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Flavia Di Martino
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1 FACULTYOFINFORMATIONENGINEERING,INFORMATICSANDSTATISTICS MASTERDEGREEINELECTRONICENGINEERING MasterThesis Optimization*of*data*transmission*at*Ka*band*and*beyond*by*microwave* radiometric*techniques*for*telecommunication*and*deep*space*missions* Candidate* Advisor* LucaMilani Prof.FrankSilvioMarzano * Co<advisors* Dr.ViniaMattioli,EUMETSAT Dr.MarcoLanucara,ESAGESOC ACADEMICYEAR2014G2015

2 FACOLTÀDIINGEGNERIADELL INFORMAZIONE,INFORMATICAESTATISTICA CORSODILAUREAMAGISTRALEININGEGNERIAELETTRONICA TesidiLaureaMagistrale Uso*di*tecniche*radiometriche*a*microonde*per*l ottimizzazione*della* trasmissione*dei*dati*per*telecomunicazioni*e*missioni*di*spazio* profondo*in*banda*ka*e*oltre Candidato* Relatore* LucaMilani Prof.FrankSilvioMarzano * Correlatori* Dr.ViniaMattioli,EUMETSAT Dr.MarcoLanucara,ESAGESOC ANNOACCADEMICO2014G2015

3 Alla mia famiglia II

4 Abstract Thenumberofdeepspaceexplorationsofsolarsystemisrapidlyincreasing,togetherwitha continuousdemandingofhigherperformancesintelecommunicationuplinkanddownlinkto satisfyspecificmissionrequirements.inthissense,theuseofhigherfrequencybands,with respect to the ones currently in use, is becoming a need. These bands offer several performance advantages, provided by larger available bandwidth and higher gain for the sameantennasize.thisthesisaimsatinvestigatinghigherfrequencybandsthroughtheuseof radiometrictechniques.thefirsttopicregardssungtrackingmicrowaveradiometry,agroundg based technique where the Sun is used as a beacon source. The atmospheric antenna noise temperatureismeasuredbyalternatelypointingtowardgthegsunandoffgthegsunaccordingto a beam switching strategy. By properly developing an ad# hoc processing algorithm, we can estimate the atmospheric path attenuation in allgweather conditions together with the Sun brightness temperature. A theoretical framework is proposed to describe the SunGtracking radiometric measurements and to evaluate the overall error budget with respect to uncertaintiesduetoactualantennapatterns,knowledgeofsunbrightnesstemperature,and the beamgfilling factor. Two different techniques, based respectively on elevationgscanning Langleymethodandonsurfacemeteorologicaldatamethod,areproposedandcomparedto estimate the cleargair reference. Application to available SunGtracking radiometric measurementsatka,vandwbandinrome(ny,usa)isshownanddiscussedtogetherwith thetestofnewphysicallygbasedpredictionmodelsforallgweatherpathattenuationestimation at Ka, V and W band from multigchannel microwave radiometric data. Results show an appealingpotentialofthisoverallapproachinordertoovercomethedifficultiestoperform satellitegtogearth radiopropagation experiments in the unexplored millimetergwave and submillimetergwave frequency region. The second part presents a real operational project appliedtobepicolombo,theesacornerstonemissiontomercury,whichadoptsakagband transmission system operationally for the downlink at 32 GHz. The work was carried out duringatraineeshipinthegroundstationsystemsengineeringdivisionoftheeuropeanspace Operations Centre (European Space Agency ESOC, Darmstadt, Germany). In particular, a Simplified Radiative Model (SRM) is shown, exploiting the radiometer and weather station datasetavailableincebreros(spain):surfaceparameters(suchastherainrate,temperature, pressure and humidity) can be converted into path attenuation along a selected upward direction making several assumptions on the vertical stratification of rain and other atmosphericconstituents.acloudmoduleisalsopresented,abletodetectcloudcoverageand tocorrectagposterioritheattenuationtimeseriesprovidedbysrm. III

5 Sommario(inItalian) Ilnumerodiesplorazionidispazioprofondodelsistemasolareèinrapidacrescita,insieme ad una continua esigenza di prestazioni più elevate nei sistemi di telecomunicazioni per soddisfarerequisitispecifici,siainuplinkcheindownlink.inquestosenso,ldutilizzodibande afrequenzepiùalte,rispettoaquelleattualmenteinuso,stadiventandounanecessità.queste bande offrono diversi vantaggi prestazionali, tra i quali una maggiore larghezza di banda disponibileeunmaggioreguadagnoaparitàdidimensionidelldantenna.lapresentetesimira a studiare tali bande di frequenza attraverso lduso di tecniche radiometriche. Il primo tema riguarda una tecnica radiometrica da terra che sfrutta il sole come sorgente radiativa. La temperatura di rumore di antenna è misurata prima con il contributo del sole e successivamentesenzalostesso.sviluppandounalgoritmodielaborazioneadhoc,possiamo stimaresialdattenuazioneatmosfericaperognicondizionemetereologica,sialatemperaturadi brillanzadelsole.inizialmente,vienepresentataunadescrizionedellatecnicaradiometricadi SunGtracking, insieme ad una valutazione complessiva degli errori rispetto a varie fonti di incertezza. Successivamente, vengono proposte due diverse tecniche per stimare la temperatura di brillanza del sole, basate rispettivamente su una scansione in elevazione (metodolangley) e sull utilizzo di misuresuperficiali (metodo meteorologico), con annesso confronto in situazioni di aria chiara. Un esempio di applicazione viene mostrato su delle misure radiometriche in bande Ka, V e W effettuate a Rome (NY, USA). I risultati sono discussi insieme alla validazione di nuovi modelli fisici di previsione dell attenuazione di percorsoallestessebandedifrequenza.isuddettimodellisonocaratterizzatidaunaforma parametricachesfruttadatiradiometricimulticanaleesonoingradodifornireunastimaper ogni condizione meteorologica. L approccio proposto evidenzia un potenziale molto interessante, soprattutto in relazione alle difficoltà nel condurre esperimenti di radiopropagazione tramite canali terragsatellite nelle regioni di frequenza inesplorate delle ondemillimetricheesottogmillimetriche.lasecondapartedellapresentetesiesponeunveroe proprio progetto operativo applicato a BepiColombo, la prima missione ESA (Agenzia SpazialeEuropea)voltaastudiareilpianetaMercurio,cheadottaunsistemaditrasmissione in banda Ka per il downlink a 32 GHz. Il lavoro è stato eseguito durante un periodo di tirocinionelladivisionedisistemiditerradelcentrooperativospazialeeuropeo(esagesoc, Darmstadt, Germania). In particolare, è stato sviluppato un modello radiativo semplificato, sfruttando il set di dati proveniente da un sistema radiometrico e da una stazione meteorologicapresenteacebreros(spagna).parametridisuperficie(comeadesempioiltasso dipioggia,latemperatura,lapressioneel umidità)possonoessereconvertitiinunvaloredi attenuazionedipercorso,facendodiverseipotesisullastratificazioneverticaledell atmosfera. Infine,unmodulovienepresentatopiùneldettaglio,ingradodirilevarecoperturanuvolosae dicorreggereaposteriorilaserietemporalediattenuazionefornitadalmodellosemplificato. IV

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