On the Use of Micro Satellites as Communication Nodes - in an Arctic Sensor Network

Abstract

Arktis og verdsrommet er to konsept som er kjelder til fascinasjon og undring for mange av oss. Begge stadane verkar fjerne og ugjestmilde, men samstundes er dei vakre og spanande. Saman utgjer dei ein del av verda som er full av utfordringar, samstundes som dei står for store moglegheiter for vitskap, rekreasjon, kunnskap, undring og inspirasjon. Mange forskarar ynskjer meir og jamnleg oppdatert informasjon om miljøet i dei arktiske områda. I dag eksisterar det ikkje gode kommunikasjonssystem, heller ikkje satellittkommunikasjonssystem, som gjer det mogleg å enkelt hente ut sensordata utan å reise dit sjølv. Gjennom dette arbeidet ynskjer eg å bygge ei bru mellom delar av Arktis til verdsrommet. Resultata frå denne systemstudia kan bringe Arktis nærare oss gjennom eit satellittkommunikasjonssystem, slik at sensorar i Arktis kan nåast av folk som held til i meir sentrale delar av verda. Hovudmotivasjonen for oppgåva var å finne ut om eit kommunikasjonssystem basert på små satellittar kan vere eit brukbart alternativ for å tilby kommunikasjonsløysingar i Arktis. Hovudkonklusjonen viser at det ser ut til å vere mogleg. Småsatellittar har fleire utfordringar og avgrensingar, men ved å designe eit godt system kan dette ha ei yting samanliknbar med andre system, både når ein ser på nytte og på kostnad. Eit av dei viktigaste bidraga i dette arbeidet er studiet av svermar av små satellittar, og korleis ein kan få til desse svermane. Med slike svermar kan ein oppnå god og hyppig dekning, utan å måtte nytte satellittar som har framdriftssystem. Ved å kutte ut framdriftssystemet, vert både kostnad, masse og volum redusert. Dette bidreg også til å redusere oppskytingskostnaden. Det å sende svermen av satellittar ut i bane, ser også mogleg ut, både frå ein teknisk ståstad og frå eit økonomisk perspektiv. Ein av eigenskapane til satellittsvermar er at dekninga ein oppnår på bakken ikkje er konstant. På grunn av at satellittane endrar innbyrdes avstand heile tida, vil dei ved somme tidspunkt sjå ut til å overlappe, og ein mister difor litt kapasitet samanlikna med ein konstellasjon med like mange satellittar. I ein slik konstellasjon held satellittane deira innbyrdes avstand til kvarandre, men då er det naudsynt med eit framdriftssystem for å få dette til. Likevel, for dei fleste tenestene som er diskutert i dette arbeidet handlar det om å flytte informasjon som ikkje er tidskritisk. Difor er det at dekninga endrar seg mindre viktig. Når ein uansett ikkje treng dekning heile tida, spelar variasjon i dekning, samt kor lang tid det tek å flytte informasjonen frå sensor til sluttbrukar ei mindre rolle. Eit anna bidrag frå dette arbeidet er ei systemanalyse om korleis ein heterogen kommunikasjonsarkitektur kan verte definert. Ulike nettverk kan koplast saman gjennom standard internettprotokollar tilpassa Internet of Things (IoT). Slik kan sensorar som står på aude stadar koplast saman med ein sluttbrukar, gjennom internett. Ved bruk av dei vanlege internettprotokollane, sikrar ein at ulike typar utstyr og ulike typar nettverk kan snakke saman. Desse nettverka kan vere lokale linkar i grupper av sensorar, det kan vere satellittlinkar mellom sensorar og ein satellitt, eller mellom satellitt og ein bakkestasjon. I tillegg kan andre bemanna eller ubemanna fartøy frakte data frå ein del av eit nettverk til ein annan del. Desse fartøya kan vere anten i lufta, på eller i sjøen, alt etter som kvar sensoren er plassert. Når ein skal lage eit system for radiokommunikasjon er linkbudsjettet eit av dei viktigaste elementa som må studerast. Her har ein studert forskjellige fenomen som alle har ein innverknad på linkbudsjettet, og ei mogleg løysing er presentert. Likevel, ein må oppfylle fleire føresetnader for at linkbudsjettet skal vere nyttig. For å kunne lage eit system som har ei stor nok datarate til at det blir brukbart, må satellitten verte bygd for å kompensere for nokre av avgrensingane som vil finnast i ein typisk sensor i Arktis. Om ein ynskjer ei enno høgare datarate i systemet, treng også sensoren på bakken ei antenne med ei viss vinning. Dette er eit av fleire spennande tema som er føreslått som vidare arbeid. Kostnaden ved å ta fram eit slikt system er også studert. Her er satellittsystemet samanlikna med eit system som bygger på bruk av ubemanna flygande fartøy, og eit system som nyttar eit fly til å samle inn data frå sensorane. Satellittsystemet vil kunne gi dekning mykje oftare, og vil vere i stand til å hente inn ei samanliknbar mengde data, til ein samanliknbar kostnad. For å summere opp, så viser dette arbeidet at eit eige satellittsystem er ei god løysing på utfordringa det er å skaffe vitskaplege data frå sensorsystem i Arktis, og få dette levert til vitskapsfolk her heime. Arbeidet er basert på etablerte arbeidsmetodar for design og analyse av romprosjekt.

The Arctic and space are concepts that fascinate us. Both places seem remote and hostile, but are at the same time beautiful and exciting. Together, they form a part of the world comprised of daring challenges, but also of endless possibilities for science, recreation, wonder, knowledge and inspiration. Several scientists would like access to more and frequently updated information about the Arctic area. Today, no adequate communication systems allowing this exists. Due to this, access to sensor data is often limited to traveling to the sensor node and retrieve its data. This thesis aims to bridge parts of the Arctic and space. The work in this system study may bring the Arctic nearer to us by proposing a space communication system that can connect assets in the Arctic with people residing in less remote areas. The main research motivation was to investigate if a system of small satellites could be a viable solution to bridge the communication gap in the Arctic. An important use case is to enable access to sensor data from sensors deployed in remote locations without having to physically be at the node to download the data. The main findings show that this can be possible, by establishing a communication system with small satellites. The small satellites have their challenges and limits, but by careful design, a system can be made to compare with other solutions, both in utility and cost. The main contribution from this work is the proposal on how to use a freely flying swarm of small satellites to provide good and frequent coverage, without having to use satellites with propulsion systems. This saves component cost, mass and volume, which in turn contribute to a reduced launch cost. The deployment of a satellite swarm seems feasible both from a technical point of view, as well as from an economical point of view. The coverage property for a swarm is not constant, and on average it is not as good as coverage by a constellation consisting of the same number of satellites. However, for services that do not require to transmit time-critical sensor data, this is of less concern and variations in responsiveness can be accepted. Another contribution is a system study on how a heterogeneous communication architecture can be designed, ensuring interoperability between satellites, sensor nodes and unmanned vehicles. Different networks may be interconnected and joined, providing connectivity between sensor systems and operators through the Internet. This interconnection can be made possible by the use of standard Internet-of-Things protocols. These networks can consist of local networks linking sensor nodes, satellite links between sensor nodes, satellites and gateway stations, as well as other types of unmanned or manned vehicles acting as data mules; ferrying data from one part of the network to another. A central topic of investigation in any radio communication system is the link budget. By carefully evaluating the various contributing factors of the link budget, a feasible budget is presented. However, some assumptions are required. In order to design a system with a usable data rate, the satellite must be designed to compensate for some of the limitations of a typical sensor node. A system supporting an even higher data rate also requires the sensor node to be equipped with a high-gain antenna. This represents an interesting research topic for further study. The cost of the space segment is also evaluated against the use of unmanned aerial vehicles and airplanes. From this analysis, it is shown that a satellite system will provide a more continuous coverage, being able to transmit a comparable amount of data, at a similar or lower cost. The satellites could be based on Cube-Sats. To conclude, the outcome of this study shows that a dedicated satellite system, your mission, your satellite(s), can be a viable solution to the challenge on how to relay sensor data from the Arctic to scientists at home. The work follows the early phases of established space mission analysis and design methods.