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Algoritmos de conformação de

feixe para imageamento radar e

comunicação satélite redundante

e baixo custo

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Plano

● Introdução ● Beam Forming : como funciona ?● Algoritmo● Aplicação a cluster de nanossatélites● Vantagens● Aplicação e estação terrena● Vantagens● Conclusão

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IntroduçãoCorrespondência SAR footprint – diagrama de irradiação

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Introdução

Reconstrução da formade onda SAR

Reconstrução forma de onda SAR = Beam forming

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Beam Forming : como funciona ?

Métodos analíticos:● Schelkunoff (1943),● Dolph Chebychev (1946),● Taylor (1955)

=> rapido e optimal mas limitdo a problemas muito específicos

Métodos optimização global: algo evolucionários GA, PSO, SA, etc.

=> versáteis mas com desempenho limitado

(r⃗n , gn , xn)?

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Algoritmo

Otimização convexa com relaxação

● Tempo de calculo: << métodos estocásticos● Simplicidade de implementação: muitas bibliotecas disponíveis

(CVX, Sedumi, SDPT3, etc.)● Facilidade de uso: nenhum parâmetro a ajustar ● Desempenho: solução ótima garantida (se convexa) e certificado de

existência● Alta robustez: imune a ruído e erros de posição e peso

Optimização convexa = Compromisso eficiência / generalidade

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Aplicação a cluster de nanossatélites

● cluster de 20 nanossatélites● antenas omni-direcionais● mesma amplitude● ajuste de fase

reconstrução em tempo realou a posteriori

NASA/DARPA, ESA, JAXA :vários programas com universidades de cluster de nanossatélites para imageamento Radar/SAR

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Vantagens

● Robustez e versatilidade

● Embarcado p/ processamento em tempo real ou

pós-processamento no solo

● Adaptatividade em tempo real quando for

acoplado a RDS

● Redundância

● Economicamente eficiente

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Estação terrena baixo custo

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Space-TimeAdaptive Processing (STAP)

● Necessário quando tem várias antenas e quando tem ecesso de atraso ultrapassa o periodo de bit

– SAC-C coded bit rate : 6 Mbps Bit period :167 ns

– “Near echoes” atraso de até 600ns / “far echoes” atraso de até 15s.

Satellite Signal

Satellite Signal Direct Path

Interference Multipath

Interference

Z-1 Z-1

Z-1 Z-1

Z-1 Z-1

Z-1 Z-1

Time Taps

= complex adaptive

weight

Satellite Signal Multipath

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CarrierRecovery-Unconventional Approaches

● Extended Kalman Filter [1,2]

– Aproveita a correlação entre os processos de fase

– Utiliza várias antenas para reduzir o erro de fase do PLL

● Multi-D PLL [3]

– Extensão intuitiva do PLL escalar

– Sincronização e equalização feitos cegamente

1. “Novel Multireceiver Communication Systems Configurations Based on Optimal Estimation Theory”, R. Kumar, IEEE Trans. on Comm., Vol. 40, No. 11, Nov. 1992.

2. “On Phase-Locked Loops and Kalman Filters”, A. Patapoutian, IEEE Trans. on Comm., , Vol. 47, pp. 670-672, May. 1999.

3. “A Multidimensional Phased-Lock Loop for Blind Multiuser Detection”, J.R. Barry and A. Batra, IEEE Trans. Sig. Proc., , Vol. 50, No. 9, Sept. 2002.

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Modelo de propagação multicaminho

● Boa operação em ângulo baixo = ponto chave para alta capacidade diaria de download

– Multicaminhos entram pelos lóbulos secondários mais altos

● Cobertura otimizada pela inclinação dos arranjos

– Multicaminhos entram através dos baixos ângulos lóbulos atenuados durante tracking de altos ângulos

1. Jahn, A.; Bischl, H.; Heiss, G.; “Channel characterisation for spread spectrum satellite communications, Proceedings of the IEEE 4th International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications, Vol. 3, pp. 1221 - 1226 22-25, Sept. 1996.

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Parabola grande vs arranjo de pequenas

antenas

11m Dish @ Poker Flats: 105Mbps 585Gb/day

3 Element Motosat: Hawaii, Seattle, Bangor, and 4 @ Poker Flats: 50Mbps

594Gb/day

Intensidade do sinal

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Maximização do download

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Ótimização da capacidade de download

Capacity: Gb/day Eb/No

Data download : SFL32: Optimized 8 elementarrays at Seattle, Bangor: 105Mbps 587Gb/day

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ProtótipoSignal processing equivalent

X [ejΦn] (phaser)

2DComb

Lens apertureX

PatchFFP

z

xy

x y

z(Sampling)

PatchFFP

(windowing)

Σ (recombining)

θinc

EM wave

detectors

θinc

Focal arc/surface sampling

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Protótipo

Non-feed side

Feed side + detectors+ active switching network

Detectors + metallic box + metallic frame

Front view of the detectors + switching network

Back view of the detectors + switching network

952 elementos

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Protótipo• To test the tracking system, we

requested only CW transmissions from SAC-C

• The outputs of the down-converters (@2.5 GHz) were input to a 4-to-1 switch

• The switch output was viewed on a spectrum analyser with a 10 kHz video bandwidth

• Hybrid electrical/mechanical scanning

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Outros tipos de arranjos

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Budget linkSATELLITE DATA

Satellite: EO-1Position: LEO

Orbit Altitude 702.0 Km

Antenna Array Element:1.0 m Space Fed

Lens

DOWNLINKDownlink Frequency: 8.4 GHzEIRP at beam edge: 22.0 dBW

Backoff,Modulation & other losses: 2.5 dBAntenna Array

Element:

1.0 m Space Fed

LensFree Space Loss at 85 deg below Zenith: 179.0 dB Reflector/Lens Loss 0.3 dB

Atmospheric Loss (clear weather + Rain Fade): 2.5 dB Feed Loss 0.2 dBPower at receive antenna: -132.0 dBm LNA Gain 40 dB

Aperture Size: 1.00 m LNA NF 1.1 dBAperture Efficiency: 73%

Receive Antenna Gain: 37.5 dB Cascade NF 1.6 dBEarth Station Noise Temp: 129 deg K Equiv Noise Temp 129 deg KEarth Station Noise Temp: 21.1 dBK

Earth Station G/T: 16.4 dB/deg K.C/No 82.4 dBm/deg K.

Symbol rate: 105000.0 KBPSSymbol rate: 80.2 dBHz

Noise Power at Receiver 83.2C/N -0.8

Required C/N for Acquisition 8 dBRequired Array Performance Gain 8.8 dB

Required Number of Array Elements 8Receiver Processing & Implementation Losses: 1.4 dB

Single Element E(b)/N(o) at receiver: 0.8 dB

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Análise de custoSatellite; EO-1

Antenna Array Element: 1.0 m Space Fed Lens

Item Description Quantity Cost Total1 Antenna Assy 16 22,825$ 365,200$

1.0 m Space Fed Lens 500032 Position Feed Assy 16000LNA 900Mixer 75BPF 100IF 100Housing 150Cabling 500

2 Antenna Positioner 16 3,000$ 48,000$

Azimuth Drive 500 Note 1Controller 1500Mounting Structure 500Radome 500

3 Receiver 8 6,000$ 48,000$

Signal Track & Acquisition 6000Carrier Recovery Note 2Demod Note 2

4 LO Synthesizer 1 5,000$ 5,000$

5 Adaptive Beam Processor 1 10,000$ 10,000$

6

Data Comms & Ground Node Management Processor 1 10,000$ 10,000$

7 Cabinet, Power Supplies, etc 1 5,000$ 5,000$

9 Est. Total System Cost: 491,200$ Note 3

12 NOTES:13 Note 1

14Note 2

15Note 3

This cost is based on a "turntable" type azimuth positioner assyCost estimate based on receiver implemented using Altera Stratix II FPGATotal cost excludes land acquisition cost, civil works for installation and any local licensing or permit costs

em US$no ano 2006

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Vantagens

● Integração na rede internet

● Pequenos arranjos são equivalentes ou melhores

do que grandes parábolas

● Otimização da orientação dos arranjos

● Vários tipos de arranjos / mistura

● Robustez pela dupla redundância

● Economicamente eficiente.

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Conclusão

● Beam forming para SAR / Imageamento rada com cluster de nanossatélites

● Robustez e redundância● Custo baixo

● Estação terrena baixo custo distribuida integrada à internet

● Robustez e redundância● Economicamente eficiente