Nanosatellites in low earth orbits for satellite communications

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.