Development of a LoRa-based communications payload for CubeSat

Abstract

[ES] El presente Trabajo de Fin de Máster (TFM) abarca el desarrollo de una carga útil (payload) de comunicaciones adecuada para espacio, con el objetivo de ser embarcada en un nano-satélite tipo CubeSat que vuela en órbita baja (LEO). El diseño pretende demostrar la eficacia de LoRa para las comunicaciones de largo alcance, baja potencia y bajo coste. LoRa es una tecnología Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) orientada al Internet of Things (IoT). La estructura de LoRa puede ser punto a punto o en estrella. En la topología en estrella, el concentrador ejerce la función de gateway hacia Internet. Este TFM se ha desarrollado como parte de Estigia, el primer satélite de Pluton UPV, un equipo de estudiantes de la Universitat Politècnica de València (UPV). El proyecto ha contado con la colaboración del Grupo de Aplicaciones de las Microondas (GAM), miembro del Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia (iTEAM-UPV). El objetivo de la misión Estigia es que los usuarios en tierra puedan comunicarse directamente con un chatbot ejecutándose en el CubeSat, usando para ello sus smartphones y mini-estaciones terrenas de bajo coste basadas en LoRa. El fin de este TFM es implementar el hardware de comunicaciones necesario en el satélite. Este proyecto está dividido en tres PCBs: un módulo, una placa madre llamada Carrier y una placa auxiliar denominada Electrical Ground Support Equipment (EGSE). La Payload está compuesta por dos módulos y el Carrier. Los módulos tienen factor de forma mPCIe y sirven de gateway LoRa, mientras que el Carrier sigue el estándar CubeSat-PC/104 y ejerce de interfaz eléctrica y mecánica con el resto del satélite. El EGSE proporciona un hardware de testeo para la payload, emulando su interacción con el On-Board Computer (OBC), el Electrical Power System (EPS) y la otra payload integrada en el CubeSat. A su vez, ejerce de end device LoRa para comprobar el desempeño del sistema de comunicaciones. La metodología de trabajo empleada se basa en el Engineering Desing Process (EDP). Este TFM representa la primera fase del proyecto, previsto para ser continuado en un segundo trabajo de fin de máster. En este documento se aborda la concepción de los dispositivos, su especificación y diseño e implementación en herramientas CAD y EDA, teniendo en cuenta consideraciones de fabricación y verificación. Previo al diseño de la electrónica se realiza una etapa de análisis y simulaciones del sistema de comunicaciones, centrada en la evaluación del canal Tierra-satélite a nivel de link budget; así como un repaso a la normativa internacional vigente. Este proyecto tiene como fin último la demostración de los conocimientos multidisciplinares, la capacidad de análisis y síntesis propios de la ingeniería, y la documentación de todo el proceso.

[EN] This master s thesis covers the development of a communications payload suitable for space, to be embarked on a CubeSat type nano-satellite flying in Low-Earth Orbit (LEO). The design integrates LoRa transceivers, proving the capabilities of this technology for long range, low power and low cost communications. LoRa is a Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) technology oriented to the Internet of Things (IoT). The LoRa structure can be point-to-point or star. In the star topology, the hub acts as a gateway to servers on the Internet. This thesis has been developed as part of Estigia, the first satellite of Pluton UPV, a CubeSat team of students of the Universitat Politècnica de València (UPV). The project has counted with the collaboration of the Microwave Applications Group (MAG), member of the Institute of Telecommunications and Multimedia Applications (iTEAM-UPV). The objective of the Estigia mission is to enable users on the ground to directly communicate with a chatbot running on the CubeSat, using their smartphones and low-cost LoRa-based mini-Ground Stations (GS). The purpose of this master s thesis is to implement the necessary communications hardware on the satellite. This project is divided into three PCBs: a module, a motherboard labeled Carrier, and an Electrical Ground Support Equipment (EGSE) auxiliary board. The payload consists of two modules and the Carrier. The modules adhere to the mPCIe form factor and act as LoRa gateway. The Carrier follows the CubeSat-PC/104 and serves as the electrical and mechanical interface with the rest of the satellite. The EGSE provides a test hardware for the payload, emulating the interaction with the CubeSat On-Board Computer (OBC), Electrical Power System (EPS) and the second payload of the CubeSat. At the same time, it acts as a LoRa end device to test the performance of the communications system. The working methodology is based on the Engineering Design Process (EDP). This master s thesis represents the first phase of the project, planned to be continued in a second master s thesis. This document addresses the conception of the devices, through their specification, design and implementation in CAD and EDA tools, while taking into account manufacturing and verification considerations. Prior to the design of the electronics, a stage of analysis and simulations of the communications system is carried out, focused on the evaluation of the Earth-satellite channel at the link budget level, as well as a review of the current international regulations. The ultimate aim of this project is the demonstration by the author of the multidisciplinary knowledge, the capacity for analysis and synthesis inherent to engineering, as well as the documentation of the entire process.