Characterisation of ESTRACK monopulse autotrack systems and possible source of under-performances

This thesis describes the work done during the internship at the European Space Operations Centre (ESOC) in Darmstadt, Germany. During this period, it has been possible to study and understand the operating principles of ESA ground station antennas and the problems that affect the tracking subsystem. ESA tracking station belonging to ESTRACK network are based on the monopulse technology, which allows to track satellites through the reception of three different channels: a sum channel and two difference channels. The sum channel is used for communications (telemetry, telecommand and data transmission) and ranging, while the two difference channels give information on the angular position of a satellite in azimuth and elevation. ESA ground stations extract these channels through a single \emph{feed}, exploiting the propagation of high order modes. This kind of technology is called multi-mode monopulse and, typically, suffers from small errors of angular position and so do the stations of ESTRACK network, leading to misinterpretation of the correct position of a spacecraft. This is not a destructive problem for short- and medium-range missions, but in case of deep-space missions, tracking problems may cause the loss of the spacecraft. For the moment, the correction has been done in post-processing in the servo system. In these months we focussed our attention on the single components making part of the tracking chain of a standard ground station with monopulse tracking system to understand the nature of this problem. In particular, a MatWorks Matlab tool has been developed to simulate a tracking chain, modelling each component of the tracking chain with its ideal and real scattering matrices. Since we do not dispose of the scattering matrices of the single component installed in the ESTRACK stations, but we only have the measurements of the entire tracking chain, scattering matrices have been provided by prof. Angel Mediavilla, University of Cantabria, who often collaborates with the European Space Agency on the development of multi-mode couplers. In the following pages a general overview on tracking systems and antenna components will be given; then a complete view of monopulse systems, focussing on the multi-modal configuration, will be provided as well. Once understood the basic concept on the monopulse principle, the receiving chain of ESTRACK ground stations will be presented, investigating possible cause of errors in reception. Finally the receiving chain of two ESA's stations will be analysed: the latest one (NNO-2) and the oldest one (KRU-1). A Matlab tool, designed on purpose, will simulate in a theoretical way an antenna of the same dimensions of ESA's one at the same working frequency in order to understand how and why errors in the tracking system are generated. Results have demonstrated how non-idealities of mode couplers and asymmetries of modes extraction may have a significant impact on the tracking receiver performance. It will be demonstrated that unbalances in amplitude and/or phase between SUM and DELTA channels are possible causes of pointing errors in ESA's antennas. This work gave a significant contribute to understand the critical issues that must be taken into account in the design of multi-modal monopulse systems, showing the importance of fulfilling particular requirements on the tracking chain's components.

Questa tesi descrive il lavoro svolto durante il periodo di stage presso l'European Space Operation Centre (ESOC) a Darmstadt, Germania. In questo periodo ho studiato e appreso i basi di funzionamento delle ground station dell'ESA e i problemi nel sistema di tracking. Le stazioni di terra che costituiscono la rete di tracking di ESA (ESTRACK) sono basate sulla tecnologia monopulse, la quale permette il tracking dei satelliti tramite la ricezione di tre diversi canali: un canale di somma e due di differenza. Il canale di somma è usato per le comunicazioni (telemetria, telecomando, trasmissione dati) e il ranging, mentre i due canali differenza forniscono l'informazione relativa alla posizione angolare del satellite in azimuth ed in elevation. Le antenne ESA delle stazioni di terra estraggono tali canali mediante l'impiego di un solo feed, sfruttando modi di propagazione di ordine superiore dalle caratteristiche adeguate all'applicazione. Questo tipo di tecnologia prende il nome di multi-mode monopulse ed, in genere, soffre di alcuni piccoli errori nella determinazione angolare, da cui neppure le stazioni del network ESTRACK non vengono risparmiate, generando problemi nella corretta identificazione della posizione dello spacecraft. Non si tratta di un problema catastrofico per le missioni near-Earth, ma può esserlo per le missioni deep-space, in cui i problemi di puntamento possono portare alla perdita dello spacecraft. Trattandosi di un offset noto, al momento la correzione viene fatta a posteriori all'interno del sistema di attuatori rotanti che fa muovere l'antenna. In mesi che hanno portato alla stesura di questa tesi, ci siamo concentrati sui singoli componenti installati nella catena di ricezione di una generica ground station con sistema di tracking monopulse, in modo da comprendere la natura del problema. È stato progettato un tool Matlab per simulare la catena di ricezione, modellizzando ogni singolo componente con le corrispondenti matrici di scattering. Siccome non siamo in possesso delle matrici di scattering dei singoli componenti installati nelle stazioni ESTRACK ma delle misurazioni dell'intera catena, alcune matrici di singoli componenti reali o simulati sono state fornite dal prof. Angel Mediavilla, Università di Cantabria, che collabora spesso con l'Agenzia Spaziale Europea per lo sviluppo di accoppiatori multi-modali. Nelle pagine a seguire verrà data un'introduzione generale sui sistemi di tracking, delle antenne e dei componenti installati per il tracking; dopodichè verrà fornita una visione completa del sistema monopulse, concentrandosi sulla configurazione multi-modale che utilizza un singolo feed e l'architettura the consente la propagazione dei modi superiori in guida d'onda in modo da generare i segnali SOMMA e DELTA. Una volta comprese le basi di funzionamento, verrà presentata la generica catena di ricezione delle ground stations ESTRACK e le possibili cause di errori in ricezione. Infine verranno analizzate le catene di due stazioni ESA: la più recente (NNO-2) e la più vecchia (KRU-1). Attraverso il tool in Matlab verrà simulato in via teorica un'antenna delle stesse dimensioni della stazione ESA alla stessa frequenza di lavoro, in modo da capire come e per quale motivo vengono generati errori nel sistema di tracking. I risultati hanno mostrato come alcune non-idealità negli accoppiatori modali e asimmetrie nell'estrazione dei modi possano avere un impatto significativo sulla corretta estrazione dei segnali d'errore. Si mostrerà che alcuni sbilanciamenti in ampiezza e/o in fase tra i canali di somma e differenza sono cause possibili degli errori di puntamento riscontrati nelle antenne ESA. Il lavoro di tesi ha dato un considerevole contributo alla comprensione delle criticità da tenere in considerazione nel design di sistemi monopulse multi-modali, rivelando l’importanza di particolari requisiti su alcuni componenti della catena di tracking.