Transportation across the globe's oceans increases every year and is expected to keep increasing in the following decades. Consequently, there is a need to establish communication over the horizon through the Automatic Identification System (AIS) and the Very High Frequency (VHF) Data Exchange System (VDES), still in development, to track and communicate with vessels all over the globe regardless of the distance from shore. In this Master thesis a feasibility study for the development of a system that fulfils that need is proposed consisting of a Low Earth Orbit (LEO) constellation providing VDES communication continuously all over the globe. A system engineering approach has been followed, identifying stakeholders and producing system requirements setting up a framework for the system. The key stakeholders were found to be the customers/users, the satellite provider, the satellite operator, the service provider and the payload provider. Furthermore, possible use-cases were presented and a system architecture was defined to outline the system, dividing the system into three segments: the space segment, the ground segment and the launch segment. In addition, design proposals for a satellite constellation and a typical satellite in such a constellation were implemented. The satellite constellation was proposed to consist of 91 satellites at an orbit altitude of around 550 km in polar orbits of common inclination, this was regarding a minimum elevation angle of 10 degrees. The satellite is recommended to consist of a 6 U CubeSat using as payload the existing airborne transponder R5A from Saab TransponderTech, it builds on the Software Defined Radio (SDR) technology and is to be further developed for VDES applications. Moreover, a link- and a data budget were implemented. Different launch options were addressed concluding that launching as secondary payload on a ride-share mission or as primary payload on a small satellite launch vehicle are the preferable options. A market analysis has been made providing details on how many AIS/VDES satellites that have been launched into LEO and by which service provider, as well as further details on small/nano satellites of extra interest to this work. A short risk evaluation was also done, identifying the most evident risks with developing, operating and disposing the system. In addition, Saab's potential role in the development of satellite VDES is discussed.  In conclusion to this work it has been shown that it is possible to build a global continuous satellite constellation in LEO utilising as payload an SDR-platform to provide VDES services to vessels at open seas. / Transport globalt till havs ökar varje år och förväntas fortsätta att öka de följande årtiondena. Följaktligen finns ett behov av att etablera över horisonten kommunikation genom det automatiska identifieringssystemet (AIS) och det väldigt högfrekventa datautbytessystemet (VDES), under utveckling, för att spåra och kommunicera med fartyg över hela världen oberoende av avståndet från land. I detta examensarbete har en förstudie utförts för utvecklingen av ett system som uppfyller detta behov. Systemet föreslås bestå av en låg jordbana satellitkonstellation som kontinuerligt tillhandahåller VDES-kommunikation över hela världen. Ett systemtekniskt tillvägagångssätt har följts, intressenter har identifierats och utifrån dessa har systemkrav tagits fram. De viktigaste intressenterna befanns vara användare/kunder, satellitleverantören, satellitoperatören, tjänsteleverantören och nyttolastleverantören. Vidare lyftes olika möjliga användningsområden för systemet fram och en systemarkitektur framställdes vari systemet delades in i tre segment: rymdsegmentet, marksegmentet och uppskjutningssegmentet. Dessutom genomfördes designförslag för en satellitkonstellation samt en typisk satellit i en sådan konstellation. Satellitkonstellationen föreslogs bestå av 91 satelliter på en altitud på omkring 550 km i polära banor med gemensam inklination, detta var gällande för en minimum elevationsvinkel på 10 grader. Satelliten rekommenderades bestå av en 6 U CubeSat med den befintliga luftburna transpondern R5A från Saab TransponderTech som nyttolast, vilken bygger på mjukvaruradioteknik och är tänkt att vidareutvecklas för VDES-applikationer.  Vidare, implementerades en länk- och data budget. Olika uppskjutningsmöjligheter undersöktes, varav slutsatsen att uppskjutning som sekundär nyttolast på ett delningsuppdrag eller som primär nyttolast medhjälp av ett mindre uppskjutningsfordon anpassat för små satelliter var de föredragna alternativen. Även en marknadsanalys har genomförts, där det redogjorts för hur många AIS / VDES - satelliter som har uppskjutits i LEO och av vilken tjänsteleverantör, samt ytterligare detaljer om små / nano satelliter av extra intresse för arbetet. En kort riskbedömning har också gjorts, där de mest uppenbara riskerna med utveckling, drift och undanröjande av systemet identifierats. Dessutom diskuteras Saabs möjliga roll i utvecklingen av satellit VDES. Slutsatsen av detta arbete har visat att det är möjligt att bygga en global kontinuerlig satellitkonstellation i låg jordbana med en mjukvaruradio som nyttolast som tillhandahåller VDES-tjänster till fartyg på öppna hav.

[pt] Sintetizadores de séries temporais de atenuação por chuva constituem um importante recurso para o projeto, teste e otimização de Técnicas de Mitigação de Desvanecimento. Como dados experimentais de propagação não estão disponíveis para todas as configurações possíveis de enlaces Terra-espaço, a síntese de séries temporais de atenuação por chuva torna-se uma solução interessante, permitindo a reprodução das características dinâmicas de longa duração da atenuação pela chuva. Nesta tese de doutorado, modelos de canal capazes de sintetizar períodos curtos e longos de atenuação por chuva são analisados, testados e validados para os climas tropical e equatorial brasileiros. Aspectos críticos que determinam o correto comportamento destes geradores de séries temporais são analisados e sua faixa de validade é apresentada. Em regiões de clima tropical e equatorial, o desenvolvimento insuficiente da estrutura de telecomunicações terrestre e, por vezes, a necessidade de vencer distâncias continentais, amplificam a necessidade de implementação de sistemas de comunicação por satélite no médio prazo. Tais sistemas apresentam a vantagem de servir grandes áreas com curto tempo de implantação e a possibilidade de atingir mercado considerável. Para as novas aplicações, fortemente focadas em conteúdo multimídia para consumidores corporativos e residenciais, a banda C não é atraente porque o desenvolvimento de novos sistemas com pequenos terminais, como desejado, é incompatível com as grandes antenas necessárias para a proteção dos sistemas existentes nesta banda. Para o fornecimento de serviços multimídia a altas taxas é previsto o uso da banda Ka. Problemas de propagação são severos nestas altas faixas de frequência de forma que figuras de mérito padrão para desempenho e disponibilidade são difíceis de ser obtidas em regiões climáticas tropicais e equatoriais. Por esta razão, metodologias tradicionais de cálculo de enlaces, que levam ao uso de altas margens fixas não são as mais indicadas. Lança-se mão de Técnicas de Mitigação de Desvanecimento (Fade Mitigation Techniques, FMT). No projeto e otimização de FMTs, o conhecimento do comportamento dinâmico do canal de radiopropagação é necessário. Objetivando preencher este requisito, são usadas séries temporais de atenuação por chuva nas simulações de sistema. Porém, séries temporais experimentais não estão disponíveis em nível global em todas as frequências e inclinações de enlace desejadas, para que se projete e teste FMTs. Portanto, a alternativa ao uso de séries experimentais é a geração (sintetização) de séries temporais de atenuação por chuva fazendo uso de características climatológicas bem como de parâmetros geométricos e de propagação relativos ao enlace. Neste trabalho, modelos de canal baseados na abordagem original de Maseng e Bakken são testados com dados de beacon em 11,5 GHz (banda Ku), medidos em quatro localidades Brasileiras, representativas de climas tropical, subtropical e equatorial. Ainda, um modelo misto usando cadeias de Markov e um modelo, já existente, gerador de eventos de atenuação por chuva sob demanda é proposto e analisado. Validação é realizada por meio de variáveis de teste propostas pela ITU-R e também pela análise da fidelidade que características específicas dos eventos sintetizados possuem em relação às características de eventos reais medidos. / [en] Rain attenuation time series synthesizers constitute an important resource to the design, test and optimization of Fade Mitigation Techniques (FMTs). In the absence of experimental propagation data for every possible Earth-Space configuration, the synthesis of rain attenuation time series becomes an interesting solution to allow for the reproduction of the long-term dynamic characteristics of rain attenuation. In this thesis, channel models able to synthesize long- and shortterm rain attenuation periods are discussed, tested and validated for the Brazilian tropical and equatorial climates. Critical issues determining the correct behavior of such time series generators are analyzed and their range of validity is presented.

Les bandes de fréquences utilisées conventionnellement pour les systèmes fixes de télécommunication par satellites (bandes C et Ku i.e. 4-15 GHz) sont congestionnées. Néanmoins, le marché des télécommunications civil et de défense accuse une demande de plus en plus importante en services multimédia haut-débit. Par conséquent, l'augmentation de la fréquence porteuse vers les bandes Ka et Q/V (20-40/50 GHz)est activement étudiée. Pour des fréquences supérieures à 5 GHz, la propagation des signaux radioélectriques souffre de l'atténuation troposphérique. Parmi les différents contributeurs à l'affaiblissement troposphérique total(atténuation, scintillation, dépolarisation, température de bruit du ciel), les précipitations jouent un rôle prépondérant. Pour compenser la détérioration des conditions de propagation, des techniques de compensation des affaiblissements (FMT: Fade Mitigation Technique) permettant d'adapter en temps réel les caractéristiques du système en fonction de l'état du canal de propagation doivent être employées. Une alternative à l'utilisation de séries temporelles expérimentales peu nombreuses est la génération de séries temporelles synthétiques d'atténuation due à la pluie et d'atténuation totale représentatives d'une liaison donnée.Le manuscrit est organisé autour de cinq articles. La première contribution est dédiée à la modélisation temporelle de l'affaiblissement troposphérique total. Le deuxième article porte sur des améliorations significatives du modèle de génération de séries temporelles d'atténuation due à la pluie recommandé par l'UITR.Les trois contributions suivantes constituent une analyse critique et une modélisation de la variabilité des statistiques du 1er ordre utilisées lors des tests des modèles de canal. La variance de l'estimateur statistique des distributions cumulatives complémentaires de l'atténuation due à la pluie et de l'intensité de précipitation est alors mise en évidence. Un modèle à application mondiale paramétré au moyen de données expérimentales est proposé. Celui-ci permet, d'une part, d'estimer les intervalles de confiance associés aux mesures de propagation et d'autre part, de quantifier le risque en termes de disponibilité annuelle associée à la prédiction d'une marge de propagation donnée. Cette approche est étendue aux variabilités des statistiques jointes. Elle permet alors une évaluation statistique de l'impact des techniques de diversité de site sur les performances systèmes, tant à microéchelle(quelques kms) qu'à macro-échelle (quelques centaines de kms). / Nowadays, C and Ku bands used for fixed SATCOM systems are totally congested. However, the demand of the end users for high data rate multimedia services is increasing. Consequently, the use of higher frequency bands (Ka: 20 GHz and Q/V 40/50 GHz) is under investigation. For frequencies higher than 5 GHz, radiowave propagation is strongly affected by tropospheric attenuation. Among the different contributors, rain is the most significant. To compensate the deterioration of the propagation channel, Fade Mitigation Techniques (FMT) are used. The lack of experimental data needed to optimize the real-time control loops of FMT leads tothe use of rain attenuation and total attenuation time series synthesizers. The manuscript is a compilation of five articles. The first contribution is dedicated to the temporal modelling of total impairments. The second article aims at providing significant improvements on the rain attenuation time series synthesizer recommended by ITU-R. The last three contributions are a critical analysis and a modelling of the variability observed on the 1st order statistics used to validate propagation channel models. The variance of the statistical estimator of the complementary cumulative distribution functions of rainfall rate and rain attenuation is highlighted. A worldwide model parameterized in compliance with propagation measurements is proposed. It allows the confidence intervals to be estimated and the risk on a required availability associated with a given propagation margin prediction to be quantified. This approach is extended to the variability of joint statistics. It allows the impact of site diversity techniques on system performances at small scale (few kms) and large scale (few hundred of kms) to be evaluated.

This dissertation thesis deals with new progressive channel coding methods for data transmission using satellite transponder. The design of the system for SMS transmission, in which novel turbo coding methods are applied, is discussed too. An achievement of the lowest output power and the smallest user aperture is the principal aim of the new method applications. Design of system that would be able to the error free SMS transmission by very low signal to noise ratio is analyzed in this dissertation thesis. The work is focused on energy budget, modification and implementation of new turbo code types and using unique properties, development of new bit error rate estimation methods and methods for determination of final SMS form. The main contribution is the new type of turbo code development that have optimal properties for this usage, development of new bit error rate estimation method and development of method that is able to determine final form of SMS on the basis SMS frame structure and turbo decoding theory when the bit error rate is not zero.

This research study aims to investigate the capacity of single photons to carry information through polarization and time ordering and proposes a protocol called Beyond Pulse Position Modulation (BPPM) to improve photon-based communication reliability over longer distances with limited power. Such a protocol may be used in any communication scenario where energy efficiency is important, e.g., in satellite communication or where pulse position modulation (PPM) typically is used. The study compares various metrics such as information bits per symbol, photon, and time bin to evaluate the system’s efficiency and conducts a comparative analysis of BPPM, Pulse Position Modulation (PPM), On-Off Keying (OOK), andGeneral protocol’s effectiveness. (The simulations were conducted using the Python programming language with Visual Studio Code IDE.) / Denna forskningsstudie syftar till att undersöka informationskapaciteten hos enstaka fotoner då dessa kodats med avseende på polarisering och tidsordning. Ett nytt protokoll som kallas Beyond Pulse Position Modulation (BPPM) använder felkorrigering för att förbättra kommunikationstillförlitligheten över längre avstånd med begränsad effekt. Ett sådant protokoll kan användas i vilket kommunikationsscenario som helst där energieffektivitet är viktigt, t.ex. vid satellitkommunikation eller där pulspositionsmodulering (PPM) vanligtvis används. Studien jämför olika mätvärden som informationsbitar per symbol, per foton och per tidslucka för att utvärdera systemets effektivitet och genomför en jämförande analys av BPPM, Pulse Position Modulation (PPM), On-Off Keying (OOK) och ett protokoll med fixt antal fotoner per block avseende protokollens effektivitet. (Simuleringarna utfördes med Python-programmeringsspråket med Visual Studio Code IDE.)

Les systèmes de communication prennent de nos jours une importance de plus en plus prépondérante dans tous les aspects de la vie courante et les exigences de connectivité se retrouvent dorénavant dans de très nombreux projets. Ces besoins de connexion exigent des débits de communication ainsi que des taux de couverture de plus en plus importants, poussant de ce fait vers l’utilisation de systèmes de communication par satellite (SATCOM). Les applications envisagées n’étant pas limitées à des installations fixes, celles-ci demandent de pouvoir assurer une communication par satellite depuis un porteur en mouvement. Il est donc nécessaire d’utiliser des servomécanismes de positionnement de l’antenne de façon à assurer un pointage correct de l’antenne vers le satellite. Ces positionneurs sont donc asservis de façon à orienter la ligne de visée de l’antenne vers le satellite, avec une erreur angulaire de l’ordre du dixième de degré. Cette précision a pour conséquences certaines exigences fortes sur la conception. Ces contraintes imposent l’utilisation de composants de qualité supérieure, des études mécaniques poussées ainsi que des réglages propres à chaque positionneur après assemblage. Dans le cadre de ces travaux de thèse, une stratégie de pointage différente de l’état de l’art a été conçue. Cette stratégie, nommée Helios (Hybrid Estimator of Line Of Sight), permet de lever certains verrous scientifiques spécifiques. Notamment, elle permet une diminution des performances requises de l’asservissement en position de l’antenne en fournissant une trajectoire plus facile à suivre. Cela permet une diminution des contraintes de conception, notamment mécaniques (frottements, raideurs …). Cela est rendu possible par une meilleure estimation de la direction à pointer, utilisant un plus grand nombre de mesures, sans introduire de retard dans l’estimation. Les moyens d’essais de Thales ont permis d’effectuer des essais expérimentaux sur des prototypes industriels. Ainsi, la stratégie est testée en simulation et en expérimentation sur un hexapode simulant un porteur, permettant un recalage du modèle de simulation à partir de données expérimentales. C’est ainsi que la stratégie est validée en conditions opérationnelles. Afin de réaliser ces tests expérimentaux, une étape de mise en place du moyen d’essais a été réalisée. Notamment, les outils de communication ont été mis au point (bus de terrains, liaisons série …). L’asservissement en position de la station a été réalisé à partir d’une identification non-paramétrique en boucle fermée du mécanisme. L’intégration de la station complète a été réalisée, permettant ainsi les tests en extérieur, sur un hexapode. / In military and civil application, satellite communications (SACTOM) are often needed on moving vehicles (drones, planes, land vehicles, vessels…) in order to transfer all kind of data (pictures, videos, internet …). These types of stations are called SATCOM On The Move (SOTM). In order insure high data rates, the antenna must be directional, which means that they direct electro-magnetic waves in a particular direction of space, called line of sight. The line of sight must be steered in order to be aligned with the satellite to insure a strong communication link with the highest data rate possible. Stabilized platforms, called Antenna Positioning System, aim to steer the antenna’s line of sight in the satellite direction. The pointing requirements are the source of conception constraints that reduce the cost efficiency of the overall station. This PhD report focus on the development and the study of a new pointing strategy called Helios (“Hybrid Estimator of LIne Of Sight”). This algorithm uses least squares to found the antenna pattern in real time, using an observation window. Among others, it allows to reduce the bandwidth of the control loops by generating a trajectory easier to follow. Therefore, it decreases the conception constraints (friction, backlash, field bus data rate …). Helios is tested through experimentation, using Thales industrial prototypes. The vehicle is emulated by a hexapod. Simulation is carried out in order to fit the measured experimental behavior. To do so, parametrical and non-parametrical identification has been done on the SOTM prototype. This way, Helios is validated and studied in operational conditions.

Dizertační práce je zaměřena na softwarově definované přijímače určené k úzkopásmové družicové komunikaci. Komunikační kanály družicových spojů zahrnujících komunikaci s hlubokým vesmírem jsou zatíženy vysokými úrovněmi šumu, typicky modelovaného AWGN, a silným Dopplerovým posuvem signálu způsobeným mimořádnou rychlostí pohybu objektu. Dizertační práce představuje možné postupy řešení výpočetně efektivní digitální downkonverze úzkopásmových signálů a systému odhadu kmitočtu nosné úzkopásmových signálů zatížených Dopplerovým posuvem v řádu násobků šířky pásma signálu. Popis navrhovaných algoritmů zahrnuje analytický postup jejich vývoje a tam, kde je to možné, i analytické hodnocení jejich chování. Algoritmy jsou modelovány v prostředí MATLAB Simulink a tyto modely jsou využity pro ověření vlastností simulacemi. Modely byly také využity k experimentálním testům na reálném signálu přijatém z družice PSAT v laboratoři experimentálních družic na ústavu radioelektroniky.

This thesis aims to improve a satellite communication network which carries both data streams and Voice over IP (VoIP) communication sessions with resource reservation. The resource reservations are made using the standard protocols for Traffic Engineering: MPLS-TE and RSVP-TE. The goal of this thesis project is to optimize the number of concurrent VoIP calls that can be made, in order to use the available bandwidth while maintaining a guaranteed Quality of Service (QoS) level, which is not possible in the existing system. This thesis proposes and evaluates a solution to this optimization problem in the specific context of a satellite modem system that was developed by Thales Communications. This optimization improves the system's ability to carry VoIP communications through better use of the available transmission resources. A solution to this problem would also increase the  exibility in bandwidth allocation within the modem system, and could provide a framework for future development. The proposed solution allows all of the reservable bandwidth to be used.  The amount of reservable bandwidth must be at least a little lower than the channel's available bandwidth in order to avoid congestion. Some areas of future work are proposed. / Detta projekt har försökt förbättra ett datornätverk bestående av satelliter som används till både data och Voice over IP (VoIP) kommunikation. VoIP använder sig av resursreservation som bestäms av standardprotokollen för Traffic Engineering, MPLS-TE och RSVP-TE.  Målet är att optimera antalet samtidiga VoIP samtal så att det mesta av den befintliga bandbredden kan utnyttjas samtidigt som Quality of Service (QoS) kan garanteras. Detta är omöjligt i det befintliga systemet. Projektet föreslår en lösning för problemet med modemet som utvecklas av Thales Communications och utvärderar därefter lösningen. Dessa optimeringar förbättrar systemets förmåga att driva VoIP kommunikationer genom att bättre använda de befintliga resurserna. En lösning för det här problemet skulle höja systemets flexibilitet och kunna användas som underlag för kommande utvecklingar. Tack vare lösningen kan hela utsedda bandbredden reserveras. Antalet bandbredd som kan reserveras måsta vara minst lite lågre än total befintling bandbredd för att undvika överbelastning. även några möjliga ideer för vidare undersökning föreslås. / Ce projet a pour but d'améliorer un réseau de communication par satellite utilisé pour transporter des flux de données ainsi que des sessions de communication Voix sur IP (VoIP) avec réservation de ressources. Les réservations sont prises en charge par les protocoles standard de Traffic Engineering que sont MPLS-TE et RSVP-TE. L'objectif de ce projet est d'optimiser le nombre d'appels VoIP pouvant être passés en parallèle afin d'utiliser autant de bande passante que possible tout en offrant un niveau de Qualité de Service (QoS) garanti, chose impossible dans le système actuel. Ce rapport propose et évalue une solution à ce problème d'optimisation dans le contexte spécifique du modem satellite développé par Thales Communications. Ces optimisations amélioreraient la capacité du système à transporter des communications VoIP grâce à une meilleure utilisation des ressources disponibles pour la transmission. Une solution à ce problème rendrait aussi l'allocation de ressources plus flexible au sein du système, et pourrait fournir une base à de futurs développements. La solution proposée permet l'utilisation de toute la bande passante réservable. La quantité réservable doit être un peu inférieure à la bande passante totale disponible afin d'éviter la congestion. Les résultats de ces évaluations sont exposés. Enfin, ce rapport propose de futurs développements possibles.