Definition and testing of a satellite-to-user ranging and communication signal for a martian navigation system

Mars exploration has been one of the most exciting and challenging missions manned by humans in recent times. The exploration of Mars begins with the need for a navigation and communication infrastructure that can support future users. In this framework, and in response to the European Space Agency (ESA) project, Mars Comms/Nav (MCN), Argotec is aiming at defining a sustainable and efficient solution to provide access to data in the Martian region. This Thesis defines an improved concept for simultaneous communication and ranging satellite-to-user signal using CubeSats. The novel approach is based on Unbalanced-Quadrature Phase Shift Keying (U-QPSK) modulation and one-way Pseudo Noise (PN) ranging, adapting the existing standards to the particular scenario of the mission with the purpose to achieve a higher level of autonomy, while reducing the mission-related cost, weight, and bandwidth utilization. The system has been designed using a link budget computation, examining separately the channel dedicated for ranging measurements and the channel used for transmitting high-rate information. The defined solution has been simulated using MATLAB software providing a detailed analysis of the system’s performance under various conditions. Finally, the identified architecture is implemented and assessed as part of a C++ based technology demonstrator within Argotec’s laboratory, running Digital Signal Processing (DSP) algorithms on Software Defined Radio (SDR) devices, thus emulating the behavior of the satellites and the final users, reaching a Technology Readiness Level (TRL) 4. The performed test validates the ability of the system to generate and transmit the navigation and communication signal modulated on the same signal exploiting Code Division Multiple Access (CDMA) and to correctly receive and process it to extract the ranging observables and to demodulate the communication data. This technique achieves a communication rate of up to 64 kbps performing ranging estimates within a few meters and velocity variation of millimeters per second, fulfilling and even exceeding the stringent requirements of the future Martian missions.

L’esplorazione di Marte è una delle sfide più affascianti e impegnative condotte dall’uomo negli ultimi tempi. Il crescente interesse vesro nuove missioni Marziane è accompagnato con l’esigenza di un’infrastruttura di navigazione e comunicazione in grado di supportare i futuri utenti. In questo contesto, e in risposta al progetto Mars Comms/Nav (MCN) finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA), Argotec si propone di definire una soluzione sostenibile ed efficiente per fornire copertura di comunicazione nella regione Marziana. Questa Tesi definisce un innovativo concept di segnale Satellite-Utente per la comunicazione e la stima di ranging simultanea impegando CubeSat di piccole dimensioni. Il nuovo approccio si basa sulla modulazione U-QPSK e sulla tecnica di ranging PN unidirezionale, adattando gli standard esistenti al particolare scenario della missione. L’obiettivo è di raggiungere un livello più elevato di autonomia dalla Terra, riducendo al contempo i costi, il peso e l’occupazione di banda. L’attuabilità del sistema è stata validata attraverso la realizzazione del link budget, esaminando separatamente il canale dedicato alle misure di ranging e quello utilizzato per la trasmissione di informazioni ad alto rate. La soluzione identificata è stata simulata con l’impiego del software MATLAB, e succesivamente implementata e testa come parte di un dimostratore tecnologico basato su linguaggio di programmazione C++ all’interno del laboratorio di Argotec, fornendo un’analisi dettagliata delle prestazioni del sistema in varie condizioni. Tale dimostartore esegue algoritmi di elaborazione del segnale su dispositivi Software Defined Radio (SDR), emulando così il comportamento del segnale tra il satellite e gli utenti finali, raggiungendo un livello di prontezza tecnologica (TRL) 4. I test effettuati convalidano la capacità del sistema di generare e trasmettere il segnale di navigazione e di comunicazione, modulato sullo stesso segnale sfruttando tecniche CDMA per l’accesso al canale condiviso, e di ricevere ed elaborare tale segnale per estrarre le osservabili di ranging e i dati di comunicazione. Come risultato, la tecnica proposta consente di raggiungere una velocità di comunicazione fino a 64 kbps con stime di ranging entro pochi metri e variazioni di velocità di millimetri al secondo, soddisfacendo e addirittura superando i severi requisiti delle future missioni marziane.