Nanosatellites in low earth orbits for satellite communications

Abstract

In this study we consider the feasibility of utilising nanosatellites in low Earth orbits for continuous broadband communications in Norway and the Arctic. The objective was to investigate whether smaller and less costly satellites can offer high enough transfer capacity to be relevant in this context, and also to examine the maturity of nanosatellite technology. The findings are also compared to a previous study on microsatellites in highly elliptical orbits. A coverage study was carried out to determine suitable orbits and the number of required satellites in the constellation. A Walker Star constellation with ten satellites in each of three orbital planes, having an altitude of 600 km and near polar orbits, provides continuous coverage. Orbital simulations have been utilised to investigate required solar panel and battery sizes. The power budget shows that it is possible to have 35 W available to the payload during the active period with a nanosatellite with deployable solar panels. This is sufficient for supporting an amplifier providing 10 W linear radio frequency power with 10 per cent duty cycle. Dynamic link budgets have been developed to calculate expected communication capacity, assuming transparent communication payloads providing 5 W or 10 W signal power. Three different frequency bands have been considered, X, Ku and K/Ka (7.25–31 GHz). A solution with 10 W signal power can offer a system capacity of about 109 Mbit/s at X-band, 93 Mbit/s at Ku-band and finally about 52 Mbit/s at K/Ka-band. About half of the system capacity is obtained if reducing the signal power to 5 W. Capacity increase may be obtained by utilising more advanced technology, such as on board processing and satellite antenna spot beams, as well as by increasing the solar panel size, and thus available payload power. Propulsion requirements have been considered based on launch opportunities, necessary velocity changes and available propulsion technology. The most promising solution is to utilise one launch per orbital plane, thus launching all the satellites in the same plane together. Ridesharing seems to be the most viable option, and over a period of a few years it should be possible to obtain close to the desired plane separation. If progress in the development of small satellite launchers continues, it may be possible in the next few years to combine dedicated launches with rideshare launches to ensure optimal orbits within a shorter timeframe. On-board propulsion is used for orbit maintenance. The lifetime velocity change requirement is within reach of available propulsions systems, assuming a mission lifetime of five to ten years. The availability of rideshare launches to low Earth orbit is significantly higher than the previously studied highly elliptical orbit constellation with three microsatellites. The space radiation risk is also significantly lower compared to highly elliptical orbiting satellites. The study concludes that current nanosatellite technology is able to support relevant communication capacity for continuous Norwegian and Arctic coverage. We recommended carrying out a feasibility study, in cooperation with vendors, to determine if utilisation of small satellites is a cost-effective solution for a regional broadband system.

I denne studien vurderes muligheten til å benytte nanosatellitter i lav jordbane for kontinuerlig bredbåndsdekning i Norge og Arktis. Formålet er å undersøke om mindre og rimeligere satellitter kan tilby høy nok overføringskapasitet til å være interessante i denne sammenhengen, og også å undersøke modenheten til nanosatellitteknologien. Det gjøres også en sammenligning med en tidligere studie som så på mikrosatellitter i høyelliptisk bane. Dekningsberegninger har blitt utført for å identifisere en konstellasjon med passende baner og antall satellitter i hvert baneplan. En Walker Star-konstellasjon med ti satellitter i hvert av tre baneplan, med en høyde på 600 km og nær polare baner, gir kontinuerlig dekning. Banesimuleringer ble benyttet for å undersøke påkrevd størrelse på solceller og batterier. Effektbudsjettet viser at det er mulig å forbruke 35 W nyttelasteffekt i den aktive delen av banen med en nanosatellitt med utfoldbare solceller. Dette er tilstrekkelig for å forsyne et 10 W lineært radioeffekttrinn med ti prosent driftsperiode. Forventet systemkapasitet har blitt beregnet ved hjelp av dynamiske linkbudsjetter ved å anta transparent kommunikasjonsnyttelast med 5 W og 10 W signaleffekt. Tre forskjellige frekvensbånd har blitt vurdert, X, Ku, og K/Ka (7.25–31 GHz). En løsning med 10 W uteffekt kan gi en systemkapasitet på om lag 109 Mbit/s i X-bånd, 93 Mbit/s i Ku-bånd og 52 Mbit/s i K/Kabånd. Kapasiteten reduseres til om lag det halve med en signaleffekt på 5 W. Kapasiteten kan økes ved å benytte mer avansert teknologi, som for eksempel ombordprosessering, satellittantenner med flekkstråler samt økt størrelse på solcellepaneler og derved økt nyttelasteffekt. Krav til fremdrift er vurdert ut fra muligheter for oppskytning, behov for hastighetsendring og tilgjengelig fremdriftsteknologi. Den mest lovende løsningen er å benytte en oppskytning per baneplan, og dermed sende opp alle satellitter som skal til samme baneplan samtidig. Oppskytning som sekundær nyttelast synes gjennomførbart; i løpet av noen få år bør det være mulig å oppnå ønsket separasjon mellom baneplanene. Hvis fremgangen i utviklingen av små bæreraketter fortsetter som i dag, kan det om noen få år være mulig å benytte seg av en kombinasjon av dedikerte oppskytinger sammen med samkjøring. Dette kan være spesielt nyttig hvis det er få oppskytinger til de ønskede baneplanene, og det kan bidra til å sikre at optimale baner oppnås på kortere tid. Ombordfremdriftssystemet brukes for banevedlikehold. Hastighetsforandringen som er nødvendig for en levetid på fem til ti år, kan utføres ved hjelp av tilgjengelige fremdriftssystemer. Oppskytninger som sekundær nyttelast er mer tilgjengelig til lav jordbane sammenlignet med den tidligere undersøkte konstellasjonen med tre mikrosatellitter i høyelliptisk bane. Strålingsmiljøet er vesentlig bedre i lav jordbane sammenlignet med høyelliptiske baner. Studien konkluderer med at nåværende teknologi for nanosatellitter understøtter relevant kommunikasjonskapasitet for kontinuerlig arktisk dekning. Vi anbefaler å utføre en mulighetsstudie, sammen med leverandører, for å fastslå om bruken av små satellitter er en kostnadseffektiv løsning for et regionalt bredbåndssystem.