Il design dell’architettura di comunicazione spaziale deve tenere conto delle caratteristiche specifiche e dei requisiti intrinseci alle sfide uniche dell’ambiente spaziale. Infatti, in un sistema di comunicazione spaziale entrano in gioco diversi fattori, plasmando l’architettura complessiva del sistema e determinando la sua efficacia e affidabilità nelle condizioni impegnative dello spazio. I principali fattori che influenzano la scelta di un’architettura di comunicazione spaziale includono:
• Orbita *
• Latenza di propagazione *
• Ciclo di vita *
• Spettro di potenza del segnale e Rumore
• Quantità di Dati e Data Rate
• Effetto Doppler
• Normative e Minacce
(*): Questi sono i tre fattori primari che influenzano l’architettura della comunicazione spaziale.
Orbita
Questo fattore regola vari aspetti:
– Tempo di vista: la durata durante la quale il satellite è visibile, con impatto sull’acquisizione dati e sulla complessità del controllo missione.
– Copertura e dimensionamento: determinati dall’altitudine dell’orbita, influenzano la dimensione dell’antenna e la potenza del trasmettitore. La copertura rappresenta l’area sulla Terra che può essere raggiunta da un satellite o da una costellazione di satelliti. In generale, la copertura effettiva è molto più piccola di quella geometrica. I satelliti in orbita bassa terrestre (LEO) hanno, più di altri, un passaggio di soli pochi minuti in linea di vista della stazione di terra che devono servire. L’area di copertura può essere globale (con tre satelliti in orbita geostazionaria, GEO), ma richiede una rete estesa di stazioni di controllo a terra.
– Effetto Doppler: la variazione di frequenza percepita dal ricevitore, diventando rilevante a quote più elevate e con alta velocità relativa (ad esempio, per i satelliti LEO).
Latenza di propagazione
Le comunicazioni non sono istantanee, e più è alta l’orbita più tempo impiega il segnale per arrivare a destinazione. Anche se viaggia alla velocità della luce, ci sarà comunque una certa latenza, che è quasi trascurabile per le orbite terrestri, mentre può rappresentare una sfida per missioni interplanetarie. Ad esempio, nel punto più vicino di Marte, il ritardo è di circa quattro minuti, raggiungendo circa 24 minuti alla massima distanza.
Ciclo di vita
Il ciclo di vita di un’architettura di comunicazione spaziale influenza significativamente la selezione dei componenti chiave, considerando sia la degradazione operativa che quella funzionale nel tempo. Questo approccio si estende oltre le fasi iniziali di progettazione e implementazione: la manutenzione regolare, gli aggiornamenti e l’adattamento agli standard tecnologici in evoluzione sono considerazioni essenziali per l’intero ciclo di vita. Il monitoraggio e intervento su potenziali problemi legati all’usura e all’obsolescenza tecnologica svolge un ruolo cruciale nel garantire prestazioni e affidabilità continue del sistema di comunicazione.
Spettro di potenza del segnale e Rumore
Permette di evidenziare la potenza del segnale in funzione della frequenza, dando informazioni sulla banda del segnale. Lo spettro è utile per visualizzare i segnali di comunicazione rilevanti, con picchi corrispondenti a rumori di fondo. Il parametro principale delle prestazioni è il rapporto segnale-rumore, che indica quanto è forte il segnale rispetto al rumore di fondo. Rappresentare anche l’andamento della potenza nel tempo in relazione alla frequenza (“waterfalls”) aiuta a visualizzare l’evoluzione del segnale, dove la potenza è evidenziata attraverso colori diversi. In generale, i colori più caldi indicano un segnale più forte. I grafici delle “waterfalls” possono essere correlati allo spettro di potenza per fornire informazioni sull’evoluzione del segnale nel tempo.
Ci sono vari fattori che influenzano la qualità della comunicazione spaziale. Questi fattori includono il rumore cosmico, il rumore atmosferico, il rumore dovuto alla pioggia, il rumore a terra, il rumore interferente, la distorsione multi percorso e l’espressione del fattore di qualità relativa sistema di comunicazione terrestre.
Effetto Doppler
L’effetto Doppler si verifica con una velocità relativa elevata, causando una variazione di frequenza. Di conseguenza, la lunghezza d’onda emessa e ricevuta differiscono di una certa quantità. Per una sorgente che si allontana la frequenza è più bassa, mentre è più alta per una sorgente che si avvicina. Questo fenomeno introduce accorgimenti nel mantenere un collegamento di comunicazione stabile e affidabile. I satelliti in orbita bassa terrestre (LEO) passano rapidamente sopra la stazione di terra, e gestire le variazioni di frequenza diventa cruciale per garantire una trasmissione dati ininterrotta ed efficace. Tecniche avanzate di elaborazione del segnale e protocolli di comunicazione adattativi vengono implementati per mitigare l’impatto degli spostamenti Doppler e delle fluttuazioni di frequenza, ottimizzando le prestazioni dei sistemi di comunicazione spaziale. In orbite elevate, invece, questo effetto si verifica a causa delle maggiori distanze coinvolte. Per le missioni spaziali interplanetarie, in cui le distanze sono vaste e le velocità sono considerevoli, gestire l’effetto Doppler diventa un aspetto critico della comunicazione.
Quantità di Dati e Data Rate
La quantità di dati è il totale delle informazioni che devono essere inviate/ricevute, in base al tipo di missione, alla quantità di informazioni prodotte, al tipo di dati e alle capacità di gestione comandi e dati (codifica, crittografia, compressione, ecc.). Il Data Rate è proporzionale alla quantità di dati per unità di tempo trasferita tra il satellite e la stazione terrestre, e si misura in bit al secondo (bps o bit/s). La sua espressione è la seguente:
R=(m∙D)/(F∙T_max-T_in )
Dove:
– D è la quantità di dati,
– R è il Data Rate,
– T_max è il tempo massimo di vista del satellite,
– F è un fattore di riduzione del tempo massimo di vista che tiene conto delle differenze nei vari passaggi
– T_in è il tempo richiesto per avviare la comunicazione (tipicamente un paio di minuti),
– m è un fattore di margine per considerare eventuali contingenze che potrebbero impedire il corretto passaggio dei dati (tempo di inattività, altri dati, conflitti, nessuno che riceve).
A seconda del tipo di dati da trasmettere, e se si tratta di uplink o downlink, ci sono velocità di bit tipiche.
Normative e Minacce
Le richieste alle autorità e la conformità alle normative sono necessarie per le operazioni di comunicazione. Le frequenze e l’allocazione della larghezza di banda seguono regole specifiche dell’Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU), un componente dell’ONU con tre organi che supervisionano la comunicazione. Le minacce al sistema di comunicazione includono fattori ambientali (radiazioni, ionosfera, atmosfera, lancio), stazioni di controllo a terra non sicure, manipolazioni e attacchi umani.
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