Investigation of tropospheric impairments affecting k-band earth-space links using a MEO satellite constellation

The increasing demand for high-speed and real time data services has led to the exploitation of higher frequency bands in satellite communication systems. With this aim, new types of satellites with non-geostationary orbits (NGSO) have been developed, resulting in reduced latency and lower power requirements compared to traditional geostationaryorbit (GEO). However, as frequency increases, the effects of the troposphere on the signal become more significant especially taking into account the dynamical angular behavior of the channel for the NGSO systems. In this context, the European Space Agency (ESA) initiated the MEKaP (MEO Ka-band propagation) project in collaboration with Politecnico di Milano, Sapienza Università di Roma, Instituto de Telecomunicações-Aveiro Pole, and Thales Alenia Space Italia. Its aim is to characterize the major tropospheric impairments affecting the Earth-space link of a Medium Earth Orbit (MEO) system operating in the Ka-band. In this thesis, yearly rain attenuation is derived from the power time series received by the telemetry channel of the O3b satellite constellation at two ground stations located in Milan and Rome. The corresponding Complementary Cumulative Distribution Function (CCDF) is then computed and compared with the one estimated using the ITU-R model. The results show that the model underestimates rain attenuation, possibly because the measured CCDF includes contributions from clouds, which can hardly be removed from the measured excess attenuation. As evidence of this, when the total attenuation CCDF is computed and tested against the model, the results are highly accurate. Further investigations are needed to fully characterize the radio channel, such as studying the fade slope and testing additional models, such as the Enhanced-Synthetic Storm Technique (E-SST).

L’aumento della domanda di servizi di dati ad alta velocità e in tempo reale ha portato allo sfruttamento di bande di frequenza più elevate nei sistemi di comunicazione satellitare. A tal fine, sono stati sviluppati nuovi tipi di satelliti con orbite non geostazionarie (NGSO), che riducono la latenza e i requisiti di potenza rispetto ai satelliti in orbita geostazionaria (GEO) tradizionali. Tuttavia, con l’aumentare della frequenza, gli effetti della troposfera sul segnale diventano più significativi, soprattutto considerando il comportamento angolare dinamico del canale per i sistemi NGSO. In questo contesto, l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha avviato il progetto MEKaP (MEO Ka-band propagation) in collaborazione con il Politecnico di Milano, la Sapienza Università di Roma, l’Instituto de Telecomunicações-Aveiro Pole e Thales Alenia Space Italia. L’obiettivo del progetto è caratterizzare i principali disturbi troposferici che influenzano il collegamento terra-spazio di un sistema in orbita terrestre media (MEO) operante nella banda Ka. In questa tesi, l’attenuazione della pioggia su base annua è stata derivata dalle serie temporali di potenza ricevute dal canale di telemetria della costellazione di satelliti O3b in due stazioni terrestri situate a Milano e Roma. La corrispondente funzione di distribuzione cumulativa complementare (CCDF) è stata quindi calcolata e confrontata con quella stimata utilizzando il modello ITU-R. I risultati mostrano che il modello sottostima l’attenuazione della pioggia, probabilmente perché la CCDF misurata include i contributi delle nuvole, che difficilmente possono essere rimossi dall’attenuazione eccedente misurata. A riprova di ciò, quando la CCDF dell’attenuazione totale viene calcolata e confrontata con il modello, i risultati sono altamente accurati. Ulteriori indagini sono necessarie per caratterizzare completamente il canale radio, come lo studio della fade slope e il test di altri modelli, come la Enhanced-Synthetic Storm Technique (E-SST).