A feasibility study for a satellite VHF Data Exchange System (VDES)

• Main Author: Grujicic, Julian
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Rymdteknik 2019
• Subjects: Systems engineering; satellite design; satellite communication; AIS; VDES; LEO; satellite constellation; CubeSat; new space .; Systemteknik; satellitdesign; satellitkommunikation; Låg-jordbana; satellitkonstellation; CubeSat .; Aerospace Engineering; Rymd- och flygteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-262890

Transportation across the globe's oceans increases every year and is expected to keep increasing in the following decades. Consequently, there is a need to establish communication over the horizon through the Automatic Identification System (AIS) and the Very High Frequency (VHF) Data Exchange System (VDES), still in development, to track and communicate with vessels all over the globe regardless of the distance from shore. In this Master thesis a feasibility study for the development of a system that fulfils that need is proposed consisting of a Low Earth Orbit (LEO) constellation providing VDES communication continuously all over the globe. A system engineering approach has been followed, identifying stakeholders and producing system requirements setting up a framework for the system. The key stakeholders were found to be the customers/users, the satellite provider, the satellite operator, the service provider and the payload provider. Furthermore, possible use-cases were presented and a system architecture was defined to outline the system, dividing the system into three segments: the space segment, the ground segment and the launch segment. In addition, design proposals for a satellite constellation and a typical satellite in such a constellation were implemented. The satellite constellation was proposed to consist of 91 satellites at an orbit altitude of around 550 km in polar orbits of common inclination, this was regarding a minimum elevation angle of 10 degrees. The satellite is recommended to consist of a 6 U CubeSat using as payload the existing airborne transponder R5A from Saab TransponderTech, it builds on the Software Defined Radio (SDR) technology and is to be further developed for VDES applications. Moreover, a link- and a data budget were implemented. Different launch options were addressed concluding that launching as secondary payload on a ride-share mission or as primary payload on a small satellite launch vehicle are the preferable options. A market analysis has been made providing details on how many AIS/VDES satellites that have been launched into LEO and by which service provider, as well as further details on small/nano satellites of extra interest to this work. A short risk evaluation was also done, identifying the most evident risks with developing, operating and disposing the system. In addition, Saab's potential role in the development of satellite VDES is discussed.  In conclusion to this work it has been shown that it is possible to build a global continuous satellite constellation in LEO utilising as payload an SDR-platform to provide VDES services to vessels at open seas. === Transport globalt till havs ökar varje år och förväntas fortsätta att öka de följande årtiondena. Följaktligen finns ett behov av att etablera över horisonten kommunikation genom det automatiska identifieringssystemet (AIS) och det väldigt högfrekventa datautbytessystemet (VDES), under utveckling, för att spåra och kommunicera med fartyg över hela världen oberoende av avståndet från land. I detta examensarbete har en förstudie utförts för utvecklingen av ett system som uppfyller detta behov. Systemet föreslås bestå av en låg jordbana satellitkonstellation som kontinuerligt tillhandahåller VDES-kommunikation över hela världen. Ett systemtekniskt tillvägagångssätt har följts, intressenter har identifierats och utifrån dessa har systemkrav tagits fram. De viktigaste intressenterna befanns vara användare/kunder, satellitleverantören, satellitoperatören, tjänsteleverantören och nyttolastleverantören. Vidare lyftes olika möjliga användningsområden för systemet fram och en systemarkitektur framställdes vari systemet delades in i tre segment: rymdsegmentet, marksegmentet och uppskjutningssegmentet. Dessutom genomfördes designförslag för en satellitkonstellation samt en typisk satellit i en sådan konstellation. Satellitkonstellationen föreslogs bestå av 91 satelliter på en altitud på omkring 550 km i polära banor med gemensam inklination, detta var gällande för en minimum elevationsvinkel på 10 grader. Satelliten rekommenderades bestå av en 6 U CubeSat med den befintliga luftburna transpondern R5A från Saab TransponderTech som nyttolast, vilken bygger på mjukvaruradioteknik och är tänkt att vidareutvecklas för VDES-applikationer.  Vidare, implementerades en länk- och data budget. Olika uppskjutningsmöjligheter undersöktes, varav slutsatsen att uppskjutning som sekundär nyttolast på ett delningsuppdrag eller som primär nyttolast medhjälp av ett mindre uppskjutningsfordon anpassat för små satelliter var de föredragna alternativen. Även en marknadsanalys har genomförts, där det redogjorts för hur många AIS / VDES - satelliter som har uppskjutits i LEO och av vilken tjänsteleverantör, samt ytterligare detaljer om små / nano satelliter av extra intresse för arbetet. En kort riskbedömning har också gjorts, där de mest uppenbara riskerna med utveckling, drift och undanröjande av systemet identifierats. Dessutom diskuteras Saabs möjliga roll i utvecklingen av satellit VDES. Slutsatsen av detta arbete har visat att det är möjligt att bygga en global kontinuerlig satellitkonstellation i låg jordbana med en mjukvaruradio som nyttolast som tillhandahåller VDES-tjänster till fartyg på öppna hav.