A comprehensive model for the investigation and prediction of depolarization along high frequency Earth-space links

Satellite communication systems working in microwave bands are impacted by the phenomenon of depolarization, induced by rain and ice particles present in the troposphere. Current models available in the literature do not fully characterize the large variability observed in beacon based depolarization measurements. Such models rely on the prediction of the rain contribution to the depolarization in terms of Cross Polar Discrimination (XPD). The ice effect, when present, is considered as an additive term whose statistical distribution is inherited by the one of rain, on an equiprobability basis. The development of improved models requires thorough theoretical considerations and valid supporting data. Unfortunately, the availability of reliable satellite beacon data is scarce. Furthermore, the processing of experimental depolarization data is a nontrivial operation, which requires careful inspection, consistent filtering and reasonable hypotheses application. This work exploits the Italsat satellite propagation campaign carried out in the 90s, by means of the data recorded at the Italian sites of Spino d'Adda and Pomezia at three different microwave bands (Ka, Q and V). The results accomplished comprise a statistical analysis of depolarization and quasi-physical parameters, a novel model of ice induced XPD and a new methodology to scale dual polarized data to different link conditions. First, the data processing is presented: data are carefully polished by removing the system biases and errors, and filtered to counteract the noise. For each event, a microphysical model is built by means of a novel method for the selection of the raindrop size distribution and slant path parameters. Second, the data analysis is performed. The activity is carried out both on a statistical and an event basis. All the data are used to calculate the XPD, whose statistical analysis is presented with a direct comparison with models available in literature. For dual polarized signals, a further stage is carried out. The quasi-physical parameters, i.e. anisotropy and canting angle, are extracted and statistically assessed. This passage, joint to the developed microphysical rain model, permits the separation of the contributions by rain and ice particles to the overall electric field transfer matrix. The analysis is also shown through time series of a selected event. The effectiveness of the selection criteria and the signature of ice are highlighted. Finally, a physical modelling part is presented. The ice integrated content is used to propose an ice induced XPD distribution model. Furthermore, with the aid of the data extracted from the ECMWF database, a statistical model relating the ice XPD and the ice integrated content is proposed, for the site of Spino d'Adda. These models differ from the current literature models by relying on the physical parameter of ice content, rather than being derived empirically by rain related quantities. Last, a methodology is proposed and validated to scale the overall transfer matrix to different link conditions, by separate processing on the previously extracted rain and ice contributions. This approach differs from methodologies present in literature by not considering the scaling as a whole operation. Rather, the overall transfer matrix is reconstructed after both the single particle families scaling.

I sistemi di comunicazione satellitari che lavorano nelle bande delle microonde si scontrano con il fenomeno della depolarizzazione, causata da particelle di pioggia e ghiaccio presenti nella troposfera. I modelli attualmente disponibili in letteratura non descrivono completamente la grande variabilità osservata nelle misure di depolarizzazione basate sui beacon. Tali modelli dipendono dalla predizione del contributo di pioggia alla depolarizzazione in termini di Discriminazione Crosspolare (XPD). L'effetto del ghiaccio, quando presente, è considerato come un termine additivo la cui distribuzione statistica deriva da quella della pioggia, su base equiprobabile. Lo sviluppo di modelli migliori richiede considerazioni teoriche scrupolose e dati validi a supporto. Purtroppo, la disponibilità di dati satellitari da beacon che siano affidabili è scarsa. Per di più, il trattamento di dati sperimentali di depolarizzazione è un'operazione non banale, che richiede un'ispezione meticolosa, un filtraggio coerente e l'applicazione di ipotesi ragionevoli. Questo lavoro si serve della campagna di propagazione satellitare Italsat condotta negli anni 90, per mezzo di dati registrati nei siti italiani di Spino d'Adda e Pomezia, a tre diverse bande delle microonde (Ka, Q e V). I risultati conseguiti comprendono un'analisi statistica della depolarizzazione e dei parametri quasi-fisici, un nuovo modello della XPD indotta dal ghiaccio e una nuova metodologia per scalare i dati in doppia polarizzazione in diverse condizioni di collegamento. In primo luogo, è presentata l'analisi dei dati: i dati sono ripuliti con attenzione rimuovendo le polarizzazioni e gli errori di sistema, e sono filtrati per contrastare il rumore. Per ciascun evento è costruito un modello microfisico, attraverso un nuovo metodo per la selezione dei parametri di distribuzione dei diametri da pioggia e di lunghezza del percorso. In secondo luogo, è eseguita l'analisi dei dati. L'attività è messa in pratica sia su base statistica che su base evento. Tutti i dati sono usati per calcolare la XPD, la cui analisi statistica è presentata attraverso un confronto diretto con i modelli a disposizione in letteratura. Per i segnali in doppia polarizzazione, è effettuato un ulteriore passo. I parametri quasi-fisici, ovvero anisotropia e angolo di inclinazione, sono estratti e valutati su base statistica. Questo passaggio, unito al modello microfisico sviluppato della pioggia, permette la separazione dei contributi delle particelle di pioggia e ghiaccio sulla matrice totale di trasferimento del campo elettrico. L'analisi è altresì mostrata per mezzo delle serie temporali di un evento selezionato. Sono messi in risalto l'efficacia dei criteri di selezione e i tratti distintivi del ghiaccio. Infine, è presentata una parte di modellizzazione fisica. Il contenuto di ghiaccio integrato è usato per proporre un modello di distribuzione della XPD da ghiaccio. Inoltre, con l'aiuto dei dati ricavati dal database ECMWF, è proposto un modello statistico che lega la XPD da ghiaccio al contenuto di ghiaccio integrato, per il sito di Spino d'Adda. Questi modelli differiscono dagli attuali modelli in letteratura nella dipendenza dal parametro fisico del contenuto di ghiaccio, piuttosto che essere derivati in modo empirico da grandezze legate alla pioggia. Per ultima, è proposta e validata una metodologia per scalare la matrice complessiva di trasferimento in diverse condizioni di collegamento, separando la lavorazione nei contributi della pioggia e del ghiaccio estratti in precedenza. Questo approccio si differenzia dalle metodologie presenti in letteratura nel non considerare la scalatura come un'operazione sul tutto. Piuttosto, la matrice complessiva di trasferimento è ricostruita dopo la scalatura di entrambe le singole famiglie di particelle.