The SNOWBEAR Link Budget for a detailed comparison of predicted and measured performance at 26.7 GHz

This work was carried out during a six months traineeship program at the European Space Agency (ESA), in the European Space Operation Centre (ESOC) located in Darmstadt, Germany. ESOC is responsible for a wide range of operations, including Launch and Early Orbit Phases (LEOPs) of ESA’s and third-party missions, ground systems engineering, software development, flight dynamics and development of mission control tools. During the internship, the author has worked in the Ground Station Antennas section, taking part in the project called SNOWBEAR (Svalbard grouNd StatiOn for Wide Band Earth observation dAta Reception). The general goal of the SNOWBEAR project is to build, integrate and validate all the prototypes composing the 26 GHz band ground station installed in Svalbard, by performing a 2 years long propagation measurement campaign, collecting data from using NASA JPSS-1 satellite (NOAA-20 after completion of the LEOP campaign). Other major outcomes of this study are, at first, more reliable and empirically validated models, to be used to design future missions (e.g. European Metop-SG). In particular understanding if the actual International Telecommunication Union (ITU) atmospheric model, already validated for X-band application, is reliable also for K-band ones in polar environment. Lastly to gain experience not only with the ground station design process, but also with the validation process itself at this new frequency band is another valuable outcome. This work studies and describes the theory involved in the prediction and analysis of the downlink budget between the NOOA-20 satellite and the ground station located at Svalbard, at the frequency of interest, for different weather conditions. Through the development and use of a dynamic link budget, implemented as a software package tool in Python, real logged data will be analized. Some of these data include signal and noise power level at the input of the high data rate and tracking receivers, antenna azimuth and elevation, autotrack, pointing error, signal copolar and crosspolar components. Also weather parameters like surface temperature, humidity, rain rate are used inputs. At the time of writing most of them are estimated from ITU models, but in the next future they will be logged from a weather station, allowing to use them as real measured inputs for the atmospheric model implemented in the python tool. Thanks to the comparison between signal measurements against the predicted one from all of these inputs, is possible to validate the prototype ground station and to improve the understanding of the present antenna, radome and atmospheric theoretical model.

Modello di link budget per l'analisi delle prestazioni della stazione di terra SNOWBEAR a 26.7 GHz. Questo lavoro è stato svolto durante un programma di internship della durata di sei mesi presso l’European Space Agency (ESA), allo European Space Operation Center (ESOC) a Darmstadt, in Germania. ESOC è responsabile di una vasta gamma di operazioni, tra cui le fasi di lancio e Low Early Orbit Phase (LEOP) delle missioni ESA e di altre agenzie, dello sviluppo di ground stations, dello sviluppo software, delle dinamiche di volo e dello sviluppo di strumenti di controllo missione. In questi mesi, l’autore ha lavorato nella sezione Ground Station Antennas, prendendo parte al progetto chiamato SNOWBEAR (Svalbard grouNd StatiOn for Wide Band Earth observation dAta Reception). L’ obiettivo generale del progetto è di costruire, integrare e validare tutti i prototipi che compongono la catena di ricezione della stazione di terra installata alle Svalbard, per la banda di frequenze tra 25.5 e 27 GHz, attraverso una cam- pagna di misure della durata di due anni in cui verranno analizzati diversi dati raccolti durante il tracking dei pass del satellite JPSS-1 della NASA (chiamato NOAA-20 dopo il completamento della campagna LEOP). Questi dati comprendono il livello di segnale ricevuto dal satellite misurato al ricevitore, il livello di SNR, Eb/N0 , e parametri meteo quali umidità, temperatura, pressione, ma soprattutto l’intensità delle precipitazioni, misurati grazie ad una stazione meteo. Al momento della scrittura di questa tesi, la maggior parte dei parameteri atmosferici viene stimata da modelli forniti dalla International Telecommunication Union (ITU), ma nel prossimo futuro essi verranno misurati dalla stazione meteorologica e forniti come input reali al modello atmosferico usato per il link budget. Dal progetto SNOWBEAR si vuole infatti capire se gli attuali modelli di attenuazione e propagazione atmosferica del segnale sono validi per le applicazioni in ambiente polare che utilizzano questa nuova banda di frequenze, in modo tale da poter essere utilizzati in seguito anche per lo sviluppo di missioni future e.g. Metop-SG. Un ulteriore obiettivo è anche quello di acquisire esperienza con il processo di progettazione e soprattutto validazione delle stazioni di terra a 26 GHz, che utilizzano un radome a protezione dell’ antenna. Nello specifico, questo lavoro di tesi vuole studiare lo sviluppo di un link budget dinamico, descrivendone la teoria utilizzata, e con il quale si vuole stimare il segnale ricevuto dalla ground station durante ogni pass del satellite, per le frequenze di interesse e in maniera dipendente dalle condizioni meteorologiche. Questo link budget, implementato come un software-tool scritto in linguaggio Python, verrà poi utilizzato principalmente per confrontare i dati teorici con quelli realmente misurati dal ricevitore, permettendo di validare la catena di ricezione della ground station e migliorare la comprensione dell’ attuale modello teorico di antenna, radome e atmosfera.