Characterisation and modelling of snow effects on EM waves propagation for EHF satcom systems

In the next few years, more and more Earth-Space communication systems will operate at frequencies above 20 GHz in order to meet an ever-increasing demand for high-data rate satellite services. At the same time, high-latitude regions of the world, which have been poorly served so far, will exploit those frequencies to supply services to the growing number of users coming from new naval routes which are opening up in the Arctic, and from Earth observation satellites in polar orbits that could benefit in these areas of gateways with larger visibility than those at medium and low latitudes. However, such telecommunication systems are particularly vulnerable to tropospheric attenuation and the communication links are characterised by low elevation angles for which the propagation suffers from effects almost absent at other latitudes, such as atmospheric multipath and the frequent presence of snow. These effects are poorly taken into account in current statistical prediction models, the development of which has so far been difficult due to the lack of suitable propagation data. Therefore, the objective of this work is to develop a new prediction model for the propagation of EHF waves through the atmosphere, taking into account the effects of the attenuation due to snow. Thus, the snow attenuation model is integrated into a high-resolution weather forecast model, allowing the conversion of the numerical description of atmospheric conditions into attenuation parameters. The results of the numerical simulations are compared with data coming from recent propagation experiments conducted in Arctic regions by Onera, the organisation where part of this work has been developed.

Nei prossimi anni, sempre più sistemi di comunicazione Terra-Spazio opereranno a frequenze superiori a 20 GHz al fine di soddisfare una domanda sempre crescente di servizi satellitari ad alta velocità di trasmissione dati. Allo stesso tempo, le regioni del mondo ad alta latitudine, che finora sono state scarsamente servite, sfrutteranno tali frequenze per fornire servizi al crescente numero di utenti provenienti da nuove rotte navali che si stanno aprendo nell'Artico, e da satelliti di osservazione della Terra in orbite polari che potrebbero beneficiare in queste aree di gateway con maggiore visibilità rispetto a quelli a media e bassa latitudine. Tuttavia, tali sistemi di telecomunicazione sono particolarmente vulnerabili all'attenuazione troposferica e i link di comunicazione sono caratterizzati da angoli di elevazione bassi per i quali la propagazione soffre di effetti quasi assenti ad altre latitudini, come il multipath atmosferico e la frequente presenza di neve. Questi effetti sono scarsamente presi in considerazione negli attuali modelli di previsione statistica, il cui sviluppo è stato finora difficile a causa della mancanza di adeguati dati di propagazione. L'obiettivo di questo lavoro è quello di sviluppare un nuovo modello di previsione per la propagazione delle onde EHF attraverso l'atmosfera, tenendo conto degli effetti dell'attenuazione dovuta alla neve. Il modello di attenuazione della neve sviluppato è integrato in un modello di previsioni meteorologiche ad alta risoluzione, che consente la conversione della descrizione numerica delle condizioni atmosferiche in parametri di attenuazione. I risultati delle simulazioni numeriche vengono confrontati con i dati provenienti da recenti esperimenti di propagazione condotti nelle regioni artiche da Onera, l'organizzazione in cui è stata sviluppata parte di questo lavoro.