Пограничное радио

Frontier Radio — это семейство радиостанций с программным управлением, разработанное Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (или APL). Было разработано четыре варианта: Frontier Radio (FR), Frontier Radio Lite (FR Lite), многоязычное Frontier Radio (FR ML) и Frontier Radio следующего поколения. Кроме того, Frontier-S и Frontier-X являются лицензионными производными, производимыми коммерческой аэрокосмической компанией Rocket Lab . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

История

Родители и предшественники

Созданию семейства FR предшествовали трансиверы, построенные для New Horizons . ^{[ 3 ]} Космические корабли TIMED и CONTOUR , для которых требовались легкие приемопередатчики с низким энергопотреблением. ^{[ 4 ]} Эти усилия были успешными; например, трансиверу для «Новых горизонтов» удалось сэкономить 12 Вт от общей мощности миссии и в конечном итоге он стал средством реализации миссии. ^{[ 5 ]} Основываясь на результатах этих миссий, APL искала возможность создать радиостанцию общего назначения с еще меньшим SWaP (размером, весом и мощностью) в качестве платформы программно-определяемой радиосвязи (SDR), которую могла бы использовать любая аэрокосмическая организация. Платформа SDR будет включать приемопередатчики с более высокой скоростью передачи данных и лучшей устойчивостью к радиации, чем предыдущие радиостанции. ^{[ 4 ]} APL представила эту идею НАСА, которое одобрило дальнейшие исследования.

История Frontier Radio

Первая версия Frontier Radio (FR) была запущена в рамках миссии Van Allen Probes (VAP) в ближнем космосе. Его использовали из-за его высокой радиационной стойкости, низкого SWaP и длительного срока службы. Версия FR для глубокого космоса использовалась в рамках миссии Parker Solar Probe (PSP) в 2018 году. Эта версия была модифицирована для миссии PSP с такими обновлениями, как улучшения программного обеспечения для улучшения нисходящей линии связи частоты кадров , радиочастотное оборудование для работы на более высокой частоте X и Ka-диапазоны и аппаратные улучшения для увеличения вычислительной мощности. ^{[ 4 ]} FR также участвовал в миссиях НАСА по испытанию двойного перенаправления астероидов (DART), где он продемонстрировал такие улучшения, как поддержка более высоких скоростей передачи данных в X-диапазоне.

Другим миссиям требовались радиостанции меньшего размера, массы и энергопотребления, и они не требовали полной надежности FR. Это привело к разработке Frontier Radio Lite, гораздо меньшей радиостанции для миссий с ограниченными ресурсами. Самым большим изменением стало снижение максимальной скорости передачи данных и чувствительности сигнала, что позволило снизить энергопотребление, в то время как некоторой устойчивостью к излучению пришлось пожертвовать ради достижения лучших размеров, веса и мощности. ^{[ 5 ]} Затем появилось виртуальное радио Frontier Radio, промежуточное между FR и FR Lite. Он сочетает в себе надежность и вычислительную мощность оригинального радио с перепрограммируемым дизайном и более современной архитектурой, используемой в FR Lite. ^{[ 6 ]}

Версии

Фото всех трех карт FR без экранирования. В первом наборе карточек есть три большие электронные карточки коричневого цвета. Второй набор состоит из четырех зеленых досок гораздо меньшего размера. Третий – самый маленький, зеленая карточка с желтыми досками. Рядом с самой маленькой карточкой кладут копейку для сравнения размеров. — Сравнение радиоплат New Horizons (2005 г.) с радиоплатами PSP (2010 г.) и радиоплатами FR Lite (2015 г.). ^{[ 4 ]}

Радио Heritage Frontier

После запуска миссии « Новые горизонты» и ее радиосвязи с низким SWaP НАСА профинансировало дополнительные исследования других небольших, высоконадежных радиопродуктов для будущих миссий APL, на этот раз с использованием программно-определяемых платформ. Грант привел к созданию наследия Frontier Radio (FR), созданного для использования в ближнем и дальнем космосе.

Типы

У Heritage FR есть две основные версии: радиостанция для ближнего космоса, работающая в S-диапазоне, как она использовалась в миссии VAP, и версия для дальнего космоса, работающая в диапазоне X/Ka, как она использовалась в миссии PSP. Обе версии используют одну и ту же базовую инфраструктуру с некоторыми улучшениями по сравнению с первой версией, работавшей на VAP. К ним относятся уменьшение SWaP, повышенная надежность, более низкий уровень шума, более высокая скорость преобразования и обработки сигналов, а также улучшенный сбор и отслеживание сигналов. ^{[ 7 ]}

Ключевые особенности

У FR есть отдельная интерфейсная плата, поэтому оборудование можно настроить для каждой миссии без необходимости создания новой радиостанции. Некоторые функции также можно переконфигурировать в процессе полета, например, назначение внутриполосных каналов, скорость передачи данных, полосу пропускания контура , форматы кодирования и схемы модуляции. Его схемы спроектированы так, чтобы быть высоконадежными и отказоустойчивыми с учетом вакуума, высокой радиации и экстремальных температур. Он может выдерживать полные ионизирующие дозы ^{[ 8 ]} (TID) до 100 крад (1 кГр) и имеет устойчивость к однократному запиранию (SEL или защелке, вызванному сбоем в результате одного события ) 85 МэВ-см2/мг линейной передачи энергии (LET). ^{[ 6 ]}

Ограничения

FR не перепрограммируется. Это также физически самый большой радиоприемник в семье. ^{[ 6 ]}

Фронтир Радио Лайт

Frontier Radio Lite — это уменьшенная версия своего брата Frontier Radio, в которой все его системы размещены на одной карте. Радиостанция FR Lite, изначально представлявшая собой радио S-диапазона, была первой в семействе перепрограммируемой и предназначена для миссий с высокой устойчивостью к риску и быстрым графиком. Это радиостанция с самым низким SWaP в семействе Frontier, что делает ее идеальной для миссий с небольшими и кубическими спутниками.

Фотография устаревшей радиостанции FR и FR Lite без защиты. — FR из миссии VAP (слева) с FR Lite (справа). ^{[ 6 ]}

Типы

Были спроектированы и построены две версии FR Lite. Первый — это двусторонняя радиосвязь, работающая в S-диапазоне, а второй — приемник L-диапазона для GPS L1 и L2 , переименованный в Расширяемую глобальную навигационную систему (EGNS). Версия этого радио в S-диапазоне была передана в промышленность и может быть приобретена в Rocket Lab под названием Frontier-S. ^{[ 5 ]}

Ключевые особенности

FR Lite использует перепрограммируемую программируемую вентильную матрицу (FPGA) вместо специализированной интегральной схемы специального назначения (ASIC), что значительно снижает стоимость разработки и обеспечивает повышенную гибкость. Его масса и объем составляют менее 25% мощности FR, а в режимах приема и передачи используется менее 30% общей мощности FR. ^{[ 6 ]} Эти улучшения были достигнуты за счет перемещения ряда секций аналогового оборудования в прошивку, совместного использования компонентов схемы для повышающего и понижающего преобразования частот, улучшения конструкции регулирования мощности и ряда более мелких изменений. ^{[ 5 ]}

Ограничения

FR Lite жертвует частью своей радиационной устойчивости и устойчивости к SEL, чтобы достичь низкого SWaP; он выдерживает только TID в 40 крад и имеет снижение иммунитета к SEL на 20% по сравнению с FR. ^{[ 5 ]}

Frontier Radio Многоязычное

Frontier Radio Multi Lingual (FR ML) — новейшее дополнение к семейству FR и первое устройство, специально предназначенное для приложений с высокой пропускной способностью. Обладая пропускной способностью приема и передачи более 1 фунта стерлингов, FR ML был разработан по указанию Программы космической связи и навигации НАСА в качестве первого шага по замене устаревшей группировки спутниковой системы слежения и ретрансляции данных (TDRSS). Радиостанция предназначена для работы в коммерческих, военных и научных диапазонах Ka, отсюда и многоязычный характер конструкции.

Типы

В настоящее время FR ML выпускается в одной версии с повышающим и понижающим преобразованием Ka.

Ключевые особенности

FR ML имеет более совершенную FPGA, чем предыдущие варианты FR, что обеспечивает поддержку сигналов DBV-S2 , OFDMA и CCSDS . Улучшения в вычислительной мощности, предыскажениях и линейности радиочастотного интерфейса обеспечивают поддержку скоростей передачи данных по восходящей и нисходящей линии связи, превышающей 1 ГБ/с. Радио устойчиво к 100 крад TID и невосприимчиво к единичному эффекту до 72 МэВ-см2/мг. Сопроцессор супервизора также обеспечивает полную отчетность в полете не только по программному обеспечению, но и по встроенному ПО.

Ограничения

Высокое энергопотребление ограничивает использование FR ML в некоторых миссиях с небольшими спутниками.

Frontier Radio следующего поколения

Радиостанция Next Generation Frontier Radio в настоящее время находится в стадии разработки и направлена на создание платформы SDR следующего поколения для дальнего космоса и околоземной среды. Эта платформа призвана объединить высокую надежность традиционной FR с низким SWaP FR Lite и высокой производительностью FR ML. Это достигается за счет новых возможностей конфигурации радиоплатформы для дальнего космоса. Благодаря высокопроизводительной FPGA и сопроцессору эти вычислительные возможности можно масштабировать с помощью вариантов на уровне компонентов для поддержки как высокопроизводительных приложений FR ML, так и маломощных приложений для дальнего космоса на одной и той же базовой архитектуре. Это означает, что одно и то же оборудование с реконфигурацией компонентов может поддерживать каналы GBps в одной миссии, а каналы приема менее 1 Вт — в другой. Как и FR ML, радио устойчиво к 100 крад TID и невосприимчиво к единичному эффекту до 72 МэВ-см2/мг.

Поддержка сменных и нескольких радиочастотных интерфейсов также является ключевым фактором гибкости NG-FR. Были разработаны радиочастотные интерфейсы, поддерживающие эту архитектуру следующего поколения в диапазонах C/X/Ku, а также Ka. Будущие работы над L/S-диапазонами, VHF/UHF и маломощным интерфейсом NASA Deep Space Network НАСА DAVINCI находятся в разработке по состоянию на май 2023 года. Первой миссией, которая будет запускать эту новую архитектуру, является миссия на Венеру.

Frontier-S и Frontier-X

Frontier-S и Frontier-X — это варианты Frontier Radio Lite, производимые американской аэрокосмической компанией Rocket Lab , которая в 2021 году лицензировала эту конструкцию для коммерческого использования. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} В настоящее время Frontier-S летает на космическом корабле Photon Pathstone компании Rocket Lab, запущенном в марте 2021 года. ^{[ 9 ]} на космическом корабле Photon, использовавшемся в миссии CAPSTONE в марте 2022 года, а также в частной миссии на Венеру. ^{[ 2 ]} Rocket Lab также производит вариант для «дальнего космоса» с дополнительными функциями. ^{[ 10 ]}

Frontier-X — это версия FR Lite для X-диапазона, разработанная и лицензированная специально для Rocket Lab. Впервые он будет отправлен в рамках предстоящей миссии НАСА SIMPLEX на Марс EscaPADE. ^{[ 11 ]}

Сравнение

Параметр ^{[ 6 ]}^{[ 10 ]}	Пограничное радио	ФР Лайт	ФР МЛ	Следующее поколение FR	Единица
Частотный диапазон	С / Х / Ка	Ka	ОВЧ/УВЧ/Л/С/С/Х/Ст/Ка	С
Объем	2050	320*	960*	790	кубические сантиметры (cc)
Масса	2.1	0.4*	1.0*	0.59	килограммы (кг)
Температура	от -35 до +60	от -35 до +60	от -35 до +60	от -35 до +70	Цельсия (С)
Напряжение	+28	+22-42	+28	22–42	Volts (V)
Мощность, только прием†	6	1,5 (0,35 в режиме ожидания)	5-25	2-6	Уоттс (Ж)
Питание, полнодуплексный режим†	9,7 (X-диапазон)	2 со встроенным SSPA 1 Вт (S-диапазон)	10-35	5-15	Уоттс (Ж)
Каналы приема/передачи	2 / 2	1 / 1	2 / 2‡	3/3	-
Скорость получения	1–1 М	10 М	10-1000 М	1-1000 М	выборок в секунду ( sps )
Скорость передачи	10–150 М	10–100 М	10–1000 М	10-1000 М	СПС
Чувствительность приемника	-160	-145	-140 (оценка)	-155	дБм
Коэффициент шума (интегрированный МШУ)	2.5	5.5	2.0	3,0 (УКВ/УВЧ) 2,0 (Л/Х/С/Х/Ку/Ка)	децибелы (дБ)
Устройство ПЛИС	РТАКС4000	ПроASIC3E 3000	Полярный огонь	Полярный огонь	-
Перепрограммируемый	Нет	Да	Да	Да	-
Интерфейсы	SpaceWire	SpaceWire	SpaceWire	Спейсвайр, ЛВДС	-
Энергонезависимая память	2	2	8		мегабайт (МБ)
СРАМ	1	от 0,5 до 2	2048	2048	МБ
Радиация (ВРЕМЯ)	100	40	100	100	гриль
Радиация (SEL для LET)	>85	>68	>72	>72	МэВ -см ²/мг

*Только голые ломтики; общий объем/масса зависит от упаковки.

† Номера Frontier Radio и FR VR включают в себя запеченный генератор. ^{[ 12 ]} и преобразователь питания шины +28 В с потребляемой мощностью ~ 1,4 Вт в режиме покоя и эффективностью ~ 80% по сравнению с менее мощным TCXO и более низким напряжением питания шины 6–12 В на FR Lite.

‡Два канала передачи переключаются, но не одновременно.

Текущие и будущие миссии

Радиостанции FR использовались в различных миссиях Cubesat . Версия FR Lite (EGNS) в L-диапазоне летала в рамках миссии Cubesat в 2019 году. Кроме того, версия FR VR с приемом и передачей в S-диапазоне (также с приемом в L-диапазоне) должна была летать на JHU. /Миссия APL Cubesat в 2022 году. ^{[ 6 ]}

HOPE Марсианская миссия Эмирейтс использует транспондер FR. ^{[ 13 ]}

Миссия Europa Clipper будет использовать транспондер FR как для связи, так и для гравитационных исследований. ^{[ 14 ]}

Еще одна миссия, в которой может использоваться член семейства FR, — это предлагаемый посадочный модуль Europa Lander . Чтобы определить, содержит ли Европа, один из меньших спутников Юпитера, жидкий океан под слоем льда и может ли поддерживать жизнь, НАСА расследует возможность отправки посадочного модуля на поверхность Луны. Текущий план в отношении радиосвязи заключается в том, что посадочный модуль Европы и его несущая и ретрансляционная ступень (CRS) будут использовать версию традиционного FR с добавленной функциональностью X-диапазона для междиапазонной восходящей и нисходящей линии связи. ^{[ 6 ]} FR также будет летать на зонде межзвездного картографирования и ускорения НАСА для изучения гелиосферы , а также в рамках миссии NASA New Frontiers Dragonfly (космический зонд «Титан»), запуск которой запланирован на 2027 год.

См. также

Электра (радио) - транспондер УВЧ для связи между спутником и поверхностью.
Small Deep Space Transponder — еще один небольшой транспондер космического корабля, разработанный JPL и производимый General Dynamics .
Iris (транспондер) - транспондер меньшего размера, чем SDST, разработанный JPL для использования в кубсатах.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Нил, Михир (08 декабря 2021 г.). «Rocket Lab запускает очередную пару спутников BlackSky» . NASASpaceFlight.com . Проверено 21 февраля 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Ракетная лаборатория подписывает эксклюзивное лицензионное соглашение на производство технологий космической радиосвязи с Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса» . Ракетная лаборатория . Проверено 21 февраля 2022 г.
^ Дебой, CC; Хаскинс, CB; Браун, штат Техас; Шульце, RC; Берначик, Массачусетс; Дженсен-младший; Миллард, В.; Дувен, Д.; Хилл, С. (2004). «Радиотелекоммуникационная система для миссии New Horizons к Плутону» . Материалы аэрокосмической конференции IEEE 2004 г. (каталожный номер IEEE 04TH8720) . IEEE. стр. 1463–1478. дои : 10.1109/AERO.2004.1367922 . ISBN 0-7803-8155-6 . S2CID 1979067 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д О'Нил, МБ; Хаскинс, CB; Бубнаш, Б.М. (июнь 2017 г.). «Достижения в области радиосвязи в дальнем космосе». Международный симпозиум по микроволновому оборудованию (IMS) IEEE MTT-S, 2017 г. стр. 398–401. дои : 10.1109/MWSYM.2017.8058578 . ISBN 978-1-5090-6360-4 . S2CID 24832047 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и О'Нил, МБ; Миллиард, WP; Бубнаш Б.М.; Митч, Р.Х.; Бойе, Дж. А. (август 2016 г.). «Frontier Radio Lite: одноплатная программно-определяемая радиостанция для сложных задач малых спутников» . Конференция AIAA по малым спутникам .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час О'Нил, МБ; Рамирес, Дж. (март 2018 г.). «Интегрированный четырехдиапазонный радиочастотный интерфейс для высоконадежных миссий малых спутников». Аэрокосмическая конференция IEEE 2018 . стр. 1–10. дои : 10.1109/AERO.2018.8396764 . ISBN 978-1-5386-2014-4 . S2CID 49537387 .
^ Хаскинс, CB; Ангерт, депутат; Шихи, Э.Дж.; Адамс, Н.; Хеннави, младший (март 2016 г.). «Достижения в области радиосвязи в дальнем космосе». Международный симпозиум по микроволновому оборудованию (IMS) IEEE MTT-S, 2017 г. стр. 398–401. дои : 10.1109/MWSYM.2017.8058578 . ISBN 978-1-5090-6360-4 . S2CID 24832047 .
^ НАСА: Эффекты общей ионизирующей дозы
^ «Они поднимаются так быстро» . Ракетная лаборатория . Проверено 21 февраля 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б Frontier-S от Rocket Lab (PDF) . Rocket Lab (опубликовано 18 ноября 2021 г.). 2021. с. 2.
^ Frontier-X от Rocket Lab (PDF) . Rocket Lab (опубликовано 1 января 2022 г.). 2021. с. 2.
^ Овенизированные генераторы
^ Майкл Бакли (2021). «Технология Джонса Хопкинса APL помогает миссии на Марсе звонить домой» . ДЖУ-АПЛ.
^ Эрван Мазарико, Дастин Буччино, Джули Кастильо-Рожез, Эндрю Дж. Домбар, Антонио Дженова, Хауке Хуссманн, Уолтер С. Кифер, Джонатан И. Лунин, Уильям Б. Маккиннон, Фрэнсис Ниммо, Райан С. Парк, Джеймс Х. Робертс, Дипак К. Сринивасан, Грегор Штайнбрюгге, Паоло Тортора и Пол Уизерс (8 мая, 2023). «Исследование гравитации и радионауки Europa Clipper» . Обзоры космической науки . 219 (4). Спрингер: 30. Бибкод : 2023SSRv..219...30M . дои : 10.1007/s11214-023-00972-0 . hdl : 11585/939921 . S2CID 258548854 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[:0-1] Jump up to: ^а ^б Нил, Михир (08 декабря 2021 г.). «Rocket Lab запускает очередную пару спутников BlackSky» . NASASpaceFlight.com . Проверено 21 февраля 2022 г.

[:4-2] Jump up to: ^а ^б ^с «Ракетная лаборатория подписывает эксклюзивное лицензионное соглашение на производство технологий космической радиосвязи с Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса» . Ракетная лаборатория . Проверено 21 февраля 2022 г.

[3] Дебой, CC; Хаскинс, CB; Браун, штат Техас; Шульце, RC; Берначик, Массачусетс; Дженсен-младший; Миллард, В.; Дувен, Д.; Хилл, С. (2004). «Радиотелекоммуникационная система для миссии New Horizons к Плутону» . Материалы аэрокосмической конференции IEEE 2004 г. (каталожный номер IEEE 04TH8720) . IEEE. стр. 1463–1478. дои : 10.1109/AERO.2004.1367922 . ISBN 0-7803-8155-6 . S2CID 1979067 .

[:1-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д О'Нил, МБ; Хаскинс, CB; Бубнаш, Б.М. (июнь 2017 г.). «Достижения в области радиосвязи в дальнем космосе». Международный симпозиум по микроволновому оборудованию (IMS) IEEE MTT-S, 2017 г. стр. 398–401. дои : 10.1109/MWSYM.2017.8058578 . ISBN 978-1-5090-6360-4 . S2CID 24832047 .

[:2-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и О'Нил, МБ; Миллиард, WP; Бубнаш Б.М.; Митч, Р.Х.; Бойе, Дж. А. (август 2016 г.). «Frontier Radio Lite: одноплатная программно-определяемая радиостанция для сложных задач малых спутников» . Конференция AIAA по малым спутникам .

[O'Neill_2018-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час О'Нил, МБ; Рамирес, Дж. (март 2018 г.). «Интегрированный четырехдиапазонный радиочастотный интерфейс для высоконадежных миссий малых спутников». Аэрокосмическая конференция IEEE 2018 . стр. 1–10. дои : 10.1109/AERO.2018.8396764 . ISBN 978-1-5386-2014-4 . S2CID 49537387 .

[:3-7] Хаскинс, CB; Ангерт, депутат; Шихи, Э.Дж.; Адамс, Н.; Хеннави, младший (март 2016 г.). «Достижения в области радиосвязи в дальнем космосе». Международный симпозиум по микроволновому оборудованию (IMS) IEEE MTT-S, 2017 г. стр. 398–401. дои : 10.1109/MWSYM.2017.8058578 . ISBN 978-1-5090-6360-4 . S2CID 24832047 .

[8] НАСА: Эффекты общей ионизирующей дозы

[9] «Они поднимаются так быстро» . Ракетная лаборатория . Проверено 21 февраля 2022 г.

[:5-10] Jump up to: ^а ^б Frontier-S от Rocket Lab (PDF) . Rocket Lab (опубликовано 18 ноября 2021 г.). 2021. с. 2.

[:11-11] Frontier-X от Rocket Lab (PDF) . Rocket Lab (опубликовано 1 января 2022 г.). 2021. с. 2.

[12] Овенизированные генераторы

[13] Майкл Бакли (2021). «Технология Джонса Хопкинса APL помогает миссии на Марсе звонить домой» . ДЖУ-АПЛ.

[14] Эрван Мазарико, Дастин Буччино, Джули Кастильо-Рожез, Эндрю Дж. Домбар, Антонио Дженова, Хауке Хуссманн, Уолтер С. Кифер, Джонатан И. Лунин, Уильям Б. Маккиннон, Фрэнсис Ниммо, Райан С. Парк, Джеймс Х. Робертс, Дипак К. Сринивасан, Грегор Штайнбрюгге, Паоло Тортора и Пол Уизерс (8 мая, 2023). «Исследование гравитации и радионауки Europa Clipper» . Обзоры космической науки . 219 (4). Спрингер: 30. Бибкод : 2023SSRv..219...30M . дои : 10.1007/s11214-023-00972-0 . hdl : 11585/939921 . S2CID 258548854 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]