Stimare il rainfall rate con il segnale ricevuto da una parabola televisiva
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La televisione satellitare o televisione via satellite, è la televisione che giunge agli utenti in broadcast o multicast per mezzo di onde radio emesse da trasmettitori posti su satelliti per telecomunicazioni geostazionari.
I segnali trasmessi sono modulati su una portante da e verso il satellite. In generale le tipologie di sistemi satellitari per telecomunicazioni si differenziano tra loro nelle loro caratteristiche tecniche in base all'applicazione o destinazione d'uso (es. broadcasting, telefonia satellitare, internet satellitare, sistemi di radiolocalizzazione e radionavigazione).
Le frequenze utilizzate per i setelliti televisivi, in genere, sono quelli della banda Ku (12–18 GHz), mentre quelli per internet satellitare, sono solitamente sulla banda Ka (26,5–40 GHz).
Durante la visione di un programma televisivo, quasi tutti ci siamo imbattuti in una perdita di segnale durante un temporale. Contrariamente a quello che molti credono, non è lo spessore della coltre di nubi ad attenuare i segnali satellitari ma la concentrazione di gocce d’acqua nell’atmosfera e nelle stesse nubi. In pratica è lo stesso fenomeno che si manifesta nel funzionamento di un forno a microonde. Una radiazione elettromagnetica ad alta frequenza (come quella generata dalle trasmissioni satellitari e dal Magnetron presente nel forno) produce oscillazioni nelle molecole che possiedono polarizzazione come l'acqua: aumentando il moto, l'energia viene convertita in calore e il segnale diventa più debole.
Il segnale ricevuto da una fonte radio si può misurare in vari modi ma in particolare, nel mondo delle comunicazioni radio digitali, si utilizza un parametro che tiene conto del numero di bit trasferibili con quel determinato segnale. Il valore di questo parametro chiamato Eb/No e per una parabola televisiva è quasi sempre lo stesso durante le belle giornate ed è dipendente dal diametro, dal puntamento e da altri piccoli fattori che lo fanno leggermente oscillare intorno ad un valore di base.
Su frequenze così elevate il Rain fade è molto evidente ed esistono addirittura dei metodi matematici per calcolarlo in base alla potenza del segnale emesso, dall'angolo di ricezione della parabola ed altri fattori. Ecco un articolo di esempio su quanto possa influire.
Il KWOS ha un stazione di ricezione delle immagini del Meteosat Second Generation che utilizza un satellite geostazionario chiamato EUTELSAT 10a per inviarle a terra in broadcast. Uno dei software utilizzati dal sistema è BDADataEx che permette l'interfacciamento del tuner con il PC. Questo software ha la funzione di logging in cui scrive molte volte al minuto il valore di Eb/No .
Monitorando questo valore e con successive elaborazioni basate sul controllo della deviazione giornaliera del segnale o abbassamenti di segnale causato dal passaggo del Sole, è possibile stimare il rain rate.
Ecco un esempio di come viene confrontato con altri sistemi di monitoraggio della pioggia.
Sulla stessa immagine è presente anche il risultato di un altro progetto basato sullo stesso fenomeno: Nefocast
Oltre ai due Rain rate calcolati dal segnale delle due parabole, come comparazione, sono stati scelti due tipi di pluviometri: pluviometro a bascula doppio layer e un mini radar a 26GHz che usa l'effetto doppler. In più è rappresentato il campo elettrico che è dipendente dalla carica elettrica contenuta all'interno delle nuvole: maggiori saranno i Kvolts/metro registrati, più grande sarà il cumulonenbo che transiterà sulla stazione di rilevamento.
Due articoli spiegano come ottenere il Rain Rate dall'attenuazione del segnale ricevuto:
Rainfall Detection and Rainfall Rate Estimation Using Microwave Attenuation
Rainfall measurement from the opportunistic use of an Earth–space link in the Ku band
Ecowitt WS80 - correzione della temperatura rilevata
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Ero alla ricerca di un metodo per migliorare le performances della WS80 della Ecowitt che ritengo un'ottima stazione a basso prezzo.
Mi sono così imbattuto nelle pagine web che spiegavano i pregi della stazione all-in-one chiamata: ATMOS 41.
In particolare, la pagina web
Weather station comparison and peformance testing | METER Research
e soprattutto il manuale
20635_ATMOS41_Manual_Web.pdf
spiegano come il sensore di temperatura fosse un trasduttore sistemato al centro dell'area dell'anemometro ultrasonico:
"A differenza della maggior parte delle altre stazioni meteorologiche, il sensore della ATMOS 41 non è coperto da schermi per proteggerlo dal riscaldamento solare. Si trova all'aria aperta, suscettibile al riscaldamento solare del corpo dello strumento. Tuttavia, ATMOS 41 calcola la temperatura dell'aria in modo accurato perché sono note la radiazione solare e la velocità del vento. Questi sono i due parametri principali che determinano l'errore tra la temperatura dell'aria misurata e la temperatura effettiva dell'aria. Pertanto, è possibile conoscere il bilancio energetico e ottenere quale dovrebbe essere la temperatura effettiva, in base all'apporto dei raggi UV sul corpo e del raffreddamento convettivo del sensore di temperatura."
Sebbene la nostra WS80 avesse una piccola schermatura del sensore di temperatura, sappiamo bene quanto possa essere non efficace, così ho provato ad applicare la formula (11) del bilancio energetico adattandola alla WS80, a cui poi ho fornito i dati provenienti dalla stazione.
Sulla pagina del Confronto sensori del KWOS si vede il risultato dell'applicazione della formula di correzione.
NOTA:
Rispetto alla formula di base, sono state apportate delle modifiche al software perchè la WS80 ha un suo schermo solare che in qualche modo reagisce alle variazioni di radiazione solare e di conseguenza fa reagire il sensore che c'è all'interno.
In particolare, si è notato:
1) latenza quando la radiazione solare passa da una discesa ad una risalita (es. passaggio di nuvole)
2) latenza quando la radiazione solare è in discesa (es. Sole che inizia la discesa apparente)
Questo significa che non si può utilizzare un solo parametro di "assorbibilità della radiazione solare del materiale" ( αs ), in questo caso la plastica o ABS.
Il parametro va calibrato a seconda che la radiazione solare sia in salita o in discesa e va assegnato un peso differente.
Nel nostro caso, e' vero che il sensore ha una dimensione inferiore al millimetro, ma non è in aria completamente libera ed il vento e la radiazione non lo lambiscono direttamente. E' inserito all'interno di uno schermo che crea una mini atmosfera dipendente da quanto esso stesso venga lambito da Sole e vento.
Al momento, questi sono i diagrammi che spiegano il funzionamento:
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Qui di seguito un esempio di come performa la soluzione. Verde = WS80 - Celeste = Meteoshield Pro - Rosso = Apogee ventilato - Viola = WS80 corretto
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Per maggiori informazioni su come funziona il bilancio energetico alla superficie del nostro pianeta, vi rimando a questo articolo: http://bolchem.isac.cnr.it/data/docs/l10_14.pdf
o a questi video del Dr. Bruce Bugbee della Apogee
L'articolo "Air temperature sensors: dependence of radiative errors on sensor diameter in precision metrology and meteorology" spiega la relazione tra la dimensione di un sensore di temperatura e la sua influenza alla radiazione solare e alla velocità del vento.
Un importante spunto per altri test, può essere il documento "A new technique for the accurate upper air temperature measurement using radiosonde", in cui si spiega come trovare la corretta temperatura utilizzando due termistori di colorazione diversa.
Nefocast
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Ha inizio la sperimentazione per il progetto Nefocast. 
E' già da tempo che il KWOS utilizza il Signal-to-noise ratio di un ricevitore per satelliti televisivi in Banda Ku per determinare il Rainfall rate sulla propria stazione, ma il progetto Nefocast ha come obiettivo ulteriore, quello di progettare, implementare e validare un prototipo di piattaforma tecnologica integrata che consenta di analizzare le informazioni fornite dagli SmartLNB, integrandole con sensori pluviometrici, al fine di migliorare l'accuratezza e la distribuzione delle stazioni, per incrementare la precisione delle mappe pluviometriche.
Gli SmartLNB sono dei terminali IoT ideati da Egatel che si possono installare sulle parabole satellitari al posto dei comuni LNB.
L’idea del progetto si basa sul fatto che ciascun terminale SmartLNB, per poter trasmettere adeguatamente il suo segnale, deve prima effettuare una analisi sulla potenza da impiegare durante la trasmissione. Tale analisi tiene conto di vari fattori, tra cui la potenza del segnale ricevuto dal satellite.
Il livello di potenza con il quale il terminale trasmette viene comunicato al teleporto che dispone anche del valore della potenza del segnale effettivamente ricevuto (ovviamente attenuato per la propagazione).
Facendo uso di questi valori è possibile determinare l’attenuazione del segnale durante la propagazione.
Presso il teleporto è nota anche la posizione di ciascun terminale SmartLNB, pertanto è possibile realizzare una mappa dei livelli di attenuazione del segnale, tanto più accurata quanto più alto è il numero dei terminali,
L’attenuazione del segnale è dovuta a tanti fattori, ma alle frequenze usate dai terminali SmartLNB tale attenuazione è dovuta prevalentemente alle precipitazioni meteorologiche.
Un'importante studio, denominato "THE POTENTIAL OF SMARTLNB NETWORKS FOR RAINFALL ESTIMATION" è stato presentato al "2018 IEEE Workshop on Statistical Signal Processing (SSP)". Si tratta di una spiegazione accurata di come funziona il progetto Nefocast.
Uno schermo solare per il WH31 della Ecowitt
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Se non si ha la possibilità o non si vuole modificare il trasmettitore
WH31 della Ecowitt e non si vuole comunque rinunciare ad un buon schermo contro la radiazione solare, consigliamo l'utilizzo di un BGT Solar shield. Come si può vedere dalle immagini, la versione a 14 piatti crea la giusta ventilazione.
Le dimensioni sono: diametro interno: 61mm, altezza interna:170mm, diametro esterno: 140mm
E' possibile osservare l'andamento della temperatura al suo interno, sulla solita pagina del Confronto sensori.
WH31 o DP50 con sensore esterno
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Le stazioni della Fine Offset, come le Ecowitt o le Froggit, permettono la connessione di 8 sensori esterni. Le dimensioni però sono generose perchè contengono l'elettronica, un display e le batterie. E' difficile poter trovare uno schermo solare adeguato o per esempio, non è possibile utilizzarli per monitorare la temperatura del terreno.
Fortunatamente i chip usati come sensori sono dei Sensirion SHT30 che funzionano con bus i2c.
La modifica che proponiamo è quella di portare all'esterno del PCB i segnali SCL e SDA in modo da poter collegare sensori esterni della serie SHT3x.
Dopo aver smontato la cover, individuare sul PCB il sensore SHT30, ben visibile perchè è situato
accanto all'antenna.
Segui sulla immagine qui a fianco:
- Individua l'SHT30 denominato U5 sul PCB
- individua, proprio vicino a U5, le due resistenze di Pull Up chiamate R8 e R9
- individua il filtro capacitivo chiamato C16
- rimuovi la pittura protettiva sul PCB intorno ai componenti appena trovati.
- elimina dal PCB tutti i componenti individuati ai punti 2 e 3
- salda quattro cavi di diametro AWG30 o inferiore nei punti che sull'immagine ho denominato SCK, SDA, VCC, GND (per il GND puoi usare qualsiasi punto sul PCB che sia a massa)
- ora hai tutti i segnali i2c, puoi saldarli su un connettore che inserirai da qualche parte sulla cover effettuando delle feritoie in modo da accoglierlo.
