space&environmentimpacts&on& geostaonary&communicaons...

34
Space Environment Impacts on Geosta2onary Communica2ons Satellites Thesis Proposal Defense Whitney Q. Lohmeyer Commi@ee Chair: Kerri Cahoy May 6, 2013

Upload: vokhanh

Post on 12-Mar-2019

215 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Space  Environment  Impacts  on  Geosta2onary  Communica2ons  

Satellites  Thesis  Proposal  Defense  

 Whitney  Q.  Lohmeyer  

Commi@ee  Chair:  Kerri  Cahoy  May  6,  2013  

2  Military  COMSAT  aLer  Environmental  Tes2ng  [1]    

Outline  

•  Problem  Statement  •  Objec2ves  •  Research  Ques2ons  

– Trends  in  Geosta2onary  Communica2on  Satellite  (GEO  COMSAT)  Design    

– Study  of  Known  Component  Amplifiers  and  Solar  Array  Degrada2on  

– Anomalous  Component  Detec2on  Algorithm    •  Plan  for  Progression  

3  

Free  Space    Path  Loss  

Problem  Statement  •  In  2008,  the  NRC  hosted  a  workshop  –  Societal  &  Economical  Impacts  of  Space  Weather  [2]  –  >250  communica2ons  satellites  (COMSATs)  –  $75  billion  investment  and  $25  billion  revenue  

•  SW  is  a  constant,  on-­‐going  problem    – At  GEO,  SW  drives  design    redundancy  

•  To  quan2fy  how  space  weather  effects  COMSAT  performance    – Must  have  both  space  weather  (SW)  data  and  satellite  telemetry  

– Obtaining  satellite  telemetry  is  difficult!    

4  

Objec2ves  •  Team  with  two  COMSAT  companies    –  Inmarsat  (London,  UK)  &  Telenor  (Norway)  

– Analyze  >1  million  hours  of  opera2onal  telemetry  

–  8  Inmarsat  GEO  satellites                  (2  unique  fleets)  

–  4  Telenor  GEO  satellites                      (4  unique  bus  designs)  

•  To  answer  three  primary  research  ques2ons  

Inmarsat4  –  F1  Satellite  [3]    

Thor  7  [4]    5  

Research  Ques2ons  

1.  What  are  the  future  planned  capabili2es  and  design  trends  for  GEO  COMSAT  -­‐  How  are  satellite  components,  specifically  power  

amplifiers  evolving  with  these  trends?    2.  How  does  SW  affect  current  GEO  COMSAT  

components  -­‐  In  terms  of  low-­‐energy  electrons,  the  Kp  index,  high-­‐

energy  protons  and  electrons,  and  galac2c  cosmic  rays  3.  Can  we  use  GEO  COMSAT  telemetry  to  understand  

more  about  SW  phenomena  in  general  and  not  just  at  the  2me  of  the  anomaly?    -­‐  Analy2cal  tools  (sta2s2cs,  FT  -­‐  traffic  analysis,  deriva2ves)  

6  

Outline  

•  Problem  Statement  •  Objec2ves  •  Research  Ques2ons  

– Trends  in  Geosta2onary  Communica2on  Satellite  (GEO  COMSAT)  Design    

– Study  of  Known  Component  Amplifiers  and  Solar  Array  Degrada2on  

– Anomalous  Component  Detec2on  Algorithm    •  Plan  for  Progression  

7  

Outline  

•  Problem  Statement  •  Objec2ves  •  Research  Ques2ons  

– Trends  in  Geosta-onary  Communica-on  Satellite  (GEO  COMSAT)  Design    

– Study  of  Known  Component  Amplifiers  and  Solar  Array  Degrada2on  

– Anomalous  Component  Detec2on  Algorithm    •  Plan  for  Progression  

8  

1.  Trends  in  GEO  COMSATs  

•  COMSATs  represent  the  most  important  applica2on  of  commercial  satellites  today  –  Capabili2es  are  growing  to  accommodate  high  demands  of  informa2on  distribu2on  [5]  

–  Higher  data  rates,  higher  band  width,  smaller  components,  increased  power  and  efficiency,  etc.  

•  Amplifiers  consume  ~85%  of  satellite  power  [6,7]  –  Control  satellite  performance    –  Amplifiers  are  the  component  of  focus  for  the  trend  analysis  

9  

1960  –  Echo  1  [18]  

2013  –  Inmarsat  I5  [19]  

What  are  power  amplifiers?    •  Key  components  in  satellite  comm  systems  

–  Strengthen  uplink  signals  that  are  weakened  from  free  space  path  loss  [6,8,9]  

– Amplifier  units  consume  ~85%  of  the  spacecraL  bus  power  [6,7]  

Free  Space    Path  Loss  

•  Two  primary  types:  solid  state  power  amplifiers  (SSPAs)  and  traveling  wave  tube  amplifiers  (TWTAs)  

•  Technologies  experienced  rapid  change  over  past  decades  

10  

TWTAs  vs.  SSPAs  TWTA  Technology  •  Traveling  wave  tube  (TWT)  and  

electrical  power  condi2oner  (EPC)    •  Used  for  high  power  +  high  freq.    •  Provide  be@er  efficiency  [10]  •  1992-­‐2006  69%  COMSATS  used  

TWTAS  [11]  

SSPA  Technology  •  Field  effect  transistor  (FET)  and  EPC  

[6]  •  More  reliable  and  safe  •  Less  complex  and  cheaper  [13,14]  •  Historically  used  at  L  +  S  band  •  Compe22ve  in  1980s,  new  GaN  

technology  is  increasing  market  popularity  [9]  

SSPA  [16]  TWTA  [12]   11  

Historic  SSPA  vs.  TWTA  Studies  [6,16]  1991  -­‐  European  Space  

and  Technology  Center  (ESTEC)    

1993  –  NASA  Lewis  

2005  –  Boeing    

75  satellites  /  11  operators  >463  years  of  satellite  

opera2on  

72  satellites  >497  years  of  satellite  

opera2on  

>100  satellites  >12600  years  of  amplifier  

opera2on  

TWTAs  (1765  C-­‐  and  Ku-­‐band)  and  SSPAs  (309  C-­‐band)  

TWTAs  (855  C-­‐  and  Ku-­‐band)  and  365  (C-­‐band)  

TWTAs  (1783  Ku-­‐band)  SSPAs  (944  C-­‐band)  

TWTAs  more  reliable  (790  FITS  SSPA  and  680  FITS  TWTA)  

TWTAs  1/3  more  reliable  than  SSPAs  

FITS  on  TWTAS  less  than  SSPAs  –  No  reliability  diff.  

6/5  TWTA  redundancy  3/2  SSPA  Redundancy  

Failure  rates  increased  by  8%  at  Ku-­‐band  

Explored  failure  mechanisms  –  9  %  satellites  

had  2  SSPA  failures  

Similar  RF  output  levels   SSPAs  use  for  20-­‐40  W,  TWTA  used  for  50-­‐70  W  

SSPAs  66W  less  RF  output  than  TWTAs  

12  

TWTA  vs.  SSPA  Study  –  Our  Extension  

What  are  the  future  planned  capabili2es  and  design  trends  for  GEO  COMSAT?  

-­‐  How  are  satellite  components,  specifically  power  amplifiers  evolving  with  these  trends?    

 

Approach:  •  Analyze  >150  years  (>1  million  hours)    of  amplifier  data    

–  >450  SSPAs  (Inmarsat)  and  ~100  TWTAS  (Telenor)  •  Define  the  current  amplifier  capabili2es    

–  Compare  technologies    –  Reliability  (number  of  failures)    –  Failure  mechanisms  (SW  related?)  –  Hardware  characteris2cs  –  size,  mass,  cost  (if  possible)    

13  

Outline  

•  Problem  Statement  •  Objec2ves  •  Research  Ques2ons  

– Trends  in  Geosta2onary  Communica2on  Satellite  (GEO  COMSAT)  Design    

– Study  of  Known  Component  Amplifiers  and  Solar  Array  Degrada2on  

– Anomalous  Component  Detec2on  Algorithm    •  Plan  for  Progression  

14  

Outline  

•  Problem  Statement  •  Objec2ves  •  Research  Ques2ons  

– Trends  in  Geosta2onary  Communica2on  Satellite  (GEO  COMSAT)  Design    

– Study  of  Known  Component  Amplifiers  and  Solar  Array  Degrada-on  

– Anomalous  Component  Detec2on  Algorithm    •  Plan  for  Progression  

15  

2.  Study  of  Known  Satellite  Component  Anomalies  

How  does  SW  affect  current  GEO  COMSAT  components?    •  Inves2gate  rela2onship  of  anomalies  and…  

–  Low-­‐energy  electrons:  Kp  index  –  High-­‐energy  electrons:  ~2  MeV  electron  flux  –  High-­‐energy  protons:  10  and  30  MeV  proton  flux  –  Galac2c  Cosmic  Rays:  cosmic  ray  intensity  (CRI)  –  Local  Time  Index  

•  Inves2gate  rela2onship  of  solar  array  degrada2on  and…  –  High-­‐energy  protons:  10  and  30  MeV  proton  flux  –  Galac2c  Cosmic  Rays:  cosmic  ray  intensity  (CRI)  

 16  

SSPA  [16]  

Solar  Panels  [4]  

Acquiring  Data  –  Space  Weather  Data  and  Communica2ons  Satellite  Data  

Geostationary Operational Environment Satellite [8]

(GOES)

2 MeV Electron Flux

30 MeV Proton

Flux

OMNI2 Database

Kp Index

Sunspot Number

Magnetic Field Components

(Bz)

Solar Wind Speed

10 and 30 MeV

Proton Flux

Los Alamos National Labs (LANL) Data

1.8-3.5 MeV Electron Flux

Inmarsat

SSPA Current

SSPA Temp

Solar Array Current and

Voltage

Total Bus Power

Single Event Upsets

Anomaly Log

Telenor

TWTA Current

TWTA Temp

Solar Array Power

Anomaly Log

17  

Current  Findings  –  SW  Effects  on  Inmarsat  Anomalies  

Twenty-­‐six  SSPA  anomalies  between  1996-­‐2012  •  Fleet  A  anomalies  occur  in  

declining  phase  of  solar  cycle    –  Enhanced  electron  flux  

•  11/26  anomalies  occur  1-­‐2  weeks  aLer  enhanced  electron  flux  

•  No  obvious  rela2onship  with  Kp,  proton  flux,  or  local  2me  

The  Space  Environment  [16]  

18  

Fleet  A  SSPA  Anomalies  +  Solar  Cycle    

19  

SSPA  Anomalies  and  High  Energy  Electron  Flux  

20  

Local  Time  of  SSPA  Anomalies  

21  

Outline  

•  Problem  Statement  •  Objec2ves  •  Research  Ques2ons  

– Trends  in  Geosta2onary  Communica2on  Satellite  (GEO  COMSAT)  Design    

– Study  of  Known  Component  Amplifiers  and  Solar  Array  Degrada2on  

– Anomalous  Component  Detec2on  Algorithm    •  Plan  for  Progression  

22  

Outline  

•  Problem  Statement  •  Objec2ves  •  Research  Ques2ons  

– Trends  in  Geosta2onary  Communica2on  Satellite  (GEO  COMSAT)  Design    

– Study  of  Known  Component  Amplifiers  and  Solar  Array  Degrada2on  

– Anomalous  Component  Detec-on  Algorithm    •  Plan  for  Progression  

23  

3.  Anomalous  Component  Detec2on  Algorithm  

Can  we  use  GEO  COMSAT  telemetry  to  understand  more  about  SW  phenomena  in  general  and  not  just  at  the  2me  of  the  anomaly?      

Devia2ons  in  seasonal  averaged  (3-­‐month)  SSPA  current  data  

Anomalous  SSPA  Opera2on  24  

3.  Anomalous  Component  Detec2on  Algorithm  

Import  temporal  telemetry  data  –  each  parameter  (SSPA  current,  solar  array  voltage,  etc.)  and  2me  stamp    Incorporate  analy2cal  tools    

–  Periodic  Analysis:  Fourier  transform  –  Differen2al  Analysis:  Deriva2ve  (understand  when  telemetry  changes  slope)  

–  Pa@ern  Matching:  compare  structure  of  telemetry  over  specified  periods  

–  Sta2s2cal  Analysis:  running  averages,  standard  devia2ons,  etc.    

25  

Traffic  Analysis  

Outline  

•  Problem  Statement  •  Objec2ves  •  Research  Ques2ons  

– Trends  in  Geosta2onary  Communica2on  Satellite  (GEO  COMSAT)  Design    

– Study  of  Known  Component  Amplifiers  and  Solar  Array  Degrada2on  

– Anomalous  Component  Detec2on  Algorithm    •  Plan  for  Progression  

26  

Major  Goals  and  Upcoming  Milestones  

•  May  2013:  Present  SW  analysis  at  SPENVIS  Conference  •  June  2013:  Present  lecture  on  Geomagne2c  Storms  –  GEM  Workshop  2013  

•  June  2013:  A@end  Space  Weather  Enterprise  Forum  •  April  2013:  Publish  Inmarsat  results  in  AGU  Space  Weather  Journal:  submi8ed  

•  August  2013:  Finish  gathering  telemetry  for  study  –  Ac2vely  engaged  with  two  (poten2ally  three)  other  operators    

•  Feb.  2013  –  May  2015:  Conduct  analysis/write  disserta2on  

•  May  2015:  Defend  thesis  

27  

Plan  for  Future  Work  1.  SSPA  vs.  TWTA  Trends  

–  Finish  obtaining  telemetry  data  –  Define  capabili2es  and  failure  mechanisms  

2.  Known  Component  Analysis  – Organize  all  telemetry  data  – Determine  rela2onship  of  anomalies/degrada2on  and  defined  phenomena  (electrons,  protons,  GCRs)  

3.  Anomalous  Component  Detec2on  Algorithm  – Determine  telemetry  input  structure  –  Incorporate  analy2cal  tools  (sta2s2cal,  periodic,  differen2al,  etc.)    

28  

References  [1]  Military  COMSAT  image  -­‐  h@p://www.spacemankind.com/pr/2009/09/16/s5-­‐second-­‐aehf-­‐comm-­‐sat-­‐completes-­‐major-­‐environmental-­‐test-­‐at-­‐lockheed.aspx    [2]  “Severe  Space  Weather  Events  –  Understanding  Societal  and  Economic  Impacts  Workshop”  Na9onal  Research  Council.  Na2onal  Academy  of  Sciences.  <h@p://www.nap.edu/catalog/12507.html>.  [3]  Inmarsat  4  Picture  –  h@p://space.skyrocket.de/doc_sdat/inmarsat-­‐4.html  [4]  Thor7  Imageh@p://www.ssloral.com/html/pressreleases/pr20110620.html  [5]  Aloisio  et  al.  (2010),  “R&D  Challenges  for  Broadband  Satcomms  in  2020”,  1EEE  Interna2onal  Vacuum  Electronics  Conference,  18-­‐20  May  2010.  [6]  Strauss,  R.  (1993),  Orbital  Performance  of  Communica2on  Satellite  Microwave  Power  Amplifiers  (MPAs),  Interna9onal  Journal  of  Satellite  Communica9ons,  11,  279-­‐285.    [7]  Illoken,  E.  (1987),  TWT  Reliability  in  Space,  Aerospace  and  Electronic  Systems  Magazine,  IEEE,  2(7),  22-­‐24.    [8]  Robbins  et  al.  (2005),  Performance  and  reliability  advances  in  TWTA  high  power  amplifiers  for  communica2ons  satellites.  In  Military  Communica9ons  Conference,  2005.  MilCOM  2005,  1887-­‐1890.    [9]  Kaliski,  M.  (2009),  “Evalu2on  of  the  Net  Steps  in  Satellite  High  Power  Amplifier  Technology:  Flexible  TWTAs  and  GaN  SSPAs”,  IEEE  Interna2onal  Vacuum  Electronics  Conference,  28-­‐30  April  2009.    

29  

References  [10]  Komm  et  al.,  (2001),  “Advances  in  Space  TWT  Efficiencies”,  IEEE  Transac9ons  on  Electron  Devices,  48(1).    [11]  Mallon,  K.P.  (2008),  “PL.6:  TWTAs  for  Satellite  Communica2ons:  Past,  Present  and  Future”,  IEEE,  14-­‐15  [12]  TWTA  Image  www2.jpl.nasa.gov  [13]  Escalera,  N.,  (2008),  Ka-­‐band,  30  wa@s  solid  state  power  amplifier.  In  Microwave  Symposium  Digest.  2000  IEEE  MTT-­‐S  Interna9onal  (Vol.  1,  pp.  561-­‐563),  IEEE.    [14]  Sechi,  F.,  and  M.  Buja{  (2009),  Solid-­‐State  Microwave  High-­‐power  Amplifiers.  Artech  House,  M.A.  [15]  SSPA  Image  h@p://www.astrium.eads.net/en/equipment/l-­‐band-­‐sspa.html.    [16]  Strauss,  R.  (1994),  Reliability  of  SSPA’s  and  TWTA’s,  IEEE  Transac9ons  on  Electron  Devices,  41(4),  625-­‐626.    [17]  Space  Environment  Image  sohowww.nascom.nasa.gov/spaceweather/.  [18]  Echo  1  image  –  h@p://www.space.com/8973-­‐1st  -­‐communica2on  -­‐satellite-­‐giant-­‐space-­‐balloon-­‐50-­‐years.htm    [19]  Inmarsat  5  image  –  space.skyrocket.de    [20]  Electromagne2c  Energy  Spectrum  Image  –  donsnotes.com/tech/em-­‐spectrum.html  

30  

Back-­‐Up  Slides  

31  

32  

SSPA  vs.  TWTA  Historical  Trends  [6,11]  

33  

TWTA  Technology    •  First  successful  RF  amplifier  for  

COMSATS  –  1960  •  From  1970-­‐1985,  RF  output  

capability  increased  1000%  for  4  (S),  12  (X),  and  20  (K)  GHz  

•  1990  –  TWTAs  were  capable  of  ~50%  efficiency,  Ku  band  –  50  W    

•  2005  –  TWTAs  opera2ng  across  L-­‐Ka  band  with  15-­‐150  W  RF  output,  some  specified  for  up  to  250W  at  60%  efficiency  

•  2012  –  L-­‐band  65%,  140W  (3x  efficiency  of  SSPA  at  2me)  

SSPA  Technology  •  SSPAs  introduced  in  1970s  for  

space  applica2ons  –  compe22ve  in  1980s  (amplifier  of  choice)  

•  1990s  –  SSPAs  were  capable  of  ~35%  efficiency,  used  for  20-­‐40W  despite  low  efficiencies  

•  2000  –  SSPAs  opera2ng  in  low  frequency  bands  (L,  S,  and  C)  with  output  RF  of  30  W,  highest  Ka-­‐band  SSPA  30  W  with  20%  efficiency    

Previous  Contribu2ons  

•  April  2012:  Space  Weather  Workshop  –  presented  ini2al  Inmarsat  work  

•  September  2012:  AIAA  Interna2onal  Communica2ons  Satellite  Systems  Conference  (ICSSC)  –  presented  Inmarsat  analysis  

•  March  2013:  IEEE  Aerospace  –  presented  Inmarsat  SEU  and  SEP  Analysis  

34