ECTS - University of Pisa
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SPACE COMMUNICATION SYSTEMS
FILIPPO GIANNETTI
Academic year2020/21
CourseAEROSPACE ENGINEERING
Code1005I
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageEnglish

ModulesAreaTypeHoursTeacher(s)
SPACE COMMUNICATION SYSTEMSING-INF/03LEZIONI60
FILIPPO GIANNETTI unimap
Obiettivi di apprendimento
Learning outcomes
Conoscenze

Alla fine del corso:

  • Gli studenti avranno acquisito conoscenze sull'evoluzione storica dei satelliti e delle tecnologie di comunicazione spaziale.
  • Gli studenti avranno acquisito conoscenza dei vincoli e delle sfide che caratterizzano la progettazione e il funzionamento di un sistema di comunicazione spaziale.
  • Gli studenti avranno acquisito conoscenze sulle tecniche di codifica / decodifica, modulazione / demodulazione ed elaborazione del segnale digitale impiegate nelle comunicazioni spaziali.
  • Gli studenti avranno acquisito conoscenze sugli strumenti e le metodologie per progettare un collegamento radio tra un veicolo spaziale e una stazione di terra o tra veicoli spaziali.
  • Gli studenti avranno acquisito conoscenze sugli standard e sui regolamenti sull'allocazione e l'utilizzo dello spettro radio per le applicazioni spaziali.
Knowledge

By the end of the course:

  • Students will have acquired knowledge about the historical evolution of satellites and space communication technologies.
  • Students will have acquired knowledge about the constraints and challenges that characterize the design and the operation of a space communication system.
  • Students will have acquired knowledge about the techniques of encoding/decoding, modulation/demodulation and digital signal processing employed in space communications.
  • Students will have acquired knowledge about the tools and methodologies for designing a radio link between a spacecraft and a ground station or between spacecrafts.
  • Students will have acquired knowledge about the standards and regulations about radio spectrum allocation and utilization for space applications.
Modalità di verifica delle conoscenze
  • I progressi accademici saranno monitorati e verificati durante la sessione di prova orale.
Assessment criteria of knowledge
  • Academic progress will be monitored and verified during the oral exam session.
Capacità

Alla fine del corso:

  • Gli studenti sapranno come scegliere lo schema di modulazione e codifica del segnale più adatto per un dato scenario nello spazio.
  • Gli studenti sapranno scegliere l'attrezzatura più adatta (antenne, amplificatori radio, ecc.) Per un determinato scenario nello spazio.
  • Gli studenti sapranno impostare i valori numerici dei parametri per un collegamento di comunicazione nello spazio.
  • Gli studenti saranno in grado di valutare numericamente le prestazioni di un collegamento di comunicazione nello spazio.
Skills

By the end of the course:

  • Students will know how to choose the best suited signal modulation and coding scheme for a given scenario in space.
  • Students will know how to choose the best suited equipment (antennas, radio amplifiers, etc.) for a given scenario in space.
  • Students will know how to set the numerical values of the parameters for a communication link in space.
  • Students will be able to numerically assess the performance of a communication link in space.

 
Modalità di verifica delle capacità
  • Durante le esercitazioni verranno svolti piccoli progetti per capire come progettare e analizzare un collegamento radio nello spazio utilizzando software Excel o Matlab.
Assessment criteria of skills
  • During the exercises, small projects will be carried out in order to understand how to design and analyze a radio link in space using Excel or Matlab software.
Comportamenti
  • Gli studenti acquisiranno e/o svilupperanno una consapevolezza delle sfide progettuali dovute a vincoli sia tecnologici che ambientali.
  • Gli studenti saranno in grado di partecipare attivamente e con competenza alle discussioni tecniche in un team di progetto multidisciplinare che coinvolge l'ingegneria elettronica e delle telecomunicazioni.
Behaviors
  • Students will acquire and/or develop an awareness of design challenges due to both technological and environmental constraints.
  • Students will be able to actively and proficiently participate to the technical discussions in a multidiscplinary project team involving electronics and telecommunications engineering.
Modalità di verifica dei comportamenti
  • Durante le esercitazioni verrà valutata l'accuratezza e la precisione delle attività svolte.
  • Durante il lavoro di gruppo verranno valutate le modalità di assegnazione di responsabilità, gestione e organizzazione durante le fasi del progetto.
Assessment criteria of behaviors
  • During the exercises, the accuracy and precision of the activities carried out will be evaluated.
  • During group work, the methods of assigning responsibility, management and organisation during the project phases will be evaluated.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
  • Fondamenti di sistemi spaziali
  • Fondamenti di elettronica
  • Fondamenti di elettromagnetismo
  • Fondamenti di teoria dei segnali, teoria dei sistemi e analisi spettrale
Prerequisites
  • Fundamentals of space systems
  • Fundamentals of electronics
  • Fundamentals of electromagnetism
  • Fundamentals of signal theory, system theory and spectral analysis
Corequisiti

Nessuno
Co-requisites

None
Prerequisiti per studi successivi

Nessuno
Prerequisites for further study

None
Indicazioni metodologiche
  • Modalità di svolgimento delle lezioni: lezioni frontali con supporti visivi come powerpoint / video.
  • Modalità di svolgimento degli esercizi: esercizi con i personal computer degli studenti.
  • Supporti didattici: siti web.
  • Utilizzo del sito e-learning del corso: utilizzato per il download di materiali didattici e per la comunicazione tra docente e studenti.
  • Tipo di interazione tra il docente e gli studenti: riunioni fisiche, e-mail, telefono, Team, Skype.
  • Lingua inglese.
Teaching methods
  • Way in which the lessons take place: lectures with visual aids such as powerpoints/videos.
  • Way in which the exercises take place: exercises with students’ personal computers.
  • Teaching aids: websites.
  • Use of the e-learning site of the course: used for downloading teaching materials and communication between the lecturer and the students.
  • Type of interaction between the lecturer and the students: physical meetings, email, phone, Teams, Skype.
  • Language: English.
Programma (contenuti dell'insegnamento)

Parte I - Introduzione

Definizioni di sistemi di comunicazione spaziale
Geospazio: Ionosfera, Magnetosfera, Cinture di Van Allen
Sistemi di comunicazione nello spazio: Earth Orbit, Cis-Lunar, Deep-Space
Sfide e criteri di progettazione dei sistemi di comunicazione nello spazio
Breve storia delle comunicazioni spaziali: dallo Sputnik al XXI secolo

Parte II - Comunicazioni radio per sistemi spaziali

Spettro radio e assegnazione di banda per le comunicazioni spaziali
Propagazione radio, spazio libero, attraverso l'atmosfera, Doppler
Antenne e componenti RF per comunicazioni spaziali
Rumore nelle comunicazioni spaziali
Ingombro satellitare e budget di collegamento RF

Parte III - Hardware digitale di bordo

Architetture di carico utile
Conversione A / D e D / A
Elaborazione digitale a bordo
Archiviazione dati e bus dati

Parte IV - Fondamenti di comunicazioni analogiche e digitali

Modulazione di frequenza
Modulazioni ASK, FSK, PSK, QAM
Tecniche di codifica per il rilevamento / correzione degli errori
Prestazioni di Bit Error Rate
Tecniche di accesso multiplo: TDMA, FDMA, CDMA, SDMA
TT&C

Parte V - Sistemi di comunicazione spaziale

Orbite terrestri: LEO, MEO, GEO, HEO
Missioni in orbita LEO
Missioni sulla luna
Missioni nello spazio profondo

Parte VI - Tecnologie avanzate per le comunicazioni spaziali
Syllabus

Part I – Introduction

  • Definitions of space communication systems
  • Geospace: Ionosphere, Magnetosphere, Van Allen Belts
  • Communication systems in outer space: Earth Orbit, Cis-Lunar, Deep-Space
  • Challenges and design criteria of communication systems in outer space
  • A brief history of space communications: from Sputnik to XXI century

Part II - Radio Communications for Space Systems

  • Radio spectrum and band allocations for space communications
  • Radio propagation, free-space, through the atmosphere, Doppler
  • Antennas and RF components for space communications
  • Noise in space communications
  • Satellite footprint and RF link-budget

Part III – On-board digital hardware

  • Payload architectures
  • A/D and D/A conversion
  • Digital on-board processing
  • Data storage and data bus

Part IV - Fundamentals of Analogue and Digital Communications

  • Frequency Modulation
  • ASK, FSK, PSK, QAM Modulations
  • Coding techniques for error detection/correction
  • Bit Error Rate performance
  • Multiple-Access Techniques: TDMA, FDMA, CDMA, SDMA
  • TT&C

Part V - Space Communication Systems

  • Earth Orbits: LEO, MEO, GEO, HEO
  • Missions in LEO orbit
  • Missions to the Moon
  • Deep-space missions

Part VI - Advanced Technologies for Space Communications
Bibliografia e materiale didattico
  • Gerard Maral, Michel Bousquet, "Satellite Communications Systems", Wiley, 2020.
  • Peter Fortescue, Graham Swinerd, John Stark, "Spacecraft Systems Engineering", Wiley, 2011.
  • Jim Taylor ed., "Deep Space Communications", Wiley, 2016
Bibliography
  • Gerard Maral, Michel Bousquet, "Satellite Communications Systems", Wiley, 2020.
  • Peter Fortescue, Graham Swinerd, John Stark, "Spacecraft Systems Engineering", Wiley, 2011.
  • Jim Taylor ed., "Deep Space Communications", Wiley, 2016
Indicazioni per non frequentanti

Nessuna indicazione particolare.
Non-attending students info

No specific indication.
Modalità d'esame
  • L'esame si compone di una prova orale.
  • La prova orale consiste in un colloquio tra il candidato e il docente.
  • Durante la prova orale il candidato dovrà rispondere ad alcune domande sui criteri di progettazione, analisi delle prestazioni e tecnologie delle comunicazioni spaziali.
  • Durante la prova orale al candidato potrà essere richiesto di risolvere anche problemi / esercizi scritti di fronte al docente.
  • La durata media del colloquio è di circa 30 minuti.
  • Il numero dei professori è due.
  • La prova orale fallirà in uno dei seguenti casi: il candidato mostra un'incapacità di esprimersi in modo chiaro utilizzando la terminologia corretta, oppure il candidato non risponde sufficientemente alle domande riguardanti i concetti di base della teoria e dei sistemi della comunicazione, oppure il candidato dimostra ripetutamente un'incapacità di mettere in relazione e collegare parti del programma con nozioni e idee che devono combinare per rispondere correttamente a una domanda.
Assessment methods
  • The exam is made up of one oral test.
  • The oral test consists of an interview between the candidate and the lecturer.
  • During the oral test the candidate must answer to some questions on the design criteria, performance analysis and technologies of space communications.
  • During the oral test the candidate could be requested to also solve written problems/exercises in front of the lecturer.
  • The average length of the interview is about 30 minutes.
  • The number of professors is two.
  • The oral test will be failed in any of the following cases: the candidate shows an inability to express him/herself in a clear manner using the correct terminology, or the candidate does not respond sufficiently to the questions regarding the basic concepts of communication theory and systems, ot the candidate repeatedly demonstrates an incapacity to relate and link parts of the programme with notions and ideas that they must combine in order to correctly respond to a question.
Stage e tirocini

Nessuno
Work placement

None
Pagina web del corso

https://teams.microsoft.com/l/team/19%3adec960abd7a54428963ee9ffa9e02384%40thread.tacv2/conversations?groupId=d6b8d36e-2c61-4ee1-a1e8-f5ac6112c538&tenantId=c7456b31-a220-47f5-be52-473828670aa1
Class web page

https://teams.microsoft.com/l/team/19%3adec960abd7a54428963ee9ffa9e02384%40thread.tacv2/conversations?groupId=d6b8d36e-2c61-4ee1-a1e8-f5ac6112c538&tenantId=c7456b31-a220-47f5-be52-473828670aa1
Additional web pages

None.
Note

Nessuna.
Notes

None.
Updated: 28/02/2021 15:28