (UHF, AMSAT/Satnogs) e você obterá:

O satélite irradia cerca de 500 mW de uma pequena antena catraca inclinada, que fornece -3 dBW (27 dBm) EIRP. O terreno G/T de −12 dB/K é uma estação típica da classe Satnogs: um Yagi cruzado de cerca de 12 dBi, alguns dB de perda de alimentação e um receptor com um valor de ruído do sistema em torno de 1,5 dB mais o ruído do céu.

A distância do caminho é oalcance inclinado, não a altitude da órbita. Um satélite em uma órbita de 400 km está a 400 km de distância somente quando está diretamente acima. A 30° de altitude, está a 739 km de distância:

com $R_E$ = 6378 km, $h$ = 400 km e $\theta$ = 30°. Em vez disso, inserir a altitude subestimaria a perda de espaço livre em 5,3 dB.

Etapa 1: O orçamento em uma elevação de 30°

Clique em Executar e a ferramenta calcula:

• FSPL = $20\log_{10}(4\pi \cdot 739\,\mathrm{km} \cdot 437\,\mathrm{MHz}/c)$ = 142,6 dB.
• Absorção gasosa = 0,02 dB. Atenuação de nuvens e chuvas arredondada para zero em UHF.
• C/N0 = EIRP + G/T − FSPL − perdas + 228,6 = 70,65 dBHz, incluindo 0,3 dB de perda de apontamento e polarização.
• C/N0 obrigatório = $E_b/N_0 + 10\log_{10}(R_b) = 5 + 10\log_{10}(9600)$ = 44,82 dBHz.
• Margin = 25,8 dB.

Duas ressalvas. Os modelos de chuva e gás ITU-R são especificados de 1 GHz para cima, então a ferramenta os extrapola a 437 MHz — as perdas são de alguns centésimos de dB de qualquer maneira. E o termo único de apontamento e polarização de 0,3 dB da ferramenta é pequeno para um cubesat giratório: limite de 0,5—3 dB de perda de polarização entre uma catraca inclinada e um Yagi cruzado, dependendo da atitude.

Uma margem de 25,8 dB é enorme. Os links amadores UHF são generosos porque a taxa de dados é muito baixa: 9600 bit/s precisam de apenas 44,8 dBHz.

Etapa 2: A geometria do passe

O mesmo satélite em uma passagem inteira:

Mesmo a 5°, a margem do orçamento de links é de 18 dB. Os links UHF cubesat não desaparecem por falta de orçamento de links. Eles desistem por causa de:

1. Doppler — a 437 MHz, um passe LEO muda a portadora em até cerca de ± 10 kHz em minutos. O receptor deve rastreá-lo.
2. Queda da espaçonave — um cubesat descontrolado varre sua antena nula pela estação terrestre. Orçamento de 5 a 10 dB de margem de queda.
3. Caminho múltiplo no terra — elevações baixas trazem reflexos no solo que enfraquecem o sinal.
4. Ruído local — o zumbido da linha de alimentação, o vazamento da TV a cabo e as fontes de comutação na cabana podem aumentar a temperatura efetiva do ruído em 10—20 dB.

Os 18 dB no horizonte absorvem a maior parte disso.

Etapa 3: uma estação terrestre menor

Uma estação portátil — uma antena Arrow portátil de cerca de 8 dBi em um dongle SDR — tem a G/T mais perto de −22 dB/K. Altere G/T para −22 dB/K e execute novamente a 30°:

• C/N0 cai de 10 dB para 60,65 dBHz.
• Margin = 15,8 dB.

Ainda é confortável, e é por isso que uma estação portátil é um backup viável para uma missão em estágio inicial.

Etapa 4: uma taxa de dados mais alta

E se a carga quiser 115 kbit/s para imagens em vez de telemetria de 9600 bit/s? Altere Taxa de dados para 115.000:

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

A 1 Mbit/s, a margem de 30° ainda é de 5,7 dB — mas em uma elevação de 5°, o orçamento é 7,9 dB pior, deixando cerca de -2,2 dB, então um downlink de 1 Mbit/s só funciona na parte superior de cada passagem. Nesse ponto, a largura do canal da alocação amadora, e não o orçamento do link, geralmente define o limite.

Etapa 5: Monte Carlo para a revisão do design

Antes de uma revisão do projeto ou de uma solicitação de coordenação de frequência da IARU, execute o Monte Carlo. É um modelo de incerteza em torno do orçamento nominal:

• EIRP e G/T: normal, σ = 0,3 dB cada.
• Perda de pontuação: exponencial, média de 0,2 dB.
• Taxa de chuva: log-normal, σ = 0,5 — irrelevante em UHF.
• Desvanecimento: |normal|, σ = 0,4 dB.

Para a predefinição, as margens p5/p50/p95 são 24,4/25,3/26,2 dB. O spread está abaixo de 2 dB porque as incertezas são pequenas perto da altura livre — um sinal rápido de que o link é robusto. Ele não modela queda ou multipercurso, portanto, mantenha a margem de queda explícita da Etapa 2.

Salvando o cenário

Depois de explorar as variantes, clique em Copiar URL do cenário e cole o link na documentação da missão — os revisores veem exatamente as mesmas informações. Export CSV grava o orçamento em uma planilha no estilo AMSAT/IARU para o pacote de revisão de design.

Conclusões para equipes do cubesat

1. Insira a faixa de inclinação, não a altitude. A 30° de altitude de uma órbita de 400 km, a diferença é de 5,3 dB.
2. Os links amadores UHF têm grandes margens — cerca de 26 dB a 30° para 500 mW e 9600 bit/s.
3. As restrições vinculativas são Doppler, tumble, multipath e ruído local, não o orçamento do link.
4. Uma estação portátil pode copiar o satélite, com cerca de 16 dB de sobra.
5. Taxas de dados mais altas funcionam para parte de cada passe. Verifique o orçamento na sua menor elevação útil.

Atualizado 2026-09-19. A distância do caminho predefinido era a altitude orbital de 400 km; agora é a faixa inclinada de 739 km a 30° de elevação, e as margens acima mudaram de acordo (os 31,5 dB anteriores eram o valor da sobrecarga). A mesma correção foi aplicada a todas as predefinições de LEO na ferramenta. Abra o Satellite Link Budget Analyzer →