High latitude optical satellite communications – cloud coverage in Norway

Abstract

Sammendrag Trådløs satellittkommunikasjon har tradisjonelt benyttet modulerte radiobølger for overføring av informasjon til, fra og mellom satellitter. Optisk kommunikasjon benytter lignende prinsipper med elektromagnetiske bølger (fotoner) med mye høyere frekvens (THz). Den økte frekvensen fører til at hydrometeorer i form av skyer og tåke demper de optiske signalene kraftig. I denne studien undersøker vi graden av skydekke i norske nordområder for å estimere tilgjengeligheten for optiske bakkestasjoner som kommuniserer med satellitter. Vi har benyttet tolv måneder med skybilder tatt fra værobservasjonssatellitter i 2014, og behandlet dem for å trekke ut prosentdelen av bilder som har skydekke mindre (eller større) enn en terskel. Resultatene presenteres i form av numeriske kart for deler av Norge nord for 620N inkludert Svalbard og havområdet rundt. Manuelle skyobservasjoner fra samme tidsperiode er benyttet for å validere resultatene. I tillegg har vi benyttet numeriske værmodeller fra Meteorologisk institutt (AROME MEPS og Arctic) som dekker hele det norske området i 2018. Det ble funnet relativt store forskjeller mellom manuelle og satellittbaserte observasjoner, spesielt i tilfeller med lite skyer. Det understrekes at rutenettet for bildene (1,6/2,5 km grid, avhengig av datasett) ikke er direkte sammenlignbart med de manuelle observasjonene i form av skydekke for synlig (halvkuleformet) himmel. Satellittdataene og modelldataene er også fra to forskjellige år. De numeriske dataene ble benyttet til å estimere i hvor stor grad to bakkestasjoner forbedrer sannsynligheten for skyfri himmel. Resultatene viser generelt mindre skydekke over land og øyer som Svalbard og Grønland sammenlignet med havområdene. Satellittbildene fra 2014 hadde maksimalt 59% skyfrie bilder. Lokasjonene for potensielle bakkestasjoner i Norge hadde maksimalt 33% skyfrie bilder. Verdier gitt av AROME-modellene for 2018 er mye lavere enn satellittdata, med størst forskjell på øylokasjoner. Maksimal skyfri andel var på 25% i Sør-Norge. Bruk av to bakkestasjoner forbedrer tilgjengeligheten noe. Kombinasjon av to lokasjoner økte sannsynligheten for at minst en stasjon har skyfrie forhold i 39–54% av tiden. Dette er vesentlig mindre enn ønsket dersom målet er å oppnå optisk tilgang til satellitter i løpet av alle passeringer for en lav jordbane eller kontinuerlig kommunikasjon med geostasjonære satellitter. En kombinasjon av mer enn to stasjoner, fortrinnsvis også sammen med radiokommunikasjon, er ventet å forbedre tilgjengeligheten i nordområdene. Samarbeid med optiske bakkestasjoner i andre land kan være nødvendig for å oppnå høy tilgjengelighet og derved nedlasting av observasjonsdata for alle satellittpasseringer.

Summary Wireless satellite communications has traditionally utilized modulated radio waves to transfer information to, from and between satellites. Optical communications utilize similar principles with electromagnetic waves (photons) at significantly higher frequencies (THz). The increased frequency implies that hydrometeors in form of clouds and fog severely attenuate optical signals. In this study we investigate the amount of cloud coverage within the Norwegian High North to be able to estimate the optical communications availability of a ground station communicating with satellites. We have utilized twelve months of cloud coverage images obtained from weather satellites in 2014, and processed these to obtain the percentage of images having cloud coverage less (or exceeding) a given threshold. The results are in forms of numerical maps for parts of Norway north of 620N including Svalbard and surrounding sea area. Manual cloud observation data from the same time period has been used to validate the results. In addition we have utilized numerical weather models from the Norwegian Meteorological Institute (AROME MEPS og Arctic) covering the complete Norwegian area for the year 2018. Significant differences were observed, especially in cases with low cloud coverage. However, it should be noted that the image grid (1.6/2.5 km grid, depending on dataset) is not directly comparable with the manual observations of cloud coverage of the (hemispherical) sky. The satellite and model datasets also cover different years. The numerical cloud data was utilized to estimate to what degree diversity with two ground stations improves the probability of having clear sky. In general, less cloud cover is observed over land, and islands such as Svalbard and Greenland have significantly lower cloud coverage compared to areas in the open sea. The satellite images from 2014 indicate a maximum of about 59% with cloud-free conditions. At the potential Norwegian ground locations selected for study, we observe less than about 33% cloud-free conditions. Values given by the AROME prediction models for 2018 are significantly lower than those from satellite images, especially at the island locations. The highest percentage of cloud free conditions is found in the southern Norway with values around 25%. Two-station diversity has the potential of improving the availability, and a combination of two sites increases the probability of either one (or both) having cloud-free images to between 39 and 54%, depending on the dataset. This is significantly less than an objective of having optical access to satellites during all passes for low earth orbiting satellites or continuous communications with geostationary satellites. A combination of more than two diversity stations, and preferably also utilizing radio frequency communications, is expected to improve the access to satellites in the High North. Cooperation with optical Earth stations in other countries may be required to ensure successful downloading of observation data in each pass.