프런티어 라디오

Frontier Radio

프론티어 라디오는 Johns Hopkins University Applied Physical Laboratory(또는 APL)가 개발한 소프트웨어 정의 라디오 제품군입니다.Frontier Radio(FR), Frontier Radio Lite(FR Lite) 및 Frontier Radio Virtual Radio(FR VR)의 3가지 종류가 개발되었습니다.또한 Frontier-S는 상업 항공 우주 회사인 Rocket [1][2]Lab이 제조한 라이센스 파생 모델입니다.

역사

부모 및 전임자

FR 패밀리는 New Horizons, TIMED 및 COUTUR 우주선용으로 제작된 트랜시버에 의해 만들어졌으며, 이 모든 것은 전력 [3]소비량이 낮은 경량 트랜시버를 필요로 했습니다.이 트랜시버는 매우 성공적이었습니다.예를 들어 New Horizons용 트랜시버는 총 미션 전력에서 12W를 절약하여 미션 Enabler가 [4]되었습니다.APL은 이러한 임무에서 얻은 정보를 바탕으로 우주항공 조직이 사용할 수 있는 소프트웨어 정의 무선 플랫폼으로서 SWaP(Size, Weight, and Power)를 훨씬 더 낮은 범용 무선 통신기를 구축할 수 있는 기회를 포착했습니다.SDR 플랫폼을 사용하면 이전 [3]무선보다 높은 데이터 레이트의 리턴 링크 기능과 뛰어난 방사선 허용성을 갖춘 트랜시버를 구축할 수도 있습니다.APL은 그 아이디어를 NASA에 제출했고, NASA는 추가 연구를 승인했다.

프런티어 라디오의 역사

FR의 첫 번째 반복 비행은 VAP(Van Allen Probes) 미션에서 사용된 근우주 버전이었으며, 높은 방사선 허용성과 낮은 SWaP로 인해 사용되었다.VAP가 임무의 마지막 몇 년을 마무리하면서 트랜시버는 5년이 지난 후에도 여전히 작동하고 있습니다.2018년 파커 솔라 프로브(PSP) 임무에서 딥 스페이스 버전의 FR이 발사되었다.이 버전은 다운링크프레임 레이트를 개선하기 위한 소프트웨어 확장, X 및 Ka 대역과 같은 고주파 대역에서 동작하기 위한 트랜시버 및 처리 [3]능력을 높이기 위한 하드웨어 확장 등의 업데이트를 통해 훨씬 긴 PSP 미션용으로 변경되었습니다.

임무에는 SWaP 기능이 더 낮은 무전기가 계속 필요했고, 요구가 더욱 다양해짐에 따라, FR이 약속한 모든 엄격한 보호가 필요하지 않은 소규모 임무가 개발되었습니다.이것은 자원이 제한된 작은 위성 임무를 위한 훨씬 더 작은 라디오인 프론티어 라디오 라이트(Frontier Radio Lite)의 개발을 장려했다.가장 큰 변화는 더 낮은 전력 소비량을 달성한 최대 데이터 속도와 신호 감도의 감소입니다. 반면, 더 [4]나은 SWaP를 달성하기 위해 방사선 허용성이 희생되었습니다. 다음으로 FR과 FR Lite 사이의 중간인 Frontier Radio Virtual Radio가 등장했습니다.FR [5]Lite가 사용하는 재프로그래밍 설계 및 보다 현대적인 아키텍처와 오리지널 라디오의 강력한 특성과 처리 능력을 결합합니다.

버전

A photo of all three FR cards without shielding. The first set of cards has three large brown electronic cards. The second set has four, much smaller green boards. The third is the smallest, a green card with yellow boards. A penny is placed next to the smallest card for size comparison.
New Horizons 라디오 보드 (2005) 대 PSP 라디오 보드 (2010) 대 FR Lite 라디오 보드 (2015)[3]의 비교.

헤리티지 프론티어 라디오

New Horizons 미션의 시작과 매우 낮은 SWaP 라디오에 이어, NASA는 소프트웨어 정의 플랫폼을 이용하여 APL에 의한 향후 미션에 대비하여 낮은 SWaP, 매우 신뢰성 높은 무선 제품에 대한 더 많은 연구에 자금을 지원했습니다.이 보조금은 근거리 및 심층 우주 애플리케이션을 위해 구축되었으며 성능, SWaP 및 방사선 허용도에서 타의 추종을 불허하는 전통 프런티어 라디오 (FR)의 설립으로 이어졌습니다.

종류들

레거시 FR에는 크게 두 가지 버전이 있습니다.즉, VAP 미션에서 비행한 것과 같은 S-밴드에서 작동하는 근우주 무선과 X/Ka-밴드에서 작동하는 심우주 애플리케이션입니다.(심우주 라디오의 X밴드 디지털 수신기는 사실 뉴호라이즌스 우주선의 수신기를 개조한 것입니다.딥 스페이스 FR은 근방 어스 FR과 동일한 코어 인프라스트럭처를 사용합니다.VAP와 함께 비행한 반복 이후 SWaP 감소, 로버스트니스 개선, 노이즈 효과 감소, 고속 신호 변환 및 처리, 신호 수집 [6]및 추적 개선 등 몇 가지 개선이 이루어졌습니다.

주요 기능

FR에는 별도의 인터페이스 보드가 있기 때문에 하드웨어를 새로운 무선을 구축하지 않고도 각 미션에 맞게 커스터마이즈할 수 있습니다.인밴드 채널 할당, 비트레이트, 루프 대역폭, 코딩 형식 등 특정 기능을 비행 중에 재설정할 수도 있습니다.이 컴포넌트는 신뢰성이 높아 배터리 소비량이 많지 않고 가혹한 환경에도 대응할 수 있도록 설계되었습니다.최대 100krad(1kGy)의 총 이온화 선량[7](TID)을 견딜 수 있으며, 85MeV-cm2/mg의 선형 에너지 전달(LET)의 단일 이벤트 래치업(SEL, 또는 단일 이벤트 업으로 인한 래치업) 면역이 있다. 이는 에너지 전자/[5]프로톤에서 발생하는 대량의 방사선과 에너지를 견딜 수 있음을 의미한다.

제한 사항

FR은 재프로그래밍할 수 없습니다.또한 이 제품은 제품군에서 가장 큰 라디오이기 때문에 [5]볼륨 효율성이 가장 낮습니다.

프론티어 라디오 라이트

프런티어 라디오 라이트(Frontier Radio Lite)는 형제인 프런티어 라디오의 작은 버전으로 모든 시스템을 하나의 카드에 장착합니다.오리지널 S밴드 오퍼레이터는 패밀리 최초로 재프로그래밍이 가능했습니다.리스크에 대한 내구성이 높고 스케줄이 빠른 미션용으로 설계되어 있어 FR 패밀리의 다른 멤버만큼 견고하지 않을 수 있지만 SWaP의 절약성으로 인해 소형 위성을 위해 전체 라디오를 설계하고 싶지 않은 미션에 이상적입니다.

A photo of the heritage FR radio and the FR Lite outside of its shielding.
VAP 미션으로부터의 FR(왼쪽)과 FR Lite(오른쪽).[5]

종류들

FR Lite의 2가지 버전이 설계 및 구축되어 있습니다.첫 번째는 S 대역으로 동작하는 쌍방향 무선입니다.두 번째는 GPS L1 및 L2의 L 대역 수신기로 Extensible Global Navigation System(EGNS) n으로 이름이 변경되었습니다.또한 2018년 8월 현재 두 가지 다른 보드 유형이 개발 중입니다.X밴드 및 Ka밴드까지 지원할 수 있는 FR Lite 버전이 계획되어 있습니다.2018년 8월 현재 개발 중인 또 다른 아이디어는 내장형 오실로스코프 대신 사전 테스트된 전압 제어 발진기(VCO)를 드롭 인할 수 있도록 프린트 회로 기판(PCB)을 포함하는 버전입니다.그러면 보드는 더 커스터마이즈할[4] 수 있게 됩니다.

주요 기능

FR Lite는 1회용 어레이가 아닌 재프로그래밍 가능한 Field-Programmable Gate Array(FPGA; 필드 프로그램 가능 게이트 어레이)로 구축되어 있어 유연성이 향상되어 스폰서의 개발 총비용을 대폭 절감할 수 있습니다.또, FR에 비해 SWaP가 큰폭으로 삭감되고 있습니다.질량과 부피가 FR의 25% 미만이며, 수신 모드와 송신 모드는 총 FR의 30% [5]미만을 사용합니다.이는 다수의 아날로그 하드웨어 섹션을 펌웨어로 이행하고 주파수의 업/다운 변환을 위해 회선의 컴포넌트를 공유하며 다수의 작은 변경을 [4]통해 실현되었습니다.

제한 사항

FR Lite는 낮은 SWaP 요구를 달성하기 위해 방사선 내성 및 SEL 내성 일부를 희생합니다. TID는 약 20-40 krad밖에 견디지 못하고 [4]FR에 비해 SEL 내성 20% 감소합니다.

프런티어 라디오 버추얼 라디오

Frontier Radio Virtual Radio(FR VR; 프론티어 무선 가상 무선)는 FR 패밀리에 새롭게 추가된 것입니다.FR의 기능과 FR Lite의 프로그래머빌리티를 통해 FR VR은 형제자매보다 더 큰 기능을 가진 무선을 필요로 하는 미션의 요구를 충족시킵니다.패밀리에서 처리능력은 가장 높지만 무선으로 동작할 경우 FR보다 작고 부모와 동일한 소비전력을 가질 수 있습니다.FR VR은 위성과 그 항전 시스템 전체의 트랜시버 기능을 추가로 지원할 수 있는 충분한 처리 능력을 갖추고 있습니다.디지털 컨텐츠를 처리하는 싱글 보드 컴퓨터 카드(SBC)와 모든 아날로그 하드웨어로 구성된 RF 카드(RFC)의 2개의 카드로 이를 실현합니다.

종류들

현재 FR VR에는 2가지 버전이 있습니다.원래 버전은 수신기와 송신기에 대해 X-밴드를 통해 동작할 수 있습니다.두 번째 버전은 L-밴드 [5]수신기를 사용하여 X/Ka-밴드에서 업링크 및 다운링크 기능을 갖추고 있습니다.

주요 기능

SBC는 FR VR의 모든 디지털프로세스를 동작시키기 위해 재프로그래밍 가능한 FPGA 펌웨어의 약 20%만을 사용합니다.나머지는 위성에 탑재된 다른 프로세스에 사용할 수 있습니다.이 디지털 파워를 통해 모든 아날로그 콘텐츠를 [5]RFC에 저장할 수 있습니다.

A photo of the RFC for the FR VR.
FR [5]VR의 RFC 프라이머리 측

RFC는 무선의 모든 아날로그 컴포넌트를 처리할 수 있도록 장착된 단일 보드에 포장된4장의 카드로서 기능합니다.FR Lite와 같이 수신기/송신기의 IF 스테이지 중 하나를 디지털화함으로써 아날로그 공간을 절약합니다.로컬 오실레이터 회로 공유를 포함하여 [3]FR Lite가 SWaP를 최소화할 수 있었던 많은 발전 기능을 사용합니다.SWaP 저장 업데이트 및 재프로그래밍 가능한 FPGA 외에도 VR은 FR과 많은 유사성을 유지하고 있으며 방사선 내성과 신뢰성이 부모 제품과 동일합니다.사용 가능한 주파수 대역에 관해서는 FR VR에는 4개의 사용 가능한 RF 체인이 있으며 현재 버전은 X 대역을 통해 동작할 수 있습니다.목표는 FR VR이 최종적으로 FR의 모든 기능과 일치하여 레거시 [5]무선을 완전히 대체할 수 있도록 하는 것입니다.

제한 사항

FR VR의 다운링크 데이터 레이트는 10 Msp로 제한됩니다(X-밴드에서의 다운링크 심볼 레이트는 최대 100 Msp입니다).또한 FR VR에는 아직 Ka-band 동작 기능이 없지만 이를 [5]위해 MCM(Multi-Chip Module)을 내장할 예정입니다.

프런티어-S

프런티어-S는 2021년 상업적 [1][2]사용을 위해 설계를 허가한 미국의 항공우주 회사인 Rocket Lab에 의해 제조된 프런티어 라디오의 변형이다.현재 프론티어-S는 2021년 [8]3월 발사된 로켓랩의 포톤 패스스톤 우주선을 타고 비행했으며 2022년 3월 캡스톤 임무에 사용된 포톤 우주선을 타고 금성 [2]민간 임무를 수행할 계획이다.Rocket Lab은 또한 추가 [9]기능이 있는 "심우주" 변종도 생산한다.

비교[5][9]

파라미터 프런티어 라디오 라이트 FR 가상 무선 프런티어-S 구성 단위
주파수 대역 S/X/Ka UHF에서 C로 UHF / S / X / Ka S
용량 2050 320* 960* 790 입방센티미터(cc)
덩어리 2.1 0.4* 1.0* 0.59 킬로그램 (kg)
온도 -35 ~ +60 -35 ~ +60 -35 ~ +60 - 30 ~ + 60 섭씨(C)
전압 +28 +6 ~ +12 +28 22–35 전압(V)
전원, Rx만 † 6 1.5(0.35 스탠바이) 6 (싱글, X밴드) 3.5 와트(W)
전원, 전이중 † 9.7 (X밴드) 2 (온보드 포함)1 W SSPA (S 밴드) 8(X밴드) 6.8 와트(W)
Rx/Tx 채널 2 / 2 1 / 1 2 / 2‡ 1 / 1 -
수신 속도 1 ~ 1 M 100 ~ 10 M 100 ~ 10 M 100 ~ 1 M 샘플/초(sps)
전송 속도 10 ~ 150 M 100 ~ 10 M 100 ~ 10 M 20 ~ 4 M sps
Rx 감도 -160 -150 -syslog(est) -145 dBm
노이즈 수치(내장 LNA) 2.5 3 2.0 5.7 데시벨(dB)
FPGA 디바이스 RTAX4000 ProASIC3E 3000 RTG4 -
재프로그래밍 가능 아니요. 네. 네. -
인터페이스 스페이스 와이어 스페이스 와이어 스페이스 와이어 SpaceWire, LVDS -
비휘발성 메모리 스토리지 2 2 8 메가바이트(MB)
SRAM 1 0.5 ~ 2 20 MB
방사선(TID) 100 20 100 30 키보드
방사선(LET의 경우 SEL) 85 이상 68을 넘다 85 이상 MeV-cm2/mg

* 얇은 조각만. 총 부피/질량은 포장에 따라 다릅니다.

§ 프런티어 라디오 및 FR VR 번호에는 오븐 발진기와[10] +28V 버스 전력 변환기 유닛이 포함되어 있어 대기 소비 전력은 FR Lite의 저전력 TCXO 및 저전압 6-12V 버스 전력 대비 최대 80%입니다.

§ 2개의 송신채널은 전환 가능하나 동시에 전환 불가.

장래의 미션

FR 패밀리의 멤버를 비행시키는 또 다른 미래 임무는 2025년의 유로파 랜더 미션이다.얼음층 아래에 액체 상태의 바다를 품고 있는 목성의 작은 위성 중 하나인 유로파가 생명을 유지할 수 있는지 결정하기 위해, NASA는 달 표면을 조사하기 위해 착륙선을 보내고 있다.무선에 관한 현재의 계획은 Europa Lander와 그 Carrier and Relay Stage(CRS; 반송파 및 릴레이 스테이지)의 경우 크로스 밴드 업링크 및 다운링크에 [5]X 대역 기능이 추가된 레거시 FR 버전을 사용하는 것입니다.

FR 라디오는 다양한 큐벳 임무를 수행해 왔습니다.FR Lite(EGNS)의 L-밴드 버전이 2019년 큐벳 미션을 수행했다.또, S밴드 송수신(L밴드 수신도 포함)을 갖춘 FR VR 버전은,[5] 2022년에 JHU/APL 큐벳 미션으로 비행합니다.

레퍼런스

  1. ^ a b Neal, Mihir (2021-12-08). "Rocket Lab launches another pair of BlackSky satellites". NASASpaceFlight.com. Retrieved 2022-02-21.
  2. ^ a b c "Rocket Lab Signs Exclusive License Agreement to Manufacture Space Radio Technology from Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory". Rocket Lab. Retrieved 2022-02-21.
  3. ^ a b c d e O'Neill, M.B.; Haskins, C.B.; Bubnash, B.M. (June 2017). "Advances in Deep Space Radios". 2017 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS): 398–401. doi:10.1109/MWSYM.2017.8058578. ISBN 978-1-5090-6360-4.
  4. ^ a b c d e O'Neill, M.B.; Milliard, W.P.; Bubnash, B.M.; Mitch, R.H.; Boye, J.A. (August 2016). "Frontier Radio Lite: A Single-Board Software-Defined Radio for Demanding Small Satellite Missions". AIAA Small Satellite Conference.
  5. ^ a b c d e f g h i j k l m O'Neill, M.B.; Ramirez, J. (March 2018). "An Integrated Quad-Band RF Front End for High-Reliability Small Satellite Missions". 2018 IEEE Aerospace Conference: 1–10. doi:10.1109/AERO.2018.8396764. ISBN 978-1-5386-2014-4.
  6. ^ Haskins, C.B.; Angert, M.P.; Sheehi, E.J.; Adams, N.; Hennawy, J.R. (March 2016). "The Frontier Software-Defined Radio for the Solar Probe Plus Mission". 2016 IEEE Aerospace Conference: 398–401. doi:10.1109/MWSYM.2017.8058578.
  7. ^ NASA: 총 이온화 선량 효과
  8. ^ "They Go Up So Fast". Rocket Lab. Retrieved 2022-02-21.
  9. ^ a b Frontier-S by Rocket Lab (PDF). Rocket Lab (published 2021-11-18). 2021. p. 2.
  10. ^ 오븐 발진기