home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ QRZ! Ham Radio 8 / QRZ Ham Radio Callsign Database - Volume 8.iso / pc / files / p_misc / netconf.arc / PACSAT.TXT < prev    next >
Text File  |  1988-12-10  |  37KB  |  726 lines

  1. The  following is the text of a paper submitted for the 7th  ARRL 
  2. Networking  Conference,  October 1, 1988. It will appear  in  the 
  3. conference proceedings which will be published by the ARRL. Please
  4. do not reprint this material without permission.
  5.  
  6.         ----------------------------------------------------
  7.  
  8.                  AMSAT's MICROSAT/PACSAT PROGRAM
  9.  
  10.                         Tom Clark, W3IWI
  11.                         6388 Guilford Rd.
  12.                       Clarksville, MD 21029
  13.  
  14.  
  15.  
  16. ABSTRACT
  17.  
  18.    In 1989 AMSAT-NA plans to launch the first of a series of low-
  19. earth orbit (LEO) sat-ellites dedicated to serving digital store-
  20. and-forward  message handling. These satellites are  quite  small 
  21. cubes,  approximately 230 cm (9 inches) on a side  weighing  less 
  22. than  10 kg; this small size has led to our calling  the  project 
  23. MICROSAT. Despite the small size, the satellites are crammed with 
  24. state-of-the-art   electronics.  This  paper  will   review   the 
  25. development  program  leading  to this design  and  some  of  the 
  26. technical details as well as describing how the terrestrial  user 
  27. will make use of the resource. We are planning on the launch of 4 
  28. satellites using MICROSAT technology into LEO in early 1989,  and 
  29. several more launches over the next 2 years.
  30.  
  31.  
  32. A BIT OF HISTORY
  33.  
  34.    In October 1981, the ARRL, AMRAD and AMSAT jointly hosted  the 
  35. first Networking Conference when packet radio was in its earliest 
  36. period of development. Doug Lockhart (VE7APU) and the VADCG group 
  37. had  put the first TNCs into our hands. Hank Magnuski (KA6M)  and 
  38. the PPRS had the first digipeater on the air. In the D.C. area  a 
  39. few  of  us (W4MIB, WB4JFI, K8MMO, W3IWI, KE3Z) were on  the  air 
  40. making funny sounds. The seed was planted!
  41.  
  42.    On  a warm sunny afternoon the following spring, at the  AMSAT 
  43. lab  at NASA Goddard, I took Jan King (W3GEY) aside and told  him 
  44. of  an  idea  I  had. At the time  we  were  building  the  AO-10 
  45. satellite  which was to provide global scale communications  from 
  46. its  vantage  point  in high earth orbit (HEO). My  idea  was  to 
  47. provide  similar communications coverage from LEO  using  digital 
  48. store-and-forward techniques, albeit not in real time. The  basic 
  49. idea was for the sender to uplink a message to the LEO satellite; 
  50. then  at  a later time when it was in view of the  recipient,  it 
  51. would be forwarded to him automatically.
  52.  
  53.    After some more design work, I enlisted the aid of Den Connors 
  54. (KD2S)  who  was  then spearheading the effort  in  Tucson  which 
  55. became  known as TAPR. Den and I started beating the  bushes  for 
  56. support  for the program. When the ideas became known  to  AMSAT, 
  57. some  of the old timers accused us of having lost our minds  with 
  58. statements  like  "There  aren't more than a  couple  of  hundred 
  59. people  on  packet. Packet radio will never amount  to  anything. 
  60. etcetera  etcetera". By the fall of 1982 we were starting to  see 
  61. some  ground-swell of support, so Den and I scheduled  a  special 
  62. meeting  (to be held in conjunction with AMSAT's annual  meeting) 
  63. which was to get inputs from packeteers in several groups on  the 
  64. PACSAT  concept.  The  second purpose was to try  to  see  if  we 
  65. couldn't  come up with a national protocol standard;  the  result 
  66. was  the  adoption of AX.25 (for which some  people  STILL  blame 
  67. me!).
  68.  
  69.    Soon thereafter we found a potential sponsor who needed PACSAT 
  70. support  to  aid  in disseminating  information  on  technologies 
  71. appropriate  to  developing countries and thus was formed  a  tie 
  72. between  AMSAT and the Volunteers in Technical Assistance  (VITA) 
  73. and  Gary Garriot (WA9FMQ). The VITA PACSAT project enlisted  the 
  74. assistance  of Harold Price (NK6K), Larry  Kayser  (VE3QB/WA3ZIA, 
  75. now VE3PAZ) and a number of others. The VITA/PACSAT team  decided 
  76. to test their messaging concepts on a UoSAT spacecraft  resulting 
  77. in   UO-11's   Digital  Communications  Experiment   (DCE).   The 
  78. partnership  between VITA and the UoSAT group has continued,  and 
  79. the  UoSAT-D  spacecraft  (to be flown at the same  time  as  our 
  80. Microsats) is the culmination of that effort.
  81.  
  82.    In  the meantime I told the Miki Nakayama (JR1SWB)  and  Harry 
  83. Yoneda (JA1ANG) of JAMSAT of our design concepts. The JAMSAT/JARL 
  84. team were able to implement many of these ideas in the mode  "JD" 
  85. hardware  on  the  Japanese JAS-1 (JO-12)  satellite.  They  also 
  86. developed state-of-the-art reproducable 1200 BPS PSK  demodulator 
  87. designs  which  have  become  important  for  future   spacecraft 
  88. designs.  Unfortunately  the negative power budget on  JO-12  has 
  89. limited the utility of an otherwise excellent spacecraft.
  90.  
  91.    For the next couple of years any idea of our building a PACSAT 
  92. in  the  USA languished. First we were busy  building  the  AO-13 
  93. satellite  in consort with AMSAT-DL. The American  dependence  on 
  94. the  Space Shuttle and the lack of suitable launches on which  we 
  95. could hitchhike made opportunities few and far between. We looked 
  96. at low-thrust motors using water or Freon propellants to lift  us 
  97. to  a suitable LEO if we used the Shuttle's GASCANs.  Two  groups 
  98. flew  small satellites ejected from GASCANs on the  shuttle;  one 
  99. was  NUSAT,  built by a of students and faculty  at  Weber  State 
  100. College  in  Ogden, Utah. Then with the loss of  the  Challenger, 
  101. even those hopes for our building a PACSAT were dashed.
  102.  
  103.  
  104. THE BIRTH OF MICROSAT
  105.  
  106.    The  scene  now shifts to November, 1987 in a  hotel  room  in 
  107. Detroit  after the banquet at AMSAT's annual meeting.  Jan  King, 
  108. Bob McGwier (N4HY), Phil Karn (KA9Q) and I are sitting around  at 
  109. 1AM.  Jan  starts  telling us of a concept  that  he  and  Gordon 
  110. Hardman  (KE3D)  have  been thinking about. It  involves  a  very 
  111. small, simple satellite, a 9" cube. He describes how five 8" x 8" 
  112. x 1.6" module "trays" would be stacked to make up the inner frame 
  113. of a satellite. Then on the small 9" x 9" solar panels would make 
  114. up  the outside skin. He told us that he believed he had  several 
  115. different  potential launches that could carry several  of  these 
  116. cubes  to  LEO  and asked us what we could do  with  the  limited 
  117. space.  By  3  AM we had a conceptual design, we  had  done  link 
  118. margin calculations, we had selected a candidate CPU, and we  had 
  119. estimated  size,  weight and power requirements for each  of  the 
  120. modules.  The adrenalin flowing in our veins was at  an  all-time 
  121. high!
  122.       [ Figure 1. A photograph of the structural model 
  123.                    of the MICROSAT satellite.]
  124.  
  125.    By  early  December  we had refined  the  basic  design.  Dick 
  126. Jansson (WD4FAB) had done a complete mechanical design. We held a 
  127. preliminary design review at the AMSAT office and decided we were 
  128. GO!
  129.  
  130.    While  all this was going on, contacts were made  with  Junior 
  131. DeCastro  (PY2BJO) of the Brazilian BRAMSAT group,  Arturo  Carou 
  132. (LU1AHC)  of  AMSAT-LU and with the NUSAT group at  Weber  State. 
  133. Each  agreed  to join the team and we settled  on  building  four 
  134. satellites:  The  AMSAT-NA  and  AMSAT-LU  satellites  would   be 
  135. classical  PACSATs. The Weber State satellite would be  a  PACSAT 
  136. augmented  by a TV camera which would send down pictures  encoded 
  137. in  normal AX.25 packet frames. The Brazilian satellite would  be 
  138. the  DOVE (Digital Orbiting Voice Experiment) which would  "talk" 
  139. voice bulletins which could be copied on a normal HT.
  140.  
  141.  
  142. PACSAT AND ALOHA
  143.  
  144.    First  we need to review a little packet radio theory. Let  us 
  145. assume  that  the  satellite operates with  its  transmitter  and 
  146. receiver on different bands so that the communications links  are 
  147. full-duplex.  Let us also assume that there are many users,  each 
  148. with  similar  capabilities, who are spread out over  the  entire 
  149. spacecraft  "footprint".  Let us further assume that  traffic  is 
  150. balanced -- whatever goes up to the spacecraft equals what  comes 
  151. down,  so  the uplink and downlink channel capacity needs  to  be 
  152. balanced.
  153.  
  154.    Since  the ground-based users are spread out, the cannot  hear 
  155. each  other. Each will transmit at random in the hopes  that  his 
  156. packets  make  it  thru.  This  is  the  classic  ALOHA   network 
  157. configuration  with  "hidden  terminals". It can  be  shown  that 
  158. collisions  on the uplink channel will statistically  reduce  the 
  159. channel capacity so that only (1/2e) = 18.4% of the packets  make 
  160. it  thru. Thus, the downlink (on which there are  no  collisions) 
  161. can  support  about  5 times as much traffic  as  can  a  single, 
  162. collision-limited uplink. 
  163.  
  164.    There  are  two ways out of this dilemma.  First,  the  uplink 
  165. users  could  use a data rate about 5 times  the  downlink;  this 
  166. approach  was  taken by the AMSAT-DL designers of  AO-13's  RUDAK 
  167. experiment  where a 2400 bit per second (BPS) uplink is  balanced 
  168. against a 400 BPS downlink.
  169.  
  170.    The  second  approach  is to have  multiple,  separate  uplink 
  171. receivers. The FO-12 satellite has four 1200 BPS uplink  channels 
  172. balancing one 1200 BPS downlink.
  173.  
  174. MODEMS AND RADIOS FOR PACSAT
  175.  
  176.    For  our  PACSATs, we have allowed for both solutions  to  the 
  177. ALOHA  limit.  Like  FO-12,  there are to  be  four  user  uplink 
  178. channels; however each of which can be commanded to support 1200, 
  179. 2400,   4800  and  possibly  9600  BPS  uplinks.   The   downlink 
  180. transmitter  will  start its life at 1200 BPS, but  higher  rates 
  181. should be possible.
  182.  
  183.    Our design was heavily influenced by a decision we made  early 
  184. on:  we  would  only  use  standards  which  were  supported  and 
  185. available  "off the shelf". Thus when our PACSAT comes  to  life, 
  186. the ground user can use the identical hardware he uses for  FO-12 
  187. today. The user's uplink will be at 1200 BPS,  Manchester-encoded 
  188. FSK and the downlink will be 1200 BPS binary PSK. These standards 
  189. are  supported by the TAPR and G3RUH modems, by the myriad  FO-12 
  190. modems  available  on Akihabara in Japan, and by the  DSP  modems 
  191. that N4HY and I have been working on.
  192.  
  193.    These "mo" modulator in these modems plugs into the mike  jack 
  194. on  a  stock 2M FM radio, which we assume can be tuned in  5  kHz 
  195. steps. The satellite link margins should be such that 10-25 watts 
  196. into  an  omnidirectional antenna should be  adequate  (providing 
  197. everyone runs similar power).
  198.  
  199.    The "dem" demodulator plugs into an SSB-capable 70 cm receiver 
  200. or all-mode transceiver, which needs to be tunable in 100 Hz  (or 
  201. preferably  finer)  steps. The PSK downlink should be  "Q5"  even 
  202. with an omnidirectional antenna, providing the local noise  level 
  203. is low.
  204.  
  205.    The spacecraft's receiver has 15 kHz wide channels, regardless 
  206. of  the bit rate programmed at the spacecraft. The 1200 BPS  data 
  207. rate  combined  with  an FM deviation of < 3  kHz,  plus  doppler 
  208. shift, plus 5 kHz steps on a typical FM radio just fit the 15 kHz 
  209. bandwidth.  At  some later date we will begin  enabling  selected 
  210. uplink  receiver channels for higher data rates (like 4800  BPS), 
  211. but  the user will now have to pre-steer the doppler and set  his 
  212. frequency  more accurately than 5 kHz. Also most stock FM  radios 
  213. will  not  pass  the  4800 BPS  data  rates  without  significant 
  214. modifications. 
  215.  
  216.  
  217. ONBOARD PACSAT
  218.  
  219.    Let  us  now discuss some of the features of  the  satellite's 
  220. architecture.  The electronics is divided into modules, with  the 
  221. space  inside  each module being about 7.8" x 6.5"  x  1.5".  The 
  222. mechanical  layout  has five of these modules stacked  atop  each 
  223. other  as shown in Figure 2, which we will describe from  top  to 
  224. bottom.
  225.  
  226.                        |                    
  227.                        |                    
  228.                        | 2M uplink antenna  
  229.                        |                    
  230.                        |                    
  231.                 _______!_______             
  232.                |   RECEIVER    |            
  233.                |_______________|            
  234.                |     TSFR      |            
  235.                |_______________|            
  236.                | BATTERIES+BCR |            
  237.                |_______________|            
  238.                |      CPU      |            
  239.                |_______________|            
  240.                |  TRANSMITTER  |            
  241.                |_______________|            
  242.                 /             \             
  243.                /               \           
  244.               / 70 cm downlink  \         
  245.              /      antenna      \       
  246.  
  247.             Figure 2. PACSAT LAYOUT
  248.  
  249.  
  250.      RECEIVER
  251.  
  252.    The core of the receiver is the Motorola MC3362 single-chip FM 
  253. receiver,  couple  with a stock NDK crystal filter  with  15  kHz 
  254. bandwidth centered at 10.7 MHz. The filter has very good  skirts, 
  255. with 80-90 dB ultimate rejection. The input to the 3362 is an  IF 
  256. in  the  40-50  MHz  range. The 1st LO in  the  3362  is  crystal 
  257. controlled  to mix to 10.7 MHz. Following the filter, the  3362's 
  258. second  mixer is driven from a crystal controlled 8.9 MHz 2nd  LO 
  259. to  produce a final IF of 1.8 MHz selected for best linearity  of 
  260. the MC3362's FM detector (discriminator).
  261.  
  262.    The MC3362's FM detector drives two matched data filters, each 
  263. of  which  uses one section of a TLC274 CMOS op amp;  the  2-pole 
  264. Butterworth  filters  are optimized for 1200 and  4800  BPS  data 
  265. rates.  A CD4066 analog switch selects the output of one  of  the 
  266. two  filters to drive the data clipper section of the  3362.  The 
  267. appropriate filter is selected by the CPU.
  268.  
  269.    In  addition,  one section of the TLC274  produces  an  analog 
  270. signal in the  0-2.5v range corresponding to the user's frequency 
  271. (the  "disc meter") and another produces a 0-2.5v  analog  signal 
  272. corresponding to the user's signal strength (the "S meter").
  273.  
  274.    All  this  circuitry  takes up 1.5" x  3"  on  the  receiver's 
  275. circuit board and draws under 20 mW (< 4 ma at 5V). This  circuit 
  276. is  replicated five times to provide the 4 user  uplink  channels 
  277. plus a command/control channel. 
  278.  
  279.    The  design of this portion of the receiver was done by  W3IWI 
  280. with invaluable inputs from Eric Gustavson (N7CL).
  281.  
  282.    In  front  of  this  bank of five FM IF  strips  is  a  fairly 
  283. conventional GaAsFET preamp with a noise figure < 1 dB. A narrow-
  284. band  3-stage  helical filter provides  selectivity  between  the 
  285. GaAsFET preamp and a dual-gate MOSFET mixer which is driven by  a 
  286. crystal-controlled LO at about 100 MHz. The output of the  MOSFET 
  287. (at 40-50 MHz) drives five emitter followers to provide isolation 
  288. between  the  five FM IF stages. The design of these  stages  was 
  289. done by Jim Vogler (WA7CJO) and W3IWI.
  290.  
  291.    The  total power consumption for the entire receiver is  about 
  292. 150 mW.
  293.  
  294.    [As  a side note -- the receiver modules designed  for  PACSAT 
  295. have been made easily reproducable, with very few "twiddles". All 
  296. components,  including the coils and helical filter are  off-the-
  297. shelf  items  purchasable  from  sources  like  Digi-Key.  It  is 
  298. anticipated  that  TAPR  and/or AMSAT  will  make  single-channel 
  299. receiver  kits  available  for  use  in  dedicated  packet   link 
  300. applications if there is enough interest].
  301.  
  302.  
  303.      TSFR 
  304.  
  305.    For PACSAT, this is a dummy module. TSFR means "this space for 
  306. rent", and is reserved for future expansion.
  307.  
  308.  
  309.      POWER SYSTEM
  310.  
  311.    The  Battery Charge Regulator (BCR) module contains  the  NiCd 
  312. battery  pack, the charger that conditions solar panel  power  to 
  313. charge  the batteries, and the switching regulators that  produce 
  314. the  +5  and  +10  v power needed by each  module.  The  BCR  and 
  315. regulator  design  was done by Jon Bloom (KE3Z)  with  help  from 
  316. Gordon Hardman (KE3D).
  317.  
  318.    The  solar  panels make use of high-efficiency  silicon  cells 
  319. with back-surface reflectors (BSR). BSR technology is new, but it 
  320. allows  for much higher efficiency; if a photon does not  produce 
  321. electricity  as  it passes thru the silicon on its  way  in,  the 
  322. reflector  allows a second chance to "grab" it. The  solar  panel 
  323. electrical and mechanical design was done by Jan King (W3GEY) and 
  324. Dick  Jansson (WD4FAB), and the solar panels are  being  produced 
  325. under contract by Solarex.
  326.  
  327.    The  price  of  space  qualified  NiCd  batteries  has  become 
  328. prohibitive, so new, low cost approaches have been adopted. Larry 
  329. Kayser (VE3PAZ) and his group in Ottawa proved with UO-11 that if 
  330. good,  commercial grade batteries were purchased, they  could  be 
  331. flight qualified. The qualification procedure involves  extensive 
  332. cycling   to   characterize  the   charge-discharge   curve   and 
  333. temperature  performance,  X-raying  the batteries  to  look  for 
  334. internal  structural flaws, then selecting only the  best  cells, 
  335. and then finally potting the batteries.
  336.  
  337.    While  the solar panels produce about 14 watts, when  averaged 
  338. over  a  whole orbit (some time is spent in eclipse),  and  after 
  339. losses in power conditioning about 7-10 watts is available.
  340.  
  341.  
  342.      CPU
  343.  
  344.    In many ways the flight computer is the key to PACSAT. At  the 
  345. time  we were selecting the CPU, the SANDPAC group in  San  Diego 
  346. were  finishing  the first pre-production run of  the  new  PS186 
  347. network switch. Based on their experience, we selected a  similar 
  348. architecture.  The flight CPU is based on the NEC CMOS  V-40  CPU 
  349. (quite similar to an 80C188). The flight CPU includes EDAC (Error 
  350. Detection   and  Correction)  memory  for  storage  of   critical 
  351. software,  plus bank-switched memory for data storage (i.e.  "RAM 
  352. Disk").  We  hope  to fly upwards of 10  Mbytes  on  each  PACSAT 
  353. (limited only by available space and the price of memory  chips). 
  354. The CPU, when running hard draws about 2 watts of power.
  355.  
  356.    A  companion  paper by Lyle Johnson (WA7GXD) and  Chuck  Green 
  357. (N0ADI)  describes the CPU's architecture in much more detail.  A 
  358. paper  by Bob  McGwier  (N4HY) and Harold Price (NK6K)  describes 
  359. the  multi-tasking software. Jim DeArras (WA4ONG)  is  converting 
  360. Lyle  and Chuck's wire-wrapped prototype to  multi-layer  circuit 
  361. board. The ROM-based bootloader to allow recovery from  disasters 
  362. has been written by Hugh Pett (VE3FLL) whose code had  previously 
  363. saved the day on UoSAT.
  364.  
  365.  
  366.     TRANSMITTER
  367.  
  368.    At  the time of this writing, the transmitter is still in  the 
  369. design  phase,  so  some  of these  parameters  may  change.  The 
  370. transmitter  will  be  BPSK modulated, and will  have  its  power 
  371. output  changeable by ground command. The current plans  are  for 
  372. two  power levels, about 1.5 or 4 watts. The  transmitter  starts 
  373. out with a crystal oscillator at 109 MHz, and is followed by  two 
  374. doublers  to  436  MHz. This design is being done  by  Stan  Sjol 
  375. (W0KD).  Gordon  Hardman (KE3Z) is working on a  power  amplifier 
  376. using  a  Motorola MRF750 driver and a MRF752 output  stage.  The 
  377. collector voltage on the driver stage will be command selected to 
  378. be  either  the  +5 or +10v bus to provide  power  agility.  This 
  379. collector  voltage  may be amplitude modulated  to  provide  some 
  380. time-domain  shaping  to  minimize  the  transmitted   bandwidth. 
  381. Transmitter  development  is  also being done in  Canada  by  Bob 
  382. Pepper (VE2AO).
  383.  
  384.  
  385.      GLUE
  386.  
  387.    The  myriad mechanical details were all sorted out  before  we 
  388. cut  a single piece of metal by Dick Janssen (WD4FAB); Dick  made 
  389. extensive use of modern CAD techniques and all drawings were done 
  390. with  AutoCAD  (see  Figure 3). In Boulder, Jeff  Zerr  has  been 
  391. shepherding  the detailed mechanical layout and find what  pieces 
  392. don't  fit. A "show and tell" model was built by ????  with  help 
  393. from Dick Daniels, and a mechanical mockup for vibration  testing 
  394. has been built by Jeff Zerr.
  395.  
  396.    When we began developing the Microsat concept, we took a  look 
  397. at  problems that had been major hassles on  earlier  satellites. 
  398. High  on the list were problems in building a wiring harness  and 
  399. testing individual modules. We also wanted a design that  allowed 
  400. a "cookie cutter" approach to manufacturing since we anticipate a 
  401. number  of  launches  in  the next few  years.  We  came  to  the 
  402. conclusion  that we needed to develop a bus-like wiring  approach 
  403. with  all  modules having similar interfaces, and  we  needed  to 
  404. minimize the number of wires. I took on the task of solving  this 
  405. problem and defining the electrical "glue" that holds the  system 
  406. together. 
  407.  
  408.    After exploring a number of options, the design we adopted was 
  409. to use hi-rel DB25 25-pin connectors on each module and use a 25-
  410. wire  bus made like a flexible printed circuit. Of the 25  wires, 
  411. about  40%  are used for power distribution, about 40%  to  carry 
  412. packet data from the receiver to the CPU and from the CPU to  the 
  413. transmitter,  and  the  final 5 wires are used  to  let  the  CPU 
  414. control  functions  in  the individual  modules  and  for  analog 
  415. telemetry.
  416.  
  417.       [  Figure 3. Part of one of WD4FAB's drawings
  418.                    showing MICROSAT assembly details.  ]
  419.  
  420.  
  421.      AART
  422.  
  423.    In  order to squeeze all these command, control and  telemetry 
  424. functions  into  only five wires, we have built a very  small  (7 
  425. inches long!) LAN with the CPU acting as the network master  node 
  426. and each module being a slave node. Data communications from  CPU 
  427. to  module consist of two byte packets; the first byte (with  the 
  428. MSB=1)  addresses  up to 128 slaves, and the  second  byte  (with 
  429. MSB=0) is a 7-bit received data field to be passed to the  module 
  430. (RXD).  On receipt of a valid address, the  module  automatically 
  431. sends  back  two 8-bit bytes (TXD) of data on another  wire.  All 
  432. data is sent with normal asynchronous protocols.
  433.  
  434.    On the CPU side, this async data is generated and received  by 
  435. the  UART  built  into  the V40  chip.  The  protocol  is  easily 
  436. simulated  on  a PC, so testing each module does  not  require  a 
  437. complete working spacecraft.
  438.  
  439.    In  each  module, we use a clever IC:  the  Motorola  MC14469F 
  440. Addressable  Asynchronous Receiver/Transmitter (AART). The  14469 
  441. is  a  44-pin  surface mount part (also  available  as  a  40-pin 
  442. conventional  DIP) which implements the protocol  just  described 
  443. with  very  few external parts. It has separate pins  for  the  7 
  444. address bits, the 7 RXD bits and the 16 TXD bits. 
  445.  
  446.    The 7 RXD bits are used for a number of functions. The MSB  of 
  447. this  word is used to select analog vs. digital  functions,  with 
  448. the  control data specified by the remaining 6 bits. For  digital 
  449. functions,  the  6 bits are treated as two  3-bit  nibbles  which 
  450. constitute  the  address and data for  three  CD4099  addressable 
  451. latches, resulting in 24 bits of digital data being available for 
  452. control functions in the module.
  453.  
  454.    When the MSB selects analog functions, the 6 bits are taken as 
  455. addresses for CD4052 CMOS analog multiplexer chips which decode 6 
  456. discrete  analog telemetry samples plus four thermistors. When  a 
  457. module is selected in analog mode, the selected analog signal  is 
  458. switched onto two wires (signal plus return) in the 25-wire  bus, 
  459. and  when the module is de-selected the two wires are floated.  A 
  460. single,  fast 8-bit 0-2.5v A/D converter in the CPU  handles  all 
  461. spacecraft analog telemetry. Each module is responsible for  pre-
  462. conditioning its analog signals to fit the 0-2.5v range.
  463.  
  464.    All  these  parts,  including some op amps  to  condition  the 
  465. thermistor  signals,  plus  the  DB25  spacecraft  bus  interface 
  466. connector  and tie-points for all signals needed in  the  modules 
  467. are fitted onto a 7.8" x 1.5" board which is mounted against  one 
  468. wall  of  the module frame. The interface boards in each  of  the 
  469. "slave"  modules  are  identical except that  the  AART  chip  is 
  470. strapped to different addresses. This small board has been dubbed 
  471. the  AART  board.  It was designed by  W3IWI  and  Bob  Stricklin 
  472. (N5BRG). Each board requires 5 mW of power (about 1 ma at 5v).
  473.  
  474.  
  475.  
  476. THE OTHER MICROSATS
  477.  
  478.      DOVE
  479.  
  480.    So  far  we  have described the two  Microsat  PACSATs:  those 
  481. sponsored  by AMSAT-NA and AMSAT-LU. The BRAMSAT DOVE  spacecraft 
  482. is  still in the final design phases, but it will be  built  from 
  483. many of the same pieces and will have the same general mechanical 
  484. layout. DOVE will transmit its digitized voice signals in the  2M 
  485. band  with  conventional FM modulation. Rather than  designing  a 
  486. different  receiver system, we have decided to have  the  command 
  487. uplinks  also  on 2M; the DOVE transmitter will turn  itself  off 
  488. every  few minutes to listen for commands. Only  the  transmitter 
  489. module  is different for DOVE. As of the time of this writing  we 
  490. are planning to use differentially-encoded voice synthesis  (e.g. 
  491. "delta modulation") with up to 4-bit encoding of the differential 
  492. data. Preliminary design on the speech synthesizer has been  done 
  493. by  Bob McGwier (N4Y) and W3IWI and is being simulated using  our 
  494. DSP hardware.
  495.  
  496.  
  497.      NUSAT
  498.  
  499.    The Weber State NUSAT MICROSAT is different mechanically  from 
  500. the PACSATs, shown in Figure 4.
  501.  
  502.                           |                    
  503.                           |                    
  504.                           | 2M uplink antenna  
  505.                           |                    
  506.                           |                    
  507.                    _______!_______             
  508.                   |   TV CAMERA   |            
  509.                   |_______________|            
  510.                   |      CPU      |            
  511.                   |_______________|            
  512.                   | BATTERIES+BCR |            
  513.                   |_______________|            
  514.                   |   RECEIVER    |            
  515.                   |_______________|            
  516.                   |  TRANSMITTER  |            
  517.                   |_______________|            
  518.                    /             \             
  519.                   /               \           
  520.                  / 70 cm downlink  \         
  521.                 /      antenna      \       
  522.  
  523.                Figure 4. NUSAT LAYOUT
  524.  
  525.    The major difference is that NUSAT has a CCD TV camera in  the 
  526. top  module.  The TV camera is connected to a  high-speed  multi-
  527. channel  "flash" A/D converter which can digitize incoming  video 
  528. signals at 10 MHz sample rate. Its data is stored in memory which 
  529. can  also be accessed by the CPU. The Weber TV camera module  and 
  530. CPU  were placed in adjacent modules so that the memory could  be 
  531. easily dual-ported.
  532.  
  533.    The  sample  rate for the A/D converter and the  input  signal 
  534. source can be selected by the CPU. The primary signal source is a 
  535. CCD TV camera equipped with an electromechanical iris built  into 
  536. its lens. The iris's aperture can also be controlled by the  CPU. 
  537. The  camera's field of view allows a 350 km square to  be  imaged 
  538. from  the  satellite's  800 km high orbit.  The  camera  assembly 
  539. occupies  about 1/4 of the space in the module. It is planned  to 
  540. use  video data compression techniques to minimize  the  downlink 
  541. data requirements; Weber State and AMSAT-NA plan to have software 
  542. to  support  these  advanced video  techniques  available  around 
  543. launch time.
  544.  
  545.    Weber  State also plans to try a 1269 MHz video uplink.  Video 
  546. data  from  this  uplink will be digitized  by  the  "flash"  A/D 
  547. converter and loaded into the dual ported memory, just like  data 
  548. from  the CCD camera. It is also hoped that the TV camera can  be 
  549. used as an visible and IR  spectrometer covering the 400 to  2000 
  550. micrometer wavelength band.
  551.  
  552.    The  other NUSAT modules are nearly identical to  the  PACSATs 
  553. and  NUSAT could be also turned into a PACSAT merely  by  loading 
  554. different software. 
  555.  
  556.    The  Weber State team consists of a number of students,  staff 
  557. and  faculty  members from the Center  for  Aerospace  Technology 
  558. (CAST) including Bob Twiggs, Bob Summers and Chris Williams.
  559.  
  560.  
  561. THE FIRST MICROSAT LAUNCH
  562.  
  563.    AMSAT-NA  and  the UoSAT group have worked with  the  European 
  564. Space Agency and Ariannespace to develop a new launch  capability 
  565. for  very  small  satellites. This will be first  tested  on  the 
  566. launch of the SPOT-2 Earth Resources Satellite in early 1989.  On 
  567. that  flight  there  will be SIX small  satellites  --  our  four 
  568. Microsats and two somewhat larger UoSAT spacecraft. The orbit  is 
  569. nearly ideal -- sun synchronous at 800 km altitude, much like the 
  570. Oscar-8 orbit. At mid-latitudes, passes will occur twice per  day 
  571. at predictable times around 10:30 A.M. and 10:30 P.M. local time.
  572.  
  573.  
  574. USING THE MICROSAT SATELLITES
  575.  
  576.    As  we mentioned before, our PACSATs and Weber  State's  NUSAT 
  577. use ordinary AX.25 packet protocols. To receive any of the three, 
  578. you merely need to add a PSK demodulator to your 70 cm  receiver. 
  579. The  uplink requirements are modest and the same as FO-12.  At  a 
  580. later time, when transmitter technology permits and user  loading 
  581. dictates,  some of the receiver channels will be reprogrammed  to 
  582. higher  speeds. But initially, if you are able to use  the  FO-12 
  583. satellite, then you are all set.
  584.  
  585.    The spacecraft software that you will see will be designed for 
  586. message  handling, and the code is being written by  Bob  McGwier 
  587. (N4HY) with inputs from a number of us. The initial software will 
  588. probably  look very much like a W0RLI/WA7MBL BBS system,  with  a 
  589. few  enhancements.  First of all, the prompt that  the  satellite 
  590. will  send to you will have two telemetry numbers in it --  these 
  591. are  your signal strength and discriminator meter  readings.  The 
  592. discriminator  meter should be invaluable in helping  you  center 
  593. your  signal in the receiver's passband and its use  will  become 
  594. mandatory  as we migrate to higher uplink speeds. The  spacecraft 
  595. software will support multiple, simultaneous users. There may  be 
  596. commands that allow you to request specific telemetry information 
  597. from the satellite.
  598.  
  599.    I anticipate that much of the utility of these satellites will 
  600. be  as  an augmentation of the terrestrial HF  long-haul  message 
  601. forwarding  networks.  If  this proves to  be  true,  then  fully 
  602. automated  gateway stations will make heavy use of the  satellite 
  603. capabilities. 
  604.  
  605.    Therefore it is important that we design both the ground-based 
  606. and  flight  software  to work together  smoothly.  We  have  had 
  607. ongoing discussions with the writers of BBS code (like W0RLI  and 
  608. WA7MBL) to make sure that both sides of the link will be ready on 
  609. launch day. In these discussions we have been devising schemes so 
  610. that the burden of maintaining routing information resides on the 
  611. ground.  New forwarding protocols in which the receiving  station 
  612. tells  the sender what message addresses it can handle are  being 
  613. defined. It is likely that these will be coupled with heirarchial 
  614. domain-oriented  addressing  schemes  like  are  used  by  TCP/IP 
  615. protocols.  A  user on the W3IWI BBS would have an  address  like 
  616. W3XYZ@W3IWI.MD.USA  and if I were operating as a gateway for  the 
  617. MD/VA/DE/PA/NJ area, I would be able to inform the spacecraft  to 
  618. send me any messages so addressed.
  619.  
  620.    At  the same time that "connected" mode activity is going  on, 
  621. the  satellite  will  be sending UI  "broadcast"  (i.e.  UNPROTO) 
  622. frames with telemetry and bulletins of interest to all. On NUSAT, 
  623. digitally encoded pictures of the earth will be sent as UI frames 
  624. which will be reassembled by the user on the ground. 
  625.  
  626.  
  627. THE FUTURE
  628.  
  629.    We  have reason to believe that there are a number  of  launch 
  630. opportunities to LEO for very small satellites. We have  designed 
  631. our  Microsats  to be easily reproducable.  As  new  capabilities 
  632. (perhaps  9600 or 19,200 BPS modems? Experiments to fit into  the 
  633. TSFR module? ) are developed, we feel there will be opportunities 
  634. to fly them. 
  635.  
  636.    We  anticipate  non-amateur uses of  our  technology.  Initial 
  637. discussions  with  scientists specializing  in  oceanography  and 
  638. seismology  have  shown that they have a need for  low-cost  data 
  639. collection systems from remote locations. We anticipate a  scheme 
  640. for  a  commercial  licensee to "sell" our  technology  in  these 
  641. markets.  Just  like  royalties from  TAPR's  TNC2  project  have 
  642. provided  resources for future development activities  in  packet 
  643. radio,  we  hope that Microsat royalties will provide  a  similar 
  644. legacy for advancing amateur satellite technology.
  645.  
  646.    We  also see that the Microsat technology provides  a  perfect 
  647. way  for  fledgling  space groups  associated  with  other  AMSAT 
  648. organizations  around the world and with universities to  develop 
  649. their own satellite programs. Don't be surprised to see Microsats 
  650. being built by people from many nations. 
  651.  
  652.    The  spacecraft  operating software can be uploaded  from  the 
  653. ground.  As NK6K and N4HY discuss in their companion  paper,  the 
  654. software we will be flying is the most complex ever attempted  in 
  655. the  amateur satellite program. It probably will crash!  We  have 
  656. designed  in several safeguards to make this possible. With  this 
  657. flexibility, we also have the ability to try new things.  Perhaps 
  658. we  will  see  new mail-handling protocols  developed  which  use 
  659. datagrams. Perhaps we will see a PACSAT programmed to be a TCP/IP 
  660. FTP file server. As the old adage states:
  661.  
  662.              IT'S ONLY SOFTWARE !
  663.              --------------------
  664.  
  665. PARTING COMMENTS AND ACKNOWLEDGMENTS
  666.  
  667.    The  most  important  "glue" that holds a  project  like  this 
  668. together is the project manager. We are indeed fortunate to  have 
  669. Jan King (W3GEY), with his wealth of experience, his contacts  in 
  670. the  aerospace industry, his mother-hen persistence in  reminding 
  671. us of the rigors of space, and his compulsive personality to make 
  672. sure everything happens. 
  673.  
  674.    Jan's  "glue" binds together a team of high-strung,  emotional 
  675. prima donnas who are equally compulsive. Many of the team members 
  676. have invested a lot of 3AM mornings working on this project!  All 
  677. the  team members have had to wear very thick skins to  withstand 
  678. the FLAME ON! communications blasts some of us are prone to emit. 
  679. Bob  Mcgwier, Dick Jansson and Lyle Johnson all  deserve  special 
  680. credit for service above and beyond the call of duty.
  681.  
  682.    This project has significant players spread out all over North 
  683. America, with major activities in NJ, MD, VA, FL, CO, UT, AZ,  TX 
  684. and CA. Unfortunately amateur radio communications are inadequate 
  685. to  keep such a dispersed team working together. We  have  relied 
  686. heavily   on   commercial  electronic   communication   channels, 
  687. particularly AMSAT's network on GTE TeleMail and TAPR's  channels 
  688. on CompuServe, plus a lot of phone calls. Every few months we get 
  689. a  number  of the people in one place and lock the door  to  make 
  690. sure everyone REALLY understands what is happening. 
  691.  
  692.    We  have  made  heavy  use of various  CAD  tools  during  the 
  693. development activities. Mechanical layout was done with  AutoCAD. 
  694. ORCAD  was heavily used for developing schematics, wiring  lists, 
  695. parts  lists and net lists. CAD PCB layout used Smartwork,  ORCAD 
  696. PCB and Tango. See Figure 5 for an axample of some of this use of 
  697. CAD techniques.
  698.  
  699.      [ Figure 5. One of W3IWI's ORCAD schematics  
  700.                  of the MICROSAT receiver IF strip.]
  701.  
  702.    We   have   done  some  experimentation   using   higher-level 
  703. networking for technical communications to move CAD data using my 
  704. TOMCAT FTP file server which has a SLIP port in addition to being 
  705. on the "real" network.
  706.  
  707.    There  are two organizations not mentioned earlier  that  have 
  708. contributed a lot to this project: TAPR and the ARRL. For many of 
  709. the  volunteers working on this project, the distinction  between 
  710. TAPR  and  AMSAT is fuzzy since they seem to wear  two  hats.  In 
  711. addition  to the TAPRites working on this project, TAPR has  made 
  712. vital  contributions  of  funds and hardware,  without  which  we 
  713. couldn't  make  it. Special thanks to Andy Freeborn  (N0CCZ)  for 
  714. helping to make the TAPR/AMSAT interface smooth. At the ARRL labs 
  715. in  Newington,  Paul Rinaldo and Jon Bloom have made  many  vital 
  716. contributions. 
  717.  
  718.    From  the  AMSAT  organization, two people deserve  a  lot  of 
  719. credit.  Vern Riportella (WA2LQQ) was instrumental  in  arranging 
  720. the  AMSAT-LU  and BRAMSAT participation in the  project.  Martha 
  721. Saragovitz  has  acted as mother confessor, paid  bills,  handled 
  722. meeting   logistics  and  kept  smiling  thru  it  all,   despite 
  723. repeatedly crying out "Where's the money coming from?".
  724.  
  725. 
  726.