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Título: Analysis and prediction of space weather events and their impacts on satellite communication systems
Autor(es): Ferreira, Arthur Amaral
Orientador(es): Borges, Renato Alves
Coorientador(es): Borries, Claudia
Assunto: Comunicação por satélite
Cintilação
Distúrbios ionosféricos
Clima Espacial
Data de publicação: 20-Jun-2024
Referência: FERREIRA, Arthur Amaral. Analysis and prediction of space weather events and their impacts on satellite communication systems. 2023. 153 f., il. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) — Universidade de Brasília, Brasília, 2023.
Resumo: Os eventos de clima espacial podem afetar a operação de sistemas tecnológicos modernos dos quais a humanidade depende atualmente, incluindo redes de energia elétrica, veículos espaciais, comunicação por ondas de rádio e sistemas de navegação. Portanto, qualquer nova informação que nos ajude a prever e entender melhor os fenômenos do clima espacial e seus impactos em nossa infraestrutura e serviços é do maior interesse. Nesse contexto, este manuscrito apresenta os resultados da investigação de diferentes fenômenos do clima espacial, abordando principalmente os distúrbios ionosféricos propagantes de larga escala (Large Scale Travelling Ionospheric Disturbances, LSTIDs), as subtempestades (avaliadas aqui por meio do índice de eletrojato auroral (Auroral Electrojet, AE) e os efeitos da rotação de Faraday e da cintilação na comunicação por satélite na banda UHF. Na primeira parte deste manuscrito, é realizada uma análise estatística dos LSTIDs observados em médias latitudes na região Européia durante a fase descendente do ciclo solar 24. Além disso, é apresentada uma investigação sobre os possíveis índices derivados de dados de GNSS que podem servir como precursores para a ocorrência de LSTIDs. Os resultados indicam que o índice AATR (Along Arc TEC Rate) e os gradientes ionosféricos são candidatos promissores que podem auxiliar o monitoramento em tempo real de tais distúrbios. Esse manuscrito também apresenta metodologias para prever as subtempestades e os LSTIDs usando dados de vento solar coletados no Ponto Lagrangiano L1. Para prever o índice AE, é proposto um modelo de rede neural artificial feed-forward, e os resultados sugerem que a irradiância solar pode não influenciar as estimativas. Além disso, os resultados mostraram que as informações combinadas do campo magnético interplanetário (Interplanetary Magnetic Field, IMF) e da velocidade do vento solar fornecem as melhores estimativas do índice AE. As informações do IMF são, no entanto, dominantes quando comparadas à velocidade do vento solar. Com relação aos LSTIDs, diferentes metodologias são investigadas visando permitir a previsão de tais distúrbios sobre a região europeia usando dados de vento solar. Nesse caso, é proposto um novo modelo que, de acordo com o melhor conhecimendo do autor, é o primeiro modelo desenvolvido para a predição do nível de atividade dos LSTIDs. A última parte deste manuscrito é dedicada à investigação dos efeitos da rotação de Faraday e da cintilação ionosférica no planejamento da missão AlfaCrux, que é uma missão educacional e de rádio amador coordenada pelo Laboratório de Simulação e Controle de Sistemas Aeroespaciais da Universidade de Brasília, Brasil. Como o Brasil está localizado em uma região com alta ocorrência de bolhas e irregularidades no plasma ionosférico, a avaliação do risco de interrupção da comunicação devido à cintilação ionosférica é essencial para o planejamento e o uso eficiente do canal de comunicação. Nesse cenário, é proposta uma nova metodologia para avaliar o risco de interrupção da comunicação com base na análise de risco da teoria da decisão. A metodologia proposta pode ser útil não apenas para a missão AlfaCrux, mas para qualquer outra missão de comunicação por satélite que opere na faixa de frequência UHF. As principais contribuições da pesquisa apresentada neste manuscrito são, portanto, o aprimoramento da compreensão desses fenômenos de clima espacial e seus respectivos impactos, e o desenvolvimento de estratégias para prevê-los.
Abstract: Space weather events can affect the operation of modern technological systems that humankind currently relies on, including electric power grids, spaceborne vehicles, radio wave communication, and navigation systems. Therefore, any new information that helps us to predict and better understand the space weather phenomena and their impact on our infrastructure and services is of the highest interest. Hence, this manuscript presents the results of the investigation of different space weather phenomena, addressing primarily the large scale travelling ionospheric disturbances (LSTIDs), the substorms (assessed here via the Auroral Electrojet index, AE), and the effects of Faraday rotation and scintillation on UHF satellite communication. In the first part of this manuscript, an analysis of the LSTIDs observed over mid-latitude Europe during the descending phase of solar cycle 24 is performed. In addition, an investigation on potential GNSS based indices that can serve as precursors for the occurrence of LSTIDs is presented. The results indicate that the Along Arc TEC Rate (AATR) index and ionospheric gradients are promising candidates that may support real-time monitoring of such disturbances. This manuscript also presents methodologies for predicting the substorms and the LSTIDs using solar wind data from Lagrangian Point L1. For predicting the AE index, a feed-forward artificial neural network model is proposed, and the results suggest that the solar irradiance may not influence the estimates. In addition, the results have shown that the combined information of interplanetary magnetic field (IMF) and solar wind velocity provide better estimates of the AE index. The IMF information is, however, dominant when compared to the solar wind velocity. Regarding the LSTIDs, different methodologies for their prediction over the European region using solar wind are investigated, and a new model is proposed, which, to the best of the author’s knowledge, is the first model for LSTIDs activity prediction. The last part of this manuscript is devoted to investigate the effects of the Faraday Rotation and the ionospheric scintillation in the planning of the AlfaCrux mission, which is an amateur radio and educational mission coordinated by the Laboratory of Simulation and Control of Aerospace Systems of the University of Brasília, Brazil. Since Brazil is located in a region with high occurrence of ionospheric plasma bubbles and irregularities, assessing the risk of communication outage due to ionospheric scintillation is essential for planning and efficient use of the communication channel. In this framework, a new methodology for assessing the risk of communication outage based on the risk analysis from decision theory is proposed. This proposed methodology may be useful not only for the AlfaCrux mission, but for any other satellite communication mission operating in the UHF frequency band. The main contributions of the investigation presented in this manuscript are, therefore, the improvement in understanding of these SWe phenomena and their impacts and the development of strategies to predict them.
Unidade Acadêmica: Faculdade de Tecnologia (FT)
Departamento de Engenharia Elétrica (FT ENE)
Informações adicionais: Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2023.
Programa de pós-graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Licença: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Aparece nas coleções:Teses, dissertações e produtos pós-doutorado

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