6 TELEMETRY TRACKING DAN COMMAND INASAT-1

6

TELEMETRY TRACKING DAN COMMAND

INASAT-1

Dwiyanto

Peneliti Bidang Teknologi Bus Satelit, Lapan

Ringkasan

Keberadaan satelit di orbit harus bisa diteteksi dan dikendalikan. Pengendalian satelit menggunakan pengiriman dan penerimaan data. Sub sistem TTC merupakan sub sistem yang bertugas untuk keperluan tersebut. Sub sistem TTC Inasat-1 dirancang untuk melacak (tracking), mgpgukur parameter kesehatan sateli (telemetri), dan mengendalikannya. Komunikasi menggunakan frekuensi amatir 436 MHz dengan modulasi FM, daya RF transmiter 2,2 watt, sedangkan antenanya menggunakan tipe turnstile yang dilengkapi dengan hybrid coupler.

Kata kunci:

1. GAMBARAN UMUM

Inasat-1 adalah satelit nano dengan massa 10 kg, struktur berbentuk hexagon dengan tinggi 35 cm dan panjang setiap sisi 16 cm. Inasat-1 dirancang untuk misi eksperimen. Satelit ini ditempatkan pada ketinggian 725 km. Frekuensi downlink bekeija pada pita amatir 436 MHz dengan modulasi FM, daya RF transmitter 2,2 watt. Antena yang digunakan adalah tipe tumstile dilengkapi dengan hybrid coupler guna membentuk polarizes circular. Kecepatan transmisi data telemetri 1200 bps, sistem transmisi simplek dengan modulasi FSK non coherent.

Data telemetri meliputi data kesehatan satelit dan data ketinggian. Yang diukur pada telemetri ini adalah

-kesehatan satelit (honse keeping) yang ditunjukkan oleh data temperature, arus dan tegangan, sedangkan data ketinggian satelit diukur dari magnetometer dan rategyro. Data telernetri berupa temperatur diambil dari solar sel, baterai, PDU, OBC, TMTX, antenna rate gyro dan magnetometer. Sedangkan data telemetri kesehatan satelit yang berupa arus dan tegangan diambil dari solar sel, PDU, battery, TMTX. Jumlah data telemetri yang diambil untuk keseluruhan sistem adalah 37 item. Satelit akan beroperasi hanya di wilayah Indonesia, diluar wilayah Indonesia satelit dimatikan.

Pada saat satelit tidak broadcast, modul yang aktif adalah OBC dan modem sehingga daya dapat dihemat. Waktu kontak yang dicapai bervariasi tergantung sudut elevasinya, waktu kontak maksimum sekitar 12 menit pada saat sudut elevasi stasiun bumi sekitar 5 derajat. Sedangkan waktu kontak minimum sekitar 5,3 menit pada saat sudut elevasi stasiun bumi 20 derajat. Jumlah infonnasi yang dapat dipancarkan selama 12 menit adalah 12 x 60 x 1200 x 0,75 = 648000 bit. Nilai 0,75 adalah efisiensi/rawe protocol ax.25.

IndonG>si«D flono ScDtt?Ii-f

2. KONFIGURASI SISTEM PERANGKAT KERAS

Konfigurasi sistem perangkat keras InaSat-1 terdiri dari sub sistem power, sub sistem OBC, subsistem komunkasi dan telemetri eksternal dan sub sistem struktur. Sub sistem power meliputi batere, solar sel, charger Circuit, regulator dan distributor. Subsistem komunikasi meliputi modem, radio transmitter, antenna, modul telemetri eksternal dan sensor. Sub sistem OBC meliputi OBDH dan telemetri internal. Konfigurasi sistem Inasat-1 secara utuh ditunjukkan pada gambar 2-1.

Gambar 2-1. Konfigurasi sistem Inasat-1 2.1. Sub sistem Power.

Sub sistem power meliputi batere, solar cell, charger/ dischcirger circuits, regulator dan distributor dengan sistem PPT. Persyaratan temperatur untuk batere adalah -20°C sampai - 65°C dengan suhu nominal 25°C, panel surya harus bisa menahan suhu sampai dengan 400°C dan distributor

daya - 40°C sampai - 85 °C dengan suhu nominal 25°C. Solar sel yang digunakan adalah Galium Arsenit (Ga-As) dengan efisiensi 26%. Jenis batere yang digunakan adalah Ni-Cd dengan tegangan efektif 1,2 volt, sedangkan alternatifnya adalah batere Li-lon dengan tegangan efektif 3,6 volt. Kapasitas daya tiap sel 1,1 WH sedangkan kapasitas arus setiap sel adalah 0,92 Ah.

2.2. Subsistem On-Board Computer (OBC). .

Subsistem OBC berisi perangkat lunak dan perangkat keras yang saling mendukung. Dalam operasi ini OBC hanya berfungsi sebagai OBDH, artinya program yang dibebankannya hanya menangani data telemetri saja. OBC merupakan otak seluruh operasi, baik operasi misi maupun operasi penanganan terhadap kemungkinan kesalahan. OBC yang digunakan adalah prosesor tipe rabbit-3000. Konsep operasinya dapat dikelompokkan atas broadcast dengan .command dan broadcast tanpa command. Sistem operasi yang dipilih adalah OBC tanpa command dari ground segment, sehingga seluruh operasi misi dikendalikan oleh programnya. Pertimbangan pemilihan tipe ini karena konsumsi daya rendah, pengiriman data hanya dilakukan di wilayah tertentu, hal ini karena tanpa GPS, kesalahan prediksi orbit pada satelit tidak dapat dihindari. Protokol yang digunakan adalah AX.25. Format data dimulai dan diakhiri dengan start/stop byte dengan ukuran 0x7F, total bit maksimal per frame sebesar 2048 bit, panjang maksimal data informasi adalah 256 Byte. OBC juga dilengkapi perangkat lunak Error Detection and Correction (EDAC) dan pemgkat keras watchdog timer, gunanya untuk melakukan rebooting jika terjadi kesalahan

dalam akses program. , 4

2.3. Konfigurasi Sub Sistem Komunikasi

Sub sistem komunikasi Inasat-1 terdiri dari modem 70

IncJor»G»sl«D flono Sotolit

1200 bps dengan modulasi FSKworc coherent, radio transmitter FM dengan daya Rp 2,2 watt dan 4 buah antena tumstile dilengkapi dengan hybrid coupler. Subsistem komunikasi harus dilengkapii dengan modul telemetri sebagai rangkaian untuk memonitor kesehatan satelit (status of Health, SOH). Data kesehatan satelit meliputi arus, tegangan dan temperatur. Data telemetri berupa arus dan tegangan diambil pada modul modem dan radio transmitter. Sedangkan data telemetri yang berupa temperatur diambil pada modul antena. Konfigurasi subsistem komunikasi ditunjukkan pada gambar 2-2.

COMMAND UNE ON/OFF DARI PROGRAM DI OBC

Gambar 2-2. Konfigurasi Subsistem komunikasi

2.4. Modem

Modem berfungsi sebagai modulator dan demodulator. Modulator yang digunakan adalah tipe M0-202, produksi Hamtronics dengan modulasi FSK non coherent, kecepatan transmisi 1200 bps/2400 bps. Pasangan modulator M0-202 adalah demodulator DE-202. Input modulator adalah berupa data, urutan prioritas permintaan pengiriman (request to sent, RTS) dan fasilitas clear to send, CTC. Untuk menghubungkan

Inc!on(?sid flano So-t*c*liT

X'.

antara modulator M0-202 dengan On-Board Computer

(OBC) digunakan interface serial RS-232. Sedangkan output modulator berupa audio tones dengan tegangan tetap 13,6 Vdc. Output modulator M0-202 dihubungkan langsug ke exciter/tramsitter UHF(T304-3) dengan daya RF yang dapat diset sampai 2,5 watt.

Dari modulator ke transmitter diperlukan waktu 25 mili detik agar dapat bekeija secara kontinyu. Modulator M0- 202 dihubungkan ke catu daya sampai 600 mA, 13,6 Vdc untuk mengunci pada transmittemya. Keuntungan modulator ini adalah dapat dibuat/diset secara terpisah atau menjadi satu dengan transmittemya. Ukuran modulator ini hanya 1,5 inci x 4 inci. Output transmitter T304-3 dapat dihubungkan ke antenna tumstile yang dilengkapi hybrid coupler dengan impedansi 50Q secara langsung atau melalui RF power amplifier. Sedangkan demodulator DE-202 pada inputnya langsung dihubungkan ke output radio penerima, sedangkan outputnya tersedia output data dan deteksi carrier sinyal pembawa (receive carrier detect, RCD). Blok diagram modul modem M0-202/DE-202 serta Transmitter ditunjukkan seperti pada gambar 2-3.

Pemilihan modulasi ini didasarkan atas pemilihan modulasi radio transmitter FM. Dengan demikian maka akan terjadi kesesuaian dari modulasi analog ke modulasi digital. Disamping itu dengan modulasi FSK yang dipilih maka dengan kecepatan data yang ditransmisikan rendah hanya memerlukan lebar bidang yang relatif sama dengan kecepatan datanya. Dengan modulasi FSK, pada sistem penerima diperlukan energi per bit per noise density Eb/No sebesar 8 dB

sampai 10 dB untuk BER 10 5_.

IncJonc?sla Pleno Sa*fc»li*f

Gambar 2-3. Modulator M0-202 dan demodulator DE-202

2.5. Transmitter

Transmitter yang digunakan tipe T304-3, produksi Hamtronics yang bekeija pada range 430 - 440 MHz dengan daya RP 2,2 watt jika digunakan catu daya 13,6 Vdc pada arus 550 mA. Daya RF 2,5 watt dengan catu daya 13,6 Vdc pada arus 650 mA. Deviasi frekuensi dapat di set sampai ±10 kHz, harmonik timbul pada -58 dB. Stabilitas sistem bekeija pada temperatur mulai dari -30°C sampai 60°C. Transmitter diset pada frekuensi 436 MHz band amatir. Ukuran modul- T304-3 tanpa casing 3 inc x 5 inc dengan berat 1 lb. T304-3 harus mampu bekeija untuk transmisi dengan kecepatan 1200 bps. Pemilihan transmitter dengan modulasi FM adalah untuk menghemat daya RF. Lebar bidang dengan modulasi ^ FM adalah sebesar Bw = 2(fm + Af). Jika frekuensi pemodulasi

fm Standard voice sebesar 4 kHz dan Af diset pada 10 kHz,

maka Bw sebesar 18 kHz Pada sistem penerimanya, dengan

modulasi FSK diperlukan energi peFbit per noise density EJ No sebesar 8 dB sampai 10 dB untuk BER 10‘5.

2.6 Disain antenna

Antena yang dipilih adalah tipe tumstile H-420, produksi SpaceQuest, Ltd. Antenna ini memiliki pola radiasi mendekati isotropic. Polarisasi gelombang elektromagnetik adalah circular. Dengan frekuensi downlink436 MHz, dengan disain antena monopole 7J4 maka diperoleh melalui hitungan, panjang antena 17,2 cm. Kunstruksi antena tumstile monopole yang dilengkapi hybrid coupler memiliki beda fase 90° satu sama lainnya. Diameter antena yang digunakan 2 mm, jarak diagonal antar antena sekitar 22 cm, berat hybrid coupler adalah 12 gram. Diagram sistem secara modular hybrid coupler untuk menghubungkan 4 buah antenna tumstile ditunjukkan oleh gambar 2-4, sedangkan modul. hybrid coupler antenna tumstile H-420 ditunjukkan oleh gambar 2-5.

Gambar 2-4. Susunan 4 buah antena tumstile dengan

hybrid coupler

IncJonc?si<D fl<Dno SoTcdil*

Gambar 2-5. Modul hybrid coupler antenna turnstile H-420.

Panjang gelombang dan panjang elemen antenna monopole adalah:

Pola radiasi antenna dapat dilihat untuk polarisasi vertikal maupun horizontal. Pola radiasi 'antenna turnstile dengan polarisasi vertikal dengan sudut azimuth 90° diperoleh gain antenna maksimum 3,6 dBi dan gain antenna minimum -4,3 dBi, pola radiasi antenna turnstile dengan polarisasi vertikal adalah seperti ditunjukkan pada gambar 2-5. Adapun pola radiasi antenna turnstile dengan polarisasi horizontal dengan sudut elevasi 0° ditunjukkan seperti pada gambar 2-6.

Xr»dor»G»sio flono S<D"t'G>!i't'

2.7. Pola radiasi antenna-

Pola radiasi antena tumstile mendekati pola radiasi antena omnidirectional yang hampir merata. Dengan menambahkan hybrid coupler dan empat buah antenna tumstile 7J4 dapat dibuat polarisasi circular, baik untuk righ hand circular polarization (RHCP) ataupun left hand circular polarization (LHCP). Antara kedua polarisasi vertical dan horizontal terdapat perbedaan gain maksimum maupun minimumnya. Pada polarisasi vertical, gain antenna minimum adalah -4,3 dB dan gain maksimum adalah -2,3 dB. Pada polarisasi horisontatal, gain antenna minimum adalah -2,3 dB dan gain maksimum adalah 1,2 dB. Data gain antenna ini sangat penting dalam perhitungan link budgetnya.

2.8. Sub sistem Telemetri

Subsistem telemetri yang akan dibangun adalah data - telemetri kesehatan satelit (house keeping) dan telemteri untuk data ketinggian. Data telemetri house keeping yang diukur dibagi atas tiga besaran, yaitu besaian arus, tegangan, dan suhu. Sedangkan data ketinggian adalah data yang dihasil an ari rate gy>ro dan magnetometer. Semua data telemetri terse ut harus diubah menjadi besaran tegangan. Setelah m e a ui proses multiplex, data analog diubah menjadi data igita o e analog to digital converter (ADC). Output masing ma

ADC merupakan data serial yang menunjukkan data kese a an satelit. Data ketinggian dimasukkan ke microcontio et untuk diproses lebih lanjut. Blok diagram sistem telerne n ditunjukkan pada gambar 3-1, sedangkan data te eme r\ keseluruhan yang akan diukur ditunjukkan pada tabe

IncJonc?sio flono Sotellt

Gambar 2-6 Polaradiasi antenna tumstile dengan polarisasi vertikal dengan sudut azimuth 90°

Gambar 2-7. Polaradiasi antenna tumstile dengan polarisasi horisontal dengan sudilfazimuth 0°.

3. LINK BUDGET

Sebagai ilustrasi, untuk menegetahui kelayakan perencanaan sistem yang akan dicapai maka perlu dihitung

Indon<?si«D flano SaTcdil*

link budget yang hasilnya ditunjukkan pada tabel 3.2 dan tabel 3.3. Dari tabel 3.3 tersebut dapat disimpulkan bahwa dengan parameter yang sudah ditetapkan, daya RP transmitter 2,0 watt, maka diperoleh kualitas sinyal digital Eb/No 13,4 dB, margin 8,8 dB. Maka pemilihan transmitter dan kecepatan transmisi 1200 bps dapat pergunakan untuk keperluan eksperiment telemetri.

Gambar 3-1. Blok diagram sistem telemetri

Indonosia flono So-tx?li^

Tabel 3.1. Data telemetri yang diusulkan pada satelit Inasat-1.

iNo i^ensor item Nama Field Tipe data

Keterangan

1 Ttmer Date Ttmer Date 4 DdMnYy

2 Time Ttmer lime 4

byH single

HhMmSs.ss

3 Telemetri status telestatus

\\ 1 byte

0/1

4 suhu Telesuhu 2 byte

5 arus Telearus 2 byte

6 voltage televoltage 2 byte 7 Magnetometer status Magnetosfptits 1 byte 1/0

8 suhu Magnetsuhu 2 byte \.

9 arus magnetarus 2 byte

10 _voltage maenetvoltase _{2 byte} 1

11 _{X axis Magnetx 2 byte} 12 _{Y axis MagnetY 2 byte}

13 Zaxis MagnetZ 2 byte 14 Rate Cjyro Status (Jyrostatus L byte 1/0

15' . suhu Ciyro tsuhu 2 byte 16 arus Uyroarus 2 byte 17 voltage Ciyrovoltage 2 byte

18 X axis UyroX 2 byte

19 Y axis Ciyro Y 2 byte 20 L axts OyroZ 2 byte

Tabel 3. 1. Data telemetri yang diusulkan pada satelit Inasat-1 (Lanjutan)

No Sensor Item Nama Field 'lipe

data

, Ketera

nffan 21 Solar

panel

ldentitier Soalarld 1 byte 1,2,37 4,5r6

22 suhu Solarsuhu 2 byte

TT arus Solararus 2 byte

24 voltage Solarvoltage 2 byte

25 Batere suhu Batsuhu 2 byte 1/0

26 arus Batarus 2 byte

27 voltage Batvoltage 2 byte

28 PDU suhu Pdusuhu 2 byte 1/0

29 arus Pduarus 2 byte

30 voltage Pduvoltage 2 byte

31 OBC suhu Obcsuhu 2 byte 1/0

32 arus Obcarus 2 byte

33 voltage O bc voltage 2 byte

34 Antena suhu Obsuhu 2 byte 1/0

35 Trans mitter suhu Transmitter .<whu 2 byte 170 36 arus Transmitter apis 2 byte 37 voltage T r a n s m i t t e r voltage _______ 2 byte

Tabel 3. 2. Inasat-1 Satellite Down-Link Budget

Transmitter Value Unit

Transmit Power 2.2 watt 33.0 dBm

Transmit Antenna Gain -6.00 dBi

Transmit component line losses - 1.00 dB

Transmit Pointing loss _-0.00 dB

EIRP 26.0 dBm

Propagation Transmission firequency SlantRange, ground antenna elevation 20°, niean altitude 725 km.

Free Space Loss Admosferic Absorption Total Path Loss

436.00 1630.00 149.5 0.50 149.5 MHz Km dB dB dB Keceiver (g> (Jround

Receive Antenna Gain ( peak) 12.50 dBi

Receive component line losses 1.50 dB

Receive poiarization loss 3.00 dB

Receive pointing loss 0.00 dB

Receive Implementation Loss 0.00 dB

Temperature System, 320° K 25.1 dB-°K Boltzmann’s Constant -228.60 dBW/Hz/K Received Power -145.5 dBW -115.5 dBm G/T ; -14.55 dB/K Calculated C/N 10.3 dB Required C/N 10.39 dB Data Rate 1200 bps 30.8. dB-Hz Noise Bandwidth 2.4 K0z 33.8 dB-HZ Calculated Eb/No 25.7 dB Required Eb / No, FM, 13.3 dB BER=10'5 _{3.0 dB} Implementation Loss Margin _______________________ 9.4 dB 81

Tabel 3.3. Inasat-1 Satellite Down-Link Budget

Transmitter Value Omt

Transmit Power 2.2 watt 33.0 dBm

Transmit Anterma Gain -6.00 dBi

Transmit component line - dB

losses 1.00 dB

Transmit Pointing loss - dBm

EIRP 0.00

26.0 Fropagation

Transmission frequency Slant Range, ground antenna

436.00 MHz

elevation 5°, mean altitude 2600.00 Km

725 km. 153.6 dB

Free Space Loss 0.00 dB

Admosferic Absorption

Total Path Loss _______________

153.6 dB N

/

Receiver @ (Jtound 12.50 dB

Receive Antenna Gain (peak) 1.50 dB

Receive^cpmponent line losses 3.00 dB

Receive polarization loss 0.00 dB

Receive pointing loss 0.00 dB

Receive Implementation Loss " 25.1 dB-°K

Temperature System, 320° K -228.60 dBW/Hz/K Boltzmann’s-Constant -149.6 -119.6 dBWVA ^ dBm

Received Power

-14.1

dB/K G/T

18.7

dB Calculated C / N 10.3 dB Required C / N 1200 bps Data Rate 30.8 dB-Hz 2.4 KHz Noise Bandwidth 33.8 dB-HZ Calculated Eb / No

21.7

dB Required Eb / No, FM, 13.3 dB BER=10‘5 _{3.0 dB} Implementation Loss Margin _______________________ 5.4 dB 4. KESIMPULAN

Telah dirancang sub sistem TTC satelit Inasat-1' untuk melacak (tracking), mengukur parameter kesehatan satelit (telemetri), dan mengendalikannya. Komunikasi menggunakan frekuensi amatir 436 MHz dengan modulasi

FM, daya RF transmiter 2,2 watt, dan antenanya menggunakan tipe tumstile yang dilengkapi hybrid coupler.

DAFTAR RUJUKAN

1. Pritchard, Wilbur L.; Suydergoud, Henri, G.; Nelson, R. A., 2003, Satellite Communication System Engineering, Prentice-Hall Intematinal Edition

2. Larson, Wiley J.; Wertz. James R., 1993, Space Mission and Analysis Design, Kluwer Academic, second edition, Publishers, Boston

3. Griffin, Michael D.; French. James R., 2004, Space Vehicle Design, American Institute of Aeronotics and Astronotics, Inc.

4. Kolawole, Michael, O., 2004, Satellite Communi-cation Engineering, Marcel Cekker, Inc., New York

5. Roddy, Dennis, 2001, Satellite Comunication, 'Mc Graw-Hill