Teklif Edilmiş Sudan Yer Gözlem Uydusu İçin Haberleşme Sistemi Ön Tasarımı

Abstract

Astronomi 19. ve özellikle 20. yüzyılda baş döndürücü bir hızla ilerlemiştir. Teleskopların geliştirilmiş olması, spektroskopinin getirdiği imkanlar, evrenin genişleme içinde olduğunun farkına varılması, büyük patlama kuramı yoluyla kozmolojide meydana gelen gelişmeler ve diğer bilim dallarındaki gelişmelerin astronomiye katkıları bu bilimin ilerlemesine büyük katkılar sağlamıştır. Bu gelişmelerin ardından devam eden süreçte, I. ve II. Dünya savaşını geride bırakıp 20. yy’ın üçüncü çeyreğinde soğuk savaş dönemine giren dünya aynı zamanda “uzay yarışı” diyebileceğimiz bir mücadeleye başlamıştır. Amerika Birleşik Devletleri ve Sovyet Sosyalist Cumhuriyetler Birliği arasında geçen bu mücadelenin astronomiye olan katkıları büyüktür. Uzaya uydu ve sonda yollayarak uzayı keşfetmek, insan göndermek, Ay’a insan indirmek gibi önemli olaylar bu dönemde gerçekleşmiştir. Bu mücadeleden sonra uzayı keşfetme yarışı biraz olsun hızını kaybetsede, günümüzde insanoğlunu heyecanlandıran çalışmalar devam etmektedir. Avrupa Uzay Ajansı’nın en geç 2030 yılına kadar Mars’a insan göndermeyi amaçlayan Aurora programı bunlardan biri ve yarışı tekrar ateşleyebilir. Sudan, doğal kaynaklar ve tarım alanları açısından Dünya üzerindeki en zengin ülkelerden biridir. Bu bölgelerin gözlenmesi oldukça maliyetlidir. Ancak bu amaçla oluşturulacak ulusal bir uydu ilk aşamalardaki yüksek maliyetine rağmen uzun vadede önemli bir projedir. SudaSat-1, Sudan topraklarının ve talepleri doğrultusunda diğer ülkelerin yüksek çözünürlüklü görüntülerini almayı amaçlayan ve Sudan hükümeti tarafından finanse edilen uzaktan algılama uydusu projesidir. Uzaktan algılama, yeryüzünün ve yer kaynaklarının incelenmesinde onlarla fiziksel bağlantı kurmadan kaydetme ve inceleme tekniğidir. Yer ile herhangi bir temas olmaksızın yerin çeşitli özelliklerinin tespiti işidir. Uzaktan algılama kısa bir tanım yapılacak olursa, fiziksel temas olmadan cisimler hakkında bilgi almaktır Güvenilir bir haberleşmenin kurulması her uzay aracı için elzemdir; haberleşmede oluşabilecek bir hata görevin kaybedilmesi anlamına gelir. Bu tez de SudaSat-1 için haberleşme altsisteminin ön tasarımının yapılmasını amaçlar. Bu tez benzer uydu projelerini inceleyerek tasarım için gerekli temel fikirlerin edinilmesini sağlar. İncelemeler, benzer uzaysal çözünürlüklü uydu projelerine odaklanmıştır. xx Uzaktan algılama uydularının temel karakteristikleri incelenmiş ve görüntü elde etme modları açıklanmıştır. Modlar 2 çözünürlük değerleri için belirlenmiştir. Yüksek çözünürlüklü şerit modu ve geniş alan modu. Yüksek çözünürlüklü şerit modu, 8 km’lik alan genişliğine, PAN kanalında 1x1’lik alansal çözünürlüğüne sahiptir. Geniş alan modu ise 300 km alan genişliği ve 10x10’luk alansal çözünürlüğüne sahiptir. Uydu yörüngesinde ortalama 7.53 km hızla ilerlerken 1m yer örnekleme yüksekliği (YÖY) çözünürlüğünü sağlayan görüntülerin alınabilmesi için 1 CCD algılayıcısı yeterli olmayacaktır. Bir transfer gecikmesi ve entegrasyon (TDI), senkronize olmayan görüntülme modu, aşamalı CCD doğruları ya da bunların bir kombinasyonu gerekmektedir. Bu gereksinimmler göz önüne alınarak algılayıcı sistem seçilmiştir. Sonuç olarak 1m YÖY için pankromatik ve 4m YÖY için ise çoklu sprektral sistemler kullanılmıştır. Pankromatik algılayıcılar, tek kanallı geniş spektrumlu ışınım duyargasına sahiptir. Eğer dalgaboyu aralığı görülebilir alan ile çakışırsa elde edilen görüntü uzaydan çekilen siyah-beyaz fotoğraf şeklinde olacaktır. Renk bilgisi vermeyecektir. Çoklu-spektral sistemler ise, birkaç spektral bantlı çok-kanallı duyargadan meydana gelir. Her bir kanal, kısa dalgaboyu bant araklıklarına sahiptir. Bu algılayıcılardan elde edilen görüntüler çok katmanlıdır. Bu katmanlar gözlemlenen hedefin parlaklık ve spektral (renk) bilgilerini içerir. Algılayıcıların seçimiyle SudaSat-1 uydu görevinin gereklilikleri tam olarak ortaya çıkmıştır. Uydu pankromatik görüntüler 1 metre çözünürlükle alınacaktır, çokluspektral görüntüler ise 4 metre çözünürlükte olacaktır. Uydudan beklenen görev süresi ise 10 yıldır. Uydu görevinin temel hattı çizilerek, görev isterlerini karşılayacak bir uydu platformu seçilmiştir. Görüntüleme algılayıcıları özellikleri ve uydunun yörünge karakteristikleri kararlaştırılarak gerekli yer örnekleme uzaklığı belirlenmiştir. Uydu yörüngesi STK (System Tool Kit) programı aracılığıyla tasarlanmış ve simule edilmiştir, yörünge periyodu ve ortalama haberleşme süresi kararlaştırılmıştır. Sonuç olarak elde edilen değerler her geçiş başına yaklaşık 10 dakika olmuştur. Bu tezde, haberleşme altsisteminin tasarımını ve entegresini etkileyen görev tasarım elemanları öne çıkarılmıştır. Haberleşme altsistemi-seviye gereksinimleri, fonksiyonları ve tasarım bileşenleri gözden geçirilmiştir. Bileşen seçimleri, gereklilikleri karşılanması ve uzay geçmişi üzerine temellendirilmiştir. Sistemin güvenilirliğini arttırabilmek için kritik bileşenlerin yedekleri de göz önüne alınmıştır. Ayrı uydu-yer bağı kanalları görüntü verileri (X-bandı) ve mühendislik verileri (S-bandı) olacak şekilde düzenlenmiştir. Uydu iletişim güç bütçesi hem uydu-yer hem de yer-uydu bağ kanalları için hesaplanmıştır. Güç için kabul edilebilir düzeyde bir marjin elde edilmiştir. Ana sistem bileşenleri ile bağlantıyı tanımlayan haberleşme altsistem mimarisi sunulmuştur. Görüntü ve mühendislik verilerinin uydu-yer bağlantısı ile transferi ve yer-uydu komuta, adımlarını izleyecek şekilde resmeden uydu veri transfer planı belirlenmiştir. Özetle, bu tezde SudaSat-1 uydusunun haberleşme altsistemi tasarlanmıştır. Yukarıdan-aşağıya doğru bir tasarım yöntemi izlenerek, tüm görevin gereklilikleri belirlenmiş ve bunların haberleşme altsistem gereksinimleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Yörünge ve uzay ortam koşulları göz önüne alınarak bunların uydu-yer istasyonu arasındaki iletişime olan etkileri hesap edilmiştir. Bu doğrultuda uydu tasarımı tamamlanarak elde edilen sonuçlar sunulmuştur.

Sudan is one of the richest countries in the world in terms of natural resources, agricultural fields in particular. The cost of monitoring these resources from space is very high. Establishing a national satellite mission has large initial cost, but it has a large significance in the long run. SudaSat-1 is a proposed earth observation satellite mission funded by the government of Sudan to obtain high resolution images of various areas of the country and other countries as per request. Establishing reliable communication is an essential function for any spacecraft; the failure of communication means loss of mission, the goal of this thesis is to provide a preliminary design for the communication subsystem for SudaSat-1 satellite. The thesis provides a review of similar satellite missions to gain insight of the main considerations involved in the design. The review focused on the satellites with the same spatial resolution. The main characteristics of remote sensing satellites is reviewed, image acquisition modes are also explained. Satellite baseline mission design is introduced, a satellite platform is selected to satisfy overall mission requirements, imaging sensors specifications together with satellite orbit characteristics are also determined to provide the required ground sampling distance. Satellite orbit is designed and simulated using STK, orbit period and average communication time is determined. The thesis highlights mission design elements that influence the design and implementation of the communication subsystem. Communication subsystem-level requirements, functions and design components are overviewed. Components selection is based on requirements satisfaction and space heritage. Redundancy of critical components is put into consideration to increase the reliability of the subsystem. Separate downlink channels are set for imagery data (Xband) and engineering data (S-band). Satellite link power budget is calculated for both downlink channels and for uplink channel. An acceptable value of power margin is obtained. Communication subsystem architecture is presented showing the interconnection between main subsystem components. Satellite data transfer plan is determined illustrating the steps followed to transfer imagery and engineering data downlink and commands uplink.